专利名称：一种氮化物器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化物器件。
背景技术：
氮化物是指一类III-V化合物半导体，其V族元素含氮元素。含氮III-V化合物半导体包括GaN，AlN，AlGaN，GaInN和GaInPN等宽带隙半导体材料。氮化物主要用于构造紫外至红光的光电器件，如发光二极管(LED)，激光器，和探测器。氮化物也用于大功率晶体管等电子器件。
目前氮化物器件光电器件主要用InGaN/GaN压应力方形量子阱结构有源层。由于氮化物器件光电器件的外延生长方向在六角晶系的c-轴方向附近。InGaN量子阱内的压应力将导致压电极化场。压电极化场将引起能带倾斜，使得电子及空穴向相反的方向局域化。由于电子及空穴的局域化，其波函数空间交叠减少，电子及空穴复合几率降低。此外，能带倾斜还将导致电子和空穴限制场增强，电子和空穴量子能级向短波方向移动，容易产生带填充效应，导致器件波长随工作电流变化大。
发明内容
本发明提出的一种氮化物器件采用非方形InGaN/GaN量子阱结构有源层，以避免产生带填充效应。
本发明提出的一种氮化物器件，至少包括一个基板；一个生长在基板上的n-型氮化镓注入层；一个p-型氮化镓注入层；一个夹在n-型氮化镓注入层和p-型氮化镓注入层之间的铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层；其特征是铟镓氮/氮化镓量子阱具有局域最小区域，且为非方形量子阱，在此区域，电子与空穴最底能量在同一位置。
量子阱最小区域宽度不超过量子阱宽度的四份之一；多量子阱有源层的量子阱数为一到十五个；p-型氮化镓注入层与铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层之间有一AlGaN电子阻挡层。
由于本发明采用非方形InGaN/GaN量子阱结构有源层，其典型特征是量子阱具有局域最小区域，在此区域，电子与空穴最底能量在同一位置。在压电极化场下，电子及空穴向相反的方向局域化可以减小，其波函数空间交叠不会显著减少。实现了电子及空穴复合几率增强，发光效率提高。通过采用本发明的非方形InGaN/GaN量子阱结构有源层，能带倾斜导致的电子和空穴限制场不会显著增强，带填充效应不会太严重。
四
图1为原有的典型氮化镓发光二极管结构。
图2为原有的典型方形InGaN/GaN量子阱结构在考虑到压电极化场(Piezoelectric field)后电子的电势形状以及电子和空穴的波函数。
图3为本发明实施例的一种量子阱结构。
图4为本发明另一实施例的量子阱结构。
五具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。
图1(a)为原有的典型InGaN/GaN发光二极管结构。包括一个基板(1)；一个生长在基板上的n-型氮化镓(GaN)注入层(2)和p-型氮化镓注入层(4)；一个夹在n-型氮化镓注入层(2)和p-型氮化镓注入层(4)之间的有源层(3)。常用的基板材料有蓝宝石，碳化硅等。有时，在有源层(3)与p-型氮化镓注入层之间插入AlGaN电子阻挡层。图1(b)为典型InGaN/GaN量子阱有源层结构。包括厚度约150埃的氮化镓垒层(5)及厚度约30埃的铟镓氮(InGaN)量子阱层(6)，量子阱中，铟与镓的相对生长控制组份不变；量子阱数目为一到十五个。
图2为压电极化场效应对原有典型的方形InGaN/GaN量子阱结构电子和空穴能量场形状以及波函数的影响。图2(a)为未考虑压电极化场效应情况下，电子和空穴能量场形状以及波函数。在量子阱内电子的电势为常数，电子和空穴的波函数最大值在同一位置。由于氮化物光电器件的外延生长在六角晶系的c-轴方向附近。InGaN量子阱中的压应力将导致压电极化势场如图2(b)所示。压电极化场效应(Piezo)对原有典型的方形InGaN/GaN量子阱结构电子和空穴能量场形状以及波函数的影响见图2(c)。压电极化场引起能带倾斜，使得电子及空穴向相反的方向局域化。由于电子及空穴的局域化，其波函数空间交叠减少，电子及空穴复合几率降低。此外，能带倾斜还将导致电子和空穴限制场增强，电子和空穴量子能级向短波方向移动，容易产生带填充效应，导致器件波长随工作电流变化大。
图3为本发明的一种量子阱结构。图3(a)为未考虑压电极化场效应情况下，电子和空穴能量场形状以及波函数。量子阱形状为三角形，且能量最低位于同一位置，电子和空穴的波函数最大值在同一位置。由于氮化物光电器件的外延生长在六角晶系的c-轴方向附近。InGaN量子阱中的压应力将导致压电极化势场如图3(b)所示。压电极化场效应对本发明的量子阱结构电子和空穴能量场形状以及波函数的影响见图3(c)。压电极化场引起能带倾斜，但由于量子阱的形状关系，电子及空穴向相反的方向局域化非常小。其波函数空间交叠大，电子及空穴复合几率提高。且在图3所示情况，无更大的带填充效应，器件波长随工作电流变化将减小。
在实际外延过程中，为了提高生产的重复性，量子阱可如图4所示。图4(a)为未考虑压电极化场效应情况下，电子和空穴能量场形状以及波函数。量子阱形状为梯形势场，其梯形势场底部应尽量小，不超过阱宽的四份之一。未考虑压电极化场效应情况下，电子和空穴的波函数最大值在同一位置。由于氮化物光电器件的外延生长在六角晶系的c-轴方向附近。InGaN量子阱中的压应力将导致压电极化势场如图四(b)所示。压电极化场效应对本发明的量子阱结构电子和空穴能量场形状以及波函数的影响见图4(c)。压电极化场引起能带倾斜，由于量子阱的形状关系，电子及空穴向相反的方向局域，但局域化不会较原有典型的方形InGaN/GaN量子阱结构那么大。其波函数空间交叠仍较大，电子及空穴复合几率较原有典型的方形InGaN/GaN量子阱结构提高。
在图3、图4中，量子阱形状为中心对称。非对称量子阱形状仍为本发明的一部分。本发明的量子阱的特征为量子阱具有局域最小区域，在此区域，电子与空穴最底能量在同一位置。此能量最底区域不超过量子阱宽度的四份之一。此能量最底区域越小，电子及空穴向相反的方向局域化越小，电子及空穴复合几率越高。
权利要求
1 一种氮化物器件，至少包括一个基板；一个生长在基板上的n-型氮化镓注入层；一个p-型氮化镓注入层；一个夹在n-型氮化镓注入层和p-型氮化镓注入层之间的铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层；其特征是铟镓氮/氮化镓量子阱具有局域最小区域，且为非方形量子阱，在此区域，电子与空穴最底能量在同一位置。
2 如权利要求1所述的一种氮化物器件，其特征是量子阱最小区域宽度不超过量子阱宽度的四份之一
3 如权利要求1所述的一种氮化物器件，其特征是多量子阱有源层的量子阱数为一到十五个。
4 如权利要求1所述的一种氮化物器件，其特征是p-型氮化镓注入层与铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层之间有一AlGaN电子阻挡层。
全文摘要
本发明公开了一种氮化物器件，其典型特征是InGaN/GaN量子阱非方形，具有局域最小区域，在此区域，电子与空穴最底能量在同一位置。采用此量子阱有源层结构，在压电极化场下，电子及空穴向相反的方向局域化可以减小，其波函数空间交叠不会显著减少。实现了电子及空穴复合几率增强，发光效率提高。通过采用本发明的非方形InGaN/GaN量子阱结构有源层，能带倾斜导致的电子和空穴限制场不会显著增强，带填充效应能得到减小。
文档编号H01S5/00GK1601765SQ0313928
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月24日 优先权日2003年9月24日
发明者何晓光, 王向武, 李水清 申请人:厦门三安电子有限公司