Ⅲ族氮化物半导体蓝色发光器件制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件，准确地是一种ＩＩＩ族氮化物的半导体蓝色发光器件，其有源区两侧的包层中至少包括一层Ｍ＃＋［＊］（Ａｌ＃－［ｘ１］Ｉｎ＃－［ｘ２］Ｇａ＃－［ｘ３］Ｎ－Ａｌ＃－［ｙ１］Ｉｎ＃－［ｙ２］Ｇａ＃－［ｙ３］Ｎ）应变层超晶格结构，该结构能消除ＧａＮ与衬底晶格失配引起的缺陷，比通常的ＡｌＧａＮ包层有改善晶体完整性等优点，能更有效和更均匀的将载流子限制在有源区，从而提高复合发光效率和均匀性。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件，特别是III族氮化物半导体蓝色发光器件。
技术介绍
对于发光二极管和半导体激光器这类光电子器件，要求对注入的电子(n型载流子)和空穴(p型载流子)都能限制在有源区(active layer)，并在那里复合发光。人们在有源区的两侧用禁带宽度比有源层更大的半导体材料形成势垒层，并根据掺杂的不同，可分别实现对电子和空穴的约束。对于包层材料，不仅要考虑能否形成适当的势垒高度。还要考虑它与两边的半导体层、有源层是否能晶格匹配，否则将破坏器件结构和性能。另外还要考虑是否能有低的电阻率和高的迁移率，以满足器件电学上的要求。再则要考虑对发出的光的透过率。对于III族氮化物的蓝、绿色超高亮度发光二极管，通常在双异质结或单、多量子阱的有源层的两侧，各生长一层n型或p型的AlGaN包层。由于AlGaN禁带宽度比量子阱中InGaN的禁带宽度比大，所以n型和p型的AlGaN包层形成对电子和空穴的势垒而约束载流子。AlGaN和GaN之间的晶格失配也比较小，例如用于蓝光LED的包层Al0.15Ga0.85N的晶格常数约3.124，它与GaN之间的失配度为0.36％，失配不大，但也不是可忽略的。但是，由于蓝宝石(a＝4.758)和GaN(a＝3.189)晶格失配非常大，外延层缺陷密度大，迁移率低。尽管生长了GaN或AlN过渡层，界面上的缺陷仍然向上传递延伸，成为影响器件质量的主要因素之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种III族氮化物半导体蓝色发光器件，以应变层超晶格取代通常的三元系氮化镓铝包层，使其包层与有源层的晶格常数匹配，提高器件发光效率和强度。本专利技术的III族氮化物半导体蓝色发光器件包括蓝宝石衬底、半导体层、包层、有源层，所述有源层两侧的包层中至少包括一层M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)应变层超晶格结构，其阱层(Alx1Inx2Gax3N)和垒层(Aly1Iny2Gay3N)交替分布，式中x1+x2+x3＝1，0≤x1，x2，x3≤1；y1+y2+y3＝1，0≤y1，y2，y3≤1；M是超晶格的周期数，M≥3；阱层和垒层的平均晶格常数等于半导体层的晶格常数，超晶格的n＝1的子能带带隙能将载流子约束和局限在有源层中。可以通过调整x1，x2，x3，y1，y2，y3值来实现阱层和垒层的平均晶格常数等于半导体层的晶格常数，同时使超晶格的n＝1的子能带带隙足够大，能将载流子约束和局限在有源层中。用晶格失配严重的两种材料也可以生长出界面完整性很好的超晶格，只要适当控制层的厚度，这两种材料可以弹性地调整它们的原子间距，使它们都达到一个适中的晶格常数值，这样界面处的原子排列仍是匹配的。应变层超晶格生长基面上的层错、位错等缺陷处发生晶格的局域崎变，应变层超晶格同样可以以弹性形变来调整。那么，在GaN层上生长适当的应变层超晶格就会“掩盖”或“撫平”GaN层从下面传递来的缺陷。在其上面再生长高完整性的有源层，以减少载流子的缺陷散射、非幅射跃迁中心和光的吸收与散射，从而提高复合发光效率。所以我们可以用应变层超晶格既作为包层限制载流子，又起消除缺陷为有源区提供高完整性基底的作用。本专利技术还可以在n型GaN一侧的应变层超晶格包层中掺锌，镁n型杂质，其浓度为1014EA/cm3-1020EA/cm3；在p型GaN一侧的应变层超晶格包层中掺硅，锗p型杂质，其浓度为1014EA/cm3-1020EA/cm3，该杂质能够为复合发光提供所需的载流子。所述M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)应变层超晶格的阱层和垒层厚度(即超晶格的周期)可以分别保持相同，形成等周期超3晶格；也可以分别渐变，即形成渐变周期超晶格，以实现对电子的布拉格反射。所述应变层超晶格结构是用现有技术通用的MOCVD方法在外延生长器件中同时生长制备的。n型和p型超晶格包层分别在有源层的两侧，它们是在气相生长此蓝色发光器件过程中按序生长的；气相生长气体包含氨或肼，以及包含混合后使用的三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、二乙基锌、二茂镁；应变层超晶格的结构参数(x1、x2、x3、y1、y2、y3，阱宽、垒宽，周期数)可以在气相生长中通过调节气体流量和开关程序来控制。本专利技术与现有技术相比具有如下优点1、专利技术为光电子器件提供一种新的约束载流子的结构和方法。即以应变层超晶格取代通常的三元系AlGaN包层，它可以消除GaN层从下面传递来的缺陷；可以调节平均晶格常数使得和GaN晶格完全匹配。从而减少特别是有源区的缺陷和杂质密度；这样，减少了无辐射跃迁中心及光的散射和吸收中心。有利于提高器件发光效率和强度。它还可以减少对载流子的散射，提高外延层的迁移率，改善器件的电学性质。它还可以提高生长的均匀性； 2、本专利技术的直接效果是提高目前市场前景和经济效益极好的蓝色发光二极管的效率和成品率；3、本专利技术无需添加新的设备和材料，在原有的MOCVD系统上只需改变包层的程序就可以实现；4、本专利技术可以用现有设备如MOCVD方法制备。附图说明图1是本专利技术的III族氮化物半导体蓝色发光器件的结构原理图；图2是III族氮化物材料GaN、InN、AlN和衬底材料6H-SiC、MgAl2O4(111)、α-Al2O3的晶格常数和能带带隙关系图；图3是图1中M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)应变层超晶格结构的能带示意图；图4是在MOCVD系统上生长本专利技术的III族氮化物半导体蓝色发光器件的开关原理图；图5是作为本专利技术实施例的具有应变层超晶格包层的III族氮化物蓝光LED的结构图。具体实施例方式如图1所示，在α-Al2O3衬底1上顺序生长未掺杂GaN2，n型GaN3，n型应变层超晶格4，InGaN/GaN多量子阱5，p型应变层超晶格6和p型GaN7。如图2所示，表示的是III-V族半导体材料GaN、InN、AlN和衬底材料6H-SiC、MgAl2O4(111)、α-Al2O3的晶格常数和能带带隙。可见，InN的晶格常数大于GaN，而带隙小于GaN；而AlN的晶格常数小于并接近GaN，而带隙远大于GaN。因此可以选择图3表示的M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)应变层超晶格作为包层。这时y2取零或较小的值，Aly1Iny2Gay3N垒层的晶格常数与通常的AlGaN包层相近，比GaN的略小；可以取值x3≈y3，y2＞x2，即在超晶格阱层中以In部分取代Al。这时Alx1Inx2Gax3N阱层比垒层禁带宽度小，而晶格常数略大。这样应变超晶格的平均晶格常数和GaN晶格可以完全匹配。根据量子阱发出的光的波长确定阱层Ga和Al的比，使得超晶格包层有适当大的势垒高度(2.0eV或更大)。同时，当然这样的包层对有源区发射的光是透明的。本专利技术所述的作为包层的M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)应变层超晶格，用金属化学气相淀积(MOCVD)法可以在制备LED器件的过程中一次性生长出来，并适合于产业化生产。所用的原材料为有机金属化合物三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、二茂镁(Cp2Mg)、二甲基锌(DMZ)等；还有气体源氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ⅲ族氮化物半导体蓝色发光器件，其特征在于包括蓝宝石衬底、半导体层、包层、有源层，所述有源层两侧的包层中至少包括一层Ｍ↑［＊］（Ａｌ↓［ｘ１］Ｉｎ↓［ｘ２］Ｇａ↓［ｘ３］Ｎ－Ａｌ↓［ｙ１］Ｉｎ↓［ｙ２］Ｇａ↓［ｙ３］Ｎ）应变层超晶格结构，其阱层（Ａｌ↓［ｘ１］Ｉｎ↓［ｘ２］Ｇａ↓［ｘ３］Ｎ）和垒层（Ａｌ↓［ｙ１］Ｉｎ↓［ｙ２］Ｇａ↓［ｙ３］Ｎ）交替分布，式中ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１，０≤ｘ１，ｘ２，ｘ３≤１；ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１，０≤ｙ１，ｙ２，ｙ３≤１；Ｍ是超晶格的周期数，Ｍ≥３；阱层和垒层的平均晶格常数等于半导体层的晶格常数，超晶格的ｎ＝１的子能带带隙能将载流子约束和局限在有源层中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范广涵，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]