CN102842657A - 用于制造iii族氮化物半导体发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了呈现出改善的光提取性能的III族氮化物半导体发光器件。在制造方法中，在30kPa压力和1.5×1020/cm3的Mg浓度下通过MOCVD法在发光层上形成p-AlGaN的p覆盖层。在具有III族元素极性的晶体中形成具有氮极性的多个区域，从而p覆盖层在其表面上具有六角形柱状凹凸形状。随后，通过MOCVD方法在p覆盖层上沿着该凹凸形状以膜的形式形成GaN的p接触层。

Description

用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法
技术领域
本发明涉及用于制造呈现出改善的光提取性能的III族氮化物半导体发光器件的方法。
背景技术
为了改善III族氮化物半导体发光器件的光提取性能，已经提出了用于在光输出表面上设置凹凸形状的方法。
在用于设置凹凸形状的已知方法中，使用了极性反转(reversedpolarity)层。III族氮化物半导体通常沿+c轴方向生长并因此具有III族元素极性。然而，极性反转层至少包括具有与III族元素极性相反的氮极性的部分。可以通过在晶体中掺杂高浓度Mg来形成极性反转层。(例如，参考日本专利申请公开(特开)No.2003-101149)
日本专利申请公开(特开)No.2009-49395公开了在p覆盖层上形成p-GaN层，在p-GaN层上形成极性反转层，以及通过湿法蚀刻所述极性反转层(即，具有氮极性的区域)而形成凹凸形状。
在日本专利申请公开(特开)No.2010-62493中，在包含具有III族元素极性的III族氮化物半导体的p型第一半导体层上形成极性反转层。在所述极性反转层上形成包含具有氮极性的III族氮化物半导体的p型第二半导体层，以及通过湿法蚀刻所述第二半导体层的表面而形成凹凸形状。还公开了具有III族元素极性的第一半导体层起蚀刻阻挡层的作用以防止第二半导体被过度蚀刻。
其它已知方法包括用于通过加工来设置凹凸形状的方法或利用通过在具有大的斜角(off-angle)的衬底上的阶梯生长(step growth)而形成的阶梯的方法。
然而，在日本专利申请公开(特开)No.2009-49395和No.2010-62493中公开的方法至少需要用于形成极性反转层的工艺和用于湿法蚀刻的工艺。因此，由于多个工艺，该制造是复杂的，从而导致生产成本增加。
用于通过加工来设置凹凸形状的方法需要特定的晶体生长之后的工艺，从而导致生产成本增加。此外，因为III族氮化物半导体具有高的硬度，所以依然存在一些晶体损伤并且需要特殊的蚀刻。作为顶面的p接触层需要很厚以便加工。然而，p型III族氮化物半导体很难在保持好的结晶度的同时生长为很厚的。
在利用阶梯生长的方法中，在沉积于衬底上的所有层上形成凹凸形状。这会减小界面的陡度并降低光提取性能。当衬底的斜角增大时，存在结晶度显著降低的问题。
发明内容
鉴于前述内容，本发明的目的是在III族氮化物半导体发光器件的光输出表面上容易地形成凹凸形状。
在本发明的第一方面中，提供了用于制造具有p覆盖层和p接触层的III族氮化物半导体发光器件的方法，其中，通过Mg掺杂的晶体生长使晶体的至少一部分的极性反转从而形成所述p覆盖层使得在所述p覆盖层上具有凹凸形状，并且在所述p覆盖层上沿着所述凹凸形状形成所述p接触层。
如本申请中所用，“III族氮化物半导体”涵盖以式AlxGayInzN(x+y+z＝1，0≤x、y，z≤1)表示的半导体；其中Al、Ga、或In部分由另外的13族元素(如B或Tl)取代的这种半导体，或其中N部分由另外的15族元素(如P、As、Sb或Bi)取代的这种半导体。通常，Si用作n型杂质，而Mg用作p型杂质。所述III族氮化物半导体的具体实例包括至少包含Ga的那些，如GaN、InGaN、AlGaN和AlGaInN。
III族氮化物半导体具有III族元素极性(与晶体c轴垂直的表面是+c面)和氮极性(与晶体c轴垂直的表面是-c面)。在本发明中，“极性反转”是指在具有III族元素极性的晶体的至少一部分(多个微区)中形成N极性区域的情况。
优选地，p覆盖层具有1.2×1020/cm3或更高的Mg浓度。这是因为当凸部密度高且凹部深度和凸部高度大时，可以进一步改善光提取性能。而且，p覆盖层优选具有1×1021/cm3或更低的Mg浓度。当Mg浓度较高时，p覆盖层的结晶度劣化。更优选地，p覆盖层具有1.2×1020/cm3到5×1020/cm3的Mg浓度。Mg浓度通过以下方式确定：预先在以平坦膜而不是以凹凸形状形成p覆盖层时获得Mg掺杂量与Mg原料气供应量之间的比例关系，并基于Mg原料气供应量通过所测量的比例关系来进行计算。
优选地，p覆盖层在1kPa至到100kPa的压力下生长。当压力落在这一范围时，可以形成凹凸形状以使得凸部密度高且凹部深度和凸部高度大，从而导致光提取性能的改善。更优选地，压力为5kPa至70kPa。
带隙大于发光层带隙的任何材料均可用于p覆盖层。优选地，使用AlGaN。此外，p覆盖层可以包括多个层和单个层。p接触层可以包括多个层和单个层。
本发明的第二方面为根据第一方面的制造方法的特定实施方案，其中所述p覆盖层中的Mg掺杂量为1.2×1020/cm3或更多。
本发明的第三方面为根据第一或第二方面的制造方法的特定实施方案，其中所述p覆盖层由AlGaN形成。
本发明的第四方面为根据第一至第三方面的任一方面的制造方法的特定实施方案，其中所述p覆盖层在1kPa到100kPa的压力下生长。
本发明可以容易地形成凹凸形状以改善光提取性能。因此，可以降低生产成本。
附图说明
参照下面的优选实施方案的详细描述，并且当结合附图考虑时，本发明的多个其它目的、特征和许多附带的优势将变得更好理解，其中：
图1示出了根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件的结构；
图2A、2B和2C示出了用于制造根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件的方法；
图3A、3B、3C、3D、3E和3F是示出p接触层16的表面的原子力显微镜(AFM)图像(照片)；以及
图4是示出p覆盖层15的Mg浓度与光输出之间的关系的图。
具体实施方式
接下来，将参照附图描述本发明的特定实施方案。然而，本发明并不限于所述实施方案。
实施方案1
图1示出了根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件的结构。根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件具有蓝宝石衬底10。在蓝宝石衬底10上，经由AlN缓冲层(未示出)依次形成有：由4μm厚的n-GaN形成的n型接触层11；由300nm厚的i-GaN和30nm厚的n-GaN形成的静电耐压(ESD)层12；约64nm厚的多层型n覆盖层13，在该n覆盖层13中沉积有15个层单元，每一单元均由i-InGaN、i-GaN和n-GaN形成；以及具有多量子阱(MQW)结构的发光层14，在该发光层14中，3nm厚的InGaN阱层和4nm厚的GaN阻挡层交替沉积八次。在发光层14上，依次形成有由12nm厚的p-AlGaN形成的p覆盖层15以及由72nm厚的p-GaN形成的p接触层16。p接触层16具有8×1019/cm3的Mg浓度。在p接触层16的顶面的一部分中形成深度从p接触层16的顶面延伸至n接触层11的沟槽。在沟槽底部暴露的n接触层11表面上形成n电极19。在p接触层16的没有沟槽的表面部分形成氧化铟锡(ITO)透明电极17。在透明电极17上形成p电极18。
如本申请中所用，因为晶体生长结构因随后所描述的凹凸形状的形成而发生变化，所以p覆盖层15的厚度指的是形成平坦膜时的厚度。
p覆盖层15的表面具有凹凸形状，在该凹凸形状中观察到多个六角形柱体。沿着凹凸形状以膜的形式形成p接触层16。p接触层16表面也具有凹凸形状。根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件由于凹凸形状而呈现出改善的光提取性能。
接下来，将描述用于制造根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件的方法。
首先，在具有c面主面的蓝宝石衬底10上，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法形成AlN缓冲层(未示出)。经由缓冲层，依次形成n接触层11、ESD层12、n覆盖层13和发光层14(图2A)。采用的气体如下：氢气或氮气(H2或N2)作为载气；氨气(NH3)作为氮源；TMG(三甲基镓)作为Ga源；TMA(三甲基铝)作为Al源；TMI(三甲基铟)作为In源；以及硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂气体。
随后，在发光层14上，在30kPa压力和850℃温度下通过MOCVD法形成p-AlGaN的p覆盖层15(图2B)。Mg浓度为1.5×1020/cm3。采用与上面所提到的相同的载气和原料气。双环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)用作p型掺杂剂气体。从而，在具有III族元素极性的晶体中形成多个氮极性区域，由此，p覆盖层15的表面具有六角形柱状凹凸形状。因为通过掺杂过量Mg形成极性反转层并且Al很容易在低压生长中结合到晶体中，所以认为形成了这种凹凸形状。
为了在p覆盖层15的表面上形成上述凹凸形状，压力并不必需是上面的值。优选地，压力低于常压。更优选地，压力在1kPa到100kPa的范围，进一步优选地，在5kPa到70kPa的范围。此外，优选地，Mg浓度为1×1021/cm3或更低。当Mg浓度高于此浓度时，结晶度劣化，这是不期望的。更优选地，p覆盖层15具有1×1020/cm3到10×1020/cm3的Mg浓度，进一步优选地，具有1.2×1020/cm3到5×1020/cm3的Mg浓度。
随后，在p覆盖层15表面上沿着凹凸形状通过MOCVD法以膜的形式形成GaN p接触层16(图2C)。压力是常压，且Mg浓度为8×1019/cm3。采用与形成p覆盖层15中的那些相同的载气、原料气和掺杂剂气体。从而，形成了p接触层16同时保留了p覆盖层15的凹凸形状。
接下来，在p接触层16的一部分上形成透明电极17。在p接触层16表面的除了透明电极17外的部分中形成具有到达n接触层11的深度的沟槽。在沟槽的底部形成n电极19，并且在透明电极17上形成p电极18。通过上述内容，制造了如图1所示的根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件。
在根据实施方案1的III族氮化物半导体发光器件中，使用极性反转层形成凹凸形状以改善光提取性能。但是，不需要常规的后续工序，如湿法蚀刻。通过仅改变Mg原料气供应量形成了凹凸形状。因此，简化了制造方法，使得凹凸形状可以很容易地形成并且可以降低生产成本。
图3A至图3F是示出p接触层16表面的AFM图像(照片)。图3A是当p覆盖层15具有0.9×1020/cm3的Mg浓度时的图像，图3B是1.2×1020/cm3时的，图3C是1.5×1020/cm3时的，图3D是1.8×1020/cm3时的，图3E是2.1×1020/cm3时的，图3F是2.4×1020/cm3时的。每一个AFM图像示出20μm×20μm的范围。Mg浓度通过以下方式确定：预先在以平坦膜形成p覆盖层时获得Mg掺杂量与Mg原料气供应量之间的比例关系，并以基于Mg原料气供应量通过所测量的比例关系进行计算。如从图3A清楚看到的，当p覆盖层15具有0.9×1020/cm3的Mg浓度时，表面是平坦的。然而，随着Mg供应量增加，表面平坦度劣化且凹部的深度和凸部的高度增加，如图3A至3F所示。在图3C至3F中，凹凸密度高于图3A和3B中的凹凸密度。还发现随着Mg供应量增加，凹凸形状的六角形柱状变得清楚。优选地，凹凸密度高且凹部深度和凸部高度大，以改善光提取性能。然而，如从图3A到3F中所预期的，p覆盖层15可以具有1.2×1020/cm3或更高的Mg浓度。
图4是示出p覆盖层15的Mg浓度与光输出之间的关系的图。光输出以垂直于衬底的方向传播。从图4明显地看出，随着Mg浓度增加，光输出被提高。特别地，当Mg浓度为1.8×1020/cm3或更高时，与当Mg浓度为0.9×1020/cm3时(当p覆盖层15表面平坦时)相比，光输出可以提高约20％。
研究已表明：当改变p覆盖层15的Mg浓度时，正向电压无显著变化。因此，即使通过增加Mg浓度来增加凹部深度和凸部高度，仍在发光层14的整个表面上形成了p覆盖层15。所以，认为在发光层14上没有区域未形成p覆盖层15。
根据实施方案1的发光器件使用AlGaN用于p覆盖层15。然而，本发明并不限于此。本发明的发光器件可使用带隙高于发光层14的带隙的任何III族氮化物半导体。此外，p覆盖层15可以包括多个层而不是单个层。当沿着凹凸形状以膜的形式形成p接触层16时p接触层16可以包括多个层。
本发明的典型特征是p覆盖层15和p接触层16的制造方法。其它层可以以任何已知的结构和制造方法提供。例如，n接触层11可包括具有不同Si浓度的多个层，或者p接触层16可以包括具有不同Mg浓度的多个层。此外，除了蓝宝石衬底10外还可以使用SiC、Si、ZnO、尖晶石或GaN衬底。在衬底上可以形成诸如条纹图案或点图案之类的凹凸形状。
通过本发明的方法制造的III族氮化物半导体发光器件可以用作照明设备。

Claims (9)

1.一种用于制造具有p覆盖层和p接触层的III族氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：
通过Mg掺杂的晶体生长使晶体的至少一部分的极性反转从而形成所述p覆盖层使得在所述p覆盖层上具有凹凸形状；并且
在所述p覆盖层上沿着所述凹凸形状形成所述p接触层。
2.根据权利要求1所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述p覆盖层中Mg的掺杂量为1.2×1020/cm3或更多。
3.根据权利要求2所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述p覆盖层中Mg的掺杂量为1×1021/cm3或更少。
4.根据权利要求1所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述p覆盖层中Mg的掺杂量为1×1020/cm3至10×1020/cm3。
5.根据权利要求1所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述p覆盖层中Mg的掺杂量为1.2×1020/cm3至5×1020/cm3。
6.根据权利要求1所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述p覆盖层中Mg的掺杂量为1.2×1020/cm3至2.4×1020/cm3。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p覆盖层由AlGaN形成。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p覆盖层在1kPa至100kPa的压力下生长。
9.根据权利要求7所述的用于制造III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p覆盖层在1kPa至100kPa的压力下生长。
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