CN100590899C - 氮化物半导体发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够得到高的光发射输出同时减小正向电压Vf的氮化物半导体发光装置，并提供其制造方法。该氮化物半导体发光装置包括至少n型氮化物半导体、p型氮化物半导体、以及形成于该n型氮化物半导体和p型氮化物半导体之间的有源层(5)；其中该n型氮化物半导体包括多层氮化物半导体层(101)，其具有由第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层重复至少两次组成的堆叠结构；该多层氮化物半导体层(101)形成与该有源层(5)接触；该第一氮化物半导体层为包含n型杂质的层，且该第二氮化物半导体层为非掺杂层或者为包含n型杂质的浓度低于所述第一氮化物半导体层的层。
Description
技术领域
本发明涉及适合应用于例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的发光装置的氮化物半导体发光装置，以及其制造方法。
背景技术
当发光二极管(LED)用作显示器的照射光源或背光时，要求该装置具有高的发光效率和低的正向电压(以下用Vf表示)。日本专利公开No.2000-244072提出了一种用于改善LED的光发射输出的技术，通过形成具有至少两对两种不同类型的氮化物半导体层的n侧第一多层膜层，即，掺杂了n型杂质的氮化物半导体层和未掺杂该n型杂质的非掺杂氮化物半导体层。此外，日本专利公开No.2000-244072描述了，通过提供n侧第二多层膜层而降低Vf，该第二多层膜层通过在该n侧第一多层膜层和有源层之间堆叠包含In的第一氮化物半导体层和具有不同于第一氮化物半导体层的成分的第二氮化物半导体层而形成。
然而请注意，通过选择涉及增大载流子密度的方法和涉及更小带隙的方法中的至少一种，形成该n型接触层，从而减小接触电阻以降低Vf。因此，该层区域包含很多位错和缺陷。当n侧第一多层膜层堆叠接触n型接触层时，将会不利地受到位错或缺陷的影响，且无法得到改善光发射输出的充分效应。此外，在日本专利公开No.2000-244072中，第二多层膜层堆叠在有源层侧，而不是n侧第一多层膜层。在生长两种不同类型的多层膜时，制造工艺变得复杂且制造成本增大。此外，在有源层的n侧上堆叠包含In的氮化物半导体层会产生In的位错和缺陷，这影响了有源层的结晶性并可能导致光发射输出减小。
发明内容
为了解决上述问题而进行本发明，其目的在于提供一种具有低的正向电压(Vf)且能够呈现高的光发射输出的氮化物半导体发光装置，并提供其制造方法。
本发明涉及一种氮化物半导体发光装置，包括至少n型氮化物半导体、p型氮化物半导体、以及形成于该n型氮化物半导体和p型氮化物半导体之间的有源层；其中该n型氮化物半导体包括多层氮化物半导体层，其具有由第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层重复至少两次而组成的堆叠结构；该多层氮化物半导体层形成得与该有源层接触；且该第一氮化物半导体层为包含n型杂质的层，该第二氮化物半导体层为非掺杂层或者为包含n型杂质的浓度低于第一氮化物半导体层的层。
在本发明中，优选地，该多层氮化物半导体层由GaN层组成。
在本发明中，优选地，第一氮化物半导体层的n型杂质浓度高于1×1018/cm3，且第二氮化物半导体层的n型杂质浓度不高于1×1018/cm3。
在本发明中，优选地，各个第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层的厚度最多为100nm。
本发明还涉及上述任何一种氮化物半导体发光装置的方法，包括步骤：按照堆叠的方式，形成包括该多层氮化物半导体层的n型氮化物半导体，形成该有源层，以及形成该p型氮化物半导体层；其中通过在包含氮的载气中在500至1000℃的生长温度下通过金属有机物化学气相沉积生长该多层氮化物半导体层。
根据本发明，可以得到具有低的正向电压(Vf)并呈现高的光发射输出的氮化物半导体发光装置。
根据本发明的氮化物半导体发光装置适合适用于例如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的发光装置。
通过结合附图进行的对本发明的如下描述，本发明的前述和其他目标、特征、方面及优点将变得更加显而易见。
附图说明
图1示出了根据本发明的氮化物半导体发光装置的示范性结构。
图2和3示出了根据本发明的氮化物半导体发光装置的其他示范性结构。
图4示出了普通氮化物半导体发光装置。
图5示出了形成为比较例2的氮化物半导体发光装置的结构。
图6示出了形成为比较例4的氮化物半导体发光装置的结构。
具体实施方式
在下文中，将参照图示描述本发明的实施方案。然而，本发明不限于这些实施方案。尽管将在下文中描述其中本发明的氮化物半导体发光装置实施为LED的实施方案，但是根据本发明的氮化物半导体发光装置也可应用于半导体激光器等。
根据本发明的氮化物半导体发光装置包括至少n型氮化物半导体、p型氮化物半导体、以及形成于该n型氮化物半导体和p型氮化物半导体之间的有源层；该n型氮化物半导体层包括多层氮化物半导体层，其具有由第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层重复至少两次所组成的堆叠结构；该多层氮化物半导体层形成得与该有源层接触；该第一氮化物半导体层为包含n型杂质的层，该第二氮化物半导体层为非掺杂层或者包含n型杂质的浓度低于第一氮化物半导体层的层。具体而言，在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，该多层氮化物半导体层形成得与有源层接触，其中在该多层氮化物半导体层内，具有相对高的n型杂质浓度的层和具有相对浓度低的n型杂质或不包含该n型杂质的层彼此接连地堆叠。因此，该氮化物半导体发光装置的光发射输出可得以改善，同时维持低的Vf。尽管光发射输出如何改善的机理的细节尚不清楚，但是一个可能的原因是引入到有源层的载流子效率的改善。
参考图4，在基板1上形成缓冲层2、底层n型GaN层3、n型接触层4、有源层5、p型覆层6、p型接触层7、透明电极8、n侧焊盘电极9和p侧焊盘电极10。比较而言，参考图1，在基板1上形成缓冲层2、底层n型GaN层3、n型接触层4、多层氮化物半导体层101、有源层5、p型覆层6、p型接触层7、透明电极8、n侧焊盘电极9和p侧焊盘电极10。在图1所示的结构中，底层n型GaN层3、n型接触层4和多层氮化物半导体层101形成本发明的n型氮化物半导体，而p型覆层6和p型接触层7形成了本发明的p型氮化物半导体，并在该n型氮化物半导体和p型氮化物半导体之间形成有源层5。
根据本发明的氮化物半导体发光装置可以由包含如下步骤的方法制造：按照堆叠的方式，形成包括多层氮化物半导体层的该n型氮化物半导体，形成有源层，以及形成该p型氮化物半导体。以下将参照图1所示的结构为示例，尽管本发明不限于该示例，由此详细地描述根据本发明的氮化物半导体发光装置的典型结构和制造方法。
<基板1>
可以使用例如蓝宝石(C面)作为基板1。在本发明中，优选地，基板1设定于MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备的反应炉内，且生长温度提高到例如1050℃同时导致氢气流动，使得基板1预先清洗。
<缓冲层2>
在基板1上形成缓冲层2。具体而言，生长温度降低例如至510℃，并使用氢气作为载气，氨气和TMG(三甲基镓)作为原材料气体，在基板1上生长厚度约为200
的例如GaN的缓冲层2。
<N型氮化物半导体>
(底层n型GaN层3)
在缓冲层2上形成底层n型GaN层3。具体而言，生长温度提高到1050℃，并使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长厚度约6μm的掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN的底层n型GaN层3。
(n型接触层4)
在底层n型GaN层3上形成n型接触层4。具体而言，在与底层n型GaN层3相似的条件下，生长厚度约为0.5μm的掺Si浓度为5×1018/cm3的GaN的n型接触层4。
(多层氮化物半导体层101)
在n型接触层4上，通常通过金属有机物气相沉积形成多层氮化物半导体层101。优选地，本发明中形成的多层氮化物半导体层101为GaN层的二元混合晶体，因为可以得到高的结晶性和更佳的改善光发射输出的效应。形成该多层氮化物半导体层101的第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层可以按照以下方式形成。使用氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长掺Si浓度x为1×1018＜x≤1×1021/cm3的GaN层的第一氮化物半导体层，通常浓度x＝1×1019/cm3，并在该GaN层上生长第二氮化物半导体层。本发明的第二氮化物半导体层形成非掺杂层或者n型杂质的浓度低于第一氮化物半导体层的层。当第二氮化物半导体层形成非掺杂层时，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，在1050℃的生长温度下，在第一氮化物半导体层上生长厚度约20nm的非掺杂GaN层。当该第二氮化物半导体层形成为杂质浓度低于第一氮化物半导体层的n型层时，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，在1050℃的生长温度下，在第一氮化物半导体层上生长厚度约20nm的掺Si浓度x为1×1018＜x≤1×1021/cm3的GaN层，通常浓度x＝1×1019/cm3。这实现了更佳的改善光发射输出的效应。在本发明中，优选使用含有氮的气体作为该多层氮化物半导体层的载气，且生长温度范围为500至1000℃，因此由此可以得到改善光发射输出和降低Vf的优良效应。尽管当使用含氮的气体作为该多层氮化物半导体层的载气且生长温度范围为500至1000℃时Vf减小的原因的细节尚不清楚，但是可能的原因为有源层和该多层氮化物半导体层之间的接触电阻降低。生长温度的优选范围为750至900℃时。对于载气的条件，当载气为氮气和氢气的混合气体时，混合气体中氮气的流量比应该优选地为至少50体积％，且仅氮气的载气是最优选的。
在本发明中，优选地该第一氮化物半导体层的n型杂质浓度高于1×1018/cm3，第二氮化物半导体层的n型杂质浓度不高于1×1018/cm3。当第一和第二氮化物半导体层的n型杂质浓度设定于上述范围内，可以得到改善光发射输出的良好效应。第一氮化物半导体层的n型杂质浓度更优选为5×1018/cm3以上。
在本发明中，优选该第一和第二氮化物半导体层分别具有至多100nm的厚度。于是可以得到改善光发射输出的良好效应。更优选地，该第一和第二氮化物半导体层分别具有至多20nm的厚度。就得到改善光发射输出的良好效应的观点，当厚度约为20nm时，可以充分地获得通过本发明改善光发射输出的效应。为了充分改变第一和第二氮化物半导体层之间的n型杂质浓度，第二氮化物半导体层优选地具有足以防止该n型杂质从第一氮化物半导体层扩散到整个第二氮化物半导体层的厚度，具体地至少为2nm的厚度。该第一氮化物半导体层优选地具有至少1nm的厚度。
在本发明中，组成该第一和第二氮化物半导体层的堆叠结构重复至少两次，这得到改善光发射输出的效应。该堆叠结构的优选重复周期为至少5个。当重复周期为5个左右时，可以令人满意地保证本发明的改善光发射输出的效应。在本发明中，至多20的重复周期是优选的，因为由于氮化物半导体发光装置的复杂制造工艺所致的制造成本的过量增大可以得以避免。
尽管已经描述了依次在接触层上堆叠第一和第二氮化物半导体层的示例，但是本发明的第一和第二氮化物半导体层的堆叠顺序不限于上述顺序。所必须的是，组成该第一和第二氮化物半导体层的堆叠结构的该多层氮化物半导体层形成得为与有源层接触。
<有源层5>
在多层氮化物半导体层101上形成有源层5。具体而言，使用氮气作为载气，氨气、TMG和TMI为原材料气体，将生长温度降低至例如700℃，交替地生长6个周期的厚度分别为约2.5nm和约18nm的In0.25Ga0.75N和GaN，由此形成具有多量子阱结构的有源层5。
<p型氮化物半导体>
(p型覆层6)
在有源层5上形成p型覆层6。具体而言，使用氢气作为载气，氨气、TMA和TMG为原材料气体，CP2Mg(环戊二烯镁)作为杂质气体，将生长温度提高到例如950℃，生长厚度约为30nm且掺Mg浓度为例如5×1019/cm3的Al0.15Ga0.85N的p型覆层6。
(p型接触层7)
在p型覆层6上形成p型接触层7。具体而言，使用氢气作为载气，氨气和TMG为原材料气体，CP2Mg作为杂质气体，将生长温度保持在例如950℃，生长厚度约为0.1μm且掺Mg浓度为例如1×1020/cm3的GaN的p型接触层7。
<退火>
接着，使用氮气作为载气并将生长温度降低到例如700℃，由此执行退火。通过上述方法，得到在基板1上形成了缓冲层2、底层n型GaN层3、n型接触层4、多层氮化物半导体层101、有源层5、p型覆层6和p型接触层7的晶片。
<电极形成>
从反应炉取出通过上述方法得到的晶片，将图案化成指定形状的掩模形成于该最上层即p型接触层7的表面上，并使用RIE(反应离子蚀刻)设备从p型接触层7侧进行蚀刻，使得n型接触层4的表面被暴露。在蚀刻之后，分别在最上层的p型接触层7的几乎整个表面上形成厚度约为7nm的包含Pd的透明电极8，并在其上指定部分形成厚度约为0.5μm的Au的p侧焊盘电极10。在被蚀刻暴露的n型接触层4表面上形成包含Ti和Al的n侧焊盘电极9。这样可以得到作为根据本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
<n型氮化物半导体层>
在本发明中，更优选形成与n型接触层分开的多层氮化物半导体层101，且当所生长的n型氮化物半导体层中n型杂质浓度x范围为5×1017≤x≤1×1018/cm3时，改善多层氮化物半导体层的光发射输出的效应可以进一步得到改善而不增大Vf。形成与接触层分开的该多层氮化物半导体层的一种可能方法为，在n型接触层4和多层氮化物半导体层101之间形成例如GaN的n型氮化物半导体层201。在这种情况下，多层氮化物半导体层101也形成为与有源层5接触。
对于n型氮化物半导体层201，使用氢气作为载气，氨气和TMG作为原材料气体，硅烷作为杂质气体。举例而言，假设掺杂Si的浓度为5×1018/cm3的GaN层被用作n型接触层4，多层氮化物半导体层101通过重复至少两次堆叠结构而形成于n型氮化物半导体层201上，该堆叠结构具有依次堆叠的第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，且掺硅浓度为1×1019/cm3的GaN层作为该第一氮化物半导体层。这种情况下，例如可以形成厚度约为0.1μm且掺硅浓度为1×1018/cm3的GaN层作为n型氮化物半导体层201。
在下文中，将参照图3描述根据本发明的氮化物半导体发光装置的示范性结构，其中使用导电基板作为支撑基板。在图3所示的结构中，在导电基板22上依次形成第一欧姆电极23、用于粘合的第一金属层24、用于粘合的第二金属层21、保护层20、反射层19、第二欧姆电极18、p型接触层7、p型覆层6、有源层5、多层氮化物半导体层101、n型氮化物半导体层16、n型接触层15、透明电极25以及接合焊盘电极26。该p型接触层7和p型覆层6形成本发明的p型氮化物半导体，多层氮化物半导体层101和n型接触层15形成本发明的n型氮化物半导体。
在下文中将描述形成具有图3所示结构的氮化物半导体发光装置的方法。除了形成n型氮化物半导体和电极的步骤之外，其他步骤与上文参照图1和2所描述的方法相同，因此将不再重复对其的描述。在下文中将描述形成该n型氮化物半导体和电极的方法。
<n型氮化物半导体>
(n型接触层15)
使用氢气作为载气，氨气和TMG为原材料气体，并使用硅烷作为杂质气体，生长温度设定为1000至1100℃的范围且通常为1050℃，在其上形成了缓冲层的蓝宝石基板(未示出)上，形成厚度约为0.2μm且掺Si浓度为5×1018/cm3的GaN的n型接触层15。
(n型氮化物半导体层16)
接着，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长温度设定为1000至1100℃的范围且通常为1050℃，形成厚度约为6μm且掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN层，作为n型氮化物半导体层16。随后生长多层氮化物半导体层101。
图3示出的示例中，n型氮化物半导体层16形成于n型接触层15和多层氮化物半导体层101之间。提供n型氮化物半导体层16的优点为改善结晶性，尽管多层氮化物半导体层101可以直接生长在n型接触层15上。
(多层氮化物半导体层101)
接着，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长温度设定为1000至1100℃的范围且通常为1050℃，形成作为第二氮化物半导体层的厚度为20nm的非掺杂GaN层，以及作为第一氮化物半导体层的厚度为20nm且掺Si浓度为1×1019/cm3的GaN层，而且通过生长由5个周期(重复5次)的由该第二和第一氮化物半导体层组成的堆叠结构，形成n型多层氮化物半导体层101。随后，在多层氮化物半导体层101上，生长有源层5、p型覆层6、和p型接触层7。在上述方法中，当生长温度设定为500至1000℃的范围且使用含氮的气体为载气时，可以令人满意地得到减小Vf的效应。
<电极形成>
将通过上述方法在基板上形成缓冲层、n型接触层15、n型氮化物半导体层16、多层氮化物半导体层101、有源层5、p型覆层6和p型接触层7而得到的晶片退火，且通过EB蒸镀(电子束蒸镀)方法在p型接触层7上连续地形成第二欧姆电极层18、反射层19、保护层20和用于粘合的第二金属层21。这里，可以形成厚度为例如3nm的Pd层作为第二欧姆电极18，可以形成厚度为例如150nm的Ag层作为反射层19，可以形成厚度为例如50nm的Mo层作为保护层20，且可以形成厚度为例如3μm的Au层作为用于粘合的第二金属层21。
随后，在分开制备的用作支撑基板的导电基板22上，通过EB蒸镀依次形成第一欧姆电极23和用于粘合的第一金属层24。此处举例而言，可以形成厚度为120μm的Si基板作为导电基板22，可以形成依次形成的厚度为15nm的Ti和厚度为150nm的Al的Ti/Al组合层作为第一欧姆电极23，且可以形成依次形成的厚度为100nm的Au和厚度为3μm的AuSn的Au/AuSn组合层作为用于粘合的第一金属层24。
接着，形成用于粘合的第二金属层21，以连接用于粘合的第二金属层21和用于粘合的第一金属层24。举例而言，可以形成厚度为100nm的Au层作为用于粘合的第二金属层21。通常，形成用于粘合的第一金属层24的Au/AuSn组合层的Au层设置成与形成用于粘合的第二金属层21的Au层相对，且用于粘合的第一金属层24和用于粘合的第二金属层21通过共晶接合而连接。接合温度设定为例如250至350℃的范围。
接着除去蓝宝石基板和缓冲层(未示出)。具体而言，使用波长为355nm的YAG(钇铝石榴石)-THG(三次谐波产生)激光进行激光照射并从背面被镜面抛光的蓝宝石基板侧入射，形成于蓝宝石基板上的缓冲层(未示出)与n型接触层15之间的界面部分被热分解，使得蓝宝石基板和缓冲层被除去。
在通过上述方法被暴露的n型接触层15上，形成ITO(氧化铟锡)作为透明导体电极25。通常，在n型接触层15的几乎整个表面上形成掺Sn的In2O3层作为透明导体电极25，并在透明导体电极25的中心部分形成n型接合焊盘电极作为接合焊盘电极26。可以形成例如Au/Ti组合层作为接合焊盘电极26。
示例
在下文中，将参照具体示例更详细地描述本发明，尽管本发明不限于这些具体示例。
<示例1>
在本示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。
(缓冲层2)
首先，蓝宝石(C面)的基板1设定于MOCVD设备的反应炉内，且导致氢气流动同时生长温度提高到1050℃，使得基板被清洁。接着，生长温度降低至510℃，并使用氢气作为载气，氨气和TMG(三甲基镓)作为原材料气体，在基板1上生长厚度约为200
的GaN缓冲层2。
(底层n型GaN层3)
接着，生长温度增加到1050℃，并使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长厚度为6μm的掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN的底层n型GaN层3。
(n型接触层4)
接着，在与底层n型GaN层3相同的条件下，生长厚度为0.5μm的掺Si浓度为5×1018/cm3的GaN的n型接触层4。
(n型氮化物半导体层201)
在生长n型接触层4之后，在1050℃的生长温度下，使用氢气作为载气，氨气和TMG作为原材料气体，硅烷作为杂质气体，形成厚度为0.1μm且掺硅浓度为1×1018/cm3的GaN层作为n型氮化物半导体层201。
(多层氮化物半导体层101)
接着，在1050℃的生长温度下，使用氢气作为载气，氨气和TMG作为原材料气体，硅烷作为杂质气体，依次形成作为第二氮化物半导体层的厚度为20nm的非掺杂GaN层以及作为第一氮化物半导体层的厚度为20nm且掺硅浓度为1×1019/cm3的GaN层，而且这些层交替地生长5个周期，从而提供n型多层氮化物半导体层101。
(有源层5)
接着，使用氮气作为载气，氨气、TMG和TMI为原材料气体，将生长温度降低至700℃，交替地生长6个周期的厚度分别为2.5nm和18nm的In025Ga0.75N和GaN，从而在多层氮化物半导体层101上形成具有多量子阱结构的有源层5。
(p型覆层6)
接着，使用氢气作为载气，氨气、TMA和TMG为原材料气体，CP2Mg(环戊二烯镁)作为杂质气体，将生长温度提高到950℃，生长厚度约为30nm且掺Mg浓度为5×1019/cm3的Al0.15Ga085N的p型覆层6。
(p型接触层7)
接着，使用氢气作为载气，氨气和TMG为原材料气体，CP2Mg作为杂质气体，将生长温度保持在950℃，生长厚度约为0.1μm且掺Mg浓度为1×1020/cm3的GaN的p型接触层7。
通过上述方法，得到在基板1上形成了缓冲层2、底层n型GaN层3、n型接触层4、n型氮化物半导体层201、多层氮化物半导体层101、有源层5、p型覆层6和p型接触层7的晶片。
(退火)
使用氮气作为载气并将生长温度降低到700℃，由此对该晶片执行退火。
(电极形成)
从反应炉取出退火的晶片，将图案化成指定形状的掩模形成于该最上层即p型接触层7的表面上，并使用RIE(反应离子蚀刻)设备从p型接触层7侧进行蚀刻，使得n型接触层4的表面被暴露。在蚀刻之后，分别在最上层的p型接触层7的几乎整个表面上形成厚度为7nm的包含Pd的透明电极8，并在其上指定部分形成厚度为0.5μm的Au的p侧焊盘电极10。在被蚀刻暴露的n型接触层4表面上形成包含Ti和Al的n侧焊盘电极9。这样，得到作为根据本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。
<比较例1>
在该比较例中，形成具有图4所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了不在n型接触层4和有源层5之间形成n型氮化物半导体层201和多层氮化物半导体层101之外，通过与示例1相同的方法形成作为该氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。
从示例1和比较例1的结果可以看出，示例1中的光发射输出较比较例1得到改善，因此本发明的改善光发射输出的效应得到确认。
<比较例2>
在该比较例中，形成具有图5所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了在n型接触层4和有源层5之间堆叠多层氮化物半导体层101和n侧直接底层501之外，通过与比较例1相同的方法形成氮化物半导体发光装置。
(多层氮化物半导体层101)
通过与比较例1相似的方法，在基板1上生长缓冲层2、底层GaN层3、和n型接触层4。之后，在1050℃的生长温度，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，依次形成作为第二氮化物半导体层的厚度为20nm的非掺杂GaN层，以及作为第一氮化物半导体层的厚度为20nm且掺Si浓度为1×1019/cm3的GaN层，而且这些层交替地生长5个周期，从而提供n型多层氮化物半导体层101。
(n型直接底层501)
接着，在多层氮化物半导体层101上形成n型直接底层501。在1050℃的生长温度，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长厚度为0.1μm且掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN层。随后，通过与比较例1相似的方法，生长有源层5、p型覆层6、p型接触层7、透明电极8、n侧焊盘电极9和p侧焊盘电极10。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf，也就是说具有与比较例1相同的装置性能。可以理解，当本发明的多层氮化物半导体层101形成为不接触有源层时，则无法得到改善光发射输出的效应。
<示例2>
在该示例中，形成具有图1所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了不形成图2的n型氮化物半导体层201之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.7mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。尽管光发射输出低于示例1，但是该光发射输出较比较例1得到改善，可以看出充分地得到了本发明的改善光发射输出的效应。
<示例3>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了形成厚度为20nm且掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN层替代该非掺杂GaN层以作为多层氮化物半导体层101的第二氮化物半导体层之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf，即，与示例1得到的性能相同。
<示例4>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了形成厚度为20nm且掺Si浓度为3×1018/cm3的GaN层替代该非掺杂GaN层以作为多层氮化物半导体层101的第二氮化物半导体层之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.2mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。尽管光发射输出较比较例1得到改善，但是低于示例1。
<示例5>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的重复周期从5改变为2之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.5mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。尽管光发射输出略低于示例1，但是光发射输出优于比较例1。
<比较例3>
在该比较例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的重复周期从5改变为1之外，通过与示例1相同的方法形成作为该氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.0mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf，即，与比较例1得到的性能相同。
<示例6>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的第一和第二氮化物半导体层的厚度从20nm改变为100nm之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.5mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf。尽管光发射输出略低于示例1，但是光发射输出优于比较例1。
<示例7>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的第一和第二氮化物半导体层的厚度从20nm改变为5nm之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及4.0V的正向电压Vf，即，与比较例1得到的性能相同。
<示例8>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的形成方法如下所述进行改变之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。具体而言，在生长n型氮化物半导体层201之后，生长温度降低到850℃，使用氮气作为载气，氨气和TMG作为原材料气体，硅烷作为杂质气体，依次形成作为第二氮化物半导体层的厚度为20nm的非掺杂GaN层以及作为第一氮化物半导体层的厚度为20nm且掺硅浓度为1×1019/cm3的GaN层，而且这些层交替地生长5个周期，从而提供n型多层氮化物半导体层101。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及3.5V的正向电压Vf，Vf较示例1进一步减小。
<示例9>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的生长温度设定为500℃之外，通过与示例8相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、4.5mW的发射输出、以及3.8V的正向电压Vf。尽管Vf较示例8略差且光发射输出略低于示例1，但与比较例1相比，光发射输出得到改善且Vf降低。因此可以看出，充分地得到本发明的改善光发射输出和减小Vf的效应，且得到了令人满意的装置特性。减小Vf的效应甚至优于示例1。
<示例10>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了多层氮化物半导体层101的生长温度设定为1000℃之外，通过与示例8相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及3.8V的正向电压Vf。与比较例1相比，光发射输出得到改善且Vf降低。可以看出，充分地实现本发明的改善光发射输出和减小Vf的效应，且得到了令人满意的装置特性。对于Vf，减小的效应甚至优于示例1，尽管不如示例8高。
<示例11>
在该示例中，形成具有图2所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了使用氢气∶氮气＝1∶1的氢气和氮气混合气体作为载气之外，通过与示例1相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、5mW的发射输出、以及3.8V的正向电压Vf。与比较例1相比，光发射输出得到改善且Vf降低。可以看出，充分地实现本发明的改善光发射输出和减小Vf的效应，且得到了令人满意的装置特性。减小Vf的效应甚至优于示例1，尽管不如示例8高。
<示例12>
在该示例中，形成具有图3所示结构的氮化物半导体发光装置。除了形成n型氮化物半导体层和电极的步骤之外，其余步骤与示例1相同，因此不再重复对其的描述。在下文中，将描述该示例的n型氮化物半导体层和电极形成方法。
(n型接触层15)
在蓝宝石基板上形成缓冲层，随后使用氢气作为载气，氨气和TMG为原材料气体，并使用硅烷作为杂质气体，生长温度提高到1050℃，生长厚度为0.2μm且掺Si浓度为5×1018/cm3的GaN的n型接触层15。
(n型氮化物半导体层16)
接着，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，生长温度设定为1050℃，生长厚度为6μm且掺Si浓度为1×1018/cm3的GaN层作为n型氮化物半导体层16。随后生长多层氮化物半导体层101。
(多层氮化物半导体层101)
在生长n型氮化物半导体层16之后，在1050℃的生长温度，使用氢气为载气，氨气和TMG为原材料气体，硅烷为杂质气体，依次形成作为第二氮化物半导体层的厚度为20nm的非掺杂GaN层以及作为第一氮化物半导体层的厚度为20nm且掺Si浓度为1×1019/cm3的GaN层，而且这些层交替地生长5个周期，从而提供n型多层氮化物半导体层101。之后，按照与示例1相似的方式生长p型覆层6和p型接触层7。
<电极形成>
按照与示例1相似的方式，将通过上述方法在基板1上依次形成缓冲层2、n型接触层15、n型氮化物半导体层16、多层氮化物半导体层101、有源层5、p型覆层6和p型接触层7而得到的晶片退火。
在退火之后，通过EB蒸镀(电子束蒸镀)方法在p型接触层7上连续地形成第二欧姆电极层18、反射层19、保护层20和用于粘合的第二金属层21。这里，形成厚度为3nm的Pd层作为第二欧姆电极18，形成厚度为150nm的Ag层作为反射层19，形成厚度为50nm的Mo层作为保护层20，且形成厚度为3μm的Au层作为用于粘合的第二金属层21。
随后，在分开制备的用作支撑基板的导电基板22上，通过EB蒸镀依次形成第一欧姆电极23和用于粘合的第一金属层24。此处形成厚度为120μm的Si基板作为导电基板22，形成依次形成的厚度为15nm的Ti和厚度为150nm的Al的Ti/Al组合层作为第一欧姆电极23，且形成依次形成的厚度为100nm的Au和厚度为3μm的AuSn的Au/AuSn组合层作为用于粘合的第一金属层24。
接着，用于粘合的第二金属层21连接到用于粘合的第一金属层24。具体而言，将形成用于粘合的第一金属层24的Au/AuSn组合层的Au层置成与形成用于粘合的第二金属层21的Au层相对，且这些层通过共晶接合而连接。接合温度设定为290℃。接着除去蓝宝石基板和缓冲层(未示出)。具体而言，使用的YAG(钇铝石榴石)-THG(三次谐波产生)激光(波长为355nm)进行激光照射并从背面被镜面抛光的蓝宝石基板侧入射，形成于蓝宝石基板上的缓冲层与n型接触层15之间的界面部分被热分解而除去。
接着，在通过除去基板和缓冲层而被暴露的n型接触层15上，在n型接触层15的几乎整个表面上形成掺Sn的In2O3层作为透明导体电极25，并在透明导体电极25的中心部分形成Au/Ti组合层的n型接合焊盘电极作为接合焊盘电极26。通过上述方法，形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、10mW的发射输出、以及3.7V的正向电压Vf。光发射输出高于比较例4，且在该结构中，本发明的改善光发射输出的效应可以得到确认。
<比较例4>
在该示例中，形成具有图6所示结构的氮化物半导体发光装置。具体而言，除了不形成图3的n型氮化物半导体层16和多层氮化物半导体层101之外，通过与示例12相同的方法形成作为本发明的氮化物半导体发光装置的LED。
当工作于20mA的正向电流时，结果的LED呈现460nm的发射波长、8mW的发射输出、以及3.7V的正向电压Vf，光发射输出低于示例12。
通过这些结果可以确认，通过形成与有源层接触的多层氮化物半导体层的本发明的改善光发射输出的效应。此外确认了，当生长温度设定为500至1000℃范围且使用含氮的气体作为载气时，也可以得到减小Vf的效应。
尽管已经详细地描述和说明了本发明，但显而易见的是，这些描述和说明仅仅是描述和示范性质而非限制本发明，本发明的精神和范围仅由权利要求界定。
本申请是基于2006年2月20日向日本专利局提交的日本专利申请No.2006-042632，其全部内容于此引入作为参考。
Claims (5)
1.一种氮化物半导体发光装置，包括：
至少n型氮化物半导体、p型氮化物半导体、以及形成于所述n型氮化物半导体和所述p型氮化物半导体之间的有源层；其中
所述n型氮化物半导体包括多层氮化物半导体层，所述多层氮化物半导体层具有由第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层重复至少两个周期而组成的堆叠结构；
所述多层氮化物半导体层形成得与所述有源层接触；
所述第一氮化物半导体层为包含n型杂质的层，且所述第二氮化物半导体层为非掺杂层或者为包含n型杂质的浓度低于所述第一氮化物半导体层的层；以及
其中所述多层氮化物半导体层由GaN层组成，所形成的多层氮化物半导体层为GaN层的二元混合晶体。
2.根据权利要求1的氮化物半导体发光装置，其中
所述第一氮化物半导体层的n型杂质浓度高于1×1018/cm3；以及
所述第二氮化物半导体层的n型杂质浓度不高于1×1018/cm3。
3.根据权利要求1的氮化物半导体发光装置，其中所述第一氮化物半导体层和所述第二氮化物半导体层每个的厚度最多为100nm。
4.根据权利要求3的氮化物半导体发光装置，其中
所述第一氮化物半导体层的n型杂质浓度高于1×1018/cm3；以及
所述第二氮化物半导体层的n型杂质浓度不高于1×1018/cm3。
5.一种制造根据权利要求1至4任何一项的氮化物半导体发光装置的方法，包括步骤：
堆叠包括所述多层氮化物半导体层的所述n型氮化物半导体；
形成所述有源层；以及
形成所述p型氮化物半导体层；
其中通过在包含氮的载气中在500至1000℃的生长温度下通过金属有机物化学气相沉积生长所述多层氮化物半导体层。
Applications Claiming Priority (2)
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