CN102280547A - 一种有源区为p型的氮化镓系半导体发光管 - Google Patents

Abstract

一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，涉及一种半导体发光管。从下至上依次设有衬底层、缓冲层、N型层、有源区、P型层、P金属电极和N金属电极；所述P金属电极连接P型层，N金属电极连接N型层，所述有源区被夹在P型层与N型层之间，所述有源区由包含最少2个层叠周期的势垒层和势阱层重复交替层叠而成，每1个层叠周期包含一层势垒层和一层势阱层，所述势垒层掺入P型掺杂剂。通过引入含P型掺杂剂的势垒层，提高器件有源区的发光效率，优化了器件的光电性能，达到提高氮化镓系化合物半导体发光器件的发光效率的目的。

Description

一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管

技术领域

本发明涉及一种半导体发光管，尤其是涉及一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管。

背景技术

随着新工艺、新技术、新材料的快速发展，以氮化镓(GaN)及其化合物半导体、SiC等材料为代表的第三代半导体材料被广泛的研究和应用，尤其是以氮化镓系化合物为代表的半导体材料在光电领域的应用，如蓝绿光以及紫外发光二极管，蓝绿光以及紫外激光器，短波段太阳能电池，光探测器等方面的应用，具有广阔的前景和发展潜力。部分成品器件已被广泛应用于大功率照明、全彩户外大型显示屏、光通讯、存储等方面([1]Shuji Nakamura.RecentDevelopments in InGaN-Based Blue LEDs and LDs.Department of Research and Development，Nichia Chemical Industries，Ltd；[2]Takashi MUKAI，Motokazu YAMADA and Shuji NAKAMURA.Characteristics of InGaN-Based UV/Blue/Green/Amber/Red Light-Emitting Diodes.Jpn.J.Appl.Phys，1999；38：3976；[3]F.A.ponce & D.P.Bour，Nature，Vol 386，27March 1997.)。

目前，氮化镓及其化合物半导体发光材料的制备可以采用金属有机物化学气相沉积的方法(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)等方法，在单晶衬底上外延生长氮化镓系化合物半导体材料。工业生产中，最为广泛的生长氮化镓及其化合物光电器件的方法，是通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法，在蓝宝石衬底上生长器件结构，主要包括衬底层、缓冲层、N型层、有源区、载流子阻挡层、P型层、电极等结构。一般情况下，衬底表面、P型层表面以及N型层可以包含以提高器件出光效率，优化金属半导体欧姆接触，优化器件抗静电特性而生长的透明导电的薄层结构。外延完成后，通过光刻，干法刻蚀，金属蒸镀，腐蚀等工序，使器件露出N型层，并在P层表面制作扩展电流的透明导电层以及打线电极，器件经过研磨切割，并且封装后，制得发光器件。其中夹在P型层和N型层之间的有源区，一般是由具有不同禁带宽度的势垒层和势阱层重复交替层叠的多量子阱结构组成，势垒层半导体材料禁带宽度大于势阱层禁带宽度，载流子经过时可被限制在势阱层中，进行辐射复合。在氮化镓系化合物半导体材料制作的光电器件中，有源区多量子阱结构中的势垒层可以采用GaN系材料，势阱层可以采用InGaN系材料([4]Chin-Hsiang CHEN，Shoou-JinnCHANG and Yan-Kuin SU.High-Indium-Content InGaN/GaN Multiple-Quantum-Well Light-EmittingDiodes.Jpn.J.Appl.Phys，2003；42：2281；[5]Horng-Shyang Chen，Dong-Ming Yeh，Chih-Feng Lu，etal.White light generation with CdSe-ZnS nanocrystals coated on an InGaN-GaN quantum-wellblue/Green two-wavelength light-emitting diode.IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，2006；18：NO.13.)。传统工艺中，势垒部分可由未掺杂的本征氮化镓材料或含有N型掺杂剂的氮化镓材料构成。在本征氮化镓系材料或N型氮化镓系材料中，空穴是作为少子，但是氮化镓系材料中空穴作为少子的扩散长度远短于电子作为少子的扩散长度，而少子扩散长度短将影响半导体器件的光电特性，例如：有源区中载流子的分布不均匀，以及量子阱结构的注入效率和载流子的辐射复合几率差，尤其是位于少子扩散方向上，多量子阱结构末端的量子阱，其少子注入效率相对较低，并且有源区中可以设计的量子阱数量也将受到限制。这些问题将影响器件的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管。

本发明从下至上依次设有衬底层、缓冲层、N型层、有源区、P型层、P金属电极和N金属电极；所述P金属电极连接P型层，N金属电极连接N型层，所述有源区被夹在P型层与N型层之间，所述有源区由包含最少2个层叠周期的势垒层和势阱层重复交替层叠而成，每1个层叠周期包含一层势垒层和一层势阱层，所述势垒层掺入P型掺杂剂。

所述有源区包含最少2个层叠周期的势垒层和势阱层重复交替层叠而成，最好是所述有源区包含最少2个层叠周期的具有不同禁带宽度的势垒层和势阱层重复交替层叠而组成。所述势垒层的单层厚度可为2～50nm。所述势垒层掺入P型掺杂剂的方法，可以是均匀掺杂或非均匀掺杂，所述非均匀掺杂包括渐变式的杂质浓度分布或阶跃式的杂质浓度分布。

所述层叠周期可为3～15个层叠周期。所述势垒层中，可以每一层势垒层都掺入P型掺杂剂，也可以一部分势垒层掺入P型掺杂剂，另一部分势垒层掺入N型掺杂剂或不掺入掺杂剂，其中掺入掺杂剂势垒层的层叠位置可以为3～15个层叠周期中的任何位置。

所述势阱层的单层厚度可为1～5nm。

所述衬底层的表面可设有成核层或缓冲层，以便使外延生长出的氮化镓系化合物晶体体内缺陷以及位错密度低于10¹⁰cm^-3；所述衬底层上或衬底层表面设有图形化衬底结构，以便阻止载流子逃逸出有源区的载流子阻挡层，为金属和半导体欧姆接触而制作的表面结构，有利于发光器件表面发出光子的结构，减少半导体体内光吸收的结构，使器件抵抗反向击穿电压大于10V和抗静电能力大于1000V(人体模式，HM)的结构等。

所述有源区中的势垒层和势阱层等结构由Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤X≤1，0≤Y≤1)材料构成。所述组成势垒层的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N(0≤X1≤1，0≤Y1≤1)材料与组成势阱层的Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N(0≤X2≤1，0≤Y2≤1)材料组份中的X1、Y1与X2、Y2的值可相同或部分相同或不同，以使得势垒层半导体材料的禁带宽度宽于势阱层半导体材料的禁带宽度，而形成半导体势垒和势阱结构。

所述P型掺杂剂可选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra等中的至少一种，所述N型掺杂剂可选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be等中的至少一种。

所述P型掺杂剂的浓度可为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。所述N型掺杂剂的浓度可为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

当本发明的成品器件在20mA正向电流下工作时，器件正向电压在2.9～4.2V范围内。

所述有源区所包含的重复交替层叠的势垒层和势阱层的形成方法可以使用或部分使用氮化镓系化合物半导体升华或分解的方法。

所述衬底层的材料可采用常规已知的衬底材料，包括导电材料和非导电材料，例如：蓝宝石、SiC、GaP、GaAs、Si、ZnO、MgO以及氮化镓系化合物本身。

所述一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管可设有载流子阻挡层和表面结构层。

本发明通过优化结构，此结构中主要包含衬底层、N型层、有源区、P型层和电极等部分。所述有源区被夹在P型层与N型层之间，由具有不同禁带宽度的势垒层和势阱层重复交替层叠的多量子阱结构组成，有源区中的势垒层包含P型掺杂剂。与传统的发光结构制作在本征氮化镓系材料或N型氮化镓系材料中不同，本发明将有源区结构制作在P型氮化镓系材料中，这样电子将作为少子，而少子电子相比少子空穴具有更长的扩散长度，因而器件有源区的载流子分布更均匀，量子阱注入效率和辐射复合几率将改善，尤其是位于少子扩散方向上，多量子阱结构末端的量子阱结构也将获得良好的少子注入。利用这种特性，有源区中将有机会设计出更多组的量子阱结构。由此可见，采用本发明特点制作的器件的发光效率将优于现有工艺制作的器件。

显然，本发明通过引入含P型掺杂剂的势垒层，提高器件有源区的发光效率，优化了器件的光电性能，达到提高氮化镓系化合物半导体发光器件的发光效率的目的。

附图说明

图1是本发明实施例1和实施例2所涉及的半导体发光器件的侧面剖面示意图，衬底采用非导电材料。

图2是本发明采用导电衬底实施的半导体发光器件的侧面剖面示意图。

图3是发光结构中的有源区的具体结构，势垒层结构与势阱层结构的层次关系示意图。

在图1～3中，各标记说明如下：

101衬底、102缓冲层(成核区)、103N型层、104有源区(由重复交替叠层的201和202组成)、105载流子阻挡层、106P型层、107表面结构层、108透明导电层、109P金属电极、110N金属电极、201有源区中的势垒层、202有源区中的势阱层。

具体实施方式

本发明结构的制作过程将由2个具体实施例详细说明，并参考说明书附图，以便更详细地阐述发明内容。需要说明的是，两个实施方案中，均以MOCVD制作蓝绿光LED发光器件为例进行说明，但是本发明结构并非仅可制作蓝绿光LED发光器件，也可应用于紫外光器件以及激光器等发光器件。器件衬底的类型没有特定的限制，可以采用常规已知的衬底种类，如：蓝宝石(Al₂O₃)，SiC、GaP、GaAs、Si、ZnO、MgO和氮化镓系化合物本身。实施例中以蓝宝石(C-Plane)为衬底进行外延加工，因此衬底为非导电材料，非导电衬底上外延的器件剖面结构可参见图1(导电衬底制作的器件剖面结构可参见图2)。此外，为制作本发明进行的外延生长设备，并非仅可采用MOCVD，也可以使用MBE，HVPE等外延设备。实施例中，仅重点描述发明的特征部分，其他附属结构或加工步骤是为使读者能够更详细的了解发明特征而进行描述，以便说明本发明结构制作的可行性，采用本发明的结构特征，使用其他附属结构或加工步骤而制作的器件仍然属于所述权利要求之内。图3给出发光结构中的有源区的具体结构，势垒层结构与势阱层结构的层次关系示意图。

在实施例中，MOCVD生长氮化镓系半导体晶体的材料源分别为：TMGa提供Ga源，TMIn提供In源，TMAl提供Al源，NH₃提供N源，CP₂Mg提供P型掺杂剂Mg源，SiH₄提供N型掺杂剂Si源，运载气体为氢气。

实施例1：

将蓝宝石衬底(101)置于MOCVD反应室内，首先将反应室升温至600～1100℃范围内，优选为1100℃条件下，氢气氛围内对衬底进行烘烤以去除表面杂质，也可在600～1100℃范围内，采用NH₃或NH₃与H₂的混合气体对衬底表面进行处理。

反应室降温至550～560℃范围内，优选560℃，通入Ga源和N源生长20～30nm厚的缓冲层(102)。

反应室升温至1040～1080℃范围内，通入Ga源和N源生长2μm厚的非掺杂GaN材料，接下来反应室增加通入Si源，再生长2μm厚的N型掺杂GaN材料(103)。

反应室降温至650～900℃范围内，优选700～850℃，生长4周期的In_xGa_1-xN(202，0＜X＜1)/GaN(201)多量子阱结构(104，有源区)，其中GaN作为势垒层，In_xGa_1-xN作为势阱层。反应室通入Ga源与N源生长GaN势垒层(201)，势垒层厚度范围为2～50nm，优选3～20nm，在GaN势垒层生长过程中Mg源作为P型掺杂剂。生长势阱层In_xGa_1-xN时，反应室时通入Ga源、N源、In源，势阱层(202)生长厚度为2～3nm，其中生长In_xGa_1-xN时，通过控制In源流量和材料生长温度，来调整In的组份X，以获取的不同禁带宽度要求的势阱结构(202)。有源区生长顺序为：生长含P型掺杂剂的GaN势垒层(201)→InGaN势阱层(202)→含P型掺杂剂的GaN势垒层(201)→InGaN势阱层(202)→含P型掺杂剂的GaN势垒层(201)→InGaN势阱层(202)→含P型掺杂剂的GaN势垒层(201)→InGaN势阱层(202)→含P型掺杂剂的GaN势垒层(201)。

将反应室温度升至1040～1080℃生长P型AlGaN层(105)，生长厚度范围为15～25nm，生长时反应室通入Ga源、N源、Al源、Mg源。

反应室内通入Ga源、N源、Mg源继续生长P型掺杂GaN材料(106)，生长厚度为0.01～1μm，优选厚度为0.1～0.3μm。

最后，根据器件使用要求，在P型GaN表面生长欧姆接触优化层、光提取层或抗静电层等透明导电结构(107)。

完成生长后，可在反应室内或反应室外氮气氛围下700～750℃退火20～25min激活掺杂剂。

外延生长完成后，在外延片表面生长透明导电层(108)，其材质可为下列之一：Ni/Au，Ni/Pt，Ni/Pd，Pt/Au，Cr/Au，Ni/Pt/Au，ITO，CTO，ZnO，InO以及其他类似材料。

通过光刻、干法刻蚀、腐蚀等步骤，去掉表面部分透明导电层(108)，并刻蚀露出部分N型掺杂GaN层(103)，并在其表面和透明导电层表面制作金属打线盘(109，110)，打线盘直径范围为100～150μm，厚度为1～3μm，材料可以为Ni/Au，Ni/Pt，Ni/Pd，Ni/Co，Pd/Au，Pt/Au，Ti/Au，Cr/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au，Ti/Al/Pt/Au以及其他类似材料。

实施例2：

实施例2的实施具体方式，除了有源区结构与实施例1不同外，其他部分可以采用相同工艺步骤，此处不再赘述。以下仅介绍其有源区结构的制造过程。

完成N型GaN材料(103)的生长后，反应室降温至650～900℃范围内，优选700～850℃，生长4周期的In_xGa_1-xN(202)/GaN(201)多量子阱结构(104，有源区)。具体为：反应室通入Ga源与N源生长GaN势垒层，势垒层厚度范围为2～50nm，优选3～20nm，在GaN势垒层生长过程中Mg源作为P型掺杂剂。生长势阱层In_xGa_1-xN时反应室时通入Ga源、N源、In源，势阱层生长厚度为2～3nm，其中生长In_xGa_1-xN时通过控制In源流量和材料生长温度，来调整In的组份X，以获取不同禁带宽度要求的势阱结构。优选生长方法为：第一步，生长2～3nm非掺杂GaN，第二步，通入Mg源生长1～2nm含P型掺杂剂的GaN，关闭Mg源。连续重复第一步和第二步共3次，最后，再生长2～3nm非掺杂GaN，完成厚度约16nm的第一势垒层。接下来反应室通入Ga源，N源，In源，生长2～3nm厚的In_xGa_1-xN势阱层。此时完成第一周期的势垒层/势阱层结构，依据第一周期势垒层/势阱层结构的制作方法，重复4次，最后参考第一势垒层的制作方法生长出最后的势垒层，完成有源区制作。

然后，参考实施例1，完成器件制作的其他工序，即可完成本实施例。

归纳上述，本发明提供了一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管结构及其制作方法，在器件有源区的制作中，通过引入含P型掺杂剂的势垒层，提高器件有源区的发光效率，优化了器件的光电性能。

本发明通过优化的结构和制作方法，提高氮化镓系化合物半导体发光器件的发光效率。具体来讲，一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管结构，此结构中主要包含衬底层(101)，N型层(103)，有源区(104)，P型层(106)，电极(108，109，110)等部分。所述有源区(104)被夹在P型层(106)与N型层(103)之间，由具有不同禁带宽度的势垒层(201)和势阱层(202)重复交替层叠的多量子阱结构组成，本发明的有源区中的势垒层(201)包含P型掺杂剂。与传统的发光结构制作在本征氮化镓系材料或N型氮化镓系材料中不同，本发明将有源区结构制作在P型氮化镓系材料中，这样电子将作为少子，而少子电子相比少子空穴具有更长的扩散长度，因而器件有源区的载流子分布更均匀，量子阱注入效率和辐射复合几率将改善，尤其是位于少子扩散方向上，多量子阱结构末端的量子阱结构也将获得良好的少子注入。利用这种特性，有源区中将有机会设计出更多组的量子阱结构。由此可见，采用本发明特点制作的器件的发光效率将优于现有工艺制作的器件。

Claims (10)

1.一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于从下至上依次设有衬底层、缓冲层、N型层、有源区、P型层、P金属电极和N金属电极；所述P金属电极连接P型层，N金属电极连接N型层，所述有源区被夹在P型层与N型层之间，所述有源区由包含最少2个层叠周期的势垒层和势阱层重复交替层叠而成，每1个层叠周期包含一层势垒层和一层势阱层，所述势垒层掺入P型掺杂剂。

2.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述有源区包含最少2个层叠周期的势垒层和势阱层重复交替层叠而成，是所述有源区包含最少2个层叠周期的具有不同禁带宽度的势垒层和势阱层重复交替层叠而组成。

3.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述势垒层的单层厚度为2～50nm；所述势阱层的单层厚度为1～5nm。

4.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述势垒层掺入P型掺杂剂的方法，是均匀掺杂或非均匀掺杂，所述非均匀掺杂包括渐变式的杂质浓度分布或阶跃式的杂质浓度分布。

5.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述层叠周期为3～15个层叠周期。

6.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述势垒层中，每一层势垒层都掺入P型掺杂剂；或一部分势垒层掺入P型掺杂剂，另一部分势垒层掺入N型掺杂剂或不掺入掺杂剂，其中掺入掺杂剂势垒层的层叠位置为3～15个层叠周期中的任何位置。

7.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述衬底层的表面设有成核层或缓冲层。

8.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述衬底层上或衬底层表面设有图形化衬底结构。

9.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述有源区中的势垒层和势阱层由Al_xIn_yGa_1-x-yN材料构成，其中0≤X≤1，0≤Y≤1；所述组成势垒层的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N材料与组成势阱层的Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N材料组份中的X1、Y1与X2、Y2的值可相同或部分相同或不同，其中0≤X1≤1，0≤Y1≤1；0≤X2≤1，0≤Y2≤1；

所述P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种，所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种；

所述P型掺杂剂的浓度最好为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述N型掺杂剂的浓度最好为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

10.如权利要求1所述的一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管，其特征在于所述一种有源区为P型的氮化镓系半导体发光管设有载流子阻挡层和表面结构层。

Images