CN107634128A - 氮化物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物半导体元件,依次包括AlN缓冲层、n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层,其特征在于:在所述AlN缓冲层和n型氮化物半导体层间插入三维应力调变层,所述三维应力调变层与所述AlN缓冲层界面具有三维组份分布特性。本发明所述元件藉由三维方式释放应力,调变n型氮化物半导体层的应力,改善材料晶体质量,提升器件发光效率。

Description

氮化物半导体元件
技术领域
本发明涉及半导体制备领域,具体为一种氮化物半导体元件。
背景技术
近年来紫外发光二极管随着产品功率提升与技术精进,加上寿命长、体积小等优势,已逐渐取代较低功率的汞灯。同时国际禁汞的《水俣公约》将于 2020年生效,这一政策将加速UV LED规模化应用的到来。
目前深紫外LED的缓冲层主要以AlN为主。图1为传统深紫外LED外延结构,在衬底形成AlN 缓冲层,在AlN缓冲层形成n型氮化物半导体层、量子井发光层与p型氮化物半导体层。其中因n型氮化物半导体层与AlN 缓冲层存在晶格失配,对后生长的AlGaN产生极大的压应力,衍生出更多的位错密度,进而影响晶体质量与 LED 器件发光效率。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种氮化物半导体元件,其应用3D应力调变缓冲层外延技术,在 AlN 缓冲层与n型半导体层之间成长 3D 应力调变层,藉由三维方式释放应力,改善晶体质量。
本发明的技术方案为:依次包括AlN缓冲层、三维应力调变层、n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层,所述三维应力调变层与所述AlN 缓冲层界面具有三维组份分布特性。
优选地,所述三维应力调变层的组份呈现如下分布:沿着成长方向其铝组分从所述AlN缓冲层到所述三维应力调变层的组份是由大到小的变化,但在界面的xy平面上,其铝组份呈现高高低低不规则的分布。
优选地,所述三维应力调变层的晶格常数大于所述AlN 缓冲层的晶格常数。
优选地,所述三维应力调变层为AlxGayIn1-x-yN,其中x≥0,y>0,x+y≤1。藉由 Al、Ga、In流量控制可以对其晶格常数进行调控,达到调变应力的目的。
优选地,所述三维应力调变层的Al组分的取值X为0.2~0.9。更佳的,X的取值可以为0.5~0.9,例如取0.5或0.75等。
优选地,所述三维应力调变层的成长温度介于1000~1300℃。
优选地,所述三维应力调变层的厚度介于100~5000nm。在一些实施例中,所述厚度d1可以取500~3000nm,例如取微米或者1微米。
优选地,所述AlN缓冲层的上表面呈高、低起伏状。
优选地,所述AlN缓冲层上表面的高、低起伏状的高度差大于10nm。
优选地,所述AlN缓冲层的厚度为100nm以上。在一些实施例中,所述厚度d2可以取100~1000nm之间,例如500nm;在一些实施例中,所述厚度d2可以取500~3000nm之间,例如2000nm。
本发明所述氮化物半导体元件适用于紫外发光二极管,特别是波长为340nm以下深紫外发光二极管。通过在AlN缓冲层与n型半导体层之间插入三维应力调变层,可以减少n型氮化物半导体层的压应力,进而改善材料晶体质量,提升发光效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。此外,附图数据是描述概要,不是按比例绘制。
图1为传统深紫外LED外延结构的示意图。
图2为根据本发明实施的一种氮化物半导体元件的示意图。
图3为根据本发明实施的一种氮化物半导体组件的三维应力调应层的透射电子显微镜图。
图4为采用能量弥散 X 射线探测(EDX)之铝组份分布图。
图中各标号表示如下:
110,210:衬底;
120,220:AlN缓冲层;
130,230:n型半导体层;
140,240:有源层;
150,250:p型半导体层;
260:三维应力调变层;
270:三维应力调变层260与AlN 缓冲层220的界面。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
本实施例的氮化物半导体元件为紫外发光二极管,如图2所示,在外延生长用的衬底210的一个表面侧上依次形成AlN缓冲层220、三维应力调变层260、n型氮化物半导体层230、有源层240和p型氮化物半导体层250。虽然未图示,一般在n型氮化物半导体层230上形成有阴极电极,在p型氮化物半导体层250上形成有阳极电极。
本实施例可采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术,以蓝宝石作为衬底210,进行外延生长。
AlN缓冲层220形成在衬底210上,其厚度优选为100nm以上,较佳值为1000~3000nm。在AlN缓冲层220的上表面呈现高、低起伏状或者具有一系列的岛状结构,其上表面的高、低差优选大于10nm。以岛状结构为例,各个岛状结构大小优选大于 100nm。其中,可采用低温、高五三族比条件成长等方式在AlN缓冲层220上表面形成高、低起伏状岛状结构,其成长温度介于1000~1350℃,五三族比高于1500。考量到过多的氨气(NH3)将导致有机金属源气相预反应(pre-reaction)问题,综合具体较佳条件为生长温度1200℃、五三族比介于2000~3000。
三维应力调变层260形成在AlN缓冲层上,成长温度介于 1000~1300℃,厚度介于100~5000nm,由晶格常数大于缓冲层220的材料构成,其材料可以是AlxGayIn1-x-yN(其中x≥0,y>0,x+y≤1),藉由 Al、Ga流量控制,使其晶格常数大于AlN材料层的晶格常数,具体的AlXGa1-XN的Al组分X可取0.2~0.9,较佳值为0.5~0.9。
n型氮化物半导体层230形成在三维应力调变层260上,其中Al组分取值为0.5~1。
有源层240形成在n型氮化物半导体层230之上,采用Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N(x1<x2)量子阱结构,其中Alx1Ga1-x1N阱层的Al组分为0.3~0.9,例如可取0.4, Alx2Ga1-x1N垒层的Al组分为0.6~1,例如可取0.6。
p型氮化物半导体层250形成于有源层240之上,其可包含p型AlGaN阻挡层、掺杂Mg的p型AlGaN层和Mg的p型GaN层。
在本实施例中,三维应力调变层260与AlN 缓冲层220的界面270具有三维组份分布特性,图3显示了三维应力调应层的透射电子显微镜图,图4为采用能量弥散 X 射线探测(EDX)之铝组份分布图。从图中可看出,沿着成长方向 (即z轴),其铝组分从 AlN缓冲层220到 三维应力调变层260 的组份是由大到小的变化,但在三维应力调变层260与AlN 缓冲层220的界面270的xy平面上,铝组份呈现高高低低不规则的分布,从而使得应力可以三维方式释放。
在本实施例中,控制应力调变层260的晶格常数介于AlN缓冲层220与N型AlGaN层230之间,其中采用高温生长AlxGa1-xN应力调变层260,其Al组分x控制方式可以N型AlGaN层230的生长参数为基准,例如将三甲基铝(TMAl)的流量固定,仅改变三甲基镓(TMGa)的流量,如生长N型AlGaN层230时的三甲基镓(TMGa)流量为 f1,则生长AlxGa1-xN应力调变层260的三甲基镓(TMGa)流量为 f2,其 0<f2<f1,较佳值为f2=f1/2。同样的也可以采用固定三甲基镓(TMGa)流量,通过改变三甲基铝(TMAl)流量的方式来达成组份的调控。
在本实施例中,Al组分x还可藉由控制生长温度方式达成。例如生长应力调变层260的温度为T1,AlN缓冲层220的温度为T2,N型AlGaN层230的温度为T3,则 T3<T1<T2,较佳值可选择 T1=(T2+/T3)/2。
需要说明的是,以上实施方式仅用于说明本发明,而并非用于限定本发明,本领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对本发明做出各种修饰和变动,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (10)

1.氮化物半导体元件,依次包括AlN缓冲层、n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层,其特征在于:在所述AlN缓冲层和n型氮化物半导体层间插入三维应力调变层,所述三维应力调变层与所述AlN 缓冲层的界面具有三维组份分布特性。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述三维应力调变层的组份呈现如下分布:沿着成长方向,铝组分从所述AlN缓冲层到所述三维应力调变层的组份是由大到小的变化,但在界面的xy平面上,铝组份呈现高高低低不规则的分布。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述三维应力调变层的晶格常数大于所述AlN 缓冲层的晶格常数。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述三维应力调变层为AlxGayIn1-x-yN ,其中x≥0,y>0,x+y≤1。
5.根据权利要求4所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述Al组分的取值X为0.2~0.9。
6.根据权利要求1所述所氮化物半导体元件,其特征在于:所述三维应力调变层的成长温度介于1000~1300℃。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述三维应力调变层的厚度介于100~5000nm。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述AlN缓冲层的上表面呈高、低起伏状。
9.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述AlN缓冲层上表面的高、低起伏状的高度差大于10nm。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件,其特征在于:所述AlN缓冲层的厚度为100nm以上。
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