CN105990477B - 具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件及其制法。该器件包含多量子阱结构，所述多量子阱结构包含交替生长的复数铟镓氮层，并且在所述多量子阱结构中不同量子垒层中的平均铟含量由P型侧向N型侧逐渐降低，而至少一量子垒层中的铟含量由P型侧向N型侧逐渐升高。本发明器件因采用复合渐变量子垒结构，可以降低量子阱区的极化电场，增加电子和空穴的复合效率，以及改善空穴输运，减小阱间空穴分布不均匀性，并且减小电子泄露，进而可明显提高发光二极管等器件的发光效率，并显著抑制其效率下降等问题，同时，其制备工艺简单可控，易于规模化实施。

Description

具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件及其制法

技术领域

本发明涉及一种氮化镓基半导体器件，特别涉及一种具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件及其制备方法，属于氮化镓光电子器件领域。

背景技术

氮化镓发光二极管由于功耗低，寿命长，效率高，绿色环保等优点被广泛用于显示、照明等领域。然而c方向生长的铝铟镓氮材料中存在很强的极化电场，该电场造成量子阱能带倾斜，使电子和空穴在空间上分离，降低了复合发光效率。而且能带倾斜产生的势垒尖峰会阻挡空穴的输运，加之空穴有效质量很大，使空穴在各个量子阱中分布极不均匀。传统量子阱结构中靠近P型的量子垒与电子阻挡层间能带差小，不能有效地限制电子泄露，在大电流注入下，从N型区注入到量子阱中的载流子有很大几率直接越过电子阻挡层势垒而泄露至P型区。电子泄露被认为是引起发光二极管效率下降(efficiency droop)的重要原因之一。

请参阅图2所示的传统InGaN/GaN多量子阱结构能带图，其中由于沿生长方向的极化电场的存在，量子阱和量子垒能带发生倾斜，降低了电子空穴复合效率，且形成的势垒尖峰会阻碍载流子特别是空穴的注入。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其结构中通过降低量子阱压电场，降低因压电效应产生的空穴输运势垒，而使发光效率高和效率下降被显著改善，从而克服了现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供一种制备所述具有复合渐变量子垒结构的氮化镓半导体器件的方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，包含多量子阱结构，所述多量子阱结构包含交替生长的复数铟镓氮层，并且，所述多量子阱结构中不同量子垒层中的平均铟含量由P型侧向N型侧逐渐降低，而且至少一量子垒层中的铟含量由P型侧向N型侧逐渐升高。

进一步的，所述多量子阱结构包含交替生长的n层铟镓氮量子阱和(n+1)层铟镓氮量子垒，其中n为大于或等于2的正整数。

进一步的，在所述多量子阱结构中不同量子垒层中的平均铟含量的变化曲线呈线性或抛物线型，但不限于此。换言之，在所述多量子阱结构中，从P型到N型方向所述多量子垒中平均铟组分的降低规律可以是线性规律、抛物型规律等。

进一步的，在所述多量子阱结构中该至少一量子垒层中铟含量的变化曲线呈线性或抛物线型，但不限于此。换言之，在单个量子垒层中铟组分的升高规律可以是线性规律、抛物型规律等。

进一步的，所述氮化镓基半导体器件包括衬底及依次生长在衬底上的氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱结构，铝镓氮电子阻挡层和P型氮化镓层但不限于此。

进一步的，所述氮化镓基半导体器件包括发光二极管、激光器、太阳能电池或超辐射发光二极管等，但不限于此。

所述具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件的制备方法包括：在生长氮化镓基外延结构的过程中，控制多量子阱结构内至少一量子垒层中的铟含量由P型侧向N型侧逐渐升高，以及控制不同量子垒层中的平均铟含量由P型侧向N型侧逐渐降低。

进一步的，该制备方法包括：至少通过调节生长温度、反应室压力、源流量中的任一者而实现对任一量子垒层中铟含量的控制。

进一步的，其中采用的外延生长方法包括金属有机物化学气相沉积法。

与现有技术相比，本发明的优点包括：该GaN基半导体器件因采用复合渐变量子垒结构，可以降低量子阱区的极化电场，增加电子和空穴的复合效率，以及改善空穴输运，减小阱间空穴分布不均匀性，并且减小电子泄露，进而可明显提高发光二极管等器件的发光效率，并显著改善其效率下降等问题，同时，其制备工艺简单可控，易于规模化实施。

附图说明

图1为本发明一典型实施例中一种GaN基LED内多量子阱结构内铟组分和铝组分变化示意图；

图2为传统GaN基半导体器件内量子阱能带示意图；

图3为本发明一典型实施例中一种GaN基LED内量子阱的能带示意图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明，但本发明的具体实施方案并不局限于此。

请参阅图1所示为本发明一典型实施例中一种GaN基LED器件内多量子阱中铟组分及多量子阱之上的铝镓氮电子阻挡层中铝组分示意图，其生长方向为由N型指向P型方向，102、104、106、108、110均为铟镓氮量子阱，101、103、105、107、109、111为铟镓氮量子垒。第一个垒101不渐变，其它垒均为渐变组分，且铟组分由N到P逐渐降低。平均来看，不同垒中的平均铟组分由N到P方向逐渐增加。

再请参阅图3为该实施例中复合渐变InGaN/InGaN多量子阱的能带示意图，其中系使用InGaN作为量子垒材料，不仅可有效降低阱、垒中的应力，减小极化电场，而且降低了空穴的注入势垒，空穴注入距离更远，在各个量子阱中分布更加均匀。

参考图1所示，本实施例的该GaN基LED可采用金属有机物化学气相沉积法生长形成，其制备方法如下：

1)在蓝宝石衬底上生长20-30nm的低温缓冲层，生长温度为480-550℃；

2)在低温缓冲层上生长一层高温非掺GaN层，厚度1500nm-2500nm，生长温度1000-1100℃；

3)在非掺GaN层上生长一层N型掺杂GaN层，厚度1500nm-2500nm，生长温度1000-1100℃，掺杂剂为Si，掺杂浓度为1e18-5e18.cm³；

4)在N型GaN上生长5对量子阱。生长温度为650-800℃之间。量子阱的厚度为2-5nm，量子垒厚度为5-15nm。量子垒103中铟组分从3％到1％线性渐变，量子垒105中铟组分从5％到3％线性渐变，量子垒107中铟组分从7％到5％线性渐变，量子垒109中铟组分从9％到7％线性渐变，量子垒111中铟组分从11％到9％线性渐变；

5)在多量子阱上生长P型AlGaN层112，厚度为20nm，掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1e19每立方厘米到5e19.cm³，生长温度为900-1000℃之间；

6)在P型AlGaN层上生长P型GaN层113，厚度为50-150nm，掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1e19.cm³到5e19.cm³，生长温度为800-1000℃之间。

该GaN基半导体器件可以有效降低量子阱区的极化电场，增加电子和空穴的复合效率，以及改善空穴输运，减小阱间空穴分布不均匀性，并且减小电子泄露，进而可明显提高发光二极管等器件的发光效率，并抑制其效率下降等问题，同时，其制备工艺简单可控，易于规模化实施。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，包含多量子阱结构，所述多量子阱结构包含交替生长的复数铟镓氮层，其特征在于：在所述多量子阱结构中不同量子垒层中的平均铟含量由P型侧向N型侧逐渐降低，并且沿从N型侧指向P型侧的方向，除第一个量子垒层中的铟含量保持恒定之外，其余每一量子垒层中的铟含量均由P型侧向N型侧逐渐升高。

2.根据权利要求1所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其特征在于所述多量子阱结构包含交替生长的n层铟镓氮量子阱和(n+1)层铟镓氮量子垒，其中n为大于或等于2的正整数。

3.根据权利要求1或2所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其特征在于：在所述多量子阱结构中不同量子垒层中的平均铟含量的变化曲线呈线性或抛物线型。

4.根据权利要求1或2所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其特征在于：在所述多量子阱结构中，沿从N型侧指向P型侧的方向，除第一个量子垒层之外，其余量子垒层中铟含量的变化曲线呈线性或抛物线型。

5.根据权利要求1所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其特征在于：所述氮化镓基半导体器件包括衬底及依次生长在衬底上的氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱结构，铝镓氮电子阻挡层和P型氮化镓层。

6.根据权利要求1所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件，其特征在于：所述氮化镓基半导体器件包括发光二极管、激光器或太阳能电池。

7.如权利要求1-6中任一项所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件的制法，其特征在于包括：在生长氮化镓基外延结构的过程中，控制多量子阱结构内多个量子垒层中的铟含量由P型侧向N型侧逐渐升高，以及控制不同量子垒层中的平均铟含量由P型侧向N型侧逐渐降低。

8.根据权利要求7所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件的制法，其特征在于包括：至少通过调节生长温度、反应室压力、源流量中的任一者而实现对任一量子垒层中铟含量的控制。

9.根据权利要求7所述的具有复合渐变量子垒结构的氮化镓基半导体器件的制法，其特征在于：其中采用的外延生长方法包括金属有机物化学气相沉积法。