专利名称：氮化物半导体发光装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及氮化物半导体发光装置的制造方法，更具体地，涉及可以改 善包括在发光装置中的有源层的晶体质量并因此改善装置的发光效率的制 造方法。
背景技术：
在发光装置中，重要的是减少引起发光的有源层中的晶体缺陷比如位错，以便改善发光效率(例如，参照日本专利申请公开No. 10-335757、 11-177175和2001-168385)。为了抑制这样的晶体缺陷的形成，在具有与包括在氮化物半导体发光装 置的有源层中的量子阱层成分不同的层(比如高Al浓度的覆层)设置在有 源层附近的情形下，提出将Al浓度变化的多层膜结构？ j入到覆层中。此外，为了弛豫由n型或者p型GaN层与阱层的晶格常数之间的差异 引起的应变，还提出了在有源层附近将In浓度逐渐增加的多层膜结构引入 到n型或者p型GaN层。然而，在多层膜结构中，彼此接触的层具有彼此不同的成分，而这些层 的晶体生长表面具有不同的表面能级，并且因此难于清楚地(steeply)(明 确地)形成多层膜结构中的层之间的界面。如果在多层膜结构中的层界面是不明确的，则会从层界面产生位错，或 者在形成于该多层膜结构上的有源层中的阱层之间的界面不能明确地形成。包括位错或者弥散(loose )的界面的阱层厚度在空间上是不规则的。通 常，内量子效率主要取决于阱层的厚度。因此，在阱层的厚度为不规则的情 况下，具有低内量子效率的部分在阱层中散布，并且减少了全部阱层的内量 子效率。内量子效率表示由于电子和空穴的复合而形成光子的效率，该电子 和空穴是由从外面注入发光装置中的电流产生的电荷载流子。发明内容考虑到现有技术中的前述情况，本发明的目的在于提供包括多层膜结构 的氮化物半导体发光装置的制造方法，由此能够改善发光装置的内量子效率。本发明提供包括夹置于基板上的n型氮化物半导体层和p型氮化物半导 体层之间的氮化物半导体有源层的氮化物半导体发光装置的制造方法，其中n型层、有源层和p型层至少任意之一包括多层膜结构，并且表面活性剂材 料在包括在多层膜结构中的层的晶体生长之前、期间或者之后提供到晶体生 长表面。表面活性剂材料优选包含In、 Al、 Ga、 Mg、 Zn、 Si、 Ge和O中的 至少一种。多层膜结构可以包括具有不同带隙的至少两种类型的层。在此情况下， 表面活性剂材料优选在生长与另一层相比具有较大带隙的层之前或者期间 引入，该另一层恰在该层的下面。多层膜结构也可以包括具有不同载流子浓度的至少两种类型的层。在此 情况下，表面活性剂材料优选在生长与另一层相比具有更小的载流子浓度的 层之前引入，该另一层恰在该层的下面。当不同于III族元素的元素引入作为表面活性剂材料时，优选停止提供包含in族元素的源材料。另一方面，当ni族元素引入作为表面活性剂材料 时，优选停止提供包含氮的源材料。金属有机气相生长可以优选用于该晶体 生长。结合附图，通过下面对本发明的详细描述，本发明的前述和其它的目的、 特征、方面和优点将更加明显易懂。
图i是展示根据本发明实施例的氮化物半导体发光二极管中包括的多层 半导体结构的示意性截面图；图2是图1的多层半导体结构中包括的n侧多层膜结构的示意性截面图； 图3是图1的多层半导体结构中包括的p侧多层膜结构的示意性截面图；和图4是通过加工图1的多层半导体结构形成的发光二极管的示意性截面图。
具体实施方式
4如上所述，本发明提供包括夹置于基板上n型氮化物半导体层和p型氮 化物半导体层之间的氮化物半导体有源层的氮化物半导体发光装置的制造方法，其中n型层、有源层和p型层至少任意之一包括多层膜结构，并且表 面活性剂材料在包括于多层膜结构的层的晶体生长之前、期间或之后提供到 晶 体生长表面。因此，即使在多层膜结构中的层界面通过通常的晶体生长在制成得不明 确的情况下，可以通过将表面活性剂提供到晶体生长表面并且控制表面能， 多层膜结构中的层界面也可以制成得明确的。因此，对于形成于的n型或者 p型层附近的有源层，或者对于具有多层膜结构的有源层，能够保证界面的 平坦度和界面的明确性。因此，通过弥补有源层中内量子效率的不规则性， 能够改善整个有源层的内量子效率。在氮化物基半导体发光装置中晶体生长多层膜结构的情况下，表面活性 剂材料优选包含In、 Al、 Ga、 Mg、 Zn、 Si、 Ge和O中的至少一个。表面活性剂材料必须具有引起二维晶体生长模式(FM (Frank-van der Merwe)模式)的特性。在FM模式中，不发生岛状或不均匀的晶体生长， 而是发生二维均匀的层叠晶体生长。引起FM模式的表面活性剂材料希望是 低表面能的物质，具体地讲，小于主要构成氮化物半导体发光装置的GaN 的总表面能(general surface energy )(约2,0 J/m2 )。前述的In、 Al、 Ga、 Mg、 Zn、 Si、 Ge和O中的每一种的表面能都低于GaN。尽管表面活性剂材料通常倾向于处于在晶体生长表面上浮动的薄原子 层的状态，但是在该原子层中的原子部分结合到晶体中。因此，表面活性剂 材料优选为III族元素、n型杂质元素或p型杂质元素之一，它们通常用于制 造氮化物半导体装置。在前述的表面活性剂材料中，Al、 Ga和In为III族元 素；Si、 Ge和O对应于n型杂质元素；而Zn和Mg对应于p型杂质元素。包括在n型层、有源层或者p型层中的多层膜结构可以用不同带隙的至 少两种类型的层的结合形成。因此，能够选择能够抑制在有源层中引起的晶 格应变的多层膜结构，并且还能够通过在多层膜结构的晶体生长中采用表面 活性剂来清楚地定义层界面。因此，对于形成在多层膜结构附近的有源层， 或者对于具有多层膜结构的有源层，可以保证界面的平坦度和界面的明确 性，并且因此通过减少有源层中的内量子效率的不规则性，可以改善整个有 源层的内量子效率。在通过结合不同带隙的至少两种类型的层来形成多层膜结构的情况下， 表面活性剂优选在生长与另一层相比具有较大带隙的层之前或者期间引入，该另一层恰在该层的下面。其原因如下具有大带隙的氮化物半导体倾向于具有高表面能。因此，在具有较大带 隙的氮化物半导体层生长在具有较小带隙的氮化物半导体层上的情况下，具 有较高表面能的层生长在具有较低表面能的层上，并且高表面能的层倾向于 易于以岛状或者不均匀方式的晶体生长。对于该倾向性的措施，如果表面活 性剂在生长与另一层相比具有较大带隙的层之前引入，该另一层恰在该层的 下面，则能够使具有较大带隙的层的晶体生长表面平坦，并且还能够清楚地 定义多层膜结构中的层界面。作为选择，包括在n型或者p型层中的多层膜结构可以用具有不同载流 子浓度的至少两种类型的层的结合形成。在此情况下，载流子可以易于传播 于具有较低电阻的较高载流子浓度的层中，并且这提高了设置于多层膜结构 附近的有源层中的载流子的传播，由此改善了有源层的内量子效率。通过在 多层膜结构的晶体生长中采用表面活性剂以平坦层界面，还变得能够保证临 近于多层膜结构的有源层的平坦度和明确性，由此进一步改善内量子效率。当多层膜结构通过结合具有不同载流子浓度的至少两种类型的层形成 时，表面活性剂优选在晶体生长与另一层相比具有较小载流子浓度的层开始 前引入，该另一层在该层的下面。这是因为，在较低载流子浓度的层晶体生 长中，低浓度掺杂剂对于表面活性剂仅有很小的影响，并且因此认为表面活 性剂易于展现其作用。当不同于III族元素的元素引入作为多层膜结构的晶体生长中的表面活 性剂材料时，优选停止供应III族元素的源材料，以便临时停止晶体的生长。 然后，表面活性剂的原子层在晶体生长表面之上充分传播，并且可以保证减 小表面能的作用。另一方面，如果III族元素引入作为表面活性剂材料，则 优选停止供应氮的源材料，以便临时停止晶体生长。同样在此情况下，表面 活性剂的原子层在晶体生长表面之上充分传播，并且可以保证减小表面能的 作用。自然，可以优选采用金属有机气相生长方法作为本发明的各种氮化物 半导体层的晶体生长法。现在，参照附图描述本发明的实施例。在附图中，层的厚度和宽度等之 间的尺寸关系任意改变，以便使图解清楚和简化，并且因此不对应于实际的尺寸关系。在附图中，相同的附图标记表示相同或者相对应的部分。 (发光二极管的制造) 图1是展示如本发明的实施例要制造的氮化物半导体发光二极管中包括 的多层半导体结构的示意性截面图。为了形成该多层半导体结构，緩冲层102、 n型氮化物半导体层103、 n侧多层膜结构104、有源层105、蒸发保护 层106、 p侧多层膜结构107和p型氮化物半导体层108依次堆叠在用于晶 体生长的蓝宝石衬底101上。作为选才奪，用于晶体生长的衬底101可以由SiC、 Si或者ZnO代替蓝宝 石来准备。緩沖层102可以优选由GaN形成，或者可以由A1N或者 AlxIriyGa,.x.yN (0Sx^l,0^y《1)形成。 (有源层)有源层105可以包括量子阱层和势垒层作为其多层膜结构，并且可以包 括例如六个阱层。自然，阱层和势垒层交替堆叠。例如，阱层可以由 Ino.,5Gao.85N形成，而势垒层可以由Alo.cnIno.02Gao.97N形成。作为选择，阱层 可以由InaGa卜aN ( 0 < a < 1 )形成，而势垒层可以由AlblncGa,如cN ( 0 S b S l,OS" 1 )形成。(n侧和p侧多层膜结构)图2和3分别为展示n侧多层膜结构104和p侧多层膜结构107的示意 性截面图。更具体地讲，n侧多层膜结构104通过交替和重复地堆叠n型 Al0.2GaQ.8N层201和非掺杂GaN层202形成，而p侧多层膜结构107通过交 替和重复地堆叠p型AlQ.2Ga().8N层203和非摻杂GaN层204形成。然而，n侧和p侧多层膜结构不限于图2和3所示的结构，而是每个多 层膜结构可以由A1、 In、 Ga等的不同成分比的和/或不同掺杂浓度的至少两 种类型的层的结合构成。 (晶体生长)首先，蓝宝石衬底101设置在金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备 的反应炉中。蓝宝石衬底101的温度升高到1050°C,且氢供入反应炉中，由 此清洗蓝宝石衬底101的主表面(C面)。蓝宝石基板101的温度降低到51(TC后，将用于源气体的氨和三曱基镓 (TMG-trimethylgallium )与作为载体气体的氢一起供应到反应炉，以便在蓝 宝石衬底101的主表面(C面)上沉积GaN緩冲层102到约20nm的厚度。蓝宝石衬底101的温度再次升高到1050。C后，给反应炉供应用于源气体 的氨和三曱基镓(TMG trimethylgallium )、作为杂质气体的SiH4 (硅烷)和 作为载体气体的氪，并且因此摻杂有Si的GaN下层通过MOCVD沉积在緩 沖层102上，使得该GaN下层的厚度为6 |tim，并且载流子浓度为1 x 10ls/cm3。 然后，与n型GaN下层的情况相类似，掺杂有Si的n型GaN接触层通过 MOCVD沉积在n型GaN下层上，使得该GaN接触层的厚度为0.5 (im,并 且载流子浓度为5 x 1018/cm3。以这种方式，n型GaN下层以及其上的n型 GaN接触层沉积为n型氮化物半导体层103。 (n侧多层膜结构的生长)其后，停止供应SiH4、 TMG和NH3;在10秒之后，三曱基铟(TMI, trimethylindium )引入15秒，以便用作为表面活性剂的In覆盖晶体生长表 面；以及然后引入SiH4、 TMG、三曱基铝(TMA, trimethylaluminum) 和 NH3,以形成厚度为10nm的Al0.2Gaa8N层201。其后，引入TMG和NH3 以形成厚度为10nm的非掺杂的GaN层202。重复类似的步骤，以形成由重 复堆叠的n型Ak2Gaa8N层201和非掺杂的GaN层202构成的n侧多层膜 结构104。(有源层的生长)蓝宝石衬底101的温度降低到70(TC后，将用于源气体的氨、TMG和 TMI与作为载体气体的氮一起供应到反应炉，以便在n側多层膜结构104上 沉积厚度为2.5nm的In。.15GaG.85N阱层。在村底101的温度保持在700。C的同时，引入表面活性剂，然后将用于 源气体的氨和TMG与作为载体气体的氮一起供应到反应炉，以便沉积厚度 为18nm的GaN势垒层。阱层的沉积、表面活性剂的供应和势垒层的沉积的循环重复六次，以形 成有源层105。(蒸发保护层的生长)在蓝宝石衬底101的温度增加到950。C后，将用于源气体的氨、TMG和 TMA与作为杂质气体的环戊二烯基难美(Cp2Mg， cyclopentadienylmagnesium ) 和作为载体气体的氢一起供应到反应炉，以便通过MOCVD在有源层105 上沉积Mg掺杂浓度为1 x 102()/cm3、厚度为约30nm的Alo.,sGao.85N蒸发保 护层106。形成蒸发保护层106以便防止有源层105在随后的MOCVD工艺中蒸发。(p侧多层膜结构的生长)然后，停止供应Cp2Mg、 TMG和NH3;在IO秒之后，引入TMI 15秒， 以用作为表面活性剂的In覆盖晶体生长表面；以及其后引入Cp2Mg、 TMG、 TMA和NH3，以形成厚度为10nm的p型Al0.2Ga0.8N层203。其后，引入 TMG和NHs，以形成厚度为10nm的非掺杂GaN层204。重复类似的步骤， 以形成由重复堆叠的p型Al。.2Ga。.8N层203和非#^杂GaN层204构成的p 侧多层膜结构107。在包括在多层膜结构中的层的生长之前、之后或期间的任何阶段可以引 入In表面活性剂，以获得其作用。然而，更为优选的是具有较高表面能的 每个p型Al02Gaa8N层203生长之前引入In。 (p型接触层的生长)在蓝宝石衬底101的温度保持在95(TC的同时，将用于源气体的氨和 TMG与作为杂质气体的Cp2Mg和作为载体气体的氢一起供应到反应炉，以 便通过MOCVD在p侧多层膜结构107上沉积厚度为0.1 |Lim、 Mg掺杂浓度 为1 x 1020/cm3的p型GaN接触层108。其后，蓝宝石衬底101的温度降低到700°C,并且在引入氮以形成反应 炉中的气氛的同时，对包括形成在蓝宝石衬底101上的多层半导体结构102 至108的整个晶片进行退火。 (加工成发光二极管)图4是展示通过加工以前述方式获得的多层半导体结构形成的发光二极 管的示意性截面图。该图所示发光二极管可以如下形成首先，从反应炉中取出晶片；图案化为预定形状的掩模层(未示出)形 成在p型接触层108上；在反应离子蚀刻(RIE)设备中从p型接触层108侧 进行蚀刻，然后暴露包括在n型氮化物半导体层103中的接触层的部分表面。蚀刻后去除掩模层；厚度为7nm包含Pd的透明电极301基本上形成在 p型接触层108的整个表面上；然后在透明电极30'1的预定区域上，Au的p 侧焊盘电极302形成为具有0.5 (im的厚度。另一方面，包含Ti和Al的n 侧焊盘电极303形成在通过蚀刻n型接触层暴露的表面上。可以以前述的方式制造根据本发明的发光二极管。在20mA的注入电流 下，根据该实施例制造的30个发光二极管的平均总光通量输出为22.5 mW(波长455 nm )。另一方面，在20mA的注入电流下，在多层膜结构的形成期间没有采用 表面活性剂制造的比较发光二极管的平均总光通量输出为18.9mW (波长 455 nm )。关于根据该实施例的发光二极管和没有采用表面活性剂制造的比较发 光二极管，用透射电子显微镜(TEM)观察它们的多层膜结构。结果，证实 了根据该实施例的发光二极管中多层膜结构的层界面的明确性高于没有采 用表面活性剂制造的比较发光二极管中多层膜结构的层界面的明确性。正如前述可以清楚理解的,即使在多层晶体生长通常引起弥散的层界面 的情况下，变得能够通过采用表面活性剂来减少晶体生长表面的表面能，并 且在多层膜结构中明确地形成层界面。换言之，通过采用表面活性剂，对于 形成在包括多层膜结构的n型或者p型层附近的有源层，或者对于具有多层 膜结构的有源层，可以保证平坦度和明确性。因此，可认为弥补有源层的内 量子效率的不规则，由此引起有源层的量子效率的改善，并且提高总光通量 的输出。尽管在前述实施例中每个多层膜结构包括两种类型的层，但是本发明当 然也可应用到包括至少三种类型的层的多层膜结构。关于电极的形成，对于电流扩散层和p型氮化物半导体上的电极可以选 择Pd、 Ni、 ITO或者n型GaN等。此外，对于焊盘电极可以选择Au或者 Ti/Al等。对于前述实施例可选择的是，p型接触层108可以连接到分离地准备的 导电支撑衬底上，从而提供在n型氮化物半导体层103侧上的电极用作光提 取电极，而A1、 Pt或Ag等具有高反射率的金属层形成在p型接触层108侧 的支撑衬底上，由此提供垂直电极结构。根据本发明制造氮化物半导体发光装置的方法，如上所述，能够改善氮 化物半导体发光装置例如发射蓝光的氮化物半导体发光二极管的发光效率。尽管本发明已经进行了详细的描述和图解，但是应当清楚理解的是，这 些只是通过图解和实例的方式，而不是通过限制的方式进行的，本发明的范 围由所附权利要求的条款来解释。本申请基于2007年6月18日提交日本专利局的日本专利申请No. 2007-160285，将其全部内容引用结合于此。
权利要求
1、一种制造氮化物半导体发光装置的方法，所述氮化物半导体发光装置包括夹置于衬底上的n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的氮化物半导体有源层，其中所述n型层、所述有源层和所述p型层的至少任何之一包括多层膜结构，并且在包括在所述多层膜结构中的层的晶体生长之前、期间或者之后，将表面活性剂材料提供到晶体生长表面。
2、 根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中 所述表面活性剂材料包含In、 Al、 Ga、 Mg、 Zn、 Si、 Ge和O中的至少一个。
3、 根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中 所述多层膜结构包括具有不同带隙的至少两种类型的层。
4、 根据权利要求3所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中 所述表面活性剂材料在生长比另 一层具有更大的带隙的层之前或期间提供到晶体生长表面，该另一层恰在该层的下面。
5、 根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中 所述多层膜结构包括具有不同载流子浓度的至少两种类型的层。
6、 根据权利要求5所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中所述表面活性剂材料在生长比另 一层具有更小的载流子浓度的层之前 提供到晶体生长表面，该另一层恰在该层的下面。
7、 根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中 当不同于m族元素的元素提供为所述表面活性剂材料时，停止提供包含m族元素的源材料。
8、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中当m族元素提供为所述表面活性剂材料时，停止提供包含氮的源材料。
9、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体发光装置的方法，其中所述晶体生长是金属有机气相生长。
全文摘要
本发明提供一种氮化物半导体发光装置的制造方法，在包括夹置于衬底(101)上的n型氮化物半导体层(103、104)和p型氮化物半导体层(106至108)之间的氮化物半导体有源层(105)的氮化物半导体发光装置的制造方法中，n型层、有源层和p型层的至少任何之一包括多层膜结构，并且表面活性剂材料在包括在多层膜结构中的层的晶体生长之前、期间或者之后提供到晶体生长表面。
文档编号H01L33/42GK101330121SQ20081012531
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者中津弘志, 小河淳, 驹田聪, 高冈宏树 申请人:夏普株式会社