CN102208510B - Iii族氮化物半导体发光器件 - Google Patents

Iii族氮化物半导体发光器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以提供零内电场的面为主面的III族氮化物半导体发光器件，并且其表现出改善的发光性能。该发光器件包括在其表面中具有从上方观察排列成条带图案的多个凹坑的蓝宝石衬底、形成在蓝宝石衬底的凹坑表面上的n接触层、形成在n接触层上的发光层、形成在发光层上的电子阻挡层、形成在电子阻挡层上的p接触层、p电极和n电极。电子阻挡层具有2～8nm的厚度并由Al组成比例为20～30％的Mg掺杂AlGaN形成。

Description

III族氮化物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体发光器件，其主面为提供零内电场的面，即相对于c面倾斜90°的面(例如m面或a面)或者相对于c面倾斜60°的面。
背景技术
通常，III族氮化物半导体发光器件采用III族氮化物半导体的c面作为主面。在这样的发光器件中，由于晶体结构中的应变引起的压电极化导致在半导体晶体中产生内电场，这会引起包括发光性能下降和结晶度劣化的问题。因此，近年来，已经尝试制造以提供零内电场的面(例如m面或a面)为主面的III族氮化物半导体发光器件。这种具有m面或a面主面的III族氮化物半导体发光器件特别适用于例如液晶面板的背光，这是因为该器件所发射的光在特定方向上被极化。
日本专利申请特开No.2008-109066公开了一种III族氮化物半导体发光器件，其主面是非极性面或半极性面，其中在具有MQW结构的发光层和p接触层之间设置有电子阻挡层，该电子阻挡层具有28nm的厚度并由Mg掺杂AlGaN形成。该电子阻挡层用来防止电子流入p型层，由此可以实现更高效率的电子流入发光层，从而得到改善的发光性能。
日本专利申请特开No.2006-36561公开了一种以所关注面为主面的III族氮化物半导体层的形成方法，该方法采用表面凹凸加工的蓝宝石衬底作为生长衬底。
因为不太可能将In引入以提供零内电场的面为主面的III族氮化物半导体层中，因此用于改善以提供零内电场的面为主面的III族氮化物半导体发光器件的发光性能的最优条件与用于改善具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的发光性能的最优条件不同。这也应用于在发光层上形成的电子阻挡层。然而，迄今为止，还没有对以提供零内电场的面为主面的电子阻挡层的最优结构进行详细研究。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的在于通过优化电子阻挡层的结构来改善以提供零内电场的面为主面的III族氮化物半导体发光器件的发光性能。
本发明的第一方面提供一种具有堆叠结构的III族氮化物半导体发光器件，包括n接触层、发光层、电子阻挡层和p接触层，所述层依次堆叠并且所述层均为以相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的面为主面的III族氮化物半导体层，其中所述电子阻挡层具有2～8nm的厚度并且由Al组成比例为15～35％的Mg掺杂AlGaN形成。下文中，％是指摩尔％(mol％)。
本文中所用的“III族氮化物半导体”包括由式AlxGayInzN(x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1)表示的半导体，这种半导体中的一部分Al、Ga或In被其它III族元素(即B或Tl)取代或者一部分N被其它V族元素(即P、As、Sb或Bi)取代。III族氮化物半导体的具体实例包括至少含Ga的III族氮化物半导体，例如GaN、InGaN、AlGaN和AlGaInN。通常，Si用作n型杂质，Mg用作p型杂质。
本文中所用的“相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层提供10％以下的内电场强度的面”(下文中，该面被称为“非极性面”)是指相对于与III族氮化物半导体的c面倾斜90°的无极性面(例如m面或a面)或相对于与所述半导体的c面倾斜约60°的半极性面(例如(11-22)面)倾斜5°以下的面。最优选的面是提供零内电场的面，即m面、a面或相对于c面倾斜约60°的面。如本文中所用的，通常设置在米勒指数分量上方的条线用紧接在该分量之前的符号“-”表示。本发明使用相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的III族氮化物半导体层。其原因在于当内电场下降至该范围内时，发光性能基本不下降并且可以防止发射波长向长波的移动。
为了进一步改善发光性能，电子阻挡层更优选具有下述Mg含量、Al组成比例以及厚度。电子阻挡层优选具有1×1019～1×1020cm-3的Mg含量。电子阻挡层更优选具有20％～30％的Al组成比例。电子阻挡层最优选具有4～6nm的厚度。
n接触层或p接触层可以是单层或者可以由多个层形成。可以在n接触层和发光层之间设置n覆层，也可以在n接触层和n覆层之间设置ESD层用于改善击穿电压。可以在电子阻挡层和p接触层之间设置p覆层。这些n覆层、ESD层和p覆层可具有在具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件中所使用的结构。
本发明的III族氮化物半导体发光器件可具有以下构型：p接触层的部分表面被蚀刻为暴露出n接触层并且在所暴露的n接触层上设置n电极，使得n电极和p电极在器件的同一侧面上；或者利用例如导电衬底作为生长衬底或在形成半导体晶片后移除生长衬底从而将n电极设置为在垂直于器件主面的方向上面对p电极，使得在垂直于器件主面的方向上在n电极和p电极之间实现电传导。
本发明的第二方面涉及根据本发明第一方面的III族氮化物半导体发光器件的具体实施方案，其中电子阻挡层具有4～6nm的厚度。
本发明的第三方面涉及根据本发明第一或第二方面的III族氮化物半导体发光器件的具体实施方案，其具有蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有一个凹凸加工的表面，其中所述堆叠结构设置在所述蓝宝石衬底的所述凹凸加工的表面上。
本发明的第四方面涉及根据本发明第一至第三方面中任一项的III族氮化物半导体发光器件的具体实施方案，其中相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的面为相对于m面、a面或相对c面倾斜60°的面倾斜5°以下的面。
根据本发明，因为电子阻挡层的构造如上，因此以相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的面为主面的III族氮化物半导体层表现出改善的发光性能。
附图说明
当结合附图参照优选实施方案的以下详述更好地理解本发明时，也就易于明白本发明的各种其它目的、特征和许多伴随的优点。
图1示出根据实施方案1的发光器件100的构造；
图2A～2F是示出用于制造根据本发明的发光器件100的方法的示意图；
图3是示出电子阻挡层13的厚度和发光强度之间的关系的图；
图4是示出p接触层14的生长温度和发光强度之间的关系的图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的具体实施方案。但是，本发明不限于这些实施方案。
实施方案1
图1示出根据实施方案1的发光器件100的构造。如图1所示，发光器件100包括蓝宝石衬底10；由n-GaN形成并沉积在蓝宝石衬底10上的n接触层11；具有MQW结构并沉积在n接触层11上的发光层12；沉积在发光层12上电子阻挡层13；沉积在电子阻挡层13上的p接触层14；p电极15；以及n电极16。蓝宝石衬底10具有a面主面，并且沉积在蓝宝石衬底10上的III族氮化物半导体堆叠结构20(包括n接触层11、发光层12、电子阻挡层13和p接触层14)具有m面主面。
蓝宝石衬底10是具有a面主面的衬底。蓝宝石衬底10在其一个表面上具有从上方观察排列为条带图案的多个凹坑17。每个凹坑17的底表面平行于蓝宝石衬底10的主面，并且每个凹坑17具有沿垂直于凹坑纵向的方向观察为矩形或梯形的截面。每个凹坑17的纵向对应于蓝宝石衬底10的m轴方向。
n接触层11由n-GaN形成并具有2×1019～2×1020cm-3的Si含量和3～8μm的厚度。n接触层11可由具有不同Si含量的多个层形成或者可以由Si含量连续变化的层形成。
发光层12具有MQW结构，其中由未掺杂InGaN形成的三个阱层和由GaN形成的三个势垒层交替沉积。
电子阻挡层13具有2～8nm的厚度并由Al组成比例为20～30％和Mg含量为6～8×1019cm-3的AlGaN形成。当该厚度小于2nm时，防止电子流入p接触层14的效果下降，并且发光性能劣化，因此其并不优选。相反，当该厚度大于8nm时，晶体品质下降，因此也不优选。
在具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的情况下，电子阻挡层的厚度必须增加至足以有效防止电子流至p接触层的高水平，这是因为器件受到内电场(压电场)的极大影响。而且，从减少p型层的应变以降低内电场影响的观点而言，电子阻挡层的厚度必须增加至足够的水平。相反，在根据实施方案1的发光器件100具有m面主面的情况下，电子阻挡层13的厚度不必增加，这是因为器件受到内电场的影响较小。如上所述，适合改善发光性能的电子阻挡层13的厚度为2～8nm，这不同于具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的电子阻挡层的厚度。
p接触层14具有40～100nm的厚度并由Mg含量为1×1019～1×1020cm-3的p-GaN形成。p接触层14可由具有不同Mg含量的多个层形成，或者可以形成为层的一部分的Mg含量以连续或步进的方式随着该部分与发光层12的距离增加而增加。
可以在n接触层11和发光层12之间设置n覆层，并且可以在电子阻挡层13和p接触层14之间设置p覆层。此外，可以在n接触层11和n覆层之间设置ESD层以增大静电击穿电压。
当该器件为面朝上型时，p电极15例如具有包括在p接触层14的几乎整个顶表面上形成的透明电极(例如ITO)和在该透明电极上形成的p焊盘电极在内的结构。当该器件为倒装芯片型时，p电极15由设置在p接触层14的几乎整个顶表面上的高反射金属膜(例如Ag合金)形成。
在p接触层14的部分表面上形成凹槽，使得该凹槽具有到达n接触层11的深度，并且在通过该凹槽底部暴露出的部分n接触层11上形成n电极16。对于n电极16的材料没有特别限制，只要其能够与III族氮化物半导体的m面表面低电阻接触即可。n电极16的材料可以是例如Ti/Al。
因此，由于电子阻挡层13构造如上，所以具有m面主面的根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件100表现出改善的发光性能。为了进一步改善发光性能，电子阻挡层13更优选具有下述厚度、Al组成比例和Mg含量。层13的厚度优选为4～6nm，最优选为5nm。层13的Al组成比例优选为15～35％，更优选为20～30％。层13的Mg含量更优选为3×1019～2×1020cm-3。
以下将说明用于制造根据实施方案1的发光器件100的方法。
首先，对a面蓝宝石衬底10的一个表面进行干蚀刻，由此形成从上方观察排列为条带图案的多个凹坑17。条带图案的方向对应于蓝宝石衬底10的m轴方向。每个凹坑17的底表面平行于蓝宝石衬底10的表面，并且每个凹坑17具有矩形或梯形截面(图2A)。
接着，在氢气氛中对蓝宝石衬底10加热进行热清洁。这种清洁修复由于形成凹坑17所导致的蚀刻损伤，而且还从蓝宝石衬底10的表面移除杂质或氧化物。
在将蓝宝石衬底10冷却至300至420℃之后，供应TMA(三甲基铝)，并用Al覆盖蓝宝石衬底10的暴露表面，由此形成Al薄膜。氢和氮的气体混合物用作载气。接着，停止供应TMA，供应载气和氨气，并将蓝宝石衬底10加热至1010℃。该过程在蓝宝石衬底10上形成AlN薄膜18(图2B)。AlN薄膜18用作缓冲层，促进在凹坑17的侧表面17a上的GaN晶体生长以及抑制在其它表面(包括凹坑17的底表面和未经蚀刻的蓝宝石衬底10的顶表面)上的GaN晶体生长。
然后，通过MOCVD进行n-GaN晶体生长。氢和氮的气体混合物用作载气，氨用作氮源，TMG(三甲基镓)用作Ga源，并且硅烷用作n型掺杂气体。在晶体生长的起始阶段，经由AlN薄膜18在凹坑17的侧表面17a上生长n-GaN，并且抑制其在其它表面上的生长。n-GaN晶体沿n-GaN晶体的c轴方向平行于蓝宝石衬底10的主面(即a面)和垂直于凹坑17的侧表面17a生长。生长的n-GaN晶体的a轴方向与凹坑17的纵轴方向即蓝宝石衬底10的m轴方向一致。随着晶体生长的进行，蓝宝石衬底10的整个顶表面逐渐被在凹坑17的侧表面17a上生长的n-GaN覆盖，并最终在蓝宝石衬底10上形成平坦的n-GaN的n接触层11(图2C)。该n接触层11具有m面主面，这是因为蓝宝石衬底10具有a面主面，并且凹坑17的纵轴方向为蓝宝石衬底10的m轴方向。
优选的是，用例如SiO2掩模覆盖每个凹坑17两侧的两个侧表面17a中的一个，然后进行n-GaN晶体生长。这是因为这样生长的GaN具有沿c轴的均匀极性(即+c或-c)，并且n接触层11表现出进一步改善的结晶度。
然后，通过MOCVD在n接触层11上交替沉积三个InGaN阱层和三个GaN势垒层，由此形成发光层12(图2D)。TMI(三甲基铟)用作In源。所用的载气、Ga源和N源气体均与形成n接触层11的情况相同。生长温度调节至700至800℃，这低于形成具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的发光层所采用的生长温度。其原因在于，与c面III族氮化物半导体的情况相比，In较不可能被引入m面III族氮化物半导体中。降低生长温度抑制了结晶度的劣化。
接着，通过MOCVD，在发光层12上形成AlGaN电子阻挡层13(Mg含量：6～8×1019cm-3，Al组成比例：20～30％，厚度：2～8nm)(图2E)。TMA用作Al源，Cp2Mg(二环戊二烯基镁)用作p型掺杂源。所用的载气、Ga源和N源气体均与形成n接触层11的情况相同。生长温度调节至850至950℃。
然后，通过MOCVD在电子阻挡层13上形成GaN的p接触层14(Mg含量：1×1019～1×1020cm-3)(图2F)。所用的载气、Ga源、N源和掺杂气体均与形成电子阻挡层13的情况相同。生长温度调节至900至950℃。由于发光层12在低于具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的发光层所采用的生长温度的温度下生长，所以p接触层14也相应地在低温下生长，从而减少了对发光层12的损伤并改善了发光性能。
接着，通过剥离工艺在p接触层14的特定区域上形成p电极15。对p接触层14的一部分进行干蚀刻，由此暴露出n接触层11的一部分。通过剥离工艺在n接触层11的所暴露的部分上形成n电极16。这些工艺制造出如图1中所示的根据实施方案1的发光器件100。
图3是示出当发光器件100在20mA下运行时电子阻挡层13的厚度与发光强度之间的关系的图。电子阻挡层13具有25％的Al组成比例并在910℃温度下生长。对发光强度(纵轴)进行归一化，将在电子阻挡层13的厚度为
Figure BSA00000465123800081
的情况下测量的发光强度记为1。如图3清楚所示，当电子阻挡层13的厚度为或
Figure BSA00000465123800083
时，得到1.05以上的发光强度。如图3清楚所示，当电子阻挡层13的厚度为零时，即当不提供电子阻挡层13时，发光强度下降至0.99。由此，如图3所示，认为电子阻挡层13的厚度优选为
Figure BSA00000465123800084
最优选为
Figure BSA00000465123800085
图4是示出当发光器件100在20mA下运行时p接触层14的生长温度与发光强度之间的关系的图。对发光强度进行归一化，将在p接触层14在1000℃下生长的情况下测量的发光强度记为1。如图4清楚所示，随着生长温度下降，发光性能得到改善，并且p接触层14最优选在约900℃下生长。该生长温度比形成具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的p接触层所采用的温度要低50℃以上。因此，可以通过降低p接触层14的生长温度来改善发光性能。可以认为，其原因在于，由于In较不可能被引入m面III族氮化物半导体中，所以发光层12必须在低于具有c面主面的常规III族氮化物半导体发光器件的发光层的生长温度的温度下生长。可以认为，因为发光层12在低温下生长并且p接触层14也相应地在低温下生长，所以减少了对发光层12的损伤并显著改善了发光性能。
III族氮化物半导体发光器件的构造不限于实施方案中所述。例如，发光器件可以具有其中电极设置在通过例如激光剥离法移除生长衬底所暴露出的n型层表面上的构造，使得在垂直方向上实现电传导。
在前述实施方案中，使用凹凸加工的蓝宝石衬底作为生长衬底，并且在生长衬底上生长具有m面主面的III族氮化物半导体层。但是，生长衬底可以是m面GaN衬底。
实施方案1说明了利用凹凸加工的蓝宝石衬底作为生长衬底来制造具有m面主面的III族氮化物半导体发光器件的方法。但是，本发明不限于该方法。本发明也可以应用于利用凹凸加工的蓝宝石衬底作为生长衬底来制造另一种III族氮化物半导体发光器件的方法，其中其主面为提供零内电场的面，即相对于c面倾斜90°的面(例如a面)或者相对于c面倾斜约60°的面(例如(11-22)面)。这种发光器件的主面可以是相对于m面、a面或(11-22)面倾斜5°以下的面。这种发光器件的主面不必一定是提供零内电场的面，也可以是相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的面。
本发明的III族氮化物半导体发光器件可以用于例如显示设备或照明设备中。

Claims (7)

1.一种具有堆叠结构的III族氮化物半导体发光器件，所述堆叠结构包括n接触层、发光层、电子阻挡层和p接触层，所述层依次堆叠并且所述层均为以相对于具有c面主面的III族氮化物半导体层的内电场强度提供10％以下的内电场强度的面为主面的III族氮化物半导体层，
其中所述电子阻挡层具有2～8nm的厚度并由Al组成比例为20～30％的Mg掺杂AlGaN形成，
所述堆叠结构沉积在蓝宝石衬底的a面主面上，并且
所述n接触层、所述发光层和所述电子阻挡层具有平行于所述蓝宝石衬底的a面主面的m面主面。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述电子阻挡层具有4～6nm的厚度。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其具有蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有一个凹凸加工表面，其中所述堆叠结构设置在所述蓝宝石衬底的所述凹凸加工表面上。
4.根据权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其具有蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有一个凹凸加工表面，其中所述堆叠结构设置在所述蓝宝石衬底的所述凹凸加工表面上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光器件，其中在所述蓝宝石衬底的a面主面上平行地形成有排列为条带图案的多个凹坑，所述条带图案沿所述蓝宝石衬底的m轴方向延伸，所述蓝宝石衬底的m轴方向与所述凹坑的纵向一致。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光器件，其中在所述蓝宝石衬底上形成有薄AlN膜。
7.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体发光器件，其中在所述蓝宝石衬底上形成有薄AlN膜。
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