專利名稱：氮化物半導(dǎo)體led和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體，更具體地，涉及GaN基氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)和其制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說，GaN基氮化物半導(dǎo)體應(yīng)用于作為高速開關(guān)和高功率器件的電子設(shè)備中，如藍(lán)/綠LED、MESFET、HEMT等的光學(xué)元件。尤其是，藍(lán)/綠LED正處于已經(jīng)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)并且在全球的銷售呈指數(shù)增長的狀態(tài)。
上述的常規(guī)GaN基氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)通常在藍(lán)寶石基底或SiC基底上生長。另外，在低的生長溫度下，在藍(lán)寶石基底或SiC基底上生長AlyGa1-yN多晶層作為過渡層。然后，在高溫下，未摻雜的GaN層、摻雜有濃度大于1×1017/cm3的硅的n-GaN層或其組合n-GaN層在過渡層上形成，作為第一電極層。另外，在Mg-AlGaN覆層上形成Mg-GaN層作為第二電極層，即得GaN基氮化物半導(dǎo)體LED。另外，發(fā)光層(多量子阱活性層)夾在第一電極層和第二電極層之間。
但是，上述結(jié)構(gòu)的常規(guī)氮化物半導(dǎo)體LED的晶體缺陷非常高，約為108/cm3左右，產(chǎn)生于基底和過渡層之間的界面。
因此，常規(guī)的氮化物半導(dǎo)體LED存在缺點，即電學(xué)性質(zhì)，明確地說，即反偏置情況下的漏電流增大，對設(shè)備的可靠性產(chǎn)生重大影響。
另外，常規(guī)的氮化物半導(dǎo)體LED還有另一個缺點，過渡層和基底之間的界面產(chǎn)生的晶體缺陷使發(fā)光層的結(jié)晶性變差，從而降低光發(fā)射效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供氮化物半導(dǎo)體LED和其生產(chǎn)方法，以減小由于基底和在基底上生長的GaN基單晶層之間熱膨脹系數(shù)差和晶格常數(shù)差所產(chǎn)生的晶體缺陷，改進(jìn)GaN基單晶層的結(jié)晶性，從而提高器件的性能，并確保其可靠性。
為了實現(xiàn)這些和其他優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的目的，正如所實施和概括描述的那樣，提供了一種氮化物半導(dǎo)體LED，其包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的、上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層(這里0≤y≤1)；在AlyGa1-yN/GaNSPS上層上形成的n-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成的活性層；和在活性層上形成的p-GaN層的第二電極層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體LED，其包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的、包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成的、包含低濃度摻雜物的n-GaN層；在n-GaN層上形成的活性層；和在活性層上形成的p-GaN層的第二電極層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體LED的制造方法，該方法包括以下步驟在基底上生長GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層，其為上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)(這里0≤y≤1)；在AlyGa1-yN/GaN SPS上層上形成包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成活性層；在活性層上形成p-GaN層的第二電極層。


圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
如圖1所示，本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體LED包括基底101；在基底101上形成的GaN基過渡層102；在GaN基過渡層102上形成的n-GaN層的第一電極層105；在第一電極層上形成的活性層120；在活性層120上形成的p-GaN層的第二電極層110。
這里，GaN基過渡層102可以被形成為三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。
換言之，在本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體LED中，在基底101(例如藍(lán)寶石基底或SiC基底)上生長GaN基氮化物半導(dǎo)體作為GaN基過渡層102，形成n-GaN層105作為第一電極層，形成摻雜原子Mg的p-GaN層110作為第二電極層。另外，具有InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的活性層120以夾層組合結(jié)構(gòu)形成于n-GaN層的第一電極層105和p-GaN層的第二電極層110之間。
這里，活性層120可以由InxGa1-xN阱層106、InxGa1-xN/GaN阻擋層107、InxGa1-xN阱層108和InxGa1-xN/GaN阻擋層109形成。另外，在GaN基過渡層102和n-GaN層的第一電極層105之間還可以另外形成未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層103和104。
另外，低溫下在基底101上生長GaN基過渡層102的過程中，使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，使其在100-700托的生長壓力、500-800℃的低溫下，以諸如三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN、兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN等的層疊結(jié)構(gòu)以小于700的厚度生長。
此時，對于在低溫下生長GaN基過渡層102來說，使用MOCVD設(shè)備，該設(shè)備在引入TMGa、TMIn、TMAl源氣體并同時引入NH3氣體的時候供應(yīng)載氣H2、N2。
另外，在GaN基過渡層102上生長GaN基單晶層的高溫過程是在900-1100℃的溫度下生長未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層103和104，并在其所得產(chǎn)品上再形成摻雜原子硅的n-GaN層105(濃度大于1×1018/cm3)。這里n-GaN層105用作第一電極層，具有大于1×1018/cm3的載流子濃度。
此時，對于生長GaN基單晶層來說，使用MOCVD設(shè)備，其具有900-1100℃溫度下供應(yīng)的TMGa、TMIn氣體源，以便生長GaN基單晶層。另外，引入TMGa、TMIn源氣體，以100-700托的壓力、0.1-700μmol/min的流量供應(yīng)，以便生長GaN基單晶層。此時，使用SiH4氣作為摻雜氣體，以摻雜硅原子。
另一方面，圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
如圖2所示，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體LED中，在基底201(例如藍(lán)寶石基底或SiC基底)上提供GaN基過渡層202，其具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。另外，在GaN基過渡層202上形成未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層203。
另外，在未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層203上形成AlyGa1-yN/GaN SPS層204和206，其為上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層205的夾層結(jié)構(gòu)。
在AlyGa1-yN/GaN SPS上層206上形成n-GaN層207作為第一電極層。這里，n-GaN層的第一電極層207具有大于1×1018/cm3的載流子濃度，硅用作摻雜物。
另外，氮化物半導(dǎo)體LED包括作為光發(fā)射層的InxGa1-xN/GaN活性層220。這里，活性層220可以多量子阱結(jié)構(gòu)形成，該結(jié)構(gòu)具有InxGa1-xN阱層208、InxGa1-xN/GaN阻擋層209、InxGa1-xN阱層210和InxGa1-xN/GaN阻擋層211。
在本發(fā)明中，當(dāng)形成活性層220時，于700-800℃的生長溫度、N2氣氛下InxGa1-xN阱層208和210、InxGa1-xN/GaN阻擋層209和211分別生長至厚度小于70。然后，提高生長溫度至900-1020℃，引入Cp2Mg摻雜氣體，使p-GaN層212以0.01-0.5μm的厚度生長，以用作第二電極層。此時，作為氣氛氣體的NH3、H2的混合氣體氣氛維持為高純度。
此時，如圖2所示，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體LED包括AlyGa1-yN/GaN SPS層204和206。因此，為了評價夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaN SPS層204和206對結(jié)晶性變化的影響，生長一種不包括InxGa1-xN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的活性層220和p-GaN層的第二電極層212的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行DC-XRD分析。
上述DC-XRD分析的結(jié)果表明，在具有未摻雜GaN/n-GaN結(jié)構(gòu)作為過渡層的常規(guī)氮化物半導(dǎo)體的情況下，獲得約290弧度秒的FWHM(半高寬(full widthhalf-maximum))值；但是在具有如圖2所示的本發(fā)明結(jié)構(gòu)的情況下，獲得約250弧度秒的FWHM值?？紤]到以上情況，在如本發(fā)明中具有夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaNSPS層204和206的情況下，可以理解的是改善了結(jié)晶性。
此外，作為分析具有圖2所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體LED的電特性的結(jié)果，正向偏置特性如工作電壓(VF)和亮度等不變。但是，可以理解的是，當(dāng)施加反偏置時，常規(guī)的反偏置擊穿電壓從“-15V”升高至超過“-19V”，從而改善了電流泄漏。
上述改善的特性是由有效減少了基底201中和侵入表面的GaN基過渡層202中形成位錯的效果所引起的。因此，其由以下結(jié)果所導(dǎo)致活性層220的InxGa1-xN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)和p-GaN層212的可結(jié)晶性得到改善。
另一方面，為了更加改善所述特性，本發(fā)明提供了具有下列結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體LED。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的氮化物半導(dǎo)體LED的示意性結(jié)構(gòu)的剖面圖。
如圖3所示，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體LED中，在高濃度摻雜的n+-GaN層307的第一電極層上還生長了摻雜約1×1017/cm3的低濃度硅的n-GaN層308。因此，在InxGa1-xN阱層309的界面上，應(yīng)力可以被抑制，結(jié)晶性可以改善，其中阱層309首先在相對低的生長溫度下在InxGa1-xN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的活性層320上生長。
這里，在n-GaN層308由半絕緣的GaN層形成時，它還可以起到電流保護(hù)層的作用，以有效隔絕電流泄漏，所述的電流泄漏是在反偏置時反向侵入光發(fā)射層(多量子阱活性層)中的。
另外，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體LED被反偏置時，其結(jié)晶性變差，導(dǎo)致電流泄漏。因此，為了防止這一點，它可以形成為插入有薄半絕緣GaN層或小于1×1018/cm3的低濃度摻雜n-GaN層的結(jié)構(gòu)。
換言之，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體LED包括基底301；在基底301上形成的GaN基過渡層302；在GaN基過渡層302上形成的、包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層307；在第一電極層上形成的、包含低濃度摻雜物的n-GaN層308；在n-GaN層308上形成的活性層320；和在活性層320上形成的p-GaN層的第二電極層313。
這里，在基底301上提供了GaN基過渡層302，其具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。另外，在GaN基過渡層302上形成未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層303。
另外，在未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層303上形成AlyGa1-yN/GaN SPS層304和306，其為上部和下部之間置有摻雜銦的GaN層305的夾層結(jié)構(gòu)。
在AlyGa1-yN/GaN SPS上層306上形成n+-GaN層307作為第一電極層。這里n+-GaN層的第一電極層307的載流子濃度大于1×1018/cm3，含有用作摻雜物的硅。
另外，氮化物半導(dǎo)體LED包括作為光發(fā)射層的InxGa1-xN/GaN的活性層320。這里，活性層320可以形成為具有InxGa1-xN阱層309、InxGa1-xN/GaN阻擋層310、InxGa1-xN阱層311和InxGa1-xN/GaN阻擋層312的多量子阱結(jié)構(gòu)。
另一方面，在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體LED的制造方法中，當(dāng)生長未摻雜的GaN層和摻雜銦的GaN層305與306以及n+-GaN層的第一電極層307時，除了高純度的NH3和H2載氣，還混合N2氣體并用作載氣。在上述加工情況下，摻雜和生長的厚度一致性得以改善。另外，從對正向和反向電學(xué)性質(zhì)的分析可以看出，可以獲得在晶片中具有非常規(guī)則分散分布的工作電壓和反向擊穿電壓。
工業(yè)應(yīng)用如上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體LED和其制造方法可以減少由于在基底和基底上生長的GaN基單晶層之間的熱膨脹系數(shù)差和晶格常數(shù)差所導(dǎo)致的晶體缺陷，并改善GaN基單晶層的結(jié)晶性。因此，本發(fā)明具有可以改善氮化物半導(dǎo)體LED的性能并確保其可靠性的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體LED，包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的、上層和下層之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層(這里0≤y≤1)；在AlyGa1-yN/GaN SPS上層上形成的n-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成的活性層；和在活性層上形成的p-GaN層的第二電極層。
2.權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體LED，其中GaN基過渡層具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。
3.權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體LED，其還包括GaN基過渡層上的未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層。
4.一種氮化物半導(dǎo)體LED，包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層；在未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層上形成的、上層和下層之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層(這里0≤y≤1)；在AlyGa1-yN/GaN SPS上層上形成的、包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成的、包含低濃度摻雜物的n-GaN層；在n-GaN層上形成的活性層；和在活性層上形成的p-GaN層的第二電極層。
5.權(quán)利要求4的氮化物半導(dǎo)體LED，其中GaN基過渡層具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。
6.一種氮化物半導(dǎo)體LED，包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的、包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成的、包含低濃度摻雜物的n-GaN層；在n-GaN層上形成的活性層；和在活性層上形成的p-GaN層的第二電極層。
7.權(quán)利要求6的氮化物半導(dǎo)體LED，其中n+-GaN層中摻雜物的濃度大于1×1018/cm3。
8.權(quán)利要求6的氮化物半導(dǎo)體LED，其中n-GaN層中摻雜物的濃度小于1×1018/cm3。
9.權(quán)利要求6的氮化物半導(dǎo)體LED，其中n-GaN層中摻雜物的濃度為1×1017/cm3。
10.權(quán)利要求6的氮化物半導(dǎo)體LED，其中GaN基過渡層具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。
11.權(quán)利要求6的氮化物半導(dǎo)體LED，其還包括在GaN基過渡層上形成的、上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)的AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層(這里0≤y≤1)。
12.一種氮化物半導(dǎo)體LED的制造方法，該方法包括以下步驟在基底上生長GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成AlyGa1-yN/GaN短周期超晶格(SPS)層，其為上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)(這里0≤y≤1)；在AlyGa1-yN/GaN SPS上層上形成包含高濃度摻雜物的n+-GaN層的第一電極層；在第一電極層上形成活性層；和在活性層上形成p-GaN層的第二電極層。
13.權(quán)利要求12的制造方法，其還包括在n+-GaN層的第一電極層和活性層之間形成包含低濃度摻雜物的n-GaN層的步驟。
14.權(quán)利要求12的制造方法，其中GaN基過渡層使用MOCVD設(shè)備、在引入TMGa、TMIn和TMA1源氣體并同時引入NH3氣體的時候、在具有H2和N2載氣的氣氛中于500-800℃溫度下生長到50-800的厚度。
15.權(quán)利要求12的制造方法，其中GaN基過渡層在TMGa、TMIn、TMA1源氣體流量為5-300μmol/min、生長壓力100-700托的條件下生長。
16.權(quán)利要求12的制造方法，其中GaN基過渡層具有三層結(jié)構(gòu)的AlyInxGa1-x，yN/InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1，0≤y≤1)；兩層結(jié)構(gòu)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)；或超晶格結(jié)構(gòu)(SLS)的InxGa1-xN/GaN(這里0≤x≤1)。
17.權(quán)利要求12的制造方法，其還包括在GaN基過渡層上形成未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的步驟。
18.權(quán)利要求12的制造方法，其中n+-GaN層中摻雜物的濃度大于1×1018/cm3。
19.權(quán)利要求13的制造方法，其中n-GaN層中摻雜物的濃度為1×1017/cm3。
20.權(quán)利要求13的制造方法，其中n-GaN層由半絕緣層形成。
全文摘要
公開了一種氮化物半導(dǎo)體LED，包括基底；在基底上形成的GaN基過渡層；在GaN基過渡層上形成的、上部和下部之間置有未摻雜的GaN層或摻雜銦的GaN層的夾層結(jié)構(gòu)的Al
文檔編號H01L21/20GK1659715SQ03813235
公開日2005年8月24日 申請日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月19日
發(fā)明者李昔憲 申請人:Lg伊諾特有限公司