CN103681993B - 用于制造第iii族氮化物半导体发光器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，在该方法中p型覆层具有均一的Mg浓度。p型覆层具有其中交替和重复地沉积AlGaN和InGaN的超晶格结构，并且在其中Mg掺杂剂气体的供给量不同的前过程和后过程的两个阶段中形成。在后过程中Mg掺杂剂气体的供给量是前过程中的一半或更少。在前过程中的第一p型覆层的厚度为是p型覆层的60%或更少，并且为或更小。

Description

用于制造第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第III族氮化物半导体发光器件的方法，其特征在于用于形成p型覆层的方法。

背景技术

迄今，在第III族氮化物半导体发光器件中，在发光层和p型接触层间已经形成掺杂Mg的p型覆层以防止电子越过发光层泄露到p型接触层的侧面，这样将电子限制在发光层中。

在p型覆层的晶体生长中，Mg从开始供应原料起被逐渐引入晶体中。Mg不是以目标浓度被立即引入晶体中(参考日本公开特许公告(特开)号2002-198314，具体的图5)。当在恒定的Mg掺杂剂气体的供给量下形成p型覆层时，Mg浓度分布形成为使得Mg浓度在p型覆层的发光层侧附近低，并且从发光层侧朝p型接触层侧逐渐增加(参考图7)。这样的Mg浓度分布在p型覆层中引起不均匀的载流子分布。不均匀的载流子分布影响到发光层中的空穴注入，从而对器件特性如发光性能产生不利影响。此外，由于Mg浓度在p型覆层的p型接触层侧高，所以可能由于过度掺杂而导致晶体缺陷。

已经公开了一项涉及控制Mg浓度和Mg供给量的技术，例如，在日本公开特许公告(特开)第2006-313890和2009-164489号中公开的。

日本公开特许公告(特开)第2006-313890号公开了在掺杂Mg的第III族氮化物半导体在载气中的氢含量大于氮含量的气氛中生长后，停止供应第III族原料气体，并且掺杂Mg的第III族氮化物半导体在载气中的氮含量大于氢的气氛中再生长。公开了与再生长之前相比，第III族氮化物半导体中的Mg浓度在再生长之后急剧增加。

日本公开特许公告(特开)第2009-164489号公开了一种低电阻的p型超晶格结构(其中交替沉积AlGaN和GaN)可以通过在形成AlGaN时停止供应Mg原材料气体并在生长GaN时以比GaN生长时间更短的时间供给Mg原材料气体来形成。

如上所述，用于制造p型覆层的常规方法存在如下问题:在p型覆层中的Mg浓度分布不均匀，由此对器件特性产生不利影响。

日本公开特许公告(特开)第2002-198314号公开了形成这样的不均匀的Mg浓度分布。然而，没有关于消除这样的不均匀性的方法的描述和建议。

日本公开特许公告(特开)第2006-313890和2009-164489号没有公开和建议这样的不均匀的Mg浓度分布及其消除方法。

发明内容

鉴于前述内容，本发明的一个目的是消除p型覆层中的Mg浓度分布的不均匀性，并且防止不均匀的载流子分布。

本发明是用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述半导体发光器件具有在发光层上由包含Al的第III族氮化物半导体形成的P型覆层，其中形成p型覆层通过前过程和后过程来形成，所述前过程用于通过MOCVD在发光层上形成第一p型覆层，所述后过程用于通过MOCVD在第一p型覆层上形成第二p型覆层，并且在后过程中的Mg掺杂剂气体的供给量是在前过程中的供给量一半或更少。

本文所使用的“包含Al的第III族氮化物半导体”涵盖由式Al_xGa_yIn_zN(x+y+z＝1，0＜x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的半导体，例如AlN、AIGaN、AlInN和AlGaInN。第III族氮化物半导体的特定实例包括含有Ga的那些，例如AIGaN或AlGaInN。

p型覆层可包括单层或多层，并且还具有超晶格结构。它们包含在本发明的“由包含Al的第III族氮化物半导体形成的p型覆层”中。当p型覆层包含不具有超晶格结构的多层时，这些层中的至少一层可以是包含Al的第III族氮化物半导体。当p型覆层有超晶格结构时，构成一个层单元的多层中的至少一层可由包含Al的第III族氮化物半导体包形成。例如，p型覆层可包含AlGaN或AlGaInN单层，或者具有其中交替和重复沉积AlGaN和InGaN的超晶格结构。

由于在前过程中的Mg掺杂剂气体的供给量比在后过程中增加得多，所以Al难以被引入晶体中，并且第一p型覆层的Al组成比降低。因此，优选的是通过与在后过程中相比在前过程中增加1%至10%的Ａl原料气体供给量来抑制Al组成比的减少。而且，第一p型覆层的Al组成比优选为5摩尔%至50摩尔%，并且大于第二p型覆层的Al组成比。

本文所用的“Al组成比”定义为当第III氮族半导体的第III族金属中所有第III族原子的摩尔百分比是100摩尔%时的Al摩尔百分比(摩尔%)。即1OOx(％)是由式Al_xGa_yIn_zN(x+y+z=1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的第III氮族半导体中的Al组成比。

前过程和后过程可包括其中Mg掺杂剂气体的供给量不同的多个过程。这种情况下，后过程中的Mg掺杂剂气体的平均供给量可以是前过程中的一半或更少。在满足上述条件的范围内，可以连续或阶梯式改变Mg掺杂剂气体的供给量。例如，当p型覆层具有其中AlGaN和InGaN交替并重复地沉积的超晶格结构时，可以在形成AlGaN层和InGaN层时供给Mg掺杂剂气体，或者仅在形成AIGaN层时供给Mg掺杂剂气体以满足前过程和后过程中Mg掺杂剂气体的供给量的条件。

p型覆层优选具有或更大的厚度。这是因为，当厚度小于时，它不足以充当覆层。厚度优选为或更小。这是因为，当厚度大于时，结晶度变差。更优选地，p型覆层具有至的厚度。

第一p型覆层的厚度优选为P型覆层厚度的60%或更少，为或更小。这样的厚度可以使得在p型覆层中不发生因为Mg掺杂引起的缺陷。更优选地，第一p型覆层的厚度优选为p型覆层厚度的50%或更少，为或更小。

在后过程中Mg掺杂剂气体的供给量控制为在前过程中的一半或更少，以实现在p型覆层不发生晶体缺陷的Mg浓度(考虑到由于记忆效应(memoryeffect)引起的Mg掺杂)。可以通过例如Mg掺杂剂气体的摩尔分压或流量来控制Mg掺杂剂气体的供给量。在后过程中的Mg掺杂剂气体的供给量可以为0。这是因为，即使供给量为0，由于记忆效应，第III氮族半导体也掺杂有Mg。在后过程中的Mg掺杂剂气体的供给量优选为前过程中的四分之一或更少。此外，优选地，在前过程和后过程中供给Mg掺杂剂气体，使得总p型覆层中的平均Mg浓度为１×10¹⁹/cm³至5×10²⁰/cm³。这样的总p型覆层的平均Mg浓度不影响器件特性，即使p型覆层通过改变Mg掺杂剂气体供给量以两个阶段来形成也是如此。更优选地，Mg浓度为1.0×10²⁰/cm³至2.0×10²⁰/cm³。

根据本发明，在p型覆层的厚度方向上实现了均一的Mg浓度，由此消除了p型覆层中的载流子分布的不均匀性。这样，由不均匀的载流子分布引起的对发光层中的空穴注入效率的不良影响减少，并且对器件特性如发光性能的不良影响减少。

附图说明

由于本发明的多种其它目的、特征以及许多伴随的优点在结合附图考虑以及参考下列详细描述的优选实施方案时变得更好理解，所以它们将变得容易理解，在附图中:

图1示出根据实施方案1的发光器件的结构;

图2示出p型覆层16的结构;

图3示出p型覆层17的结构;

图4A至4C为示出根据实施方案1制造发光器件的过程的示意图;

图5A和5B为示出用于形成p型覆层16的过程的示意图;

图6为示出根据实施方案1的形成方法的Mg浓度分布的曲线图;以及

图7为示出根据常规形成方法的Mg浓度分布的曲线图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于实施方案。

实施方案1

图1示出根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的结构。

如图1所示，发光器件包括蓝宝石衬底10、n型接触层12、nESD层13、n型覆层14、发光层15、p型覆层16和p型接触层17，它们经由AlN缓冲层(未示出)依次沉积在蓝宝石衬底10上。

此外，在特定的区域上设置从p型接触层17的顶表面向n型接触层12延伸的沟槽，并且在沟槽底部露出的n型接触层12上形成n型电极18。在p型接触层17上，形成ITO(铟锡氧化物)的透明电极19，并且在透明电极19上形成p型电极20。用SiO₂保护膜覆盖发光器件的除了p型电极20和n型电极18的部分(未示出)。提供该保护膜是为了防止电流泄露或短路。根据实施方案1的发光器件是正装芯片型(face-uptype)，其中从p型电极20侧的表面处提取光。

下面将详细描述根据实施方案1的发光器件的结构。

蓝宝石衬底在其中第III族氮化物半导体进行晶体生长一侧的表面上具有以周期性图案(例如条带或点)形成的凹陷和突起(未示出)。形成这些凹陷和凸起是为了提高光提取性能。生长衬底可以由除蓝宝石之外的例如SiC、Si、ZnO、尖晶石、GaN或Ga_２O_３形成。

n型接触层12由Si浓度为1×10¹⁸/cm³或更高的n-GaN形成。n型接触层12可包含具有不同Si浓度的多层。当一些层具有更高的Si浓度且接触n型电极18，n型电极18的接触电阻可以进一步降低，而不使n型接触层12的结晶性变差。

nESD层具三层结构，即第一ESD层、第二ESD层和第三ESD层，它们以该顺序沉积在n型接触层12上。第一ESD层在其发光层15侧的表面上具有凹坑(凹坑密度:1×10⁸/cm²或更小)。第一ESD层由厚度为200nm至1000nm且Si浓度为1×10¹⁶/cm³至5×10¹⁷/cm³的GaN形成。第二ESD层在其发光层15侧的表面上具有凹坑(凹坑密度:2×10⁸/cm²或更多)。第二ESD层由厚度为50nm至200nm且载流子浓度为5×00¹⁷/cm³或更小的GaN形成。第三ESD层由特征值为0.9×10²⁰(nm/cm³)至3.6×10²⁰(nm/cm³)的GaN形成，所述特征值定义为Si浓度(/cm³)和厚度(nm)的乘积。这样的SD层结构可以改善静电击穿电压、发光性能和可靠性，并且减少电流泄露。

n型覆层14具有其中多个层单元重复沉积的超晶格结构，每个层单元均具有顺序沉积的未掺杂InGaN、未掺杂GaN和n型GaN的三层结构。

发光层15具有其中多个层单元重复沉积的MQW结构，每个层单元均包括依次沉积的InGaN阱层、GaN覆层和AIGaN势垒层。在与用于阱层的温度相同的温度下形成覆层以防止在用于形成势垒层的加热期间In从阱层蒸发。可以在发光层15和p型覆层16之间形成包含未掺杂InGaN和未掺杂GaN的层以防止Mg从p型覆层16扩散至发光层15。

p型覆层16具有其中复合重复沉积多个层单元的超晶格结构，每个层单元包含依次沉积的AlGaN层16a和InGaN层l6b这两个层(参考图2)。相对于总的第III族原子的摩尔数，InGaN的In组成比为大于0摩尔%且小于或等于10摩尔%。相对于总的第III族原子的摩尔数，AlGaN的Al组成比为大于0摩尔%且小于或等于100摩尔%。P型覆层的厚度为至当厚度小于时，它不能充分用作覆层(其功能为限制载流子进入发光层中以改进发光性能)，因此不是优选的。当厚度大于时，结晶度变差，这也不是优选的。p型覆层16通过后面描述的形成方法而在p型覆层16的厚度方向上具有均一的Mg浓度分布。总的p型覆层16具有1×10¹⁹/cm³至5×10²⁰/cm³的平均Mg浓度。

p型覆层16不一定具有超晶格结构，而是可以包含多层或单层，例如Mg掺杂的AlGaN的单层。在上述超晶格的情况下，除了AlGaN和InGaN的两层之外，每个层单元可包括AlGaN和GaN层的两层或AlGaN、GaN和InGaN的三层。

如图3所示，p型接触层17具有在p型覆层16上依次沉积第一p型接触层17a、第二p型接触层17b和第三p型接触层17c的三层结构。第一p型接触层17a由p-GaN形成，且厚度为至Mg浓度为1.0×10¹⁹/cm³至3.0×10¹⁹/cm³。第二p型接触层17b由p-GaN形成，且厚度为至Mg浓度为7.0×10¹⁹/cm³至2.0×10²⁰/cm³。第三p型接触层17c由p-GaN形成，且厚度为至Mg浓度为7.0×10¹⁹/cm3至2.0×10²⁰/cm³。这样的p型接触层17的结构可以同时降低接触电阻和驱动电压。

p型接触层17的结构不限于以上结构，而是可以使用任意常规已知的结构，例如单层。在多层的情况下，组成比可以改变。第一p型接触层17a可通过供应Mg掺杂剂气体来形成，或者可以在不供给Mg掺杂剂气体的情况下由于记忆效应而通过自发掺杂Mg来形成。

由ITO制造的透明电极19形成在p接触层17的几乎整个表面上。透明电极19可以由例如透明氧化物导电材料如不同于ITO的ICO(掺杂铈的氧化铟)、IZO(掺杂锌的氧化铟)、ZnO、TiO₂、NbTiO₂、TaTiO₂、金属薄膜如Co/Au、Au或石墨。

n型电极18和p型电极20可具有包括连接导线的焊垫和连接焊垫的布线图案的结构，所述布线图案在n型接触层12和透明电极19的每个表面上(例如以格子状图案、梳齿状图案或放射状图案)延伸。这样的结构可以改善电流扩散，由此获得均一的发光。

下面将根据参考图4A至4C描述根据实施方案1的用于制造发光器件的过程。

首先，制备在其上有凹陷和突起的蓝宝石衬底10，并在氢气氛中加热以清洁表面(图4A)。

随后，在蓝宝石衬底上，通过大气压MOCVD，在蓝宝石衬底10上依次沉积AlN缓冲层(未显示)、n型接触层12、nESD层13、n型覆层14、发光层15和p型覆层16(图4B)。在MOCVD中使用的原材料气体如下:作为氮源的氨气(NH₃);作为Ga源的三甲基镓(Ga(CH₃)₃);作为In源的三甲基铟(In(CH₃)₃);作为Al源的三甲基铝(Al(CH₃)₃);作为Si掺杂气体的硅烷(SiH₄);作为Mg掺杂气体的环戊二烯基镁(Mg(C₅H₅)₂);和作为载气的氢气(H₂)和氮气(N₂)。

在此处，p型覆层16在前过程和后过程的两个阶段中形成，如参考下图5A和5B所解释的。

[前过程]

首先，通过大气压MOCVD在发光层15上形成第一p型覆层161(图5A)。在第一p型覆层161中，在800℃至950℃的温度下形成AlGaN层16a，并且在800℃至950℃的温度下形成InGaN层l6b。第一p型覆层161形成为具有或更小、优选或更小的厚度。

[后过程]

随后，通过大气压MOCVD在第一p型覆层161上形成第二p型覆层162(图5B)。因而，形成了包含第一p型覆层161和第二p型覆层162的p型覆层16。生长温度与形成第一p型覆层161时的生长温度相同。在此处，形成第二p型覆层162时的Mg掺杂剂气体的摩尔分压控制为形成第一p型覆层161时的一半或更少。以该方式控制Mg掺杂剂气体的供给量可以实现在p型覆层中不发生晶体缺陷的Mg浓度(考虑到由于记忆缺陷导致的Mg掺杂)。更优选地，形成第二p型覆层162时的Mg掺杂剂气体的摩尔分压为形成第一p型覆层161时的四分之一或更小。此外，优选地，Mg掺杂剂气体的供给量在前过程和后过程中控制为使得总的p型覆层16的平均Mg浓度为１×１０^１９/cm^３至5×１０^２０/cm^３。

第二p型覆层162形成为具有为总的p型覆层16的厚度的40%或更多的厚度。也就是说，第一p型覆层161的厚度是总的p型覆层16的厚度的60%或更少、优选50%或更少。第一p型覆层161形成为具有或更少的厚度，且为p型覆层的厚度的60%或更少，由此获得在经Mg掺杂的p型覆层16中不发生晶体缺陷的厚度。第一p型覆层161和第二p型覆层162的总厚度即p型覆层的总厚度为至

在上述提到的前过程和后过程中，通过Mg掺杂剂气体的摩尔分压来控制Mg掺杂剂气体的供给量。然而，也可通过控制Mg掺杂气体的流量来控制。尽管在前过程和后过程中的生长温度可以不同，但是就简化生产流程而言优选是相同的。

当形成p型覆层16时，在形成p型覆层16的AlGaN层１6a和InGaN层16b时在上述提到的前过程和后过程中供给Mg掺杂剂气体。然而，可只在形成AlGaN层l6a时供给Mg掺杂剂气体。在前过程中，可以在形成AlGaN层１6a和InGaN层１6b时供给Mg掺杂剂气体，在后过程中，可只在形成AlGaN层l6a时供给Mg掺杂剂气体。或者，在前过程中，可只在形成AlGaN层１6a时供给Mg掺杂剂气体，在后过程中，可以在形成AlGaN层１6a和InGaN层１6b时供给Mg掺杂剂气体。在后过程中形成AlGaN层l6a和InGaN层l6b的层单元时Mg掺杂剂气体的供给量应当为在前过程中形成ＡlGaN层16a和InGaN层l6b的层单元时的一半或更少。

当通过上述两个阶段方法形成p型覆层16时，总的p型覆层的Mg浓度可以比在以恒定的Mg掺杂剂气体供给量形成p型覆层时更为均一。因此，在p型覆层中的载流子分布的不均匀性被消除，不均匀的载流子分布对到发光层15中的空穴注入的影响减小，并且对于器件特性例如发光性能的影响减小。

接下来，通过MOCVD依次沉积第一p型接触层17a、第二p型接触层17b和第三p型接触层173以在p型覆层16上形成p型接触层17。在此处，可以在不供给Mg掺杂剂气体的情况下形成第一p型接触层17a，因为即使不供应Mg掺杂剂也由记忆效应而掺杂有Mg。

随后，通过干法蚀刻特定的部分来形成具有从p型接触层17的上表面向n型接触层12延伸的深度的沟槽。在p型接触层17的几乎整个表面上形成由ITO制成的透明电极19，在透明电极19上形成p型电极20，并且在沟槽底部露出的n型接触层12上形成n型电极18。通过上述过程，制造了如图1所示的根据实施方案1的第III族半导体发光器件。

图6为示出通过GDS(辉光放电光谱仪)测量的沿根据实施方案1的发光器件的厚度方向的Mg分布曲线图。水平轴显示距p接触层17顶表面的深度，纵轴显示Mg浓度。这些深度和Mg浓度是分别由通过GDS测量的溅射时间和检测电压转化的值。如图6所示，在Mg浓度从发光层15和p型覆层16之间的界面附近朝p型接触层17急剧增加之后，Mg浓度几乎保持恒定，并且随后Mg浓度在p型覆层16和p型接触层17之间的界面附近急剧下降。

相反的，在其中p型覆层在恒定的Mg掺杂剂气体供给量的条件下形成的常规发光器件中，如图7清楚可见的，Mg浓度从发光层15和p型覆层16之间的界面附近朝p型接触层17缓慢增加，并且Mg浓度在p型覆层16和p型接触层17之间的界面附近急剧下降。

从图6和图7之间的比较，发现通过实施方案1所述的用于形成p型覆层的方法，沿p型覆层16的厚度方向的Mg浓度分布可以比之前更为均一。

实施方案2

在实施方案2中，在用于根据实施方案1形成p型覆层16的方法中按如下改变Al原料气体的供给量。其它与实施方案1中的相同。

在形成p型覆层16的前过程即形成第一p型覆层161的过程中Al原料气体的供给量相比后过程即形成第二p型覆层162的过程中增加1%至10%。这样，通过控制Al原材料的供给量，在第一p型覆层161中AlGaN层l6a的Al组成比为5摩尔%至50摩尔%，多于第二p型覆层162中AlGaN层l6a的Al组成比。

由于在根据实施方案1的用于形成p型覆层16的方法中在前过程中的Mg掺杂剂气体的供给量多于在后过程中的供给量，所以Al难以被引入晶体中，并且在第一p型覆层161中AlGaN层l6a的Al组成比降低。因此，通过如上所述控制Al原料气体的供给量和晶体的Al组成比，抑制了由于Mg掺杂剂气体供给量增加导致的Al组成比降低。

实施方案1和2示出当以其中Mg掺杂剂气体的供给量不同的两个不同阶段形成p型覆层的情形。然而，本发明不限于这样的两阶段方法，当前面的多个阶段定义为前过程，且后续的多个阶段定义为后过程，则可设定任意的阶段数目，只要在后过程中Mg掺杂剂气体的平均供给量是前过程中的一半或更少即可。此外，只要在两个过程中的平均供给量满足上述条件，则Mg掺杂试剂的供给量可以在p型覆层生长的过程中连续变化。

本发明的第III氮族半导体发光器件可用在例如照明设备或显示设备中。

Claims (12)

1.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述第III族氮化物半导体发光器件具有在发光层上的p型覆层，所述p型覆层包含含有Al的第III族氮化物半导体，其中

以其中通过MOCVD在所述发光层上形成第一p型覆层的前过程以及以其中通过MOCVD在所述第一p型覆层上形成第二p型覆层的后过程来形成所述p型覆层；并且

在所述后过程中Mg掺杂剂气体的供给量是在所述前过程中Mg掺杂剂气体的供给量的一半或更少，并且由此得到如下所述的Mg浓度分布，其中在所述Mg浓度从所述发光层和所述p型覆层之间的界面附近朝p型接触层急剧增加之后，所述Mg浓度几乎保持恒定，并且随后所述Mg浓度在p型覆层和p型接触层之间的界面附近急剧下降。

2.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述前过程中Al原料气体的供给量比在所述后过程中Al原料气体的供给量增加1％至10％。

3.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一p型覆层的厚度为所述p型覆层的厚度的60％或更少，并且为或更小。

4.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一p型覆层的厚度为所述p型覆层的厚度的60％或更少，并且为或更少。

5.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p型覆层的厚度为或更大。

6.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p型覆层的厚度为或更大。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一p型覆层的Al组成比是5摩尔％至50摩尔％，并且大于所述第二p型覆层的Al组成比。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述前过程和所述后过程中供给所述Mg掺杂剂气体，使得所述p型覆层的平均Mg浓度为1×10¹⁹/cm³至5×10²⁰/cm³。

9.根据权利要求7所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述前过程和所述后过程中供给所述Mg掺杂剂气体，使得所述p型覆层的平均Mg浓度为1×10¹⁹/cm³至5×10²⁰/cm³。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p型覆层具有其中交替和重复地沉积InGaN和AlGaN的超晶格结构。

11.根据权利要求7所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p型覆层具有其中交替和重复地沉积InGaN和AlGaN的超晶格结构。

12.根据权利要求8所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述p型覆层具有其中交替和重复地沉积InGaN和AlGaN的超晶格结构。