CN108963041A - 包括缓冲层的氮化物半导体发光装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光装置，其包括缓冲层上的III族氮化物半导体层。缓冲层按次序包括第一层、第二层和第三层。第一层、第二层和第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物。第一层和第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值或平均值大于第二层的氧浓度(原子/cm3)的最小值或平均值。

Description

包括缓冲层的氮化物半导体发光装置及其形成方法
相关申请的交叉引用
于2017年5月18日提交的标题为“包括缓冲层的氮化物半导体发光装置及其形成方法”的韩国专利申请No.10-2017-0061585以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本公开描述的一个或多个实施例涉及一种包括缓冲层的氮化物半导体发光装置及其形成方法。
背景技术
一种类型的半导体发光装置基于发光层中的电子和空穴的复合而发射光。这种装置被用作照明设备和平板显示器的光源。
半导体发光装置可由包括III族氮化物的材料形成。III族氮化物可在衬底上生长，以形成高质量单晶层。然而，当氮化物生长时，作为衬底与III族氮化物层之间晶格常数失配的结果，位错密度会较高。结果，由于这些层的热膨胀系数不同，会发生裂纹、翘曲和/或其它缺陷。
发明内容
根据一个或多个实施例，一种半导体发光装置包括：衬底；缓冲层，其位于衬底上，并且按次序包括第一层、第二层和第三层；以及III族氮化物半导体层，其位于缓冲层上，其中第一层、第二层和第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物，并且其中第一层和第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值军大于第二层的氧浓度(原子/cm3)的最小值。
根据一个或多个其它实施例，一种半导体发光装置包括：衬底；缓冲层，其位于衬底上，并且按次序包括第一层、第二层和第三层；以及III族氮化物半导体层，其位于缓冲层上，其中第一层、第二层和第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物，并且其中第一层和第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的平均值均大于第二层的氧浓度(原子/cm3)的平均值。
根据一个或多个其它实施例，一种用于形成半导体发光装置的方法包括：利用第一物理气相沉积(PVD)方法在衬底上形成第一缓冲层，第一PVD方法利用铝靶以及含氮气体和含氧气体；利用第二PVD方法在第一缓冲层上形成第二缓冲层，第二PVD方法利用铝靶和含氮气体；利用第三PVD方法在第二缓冲层上形成第三缓冲层，第三PVD方法利用铝靶以及含氮气体和含氧气体；以及在第三缓冲层上形成III族氮化物半导体层。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得清楚，其中：
图1至图4示出了半导体发光装置的缓冲层的实施例；
图5示出了物理气相沉积设备的实施例；
图6至图8示出了半导体发光装置的实施例；
图9示出了照明设备的实施例；以及
图10示出了液晶显示器的实施例。
具体实施方式
图1至图4是示出可在例如半导体发光装置中使用的缓冲层的实施例的剖视图。
参照图1，半导体发光装置10包括衬底11上的缓冲层12和缓冲层12上的半导体堆叠层结构L。半导体堆叠层结构L可连接至电极。
例如，衬底11可包括蓝宝石、SiC、Si、MgAl2O4、MgO、LiAlO2、LiGaO2或者GaN。在一个实施例中，缓冲层12可形成在作为衬底11的蓝宝石衬底上，以减少晶格失配、提高结晶性能和允许形成高质量半导体堆叠层结构L。
缓冲层12包括第一层121、第二层122和第三层123。第一层121位于衬底11上，第二层122位于第一层121上，并且第三层123位于第二层122上。半导体堆叠层结构L可位于第三层123上。
例如，第一层121、第二层122和第三层123中的每一个可包括含有铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物。第一层121的氧浓度(原子/cm3)的最小值可大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值。第三层123的氧浓度(原子/cm3)的最小值可大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值。
在一个实施例中，第二层122的氧浓度(原子/cm3)可从第一层121与第二层122之间的界面至第二层122的中心部分逐渐降低。在一个实施例中，缓冲层12的氧浓度(原子/cm3)可在第二层122中具有最低值，并且在第三层123中具有最高值。
在一个实施例中，在缓冲层12中，第一层121和第三层123中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的平均值均可大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的平均值。
由于缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123的氧浓度分布如上述设置，因此可在缓冲层12位于衬底11与单晶半导体层之间的情况下在衬底11上生长高质量单晶半导体层。
由于衬底11与缓冲层12之间的界面上的第一层121的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值，因此可实现对衬底11与缓冲层12之间的晶格失配的改进。
由于半导体堆叠层结构L与缓冲层12之间的界面上的第三层123的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值，因此可提高润湿性能。因此，可有利于后续半导体层生长为二维外延薄膜。例如，由于第三层123中存在的氧控制极性，因此含铝的第三层123改变为带有极性的表面。因此，可减少反相畴界(inversion domain boundary)的产生，并且可抑制后续半导体层生长为多晶层的因素。
在一个实施例中，第三层123的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值可大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值，并且还可大于第一层121的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值。
由于第三层123的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值大于第一层的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值，因此可抑制在第三层123之后的半导体层生长为多晶层的因素。另外，可实现有利于外延生长的改进。
第一层121和第三层123中的每一个的氧浓度可在1E19至1E24原子/cm3的范围内。第二层122的氧浓度可在1E18至1E23原子/cm3的范围内。
可通过次级离子质谱法(SIMS)分析来测量缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123的氧浓度(原子/cm3)。
第一层121和第三层123中的每一个的厚度可在预定范围(例如，0.3至3nm的范围)内。在一个实施例中，第一层121和第三层123中的每一个的厚度可在0.5至2nm的范围内。第一层121和第三层123的厚度可相同或彼此不同。当第一层121和第三层123中的每一个的厚度均大于3nm时，在一些情况下，第一层121和第三层123可不足以用作适于解决衬底11与半导体堆叠层结构L之间的晶格常数失配问题的缓冲层。当第一层121和第三层123中的每一个的厚度均小于0.3nm时，在一些情况下，可能不能可靠地实现后续半导体层的外延生长，并且后续半导体层生长为多晶层的可能性增大。
缓冲层12的总厚度可在预定范围(例如，5至200nm的范围)内。在一个实施例中，缓冲层12的总厚度可在10至100nm的范围内。当缓冲层12的厚度大于200nm时，缓冲层12的功能可减弱。当缓冲层12的厚度小于5nm时，可能不能可靠地实现后续半导体层的外延生长。
第二层122的厚度可大于第一层121和第三层123中的每一个的厚度。第二层122的厚度可具有从缓冲层12的总厚度中减去第一层121和第三层123的厚度获得的值。在一个实施例中，第二层122的厚度可在4至150nm的范围内。在一个实施例中，第二层122的厚度可在6至50nm的范围内。
参照图2，在缓冲层12中，第三层123的厚度可大于第一层121的厚度。第二层122的厚度可大于第三层123的厚度。在一个实施例中，第三层123的厚度可为第一层121的厚度的1.2至3倍。在一个实施例中，第二层122的厚度可为第三层123的厚度的5至50倍。
由于缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123的厚度如上述设置，因此抑制了后续半导体层生长为多晶层的因素。因此，可增加有利于外延生长的效果。
参照图3，将具有不规则度的衬底用作衬底11，并且可在衬底11上形成具有不规则形状的缓冲层12。缓冲层12的不规则形状可允许在缓冲层12上实现后续半导体层的横向外延过生长(ELOG)，并且可提高结晶性能。在一个实施例中，半导体层的生长在缓冲层12的不规则结构中的突出区域受到抑制，并且在不规则结构中的下端平面(C面)在C轴方向上可导致半导体层的生长。
在图3所示的缓冲层12中，不规则度具有半圆形。然而，不规则度在其它实施例中可具有不同形状(例如，柱形、山形或者其它形状)。
参照图4，缓冲层12可重复地形成和堆叠在衬底11上。每个缓冲层12从衬底11开始按照次序包括第一层121、第二层122和第三层123。缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123中的每一个可由例如含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物形成，只要第一层121和第三层123中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值均大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或第一层121和第三层123中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的平均值均大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的平均值即可。
在图4所示的半导体发光装置10中，两个缓冲层12、12重复地堆叠，但是在另一实施例中可重复地堆叠三个或更多个缓冲层。
通过包括多个缓冲层，可实现防止位错缺陷向上扩散的改进，并且可在缓冲层12上生长高质量单晶半导体层。
例如，可利用物理气相沉积(PVD)法形成图1至图4所示的缓冲层12。与其它方法相比，该方法更简单并可增加生产率。另外，通过利用PVD方法可容易地实现缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123的氧浓度分布的高再现性。
当利用PVD方法形成缓冲层12时，可将铝(Al)用作靶，并且可供应含氮气体和/或含氧气体。结果，可形成包括含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的层。
在一个实施例中，可将氮化铝(AlN)用作靶，并且可将含氧气体供应至AlN的表面。结果，也可形成包括含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的层。
在一个实施例中，可利用PVD方法形成AlN层，后面可跟着执行热氧化工艺。结果，可形成包括含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的层。
可利用溅射法形成缓冲层12，其中将铝(Al)用作靶并供应含氮气体和/或含氧气体作为源气。这可允许有效控制第一层121、第二层122和第三层123的氧浓度分布，并且可允许通过在线处理(in-line process)容易地制造包括第一层121、第二层122和第三层123的缓冲层12。
当利用溅射法形成缓冲层12时，可改变供应的源气的组合和/或比率，以按次序形成第一层121、第二层122和第三层123。可通过利用供应的含氮气体和含氧气体溅射铝靶来形成第一层121。可通过利用供应的含氮气体溅射铝靶来形成第二层122。可通过利用供应的含氮气体和含氧气体溅射铝靶来形成第三层123。
参照图1至图4，在利用PVD方法按次序形成缓冲层12中的第一层121、第二层122和第三层123之后，可利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在第三层123上形成半导体堆叠层结构L。
半导体堆叠层结构L和形成在其上的电极的结构在实施例之间可以是不同的。在一个实施例中，第三层123上的半导体层可为由AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1并且0≤(a+b)≤1)表示的III族氮化物半导体层。在一个实施例中，III族氮化物半导体层可为GaN层、AlGaN层或者InGaN层。
例如，可通过应用诸如MOCVD方法、氢化物气相外延(HVPE)方法、分子束外延(MBE)方法的方法形成缓冲层12上的III族氮化物半导体层，这些方法是用于生长III族氮化物半导体的方法。例如，可利用MOCVD方法形成III族氮化物半导体层，以提供改进的厚度控制和生产率。
图5示出了PVD设备20的实施例的剖视图，例如，PVD设备20可用于形成诸如上述的半导体发光装置的缓冲层。
参照图5，PVD设备20可包括室21、气体供应源22a、22b和22c、电源23、靶支承件24、衬底支承件25、质量流量控制器(MFC)26和衬底提升件27。
在室21中，将靶支承件24安装为面对衬底支承件25。靶支承件24和衬底支承件25是导电的。
MFC 26连接至气体供应源22a、22b和22c。可通过MFC 26控制从气体供应源22a、22b和22c中的每一个供应的源气的和/或比率。可针对多个气体供应源22a、22b和22c分别设置多个MFC。PVD设备20还可包括被构造为排放气体的气体排放部分。
例如，电源23的电力可包括直流(DC)电、脉冲DC电、交流(AC)电或射频(RF)电。可通过电源23将电压施加在靶T侧，以允许衬底和靶各自的电极分别具有相对负电压或相对正电压。在一个实施例中，还可将另一电源安装在衬底侧。在这种情况下，可将电压施加至衬底侧和靶侧二者，以设置负电极和正电极。
在一个实施例中，衬底支承件25位于靶支承件24下方，并且靶支承件24位于衬底支承件25上方。在另一实施例中，衬底支承件25可位于靶支承件24上方，并且靶支承件24可位于衬底支承件25下方。
在一个实施例中，铝靶T位于安装在PVD设备20的室21中的靶支承件24上，并且衬底11位于衬底支承件25上。衬底11可通过衬底提升件27位于室中。可将例如纯度为5N5(99.9995％)的高纯度铝用作铝靶。接着，通过MFC 26的控制将源气从气体供应源22a、22b和22c供应至室21内。通过连接至室21的电源23施加电压。由于施加的电压产生电势，在负电极与正电极之间的区中产生源气的等离子体，因此通过偏置为负电极的靶的溅射，可在偏置为正电极的衬底11上形成缓冲层12。
可通过MFC 26按次序控制供应的源气的组合和/或比率。例如，首先，可将含氮气体和含氧气体从气体供应源22a、22b和22c供应至室21内，以将第一层121沉积在衬底11上。供应的氮的量可在预定范围(例如，10至100sccm的范围)内，并且供应的氧的量可在预定范围(例如，10至30sccm的范围)内。
通过供应含氮气体和含氧气体直至第一层121在衬底11上形成有预定厚度为止来执行沉积，以形成具有含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的第一层121。第一层121的厚度可在预定范围(例如，0.3至3nm的范围)内。
当第一层121沉积为预定厚度时，通过MFC 26的控制停止从气体供应源22a、22b和22c供应含氧气体，并且仅将含氮气体供应至室21内。供应的氮的量可在预定范围(例如，10至100sccm的范围)内。
通过供应含氮气体直至第二层122在第一层121上形成有预定厚度为止来执行沉积，以形成具有含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的第二层122。第二层122的厚度可在预定范围(例如，4至150nm的范围)内。
当第二层122沉积为预定厚度时，通过MFC 26的控制从气体供应源22a、22b和22c再开始供应含氧气体。结果，将含氧气体和含氮气体供应至室21内。氮的量可在预定范围(例如，20至50sccm的范围)内，并且供应的氧的量可在预定范围(例如，25至40sccm的范围)内。
通过供应含氮气体和含氧气体直至第三层123在第二层122上形成有预定厚度为止来执行沉积，以形成具有含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物的第三层123。第三层123的厚度可在预定范围(例如，0.3至3nm的范围)内。
当形成第一层121、第二层122和第三层123时，除含氮气体和/或含氧气体之外，还可在预定范围(例如，10至100sccm的范围)内供应氩(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)中的至少一个作为惰性气体。
可在例如200至600℃的温度范围内执行用于形成第一层121、第二层122和第三层123的沉积。在一个实施例中，可在300至500℃的温度范围内执行沉积。
在形成第一层121之后和形成第二层122之前，可通过气体排放部分排放室21中留下的源气。另外，可通过关闭电源23暂时停止反应溅射，以将残留在室21中的气体排除。通过包括这样的处理，其中刚好在形成后续层的处理之前室21中的气体被排放和/或停止供电，可容易地控制后续层的氧浓度。
利用根据上述实施例的形成方法形成的缓冲层12可具有第一层121和第三层123中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值均大于第二层122的氧浓度(原子/cm3)的最小值和/或平均值的浓度分布。
在根据上述实施例的形成方法中，通过在存在先前形成第一层121时供应的含氧气体的条件下的反应溅射，第二层122可由含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物而非含铝(Al)和氮(N)的组合物形成。即使通过将含氧气体和含氮气体一起供应执行第一层121和第三层123中的每一个的沉积并且即使在停止供应含氧气体的状态下通过供应含氮气体执行第二层122的沉积，也可实现该组合物。
根据一个实施例，在一个PVD设备中，供应的源气的和/或比率可按次序改变。结果，第一层121、第二层122和第三层123可通过在线处理按照原位方式形成以包括含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物。
图6至图8示出了半导体发光装置的实施例。参照图6，半导体发光装置30包括衬底31上的缓冲层32和缓冲层32上的半导体堆叠层结构L。半导体堆叠层结构L可包括第一导电半导体层33、有源层34和第二导电半导体层35。第一电极36和第二电极37可分别形成在第一导电半导体层33和第二导电半导体层35上并且电连接至第一导电半导体层33和第二导电半导体层35。缓冲层32可包括与图1至图4中的至少一个所示的缓冲层12的结构基本相同的结构。
第一导电半导体层33可通过由AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1并且0≤(a+b)≤1)表示的材料形成。例如，材料可为GaN、AlGaN或InGaN。第一导电半导体层33可掺有第一导电掺杂剂。当第一导电半导体层33是N型半导体层时，例如，第一导电掺杂剂可包括Si、Ge、Sn、Se和Te中的至少一个作为N型掺杂剂。
有源层34可形成为具有包括单量子阱(SQW)、多量子阱(MQW)、纳米杆、量子线和量子点中的至少一个的结构。在一个实施例中，有源层34可形成为具有量子阱层和量子势垒层交替地堆叠的MQW结构。量子阱层和量子势垒层可为包括下列中的至少一个的成对结构：InGaN/GaN、InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs和GaP(InGaP)/AlGaP。量子阱层可由带隙低于量子势垒层的材料的带隙的材料形成。
第二导电半导体层35可通过由AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1和0≤(a+b)≤1)表示的材料形成。例如，材料可为GaN、AlGaN或InGaN。第二导电半导体层35可掺有第二导电掺杂剂。当第二导电半导体层35是P型半导体层时，第二导电掺杂剂可包括Mg、Zn、Ca、Sr和Ba中的至少一个作为P型掺杂剂。
第一导电半导体层33和第二导电半导体层35可通过分别掺有N型杂质和P型杂质的半导体层形成，并且也可反过来由分别掺有P型杂质和N型杂质的半导体层形成。
第一导电半导体层33和第二导电半导体层35中的每一个可具有单层结构或具有不同组合物、厚度或其它特征的多层结构。例如，第一导电半导体层33和第二导电半导体层35中的每一个还可包括载流子注入层，通过载流子注入层可提高电子或空穴的注入效率。另外，第一导电半导体层33和第二导电半导体层35中的每一个可包括各种形式的超晶格结构。
第一导电半导体层33还可在邻近于有源层34的部分包括电流扩散层。电流扩散层可具有多个AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1并且0≤(a+b)≤1)层的堆叠结构，该多个AlaInbGa(1-a-b)N层具有不同组合物或杂质浓度。在一个实施例中，可部分地形成绝缘材料层。
第二导电半导体层35还可在邻近于有源层34的一部分包括电子阻挡层。电子阻挡层可具有多个AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1并且0≤(a+b)≤1)层的堆叠结构，该多个AlaInbGa(1-a-b)N层具有不同组合物，并且其带隙大于有源层34的带隙，以防止电子运动至第二导电半导体层35。
可利用例如MOCVD方法形成第一导电半导体层33、有源层34和第二导电半导体层35。MOCVD方法可包括将诸如有机金属化合物气体(例如，三甲基镓(TMG)或三甲基铝(TMA))的反应气体和含氮气体(例如，氨气(NH3))供应至包括衬底31的反应室内。衬底31可保持在例如900至1100℃的范围内的高温。在III族氮化物化合物半导体生长在衬底上的同时，可供应杂质气体。结果，未掺杂的N型或P型III族氮化物化合物半导体可堆叠在衬底31上。
在MOCVD方法中，可将氢或氮用作载体气体，可将TMG或者三乙基镓(TEG)用作Ga源，可将TMA或三乙基铝(TEA)用作Al源，可将三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)用作In源，并且可将氨气(NH3)或肼(N2H4)用作N源。对于掺杂剂，针对N型，可将甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)用作Si源，可将锗烷(GeH4)等用作Ge源，并且针对P型，可将双环戊二烯基镁(Cp2Mg)或双乙基环戊二烯基镁(((EtCp)2Mg)等用作Mg源。
在将第二导电半导体层35和有源层34部分地蚀刻以暴露出第一导电半导体层33之后，第一电极36可形成在暴露的第一导电半导体层33上。第二电极37可形成在第二导电半导体层35上。
第一电极36或第二电极37可具有单层或包括Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt和Au中的至少一个的多层。在一个实施例中，第一电极36或第二电极37可具有Ni/Ag、Zn/Ag、Ni/Al、Zn/Al、Pd/Ag、Pd/Al、Ir/Ag、Ir/Au、Pt/Ag、Pt/Al和Ni/Ag/Pt的包括两层或更多层的结构。
在图6中，半导体发光装置30具有第一电极36和第二电极37面对作为光发射表面的相同表面的结构。在另一实施例中，半导体发光装置可具有不同结构，例如，在光发射表面的相对方向上形成第一电极和第二电极的倒装芯片结构、第一电极和第二电极形成在相对的表面上的竖直结构、或者形成多个过孔以形成用于提高电流扩散效率和散热效率的电极结构的竖直或水平结构。第一电极36和第二电极37的位置和连接结构在多个实施例中可不同。
在制造半导体发光装置结构的处理中或之后，也可将衬底31部分或完全去除或图案化，以提高半导体发光装置的光特性或电特性。例如，当使用蓝宝石衬底时，可辐射激光以将衬底从半导体发光装置分离，并且可利用抛光、蚀刻或其它方法去除硅或碳化硅衬底。
当去除衬底31时，可使用另一支承衬底。可利用例如反射金属来键合这种支承衬底，或者可将反射式结构插入键合的层的中间，以提高半导体发光装置的光学效率。
当将衬底31图案化时，在单晶生长之前或之后，可在衬底31的主表面(一个表面或者两个表面)或侧表面上形成不规则或者倾斜表面。结果，可提高光发射效率和结晶性能。例如，图案的尺寸可在5nm至500μm的范围内。可选择包括规则的或者不规则图案的结构，只要例如所述结构提高光发射效率即可。所述图案可具有柱形、山形、半圆形或者其它形状。
参照图7，半导体发光装置40包括衬底41上的缓冲层42和缓冲层42上的半导体堆叠层结构L'。半导体堆叠层结构L'可包括在缓冲层42上并且与缓冲层42直接接触的未掺杂的半导体层43。第一导电半导体层44、有源层45和第二导电半导体层46可按次序形成在未掺杂的半导体层43上。缓冲层42可包括与图1至图4中的至少一个中的缓冲层12的结构基本相同的结构。第一导电半导体层44、有源层45和第二导电半导体层46可分别包括与图6所示的第一导电半导体层33、有源层34和第二导电半导体层35的结构基本相同的结构。
未掺杂的半导体层43可通过由AlaInbGa(1-a-b)N(0≤a≤1，0≤b≤1并且0≤(a+b)≤1)表示的材料形成。例如，材料可为GaN、AlGaN和InGaN。未掺杂的半导体层43可并非故意地掺有诸如N型掺杂剂和/或P型掺杂剂的杂质。
为了形成高质量单晶层，未掺杂的GaN层43a可形成为与缓冲层42直接接触的未掺杂的半导体层43，并且可在未掺杂的GaN层43a上形成掺有N型杂质的N型GaN层44a。在至少一个实施例中，术语“未掺杂的”可意指不会在半导体层上额外执行掺杂处理。然而，半导体层可具有预定范围内的诸如Si的杂质，例如，当利用MOCVD方法生长氮化镓半导体时自然包括的大约1014至1018原子/cm3的诸如Si的杂质。
在缓冲层42上形成未掺杂的GaN层43a并在未掺杂的GaN层43a上形成N型GaN层44a可防止位错缺陷向上扩散。另外，可形成高质量半导体发光装置，并且可提高内部量子效率。
在根据图7所示的一个实施例的半导体发光装置40中，可将蓝宝石衬底41a用作衬底41，可在蓝宝石衬底41a上形成与图1所示的相同的缓冲层42a，并且可在缓冲层42a上按次序形成作为未掺杂的半导体层43的未掺杂的GaN层43a、作为第一导电半导体层44的N型GaN层44a、作为有源层45的具有MQW结构的InGaN/GaN层45a以及作为第二导电半导体层46的P型GaN层46a。
利用光致发光(PL)方法测量根据实施例的半导体发光装置40的GaN层的光发射强度的分布。测量设备是单色器(Jobin-Yvon GmbH，HR640)。将能量大于GaN层的带隙的激光(峰值波长为325nm的He-Cd激光)发射在GaN层上的直径为5.08cm(2英寸)的多个测量点上，以测量激发光的强度。测量点分布在GaN层的整个表面上，并且排列为在平行于所述表面的二维方向上具有1mm的间隔。
作为比较例，也利用PL方法测量半导体发光装置的GaN层的光发射强度的分布。半导体发光装置具有与以上实施例的结构相同的结构，不同的是，利用其中使用了铝靶并且使用含氮气体而不用氧注入的PVD方法在蓝宝石衬底上形成缓冲层。
测量结果能够确认根据实施例的半导体发光装置40的GaN层的光发射强度均匀地分布。还确认，结晶性能提高，并且GaN层生长为高质量单晶层。相反，根据比较例形成的半导体发光装置的GaN层的光发射强度不均匀。还确认，根据比较例形成的半导体发光装置的GaN层生长为多晶层。
图8示出了包括电极的半导体发光装置50的实施例。半导体发光装置50可对应于配有电极的图7的半导体发光装置40。
参照图8，欧姆接触层47位于第二导电半导体层46上，并且第二电极49位于欧姆接触层47上。欧姆接触层47可包括氧化物半导体层。在一个实施例中，氧化物半导体层可包括铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、铟锌氧化物(IZO)、ZnO、GZO(ZnO:Ga)、In2O3、SnO2、CdO、CdSnO4或Ga2O3。例如，可利用溅射法、电子束蒸发方法或者真空蒸发沉积方法形成欧姆接触层47。
在半导体发光装置50中，可在P型GaN层46a上形成ITO透明金属层47a，作为欧姆接触层47，并且可在ITO透明金属层47a上形成p电极49a，作为第二电极49。P型GaN层46a和InGaN/GaN层45a可被部分地蚀刻，以暴露出N型GaN层44a。n电极48a可形成在暴露出的N型GaN层44a上，作为第一电极48。
在实验中，利用芯片探针将恒定电流供应至半导体发光装置50。芯片探针测量到从半导体发光装置发射的光的亮度。作为比较例，使用芯片探针来测量来自具有与图8中的结构相同的结构的半导体发光装置的光的亮度，不同的是，利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上形成GaN缓冲层。
测量结果显示与从根据比较例的半导体发光装置输出的光的中心值295mW相比，从半导体发光装置50输出的光的中心值302mW。因此，与比较例相比，确认从半导体发光装置50输出的光实现了2％或更大的提高。
图9示出了可包括本文的半导体发光装置的任一个实施例的照明设备1000的实施例。
参照图9，照明设备1000可包括插座1100、电源1200、散热器1300、光源模块1400和光学部分1500。在一个实施例中，光源模块1400可包括发光装置阵列，并且电源1200可包括发光装置驱动器。
插座1100可形成为可由现有照明设备替代。通过插座1100可将功率供应至照明设备1000。电源1200可被划分为第一电源1210和第二电源1220，并且第一电源1210和第二电源1220可组装。
散热器1300可包括内部散热器1310和外部散热器1320。内部散热器1310可直接连接至光源模块1400和/或电源1200，并且因此热可传递至外部散热器1320。光学部分1500可包括内部光学部分和外部光学部分，并且可被构造为均匀地分布通过光源模块1400发射的光。
光源模块1400从电源1200接收功率，以将光发射至光学部分1500。光源模块1400可包括一个或多个发光装置1410、电路板1420和控制器1430。控制器1430可存储发光装置1410的驱动信息。如所示，发光装置1410可包括根据本文所述的各个实施例的半导体发光装置。
图10示出了包括根据本文所述的实施例中的任一个的一个或多个半导体发光装置的液晶显示器2000的实施例。
参照图10，液晶显示器2000可包括前壳体2100、液晶面板2200和背光单元2300。背光单元2300可包括光源模块2310、导光面板2320、光学片材2330、反射片材2340和框架2350。光源模块2310中的每一个可包括安装在衬底2311上的一个或多个光源2312。光源2312中的每一个可包括根据本文所述的实施例中的任一个的半导体发光装置。导光面板2320、光学片材2330和反射片材2340可位于光源2312的光学路径的侧部。例如，图10所示的背光单元2300可为侧光式或直下式。
例如，可应用根据本文所述的实施例的半导体发光装置作为车辆的内部光源和外部光源。内部光源的示例包括用于车辆的客厢顶灯、阅读灯、仪表板的各种光源等。外部光源的示例包括用于车辆的大灯、刹车灯、转弯信号灯、雾灯、行驶灯等。在一个实施例中，可应用本文所述的实施例的半导体发光装置作为用于机器人或各种其它类型的机械设备的光源。
根据本文所述的实施例的半导体发光装置的其它应用包括提供光以加速植物生长、稳定人的情绪、或者利用特定波段治愈或治疗疾病。在一个实施例中，也可将利用太阳能或风力的环保的可再生能源发电系统的照明与半导体发光装置的低功耗和长寿命关联地应用。
另外，利用本文所述的半导体发光装置以及随之产生的方法的任一个实施例，可降低制造成本并且可增加光学效率。另外，相对于应用了半导体发光装置的各种产品的成本，这些产品的性能可明显提高。
根据前述实施例中的一个或多个，利用简单的并可高度重复的制造处理，可在衬底上形成包括III族氮化物的高质量单晶层。结果，半导体发光装置可设有改进的发光效率和光输出。
本文公开了示例实施例，并且尽管采用了特定术语，但是仅按照一般和描述性含义而非针对限制的目的使用和解释它们。在一些情况下，如本领域普通技术人员之一应该清楚的，除非另有说明，否则随着本申请的提交，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可单独使用或者与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件联合使用。因此，本领域技术人员应该理解，在不脱离权利要求阐述的本发明的精神和范围的情况下，可作出各种形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种半导体发光装置，包括：
衬底；
缓冲层，其位于所述衬底上，并且按次序包括第一层、第二层和第三层；以及
III族氮化物半导体层，其位于所述缓冲层上，
其中，所述第一层、所述第二层和所述第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物，并且
其中，所述第一层和所述第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值均大于所述第二层的氧浓度(原子/cm3)的最小值。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第二层的氧浓度(原子/cm3)从所述第一层与所述第二层之间的界面至第二层的中心部分减小。
3.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述缓冲层的氧浓度(原子/cm3)在所述第二层具有最低值并且在所述第三层具有最高值。
4.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第三层的氧浓度(原子/cm3)的最小值大于所述第一层的氧浓度(原子/cm3)的最小值。
5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，包括在所述缓冲层中的所述第一层和所述第三层中的每一个的氧浓度在1E19至1E24原子/cm3的范围内。
6.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，包括在所述缓冲层中的所述第二层的氧浓度在1E18至1E23原子/cm3的范围内。
7.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中：
所述第一层的厚度小于所述第二层的厚度，并且
所述第三层的厚度小于所述第二层的厚度。
8.根据权利要求7所述的半导体发光装置，其中，所述第一层和所述第三层中的每一个的厚度在0.3至3nm的范围内。
9.根据权利要求7所述的半导体发光装置，其中，所述缓冲层的厚度在5至200nm的范围内。
10.根据权利要求7所述的半导体发光装置，其中，所述第三层的厚度大于所述第一层的厚度。
11.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述缓冲层具有不规则形状。
12.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述缓冲层在所述衬底上重复地形成和堆叠。
13.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中：
所述III族氮化物半导体层包括未掺杂的GaN层，并且
所述未掺杂的GaN层与所述第三层直接接触。
14.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述衬底包括蓝宝石衬底。
15.一种半导体发光装置，包括：
衬底；
缓冲层，其位于所述衬底上，并且按次序包括第一层、第二层和第三层；以及
III族氮化物半导体层，其位于所述缓冲层上，
其中，所述第一层、所述第二层和所述第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物，并且
其中，所述第一层和所述第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的平均值均大于所述第二层的氧浓度(原子/cm3)的平均值。
16.根据权利要求15所述的半导体发光装置，其中，所述第三层的氧浓度(原子/cm3)的平均值大于所述第一层的氧浓度(原子/cm3)的平均值。
17.一种半导体发光装置，包括：
衬底；
缓冲层，其位于所述衬底上，并且按次序包括第一层、第二层和第三层；以及
III族氮化物半导体层，其位于所述缓冲层上，
其中，所述第一层、所述第二层和所述第三层中的每一个包括包含铝(Al)、氮(N)和氧(O)的组合物，并且
其中，所述第一层、所述第二层和所述第三层的氧浓度分布彼此不同。
18.根据权利要求17所述的半导体发光装置，其中，所述第一层和所述第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的最小值均大于所述第二层的氧浓度(原子/cm3)的最小值。
19.根据权利要求17所述的半导体发光装置，其中，所述第一层和所述第三层中的每一个的氧浓度(原子/cm3)的平均值均大于所述第二层的氧浓度(原子/cm3)的平均值。
20.根据权利要求17所述的半导体发光装置，其中，
所述第三层的厚度大于所述第一层的厚度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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