專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體器件。更具體地，本發(fā)明涉及一種高效的氮化物半導(dǎo)體器件，它能優(yōu)化注入到有源層中的電子的捕獲率，以增加內(nèi)量子效率，并減小引起有源層中的壓電場(chǎng)的應(yīng)力。
背景技術(shù)：
通常，氮化物半導(dǎo)體被廣泛用于綠色或藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)，這些發(fā)光二極管可用作全色顯示器、圖像掃描器、各種信號(hào)系統(tǒng)和光通信裝置、或激光二極管(LD)的光源。這種氮化物半導(dǎo)體器件包括有源層，它具有布置在n型和p型氮化物半導(dǎo)體層之間的單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。并且，有源層通過(guò)電子和空穴的重新結(jié)合產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光。
氮化物半導(dǎo)體器件的光效率根本上由有源層中的電子和空穴的復(fù)合率或內(nèi)量子效率決定。與提高內(nèi)量子效率的方法相關(guān)的研究已經(jīng)集中于改進(jìn)有源層的結(jié)構(gòu)或者增加載流子的有效質(zhì)量。
特別地，為了增加有源層中的載流子的有效質(zhì)量，應(yīng)使在有源層外部復(fù)合的載流子的數(shù)量減小，使電子和空穴的捕獲率需要優(yōu)化。但是，由于電子遷移率比空穴遷移率相對(duì)較大，一些電子沒(méi)有在有源層中復(fù)合，而是移動(dòng)到p型氮化物半導(dǎo)體層，在那里電子在有源層外復(fù)合，導(dǎo)致發(fā)光效率降低。
傳統(tǒng)上看，美國(guó)專利第6,614,060號(hào)(2003年9月2日公開(kāi)，轉(zhuǎn)讓給Arima Optoelectronics公司)公開(kāi)了一種采用將InGaN/GaN層置于n型氮化物半導(dǎo)體層和有源層之間的非對(duì)稱諧振隧道結(jié)構(gòu)的方法。
圖1a和圖1b示出了根據(jù)上述專利的氮化物半導(dǎo)體器件的示意性結(jié)構(gòu)和能帶圖。
圖1a中所示的氮化物半導(dǎo)體器件10包括上面形成有緩沖層12的藍(lán)寶石襯底11。n型氮化物半導(dǎo)體層13、有源層16、和p型氮化物半導(dǎo)體層17按順序形成在緩沖層12上。n電極18與n型氮化物半導(dǎo)體層13連接，p電極19與p型氮化物半導(dǎo)體層17連接。
上述的專利提出了一種形成于n型氮化物半導(dǎo)體層13和有源層16之間的電子發(fā)射層結(jié)構(gòu)15。電子發(fā)射層結(jié)構(gòu)15包括InGaN電子積聚層15a和GaN諧振隧道層15b。電子發(fā)射層15用于減小沒(méi)有在有源層16中復(fù)合而進(jìn)入p型氮化物半導(dǎo)體層17中的電子的數(shù)量。
更具體地，參考圖1b，InGaN電子積聚層15a具有比GaN n型氮化物半導(dǎo)體層13的帶隙小的帶隙。GaN諧振隧道層15b具有比量子阱層的帶隙大的帶隙，并以允許發(fā)生隧道效應(yīng)的厚度形成。
n型氮化物半導(dǎo)體層13提供的電子積聚在具有低帶隙的InGaN電子積聚層15a中。積聚的電子穿過(guò)GaN諧振隧道層15b，并注入有源層16。以這種方式，電子發(fā)射層15捕獲電子，然后將其注入有源層，從而增加在有源層中復(fù)合的電子的有效質(zhì)量。
但是根據(jù)上述的方法，InGaN電子積聚層15a應(yīng)該具有比相鄰的n型氮化物半導(dǎo)體層13的帶隙小得多的帶隙，大約50nm厚，這使得晶格常數(shù)差引起非常大的應(yīng)力。
由這種晶格常數(shù)的差異導(dǎo)致的應(yīng)力不僅大大降低了有源層的結(jié)晶度，而且加劇了有源層上的壓電場(chǎng)效應(yīng)。尤其是，壓電場(chǎng)使電子和空穴的波函數(shù)彼此分離，從而降低電子-空穴復(fù)合率。這嚴(yán)重惡化了器件的發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有新型電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件，該電子發(fā)射結(jié)構(gòu)可減小由應(yīng)力引起的有源層結(jié)晶度的降低，以及減小壓電場(chǎng)效應(yīng)，并在有源層下方有效地捕獲電子以增加電子-空穴復(fù)合率。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；有源層，形成在p型氮化物半導(dǎo)體層和n型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有量子阱層和量子勢(shì)壘層；以及電子發(fā)射層，形成在n型氮化物半導(dǎo)體層和有源層之間，其中，電子發(fā)射層包括氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層，形成在n型氮化物半導(dǎo)體層上，并具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1；以及諧振隧道層，形成在氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層上，并具有比量子阱層的帶隙大的帶隙。
優(yōu)選地，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有從一個(gè)單分子層到50的厚度。更優(yōu)選地，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有10～30的厚度。
本發(fā)明中使用的這種半導(dǎo)體量子點(diǎn)層與相鄰的n型氮化物半導(dǎo)體層具有晶格常數(shù)差，并能夠通過(guò)由該差異導(dǎo)致的應(yīng)力形成。用于形成量子點(diǎn)層的晶格常數(shù)差能夠通過(guò)改變含量來(lái)獲得。優(yōu)選地，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1，并且n型氮化硅半導(dǎo)體層具有表示為Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的組成，其中0≤x1≤1，且0≤y1≤1，其中x至少比y大0.3(y至少比y1)大0.3。
更優(yōu)選地，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有表示為InyGa(1-y)N的組成，n型氮化物半導(dǎo)體層由GaN制成，其中y在0.3～1之間變動(dòng)。
優(yōu)選地，諧振隧道層具有大約0.5～10nm的厚度，使得在氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層中捕獲的電子能穿過(guò)。在諧振隧道層具有表示為Iny2Ga(1-y2)N的組成的情況下，為了具有期望的帶隙，In的含量(y)應(yīng)該優(yōu)選地為0.2或者更小。優(yōu)選地，諧振隧道層具有和量子勢(shì)壘層相同的組成。
諧振隧道層包括無(wú)摻雜層或n摻雜層。優(yōu)選地，諧振隧道層被n摻雜到1020/cm3或更低的濃度。


本發(fā)明的上述和其他的目標(biāo)、特征和其他優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述而變得更加顯而易見(jiàn)，在附圖中圖1a是傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體器件的側(cè)截面圖；圖1b是圖1a中示出的氮化物半導(dǎo)體器件的能帶圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件的側(cè)截面圖；
圖3是示出了InGaN層和InN量子點(diǎn)層重復(fù)生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的側(cè)截面圖的TEM圖片；圖4a和圖4b是示出了傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體器件中采用的有源層表面的AFM圖片；圖4c是示出了根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中采用的有源層表面的AFM圖片；以及圖5a和圖5b是示出了在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中采用的電子發(fā)射層/有源層的光致發(fā)光(PL)的測(cè)量結(jié)果的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體器件的側(cè)截面圖。
如圖2所示的氮化物半導(dǎo)體器件20包括上面形成有緩沖層22的大理石襯底21。緩沖層22可以是在低溫下生長(zhǎng)的氮化物層。緩沖層22上順序地形成有n型氮化物半導(dǎo)體層23、有源層26和p型氮化物半導(dǎo)體層27。并且，n電極28與n型氮化物半導(dǎo)體層23連接，以及p電極29與p型氮化物半導(dǎo)體層27連接。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件20具有新穎的位于n型氮化物半導(dǎo)體層23和有源層26之間的電子發(fā)射層結(jié)構(gòu)25。電子發(fā)射層25包括氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a和諧振隧道層25b。
與傳統(tǒng)的使用具有低帶隙的層結(jié)構(gòu)的電子積聚方法不同的是，根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射層25使用的是具有量子結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，在該量子結(jié)構(gòu)中，載流子(carrier)具有零維自由度。與帶隙原理不同，在本發(fā)明中被用作電子積聚結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a在三維上束縛和積聚電子。而且，不同于典型的厚晶體層結(jié)構(gòu)，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a不會(huì)不利地影響隨后生長(zhǎng)的氮化物層(例如，有源層)的結(jié)晶度。
氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a形成在n型氮化物半導(dǎo)體層23上，并具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1。雖然可以采用各種已知的用于在氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a上形成量子點(diǎn)的方法，但是優(yōu)選地通過(guò)使用與n型氮化物半導(dǎo)體層23具有適當(dāng)?shù)木Ц癯?shù)差的自組合方法(self-assembling)形成量子點(diǎn)。也就是說(shuō)，當(dāng)具有晶格差異的層以強(qiáng)粘合力兩維生長(zhǎng)時(shí)，隨著厚度增大，生長(zhǎng)層將經(jīng)受越來(lái)越大的內(nèi)應(yīng)力。但是當(dāng)厚度達(dá)到臨界值時(shí)，三維孤島的量子點(diǎn)會(huì)自動(dòng)形成以消除應(yīng)力。量子點(diǎn)形成所必須的晶格常數(shù)差可以由不同于n型氮化物半導(dǎo)體層的組成含量差控制。優(yōu)選地，晶格常數(shù)差能夠通過(guò)In的含量進(jìn)行控制。
例如，當(dāng)n型氮化物半導(dǎo)體層23具有表示為Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的組成時(shí)，其中0≤x1≤1，且0≤y1＜1，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a可以由具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成的氮化物形成，其中y至少比y1大0.3。在其他具體的例子中，在n型氮化物半導(dǎo)體層23由GaN制成的情況下，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a可以由具有表示為InyGa(1-y)N的組成的氮化物形成，其中0.3≤y≤1。
而且，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a應(yīng)該以至少允許形成期望的量子點(diǎn)的厚度(也就是說(shuō)，用于自發(fā)組合方法形成的臨界厚度)形成。另一方面，氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a應(yīng)以不生成晶體層結(jié)構(gòu)的足夠厚度形成。優(yōu)選地，量子點(diǎn)層具有在1個(gè)單分子層(ML)到50之間變化的厚度，更優(yōu)選是大約為10～30。
諧振隧道層25b形成在氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層25a上，并且具有比相鄰的有源層26的量子阱層(未示出)的帶隙大的帶隙。諧振隧道層25b具有足以使積聚在量子點(diǎn)層25a中的電子能穿過(guò)有源層26的厚度。優(yōu)選地，諧振隧道層25b具有大約0.5～10nm的厚度。諧振隧道層25b具有表示為Iny2Ga(1-y2)N的組成，其中期望的In含量y2為0.2或更小，但并不僅限于此。此處，y2具有比相鄰的量子阱層的帶隙大的帶隙。
諧振隧道層25b可以具有和有源層26的量子勢(shì)壘層(未示出)的組成相同的組成。并且，諧振隧道層25b是無(wú)摻雜層或者n摻雜層。在n型諧振隧道層的情況下，優(yōu)選地，它被n摻雜到1020/cm3或者更小的濃度。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件具有如上所述的電子積聚結(jié)構(gòu)。因此，該器件使用量子點(diǎn)代替具有預(yù)定厚度的晶體層，從而提高了電子捕獲率。這也不會(huì)引起由晶格常差異導(dǎo)致的應(yīng)力。從而，有源層可獲得好的結(jié)晶度。這防止了不可避免地由傳統(tǒng)的電子發(fā)射層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電子空穴復(fù)合率的減小。
圖3是示出了GaN層和InN量子點(diǎn)層重復(fù)生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的TEM圖片，作為測(cè)試結(jié)果示出了本發(fā)明中采用的氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層的形成。
已證實(shí)了當(dāng)大約10nm的GaN層(通常用作n型氮化物半導(dǎo)體層)和大約30的InN層生長(zhǎng)三次時(shí)，具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的薄InN層形成在GaN層上?？梢岳斫猓琁nN量子點(diǎn)層通過(guò)與GaN的晶格常數(shù)差導(dǎo)致的應(yīng)力形成。也證實(shí)了通過(guò)重復(fù)生長(zhǎng)形成在InN量子點(diǎn)層上的GaN層顯示了卓越的結(jié)晶度。
下面通過(guò)比較發(fā)明實(shí)例和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例，針對(duì)將在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的結(jié)晶度和電子捕獲率進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)例在藍(lán)寶石襯底上形成n型GaN層，然后形成具有大約15厚度的InN量子點(diǎn)層作為電子積聚層。此后，在InN量子點(diǎn)層上形成具有10厚度的GaN層作為諧振隧道層。然后，形成具有10厚度的In0.3Ga0.7N量子阱層的有源層以及具有15厚度的GaN量子勢(shì)壘層。
比較實(shí)例1在與發(fā)明實(shí)例相同的條件下生長(zhǎng)各層。不同的是，有源層直接形成在n型GaN層上，沒(méi)有形成電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的電子積聚層和諧振隧道層。
比較實(shí)例2在和發(fā)明實(shí)例以及除了電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的電子積聚層和諧振隧道層之外的比較實(shí)例1相同的條件下生長(zhǎng)各層。也就是說(shuō)，In0.3Ga0.7N的電子積聚層在n型GaN層上生長(zhǎng)到大約50nm的厚度。
用AFM拍攝從比較實(shí)例1、2和發(fā)明實(shí)例獲得的有源層的最終表面(5×5μm)。圖4a～4c示出了各個(gè)有源層的最終表面的AFM圖片。
首先，在比較實(shí)例1中(參考圖4a)，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)較少數(shù)量的凹坑。凹坑數(shù)量由結(jié)晶條件不可避免地引起。相比之下，比較實(shí)例2(參考圖4b)比圖4a顯示了相對(duì)較多數(shù)量的凹坑。這樣的凹坑數(shù)量意味著與有源層中沒(méi)有采用電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的比較實(shí)施例1相比，結(jié)晶度大大降低。這由相對(duì)較厚的電子積聚層引起的應(yīng)力引起。
另一方面，發(fā)明實(shí)例(圖4c)只顯示了少量的凹坑，類似于沒(méi)有采用電子發(fā)射層的比較實(shí)例1。在發(fā)明實(shí)例中，電子發(fā)射結(jié)構(gòu)被用于增加復(fù)合效率。但是此處，作為電子積聚層，量子點(diǎn)被用來(lái)代替在比較實(shí)例2中的使用帶隙差異的厚晶體層。
測(cè)試結(jié)果顯示根據(jù)本發(fā)明的使用量子點(diǎn)的電子發(fā)射結(jié)構(gòu)沒(méi)有降低有源層的結(jié)晶度，從而防止了與傳統(tǒng)的電子發(fā)射結(jié)構(gòu)中一樣有源層上的壓電場(chǎng)效應(yīng)增加的缺點(diǎn)。
而且，為了確認(rèn)本發(fā)明中采用的氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層的電子捕獲率，在發(fā)明實(shí)例和比較實(shí)例2中測(cè)量了光致發(fā)光(PL)。圖5a和圖5b示出了根據(jù)比較實(shí)例2和發(fā)明實(shí)例的PL測(cè)量結(jié)果的曲線圖。
圖5a的PL曲線圖(比較實(shí)例2)示出了由InGaN電子積聚層產(chǎn)生的大約400nm的峰值。圖5b的PL曲線圖(發(fā)明實(shí)例)示出了由InN半導(dǎo)體量子點(diǎn)層引起的大約440nm的峰值。特別地，根據(jù)發(fā)明實(shí)例的InN半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有比圖5a的峰值大的峰值。這證實(shí)了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有比傳統(tǒng)的使用帶隙的電子積聚層更高的電子捕獲率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，氮化物半導(dǎo)體器件采用半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為電子發(fā)射結(jié)構(gòu)中的電子積聚層。這導(dǎo)致更有效的電子捕獲，并增加了復(fù)合率。并且，這防止了應(yīng)力引起的有源層的結(jié)晶度降低，減小了壓電場(chǎng)效應(yīng)，從而顯著地提高內(nèi)量子效率。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；有源層，形成在所述p型氮化物半導(dǎo)體層和所述n型氮化物半導(dǎo)體層之間，并具有量子阱層和量子勢(shì)壘層；以及電子發(fā)射層，形成在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和所述有源層之間；其中，所述電子發(fā)射層包括氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層，形成在所述n型氮化物半導(dǎo)體層上，并具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成，其中0≤x≤1，且0≤y≤1；以及諧振隧道層，形成在所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層上，并具有比所述量子阱層的帶隙大的帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有從1單分子層到50之間變化的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有10～30的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有與所述n型氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)不同的晶格常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有表示為AlxInyGa(1-x-y)N的組成，其中0≤x≤1，且0＜y≤1，并且，所述n型氮化物半導(dǎo)體層具有表示為Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N的組成，其中0≤x1≤1，且0≤y1＜1，其中，x至少比y大0.3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層具有表示為InyGa(1-y)N的組成，以及，所述n型氮化物半導(dǎo)體層由GaN制成，其中，y在0.3～1之間變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述諧振隧道層具有0.5nm～10nm的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述諧振隧道層具有表示為Iny2Ga(1-y2)N的組成，其中y為0.2或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述諧振隧道層具有與所述量子勢(shì)壘層的組成相同的組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述諧振隧道層包括無(wú)摻雜層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中，所述諧振隧道層被n摻雜到1020/cm3或更低的濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件。在該器件中，n型氮化物半導(dǎo)體層形成在襯底上，以及有源層形成在n型氮化物半導(dǎo)體層上。而且p型氮化物半導(dǎo)體層形成在有源層上。有源層形成在p型氮化物半導(dǎo)體層和n型氮化物半導(dǎo)體層之間，并包括量子阱層和量子勢(shì)壘層。此外，在n型氮化物半導(dǎo)體層和有源層之間形成有電子發(fā)射層。電子發(fā)射層包括氮化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)層，形成在n型氮化物半導(dǎo)體層上，并具有表示為Al
文檔編號(hào)H01L33/06GK1845347SQ20061000296
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者李奎翰, 金制遠(yuǎn), 金東俊 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社