CN101027791B - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物半导体发光器件，包含第一氮化物半导体层、形成在第一氮化物半导体层上并包括InGaN势阱层和多层势垒层的单或多量子阱结构的有源层、形成在有源层上的第二氮化物半导体层。一种氮化物半导体发光器件的制造方法，包括：在衬底上形成缓冲层，在缓冲层上形成GaN层，在GaN层上形成第一电极层，在第一电极层上形成InxGa1-xN层，在第一InxGa1-xN层上形成包括InGaN势阱层和多层势垒层的用来发光的有源层，在有源层上形成p-GaN层以及在p-GaN层上形成第二电极层。
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
通常，GaN基氮化物半导体被应用于蓝/绿LED(发光二极管)光学器件和高速开关电子器件例如MESFET(金属半导体场效应晶体管)和HEMT(高电子迁移率晶体管)等的大功率器件的应用领域。
此类GaN-基的氮化物半导体发光器件主要是生长在蓝宝石衬底或SiC衬底上。接着，在低生长温度下在蓝宝石衬底或SiC衬底上生长作为缓冲层的多晶AlyGa1-yN薄膜。随后，在缓冲层上高温生长非掺杂GaN层、硅(Si)掺杂n型GaN层或二者的组合以形成n-GaN层。接下来，在顶部形成镁(Mg)掺杂p型GaN层从而制造氮化物半导体发光器件。并且，发光层(单量子阱结构或多量子阱结构的有源层)在n-GaN层和p-GaN之间形成为三明治结构。
p-GaN层通过在晶体生长过程中掺杂Mg原子形成。在晶体生长过程中作为掺杂源被注入的Mg原子应该替代Ga位以形成p-GaN层。另一方面，Mg原子与从源和载气分离出来的氢气结合从而在GaN结晶层中形成Mg-H络合物，并且形成约10MΩ的高电阻材料。
因此，pn结发光器件形成之后，需要后续的激发过程通过解离Mg-H络合物使Mg原子替代Ga位。然而，该发光器件存在缺陷，即在激发过程中对发光有贡献的载流子的数量为约1017/cm3，该数量大大低于Mg原子浓度1019/cm3，因此，很难形成欧姆接触(resistive contact)。
为了克服该缺陷，采用通过利用非常薄的透明欧姆接触金属(resistivemetal)来增加电流注入效率从而降低接触电阻的方法。然而，用于降低接触电阻的薄透明欧姆接触金属通常只有75到80％的透光率，该值以外的透光率成为损失。此外，如果不改善发光器件的设计和提高发光层和p-GaN 层的结晶度以增加内量子效率，那么对于在氮化物半导体的晶体生长中提高光输出存在限制。
前述发光层形成在单量子阱结构或包含成对势阱层和势垒层的多量子阱结构中。这里，该含有发光层的各对势阱层和势垒层构建在InGaN/GaN或InGaN/InGaN或InGaN/AlGaN或InGaN/AlInGaN的叠层结构中。
此时，势阱层和势垒层材料分别由InGaN势阱层材料决定，一般地，光的波长范围由InGaN势阱层的铟组份决定，该铟组份取决于晶体生长温度，V/III比和载气。典型的是，使用由InGaN/GaN或InGaN/InGaN叠层结构的多量子阱层形成的发光二极管，也就是说，采用铟组份和能带工程概念的多量子阱结构发光二极管被用来形成具有高内量子效率的发光层。
在采用能带工程概念的实施方案中，通过应用相对大的GaN势垒层，InGaN/GaN量子阱结构有效地束缚了陷入InGaN势阱层中的载流子。然而，该方法具有由于低生长温度导致很难获得GaN势垒层结晶性的缺点。并且，在制造由InGaN/GaN叠层结构的多量子阱层形成的发光二极管的过程中存在缺点，即，当周期数增加时，晶格缺陷例如由于GaN势垒层的结晶度所引起的凹坑的数目增加，而不是光效率正比于周期数的增加。最后，存在对发光有贡献的发光层被限制的缺点。此外，在p-GaN生长中，由于形成凹坑，Mg掺杂剂扩散进发光层的凹坑中，因此导致最后面的GaN势垒层和p-GaN氮化物半导体层之间的界面被破坏，并且影响光效率和稳定性。
而且，应用铟组份的InGaN/InGaN叠层结构的发光层提高InGaN势垒层的晶体生长温度，同时相对减少铟组份到小于5％，从而使该发光层获得结晶度。然而，由于陷入InGaN势阱层的载流子的弱束缚力，发光效率降低。不过，因为诸如形成凹坑的晶格缺陷能够被相对抑制，所以能够获得良好的可靠性。
除此之外，在GaN或InGaN势垒层被应用到多量子阱结构的情况中，尽管预料到在漏电流方面有改善，但这种改善并不是源于其结晶度的提高，而是由于其电阻元件串联连接所引起的操作电压升高所造成的。并且，这 些电阻元件的后续生热会影响器件的可靠性，并且对器件的寿命有相当大的影响。
因此，基于此现有技术，需要保证势阱层中的铟组份，势垒层的结晶度和能带工程概念的新生长技术以提高发光层的内量子效率。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供氮化物半导体发光器件及其制造方法，该发光器件提高氮化物半导体发光器件有源层的结晶度并且提高光输出和可靠性。
技术解决方案
为了实现上述目的，提供一种根据本发明的氮化物半导体发光器件，该器件包括：第一氮化物半导体层；形成在第一氮化物半导体层上并包括InGaN势阱层和多层势垒层的单或多量子阱结构的有源层；和形成在有源层上的第二氮化物半导体层。
此外，为了实现上述目的，提供了一种根据本发明的氮化物半导体发光器件的制造方法，该方法包括：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成GaN基的层；在GaN基的层上形成第一电极层；在第一电极层上形成InxGa1-xN层；在第一InxGa1-xN层上形成包括InGaN势阱层和多层势垒层的用来发光的有源层；在有源层上形成p-GaN基的层；和在p-GaN基的层上形成第二电极层。
此外，为了实现上述目的，提供一种根据本发明的氮化物半导体发光器件，该器件包括：衬底；形成在衬底上的缓冲层；形成在缓冲层上的GaN基的层；形成在GaN基的层上的Si和/或In掺杂的GaN基的层；形成在Si和/或In掺杂的GaN基的层上的InxGa1-xN层；形成在InxGa1-xN层上并包括含有In和多层势垒层的氮化物半导体势阱层的有源层；形成在有源层上的p型氮化物半导体层；形成在p型氮化物半导体层上的第二n型氮化物半导体层。
有益效果
根据本发明的氮化物半导体发光器件及其制造方法能够提高氮化物半 导体发光器件有源层的结晶度并且提高光输出和可靠性。
附图说明
图1是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第一实施方案的叠层结构的示意图。
图2是示出形成在根据本发明的氮化物半导体发光器件上的有源层的叠层结构的实施例图。
图3是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第二实施方案的叠层结构的示意图。
图4是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第三实施方案的叠层结构的示意图。
图5是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第四实施方案的叠层结构的示意图。
图6是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第五实施方案的叠层结构的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方案。
图1是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第一实施方案的叠层结构的示意图。
在如图1所示的本发明的氮化物半导体发光器件1中，缓冲层4形成在衬底2上。这里，缓冲层4可以形成选自包括AlInN/GaN叠层结构、InGaN/GaN超晶格结构、InxGa1-xN/GaN叠层结构和AlxInyGa1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)叠层结构的集合的结构。
In掺杂GaN层6形成在缓冲层4上，n型第一电极层形成在In掺杂GaN层6上。这里，可以使用作为n型第一电极层的由硅和铟共同掺杂形成的Si-In共掺杂GaN层8。
此外，具有低铟含量的InxGa1-xN层10形成在Si-In共掺杂GaN层8上，并且发光有源层16形成在InxGa1-xN层10上。
本发明的氮化物半导体发光器件1的特征在于有源层16包含InGaN阱层12和多层势垒层14。尽管图1示出有源层16形成在单量子阱结构中，但有源层16可以形成在多量子阱结构中。而且，本发明的有源层16的优点在于即使在-其形成在单量子阱结构中的情况下，也能够获得足够的光效率。
图2是示出形成在根据本发明的氮化物半导体发光器件上的有源层的叠层结构的实施例图。
如图2所示的本发明有源层16包含InGaN势阱层12和多层势垒层14。多层势垒层14可以由包括InGaN势垒层13，AlInN势垒层15和(InGaN/GaN超晶格)势垒层17的多个层形成。
通过形成这种多层势垒层14，可以防止在势垒层上形成凹坑。InGaN势垒层13抑制凹坑的形成，并且AlInN势垒层15与InGaN势垒层13之间形成良好的界面。(InGaN/GaN超晶格)势垒层17用于控制铟组份以及在使用多量子阱结构时控制形成在多层势垒层的顶部的InGaN势阱层的表面态。另外，(InGaN/GaN超晶格)势垒层17再次抑制凹坑的形成，并且有效防止Mg掺杂剂扩散进入形成凹坑，由此形成与p-GaN氮化物半导体的良好界面，并因而提高内量子效率。
通过具有这种叠层结构的单量子阱结构有源层16，在(InGaN/GaN超晶格)势垒层17和p-GaN氮化物半导体之间能够在生长p-GaN氮化物半导体的过程中形成清晰的界面。而且，由于Mg掺杂剂扩散进入有源层被有效防止，因此即使在有源层形成在单量子阱结构中的情况下也能够实现具有光输出大于5mW的氮化物半导体发光器件。
在重复这种叠层结构的多量子阱结构有源层的情况下，可以通过控制(InGaN/GaN超晶格)势垒层的表面形状来控制形成在(InGaN/GaN超晶格)势垒层顶部的InGaN势阱层的生长。通过这样的生长控制，可以找到提高内量子效率的生长条件。
除此之外，尽管没有示出，但有源层16可以形成为包含InGaN势阱层和InGaN势垒层/AlInN势垒层/InGaN势垒层的多层势垒层的单量子阱 结构或多量子阱结构。
除此之外，尽管没有示出，但有源层16可以形成为包含InGaN势阱层和InGaN势垒层/AlInN势垒层/GaN势垒层的多层势垒层的单量子阱结构或多量子阱结构中。
除此之外，尽管没有示出，但有源层16可以形成为包含InGaN势阱层和InGaN势垒层/AlInN势垒层的多层势垒层的单量子阱结构或多量子阱结构中。
继续在有源层16上形成p-GaN层18。在此，p-GaN层18可以掺杂镁。
n型第二电极层形成在p-GaN层18上。在此，作为n型第二电极层可以采用超梯度(super grading)n-InxGa1-xN层20，该超梯度层通过连续改变铟组份来控制能带带隙。在此，超梯度n-InxGa1-xN层20能够形成在0＜x＜0.2的组成范围内。
鉴于第一电极层8和第二电极层20二者都由n型氮化物形成并且p-GaN层18形成在它们之间，上述本发明的氮化物半导体发光器件能够被分析为具有npn结的发光器件结构，其不同于现有技术的pn结发光器件。
用作第二电极层的n型氮化物半导体(例如：超梯度n-InxGa1-xN层20)能够通过减小接触电阻使电流注入最大化，这是因为它具有比现有p-GaN接触层更低的电阻。至于向第二电极层施加偏压的透明电极，可以采用使电流扩散最大化的透明欧姆接触材料(resistive material)或透明导电氧化物层，以使光输出最大化并且具有优异的透光率。ITO、ZnO、RuOx、IrOx、NiO或包含Ni的Au合金金属可用作此种材料。
在本发明中，在使用一般透明欧姆接触导电金属的Ni/Au作为透明电极的单量子阱结构中，在460nm波长处获得5mW/3.0V(20mA)的光输出(375μm×330μm)。而在采用透明导电氧化物材料ITO作为透明电极的单量子阱结构中，在同样的460nm波长处获得6.2mW/3.0V(20mA)的光输出。
图3是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第二实施方案的叠层结构的示意图。
在如图3所示的氮化物半导体发光器件21的叠层结构中，仅第二电极层与图1所示的氮化物半导体发光器件1的不同，所以仅对第二电极层进行以下描述。亦即，根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件21代表InGaN/AlInGaN超晶格结构层26形成为第二电极的情况。在此，InGaN/AlInGaN超晶格结构层26可以掺杂硅。
除此之外，尽管没有示出，但InGaN/AlInGaN超晶格结构层26可以形成为第二电极层，并且可以掺杂硅。
图4是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第三实施方案的叠层结构的示意图。
在如图4所示的氮化物半导体发光器件31的叠层结构中，仅有源层36的叠层结构与图1所示的氮化物半导体发光器件1的不同，所以，仅对有源层36进行以下描述。亦即，在根据本发明第三实施方案的氮化物半导体发光器件31中，有源层36包含InGaN势阱层12，GaN盖帽层(cap layer)32和多层势垒层14。这是为了通过在有源层36的InGaN势阱层12和多层势垒层14之间形成GaN盖帽层32来控制InGaN势阱层12中铟的波动。
图5是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第四实施方案的叠层结构的示意图。该示意图示出有源层50形成多量子阱结构的情况。如图5所示，在根据本发明第四实施方案的氮化物半导体发光器件41中，有源层50形成在多量子阱结构中。即，叠层InGaN势阱层42、多层势垒层44、......、InGaN势阱层46和多层势垒层48以形成多量子阱结构的有源层50。
图6是示出根据本发明的氮化物半导体发光器件的第五实施方案的叠层结构的示意图。在如图6所示的叠层结构中，参考图1对所述层(具有相同的附图标记)的描述将被省略。
如图6所示，在根据本发明第五实施方案的氮化物半导体发光器件51中，形成用于控制有源层应变的具有低铟含量的低摩尔InxGa1-xN层52以提高内量子效率。此外，为了改善由铟波动和反向漏电流引起的光输出，进一步在低摩尔InxGa1-xN层52的底部和顶部提供被控制在原子尺度范围内生长的SiNx团簇层54和56。
除此之外，发光有源层可以形成在单量子阱结构或由InGaN势阱结构 和多层势垒层形成的多量子阱结构中。
图6示出一个形成多量子阱结构的发光器件的实施例，该器件进一步包括位于InGaN势阱层58、64和多层势垒层62、68之间作为有源层的SiNx团簇层60和66。考虑到与低铟含量的低摩尔InxGa1-xN层52的关系，掺杂在低摩尔InxGa1-xN层52上的铟含量(x)和掺杂在InGaN势阱层58和64上的铟含量(y)可分别调整成具有0＜x＜0.1和0＜y＜0.35的值。
接着，生长形成在单量子阱结构或多量子阱结构中的有源层的最后一层，随后再次生长具有原子尺度厚度的SiNx团簇层70，从而抑制p-GaN层18的Mg原子扩散进入有源层。
尽管图6示出超梯度n-InxGa1-xN层20形成为第二电极层的情况，但InGaN/AlInGaN超晶格结构层或InGaN/InGaN超晶格结构层也可以形成为第二电极层。
如上所述，根据本发明的氮化物半导体发光器件，由于在现有技术的p/n结发光器件中用作p型电极层的p-GaN层高接触电阻所引起的电流浓度能够通过应用n/p/n结发光器件结构而减小，同时减小工作电压和提高电流注入。
工业应用
根据本发明的氮化物半导体发光器件及其制造方法，可以提高氮化物半导体发光器件有源层的结晶度，并且可以提高光输出和可靠性。
Claims (23)
1.一种氮化物半导体发光器件，包含：
第一氮化物半导体层；
单或多量子阱结构的有源层，其形成在所述第一氮化物半导体层上并且包括InGaN势阱层和多层势垒层；
形成在所述有源层上的第二氮化物半导体层，
其中所述有源层的所述多层势垒层由InGaN层/AlInN层/InGaN/GaN超晶格结构层的多层势垒层形成。
2.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第一氮化物半导体层包含：
非掺杂或In掺杂的GaN基的层；和
形成在所述GaN基的层上的第一电极层。
3.权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包含：
在所述第一氮化物半导体层下方的衬底；和
形成在所述衬底上的缓冲层。
4.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中包含第二电极层的半导体层进一步形成在所述第二氮化物半导体层上。
5.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中InxGa1-xN层进一步形成在所述第一氮化物半导体层上。
6.权利要求3的氮化物半导体发光器件，其中所述缓冲层形成为以下结构，所述结构选自包括AlInN/GaN叠层结构、InGaN/GaN超晶格结构、InxGa1-xN/GaN叠层结构和AlxInyGa1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN叠层结构的集合。
7.权利要求2的氮化物半导体发光器件，其中所述第一电极层是硅和铟共掺杂的GaN基的层。
8.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中多个SiNx团簇层进一步形成在所述第一氮化物半导体层和所述第二氮化物半导体层之间。
9.权利要求8的氮化物半导体发光器件，其中所述SiNx团簇层形成为具 有原子尺度厚度。
10.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中SiNx团簇层进一步形成在所述有源层的InGaN势阱层和多层势垒层之间。
11.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中GaN盖帽层进一步形成在有所述有源层的InGaN势阱层和多层势垒层之间。
12.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中SiNx团簇层进一步形成在所述有源层和所述第二氮化物半导体层之间。
13.权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第二氮化物半导体层通过掺杂p型杂质形成。
14.权利要求4的氮化物半导体发光器件，其中形成在第二氮化物半导体层上的所述第二电极层形成为铟含量连续变化的超梯度结构或含In的超晶格结构。
15.权利要求14的氮化物半导体发光器件，其中所述超梯度结构由n-InxGa1-xN层形成。
16.权利要求14的氮化物半导体发光器件，其中所述超晶格结构由InGaN/InGaN超晶格结构或InGaN/AlInGaN超晶格结构形成。
17.权利要求4的氮化物半导体发光器件，其中形成在所述第二氮化物半导体层上的所述第二电极层掺杂有硅。
18.权利要求5的氮化物半导体发光器件，其中所述InxGa1-xN层的掺铟量低于所述InGaN势阱层上的掺铟量。
19.权利要求4的氮化物半导体发光器件，其中包含在所述第一氮化物半导体中的所述第一电极层和形成在所述第二氮化物半导体层上的所述第二电极层是n型氮化物半导体。
20.权利要求4的氮化物半导体发光器件，其中在形成在所述第二氮化物半导体层上的所述第二电极层上进一步提供透明电极。
21.权利要求20的氮化物半导体发光器件，其中所述透明电极由透明导电氧化物或透明欧姆接触材料形成。
22.权利要求20的氮化物半导体发光器件，其中所述透明电极选自包括 ITO，ZnO，RuOx，IrOx，NiO或含Ni的Au合金金属的集合。
23.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括：
在衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成GaN基的层；
在所述GaN基的层上形成第一电极层；
在所述第一电极层上形成InxGa1-xN层；
在所述InxGa1-xN层上形成包括InGaN势阱层和多层势垒层的用于发光的有源层；
在所述有源层上形成p-GaN基的层；和
在所述p-GaN基的层上形成第二电极层，
其中所述有源层的所述多层势垒层由InGaN层/AlInN层/InGaN/GaN超晶格结构层的多层势垒层形成。
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