半导体发光器件双异质结构及发光二极管

摘要

半导体发光器件双异质结构及发光二极管，双异质结构依次由n型铝镓氮层、铟镓氮有源层、n型铝镓氮层组成，发光二极管由衬底、缓冲层、n型氮化镓层、双异质结构、p型氮化镓层组成，本发明具有方法较为简单，生产的发光二极管发光效率高等特点。

说明书

本发明涉及一种氮化镓(GaN)基半导体发光器件的双异质结构及基于这种特殊的双异质结构的氮化镓基的半导体发光二极管。

氮化镓(GaN)是一种直接宽带隙半导体，具有3.4eV的带隙宽度。当形成铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)等合金时，它们具有1.9eV-6.2eV连续可变的直接带隙。因此是制作可见光区域和紫外光区域的光发射器件的理想材料。

在现有技术中，为了使GaN基的发光二极管获得高亮度的发光，大量采用双异质结构。现有的双异质结构一般以InGaN作为有源层，InGaN合金中In的组分达到一定的浓度就可使二极管发出紫光、蓝光或绿光。由于InN的蒸气压较高，为了保证足够量的In组分，一般要在相对较低的温度下生长这一层，然后再升高温度生长p型层。图6是现有技术中一种典型的GaN基发光二极管的剖面结构示意图。其中[61]为衬底，[62]为氮化镓缓冲层，[63]为n型GaN层，[64]为n型AlGaN层，[65]为InGaN有源层，[66]为p型AlGaN层，[67]为p型GaN层。根据图6所示结构，p-n结形成于p型AlGaN层[66]和InGaN有源层[65]之间。如前所述，InGaN层和p型AlGaN层是在不同的温度下生长的。一般InGaN层生长温度为700-800℃，而p型AlGaN层的生长温度为950-1100℃，因为这两层的生长温度差异很大，因此p型的AlGaN层和n型的InGaN层之间形成的p-n结很难获得好的反型界面，不易获得突变结，因而影响了二极管的发光效率。

本发明的目的是提供一种具有陡峭的p-n结的半导体发光器件双异质结构以及基于这种双异质结构的具有更高发光效率的发光二极管。

本发明所述的双异质结构是：用一个n-AlGaN层取代传统双异质结构中位于InGaN层之上的p-AlGaN层，即形成n-AlGaN层/InGaN层/第二n-AlGaN层的双异结构。采用这种双异质结构，p-n结形成在p-GaN层和第二n-AlGaN层之间，因为这两层的生长温度相同或接近，更易于获得陡峭的突变结，所以发光效率将被提高。

为了解决n-AlGaN层取代p-AlGaN层后，电子和空穴可能在AlGaN层复合发光的问题。本发明是通过使AlGaN层在二极管工作情况下限制在p-n结耗尽层的n区内来解决的。因为，根据耗尽层近似理论，对于特定的材料，p-n结的空间电荷区的宽度由外加电压以及p-n结两侧的掺杂情况等因素决定。对于特定的GaN基发光二极管，其工作电压是一定的，因此，只要在材料生长时，结合以上因素控制适当的掺杂浓度和层厚，就能使该AlGaN层在二极管工作情况下限制在p-n结耗尽层的n区内，使注入的绝大多数电子和空穴将不会在AlGaN层复合发光，而在InGaN层复合发光。

本发明所述的双异质结构的第二n-AlGaN层的厚度最好为2nm-20nm，其载流子浓度范围为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3。

本发明提供的基于上述双异质结构的发光二极管的一种结构是：从下到上包括一个衬底，形成在衬底上的半导体缓冲层，在缓冲层之上形成一n-GaN层，然后再是本发明上述双异质结构的第一n-AlGaN层、InGaN有源层和第二n-AlGaN层，以及生长于第二n-AlGaN层之上的p-GaN层。此外，在n-GaN层之上形成一个n型电极，在p-GaN层之上形成一个p型电极。

本发明提供的基于上述双异质结构的发光二极管的另一种结构是：从下到上包括一个衬底，形成在衬底上的半导体缓冲层，在缓冲层之上形成的n-GaN层，然后依次是本发明所述双异质结构的第一n-AlGaN层、InGaN有源层和第二n-AlGaN层，以及生长于第二n-AlGaN层之上的p-GaN层。此外，在衬底的背面形成一个n型电极，在p-GaN层之上形成一个p型电极。

为了更进一步地缓和衬底和GaN叠层之间的应力，改善GaN叠层的结晶性能，防止龟裂，本发明还可以在半导体缓冲层之上形成的第二半导体缓冲层，第三半导体缓冲层等等。

综上所述，本发明提供了一种特殊的AlGaN/InGaN双异质结构，利用该结构，能生产出具有高发光效率的发光二极管，且生产方法较为简单。

图1是本发明一种实施例的发光二极管剖面结构示意图。[10]为衬底，[11]为GaN缓冲层，[12]为n-GaN层，[13]为第一n-AlGaN层，[14]为InGaN有源层，[15]为第二n-AlGaN层，[16]为p-GaN层，[17]为n型电极，[18]为p型电极。

图2是本发明另一种实施例的发光二极管剖面结构示意图。[20]为衬底，[21]为第一层GaN缓冲层，[22]为第二层GaN缓冲层，[23]为n-GaN层，[24]为第一n-AlGaN层，[25]为InGaN有源层，[26]为第二n-AlGaN层，[27]为p-GaN层，[28]为n型电极，[29]为p型电极。

图3是本发明第三种实施方案的结构示意图。[30]为衬底，[31]为GaN缓冲层，[32]为n-GaN层，[33]为第一n-AlGaN层；[34]为InGaN有源层，[35]为第二n-AlGaN层，[36]为p-GaN层，[37]为n型电极，[38]为p型电极。

图4是根据本发明长生工艺温度随时间变化的曲线。

图5是本发明发光二极管在300K下的电致发光图。

图6是现有技术中一种典型的氮化镓基发光二极管剖面结构示意图。[61]为衬底，[62]为氮化镓缓冲层，[63]为n型GaN层，[64]为n型AlGaN层，[65]为InGaN有源层，[66]为p型AlGaN层，[67]为p型GaN层。

本发明将通过以下实施例作进一步地说明。

实施例1：如图1所示，发光二极管从下到上包括蓝宝石衬底[10]，形成在衬底上的GaN缓冲层[11]，在缓冲层[11]之上形成的n-GaN层[12]，然后再是本发明所述双异质结构的第-n-AlGaN层[13]、InGaN有源层[14]和第二n-AlGaN层[15]，以及生长于第二n-AlGaN层[15]之上的p-GaN层[16]。此外，在n-GaN层[12]之上形成一个n型电极[17]，在p-GaN层[16]之上形成一个p型电极[18]。其中InGaN有源层[14]不掺杂，第二n-AlGaN层[15]约有2×10¹⁷的n型浓度，厚度约为20nm，p-GaN层[16]约有5×10¹⁸的p型浓度。

实施例2：如图2所示，发光二极管从下到上包括蓝宝石衬底[20]，形成在衬底上的AlGaN缓冲层[21]，在AlGaN缓冲层[21]之上形成的GaN第二缓冲层[22]，在缓冲层[22]之上形成的n-GaN层[23]，然后再是本发明所述双异质结构的第n-AlGaN层[24]、InGaN有源层[25]和第二n-AlGaN层[26]，以及生长于第二n-AlGaN层[26]之上的p-GaN层[27]。此外，在n-GaN层[23]之上形成一个n型电极[28]，在p-GaN层[27]之上形成一个p型电极[29]。其中InGaN有源层[25]掺入约2×10¹⁸的杂质硅，第二n-AlGaN层[26]约有5×10¹⁷的n型浓度，厚度10nm，p-GaN层[27]约有2×10¹⁸的p型浓度。

实施例3：如图3所示，发光二极管从下到上包括硅衬底[30]，形成在衬底上的GaN缓冲层[31]，在缓冲层[31]之上形成的n-GaN层[32]，然后依次是本发明所述双异质结构的第一n-AlGaN层[33]、InGaN有源层[34]和第二o层[35]，以及生长于第二n-AlGaN层[35]之上的p-GaN层[36]。此外，在衬底[30]之上形成一个n型电极[37]，在p-GaN层[36]之上形成一个p型电极[38]。其中InGaN有源层[34]同时掺有杂质硅和锌，第二n-AlGaN层[35]约有1×10¹⁸的n型浓度，厚度为2nm，p-GaN层[36]约有1×10¹⁸的p型浓度。

综上所述，本发明的发光二极管用一个n型AlGaN层代替现有技术中常用的p型AlGaN层，可以获得更有效的载流子注入，从而提高发光效率。