漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體的製作方法

2023-07-19 22:25:41 2

專利名稱：漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及高注入下紫外半導體發光二極體量子阱中溢出電子的阻擋與內量子效率的保持，尤其是一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體。
背景技術：
紫外半導體發光二極體，由於其發光波長很短，相對藍光和綠光而言，禁帶寬度大。金屬鎂在氮化鎵中的激活能在200meV左右，已經非常之大,在鋁氮中則達到630meV之巨。單質娃在氮化鎵中的激活能僅為15meV,在招氮中卻達到282meV之巨(John Simon etal, SCIENCE vol 327，Jan. 2011)。因而，雜質在寬禁帶鋁氮中的摻雜效率是非常低的，無論是N型的摻雜，還是P型的摻雜。相對藍綠光而言，含有高鋁組分的紫外光半導體發光ニ極管中電子的注入和空穴的注入效率都是非常低的，由於高的激活能，空穴的注入效率則更低。如何有效地提高紫外光半導體發光二極體的載流子注入效率，直接影響到其內量子效率和發光效率的提升。六方晶系的氮化鎵、鋁鎵氮及鋁氮材料，由於原子電負性的差異，及在c面上的非對稱排布，其材料本身就具有很高的自發極化效應。晶格的不匹配，應カ也將產生極化效應。兩者的作用使得能帶發生扭曲，極化電荷的不均勻分布，極化電場的存在，導致量子阱內，電子和空穴空間上的分離，波函數不再重疊。這些由極化效應產生的問題使得紫外半導體發光二極體的量子效率難以提升。因而，極化效應被認為是紫外半導體發光二極體的發光效率提升的一個阻礙的和負面的因素。

發明內容
本發明的目的在於提供一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，在氮化鎵紫外半導體發光二極體中引入鋁組分漸變的電子阻擋層，優化氮化鎵紫外半導體發光二極體的能帶結構，在P型層利用極化效應產生的所謂三維自由空穴氣來提升其空穴的注入效率，從而提升氮化鎵紫外半導體發光二極體的量子效率和發光效率。本發明的技術方案為一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，該發光二極體從下向上依次為，藍寶石、一層非摻雜的氮化鎵層、ー層N型的氮化鎵層、至少5對鋁鎵氮/銦鎵氮多量子阱結構、鋁組分漸變的電子阻擋層、P型的鋁鎵氮層、P型的鋁鎵氮蓋層；其特徵在於鋁鎵氮電子阻擋層為一特殊的組分漸變的類超晶格結構。所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為兩組鋁組分遞增的薄層鋁鎵氮層多次交替疊加組成，兩組之間的鋁組分具有一定的差別，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層鋁的含量越高，直到最高鋁組分。所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為兩組鋁組分遞減的薄層鋁鎵氮層多次交替疊加組成，兩組之間的鋁組分具有一定的差別，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層鋁的含量越高，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低。所述的漸變鋁組分鋁 鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，而中間某層鋁組分最低。所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，而中間某層鋁組分最高。所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層和鋁組分固定的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，越靠近P區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，而中間某層鋁組分最高。所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層和鋁組分固定的薄層鋁鎵氮交替疊加組成，越靠近N區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，越靠近P區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，而中間某層鋁組分最低。所述的鋁組分漸變的類超晶格電子阻擋層，適用於紫外光半導體發光二極體。本發明的優點在於優化氮化鎵紫外半導體發光二極體的能帶結構，在P型層利用極化效應產生的所謂三維自由空穴氣來提升其空穴的注入效率，從而提升氮化鎵紫外半導體發光二極體的量子效率和發光效率。


圖I為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體結構示意 圖2為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之ー；
圖3為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之ニ；
圖4為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之三；
圖5為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之四；
圖6為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之五；
圖7為本發明一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體鋁鎵氮電子阻擋層設計之六；
圖8為本發明紫外光半導體 發光二極體外延結構示意圖。
具體實施例方式本發明g在通過能帶工程設計，在紫外光半導體發光二極體外延結構中，引入一層鋁組分漸變的電子阻擋層，由於極化誘導產生的三維自由空穴，可以有效地提高P型層的摻雜效率，提高空穴的注入效率。以下內容，將從外延結構設計和外延生長的角度，闡述本發明內容中六個實例。實施方式一
O在藍寶石襯底(8)上生長ー層氮化鎵層(9)，其生長溫度在500-600攝氏
度之間，最優溫度在540攝氏度附近，生長壓カ在300Torr-700Torr之間，最好為500Torr。氮化鎵層(9)厚度在15nm—IOOnm之間,最好控制在25nm。見附圖8。
2)在氮化鎵層(9)上生長ー層非摻雜的氮化鎵層(10)，其生長溫度在1000-1100攝氏度，最優溫度在1050攝氏度，生長壓カ在100-500Torr，最好為300Torr。氮化鎵層(10)的厚度為500-5000nm，2500nm為最優厚度。見附圖8。 3)在氮化鎵層(10)之上生長ー層N型的氮化鎵層(11 )，摻雜雜質為單質矽，摻雜濃度在1E18 — 1E19每立方釐米之間。氮化鎵層(11)的生長溫度範圍在1000-1100攝氏度，最優溫度為1050攝氏度，生長壓カ在100-500Torr之間，最優的腔內壓カ為200Torr。氮化鎵層(11)的厚度範圍在500_5000nm，最優的厚度為2500nm。見附圖8。4)在氮化鎵層(11)之上生長5對AlzGal-zN/InxGal-xN多量子阱結構作為有源層(12)，阱層銦鎵氮中銦的組分X在O — O. I之間，壘層鋁鎵氮中鋁的組分z在
O.3—0. I之間。壘層鋁鎵氮的生長溫度在850-950攝氏度之間，最優值為880攝氏度。阱層銦鎵氮的生長溫度在700-800攝氏度之間，最優值為780攝氏度。生長壓カ在100-700Torr之間，最好為200Torr。見附圖8。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間,960攝氏度為最優的生長溫度,生長壓カ在50—500Torr之間,最好控制在IOOTorr。通過鋁源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之一。具體的變化如下(見附圖2所示):薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為O. 3+0. 02*x的鋁鎵氮層，薄層鋁鎵氮層(502)為厚I納米組分為O. 4+0. 02*x納米的鋁鎵氮層(X為層數)，總的鋁鎵氮電子阻層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502)交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，最後ー層薄層鋁鎵氮(501)和(502)的鋁組分分別為O. 5和O. 6。6)P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)之上生長P型的鋁鎵氮層AluGal-uN (14)，鋁組分u高於有源層中鋁鎵氮壘層的鋁組分z，低於鋁鎵氮電子阻擋層
(13)中的最低鋁組分y，即z〈u〈y。摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度在1E19-1E20每立方釐米之間。生長溫度在800—950攝氏度之間，最好為920攝氏度，生長壓カ在100-700Torr，最優值在250Torr。厚度50—300nm之間，最優為150 nm。見附圖8。7)P型的鋁鎵氮層AluGal-uN (14)之上生長ー層P型的鋁鎵氮層AluGal-uN (15)作為P型金屬接觸層。摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E20-1E21每立方釐米之間。除摻雜濃度比P型的鋁鎵氮層AluGal-uN (14)高之外，其餘各項生長條件與之相同。見附圖8。實施方式ニ
I)-4)和6)-7)均與實施方式之一相同，僅僅只是實施方式5)即漸變鋁組分鋁鎵氮電子阻擋層不同。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間，960攝氏度為最優的生長溫度，生長壓カ在50—500Torr之間,最好控制在lOOTorr。通過招源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之ニ。具體的變化如下(見附圖3所示)薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為O. 6-0. 02*x的鋁鎵氮層，薄層鋁鎵氮層(502)為厚I納米組分為O. 5-0. 02*x納米的鋁鎵氮層(X為層數)，總的鋁鎵氮電子阻層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502)交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，最後一層薄層鋁鎵氮(501)和(502)的鋁組分分別為O. 4和O. 3。實施方式三
I)-4)和6)-7)均與實施方式之一相同，僅僅只是實施方式5)即漸變鋁組分鋁鎵氮電子阻擋層不同。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜 質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間，960攝氏度為最優的生長溫度，生長壓カ在50—500Torr之間，最好控制在lOOTorr。通過鋁源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之三。具體的變化如下(見附圖4所示)薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為O. 6-0. 02*x (xx_mid)的招鎵氮層，薄層招鎵氮層(502)為厚I納米組分為 O. 5-0. 02*x (x〈x_mid)或 O. 5-0. 02*x_mid+0. 02*(x-x_mid) (x>x_mid)的招嫁氮層(X為層數)，總的鋁鎵氮電子阻擋層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502 )交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，第一層和最後一層薄層鋁鎵氮(501)和(502 )的鋁組分分別為O. 6和O. 5，中間某層分別為O. 4和O. 3。實施方式四
I)-4)和6)-7)均與實施方式一相同，僅僅只是實施方式5)即漸變鋁組分鋁鎵氮電子阻擋層不同。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間，960攝氏度為最優的生長溫度，生長壓カ在50—500Torr之間，最好控制在lOOTorr。通過鋁源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之三。具體的變化如下(見附圖5所示)薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為0. 3+0. 02*x (x<x_mid)或
0.3+0. 02*x_mid_0. 02*(x_x_mid) (x>x_mid)的招鎵氮層，薄層招鎵氮層(502)為厚I納米組分為 0. 4+0. 02*x (x〈x_mid)或 0. 4+0. 02*x_mid_0· 02*(x_x_mid) (x>x_mid)的鋁鎵氮層(X為層數)，總的鋁鎵氮電子阻擋層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502)交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，第一層和最後一層薄層鋁鎵氮(501)和(502)的鋁組分分別為0.302 (0.402)和0.3 (0.4)，中間某層分別為0. 5和0. 6。實施方式五
I)-4)和6)-7)均與實施方式一相同，僅僅只是實施方式5)即漸變鋁組分鋁鎵氮電子阻擋層不同。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間，960攝氏度為最優的生長溫度，生長壓カ在50—500Torr之間，最好控制在lOOTorr。通過鋁源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之三。具體的變化如下(見附圖6所示)薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為0. 3+0. 02*x (xx_mid)的招鎵氮層，薄層招鎵氮層(502)為厚I納米組分為0.6，總的鋁鎵氮電子阻擋層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502)交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，第一層和最後一層薄層鋁鎵氮(501)鋁組分分別為O. 32和0.3，中間某層分別為0. 5。實施方式六
I)-4)和6)-7)均與實施方式一相同，僅僅只是實施方式5)即漸變鋁組分鋁鎵氮電子阻擋層不同。5)在有源層(12)之上生長P型的鋁鎵氮AlyGal-yN電子阻擋層(13)，摻雜雜質為金屬鎂，摻雜濃度為1E19-5E20每立方釐米量級。生長溫度在850-1000攝氏度之間，960攝氏度為最優的生長溫度，生長壓カ在50—500Torr之間，最好控制在lOOTorr。通過鋁源的控制來實現發明內容8)所述鋁鎵氮電子阻擋層(5)設計之三。具體的變化如下(見附圖7所示)，薄層鋁鎵氮層(501)為厚I納米的鋁組分為O. 5-0. 02*x (x〈x_mid)或O. 5-O. 02*x_mid+0. 02*(x_x_mid) (x>x_mid)的招鎵氮層，薄層招鎵氮層(502)為厚I納米組分為O. 6，總的鋁鎵氮電子阻擋層由薄層鋁鎵氮層(501)和(502)交替組成，20對則總的鋁鎵氮電子阻擋層的厚度為40nm，第一層和最後一層薄層鋁鎵氮(501)鋁組分分別為O. 48和0.5，中間某層分別為0.3。
權利要求
1.一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，該發光二極體從下向上依次為，藍寶石、一層非摻雜的氮化鎵層、ー層N型的氮化鎵層、至少5對鋁鎵氮/銦鎵氮多量子阱結構、鋁組分漸變的電子阻擋層、P型的鋁鎵氮層、P型的鋁鎵氮蓋層；其特徵在於鋁鎵氮電子阻擋層為一鋁組分漸變的類超晶格結構。
2.根據權利要求I所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在幹所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為兩組鋁組分遞增的薄層鋁鎵氮層多次交替疊加組成，兩組之間的鋁組分是不同的；越靠近P區，薄層鋁鎵氮層鋁的含量越高，直到最高鋁組分，最高鋁組份數值在O. 5-0. 8之間。
3.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為兩組鋁組分遞減的薄層鋁鎵氮層多次交替疊加組成，兩組之間的鋁組分具有一個差值，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層鋁的含量越高，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低。
4.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，而中間某層鋁組分最低。
5.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，越靠近P區，薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，而中間某層鋁組分最高。
6.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層和鋁組分固定的薄層鋁鎵氮層交替疊加組成，越靠近N區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，越靠近P區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越低，而中間某層鋁組分最高。
7.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的漸變鋁組分鋁鎵氮阻擋層結構為多個鋁組分變化的薄層鋁鎵氮層和鋁組分固定的薄層鋁鎵氮交替疊加組成，越靠近N區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，越靠近P區，非固定薄層鋁鎵氮層中鋁的含量越高，而中間某層鋁組分最低。
8.根據權利要求I或2所述漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，其特徵在於所述的鋁組分漸變的類超晶格電子阻擋層，適用於紫外光半導體發光二極體。
全文摘要
本發明公開一種漸變電子阻擋層的紫外光氮化鎵半導體發光二極體，通過能帶工程設計與優化，在其外延結構中引入六種不同方式變化的類超晶格鋁鎵氮電子阻擋層來實現鋁組分的變化，從而調節電子阻擋層中的極化效應，實現高的空穴注入，以解決紫外光半導體發光二極體中P型摻雜效率低空穴濃度不足的問題。
文檔編號H01L33/06GK102623599SQ20121012239
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者李文兵, 王江波, 董彬忠 申請人:華燦光電股份有限公司