CN104425665B - 包括空穴注入层的半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
根据示例实施例，一种半导体发光器件包括第一半导体层、第一半导体层上的凹坑扩大层、凹坑扩大层上的有源层、空穴注入层以及空穴注入层上的第二半导体层。第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物。凹坑扩大层的上表面和有源层的侧表面在位错上限定了具有斜表面的凹坑。凹坑为倒棱锥形空间。空穴注入层位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。第二半导体层掺杂有与第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物。
Description
本申请要求于2013年8月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0102667的优先权，该申请的公开全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件和/或制造该半导体发光器件的方法，更具体地说，涉及这样一种半导体发光器件，通过利用空穴注入层增加有源层中的空穴注入来提高该半导体发光器件的发光效率，和/或制造该半导体发光器件的方法。
背景技术
半导体发光器件(LED)，例如利用III-V族化合物半导体(诸如氮化镓(GaN))的LED，由于与白炽灯或荧光灯相比，其将电能转换为光的效率优秀，因此其已经在包括照明工程和显示装置的各种领域受到许多关注。在照明工程领域中，可使用白光发光器件。目前，可通过将磷光粉与蓝光发光器件结合来形成白光。
在这种白光发光器件中，发光效率可能是用于评价转换的光能相对于供应的电能的重要因素。通常，随着蓝光发光器件中的电流增大，发光效率会明显变差。这种现象被称作效率下降。目前正在进行各种研究以解决效率下降的问题。
会由于各种原因而发生蓝光发光器件的效率下降。例如，效率下降的已知原因包括由于GaN与衬底之间的晶格失配导致的高缺陷密度、相对低的空穴迁移率以及电子的溢出。特别是，在包括多个量子阱(例如，5至10个)的多量子阱(MQW)结构中，由于空穴的低迁移率而会导致光主要仅在靠近p-GaN的量子阱处出射。
发明内容
根据示例实施例，一种半导体发光器件包括第一半导体层、第一半导体层上的凹坑扩大层、凹坑扩大层上的有源层、空穴注入层以及空穴注入层上的第二半导体层。第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物并在其中包括位错。凹坑扩大层的上表面和有源层的侧表面在位错上限定了具有斜表面的凹坑。凹坑为倒棱锥形空间。空穴注入层位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。第二半导体层掺杂有与第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物。
在示例实施例中，有源层可具有多量子阱(MQW)结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层。
在示例实施例中，空穴注入层可沿着凹坑的斜表面与有源层的全部所述多个量子阱层接触。
在示例实施例中，空穴注入层的一部分可与凹坑扩大层接触。
在示例实施例中，空穴注入层可位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。空穴注入层的厚度可实质上恒定。
在示例实施例中，空穴注入层的厚度可为约3nm至约5nm。
在示例实施例中，第一半导体层和第二半导体层可包括GaN，并且空穴注入层可包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN。
在示例实施例中，空穴注入层在有源层的顶表面上的部分的掺杂浓度可为约1020/cm3，并且空穴注入层在凹坑的斜表面上的部分的掺杂浓度可为约7～8×1019/cm3。
在示例实施例中，第二半导体层可包括平坦的顶表面，并且第二半导体层的下部可部分地突出到凹坑中。
在示例实施例中，半导体发光器件还可包括位于有源层与空穴注入层之间的电子阻挡层。
在示例实施例中，电子阻挡层和空穴注入层可位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。电子阻挡层和空穴注入层可分别具有实质上恒定的厚度。
在示例实施例中，电子阻挡层包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的AlGaN，并且空穴注入层包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN。
在示例实施例中，半导体发光器件可包括电子阻挡层。空穴注入层可包括第一空穴注入层和第二空穴注入层。电子阻挡层可位于第一空穴注入层与第二空穴注入层之间。
在示例实施例中，电子阻挡层、第一空穴注入层和第二空穴注入层可位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。电子阻挡层、第一空穴注入层和第二空穴注入层可具有实质上恒定的厚度。
根据示例实施例，一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：生长第一半导体层；在第一半导体层上生长凹坑扩大层；在凹坑扩大层上生长有源层；生长空穴注入层；以及在空穴注入层上生长第二半导体层。第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物并包括位错。凹坑扩大层的上表面和有源层的侧表面在位错上限定了具有斜表面的凹坑。空穴注入层位于有源层的顶表面和凹坑的斜表面上。第二半导体层掺杂有与第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物。
在示例实施例中，生长有源层的步骤可包括形成多量子阱(MQW)结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层。生长空穴注入层的步骤可包括形成空穴注入层以使得空穴注入层沿着凹坑的斜表面与有源层的全部所述多个量子阱层接触。生长空穴注入层的步骤可包括形成空穴注入层以使得空穴注入层的一部分与凹坑扩大层接触。
在示例实施例中，生长空穴注入层的步骤可包括在有源层的顶表面和凹坑的斜表面上形成空穴注入层以使其具有实质上恒定的厚度。
在示例实施例中，第一半导体层和第二半导体层可包括GaN，并且空穴注入层可包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN。
在示例实施例中，该方法还可包括步骤：在有源层与空穴注入层之间形成电子阻挡层。电子阻挡层可包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的AlGaN。空穴注入层可包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN。
在示例实施例中，该方法还可包括步骤：在空穴注入层上形成电子阻挡层；以及在电子阻挡层上形成额外的空穴注入层。
根据示例实施例，一种半导体发光器件包括第一氮化物半导体层、第一氮化物半导体层上的凹坑扩大层、凹坑扩大层上的有源层、有源层上的第二氮化物半导体层以及空穴注入层。第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物并在其中包括位错。凹坑扩大层的上表面和有源层的侧表面在位错上限定了具有斜表面的凹坑。第二氮化物半导体层掺杂有与第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物。第二氮化物半导体层的底表面限定了平坦部分和棱锥形部分。棱锥形部分中的每一个的顶点为最低表面。空穴注入层沿着第二半导体层的平坦部分和棱锥形部分在第二氮化物半导体层与有源层之间延伸。
在示例实施例中，有源层可为多量子阱(MQW)结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层。空穴注入层可沿着凹坑的斜表面与全部所述多个量子阱层直接接触。
在示例实施例中，有源层可为多量子阱(MQW)结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层。凹坑扩大层可包括以交替方式堆叠在彼此上的多个第三氮化物半导体层和第四氮化物半导体层。所述多个量子阱层可与第三氮化物半导体层和第四氮化物半导体层中的一个包括相同的元素。所述多个量子阱层的化学计算法可与第三氮化物半导体层和第四氮化物半导体层中的一个的化学计算法不同。
在示例实施例中，第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层可包括GaN，空穴注入层可包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN，并且空穴注入层的厚度可实质上恒定。
在示例实施例中，空穴注入层可为第一空穴注入层，并且半导体发光器件还可包括位于第一空穴注入层和第二氮化物半导体层之间的电子阻挡层和第二空穴注入层中的至少一个。
附图说明
从以下结合附图对非限制性实施例的描述中，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，图中相同的附图标记在不同的附图中始终指代相同的部件。附图不一定按照比例绘制，而是重点在于示出本发明构思的原理。在附图中：
图1是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图；
图2是示出图1所示的半导体发光器件的操作机制的示意性剖视图；
图3是示出图1所示的半导体发光器件的操作机制的示意性能带图；
图4是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图；
图5是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图；
图6是示出根据上述实施例的半导体发光器件的性能与根据对比实施例的半导体发光器件的性能的比较的表；
图7A至图7G是示出制造图1所示的半导体发光器件的方法的示意性剖视图；
图8是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图；以及
图9是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图。
具体实施方式
现在，将参照其中示出了一些示例实施例的附图更加全面地描述示例实施例。然而，示例实施例可按照许多不同的形式实现，并且不应构造为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些示例实施例以使得本公开将是彻底和完整的，并且将把示例实施例的范围传递给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，可夸大层和区的厚度。附图中的相同附图标记指代相同元件，因此可省略对它们的描述。
应该理解，当元件被称作“连接至”或“耦接至”另一元件时，该元件可直接连接至或耦接至所述另一元件，或者可存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件时，不存在中间元件。如本文所用，术语“和/或”包括相关所列项之一或多个的任何和所有组合。应该按照相同的方式解释其它用于描述元件或层之间的关系的词语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近”与“直接邻近”、“在……上”与“直接在……上”)。
应该理解，虽然本文中可使用术语“第一”、“第二”等来描述多个元件、组件、区、层和/或部分，但是这些元件、组件、区、层和/或部分不应该被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区、层或部分与另一元件、组件、区、层或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区、第一层或第一部分可被称作第二元件、第二组件、第二区、第二层或第二部分，而不脱离示例实施例的教导。
为了方便描述，本文中可使用诸如“在……下方”、“在……之下”、“下”、“在……之上”、“上”等的空间相对术语，以描述附图中所示的一个元件或特征与另外的一个(或多个)元件或特征的关系。应该理解，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的除图中所示的取向之外的不同取向。例如，如果图中的装置颠倒，则被描述为“在其它元件之下”或“在其它元件下方”的元件将因此被取向为“在其它元件或特征之上”。因此，示例性术语“在……之下”可涵盖在……之上和在……之下这两个取向。装置可按照其它方式取向(旋转90度或位于其它取向)，并且本文所用的空间相对描述语将相应地解释。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施例，而不旨在限制示例实施例。如本文所用，除非上下文清楚地指明不是这样，否则单数形式“一个”、“一”和“该”也旨在包括复数形式。还应该理解，术语“包括”、“包括……的”、“包含”和/或“包含……的”当用于本说明书中时，指明存在所列特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。当诸如“……中的至少一个”的表达出现于元件的列表之后时，修饰的是元件的整个列表而不是修饰列表中的单独的元件。
本文参照作为示例实施例的理想实施例(和中间结构)的示意图的剖视图来描述示例实施例。这样，作为例如制造技术和/或公差的结果，可以预见附图中的形状的变化。因此，示例实施例不应被构造为限于本文示出的区的具体形状，而是包括例如由制造工艺导致的形状的偏差。因此，图中示出的区实际上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出装置的区的实际形状，并且不旨在限制示例实施例的范围。
除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施例所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。还应该理解，除非本文中明确这样定义，否则诸如在通用词典中定义的那些的术语应该被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应该理想化地或过于正式地解释它们。
虽然未示出一(或一些)剖视图的对应的平面图和/或透视图，但是本文示出的器件结构的一个(或多个)剖视图针对沿着平面图中将示出的两个不同方向和/或沿着透视图中将示出的三个不同方向延伸的多个器件结构提供了支持。所述两个不同方向可以或可以不彼此正交。所述三个不同方向可包括可以与所述两个不同方向正交的第三方向。所述多个器件结构可在相同电子装置中集成。例如，当在剖视图中示出一个器件结构时，电子装置可包括多个所述器件结构，如将通过电子装置的平面图示出的那样。所述多个器件结构可按照阵列和/或按照二维图案排列。
图1是根据示例实施例的半导体发光器件10的示意性剖视图。参照图1，半导体发光器件10可包括衬底11、设置在衬底11上的缓冲层12、设置在缓冲层12上的第一半导体层13、设置在第一半导体层13上的凹坑扩大层14、设置在凹坑扩大层14上的有源层15、设置在有源层15上的空穴注入层16以及设置在空穴注入层16上的第二半导体层17。
可基于作为III-V族化合物半导体的GaN来形成半导体发光器件10。在这种情况下，衬底11可由具有例如六方晶型结构的蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)形成。缓冲层12是这样的层，其用于减小衬底11的晶格常数与形成在衬底11上的GaN基的半导体层的晶格常数之间的差，从而降低形成在衬底11上的半导体层的缺陷密度和应力。例如，缓冲层12可由AlN或AlInGaN形成。通常，衬底11的晶格常数与缓冲层12的晶格常数不同，因此当缓冲层12在衬底11上生长时形成位错20。虽然为了便于解释，图1仅示出了一个位错20，但是在现实中可能形成多个位错20。
设置在缓冲层12上的第一半导体层13可由掺杂有n型杂质的n-GaN形成。n型杂质可为Si，但不限于此。第一半导体层13可用作用于向下文描述的有源层15提供电子并限制有源层15内的电子和空穴的包覆层。在第一半导体层13在缓冲层12上生长的同时，在缓冲层12中形成的位错20可能延伸至第一半导体层13。
位错20会使形成在第一半导体层13上的有源层15的缺陷密度和应力增大，因此半导体发光器件10的反向漏电流也会增大。通过人为地形成凹坑30(无晶体的空的空间)，凹坑扩大层14自然地缓解了有源层15的应力，从而减小和/或抑制了反向漏电流。虽然为了便于解释，图1仅将凹坑扩大层14示为单层，但是可通过以交替方式生长多个InGaN层和多个GaN层来形成凹坑扩大层14。例如，可通过堆叠约20对InxGa1-xN层(x＜1)和GaN层来形成凹坑扩大层14。例如，可通过堆叠约20对In0.03Ga0.97N层和GaN层来形成凹坑扩大层14。然而，InxGa1-xN层(x＜1)和GaN层的对数不限于20，并且x的值可不同于(例如，小于或大于)0.03。
随着凹坑扩大层14生长，位错20会转换为凹坑30，凹坑30以相对于作为生长方向的方向(0001)约62度的方式向上开口。如图1所示，由于凹坑30的垂直截面具有类似V的形状，因此通常将凹坑30称作V凹坑。凹坑30的实际形状可为具有六边形水平截面的倒棱锥形。虽然为了便于解释，图1仅示出了一个凹坑30，但是在凹坑扩大层14中可形成多个凹坑30，如位错20那样。
有源层15可设置在凹坑扩大层14上。有源层15通过将电子和空穴结合而发射光。例如，有源层15可具有多量子阱(MQW)结构，其包括由InyGa1-yN(y＜1)形成的多个量子阱层和由GaN形成的多个势垒层。例如，可通过堆叠约5对In0.15Ga0.85N层和GaN层来形成有源层15。然而，y可不同于0.15。InyGa1-yN量子阱层中的y的值可大于凹坑扩大层14的InxGa1-xN层中的x的值。另外，量子阱和势垒层的对数可选择地小于5或大于5。如图1所示，在凹坑扩大层14处形成的凹坑30可延伸至有源层15。
空穴注入层16可设置在有源层15上并且可容易地向有源层15中的所有量子阱层提供迁移率比电子低的空穴。这样，空穴注入层16可形成在有源层15的顶表面上。空穴注入层16的厚度可整体恒定(和/或实质上恒定，诸如具有变化小于约1nm或2nm的厚度)。如图1所示，空穴注入层16可在有源层15的顶表面和凹坑30的斜表面上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于约1nm或2nm的厚度)。由于凹坑30始于凹坑扩大层14，因此空穴注入层16的一部分也会与凹坑扩大层14接触。由于空穴注入层16形成在凹坑30的斜表面上，因此空穴注入层16会与有源层15中的所有量子阱层接触。例如，空穴注入层16可由掺杂有p型杂质的p-InGaN形成。空穴注入层16的厚度可为约3nm至约5nm，但不限于此。
可用作包覆层的第二半导体层17可形成在空穴注入层16上。第二半导体层17可由掺杂有p型杂质(例如Mg、Zn、Ca、Na、K)的p-GaN形成。如图1所示，第二半导体层17具有平坦的顶表面，并且第二半导体层17的下部17a可向下延伸至凹坑30中。换句话说，有源层15内的通过凹坑30形成的空的空间可由第二半导体层17的部分17a填充。各个下部17a可具有以顶点为最低表面的棱锥形。
由于空穴注入层16可为密集地掺杂的，并且可形成在凹坑30的斜表面上，因此可容易地将空穴注入到有源层15的所有量子阱层中。如果第二半导体层17直接形成在有源层15上而没有空穴注入层16，则用于填充凹坑30的第二半导体层17的部分17a的掺杂浓度可能不够密集，因此无法容易地将空穴注入有源层15中。
通常，构成第二半导体层17的p-GaN的生长方向(0001)与凹坑30的斜表面的方向(101_1)大不相同。同时，p型掺杂物(例如，Mg、Zn、Ca、Na、K等)与GaN之间的掺入率(incorporation efficiency)取决于晶体表面的形状。因此，设置在凹坑30中的第二半导体层17的部分17a的掺杂浓度因为第二半导体层17的生长方向与凹坑30的斜表面的方向不同而减小。换句话说，第二半导体层17的用于填充凹坑30的部分17a的掺杂浓度低于第二半导体层17的形成在有源层15上方的上部分的掺杂浓度。例如，第二半导体层17的形成在有源层15上方的上部分的掺杂浓度可为约1020/cm3，而第二半导体层17的用于填充凹坑30的部分17a的掺杂浓度可小于1019/cm3。因此，如果未形成空穴注入层16，则第二半导体层17的具有相对低的掺杂浓度的部分17a与有源层15接触，因此无法将空穴充分地注入到有源层15中。
相反，由于用于形成空穴注入层16的InGaN具有比GaN的激活能更低的激活能以及具有与p型掺杂物的高掺入率，因此可在凹坑30中实现高掺杂浓度。此外，由于与p-GaN不同，构成空穴注入层16的p-InGaN可在氮气氛中生长，因此可进一步提高与p型掺杂物的掺入率。因此，空穴注入层16的在有源层15上方的部分的掺杂浓度和空穴注入层16的在凹坑30中的部分的掺杂浓度不会明显不同。例如，空穴注入层16的在有源层15上方的那部分的掺杂浓度可为约1020/cm3，而空穴注入层16的在凹坑30中的那部分的掺杂浓度可为约7～8×1019/cm3。因此，空穴注入层16可在凹坑30中保持高掺杂浓度，因此可容易地将空穴注入到有源层15中。
例如，参照图2，空穴注入层16不仅可以将空穴从有源层15的顶表面注入到有源层15中，而且还可以沿着凹坑30的斜表面将空穴直接注入到有源层15中的所有量子阱层15b。因此，尽管空穴的迁移率低，但空穴也可有效地注入到甚至最下面的量子阱层15b(距离第二半导体层17最远的一层)。虽然图2示出了有源层15具有包括四个势垒层15a和三个量子阱层15b的MQW结构，但这仅是示例，并且以交替方式堆叠的势垒层15a和量子阱层15b的数量可改变。势垒层15a和量子阱层15b的数量可由于情况需要而改变。
此外，参照图3所示的能带图，将具有低能级的量子阱层15b(例如，InGaN)和具有高能级的势垒层15a(例如，GaN)重复地设置，并且具有最高能级的第二半导体层17设置在最外侧位置。此外，空穴注入层16(例如，p-InGaN)设置在势垒层15a与第二半导体层17之间。如图3所示，空穴注入层16的能级在势垒层15a的能级与量子阱层15b的能级之间。因此，通过第二半导体层17产生的空穴可隧穿具有高掺杂浓度的空穴注入层16并可注入至量子阱层15b。结果，可提高半导体发光器件10的发光效率和光输出功率。
图4是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图。参照图4，根据示例实施例，半导体发光器件还可包括位于有源层15与空穴注入层16之间的电子阻挡层18。例如，电子阻挡层18可由p-AlGaN形成。如图4所示，电子阻挡层18可在有源层15的顶表面和凹坑30的斜表面上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于或等于约1nm或2nm的厚度)。例如，电子阻挡层18的厚度可为约10nm至约20nm，但不限于此。空穴注入层16可在电子阻挡层18的顶表面上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度)。电子阻挡层18限制和/或防止电子运动到有源层15以外进入到第二半导体层17中，因此提高了有源层15中的电子和空穴的结合效率。
此外，图5是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图。参照图5，根据示例实施例，半导体发光器件可包括两个空穴注入层16a和16b以及设置在它们之间的电子阻挡层18。换句话说，第一空穴注入层16a可在有源层15的顶表面和凹坑30的斜表面上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于或等于约1nm或2nm的厚度)，电子阻挡层18可在第一空穴注入层16a上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于或等于约1nm或2nm的厚度)，并且第二空穴注入层16b可在电子阻挡层18上形成为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于或等于约1nm或2nm的厚度)。通过在电子阻挡层18上进一步布置第二空穴注入层16b，可进一步提高有源层15的空穴注入效率。
图6是示出根据示例实施例的半导体发光器件的性能与根据对比实施例的半导体发光器件的性能的比较的表。在图6中，根据对比实施例的半导体发光器件是其中第二半导体层17直接设置在有源层15上的半导体发光器件，而根据示例实施例的半导体发光器件是包括单个电子阻挡层18和单个空穴注入层16的图4所示的半导体发光器件。此外，在图6中，IR指在将反向电压施加至半导体发光器件的情况下的漏电流，IF指在将正向电压施加至半导体发光器件的情况下的漏电流，VR指在将反向电压施加至半导体发光器件的情况下在半导体发光器件两端之间的电压，VF1指在将正向电压施加至半导体发光器件的情况下在半导体发光器件两端之间的电压，并且VF2指驱动电压。这里，有利的是，IR、IF和VF2低，而VR和VF高。参照图6，关于IR、IF和VF1，对比实施例与根据示例实施例的发光器件之间无明显差别。然而，与对比实施例的发光器件相比，根据示例实施例的发光器件的VR明显提高，并且根据示例实施例的发光器件中的驱动电压稍低于对比实施例的发光器件中的驱动电压。具体地说，根据示例实施例的发光器件的光输出功率可比对比实施例的发光器件的光输出功率高约7.7％。
图7A至图7G是示出制造图1所示的半导体发光器件10的方法的示意性剖视图。下文中，将参照图7A至图7G来描述制造半导体发光器件10的方法。
首先，参照图7A，在衬底11上生长缓冲层12。衬底11可由例如具有六方晶型结构的蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)形成。可选择地，衬底11可由GaAs、GaN、ZnO、GaP、InP等形成。缓冲层12可由AlN或AlInGaN形成，并具有约10nm至约10μm的厚度。如图7A所示，由于衬底11的晶格常数与缓冲层12的晶格常数之间的差别，因此在缓冲层12的生长过程中形成位错20。位错20可延伸至缓冲层12的顶表面。
接着，参照图7B，在缓冲层12上生长第一半导体层13。第一半导体层13可由n-GaN形成，并且可利用包括氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等方法中的任何方法生长为具有约10nm至约10μm的厚度。如图7B所示，形成在缓冲层12中的位错20可延伸至第一半导体层13。
接着，参照图7C，为了缓解由于位错20导致的应力，可在第一半导体层13上生长凹坑扩大层14。可通过以交替方式堆叠约20对InxGa1-xN层(x＜1)和GaN层来形成凹坑扩大层14。例如，可通过以交替方式堆叠约20对In0.03Ga0.97N层和GaN层来形成凹坑扩大层14。然而，InxGa1-xN层(x＜1)和GaN层的对数不限于20，并且x的值可不同于(例如，小于或大于)0.03。如图7C所示，位错20变成凹坑30，凹坑30以相对于作为凹坑扩大层14的生长方向的方向(0001)约62度的方式向上开口。随着凹坑扩大层14生长，凹坑30的大小增大。凹坑扩大层14的整体厚度可为约10nm至约1000nm。
接着，参照图7D，在凹坑扩大层14上生长有源层15。有源层15可具有多量子阱(MQW)结构,其中多个势垒层15a和多个量子阱层15b以交替方式布置。例如，量子阱层15b可由InyGa1-yN(y＜1)形成，而势垒层15a可由GaN形成。例如，量子阱层15b可由In0.15Ga0.85N形成，而势垒层15a可由GaN形成。然而，y可不同于0.15。InyGa1-yN量子阱层中的y的值可大于凹坑扩大层14的InxGa1-xN层中的x的值。虽然图7D示出了三个量子阱层15b和四个势垒层15a，但是可进一步堆叠量子阱层15b和势垒层15a。有源层15的厚度可根据光发射波长以及量子阱层15b和势垒层15a的对数而改变。如图7D所示，形成在凹坑扩大层14的凹坑30可延伸至有源层15，并且凹坑30在有源层15处变得更大。图7D示出了凹坑30的截面具有简单的类似V的形状。然而，参照图7E，凹坑30的实际形状可为具有六边形水平截面的倒棱锥形。
参照图7F，空穴注入层16在有源层15上生长为具有恒定厚度(和/或实质上恒定的厚度，诸如具有变化小于或等于约1nm或2nm的厚度)。空穴注入层16可由例如p-InGaN形成。如图7F所示，空穴注入层16可在有源层15的顶表面和凹坑30的斜表面上形成为具有恒定厚度。结果，空穴注入层16的一部分沿着凹坑30的斜表面与凹坑扩大层14接触，并且可与有源层15中的所有量子阱层15b接触。空穴注入层16可在氮气氛中在约100托的压强和约930℃的温度下生长为具有约3nm至约5nm的厚度。
最后，参照图7G，在空穴注入层16上生长第二半导体层17。第二半导体层17可由例如p-GaN形成，并且可利用诸如HVPE、MOCVD或MBE的方法在氢气氛或含氢的气氛中生长为具有约10nm至约1000nm的厚度。如图7G所示，第二半导体层17具有平坦的顶表面，第二半导体层17的部分17a填充凹坑30。
图8是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图。
参照图8，根据示例实施例的半导体发光器件可与先前参照图1描述的半导体发光器件10相同。然而，如图8所示，根据示例实施例的半导体发光器件可包括多个空穴注入层16a至16c而非图1所示的仅一个空穴注入层16。例如，空穴注入层16a至16c可各自由掺杂有p型杂质的p-InGaN形成。空穴注入层16a至16c的In浓度和/或p型杂质的浓度可不同。
图9是根据示例实施例的半导体发光器件的示意性剖视图。
参照图9，根据示例实施例的半导体发光器件可与先前参照图1描述的半导体发光器件10相同。然而，半导体发光器件还可包括第一半导体层13的上表面上的第一电极40和第二半导体层17的上表面上的第二电极50。
应该理解，本文描述的示例实施例应该仅被认为是描述性的，而不是为了限制。对根据示例实施例的各个半导体发光器件和/或其制造方法中的特征或方面的描述应该通常被认为可用于根据示例实施例的其它半导体发光器件和/或其制造方法中的其它相似特征或方面。
虽然已经特别示出并描述了一些示例实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可在其中作出形式和细节上的改变。
Claims (18)
1.一种半导体发光器件，包括：
第一半导体层，所述第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物并在其中包括位错；
所述第一半导体层上的凹坑扩大层，所述凹坑扩大层将所述位错转换为凹坑；
所述凹坑扩大层上的有源层，所述凹坑扩大层的上表面的倾斜部分和所述有源层的侧表面一起限定了所述凹坑的斜表面，所述凹坑为倒棱锥形空间；
空穴注入层，其直接位于所述有源层的顶表面和所述凹坑的所述斜表面上；以及
所述空穴注入层上的第二半导体层，所述第二半导体层掺杂有与所述第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物，
其中，所述空穴注入层的厚度实质上恒定。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述有源层具有多量子阱结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中，所述空穴注入层沿着所述凹坑的斜表面与所述有源层的全部所述多个量子阱层接触。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述空穴注入层的一部分与所述凹坑扩大层接触。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述空穴注入层的厚度为3nm至5nm。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中
所述第一半导体层和所述第二半导体层包括GaN，并且
所述空穴注入层包括掺杂有所述第二导电类型的掺杂物的InGaN。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其中
所述空穴注入层在所述有源层的顶表面上的部分的掺杂浓度为1020/cm3，并且
所述空穴注入层在所述凹坑的斜表面上的部分的掺杂浓度为7～8×1019/cm3。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中
所述第二半导体层包括平坦的顶表面，并且
所述第二半导体层的下部部分地突出到所述凹坑中。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括：
电子阻挡层，其位于所述有源层与所述空穴注入层之间。
10.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其中
所述电子阻挡层和所述空穴注入层位于所述有源层的顶表面和所述凹坑的斜表面上，并且
所述电子阻挡层和所述空穴注入层分别具有实质上恒定的厚度。
11.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中
所述电子阻挡层包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的AlGaN，并且
所述空穴注入层包括掺杂有第二导电类型的掺杂物的InGaN。
12.根据权利要求1所述的半导体发光器件，还包括：
电子阻挡层，其中
所述空穴注入层包括第一空穴注入层和第二空穴注入层，并且
所述电子阻挡层位于所述第一空穴注入层与所述第二空穴注入层之间。
13.根据权利要求12所述的半导体发光器件，其中
所述电子阻挡层、所述第一空穴注入层和所述第二空穴注入层位于所述有源层的顶表面和所述凹坑的斜表面上，并且
所述电子阻挡层、所述第一空穴注入层和所述第二空穴注入层分别具有实质上恒定的厚度。
14.一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括步骤：
生长第一半导体层，所述第一半导体层掺杂有第一导电类型的掺杂物，并且所述第一半导体层包括位错；
在所述第一半导体层上生长凹坑扩大层，所述凹坑扩大层将所述位错转换为凹坑；
在所述凹坑扩大层上生长有源层，所述凹坑扩大层的上表面的倾斜部分和所述有源层的侧表面一起限定了所述凹坑的斜表面；
在所述有源层的顶表面和所述凹坑的所述斜表面上直接生长空穴注入层以使其具有实质上恒定的厚度；以及
在所述空穴注入层上生长第二半导体层，所述第二半导体层掺杂有与所述第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述生长有源层的步骤包括形成多量子阱结构，该结构包括以交替方式堆叠在彼此上的多个势垒层和多个量子阱层，
所述生长空穴注入层的步骤包括形成所述空穴注入层以使得所述空穴注入层沿着所述凹坑的斜表面与所述有源层的全部所述多个量子阱层接触，以及
所述生长空穴注入层的步骤包括形成所述空穴注入层以使得所述空穴注入层的一部分与所述凹坑扩大层接触。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述第一半导体层和所述第二半导体层包括GaN，并且
所述空穴注入层包括掺杂有所述第二导电类型的掺杂物的InGaN。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：
在所述有源层与所述空穴注入层之间形成电子阻挡层，其中，所述电子阻挡层包括掺杂有所述第二导电类型的掺杂物的AlGaN，并且
所述空穴注入层包括掺杂有所述第二导电类型的掺杂物的InGaN。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：
在所述空穴注入层上形成电子阻挡层；以及
在所述电子阻挡层上形成额外的空穴注入层。
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