專利名稱：ppn型發(fā)光晶體管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，具體涉及一種PPn型發(fā)光晶體管及其制備方法。
背景技術：
II-VI族和III-V族化合物具有直接帶間躍遷的半導體發(fā)光材料，材料的發(fā)光波長覆蓋從紅外到紫外整個波段。
在現有技術中，LED基本結構是由P型電極、有源發(fā)光區(qū)和N型電極構成。將LED的P端和N端接入電路中，通過恒流源供電，調節(jié)LED的端電壓即可控制LED的發(fā)光強度，在LED顯示屏技術中，一般采用控制LED發(fā)光時間占空比的方法控制發(fā)光強度，即通過控制發(fā)光時間與不發(fā)光時間的比例來調節(jié)發(fā)光效果。但是，這種調節(jié)方法，需要使用晶體管提供灌電流輸入，產生大量的熱，同時調節(jié)起來相對不是很方便。
目前，還沒有成熟的制造發(fā)光晶體管的技術，尚處于初始研究階段。主要方法有一種是按照傳統(tǒng)晶體管原理制造的NPN型發(fā)光晶體管器件，既利用器件的p型摻雜區(qū)發(fā)光，同時又作為基區(qū)進行控制，但是，由于基區(qū)很薄，絕大部分電子沒有及時與基區(qū)中的空穴復合發(fā)光，而是直接穿過基區(qū)到達了n型摻雜集電區(qū)，大部分電子用來放大基區(qū)電流，只有少數電子參與發(fā)光，發(fā)光效率不高。另一種是實空間轉移發(fā)光晶體管，是通過源極和漏極之間加正向電壓時，電子在源極和漏極被加速到一定的能量后，就可以通過實空間轉移效應，進入有源區(qū)，與柵極注入到有源區(qū)的空穴復合發(fā)光，但是，由于實空間轉移效應的電子注入效率非常低，因此這種發(fā)光晶體管的發(fā)光效率也非常低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有發(fā)光晶體管的發(fā)光效率低的缺陷，提供一種基于III-V族化合物或者II-VI族化合物的高發(fā)光效率的ppn型發(fā)光晶體管。
本發(fā)明的另一個目的是提供上述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法。
本發(fā)明的ppn型發(fā)光晶體管包括襯底、形成于襯底上的緩沖層、形成于緩沖層上的n型布拉格反射層、形成于n型布拉格反射層上的n型電子發(fā)射層、與n型電子發(fā)射層歐姆接觸的發(fā)射電極、形成于n型電子發(fā)射層上的多量子阱有源發(fā)光層、形成于多量子阱有源發(fā)光層上的窄帶隙p-型基區(qū)層，與p-型基區(qū)層通過歐姆接觸形成的電極、通過突變同型異質結接觸形成于p-型基區(qū)層之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層以及與p+型集電極層歐姆接觸的電極。
所述窄帶隙p-型基區(qū)層厚度優(yōu)選50-150nm。
所述襯底優(yōu)選藍寶石、硅、炭化硅、砷化鎵或二氧化硅材料。
本發(fā)明中，III-V族化合物材料可以采用III族的Ga(鎵)或Al(鋁)元素，以及V族的N(氮)、As(砷)等元素組成的化合物，例如，p+型集電極層可由GaAs攙雜Mg材料制備得到，p-型基區(qū)層可由GaAs攙雜Mg、In材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層可由GaAs攙雜In材料制備得到。
II-VI族化合物材料可以采用II族Zn元素，以及VI族O元素等元素組成的化合物，例如，p+型集電極層、p-型基區(qū)層可由ZnO摻雜N、As材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層可由ZnO摻雜Be、Al材料制備得到。
本發(fā)明的發(fā)光晶體管的結構原理由寬帶隙的p+型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))、窄帶隙的p-型基極控制區(qū)、有源發(fā)光區(qū)和n型電子發(fā)射區(qū)組成。包括一個半導體化合物材料襯底，在襯底上形成緩沖層，形成n型布拉格反射層，然后是n型電子發(fā)射層，再生長多量子阱有源發(fā)光層，繼續(xù)生長窄帶隙p-型基區(qū)層，再生長突變窄寬帶隙p+摻雜集電層，p-型基區(qū)層與p+型摻雜集電區(qū)層通過突變同型異質結接觸，最后形成了外延片，通過半導體平面工藝技術制備成相應的p+型電極、p-型電極和n型電極，形成了晶體管器件。其中，在III-V族化合物中，如GaN、GaAs和GaP等材料，通過控制In材料的組分改變材料的帶隙寬度形成控制區(qū)或發(fā)光區(qū)，利用Mg材料摻雜形成p型區(qū)，Si等摻雜形成n型區(qū)。
本發(fā)明的發(fā)光晶體管的工作原理器件正常工作時，在p+型集電極和n型發(fā)射極之間加正向電壓Vpn，p-基極和p+型集電極之間加正向電壓Vpp，空穴由p+型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))越過空穴量子阱進入p-基區(qū)，再通過p-型基區(qū)進入有源區(qū)，Vpp控制著基區(qū)空穴量子阱勢壘的高度，控制了通過異質結的空穴數量，起到了調節(jié)器件發(fā)光強度的作用，進入有源區(qū)的電子與由p型空穴發(fā)射區(qū)注入的空穴復合發(fā)光，其中，1V＜Vpn＜15V，0.1V＜Vpp＜8V。
本發(fā)明所述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法包括如下步驟(1)、利用金屬有機氣相淀積或分子束外延技術，生長III-V族GaN、GaAs或GaP材料；(2)、選擇一個藍寶石、硅、砷化鎵或二氧化硅材料的襯底，生長緩沖層；(3)、緩沖層生長多周期的n型的布拉格反射層；(4)、繼續(xù)生長施主摻雜濃度為1017～1019cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)；(5)、在In1-xGaxN、In1-xGaxAs或(AlGa)xIn1-xP材料中，通過改變x的值控制外延層In材料的組分，繼續(xù)生長多周期的超晶格結構，形成多量子阱有源發(fā)光層，0.03＜x＜0.95；(6)、再生長受主摻雜濃度為1015～1018cm-3、厚度在50nm到150nm之間的p-型基區(qū)層；(7)、改變受主摻雜濃度1018～5×1019m-3，生長突變的p+型集電極層，得到發(fā)光三極管的外延片；(8)、利用光刻和化學腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極；(9)、制作基區(qū)的p-電極和集電區(qū)的p+型電極，得到帶有控制端的ppn型發(fā)光晶體管。
本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點(1)采用了p+型、p-型、n型晶體管結構；(2)具有p-型基極可以控制發(fā)光；(3)發(fā)光晶體管的發(fā)光功率高于現有技術中發(fā)光晶體管的功率。


圖1是本發(fā)明發(fā)光晶體管剖面結構示意圖；圖中，1是襯底，2是緩沖層，3是n型布拉格反射層，4是n型發(fā)射區(qū)，5是有源區(qū)，6是p-型基區(qū)，7是p+型集電區(qū)。8是n電極，9是p-電極，10是p+電極。
圖2是本發(fā)明發(fā)光晶體管的能帶圖，圖中，11是6與7通過突變同型異質結接觸形成的空穴量子阱。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的ppn型發(fā)光晶體管包括襯底1、形成于襯底1上的緩沖層2、形成于緩沖層2上的n型布拉格反射層3、形成于n型布拉格反射層3上的n型電子發(fā)射層4、與n型電子發(fā)射層4歐姆接觸的發(fā)射電極8、形成于n型電子發(fā)射層4上的多量子阱有源發(fā)光層5、形成于多量子阱有源發(fā)光層5上的窄帶隙p-型基區(qū)層6(厚度在50nm到150nm之間)，與p-型基區(qū)層6通過歐姆接觸形成的電極9、通過突變同型異質結接觸形成于p-型基區(qū)層6之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層7以及與p+型摻雜的集電極層7歐姆接觸的電極10。
圖1中，空穴由p+型集電區(qū)7，經過p-型基區(qū)6進入有源區(qū)5，然后在有源區(qū)5與由n型電子發(fā)射區(qū)4注入的電子復合發(fā)光。其中施加在p-型基區(qū)電極9上的電壓控制著基區(qū)空穴量子阱勢壘高度，進而控制了通過異質結的空穴數量，起到了調節(jié)器件發(fā)光強度的作用。
圖2示意了本發(fā)明發(fā)光晶體管的能帶圖，通過能帶圖可以清楚看出，基區(qū)6與集電極7的突變同型異質結接觸形成的量子阱11可以起到限制空穴的作用，通過控制基區(qū)6上的電壓可以調節(jié)異量子阱11的勢壘，控制了空穴通過量子阱11的數量，從而可以起到調節(jié)發(fā)光的作用。
實施例1利用III-V族化合物材料GaAs材料制備晶體管。選用藍寶石襯底，由寬帶隙的n型電子發(fā)射區(qū)、有源發(fā)光區(qū)、窄帶隙的p-型基極控制區(qū)和p型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))構成。在n型GaAs材料襯底1上形成緩沖層2，再形成n型布拉格反射層3，然后是n型電子發(fā)射層4，再繼續(xù)生長多量子阱有源發(fā)光層5，然后生長p-型基區(qū)層6，再繼續(xù)生長突變的p+型重摻雜集電區(qū)層7，輕摻雜p-型基區(qū)層6與p+型重摻雜發(fā)射區(qū)層7通過突變同型異質結接觸，在靠近p-型輕摻雜基區(qū)層6的結區(qū)一側形成量子阱11，量子阱的勢壘高度通過施加在基區(qū)6上的電壓進行控制，形成了外延片。通過半導體平面工藝技術制備成相應的p+型電極10、p-型電極9和n型電極8，形成了晶體管器件。其中，在In1-xGaxAs材料中，通過變化x的值來改變In元素的組分，致使改變材料的帶隙寬度形成控制區(qū)或發(fā)光區(qū)，在GaAs材料中利用Mg材料摻雜形成p型區(qū)，利用Si摻雜形成n型區(qū)。
本實施例的發(fā)光晶體管的制備方法是利用MOCVD技術，生長GaAs材料。選擇n型GaAs為半導體材料襯底1，生長0.5μm厚的緩沖層2。通過Si材料的摻雜生長多周期的n型的布拉格反射層3。繼續(xù)生長Si材料摻雜濃度為1017cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)4。在生長In1-xGaxN材料時(0.03＜x＜0.95)，通過改變x值控制In材料的摻雜組分，生長多周期的超晶格結構，形成多量子阱有源區(qū)5。在多量子阱有源區(qū)5上生長Mg摻雜濃度為1016cm-3的p-型基區(qū)6。再繼續(xù)突變生長Mg摻雜濃度為1017cm-3的p+型集電區(qū)7，得到發(fā)光三極管的外延片。通過半導體平面工藝技術，利用光刻和化學腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金等材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極8。利用上述方法，可以制作基區(qū)的p-電極9和集電區(qū)的p+型電極10，得到帶有控制端的發(fā)光晶體管。
實施例2利用II-VI族化合物材料ZnO材料制備晶體管。
與實施例1相比，實施例2的不同之處在于采用ZnO材料，攙雜Al元素形成n型發(fā)射區(qū)4，攙雜N元素形成有源發(fā)光區(qū)5、p-型6、p+型區(qū)7。
其他同實施例1。
權利要求
1.一種ppn型發(fā)光晶體管，其特征在于包括襯底、形成于襯底上的緩沖層、形成于緩沖層上的n型布拉格反射層、形成于n型布拉格反射層上的n型電子發(fā)射層、與n型電子發(fā)射層歐姆接觸的發(fā)射電極、形成于n型電子發(fā)射層上的多量子阱有源發(fā)光層、形成于多量子阱有源發(fā)光層上的窄帶隙p-型基區(qū)層，與p-型基區(qū)層通過歐姆接觸形成的電極、通過突變同型異質結接觸形成于p-型基區(qū)層之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層以及與p+型集電極層歐姆接觸的電極。
2.根據權利要求1所述的發(fā)光晶體管，其特征在于所述窄帶隙p-型基區(qū)層厚度為50-150nm。
3.根據權利要求1或2所述的發(fā)光晶體管，其特征在于所述襯底采用藍寶石、硅、炭化硅、砷化鎵或二氧化硅材料。
4.根據權利要求3所述的發(fā)光晶體管，其特征在于p+型集電極層由GaAs攙雜Mg材料制備得到，p-型基區(qū)層由GaAs攙雜Mg、In材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層由GaAs攙雜In材料制備得到。
5.根據權利要求3所述的發(fā)光晶體管，其特征在于p+型集電極層、p-型基區(qū)層由ZnO摻雜N、As材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層由ZnO摻雜Be、Al材料制備得到。
6.權利要求1-5之一所述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)、利用金屬有機氣相淀積或分子束外延技術，生長III-V族GaN、GaAs或GaP材料；(2)、選擇一個藍寶石、硅、砷化鎵或二氧化硅材料的襯底，生長緩沖層；(3)、緩沖層生長多周期的n型的布拉格反射層；(4)、繼續(xù)生長施主摻雜濃度為1017～1019cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)；(5)、在In1-xGaxN、In1-xGaxAs或(AlGa)xIn1-xP材料中，通過改變x的值控制外延層In材料的組分，繼續(xù)生長多周期的超晶格結構，形成多量子阱有源發(fā)光層，0.03＜x＜0.95；(6)、再生長受主摻雜濃度為1015～1018cm-3、厚度在50nm到150nm之間的p-型基區(qū)層；(7)、改變受主摻雜濃度1018～5×1019cm-3，生長突變的p+型集電極層，得到發(fā)光三極管的外延片；(8)、利用光刻和化學腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極；(9)、制作基區(qū)的p-電極和集電區(qū)的p+型電極，得到帶有控制端的ppn型發(fā)光晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于III－V族化合物或者II－VI族化合物的高發(fā)光效率的ppn型發(fā)光晶體管，包括襯底、緩沖層、n型布拉格反射層、n型電子發(fā)射層、發(fā)射電極、多量子阱有源發(fā)光層、窄帶隙p
文檔編號H01L33/00GK101060154SQ200710028069
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權日2007年5月21日
發(fā)明者郭志友, 張建中, 孫慧卿, 范廣涵 申請人:華南師范大學