CN102891232B - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体发光器件及其制造方法。该半导体发光器件，包括：第二电极；第一掺杂类型的第一半导体层，与第二电极电性连接；有源层，形成于第一半导体层上；第二掺杂类型的第二半导体层，形成于有源层上；第一掺杂类型的第一简并半导体层，形成于第二半导体层上；第二掺杂类型的第二简并半导体层，形成于第一简并半导体层上；第一电极，与第二简并半导体层电性连接。本发明通过在半导体发光器件***正偏的隧穿pn结，大幅增强功率型半导体发光器件的电流分布均匀性，解决电流集边效益。

Description

半导体发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光器件及其制造方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，半导体发光器件的应用越来越广泛。所谓的半导体发光器件，包括半导体发光二极管和激光二极管，是以化合物半导体材料为基础，经外延、管芯制作、后道封装等工艺制程的器件，其广泛应用于信息处理及通信等技术领域。

对于半导体发光器件而言，其出光面的电极面积总是只占据其对应工作区的一小部分，器件在工作时注入的电流容易集中在靠近电极的地方而不能有效地在整个器件内扩展开，导致注入到结区电流分布不均，这种效应叫做电流集边效应。对于普通的功率型二极管，电流集边效应是普遍存在的一个问题。电流集边效应容易引起发光器件局部过热而击穿，会降低器件的工作寿命，限制器件的额定功率。此外，电流集边效应还会大幅的降低发光效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种半导体发光器件及其制造方法，以抑制半导体发光器件中的电流集边效应。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体发光器件，包括：第二电极；第一掺杂类型的第一半导体层，与第二电极电性连接；有源层，形成于第一半导体层上；第二掺杂类型的第二半导体层，形成于有源层上；第一掺杂类型的第一简并半导体层，形成于第二半导体层上；第二掺杂类型的第二简并半导体层，形成于第一简并半导体层上；第一电极，与第二简并半导体层电性连接；其中，第一掺杂类型和第二掺杂类型分别为p型掺杂和n型掺杂中的一种；第一简并半导体层与第二简并半导体层的界面处形成第一隧穿pn结；第二半导体层与第一简并半导体层的界面处形成第二隧穿pn结。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种半导体发光器件的制备方法，包括：在衬底上依次沉积第一半导体层、有源层、第二半导体层、第一简并半导体层、第二简并半导体层，其中，第一半导体层和第一简并半导体层为第一掺杂类型；第二半导体层和第二简并半导体层为第二掺杂类型，第一掺杂类型和第二掺杂类型分别为p型掺杂和n型掺杂中的一种；第一简并半导体层与第二简并半导体层的界面处形成第一隧穿pn结；第二半导体层与第一简并半导体层的界面处形成第二隧穿pn结；形成第二电极和第一电极，该第二电极与第一半导体层电性连接，第一电极与第二简并半导体层电性连接。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明半导体发光器件及其制造方法具有以下有益效果：

(1)通过设置第一隧穿pn结，当第一电极层200与第二电极层100之间开始施加正压降时，微区垂直方向电流将达到饱和，此时第一隧穿pn结有一部分区域的纵向电流可以处于饱和状态，该部分区域的纵向电流是均一的，最大限度的抑制了电流集边效应；

(2)通过设置第二隧穿pn结，当第一电极层200与第二电极层100之间开始施加正压降时，该第二隧穿pn结将反向导通，起到在n型简并半导体层42与p型半导体之间形成良好的电连接的作用。

综上所述，第一隧穿pn节和第二隧穿pn结的特性使注入到有源层中的电流分布均匀化，从而提高了发光器件的电流分布均匀性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的半导体发光器件的结构示意图；

图2为隧穿p-n结的电流-电压关系曲线；

图3A为图1所示半导体发光器件各层薄膜沉积后的结构示意图；

图3B为图1所示半导体发光器件衬底移除后的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的另一种半导体发光器件的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的又一种半导体发光器件的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的再一种半导体发光器件的结构示意图。

【主要元件符号说明】

200-第一电极层；    41-p型简并半导体层；

42-n型简并半导体层；61-p型半导体层；

50-有源层；         31-n型半导体层；

100-第二电极层；    43-n型简并半导体层；

44-p型简并半导体层；62-n型半导体层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种半导体发光器件。请参照图1，该半导体发光器件包括：第一电极层200；p型简并半导体层41，位于所述第一电极层200上；n型简并半导体层42，位于所述p型简并半导体层41上，在该n型简并半导体层42和所述p型简并半导体层41的界面处形成第一隧穿pn结；p型半导体层61，位于所述n型简并半导体层42上，在该p型半导体和所述n型简并半导体层42的界面处形成第二隧穿pn结；有源层50，位于所述p型半导体层61上；n型半导体层31，位于所述有源层50上；第二电极层100，位于所述n型半导体层31上。

采用图1所示结构的半导体发光器件中，其采用的一般为绝缘衬底，例如了蓝宝石衬底、MgO和金刚石。在这种情况下，第一电极层200为将绝缘衬底刻蚀后(在形成第一电极以后再移除)沉积在p型简并半导体层41的另一面的导电金属薄膜，其同时起到导电、支撑的作用，可以由镍(Ni)、银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)中的一种组成。

本实施例中，有源层50可以是单量子阱结构或多量子阱结构，例如InGaN阱层/GaN垒层的堆叠结构。

本实施例中，p型简并半导体层41、n型简并半导体层42、p型半导体层61、有源层50、n型半导体层31均是基于同一种半导体材料形成，其区别仅在于掺杂的类型和浓度。

上述半导体材料可以是：Si、Ge、SiC、ZnO、ZnSe、ZnS、III族氮化物系、III族磷化物系、III族砷化物系。其中，III族氮化物系指的是AlInGaN四元合金，该四元合金中，Al、In、Ga元素之和与N元素相同，其比例可以适当调整，甚至可以为0。III族磷化物系指的是AlInGaP四元合金，该四元合金中，Al、In、Ga元素之和与P元素相同，其比例可以适当调整，甚至可以为0。III族As化物系指的是AlInGaAs四元合金，该四元合金中，Al、In、Ga元素之和与As元素相同，其比例可以适当调整，甚至可以为0。

对于上述半导体材料，如果是n型掺杂，则应当掺杂施主杂质，例如：如果半导体材料为Si，则掺杂元素可以为P，或如果半导体材料为GaN，则掺杂元素可以为Si。如果是p型掺杂，则应当掺杂受主杂质，例如：如果半导体材料为Si，则掺杂元素可以为B，或如果半导体材料为GaN，则掺杂元素可以为Mg。

在图1所示的半导体发光器件中，n型简并半导体层为具有高浓度施主杂质的半导体，其掺杂浓度应当大于10²⁰cm^-3。例如，简并n型硅是通过在硅中掺入2.3×10²⁰cm^-3以上磷原子来实现。p型简并半导体层为具有高浓度受主杂质的半导体，其掺杂浓度应当大于10¹⁸cm^-3。简并p型硅是通过在硅中掺入10¹⁸cm^-3以上硼原子来实现。对于n型半导体层和p型半导体层，本领域技术人员可以根据需要进行调整，本发明不进行限定。此外，所述第一简并半导体层和第二简并半导体层的厚度均介于1纳米至1微米的范围之内，优选的为50纳米至100纳米。本领域技术人员可以根据需要选择合适的厚度。

图2为分别以Ge、Si和GaAs为半导体材料的隧穿pn结的电流-电压关系曲线。请参照图1与图2，当第一电极层200与第二电极层100之间开始施加正压降时，该第一隧穿pn结将正向开启，随着第一电极层200与第二电极层100之间正压降逐渐加大，该第一隧穿pn结的微区垂直方向动态电阻将从一个非常小的值增加到接近无穷大，微区垂直方向电流将达到饱和，此时第一隧穿pn结有一部分区域的纵向电流可以处于饱和状态，显然该部分区域的纵向电流是均一的，从而最大限度的抑制了电流集边效应。同时，当第一电极层200与第二电极层100之间开始施加正压降时，该第二隧穿pn结将反向导通，起到在n型简并半导体层42与p型半导体之间形成良好的电连接的作用。可见，第一隧穿pn节和第二隧穿pn结的特性使注入到有源层50中的电流分布均匀化，从而提高了发光器件的电流分布均匀性。

以下将介绍几种基于图1所示半导体发光器件的几种变形的方案。在介绍该几种变形方案时，在介绍其具体结构时，将省略与图1完全相同的部分。

图4为根据本发明实施例的另一种半导体发光器件的结构示意图。如图4所示，该半导体发光器件包括：第一电极层200；n型简并半导体层43，位于所述第一电极层200上；p型简并半导体层44，位于所述n型简并半导体层43上，在该p型简并半导体层42和所述p型简并半导体层41的界面处形成第一隧穿pn结；n型半导体层62，位于所述p型简并半导体层44上，在该n型半导体和所述p型简并半导体层42的界面处形成第二隧穿pn结；有源层50，位于所述n型半导体层62上；p型半导体层32，位于所述的有源层50上；第二电极层100，位于所述p型半导体层32上。

可见，图4所示的半导体发光器件与图1相比，其只是将半导体材料掺杂类型由p型变成n型，由n型改为p型，其实现抑制电流集边效应的原理类似，此处不再赘述。

基于图1所示的半导体发光器件，图5为根据本发明实施例的再一种半导体发光器件的结构示意图。与图1所示半导体发光器件不同的是，图5所示半导体发光器件的衬底10为导电衬底，因此可以保留衬底10，第二电极层100可以直接在衬底10的表面形成。该导电衬底的材质选自于以下其中之一：硅、锗、碳化硅、砷化镓、磷化铟等。

基于图1所示的半导体发光器件，图6为根据本发明实施例的又一种半导体发光器件的结构示意图。与图1所示半导体发光器件不同的是，图6所示半导体发光器件的衬底10虽然也是绝缘的，其预设位置的所述第二简并半导体层(41)、第一简并半导体层(42)、第二半导体层(61)和有源层(50)被刻蚀，形成暴露所述第一半导体层的台阶；所述第二电极层100的导电金属薄膜形成于所述台阶上。

可见，基于图1所示的半导体发光器件，其具有图5、图6两种形式的变形。同样，基于图4所述的半导体发光元件也具有类似的两种变形，此处不再赘述。

下文以***隧穿pn结的氮化镓(GaN)基垂直结构发光二极管(LED)为例对图1所示具体的半导体发光器件的制备过程进行说明。

参照图1，***隧穿pn结的GaN基LED的结构由下至上包括p电极(由Ni/Ag/Ni/Au薄膜和铜衬底组成)200、重掺杂的p型GaN层41、重掺杂的n型GaN层40、p型GaN层61、InGaN/GaN多量子阱叠层50、n型GaN层31，以及n电极层100(由Al/Ti/Au薄膜)。该器件的制备包括以下过程：

步骤A，参照图3A，将一个蓝宝石衬底10放入MOCVD反应炉中，依照现有的铟镓铝氮(Al/In/GaN)半导体材料生长工艺，生长GaN基LED的叠层结构。该结构从下到上依次包括n型GaN层31、InGaN/GaN多量子阱有源层50、p型GaN层61、重掺杂n型GaN层42和重掺杂p型GaN层41。半导体叠层结构生长完后，在760℃下氮气气氛中对该半导体叠层结构进行热退火20分钟。然后该半导体叠层结构上表面沉积Ni/Ag/Ni/Au金属薄膜，在该金属薄膜上电镀厚度200微米的铜层，作为第一电极层；

步骤B，参照图3B，采用激光剥离技术将该结构的蓝宝石衬底移除，并使用5％盐酸溶液将该结构清洗干净；

采用光刻、电子束蒸发和金属剥离的方法在移除蓝宝石衬底后露出的n型氮化镓层上制作n电极层200，该n电极层是图形化Al/Ti/Au金属薄膜。至此就得到本发明的***隧穿pn结的氮化镓(GaN)基垂直结构发光二极管，如图1所示。

下文以***隧穿pn结的GaN基横向结构发光二级管为例对图6所示的具体半导体发光器件的制备过程进行说明。

参照图6，***隧穿pn结的GaN基横向结构发光二级管由下至上包括蓝宝石衬底10、n型GaN层31、n电极层100(Cr/Pt/Au薄膜)、InGaN/GaN多量子阱叠层50、p型GaN层61、n型重掺GaN层42、p型重掺GaN层41、ITO透明电极层70以及p电极层200(由Cr/Pt/Au薄膜)。该器件的制备包括以下过程：

步骤A，参照图3A，将一个蓝宝石衬底10放入MOCVD反应炉中，依照现有的铟镓铝氮(Al/In/GaN)半导体材料生长工艺，生长GaN基LED的叠层结构。该结构从下到上依次包括n型GaN层31、InGaN/GaN多量子阱有源层50、p型GaN层61、重掺杂n型GaN层42和重掺杂p型GaN层41。半导体叠层结构生长完后，在760℃下氮气气氛中对该半导体叠层结构进行热退火20分钟。然后该半导体叠层结构上表面沉积ITO透明电极薄膜70。

步骤B′，参照图6，光刻刻蚀台面，暴露n型GaN层31；

步骤C′，参照图6，采用光刻、电子束蒸发和金属剥离的方法在暴露的n型GaN层和ITO透明电极层上同时制作n电极层100和p电极层200。至此就得到如图6所示的***隧穿pn结的GaN基横向结构发光二级管。

根据上述描述，本领域技术人员可以清楚的知道上述给出的几种变形方案对应半导体发光器件的制备方法，将不再重复描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种半导体发光器件，其特征在于，包括：

第二电极；

第一掺杂类型的第一半导体层(31)，与所述第二电极电性连接；

有源层(50)，形成于所述第一半导体层(31)上；

第二掺杂类型的第二半导体层(61)，形成于所述有源层(50)上；

第一掺杂类型的第一简并半导体层(42)，形成于所述第二半导体层(61)上；

第二掺杂类型的第二简并半导体层(41)，形成于所述第一简并半导体层(42)上；

第一电极，与所述第二简并半导体层(41)电性连接；

其中，所述第一掺杂类型和第二掺杂类型分别为p型掺杂和n型掺杂中的一种；所述第一简并半导体层(42)与所述第二简并半导体层(41)的界面处形成第一隧穿pn结；所述第二半导体层(61)与所述第一简并半导体层(42)的界面处形成第二隧穿pn结。

2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二电极包括：导电金属层(100)，该导电金属层(100)形成于所述第一半导体层(31)远离有源层(50)的另一面。

3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二电极包括：导电衬底(10)和导电金属层(100)；

其中，所述第一半导体层(31)和导电金属层(100)分别形成于所述导电衬底(10)的两面。

4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，还包括：绝缘衬底(10)，所述第一半导体层(31)形成于该绝缘衬底(10)上；

预设位置的所述第二简并半导体层(41)、第一简并半导体层(42)、第二半导体层(61)和有源层(50)被刻蚀，形成暴露所述第一半导体层的台阶；

所述第二电极层包括：导电金属层(100)，形成于所述台阶上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体发光器件，其特征在于，在所述发光器件开启时，所述第一隧穿pn结在处于正向偏置状态；所述第二隧穿pn结处于反向偏置状态。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二简并半导体层(41)、第一简并半导体层(42)、第二半导体层(61)、有源层(50)、第一半导体层(31)为基于以下群组中的同一种半导体材料形成：Si、Ge、SiC、ZnO、ZnSe、ZnS、III族氮化物系材料、III族磷化物系材料和III族砷化物系材料。

7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于：对于n型简并半导体层，其掺杂浓度大于10²⁰cm^-3，对于p型简并半导体层，其掺杂浓度大于10¹⁸cm^-3。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第一简并半导体层和第二简并半导体层的厚度均介于1纳米至1微米的范围之内。

9.一种半导体发光器件的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上依次沉积第一半导体层(31)、有源层(50)、第二半导体层(61)、第一简并半导体层(42)、第二简并半导体层(41)，其中，所述第一半导体层(31)和第一简并半导体层(42)为第一掺杂类型；所述第二半导体层(61)和第二简并半导体层(41)为第二掺杂类型，所述第一掺杂类型和第二掺杂类型分别为p型掺杂和n型掺杂中的一种；所述第一简并半导体层(42)与所述第二简并半导体层(41)的界面处形成第一隧穿pn结；所述第二半导体层(61)与所述第一简并半导体层(42)的界面处形成第二隧穿pn结；

形成第二电极和第一电极，该第二电极与第一半导体层(31)电性连接，所述第一电极与所述第二简并半导体层(41)电性连接。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述形成第二电极的步骤包括：

移除所述衬底；

在所述第一半导体层(31)远离有源层(50)的另一面沉积导电金属层(100)，以形成所述第二电极。

11.根据权利要求10所述的半导体发光器件制备方法，其特征在于，所述移除衬底的步骤包括：

采用激光剥离法将所述衬底的主体部分移除；

采用腐蚀溶液去除所述叠层上所述衬底的残余部分。

12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为导电衬底(10)；

所述形成第二电极的步骤包括：在所述导电衬底远离所述第一半导体层(31)的另一面沉积导电金属层(100)，以形成第二电极。

13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述形成第二电极的步骤包括：

刻蚀预设位置的所述第二简并半导体层、第一简并半导体层、第二半导体层和有源层(50)，形成暴露所述第一半导体层的台阶；

在所述台阶上沉积导电金属层(100)，形成第二电极。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的半导体发光器件制备方法，其特征在于，所述第一半导体层(31)、有源层(50)、第二半导体层(61)、第一简并半导体层(42)、第二简并半导体层(41)的步骤之后还包括：

在氮气气氛下，对所述由第一半导体层(31)、有源层(50)、第二半导体层(61)、第一简并半导体层(42)、第二简并半导体层(41)构成的叠层结构进行退火，其中，退火温度大于600℃。