CN205790043U - 紫外线发光二极管及用于制造其的晶片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种紫外线发光二极管及用于制造其的晶片，所述紫外线发光二极管包括：n型AlGaN接触层；p型AlGaN接触层；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型AlGaN接触层与p型AlGaN接触层之间，包括阱层；上部超晶格层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述活性层之间；及静电放电防止层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述上部超晶格层之间。因此，本实用新型的紫外线发光二极管能够改善静电放电特性并且具有可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及发光二极管及晶片，特别是涉及一种释放紫外线的紫外线发光二极管及用于制造其的晶片。
背景技术
发光二极管作为释放因电子与空穴的复合而发生的光的无机半导体元件，最近正在显示装置、汽车灯、普通照明、光通信设备等多种领域中使用。特别是紫外线发光二极管，可以用作UV固化、杀菌、白色光源、医学领域及装备附属部件等，其使用范围正在增加。
为了释放相对地短波长的紫外线，含有Al的氮化物半导体层被用作活性层。就这种紫外线发光二极管而言，当n型及p型氮化物半导体层的带隙能小于活性层释放的紫外线的能量时，活性层释放的紫外线可以被发光二极管内的n型及p型氮化物半导体层吸收。因此，位于发光二极管的光释放方向的其它半导体层含有更多量的Al，以便具有比释放的紫外线更大的能带隙。
当制造紫外线发光二极管时，作为用于使氮化物半导体层生长的基板，一般使用诸如蓝宝石基板的不同种类基板。可是，在蓝宝石基板上，如果使Al含量高的AlGaN层生长，则容易因高Al含量而发生裂纹或破裂。以往，为了减少这种问题的发生，在蓝宝石基板上直接高温形成AlN层或在形成AlN/AlGaN超晶格层后，形成n型接触层、活性层、及p型接触层，来制造发光二极管。
但是，在蓝宝石基板上生长的AlN层由于能带隙宽，难以使蓝宝石基板分离，因此，难以提供热释放性能优秀、发光效率高的竖直型结构的紫外线发光二极管。
另外，就AlGaN而言，难以使结晶性相对优于GaN的膜生长，因而制造的发光二极管的内部量子效率低。
进一步地，随着在不同种类基板上使AlGaN层生长，AlGaN层内穿透错位密度高，因而发光二极管对静电放电脆弱。
实用新型内容
解决的技术问题
本实用新型要解决的课题是提供一种改善了静电放电特性的具有可靠性的紫外线发光二极管。
本实用新型要解决的又一课题是提供一种改善了内部量子效率的紫外线发光二极管。
本实用新型要解决的又一课题是提供一种具有适合提供紫外线发光二极管的半导体层叠结构的晶片。
技术方案
本实用新型一个实施例提供了一种紫外线发光二极管，所述紫外线发光二极管包括：n型AlGaN接触层；p型AlGaN接触层；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型AlGaN接触层与p型AlGaN接触层之间，包括阱层；上部超晶格层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述活性层之间；及静电放电防止层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述上部超晶格层之间。
所述活性层由势垒层和阱层交替层叠，最靠近所述n型AlGaN接触层的第一势垒层比其它势垒层厚。
在所述p型AlGaN接触层与所述活性层之间还包括电子阻挡层。
所述紫外线发光二极管还包括：支撑基板；反射金属层，其配置于所述支撑基板与所述p型AlGaN接触层之间，电气连接于所述p型AlGaN接触层；及n-电极，其电气连接于所述n型AlGaN接触层。
所述紫外线发光二极管还包括配置于所述n型AlGaN接触层与所述n-电极之间的界面层。
所述紫外线发光二极管还包括与所述n-电极相向并位于所述p型AlGaN接触层与所述支撑基板之间的电流切断层。
所述p型AlGaN接触层具有使电子阻挡层露出的开口部，所述反射金属层接触通过所述开口部而露出的所述电子阻挡层。
所述n型AlGaN接触层具有粗糙的表面。
所述紫外线发光二极管还包括：生长基板；下部超晶格层，其配置于所述n型AlGaN接触层与所述生长基板之间；及GaN层，其配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。
所述紫外线发光二极管还包括配置于所述GaN层与所述生长基板之间的核层。
所述紫外线发光二极管还包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层，所述下部超晶格层包括第一超晶格层及第二超晶格层。
所述下部超晶格层接于所述GaN层。
所述紫外线发光二极管还包括n-电极片，其电气连接于所述n型AlGaN接触层；透明电极，其电气连接于所述p型AlGaN接触层；及p-电极片，其电气连接于所述透明电极。
所述阱层释放350nm以下的紫外线。
本实用新型的另一实施例提供了一种紫外线发光二极管用晶片，所述紫外线发光二极管用晶片包括：生长基板；n型AlGaN接触层，配置于所述生长基板上；p型AlGaN接触层，配置于所述n型AlGaN接触层上部；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型AlGaN接触层与p型AlGaN接触层之间，并包括阱层；上部超晶格层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述活性层之间；静电放电防止层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述上部超晶格层之间；下部超晶格层，其配置于所述n型AlGaN接触层与所述生长基板之间；及GaN层，其配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。
所述紫外线发光二极管用晶片还包括配置于所述GaN层与所述生长基板之间的核层。
所述紫外线发光二极管用晶片还包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层，所述下部超晶格层包括第一超晶格层及第二超晶格层。
所述下部超晶格层接于所述GaN层。
所述紫外线发光二极管用晶片还包括配置于所述n型接触层与所述下部超晶格层之间的界面层。
本实用新型一个实施例的紫外线发光二极管包括：由AlGaN形成的n型接触层；由AlGaN形成的p型接触层；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型接触层与p型接触层之间，并包括含有Al的阱层；上部超晶格层，其介于所述n型接触层与所述活性层之间，由AlInGaN/AlInGaN反复层叠；及静电放电防止层，其介于所述n型接触层与所述上部超晶格层之间，从所述n型接触层起，包括第一AlGaN层、第二AlGaN层及第三AlGaN层。另外，所述第三AlGaN层是n型杂质掺杂层，所述第二AlGaN层为浓度低于所述第三AlGaN层的n型杂质掺杂层，所述第一AlGaN层为浓度低于所述第二AlGaN层的n型杂质掺杂层或无掺杂层。
本实用新型另一实施例的紫外线发光二极管制造用晶片包括：生长基板；n型接触层，其配置于所述生长基板上，由AlGaN形成；p型接触层，其配置于所述n型接触层上部，由AlGaN形成；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型接触层与p型接触层之间，并包括含有Al的阱层；上部超晶格层，其介于所述n型接触层与所述活性层之间，由AlInGaN/AlInGaN反复层叠；静电放电防止层，其介于所述n型接触层与所述上部超晶格层之间，从所述n型接触层起，包括第一AlGaN层、第二AlGaN层及第三AlGaN层；AlGaN/AlGaN或AlN/AlGaN下部超晶格层，配置于所述n型接触层与所述生长基板之间；及GaN层，配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。另外，所述第三AlGaN层为n型杂质掺杂层，所述第二AlGaN层为浓度低于所述第三AlGaN层的n型杂质掺杂层，所述第一AlGaN层为浓度低于所述第二AlGaN层的n型杂质掺杂层或无掺杂层。
实用新型的效果
根据本实用新型，能够提供静电放电特性良好、结晶品质优秀的紫外线发光二极管。进而，能够容易地分离生长基板，提供适合于散热特性及发光效率优秀的竖直型结构的发光二极管的晶片。
附图说明
图1是用于说明具有本实用新型第一实施例的半导体层叠结构的晶片的剖面图。
图2是图示第一实施例的半导体层叠结构中的活性层区域的部分放大剖面图。
图3是用于说明利用第一实施例的半导体层叠结构制作的水平型发光二极管的示意性剖面图。
图4是用于说明利用第一实施例的半导体层叠结构制作的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
图5是用于说明具有本实用新型第二实施例的半导体层叠结构的晶片的示意性剖面图。
图6是用于说明利用第二实施例的半导体层叠结构制作的水平型发光二极管的剖面图。
图7是用于说明具有本实用新型第三实施例的半导体层叠结构的晶片的剖面图。
图8是用于说明具有本实用新型第四实施例的半导体层叠结构的晶片的剖面图。
图9是用于说明利用第三实施例或第四实施例的半导体层叠结构制作的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
图10是用于说明利用本实用新型实施例的半导体层叠结构制作的又一示例的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
图11是用于说明利用本实用新型实施例的半导体层叠结构制作的又一示例的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本实用新型的实施例。下面介绍的实施例是为了向本实用新型所属技术领域的普通技术人员充分传递本实用新型的思想而作为示例提供的。因此，本实用新型不限定于以下说明的实施例，还可以以其它形态进行具体化。而且，在附图中，构成要素的宽度、长度、厚度等，为了便利也可以夸张地表现。另外，当记载为一个构成要素在另一构成要素“上部”或“上面”时，不仅是各部分在其它部分的“正上部”或“正上面”的情形，还包括在各构成要素与其它构成要素之间存在另外的构成要素的情形。在通篇说明书中，相同的参照符号代表相同的构成要素。
关于下面说明的多个半导体层的各组成比、生长方法、生长条件、厚度等属于示例，并非根据下面记载的内容限制本实用新型。例如，当标记为AlGaN时，Al与Ga的组成比可以根据普通技术人员的需要而多样地应用。其中，术语“组成比”，意味着摩尔百分比，在AlxGa(1-x)N中，Al的组成比(摩尔百分比)意味着x。另外，下面说明的多个半导体层可以利用该技术领域的普通技术人员众所周知的多样的方法生长，例如，可以利用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、MBE(Molecular BeamEpitaxy)或HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)等技术生长。不过，在以下说明的实施例中，说明的是半导体层利用MOCVD在相同的腔内生长的情形，流入腔内的源气体可以根据组成比，利用普通技术人员周知的来源，但本实用新型并非限定于此。
本实用新型一个实施例的紫外线发光二极管包括：由AlGaN形成的n型接触层；由AlGaN形成的p型接触层；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型接触层与p型接触层之间，包括含有Al的阱层；上部超晶格层，其介于所述n型接触层与所述活性层之间，由AlInGaN/AlInGaN反复层叠；及静电放电防止层，其介于所述n型接触层与所述上部超晶格层之间，从所述n型接触层起，包括第一AlGaN层、第二AlGaN层及第三AlGaN层。另外，所述第三AlGaN层为n型杂质掺杂层，所述第二AlGaN层为浓度低于所述第三AlGaN层的n型杂质掺杂层，所述第一AlGaN层为浓度低于所述第二AlGaN层的n型杂质掺杂层或无掺杂层。
通过采用静电放电防止层，可以提供耐静电放电的紫外线发光二极管。
进一步地，所述活性层由势垒层和阱层交替层叠，最靠近所述n型接触层的第一势垒层可以具有比其它势垒层更大的Al摩尔百分比，可以更厚。因此，在活性层内，能够使电子与空穴的复合率提高，能够改善内部量子效率。
所述上部超晶格层可以在最靠近所述活性层的最后AlInGaN层掺杂n型杂质，其余层可以不掺杂。把上部超晶格层如上所述分为无掺杂区域和掺杂区域，从而可以加强静电放电特性，可以帮助向活性层内的电子供应。
另一方面，所述紫外线发光二极管还可以包括在所述p型接触层与所述活性层之间由AlGaN形成的电子阻挡层。所述电子阻挡层的Al摩尔百分比大于其它半导体层的Al摩尔百分比。电子阻挡层的Al摩尔百分比可以为0.35以上0.5以下。
在一些实施例中，所述紫外线发光二极管还可以包括：支撑基板；反射金属层，其配置于所述支撑基板与所述p型接触层之间，电气连接于所述p型接触层；及n-电极，其电气连接于所述n型接触层。所述紫外线发光二极管例如可以是竖直型发光二极管，因此，散热特性及光提取效率优秀。
在一些实施例中，还可以包括配置于所述n型接触层与所述n-电极之间的界面层。所述界面层可以为n型AlGaN层或n型GaN层，所述n型AlGaN层具有比所述n型接触层小的Al摩尔百分比。通过采用界面层，可以降低n-电极的接触阻抗。
在一些实施例中，所述紫外线发光二极管还可以包括与所述n-电极相向并位于所述p型接触层与所述支撑基板之间的电流切断层。电流切断层与n-电极重叠地配置，因此，可以防止电流沿发光二极管的竖直方向集中于n-电极下方。
另一方面，所述p型接触层具有使电流阻挡层露出的开口部，所述反射金属层可以接触通过所述开口部而露出的电流阻挡层。
另外，所述n型接触层可以具有粗糙的表面，因此，能够改善光提取效率。
在一些实施例中，所述紫外线发光二极管还可以包括：生长基板；AlGaN/AlGaN或AlN/AlGaN下部超晶格层，配置于所述n型接触层与所述生长基板之间；及GaN层，配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。其中，“AlGaN/AlGaN超晶格层”与意味着由两层构成的超晶格层相比，意味着组成比互不相同的多个AlGaN层交替反复层叠2次以上的超晶格层。“AlN/AlGaN”也一样。
另外，核层可以配置于所述GaN层与所述生长基板之间。核层可以由GaN或AlGaN形成。
在一些实施例中，所述紫外线发光二极管还可以包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层。其中，所述下部超晶格层包括第一AlGaN/AlGaN超晶格层及第二AlGaN/AlGaN超晶格层，所述第一AlGaN/AlGaN超晶格层可以为无掺杂层，第二AlGaN/AlGaN超晶格层为Si掺杂的层。
所述AlN层切断所述GaN层内的穿透错位转写到n型接触层。
在另一些实施例中，所述下部超晶格层可以是接于所述GaN层的AlN/AlGaN超晶格层。所述AlN/AlGaN超晶格层可以是反复进行Ga源的流入及中断而形成的超晶格层，切断层内的穿透错位转写到n型接触层，改善在其上形成的n型接触层的结晶品质。
所述紫外线发光二极管还可以包括：电气连接于所述n型接触层的n-电极片；电气连接于所述p型接触层的透明电极；及电气连接于所述透明电极的p-电极片。
另一方面，所述阱层由AlGaN形成，所述紫外线发光二极管可以释放350nm以下的紫外线。特别是所述紫外线发光二极管可以释放340nm或310nm的紫外线。
本实用新型的另一实施例提供一种紫外线发光二极管制造用晶片。所述紫外线发光二极管用晶片包括：生长基板；n型接触层，其配置于所述生长基板上，由AlGaN形成；p型接触层，其配置于所述n型接触层上部，由AlGaN形成；多量子阱结构的活性层，其介于所述n型接触层与p型接触层之间，并包括含有Al的阱层；上部超晶格层，其介于所述n型接触层与所述活性层之间，由AlInGaN/AlInGaN反复层叠；静电放电防止层，其介于所述n型接触层与所述上部超晶格层之间，从所述n型接触层起，包括第一AlGaN层、第二AlGaN层及第三AlGaN层；AlGaN/AlGaN或AlN/AlGaN下部超晶格层，配置于所述n型接触层与所述生长基板之间；及GaN层，配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。进一步地，所述第三AlGaN层为n型杂质掺杂层，所述第二AlGaN层为浓度低于所述第三AlGaN层的n型杂质掺杂层，所述第一AlGaN层为浓度低于所述第二AlGaN层的n型杂质掺杂层或无掺杂层。
在所述生长基板上配置有GaN层，因而可以利用激光剥离技术等技术，容易地分离生长基板，因此，可以利用所述晶片，容易地制造出竖直型结构的紫外线发光二极管。
在一些实施例中，在所述GaN层与所述生长基板之间可以配置有核层。所述核层可以由GaN或AlGaN形成，特别是可以由GaN形成。
在一些实施例中，所述紫外线发光二极管制造用晶片还可以包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层。其中，所述下部超晶格层包括第一AlGaN/AlGaN超晶格层及第二AlGaN/AlGaN超晶格层，所述第一AlGaN/AlGaN超晶格层为无掺杂层，第二AlGaN/AlGaN超晶格层为Si掺杂的层。
在另一些实施例中，所述下部超晶格层可以是接于所述GaN层的AlN/AlGaN超晶格层。
另一方面，所述紫外线发光二极管制造用晶片还可以包括配置于所述n型接触层与所述下部超晶格层之间的界面层。所述界面层可以是具有小于所述n型接触层的Al摩尔百分比的AlGaN层。
因此，可以利用所述界面层，降低n-电极的接触阻抗。
下面参照附图，说明本实用新型的实施例。
图1是用于说明具有本实用新型第一实施例的半导体层叠结构的晶片的示意性剖面图。
如参照图1，本实施例的半导体层叠结构在生长基板110上包括核层120、GaN层130、AlN层140、下部超晶格层150、n型接触层160、静电放电防止层170、上部超晶格层180、活性层190、电子阻挡层200及p型接触层210。另外，所述下部超晶格层150可以包括第一超晶格层152及第二超晶格层154，静电放电防止层170可以包括下部层172、中部层174及上部层176，活性层190可以包括势垒层和阱层。
生长基板110只要是用于使氮化物系半导体层生长的基板即可，不做特别限定，例如，可以是蓝宝石基板、碳化硅基板、尖晶石基板，或者诸如GaN基板或AlN基板的氮化物基板等。特别是在本实施例中，生长基板110可以为蓝宝石基板。
核层120为了在生长基板110上使氮化物系半导体层生长而形成。特别是当生长基板110为诸如蓝宝石基板的异种基板时，可以发挥晶种(seed)作用，以便不同的半导体层可以生长，另外，缓和生长基板110与GaN层130的晶格常数的差异。不过，当生长基板110与氮化物系半导体层为同种时，核层120也可以省略。核层120可以由GaN或AlGaN形成，可以在约600℃的温度及约600Torr的压力下，在生长基板110上生长约25nm的厚度。核层120特别是可以由GaN形成。
GaN层130配置于生长基板110上或核层120上。GaN层130可以在生长基板110的表面上或者介入核层120，生成约1μm以上的厚度，例如，可以在900至1100℃温度及约200Torr的压力下生长。GaN层130为了提高结晶品质，可以生长为无掺杂层，但并非必须限定于此。通过在生长基板110上包括GaN层130，从而能够利用激光剥离技术等，容易地把生长基板110从半导体层叠结构进行分离。
AlN层140配置于GaN层130上。AlN层140切断在GaN层130形成的穿透错位(threading dislocation)，防止穿透错位转写到在AlN层140上形成的半导体层。AlN层140可以在约200Torr的压力及1000℃以上的高温下生长成约200nm至300nm的厚度。AlN层140可以使在AlN层140上生长的包括AlGaN的多个半导体层容易地生长。
下部超晶格层150配置于AlN层140正上面。下部超晶格层150防止在AlN层140上生成的穿透错位沿半导体层的生长方向转写，使在其上形成的多个半导体层内的错位密度减小。下部超晶格层150可以包括第一超晶格层152和第二超晶格层154，第一及第二超晶格层152、154可以均为AlGaN/AlGaN超晶格层，不过，第一超晶格层152可以是有意地不进行掺杂杂质的层，第二超晶格层154可以是掺杂了诸如Si的n型杂质的层。
可以在既定地保持Al、Ga及N源气体的流量的同时，使腔内的压力变化而生长第一超晶格层152。腔内的压力可以持续变化，例如，可以包括压力从第一压力上升到第二压力的压力上升区间及压力从第二压力下降到第一压力的压力下降区间。压力上升区间和压力下降区间可以反复2次以上，此时，压力随时间的变化形态可以是三角波形态，但并非限定于此，可以为多样的的形态。所述第一压力是低于所述第二压力的压力，所述第一压力可以为超过0Torr而100Torr以下，所述第二压力可以为超过0Torr而300Torr以下。所述第一超晶格层152可以按约60周期，形成约100nm至300nm厚度，例如形成180nm的厚度。
当既定地保持温度及流量等其它生长条件而只变化压力时，进行生长的AlGaN层的组成比也会改变。随着压力的增加，生长的AlGaN层的Al组成比减小。因此，在压力上升区间，沿生长厚度方向，Al组成比减小，相反，在压力下降区间，沿生长厚度方向，Al的组成比增加。这是因为，根据生长压力的Al和Ga的组成比的变化，比Ga源气体，Al源气体对压力反应更敏感。
另一方面，第二超晶格层154可以与第一超晶格层152类似，在既定地保持Al、Ga及N源气体流量的同时使腔内的压力变化而生长。不过，在使第二超晶格层154生长期间，可以流入诸如SiH4的n型杂质源气体。例如，n型杂质源气体可以以脉冲形态流入腔内，以便在压力上升区间保持高流量，在压力下降区间保持低流量。第二超晶格层154可以比第一超晶格层152更厚地形成，以约120周期，形成300nm至500nm的厚度，例如形成约360nm的厚度。掺杂了杂质的第二超晶格层154使在其上形成的n型接触层160的结晶品质提高。
另一方面，第一及第二超晶格层152、154内的Al组成比(摩尔百分比)可以与n型接触层160内的Al组成比相同或比其更大。第一及第二超晶格层152、154可以在900至1100℃的温度下生长。
n型接触层160位于所述下部超晶格层150上。n型接触层160由AlGaN层形成，掺杂有n型杂质。所述n型接触层160可以是调制掺杂了诸如Si的n型杂质的层。当以AlxGa(1-x)N层代表n型接触层160时，Al的组成比x具有0.1至0.5范围的值。Al的组成比x可以根据活性层190释放的光的波长而调节。例如，当释放340nm的光时，Al的组成比x可以具有0.1至0.2范围内的值，更具体而言，可以具有0.12至0.14范围内的值。另外，当释放310nm的光时，Al的组成比x可以具有0.3至0.5范围内的值，更具体而言，可以具有0.35至0.45范围内的值。
n型接触层160可以在约900℃至1100℃的温度及100Torr的压力下，生长成为具有约1μm至约3μm的厚度。n型接触层160可以比GaN层130形成得更厚。
静电放电防止层170包括下部层172、中部层174及上部层176。中部层174配置于下部层172与上部层176之间，是以高于下部层172而低于上部层176的浓度掺杂了n型杂质的层。下部层172可以是无掺杂层，上部层176具有这些层中最高的掺杂浓度。作为n型杂质，可以掺杂Si。所述下部层172、中部层174及上部层176可以均以与n型接触层160相同组成的AlGaN形成。通过如上配置掺杂浓度互不相同的层，可以防止电子的剧烈移动，防止静电放电。进一步而言，所述静电放电防止层170配置于n型接触层160与后面说明的上部超晶格层180之间。在静电放电防止层170上配置有上部超晶格层180，因而可以有效保护活性层190不受静电放电的影响。
上部超晶格层180可以为AlInGaN/AlInGaN的超晶格层。此时，In的摩尔百分比互不相同的多个AlInGaN层相互交替层叠。例如，第一层的AlInGaN可以具有小于约0.01的In摩尔百分比，第二层的AlInGaN具有约0.02的In摩尔百分比。对Al、In、Ga的摩尔百分比进行调节，使得活性层190生成的光可以透过。例如，当释放340nm的紫外线时，Al的摩尔百分比可以为0.12至0.14范围内，当释放310nm的紫外线时，Al的摩尔百分比可以具有0.35至0.45范围内的值。所述上部超晶格层180的Al摩尔百分比可以大致与n型接触层160内的Al摩尔百分比相同。
可以既定地保持不同源气体的流量，调节In源气体的流量而形成上部超晶格层180。上部超晶格层180可以在约900至1200℃的温度及50Torr至400Torr的压力下，生成例如具有约100nm至200nm的厚度。另一方面，上部超晶格层180内的大部分的层由无掺杂层形成，不过，在最上层可以掺杂有n型杂质。通过使上部超晶格层180的大部分层为无掺杂层，从而能够加强静电放电特性，通过在最后层中掺杂n型杂质，从而能够帮助向活性层190内的电子供应。
活性层190配置于上部超晶格层180与电子阻挡层200之间。活性层190可以为多量子阱结构，在图2中显示了放大图示活性层190部分的剖面图。
如图2所示，活性层190包括势垒层191b、192b、...、196b和阱层191w、192w等。所述势垒层191b、192b、...、196b及阱层191w、192w等由含有Al的氮化物系半导体层形成，例如，可以由AlGaN或AlInGaN形成。阱层191w、192w等调节组成比，以便具有所需的紫外线区域的峰值波长。在本实施例中，所述阱层调节组成比，以便释放350nm以下的紫外线。例如，为了释放310nm的紫外线，阱层191w、192w等可以具有0.25至0.3的Al摩尔百分比。另外，为了释放340nm的紫外线，阱层191w、192w等可以具有0.09至0.12的Al摩尔百分比。阱层可以大致以2nm至4nm的厚度形成。
另一方面，多个势垒层191b、192b、...、196b包括靠近上部超晶格层180的第一势垒层191b及靠近电子阻挡层200的最后势垒层196b。第一势垒层191b可以比其它势垒层相对更厚，另外，可以是掺杂了诸如Si的n型杂质的层。例如，第一势垒层191b可以以4nm以上的厚度形成，其它势垒层可以形成得薄于第一势垒层191b而厚于阱层。进一步地，所述第一势垒层191b可以比其它势垒层更多地含有Al。因此，能够把空穴(孔)困于活性层190区域内，提高电子空穴复合率，因此，能够改善内部量子效率。另一方面，多个其它势垒层也可以含有比n型接触层160或上部超晶格层180更多的Al。活性层190例如可以在约700℃至1000℃的温度条件及约100Torr至400Torr的压力条件下生长。
电子阻挡层200配置于活性层190上。电子阻挡层200把电子困于活性层190内，提高复合率。电子阻挡层200可以由AlGaN形成，Al的摩尔百分比大于第一势垒层191b，进一步地，大于半导体层叠结构内的多个其它半导体层。例如，电子阻挡层200的Al摩尔百分比可以为0.35以上0.7以下。电子阻挡层200可以在1000℃至1200℃的温度及约50Torr至400Torr的压力下，以约50nm以下的厚度形成。
如果再参照图1，p型接触层210可以配置于电子阻挡层200上，由AlGaN形成。p型接触层210的Al摩尔百分比可以与n型接触层160内Al的摩尔百分比大致相同，但并非限定于此。p型接触层210的Al摩尔百分比既可以大于也可以小于n型接触层160内Al的摩尔百分比。不过，为了在p型接触层210形成欧姆接触，Al的摩尔百分比具有0.2以下的值，当p型接触层210的Al摩尔百分比相对较大时，可以在p型接触层210上添加诸如Delta掺杂层的用于欧姆接触的另外的层。
p型接触层210可以在约900℃至1000℃的温度及约100Torr至400Torr的压力下，以约100nm以下的厚度形成，进一步地，可以以60nm以下的厚度形成。p型接触层210可以具有诸如Mg的p型杂质。
本实施例的半导体层叠结构可以层叠于诸如蓝宝石基板的生长基板上，以晶片形态提供。可以利用这种晶片，制作竖直型、倒装芯片型或水平型的发光二极管。特别是根据本实施例，在生长基板110上生长GaN层130，因而可以利用激光剥离技术等技术，容易地从半导体层叠结构分离生长基板110，因此，可以容易地制作散热特性优秀、发光效率高的竖直型发光二极管。
图3是用于说明利用第一实施例的半导体层叠结构制作的水平型发光二极管的示意性剖面图。
如果参照图3，所述水平型发光二极管包括参照图1及图2说明的生长基板110及在其上形成的半导体层叠结构。而且，所述发光二极管包括透明电极220、n-电极片230及p-电极片240。
生长基板110及半导体层叠结构与前面说明的内容相同，因此，为了避免重复而省略详细说明。不过，生长基板110及半导体层叠结构存在的差异在于，在晶片状态下分割成个别发光二极管。
另外，部分地去除形成的p型接触层210、电子阻挡层200、活性层190、上部超晶格层180、静电放电防止层170，从而部分地露出了n型接触层160的上表面。
n-电极片230配置于所述露出的n型接触层160上。n-电极片230电气连接于n型接触层160。另一方面，透明电极220电气连接于p型接触层210，p-电极片240配置于透明电极220上。
根据本实施例，静电放电防止层170及上部超晶格层180介于n型接触层160与活性层190之间，因而能够提供静电放电特性优秀的水平型发光二极管。进一步地，通过采用AlN层140及下部超晶格层150，从而可以生长出结晶品质优秀的活性层190，可以提供内部量子效率优秀的紫外线发光二极管。
图4是用于说明利用第一实施例的半导体层叠结构制作的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
如果参照图4，所述竖直型发光二极管在参照图1及图2说明的半导体层叠结构中，包括n型接触层160、静电放电防止层170、上部超晶格层180、活性层190、电子阻挡层200及p型接触层210。进一步地，所述竖直型发光二极管还包括支撑基板310、电流切断层320、反射金属层330、n-电极340。
如对所述竖直型发光二极管的制造方法进行简略说明，首先，在图1的半导体层叠结构的p型接触层210上形成有电流切断层320及反射金属层330。所述反射金属层330可以通过剥离技术等形成。反射金属层330反射紫外线，而且可以电气连接于p型半导体层210。因此，反射金属层330包括对紫外线具有高反射度并能够形成欧姆接触的物质。所述反射金属层330例如可以包括Ni、Pt、Pd、Rh、W、Ti、Al、Ag及Au中至少一个。进一步地，所述反射金属层330可以包括诸如Ni、Cr、Ti的势垒金属层。
接着，在反射金属层330上接合有支撑基板310，利用激光剥离技术等技术分离生长基板110，残留的核层120、GaN层130、AlN层140及下部超晶格层150利用蚀刻或抛光技术去除。
支撑基板310可以为导电性基板，但并非限定于此，可以为绝缘性基板电路板。例如，支撑基板310可以为蓝宝石基板、氮化镓基板、玻璃基板、碳化硅基板、硅基板、金属基板、陶瓷基板等。另外，支撑基板310可以焊接于在p型半导体层210上形成的反射金属层330。因此，在支撑基板310与反射金属层330之间，还可以介入有对其进行焊接的焊接层(图中未示出)。
另一方面，随着下部超晶格层150的去除，n型接触层160的表面露出，可以利用干式或湿式蚀刻技术，蚀刻露出的n型接触层160的表面，从而形成粗糙的表面R。粗糙的表面R使光提取效率提高。在所述n型接触层160上形成n-电极340，分割成个别发光二极管，从而完成竖直型发光二极管。
所述电流切断层320配置于n-电极340的竖直下部，防止电流竖直流动，从而使电流均匀扩散到发光二极管的广阔区域。
竖直型发光二极管的技术众所周知，可以多样地变形，在此省略详细说明。不过，本实用新型的竖直型发光二极管在n型接触层160与活性层190之间配置有静电放电防止层17和上部超晶格层180，从而能够提供静电放电特性优秀的竖直型发光二极管。进一步地，本实施例的竖直型发光二极管的活性层190具有适合于生成紫外线的结构，因而内部量子效率优秀。
图5是用于说明具有本实用新型第二实施例的半导体层叠结构的晶片的示意性剖面图。
如参照图5，本实施例的半导体层叠结构在生长基板110上包括核层120、GaN层130、下部超晶格层245、n型接触层160、静电放电防止层170、上部超晶格层180、活性层190、电子阻挡层200及p型接触层210。
本实施例的半导体层叠结构与参照图1说明的半导体层叠结构大致类似，不过，差异在于，取代图1的半导体层叠结构中的AlN层140及下部超晶格层150，使用下部超晶格层245。下面，为了避免重复，省略对相同内容的详细说明，对差异之处进行说明。
所述下部超晶格层245为AlN/AlGaN超晶格层。下部超晶格层245在GaN层130上形成，可以通过反复切断Ga源的流入而形成。AlN/AlGaN超晶格层245可以在约900℃至约1200℃的温度下，在50Torr至400Torr范围的压力下生长。
AlN/AlGaN超晶格层245可以按40周期形成，可以具有约30nm至50nm范围内的厚度，例如可以具有约40nm的厚度。AlN/AlGaN超晶格层245内的平均Al摩尔百分比可以超过0.5。
下部超晶格层245切断从GaN层130转写的穿透错位，提高n型接触层160的结晶品质，结果，改善活性层190的结晶品质，提高内部量子效率。
图6是用于说明利用第二实施例的半导体层叠结构制作的水平型发光二极管的剖面图。
如参照图6，本实施例的水平型发光二极管与参照图3说明的发光二极管大致类似，不过，差异在于，取代图3的发光二极管中的AlN层140及下部超晶格层150，使用下部超晶格层245。对于所述下部超晶格层245，与参照图5说明的内容相同，因而省略详细说明。
本实施例的发光二极管也与参照图3说明的发光二极管一样，静电放电特性优秀，内部量子效率优秀。
另一方面，可以利用第二实施例的半导体层叠结构，制作竖直型发光二极管，此时，成为与图4的竖直型发光二极管相同的结构。为了避免重复，省略对竖直型发光二极管的详细说明。
图7是用于说明具有本实用新型第三实施例的半导体层叠结构的晶片的剖面图。
如参照图7，本实施例的半导体层叠结构与参照图1说明的半导体层叠结构大致类似，但差异在于，在下部超晶格层150与n型接触层160之间，添加了Al含量小于n型接触层160的界面层155。为了避免重复，对于与图1的半导体层叠结构类似的事项，省略详细说明。
所述界面层155在下部超晶格层150上形成，可以由n型AlGaN或n型GaN形成。当由AlGaN形成时，Al的摩尔百分比可以小于n型接触层160的Al摩尔百分比，进一步地，可以与阱层(图2的191w、192w等)的Al摩尔百分比相同或比其小。
本实施例的半导体层叠结构主要用于制造竖直型发光二极管，下面参照图9，对其进行说明。
图8是用于说明具有本实用新型第四实施例的半导体层叠结构的晶片的剖面图。
如参照图8，本实施例的半导体层叠结构与参照图5说明的半导体层叠结构大致类似，但差异在于，在下部超晶格层245与n型接触层160之间，添加了Al含量小于n型接触层160的界面层155。界面层155与参照图7说明的内容相同，因而为了避免重复而省略详细说明。
本实施例的半导体层叠结构主要用于制造竖直型发光二极管，下面参照图9，对其进行说明。
图9是用于说明利用所述第三实施例或第四实施例的半导体层叠结构制作的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
如参照图9，所述竖直型发光二极管与参照图4说明的竖直型发光二极管大致类似，不过，差异在于，在n-电极340下方残留有界面层155。
界面层155与参照图7及图8说明的内容相同，不过，界面层155利用光刻或蚀刻技术而图案化，从而使n型接触层160表面露出。在露出的n型接触层160表面，可以利用蚀刻技术形成粗糙的面R。
如对所述竖直型发光二极管的制造方法进行简略说明，在图7或图8的半导体层叠结构的p型接触层210上，形成电流切断层320及反射金属层330。接着，在反射金属层330上接合支撑基板310，利用激光剥离技术等技术分离生长基板110，利用蚀刻或抛光技术去除半导体层，直至界面层155露出时为止。然后，所述露出的界面层155利用光刻及蚀刻技术进行图案化，使得n型接触层160露出，在露出的n型接触层160表面形成粗糙的面R。接着，在所述n型接触层160上形成n-电极340，分割成个别发光二极管，从而完成竖直型发光二极管。
界面层155具有窄于阱层191w、192w等的能带隙。例如，界面层155可以由AlGaN或GaN形成，即使在由AlGaN形成的情况下，也可以具有小于阱层191w、192w等的Al摩尔百分比。因此，在活性层190生成的光可以被界面层155吸收，但通过如同在本实施例中一样地对界面层155进行图案化，可以减小因吸收导致的光损失。另一方面，界面层155由于由GaN形成或由具有相对较小Al摩尔百分比的AlGaN形成，因而能够降低n-电极340的接触阻抗。
图10是用于说明利用本实用新型实施例的半导体层叠结构制作的又一示例的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
如参照图10，所述竖直型发光二极管与参照图9说明的竖直型发光二极管大致类似，但差异在于，p型接触层210的厚度更薄。p型接触层210既可以调节生长时间而形成得较薄，也可以在较厚地形成后，在形成电流切断层320与反射金属层330之前，蚀刻一部分厚度而制造得较薄。p型接触层210的最终厚度可以为30nm以下。
当p型接触层210较少含有Al时，与阱层的能带隙差异小，从而使紫外线吸收率会增加。因此，通过相对较薄地形成p型接触层210，可以减小吸收导致的光损失。
另一方面，由于较薄地形成p型接触层210，因而能够相对降低p型接触层210的Al摩尔百分比，因而能够降低反射金属层330的接触阻抗。
本实施例的竖直型发光二极管如图9中说明的内容所示，图示及说明了形成有界面层155的情形，但界面层155可以省略，n-电极340也可以接触n型接触层160。
图11是用于说明利用本实用新型实施例的半导体层叠结构制作的又一示例的竖直型发光二极管的示意性剖面图。
如参照图11，本示例的竖直型发光二极管与参照图10说明的发光二极管大致类似，但差异在于，代替使p型接触层210的厚度变薄，而对p型接触层210进行图案化。
在形成反射金属层330之前对p型接触层210进行图案化，以便电子阻挡层200露出；反射金属层330覆盖电子阻挡层200的露出的表面及p型接触层210。反射金属层330欧姆接触p型接触层210。另一方面，电子阻挡层200具有相对较高的Al含量，因而反射金属层330难以欧姆接触电子阻挡层200。因此，在前面的实施例中说明的电流切断层320可以省略。
另外，界面层155可以如图9中说明的内容所示形成，但也可以省略，n-电极340可以接触n型接触层160。
以上对本实用新型的多样实施例进行了说明，但本实用新型并非限定于所述的多样实施例及特征，可以在不超出基于本实用新型权利要求书的技术思想的范围内多样地变形和变更。
Claims (19)
1.一种紫外线发光二极管，其特征在于，包括：
n型AlGaN接触层；
p型AlGaN接触层；
多量子阱结构的活性层，其介于所述n型AlGaN接触层与p型AlGaN接触层之间，包括阱层；
上部超晶格层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述活性层之间；及
静电放电防止层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述上部超晶格层之间。
2.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
所述活性层由势垒层和阱层交替层叠，
最靠近所述n型AlGaN接触层的第一势垒层比其它势垒层厚。
3.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
在所述p型AlGaN接触层与所述活性层之间还包括电子阻挡层。
4.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管，其特征在于，还包括：
支撑基板；
反射金属层，其配置于所述支撑基板与所述p型AlGaN接触层之间，电气连接于所述p型AlGaN接触层；及
n-电极，其电气连接于所述n型AlGaN接触层。
5.根据权利要求4所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
还包括配置于所述n型AlGaN接触层与所述n-电极之间的界面层。
6.根据权利要求5所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
还包括与所述n-电极相向并位于所述p型AlGaN接触层与所述支撑基板之间的电流切断层。
7.根据权利要求4所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
所述p型AlGaN接触层具有使电子阻挡层露出的开口部，
所述反射金属层接触通过所述开口部而露出的所述电子阻挡层。
8.根据权利要求4所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
所述n型AlGaN接触层具有粗糙的表面。
9.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管，其特征在于，还包括：
生长基板；
下部超晶格层，其配置于所述n型AlGaN接触层与所述生长基板之间；及
GaN层，其配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。
10.根据权利要求9所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
还包括配置于所述GaN层与所述生长基板之间的核层。
11.根据权利要求10所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
还包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层，
所述下部超晶格层包括第一超晶格层及第二超晶格层。
12.根据权利要求10所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
所述下部超晶格层接于所述GaN层。
13.根据权利要求9所述的紫外线发光二极管，其特征在于，还包括：
n-电极片，其电气连接于所述n型AlGaN接触层；
透明电极，其电气连接于所述p型AlGaN接触层；及
p-电极片，其电气连接于所述透明电极。
14.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管，其特征在于，
所述阱层释放350nm以下的紫外线。
15.一种紫外线发光二极管用晶片，其特征在于，包括：
生长基板；
n型AlGaN接触层，配置于所述生长基板上；
p型AlGaN接触层，配置于所述n型AlGaN接触层上部；
多量子阱结构的活性层，其介于所述n型AlGaN接触层与p型AlGaN接触层之间，并包括阱层；
上部超晶格层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述活性层之间；
静电放电防止层，其介于所述n型AlGaN接触层与所述上部超晶格层之间；
下部超晶格层，其配置于所述n型AlGaN接触层与所述生长基板之间；及
GaN层，其配置于所述下部超晶格层与所述生长基板之间。
16.根据权利要求15所述的紫外线发光二极管用晶片，其特征在于，
还包括配置于所述GaN层与所述生长基板之间的核层。
17.根据权利要求15所述的紫外线发光二极管用晶片，其特征在于，
还包括配置于所述下部超晶格层与所述GaN层之间的AlN层，
所述下部超晶格层包括第一超晶格层及第二超晶格层。
18.根据权利要求15所述的紫外线发光二极管用晶片，其特征在于，
所述下部超晶格层接于所述GaN层。
19.根据权利要求15所述的紫外线发光二极管用晶片，其特征在于，
还包括配置于所述n型接触层与所述下部超晶格层之间的界面层。
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| JP2018125428A (ja) * | 2017-02-01 | 2018-08-09 | 日機装株式会社 | 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 |
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