專利名稱：ppn型發(fā)光晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種PPn型發(fā)光晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
II-VI族和III-V族化合物具有直接帶間躍遷的半導(dǎo)體發(fā)光材料，材料的發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋從紅外到紫外整個(gè)波段。
在現(xiàn)有技術(shù)中，LED基本結(jié)構(gòu)是由P型電極、有源發(fā)光區(qū)和N型電極構(gòu)成。將LED的P端和N端接入電路中，通過恒流源供電，調(diào)節(jié)LED的端電壓即可控制LED的發(fā)光強(qiáng)度，在LED顯示屏技術(shù)中，一般采用控制LED發(fā)光時(shí)間占空比的方法控制發(fā)光強(qiáng)度，即通過控制發(fā)光時(shí)間與不發(fā)光時(shí)間的比例來調(diào)節(jié)發(fā)光效果。但是，這種調(diào)節(jié)方法，需要使用晶體管提供灌電流輸入，產(chǎn)生大量的熱，同時(shí)調(diào)節(jié)起來相對(duì)不是很方便。
目前，還沒有成熟的制造發(fā)光晶體管的技術(shù)，尚處于初始研究階段。主要方法有一種是按照傳統(tǒng)晶體管原理制造的NPN型發(fā)光晶體管器件，既利用器件的p型摻雜區(qū)發(fā)光，同時(shí)又作為基區(qū)進(jìn)行控制，但是，由于基區(qū)很薄，絕大部分電子沒有及時(shí)與基區(qū)中的空穴復(fù)合發(fā)光，而是直接穿過基區(qū)到達(dá)了n型摻雜集電區(qū)，大部分電子用來放大基區(qū)電流，只有少數(shù)電子參與發(fā)光，發(fā)光效率不高。另一種是實(shí)空間轉(zhuǎn)移發(fā)光晶體管，是通過源極和漏極之間加正向電壓時(shí)，電子在源極和漏極被加速到一定的能量后，就可以通過實(shí)空間轉(zhuǎn)移效應(yīng)，進(jìn)入有源區(qū)，與柵極注入到有源區(qū)的空穴復(fù)合發(fā)光，但是，由于實(shí)空間轉(zhuǎn)移效應(yīng)的電子注入效率非常低，因此這種發(fā)光晶體管的發(fā)光效率也非常低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有發(fā)光晶體管的發(fā)光效率低的缺陷，提供一種基于III-V族化合物或者II-VI族化合物的高發(fā)光效率的ppn型發(fā)光晶體管。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法。
本發(fā)明的ppn型發(fā)光晶體管包括襯底、形成于襯底上的緩沖層、形成于緩沖層上的n型布拉格反射層、形成于n型布拉格反射層上的n型電子發(fā)射層、與n型電子發(fā)射層歐姆接觸的發(fā)射電極、形成于n型電子發(fā)射層上的多量子阱有源發(fā)光層、形成于多量子阱有源發(fā)光層上的窄帶隙p-型基區(qū)層，與p-型基區(qū)層通過歐姆接觸形成的電極、通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸形成于p-型基區(qū)層之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層以及與p+型集電極層歐姆接觸的電極。
所述窄帶隙p-型基區(qū)層厚度優(yōu)選50-150nm。
所述襯底優(yōu)選藍(lán)寶石、硅、炭化硅、砷化鎵或二氧化硅材料。
本發(fā)明中，III-V族化合物材料可以采用III族的Ga(鎵)或Al(鋁)元素，以及V族的N(氮)、As(砷)等元素組成的化合物，例如，p+型集電極層可由GaAs攙雜Mg材料制備得到，p-型基區(qū)層可由GaAs攙雜Mg、In材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層可由GaAs攙雜In材料制備得到。
II-VI族化合物材料可以采用II族Zn元素，以及VI族O元素等元素組成的化合物，例如，p+型集電極層、p-型基區(qū)層可由ZnO摻雜N、As材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層可由ZnO摻雜Be、Al材料制備得到。
本發(fā)明的發(fā)光晶體管的結(jié)構(gòu)原理由寬帶隙的p+型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))、窄帶隙的p-型基極控制區(qū)、有源發(fā)光區(qū)和n型電子發(fā)射區(qū)組成。包括一個(gè)半導(dǎo)體化合物材料襯底，在襯底上形成緩沖層，形成n型布拉格反射層，然后是n型電子發(fā)射層，再生長(zhǎng)多量子阱有源發(fā)光層，繼續(xù)生長(zhǎng)窄帶隙p-型基區(qū)層，再生長(zhǎng)突變窄寬帶隙p+摻雜集電層，p-型基區(qū)層與p+型摻雜集電區(qū)層通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸，最后形成了外延片，通過半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)制備成相應(yīng)的p+型電極、p-型電極和n型電極，形成了晶體管器件。其中，在III-V族化合物中，如GaN、GaAs和GaP等材料，通過控制In材料的組分改變材料的帶隙寬度形成控制區(qū)或發(fā)光區(qū)，利用Mg材料摻雜形成p型區(qū)，Si等摻雜形成n型區(qū)。
本發(fā)明的發(fā)光晶體管的工作原理器件正常工作時(shí)，在p+型集電極和n型發(fā)射極之間加正向電壓Vpn，p-基極和p+型集電極之間加正向電壓Vpp，空穴由p+型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))越過空穴量子阱進(jìn)入p-基區(qū)，再通過p-型基區(qū)進(jìn)入有源區(qū)，Vpp控制著基區(qū)空穴量子阱勢(shì)壘的高度，控制了通過異質(zhì)結(jié)的空穴數(shù)量，起到了調(diào)節(jié)器件發(fā)光強(qiáng)度的作用，進(jìn)入有源區(qū)的電子與由p型空穴發(fā)射區(qū)注入的空穴復(fù)合發(fā)光，其中，1V＜Vpn＜15V，0.1V＜Vpp＜8V。
本發(fā)明所述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法包括如下步驟(1)、利用金屬有機(jī)氣相淀積或分子束外延技術(shù)，生長(zhǎng)III-V族GaN、GaAs或GaP材料；(2)、選擇一個(gè)藍(lán)寶石、硅、砷化鎵或二氧化硅材料的襯底，生長(zhǎng)緩沖層；(3)、緩沖層生長(zhǎng)多周期的n型的布拉格反射層；(4)、繼續(xù)生長(zhǎng)施主摻雜濃度為1017～1019cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)；(5)、在In1-xGaxN、In1-xGaxAs或(AlGa)xIn1-xP材料中，通過改變x的值控制外延層In材料的組分，繼續(xù)生長(zhǎng)多周期的超晶格結(jié)構(gòu)，形成多量子阱有源發(fā)光層，0.03＜x＜0.95；(6)、再生長(zhǎng)受主摻雜濃度為1015～1018cm-3、厚度在50nm到150nm之間的p-型基區(qū)層；(7)、改變受主摻雜濃度1018～5×1019m-3，生長(zhǎng)突變的p+型集電極層，得到發(fā)光三極管的外延片；(8)、利用光刻和化學(xué)腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極；(9)、制作基區(qū)的p-電極和集電區(qū)的p+型電極，得到帶有控制端的ppn型發(fā)光晶體管。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)采用了p+型、p-型、n型晶體管結(jié)構(gòu)；(2)具有p-型基極可以控制發(fā)光；(3)發(fā)光晶體管的發(fā)光功率高于現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光晶體管的功率。


圖1是本發(fā)明發(fā)光晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1是襯底，2是緩沖層，3是n型布拉格反射層，4是n型發(fā)射區(qū)，5是有源區(qū)，6是p-型基區(qū)，7是p+型集電區(qū)。8是n電極，9是p-電極，10是p+電極。
圖2是本發(fā)明發(fā)光晶體管的能帶圖，圖中，11是6與7通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸形成的空穴量子阱。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的ppn型發(fā)光晶體管包括襯底1、形成于襯底1上的緩沖層2、形成于緩沖層2上的n型布拉格反射層3、形成于n型布拉格反射層3上的n型電子發(fā)射層4、與n型電子發(fā)射層4歐姆接觸的發(fā)射電極8、形成于n型電子發(fā)射層4上的多量子阱有源發(fā)光層5、形成于多量子阱有源發(fā)光層5上的窄帶隙p-型基區(qū)層6(厚度在50nm到150nm之間)，與p-型基區(qū)層6通過歐姆接觸形成的電極9、通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸形成于p-型基區(qū)層6之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層7以及與p+型摻雜的集電極層7歐姆接觸的電極10。
圖1中，空穴由p+型集電區(qū)7，經(jīng)過p-型基區(qū)6進(jìn)入有源區(qū)5，然后在有源區(qū)5與由n型電子發(fā)射區(qū)4注入的電子復(fù)合發(fā)光。其中施加在p-型基區(qū)電極9上的電壓控制著基區(qū)空穴量子阱勢(shì)壘高度，進(jìn)而控制了通過異質(zhì)結(jié)的空穴數(shù)量，起到了調(diào)節(jié)器件發(fā)光強(qiáng)度的作用。
圖2示意了本發(fā)明發(fā)光晶體管的能帶圖，通過能帶圖可以清楚看出，基區(qū)6與集電極7的突變同型異質(zhì)結(jié)接觸形成的量子阱11可以起到限制空穴的作用，通過控制基區(qū)6上的電壓可以調(diào)節(jié)異量子阱11的勢(shì)壘，控制了空穴通過量子阱11的數(shù)量，從而可以起到調(diào)節(jié)發(fā)光的作用。
實(shí)施例1利用III-V族化合物材料GaAs材料制備晶體管。選用藍(lán)寶石襯底，由寬帶隙的n型電子發(fā)射區(qū)、有源發(fā)光區(qū)、窄帶隙的p-型基極控制區(qū)和p型集電區(qū)(空穴發(fā)射區(qū))構(gòu)成。在n型GaAs材料襯底1上形成緩沖層2，再形成n型布拉格反射層3，然后是n型電子發(fā)射層4，再繼續(xù)生長(zhǎng)多量子阱有源發(fā)光層5，然后生長(zhǎng)p-型基區(qū)層6，再繼續(xù)生長(zhǎng)突變的p+型重?fù)诫s集電區(qū)層7，輕摻雜p-型基區(qū)層6與p+型重?fù)诫s發(fā)射區(qū)層7通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸，在靠近p-型輕摻雜基區(qū)層6的結(jié)區(qū)一側(cè)形成量子阱11，量子阱的勢(shì)壘高度通過施加在基區(qū)6上的電壓進(jìn)行控制，形成了外延片。通過半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)制備成相應(yīng)的p+型電極10、p-型電極9和n型電極8，形成了晶體管器件。其中，在In1-xGaxAs材料中，通過變化x的值來改變In元素的組分，致使改變材料的帶隙寬度形成控制區(qū)或發(fā)光區(qū)，在GaAs材料中利用Mg材料摻雜形成p型區(qū)，利用Si摻雜形成n型區(qū)。
本實(shí)施例的發(fā)光晶體管的制備方法是利用MOCVD技術(shù)，生長(zhǎng)GaAs材料。選擇n型GaAs為半導(dǎo)體材料襯底1，生長(zhǎng)0.5μm厚的緩沖層2。通過Si材料的摻雜生長(zhǎng)多周期的n型的布拉格反射層3。繼續(xù)生長(zhǎng)Si材料摻雜濃度為1017cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)4。在生長(zhǎng)In1-xGaxN材料時(shí)(0.03＜x＜0.95)，通過改變x值控制In材料的摻雜組分，生長(zhǎng)多周期的超晶格結(jié)構(gòu)，形成多量子阱有源區(qū)5。在多量子阱有源區(qū)5上生長(zhǎng)Mg摻雜濃度為1016cm-3的p-型基區(qū)6。再繼續(xù)突變生長(zhǎng)Mg摻雜濃度為1017cm-3的p+型集電區(qū)7，得到發(fā)光三極管的外延片。通過半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)，利用光刻和化學(xué)腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金等材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極8。利用上述方法，可以制作基區(qū)的p-電極9和集電區(qū)的p+型電極10，得到帶有控制端的發(fā)光晶體管。
實(shí)施例2利用II-VI族化合物材料ZnO材料制備晶體管。
與實(shí)施例1相比，實(shí)施例2的不同之處在于采用ZnO材料，攙雜Al元素形成n型發(fā)射區(qū)4，攙雜N元素形成有源發(fā)光區(qū)5、p-型6、p+型區(qū)7。
其他同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種ppn型發(fā)光晶體管，其特征在于包括襯底、形成于襯底上的緩沖層、形成于緩沖層上的n型布拉格反射層、形成于n型布拉格反射層上的n型電子發(fā)射層、與n型電子發(fā)射層歐姆接觸的發(fā)射電極、形成于n型電子發(fā)射層上的多量子阱有源發(fā)光層、形成于多量子阱有源發(fā)光層上的窄帶隙p-型基區(qū)層，與p-型基區(qū)層通過歐姆接觸形成的電極、通過突變同型異質(zhì)結(jié)接觸形成于p-型基區(qū)層之上的寬帶隙p+型摻雜的集電極層以及與p+型集電極層歐姆接觸的電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光晶體管，其特征在于所述窄帶隙p-型基區(qū)層厚度為50-150nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光晶體管，其特征在于所述襯底采用藍(lán)寶石、硅、炭化硅、砷化鎵或二氧化硅材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光晶體管，其特征在于p+型集電極層由GaAs攙雜Mg材料制備得到，p-型基區(qū)層由GaAs攙雜Mg、In材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層由GaAs攙雜In材料制備得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光晶體管，其特征在于p+型集電極層、p-型基區(qū)層由ZnO摻雜N、As材料制備得到，多量子阱有源發(fā)光層由ZnO摻雜Be、Al材料制備得到。
6.權(quán)利要求1-5之一所述ppn型發(fā)光晶體管的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)、利用金屬有機(jī)氣相淀積或分子束外延技術(shù)，生長(zhǎng)III-V族GaN、GaAs或GaP材料；(2)、選擇一個(gè)藍(lán)寶石、硅、砷化鎵或二氧化硅材料的襯底，生長(zhǎng)緩沖層；(3)、緩沖層生長(zhǎng)多周期的n型的布拉格反射層；(4)、繼續(xù)生長(zhǎng)施主摻雜濃度為1017～1019cm-3的n型材料的電子發(fā)射區(qū)；(5)、在In1-xGaxN、In1-xGaxAs或(AlGa)xIn1-xP材料中，通過改變x的值控制外延層In材料的組分，繼續(xù)生長(zhǎng)多周期的超晶格結(jié)構(gòu)，形成多量子阱有源發(fā)光層，0.03＜x＜0.95；(6)、再生長(zhǎng)受主摻雜濃度為1015～1018cm-3、厚度在50nm到150nm之間的p-型基區(qū)層；(7)、改變受主摻雜濃度1018～5×1019cm-3，生長(zhǎng)突變的p+型集電極層，得到發(fā)光三極管的外延片；(8)、利用光刻和化學(xué)腐蝕的方法，刻蝕n型層表面，再利用光刻的方法形成n型層歐姆接觸電極圖形，利用蒸發(fā)方法蒸鍍Al/Au合金材料，形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸電極；(9)、制作基區(qū)的p-電極和集電區(qū)的p+型電極，得到帶有控制端的ppn型發(fā)光晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于III－V族化合物或者II－VI族化合物的高發(fā)光效率的ppn型發(fā)光晶體管，包括襯底、緩沖層、n型布拉格反射層、n型電子發(fā)射層、發(fā)射電極、多量子阱有源發(fā)光層、窄帶隙p
文檔編號(hào)H01L33/00GK101060154SQ200710028069
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者郭志友, 張建中, 孫慧卿, 范廣涵 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)