第iii族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種呈現(xiàn)出改進(jìn)的發(fā)射輸出的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。該發(fā)光器件包括：其上形成有n電極的n型接觸層、發(fā)光層、形成在發(fā)光層與n型接觸層之間的n型覆層。n型覆層具有至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與發(fā)光層較近的第一n型覆層和相比第一n型覆層距發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二n型覆層。第一n型覆層的Si濃度高于第二n型覆層的Si濃度，并且第一n型覆層的厚度小于第二n型覆層的厚度。
【專利說(shuō)明】第M I族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及表現(xiàn)出改進(jìn)的發(fā)射輸出的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。

【背景技術(shù)】
[0002]通常，已知下列第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)(特開(kāi))第2002-299762號(hào)公開(kāi)了一種激光器，其中，在包括有源層和包圍有源層的引導(dǎo)層的芯的頂部和底部分別設(shè)置η型覆層和P型覆層，所述η型覆層和P型覆層的每一層均具有兩層結(jié)構(gòu)。在該激光器中，通過(guò)使較接近有源層的η型覆層和P型覆層的雜質(zhì)濃度比距有源層較遠(yuǎn)的η型覆層和P型覆層的雜質(zhì)濃度低來(lái)減少自由載流子吸收損耗，從而使閾值電壓降低。兩層結(jié)構(gòu)的每個(gè)η型覆層均為超晶格層。
[0003]日本專利第3909694號(hào)公開(kāi)了一種包括由η型GaN形成的η型接觸層、由η型AlGaInN形成的η型覆層、以及有源層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在η型覆層與η型接觸層之間設(shè)置有由η型GaN形成的防裂層。防裂層的雜質(zhì)濃度比η型接觸層的雜質(zhì)濃度小。憑借由GaN形成的防裂層，抑制了波導(dǎo)損耗的增加。
[0004]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)(特開(kāi))第1998-4210號(hào)公開(kāi)了一種發(fā)光器件，在該器件中按順序布置有:緩沖層、由摻雜Si的GaN形成的η型層(第一低雜質(zhì)濃度層)(厚度:0.6 μ m,Si濃度:2 X 11Vcm3,并且電子濃度:I X 11Vcm3)、由摻雜Si的GaN形成的高載流子濃度的η.型層(高雜質(zhì)濃度層)(厚度:4.0ynuSi濃度:4X 1018/cm3，并且電子濃度:2 X 11Vcm3),由摻雜Si的GaN形成的η型層(第二低雜質(zhì)濃度層)(厚度:0.5 μ m，Si濃度:1X1018/Cm3，并且電子濃度:5X 11Vcm3)、以及發(fā)光層。
[0005]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)(特開(kāi))第2001-196702號(hào)公開(kāi)了一種激光二極管，在該激光二極管中按順序設(shè)置有:n型接觸層、由摻雜Si的Alci ci8Gatl 92N形成的η型覆層(厚度:1μπι，并且電子濃度:5X 11Vcm3)、由摻雜Si的GaN形成的η型引導(dǎo)層(厚度:100nm，并且電子濃度:5 X 11Vcm3)、以及有源層。
[0006]日本專利申請(qǐng)公開(kāi)(特開(kāi))第2001-44497號(hào)公開(kāi)了一種發(fā)光器件，在該器件中按順序布置有:緩沖層、由摻雜Si的AlGaN形成的接觸層(厚度:3μπι，并且Si濃度:1Χ1018/cm3)、由摻雜Si的AlGaN形成的覆層(厚度:1μπι，并且Si濃度:1 X 1018/cm3)、由摻雜Si的GaN形成的光波導(dǎo)層(厚度:0.1 μ m，并且Si濃度:1 X 1018/cm3)、以及發(fā)光層。
[0007]以上專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種其中第III族氮化物半導(dǎo)體通過(guò)MOCVD在異質(zhì)襯底(如藍(lán)寶石)上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的發(fā)光器件。在這樣的發(fā)光器件中，與發(fā)光層接合的η型層具有5 X 11Vcm3或更小的低的Si濃度(包括沒(méi)有添加雜質(zhì))，從而不使發(fā)光層的結(jié)晶度劣化。
[0008]然而，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)在其中第III族氮化物半導(dǎo)體同質(zhì)生長(zhǎng)在第III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)襯底上的發(fā)光器件中，當(dāng)與發(fā)光層接合的η型層具有5 X 11Vcm3或更小的低的Si濃度時(shí)，與采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件相比發(fā)射輸出沒(méi)有增加。
[0009]本發(fā)明人假設(shè)該現(xiàn)象的原因如下。當(dāng)?shù)贗II族氮化物半導(dǎo)體通過(guò)MOCVD異質(zhì)外延生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底(如藍(lán)寶石)上時(shí)，由于襯底與生長(zhǎng)的第III族氮化物半導(dǎo)體之間的大的晶格失配，所以如圖7所示，高密度的凹坑直徑隨生長(zhǎng)從下層至上層擴(kuò)大。在發(fā)光層的頂表面上，凹坑直徑大，為150nm至200nm,并且凹坑密度大，為I X 108/cm2至I X 109/cm2。由于凹坑用P型層半導(dǎo)體填充，所以施加有電壓的η型層與P型層之間的距離被等效地縮短。因此，即使與發(fā)光層接合的η型層具有5Χ 11Vcm3或更小的低的Si濃度和低的導(dǎo)電率，發(fā)光層中的電子和空穴也容易復(fù)合。結(jié)果，獲得了較高的發(fā)射輸出。
[0010]相反，當(dāng)?shù)贗II族氮化物半導(dǎo)體同質(zhì)外延生長(zhǎng)在第III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)襯底上時(shí)，改進(jìn)了外延生長(zhǎng)層的結(jié)晶度，發(fā)光層中的凹坑密度低并且凹坑直徑小。當(dāng)與發(fā)光層接合的η型層具有與采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件類似的5X 11Vcm3的低的Si濃度時(shí)，P型層填充以上凹坑的效果降低，施加有電壓的P型層與η型層之間的等效距離變長(zhǎng)。因此，本發(fā)明人認(rèn)為發(fā)光層中的電子和空穴復(fù)合的可能性降低，并且與采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件相t匕，無(wú)法獲得較高的發(fā)射輸出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過(guò)在第III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)襯底上外延生長(zhǎng)第III族氮化物半導(dǎo)體來(lái)抑制所制造的發(fā)光器件中的發(fā)射輸出的減少。
[0012]本發(fā)明的其他目的是抑制具有低的凹坑密度或小的凹坑直徑的發(fā)光器件中的發(fā)射輸出的減少，即使生長(zhǎng)襯底是由除第III族氮化物半導(dǎo)體之外的材料形成。
[0013]在本發(fā)明的第一方面中，提供一種具有在第III族氮化物半導(dǎo)體襯底的表面上的多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，該發(fā)光器件包括:
[0014]其上形成有η電極的η型接觸層、發(fā)光層、形成在發(fā)光層與η型接觸層之間的η型覆層；
[0015]其中，η型覆層具有包括至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與發(fā)光層較接近的第一 η型覆層和相比第一 η型覆層距發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二 η型覆層；并且，
[0016]第一 η型覆層的Si濃度高于第二 η型覆層的Si濃度，并且第一 η型覆層的厚度小于第二 η型覆層的厚度。
[0017]本發(fā)明的發(fā)光器件可以具有發(fā)揮其他功能的多個(gè)層，只要其包括至少第III族氮化物半導(dǎo)體襯底、η型接觸層、η型覆層、發(fā)光層、P型覆層、以及P型接觸層即可。優(yōu)選地，發(fā)光層直接接合到第一 η型覆層。然而，可以在發(fā)光層與第一 η型覆層之間設(shè)置引導(dǎo)層。發(fā)光層可以是單層，或者，可以具有在其兩側(cè)處包括一個(gè)阱層和多個(gè)勢(shì)壘層的SQW(單量子阱)結(jié)構(gòu)或其中重復(fù)沉積多個(gè)層單元、每個(gè)層單元包括阱層和勢(shì)壘層的MQW(多量子阱)結(jié)構(gòu)。襯底可以由具有任意組成比的第III族氮化物半導(dǎo)體(如GaN、AlGaN、InGaNjP AlGaInN)形成。待生長(zhǎng)在襯底上的半導(dǎo)體層(如η型接觸層、η型覆層、發(fā)光層、P型覆層、和P型接觸層)可以由四種成分的半導(dǎo)體(如AlGaInN)、三種成分的半導(dǎo)體(如AlGaN或InGaN)、或兩種成分的半導(dǎo)體(如GaN)形成，各種半導(dǎo)體具有任意的組成比。在這樣的半導(dǎo)體中，可以用另外的第13族元素(第3Β族元素)(即，B或Tl)來(lái)部分地代替Al、Ga、或In，或者可以用另外的第15族元素(第5B族元素)(S卩，P、As、Sb、或Bi)來(lái)部分地代替N。
[0018]在本發(fā)明中，優(yōu)選地，第一 η型覆層的Si濃度為1.0Χ 11Vcm3至2.5 X 1019/cm3。優(yōu)選地，第一 η型覆層的厚度為5nm至50nm。優(yōu)選地，在發(fā)光層的與η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0X 1fVcm2或更小。凹坑密度的下限越小，就越優(yōu)選。下限是在同質(zhì)外延生長(zhǎng)中不可避免地出現(xiàn)凹坑時(shí)的值。優(yōu)選地，在發(fā)光層的與η型覆層相反的頂表面上的凹坑直徑為10nm或更小。凹坑直徑越小，就越優(yōu)選。下限是在同質(zhì)外延生長(zhǎng)中可不避免地出現(xiàn)凹坑時(shí)的值。優(yōu)選地，第二 η型覆層的Si濃度為1.0父10170113至5.0\10170113，其與常規(guī)η型覆層的Si濃度相等。在該范圍內(nèi)，使用第III族氮化物半導(dǎo)體襯底的發(fā)光器件的發(fā)射輸出高于使用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件的發(fā)射輸出。優(yōu)選地，第二η型覆層的厚度為10nm 至 500nm。
[0019]在本發(fā)明的第二方面中，提供一種具有在由與第III族氮化物半導(dǎo)體不同的材料制成的襯底的表面上的多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，該發(fā)光器件包括:
[0020]其上形成有η電極的η型接觸層、發(fā)光層、形成在發(fā)光層與η型接觸層之間的η型覆層；
[0021]其中，在發(fā)光層的與η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0X 1fVcm2或更小，并且凹坑直徑為10nm或更??；
[0022]η型覆層具有包括至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與發(fā)光層較接近的第一 η型覆層和相比第一 η型覆層距發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二 η型覆層；并且，
[0023]第一 η型覆層的Si濃度高于第二 η型覆層的Si濃度，并且第一 η型覆層的厚度小于第二 η型覆層的厚度。
[0024]在本發(fā)明的第一方面，測(cè)量出在發(fā)光層的與η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0X 1fVcm2或更小，并且凹坑直徑為10nm或更小。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為發(fā)射輸出的減少是由凹坑密度和凹坑直徑的減小造成的。因此，即使在采用由不同于第III族氮化物半導(dǎo)體的材料制成的襯底的發(fā)光器件中，當(dāng)凹坑密度和凹坑直徑通過(guò)側(cè)向生長(zhǎng)、表面生長(zhǎng)、MBE (分子束外延)、其他生長(zhǎng)方法、或MOCVD的進(jìn)展落在上述值以下時(shí)，也可以使用本發(fā)明的特征結(jié)構(gòu)的發(fā)光層。
[0025]換句話說(shuō)，當(dāng)發(fā)光層的頂表面上的凹坑密度為5.0X 1fVcm2或更小，并且凹坑直徑為10nm或更小時(shí)，可以采用作為本發(fā)明的第一方面的特征部分的結(jié)構(gòu):其中，第一 η型覆層的Si濃度比第二 η型覆層的Si濃度高，并且第一 η型覆層的厚度比第二 η型覆層的厚度小。因此，建立了本發(fā)明的第二方面。本發(fā)明的第二方面的襯底可以由藍(lán)寶石、SiC、硅、或ZnO形成。
[0026]在本發(fā)明的第二方面中，優(yōu)選地，第一 η型覆層的Si濃度為1.0X 11Vcm3至2.5Χ 1019/cm3。優(yōu)選地,第一 η型覆層的厚度為5nm至50nm。優(yōu)選地,第二 η型覆層的Si濃度為1.0X 11Vcm3至5.0X 11Vcm3。優(yōu)選地,第二 η型覆層的厚度為10nm至500nm。值范圍的意義與本發(fā)明的第一方面中的相同，并且也建立了如本發(fā)明的第一方面所述的其他結(jié)構(gòu)。
[0027]在本發(fā)明中，η型覆層具有至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與發(fā)光層較接近的第一 η型覆層和相比第一 η型覆層距發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二 η型覆層；并且第一 η型覆層的Si濃度比第二 η型覆層的Si濃度高，并且第一 η型覆層的厚度比第二 η型覆層的厚度小。因此，與采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件相比(除使用單個(gè)η型覆層外，其他結(jié)構(gòu)和尺寸相同)，可以改進(jìn)發(fā)射強(qiáng)度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]當(dāng)結(jié)合附圖參照下面的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述較好地理解本發(fā)明的目的、特性和伴隨優(yōu)點(diǎn)時(shí)，將會(huì)容易地理解本發(fā)明的各種其他目的、特性以及許多伴隨優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0029]圖1示出了根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)；
[0030]圖2A、2B和2C是示出了制造發(fā)光器件的過(guò)程的器件的橫截面圖；
[0031]圖3是示出了根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件中的第一 η型覆層的Si濃度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系的特性圖；
[0032]圖4是示出了根據(jù)常規(guī)實(shí)例的采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件中的η型覆層的Si濃度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系的特性圖；
[0033]圖5示出了根據(jù)實(shí)施方案2的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)；
[0034]圖6示出了根據(jù)實(shí)施方案3的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)；以及
[0035]圖7示出了出現(xiàn)在根據(jù)常規(guī)實(shí)例的采用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件中的凹坑的結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將參照附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。然而，本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案。
[0037]實(shí)施方案I
[0038]根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件在具有c面主表面的GaN襯底上具有多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體層。
[0039]圖1示出了根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件I的結(jié)構(gòu)。發(fā)光器件I包括:沒(méi)有添加雜質(zhì)的GaN襯底100 ;11型接觸層101 ;ESD層(靜電放電層)102 ;n型覆層103 ;發(fā)光層104 ；p型覆層106 ;以及P型接觸層107，層101至層107由第III族氮化物半導(dǎo)體形成并且沉積在GaN襯底上。在P型接觸層107上形成有p電極108作為透明電極(例如，ΙΤ0);在p電極108的電極拐角處形成有焊盤(pán)電極109 ;并且在η型接觸層101的通過(guò)去除層102至層107的被從P型接觸層107蝕刻的相應(yīng)部分而露出的部分上形成有η電極130。在GaN襯底100的背表面10b上形成有鋁反射膜90。根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件是從P電極108 (例如，ΙΤ0)發(fā)光的面朝上型(face-up type)。
[0040]η型接觸層101由η-GaN形成，并且厚度為2 μ m，并且Si濃度為I X 11Vcm3或更大。η型接觸層101在I μπι或更大的厚度處的穿透位錯(cuò)密度為5.0X 1fVcm2或更小。η型接觸層101可以包括具有不同載流子濃度的多個(gè)層以與η電極130良好接觸。
[0041]ESD層102具有包括第一 ESD層110、第二 ESD層111、第三ESD層112、以及第四ESD層113的四層結(jié)構(gòu)，這些層依次沉積在η型接觸層101上。第一 ESD層110由η-GaN形成，并且Si濃度為I X 11Vcm3至5 X 11Vcm3。第一 ESD層110的厚度為200nm至100nm0
[0042]第二 ESD層111由摻雜Si的GaN形成，并且具有如通過(guò)Si濃度(/cm3)和厚度(nm)的乘積所限定的0.9 X 12ci至3.6 X 120 (nm/cm3)的特征值。當(dāng)?shù)诙?ESD層111的厚度為 30nm 時(shí)，Si 濃度為 3.0XlO1Vcm3 至 1.2 X 11Vcm30
[0043]第三ESD層112由未摻雜的GaN形成。第三ESD層112的厚度為50nm至200nm。第三ESD層112未摻雜，但由于殘留的載流子而具有I X 11Vcm3至I X 11Vcm3的載流子濃度。第三ESD層112可以摻雜有載流子濃度為5X 11Vcm3或更小的范圍內(nèi)的Si。
[0044]第四ESD層113由摻雜Si的GaN形成，并且具有如通過(guò)Si濃度(/cm3)和厚度(nm)的乘積所限定的0.9X 120至3.6X 120(nm/cm3)的特征值。例如，第四ESD層113的厚度為 30nm, Si 濃度為 3.0XlO1Vcm3 至 1.2 X 11Vcm30
[0045]η型覆層103具有包括第二 η型覆層132和形成在其上的第一 η型覆層131的兩層結(jié)構(gòu)。第二 η型覆層132由摻雜Si的Ala2Gaa8N形成，并且厚度為140nm，并且Si濃度為1.0X1018/Cm3。第一 η型覆層131由摻雜Si的Ala2Gaa8N形成，并且厚度為10nm，并且Si濃度為2.0X 1019/cm3。η型覆層103的整體厚度為150nm。優(yōu)選地，η型覆層103的整體厚度為105nm至550nm。
[0046]第二 η型覆層132的厚度可以為10nm至500nm。當(dāng)厚度小于10nm時(shí)，空穴的阻斷功能劣化，從而降低了將空穴和光限制在發(fā)光層104中的效果。當(dāng)厚度大于500nm時(shí)，該層作為覆層過(guò)厚，覆層的電阻增加，并且制造時(shí)間更長(zhǎng)，這是不期望的。優(yōu)選地，第二 η型覆層 132 的 Si 濃度為 1.0X 11Vcm3 至 5.0X 11Vcm3。當(dāng) Si 濃度低于 1.0XlO1Vcm3 時(shí)，導(dǎo)電性降低，并且驅(qū)動(dòng)電壓增大，這是不期望的。當(dāng)Si濃度高于5.0X 11Vcm3時(shí)，發(fā)光層104的結(jié)晶度劣化，這是不期望的。
[0047]第一 η型覆層131的厚度可以為5nm至50nm。當(dāng)?shù)谝?η型覆層131的厚度小于5nm時(shí)，通過(guò)提高該層的Si濃度來(lái)改進(jìn)電子密度的效果降低，并且在第一 η型覆層131與發(fā)光層104之間的界面上的電勢(shì)難以均勻。因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)射輸出的改進(jìn)。當(dāng)?shù)谝?η型覆層131的厚度大于50nm時(shí)，發(fā)光層104的結(jié)晶度由于高的Si濃度或擴(kuò)散至發(fā)光層104的Si增加而劣化，這是不期望的。優(yōu)選地，第一 η型覆層131的Si濃度為1.0X1019/Cm3至2.5X 1019/cm3。當(dāng)Si濃度低于1.0X 1019/cm3時(shí)，電勢(shì)無(wú)法被均勻地施加至第一 η型覆層131與發(fā)光層104之間的界面，這是不期望的。當(dāng)Si濃度高于2.5X 11Vcm3時(shí)，擴(kuò)散至發(fā)光層104的Si增加，或者發(fā)光層104的結(jié)晶度劣化，這是不期望的。
[0048]發(fā)光層104(也被稱為有源層)具有其中重復(fù)沉積八個(gè)層單元的MQW結(jié)構(gòu)，每個(gè)層單元包括依次沉積的四個(gè)層=Alatl5Gaa95N層141 (厚度:2.4nm)、Ina2Gatl.8N層142 (厚度:3.2nm)、GaN 層 143 (厚度:0.6nm)、Ala2Ga0.8N 層 144(厚度:0.6nm)。然而，發(fā)光層 104 的與第一 η型覆層131接觸的初始層是Alatl5Gaa95N層141，并且發(fā)光層104的與ρ型覆層106接觸的最終層是Ala2Gaa8N層144。發(fā)光層104的整體厚度為54.4nm。發(fā)光層104的所有層未摻雜。
[0049]ρ型覆層106由Ala3Gaa7N形成，并且厚度為33nm，并且摻雜有濃度為I X 12Vcm3的作為P型雜質(zhì)的Mg。P型接觸層107為摻雜Mg的Ρ-GaN。為與ρ電極良好接觸，ρ型接觸層107可以包括具有不同載流子濃度的多個(gè)層。η型覆層103和ρ型覆層106具有將空穴和電子以及光限制在發(fā)光層104中的功能。
[0050]ρ型覆層106可以具有超晶格結(jié)構(gòu)。例如，可以重復(fù)沉積多個(gè)(例如，5至12個(gè))層單兀，每個(gè)層單兀包括依次沉積的P_I%O5Gaa95Ν層(厚度:1.7nm)和P-Ala3Gaa7N層(厚度:3.0nm)。然而，優(yōu)選地，ρ型復(fù)層106的與發(fā)光層104接觸的弟一層為p_InQ.Q5GaQ.95Ν層，并且優(yōu)選地，P型覆層106的與ρ型接觸層107接觸的最終層為P-Ala3Gaa7N層。
[0051 ] 隨后，將參照?qǐng)D2Α至圖2C描述制造發(fā)光器件I的方法。然而，在圖2Α至圖2C中，省略了圖1中所示的超晶格周期結(jié)構(gòu)。通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來(lái)執(zhí)行晶體生長(zhǎng)。所采用的氣體如下:作為載氣的氫或氮餌或㈦；作為氮源的氨氣(NH3);作為Ga源的三甲基鎵(Ga(CH3)3，下文中稱為“TMG”)；作為In源的三甲基銦(In(CH3)3，下文中稱為“TMI”)；作為鋁源的三甲基鋁(Al (CH3)3，下文中稱為“TMA”)；作為η型摻雜劑氣體的硅烷(SiH4)；以及作為ρ型摻雜劑氣體的環(huán)戊二烯基鎂(Mg (C5H5)2，下文中稱為“Cp2Mg” )。
[0052]首先，在氫氣氛中、在1080°C下加熱GaN襯底100用于清潔，由此將沉積物從GaN襯底100的表面去除。此后，通過(guò)M0CVD，將襯底溫度降低至1020°C，供給TMG、氨氣作為原料氣體、娃燒氣作為雜質(zhì)氣體、以及氫氣作為載氣，由此形成Si濃度為4.5X 11Vcm3的由GaN制成的η型接觸層101，以具有2 μ m的厚度(圖2A)。η型接觸層101的穿透位錯(cuò)密度在I μ m的厚度處為5 X 1fVcm2或更小。
[0053]隨后，按如下方式形成ESD層102。首先，在η型接觸層101上，通過(guò)M0CVD，由η-GaN形成厚度為200nm至lOOOnm、并且Si濃度為IX 1016/cm3至5 X 11Vcm3的第一 ESD層110。生長(zhǎng)溫度為900°C或更高，以獲得低的凹坑密度和質(zhì)量良好的晶體。優(yōu)選地，在將生長(zhǎng)溫度調(diào)節(jié)到1000°C或更高時(shí)，生長(zhǎng)出更高質(zhì)量的晶體。
[0054]隨后，在第一 ESD層110上，通過(guò)M0CVD，由η-GaN形成具有如通過(guò)Si濃度(/cm3)和厚度(nm)的乘積所限定的0.9 X 120至3.6 X 120 (nm/cm3)的特征值的第二 ESD層111。將生長(zhǎng)溫度調(diào)節(jié)到800°C至950°C。在第二 ESD層111上，通過(guò)M0CVD，由未摻雜的GaN形成厚度為50nm至200nm的第三ESD層112。將生長(zhǎng)溫度調(diào)節(jié)到800°C至950°C，以獲得載流子濃度為5X 11Vcm3或更小的晶體。
[0055]隨后，在第三ESD層112上，通過(guò)M0CVD，由η-GaN形成具有如通過(guò)Si濃度(/cm3)和厚度(nm)的乘積所限定的0.9X 120至3.6X 120(nm/cm3)的特征值的第四ESD層113。將生長(zhǎng)溫度調(diào)節(jié)到800°C至950°C。在以上過(guò)程中，ESD層102形成在η型接觸層101上(圖 2Β)。
[0056]在將襯底溫度調(diào)節(jié)到950°C之后，由用濃度為1.0 X 11Vcm3的Si摻雜的Ala2Gaa8N形成第二 η型覆層132，以在ESD層102上具有140nm的厚度。在將襯底溫度保持在950°C的同時(shí)，由用濃度為2.0X1019/cm3的Si摻雜的Ala2Gaa8N形成第一 η型覆層131，以在第二 η型覆層132上具有1nm的厚度。
[0057]隨后，在第一 η型覆層131上形成發(fā)光層104。通過(guò)重復(fù)沉積八個(gè)層單元來(lái)形成發(fā)光層104，每個(gè)層單兀包括依次沉積的四個(gè)層:A1Q.05Gatl.95Ν層141、In。.2GaQ.8Ν層142、GaN層143和Ala2Gaa8N層144。Ala05Gaa95N層141的生長(zhǎng)溫度在800°C至950°C的范圍內(nèi)，并且Ina2Gaa8N層142、GaN層143和Ala2Gaa8N層144的生長(zhǎng)溫度為770。。。不用說(shuō)，在各層的生長(zhǎng)中，襯底溫度可以恒定地保持在770°C。在相應(yīng)的原料氣體的供給下形成發(fā)光層104。
[0058]隨后，在發(fā)光層104上形成P型覆層106。在將襯底溫度保持在855°C的同時(shí)，在CP2Mg, TMA, TMG和氨的供給下由p-AlQ.3GaQ.7N形成ρ型覆層106，以具有33nm的厚度。
[0059]然后，在將襯底溫度保持在1000°C的同時(shí)，在TMG、氨和CP2Mg的供給下，由用濃度為I X 12tlCnT3的Mg摻雜的P型GaN形成ρ型接觸層107，以具有50nm的厚度。由此，形成圖2C中所示的器件結(jié)構(gòu)。P型接觸層107可以具有I X 119CnT3至I X 12VcnT3的Mg濃度。P型接觸層107的厚度可以為1nm至lOOnm。
[0060]隨后，通過(guò)熱處理活化Mg，然后從ρ型接觸層107的頂表面執(zhí)行干法蝕刻，由此形成到達(dá)η型接觸層101的槽。在ρ型接觸層107上形成ITO的ρ電極108，并且在通過(guò)干法蝕刻暴露在槽的底部處的η型接觸層101的表面上由V/Al/Ti/Ni/Ti/Au(以該順序沉積在η型接觸層101上)形成η電極130。在GaN襯底100的背表面10b上，形成Al反射膜90，并且在ρ電極108的拐角處由Ni/Au/Al (以該順序沉積在ρ電極108上)形成焊盤(pán)電極109。由此，制得圖1中所示的發(fā)光器件I。
[0061]通過(guò)上述方法，制得第一 η型覆層131的Si濃度變化的發(fā)光器件，所述第一 η型覆層 131 的 Si 濃度為:0/cm3(沒(méi)有供給硅烷)、2X 1018/cm3、4X 1018/cm3、8X 11Vcm3、1.2 X 11Vcm3U.4X 11Vcm3U.6X 1019/cm3U.8X 1019/cm\2.0X 1019/cm\2.2X 11Vcm3和2.4X 1019/cm3。在這些Si濃度下來(lái)測(cè)量發(fā)射強(qiáng)度。
[0062]圖3示出了發(fā)射輸出的測(cè)量結(jié)果。由于圖3的水平軸表示對(duì)數(shù)，所以在沒(méi)有添加Si時(shí)(當(dāng)Si濃度為O時(shí))，無(wú)法標(biāo)記零值。此時(shí)，發(fā)射輸出為0.74(任意單位)。如從圖3清楚可見(jiàn)，當(dāng)Si濃度為1.2 X 11Vcm3至2.4X 11Vcm3時(shí)，發(fā)射輸出為0.97 (任意單位)或更大，其與Si濃度為4.0X 11Vcm3或更小時(shí)的0.84 (任意單位)的發(fā)射輸出相比高15%或更多。當(dāng)Si濃度為1.4X 11Vcm3時(shí)，發(fā)射輸出為最大的I (任意單位)。當(dāng)Si濃度為1.4X1019/Cm3或更大時(shí)，發(fā)射輸出幾乎為1(0.99(任意單位))并且恒定。因此，從圖3的特性中可以理解的是，發(fā)射輸出在Si濃度為1.0X 11Vcm3時(shí)開(kāi)始飽和，在該濃度下不進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)Si濃度為1.0X 11Vcm3時(shí)，其還對(duì)發(fā)射輸出的增加具有影響。關(guān)于上限值，即使Si濃度增加到2.0X 11Vcm3,2.2 X 11Vcm3 2.4X 1019/cm3，發(fā)射輸出也不會(huì)降低。當(dāng)Si濃度為2.5X 11Vcm3時(shí)，發(fā)射輸出為I (0.99 (任意單位))，并且對(duì)改進(jìn)發(fā)射輸出具有影響。因此，從圖3的特性中可以理解的是，當(dāng)?shù)谝?η型覆層131的Si濃度落在1.0X 11Vcm3至2.5X1019/cm3的范圍內(nèi)時(shí)，改善了發(fā)射輸出。
[0063]當(dāng)Si濃度超過(guò)2.0X 11Vcm3時(shí)，反向電流阻擋特性稍有劣化。因此，考慮反向電流阻擋特性的劣化，優(yōu)選地，第一 η型接觸層131的Si濃度為1.2 X 11Vcm3至2.0X 119/cm3，在此濃度下進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)考慮從圖3獲得的特性和稍有劣化的反向電流阻擋特性時(shí)，優(yōu)選地，Si 濃度為 1.0XlO1Vcm3 至 2.0XlO1Vcm30
[0064]為進(jìn)行比較，通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上形成緩沖層之后生長(zhǎng)η型接觸層101到ρ型接觸層107來(lái)制造發(fā)光器件。然而，在這種情況下，η型覆層103不具有兩層結(jié)構(gòu)，而是厚度為150nm的單層。也就是說(shuō)，η型覆層103形成為單層(厚度:150nm),而不是第一 η型覆層131 (厚度:10nm)和第二 η型覆層132 (厚度:140nm)。對(duì)制得的作為單層的η型覆層的Si濃度變化的發(fā)光器件的輸出特性進(jìn)行測(cè)量，所述η型覆層的Si濃度為4.5 X 11Vcm3,6.5 X 11Vcm3,8.0 X 11Vcm3 1.0 X 11Vcm30 圖 4 示出了測(cè)量結(jié)果。當(dāng) η 型覆層的 Si 濃度為6.5X 11Vcm3時(shí)，發(fā)射輸出最大，并且即使Si濃度比最大值更低或更高，也降低了發(fā)射輸出。
[0065]由此，顯示出本發(fā)明的具有兩層結(jié)構(gòu)的η型覆層(其中，第一 η型覆層的Si濃度比第二 η型覆層的高，并且第一 η型覆層的厚度比第二 η型覆層的小)對(duì)發(fā)射輸出具有優(yōu)異的影響。
[0066]實(shí)施方案2
[0067]根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件I是面朝上型，而根據(jù)實(shí)施方案2的發(fā)光器件2是面朝下型。用與圖1中相同的附圖標(biāo)記來(lái)標(biāo)識(shí)起到與實(shí)施方案I中相同作用的元件。在圖5中，省略了構(gòu)成圖1中所示的ESD層102和發(fā)光層104的多個(gè)層。待形成在ρ型接觸層107的整個(gè)表面上的P電極118是由沉積在ρ型接觸層107上的Ni/Al/Ag/Al形成的反射膜。ρ電極118也用作將發(fā)光器件2接合到框的焊盤(pán)。η電極130是與實(shí)施方案I中相同的金屬層疊，并且P電極118的頂表面和η電極130的頂表面在同一表面上，即同一水平上。GaN襯底100的其上沒(méi)有形成器件層的表面10a是光輸出表面。根據(jù)實(shí)施方案2的第一 η型覆層131和第二 η型覆層132的結(jié)構(gòu)(Si濃度和厚度)與實(shí)施方案I中的相同。因此，本發(fā)明可以是面朝下型(倒裝型)發(fā)光器件。
[0068]實(shí)施方案3
[0069]圖6中所示的根據(jù)實(shí)施方案3的發(fā)光器件3是對(duì)電極型發(fā)光器件。使用與圖1中相同的附圖標(biāo)記來(lái)指示起到與實(shí)施方案I中相同作用的元件。由用濃度為4Χ 11Vcm3的Si摻雜的η型GaN形成GaN襯底100。在GaN襯底100的背表面10b的整個(gè)表面上形成η電極140。η電極140是依次沉積在GaN襯底100的背表面10b上的Al/Ag/Al的金屬膜。η電極140用作光反射膜。在ρ型接觸層107的整個(gè)頂表面上形成ITO的ρ電極128，并且在P電極128的拐角處形成焊盤(pán)電極109。在發(fā)光器件3中，從ρ型接觸層107輸出光。
[0070]可以在ρ型接觸層107上形成光反射膜，并且可以在GaN襯底100的沒(méi)有形成器件層的表面10b上形成透明的η電極,從而從GaN襯底100輸出光。
[0071]變化方案
[0072]在以上實(shí)施方案中，第一 η型覆層131直接接合到發(fā)光層104。然而，可以在第一η型覆層131與發(fā)光層104之間設(shè)置引導(dǎo)層。此外，在所有實(shí)施方案中，第一 η型覆層131和第二 η型覆層132由Ala2Gaa8N形成。然而,第一 η型覆層131和第二 η型覆層132可以由具有其他組成比的AlGaN、或者由具有比發(fā)光層104的阱層的帶隙大的帶隙的GaN或InGaN形成。第一 η型覆層131和第二 η型覆層132可以是由同一材料制成的半導(dǎo)體。然而，第一 η型覆層131和第二 η型覆層132可以是具有不同的成分的或具有不同的組成比的同一成分的半導(dǎo)體。例如，第二 η型覆層132可以由AlGaN或GaN形成，并且第一 η型覆層131可以由InGaN形成，以容易地獲得高的電子密度。在所有實(shí)施方案中，可以省略ESD層102。ρ型覆層106可以具有包括多個(gè)層的周期結(jié)構(gòu)。例如，ρ型覆層106可以具有包括任意組成比的AlGaN和任意組成比的InGaN的超晶格結(jié)構(gòu)、AlGaN和GaN的超晶格結(jié)構(gòu)、或GaN和InGaN的超晶格結(jié)構(gòu)。ρ型覆層106可以具有5Χ 1019/cm3至5X 102°/cm3的Mg濃度。
[0073]圖1所示的根據(jù)實(shí)施方案I的發(fā)光器件I和圖5所示的發(fā)光器件2可以應(yīng)用于以下情況:當(dāng)使用藍(lán)寶石襯底代替GaN襯底100時(shí)，在發(fā)光層104的與η型覆層相反的頂表面(發(fā)光層104與ρ型覆層106之間的界面)上的凹坑密度為5.0X 1fVcm2或更小，并且凹坑直徑為10nm或更小。當(dāng)發(fā)光層的頂表面上的凹坑密度和凹坑直徑低于上述值時(shí)，估計(jì)發(fā)射輸出要減少。因此，本申請(qǐng)的特征結(jié)構(gòu)可以增加發(fā)射輸出，在該結(jié)構(gòu)中，η型覆層具有至少兩層，第一 η型覆層的Si濃度比第二 η型覆層的高，并且第一 η型覆層的厚度比第二η型覆層的小。
[0074]可以在高輸出的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中使用本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有在第III族氮化物半導(dǎo)體襯底的表面上的多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體層，所述發(fā)光器件包括: 其上形成有η電極的η型接觸層、發(fā)光層、形成在所述發(fā)光層與所述η型接觸層之間的η型覆層； 其中，所述η型覆層具有包括至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與所述發(fā)光層較近的第一 η型覆層和相比所述第一 η型覆層距所述發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二 η型覆層；并且 所述第一 η型覆層的Si濃度高于所述第二 η型覆層的Si濃度，并且所述第一 η型覆層的厚度小于所述第二 η型覆層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第一η型覆層的Si 濃度為 1.0XlO1Vcm3 至 2.5 X 11Vcm30
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第一η型覆層的厚度為5nm至50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第一η型覆層的厚度為5nm至50nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在所述發(fā)光層的與所述η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0XlOfVcm2或更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在所述發(fā)光層的與所述η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0XlOfVcm2或更小。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在所述發(fā)光層的與所述η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0XlOfVcm2或更小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在所述發(fā)光層的與所述η型覆層相反的頂表面上的凹坑直徑為10nm或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第二 η 型覆層的 Si 濃度為 1.0XlO1Vcm3 至 5.0XlO1Vcm30
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第二 η型覆層的厚度為10nm至500nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第二η型覆層的厚度為10nm至500nm。
12.—種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，所述第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有在與第III族氮化物半導(dǎo)體不同的材料的襯底的表面上的多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體層，所述發(fā)光器件包括: 其上形成有η電極的η型接觸層、發(fā)光層、形成在所述發(fā)光層與所述η型接觸層之間的η型覆層； 其中，在所述發(fā)光層的與所述η型覆層相反的頂表面上的凹坑密度為5.0XlOfVcm2或更小并且凹坑直徑為10nm或更?。? 所述η型覆層具有包括至少兩層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩層包括與所述發(fā)光層較近的第一η型覆層和相比所述第一 η型覆層距所述發(fā)光層較遠(yuǎn)的第二 η型覆層；并且 所述第一 η型覆層的Si濃度高于所述第二 η型覆層的Si濃度，并且所述第一 η型覆層的厚度小于所述第二 η型覆層的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第一η型覆層的 Si 濃度為 1.0XlO1Vcm3 至 2.5 X 11Vcm30
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第一η型覆層的厚度為5nm至50nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第二η型覆層的 Si 濃度為 1.0XlO1Vcm3 至 5.0 X 11Vcm30
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，所述第二η型覆層的厚度為10nm至500nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK104347771SQ201410353895
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】青木真登, 齋藤義樹(shù) 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社