半极性氮化镓单量子阱层发光器件的制作方法

本公开涉及半导体照明领域，尤其涉及一种半极性氮化镓单量子阱层发光器件。

背景技术：

美国的加州大学圣芭芭拉分校和日本的SONY、SUMITOMO等一些氮化镓(GaN)的研究机构和公司成功地在一些特殊的GaN半极性晶面上制备了高功率、高效率的蓝、绿光发光二极管和激光二极管等。氮化镓发光二级管是目前较成熟的一类半导体发光二级管，常见的氮化镓基发光二极管结构为在衬底上依次淀积缓冲层、不掺杂的氮化镓层、N型导电的氮化镓层、多层量子阱(MQW)层、P型导电的氮化铝镓层。

在LED发光器件中，绿光LED是组成高效RGB白光的主要器件之一，但是目前绿光LED的发光效率远低于蓝光LED以及红光LED。要提高绿光 LED的发光效率，就需要弄清楚LED激活层的发光机理。高效率的蓝绿光 LED通常采用多量子阱(MQW)激活层结构，多量子阱(MQW)激活层结构发出的光是混合了多个量子阱同时发光的结果。因此，人们不容易获得单纯的绿光或蓝光的发光机理，从而无法准确了解并针对性提高单色LED器件的发光效率。现有技术中单量子阱的LED外延层结构中单量子阱层(SQW层) 中的InGaN层中In的掺杂量保持恒定不变。此时，采用这种单量子阱层的外延片构成的半极性(2021)的氮化镓LED芯片的激活层中空穴和电子能能带图.图1所示的是现有的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的在每平方厘米 100A的电流密度下的电子和空穴的波函数图和带隙图。如图1所示，导带①的电子波函数的中心轴⑤和价带④上的空穴波函数的中心轴⑥并不重合。通常，在半极性(2021)的氮化镓LED芯片中，如果两者的中心轴越靠近，则波函数的重合度越高，内量子效率(IQE)越高。而目前单量子阱层的半极性 (2021)的氮化镓LED芯片的重合度多小于60％。因此，人们期望获得一种能够在单量子阱层的半极性(2021)的氮化镓LED芯片中能够提高波函数的重合度，从而提高内量子效率(IQE)的单量子阱层结构的氮化镓LED芯片。

此外，采用单量子阱的发光层是一种较好的选择。但是氮化镓半导体构成的器件具有分层结构，量子阱层数小于三层的情况下，其耗尽区要比多量子阱层的耗尽层短很多，因此，其抗静电电压方面比较较差，并且其发光强度受到量子阱层数量的限制。即使比人能够感受到的电压低得多的100V静电电压，也可能轻易地损坏氮化镓半导体构件。作为发光层的激活层层数小于等于三层时，这种损坏结果更严重，作为其量子阱层小于或等于三层的的激活层的LED器件，其抗ESD的最高电压不超过500V。因此，氮化镓基发光二极管在制备LED环境中存在的静电和操作者身上带的静电都有可能对器件造成永久的损坏，例如，在将它取出抗静电的袋子，以及将它装配到产品中的情况下，实质上存在损坏器件特性的风险。尽管可以通过提高外延材料的结晶质量可以增强芯片的ESD特性，但是在氮化镓半导体结晶质量提升方面已经很难有更好的提升。而LED在封装和应用过程中瞬间大量静电电荷流过的现象经常发生，易造成LED无法点亮、漏电增加、电压变化、光输出降低等问题，严重影响LED的使用。因此，期望在现有结晶技术条件下改进氮化镓半导体构件的ESD特性，以减低上述风险，从而提高氮化镓半导体构件的可靠性，尤其是半极性氮化镓单量子阱层发光器件。尤其是，人们期望获得一种抗静电电压超过500V以至更高的量子阱层数小于三层甚至单量子阱 (SQW)的LED构件。

因此，研究人员或用户期望获得一种高效发光的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其能降低带隙能从而提高单量子阱激活层的波函数重叠度，改善LED的性能。

技术实现要素：

本公开旨在消除以上所提到的问题之一。因此，提供了一种单量子阱层的发光器件，通过发明人的反复试验，提供了一种半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其包括：N型氮化镓层；P型氮化镓层；以及单量子阱激活层，位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，所述单量子阱材料为InxGayN1-x-y，其中沿着从N型氮化镓层到P型氮化镓层的厚度方向，所述单量子阱激活层单量子阱材料为InxGayN1-x-y中的x逐渐增大。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述x值沿着从N型氮化镓层到P型氮化镓层的厚度方向逐渐从0.1增大到0.2之间。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述单量子阱的厚度为

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其还包括：第一静电保护层，位于N型氮化镓层与激活层之间；以及第二静电保护层，位于激活层与P型氮化镓层之间。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层为无掺杂的GaN层或InGaN层。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层为低掺杂浓度的GaN层或InGaN层。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层厚度为

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件，其中所述半极性面为 (2021)晶面、(3031)晶面或(3031)晶面。

根据本公开的另一个方面，提供了一种形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，包括：在反应腔内在无掺杂的氮化镓缓冲层上形成N型氮化镓层；通过以匀速增加的流向反应腔内的In源的流速，以每秒钟的沉积速度在N型氮化镓层上形成InxGayN1-x-y式的半导体材料的单量子阱激活层，使得所述单量子阱激活层的单量子阱材料InxGayN1-x-y中的x随着厚度的增加而逐渐从0.1增加到0.2，并且所诉单量子阱层的厚度为以及在所述单量子阱激活层上形成P型氮化镓层。

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中所述单量子阱的厚度为

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其还包括：在N型氮化镓层和单量子阱激活层之间形成第一静电保护层；以及在P型氮化镓层和单量子阱激活层之间形成第二静电保护层。

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层为无掺杂的GaN层或InGaN层。

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层为低掺杂浓度的GaN层或InGaN层。

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中所述第一静电保护层和第二静电保护层厚度为

根据本公开的形成半极性氮化镓单量子阱层发光器件的方法，其中所述半极性面为(2021)晶面、(3031)晶面或(3031)晶面。

根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件由于单量子阱层中In含量随着在沉积过程中后的增加而逐渐增加，从而改变了单量子阱层中的电子波函数和空穴波函数的中心轴彼此相距更近，由此电子波函数和空穴的波函数的重合度更高，这将更进一提高电子和空穴复合概率，从而进一步提高半极性氮化镓单量子阱层发光器件LED芯片的光输出功率，由此使得单量子阱层光器件的发光效率更高。

此外，本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件通过减少量子阱层的数量，从而减小整个激活层的厚度，从而降低界面处晶格失配生长层的形成。另一方面通过降低量子阱层的厚度，消除阱层厚度过厚导致的晶格失配而导致的应变层。本公开在生长层比较薄、界面处不存在失配位错的情况下，为了避免在界面上出现失配位错，通过控制外延生长层的厚度，使其不超过某一定的临界厚度(例如，通常的单量子阱层的厚度为以上)，例如为使得量子阱层的厚度小于临界厚度消除了失配位错，从而也消除了发生晶格弛豫的情形，防止应变层转变为弛豫层。

而且，而且本公开通过通过显著降低激活层的量子阱层中的InxGayN1-x-y中In的含量，能够削弱In所能导致的偏聚(这种偏聚会导致大量的)，从而有效提高了激活层的垒晶质量。

此外，本公开在N型氮化镓层和P型氮化镓层增加第一静电保护层以及在激活层与P型氮化镓层之间增加第二静电保护层增加了耗尽区的厚度，增强了反向电压，增大了半极性氮化镓单量子阱层发光器件电容，从而提高半极性氮化镓单量子阱层发光器件的ESD性能。此外，在第一静电保护层和第二静电保护层为低掺杂浓度的GaN层或InGaN层情况下，还可以降低正向电压，进一步提升半极性氮化镓单量子阱层发光器件的电特性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示的是现有的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的在每平方厘米100A的电流密度下的电子和空穴的波函数图和带隙图。

图2所示的是根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的分层结构的示意图。

图3所示的是根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的在每平方厘米100A的电流密度下的电子和空穴的波函数图和带隙图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一也可以被称为第二，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

根据本公开的氮化镓半导体构件的结构不限制为以下描述的实施例。

图1所示的是现有的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的在每平方厘米 100A的电流密度下的电子和空穴的波函数图和带隙图。如图1所示，编号①为导带线，编号②为电子波函数曲线，编号③空穴波函数曲线，编号④为价带线。编号⑤为电子波函数曲线的中轴，编号⑥为空穴波函数的中轴线。Epz 为压电电场，Ebi为结内建电场。箭头代表了电场方向。横轴代表了N型氮化镓层、InxGayN1-x-y层以及P型氮化镓层的位置。从图1可见，其InxGayN1-x-y层处的价带线是反向平行的，因为其In的含量是恒定的。

为了诱导量子阱层的带隙能的降低，根据本公开的构思提供了一种改变 InxGayN1-x-y层处的In的含量分布的技术。

如图2所示，氮化镓半导体构件100形成于基片110上。基片110由绝缘材料制成，例如蓝宝石或半导体材料GaN。在基片110上形成有半导体构件的基本结构层：N型GaN层120、激活层130以及P型GaN层140。在N 型GaN层120和激活层130形成有第一静电保护层150。在激活层130和P 型GaN层140之间，形成有第二静电保护层160。

如图2所示，N型GaN层120为常规的其中掺杂有N型杂质的GaN层。在外延生长过程中，使TMG和NH3的材料气体以及SiH4的杂质气体流入反应炉，将反应炉生长温度保持在1040℃，从而在通常的不掺杂的GaN缓冲层 (图中未示出，缓冲层通常在550℃左右的低温生长，厚度约为) 上外延生长掺杂Si的N型GaN层120。通常该N型GaN层120的厚度为 1-4微米，其中所掺杂的Si杂质浓度一般大于5×10¹⁸/cm³。N型GaN层120 中略微高一些的Si掺杂杂质浓度有助于降低正向电压和阈电流。由于不掺杂的GaN缓冲层通常具有优良的结晶度，因此N型GaN层120也具有较好的结晶度。不过为了生长更好的N型GaN层120，可选择地，在N型GaN层 120和缓冲层之间先在1040℃的高温下外延生长一层左右的不掺杂的 GaN层(未示出)，作为过渡层，这也是可以改善耐静电电压特性。不过，N 型GaN层120中的Si掺杂杂质浓度最好不要高于5×10²⁰/cm³。N型GAN层 120的厚度比较好的是在2.0至3.0微米范围内，这样可以形成较低电阻率的具有N电极(未示出)的N型GAN层120，从而降低正向电压。

如图2所示，第一静电保护层150形成在N型GaN层120之上。第一静电保护层150可以是无掺杂的GaN层或低掺杂浓度的GaN层或InGaN层。在反应炉中，在生长N型GAN层120后保留SiH4杂质气体的情况下将基片温度维持在1040℃，使TMG和NH3的材料气体流入反应炉，以生长厚度为的不掺杂的GaN的第一静电保护层150。第一静电保护层150与激活层 130接触，有助于改善耐静电电压特性。如果需要，还可以在第一静电保护层150与激活层130之间插入其他功能层。第一静电保护层150的厚度在之间。无掺杂的第一静电保护层150的厚度超过则会增加正向电压，这会恶化LED器件的品质。无掺杂的第一静电保护层150的厚度低于将不能防止泄漏电流。因此，比较好的是，无掺杂的第一静电保护层150 的厚度在之间，如果能设置在之间尤佳。为了改善 N型GaN层120所造成恶化的结晶度，可以形成厚度为的无掺杂的第一静电保护层150，从而改善随后形成于其上的激活层130的结晶度，同时也提高了耐静电电压特性。

可选择地，第一静电保护层150可以是一种低掺杂浓度的GaN层或 InGaN层。掺杂N型杂质的第一静电保护层150一方面可以提高LED器件的载流子浓度，从而提高发光强度，同时另一方面通过在一定范围内增加掺杂 N型杂质的第一静电保护层150的厚度可以增强静电耐压。使SiH4杂质气体附带流入反应炉，以生长掺杂具有杂质浓度为0.8×10¹⁸/cm³的Si的GaN、且厚度为的掺杂N型杂质的第一静电保护层150。通过实验了解到，当掺杂N型杂质的第一静电保护层150厚度超过时，发光强度会降低，因此，掺杂N型杂质的第一静电保护层150最好低于厚度过低将其不到提高静电耐压的作用。因此，掺杂N型杂质的第一静电保护层150的厚度在之间比较好，更好的是，掺杂N型杂质的第一静电保护层150 的厚度在当采用掺杂N型杂质的第一静电保护层150时，其掺杂将低于1×10¹⁸/cm³。掺杂N型杂质的第一静电保护层150的这种低浓度可以获得优良的结晶度，从而可以保证其上激活层130的生长以及获得高发光强度，同时降低正向电压。N型杂质元素可以是Si或Ge等。在形成掺杂 N型杂质的第一静电保护层150之后，可以在保留SiH4杂质气体的情况下保持温度，直接生长不掺杂的GaN的作为激活层130的量子阱层的阻挡层。

通过将缓冲层(未示出)、第一静电保护层150和N型GaN层120的总厚度控制在2至5微米的范围内会使得LED器件的静电耐压性更好，从而可以显著改善LED的ESD特性。可选择地，可以使得第一静电保护层150同时包含无掺杂的第一静电保护层150和低掺杂浓度的第一静电保护层150。

如图2所示，量子阱结构的激活层130是由包含In和Ga的氮化镓半导体形成的。激活层130可以是用N型或P型杂质掺杂的，用N型和P型两种杂质掺杂的激活层130比以P型杂质掺杂的激活层130具有更大的发光强度。但是，在本公开中，激活层130最好不掺杂，即不添加杂质，以便生长具有优良结晶度的激活层130。根据本公开的量子阱结构的激活层130的量子阱仅仅具有单一量子阱(SQW)层结构，其通过沉积InxGayN1-x-y而形成。由于第一静电保护层150的存在，其即使激活层130仅仅具有单一量子阱层也具有更好的静电耐压特性。

举例而言，激活层130从第一静电保护层150上开始外延生长。在一些情况下，也可以不需要静电保护层。激活层130按照常规由阻挡层和阱层交替形成，可以由阱层开始并以阱层终止，或者以阱层开始并且以阻挡层终止。做为选择，顺序可以以阻挡层开始和以阻挡层结束或以阻挡层开始并且以阱层终止。举例来说，在第一静电保护层150上生长激活层130时，生长温度被设定为750℃(720-800℃之间都可以)，反应腔压力100-500Torr。首先生长不掺杂GaN构成的厚度的阻挡层，阻挡层的厚度为比较好。随后，然后使用TMG、TMI以及NH3在阻挡层上淀积厚度的 InxGayN1-x-y式的半导体材料构成的阱层。反应腔压力100-500Torr，载气流量 5-20升/分钟，NH3流量200-800摩尔/分钟，TMG流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟。为了形成In的含量逐渐增加的激活层130，可以从开始到结束，使得在沉积激活层130的过程中，三甲基铟流量从10微摩尔/分钟逐渐增加到50微摩尔/分钟，从而形成渐变的 In的含量的激活层130。如图2所示，激活层130从下向上，采用不同深度的灰色表达了In的含量不断升高。在激活层130中，不同位置的InxGayN1-x-y式的半导体材料中In的x值为0.1-0.2之间。此外，通过在一定范围内尽可能小地降低激活层130中In的最高含量可以降低激活层的团聚或偏聚，降低了层错，从而最大可能提高半导体发光器件的发光效率。阱层的厚度为比较好。

量子阱层的沉积速度大约为每秒钟之间，比较好的是每秒钟通过半分钟左右的沉积，其厚度基本控制在通过对不同厚度激活层的样品的测试，发现在样品的100A/cm²的电流密度下，在有缘层130 处的带隙能显著降低。

图3所示的是根据本公开的半极性氮化镓单量子阱层发光器件的在每平方厘米100A的电流密度下的电子和空穴的波函数图和带隙图。如图3所示，有缘层130处导带和价带由于In含量随着厚度方向逐渐增加而彼此不再反向平行而是彼此靠近，即，有缘层处的导带①倾斜向下而价带④倾斜向上，导致导带底与价带顶靠近。因此，显著降低了带隙能量，由此也增加了电子波函数②的中心轴⑤与空穴波函数③的中心⑥更靠近，因此其重叠度显著增加，从而或的较高的内量子效率(IQE)

在形成单量子阱层后在其上形成形成不掺杂的GaN结束阻挡层，使阱层由两个表面上的阻挡层夹持，并最终形成单量子阱(SQW)层的激活层130。激活层130的总厚度在左右。激活层130的总厚度可以考虑到所期望的最终LED器件所需的波长进行调整。

如图2所示，在形成激活层130之后，在其结束阻挡层上，形成第二静电保护层160。第二静电保护层160可是无掺杂的GaN层或低掺杂浓度的GaN 层或InGaN层。为了较高的发光强度，可以在第二静电保护层160包含AL 或In。但是，为了更好的ESD特性或为了更精确研究量子阱的发光效率，第二静电保护层160可以为无掺杂的GaN层。具体而言，将反应炉的温度升高到1040℃，使TMG和NH3的材料气体制成无掺杂的第二静电保护层160。如果同时向反应炉输入含有诸如Mg的杂质气体，可以形成掺杂浓度不高于 5×10¹⁸/cm³的低掺杂的第二静电保护层160。第二静电保护层160的厚度不超过最好是在的范围内更好。

如图2所示，最后在第二静电保护层160上形成P型GaN层140。具体而言，将反应炉内的温度保持在1040℃，并将TMG和NH3的材料气体、Cp2Mg 的杂质气体以及载气H2送入反应炉，从而外延生长出P型GaN层140。在生长到一定厚度，例如左右，随后降温到650-700℃，送入N2气进行晶片退火，最终获得本公开的GaN半导体构件100。

根据本公开的GaN半导体构件100与那些低于三个量子阱层结构的GaN 半导体构件相比，其抗静电电压提高2-3倍。对基于本公开的实验样品进行抽样检测，结果显示，根据本公开的GaN半导体构件100样品的抗静电电压的提高到2000V左右。

需要指出的是，本公开的GaN半导体构件100由于非极性和半极性LED 和LD器件会产生更好的ESD，尤其是沿着(2021)晶面、(3031)晶面以及 (3031)晶面等的半极性晶面的方向生长的氮化镓晶体LED或LD器件。

尽管此处没有提及基片，但是本公开的构件通常在蓝宝石衬底上生成，并沿着(2021)晶面和(3031)晶面等的半极性晶面的方向生长。

此外，尤其需要注意的是，本公开的这种在量子阱中具有铟组成梯度的设计显著地减少了有源区的应变，并导致发光强度和辐射复合率的提高。

而且，在InGaN活性层的生长过程中，通过控制NH3流量，可以形成尺寸均匀、密度高的超小InGaN量子点。由于富In量子点中In的组成较高，所以越深的势能级可以获得更好的载流子约束能力，并阻止它们逃逸到周围的非辐射复合中心，如位错和点缺陷。因此，InGaN量子点可以作为有效的发光源，特别是对于具有较高In含量的较长波长光谱区，并且表现出18-30％的IQE增强。

最后，需要指出的是，InGaN阱和GaN势垒之间的晶格失配随着In成分的增加而增大。这种效应导致应变诱导缺陷和强极化场。这些缺陷起到非辐射复合中心的作用，极化使电子-空穴波函数分离。因此，限制生长条件以便限制过高的的In含量。

术语“约”和“大约”可用于意指在一些实施方案中目标尺寸的±20％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±10％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±5 ％以内，以及还有在一些实施方案中目标尺寸的±2％以内。术语“约”和“大约”可包括目标尺寸。

本文所述的技术方案可实现为方法，其中已经提供了至少一个实施例。作为所述方法的一部分所执行的动作可以以任意合适的方式排序。因此，可以构建实施方案，其中各动作以与所示的次序所不同的次序执行，其可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施方案中被示为顺序动作。此外，方法在一些实施方案中可包括比示出的那些更多的动作，在其他实施方案中包括比示出的那些更少的动作。

虽然在此描述了本公开的至少一个说明性的实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，可容易地进行多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本公开的精神和范围以内。因此，前述说明仅通过举例方式并不旨在作为限制。本公开仅由下列权利要求及其等同物所限定。