第iii族氮化物半导体发光器件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。具体地，本发明提供一种其中发光层中的应变得以松弛以实现高发光效率的第III族氮化物半导体器件以及用于制造该器件的方法。本发明的发光器件具有衬底、低温缓冲层、n型接触层、第一ESD层、第二ESD层、n侧超晶格层、发光层、p侧超晶格层、p型接触层、n型电极N1、p型电极P1和钝化膜F1。第二ESD层具有平均凹坑直径D的凹坑。平均凹坑直径D为至包括在n侧超晶格层中的InGaN层的厚度满足以下条件：-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。
【专利说明】第M I族氮化物半导体发光器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。更具体地，本发明涉及其中施加到发光层的应变得以松弛的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]通常，第III族氮化物半导体发光器件通过第III族氮化物半导体从生长衬底外延生长来制造。在该工艺中，形成具有不同晶格常数的多个第III族氮化物半导体层。由于晶格常数的差异，在相关的半导体层中产生应变(即，应力)。该应力产生压电场，其使得发光层的量子阱的电势变形，从而在空间上将电子与空穴分开。结果，在发光层中电子与空穴之间的复合的概率减小。在这种情况下，半导体发光器件的发光效率下降。
[0003]为了最大可能程度地减小在半导体层中产生的应变对发光层的影响，已经开发了一些技术。一种技术是用于松弛应变的超晶格层。超晶格层具有晶格常数不同的两个或更多个层单元，由此施加到发光层的应变得以松弛。用于使应变松弛的另一层是用于防止半导体层的静电击穿的层(在下文中，这样的层可以称为“静电击穿电压改进层”)。专利文献I公开了在静电击穿电压改进层中形成凹坑(pit)的技术(例如，参见专利文献I的[0007]至[0010]段)。静电击穿电压改进层可以防止半导体层的静电击穿并且可以通过凹坑使双轴应力松弛。
[0004]专利文献1:日本公开特许公报(特开)第2007-180495号。
[0005]然而，即使在超晶格层仅与静电击穿电压改进层相结合(这两个层形成为使应变最大程度地松弛)时，也不能使应变松弛的效果达到最大程度。相反，半导体发光器件的发光强度在一些情况下可能降低。据推测，这是因为超晶格层的应变松弛机制不同于静电击穿电压改进层的应变松弛机制。因此，应变松弛优选地不仅通过设置组合的超晶格层和静电击穿电压改进层，还通过其它手段来实现。
【发明内容】
[0006]为了解决与常规技术有关的上述问题，实现了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种其中施加到发光层的应变得以松弛以由此实现高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件。另一目的是提供一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法。
[0007]因此，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，该第III族氮化物半导体发光器件包括由第III族氮化物半导体形成的底层、形成在底层上的超晶格层和形成在超晶格层上的发光层。底层具有凹坑。超晶格层具有由包含铟的第III族氮化物半导体形成的至少含铟层。在底层与超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径D (A)满足以下条件:500 A<D<3()00 A。含铟层的厚度Y (A)满足以下条件:
[0008]-0.029 X D+82.8 ≤ Y ≤-0.029 X D+102.8。
[0009]在第III族氮化物半导体发光器件中，施加到发光层的应变得以松弛。设置有凹坑的底层和形成在底层上的超晶格层适当地吸收应变。因此，施加到发光层的应变得以松弛。从而，在发光层中产生的压电场的强度小于常规半导体发光器件的压电场的强度。即，第III族氮化物半导体发光器件的发光效率高于常规半导体发光器件的发光效率。
[0010]本发明的第二方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中超晶格层由重复沉积的层单元形成。每个层单元具有两个或更多个含铟层。含铟层的厚度Y (盖)是针对超晶格层中具有最小带隙的层测得的厚度。在这种情况下，具有上述厚度Y (A)的条件的含铟层的In组成比最大。 [0011]本发明的第三方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中所述凹坑的底端位于底层的厚度范围内。凹坑由穿透位错W引起并且在底层生长期间形成。本文所使用的术语“底层”是指在超晶格层之下的半导体层。底层可以是由两个或更多个层组成的半导体层。
[0012]本发明的第四方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中底层为用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。
[0013]本发明的第五方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中平均凹坑直径D (A)满足以下条件:500A<D<1500人。当凹坑直径落在该范围内时，第III族氮化物半导体发光器件对反向电压具有足够的耐受性。
[0014]在本发明的第六方面中，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，该方法包括:
[0015]形成底层；
[0016]在底层上形成超晶格层；以及
[0017]在超晶格层上形成发光层。在形成底层时，在底层中设置凹坑，使得在底层与超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径D ( 满足以下条件:
[0018]500 A<DSJ000 在形成超晶格层时，由含铟第in族氮化物半导体形成含
铟层，使得含铟层的厚度Y (U满足以下条件:
[0019]-0.029 X D+82.8 ≤ Y ≤-0.029 X D+102.8。
[0020]通过采用用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，从氮化物半导体模板(即，在底层下方的层)中传递的应变可以得以有效地松弛，由此可以降低施加到发光层的应变。此外，保持了所形成的半导体层的结晶度，并且半导体层的除设置有凹坑的区域之外的部分高度平坦。因此，所形成的发光层具有高结晶度。换句话说，可以制造具有高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件。在这样制造的第III族氮化物半导体发光器件中，施加到发光层的应变得以松弛，这是因为设置有凹坑的底层和设置在底层上的超晶格层适当地吸收应变。因此，可以降低施加到发光层的应变，并且降低压电场对发光层的影响。
[0021]本发明的第七方面涉及用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的一个实施方案，其中在形成超晶格层时，重复沉积各自具有两个或更多个含铟层的层单元，以及形成超晶格层中具有最小带隙的含铟层，使得该含铟层具有上述厚度Y (A)0
[0022]本发明的第八方面涉及用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的一个特定实施方案，其中平均凹坑直径D (▲)调整为满足以下条件:500 A<D<15001。这样制造的第III族氮化物半导体发光器件对反向电压具有足够的耐受性。
[0023]本发明使得能够提供其中施加到发光层的应变得以松弛以由此实现高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]本发明的各种其它目的、特征以及许多附带的优点将容易理解，这是因为在结合附图进行考虑的情况下，参考下面的优选实施方案的详细描述，本发明的各种其它目的、特征以及许多附带的优点变得更好理解，在附图中:
[0025]图1是根据实施方案的第III族氮化物半导体发光器件的结构示意图；
[0026]图2是形成根据该实施方案的第III族氮化物半导体发光器件的层的层结构的示意图；
[0027]图3是根据实施方案的设置在静电击穿电压改进层中的凹坑的示意图；
[0028]图4是根据实施方案的设置在静电击穿电压改进层中的凹坑以及超晶格层的厚度的不意图；
[0029]图5是示出根据实施方案的用于制造发光器件的方法的示意图(部分I)；
[0030]图6是示出根据实施方案的用于制造发光器件的方法的示意图(部分2)；
[0031]图7是示出在静电击穿电压改进层的平均凹坑直径为2500盖的情况下，超晶格层的InGaN层的厚度与总辐射通量之间的关系的曲线图；
[0032]图8是示出在静电击穿电压改进层的平均凹坑直径为15001的情况下，超晶格层的InGaN层的厚度与总辐射通量之间的关系的曲线图；以及
[0033]图9是示出静电击穿电压改进层的平均凹坑直径与超晶格层的InGaN层的厚度之间的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0034]下面将参照附图，通过以制造半导体发光器件的情形为例描述本发明的特定实施方案。然而，本发明不限于这些实施方案。当然，形成下述的发光器件的层结构和电极仅为实例，并且可以不同于在下述实施方案中例示的实例。在附图中示意性示出的每个层的厚度与其实际值不对应。此外，在附图中示出的凹坑的尺寸大于实际值。
[0035]1.半导体发光器件
[0036]图1是根据本实施方案的第III族氮化物半导体发光器件100的结构示意图。如图1所示，发光器件100是正装芯片型半导体发光器件。发光器件100具有由第III族氮化物半导体形成的多个半导体层。半导体层的层结构在图2中示出。
[0037]如图1所示，发光器件100具有衬底110、低温缓冲层120、η型接触层130、第一ESD层140、第二 ESD层150、η侧超晶格层160、发光层170、ρ侧超晶格层180、ρ型接触层190、η型电极N1、ρ型电极Pl和钝化膜Fl。
[0038]在衬底110的主表面上依次形成半导体层，即，低温缓冲层120、η型接触层130、第一 ESD层140、第二 ESD层150、η侧超晶格层160、发光层170、ρ侧超晶格层180以及ρ型接触层190。η型电极NI形成在η型接触层130上，并且ρ型电极Pl形成在ρ型接触层190 上。
[0039]衬底110用作具有主表面的生长衬底，通过MOCVD在主表面上形成半导体层。衬底110的表面可以是凹凸的。衬底110由蓝宝石制成。除蓝宝石之外，还可以使用如SiC、ΖηΟ、Si和GaN等材料。
[0040]低温缓冲层120形成在衬底110的主表面上。使用低温缓冲层120，以在蓝宝石衬底Iio中以高密度形成结晶核。借助低温缓冲层120，促进了具有平坦表面的GaN层的生长。低温缓冲层120由如AlN或GaN等材料制成。
[0041]η型接触层130位于η型电极NI下方。η型接触层130与η型电极NI欧姆接触。η型接触层130形成在低温缓冲层120上。η型接触层130是Si浓度为I X IO1Vcm3或更高的η型GaN层。为了增强与η型电极NI的欧姆接触，η型接触层130可以由具有不同载流子浓度的多个层形成。η型接触层130的厚度为例如4 μ m。当然，也可以采用其它厚度值。
[0042]第一 ESD层140用作用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。第一 ESD层140形成在η型接触层130上。第一 ESD层140是非掺杂i_GaN层。第一 EDS层140的厚度为300nm。
[0043]第二 ESD层150用作用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。第二 ESD层150是掺杂Si的η型GaN层。第二 ESD层150的厚度为约30nm。第二 ESD层150的Si浓度为约5 X IO1Vcm3。
[0044]η侧超晶格层160用作用于使施加到发光层170的应变松弛的应变松弛层。更具体地，η侧超晶格层160是具有超晶格结构的η侧超晶格层。如图2所7]^，η侧超晶格层160通过重复沉积 各自均由InGaN层161和η型GaN层162形成的层单元形成。重复的次数为10至20。然而，次数可以在该范围之外。InGaN层161的In组成比为2%至20%。InGaN层161的In组成比小于包括在下述发光层170中的InGaN层171的In组成比。当InGaN层161的In组成比不小于包括在发光层170中的InGaN层171的In组成比时，InGaN层161不利地吸收通过发光层170发射的光。InGaN层161的厚度为2盖至90 L.n~GaN层162的厚度为10 I至50 A。在η侧超晶格层160中重复沉积的n_GaN层162具有相同的厚度。
[0045]InGaN层161是含铟层。InGaN层的带隙小于η型GaN层162的带隙。在形成η侧超晶格层160的层中，InGaN层161具有最小的带隙。
[0046]发光层170通过电子与空穴的复合发射光。发光层170形成在η侧超晶格层160上。发光层170通过重复沉积InGaN层171、GaN层172和AlGaN层173形成。重复的次数为3至20。InGaN层171的In组成比为5%至40%。InGaN层171的厚度为10 A至70 AeGaN层172的厚度为5 A至70 A。AlGaN层173的Al组成比为5%至40 %。AlGaN层173的厚度为5盖至70 I。这些值仅为实例，也可以采用其它值。
[0047]ρ侧超晶格层180形成在发光层170上。ρ侧超晶格层180通过重复沉积非掺杂AlGaN层181、ρ型InGaN层182和ρ型AlGaN层183形成。重复的次数例如为5。非掺杂
AlGaN层181的Al组成比为5%至40 %。非掺杂AlGaN层181的厚度为$ ▲至70 L.P型InGaN层182的In组成比为2%至20%。ρ型InGaN层182的In组成比小于包括在发光层170中的InGaN层171的In组成比。ρ型InGaN层182的厚度为10 A至70盖。P型AlGaN层183的Al组成比为10%至20%。ρ型AlGaN层183的厚度为5 I至70 I。这些值仅为实例，也可以采用其它值。此外，可以采用另外的层结构。[0048]ρ型接触层190形成在ρ侧超晶格层180上。ρ型接触层190设置为与P型电极Pl建立欧姆接触。P型接触层190的厚度为80nm。ρ型接触层190以Mg浓度为I X IO19/cm3 至 I X IO22/cm3 惨杂有 Mg。
[0049]ρ型电极Pl形成在ρ型接触层190上。P型电极Pl欧姆接触P型接触层190。ρ型电极Pl由ITO制成。
[0050]η型电极NI形成在η型接触层130上。η型电极NI欧姆接触η型接触层130。η型电极NI通过在η型接触层130上依次形成V膜和Al膜形成。可替代地，η型电极NI可以通过依次形成Ti膜和Al膜来形成。
[0051]钝化膜Fl覆盖η型接触层130的侧表面、第一 ESD层140的侧表面、第二 ESD层150的侧表面、η侧超晶格层160的侧表面、发光层170的侧表面、ρ侧超晶格层180的侧表面和P型接触层190的侧表面、以及ρ型电极Pl的一部分和η型电极NI的一部分。换句话说，P型电极Pl的剩余部分和η型电极NI的剩余部分未覆盖钝化膜Fl并且暴露在空气中。钝化膜Fl由例如SiO2制成。
[0052]2.设置在静电击穿电压改进层中的凹坑
[0053]参照图3，将描述设置在静电击穿电压改进层(B卩，第一 ESD层140和第二 ESD层150)中的凹坑X。凹坑X由穿透位错W引起。即，在穿透位错W处产生凹坑X。穿透位错W沿着半导体层的生长方向传播。然后，当穿透位错W到达第一 ESD层140时，形成凹坑X。随着静电击穿电压改进层的生长的进行，凹坑沿着与层生长方向正交的方向生长。因此，凹坑X密度几乎等于穿透位错W密度，这是因为凹坑在穿透位错处引起。因此，当穿透位错密度为约 I X IO7 (I/cm2)至约 3 X IO10 (Ι/cm2)，凹坑密度也为约 I X IO7 (I/cm2)至约 3 X 101° (I/cm2) ο
[0054]因此，随着第一 ESD层140的厚度和第二 ESD层150的厚度的增加，在第二 ESD层150的顶面处的凹坑直径Dl增加。此外，凹坑X的底端Xl位于静电击穿电压改进层的厚度范围内。凹坑X从第一 ESD层140延伸到η侧超晶格层160。凹坑X被η侧超晶格层160的底面封闭(如在图1中从顶部所观察的)。
[0055]凹坑X假定为圆锥孔或六面锥体孔。在圆锥孔的情况下，凹坑直径Dl对应于在第二 ESD层150的顶面，即在第二 ESD层150与η侧超晶格层160之间的界面SI处测得的凹坑X的直径。
[0056]在凹坑X假定为六面锥体孔的情况下，凹坑X沿着与凹坑X的生长方向正交的面截取的横截面通常为正六边形。在这种情况下，凹坑X的凹坑直径Dl定义为在横截面上从六边形的一个顶点到相对的顶点的线段的长度。凹坑直径Dl对应于凹坑X的在第二 ESD层150的顶面处(即，在第二 ESD层150与η侧超晶格层160之间的界面SI处)测得的线段直径的长度。
[0057]根据凹坑X的横截面形状，可以采用上述定义中的任意一种。理论上，凹坑X的横截面形状为六边形。然而，如下文中在实验部分所描述的，凹坑X的实际横截面形状通常是圆形。因此，在下文中，将假定凹坑X的横截面形状为圆形来定义凹坑直径D1。
[0058]平均凹坑直径D是在界面SI处测得的平均凹坑直径Dl。即，平均凹坑直径D是通过对所有凹坑X的在第二 ESD层150与η侧超晶格层160之间的界面SI处测量的凹坑直径Dl的值取平均值而计算出的。[0059]平均凹坑直径D根据第二 ESD层150的厚度并且根据第二 ESD层150生长的温度而变化。随着第二 ESD层150的厚度的增加，平均凹坑直径D增加。相反，随着第二 ESD层150的厚度的减小，平均凹坑直径D减小。此外，随着第二 ESD层150生长温度升高，平均凹坑直径D减小。相反，随着第二 ESD层150生长降低，平均凹坑直径D增加。因此，平均凹坑直径D可以通过改变第二 ESD层150的厚度和生长温度来调整。
[0060]平均凹坑直径D满足以下条件⑴:
[0061]
【权利要求】
1.一种第III族氮化物半导体发光器件，包括:由第III族氮化物半导体形成的底层、形成在所述底层上的超晶格层和形成在所述超晶格层上的发光层，其中 所述底层具有凹坑； 所述超晶格层至少具有由包含铟的第III族氮化物半导体形成的含铟层； 所述凹坑具有在所述底层与所述超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径D (A )，该凹坑直径满足以下条件:500 A<D<3000 A;以及 所述含铟层的厚度Y (U满足以下条件:
-0.029XD+82.8 ≤ Y ≤-0.029XD+102.8。
2.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中 所述超晶格层由重复沉积的层单元形成； 每个层单元具有两个或更多个含铟层；以及 所述含铟层的厚度Y (U是对所述超晶格层中具有最小带隙的层所测量的厚度。
3.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹坑的底端位于所述底层的厚度范围内。
4.根据权利要求2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹坑的底端位于所述底层的厚度范围内。
5.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。
6.根据权利要求2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。
7.根据权利要求3所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。
8.根据权利要求4所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述平均凹坑直径D (I)满足以下条件:SOO A<D<1500 Ae
10.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，包括: 形成底层； 在所述底层上形成超晶格层；以及 在所述超晶格层上形成发光层； 其中，在形成所述底层时，在所述底层中设置凹坑，使得在所述底层与所述超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径D(A)满足以下条件: . 500 A<D<3000 A;以及 在形成所述超晶格层时，由包含铟的第III族氮化物半导体形成含铟层，使得所述含铟层的厚度Y (A)满足以下条件: . -0.029XD+82.8 ≤ Y ≤-0.029XD+102.8。
11.根据权利要求10所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在形成所述超晶格层时， 重复沉积层单元，每个所述层单元具有两个或更多个含铟层，以及 所述超晶格层中具有最小带隙的含铟层形成为具有所述含铟层的所述厚度Y (A)0
12.根据权利要求10或11所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述平均凹坑直径D (I)调整为满足以下条件:500入SDS1500 An
【文档编号】H01L33/32GK103682002SQ201310381669
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2012年9月26日
【发明者】奥野浩司, 宫崎敦嗣 申请人:丰田合成株式会社