专利名称：氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法。
背景技术：
III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料，而氮化物半导体材料发光二极管由于可以通过调制材料的组成实现从蓝光到红光的光谱发射而成为业界研究的重点。目前，氮化物半导体材料或者器件的外延生长主要采用MOCVD技术，但是由于缺 乏与氮化镓晶格匹配的衬底材料，主要采用蓝宝石作为衬底进行异质外延，然而由于蓝宝石与氮化物材料之间较大的晶格失配与热膨胀系数的差异，外延层的质量难以保证，另外外延层中也存在较大的应力与热失配。在传统的氮化物半导体材料发光二极管有源区中，由于空穴的有效质量较大，迁移率低，因此氮化物半导体材料发光二极管中的空穴主要分布在靠近P型氮化物半导体材料接触层的几个量子阱中，分布极为不均匀。此外，由于有源区内量子阱与势垒层之间的晶格失配等原因在多量子阱区会形成较大的极化电场，此极化电场使量子阱中电子与空穴的波函数发生分离，影响辐射复合效率和发光强度。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明提供了一种氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法，以改善氮化物半导体材料发光二极管有源区中空穴的分布。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种氮化物半导体材料发光二极管，包括衬底；η型接触层，其材料为η型的氮化物半导体材料，形成于衬底上；活性发光层，其材料为氮化物半导体材料，形成于η型接触层上；以及P型接触层,其材料为P型的氮化物半导体材料，形成于活性发光层上；其中，活性发光层为由至少两种不同的氮化物半导体材料构成的多周期量子阱结构，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为P型掺杂。根据本发明的另一个方面，还提供了一种氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，包括在衬底上形成η型接触层，其材料为η型的氮化物半导体材料；在η型接触层上形成由两种不同的氮化物半导体材料构成的多周期量子阱结构的活性发光层，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为P型掺杂；以及在活性发光层上形成P型接触层，其材料为P型的氮化物半导体材料。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法具有以下有益效果
(I)活性发光层中，对底层的量子阱进行掺杂后空穴不再局限于靠近p型氮化物半导体材料接触层的量子阱中，电子与空穴在底层的量子阱中复合增强可以调制不同的量子讲发光；(2)活性发光层中，P型掺杂可以产生更多的空穴，电子与空穴的复合增强，发光二极管发光强度增强同时有利于抑制电子的溢出，有效抑制droop效应。
图I为根据本发明实施例的氮化物半导体材料发光二极管的结构示意图；图2为根据本发明实施例的氮化物半导体材料发光二极管制备方法的流程图；图3为传统的半导体二极管与本发明半导体二极管电致发光测试结果。
主要元件符号说明11-衬底； 12-成核层；13-缓冲层；14-n型接触层；15-活性发光层； 151-铟镓氮子层；152-镓氮子层； 16-p型电子阻挡层；17-p型接触层。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明的目的在于提供一种氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法，通过对有源区中量子阱层的P型掺杂，既可以产生更多的空穴又可以屏蔽极化电场的影响，从而提高空穴的注入效率，改善空穴的分布。图I为根据本发明实施例的氮化物半导体材料发光二极管的结构示意图。请参照图1，该氮化物半导体材料发光二极管包括衬底11，及在该衬底上依次生长的成核层12、缓冲层13、n型接触层14、活性发光层15、p型电子阻挡层16及p型接触层17 ;其中，活性发光层15为由两种不同的氮化物半导体材料构成的多周期量子阱结构，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为P型掺杂。其中，成核层、缓冲层、η型接触层和P型接触层的材料均为氮化物半导体材料。在制备氮化物半导体材料发光二极管时，(0001)方向的蓝宝石衬底为最常用的衬底。当然，本领域技术人员同样可以选择其他的，与镓氮材料的晶格失配度小于20%的单晶氧化物，例如r_面、m-或a-面蓝宝石、6H-SiC、4H_SiC或Si等。本领域技术人员应当清楚，成核层12和缓冲层13的作用是提高后期镓氮晶体的质量，在实际制备过程中也可以省略。此外，P型电子阻挡层16是阻挡电子从有源区向P型接触层的溢出，其同样可以省略。本实施例中，氮化物半导体材料可以选择以下材料中的一种镓氮(即氮化镓)、铟氮(即氮化铟)、铝氮(即氮化铝)、铟镓氮、铝镓氮和铟铝镓氮等。例如，η型接触层14的材料可以为η型镓氮材料，P型接触层的材料可以为P型镓氮材料。在图I所示的氮化物半导体材料发光二极管中，活性发光层15为由铟镓氮子层151和镓氮层152交叠沉积而成的多周期量子阱结构，其中铟镓氮子层为P型掺杂，掺杂范围可以是某些或者全部量子阱，掺杂方式可以为等浓度掺杂或者调制掺杂，该调制掺杂例如是掺杂浓度逐渐增加或逐渐减小。并且，本领域技术人员同样可以根据需要来选择多周期量子阱结构的层数及各层的氮化物半导体材料，同样应当在本发明的保护范围之内。本实施例中，通过对有源区中量子阱层的P型掺杂，既可以产生更多的空穴，又可以屏蔽极化电场的影响，从而提高空穴的注入效率，改善空穴的分布。此外，如图I所示，为了将外界的电激励传导至有源区，预设区域的P型接触层17、P型电子阻挡层16、活性发光层15及部分的η型接触层14被刻蚀以形成台面，正、负电极分别位于该台面及预设区域外的P型接触层17上。图2是依照本发明实施例的制备氮化物半导体材料发光二极管方法的流程图。请参照图2，该制备方法包括·
步骤Α，选择(0001)方向蓝宝石作为衬底11 ；步骤B，在衬底11上依次制作氮化物半导体材料的成核层12和缓冲层13 ；该成核层12的生长参数包括反应温度为500-850 °C，反应腔压力为150-500Torr，载气流量10-30升/分钟，三甲基镓的流量为20-250微摩尔/分钟，氨气流量为20-80摩尔/分钟,生长时间为1-10分钟。该缓冲层13的生长参数包括生长温度900-1200°C，反应腔压力75_250Torr，载气流量为5-20升/分钟，三甲基镓的流量为80-400微摩尔/分钟，氨气流量为200-800摩尔/分钟，生长时间为20-60分钟。步骤C，在缓冲层13上制作η型镓氮接触层14，其中，该η型镓氮接触层14以硅烧为η型惨杂剂；该η型镓氮接触层14生长参数包括生长温度950-1150°C，反应腔压力75-250Torr,载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，硅烷流量O. 2-2. O纳摩尔/分钟，生长时间10-40分钟。步骤D，交叠沉积铟镓氮子层151和镓氮子层152，从而η型镓氮接触层14的表面上形成多周期量子阱结构的活性发光层15 ；其中，铟镓氮子层为P型掺杂，掺杂范围可以是某些或者全部量子阱，掺杂方式可以为等浓度掺杂或者调制掺杂。P型掺杂可以产生更多的空穴，电子与空穴的复合增强，发光二极管发光强度增强同时有利于抑制电子的溢出，有效抑制droop效应。在多量子阱区域中的量子阱层进行掺杂后可以产生空穴，使载流子数量增加，同时产生的载流子与电离受主可以部分屏蔽极化电场从而提高发光强度，同时随着量子阱层中掺杂浓度的提高，产生的载流子数量增多的同时也会引起有源区能带结构的变化，尤其是价带结构的变化，有利于空穴的输运和分布。在活性发光层中，对底层的量子阱进行掺杂后空穴不再局限于靠近P型氮化物半导体材料接触层的量子阱中，电子与空穴在底层的量子阱中复合增强可以调制不同的量子阱发光。步骤E，在活性发光层15上生长P型电子阻挡层16 ；本步骤中，P型电子阻挡层16由铝镓氮构成，其厚度为10_50nm，且其下表面与所述的活性发光层中的镓氮层152接触。生长参数包括生长温度700-1000°C，反应腔压力50-200Torr,载气流量5_20升/分钟，氨气流量100-400摩尔/分钟，三甲基镓流量80-200微摩尔/分钟，二茂镁流量为150-400纳摩尔/分钟，时间为1-10分钟。步骤F，在P型电子阻挡层16上继续生长氮化物半导体材料的P型接触层17，其中，掺杂剂可以是二茂镁；该P型接触层17制作在P型电子阻挡层16上，该层由P型镓氮构成。具体的生长参数包括生长温度950-1100°C，反应腔压力200-500Torr，载气流量5_20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量为80-400微摩尔/分钟，二茂镁流量为O. 5-5微摩尔/分钟，时间为10-60分钟。除了采用二茂镁作为掺杂剂之外，还可以采用二乙基锌作为掺杂剂。步骤G，在P型接触层17上表面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度一直到达η型镓氮接触 层14中，形成台面141 ； 刻蚀方法例如是干法刻蚀、感应偶和等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀等。步骤H，在P型接触层17的上面制作正电极19 ;在11型接触层14的台面141上制作负电极18，完成氮化物半导体材料发光二极管的制备。本实施例中，生长氮化物半导体材料的方法为金属有机物化学气相沉积，即MOCVD,当然也可以采用其他的生长方式，如分子束外延，即ΜΒΕ，或氢化物气相外延，即HVPE0需要说明的是，以上用一种具体的氮化物半导体材料发光二极管为例来说明本发明的制备方法。对于其他类型的氮化物半导体材料发光二极管，其制备过程与此类似，不同之处仅在于相应层的材料，此处不再赘述。图3为传统的半导体二极管与本发明半导体二极管电致发光测试结果。而本发明的半导体二极管的活性发光层15中，发射绿光的第一铟镓氮子层位于上层，靠近P型电子阻挡层16—侧，发射蓝光的第二铟镓氮子层位于下层，靠近η型接触层14 一侧。第一铟镓氮子层和第二铟镓氮子层同为铟镓氮层但是铟的含量不同会导致不同的发光。此测试中，使用了不同铟组分的铟镓氮活性层。铟镓氮子层151既可以是相同铟组分的也可以是每层中铟组分不同的。从测试结果可以看出，相同的电流强度下，未掺杂的样品中只有单一绿光发光峰，部分铟镓氮子层掺杂后的样品出现微弱的蓝光峰，而全部铟镓氮子层掺杂的样品不仅出现明显双峰而且底层的蓝光铟镓氮子层发出的光强度更强。这说明对氮化物半导体材料发光二极管活性发光层的部分或全部铟镓氮子层进行P型掺杂后空穴的分布和输运得到明显改善。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，包括 衬底； η型接触层,其材料为 η型的氮化物半导体材料，形成于所述衬底上； 活性发光层，其材料为氮化物半导体材料，形成于所述η型接触层上；以及 P型接触层，其材料为P型的氮化物半导体材料，形成于所述活性发光层上； 其中，所述活性发光层为由至少两种不同的氮化物半导体材料交叠沉积而成的多周期量子阱结构，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为P型掺杂。
2.根据权利要求I所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，所述氮化物半导体材料为以下材料中的一种嫁氣、钢嫁氣、招嫁氣、钢招嫁氣、钢氣和招氣。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于所述活性发光层为由铟镓氮子层和镓氮子层交叠沉积而成的多周期量子阱结构； 该多周期量子阱结构中，部分或全部量子阱的铟镓氮子层为P型掺杂。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，所述多周期量子阱结构中，全部量子阱中的铟镓氮子层为P型掺杂； 各量子阱中铟镓氮子层的P型掺杂为等浓度掺杂或调制掺杂。
5.根据权利要求I所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，还包括 成核层，其材料为氮化物半导体材料，形成于所述衬底上； 缓冲层，其材料为氮化物半导体材料，形成于成核层和所述η型接触层之间； P型电子阻挡层，形成于所述活性发光层和所述P型接触层之间。
6.根据权利要求5所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于 预设区域的所述P型接触层、P型电子阻挡层、活性发光层及部分的所述η型接触层被刻蚀以形成台面； 正电极和负电极分别位于该台面及预设区域外的P型接触层上。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，所述η型接触层的材料为η型镓氮材料，所述P型接触层的材料为P型镓氮材料。
8.一种氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，其特征在于，包括 在衬底上形成η型接触层，其材料为η型的氮化物半导体材料； 在所述η型接触层上形成由两种不同的氮化物半导体材料构成的多周期量子阱结构的活性发光层，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为P型掺杂；以及 在所述活性发光层上形成P型接触层，其材料为P型的氮化物半导体材料。
9.根据权利要求8所述的氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，其特征在于，所述氮化物半导体材料为以下材料中的一种镓氮、铟镓氮、铝镓氮、铟铝镓氮、铟氮和铝氮。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，所述在η型接触层上形成活性发光层的步骤包括 交叠沉积铟镓氮子层和镓氮子层，以形成所述多周期量子阱结构，其中，部分或全部的量子阱中的铟镓氮子层为P型掺杂。
11.根据权利要求9所述的氮化物半导体材料发光二极管，其特征在于，所述交叠沉积铟镓氮子层和镓氮子层的步骤中全部量子阱中的铟镓氮子层为P型掺杂，各量子阱中铟镓氮子层的P型掺杂为等浓度掺杂或调制掺杂。
12.根据权利要求8所述的氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，其特征在于 所述在衬底上形成η型接触层的步骤之前还包括在所述衬底上依次形成成核层和缓冲层，所述η型接触层形成于所述缓冲层上，其中，所述成核层和缓冲层的材料均为氮化物半导体材料； 在所述活性发光层上形成P型接触层的步骤之前还包括在所述活性发光层形成P型电子阻挡层，所述P型接触层形成于所述P型电子阻挡层上。
13.根据权利要求12所述的氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在活性发光层上形成P型接触层的步骤之后还包括 在P型接触层上表面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度一直到达η型接触层中，形成台面； 在所述P型接触层的上面制作正电极；在所述η型接触层的台面上制作负电极。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的氮化物半导体材料发光二极管的制备方法，其特征在于， 所述在衬底上形成η型接触层的步骤中，所述η型接触层的材料为η型镓氮材料； 所述在活性发光层上形成P型接触层的步骤中，所述P型接触层的材料为P型镓氮材料。
全文摘要
本发明提供了一种氮化物半导体材料发光二极管及其制备方法。该氮化物半导体材料发光二极管包括衬底；n型接触层，其材料为n型的氮化物半导体材料，形成于衬底上；活性发光层，其材料为氮化物半导体材料，形成于n型接触层上；以及p型接触层，其材料为p型的氮化物半导体材料，形成于活性发光层上；其中，活性发光层为由至少两种不同的氮化物半导体材料构成的多周期量子阱结构，该多周期量子阱结构中至少部分量子阱层的氮化物半导体材料为p型掺杂。本发明可以改善氮化物半导体材料发光二极管有源区中空穴的分布。
文档编号H01L33/00GK102891229SQ20121037514
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者司朝, 魏同波, 王军喜, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所