CN101002340A - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：提供具有GaN层的氮化物半导体发光器件，使氮化物半导体发光器件与氢分离金属接触，使氮化物半导体发光器件和氢分离金属振动，从氮化物半导体发光器件的GaN层除去氢并且从氮化物半导体发光器件分离氢分离金属。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是利用化合物半导体的特性将电流转换为红外或可见光的一类半导体器件，并且被用作家用电器、遥控装置、电子显示屏、指示器和自动设备的指示灯。
这种LED的工作原理是基于材料的能级。也就是说，当在前进方向上施加电偏压时，材料中的电子和空穴穿过并且在p-n结处重新结合。结果，当电子-空穴的再结合使得材料的能级下降时，从p-n结处发光。
通常，LED被制成约0.25mm2的非常小的尺寸，并且用引线框、印刷电路板(PCB)和环氧模塑料封装。近来，最常见的LED封装是5mm(T13/4)塑料封装，但根据LED的应用领域研发了新的LED封装。LED发出的颜色取决于由所用半导体材料的化学组成控制的波长。
由于信息技术和无线电通讯的组件变得越来越小和越来越细，其各种部件例如电阻器、电容器、噪声滤波器等也越来越小。为了跟上这种趋势，LED采用表面安装器件(SMD)型封装制造以便直接安装在PCB上。
因此，近来用作显示器件的LED灯采用SMD型封装。这种SMD-型LED可以代替现有技术的简单灯并且用作光显示设备、字符显示设备和发射各种颜色光的图像显示设备。
图1是根据现有技术的LED的横截面图。参考图1，下面将描述制造LED的方法。
参考图1，在主要由Al2O3组成的蓝宝石衬底10上提供由氮化镓(GaN)制成的GaN缓冲层1。随后，在GaN缓冲层1上形成未掺杂GaN层3。
通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，在200-650托的生长压力下，使元素周期表中的三族元素在蓝宝石衬底10上生长成层。也就是说，通过MOCVD方法形成GaN缓冲层1和GaN层3。
接下来，利用硅例如甲硅烷SiH4或乙硅烷Si2H6，在未掺杂GaN层3上形成n-型GaN层5。
在n-型GaN层5上形成有源层7。用作发光区域的有源层7是其中含作为发光材料的氮化铟镓(InGaN)的半导体层。有源层7生长之后，在其上形成p-型GaN层9。p-型GaN层9利用元素周期表中的Mg基二族元素形成。
p-型GaN层9是n-型GaN层5的互补层，当对其施加电压时它向有源层7供给电子。
相反，p-型GaN层9在被施加电压时向有源层7供给空穴，使得电子和空穴在有源层7结合并从有源层7发光。
虽然没有显示，但是在p-型GaN层9上形成由导电材料(未显示)制成的透明金属层(TM)，以使有源层7发出的光发射到外部。
TM层形成之后，在形成p-型电极时发光器件的制造过程完成。
然而，根据现有技术的上述发光器件的缺点在于，当进行Mg掺杂过程从而在p-型GaN层表面上形成电接触层时，Mg与NH3气体分解产生的原子H反应，导致在p-型GaN层上形成具有绝缘特性的Mg-H配合物。Mg-H配合物成为Mg掺杂的障碍，使得即使掺杂高剂量的Mg也难以在p-型GaN层内增加空穴载流子的数目。
这种Mg-H配合物是由于原子H与包含在三甲基镓(TMG)或双环戊二烯镁(DCP Mg)有机物中的Mg或者是由于NH3气体的分解所产生，所述有机物用于p-型GaN层生长之后的晶体生长，NH3气体需要用来使p-型GaN层保持在NH3环境中以防止在p-型GaN层中形成氮空位(N-空位)，其中这种N-空位是由于p-型GaN层生长之后的冷却过程中氮气外扩散而产生。也就是说，当NH3气体热分解时产生原子氢，并且原子氢通过GaN层表面上存在的穿透位错(treadingdislocation)空穴渗透进入GaN层。
发明内容
技术问题
本发明涉及具有高光效率的氮化物半导体发光器件(LED)及其制造方法，其中在p-型GaN层形成之后，LED中的p-型GaN层与能够简单地形成金属氢化物的金属或包含这种金属的金属合金接触，从形成在p-型GaN层表面上的Mg-H配合物中除去H组分。
技术解决方案
为了实现本发明的目的和优点，提供一种氮化物半导体发光器件，其包含衬底、在衬底上形成的第一GaN层、在第一GaN层上形成的有源层和在有源层上形成的第二GaN层，其中的氢在低温下除去。
为了实现本发明的目的和优点，进一步提供制造氮化物半导体发光器件的方法。所述方法包括：提供具有GaN层的氮化物半导体发光器件，使氮化物半导体发光器件与氢分离金属接触，使氮化物半导体发光器件和氢分离金属振动，从氮化物半导体发光器件的GaN层除去氢并且从氮化物半导体发光器件分离氢分离金属。
有益效果
本发明的优点在于，使半导体发光器件的p-型GaN层与金属接触，所述金属在半导体发光器件的制造过程中能够在低温下简单地形成金属氢化物，以便除去p-型GaN层中存在的氢，从而增加p-型GaN层中空穴载流子的浓度和半导体发光器件的光效率。
附图说明
图1是根据现有技术的发光器件的横截面图。
图2是说明在根据本发明的制造发光器件方法中从发光器件中除去氢的过程图。
图3是显示根据本发明的制造发光器件方法的流程图。
具体实施方式
下文中，通过参考附图描述本发明的优选实施方案来详细说明本发明。
图2示出在根据本发明的制造发光器件方法中从发光器件中除去氢的方法的图。
参考图2，如参考图1所描述的，在蓝宝石衬底上依次提供缓冲层、GaN层、n-型GaN层、有源层和p-型GaN层，以形成半导体发光器件110，然后继续进行除去半导体发光器件110中的氢的过程。
例如，将半导体发光器件导入腔100中并且使之与氢分离金属120接触。在此，氢分离金属120包含能够简单地形成金属氮化物的金属和包含这种金属的金属合金。
更详细地，氢分离金属120包含元素周期表中II～V族的金属和由元素周期表中II～V族的金属和元素周期表中VI～VIII族的金属组成的二元、三元或多元金属合金，这些金属很难形成金属氢化物。
氢分离金属120包围腔100中的半导体发光器件110，由此与半导体发光器件110接触。在这种环境中，使用超声波振动仪130来振动半导体发光器件110和氢分离金属120。
在半导体发光器件110和氢分离金属120振动的情况下，在半导体发光器件110的p-型氮化物GaN层上形成的Mg-H配合物被活化，使得Mg-H配合物中的氢变成能够很容易与氢分离金属120反应的状态。
通过利用超声波振动仪130使半导体发光器件110振动来活化氢之后，将氢气导入腔100，使得氢分离金属120与p-型氮化物GaN层上Mg-H配合物内的活化的氢易于反应。
此时，由于振动产生的热，加速了半导体发光器件110的p-型GaN层内活化的氢与氢分离金属120的反应。
以下示出p-型GaN层内的氢与腔100内的氢分离金属120之间反应的化学方程式：
化学方程式1：放热反应-氢结合
(2/n)M+H2→(2/n)MHn+ΔH
化学方程式2：吸热反应-氢分离
(2/n)MHn+ΔH→(2/n)M+H2
在此，反应温度为18～600℃，更优选为18～400℃，M表示金属。
在腔100内的反应温度为100～400℃或更低。也就是说，与传统方法相比，所述反应在相对较低的温度下进行。
通过这种反应，由于氢分离金属120与p-型GaN层中被活化的氢反应，因而半导体发光器件110的p-型GaN层中的氢几乎都被除去。
根据现有技术的高温方法，由于高温处理，GaN晶体生长层中用取代Ga或N的Mg很容易从与相邻的Ga或N的结合中分离，这使得空穴载流子可以自由移动。结果，提供了具有高空穴载流子浓度和低电阻的接触层。
此外，在高温热处理过程之前，将氮化物发光器件放置在电炉或其它设备中，向N2气氛中的炉或设备中通入氧气O2，以便诱导氧与富集在p-型GaN层表面上的氢的反应并且因此减少氢。通过这种处理，促进具有高电阻的Mg-H配合物热分解。
通过这种方法，促进用于p-导电性掺杂的Mg活化并且可使空穴载流子的浓度更高。然而，现有技术方法的缺点是，向炉中通入O2伴随危险，由于O2流动使过程再现性不稳定，并且由于氮化物半导体热分解产生的N-空位导致器件特性退化。
为了解决现有技术方法中遇到的这个问题，本发明通过在低温下振动来活化接触层上的氢，然后分离活化的氢。因此，通过本发明解决了这个问题。
根据本发明，由于除去了半导体发光器件110的p-型GaN层内存在的氢，因而其优点是p-型GaN层内空穴载流子的浓度增加，从而改进LED器件的低电压特性并且增加LED器件的光效率。
图3是显示根据本发明的制造发光器件方法的流程图。
参考图3，在蓝宝石衬底上依次形成缓冲层、GaN层、n-型GaN层、有源层和p-型GaN层，从而形成氮化物发光器件(S301)。
接下来，进行氢分离过程来除去氮化物发光器件的p-型GaN层上和其内的氢。此时，将氮化物发光器件移动到腔内，并使器件与由能够容易地形成金属氢化物的金属或它的合金制成的氢分离金属接触(S302)。
氮化物半导体发光器件被氢分离金属包围。也就是说，氮化物半导体发光器件的外部与氢分离金属的内部接触。
在腔内，氮化物半导体发光器件与氢分离金属接触之后，利用超声波振动仪使氮化物半导体发光器件和氢分离金属振动，从而活化氮化物半导体发光器件上的Mg-H配合物(S303)。
更详细地，所述金属与掺杂入氮化物半导体发光器件的p-型GaN层的镁Mg结合，从而活化降低电迁移率的氢。
通过振动使氮化物半导体发光器件的氢活化之后，向腔内输送氢气来促进氢分离金属和氢之间的反应(S304)。
此时，在氮化物半导体发光器件内活化的氢与氢分离金属反应并且形成金属氢化物。
结果，存在于氮化物半导体发光器件的p-型GaN层内的氢几乎都被除去，从而增加空穴载流子的数目并且改进电导率(S305)。
由于从氮化物半导体发光器件的p-型GaN层除去了氢，因而增加了空穴载流子的密度并且降低了氮化物半导体发光器件的驱动电压。
此外，当空穴载流子的密度增加时，由于结合的空穴-电子对的数目增大，因而光效率得到改善。
工业应用性
根据所述氮化物半导体发光器件及其制造方法，由于除去了与氮化物半导体发光器件的p-型GaN层内的Mg结合的氢，从而增加了空穴载流子数目并且改进了氮化物半导体发光器件的电特性。
Claims (12)
1.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：
提供具有GaN层的氮化物半导体发光器件；
使所述氮化物半导体发光器件与氢分离金属接触；
使氮化物半导体发光器件和氢分离金属振动；
从氮化物半导体发光器件的GaN层除去氢并且从氮化物半导体发光器件分离氢分离金属。
2.根据权利要求1的方法，还包括在振动步骤后，供应氢气以加速氢结合反应的步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中所述氢分离金属是选自元素周期表中II族～V族的金属。
4.根据权利要求1的方法，其中所述氢分离金属是包含元素周期表中II族～V族的第一元素和元素周期表中VI族～VIII族的第二元素的金属合金。
5.根据权利要求1的方法，其中加工温度为400℃或更低。
6.根据权利要求1的方法，其中除去氢使得GaN层中的空穴密度增高。
7.根据权利要求1的方法，其中所述振动步骤通过超声波振动仪实施。
8.根据权利要求1的方法，其中所述振动步骤是活化GaN层中氢的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中所述氮化物半导体发光器件被氢分离金属包围并且与氢分离金属接触。
10.一种氮化物半导体发光器件，包含：
衬底；
在衬底上形成的第一GaN层；
在第一GaN层上形成的有源层；
在有源层上形成的第二GaN层，其中的氢被低温除去。
11.根据权利要求10的器件，其中所述低温为400℃或更低。
12.根据权利要求10的器件，其中在通过振动活化之后，与第二GaN层中的Mg结合的氢被除去。
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