氮化物半導體發光器件及其制造方法

專利名稱：氮化物半導體發光器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體發光器件以及制造方法。
背景技術：
發光二極管(LED)是包括發射光的材料的器件，在該器件中通過在半導體結部中電子-空穴復合產生的能量被轉變為將從其發射的光。LED通常用作照明裝置、顯示裝置等中的光源，因此，LED的研發已經被加速。
特別地，近來，已經增加了基于氮化鎵的LED的研發和使用，利用這樣的基于氮化鎵的LED的移動鍵板、轉向信號燈、照相機閃光燈等已經商業化，與此相符合，已經加快了使用LED的一般照明裝置的研發。像它們所應用的產品(諸如，大型TV的背光單元、汽車的前大燈、一般照明裝置等)一樣，LED的目的逐漸從小型便攜式產品轉向為具有高輸出和高效率的大尺寸產品，相關的產品需要能夠支持其所需特性的光源。
為了使LED的低光提取效率提高，硅在AlGaN第一導電類型氮化物半導體層的生長期間被摻雜到其中從而增加摻雜效率，但是當鋁(Al)的摩爾分數增加時，半導體層中的缺陷由于陽離子空位、碳反位(ant1-site，CN)、位錯等而增加。半導體層缺陷的增加會降低摻雜效率，使得難以制造具有高效率的高輸出半導體發光器件。發明內容
本發明的一個方面提供通過在生長導電型氮化物半導體層期間提高摻雜效率而能夠具有高輸出的氮化物半導體發光器件。
本發明的另一個方面提供一種制造氮化物半導體發光器件的方法，該氮化物半導體發光器件通過在生長導電型氮化物半導體層期間增大摻雜效率而能夠具有高輸出。
根據本發明的一個方·面，提供一種制造氮化物半導體發光器件的方法，包括在襯底上形成第一導電類型氮化物半導體層；在第一導電類型氮化物半導體層上形成有源層； 以及在有源層上形成第二導電類型氮化物半導體層，其中在形成第一導電類型氮化物半導體層期間，具有特定濃度的銦以特定的時間區間被反復地摻雜以在第一導電類型氮化物半導體層中形成多個銦摻雜層。
該方法還可以包括在形成第一導電類型氮化物半導體層之前，在襯底上生長緩沖層，該緩沖層可以是AlN層。
通過在銦摻雜層之間摻雜具有特定濃度的硅，第一導電類型氮化物半導體層可以包括交替層疊的銦摻雜層和娃摻雜層。
銦摻雜層可以被共摻雜。
第一導電類型氮化物半導體層可以用AlxGa(1_x)N (這里,O < x < I)來表不,第一導電類型氮化物半導體層可以在800°C、00°C的溫度在N2氣氛下形成。
第一導電類型氮化物半導體層的銦摻雜層可以生長兩秒。銦摻雜層可以生長兩秒，硅摻雜層可以生長四秒。
第一導電類型氮化物半導體層可以通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)形成。
襯底可以是藍寶石襯底、SiC、S1、MgAl204、MgO>LiAlO2 或 LiGa02。
根據本發明的另一方面，提供一種氮化物半導體發光器件，包括第一導電類型氮化物半導體層，形成在襯底上并包括交替摻雜的具有特定濃度的銦和具有特定濃度的硅； 有源層，形成在第一導電類型氮化物半導體層上；以及第二導電類型氮化物半導體層，形成在有源層上。
銦摻雜層可以插設在第一導電類型氮化物半導體層中的硅摻雜層之間。
第一導電類型氮化物半導體層可以由AlxGa(1_x)N (這里，O ^ I)來表示。


從以下結合附圖的詳細描述，本發明的以上和其他的方面、特征以及其他優點將被更清楚地理解，附圖中
圖1、2、3、4是示出根據本發明第一實施例的用于制造氮化物半導體發光器件的方法的各個工藝的截面圖5是示出根據本發明第二實施例的氮化物半導體發光器件的截面圖6是示出根據本發明第一實施例的第一導電類型氮化物半導體層的生長條件的曲線圖；以及
圖7是示出根據本發明第二實施例的第一導電類型氮化物半導體層的生長條件的曲線圖。
具體實施方式
現在將參照附圖詳細描述本發明的實施例。
然而，本發明可以以許多不同的形式實施，而不應被解釋為限于這里闡述的實施例。而是，提供這些實施例使得本公開透徹和完整，并將本發明的范圍充分傳達給本領域技術人員。在附圖中，為清晰起見，元件的形狀和尺寸可以被夸大，相同的附圖標記將始終被用于指代相同或相似的部件。
首先，將描述根據本發明第一實施例的氮化物半導體發光器件100及其制造方法。
圖1至圖4是示出用于制造根據本發明第一實施例的氮化物半導體發光器件的方法的各個工藝的截面圖。
用于制造根據本發明第一實施例的氮化物半導體發光器件100的方法包括在襯底110上形成包括多個銦摻雜層131的第一導電類型氮化物半導體層130 ;在第一導電類型氮化物半導體層130上形成有源層140 ;以及在有源層140上形成第二導電類型氮化物半導體層150。
首先，如圖1所示，在制備襯底110之后，第一導電類型氮化物半導體層130形成在襯底110上。
襯底110可以是藍寶石襯底、碳化硅(SiC)襯底、硅(Si)襯底、MgAl204、Mg0、LiA102 和LiGaO2中的任一種，但是本發明不限于此。在本實施例中，可以使用藍寶石襯底。
第一導電類型氮化物半導體層130形成在襯底110上。第一導電類型氮化物半導體層130可以由具有實驗式AlxGa(1_x)N的半導體材料制成，通常，可以使用AlGaN。這里，x 值可以在O≤X ≤ 1的范圍內。
在第一導電類型氮化物半導體層130中，具有特定濃度的銦被反復地摻雜以形成多個銦摻雜層131。
通常，當第一導電類型氮化物半導體層130 (η型層)由AlGaN形成時，硅(Si)在生長AlGaN時被摻雜以增加摻雜效率。然而，當鋁(Al)的摩爾分數為50%或更高時，半導體層缺陷由于陽離子空位、碳反位(ant1-site，CN)、位錯等而增加。半導體層缺陷的增加降低了摻雜效率，使得難以制造具有高效率的高輸出半導體發光器件。
在本發明的實施例中，為了減少半導體層缺陷，銦被摻入到第一導電類型氮化物半導體層130上。銦在生長第一導電類型氮化物半導體層130的工藝期間用作等電子摻雜劑，限制半導體層的陽離子，進一步增強半導體層的摻雜效率。因此，可以制造高輸出的半導體發光器件。
圖6是示出根據本發明第一實施例的第一導電類型氮化物半導體層130的生長條件的曲線圖。如圖6可見，銦和硅通過脈沖摻雜被交替地摻雜從而被生長，通過脈沖摻雜生長的第一導電類型氮化物半導體層130具有其中銦和硅交替摻雜的多層結構。應力可能由于濃摻雜的硅而作用于第一導電類型氮化物半導體層130上，從而引起裂縫。然而，當第一導電類型氮化物半導體層130用硅和銦共摻雜時，裂縫不會在半導體層中產生。
這里，生長銦的持續時間tll、tl3、tl5和tl7的區間是均勻的，并可以為例如約2 秒。此外，生長硅的持續時間tl2、tl4和tl6的區間也是均勻的，并可以為例如約4秒。
具體地，第一導電類型氮化物半導體層130可以通過金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)在從800°C至900°C的范圍內變化的生長溫度在N2氣氛下生長，如圖6所示，銦摻雜層131可以生長兩秒，硅摻雜層132可以形成四秒。交替堆疊的銦摻雜層131和硅摻雜層 132的數目的上限不受限制，并且根據期望被制造的半導體發光器件的特性，堆疊的摻雜層的數目可以增加。此外，生長兩秒的銦摻雜層可以形成為第一導電類型氮化物半導體層130 的 O. 3% 1%。
此外，在形成第一導電類型氮化物半導體層130之前，緩沖層120可以進一步形成在襯底110上。緩沖層120用于降低襯底110與第一導電類型氮化物半導體層130之間的晶格失配，在本實施例中，AlN用于形成緩沖層120的材料。
接著，如圖2所示，有源層140形成在第一導電類型氮化物半導體層130上。
有源層140可以具有其中量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多量子阱結構。例如，有源層140可以具有MQW結構，其中AlxInyGanyN(O≤X≤I, O ≤ y ≤ 1, O ≤x+y ≤ 1) 的量子勢壘層和量子阱層被交替層疊以具有特定的帶隙，當電子和空穴根據量子阱而復合時，光被發射。有源層140可以是用于發射深紫外光(具有在190nm至369nm的波長范圍) 的層，并可以像第一導電類型氮化物半導體層130 —樣通過MOCVD生長。
之后，如圖3所示，第二導電類型氮化物半導體層150形成在有源層140上。
第二導電類型氮化物半導體層150可以由具有與第一導電類型氮化物半導體層 130相同的實驗式AlxGa(1_x)N的p型雜質摻雜的半導體材料制成。這里，x值可以在O≤x≤1 的范圍內。此外，鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)等可以用作P型雜質。在本實施例中，p-AlGaN 可以用作第二導電類型氮化物半導體層150的材料。
之后，如圖4所示，進行臺面蝕刻(meas-etching)以暴露第一導電類型氮化物半導體層130的一部分，第一和第二電極160和170形成在第一和第二導電類型氮化物半導體層130和150的各自區域中，由此完成根據本發明實施例的氮化物半導體發光器件100。
第一和第二電極160和170可以形成為由從鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉻 (Cr)和銅(Cu)組成的組中選出的材料制成的單層或多層。第一和第二電極160和170可以通過公知的沉積方法諸如化學氣相沉積(CVD)法或電子束蒸發或者諸如濺射的工藝等來形成。
通過以上制造方法制造的根據本發明第一實施例的氮化物半導體發光器件100 包括第一導電類型氮化物半導體層130，其中具有特定濃度的銦和具有特定濃度的硅被交替摻雜；有源層140，形成在第一導電類型氮化物半導體層130上；以及第二導電類型氮化物半導體層150，形成在有源層140上。
在具有以上構造的氮化物半導體發光器件100中，由于銦摻雜層131和硅摻雜層 132在第一導電類型氮化物半導體層130中被交替層疊，如上所述，銦用作等電子摻雜劑以限制半導體層的陽離子缺陷，因此進一步提高半導體層的摻雜效率。
在下文將描述根據本發明第二實施例的氮化物半導體發光器件200及其制造方法。
根據本發明第二實施例的氮化物半導體發光器件200通過與根據本發明第一實施例的氮化物半導體發光器件100類似的工藝制造，但是不同于如上所述的第一實施例， 在本發明的第二實施例中，在形成第一導電類型氮化物半導體層130期間硅與銦被共摻雜。
首先，像如上所述的第一實施例一樣，在制備襯底210之后，第一導電類型氮化物半導體層230形成在襯底110上。第一導電類型氮化物半導體層230可以由具有實驗式 AlxGa(1_x)N的半導體材料制成，通常，可以使用AlGaN。這里，x值可以在OSxSl的范圍內。
圖7是示出根據本發明第二實施例的第一導電類型氮化物半導體層230的生長條件的曲線圖。如圖7可見，銦和硅通過德爾塔(delta)摻雜被交替摻雜從而被生長，通過德爾塔摻雜生長的第一導電類型氮化物半導體層230具有多層結構，其中硅和銦共摻雜的層和僅摻雜娃的層被層疊。
這里，其中生長銦的持續時間t21、t23、t25和t27的區間是均勻的，其可以為例如約2秒。此外，其中生長硅的持續時間tl2、tl4和tl6的區間也是均勻的，并可以為例如約4秒。
以此方式，在形成第一導電類型氮化物半導體層230期間，當硅在摻雜銦時被共摻雜時，銦與硅一起用作摻雜劑，以降低第一導電類型氮化物半導體層230的帶隙的退化。
此外，在形成第一導電類型氮化物半導體層230之前，緩沖層220還可以形成在襯底210上。緩沖層220用于減少襯底210與第一導電類型氮化物半導體層230之間的晶格失配，在本實施例中，AlN被用于形成緩沖層220的材料。
接著，像如上所述的第一實施例一樣，有源層240形成在第一導電類型氮化物半導體層230上。
有源層240可以具有其中量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多量子阱結構。例如，有源層240可以具有MQW結構，其中AlxInyGanyN(O彡X彡I, O ^ y ^ I, O ^ x+y ^ I) 的量子勢壘層和量子阱層被交替層疊以具有特定的帶隙。當電子和空穴根據量子阱而復合時，發射光。有源層240可以是用于發射深紫外線(具有在190nm至369nm的波長范圍)的層，并可以像第一導電類型氮化物半導體層230 —樣通過MOCVD生長。
之后，像如上所述的第一實施例一樣，第二導電類型氮化物半導體層250形成在有源層240上。
第二導電類型氮化物半導體層250可以由具有與第一導電類型氮化物半導體層 230相同的實驗式AlxGa(1_x)N的p型雜質摻雜的半導體材料制成。這里，x值可以在O彡x彡I 的范圍內。此外，鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)等可以用作P型雜質。在本實施例中，p-AlGaN 可以用作第二導電類型氮化物半導體層250的材料。
之后，像如上所述第一實施例一樣，進行臺面蝕刻以暴露第一導電類型氮化物半導體層230的一部分，第一和第二電極260和270形成在每個第一和第二導電類型氮化物半導體層130和150的一個區域上，由此完成根據本發明實施例的氮化物半導體發光器件 200。這里，第一和第二電極260和270可以形成為由從鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、 鉻(Cr)和銅(Cu)組成的組中選出的材料制成的單層或多層。第一和第二電極260和270 可以通過公知的沉積方法諸如化學氣相沉積(CVD)法、電子束蒸發或者諸如濺射的工藝等來形成。
通過以上制造方法制造的根據本發明第二實施例的氮化物半導體發光器件200 包括第一導電類型氮化物半導體層230，其中硅摻雜層232和硅-銦共摻雜層231被交替層疊；有源層240，形成在第一導電類型氮化物半導體層230上；以及第二導電類型氮化物半導體層250，形成在有源層240上。
在具有以上構造的氮化物半導體發光器件200中，由于在第一導電類型氮化物半導體層230中銦摻雜層231利用娃被共摻雜,銦與娃一起用作摻雜劑,減少了第一導電類型氮化物半導體層230的帶隙的退化。
如上所述，根據本發明的實施例，通過在生長第一導電類型的氮化物半導體層時提高摻雜效率，能夠提供執行高輸出的氮化物半導體發光器件及其制造方法。
盡管已經結合實施例示出和描述了本發明，但是對于本領域技術人員將是明顯的，可以進行修改和變化而不背離本發明的由權利要求書所限定的精神和范圍。
本申請要求于2011年8月26日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請 No. 10-2011-0085752的優先權，其公開內容通過引用結合于此。
權利要求
1.一種制造氮化物半導體發光器件的方法，該方法包括 在襯底上形成第一導電類型氮化物半導體層； 在所述第一導電類型氮化物半導體層上形成有源層；以及 在所述有源層上形成第二導電類型氮化物半導體層， 其中在形成所述第一導電類型氮化物半導體層期間，具有特定濃度的銦以特定的時間區間被反復地摻雜以在所述第一導電類型氮化物半導體層中形成多個銦摻雜層。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在形成所述第一導電類型氮化物半導體層之前，在所述襯底上生長緩沖層。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述緩沖層是AlN層。
4.如權利要求1所述的方法，其中通過在所述銦摻雜層之間摻雜具有特定濃度的硅，所述第一導電類型氮化物半導體層包括交替層疊的銦摻雜層和硅摻雜層。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述銦摻雜層是共摻雜的。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述第一導電類型氮化物半導體層用AlxGa(1_x)N來表示，這里O < X < I。
7.如權利要求4所述的方法，其中所述第一導電類型氮化物半導體層在800°C^900oC的溫度在N2氣氛下形成。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述第一導電類型氮化物半導體層的所述銦摻雜層生長兩秒。
9.如權利要求4所述的方法，其中所述銦摻雜層生長兩秒，所述硅摻雜層生長四秒。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述第一導電類型氮化物半導體層通過金屬有機化學氣相沉積形成。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述襯底是藍寶石襯底、SiC,S1、MgAl2O4, MgO,LiAlO2 或 LiGaO2。
12.—種氮化物半導體發光器件，包括 第一導電類型氮化物半導體層，形成在襯底上并包括交替摻雜的具有特定濃度的銦和具有特定濃度的硅； 有源層，形成在所述第一導電類型氮化物半導體層上；以及 第二導電類型氮化物半導體層，形成在所述有源層上。
13.如權利要求12所述的氮化物半導體發光器件，其中銦摻雜層插設在所述第一導電類型氮化物半導體層中的硅摻雜層之間。
14.如權利要求12所述的氮化物半導體發光器件，其中所述第一導電類型氮化物半導體層由AlxGa(1_x)N來表示,這里O < X < I。
全文摘要
本發明提供了氮化物半導體發光器件及其制造方法。該氮化物半導體發光器件的制造方法包括在襯底上形成第一導電類型氮化物半導體層；在第一導電類型氮化物半導體層上形成有源層；以及在有源層上形成第二導電類型氮化物半導體層。高的輸出能夠通過在生長第一導電類型的氮化物半導體層期間提高摻雜效率來獲得。
文檔編號H01L33/32GK103035804SQ20121030800
公開日2013年4月10日 申請日期2012年8月27日 優先權日2011年8月26日
發明者李振燮, 金定燮, 李成淑, 樸泰榮, 孫哲守 申請人:三星電子株式會社