專利名稱：具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光的器件和制備方法，尤其是利用新型半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)寬譜多波段發(fā)光的方法。二、 技術(shù)背景半導(dǎo)體光電子器件在科學(xué)研究和日常生活中起著越來越重要的角色。日益廣泛的 實(shí)際應(yīng)用對(duì)光電子器件的要求更加多樣化。半導(dǎo)體發(fā)光器件具有體積小，效率高以及 壽命長的有點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于指示，顯示和照明領(lǐng)域。根據(jù)半導(dǎo)體材料的本身能帶結(jié) 構(gòu)，電子空穴輻射復(fù)合通常發(fā)生在非常有限的能量范圍內(nèi)。這時(shí)半導(dǎo)體發(fā)光器件通常 具有較窄的發(fā)光譜型，也就是單色性非常好，這在很多應(yīng)用領(lǐng)域(如大屏幕全色顯示) 是非常好的特性。然而，在其它一些應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要超過一種顏色的光源，如果 采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，就必須多個(gè)器件組合使用。這不僅僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜 性，更由于各個(gè)器件的工作特性不同而降低了系統(tǒng)的可靠性。利用半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì) 發(fā)明一種能夠發(fā)射多種顏色的單一有源結(jié)構(gòu)，是解決上述問題，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射的最 有效途徑。m族氮化物半導(dǎo)體材料以其寬禁帶的優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于短波長光發(fā)射器件。 然而，在該氮化物材料體系中的一些獨(dú)有的材料物性問題，仍然沒有被充分利用。自從1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出GaN基的藍(lán)光發(fā)光二極管(LED) ， m族氮化物半導(dǎo)體材料與器件的研究得到了迅速的發(fā)展。高效率的短波長LED和激光器已經(jīng)研制成功[S. Naka-mura， M. Senoh, S. Nagahama， N. Iwasa， T. Yamada， T. Matsushita, Y. Sugimoto, and H. Kiyoku，々".乂 ^4/ / /. 36, LI059(1997).]。 InGaN基的多量子阱(MQWs)結(jié)構(gòu)是所有這些器件的核心結(jié)構(gòu)。目前，氮化 物中載流子復(fù)合的物理圖像和規(guī)律依然沒有定論。提出的模型和描述有很多[S. Chichibu， T. Azuhata， T. Sota, and S. Nakamura, X; ; /.70,2822 (1997); S. Chichibu, M. Arita, H. Nakanishi, J. Nishio， L. Sugiura, Y. Kokubun, and K. Itaya, / J/ / /, 尸/z". 83， 2860 (1998); Y. Narukawa, Y. Kawakami, M. Funato, Sz. Fujita， Sg. Fujita, and S. Nak咖ura， 乂; ; /. PA".70, 981 (1997); G. Pozina, J. P. Bergman, B. Monemar， T. Takeuchi， H. Amano, and I. Akasaki, ^ / /. /2>w. 88， 2677 (2000)]，長期以來主要集中 在三種模型(1)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的單層厚度起伏，這導(dǎo)致在整個(gè)結(jié)構(gòu)中包含多種不同實(shí) 際厚度的量子阱，不同量子阱對(duì)載流子具有不同的量子限制作用；(2)結(jié)構(gòu)中的組分和應(yīng)力的空間不均勻分布，這導(dǎo)致在整個(gè)結(jié)構(gòu)中存在勢(shì)阱的起伏；(3)完全的相分離， 這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中包含完全不同組分的量子阱。這些模型的共同特點(diǎn)是，復(fù)合行為的變化 是以圍繞某一參量的起伏而引起的，如厚度的起伏或組分的起伏。并且，長時(shí)間以來， 通過透射電鏡(TEM)的觀察，認(rèn)為這種起伏導(dǎo)致類似量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形成。這種本質(zhì)規(guī) 律的模糊，直接導(dǎo)致目前關(guān)于氮化物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件研究的進(jìn)步緩慢。利用氮化物半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)多色乃至全色光發(fā)射一直是氮化物研究與應(yīng)用的前沿?zé)?點(diǎn)。但是對(duì)于通常的氮化物藍(lán)綠光發(fā)光器件，是利用氮化物多量子阱結(jié)構(gòu)，只能實(shí)現(xiàn) 高效率特定波長的光發(fā)射，這是器件有源區(qū)量子結(jié)構(gòu)的特性所決定的。要實(shí)現(xiàn)寬譜多波段的光發(fā)射，需要對(duì)發(fā)光有源區(qū)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。在III-V族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多波段光發(fā)射的方法，由于過去在材料生長技 術(shù)和材料物性研究水平上的限制，這方面的研究成果很少。最早的研究報(bào)告見于2002 年，由日本NICHIA公司報(bào)告[M. Yamada, Y. Narukawa， and T. Mukai， "Phosphor Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting DiodesComposed of InGaN Multi-Quantum Well", / ^ / /. P/y^. Vol. 41 (2002) pp. L 246—L 248]。此報(bào)告中采 用依次排列不同組分的InGaN量子阱，實(shí)現(xiàn)多波段同時(shí)發(fā)射。然而，這種組合的多量 子阱在不同的波長，發(fā)光效率相差巨大。這主要是由于高組分的量子阱，受壓電場(chǎng)的 影響變大，導(dǎo)致效率下降。為了克服上述工作中的壓電影響，臺(tái)灣的Epitech Technology Co叩eration在2006年報(bào)告了混合排列不同組分InGaN量子阱發(fā)光的最新結(jié)果[S. C. Shei, J. K. Sheu， C. M. Tsai, W. C. Lai， M. L. Lee, C. H. Kuo， "Emission Mechanism of Mixed-Color InGaN/GaN Multi-Quantum-Well Light-Emitting Diodes", / v4; p/. Phys.， Vol. 45， No. 4A， 2006， pp. 2463-2466]。相比而言，高In組分量子阱的發(fā)光效率 有了提高。不足之處是，出光的光譜隨不同的注入水平，發(fā)射譜變化太劇烈，顯示一 定的不穩(wěn)定性。另一個(gè)項(xiàng)類似的研究結(jié)果于2006年六月剛剛被報(bào)告[M. Funato， T. Kotani, T. Kondou, Y. Kawakami, Y. Narukawa， T. Mukai， "Tailored emission color synthesis using microfacet quantum wells consisting of nitride semiconductors without phosphors", Appl. Phys. Lett.， Vol, 88 (26), 2006， Art.No. 261920]。其采用的是橫向外 延技術(shù)，生長出沿不同晶面的生長面。在其上生長InGaN量子阱后，由于不同晶面的 原子遷移和失配特性，導(dǎo)致在(0002)面上的InGaN量子阱發(fā)射黃光，而在(11-22) 面上的InGaN量子阱發(fā)射藍(lán)光。這種通過選擇生長的方法存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，主要問題 是在不同晶面的生長面結(jié)合部，存在大量的且集中的各種缺陷，這些缺陷都穿透發(fā)光 有源區(qū)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的發(fā)光性能降低。 三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是利用半導(dǎo)體材料外延生長系統(tǒng)，在三族氮化物半導(dǎo)體材料體系 中，設(shè)計(jì)發(fā)明一種能夠發(fā)射多種顏色的單一氮化物半導(dǎo)體有源結(jié)構(gòu)和制備方法。本發(fā) 明目的尤其是不用借助其他光轉(zhuǎn)換材料、在三族氮化物半導(dǎo)體(氮化鎵，氮化銦， 氮化鋁以及它們組成的三元和四元合金)量子器件結(jié)構(gòu)中，通過本發(fā)明制備方法，實(shí)現(xiàn)比通常半導(dǎo)體發(fā)光光譜更寬的多波段的發(fā)光光譜。本發(fā)明的技術(shù)解決方案具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，包括襯 底材料，襯底材料包括藍(lán)寶石、碳化硅或硅；底層氮化物包括直接生長在襯底上的 過渡層和之上的GaN或n-GaN，所述的過渡層厚5-50納米，GaN或n-GaN層厚2-8 微米；多層量子阱有源區(qū)InGsN量子阱，所述的量子阱結(jié)構(gòu)的阱層厚2-10納米， 壘層厚4-20納米；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的阱/壘雙層重復(fù)1-10個(gè)周期；頂層氮化物，GaN 或p-GaN，所述的頂層氮化物厚0.02-2微米。具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物道題量 子結(jié)構(gòu)發(fā)光層是量子阱結(jié)構(gòu)，由lnxGa^N阱層和InyGaLyN壘層構(gòu)成，并含有多重發(fā) 光中心，其中1 0^0。所述的量子阱結(jié)構(gòu)中的x和y在各自層中是空間均勻的。半 導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)尤其是半導(dǎo)體發(fā)光二極管。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)中具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物道題量子結(jié)構(gòu)發(fā)光 層；所述的量子阱結(jié)構(gòu)多重發(fā)光中心共同發(fā)出包含360-卯0納米范圍的連續(xù)譜。 具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法，包括以下步驟a. 提供一個(gè)氮化物半導(dǎo)體外延生長的襯底材料；b. 外延生長氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的底層氮化物材料；c. 外延生長具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層；d. 外延生長氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的頂層氮化物材料；e. 氮化物半導(dǎo)體材料都是利用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延(MOCVD)外延生長系 統(tǒng)外延生長得到的；在高溫(900-110(TC)下生長的氮化物半導(dǎo)體可以是硅烷(SiH4)摻雜的氮化物半導(dǎo)體材料。頂層氮化物材料的生長是在高溫(900-1100°C)下生長，同時(shí)也可以使用p型摻雜劑(例如Cp2Mg)。底層氮化物材料的外延生長包括在低溫(500-70(TC)下生長氮化物半導(dǎo)體過度層和在高溫(900-1100°C)下生長氮化物半導(dǎo)體。在高溫(900-1100°C)下生長氮化物半導(dǎo)體的同時(shí)，可以用硅烷(SiH4)慘雜。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光層是量子阱結(jié)構(gòu)，分別外延生長KG^xN阱層和InyGa,.yN壘層，并含有多重發(fā)光中心，其中l(wèi)>x>y^0。量子阱結(jié)構(gòu)中阱/壘雙層的生長可重復(fù)1-10個(gè)周期；所述的量子阱結(jié)構(gòu)中，組分x和y在各自層中是空間均勻生長的，其中更佳的xy范圍是0.5>X>y20。量子阱結(jié)構(gòu)的生長厚度是阱層厚2-10納米，壘層厚4-20納米；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的生長是通過改變生長表面的氫氣、氮?dú)狻睔夂徒饘僭吹谋壤磻?yīng)物比例(其中氫氣與氮?dú)饷糠昼姌?biāo)準(zhǔn)流量之比在0.1到10之間，氫氣與氨氣每分鐘標(biāo)準(zhǔn)流量之比在0.1到10之間，氨氣與金屬源摩爾數(shù)流量之比在1500到20000之間)，制造出多重發(fā)光中心可發(fā)出包含360-900納米范圍的連續(xù)譜發(fā)光。具體而言多能級(jí)發(fā)射三族氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)的生長制備方法還包括以 下材料設(shè)備等實(shí)物用詞僅用于舉例，氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)采用外延生長，如 MOCVD方法，進(jìn)行制備。首先提供一個(gè)適合氮化物外延生長的襯底，如藍(lán)寶石晶片。 經(jīng)過表面清潔后，藍(lán)寶石晶片被裝入外延生長設(shè)備的生長室。首先一定厚度的基層氮 化物材料以相配的生長條件被生長在襯底上，如GaN生長在合適的低溫緩沖層上， 該層也可摻雜(如硅雜質(zhì)，在高溫(900-1100°C)下生長氮化物半導(dǎo)體的同時(shí)，可以 用硅烷(SiH4)摻雜。摻雜的范圍是5xl0"/cm3到5xl019/cm3)以滿足器件設(shè)計(jì)要求。 隨后在這基層的氮化物外延層上，交替生長寬禁帶和窄禁帶的氮化物材料外延層，形 成夾在多層寬禁帶外延層中的異質(zhì)量子結(jié)構(gòu)，并作為光發(fā)射的有源層，如InGaN量子 阱層。并在此重復(fù)的外延層中，分別保持三族氮化物材料的組分相同。這種多層的異 質(zhì)量子結(jié)構(gòu)也包括只有一層有源層的結(jié)構(gòu)，如單異質(zhì)結(jié)或者單量子阱結(jié)構(gòu)。為了在此 多層量子結(jié)構(gòu)中形成多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)，在有源層生長中改變生長表面的反應(yīng)物 比例，如改變氫氣、氮?dú)?、氨氣或者金屬源的比例。這種生長環(huán)境的變化，使得對(duì)應(yīng) 有源層的結(jié)晶狀態(tài)有所改變，導(dǎo)致該層中電子能級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，最終形成具有同時(shí)復(fù) 合特性的多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)。在該多層量子結(jié)構(gòu)生長完畢后，其上可以繼續(xù)生長 覆蓋其他的氮化物外延層，如p型鋁鎵氮或者p型氮化鎵，以滿足器件的功能要求。本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光器件中實(shí)現(xiàn)寬譜光發(fā)射實(shí)現(xiàn)多能級(jí)發(fā)射三族氮化物半導(dǎo)體 量子結(jié)構(gòu)的物理設(shè)計(jì)、材料生長及結(jié)構(gòu)均勻性控制。利用高效率高密度的多重輻射復(fù) 合能級(jí)，減小壓電效應(yīng)，消除相分離，高晶體質(zhì)量，減少點(diǎn)缺陷，降低非輻射復(fù)合中 心密度，在一組量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成具有輻射復(fù)合能力的多重能級(jí)能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí) 現(xiàn)新型的具有多能級(jí)的三族氮化物量子結(jié)構(gòu)，獲得多能級(jí)發(fā)射，發(fā)出具有多波段的寬 發(fā)射光譜。本發(fā)明解決的關(guān)鍵問題通常的InGaN量子阱，由其結(jié)構(gòu)的光電特性決定了輻 射復(fù)合能級(jí)都發(fā)生在較窄的能量范圍內(nèi)，即發(fā)光峰較尖銳。本發(fā)明的關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì) 出多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)，并具有高效率的輻射復(fù)合光發(fā)射。本項(xiàng)發(fā)明中通過控制量 子阱中的組份和多重輻射復(fù)合能級(jí)密度來組合成具有多能級(jí)發(fā)射特性的三族氮化物 半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)。同時(shí)通過利用多重輻射復(fù)合能級(jí)之間的相互作用，以改變多重能級(jí) 的載流子分布，壓制電聲相互作用，降低俄歇復(fù)合的幾率，實(shí)現(xiàn)高效多波段同時(shí)發(fā)射。本發(fā)明的機(jī)理主要是依靠氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)本身的多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)寬譜多波段光發(fā)射。在制備這種具有多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體量子 結(jié)構(gòu)過程中，主要是通過控制生長表面的反應(yīng)物比例來改變?cè)摿孔咏Y(jié)構(gòu)中的結(jié)晶狀 態(tài)，形成具有輻射復(fù)合能力的多重能級(jí)能帶結(jié)構(gòu)，降低非輻射復(fù)合中心密度；然后根 據(jù)電子和空穴遷移規(guī)律，設(shè)計(jì)量子結(jié)構(gòu)的空間尺寸，最終調(diào)制了電子在各能級(jí)分布。這些都與與己報(bào)道的結(jié)果完全不同。(1)本發(fā)明中具有寬譜多波段光發(fā)射能力的量子 結(jié)構(gòu)全部由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，不需要其他附加的材料實(shí)現(xiàn)多波段光發(fā)射。(2)在本 發(fā)明中的量子結(jié)構(gòu)中，多層重復(fù)的有源層三族氮化物材料的組分相同，完全不同于前 述組合不同組分有源層達(dá)到多波段光發(fā)射的技術(shù)。(3)本發(fā)明中制備的具有多重輻射 復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)，光發(fā)射特征包括寬譜和多波段，發(fā)射光譜遠(yuǎn) 寬于通常半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射光譜寬度。如通常器件發(fā)光譜半高寬20納米到40納 米，僅覆蓋某一單色區(qū)域。而本發(fā)明中的量子結(jié)構(gòu)發(fā)光光譜半高寬超過120納米，發(fā) 光譜覆蓋360納米到900納米的寬廣范圍，不僅包含可見光的各個(gè)波段，而且包含 360納米到400納米的近紫外和700納米到卯0納米的近紅外波段。本發(fā)明的有益效果在本發(fā)明中，設(shè)計(jì)并生長出新型三族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并具 有多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)光能力，這種結(jié)構(gòu)多重輻射復(fù)合能級(jí)使注入的載流子進(jìn) 行再分布，實(shí)現(xiàn)多波段的寬譜發(fā)光。四

圖l為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的示意圖，其中氮化物多量子阱結(jié)構(gòu)具有多重能級(jí) 的輻射復(fù)合特性。圖中l(wèi)為頂層氮化物如p-GaN， 2為多層有源區(qū)如InGsN 量子阱，3為底層氮化物如n-GaN， 4為過度層如低溫GaN， 5為襯底材料 如藍(lán)寶石。圖2為采用本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)和寬光譜發(fā)射原理圖。從圖中 可以看出，量子阱結(jié)構(gòu)中的氮化物半導(dǎo)體各組分保持一致，沒有明顯的不同組分分布。復(fù)合過程和原理以其中一個(gè)阱示例采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，各波長發(fā)光區(qū)域沒有空間分 離，即發(fā)光有源區(qū)的任何區(qū)域，可同時(shí)發(fā)射各個(gè)波長的光(/ V;, /2V2， /2V^)。而已經(jīng)報(bào) 道的多能及發(fā)光結(jié)構(gòu)，不同波段的光來自發(fā)光有源區(qū)的不同區(qū)域。圖3為采用本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光譜實(shí)例。從圖中可以看到，本發(fā)明的 寬譜發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的光譜覆蓋了 400納米到850納米的寬廣范圍，不僅包含可見光的 各個(gè)波段，而且包含700納米到850納米的近紅外波段。圖4為采用本發(fā)明器件的電注入發(fā)光譜實(shí)例。從圖中可以看到，本發(fā)明的寬 譜發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的光譜覆蓋了 360納米到卯0納米的寬廣范圍，不僅包含可見光的各 個(gè)波段，而且包含360納米到400納米的近紫外和700納米到900納米的近紅外波段。五具體實(shí)施方式
實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式，但本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)不僅限于所述實(shí)例的方式。圖l 本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中1頂層氮化物如p-GaN、 2多層有源區(qū)如InGsN量子阱、3 底層氮化物如n-GaN 、 4過度層如低溫GaN、 5襯底材料如藍(lán)寶石。本發(fā)明利用MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)外延生長系統(tǒng)，釆用合成具有 多能級(jí)復(fù)合功能的氮化物半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)的方法，獲得以氮化物半導(dǎo)體為基本材 料的多能級(jí)寬譜光發(fā)射。具體包括以下幾步1、藍(lán)寶石(0001)襯底的表面清洗和處理。分別用三氯乙烯，丙酮，乙醇清洗 藍(lán)寶石(0001 )襯底，用H2S04:HN03( 1:1 )將其煮沸，在160-200°C下用H3P04:H2S04(1:3)對(duì)其腐蝕5-30分鐘(例如8分鐘)。然后，用去離子水沖洗干凈，并用紅外燈烘烤干 表面。2、 藍(lán)寶石(0001)襯底放入生長室后的熱處理和氮化。將經(jīng)清洗處理過的襯底 片放入生長室內(nèi)，先在900-110(TC氫氣氛中處理1-30分鐘，再在氨氣氛中對(duì)襯底進(jìn) 行氮化處理l-30分鐘。實(shí)施例中采用100(TC氫氣氛中處理5分鐘。(同意)3、 藍(lán)寶石(0001)襯底上基層GaN的生長。首先在520。C生長一層5-50納米厚 的GaN過度層(實(shí)施例中為30納米)，經(jīng)過對(duì)這個(gè)過度層進(jìn)行熱處理和氮化后，生 長一層2微米到8微米厚的GaN，其中可通入硅垸(SiH4)進(jìn)行n型摻雜。4、 基層GaN上的氮化物多量子阱的生長。降低生長室溫度到750'C，生長具有多能級(jí)結(jié)構(gòu)的氮化物多量子阱，在生長過程中，在有源層生長中改變生長表面的反應(yīng) 物比例，如改變氫氣、氮?dú)?、氨氣或者金屬源的比例。這種生長環(huán)境的變化，使得對(duì) 應(yīng)有源層的結(jié)晶狀態(tài)有所改變，導(dǎo)致該層中電子能級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，最終形成具有同時(shí) 復(fù)合特性的多重輻射復(fù)合能級(jí)結(jié)構(gòu)。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光層量子阱結(jié)構(gòu)的生長，分別外延生長InG.4Gao.6N阱層和 Ino.02Gao.98N壘層，并在生長壘層時(shí)增加氫氣流量至阱層時(shí)的8倍，同時(shí)降低氮?dú)饬?量至阱層時(shí)的1/8。量子阱結(jié)構(gòu)中阱/壘雙層的生長可重復(fù)3個(gè)周期，含有多重發(fā)光中 心；在各自層中各組分是空間均勻的，量子阱結(jié)構(gòu)的生長厚度是阱層厚3納米，壘 層厚6納米。5、覆蓋層和p型層的生長。在多量子阱生長完畢后，升高生長室溫度到105(TC; 生長多量子阱的GaN覆蓋層，厚約20-2000nm，如200nm。覆蓋層可以通入p型摻 雜劑(例如Cp2Mg)用于將來獲得p型氮化物半導(dǎo)體材料。最后的器件結(jié)構(gòu)在電注入 時(shí)，得到本發(fā)明圖4中的效果。
權(quán)利要求
1、具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，其特征是包括如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成襯底材料，襯底材料包括藍(lán)寶石、碳化硅或硅；底層氮化物包括直接生長在襯底上的過渡層和之上的GaN或n-GaN，所述的過渡層厚10-50納米，GaN或n-GaN層厚2-8微米；多層量子阱有源區(qū)具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物道題量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層是量子阱結(jié)構(gòu)，由InxGa1-xN阱層和InyGa1-yN壘層構(gòu)成，其中1＞x＞y≥0，所述的量子阱結(jié)構(gòu)中的x和y在各自層中是空間均勻的；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的阱層厚2-10納米，壘層厚4-20納米；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的阱/壘雙層重復(fù)1-10個(gè)周期；頂層氮化物，GaN或p-GaN，所述的頂層氮化物厚0.02-2微米；并含有多重發(fā)光中心，多重發(fā)光中心可發(fā)出包含360-900納米范圍的連續(xù)譜發(fā)光。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，其特征 是半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)構(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
3、具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法，其特征是包括以下步驟 氮化物半導(dǎo)體材料都是利用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延(MOCVD)外延生長系統(tǒng)外 延生長得到的；1) 提供一個(gè)氮化物半導(dǎo)體外延生長的襯底材料；2) 外延生長氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的底層氮化物材料；底層氮化物材料 的外延生長包括在低溫(500-700°C)下生長氮化物半導(dǎo)體過度層和在高溫(900-1100°C)下生長氮化物半導(dǎo)體；3) 外延生長具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層；氮化物半 導(dǎo)體發(fā)光層量子阱結(jié)構(gòu)的生長，分別外延生長InxGa^N阱層和InyGaLyN壘層，并 含有多重發(fā)光中心，其中l(wèi)>x>y^O;量子阱結(jié)構(gòu)中阱/壘雙層的生長可重復(fù)1-10個(gè) 周期；所述的量子阱結(jié)構(gòu)中，組分x和y在各自層中是空間均勻生長的，量子阱結(jié) 構(gòu)的生長厚度是阱層厚2-10納米，壘層厚4-20納米；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的生長 是通過改變生長表面的氫氣、氮?dú)?、氨氣和金屬源的比例反?yīng)物比例，其中氫氣與 氮?dú)饷糠昼姌?biāo)準(zhǔn)流量之比在0.1到10之間，氫氣與氨氣每分鐘標(biāo)準(zhǔn)流量之比在0.1 到10之間，氨氣與金屬源摩爾數(shù)流量之比在1500至U 20000之間；制造出多重發(fā)光 中心可發(fā)出包含360-900納米范圍的連續(xù)譜發(fā)光；4) 外延生長氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的頂層氮化物材料；頂層氮化物材料 的生長是在高溫900-1100'C下生長，同時(shí)也可以使用p型摻雜劑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法， 其特征是x、 y范圍是0.5^Oy^)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法， 其特征是改變生長表面的氫氣、氮?dú)?、氨氣和金屬源的比例反?yīng)物比例，其中氫氣 與氮?dú)饷糠昼姌?biāo)準(zhǔn)流量之比在0.1到IO之間，氫氣與氨氣每分鐘標(biāo)準(zhǔn)流量之比在O.I 到10之間，氨氣與金屬源摩爾數(shù)流量之比在1500到20000之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法， 其特征是在高溫(900-1100°C)下生長氮化物半導(dǎo)體的同時(shí)，可以用硅垸(SiH4) 摻雜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法， 其特征是GaN生長在低溫緩沖層上，在高溫(卯0-110CrC)下生長氮化物半導(dǎo)體的 同時(shí)，用硅烷(SiH4)摻雜，摻雜的范圍是5xl016/cm3至l」5xl019/cm3。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法， 其特征是先以氨氣氛中對(duì)藍(lán)寶石(0001)襯底進(jìn)行氮化處理1-30分鐘，再在藍(lán)寶石(0001)襯底上基層GaN的生長；首先在52(TC生長一層5-50納米厚的過渡層，經(jīng) 過對(duì)這個(gè)過渡層進(jìn)行熱處理和氮化后，生長一層2微米到8微米厚的GaN，其中可 通入硅烷(SiH4)進(jìn)行n型摻雜；基層GaN上的氮化物多量子阱的生長降低生長 室溫度到700-950°C，生長具有多能級(jí)結(jié)構(gòu)的氮化物多量子阱，在生長過程中，在 有源層生長中改變生長表面的反應(yīng)物比例，其中氫氣與氮?dú)饷糠昼姌?biāo)準(zhǔn)流量之比在 O.l到lO之間，氫氣與氨氣每分鐘標(biāo)準(zhǔn)流量之比在O.l到IO之間，氨氣與金屬源摩 爾數(shù)流量之比在1500到20000之間，覆蓋層和p型層的生長在多量子阱生長完畢 后，升高生長室溫度到900-1100°C，生長多量子阱的GaN覆蓋層，厚約20-2000nm， 其中可以通入p型摻雜劑(例如Cp2Mg)用于將來獲得p型氮化物半導(dǎo)體材料。
全文摘要
具有寬譜光發(fā)射功能的半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)和制備方法，包括襯底材料，直接生長在襯底上的過渡層和之上的GaN或n-GaN，多層量子阱有源區(qū)具有寬譜光發(fā)射功能的氮化物道題量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層是量子阱結(jié)構(gòu)，由In_xGa_1-xN阱層和In_yGa_1-yN壘層構(gòu)成，其中1＞x＞y≥0，所述的量子阱結(jié)構(gòu)中的x和y在各自層中是空間均勻的；所述的量子阱結(jié)構(gòu)的阱/壘雙層重復(fù)1-10個(gè)周期；頂層氮化物，GaN或p-GaN，所述的頂層氮化物厚0.02-2微米；并含有多重發(fā)光中心，多重發(fā)光中心可發(fā)出包含360-900納米范圍的連續(xù)譜發(fā)光。氮化物半導(dǎo)體材料是利用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延(MOCVD)外延生長系統(tǒng)外延生長得到。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101217175SQ20081001932
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月3日
發(fā)明者修向前, 斌 劉, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 江若璉, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 鵬 陳, 平 韓, 顧書林 申請(qǐng)人:南京大學(xué)