專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在發(fā)光二極管(LED)中使用的氮化物半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
通常，在被設(shè)置為全色顯示器、圖像掃描儀、各種信號(hào)系統(tǒng)和光學(xué)通信裝置的光源 的綠色或藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)中，已經(jīng)廣泛地使用氮化物半導(dǎo)體器 件?？梢詫⒌锇雽?dǎo)體器件設(shè)置為具有活性層(active layer)的發(fā)光器件，所述活性層 通過電子和空穴的復(fù)合而發(fā)射包括藍(lán)色和綠色在內(nèi)的各種顏色的光。 由于氮化物半導(dǎo)體器件的發(fā)展，為了擴(kuò)展氮化物半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，因此已經(jīng)做 出了科技進(jìn)步。還對(duì)作為普通照明和車用光源的氮化物半導(dǎo)體器件進(jìn)行了研究。具體而言， 在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)將氮化物半導(dǎo)體器件用作應(yīng)用于低功率、低電流移動(dòng)產(chǎn)品的組件。最 近，氮化物半導(dǎo)體器件的使用已經(jīng)逐步擴(kuò)展到高功率高電流產(chǎn)品。 圖1是示出普通的氮化物半導(dǎo)體器件的剖視圖。參照?qǐng)Dl，普通的氮化物半導(dǎo)體器 件10包括基底11、 n型氮化物半導(dǎo)體層12、活性層13和p型氮化物半導(dǎo)體層15。電子阻 擋層14形成在活性層13和p型氮化物半導(dǎo)體層15之間。P型電極16b形成在臺(tái)面蝕刻的 (mesa-etched)p型氮化物半導(dǎo)體層15的上表面上。n型電極16a形成在暴露的n型氮化 物半導(dǎo)體層12的上表面上。電子阻擋層14防止遷移率比空穴的遷移率高的電子溢流到p 型氮化物半導(dǎo)體層15中，從而提高電子和空穴在活性層13內(nèi)的復(fù)合效率。除了阻擋電子 之外，電子阻擋層14還能用作阻擋空穴的障礙物。因此，穿過電子阻擋層14并進(jìn)入活性層 13的空穴的濃度被減小，從而提高了工作電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件，所述氮化物半導(dǎo)體器件可以通過 使電子阻擋層的能級(jí)的總差異最小化來減小極化造成的影響，從而提高發(fā)光效率并減小工 作電壓。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件，所述氮化物半導(dǎo)體器件包 括n型氮化物半導(dǎo)體層；P型氮化物半導(dǎo)體層；活性層，設(shè)置在n型氮化物半導(dǎo)體層和p型 氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有彼此交替地堆疊的量子肼層和量子壘層；電子阻擋層，設(shè)置在 活性層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有多個(gè)第一氮化物層和多個(gè)第二氮化物層，第一 氮化物層由帶隙能比所述量子壘層的帶隙能高的材料形成，第二氮化物層由帶隙能比第一 氮化物層低的材料形成，第一氮化物層和第二氮化物層彼此交替地堆疊，從而形成堆疊結(jié) 構(gòu)，其中，所述多個(gè)第一氮化物層具有以預(yù)定的傾斜度彎曲的能級(jí)，越接近于所述P型氮化 物半導(dǎo)體層，所述第一氮化物層的能級(jí)傾斜度越小。
所述多個(gè)第一氮化物層可以具有相同的帶隙能。 越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)第一氮化物層的凈極化電荷量分別 與鄰近于所述多個(gè)第一氮化物層的相應(yīng)第二氮化物層的凈極化電荷量的差異會(huì)越小。
第一氮化物層可以包括用AlxInyGa(1—x—y)N(其中，O《x《l，O《y《1，且 0《x+y《1)表示的組成。 越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)第一氮化物層的鋁含量和銦含量會(huì) 越高。 越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)第一氮化物層中的每個(gè)氮化物層的 基于導(dǎo)帶底的能級(jí)越大。 越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述第一氮化物層的能級(jí)會(huì)越低。 越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述多個(gè)第一氮化物層的凈極化電荷量分別
與鄰近于所述多個(gè)第一氮化物層的相應(yīng)第二氮化物層的凈極化電荷量的差異越小。 所述第二氮化物層的帶隙能可與所述量子壘層的帶隙能相同。 具有彼此交替地堆疊的第一氮化物層和第二氮化物層的堆疊結(jié)構(gòu)可以為超晶格 結(jié)構(gòu)。 所述第二氮化物層可包括能級(jí)不同的至少兩個(gè)不同的區(qū)域。 所述多個(gè)第一氮化物層中的至少兩個(gè)第一氮化物層可以包括相同的能級(jí)傾斜度， 可以將具有相同的能級(jí)傾斜度的第一氮化物層彼此相鄰地布置。


根據(jù)結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述，將更加清楚地理解本發(fā)明的以上和其它方面、特 征和其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中 圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的普通的氮化物半導(dǎo)體器件的剖視圖；
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件的剖視圖；
圖3是示出在圖2中用A表示的區(qū)域的放大圖；
圖4是示出在圖3中顯示的區(qū)域的導(dǎo)帶能級(jí)的示意圖； 圖5是示出帶隙能和凈極化電荷量根據(jù)AlInGaN四元半導(dǎo)體中的鋁和銦的組成的 變化的示圖； 圖6是示出根據(jù)圖2至圖4中示出的實(shí)施例的修改的氮化物半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)帶 能級(jí)的示意圖； 圖7和圖8是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的顯示出按照氮化物半導(dǎo)體器件中的 電流變化的發(fā)光效率和驅(qū)動(dòng)電壓的模擬結(jié)果的曲線圖； 圖9至圖11是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件的電子阻 擋層的導(dǎo)帶能級(jí)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。 然而，本發(fā)明可以以多種不同的形式來實(shí)施，不應(yīng)該被解釋為局限于在此提出的 實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例使本公開將是徹底的且完全的，并將把本發(fā)明的范圍充分地
4傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，為了清晰起見，會(huì)夸大形狀和尺寸，并將始終使用相 同的標(biāo)號(hào)來表示相同或相似的組件。 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件的剖視圖。圖3是示出 在圖2中用A表示的區(qū)域的放大圖。圖4是示出在圖3中顯示的區(qū)域的導(dǎo)帶能級(jí)的示意圖。
參照?qǐng)D2，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件100包括基底101、n型氮 化物半導(dǎo)體層102、活性層103、電子阻擋層104和p型氮化物半導(dǎo)體層105。 n型電極106a 形成在n型氮化物半導(dǎo)體層102的暴露表面上。p型電極106b可以形成在p型氮化物半 導(dǎo)體層105的上表面上。雖然未示出，但是由透明電極材料形成的歐姆接觸層可以形成在 P型氮化物半導(dǎo)體層105和p型電極106b之間。在這個(gè)實(shí)施例中，將具有沿相同方向布置 的n型電極106a和p型電極106b的水平氮化物半導(dǎo)體器件作為例子。然而，本發(fā)明不限 于此，而可以應(yīng)用于垂直氮化物半導(dǎo)體器件(這里，可以去除藍(lán)寶石基底)，本領(lǐng)域技術(shù)人 員能夠容易地理解到這一點(diǎn)。 為了氮化物單晶生長而提供了基底101。通常，可以使用藍(lán)寶石基底。藍(lán)寶石基底 由具有六方-菱方(Hexa-Rhombo)R3c對(duì)稱性的晶體形成，藍(lán)寶石基底沿c軸具有13. 001 A 的晶格常數(shù)，并沿a軸具有4.758 A的晶格常數(shù)。藍(lán)寶石基底的晶向面(orientation plane)包括c(OOOl)面、a(1120)面和r(1102)面。因?yàn)榈锉∧ぴ赾面上相對(duì)易于生 長，且在高溫下穩(wěn)定，所以藍(lán)寶石基底101被廣泛地用作氮化物單晶生長基底?？梢愿鶕?jù)形 式使用由例如SiC、 GaN、 ZnO、 MgAl204、 MgO、 LiA102和LiGa02形成的基底。此外，可以生長 出緩沖層(例如，未摻雜的GaN層)，從而提高在基底101上生長的氮化物半導(dǎo)體單晶的晶 體質(zhì)量。 n型氮化物半導(dǎo)體層102和p型氮化物半導(dǎo)體層105可以由摻雜有n型雜質(zhì) 和P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料形成，所述半導(dǎo)體材料具有用AlxInyGaa—x—y)N(這里，O《x《1， 0《y《l，且O《x+y《1)表示的組成。半導(dǎo)體材料的示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN。 n型雜質(zhì)的示例可以包括Si、Ge、Se和Te。 p型雜質(zhì)的示例可以包括Mg、 Zn和Be。可以利 用本領(lǐng)域中公知的MOCVD或HVPE使n型氮化物半導(dǎo)體層102和p型氮化物半導(dǎo)體層105 生長。 在n型氮化物半導(dǎo)體層102和p型氮化物半導(dǎo)體層105之間形成的活性層 103通過電子和空穴之間的復(fù)合而發(fā)射具有預(yù)定能量的光?；钚詫?03可以具有用 InxGai—xN(0《x《1)表示的組成。帶隙能是根據(jù)銦含量來確定的。如圖3所示，活性層103 可以具有量子壘層103a和量子阱層103b彼此交替地堆疊的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。
電子阻擋層104阻擋與空穴相比具有相對(duì)高的遷移率的電子穿過活性層103并溢 流。在這個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，電子阻擋層104可以具有第一氮化物層104a和第二氮化 物層104b彼此交替地堆疊的超晶格結(jié)構(gòu)。與第二氮化物層104b相比，第一氮化物層104a 具有更高的能級(jí)。第二氮化物層104b由例如GaN形成，并具有與量子壘層103a相同的帶 隙能。因?yàn)榈谝坏飳?04a和第二氮化物層104b由彼此不同的材料形成，所以第一氮 化物層104a和第二氮化物層104b中的每個(gè)氮化物層的能級(jí)由于極化而具有傾斜度。
具體地講，由于氮化物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性(晶格常數(shù)a^c)和離子性 (ionicity)，所以在藍(lán)寶石的c面(即，極面)上生長的氮化物半導(dǎo)體層具有自發(fā)的極化。 當(dāng)順序地堆疊具有不同晶格常數(shù)的氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，由于在半導(dǎo)體層上形成的應(yīng)變，所以發(fā)生壓電極化。這里，將兩種極化相加，從而獲得凈極化(net polarization)。由于凈極 化，所以在每個(gè)界面處產(chǎn)生凈極化電荷，從而使能級(jí)彎曲。即，能級(jí)具有傾斜度。這些彎曲 的能級(jí)使得電子和空穴的波函數(shù)在活性層內(nèi)在空間上彼此不一致，并導(dǎo)致電子阻擋層的電 子阻擋效率減小。 在這個(gè)實(shí)施例中，第一氮化物層104a的能級(jí)的傾斜度朝p型氮化物半導(dǎo)體層105 減小。即，第一氮化物層104a越接近p型氮化物半導(dǎo)體層105，第一氮化物層104a具有的 能級(jí)的傾斜度越小。電子阻擋層104的總極化電荷是第一氮化物層104a和第二氮化物層 104b之間的界面處的極化電荷之和。通過減小第一氮化物層104a的能級(jí)傾斜度，整個(gè)電子 阻擋層104的能級(jí)的差異被減小，從而減小了極化造成的影響。這里，可以通過直接減小第 一氮化物層104a的能級(jí)來減小極化造成的影響，這導(dǎo)致漏電流增大。結(jié)果，也減小了發(fā)光 效率。因此，如本申請(qǐng)的發(fā)明，控制能級(jí)傾斜度的方法是更優(yōu)選的。 即使第一氮化物層104a具有彼此不同的能級(jí)傾斜度，第一氮化物層104a也可以 具有相同的能級(jí)。這里，可以將具有傾斜度的能級(jí)的幅值定義為中間值或平均值。為了以 預(yù)定的水平保持第一氮化物層104a的能級(jí)并同時(shí)改變能級(jí)的傾斜度，每個(gè)第一氮化物層 104a都需要由AlInGaN(即，四元材料)形成，并需要適當(dāng)?shù)乜刂扑脑牧系慕M成。將參照 圖5對(duì)此進(jìn)行描述。在圖5中，示出了帶隙能和凈極化電荷量根據(jù)AlInGaN四元半導(dǎo)體中 的鋁和銦的組成的變化。 參照?qǐng)D5，可以通過鋁和銦的含量來控制具有表示為AlxInyGa(1—x—y)N (這里， 0《x《1，0《y《1，且0《x+y《1)的組成的氮化物半導(dǎo)體的帶隙能和凈極化電荷量。 這里，隨著鋁含量增大，帶隙能增大，凈極化電荷量減小(絕對(duì)值增大)。銦含量顯示出相反 的現(xiàn)象。因?yàn)閹赌芎蛢魳O化電荷量根據(jù)鋁含量和銦含量而變化，同時(shí)具有彼此不同的傾 向，所以可以通過適當(dāng)?shù)乜刂平M成來減小能級(jí)的傾斜度，同時(shí)帶隙能與現(xiàn)有技術(shù)中的帶隙 能類似或相等。 具體地講，當(dāng)在彼此接觸的不同種類的層之間凈極化電荷量的差異越小時(shí)，可以 減小能級(jí)的傾斜度。因此，可以通過逐漸改變第一氮化物層104a的組成，例如，通過朝p型 氮化物半導(dǎo)體層105逐漸增大第一氮化物層104a的鋁含量和銦含量，來獲得該實(shí)施例中的 能級(jí)。這樣，在該實(shí)施例中使用的電子阻擋層的第一氮化物層104a的帶隙能保持與現(xiàn)有技 術(shù)中的普通AlGaN電子阻擋層的帶隙能大約相同，而電子阻擋層的第一氮化物層104a和 GaN之間凈極化電荷量的差異被減小，從而減小了極化造成的影響。 然而，本發(fā)明不限于該實(shí)施例。如圖6所示，隨同傾斜度的逐漸減小一起，可以朝 P型氮化物半導(dǎo)體層105逐漸減小第一氮化物層104a的能級(jí)?？梢詤⒄?qǐng)D5的曲線圖通 過確定組成使得第一氮化物層104a的帶隙能減小來獲得這種結(jié)構(gòu)。可選擇地，第一氮化物 層104a可以由三元素形成。S卩，在第一氮化物層104a由AlGaN形成的同時(shí)，第一氮化物層 104a生長，使得朝p型氮化物半導(dǎo)體層105逐漸減小第一氮化物層104a的鋁含量。
圖7和圖8是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的顯示出按照氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件 中的電流變化的發(fā)光效率和驅(qū)動(dòng)電壓的模擬結(jié)果的曲線圖。這里，本發(fā)明示例l和本發(fā)明 示例2分別具有根據(jù)圖4和圖6中示出的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。對(duì)比示例1是具有鋁含量為23% 的AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的電子阻擋層。對(duì)比示例2是鋁含量為19%且?guī)赌艿陀趯?duì)比示 例1的帶隙能的AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)。如圖7和圖8所示，與在現(xiàn)有技術(shù)中具有超晶格CN 101740681 A 層相比，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的電子阻擋層可具有提高的發(fā)光效率和 減小的驅(qū)動(dòng)電壓。能夠理解的是，通過逐漸減小能級(jí)的傾斜度，可以減小極化造成的影響， 并可以提高電子阻擋效率。 同時(shí)，在保持根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以改變該實(shí)施例中的 電子阻擋層。圖9至圖11是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件 的電子阻擋層的導(dǎo)帶能級(jí)的示意圖。首先，如圖9所示，可以將具有相同能級(jí)傾斜度的多個(gè) 第一氮化物半導(dǎo)體層104a彼此相鄰地布置。具有這種結(jié)構(gòu)的電子阻擋層能夠提高電子阻 擋效率。 然后，如圖IO和圖11中示出的結(jié)構(gòu)(其中，未示出能級(jí)傾斜度)，第二氮化物層 204b和304b的能級(jí)呈階梯狀，以分別減小第二氮化物層204b和第一氮化物層204a之間的 晶格失配以及第二氮化物層304b和第一氮化物層304a之間的晶格失配?？梢酝ㄟ^重復(fù)地 生長AlInGaN/GaN/InGaN來獲得圖10中所示的結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^重復(fù)地生長AlInGaN/GaN/ AlInGaN(第一氮化物層中含有的AlInGaN的組成與第二氮化物層中的AlInGaN的組成不 同)來獲得圖11中所示的結(jié)構(gòu)。 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件，所述氮化 物半導(dǎo)體器件可以通過使電子阻擋層的能級(jí)的總差異最小化來減小極化造成的影響，由此 提高發(fā)光效率并減小工作電壓。 雖然已經(jīng)結(jié)合示例性實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將 顯而易見的是，在不脫離權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出修改 和改變。
權(quán)利要求
一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；活性層，設(shè)置在n型氮化物半導(dǎo)體層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有彼此交替地堆疊的量子肼層和量子壘層；電子阻擋層，設(shè)置在活性層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有多個(gè)第一氮化物層和多個(gè)第二氮化物層，第一氮化物層由帶隙能比所述量子壘層的帶隙能高的材料形成，第二氮化物層由帶隙能比所述第一氮化物層的帶隙能低的材料形成，第一氮化物層和第二氮化物層彼此交替地堆疊，從而形成堆疊結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)第一氮化物層具有以預(yù)定的傾斜度彎曲的能級(jí)，越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層，所述第一氮化物層的能級(jí)傾斜度越小。
2. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述多個(gè)第一氮化物層具有相同的 帶隙能。
3. 如權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層， 所述多個(gè)第一氮化物層的凈極化電荷量分別與鄰近于所述多個(gè)第一氮化物層的相應(yīng)第二 氮化物層的凈極化電荷量的差異越小。
4. 如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，第一氮化物層包括用AlxInyGaa—x—y)N 表示的組成，其中，O《x《l，O《y《l，且O《x+y《1。
5. 如權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層， 所述多個(gè)第一氮化物層的鋁含量和銦含量越高。
6. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，越接近于所述P型氮化物半導(dǎo)體層， 所述多個(gè)第一氮化物層中的每個(gè)氮化物層的基于導(dǎo)帶底的能級(jí)越大。
7. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，越接近于所述P型氮化物半導(dǎo)體層， 所述多個(gè)第一氮化物層的能級(jí)越低。
8. 如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，越接近于所述p型氮化物半導(dǎo)體層， 所述多個(gè)第一氮化物層的凈極化電荷量分別與鄰近于所述多個(gè)第一氮化物層的相應(yīng)第二 氮化物層的凈極化電荷量的差異越小。
9. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述第二氮化物層的帶隙能與所述 量子壘層的帶隙能相同。
10. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，具有彼此交替地堆疊的第一氮化物 層和第二氮化物層的堆疊結(jié)構(gòu)為超晶格結(jié)構(gòu)。
11. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述第二氮化物層中的每個(gè)氮化物 層包括能級(jí)不同的至少兩個(gè)不同的區(qū)域。
12. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述多個(gè)第一氮化物層中的至少兩 個(gè)第一氮化物層包括相同的能級(jí)傾斜度，并且具有相同的能級(jí)傾斜度的第一氮化物層彼此 相鄰地布置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件。根據(jù)本發(fā)明一方面的氮化物半導(dǎo)體器件可包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；活性層，設(shè)置在n型氮化物半導(dǎo)體層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有彼此交替地堆疊的量子肼層和量子壘層；電子阻擋層，設(shè)置在活性層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有多個(gè)第一氮化物層和多個(gè)第二氮化物層，第一氮化物層由帶隙能比量子壘層的帶隙能高的材料形成，第二氮化物層由帶隙能比第一氮化物層低的材料形成，第一和第二氮化物層彼此交替地堆疊，以形成堆疊結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)第一氮化物層具有以預(yù)定傾斜度彎曲的能級(jí)，越接近p型氮化物半導(dǎo)體層，第一氮化物層的能級(jí)傾斜度越小。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101740681SQ20091000481
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者孫重坤, 尹皙胡, 樸基鎬 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社