专利名称：具有超晶格结构有源层的发光器件的制作方法
技术领域：
本发明属于固体半导体照明技术领域，尤其涉及一种具有超晶格结构有源层的发光器件。
背景技术：
半导体发光器件包括有发光二极管、激光管等。现在，发光二极管已经成为节能照明的先头产品，受到世界范围内的广泛关注。经过研究人员的艰苦卓越的研发，现在的发光二极管的发光效率有了很大的提高。参照图1，目前发光二极管的主要结构包括一蓝宝石衬底1、形成于该蓝宝石衬底1上氮化镓(GaN)缓冲层2、形成于该氮化镓缓冲层2上的N型氮化镓半导体层3、形成于该N型氮化镓半导体层3上的有源层4和形成于该有源层4上的 P型氮化镓半导体层5，其中，该有源层4由氮化镓/氮化铟镓(GaNAnatl8Giia92N)量子阱层构成，该量子阱层具有下势垒层(GaN层)41、势阱层(InQ.C18Giia92N层)42和上势垒层(GaN 层)43。这种发光二极管结构虽然采用了缓冲层和量子阱结构，在一定范围内提高了发光二极管的发光效率，但是，该结构的量子阱结构的下势垒层(GaN层)41、上势垒层(GaN层)43 和势阱层Gnatl8Giia92N层)42的晶格匹配度不好，还存在较多的晶体缺陷，限制了发光二极管的发光效率进一步提高。因此，目前迫切希望出现一种新型发光二极管结构，解决该制约，提高发光二极管的发光效率，提高发光二极管的稳定性。
发明内容
本发明为解决现有技术中发光器件的发光效率不高的技术问题，提供一种具有超晶格结构有源层的发光器件。本发明实施例是这样实现的一种具有超晶格结构有源层的发光器件，包括基体和形成于所述基体上的多层 III- V族氮化物半导体结构，所述半导体结构包括依次形成于所述基体上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，其中，所述有源层包括超晶格量子阱层，所述超晶格量子阱层包括势垒层和超晶格势阱层。本发明技术方案的有益效果是超晶格结构可以降低有源层的晶体缺陷密度和有源层由于晶格不匹配而产生的压电极化效应，提高有源层的晶体质量和发光效率，提高所述发光器件的稳定性和可靠性。
图1是现有技术发光二极管结构示意图；图2是本发明实施例一的发光器件的结构示意图；图3是本发明实施例二的发光器件的结构示意图；图4是本发明实施例三的发光器件的结构示意图；图5是本发明实施例四的发光器件的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明所说的III - V族氮化物材料包括氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AWaN)和氮化铟铝镓(AWaInN)等材料。该III - V族氮化物材料具有连续可调的直接带宽为0. 7 6. &V，覆盖了紫外到红外的广泛的光谱范围，是制造蓝光和白光发光器件的理想材料。本发明以氮化镓基材料为例进行说明。本发明提供的发光器件为有源层具有超晶格结构的发光器件，具体地具有超晶格量子阱层，所述超晶格量子阱层包括势垒层和超晶格势阱层。该超晶格量子阱层可以为超晶格单量子阱层，也可以为超晶格多量子阱层。该超晶格多量子阱层相当于多个超晶格单量子阱层层叠结构，即包括交替层叠的势垒层和超晶格势阱层。该超晶格势阱层的铟含量周期变化，可以增加量子阱的宽度，有利于制备高功率发光器件。同时，该超晶格量子阱层可以有较好的晶体质量、有效降低有源层的晶体缺陷密度，提高有源层的晶体质量，降低有源层由于材料晶格不匹配而产生的压电极化效应，提高该发光器件的发光效率，提高该发光器件的稳定性和可靠性。下面通过具体实施例，详细描述本发明的技术方案和有益效果。实施例一图2是本发明实施例一的发光器件的结构示意图。参照图2，提出本发明实施例一的发光器件，本实施例的发光器件为超晶格单量子阱发光器件。该发光器件包括蓝宝石基体100、形成于该蓝宝石基体100上的缓冲层200 (缓冲层200的材料为氮化镓半导体层，也称氮化镓缓冲层200)、形成于该缓冲层200上的第一半导体层300 (也称N型氮化镓半导体层300)、形成于该第一半导体层300上的第一超晶格半导体层600、形成于第一超晶格半导体层600上的有源层400 (也称超晶格量子阱层400) 和形成于有源层400上的第二半导体层500(也称P型氮化镓半导体层500)，其中，该有源层400包括第一势垒层410、形成于该第一势垒层410上的超晶格势阱层420和形成于该超晶格势阱层420上的第二势垒层430。在某些实施例中也可以省略第二势垒层430，直接以P型氮化镓半导体层500为势垒层。该超晶格势阱层420的第一种实现方式为该超晶格势阱层420由铟含量不同的多层氮化铟镓半导体薄层排列而成。具体该超晶格势阱层420由铟含量不同的两层氮化铟镓半导体薄层(第一氮化铟镓半导体薄层和第二氮化铟镓半导体薄层)周期排列而成。周期排列是指周期交替层叠排列，例如按第一氮化铟镓半导体薄层、第二氮化铟镓半导体薄层、第一氮化铟镓半导体薄层、第二氮化铟镓半导体薄层这样排列下去。每层氮化铟镓半导体薄层的厚度为几个原子厚，一般小于2nm。 该周期排列的周期一般为10个以下，优选2到6个周期。优选该第一氮化铟镓半导体薄层为该超晶格势阱层420与第一势垒层410相接触处，以提高该超晶格势阱层420的晶体质量。优选该第一氮化铟镓半导体薄层的铟含量范围为2at%到3at%，第二氮化铟镓半导体薄层的铟含量范围为IOat %到30at%。该超晶格势阱层420的第二种实现方式为该超晶格势阱层420由铟含量不同的多层氮化铟镓半导体薄层排列而成。具体该超晶格势阱层420优选从下到上(即从第一势垒层410往上)该铟含量递减，该铟含量的范围为lat% 30at%。这种实现还可以增加发光器件的发射光谱波长范围。当然，优选根据能带变化趋势调整超晶格各周期中的铟元素的含量变化，有利于提高该发光器件的发光效率。该超晶格势阱层的第三种实现方式为该超晶格势阱层420由铟含量不同的多层氮化铟镓半导体薄层排列而成。具体该多层氮化铟镓半导体薄层又可以分成若干铟含量不同半导体单元。该半导体单元由铟含量不同的两层氮化铟镓半导体薄层周期排列而成。即该超晶格势阱层420包括由铟含量不同的半导体单元组成的多层氮化铟镓半导体薄层。铟含量不同的半导体单元是指每个半导体单元中至少具有一氮化铟镓半导体薄层中的铟含量与其他半导体单元中的不一样。一般该半导体单元的数量为2至10个，优选3至5个。需要进一步指出的是该半导体单元也可以由铟含量不同的三层或者更多的氮化铟镓半导体薄层周期排列而成。该半导体单元的平均铟含量从下至上可以呈递减关系，也可以呈先增大后减小的变化规律。该超晶格势阱层420的平均铟含量范围是lat% 30at%。当然，优选根据能带变化趋势调整超晶格各周期中的铟元素的含量变化，有利于提高该发光器件的发光效率。该超晶格势阱层的第四种实现方式为将上述三种实现方式中的两种或者三种任意组合而成。本实施例的超晶格势阱层中铟含量不是均勻的，是变化的，可以调节有源层400 的能带结构，提高有源层400的复合效率。本实施例优选该缓冲层200为非掺杂的氮化镓半导体层，其厚度为2微米。所述第一半导体层300为掺杂硅的氮化镓半导体层，其厚度为1微米。所述第一超晶格半导体层 600的厚度为50到lOOnm，优选厚度为60nm。所述第一势垒层410和第二势垒层430均为掺铟的氮化镓半导体层，其中铟含量为lat%，其厚度为5 20nm，优选其厚度为10-20nm。 所述超晶格势阱层420也为掺铟的氮化镓半导体层，其厚度为3-lOnm。优选以第一种实现方式实现本实施例的超晶格势阱层420，即该超晶格势阱层420由铟含量不同的两层氮化铟镓半导体薄层周期排列而成，第一氮化铟镓半导体薄层为(iaO. 98InO. 02N，第二氮化铟镓半导体薄层为feO. 8InO. 2N。所述第二半导体层500为掺杂镁的氮化镓半导体层，其厚度为 0.4微米。采用氮化铟镓作为有源层400的势垒层的材料，同时采用氮化铟镓作为有源层 400的超晶格势阱层的材料，有利于降低有源层400晶体缺陷密度数量，降低压电极化效应。本实施例中采用氮化镓缓冲层200形成于蓝宝石基体100与N型氮化镓半导体 300之间，起到了缓解蓝宝石基体100与氮化镓基半导体层结构(氮化镓基半导体层结构包括N型氮化镓半导体层300、超晶格量子阱层400和P型氮化镓半导体层500)之间晶格不匹配的作用，在发光器件基体的晶格常数与氮化镓基半导体结构的晶格常数相匹配的情况下，可以省略该氮化镓缓冲层200。该蓝宝石基体100当然也可以被其他的基体材料所替代，例如碳化硅基体、硅基体等。本实例的第一超晶格半导体层600的作用是为了进一步提高有源层400的晶体质量。第一超晶格半导体层600由周期性交替层叠的硅掺杂氮化镓薄层(N型氮化镓薄层) 和氮化铟镓(feiO. 99h0. 01N)薄层组成。优选该氮化铟镓(feiO. 99h0. OlN)薄层与第一势垒层410接触，有利于提高势垒层410的晶体质量，进而提高有源层的晶体质量。在对出光要求不是太高且节省成本的情况下，该第一超晶格半导体层600也可以被省去。超晶格结构是一些厚度很薄的膜层层叠起来的，因此在第一超晶格半导体层600上生长的氮化铟镓超量子阱会具有很好的晶格质量，因此可以进一步提高发光效率。本实施例中的掺铟超晶格势阱层，结合掺铟势垒层，可以有效降低因晶格失配造成的晶体缺陷，减少因晶格变形引起的压电极化效应。同时，可根据能带变化趋势调整超晶格各周期中的铟元素的含量变化，有利于提高发光器件的发光效率。实施例二图3是本发明实施例二的发光器件结构示意图。参照图3，提出本发明的实施例二的发光器件。本实施例的发光器件是在实施例一的发光器件的基础上提出来的，该发光器件包括蓝宝石基体100、形成于该蓝宝石基体100 上的缓冲层200、形成于该缓冲层200上的第一半导体层300、形成于该第一半导体层300 上的第一超晶格半导体层600、形成于第一超晶格半导体层600上的有源层400和形成于有源层400上的第二半导体层500，其中，该有源层400包括第一势垒层410、形成于该第一势垒层410上的超晶格势阱层420和形成于该超晶格势阱层420上的第二势垒层430，进一步在第二势垒层430与第二半导体层500之间还包括第二超晶格半导体层700。该第二超晶格半导体层700包括交替层叠的镁掺杂氮化镓半导体薄层(P型氮化镓半导体薄层)和氮化铝镓半导体薄层。该第二超晶格半导体层700可以进一步提高第二半导体层500的晶格质量，并且为有源层400提供了更高的势垒区，有利于提高发光效率。为了提高发光器件的电流扩散能力，本实施例优选在第二半导体层500上进一步设置有透明导电层800。该透明导电层800优选透光性较好的ITO(氧化铟锡)薄膜。实施例三图4是本发明实施例三的发光器件的结构示意图。本实施例是在实施例二的基础上提出的，与实施例二的发光器件的区别在于超晶格量子阱层。本实施例的超晶格量子阱层为超晶格多量子阱层。所谓超晶格多量子阱层为该超晶格量子阱层具有多个超晶格势阱层。该超晶格多量子阱层400包括交替层叠的势垒层和超晶格势阱层，该超晶格多量子阱层400包括多个势垒层和多个超晶格势阱层。本实施例优选该超晶格多量子阱层400的势垒层连接第二超晶格半导体层700、该超晶格多量子阱层400的势垒层连接第一超晶格半导体层600，以提高该发光器件整体的晶体质量，提高发光效率。现以一个势垒层和层叠于其上的一个超晶格量子阱层为一个周期470，则该超晶格多量子阱层400包括若干个这样的周期470，一般具有3至8个周期。每个周期470 中超晶格势阱层可以彼此不一样，也可以一样。每个周期470中超晶格势阱层可以选择上述四种实现方式中的任意种方式实现。进一步，优选每个周期470中超晶格势阱层中各半导体薄层铟含量变化有一定范围(1站％-30站％)，可以调整辐射光波的半高宽，有利于激发荧光粉后，调整LED辐射光的显色性。本实施例优选铟含量按照能带理论设计，提高发光效率。本实施例的有源层为该超晶格多量子阱层400，有利于提高LED的发光效率。实施例四图5是本发明实施例四的发光器件结构示意图。本实施例是在实施例三的基础上提出的，本实施例的发光器件具有超晶格多量子阱层结构的级联结构，即具有多个超晶格多量子阱层，一般具有3至5个超晶格多量子阱层。本实施例中的部分或者全部的超晶格多量子阱层也可以被超晶格单量子阱层替代。该级联结构具有中间势垒层450与超晶格多量子阱层440。该中间势垒层450优选为氮化镓半导体层，其厚度为20nm。该级联结构优选以中间势垒层450连接第二超晶格半导体层700、 该超晶格多量子阱层440连接第一超晶格半导体层600。这种结构可以更好的提升晶体质量，减少电子逃逸，提高发光效率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有超晶格结构有源层的发光器件，包括基体和形成于所述基体上的多层 III- V族氮化物半导体结构，所述半导体结构包括依次形成于所述基体上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于，所述有源层包括超晶格量子阱层，所述超晶格量子阱层包括势垒层和超晶格势阱层。
2.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述势垒层的厚度范围是5 20nm，所述超晶格势阱层的厚度范围是3 10nm。
3.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述超晶格量子阱层是超晶格多量子阱层，所述超晶格多量子阱层包括交替层叠的势垒层和超晶格势阱层。
4.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述有源层包括多个超晶格量子阱层，所述超晶格量子阱层之间形成有一间隔势垒层。
5.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述第一半导体层和第二半导体层的材料为氮化镓基半导体，所述有源层的材料为氮化铟镓半导体。
6.如权利要求5所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述超晶格势阱层的铟含量范围为 30at%。
7.如权利要求5所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述超晶格势阱层包括铟含量不同的多层氮化铟镓半导体薄层。
8.如权利要求7所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述多层氮化铟镓半导体薄层分成若干铟含量不同的半导体单元，所述半导体单元包括交替层叠的铟含量不同的多层氮化铟镓半导体薄层。
9.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述第一半导体层与有源层之间还包括第一超晶格半导体层。
10.如权利要求9所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述第一超晶格半导体层包括交替层叠的N型氮化镓半导体薄层和氮化铟镓半导体薄层。
11.如权利要求1所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述第二半导体层与有源层之间还包括第二超晶格半导体层。
12.如权利要求11所述的具有超晶格结构有源层的发光器件，其特征在于，所述第二超晶格半导体层包括交替层叠的P型氮化镓半导体薄层和氮化铝镓半导体薄层。
全文摘要
本发明提供了一种具有超晶格结构有源层的发光器件。该具有超晶格结构有源层的发光器件，包括基体和形成于所述基体上的多层Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体结构，所述半导体结构包括依次形成于所述基体上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，其中，所述有源层包括超晶格量子阱层，所述超晶格量子阱层包括势垒层和超晶格势阱层。超晶格结构可以降低有源层的晶体缺陷密度和有源层由于晶格不匹配而产生的压电极化效应，提高有源层的晶体质量和发光效率，也提高了发光器件的稳定性和可靠性。
文档编号H01L33/04GK102315341SQ20101021911
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者张旺, 胡红坡, 苏喜林, 谢春林 申请人:比亚迪股份有限公司