CN101540364A - 一种氮化物发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物发光器件及其制备方法，涉及一种半导体发光器件。提供一种非对称耦合多量子阱结构为有源区的氮化物发光器件及其制备方法。至少包括n－型电子注入层、p－型空穴注入层和多量子阱有源层，多量子阱有源层夹在n－型电子注入层和p－型空穴注入层之间。有源层由非对称耦合量子阱结构组成。量子阱的垒层较薄，易实现载流子隧穿，且量子阱中基态能级间的跃迁能量逐渐变化，跃迁能量大的量子阱接近p型注入层，跃迁能量小的量子阱接近n型注入层。用此有源区结构可增强空穴在量子阱有源区中的隧穿输运，同时阻挡电子在量子阱有源区中的隧穿输运，改善氮化物发光器件有源区中载流子分布不均现象，减小电子泄露和能带填充效应，实现高效发光。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，尤其是涉及一种非对称耦合量子阱为有源区的氮化物发光器件，诸如发光二极管(LED)或激光二极管((LD)。
背景技术
GaN基材料是指GaN、InN、AlN以及它们的三元和四元化合物，属于直接带隙半导体材料，具有优异的机械和化学性能，室温下其发光波长涵盖了近红外、可见以及深紫外波段。基于GaN基材料制作的半导体发光器件在大屏幕全色显示、照明、信息存储以及医学等领域具有广阔的应用前景。
目前，氮化物发光器件主要采用多量子阱结构作为有源层，载流子的注入方式为双极性输入，即电子和空穴分别从有源区的两端n型掺杂区和p型掺杂区输入，载流子在各个阱间的分布主要由电子和空穴的输运特性来决定。由于空穴有效质量比电子有效质量大得多，而迁移率比电子迁移率低，因此在InGaN多量子阱中空穴的注入和分布是很不均匀的，最靠近p区的量子阱中的空穴浓度最高，对发光的贡献最大。随着注入电流的增大，必然导致靠近p区的量子阱中载流子大量聚集，使电子从有源区的泄露几率增加，从而大大降低有源区的外量子效率，这也是导致高输出功率LED效率骤降的主要原因(X.F.Ni，Q.Fan，R.Shimada，etal.，Reduction of efficiency droop in InGaN light emitting diodes by coupled quantum wells，2008，93(17)：171113；J.Q.Xie，X.F.Ni，Q.Fan，et al.，On the efficiency droop in InGaN multiplequantum well blue light emitting diodes and its reduction with p-doped quantum well barriers，ApplPhys Lett，2008，93(12)：121107)。同时，由于能带填充效应增强，发光波长也会发生明显的蓝移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非对称耦合多量子阱结构为有源区的氮化物发光器件及其制备方法。采用这种器件结构可以实现空穴的在量子阱有源区中的有效输运，从而改善氮化物发光器件有源区中载流子分布不均现象，减小电子泄露和能带填充效应，提高器件的发光效率和波长稳定性。
本发明所述氮化物发光器件至少包括n-型电子注入层、p-型空穴注入层和多量子阱有源层，多量子阱有源层夹在n-型电子注入层和p-型空穴注入层之间。
所述n-型电子注入层可以是n型GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种，所述n-型电子注入层的禁带宽度大于量子阱有源层的禁带宽度。
所述p-型空穴注入层可以是p型GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种，所述p-型空穴注入层的禁带宽度大于量子阱有源层的禁带宽度。
所述量子阱的垒可以是GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种，所述阱可以是GaN、AlGaN、InGaN三种化合物中的至少一种，垒的禁带宽度大于阱的禁带宽度；多量子阱有源层由非对称耦合量子阱组成，非对称耦合量子阱包括至少两个量子阱，所述量子阱的垒层＜10nm，相邻量子阱之间存在耦合效应，阱中的电子和空穴能够隧穿通过垒层进入下一个量子阱；所述量子阱中基态能级(m＝1)间的跃迁能量(该能量决定器件的发光波长)逐渐变化，跃迁能量大的阱接近p-型空穴注入层，跃迁能量小的阱接近n-型电子注入层。
多量子阱有源区可以是一组非对称耦合量子阱，也可以是多组的组合，组与组之间用氮化物插入层进行连接。
在实际情况中，主要通过改变阱宽或组分来实现非对称耦合量子阱，主要包括以下三种情况：
(1)量子阱的阱宽逐渐增大，其中窄阱靠近p-型接触层，宽阱靠近n-型接触层；
(2)量子阱中In的含量逐渐增加，或Al的含量逐渐减小，也即量子阱的禁带宽度依次减小，其中禁带宽度较人的量子阱靠近p-型接触层，禁带宽度较小的量子阱靠近n-型接触层。
(3)量子阱的阱宽逐渐增大，同时量子阱中In的含量逐渐增加，或Al的含量逐渐减小，也即以上两种情况的组合。
本发明所述氮化物发光器件的制备方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的p型AlGaN层和p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在LED外延片上，采用感应耦合等离子体部分地刻蚀p型GaN层、p型AlGaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层，形成一台面状，并暴露出n型GaN层，在露出的n型GaN层上制备n型电极；
3)在剩余未刻蚀的p型GaN层上制备p型电流扩展层以及p型电极。
本发明所述氮化物发光器件的另一种制备方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层，未掺杂的GaN层，n型GaN层，n型AlGaN/GaN超晶格光限制层，n型GaN波导层，InGaN多量子阱有源层，p型AlGaN载流子限制层，p型GaN波导层，p型AlGaN/GaN超晶格光限制层，p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在制作的激光器的外延结构表面采用蒸发的方法蒸镀金属层，并利用剥离方法形成图形，然后在氮气气氛或氮气与氧气的混合气氛中进行合金化，形成良好的p型欧姆接触电极；
3)利用介质膜或光刻胶作掩膜，采用感应耦合等离子体技术在蒸镀了p型欧姆接触电极的激光器外延结构上刻蚀出激光器的n型接触区域；
4)利用光刻胶作掩膜刻蚀出激光器的脊型结构，并保留剩余的光刻胶掩膜，并在刻蚀出脊型结构的激光器上蒸镀或沉积SiO2介质膜隔离层，并采用剥离的方法露出脊型表面的p型欧姆接触电极；
5)采用光刻和蒸镀金属电极的方法形成激光器的p型加厚电极和n型欧姆接触电极。
所述蒸镀金属层的材料为金、银、镍、铂、钯中的一种，或金、银、镍、铂、钯中的两种或三种金属的合金。
本发明的突出优点在于：
1)采用较薄的垒层，提高了量子阱之间载流子的隧穿几率，有利于载流子的输运。
2)由于载流子优先填充较低能级，在非对称量子阱中，载流子从禁带宽度大的阱(或窄阱)向禁带宽度小的阱(或宽阱)的隧穿几率会大大增加。因此在本发明所设计的结构中，空穴的隧穿几率会大大增加，而电子的隧穿几率将因受到阻挡而大大降低。考虑到空穴的有效质量远大于电子，而迁移率远小于电子，这种变化将会极大改善量子阱中载流子分布不均现象，并可以减少有源区电子的泄露，从而有效提高器件的发光效率和波长稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的非对称耦合量子阱有源区能带示意图。
图2是本发明实施例的一种LED的结构图。
图3是本发明实施例的一种边发射LD的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为非对称耦合量子阱有源区能带示意图；该有源区包括至少2个量子阱(图中以3个为例)，并且每组量子阱的垒层很薄(＜10nm)，以便实现载流子的有效隧穿。量子阱的能带结构主要有以下3种形式：(a)为阱宽不同的非对称耦合量子阱，量子阱的宽度从n-型电子注入层到p-型空穴注入层依次减小；(b)为组分不同的非对称耦合量子阱，量子阱的In的含量从n-型电子注入层到p-型空穴注入层依次减小，也即带隙依次增大；(c)为阱宽不同和组分不同的组合。3个图中均象征性地标出了量子阱中基态能级(m＝1)能级的位置，自n-型电子注入层11到p-型空穴注入层12，量子阱13中基态能级逐渐升高。由于载流子优先填充较低的能级，并且是双极注入，因此这3种结构均均可以起到增强空穴的隧穿几率，而阻挡电子隧穿的作用，从而极大改善量子阱中载流子分布不均现象，并可以减少有源区电子的泄露，从而提高器件的发光效率。
图2为本发明实施例的一种LED的结构图。由下到上依次包括衬底层1，缓冲层2，未掺杂的GaN层3，n型GaN层4，InGaN多量子阱有源层5，p型AlGaN层6，p型GaN层7和接触层8，所述接触层8上设置p型电流扩展层和p型电极9，所述n型GaN层4上设置有n型电极10。所述InGaN多量子阱有源层5包含有一组非对称耦合量子阱，其垒宽相同，阱宽自n型GaN层4至p型AlGaN层6依次减小。具体制作步骤包括：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的p型AlGaN层和p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在LED外延片上，采用感应耦合等离子体部分地刻蚀p型GaN层、p型AlGaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层，形成一台面状，并暴露出n型GaN层，在露出的n型GaN层上制备n型电极；
3)在剩余未刻蚀的p型GaN层上制备p型电流扩展层以及p型电极。
图3为本发明实施例的一种边发射LD的结构图。由下到上依次包括衬底层31、缓冲层32、未掺杂的GaN层33、n型GaN层34、n型AlGaN/GaN超晶格光限制层35、n型GaN波导层36、InGaN多量子阱有源层37、p型AlGaN载流子限制层38、p型GaN波导层39、p型AlGaN/GaN超晶格光限制层310、p型GaN层311和接触层312，所述接触层312上设置有p型电极313，所述n型GaN层34上设置有n型电极314。所述InGaN多量子阱有源层37包含有一组非对称耦合量子阱，其垒宽相同，阱宽自n型GaN层34至p型AlGaN载流子限制层38依次减小，在刻蚀出脊型结构的激光器上蒸镀或沉积SiO2介质膜隔离层315。
具体制作步骤如下：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层，末掺杂的GaN层，n型GaN层，n型AlGaN/GaN超晶格光限制层，n型GaN波导层，InGaN多量子阱有源层，p型AlGaN载流子限制层，p型GaN波导层，p型AlGaN/GaN超晶格光限制层，p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在制作的激光器的外延结构表面采用蒸发的方法蒸镀金属层，并利用剥离方法形成图形，然后在氮气气氛或氮气与氧气的混合气氛中进行合金化，形成良好的p型欧姆接触电极。所述蒸镀的金属层材料为金、银、镍、铂、钯或以上两种或三种金属的合金；
3)利用介质膜或光刻胶作掩膜，采用感应耦合等离子体技术在蒸镀了p型欧姆接触电极的激光器外延结构上刻蚀出激光器的n型接触区域；
4)利用光刻胶作掩膜刻蚀出激光器的脊型结构，并保留剩余的光刻胶掩膜，并在刻蚀出脊型结构的激光器上蒸镀或沉积SiO2介质膜隔离层，并采用剥离的方法露出脊型表面的p型欧姆接触电极；
5)采用光刻和蒸镀金属电极的方法形成激光器的p型加厚电极和n型欧姆接触电极。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化物发光器件，其特征在于至少包括n-型电子注入层、p-型空穴注入层和多量子阱有源层，多量子阱有源层夹在n-型电子注入层和p-型空穴注入层之间。
2.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于所述n-型电子注入层为n型GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种；所述n-型电子注入层的禁带宽度大于量子阱有源层的禁带宽度。
3.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于所述p-型空穴注入层为p型GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种；所述p-型空穴注入层的禁带宽度大于量子阱有源层的禁带宽度。
4.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于所述量子阱的垒为GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN四种化合物中的至少一种；所述阱为GaN、AlGaN、InGaN三种化合物中的至少一种，垒的禁带宽度大于阱的禁带宽度。
5.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于多量子阱有源层由非对称耦合量子阱组成，非对称耦合量子阱包括至少两个量子阱，所述量子阱的垒层＜10nm，相邻量子阱之间存在耦合效应，阱中的电子和空穴能够隧穿通过垒层进入下一个量子阱。
6.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于所述量子阱中基态能级间的跃迁能量逐渐变化，跃迁能量大的阱接近p-型空穴注入层，跃迁能量小的阱接近n-型电子注入层。
7.如权利要求1所述的一种氮化物发光器件，其特征在于多量子阱有源区为一组非对称耦合量子阱，或多组非对称耦合量子阱的组合，组与组之间用氮化物插入层进行连接。
8.如权利要求1所述氮化物发光器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层、未掺杂的GaN层、掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的p型AlGaN层和p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在LED外延片上，采用感应耦合等离子体部分地刻蚀p型GaN层、p型AlGaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层，形成一台面状，并暴露出n型GaN层，在露出的n型GaN层上制备n型电极；
3)在剩余未刻蚀的p型GaN层上制备p型电流扩展层以及p型电极。
9.如权利要求1所述氮化物发光器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上利用MOCVD方法，依此生长低温缓冲层，未掺杂的GaN层，n型GaN层，n型AlGaN/GaN超晶格光限制层，n型GaN波导层，InGaN多量子阱有源层，p型AlGaN载流子限制层，p型GaN波导层，p型AlGaN/GaN超晶格光限制层，p型GaN层，并在外延片生长完成后进行退火，以提高p型层中的空穴浓度；
2)在制作的激光器的外延结构表面采用蒸发的方法蒸镀金属层，并利用剥离方法形成图形，然后在氮气气氛或氮气与氧气的混合气氛中进行合金化，形成良好的p型欧姆接触电极；
3)利用介质膜或光刻胶作掩膜，采用感应耦合等离子体技术在蒸镀了p型欧姆接触电极的激光器外延结构上刻蚀出激光器的n型接触区域；
4)利用光刻胶作掩膜刻蚀出激光器的脊型结构，并保留剩余的光刻胶掩膜，并在刻蚀出脊型结构的激光器上蒸镀或沉积SiO2介质膜隔离层，并采用剥离的方法露出脊型表面的p型欧姆接触电极；
5)采用光刻和蒸镀金属电极的方法形成激光器的p型加厚电极和n型欧姆接触电极。
10.如权利要求9所述氮化物发光器件的制备方法，其特征在于所述蒸镀金属层的材料为金、银、镍、铂、钯中的一种，或金、银、镍、铂、钯中的两种或三种金属的合金。
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