專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，并且涉及可以 通過增加對(duì)電;feL接觸層中的電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)的空穴載流子濃度以增加電 子和空穴的結(jié)合概率從而增加光功率并提高可靠性的氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在將描述常規(guī)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性疊層結(jié)構(gòu)及其制 造方法。
圖l是常規(guī)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意圖。
參照圖1,傳統(tǒng)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底101、緩沖層 103、 n-GaN層105、有源層107和p-GaN層109。這里，襯底101 可以用藍(lán)寶石襯底來舉例說明。
現(xiàn)在將描述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。為了使由于襯底 101和n-GaN層105的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異所引起的晶體缺陷 的發(fā)生最小化，在低溫下形成具有無定形相的GaN基氮化物或A1N 基氮化物作為緩沖層103。
在高溫下形成以摻雜濃度為1018/cm3的珪摻雜的n-GaN層105作 為第一電核^接觸層。此后，降低生長溫度并形成有源層107。此后， 再次升高生長溫度，形成厚度范圍為0.1~0.5Mm的鎂(Mg)摻雜 p-GaN層作為第二電極接觸層。具有上述疊層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光器件形成為p-Zn-結(jié)型結(jié)構(gòu)，其使用n-GaN層105作為第一電極接 觸層并使用p-GaN層109作為第二電^L接觸層。
而且，形成在第二電極接觸層上的第二電極材料受第二電極接觸層的摻雜類型限制。例如，為了降低第二接觸材料和具有高電阻組分
的p-GaN層109之間的接觸電阻并提高電流擴(kuò)散，使用Ni/Au合金的 薄透射電阻材料作為第二電極材料。
為了形成用作第二電極接觸層的p-GaN層109,使用氮化物半導(dǎo) 體的p-Zn-結(jié)型發(fā)光器件采用Cp2Mg或DMZn摻雜源。在DMZn的 情況下，由于Zn處于p-GaN層109內(nèi)的"深能級(jí)"并且具有非常高的 活化能，因此當(dāng)施加偏壓時(shí)起載流子作用的空穴載流子濃度限制在約 lxl017/cm3。因此，使用具有低活化能的Cp2MgMO (金屬有機(jī)物) 作為摻雜源。
而且，當(dāng)使用相同流量的Cp2Mg摻雜源或者通過順序改變Cp2Mg 的流量來生長具有0.1 ~ 0.5pm厚度范圍的Mg摻雜p-GaN層時(shí)，合 并從摻雜源中分離出的氫(H)氣和NH3載氣以在p-GaN層109中形 成Mg-H^物，其顯示出大于約106il的高電阻絕緣特性。因此， 為了在有源層107中的空穴和電子的再結(jié)合過程期間發(fā)射光，基本上 需要活化過程以破壞Mg-H絡(luò)合物的鍵。由于Mg摻雜p-GaN層109 具有高電阻，因此其在沒有任何改變的情況下無法使用。在600 ~ 80(TC的溫度范圍和N2， 1\2/02環(huán)境下通過退火過程來實(shí)施活化過程。 然而，由于存在于p-GaN層109中的Mg具有低活化效率，因此其與 用作第一電扭^接觸層的n-GaN層105相比具有相對(duì)高的電阻值。在實(shí) 際情況下，在活化過程之后，p-GaN層109中的Mg原子濃度在 1019/cm3 ~ 102°/cm3的范圍內(nèi)，并且對(duì)純載流子電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)的空穴栽 流子濃度在1017/cm3 ~ 1018/cm3的范圍內(nèi)，i^目當(dāng)于最大103倍的差 異。另據(jù)報(bào)道空穴遷移率為10cm"vsec，這是非常低的值。圖2是示 出傳統(tǒng)的Mg摻雜p-GaN層的截面結(jié)構(gòu)和在實(shí)施活化過程之后Mg摻 雜p-GaN層內(nèi)部的Mg分布曲線。參照圖2，可以看出Mg原子濃度 和空穴載流子濃度顯示出最大103倍的差異。
同時(shí)，在沒有完全活化的情況下，p-GaN層109中殘留的Mg 原子濃度引起許多問題。例如，由有源層向表面發(fā)射的光被捕獲從而 降低光功率，或者當(dāng)施加高電流時(shí)由于相對(duì)高的電阻值而產(chǎn)生熱，使 得發(fā)光器件的使用壽命被縮短，從而對(duì)可靠性產(chǎn)生致命的影響。具體 而言，在使用倒裝晶片技術(shù)的大尺寸/高功率的lmmx lmm發(fā)光器件 的情況下，由于施加遠(yuǎn)高于20mA常規(guī)電流的350mA電流，所以在結(jié)表面產(chǎn)生高于IOO'C的結(jié)溫度，其對(duì)器件的可靠性具有致命的影響
并使將來的產(chǎn)品應(yīng)用受限制。由于殘留在用作第二電極接觸層的
p-GaN層109中的Mg原子濃度沒有被活化為載流子而引起的電阻組 分增加和由于電阻組分增加而引起的粗糙表面特性，因而導(dǎo)致大量生 熱。
而且，在常規(guī)口-/11-結(jié)型發(fā)光器件中，用作第一電極接觸層的 n-GaN層105可以容易地將空穴濃度控制在5 ~ 6 x 1018/cm3的范圍內(nèi) 并且控制在臨界厚度內(nèi)，所述臨界厚度確保結(jié)晶度與隨SiH4或Si2H6 的流量增加而增加的硅摻雜濃度成比例，同時(shí)在用作第二電極接觸層 的p-GaN層109內(nèi)，主JM^載流子作用的空穴濃度被限制在1 ~ 9 x 1017/cm3的范圍內(nèi)，盡管Cp2Mg的流量增加并且摻雜大于最大值約 102()/cm3的Mg原子。為此，傳統(tǒng)的發(fā)光器件被制成具有不對(duì)稱摻雜 分布的p-Zn-結(jié)型結(jié)構(gòu)。
如上所述，用作第二電極接觸層的p-GaN層109的低載流子濃度 和高電阻組分導(dǎo)致發(fā)光效率降低。
為了解決以上問題，已經(jīng)提出了通過采用具有良好透射性和低接 觸電阻的Ni/AuTM (透明薄金屬)來增加光功率的傳統(tǒng)方法。然而， 當(dāng)應(yīng)用于大尺寸/高功率的發(fā)光器件時(shí)，傳統(tǒng)方法嚴(yán)重地影響器件的可 靠性。在使用GaN半導(dǎo)體的發(fā)光器件中，這種問題仍懸而未決
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明提供一種可以提高構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的p-GaN 層性能的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
而且，本發(fā)明提供一種可以提高光功率和可靠性的氮化物半導(dǎo)體 發(fā)光器件及其制造方法。
另外，本發(fā)明提供一種的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法， 該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件可以克服由用作第二電極接觸層的Mg摻雜 p-GaN層的的低載流子濃度和遷移率以及在p-GaN層中保持完全未 活化的Mg原子濃度的高電阻組分(包括Mg-H ^物)所引起的各 種問題，并提高光功率和可靠性。技術(shù)方案
提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括第一氮化物半導(dǎo)體層； 形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方的有源層；和形成在所述有源層 上方的8摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括: 緩沖層；形成在所述緩沖層上方的第一氮化物半導(dǎo)體層；形成在所述 第一氮化物半導(dǎo)體層上方的第一電核^接觸層；形成在所述第一氮化物 半導(dǎo)體層上方的由阱層和勢壘層組成的單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu) 的有源層；和形成在所述有源層上方的3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 方法，所述方法包括在襯底上方形成緩沖層；在所述緩沖層上方形 成第一氮化物半導(dǎo)體層;在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方形成有源層； 和在所述有源層上方形成3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。
1. 一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 第一氮化物半導(dǎo)體層；
形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方的有源層；和 形成在所述有源層上方的8摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
2. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述8 摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層上方的第三氮化物半導(dǎo)體層。
3. 根據(jù)技術(shù)方案2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第三氮化物 半導(dǎo)體層由具有銦含量逐漸變化的SG (超梯度)結(jié)構(gòu)的n-InGaN層 或n-InGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)層構(gòu)成。
4. 根據(jù)技術(shù)方案2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述第 三氮化物半導(dǎo)體層和所述3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層之間的Si-摻雜 GaN層，
5. 根據(jù)技術(shù)方案2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述第 三氮化物半導(dǎo)體層上方的透明電極。
6. 根據(jù)技術(shù)方案5的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述透明電極由 選自ITO、 IZO(In畫ZnO)、 GZO(Ga-ZnO)、 AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-GaZnO)、 IGZO(In畫Ga ZnO)、 IrOx、 RuOx、 RuOx/ITO、 Ni/IrOx/Au、和Ni/Ir(VAu/ITO中的一種形成。
7. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括 位于所述第一氮化物半導(dǎo)體層下方的緩沖層；和 位于所述緩沖層下方的襯底。
8. 根據(jù)技術(shù)方案7的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括位于所述緩沖 層上方的應(yīng)變控制層。
9. 根據(jù)技術(shù)方案7的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述緩沖層具有 選自AlInN/GaN疊層結(jié)構(gòu)、InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)、InxGaLXN/GaN 疊層結(jié)構(gòu)和AlJnyGa^+y)N/InxGa^N/GaN疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
10. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述第 一氮化物半導(dǎo)體層和所述有源層之間并且具有1~5%銦含量的低摩爾 含銦氮化物層。
11. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述5摻雜第二 氮化物半導(dǎo)體層生長為10 ~300A的厚度。
12. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述5摻雜第二 氮化物半導(dǎo)體層在選自未摻雜GaN/S摻雜p-GaN、未摻雜AlGaN/5 摻雜p-GaN、未摻雜InGaN/3摻雜p-GaN、 ^摻雜GaN/未摻雜AlGaN 覆蓋層/S摻雜p-GaN、和未摻雜InGaN/未摻雜AlGaN覆蓋層/S摻雜 p-GaN結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)中重復(fù)生長。
13. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述S摻雜第二 氮化物半導(dǎo)體層形成為具有由摻雜劑量變化的層組成的至少一個(gè)周 期，其中在所述3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層中重復(fù)生長所述周期。
14. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述5摻雜第二 氮化物半導(dǎo)體層包含選自Mg 3摻雜GaN層，Mg-Al 3摻雜GaN層和 Mg-Al-In 8摻雜GaN層中的一種。
15. 根據(jù)技術(shù)方案1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述6摻雜第二 氮化物半導(dǎo)體層在一個(gè)周期中重復(fù)生長至少兩次，所述一個(gè)周期選自 未摻雜GaN層/3摻雜p-GaN層、未摻雜AlGaN層/S摻雜p-GaN層、 未摻雜InGaN層/S摻雜p-GaN層、未摻雜GaN層/未摻雜AlGaN覆摻雜p-GaN層、和未摻雜InGaN層/未摻雜AlGaN覆蓋層/S 摻雜p-GaN層結(jié)構(gòu)中的一種，使得構(gòu)成所述一個(gè)周期的選定層具有不 同的厚度。
16. 根據(jù)技術(shù)方案15的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜 AlGaN層生長為10 ~ 300A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
17. 根據(jù)技術(shù)方案15的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜 InGaN層生長為10 ~ 300A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的In組成。
18. 根據(jù)技術(shù)方案15的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜 AlGaN覆蓋層生長為5 ~ 200A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
19. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一氮化物 半導(dǎo)體層是通it41 ~ 9xl019/cm3的摻雜濃度范圍內(nèi)和1 ~ 4nm的厚度 范圍內(nèi)同時(shí)摻雜Si-In而形成的n-GaN層。
20. 根據(jù)技術(shù)方案l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一氮化物 半導(dǎo)體層通過使一個(gè)周期中的未摻雜AlGaN/摻雜GaN超晶格結(jié)構(gòu)重 復(fù)生長至少兩次而形成為總厚度小于2pm。
21. 根據(jù)技術(shù)方案20的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜 AlGaN層形成為10 ~ 200A的厚度并具有0.05 ~ 0.3的Al組成，并且 所述摻雜GaN層形成為200 ~ 500A的厚度。
22. —種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 緩沖層；
形成在所述緩沖層上方的第一氮化物半導(dǎo)體層； 形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方的第一電^l接觸層； 在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方形成為由阱層和勢壘層組成的單 量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層；和
形成在所述有源層上方的Mg-S摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
23. 根據(jù)技術(shù)方案22的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述Mg-8摻雜 第二氮化物半導(dǎo)體層是第二電核^接觸層。
24. 根據(jù)技術(shù)方案22的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述 Mg-d摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層上方的n型第二電極接觸層。25. 根據(jù)技術(shù)方案22的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在所述阱層和所 述勢壘層之間進(jìn)一步插入SiNx簇層。
26. 根據(jù)技術(shù)方案25的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述SiNx簇層 用Si-3摻雜方法生長。
27. —種制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述方法包括 在襯底上方形成緩沖層； 在所述緩沖層上方形成第一氮化物半導(dǎo)體層； 在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方形成有源層；和 在所述有源層上方形成S摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。
28. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述緩沖層具有選自AlInN/GaN 疊層結(jié)構(gòu)、InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)、InxGa^N/GaN疊層結(jié)構(gòu)和 AlxInyGa^+y)N/IiixGaLxN/GaN疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
29. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，在形成所述有源層之前，還包括形成具 有1 ~5%的銦含量的低摩爾氮化物半導(dǎo)體層。
30. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述S摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層包 括選自Mg 3摻雜GaN層、Mg-Al S摻雜GaN層和Mg-Al-In S摻雜 GaN層中的一種。
31. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述6摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層利 用Cp2Mg或者DMZn MO(金屬有機(jī)物)源生長為10 ~ 300A的厚度。
32. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述S摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層在 選自未摻雜GaN層/8摻雜p-GaN層、未摻雜AlGaN層/8摻雜p-GaN 層、未摻雜InGaN層/S摻雜p-GaN層、未摻雜GaN層/未摻雜AlGaN 覆蓋層/S摻雜p-GaN層、和^摻雜InGaN層/未摻雜AIGaN覆蓋層/3 摻雜p-GaN層結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)中重復(fù)生長至少一次。
33. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述6摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層形 成為具有由摻雜劑量改變的層組成的至少一個(gè)周期，其中在所述8摻 雜第二氮化物半導(dǎo)體層中重復(fù)生長所述周期。
34. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述S摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層具 有Cp2Mg和DMZn MO中的任何一種的摻雜源或TMA1和TMIn MO 中的任何一種以及Cp2Mg和DMZn MO中的任何一種的摻雜源。35. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層在 一個(gè)周期中重復(fù)生長至少兩次，所述一個(gè)周期選自未摻雜GaN層/8 摻雜p-GaN層、未摻雜AlGaN層/3摻雜p-GaN層、未摻雜InGaN 層/8摻雜p-GaN層、未摻雜GaN層/未摻雜AlGaN覆蓋層/8摻雜 p國GaN層、和未摻雜InGaN層/未摻雜AlGaN覆蓋層/S摻雜p-GaN 層結(jié)構(gòu)中的一種，4吏得構(gòu)成所述一個(gè)周期的選定層具有不同的厚度。
36. 才艮據(jù)技術(shù)方案35的方法，其中所述未摻雜AlGaN層生長為10 ~ 300A的厚度并且具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
37. 根據(jù)技術(shù)方案35的方法，其中所述未摻雜InGaN層生長為10 ~ 300A的厚度并且具有0.01 ~ 0.02的In組成。
38. 根據(jù)技術(shù)方案35的方法，其中所述未摻雜AlGaN覆蓋層生長為 5 ~ 200A的厚度并且具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
39. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，還包括在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上方 形成第三氮化物半導(dǎo)體層。
40. 根據(jù)技術(shù)方案39的方法，其中所述第三氮化物半導(dǎo)體層由具有銦 含量逐漸改變的SG (超梯度)結(jié)構(gòu)的n-InGaN層或n-InGaN/InGaN 超晶格層構(gòu)成。
41. 根據(jù)技術(shù)方案39的方法，還包括在所述第三氮化物半導(dǎo)體層和所 述3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層之間形成Si摻雜GaN層。
42. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，還包括在形成所述緩沖層之后形成銦摻 雜氮化物半導(dǎo)體層。
43. 根據(jù)技術(shù)方案27的方法，其中所述有源層提供為單量子阱結(jié)構(gòu)或 多量子阱結(jié)構(gòu)，所述單量子阱結(jié)構(gòu)由阱層/SiNx簇層/勢壘層組成。
44. 根據(jù)技術(shù)方案43的方法，其中所述SiNx簇層通過使用SiH4或SiH6 作為摻雜源的Si-8摻雜生長。
有益效果
根據(jù)本發(fā)明，提高構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的p-GaN層的特 性，提高氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光功率，改善光功率下降現(xiàn)象，并 且提高抗ESD (靜電放電)的可靠性。


通過附圖將更容易理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。在附圖中
圖l是示出常規(guī)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的疊層結(jié)構(gòu)的示意圖2是示出傳統(tǒng)的Mg-摻雜p-GaN層的截面結(jié)構(gòu)和在實(shí)施活化過 程之后Mg摻雜p-GaN層內(nèi)部的Mg分布的示意圖3是說明根據(jù)生長時(shí)間的Cp2Mg 8摻雜流量的示意圖4是示出在Cp2Mg 3摻雜p-GaN晶體生長完成之后，在后續(xù) 的活化過程之前和之后的Mg摻雜分布的視圖5是示出在Cp2Mg 8摻雜p-GaN層的后續(xù)活化過程完成之后 的電場分布的視圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 疊層結(jié)構(gòu)的示意圖；和
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 疊層結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)質(zhì)的實(shí)施方案。
本發(fā)明的特征在于氮化物半導(dǎo)體的制造方法，實(shí)施Cp2Mg 8摻雜 過程以生長p-GaN層，將參照圖3至圖5描述Cp2Mg 3摻雜過程。
圖3是說明根據(jù)生長時(shí)間的Cp2MgS摻雜流量的示意圖。
參照圖3，在生長發(fā)光有源層之后，生長小于200A的未摻雜GaN 層，以便保護(hù)在有源層生長期間形成的"V"凹坑缺陷，并且在10 ~ 200A的厚度范圍內(nèi)將Cp2Mg的流量從Occ調(diào)節(jié)到lOOOcc，以形成S 摻雜GaN層。圖3示出通過連續(xù)重復(fù)由未摻雜GaN層/3摻雜GaN 層組成的一個(gè)周期而生長的摻雜GaN。在上面的晶體生長方法 中，僅改變Cp2Mg的流量，生長溫度固定在IOOO'C，并且固定其它 4Ht,以4更保持結(jié)晶度。
在生長摻雜GaN層時(shí)，可以改變構(gòu)成一個(gè)周期的未摻雜 GaN層和S摻雜GaN層中的每一個(gè)的厚度。并且，在重復(fù)生長未摻雜GaN層/6摻雜GaN層的一個(gè)周期時(shí)，可以改變每一周期的用量。 同時(shí)，可以在10~300A的厚度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)形成一個(gè)周期的兩個(gè)層的 總厚度。
圖4是示出在Cp2Mg S摻雜p-GaN的晶體生長完成之后，在后 續(xù)活化過程之前和之后的Mg摻雜分布的視圖。
參照圖4，當(dāng)在后續(xù)活化過程之前在恒定周期重復(fù)相同量的 Cp2Mg S摻雜時(shí)，可以在未摻雜GaN層之間的邊界處獲得具有陡峭 的Mg摻雜分布曲線的S摻雜GaN層。此后，當(dāng)實(shí)施后續(xù)活化過程時(shí)， Mg擴(kuò)散到兩側(cè)未摻雜GaN層內(nèi)，以便獲得寬的Mg摻雜分布。通過 以上的后續(xù)活化過程，p-GaN層整體上具有均勻的Mg摻雜分布。
通常，當(dāng)向未摻雜GaN層施加正向偏壓時(shí)，可以看到工作電壓增 加。在本發(fā)明中，可以通過控制Cp2Mg 3摻雜p-GaN層的厚度和未 摻雜GaN層的厚度將工作電壓有效地降低至小于3.5V (20mA),以 增加發(fā)光器件的光功率。
圖5是示出在Cp2Mg 8摻雜p-GaN層的后續(xù)活化過程完成之后 的電場分布的視圖。
參照圖5，可以看到，在周期性重復(fù)的Cp2Mg8摻雜區(qū)內(nèi)空穴載 流子濃度分布是相對(duì)高的。因此，在Cp2Mg3摻雜區(qū)域內(nèi)，電勢增加， 以形成電場摻雜。因此，如在HEMT結(jié)構(gòu)中利用能帶差(AlGaN/GaN 結(jié))用作高速開關(guān)器件的2DEG (二維電子阱層) 一樣，可以形成勢 阱，從而均勻和有效地控制空穴的流動(dòng)，以及同樣有效地控制電子的 二維流動(dòng)?？傊梢娡ㄟ^勢阱能增加空穴注入率。
如從上面描述所看到的，通過傳統(tǒng)技術(shù)生長的p-GaN層的問題在 于，當(dāng)施加正向偏壓時(shí)，其高電阻組分急劇降低與從電極接觸表面到 其上表面的距離成反比的電流，同時(shí)在本發(fā)明中，勢阱層可以更有效 地增加電流密度以提高發(fā)光器件的光功率。
而且，通過Cp2Mg3摻雜，由于摻雜元素以相對(duì)非常小的量被均 勻地、重復(fù)地和周期性地?fù)诫s，然后優(yōu)化并實(shí)施用于p-GaN層的活化 過程，因此可以降低其中存在的Mg、 Mg-H ^^物等的原子濃度，以 盡可能地抑制電阻組分。換句話說，本發(fā)明增加完全貢獻(xiàn)于電子電導(dǎo)率的空穴栽流子濃度，從而增加其與電子再結(jié)合的概率，并且最終有 效地增加光功率。因此，本發(fā)明提供一種可以減少電阻組分從而提高 發(fā)光器件可靠性的高水平晶體生長技術(shù)。
在下文中，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的實(shí) 施方案。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 疊層結(jié)構(gòu)的示意圖。
參照圖6,根據(jù)本實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底 401、緩沖層403、 In摻雜GaN層405、 n-GaN層407、低摩爾In摻 雜GaN層或低摩爾InGaN層409、有源層411和Mg-S摻雜p-GaN 層413。已經(jīng)參照圖3至圖5詳細(xì)地描述了 Mg 5摻雜p-GaN層413。
在下文中，將更詳細(xì)地描述制造根據(jù)第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光器件的方法。
首先，在本實(shí)施方案中，在高溫下僅將H2載氣供應(yīng)至藍(lán)寶石襯底
401上，以清洗藍(lán)寶石襯底401。此后，在將生長溫度降低至540。C的 步驟中，供應(yīng)NH3源氣，以實(shí)施藍(lán)寶石襯底401的氮化(nitridation )， 例如持續(xù)7分鐘。
此后，使具有第一 AlInN/第一 GaN/第二 AlInN/第二 GaN結(jié)構(gòu)的 緩沖層403生長至約500A的厚度。這里，緩沖層403可以形成為選 自AlInN/GaN疊層結(jié)構(gòu)、InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)、IiixGa^N/GaN 疊層結(jié)構(gòu)和AlJnyGa^+y)N/IiixGaLxN/GaN疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。然后， 將生長溫度增加至1060。C持續(xù)6分鐘，低溫緩沖層403在NH3氣源和 H2載氣的混合氣氛下再結(jié)晶2分鐘，并且在同樣的生長溫度下，將具 有約2pm厚度的銦摻雜GaN層405生長為單晶。
此后，將生長溫度降低至1050。C，然后在同樣的生長溫度下將珪 和銦共摻雜n-GaN層407生長至2pm厚度。使用n-GaN層407作為 第一電^b^。
而且，為了調(diào)節(jié)有源層411的應(yīng)變，在750'C下，使具有5%銦含 量的低摩爾In摻雜GaN層或低摩爾InGaN層409 (波長480nm) 生長至300A的厚度。銦含量可以在1 ~ 5%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。低摩爾In摻雜GaN層或低摩爾InGaN層409被有意地控制為具有均勻分布的"螺 旋生長模式"。這里，在低摩爾In摻雜GaN層或低摩爾InGaN層409 中，隨著有意識(shí)控制的"螺旋密度，，的增加，有源層411的面積增加。 因此，>(^爾In摻雜GaN層或4^爾InGaN層409可以起增加發(fā)光 效率的作用。
此后，在相同的生長溫度下，生長具有未摻雜InGaN/InGaN結(jié) 構(gòu)的單量子阱(SQW)的有源層411。在生長的有源層411中，勢壘 層具有小于5%的銦含量和約250A的厚度。此時(shí)，有源層411可以形 成為多量子阱層。
此后，再次將生長溫度升高至1000。C，將總厚度固定至0.1nm， 也固定TMGa的流量，并且僅Cp2Mg的流量從Occ至1000cc被接通 /切斷，由此完成S摻雜過程。為了有效地實(shí)施Cp2Mg S摻雜，在生 長發(fā)光有源層411后，首先將未摻雜GaN層生長為10 ~ 200A的厚度 范圍，以完4^護(hù)有源層4U，使得Mg原子不內(nèi)部地?cái)U(kuò)散i^形成 在有源層411表面上的"V"凹坑晶體內(nèi)，然后在10 ~ 200 A的厚度范 圍內(nèi)實(shí)施Cp2Mg S摻雜過程。Cp2Mg 3摻雜過程將未摻雜GaN/S摻 雜GaN結(jié)構(gòu)設(shè)置為一個(gè)周期，并在O.lfim的總厚度內(nèi)連續(xù)重復(fù)該一 個(gè)周期，以形成具有p-Zn-結(jié)型結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件，4吏得在活化后通過 Mg原子濃度(包括Mg原子和Mg-H ^^物)來減少電阻組分并且 獲得均勻的載流子濃度。
在通過上述方法制成氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件后，利用ICP蝕刻裝 置實(shí)施臺(tái)面蝕刻(mesa etching),并將氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件制成 330jmi x 205mhi的尺寸。分析并觀察制成的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 電性能變化以檢驗(yàn)其性能。結(jié)果，在正向偏壓中的工作電壓(20mA) 低于3.4V，這與傳統(tǒng)技術(shù)的值相同，但光功率增加50~100%。
光功率增加的原因在于i^到形成在發(fā)光有源層的表面的"V"凹 坑缺陷中的內(nèi)部擴(kuò)散被抑制，以及通過低于傳統(tǒng)技術(shù)的Mg摻雜分布 而降低在后續(xù)活化過程之后殘留在所述層內(nèi)的Mg原子(包括Mg-H ^物)的絕對(duì)量，但^1對(duì)電子電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)的空穴載流子濃度增加。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
參照圖7,根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底401、緩沖層403、 In摻雜GaN層405、 n-GaN層407、低摩 爾In摻雜GaN層或低摩爾InGaN層409、有源層411、 Mg-5摻雜 p-GaN層413和n-InGaN層515。
與第一實(shí)施方案相比，上面的第二實(shí)施方案具有的區(qū)別在于，氮 化物半導(dǎo)體發(fā)光器件還包括n-InGaN層515,因此，將僅額外描述 n-InGaN層515，而其它元件的描述將參考第一實(shí)施方案。
為了制造11-*-/11-結(jié)型結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件，除了 p-Zn-結(jié)型結(jié)構(gòu)的發(fā) 光器件外，本發(fā)明的第二實(shí)施方案還生長Mg-8摻雜p-GaN層416， 然后生長n-InGaN層515,以用作第二電^l接觸層。
在低至800。C的生長溫度下，在NH3源氣和N2載氣的混合氣體氣 氛下將用作第二電極接觸層的n-InGaN層515生長至50A厚度并摻 雜硅。此時(shí)，n-InGaN層515被用作第二電極接觸層并被設(shè)計(jì)成具有 超梯度(SG)結(jié)構(gòu)，其中銦含量被調(diào)節(jié)以控制整個(gè)能帶分布。通過上 述方法，可以獲得11-*-/11-結(jié)型結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
發(fā)明模式
除了上述實(shí)施方案之外，可以基于相同的實(shí)質(zhì)提供多個(gè)其它實(shí)施例。
首先，可以在n-InGaN層515上進(jìn)一步形成透明電極。該透明電 極可以由選自ITO、 IZO(In-ZnO)、 GZO(Ga-ZnO)、 AZO(Al-ZnO)、 AGZO(Al-GaZnO)、 IGZO(In-Ga ZnO)、 IrOx、 RuOx、 RuOx/ITO、 Ni/IrOx/Au、和Ni/Ir(VAu/ITO中的一種形成。
并且，當(dāng)?shù)诙?shí)施方案說明n-InGaN層515形成為第二電極接觸 層時(shí)，n-InGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)可以形成為第二電極接觸層。作為 替代方案，可以在n-InGaN/InGaN超晶格層和Mg 8摻雜p-GaN層 413之間進(jìn)一步形成Si摻雜GaN層。
此外，第一和第二實(shí)施方案說明Mg在5摻雜過程中被6摻雜。 然而，盡管過程類似，但是Mg-Al， Mg-Al-In等以及Mg可以被S摻 雜。此時(shí)，可以使用TMA1， TMInMO (金屬有機(jī)物)作為摻雜源。
此外，6摻雜p-GaN層可以形成為具有由未摻雜AlGaN/6摻雜 p-GaN結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)周期，構(gòu)成該一個(gè)周期的兩層可以重復(fù)生長至少兩次，未摻雜AlGaN層在10~300A的厚度范圍內(nèi)生長為具有Al 組成范圍為0.01 ~ 0.02。
此外，8摻雜p-GaN層可以形成為具有由未摻雜InGaN/S摻雜 p-GaN結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)周期，構(gòu)成該一個(gè)周期的兩層可以重復(fù)生長至 少兩次，未摻雜InGaN層在10~300A的厚度范圍內(nèi)生長為具有Al 組成范圍為0.01 ~ 0.1。
而且，3摻雜p-GaN層可以形成為具有由未摻雜GaN/未摻雜 AlGaN覆蓋層/5摻雜p-GaN結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)周期，構(gòu)成該一個(gè)周期 的三層可以重復(fù)生長至少兩次，未摻雜AlGaN覆蓋層在5~200A的 厚度范圍內(nèi)生長為具有Al組成范圍為0.01 ~ 0.02。
此外，3摻雜p-GaN層可以形成為具有由未摻雜InGaN/未摻雜 AlGaN覆蓋層/3摻雜p-GaN結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)周期，構(gòu)成該一個(gè)周期 的三層可以重復(fù)生長至少兩次，未摻雜AlGaN覆蓋層在5~200A的 厚度范圍內(nèi)生長為具有Al組成范圍為0.01 ~ 0.02。
而且，在第一和第二實(shí)施方案中，用作第一電核^接觸層的n-GaN 層可以是由Si和In共摻雜形成的n-GaN層，并且可以形成為1 ~ 9xl019/cm3的摻雜濃度和1 ~ 4jrni的厚度范圍。
此外，第一電極接觸層可以形成為具有由未摻雜AlGaN/摻雜GaN 超晶格結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)周期，構(gòu)成該一個(gè)周期的兩層可以重復(fù)生長至
少兩次，具有1 ~ 2pm的總厚度和0.05 ~ 0.3的Al組成。摻雜GaN層 形成為200~500A的厚度范圍。
此夕卜，有源層可以制成由阱層/SiNx簇層/勢壘層組成的單量子阱結(jié) 構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)，而且SiNx簇層可以通過Si-8摻雜方法生長?？梢?利用單獨(dú)的SiH4摻雜源或S沮6通過Si-S摻雜來生長SiNx簇層。
工業(yè)適用性
根據(jù)本發(fā)明提供的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，提高光 功率，改善功率下降現(xiàn)象，并且提高抗ESD (靜電放電)的可靠性。
而且，本發(fā)明可以應(yīng)用于需要高光功率和高可靠性的照明裝置。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括第一氮化物半導(dǎo)體層；形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方的有源層；和形成在所述有源層上方的δ摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層，其中所述δ摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層形成為具有由摻雜劑量變化的層組成的至少一個(gè)周期，其中在所述δ摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層中重復(fù)生長所述周期。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述3摻雜第二氮 化物半導(dǎo)體層在選自未摻雜GaN/8摻雜p-GaN、未摻雜AlGaN/8摻 雜p-GaN、未摻雜InGaN/8摻雜p-GaN、未摻雜GaN/未摻雜AlGaN 覆蓋層/5摻雜p-GaN、和未摻雜InGaN/未摻雜AlGaN覆蓋層/5摻雜 p-GaN結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)中重復(fù)生長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述S摻雜第二氮 化物半導(dǎo)體層包含選自Mg 8摻雜GaN層，Mg-Al 3摻雜GaN層和 Mg-Al-In 3摻雜GaN層中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述8摻雜第二氮 化物半導(dǎo)體層在一個(gè)周期中重復(fù)生長至少兩次，所述一個(gè)周期選自未 摻雜GaN層/8摻雜p-GaN層、未摻雜AlGaN層/5摻雜p-GaN層、 未摻雜InGaN層/S 4雜p-GaN層、未摻雜GaN層/未摻雜AlGaN覆 蓋層/8摻雜p-GaN層、和未摻雜InGaN層/未摻雜AlGaN覆蓋層/3 摻雜p-GaN層結(jié)構(gòu)中的一種，使得構(gòu)成所述一個(gè)周期的選定層具有不 同的厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜AlGaN 層生長為10 ~ 300A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜InGaN 層生長為10 ~ 300A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的In組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜AlGaN 覆蓋層生長為5 ~ 200A的厚度并具有0.01 ~ 0.02的Al組成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一氮化物半導(dǎo)體層是通it^ 1 ~ 9xl019/cm3的摻雜濃度范圍內(nèi)和1 ~ 4nm的厚度范 圍內(nèi)同時(shí)摻雜Si-In而形成的n-GaN層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一氮化物半 導(dǎo)體層通過使一個(gè)周期中的未摻雜AlGaN/摻雜GaN超晶格結(jié)構(gòu)重復(fù) 生長至少兩次而形成為總厚度小于2pm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述未摻雜 AlGaN層形成為10 ~ 200A的厚度并具有0.05 ~ 0.3的Al組成，所述 摻雜GaN層形成為200 ~ 500A的厚度。
11. 一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 緩沖層；形成在所述緩沖層上方的第一氮化物半導(dǎo)體層； 形成在所述第 一氮化物半導(dǎo)體層上方的第 一 電核*接觸層； 在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方形成為由阱層和勢壘層組成的單 量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層；和形成在所述有源層上方的Mg-3摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層， 其中在所述阱層和所述勢壘層之間進(jìn)一步插入有SiNx簇層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述Mg-5摻雜 第二氮化物半導(dǎo)體層是第二電^l接觸層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，還包括形成在所述 Mg-5摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層上方的n型第二電極接觸層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述SiNx簇層是 用Si-S摻雜方法生長的。
全文摘要
提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括第一氮化物半導(dǎo)體層；形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上方的有源層；和形成在所述有源層上方的δ摻雜第二氮化物半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明，提高了氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的光功率，改善了光功率下降現(xiàn)象并提高了抗ESD(靜電放電)的可靠性。
文檔編號(hào)H01L33/32GK101577305SQ200910143038
公開日2009年11月11日 申請日期2005年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者李昔憲 申請人:Lg伊諾特有限公司