專利名稱：一種氮化物發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，尤其是涉及一種非對(duì)稱耦合量子阱為有源區(qū)的氮 化物發(fā)光器件，諸如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管((LD)。
背景技術(shù)：
GaN基材料是指GaN、 InN、 A1N以及它們的三元和四元化合物，屬于直接帶隙半導(dǎo)體 材料，具有優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)性能，室溫下其發(fā)光波長(zhǎng)涵蓋了近紅外、可見以及深紫外波段。 基于GaN基材料制作的半導(dǎo)體發(fā)光器件在大屏幕全色顯示、照明、信息存儲(chǔ)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，氮化物發(fā)光器件主要采用多量子阱結(jié)構(gòu)作為有源層，載流子的注入方式為雙極性 輸入即電子和空穴分別從有源區(qū)的兩端n型摻雜區(qū)和p型摻雜區(qū)輸入，載流子在各個(gè)阱間 的分布主要由電子和空穴的輸運(yùn)特性來決定。由于空穴有效質(zhì)量比電子有效質(zhì)量大得多,而遷 移率比電子遷移率低，因此在InGaN多量子阱屮空穴的注入和分布是很不均勻的，最靠近p 區(qū)的量子阱中的空穴濃度最高，對(duì)發(fā)光的貢獻(xiàn)最大。隨著注入電流的增大，必然導(dǎo)致靠近p 區(qū)的量子阱中載流子大量聚集，使電子從有源區(qū)的泄露幾率增加，從而大大降低有源區(qū)的外 量子效率，這也是導(dǎo)致高輸出功率LED效率驟降的主要原因(X. F. Ni, Q. Fan， R. Shimada^ et al.'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 e伍ciency droop in InGaN multiple quantum well blue light emitting diodes and its reduction with p-doped quantum well barriers, Appl Phys Lett, 2008, 93(12): 121107)。同時(shí)，由于能帶填充效應(yīng)增強(qiáng)，發(fā)光波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生明顯的藍(lán) 移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非對(duì)稱耦合多量子阱結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的氮化物發(fā)光器件及其制 備方法。采用這種器件結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)空穴的在量子阱有源區(qū)中的有效輸運(yùn)，從而改善氮化物 發(fā)光器件有源區(qū)中載流子分布不均現(xiàn)象，減小電子泄露和能帶填充效應(yīng)，提高器件的發(fā)光效 率和波長(zhǎng)穩(wěn)定性。
本發(fā)明所述氮化物發(fā)光器件至少包括n-型電子注入層、p-型空穴注入層和多量子阱有源層，多量子阱有源層夾在n-型電子注入層和p-型空穴注入層之間。
所述n-型電子注入層可以是n型GaN、 AlGaN、 InGaN和AlInGaN四種化合物中的至少 一種，所述n-型電子注入層的禁帶寬度大于量子阱有源層的禁帶寬度。
所述p-型空穴注入層可以是p型GaN、 AlGaN、 InGaN和AlInGaN四種化合物中的至少 一種，所述p-型空穴注入層的禁帶寬度大于量子阱有源層的禁帶寬度。
所述量子阱的壘可以是GaN、 AlGaN、 InGaN和AlInGaN四種化合物中的至少一種，所 述阱可以是GaN、 AlGaN、 InGaN三種化合物中的至少一種，壘的禁帶寬度大于阱的禁帶寬 度；多量子阱有源層由非對(duì)稱耦合量子阱組成，非對(duì)稱耦合量子阱包括至少兩個(gè)量子阱，所 述量子阱的壘層<10 nm，相鄰量子阱之間存在耦合效應(yīng)，阱中的電子和空穴能夠隧穿通過壘 層進(jìn)入下一個(gè)量子阱；所述量子阱中基態(tài)能級(jí)(m=l)間的躍遷能量(該能量決定器件的發(fā) 光波長(zhǎng))逐漸變化，躍遷能量大的阱接近p-型空穴注入層，躍遷能量小的阱接近n-型電子注 入層。
多量子阱有源區(qū)可以是一組非對(duì)稱耦合量子阱，也可以是多組的組合，組與組之間用氮 化物插入層進(jìn)行連接。
在實(shí)際情況中，主要通過改變阱寬或組分來實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱耦合量子阱，主要包括以下三種 情況
(1) 量子阱的阱寬逐漸增大，其中窄阱靠近p-型接觸層，寬阱靠近n-型接觸層；
(2) 量子阱中In的含量逐漸增加，或A1的含量逐漸減小，也即量子阱的禁帶寬度依次 減小，其中禁帶寬度較人的量子阱靠近p-型接觸層，禁帶寬度較小的量子阱靠近n-型接觸層。
(3) 量子阱的阱寬逐漸增大，同時(shí)量子阱中In的含量逐漸增加，或A1的含量逐漸減小， 也即以上兩種情況的組合。
本發(fā)明所述氮化物發(fā)光器件的制備方法包括以下步驟
1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層、未摻雜的GaN層、摻Si 的n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、摻Mg的p型AlGaN層和p型GaN層，并在 外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；
2) 在LED外延片上，采用感應(yīng)耦合等離子體部分地刻蝕p型GaN層、p型AlGaN層、 InGaNZGaN多量子阱有源層，形成一臺(tái)面狀，并暴露出n型GaN層，在露出的n型GaN層 上制備n型電極；
3 )在剩余未刻蝕的p型GaN層上制備p型電流擴(kuò)展層以及p型電極。本發(fā)明所述氮化物發(fā)光器件的另一種制備方法包括以下步驟-
1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層，未摻雜的GaN層，n型 GaN層，n型AlGaN/GaN超晶格光限制層，n型GaN波導(dǎo)層，InGaN多量子阱有源層，p型 AlGaN載流子限制層，p型GaN波導(dǎo)層，p型AlGaN/GaN超晶格光限制層，p型GaN層， 并在外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；
2) 在制作的激光器的外延結(jié)構(gòu)表面采用蒸發(fā)的方法蒸鍍金屬層，并利用剝離方法形成圖 形，然后在氮?dú)鈿夥栈虻獨(dú)馀c氧氣的混合氣氛中進(jìn)行合金化，形成良好的p型歐姆接觸電極;
3) 利用介質(zhì)膜或光刻膠作掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)在蒸鍍了p型歐姆接觸電極 的激光器外延結(jié)構(gòu)上刻蝕出激光器的n型接觸區(qū)域；
4) 利用光刻膠作掩膜刻蝕出激光器的脊型結(jié)構(gòu)，并保留剩余的光刻膠掩膜，并在刻蝕出 脊型結(jié)構(gòu)的激光器上蒸鍍或沉積Si02介質(zhì)膜隔離層，并采用剝離的方法露出脊型表面的p型 歐姆接觸電極；
5) 釆用光刻和蒸鍍金屬電極的方法形成激光器的p型加厚電極和n型歐姆接觸電極。
所述蒸鍍金屬層的材料為金、銀、鎳、鉑、鈀中的一種，或金、銀、鎳、鉑、鈀中的兩 種或三種金屬的合金。
本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于
O采用較薄的壘層，提高了量子阱之間載流子的隧穿幾率，有利于載流子的輸運(yùn)。 2)由于載流子優(yōu)先填充較低能級(jí)，在非對(duì)稱量子阱中，載流子從禁帶寬度大的阱(或窄 阱)向禁帶寬度小的阱(或?qū)捼?的隧穿幾率會(huì)大大增加。因此在本發(fā)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中， 空穴的隧穿幾率會(huì)大大增加，而電子的隧穿幾率將因受到阻擋而大大降低?？紤]到空穴的有 效質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，而遷移率遠(yuǎn)小于電子，這種變化將會(huì)極大改善量子阱中載流子分布不均 現(xiàn)象，并可以減少有源區(qū)電子的泄露，從而有效提高器件的發(fā)光效率和波長(zhǎng)穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的非對(duì)稱耦合量子阱有源區(qū)能帶示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的一種LED的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的一種邊發(fā)射LD的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為非對(duì)稱耦合量子阱有源區(qū)能帶示意圖；該有源區(qū)包括至少2個(gè)量子阱(圖中以3 個(gè)為例)，并且每組量子阱的壘層很薄(<10nm)，以便實(shí)現(xiàn)載流子的有效隧穿。量子阱的能 帶結(jié)構(gòu)主要有以下3種形式(a)為阱寬不同的非對(duì)稱耦合量子阱，量子阱的寬度從n-型電 子注入層到p-型空穴注入層依次減??；(b)為組分不同的非對(duì)稱耦合量子阱，量子阱的In的 含量從n-型電子注入層到p-型空穴注入層依次減小，也即帶隙依次增大；(c)為阱寬不同和 組分不同的組合。3個(gè)圖中均象征性地標(biāo)出了量子阱中基態(tài)能級(jí)(m=l)能級(jí)的位置，自n-型電子注入層ll到p-型空穴注入層12，量子阱13中基態(tài)能級(jí)逐漸升高。由于載流子優(yōu)先填 充較低的能級(jí)，并且是雙極注入，因此這3種結(jié)構(gòu)均均可以起到增強(qiáng)空穴的隧穿幾率，而阻 擋電子隧穿的作用，從而極大改善量子阱屮載流子分布不均現(xiàn)象，并可以減少有源區(qū)電子的 泄露，從而提高器件的發(fā)光效率。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種LED的結(jié)構(gòu)圖。由下到上依次包括襯底層l，緩沖層2，未 摻雜的GaN層3， n型GaN層4， InGaN多量子阱有源層5， p型AlGaN層6， p型GaN層7 和接觸層8，所述接觸層8上設(shè)置p型電流擴(kuò)展層和p型電極9，所述n型GaN層4上設(shè)置 有n型電極10。所述InGaN多量子阱有源層5包含有一組非對(duì)稱耦合量子阱，其壘寬相同， 阱寬自n型GaN層4至p型AlGaN層6依次減小。具體制作步驟包括
1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層、未摻雜的GaN層、摻Si 的n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、摻Mg的p型AlGaN層和p型GaN層，并在 外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；
2) 在LED外延片上，采用感應(yīng)耦合等離子體部分地刻蝕p型GaN層、p型AlGaN層、 InGaN/GaN多量子阱有源層，形成一臺(tái)面狀，并暴露出n型GaN層，在露出的n型GaN層 上制備n型電極；
3) 在剩余未刻蝕的p型GaN層上制備p型電流擴(kuò)展層以及p型電極。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種邊發(fā)射LD的結(jié)構(gòu)圖。由下到上依次包括襯底層31、緩沖層 32、未摻雜的GaN層33、 n型GaN層34、 n型AlGaN/GaN超晶格光限制層35、 n型GaN 波導(dǎo)層36、 InGaN多量子阱有源層37、 p型AlGaN載流子限制層38、 p型GaN波導(dǎo)層39、 p型AlGaN/GaN超晶格光限制層310、 p型GaN層311和接觸層312，所述接觸層312上設(shè) 置有p型電極313，所述n型GaN層34上設(shè)置有n型電極314。所述InGaN多量子阱有源層 37包含有-組非對(duì)稱耦合量子阱，其壘寬相同，阱寬自n型GaN層34至p型AlGaN載流子 限制層38依次減小，在刻蝕出脊型結(jié)構(gòu)的激光器上蒸鍍或沉積Si02介質(zhì)膜隔離層315。具體制作步驟如下
1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層，未摻雜的GaN層，n型 GaN層，n型AlGaN/GaN超晶格光限制層，n型GaN波導(dǎo)層，InGaN多量子阱有源層,p型 AlGaN載流子限制層，p型GaN波導(dǎo)層，p型AlGaN/GaN超晶格光限制層，p型GaN層， 并在外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；
2) 在制作的激光器的外延結(jié)構(gòu)表面采用蒸發(fā)的方法蒸鍍金屬層，并利用剝離方法形成圖 形，然后在氮?dú)鈿夥栈虻獨(dú)馀c氧氣的混合氣氛中進(jìn)行合金化，形成良好的p型歐姆接觸電極。 所述蒸鍍的金屬層材料為金、銀、鎳、鉑、鈀或以上兩種或三種金屬的合金；
3) 利用介質(zhì)膜或光刻膠作掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)在蒸鍍了 p型歐姆接觸電極 的激光器外延結(jié)構(gòu)上刻蝕出激光器的n型接觸區(qū)域；
4) 利用光刻膠作掩膜刻蝕出激光器的脊型結(jié)構(gòu)，并保留剩余的光刻膠掩膜，并在刻蝕出 脊型結(jié)構(gòu)的激光器上蒸鍍或沉積Si02介質(zhì)膜隔離層，并采用剝離的方法露出脊型表面的p型 歐姆接觸電極；
5) 采用光刻和蒸鍍金屬電極的方法形成激光器的p型加厚電極和n型歐姆接觸電極。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明， 所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于至少包括n-型電子注入層、p-型空穴注入層和多量子阱有源層，多量子阱有源層夾在n-型電子注入層和p-型空穴注入層之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于所述n-型電子注入層為n型 GaN、 AlGaN、 InGaN和AlInGaN四種化合物中的至少一種；所述n-型電子注入層的禁帶寬 度大于量子阱有源層的禁帶寬度。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于所述p-型空穴注入層為p型 GaN、 AlGaN、 InGaN和AlInGaN四種化合物中的至少一種；所述p-型空穴注入層的禁帶寬 度大于量子阱有源層的禁帶寬度。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于所述量子阱的壘為GaN、 AlGaN、 InGaN和AllnGaN四種化合物中的至少一種；所述阱為GaN、 AlGaN、 InGaN三種化合物中 的至少一種，壘的禁帶寬度大于阱的禁帶寬度。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于多量子阱有源層由非對(duì)稱耦合 量子阱組成，非對(duì)稱耦合量子阱包括至少兩個(gè)量子阱，所述量子阱的壘層<10 nm，相鄰量子 阱之間存在耦合效應(yīng)，阱中的電子和空穴能夠隧穿通過壘層進(jìn)入下一個(gè)量子阱。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于所述量子阱中基態(tài)能級(jí)間的躍 遷能量逐漸變化，躍遷能量大的阱接近p-型空穴注入層，躍遷能量小的阱接近n-型電子注入 層。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化物發(fā)光器件，其特征在于多量子阱有源區(qū)為一組非對(duì)稱 耦合量子阱，或多組非對(duì)稱耦合量子阱的組合，組與組之間用氮化物插入層進(jìn)行連接。
8. 如權(quán)利要求1所述氮化物發(fā)光器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層、未摻雜的GaN層、摻Si 的n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、摻Mg的p型AlGaN層和p型GaN層，并在 外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；2) 在LED外延片上，采用感應(yīng)耦合等離子體部分地刻蝕p型GaN層、p型AlGaN層、 InGaN/GaN多量子阱有源層，形成一臺(tái)面狀，并暴露出n型GaN層，在露出的n型GaN層 上制備n型電極；3) 在剩余未刻蝕的p型GaN層上制備p型電流擴(kuò)展層以及p型電極。
9. 如權(quán)利要求1所述氮化物發(fā)光器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法，依此生長(zhǎng)低溫緩沖層，未摻雜的GaN層，n型 GaN層，n型AlGaN/GaN超晶格光限制層，n型GaN波導(dǎo)層，InGaN多量子阱有源層,p型 AlGaN載流子限制層，p型GaN波導(dǎo)層，p型AlGaN/GaN超晶格光限制層，p型GaN層， 并在外延片生長(zhǎng)完成后進(jìn)行退火，以提高p型層中的空穴濃度；2) 在制作的激光器的外延結(jié)構(gòu)表面采用蒸發(fā)的方法蒸鍍金屬層，并利用剝離方法形成圖 形，然后在氮?dú)鈿夥栈虻獨(dú)馀c氧氣的混合氣氛中進(jìn)行合金化，形成良好的p型歐姆接觸電極;3) 利用介質(zhì)膜或光刻膠作掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)在蒸鍍了 p型歐姆接觸電極 的激光器外延結(jié)構(gòu)上刻蝕出激光器的n型接觸區(qū)域；4) 利用光刻膠作掩膜刻蝕出激光器的脊型結(jié)構(gòu)，并保留剩余的光刻膠掩膜，并在刻蝕出 脊型結(jié)構(gòu)的激光器上蒸鍍或沉積Si02介質(zhì)膜隔離層，并采用剝離的方法露出脊型表面的p型 歐姆接觸電極；5) 采用光刻和蒸鍍金屬電極的方法形成激光器的p型加厚電極和n型歐姆接觸電極。
10. 如權(quán)利要求9所述氮化物發(fā)光器件的制備方法，其特征在于所述蒸鍍金屬層的材料 為金、銀、鎳、鉑、鈀中的一種，或金、銀、鎳、鉑、鈀中的兩種或三種金屬的合金。
全文摘要
一種氮化物發(fā)光器件及其制備方法，涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。提供一種非對(duì)稱耦合多量子阱結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的氮化物發(fā)光器件及其制備方法。至少包括n-型電子注入層、p-型空穴注入層和多量子阱有源層，多量子阱有源層夾在n-型電子注入層和p-型空穴注入層之間。有源層由非對(duì)稱耦合量子阱結(jié)構(gòu)組成。量子阱的壘層較薄，易實(shí)現(xiàn)載流子隧穿，且量子阱中基態(tài)能級(jí)間的躍遷能量逐漸變化，躍遷能量大的量子阱接近p型注入層，躍遷能量小的量子阱接近n型注入層。用此有源區(qū)結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)空穴在量子阱有源區(qū)中的隧穿輸運(yùn)，同時(shí)阻擋電子在量子阱有源區(qū)中的隧穿輸運(yùn)，改善氮化物發(fā)光器件有源區(qū)中載流子分布不均現(xiàn)象，減小電子泄露和能帶填充效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101540364SQ20091011157
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者余金中, 張保平, 張江勇, 王啟明, 蔡麗娥 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)