CN100452456C - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种氮化物半导体发光器件及其制造方法，该氮化物半导体发光器件包括：第一氮化物半导体层；激发层，形成在第一氮化物半导体层上并包括在高温氢气氛下生长的至少一个阻挡层；和形成在激发层上的第二氮化物半导体层。根据该氮化物半导体发光器件及其制造方法，发光器件的光功率得到提高并且运行可靠性得到增强。

Description

氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件及其制造方法，更具体涉及可增强发光器件的光功率和可靠性的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
通常，氮化物半导体在聚光灯中作为蓝色发光二极管和蓝色激光二极管等的材料。
图1是普通氮化物半导体发光器件的截面图。
参照图1，普通氮化物半导体发光器件包括蓝宝石衬底110、形成在蓝宝石衬底110上的缓冲层120、形成在缓冲层120上的n-型氮化物半导体层130、形成在n-型氮化物半导体层130上的激发层140和形成在激发层140上的p-型氮化物半导体层150。
n-和p-型氮化物半导体层130和150通过将各种掺杂剂掺杂至氮化镓(GaN)中而形成。n-型掺杂剂的代表性实例包括硅(Si)，p-型掺杂剂的代表性实例包括镁(Mg)。
激发层是经其发光的层。作为代表性的激发层生长方法，激发层通常制成InxGa1-xN(0≤x≤1)单阱结构或多阱结构，其中包含预定比率的铟(In)和镓(Ga)。InxGa1-xN(0≤x≤1)激发层通常在氮气氛环境和低于900℃的温度下生长。
具体而言，对于适当组成比率的In和Ga，在氮气氛(N2)下进行低于900℃的一般生长方法。然而，在InxGa1-xN(0≤x≤1)的薄膜生长中，由于引入GaN的In量增加或引入InN的Ga量增加，导致发生严重的相分离现象，这是有问题的。如果为了解决这种相分离现象而提高生长温度，则In相分离现象增加，这使得难以得到良好质量的薄层。
同时，当激发层在相对低的温度下生长时，发生In从InGaN薄层中分离，这使得层的质量劣化，并且还在InxGa1-xN(0≤x≤1)和GaN之间的界面处发生许多晶体缺陷，这是由于其间的晶格差异造成的。而且，In相分离现象增加使得难以得到高质量的层，而且，发生的晶体缺陷与下层结构的晶体缺陷结合使得发光效率和器件的可靠性降低。
最后，在现有技术的生长方法中，在诸如InGaN/GaN的材料情况下，由于大的晶格失配造成的应力在激发层内部产生强压电电场，并且电子空穴波函数分离，导致发光效率劣化。
发明内容
技术问题
本发明提供氮化物半导体发光器件，其可通过减少由于氮化物半导体的InxGa1-xN(0≤x≤1)和InyGa1-yN(0≤y≤1)之间的大晶格失配导致的晶体缺陷从而增强构成激发层的InxGa1-xN(0≤x≤1)的结晶度。
而且，本发明提供具有低驱动电压和高发光效率的氮化物半导体发光器件及其制造方法，其中由于In组合物InxGa1-xN(0≤x≤1)的薄激发层导致发光效率增加。
而且，本发明提供具有增强的光功率和可靠性的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
技术方案
提供一种氮化物半导体发光器件，包括：第一氮化物半导体层；激发层，形成在第一氮化物半导体层上并包括在高温氢气氛中生长的至少一个阻挡层；和形成在激发层上的第二氮化物半导体层。
还提供一种氮化物半导体发光器件，包括：缓冲层；形成在缓冲层上的第一氮化物半导体层；激发层，形成在第一氮化物半导体层上并包括至少一对阱层和阻挡层，阻挡层具有低于10％的In(铟)组成比；以及形成在激发层上的第二氮化物半导体层。
还提供一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括：形成第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层上形成激发层，其中形成激发层包括形成阱层和形成在高温氢气氛下生长的阻挡层；和在激发层上形成第二氮化物半导体层。
有利效果
根据本发明的氮化物半导体发光器件，高温氢气氛下生长的阻挡层减少了由于构成激发层的阱层和阻挡层之间的大晶格失配造成的晶体缺陷并增强激发层的结晶度。
而且，可以得到具有高光功率和可靠性增加的发光器件。
附图说明
根据附图将理解本发明的实质。在附图中：
图1是普通氮化物半导体发光器件的截面图；
图2是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图；
图3是根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图；和
图4是根据本发明第三实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细说明本发明的优选实施方案。
<第一实施方案>
图2是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
参照图2，根据本发明的氮化物半导体发光器件包括形成在衬底210上的缓冲层220、形成在缓冲层220上的n-型氮化物半导体层230、形成在n-型氮化物半导体层230上的激发层240和形成在激发层240上的p-型氮化物半导体层250，其中激发层240包括阱层241a、249a和阻挡层241b、249b。
具体而言，激发层240形成在n-型氮化物半导体层230和p-型氮化物半导体层250之间。具体地，激发层240的特征在于包括高温氢气氛下生长的阻挡层241b、249b，从而减少晶体缺陷。
激发层240还可具有由第一阱层241a和第一阻挡层241b组成的单量子阱结构，或者具有由多个阱层241a、249a和多个阻挡层241b、249b交替形成的多量子阱结构。优选排列多个阱层241a、249a和多个阻挡层241b、249b以包括4-10对周期性重复的阱层和阻挡层，每一对由一个阱层和一个阻挡层组成。
还优选每一阱层241a、249a应该具有In组成比为10-25％的InxGa1-xN(0≤x≤1)组成，并且每一阻挡层241b、249b应该具有In组成比低于10％的InyGa1-yN(0≤y≤1)组成。
下文中，将说明根据本发明实施方案的制造氮化物半导体发光器件的方法。
首先，在衬底210上形成缓冲层220。衬底210可以是蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅(SiC)衬底，这些衬底广泛用于氮化物半导体发光器件中。
其次，在缓冲层220上形成用作第一氮化物半导体层的n-型氮化物半导体层230。在n-型氮化物半导体层230形成之后，进行形成激发层240的加工步骤。
更详细地描述形成激发层240的加工步骤，在n-型氮化物半导体层230上形成具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层241a。优选形成具有In组成比为10-20％的InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层241a。在阱层241a形成之后，在阱层241a上形成具有In组成比低于10％的InyGa1-yN(0≤y≤1)组成的阻挡层241b。
在此，阻挡层241b在高温氢气氛下形成
Figure C20058000861200071
的厚度。如果阻挡层241b形成得过薄，则晶体缺陷移除效果下降，所述缺陷是例如产生在构成阱层和阻挡层的InxGa1-xN(0≤x≤1)和InyGa1-yN(0≤y≤1)之间边界中的缺陷、包容物等，这使得器件的电特性和发光效率下降。因此，优选阻挡层241b厚度为
Figure C20058000861200072
或更大。此外，如果阻挡层241b形成得过厚，则在制造器件过程中发生的电阻增大，使得器件的电特性和发光效率下降。因此，优选阻挡层241b厚度为或更低。结果，优选阻挡层241b形成
Figure C20058000861200074
的厚度。
此外，当根据本发明阻挡层241b在900℃以上的氢气氛中形成时，相比于900℃温度以下形成的具有多阱结构的InyGa1-yN(0≤y≤1)的现有技术阻挡层，它明显表现出晶体缺陷减少。然而，如果阻挡层241b的生长温度超过1040℃，则晶体缺陷增多。为此，优选用于形成阻挡层241b的温度范围为900-1040℃。
通过以上加工步骤，激发层240形成有由第一阱层241a和第一阻挡层241b组成的单量子阱结构，或者由多个阱层和阻挡层交替排列组成的多量子阱结构。
在形成激发层240之后，在激发层240上形成用作第二氮化物半导体层的p-型氮化物半导体层250。
阻挡层抑制存在于衬底210、缓冲层220和n-型氮化物半导体层230的下层结构中的晶体缺陷和诸如发生在InxGa1-xN(0≤x≤1)和InyGa1-yN(0≤y≤1)之间边界中的缺陷、包容物等的位错扩散，由此增强器件可靠性。因此，改善发光器件的光功率并提高器件的可靠性。
<第二实施方案>
下文中，将说明根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
图3是根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
参照图3，根据本发明的氮化物半导体发光器件包括形成在衬底310上的缓冲层320、形成在缓冲层320上的n-型氮化物半导体层、形成在n-氮化物半导体层上的激发层340和形成在激发层340上p-型氮化物半导体层，其中激发层340至少包括阻挡层341b、349b。
激发层340形成在n-型氮化物半导体层330和p-型氮化物半导体层350之间。激发层340包括在高温氢气氛中生长的阻挡层341b、349b以减少晶体缺陷。一个周期的激发层340包括形成在n-型氮化物半导体层330上第一阱层341a、在高温氢气氛中生长在第一阱层341a上的第一阻挡层341b和形成在第一阻挡层341b上的晶种层341c。
具体而言，激发层340包括交替排列的多个阱层341a、349a、多个阻挡层341b、349b和多个晶种层341c、349c。优选多个阱层341a、349a、多个阻挡层341b、349b和多个晶种层341c、349c形成为4或10个周期，一个周期由一个阱层、一个阻挡层和一个晶种层组成。
晶种层341c、348c生长为具有InzGa1-zN(0≤z≤1)的组成或单层InN。晶种层用作晶种，同时阱层直接形成在晶种层上，从而将In充分引入阱层。
这样根据本发明第二实施方案形成的氮化物半导体发光器件的特征在于包括在形成阱层之前形成晶种层，从而改善阱层特性和向阱层中充分供应In。
下文中，将详细描述根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件的制造方法。
首先，在衬底310上形成缓冲层320。其次，在缓冲层320上形成用作第一氮化物半导体层的n-型氮化物半导体层330。在n-型氮化物半导体层330形成之后，进行形成激发层340的加工步骤。
为了形成激发层340，在n-型氮化物半导体层330上形成具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层341a。在阱层341a形成之后，在阱层341a上形成阻挡层341b。由于从形成n-型氮化物半导体层330至形成阻挡层341b的加工步骤与第一实施方案相同，因此省略详细描述。
在阻挡层341b形成之后，形成具有InzGa1-zN(0≤z≤1)组成或单层InN的晶种层341c。晶种层341c用作晶种，同时形成具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层342a，从而将In充分供应至具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层。因此，由于阱层内部的相分离或In组成不均匀导致的载流子定域变得可调节。同时，在具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的晶种层341c中的In组成比优选大于总组成的10％。
一般情况下，具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层具有含15％In的组成比。为了在根据本发明的氮化物半导体发光器件中提高阱层的In组成比，使构成晶种层341c的InzGa1-zN(0≤z≤1)中的In组成比大于10％。由此，In引入到阱层的效果增加，使得阱层342a可形成具有含15％或更多的In的组成比。
单层InzGa1-zN(0≤z≤1)或InN的晶种层341c优选生长为低于20A的厚度。这是因为如果晶种层341c厚于阱层342a，则在晶种层341c和阱层342a之间的边界处可发生分离现象，这导致层质量或发光特性劣化。
在晶种层341c生长之后，可以增加晶种层341c的热处理。热处理的实例包括在与晶种层341c生长温度相同的温度下使晶种层341c热退火的加工步骤或在阱层342b生长的同时提高生长温度的加工步骤。上述热处理促进In导入晶种层341c以形成与氮(N)的晶格键，并且还帮助Ga和In相互键合同时形成阱层342a。
在晶种层341c形成之后，形成具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层342a。在形成具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层342a同时，从前一加工步骤中形成的晶种层341c向阱层342a引入足量的In。因此，可以引入高温生长的激发层以得到具有高质量InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的薄激发层。
结果，由于具有高In组成比的高质量薄InGaN层的载流子定域作用，从而可以得到具有高发光效率的氮化物半导体发光器件。
通过上述加工步骤，可以得到由阱层341a/阻挡层341b/晶种层341c组成的单量子阱结构或者可以得到还包括额外生长在单量子阱结构的晶种层341c上的多个阱层/阻挡层/晶种层的多量子阱结构。
在形成激发层349的最终量子阱结构中，形成阱层349a和阻挡层349b，但是省略晶种层，这是因为如果形成晶种层，则在其上不存在附加的阱层，由于形成接触层，导致阻挡层349b直接接触p-型氮化物半导体层350，从而得到发光器件的正常工作环境。
接着，在激发层340上形成用作第二氮化物半导体层的p-型氮化物半导体层350。
各种元件在第二实施方案的上述说明中没有具体描述，其可查阅第一实施方案的说明。
现在说明根据第二实施方案的氮化物半导体发光器件的特性。
激发层340中的阻挡层341b、349b在高温氢气氛中生长以减少晶体缺陷。因此，可以防止包括衬底310、缓冲层320和n-型氮化物半导体层330的下层结构的晶体缺陷和发生在InxGa1-xN(0≤x≤1)和InyGa1-yN(0≤y≤1)之间的诸如缺陷或包容物的位错扩散，由此增强器件可靠性。
而且，在制造根据本发明的氮化物半导体发光器件的同时，晶种层341c、348c在阱层342a、349a生长期间帮助向具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层342a、349a中充分引入In。晶种层341c、348c的上述行为导致由于高In组成比引起的生长温度自然上升，使得可以得到高温生长的薄InGaN层，由此由于载流子定域作用增强发光效率。
最近的研究结果显示InN的能带隙是0.7eV(对应于1771纳米的波长)的非常小的值，这意味着InxGa1-xN(0≤x≤1)的能带包括红外线区域至紫外线区域。因此，可以制造全波长下的发光LCD。
然而，根据第一和第二实施方案中提供的氮化物半导体发光器件及其制造方法，因为第一阱层241a、341a分别直接生长在n-型氮化物半导体层230、330上，因此不可能成充分减少第一阱层241a、341a的晶格结构缺陷。
<第三实施方案>
提供本发明的第三实施方案以解决上述缺点，并提供一种结构的制造方法，该结构可以解决首次生长的第一阱层241a、341a的晶格结构缺陷。
图4是根据本发明第三实施方案的氮化物半导体发光器件的截面图。
参照图4，为了解决第一阱层441a的晶格结构缺陷，进一步在第一阱层441a和n-型氮化物半导体层430之间形成附加的阻挡层439，其消除第一阱层441a的晶格结构缺陷并同时使发光器件稳定工作。附加的阻挡层439在高温氢气氛中生长。
在形成前述n-型氮化物半导体层430的加工步骤和形成第一阱层441a的加工步骤之间实施形成附加阻挡层439的加工步骤。
通过根据本发明第三实施方案的氮化物半导体发光器件的制造方法，可以防止存在于包括衬底410、缓冲层420和n-型氮化物半导体层430的下层结构中的晶体缺陷扩散至第一阱层441a。而且，可以有效防止发生在具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层和具有InyGa1-yN(0≤y≤1)组成的阻挡层之间的边界处的诸如缺陷或包容物的位错扩散，由此使激发层的晶体缺陷最小化。
工业实用性
根据本发明的氮化物半导体发光器件，由于在具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的阱层和具有InyGa1-yN(0≤y≤1)组成的阻挡层之间的大晶格失配，导致在高温氢气氛中生长的阻挡层减少晶体缺陷并增强具有InxGa1-xN(0≤x≤1)组成的激发层的结晶度。
而且，具有高In含量的InzGa1-zN(0≤z≤1)组成的晶种层可以提高发光效率并允许得到具有宽广波长带的光。
此外，可以得到具有改进的光功率和可靠性的氮化物半导体发光器件。

Claims (20)

1.一种氮化物半导体发光器件，包含：
第一氮化物半导体层；
激发层，形成在第一氮化物半导体层上并包括在高温氢气氛下生长的至少一个阻挡层；和
形成在激发层上的第二氮化物半导体层。
2.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中激发层是包括阱层和阻挡层的单量子阱结构或者是者是多量子阱结构，所述多量子阱结构中有多个阱层和阻挡层并且多个阱层和多个阻挡层交替堆叠。
3.权利要求2的氮化物半导体发光器件，其中高温氢气氛下形成的阻挡层插入在第一氮化物半导体层和激发层之间。
4.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中激发层包含形成在阻挡层下方的阱层和用于在阻挡层上供应In的多个晶种层。
5.一种氮化物半导体发光器件，包含：
缓冲层；
形成在缓冲层上的第一氮化物半导体层；
激发层，形成在第一氮化物半导体层上并包括多对阱层和阻挡层；
插入至少一对阱层和阻挡层之间的至少一个晶种层；和
形成在激发层上的第二氮化物半导体层。
6.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中激发层包含4-10对周期性重复的阱层和阻挡层，每一对由一个阱层和一个阻挡层组成。
7.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中所述阱层具有低于10％的In组成比。
8.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中晶种层是单层InzGa1-zN或InN，其中0≤z≤1。
9.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中晶种层具有大于10％的In组成比。
10.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中晶种层的厚度为20
Figure C2005800086120002C1
或更低。
11.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中阻挡层具有InyGa1-yN的组成并且是30-200
Figure C2005800086120003C1
厚，其中0≤y≤1。
12.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中阻挡层具有900-1040℃的生长温度。
13.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括：
形成第一氮化物半导体层；
在第一氮化物半导体层上形成激发层，形成激发层包括形成阱层和在高温氢气氛下形成阻挡层；和
在激发层上形成第二氮化物半导体层。
14.权利要求13的方法，其中阻挡层具有900-1040℃的生长温度。
15.权利要求13的方法，其中阻挡层的厚度为30-200
Figure C2005800086120003C2
16.权利要求13的方法，其中在生长阻挡层之后直接形成晶种层。
17.权利要求16的方法，其中晶种层形成为厚度低于20
Figure C2005800086120003C3
和In含量大于10％。
18.权利要求16的方法，在形成晶种层之后，使晶种层热退火。
19.权利要求13的方法，在形成第一氮化物半导体层之后，直接在高温氢气氛下形成阻挡层。
20.权利要求13的方法，其中缓冲层生长在第一氮化物半导体层下方，衬底生长在缓冲层下方。
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