CN104347771A - 第iii族氮化物半导体发光器件 - Google Patents

第iii族氮化物半导体发光器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种呈现出改进的发射输出的第III族氮化物半导体发光器件。该发光器件包括:其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在发光层与n型接触层之间的n型覆层。n型覆层具有至少两层的结构,所述至少两层包括与发光层较近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层。第一n型覆层的Si浓度高于第二n型覆层的Si浓度,并且第一n型覆层的厚度小于第二n型覆层的厚度。

Description

第III族氮化物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及表现出改进的发射输出的第III族氮化物半导体发光器件。
背景技术
通常,已知下列第III族氮化物半导体发光器件。日本专利申请公开(特开)第2002-299762号公开了一种激光器,其中,在包括有源层和包围有源层的引导层的芯的顶部和底部分别设置n型覆层和p型覆层,所述n型覆层和p型覆层的每一层均具有两层结构。在该激光器中,通过使较接近有源层的n型覆层和p型覆层的杂质浓度比距有源层较远的n型覆层和p型覆层的杂质浓度低来减少自由载流子吸收损耗,从而使阈值电压降低。两层结构的每个n型覆层均为超晶格层。
日本专利第3909694号公开了一种包括由n型GaN形成的n型接触层、由n型AlGaInN形成的n型覆层、以及有源层的第III族氮化物半导体发光器件,其中,在n型覆层与n型接触层之间设置有由n型GaN形成的防裂层。防裂层的杂质浓度比n型接触层的杂质浓度小。凭借由GaN形成的防裂层,抑制了波导损耗的增加。
日本专利申请公开(特开)第1998-4210号公开了一种发光器件,在该器件中按顺序布置有:缓冲层、由掺杂Si的GaN形成的n型层(第一低杂质浓度层)(厚度:0.6μm,Si浓度:2×1018/cm3,并且电子浓度:1×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的高载流子浓度的n+型层(高杂质浓度层)(厚度:4.0μm,Si浓度:4×1018/cm3,并且电子浓度:2×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的n型层(第二低杂质浓度层)(厚度:0.5μm,Si浓度:1×1018/cm3,并且电子浓度:5×1017/cm3)、以及发光层。
日本专利申请公开(特开)第2001-196702号公开了一种激光二极管,在该激光二极管中按顺序设置有:n型接触层、由掺杂Si的Al0.08Ga0.92N形成的n型覆层(厚度:1μm,并且电子浓度:5×1017/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的n型引导层(厚度:100nm,并且电子浓度:5×1017/cm3)、以及有源层。
日本专利申请公开(特开)第2001-44497号公开了一种发光器件,在该器件中按顺序布置有:缓冲层、由掺杂Si的AlGaN形成的接触层(厚度:3μm,并且Si浓度:1×1018/cm3)、由掺杂Si的AlGaN形成的覆层(厚度:1μm,并且Si浓度:1×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的光波导层(厚度:0.1μm,并且Si浓度:1×1018/cm3)、以及发光层。
以上专利文献公开了一种其中第III族氮化物半导体通过MOCVD在异质衬底(如蓝宝石)上异质外延生长的发光器件。在这样的发光器件中,与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度(包括没有添加杂质),从而不使发光层的结晶度劣化。
然而,发明人已发现在其中第III族氮化物半导体同质生长在第III族氮化物半导体生长衬底上的发光器件中,当与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度时,与采用蓝宝石衬底的发光器件相比发射输出没有增加。
本发明人假设该现象的原因如下。当第III族氮化物半导体通过MOCVD异质外延生长在异质衬底(如蓝宝石)上时,由于衬底与生长的第III族氮化物半导体之间的大的晶格失配,所以如图7所示,高密度的凹坑直径随生长从下层至上层扩大。在发光层的顶表面上,凹坑直径大,为150nm至200nm,并且凹坑密度大,为1×108/cm2至1×109/cm2。由于凹坑用p型层半导体填充,所以施加有电压的n型层与p型层之间的距离被等效地缩短。因此,即使与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度和低的导电率,发光层中的电子和空穴也容易复合。结果,获得了较高的发射输出。
相反,当第III族氮化物半导体同质外延生长在第III族氮化物半导体生长衬底上时,改进了外延生长层的结晶度,发光层中的凹坑密度低并且凹坑直径小。当与发光层接合的n型层具有与采用蓝宝石衬底的发光器件类似的5×1018/cm3的低的Si浓度时,p型层填充以上凹坑的效果降低,施加有电压的p型层与n型层之间的等效距离变长。因此,本发明人认为发光层中的电子和空穴复合的可能性降低,并且与采用蓝宝石衬底的发光器件相比,无法获得较高的发射输出。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的一个目的是通过在第III族氮化物半导体生长衬底上外延生长第III族氮化物半导体来抑制所制造的发光器件中的发射输出的减少。
本发明的其他目的是抑制具有低的凹坑密度或小的凹坑直径的发光器件中的发射输出的减少,即使生长衬底是由除第III族氮化物半导体之外的材料形成。
在本发明的第一方面中,提供一种具有在第III族氮化物半导体衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层的第III族氮化物半导体发光器件,该发光器件包括:
其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在发光层与n型接触层之间的n型覆层;
其中,n型覆层具有包括至少两层的结构,所述至少两层包括与发光层较接近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层;并且,
第一n型覆层的Si浓度高于第二n型覆层的Si浓度,并且第一n型覆层的厚度小于第二n型覆层的厚度。
本发明的发光器件可以具有发挥其他功能的多个层,只要其包括至少第III族氮化物半导体衬底、n型接触层、n型覆层、发光层、p型覆层、以及p型接触层即可。优选地,发光层直接接合到第一n型覆层。然而,可以在发光层与第一n型覆层之间设置引导层。发光层可以是单层,或者,可以具有在其两侧处包括一个阱层和多个势垒层的SQW(单量子阱)结构或其中重复沉积多个层单元、每个层单元包括阱层和势垒层的MQW(多量子阱)结构。衬底可以由具有任意组成比的第III族氮化物半导体(如GaN、AlGaN、InGaN、和AlGaInN)形成。待生长在衬底上的半导体层(如n型接触层、n型覆层、发光层、p型覆层、和p型接触层)可以由四种成分的半导体(如AlGaInN)、三种成分的半导体(如AlGaN或InGaN)、或两种成分的半导体(如GaN)形成,各种半导体具有任意的组成比。在这样的半导体中,可以用另外的第13族元素(第3B族元素)(即,B或Tl)来部分地代替Al、Ga、或In,或者可以用另外的第15族元素(第5B族元素)(即,P、As、Sb、或Bi)来部分地代替N。
在本发明中,优选地,第一n型覆层的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3。优选地,第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。优选地,在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小。凹坑密度的下限越小,就越优选。下限是在同质外延生长中不可避免地出现凹坑时的值。优选地,在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑直径为100nm或更小。凹坑直径越小,就越优选。下限是在同质外延生长中可不避免地出现凹坑时的值。优选地,第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3,其与常规n型覆层的Si浓度相等。在该范围内,使用第III族氮化物半导体衬底的发光器件的发射输出高于使用蓝宝石衬底的发光器件的发射输出。优选地,第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。
在本发明的第二方面中,提供一种具有在由与第III族氮化物半导体不同的材料制成的衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层的第III族氮化物半导体发光器件,该发光器件包括:
其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在发光层与n型接触层之间的n型覆层;
其中,在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小,并且凹坑直径为100nm或更小;
n型覆层具有包括至少两层的结构,所述至少两层包括与发光层较接近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层;并且,
第一n型覆层的Si浓度高于第二n型覆层的Si浓度,并且第一n型覆层的厚度小于第二n型覆层的厚度。
在本发明的第一方面,测量出在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小,并且凹坑直径为100nm或更小。本发明的发明人认为发射输出的减少是由凹坑密度和凹坑直径的减小造成的。因此,即使在采用由不同于第III族氮化物半导体的材料制成的衬底的发光器件中,当凹坑密度和凹坑直径通过侧向生长、表面生长、MBE(分子束外延)、其他生长方法、或MOCVD的进展落在上述值以下时,也可以使用本发明的特征结构的发光层。
换句话说,当发光层的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小,并且凹坑直径为100nm或更小时,可以采用作为本发明的第一方面的特征部分的结构:其中,第一n型覆层的Si浓度比第二n型覆层的Si浓度高,并且第一n型覆层的厚度比第二n型覆层的厚度小。因此,建立了本发明的第二方面。本发明的第二方面的衬底可以由蓝宝石、SiC、硅、或ZnO形成。
在本发明的第二方面中,优选地,第一n型覆层的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3。优选地,第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。优选地,第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3。优选地,第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。值范围的意义与本发明的第一方面中的相同,并且也建立了如本发明的第一方面所述的其他结构。
在本发明中,n型覆层具有至少两层的结构,所述至少两层包括与发光层较接近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层;并且第一n型覆层的Si浓度比第二n型覆层的Si浓度高,并且第一n型覆层的厚度比第二n型覆层的厚度小。因此,与采用蓝宝石衬底的发光器件相比(除使用单个n型覆层外,其他结构和尺寸相同),可以改进发射强度。
附图说明
当结合附图参照下面的优选实施方案的详细描述较好地理解本发明的目的、特性和伴随优点时,将会容易地理解本发明的各种其他目的、特性以及许多伴随优点,其中:
图1示出了根据实施方案1的发光器件的结构;
图2A、2B和2C是示出了制造发光器件的过程的器件的横截面图;
图3是示出了根据实施方案1的发光器件中的第一n型覆层的Si浓度与发射输出之间的关系的特性图;
图4是示出了根据常规实例的采用蓝宝石衬底的发光器件中的n型覆层的Si浓度与发射输出之间的关系的特性图;
图5示出了根据实施方案2的发光器件的结构;
图6示出了根据实施方案3的发光器件的结构;以及
图7示出了出现在根据常规实例的采用蓝宝石衬底的发光器件中的凹坑的结构。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的具体实施方案。然而,本发明不限于这些实施方案。
实施方案1
根据实施方案1的发光器件在具有c面主表面的GaN衬底上具有多个第III族氮化物半导体层。
图1示出了根据实施方案1的发光器件1的结构。发光器件1包括:没有添加杂质的GaN衬底100;n型接触层101;ESD层(静电放电层)102;n型覆层103;发光层104;p型覆层106;以及p型接触层107,层101至层107由第III族氮化物半导体形成并且沉积在GaN衬底上。在p型接触层107上形成有p电极108作为透明电极(例如,ITO);在p电极108的电极拐角处形成有焊盘电极109;并且在n型接触层101的通过去除层102至层107的被从p型接触层107蚀刻的相应部分而露出的部分上形成有n电极130。在GaN衬底100的背表面100b上形成有铝反射膜90。根据实施方案1的发光器件是从p电极108(例如,ITO)发光的面朝上型(face-up type)。
n型接触层101由n-GaN形成,并且厚度为2μm,并且Si浓度为1×1018/cm3或更大。n型接触层101在1μm或更大的厚度处的穿透位错密度为5.0×106/cm2或更小。n型接触层101可以包括具有不同载流子浓度的多个层以与n电极130良好接触。
ESD层102具有包括第一ESD层110、第二ESD层111、第三ESD层112、以及第四ESD层113的四层结构,这些层依次沉积在n型接触层101上。第一ESD层110由n-GaN形成,并且Si浓度为1×1016/cm3至5×1017/cm3。第一ESD层110的厚度为200nm至1000nm。
第二ESD层111由掺杂Si的GaN形成,并且具有如通过Si浓度(/cm3)和厚度(nm)的乘积所限定的0.9×1020至3.6×1020(nm/cm3)的特征值。当第二ESD层111的厚度为30nm时,Si浓度为3.0×1018/cm3至1.2×1019/cm3
第三ESD层112由未掺杂的GaN形成。第三ESD层112的厚度为50nm至200nm。第三ESD层112未掺杂,但由于残留的载流子而具有1×1016/cm3至1×1017/cm3的载流子浓度。第三ESD层112可以掺杂有载流子浓度为5×1017/cm3或更小的范围内的Si。
第四ESD层113由掺杂Si的GaN形成,并且具有如通过Si浓度(/cm3)和厚度(nm)的乘积所限定的0.9×1020至3.6×1020(nm/cm3)的特征值。例如,第四ESD层113的厚度为30nm,Si浓度为3.0×1018/cm3至1.2×1019/cm3
n型覆层103具有包括第二n型覆层132和形成在其上的第一n型覆层131的两层结构。第二n型覆层132由掺杂Si的Al0.2Ga0.8N形成,并且厚度为140nm,并且Si浓度为1.0×1018/cm3。第一n型覆层131由掺杂Si的Al0.2Ga0.8N形成,并且厚度为10nm,并且Si浓度为2.0×1019/cm3。n型覆层103的整体厚度为150nm。优选地,n型覆层103的整体厚度为105nm至550nm。
第二n型覆层132的厚度可以为100nm至500nm。当厚度小于100nm时,空穴的阻断功能劣化,从而降低了将空穴和光限制在发光层104中的效果。当厚度大于500nm时,该层作为覆层过厚,覆层的电阻增加,并且制造时间更长,这是不期望的。优选地,第二n型覆层132的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3。当Si浓度低于1.0×1018/cm3时,导电性降低,并且驱动电压增大,这是不期望的。当Si浓度高于5.0×1018/cm3时,发光层104的结晶度劣化,这是不期望的。
第一n型覆层131的厚度可以为5nm至50nm。当第一n型覆层131的厚度小于5nm时,通过提高该层的Si浓度来改进电子密度的效果降低,并且在第一n型覆层131与发光层104之间的界面上的电势难以均匀。因此,无法实现发射输出的改进。当第一n型覆层131的厚度大于50nm时,发光层104的结晶度由于高的Si浓度或扩散至发光层104的Si增加而劣化,这是不期望的。优选地,第一n型覆层131的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3。当Si浓度低于1.0×1019/cm3时,电势无法被均匀地施加至第一n型覆层131与发光层104之间的界面,这是不期望的。当Si浓度高于2.5×1019/cm3时,扩散至发光层104的Si增加,或者发光层104的结晶度劣化,这是不期望的。
发光层104(也被称为有源层)具有其中重复沉积八个层单元的MQW结构,每个层单元包括依次沉积的四个层:Al0.05Ga0.95N层141(厚度:2.4nm)、In0.2Ga0.8N层142(厚度:3.2nm)、GaN层143(厚度:0.6nm)、Al0.2Ga0.8N层144(厚度:0.6nm)。然而,发光层104的与第一n型覆层131接触的初始层是Al0.05Ga0.95N层141,并且发光层104的与p型覆层106接触的最终层是Al0.2Ga0.8N层144。发光层104的整体厚度为54.4nm。发光层104的所有层未掺杂。
p型覆层106由Al0.3Ga0.7N形成,并且厚度为33nm,并且掺杂有浓度为1×1020/cm3的作为p型杂质的Mg。p型接触层107为掺杂Mg的p-GaN。为与p电极良好接触,p型接触层107可以包括具有不同载流子浓度的多个层。n型覆层103和p型覆层106具有将空穴和电子以及光限制在发光层104中的功能。
p型覆层106可以具有超晶格结构。例如,可以重复沉积多个(例如,5至12个)层单元,每个层单元包括依次沉积的p-In0.05Ga0.95N层(厚度:1.7nm)和p-Al0.3Ga0.7N层(厚度:3.0nm)。然而,优选地,p型覆层106的与发光层104接触的第一层为p-In0.05Ga0.95N层,并且优选地,p型覆层106的与p型接触层107接触的最终层为p-Al0.3Ga0.7N层。
随后,将参照图2A至图2C描述制造发光器件1的方法。然而,在图2A至图2C中,省略了图1中所示的超晶格周期结构。通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来执行晶体生长。所采用的气体如下:作为载气的氢或氮(H2或N2);作为氮源的氨气(NH3);作为Ga源的三甲基镓(Ga(CH3)3,下文中称为“TMG”);作为In源的三甲基铟(In(CH3)3,下文中称为“TMI”);作为铝源的三甲基铝(Al(CH3)3,下文中称为“TMA”);作为n型掺杂剂气体的硅烷(SiH4);以及作为p型掺杂剂气体的环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2,下文中称为“Cp2Mg”)。
首先,在氢气氛中、在1080℃下加热GaN衬底100用于清洁,由此将沉积物从GaN衬底100的表面去除。此后,通过MOCVD,将衬底温度降低至1020℃,供给TMG、氨气作为原料气体、硅烷气作为杂质气体、以及氢气作为载气,由此形成Si浓度为4.5×1018/cm3的由GaN制成的n型接触层101,以具有2μm的厚度(图2A)。n型接触层101的穿透位错密度在1μm的厚度处为5×106/cm2或更小。
随后,按如下方式形成ESD层102。首先,在n型接触层101上,通过MOCVD,由n-GaN形成厚度为200nm至1000nm、并且Si浓度为1×1016/cm3至5×1017/cm3的第一ESD层110。生长温度为900℃或更高,以获得低的凹坑密度和质量良好的晶体。优选地,在将生长温度调节到1000℃或更高时,生长出更高质量的晶体。
随后,在第一ESD层110上,通过MOCVD,由n-GaN形成具有如通过Si浓度(/cm3)和厚度(nm)的乘积所限定的0.9×1020至3.6×1020(nm/cm3)的特征值的第二ESD层111。将生长温度调节到800℃至950℃。在第二ESD层111上,通过MOCVD,由未掺杂的GaN形成厚度为50nm至200nm的第三ESD层112。将生长温度调节到800℃至950℃,以获得载流子浓度为5×1017/cm3或更小的晶体。
随后,在第三ESD层112上,通过MOCVD,由n-GaN形成具有如通过Si浓度(/cm3)和厚度(nm)的乘积所限定的0.9×1020至3.6×1020(nm/cm3)的特征值的第四ESD层113。将生长温度调节到800℃至950℃。在以上过程中,ESD层102形成在n型接触层101上(图2B)。
在将衬底温度调节到950℃之后,由用浓度为1.0×1018/cm3的Si掺杂的Al0.2Ga0.8N形成第二n型覆层132,以在ESD层102上具有140nm的厚度。在将衬底温度保持在950℃的同时,由用浓度为2.0×1019/cm3的Si掺杂的Al0.2Ga0.8N形成第一n型覆层131,以在第二n型覆层132上具有10nm的厚度。
随后,在第一n型覆层131上形成发光层104。通过重复沉积八个层单元来形成发光层104,每个层单元包括依次沉积的四个层:Al0.05Ga0.95N层141、In0.2Ga0.8N层142、GaN层143和Al0.2Ga0.8N层144。Al0.05Ga0.95N层141的生长温度在800℃至950℃的范围内,并且In0.2Ga0.8N层142、GaN层143和Al0.2Ga0.8N层144的生长温度为770℃。不用说,在各层的生长中,衬底温度可以恒定地保持在770℃。在相应的原料气体的供给下形成发光层104。
随后,在发光层104上形成p型覆层106。在将衬底温度保持在855℃的同时,在CP2Mg、TMA、TMG和氨的供给下由p-Al0.3Ga0.7N形成p型覆层106,以具有33nm的厚度。
然后,在将衬底温度保持在1000℃的同时,在TMG、氨和CP2Mg的供给下,由用浓度为1×1020cm-3的Mg掺杂的p型GaN形成p型接触层107,以具有50nm的厚度。由此,形成图2C中所示的器件结构。p型接触层107可以具有1×1019cm-3至1×1021/cm-3的Mg浓度。p型接触层107的厚度可以为10nm至100nm。
随后,通过热处理活化Mg,然后从p型接触层107的顶表面执行干法蚀刻,由此形成到达n型接触层101的槽。在p型接触层107上形成ITO的p电极108,并且在通过干法蚀刻暴露在槽的底部处的n型接触层101的表面上由V/Al/Ti/Ni/Ti/Au(以该顺序沉积在n型接触层101上)形成n电极130。在GaN衬底100的背表面100b上,形成Al反射膜90,并且在p电极108的拐角处由Ni/Au/Al(以该顺序沉积在p电极108上)形成焊盘电极109。由此,制得图1中所示的发光器件1。
通过上述方法,制得第一n型覆层131的Si浓度变化的发光器件,所述第一n型覆层131的Si浓度为:0/cm3(没有供给硅烷)、2×1018/cm3、4×1018/cm3、8×1018/cm3、1.2×1019/cm3、1.4×1019/cm3、1.6×1019/cm3、1.8×1019/cm3、2.0×1019/cm3、2.2×1019/cm3和2.4×1019/cm3。在这些Si浓度下来测量发射强度。
图3示出了发射输出的测量结果。由于图3的水平轴表示对数,所以在没有添加Si时(当Si浓度为0时),无法标记零值。此时,发射输出为0.74(任意单位)。如从图3清楚可见,当Si浓度为1.2×1019/cm3至2.4×1019/cm3时,发射输出为0.97(任意单位)或更大,其与Si浓度为4.0×1018/cm3或更小时的0.84(任意单位)的发射输出相比高15%或更多。当Si浓度为1.4×1019/cm3时,发射输出为最大的1(任意单位)。当Si浓度为1.4×1019/cm3或更大时,发射输出几乎为1(0.99(任意单位))并且恒定。因此,从图3的特性中可以理解的是,发射输出在Si浓度为1.0×1019/cm3时开始饱和,在该浓度下不进行测量。当Si浓度为1.0×1019/cm3时,其还对发射输出的增加具有影响。关于上限值,即使Si浓度增加到2.0×1019/cm3、2.2×1019/cm3和2.4×1019/cm3,发射输出也不会降低。当Si浓度为2.5×1019/cm3时,发射输出为1(0.99(任意单位)),并且对改进发射输出具有影响。因此,从图3的特性中可以理解的是,当第一n型覆层131的Si浓度落在1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3的范围内时,改善了发射输出。
当Si浓度超过2.0×1019/cm3时,反向电流阻挡特性稍有劣化。因此,考虑反向电流阻挡特性的劣化,优选地,第一n型接触层131的Si浓度为1.2×1019/cm3至2.0×1019/cm3,在此浓度下进行测量。当考虑从图3获得的特性和稍有劣化的反向电流阻挡特性时,优选地,Si浓度为1.0×1019/cm3至2.0×1019/cm3
为进行比较,通过在蓝宝石衬底上形成缓冲层之后生长n型接触层101到p型接触层107来制造发光器件。然而,在这种情况下,n型覆层103不具有两层结构,而是厚度为150nm的单层。也就是说,n型覆层103形成为单层(厚度:150nm),而不是第一n型覆层131(厚度:10nm)和第二n型覆层132(厚度:140nm)。对制得的作为单层的n型覆层的Si浓度变化的发光器件的输出特性进行测量,所述n型覆层的Si浓度为4.5×1017/cm3、6.5×1017/cm3、8.0×1017/cm3和1.0×1018/cm3。图4示出了测量结果。当n型覆层的Si浓度为6.5×1017/cm3时,发射输出最大,并且即使Si浓度比最大值更低或更高,也降低了发射输出。
由此,显示出本发明的具有两层结构的n型覆层(其中,第一n型覆层的Si浓度比第二n型覆层的高,并且第一n型覆层的厚度比第二n型覆层的小)对发射输出具有优异的影响。
实施方案2
根据实施方案1的发光器件1是面朝上型,而根据实施方案2的发光器件2是面朝下型。用与图1中相同的附图标记来标识起到与实施方案1中相同作用的元件。在图5中,省略了构成图1中所示的ESD层102和发光层104的多个层。待形成在p型接触层107的整个表面上的p电极118是由沉积在p型接触层107上的Ni/Al/Ag/Al形成的反射膜。p电极118也用作将发光器件2接合到框的焊盘。n电极130是与实施方案1中相同的金属层叠,并且p电极118的顶表面和n电极130的顶表面在同一表面上,即同一水平上。GaN衬底100的其上没有形成器件层的表面100a是光输出表面。根据实施方案2的第一n型覆层131和第二n型覆层132的结构(Si浓度和厚度)与实施方案1中的相同。因此,本发明可以是面朝下型(倒装型)发光器件。
实施方案3
图6中所示的根据实施方案3的发光器件3是对电极型发光器件。使用与图1中相同的附图标记来指示起到与实施方案1中相同作用的元件。由用浓度为4×1018/cm3的Si掺杂的n型GaN形成GaN衬底100。在GaN衬底100的背表面100b的整个表面上形成n电极140。n电极140是依次沉积在GaN衬底100的背表面100b上的Al/Ag/Al的金属膜。n电极140用作光反射膜。在p型接触层107的整个顶表面上形成ITO的p电极128,并且在p电极128的拐角处形成焊盘电极109。在发光器件3中,从p型接触层107输出光。
可以在p型接触层107上形成光反射膜,并且可以在GaN衬底100的没有形成器件层的表面100b上形成透明的n电极,从而从GaN衬底100输出光。
变化方案
在以上实施方案中,第一n型覆层131直接接合到发光层104。然而,可以在第一n型覆层131与发光层104之间设置引导层。此外,在所有实施方案中,第一n型覆层131和第二n型覆层132由Al0.2Ga0.8N形成。然而,第一n型覆层131和第二n型覆层132可以由具有其他组成比的AlGaN、或者由具有比发光层104的阱层的带隙大的带隙的GaN或InGaN形成。第一n型覆层131和第二n型覆层132可以是由同一材料制成的半导体。然而,第一n型覆层131和第二n型覆层132可以是具有不同的成分的或具有不同的组成比的同一成分的半导体。例如,第二n型覆层132可以由AlGaN或GaN形成,并且第一n型覆层131可以由InGaN形成,以容易地获得高的电子密度。在所有实施方案中,可以省略ESD层102。p型覆层106可以具有包括多个层的周期结构。例如,p型覆层106可以具有包括任意组成比的AlGaN和任意组成比的InGaN的超晶格结构、AlGaN和GaN的超晶格结构、或GaN和InGaN的超晶格结构。p型覆层106可以具有5×1019/cm3至5×1020/cm3的Mg浓度。
图1所示的根据实施方案1的发光器件1和图5所示的发光器件2可以应用于以下情况:当使用蓝宝石衬底代替GaN衬底100时,在发光层104的与n型覆层相反的顶表面(发光层104与p型覆层106之间的界面)上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小,并且凹坑直径为100nm或更小。当发光层的顶表面上的凹坑密度和凹坑直径低于上述值时,估计发射输出要减少。因此,本申请的特征结构可以增加发射输出,在该结构中,n型覆层具有至少两层,第一n型覆层的Si浓度比第二n型覆层的高,并且第一n型覆层的厚度比第二n型覆层的小。
可以在高输出的第III族氮化物半导体发光器件中使用本发明。

Claims (16)

1.一种第III族氮化物半导体发光器件,所述第III族氮化物半导体发光器件具有在第III族氮化物半导体衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层,所述发光器件包括:
其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在所述发光层与所述n型接触层之间的n型覆层;
其中,所述n型覆层具有包括至少两层的结构,所述至少两层包括与所述发光层较近的第一n型覆层和相比所述第一n型覆层距所述发光层较远的第二n型覆层;并且
所述第一n型覆层的Si浓度高于所述第二n型覆层的Si浓度,并且所述第一n型覆层的厚度小于所述第二n型覆层的厚度。
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,所述第一n型覆层的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3
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,所述第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。
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,所述第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。
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,在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小。
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,在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小。
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,在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑直径为100nm或更小。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3
10.根据权利要求1至7中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。
11.根据权利要求9所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。
12.一种第III族氮化物半导体发光器件,所述第III族氮化物半导体发光器件具有在与第III族氮化物半导体不同的材料的衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层,所述发光器件包括:
其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在所述发光层与所述n型接触层之间的n型覆层;
其中,在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小并且凹坑直径为100nm或更小;
所述n型覆层具有包括至少两层的结构,所述至少两层包括与所述发光层较近的第一n型覆层和相比所述第一n型覆层距所述发光层较远的第二n型覆层;并且
所述第一n型覆层的Si浓度高于所述第二n型覆层的Si浓度,并且所述第一n型覆层的厚度小于所述第二n型覆层的厚度。
13.根据权利要求12所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第一n型覆层的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3
14.根据权利要求12或13所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。
15.根据权利要求14所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3
16.根据权利要求14所述的第III族氮化物半导体发光器件,其中,所述第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6380172B2 (ja) * 2015-03-06 2018-08-29 豊田合成株式会社 Iii族窒化物半導体発光素子とその製造方法
JP6785221B2 (ja) * 2015-03-30 2020-11-18 パナソニック株式会社 半導体発光素子
US10418511B2 (en) * 2015-06-22 2019-09-17 University Of South Carolina Double mesa large area AlInGaBN LED design for deep UV and other applications
US11021789B2 (en) 2015-06-22 2021-06-01 University Of South Carolina MOCVD system injector for fast growth of AlInGaBN material
TWI626766B (zh) * 2017-06-01 2018-06-11 錼創科技股份有限公司 發光元件
KR102602724B1 (ko) * 2019-10-14 2023-11-14 삼성에스디아이 주식회사 양자점, 이를 포함하는 경화성 조성물, 상기 조성물을 이용하여 제조된 경화막 및 상기 경화막을 포함하는 컬러필터
CN111276582A (zh) * 2020-04-30 2020-06-12 山西飞虹微纳米光电科技有限公司 940nm红外LED的外延结构及其制备方法
JP7300603B2 (ja) 2020-11-17 2023-06-30 日亜化学工業株式会社 発光素子及び発光素子の製造方法
KR20220140143A (ko) * 2021-04-09 2022-10-18 주식회사 테스 자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법
CN115036402B (zh) * 2022-08-12 2022-10-25 江苏第三代半导体研究院有限公司 诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10242587A (ja) * 1997-02-24 1998-09-11 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子及び半導体レーザダイオード
CN102005523A (zh) * 2009-09-01 2011-04-06 夏普株式会社 氮化物半导体元件及其制造方法及半导体层的制造方法
US20120326169A1 (en) * 2010-03-05 2012-12-27 Showa Denko K.K. Method for manufacturing semiconductor light emitting element, semiconductor light emitting element, lamp, electronic device and mechanical apparatus

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3753793B2 (ja) 1996-06-14 2006-03-08 豊田合成株式会社 3族窒化物化合物半導体発光素子
JP4850324B2 (ja) 1999-07-16 2012-01-11 アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド 窒化物半導体素子および窒化物半導体レーザ素子
US6829273B2 (en) * 1999-07-16 2004-12-07 Agilent Technologies, Inc. Nitride semiconductor layer structure and a nitride semiconductor laser incorporating a portion of same
JP2001196702A (ja) 2000-01-11 2001-07-19 Toyoda Gosei Co Ltd Iii族窒化物系化合物半導体発光素子
JP2002299762A (ja) 2001-03-30 2002-10-11 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP3909694B2 (ja) 2002-10-15 2007-04-25 パイオニア株式会社 3族窒化物半導体発光素子及びその製造方法
JP5310534B2 (ja) 2009-12-25 2013-10-09 豊田合成株式会社 Iii族窒化物半導体の製造方法
JP2011138893A (ja) * 2009-12-28 2011-07-14 Showa Denko Kk 半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10242587A (ja) * 1997-02-24 1998-09-11 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子及び半導体レーザダイオード
CN102005523A (zh) * 2009-09-01 2011-04-06 夏普株式会社 氮化物半导体元件及其制造方法及半导体层的制造方法
US20120326169A1 (en) * 2010-03-05 2012-12-27 Showa Denko K.K. Method for manufacturing semiconductor light emitting element, semiconductor light emitting element, lamp, electronic device and mechanical apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
US9263639B2 (en) 2016-02-16
US20150030046A1 (en) 2015-01-29
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JP2015026659A (ja) 2015-02-05
JP5983554B2 (ja) 2016-08-31

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