專利名稱：Ⅲ族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及in族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。本文中，III族氮
化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括式為AlxGaylih+yN (x、 y和x+y均不小 于0且不大于1)并且摻雜有任意元素以具有n-型/p-型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體。 此外，所述發(fā)光器件還包括其III族元素或IV族元素的一部分被B、 Tl、 P、 As、 Sb或Bi置換的半導(dǎo)體。
背景技術(shù)：
III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件通常通過在異質(zhì)襯底上利用 MOVPE進(jìn)行外延生長形成，此時(shí)其膜厚度沿具有所謂"Ga極性"的c-軸方向增長。在此，外延膜的表面對(duì)應(yīng)于c-晶面。
而且，當(dāng)將具有c-晶面作為主晶面的GaN襯底用于MOVPE外延生 長時(shí)，針對(duì)結(jié)晶質(zhì)量、電特性和光學(xué)特性，通常使用具有"Ga極性"的 GaN襯底的c-晶面。在這種情況下，外延生長膜生長為其膜厚度沿具有"Ga 極性"的c-軸方向增長。相反，使用具有"N極性"的c-晶面是不利的， 此時(shí)難以獲得均勻的外延生長膜，并且晶體很可能成為粗制晶體。
JP-A-2003-101149公開了一種將外延生長膜的極性從"Ga極性"反 轉(zhuǎn)成"N極性"的技術(shù)。在此，極性反轉(zhuǎn)是指將外延膜的整個(gè)表面處的完 全的"Ga極性"改變成外延膜表面的一部分處(例如在許多顯微區(qū)域中) 的"N極性"，而不是外延膜的整個(gè)表面處的完全的"N極性"。
JP-A-06-291368公開了一種使p-型層具有用于提高發(fā)光器件的光提 取效率的凹凸表面的技術(shù)。
除了 JP-A-06-291368以外，還提出了使p-型層或正電極表面具有用 于提高發(fā)光器件的光提取效率的凹凸表面的許多技術(shù)。然而，p-型層表面 是通過在c-軸方向上的生長而形成的最終晶面，即具有"Ga極性"的晶 面。"Ga極性"的c-晶面表現(xiàn)出對(duì)于利用酸或堿溶液的濕蝕刻的高耐蝕性，
因此難以在其上濕蝕刻形成凹凸表面。
以下方法用于通過濕蝕刻形成凹凸表面。
在用于外延生長之后，將異質(zhì)襯底剝離并由此暴露出先前接觸異質(zhì)襯
底的作為c-晶面的"N極性"側(cè)。然后，對(duì)"N極性"側(cè)(通常為負(fù)電極 側(cè))進(jìn)行濕蝕刻以形成凹凸表面。
或者，使用具有c-晶面作為主晶面的GaN襯底進(jìn)行MOVPE外延生 長。然后，對(duì)與用于外延生長的表面(即GaN襯底的Ga極性側(cè))相反的 N極性側(cè)進(jìn)行濕蝕刻以形成凹凸表面。同樣，在這種情況下，GaN襯底(即 N極性側(cè))通常位于負(fù)電極側(cè)上。
當(dāng)在外延生長期間在生長表面上形成凹凸表面時(shí)，形成條件必須遠(yuǎn)離 使外延膜具有良好結(jié)晶質(zhì)量的最優(yōu)條件。因此，器件特性必然劣化，尤其 是驅(qū)動(dòng)電壓不可避免地增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有提高的光提取效率的III族氮化物基化 合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
(1)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案， 一種III族氮化物基化合物半導(dǎo) 體發(fā)光器件包括
極性反轉(zhuǎn)層，其包括具有凸部的表面；和
形成在所述極性反轉(zhuǎn)層上的透明電極。
在上述實(shí)施方案(1)中，可以作出以下變化或改變。
(i) 所述極性反轉(zhuǎn)層具有不小于1 x 10加原子/cm3的鎂濃度。
(ii) 所述極性反轉(zhuǎn)層具有不小于2 x 102Q原子/cm3且不大于5 x 1021
原子/0113的鎂濃度。
(iii) 所述極性反轉(zhuǎn)層包括鎂摻雜的AlxGai-xN (0&<1 )。
(iv) 所述具有凸部的表面通過使用磷酸、氫氧化鉀和四甲基氫氧化 銨其中之一的濕蝕刻而形成。
(v) 所M面包括約1 x 107/cm2至約1 x 101(Vcm2的凸部。
(vi) 所W面包括約1 x 108/cm2至約1 x 109/cm2的凸部。(vii) 所i^面包括在Ga極性區(qū)的凸部和在N極性區(qū)的凹部。
(viii) 所述發(fā)光器件還包括 發(fā)光層；和
用于提:^所iOL光層發(fā)出的光的光提M面，
其中，相對(duì)于發(fā)光層，所述極性反轉(zhuǎn)層形成得更接近于所述光
提絲面。
該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)
通過過度增加作為受主摻雜雜質(zhì)添加的鎂的濃度，可充分形成極性反 轉(zhuǎn)區(qū)。在c-軸方向上的常規(guī)外延生長的情況下，極性反轉(zhuǎn)區(qū)包括在具有正 常"Ga極性"的c-晶面上產(chǎn)生的許多具有"N極性"的顯微區(qū)域。
具有"N極性，，的顯微區(qū)域容易通過濕蝕刻來蝕刻，并因此可以通過 濕蝕刻形成許多蝕刻凹點(diǎn)(pit)。因此，形成具有許多蝕刻凹點(diǎn)(即具有 許多凹陷和突起)的p-型層并且在所述p-型層上形成透明正電極。結(jié)果， 可以容易地形成通過透明正電極來提高光提取效率的面朝上型(face-up type) III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
本發(fā)明也可以適用于諸如藍(lán)寶石襯底的異質(zhì)襯底，并且在本發(fā)明中并 非總是需要昂貴的GaN襯底。此外，在本發(fā)明中不要求通過剝離來移除外 延生長襯底的步驟，并且因此可以降低本發(fā)明的發(fā)光器件的制造成本。


以下將參照

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中
圖1A至1C是示出濕蝕刻前的三個(gè)晶片的表面的AFM(原子力顯微 鏡)分析圖像，其中在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的實(shí)施例l中，GaN層 形成有不同的Mg濃度；
圖2A至2C是示出濕蝕刻后的三個(gè)晶片的表面的AFM(原子力顯微 鏡)分析圖像，其中在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的實(shí)施例1中，GaN層 形成有不同的Mg濃度；和
圖3是示出在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的實(shí)施例2中的III族氮化 物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件100的截面圖。
具體實(shí)施例方式
為了形成本發(fā)明的極性反轉(zhuǎn)區(qū)，優(yōu)選加入不少于lxl0加原子/cm3、 更優(yōu)選不少于2 x 102°原子/ 113，還更優(yōu)選5 x 1()2o原子/cm3的鎂(Mg )。 如果Mg的添加量超過5 x 1021原子/cm3,則Mg原子含量超過Ga原子的 1/10，此時(shí)該層不能被認(rèn)為是III族氮化物基化合物半導(dǎo)體。而且，導(dǎo)電性 的劣化導(dǎo)致該層不起電極形成層的作用。
極性反轉(zhuǎn)層的厚度優(yōu)選不小于O.lnm并且更優(yōu)選不小于0.3nm。由 此，可以通過濕蝕刻形成具有大高低差的凹陷和凸起。另一方面，如果極 性反轉(zhuǎn)層的厚度超過lnm，則極性反轉(zhuǎn)層的電阻率增加從而導(dǎo)致過高的驅(qū) 動(dòng)電壓。因此，這種厚度是不優(yōu)選的。
待蝕刻的N極性區(qū)域優(yōu)選不小于整個(gè)表面的20%，更優(yōu)選不小于整 個(gè)表面的30%,更優(yōu)選不小于整個(gè)表面的40%。
本發(fā)明的III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的特征在于其包括透 明電極，并且形成所述透明電極的最上層由極性反轉(zhuǎn)層構(gòu)成，所述極性反 轉(zhuǎn)層具有通過濕蝕刻形成的凹陷和凸起。對(duì)于發(fā)光器件的其它組成、各層 的制造方法等無需限制。
例如，發(fā)光層或有源層可以是單層、單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)、多量 子阱(MQW)結(jié)構(gòu)等。當(dāng)在發(fā)光層或有源層的p-側(cè)或n-側(cè)上形成覆蓋層 時(shí)，所^蓋層的其一或二者可以是多層結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)用于激光器結(jié)構(gòu)時(shí)， 可以形成引導(dǎo)層或電流阻擋結(jié)構(gòu)，并且可以在其任意表面或內(nèi)部形成絕緣 層。此夕卜,可k乂形成用于改善靜電耐壓(electrostatic discharge resistance) 的層。
實(shí)施例1
通過濕蝕刻使極性反轉(zhuǎn)層形成凹陷和凸起的過程被測試如下
提供a-晶面藍(lán)寶石襯底，并且在該襯底上經(jīng)A1N緩沖層形成厚度為 300nm的GaN:Mg層。通過控制作為鎂源的雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)的 流量，形成鎂摻雜量分別為5xl019/cm3、 1.5 x 1020/cm3和2.5 x 1020/cm3 的三種晶片。
在用氫氧化鉀(KOH)濕蝕刻前/后，通過AFM (原子力顯微鏡) 圖像分析這三種晶片的表面形態(tài)。結(jié)果如圖1A至1C和圖2A至2C所示。
圖1A是在2.5 x 102°/cm3的鎂摻雜量下濕蝕刻前的晶片表面的AFM 圖像，圖2A是濕蝕刻后的該晶片表面的AFM圖像。
圖IB是在1.5 x 102G/cm3的鎂摻雜量下濕蝕刻前的晶片表面的AFM 圖像，圖2B是濕蝕刻后的該晶片表面的AFM圖像。
圖1C是在5xlO,cmS的鎂摻雜量下濕蝕刻前的晶片表面的AFM圖 像，圖2C是濕蝕刻后的該晶片表面的AFM圖像。
在鎂摻雜量為2.5 x 102°/cm3的情況下，如圖1A所示，在濕蝕刻之前 已經(jīng)在晶片表面上觀察到大量凸部。如圖2A所示，在濕蝕刻后，觀察到 的凸部為7xl08/cm2。
在鎂摻雜量為1.5><102°/ 113的情況下，如圖1B所示，在濕蝕刻之前 在晶片表面上未觀察到凸部。如圖2B所示，在濕蝕刻后，觀察到的凸部 為1.6 x 108/cm2。
在鎂摻雜量為5xlO"/cmS的情況下，如圖1C所示，在濕蝕刻之前 在晶片表面上未觀察到凸部。如圖2C所示，在濕蝕刻后，觀察到的凸部 為7 x 106/cm2。
因此，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎂摻雜量超過lxlO,cn^時(shí)，在濕蝕刻后形成約lx 107/0112至約1 x 101()/ 112的大量凸部。換言之，當(dāng)鎂摻雜量超過l x 102G/cm3 時(shí)，形成大量表現(xiàn)出N-極性的顯微區(qū)域。由此，由于N極性區(qū)域可以容 易地通過濕蝕刻來蝕刻，因此可以在p-層表面上容易地形成凹陷和凸起。 因此，在濕蝕刻后，p-層表面上的凸部優(yōu)選形成為約1乂107/0112至約lx
1010/cm2,更優(yōu)選約"108/ 112至約"109/ 112,以提高光提取效率。
相反，如果鎂摻雜量低于lxl0,cm3，則甚至在濕蝕刻后也僅形成 少量凸部。這顯示表現(xiàn)出N-極性的顯微區(qū)域形成很少，并且因此仍然難以 實(shí)施濕蝕刻，此時(shí)在p-層表面上不容易形成凹陷和凸起。
實(shí)施例2
圖3是示出本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的III族氮化物基半導(dǎo)體發(fā)光 器件100的截面圖。
III族氮化物基半導(dǎo)體發(fā)光器件100的結(jié)構(gòu)為在藍(lán)寶石襯底10上形成 約15nm厚的氮化鋁(AlN)緩沖層(未示出)和在該緩沖層上形成約15nm
厚的珪(Si膝雜GaN的n-型接觸層11。在n-型接觸層11上，形成由300nm 厚的未摻雜GaN層和30nm厚的硅摻雜GaN層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的靜電耐 壓改善層110。在靜電耐壓改善層110上，形成由10個(gè)單元的未摻雜 In(uGa。,9N、未摻雜GaN和珪摻雜GaN構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的約74nm厚的 n-型覆蓋層12。
在n-型覆蓋層12上，形成由7對(duì)交替堆疊的約3nm厚的InQ.25Ga。.75N 阱層和約3nm厚的GaN勢壘層構(gòu)成的MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層13。在發(fā)光層 13上，形成由p-型Al。.3Ga。.7N和p-型Alo.。8Ga。.92N構(gòu)成的約33nm厚的多 層結(jié)構(gòu)的p-型覆蓋層14。在p-型覆蓋層14上，形成p-型GaN層15和極 性反轉(zhuǎn)層16。極性反轉(zhuǎn)層16具有通過濕蝕刻形成的凹陷和凸起，詳述如 下。
此外，在極性反轉(zhuǎn)層16上形成ITO (氧化銦錫)的(p-側(cè))透明電 極20并且在n-型接觸層11的暴露表面上形成n-側(cè)電極30。 n-側(cè)電極30 由約20nm厚的釩(V)和約2jim厚的鋁(Al)構(gòu)成。在透明電極20上， 局部形成金(Au)合金的電極墊25。
圖3中的III族氮化物基半導(dǎo)體發(fā)光器件100制造如下。
其中所用的氣體為氨(NH3)、載氣(H2,N2)、三甲基鎵(TMG)、三 曱基鋁(TMA )、三甲基銦(TMI )、甲硅烷(SiH4 )和環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg )。
首先，提供單晶藍(lán)寶石襯底10，其具有a-晶面作為主晶面并且通過 有機(jī)溶劑洗滌和熱處理得到清潔。然后，將其附著至設(shè)置在MOCVD設(shè)備 的反應(yīng)室中的襯托器(susceptor )。接著，在常壓下將藍(lán)寶石襯底10在1100 n下烘烤，同時(shí)向反應(yīng)室中供應(yīng)流量為2L/分鐘(L:升)的H2約30分鐘。
然后，將溫度降至400X:，并通過供應(yīng)20L/分鐘的H2、 20L/分鐘的 NH3和1.8 x 10-511101/分鐘的TMA約1分鐘來形成約15nm厚的A1N緩沖 層。
接著，將藍(lán)寶石襯底io的溫度保持在ii5or;,并通過供應(yīng)20L/分鐘
的H2、 10L/分鐘的NH3、 1.7 x 10 4mol/分鐘的TMG和20 x 10 811101/分鐘 的用H2氣體稀釋至0.86ppm的甲珪烷約40分鐘來形成n-型接觸層11。 n-型接觸層11由硅濃度為4 x 1018/cm3的n-型GaN形成。
接著，將藍(lán)寶石襯底io的溫度保持在850r;，并通過將載氣改變?yōu)?br> N2氣體、依次生長300nm厚的i-GaN層和30nm厚的珪濃度為4 x 1018/cm3 的n-型GaN來形成雙層的靜電耐壓改善層110。
然后，通過供應(yīng)10L/分鐘的]\2或H2、 10L/分鐘的NH3以及改變TMG、 TMI和用H2氣體稀釋至0.86卯m的甲硅烷的供應(yīng)來形成約74nm厚的多 層結(jié)構(gòu)的n-型覆蓋層12，此時(shí)該多層結(jié)構(gòu)由10個(gè)單元的未摻雜 In(uGa。,9N、未摻雜GaN (在800匸的藍(lán)寶石襯底溫度下生長)和珪摻雜 GaN (在840"C的藍(lán)寶石襯底溫度下生長)構(gòu)成。
在形成n-型覆蓋層12后，通過改變TMG、 TMI的供應(yīng)，形成由7 對(duì)交替堆疊的約3nm厚的InQ.25GaQ.75N阱層(在720"C的藍(lán)寶石襯底溫度 下生長)和約3nm厚的GaN勢壘層(在885"C的藍(lán)寶石襯底溫度下生長) 構(gòu)成的MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層13。
接著，通過供應(yīng)10L/分鐘的]\2或H2、 10L/分鐘的NH3以及改變TMG、 TMI、 TMA和Cp2Mg的供應(yīng)并將藍(lán)寶石襯底10的溫度保持在840匸下來 形成由p-型AlQ.3GaQ.7N和p-型Alo.Q8Gao.92N構(gòu)成的約33nm厚的多層結(jié)構(gòu) 的p-型覆蓋層14。
然后，通過供應(yīng)20L/分鐘的N2或H2、 10L/分鐘的NH3以及改變TMG
和cP2Mg的供應(yīng)并將藍(lán)寶石襯底io的溫度保持在iooor;下來形成具有5
x 1019/cm3的鎂濃度的50nm厚的p-型GaN層15和具有5 x 102G/cm3的鎂 濃度的150nm厚的極性反轉(zhuǎn)層16。
然后，實(shí)施KOH溶液的濕蝕刻，使得在極性反轉(zhuǎn)層16上形成凹陷 和凸起。由此，凹陷和凸起的高低差最大達(dá)到100nm。
接著，在極性反轉(zhuǎn)層16上涂覆光刻膠，并通過光刻法在預(yù)定區(qū)域處 形成窗口。然后，利用含氯氣體對(duì)極性反轉(zhuǎn)層16的未掩蔽部分、p-型GaN 層、p-型覆蓋層14、發(fā)光層13、 n-型覆蓋層12和n-型GaN層11實(shí)施反 應(yīng)性離子蝕刻，從而暴露出n-型GaN層的表面。接著，在移除光刻膠掩 ^后，如下形成位于n-型GaN層11上的n-側(cè)電極30和位于極性反轉(zhuǎn) 層16上的p-側(cè)電極20。
在晶片的整個(gè)表面上形成200nm厚的ITO透明電極20。接著，在其 上涂覆光刻膠(掩模)，通過光刻法圖案化p-側(cè)電極20的掩模，并通過干 蝕刻將p-側(cè)電極20成型為期望形式。
然后，涂覆光刻膠并通過光刻法形成在預(yù)定區(qū)域處的窗口。在低于
10"托的高真空下通過真空沉積在n-型GaN層11上形成n-側(cè)電極30。
然后，通過剝離移除光刻膠并將n-側(cè)電極30成型為期望形式。接著， 在含氮?dú)夥罩袑?shí)施600TC下熱處理5分鐘，以使n-側(cè)電極30與n-型GaN 層11合金化，并且降低極性反轉(zhuǎn)層16、 p-型GaN層15和p-型覆蓋層14 的電阻率。
與沒有極性反轉(zhuǎn)層16的發(fā)光器件相比，如此制造的圖3中的III族 氮化物基半導(dǎo)體發(fā)光器件可以顯著提高光輸出量對(duì)功率消耗的比率。
雖然為了完整和清楚地公開已經(jīng)利用具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但 是所附權(quán)利要求并不因此而受限制，而M被認(rèn)為體現(xiàn)了清楚落在本文所 給出的基4^:導(dǎo)內(nèi)的本領(lǐng)域技術(shù)人員可能想到的所有修改和替代結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括極性反轉(zhuǎn)層，其包括具有凸部的表面；和形成在所述極性反轉(zhuǎn)層上的透明電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中 所述極性反轉(zhuǎn)層具有不小于1 x 10加原子/cm3的鎂濃度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述極性反轉(zhuǎn)層具有不小于2 x 102°原子/cm3且不大于5 x io21原子 /cm3的鎂濃度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中 所述極性反轉(zhuǎn)層包括鎂摻雜的AlxGa^N (0&<1 )。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述具有凸部的表面通過使用磷酸、氫氧化鉀和四曱基氫氧化銨其中 之一的濕蝕刻而形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光器件，其中 所i^面包括約1 x 107/(:1112至約1 x 101()/0112的凸部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光器件，其中 所W面包括約1 x 108/cm2至約1 x 109/cm2的凸部。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光器件，其中所述表面包括在Ga極性區(qū)的凸部和在N極性區(qū)的凹部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光器件，還包括 發(fā)光層；和用于提^U^所U光層發(fā)出的光的光提取表面，其中，相對(duì)于發(fā)光層，所述極性反轉(zhuǎn)層形成得更接近于所述光4^取表
全文摘要
一種III族氮化物基化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括極性反轉(zhuǎn)層，其包括具有凸部的表面；和形成在所述極性反轉(zhuǎn)層上的透明電極。該極性反轉(zhuǎn)層可具有不小于1×10²⁰原子/cm³的鎂濃度或不小于2×10²⁰原子/cm³且不大于5×10²¹原子/cm³的鎂濃度。該極性反轉(zhuǎn)層可由鎂摻雜的Al_xGa_1-xN(0≤x＜1)形成。
文檔編號(hào)H01L33/42GK101355129SQ20081013209
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者齋藤義樹, 牛田泰久, 矢島孝義 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社