专利名称：第iii族氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及第III族氮化物半导体发光器件，由于通过在n型层上形成凹坑而在发光层中发生的应力松弛，所述III族氮化物半导体发光器件表现出改进的发射性能和高的静电击穿电压，其中AlGaN被用作发光层的势垒层。
背景技术：
作为第III族氮化物半导体发光器件，如下结构是已知的在n型层上形成凹坑(pit)，并形成发光层但不掩埋所述凹坑。例如，日本专利申请公开(kokai)No. 2007-180495公开了在n接触层上设置静电放电(ESD)层，所述ESD层包括两个层i_GaN层和n-GaN层，在i-GaN层上形成凹坑，并且控制n-GaN层的硅浓度和膜厚以使其落在规定的范围内，由此获得高的静电击穿电压。还公开了发光层具有多量子阱(MQW)结构，在所述MQW结构中AlGaN用作势垒层。日本专利申请公开(kokai)No. 2007-201424公开了一种第III族氮化物半导体发光器件，其中在n型层上形成有中间层，所述中间层具有凹坑，所述凹坑具有0. 05_或更大的顶径；并且在中间层上形成发光层但不掩埋所述凹坑，由此在电流流动时抑制反向电流。还公开了所述发光层具有MQW结构，在所述MQW结构中交替地沉积GaN和InGaN。日本专利申请公开(kokai)No. 1999-220169描述了在生长衬底与发光层之间形成具有凹坑的层，由此松弛发光层中的应力以及改进发射性能。已经尝试通过使用AlGaN作为势垒层来改进发射性能，使得电子被更有效地限制在第III族氮化物半导体发光器件的具有MQW结构的发光层中。但是，当在n型层上形成凹坑并且将AlGaN用作发光层的势垒层时，存在以下问题。当凹坑的直径过小时，在发光层中的应力没有被充分地松弛，导致光输出减少。另一方面，当凹坑的直径过大时，载流子没有被充分地限制，导致发射性能下降。日本专利申请公开(kokai) No. 2007-180495公开了将AlGaN用作发光层的势垒层，但是对于凹坑的直径没有考虑。在日本专利申请公开(kokai)No. 2007-201424中，在将GaN用作发光层的势垒层的情况下对凹坑的直径进行了研究，但是没有提到在使用AlGaN的情况下凹坑的直径。
发明内容
鉴于前面所提到的，本发明的一个目的在于通过松弛发光层中的应力和增加载流子在发光层中的限制率来提高发射性能，且同时在第III族氮化物半导体发光器件中实现高的静电击穿电压，其中在n型层上形成凹坑并且将AlGaN用作具有MQW结构的发光层的
势垒层。在本发明的第一方面中，提供了一种第III族氮化物半导体发光器件，所述器件包括依次沉积的n型层、发光层和p型层，所述n型层具有凹坑，其中所述凹坑在发光层与n型层之间的界面处的直径为IlOnm至150nm，并且所述发光层具有MQW结构，在所述MQW结构中交替地沉积AlGaN势垒层和InGaN阱层。如文中所用的第III族氮化物半导体”涵盖以式AlxGayInzN(x+y+z = 1,0 ( x,y，z彡I)表示的半导体；在这样的半导体中Al、Ga或In的一部分被另一种第13族元素(SP，B或者Tl)取代，或者N的一部分被另一种第15族元素(S卩，P、As、Sb或Bi)取代。所述第III族氮化物半导体的具体实例包括至少包含Ga的那些，例如GaN、InGaN、AlGaN以及AlGalnN。通常，Si用作n型杂质，Mg用作p型杂质。当形成凹坑时，可以通过第III族氮化物半导体的生长温度来控制在发光层与n型层之间的界面处的凹坑直径。例如，当生长温度被控制在850°C与920°C之间时，所述凹坑直径为IlOnm至150nm。 优选地，势垒层相对于AlGa具有3摩尔％至7摩尔V0的Al组成比。也就是说，当势垒层的半导体被描述为AlxGahN时，X为在0. 03至0. 07范围内的任意值。这加强了载流子在发光层中的限制并且减少了溢流，因而提高了发射性能。本发明的第二方面涉及根据第一方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个具体实施方案，其中势垒层相对于AlGa具有3摩尔％至7摩尔％的Al组成比，即AlxGapxN的 X 为 0. 03 至 0. 07。本发明的第三方面涉及根据所述第一或第二方面的第III族氮化物半导体发光器件的一个具体实施方案，其中，n型层具有如下结构依次地沉积n型接触层、ESD层和n型包覆层；在￡50层中并从ESD层开始形成凹坑；以及形成n型包覆层和发光层但不掩埋所述凹坑。在本发明的第四方面中，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述第III族氮化物半导体发光器件包括依次沉积的n型层、发光层和p型层，所述n型层具有凹坑，其中所述凹坑在850°C至920°C的生长温度下形成，所述发光层通过重复沉积AlGaN势垒层和InGaN阱层来形成。本发明可以通过控制发光层中的应力或载流子的限制来提高发射性能，并同时实现高的静电击穿电压。
当结合附图参照下面的优选实施方案的详细描述较好地理解本发明的目的、特征和伴随优点时，将会容易地解到本发明的各种其他目的、特征以及许多伴随优点，其中图I示出根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的结构；图2A至2D是示出用于制造根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的过程的概图；图3是示出ESD层12的生长温度与凹坑直径之间的关系的曲线图；图4是示出ESD层12的生长温度与光输出之间的关系的曲线图；和图5是示出了势垒层14的Al组成比与光输出之间的关系的曲线图。
具体实施例方式接下来将参照附图对本发明的具体实施方案进行描述。然而，本发明不限于所述实施方案。
图I示出了根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的结构。所述第III族氮化物半导体发光器件具有蓝宝石衬底10，在所述蓝宝石衬底10上经过缓冲层(未示出)依次沉积了 n型接触层11、ESD层12、n型包覆层13、发光层14、p型包覆层15以及P型接触层16。在p型接触层16的一部分上形成有深度到达n型接触层11的表面的槽，并且在由槽暴露的n型接触层的表面上形成有n电极17。在p型接触层16的几乎整个表面上形成有ITO透明电极18，并且在透明电极18上形成有p电极19。在蓝宝石衬底10上可以形成包括点图案和条纹图案中的至少一种的结构，以提高光提取效率。生长衬底可以由蓝宝石之外的例如SiC、ZnO、Si或GaN形成。n型接触层11由掺杂高浓度硅的n-GaN形成。为了与n电极17良好接触，n型接触层11可以包括具有不同载流子浓度的多个层。ESD层12是通过形成凹坑20而引起的发光层上的应力松弛来改进静电击穿电压或光输出的层。ESD层12可以包括例如三个层依次沉积在n型接触层11上的第一 ESD层、第二 ESD层和第三ESD层。第一 ESD层由以I X IOlfVcm3至5 X IO1Vcm3浓度掺杂硅的n-GaN形成。第一 ESD层具有200nm至IOOOnm的厚度。在第一 ESD层的表面上形成的凹坑具有I X IOVcm2或更小的密度。第二 ESD层由非掺杂GaN形成。第二 ESD层具有50nm至200nm的厚度。在第二 ESD层的表面上形成的凹坑具有2X 108/cm2或更大的密度。尽管第二 ESD层是非掺杂的，但是它由于剩余的载流子而具有I X IO1Vcm3至I X IO1Vcm3的载流子密度。第三ESD层为掺杂硅的GaN，并且定义为硅浓度(/cm3)与膜厚度(nm)乘积的特征值为0. 9X 102°nm/cm3至3. 6 X 102°nm/cm3。例如，当第三ESD层的厚度为30nm时，硅浓度为3.0父1017(^3至1.2\1017(^3。n型包覆层13和发光层14沿着凹坑的形状形成，但是不掩埋形成在ESD层12上的凹坑。n型包覆层13具有超晶格结构，在所述超晶格结构中InGaN和GaN交替地沉积15次。在n型包覆层13的表面(n型包覆层13与发光层14之间的界面)上，凹坑20具有IlOnm至150nm的直径。发光层14具有MQW结构，在所述MQW结构中AlGaN势垒层和InGaN阱层交替地沉积5次。势垒层的Al组成比相对于AlGa为3摩尔％至7摩尔％。也就是说，当势垒层的半导体被描述为AlxGahN时，X为在0. 03至0. 07范围内的任意值。阱层的In组成比为使发射波长为例如380nm至460nm的值。p型包覆层15具有超晶格结构，在所述超晶格结构中P-AlGaN和p-InGaN交替地沉积7次。p型杂质为Mg。p型接触层16由掺杂Mg的p-GaN形成。为了与p电极19良好接触，p型接触层16可以包括具有不同载流子浓度的多个层。下面将参照图2描述一种用于制造根据本发明的实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的方法。首先，在氢气氛中加热蓝宝石衬底10以进行清洁，由此将沉积物从蓝宝石衬底10的表面去除。此后，通过MOCVD方法，通过AlN缓冲层(未示出)在蓝宝石衬底10上形成GaN n型接触层11(图2A)。所使用的气体如下作为载气的氢或者氮(H2或N2);作为氮源 的氨气(NH3);作为Ga源的三甲基镓(Ga(CH3)3，以下可以称为“TMG”)；以及作为n型掺杂气体的硅烷(SiH4)。
随后，通过MOCVD方 法在n型接触层11上形成ESD层12。ESD层12的生长温度调节到850°C至920°C，以在ESD层12的表面上形成凹坑20，所述凹坑20具有约IXlO8/cm2 M 5X IOVcm2 的密度(图 2B)。接着，通过MOCVD方法在ESD层12上依次沉积n型包覆层13和发光层14。使用上面提到的相同气体作为载气、氮源以及Ga源。使用三甲基铟(In (CH3)3，以下可以被称为“TMI”)作为In源，使用三甲基铝(Al (CH3)3，以下可以被称为“TMA”)作为Al源。形成n型包覆层13和发光层14，但不掩埋凹坑20 (图2C)。在此，由于ESD层12在850°C至920°C的温度下形成，所以在n型包覆层13与发光层14之间的界面处的凹坑直径为IlOnm至150nm。图3是示出ESD层12的生长温度与在n型包覆层13与发光层14之间的界面处的凹坑直径之间的关系的曲线图。如从图3中清楚看出的，凹坑直径可以通过ESD层12的生长温度来控制。当ESD层12的生长温度调节到850°C、920°C和990°C时，凹坑直径分别为 150nm、110nm 和 80nm。接着，在发光层14上沉积p型包覆层15和p型接触层16 (图2D)。当形成这些层时，凹坑20被掩埋以使预面平坦化。二环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2，以下可以被称为“Cp2Mg”)用作P型掺杂气体。接下来，通过热处理活化Mg，然后从p型接触层16的顶面执行干法刻蚀，由此形成到达n型接触层11的槽。在p型接触层16的顶面上形成透明电极18。然后，在透明电极18上形成p电极19。在暴露在通过干法刻蚀的槽的底部的n型接触层11表面上形成n电极17。由此，制得图I中示出的发光器件I。图4是示出ESD层12的生长温度与相对光输出之间的关系的曲线图。图5是示出当ESD层12的生长温度为850°C时发光层14的势垒层的Al组成比与相对光输出之间的关系的曲线图。所述相对光输出是相对于当ESD层12的生长温度为850°C且Al组成比为0% (即，势垒层为GaN)时的光输出(其被视为I)的相对值。如从图4中清楚看出的，当通过升高ESD层12的生长温度使凹坑直径极小时，在发光层14中的应力没有被充分地松弛，导致光输出减少。另一方面，当通过降低ESD层12的生长温度使得凹坑直径极大时，载流子没有被充分地限制，导致相对光输出减少。因此，与根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件中一样，预计ESD层12的生长温度优选在850°C至920°C的范围内，就是说，凹坑直径在11011111至15011111的范围内。从图4和图5中还发现，相对光输出随势垒层的Al组成比增加而增加。这是因为Al组成比越高，则限制在发光层14中的载流子越多，导致溢流减少。如从图5中清楚看出的，与Al组成比为0%的情况相比，当Al组成比为3%时，获得大约I. I倍的光输出。因此，预计Al组成比优选地为3%至7%。本发明具有如下特性n型层具有凹坑，所述凹坑在n型层与发光层之间的界面处具有IlOnm至150nm的直径；以及发光层的势垒层由AlGaN形成。对于除上述以外的结构，可以利用任何常规的已知结构。例如，本发明可以应用于具有如下结构的发光器件传导性材料用作衬底或者通过激光剥离移除衬底，并且电极形成在器件的顶部和衬底的底部，以在垂直方向上建立电传导。本发明的第III族氮化物半导体发光器件可以用作光源。
权利要求
1.一种第III族氮化物半导体发光器件，包括依次沉积的n型层、发光层和p型层，所述n型层具有凹坑，其中所述凹坑的直径在所述发光层与所述n型层之间的界面处为IlOnm至150nm ;所述发光层具有MQW结构，在所述MQW结构中AlGaN势垒层和InGaN阱层交替地沉积。
2.根据权利要求I所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述势垒层相对于AlGa具有3摩尔％至7摩尔％的么1组成比。
3.根据权利要求I或2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述n型层具有如下结构在所述结构中沉积n型接触层、ESD层和n型包覆层；在所述ESD层中并由所述ESD层形成所述凹坑；以及形成所述n型包覆层和所述发光层但不掩埋所述凹坑。
4.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述第III族氮化物半导体发光器件包括依次沉积的n型层、发光层和p型层，所述n型层具有凹坑，所述方法包括 在850°C至920°C的生长温度下形成所述凹坑； 通过交替地沉积AlGaN势垒层和InGaN阱层来形成所述发光层。
5.根据权利要求4所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述势垒层形成为相对于AlGa具有3摩尔％至7摩尔％的Al组成比。
6.根据权利要求4或5所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述n型层具有如下结构在所述结构中沉积n型接触层、ESD层和n型包覆层；在所述ESD层中并由所述ESD层形成所述凹坑；以及形成所述n型包覆层和所述发光层但不掩埋所述凹坑。
全文摘要
本发明提供了一种第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，所述第III族氮化物半导体发光器件表现出改进的发射性能和高的静电击穿电压。所述第III族氮化物半导体发光器件具有层状结构，在所述层状结构中，在蓝宝石衬底上沉积n型接触层、ESD层、n型包覆层、发光层、p型包覆层和p型接触层。ESD层具有凹坑。形成n型包覆层和发光层但不掩埋所述凹坑。所述凹坑在n型包覆层与发光层之间的界面处具有110nm至150nm的直径。发光层的势垒层由具有3％至7％的Al组成比的AlGaN形成。
文档编号H01L33/00GK102637795SQ20121002882
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月9日 优先权日2011年2月11日
发明者中村亮 申请人:丰田合成株式会社