CN108258094A - 半导体发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体发光器件及其制备方法，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、第一有源层、第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层。通过在第一有源层上依次设置第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层，N型氮化镓层产生的电子在跃迁过程中，先在第一有源层中与第一P型氮化镓层产生的空穴复合发光，跃迁过第一P型氮化镓层中那部分在第二有源层中与第二P型氮化镓层产生的空穴复合发光，在氮化镓基发光二极管中形成前、后两个有源层，可以的对溢出第一P型氮化镓层中的电子进行充分利用，形成前后两个光源，提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种半导体发光器件及其制备方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料由于其较宽的直接带隙、良好的热学和化学稳定性，因而被广泛的应用于微电子和光电子器件领域。III-V族化合物中氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度依次为3.39eV、6.28eV和1.95eV，氮化镓及其固溶体可用于制造从可见光到紫外波段的光电子器件，例如蓝光发光二极管、激光器和光电探测器，氮化镓材料可用于制作耐高温、大功率的电子器件，因而近来III-V族化合物受到广泛重视，然而，由于氮化物熔点高、离解压大，在制备单晶方面却进展缓慢，不利于氮化镓材料在器件方面的应用。
近年来通过金属有机化学气相沉积技术在衬底上先低温生长氮化铝或氮化镓的缓冲层，改善了氮化镓(GaN)、铝镓氮(A1GaN)和铟镓氮(InGaN)外延层的表面形貌、晶体完整性并降低了本底电子浓度。通过利用掺镁(Mg)加低能电子辐照技术已获得了P型GaN外延层，于是P-N结氮化镓基发光二极管、铝镓氮/氮化镓和铟镓氮/氮化镓异质结发光二极管相继问世，最近用MOCVD技术生长的铟镓氮/氮化镓高效蓝光发光二极管已成为商品出售。
现有技术的氮化镓基发光二极管，主要包括通过金属有机化学气相沉积技术依次生长在衬底上缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层。其中有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，有源层位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，通过芯片工序分别在N型氮化镓层和P型氮化镓层上形成电极，通电状态下N型氮化镓层产生的电子和P型氮化镓层产生的空穴在有源层中复合发光，由于电子迁移率高于空穴迁移率(前者约为后者三倍)，同时空穴有效浓度低于电子有效浓度，致使有源层中产生有效发光的量子阱层向P型氮化镓层一级漂移，进而降低发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种半导体发光器件及其制备方法，能够有效的增强发光二极管发光效率，提高发光强度。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种半导体发光器件，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、第一有源层、第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层；所述非掺杂氮化镓层包括以三维模式生长的第一本征层和以二维模式生长的第二本征层；所述第一有源层包括周期性层叠的第一量子垒层、第一量子阱层，相邻第一量子垒层之间具有所述第一量子阱层，第一量子垒层数量比第一量子阱层数量多一个；所述第二有源层包括周期性层叠的第二量子垒层、第二量子阱层，相邻第二量子垒层之间具有所述第二量子阱层，第二量子垒层数量比第二量子阱层数量多一个。
可选的，所述第一有源层中第一量子阱层数量大于所述第二有源层中第二量子阱层数量。
可选的，所述第一有源层中分别包括6～21个第一量子垒层、5～20个第一量子阱层，所述第二有源层中分别包括2～11个第二量子垒层、1～10个第二量子阱层。
可选的，所述第一有源层中第一量子阱层阱宽大于所述第二有源层中第二量子阱层阱宽。
可选的，所述第一P型氮化镓层中镁掺浓度大于所述第二P型氮化镓层中镁掺浓度。
可选的，所述非掺杂氮化镓层和所述N型氮化镓层之间包括第一氮化铝层。
可选的，所述第二P型氮化镓层上沉积第二氮化铝层。
可选的，所述第二P型氮化镓层和所述第二氮化铝层之间还包括铝镓氮层，所述铝镓氮层中铝含量梯度增加。
上述半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底预处理：保持腔体压力400～600Torr，温度1100～1200℃，氢气流量120～160slm，对衬底进行预处理；
(2)沉积缓冲层：保持腔体压力400～600Torr，温度500～600℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量50～120sccm，在经过预处理的衬底上沉积缓冲层，控制缓冲层厚度为15～30nm；
(3)退火处理：保持腔体压力400～600Torr，温度1000～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，对缓冲层进行退火处理；
(4)沉积第一本征层：保持腔体压力300～500Torr，温度900～1100℃，氮气流量50～70slm，氢气流量40～60slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量220～420sccm，在经过退火处理的缓冲层上沉积第一本征层，控制第一本征层厚度为0.5～3.0um；
(5)沉积第二本征层：保持腔体压力100～300Torr，温度1100～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，在第一本征层上沉积第二本征层，控制第二本征层厚度为0.5～4.0um；
(6)沉积N型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度1100～
1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，硅烷流量20～60sccm，在第二本征层上沉积N型氮化镓层，控制N型氮化镓层厚度为0.5～4.0um，硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3；
(7)沉积第一有源层：在N型氮化镓层上沉积周期性层叠的第一量子垒层、第一量子阱层，相邻第一量子垒层之间具有所述第一量子阱层，第一量子垒层数量比第一量子阱层数量多一个；
所述第一量子垒层的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在N型氮化镓层上沉积第一量子垒层，控制第一量子垒层厚度为5～13nm；
所述第一量子阱层的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第一量子垒层上沉积第一量子阱层，控制第一量子阱层厚度为1～3nm，发光波长420～480nm；
(8)沉积第一P型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第一有源层上沉积第一P型氮化镓层，控制第一P型氮化镓层厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～10e20cm-3；
(9)沉积第二有源层：在第一P型氮化镓层上沉积周期性层叠的第二量子垒层、第二量子阱层，相邻第二量子垒层之间具有所述第二量子阱层，第二量子垒层数量比第二量子阱层数量多一个；
所述第二量子垒层的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在第一P型氮化镓层上沉积第二量子垒层，控制第二量子垒层厚度为5～13nm；
所述第二量子阱层的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第二量子垒层上沉积第二量子阱层，控制第二量子阱层厚度为1～3nm，发光波长420～480nm；
(10)沉积第二P型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第二有源层上沉积第二P型氮化镓层，控制第二P型氮化镓层厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为1e18cm-3～5e20cm-3。
可选的，沉积所述第一有源层中的第一量子垒层、第一P型氮化镓层、第二有源层中的第二量子垒层、第二P型氮化镓层时温度均相等。
本发明的有益效果是：本发明通过在第一有源层上依次设置第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层，N型氮化镓层产生的电子在跃迁过程中，先在第一有源层中与第一P型氮化镓层产生的空穴复合发光，N型氮化镓层产生的电子跃迁过第一P型氮化镓层中那部分在第二有源层中与第二P型氮化镓层产生的空穴复合发光，在氮化镓基发光二极管中形成前、后两个有源层，可以的对溢出第一P型氮化镓层中的电子进行充分利用，形成前后两个光源，提高发光效率；参与第一有源层中发光的电子浓度、迁移率高于第二有源层中发光的电子浓度、迁移率，因而第一有源层发光强度高于第二有源层发光强度，第一有源层发出的光起到对第二有源层发出的光进行补充和增强的效果，进一步提高出光效率；同时由于第二有源层中电子浓度、迁移率降低，第二有源层中产生有效发光的量子阱层向第一P型氮化镓层一级漂移，通过电子浓度和空穴浓度的合理匹配达到最佳的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的半导体发光器件制备方法流程图；
图2至图13为与流程图对应的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的半导体发光器件及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种半导体发光器件，如图11所示，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底1上的缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4、第一有源层5、第一P型氮化镓层6、第二有源层7、第二P型氮化镓层8；所述非掺杂氮化镓层3包括以三维模式生长的第一本征层31和以二维模式生长的第二本征层32；所述第一有源层5包括周期性层叠的第一量子垒层51、第一量子阱层52，相邻第一量子垒层51之间具有所述第一量子阱层52，第一量子垒层51数量比第一量子阱层52数量多一个；所述第二有源层7包括周期性层叠的第二量子垒层71、第二量子阱层72，相邻第二量子垒层71之间具有所述第二量子阱层72，第二量子垒层71数量比第二量子阱层72数量多一个。
如背景技术中所提到的，现有技术中氮化镓基发光二极管有源层位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，N型氮化镓层产生的电子和P型氮化镓层产生的空穴在有源层中复合发光，由于电子迁移率高于空穴迁移率(前者约为后者三倍)，同时空穴有效浓度低于电子有效浓度，致使有源层中产生有效发光的量子阱层向P型氮化镓层一级漂移，发光效率低。本发明通过在第一有源层上依次设置第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层，N型氮化镓层产生的电子在跃迁过程中，先在第一有源层中与第一P型氮化镓层产生的空穴复合发光，N型氮化镓层产生的电子跃迁过第一P型氮化镓层中那部分在第二有源层中与第二P型氮化镓层产生的空穴复合发光，在氮化镓基发光二极管中形成前、后两个有源层，可以的对溢出第一P型氮化镓层中的电子进行充分利用，形成前后两个光源，提高发光效率；参与第一有源层中发光的电子浓度、迁移率高于第二有源层中发光的电子浓度、迁移率，因而第一有源层发光强度高于第二有源层发光强度，第一有源层发出的光起到对第二有源层发出的光进行补充和增强的效果，进一步提高出光效率；同时由于第二有源层中电子浓度、迁移率降低，第二有源层中产生有效发光的量子阱层向第一P型氮化镓层一级漂移，通过电子浓度和空穴浓度的合理匹配达到最佳的发光效率。
本发明还提供一种与上述半导体发光器件对应的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101：衬底预处理；
步骤102：沉积缓冲层；
步骤103：退火处理；
步骤104：沉积第一本征层；
步骤105：沉积第二本征层；
步骤106：沉积N型氮化镓层；
步骤107：沉积第一有源层；
步骤108：沉积第一P型氮化镓层；
步骤109：沉积第二有源层；
步骤110：沉积第二P型氮化镓层；
以下结合流程图和示意图进一步详述本发明提供的半导体发光器件及其制备方法，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
如图1所示，首先，进行步骤101，衬底1预处理，所述衬底1如图2所示。
保持腔体压力400～600Torr，温度1100～1200℃，氢气流量120～160slm，对衬底1进行预处理。
本实施例中，所述衬底1的材料为蓝宝石。在其他实施例中所述衬底1还可以是氮化镓衬底、硅衬底或碳化硅衬底，衬底1尺寸为二寸、四寸或六寸，选用图形化衬底或者平片。
对衬底进行预处理，可以去除衬底表面的杂质，同时对衬底晶体进行定向取向，便于后续缓冲层沉积在所述衬底上。
然后，进行步骤102，沉积缓冲层2，如图3所示。
保持腔体压力400～600Torr，温度500～600℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量50～120sccm，在经过预处理的衬底1上沉积缓冲层2，控制缓冲层2厚度为15～30nm
本实施例中，所述缓冲层2为氮化镓层，在其他实施例中，所述缓冲层2还可以为氮化铝层、铝镓氮层。
异质外延(衬底材料与氮化镓材料不同)中存在较为严重的晶格失配和热应力失配，通过生长一层缓冲层可以有效的减少两种不同材料之间的晶格失配和热应力失配。在其他实施例中，当为同质外延时可以省却所述缓冲层。
接着，进行步骤103，退火处理。
保持腔体压力400～600Torr，温度1000～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，对缓冲层2进行退火处理。
由于缓冲层是在相对较低的温度下形成，结晶质量差，退火处理可以进一步提高缓冲层的结晶质量，同时退火处理可以获得更好的表面形貌。
接着，进行步骤104，沉积第一本征层31，如图4所示。
保持腔体压力300～500Torr，温度900～1100℃，氮气流量50～70slm，氢气流量40～60slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量220～420sccm，在经过退火处理的缓冲层2上沉积第一本征层31，控制第一本征层31厚度为0.5～3.0um。
通过控制腔体压力、氮气流量、三甲基镓流量使第一本征层以三维模式沉积在缓冲层，在缓冲层上形成岛状结构，同时在使用图形化衬底时将图形进行覆盖。
接着，进行步骤105，沉积第二本征层32，如图5所示。
保持腔体压力100～300Torr，温度1100～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，在第一本征层31上沉积第二本征层32，控制第二本征层32厚度为0.5～4.0um
通过控制腔体压力、氮气流量、三甲基镓流量使第二本征层以二维模式沉积在第一本征层，将第一本征层表面进行填平以获得平整的第二本征层。
实际生产中，沉积第二本征层时腔体压力、氮气流量、三甲基镓流量均大于沉积第一本征层时腔体压力、氮气流量、三甲基镓流量。
接着，进行步骤106，沉积N型氮化镓层4，如图6所示。
保持腔体压力100～300Torr，温度1100～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，硅烷流量20～60sccm，在第二本征层32上沉积N型氮化镓层4，控制N型氮化镓层4厚度为0.5～4.0um，硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
硅原子为四价原子，镓原子为三价原子，本实施例中通入硅烷对氮化镓层进行掺杂形成N型氮化镓层，通过控制硅烷流量得到需要的掺杂浓度。
作为本实施例优选，沉积N型氮化镓层时腔体压力、温度、氮气流量、氢气流量、氨气流量、三甲基镓流量与沉积第二本征层时腔体压力、温度、氮气流量、氢气流量、氨气流量、三甲基镓流量均相等，相等的压力、温度、流量可以得到结晶质量更好的单晶，提高抗静电性能，同时节省沉积时间。
作为本实施例优选，所述非掺杂氮化镓层3和所述N型氮化镓层4之间还包括第一氮化铝层34，如图7所示。
形成所述第一氮化铝层34的条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度900～1000℃，氮气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三甲基铝流量20～80sccm，在第二本征层32上沉积第一氮化铝层34，控制第一氮化铝层34厚度为5～20nm。
需要注意的是在形成第一氮化铝层时不能通入氢气，以防止铝被氢气还原。
氮化铝禁带宽度(6.28eV)高于氮化镓禁带宽度(3.39eV)，在非掺杂氮化镓层和N型氮化镓层之间设置氮化铝层可以防止N型氮化镓层产生的电子向非掺杂氮化镓层中跃迁并阻止非掺杂氮化镓层中产生的少量电子(本征氮化镓层会自发产生少量电子)向N型氮化镓层一侧跃迁；同时设置氮化铝层可以提高出光效率，提高发光强度。
接着，进行步骤107，沉积第一有源层5，如图8所示。在N型氮化镓层3上沉积周期性层叠的第一量子垒层51、第一量子阱层52，相邻第一量子垒层51之间具有所述第一量子阱层52，第一量子垒层51数量比第一量子阱层52数量多一个。
所述第一量子垒层51的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在N型氮化镓层4上沉积第一量子垒层51，控制第一量子垒层51厚度为5～13nm；
所述第一量子阱层52的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第一量子垒层51上沉积第一量子阱层52，控制第一量子阱层52厚度为1～3nm，发光波长420～480nm。
在流量相同的情况下三甲基镓生长速率比三乙基镓快，带来的预反应问题较为突出，本实施例中在沉积有源层5时选用三乙基镓替代三甲基镓，不仅可以减少含碳杂质含量，还可以改善有源层结晶质量。需要注意的是在沉积第一量子阱层52时不能通入氢气，以防止氢气将量子阱层中的铟结构破坏，在沉积第一量子垒层51时可以通入少量的氢气(5～15slm)来提高量子垒层的结晶质量，改善器件亮度和电性参数。
本实施例中通过先在N型氮化镓层上沉积第一量子垒层，相邻第一量子垒层之间具有第一量子阱层，第一量子垒层数量比第一量子阱层数量多一个，使第一量子垒层位于有源层上、下表面并分别与后面形成的第一P型氮化镓层和N型氮化镓层表面接触，一方面可以对第一量子阱层结构起到很好的保护作用，另一方面可以减少有源层与第一P型氮化镓层、N型氮化镓层接触界面产生的晶格失配。
接着，进行步骤108，沉积第一P型氮化镓层6，如图9所示。
保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第一有源层5上沉积第一P型氮化镓层6，控制第一P型氮化镓层6厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～10e20cm-3
镁原子为二价原子，镓原子为三价原子，本实施例中通入二茂镁对氮化镓层进行掺杂形成P型氮化镓层，通过控制二茂镁流量流量得到需要的掺杂浓度。
接着，进行步骤109，沉积第二有源层7，如图10所示。在第一P型氮化镓层6上沉积周期性层叠的第二量子垒层71、第二量子阱层72，相邻第二量子垒层71之间具有所述第二量子阱层72，第二量子垒层71数量比第二量子阱层72数量多一个。
所述第二量子垒层71的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在第一P型氮化镓层6上沉积第二量子垒层71，控制第二量子垒层71厚度为5～13nm；
所述第二量子阱层72的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第二量子垒层71上沉积第二量子阱层72，控制第二量子阱层72厚度为1～3nm，发光波长420～480nm。
接着，进行步骤110，沉积第二P型氮化镓层8，如图11所示。
保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第二有源层7上沉积第二P型氮化镓层8，控制第二P型氮化镓层8厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为1e18cm-3～5e20cm-3。
作为本实施例优选，所述第一有源层5中第一量子阱层52数量大于所述第二有源层7中第二量子阱层72数量。所述第一有源层5中分别包括6～21个第一量子垒层51、5～20个第一量子阱层52，所述第二有源层7中分别包括2～11个第二量子垒层71、1～10个第二量子阱层72。
通过将第一量子阱层52数量设置成大于第二量子阱层72数量使其与第一有源层5、第二有源层7中电子浓度和迁移率相匹配，提高发光效率。
作为本实施例优选，所述第一有源层5中第一量子阱层52阱宽大于所述第二有源层7中第二量子阱层72阱宽。
更大的阱宽更适合高浓度电子与空穴复合以提高发光强度，可以通过沉积时间来控制阱宽。
作为本实施例优选，所述第一P型氮化镓层6中镁掺浓度大于所述第二P型氮化镓层8中镁掺浓度。
通过将第一P型氮化镓层6中镁掺浓度设置成大于第二P型氮化镓层8中镁掺浓度使其与第一有源层5、第二有源层7中电子浓度和迁移率相匹配，提高发光效率。
作为本实施例优选，所述第二P型氮化镓层8上沉积第二氮化铝层9，如图12所示。
形成所述第二氮化铝层9的条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度900～1000℃，氮气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三甲基铝流量20～50sccm，在第二P型氮化镓层8上沉积第二氮化铝层9，控制第二氮化铝层9厚度为5～10nm。
需要注意的是在形成第二氮化铝层时不能通入氢气，以防止铝被氢气还原。
氮化铝禁带宽度(6.28eV)高于氮化镓禁带宽度(3.39eV)，在第二P型氮化镓层上设置氮化铝层可以防止跃迁过第二有源层的电子进一步跃迁。
作为本实施例优选，所述第二P型氮化镓层8和第二氮化铝层9之间设置铝镓氮层89，如图13所示。
形成所述铝镓氮层89的条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三甲基铝流量20～30sccm，三乙基镓流量200～600sccm，在第二P型氮化镓层8上沉积第二氮化铝层9，控制第二氮化铝层9厚度为10～30nm。
实际生产中可以通过多步沉积形成铝镓氮层89，相邻步中三甲基铝流量梯度(2～5sccm)增加，其他条件保持不变，得到铝含量梯度增加的铝镓氮层89。
作为本实施例优选，沉积所述第一有源层5中的第一量子垒层52、第一P型氮化镓层6、第二有源层7中的第二量子垒层72、第二P型氮化镓层8时温度均相等。
相等的沉积温度一方面可以省却温度转变(Ramp)步骤，从而节省沉积时间，另一方面对有源层结构进行保护，降低接触界面层产生的位错、缺陷，提高结晶质量。
综上，本发明通过在第一有源层上依次设置第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层，N型氮化镓层产生的电子在跃迁过程中，先在第一有源层中与第一P型氮化镓层产生的空穴复合发光，N型氮化镓层产生的电子跃迁过第一P型氮化镓层中那部分在第二有源层中与第二P型氮化镓层产生的空穴复合发光，在氮化镓基发光二极管中形成前、后两个有源层，可以的对溢出第一P型氮化镓层中的电子进行充分利用，形成前后两个光源，提高发光效率；参与第一有源层中发光的电子浓度、迁移率高于第二有源层中发光的电子浓度、迁移率，因而第一有源层发光强度高于第二有源层发光强度，第一有源层发出的光起到对第二有源层发出的光进行补充和增强的效果，进一步提高出光效率；同时由于第二有源层中电子浓度、迁移率降低，第二有源层中产生有效发光的量子阱层向第一P型氮化镓层一级漂移，通过电子浓度和空穴浓度的合理匹配达到最佳的发光效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种半导体发光器件，其特征在于，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、第一有源层、第一P型氮化镓层、第二有源层、第二P型氮化镓层；所述非掺杂氮化镓层包括以三维模式生长的第一本征层和以二维模式生长的第二本征层；所述第一有源层包括周期性层叠的第一量子垒层、第一量子阱层，相邻第一量子垒层之间具有所述第一量子阱层，第一量子垒层数量比第一量子阱层数量多一个；所述第二有源层包括周期性层叠的第二量子垒层、第二量子阱层，相邻第二量子垒层之间具有所述第二量子阱层，第二量子垒层数量比第二量子阱层数量多一个。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第一有源层中第一量子阱层数量大于所述第二有源层中第二量子阱层数量。
3.如权利要求2所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第一有源层中分别包括6～21个第一量子垒层、5～20个第一量子阱层，所述第二有源层中分别包括2～11个第二量子垒层、1～10个第二量子阱层。
4.如权利要求1至3任一所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第一有源层中第一量子阱层阱宽大于所述第二有源层中第二量子阱层阱宽。
5.如权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第一P型氮化镓层中镁掺浓度大于所述第二P型氮化镓层中镁掺浓度。
6.如权利要求5所述的半导体发光器件，其特征在于，所述非掺杂氮化镓层和所述N型氮化镓层之间包括第一氮化铝层。
7.如权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二P型氮化镓层上沉积第二氮化铝层。
8.如权利要求7所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二P型氮化镓层和所述第二氮化铝层之间还包括铝镓氮层，所述铝镓氮层中铝含量梯度增加。
9.一种半导体发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)衬底预处理：保持腔体压力400～600Torr，温度1100～1200℃，氢气流量120～160slm，对衬底进行预处理；
(2)沉积缓冲层：保持腔体压力400～600Torr，温度500～600℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量50～120sccm，在经过预处理的衬底上沉积缓冲层，控制缓冲层厚度为15～30nm；
(3)退火处理：保持腔体压力400～600Torr，温度1000～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量50～70slm，对缓冲层进行退火处理；
(4)沉积第一本征层：保持腔体压力300～500Torr，温度900～1100℃，氮气流量50～70slm，氢气流量40～60slm，氨气流量50～70slm，三甲基镓流量220～420sccm，在经过退火处理的缓冲层上沉积第一本征层，控制第一本征层厚度为0.5～3.0um；
(5)沉积第二本征层：保持腔体压力100～300Torr，温度1100～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，在第一本征层上沉积第二本征层，控制第二本征层厚度为0.5～4.0um；
(6)沉积N型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度1100～1200℃，氮气流量60～80slm，氢气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三甲基镓流量600～1000sccm，硅烷流量20～60sccm，在第二本征层上沉积N型氮化镓层，控制N型氮化镓层厚度为0.5～4.0um，硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3；
(7)沉积第一有源层：在N型氮化镓层上沉积周期性层叠的第一量子垒层、第一量子阱层，相邻第一量子垒层之间具有所述第一量子阱层，第一量子垒层数量比第一量子阱层数量多一个；
所述第一量子垒层的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在N型氮化镓层上沉积第一量子垒层，控制第一量子垒层厚度为5～13nm；
所述第一量子阱层的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第一量子垒层上沉积第一量子阱层，控制第一量子阱层厚度为1～3nm，发光波长420～480nm；
(8)沉积第一P型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第一有源层上沉积第一P型氮化镓层，控制第一P型氮化镓层厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～10e20cm-3；
(9)沉积第二有源层：在第一P型氮化镓层上沉积周期性层叠的第二量子垒层、第二量子阱层，相邻第二量子垒层之间具有所述第二量子阱层，第二量子垒层数量比第二量子阱层数量多一个；
所述第二量子垒层的沉积条件为：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量400～1000sccm，在第一P型氮化镓层上沉积第二量子垒层，控制第二量子垒层厚度为5～13nm；
所述第二量子阱层的沉积条件为：保持腔体压力200～400Torr，温度700～800℃，氮气流量50～70slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量200～400sccm，三甲基铟400～800sccm，在第二量子垒层上沉积第二量子阱层，控制第二量子阱层厚度为1～3nm，发光波长420～480nm；
(10)沉积第二P型氮化镓层：保持腔体压力100～300Torr，温度800～900℃，氮气流量60～80slm，氢气流量60～80slm，氨气流量40～60slm，三乙基镓流量500～800sccm，二茂镁流量800～2000sccm，在第二有源层上沉积第二P型氮化镓层，控制第二P型氮化镓层厚度为30nm～500nm，镁掺杂浓度为1e18cm-3～5e20cm-3。
10.如权利要求9所述的半导体发光器件的制备方法，其特征在于，沉积所述第一有源层中的第一量子垒层、第一P型氮化镓层、第二有源层中的第二量子垒层、第二P型氮化镓层时温度均相等。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180706 |
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