CN105914264B - 用于制造第iii族氮化物半导体发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于制造具有低驱动电压的第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述方法通过急剧增加p型半导体层中的Mg浓度来实现。该制造方法包括以下步骤：形成n型接触层；形成n侧高静电击穿电压层；形成n侧超晶格层；形成发光层；形成p型覆层；形成p型中间层；以及形成p型接触层。形成p型覆层的步骤包括：在第一时间段TA1期间供应掺杂剂气体而不供应含有第III族元素的第一原料气体(TMG)；以及在第一时间段TA1之后的第二时间段TA2期间供应第一原料气体(TMG)和掺杂剂气体以生长半导体层。

Description

用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法
技术领域
本说明书的技术领域涉及一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，该方法使得p型半导体层能够稳定地掺杂有Mg。
背景技术
一类第III族氮化物半导体发光器件包括n型接触层、n型覆层、发光层、p型覆层、p型接触层、n电极和p电极。优选地，p型接触层和p电极彼此具有良好的欧姆接触。当在p型接触层与p电极之间的接触电阻高时，驱动电压也相应地高。
例如，专利文献1公开了包括第二接触层62和第一接触层63的发光二极管10，第一接触层63的Mg浓度比第二接触层62的Mg浓度高(参见专利文献1中的第[0011]段和图1)。专利文献1描述了在p型接触层与p电极之间的欧姆接触由此改善，并且这使得获得的发光器件具有低驱动电压(参见专利文献1中的第[0009]段)。
专利文献1：日本公开特许公报(特开)第H08-097471号。
当p型覆层的电阻高时，驱动电压相应地高。因此，优选减小p型覆层的电阻。p型覆层起限制发光层内的电子的作用。为了限制电子，优选的是，在p型覆层中p型杂质以高浓度存在。特别地，优选的是，在发光层与p型覆层之间的边界的附近p型杂质的浓度高。然而，在p型覆层内急剧增加p型杂质的浓度绝不是容易的。在生产批次中p型杂质浓度增加的陡度可能变化。因此，在生产批次中发光器件的驱动电压可能变化很大。
优选也在除了p型覆层以外的p型半导体层内急剧增加Mg的浓度。这是因为能够实现具有低驱动电压的半导体发光器件。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题已经构思了本说明书的技术。因此，本说明书的技术的目的是提供用于制造具有低驱动电压的第III族氮化物半导体发光器件的方法，这是通过急剧增加p型半导体层内的Mg浓度实现的。
一种根据第一方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法包括如下步骤：在衬底上形成n型半导体层；在n型半导体层上形成发光层；在发光层上形成第一p型半导体层；以及在第一p型半导体层上形成p型接触层。形成第一p型半导体层的步骤包括在第一时间段期间供应掺杂剂气体而不供应含有第III族元素的第一原料气体，以及在第一时间段之后的第二时间段期间供应第一原料气体和掺杂剂气体以生长半导体层。
在用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在形成第一p型半导体层之前，在供应含有第III族元素的第一原料气体之前，供应p型掺杂剂气体。这增加了在半导体制造装置的炉中和在衬底的表面附近的掺杂剂气体的浓度。具体地，紧接在形成第一p型半导体层之前在衬底周围存在足量的掺杂剂气体。因此，紧接在开始生长第一p型半导体层之后，Mg可能被快速地引入第一p型半导体层。因此，生长的第一p型半导体层的Mg浓度高，并且所制造的第III族氮化物半导体发光器件的驱动电压低。
在根据第二方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，形成第一p型半导体层的步骤包括如下步骤：在发光层上形成p型覆层；以及在p型覆层上形成p型中间层。形成p型覆层的步骤包括供应掺杂剂气体而不供应第一原料气体，然后供应第一原料气体和掺杂剂气体以生长p型覆层。
在根据第三方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，形成第一p型半导体层的步骤包括如下步骤：在发光层上形成p型覆层；以及在p型覆层上形成p型中间层。形成p型中间层的步骤包括供应掺杂剂气体而不供应第一原料气体，然后供应第一原料气体和掺杂剂气体以生长p型中间层。
在根据第四方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，形成第一p型半导体层的步骤包括如下步骤：在发光层上形成p型覆层；以及在p型覆层上形成p型中间层。形成p型覆层的步骤包括供应掺杂剂气体而不供应第一原料气体，然后供应第一原料气体和掺杂剂气体以生长p型覆层。形成p型中间层的步骤包括供应掺杂剂气体而不供应第一原料气体，然后供应第一原料气体和掺杂剂气体以生长p型中间层。
在根据第五方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在第一时间段中掺杂剂气体的流量等于或小于在第二时间段中掺杂剂气体的流量。在这种情况下，在稍微急剧增加Mg浓度之后可能以所需的恒定浓度用Mg掺杂半导体层。
在根据第六方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在第一时间段中掺杂剂气体的流量大于在第二时间段中掺杂剂气体的流量。这种技术适于用Mg掺杂不易引入Mg的半导体材料的情况；在不易引入Mg的制造条件下进行掺杂Mg的情况；或者在使用其中Mg的供应量不能如所期望的那样得到控制的装置进行掺杂Mg的情况。利用这种技术，在Mg浓度急剧增加之后可以以所需的恒定浓度用Mg掺杂半导体层。
在根据第七方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在第一时间段中掺杂剂气体的流量随时间增加。
在根据第八方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在第一时间段和第二时间段期间供应含有氮原子的第二原料气体。
在根据第九方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，在第一时间段期间不供应含有氮原子的第二原料气体，并且在第二时间段期间供应含有氮原子的第二原料气体。
在根据第十方面的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法中，第一时间段为1秒或更长且300秒或更短。
本说明书提供了一种用于制造具有低驱动电压的第III族氮化物半导体发光器件的方法，这通过急剧增加p型半导体层中Mg的浓度来实现。
附图说明
图1为示出在一个实施方案中的发光器件的结构的示意图；
图2为用于示出该实施方案中形成发光器件的p型覆层的第一方法的时序图；
图3为用于示出该实施方案中形成发光器件的p型覆层的第二方法的时序图；
图4为用于示出该实施方案中形成发光器件的p型覆层的第三方法的时序图；
图5为用于示出该实施方案中形成发光器件的p型覆层的第四方法的时序图；
图6为示出p型覆层中的位置与Mg浓度之间的关系的概念图；
图7为示出该实施方案中在形成发光器件的p型覆层期间供应原料气体的状态的时序图；
图8为用于描述该实施方案中制造发光器件的方法的图(1号)。
图9为用于描述该实施方案中制造发光器件的方法的图(2号)。
图10为将包括应用该实施方案的技术的p型覆层的发光器件的驱动电压与通过常规方法制造的发光器件的驱动电压进行比较的曲线图；
图11为将包括应用该实施方案的技术的p型中间层的发光器件的驱动电压与通过常规方法制造的发光器件的驱动电压进行比较的曲线图；以及
图12为示出正向电压与正向电流之间的关系的曲线图。
具体实施方式
接下来，将参照附图对用于制造半导体发光器件的方法的具体示例性实施方案进行描述。然而，本说明书的技术不限于该实施方案。后文所描述的半导体发光器件的层状结构和电极结构仅是实例。将理解的是，可以采用与实施方案中的层状结构不同的任意层状结构。附图中示出的层的厚度是概念性的而不是它们的实际厚度。
1.半导体发光器件
图1示意性示出了根据本实施方案的发光器件100的结构。发光器件100面朝上型半导体发光器件。发光器件100包括由第III族氮化物半导体形成的多个半导体层。如图1所示，发光器件100包括衬底110、缓冲层120、n型接触层130、n侧高静电击穿电压层140、n侧超晶格层150、发光层160、p型覆层170、p型中间层180、p型接触层190、p电极P1和n电极N1。
在衬底110的主表面上依次形成有缓冲层120、n型接触层130、n侧高静电击穿电压层140、n侧超晶格层150、发光层160、p型覆层170、p型中间层180以及p型接触层190。在n型接触层130上形成有n电极N1。在p型接触层190上形成有p电极P1。n型接触层130、n侧高静电击穿电压层140和n侧超晶格层150是n型半导体层。p型覆层170、p型中间层180和p型接触层190是p型半导体层。这些层中的每个层都可以部分地包括未掺杂层。如上所述，发光器件100包括n型半导体层、在n型半导体层上的发光层、在发光层上的p型半导体层、在p型半导体层上的p电极P1和在n型半导体层上的n电极N1。
衬底110是用于通过MOCVD在其主表面上形成上述半导体层的生长衬底。优选地，主表面被处理成具有不规则性。衬底110的材料是蓝宝石。可以使用除了蓝宝石之外的材料，例如SiC、ZnO、Si、GaN和AlN。
在衬底110的主表面上形成有缓冲层120。缓冲层120用于在衬底110上以高密度形成晶核。这有利于具有平坦表面的半导体晶体层的生长。缓冲层120的材料为例如AlN、GaN、BN或TiN。
n型接触层130与n电极N1接触。n型接触层130形成在缓冲层120上。n型接触层130是n型GaN。在n型接触层130中的Si的浓度为1×1018/cm3或更高。n型接触层130可以包括具有不同载流子浓度的多个层。n型接触层130的厚度为例如1000nm至10000nm。当然，可以使用任意其他厚度。
设置n侧高静电击穿电压层140以防止半导体层的静电击穿。n侧高静电击穿电压层140形成在n型接触层130上。通过沉积由未掺杂的i-GaN形成的i-GaN层和由Si掺杂的n型GaN形成的n型GaN层来形成n侧高静电击穿电压层140。i-GaN层的厚度为例如5nm至500nm。n型GaN层的厚度为例如10nm至50nm。在n型GaN层中的Si的浓度为1×1018/cm3至5×1019/cm3。这些数值范围仅是实例，并且可以使用不同的数值范围。n型GaN层可以形成在未掺杂的i-GaN层下。
n侧超晶格层150是用于释放施加到发光层160的应力的应变弛豫层。更具体地，n侧超晶格层150具有超晶格结构。n侧超晶格层150通过重复沉积InGaN层和n型GaN层而形成。重复数目为3至20。重复数目可以是任意其他数目。在n侧超晶格层150中的InGaN层中In的含量为例如2％至20％。n侧超晶格层150中的InGaN层的厚度为例如0.2nm至9nm。n侧超晶格层150中的n型GaN层的厚度为例如1nm至5nm。InGaN层与n型GaN层之间可以形成有GaN层。
发光层160通过电子和空穴的复合而发射光。发光层160形成在n侧超晶格层150上。发光层160至少包括阱层和势垒层。阱层可以是例如InGaN层。势垒层可以是例如GaN层或AlGaN层。这些仅仅是实例，并且可以使用诸如AlInGaN的另一层。可以在InGaN层上形成用于保护InGaN层的GaN层。在这种情况下，通过重复沉积InGaN层、GaN层和AlGaN层而形成发光层160。
在发光层160上形成有p型覆层170。p型覆层170是p侧超晶格层。p型覆层170是例如通过重复沉积p型AlGaN层和p型InGaN层形成的层状堆叠。重复数目为例如5至20。p型覆层170的各个p型AlGaN层的Al组分是5％至40％。在p型覆层170中各个p型AlGaN层的厚度为0.5nm至7nm。在p型覆层170中p型InGaN层中In的含量为1％至20％。在p型覆层170中各个p型InGaN层的厚度为0.5nm至7nm。
p型覆层170的总厚度为2nm至50nm。在p型覆层170中Mg的浓度为5×1019/cm3至5×1021/cm3。Mg的浓度优选为8×1019/cm3至1×1021/cm3，更优选为1×1020/cm3至5×1020/cm3。这些值仅是实例。因此，可以使用其他值，并且可以使用不同的构造。
在p型覆层170上形成有p型中间层180。p型中间层180包括GaN层181和p型GaN层182。GaN层181是第一p型中间层。p型GaN层182是第二p型中间层。p型GaN层182是由掺杂有Mg的GaN形成的层。GaN层181形成在p型覆层170上。p型GaN层182形成在GaN层181上。p型GaN层182与p型接触层190接触。
p型接触层190是电连接至p电极P1的半导体层。因此，p型接触层190与p电极P1接触。p型接触层190形成在p型中间层180的第二p型GaN层182上。p型接触层190由掺杂有Mg的p型GaN形成。
在p型接触层190上形成有p电极P1。p电极P1与p型接触层190接触。p电极P1的材料为ITO。也可以使用除了ITO之外的透明导电氧化物，例如ICO、IZO、ZnO、TiO2、NbTiO2或TaTiO2。在p电极P1上可以形成有由诸如Ni、Au、Ag、Co、In或Rh的金属形成的金属电极。可替代地，在p电极P1上可以形成有另一电极。
在n型接触层130上形成有n电极N1。n电极N1与n型接触层130接触。n电极N1由依次堆叠在n型接触层130上的V和Al形成。可替代地，可以依次堆叠Ti和Al。可替代地，可以依次堆叠Ti和Au。
2.用于形成p型覆层的方法
将对形成p型覆层170的步骤进行描述。该步骤在MOCVD炉中进行。
在所有的以下形成方法中可以使用相同的原料气体。原料气体包括第一原料气体、第二原料气体和第三原料气体。第一原料气体含有镓(Ga)原子。具体地，第一原料气体是含有第III族元素的原料气体。第一原料气体的实例包括三甲基镓(TMG)和三乙基镓(TEG)。第二原料气体含有氮(N)原子。第二原料气体的实例包括氨(NH3)和肼(N2H4)。第三原料气体为含有Mg原子的掺杂剂气体。第三原料气体的实例包括环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)和双乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg:Mg(C2H5C5H4)2)。
2-1.第一形成方法
图2是示出在第一形成方法的p型覆层形成步骤中供应的原料气体的量的时序图。除了在图2中示出的原料气体之外，还使用诸如氮气或氢气的载气和含有氮原子的第二原料气体(例如氨)。
如图2所示，p型覆层形成步骤包括第一时间段TA1、第二时间段TA2和第三时间段TA3。第二时间段TA2在第一时间段TA1之后。第三时间段TA3在第二时间段TA2之后。图2中的第零时间段TA0是发光层形成步骤的最终时间段。如图2所示，第三时间段TA3之后再次出现第一时间段TA1。p型覆层170是通过重复沉积p型AlGaN层和p型InGaN层而形成的层状堆叠。因此，第一时间段TA1、第二时间段TA2和第三时间段TA3的重复次数等于堆叠层对的数目。含有氮原子的第二原料气体在整个第一时间段TA1、第二时间段TA2和第三时间段TA3期间供应。
在第一时间段TA1中，供应掺杂剂气体而不供应含有第III族元素的第一原料气体。具体地，在不向衬底110供应三甲基镓(TMG)的情况下，以SB2的量向衬底110供应掺杂剂气体(Mg(C5H5)2)。在第一时间段TA1中，也不供应其他含有第III族金属的气体例如三甲基铝(TMA)。具体地，在第一时间段TA1中，不向衬底110供应含有第III族金属的第一原料气体。因此，在第一时间段TA1中，没有半导体层生长。而是，MOCVD炉填充有含Mg的掺杂剂气体。在衬底110的表面附近存在一定浓度的掺杂剂气体。优选地，第一时间段TA1为1秒或更长且300秒或更短。第一时间段TA1可以为1秒或更长且150秒或更短。
在第二时间段TA2中，供应含有第III族元素的第一原料气体和掺杂剂气体以使得半导体层能够生长。具体地，以SA1的量供应三甲基镓(TMG)，以SB2的量供应掺杂剂气体。可以供应另一含有第III族金属的气体。在这种情况下，供应三甲基铝(TMA)。在第二时间段TA2中供应的掺杂剂气体的量与在第一时间段TA1中供应的掺杂剂气体的量相同。由此形成p型AlGaN层。
在第二时间段TA2的起始时间t2时，衬底110的表面附近填充有足够浓度的掺杂剂气体。因此，当原料气体到达衬底110并且由此生长p型AlGaN层时，该半导体层适当的掺杂有掺杂剂气体。
在第三时间段TA3中，以SA3的量供应三甲基镓(TMG)，并且以SB4的量供应掺杂剂气体。还供应三甲基铟(TMI)。可由此生长p型InGaN层。三甲基镓(TMG)的供应量SA1大于供应量SA2。供应量SA2大于供应量SA3。掺杂剂气体(Mg(C5H5)2)的供应量SB2大于供应量SB4。
2-2.第二形成方法
图3为示出在第二形成方法的p型覆层形成步骤中供应的原料气体的量的时序图。除了在图3中示出的原料气体之外，还使用第二原料气体(例如氨气)和诸如氮气或氢气的载气。第二形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3与第一形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3相同。因此，将给出第一时间段TA1的描述。
在第一时间段TA1中，不供应三甲基镓(TMG)，并且以SB1的量供应掺杂剂气体(Mg(C5H5)2)。供应量SB1大于供应量SB2。在第一时间段TA1中，也不供应其他的含有第III族金属的气体。具体地，在第一时间段TA1中，不向衬底110供应第III族金属。因此，在第一时间段TA1中，没有生长半导体层。而是，MOCVD炉填充有含Mg的掺杂剂气体。在衬底110的表面附近存在有一定浓度的掺杂剂气体。
2-3.第三形成方法
图4为示出在第三形成方法的p型覆层形成步骤中供应的原料气体的量的时序图。除了在图4中示出的原料气体之外，还使用第二原料气体(例如氨气)和诸如氮气或氢气的载气。第三形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3与第一形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3相同。因此，将给出第一时间段TA1的描述。
在第一时间段TA1中，不供应三甲基镓(TMG)，并且以SB3的量供应掺杂剂气体(Mg(C5H5)2)。供应量SB3小于供应量SB2。在第一时间段TA1中，也不供应其他的含有第III族金属的气体。具体地，在第一时间段TA1中，不向衬底110供应第III族金属。因此，在第一时间段TA1中，没有生长半导体层。而是，MOCVD炉填充有含Mg的掺杂剂气体。在衬底110的表面附近存在有一定浓度的掺杂剂气体。
2-4.第四形成方法
图5为示出在第四形成方法的p型覆层形成步骤中供应的原料气体的量的时序图。除了在图5中示出的原料气体之外，还使用第二原料气体(例如氨气)和诸如氮气或氢气的载气。第四形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3与第一形成方法中的第二时间段TA2和第三时间段TA3相同。因此，将给出第一时间段TA1的描述。
在第一时间段TA1中，掺杂剂气体的流量随时间增加。具体地，在不供应三甲基镓(TMG)的情况下，掺杂剂气体(Mg(C5H5)2)的供应量从0逐渐增加至SB2。在第一时间段TA1中，也不供应其他的含有第III族金属的气体。具体地，在第一时间段TA1中，不向衬底110供应第III族金属。因此，在第一时间段TA1中，没有生长半导体层。而是，MOCVD炉填充有含Mg的掺杂剂气体。在衬底110的表面附近存在有一定浓度的掺杂剂气体。
2-5.掺杂剂气体的流量
如上所述，在第一形成方法、第三形成方法和第四形成方法中，在第一时间段TA1中的掺杂剂气体的流量等于或小于在第二时间段TA2中掺杂剂气体的流量。在第二形成方法中，在第一时间段TA1中的掺杂剂气体的流量大于在第二时间段TA2中掺杂剂气体的流量。
2-6.p型覆层形成方法的效果
如上所述，在本实施方案中，在供应含有第III族金属的有机金属气体之前，将含Mg的掺杂剂气体供应至衬底110。因此，在含有第III族金属的第一原料气体到达衬底110以形成p型覆层170的起始时间t2处，衬底110的表面附近充分地填充有掺杂剂气体。在这种情况下，p型覆层170快速掺杂有Mg。
图6为示出p型覆层170与Mg浓度之间的关系的概念图。在图6中水平方向表示在发光器件100的沉积结构中的位置。在图6中竖直方向示意性表示沉积结构中的Mg浓度。在图6中线L1表示当使用本实施方案中用于形成p型覆层170的方法时Mg浓度的变化。在图6中线L2是表示当使用常规的p型覆层形成方法时Mg浓度的变化的线(1号)。在图6中线L3是表示当使用常规的p型覆层形成方法时Mg浓度的变化的线(2号)。
如图6中线L1所示，利用本实施方案中用于形成p型覆层170的方法，Mg浓度急剧增加，并且在p型覆层170与发光层160之间的边界附近Mg浓度高。因此，在上述发光器件100中，驱动电压Vf往往足够低。
与此同时，如图6中线L2所示，利用常规技术，Mg浓度增加的急剧度小于本实施方案中的增加的急剧度。因此，常规发光器件的驱动电压Vf往往比本实施方案中发光器件100的驱动电压Vf高。利用常规技术，Mg不稳定地引入半导体层。因此，在制造批次中Mg浓度可能变化，如线L2和线L3所示。换句话说，在制造批次中驱动电压Vf变化。本实施方案的技术可以减小制造批次中Mg浓度的变化并且使得在p型覆层170中Mg浓度急剧增加。
由于如上所述在发光层160与p型覆层170之间的边界附近Mg浓度高，所以可以适当地限制电子。换句话说，所制造的发光器件100具有高亮度。形成具有高Mg浓度的p型覆层170可以减小串联电阻。因此，所制造的发光器件100的驱动电压Vf低。此外，在制造批次中Mg浓度几乎不变。因此，提高了发光器件100的产率。
3.用于制造半导体发光器件的方法
接下来将给出根据本实施方案的用于制造发光器件100的方法的描述。在本实施方案中，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)通过外延生长来形成形成半导体层的晶体。因此，该制造方法包括：在衬底上形成n型半导体层的n型半导体层形成步骤；在n型半导体层上形成发光层的发光层形成步骤；在发光层上形成第一p型半导体层的第一p型半导体层形成步骤；在第一p型半导体层上形成p型接触层的p型接触层形成步骤；在p型接触层上形成p电极的p电极形成步骤；以及在n型半导体层上形成n电极的n电极形成步骤。第一p型半导体层是除了p型接触层之外的p型半导体层。在本实施方案中，第一p型半导体层包括p型覆层170和p型中间层180。
所使用的载气为氢气(H2)、氮气(N2)或氢气和氮气的混合气体(H2+N2)。除非另有说明，否则这些气体中任何气体均可以用于后文所描述的步骤中。氨气(NH3)被用作氮源。三甲基镓(Ga(CH3)3：“TMG”)被用作Ga源。三甲基铟(In(CH3)3：“TMI”)被用作In源。三甲基铝(Al(CH3)3：“TMA”)被用作Al源。硅烷(SiH4)被用作n型掺杂剂气体。环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2，后文可以称为“Cp2Mg”)被用作p型掺杂剂气体。
3-1.n型半导体层形成步骤
3-1-1.n型接触层形成步骤
首先，利用氢气对衬底110进行清洗。接下来，在衬底110的主表面上形成缓冲层120。然后在缓冲层120上形成n型接触层130。在该工艺中衬底的温度为1000℃至1200℃。
3-1-2.n侧高静电击穿电压层形成步骤
接下来，在n型接触层130上形成n侧高静电击穿电压层140。为了形成i-GaN层，停止供应硅烷(SiH4)。在该工艺中衬底的温度为750℃至950℃。然后为了形成n型GaN再次供应硅烷(SiH4)。在该工艺中衬底的温度与形成i-GaN层期间的温度相同，即，750℃至950℃。
3-1-3.n侧超晶格层形成步骤
接下来，在n侧高静电击穿电压层140上形成n侧超晶格层150。例如，重复沉积InGaN层和n型GaN层。在该工艺中衬底的温度为700℃至950℃。
3-2.发光层形成步骤
接下来，在n侧超晶格层150上形成发光层160。例如，重复沉积InGaN层、GaN层和AlGaN层。在该工艺中衬底的温度为例如700℃至900℃。
3-3.p型半导体层形成步骤
3-3-1.p型覆层形成步骤(第一p型半导体层形成步骤(1号))
接下来，在发光层160上形成p型覆层170。例如，重复沉积p型AlGaN层和p型InGaN层。所使用的掺杂剂气体可以为环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)。在该步骤中，可以利用以上所述的第一形成方法至第四形成方法中的任意形成方法。
具体地，在第一时间段TA1中，在不供应含有第III族元素的第一原料气体的条件下供应掺杂剂气体。在第二时间段TA2中，供应含有第III族元素的第一原料气体和掺杂剂气体以使得p型覆层170生长。实际上，如图7所示，第一时间段TA1至第三时间段TA3周期性重复，次数等于堆叠层的对的数目。衬底的温度为800℃至1200℃。
当形成p型覆层170时，所供应的载气为氮气、氢气或其混合气体。当使用例如H2和N2的混合气体时，载气中氮气的摩尔比为20％至80％。摩尔比优选为30％至80％，更优选为40％至70％。
氢气利于p型覆层170的构成原子的迁移。因此，该层的表面平整度得到改善。然而，氢原子可以被捕获在形成该层的晶体中并且结合到Mg。在这种情况下，Mg的活化被抑制。氮气抑制晶体的分解。具体地，氮气可以防止不期望的氮原子从结晶中的释放。
3-3-2.p型中间层形成步骤(第一p型半导体层形成步骤(2号))
接下来，在p型覆层170上形成p型中间层180。具体地，在p型覆层170上形成GaN层181。当形成GaN层181时，不供应p型掺杂剂气体。然而，因为在p型覆层形成步骤中所使用的掺杂剂气体的记忆效应GaN层181可以掺杂有Mg。然后在GaN层181上形成p型GaN层182。当形成p型GaN层182时，供应p型掺杂剂气体。
3-3-3.p型接触层形成步骤
接下来，在p型中间层180上形成p型接触层190。供应至少氢气作为载气。氢气可以改善p型接触层190的表面平整度。衬底的温度被设定为800℃至1200℃。通过以上所述步骤，如图8所示，半导体层沉积在衬底110上。
3-4.电极形成步骤
接下来，在p型接触层190上形成p电极P1。然后，如图9所示，使用激光或通过蚀刻从p型接触层190侧去除部分半导体层以露出n型接触层130。然后在n型接触层130的露出部分上形成n电极N1。可以在形成n电极N1的步骤之前进行形成p电极P1的步骤，或者可以在形成p电极P1的步骤之前进行形成n电极N1的步骤。
3-5.其他步骤
除了以上所述的步骤之外，可以进行其他步骤，例如利用绝缘膜覆盖器件的步骤和热处理步骤。通过以上所述步骤，制造图1中所示的发光器件100。
4.实验
4-1.实验1(p型覆层)
制造包括利用第一形成方法生长的p型覆层170的样品(实施例1)。还制造包括利用常规技术形成的p型覆层的样品(比较例1)。除了p型覆层形成步骤之外，这些样品的制造步骤相同。然后，将这些样品就其驱动电压进行相互比较。
结果示于表1中。实施例1的驱动电压为2.857(V)。比较例1的驱动电压为2.863(V)。实施例1的驱动电压比比较例1的驱动电压低0.006(V)。
[表1]
驱动电压(Vf)
实施例1 2.857(V)
比较例1 2.863(V)
图10为示出表1中的结果的曲线图。
4-2.实验2(p型中间层)
制造包括利用第一形成方法生长的p型中间层180的样品(实施例2)。也制造包括利用常规技术形成的p型中间层的样品(比较例2)。除了p型中间层形成步骤之外，这些样品的制造步骤都相同。然后，将这些样品就其驱动电压进行相互比较。
结果示于表2中。实施例2的驱动电压为2.857(V)。比较例2的驱动电压为2.880(V)。实施例2的驱动电压比比较例2的驱动电压低0.023(V)。
[表2]
驱动电压(Vf)
实施例2 2.857(V)
比较例2 2.880(V)
图11为示出表2中的结果的曲线图。
图12为用于比较发光器件的正向电压(V)与正向电流(A)的曲线图。如图12所示，当向实施例的发光器件和比较例的发光器件施加相同电压时，实施例的发光器件的正向电流大于比较例的发光器件的正向电流。
因此发现本实施方案的发光器件100的驱动电压小于常规发光器件的驱动电压。
5.修改方案
5-1.p型中间层的应用
在本实施方案中，将第一形成方法至第四形成方法应用至p型覆层170。然而，本实施方案的技术可以应用至p型中间层180。具体地，在第一时间段TA1中，供应掺杂剂气体而不供应含有第III族元素的第一原料气体。在第二时间段TA2中，供应含有第III族元素的第一原料气体和掺杂剂气体以生长p型中间层180。在这种情况下，在远离发光层160的位置处可以增加Mg浓度。因此，所制造的发光器件的驱动电压低。本实施方案的技术可以应用至除了p型接触层之外的任何p型半导体层。
5-2.含有氮原子的原料气体
在本实施方案中，在第一时间段TA1期间停止供应含有第III族金属的有机金属气体。在第一时间段TA1中，没有半导体层生长。因此，在第一时间段TA1中，可以停止供应含有氮原子的第二原料气体。然而，即使在第一时间段TA1中不供应含有氮原子的第二原料气体的情况下，在第二时间段TA2中也可以供应第二原料气体。
5-3.衬底温度
在本实施方案中，在p型覆层形成步骤期间衬底温度维持恒定。然而，在p型覆层形成步骤的中间衬底温度可以增加。例如，在第二时间段TA2的中间衬底温度可以增加。在这种情况下，Mg易于引入p型覆层170。然而，衬底温度优选800℃至1200℃。
5-4.倒装芯片类型和衬底剥离类型
将本实施方案的技术应用至面朝上型发光器件100。然而，该技术当然可应用于其他半导体发光器件。该技术当然可应用于例如在其衬底侧具有光提取表面的倒装芯片型半导体发光器件和生长衬底被去除的剥离型半导体发光器件。
5-5.p型覆层的结构
在本实施方案中，通过交替堆叠p型AlGaN层和p型InGaN层来制造p型覆层170。然而，例如，未掺杂的AlGaN层可以设置在发光层160侧上。即使在这种情况下，当生长p型半导体层时也可以应用本实施方案的技术。最接近于发光层160的p型半导体层可以不是p型AlGaN层。即使在这种情况下，当生长最接近于发光层160的p型半导体层时也可以应用本实施方案的技术。
5-6.对p型覆层形成步骤的第一半的应用
本实施方案的技术可以应用至形成p型覆层170的开始。随着p型覆层170中Mg浓度的增加变得急剧，可以更优选地限制电子。因此，本实施方案的技术可以应用至最接近发光层160的p型半导体层或应用至第二接近或第三接近发光层160的p型半导体层。
5-7.对p型覆层形成步骤的第二半的应用
本实施方案的技术可以应用至形成p型覆层170的第二半。在这种情况下，p型覆层170中Mg浓度增加缓慢。这可以防止p型覆层170中的Mg扩散进入发光层160。即，可以防止发光器件100的发光效率减少。
5-8.p型中间层
在本实施方案中，p型中间层180包括两层：即，GaN层181和堆叠在GaN层181上的p型GaN层182。然而，p型中间层可以包括仅一层并且可以包括三层或更多层。可以使用除了GaN之外的第III族氮化物半导体。
5-9.组合
以上所述的修改方案可以适当地组合。
6.本实施方案的概要
如上详述，在本实施方案中，优先于供应含有第III族金属的有机金属气体，将含Mg的掺杂剂气体供应至衬底110。因此，在含有第III族金属的第一原料气体到达衬底110以形成p型覆层170的时间t2处，衬底110的表面附近充分地填充有掺杂剂气体。在这种情况下，利用Mg快速地掺杂p型覆层170。因此，在开始形成p型覆层170之后，Mg浓度立即快速增加。由于在发光层160与p型覆层170之间的边界附近Mg浓度高，所以可以适当地限制电子。换句话说，所制造的发光器件100具有高亮度。形成高Mg浓度的p型覆层170可以减小串联电阻。因此，所制造的发光器件100的驱动电压Vf低。此外，在制造批次中Mg浓度几乎不变。因此，提高了发光器件100的产率。
本实施方案的半导体发光器件制造方法具有第二时间段TA2。P型覆层170中的Mg浓度能够容易地通过调整第二时间段TA2的时间长度或本时间段期间原料气体的供应量来控制。
以上所述实施方案仅是实例。因此，不必说，在不脱离本技术范围的情况下可以以各种方式改善或修改实施方案。层状堆叠的沉积结构不必限于以上所示的结构。沉积结构、层的重复数目等可以自由选择。气相沉积方法不限于金属有机化学气相沉积(MOCVD)法。可以利用任意其他气相沉积法，只要其使用载气生长晶体即可。

Claims (10)

1.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成发光层；
在所述发光层上形成第一p型半导体层；以及
在所述第一p型半导体层上形成p型接触层，
其中形成所述第一p型半导体层包括在第一时间段期间供应掺杂剂气体而不供应含有第III族元素的第一原料气体，以及在所述第一时间段之后的第二时间段期间供应所述第一原料气体和所述掺杂剂气体以生长半导体层。
2.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中形成所述第一p型半导体层包括：
在所述发光层上形成p型覆层；以及
在所述p型覆层上形成p型中间层，
其中形成所述p型覆层包括供应所述掺杂剂气体而不供应所述第一原料气体，然后供应所述第一原料气体和所述掺杂剂气体以生长所述p型覆层。
3.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中形成所述第一p型半导体层包括：
在所述发光层上形成p型覆层；以及
在所述p型覆层上形成p型中间层，
其中形成所述p型中间层包括供应所述掺杂剂气体而不供应所述第一原料气体，然后供应所述第一原料气体和所述掺杂剂气体以生长所述p型中间层。
4.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中形成所述第一p型半导体层包括：
在所述发光层上形成p型覆层；以及
在所述p型覆层上形成p型中间层，
其中形成所述p型覆层包括供应所述掺杂剂气体而不供应所述第一原料气体，然后供应所述第一原料气体和所述掺杂剂气体以生长所述p型覆层，以及
形成所述p型中间层包括供应所述掺杂剂气体而不供应所述第一原料气体，然后供应所述第一原料气体和所述掺杂剂气体以生长所述p型中间层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述第一时间段中所述掺杂剂气体的流量等于或小于在所述第二时间段中所述掺杂剂气体的流量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述第一时间段中所述掺杂剂气体的流量大于在所述第二时间段中所述掺杂剂气体的流量。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述第一时间段中所述掺杂剂气体的流量随时间增加。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述第一时间段和所述第二时间段期间供应含有氮原子的第二原料气体。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中在所述第一时间段期间不供应含有氮原子的第二原料气体，而在所述第二时间段期间供应含有氮原子的第二原料气体。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一时间段为1秒或更长且300秒或更短。
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