專利名稱：一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用局域內(nèi)建電場修整能帶結(jié)構(gòu)以提高內(nèi)量子效率的外延結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還涉及應(yīng)用該外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
通常，半導(dǎo)體發(fā)光器件(semiconductor light emitting device),包括半導(dǎo)體激光器(semiconductor laser diode,其縮寫為LD)以及半導(dǎo)體發(fā)光二極管(semiconductorlightemitting diode,其縮寫為 LED)。所述載流子注入?yún)^(qū)(carrier injection region),包括電子注入?yún)^(qū)(electron injection region)和空穴注入?yún)^(qū)(hole injection region)。多量子講有源區(qū)(mult1-quantum well active region)是由量子講層(quantum well)和壘層(barrier)交替疊成的周期性結(jié)構(gòu)，在量子阱層中電子空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。阻擋載流子的勢壘層位于多量子阱有源區(qū)和載流子注入?yún)^(qū)之間，使得該位置處的導(dǎo)帶或價帶具有較 高勢能。研究表明，半導(dǎo)體發(fā)光器件的內(nèi)量子效率與如下所述幾種機(jī)理有密切的關(guān)系俄歇復(fù)合(Auger recombination)、載流子泄漏(carriers leakage)、多量子講有源區(qū)中載流子分布不均勻(nonuniform distribution of carriers)、極化效應(yīng)(effect ofthe polarization field)、結(jié)熱(junction heating)、空穴傳輸受限(limited holetransport)等。但是,具體是哪種影響占優(yōu)勢沒有定論。根據(jù)以上機(jī)理，提高半導(dǎo)體發(fā)光器件的內(nèi)量子效率的方法主要有減小載流子的泄漏，提高多量子阱有源區(qū)中載流子分布的均勻性，降低俄歇復(fù)合等。研究人員也提出了很多的改善辦法，例如使用與氮化鎵(GaN)晶格匹配的寬帶隙材料AlInN薄層做壘層；在多量子講有源區(qū)與電子阻擋層(electron blocking layer, EBL)之間插入一層p-1nGaN做空穴存儲層，提高空穴的注入效率；使用寬帶隙材料AlInN代替AlGaN作電子阻擋層；使用InGaN或者GaN-1nGaN-GaN或者InGaN-AlGaN-1nGaN材料代替GaN材料做壘層，等等。以上改善半導(dǎo)體發(fā)光器件內(nèi)量子效率的方法，通常是就特定器件或者結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)用具有很大的局限性；且一些方法還存在很多的問題亟待解決，例如利用寬帶隙材料AlInN薄層做多量子阱有源區(qū)的壘層，受當(dāng)前外延生長水平的影響晶體質(zhì)量不高，限制了器件光電性能的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種提高半導(dǎo)體發(fā)光器件內(nèi)量子效率的外延結(jié)構(gòu)，通過在外延結(jié)構(gòu)的特定位置引入帶邊整形層，利用其產(chǎn)生的局域內(nèi)建電場，修整外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀，提高器件的內(nèi)量子效率。本發(fā)明的目的之二在于提供一種內(nèi)量子效率提高了的半導(dǎo)體發(fā)光器件，通過在半導(dǎo)體發(fā)光器件外延結(jié)構(gòu)的特定位置引入帶邊整形層，利用其產(chǎn)生的局域內(nèi)建電場，修整能帶結(jié)構(gòu)的帶邊形狀，提高器件的內(nèi)量子效率。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的之一所采用的技術(shù)方案
一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延結(jié)構(gòu)，包括電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)，還包括一個或多個帶邊整形層；該帶邊整形層的摻雜類型和/或摻雜濃度與其相鄰層有差異，所述摻雜類型為非摻雜、P型摻雜或N型摻雜；所述帶邊整形層通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸龋闷湫纬傻木钟騼?nèi)建電場修整外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀；所述帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間，以調(diào)節(jié)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，使多量子阱有源區(qū)內(nèi)的量子阱層中的載流子濃度分布變得均勻，總體俄歇復(fù)合降低；或，還包括阻擋載流子的勢壘層，該勢壘層與所述帶邊整形層共同位于空穴注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間；該勢壘層的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有帶邊整形層時，該帶邊整形層使該勢壘層的有效勢壘高度升高，載流子泄漏減?。换?，所述帶邊整形層位于多量子阱有源區(qū)內(nèi)的壘層中；或，所述帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)內(nèi)或空穴注入?yún)^(qū)內(nèi)。
本發(fā)明的有益效果在于在半導(dǎo)體發(fā)光器件外延結(jié)構(gòu)的特定位置引入帶邊整形層，利用帶邊整形層的摻雜類型和/或摻雜濃度與其相鄰層有差異，而形成的局域內(nèi)建電場修整鄰近能帶結(jié)構(gòu)的帶邊形狀，使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，降低靠近電子注入?yún)^(qū)一側(cè)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，改善載流子的注入，使得多量子阱有源區(qū)內(nèi)的量子阱層中的載流子分布均勻，總體俄歇復(fù)合降低；也可以提升阻擋載流子的勢壘層的有效勢壘高度，減小載流子的泄漏。根據(jù)研究表明，在不同位置引入帶邊整形層有不同的作用機(jī)理，但都是基于利用局域內(nèi)建電場修整外延結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀的原理，提高器件的內(nèi)量子效率。
帶邊整形層的摻雜類型和/或摻雜濃度與其相鄰層有差異，可為非摻雜、P型摻雜或N型摻雜，通過 調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場修整半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀。
優(yōu)選的，所述帶邊整形層通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場修整外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀。
該帶邊整形層調(diào)節(jié)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，使多量子阱有源區(qū)內(nèi)的量子阱層中的載流子濃度分布變得均勻，總體俄歇復(fù)合降低。
當(dāng)帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間時，通過調(diào)整該帶邊整形層的摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場，修整鄰近能帶結(jié)構(gòu)的帶邊形狀發(fā)生彎曲，降低靠近電子注入?yún)^(qū)一側(cè)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，改善載流子的注入，使得載流子在多量子阱有源區(qū)的量子阱中的分布更均勻，從而降低總體俄歇復(fù)合。
優(yōu)選的，當(dāng)該帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間時，該帶邊整形層使多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級降低；距離帶邊整形層越遠(yuǎn)的量子阱，其電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級降低的程度越小。
優(yōu)選的，所述帶邊整形層為多個時，同時位于多量子阱有源區(qū)的兩側(cè)，具體為 位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間，以及與阻擋載流子的勢壘層共同位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間。
優(yōu)選的，所述帶邊整形層為多個時，共同位于多量子阱有源區(qū)的同一側(cè)，具體為位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間，各帶邊整形層的摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸炔煌?br> 優(yōu)選的，所述帶邊整形層為多個時，共同位于多量子阱有源區(qū)的同一側(cè)，具體為 位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間，各帶邊整形層的摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸炔煌?；還包括阻擋載流子的勢壘層，位于載流子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間。
在上述優(yōu)選方案中，當(dāng)多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間具有帶邊整形層時，同時存在阻擋載流子的勢壘層，該勢壘層也位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間。
優(yōu)選的，當(dāng)該帶邊整形層與阻擋載流子的勢壘層共同位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間時，通過調(diào)整該帶邊整形層的摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場，修整阻擋載流子的勢壘層處能帶結(jié)構(gòu)的帶邊形狀，改變局部導(dǎo)帶相對準(zhǔn)費米能級的位置，提升阻擋載流子的勢壘層的有效勢壘高度，減少電子泄漏。
優(yōu)選的，當(dāng)采用P型摻雜時，摻雜濃度為IX IO17CnT3 5X IO18CnT3 ;帶邊整形層的厚度為Inm 300nm ;當(dāng)米用N型摻雜時,摻雜濃度為IX IO17CnT3 IX IO19CnT3 ;帶邊整形層的厚度為Inm lOOnm。
優(yōu)選的，當(dāng)帶邊整形層與阻擋載流子的勢壘層共同位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間時，所述阻擋載流子的勢壘層位于帶邊整形層和多量子阱有源區(qū)之間，或位于帶邊整形層和空穴注入?yún)^(qū)之間；帶邊整形層的優(yōu)選厚度為Inm 300nm。
當(dāng)帶邊整形層具有多層且同時具有兩種作用機(jī)理時，可同時起到降低總體俄歇復(fù)合和減小載流子泄漏這兩種效果。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的之二所采用的以下七種技術(shù)方案，以下方案都是在應(yīng)用上述外延結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件
方案一至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、帶邊整形層、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)。
方案二 至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)、帶邊整形層、阻擋載流子的勢壘層和空穴注入?yún)^(qū)。
方案三具有兩個帶邊整形層，分別為第一帶邊整形層和第二帶邊整形層；半導(dǎo)體發(fā)光器件外延結(jié)構(gòu)至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、第二帶邊整形層、多量子阱有源區(qū)、 第一帶邊整形層、阻擋載流子的勢壘層和空穴注入?yún)^(qū)。
方案四具有兩個帶邊整形層，分別為第一帶邊整形層和第二帶邊整形層；第一帶邊整形層為N型摻雜，第二帶邊整形層為P型摻雜；半導(dǎo)體發(fā)光器件外延結(jié)構(gòu)至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)、阻擋載流子的勢壘層、第二帶邊整形層、第一帶邊整形層和空穴注入?yún)^(qū)。
方案五至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于多量子阱有源區(qū)內(nèi)的壘層中。
方案六至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于電子注入?yún)^(qū)內(nèi)。
方案七至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于空穴注入?yún)^(qū)內(nèi)。
本發(fā)明在半導(dǎo)體發(fā)光器件外延結(jié)構(gòu)的特定位置引入帶邊整形層，該帶邊整形層通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場修整外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀；該局域內(nèi)建電場作用于鄰近的能帶結(jié)構(gòu)，使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，可以降低靠近電子注入?yún)^(qū)一側(cè)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，改善載流子的注入，平衡多量子阱有源區(qū)的量子阱中載流子的分布，降低總體俄歇復(fù)合；也可以提升阻擋載流子的勢壘層的有效勢壘高度，減少載流子的泄漏，最終提高器件的內(nèi)量子效率。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一個新的解決問題的思路，利用局域內(nèi)建電場修整半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的能帶的帶邊形狀來實現(xiàn)提高器件內(nèi)量子效率的目的，所公開的外延結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，包括LED領(lǐng)域及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域；并且利用該外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，影響了俄歇 復(fù)合、載流子泄漏等多個方面，使得器件內(nèi)量子效率明顯改善?，F(xiàn)有技術(shù)中制造本發(fā)明中所述外延結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體發(fā)光器件的工藝較為成熟，在外延生長時，利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長帶邊整形層，之后再制作成半導(dǎo)體發(fā)光器件。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明實施例一的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)示意3是圖1所示現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管能帶結(jié)構(gòu)示意4是圖2所示實施例的能帶結(jié)構(gòu)示意5是圖3和圖4中所述量子阱Q的放大對比6 Ca)是圖2所示實施例的多量子阱有源區(qū)的電子濃度分布示意6 (b)是圖2所示實施例的多量子阱有源區(qū)的空穴濃度分布示意7是圖2所示實施例的內(nèi)量子效率的變化趨勢8是本發(fā)明實施例二的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意9是圖8所示實施例的能帶結(jié)構(gòu)示意10是圖8所示實施例的電子電流分布示意11是圖8所示實施例的內(nèi)量子效率的變化趨勢12是本發(fā)明實施例三的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意13是圖12所示實施例的能帶結(jié)構(gòu)示意14是圖12所示實施例的內(nèi)量子效率的變化趨勢15是本發(fā)明實施例四的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意16是圖15所示實施例的能帶結(jié)構(gòu)示意17是圖15所示實施例的電子電流分布示意18是圖15所示實施例的內(nèi)量子效率的變化趨勢圖
具體實施例方式以下根據(jù)附圖對本發(fā)明的具體實施例作進(jìn)一步說明如圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)中一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
在發(fā)光二極管(LED)的外延結(jié)構(gòu)中，所述N型電子注入層即電子注入?yún)^(qū)，P型空穴注入層即空穴注入?yún)^(qū)，電子阻擋層即阻擋載流子的勢壘層。
所述圖1的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括襯底層11、成核層12 (nucleationlayer)、N型電子注入層13、多量子阱有源區(qū)14、電子阻擋層15 (EBL)和P型空穴注入層16。其中，
N型電子注入層13的結(jié)構(gòu)厚度3 μ m，材料為n_GaN，摻雜濃度為5X 1018cm_3 ；
多量子阱有源區(qū)14的結(jié)構(gòu)包括若干個量子阱層及其相應(yīng)的量子阱壘層，本實施例包括6個量子阱壘層和5個量子阱層；其中量子阱壘層的厚度為15nm，材料為GaN ;量子講層的厚度為3nm,材料為InailGaa89N ；
P型空穴注入層16的結(jié)構(gòu)厚度O. 2 μ m，材料p_GaN，摻雜濃度為7X 1017cm_3。
上述現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管的外延材料主要為GaN基的材料，此外現(xiàn)有技術(shù)中常見的半導(dǎo)體發(fā)光器件(包括LED和LD)的外延材料還有InN、AIN、InGaN, AlGaN, AlInN, AlInGaN, GaP、GaAsP、GaAs, AlAs, AlGaAs, InP、A1P、AlInP、GaInP、AlGaP、AlGaInP、AlSb, InGaAs> InAs、InSb、GaSb> AlAsSb、AlInAs、InAsP、InGaAsP> AlGaSb> AllnSb、InGaSb> GaAsSb、CdS、ZnSe、ZnCdSe、ZnMgSeS、AlGaAsSb、InGaAsSb 和 InGaNAs 等。
當(dāng)前，激光器包括固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器及自由電子激光器，對于半導(dǎo)體激光器，其常見的外延結(jié)構(gòu)中部分與發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)相比具有一定的相似性，具有基本一致的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；均可以通過在外延結(jié)構(gòu)的特定位置引入帶邊整形層，利用其形成的局域內(nèi)建電場修整半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀，實現(xiàn)器件內(nèi)量子效率的提高。
圖1所示的發(fā)光二極管還包括正負(fù)電極。
圖3是圖1所示發(fā)光二極管的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
上述現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管芯片的各層結(jié)構(gòu)，同樣適用于本發(fā)明所述的外延層結(jié)構(gòu)，因為，該外延結(jié)構(gòu)是發(fā)光二極管芯片的制作基礎(chǔ)，其各層的結(jié)構(gòu)在形成外延結(jié)構(gòu)時已經(jīng)得到確定。
因而，下述各發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)的實施例，其實質(zhì)上也是本發(fā)明涉及發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)的實施例。
實施例一
如圖2所示發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括襯底層21、成核層22、N型電子注入層23、帶邊整形層20、多量子阱有源區(qū)24、電子阻擋層25和P型空穴注入層26。相對于現(xiàn)有技術(shù)，在N型電子注入層23和多量子阱有源區(qū)24之間引入了帶邊整形層20。
帶邊整形層20的厚度為Inm lOOnm，材料為P型摻雜GaN，摻雜濃度 IX IO17CnT3 5 X 1018cnT3，摻雜劑選用二茂鎂(Cp2MgX
本實施例中，一種最優(yōu)的選擇是，帶邊整形層20的厚度為20nm，摻雜濃度為 5X IO1W30發(fā)明人經(jīng)過實際驗證，當(dāng)摻雜為η型或者不摻雜(un-doping)，以及厚度不為 20nm時，相比于不插入該層來說也有優(yōu)化效果，但其效果不如上述最優(yōu)選擇。
圖4為本實施例選擇最優(yōu)方案(帶邊整形層的厚度為20nm，摻雜濃度為 5X IO1W3)時，能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖，圖3和圖4中，El表示多量子阱有源區(qū)中與帶邊整形層相鄰的量子阱壘層的能帶結(jié)構(gòu)，圖4中的EO表示帶邊整形層的能帶結(jié)構(gòu)，對比圖3和圖4的El能帶區(qū)，可看出引入帶邊整形層后，利用其形成的局域內(nèi)建電場，修整多量子阱有源區(qū)中與帶邊整形層相鄰的量子阱壘層的能帶的帶邊形狀，使其彎曲；從整體上來看，帶邊整形層與相鄰量子阱壘層的導(dǎo)帶坡度變緩且有效勢壘高度降低，更利于載流子的注入；此外，在局域內(nèi)建電場的作用下，靠近帶邊整形層一側(cè)的量子阱中的電子基態(tài)能級與準(zhǔn)費米能級的相對位置也受到影響，觀察第一個量子阱Q，如圖5所示，其左側(cè)為圖3的量子阱示意圖，其右側(cè)為圖4的量子阱示意圖，相比于左側(cè)，右側(cè)量子阱內(nèi)的電子基態(tài)能級位置相對準(zhǔn)費米能級更低，表明有更多的電子被該量子阱捕獲，提高了該量子阱中載流子的濃度。距離帶邊整形層越遠(yuǎn)的量子阱，受局域內(nèi)建電場的影響越弱，量子阱內(nèi)的電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級降低程度越小，這表明相對于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，本實施例所述發(fā)光二極管中多量子阱有源區(qū)的量子阱中的載流子分布更均勻。

圖6 (a)和圖6 (b)所示為本實施例最優(yōu)方案下多量子阱有源區(qū)中電子、空穴濃度分布示意圖，從圖中可看出，對比引入帶邊整形層前后多量子阱有源區(qū)的量子阱中載流子分布，引入帶邊整形層后載流子分布更均勻，總體俄歇復(fù)合會降低，因而提高了器件的內(nèi)
量子效率。圖7是本實施例最優(yōu)方案下內(nèi)量子效率隨電流密度的變化趨勢圖，對比引入帶邊整形層前后內(nèi)量子效率的變化，可見引入帶邊整形層后，內(nèi)量子效率得到了提高，且隨電流增大內(nèi)量子效率提聞的幅度沒有減小。實施例二如圖8所示發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括襯底層31、成核層32、N型電子注入層33、多量子阱有源區(qū)34、帶邊整形層30、電子阻擋層35和P型空穴注入層36。相對于現(xiàn)有技術(shù)，在電子阻擋層35和多量子阱有源區(qū)34之間引入了帶邊整形層30。帶邊整形層30的厚度為Inm 300nm，材料為P型摻雜GaN，摻雜濃度IX IO17CnT3 5 X 1018cnT3，摻雜劑選用二茂鎂(Cp2MgX本實施例中，一種最優(yōu)的選擇是，帶邊整形層30的厚度為50nm，摻雜濃度為3X1017cm-3o發(fā)明人經(jīng)過實際驗證，當(dāng)摻雜為n型或者不摻雜，以及厚度不為50nm時，相比于不插入該層來說也有優(yōu)化效果，但其效果不如上述最優(yōu)選擇。圖9為本實施例選擇最優(yōu)方案時，能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖，圖9中的EO表示帶邊整形層的能帶結(jié)構(gòu)，E2表示電子阻擋層的能帶結(jié)構(gòu)，對比圖3和圖9的EO及E2能帶區(qū)，可看出引入帶邊整形層后，利用其形成的局域內(nèi)建電場，修整帶邊整形層及電子阻擋層處能帶的帶邊形狀，使該區(qū)域?qū)澢下N，一方面電子阻擋層的導(dǎo)帶相對于準(zhǔn)費米能級升高，提升了其有效勢壘高度，減少了載流子泄漏；另一方面該局部區(qū)域能帶的彎曲上翹也使得帶邊整形層與電子阻擋層界面處的導(dǎo)帶相對準(zhǔn)費米能級抬高，減少了電子在該部位的聚集。 圖10所示為最優(yōu)方案下，弓丨入帶邊整形層前后電子電流隨距離變化的趨勢圖，圖中可看出，引入帶邊整形層后，漏電流(此時為電子泄露)減小。 圖11所示為本實施例最優(yōu)方案下內(nèi)量子效率隨電流密度的變化趨勢圖，對比引入帶邊整形層前后內(nèi)量子效率的變化，可見引入帶邊整形層后，器件的內(nèi)量子效率得到提高，且隨電流增大內(nèi)量子效率提高的幅度沒有減小。
實施例三
如圖12所示發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括襯底層41、成核層42、N型電子注入層43、第二帶邊整形層40b、多量子阱有源區(qū)44、第一帶邊整形層40a、電子阻擋層 45和P型空穴注入層46。相對于現(xiàn)有技術(shù)，在N型電子注入層43和多量子阱有源區(qū)44之間引入了第二帶邊整形層40b ;在電子阻擋層45和多量子阱有源區(qū)44之間引入了第一帶邊整形層40a。
第一帶邊整形層40a的厚度為Inm 300nm，材料為P型摻雜GaN，摻雜濃度 lX1017cm_3 5 X 1018cm_3，摻雜劑選用二茂鎂(Cp2Mg)。本實施例中，一種較優(yōu)的選擇是，第一帶邊整形層40a的厚度為50nm，摻雜濃度為3X 1017cnT3。
第二帶邊整形層40b的厚度為Inm lOOnm，材料為N型摻雜GaN，摻雜濃度 I X IO17CnT3 lX1019cm_3，摻雜劑選用硅烷(SiH4);或者，材料為P型摻雜GaN，摻雜濃度 lX1017cm_3 5 X 1018cm_3，摻雜劑選用二茂鎂(Cp2Mg)。本實施例中，一種較優(yōu)的選擇是，第二帶邊整形層40b的厚度為20nm，摻雜濃度為8X 1017cm_3，摻雜劑選用硅烷(SiH4)。
發(fā)明人經(jīng)過實際驗證，當(dāng)摻雜類型不同、摻雜濃度不同或者不摻雜(un-doping)， 以及層厚度變化時，相比于不插入該層來說也有優(yōu)化效果，但其效果不如上述優(yōu)選方案。
圖13為本實施例選擇較優(yōu)方案時，能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖，圖3和圖13中，El表示多量子阱有源區(qū)中與第二帶邊整形層相鄰的量子阱壘層的能帶結(jié)構(gòu)，E2表示電子阻擋層的能帶結(jié)構(gòu)。圖13中的Ea表示第二帶邊整形層40b的能帶結(jié)構(gòu),Eb表示第一帶邊整形層40a 的能帶結(jié)構(gòu)，對比圖3和圖13的El及E2能帶區(qū)，可看出
第二帶邊整形層40b引入后，利用其形成的局域內(nèi)建電場，修整El能帶區(qū)的帶邊形狀，使得多量子阱有源區(qū)中與帶 邊整形層相鄰的量子阱壘層的能帶形狀改變；從整體上來看，帶邊整形層與相鄰量子阱壘層的導(dǎo)帶坡度變緩，有效勢壘高度降低，更利于載流子的注入；此外，在局域內(nèi)建電場的作用下，靠近該帶邊整形層一側(cè)量子阱中電子基態(tài)能級與準(zhǔn)費米能級的相對位置也受到影響，觀察第一個量子阱Q，量子阱內(nèi)的電子基態(tài)能級位置相對于準(zhǔn)費米能級更低，表明有更多的電子被該量子阱捕獲，提高了該量子阱中載流子的濃度。 距離帶邊整形層越遠(yuǎn)的量子阱，受局域內(nèi)建電場的影響越弱，量子阱內(nèi)的電子基態(tài)能級相對于準(zhǔn)費米能級降低程度越小，這表明相對于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，本實施例所述發(fā)光二極管中多量子阱有源區(qū)的量子阱中載流子分布更均勻。
第一帶邊整形層40a引入后，利用其形成的局域內(nèi)建電場修整該帶邊整形層與電子阻擋層處能帶的帶邊形狀，使該區(qū)域?qū)澢下N。一方面電子阻擋層的導(dǎo)帶相對于準(zhǔn)費米能級升高，提升了其有效勢壘高度，減少了載流子泄漏；另一方面該局部區(qū)域能帶的彎曲上翹也使得帶邊整形層與電子阻擋層界面處的導(dǎo)帶相對準(zhǔn)費米能級抬高，減少了電子在該部位的聚集。
總的來說，本實施例較優(yōu)方案，其獲得的有益效果類比于實施例一和實施例二的彡口口
圖14所示，為本實施例較優(yōu)方案下內(nèi)量子效率隨電流密度的變化趨勢圖，對比引入帶邊整形層前后內(nèi)量子效率的變化，可見引入帶邊整形層后，器件內(nèi)量子效率提高，且隨電流增大內(nèi)量子效率提1 的幅度沒有減小。
實施例四如圖15所示發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括襯底層51、成核層52、N型電子注入層53、多量子阱有源區(qū)54、電子阻擋層55、第二帶邊整形層50b、第一帶邊整形層50a和P型空穴注入層56。相對于現(xiàn)有技術(shù)，在電子阻擋層55和P型空穴注入層56之間增加了第一帶邊整形層50a和第二帶邊整形層50b。第一帶邊整形層50a的厚度為Inm lOOnm，材料為N型摻雜GaN，摻雜濃度I X IO17CnT3 I X 1019cm_3，摻雜劑選用硅烷(SiH4X本實施例中，一種較優(yōu)的選擇是，第一帶邊整形層50a的厚度為20nm，摻雜濃度為5X 1017cnT3。第二帶邊整形層50b的厚度為Inm lOOnm，材料為P型摻雜GaN，摻雜濃度lX1017cm_3 5X1018cm_3，摻雜劑選用二茂鎂(Cp2MgX本實施例中，一種較優(yōu)的選擇是，第二帶邊整形層50b的厚度為20nm，摻雜濃度為5X 1017cnT3。
發(fā)明人經(jīng)過實際驗證，當(dāng)摻雜濃度不同以及層厚度變化時，相比于不插入該層來說也有優(yōu)化效果，但其效果不如上述優(yōu)選方案。圖16為本實施例選擇較優(yōu)方案時，能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖，圖3和圖16中，E2表示電子阻擋層的能帶結(jié)構(gòu)，圖16中的EO表示第一帶邊整形層和第二帶邊整形層的能帶結(jié)構(gòu)，對比圖3和圖16的能帶結(jié)構(gòu),可看出引入第一帶邊整形層和第二帶邊整形層后，利用其形成的局域內(nèi)建電場，修整第二帶邊整形層與電子阻擋層處能帶的帶邊形狀使其發(fā)生彎曲上翹，導(dǎo)致電子阻擋層的導(dǎo)帶相對準(zhǔn)費米能級上升，增加了其有效勢壘高度h ;有效勢壘高度h的升高使得漏電流(此處為電子泄漏)減少，器件內(nèi)量子效率提高。圖17所示為較優(yōu)方案下，引入帶邊整形層前后電子電流隨距離變化的趨勢圖，圖中可看出，引入帶邊整形層后，新結(jié)構(gòu)的電子泄露減少。圖18所示，為本實施例較優(yōu)方案下內(nèi)量子效率隨電流密度的變化趨勢圖，對比引入帶邊整形層前后內(nèi)量子效率的變化，可見引入帶邊整形層后，器件的內(nèi)量子效率提高，且隨電流增大內(nèi)量子效率提高的幅度沒有減小。除上述實施例一至實施例四外，帶邊整形層可設(shè)置在多量子阱有源區(qū)內(nèi)，還可以設(shè)置于電子注入?yún)^(qū)內(nèi)或空穴注入?yún)^(qū)內(nèi)。帶邊整形層布置在多量子阱有源區(qū)內(nèi)，特別是在壘層中的情況在載流子分布不均勻的多量子阱有源區(qū)中的壘層位置處插入帶邊整形層，通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸龋闷湫纬傻木钟騼?nèi)建電場，修整局部帶邊形狀，調(diào)節(jié)其相鄰的量子阱的基態(tài)能級與準(zhǔn)費米能級之間的差異，從而影響量子阱的載流子濃度。通過在多量子阱有源區(qū)的一處或多處置入帶邊整形層，使載流子在多個量子阱中的分布變得均勻。上述實施例一至實施例四中，所列舉的帶邊整形層為GaN材料，事實上，帶邊整形層還可以是其他類型的半導(dǎo)體材料。優(yōu)選的，帶邊整形層的材料最好與相鄰層的材料一致，減小因材料的晶格失配等帶來的不利影響，更利于器件內(nèi)量子效率的提高。本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)，可利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積技術(shù)生長。在上述外延結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用芯片切割成型技術(shù)，制成發(fā)光二極管芯片。根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式
，對本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于包括電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)，還包括一個或多個帶邊整形層； 該帶邊整形層的摻雜類型和/或摻雜濃度與其相鄰層有差異，所述摻雜類型為非摻雜、P型摻雜或N型摻雜； 所述帶邊整形層通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場修整外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀； 所述帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間，以調(diào)節(jié)多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級的位置，使多量子阱有源區(qū)內(nèi)的量子阱層中的載流子濃度分布變得均勻，總體俄歇復(fù)合降低； 或，還包括阻擋載流子的勢壘層，該勢壘層與所述帶邊整形層共同位于空穴注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間；該勢壘層的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有帶邊整形層時，該帶邊整形層使該勢壘層的有效勢壘高度升高，載流子泄漏減??； 或，所述帶邊整形層位于多量子阱有源區(qū)內(nèi)的壘層中； 或，所述帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)內(nèi)或空穴注入?yún)^(qū)內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)該帶邊整形層位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間時，該帶邊整形層使多量子阱有源區(qū)的量子阱電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級降低；距離帶邊整形層越遠(yuǎn)的量子阱，其電子基態(tài)能級相對準(zhǔn)費米能級降低的程度越小。
3.按照權(quán)利要求1至2任一項所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述帶邊整形層為多個時，同時位于多量子阱有源區(qū)的兩側(cè)，具體為位于電子注入?yún)^(qū)和多量子阱有源區(qū)之間，以及與阻擋載流子的勢壘層共同位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至2任一項所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述帶邊整形層為多個時，共同位于多量子阱有源區(qū)的同一側(cè)，具體為位于多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間，各帶邊整形層的摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸炔煌?br> 5.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、帶邊整形層、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)。
6.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)、帶邊整形層、阻擋載流子的勢壘層和空穴注入?yún)^(qū)。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求3所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于具有兩個帶邊整形層，分別為第一帶邊整形層和第二帶邊整形層；該半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延結(jié)構(gòu)至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、第二帶邊整形層、多量子阱有源區(qū)、第一帶邊整形層、阻擋載流子的勢壘層和空穴注入?yún)^(qū)。
8.一種應(yīng)用權(quán)利要求4所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于具有兩個帶邊整形層，分別為第一帶邊整形層和第二帶邊整形層；第一帶邊整形層為N型摻雜，第二帶邊整形層為P型摻雜；該半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延結(jié)構(gòu)至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)、阻擋載流子的勢壘層、第二帶邊整形層、第一帶邊整形層和空穴注入?yún)^(qū)。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于多量子阱有源區(qū)內(nèi)的壘層中。
10.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于電子注入?yún)^(qū)內(nèi)。
11.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述外延結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于至少包括依次排列的電子注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)和空穴注入?yún)^(qū)；還包括帶邊整形層，設(shè)于空穴注入?yún)^(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延結(jié)構(gòu)，包括電子注入?yún)^(qū)、空穴注入?yún)^(qū)、多量子阱有源區(qū)、阻擋載流子的勢壘層以及一個或多個帶邊整形層。該帶邊整形層的摻雜類型和/或摻雜濃度與其相鄰層有差異，可通過調(diào)整其摻雜類型、摻雜濃度和/或?qū)雍穸?，利用其形成的局域?nèi)建電場修整半導(dǎo)體能帶的帶邊形狀，使多量子阱有源區(qū)中的載流子分布均勻，總體俄歇復(fù)合降低，以及提升阻擋載流子的勢壘層的有效勢壘高度，減小載流子溢出多量子阱有源區(qū)形成的漏電流，從而提高內(nèi)量子效率。本發(fā)明還公開了應(yīng)用該外延結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，同樣利用局域內(nèi)建電場對能帶結(jié)構(gòu)帶邊形狀的修整，產(chǎn)生俄歇復(fù)合降低和/或漏電流減小的效果，從而提高器件的內(nèi)量子效率。
文檔編號H01L33/14GK103022296SQ20121050747
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者梅霆, 王乃印, 李 浩, 萬磊 申請人:華南師范大學(xué)