CN105322059A - 紫外光发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

示例性实施例提供了一种紫外光发光二极管及其制造方法。该制造UV光发光二极管的方法包括生长包括AlGaN的第一n型半导体层，其中第一n型半导体层的生长包括改变生长腔室内的生长压力以及改变引入到生长腔室内的n型掺杂物源的流速。在第一n型半导体层生长过程中改变压力包括至少一个随时间压力增长周期和压力下降周期的循环，且n型掺杂物源流速的改变包括以至少一个脉冲的形式增大n型掺杂物源的流速。通过该方法制造的UV光发光二极管具有良好的结晶度。

Description

紫外光发光二极管及其制造方法
相关申请的交叉参考及优先权要求
本专利文件要求2014年7月25日提交的、10-2014-0094958号韩国专利申请的优先权及权益，该文献以参考方式全文并入本文中。
技术领域
本专利文件的公开内容涉及一种UV光发光二极管及其制造方法。所公开技术的一些实施方式允许在UV光发光二极管制造过程中将生长衬底分离，并且包括具有良好结晶度的半导体层。
背景技术
发光二极管指的是发射由电子和空穴复合产生的光的无机半导体设备。具体地，紫外光(UV)发光二极管已逐渐应用于各个领域，诸如UV处理、杀菌、白光源、医学、仪器部件等。
UV光发光二极管所发出的光具有相对短的峰值波长(通常是峰值波长为400nm或更小的光)。在这种UV光发光二极管的制造中，有源层的形成材料的带隙能量对应于相对短的峰值波长，以便发出具有该相对短峰值波长的光。例如，作为氮化物半导体，有源层可以由含有10％或更多的Al的AlGaN形成。另外，如果n型和p型氮化物半导体层的带隙能量低于从有源层发出的UV光的能量，则从有源层发出的UV光会被吸收到发光二极管中的n型和p型氮化物半导体层中。因此，不仅是UV光发光二极管的有源层，而且沿发光二极管的发光方向设置的其他半导体层均被形成为具有10％或更大的Al含量。
发明内容
示例性实施例提供了一种包括具有良好结晶度的半导体层的UV光发光二极管，及其制造方法。
根据本发明的一个方面，一种制造UV光发光二极管的方法包括：在生长腔室内，在生长衬底上形成n型半导体层；以及在n型半导体层上形成有源层和p型半导体层，其中形成n型半导体层包括生长包括AlGaN的第一n型半导体层，且生长第一n型半导体层包括改变生长腔室内的生长压力以及改变引入生长腔室中的n型掺杂物源的流速，在第一n型半导体层的生长过程中改变生长压力包括执行至少一个压力增长周期和压力下降周期的循环，改变n型掺杂物源的流速包括以脉冲形式提高n型掺杂物源的流速。
相应地，可以提供一种制造UV光发光二极管的方法，该二极管具有良好的结晶度和改善的发光效率。
第一n型半导体层可以包括AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1)，其中AlxGa(1-x)N层生长于压力增长周期中，AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1)生长于压力下降周期中，x沿远离生长衬底的方向逐渐下降，y沿远离生长衬底的方向逐渐增加。
另外，压力增长周期和压力下降周期的循环可以重复至少两次。
n型掺杂物源的流速可以包括第一流速和比第一流速高的第二流速；第二流速可以对应于以至少一个脉冲的形式增长的流速；n型掺杂物源可以在压力增加周期期间以第二流速被引入到生长腔室中，且在压力下降周期期间以第一流速被引入到生长腔室中。
另外，引入到生长腔室中的n型掺杂物源的流速相对于时间可以具有方形的波形。
压力增长周期和压力下降周期中的每一个中的压力变化相对于时间可以具有三角波形或者谐波波形。
在一些实施方式中，第一n型半导体层的形成过程中，生长腔室内的生长温度、以及Al、Ga和N源的流速中的每一个可以是恒定的。
该制造方法可以进一步包括在形成n型半导体层之前在GaN层上形成AlN层，其中形成AlN层可以包括以恒定的流速将Al源和N源引入到生长腔室中，同时交替地将生长腔室的压力从第一压力变换为第二压力，反之亦然。此时，第一压力可以不同于第二压力。
在其他实施方式中，该制造方法可以进一步包括在形成n型半导体层之前形成未掺杂的氮化物层。
另外，形成未掺杂的氮化物层可以包括交替堆叠在第一压力下生长的AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和在第二压力下生长的AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)。此时，第一压力可以不同于第二压力。
进一步地，形成未掺杂的氮化物层可以包括使生长腔室内的生长压力随着时间变化，未掺杂氮化物层生长期间的压力变化可以包括至少一个压力增加周期和压力下降周期的循环。
形成n型半导体层可以进一步包括形成设置在第一n型半导体层的下表面上的第二n型半导体层和/或设置在第一n型半导体层的上表面上的第三n型氮化物层。
进一步地，形成第二n型半导体层和/或第三n型氮化物层可以包括改变引入生长腔室中的n型掺杂物源的流速，改变n型掺杂物源的流速可以包括以至少一个脉冲的形式提高n型掺杂物源的流速。
第一n型半导体层生长过程中的压力变化可以进一步包括至少一个压力维持周期，其中在所述维持周期中，在预定时期内保持压力恒定。
在第一压力下生长的AlN层可以具有与在第二压力下生长的AlN层相比不同的Al摩尔分数。
根据本发明的另一方面，UV光发光二极管包括：支撑衬底；设置在支撑衬底上的p型半导体层；设置在p型半导体层上的有源层；以及设置在有源层上的n型半导体层，其中n型半导体层包括第一n型半导体层，其在其至少一些区域中具有沿厚度方向持续变化的带隙能量。
第一n型半导体层可以具有通过交替堆叠AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1)形成的堆叠结构，其中x沿着远离生长衬底的方向逐渐变小，y沿着远离生长衬底的方向逐渐增大。
n型半导体层可以进一步包括设置在第一n型半导体层的下表面上的第二n型半导体层和/或设置在第一n型半导体层的上表面上的第三n型氮化物层。
第二n型半导体层和第三n型氮化物层中的每一个可以具有通过交替堆叠AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)和AlvGa(1-v)N层(0＜v＜1)形成的堆叠结构，其中AluGa(1-u)N层进行n型掺杂以具有第一杂质浓度，AlvGa(1-v)N层进行n型掺杂以具有第二杂质浓度，第一杂质浓度高于第二杂质浓度。
第一n型半导体层可以包括沿厚度方向具有恒定带隙能量的区域。
本发明的实施例提供了一种制造UV光发光二极管的方法，其能够通过相对简单和容易的过程改善UV光发光二极管的结晶度。此外，本发明的实施例提供了一种UV光发光二极管，其中生长衬底被去除，从而提供良好的发光效率。另外，UV光发光二极管可以防止因半导体层内的应力造成的损坏，从而提供改善的可靠性。
附图说明
图1至图10为剖面图和图表，其说明了一种制造发光二极管的示例性方法，以及根据本发明的一些实施例制造的示例性发光二极管。
图11和图12为剖面图，其说明了一种制造发光二极管的示例性方法，以及根据本发明的一些实施例制造的示例性发光二极管。
图13和图14为剖面图，其说明了一种制造发光二极管的示例性方法，以及根据本发明的一些实施例制造的示例性发光二极管。
图15至图22为剖面图，其说明了一种制造发光二极管的示例性方法，以及根据本发明的一些实施例制造的示例性发光二极管。
图23(a)至图24(b)为图表，其描绘了根据本发明的一些实施例的发光二极管中带隙能量的变化。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。下列实施例是以举例的方式提供以便于理解所公开技术的各种实施方式。相应地，本发明不限于在此公开的实施例，还可以以不同的形式实现。在附图中，元件的宽度、长度、厚度等可以出于清晰和便于描述的目的而被夸大。当元件或层被称作“置于”或“设于”另一元件或层之上时，它可以是直接“置于”或“设于”另一元件或层之上，或者可以存在中间元件。在整个说明书中，类似的参考数字指示具有相同或相似功能的类似元件。
在下面的描述中公开的组分比、生长方法、生长条件、厚度等是以示例的方式提供，也可以存在其他实施方式。例如，对于AlGaN而言，具有本领域普通知识的人员(“本领域技术人员”)可以根据需要采用Al和Ga的各种组分比。另外，下面公开的半导体层可以通过各种方法来生长，诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)或类似方法。在下面的示例性实施例中，半导体层在相同腔室中通过MOCVD来生长，具有预定组分比的普通源可以被使用和引入到腔室中。例如，Ga源可以包括TMGa或TEGa等；Al源可以包括TMA或TEA等；In源可以包括TMI或TEI等；N源可以包括NH3。然而，这种组分只是以示例的方式被提供，也可以有其他实施方式。
在UV光发光二极管的制造中，蓝宝石衬底被用作示例性的生长衬底。当AlxGa(1-x)N层(0.1≤x≤1)生长在蓝宝石衬底上时，由于高的Al含量造成的热或结构性变形会导致形成破裂或断裂。这种问题源于蓝宝石衬底和AlxGa(1-x)层(0.1≤x≤1)之间的热膨胀系数差异和/或晶格失配。在相关技术中，为了最小化这种问题的发生，通过在高的温度下在蓝宝石衬底上形成AlN层或者在蓝宝石衬底上形成AlN/AlGaN超晶格层、接着形成包括AlxGa(1-x)N(0.2≤x≤1)、有源层及p型半导体层的n型半导体层来制造发光二极管。例如，7,192,849B2号美国专利等公开了一种结构，其包括使用前驱流脉冲的AlInGaN超晶格层。
然而，7,192,849B2号美国专利等仅仅公开了在AlInGaN超晶格层的生长方法中利用脉冲调整原子源气体的流量。当通过仅仅调整原子源气体的流量来生长超晶格层时，其他剩余的原子源气体会使其可再现性恶化，并且使得难以形成具有期望组分的超晶格层。
此外，对于包括生长于蓝宝石衬底上的AlN层的UV光发光二极管而言，难以将生长衬底与半导体层分离。通常情况下，当蓝宝石衬底被用作生长衬底时，利用激光剥离法将生长衬底与半导体层分离。然而，激光剥离法中通常采用的受激准分子激光器光束具有与AlN的带隙能量相比更长的波长或者与之基本类似的波长。例如，KrF受激准分子激光器光束具有穿过AlN层的248nm的波长，因此不能被用于激光剥离。另外，ArF受激准分子激光器光束具有193nm的波长，会被吸收到AlN层中。然而，由于在ArF受激准分子激光器光束的波长与对应于AlN层带隙能量的波长(约200nm)之间没有很大差异，因此ArF受激准分子激光器光束中的一些会穿过AlN层或者AlN/AlGaN超晶格层。此外，ArF受激准分子激光器因其低的脉冲能量不能提供足以分离生长衬底的能量。
因此，典型的UV光发光二极管已经被提供用作包括生长衬底的倒装型发光二极管或者侧向型发光二极管。该侧向型或者倒装型发光二极管包括部分去除的有源层，表现出较差的散热性，且具有低的效率。
此外，由于相比于GaN，AlxGa(1-x)N(0.1≤x≤1)难以在良好的结晶度下生长，因此所制造的发光二极管具有低的内在量子效率。通常，本领域知晓在1200℃或更高的高温下通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长的AlxGa(1-x)N(0.1≤x≤1)具有改善的结晶度。然而，当在1200℃或更高的高温下操作时，普通的MOCVD装置会存在寿命下降的困扰，且难以实现AlxGa(1-x)N(0.1≤x≤1)的稳定生长。因此，利用普通的MOCVD装置难以实现具有良好结晶度和高内在量子效率的UV光发光二极管的批量生产。
图1至图9为剖面图和图表，其说明了制造发光二极管的示例性方法以及根据本发明的一些实施例制造的示例性发光二极管。
参见图1，GaN层123形成于生长衬底110上。在一些实施方式中，还可以在形成GaN层123之前在生长衬底110上形成缓冲层121。
生长衬底110可以是任何能够生长氮化物半导体层的衬底，而不受局限，可以包括例如蓝宝石衬底、碳化硅衬底、尖晶石衬底、或者氮化物衬底(诸如GaN衬底或AlN衬底)。作为示例，在该实施例中，生长衬底110可以是或者包括蓝宝石衬底。
GaN层123可以在生长衬底110上生长成约3μm或更小(例如约1μm)的厚度。GaN层123可以在生长腔室内在约900℃至约1100℃的温度和约200Torr的压力下生长。通过在生长衬底110上形成GaN层123，可以在下述用于分离生长衬底110的过程中使用激光剥离法。
在GaN层123生长之前，缓冲层121可以在约600℃的温度和600Torr的压力下在生长衬底110上生长成约25nm或更小的厚度。在一些实施方式中，当生长衬底110为蓝宝石衬底时，缓冲层121可以充当核层(nucleuslayer)以允许其他半导体层在其上生长，并且缓解下述因蓝宝石衬底和其他半导体层之间的晶格失配引起的应力。必要时，缓冲层121可以省略。
参见图2，形成n型半导体层130，其包括第一n型半导体层131。
第一n型半导体层131可以在生长腔室内在GaN层123上生长。另外，该第一n型半导体层131可以包括AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1,x非常数)和AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1,y非常数)，且可以被掺杂成具有n型杂质(诸如Si)的n型半导体层。
第一n型半导体层131的生长包括将Al源、GaN源和N源引入到生长腔室中，其中生长温度可以被设置在约900℃至约1100℃的范围内。在第一n型半导体层131的生长过程中，Al源、GaN源和N源中的每一个的流速可以保持恒定，生长温度也可以在允许误差范围内总体保持不变。
此外，第一n型半导体层131的生长过程可以包括改变生长腔室内的压力条件，在第一n型半导体层131的生长过程中生长腔室内压力的改变可以包括包括压力增长周期和压力下降周期在内的周期。在第一n型半导体层131的生长过程中，可以执行至少一个压力增长和压力下降过程的循环。另外，第一n型半导体层131的生长过程可以包括以多脉冲的形式将n型掺杂物源供应到生长腔室中。
在该实施例中，可以通过改变压力和n型掺杂物源的流速，同时不改变其他生长条件的方式来生长第一n型半导体层131。
接着将参考图3(a)-4(b)更具体地描述第一n型半导体层131的生长。
首先，参见图3(a)，在第一n型半导体层131的生长过程中，腔室内压力可以持续变化，且如此处所示出的那样，腔室内压力的变化可以包括压力增长周期11和压力下降周期12的循环，其中在压力增长周期11中压力从第一压力增长至第二压力，在压力下降周期12中压力从第二压力下降至第一压力。压力增长周期11和压力下降周期12的循环可以重复至少两次，压力随着时间的变化可以具有三角形的波形。第一压力低于第二压力。在一些实施方式中，第一压力可以在0-100Torr之间，第二压力可以在0-300Torr之间。
在压力增长周期11中，AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1,x非常数)可以进行生长，且在压力下降周期12中，AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1,y非常数)可以进行生长。例如，正如在该实施例中那样，当在第一n型半导体层131的生长过程中压力随时间的变化具有三角形的波形时，第一n型半导体层131可以具有重复的AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的堆叠结构，且这种重复堆叠结构可以是或者包括超晶格结构。
当只改变压力，同时保持其他生长条件不变时，待生长的AlGaN层的组分比也发生变化。随着压力增大，待生长的AlGaN层的Al含量下降。因此，由于在压力增长周期11中生长AlxGa(1-x)N层的过程中AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1,x非常数)的Al含量下降，因此AlxGa(1-x)N层的Al含量沿从生长衬底110向上的方向逐渐下降。相反地，由于在压力下降周期12中生长AlyGa(1-y)N层的过程中AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1,y非常数)的Al含量增大，因此AlyGa(1-y)N层的Al含量沿从生长衬底110向上的方向逐渐增大。
下面将描述AlGaN层的Al含量随着生长腔室内压力而变化的原因。例如，当TMGa、TMA和NH3被分别用作Al、Ga和N源时，这些源在生长腔室内发生反应以形成AlGaN晶体，同时CH4被排出。然而，有时这些源在AlGaN的晶体生长过程中不能形成AlGaN晶体，并且会被排出到生长腔室外面，而不是以TMGa-NH3(Ga(CH3)-NH3)或TMA-NH3聚合物(Al(CH3)-NH3)的形式发生反应。此时，当生长腔室内的压力相对下降时，聚合物的形成率下降，对形成晶体有贡献的源分子与引入到生长腔室中的各种源气体的源分子的比值提高。由于Al对CH3配体表现出的倾向更强于Ga，因此聚合物的形成率变得对生长腔室内的压力敏感。也就是说，甚至同样是在压力下降的状态下，Al的聚合物的形成率和损耗率会低于Ga的聚合物的形成率和损耗率，从而在AlGaN层形成过程中相比于Ga提高了Al的摩尔分数。因此，在除压力之外其他生长条件相同的情况下，AlGaN层的Al含量随着压力下降而增大。
当如该实施例中那样压力以三角波形变化时，AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的Al含量可近似线性变化。然而，应当认识到，本发明不限于此，也可以存在其他实施方式。压力变化可以如图3(b)、4(a)或4(b)中示出的那样。
如图3(b)中所示，压力变化像谐波波形。在这种情况下，AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的Al含量会表现出关于压力变化成非线性变化。
此外，如图4(a)所示，在压力变化中，压力增长周期21和压力下降周期22可以是彼此不对称的。例如，压力增长周期21的持续时间可以被设置成长于压力下降周期22，因此AlxGa(1-x)N层可以具有比AlyGa(1-y)N层更高的厚度。另外，AlxGa(1-x)N层中Al的含量随其厚度的变化率可以低于AlyGa(1-y)N层中Al的含量随其厚度的变化率。
此外，如图4(b)中所示，在压力增长周期和压力下降周期中，可以在预定时间内保持压力不变。例如，在第一区域31中，生长腔室的压力随着时间从第一压力增长至第二压力，在第二区域32中，生长腔室的压力在第二压力上维持预定时间。然后，在第三区域33中，生长腔室的压力随着时间下降至第一压力；在第四区域34中，生长腔室的压力在第一压力上维持预定时间；在第五区域35中，生长腔室的压力随着时间下降至第三压力。然后，在第六区域36中，生长腔室的压力在第三压力上维持预定时间；在第七区域37中，生长腔室的压力随着时间从第三压力增长至第一压力；在第八区域38中，生长腔室的压力在第一压力上维持预定时间。在第一n型半导体层131的生长过程中，生长腔室内的压力通过包括至少一个压力增长周期和压力下降周期的循环而随着时间变化。在一些实施方式中，生长腔室内的压力发生变化以进一步包括至少一个压力维持周期。
再次参见图3(a)，第一n型半导体层131的生长过程包括改变引入到生长腔室中的n型掺杂物源的流速，改变n型掺杂物源的流速可以包括以至少一个脉冲的形式增大n型掺杂物源的流速。例如，如在此示出的那样，在压力增长周期11中，n型掺杂物源可以在第二流速下被引入到生长腔室中，在压力下降周期12中，n型掺杂物源可以在第一流速下被引入到生长腔室中。第一流速可以低于第二流速。当压力增长周期11和压力下降周期12的循环在该实施例中以三角波形重复时，n型掺杂物源可以对应于压力变化以多重波形的形式被引入到生长腔室中。该多重波形中的每一个可以具有特定周期，例如，如图3(a)中所示，n型掺杂物源的流速可以以方形波形来提供。
第一和第二流速可以分别根据AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的掺杂浓度进行调节。例如，第一流速被设置成允许AlyGa(1-y)N层在近似未掺杂的状态下或者在低的掺杂浓度下生长，第二流速被设置成允许AlxGa(1-x)N层在相对高的掺杂浓度下生长。此处，AlxGa(1-x)N层可以具有约1×1018至约1×1019/cm3的n型掺杂浓度。
在一些实施方式中，n型掺杂物源可以不对称地进行供应，如图4(a)中所示那样。
根据该实施例，第一n型半导体层131可以包括高度掺杂的AlxGa(1-x)N层和低度掺杂或未掺杂的AlyGa(1-y)N层，其中x沿着远离生长衬底110的方向逐渐变小，y沿着远离生长衬底110的方向逐渐增大。
在第一n型半导体层131中，AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1)由于生长压力上的差异可以具有不同的生长速度。借助这种结构，可以阻止错位的传播或者改变错位的传播路径，从而降低后续过程中生长的其他半导体层的错位密度。此外，由于AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-y)N层(0＜y＜1)的组分发生变化，因此可以缓解由晶格失配造成的应力，从而确保后续过程中生长的其他半导体层具有良好的结晶度，同时防止诸如破裂等损伤。
此外，由于在AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-z)N层(0＜y＜1)的生长过程中，除了n型掺杂物源之外的其他元素源的压力和流速、以及温度均保持不变，因此可以在不进行额外处理的情况下提供具有与现有技术中的半导体层相比更优结晶度的n型半导体层。此外，由于在第一n型半导体层131的生长过程中压力持续连贯地变化，因此与以脉冲形式改变压力的场合相比，该工艺简单且容易从而提高工艺的可靠性。此外，由于可以省略等待生长腔室的压力达到目标压力所需要的时间，因此与以脉冲形式改变压力的场合相比，可以减少n型半导体层130的生长时间。
此外，在第一n型半导体层131中，高杂质浓度层和低杂质浓度层交替重复以抑制因杂质引起的半导体层的结晶度的恶化。
然而，应当认识到，本发明不限于上述第一n型半导体层131的生长方法。该压力变化包括压力增长周期和压力下降周期，其可以是不规则的。此外，n型掺杂物源还可以以脉冲的形式进行供应，所述脉冲也可以是不规则的。
根据上述方法，第一n型半导体层131包括AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-z)N层(0＜y＜1)，其中AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-z)N层(0＜y＜1)中的每一个的Al含量沿第一n型半导体层131的厚度方向持续变化。在一些实施方式中，AlxGa(1-x)N层(0＜x＜1)和AlyGa(1-z)N层(0＜y＜1)的Al含量从第一n型半导体层131的一个表面到第一n型半导体层131的另一表面持续且在空间上地变化。因此，第一n型半导体层131在其一些区域上可以具有沿厚度方向持续变化的带隙能量。例如，图23(a)、23(b)、24(a)和24(b)示出第一n型半导体层131中的每一个沿其厚度方向上的带隙能量，其中第一n型半导体层131在图3(a)、3(b)、4(a)和4(b)的生长条件下形成。在图23(a)、23(b)、24(a)和24(b)中，包括’a’的各个参考数字指示图3(a)、3(b)、4(a)和4(b)中各个时间区域上生长的AlGaN层的带隙能量。例如，在图3(a)中，在压力增长周期11中生长的AlGaN层的带隙能量对应于图23(a)中的区段11a。
接着参见图5，有源层140和p型半导体层150形成于n型半导体层130上。
有源层140可以包括(Al、Ga、In)N，且可以通过调节氮化物半导体的组分比发出具有处于期望UV区域中的峰值波长的光。有源层140可以形成以多量子阱(MQW)结构，其中阻挡层(未示出)和阱层(未示出)彼此交替堆叠。例如，可以通过在约700℃至约1000℃的温度和约100Torr至约400Torr的压力下生长四元氮化物半导体(诸如AlInGaN)以形成阻挡层和阱层来形成有源层140。
此外，在这些阻挡层当中，最接近n型半导体层130的阻挡层可以具有比其他阻挡层更高的Al含量。其中最接近n型半导体层130的阻挡层形成为具有比其他阻挡层更高的Al含量的结构可以通过降低电子移动性来有效阻止电子的溢出。另外，设在n型半导体层附近的阻挡层可以具有比一些其他阻挡层更大的厚度，最上端的阻挡层可以具有比一些其他阻挡层更大的厚度或者更高的Al含量。例如，第一和第二阻挡层可以具有比第三阻挡层更大的厚度，最上端的阻挡层可以具有比第三阻挡层更大的厚度。
p型半导体层150可以生长在有源层140上，且可以在约900℃至约1000℃的温度和约100Torr至约400Torr的压力下形成约0.2μm或更小的厚度。p型半导体层150可以包括氮化物半导体，诸如AlGaN，且可以通过包括p型杂质(诸如Mg)被掺杂成p型半导体层。
另外，p型半导体层150可以进一步包括δ掺杂层(未示出)以降低欧姆接触阻抗，且可以进一步包括电子阻挡层(未示出)。
电子阻挡层可以包括AlGaN层。另外，该电子阻挡层可以包括第一电子阻挡层(未示出)和设置在第一电子阻挡层上的第二电子阻挡层(未示出)，其中第一电子阻挡层可以具有比第二电子阻挡层更高的Al含量。
接着参见图6，支撑衬底160形成于p型半导体层150上。
支撑衬底160可以是或者包括绝缘衬底、导电衬底、或者电路衬底。例如，支撑衬底160可以是或者包括蓝宝石衬底、氮化镓衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底、硅衬底、金属衬底或者陶瓷衬底。此外，支撑衬底160可以与p型半导体层150粘合。因此，粘合层(未示出)可以进一步形成于支撑衬底160和p型半导体层150之间以使他们彼此粘合。
粘合层可以包括金属材料，例如，AuSn。包含AuSn的粘合层可以实现支撑衬底160和p型半导体层150之间低共熔的粘合。当支撑衬底160为导电衬底时，粘合层使p型半导体层150与支撑衬底160电连接。
另外，金属层(未示出)可以形成于支撑衬底160与p型半导体层150之间。
该金属层可以包括反射金属层(未示出)和可形成为覆盖反射金属层的阻挡金属层(未示出)。
反射金属层可以通过沉积和剥离来形成。反射金属层起到反射光的作用，并且可以充当与p型半导体层150电连接的电极。因此，反射金属层优选包括对UV光具有高反射率且能够形成欧姆接触的材料。该反射金属层可以包括例如Ni,Pt,Pd,Rh,W,Ti,Al,Ag或Au中的至少一个。
阻挡金属层防止反射金属层与其他材料之间的相互扩散。因此，可以防止因反射金属层的损伤引起的反射率的下降和接触阻抗的增大。阻挡金属层可以包括Ni、Cr或Ti，且可以形成以多层的形式。
参见图7，生长衬底110与半导体层分离开。在一些实施方式中，生长衬底110可以与GaN层123分离开。生长衬底110可以通过各种方法(诸如激光剥离、化学剥离、应力剥离或者热剥离等)来分离。
例如，当生长衬底110是或者包括蓝宝石衬底时，生长衬底可以通过激光剥离与半导体层分离开。根据该实施例，由于GaN层123可以形成于n型半导体层130和生长衬底110之间，生长衬底110可以利用KrF受激准分子激光器轻易地与半导体层分离开。因此，可以解决现有技术UV光发光二极管的制造过程中利用激光剥离分离生长衬底时的困难。
在此，应当认识到，本发明不限于此，也可以存在其他实施方式。例如，附加层(例如牺牲层)可以形成于生长衬底110和半导体层之间，生长衬底110可以通过化学剥离或者应力剥离与半导体层分离开。
参见图8，在分离生长衬底110之后，保留在n型半导体层130上的其他半导体层(例如GaN层123和/或缓冲层121的残余)被去除以暴露n型半导体层130的一个表面。为了暴露n型半导体层130的一个表面，n型半导体层130的上表面上的残余可以通过化学和/或物理处理、或者蚀刻等被去除。
另外，为了增大n型半导体层130的暴露表面的粗糙度，该方法可以进一步包括在n型半导体层130的表面形成凹凸不平(未示出)。这种凹凸不平可以通过湿法蚀刻等形成。例如，凹凸不平可以通过光增强化学(PEC)蚀刻或者利用硫/磷酸溶液进行蚀刻等来形成。这种凹凸不平可以根据蚀刻条件以各种方式来确定，且可以具有例如0.5μm或更小的平均高度。这种凹凸不平可以增强根据本发明的UV光发光二极管的光提取效率。
参见图9，可以通过图形化n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150来形成设备隔离沟210。通过形成该设备隔离沟210，可以局部暴露支撑衬底160的上表面。另外，N电极170可以形成在通过设备隔离沟210彼此隔离的各个设备区上。
N电极170可以形成在设于n型AlGaN层的表面下方的区域中，以便改善具有高的Al含量的AlGaN层的欧姆特性。例如，N电极170可以形成在形成于n型半导体层130的上表面上的凹槽上。借助这种结构，N电极170和n型半导体层130之间的接触区域被增大，从而改善电流注入特性。
n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150的图形化可以通过光刻蚀和蚀刻来完成，设备隔离沟210可以形成为具有倾斜的侧表面。
N电极170可以起到向n型半导体层130供应外部功率的作用，且可以通过沉积和剥离来形成。
此后，设于各个设备隔离沟210下方的支撑衬底160沿着线S1被分开，以提供如图10中所示的UV光发光二极管100a。
图11和图12为剖面图，其说明了根据本发明的一些实施例的制造发光二极管的示例性方法，以及由此制造的发光二极管。由根据图11和12中所示实施例的方法制造的发光二极管总体类似于图1至图10中所示实施例的，且进一步包括位于n型半导体层130和GaN层123之间的AlN层125。在下面的描述中，将主要描述该实施例的不同特征。
参见图11，AlN层125可以在形成n型半导体层130之前形成于GaN层123上。
AlN层125的形成可以包括在约900℃至约1100℃的温度下交替地在第三压力下生长AlN层和在第四压力下生长AlN层以形成堆叠结构。彼此交替堆叠的Al层中的每一个可以具有约5nm的厚度，因此该堆叠结构可以具有超晶格层结构。在此，第三压力可以不同于第四压力，且可以低于第四压力。例如，第三压力可以在0-100Torr之间，第四压力可以在0-400Torr之间。
在第三压力下生长的AlN层125和在第四压力下生长的AlN层可以因压力差异而具有不同的生长率。借助这种结构，可以阻挡错位的传播或者改变其传播路径，从而降低后续过程中生长的其他半导体层的错位密度。
在AlN层125中，Al的摩尔分数根据AlN层125生长时所处的压力而变化。当生长腔室的生长压力在AlN层生长过程中增大时，很有可能Al的位置变成AlN晶体中的空位或者重新布置其他杂质。因此，在第三压力下生长的AlN层与在第四压力下生长的AlN层相比具有更低的可能性Al的位置形成空位或者重新布置杂质。因此，在第三压力下生长的AlN层可以具有比在第四压力下生长的AlN层更高的Al摩尔分数。
接着参见图12，n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150形成在AlN层125上。
然后，执行后续的与参照图6至图10所描述的基本类似的过程，从而提供如图10中所示的发光二极管100a。然而，在该实施例中，生长衬底110分离之后残留在n型半导体层130上的AlN层125可以通过各种方法被去除。
图13和图14为剖面图，其说明了根据本发明的一些实施例的制造发光二极管的示例性方法以及由此制造的发光二极管。
通过根据图13和图14中所示实施例的方法制造的发光二极管总体类似于图11和图12中示出的实施例的，且进一步包括AlN层125上的未掺杂氮化物层127。在下面的描述中将主要描述该实施例的不同特征。
未掺杂的氮化物层127可以在n型半导体层130形成之前形成于AlN层125上。未掺杂的氮化物层127的形成可以包括交替堆叠在第五压力下生长的AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和在第六压力下生长的AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)以形成堆叠结构。该堆叠结构可以具有超晶格层结构。交替地相互堆叠的AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)可以在约900℃至约1100℃的温度下分别形成为约5nm和约10nm的厚度。由此可以形成包括AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)的超晶格层结构。
在此，第五压力可以不同于第六压力，且可以低于第六压力。例如，第五压力可以大于0-100Torr，第六压力可以大于0-300Torr。借助这种不同的生长压力，AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)可以形成为具有不同的组分比或者相同的组分比。例如，在除压力之外其他生长条件相同的情况下，在较低压力下生长的AlGaN层可以具有比在更高压力下生长的AlGaN层更高的Al含量。
作为替换，未掺杂氮化物层127生长过程中的压力变化可类似于第一n型半导体层131生长过程中的压力变化。也就是说，未掺杂氮化物层127生长过程中的压力变化可以包括压力增长周期和压力下降周期的循环，其中未掺杂氮化物层127的Al含量可以类似地变化成第一n型半导体层131的Al含量。
AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和AlzGa(1-z)N层(0＜z＜1)因为生长压力上的差异可以具有不同的生长率。借助这种结构，可以阻止错位的传播或者改变其传播路径，从而减小后续过程中生长的其他半导体层的错位密度。另外，当AlwGa(1-w)N层(0＜w＜1)和AlzGa(1-z)N层(0＜y＜1)形成为具有不同组分比时，可以缓解因晶格失配造成的应力，从而确保后续过程中生长的其他半导体层具有良好结晶度，同时防止诸如破裂等损伤。
接着参见图14，n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150形成在未掺杂的氮化物层127上。
然后，执行后续的与参照图6至图10所描述的基本类似的过程，从而提供如图10中所示的发光二极管100a。然而，在该实施例中，生长衬底110分离之后残留在n型半导体层130上的AlN层125和未掺杂氮化物层127可以通过各种方法被去除。
在该实施例中，AlN层125可以省略。在这种情况下，未掺杂的氮化物层127可以生长在GaN层123上。
图15至图22为剖面图，其说明了根据本发明的一些实施例的制造发光二极管的示例性方法以及由此制造的发光二极管。
根据图15至图22中所示实施例的制造方法总体类似于图11和图12中示出的实施例的，其与上述实施例的不同之处在于生长n型半导体层130包括形成第二n型半导体层133和/或第三n型氮化物层135。在下面的描述中将主要描述该实施例的不同特征，且将省略相同特征的描述。
参见图15，制备如图13中所示的模板。例如，缓冲层121、GaN层123、AlN层125和未掺杂氮化物层127生长在生长衬底110上。在此，如上所述，缓冲层121、GaN层123、AlN层125和未掺杂氮化物层127也可以被省略。
然后参见图16，第二n型半导体层133可以形成在未掺杂的氮化物层127上。
第二n型半导体层133可以在生长腔室内生长于未掺杂的氮化物层127上。此外，第二n型半导体层133可以包括AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)和AlvGa(1-v)N层(0＜v＜1)，且可以掺杂成为具有n型杂质(诸如Si)的n型半导体层。在此，AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)和AlvGa(1-v)N层(0＜v＜1)可以包括不同的掺杂物浓度。
第二n型半导体层133的生长包括将Al源、GaN源和N源引入到生长腔室中，其中在生长腔室内，生长温度可以被设置在约900℃至约1100℃的范围内且生长压力在0-300Torr之间。在第二n型半导体层133的生长过程中，Al源、GaN源和N源中的每一个的流速可以保持恒定，生长温度也可以在允许误差范围内总体保持不变。
另外，第二n型半导体层133的生长可以包括以脉冲形式将n型掺杂物源供应到生长腔室中。如图3中所示，n型掺杂物源可以以脉冲的形式(例如以多重脉冲的形式)提供。因此，在AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)的生长过程中，当在第二流速下供应n型掺杂物源时，AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)可以掺杂以相对高的浓度。当在第一流速下供应n型掺杂物源时，AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)可以掺杂以相对低的浓度或者可以成为未掺杂层。例如，AluGa(1-u)N层(0＜u＜1)可以具有约1×1018至约1×1019/cm3的n型掺杂物浓度。
在一些实施方式中，n型掺杂物源可以以图4(a)所示的非对称的方式或者以不规则的方式被供应到生长腔室中。
在第二n型半导体层133中，高杂质浓度层和低杂质浓度层交替重复，从而抑制因杂质引起的半导体层结晶度的恶化。因此，可以改善通过后续过程生长的其他半导体层的结晶度。
然后参见图18，第一n型半导体层131生长于第二n型半导体层133上，第三n型氮化物层135生长于第一n型半导体层131上，从而形成n型半导体层130。
根据该实施例的第一n型半导体层131的生长总体类似于根据参照图1至图10描述的实施例的第一n型半导体层131的生长，第三n型氮化物层135的生长总体类似于第二n型半导体层133的生长。
在该实施例中，第二n型半导体层133和第三n型氮化物层135之一可以被省略。第二n型半导体层133和/或第三n型氮化物层135在第一n型半导体层131生长之前和/或之后形成，从而改善发光二极管中半导体层的结晶度。此外，充当应力释放层的第二n型半导体层133和第三n型氮化物层135包括n型掺杂物，从而防止因应力释放层引起的电子注入效率的恶化。
然后参见图19，有源层140和p型半导体层150形成于n型半导体层130上。接着参见图20，支撑衬底160可以形成于p型半导体层150上。
图19和图20中示出的过程总体上类似于参照图5和图6所描述的过程，且将省略对其的详细描述。
参照图21，可以通过图形化n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150来形成设备隔离沟210。通过形成该设备隔离沟210，可以局部暴露支撑衬底160的上表面。另外，N电极170可以形成在通过设备隔离沟210彼此隔离的各个设备区上。
n型半导体层130、有源层140和p型半导体层150的图形化可以通过光刻蚀和蚀刻来完成，设备隔离沟210可以形成为具有倾斜的侧表面。
N电极170可以起到向n型半导体层130供应外部功率的作用，且可以通过沉积和剥离技术来形成。
此后，设于各个设备隔离沟210下方的支撑衬底160沿着线S1被分开，以提供如图22中所示的UV光发光二极管100b。
根据本发明的上述实施例的发光二极管具有比现有技术的典型发光二极管优越的结晶度，且生长衬底从发光二极管的半导体层上去除，从而确保良好的散热效率和发光效率。
尽管上面对实施例的描述均涉及从中去除生长衬底110的竖直型发光二极管，但是应当认识到，本发明不限于此，也可以存在其他实施方式。上述制造方法也可以用于倒装型发光二极管。
应当理解，本发明不限于上述实施例和特征，各种修正和改变可以在不背离本发明精神和范围的情况下进行，正如在下面的权利要求中提出的那样。

Claims (20)

1.一种制造紫外光发光二极管的方法，其包括：
在生长腔室内，在生长衬底上形成n型半导体层；以及
在n型半导体层上形成有源层和p型半导体层，
其中，
形成n型半导体层包括生长包括AlGaN的第一n型半导体层，
生长第一n型半导体层包括改变生长腔室内的生长压力以及改变引入生长腔室中的n型掺杂物源的流速，
在第一n型半导体层的生长过程中改变生长压力包括执行至少一个压力增长周期和压力下降周期的循环，并且
改变n型掺杂物源的流速包括以脉冲形式提高n型掺杂物源的流速。
2.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中生长第一n型半导体层包括在压力增长周期中生长AlxGa(1-x)N层和在压力下降周期中生长AlyGa(1-y)N层，
其中，0＜x＜1，0＜y＜1，x沿远离生长衬底的方向逐渐下降，y沿远离生长衬底的方向逐渐增加。
3.如权利要求2所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中在第一n型半导体层生长过程中改变生长压力包括至少两个压力增长周期和压力下降周期的循环。
4.如权利要求2所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中改变n型掺杂物源的流速包括在压力下降周期期间在第一流速下供应n型掺杂物源和在压力增长周期期间在比第一流速高的第二流速下供应n型掺杂物源，以及
其中改变n型掺杂物源的流速包括以脉冲形式供应n型掺杂物源。
5.如权利要求4所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中改变n型掺杂物源的流速包括以方波波形供应n型掺杂物源。
6.如权利要求3所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中在第一n型半导体层的生长过程中改变生长压力形成三角波形或谐波波形。
7.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成n型半导体层进一步包括将生长腔室内Al、Ga和N源的流速和生长温度保持恒定。
8.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其进一步包括，在形成n型半导体层之前：
形成GaN层；
在GaN层上形成AlN层；
其中形成AlN层包括以恒定的流速将Al源和N源供应到生长腔室中，以及将生长腔室的压力从第一压力改变至第二压力，反之亦然，以及
其中第一压力不同于第二压力。
9.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其进一步包括：
在形成n型半导体层之前，形成未掺杂的氮化物层。
10.如权利要求9所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成未掺杂的氮化物层包括交替堆叠在第一压力下生长的AlwGa(1-w)N层和在第二压力下生长的AlzGa(1-z)N层，
其中，0＜w＜1，0＜z＜1，第一压力不同于第二压力。
11.如权利要求9所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成未掺杂的氮化物层包括随着时间改变生长腔室内的生长压力，且
在未掺杂氮化物层生长过程中改变生长压力包括执行至少一个压力增长周期和压力下降周期的循环。
12.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成n型半导体层进一步包括分别在第一n型半导体层的下表面和上表面上形成第二n型半导体层和第三n型氮化物半导体层中的至少一个。
13.如权利要求12所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成第二n型半导体层、第三n型半导体层、或者两者包括改变引入生长腔室中的n型掺杂物源的流速，
其中改变n型掺杂物源的流速包括以脉冲形式增大n型掺杂物源的流速。
14.如权利要求1所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中在第一n型半导体层生长过程中改变生长压力包括在至少一个压力维持周期期间将生长压力保持在恒定水平。
15.如权利要求8所述的制造紫外光发光二极管的方法，其中形成AlN层包括形成具有根据AlN层形成时所处的压力条件变化的Al摩尔分数的AlN层。
16.一种紫外光发光二极管，其包括：
支撑衬底；
设置在支撑衬底上的p型半导体层；
设置在p型半导体层上的有源层；以及
设置在有源层上的n型半导体层，
其中n型半导体层包括第一n型半导体层，其所包括的至少一部分具有沿第一n型半导体层的厚度方向持续变化的带隙能量。
17.如权利要求16所述的紫外光发光二极管，其中第一n型半导体层包括具有AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层的堆叠结构，
其中，0＜x＜1，0＜y＜1，x沿着远离生长衬底的方向逐渐变小，y沿着远离生长衬底的方向逐渐增大。
18.如权利要求16所述的紫外光发光二极管，其中n型半导体层进一步包括设置在第一n型半导体层的下表面上的第二n型半导体层，设置在第一n型半导体层的上表面上的第三n型氮化物层，或者分别设置在下表面和上表面上的第二和第三n型氮化物层。
19.如权利要求18所述的紫外光发光二极管，其中第二n型半导体层、第三n型氮化物层、或者第二和第三n型半导体层中的每一个具有包括AluGa(1-u)N层和AlvGa(1-v)N层的堆叠结构，其中AluGa(1-u)N层具有第一n型掺杂杂质浓度，AlvGa(1-v)N层具有第二n型掺杂杂质浓度，
其中，0＜u＜1，0＜v＜1，第一n型掺杂杂质浓度高于第二n型掺杂杂质浓度。
20.如权利要求16所述的紫外光发光二极管，其中第一n型半导体层包括沿第一n型半导体的厚度方向具有恒定带隙能量的区域。
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