專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合應(yīng)用于例如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)的發(fā)光裝置，例如太陽能電池或光學(xué)傳感器的光接收裝置，或者適合應(yīng)用于例如晶體管或功率裝置的電子裝置的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)LED用作顯示器的照射光源或背光時，要求該裝置具有高的發(fā)光效率和低的正向電壓(以下用Vf表示)。日本專利公開No.11-330554揭示了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其具有位于n側(cè)氮化物半導(dǎo)體層和p側(cè)氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層，通過提供由至少三個層形成的n側(cè)多層膜層而實現(xiàn)改善的光發(fā)射輸出，該n側(cè)多層膜層包括在n側(cè)接觸層上的至少一個非摻雜InxGa1-xN(0＜x＜1)的第一氮化物半導(dǎo)體層和至少一個非摻雜InyGa1-yN(0≤y＜1，y＜x)的第二氮化物半導(dǎo)體層，其中在該n側(cè)接觸層上形成n側(cè)氮化物半導(dǎo)體層的n電極。
然而，日本專利公開No.11-330554中提出的結(jié)構(gòu)具有生長在n側(cè)接觸層上的InGaN三元混合晶體，其可能在晶體內(nèi)包含位錯和缺陷，可能使有源層的光發(fā)射效率降低。在工作于高電流密度的例如LD的發(fā)光裝置中，堆疊帶隙比GaN或AlGaN窄的InGaN層可能是所引入的載流子溢流(overflow)的起因。因此，需要一種同時實現(xiàn)高的光發(fā)射輸出和低的正向電壓(Vf)的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題而進行本發(fā)明，其目的是提供一種具有高的光發(fā)射輸出同時實現(xiàn)正向電壓(Vf)減小的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法。
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造方法，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置包括至少n型氮化物半導(dǎo)體、p型氮化物半導(dǎo)體、以及形成于該n型氮化物半導(dǎo)體和該p型氮化物半導(dǎo)體之間的有源層；其中該n型氮化物半導(dǎo)體包括至少n型接觸層和n側(cè)GaN層；該n側(cè)GaN層由單個或多個非摻雜和/或n型層組成；且該方法包括步驟將生長溫度設(shè)定于范圍500至1000℃通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積形成該n側(cè)GaN層，使得該n側(cè)GaN層形成于該n型接觸層和該有源層之間。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，該n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的n型層形成。
在通過本發(fā)明的方法制造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置中，優(yōu)選地，n側(cè)GaN層和有源層形成為相互接觸，且該n型接觸層包含濃度至少為1×1018/cm3的n型雜質(zhì)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，該n型氮化物半導(dǎo)體由未摻雜或n型GaN層形成。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，該n側(cè)GaN層的生長速率為至多2μm/h。
根據(jù)本發(fā)明，n側(cè)GaN層在低溫下形成于接觸層和有源層之間，由此可以提供具有高的光發(fā)射輸出并實現(xiàn)正向電壓(Vf)減小的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
由本發(fā)明提供的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置適合應(yīng)用于例如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)的發(fā)光裝置。
通過結(jié)合附圖進行的對本發(fā)明的如下詳細描述，本發(fā)明的前述和其他目的、特征、方面及優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的示范性結(jié)構(gòu)。
圖2至4示出了根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的其他示范性結(jié)構(gòu)。
圖5示出了普通的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
圖6示出了形成為比較例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
在下文中，將參照圖示描述本發(fā)明的實施方案。然而，本發(fā)明不限于這些實施方案。盡管將在下文中描述其中本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置實施為LED的實施方案，但是根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置也可應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器等。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法是一種制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置包括至少n型氮化物半導(dǎo)體、p型氮化物半導(dǎo)體、以及形成于該n型氮化物半導(dǎo)體和該p型氮化物半導(dǎo)體之間的有源層；其中該n型氮化物半導(dǎo)體包括至少n型接觸層和n側(cè)GaN層；該n側(cè)GaN層由單個或多個非摻雜和/或n型層組成。本發(fā)明的制造方法包括步驟在500至1000℃范圍內(nèi)的生長溫度通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積形成該n側(cè)GaN層，使得該n側(cè)GaN層形成于該n型接觸層和該有源層之間。在本發(fā)明中，由于是在500至1000℃的低生長溫度下形成該n側(cè)GaN層，因此可以實現(xiàn)減小Vf同時維持高的光發(fā)射輸出的效應(yīng)。盡管實現(xiàn)減小Vf效應(yīng)的原因的細節(jié)尚不清楚，但是一個可能的原因為n側(cè)GaN層和有源層之間界面處的接觸電阻減小。
此外，在本發(fā)明中，由于n側(cè)GaN層即該GaN層形成于接觸層和有源層之間，可以有利地避免當(dāng)形成例如InGaN的三元混合晶體時趨于出現(xiàn)的晶體缺陷或位錯所引起的低光發(fā)射輸出的問題。
參考圖5，在基板1上形成緩沖層2、n型接觸層3、有源層4、p型覆層5、p型接觸層6、透明電極7、n側(cè)焊盤電極8和p側(cè)焊盤電極9。比較而言，參考圖1，在基板1上形成緩沖層2、n型接觸層3、n側(cè)GaN層101、有源層4、p型覆層5、p型接觸層6、透明電極7、n側(cè)焊盤電極8和p側(cè)焊盤電極9。在圖1所示結(jié)構(gòu)中，n型接觸層3和n側(cè)GaN層101形成本發(fā)明的n型氮化物半導(dǎo)體，而p型覆層5和p型接觸層6形成了本發(fā)明的p型氮化物半導(dǎo)體，并在該n型氮化物半導(dǎo)體和p型氮化物半導(dǎo)體之間形成有源層4。
在下文中，將參照圖1所示結(jié)構(gòu)為示例，描述根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，盡管本發(fā)明不限于該示例。
<基板1>
可以使用例如藍寶石(C面)作為基板1。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，基板1設(shè)定于MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)設(shè)備的反應(yīng)爐內(nèi)，且生長溫度提高到例如1050℃同時導(dǎo)致氫氣流動，使得基板1被預(yù)先清洗。
<緩沖層2>
在基板1上形成緩沖層2。具體而言，生長溫度降低例如至510℃，并使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG(三甲基鎵)作為原材料氣體，在基板1上生長厚度約為200的例如GaN的緩沖層2。
<n型氮化物半導(dǎo)體>
(n型接觸層3)在緩沖層2上形成n型接觸層3。優(yōu)選地，n型接觸層3包含濃度為至少1×1018/cm3的例如Si的n型雜質(zhì)。這進一步改善了減小Vf的效應(yīng)。更優(yōu)選地，該n型雜質(zhì)濃度為至少5×1018/cm3。
使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定于1000至1100℃的范圍內(nèi)，通常為1050℃，將n型接觸層3形成為厚度約為0.5μm的摻Si濃度為5×1018/cm3的GaN。
(n側(cè)GaN層101)在n型接觸層3上形成n側(cè)GaN層101。本發(fā)明中形成的n側(cè)GaN層101由在500至1000℃生長溫度范圍內(nèi)形成的單層或多層非摻雜和/或n型層組成。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，該n側(cè)GaN層由n型雜質(zhì)濃度至少為1×1018/cm3且更優(yōu)選地至少為5×1018/cm3的n型層形成，由此可以得到減小Vf的良好效應(yīng)。
通過分別使用氨氣和TMG作為原材料氣體，含氮氣的氣體作為載氣，可以形成該非摻雜層。此外，通過使用氨氣和TMG作為原材料氣體，氫氣和/或氮氣作為載氣，硅烷作為雜質(zhì)氣體，該n型層可形成為摻Si濃度至少為1×1018/cm3且通常為1×1019/cm3的層。
n側(cè)GaN層101可以在500至1000℃的生長溫度范圍生長，即在低于GaN層最佳生長溫度的溫度下生長，并可以得到本發(fā)明的減小Vf的更好的效應(yīng)。盡管當(dāng)生長溫度范圍為500至1000℃時Vf減小的原因的細節(jié)尚不清楚，但是一個可能的原因為n側(cè)GaN層和有源層之間的接觸電阻減小。更優(yōu)選地，n側(cè)GaN層的生長溫度設(shè)定為750至900℃的范圍內(nèi)。
優(yōu)選地該n側(cè)GaN層的生長速率至多為2μm/h，因為此時可以得到特別良好的Vf減小效應(yīng)。該生長速率優(yōu)選地至多為1μm/h，更優(yōu)選地至多為0.5μm/h。
對于用于形成n側(cè)GaN層的載氣，例如可以使用氫氣和/或氮氣，優(yōu)選地使用含氮氣的氣體作為載氣，因為此時可以得到特別良好的Vf減小效應(yīng)?？紤]到減小Vf的效應(yīng)，含氮氣的氣體中氮氣的流量比優(yōu)選至少為50體積％。氮氣的流量比更優(yōu)選地為至少70體積％，進一步優(yōu)選地為至少80體積％。最優(yōu)選地，使用僅由氮氣組成的載氣。
該n側(cè)GaN層101可形成為單層或多層，且各個層可以是非摻雜層或n型層。當(dāng)形成為多層時，該n側(cè)GaN層可以是具有不同摻雜濃度的兩個n型層重復(fù)堆疊一個、兩個或多個周期的二元混合晶體。這種布置是優(yōu)選的，因為得到了具有優(yōu)良晶體性能的n側(cè)GaN層，且光發(fā)射輸出得到改善。具體而言，示范性的n側(cè)GaN層可具有依次堆疊的第一GaN層和第二GaN層，該第一GaN層為摻雜了n型雜質(zhì)的n型層，該第二GaN層為非摻雜層或者摻雜該n型雜質(zhì)的濃度低于第一GaN層的n型層。
在圖2所示結(jié)構(gòu)中，第一GaN層202和第二GaN層203按照順序形成為本發(fā)明的n側(cè)GaN層201。在圖2中，除了n側(cè)GaN層201之外其結(jié)構(gòu)與圖1相同。第一和第二GaN層202和203例如通過下述方法形成。具體而言，在500至1000℃的生長溫度下，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長厚度約為200nm的摻Si濃度x為1×1018＜x≤1×1021/cm3的第一GaN層202，通常濃度x＝1×1019/cm3，并在第一GaN層202上生長第二GaN層203。
第二GaN層203可以形成為非摻雜層，或者n型雜質(zhì)濃度低于第一GaN層202的層。當(dāng)?shù)诙礼aN層203形成為非摻雜層時，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，在500至1000℃的生長溫度下，在第一GaN層202上形成厚度約為20nm的該非摻雜層。當(dāng)?shù)诙礼aN層203形成為雜質(zhì)濃度低于第一GaN層202的n型層時，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，在500至1000℃的生長溫度下，在第一GaN層202上形成厚度約為20nm的該n型層，其摻Si濃度x為1×1017≤x≤5×1018/cm3，通常濃度x＝1×1018/cm3。當(dāng)在圖2所示結(jié)構(gòu)中在上述條件下堆疊層時，可以實現(xiàn)在圖1所示結(jié)構(gòu)中在上述條件下堆疊層的情形相似的減小Vf的效應(yīng)。
當(dāng)n側(cè)GaN層由第一和第二GaN層形成時，第一和第二GaN層202和203可以如圖2所示堆疊一個周期。然而，優(yōu)選地該第一和第二GaN層交替重復(fù)堆疊兩個以上周期，因為可以得到特別好的改善光發(fā)射輸出效應(yīng)。5個以上的重復(fù)周期更為優(yōu)選。至多20的重復(fù)周期是優(yōu)選的，因為由于氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的復(fù)雜制造工藝步驟所導(dǎo)致的制造成本的增大可以得以避免。
當(dāng)重復(fù)周期為兩個以上時，優(yōu)選地該第一和第二GaN層分別具有至多100nm的厚度。這種情況下，可以得到改善光發(fā)射輸出的良好效應(yīng)。更優(yōu)選地，第一和第二GaN層厚度至多為20nm。從得到改善光發(fā)射輸出的良好效應(yīng)的角度而言，根據(jù)本發(fā)明約20nm的厚度足以保證改善光發(fā)射輸出的良好效應(yīng)。為了充分地改變第一和第二GaN層之間的n型雜質(zhì)濃度，第二GaN層優(yōu)選地具有足以防止n型雜質(zhì)從第一GaN層擴散到整個第二GaN層的厚度，具體地，厚度至少為2nm。第一GaN層優(yōu)選地厚度至少為1nm。
當(dāng)由第一和第二GaN層組成的堆疊結(jié)構(gòu)重復(fù)兩次以上時，第一和第二GaN層的堆疊順序沒有具體限制。
<有源層4>
在n側(cè)GaN層101上形成有源層4。具體而言，使用氮氣和/或氫氣作為載氣，氨氣、TMG和TMI作為原材料氣體，將生長溫度降低至例如650至800℃，通常為700℃，交替地生長6個周期的厚度分別為約2.5nm和約18nm的In0.25Ga0.75N和GaN，以提供具有多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層4。
<p型氮化物半導(dǎo)體>
(p型覆層5)在有源層4上形成p型覆層5。具體而言，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣、TMA和TMG作為原材料氣體，CP2Mg(環(huán)戊二烯鎂，cyclopentadienylmagnesium)作為雜質(zhì)氣體，將生長溫度提高到例如900至1000℃，通常為950℃，生長厚度約為30nm且摻Mg濃度為例如5×1019/cm3的Al0.15Ga0.85N的p型覆層5。
(p型接觸層6)在p型覆層5上形成p型接觸層6。具體而言，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，CP2Mg作為雜質(zhì)氣體，生長溫度為例如900至1000℃，通常為950℃，生長厚度約為0.1μm且摻Mg濃度為例如1×1020/cm3的GaN的p型接觸層6。
<退火>
接著，使用氮氣作為載氣并將生長溫度降低到例如700℃，由此執(zhí)行退火。通過上述方法，得到在基板1上形成了緩沖層2、n型接觸層3、n側(cè)GaN層101、有源層4、p型覆層5和p型接觸層6的晶片。
<電極形成>
從反應(yīng)爐取出通過上述方法得到的晶片，圖案化成指定形狀的掩模形成于最上層即p型接觸層6的表面上，并使用RIE(反應(yīng)離子蝕刻)設(shè)備從p型接觸層6側(cè)進行蝕刻，使得n型接觸層3的表面被暴露。在蝕刻之后，分別在最上層的p型接觸層6的幾乎整個表面上形成厚度約為7nm的包含Pd的透明電極7，并在其上的指定位置形成厚度約為0.5μm的Au的p側(cè)焊盤電極9。在通過蝕刻暴露的n型接觸層3的表面上形成包含Ti和Al的n側(cè)焊盤電極8。這樣可以得到作為根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED。
如圖3所示，在本發(fā)明中，在緩沖層2上依次形成底層n型GaN層16和n+接觸層17。圖3所示結(jié)構(gòu)與圖1所示結(jié)構(gòu)相同，除了圖1的n型接觸層3被底層n型GaN層16和n+接觸層17替代之外。具體而言，具有圖3所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置可以由參照圖1結(jié)構(gòu)的上述方法形成，除了圖1的n型接觸層3的形成步驟被下述的底層n型GaN層16和n+接觸層17的形成步驟替代之外。因此，在此不重復(fù)除了底層n型GaN層16和n+接觸層17之外的層的形成方法。在下文中將描述底層n型GaN層16和n+接觸層17的形成方法。
(底層n型GaN層16)在1000至1100℃的生長溫度下，通常為1050℃，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將圖3所示的底層n型GaN層16形成為厚度約5μm的摻Si濃度為1×1018/cm3的層。
(n+接觸層17)在如上所述形成的底層n型GaN層16上，在1000至1100℃的生長溫度下，通常為1050℃，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將n+接觸層17形成為厚度約1μm的摻Si濃度為1×1019/cm3的GaN層。在n+接觸層17上形成本發(fā)明的n側(cè)GaN層101。
<n型氮化物半導(dǎo)體層>
在本發(fā)明中，可以在n側(cè)GaN層和n型接觸層之間或者在n側(cè)GaN層和有源層之間提供用于改善載流子限制效應(yīng)的n型氮化物半導(dǎo)體層。一種可能的n型氮化物半導(dǎo)體層為例如AlGaN層。該AlGaN層的優(yōu)選組分為Al0.01Ga0.99N至Al0.30Ga0.70N，且采用這種組分的載流子限制效應(yīng)特別良好。
當(dāng)AlGaN層形成于n側(cè)GaN層和n型接觸層之間時，在1000至1100℃的生長溫度下，通常為1050℃，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣、TMG和TMA作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將AlGaN層形成為厚度約30nm的摻為n型雜質(zhì)的Si的濃度為1×1018/cm3的Al0.15Ga0.85N層。
備選地，當(dāng)AlGaN層形成于n側(cè)GaN層和有源層之間時，在500至1000℃的生長溫度下，通常為750℃，使用氮氣作為載氣，與上述相同的原材料氣體，將AlGaN層形成為厚度約30nm的摻為n型雜質(zhì)的Si的濃度為1×1018/cm3的Al0.15Ga0.85N層。
本發(fā)明另外優(yōu)點為，由于n側(cè)GaN層即GaN層形成于接觸層和有源層之間，所以可以避免當(dāng)形成例如InGaN的三元混合晶體時趨于出現(xiàn)的晶體缺陷或位錯引起的低光發(fā)射輸出的問題。在根據(jù)本發(fā)明得到的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置中，另外優(yōu)選地，形成該n型氮化物半導(dǎo)體的層僅由未摻雜或n型GaN層形成。這種情況下，該n型氮化物半導(dǎo)體并不包括任何InGaN層等，因此具有良好的晶體性能。因此還可以得到更好的光發(fā)射輸出以及更佳的減小Vf的效應(yīng)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地n側(cè)GaN層和有源層形成為相互接觸，且n型接觸層包含n型雜質(zhì)濃度至少為1×1018/cm3，因為可以得到更好的減小Vf的效應(yīng)。這里，另外優(yōu)選地，n型接觸層包含n型雜質(zhì)濃度至少為1×1018/cm3，且n側(cè)GaN層包括包含n型雜質(zhì)濃度至少為1×1018/cm3的至少一層。
在下文中，將參照圖4描述根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的示范性結(jié)構(gòu)，其中使用導(dǎo)電基板作為支撐基板。在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，在導(dǎo)電基板22上依次形成第一歐姆電極23、用于粘合的第一金屬層24、用于粘合的第二金屬層21、保護層20、反射層19、第二歐姆電極18、p型接觸層6、p型覆層5、有源層4、n側(cè)GaN層101、底層n型GaN層28、n+接觸層27、透明導(dǎo)體電極25、以及接合焊盤電極26。p型接觸層6和p型覆層5形成本發(fā)明的p型氮化物半導(dǎo)體，n側(cè)GaN層101、底層n型GaN層28和n+接觸層27形成本發(fā)明的n型氮化物半導(dǎo)體。
在下文中將描述具有圖4所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的形成方法。除了形成n型氮化物半導(dǎo)體和電極的步驟之外，其他步驟與上文參照圖1至3所描述的方法相同，因此將不再重復(fù)對其的描述。在下文中將描述n型氮化物半導(dǎo)體和電極的形成方法。
<n型氮化物半導(dǎo)體>
(n+接觸層27)使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定為1000至1100℃的范圍，通常為1050℃，在其表面上形成了緩沖層的藍寶石基板(未示出)上形成厚度約為0.1μm且摻Si濃度為1×1019/cm3的GaN的n+接觸層27。
(底層n型GaN層28)接著，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定為1000至1100℃的范圍且通常為1050℃，形成厚度約為6μm且摻Si濃度為1×1018/cm3的GaN層，作為底層n型GaN層28。
圖4示出的示例中，底層n型GaN層28形成于n+接觸層27和n側(cè)GaN層101之間。提供底層n型GaN層28的優(yōu)點為改善結(jié)晶性能，盡管n側(cè)GaN層101可以直接生長在n+接觸層27上。
(n側(cè)GaN層101)接著，使用氫氣和/或氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定為500至1000℃的范圍，形成作為第二GaN層的厚度為20nm的非摻雜GaN層以及作為第一GaN層的厚度為20nm且摻Si濃度為1×1019/cm3的GaN層，而且通過生長5個周期的由該第二和第一GaN層組成的堆疊結(jié)構(gòu)，形成n側(cè)GaN層101。
隨后，在n側(cè)GaN層101上生長有源層4、p型覆層5和p型接觸層6。在上述方法中，當(dāng)使用含氮氣的氣體為載氣時，可以令人滿意地得到減小Vf的效應(yīng)。
<電極形成>
通過上述方法在基板上形成緩沖層、n+接觸層27、底層n型GaN層28、n側(cè)GaN層101、有源層4、p型覆層5和p型接觸層6得到的晶片被退火，且通過EB蒸鍍(電子束蒸鍍)方法在p型接觸層6上形成第二歐姆電極層18、反射層19、保護層20和用于粘合的第二金屬層21。這里，可以形成厚度為例如3nm的Pd層作為第二歐姆電極18，可以形成厚度為例如150nm的Ag層作為反射層19，可以形成厚度為例如50nm的Mo層作為保護層20，且可以形成厚度為例如3μm的Au層作為用于粘合的第二金屬層21。
隨后，在分開制備的用作支撐基板的導(dǎo)電基板22上，通過EB蒸鍍依次形成第一歐姆電極23和用于粘合的第一金屬層24。此處例如，可以形成厚度為120μm的Si基板作為導(dǎo)電基板22，可以形成依次形成的厚度為15nm的Ti和厚度為150nm的Al的Ti/Al組合層作為第一歐姆電極23，且可以形成依次形成的厚度為100nm的Au和厚度為3μm的AuSn的Au/AuSn組合層作為用于粘合的第一金屬層24。
接著，形成用于粘合的第二金屬層21，以連接用于粘合的第二金屬層21和用于粘合的第一金屬層24。例如，可以形成厚度為100nm的Au層作為用于粘合的第二金屬層21。通常，形成用于粘合的第一金屬層24的Au/AuSn組合層的Au層設(shè)置成與形成用于粘合的第二金屬層21的Au層相對，且用于粘合的第一金屬層24和用于粘合的第二金屬層21通過共晶接合而連接。接合溫度設(shè)定為例如250至350℃。
接著除去藍寶石基板和緩沖層(未示出)。具體而言，使用波長為355nm的YAG(釔鋁石榴石)-THG(三次諧波產(chǎn)生)激光進行激光照射并從背面被鏡面拋光的藍寶石基板側(cè)入射，形成于藍寶石基板上的緩沖層(未示出)與n+接觸層27之間的界面部分被熱分解，使得藍寶石基板和緩沖層被除去。
在通過上述方法被暴露的n+接觸層27上，形成ITO(氧化銦錫)作為透明導(dǎo)體電極25。通常，在n+接觸層27的幾乎整個表面上形成摻Sn的In2O3層作為透明導(dǎo)體電極25，并在透明導(dǎo)體電極25的中心部分形成n型接合焊盤電極作為接合焊盤電極26?？梢孕纬衫鏏u/Ti組合層作為接合焊盤電極26。
示例在下文中，將參照具體示例更詳細地描述本發(fā)明，盡管本發(fā)明不限于這些具體示例。
<示例1>
在本示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
(緩沖層2)首先，藍寶石(C面)的基板1設(shè)定于MOCVD設(shè)備的反應(yīng)爐內(nèi)，且導(dǎo)致氫氣流動同時生長溫度提高到1050℃，使得基板1被清洗。接著，生長溫度降低至510℃，并使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG(三甲基鎵)作為原材料氣體，在基板1上生長厚度約為200的GaN緩沖層2。
(n型接觸層3)
接著，生長溫度提高到1050℃，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長厚度為6μm的摻Si濃度為1×1018/cm3的GaN的n型接觸層3。
(n側(cè)GaN層101)在生長n型接觸層3之后，在750℃的生長溫度，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，由此生長厚度為200nm的作為n側(cè)GaN層101的未摻雜層。
(有源層4)接著，使用氮氣作為載氣，氨氣、TMG和TMI作為原材料氣體，將生長溫度降低至700℃，交替地生長6個周期的厚度分別為2.5nm和18nm的In0.25Ga0.75N和GaN，以形成具有多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層4。
(p型覆層5)接著，使用氫氣作為載氣，氨氣、TMA和TMG作為原材料氣體，CP2Mg(環(huán)戊二烯鎂)作為雜質(zhì)氣體，將生長溫度提高到950℃，生長厚度約為30nm且摻Mg濃度為5×1019/cm3的Al0.15Ga0.85N的p型覆層5。
(p型接觸層6)接著，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，CP2Mg作為雜質(zhì)氣體，將生長溫度保持在950℃，生長厚度約為0.1μm且摻Mg濃度為1×1020/cm3的GaN的p型接觸層6。
通過上述方法，得到在基板1上依次形成了緩沖層2、n型接觸層3、n側(cè)GaN層101、有源層4、p型覆層5和p型接觸層6的晶片。
(退火)接著，使用氮氣作為載氣并將生長溫度降低到700℃，由此對上述得到的晶片進行退火。
(電極形成)從反應(yīng)爐取出退火的晶片，圖案化成指定形狀的掩模形成于最上層即p型接觸層6的表面上，并使用RIE(反應(yīng)離子蝕刻)設(shè)備從p型接觸層6側(cè)進行蝕刻，使得n型接觸層3的表面被暴露。在蝕刻之后，在最上層的p型接觸層6的幾乎整個表面上形成厚度為7nm的包含Pd的透明電極7，并在其上指定位置形成厚度為0.5μm的Au的p側(cè)焊盤電極9。在被蝕刻暴露的n型接觸層3表面上形成包含Ti和Al的n側(cè)焊盤電極8。這樣得到作為根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及4.4V的正向電壓Vf。
<比較例1>
在該比較例中，形成具有圖5所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了不在n型接觸層3和有源層4之間形成n側(cè)GaN層101之外。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及4.7V的正向電壓Vf。
從示例1和比較例1的結(jié)果可以看出，示例1中的Vf小于比較例1中的，因此得到本發(fā)明的減小Vf的效應(yīng)。
<示例2>
在該示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了在形成圖1的n側(cè)GaN層101時使用氮氣作為載氣之外。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及4.0V的正向電壓Vf，可以得到優(yōu)于比示例1的減小Vf的效應(yīng)。
<示例3>
在該示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了通過下述方法形成圖1的n側(cè)GaN層101之外。
(n側(cè)GaN層101)在生長n型接觸層3之后，生長溫度降低到750℃，使用氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，由此生長厚度為200nm的摻Si濃度為1×1019/cm3的n型層作為n側(cè)GaN層101。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及3.5V的正向電壓Vf，可以得到優(yōu)于示例1和2的減小Vf的效應(yīng)。
<示例4>
在該示例中，形成具有圖2所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了通過下述方法形成圖2所示由第一和第二GaN層202和203組成的n側(cè)GaN層201以替代圖1的n側(cè)GaN層101之外。
(n側(cè)GaN層201)在750℃的生長溫度下，使用氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，由此生長厚度約為200nm的摻Si濃度為1×1019/cm3的n型層作為第一GaN層202。
接著，在750℃的生長溫度下，使用氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，由此生長厚度為20nm的非摻雜層作為第二GaN層203。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及3.5V的正向電壓Vf，可以得到與示例3相當(dāng)?shù)臏p小Vf的良好效應(yīng)。
<示例5>
在該示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了形成具有由第一和第二GaN層重復(fù)9次組成的堆疊結(jié)構(gòu)的GaN層作為n側(cè)GaN層101之外。
(n側(cè)GaN層101)在750℃的生長溫度下，使用氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，由此生長厚度為4nm的摻Si濃度為1×1019/cm3的n型層作為第一GaN層，在該第一GaN層上，在與第一GaN層相同的生長條件下而不使用雜質(zhì)氣體生長厚度為20nm的非摻雜層作為第二GaN層，且第一和第二GaN層交替堆疊9個周期。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、5.0mW的發(fā)射輸出、以及3.5V的正向電壓Vf，可以得到與示例3相當(dāng)?shù)臏p小Vf的良好效應(yīng)且光發(fā)射輸出較示例3和比較例1得到改善。
<示例6>
在該示例中，形成具有圖3所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例5相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了通過下述方法形成底層n型GaN層16和n+接觸層17以替代n型接觸層3之外。
(底層n型GaN層16)在生長緩沖層2之后，生長溫度提高到1050℃，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長厚度約為5μm的摻Si濃度為1×1018/cm3的底層n型GaN層16。
(n+接觸層17)接著，在1050℃的生長溫度下，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長厚度約為1μm的摻Si濃度為1×1019/cm3的GaN的n+接觸層17。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、5.0mW的發(fā)射輸出、以及3.3V的正向電壓Vf，可以得到優(yōu)于示例5的減小Vf的效應(yīng)。
<示例7>
在該示例中，形成具有圖4所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。除了形成n型氮化物半導(dǎo)體層和電極的步驟之外，所使用的方法與示例1相同，因此不再重復(fù)對其的描述。在下文中，將描述該示例的n型氮化物半導(dǎo)體層和電極的形成方法。
(n+接觸層27)在其表面上形成了緩沖層的藍寶石基板(未示出)上，使用氫氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定為1050℃，生長厚度為0.1μm的摻Si濃度為1×1019/cm3的GaN的n+接觸層27。
(底層n型GaN層28)接著，使用氫氣為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，生長溫度設(shè)定為1050℃，生長厚度為6μm的摻Si濃度為1×1018/cm3的GaN層的底層n型GaN層28。
(n側(cè)GaN層101)在生長底層n型GaN層28之后，生長溫度降低到750℃，使用氮氣作為載氣，氨氣和TMG作為原材料氣體，硅烷作為雜質(zhì)氣體，將原材料氣體的摩爾濃度調(diào)整以獲得0.1μm/h的生長速率，形成作為第二氮化物半導(dǎo)體層的厚度為20nm的非摻雜GaN層以及作為第一氮化物半導(dǎo)體層的厚度為4nm且摻Si濃度為1×1019/cm3的n型層的GaN層，而且這些層依次交替地生長9個周期作為n側(cè)GaN層101。之后，按照與示例1相似的方法生長有源層4、p型覆層5和p型接觸層6。
<電極形成>
按照與示例1相似的方式，將通過上述方法在基板1上依次形成緩沖層2、n+接觸層27、底層n型GaN層28、n側(cè)GaN層101、有源層4、p型覆層5、和p型接觸層6而得到的晶片退火。
在退火之后，通過EB蒸鍍(電子束蒸鍍)方法在p型接觸層6上連續(xù)地形成第二歐姆電極層18、反射層19、保護層20和用于粘合的第二金屬層21。這里，形成厚度為3nm的Pd層作為第二歐姆電極18，形成厚度為150nm的Ag層作為反射層19，形成厚度為50nm的Mo層作為保護層20，且形成厚度為3μm的Au層作為用于粘合的第二金屬層21。
隨后，在分開制備的用作支撐基板的導(dǎo)電基板22上，通過EB蒸鍍依次形成第一歐姆電極23和用于粘合的第一金屬層24。此處例如，形成厚度為120μm的Si基板作為導(dǎo)電基板22，形成依次形成的厚度為15nm的Ti和厚度為150nm的Al的Ti/Al組合層作為第一歐姆電極23，且形成依次形成的厚度為100nm的Au和厚度為3μm的AuSn的Au/AuSn組合層作為用于粘合的第一金屬層24。
接著，用于粘合的第二金屬層21連接到用于粘合的第一金屬層24。具體而言，形成用于粘合的第一金屬層24的Au/AuSn組合層的Au層設(shè)置成與形成用于粘合的第二金屬層21的Au層相對，且這些層通過共晶接合而連接。接合溫度設(shè)定為290℃。接著除去藍寶石基板和緩沖層。具體而言，使用YAG(釔鋁石榴石)-THG(三次諧波產(chǎn)生)激光(波長為355nm)進行激光照射并從背面被鏡面拋光的藍寶石基板側(cè)入射，形成于藍寶石基板上的緩沖層與n+接觸層27之間的界面部分被熱分解而除去。
在通過除去基板和緩沖層而被暴露的n+接觸層27上，在幾乎整個表面上形成摻Sn的In2O3層作為透明導(dǎo)體電極25，并在透明導(dǎo)體電極25的中心部分形成Au/Ti組合層的n型接合焊盤電極作為接合焊盤電極26。通過上述方法，形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、10mW的發(fā)射輸出、以及3.3V的正向電壓Vf，Vf低于下述的比較例2，且光發(fā)射輸出得到改善。可以理解，不僅可以實現(xiàn)減小Vf的效應(yīng)，而且可以實現(xiàn)改善光發(fā)射輸出的效應(yīng)。
<比較例2>
在該比較例中，形成具有圖6所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例7相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了形成n型接觸層3以替代n+接觸層27、底層n型GaN層28和n側(cè)GaN層101之外。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、8.0mW的發(fā)射輸出、以及4.5V的正向電壓Vf。具體而言，Vf高于而光發(fā)射輸出低于示例7中的值。
<示例8>
在該示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了n側(cè)GaN層101的生長溫度設(shè)定為1000℃之外。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、4.0mW的發(fā)射輸出、以及4.5V的正向電壓Vf。盡管Vf略高于示例1，但是仍然低于比較例1，且可以得到根據(jù)本發(fā)明的減小Vf的效應(yīng)。
<示例9>
在該示例中，形成具有圖1所示結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。具體而言，通過與示例1相同的方法形成作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED，除了n側(cè)GaN層101的生長溫度設(shè)定為500℃之外。
工作于20mA的正向電流時，所得到的LED呈現(xiàn)460nm的發(fā)射波長、3.7mW的發(fā)射輸出、以及4.5V的正向電壓Vf。盡管Vf略高于示例1，但是仍然低于比較例1，而且盡管光發(fā)射輸出略低于比較例1，但是降低不顯著。
通過這些結(jié)果可以確認，在500至1000℃范圍的生長溫度下形成n側(cè)GaN層，可以得到減小Vf的效應(yīng)。此外確認了，當(dāng)使用氮氣作為載氣時，可以得到特別良好的Vf減小效應(yīng)。另外當(dāng)將n側(cè)GaN層形成為具有不同n型雜質(zhì)濃度的層的堆疊結(jié)構(gòu)時，也可以得到改善光發(fā)射輸出的效應(yīng)。
盡管已經(jīng)詳細地描述和說明了本發(fā)明，但顯而易見的是，這些描述和說明僅僅是描述和示范性質(zhì)而非限制本發(fā)明，本發(fā)明的精神和范圍僅由權(quán)利要求界定。
該申請是基于2006年2月27日向日本專利局提交的日本專利申請No.2006-050822，其全部內(nèi)容于此引入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置包括至少n型氮化物半導(dǎo)體、p型氮化物半導(dǎo)體、以及形成于所述n型氮化物半導(dǎo)體和所述p型氮化物半導(dǎo)體之間的有源層；其中所述n型氮化物半導(dǎo)體包括至少n型接觸層和n側(cè)GaN層；以及所述n側(cè)GaN層由單個或多個非摻雜和/或n型層組成；所述方法包括步驟將生長溫度設(shè)定于范圍500至1000℃通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積形成所述n側(cè)GaN層，使得所述n側(cè)GaN層形成于所述n型接觸層和所述有源層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的n型層形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層和所述有源層形成為相互接觸，且所述n型接觸層包含濃度至少為1×1018/cm3的n型雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n型氮化物半導(dǎo)體由未摻雜或n型GaN層形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層和所述有源層形成為相互接觸，且所述n型接觸層包含濃度至少為1×1018/cm3的n型雜質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層的生長速率為至多2μm/h。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層和所述有源層形成為相互接觸，且所述n型接觸層包含濃度至少為1×1018/cm3的n型雜質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n型氮化物半導(dǎo)體由未摻雜或n型GaN層形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層和所述有源層形成為相互接觸，且所述n型接觸層包含濃度至少為1×1018/cm3的n型雜質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，其中所述n側(cè)GaN層由包含n型雜質(zhì)濃度為至少1×1018/cm3的所述n型層形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠得到高的光發(fā)射輸出同時減小正向電壓(Vf)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法。本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置制造方法，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置包括至少n型氮化物半導(dǎo)體、p型氮化物半導(dǎo)體、以及形成于n型氮化物半導(dǎo)體和p型氮化物半導(dǎo)體之間的有源層(4)；其中n型氮化物半導(dǎo)體包括至少n型接觸層(3)和n側(cè)GaN層(101)，n側(cè)GaN層(101)由單個或多個非摻雜和/或n型層組成，且該方法包括步驟將生長溫度設(shè)定于范圍500至1000℃通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積形成n側(cè)GaN層(101)，使得n側(cè)GaN層(101)形成于n型接觸層(3)和有源層(4)之間。
文檔編號H01S5/323GK101030698SQ200710084339
公開日2007年9月5日 申請日期2007年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者駒田聰, 筆田麻佑子 申請人:夏普株式會社