一種有源區為p型的氮化鎵系半導體發光管的製作方法

2023-07-27 06:26:51 1

專利名稱：一種有源區為p型的氮化鎵系半導體發光管的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體發光管，尤其是涉及一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管。
背景技術：
隨著新工藝、新技術、新材料的快速發展，以氮化鎵(GaN)及其化合物半導體、 SiC等材料為代表的第三代半導體材料被廣泛的研究和應用，尤其是以氮化鎵系化合物為代表的半導體材料在光電領域的應用，如藍綠光以及紫外發光二極體，藍綠光以及紫外雷射器，短波段太陽能電池，光探測器等方面的應用，具有廣闊的前景和發展潛力。部分成品器件已被廣泛應用於大功率照明、全彩戶外大型顯示屏、光通訊、存儲等方面([l]shuji Nakamura. Recent Developments in InGaN-Based Blue LEDs and LDs. Department of Research and Development, Nichia Chemical Industries, Ltd ； [2]Takashi MUKAI, Motokazu YAMADA and Shuji NAKAMURA. Characteristics of InGaN-Based UV/Blue/ Green/Amber/Red Light-Emitting Diodes.Jpn.J. Appl. Phys, 1999 ；38 :3976 ； [3] F.A. ponce & D. P. Bour, Nature, Vol 386，27March 1997.)。目前，氮化鎵及其化合物半導體發光材料的製備可以採用金屬有機物化學氣相沉積的方法(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氫化物氣相外延(HVPE)等方法，在單晶襯底上外延生長氮化鎵系化合物半導體材料。工業生產中，最為廣泛的生長氮化鎵及其化合物光電器件的方法，是通過金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的方法，在藍寶石襯底上生長器件結構，主要包括襯底層、緩衝層、N型層、有源區、載流子阻擋層、P型層、電極等結構。一般情況下，襯底表面、P型層表面以及N型層可以包含以提高器件出光效率，優化金屬半導體歐姆接觸，優化器件抗靜電特性而生長的透明導電的薄層結構。外延完成後，通過光刻，幹法刻蝕，金屬蒸鍍，腐蝕等工序，使器件露出N型層，並在P層表面製作擴展電流的透明導電層以及打線電極，器件經過研磨切割，並且封裝後，製得發光器件。其中夾在P型層和N型層之間的有源區，一般是由具有不同禁帶寬度的勢壘層和勢阱層重複交替層疊的多量子阱結構組成，勢壘層半導體材料禁帶寬度大於勢阱層禁帶寬度，載流子經過時可被限制在勢阱層中，進行輻射複合。在氮化鎵系化合物半導體材料製作的光電器件中，有源區多量子阱結構中的勢壘層可以採用GaN系材料，勢阱層可以採用InGaN系材料([4] Chin-Hsiang CHEN, Shoou-JinnCHANG and Yan-Kuin SU. High-Indium-Content InGaN/ GaN Mu11ip1e-Quantum-ffe11 Light-Emitting Diodes. Jpn. J. Appl. Phys,2003 ；42 :2281 ； [5]Horng-Shyang Chen, Dong-Ming Yeh, Chih-Feng Lu, etal. White light generation with CdSe-ZnS nanocrystals coated on an InGaN-GaN quantum-well blue/Green two-wavelength light-emitting diode. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2006 ； 18 NO. 13.)。傳統工藝中，勢壘部分可由未摻雜的本徵氮化鎵材料或含有N型摻雜劑的氮化鎵材料構成。在本徵氮化鎵系材料或N型氮化鎵系材料中，空穴是作為少子，但是氮化鎵系材料中空穴作為少子的擴散長度遠短於電子作為少子的擴散長度，而少子擴散長度短將影響半導體器件的光電特性，例如有源區中載流子的分布不均勻，以及量子阱結構的注入效率和載流子的輻射複合機率差，尤其是位於少子擴散方向上，多量子阱結構末端的量子阱，其少子注入效率相對較低，並且有源區中可以設計的量子阱數量也將受到限制。這些問題將影響器件的發光效率。

發明內容
本發明的目的在於提供一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管。本發明從下至上依次設有襯底層、緩衝層、N型層、有源區、P型層、P金屬電極和N 金屬電極；所述P金屬電極連接P型層，N金屬電極連接N型層，所述有源區被夾在P型層與N型層之間，所述有源區由包含最少2個層疊周期的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而成， 每1個層疊周期包含一層勢壘層和一層勢阱層，所述勢壘層摻入P型摻雜劑。所述有源區包含最少2個層疊周期的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而成，最好是所述有源區包含最少2個層疊周期的具有不同禁帶寬度的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而組成。所述勢壘層的單層厚度可為2 50nm。所述勢壘層摻入P型摻雜劑的方法，可以是均勻摻雜或非均勻摻雜，所述非均勻摻雜包括漸變式的雜質濃度分布或階躍式的雜質濃度分布。所述層疊周期可為3 15個層疊周期。所述勢壘層中，可以每一層勢壘層都摻入 P型摻雜劑，也可以一部分勢壘層摻入P型摻雜劑，另一部分勢壘層摻入N型摻雜劑或不摻入摻雜劑，其中摻入摻雜劑勢壘層的層疊位置可以為3 15個層疊周期中的任何位置。所述勢阱層的單層厚度可為1 5nm。所述襯底層的表面可設有成核層或緩衝層，以便使外延生長出的氮化鎵系化合物晶體體內缺陷以及位錯密度低於IOiciCnT3 ；所述襯底層上或襯底層表面設有圖形化襯底結構，以便阻止載流子逃逸出有源區的載流子阻擋層，為金屬和半導體歐姆接觸而製作的表面結構，有利於發光器件表面發出光子的結構，減少半導體體內光吸收的結構，使器件抵抗反向擊穿電壓大於IOV和抗靜電能力大於1000V(人體模式，HM)的結構等。所述有源區中的勢壘層和勢阱層等結構由AlxIny(}ai_x_yN(0≤X≤1，0≤Y≤1) 材料構成。所述組成勢壘層的AlxlInyl(iai_xl_ylN(0≤Xl≤1,0≤Yl≤1)材料與組成勢阱層的Alx2Iny2(iai_x2_y2N(0≤X2≤1，0≤Y2≤1)材料組份中的X1、Y1與Χ2、Υ2的值可相同或部分相同或不同，以使得勢壘層半導體材料的禁帶寬度寬於勢阱層半導體材料的禁帶寬度，而形成半導體勢壘和勢阱結構。所述P型摻雜劑可選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra等中的至少一種，所述N型摻雜劑可選自C、Si、Ge、Sn、Pb、0、S、Se、Te、Po和Be等中的至少一種。所述P型摻雜劑的濃度可為1 X IO16CnT3 1 X 102°cm_3。所述N型摻雜劑的濃度可為 IXlO16Cnr3 IXIO2Wo當本發明的成品器件在20mA正向電流下工作時，器件正向電壓在2. 9 4. 2V範圍內。所述有源區所包含的重複交替層疊的勢壘層和勢阱層的形成方法可以使用或部分使用氮化鎵系化合物半導體升華或分解的方法。所述襯底層的材料可採用常規已知的襯底材料，包括導電材料和非導電材料，例如iSS、SiC、GaP、GaAs、Si、ZnO、MgO以及氮化鎵系化合物本身。所述一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管可設有載流子阻擋層和表面結構層。本發明通過優化結構，此結構中主要包含襯底層、N型層、有源區、P型層和電極等部分。所述有源區被夾在P型層與N型層之間，由具有不同禁帶寬度的勢壘層和勢阱層重複交替層疊的多量子阱結構組成，有源區中的勢壘層包含P型摻雜劑。與傳統的發光結構製作在本徵氮化鎵系材料或N型氮化鎵系材料中不同，本發明將有源區結構製作在P型氮化鎵系材料中，這樣電子將作為少子，而少子電子相比少子空穴具有更長的擴散長度，因而器件有源區的載流子分布更均勻，量子阱注入效率和輻射複合機率將改善，尤其是位於少子擴散方向上，多量子阱結構末端的量子阱結構也將獲得良好的少子注入。利用這種特性， 有源區中將有機會設計出更多組的量子阱結構。由此可見，採用本發明特點製作的器件的發光效率將優於現有工藝製作的器件。顯然，本發明通過引入含P型摻雜劑的勢壘層，提高器件有源區的發光效率，優化了器件的光電性能，達到提高氮化鎵系化合物半導體發光器件的發光效率的目的。


圖1是本發明實施例1和實施例2所涉及的半導體發光器件的側面剖面示意圖， 襯底採用非導電材料。圖2是本發明採用導電襯底實施的半導體發光器件的側面剖面示意圖。圖3是發光結構中的有源區的具體結構，勢壘層結構與勢阱層結構的層次關係示意圖。在圖1 3中，各標記說明如下101襯底、102緩衝層(成核區)、103N型層、104有源區(由重複交替疊層的201 和202組成)、105載流子阻擋層、106P型層、107表面結構層、108透明導電層、109P金屬電極、IlON金屬電極、201有源區中的勢壘層、202有源區中的勢阱層。
具體實施例方式本發明結構的製作過程將由2個具體實施例詳細說明，並參考說明書附圖，以便更詳細地闡述發明內容。需要說明的是，兩個實施方案中，均以MOCVD製作藍綠光LED發光器件為例進行說明，但是本發明結構並非僅可製作藍綠光LED發光器件，也可應用於紫外光器件以及雷射器等發光器件。器件襯底的類型沒有特定的限制，可以採用常規已知的襯底種類，如藍寶石(Al2O3)，SiC、GaP、GaAs、Si、ZnO、MgO和氮化鎵系化合物本身。實施例中以藍寶石(C-Plane)為襯底進行外延加工，因此襯底為非導電材料，非導電襯底上外延的器件剖面結構可參見圖1 (導電襯底製作的器件剖面結構可參見圖2)。此外，為製作本發明進行的外延生長設備，並非僅可採用M0CVD，也可以使用MBE，HVPE等外延設備。實施例中， 僅重點描述發明的特徵部分，其他附屬結構或加工步驟是為使讀者能夠更詳細的了解發明特徵而進行描述，以便說明本發明結構製作的可行性，採用本發明的結構特徵，使用其他附屬結構或加工步驟而製作的器件仍然屬於所述權利要求之內。圖3給出發光結構中的有源區的具體結構，勢壘層結構與勢阱層結構的層次關係示意圖。
在實施例中，MOCVD生長氮化鎵系半導體晶體的材料源分別為TMGa提供( 源， TMIn提供h源，TMAl提供Al源，NH3提供N源，CP2Mg提供P型摻雜劑Mg源，SiH4提供N 型摻雜劑Si源，運載氣體為氫氣。實施例1 將藍寶石襯底(101)置於MOCVD反應室內，首先將反應室升溫至600 1100°C範圍內，優選為1100°C條件下，氫氣氛圍內對襯底進行烘烤以去除表面雜質，也可在600 1100°C範圍內，採用NH3或NH3與吐的混合氣體對襯底表面進行處理。反應室降溫至550 560°C範圍內，優選560°C，通入( 源和N源生長20 30nm 厚的緩衝層(102)。反應室升溫至1040 1080°C範圍內，通入( 源和N源生長2 μ m厚的非摻雜GaN 材料，接下來反應室增加通入Si源，再生長2 μ m厚的N型摻雜GaN材料(103)。反應室降溫至650 900 °C範圍內，優選700 850 °C，生長4周期的 InxGa1^xN (202,0 <X< 1)/GaN (201)多量子阱結構(104，有源區)，其中GaN作為勢壘層， hxGai_xN作為勢阱層。反應室通入( 源與N源生長GaN勢壘層001)，勢壘層厚度範圍為2 50nm，優選3 20nm，在GaN勢壘層生長過程中Mg源作為P型摻雜劑。生長勢阱層Inx^vxN時，反應室時通入( 源、N源、h源，勢阱層(202)生長厚度為2 3nm，其中生長hfahN時，通過控制h源流量和材料生長溫度，來調整h的組份X，以獲取的不同禁帶寬度要求的勢阱結構002)。有源區生長順序為生長含P型摻雜劑的GaN勢壘層 (201) — InGaN勢阱層(202)—含P型摻雜劑的GaN勢壘層(201) — InGaN勢阱層(202)— 含P型摻雜劑的GaN勢壘層O01) — InGaN勢阱層(20 —含P型摻雜劑的GaN勢壘層 (201) — InGaN勢阱層(202)—含P型摻雜劑的GaN勢壘層^)1)。將反應室溫度升至1040 1080°C生長P型AlGaN層(105)，生長厚度範圍為15 25nm，生長時反應室通入( 源、N源、Al源、Mg源。反應室內通入( 源、N源、Mg源繼續生長P型摻雜GaN材料(106)，生長厚度為 0. 01 1 μ m，優選厚度為0. 1 0. 3 μ m。最後，根據器件使用要求，在P型GaN表面生長歐姆接觸優化層、光提取層或抗靜電層等透明導電結構(107)。完成生長後，可在反應室內或反應室外氮氣氛圍下700 750°C退火20 25min 激活摻雜劑。外延生長完成後，在外延片表面生長透明導電層(108)，其材質可為下列之一 Ni/Au, Ni/Pt, Ni/Pd, Pt/Au, Cr/Au, Ni/Pt/Au, ITO, CTO, ZnO, InO 以及其他類似材料。通過光刻、幹法刻蝕、腐蝕等步驟，去掉表面部分透明導電層(108)，並刻蝕露出部分N型摻雜GaN層(103)，並在其表面和透明導電層表面製作金屬打線盤(109，110)，打線盤直徑範圍為100 150 μ m，厚度為1 3μπι，材料可以為Ni/Au，Ni/Pt, Ni/Pd, Ni/Co, Pd/Au, Pt/Au, Ti/Au, Cr/Au, Cr/Pt/Au, Ti/Al, Ti/Al/Ti/Au, Ti/Al/Pt/Au 以及其他類似材料。實施例2 實施例2的實施具體方式，除了有源區結構與實施例1不同外，其他部分可以採用相同工藝步驟，此處不再贅述。以下僅介紹其有源區結構的製造過程。
完成N型GaN材料(103)的生長後，反應室降溫至650 900°C範圍內，優選700 850°C，生長4周期的InxGai_xN(202)/GaM201)多量子阱結構(104，有源區)。具體為反應室通入( 源與N源生長GaN勢壘層，勢壘層厚度範圍為2 50nm，優選3 20nm，在GaN 勢壘層生長過程中Mg源作為P型摻雜劑。生長勢阱層hx(iai_xN時反應室時通入( 源、N 源、h源，勢阱層生長厚度為2 3nm，其中生長InxGai_xN時通過控制In源流量和材料生長溫度，來調整h的組份X，以獲取不同禁帶寬度要求的勢阱結構。優選生長方法為第一步，生長2 3nm非摻雜GaN，第二步，通入Mg源生長1 2nm含P型摻雜劑的GaN，關閉Mg 源。連續重複第一步和第二步共3次，最後，再生長2 3nm非摻雜GaN，完成厚度約16nm 的第一勢壘層。接下來反應室通入( 源，N源，In源，生長2 3nm厚的hx(iai_xN勢阱層。 此時完成第一周期的勢壘層/勢阱層結構，依據第一周期勢壘層/勢阱層結構的製作方法， 重複4次，最後參考第一勢壘層的製作方法生長出最後的勢壘層，完成有源區製作。然後，參考實施例1，完成器件製作的其他工序，即可完成本實施例。歸納上述，本發明提供了一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管結構及其製作方法，在器件有源區的製作中，通過引入含P型摻雜劑的勢壘層，提高器件有源區的發光效率，優化了器件的光電性能。本發明通過優化的結構和製作方法，提高氮化鎵系化合物半導體發光器件的發光效率。具體來講，一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管結構，此結構中主要包含襯底層(101)，N型層(103)，有源區(104)，P型層(106)，電極(108，109，110)等部分。所述有源區(104)被夾在P型層(106)與N型層(103)之間，由具有不同禁帶寬度的勢壘層(201) 和勢阱層(202)重複交替層疊的多量子阱結構組成，本發明的有源區中的勢壘層(201)包含P型摻雜劑。與傳統的發光結構製作在本徵氮化鎵系材料或N型氮化鎵系材料中不同， 本發明將有源區結構製作在P型氮化鎵系材料中，這樣電子將作為少子，而少子電子相比少子空穴具有更長的擴散長度，因而器件有源區的載流子分布更均勻，量子阱注入效率和輻射複合機率將改善，尤其是位於少子擴散方向上，多量子阱結構末端的量子阱結構也將獲得良好的少子注入。利用這種特性，有源區中將有機會設計出更多組的量子阱結構。由此可見，採用本發明特點製作的器件的發光效率將優於現有工藝製作的器件。
權利要求
1.一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於從下至上依次設有襯底層、緩衝層、N型層、有源區、P型層、P金屬電極和N金屬電極；所述P金屬電極連接P型層， N金屬電極連接N型層，所述有源區被夾在P型層與N型層之間，所述有源區由包含最少2 個層疊周期的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而成，每1個層疊周期包含一層勢壘層和一層勢阱層，所述勢壘層摻入P型摻雜劑。
2.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述有源區包含最少2個層疊周期的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而成，是所述有源區包含最少2個層疊周期的具有不同禁帶寬度的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而組成。
3.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述勢壘層的單層厚度為2 50nm ；所述勢阱層的單層厚度為1 5nm。
4.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述勢壘層摻入P型摻雜劑的方法，是均勻摻雜或非均勻摻雜，所述非均勻摻雜包括漸變式的雜質濃度分布或階躍式的雜質濃度分布。
5.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述層疊周期為3 15個層疊周期。
6.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述勢壘層中，每一層勢壘層都摻入P型摻雜劑；或一部分勢壘層摻入P型摻雜劑，另一部分勢壘層摻入N型摻雜劑或不摻入摻雜劑，其中摻入摻雜劑勢壘層的層疊位置為3 15個層疊周期中的任何位置。
7.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述襯底層的表面設有成核層或緩衝層。
8.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述襯底層上或襯底層表面設有圖形化襯底結構。
9.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述有源區中的勢壘層和勢阱層由Al JrvGh^NM料構成，其中0彡X彡1，0彡Y彡1 ；所述組成勢壘層的AlxlInyl(iai_xl_ylN材料與組成勢阱層的Alx2Iny2(iai_x2_y2N材料組份中的XI、Yl與X2、 Y2的值可相同或部分相同或不同，其中0 < Xl < 1，0 < Yl < 1 ;0 < X2 < 1，0 < Y2 < 1 ；所述P型摻雜劑選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種，所述N型摻雜劑選自C、 Si、Ge、Sn、Pb、0、S、Se、Te、Po 和 Be 中的至少一種；所述P型摻雜劑的濃度最好為1 X 1016CnT3 1 X 1020Cm-3 ；所述N型摻雜劑的濃度最好為 IXlO16Cnr3 1XlO20cm-3
10.如權利要求1所述的一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，其特徵在於所述一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管設有載流子阻擋層和表面結構層。
全文摘要
一種有源區為P型的氮化鎵系半導體發光管，涉及一種半導體發光管。從下至上依次設有襯底層、緩衝層、N型層、有源區、P型層、P金屬電極和N金屬電極；所述P金屬電極連接P型層，N金屬電極連接N型層，所述有源區被夾在P型層與N型層之間，所述有源區由包含最少2個層疊周期的勢壘層和勢阱層重複交替層疊而成，每1個層疊周期包含一層勢壘層和一層勢阱層，所述勢壘層摻入P型摻雜劑。通過引入含P型摻雜劑的勢壘層，提高器件有源區的發光效率，優化了器件的光電性能，達到提高氮化鎵系化合物半導體發光器件的發光效率的目的。
文檔編號H01L33/32GK102280547SQ20111025437
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者劉威, 劉寶林, 曾凡明 申請人:廈門大學