CN101073159A - 氮化物半导体发光器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氮化物半导体发光器件，包括：具有AlGaN/n－GaN或AlGaN/GaN/n－GaN的超晶格结构的第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层上形成的用以发光的有源层；在有源层上形成的第二氮化物半导体层；和在第二氮化物半导体层上形成的第三氮化物半导体层。根据本发明，有源层的结晶度得到提高，并且光功率和可靠性也得到提高。

Description

氮化物半导体发光器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及氮化物半导体发光器件及其制备方法，并且涉及能够提高有源层的结晶度和发光器件的光功率和工作可靠性的氮化物发光器件及其制备方法。

背景技术

普通的氮化物半导体发光器件的示意性堆叠结构现在将被描述。

图1是普通氮化物半导体发光器件的截面图。

参考图1，常规的氮化物半导体发光器件包括衬底101、缓冲层103、n-GaN层105、有源层107和p-GaN层109。

详细地，为了使得由于衬底101例如蓝宝石衬底和n-GaN层105的晶格常数和热膨胀系数的不同而发生的晶体缺陷最小化，在低温下形成具有非晶相的基于GaN的氮化物或基于AlN的氮化物的缓冲层103。在形成缓冲层103后，在高温下形成掺杂有10¹⁸/cm³浓度的硅的n-GaN层105，用作第一电极接触层。此后，生长温度降低并且形成有源层107。此后，生长温度再次升高，并且形成镁(Mg)掺杂的p-GaN层109。

具有上述堆叠结构的氮化物半导体发光器件形成p-/n-结结构，其使用n-GaN层105作为第一电极接触层并且使用p-GaN层109作为第二电极接触层。

在第二电极接触层上形成的第二电极材料根据第二电极接触层的掺杂类型来限制。例如为了减少第二接触材料和具有高电阻组分的p-GaN层109之间的接触电阻并且提高电流铺展，使用Ni/Au合金的薄透射性电阻材料作为第二电极材料。用作第一电极接触层的n-GaN层105被制成单晶结构，其比具有非晶形结晶度缓冲层103具有更高的生长温度和厚度。具体而言，在传统的p-/n-结发光器件结构中，用作第一电极接触层的n-GaN层105掺杂有10¹⁸/cm³～1019/cm³的Si并且厚度在5μm之内，该厚度比包括低温非晶形结晶度的多晶GaN或AlN缓冲层103更厚，从而控制结晶度。

用作第一电极接触层的n-GaN层105具有电导率、电阻随掺杂硅浓度的增加而线性降低、和当施加正偏压时工作电压降低的特性。相反，当施加反偏压时，击穿电压(Vbr)降低，使得漏电流增加，并且随着时间的流逝，光功率降低，这严重影响发光器件的寿命。

同样，在调整掺杂浓度中，当掺杂浓度大于2μm，10¹⁹/cm³(即重掺杂)时，产生了极度的应变从而使n-GaN层105破裂。随着硅掺杂浓度升高，n-GaN层105表面的点缺陷增加。因此，增加的点缺陷严重影响到有源层107发光，使得当施加正向或反向偏压时它们起到电流通道的功能和用作增加漏电流的因素。常规的具有上述缺陷的发光器件受到可靠性的限制。

另外，传统的氮化物半导体发光器件包括晶体缺陷，例如“穿透位错”、“螺旋位错”、“线位错”、“点缺陷”、或“混合物(mixture)”。特别地，蓝宝石衬底上的“穿透位错”扩展到发光器件的表面上。在扩展过程中，“穿透位错”通过发光有源层。因此“穿透位错”随后作为漏电流的电流通道，并且当即刻施加高电压例如ESD等时，有源层遭到破坏或光功率降低。以上问题提供了影响器件可靠性的根本原因。

发明内容

技术问题

为了解决以上问题，本发明提供了一种氮化物半导体发光器件及其制备方法，其能够提高氮化物半导体发光器件的有源层的结晶度以及光功率和可靠性。

另外，本发明提供了第一电极接触层的结构及其制备方法。

技术解决方案

提供了一种氮化物半导体发光器件，包括：具有AlGaN/n-GaN或AlGaN/GaN/n-GaN超晶格结构的第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层上形成的用于发光的有源层；在有源层上形成的第二氮化物半导体层；和在第二氮化物半导体层上形成的第三氮化物半导体层。

在本发明的另一方面，提供了一种制备氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括：形成AlGaN/n-GaN或AlGaN/GaN/n-GaN超晶格结构的第一氮化物半导体层作为第一电极接触层；在第一氮化物半导体层上形成发光有源层；和在有源层上形成第二氮化物半导体层。

有益效果

根据本发明，有源层的结晶度和发光器件的光功率和可靠性可以得到提高。

同样，通过具有超晶格结构的第一电极接触层，即使在相对低的硅掺杂浓度下也能得到均匀和稳定的工作电压，特别地，在反偏压工作中，击穿电压升高并且漏电流降低，从而提高了发光器件的可靠性。

附图说明

通过以下附图，本发明的精神将更容易得到理解。在附图中：

图1是普通的氮化物半导体发光器件的截面图。

图2是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的堆叠结构的截面图。

图3示出了根据本发明的氮化物半导体发光器件的可靠性测试结果。

图4是根据本发明的第二实施方案的氮化物半导体发光器件的堆叠结构的截面图。

本发明最佳实施方式

在下文中，将参照附图更详细描述本发明的实施方案。

第一实施方案

图2是根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件的堆叠结构的截面图。

参考图2，根据本发明第一实施方案的氮化物半导体发光器件包括衬底201、缓冲层203、In掺杂的GaN层205、AlGaN/n-GaN超晶格层207、低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层209、有源层211、p-GaN层213、和n-InGaN层215。

在此将更详细描述氮化物半导体发光器件的结构。缓冲层203在低生长温度500～600℃下在衬底201上生长。在这里，缓冲层203形成以下一种结构：AlInN/GaN堆叠结构、InGaN/GaN超晶格结构、In_XGa_1-XN/GaN堆叠结构和Al_XIn_YGa_1-(X+Y)N/In_XGa_1-XN/GaN堆叠结构。

此后，缓冲层203在高生长温度下再结晶，并且在相同温度下，In掺杂的GaN层205生长为小于2μm的厚度，此后，用作第一电极接触层的AlGaN/n-GaN超晶格层207生长到总厚度小于2μm。

AlGaN/n-GaN超晶格层形成为超晶格结构，该超晶格结构包括生长到厚度小于100并且具有20％的Al组分的未掺杂AlGaN和厚度小于300的硅(Si)掺杂的n-GaN层。而且，AlGaN/n-GaN超晶格层具有至少一个周期，每个周期由AlGaN层和n-GaN层组成并且形成厚度小于400，并且AlGaN/n-GaN超晶格层通过重复生长周期形成小于2μm的总厚度。

另外，形成AlGaN/n-GaN超晶格层207使得每个AlGaN层和n-GaN层的厚度小于在相对低的温度下形成的缓冲层203的厚度，并且只有n-GaN层掺杂Si。

此外，为了增加有源层211的内部量子效率，生长低摩尔In掺杂GaN层或低摩尔InGaN层209作为能够控制有源层211的应变的应变控制层。生长低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层209，使得包含的铟含量低于5％。而且，生长低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层209，使得其厚度在100～300之间。当有源层211发射具有需要波段的光时，具有由阱层/势垒层组成的一个周期的单量子阱或多量子阱生长为In_xGa_1-xN(铟含量15～35％)/In_YGa_1-YN(铟含量小于5％)结构。尽管在附图中未示出，但是SiNx簇层可以进一步在阱层和势垒层之间以原子水平形成，以增加有源层211的发光效率。

此后，升高生长温度以生长p-GaN层213。此后，用作第二电极接触层的n-InGaN层215生长为超梯度结构，在该结构中连续控制铟含量。

根据具有以上堆叠结构的氮化物半导体发光器件，AlGaN/n-GaN超晶格层207在边界上形成二维电子阱层(2 DEG：2维电子气)，以在施加偏压的情况下具有均匀的电流。因此，本发明的氮化物半导体发光器件表现出均匀的工作电压(正向电压，VF)。

同样，本发明的氮化物半导体发光器件抑止在蓝宝石衬底上形成的“穿透位错”，提高了结晶度。

另外，当人体模式的ESD(静电放电)高电压从外部环境施加时，本发明的氮化物半导体发光器件通过二维电子阱层有效地实施电流铺展。

同时，本发明的氮化物半导体发光器件形成n-/p-/n-结结构。在n-InGaN层215上形成的第二电极材料由n-InGaN层215的掺杂相或能带隙确定。然后，如上所述，由于n-InGaN层215具有超梯度结构，在该结构中铟含量线性变化，使得电流铺展效果增加，所以第二电极材料可以是透射性氧化物或透射性电阻金属。第二电极材料的例子包括ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-GaZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO等等。

与传统的发光器件相比，具有以上结构的发光器件可以提高30～50％的光功率，并且可以提高发光器件的工作可靠性。

以下将更详细地描述氮化物半导体发光器件的制备方法的实施方案。

首先，在本发明中，在高温下向蓝宝石衬底201上仅提供H₂载气，以清洁蓝宝石衬底。其后，在将生长温度降低到540℃的步骤中，导入NH₃源气体以对蓝宝石衬底进行氮化作用，例如进行7分钟。

其后，具有1^st AlInN/1^st GaN/2^nd AlInN/2^nd GaN结构的缓冲层203生长到约500的厚度。然后，在6分钟内将生长温度升高到1060℃的温度，低温缓冲层203在NH₃源气体和H₂载气的混合物环境下再结晶2分钟，并且在相同的生长温度下，生长具有2μm厚度的铟掺杂单晶GaN层205。

随后，生长温度降低到1030℃，并且具有10％的Al组分的未掺杂的AlGaN层和重掺杂Si的n-GaN层分别生长到50和250的厚度。此时，Al含量可以为0.05～0.3(1相当于100％)。未掺杂的AlGaN层可以形成10～200的厚度。因此，AlGaN/n-GaN超晶格层包括40个周期，其中每个或其形成的厚度为300，并且其中的AlGaN/n-GaN超晶格层生长到1μm的总厚度并且被用作第一电极接触层207。

据报道，具有AlGaN/n-GaN超晶格层的第一电极接触层的空穴迁移率和浓度分别为450cm²/Vsec和2×10¹⁸/cm³，比具有相同厚度和Si掺杂浓度的n-GaN层高1.5～2倍。

同样，为了调整有源层的应变，具有5％铟含量(波长80nm)的低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层209在750℃时生长到100-300的厚度。低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层被特意控制为在蓝宝石衬底上具有均匀的外形(profile)的“螺旋生长模式”。其后，在相同的生长温度下，生长具有未掺杂InGaN/InGaN结构的单量子阱(SQW)的有源层211，势垒层具有小于5％的铟含量和大约200的厚度

随后，生长温度升高到1000℃，以在NH₃源气体和H₂载气的混合气环境下将Mg掺杂的p-GaN层213生长到1000的厚度。其后，生长温度再次降低到800℃，并且在NH₃源气体和H₂载气的混合气环境下，硅掺杂的n-InGaN层215生长到50的厚度。n-InGaN层215用作第二电极接触层并且被设计成具有超梯度(SG)结构，在该结构中控制铟含量，从而大体上控制能带隙(Eg)特征。

通过MESA蚀刻将表面蚀刻6000直到AlGaN/n-GaN(Si)超晶格结构，来制备SQW的npn-SG LED的330μm×305μm发光器件，在所述SQW的npn-SG LED中使用AlGaN/n-GaN(Si)超晶格层207作为第一电极接触层和n-InGaN层作为第二电极接触层，并且进行电性能和可靠性分析例如ESD并进行评价。

图3图示了根据本发明的氮化物半导体发光器件的可靠性测试结果，其中在与实际制备的蓝LED可靠性相关的人体模式下，关于整个2英寸蓝宝石衬底在晶片状态下而不是在LED芯片状态下测量ESD水平。

参考图3，可以确信在“人体模式”下，ESD水平在最小(-)1000V-最大(-)4000V的范围内在2英寸晶片的平直表面上在圆边缘方向上是均匀的，因此实现了具有均匀和优异电性能的SQW的npn-SG LED。

为了评价ESD水平的可靠性，最小值设定为(-)1000V，然后为了准确性，将最小值线性增加，从(-)1000 V到(-)2000V、(-)3000V、(-)4000V、(-)5000V。而且，通过直接施加(-)1000 V来验证最小ESD水平，而没有逐步电压增加。当逐步电压增加和直接施加(-)1000 V电压时，证实实现了维持最小(-)1000V并且具有优异特性的蓝光发光器件。而且，在20mA正向偏压下，工作电压(VF)均匀维持在3.3～3.4V的范围内。当Ni/Au透射性电极应用于460nm的波长中时，光功率可以为4mW～4.5mW，并且当应用ITO透射性氧化物电极时，光功率可以为6.2mW～6.5mW。

本发明的特征在于，比在低温度下形成的缓冲层更薄的AlGaNVn-GaN(Si)超晶格层生长到总厚度为1～2μm，并且被用作为第一电极接触层。根据本发明，与常规生长方法不同，即使在相对低的掺杂浓度下，电子迁移率也可以通过二维电子阱层得到有效增加。

同样，根据本发明的AlGaN/n-GaN(Si)超晶格层可以起到阻挡层的作用，其抑制制晶体缺陷例如“穿透位错”扩展到发光器件的表面上。

第二实施方案

图4是根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件的堆叠结构的截面图。

参考图4，根据本发明第二实施方案的氮化物半导体发光器件包括衬底201、缓冲层203、In掺杂的GaN层205、AlGaN/GaN/n-GaN超晶格层407、低摩尔In掺杂的GaN层或低摩尔InGaN层209、有源层211、p-GaN层213和n-InGaN层215。

与第一实施方案相比，以上第二实施方案的不同在于AlGaN/GaN/n-GaN超晶格层407，但是其它元件相同。因而，将仅另外描述AlGaN/GaN/n-GaN超晶格层407，而其它元件的描述将参考第一实施方案的描述。

第二实施方案的第一电极接触层结构的特征在于，具有10～200厚度的未掺杂GaN层以相同组成和厚度置于AlGaN层和掺杂大量硅的n-GaN层之间，用以增加在n-GaN层和AlGaN层之间界面的不连续带隙差。更优选，未掺杂GaN层可以形成小于100的厚度。通过这样做，二维电子阱层的电势可以进一步增加。

但是，工作电压的增加可以通过具有小于100厚度并且包含在第一电极接触层中的未掺杂GaN层来产生。这是因为硅掺杂固定n-GaN层厚度薄至250，以降低硅掺杂效率。为了解决以上问题，可以提供一种生长方法，该方法增加n-GaN层的硅掺杂浓度或在300-500范围内增加n-GaN层厚度。此时，n-GaN层的硅掺杂浓度可以为1×10¹⁸/cm³-5×10¹⁸/cm³。

工业适用性

根据本发明提供的氮化物半导体发光器件及其制备方法，有源层的结晶度得到提高，并且光功率和工作可靠性得到提高。

详细地，在常规氮化物发光器件中，当用作第一电极接触层的n-GaN层在厚度小于6μm时以大于1×10¹⁹/cm³的掺杂浓度来重掺杂杂质时，硅掺杂浓度根据掺杂源例如SiH4或Si2H6的注入流量而线性升高。因而，当n-GaN层厚度增加超过2μm时，其遭受到巨大的应变，使得可以在n-GaN层中产生裂缝。同样，当n-GaN层的硅浓度增加时，表面的粗糙度、形状和应力变得不同。因而，在n-GaN层上形成的有源层受到上述因素的影响，使得光功率降低。

然而，根据本发明的氮化物半导体发光器件，因为AlGaN/GaN超晶格层形成作为第一电极接触层，甚至当AlGaN层和GaN层的一个周期的厚度为250～500并且构成一个周期的两个层重复生长到1～2μm的总厚度时，可以确保可靠性。

而且，利用相对低的掺杂浓度和二维电子阱层的效果，在本发明的氮化物半导体发光器件中使用的AlGaN/GaN超晶格层可以得到低的电子迁移率和均匀的电流铺展，并且还可以作为阻挡层，该阻挡层可以相对抑制晶体缺陷在中间路径中(middle path)从衬底延扩展发光器件表面以改变前进方向。

另外，根据本发明的氮化物半导体发光器件，可以使用透射性氧化物例如ITO，以通过优异的电流铺展和传输特性来最大化光功率，并且可以使用比ITO透射性氧化物具有更优异的热、结构和电特性的基于ZnO的材料，例如IZO(In-ZnO)，GZO(Ga-ZnO)，AZO(Al-ZnO)，IGZO(In-GaZnO)，AGZO(Al-Ga ZnO)等，以进一步提高光功率和工作可靠性。

Claims (31)

1、一种氮化物半导体发光器件，包括：

具有AlGaN/n-GaN或AlGaN/GaN/n-GaN的超晶格结构的第一氮化物半导体层；

在所述第一氮化物半导体层上形成用于发光的有源层；

在所述有源层上形成的第二氮化物半导体层；和

在所述第二氮化物半导体层上形成的第三氮化物半导体层。

2、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第一氮化物半导体层是第一电极接触层，并且提供所述第三氮化物半导体层作为n-InGaN的第二电极接触层以形成n-/p-/n-结结构。

3、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包括：

衬底；和

在所述衬底上形成的缓冲层，

其中所述衬底和所述缓冲层形成在所述第一氮化物半导体层下方。

4、根据权利要求3的氮化物半导体发光器件，还包括在所述缓冲层上形成的铟掺杂的氮化物半导体层。

5、根据权利要求3的氮化物半导体发光器件，其中所述缓冲层具有选自AlInN/GaN堆叠结构、InGaN/GaN超晶格结构、In_XGa_1-XN/GaN堆叠结构和Al_XIn_YGa_1-(X+Y)N/In_XGa_1-XN/GaN堆叠结构的结构。

6、根据权利要求3的氮化物半导体发光器件，其中所述第一氮化物半导体层具有比所述缓冲层生长温度更高的生长温度。

7、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的AlGaN/n-GaN的超晶格结构具有250～500的一个周期厚度。

8、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的AlGaN/GaN/n-GaN的超晶格结构具有300～550的一个周期厚度。

9、根据权利要求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具有1～2μm的总厚度。

10、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的AlGaN层是未掺杂层并且具有0.05～0.3(1相当于100％)的Al组分。

11、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的AlGaN层形成为10～200的厚度。

12、根据权利要求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是p型氮化物半导体层。

13、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的GaN层是未掺杂层并且形成为10～200的厚度。

14、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的n-GaN层掺杂有硅、或硅和铟。

15、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的n-GaN层形成为200～500的厚度。

16、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中构成所述第一氮化物半导体层的n-GaN层具有1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³的掺杂浓度。

17、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包括在所述第一氮化物半导体层和所述有源层之间形成并且铟含量为1～5％的低摩尔含铟氮化物层。

18、根据权利要求17的氮化物半导体发光器件，其中所述低摩尔含铟氮化物层具有螺旋形状并且厚度为100～300。

19、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述有源层形成为由阱层和势垒层组成的单量子阱层或多量子阱层，并且在所述阱层和所述阻势垒层之间进一步形成SiNx簇层。

20、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述第三氮化物半导体层由具有铟含量逐渐变化的SG(超梯度)结构的n-InGaN层形成。

21、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，还包括在所述第三氮化物半导体层上形成的透明电极。

22、根据权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中所述透明电极由选自以下的一种物质形成：ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au和Ni/IrOx/Au/ITO。

23、一种制备氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：

形成具有AlGaN/n-GaN或AlGaN/GaN/n-GaN的超晶格结构的作为第一电极接触层的第一氮化物半导体层；

在所述第一氮化物半导体层上形成发光的有源层；和

在所述有源层上形成第二氮化物半导体层。

24、根据权利要求23的方法，还包括在所述第二氮化物半导体层上形成第三氮化物半导体层，其中所述第三氮化物半导体层是第二电极接触层。

25、根据权利要求24的方法，其中所述第三氮化物半导体层由具有铟含量逐渐变化的SG(超梯度)结构的n-InGaN层形成。

26、根据权利要求23的方法，其中所述第一氮化物半导体层具有1～2μm的总厚度。

27、根据权利要求23的方法，其中构成所述第一氮化物半导体层的AlGaN层是未掺杂层并形成为10～200的厚度，并且具有0.05～0.3(1相当于100％)的Al组分。

28、根据权利要求23的方法，其中构成所述第一氮化物半导体层的GaN层是未掺杂层并且形成为10～200的厚度。

29、根据权利要求23的方法，其中构成所述第一氮化物半导体层的n-GaN层具有1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³的掺杂浓度。

30、根据权利要求23的方法，还包括在形成在所述第一氮化物半导体层和所述有源层之间形成并且铟含量为1～5％的低摩尔含铟氮化物层。

31.根据权利要求23的方法，其中所述有源层形成为由阱层和势垒层组成的单量子阱层或多量子阱层，还包括在所述阱层和所述势垒层之间形成SiNx簇层。

Images