发光器件及其制造方法与流程

本专利文件请求于2014年8月19日提交的韩国专利申请案第10-2014-0108021号和于2015年6月23日提交的韩国专利申请案第10-2015-0088823号的优先权和权利，所述专利申请案的内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明的示范性实施例涉及一种包括p型半导体层的氮化物半导体发光器件及其制造方法。

背景技术：

通常，采用氮化物半导体的发光器件包括n型半导体层、有源层以及p型半导体层。在有源层中，电子和空穴被复合以发光。有源层中的电子和空穴的复合率直接影响发光器件的发光效率。为了改良电子和空穴在有源层中的复合率，有必要防止电子的溢出。为此目的，所以采用p型AlGaN层的电子阻挡层。

技术实现要素：

本发明的示范性实施例提供一种发光器件及其制造方法，所述发光器件通过提高进入有源层的空穴注入效率来提高内部量子效率。

本发明的示范性实施例提供一种包括p型半导体层的发光器件及其制造方法，所述p型半导体层具有能够提高空穴迁移率的结构。

根据本发明的一方面，一种发光器件包括：n型半导体层、p型半导体层、设置于n型半导体层与p型半导体层之间的有源层以及设置于p型半导体层与有源层之间的电子阻挡层，其中p型半导体层包括空穴注入层、p型接触层以及设置于空穴注入层与p型接触层之间的空穴传输层。空穴传输层包括多个未掺杂层和设置于未掺杂层之间的至少一个中间掺杂层。至少一个未掺杂层包括在其中空穴浓度随着与空穴注入层或p型接触层的距离增加而降低的区域，并且中间掺杂层被设置为至少部分地与空穴传输层的区域重叠，在所述区域中，空穴传输层的空穴浓度为p型接触层的空穴浓度的62％至87％。

空穴注入层可具有介于1E20/cm³到5E20/cm³之间的掺杂剂浓度，p型接触层可具有4E20/cm³或者更高的掺杂剂浓度，并且中间掺杂层可具有介于1E18/cm³到1E20/cm³之间的掺杂剂浓度。

空穴传输层可具有比空穴注入层和p型接触层的总厚度大的厚度。

中间掺杂层可具有介于10nm到20nm之间的厚度，并且未掺杂层可具有介于15nm到30nm之间的厚度。

空穴注入层可以邻接电子阻挡层。

空穴浓度随着与空穴注入层或p型接触层的距离增加而降低的区域可以包括空穴浓度线性降低的区域。

至少一个未掺杂层可进一步包括在其中空穴浓度随着与中间掺杂层的距离降低而增加的区域。

空穴浓度随着与中间掺杂层的距离降低而增加的区域可以包括空穴浓度线性增加的区域。

中间掺杂层可具有比未掺杂层高的电阻。

根据本发明的另一方面，一种制造发光器件的方法包括下述步骤：使用金属有机化学气相沉积法在腔室内的衬底上生长n型半导体层、有源层、电子阻挡层和p型半导体层，其中p型半导体层的生长步骤包括：通过将N源气体、Ga源气体、Mg源气体、N2气体和H2气体引入到腔室中来在腔室内的衬底上生长空穴注入层；通过将N源气体、Ga源气体和N2气体引入到腔室中，同时阻断Mg源气体和H2气体的供应来在空穴注入层上生长未掺杂层；通过将N源气体、Ga源气体、N2气体和Mg源气体引入到腔室中来在未掺杂层上生长中间掺杂层；通过将N源气体、Ga源气体和N2气体引入到腔室中，同时阻断Mg源气体的供应来在中间掺杂层上生长未掺杂层；以及通过将N源气体、Ga源气体、Mg源气体、N2气体和H2气体引入到腔室中来在未掺杂层上生长p型接合层。

制造方法可以进一步包括：在空穴注入层的生长之前，将N源气体和N2气体引入到腔室中，同时阻断Ga源气体、Mg源气体和H2气体的供应，以将腔室的气氛改变为氮和NH3气氛。

可以将腔室的气氛改变为氮和NH3气氛，持续3分钟至10分钟。

在空穴注入层和p型接触层的生长期间，H2气体的流量可以高于N2气体的流量。

在空穴注入层和p型接触层的生长期间，H2气体的流量可以为N2气体的流量的三至五倍。

在空穴注入层和p型接触层的生长期间，NH3气体的流量可以小于H2气体的流量，并且在空穴传输层的生长期间，N2气体的流量可以高于NH3气体的流量。

在空穴注入层和p型接触层的生长期间，可以按1:3:1的流量比来供应N2、H2和NH3，并且在空穴传输层的生长期间，可以按3:0:1的流量比来供应N2、H2和NH3。

制造方法可以进一步包括在p型接触层的生长之后在腔室内对p型半导体层进行热处理。

空穴注入层可以具有1E20/cm³至5E20/cm³的掺杂剂浓度，p型接触层可以具有4E20/cm³或者更高的掺杂剂浓度，并且中间掺杂层可以具有1E18/cm³至1E20/cm³的掺杂剂浓度。

根据本发明的实施例，发光器件包括p型半导体层，p型半导体层包括具有设置在未掺杂层之间的中间掺杂层的空穴传输层以提高空穴迁移率，从而提高发光器件的空穴注入效率。另外，在空穴传输层的生长期间，H2气体的供应被阻断以降低未掺杂层的掺杂剂浓度，从而进一步增加在空穴传输层中的空穴迁移率。此外，由于通过空穴传输层的中间掺杂层增加了电阻，因此由静电放电导致的电流可以被中间掺杂层阻挡，从而改良了发光器件的静电放电耐压特性。

附图说明

图1是根据本发明的一个示范性实施例的示范性发光器件的示意性剖视图。

图2是描绘了根据本发明的示范性实施例的发光器件的空穴浓度和Mg浓度的分布的曲线图。

图3是描绘了说明根据本发明的示范性实施例的制造发光器件的方法的气体和温度分布的图。

图4和图5是对发明实例和比较实例的功率、正向电压和静电放电耐压进行比较的图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更加详细地描述本发明的示范性实施例。通过实例方式提供以下实施例，以便将本发明的精神充分传达给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文中所公开的实施例并且还可以以不同的形式实施。在附图中，为了清楚和描述目的，可以夸大元件的宽度、长度、厚度等。当元件或层被称为“设置在...上”或“设置在另一元件或层上”时，元件或层可以直接“设置在...上”或“设置在另一元件或层上”或可以存在介于其间的元件或层。贯穿本说明书，类似元件符号表示具有相同或相似功能的类似元件。

为了增加从p型半导体层到有源层的空穴注入效率，可以控制p型半导体层的掺杂分布。例如，可以将空穴注入层和p型接触层分开并且可以将空穴注入层的掺杂剂浓度调整为低于p型接触层以便提高空穴注入效率。此外，可以在包覆层和空穴注入层之间或在空穴注入层和p型接触层之间形成未掺杂层。

采用这些技术，可通过增加在空穴注入层内的空穴迁移率来促进注入到有源层的空穴的运动。然而，即使在这些技术中，由于空穴注入层以相对较低的掺杂剂浓度进行掺杂，因此在空穴迁移率的增加方面具有限制。

图1是根据本发明的一个示范性实施例的示范性发光器件的示意性剖视图，并且图2是描述根据本发明的示范性实施例的发光器件的空穴浓度和Mg浓度的分布的曲线图。

参照图1，发光器件可以包括衬底21、缓冲层23、n型半导体层25、超晶格层27、有源层29、电子阻挡层31和p型半导体层40。

衬底21可以是(例如)图案化的蓝宝石衬底、尖晶石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底，但是并不限于此。

缓冲层23可以包括低温缓冲层和高温缓冲层。当衬底21是氮化镓衬底时，可以省略缓冲层23。

n型半导体层25可以包括n型接触层。n型半导体层25可以由(Al,Ga,In)N基第III族氮化物半导体层形成或可以包括(Al,Ga,In)N基第III族氮化物半导体层，并且可以由单层或多层组成。例如，n型半导体层25包括GaN层并且可以通过掺杂n型掺杂剂(例如，Si)来形成。

可以采用超晶格层27以增强电流扩散，同时改良有源层的晶体质量。超晶格层27可以通过重复堆叠(例如)GaN/InGaN或InGaN/InGaN来形成。超晶格层27不限于此并且可以包括在其中如(Al,Ga,In)N的氮化物半导体层彼此重复堆叠至少两层的结构。

有源层29设置在n型半导体层25和p型半导体层40之间，并且可以具有包括单个阱层的单量子阱结构或在其中阱层与势垒层彼此交替地堆叠的多量子阱结构。阱层可以由(例如)InGaN形成或可以包括InGaN，并且势垒层可以由氮化镓基半导体(例如，GaN)形成或可以包括氮化镓基半导体，所述氮化镓基半导体具有比阱层大的带隙。

电子阻挡层31设置在有源层29与p型半导体层40之间，并且防止电子从有源层29溢出至p型半导体层40。电子阻挡层31可以由氮化镓基半导体形成或可以包括氮化镓基半导体，所述氮化镓基半导体通常具有比p型半导体层40大的带隙。例如，当势垒层包括GaN时，电子阻挡层31可以包括AlGaN。

p型半导体层40包括空穴注入层33、空穴传输层35和p型接触层37。此外，空穴传输层35可以包括未掺杂层35a和中间掺杂层35b。

空穴注入层33、空穴传输层35和p型接触层37可以是氮化镓基半导体层，例如，GaN层，其具有相同成分，不同之处在于掺杂剂浓度。因此，由电极(未示出)提供的空穴可以通过p型半导体层40，而不被能量势垒阻断。空穴注入层33可以邻接电子阻挡层31。此外，p型接触层37可以接触电极(未示出)。

空穴传输层35可具有比空穴注入层33和p型接触层37的总厚度大的厚度。例如，空穴注入层33可具有介于5nm到20nm之间的厚度，空穴传输层35可具有介于50nm到100nm之间的厚度，并且p型接触层37可具有介于10nm到30nm之间的厚度。此外，在空穴传输层35中，每一个未掺杂层35a均可以具有介于15nm到30nm之间的厚度，并且中间掺杂层35b可以具有介于10nm到20nm之间的厚度。在这个实施例中，每一个未掺杂层35a可以具有大约22nm的厚度，并且中间掺杂层35b可以具有大约15nm的厚度。因而，包括未掺杂层和中间层的空穴传输层35可以具有大约60nm的厚度。然而，应理解，本发明并不限于此，并且其他实施方案也是可能的。

空穴注入层33可以具有介于1E20/cm³到5E20/cm³之间的掺杂剂浓度，并且p型接触层37可以具有4E20/cm³或更高的掺杂剂浓度。此外，空穴传输层的中间掺杂层35b可以具有介于1E18/cm³到1E20/cm³之间的掺杂剂浓度。在这个实施例中，中间掺杂层35b可以具有1E19/cm³的掺杂剂浓度，但不限于此。

在这个实施例中，可以形成相对较厚的空穴传输层35，并且所述空穴传输层包括中间掺杂层35b以实现空穴迁移率的显著提高，从而提高进入有源层29的空穴注入速率。将在下文更详细地描述这个结构。

注入p型接触层37的空穴可以根据空穴扩散距离扩散到空穴传输层35。空穴扩散距离可以由等式1表示：

其中Lp是空穴扩散距离，u是空穴迁移率，t是空穴的寿命。

根据等式1，p型接触层37的空穴可以扩散到空穴传输层35，并且空穴扩散距离意指从p型接触层37到空穴浓度成为0的点的距离。此外，当空穴浓度显著高于电子浓度时，空穴传输层35的空穴浓度可以随与p型接触层37或空穴注入层33的距离增加而降低。在本发明中，空穴传输层35包括未掺杂层35a，并且至少一个未掺杂层35a可以包括在其中空穴浓度随着与p型接触层37或空穴注入层33的距离增加而成比例降低的区域。此处，空穴浓度降低的区域可以包括空穴浓度随着与p型接触层37的距离增加而线性降低的区域，但并不限于此。空穴浓度可以非线性地降低。例如，随着与空穴传输层35中的p型接触层37或空穴注入层33的距离增加，空穴浓度的斜率可增加或减少。此外，至少一个未掺杂层35a还可以包括在其中空穴浓度随着与中间掺杂层35b的距离减小而增加的区域。空穴浓度增加的区域可以包括在其中空穴浓度随着与中间掺杂层35b的距离减小而线性增加的区域，但并不限于此。

例如，图2是描绘根据本发明的示范性实施例的发光器件的空穴浓度和Mg浓度的分布的曲线图。在图2中，下方曲线图描绘了p型掺杂剂(即，Mg)在与有源层的距离增加的方向上的浓度分布，并且上方曲线图描绘了空穴在与有源层距离增加的方向上的浓度分布。

参照图2，空穴注入层33、p型接触层37和中间掺杂层35b中的每一个都包括预定浓度的p型掺杂剂(Mg)。空穴注入层33可具有比中间掺杂层35b高的Mg浓度，并且p型接触层37可具有比空穴注入层33高的Mg浓度。相反，与空穴注入层33、p型接触层37和中间掺杂层35b相比，未掺杂层35a具有低得多的Mg浓度，或可能基本不含Mg。可以通过停止供应Mg来使未掺杂层35a生长，以使未掺杂层35a具有的有效Mg浓度是0。也就是说，意图在于使未掺杂层35a不包括p型掺杂剂。然而在一些实施例中，由于残留在生长腔室中的Mg源，未掺杂层35a可能包括极少量的Mg，并且由于Mg的扩散，未掺杂层35a也可能包括从空穴注入层33、p型接触层37和中间掺杂层35b中的至少一个层扩散的Mg。因此，未掺杂层35a包括非预期Mg的实施例也在本发明的范围内。

此外，如图2所示，空穴注入层33具有预定的空穴浓度，并且与空穴注入层33邻接的未掺杂层35a的空穴浓度随着与有源层距离的增加而逐渐降低。此处，空穴浓度可以至少在一些区域里线性地降低。在未掺杂层35a中，空穴浓度随着与空穴注入层33的距离增加而逐渐降低，并随着与中间掺杂层35b的距离减小而再次增加。同样，在p型接触层37附近的未掺杂层35a的空穴浓度可以随着与中间掺杂层35b的距离增加而逐渐降低，并随着与p型接触层37的距离减小而再次增加。此处，空穴浓度可以至少在一些区域里线性地降低。

根据本发明，在空穴传输层35中，中间掺杂层35b可以与空穴传输层的一个区域汇合，在所述区域，空穴传输层的空穴浓度为p型接触层37的空穴浓度的62％到87％。也就是说，中间掺杂层35b可设置为与空穴传输层的一个区域至少部分地重叠，在所述区域，空穴传输层的空穴浓度为p型接触层37的空穴浓度的62％到87％。同样地，在包括未掺杂层35a的空穴传输层35中，掺有预定浓度的掺杂剂的中间掺杂层35b被设置用来提高空穴迁移率。也就是说，中间掺杂层35b被设置于一区域之后，在所述区域中，p型接触层37供应的空穴的浓度降低到一定的空穴浓度，并充当垫脚石，由此空穴传输层35的空穴迁移率得以增加，以提高进入有源层29的空穴注入速率，从而提高内量子效率。在这个实施例中，中间掺杂层35b可以设置为比p型接触层更接近空穴注入层33，但不限于此。

在根据前述实施例的发光器件中，中间掺杂层35b可以具有相对较高的电阻。因此，当发光器件产生静电时，静电产生的电流可以被具有相对较高电阻的中间掺杂层35b阻断，从而改良发光器件的静电放电耐受特性。

图3是描绘了说明根据本发明的一个示范性实施例的制造发光器件的方法(具体来说，生长p型半导体层40的工艺)的气体和温度分布的图。在这个实施例中，p型半导体层40可以通过金属有机化学气相沉积法生长，并且还可在同一腔室中通过金属有机化学气相沉积来原位地生长缓冲层23、n型半导体层25、超晶格层27、有源层29和电子阻挡层31。

参照图1和图3，在腔室内装载衬底21，向腔室内供应金属源气体、N源气体和运载气体或气氛气体，以生长半导体层，所述半导体层包括缓冲层23、N型半导体层25、超晶格层27、有源层29、电子阻挡层31等。可以按需向腔室内供应n型掺杂剂的源气体。

金属源气体包括Ga源气体、Al源气体和In源气体中的至少一种，并且根据将在腔室中生长的氮化镓基半导体层的金属组分来供应合适的源气体。例如，通常，TMGa或TEGa可以用作Ga源气体；TMAl或TEAl可以用作Al源气体；以及TMIn或TEIn可以用作In源气体。

通常可以使用NH3作为N源气体，并且可以使用SiH4作为n型掺杂剂的源气体。此外，可以使用N2和/或H2作为运载气体或气氛气体。

在电子阻挡层31的生长之后，通过金属有机化学气相沉积法在腔室内生长p型半导体层40。通常可以在100托至300托的压力下生长p型半导体层40。

首先，在(例如)970℃至990℃的温度下在电子阻挡层31上生长空穴注入层33。可以通过将N源气体(例如，NH3)和Ga源气体(例如，TMGa和/或TEGa)与Mg源气体(例如，Cp2Mg)、N2气体和H2气体一起引入腔室中来生长空穴注入层33。在这种情况下，可以以约30升/分钟至约50升/分钟的流量供应N2气体，可以以约140升/分钟至约160升/分钟的流量供应H2气体，并且可以以约30升/分钟至约50升/分钟的流量供应NH3气体。例如，N2:H2:NH3的流量比可以为1:3:1。另一方面，选择Mg源气体的流量以实现合适的掺杂浓度，并且空穴注入层33可以具有约1E20/cm³至约5E20/cm³的Mg浓度。

在空穴注入层33的生长之后，在(例如)940℃至970℃的温度下生长空穴传输层35的未掺杂层35a。通过将N源气体(例如，NH3)、Ga源气体(例如，TMGa或TEGa)和N2气体引入腔室中同时阻断Mg源气体和H2气体的供应来生长未掺杂层35a。例如，可以以约140升/分钟至约160升/分钟的流量供应N2源气体，可以以约0升/分钟的流量供应H2源气体，并且可以以约30升/分钟至约50升/分钟的流量供应NH3气体。具体来说，N2:H2:NH3的流量比可以为3:0:1。

通常，即使在不供应Mg源气体的情况下，在未掺杂层35a的生长期间，Mg也从空穴注入层33供应到未掺杂层35a中。当在未掺杂层35a的生长期间供应H2气体时，可以进一步促进Mg的供应。因此，通过在未掺杂层35a的生长期间阻断H2的供应，可以降低未掺杂层35a的掺杂剂浓度。另一方面，在未掺杂层35a的生长期间，供应Mg源气体以生长中间掺杂层35b。接着，在通过阻断Mg源气体的供应来停止中间掺杂层35b的生长之后，在中间掺杂层35b上生长另一未掺杂层35a，从而形成根据本发明的示范性实施例的空穴传输层35。

另一方面，选择Mg源气体的流量以实现合适的掺杂浓度，并且空穴传输层35的中间掺杂层35b可以具有约1E18/cm³至约1E20/cm³的Mg浓度。此外，中间掺杂层35b具有的Mg浓度高于未掺杂层35a并且低于空穴注入层33。

另一方面，在空穴传输层35的生长之前，可以将腔室的气氛改变为氮气和NH3气氛。为了此目的，在未掺杂层35a的生长之前，可以供应N源气体和N2气体，同时阻断Ga源气体、Mg源气体和H2气体的供应。将腔室的气氛改变成氮气和NH3气氛的过程可以进行约3分钟至约10分钟。

在空穴传输层35的生长之后，在例如910℃到940℃的温度下生长p型接触层37。通过将N源气体(例如，NH3)、Ga源气体(例如，TMGa或TEGa)、Mg源气体(例如，Cp2Mg)、N2气体以及H2气体引入腔室来在空穴传输层35上生长p型接触层37。例如，可以以约30升/分钟到约50升/分钟的流量供应N2源气体，可以以约140升/分钟到约160升/分钟的流量供应H2源气体，并且可以以约30升/分钟到约50升/分钟的流量供应NH3气体。具体来说，N2:H2:NH3的流量比可以是1:3:1，并且除了Mg源气体的流量以外p型接触层37的生长条件可以与空穴注入层33的生长条件相同。另一方面，选择Mg源气体的流量以实现合适的掺杂浓度，并且p型接触层37可以具有约4E20/cm³或更高的Mg浓度。

在p型接触层37的生长之后，腔室的温度可以降至约700℃到约800℃，以在N2气氛中进行p型半导体层40的热处理。

根据这个示范性实施例，在空穴传输层35的生长期间，H2气体的供应被阻断，以降低空穴传输层35中的未掺杂层35a的掺杂浓度。此外，在空穴注入层33和p型接触层37的生长期间，可以供应N2气体和H2气体以防止p型半导体层40的晶体质量劣化。此外，在空穴传输层35的生长期间，生长中间掺杂层35b，以提高从p型接触层37到空穴传输层35的空穴迁移率。

接下来，形成与n型半导体层25和p型半导体层40接触的电极，并且将所得结构分成单独的发光器件芯片，从而提供一种横向型或倒装芯片型发光器件。此外，可以在p型半导体层40上形成支撑衬底(未示出)，并且可去除衬底21，从而提供一种去除生长衬底的垂直型发光器件。

图4是描绘发明实例和比较实例的发光器件的功率和正向电压的图表，图5是描绘发明实例和比较实例的静电放电耐受率的图表。

在本试验中，发明实例的发光器件是包括具有中间掺杂层35b的空穴传输层35的横向型发光器件，而比较实例的发光器件是包括无中间掺杂层的空穴传输层的横向型发光器件。在发明实例和比较实例中，分别从由单独的晶片制造的40000个发光器件获得数据。因而，在图4中，功率和正向电压(Vf)是在发明实例中制备的发光器件的均值和在比较实例中制备的发光器件的均值。此外，在图5中，静电放电率指示在静电放电测试之后非故障发光器件与所有发光器件之比。也就是说，静电放电率指示非故障发光器件与在发明实例中制备的40000个发光器件之比以及非故障发光器件与在比较实例中制备的40000个发光器件之比。静电放电测试通过在HBM模式下施加3kV的电压来进行。

如图4所示，发明实例的发光器件显示表现出比比较实例的发光器件更低的正向电压和更高的发光功率。也就是说，可以看出，与比较实例的不包括中间掺杂层的发光器件相比，发明实例的每个都包括中间掺杂层35b的发光器件有更高的发光效率，并使得空穴和电子的复合更容易。此外，如图5所示，可以看出，发明实例的发光器件与比较实例的发光器件相比，具有更高的静电放电耐压。

虽然已经结合附图参照一些实施例说明了本发明，但是对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、改变和替代。因此，应当理解的是，这些实施例和附图不应当被解释成限制本发明，而是给出所述实施例和附图以向本领域技术人员提供对本发明的全面理解。本发明的范围应该根据所附权利要求书被解释为覆盖源自所附权利要求书和其等同物的所有修改或者变化。