氮化物半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造方法专利检索-应变层电子零件及设备专利检索查询-专利查询网

氮化物 半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造方法

阅读：84发布：2024-02-16

专利汇可以提供氮化物半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供有源层(17)以使得发射具有440nm至550nm范围的发射波长的光。第一导电类型氮化镓半导体区域(13)、有源层(17)和第二导电类型氮化镓半导体区域(15)沿着预定轴Ax的方向设置。有源层(17)包括由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)的阱层，铟组成x由应变组分表示。六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴Ax被定向。阱层的厚度在大于3nm且小于或等于20nm之间。使阱层的厚度超过3nm，能够制造具有发射波长超过440nm的发光器件。，下面是氮化物半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种氮化物半导体发光器件，具有：
第一导电类型氮化镓半导体区域；
第二导电类型氮化镓半导体区域；以及
有源层，提供在所述第一导电类型氮化镓半导体区域和所述第二导电类型氮化镓半导体区域之间，所述有源层被设置成能够发射发射波长在440nm以上到550nm以下的范围内的光，所述发光器件的特征在于：
所述有源层包括由六方晶系的InxGa1-xN构成的阱层，其中0.16≤x≤0.4，铟组成x：
应变组分，
所述阱层的厚度D大于3nm，
所述阱层的厚度D为20nm或更小，
所述厚度D与铟组成x的关系为x≥-0.16×D+0.88，其中D为大于3且小于或等于
20的数值，
所述第一导电类型氮化镓半导体区域、所述有源层和所述第二导电类型氮化镓半导体区域被沿着一预定轴布置，以及
所述六方晶系的InxGa1-xN的m平面被沿着所述预定轴定向。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：
所述有源层包括由六方晶系的InyGa1-yN构成的势垒层，其中0≤y≤0.05，y：应变组分。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，还包括由六方晶系的AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底，其特征在于：
在所述衬底的主面上搭载有所述第一导电类型氮化镓半导体区域、所述有源层和所述第二导电类型氮化镓半导体区域。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：
所述衬底主面以给定的离轴角(-2°≤θ≤+2°)相对于m平面进行错位定向。
5.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：
所述衬底中的穿透位错在c轴方向上延伸；以及
7 -2
穿过所述衬底的c平面的穿透位错的密度为1×10cm 或更小。
6.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：
所述衬底包括第一区域和第二区域，在所述第一区域中，在c轴方向上延伸的穿透位错的密度大于第一穿透位错密度，以及在所述第二区域中，在c轴方向上延伸的穿透位错的密度小于所述第一穿透位错密度；以及
所述第一区域和所述第二区域出现在所述衬底主面上。
7.根据权利要求6所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：
7 -2
所述第二区域中的穿透位错密度小于1×10cm 。
8.一种氮化物半导体发光器件制造方法，具有以下各步骤：
制备由六方晶系的AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底；
将第一导电类型氮化镓半导体膜形成到所述衬底的主面之上；
将有源层形成到所述第一导电类型氮化镓半导体膜之上以使得能够发射波长在440nm以上到550nm以下的范围内的光；以及
将第二导电类型氮化镓半导体膜形成到所述有源层之上，所述制造方法的特征在于：
所述第一导电类型氮化镓半导体膜、所述有源层和所述第二导电类型氮化镓半导体膜被沿着一预定轴布置在所述衬底的主面上，
在所述有源层形成步骤中，以第一温度生长由六方晶系的InxGa1-xN构成的、具有第一镓组分的第一半导体层，其中0.16≤x≤0.4，x：应变组分，以及
在所述有源层的形成步骤中，以第二温度生长由六方晶系的InyGa1-yN构成的、具有第二镓组分的第二半导体层，其中0≤y≤0.05，y＜x，y：应变组分；
所述第一镓组分比所述第二镓组分低；
所述第一温度比所述第二温度低；
所述第一温度和所述第二温度之间的差为95度或更大；以及
所述六方晶系的InxGa1-xN的m平面被沿着所述预定轴定向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
从定向成c轴所生长的AlzGa1-zN半导体晶体(0≤z≤1)，切割衬底以使得与所述m轴交叉，并且所述衬底主面被抛光处理且平行于与所述m轴交叉的平面伸展。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述衬底包括多个第一区域和多个第二区域，在所述第一区域中，在c轴方向上延伸的穿透位错的密度大于第一穿透位错密度，以及在所述第二区域中，在c轴方向上延伸的穿透位错的密度小于所述第一穿透位错密度；
所述第一和第二区域交替布置；以及
所述第一和第二区域出现在衬底主面上。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：
7 -2
所述第二区域中的穿透位错密度小于1×10cm 。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述衬底主面以给定的离轴角(-2°≤θ≤+2°)相对于m平面进行错位定向。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还具备以下步骤：
在形成第一导电类型氮化镓半导体膜之前，在将含氨和氢的气体提供给所述衬底的同时热处理所述衬底。

说明书全文

氮化物 半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及氮化物半导体发光器件，并且涉及氮化物半导体发光器件的制造方法。

背景技术

[0002] 在非专利文献1中讨述了发光二极管。发光二极管形成到高电阻率GaN衬底的无位错的m平面上，且具有5个周期的掺杂硅的InGaN/GaN 量子阱结构。InGaN阱层掺杂有Si，且厚度为3nm。GaN势垒层为9nm。在对于c平面GaN最佳化的生长条件下使氮化镓半导体生长到m平面上。在环氧树脂封装之后，施加20毫安电流的峰值波长为435nm，光输出功率为1.79毫瓦，并且外部量子效率为3.1％。

[0003] 在非专利文献2中讨述了发光二极管。发光二极管形成在低位错m平面GaN衬底17 -3
上，GaN衬底的载流子密度为1×10 cm 。发光二极管具有6个周期的InGaN/GaN量子阱结构。InGaN阱层厚度为8nm。GaN势垒层为16nm。生长到m平面上的氮化镓半导体与对于c平面GaN最佳化的生长条件几乎相同。聚合物封装之后，在施加20毫安电流下的峰值波长为407nm，输出功率为23.7毫瓦，且外部量子效率为38.9％。

[0004] 在专利文献1中讨述了具有在GaN(1-100)上提供的In0.1Ga0.9N有源层的激光二极管。而且讨述了在高电阻率SiC(11-20)衬底上提供的、具有In0.15Ga0.85N阱层和In0.05Ga0.95N势垒层的面发射激光二极管。此外，讨述了在高电阻率SiC衬底的(1-100)平面或(11-20)平面上提供的具有4nm In0.2Ga0.8N阱层和4nm In0.05Ga0.95N势垒层的面发射激光二极管。 [0005] 日本未审专利申请公布No.H10-135576

[0006] 非专利文献1：Japanese Journal of Applied Physics，Vol.45，No.45，2006，pp.L1197-L1199。

[0007] 非专利文献2：Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，No.7，2007，pp.L126-L128(UCSB)。

[0008] 专利文献1：日本未审专利申请公布No.H10-135576。

发明内容

[0009] 发明要解决的问题

[0010] 在具有由氮化镓半导体构成的有源层的半导体发光器件中，由于采用了所谓的c平面GaN衬底，所以在有源层中会出现由压电效应引起的影响。另一方面，即使使用GaN，由于期望该有源层不受由压电效应引起的影响，所以证明了m平面是非极性的。非专利文献1和2阐述了在m平面上制造的InGaN/GaN量子阱结构的发光二极管。专利文献1提到了具有若干铟组成的InGaN有源层和InGaN阱层，但是几乎没有说关于发射波长或发射强度的任何细节。

[0011] 正在寻找发射波长大于非专利参考1和2的发光二极管的峰值波长的发光二极管。然而，根据本发明人的试验，如果使用将量子阱结构形成到c平面GaN上的沉积方案来将量子阱结构形成到m平面GaN上，就不能获得期望的光致发光波长。此外，各种试验的结果是：具有在m平面GaN上形成InGaN有源层的发光器件，不仅在光致发光波长方面而且在发射强度方面都趋向不同于具有在c面GaN上形成InGaN有源层的发光器件。 [0012] 考虑这些情形引出本发明的一个目的是，使得能够得到利用非极性的氮化镓半导体且提供有利的发射强度的结构的氮化物半导体发光器件，以及使得能够得到制造利用非极性氮化镓半导体且提供有利的发射强度的氮化物半导体发光器件的方法。 [0013] 解决这些问题的方式

[0014] 根据本发明的一个方面，一种氮化物半导体发光器件，提供有：(a)第一导电类型氮化镓半导体区域；(b)第二导电类型氮化镓半导体区域；以及(c)有源层，发射波长在440nm至550nm范围内的光，其提供在第一导电类型氮化镓半导体区域和第二导电类型氮化镓半导体区域之间。有源层包括由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，铟组成x：应变组分，在InxGa1-xN为100％应变时铟组成的值)构成的阱层，；阱层的厚度D大于3nm，且阱层厚度D为20nm或更小；厚度D与铟组成x存在关系为x≥-0.16×D+0.08；第一导电类型氮化镓半导体区域、有源层和第二导电类型氮化镓半导体区域沿着预定轴设置；六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴被定向。

[0015] 根据氮化物半导体发光器件，由于阱层中六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴被定向，所以有源层显示基本非极性。此外，阱层是由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成的。与利用c平面膜沉积方案形成的氮化物半导体发光器件中的非极性InGaN阱层中的铟组成相比，该非极性InGaN阱层中的铟组成更大。为此，这种情况下氮化物半导体发光器件的发射强度优于根据c平面膜沉积方案的氮化物半导体发光器件。而且，由于阱层是由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成，并且由于该阱层厚度在大于3nm和小于或等于20nm之间，所以这样的量子阱结构会产生440nm至550nm范围的发射波长。

[0016] 在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，有源层可包括由六方晶系的InyGa1-yN(0≤y≤0.05，y：应变组分)构成的势垒层。

[0017] 根据氮化物半导体发光器件，有源层可具有量子阱结构，并且六方晶系的InyGa1-yN(0≤y≤0.05，铟组成y：应变组分，在InxGa1-xN为100％应变时铟组成的值)适于非极性InGaN势垒层的铟组成。

[0018] 涉及本发明的氮化物半导体发光器件可进一步包括由AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底。在该衬底的主面上搭载有第一导电类型氮化镓半导体区域、有源层和第二导电类型氮化镓半导体区域。

[0019] 根据氮化物半导体发光器件，第一导电类型氮化镓半导体区域、有源层和第二导电类型氮化镓半导体区域可以形成到六方晶系的AlzGa1-zN半导体上，这使得其结晶度提高。

[0020] 在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，衬底主面可相对于m平面以离轴角(-2°≤θ≤+2°)被错位定向。根据氮化物半导体发光器件，在基本不受极性影响的情况下，可以获得更好的结晶度的半导体晶体。

[0021] 在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，衬底中的穿透位错在c轴方向上延伸。根据该氮化物半导体发光器件，穿透位错在c轴方向上蔓延，这意味着穿透位错基本平行于衬底主面延伸。此外，在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，穿过衬底c平面的穿7 -2
透位错的平均密度优选为1×10cm 或更小。根据该氮化物半导体发光器件，穿过c平面的穿透位错的低密度降低在生长到m平面主面上期间继承的穿透位错密度。 [0022] 在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，该衬底包括：第一区域，其中c轴方向上延伸的穿透位错密度高于第一穿透位错密度；以及第二区域，其中c轴方向上延伸的穿透位错密度低于第一穿透位错密度，第一和第二区域出现在衬底主面上。 [0023] 根据氮化物半导体发光器件，在出现在m平面主面上的第二区域上生长的半导体在穿透位错密度方面被降低。

[0024] 在涉及本发明的氮化物半导体发光器件中，第二区域中的穿透位错密度可优选小7 -2
于1×10cm 。根据该氮化物半导体发光器件，在m平面主面上出现具有穿透位错密度小于
7 -2
1×10cm 的第二区域，使得生长到第二区域上的半导体穿透位错密度很低。 [0025] 本发明的另一方面是氮化物半导体发光器件制造方法。该方法提供有：(a)准备由六方晶系的AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底的步骤；(b)在该衬底的主面上形成第一导电类型的氮化镓半导体膜的步骤；(c)在第一导电类型的氮化镓半导体膜上形成发射具有波长范围为440nm到550nm的光的有源层的步骤；以及(d)在该有源层上形成第二导电类型的氮化镓半导体膜的步骤。第一导电类型氮化镓半导体膜、有源层和第二导电类型氮化镓半导体膜在预定轴方向上设置在该衬底的主面上。在该有源层形成步骤中，以第一温度生长由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成的、具有第一镓组分的第一半导体层；并且在该有源层形成步骤中，以第二温度生长由六方晶系的InyGa1-yN(0≤y≤0.05，y＜x，y：应变组分)构成的、具有第二镓组分的第二半导体层。第一镓组分低于第二镓组分，并且第一温度低于第二温度，其中第一和第二温度之间的差为
95度或更大。六方晶系的InxGa1-xN的m平面面向预定轴方向。

[0026] 根据该方法，在六方晶系的InxGa1-xN的m平面面向预定轴方向的有源层形成中，在第一镓组分低于第二镓组分的两种类型氮化镓半导体之间的生长温度差是95度或更大，这提高了第一半导体层中的铟组成，使得能够用作阱层。

[0027] 在涉及本发明的方法中，从c轴定向生长的六方晶系的AlzGa1-zN半导体晶体(0≤z≤1)切割该衬底使得与m轴交叉，并且衬底主面被抛光处理且平行于与m轴交叉的面延伸。

[0028] 用这种方法，在c轴方向上进行晶体生长，因而穿透位错也在c轴方向上延伸。如果半导体板从六方晶系的AlzGa1-zN半导体晶体上切开以使得与m轴交叉，则提供适合形成六方晶系的InxGa1-xN的m平面面向预定轴方向的有源层的衬底。

[0029] 在涉及本发明的方法中，该衬底可包括：多个第一区域，其中c轴方向上延伸的穿透位错密度高于第一穿透位错密度；以及多个第二区域，其中c轴上延伸的穿透位错密度低于第一穿透位错密度，其中第一和第二区域交替设置，且第一和第二区域出现衬底主面上。

[0030] 根据该方法，在位于m平面主面上的第二区域上生长的半导体在穿透位错密度方面被降低。

[0031] 在涉及本发明的方法中，第二区域中的穿透位错密度可优选小于1×107cm-2。根据该方法，在不受位错不利影响的情况下，获得了更好的结晶度的半导体晶体。 [0032] 在涉及本发明的方法中，衬底主面可相对于m平面以离轴角(-2°≤θ≤+2°)被错位定向。根据该方法，在基本不受极性影响的情况下，获得具有更好的结晶度的半导体晶体。

[0033] 涉及本发明的方法可进一步在第一导电类型的氮化镓半导体膜形成之前提供在供给含氨和氢的气体的同时热处理该衬底的步骤。

[0034] 利用该方法，在氮化镓半导体生长之前在含氨和氢的气体中热处理衬底，可获得平坦的衬底表面，致使制造具有更好的发射性质的半导体发光器件。

[0035] 参考附图，由本发明优选实施例的以下详细描述，使本发明的上述目的和其他目的、特征和优点变得显而易见。

[0036] 发明的效果

[0037] 如上所述，本发明提供氮化物半导体发光器件，其使用非极性氮化镓半导体，并且具有能够提供更好的发射强度的结构。另外，本发明提供氮化物半导体发光器件制造方法，由此使用非极性氮化镓半导体，且可以提供满意的发射强度。

附图说明

[0038] 图1是示意性地描述涉及本实施例的氮化物半导体发光器件的图。 [0039] 图2是说明用于氮化物半导体发光器件的氮化镓衬底的一个实例的图。 [0040] 图3是说明用于氮化物半导体发光器件的氮化镓衬底的另一实例的图。 [0041] 图4是提出的用于制造发光器件的基本工艺步骤的图。

[0042] 图5A是(1-100)平面的x射线衍射特性(ω-2θ扫描)的绘图结果。 [0043] 图5B是(10-10)平面的x射线衍射特性(ω-2θ扫描)的结果的图。 [0044] 图6是用曲线图示在室温下通过将脉冲电流施加到裸芯片LED所获得的发射光谱的图。

[0045] 图7是绘制电流-光输出功率特性和电流-外部量子效率特性的曲线图。 [0046] 图8是示出铟组成和阱层厚度之间关系的曲线图，用于提供的有源层以使得发射波长在440nm至550nm范围的光。

[0047] 图9是示出阱层厚度和光致发光(PL)波长之间关系的曲线图。

[0048] 图10是表示随着在c平面衬底上制造的LED中增加电流的发射波长蓝移的曲线图。

[0049] 附图标记说明

[0050] Ax：预定轴

[0051] 11：氮化物半导体发光器件

[0052] 13：第一导电型氮化镓半导体区域

[0053] 15：第二导电型氮化镓半导体区域

[0054] 17：有源层

[0055] 19：量子阱结构

[0056] 21：盖层

[0057] 23：半导体层

[0058] 25：电子阻挡层

[0059] 27：接触层

[0060] 29a：阱层

[0061] 29b：势垒层

[0062] 31：衬底

[0063] 32a，32b：电极

[0064] 33，35：衬底

[0065] 33c，35c：第一区域(高位错区域)

[0066] 33d，35d：第二区域(低位错区域)

具体实施方式

[0067] 可通过考虑以下的详细说明，同时参考作为实例提出的附图，容易理解基于本发明的构思。参考附图，现在将说明与氮化物半导体发光器件和氮化物半导体发光器件制造方法有关的本发明的实施例。如果可能的话，用相同附图标记表示相同部件。 [0068] 图1是描绘涉及本实施例模式的氮化物半导体发光器件的图。氮化物半导体发光器件的实例包括发光二极管和激光二极管。氮化物半导体发光器件11提供有：第一导电类型氮化镓半导体区域13；第二导电类型氮化镓半导体区域15；以及有源层17。有源层17设置在第一导电类型氮化镓半导体区域13和第二导电类型氮化镓半导体区域15之间。有源层17可由单一的InGaN半导体阱层构成，或可具有量子阱结构19。提供有源层17以使得发射具有440nm或更大波长的光。而且，提供有源层17以使得发射具有550nm或更小波长的光。第一导电类型氮化镓半导体区域13、有源层17和第二导电类型氮化镓半导体区域15沿着预定轴Ax设置。有源层17包括由六方晶系的InxGa1-xN构成的阱层，且铟组成x由应变的组分表示。六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴Ax定向。从第一导电类型氮化镓半导体区域13和第二导电类型氮化镓半导体区域15提供的载流子被有源层17中的阱层中俘获。第一导电类型氮化镓半导体区域13的带隙和第二导电类型氮化镓半导体区域15的带隙与阱层的带隙相比更大。

[0069] 使阱层厚度达到3nm或更大能够制造具有440nm或更大发射波长的发光器件。如果阱层厚度超过20nm，则InGaN结晶度退化，且发射性质降低。

[0070] 如从图1所示的坐标所理解的，使用c轴和与c轴正交的三个轴a1、a2和a3表示六方晶系的InxGa1-xN。三个轴a1、a2和a3相对彼此成120度角(γ1、γ2和γ3)。六方晶系的c轴在正交坐标系S中指向z轴方向，且轴a3在正交坐标系S中指向x轴方向。在图1中，示出有代表性的m平面。

[0071] 在六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴Ax定向的氮化物半导体发光器件11中，0.16或更多的铟组成x适合于用于具有440nm或更大的发射波长的发光器件的有源层。此外，如果铟组成x超过0.4，则InGaN结晶度退化，且发射性质降低。

[0072] 为此的原因如下。即使形成到m平面GaN上的InGaN发光器件的铟组成与形成到c平面GaN上的InGaN发光器件的铟组成相同，与形成到c平面GaN上的InGaN发光器件相比，形成到m平面GaN上的InGaN发光器件具有更短的光致发光波长。因此，在形成到m平面GaN上的InGaN发光器件中，为了获得所希望的光致发光波长，必须生长具有较高铟组成的InGaN。此外，使波长比非专利文献1和2的发光二极管中的发射波长更长需要进一步增加铟组成。

[0073] 如上所述，根据氮化物半导体发光器件11，因为阱层中的六方晶系的InGaN的m平面面向预定轴方向，所以有源层17显示非极性。此外，有源层17中的阱层由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成。相对于在用于c平面的膜沉积条件下形成的氮化物发光器件中的非极性InGaN阱层的铟组成，该非极性的InGaN阱层的铟组成已达到较大值，因而该氮化物半导体发光器件与用于c平面的膜沉积条件下的氮化物半导体发光器件相比进一步改善了发射强度。而且，提供有源层17以使得发出具有发射波长范围从440nm到550nm的光，因为有源层17中的阱层由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：
应变组分)构成，且阱层厚度从大于3nm到20nm或更小。

[0074] 第一导电类型氮化镓半导体区域13可包括例如由具有带隙比有源层的带隙大的氮化镓半导体构成的盖层21，且氮化镓半导体例如为n型GaN。当需要时，第一导电类型氮化镓半导体区域13可包括由n型AlGaN氮化镓半导体构成的半导体层23。

[0075] 第二导电类型氮化镓半导体区域15可包括例如由具有带隙比有源层的带隙大的氮化镓半导体构成的电子阻挡层25，且氮化镓半导体例如为p型AlGaN。第二导电类型氮化镓半导体区域15可包括例如由p型氮化镓半导体构成的接触层27，且氮化镓半导体例如为p型GaN。

[0076] 在一个实施例的氮化物半导体发光器件11中，有源层17可包括量子阱结构19。量子阱结构19可包括阱层29a和势垒层29b。阱层29a和势垒层29b可交替地设置。在氮化物半导体发光器件11中，阱层29a可由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成。此外，有源层17中的势垒层29b可由六方晶系的InyGa1-yN(0≤y≤0.05，y：
应变组分)构成。六方晶系的InyGa1-yN适合于用于非极性InGaN势垒层的铟组成。六方晶系的InyGa1-yN可具有0或更大的铟组成。而且，六方晶系的InyGa1-yN可具有0.05或更小的镓组分。这是因为满意的能量势垒形成在阱层之间。镓组分由应变组分表示。每个势垒层29b可具有5nm 或更大的厚度。这是因为载流子在阱层中被充分地俘获。此外，每个势垒层29b可具有20nm或更小的厚度。这是因为可以获得足够低的器件电阻率。势垒层29b例如由GaN或InGaN构成。

[0077] 氮化物半导体发光器件11可附加地包括由六方晶系的AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底31。衬底31可优选地显示导电性。在衬底31的主面31a上搭载有第一导电类型氮化镓半导体区域13、有源层17和第二导电类型氮化镓半导体区域15。因为第一导电类型氮化镓半导体区域13、有源层17和第二导电类型氮化镓半导体区域15可以形成到六方晶系的AlzGa1-zN半导体上，所以改善了它们的结晶度。作为衬底31的材料，例如可以利用GaN、AlGaN或AlN。可优选的是衬底31的材料为n型GaN。在衬底31的背面31b上形成电极32a(如阴极)，且在接触层27上形成不同的电极32b(如阳极)。 [0078] 衬底31的主面31a可平行m平面，或可相对于m平面以给定的离轴角被错位定向(misorient)。离轴角AngleOFF是由衬底31的主面31a的法线形成的和由m平面的法线形成的角来定义。离轴角AngleOFF，例如在c轴方向上可以在-2°≤θ≤+2°的角度范围内，或在a轴方向上可以在-2°≤θ≤+2°的角度范围内。根据衬底31，在不受到极性的影响的情况下，可以获得具有满意的结晶度的半导体晶体。

[0079] 在氮化物半导体发光器件11中，衬底31中的穿透位错在c轴方向上延伸。穿透位错在c轴方向上蔓延，这指的是它们基本平行于衬底31的主面31a延伸。此外，穿过衬7 -2
底31的c平面的穿透位错的平均密度可优选为1×10cm (例如，随机分布的穿透位错的密度)或更小。根据衬底31，穿过c平面的穿透位错的低密度在m平面主面上的生长期间还降低继承的穿透位错的密度。这种衬底31从在c轴方向上生长的六方晶系的AlzGa1-zN半导体晶体(0≤z≤1)切开以使得与m轴交叉，且主面31a平行于受到抛光工艺的平面延伸，且与m轴交叉。用于衬底31的半导体晶体在c轴方向上增长，因而穿透位错也在c轴方向上延伸。在半导体板从六方晶系的AlzGa1-zN半导体晶体切开以使得与m轴交叉的情形下，衬底31适合于形成其中六方晶系的InxGa1-xN的m平面沿着预定轴Ax被定向的有源层。

[0080] 图2是示出用于氮化物半导体发光器件11的氮化镓衬底的一个实例的图。而且在图2中，如同图1一样，示出用于六方晶系晶体的坐标。在图2中，c平面用附图标记“C”表示，且m平面用附图标记“M”表示。一个实例的氮化镓衬底33的第一表面33a具有：第一领域，其中第一区域(高位错区域)33c具有相对高的穿透位错密度出现；以及第二领域，其中第二区域(低位错区域)33d具有相对低的穿透位错密度出现。第一区域33c和第二区域33d交替地设置，且在第一表面33a上，第一领域为条形。大部分穿透位错在c轴方向上蔓延。生长到出现在m平面主面上的第二区33d的半导体在穿透位错密度方面被降低。应明白，如已经说明的，氮化镓衬底33的第一表面33a可以相对于m平面以特定角度倾斜。 [0081] 在c平面上，第二区域33d中的穿透位错密度可优选例如为1×107cm-2或更小。因7 -2
为穿透位错密度为1×10cm 或更小的第二区域33d位于m平面主面上，所以生长到第二区域33d上的半导体的穿透位错密度很低。

[0082] 图3是示出用于氮化物半导体发光器件11的氮化镓衬底的另一实例的图。而且在图3中，如同图1一样，示出用于六方晶系晶体的坐标。在图3中，c平面用附图标记“C”表示，且m平面用附图标记“M”表示。一个实例中的氮化镓衬底35的第一表面35a具有：第一领域，其中第一区域35c(高位错区域)具有相对高的穿透位错密度出现；以及第二领域，其中第二区域35d(低位错区域)具有相对低的穿透位错密度出现。第一区域35c设置在第二区域35d的内部。因此，在第一表面35a上，第一领域以点的形式设置在第二领域内部。大部分穿透位错在c轴方向上蔓延。生长到出现在m平面主面上的第二区35d上的半导体在穿透位错密度方面被降低。应明白，如已经说明的，氮化镓衬底35的第一表面35a可以相对于m平面以特定角度倾斜。在c平面上，第二区域35d中的穿透位错密度可优选
7 -2
例如为1×10cm 或更小。切开m平面使得第一区域(高位错区域)35c不出现在第一表面35a上，使得能够制造其中第二区域(低位错区域)35d单独出现在第一表面35a上的衬
7 -2
底。其中穿透位错密度在m平面主面上为1×10cm 或更小的第二区域35d的出现使得生长到第二区域35d的半导体的穿透位错密度很低。

[0083] 实施例1

[0084] 如下所述，可以制造提供包括有源层以使得发射具有波长范围从440nm到550nm的光的发光器件。在该实施例中，通过金属有机汽相外延制造了蓝光发光器件。使用三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、氨、甲硅烷和环戊二烯基镁作为金属有机汽相外延的原料。图4是表示用于制造发光器件的主要步骤流程100的流程图。

[0085] 如图4表示的，在步骤S 101中，准备由六方晶系的AlzGa1-zN半导体(0≤z≤1)构成的衬底。在该实施例中，切开在(0001)方向上生长的、沿着c平面具有穿透位错密度6 -2
小于1×10cm 且缺陷集中区域条形分布的低缺陷区域的n型GaN晶体，以形成GaN独立式的晶体，然后抛光该GaN独立式的晶体以制造m平面GaN(10-10)衬底。

[0086] 在步骤S103中，在第一导电类型氮化镓半导体膜形成之前，热处理m平面GaN衬底同时供给含氨和氢的气体。对于该步骤，n型m平面GaN衬底放置在基座上，且炉中的压力被控制到30kPa，将氨和氢供给了炉内部，以在1,050摄氏度的衬底温度执行清洁10分钟。由于该热处理，容易获得平面的衬底表面，且可以制造具有更好的发射性质的半导体发光器件。

[0087] 在步骤S105中，将第一导电类型氮化镓半导体膜随后形成到衬底主面上。在该实施例中，衬底温度被升高到1,100摄氏度，然后生长n 型Al0.12Ga0.88N层。对于该生长，主要利用氢作为载气，并且供给三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铝(4.3μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和甲硅烷。AlGaN膜厚度例如为50nm。

[0088] 接下来，暂时中止生长以将衬底温度升高到1,150摄氏度，然后生长n型GaN层。对于n型GaN层生长，主要利用氢作为载气，且供给三甲基镓(244μmol/分钟)、氨(0.33mol/分钟)和甲硅烷。GaN膜具有例如2μm的膜厚度。

[0089] 接着，在步骤S107中，将发射具有波长范围从440nm到550nm的光的有源层形成到第一导电类型氮化镓半导体膜上。对于该步骤，暂时中止生长以将衬底温度升高到880摄氏度，然后生长In0.01Ga0.99N势垒层。势垒层厚度例如为15nm。对于势垒层生长，主要利用氮作为载气，且供给三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铟(1.6μmol/分钟)和氨(0.27mol/分钟)。在生长了InGaN势垒层之后，将衬底温度降到780摄氏度，然后生长In0.27Ga0.73N阱层。阱层厚度例如为4nm。对于阱层生长，主要利用氮作为载气，且供给三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铟(24μmol/分钟)和氨(0.36mol/分钟)。重复未掺杂的势垒层生长和未掺杂的阱层生长以形成例如6周期的量子阱层。

[0090] 接下来，在步骤S109中，将第二导电类型氮化镓半导体膜形成到有源层上。对于该步骤，再次中止生长以将衬底温度升高到1,050摄氏度，然后生长p型Al0.15Ga0.85N电子阻挡层。对于电子阻挡层生长，主要利用氢作为载气，并且供给三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铝(2.3μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和环戊二烯基镁。电子阻挡层厚度例如为20nm。

[0091] 在生长p型AlGaN电子阻挡层之后，生长p型GaN层。对于GaN层生长，主要利用氢作为载气，且供给三甲基镓(99μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和环戊二烯基镁。GaN层厚度例如为25nm。

[0092] 在生长p型GaN层之后，生长p型GaN接触层。p型GaN接触层厚度例如为25nm。对于GaN接触层生长，主要利用氢作为载气，且供给三甲基镓(67μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和环戊二烯基镁。通过这些步骤，生产用于发光二极管(LED)的外延衬底。外延衬底中的每个氮化镓半导体膜的m平面基本平行于沿着GaN衬底主面延伸的平面。 [0093] 随后，从炉中取出GaN衬底，并且执行(1-00)平面的x射线衍射特性(ω-2θ扫描)。图5A是示出测量x射线角分布的结果的图。根据测量，InGaN阱层中In组分接近2 -3 2
27％。用合适的金属材料，将400μm(作为电极表面积，例如1.6×10 cm)的半透明p电极形成到外延衬底中的p型GaN层上，以及将n型电极形成到GaN衬底的背面上。由此制造了LED器件。

[0094] 图6用曲线图示通过在室温下将脉冲电流施加到该裸芯片LED上所获得的发射光谱。图7是绘制电流-光输出功率特性、以及电流-外部量子效率特性的图。峰值发射波2
长为462nm，其是纯蓝色。在20mA的电流(12.5A/cm 的电流密度)下，光输出功率为1.4mW
2
并且外部量子效率是2.6％。在200mA的电流(125A/cm 的电流密度)下，光输出功率为
13.2mW且外部量子效率是2.4％。该芯片被模制在环氧树脂聚合物中，以制造 LED灯。在
2
模制后的特征中，在20mA的电流(12.5A/cm 的电流密度)下，峰值波长为462nm，光输出功率为4.2mW，且外部量子效率为7.8％。

[0095] 在该LED中，在GaN衬底主面上搭载有第一导电类型的氮化镓半导体膜、有源层和第二导电类型的氮化镓半导体膜，且以预定轴方向顺序地设置。在第一温度TW下生长由六方晶系的InxGa1-xN(0.16≤x≤0.4，x：应变组分)构成的、具有第一镓组分的用于阱的半导体层，以及在第二温度TB下生长由六方晶系的InyGa1-yN(0≤y≤0.05，y＜x，y：应变组分)构成的、具有第二镓组分的用于势垒的半导体层。第一镓组分低于第二镓组分，并且第一温度TW低于第二温度TB，第一温度TW和第二温度TB之间的差为95度或更多。根据该方法，在其中六方晶系的InxGa1-xN的m平面朝向预定轴方向的有源层形成时，因为其中第一镓组分低于第二镓组分的两种类型氮化镓半导体之间的生长温度差是95度，所以增加了第一半导体层中的铟组成使其适合作为阱层。

[0096] 图8是示出铟组成和阱层厚度之间关系的曲线图，用于提供的有源层以使得发射波长范围从440nm至550nm的光。区域“A1”中的有源层可以发射波长范围从440nm至550nm的光。在区域“A2”中，铟组成对于有源层太低，以致于不能发射波长为440nm或更大的光。在区域“A3”中，阱层对于有源层太薄，以致于不能发射波长为440nm或更大的光。在区域“A4”中，由于铟组成-阱层厚度关系而使有源层不能发射具有波长为440nm或更大的光。
在区域“A5”中，铟组成太高，以致于不能生产具有更好的结晶度的InGaN晶体。在图8中， [0097] 线L1：x＝0.4，

[0098] 线L2：x＝0.16，

[0099] 线L3：D＝3，

[0100] 线L4：x＝-0.16×D+0.88，以及

[0101] 线L5：D＝20。

[0102] 点P1至P5表示分别测量395nm、420nm、460nm、474nm和477nm波长的点。对于用于提供的有源层以使得发射具有波长范围从440nm到550nm的光的有源层的铟组成-阱层厚度关系，线L1至L5围绕的区域(包括边界线)是可优选的。

[0103] 如将从图8提到的，增加铟是有挑战性的。通过在衬底的温度为750摄氏度的情况下执行InGaN阱层的生长，同时具有与先前的实施例1相同的其他条件，来制造用于LED的外延衬底。外延衬底外表变黑，且没有观察到来自其量子阱发射层的光致发光光谱。图5B是示出在外延衬底的(10-10)平面上的x射线衍射特性(ω-2θ扫描)的结果的曲线图。在量子阱发射层中没有观察到伴峰，这意味着未形成量子阱结构。铟组成大概超过了
40％。因而，增加InGaN生长中的铟组成会导致结晶度的极度退化。

[0104] 另外，通过将InGaN阱层生长的三甲基铟供给量设定为58μmol/分钟，同时具有与先前的实施例1相同的其他条件，来制造用于LED的外延衬底。外延衬底外表变黑，且未测量到来自其量子阱发射层的任何光致发光光谱。(10-10)平面的x射线衍射特性(ω-2θ扫描)的结果表明，没有观察到量子阱发射层中的伴峰。也就是说，没有形成量子阱结构。铟组成大概超过了40％。而且根据这些结果，应该理解增加铟组成会导致结晶度的极度退化。

[0105] 因此，为了制造利用m平面的发光器件，重要的是控制阱层厚度和阱层中的铟组成，以及扩大阱层和势垒层之间的生长温度差。

[0106] 将说明另外的实施例。在与实施例1相同的生长条件下，将InGaN阱层的厚度改变为3nm、4nm和5nm以制造LED结构的外延衬底。图9表示阱层厚度和PL光谱W3、W4和W5之问的关系。阱层越厚，PL波长就越长。参考图9，PL波长在4nm的阱宽处为460nm，且在5nm的阱宽处为475nm。

[0107] 以与实施例1相同的方式利用外延衬底制造LED的结果，如同实施例1一样可以获得高的光输出功率和外部量子效率。例如，峰值发射波长为470nm，其为纯蓝色。在2
20mA(电流密度为12.5A/cm)的电流下，光输出功率为1.6mW，且外部量子效率为3.0％。在
2
200mA(电流密度为125A/cm)的电流下，光输出功率为13.7mW，且外部量子效率为2.6％。
用环氧树脂聚合物模制芯片以制造LED灯。在模制后的测定中，在20mA(电流密度为12.5A/
2
cm)的电流下，峰值波长为470nm。光输出功率为4.8mW，且外部量子效率为9.0％。 [0108] 利用除了GaN衬底之外的衬底来制造LED。在与实施例1相同的条件下，代替n型m平面GaN(10-10)衬底，在4H-SiC(10-10)衬底和LiAlO2(100)衬底上生长LED的外延结构来制造LED。出现了大量沉积缺陷，且仅获得很弱的输出。

[0109] 此外，利用c平面GaN衬底来制造LED。如下，通过金属有机汽相外延来制造蓝光发光器件。将三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、氨、甲硅烷和环戊二烯基镁作为原料。通过切6 -2
片和抛光在(0001)方向上生长的、具有穿透位错密度小于1×10cm 且缺陷集中区域以线形式分布的低缺陷区域的n型GaN来制造c平面GaN衬底。

[0110] 在基座上放置n型c平面GaN(0001)衬底，且在炉的压力控制为30kPa下，将氨和氢气引入到炉中，在1,050摄氏度的衬底温度下执行清洁10分钟。之后，使衬底温度升高至1,100℃，然后主要利用氢作为载气，引入三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铝(4.3μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和甲硅烷以生长50nm厚的n型AlGaN层(Al组成：12％)。接下来，暂时中止生长以将衬底温度升高至1,150摄氏度，然后主要利用氢作为载气，引入三甲基镓(244μmol/分钟)、氨(0.33mol/分钟)和甲硅烷来生长2μm厚的n型GaN层。 [0111] 接下来，暂时中止生长以将衬底温度下降到880摄氏度，然后主要利用氮作为载气，引入三甲基镓(24μmol/分钟)、三甲基铟(1.6μmol/分钟)和氨(0.22mol/分钟)以生长15nm厚的InGaN势垒层(In组成：1％)。在势垒层生长之后，将衬底温度下降到800摄氏度，且主要利用氮作为载气，引入三甲基镓(16μmol/分钟)、三甲基铟(13μmol/分钟)和氨(0.36mol/分钟)，以生长3nm厚的InGaN阱层。重复这些步骤以形成6周期的量子阱发射层。

[0112] 随后，再次中止生长以将衬底温度升高至1,050摄氏度，然后主要利用氢作为载气，引入三甲基镓(17μmol/分钟)、三甲基铟(2.8 μmol/分钟)、氨(0.22mol/分钟)和环戊二烯基镁，以生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层(Al组分：18％)。随后，主要利用氢作为载气，引入三甲基镓(99μmol/分钟)、氨(0.22μmol/分钟)和环戊二烯基镁，以生长25nm厚的p型GaN层。接下来，主要利用氢作为载气，引入三甲基镓(67μmol/分钟)、氨(0.22μmol/分钟)和环戊二烯基镁，以生长25nm厚的p型GaN接触层。

[0113] 之后，从炉内部取出GaN衬底以执行x射线衍射特性(ω-2θ扫描)，结果是InGaN2
阱层中的In组成接近10％。在用于LED的该外延结构中，用适当的金属材料，将400μm(电-3 2
极表面积：1.6×10 cm)半透明p电极形成到p型GaN层上，并且将n电极形成到GaN衬底的背面上，以制造LED器件。如图10所示，虽然在室温下向具有裸芯片的LED施加脉冲电流，能获得460nm波长且具有纯蓝色的高发射效率，但在增加电流的情况下会观察到发射波长的蓝移。另一方面，在实施例1的LED中，在增加电流的情况下没有观察到发射波长的蓝移。

[0114] 虽然已说明和描述了本发明优选实施例中的原理，但本领域技术人员将认识到，本发明可以在设置和细节方面改变，而不背离这种原理。本发明不限于本实施例中公开的特定构造。因此，要求保护专利权利要求范围内的权利以及不脱离其范围和精神的所有修改和改变。

标题	发布/更新时间	阅读量
量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器	2020-05-08	993
一种高应力下钙质砂的剪切强度确定方法	2020-05-08	965
组合板结构承载力测试装置及测试方法	2020-05-08	790
锥台形屋架高空定位施工方法	2020-05-08	486
扭矩检测器及扭矩检测器的制造方法	2020-05-11	580
一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法	2020-05-08	978
一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置及方法	2020-05-08	665
一种石墨烯压力传感器	2020-05-08	10
压电器件以及压电器件的制造方法	2020-05-08	772
一种高效力学试验应变片焊接装置	2020-05-08	302

氮化物半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造方法

氮化物半导体发光器件以及氮化物半导体发光器件的制造

技术领域

背景技术

发明内容

附图说明

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：