提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件的制作方法
【專利摘要】一種提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，依次包括襯底、緩沖層、n型AluGa1-uN接觸層、發(fā)光有源區(qū)、AlxGa1-xN最后一個量子壘層，AlyGa1-yN電子阻擋層，Al組分漸變AlGaN層和p型AlzGa1-zN接觸層，其中0≤u，x，y，z≤1；其特征在于，其中所述AlxGa1-xN最后一個量子壘層中Al組分x與AlyGa1-yN電子阻擋層中的Al組分y相同。本發(fā)明因為電子阻擋效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低電子泄露從而提高器件發(fā)光效率。
【專利說明】提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指一種提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，適用于采用極性面材料制備的氮化鎵基紫外、藍光、或綠光發(fā)光器件，是一種利用通過能帶調(diào)控與極化調(diào)控增加電子阻擋效果并改善空穴注入從而提高發(fā)光效率的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，尤其對深紫外發(fā)光二極管更為有效。
【背景技術(shù)】
[0002]以氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)為核心的半導(dǎo)體照明，近年來經(jīng)歷了異常迅猛的發(fā)展。據(jù)報道，照明用電約占整個電力消耗的20%。傳統(tǒng)照明用白熾燈效率很低，約171m / W，熒光燈效率高一些，約901m / W，而目前GaN基白光LED商業(yè)水平已經(jīng)超過1501m / W，實驗室水平已經(jīng)超過2001m / W，其理論最高效率更是高達4001m / W，因此用半導(dǎo)體照明替代傳統(tǒng)照明具有巨大的節(jié)能優(yōu)勢。此外半導(dǎo)體照明還有綠色環(huán)保，壽命長，體積小，發(fā)熱低等優(yōu)勢。盡管GaN LED已經(jīng)取得了很好的發(fā)展，但相比其理論最高效率，還有很大的發(fā)展空間。限制GaN LED發(fā)光效率的一個關(guān)鍵因素是:低的p-GaN空穴濃度以及高的空穴有效質(zhì)量使得空穴相對(電子)注入不足，導(dǎo)致部分電子不能在發(fā)光有源區(qū)內(nèi)充分復(fù)合發(fā)光，而是從有源區(qū)泄露到P型區(qū)，這些泄露電子不能有效發(fā)光，其能量只能以發(fā)熱的形式耗散掉。
[0003]AlGaN深紫外(DUV) LED具有環(huán)保、無汞、殺菌，高調(diào)制頻率等優(yōu)點，在空氣與水凈化、生物醫(yī)療，高密度儲存，安全與保密通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。相比GaN藍光LED，AlGaNDUV LED的發(fā)光效率要低的多。限制AlGaNDUV LED的一個關(guān)鍵因素同樣是空穴注入不足及電子泄露，而且更為嚴(yán)重。為降低光吸收，AlGaNDUV LED需要很高Al組分的p-AlGaN提供空穴，而高Al組分p-AlGaN中受主雜質(zhì)激活能更高，能夠熱激活的空穴濃度更低，空穴注入的嚴(yán)重不足導(dǎo)致大量電子從有源區(qū)泄露到P型區(qū)損耗掉。
[0004]為減少電子電流泄漏，通常在多量子阱有源區(qū)的最后一個量子壘層(LQB)之后加上能隙高于LQB的AlGaN層作為電子阻擋層(EBL)，利用LQB / EBL界面的導(dǎo)帶階阻擋電子泄漏。然而，目前GaN基發(fā)光器件的組成材料一般都是沿Ga面(沿生長方向Ga面在上N面在下，即c面)生長的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其正、負電荷中心不對稱，存在極化效應(yīng)，在AlxGal-xNLQB / AlyGal-yN EBL(0≤x < y≤1)界面會形成正的極化電荷，導(dǎo)致該界面導(dǎo)帶下移，不利于阻擋電子泄漏。同時價帶上移，對空穴形成勢壘，使得空穴注入更為不足，空穴注入的不足又會誘發(fā)更大的電子泄露。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，因為電子阻擋效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低電子泄露從而提高器件發(fā)光效率。
[0006]本發(fā)明提供一種一種提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，依次包括襯底、緩沖層、N型AluGa1J接觸層、發(fā)光有源區(qū)、AlxGa1J最后一個量子壘層，AlyGa1J電子阻擋層，Al組分漸變AlGaN層和p型AlzGa1=N接觸層，其中O ^ u, x, y, z ^ I ;其特征在于，其中所述AlxGahN最后一個量子壘層中Al組分x與AlyGa^yN電子阻擋層中的Al組分y相同。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，其LQB采用與EBL相同的材料組分，并且在EBL之后插入一層組分漸變AlGaN層，該組分漸變AlGaN層中Al組分遞減，且其兩側(cè)材料組分分別與相鄰兩側(cè)的EBL和P型AlGaN接觸層一致。采用該結(jié)構(gòu)制備的GaN基LED具有以下優(yōu)勢:1)可以消除LQB / EBL界面極化電荷，從而消除LQB / EBL界面的電子集聚，該界面集聚的電子無益于發(fā)光；2)A1組分遞減AlGaN層中會自發(fā)形成負的體極化電荷，這些體極化電荷會導(dǎo)致EBL / Al組分漸變AlGaN層界面附近導(dǎo)帶升高，能夠增強電子阻擋效果，減少電子泄露；3) Al組分遞減AlGaN層中會自發(fā)形成負的體極化電荷能夠誘導(dǎo)出很高的空穴濃度；4)從P-GaN到Al組分漸變AlGaN層到EBL，材料組分的漸變連續(xù)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的界面空穴勢壘，可改善空穴輸運。[0008]該發(fā)明可應(yīng)用于AlGaN DUV LED,也可廣泛適用于各種極性面GaN基發(fā)光器件。極性面主要指的是通常的C面，也可以是半極性的M面。GaN基指的是組成材料為GaN、AlGaN、InGaN, AlInN或AlInGaN。發(fā)光器件包括發(fā)光二極管，激光二極管及超輻射二極管，發(fā)射波長可以是紫外、藍光或綠光。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為進一步說明其結(jié)構(gòu)、特征及其目的，以下結(jié)合附圖及較佳具體實施例作詳細描述如后，其中:
[0010]圖1是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管示意圖；
[0011]圖2 (a)是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的AlGaN DUV LED與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaN DUV LED的能帶圖對比；
[0012]圖2(b)是“P1”位置的局部放大圖；
[0013]圖2(c)是“P2”和“P3”位置的局部放大圖；
[0014]圖3是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的AlGaN DUV LED與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaN DUV LED的發(fā)光光譜對比圖。
【具體實施方式】
[0015]參考圖1所示，本實施例提供一種采用本專利結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長在280nm左右的AlGaN DUV LED，它包括:
[0016]一襯底10 ;該襯底10是(0001)晶向(即c面)藍寶石襯底；也可以是GaN、6H-SiC、4H-SiC、S1、AlN 或 ZnO ；
[0017]一緩沖層11，其制作在襯底10上；緩沖層11為AlN ;
[0018]一 η型AluGai_uN接觸層12，其制作在緩沖層11上；其中η型AluGa^uN接觸層12中Al組分u的范圍是0.40.6，摻雜的施主雜質(zhì)是硅，硅摻雜濃度IO17IO19 / cm3 ；
[0019]一發(fā)光有源區(qū)13，其制作在η型AluGai_uN接觸層12上；所述的發(fā)光有源區(qū)13為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括量子壘層132和量子阱層131，周期數(shù)為120，該發(fā)光有源區(qū)13的最后一層是量子阱層131 ;周期數(shù)的優(yōu)選范圍是58。量子壘層132和量子阱層131都采用AlGaN材料，量子壘層132中Al組分高于量子阱層131中Al組分，量子壘層132中Al組分范圍為0.4-0.65，量子阱層131中Al組分范圍為0.3-0.6。量子阱層131厚度1.5_5nm，優(yōu)選2-3nm，量子壘層132厚度4_20nm，優(yōu)選6_12nm。量子阱層131不摻雜。量子壘層132可以摻雜也可以不摻雜，優(yōu)選是摻雜一定量的Mg受主，Mg摻雜濃度為1018-102° / cm3。
[0020]— AlxGa1^N最后一個量子魚層14,其制作在發(fā)光有源區(qū)13上；
[0021]— AlyGa1^yN電子阻擋層15,其制作在AlxGa^xN最后一個量子魚層14上，所述AlyGa1J電子阻擋層15是P型，其空穴濃度是IO16-1O19 / cm3，其厚度是10_50nm ；
[0022]其中AlxGa1J最后一個量子壘層14中Al組分x與AlxGa1J電子阻擋層15中的Al組分y相同，且大于量子壘層132中的Al組分，取值范圍0.55-0.7。該層厚度是5_50nm。該層不故意摻雜或摻雜少量的Mg受主，Mg摻雜濃度小于IO18 / cm3 ；
[0023]一 Al組分漸變AlGaN層16，其制作在AlyGa1J電子阻擋層15上；其厚度是10-200nm;該層可以摻雜一定量的Mg也可以不特意摻雜，優(yōu)選是摻Mg ,Mg摻雜濃度為IO18-1O20 / cm3，該層厚度 10-200nm，優(yōu)選 50-80nm ;
[0024]一 P型AlzGa1=N接觸層17，其制作在Al組分漸變AlGaN層16上；p型AlzGa1=N層接觸層17可以是GaN，也可以是較低Al組分的AlGaN，摻雜Mg受主，Mg摻雜濃度以能夠提供盡量多空穴同時不會導(dǎo)致材料質(zhì)量顯著劣化為限，Mg摻雜濃度為1018-102° / cm3，該層厚度0-200nm，其中厚度O也就意味著刪掉該層，整個外延結(jié)構(gòu)以Al組分漸變AlGaN層結(jié)束。該層優(yōu)選厚度是50-100nm。
[0025]其中所述AlyGa1J電子阻擋層15和p型AlzGa1=N接觸層17中的y > z ;
[0026]其中所述Al組分漸變AlGaN層16位于AlyGa1J電子阻擋層15與p型AlzGa1=N層接觸層17之間,其Al組分介于y和z之間 并沿生長方向從Y到z漸變遞減。該層中的Al組分漸變可以通過調(diào)節(jié)Al源和Ga源流量實現(xiàn)，
[0027]其中O ^ u, X, y, z ^ 10
[0028]AlGaN DUV LED 的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為:n_AlGaN / MQff / LQB / EBL / p-AlGaN / p_GaN。其中LQB中Al組分與MQW有源區(qū)中其他量子壘的Al組分一致，EBL中Al組分高于LQB，P-AlGaN中Al組分是恒定的。本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，LQB采用跟EBL同樣的Al組分且高于MQW有源區(qū)中其他量子壘的Al組分，p-AlGaN采用漸變Al組分，其Al組分從EBL中Al組分線性遞減到0.圖2對比了 AlGaN DUV LED的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與本發(fā)明結(jié)構(gòu)的能帶圖，可以發(fā)現(xiàn):采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的AlGaN DUV LED具有顯著優(yōu)點:1)可以消除LQB / EBL界面“P1”極化電荷，從而消除LQB / EBL界面的電子集聚，該界面集聚的電子無益于發(fā)光；2) Al組分遞減AlGaN層中會自發(fā)形成負的體極化電荷，這些體極化電荷會導(dǎo)致EBL / Al組分漸變AlGaN層界面附近導(dǎo)帶升高，能夠增強電子阻擋效果，減少電子泄露；3)A1組分遞減AlGaN層中會自發(fā)形成負的體極化電荷能夠誘導(dǎo)出很高的空穴濃度；4)從p-GaN到Al組分漸變AlGaN層到EBL,材料組分的漸變連續(xù)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的界面“P2 ”和“P3 ”空穴勢壘，可改善空穴輸運。總之，電子阻擋效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低電子泄露從而提高器件發(fā)光效率。AlGaN DUV LED的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與本發(fā)明結(jié)構(gòu)在20mA電流下的發(fā)光光譜如圖3所示，可見材料本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以大大提高其輸出光功率。
[0029]除發(fā)光二極管外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于激光二極管和超輻射二極管，只要采用本專利要求的AlxGahN最后一個量子壘層14，AlyGai_yN電子阻擋層15，Al組分漸變AlGaN層16和p型AlzGa1=N接觸層17，即可減少電子泄露提高發(fā)光效率。當(dāng)然這兩種器件還需要增加光學(xué)限制層以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其詳細結(jié)構(gòu)與本專利關(guān)系不大，故不再詳述。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，依次包括襯底、緩沖層、η型AluGa1J接觸層、發(fā)光有源區(qū)、AlxGa1J最后一個量子壘層，AlyGa1J電子阻擋層，Al組分漸變AlGaN層和P型AlzGa1=N接觸層，其中O≤u，x，y，ζ≤1 ;其特征在于，其中所述AlxGa1J最后一個量子壘層中Al組分X與AlyG&1_yN電子阻擋層中的Al組分y相同。
2.如權(quán)利要求1所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述AlyGai_yN電子阻擋層和P型AlzGa1=N接觸層中的y > z，且所述Al組分漸變AlGaN層中的Al組分介于y和z之間并從y到z漸變遞減。
3.如權(quán)利要求1所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述的發(fā)光有源區(qū)為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括量子壘層和量子阱層，周期數(shù)為1-20，該發(fā)光有源區(qū)的最后一層是量子阱層。
4.如權(quán)利要求1所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述的AlxGahN最后一個量子壘層的帶隙寬度大于發(fā)光有源區(qū)中量子壘層的帶隙寬度。
5.如權(quán)利要求4所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述AlxGahN最后一個量子壘層的厚度是5-50nm。
6.如權(quán)利要求2所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述AlyGai_yN電子阻擋層是P型，其空穴濃度是IO16-1O19 / cm3，其厚度是10-50nm。
7.如權(quán)利要求2所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述Al組分漸變AlGaN層的厚度是10-200nm。
8.如權(quán)利要求1所述的提高發(fā)光效率的極性面氮化鎵基發(fā)光器件，其中所述發(fā)光器件是發(fā)光二極管、激光二極管或超輻射二極管。
【文檔編號】H01L33/06GK103887385SQ201410092505
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】姬小利, 閆建昌, 郭金霞, 張連, 楊富華, 段瑞飛, 王軍喜, 曾一平, 王國宏, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所