CN101740681B

CN101740681B - 氮化物半导体器件

Info

Publication number: CN101740681B
Application number: CN2009100048175A
Authority: CN
Inventors: 尹皙胡; 朴基镐; 孙重坤
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: CN101740681A; JP2010114403A; KR20100051474A; KR101018088B1; JP4971377B2; US20100117061A1; US7868316B2

Abstract

本发明提供了一种氮化物半导体器件。根据本发明一方面的氮化物半导体器件可包括：n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；活性层，设置在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间，并具有彼此交替地堆叠的量子肼层和量子垒层；电子阻挡层，设置在活性层和p型氮化物半导体层之间，并具有多个第一氮化物层和多个第二氮化物层，第一氮化物层由带隙能比量子垒层的带隙能高的材料形成，第二氮化物层由带隙能比第一氮化物层低的材料形成，第一和第二氮化物层彼此交替地堆叠，以形成堆叠结构，其中，多个第一氮化物层具有以预定倾斜度弯曲的能级，越接近p型氮化物半导体层，第一氮化物层的能级倾斜度越小。

Description

氮化物半导体器件

本申请要求于2008年11月7日在韩国知识产权局提交的第2008-0110647号韩国专利申请的优先权，通过引用将该申请的内容包含于此。

技术领域

本发明涉及在发光二极管(LED)中使用的氮化物半导体器件。

背景技术

通常，在被设置为全色显示器、图像扫描仪、各种信号系统和光学通信装置的光源的绿色或蓝色发光二极管(LED)或激光二极管(LD)中，已经广泛地使用氮化物半导体器件。可以将氮化物半导体器件设置为具有活性层(active layer)的发光器件，所述活性层通过电子和空穴的复合而发射包括蓝色和绿色在内的各种颜色的光。

由于氮化物半导体器件的发展，为了扩展氮化物半导体器件的应用，因此已经做出了科技进步。还对作为普通照明和车用光源的氮化物半导体器件进行了研究。具体而言，在现有技术中，已经将氮化物半导体器件用作应用于低功率、低电流移动产品的组件。最近，氮化物半导体器件的使用已经逐步扩展到高功率高电流产品。

图1是示出普通的氮化物半导体器件的剖视图。参照图1，普通的氮化物半导体器件10包括基底11、n型氮化物半导体层12、活性层13和p型氮化物半导体层15。电子阻挡层14形成在活性层13和p型氮化物半导体层15之间。P型电极16b形成在台面蚀刻的(mesa-etched)p型氮化物半导体层15的上表面上。n型电极16a形成在暴露的n型氮化物半导体层12的上表面上。电子阻挡层14防止迁移率比空穴的迁移率高的电子溢流到p型氮化物半导体层15中，从而提高电子和空穴在活性层13内的复合效率。除了阻挡电子之外，电子阻挡层14还能用作阻挡空穴的障碍物。因此，穿过电子阻挡层14并进入活性层13的空穴的浓度被减小，从而提高了工作电压。

发明内容

本发明的一方面提供了一种氮化物半导体器件，所述氮化物半导体器件可以通过使电子阻挡层的能级的总差异最小化来减小极化造成的影响，从而提高发光效率并减小工作电压。

根据本发明的一方面，提供了一种氮化物半导体器件，所述氮化物半导体器件包括：n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；活性层，设置在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间，并具有彼此交替地堆叠的量子肼层和量子垒层；电子阻挡层，设置在活性层和p型氮化物半导体层之间，并具有多个第一氮化物层和多个第二氮化物层，第一氮化物层由带隙能比所述量子垒层的带隙能高的材料形成，第二氮化物层由带隙能比第一氮化物层低的材料形成，第一氮化物层和第二氮化物层彼此交替地堆叠，从而形成堆叠结构，其中，所述多个第一氮化物层具有以预定的倾斜度弯曲的能级，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述第一氮化物层的能级倾斜度越小。

所述多个第一氮化物层可以具有相同的带隙能。

越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的净极化电荷量分别与邻近于所述多个第一氮化物层的相应第二氮化物层的净极化电荷量的差异会越小。

第一氮化物层可以包括用Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示的组成。

越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的铝含量和铟含量会越高。

越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层中的每个氮化物层的基于导带底的能级越大。

越接近于所述p型氮化物半导体层，所述第一氮化物层的能级会越低。

越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的净极化电荷量分别与邻近于所述多个第一氮化物层的相应第二氮化物层的净极化电荷量的差异越小。

所述第二氮化物层的带隙能可与所述量子垒层的带隙能相同。

具有彼此交替地堆叠的第一氮化物层和第二氮化物层的堆叠结构可以为超晶格结构。

所述第二氮化物层可包括能级不同的至少两个不同的区域。

所述多个第一氮化物层中的至少两个第一氮化物层可以包括相同的能级倾斜度，可以将具有相同的能级倾斜度的第一氮化物层彼此相邻地布置。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，将更加清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征和其它优点，在附图中：

图1是示出根据现有技术的普通的氮化物半导体器件的剖视图；

图2是示出根据本发明示例性实施例的氮化物半导体器件的剖视图；

图3是示出在图2中用A表示的区域的放大图；

图4是示出在图3中显示的区域的导带能级的示意图；

图5是示出带隙能和净极化电荷量根据AlInGaN四元半导体中的铝和铟的组成的变化的示图；

图6是示出根据图2至图4中示出的实施例的修改的氮化物半导体器件中的导带能级的示意图；

图7和图8是示出根据本发明示例性实施例的显示出按照氮化物半导体器件中的电流变化的发光效率和驱动电压的模拟结果的曲线图；

图9至图11是示出根据本发明另一示例性实施例的氮化物半导体器件的电子阻挡层的导带能级的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，不应该被解释为局限于在此提出的实施例。而是，提供这些实施例使本公开将是彻底的且完全的，并将把本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清晰起见，会夸大形状和尺寸，并将始终使用相同的标号来表示相同或相似的组件。

图2是示出根据本发明示例性实施例的氮化物半导体器件的剖视图。图3是示出在图2中用A表示的区域的放大图。图4是示出在图3中显示的区域的导带能级的示意图。

参照图2，根据本发明示例性实施例的氮化物半导体器件100包括基底101、n型氮化物半导体层102、活性层103、电子阻挡层104和p型氮化物半导体层105。n型电极106a形成在n型氮化物半导体层102的暴露表面上。p型电极106b可以形成在p型氮化物半导体层105的上表面上。虽然未示出，但是由透明电极材料形成的欧姆接触层可以形成在p型氮化物半导体层105和p型电极106b之间。在这个实施例中，将具有沿相同方向布置的n型电极106a和p型电极106b的水平氮化物半导体器件作为例子。然而，本发明不限于此，而可以应用于垂直氮化物半导体器件(这里，可以去除蓝宝石基底)，本领域技术人员能够容易地理解到这一点。

为了氮化物单晶生长而提供了基底101。通常，可以使用蓝宝石基底。蓝宝石基底由具有六方-菱方(Hexa-Rhombo)R3c对称性的晶体形成，蓝宝石基底沿c轴具有的晶格常数，并沿a轴具有

的晶格常数。蓝宝石基底的晶向面(orientation plane)包括c(0001)面、a(1120)面和r(1102)面。因为氮化物薄膜在c面上相对易于生长，且在高温下稳定，所以蓝宝石基底101被广泛地用作氮化物单晶生长基底。可以根据形式使用由例如SiC、GaN、ZnO、MgAl₂O₄、MgO、LiAlO₂和LiGaO₂形成的基底。此外，可以生长出缓冲层(例如，未掺杂的GaN层)，从而提高在基底101上生长的氮化物半导体单晶的晶体质量。

n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层105可以由掺杂有n型杂质和p型杂质的半导体材料形成，所述半导体材料具有用Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(这里，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示的组成。半导体材料的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN。n型杂质的示例可以包括Si、Ge、Se和Te。p型杂质的示例可以包括Mg、Zn和Be。可以利用本领域中公知的MOCVD或HVPE使n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层105生长。

在n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层105之间形成的活性层103通过电子和空穴之间的复合而发射具有预定能量的光。活性层103可以具有用In_xGa_1-xN(0≤x≤1)表示的组成。带隙能是根据铟含量来确定的。如图3所示，活性层103可以具有量子垒层103a和量子阱层103b彼此交替地堆叠的多量子阱(MQW)结构。

电子阻挡层104阻挡与空穴相比具有相对高的迁移率的电子穿过活性层103并溢流。在这个实施例中，如图3所示，电子阻挡层104可以具有第一氮化物层104a和第二氮化物层104b彼此交替地堆叠的超晶格结构。与第二氮化物层104b相比，第一氮化物层104a具有更高的能级。第二氮化物层104b由例如GaN形成，并具有与量子垒层103a相同的带隙能。因为第一氮化物层104a和第二氮化物层104b由彼此不同的材料形成，所以第一氮化物层104a和第二氮化物层104b中的每个氮化物层的能级由于极化而具有倾斜度。

具体地讲，由于氮化物半导体的结构不对称性(晶格常数a≠c)和离子性(ionicity)，所以在蓝宝石的c面(即，极面)上生长的氮化物半导体层具有自发的极化。当顺序地堆叠具有不同晶格常数的氮化物半导体层时，由于在半导体层上形成的应变，所以发生压电极化。这里，将两种极化相加，从而获得净极化(net polarization)。由于净极化，所以在每个界面处产生净极化电荷，从而使能级弯曲。即，能级具有倾斜度。这些弯曲的能级使得电子和空穴的波函数在活性层内在空间上彼此不一致，并导致电子阻挡层的电子阻挡效率减小。

在这个实施例中，第一氮化物层104a的能级的倾斜度朝p型氮化物半导体层105减小。即，第一氮化物层104a越接近p型氮化物半导体层105，第一氮化物层104a具有的能级的倾斜度越小。电子阻挡层104的总极化电荷是第一氮化物层104a和第二氮化物层104b之间的界面处的极化电荷之和。通过减小第一氮化物层104a的能级倾斜度，整个电子阻挡层104的能级的差异被减小，从而减小了极化造成的影响。这里，可以通过直接减小第一氮化物层104a的能级来减小极化造成的影响，这导致漏电流增大。结果，也减小了发光效率。因此，如本申请的发明，控制能级倾斜度的方法是更优选的。

即使第一氮化物层104a具有彼此不同的能级倾斜度，第一氮化物层104a也可以具有相同的能级。这里，可以将具有倾斜度的能级的幅值定义为中间值或平均值。为了以预定的水平保持第一氮化物层104a的能级并同时改变能级的倾斜度，每个第一氮化物层104a都需要由AlInGaN(即，四元材料)形成，并需要适当地控制四元材料的组成。将参照图5对此进行描述。在图5中，示出了带隙能和净极化电荷量根据AlInGaN四元半导体中的铝和铟的组成的变化。

参照图5，可以通过铝和铟的含量来控制具有表示为Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(这里，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)的组成的氮化物半导体的带隙能和净极化电荷量。这里，随着铝含量增大，带隙能增大，净极化电荷量减小(绝对值增大)。铟含量显示出相反的现象。因为带隙能和净极化电荷量根据铝含量和铟含量而变化，同时具有彼此不同的倾向，所以可以通过适当地控制组成来减小能级的倾斜度，同时带隙能与现有技术中的带隙能类似或相等。

具体地讲，当在彼此接触的不同种类的层之间净极化电荷量的差异越小时，可以减小能级的倾斜度。因此，可以通过逐渐改变第一氮化物层104a的组成，例如，通过朝p型氮化物半导体层105逐渐增大第一氮化物层104a的铝含量和铟含量，来获得该实施例中的能级。这样，在该实施例中使用的电子阻挡层的第一氮化物层104a的带隙能保持与现有技术中的普通AlGaN电子阻挡层的带隙能大约相同，而电子阻挡层的第一氮化物层104a和GaN之间净极化电荷量的差异被减小，从而减小了极化造成的影响。

然而，本发明不限于该实施例。如图6所示，随同倾斜度的逐渐减小一起，可以朝p型氮化物半导体层105逐渐减小第一氮化物层104a的能级。可以参照图5的曲线图通过确定组成使得第一氮化物层104a的带隙能减小来获得这种结构。可选择地，第一氮化物层104a可以由三元素形成。即，在第一氮化物层104a由AlGaN形成的同时，第一氮化物层104a生长，使得朝p型氮化物半导体层105逐渐减小第一氮化物层104a的铝含量。

图7和图8是示出根据本发明示例性实施例的显示出按照氮化物半导体发光器件中的电流变化的发光效率和驱动电压的模拟结果的曲线图。这里，本发明示例1和本发明示例2分别具有根据图4和图6中示出的实施例的结构。对比示例1是具有铝含量为23％的AlGaN/GaN超晶格结构的电子阻挡层。对比示例2是铝含量为19％且带隙能低于对比示例1的带隙能的AlGaN/GaN超晶格结构。如图7和图8所示，与在现有技术中具有超晶格结构的电子阻挡层相比，根据本发明示例性实施例的电子阻挡层可具有提高的发光效率和减小的驱动电压。能够理解的是，通过逐渐减小能级的倾斜度，可以减小极化造成的影响，并可以提高电子阻挡效率。

同时，在保持根据本发明的示例性实施例的结构的同时，可以改变该实施例中的电子阻挡层。图9至图11是示出根据本发明另一示例性实施例的氮化物半导体发光器件的电子阻挡层的导带能级的示意图。首先，如图9所示，可以将具有相同能级倾斜度的多个第一氮化物半导体层104a彼此相邻地布置。具有这种结构的电子阻挡层能够提高电子阻挡效率。

然后，如图10和图11中示出的结构(其中，未示出能级倾斜度)，第二氮化物层204b和304b的能级呈阶梯状，以分别减小第二氮化物层204b和第一氮化物层204a之间的晶格失配以及第二氮化物层304b和第一氮化物层304a之间的晶格失配。可以通过重复地生长AlInGaN/GaN/InGaN来获得图10中所示的结构。可以通过重复地生长AlInGaN/GaN/AlInGaN(第一氮化物层中含有的AlInGaN的组成与第二氮化物层中的AlInGaN的组成不同)来获得图11中所示的结构。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，提供了一种氮化物半导体器件，所述氮化物半导体器件可以通过使电子阻挡层的能级的总差异最小化来减小极化造成的影响，由此提高发光效率并减小工作电压。

虽然已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出修改和改变。

Claims

1.一种氮化物半导体器件，包括：

n型氮化物半导体层；

p型氮化物半导体层；

活性层，设置在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间，并具有彼此交替地堆叠的量子肼层和量子垒层；

电子阻挡层，设置在活性层和p型氮化物半导体层之间，并具有多个第一氮化物层和多个第二氮化物层，第一氮化物层由带隙能比所述量子垒层的带隙能高的材料形成，第二氮化物层由带隙能比所述第一氮化物层的带隙能低的材料形成，第一氮化物层和第二氮化物层彼此交替地堆叠，从而形成堆叠结构，

其中，所述多个第一氮化物层具有以预定的倾斜度弯曲的能级，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述第一氮化物层的能级倾斜度越小。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述多个第一氮化物层具有相同的带隙能。

3.如权利要求2所述的氮化物半导体器件，其中，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的净极化电荷量分别与邻近于所述多个第一氮化物层的相应第二氮化物层的净极化电荷量的差异越小。

4.如权利要求3所述的氮化物半导体器件，其中，第一氮化物层包括用Al_xIn_yGa_(1-x-y)N表示的组成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0＜x+y≤1。

5.如权利要求4所述的氮化物半导体器件，其中，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的铝含量和铟含量越高。

6.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层中的每个氮化物层的基于导带底的能级越大。

7.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的能级越低。

8.如权利要求7所述的氮化物半导体器件，其中，越接近于所述p型氮化物半导体层，所述多个第一氮化物层的净极化电荷量分别与邻近于所述多个第一氮化物层的相应第二氮化物层的净极化电荷量的差异越小。

9.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述第二氮化物层的带隙能与所述量子垒层的带隙能相同。

10.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，具有彼此交替地堆叠的第一氮化物层和第二氮化物层的堆叠结构为超晶格结构。

11.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述第二氮化物层中的每个氮化物层包括能级不同的至少两个不同的区域。

12.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述多个第一氮化物层中的至少两个第一氮化物层包括相同的能级倾斜度，并且具有相同的能级倾斜度的第一氮化物层彼此相邻地布置。