CN103682002A - 第iii族氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。具体地，本发明提供一种其中发光层中的应变得以松弛以实现高发光效率的第III族氮化物半导体器件以及用于制造该器件的方法。本发明的发光器件具有衬底、低温缓冲层、n型接触层、第一ESD层、第二ESD层、n侧超晶格层、发光层、p侧超晶格层、p型接触层、n型电极N1、p型电极P1和钝化膜F1。第二ESD层具有平均凹坑直径D的凹坑。平均凹坑直径D为

至

包括在n侧超晶格层中的InGaN层的厚度

满足以下条件：-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。

Description

第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。更具体地，本发明涉及其中施加到发光层的应变得以松弛的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。

背景技术

通常，第III族氮化物半导体发光器件通过第III族氮化物半导体从生长衬底外延生长来制造。在该工艺中，形成具有不同晶格常数的多个第III族氮化物半导体层。由于晶格常数的差异，在相关的半导体层中产生应变(即，应力)。该应力产生压电场，其使得发光层的量子阱的电势变形，从而在空间上将电子与空穴分开。结果，在发光层中电子与空穴之间的复合的概率减小。在这种情况下，半导体发光器件的发光效率下降。

为了最大可能程度地减小在半导体层中产生的应变对发光层的影响，已经开发了一些技术。一种技术是用于松弛应变的超晶格层。超晶格层具有晶格常数不同的两个或更多个层单元，由此施加到发光层的应变得以松弛。用于使应变松弛的另一层是用于防止半导体层的静电击穿的层(在下文中，这样的层可以称为“静电击穿电压改进层”)。专利文献1公开了在静电击穿电压改进层中形成凹坑(pit)的技术(例如，参见专利文献1的[0007]至[0010]段)。静电击穿电压改进层可以防止半导体层的静电击穿并且可以通过凹坑使双轴应力松弛。

专利文献1：日本公开特许公报(特开)第2007-180495号。

然而，即使在超晶格层仅与静电击穿电压改进层相结合(这两个层形成为使应变最大程度地松弛)时，也不能使应变松弛的效果达到最大程度。相反，半导体发光器件的发光强度在一些情况下可能降低。据推测，这是因为超晶格层的应变松弛机制不同于静电击穿电压改进层的应变松弛机制。因此，应变松弛优选地不仅通过设置组合的超晶格层和静电击穿电压改进层，还通过其它手段来实现。

发明内容

为了解决与常规技术有关的上述问题，实现了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种其中施加到发光层的应变得以松弛以由此实现高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件。另一目的是提供一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法。

因此，在本发明的第一方面中，提供了一种第III族氮化物半导体发光器件，该第III族氮化物半导体发光器件包括由第III族氮化物半导体形成的底层、形成在底层上的超晶格层和形成在超晶格层上的发光层。底层具有凹坑。超晶格层具有由包含铟的第III族氮化物半导体形成的至少含铟层。在底层与超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径

满足以下条件：

含铟层的厚度

满足以下条件：

-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。

在第III族氮化物半导体发光器件中，施加到发光层的应变得以松弛。设置有凹坑的底层和形成在底层上的超晶格层适当地吸收应变。因此，施加到发光层的应变得以松弛。从而，在发光层中产生的压电场的强度小于常规半导体发光器件的压电场的强度。即，第III族氮化物半导体发光器件的发光效率高于常规半导体发光器件的发光效率。

本发明的第二方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中超晶格层由重复沉积的层单元形成。每个层单元具有两个或更多个含铟层。含铟层的厚度

是针对超晶格层中具有最小带隙的层测得的厚度。在这种情况下，具有上述厚度

的条件的含铟层的In组成比最大。

本发明的第三方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中所述凹坑的底端位于底层的厚度范围内。凹坑由穿透位错W引起并且在底层生长期间形成。本文所使用的术语“底层”是指在超晶格层之下的半导体层。底层可以是由两个或更多个层组成的半导体层。

本发明的第四方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中底层为用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。

本发明的第五方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的一个特定实施方案，其中平均凹坑直径满足以下条件：当凹坑直径落在该范围内时，第III族氮化物半导体发光器件对反向电压具有足够的耐受性。

在本发明的第六方面中，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括：

形成底层；

在底层上形成超晶格层；以及

在超晶格层上形成发光层。在形成底层时，在底层中设置凹坑，使得在底层与超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径

满足以下条件：

在形成超晶格层时，由含铟第III族氮化物半导体形成含铟层，使得含铟层的厚度

满足以下条件：

-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。

通过采用用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，从氮化物半导体模板(即，在底层下方的层)中传递的应变可以得以有效地松弛，由此可以降低施加到发光层的应变。此外，保持了所形成的半导体层的结晶度，并且半导体层的除设置有凹坑的区域之外的部分高度平坦。因此，所形成的发光层具有高结晶度。换句话说，可以制造具有高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件。在这样制造的第III族氮化物半导体发光器件中，施加到发光层的应变得以松弛，这是因为设置有凹坑的底层和设置在底层上的超晶格层适当地吸收应变。因此，可以降低施加到发光层的应变，并且降低压电场对发光层的影响。

本发明的第七方面涉及用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的一个实施方案，其中在形成超晶格层时，重复沉积各自具有两个或更多个含铟层的层单元，以及形成超晶格层中具有最小带隙的含铟层，使得该含铟层具有上述厚度

本发明的第八方面涉及用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的一个特定实施方案，其中平均凹坑直径

调整为满足以下条件：

这样制造的第III族氮化物半导体发光器件对反向电压具有足够的耐受性。

本发明使得能够提供其中施加到发光层的应变得以松弛以由此实现高发光效率的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。

附图说明

本发明的各种其它目的、特征以及许多附带的优点将容易理解，这是因为在结合附图进行考虑的情况下，参考下面的优选实施方案的详细描述，本发明的各种其它目的、特征以及许多附带的优点变得更好理解，在附图中：

图1是根据实施方案的第III族氮化物半导体发光器件的结构示意图；

图2是形成根据该实施方案的第III族氮化物半导体发光器件的层的层结构的示意图；

图3是根据实施方案的设置在静电击穿电压改进层中的凹坑的示意图；

图4是根据实施方案的设置在静电击穿电压改进层中的凹坑以及超晶格层的厚度的示意图；

图5是示出根据实施方案的用于制造发光器件的方法的示意图(部分1)；

图6是示出根据实施方案的用于制造发光器件的方法的示意图(部分2)；

图7是示出在静电击穿电压改进层的平均凹坑直径为

的情况下，超晶格层的InGaN层的厚度与总辐射通量之间的关系的曲线图；

图8是示出在静电击穿电压改进层的平均凹坑直径为

的情况下，超晶格层的InGaN层的厚度与总辐射通量之间的关系的曲线图；以及

图9是示出静电击穿电压改进层的平均凹坑直径与超晶格层的InGaN层的厚度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图，通过以制造半导体发光器件的情形为例描述本发明的特定实施方案。然而，本发明不限于这些实施方案。当然，形成下述的发光器件的层结构和电极仅为实例，并且可以不同于在下述实施方案中例示的实例。在附图中示意性示出的每个层的厚度与其实际值不对应。此外，在附图中示出的凹坑的尺寸大于实际值。

1.半导体发光器件

图1是根据本实施方案的第III族氮化物半导体发光器件100的结构示意图。如图1所示，发光器件100是正装芯片型半导体发光器件。发光器件100具有由第III族氮化物半导体形成的多个半导体层。半导体层的层结构在图2中示出。

如图1所示，发光器件100具有衬底110、低温缓冲层120、n型接触层130、第一ESD层140、第二ESD层150、n侧超晶格层160、发光层170、p侧超晶格层180、p型接触层190、n型电极N1、p型电极P1和钝化膜F1。

在衬底110的主表面上依次形成半导体层，即，低温缓冲层120、n型接触层130、第一ESD层140、第二ESD层150、n侧超晶格层160、发光层170、p侧超晶格层180以及p型接触层190。n型电极N1形成在n型接触层130上，并且p型电极P1形成在p型接触层190上。

衬底110用作具有主表面的生长衬底，通过MOCVD在主表面上形成半导体层。衬底110的表面可以是凹凸的。衬底110由蓝宝石制成。除蓝宝石之外，还可以使用如SiC、ZnO、Si和GaN等材料。

低温缓冲层120形成在衬底110的主表面上。使用低温缓冲层120，以在蓝宝石衬底110中以高密度形成结晶核。借助低温缓冲层120，促进了具有平坦表面的GaN层的生长。低温缓冲层120由如AlN或GaN等材料制成。

n型接触层130位于n型电极N1下方。n型接触层130与n型电极N1欧姆接触。n型接触层130形成在低温缓冲层120上。n型接触层130是Si浓度为1×10¹⁸/cm³或更高的n型GaN层。为了增强与n型电极N1的欧姆接触，n型接触层130可以由具有不同载流子浓度的多个层形成。n型接触层130的厚度为例如4μm。当然，也可以采用其它厚度值。

第一ESD层140用作用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。第一ESD层140形成在n型接触层130上。第一ESD层140是非掺杂i-GaN层。第一EDS层140的厚度为300nm。

第二ESD层150用作用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。第二ESD层150是掺杂Si的n型GaN层。第二ESD层150的厚度为约30nm。第二ESD层150的Si浓度为约5×10¹⁸/cm³。

n侧超晶格层160用作用于使施加到发光层170的应变松弛的应变松弛层。更具体地，n侧超晶格层160是具有超晶格结构的n侧超晶格层。如图2所示，n侧超晶格层160通过重复沉积各自均由InGaN层161和n型GaN层162形成的层单元形成。重复的次数为10至20。然而，次数可以在该范围之外。InGaN层161的In组成比为2％至20％。InGaN层161的In组成比小于包括在下述发光层170中的InGaN层171的In组成比。当InGaN层161的In组成比不小于包括在发光层170中的InGaN层171的In组成比时，InGaN层161不利地吸收通过发光层170发射的光。InGaN层161的厚度为至n-GaN层162的厚度为

至

在n侧超晶格层160中重复沉积的n-GaN层162具有相同的厚度。

InGaN层161是含铟层。InGaN层的带隙小于n型GaN层162的带隙。在形成n侧超晶格层160的层中，InGaN层161具有最小的带隙。

发光层170通过电子与空穴的复合发射光。发光层170形成在n侧超晶格层160上。发光层170通过重复沉积InGaN层171、GaN层172和AlGaN层173形成。重复的次数为3至20。InGaN层171的In组成比为5％至40％。InGaN层171的厚度为

至

GaN层172的厚度为

至

AlGaN层173的Al组成比为5％至40％。AlGaN层173的厚度为

至

这些值仅为实例，也可以采用其它值。

p侧超晶格层180形成在发光层170上。p侧超晶格层180通过重复沉积非掺杂AlGaN层181、p型InGaN层182和p型AlGaN层183形成。重复的次数例如为5。非掺杂AlGaN层181的Al组成比为5％至40％。非掺杂AlGaN层181的厚度为

至p型InGaN层182的In组成比为2％至20％。p型InGaN层182的In组成比小于包括在发光层170中的InGaN层171的In组成比。p型InGaN层182的厚度为

至

p型AlGaN层183的Al组成比为10％至20％。p型AlGaN层183的厚度为

至

这些值仅为实例，也可以采用其它值。此外，可以采用另外的层结构。

p型接触层190形成在p侧超晶格层180上。p型接触层190设置为与p型电极P1建立欧姆接触。p型接触层190的厚度为80nm。p型接触层190以Mg浓度为1×10¹⁹/cm³至1×10²²/cm³掺杂有Mg。

p型电极P1形成在p型接触层190上。p型电极P1欧姆接触p型接触层190。p型电极P1由ITO制成。

n型电极N1形成在n型接触层130上。n型电极N1欧姆接触n型接触层130。n型电极N1通过在n型接触层130上依次形成V膜和Al膜形成。可替代地，n型电极N1可以通过依次形成Ti膜和Al膜来形成。

钝化膜F1覆盖n型接触层130的侧表面、第一ESD层140的侧表面、第二ESD层150的侧表面、n侧超晶格层160的侧表面、发光层170的侧表面、p侧超晶格层180的侧表面和p型接触层190的侧表面、以及p型电极P1的一部分和n型电极N1的一部分。换句话说，p型电极P1的剩余部分和n型电极N1的剩余部分未覆盖钝化膜F1并且暴露在空气中。钝化膜F1由例如SiO₂制成。

2.设置在静电击穿电压改进层中的凹坑

参照图3，将描述设置在静电击穿电压改进层(即，第一ESD层140和第二ESD层150)中的凹坑X。凹坑X由穿透位错W引起。即，在穿透位错W处产生凹坑X。穿透位错W沿着半导体层的生长方向传播。然后，当穿透位错W到达第一ESD层140时，形成凹坑X。随着静电击穿电压改进层的生长的进行，凹坑沿着与层生长方向正交的方向生长。因此，凹坑X密度几乎等于穿透位错W密度，这是因为凹坑在穿透位错处引起。因此，当穿透位错密度为约1×10⁷(1/cm²)至约3×10¹⁰(1/cm²)，凹坑密度也为约1×10⁷(1/cm²)至约3×10¹⁰(1/cm²)。

因此，随着第一ESD层140的厚度和第二ESD层150的厚度的增加，在第二ESD层150的顶面处的凹坑直径D1增加。此外，凹坑X的底端X1位于静电击穿电压改进层的厚度范围内。凹坑X从第一ESD层140延伸到n侧超晶格层160。凹坑X被n侧超晶格层160的底面封闭(如在图1中从顶部所观察的)。

凹坑X假定为圆锥孔或六面锥体孔。在圆锥孔的情况下，凹坑直径D1对应于在第二ESD层150的顶面，即在第二ESD层150与n侧超晶格层160之间的界面S1处测得的凹坑X的直径。

在凹坑X假定为六面锥体孔的情况下，凹坑X沿着与凹坑X的生长方向正交的面截取的横截面通常为正六边形。在这种情况下，凹坑X的凹坑直径D1定义为在横截面上从六边形的一个顶点到相对的顶点的线段的长度。凹坑直径D1对应于凹坑X的在第二ESD层150的顶面处(即，在第二ESD层150与n侧超晶格层160之间的界面S1处)测得的线段直径的长度。

根据凹坑X的横截面形状，可以采用上述定义中的任意一种。理论上，凹坑X的横截面形状为六边形。然而，如下文中在实验部分所描述的，凹坑X的实际横截面形状通常是圆形。因此，在下文中，将假定凹坑X的横截面形状为圆形来定义凹坑直径D1。

平均凹坑直径D是在界面S1处测得的平均凹坑直径D1。即，平均凹坑直径D是通过对所有凹坑X的在第二ESD层150与n侧超晶格层160之间的界面S1处测量的凹坑直径D1的值取平均值而计算出的。

平均凹坑直径D根据第二ESD层150的厚度并且根据第二ESD层150生长的温度而变化。随着第二ESD层150的厚度的增加，平均凹坑直径D增加。相反，随着第二ESD层150的厚度的减小，平均凹坑直径D减小。此外，随着第二ESD层150生长温度升高，平均凹坑直径D减小。相反，随着第二ESD层150生长降低，平均凹坑直径D增加。因此，平均凹坑直径D可以通过改变第二ESD层150的厚度和生长温度来调整。

平均凹坑直径D满足以下条件(1)：

D：在第二ESD层150的顶面(界面S1)处测量的平均凹坑直径。

如果平均凹坑直径D小于

则通过凹坑X和n侧超晶格层160使应变松弛的协同效应小。如果平均凹坑直径D超过

则第二ESD层150的表面受损。在这种情况下，设置在第二ESD层150上的半导体层的结晶质量下降。

3.静电击穿电压改进层的凹坑与超晶格层的厚度之间的关系

接下来，将描述第二ESD层150与n侧超晶格层160之间的关系。在该实施方案中，形成InGaN层161使得第二ESD层150的平均凹坑直径D与包括在n侧超晶格层160中的InGaN层161的厚度Y(参见图4)满足以下条件(2)：

-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8...(2)

Y：包括在n侧超晶格层160中的InGaN层161的厚度。

出于以下原因，InGaN层161的厚度Y调整为落在该范围内。在形成n侧超晶格层160的层中，InGaN层161为小带隙层。即，InGaN层161的In组成比大。与不含铟的半导体层相比，在含铟半导体层中原子之间的接合强度弱。因此，这样的含铟半导体层容易变形。换句话说，InGaN层161呈现出使n侧超晶格层160中的应变松弛的效率高。因此，InGaN层161的厚度Y是通过第二ESD层150的凹坑X与应变松弛有关的重要因素。

平均凹坑直径D满足条件(1)。在下述实验部分中将对条件(1)进行详细描述。在图4中，凹坑X的直径随着n侧超晶格层160的生长而减小。然而，凹坑X的直径可以随着n侧超晶格层160的生长而增加。在实际情况下，设置在静电击穿电压改进层中的凹坑X的直径随着半导体层的后续生长增加还是减小取决于半导体生长条件。

4.制造半导体发光器件的方法

将描述制造根据本实施方案的发光器件100的方法。上述各半导体层用金属有机化学气相沉积(MOCVD)通过外延晶体生长形成。在该方法中采用的载气为氢气(H₂)、氮气(N₂)或氢气和氮气的气体混合物(H₂+N₂)。采用氨气(NH₃)作为氮源。采用三甲基镓(Ga(CH₃)₃)作为Ga源。采用三甲基铟(In(CH₃)₃)作为In源。采用三甲基铝(Al(CH₃)₃)作为Al源。采用硅烷(SiH₄)作为n型掺杂剂气体。采用环戊二烯基镁(Mg(C₅H₅)₂)作为p型掺杂气体。

4-1.n型接触层形成步骤

首先，在衬底110的主表面上形成低温缓冲层120。在缓冲层120上形成n型接触层130。在该步骤中衬底温度调整为1080℃至1140℃。Si浓度为1×10¹⁸/cm³或更高。

4-2.第一静电击穿电压改进层形成步骤

然后，形成第一ESD层140。如上所述，第一ESD层140由i-GaN制成。因此，停止供给硅烷(SiH₄)。在该工艺中衬底温度调整为750℃至950℃。如图5所示，在该步骤中设置凹坑X。

4-3.第二静电击穿电压改进层形成步骤

然后，形成第二ESD层150。如上所述，第二ESD层150由n型GaN制成。因此，再次供给硅烷(SiH₄)。在该工艺中衬底温度调整为落在与在第一静电击穿电压改进层形成步骤中所采用的衬底温度相同的范围内。如图5所示，在该步骤中也设置凹坑X。平均凹坑直径D落在由条件(1)所限定的范围内。即，平均凹坑直径D调整为落在

至

的范围内。

4-4.n侧超晶格层形成步骤

然后，形成n侧超晶格层160。首先，在第二ESD层150上形成InGaN层161，然后，在InGaN层161上形成n型GaN层162。然后，采用InGaN层161与n型GaN层162的组合作为层单元，并且重复形成该单元。在形成InGaN层161时衬底温度为700℃至950℃。在形成n型GaN层162时衬底温度为700℃至950℃。

4-5.发光层形成步骤

接着，通过重复沉积InGaN层171、GaN层172和AlGaN层173来形成发光层170。在该步骤中衬底温度调整为700℃至900℃。

4-6.p侧超晶格层形成步骤

然后，形成p侧超晶格层180。在该步骤中，重复沉积非掺杂AlGaN层181、p型InGaN层182和p型AlGaN层183。

4-7.p型接触层形成步骤

然后，形成p型接触层190。衬底温度调整为900℃至1050℃。因此，如图6所示，半导体层沉积在衬底110上。

4-8.电极形成步骤

然后，在p型接触层190上形成p型电极P1。通过激光辐射或蚀刻从p型接触层190开始部分地去除半导体层沉积结构以由此露出n型接触层130。在n型接触层130的露出区域上形成n型电极N1。可以以任意顺序执行p型电极P1的形成和n型电极N1的形成。

4-9.绝缘膜形成步骤

然后，使用钝化膜F1覆盖半导体层的侧表面、p型电极P1的一部分和n型电极N1的一部分。尽管钝化膜F1的实例为SiO₂膜，但是也可以采用其它透明绝缘膜。在可替选步骤中，使用钝化膜F1覆盖整个发光器件100，然后露出目标部分。

4-10.其它步骤

除上述步骤之外，还可以执行热处理和其它步骤。通过执行这些步骤，完成在图1中示出的发光器件100的制造。

5.实验

5-1.第二ESD层中的平均凹坑直径和包括在n侧超晶格层中的InGaN层的厚度

对包括在n侧超晶格层160中的InGaN层161的厚度Y与第二ESD层150的顶面的平均凹坑直径D之间的关系进行研究。将详细描述针对该研究所进行的实验。

在该实验中，InGaN层161的In组成比调整为9％，并且n型GaN层162的厚度调整为n型GaN层162的n型杂质浓度优选为1×10⁷(1/cm³)至3×10⁸(1/cm³)。形成InGaN层161和n型GaN层162的重复次数为15次。在生长InGaN层161时衬底温度调整为830℃，并且在生长n型GaN层162时衬底温度调整为830℃。在原子力显微镜(AFM)下测得的凹坑X在界面S1处的横截面为圆形。

图7是示出在第二ESD层150的顶面处的平均凹坑直径D恒定为

的情况下，n侧超晶格层160的InGaN层161的厚度Y与总辐射通量Po之间的关系的曲线图。如图7所示，当InGaN层161的厚度Y落在范围R1内时，总辐射通量Po足够大。换句话说，当InGaN层161的厚度Y过小时，总辐射通量Po小。而当InGaN层161的厚度Y过大时，总辐射通量Po小。

范围R1对应于约

至约

的InGaN层161的厚度Y。当InGaN层161的厚度Y过小时，目标效果不足，而当InGaN层161的厚度Y过大时，形成在n侧超晶格层160上的发光层170的结晶度差。

图8是示出在第二ESD层150的顶面处的平均凹坑直径D恒定为

的情况下，n侧超晶格层160的InGaN层161的厚度Y与总辐射通量Po之间的关系的曲线图。如图8所示，当InGaN层161的厚度Y落在范围R2内时，总辐射通量Po足够大。换句话说，当InGaN层161的厚度Y过小时，总辐射通量Po小，而当InGaN层161的厚度Y过大时，总辐射通量Po小。

范围R2对应于约

至约

的InGaN层161的厚度Y。厚度范围R2显著大于厚度范围R1。其原因如下。平均凹坑直径D越小，在发光层170中的双轴应力松弛的程度越小。因此，n侧超晶格层160必须更加有效地吸收应变。即，厚度Y必须增加。因此，InGaN层161的包括在第二ESD层150中的厚度Y必须响应于平均凹坑直径D而改变。

图9是总地示出这些结果的曲线图。当相关参数处于区域RA的外部并且在线段L1上方的区域中时，n侧超晶格层160的结晶度差。因此，形成在超晶格层160上的发光层170的结晶度降低。因此，这这些条件下，半导体发光器件的发光强度低。当相关参数处于区域RA外部并且在线段L2下方的区域中时，使应变松弛的效果差。因此，在这些条件下，半导体发光器件的发光强度低。

在图9中，通过两条线段所限定的区域RA与上述条件(1)和条件(2)对应。即，第二ESD层150的平均凹坑直径D和InGaN层161的包括在n侧超晶格层160中的厚度Y选择为满足条件(1)和条件(2)。当然，Y大于0。

5-2.反向电流

在另一实验中，在向半导体发光器件施加反向电压的情况下，对反向电流进行测量。将反向电压施加到半导体发光器件时，反向电流优选地小，这是因为一定水平的反向电流可以导致半导体发光器件的热击穿。表1示出在施加-5V的反向电压的情况下，在半导体发光器件中测量的电流值。

电流值根据在第二ESD层150的顶面处测得的平均凹坑直径D而变化。当平均凹坑直径D较大时，在第二ESD层150上的层，即n型超晶格层160、发光层170和p侧超晶格层180具有较小的总厚度。换句话说，在凹坑X上方的部分，在p型半导体层与n型半导体层之间的距离小。因此，当施加反向电压时，在p型半导体层与n型半导体层之间的距离小的部分处的场强度小于其它部分的场强度。因此，p型半导体层与n型半导体层之间的距离小的部分用作促进反向电流流动的电流通路。可以预见，平均凹坑直径D越大，反向电流越大。

如表1所示，在施加-5V的反向电压情况下，当平均凹坑直径D为

和时，流过1.0×10^-7(A)或更小的电流。当平均凹坑直径D为

时，电流大于1.0×10^-7(A)。

换句话说，当平均凹坑直径D为

或更小时，反向电流足够小。在这种情况下，保证了反向电压的耐久性。因此，平均凹坑直径

优选地满足以下条件(3)：

在这种情况下，半导体发光器件可以提供高亮度。而且，半导体发光器件具有对于反向电压的耐久性。

表1

6.修改方案

6-1.代替静电击穿电压改进层的可替代底层

在上述实施方案中，静电击穿电压改进层(第一ESD层140与第二ESD层150)设置有凹坑X。然而，设置有凹坑X的半导体层不限于静电击穿电压改进层(第一ESD层140与第二ESD层150)，n侧超晶格层160的任意底层可以设置有凹坑。这样的底层可以由任意第1II族氮化物半导体如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等制成。这些材料可以结合使用。底层可以掺杂有或者未掺杂掺杂剂。在非掺杂底层的情况下，n型传导特性可以通过残留杂质或晶格缺陷来实现。

当然，这样设置的凹坑X的平均凹坑直径D满足条件(1)。形成该底层代替形成第一静电击穿电压改进层和第二静电击穿电压改进层。

6-2.n侧超晶格层

在上述实施方案中，在第二ESD层150上依次沉积InGaN层161和n型GaN层162以由此形成n侧超晶格层160。然而，可以在第二ESD层150上形成n型GaN层之后，在n型GaN层上形成InGaN层。在后者的情况下，条件(1)和条件(2)可以适用。

此外，在上述实施方案中，采用InGaN层161作为小带隙层，采用n型GaN层162作为大带隙层。然而，可以采用AlInGaN层作为小带隙层。在采用AlInGaN层作为小带隙层情况下，AlInGaN层为含铟层。可以采用AlGaN层、InGaN层和AlInGaN层中的任意一种作为大带隙层。

在一些情况下，两个或更多个含铟层存在于形成n侧超晶格层160的层单元中。在这样的情况下，在具有最小带隙的层中In组成比大。因此，具有最小带隙的这样的层满足条件(1)和条件(2)。这些层可以掺杂有或者未掺杂掺杂剂。

6-3.p电极

在上述实施方案中，p型电极P1由透明导电氧化物ITO形成。然而，除ITO之外，还可以使用如ICO、IZO、ZnO、TiO₂、NbTiO₂和TaTiO₂等透明导电氧化物。可以在p型电极P1上设置由金属材料制成的金属电极。可替代地，在p型电极P1上可以设置另一电极。

6-4.组合

上述修改方案可以以任意组合采用。

7.本发明实施方案的概要

如上所述，在本实施方案的发光器件100中，在第二ESD层150的顶面处测得的平均凹坑直径D和包括在n侧超晶格层160中的并且形成在第二ESD层150上的InGaN层161的厚度Y满足上述条件(1)和条件(2)。因此，发光层170基本上无应变。因此，可以提供具有高发光强度的半导体发光器件。

在本实施方案的用于制造发光器件100的方法中，在第二ESD层150的顶面处测得的平均凹坑直径D和包括在n侧超晶格层160中的并且形成在第二ESD层150上的InGaN层161的厚度Y预先从优选范围中选择。因此，可以在应变松弛的n侧超晶格层160上形成发光层170。因此，可以提供具有高结晶度的发光层170。即，可以制造具有高发光强度的半导体发光器件。

因为上述实施方案仅为示例，所以应该理解本领域技术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下进行各种变化和修改。沉积体的沉积结构不一定限于所示出的沉积结构。沉积结构、层的重复次数等可以是确定的。层形成方法不限于金属有机化学气相沉积(MOCVD)，并且可以采用任意其它方法，只要通过使用载气可以进行半导体晶体生长即可。即，可以通过液相外延、分子束外延或其它外延生长技术形成半导体层。

Claims (12)

1.一种第III族氮化物半导体发光器件，包括：由第III族氮化物半导体形成的底层、形成在所述底层上的超晶格层和形成在所述超晶格层上的发光层，其中

所述底层具有凹坑；

所述超晶格层至少具有由包含铟的第III族氮化物半导体形成的含铟层；

所述凹坑具有在所述底层与所述超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径

该凹坑直径满足以下条件：

以及

所述含铟层的厚度满足以下条件：

-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。

2.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中

所述超晶格层由重复沉积的层单元形成；

每个层单元具有两个或更多个含铟层；以及

所述含铟层的厚度

是对所述超晶格层中具有最小带隙的层所测量的厚度。

3.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹坑的底端位于所述底层的厚度范围内。

4.根据权利要求2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述凹坑的底端位于所述底层的厚度范围内。

5.根据权利要求1所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。

6.根据权利要求2所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。

7.根据权利要求3所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。

8.根据权利要求4所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述底层是用于防止每个半导体层的静电击穿的静电击穿电压改进层。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述平均凹坑直径

满足以下条件：

10.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，包括：

形成底层；

在所述底层上形成超晶格层；以及

在所述超晶格层上形成发光层；

其中，在形成所述底层时，在所述底层中设置凹坑，使得在所述底层与所述超晶格层之间的界面处测得的平均凹坑直径

满足以下条件：

以及

在形成所述超晶格层时，由包含铟的第III族氮化物半导体形成含铟层，使得所述含铟层的厚度

满足以下条件：

-0.029×D+82.8≤Y≤-0.029×D+102.8。

11.根据权利要求10所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在形成所述超晶格层时，

重复沉积层单元，每个所述层单元具有两个或更多个含铟层，以及

所述超晶格层中具有最小带隙的含铟层形成为具有所述含铟层的所述厚度

12.根据权利要求10或11所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述平均凹坑直径调整为满足以下条件：

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