[发明专利]具有p型极化掺杂的III族氮化物光电子器件

说明书

一种III族氮化物的p型层的极化掺杂结构，其特征在于，所述p型层通过组分渐变引入的极化诱导产生一定浓度的空穴；所述p型层中含有p型掺杂剂，且所述p型掺杂剂浓度在所述p型层内呈调制分布。本发明通过Mg受主的调制掺杂，降低外延层中Mg的平均掺杂浓度，改善材料的晶体质量、提高空穴浓度和空穴迁移率，减少光吸收损耗，最终提升使用此p型掺杂方法的光电子器件的光电性能。

技术领域

本发明涉及电子器件和光电子器件，具体涉及一种具有p型极化掺杂的III族氮化物光电子器件。

背景技术

自上世纪90年代以来，基于III族氮化物材料(包括InN、GaN、AlN、BN等)的发光二极管(Light-emitting diode，LED)引起广泛关注并取得了迅猛的发展。通过调节合金组分，III族氮化物材料的禁带宽度覆盖了200nm以上的紫外波段、整个可见光波长范围，直至近红外波段。III族氮化物基LED具有波长精确可调、轻便灵活、能耗低、工作电压低、定向发光、无污染、寿命长、响应时间快等显著优势，在白光照明、可见光通信、聚合物固化、杀菌消毒等方面有着巨大的市场价值或潜在应用价值。

然而III族氮化物材料，特别是高Al组分AlGaN基材料的高效p型掺杂技术却一直难以得到突破，高空穴浓度的p型III族氮化物材料一直难以获得，制约着III族氮化物电子器件和光电子器件的发展。这是因为随Al组分增加，AlGaN材料的禁带宽度增大，受主能级逐渐加深，受主激活能持续增加，导致载流子激活效率和载流子浓度降低。室温下Mg受主的激活能由GaN中160-200meV几乎线性增加到A1N中510-630meV。为了实现高的空穴浓度，通常需要提高掺杂剂的浓度，但过高的掺杂剂浓度会导致晶体质量变差和结构缺陷(如氮空位、Mg间隙原子形成的双施主)增多，自补偿效应加剧且载流子迁移率下降，从而导致掺杂AlGaN层的电导率下降，影响了LED的电注入效率和发光效率。

有报道采用组分渐变极化诱导掺杂法，利用材料中Al组分变化造成的晶胞界面极化场强度突变，在材料中产生负的极化诱导电荷，极化场也能促进Mg受主的电离，从而获得高浓度的极化诱导三维空穴气。这种p型极化掺杂具有空穴浓度高、空穴浓度对温度不敏感等优点。在这些报道中，组分渐变层的生长一般采用均匀的Mg掺杂。但Mg作为杂质原子，会使载流子在其中输运时受到电离散射，从而降低载流子的迁移率。此外，有研究表明Mg受主本身以及Mg杂质并入时产生的缺陷会对LED有源区辐射的光产生吸收损耗，不利于LED的出光效率最大化。

从组分渐变极化诱导产生空穴的原理来看，组分渐变层完全不做Mg掺杂时，是可以实现三维空穴气的。但是实际的III族氮化物外延生长过程中，组分渐变层的晶体质量是不完美的，缺陷密度很高，这会产生大量的背景电子，屏蔽掉诱导产生的空穴。这意味着适量的Mg掺杂是必须的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有p型极化掺杂的III族氮化物光电子器件及掺杂方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种III族氮化物的p型层的极化掺杂结构，

所述p型层通过组分渐变引入的极化诱导产生一定浓度的空穴；

所述p型层中含有p型掺杂剂，且所述p型掺杂剂浓度在所述p型层内呈调制分布。

其中，所述p型层由III族氮化物材料B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN制成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；和/或

所述p型层厚度为0.001-10微米；和/或

所述p型层中沿金属极性方向发生x逐渐减小、y逐渐减小或z逐渐增大中的至少一种。

其中，所述p型掺杂剂为Mg、Be或Zn，且在所述p型层中形成多层δ掺入层。