CN100583468C - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种氮化物半导体发光器件，包括：一个或多个AlInN层；形成在该AlInN层上方的In掺杂的氮化物半导体层；形成在该In掺杂的氮化物半导体层上方的第一电极接触层；形成在该第一电极接触层上方的有源层；以及形成在该有源层上方的p型氮化物半导体层。根据所述氮化物半导体发光器件，有源层的晶体缺陷被抑制，使得氮化物半导体发光器件的可靠性增加，并使得光输出增大。
Description
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，更具体涉及一种抑制氮化物半导体发光器件的晶体缺陷、改善电性能以及提高发光效率的氮化物半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
通常，GaN基半导体被用于光器件领域，例如蓝色/绿色发光器件(LED)、高速开关元件例如MESFET(金属半导体场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)等，以及作为高功率器件的电子器件。
在一般类型的GaN基半导体LED中，GaN基半导体LED通过以下方法来制造，该方法包括：在低生长温度下在衬底(例如，蓝宝石衬底或SiC衬底)上生长多晶薄膜作为缓冲层，在高生长温度下在缓冲层上形成n-GaN层，以及在缓冲层上形成镁(Mg)掺杂的p-GaN层。发光有源层夹在n-GaN层和p-GaN层之间。
同时，在传统的pn结LED及其制造方法中，由于在蓝宝石衬底和GaN半导体之间的晶格常数的差异和热膨胀系数的差异，可能产生晶体缺陷。为了抑制这样的晶格缺陷产生，采用了低温GaN基或AlN基缓冲层，获得晶体缺陷尺寸为约108/cm3的GaN半导体。在下文中，将描述晶体缺陷的发生途径以及用于抑制该晶体缺陷的传统方法。
简言之，如果无定形GaN基或AlN基缓冲层在低温下形成，然后在高温下重结晶，则形成类多晶体(poly-like crystal)，其表面状态非常粗糙并且平整度不良。然而，随着晶体生长继续进行，优选在第一阶段进行垂直生长，然后优选在第二阶段进行二维生长，从而可以获得优质的氮化物半导体。
此时，在对应于最初生长阶段的垂直生长期间，晶体缺陷发生在GaN岛的熔合边界。晶体缺陷以各种形式产生，例如，被传播至LED的表面的“穿透位错(threading dislocation)”、“螺位错(screwdislocation)”、“线位错”、“点缺陷”、或上述缺陷的混合物。最后，晶体缺陷严重地影响器件的可靠性。具体地，当“穿透位错”从蓝宝石衬底传播至LED表面时，该“穿透位错”穿过发光有源层。将来，“穿透位错”用作漏电流等的电流通路，因此，当瞬间施加例如ESD的高压时，有源层被破坏或光功率(light power)降低，这成为严重影响可靠性的主要原因。
在这种情况下，为了进一步提高LED的光功率和抗外界因素例如ESD(静电放电)等的运行可靠性，需要生长具有较少晶体缺陷的GaN半导体。
为了解决该问题，已采用了各种生长技术，例如，利用绝缘体或难熔金属的“横向过生长(lateral overgrowth)”、“悬空生长(pendeo-growth)”等，以将晶体缺陷减少到至多约107/cm3。然而，传统制造方法存在工艺复杂的问题。并且，虽然传统制造方法可以有效地抑制晶体缺陷，但是在成本方面是不利的，因此为了满足批量生产的可能性仍需要继续进行技术开发。
因此，为了有效地提高LED的光功率和可靠性，必然需要一种可以使从衬底传播的晶体缺陷最小化的晶体生长技术。
发明内容
[技术问题]
提供本发明以基本消除由传统技术的局限和缺点引起的一种或多种问题，并且本发明的一个目的是提供一种可以提高构成氮化物半导体LED的有源层的结晶度、光功率和可靠性的氮化物半导体LED及其制造方法。
[技术方案]
为了实现以上目的，提供一种氮化物半导体发光器件，包括：一个或多个AlInN层；形成在AlInN层上方的In掺杂的氮化物半导体层；形成在In掺杂的氮化物半导体层上方的第一电极接触层；形成在第一电极接触层上方的有源层；以及形成在有源层上方的p型氮化物半导体层。
在本发明的另一个方面，提供一种氮化物半导体发光器件，包括：超晶格层，其具有选自InGaN/InGaN超晶格结构、InGaN/GaN超晶格结构、InGaN/AlGaN超晶格结构、以及InGaN/AlInGaN超晶格结构中的一种；形成在超晶格层上方的In掺杂的氮化物半导体层；形成在In掺杂的氮化物半导体层上方的第一电极接触层；形成在第一电极接触层上方的有源层；以及形成在有源层上方的p型氮化物半导体层。
在本发明的另一个方面，提供一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上方形成缓冲层；在缓冲层上方形成一个或多个AlInN层；在AlInN层上方形成In掺杂的氮化物半导体层；在In掺杂的氮化物半导体层上方形成第一电极接触层；在第一电极接触层上方形成有源层；以及在有源层上方形成p型氮化物半导体层。
在本发明的另一个方面，提供一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上方形成缓冲层；在缓冲层上方形成超晶格层，该超晶格层具有选自InGaN/InGaN超晶格结构、InGaN/GaN超晶格结构、InGaN/AlGaN超晶格结构、以及InGaN/AlInGaN超晶格结构中的一种；在超晶格层上方形成In掺杂的氮化物半导体层；在In掺杂的氮化物半导体层上形成第一电极接触层；在第一电极接触层上方形成有源层；以及在有源层上方形成p型氮化物半导体层。
在本发明的另一个方面，提供一种氮化物半导体发光器件，包括：应变控制层，其提供为两个或多个AlInN层或超晶格层；在应变控制层上方形成的In掺杂的氮化物层；在In掺杂的氮化物层上方形成的第一电极接触层；在第一电极接触层上方形成的有源层；以及在有源层上方形成的p型氮化物半导体层。
[有益效果]
根据所提供本发明，可以提高构成氮化物半导体LED的有源层的结晶度，并且可以提高LED的光功率和可靠性。
附图说明
通过附图将更容易理解本发明的精神，在附图中：
图1是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体LED的叠层结构的示意图；
图2和图3是通过传统技术生长的氮化物半导体的AFM(原子力显微镜)表面照片；
图4和图5是通过根据本发明的制造氮化物半导体的方法生长的氮化物半导体的AFM表面照片；
图6是示出用于比较根据本发明实施方案的氮化物半导体的结晶度的DC-XRD结果的曲线图；
图7是示出根据本发明第三实施方案的氮化物半导体LED的结构的示意图；以及
图8是图解说明根据本发明实施方案在氮化物半导体LED中形成的超重叠(super-overlapped)氮化物半导体结构的示意图。
具体实施方式
[最佳方式]
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方案。
<第一实施方案>
图1是根据本发明第一具体实施方式的氮化物半导体LED的叠层结构的示意图。
参照图1，本发明的氮化物半导体LED包括衬底21和形成在衬底21上的缓冲层23。衬底21可以是蓝宝石衬底或SiC衬底。缓冲层23可以具有AlInN/GaN/AlInN/GaN或AlxlnyGa1-x-yN/InzGa1-zN/GaN的叠层结构。
并且，两个或多个AlInN层形成在缓冲层23上。在图1中，示出了形成第一AlInN层25和第二AlInN层27的实施例。在根据本发明的氮化物半导体LED的制造方法中，无定形AlInN基缓冲层23在低生长温度下生长在衬底21上，然后在高生长温度下再结晶。此后，降低生长温度，接着随着阶段继续进行再逐渐升高温度，由此生长第一AlInN层25和第二AlInN层27。
并且，根据本发明的氮化物半导体LED包括：形成在第二AlInN层27上的In掺杂的GaN层29，以及形成在In掺杂的GaN层29上的第一电极接触层。图1示出了n-GaN层，即第一电极接触层31的一个实例。另外，在该制造方法中，再次升高生长温度以生长In掺杂的GaN层29和硅(Si)和铟(In)共掺杂的氮化物半导体层作为n-GaN层31，该n-GaN层31为第一电极接触层。
并且，根据本发明的氮化物半导体LED包括：形成在作为第一电极接触层的n-GaN层31上的有源层33以及形成在有源层33上的p-GaN层35。发射期望波段(wavelength band)的光的有源层33可以形成为具有InxGa1-xN/InyGa1-yN结构的单量子阱或多量子阱，所述单量子阱或多量子阱具有作为一个周期的阱层/势垒层。通过提高生长温度在有源层33上生长p-GaN层35。
此后，第二电极接触层形成在p-GaN层35上。在图1中，作为一个实施例，生长超梯度(super grading)的n-InxGa1-xN层37，该层具有In含量顺序受控制从而调节能带隙的结构。
同时，在具有上述结构的npn结LED的第二电极接触层中形成施加电功率的透明电极。用于该透明电极的材料由所形成的GaN基半导体的掺杂相或能带隙差确定。由于LED具有超梯度结构，在所述结构中为了增加电流注入效应，In含量线性变化以控制能带隙，因此用于该透明电极的材料可以从以下材料中选择。
换句话说，该透明电极可以由选自透光金属氧化物例如ITO(In-SnO)、IZO(In-ZnO)、ZGO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、ZnO、IrOx和RuOx以及透光电阻金属例如含Ni金属的Au合金中的一种来形成。
与传统的氮化物半导体LED相比，具有上述结构的氮化物半导体LED可以使光功率增加30-50％，并且还可以提高可靠性。
在下文中，将更详细地描述根据上述实施方案的氮化物半导体LED的特征。
在本实施方案中，随着阶段进行，通过改变生长温度，在低温缓冲层23和高温GaN基半导体层29、31之间形成第一AlInN层25和第二AlInN层27。通过这样做，可以有效地抑制GaN基半导体层29、31中的晶体缺陷的发生以提高LED的性能，这是本发明的一个特征。
以下将更详细地描述AlInN层25和27抑制GaN基半导体层29、31中晶体缺陷发生的机制。
首先，为了生长GaN基半导体，使缓冲层23在高生长温度下再结晶，以使缓冲层从无定形相转变为多晶相。生长在经历相转变的缓冲层上的GaN半导体通过岛之间的熔合而实现晶体生长。此时，根据随缓冲层生长温度而变化的厚度，在高温再结晶过程中缓冲层相变类型改变，从而产生表面应变和平整度的差异。GaN基半导体的最初生长模式由上述差异确定。在GaN基半导体的最初生长模式中，在岛熔合过程中优选实施垂直生长模式，并且随着厚度的增加，优选实施水平生长模式。
如上所述，在初始的岛熔合过程中，优选实施垂直生长模式。此时，晶体缺陷例如“穿越位错”在熔合的边界处产生，并穿过有源层，继续前进至LED的表面。为了有效地抑制和减少初始晶体缺陷，本发明的缓冲层在高温下再结晶，且通过在高于缓冲层生长温度的生长温度范围内线性地改变生长温度来生长作为应变控制层的两个或多个AlInN半导体层。因此，可以改善具有低水平平整度和粗糙多晶相的缓冲层表面，并可抑制经受“拉伸应变”的GaN基半导体的应力，从而生长具有优质结晶相的GaN基半导体LED。
将参照图2至图5详细地描述通过上述制造方法制造的本发明的氮化物半导体LED的特性。
图2和图3是通过传统技术生长的氮化物半导体的AFM(原子力显微镜)表面照片，图4和图5是通过根据本发明的制造氮化物半导体的方法生长的氮化物半导体的AFM表面照片。在上述AFM表面照片中，图2和图4是1μm×1μm区域的表面照片，图3和图5是5μm×5μm区域的表面照片。并且，在本实施方案的情况下，采用蓝宝石衬底和AlInN/GaN/AlInN/GaN缓冲层，通过根据生长阶段改变它们的生长温度，使第一AlInN层和第二AlInN层在缓冲层上形成，然后在第二AlInN层上形成In掺杂的GaN层。
参照图2和图3，通过传统制造方法生长的GaN半导体的表面具有被许多“位错”缺陷和“凹坑(pit)”分割的阶梯形状(terrace shape)。并且，正如从黑点所看到的，已知GaN半导体的生长结束于穿越位错，即“螺位错”的一种。然而，如图4和图5所示，与传统技术制造的氮化物半导体相比，通过本发明的制造方法生长的氮化物半导所具有的位错和凹坑的数量大大减少，并具有均匀的阶梯形状。
并且，可以证实，通过本实施方案的制造方法生长的氮化物半导体具有约的表面平整度，与传统表面平整度
相比其对应于大幅改进值。
另外，在评价通过本实施方案的制造方法生长的氮化物半导体的电性能时，发现室温下迁移率增加至2倍或更多，从250cm2/Vsec至500cm2/Vsec。电性能的提高与AFM表面分析一致。从上述结果可以证实，利用生长温度逐步变化而生长的AlInN层已经有效地抑制了AlInN层中晶体缺陷的发生。
图6是表示对根据本发明实施方案的氮化物半导体实施的用于结晶度比较的DC-XRD(双晶体X-射线衍射)结果的曲线图，其中，附图标记(a)是根据本发明的氮化物半导体的分析结果，而附图标记(b)是根据传统技术的氮化物半导体的分析结果。
参照图5，根据本发明具有两个或多个AlInN层的氮化物半导体在(0002)方向上具有190弧秒(arcsec)的结晶度，其相当于传统氮化物半导体结晶度250弧秒值的两倍或更高。上述结果也与AFM表面分析和电性能一致。
并且，在根据本发明的氮化物半导体LED中，例如，具有单量子阱结构的ITO电极/npn-结LED中，其电性能在20mA的电流下使用积分球(integral sphere)通过未封装的蓝色LED芯片进行测量，获得6.3mW的光功率、3.1V的工作电压以及460nm的中心波长(corewavelength)，这对应于非常好的值。
通过上述描述，显而易见的是根据本发明的氮化物半导体LED可以抑制有源层的晶体缺陷、提高电性能、增加光功率并提高运行可靠性。
<第二实施方案>
除了通过线性改变第二AlInN层的生长温度，例如从1000℃至1500℃，加速生长第二AlInN层以便更有效地控制第一和第二AlInN层的应变以外，第二实施方案与第一实施方案相同。
根据本实施方案，当生长温度升高时，铟(In)含量线性降低，然后过程转变为AlN层具有优良结晶度的生长模式。由于AlN半导体在表面粗糙度和平整度方面优良，因此其具有的优点是在GaN半导体初始岛熔合期间水平生长先于垂直生长。因此，AlN半导体被转变为水平生长先于垂直生长的晶体生长模式，以有效地抑制晶体缺陷，由此生长优质的GaN半导体。
<第三实施方案>
图7是示出根据本发明第三实施方案的氮化物半导体LED的结构的示意图。
除了进一步包括InGaN层61和n-InGaN层63外，图7所示的氮化物半导体LED与第一实施方案的氮化物半导体LED相同。
InGaN层61沉积在第二AlInN层27和In掺杂的GaN层29之间，以进一步抑制晶体缺陷的发生。n-InGaN层63沉积在n-GaN层31和有源层33之间，并且形成为具有低铟含量的低摩尔InxGa1-xN层，以提高有源层33的内量子效率。
当然，第三实施方案的氮化物半导体LED也具有形成在缓冲层23上的两个或多个AlInN层25和27。
<第四实施方案>
在根据本发明精神的另一实施方案中，提供具有氮化物半导体超晶格结构而不是生长在缓冲层23上的两个或多个AlInN层25和27的氮化物半导体LED。根据第四实施方案的氮化物半导体LED也改善源于晶体缺陷的性能。
氮化物半导体的超晶格结构可由选自InGaN/InGaN超晶格结构、InGaN/GaN超晶格结构、InGaN/AlGaN超晶格结构以及InGaN/AlInGaN超晶格结构中的一种形成。
<第五实施方案>
除了第二电极接触层具有不同的结构外，第五实施方案的氮化物半导体LED与第一实施方案的氮化物半导体LED相同。
具体而言，图1至图7所示的氮化物半导体LED采用超梯度n-InGaN层37作为施加电功率的透明电极的第二电极接触层。超梯度n-InGaN层37具有通过逐渐控制In含量而控制的带隙。
本发明的氮化物半导体LED采用超重叠结构的p-GaN层作为第二电极接触层来代替超梯度n-InGaN层37。超重叠结构的p-GaN层(SOV p-GaN层)表示通过改变掺杂浓度而形成的具有超晶格结构的p-GaN，如图8所示。
图8是示出在根据本发明实施方案的氮化物半导体LED中形成的SOV氮化物半导体结构的示意图，并描述了带隙随p-GaN掺杂浓度的变化。在图8中，附图标记71表示具有低掺杂浓度的p-GaN层的带隙，而附图标记73表示具有高掺杂浓度的p-GaN层的带隙。SOVp-GaN层表示具有低掺杂浓度的p-GaN层/具有高掺杂浓度的p-GaN层的超晶格结构的层。在一个实施例中，具有低掺杂浓度的p-GaN层的Cp2Mg流可以在0≤X≤1000μmol(其中X是Mg含量)的条件下生长，而具有高掺杂浓度的p-GaN层的Cp2Mg流可以在50≤X≤10000μmol(其中X是Mg含量)的条件下生长。
因此，可以增加p-GaN载流子浓度，并使透明电极例如ITO、IZO等可以施加在SOV p-GaN层上。
如上所述，在根据本发明的氮化物半导体LED及其制造方法中，可以提高构成氮化物半导体LED的有源层的结晶度，以及可以提高LED的光功率和可靠性。
<试验实施例>
根据本发明的精神，对具有ITO/n-InGaN层/p-GaN层/(InGaN/InGaN)SQW层/n+-GaN(Si-In)层/GaN(In)层/(第二AlInN层/第一AlInN层)/(GaN/AlInN/GaN/AlInN)缓冲层/蓝宝石衬底结构的单量子阱LED的性能进行了测试，获得以下结果。此处，n+-GaN(Si-In)层是第一电极接触层，而n-InGaN层是第二电极接触层。
在20mA电流下，可以获得例如460nm的中心波长、6.3mW的光功率、3.1V的工作电压(VF)的电性能。在人体模式中，ESD值至少为-1KV，可以在2英寸的整个蓝宝石衬底上获得该值的90％或更高。这里，测量值是利用蓝色LED芯片测量的，尤其是光功率是利用积分球来测量的。
[发明模式]
虽然根据上述实施方案的氮化物半导体LED表示并描述了仅有第一AlInN层25和第二AlInN层27的两个AlInN层的实施例，但本发明并不局限于此。换句话说，在本发明的其它实施方案中，可以采用三个或多个AlInN层，但可以获得相同的或改进的效果。
[工业适用性]
根据本发明，可以提高构成氮化物半导体LED的有源层的结晶度，并且可以提高光功率和可靠性。而且，可以增加氮化物半导体LED的产率并且可以改善电性能。
Claims (26)
1.一种氮化物半导体发光器件，包含：
利用生长温度逐步变化而生长的一个或多个AlInN层；
形成在所述AlInN层上方的In掺杂的氮化物半导体层；
形成在所述In掺杂的氮化物半导体层上方的第一电极接触层；
形成在所述第一电极接触层上方的有源层；和
形成在所述有源层上方的p型氮化物半导体层。
2.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包含形成在所述AlInN层下方的缓冲层。
3.根据权利要求2的氮化物半导体发光器件，其中所述缓冲层具有AlInN/GaN/AlInN/GaN的叠层结构。
4.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包含形成在所述In掺杂的氮化物半导体层下方的InGaN层。
5.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述AlInN层的每一层在不同温度下生长。
6.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中生长构成所述AlInN层的每一层，使得In含量线性减少。
7.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中生长构成所述AlInN层的每一层，使得In含量线性减少并且所述AlInN层的最上层为AlN。
8.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述AlInN层包含第一AlInN下层和第AlInN上层。
9.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包含形成在所述第一电极接触层上方的n-InGaN层。
10.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第一电极接触层是n型半导体层。
11.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第一电极接触层是Si和In共掺杂的氮化物半导体层。
12.根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包含形成在所述p型氮化物半导体层上方的第二电极接触层。
13.根据权利要求12的氮化物半导体发光器件，其中所述第二电极接触层是具有In含量逐渐变化的超梯度结构的n型氮化物半导体层。
14.根据权利要求12的氮化物半导体发光器件，其中所述第二电极接触层是由于掺杂浓度不同而具有超晶格结构的超重叠结构的p-GaN层。
15.根据权利要求12的氮化物半导体发光器件，还包含形成在所述第二电极接触层上方的电极层。
16.根据权利要求15的氮化物半导体发光器件，其中所述电极层由选自透光氧化物以及透光的含Ni金属的Au合金中的一种形成，所述透光氧化物包括In掺杂的SnO、In掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO、Al掺杂的ZnO、In和Ga掺杂的ZnO、Al和Ga掺杂的ZnO、ZnO。
17.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括以下步骤：
在衬底上方形成缓冲层；
在所述缓冲层上方形成一个或多个AlInN层，其中利用生长温度逐步变化而生长所述AlInN层；
在所述AlInN层上方形成In掺杂的氮化物半导体层；
在所述In掺杂的氮化物半导体层上方形成第一电极接触层；
在所述第一电极接触层上方形成有源层；和
在所述有源层上方形成p型氮化物半导体层。
18.根据权利要求17的方法，其中所述缓冲层具有AlInN/GaN/AlInN/GaN的叠层结构。
19.根据权利要求17的方法，其中生长构成所述AlInN层的每一层，使得生长温度在每一步骤都变化。
20.根据权利要求17的方法，其中生长构成所述AlInN层的每一层，使得In含量线性减少。
21.根据权利要求17的方法，其中所述AlInN层提供为双层结构，所述双层结构的上层加速生长。
22.根据权利要求17的方法，其中所述AlInN层的最上层由AlN层形成。
23.根据权利要求17的方法，还包括在所述p型氮化物半导体层上方形成第二电极接触层的步骤。
24.根据权利要求23的方法，其中所述第二电极接触层是In含量逐渐变化的超梯度结构的n型氮化物半导体层，或由于掺杂浓度不同而具有超晶格结构的超重叠结构的p-GaN层。
25.根据权利要求23的方法，其中所述电极层由选自透光氧化物以及透光的含Ni金属的Au合金中的一种在所述第二电极接触层上方形成，所述透光氧化物包括In掺杂的SnO、In掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO、Al掺杂的ZnO、In和Ga掺杂的ZnO、Al和Ga掺杂的ZnO、ZnO。
26.一种氮化物半导体发光器件，包含：
应变控制层，提供为两个或多个AlInN层，其中利用生长温度逐步变化而生长所述AlInN层；
在所述应变控制层上方形成的In掺杂的氮化物层；
在所述In掺杂的氮化物层上方形成的第一电极接触层；
在所述第一电极接触层上方形成的有源层；和
在所述有源层上方形成的p型氮化物半导体层。
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