CN101017875A - 高亮度发光晶体管及其制备方法 - Google Patents

高亮度发光晶体管及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种高亮度发光晶体管，包括衬底(1)、形成于衬底(1)上的缓冲层(2)、形成于缓冲层(2)上的n型布拉格反射层(3)、形成于n型布拉格反射层(3)上的n+型电子发射层(4)、与n+型电子发射层(4)欧姆接触的发射电极(5)、形成－于n+型电子发射层(4)上的n－型基区层(6)、与n－型基区层(6)欧姆接触的电极(7)、形成于n－型基区层(6)上的多量子阱有源发光层(8)、形成于多量子阱有源发光层(8)上的p型掺杂的集电极层(9)以及与p型掺杂的集电极层(9)欧姆接触的电极(10)。具有上述结构的发光晶体管的发光功率大于3mW。

Description

高亮度发光晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种的高亮度发光晶体管及其制备方法。
背景技术
II-VI族和III-V族化合物具有直接带间跃迁的半导体发光材料，材料的发光波长覆盖从红外到紫外整个波段。其中，氮化镓(GaN)是一种直接宽带隙半导体，具有3.4eV的带隙宽度。氮镓铟(InGaN)、氮镓铝(AlGaN)化合物带隙宽度从1.9eV到6.2eV，砷化镓(GaAs)化合物的为1.4eV。
在现有技术中，LED基本结构是由P型电极、有源发光区和N型电极构成。将LED的P端和N端接入电路中，通过恒流源供电，调节LED的端电压即可控制LED的发光强度，在LED显示屏技术中，一般采用控制LED发光时间占空比的方法控制发光强度，即通过控制发光时间与不发光时间的比例来调节发光效果。但是，这种调节方法，需要使用高亮度的晶体管提供灌电流输入，产生大量的热，同时调节起来相对不是很方便。
目前，还没有成熟的制造发光晶体管的技术，尚处于初始研究阶段。主要方法有：一种是按照传统晶体管原理制造的NPN型发光晶体管器件，既利用器件的p型掺杂区发光，同时又作为基区进行控制，但是，由于基区很薄，绝大部分电子没有及时与基区中的空穴复合发光，而是直接穿过基区到达了n型掺杂集电区，大部分电子用来放大基区电流，只有少数电子参与发光，发光效率不高。另一种是实空间转移发光晶体管，是通过源极和漏极之间加正向电压时，电子在源极和漏极被加速到一定的能量后，就可以通过实空间转移效应，进入有源区，与栅极注入到有源区的空穴复合发光，但是，由于实空间转移效应的电子注入效率非常低，因此这种发光晶体管的发光效率也非常低。
发明内容
本发明的目的是针对现有发光晶体管的发光效率低提供一种基于III-V族化合物或者II-VI族化合物的高发光效率的高亮度发光晶体管。
本发明的另一个目的是提供上述高亮度发光晶体管的制备方法。
本发明的一种高亮度发光晶体管，如图1所示，包括衬底1、形成于衬底1上的缓冲层2、形成于缓冲层2上的n型布拉格反射层3、形成于n型布拉格反射层3上的n+型电子发射层4、与n+型电子发射层4欧姆接触的发射电极5、形成于n+型电子发射层4上的n-型基区层6、与n-型基区层6欧姆接触的电极7、形成于n-型基区层6上的多量子阱有源发光层8、形成于多量子阱有源发光层8上的p型掺杂的集电极层9以及与p型掺杂的集电极层9欧姆接触的电极10。
上述衬底1可以采用蓝宝石、硅或二氧化硅材料。
上述III-V族化合物材料可以采用III族的Ga(镓)或Al(铝)元素，以及V族的N(氮)等元素组成的化合物。例如制备n+型电子发射层4使用GaN搀杂Si材料，n-型基区层6使用GaN搀杂Si、In材料，多量子阱有源发光层8使用GaN搀杂In材料，以及利用通用技术制备电极。
上述II-VI族化合物材料可以采用II族Zn元素，以及VI族O元素等元素组成的化合物，制备n+型电子发射层4、n-型电子发射层6使用ZnO掺杂Be材料，多量子阱有源发光层8使用ZnO掺杂P元素材料，以及利用通用技术制备电极。
本发明的发光晶体管的工作原理：器件正常工作时，在p型集电极10和n+发射极5之间加正向电压Vpn，n-基极7和n+发射极之5间加正向电压Vnn，电子由n+型发射区经过n-型基区进入有源区，Vnn控制着基区量子阱势垒的高度，控制了通过异质结的电子数量，起到了调节器件发光强度的作用，进入有源区的电子与由p型空穴发射区注入的空穴复合发光，其中，1＜Vpn＜15V，0.1＜Vnn＜8V。
本发明的发光晶体管的制备方法如下：
1、利用金属有机气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术，生长III-V族GaN材料。
2、选择蓝宝石、硅或二氧化硅材料的衬底1，生长缓冲层2。
3、生长GaN材料时通过Si材料的掺杂生长多周期的n型的超晶格3。
4、继续生长Si材料掺杂浓度为1017～1019cm-3的n+型材料的电子发射层4。
5、改变Si掺杂浓度为1016～1018cm-3，生长突变的n-型基区层6。
6、在In1-xGaxN材料中(0.03＜x＜0.95)，通过改变x的比值控制In材料的掺杂组分，生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源层8。
7、在多量子阱有源层8上生长Mg掺杂浓度为1017～1019cm-3的p型集电层9，得到发光三极管的外延片。
8、通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n+型层4表面，再利用光刻的方法形成n+型层欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金等材料，形成发射区欧姆接触电极5。
9、利用上述方法，制作基区层6的n-电极7和集电层9的P型电极10，得到带有控制端的发光晶体管。
本发明的发光晶体管的特点：(1)采用了p型、n-型、n+型晶体管结构；(2)具有n-型基极可以控制发光；(3)发光晶体管的发光功率大于3mW，高于现有技术中发光功率100nW。
附图说明
图1是本发明发光晶体管剖面结构示意图；
图2是本发明发光晶体管的能带图；
图中，1是衬底，2是缓冲层，3是n型布拉格反射层，4是n+型发射区，5是n+电极，6是n-型基区，7是n-电极，8是有源区，9是P型集电区，10是p电极，11是量子阱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1中，电子由n+型GaN发射区4，经过n-型基区5进入有源区8，然后在有源区8与由p型AlInP集电区9注入的空穴复合发光。其中加在n-型InGaN基区电极7上的电压控制着基区量子阱势垒高度，进而控制了通过异质结的电子数量，起到了调节器件发光强度的作用。
图2示意了本发明发光晶体管的能带图，通过能带图可以清楚看出，基区6的突变同型异质结接触形成的量子阱11可以起到限制电子的作用，调节异质结的势垒可以起到调节电子通过异质结量子阱11的数量，从而可以起到调节发光的作用。
实施例1
利用III-V族化合物材料GaN材料制备高亮度晶体管。一种发光晶体管，选用蓝宝石衬底，由宽带隙的n+型电子发射区4、窄带隙的n-型基极控制区6、有源发光区8和p型空穴发射区9构成。在蓝宝石材料衬底1上形成缓冲层2，再形成n型布拉格反射层3，然后是n+型电子发射层4，再生长突变n-型基区层6，轻掺杂n-型基区层6与n+型重掺杂发射区层4通过突变同型异质结接触，在靠近n-型轻掺杂基区层6的结区一侧形成量子阱11，可变量子阱的势垒高度通过施加电压进行控制，在n-型层6上继续生长多量子阱有源发光层8和p型掺杂的集电极层9，最后形成了外延片，通过半导体平面工艺技术制备成相应的p型电极10、n-型电极7和n+型电极5，形成了晶体管器件。其中，在In1-xGaxN材料中，通过变化x的比值来改变In元素的搀杂浓度，致使改变材料的带隙宽度形成控制区或发光区，在GaN材料中利用Mg材料掺杂形成p型区，利用Si掺杂形成n型区。
本实施例的发光晶体管的制备方法是：利用MOCVD技术，生长GaN材料。选择蓝宝石为半导体材料衬底1，生长缓冲层2。通过Si材料的掺杂生长多周期的n型的超晶格3。继续生长Si材料掺杂浓度为1018cm-3的n+型材料的电子发射区4。改变Si掺杂浓度为1017cm-3，生长突变的n-型基区6。在生长In1-xGaxN材料时(0.03＜x＜0.95)，通过改变x的比值控制In材料的掺杂组分，生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源区8。在多量子阱有源区8上生长Mg掺杂浓度为1018cm-3的p型集电区9，得到发光三极管的外延片。通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n+型层4表面，再利用光刻的方法形成n+型层欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金等材料，形成发射区欧姆接触电极5。利用上述方法，可以制作基区的n-电极7和集电区的P型电极10，得到带有控制端的发光晶体管。
正常工作时，电子的运动如图2所示，集电极10和发射极5之间加Vpn(4＜Vpn＜5V)正向电压，基极7电压从0V逐渐递增到限定电压Vnn(0.1＜Vnn＜0.5V)时，发光晶体管逐渐变亮，基极电压达到限定电压时，发光强度最大。
实施例2
利用II-VI族化合物材料ZnO材料制备高亮度晶体管。
与实施例1相比，实施例2的不同之处在于：采用ZnO材料，搀杂P元素形成p型集电区9，搀杂Be元素形成有源发光区8、n-型基区6、n+型电子发射区4。
其他与实施例1一样。

Claims (5)

1、一种高亮度发光晶体管，其特征在于包括衬底(1)、形成于衬底(1)上的缓冲层(2)、形成于缓冲层(2)上的n型布拉格反射层(3)、形成于n型布拉格反射层(3)上的n+型电子发射层(4)、与n+型电子发射层(4)欧姆接触的发射电极(5)、形成于n+型电子发射层(4)上的n-型基区层(6)、与n-型基区层(6)欧姆接触的电极(7)、形成于n-型基区层(6)上的多量子阱有源发光层(8)、形成于多量子阱有源发光层(8)上的p型掺杂的集电极层(9)以及与p型掺杂的集电极层(9)欧姆接触的电极(10)。
2、根据权利要求1所述的发光晶体管，其特征在于：所述衬底(1)的材料为蓝宝石、硅或者二氧化硅；所述布拉格反射层(3)、n+型电子发射层(4)、n-型基区层(6)、多量子阱有源发光层(8)和集电极层(9)的基本材料为II-VI族化合物或者和III-V族化合物。
3、根据权利要求2所述的发光晶体管，其特征在于：所述III-V族化合物为GaN或者AlN。
4、根据权利要求2所述的发光晶体管，其特征在于：所述II-VI族化合物为ZnO。
5、权利要求1-4之一所述的发光晶体管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
——利用金属有机气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术，生长III-V族GaN材料；
——选择蓝宝石、硅或者二氧化硅材料的衬底(1)，生长缓冲层(2)；
——生长GaN材料时通过Si材料的掺杂生长多周期的n型的超晶格层(3)；
——继续生长Si材料掺杂浓度为1017～1019cm-3的n+型材料的电子发射区层(4)；
——改变Si掺杂浓度为1016～1018cm-3，生长突变的n-型基区层(6)；
——在In1-xGaxN材料中(0.03＜x＜0.95)，通过改变x的比值控制In材料的掺杂组分，生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源区层(8)；
——在多量子阱有源区上生长Mg掺杂浓度为1017～1019cm-3的p型集电极层(9)，得到发光三极管的外延片；
——通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n+型电子发射区层(4)表面，再利用光刻的方法形成n+型层欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金等材料，形成发射区欧姆接触电极(5)；
——制作基区的n-电极(7)和集电区的P型电极(10)，得到带有控制端的高亮度发光晶体管。
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