專利名稱：第iii族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，由于通過在n型層上形成凹坑而在發(fā)光層中發(fā)生的應(yīng)力松弛，所述III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件表現(xiàn)出改進(jìn)的發(fā)射性能和高的靜電擊穿電壓，其中AlGaN被用作發(fā)光層的勢壘層。
背景技術(shù)：
作為第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，如下結(jié)構(gòu)是已知的在n型層上形成凹坑(pit)，并形成發(fā)光層但不掩埋所述凹坑。例如，日本專利申請公開(kokai)No. 2007-180495公開了在n接觸層上設(shè)置靜電放電(ESD)層，所述ESD層包括兩個(gè)層i_GaN層和n-GaN層，在i-GaN層上形成凹坑，并且控制n-GaN層的硅濃度和膜厚以使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)，由此獲得高的靜電擊穿電壓。還公開了發(fā)光層具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，在所述MQW結(jié)構(gòu)中AlGaN用作勢壘層。日本專利申請公開(kokai)No. 2007-201424公開了一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在n型層上形成有中間層，所述中間層具有凹坑，所述凹坑具有0. 05_或更大的頂徑；并且在中間層上形成發(fā)光層但不掩埋所述凹坑，由此在電流流動(dòng)時(shí)抑制反向電流。還公開了所述發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，在所述MQW結(jié)構(gòu)中交替地沉積GaN和InGaN。日本專利申請公開(kokai)No. 1999-220169描述了在生長襯底與發(fā)光層之間形成具有凹坑的層，由此松弛發(fā)光層中的應(yīng)力以及改進(jìn)發(fā)射性能。已經(jīng)嘗試通過使用AlGaN作為勢壘層來改進(jìn)發(fā)射性能，使得電子被更有效地限制在第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的具有MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層中。但是，當(dāng)在n型層上形成凹坑并且將AlGaN用作發(fā)光層的勢壘層時(shí)，存在以下問題。當(dāng)凹坑的直徑過小時(shí)，在發(fā)光層中的應(yīng)力沒有被充分地松弛，導(dǎo)致光輸出減少。另一方面，當(dāng)凹坑的直徑過大時(shí)，載流子沒有被充分地限制，導(dǎo)致發(fā)射性能下降。日本專利申請公開(kokai) No. 2007-180495公開了將AlGaN用作發(fā)光層的勢壘層，但是對于凹坑的直徑?jīng)]有考慮。在日本專利申請公開(kokai)No. 2007-201424中，在將GaN用作發(fā)光層的勢壘層的情況下對凹坑的直徑進(jìn)行了研究，但是沒有提到在使用AlGaN的情況下凹坑的直徑。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前面所提到的，本發(fā)明的一個(gè)目的在于通過松弛發(fā)光層中的應(yīng)力和增加載流子在發(fā)光層中的限制率來提高發(fā)射性能，且同時(shí)在第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中實(shí)現(xiàn)高的靜電擊穿電壓，其中在n型層上形成凹坑并且將AlGaN用作具有MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的
勢壘層。在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述器件包括依次沉積的n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層具有凹坑，其中所述凹坑在發(fā)光層與n型層之間的界面處的直徑為IlOnm至150nm，并且所述發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，在所述MQW結(jié)構(gòu)中交替地沉積AlGaN勢壘層和InGaN阱層。如文中所用的第III族氮化物半導(dǎo)體”涵蓋以式AlxGayInzN(x+y+z = 1,0 ( x,y，z彡I)表示的半導(dǎo)體；在這樣的半導(dǎo)體中Al、Ga或In的一部分被另一種第13族元素(SP，B或者Tl)取代，或者N的一部分被另一種第15族元素(S卩，P、As、Sb或Bi)取代。所述第III族氮化物半導(dǎo)體的具體實(shí)例包括至少包含Ga的那些，例如GaN、InGaN、AlGaN以及AlGalnN。通常，Si用作n型雜質(zhì)，Mg用作p型雜質(zhì)。當(dāng)形成凹坑時(shí)，可以通過第III族氮化物半導(dǎo)體的生長溫度來控制在發(fā)光層與n型層之間的界面處的凹坑直徑。例如，當(dāng)生長溫度被控制在850°C與920°C之間時(shí)，所述凹坑直徑為IlOnm至150nm。 優(yōu)選地，勢壘層相對于AlGa具有3摩爾％至7摩爾V0的Al組成比。也就是說，當(dāng)勢壘層的半導(dǎo)體被描述為AlxGahN時(shí)，X為在0. 03至0. 07范圍內(nèi)的任意值。這加強(qiáng)了載流子在發(fā)光層中的限制并且減少了溢流，因而提高了發(fā)射性能。本發(fā)明的第二方面涉及根據(jù)第一方面的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)具體實(shí)施方案，其中勢壘層相對于AlGa具有3摩爾％至7摩爾％的Al組成比，即AlxGapxN的 X 為 0. 03 至 0. 07。本發(fā)明的第三方面涉及根據(jù)所述第一或第二方面的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個(gè)具體實(shí)施方案，其中，n型層具有如下結(jié)構(gòu)依次地沉積n型接觸層、ESD層和n型包覆層；在￡50層中并從ESD層開始形成凹坑；以及形成n型包覆層和發(fā)光層但不掩埋所述凹坑。在本發(fā)明的第四方面中，提供了一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括依次沉積的n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層具有凹坑，其中所述凹坑在850°C至920°C的生長溫度下形成，所述發(fā)光層通過重復(fù)沉積AlGaN勢壘層和InGaN阱層來形成。本發(fā)明可以通過控制發(fā)光層中的應(yīng)力或載流子的限制來提高發(fā)射性能，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的靜電擊穿電壓。


當(dāng)結(jié)合附圖參照下面的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述較好地理解本發(fā)明的目的、特征和伴隨優(yōu)點(diǎn)時(shí)，將會(huì)容易地解到本發(fā)明的各種其他目的、特征以及許多伴隨優(yōu)點(diǎn)，其中圖I示出根據(jù)實(shí)施方案I的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)；圖2A至2D是示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案I的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的過程的概圖；圖3是示出ESD層12的生長溫度與凹坑直徑之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是示出ESD層12的生長溫度與光輸出之間的關(guān)系的曲線圖；和圖5是示出了勢壘層14的Al組成比與光輸出之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式接下來將參照附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行描述。然而，本發(fā)明不限于所述實(shí)施方案。
圖I示出了根據(jù)實(shí)施方案I的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)。所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有藍(lán)寶石襯底10，在所述藍(lán)寶石襯底10上經(jīng)過緩沖層(未示出)依次沉積了 n型接觸層11、ESD層12、n型包覆層13、發(fā)光層14、p型包覆層15以及P型接觸層16。在p型接觸層16的一部分上形成有深度到達(dá)n型接觸層11的表面的槽，并且在由槽暴露的n型接觸層的表面上形成有n電極17。在p型接觸層16的幾乎整個(gè)表面上形成有ITO透明電極18，并且在透明電極18上形成有p電極19。在藍(lán)寶石襯底10上可以形成包括點(diǎn)圖案和條紋圖案中的至少一種的結(jié)構(gòu)，以提高光提取效率。生長襯底可以由藍(lán)寶石之外的例如SiC、ZnO、Si或GaN形成。n型接觸層11由摻雜高濃度硅的n-GaN形成。為了與n電極17良好接觸，n型接觸層11可以包括具有不同載流子濃度的多個(gè)層。ESD層12是通過形成凹坑20而引起的發(fā)光層上的應(yīng)力松弛來改進(jìn)靜電擊穿電壓或光輸出的層。ESD層12可以包括例如三個(gè)層依次沉積在n型接觸層11上的第一 ESD層、第二 ESD層和第三ESD層。第一 ESD層由以I X IOlfVcm3至5 X IO1Vcm3濃度摻雜硅的n-GaN形成。第一 ESD層具有200nm至IOOOnm的厚度。在第一 ESD層的表面上形成的凹坑具有I X IOVcm2或更小的密度。第二 ESD層由非摻雜GaN形成。第二 ESD層具有50nm至200nm的厚度。在第二 ESD層的表面上形成的凹坑具有2X 108/cm2或更大的密度。盡管第二 ESD層是非摻雜的，但是它由于剩余的載流子而具有I X IO1Vcm3至I X IO1Vcm3的載流子密度。第三ESD層為摻雜硅的GaN，并且定義為硅濃度(/cm3)與膜厚度(nm)乘積的特征值為0. 9X 102°nm/cm3至3. 6 X 102°nm/cm3。例如，當(dāng)?shù)谌鼸SD層的厚度為30nm時(shí)，硅濃度為3.0父1017(^3至1.2\1017(^3。n型包覆層13和發(fā)光層14沿著凹坑的形狀形成，但是不掩埋形成在ESD層12上的凹坑。n型包覆層13具有超晶格結(jié)構(gòu)，在所述超晶格結(jié)構(gòu)中InGaN和GaN交替地沉積15次。在n型包覆層13的表面(n型包覆層13與發(fā)光層14之間的界面)上，凹坑20具有IlOnm至150nm的直徑。發(fā)光層14具有MQW結(jié)構(gòu)，在所述MQW結(jié)構(gòu)中AlGaN勢壘層和InGaN阱層交替地沉積5次。勢壘層的Al組成比相對于AlGa為3摩爾％至7摩爾％。也就是說，當(dāng)勢壘層的半導(dǎo)體被描述為AlxGahN時(shí)，X為在0. 03至0. 07范圍內(nèi)的任意值。阱層的In組成比為使發(fā)射波長為例如380nm至460nm的值。p型包覆層15具有超晶格結(jié)構(gòu)，在所述超晶格結(jié)構(gòu)中P-AlGaN和p-InGaN交替地沉積7次。p型雜質(zhì)為Mg。p型接觸層16由摻雜Mg的p-GaN形成。為了與p電極19良好接觸，p型接觸層16可以包括具有不同載流子濃度的多個(gè)層。下面將參照圖2描述一種用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案I的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。首先，在氫氣氛中加熱藍(lán)寶石襯底10以進(jìn)行清潔，由此將沉積物從藍(lán)寶石襯底10的表面去除。此后，通過MOCVD方法，通過AlN緩沖層(未示出)在藍(lán)寶石襯底10上形成GaN n型接觸層11(圖2A)。所使用的氣體如下作為載氣的氫或者氮(H2或N2);作為氮源 的氨氣(NH3);作為Ga源的三甲基鎵(Ga(CH3)3，以下可以稱為“TMG”)；以及作為n型摻雜氣體的硅烷(SiH4)。
隨后，通過MOCVD方 法在n型接觸層11上形成ESD層12。ESD層12的生長溫度調(diào)節(jié)到850°C至920°C，以在ESD層12的表面上形成凹坑20，所述凹坑20具有約IXlO8/cm2 M 5X IOVcm2 的密度(圖 2B)。接著，通過MOCVD方法在ESD層12上依次沉積n型包覆層13和發(fā)光層14。使用上面提到的相同氣體作為載氣、氮源以及Ga源。使用三甲基銦(In (CH3)3，以下可以被稱為“TMI”)作為In源，使用三甲基鋁(Al (CH3)3，以下可以被稱為“TMA”)作為Al源。形成n型包覆層13和發(fā)光層14，但不掩埋凹坑20 (圖2C)。在此，由于ESD層12在850°C至920°C的溫度下形成，所以在n型包覆層13與發(fā)光層14之間的界面處的凹坑直徑為IlOnm至150nm。圖3是示出ESD層12的生長溫度與在n型包覆層13與發(fā)光層14之間的界面處的凹坑直徑之間的關(guān)系的曲線圖。如從圖3中清楚看出的，凹坑直徑可以通過ESD層12的生長溫度來控制。當(dāng)ESD層12的生長溫度調(diào)節(jié)到850°C、920°C和990°C時(shí)，凹坑直徑分別為 150nm、110nm 和 80nm。接著，在發(fā)光層14上沉積p型包覆層15和p型接觸層16 (圖2D)。當(dāng)形成這些層時(shí)，凹坑20被掩埋以使預(yù)面平坦化。二環(huán)戊二烯基鎂(Mg(C5H5)2，以下可以被稱為“Cp2Mg”)用作P型摻雜氣體。接下來，通過熱處理活化Mg，然后從p型接觸層16的頂面執(zhí)行干法刻蝕，由此形成到達(dá)n型接觸層11的槽。在p型接觸層16的頂面上形成透明電極18。然后，在透明電極18上形成p電極19。在暴露在通過干法刻蝕的槽的底部的n型接觸層11表面上形成n電極17。由此，制得圖I中示出的發(fā)光器件I。圖4是示出ESD層12的生長溫度與相對光輸出之間的關(guān)系的曲線圖。圖5是示出當(dāng)ESD層12的生長溫度為850°C時(shí)發(fā)光層14的勢壘層的Al組成比與相對光輸出之間的關(guān)系的曲線圖。所述相對光輸出是相對于當(dāng)ESD層12的生長溫度為850°C且Al組成比為0% (即，勢壘層為GaN)時(shí)的光輸出(其被視為I)的相對值。如從圖4中清楚看出的，當(dāng)通過升高ESD層12的生長溫度使凹坑直徑極小時(shí)，在發(fā)光層14中的應(yīng)力沒有被充分地松弛，導(dǎo)致光輸出減少。另一方面，當(dāng)通過降低ESD層12的生長溫度使得凹坑直徑極大時(shí)，載流子沒有被充分地限制，導(dǎo)致相對光輸出減少。因此，與根據(jù)實(shí)施方案I的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中一樣，預(yù)計(jì)ESD層12的生長溫度優(yōu)選在850°C至920°C的范圍內(nèi)，就是說，凹坑直徑在11011111至15011111的范圍內(nèi)。從圖4和圖5中還發(fā)現(xiàn)，相對光輸出隨勢壘層的Al組成比增加而增加。這是因?yàn)锳l組成比越高，則限制在發(fā)光層14中的載流子越多，導(dǎo)致溢流減少。如從圖5中清楚看出的，與Al組成比為0%的情況相比，當(dāng)Al組成比為3%時(shí)，獲得大約I. I倍的光輸出。因此，預(yù)計(jì)Al組成比優(yōu)選地為3%至7%。本發(fā)明具有如下特性n型層具有凹坑，所述凹坑在n型層與發(fā)光層之間的界面處具有IlOnm至150nm的直徑；以及發(fā)光層的勢壘層由AlGaN形成。對于除上述以外的結(jié)構(gòu)，可以利用任何常規(guī)的已知結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用于具有如下結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件傳導(dǎo)性材料用作襯底或者通過激光剝離移除襯底，并且電極形成在器件的頂部和襯底的底部，以在垂直方向上建立電傳導(dǎo)。本發(fā)明的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件可以用作光源。
權(quán)利要求
1.一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括依次沉積的n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層具有凹坑，其中所述凹坑的直徑在所述發(fā)光層與所述n型層之間的界面處為IlOnm至150nm ;所述發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，在所述MQW結(jié)構(gòu)中AlGaN勢壘層和InGaN阱層交替地沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述勢壘層相對于AlGa具有3摩爾％至7摩爾％的么1組成比。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述n型層具有如下結(jié)構(gòu)在所述結(jié)構(gòu)中沉積n型接觸層、ESD層和n型包覆層；在所述ESD層中并由所述ESD層形成所述凹坑；以及形成所述n型包覆層和所述發(fā)光層但不掩埋所述凹坑。
4.一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括依次沉積的n型層、發(fā)光層和p型層，所述n型層具有凹坑，所述方法包括 在850°C至920°C的生長溫度下形成所述凹坑； 通過交替地沉積AlGaN勢壘層和InGaN阱層來形成所述發(fā)光層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述勢壘層形成為相對于AlGa具有3摩爾％至7摩爾％的Al組成比。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述n型層具有如下結(jié)構(gòu)在所述結(jié)構(gòu)中沉積n型接觸層、ESD層和n型包覆層；在所述ESD層中并由所述ESD層形成所述凹坑；以及形成所述n型包覆層和所述發(fā)光層但不掩埋所述凹坑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件表現(xiàn)出改進(jìn)的發(fā)射性能和高的靜電擊穿電壓。所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有層狀結(jié)構(gòu)，在所述層狀結(jié)構(gòu)中，在藍(lán)寶石襯底上沉積n型接觸層、ESD層、n型包覆層、發(fā)光層、p型包覆層和p型接觸層。ESD層具有凹坑。形成n型包覆層和發(fā)光層但不掩埋所述凹坑。所述凹坑在n型包覆層與發(fā)光層之間的界面處具有110nm至150nm的直徑。發(fā)光層的勢壘層由具有3％至7％的Al組成比的AlGaN形成。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102637795SQ20121002882
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月11日
發(fā)明者中村亮 申請人:豐田合成株式會(huì)社