CN101355129A - Ⅲ族氮化物基化合物半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种III族氮化物基化合物半导体发光器件，包括极性反转层，其包括具有凸部的表面；和形成在所述极性反转层上的透明电极。该极性反转层可具有不小于1×1020原子/cm3的镁浓度或不小于2×1020原子/cm3且不大于5×1021原子/cm3的镁浓度。该极性反转层可由镁掺杂的AlxGa1－xN(0≤x＜1)形成。
Description
本申请基于2007年7月24日提交的日本专利申请第2007-191510号，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及III族氮化物基化合物半导体发光器件。本文中，III族氮化物基化合物半导体发光器件包括式为AlxGayIn1-x-yN(x、y和x+y均不小于0且不大于1)并且掺杂有任意元素以具有n-型/p-型导电性的半导体。此外，所述发光器件还包括其III族元素或IV族元素的一部分被B、Tl、P、As、Sb或Bi置换的半导体。
背景技术
III族氮化物基化合物半导体发光器件通常通过在异质衬底上利用MOVPE进行外延生长形成，此时其膜厚度沿具有所谓“Ga极性”的c-轴方向增长。在此，外延膜的表面对应于c-晶面。
而且，当将具有c-晶面作为主晶面的GaN衬底用于MOVPE外延生长时，针对结晶质量、电特性和光学特性，通常使用具有“Ga极性”的GaN衬底的c-晶面。在这种情况下，外延生长膜生长为其膜厚度沿具有“Ga极性”的c-轴方向增长。相反，使用具有“N极性”的c-晶面是不利的，此时难以获得均匀的外延生长膜，并且晶体很可能成为粗制晶体。
JP-A-2003-101149公开了一种将外延生长膜的极性从“Ga极性”反转成“N极性”的技术。在此，极性反转是指将外延膜的整个表面处的完全的“Ga极性”改变成外延膜表面的一部分处(例如在许多显微区域中)的“N极性”，而不是外延膜的整个表面处的完全的“N极性”。
JP-A-06-291368公开了一种使p-型层具有用于提高发光器件的光提取效率的凹凸表面的技术。
除了JP-A-06-291368以外，还提出了使p-型层或正电极表面具有用于提高发光器件的光提取效率的凹凸表面的许多技术。然而，p-型层表面是通过在c-轴方向上的生长而形成的最终晶面，即具有“Ga极性”的晶面。“Ga极性”的c-晶面表现出对于利用酸或碱溶液的湿蚀刻的高耐蚀性，因此难以在其上湿蚀刻形成凹凸表面。
以下方法用于通过湿蚀刻形成凹凸表面。
在用于外延生长之后，将异质衬底剥离并由此暴露出先前接触异质衬底的作为c-晶面的“N极性”侧。然后，对“N极性”侧(通常为负电极侧)进行湿蚀刻以形成凹凸表面。
或者，使用具有c-晶面作为主晶面的GaN衬底进行MOVPE外延生长。然后，对与用于外延生长的表面(即GaN衬底的Ga极性侧)相反的N极性侧进行湿蚀刻以形成凹凸表面。同样，在这种情况下，GaN衬底(即N极性侧)通常位于负电极侧上。
当在外延生长期间在生长表面上形成凹凸表面时，形成条件必须远离使外延膜具有良好结晶质量的最优条件。因此，器件特性必然劣化，尤其是驱动电压不可避免地增大。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有提高的光提取效率的HI族氮化物基化合物半导体发光器件。
(1)根据本发明的一个实施方案，一种III族氮化物基化合物半导体发光器件包括：
极性反转层，其包括具有凸部的表面；和
形成在所述极性反转层上的透明电极。
在上述实施方案(1)中，可以作出以下变化或改变。
(i)所述极性反转层具有不小于1×1020原子/cm3的镁浓度。
(ii)所述极性反转层具有不小于2×1020原子/cm3且不大于5×1021原子/cm3的镁浓度。
(iii)所述极性反转层包括镁掺杂的AlxGa1-xN(0≤x＜1)。
(iv)所述具有凸部的表面通过使用磷酸、氢氧化钾和四甲基氢氧化铵其中之一的湿蚀刻而形成。
(v)所述表面包括约1×107/cm2至约1×1010/cm2的凸部。
(vi)所述表面包括约1×108/cm2至约1×109/cm2的凸部。
(vii)所述表面包括在Ga极性区的凸部和在N极性区的凹部。
(viii)所述发光器件还包括：
发光层；和
用于提取从所述发光层发出的光的光提取表面，
其中，相对于发光层，所述极性反转层形成得更接近于所述光提取表面。
该实施方案的优点
通过过度增加作为受主掺杂杂质添加的镁的浓度，可充分形成极性反转区。在c-轴方向上的常规外延生长的情况下，极性反转区包括在具有正常“Ga极性”的c-晶面上产生的许多具有“N极性”的显微区域。
具有“N极性”的显微区域容易通过湿蚀刻来蚀刻，并因此可以通过湿蚀刻形成许多蚀刻凹点(pit)。因此，形成具有许多蚀刻凹点(即具有许多凹陷和突起)的p-型层并且在所述p-型层上形成透明正电极。结果，可以容易地形成通过透明正电极来提高光提取效率的面朝上型(face-uptype)III族氮化物基化合物半导体发光器件。
本发明也可以适用于诸如蓝宝石衬底的异质衬底，并且在本发明中并非总是需要昂贵的GaN衬底。此外，在本发明中不要求通过剥离来移除外延生长衬底的步骤，并且因此可以降低本发明的发光器件的制造成本。
附图说明
以下将参照附图说明根据本发明的优选实施方案，其中：
图1A至1C是示出湿蚀刻前的三个晶片的表面的AFM(原子力显微镜)分析图像，其中在根据本发明的优选实施方案的实施例1中，GaN层形成有不同的Mg浓度；
图2A至2C是示出湿蚀刻后的三个晶片的表面的AFM(原子力显微镜)分析图像，其中在根据本发明的优选实施方案的实施例1中，GaN层形成有不同的Mg浓度；和
图3是示出在根据本发明的优选实施方案的实施例2中的III族氮化物基化合物半导体发光器件100的截面图。
具体实施方式
为了形成本发明的极性反转区，优选加入不少于1×1020原子/cm3、更优选不少于2×1020原子/cm3，还更优选5×1020原子/cm3的镁(Mg)。如果Mg的添加量超过5×1021原子/cm3，则Mg原子含量超过Ga原子的1/10，此时该层不能被认为是III族氮化物基化合物半导体。而且，导电性的劣化导致该层不起电极形成层的作用。
极性反转层的厚度优选不小于0.1μm并且更优选不小于0.3μm。由此，可以通过湿蚀刻形成具有大高低差的凹陷和凸起。另一方面，如果极性反转层的厚度超过1μm，则极性反转层的电阻率增加从而导致过高的驱动电压。因此，这种厚度是不优选的。
待蚀刻的N极性区域优选不小于整个表面的20％，更优选不小于整个表面的30％，更优选不小于整个表面的40％。
本发明的III族氮化物基化合物半导体发光器件的特征在于其包括透明电极，并且形成所述透明电极的最上层由极性反转层构成，所述极性反转层具有通过湿蚀刻形成的凹陷和凸起。对于发光器件的其它组成、各层的制造方法等无需限制。
例如，发光层或有源层可以是单层、单量子阱(SQW)结构、多量子阱(MQW)结构等。当在发光层或有源层的p-侧或n-侧上形成覆盖层时，所述覆盖层的其一或二者可以是多层结构。当应用于激光器结构时，可以形成引导层或电流阻挡结构，并且可以在其任意表面或内部形成绝缘层。此外，可以形成用于改善静电耐压(electrostatic discharge resistance)的层。
实施例1
通过湿蚀刻使极性反转层形成凹陷和凸起的过程被测试如下：
提供a-晶面蓝宝石衬底，并且在该衬底上经AlN缓冲层形成厚度为300nm的GaN:Mg层。通过控制作为镁源的双环戊二烯基镁(Cp2Mg)的流量，形成镁掺杂量分别为5×1019/cm3、1.5×1020/cm3和2.5×1020/cm3的三种晶片。
在用氢氧化钾(KOH)湿蚀刻前/后，通过AFM(原子力显微镜)图像分析这三种晶片的表面形态。结果如图1A至1C和图2A至2C所示。
图1A是在2.5×1020/cm3的镁掺杂量下湿蚀刻前的晶片表面的AFM图像，图2A是湿蚀刻后的该晶片表面的AFM图像。
图1B是在1.5×1020/cm3的镁掺杂量下湿蚀刻前的晶片表面的AFM图像，图2B是湿蚀刻后的该晶片表面的AFM图像。
图1C是在5×1019/cm3的镁掺杂量下湿蚀刻前的晶片表面的AFM图像，图2C是湿蚀刻后的该晶片表面的AFM图像。
在镁掺杂量为2.5×1020/cm3的情况下，如图1A所示，在湿蚀刻之前已经在晶片表面上观察到大量凸部。如图2A所示，在湿蚀刻后，观察到的凸部为7×108/cm2。
在镁掺杂量为1.5×1020/cm3的情况下，如图1B所示，在湿蚀刻之前在晶片表面上未观察到凸部。如图2B所示，在湿蚀刻后，观察到的凸部为1.6×108/cm2。
在镁掺杂量为5×1019/cm3的情况下，如图1C所示，在湿蚀刻之前在晶片表面上未观察到凸部。如图2C所示，在湿蚀刻后，观察到的凸部为7×106/cm2。
因此，发现当镁掺杂量超过1×1020/cm3时，在湿蚀刻后形成约1×107/cm2至约1×1010/cm2的大量凸部。换言之，当镁掺杂量超过1×1020/cm3时，形成大量表现出N-极性的显微区域。由此，由于N极性区域可以容易地通过湿蚀刻来蚀刻，因此可以在p-层表面上容易地形成凹陷和凸起。因此，在湿蚀刻后，p-层表面上的凸部优选形成为约1×107/cm2至约1×1010/cm2，更优选约1×108/cm2至约1×109/cm2，以提高光提取效率。
相反，如果镁掺杂量低于1×1020/cm3，则甚至在湿蚀刻后也仅形成少量凸部。这显示表现出N-极性的显微区域形成很少，并且因此仍然难以实施湿蚀刻，此时在p-层表面上不容易形成凹陷和凸起。
实施例2
图3是示出本发明一个优选实施方案中的III族氮化物基半导体发光器件100的截面图。
III族氮化物基半导体发光器件100的结构为在蓝宝石衬底10上形成约15nm厚的氮化铝(AlN)缓冲层(未示出)和在该缓冲层上形成约15nm厚的硅(Si)掺杂GaN的n-型接触层11。在n-型接触层11上，形成由300nm厚的未掺杂GaN层和30nm厚的硅掺杂GaN层构成的多层结构的静电耐压改善层110。在静电耐压改善层110上，形成由10个单元的未掺杂In0.1Ga0.9N、未掺杂GaN和硅掺杂GaN构成的多层结构的约74nm厚的n-型覆盖层12。
在n-型覆盖层12上，形成由7对交替堆叠的约3nm厚的In0.25Ga0.75N阱层和约3nm厚的GaN势垒层构成的MQW结构的发光层13。在发光层13上，形成由p-型Al0.3Ga0.7N和p-型Al0.08Ga0.92N构成的约33nm厚的多层结构的p-型覆盖层14。在p-型覆盖层14上，形成p-型GaN层15和极性反转层16。极性反转层16具有通过湿蚀刻形成的凹陷和凸起，详述如下。
此外，在极性反转层16上形成ITO(氧化铟锡)的(p-侧)透明电极20并且在n-型接触层11的暴露表面上形成n-侧电极30。n-侧电极30由约20nm厚的钒(V)和约2μm厚的铝(Al)构成。在透明电极20上，局部形成金(Au)合金的电极垫25。
图3中的III族氮化物基半导体发光器件100制造如下。
其中所用的气体为氨(NH3)、载气(H2，N2)、三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、甲硅烷(SiH4)和环戊二烯基镁(Cp2Mg)。
首先，提供单晶蓝宝石衬底10，其具有a-晶面作为主晶面并且通过有机溶剂洗涤和热处理得到清洁。然后，将其附着至设置在MOCVD设备的反应室中的衬托器(susceptor)。接着，在常压下将蓝宝石衬底10在1100℃下烘烤，同时向反应室中供应流量为2L/分钟(L：升)的H2约30分钟。
然后，将温度降至400℃，并通过供应20L/分钟的H2、20L/分钟的NH3和1.8×10-5mol/分钟的TMA约1分钟来形成约15nm厚的AlN缓冲层。
接着，将蓝宝石衬底10的温度保持在1150℃，并通过供应20L/分钟的H2、10L/分钟的NH3、1.7×10-4mol/分钟的TMG和20×10-8mol/分钟的用H2气体稀释至0.86ppm的甲硅烷约40分钟来形成n-型接触层11。n-型接触层11由硅浓度为4×1018/cm3的n-型GaN形成。
接着，将蓝宝石衬底10的温度保持在850℃，并通过将载气改变为N2气体、依次生长300nm厚的i-GaN层和30nm厚的硅浓度为4×1018/cm3的n-型GaN来形成双层的静电耐压改善层110。
然后，通过供应10L/分钟的N2或H2、10L/分钟的NH3以及改变TMG、TMI和用H2气体稀释至0.86ppm的甲硅烷的供应来形成约74nm厚的多层结构的n-型覆盖层12，此时该多层结构由10个单元的未掺杂In0.1Ga0.9N、未掺杂GaN(在800℃的蓝宝石衬底温度下生长)和硅掺杂GaN(在840℃的蓝宝石衬底温度下生长)构成。
在形成n-型覆盖层12后，通过改变TMG、TMI的供应，形成由7对交替堆叠的约3nm厚的In0.25Ga0.75N阱层(在720℃的蓝宝石衬底温度下生长)和约3nm厚的GaN势垒层(在885℃的蓝宝石衬底温度下生长)构成的MQW结构的发光层13。
接着，通过供应10L/分钟的N2或H2、10L/分钟的NH3以及改变TMG、TMI、TMA和Cp2Mg的供应并将蓝宝石衬底10的温度保持在840℃下来形成由p-型Al0.3Ga0.7N和p-型Al0.08Ga0.92N构成的约33nm厚的多层结构的p-型覆盖层14。
然后，通过供应20L/分钟的N2或H2、10L/分钟的NH3以及改变TMG和Cp2Mg的供应并将蓝宝石衬底10的温度保持在1000℃下来形成具有5×1019/cm3的镁浓度的50nm厚的p-型GaN层15和具有5×1020/cm3的镁浓度的150nm厚的极性反转层16。
然后，实施KOH溶液的湿蚀刻，使得在极性反转层16上形成凹陷和凸起。由此，凹陷和凸起的高低差最大达到100nm。
接着，在极性反转层16上涂覆光刻胶，并通过光刻法在预定区域处形成窗口。然后，利用含氯气体对极性反转层16的未掩蔽部分、p-型GaN层、p-型覆盖层14、发光层13、n-型覆盖层12和n-型GaN层11实施反应性离子蚀刻，从而暴露出n-型GaN层的表面。接着，在移除光刻胶掩模之后，如下形成位于n-型GaN层11上的n-侧电极30和位于极性反转层16上的p-侧电极20。
在晶片的整个表面上形成200nm厚的ITO透明电极20。接着，在其上涂覆光刻胶(掩模)，通过光刻法图案化p-侧电极20的掩模，并通过干蚀刻将p-侧电极20成型为期望形式。
然后，涂覆光刻胶并通过光刻法形成在预定区域处的窗口。在低于10-6托的高真空下通过真空沉积在n-型GaN层11上形成n-侧电极30。
然后，通过剥离移除光刻胶并将n-侧电极30成型为期望形式。接着，在含氮气氛中实施600℃下热处理5分钟，以使n-侧电极30与n-型GaN层11合金化，并且降低极性反转层16、p-型GaN层15和p-型覆盖层14的电阻率。
与没有极性反转层16的发光器件相比，如此制造的图3中的III族氮化物基半导体发光器件可以显著提高光输出量对功率消耗的比率。
虽然为了完整和清楚地公开已经利用具体实施方案描述了本发明，但是所附权利要求并不因此而受限制，而是应被认为体现了清楚落在本文所给出的基本教导内的本领域技术人员可能想到的所有修改和替代结构。
Claims (9)
1.一种III族氮化物基化合物半导体发光器件，包括：
极性反转层，其包括具有凸部的表面；和
形成在所述极性反转层上的透明电极。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述极性反转层具有不小于1×1020原子/cm3的镁浓度。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述极性反转层具有不小于2×1020原子/cm3且不大于5×1021原子/cm3的镁浓度。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述极性反转层包括镁掺杂的AlxGa1-xN(0≤x＜1)。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述具有凸部的表面通过使用磷酸、氢氧化钾和四甲基氢氧化铵其中之一的湿蚀刻而形成。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述表面包括约1×107/cm2至约1×1010/cm2的凸部。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述表面包括约1×108/cm2至约1×109/cm2的凸部。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中：
所述表面包括在Ga极性区的凸部和在N极性区的凹部。
9.根据权利要求1所述的发光器件，还包括：
发光层；和
用于提取从所述发光层发出的光的光提取表面，
其中，相对于发光层，所述极性反转层形成得更接近于所述光提取表面。
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