CN104733579A - 半导体发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
半导体发光器件及其制备方法，半导体发光器件包括衬底、形成于衬底上的结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、过渡层、多量子阱层和P型氮化镓层；还包括低温氮化镓层，低温氮化镓层形成于N型氮化镓层上，且其上形成若干凹坑；应力释放层，应力释放层的厚度小于100nm并由依次形成于低温氮化镓层上的1至K层Inx(k)Ga1-x(k)N构成，其中，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的厚度dk小于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的厚度dk-1，且x(k)＞x(k-1)，k＝1,…,K，K≤5；P型氮化镓层覆盖凹坑。本发明通过根据量子阱的铟的组分调整应力释放层中InGaN的层数及总厚度，使各层InGaN的铟的组分从底层至表面递增，厚度递减，达到逐步释放应力的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种Ⅲ族氮化物半导体器件及其制备方法。
背景技术
半导体发光器件的出现带来了能覆盖可见光谱以及更高的发光效率和固态稳定的光源。半导体发光器件，如发光二极管(LED)或激光二极管等在很多领域中已被广泛使用。发光二极管或激光二极管通常包括在微电子衬底上以及衬底上的由外延工艺制造的氮化物半导体层，该衬底可以是砷化镓，磷化镓，碳化硅和/或蓝宝石。基于Ⅲ族氮化物半导体的可见光发光二极管因其具有使用寿命长、节能、环保、可靠性高等优点，近年来在户内外彩色显示、背光和照明等领域的应用普及率越来越高。
LED外延结构通常包括衬底、GaN层、N型导电层、过渡层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型导电层、P型接触层(P电极)以及N型接触层(N电极)。图1是现有技术中的一种Ⅲ族氮化物半导体发光器件的结构示意图。该Ⅲ族氮化物半导体器件包括衬底10、在衬底10上外延生长的缓冲层20、在缓冲层20上外延生长的N型导电层30、在N型导电层30上外延生长的发光层40、在发光层40上外延生长的P型导电层50、在P型导电层50上形成的P侧电极60以及在N型导电层30上形成的N侧电极80。N型导电层或P型导电层可构建为单层或多层。
半导体发光器件的发光层主要由若干周期交替生长的带隙较窄的阱层和带隙较宽的垒层构成。由于阱层材料的含铟(In)组分大于N型导电层及量子垒层，因此会在阱层中产生应力，使得在阱及垒的交界面处产生极化电荷形成极化场。该极化场会引起阱层中电子与空穴波函数相分离，减小其辐射复合几率，从而降低发光层的光电转换效率即内量子效率，这个问题随着发出波长进入更长的绿光甚至黄红光区域变得更为严重。
因此提高量子阱的内量子效率成为提高Ⅲ族氮化物半导体器件性能的关键，减小量子阱中的应力、减弱量子阱中的量子斯塔克效应是目前提高器件的出光效率的技术研究热点之一。公开号为1552104A的中国发明专利申请中提及一种减少量子阱中的极化电荷的方法，其在量子阱生长之前***一层InxGa1- xN/InyGa1-yN交替生长的超晶格结构，其作用在于释放量子阱中的应力，以减小量子阱中的极化电荷并提高出光效率。公开号为102449737A的中国发明专利申请中公开了一种在非极性面或半极性面上生长Ⅲ族氮化物薄膜的方法，来减小量子阱中的极化电荷；但该方法中在非极性面或半极性面中的量子阱极化电荷很少，其极化场较小，量子阱能带倾斜减弱，因此要达到相同波长，需要含有更多的In组分，而在非极性面和半极性面上In组分并入效率较低，需要更低的生长温度，如此会恶化量子阱的晶体质量。申请号为201110171022及申请号为201110171023的中国发明专利申请公开了一种在衬底上形成凹槽制作氮化镓衬底的方法，但发光的量子阱层为InGaN材料，即使生长在应力完全释放的氮化镓衬底之上，InGaN多量子阱结构依然存在应力，仍需要进一步降低发光中的极化电场，以提高发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以释放多量子阱层生长表面的应力，从而提高发光效率的半导体发光器件。
本发明的另一目的在于提供一种可以释放多量子阱层生长表面的应力，从而提高发光效率的半导体发光器件的制备方法。
为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：
半导体发光器件，包括：衬底、形成于所述衬底上的结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、过渡层、多量子阱层和P型氮化镓层；低温氮化镓层，所述低温氮化镓层形成于所述N型氮化镓层上，且其上形成若干凹坑；应力释放层，所述应力释放层的厚度小于100nm并由依次形成于所述低温氮化镓层上的1至K层Inx(k)Ga1-x(k)N构成，其中，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的厚度dk小于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的厚度dk-1，且x(k)＞x(k-1)，k＝1,…,K，K≤5；所述P型氮化镓层覆盖所述凹坑。
本发明的低温氮化镓层的厚度为0.2～0.5微米。
本发明的低温氮化镓层上形成的凹坑的密度为1e8-1e9/cm2。
本发明的第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的厚度为20～30nm，x(1)为2～5％。
本发明的第K层Inx(K)Ga1-x(K)N的厚度为3～5nm，x(K)＜10％。
为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：
半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤
提供衬底，在衬底上依次沉积结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层；
在N型氮化镓层生长一层低温氮化镓层；
在低温氮化镓层上生长厚度小于100nm的应力释放层，所述应力释放层包括依次形成于低温氮化镓层上的1至K层Inx(k)Ga1-x(k)N，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的厚度dk小于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的厚度dk-1，且x(k)＞x(k-1)，第1层Inx(1)Ga1-x(1)N的生长温度低于低温氮化镓层的生长温度，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的生长温度低于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的生长温度，其中，k＝1,…,K，K≤5；
在应力释放层上依次沉积过渡层和多量子阱层；
在多量子阱层上沉积P型氮化镓层，P型氮化镓层覆盖所述凹坑；
形成分别与N型氮化镓层及P型氮化镓层电连接的N电极和P电极。
本发明半导体发光器件的制备方法中，所述低温氮化镓层的生长温度为800～950℃。
本发明半导体发光器件的制备方法中，第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的生长温度为800～810℃，厚度为20～30nm，x(1)为2～5％。
本发明半导体发光器件的制备方法中，第K层Inx(K)Ga1-x(K)N的生长温度为770～780℃，厚度为3～5nm，x(K)＜10％。
本发明半导体发光器件的制备方法中，每一层InGaN中铟的组分按从底层到表层逐渐增加，每层增加a％，a＝2。
由以上技术方案可知，本发明通过在N型氮化镓层上形成低温氮化镓层，并在低温氮化镓层上降低生长温度形成由若干层InGaN构成的应力释放层，根据量子阱的铟的组分调整应力释放层的总厚度、InGaN的层数、厚度以及每一层中铟的组分，使应力释放层中各层InGaN的铟的组分从底层至表面递增，厚度递减，达到逐步释放应力的目的。随着量子阱层中的铟含量增加，其应力释放对提高复合辐射效率的优势将更为明显，从而避免应力释放过程中产生表面不平整以及控制应力释放所产生缺陷数量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种Ⅲ族氮化物半导体发光器件的结构示意图；
图2为本发明实施例半导体发光器件形成应力释放层的的示意图；
图3为本发明实施例低温氮化镓层上形成凹坑的示意图；
图4为本发明实施例半导体发光器件形成多量子阱层的示意图；
图5为本发明实施例半导体发光器件形成P型氮化镓层的示意图。
具体实施方式
本发明的半导体发光器件包括衬底、依次形成于衬底上的结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、低温氮化镓层、应力释放层、过渡层、多量子阱层和P型氮化镓层，N电极及P电极通过微合金工艺分别与N型氮化镓层及P型氮化镓层形成欧姆接触。本发明的衬底可为蓝宝石、碳化硅、硅、同质氮化镓等常用的用于氮化镓外延材料生长的衬底。结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层采用传统的工艺条件生长形成。
本发明在N型氮化镓层生长一层低温的氮化镓层，该低温氮化镓层的生长温度为800～950度，厚度为0.2～0.5微米。由于生长温度较低，氮化镓横向生长速率减慢，有利于形成表面自由能较低的倾斜生长面，氮化镓是以c轴为对称轴的六方晶体，这些与c面有一定夹角的倾斜生长面为正六边形对称，因而在从衬底延伸至生长表面的线位错上将形成横截面为六边形的凹坑，凹坑的形成为后续沉积的外延层提供了晶格横向扩展释放应力所需的空间。低温氮化镓层上形成的凹坑的密度为1e8-1e9/cm2，凹坑的密度可以通过调整氮化镓缓冲层生长条件即位错密度来改变。
在低温氮化镓层上形成的应力释放层由K层InGaN构成，K≤5，应力释放层的总厚度小于100nm。在低温氮化镓层上依次生长1至K层InGaN，每一层InGaN的铟的组分从下往上递增，每一层的厚度递减，以达到逐步释放应力、避免应力释放过程中产生缺陷的目的。例如，在低温氮化镓层上生长第一层Inx(1)Ga1-x(1)N，厚度为d1，在第一层Inx(1)Ga1-x(1)N上生长第二层Inx(2)Ga1-x(2)N，厚度为d2，x(1)＜x(2)，d1＞d2，以此类推，在第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N上生长第k层Inx(k)Ga1-x(k)N，x(k-1)＜x(k)，dk-1＞dk，k＝1,…,K。所生长Inx(k)Ga1-x(k)N层中的应力随着厚度的增加积累至一定程度之后需要释放(临界厚度)，由于生长表面所形成凹坑为应力释放提供了自由空间，使得每一层Inx(k)Ga1-x(k)N的应力在生长过程中得到释放。
下面结合图2至图5，以生长发光波长在520nm左右的多量子阱结构为例对本发明半导体发光器件的制备方法进行详细说明，本发明方法的步骤如下：
提供蓝宝石衬底1，采用传统工艺条件在衬底1上依次沉积结晶层2、氮化镓缓冲层3、N型氮化镓层4；
在850～900温度下在N型氮化镓层4生长一层低温氮化镓层5，低温氮化镓层5的厚度为0.2～0.5微米；由于生长温度较低，在低温氮化镓层的从衬底延伸至生长表面的线位错a上形成竖截面为V形凹坑b(图2)，凹坑b的横截面为正六边形(图3)；
在低温氮化镓层5上生长应力释放层6，本实施例的应力释放层6包括3层InGaN，即K＝3，应力释放层的生长步骤如下：
将生长温度降低至800～810℃，在低温氮化镓层5上生长第一层Inx(1)Ga1- x(1)N，第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的厚度为20～30nm，x(1)为2～5％；本实施例中第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的厚度优选为20nm，x(1)＝3％；生长完成后，该层表面的晶格常数将介于Inx(1)Ga1-x(1)N和GaN之间，由于晶格可以横向扩展，低温氮化镓层生长表面上所形成凹坑为第一层Inx(1)Ga1-x(1)N应力的释放提供了自由空间，使得第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的应力在生长过程中得到了充分释放，减小后续外延层和生长表面的晶格失配；
将生长温度降低至790～800C℃，在第一层Inx(1)Ga1-x(1)N上生长第二层Inx(2)Ga1-x(2)N，第二层Inx(2)Ga1-x(2)N的厚度为10～20nm，x(2)为4～7％；本实施例中第二层Inx(2)Ga1-x(2)N的厚度优选为10nm，x(2)＝5％；生长完成后，该层表面的晶格常数将介于Inx(1)Ga1-x(1)N和Inx(2)Ga1-x(2)N之间，由于x(2)＞x(1)，第二层Inx(2)Ga1-x(2)N应力释放的临界厚度将小于第一层Inx(1)Ga1-x(1)N，因此第二层的生长厚度小于第一层；同理，第一层Inx(1)Ga1-x(1)N生长表面所形成凹坑为第二层Inx(2)Ga1-x(2)N应力释放提供了自由空间，减小了后续外延层和生长表面的晶格失配；
将生长温度降低至780～790℃，在第二层Inx(2)Ga1-x(2)N上生长第三层Inx(3)Ga1-x(3)N，第三层Inx(3)Ga1-x(3)N的厚度为5～10nm，x(3)为6～9％；本实施例中第三层Inx(3)Ga1-x(3)N的厚度优选为5nm，x(3)＝7％；
如图4所示，在应力释放层6生长完成后，在应力释放层6上依次沉积过渡层7和多量子阱层8；
如图5所示，在多量子阱层8上沉积P型氮化镓层9，P型氮化镓层9覆盖所述凹坑；形成分别与N型氮化镓层及P型氮化镓层电连接的N电极和P电极。
本发明在N型氮化镓层上形成低温氮化镓层，并在低温氮化镓层上降低生长温度形成由若干层InGaN构成的应力释放层，根据量子阱的铟的组分，调整应力释放层中InGaN的层数、层厚、各层InGaN的铟的组分以及应力释放层总厚度，量子阱的铟的组分越大，应力释放层的总厚度越厚，应力释放层中InGaN的层数则越多，应力释放层中各层InGaN的铟的组分从底层至表面递增，厚度递减(即第一层InGaN的铟的组分最小，厚度最厚)，达到逐步释放应力的目的，避免应力释放过程中缺陷的产生。当应力释放层的总厚度和层数变化时，每一层InGaN的铟的组分按从底层到表层逐渐增加的顺序，每层增加a％，a＝2，该层厚度不致厚到产生表面粗糙(InGaN生长过厚表面会粗糙)。每层InGaN的生长温度与铟的组分对应，第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的生长温度为800～810℃，厚度为20～30nm，x(1)为2～5％，第K层Inx(K)Ga1-x(K)N的生长温度为770～780℃，厚度为3～5nm，x(K)＜10％。
本发明通过控制多量子阱发光层生长表面的应力状态，有效的控制量子阱中的极化电场强度，提高内量子效率；通过弛豫多量子阱发光层生长表面的应力，提高多量子阱的生长温度，获得更好的结晶质量，提高内量子效率，以上优点在波长更长的LED器件中体现更为突出。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (10)
1.半导体发光器件，包括：衬底、形成于所述衬底上的结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、过渡层、多量子阱层和P型氮化镓层；
其特征在于，还包括
低温氮化镓层，所述低温氮化镓层形成于所述N型氮化镓层上，且其上形成若干凹坑；
应力释放层，所述应力释放层的厚度小于100nm并由依次形成于所述低温氮化镓层上的1至K层Inx(k)Ga1-x(k)N构成，其中，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的厚度dk小于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的厚度dk-1，且x(k)＞x(k-1)，k＝1,…,K，K≤5；
所述P型氮化镓层覆盖所述凹坑。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述低温氮化镓层的厚度为0.2～0.5微米。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：所述低温氮化镓层上形成的凹坑的密度为1e8-1e9/cm2。
4.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：第一层Inx(1)Ga1- x(1)N的厚度为20～30nm，x(1)为2～5％。
5.如权利要求1或4所述的半导体发光器件，其特征在于：第K层Inx(K)Ga1-x(K)N的厚度为3～5nm，x(K)＜10％。
6.半导体发光器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
提供衬底，在衬底上依次沉积结晶层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层；
在N型氮化镓层生长一层低温氮化镓层；
在低温氮化镓层上生长厚度小于100nm的应力释放层，所述应力释放层包括依次形成于低温氮化镓层上的1至K层Inx(k)Ga1-x(k)N，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的厚度dk小于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的厚度d k-1，且x(k)＞x(k-1)，第1层Inx(1)Ga1-x(1)N的生长温度低于低温氮化镓层的生长温度，第k层Inx(k)Ga1-x(k)N的生长温度低于第k-1层Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N的生长温度，其中，k＝1,…,K，K≤5；
在应力释放层上依次沉积过渡层和多量子阱层；
在多量子阱层上沉积P型氮化镓层，P型氮化镓层覆盖所述凹坑；
形成分别与N型氮化镓层及P型氮化镓层电连接的N电极和P电极。
7.如权利要求6所述的半导体发光器件的制备方法，其特征在于：所述低温氮化镓层的生长温度为800～950℃。
8.如权利要求7所述的半导体发光器件的制备方法，其特征在于：第一层Inx(1)Ga1-x(1)N的生长温度为800～810℃，厚度为20～30nm，x(1)为2～5％。
9.如权利要求7或8所述的半导体发光器件的制备方法，其特征在于：第K层Inx(K)Ga1-x(K)N的生长温度为770～780℃，厚度为3～5nm，x(K)＜10％。
10.如权利要求6所述的半导体发光器件的制备方法，其特征在于：每一层InGaN中铟的组分按从底层到表层逐渐增加，每层增加a％，a＝2。
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