CN118676735A - 一种电子阻挡层保护结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种电子阻挡层保护结构及其生长方法，包括外延片，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、应力调控层、下光限制层、下波导层、有源层、上波导层、应力缓冲层、电子阻挡层、保护层、上光限制层和接触层；所述应力缓冲层为含Al组分的氮化物层；所述电子阻挡层的结构包括第一阻挡层、高Al组分层和第二阻挡层；所述保护层为生长速度快的含Al组分的氮化物层。该电子阻挡层保护结构及其生长方法可以降低电子阻挡层的厚度的同时提高电子阻挡的效果，从而降低器件的串联电阻和电压，同时又具有很好的电子阻挡效果，减少电子泄漏，提高器件发光性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种电子阻挡层保护结构及其生长方法。
背景技术
氮化物材料系(氮化铝AlN，氮化镓GaN和氮化铟InN)是直接带隙半导体，可以形成三元和四元固溶合金，带隙从0.63eV到6.4eV，对应发光的范围覆盖整个可见光区并延伸到深紫外和中红外波段，故利用氮化物材料系可制备中红外光波段到深紫外，包括整个可见光区的高效率光电子器件，氮化镓基发光二极管是固态照明的基石；氮化物激光器，则是下一代高密度光存储，高亮度、大尺寸全彩显示的核心器件。
氮化物发光器件一般包括从衬底至上依次叠加的四个大的部分和一些附属结构：多层结构的N型电子注入层；有源层(量子阱区域)；电子阻挡层；多层结构的P型空穴注入层。其中多层结构的N型电子注入层包括N型接触层、N型包覆层和N型波导层；有源层包括量子阱和量子垒；多层结构的P型空穴注入层包括P型波导层、P型包覆层和P型接触层。由于氮化物半导体中，电子和空穴的迁移速率相差较大，电子迁移速率高，空穴迁移速率低，因此在量子阱区域，部分电子还未被完全复合就迁移到P区，造成电子和空穴在量子阱区域的交叠减少，溢出的电子在量子阱外产生大量的非辐射复合，这就是一般所知的电子泄漏。为了减少电子泄漏，业界普遍的做法是在P区生长一层名为电子阻挡层的结构，该结构能有效的形成电子势垒，这使得电子更多的留在量子阱区域，从而提高发光效率。自从电子阻挡层被发明以来，有众多专利技术对其进行了改进，以求进一步发挥其效能，从而获得更高发光效率的氮化物发光器件。例如CN101640236A公开了一种组合式电子阻挡层发光元件，势垒较高的材料周期性地重复沉积在有源发光层上形成电子阻挡层，用以阻挡过多电子溢出有源发光层。该发明可以实现通过电子阻挡层阻挡电子溢流，以增加电子与空穴在有源发光层复合的机率，放出光子并且通过晶格大小不同的三五族半导体层的组合，提供应力补偿，以减少其与有源发光层之间应力的累积。CN101740681A提供了一种氮化物半导体器件，其电子阻挡层设置在活性层和p型氮化物半导体层之间，并具有多个第一氮化物层和多个第二氮化物层，第一氮化物层由带隙能比量子垒层的带隙能高的材料形成，第二氮化物层由带隙能比第一氮化物层低的材料形成，第一和第二氮化物层彼此交替地堆叠，以形成堆叠结构，其中，多个第一氮化物层具有以预定倾斜度弯曲的能级，越接近P型氮化物半导体层，第一氮化物层的能级倾斜度越小。该发明通过使电子阻挡层能级总差异最小化来减小极化造成的影响，从而提高发光效率、降低工作电压。该技术方案的特点是在有源层和P型氮化物之间设置电子阻挡层来阻止电子泄漏，电子阻挡层是两种材料层的交替堆积，其中一种材料层具有预定倾斜度弯曲的能级，带隙宽度大于量子垒宽度，而且越接近P型氮化物层，其能带弯曲越小；另一种材料带隙宽度与量子垒相同。美国专利US7893443B2在有源层和传统的电子阻挡层之间插入一层较薄的铟镓氮InGaN或者GaN材料，可以有效地提高空穴的注入效率。中国专利CN 102185057A提供的选择性掺杂的InGaN/GaN超晶格结构也可以提高空穴浓度并减小杂质原子向有源层中扩散。
早期的电子阻挡层生长，为了获得较好的电子阻挡效果，其厚度都是比较厚的，一般厚度超过30nm，甚至到100nm。而电子阻挡层的材料一般都是禁带宽度较大的材料，通常是含Al组分较高的AlGaN(Al组分15-50％)。发光波长越短，例如紫光或者紫外光，其所需的电子阻挡层的Al组分越高。而我们知道，Al组分越高的AlGaN，其Mg掺杂激活能越高，导致空穴浓度较低。这使得电子阻挡层的存在明显的降低了空穴注入能力，明显的提高了器件的电压(一般会提高零点几伏到几伏的程度)，这会降低器件的光电转换效率，提高器件的发热量，降低器件的寿命。随着技术的演化，可以增加电子阻挡层的Al组分来降低电子阻挡层的厚度，并在电子阻挡层中进行Mg掺杂，从而提高空穴的注入效率，降低器件的电压。理论上可以将电子阻挡层的厚度降低到10nm以下，与较厚的电子阻挡层相比，显著的降低了串联电阻和电压，并且能产生很好的电子阻挡效果。然而当电子阻挡层的厚度降低到十几纳米甚至到几个纳米的范围时，给外延生长带来了困难。在实际的外延生长过程中，按照设计好的电子阻挡层(几到十几纳米厚)去生长，很难完全发挥其理论效果，造成电子泄漏。这个问题的产生主要有三个方面的原因：第一是由于电子阻挡层太薄且Al组分与P区相差太大，生长后的电子阻挡层和后续的P区外延层之间的成分交换会影响最终界面处的组分，这种固溶效应在GaAs系统中被注意到，但在GaN系统中没有被认真考虑；第二是由于生长过程中，由于应力对Al的掺入有显著影响，通常会偏离常规的摩尔比，导致Al组分下降，这被称为应力的成分拉动效应；第三是由于电子阻挡层只有几纳米，并且对Al成分高度敏感，因此这几种成分的降低的效应叠加，会显著的导致电子阻挡层的电子阻挡效果变差，稳定性和一致性得不到保证。
为了克服薄电子阻挡层的Al组分偏低的问题，常见的解决方法是在外延电子阻挡层的过程中增加Al源的供给量，使得其Al组分能更高，在发生了成分拉动效应和界面固溶效应后，仍然保留较多的Al组分，从而相对的提高薄电子阻挡层的Al组分。然而设备的Al源供给有其上限，不能无限制的增加Al源流量。另一方面，外延生长过程中的Al源流量有其合理的范围，过高的增加Al源的流量会产生其他显著的副效应，降低器件质量。因此该问题不能通过简单的增加Al流量来解决，适当增加流量只能有限程度的缓解，还达不到理想的效果。如果使用渐变组分的电子阻挡层，能缓解一部分应力带来的组分下降问题，但是渐变会明显的增加电子阻挡层的厚度，导致其电压还是会较为明显的升高，同样的，直接增加Al组分也是会引起电压升高。高Al组分电子阻挡层的生长和器件电压降低之间的矛盾，在前述提到的专利技术中只得到了部分缓解，而没有被很好的解决，因此本发明提出一种电子阻挡层保护结构及其生长方法来解决这个问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
对于P型氮化物半导体，由于Mg的激活能较高，而且激活率较低(Mg和H形成络合结构使得大部分Mg不能被激活而提供空穴载流子)，通常都是氮化物半导体器件中主要的串联电阻来源之一，也是电流流经器件时的主要发热区。而且随着Al组分的增加，AlGaN中的Mg并入难度增加(导致Mg含量降低)，Mg的激活能增加导致激活率进一步降低。根据文献Mgacceptor level in AlN probed by deep ultraviolet photoluminescence(KB Nam，MLNakarmi，J Li，J Y Lin，HX Jiang，Applied Physics Letters 83，878(2003)；doi:10.1063/1.1594833)的研究，Mg在GaN中的激活能为0.17eV，在AlN中的激活能为0.51eV，在AlxGa1-xN中随着x从0到1的增加逐渐从0.17eV增加到0.51eV，因此高Al组分的AlGaN的电阻急剧增大，减少高Al组分层的厚度对降低器件的串联电阻有明显的效果。由于电子阻挡层的Al组分(大于15％)一般都相对于光限制层的Al组分(小于10％)较高，有时甚至是几倍的关系，因此降低电子阻挡层的厚度对于降低器件的串联电阻效果十分明显。但是如前所述，电子阻挡层太薄，会在生长过程中出现实际Al组分降低的情况，达不到阻挡电子的效果。针对现有技术的不足，本发明提供了一种电子阻挡层保护结构及其生长方法，解决了电子阻挡层减薄带来的Al组分降低的问题，同时保护层也具有光限制层限制光场的作用，替换了原本的部分上光限制层，从而减薄了上光限制层的厚度，在总体上减少了串联电阻，降低了电压，同时保证了电子阻挡层的效果。
(二)技术方案
本发明提供如下技术方案：
一种电子阻挡层保护结构，自下而上依次包括应力缓冲层、电子阻挡层、保护层；
所述应力缓冲层为含Al组分的氮化物层；
所述电子阻挡层的结构包括第一阻挡层、高Al组分层和第二阻挡层；
所述保护层为含Al组分的氮化物层。
其中，应力缓冲层、电子阻挡层的高Al组分层和保护层共同构成了所述的电子阻挡层保护结构。
在上述电子阻挡层保护结构基础上，本发明还提供一种氮化物半导体发光器件，包括外延片，所述外延片自下而上依次包括衬底、应力调控层、下光限制层、下波导层、有源层、上波导层、本发明的上述电子阻挡层保护结构、上光限制层和接触层。
进一步，所述应力缓冲层的厚度为2-10nm，所述应力缓冲层为恒定组分或为渐变组分，所述应力缓冲层的平均Al组分在电子阻挡层的平均Al组分的1/3至2/3之间。
进一步，所述电子阻挡层可以是AlGaN或是AlGaN/GaN的超晶格，所述电子阻挡层的总厚度小于或等于35nm，优选总厚度小于或等于20nm，更优选为总厚度小于或等于10nm，所述第一阻挡层和第二阻挡层的厚度为2-20nm，所述第一阻挡层和第二阻挡层的组分和厚度可以相同也可以不同。
进一步，所述高Al组分层是使用中断生长法生长的富Al的层，其厚度为至少一个原子层的厚度，其Al组分高于第一阻挡层和第二阻挡层的Al组分，所述高Al组分层可以重复出现在电子阻挡层内部，即所述高Al组分层可以为一层或多层，相应地可以在第一阻挡层、第二阻挡层基础上增加第三阻挡层、第四阻挡层等，每两个阻挡层之间设置一层高Al组分层。
进一步，所述保护层可以是单层AlGaN，也可以是渐变组分的AlGaN，还可以是AlGaN/GaN的超晶格，其平均生长速度快于上光限制层，其厚度为10-100nm，优选为10-50nm，所述保护层的(平均)Al组分低于电子阻挡层的(平均)Al组分。
进一步，所述上光限制层可以是单层AlGaN，也可以是渐变组分的AlGaN，也可以是AlGaN/GaN的超晶格，上光限制层的(平均)Al组分低于保护层的(平均)Al组分。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种电子阻挡层保护结构的生长方法，包括以下步骤：
1)生长应力缓冲层，设定压力200-400Torr，TMAl 100-400sccm，TEGa 400-800sccm，温度850-1000℃，生长厚度为2-10nm的应力缓冲层；
2)在应力缓冲层后，生长电子阻挡层，设定压力200-400Torr，TMAl 300-600sccm，TEGa400-800sccm，温度850-1000℃，先生长厚度为2-20nm的第一阻挡层，接着突然中断Ga源(三甲基镓)和N源(氨气)的供给，保持Al源(三甲基铝)、载气(氢气和氮气)的流量以及其他条件不变，持续时间5-10s，生长出高Al组分层，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为2-20nm的第二阻挡层；
3)在电子阻挡层的第二阻挡层后，生长保护层，设定压力200-400Torr，TMAl 50-400sccm，TMGa 20-150sccm，温度850-1000℃，生长厚度为10-100nm的保护层。
在上述电子阻挡层保护结构的生长方法的基础上，本发明还提供一种氮化物半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底清洁后，依次生长应力调控层、下光限制层、下波导层、有源层和上波导层；
2)在上波导层上生长应力缓冲层，设定压力200-400Torr，TMAl 100-400sccm，TEGa400-800sccm，温度850-1000℃，生长厚度为2-10nm的应力缓冲层；
3)在应力缓冲层后，生长电子阻挡层，设定压力200-400Torr，TMAl 300-600sccm，TEGa400-800sccm，温度850-1000℃，先生长厚度为2-20nm的第一阻挡层，接着突然中断Ga源(三甲基镓)和N源(氨气)的供给，保持Al源(三甲基铝)、载气(氢气和氮气)的流量以及其他条件不变，持续时间5-10s，生长出高Al组分层，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为2-20nm的第二阻挡层；
4)在电子阻挡层的第二阻挡层后，生长保护层，设定压力200-400Torr，TMAl 50-400sccm，TMGa 20-150sccm，温度850-1000℃，生长厚度为10-100nm的保护层；
5)在保护层后生长上光限制层，设定压力200-400Torr，TMAl 0-150sccm，TEGa500-700sccm，温度850-1000℃，生长上光限制层；
6)在上光限制层后生长接触层；
7)生长结束后，降温至600-800℃，纯氮气氛围中退火处理1～10min，继续降到室温。
进一步，所述应力缓冲层生长时的TMAl流量低于电子阻挡层生长时的TMAl流量。
进一步，所述电子阻挡层生长时的TMAl流量大于保护层生长时的TMAl流量。
进一步，所述上光限制层生长时可用TEGa或TMGa作为Ga源供给，使用TMGa作为Ga源供给时，上光限制层生长时的TMGa流量低于保护层生长时的TMGa流量。
进一步，所述高Al组分层可进行1-5次生长，且两次生长高Al组分层之间间隔的厚度大于3nm-20nm，并且在进行高Al组分层生长之前和之后，都要进行大于3nm的正常AlGaN生长。
对于外延片生长完成退火后的其它工序，例如：形成电极工序、曝光刻蚀工序、形成保护膜工序以及解理工序等等，对于本领域的普通技术人员而言属于公知领域范畴，本文不做过多阐述。
(三)有益效果
使用本发明的技术方案，可以降低电子阻挡层的厚度的同时提高电子阻挡的效果，从而降低器件的串联电阻和电压，同时又具有很好的电子阻挡效果，减少电子泄漏，降低了阈值电流密度，增加了斜率效率，提高了光电转换效率，同时减少发热量，延长器件的使用寿命。
使用本发明技术方案，具体可以从以下几个方面产生有益效果：
1.首先是针对电子阻挡层与后续P区之间的固溶效应导致薄电子阻挡层的平均Al组分明显下降的问题，本发明进行了深入的研究后发现，根据菲克定律，组分相差较大的界面有较强的原子扩散驱动力，这便是常见的界面互溶扩散，但是由于AlGaN中Al原子的迁移速率相对较低，界面固溶发生的速度并不算很快，尤其是在已经生长好的晶体内部，由于Al原子和N原子之间的键能较高，束缚力较强，因此扩散速度低，而在晶体还在生长的过程中，由于界面不完整，界面附近的Al原子只受到部分束缚，导致Al原子的迁移速率远大于完整晶体内部的迁移速度。根据实验测算估计，在生长过程中Al原子的迁移是一个宏观可感知的过程，十几分钟之内电子阻挡层中的Al原子就会有明显的流失。通常在电子阻挡层的上方直接生长上光限制层，为了提高上光限制层晶体质量，同时为了减少其中的C杂质，其生长速度不会特别快，一般在1-5nm/min的范围，因为快速生长的掩埋效应会增加C杂质含量。在这样的生长速度下，完全盖住电子阻挡层需要十分钟以上。本电子阻挡层保护结构及其生长方法，通过在电子阻挡层和正常生长的上光限制层之间设置保护层，生长保护层使用TMGa作为Ga源供给，TMGa的分解速度相对于TEGa更快，Ga源供给量更足，在TMGa流量大的情况下，更有利于保护层的生长，生长速度可以达到3-10nm/min，相比目前生长其它成分掩盖层的生长速度更快，进而使得保护层能更快的将电子阻挡层盖住，减少界面固溶的影响，减少电子阻挡层的Al原子流失，从而更好的保持电子阻挡层的平均Al组分不会因为界面固溶而明显降低，同时保护层的厚度较薄，对电子阻挡层晶体结构并不会严重的劣化，额外引入的C杂质也相对较少。
2.针对于应力导致的成分拉动效应，本发明从两方面来解决这个问题，首先是缓解应力，其次是拉高电子阻挡层的Al组分。本电子阻挡层保护结构，通过在电子阻挡层与上波导层之间增加应力缓冲层，同时应力缓冲层的平均Al组分在电子阻挡层平均Al组分的1/3至2/3之间，使得应力缓冲层能很好地缓解应力，为拉高电子阻挡层的Al组分做准备。本电子阻挡层保护结构及其生长方法，通过在生长电子阻挡层的过程中，先生长第一阻挡层，接着突然中断Ga源和N源的供给，保持Al源、载气的流量以及其他条件不变，持续时间5-10s，利用短暂的时间内，Ga和N原子的减少，使得第一阻挡层的生长中断，但是过量的Al原子会附着在第一阻挡层的表面，形成一层富Al的高Al组分原子层，之后恢复供应Ga源和N源，生长第二阻挡层，将富Al的高Al组分层掩埋，通过界面反应形成AlGaN，进而使得电子阻挡层的平均Al组分提高，同时高Al组分层可进行1-5次生长，且两次生长高Al组分层之间间隔的厚度大于3nm-20nm，并且在进行高Al组分层生长之前和之后，都要进行大于3nm的正常AlGaN生长，使得在厚度较薄的电子阻挡层中，可以恢复晶体质量和缓解应力。
根据上述所述，达到了提高薄电子阻挡层的平均Al组分的目的，从而提高电子阻挡效应，减少电子泄漏，降低了阈值电流密度，增加了斜率效率，提高了光电效率，且减小了串联电阻和电压，降低了器件发热量，达到延长元件的使用寿命的目的。
附图说明
图1为本发明一种电子阻挡层保护结构的结构示意图；
图2为本发明一种电子阻挡层保护结构的结构Al组分示意图；
图3为本发明一种电子阻挡层保护结构的结构生长步骤工序示意图；
图4为本发明一种电子阻挡层保护结构的电子阻挡层结构生长步骤工序示意图；
图5为本发明实施例1的LIV曲线示意图；
图6为本发明对比例1的LIV曲线示意图；
图7为本发明实施例2的LIV曲线示意图；
图8为本发明对比例2的LIV曲线示意图。
图中：1衬底、2应力调控层、3下光限制层、4下波导层、5有源层、6上波导层、7应力缓冲层、8电子阻挡层、81第一阻挡层、82高Al组分层、83第二阻挡层、9保护层、10上光限制层、11接触层、100外延片。
具体实施例
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
请参阅图1-2，一种氮化物半导体发光器件，包括外延片100，外延片100的结构自下而上依次为衬底1、应力调控层2、下光限制层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、应力缓冲层7、电子阻挡层8、保护层9、上光限制层10和接触层11；其中应力缓冲层7、电子阻挡层8(其中含有高Al组分层82)、保护层9构成本发明的电子阻挡层保护结构；
应力缓冲层7为含Al组分的氮化物层，可以缓解上波导层6与电子阻挡层8之间由于Al组分差异大而产生的应力；
电子阻挡层8的结构包括第一阻挡层81、高Al组分层82和第二阻挡层83，可以使得电子阻挡层8的平均Al组分提高；
保护层9是含Al组分的氮化物层，可以降低界面固溶对Al组分流失的影响。
本实施例中，应力缓冲层7的厚度为5nm，应力缓冲层7是恒定组分的，应力缓冲层7的Al组分是电子阻挡层8的平均Al组分的1/2。
本实施例中，电子阻挡层8是AlGaN，其平均Al组分为38％(摩尔分数)，电子阻挡层8的总厚度为12.5nm，第一阻挡层81和第二阻挡层83的厚度均为6nm，高Al组分层82厚度0.5nm。
本实施例中，高Al组分层82是使用中断生长法进行生长的，这是一层富Al的原子层，厚度为0.5nm。
本实施例中，保护层9是单层AlGaN，其平均生长速度为10nm/min，其厚度为50nm，其Al组分为10％，保护层9的Al组分低于电子阻挡层8的平均Al组分高于上光限制层的平均Al组分。渐变组分的上光限制层的组分比例可以适当调整，不影响本发明的核心技术原理。
本实施例中，上光限制层10是渐变Al组分的AlGaN，上光限制层10的Al组分自下而上从6％变到0，平均Al组分为3％，低于保护层9的Al组分10％，保护层9介于电子阻挡层8与上光限制层10之间能起到应力缓冲层7的作用。
需要指出的是，应力缓冲层7、电子阻挡层8、保护层9和上光限制层10的组分和厚度等可以在本发明阐述的技术方案范畴内适当调整，不影响本发明的核心技术原理。
请参阅图3-4，本发明要解决的另一技术问题是提供一种包含电子阻挡层保护结构的氮化物半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底1清洁后，依次生长应力调控层2、下光限制层3、下波导层4、有源层5和上波导层6；
2)在上波导层6上生长应力缓冲层7，设定压力350Torr，TMAl 280sccm，TEGa550sccm，温度920℃，生长厚度为5nm；
3)在应力缓冲层7后，生长电子阻挡层8，设定压力350Torr，TMAl 500sccm，TEGa580sccm，温度950℃，先生长厚度为6nm的第一阻挡层81，接着突然中断Ga源三甲基镓和N源氨气的供给，保持Al源三甲基铝、载气氢气和氮气的流量以及其他条件不变，持续时间8s，生长出厚度为0.5nm的高Al组分层82，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为6nm的第二阻挡层83；
4)在电子阻挡层8的第二阻挡层83后，生长保护层9，设定压力350Torr，TMAl200sccm，TMGa 100sccm，温度905℃，生长厚度为50nm；
5)在保护层9后生长上光限制层10，设定压力350Torr，TMAl 120sccm，TEGa550sccm，温度900℃，随着生长厚度的增加，TMAl的流量逐渐下降到零，TEGa的流量逐渐增加到640sccm，上光限制层10的总厚度为250nm，高于保护层9的厚度；
6)在上光限制层10后生长接触层11；
7)生长结束后，降温至700℃，纯氮气氛围中退火处理8min，继续降到室温。
本实施例中，对于外延片100生长完成退火后的其它工序，例如：形成电极工序、曝光刻蚀工序、形成保护膜工序以及解理工序等等，对于本领域的普通技术人员而言属于公知技术范畴，不做过多阐述。
本实施例中，所述应力缓冲层7生长时的TMAl流量低于电子阻挡层8生长时的TMAl流量。
本实施例中，所述电子阻挡层8生长时的TMAl流量大于保护层9生长时的TMAl流量。
本实施例中，所述上光限制层10生长时可用TEGa或TMGa作为GA源供给，使用TMGa作为GA源供给时，上光限制层10生长时的TMGa流量低于保护层9生长时的TMGa流量。
如前述技术方案中说明，实施例中将高Al组分层82可进行多次生长，也属于本发明的核心技术思想范畴。
上述实施例的有益效果是：
该电子阻挡层保护结构及其生长方法，通过在电子阻挡层8和正常生长的上光限制层10之间设置保护层9，生长保护层9使用TMGa，生长速度快，生长速度可以达到3-10nm/min，相比电子阻挡层8和上光限制层10使用TEGa生长的速度是要快的，进而使得保护层9能更快的将电子阻挡层8盖住，减少界面固溶的影响，减少电子阻挡层8的Al原子流失，从而更好的保持电子阻挡层8的平均Al组分不会因为界面固溶而明显降低，同时保护层9的厚度较薄，对电子阻挡层8晶体结构并不会严重的劣化。此处并非限制电子阻挡层8和上光限制层10只能使用TEGa生长，也可以使用TMGa生长，只需要保证保护层9的TMGa流量大于上光限制层即可。
该电子阻挡层保护结构及其生长方法，通过增加应力缓冲层7位于电子阻挡层8与上波导层6之间，使得上波导层6的平均含Al组分小于应力缓冲层7的平均含Al组分小于电子阻挡层8的平均含Al组分，应力缓冲层7能更好地缓解应力，为电子阻挡层8的拉高Al组分做准备。
该电子阻挡层保护结构及其生长方法，通过在生长电子阻挡层8的过程中，先生长第一阻挡层81，接着突然中断Ga源和N源的供给，保持Al源、载气的流量以及其他条件不变，持续时间8s，利用短暂的时间内，Ga和N原子的减少，使得第一阻挡层81的生长中断，但是过量的Al原子会附着在第一阻挡层81的表面，形成一层富Al的高Al组分层82，之后恢复供应Ga源和N源，生长第二阻挡层83，将富Al的高Al组分层82掩埋，通过界面反应形成AlGaN，进而使得电子阻挡层8的平均Al组分提高，使得在厚度较薄的电子阻挡层8中，可以恢复晶体质量和缓解应力。
根据上述所述，达到了降低界面固溶效应引起的Al组分下降，提高薄电子阻挡层的Al组分，从而提高电子阻挡效应，减少电子泄漏，降低了阈值电流密度，增加了斜率效率，提高了光电效率，且不明显增加串联电阻和电压，不额外增加发热量，延长元件的使用寿命的目的。
对比例1
制作对比例1，除了不设置应力缓冲层7、设置正常生长电子阻挡层8的厚度为17.5nm、不设置保护层9和设置正常生长上光限制层10的厚度为300nm，其他步骤与实施例1相同。
通过对比实施例1与对比例1，如图5和6所示，用本发明的技术方案，电压下降0.14V，降幅约2.8％，阈值电流降低8mA，降幅约8％，光功率增加62mW，增幅约41％，斜率效率增加了0.31W/A，增幅约41％，光电转换效率增加4.6％，增幅约45％。
实施例2
请参阅图1-2，一种氮化物半导体发光器件，包括外延片100，外延片100的结构自下而上依次为衬底1、应力调控层2、下光限制层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、应力缓冲层7、电子阻挡层8、保护层9、上光限制层10和接触层11；其中应力缓冲层7、电子阻挡层8(其中含有高Al组分层82)、保护层9构成本发明的电子阻挡层保护结构；
应力缓冲层7为含Al组分的氮化物层，可以缓解上波导层6与电子阻挡层8之间由于Al组分差异大而产生的应力；
电子阻挡层8的结构包括第一阻挡层81、高Al组分层82和第二阻挡层83，可以使得电子阻挡层8的平均Al组分提高；
保护层9是含Al组分的氮化物层，可以降低界面固溶对Al组分流失的影响。
本实施例中，应力缓冲层7的厚度为5nm，应力缓冲层7是恒定组分的，应力缓冲层7的Al组分在电子阻挡层8的平均Al组分的1/2。
本实施例中，电子阻挡层8是AlGaN，其平均Al组分为38％，电子阻挡层8的总厚度12.5nm，第一阻挡层81和第二阻挡层83的厚度均为6nm。
本实施例中，高Al组分层82是使用中断生长法进行生长的，这是一层富Al的层，厚度为0.5nm。
本实施例中，保护层9是10个周期的Al0.1Ga0.9N/GaN＝3nm/2nm的超晶格，其平均生长速度为10nm/min，其厚度为50nm，其Al平均组分为6％，保护层9的平均Al组分低于电子阻挡层8的平均Al组分高于上光限制层的平均Al组分。渐变组分上光限制层的组分比例可以适当调整，不影响本发明的核心技术原理。
本实施例中，上光限制层10是25个周期的Al0.04Ga0.96N/GaN＝5nm/5nm的超晶格，上光限制层10的平均Al组分为2％，低于保护层9的Al组分6％，保护层9介于电子阻挡层8与上光限制层10之间能起到应力缓冲层7的作用。
需要指出的是，应力缓冲层7、电子阻挡层8、保护层9和上光限制层的组分和厚度等可以在本发明阐述的技术方案范畴内适当调整，不影响本发明的核心技术原理。
请参阅图3-4，本发明要解决的另一技术问题是提供一种包含电子阻挡层保护结构的氮化物半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底1清洁后，依次生长应力调控层2、下光限制层3、下波导层4、有源层5和上波导层6；
2)在上波导层6上生长应力缓冲层7，设定压力350Torr，TMAl 280sccm，TEGa550sccm，温度920℃，生长厚度为5nm；
3)在应力缓冲层7后，生长电子阻挡层8，设定压力350Torr，TMAl 500sccm，TEGa580sccm，温度950℃，先生长厚度为6nm的第一阻挡层81，接着突然中断Ga源三甲基镓和N源氨气的供给，保持Al源三甲基铝、载气氢气和氮气的流量以及其他条件不变，持续时间8s，生长出厚度为0.5nm的高Al组分层82，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为6nm的第二阻挡层83；
4)在电子阻挡层8的第二阻挡层83后，生长保护层9，设定压力350Torr，TMAl200sccm，TMGa 100sccm，温度905℃，先生长3nm的AlGaN，再停止TMAl供应，生长2nm的GaN，形成AlGaN/GaN超晶格，重复该超晶格10次，生长总厚度为50nm；
5)在保护层9后生长上光限制层10，设定压力350Torr，TMAl 120sccm，TEGa550sccm，温度900℃，先生长5nm的AlGaN，再停止TMAl供应，生长5nm的GaN，形成AlGaN/GaN超晶格，重复25次超晶格生长，上光限制层10的总厚度为250nm，高于保护层9的厚度；
6)在上光限制层10后生长接触层11；
7)生长结束后，降温至700℃，纯氮气氛围中退火处理8min，继续降到室温。
本实施例中，对于外延片100生长完成退火后的其它工序，例如：形成电极工序、曝光刻蚀工序、形成保护膜工序以及解理工序等等，对于本领域的普通技术人员而言属于公认领域范畴，不做过多阐述。
本实施例中，所述应力缓冲层7生长时的TMAl流量低于电子阻挡层8生长时的TMAl流量。
本实施例中，所述电子阻挡层8生长时的TMAl流量大于保护层9生长时的TMAl流量。
本实施例中，所述上光限制层10生长时可用TEGa或TMGa作为Ga源供给，使用TMGa作为Ga源供给时，上光限制层10生长时的TMGa流量低于保护层9生长时的TMGa流量。
如前述技术方案中说明，实施例中将高Al组分层82可进行多次生长，也属于本发明的核心技术思想范畴。
制作对比例2，除了不设置应力缓冲层7、设置正常生长电子阻挡层8的厚度为17.5nm、不设置保护层9和设置正常生长上光限制层10的厚度为300nm，其他步骤与实施例2相同。
通过对比实施例2与对比例2，如图7和8所示，用本发明的技术方案，电压下降0.11V，降幅约2.2％，光功率增加62mW，增幅约35％，斜率效率增加了0.34W/A，增幅约36％，光电转换效率增加4.5％，增幅约38％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电子阻挡层保护结构，包括应力缓冲层(7)、电子阻挡层(8)、保护层(9)；
所述应力缓冲层(7)为含Al组分的氮化物层；
所述电子阻挡层(8)的结构包括第一阻挡层(81)、高Al组分层(82)和第二阻挡层(83)；
所述保护层(9)为含Al组分的氮化物层。
2.根据权利要求1所述的电子阻挡层保护结构，其特征在于：所述应力缓冲层(7)的厚度为2-10nm，所述应力缓冲层(7)为恒定组分或为渐变组分，所述应力缓冲层(7)的平均Al组分在电子阻挡层(8)平均Al组分的1/3至2/3之间。
3.根据权利要求1所述的电子阻挡层保护结构，其特征在于：所述电子阻挡层(8)是AlGaN或是AlGaN/GaN的超晶格，所述电子阻挡层(8)的总厚度小于或等于35nm，所述第一阻挡层(81)和第二阻挡层(83)的厚度为2-20nm，所述第一阻挡层(81)和第二阻挡层(83)的组分和厚度相同或者不同。
4.根据权利要求1所述的电子阻挡层保护结构，其特征在于：所述高Al组分层(82)是使用中断生长法生长的富Al的层，其厚度为至少一个原子层的厚度，其Al组分高于第一阻挡层(81)和第二阻挡层(83)的Al组分，所述高Al组分层(82)为一层或多层。
5.根据权利要求1所述的电子阻挡层保护结构，其特征在于：所述保护层(9)是单层AlGaN，或者是渐变组分的AlGaN，或者是AlGaN/GaN的超晶格，其平均生长速度快于上光限制层(10)，所述保护层(9)的厚度为10-100nm，所述保护层(9)的Al组分低于电子阻挡层(8)的Al组分。
6.一种电子阻挡层保护结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)生长应力缓冲层，设定压力200-400Torr，TMAl 100-400sccm，TEGa 400-800sccm，温度850-1000℃，生长厚度为2-10nm的应力缓冲层；
2)在应力缓冲层后，生长电子阻挡层，设定压力200-400Torr，TMAl 300-600sccm，TEGa400-800sccm，温度850-1000℃，先生长厚度为2-20nm的第一阻挡层，接着突然中断Ga源和N源的供给，保持Al源、载气的流量以及其他条件不变，持续时间5-10s，生长出高Al组分层，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为2-20nm的第二阻挡层；
3)在电子阻挡层的第二阻挡层后，生长保护层，设定压力200-400Torr，TMAl 50-400sccm，TMGa 20-150sccm，温度850-1000℃，生长厚度为10-100nm的保护层。
7.一种氮化物半导体发光器件，包括外延片(100)，其特征在于：所述外延片(100)的结构自下而上依次为衬底(1)、应力调控层(2)、下光限制层(3)、下波导层(4)、有源层(5)、上波导层(6)、权利要求1～5中任一项所述的电子阻挡层保护结构、上光限制层(10)和接触层(11)。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述上光限制层(10)是单层AlGaN，或者是渐变组分的AlGaN，或者是AlGaN/GaN的超晶格，上光限制层(10)的Al组分低于保护层(9)的Al组分。
9.一种氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)衬底(1)清洁后，依次生长应力调控层(2)、下光限制层(3)、下波导层(4)、有源层(5)和上波导层(6)；
2)在上波导层(6)上生长应力缓冲层(7)，设定压力200-400Torr，TMAl 100-400sccm，TEGa 400-800sccm，温度850-1000℃，生长厚度为2-10nm的应力缓冲层(7)；
3)在应力缓冲层(7)后，生长电子阻挡层(8)，设定压力200-400Torr，TMAl 300-600sccm，TEGa 400-800sccm，温度850-1000℃，先生长厚度为2-20nm的第一阻挡层(81)，接着突然中断Ga源和N源的供给，保持Al源、载气的流量以及其他条件不变，持续时间5-10s，生长出高Al组分层(82)，然后恢复中断前的Ga源和N源流量，生长厚度为2-20nm的第二阻挡层(83)；
4)在电子阻挡层(8)的第二阻挡层(83)后，生长保护层(9)，设定压力200-400Torr，TMAl 50-400sccm，TMGa 20-150sccm，温度850-1000℃，生长厚度为10-100nm的保护层(9)；
5)在保护层(9)后生长上光限制层(10)，设定压力200-400Torr，TMAl 0-150sccm，TEGa500-700sccm，温度850-1000℃，生长上光限制层(10)；
6)在上光限制层(10)后生长接触层(11)；
7)生长结束后，降温至600-800℃，纯氮气氛围中退火处理1～10min，继续降到室温。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于：所述应力缓冲层(7)生长时的TMAl流量低于电子阻挡层(8)生长时的TMAl流量；所述电子阻挡层(8)生长时的TMAl流量大于保护层(9)生长时的TMAl流量；所述上光限制层(10)生长时用TEGa或TMGa作为Ga源供给，使用TMGa作为Ga源供给时，上光限制层(10)生长时的TMGa流量低于保护层(9)生长时的TMGa流量；所述高Al组分层(82)进行1-5次生长，且两次生长高Al组分层(82)之间间隔的厚度大于3nm-20nm，并且在进行高Al组分层(82)生长之前和之后，都进行大于3nm的正常AlGaN生长。
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