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CN103633218A - 一种氮化镓系发光器件 - Google Patents

一种氮化镓系发光器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓系发光器件，包括衬底；成核层；n型III族氮化物层；多量子阱有源区；最后一个量子垒层；类电子阻挡层；p型III族氮化物层；n型金属电极和p型金属电极。其中最后一个量子垒层和类电子阻挡层之间的界面存在负的净极化电荷。本发明提出的上述方案相比现有的GaN LQB/AlGaN EBL结构(界面存在正的净极化电荷)，或极化匹配GaN LQB/AIInGaN EBL结构(界面净极化电荷为零)，能够增强电子阻挡层阻挡电子泄漏的效果，从而提高LED发光效率，并减少大注入电流下的发光效率衰减。

Description

一种氮化镓系发光器件
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓系发光器件，特别是指一种利用负的界面净极化电荷限制电子电流泄漏的氮化镓系发光器件。
背景技术
氮化镓基发光二极管(LED)中，电子空穴注入不匹配导致的电子电流泄漏是限制LED发光效率并导致大电流下发光效率衰减的主要原因。电子空穴注入不匹配源于P区空穴浓度低于n区电子浓度，且空穴迁移率低，有效质量大。对于极性面生长的氮化镓基LED，极化效应会进一步加重电子电流泄漏。为减少电子电流泄漏，加入电子阻挡层是非常必要的。
通常在多量子阱有源区的最后一个量子垒层(LQB)之后加上能隙高于LQB的AlGaN层作为电子阻挡层(EBL)，利用LQB/EBL界面的导带阶阻挡电子泄漏。例如，蓝光LED通常采用GaN作为LQB，AlGaN作为EBL；紫外LED通常采用AlGaN作为LQB，较高Al组分AlGaN作为EBL。然而，如此获得的AlxGa1-xN LQB/AlyGa1-yNEBL(0≤x<y≤1)界面会集聚正的极化电荷，导致能带下移，不利于阻挡电子泄漏，即使增加EBL的Al组分也无济于事，因为LQB和EBL的组分差越大，极化也越强，能带下移越严重。
为解决LQB/EBL界面正极化电荷导致的EBL能带下移问题，有研究人员提出采用与LQB材料极化匹配的AlInGaN材料作为电子阻挡层(参考：APPLIED PHYSICS LETTERS91，1835072007)，用以消除界面极化电荷。
发明内容
有鉴于此，本发明选择合适材料使得LQB/类EBL界面形成负的极化电荷，利用该负极化电荷增强电子阻挡效果。
本发明提供了一种氮化镓系发光器件，包括：
一衬底；
一成核层；其制作在衬底上；
一缓冲层，其制作在成核层上；
一n型III族氮化物层，其制作在缓冲层上，该n型III族氮化物层上面的一侧有一台面，该台面的厚度小于n型III族氮化物层的厚度；
一多量子阱有源区，其制作在远离台面一侧的n型III族氮化物层上，该多量子阱有源区为发光区；
一最后一个量子垒层，其制作在多量子阱有源区上；
一类电子阻挡层，其制作在最后一个量子垒层上；
一p型III族氮化物层，其制作在类电子阻挡层上；
一n型金属电极，其淀积在n型III族氮化物层一侧的台面上；
一p型金属电极，其淀积在p型III族氮化物层上；
其中，所述最后一个量子垒层和类电子阻挡层之间的界面上存在负的净极化电荷。
本发明还提供了一种氮化镓系发光器件的制备方法，其包括：
步骤1、在衬底上依次外延生长成核层、缓冲层、n型III族氮化物层、多量子阱有源区、最后一个量子垒层、类电子阻挡层和p型III族氮化物层；其中，所述最后一个量子垒层和类电子阻挡层之间的界面上存在负的净极化电荷
步骤2、在p型III族氮化物层一侧的表面向下刻蚀形成台面，其刻蚀深度达到n型III族氮化物层内；
步骤3、在所述台面上淀积n型金属电极，p型III族氮化物层上淀积p型金属电极，完成器件制备。
本发明提出的上述方案相比现有的GaN LQB/AlGaN EBL结构(界面存在正的净极化电荷)，或极化匹配GaN LQB/AlInGaN EBL结构(界面净极化电荷为零)，能够增强电子阻挡层阻挡电子泄漏的效果，从而提高LED发光效率，并减少大注入电流下的发光效率衰减。
附图说明
图1是本发明的一种氮化镓系发光器件的结构示意图；
图2是本发明中GaN LQB/Al0.1In0.047GaN EBL界面极化电荷对能带图的影响示意图；
图3是本发明中GaN LQB/Al0.1In0.047GaN EBL界面极化电荷对电子泄漏电流的影响示意图；
图4是本发明中GaN LQB/Al0.1In0.047GaN EBL界面极化电荷对内量子效率的影响示意图；
图5是本发明的Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构与GaNLQB/Al0.15Ga0.85N EBL普通结构的能带图对比图；
图6是本发明的Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构与GaNLQB/Al0.15Ga0.85N EBL普通结构的电子泄漏电流对比图；
图7是本发明的Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构与GaNLQB/Al0.15Ga0.85N EBL普通结构的内量子效率对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供了一种氮化镓系发光器件，包括：
一衬底10；该衬底10优选为(0001)晶向蓝宝石(Al2O3)，该衬底10还可以是氧化铝单晶、GaN、6H-SiC、4H-SiC、Si、AlN或ZnO；材料外延采用MOCVD设备。
一成核层11；其制作在衬底10上；可选地，该成核层采用GaN材料制成；该成核层11还可以采用AlN材料制成；
一缓冲层12；其制作在成核层11上；可选地，该缓冲层采用GaN材料制成；
一n型III族氮化物层13，其制作在缓冲层12上，该n型III族氮化物层13上面的一侧有一台面131，该台面131的厚度小于n型III族氮化物层13的厚度；该n型III族氮化物层13是掺Si的GaN；
一多量子阱有源区14，其制作在远离台面131一侧的n型III族氮化物层13上；该多量子阱有源区14为多周期结构，每一周期包括量子垒层142和量子阱层141，周期数为1-20；该多量子阱有源区14最后一层是量子阱层141；其中量子垒层142是GaN；其中量子阱层141是InGaN，该多量子阱有源区14为发光区；
一最后一个量子垒层15，其制作在多量子阱有源区14上；该最后一个量子垒层15的厚度为5-30nm；该最后一个量子垒层15最好是p型掺杂；
一类电子阻挡层16，其制作在最后一个量子垒层15上；
其中最后一个量子垒层15和类电子阻挡层16之间的界面要求存在负的净极化电荷。为满足该条件，需选择合适材料分别作为最后一个量子垒层15和类电子阻挡层16，例如采用AlGaN作为最后一个量子垒层15，GaN作为类电子阻挡层16，其界面存在负的净极化电荷。界面负电荷的存在有利于阻挡电子泄漏，从而提高LED发光效率。
如果最后一个量子垒层15的带隙宽度小于类电子阻挡层16的带隙宽度，则阻挡电子电流泄漏的效果会较好。不过，即使类电子阻挡层16的带隙宽度小于最后一个量子垒层15，只要两者之间界面存在负的极化电荷，也可以获得很好的阻挡电子泄露的效果。
所谓类电子阻挡层EBL是指该层位于通常的电子阻挡层位置上，但其带隙宽度可以大于量子垒层LQB，也可以小于LQB。前面这种情况(类EBL带隙宽度大于LQB)中，类EBL是名符其实的电子阻挡层，能够起到阻挡电子的作用；后者这种情况(类EBL带隙宽度小于LQB)中，类EBL不能起到真正的阻挡电子作用，真正起电子阻挡作用的是因LQB/类EBL界面负极化电荷而上翘的LQB的导带。
一p型III族氮化物层17，其制作在类电子阻挡层16上；该p型III族氮化物层17是掺Mg的GaN；
一n型金属电极18，其淀积在n型III族氮化物层13一侧的台面131上；该n型金属电极18是铬铂金或钛铝钛金；该台面131通过刻蚀形成：在p型III族氮化物层17的表面向下刻蚀，刻蚀深度达到n型III族氮化物层13内，在该n型III族氮化物层13的一侧形成台面131；其中刻蚀工艺是感应耦合等离子体刻蚀(ICP)；该n型金属电极18的淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射；
一p型金属电极19，其淀积在p型III族氮化物层17上；该p型金属电极19是铬铂金；该p型金属电极19的淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射。
其中，所述氮化镓系材料包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN；所述发光器件是发光二极管、激光二级管或超辐射发光二极管；
根据本发明的另一方面，其还提供了一种氮化镓系发光器件的制备方法。该方法包括：步骤1、采用MOCVD设备，在衬底上外延成核层，其生长参数为：反应温度500-800℃，反应腔压力200-500Torr，载气流量10-30升/分钟，三甲基镓流量20-250微摩尔/分钟，氨气流量20-80摩尔/分钟，生长时间1-10分钟；该成核层还可以采用AlN材料制成；其中，整个制备过程中采用高纯NH3作N源，高纯H2和N2的混合气体作载气，三甲基镓或三乙基镓作Ga源，三甲基铟作In源，三甲基铝作Al源，硅烷作为n型掺杂剂，二茂镁作为p型掺杂剂；
步骤2、在成核层上制备缓冲层，其生长参数包括：反应温度950-1180℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量为80-400微摩尔/分钟，氨气流量为200-800摩尔/分钟，生长时间20-60分钟；
步骤3、在缓冲层上制作n型III族氮化物层，其生长参数包括：反应温度950-1150℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，硅烷流量0.2-2.0纳摩尔/分钟，生长时间10-40分钟；
步骤4、在n型III族氮化物层上制作多量子阱有源区，多周期结构，每一周期包括量子垒层142和量子阱层141，周期数为1-20；该多量子阱有源区14最后一层是量子阱层141；其中量子垒层142是GaN，其生长参数是：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；其中量子阱层141是InGaN，其生长参数是：反应温度700-850℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；该多量子阱有源区14为发光区；
步骤5、在多量子阱有源区上制作最后一个量子垒层，其生长温度是700-900℃；该最后一个量子垒层15的厚度为5-30nm；该最后一个量子垒层最好是p型掺杂；
步骤6、在最后一个量子垒层上制作类电子阻挡层；其中最后一个量子垒层和类电子阻挡层之间的界面要求存在负的净极化电荷；
步骤7、在类电子阻挡层上制作p型III族氮化物层，该p型III族氮化物层17是掺Mg的GaN，其生长参数是：反应温度950-1100℃，反应腔压力200-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，二茂镁流量为0.5-5微摩尔/分钟，时间10-50分钟；
步骤8、在p型III族氮化物层一侧的表面向下刻蚀形成台面，其刻蚀深度达到n型III族氮化物层内，且该台面的厚度小于所述n型III族氮化物层的厚度；其中刻蚀工艺是感应耦合等离子体刻蚀(ICP)；该n型金属电极18的淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射；
步骤9、在所述台面上淀积n型金属电极，该n型金属电极18是铬铂金或钛铝钛金；
步骤10、在p型III族氮化物层上淀积p型金属电极，该p型金属电极19是铬铂金；该p型金属电极19的淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射。
为展示本发明的效果，图2-4对比了LQB/EBL界面净极化电荷分别为正、零和负电荷时的能带图、电子泄漏电流，以及发光内量子效率。选择GaN作为最后一个量子垒层15(LQB)，Al0.1In0.047GaN作为电子阻挡层16(EBL)，若界面净极化电荷为正，则LQB/EBL界面附近导带底被拉低，不能有效阻挡电子，导致电子电流泄漏严重，发光内量子效率很低。若界面净极化电荷为零，则LQB/EBL界面可以起到较好的电子阻挡效果，电子泄漏得到有效的压制，发光内量子效率显著提高。若界面净极化电荷为负，则LQB/EBL界面附近导带底被拉高，能够更有效地阻挡电子，电子电流泄漏被更好地限制，发光内量子效率得到明显提高。需要说明的是，实际上，GaN与Al0.1In0.047GaN是极化匹配的，其界面净极化电荷为零，图2-4中的界面净极化电荷值只是假设，用于分析当其他条件都完全一致时，单纯的界面净极化电荷的改变对器件性能的影响。
图5-7对比了Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构与GaNLQB/Al0.15Ga0.85N EBL结构的能带图、电子泄漏电流以及发光内量子效率。GaN LQB/Al0.15Ga0.85N EBL是以前通常采用的电子阻挡结构，其界面存在正的净极化电荷。Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构是本发明的其中一种结构，其界面存在负的净极化电荷。很明显，采用本发明的Al0.15Ga0.85NLQB/GaN类EBL结构，相比采用通常的GaN LQB/Al0.15Ga0.85N EBL结构，LQB/EBL界面附近导带底被拉高，能够更有效地阻挡电子，电子电流泄漏被更好地限制，发光内量子效率获得很大地提高。
除了上述提到的Al0.15Ga0.85N LQB/GaN类EBL结构，其他LQB/类EBL结构，只要满足界面存在负的净极化电荷，都可以实现很好的电子阻挡效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化镓系发光器件，包括：
一衬底(10)；
一成核层(11)；其制作在衬底(10)上；
一缓冲层(12)，其制作在成核层(11)上；
一n型III族氮化物层(13)，其制作在缓冲层(12)上，该n型III族氮化物层(13)上面的一侧有一台面(131)，该台面(131)的厚度小于n型III族氮化物层(13)的厚度；
一多量子阱有源区(14)，其制作在远离台面(131)一侧的n型III族氮化物层(13)上，该多量子阱有源区(14)为发光区；
一最后一个量子垒层(15)，其制作在多量子阱有源区(14)上；
一类电子阻挡层(16)，其制作在最后一个量子垒层(15)上；
一p型III族氮化物层(17)，其制作在类电子阻挡层(16)上；
一n型金属电极(18)，其淀积在n型III族氮化物层(13)一侧的台面(131)上；
一p型金属电极(19)，其淀积在p型III族氮化物层(17)上；
其中，所述最后一个量子垒层(15)和类电子阻挡层(16)之间的界面上存在负的净极化电荷。
2.如权利要求1所述的氮化镓系发光器件，其中，所述氮化镓系材料包括极性面生长的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN。
3.如权利要求1所述的氮化镓系发光器件，其中，所述发光器件是发光二极管、激光二级管或超辐射发光二极管。
4.如权利要求1所述的氮化镓系发光器件，其中，所述的衬底(10)包括蓝宝石、氧化铝单晶、GaN、6H-SiC、4H-SiC、Si、AlN或ZnO。
5.如权利要求1所述的氮化镓系发光器件，其中，所述的多量子阱有源区(14)为多周期结构，每一周期包括量子垒层(142)和量子阱层(141)，周期数为1-20；该多量子阱有源区(14)的最后一层是量子阱层(141)。
6.如权利要求1所述的氮化镓系发光器件，其中，所述最后一个量子垒层(15)选用AlGaN，类电子阻挡层(16)选用GaN。
7.如权利要求6所述的氮化镓系发光器件，其中，所述最后一个量子垒层(15)和类电子阻挡层(16)还可以从以下组合中选取：最后一个量子垒层(15)选用AlGaN，类电子阻挡层(16)选用InGaN；或者最后一个量子垒层(15)选用AlxGa1-xN，类电子阻挡层(16)选用AlyGa1-yN，其中x>y；或者最后一个量子垒层(15)选用AlxGa1-xN，0≤x≤1，类电子阻挡层(16)选用AlInGaN，其中沿生长方向AlInGaN的极化强度大于AlxGa1-xN。
8.一种氮化镓系发光器件的制备方法，其包括：
步骤1、在衬底上依次外延生长成核层、缓冲层、n型III族氮化物层、多量子阱有源区、最后一个量子垒层、类电子阻挡层和p型III族氮化物层；其中，所述最后一个量子垒层和类电子阻挡层之间的界面上存在负的净极化电荷
步骤2、在p型III族氮化物层一侧的表面向下刻蚀形成台面，其刻蚀深度达到n型III族氮化物层内；
步骤3、在所述台面上淀积n型金属电极，p型III族氮化物层上淀积p型金属电极，完成器件制备。
9.如权利要求8所述的氮化镓系发光器件的制备方法，其中，所述最后一个量子垒层选用AlGaN，类电子阻挡层选用GaN。
10.如权利要求9所述的氮化镓系发光器件的制备方法，其中，所述最后一个量子垒层和类电子阻挡层还可以从以下组合中选取：最后一个量子垒层选用AlGaN，类电子阻挡层选用InGaN；或者最后一个量子垒层选用AlxGa1-xN，类电子阻挡层选用AlyGa1-yN，其中x>y；或者最后一个量子垒层选用AlxGa1-xN，0≤x≤1，类电子阻挡层选用AlInGaN，其中沿生长方向AlInGaN的极化强度大于AlxGa1-xN。
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