CN105428487A - 垂直紫外线发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直紫外线发光装置及其制造方法。所述垂直紫外线发光装置包括：包括A1的p型半导体层；设置在p型半导体层上且包括Al的有源层；设置在有源层上且包括Al的n型半导体层；设置在n型半导体层上且掺杂有n型的金属接触层；以及形成在金属接触层上的衬垫，其中金属接触层具有比n型半导体层的Al含量低的Al含量。根据本发明的示例性实施例，金属接触层形成在n型半导体层上以允许金属接触层而不是包括AlGaN的n型半导体层充当接触层，从而有效地提高了垂直紫外线发光装置的n型接触特性。

Description

垂直紫外线发光装置及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月4日提交的申请号为62/046,005的美国临时专利申请的优先权和权益，该美国专利申请为了所有目的在此引用作为参考，如同在本文充分地描述。
技术领域
本发明涉及垂直紫外线发光装置及其制造方法，更具体地，涉及能够发出紫外光和改善欧姆接触电阻特性的垂直紫外线发光装置及其制造方法。
背景技术
发光装置是无机半导体装置，其通过电子和空穴的复合来发射光。最近，发光装置已经以不同方式用于显示设备、车用灯具、通用照明设备、光纤通信设备等等。在这其中，发射紫外线的紫外线发光装置可以用于医疗领域中的紫外线固化、紫外线消毒等等，以及设备零部件等，也可以作为制造白光源的源。因此，紫外线发光装置可以以各种方式使用，其应用也已经得到扩展。
如同通用发光装置，紫外线发光装置具有位于n型半导体层和p型半导体层之间的有源层。在这种情况下，紫外线发光装置发出的光具有相对更短的峰值波长(峰值波长通常为400纳米或更短)。因为这个原因，在使用氮化物半导体制造紫外线发光装置的时候，如果n型和p型氮化物半导体层的带隙能量小于紫外光能量，那么会发生从有源层发射的紫外光被吸收进n型和p型氮化物半导体层的现象。结果，紫外线发光装置的发光效率会严重降低。
如上所述，为了防止紫外线发光装置的发光效率降低，在紫外线发光装置的有源层和氮化物半导体层受到紫外光照射的一侧中包含大约20％或更多的Al。在GaN的情况下，带隙在大约3.4eV下吸收的波长大约为280纳米或者更长，因此GaN基本上包括Al。通常，在使用氮化物半导体制造340纳米或更少的紫外线发光装置的时候，使用具有20％或更多Al的AlGaN。
但是，当通过增加Al含量增加带隙以阻止紫外线被吸收进半导体层的时候，价带的能级降低，因此功函数增加，这样会发生欧姆接触电阻增加的副作用。
尤其是，波长越短，Al含量越高。随着Al含量的增加，欧姆接触电阻会增加，因此紫外线发光装置的光量会减少，装置的激励电压会增加，这会成为降低墙装插头效率的一个因素。
进一步来说，在制造垂直发光装置的情况下，当移除蓝宝石衬底暴露n型半导体，然后接触n电极时，考虑到半导体的晶体结构特性，n电极不接触Ga面，但是接触N面。因此，隧道效应减轻，欧姆接触电阻会增加的更多。对于可见光发光装置，上述的问题无关紧要，但是如果Al含量增加，欧姆接触电阻是极高的，这样墙装插头效率会显著降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供紫外线发光装置及其制造方法，能够改善减少光量的因素，阻止因在制造紫外线发光装置时Al含量增加所引起的来自接触层的电特性。
根据本发明示例性的实施例，提供了垂直紫外线发光装置，包括：包括A1的p型半导体层；设置在p型半导体层上且包括Al的有源层；设置在有源层上且包括Al的n型半导体层；设置在n型半导体层上且掺杂有n型的金属接触层；以及形成在金属接触层上的衬垫，其中金属接触层具有比n型半导体层的Al含量低的Al含量。
金属接触层的Al含量可以从n型半导体层向衬垫减少，金属接触层与衬垫接触的部分的Al含量可以是0％，并且金属接触层内Al含量最高的区域可以等于或小于n型半导体层的Al含量。
金属接触层的一个表面的表面可以形成有粗糙度，并且衬垫可以在形成有粗糙度的表面上形成。
金属接触层可以在n型半导体层的上部区域的一部分上形成，并且垂直紫外线发光装置还可以包括：置于金属接触层和n型半导体层之间的反射层。
反射层可以包括超晶格层，在超晶格层中具有不同折射率的各层交替堆叠，并且反射层可以由单层构成，所述单层的折射率比相邻层的折射率更低。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于制造垂直紫外线发光装置的方法，包括：在衬底上形成掺有n型的金属接触层；在金属接触层上形成包括Al的n型半导体层；在n型半导体层上形成包括Al的有源层；在有源层上形成包括Al的p型半导体层；将衬底从金属接触层分离；以及在金属接触层的衬底从其上分离的表面上形成衬垫。
该方法还可以包括：对金属接触层的衬底从其上分离的表面进行湿法蚀刻来形成粗糙度，其中衬垫可以在形成粗糙度的表面上形成。
该方法还可以包括：对金属接触层的形成衬垫的表面进行湿法蚀刻以形成粗糙度。
该方法还可以包括：对金属接触层的衬底从其上分离的表面的某个区域进行湿法蚀刻来形成粗糙度，其中衬垫可以在未形成粗糙度的另一区域中形成。
该方法还可以包括：在金属接触层和n型半导体层之间形成反射层。反射层还可以以分布式布拉格反射器(DBR)结构形成，在分布式布拉格反射器结构中具有不同折射率的各层交替堆叠，或者反射层可以由单层构成，该单层的折射率比相邻层的折射率更低。
附图说明
图1到3是用于描述一种用于制造根据本发明的第一个示例性实施例的紫外线发光装置的方法的截面图。
图4是示出了根据本发明的第一个示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。
图5是示出了根据本发明的第二个示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。
图6是示出了根据本发明的第三个示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。
具体实施方式
下面将具体结合附图更加详细地说明本发明的示例性实施例。
图1到3是用于描述一种用于制造根据本发明的第一个示例性实施例的紫外线发光装置的方法的截面图，图4是示出了根据本发明的第一个示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。如下描述的氮化物半导体层可以通过各种方法形成。例如，氮化物半导体层可以由金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等来形成。
参考图1，可以在衬底110上形成缓冲层120。衬底110用来生长氮化物半导体层，该衬底可以是蓝宝石衬底、碳化硅衬底、尖晶石衬底、GaN衬底或AlN衬底等。在根据本发明的第一个示例性实施例中采用的衬底110可以是蓝宝石衬底和AlN衬底。
可以将缓冲层120以约500纳米的厚度生长在衬底110上。缓冲层120可以是包括(Al、Ga、In)N的氮化物层。尤其是，AlN具有大的带隙，因此很少吸收激光，使得AlN可以包括用于激光剥离的GaN。其次，缓冲层120可以充当用于在接下来的过程中生长氮化物层的核层，并且还可以用来减少衬底110与生长在缓冲层120上的氮化物层之间的晶格错配。此外，如果必要的话，例如，当衬底110是诸如GaN衬底和AlN衬底的氮化物衬底的时候，可以省去缓冲层120。
此外，如图2所示，金属接触层130可以在缓冲层120上形成。金属接触层130可以以50纳米至2微米的厚度形成，并可以掺有N型。此外，根据本发明的第一个示例性实施例，金属接触层130可以在其含有Al的状态下制造。这样，Al可以包含在金属接触层130中以减少可能发生在衬底110和包括AlGaN的半导体层之间的缺陷或对紫外线的吸收。
根据本发明的第一个示例性实施例，当Al包含到金属接触层130中时，Al并不是均匀地包含在全部的金属接触层130中，可以形成金属接触层130使得Al含量朝向图2中的上方部分增加。也就是说，金属接触层130可以由多个层构成，在多个层中Al含量朝向该上方部分增加，还可以形成金属接触层130使得一个层中的Al含量逐渐改变以朝向该上方部分逐渐增加。
金属接触层130的Al含量是逐渐增加的，因此Al含量为最大的区域可以接触n型半导体层，并且Al含量为最小的区域可以接触衬垫150。此外，接触衬垫150的区域的Al含量变成0％，因此金属接触层130可以由GaN或InGaN形成，而且接触n型半导体层141的区域的Al含量可以小于或等于n型半导体层141的Al含量。
参考图3，n型半导体层141可以在金属接触层130上形成。可以采用诸如MOCVD的技术以厚度大约600纳米至3微米来生长n型半导体层141。n型半导体层141可以包括AlGaN并可以包括诸如Si的n型杂质。
此外，n型半导体层141可以包括具有不同组成比例的中间插入层。通过此配置可以减小势密度，因此改善了晶体结构。
此外，超晶格层143在n型半导体层141上形成。超晶格层143可以包括多层，其中具有不同Al浓度的AlGaN的各层交替堆叠，并且超晶格层143还可以包括AlN。此外，超晶格层143还可以以AlN层和AlGaN层重复堆叠的结构形成。
有源层145和p型半导体层147依次在这样形成的超晶格层143上形成以形成外延层140。有源层145通过电子和空穴的复合发出具有预定的能量的光。此外，有源层145可以具有单量子阱结构或多量子阱结构，其中量子垒层和量子阱层交替堆叠。此外，各量子垒层中与n型半导体层临近的量子垒层可能具有比其它量子垒层更高的Al含量。形成与n型半导体层141最近的量子垒层具有比其它量子垒层更宽的带隙，以减小电子的移动速率，因此有效地阻止了电子溢出。
p型半导体层147可以采用诸如MOCVD的技术形成并可以生长到50纳米到300纳米的厚度。p型半导体层147可以包括AlGaN，而Al的组成比例可以被确定为具有特定的带隙能量，该带隙能量等于或大于有源层145中的阱层的带隙能量。
图4是示出在半导体层按照如上所述进行生长的状态下衬底110被移除后的该半导体层的图，该图示出了半导体层的上部和下部与图3所示是颠倒的。
在衬底110被分离后，缓冲层120通过干法蚀刻或湿法蚀刻移除。如图4所示，金属接触层130可以仍然未被蚀刻。替代地，金属接触层130经历湿干法，使得它可以被形成为具有粗糙表面，该表面是沿着晶体表面形成的六棱锥形状。衬垫150沉积在仍然未被蚀刻的金属接触层130的表面上或沉积在通过PEC蚀刻形成为具有粗糙表面的金属接触层130上。因此，衬垫150接触金属接触层130。
进一步，可以在衬垫150和金属接触层130之间形成触点金属(未示出)。所述触点金属可以包括An、Ni、ITO、Al、W、Ti和Cr或者是多层堆叠的多种材料中的任一种。
这里，金属接触层130可以由GaN或n-GaN形成，但是可以形成为具有朝着n型半导体层141的含量逐渐增加的Al，并且如上所述，可以是连续形成或逐步形成或可以由超晶格层形成。此外，金属接触层130中包含的Al含量可以形成为比n型半导体层141的Al含量更少，并且可以形成为从n型半导体层141朝向衬垫150降低。在这种情况下，金属接触层130的Al含量可以形成为逐步改变。
因而，在金属接触层130顶部，也就是n型半导体层141的一侧，Al逐渐降低，并且因此由GaN或n-GaN形成的且不含Al的金属接触层130接触衬垫150。
衬垫150可以形成为接触金属接触层130的一部分或全部。如上所述，在金属接触层130接触衬垫150的区域的Al含量可以减少以有效提高N型接触特性。此外，由于金属接触层130的晶格常数朝着n型半导体层141具有较高Al含量的方向缓慢地降低，出现在衬底110和n型半导体层141之间的应力可以有效地减轻。
因此，包含的Al有效地改善了电气特性。
图5是示出了根据本发明的第二示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。
参照图5，与本发明的第一示例性实施例一样，在根据本发明的第二示例性实施例的紫外线发光装置中，衬底110被分离，缓冲层120采用干法蚀刻或湿法蚀刻移除，而衬垫150沉积在金属接触层130上。因此，在衬垫150沉积在金属接触层130上的状态下，未形成衬垫150的部分的金属接触层130经历湿法蚀刻。
如上所述，在金属接触层130中，未形成衬垫150的区域通过湿法蚀刻移除，使得金属接触层130可以使紫外光的吸收最小化。
图6是示出了根据本发明的第三示例性实施例的紫外线发光装置的截面图。
参照图6，在根据本发明第三示例性实施例的紫外线发光装置中，反射层160可以形成于金属接触层130和n型半导体层141之间并且可以包括AlN或AlGaN。在这种状态下，衬底110被分开，缓冲层120通过干法蚀刻或湿法蚀刻去除，且其中未形成衬垫150的金属接触层130的区域随后被蚀刻。在这种情况下，可以在蚀刻金属接触层130时蚀刻反射层160。在蚀刻金属接触层130和反射层160之后，接触金属(未示出)沉积在金属接触层130上且衬垫150沉积在接触金属上。
如上所述，即使金属接触层130和反射层160被蚀刻，金属接触层130和反射层160仍保持在衬垫150之下。因此，从有源层145产生的紫外线由于反射层160不被吸收进金属接触层130，而是从金属接触层130被反射，从而增加根据本发明示例性实施例的紫外线发光装置的光效率。
在这种情况下，反射层160可以由AlN单层形成。AlN层具有的折射率比n型半导体层141的n-AlGaN的折射率更小，使得从有源层145产生的紫外线中满足全反射条件的紫外线可以被反射。为此，AlN层的厚度可以形成为1纳米至200纳米并可以形成为等于或超过紫外线的半波长的厚度。也就是说，单个AlN层可以以足以反射从有源层145产生的紫外线的厚度形成。
此外，反射层160可以通过交替地堆叠具有不同反射指数的半导体层形成。每层的厚度可以形成为1纳米至200纳米的厚度并可以形成为紫外线的半波长的整数倍。如此形成的超晶格层形成分布式布拉格反射器(DBR)，从而显著地提高反射率。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，金属接触层形成于n型半导体层上以允许金属接触层而不是包括AlGaN的n型半导体层充当接触层，从而有效地提高垂直紫外线发光装置的n型接触特性。
此外，金属接触层经过干法或湿法蚀刻以预先阻止光吸收发生于金属接触层，从而使垂直紫外线发光装置的光提取效率最大化。
虽然参考附图做出的对本发明的详细描述，但是上述示例性实施例仅是参考本发明的优选实例描述的，并且本发明因此不应被理解为仅限于示例性实施例，而且本发明的范围应当被理解成权利要求书和等效的概念。

Claims (16)

1.一种垂直紫外线发光装置，所述垂直紫外线发光装置包括：
p型半导体层，包括Al；
有源层，设置在所述p型半导体层上且包括所述Al；
n型半导体层，设置在所述有源层上且包括所述Al；
金属接触层，设置在所述n型半导体层上且掺杂有n型；以及
衬垫，形成于所述金属接触层上，
其中所述金属接触层具有比所述n型半导体层的Al含量低的Al含量。
2.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光装置，其中所述金属接触层的所述Al含量从所述n型半导体层朝向所述衬垫减少。
3.根据权利要求2所述的垂直紫外线发光装置，其中所述金属接触层接触所述衬垫的部分的Al含量为0％。
4.根据权利要求2所述的垂直紫外线发光装置，其中所述金属接触层内Al含量最高的区域等于或小于所述n型半导体层的Al含量。
5.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光装置，其中所述金属接触层的一个表面的表面形成有粗糙度，
所述衬垫形成在其上形成有所述粗糙度的表面上。
6.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光装置，其中所述金属接触层形成于所述n型半导体层的上部区域的一部分上。
7.根据权利要求6所述的垂直紫外线发光装置，还包括：
反射层，插入在所述金属接触层和所述n型半导体层之间。
8.根据权利要求7所述的垂直紫外线发光装置，其中所述反射层包括超晶格层，在所述超晶格层中具有不同折射率的层交替堆叠。
9.根据权利要求7所述的垂直紫外线发光装置，其中所述反射层是由单层构成，所述单层具有比其相邻层的折射率小的折射率。
10.一种用于制造垂直紫外线发光装置的方法，所述方法包括：
将掺杂有n型的金属接触层形成在衬底上；
将包括Al的n型半导体层形成在所述金属接触层上；
将包括所述Al的有源层形成在所述n型半导体层上；
将包括所述Al的p型半导体层形成在所述有源层上；
将所述衬底从所述金属接触层分离；以及
在所述金属接触层的所述衬底从其上分离的表面上形成衬垫。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
对所述金属接触层的所述衬底从其上分离的所述表面进行湿法刻蚀以形成粗糙度，
其中所述衬垫在形成有所述粗糙度的所述表面上形成。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
对所述金属接触层的其上形成有所述衬垫的所述表面进行湿法刻蚀以形成粗糙度。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：
对所述金属接触层的所述衬底从其上分离的表面的某些区域进行湿法刻蚀以形成粗糙度，
其中所述衬垫在未形成有所述粗糙度的另一区域中形成。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在所述金属接触层和所述n型半导体层之间形成反射层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述反射层以分布式布拉格反射器结构形成，在所述分布式布拉格反射器结构中具有不同折射率的各层交替堆叠。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述反射层由单层构成，所述单层具有比其相邻层的折射率小的折射率。
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