CN100340007C - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在此公开了一种氮化物半导体发光器件。该氮化物半导体发光器件包括衬底上的n-型氮化物半导体层，在n-型氮化物层上形成的有源层，以致部分n-型氮化物半导体层被露出。在有源层上形成的p-型氮化物半导体层，p-型氮化物半导体层上的高浓度掺杂剂区，高浓度掺杂剂区上的反掺杂区，在n-型氮化物半导体层露出的部分上形成的n-侧电极，以及在反掺杂区上形成的p-侧电极。通过离子注入工艺和热处理为p-侧电极提供令人满意的欧姆接触。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件，更具体涉及高亮度氮化物系半导体发光器件及其制造方法，该方法使用离子注入工艺形成用于p-侧电极的欧姆接触，由此取代Ni/Au的常规透明导电层。
背景技术
一般，氮化物系半导体用于发光二极管，该发光二极管发射蓝光或绿光的波长范围内的光，且通常包括具有化学式AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料。
至于产生绿光的发光器件，使用具有约3.4eV的大能量带隙的氮化镓(GaN)半导体材料。与GaN半导体材料一样，氮化物系半导体有大的能量带隙，用其中的电极实现欧姆接触存在困难。更具体地说，p-侧电极的接触电阻增加导致工作电压上升和热量增加。至于提供欧姆接触的方法，已提出了各种各样的方法。但是，由于欧姆接触部分提供作为主要发光平面，因此它需要满足确保从有源层产生的光通过发光平面透射的需要。因此，实际上只有少数方法可以被限制性地采用作为降低接触电阻的方法。
至于满足该需求的常规方法，转让给Nichia化学工业有限公司，名称为“Nitride-gallium based III-IV compound semiconductor device andmethod of producing the same”的美国专利号US5563422公开了一种使用镍/金双层的透明电极层。图1示出了根据公开的实施例的发光器件。
如图1所示，现有技术的氮化物半导体发光器件10包括在衬底11上依次形成的n-型GaN敷层13、具有多阱结构的GaN/InGaN有源层15和p-型GaN敷层17。在氮化物半导体发光器件10中，部分p-型GaN敷层17和GaN/InGaN有源层15被除去，以露出部分n-型GaN敷层13。在n-型GaN敷层13上形成n-侧电极19a和在p-型GaN敷层17上形成用于提供欧姆接触的Ni/Au透明电极18之后，制备p-侧键合电极19b。透明电极18是用于降低接触电阻的半透明层，且可以通过镍/金双层的淀积工艺和后续退火处理来形成。
希望透明电极18形成尽可能厚，以便提高电流注入效率。但是，由于透明电极18由金属材料形成，因此透明电极具有希望的透射率可能是困难的。即使通过退火处理可以形成较高半透明度的NiO层，该层也仅具有60％的透射率，以致当加厚透明电极时，发光效率可能被退化。因此，透明电极应该限定到100μm或更小的厚度，产生一种提高电流注入效率的限制。
而且，即使考虑到希望的透射率，由金属材料制成的透明电极形成为具有适当的厚度，它也不可避免地遇到由于透明电极有限的透射率亮度退化的问题。
因此，在技术中需要提供一种新的发光器件及其制造方法，该方法不同于使用透明电极的常规方法，可以提高接触电阻而不使透射率减小的亮度退化。
发明内容
本发明已着手解决上述问题，本发明的目的是提供一种高亮度发光二极管，该发光二极管具有在形成有p-侧电极的p-型敷层上的高浓度反掺杂区，以便通过提高接触电阻增强表面中的电流注入效率，而不使透射率退化。
本发明的另一个目的是提供一种制造高亮度发光二极管的方法，该方法通过使用离子注入工艺和热处理工艺在p-型敷层上形成高浓度反掺杂区制造具有增强的电流注入效率的高亮度发光二极管。
根据本发明的一个方面，通过提供一种氮化物半导体发光器件可以完成上述及其他目的，该氮化物半导体发光器件包括在衬底上形成了n-型氮化物半导体层，在n-型氮化物层上形成的有源层，以致部分n-型氮化物半导体层被露出。在有源层上形成的p-型氮化物半导体层，通过在p-型氮化物半导体层上掺杂高浓度的p-型掺杂剂形成的高浓度掺杂剂区，通过在高浓度掺杂剂区上掺杂高浓度的n-型掺杂剂形成的反掺杂区，在n-型氮化物半导体层的露出部分上形成的n-侧电极，以及在反掺杂区上形成的p-侧电极。
高浓度掺杂剂区的p-型掺杂剂可以包括从由Zn、Be、Mg和Cd构成的组中选出来至少一种，反掺杂区的n-型掺杂剂可以包括硅。
p-侧电极可以由Al和Ti形成，而不是常规透明电极中使用的Au/Ni，以及可以使用形成n-型电极相同的工艺形成。
高浓度掺杂剂区中的p-型掺杂剂可以具有1×1018～1×1019/cm3的浓度，在此情况下，反掺杂区中的n-型掺杂剂可以具有1×1018～1×1020/cm3的浓度。
根据本发明，考虑到高浓度掺杂剂区和反掺杂区的厚度，p-型氮化物半导体层可以具有0.2～0.5μm的厚度，比一般p-型氮化物半导体层厚。
高浓度掺杂剂区可以具有0.01～0.1μm的厚度，反掺杂区可以具有0.01～0.1μm的厚度。
可以在p-型敷层上使用离子注入工艺和快速热退火(RTA)工艺形成高浓度掺杂剂区和反掺杂区。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造如上所述的氮化物半导体发光器件的方法。
该方法包括以下步骤：a)在衬底上形成n-型氮化物半导体层；b)在n-型氮化物半导体层上形成有源层，以致部分n-型氮化物半导体层被露出；c)在有源层上形成p-型氮化物半导体层；d)通过在p-型氮化物半导体层上掺杂高浓度的p-型掺杂剂形成高浓度掺杂剂区和通过在高浓度掺杂剂区上掺杂高浓度的n-型掺杂剂形成反掺杂区；e)在n-型氮化物半导体层的露出部分上和在反掺杂区上分别形成n-侧电极和p-侧电极。
根据本发明，可以使用离子注入工艺和快速热退火(RTA)工艺执行步骤d)。具体，步骤d)可以包括以下步骤：d-1)在p-型氮化物半导体层上注入高浓度的p-型掺杂剂离子；d-2)在p-型掺杂剂区上注入高浓度的n-型掺杂剂离子；以及d-3)快速退火高浓度掺杂的n-型掺杂剂区和p-型掺杂剂区。
这里，步骤d-1)和步骤d-2)分别可以包括用约100～200KeV的能量注入各种掺杂剂离子的步骤，以及步骤d-3)可以在约600℃～1200℃的温度下执行。
附图说明
从下面结合附图的详细说明将更清楚地理解本发明的上述及其他目的和特点，其中：
图1示出了常规发光器件示出的侧剖图；
图2是根据本发明的发光器件的侧剖图；以及
图3a至3e是流程图的剖面图，说明根据本发明的实施例的发光器件的制造方法。
具体实施方式
现在参考附图详细描述优选实施例。
图2是根据本发明的实施例的氮化物半导体发光器件的侧剖图。
参考图2，类似于图1所示的发光器件10，本发明的氮化物半导体发光器件20包括依次形成在衬底21上的n-型GaN敷层23、具有多阱结构的GaN/InGaN有源层25以及p-型GaN敷层27。在氮化物半导体发光器件20中，部分p-型GaN敷层27和GaN/InGaN有源层25被除去，以露出部分n-型GaN敷层23。n-侧电极29a以类似于现有技术的方式形成在GaN敷层23上，而与现有技术的方法不同，通过在p-型GaN敷层27上形成欧姆接触提供p-侧电极29b。
根据本发明的实施例，氮化物半导体发光器件20包括在形成有p-侧电极29b的p-型敷层27上用高浓度的p-型掺杂剂掺杂的掺杂剂区28a，以及在掺杂剂区28a上用高浓度的n-型掺杂剂掺杂的反掺杂区29a。形成高浓度掺杂剂区28a的p-型掺杂剂可以包括从由Zn、Be、Mg和Cd构成的组中选出来的至少一种，形成反掺杂区28b的n-型掺杂剂可以包括硅。
高浓度p-型掺杂剂区28a与p-型敷层相比较具有更高的浓度。优选，p-型掺杂剂区28a可以具有1×1018～1×1019/cm3的掺杂剂浓度。而且，反掺杂区28b形成有足够的n-型掺杂剂浓度，以在p-型掺杂剂区上的界面处提供隧道效应。优选，反掺杂区28b可以具有1×1018～1×1020/cm3的n-型掺杂剂浓度。因此，高浓度掺杂剂区和反掺杂区可以具有与使用隧道效应的齐纳二极管相同的I-V特性。
一般，p-型氮化物层形成有0.2～0.3μm的厚度，本发明的p-型氮化物层27也可以具有该一般厚度。但是，考虑到高浓度掺杂剂区28a和反掺杂区28b的厚度，p-型敷层27优选形成有比一般厚度更厚的0.2～0.5μm的厚度。优选，高浓度掺杂剂区28a和反掺杂区28b形成尽可能薄，以便具有更低的电阻。高浓度掺杂剂区28a和反掺杂区28b优选分别具有0.1μm或更小的厚的。更优选，为了实现有效的性能，这些区域(28a，28b)分别具有0.01～0.1μm的厚度。
在p-型敷层27上使用离子注入工艺掺杂适当剂量的杂质形成本发明的高浓度掺杂剂区28a和反掺杂区28b，注入工序之后快速热退火(RTA)处理。
因而，本发明通过在p-型敷层上提供高浓度p-型掺杂剂区和反掺杂区使用隧道效应可以提供欧姆接触。因此，p-型敷层表面上的电流效率可以被增强，而不使用金属如Au/Ni形成透明电极，同时通过不使用低透射率的金属透明电极还可以显著地增强亮度。而且，p-侧电极可以由包括Al和Ti的金属形成，与n-型电极一样，由此对于通过一个光刻工序同时形成两个电极的工序是有利的。
现在参考图3a至3e详细描述本发明的氮化物半导体发光器件的制造方法。
图3a至3e是流程图的剖面图，说明根据本发明的实施例的发光器件的制造方法。
参考图3a，本发明的发光器件的方法始于在衬底31上依次形成n-型氮化物半导体层33、有源层35以及p-型氮化物半导体层37的步骤。p-型和n-型氮化物半导体层33和37以及有源层35可以包括具有化学式AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料。衬底31可以包括适于氮化物半导体生长的蓝宝石衬底。可以使用众所周知的淀积工艺如MOCVD工艺或MBE工艺形成p-型和n-型氮化物半导体层33和37以及有源层35。
接着，如图3b所示，进行台面刻蚀工序，用于除去部分p-型氮化物半导体层37和有源层35，以露出部分n-型氮化物半导体层33。本发明的发光器件采用介质衬底如用于生长氮化物半导体层的蓝宝石衬底。因此，进行用于除去部分n-型半导体层33的台面蚀刻工艺，以便形成图3e中的n-侧电极39a，n-侧电极39a与n-型氮化物半导体层33连接。
接下来，如图3c所示，通过注入p-型掺杂剂离子在p-型氮化物半导体层上形成p-型掺杂剂区38a′，然后通过注入高浓度的n-型掺杂剂离子在其上形成n-型掺杂剂区38b′。准备p-型掺杂剂区38a″和n-型掺杂剂区38b′，以至少包括其上将形成图3e中的p-侧电极39b的区域。p-型掺杂剂包括从Zn、Be、Mg、以及Cd的组中选出来的至少一种掺杂剂，而n-型掺杂剂包括硅。离子注入工艺的合适剂量优选是至少是5×1014或更多。考虑到在后续热处理工艺之后提供的各个区中的掺杂剂浓度确定离子注入深度。优选，用约100～200KeV的能量进行离子注入工艺。
然后，进行用于离子-注入的p-型和n-型掺杂剂区38a′和38b″的热处理工序。利用该工序，如图3d所示，这些掺杂剂区38a′和38b′分别可以形成为高浓度p-型掺杂剂区38a和具有希望的分布的反掺杂区38b。在该工序中，热处理工艺采用RTA工艺，优选在约600℃～1200℃的温度下进行。利用该工序，高浓度p-型掺杂剂区38a可以具有1×1018～1×1019/cm3的掺杂剂浓度，n-型掺杂剂反掺杂区38b可以具有1×1018～1×1020/cm3的掺杂剂浓度。而且，两个区38a和38b可以形成以分别具有0.01～0.1μm的最终深度t1和t2。
为了实现本发明中提出的希望深度和浓度，所属领域的技术人员将适当地调整如上所述的离子注入工艺和热处理工艺。亦即，为了在离子注入工艺中形成具有合适深度和浓度的掺杂剂区，可以通过适当地改变热处理工艺要求的条件采用和确定各种掺杂剂的剂量和注入能量的合适范围。
最后，在n-型氮化物半导体层33的露出部分上和在反掺杂区38b上分别形成n-侧电极39a和p-侧电极39b。p-侧电极39b可以由包括Al和Ti的材料形成。由于用于电极的材料可以用作用于n-型电极39a的材料，因此通过使用一个光刻胶图形的淀积工序可以容易地形成电极。
从上面描述可以明显看出，根据本发明，为了为具有大能量带隙的p氮化物半导体层上的p-侧电极提供令人满意地欧姆接触，提供一种通过在p-型敷层上形成p-型掺杂剂区和反掺杂区使用隧道效应的方法。由此，本发明增强了p-型敷层表面上的电流注入效率，同时显著地增加亮度，而不使用金属如Au/Ni形成低透射率的透明电极。
而且，p-侧电极可以由包括A1和Ti的金属形成，与n-型电极一样，由此对于通过一个光刻工艺同时形成两个电极的工序是有利的。
应该理解如上所述的实施例和附图用于说明性目的，本发明由以下的权利要求所限定。而且，所属领域的普通技术人员应当明白，在不脱离所附的权利要求所阐述的本发明的范围和精神的条件下，允许进行各种修改、增加和替换。
Claims (22)
1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
在衬底上形成的n-型氮化物半导体层；
在n-型氮化物半导体层上形成的有源层，以致部分n-型氮化物半导体层被露出；
在有源层上形成的p-型氮化物半导体层；
通过在p-型氮化物半导体层上掺杂高浓度的p-型掺杂剂形成的高浓度掺杂剂区；
通过在高浓度掺杂剂区上掺杂高浓度的n-型掺杂剂形成的反掺杂区；
在n-型氮化物半导体层露出的部分上形成的n-侧电极；以及
在反掺杂区上形成的p-侧电极。
2.如权利要求1所述的器件，其中高浓度掺杂剂区中的p-型掺杂剂包括从Zn、Be、Mg以及Cd的组中选出来的至少一种。
3.如权利要求1所述的器件，其中在反掺杂区中的n-型掺杂剂包括硅。
4.如权利要求1所述的器件，其中p-侧电极包括Al和Ti。
5.如权利要求1所述的器件，其中高浓度掺杂剂区中的p-型掺杂剂具有1×1018～1×1019/cm3的浓度。
6.如权利要求5所述的器件，其中反掺杂区中的n-型掺杂剂具有1×1018～1×1020/cm3的浓度。
7.如权利要求1所述的器件，其中p-型氮化物半导体层具有0.2～0.5μm的厚度。
8.如权利要求7所述的器件，其中该高浓度掺杂剂区具有0.01～0.1μm的厚度。
9.如权利要求8所述的器件，其中反掺杂区具有0.01～0.1μm的厚度。
10.如权利要求1所述的器件，其中通过使用在p-型敷层上的离子注入工艺和热处理工序形成高浓度掺杂剂区和反掺杂区。
11.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
a)在衬底上顺序形成n-型氮化物半导体层、有源层和p-型氮化物半导体层；
b)执行台面刻蚀，用于部分地除去p-型氮化物半导体层和有源层，以露出部分n-型氮化物半导体层；
c)通过在p-型氮化物半导体层上掺杂高浓度的p-型掺杂剂形成高浓度掺杂剂区，以及通过在高浓度掺杂剂区上掺杂高浓度的n-型掺杂剂形成反掺杂区；以及
d)在n-型氮化物半导体层的露出部分上和在反掺杂区上分别形成n-侧电极和p-侧电极。
12.如权利要求11所述的方法，其中高浓度掺杂剂区中的p-型掺杂剂包括从Zn、Be、Mg以及Cd的组中选出来的至少一种。
13.如权利要求11所述的方法，其中反掺杂区中的n-型掺杂剂包括硅。
14.如权利要求11所述的方法，其中p-侧电极包括Al和Ti。
15.如权利要求11所述的方法，其中高浓度掺杂剂区中的p-型掺杂剂具有1×1018～1×1019/cm3的浓度。
16.如权利要求15所述的方法，其中反掺杂区中的n-型掺杂剂具有1×1018～1×1020/cm3的浓度。
17.如权利要求11所述的方法，其中p-型氮化物半导体层具有0.2～0.5μm的厚度。
18.如权利要求17所述的方法，其中该高浓度掺杂剂区具有0.01～0.1μm的厚度。
19.如权利要求18所述的方法，其中反掺杂区具有0.01～0.1μm的厚度。
20.如权利要求11所述的方法，其中步骤d)包括以下步骤：
d-1)在p-型氮化物半导体层上注入高浓度的p-型掺杂剂离子；
d-2)在p-型掺杂剂区上注入高浓度的n-型掺杂剂离子；以及
d-3)快速热退火高浓度掺杂的n-型掺杂剂区和p-型掺杂剂区。
21.如权利要求20所述的方法，其中步骤d-1)和步骤d-2)包括分别用约100～200KeV的能量注入各种掺杂剂离子的步骤。
22.如权利要求20所述的方法，其中该步骤d-3)包括在约600～1200℃的温度下快速热退火的步骤。
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