半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種III族氮化物半導(dǎo)體器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體發(fā)光器件的出現(xiàn)帶來了能覆蓋可見光譜以及更高的發(fā)光效率和固態(tài)穩(wěn)定的光源。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管等在很多領(lǐng)域中已被廣泛使用。發(fā)光二極管或激光二極管通常包括在微電子襯底上以及襯底上的由外延工藝制造的氮化物半導(dǎo)體層，該襯底可以是砷化鎵，磷化鎵，碳化硅和/或藍(lán)寶石?；贗II族氮化物半導(dǎo)體的可見光發(fā)光二極管因其具有使用壽命長、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高等優(yōu)點，近年來在戶內(nèi)外彩色顯示、背光和照明等領(lǐng)域的應(yīng)用普及率越來越高。
[0003]LED外延結(jié)構(gòu)通常包括襯底、GaN層、N型導(dǎo)電層、過渡層、多量子阱發(fā)光層、電子阻擋層、P型導(dǎo)電層、P型接觸層(P電極)以及N型接觸層(N電極)。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)示意圖。該III族氮化物半導(dǎo)體器件包括襯底10、在襯底10上外延生長的緩沖層20、在緩沖層20上外延生長的N型導(dǎo)電層30、在N型導(dǎo)電層30上外延生長的發(fā)光層40、在發(fā)光層40上外延生長的P型導(dǎo)電層50、在P型導(dǎo)電層50上形成的P側(cè)電極60以及在N型導(dǎo)電層30上形成的N側(cè)電極80。N型導(dǎo)電層或P型導(dǎo)電層可構(gòu)建為單層或多層。
[0004]半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光層主要由若干周期交替生長的帶隙較窄的阱層和帶隙較寬的皇層構(gòu)成。由于阱層材料的含銦(In)組分大于N型導(dǎo)電層及量子皇層，因此會在阱層中產(chǎn)生應(yīng)力，使得在阱及皇的交界面處產(chǎn)生極化電荷形成極化場。該極化場會引起阱層中電子與空穴波函數(shù)相分離，減小其福射復(fù)合幾率，從而降低發(fā)光層的光電轉(zhuǎn)換效率即內(nèi)量子效率，這個問題隨著發(fā)出波長進(jìn)入更長的綠光甚至黃紅光區(qū)域變得更為嚴(yán)重。
[0005]因此提高量子阱的內(nèi)量子效率成為提高III族氮化物半導(dǎo)體器件性能的關(guān)鍵，減小量子阱中的應(yīng)力、減弱量子阱中的量子斯塔克效應(yīng)是目前提高器件的出光效率的技術(shù)研宄熱點之一。公開號為1552104A的中國發(fā)明專利申請中提及一種減少量子阱中的極化電荷的方法，其在量子阱生長之前插入一層InxGahNAnyGahN交替生長的超晶格結(jié)構(gòu)，其作用在于釋放量子阱中的應(yīng)力，以減小量子阱中的極化電荷并提高出光效率。公開號為102449737A的中國發(fā)明專利申請中公開了一種在非極性面或半極性面上生長III族氮化物薄膜的方法，來減小量子阱中的極化電荷；但該方法中在非極性面或半極性面中的量子阱極化電荷很少，其極化場較小，量子阱能帶傾斜減弱，因此要達(dá)到相同波長，需要含有更多的In組分，而在非極性面和半極性面上In組分并入效率較低，需要更低的生長溫度，如此會惡化量子阱的晶體質(zhì)量。申請?zhí)枮?01110171022及申請?zhí)枮?01110171023的中國發(fā)明專利申請公開了一種在襯底上形成凹槽制作氮化鎵襯底的方法，但發(fā)光的量子阱層為InGaN材料，即使生長在應(yīng)力完全釋放的氮化鎵襯底之上，InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)依然存在應(yīng)力，仍需要進(jìn)一步降低發(fā)光中的極化電場，以提高發(fā)光效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可以釋放多量子阱層生長表面的應(yīng)力，從而提高發(fā)光效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種可以釋放多量子阱層生長表面的應(yīng)力，從而提高發(fā)光效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法。
[0008]為了實現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0009]半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括:襯底、形成于所述襯底上的結(jié)晶層、氮化鎵緩沖層、N型氮化鎵層、過渡層、多量子阱層和P型氮化鎵層；低溫氮化鎵層，所述低溫氮化鎵層形成于所述N型氮化鎵層上，且其上形成若干凹坑；應(yīng)力釋放層，所述應(yīng)力釋放層的厚度小于10nm并由依次形成于所述低溫氮化鎵層上的I至K層In^Ga^j^N構(gòu)成，其中，第k層Inx(k)Ga1^xik)N 的厚度 dk小于第k-Ι 層 In的厚度(Ilrf，且x(k) > x(k-l)，k = 1，…，K，K ( 5 ;所述P型氮化鎵層覆蓋所述凹坑。
[0010]本發(fā)明的低溫氮化鎵層的厚度為0.2?0.5微米。
[0011]本發(fā)明的低溫氮化鎵層上形成的凹坑的密度為le8-le9/Cm2。
[0012]本發(fā)明的第一層InxwGapxwN的厚度為20?30nm，x(l)為2?5%。
[0013]本發(fā)明的第K層InxaoGahxaoN的厚度為3?5nm，x(K) < 10%。
[0014]為了實現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0015]半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法，包括以下步驟
[0016]提供襯底，在襯底上依次沉積結(jié)晶層、氮化鎵緩沖層、N型氮化鎵層；
[0017]在N型氮化鎵層生長一層低溫氮化鎵層；
[0018]在低溫氮化鎵層上生長厚度小于10nm的應(yīng)力釋放層，所述應(yīng)力釋放層包括依次形成于低溫氮化鎵層上的I至K層Inx(J5)Ga110i)N，第k 層 Inx(k)G?—x(k) N的厚度dk小于第k-1層 Inx(k-1)Ga1-x(k-1)N 的厚度Cilrf，且x(k) > X(k-ι)，第I層InxwGauN的生長溫度低于低溫風(fēng)化嫁層的生長溫度，弟k層Inx(k)Ga1-Ji(k)N的生長溫度低于弟k_l層Inx(J^1)Ga1ImN的生長溫度，其中，k= 1，…，K，K彡5;
[0019]在應(yīng)力釋放層上依次沉積過渡層和多量子阱層；
[0020]在多量子阱層上沉積P型氮化鎵層，P型氮化鎵層覆蓋所述凹坑；
[0021]形成分別與N型氮化鎵層及P型氮化鎵層電連接的N電極和P電極。
[0022]本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法中，所述低溫氮化鎵層的生長溫度為800?950。。。
[0023]本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法中，第一層Ιηχ(1)6&1_χ(1)Ν的生長溫度為800?810°C，厚度為 20 ?30nm，x(l)為 2 ?5%。
[0024]本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法中，第K層Ιηχ(κ)6&1_χ(κ)Ν的生長溫度為770?780?，厚度為 3 ?5nm，x ⑷ < 10%。
[0025]本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法中，每一層InGaN中銦的組分按從底層到表層逐漸增加，每層增加a%，a = 2。
[0026]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過在N型氮化鎵層上形成低溫氮化鎵層，并在低溫氮化鎵層上降低生長溫度形成由若干層InGaN構(gòu)成的應(yīng)力釋放層，根據(jù)量子阱的銦的組分調(diào)整應(yīng)力釋放層的總厚度、InGaN的層數(shù)、厚度以及每一層中銦的組分，使應(yīng)力釋放層中各層InGaN的銦的組分從底層至表面遞增，厚度遞減，達(dá)到逐步釋放應(yīng)力的目的。隨著量子阱層中的銦含量增加，其應(yīng)力釋放對提高復(fù)合輻射效率的優(yōu)勢將更為明顯，從而避免應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生表面不平整以及控制應(yīng)力釋放所產(chǎn)生缺陷數(shù)量。
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實施例半導(dǎo)體發(fā)光器件形成應(yīng)力釋放層的的示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實施例低溫氮化鎵層上形成凹坑的示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實施例半導(dǎo)體發(fā)光器件形成多量子阱層的示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明實施例半導(dǎo)體發(fā)光器件形成P型氮化鎵層的示意圖。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底、依次形成于襯底上的結(jié)晶層、氮化鎵緩沖層、N型氮化鎵層、低溫氮化鎵層、應(yīng)力釋放層、過渡層、多量子阱層和P型氮化鎵層，N電極及P電極通過微合金工藝分別與N型氮化鎵層及P型氮化鎵層形成歐姆接觸。本發(fā)明的襯底可為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、同質(zhì)氮化鎵等常用的用于氮化鎵外延材料生長的襯底。結(jié)晶層、氮化鎵緩沖層、N型氮化鎵層采用傳統(tǒng)的工藝條件生長形成。
[0034]本發(fā)明在N型氮化鎵層生長一層低溫的氮化鎵層，該低溫氮化鎵層的生長溫度為800?950度，厚度為0.2?0.5微米。由于生長溫度較低，氮化鎵橫向生長速率減慢，有利于形成表面自由能較低的傾斜生長面，氮化鎵是以c軸為對稱軸的六方晶體，這些與c面有一定夾角的傾斜生長面為正六邊形對稱，因而在從襯底延伸至生長表面的線位錯上將形成橫截面為六邊形的凹坑，凹坑的形成為后續(xù)沉積的外延層提供了晶格橫向擴(kuò)展釋放應(yīng)力所需的空間。低溫氮化鎵層上形成的凹坑的密度為Ie8-1eVcm2,凹坑的密度可以通過調(diào)整氮化鎵緩沖層生長條件即位錯密度來改變。
[0035]在低溫氮化鎵層上形成的應(yīng)力釋放層由K層InGaN構(gòu)成，K ( 5，應(yīng)力釋放層的總厚度小于lOOnm。在低溫氮化鎵層上依次生長I至K層InGaN，每一層InGaN的銦的組分從下往上遞增，每一層的厚度遞減，以達(dá)到逐步釋放應(yīng)力、避免應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生缺陷的目的。例如，在低溫風(fēng)化嫁層上生長弟一層InduGah⑴N，厚度為(I1，在弟一層InmGah⑴N上生長第二層Inx⑵Gah⑵N