CN102842658A - 用于制造第iii族氮化物半导体发光器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于制造一种发光器件的方法，该发光器件的发射性能通过根据发射波长优化发光层的势垒层的Al组成比来改善。通过交替堆叠InGaN阱层和AlGaN势垒层来形成多量子阱(MQW)结构发光层。每个阱层和每个势垒层形成为满足以下关系：12.9≤-2.8x+100y≤37和0.65≤y≤0.86，或者满足以下关系：162.9≤7.1x+10z≤216.1和3.1≤z≤9.2，在此，x表示势垒层的Al组成比(摩尔％)，并且y表示势垒层与阱层之间的带隙能之差(eV)，并且z表示阱层的In组成比(摩尔％)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，并且更具体地，涉及一种其特有特征在于用于形成多量子阱(MQW)层的过程的制造方法。
背景技术
如迄今为止已知的，第III族氮化物半导体发光器件包括具有其中InGaN阱层和AlGaN势垒层以重复方式交替堆叠的MQW结构的发光层。
专利文件1公开了一种包括其中阱层和势垒层以重复方式交替堆叠的MQW结构层的第III族氮化物半导体发光器件，其中势垒层由具有3摩尔％至6摩尔％的Al组成比x的AlxGa1-xN形成。该专利文件也描述了器件具有460nm至470nm的发射波长。但是，该专利文件没有提及势垒层的Al组成比与器件的发射波长之间的关系。
专利文件2公开了一种包括其中阱层和势垒层以重复方式交替堆叠的MQW结构层的半导体发光器件，其中，阱层由具有5摩尔％的In组成比y的InyGa1-yN形成，并且势垒层由具有13摩尔％的Al组成比x的AlxGa1-xN形成。该专利文件描述势垒层的Al组成比x理想地是6摩尔％至18摩尔％，但是没有具体描述器件的发射波长。
专利文件1：日本公开特许公报(kokai)No.2006-332365
专利文件2：日本公开特许公报(kokai)No.2000-91629
但是，在MQW结构层的势垒层由AlxGa1-xN形成的情况下，当势垒层的Al组成比x高时，载流子注入性能降低，然而，当势垒层的Al组成比x低时，载流子限制性能降低，这导致发光器件的输出低。因此，为了在不削弱势垒层的功能的情况下改善发光器件的输出，必须根据器件的发射波长来确定势垒层的Al组成比x。在专利文件1和专利文件2中公开的发光器件的每个发光器件中，都没有关联器件的发射波长来优化势垒层的Al组成比x。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的一个目的是提供一种其发射性能通过根据发射波长来优化MQW结构层的势垒层的Al组成比而改善的发光器件。
在本发明的第一方面中，提供一种用于制造包括MQW结构发光层的第III族氮化物半导体发光器件的方法，在所述MQW结构发光层中，阱层和势垒层以重复方式交替堆叠，其中每个所述阱层由含有In的第III族氮化物半导体形成，每个所述势垒层由含有Al的第III族氮化物半导体形成并且具有比所述阱层的带隙能大的带隙能，所述方法包括：
将阱层和势垒层形成为满足以下关系：12.9≤-2.8x+100y≤37和0.65≤y≤0.86，在此，x表示势垒层的Al组成比(摩尔％)，其定义为势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比，并且y表示势垒层与阱层之间的带隙能差(eV)。
在本发明的第二方面中，提供一种用于制造包括MQW结构发光层的第III族氮化物半导体发光器件的方法，在所述MQW结构发光层中，阱层和势垒层以重复方式交替堆叠，其中每个所述阱层由含有In的第III族氮化物半导体形成，每个所述势垒层由含有Al的第III族氮化物半导体形成并且具有比阱层的带隙能大的带隙能，所述方法包括：
将阱层和势垒层形成为满足以下关系：162.9≤7.1x+10z≤216.1和3.1≤z≤9.2，在此，x表示势垒层的Al组成比(摩尔％)，势垒层的Al组成比定义为势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比，并且z表示阱层的In组成比(摩尔％)，阱层的In组成比定义为阱层的In摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比。
在第一方面和第二方面中，“第III族氮化物半导体”包括由式AlxGayInzN(x+y+z＝1，0≤x、y、z≤1)表示的化合物半导体；这样的半导体：其中Al、Ga或In由其他第13族元素(即，B或Tl)部分地替代或者N由其他第15族元素(即，P、As、Sb或Bi)部分地替代。通常，Si用作n型杂质，并且Mg用作p型杂质。第III族氮化物半导体的具体实例包括至少含有Ga的那些，例如GaN、InGaN、AlGaN和AlGaInN。
可以以与对阱层采用的生长温度相同的生长温度在阱层与势垒层之间形成盖层。当提供这样的盖层时，可以改善发射性能，原因是盖层在为形成势垒层而进行加热的期间防止In从阱层中释放。特别优选地，提供一种Al组成比大于0并且小于或等于势垒层的Al组成比的盖层。在这种情况下，由于在盖层中可以抑制载流子的复合，因此，可以进一步改善发射性能。优选地，提供具有1至8个单层(或单分子层)的厚度的盖层。当提供具有这样的厚度的盖层时，发射性能对盖层的厚度的依赖性减小，并且可以进一步改善再现性、生产能力和良品率。
每个都包括阱层和势垒层的MQW结构单元的数目优选地是3个至10个。这是因为，当数目小于3时，MQW结构可能不能表现出充分的改善发射性能的效果，而当数目超过10时，可能削弱发射性能。
阱层可以由Inz′Ga1-z′N形成，在此，0＜z′≤1，并且势垒层可以由Alx′Ga1-x′N形成，在此，0＜x′≤1。势垒层可以由单个层或更多个层形成。
本发明的第三方面涉及根据第一方面或第二方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的具体实施方案，其中发光器件具有380nm至410nm的发射波长。
本发明的第四方面涉及根据第一方面至第三方面中的任意方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法的具体实施方案，其中所述阱层由Inz′Ga1-z′N形成，在此，0＜z′≤1，并且势垒层由Alx′Ga1-x′N形成，在此，0＜x′≤1。
根据本发明，可以根据发射波长对形成MQW结构的势垒层的Al组成比进行优化，并且因此可以优化载流子注入性能和载流子限制性能。因此，所得到的第III族氮化物半导体发光器件表现出改善的发射性能。具体地，本发明适用于具有380nm至410nm的发射波长的第III族氮化物半导体发光器件。迄今为止，具有这样的发射波长的第III族氮化物半导体发光器件表现出弱的发射性能。但是，本发明可以有效地改善这样的发光器件的发射性能。
附图说明
随着在结合附图考虑时参考以下优选实施方案的详细描述而更好地理解本发明，本发明的各种其他目的、特征和许多伴随着的优点将容易理解，在附图中：
图1示出了根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的构造；
图2示出了发光层13的构造；
图3A至3C是示出用于制造根据实施方案1的上述第III族氮化物半导体发光器件的过程的略图；
图4示出带隙能差与势垒层131的Al组成比之间的关系；以及
图5示出阱层130的In组成比与势垒层131的Al组成比的范围。
具体实施方式
接下来将参考附图描述本发明的具体实施方案。但是，本发明不局限于所述实施方案。
实施方案1
图1示出根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的构造。根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件包括：蓝宝石衬底10；由n-GaN形成的n型接触层11；具有其中i-GaN层和i-InGaN层以重复方式交替形成的超晶格结构的n型覆层12；具有MQW结构的发光层13；具有其中p-InGaN层和p-AlGaN层以重复方式交替形成的超晶格结构的p型覆层14；以及由p-GaN形成的p型接触层15，层11至层15依次堆叠在衬底10上。在p型接触层15上形成p型电极16。通过蚀刻从p型接触层15的顶面到n型接触层11来除层12至15的一部分，并且暴露出n型层11的表面的对应部分。在n型接触层11的表面的暴露部分上形成n型电极17。可以在n型接触层11与n型覆层12之间提供由i-GaN和n-GaN形成的静电放电(ESD)层，用于改善静电击穿电压。p型接触层15可以由具有不同Mg浓度的多个层形成，用于实现层15与p型电极16之间的良好接触。类似地，n型接触层11可以由具有不同Si浓度的多个层形成，用于实现层11与n型电极17之间的良好接触。
可以用由例如SiC、Si、ZnO、尖晶石或GaN形成的衬底来代替蓝宝石衬底10。衬底可以具有例如条纹图案的或点图案的凹凸结构(embossment)。
如图2中示出的，发光层13具有包括8个层单元的MQW结构，每个层单元都由Inz′Ga1-z′N阱层130和Alx′Ga1-x′N势垒层131组成。每个阱层130具有3nm的厚度，并且每个势垒层131具有2nm至3nm的厚度。
MQW结构单元的数目不限于8个，但优选地是3至10个。这是由于，当数目小于3时，MQW结构可能不能表现出充分的改善发射性能的效果，而当数目超过10时，可能削弱发射性能。MQW结构单元的数目更优选地是8至10个。每个阱层130的厚度和每个势垒层131的厚度不局限于上述各自的范围，而是每个阱层130的厚度和每个势垒层131的厚度分别优选地调整为2nm至4nm和2nm至8nm。当这些层的厚度落入上面的范围内时，可以有效地改善发射性能。更优选地，每个阱层130的厚度和每个势垒层131的厚度分别调整为3nm至4nm和2nm至4nm。
可以以与对阱层130采用的生长温度相同的生长温度在阱层130与势垒层131之间形成盖层。当提供这样的盖层时，可以改善发射性能，这是由于盖层在为形成势垒层131而进行加热的期间防止In从阱层130中释放。特别优选地，提供Al组成比大于0并且小于或等于势垒层131的Al组成比的盖层。在这种情况下，由于在盖层中可以抑制载流子的复合，因此，可以进一步改善发射性能。最优选地，盖层的Al组成比等于势垒层131的Al组成比。盖层优选地具有1至8个单层(或单分子层，下文中，使用术语单层)的厚度。一个单层的厚度对应于第III族氮化物半导体的c轴晶格常数的1/2(例如，当第III族氮化物半导体是GaN时，大约是
)。当盖层的厚度落入1至8个单层的范围内时，发射性能对盖层的厚度的依赖性减小，并且可以进一步改善再现性、生产能力和良品率。盖层可以由多个层形成。
当发光器件是正装型时，p型电极16由例如形成在p型接触层15的几乎整个顶面上的ITO电极和形成在ITO电极上的Ni/Au布线电极组成。当发光器件是倒装芯片类型时，p型电极16由高度反射的金属材料如Ag或Rh形成。n型电极17例如由Ti/Al形成。
接下来，将对用于制造根据实施方案1的上述第III族氮化物半导体发光器件的过程进行描述。
首先，在氢气氛中对蓝宝石衬底10进行加热以用于热清洁。随后，经由缓冲层(未示出)通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底10上依次形成n型接触层11和n型覆层12(图3A)。使用氢和氮作为载气。使用氨作为氮源；使用TMG(三甲基镓)作为Ga源；使用TMA(三甲基铝)作为Al源；并且使用SiH4(硅烷)作为掺杂气体。
接下来，执行用于以750℃至850℃的生长温度形成Inz’Ga1-z’N阱层130(厚度：3nm)的过程以及用于以850℃至950℃的生长温度在阱层130上形成Alx’Ga1-x’N势垒层131(厚度：2nm至3nm)的过程。以重复方式依次执行这些过程(每个过程执行8次)，从而在n型覆层12上形成MQW结构发光层13(图3B)。阱层130和势垒层131中的每一个都通过MOCVD形成。使用TMI(三甲基铟)作为In源。载气和其他原料气体与用于形成n型接触层11和n型覆层12的载气和其他原料气体相同。
Inz′Ga1-z′N阱层130和Alx′Ga1-x′N势垒层131形成为满足以下关系：12.9≤-2.8x+100y≤37和0.65≤y≤0.86，在此，x＝100x′，x表示势垒层的Al组成比(摩尔％)，势垒层的Al组成比定义为势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子即Al和Ga的摩尔数之比，并且y表示势垒层与阱层之间的带隙能差(eV)。
或者，Inz′Ga1-z′N阱层130和Alx′Ga1-x′N势垒层131形成为满足下面的关系：162.9≤7.1x+10z≤216.1和3.1≤z≤9.2，在此，x＝100x′，z＝100z′，x表示势垒层的Al组成比(摩尔％)，势垒层的Al组成比定义为势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子即Al和Ga的摩尔数之比，并且z表示阱层的In组成比(摩尔％)，阱层的In组成比定义为阱层的In的摩尔数与总的第III族原子即In和Ga的摩尔数之比。
当这些层形成为满足上述关系时，所得到的发光器件具有380nm至410nm的发射波长。
随后，在发光层13上依次形成p型覆层14和p型接触层15(图3C)。使用TMI(三甲基铟)作为In源并且使用Cp2Mg(二环戊二烯基镁)作为p型掺杂剂源。载气和其他原料气体与用于形成例如n型接触层11的载气和其他原料气体相同。
接下来，通过热处理活化Mg，并且之后从p型接触层15的顶面侧执行干法蚀刻，从而形成到达n型接触层11的槽。此后，在p型接触层15上形成p型电极16，并且在通过由干法蚀刻提供的槽的底部所暴露的n型接触层11上形成n型电极17。由此，制得图1中示出的第III族氮化物半导体发光器件。
接下来将描述将阱层130和势垒层131形成为满足上述关系的原因。图4是示出与根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件具有相同构造的第III族氮化物半导体发光器件中的带隙能差(单位：eV)与势垒层131的Al组成比x(单位：摩尔％)之间的关系的图。本文中使用的“带隙能差”是指势垒层131与阱层130之间的带隙能之差。该带隙能差对应势垒层抵抗电子的势垒高度与势垒层抵抗空穴的势垒高度之和。图4中，每条虚线对角线或每条实线对角线对应恒定的相同的发射波长。相邻对角线之间的间隔对应于5nm的波长。具体地，最左边的对角线(即，在低Al组成比x一侧上的对角线)对应410nm的发射波长，并且最右边的对角线对应于380nm的发射波长。图4中，三角形标记对应于如下情况：其中，在具有380nm至385nm的发射波长的第III族氮化物半导体发光器件中势垒层的Al组成比x改变。同时，圆形标记对应于如下情况：其中，在具有400nm至410nm的发射波长的第III族氮化物半导体发光器件中势垒层的Al组成比x改变。用箭头示出的每个标记的数值表示在对应的Al组成比x处的相对输出。
为了计算带隙能差，通过公式λ＝1240/ΔE(λ：发射波长，ΔE：带隙能)确定阱层130的带隙能，并且根据下面的值(GaN的带隙能：3.39eV，AlN的带隙能：6.2eV以及InN的带隙能：0.65eV)使用费伽定律(Vegard’slaw)确定势垒层131的带隙能。
从图4可以清楚地看出，势垒层131的最优的Al组成比x随着发射波长变化。如图4中示出的，当带隙能差落入0.65至0.86的范围，并且Al组成比x(＝100x′)落入与380nm和410nm对应的对角线之间的范围内时，实现发射性能的改善。具体地，当Inz′Ga1-z′N阱层130和Alx′Ga1-x′N势垒层131形成为满足以下关系式时，实现发射性能的改善：12.9≤-2.8x+100y≤37和0.65≤y≤0.86(其中，x表示势垒层131的Al组成比(摩尔％)并且y表示势垒层131与阱层130之间的带隙能的差(eV))，所述关系式对应由顶点坐标(10.0，0.65)、(18.6，0.65)、(26.1，0.86)和(17.5，0.86)限定的平行四边形的内部区域。当根据发射波长调整势垒层131的Al组成比x使得Al组成比x和带隙能差满足上述关系式时，所得到的第III族氮化物半导体发光器件表现出高的发射性能。
图5是对应图4中示出的上述区域的图，所述图通过将带隙能差转换成Inz′Ga1-z′N阱层130的In组成比z(＝100z′)(单位：摩尔％)做出。图4中380nm处的对角线对应于阱层130的In组成比z是9.2摩尔％的情况，并且图4中410nm处的对角线对应于阱层130的In组成比z是3.1摩尔％的情况。因此，上述区域对应于Inz′Ga1-z′N阱层130和Alx′Ga1-x′N势垒层131形成为满足以下关系式的情况：162.9≤7.1x+10z≤216.1和3.1≤z≤9.2(其中，x表示势垒层的Al组成比x(摩尔％)，x＝100x′，并且z表示阱层的In组成比z(摩尔％)，z＝100z′)，关系对应于图5中由顶点坐标(18.6，3.1)、(26.1，3.1)、(17.5，9.2)和(10.0，9.2)限定的平行四边形的内部区域。当根据发射波长调整势垒层131的Al组成比x使得Al组成比x和In组成比z满足上述关系式时，所得到的第III族氮化物半导体发光器件表现出高的发射性能。
本发明的特有特征在于用于形成第III族氮化物半导体发光器件的发光层的过程。因此，整个第III族氮化物半导体发光器件(除发光层以外)可以具有与迄今为止已知的各种发光器件的结构相同的结构，并且可以通过任何已知的传统制造方法来制造。例如，本发明也适用于具有如下结构的发光器件：其中，衬底由例如导电材料形成，并且在衬底之上或衬底之下设置有电极以便在与衬底垂直的方向上建立传导。
通过本发明的方法制造的第III族氮化物半导体发光器件可以用于例如照明装置中。
Claims (6)
1.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述第III族氮化物半导体发光器件包括其中阱层和势垒层以重复方式交替堆叠的多量子阱结构发光层，其中每个所述阱层由含有In的第III族氮化物半导体形成，每个所述势垒层由含有Al的第III族氮化物半导体形成并且具有比所述阱层的带隙能大的带隙能，所述方法包括：
将所述阱层和所述势垒层形成为满足以下关系：12.9≤-2.8x+100y≤37和0.65≤y≤0.86，在此，x表示所述势垒层的Al组成比(摩尔％)，所述势垒层的所述Al组成比定义为所述势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比，并且y表示所述势垒层与所述阱层之间的带隙能差(eV)。
2.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述第III族氮化物半导体发光器件包括其中阱层和势垒层以重复方式交替堆叠的多量子阱结构发光层，其中每个所述阱层由含有In的第III族氮化物半导体形成，每个所述势垒层由含有Al的第III族氮化物半导体形成并且具有比所述阱层的带隙能大的带隙能，所述方法包括：
将所述阱层和所述势垒层形成为满足以下关系：162.9≤7.1x+10z≤216.1和3.1≤z≤9.2，在此，x表示所述势垒层的Al组成比(摩尔％)，所述势垒层的所述Al组成比定义为所述势垒层的Al摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比，并且z表示所述阱层的In组成比(摩尔％)，所述阱层的所述In组成比定义为所述阱层的In摩尔数与总的第III族原子的摩尔数之比。
3.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述发光器件具有380nm至410nm的发射波长。
4.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述发光器件具有380nm至410nm的发射波长。
5.根据权利要求1或3所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述阱层由Inz′Ga1-z′N形成并且所述势垒层由Alx′Ga1-x′N形成，在此x′＝x/100。
6.根据权利要求2或4所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述阱层由Inz′Ga1-z′N形成，在此z′＝z/100，并且所述势垒层由Alx′Ga1-x′N形成，在此x′＝x/100。
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