專利名稱：基于Ⅲ－氮化物半導(dǎo)體超晶格的單極發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件，更具體地，本發(fā)明涉及基于III-氮化物半導(dǎo)體的單極發(fā)光器件。
III-氮化物半導(dǎo)體領(lǐng)域的新進(jìn)展導(dǎo)致新一代可見光波段的發(fā)光二極管和激光器的產(chǎn)生。與其它寬帶隙半導(dǎo)體相比，氮化物半導(dǎo)體的主要優(yōu)勢在于在光學(xué)器件中的老化輕微。但是這些材料存在獲得良好p-型導(dǎo)電率的問題，阻礙了可見光譜的高功率激光器和發(fā)光二極管的進(jìn)一步發(fā)展。為克服這些難題，我們建議只采用n-型的發(fā)光III-氮化物半導(dǎo)體。
本發(fā)明的要點在于有效利用發(fā)光的僅n型III-氮化物半導(dǎo)體超晶格間的“p-n結(jié)”。
本發(fā)明的各個方面如下所述。
一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格。
一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
一種發(fā)白光器件，具有至少三對完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有或沒有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
一種發(fā)白光器件，具有至少四級完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有或沒有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間具有多個由III-V或II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的、具有不同導(dǎo)帶間斷性的活性層。
一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。
一種發(fā)出從400～4000nm波段的光的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；多個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的、發(fā)出從400～4000nm波段的光的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；多個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；用稀土金屬、過渡金屬或它們的具有淺施主或其它雜質(zhì)的復(fù)合物摻雜或δ-摻雜的活性層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的單極發(fā)白光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；至少四個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；至少三個發(fā)紅、綠和藍(lán)光的活性層，其由用稀土金屬、過渡金屬或它們的具有淺施主或其它雜質(zhì)的復(fù)合物摻雜或δ-摻雜的半導(dǎo)體構(gòu)成；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
一種如上面所述但不具有各活性層的單極發(fā)白光器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的單極發(fā)光器件(ULED)的主要結(jié)構(gòu)如

圖1所示。
ULED工作的物理機(jī)制如圖2a和2b所示。在ULED中，發(fā)射不是象傳統(tǒng)發(fā)光二極管一樣因電子和空穴的再結(jié)合而發(fā)生，而是由于電子從淺子帶超晶格向深子帶超晶格躍遷并伴隨發(fā)射光子造成的電子能量釋放?；贗II-氮化物半導(dǎo)體超晶格的ULED的量子效率隨光頻率增加而增加。我們的計算表明這種ULED的效率是由非發(fā)射能量釋放過程限定的，并可由下式表示
其中，ωLQ是縱向聲子頻率；α＝1/137，是微細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)；ε-1＝ε∞-1-ε0-1，ε∞和ε0分別是光學(xué)和靜介電常數(shù)；hω質(zhì)子是發(fā)射的質(zhì)子量子的能量。
對于可見光譜，可獲得大于10％的ULED效率。
圖1是示出實施例1的ULED結(jié)構(gòu)的圖，其基于兩種n-型III-氮化物半導(dǎo)體超晶格；圖2a示出圖1的未偏置結(jié)構(gòu)的能量(E)和沿結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)位置的示意能帶圖；圖2b示出圖1的偏置結(jié)構(gòu)的示意能帶圖；圖3是示出實施例2的ULED結(jié)構(gòu)的圖，其基于兩種n型III-氮化物半導(dǎo)體超晶格，且具有包含光學(xué)活性雜質(zhì)和量子點(quantumdots)的活性層；圖4是示出實施例3的ULED結(jié)構(gòu)的圖，其具有四個分級的(graded)發(fā)白光的III-氮化物半導(dǎo)體超晶格。
實施例1圖1示出實施例1的ULED結(jié)構(gòu)。其具有藍(lán)寶石(Al2O3)襯底11，其上形成有200埃厚的氮化鋁(AlN)緩沖層10。然后淀積n包覆和接觸層5，它由用硅(Si)以1018～1020cm-3的量摻雜的3μm厚的n-AlN形成。在這一層上外延生長Ga0.05Al0.95N/AlN淺子帶超晶格3，它由四個未摻雜的20埃厚的Ga0.05Al0.95N量子阱8和四個10埃厚的AlN阻擋層9形成。
外延生長GaN/AlN深子帶超晶格1，其由三個未摻雜的5埃厚的GaN量子阱7和四個10埃厚的AlN阻擋層6形成。在該超晶格上淀積一接觸層13，其由1μm厚的摻雜量為1018～1020cm-3的n-Ga0.95Al0.05N形成。在該層13上淀積一透明鈦/鋁(Ti/Al)金屬觸點12。然后在蝕刻后的n包覆和接觸層5的結(jié)構(gòu)的角部淀積另一個觸點4。
在正向偏置時，若向觸點12施加正電勢，向觸點4施加負(fù)電勢，電流從結(jié)構(gòu)中流過，在淺和深子帶超晶格3和1的界面上發(fā)紅光。
圖2a和2b分別示出實施例1的偏置的和未偏置的ULED結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶邊緣與位置的關(guān)系，以及ULED工作的原理。
在未偏置的情況下，觸點4和12中的費米能級位置14和15是相同的。在淺和深子帶超晶格3和1的界面2上有耗盡區(qū)和帶彎曲。電子16和17不流經(jīng)界面、觸點和包覆層5和13。
在正向偏置時，若向觸點4施加正電勢，向觸點12施加負(fù)電勢，電流從結(jié)構(gòu)中流過，在淺和深子帶超晶格3和1的界面上發(fā)出光線18。
實施例2圖3示出根據(jù)實施例2的ULED結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)與圖1所示的實施例1基本相同，不同之處在于在超晶格1和3的界面處有包含光學(xué)活性雜質(zhì)或GaxAl1-xN量子點的活性層19?；钚詫釉试S與量子點或雜質(zhì)的側(cè)量子化(LQ，lateral quantization)以抑制用于電子的光子能量釋放渠道。使用LQ意味著不能沿量子阱平面自由移動，這使得電子能譜分散，如果所有能級之間的間隙高于光子能量，則能量守恒定律禁止單光子躍遷。
活性層的第二個優(yōu)勢在于可能把超晶格的子帶能量位置調(diào)諧成活性層中的雜質(zhì)或量子點的光活性躍遷。這使得可以用直接來自超晶格子帶的電流激發(fā)活性層中的光躍遷。
實施例3圖4示出根據(jù)實施例3的發(fā)白光的ULED結(jié)構(gòu)。其具有藍(lán)寶石(Al2O3)襯底11，其上形成有200埃厚的氮化鋁(AlN)緩沖層10。然后淀積n包覆和接觸層5，它由用硅(Si)以1018～1020cm-3的量摻雜的3μm厚的n-AlN形成。在這一層上外延生長GaxInyAl1-x-yN/AlN分級超晶格，它由三個未摻雜的5～20埃厚的GaxInyAl1-x-yN/AlN量子阱8和四個10埃厚的AlN阻擋層9形成。其中x和y的范圍是0.05～1.0。
然后淀積包含光活性雜質(zhì)或GaxInyAl1-x-yN量子點的活性層23。
在該活性層23上外延生長GaxInyAl1-x-yN/AlN分級超晶格24，它由三個未摻雜的5～20埃厚的GaxInyAl1-x-yN/AlN量子阱25和四個10埃厚的AlN阻擋層26形成。其中x和y的范圍是0.05～1.0。
然后淀積包含光活性雜質(zhì)或GaxInyAl1-x-yN量子點的活性層27。
在該活性層27上外延生長GaxInyAl1-x-yN/AlN分級超晶格28，它由三個未摻雜的5～20埃厚的GaxInyAl1-x-yN/AlN量子阱29和四個10埃厚的AlN阻擋層30形成。其中x和y的范圍是0.05～1.0。
然后淀積包含光活性雜質(zhì)或GaxInyAl1-x-yN量子點的活性層31。
在該活性層31上外延生長GaxInyAl1-x-yN/AlN分級超晶格32，它由三個未摻雜的5～20埃厚的GaxInyAl1-x-yN/AlN量子阱33和四個10埃厚的AlN阻擋層34形成。其中x和y的范圍是0.05～1.0。
在該超晶格32上淀積一接觸層13，其由1μm厚的摻雜量為1018～1020cm-3的n-Ga0.95Al0.05N形成。在該層13上淀積一透明鈦/鋁(Ti/Al)金屬觸點12。然后在蝕刻后的n包覆和接觸層5的結(jié)構(gòu)的角部淀積另一個觸點4。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格。
2.一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
3.一種發(fā)白光器件，具有至少三對完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有或沒有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
4.一種發(fā)白光器件，具有至少四級完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間有或沒有由光學(xué)活性雜質(zhì)、雜質(zhì)復(fù)合物或量子點構(gòu)成的活性層。
5.一種發(fā)光器件，具有多個完全由本征或n型III-氮化物半導(dǎo)體或合金構(gòu)成的超晶格，且在超晶格之間具有多個由III-V或II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的、具有不同導(dǎo)帶間斷性的活性層。
6.一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。
7.一種發(fā)出從400～4000nm波段的光的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；多個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
8.一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的、發(fā)出從400～4000nm波段的光的單極發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；多個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；用稀土金屬、過渡金屬或它們的具有淺施主或其它雜質(zhì)的復(fù)合物摻雜或δ-摻雜的活性層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
9.一種基于III-氮化物半導(dǎo)體超晶格的單極發(fā)白光器件結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底；緩沖層；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第一n包覆和接觸層；至少四個未摻雜的或n型摻雜的超晶格，其具有兩個或多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阻擋層、以及多個3～30埃厚的由GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的阱；至少三個發(fā)紅、綠和藍(lán)光的活性層，其由用稀土金屬、過渡金屬或它們的具有淺施主或其它雜質(zhì)的復(fù)合物摻雜或δ-摻雜的半導(dǎo)體構(gòu)成；由n型摻雜的GaN、AlN、InN或它們的合金構(gòu)成的第二n包覆和接觸層；在所述第二n包覆和接觸層上淀積的透明的金屬合金觸點；以及與所述第一n包覆和接觸層接觸的觸點。
10.一種如權(quán)利要求9所述的單極發(fā)白光器件，其中不具有各活性層。
全文摘要
公開了有效利用兩個n型Ⅲ－氮化物半導(dǎo)體超晶體之間的“p－n結(jié)”的基于Ⅲ－氮化物半導(dǎo)體的單極發(fā)光器件(ULED)的制造方法。這樣的器件在正向偏置時和現(xiàn)有發(fā)光器件一樣地工作,但是其發(fā)射不是因電子和空穴的再合并引起的,而是因電子從淺子帶超晶格向深子帶超晶格躍遷而引起的。
文檔編號H01S5/343GK1277461SQ00118379
公開日2000年12月20日 申請日期2000年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月15日
發(fā)明者王望南, 優(yōu)利·G·施里特, 優(yōu)利·T·里班 申請人:華上光電股份有限公司