CN109378375B - 半极性氮化镓半导体构件及其制造方法 - Google Patents

半极性氮化镓半导体构件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种半极性氮化镓半导体构件，其包括：N型氮化镓层；P型氮化镓层；有源层，位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，包括最多两个量子阱层；以及第一泄漏电流防护层，位于N型氮化镓层与有源层之间；以及第二泄漏电流防护层，位于有源层与P型氮化镓层之间。本公开还涉及一种形成所述半极性氮化镓半导体构件的方法。

Description

半极性氮化镓半导体构件及其制造方法
技术领域
本公开涉及半导体照明领域和激光半导体领域，尤其涉及一种具有泄漏电流防护层的LED或LD半极性氮化镓半导体构件及其制造方法。
背景技术
美国的加州大学圣芭芭拉分校和日本的SONY、SUMITOMO等一些氮化镓(GaN)的研究机构和公司成功地在一些特殊的GaN半极性晶面上制备了高功率、高效率的蓝、绿光发光二极管和激光二极管等。氮化镓发光二级管是目前较成熟的一类半导体发光二级管，常见的氮化镓基发光二极管结构为在衬底上依次淀积缓冲层、不掺杂的氮化镓层、N型导电的氮化镓层、多层量子阱(MQW)层、P型导电的氮化铝镓层。
在LED发光器件或LD器件中，绿光LED或LD是组成高效RGB白光的主要器件之一，但是目前绿光LED的发光效率远低于蓝光LED以及红光LED。要提高绿光LED的发光效率，就需要弄清楚LED有缘层的发光机理。高效率的蓝绿光LED通常采用多量子阱(MQW)有缘层结构，多量子阱(MQW)有缘层结构发出的光是混合了多个量子阱同时发光的结果。因此，人们不容易获得单纯的绿光或蓝光的发光机理，从而无法准确了解并针对性提高单色LED器件的发光效率。
因此，研究人员或用户期望获得一种高效发光的单色LED发光器，采用单量子阱或双量子阱层的发光层是一种较好的选择。但是氮化镓半导体构成的器件具有分层结构，量子阱层数小于或等于二层的情况下，其耗尽区要比多量子阱层的耗尽层短很多，带隙能层要小得多，因此，氮化镓基发光二极管(LED)中，较短的耗尽层会导致电子空穴注入不匹配更严重，导致的电流泄漏更严重，从而更大程度限制单量子阱层和双量子阱的LED发光效率减弱并导致大电流下发光效率衰减。而且，对于极性面生长的氮化镓基LED，例如半极性氮化镓基LED，极化效应会进一步增极大电流泄漏。因此，人们期望获得一种能够抵抗较高反向偏压并且泄漏电流减小的较少量子阱层数甚至单量子阱(SQW)的LED构件。
发明内容
本公开旨在提供一种能够解决上述和/或其他技术问题的半极性氮化镓半导体构件以及制造半极性氮化镓半导体构件的方法。根据本公开的一个方面，提供了一种半极性氮化镓半导体构件，其包括：N型氮化镓层；P型氮化镓层；有源层，位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，包括一个或两个量子阱层；以及第一泄漏电流防护层，位于N型氮化镓层与有源层之间；以及第二泄漏电流防护层，位于有源层与P型氮化镓层之间。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中所述第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层为无掺杂的GaN层或AlGaN层。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中所述第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层为低掺杂浓度的GaN层或AlGaN层。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中所述AlGaN层中Al的质量百分占比小于20％。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中第一泄漏电流防护层或第二泄漏电流防护层中的Al的质量百分占比小于有源层中的阻挡层中的Al的质量百分占比。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中第一泄漏电流防护层或第二泄漏电流防护层中的带隙宽度大于有源层中的阻挡层的带隙宽度。
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中所述第一泄漏电流防护层的N型掺杂浓度小于1×1018/cm3，而所述第二泄漏电流防护层P型掺杂浓度小于5×1018/cm3；
根据本公开的半极性氮化镓半导体构件，其中所述所述第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层厚度为
根据本公开的另一个方面，提供了一种形成半极性氮化镓半导体构件的方法，包括：在无掺杂的氮化镓缓冲层上形成N型氮化镓层；在N型氮化镓层上形成第一泄漏电流防护层；在第一泄漏电流防护层形成有源层，其包括最多两个量子阱层；在有源层的阻挡层上形成第二泄漏电流防护层；以及在第二泄漏电流防护层上形成P型氮化镓层。
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，所述所述第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层厚度为
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，其中所述第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层为无掺杂的GaN层或AlGaN层。
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，所述AlGaN层中Al的质量百分占比小于20％。
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，第一泄漏电流防护层和第二泄漏电流防护层中的Al的质量百分占比小于有源层中的阻挡层中的Al的质量百分占比。
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中第一泄漏电流防护层或第二泄漏电流防护层的带隙宽度大于有源层中的阻挡层的带隙宽度
根据本公开的形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，所述第一泄漏电流防护层为N型掺杂浓度小于1×1018/cm3的GaN层或AlGaN层，而所述第二泄漏电流防护层为P型掺杂浓度小于5×1018/cm3GaN层或AlGaN层。。
本公开提供一种能有效降低半极性氮化镓半导体构件的泄漏电流的构思，通过在N型氮化镓层和P型氮化镓层增加第一泄漏电流防护层以及在有源层与P型氮化镓层之间增加第二泄漏电流防护层增加了耗尽区的厚度，增强了反向电压，增大了半极性氮化镓半导体构件电容，尤其是通过在有源层的阻挡层外增加GaN层或含有较低AL的AlGaN层，能够使得所增加第一泄漏电流防护层或第二泄漏电流防护层中的可迁移的自由电荷量显著小于相邻的有源层的阻挡层，从而获得更高的带隙宽度，减弱界面之间的极化效应，消除二者界面之间的高浓度二维电子气，从而有利于减少器件的电子漏电流，从而提高LED发光效率。而这种通过在有源层外提供泄漏电流防护层来增加带隙宽度的方式，能够消除在有源层内通过调节Al来调节禁带大小的方式而导致的发光性能下降的缺陷。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1所示的是根据本公开的半极性氮化镓半导体构件的分层结构的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一也可以被称为第二，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。
为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
根据本公开的氮化镓半导体构件的结构不限制为以下描述的实施例。如图1所示，氮化镓半导体构件100形成于基片110上。基片110由绝缘材料制成，例如蓝宝石或半导体材料GaN。在基片110上形成有半导体构件的基本结构层：N型GaN层120、有源层130以及P型GaN层140。在N型GaN层120和有源层130形成有第一泄漏电流防护层150。在有源层130和P型GaN层140之间，形成有第二泄漏电流防护层160。
如图1所示，N型GaN层120为常规的其中掺杂有N型杂质的GaN层。在外延生长过程中，使TMG和NH3的材料气体以及SiH4的杂质气体流入反应炉，将反应炉生长温度保持在1040℃，从而在通常的不掺杂的GaN缓冲层(图中未示出，缓冲层通常在550℃左右的低温生长，厚度约为)上外延生长掺杂Si的N型GaN层120。通常该N型GaN层120的厚度为1-4微米，其中所掺杂的Si杂质浓度一般大于5×1018/cm3。N型GaN层120中略微高一些的Si掺杂杂质浓度有助于降低正向电压和阈电流。由于不掺杂的GaN缓冲层通常具有优良的结晶度，因此N型GaN层120也具有较好的结晶度。不过为了生长更好的N型GaN层120，可选择地，在N型GaN层120和缓冲层之间先在1040℃的高温下外延生长一层/>左右的不掺杂的GaN层(未示出)，作为过渡层，这也是可以改善耐静电电压特性。不过，N型GaN层120中的Si掺杂杂质浓度最好不要高于5×1020/cm3。N型GaN层120的厚度比较好的是在2.0至3.0微米范围内，这样可以形成较低电阻率的具有N电极(未示出)的N型GaN层120，从而降低正向电压。
如图1所示，第一泄漏电流防护层150形成在N型GaN层120之上。第一泄漏电流防护层150可以是无掺杂的GaN层或低掺杂浓度的GaN层或AlGaN层。在反应炉中，在生长N型GaN层120后保留SiH4杂质气体的情况下将基片温度维持在1040℃，使TMG和NH3的材料气体流入反应炉，以生长厚度为的不掺杂的GaN的第一泄漏电流防护层150。第一泄漏电流防护层150与有源层130接触，增加了带隙宽度，显著降低了泄漏电流，同时也有助于改善耐静电电压特性。如果需要，还可以在第一泄漏电流防护层150与有源层130之间插入其他功能层。第一泄漏电流防护层150的厚度在/>之间。无掺杂的第一泄漏电流防护层150的厚度超过/>则会增加正向电压，这会恶化LED器件的品质。无掺杂的第一泄漏电流防护层150的厚度低于/>将不能有效帮助防止泄漏电流。因此，比较好的是，无掺杂的第一泄漏电流防护层150的厚度在/>之间，如果能设置在/>之间尤佳。为了改善N型GaN层120所造成恶化的结晶度，可以形成厚度为/>的无掺杂的第一泄漏电流防护层150，从而改善随后形成于其上的有源层130的结晶度，同时也能减小泄漏电流。
可选择地，第一泄漏电流防护层150可以是一种低掺杂浓度的GaN层或AlGaN层。掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150一方面可以提高LED器件的载流子浓度，从而提高发光强度，同时另一方面通过在一定范围内增加掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150的厚度可以增强静电耐压。使SiH4杂质气体附带流入反应炉，以生长掺杂具有杂质浓度为0.8×1018/cm3的Si的GaN、且厚度为的掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150。通过实验了解到，当掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150厚度超过/>时，发光强度会降低，因此，掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150最好低于/>厚度过低将起不到提高静电耐压的作用。因此，掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150的厚度在/>之间比较好，更好的是，掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150的厚度在/>当采用掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150时，其掺杂将低于1×1018/cm3。掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150的这种低浓度可以获得优良的结晶度，从而可以保证其上有源层130的生长以及获得高发光强度，同时降低正向电压。N型杂质元素可以是Si或Ge等。在形成掺杂N型杂质的第一泄漏电流防护层150之后，可以在保留SiH4杂质气体的情况下保持温度，直接生长不掺杂的GaN的作为有源层130的量子阱层的阻挡层。当第一泄漏电流防护层150为AlGaN层时，其Al的质量百分占比小于20％。比较好的是，第一泄漏电流防护层150中的Al的质量百分占比小于相邻的有源层中的阻挡层中的Al的质量百分占比。可选择地，第一泄漏电流防护层150带隙宽度大于有源层中的阻挡层的带隙宽度。
通过将缓冲层(未示出)、第一泄漏电流防护层150和N型GaN层120的总厚度控制在2至5微米的范围内会使得LED器件的泄漏电流更小。可选择地，可以使得第一泄漏电流防护层150同时包含无掺杂的第一泄漏电流防护层150和低掺杂浓度的第一泄漏电流防护层150，也就是第一泄漏电流防护层150可以包含两层。通过设置第一泄漏电流防护层150，增加带隙，就能够减少来自P区的电子电流泄漏到N区。
如图1所示，量子阱结构的有源层130是由包含In和Ga的氮化镓半导体形成的。有源层130可以是用N型或P型杂质掺杂的，用N型和P型两种杂质掺杂的有源层130比以P型杂质掺杂的有源层130具有更大的发光强度。但是，在本公开中，有源层130最好不掺杂，即不添加杂质，以便生长具有优良结晶度的有源层130。根据本公开的量子阱结构的有源层130的量子阱最多为两层，最好仅仅具有单一量子阱(SQW)层结构。由于第一泄漏电流防护层150的存在，其即使有源层130仅仅具有单一量子阱层也具有很低的泄漏电流。
有源层130从第一泄漏电流防护层150上开始外延生长，其按照常规由阻挡层和阱层交替形成，可以由阱层开始并以阱层终止，或者以阱层开始并且以阻挡层终止。做为选择，顺序可以以阻挡层开始和以阻挡层结束或以阻挡层开始并且以阱层终止。举例来说，在第一泄漏电流防护层150上生长有源层130时，生长温度被设定为750℃(720-800℃之间都可以)，首先生长不掺杂GaN构成的厚度的阻挡层，阻挡层的厚度为/>比较好。随后，然后使用TMG、TMI以及NH3在阻挡层上淀积厚度/>的AlGaN构成的阱层。阱层的厚度为/>比较好。如果将该步骤重复三次，则形成三量子阱层，最后在其上形成形成不掺杂的GaN结束阻挡层，使每一阱层由两个表面上的阻挡层夹持，并最终形成三量子阱层的有源层130。如果将该步骤重复两次，则形成双量子阱层，最后在其上形成形成不掺杂的GaN结束阻挡层，并最终形成两量子阱层的有源层130，使每一阱层由两个表面上的阻挡层夹持。或者将该步骤进行仅一次，则形成单量子阱层有源层130，最后在其上形成形成不掺杂的GaN结束阻挡层，并最终形成单量子阱(SQW)层的有源层130。有源层130的总厚度在左右。有源层130的总厚度可以考虑到所期望的最终LED器件所需的波长进行调整。
在传统上，为了有效增加发出光子的能量，通常利用多量子阱(MQW)结构作为有源层，以便在形成QW结构时，能量会被量子化，能够有效提高载流子结合放出的能量。但是MQW有源层需要采用铝(Al)调节带隙(bandgap)，以实现所需色彩以及减小泄漏电流。但加铝(Al)后，多量子阱的材料会趋近或变成间接带隙，导致发光性能下降。为此需要做成MQW结构，利用调变MQW的宽窄，可以调节禁带大小。但是对于双量子阱有源层和单量子阱有源层而言，则无法进行这种调节。为此，如图1所示，在形成有源层130之后，在其结束阻挡层上，形成第二泄漏电流防护层160。第二泄漏电流防护层160可是无掺杂的GaN层或低掺杂浓度的GaN层或AlGaN层。通常，有源层130的结束阻挡层多采用AlGaN，为了较高的发光强度，可以在第二泄漏电流防护层160包含铝(Al)，但是第二泄漏电流防护层160中铝(Al)的百分比不超过20％。比较好的是，第二泄漏电流防护层160中铝(Al)的百分比低于结束阻挡层中的铝(Al)的百分比。但是，为了更好的减小电流泄漏或为了更精确研究量子阱的发光效率，第二泄漏电流防护层160可以为无掺杂的GaN层。具体而言，将反应炉的温度升高到1040℃，使TMG和NH3的材料气体制成无掺杂的第二泄漏电流防护层160。如果同时向反应炉输入含有诸如Mg的杂质气体，可以形成掺杂浓度不高于5×1018/cm3的低掺杂的第二泄漏电流防护层160。第二泄漏电流防护层160的厚度不超过最好是/>在/>的范围内更好。由于第二泄漏电流防护层160与结束阻挡层之间这种结构关系，导致两者之间的界面附近的导带最小值得以提高，因此可更有效地阻挡电子，限制电流泄漏，因此也极大地提高发光内量子效率。
如图1所示，最后在第二泄漏电流防护层160上形成P型GaN层140。具体而言，将反应炉内的温度保持在1040℃，并将TMG和NH3的材料气体、Cp2Mg的杂质气体以及载气H2送入反应炉，从而外延生长出P型GaN层140。在生长到一定厚度，例如左右，随后降温到650-700℃，送入N2气进行晶片退火，最终获得本公开的GaN半导体构件100。
根据本公开的GaN半导体构件100与那些低于两个量子阱层结构的GaN半导体构件相比，其泄漏电流明显减小。
需要指出的是，本公开的GaN半导体构件100用于非极性和半极性LED和LD器件会产生更小的泄漏电流，尤其是沿着(2021)晶面和(3031)晶面等的半极性晶面的方向生长的氮化镓晶体LED或LD器件。
尽管此处没有提及基片，但是本公开的构件通常在蓝宝石衬底上生成，并沿着(2021)晶面和(3031)晶面等的半极性晶面的方向生长。
本公开提供一种能有效降低半极性氮化镓半导体构件的泄漏电流的构思，通过在N型氮化镓层和P型氮化镓层增加第一泄漏电流防护层以及在有源层与P型氮化镓层之间增加第二泄漏电流防护层增加了耗尽区的厚度，增强了反向电压，增大了半极性氮化镓半导体构件电容，尤其是通过在有源层的阻挡层外增加GaN层或含有较低AL的AlGaN层，能够使得所增加第一泄漏电流防护层或第二泄漏电流防护层中的可迁移的自由电荷量显著小于相邻的有源层的阻挡层，从而获得更高的带隙宽度，减弱界面之间的极化效应，消除二者界面之间的高浓度二维电子气，从而有利于减少器件的电子漏电流，从而提高LED发光效率。而这种通过在有源层外提供泄漏电流防护层来增加带隙宽度的方式，能够消除在有源层内通过调节Al来调节禁带大小的方式而导致的发光性能下降的缺陷。
术语“约”和“大约”可用于意指在一些实施方案中目标尺寸的±20％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±10％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±5％以内，以及还有在一些实施方案中目标尺寸的±2％以内。术语“约”和“大约”可包括目标尺寸。
本文所述的技术方案可实现为方法，其中已经提供了至少一个实施例。作为所述方法的一部分所执行的动作可以以任意合适的方式排序。因此，可以构建实施方案，其中各动作以与所示的次序所不同的次序执行，其可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施方案中被示为顺序动作。此外，方法在一些实施方案中可包括比示出的那些更多的动作，在其他实施方案中包括比示出的那些更少的动作。
虽然在此描述了本公开的至少一个说明性的实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，可容易地进行多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本公开的精神和范围以内。因此，前述说明仅通过举例方式并不旨在作为限制。本公开仅由下列权利要求及其等同物所限定。

Claims (6)

1.一种半极性氮化镓半导体构件，其包括：
N型氮化镓层；
P型氮化镓层；
有源层，位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，包括一个或两个量子阱层；
有源层的量子阱层的阻挡层以及结束阻挡层；
第一泄漏电流防护层，为厚度为200-500Å的AlGaN层，包括无掺杂的第一泄漏电流防护层和低掺杂浓度的第一泄漏电流防护层，其中第一泄漏电流防护层中的Al的质量百分占比小于相邻的有源层中的阻挡层中的Al的质量百分占比，并且第一泄漏电流防护层带隙宽度大于有源层中的阻挡层的带隙宽度；以及
第二泄漏电流防护层，是位于有源层的结束阻挡层与P型氮化镓层之间厚度为200-500Å的无掺杂或低掺杂浓度的AlGaN层，其中第二泄漏电流防护层中Al的百分比低于结束阻挡层中的Al的百分比，并且第二泄漏电流防护层带隙宽度大于有源层的结束阻挡层的带隙宽度。
2.根据权利要求1所述半极性氮化镓半导体构件，其中所述AlGaN层中Al的质量百分占比小于20%。
3.根据权利要求1所述半极性氮化镓半导体构件，其中所述第一泄漏电流防护层的N型掺杂浓度小于1×1018/cm3，而所述第二泄漏电流防护层P型掺杂浓度小于5×1018/cm3。
4.一种形成半极性氮化镓半导体构件的方法，包括：
在无掺杂的氮化镓缓冲层上形成N型氮化镓层；
在N型氮化镓层上形成第一泄漏电流防护层，厚度为200-500Å，包括无掺杂的第一泄漏电流防护层和低掺杂浓度的第一泄漏电流防护层；
在第一泄漏电流防护层上形成量子阱层的阻挡层；
在第一泄漏电流防护层形成有源层，其包括一个或两个量子阱层；
接着形成有源层的结束阻挡层；以及
在有源层的结束阻挡层上形成第二泄漏电流防护层，厚度为200-500Å，是位于有源层的结束阻挡层与P型氮化镓层之间厚度为200-500Å的无掺杂或低掺杂浓度的AlGaN层；以及
在第二泄漏电流防护层上形成P型氮化镓层，
其中，第一泄漏电流防护层中的Al的质量百分占比小于相邻的有源层中的阻挡层中的Al的质量百分占比，并且第一泄漏电流防护层带隙宽度大于有源层中的阻挡层的带隙宽度，以及第二泄漏电流防护层中Al的百分比低于结束阻挡层中的Al的百分比，并且第二泄漏电流防护层带隙宽度大于有源层的结束阻挡层的带隙宽度。
5.根据权利要求4所述形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中所述AlGaN层中Al的质量百分占比小于20%。
6.根据权利要求5所述形成半极性氮化镓半导体构件的方法，其中，所述第一泄漏电流防护层为N型掺杂浓度小于1×1018/cm3的AlGaN层，而所述第二泄漏电流防护层为P型掺杂浓度小于5×1018/cm3 AlGaN层。
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