CN100593248C - 氮化物半导体发光装置 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物半导体发光装置，包括衬底，以及从靠近衬底一侧开始依次堆叠在该衬底上的第一n型氮化物半导体层、发射层、p型氮化物半导体层、金属层和第二n型氮化物半导体层，其中电极提供在第二n型氮化物半导体层的表面上或者在所述第二n型氮化物半导体层的表面的上方。该金属层优选由贮氢合金制造。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光装置，特别是，涉及可改善光提取效率的氮化物半导体发光装置。
背景技术
在用作氮化物半导体发光装置的传统氮化物半导体发光二极管的结构中，p型氮化物半导体层形成光提取侧，形成在该p型氮化物半导体层的表面上的电极必须满足下面的三个条件：
第一，电极对于氮化物半导体发光二极管的发射层发出的光必须具有高透射率。
第二，电极必须具有足够的电阻和足够的厚度，以能够在发射层的平面中充分地扩散注入的电流。
第三，电极对于该p型氮化物半导体层必须具有低的接触电阻。
为了满足上述第一至第三个条件，近来已经采用ITO(铟锡氧化物)的透明导电膜作为提供在氮化物半导体发光二极管的光提取方向上的p型氮化物半导体层表面上的电极。
然而，在ITO的透明导电膜中，光化学性质在高温下不可逆地改变为对可见光的低透射率，以致限制了在形成透明导电膜后的工艺温度区间。此外，当用高电流密度驱动时，透明导电膜不利地变劣、变黑。
为了解决上述问题，例如，日本专利申请公开第08-097468号揭示了一种获得优秀欧姆接触的方法，其中对于提供有光提取电极的III族氮化物半导体发光装置的p型氮化物半导体层，采用比GaN具有更小带隙能(band gapenergy)的InGaN来取代p型GaN，由此降低了p型氮化物半导体层和形成在其表面上的电极之间的势垒。
日本专利申请公开第11-340509号揭示了一种通过形成超晶格结构的带有电极的p型氮化物半导体层来降低驱动电压的方法，该超晶格结构通过交替地堆叠具有不同成分的第一和第二氮化物半导体层并且至少在前述第一和第二氮化物半导体层中的第一氮化物半导体层中引入In来获得。
然而，在日本专利申请公开第08-097468和第11-340509号每一个所揭示的方法中，通过降低p型氮化物半导体层和形成在其表面上的电极之间的势垒难于获得优秀的欧姆接触。
因此，在日本专利申请公开第2005-229085、2005-268601、2005-268739和2006-135311号每一个都揭示了形成n型氮化物半导体层并且在n型氮化物半导体层上形成电极的方法，该n型氮化物半导体层与p型氮化物半导体层在p型氮化物半导体层上形成隧道结。
根据该方法，与通过在p型氮化物半导体层的表面上形成电极所获得的结构相比，可以减少接触电阻，可以降低驱动电压，并且可以实现高输出驱动。
然而，前述日本专利申请公开第2005-229085、2005-268601、2005-268739和2006-135311号每一个所揭示的方法中，光提取效率仍不足够。因此，期待着进一步改善光提取效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可改善光提取效率的氮化物半导体发光装置。
本发明提供一种氮化物半导体发光装置，包括：衬底，以及从靠近衬底一侧开始依次堆叠在该衬底上的第一n型氮化物半导体层、发射层、p型氮化物半导体层、金属层和第二n型氮化物半导体层，电极提供在第二n型氮化物半导体层的表面上或者在第二n型氮化物半导体层的表面的上方。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，金属层优选由贮氢合金(hydrogen-storage alloy)制造。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，包含n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层可以提供在p型氮化物半导体层和金属层之间。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，包含n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层可以提供在金属层和第二n型氮化物半导体层之间。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，包含n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层可以由多层形成。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，具有比p型氮化物半导体层和第二n型氮化物半导体层更小带隙的氮化物半导体层可以提供在p型氮化物半导体层和金属层之间。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，具有比p型氮化物半导体层和第二n型氮化物半导体层更小的带隙的氮化物半导体层可以提供在金属层和第二n型氮化物半导体层之间。
在根据本发明的氮化物半导体发光装置中，第二n型氮化物半导体层的带隙能优选大于对应于从发射层发射的光波长的能量。
根据本发明，可以提供可改善光提取效率的氮化物半导体发光装置。
本发明的前述的和其它的目的、特征、方面和优点将通过结合附图对本发明的详细描述而变得更加明显、易懂。
附图说明
图1是根据本发明的示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图；
图2至6是图示在制造图1所示氮化物半导体发光二极管的方法中部分步骤的示意性截面图；和
图7至12分别为根据本发明的示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的实施例。在附图中，设定彼此相同的标号指代相同或者对应的部分。
第一实施例
图1是根据本发明的示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。在氮化物半导体发光二极管中，例如GaN等的缓冲层2、例如n型GaN等的n型氮化物半导体下层3、例如n型GaN等的n型半导体接触层4、例如通过交替堆叠In0.25Ga0.75N层和GaN层获得的具有多量子阱结构的发射层5、例如p型AlGaN等的p型氮化物半导体外覆层6、例如p型GaN等的p型氮化物半导体接触层7、例如Pd等的金属层20和n型GaN等的第二n型氮化物半导体层11以上述顺序堆叠在例如蓝宝石等的衬底1上。N侧焊盘电极9形成在n型氮化物半导体接触层4的表面上，而p侧焊盘电极10形成在第二n型氮化物半导体层11的表面上。
如图1所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，金属层20形成在p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11之间。
金属层20形成在p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11之间，形成了隧道结，从而增加了易于粗糙的p型氮化物半导体层7的表面和第二n型氮化物半导体层11之间的接触面积(通过金属层20)。因此，加宽了载流子路径，载流子在金属层20中扩散，从而载流子以扩散的状态注入至发射层5的表面中。
在图1所示的氮化物半导体发光二极管中，p侧焊盘电极10形成在第二n型氮化物半导体层11的表面上，因此与具有形成在p型氮化物半导体层表面上的电极的传统氮化物半导体发光二极管相比，易于获得更优秀的欧姆接触。
在图1所示的氮化物半导体发光二极管中，而且，提供在发射层5下的n型氮化物半导体接触层4在结晶度方面优于例如日本专利申请公开第08-097468中所描述的提供在发射层下的p型氮化物半导体层，因此发射层5在结晶度方面也得到了改善，实现了高量子效率的高质量。
因此，在图1所示的氮化物半导体发光二极管中，由于前述效果的协同作用，可提取的光的数量与电流注入量的比率明显增加，因此光提取效率可得以明显改善。
金属层20优选由贮氢合金制造。当金属层20由贮氢合金制造并且p型氮化物半导体接触层7掺杂有Mg(镁)作为p型掺杂时，在例如退火的处理中，已经与Mg原子结合的氢从p型氮化物半导体接触层7解吸附并且易于结合到金属层20中，因此p型氮化物半导体接触层7的载流子浓度增加，并且驱动电压减少。因此，该氮化物半导体发光二极管可以抑制温度上升，由此可提取的光的数量相对于电流注入量的比率显著增加，并且光提取效率可以进一步改善。
金属层20所采用的贮氢合金不仅可以由Mg、Pd(钯)、Ti(钛)、V(钒)或者La(镧)制备，而且可以由Mg、Pd、Ti、V和La组成的组中至少一种金属的合金制备。
尽管电流必须在p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11之间的逆向偏置下流动以使得图1所示的氮化物半导体发光二极管发光，但是例如通过在靠近金属层20的p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11的部分中增加载流子浓度，载流子可以通过耗尽层在p型氮化物半导体接触层7的价带和第二n型氮化物半导体层11的导带之间移动。因此，电流可以在p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11之间的逆向偏置下供给。
现在参照图2至6所示的示意性截面图描述制造图1所示的氮化物半导体发光二极管的示范性方法。
首先，衬底1放置在MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备中，并且缓冲层2、n型氮化物半导体下层3、n型氮化物半导体接触层4、发射层5、p型氮化物半导体外覆层6和p型氮化物半导体接触层7以上述顺序通过例如公知的MOCVD等晶体生长在衬底1上，如图2所示。
在p型氮化物半导体接触层7生长之后，将晶片从MOCVD设备中取出，并且放置在溅射设备或者蒸镀设备中，用于通过例如公知的溅射或者蒸镀在p型氮化物半导体接触层7的表面上堆叠金属层20，如图3所示。
然后，将提供有金属层20的晶片从溅射或者蒸镀设备中取出，并且放置在MBE(分子束外延)设备中。此后，通过例如公知的MBE在金属层20的表面上生长第二n型氮化物半导体层11，如图4所示。尽管在该实施例中MBE用作在金属层20的表面上生长第二n型氮化物半导体层11的方法，但是例如公知的MOCVD或者PLD(脉冲激光沉积)可以在本发明中选择性地采用取代MBE。
然后，提供有第二n型氮化物半导体层11的晶片通过蚀刻等被部分去除，由此暴露n型氮化物半导体层4的表面，如图5所示。
然后，n侧焊盘电极9和p侧焊盘电极10分别形成在n型氮化物半导体层4的暴露表面和第二n型氮化物半导体层11的表面上，如图6所示。
此后，将提供有n侧焊盘电极9和p侧焊盘电极10的晶片分成多个芯片，由此获得图1所示的氮化物半导体发光二极管。
第二实施例
图7是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图7所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层21提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间。
因此，当掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层21提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间时，与仅掺杂有p型掺杂剂的半导体层相比，增加了平整度并且改善了结晶度，由此载流子易于在发射层5的平面中扩散，并且可以获得具有高的光提取效率的氮化物半导体发光二极管。
半导体层21可以例如通过提供TMG(三甲基镓)、TMI(三甲基铟)和NH3(氨)作为原料气体到MOCVD设备中并且提供Cp2Mg(二茂基镁)和SiH4(硅烷)作为掺杂气体而生长的InGaN等的氮化物半导体层来形成。
第二实施例的其余部分类似于第一实施例。
第三实施例
图8是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图8所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层21提供在金属层20和第二n型氮化物半导体层11之间。
因此，当掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层21提供在金属层20和第二n型氮化物半导体层11之间时，可以减小p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11之间的电压降，并且可以抑制氮化物半导体发光二极管的驱动电压的增加。尽管对此的原因尚不清楚，但是可以推断的是，这是因为载流子通过掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层21中的p型杂质能级和缺陷能级在p型氮化物半导体接触层7的价带和第二n型氮化物半导体层11的导带之间运动，并且电流易于在逆向偏置下流动。
半导体层21可以通过例如公知的MBE形成在金属层20上。作为选择，半导体层21可以通过例如公知的MOCVD或者PLD来替代MBE而形成。
第三实施例的其余部分与第一和第二实施例的类似。
第四实施例
图9是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图9所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，由分别掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的层交替堆叠而形成的半导体层22提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间。
因此，当由分别掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的层交替堆叠而形成的半导体层22提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间时，可以形成结晶度优异的第二n型氮化物半导体层11，由此载流子易于在第二n型氮化物半导体层11的平面方向上扩散。因此，可以获得具有高光提取效率的氮化物半导体发光二极管。
半导体层22可以通过例如交替堆叠至少一个p型氮化物半导体层和至少一个n型氮化物半导体层所获得的层形成。
第四实施例的其余部分与第一至第三实施例的类似。
第五实施例
图10是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图10所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，带隙小于p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11的氮化物半导体层23提供在金属层20和第二n型氮化物半导体层11之间。
因此，当带隙小于p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11的氮化物半导体层23提供在金属层20和第二n型氮化物半导体层11之间时，载流子可以在具有更小的电势差的p型氮化物半导体接触层7的价带和第二n型氮化物半导体层11的导带之间运动。
因此，在此情况下，可以降低氮化物半导体发光二极管的驱动电压，由此可以推断的是，可以抑制氮化物半导体发光二极管的温升，可提取的光的数量相对于电流注入量的比率可得以增加，并且可以改善光提取效率。
氮化物半导体层23可以通过例如公知的MBE形成在金属层20上。作为选择，氮化物半导体层23可以通过例如公知的MOVCD或者PLD取代MBE而形成。
第五实施例的其余部分与第一至第四实施例的类似。
第六实施例
图11是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图11所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，带隙小于p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11的氮化物半导体层23提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间。
因此，同样当带隙小于p型氮化物半导体接触层7和第二n型氮化物半导体层11的氮化物半导体层23提供在p型氮化物半导体接触层7和金属层20之间时，载流子可以在具有更小的电势差的p型氮化物半导体接触层7的价带和第二n型氮化物半导体层11的导带之间运动。
因此，同样在此情况下，可以降低氮化物半导体发光二极管的驱动电压，由此可以推断的是，可以抑制氮化物半导体发光二极管的温升，可提取的光的数量相对于电流注入量的比率可得以增加，并且可以改善光提取效率。
第六实施例的其余部分与第一至第五实施例的类似。
第七实施例
图12是根据本发明的另一个示范性氮化物半导体发光二极管的示意性截面图。图12所示的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，带隙能大于对应于发射层5发射的光波长的能量的第二n型氮化物半导体层110提供在金属层20上。
因此，当带隙能大于对应于发射层5发射的光波长的能量的第二n型氮化物半导体层110提供在金属层20上时，发射层5发射的光难以被第二n型氮化物半导体层110吸收，由此可以推断的是，氮化物半导体发光二极管的光提取率可以进一步得到改善。
第二n型氮化物半导体层110可以通过例如公知的MBE形成在金属层20上。作为选择，第二n型氮化物半导体层110可以通过例如公知的MOVCD或者PLD取代MBE而形成。
第七实施例的其余部分与第一至第六实施例的类似。
本发明可应用于氮化物半导体发光装置，例如，氮化物半导体发光二极管或者氮化物半导体激光装置。
尽管对本发明进行了详细的描述和图示，但是应当清楚理解的是，这些只是借以说明和举例而非限定，本发明的范围由权利要求的条款来解释。
本专利申请基于2007年1月30日提交至日本专利局的日本专利申请第2007-019647号，其全部内容在此引用作为参考。
Claims (8)
1、一种氮化物半导体发光装置，包括：
衬底；和
第一n型氮化物半导体层、发射层、p型氮化物半导体层、金属层和第二n型氮化物半导体层，从靠近所述衬底的一侧开始依次堆叠在所述衬底上，其中
电极提供在所述第二n型氮化物半导体层的表面上或者在所述第二n型氮化物半导体层的表面的上方，其中所述金属层是连续的。
2、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述金属层由贮氢合金制造。
3、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
包含n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层提供在所述p型氮化物半导体层和所述金属层之间。
4、根据权利要求3所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述半导体层由分别掺杂有n型掺杂剂和p型掺杂剂的层交替堆叠而形成。
5、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
包含n型掺杂剂和p型掺杂剂的半导体层提供在所述金属层和所述第二n型氮化物半导体层之间。
6、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
带隙小于所述p型氮化物半导体层和所述第二n型氮化物半导体层的氮化物半导体层提供在所述p型氮化物半导体层和所述金属层之间。
7、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
带隙小于所述p型氮化物半导体层和所述第二n型氮化物半导体层的氮化物半导体层提供在所述金属层和所述第二n型氮化物半导体层之间。
8、根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述第二n型氮化物半导体层的带隙能大于对应于所述发射层发射的光波长的能量。
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