CN110233190A - 发光设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种发光设备，所述发光设备包括：n型氮化物半导体层；设于n型氮化物半导体层上方的活性层；以及设于活性层上方的p型氮化物半导体层。n型氮化物半导体层包括：n型氮化物层；设于n型氮化物层上方的第一中间层；设于第一中间层上方的n型调制掺杂层。该发光二极管包括位于n型调制掺杂层上方的第二中间层。第二中间层包括其n型掺杂浓度比n型调制掺杂层的n型掺杂浓度高的子层。
Description
本申请是申请日为2015年4月13日，申请号为201510172657.0，发明名称为“发光设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本专利文献中公开的技术涉及一种n型氮化物半导体层，以及一种发光二极管。
背景技术
近来，广泛地被用作发光二极管基底材料的氮化物半导体通过在诸如氮化镓衬底的同质衬底或者诸如蓝宝石衬底的异质衬底上生长氮化物半导体的方式来制造。然而，由于氮化镓具有2,000℃或更高的熔点及非常高的氮蒸汽压，因此难以制造氮化镓的结晶。因此，氮化物半导体通常生长在异质衬底上，诸如蓝宝石衬底、碳化硅(SiC)衬底、硅(Si)衬底或类似物上。
发明内容
本专利文献中公开的技术的实施方式的实例提供了生长n型氮化物半导体层的方法，该半导体层表现出良好的结晶度和电子注入效率。
此外，本专利文献中公开的技术的实例提供了一种发光二极管及其制造方法，其允许均匀的电流扩散，并且在半导体层的结晶度和电子注入效率方面表现出良好的特性以提供高的发光效率。
根据公开技术的一个方面，提供了一种发光设备，其包括：n型氮化物半导体层；设于n型氮化物半导体层上方的活性层；以及设于活性层上方的p型氮化物半导体层，其中n型氮化物半导体层包括n型氮化物基底层、设于n型氮化物基底层上方的第一中间层、形成于第一中间层上方的n型调制掺杂层、以及设于n型调制掺杂层上方的第二中间层，其中第二中间层包括其n型掺杂浓度比n型调制掺杂层的n型掺杂浓度高的子层(sub-layer)。根据公开技术的一个实施方式提供的发光设备可具有高的发光效率和低的正向电压。
在一些实施方式中，第二中间层可以包括超晶格层，该超晶格层包括第一子中间层和第二子中间层的堆叠结构，第二子中间层的掺杂浓度低于第一子中间层，第一子中间层的n型掺杂物浓度约为1×1018原子/cm3或更大。
在一些实施方式中，n型调制掺杂层的n型掺杂物浓度可以等于或者大于约1×1017原子/cm3，n型调制掺杂层的掺杂浓度可低于第二中间层的第一子中间层。
在一些实施方式中，n型调制掺杂层可以包括这样一种结构，其包括形成堆叠结构的相对低掺杂浓度区域和相对高掺杂浓度区域，从远离第二中间层设置的一个相对高掺杂浓度区域至靠近第二中间层设置的另一相对高掺杂浓度区域，n型调制掺杂层的相对高掺杂浓度区域的掺杂浓度在空间上变化。
在一些实施方式中，第二中间层包括超晶格结构，该结构包括第一子中间层，且相对靠近活性层设置的一个第一子中间层的掺杂浓度可高于相对远离活性层设置的另一第一子中间层。
在一些实施方式中，发光设备还可以包括：第一超晶格层，其设置在n型氮化物半导体层和活性层之间；以及第二超晶格层，其夹置于第一超晶格层和活性层之间，其中第一超晶格层可包括其中GaN层和InGaN层重复彼此叠置的结构，第二超晶格层可包括其中AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层(0<x<1,0<y<1,且y<x)重复彼此叠置的结构。
在一些实施方式中，n型调制掺杂层可包括这样一种结构，其包括形成堆叠结构的相对低掺杂浓度区域和相对高掺杂浓度区域，n型调制掺杂层在n型调制掺杂层的最上部包括相对低掺杂浓度区域，使得第二中间层接触该相对低掺杂浓度区域。
在一些实施方式中，发光设备还包括未掺杂的氮化物半导体层，其设在n型氮化物基底层和衬底之间。
在另一方面，提供了一种发光设备，其包括：基于第一杂质的氮化物层，其形成于衬底上；第一中间层，其形成于基于第一杂质的氮化物层上且具有与基于n型氮化物的层不同的组成；第一杂质调制掺杂层，该层形成于第一中间层上且具有其杂质浓度彼此不同的非暴露部和暴露部；以及第二中间层，其形成于第一杂质调制掺杂层的暴露部上且包括相对对方交替设置的第一子中间层和第二子中间层，第一子中间层的杂质浓度不同于第二子中间层，且其中第一杂质调制掺杂层的暴露部和第二中间层与形成于第二中间层上方的第二杂质氮化物半导体层和活性层一同形成台面结构，基于第一杂质的氮化物层的掺杂浓度比第一杂质调制掺杂层的暴露部的掺杂浓度低。
在一些实施方式中，暴露部设置在非暴露部上方，且暴露部的掺杂浓度高于非暴露部。在一些实施方式中，第一杂质调制掺杂层的杂质浓度被调制成包括不高于约1×1019原子/cm3的高掺杂浓度和不小于约1×1018原子/cm3的低掺杂浓度。在一些实施方式中，第二子中间层具有比第一子中间层低的杂质浓度。在一些实施方式中，第一子中间层具有比第二子中间层高的能带间隙，其有助于将电子移至活性层。在一些实施方式中，第二子中间层的厚度大于第一子中间层。在一些实施方式中，第一子中间层的掺杂浓度高于第一杂质调制掺杂层。在一些实施方式中，第二中间层中的第一子中间层和第二子中间层的交替设置允许二维电子气(2DEG)形成于第一和第二子中间层的各个界面处。在一些实施方式中，与其它第一子中间层相比更靠近活性层设置的第一子中间层的掺杂浓度高于其它第一子中间层。
根据公开技术的各种实施方式能够确保均匀侧向电流扩散，以及在结晶度、电子注入效率和发光效率方面的良好特性。
附图说明
图1-图7为横截面图，其示出了根据公开技术的一些实施方式的n型氮化物半导体层和半导体堆叠结构的生长方法。
图8A-图8C为曲线图，其示出了在生长根据公开技术的一些实施方式的n型调制掺杂层时提供给生长室的n型掺杂物源、III族元素源和V族元素源的流量-时间关系。
图8D为曲线图，其描绘了根据公开技术的一些实施方式的n型调制掺杂层的n型掺杂物浓度。
图9A(b)和图9B(b)为示出在生长第二中间层时提供给生长室的n型掺杂物源、Ga源、Al源及N源的流量-时间关系的曲线图，以及图9A(a)和图9B(a)示出根据公开技术的实施例的第二中间层的结构的横截面图。
图10为说明根据公开技术的一些实施方式的n型氮化物半导体层的示例性生长方法的横截面图。
图11-图13为说明根据公开技术的一些实施方式的n型氮化物半导体层的示例性生长方法的横截面图。
图14为根据公开技术的一些实施方式的示例性发光二极管的横截面图。
图15为根据公开技术的一些实施方式的示例性发光二极管的横截面图。
具体实施方式
利用异质衬底制造的氮化物半导体至少在局部具有高的缺陷密度，其源于生长衬底和氮化物半导体之间在晶格参数和热膨胀系数上的差异。具体地，在异质衬底上生长的氮化物半导体容易受到由引起压电偏振的晶格参数差异导致的压力和应变的影响。此外，在C平面蓝宝石衬底上生长的氮化物半导体具有作为生长面的C平面，沿C平面的法向方向生长的氮化物半导体受到自发偏振的影响。这种压电偏振和自发偏振引起氮化物半导体能带的弯曲，因而空穴和电子独立分布于活性层中。作为结果，电子与空穴的复合效率降低，这导致发光效率下降、红移的光辐射、以及发光设备的正向电压(Vf)的增加。
为了克服氮化物半导体的这些问题，10-2013-0013968号韩国专利申请公开了一项通过将具有相对高的能带间隙的中间层插入n型半导体层中来阻止这些缺陷的技术。然而，这种中间层的能带间隙大于n型半导体层的其它半导体层，这阻碍电子注入活性层，因而导致发光设备的正向电压的增大。
此外，因为典型的发光二极管难以在半导体层内的整个发光区上形成均匀的侧向电流扩散，因此电子与空穴的复合主要发生在电极垫周围。因此，这种典型的发光二极管在一些发光区上具有降低的发光强度，并且在发光效率上出现整体下降。
为了解决由半导体层内低效的电流扩散引起的发光二极管的问题，已经提出使用电极伸长部的技术，其中包括10-2008-0042340号韩国专利申请公开文本。然而，这种电极伸长部是通过去除活性层以形成电极伸长部与半导体层的接触区域来形成的，因而导致发光区域的减少。另外，即使在能够通过电极伸长部获得均匀电流扩散的情况下，侧向电流扩散也不会顺畅地在半导体层内发生，因此在在整个发光区域上形成均匀电流扩散方面存在限制。
公开技术的实施方式的实例提供了一种发光二极管，其包括一种能够通过阻碍氮化物半导体缺陷来提高结晶度、维持电子注入活性层的效率、并且在半导体层内获得均匀侧向电流扩散的结构。
在下文中，将参考附图详细描述公开技术的各种示例性实施方式。下面对各种实施方式的描述是出于说明目的的，在附图中，某些组件的某些尺寸(诸如宽度、长度、厚度等)可以出于便利的目的而进行夸大。贯穿整个说明书，类似的附图标记表示具有相同或相似功能的类似元件。
应理解，在本专利文献中描述的氮化物半导体层中的每一个的组成比、生长方法、生长条件、厚度等只是作为实例被提供以用于说明目的，并且也可以具有其它实施方式。例如，当用AlGaN表示某个半导体时，必要时可由具有本领域普通知识的人员(下文中称作“本领域普通技术人员”)以各种方式确定Al和Ga的组成比。另外，本专利文献中描述的半导体层可以通过各种方法来生长，例如，金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或者氢化物气相外延(HVPE)等。此处，在公开技术的下列实施方式中，这些半导体层将被举例说明成是通过MOCVD在生长室中进行生长。在生长半导体层的过程中，提供到生长室中的源可以包括任何其它替代源。例如，Ga源可以包括TMGa或TEGa等，Al源可以包括TMAl或TEAl等，In源可以包括TMIn或TEIn等，N源可以包括NH3，n型掺杂物源可以包括硅烷。然而，也可以在不限于所描述的这些源的情况下有其它的实施方式。
图1－图7为横截面图，其示出了根据公开技术的一些实施方式的n型氮化物半导体层和半导体堆叠结构的生长方法。图8A－图8C为曲线图，其示出了在生长根据公开技术的一些实施方式的n型调制掺杂层时提供给生长室的n型掺杂物源、III族元素源和V族元素源的流量-时间关系。图8D为描绘根据公开技术的一些实施方式的n型调制掺杂层的n型掺杂物浓度的曲线图。另外，图9A(b)和9B(b)为示出在生长第二中间层时提供给生长室的n型掺杂物源、Ga源、Al源及N源的流量-时间关系的曲线图，以及图9A(a)和图9B(a)示出根据公开技术的实施例的第二中间层的结构的横截面图。可以利用根据图1－图7示出的n型半导体层的生长方法制造的半导体堆叠结构制造发光二极管。
参见图1，衬底110被置于生长室内。
衬底110可以是任何可允许在其上生长氮化物半导体层的衬底，并且可以包括绝缘或导电的衬底。例如，衬底110可以包括蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化铝衬底、或者氮化镓衬底。在这种实施方式中，衬底110可以是图形化的蓝宝石衬底(PSS)，其中在衬底110的上表面上或上方形成有凸凹形(未示出)，并且该PSS可以包括作为生长平面的C平面。然而，在不局限于所描述的这些衬底110的情况下也可以具有其它实施方式。
参见图2，可以在衬底110上或上方形成缓冲层121。
缓冲层121可以包括AlGaN和/或GaN，并且可以在约500℃－约600℃的温度下生长于衬底110上。当衬底110相对于氮化物半导体为或包括异质衬底时，缓冲层121可以充当用于生长氮化物半导体的核心层，并且可以释放由生长于缓冲层121上的氮化物半导体和衬底110之间的晶格不匹配引起的压力和应变。在一些实施方式中，缓冲层121可以省略。
参见图3－图6，在缓冲层121上或上方形成n型氮化物半导体层130。将更详细地描述生长n型氮化物半导体层130的方法。
参见图3，可以在缓冲层121上或上方形成下n型氮化物层131。
可以通过将III族元素源(诸如Al、Ga或In等)、V族元素源(诸如N)、以及n型掺杂物源(诸如Si)供应到生长室中来生长下n型氮化物层131。例如，该下n型氮化物层131可以包括n型GaN层。该下n型氮化物层131可以生长至例如约0.5μm-1.5μm厚。然而，在n型氮化物层131不限于所描述的这些的情况下也可以有其它实施方式。另外，如下所述，该下n型氮化物层131可以具有比n型调制掺杂层135的高掺杂浓度区域中的最大n型掺杂物浓度低的n型掺杂物浓度。
当该下n型氮化物层131具有相对低的掺杂浓度时，相对靠近衬底110设置的该下n型氮化物层131可以具有提高的结晶度，从而确保通过后续工艺生长的半导体层具有良好的结晶度。
参见图4，在该下n型氮化物层131上或上方形成第一中间层133。
可以通过将III族元素源(诸如Al、Ga或In等)、以及V族元素源(诸如N)供应到生长室中来生长第一中间层133。第一中间层133可以包括其组成不同于下n型氮化物层131的氮化物半导体。在一些实施方式中，第一中间层133包括AlGaN层。在一个实施方式中，第一中间层133可以是或者包括n型掺杂层或未掺杂层。
第一中间层133可以包括其组成不同于下n型氮化物层131的氮化物半导体，以防止在下n型氮化物层131生长时形成的错位传播到通过后续工艺生长的其它半导体层中。因此，第一中间层133可以提高根据公开技术实施例的发光二极管和n型氮化物半导体层130的结晶度。
接着参见图5，在第一中间层133上或上方形成n型调制掺杂层135。
该n型调制掺杂层135具有其中n型掺杂物的浓度受到调制的结构。下面将参见图8A－图8C更详细地描述形成n型调制掺杂层135的方法。
可以通过将III族元素源(诸如Al、Ga或In等)、V族元素源(诸如N)、以及n型掺杂物源(诸如Si)供应到生长室中来生长n型调制掺杂层135。可以在n型掺杂物源的流量不恒定的条件下提供n型掺杂物源。也就是说，生长n型调制掺杂层135的方法包括在n型调制掺杂层的生长过程中至少一次改变(例如，增大或减小)n型掺杂物源的流量。在n型调制掺杂层135的生长过程中，n型掺杂物源的流量可以随着时间进行有规则或无规则地改变。
参见图8A，在n型调制掺杂层135的生长过程中，III族元素源、V族元素源和n型掺杂物源被提供到生长室中。在此时，III族元素源和V族元素源的流量可以保持恒定。N型掺杂物源可以通过重复循环P1来提供，在循环P1期间，n型掺杂物源在第一流量f1下供应T1时间段，然后n型掺杂物源在第二流量f2下供应T2时间段。
尽管在图8A中n型掺杂物源的流量被示出是不连续变化的，但是应理解，公开的技术不限于此且也可以有其它实施方式。例如，n型掺杂物源的流量可以连续变化。因此，n型调制掺杂层135的生长方法可以进一步包括随着时间改变n型掺杂物源的流量。
例如，参见图8B，N型掺杂物源可以通过重复循环P2来提供，在循环P2期间，n型掺杂物源在第一流量f1下供应T1时间段，并且在时间段T1之后在时间段T3内将n型掺杂物源的流量从第一流量f1逐渐减小至第二流量f2，在时间段T3之后将n型掺杂物源在第二流量f2下供应时间段T2，然后在时间段T2之后在时间段T4内将n型掺杂物源的流量从第二流量f2逐渐增加至第一流量f1。
另外，尽管n型掺杂物源的流量在图8A和8B中被示出在每个循环期间改变以在第一流量f1和第二流量f2之间具有相同的变化，但是应当理解也可以具有其它实施方式，因此n型掺杂物源的流量可以在各个循环期间发生不同地变化。
例如，如图8C中所示，当在循环P3－P5中将n型掺杂物源供应到生长室中时，n型掺杂物源的流量可以得到调节，使得在循环P3－P5期间，各个循环中n型掺杂物源的最大流量逐渐增大。在这种情况下，在n型调制掺杂层135的生长过程中，当n型掺杂物源的最大流量被定义为各个循环中的第一流量时，下一循环中的第一流量可以比前一循环中的第一流量快。
然而，应当理解所公开的技术不限于上述实例，且还可以具有其它实施方式。例如，n型掺杂物源的流量可以以各种方式进行改变以在n型调制掺杂层135的生长过程中提高或降低n型掺杂物源的流量。
再次参见图5，通过供应n型掺杂物源的工艺生长的n型调制掺杂层135中n型掺杂物的浓度在n型调制掺杂层135的生长方向上受到调制。因此，n型调制掺杂层135的n型掺杂物浓度可以如图8D中所示那样进行改变。此时，n型调制掺杂层135可以具有大于或等于1×1017原子/cm3的n型掺杂物浓度。应注意，高掺杂浓度区域可以具有在约5×1018原子/cm3至约1×1020原子/cm3之间的最大掺杂浓度，低掺杂浓度区域可以具有在约5×1017原子/cm3至约3×1018原子/cm3之间的最小掺杂浓度。例如，高掺杂浓度区域可以具有约1×1019原子/cm3的最大掺杂浓度，低掺杂浓度区域可以具有约1×1018原子/cm3的最小掺杂浓度。n型调制掺杂层135可以具有约2μm至约3μm的厚度，并且成对的高掺杂浓度区域和低掺杂浓度区域可以重复约100-200个循环。这里，高掺杂浓度区域可以具有与低掺杂浓度区域大致相同的厚度。然而，也可以具有其它实施方式。
当n型氮化物半导体层130包括n型调制掺杂层135时，发光二极管可以在电流被提供给发光二极管时在水平方向上均匀地分配电流。当高掺杂浓度区域和低掺杂浓度区域在n型调制掺杂层135内重复地彼此叠置时，可以关于电子通道在竖直方向上形成势垒，从而促进水平方向上的电子运动。由于电子迁移率与掺杂浓度成反比，因此过高的掺杂浓度会降低电子迁移率，从而限制电流扩散。另外，过低的掺杂浓度会增大半导体的电阻，从而限制电流扩散。根据公开的技术，由于通过n型调制掺杂层135注入到高掺杂浓度区域的电子可以水平地分配在低掺杂浓度区域中，因此存在效果。
另外，由于n型调制掺杂层135包括高掺杂浓度区域，因此可以促进水平方向上的电子运动，从而防止电子注入活性层140的效率的恶化。
接着再次参见图6，可以在n型调制掺杂层135上或上方形成第二中间层137。从而完成包括下n型氮化物层131、第一中间层133、n型调制掺杂层135和第二中间层137的n型氮化物半导体层130的结构。第二中间层137可以包括子层。进一步地，第二中间层137可以包括其n型掺杂浓度高于n型调制掺杂层135的平均n型掺杂浓度的子层。
第二中间层137可以形成为包括交替堆叠结构，其包括第一子中间层和第二子中间层。第二中间层137的交替堆叠结构可以通过重复生长第一子中间层和第二子中间层来形成。第一子中间层可以通过将Al源、Ga和/或In源、N源和n型掺杂物源供应到生长室中来生长。第二子中间层可以通过将Ga和/或In源以及N源供应到生长室中、同时停止供应Al源和n型掺杂物源来生长。因此，第一子中间层可以具有恒定的掺杂浓度，第二子中间层可以具有比第一子中间层低的掺杂浓度，或者可以是未掺杂的层。
在公开技术的各种实施方式中，第一和第二子中间层的厚度不限于任何特定值，且可以具有不同数值。作为一个实例，第一子中间层可以具有例如约3nm－约5nm的厚度，第二子中间层可以具有例如约2nm－约4nm的厚度。在一个实施方式中，第一子中间层的厚度大于第二子中间层。进一步地，重复堆叠第一和第二子中间层的循环数量不作具体限制。然而，当第一和第二子中间层按照预定或更多数量的循环重复彼此叠置时，活性层140和第一或第二子中间层之间的晶格参数差异会被增大，从而导致活性层140的效率的恶化。因此，第一和第二子中间层可以重复彼此叠置例如1-6个循环。
另外，第一子中间层可以具有比第二子中间层更高的能带间隙。第一子中间层可以具有相同的掺杂浓度或者彼此不同的掺杂浓度。作为替换，第一子中间层的掺杂浓度可以根据堆叠顺序改变。在一些实施方式中，第一子中间层的掺杂浓度可以规则变化。进一步地，第二中间层137的第一子中间层可以具有比n型调制掺杂层135高的掺杂浓度。因此，可以实现电子有效地从n型调制掺杂层135注入到活性层140。
参见图9A(a)和图9A(b)，将详细描述根据公开技术的一些实施方式的第二中间层137的结构及生长方法。
如图9A(a)中所示，第二中间层137可以包括超晶格结构，其中第一子中间层137a和第二子中间层137b重复地彼此叠置。参见图9A(b)，第二中间层137可以通过重复循环P来生长。在循环P期间，在时间段T1内将Al源、Ga源、N源和n型掺杂物源供应到生长室中以生长第一子中间层137a，在生长室中将Ga源和N源供应时间段T2以生长第二子中间层137b，同时不供应Al源和n型掺杂物源。
在一些实施方式中，在第二中间层137的生长过程中，可以额外向生长室中供应In源。在这种情况下，与Ga源相同，在第二中间层137的生长过程中可以连续供应In源。作为替换，In源可以只在第二子中间层137b的生长过程中被供应到生长室中。
当第二子中间层137b被生长成包括InGaN时，TEGa可以被用作Ga源。TEGa的使用使得能够在较低的生长温度下形成第二子中间层137b，从而能够提高InGaN中铟的含量。当第二子中间层137b中铟的含量增大时，电子迁移率可以得到提高，从而改善包括n型氮化物半导体层130的发光二极管的发光效率。
在一些实施方式中，包括在第二中间层137中的第一子中间层137a可以具有比n型调制掺杂层135高的掺杂浓度。第一子中间层137a的掺杂浓度可以例如为1×1018原子/cm3或更大、5×1019原子/cm3或更大、或者2.9×1020原子/cm3或更大。此外，第一子中间层137a可以具有在约0.02－约0.2之间的Al组成比。
因此，当超晶格层被形成为第二中间层137时，可以防止诸如错位这样的缺陷传向活性层140。进一步地，当第二中间层137包括具有相对高掺杂浓度的第一子中间层137a时，可以改善电子注入活性层140的效率，并且防止包括n型氮化物半导体层130的发光二极管的正向电压上的增大或降低。更确切地说，具有相对高的能带间隙的第一子中间层137a和具有相对低的能带间隙的第二子中间层137b在超晶格结构中叠置，从而形成量子阱结构。此时，由于第一子中间层137a形成为具有相对高的掺杂浓度，因此第一子中间层137a可以向第二中间层137提供很多电子，置于导带中的电子当中的大量电子可以被移入活性层140，而非被捕获在量子阱中。作为结果，第二中间层137可以防止电子注入效率的恶化，同时确保其它功能，诸如防止缺陷。
另外，包括重复叠置的第一子中间层137a和第二子中间层137b的堆叠结构允许在各个界面处形成二维电子气(2DEG)，从而有助于电子沿竖直方向和水平方向移动。因此，包括根据公开技术的一些实施方式提供的氮化物半导体层结构的发光二极管已经降低了竖直方向和水平方向上的电阻，从而提供较低的正向电压，同时改善电流扩散。
在一些实施方式中，低掺杂浓度区域可以形成在n型调制掺杂层135的最上部。在这种情况下，第二中间层137可以被生长在低掺杂浓度区域上。相应地，n型调制掺杂层135的低掺杂浓度区域毗连第二中间层137。形成于n型调制掺杂层135的最上部上的低掺杂浓度区域可以充当毗连该低掺杂浓度区域的第二中间层137的2DEG通道。这种结构使得水平方向上的电流扩散更为容易。
图9B(a)和图9B(b)示出了分别说明在生长根据公开技术的一些实施方式的第二中间层137时提供给生长室的n型掺杂物源、Ga源、Al源及N源的结构的横截面图和流量-时间关系的曲线图。
如图9B(a)中所示，第二中间层137’可以包括超晶格结构，其中第一子中间层137c、137d、137f中的一个和第二子中间层137b重复彼此叠置。不同于图9A(a)中示出的第二中间层，在该实施方式中，第二中间层137’中所包括的第一子中间层137c、137d、137f的掺杂浓度可以根据其位置而变化。
参见图9B(b)，在第一循环P1中，通过向生长室供应Al源、Ga源、N源和n型掺杂物源预定时间段来生长第一子中间层137c，然后通过只向生长室供应Ga源和N源预定时间段、同时停止供应Al源和n型掺杂物源来生长第二子中间层137b。在第一循环P1中，n型掺杂物源在第一流量f1下被供应到生长室中。随后，在第二循环P2中，通过与第一循环P1的工艺类似的工艺来生长第一子中间层137d和第二子中间层137b，同时将n型掺杂物源的流量提高至第二流量f2。在第三循环P3中，通过与第二循环P2的工艺类似的工艺来生长第一子中间层137f和第二子中间层137b，同时将n型掺杂物源的流量提高至第三流量f3。相应地，第一子中间层137c、137d和137f的掺杂浓度可以沿着第一子中间层137c、137d和137f的生长方向提高。因此，如稍后将描述的那样，更靠近活性层140设置的第一子中间层137f可以具有比远离活性层140设置的第一子中间层137c更高的掺杂浓度。作为结果，n型氮化物半导体层130可以提供进一步改善的电子注入活性层140的效率。
再次参见图7，活性层140和p型氮化物半导体层150形成在n型氮化物半导体层130上或上方，从而提供如图7中所示的半导体堆叠结构。
活性层140可以包括基于氮化物的半导体，诸如(Al、Ga、In)N，并且可以通过合适的工艺生长在n型氮化物半导体层130上或上方。诸如MOCVD、MBE或HVPE等的各种技术均可以被用于生长活性层140。此外，活性层140可以具有包括垒层和阱层的多量子阱(MQW)结构。在此，形成多量子阱(MQW)结构的半导体层的元素和组成可以被调节以发射具有期望峰值波长的光线。
P型氮化物半导体层150可以包括基于氮化物的半导体，诸如(Al、Ga、In)N，并且可以通过合适的工艺生长在活性层140上。诸如MOCVD、MBE或HVPE等的各种技术均可以被用于生长p型氮化物半导体层150。p型氮化物半导体层150可以包括p型掺杂物，例如Mg。
通过执行附加工艺以完成半导体堆叠结构，可以提供例如图14或图15中所示的发光二极管。这将稍后通过参考图14和15作更详细地描述。
图10是说明根据公开技术的一个实施例的n型氮化物半导体层的生长方法的横截面图。
相比于参见图1-7描述的实施方式，图10的半导体堆叠结构还包括未掺杂的氮化物半导体层123。图10中的实施方式与图1-7中的实施方式之间的差异大部分得到解释，且将省略对相同部件的描述。
通过向生长室内供应III族元素源和N源以生长包括(Al、Ga、In)N的氮化物半导体、同时不供应n型或p型掺杂物源来在缓冲层121上或上方形成未掺杂的氮化物半导体层123。
通过这种方式，可以在n型氮化物半导体层130生长之前生长未掺杂的氮化物半导体层123。未掺杂的氮化物半导体层123不包括杂质，诸如n型或p型掺杂物，且因此表现出良好的结晶性质。因此，未掺杂的氮化物半导体层123使通过后续工艺生长于其上的其它半导体层具有改善的结晶性质。
接着，在未掺杂的氮化物半导体层123上或上方形成n型氮化物半导体层130、活性层140和p型氮化物半导体层150，从而提供如图10中所示的半导体堆叠结构。必要时，可以通过执行附加工艺提供具有各种结构的发光二极管。
图11－图13是说明根据公开技术一些实施方式的半导体堆叠结构和n型氮化物半导体层的生长方法。
相比于参考图10描述的实施方式，图11－图13中示出的实施方式还包括形成第一超晶格层161和第二超晶格层163。图11－图13中提供的实施方式与图10中提供的实施方式之间的差异将大部分得到描述，且将省略相同部件的描述。在一些实施方式中，可以省略未掺杂的半导体层123。
首先，参见图11，缓冲层121、未掺杂的氮化物半导体层123和n型氮化物半导体层130形成在衬底110上或上方，第一超晶格层161形成在n型氮化物半导体层130上或上方。
可以通过向生长室中供应III族元素源(诸如Al、Ga或In等)和V族元素源(诸如N)使得具有不同组成的层重复彼此叠置而形成第一超晶格层161。例如，第一超晶格层161可以具有其中InGaN层和GaN层重复彼此叠置的堆叠结构。
第一超晶格层161阻止因晶格失配引起的压力和应变传播到活性层140，并且防止诸如错位的缺陷的传播，从而改善活性层140的结晶性质。
参见图12，第二超晶格层163形成在第一超晶格层163上或上方。可以通过向生长室中供应III族元素源(诸如Al、Ga或In等)和V族元素源(诸如N)使得具有不同组成的层重复彼此叠置而形成第二超晶格层163。具体地，第二超晶格层163可包括其中AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层(0<x<1,0<y<1,且y<x)重复彼此叠置的堆叠结构，其中AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，AlyGa(1-y)N层为n型掺杂层。
此外，AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的组成可以被确定使得AlxGa(1-x)N层具有比活性层140的垒层更高的能带间隙，AlyGa(1-y)N层具有比活性层140的阱层更高的能带间隙。相应地，电子迁移率在第二超晶格层163内降低，因此包括根据一些实施方式的半导体堆叠结构的发光二极管具有进一步改善的发光效率。
接着，参见图13，活性层140和p型氮化物半导体层150可以形成在第二超晶格层163上或上方，从而提供如图13中所示的半导体堆叠结构。必要时，可以通过执行附加工艺提供具有各种结构的发光二极管。
图14是根据公开技术的一个实施例的发光二极管的横截面图。
参见图14，该发光二极管可以利用图7的半导体堆叠结构来制造。
确切地说，制造发光二极管的方法可以包括通过从图7的半导体堆叠结构上部分去除p型氮化物半导体层150、活性层140和n型氮化物半导体层130来形成台面结构M。此外，制造发光二极管的方法可以进一步包括形成第一电极171和第二电极173。作为结果，可以提供如图14中所示的水平型发光二极管。这种水平型发光二极管可以被应用于倒装型发光二极管。
台面结构M可以通过例如光刻蚀法和蚀刻来形成。借助台面结构M，发光二极管可以包括让n型氮化物半导体层130局部暴露的区域。N型调制掺杂层135可以在让n型氮化物半导体层130局部暴露的区域上局部暴露。台面区域M可以包括n型氮化物半导体层130、活性层140和p型氮化物半导体层150的一部分。具体地，台面结构M可以包括n型氮化物半导体层130的n型调制掺杂层135和第二中间层137。相应地，n型调制掺杂层135的一部分135a可以设置在与台面结构M的底部表面对应的虚线L1上方。
在此，设置在虚线L1上方的n型调制掺杂层135的部分135a可以具有与设置在虚线L1下方的n型调制掺杂层135的部分135b不同的掺杂浓度。此外，设置在虚线L1上方的n型调制掺杂层135的部分135a可以具有比设置在虚线L1下方的n型调制掺杂层135的部分135b更高的掺杂浓度。
第一电极171和第二电极173可以分别形成在n型氮化物半导体层130和p型氮化物半导体层150上或上方。在一些实施方式中，第一电极171可以形成在n型调制掺杂层135上。
第一中间层133可以设置在n型调制掺杂层135下方以防止来自n型氮化物半导体层130的电子损失，第一电极171直接毗连n型调制掺杂层135以允许电子直接注入n型调制掺杂层135。借助这种结构，可以防止因n型氮化物半导体层130中晶体缺陷导致的电子损失，同时改善电子的侧向扩散。
另外，n型调制掺杂层135可以形成为接触第一电极171的n型调制掺杂层135的上部区域具有比n型调制掺杂层135的下部区域更高的掺杂浓度，从而防止电子传播至虚线L1下方的区域，同时改善电子朝向活性层140的注入效率。
图15是根据公开技术的一个实施例的发光二极管的横截面图。
一种制造发光二极管的方法可以包括从图7的半导体堆叠结构中去除衬底110，在通过去除衬底110形成的n型氮化物半导体层130的暴露区域上形成第一电极181，同时在p型氮化物半导体层150上或上方形成第二电极183。作为结果，可以提供如图15中所示的垂直型发光二极管。
尽管图14和图15的发光二极管被示出是利用图7的半导体堆叠结构来制造的，但是应当理解，所公开的技术并不局限于此，可以利用其它半导体堆叠结构(例如图10或图13中所示的)来制造发光二极管。此外，尽管在上述实施方式中只示出了典型的垂直型或水平型发光二极管，但是应当理解，所公开的技术不限于此，根据公开技术的n型氮化物半导体层和半导体堆叠结构可以被用于具有各种结构的发光二极管。
根据公开技术的实施例的发光二极管包括n型调制掺杂层135以允许注入n型调制掺杂层135的电流均匀扩散，从而电流能够有效地分配在半导体层内。另外，根据公开技术实施例的发光二极管包括设在第一和第二中间层133和137之间的n型调制掺杂层135，从而确保半导体层的良好结晶度，以及电流注入活性层140的良好效率。因此，所公开的技术提供了一种具有改善的发光效率和降低的正向电压的发光二极管。
只示出了一些实施例、实施方式和实例，且基于本文献中描述和示出的内容可以作出其它实施例和实施方式以及各种改进和变化。
Claims (17)
1.一种发光设备，其包括：
n型氮化物半导体层；
设于n型氮化物半导体层上方的活性层；以及
设于活性层上方的p型氮化物半导体层，
n型氮化物半导体层包括：n型氮化物基底层、设于n型氮化物基底层上方的第一中间层、设于第一中间层上方的n型调制掺杂层、以及设于n型调制掺杂层上方的第二中间层，其中，第二中间层包括超晶格层，该超晶格层包括第一子中间层和第二子中间层的堆叠结构，其中，第一子中间层和第二子中间层中的至少一个的n型掺杂浓度比n型调制掺杂层的n型掺杂浓度高。
2.如权利要求1所述的发光设备，其中第二子中间层的掺杂浓度低于第一子中间层的掺杂浓度，并且
其中，第一子中间层的n型掺杂物浓度为1×1018原子/cm3或更大。
3.如权利要求2所述的发光设备，其中n型调制掺杂层的n型掺杂物浓度等于或者大于1×1017原子/cm3，n型调制掺杂层的掺杂浓度低于第二中间层的第一子中间层的掺杂浓度。
4.如权利要求1所述的发光设备，其中n型调制掺杂层包括这样一种结构，其包括形成堆叠结构的相对高掺杂浓度区域和相对低掺杂浓度区域，且从远离第二中间层设置的一个相对高掺杂浓度区域至靠近第二中间层设置的另一相对高掺杂浓度区域，n型调制掺杂层的相对高掺杂浓度区域的掺杂浓度在空间上变化。
5.如权利要求1所述的发光设备，其中相对靠近活性层设置的一个第一子中间层的掺杂浓度高于相对远离活性层设置的另一第一子中间层的掺杂浓度。
6.如权利要求1所述的发光设备，其还包括：
第一超晶格层，其设置在n型氮化物半导体层和活性层之间；以及
第二超晶格层，其设置于第一超晶格层和活性层之间，
其中第一超晶格层包括其中GaN层和InGaN层重复彼此叠置的结构，第二超晶格层包括其中AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层重复彼此叠置的结构，其中0<x<1,0<y<1,且y<x。
7.如权利要求1所述的发光设备，其中n型调制掺杂层包括这样一种结构，其包括形成堆叠结构的相对高掺杂浓度区域和相对低掺杂浓度区域，且n型调制掺杂层在n型调制掺杂层的最上部包括相对低掺杂浓度区域，使得第二中间层接触该相对低掺杂浓度区域。
8.如权利要求1所述的发光设备，其还包括：
未掺杂的氮化物半导体层，其设在n型氮化物基底层和第一中间层之间。
9.一种发光设备，其包括：
基于第一杂质的氮化物层，其形成于衬底上方，并且具有相对低的掺杂浓度；
第一中间层，其形成于基于第一杂质的氮化物层上方且具有与基于n型氮化物的层不同的组成；
第一杂质调制掺杂层，该层形成于第一中间层上方且具有其杂质浓度彼此不同的非暴露部和暴露部；以及
第二中间层，其形成于第一杂质调制掺杂层的暴露部上方且包括相对对方交替设置的第一子中间层和第二子中间层，第一子中间层的杂质浓度不同于第二子中间层的杂质浓度，并且
其中第一杂质调制掺杂层的暴露部和第二中间层与形成于第二中间层上方的第二杂质氮化物半导体层和活性层一同形成台面结构。
10.如权利要求9所述的发光设备，其中暴露部设置在非暴露部上方，且暴露部的掺杂浓度高于非暴露部的掺杂浓度。
11.如权利要求9所述的发光设备，其中第一杂质调制掺杂层的杂质浓度被调制成包括不高于1×1019原子/cm3的高掺杂浓度和不小于1×1018原子/cm3的低掺杂浓度。
12.如权利要求9所述的发光设备，其中第二子中间层具有比第一子中间层低的杂质浓度。
13.如权利要求11所述的发光设备，其中第一子中间层具有相对高的能带间隙，其有助于将电子移至活性层。
14.如权利要求9所述的发光设备，其中第二子中间层的厚度大于第一子中间层的厚度。
15.如权利要求9所述的发光设备，其中第一子中间层的掺杂浓度高于第一杂质调制掺杂层的掺杂浓度。
16.如权利要求9所述的发光设备，其中第二中间层中的第一子中间层和第二子中间层的交替设置允许二维电子气形成于第一和第二子中间层的各个界面处。
17.如权利要求9所述的发光设备，其中与其它第一子中间层相比更靠近活性层设置的第一子中间层的掺杂浓度高于其它第一子中间层的掺杂浓度。
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