氮化物半導體發(fā)光器件及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氮化物半導體發(fā)光器件及其制作方法。一種用于制作發(fā)光器件的方法包括如下步驟：在其中已經(jīng)使用了含Mg原料的反應(yīng)器中在襯底上形成包含In的層；以及在包含In的層上形成包括氮化物半導體的有源層。
【專利說明】氮化物半導體發(fā)光器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氮化物半導體發(fā)光器件以及用于制作該氮化物半導體發(fā)光器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化物半導體發(fā)光器件發(fā)射具有從紫外延伸到紅外區(qū)的波長的光。在氮化物半導體發(fā)光器件包括InGaN層作為有源層時，可以通過改變InGaN層中的混合晶體比率來控制可見區(qū)中的波長。藍色LED可以與黃色熒光材料結(jié)合以便產(chǎn)生白色光源，其已經(jīng)被廣泛用在顯示裝置和照明裝置中。已知的用于氮化物半導體的受主摻雜劑的示例包括Be、Mg和C。在這些元素之中，Mg經(jīng)常被用作P型導電摻雜劑，這是因為Mg允許實現(xiàn)高P型導電性。然而，Mg的使用引起稱為“記憶效應(yīng)(memory effect)”的問題,其是由于當在反應(yīng)器中使用過含Mg原料時附著于反應(yīng)器部件的Mg隨著它生長而從反應(yīng)器部件脫附(desorb)并且被無意地混入晶體中所引起的現(xiàn)象。有源層中的Mg的混入增大了無輻射復(fù)合的出現(xiàn)率，這導致發(fā)光效率降低。
[0003]因此，抑制記憶效應(yīng)并且防止有源層中的無意的摻雜是非常重要的。作為示例上面討論了 Mg，而可以被用于GaAs中的受主摻雜劑的其它原料(諸如Zn、Se和Te)也具有記憶效應(yīng)的問題。迄今，已經(jīng)提出了用于解決記憶效應(yīng)的若干方法。例如，日本專利N0.3603598提出了用于制作II1-V族化合物半導體發(fā)光器件的方法。在這個方法中，在其中不使用含Mg原料的反應(yīng)器中形成半導體層，并且隨后在其中使用含Mg原料的另一個反應(yīng)器中形成P型半導體層，由此抑制記憶效應(yīng)。其它已知的方法的示例包括:每當生長之后都清潔其中已經(jīng)使用了含Mg原料的反應(yīng)器以便去除Mg的方法；以及生長允許將Mg并入其中的厚的半導體層以便防止Mg混入有源層中的方法。
[0004]然而，這些現(xiàn)有的用于制造氮化物半導體的方法具有以下問題。日本專利N0.3603598中描述的方法(其中，在其中不使用含Mg原料的反應(yīng)器中形成半導體層，并且隨后在其中使用含Mg原料的另一個反應(yīng)器中形成P型半導體層，以便解決記憶效應(yīng))導致高成本，這是因為需要準備兩個或更多個反應(yīng)器。上面描述的所有其它方法也導致高成本，這是由于增加了清潔步驟、使用的原料的量增大、制造時間增加等。這些問題不僅在使用氮化物半導體的情況下出現(xiàn)而且在其它材料系統(tǒng)被用于半導體的情況下出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]相應(yīng)地，本發(fā)明提供可以以低成本抑制記憶效應(yīng)的氮化物半導體發(fā)光器件以及用于制作氮化物半導體發(fā)光器件的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面的用于制作具有包括氮化物半導體的有源層的發(fā)光器件的方法包括以下步驟:
[0007]在其中已經(jīng)使用了含Mg原料的反應(yīng)器中在襯底上形成包含In的層；以及
[0008]在包含In的層上形成包括氮化物半導體的有源層。[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的用于制作多個發(fā)光器件(每個發(fā)光器件具有包括氮化物半導體的有源層、以及Mg摻雜的P型半導體層)的方法包括以下步驟:
[0010]在襯底上形成包含In的層；
[0011]在包含In的層上形成包括氮化物半導體的有源層；以及
[0012]在有源層上形成Mg摻雜的P型半導體層，
[0013]依次重復(fù)這些步驟。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第三方面的發(fā)光器件包括:
[0015]在襯底上的包含In和Mg的層；
[0016]在包含In和Mg的層上的包括氮化物半導體的有源層；以及
[0017]在有源層上的Mg摻雜的P型半導體層。
[0018]從以下參考附圖的示例性實施例的描述中本發(fā)明更多的特征將變得清晰。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1A — IC是用于說明根據(jù)本發(fā)明實施例1的用于制作氮化物半導體發(fā)光器件的方法的圖。
[0020]圖2A和圖2B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例1的用于確定Mg吸附層(adsorptionlayer)的效果的SIMS分析的結(jié)果的圖。
[0021]圖3A — 3D是用于說明根據(jù)本發(fā)明實施例2的用于制作VCSEL的過程的圖。
[0022]圖4A — 4D是用于說明根據(jù)本發(fā)明的實施例3的用于制作包括一維衍射光柵的DFB激光器和包括二維衍射光柵的二維光子晶體表面發(fā)射激光器的過程的圖。
[0023]圖5是用于說明本發(fā)明的示例I中制備的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0024]圖6是用于說明本發(fā)明的示例2中制備的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0025]圖7是用于說明本發(fā)明的示例3中制備的VCSEL的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0026]圖8是用于說明本發(fā)明的示例4中制備的DFB激光器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0027]圖9是用于說明本發(fā)明的示例5中制備的二維光子晶體表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
【具體實施方式】
[0028]現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實施例。
[0029]實施例1
[0030]在實施例1中，參考圖1A -1C描述用于制作包括InGaN層的氮化物半導體發(fā)光器件的方法的示例。
[0031]首先，制備模板(template)襯底100。如圖1A所示，模板襯底100可以通過在襯底101上形成底層(ground layer) 102來制備。在另一種情況中，襯底101可以被單獨用作模板襯底100。模板襯底100可以具有任何結(jié)構(gòu)，只要它允許通過晶體生長將包括氮化物半導體的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)直接形成在模板襯底100上即可。具體地，模板襯底100可以具有允許生長有源層104以及要被形成在有源層104上或上方的其它層的結(jié)構(gòu)。當襯底101是例如以下襯底時，襯底101可以被單獨用作模板襯底100:n型GaN襯底，其具有導電性并且允許氮化物半導體直接生長在襯底上；或者η型SiC襯底、η型Si襯底、或η型GaAs襯底，其具有導電性并且允許在有緩沖層置于氮化物半導體與襯底之間的情況下將氮化物半導體生長在襯底上。當襯底101是由其上可以生長氮化物半導體的藍寶石、SiC、S1、GaAs、ZnO、GaN、AlN等組成的襯底時，底層102被形成在襯底101上。
[0032]底層102是η型氮化物半導體層。底層102可以具有導電的單層結(jié)構(gòu)(諸如η型GaN單層結(jié)構(gòu)或者η型AlGaN單層結(jié)構(gòu));或者導電的多層結(jié)構(gòu)(諸如η型GaN/n型AlGaN多層結(jié)構(gòu))。在制造激光器的情況下，底層102包括要被形成在有源層下方的激光器結(jié)構(gòu)的一部分，其由例如η型GaN層、用作包覆層(cladding layer)的η型AlGaN層以及用作引導(guiding)層的GaN層構(gòu)成。底層102可以通過例如金屬有機物化學氣相沉積(M0CVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、等離子體CVD (PCVD)或者濺射形成。
[0033]然后，發(fā)光器件結(jié)構(gòu)被生長在模板襯底100上?？梢酝ㄟ^使用與模板襯底100的制備中使用的制造系統(tǒng)相同的制造系統(tǒng)來生長發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。下面描述用于制作發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的方法。在使用MOCVD系統(tǒng)的情況下，三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)等被用作III族原料，并且氨(NH3)等被用作氮原料，以便形成半導體層。把導電性賦予半導體層的雜質(zhì)原料是作為η型摻雜劑的SiH4 (硅烷)、Si2H6 (乙硅烷)等以及作為P型摻雜劑的Cp2Mg (環(huán)戊二烯基鎂)。
[0034]|旲板襯底100被放直在制造系統(tǒng)的反應(yīng)器中。然后,如圖1B所不,在制造系統(tǒng)中將Mg吸附層103、有源層104、以及半導體層105生長在模板襯底100上。這些層在一個反應(yīng)器中形成。有源層104是在向該有源層中注入載流子時發(fā)光的層。這種層的示例是InGaN/GaN多重量子阱結(jié)構(gòu)。半導體層105被摻雜有Mg，S卩，為Mg摻雜的P型半導體層。半導體層105具有由P型GaN層構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)或者由用作電子阻擋層的P型AlGaN層和ρ型GaN層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。半導體層105的結(jié)構(gòu)不被特別地限制，只要半導體層105是ρ型導電的氮化物半導體即可。
[0035]然后，如圖1C所示，從制造系統(tǒng)處移走具有包括Mg吸附層103、有源層104和半導體層105的結(jié)構(gòu)的襯底，并且通過氣相沉積等在襯底的表面和背面上形成通過其注入電流的表面電極106和背面電極107。因此，制作出氮化物半導體發(fā)光器件?？梢酝ㄟ^重復(fù)圖1A — IC所示出的上述過程來制造多個發(fā)光二極管。在該情況下，在用于制造多個發(fā)光器件的過程期間在一個反應(yīng)器中執(zhí)行圖1B所示出的步驟。換句話說，在制造了發(fā)光器件之后，另一個襯底被放置在用于制造發(fā)光器件的過程中使用的反應(yīng)器中，并且隨后再次執(zhí)行圖1B所示出的步驟以便制造另一個發(fā)光器件。
[0036]如果缺少Mg吸附層103，則如圖1B所示地形成Mg摻雜的ρ型半導體層105時Mg附著于反應(yīng)器部件。然后，當在制造另一個發(fā)光器件的隨后周期期間在模板襯底100上形成有源層104時，附著于反應(yīng)器部件的Mg從反應(yīng)器部件脫附，并且不利地混入有源層104中，這增大了有源層104中的無輻射復(fù)合的出現(xiàn)率并且因此降低發(fā)光效率。
[0037]另一方面，當Mg吸附層103被置于模板襯底100和有源層104之間時，在生長有源層104之前生長Mg吸附層103，并且因此從反應(yīng)器部件脫附的Mg被有效地并入Mg吸附層103中。結(jié)果，抑制有源層104中的Mg的混入。
[0038]現(xiàn)在將描述Mg吸附層103。如上所述，Mg吸附層103允許在襯底被加熱時從反應(yīng)器部件脫附的Mg被并入其中，并且由此抑制有源層104中的Mg的混入。Mg吸附層103是包含In的氮化物半導體，并且其具體的示例包括InGaN半導體、AlInN半導體、AlInGaN半導體和InN半導體。圖2A和圖2B示出Mg吸附層103的測試的結(jié)果。圖2A和圖2B中的每一個不出二次離子質(zhì)譜(secondary ion massspectrometry, SIMS)深度分布(profiling)的結(jié)果以便確定Mg記憶效應(yīng)的影響。
[0039]如下制備測試中使用的樣本。制備其上形成有GaN層作為底層102的模板襯底100。隨后，模板襯底100被放置在其中已經(jīng)使用了含Mg原料的MOCVD系統(tǒng)中，并且有源層104被生長在襯底上。
[0040]圖2A示出使用通過在模板襯底100上直接生長三周期的InGaN/GaN多重量子阱(MQff)作為有源層104而制備的樣本的SMS的結(jié)果。圖2B示出使用通過在模板襯底100上生長用作Mg吸附層103的70nm的InatlIGaa99N層并且進一步在InatllGaa99N層上生長用作有源層104的2周期的InGaN/GaN MQff而制備的另一個樣本的SIMS的結(jié)果。
[0041]圖2A所示出的其中在襯底上直接生長有源層104的樣本的結(jié)果示出，在有源層104中檢測到Mg。特別地，圖2A中利用箭頭示出的其中檢測到In的InGaN量子阱層中檢測到高濃度的Mg。因此，認為Mg可能特別地被并入InGaN量子阱層中。
[0042]圖2B中示出的包括InatllGaci 99N層的樣本的結(jié)果示出，In。.Q1GaQ.99N層中的Mg濃度從模板襯底100側(cè)到有源層104側(cè)降低并且在InatllGaa99N層的厚度變?yōu)榇蠹s30nm的點處到達檢測極限以下。
[0043]表1通過比較若干發(fā)光二極管(LED)的光輸出功率而示出Mg吸附層103的效果。
[0044]表1
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種用于制作發(fā)光器件的方法，所述發(fā)光器件具有包括氮化物半導體的有源層，所述方法包括如下步驟: 在其中已經(jīng)使用了含Mg原料的反應(yīng)器中在襯底上形成包含In的層；以及 在包含In的層上形成包括氮化物半導體的有源層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制作發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有30nm或更大的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制作發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有1000nm或更小的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制作發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有比有源層大的帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制作發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層包括InxGahN并且有源層包括InyGa^N,其中0〈x〈y。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制作發(fā)光器件的方法， 還包括在將襯底運送到反應(yīng) 器中之前對反應(yīng)器進行熱處理的步驟。
7.一種用于制作多個發(fā)光器件的方法，每個發(fā)光器件具有包括氮化物半導體的有源層以及Mg摻雜的P型半導體層，所述方法包括如下步驟: 在襯底上形成包含In的層； 在包含In的層上形成包括氮化物半導體的有源層；以及 在有源層上形成Mg摻雜的P型半導體層， 依次重復(fù)這些步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制作多個發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有30nm或更大的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制作多個發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有1000nm或更小的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制作多個發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層具有比有源層大的帶隙。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制作多個發(fā)光器件的方法， 其中包含In的層包括InxGahN并且有源層包括InyGa^N,其中0〈x〈y。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制作多個發(fā)光器件的方法， 還包括在將襯底運送到反應(yīng)器中之前對反應(yīng)器進行熱處理的步驟。
13.一種發(fā)光器件，包括: 在襯底上的包含In和Mg的層； 在包含In和Mg的層上的包括氮化物半導體的有源層；以及 在有源層上的Mg摻雜的P型半導體層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光器件， 其中包含In和Mg的層中的Mg濃度從襯底側(cè)向有源層側(cè)降低。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光器件， 其中包含In和Mg的層具有30nm或更大的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光器件，其中包含In和Mg的層具有1000nm或更小的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光器件， 其中包含In和Mg的層包括InxGahN并且有源層包括InyGa^,其中0〈x〈y。
【文檔編號】H01L21/205GK103715314SQ201310465679
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月9日
【發(fā)明者】川島毅士 申請人:佳能株式會社