CN1845347A - 氮化物半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电子发射结构的氮化物半导体器件。在该器件中，n型氮化物半导体层形成在衬底上，以及有源层形成在n型氮化物半导体层上。而且p型氮化物半导体层形成在有源层上。有源层形成在p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层之间，并包括量子阱层和量子势垒层。此外，在n型氮化物半导体层和有源层之间形成有电子发射层。电子发射层包括：氮化物半导体量子点层，形成在n型氮化物半导体层上，并具有表示为AlxInyGa (1－x－y) N的组成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1；以及谐振隧道层，形成在氮化物半导体量子点层上，并具有比相邻的量子点层的带隙大的带隙。

Description

氮化物半导体器件
优先权要求
本申请要求于2005年4月6日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-28668号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体器件。更具体地，本发明涉及一种高效的氮化物半导体器件，它能优化注入到有源层中的电子的捕获率，以增加内量子效率，并减小引起有源层中的压电场的应力。
背景技术
通常，氮化物半导体被广泛用于绿色或蓝色发光二极管(LED)，这些发光二极管可用作全色显示器、图像扫描器、各种信号系统和光通信装置、或激光二极管(LD)的光源。这种氮化物半导体器件包括有源层，它具有布置在n型和p型氮化物半导体层之间的单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。并且，有源层通过电子和空穴的重新结合产生特定波长的光。
氮化物半导体器件的光效率根本上由有源层中的电子和空穴的复合率或内量子效率决定。与提高内量子效率的方法相关的研究已经集中于改进有源层的结构或者增加载流子的有效质量。
特别地，为了增加有源层中的载流子的有效质量，应使在有源层外部复合的载流子的数量减小，使电子和空穴的捕获率需要优化。但是，由于电子迁移率比空穴迁移率相对较大，一些电子没有在有源层中复合，而是移动到p型氮化物半导体层，在那里电子在有源层外复合，导致发光效率降低。
传统上看，美国专利第6,614,060号(2003年9月2日公开，转让给Arima Optoelectronics公司)公开了一种采用将InGaN/GaN层置于n型氮化物半导体层和有源层之间的非对称谐振隧道结构的方法。
图1a和图1b示出了根据上述专利的氮化物半导体器件的示意性结构和能带图。
图1a中所示的氮化物半导体器件10包括上面形成有缓冲层12的蓝宝石衬底11。n型氮化物半导体层13、有源层16、和p型氮化物半导体层17按顺序形成在缓冲层12上。n电极18与n型氮化物半导体层13连接，p电极19与p型氮化物半导体层17连接。
上述的专利提出了一种形成于n型氮化物半导体层13和有源层16之间的电子发射层结构15。电子发射层结构15包括InGaN电子积聚层15a和GaN谐振隧道层15b。电子发射层15用于减小没有在有源层16中复合而进入p型氮化物半导体层17中的电子的数量。
更具体地，参考图1b，InGaN电子积聚层15a具有比GaN n型氮化物半导体层13的带隙小的带隙。GaN谐振隧道层15b具有比量子阱层的带隙大的带隙，并以允许发生隧道效应的厚度形成。
n型氮化物半导体层13提供的电子积聚在具有低带隙的InGaN电子积聚层15a中。积聚的电子穿过GaN谐振隧道层15b，并注入有源层16。以这种方式，电子发射层15捕获电子，然后将其注入有源层，从而增加在有源层中复合的电子的有效质量。
但是根据上述的方法，InGaN电子积聚层15a应该具有比相邻的n型氮化物半导体层13的带隙小得多的带隙，大约50nm厚，这使得晶格常数差引起非常大的应力。
由这种晶格常数的差异导致的应力不仅大大降低了有源层的结晶度，而且加剧了有源层上的压电场效应。尤其是，压电场使电子和空穴的波函数彼此分离，从而降低电子-空穴复合率。这严重恶化了器件的发光效率。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的上述问题，因此本发明的一个目的是提供一种具有新型电子发射结构的氮化物半导体器件，该电子发射结构可减小由应力引起的有源层结晶度的降低，以及减小压电场效应，并在有源层下方有效地捕获电子以增加电子-空穴复合率。
根据实现该目标的本发明的一个方面，提供了一种氮化物半导体器件，包括：n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；有源层，形成在p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层之间，并具有量子阱层和量子势垒层；以及电子发射层，形成在n型氮化物半导体层和有源层之间，其中，电子发射层包括：氮化物半导体量子点层，形成在n型氮化物半导体层上，并具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1；以及谐振隧道层，形成在氮化物半导体量子点层上，并具有比量子阱层的带隙大的带隙。
优选地，氮化物半导体量子点层具有从一个单分子层到50的厚度。更优选地，氮化物半导体量子点层具有10～30的厚度。
本发明中使用的这种半导体量子点层与相邻的n型氮化物半导体层具有晶格常数差，并能够通过由该差异导致的应力形成。用于形成量子点层的晶格常数差能够通过改变含量来获得。优选地，氮化物半导体量子点层具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1，并且n型氮化硅半导体层具有表示为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的组成，其中0≤x1≤1，且0≤y1≤1，其中x至少比y大0.3(y至少比y1)大0.3。
更优选地，氮化物半导体量子点层具有表示为InyGa(1-y)N的组成，n型氮化物半导体层由GaN制成，其中y在0.3～1之间变动。
优选地，谐振隧道层具有大约0.5～10nm的厚度，使得在氮化物半导体量子点层中捕获的电子能穿过。在谐振隧道层具有表示为Iny2Ga(1-y2)N的组成的情况下，为了具有期望的带隙，In的含量(y)应该优选地为0.2或者更小。优选地，谐振隧道层具有和量子势垒层相同的组成。
谐振隧道层包括无掺杂层或n掺杂层。优选地，谐振隧道层被n掺杂到1020/cm3或更低的浓度。
附图说明
本发明的上述和其他的目标、特征和其他优点将通过下面结合附图的详细描述而变得更加显而易见，在附图中：
图1a是传统氮化物半导体器件的侧截面图；
图1b是图1a中示出的氮化物半导体器件的能带图；
图2是根据本发明实施例的氮化物半导体器件的侧截面图；
图3是示出了InGaN层和InN量子点层重复生长的结构的侧截面图的TEM图片；
图4a和图4b是示出了传统氮化物半导体器件中采用的有源层表面的AFM图片；
图4c是示出了根据本发明的氮化物半导体器件中采用的有源层表面的AFM图片；以及
图5a和图5b是示出了在根据现有技术和本发明的氮化物半导体器件中采用的电子发射层/有源层的光致发光(PL)的测量结果的曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图详细地描述本发明的优选实施例。
图2是示出了根据本发明实施例的氮化物半导体器件的侧截面图。
如图2所示的氮化物半导体器件20包括上面形成有缓冲层22的大理石衬底21。缓冲层22可以是在低温下生长的氮化物层。缓冲层22上顺序地形成有n型氮化物半导体层23、有源层26和p型氮化物半导体层27。并且，n电极28与n型氮化物半导体层23连接，以及p电极29与p型氮化物半导体层27连接。
根据本发明的氮化物半导体器件20具有新颖的位于n型氮化物半导体层23和有源层26之间的电子发射层结构25。电子发射层25包括氮化物半导体量子点层25a和谐振隧道层25b。
与传统的使用具有低带隙的层结构的电子积聚方法不同的是，根据本发明的电子发射层25使用的是具有量子结构的量子点，在该量子结构中，载流子(carrier)具有零维自由度。与带隙原理不同，在本发明中被用作电子积聚结构的氮化物半导体量子点层25a在三维上束缚和积聚电子。而且，不同于典型的厚晶体层结构，氮化物半导体量子点层25a不会不利地影响随后生长的氮化物层(例如，有源层)的结晶度。
氮化物半导体量子点层25a形成在n型氮化物半导体层23上，并具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1。虽然可以采用各种已知的用于在氮化物半导体量子点层25a上形成量子点的方法，但是优选地通过使用与n型氮化物半导体层23具有适当的晶格常数差的自组合方法(self-assembling)形成量子点。也就是说，当具有晶格差异的层以强粘合力两维生长时，随着厚度增大，生长层将经受越来越大的内应力。但是当厚度达到临界值时，三维孤岛的量子点会自动形成以消除应力。量子点形成所必须的晶格常数差可以由不同于n型氮化物半导体层的组成含量差控制。优选地，晶格常数差能够通过In的含量进行控制。
例如，当n型氮化物半导体层23具有表示为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的组成时，其中0≤x1≤1，且0≤y1＜1，氮化物半导体量子点层25a可以由具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成的氮化物形成，其中y至少比y1大0.3。在其他具体的例子中，在n型氮化物半导体层23由GaN制成的情况下，氮化物半导体量子点层25a可以由具有表示为InyGa(1-y)N的组成的氮化物形成，其中0.3≤y≤1。
而且，氮化物半导体量子点层25a应该以至少允许形成期望的量子点的厚度(也就是说，用于自发组合方法形成的临界厚度)形成。另一方面，氮化物半导体量子点层25a应以不生成晶体层结构的足够厚度形成。优选地，量子点层具有在1个单分子层(ML)到50之间变化的厚度，更优选是大约为10～30。
谐振隧道层25b形成在氮化物半导体量子点层25a上，并且具有比相邻的有源层26的量子阱层(未示出)的带隙大的带隙。谐振隧道层25b具有足以使积聚在量子点层25a中的电子能穿过有源层26的厚度。优选地，谐振隧道层25b具有大约0.5～10nm的厚度。谐振隧道层25b具有表示为Iny2Ga(1-y2)N的组成，其中期望的In含量y2为0.2或更小，但并不仅限于此。此处，y2具有比相邻的量子阱层的带隙大的带隙。
谐振隧道层25b可以具有和有源层26的量子势垒层(未示出)的组成相同的组成。并且，谐振隧道层25b是无掺杂层或者n掺杂层。在n型谐振隧道层的情况下，优选地，它被n掺杂到1020/cm3或者更小的浓度。
根据本发明的氮化物半导体器件具有如上所述的电子积聚结构。因此，该器件使用量子点代替具有预定厚度的晶体层，从而提高了电子捕获率。这也不会引起由晶格常差异导致的应力。从而，有源层可获得好的结晶度。这防止了不可避免地由传统的电子发射层结构产生的电子空穴复合率的减小。
图3是示出了GaN层和InN量子点层重复生长的结构的TEM图片，作为测试结果示出了本发明中采用的氮化物半导体量子点层的形成。
已证实了当大约10nm的GaN层(通常用作n型氮化物半导体层)和大约30的InN层生长三次时，具有量子点结构的薄InN层形成在GaN层上。可以理解，InN量子点层通过与GaN的晶格常数差导致的应力形成。也证实了通过重复生长形成在InN量子点层上的GaN层显示了卓越的结晶度。
下面通过比较发明实例和根据现有技术的实例，针对将在本发明中实现的改进的结晶度和电子捕获率进行更详细的说明。
实例
在蓝宝石衬底上形成n型GaN层，然后形成具有大约15厚度的InN量子点层作为电子积聚层。此后，在InN量子点层上形成具有10厚度的GaN层作为谐振隧道层。然后，形成具有10厚度的In0.3Ga0.7N量子阱层的有源层以及具有15厚度的GaN量子势垒层。
比较实例1
在与发明实例相同的条件下生长各层。不同的是，有源层直接形成在n型GaN层上，没有形成电子发射结构的电子积聚层和谐振隧道层。
比较实例2
在和发明实例以及除了电子发射结构的电子积聚层和谐振隧道层之外的比较实例1相同的条件下生长各层。也就是说，In0.3Ga0.7N的电子积聚层在n型GaN层上生长到大约50nm的厚度。
用AFM拍摄从比较实例1、2和发明实例获得的有源层的最终表面(5×5μm)。图4a～4c示出了各个有源层的最终表面的AFM图片。
首先，在比较实例1中(参考图4a)，发现了相对较少数量的凹坑。凹坑数量由结晶条件不可避免地引起。相比之下，比较实例2(参考图4b)比图4a显示了相对较多数量的凹坑。这样的凹坑数量意味着与有源层中没有采用电子发射结构的比较实施例1相比，结晶度大大降低。这由相对较厚的电子积聚层引起的应力引起。
另一方面，发明实例(图4c)只显示了少量的凹坑，类似于没有采用电子发射层的比较实例1。在发明实例中，电子发射结构被用于增加复合效率。但是此处，作为电子积聚层，量子点被用来代替在比较实例2中的使用带隙差异的厚晶体层。
测试结果显示根据本发明的使用量子点的电子发射结构没有降低有源层的结晶度，从而防止了与传统的电子发射结构中一样有源层上的压电场效应增加的缺点。
而且，为了确认本发明中采用的氮化物半导体量子点层的电子捕获率，在发明实例和比较实例2中测量了光致发光(PL)。图5a和图5b示出了根据比较实例2和发明实例的PL测量结果的曲线图。
图5a的PL曲线图(比较实例2)示出了由InGaN电子积聚层产生的大约400nm的峰值。图5b的PL曲线图(发明实例)示出了由InN半导体量子点层引起的大约440nm的峰值。特别地，根据发明实例的InN半导体量子点层具有比图5a的峰值大的峰值。这证实了根据本发明的半导体量子点层具有比传统的使用带隙的电子积聚层更高的电子捕获率。
如上所述，根据本发明，氮化物半导体器件采用半导体量子点作为电子发射结构中的电子积聚层。这导致更有效的电子捕获，并增加了复合率。并且，这防止了应力引起的有源层的结晶度降低，减小了压电场效应，从而显著地提高内量子效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种氮化物半导体器件，包括：
n型氮化物半导体层；
p型氮化物半导体层；
有源层，形成在所述p型氮化物半导体层和所述n型氮化物半导体层之间，并具有量子阱层和量子势垒层；以及电子发射层，形成在所述n型氮化物半导体层和所述有源层之间；
其中，所述电子发射层包括：
氮化物半导体量子点层，形成在所述n型氮化物半导体层上，并具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1；以及
谐振隧道层，形成在所述氮化物半导体量子点层上，并具有比所述量子阱层的带隙大的带隙。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述氮化物半导体量子点层具有从1单分子层到50之间变化的厚度。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体器件，其中，所述氮化物半导体量子点层具有10～30的厚度。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述氮化物半导体量子点层具有与所述n型氮化物半导体层的晶格常数不同的晶格常数。
5.根据权利要求4所述的氮化物半导体器件，其中，所述氮化物半导体量子点层具有表示为AlxInyGa(1-x-y)N的组成，其中0≤x≤1，且0＜y≤1，并且，所述n型氮化物半导体层具有表示为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的组成，其中0≤x1≤1，且0≤y1＜1，其中，x至少比y大0.3。
6.根据权利要求4所述的氮化物半导体器件，其中，所述氮化物半导体量子点层具有表示为InyGa(1-y)N的组成，以及，所述n型氮化物半导体层由GaN制成，
其中，y在0.3～1之间变化。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述谐振隧道层具有0.5nm～10nm的厚度。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述谐振隧道层具有表示为Iny2Ga(1-y2)N的组成，其中y为0.2或更小。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述谐振隧道层具有与所述量子势垒层的组成相同的组成。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述谐振隧道层包括无掺杂层。
11.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中，所述谐振隧道层被n掺杂到1020/cm3或更低的浓度。
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