利用應變緩衝層實現優秀的發光效率的氮化物類發光器件的製作方法

2023-07-18 11:45:51

專利名稱：利用應變緩衝層實現優秀的發光效率的氮化物類發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化物類發光器件，更詳細地涉及通過緩衝在活性層產生的應變(Strain)來能夠提高發光效率的氮化物類發光器件。
背景技術：
一般，氮化物半導體發光器件具有包括紫外線、藍色及綠色區域的發光區域。尤其，氮化鎵(GaN)類氮化物半導體發光器件在其應用領域上，應用於藍色或者綠色發光二級管(LED，Light Emitting Diode)的光電器件以及金屬半導體場效應電晶體(MESFET，Metal SemiconductorField Effect Transistor)、異質結場效應電晶體(HFET, HeterojunctionField Effect Transistors)等的高速交換器件、高功率器件。這種氮化物半導體發光器件具有混雜(Hetero)結構,該混雜(Hetero)結構中，具有由氮化銦鎵(InGaN)組成的量子阱層的多重量子阱(MQW，Mult1-Quantum-Well)結構的活性層位於η型氮化物半導體與P型氮化物半導體之間。藍色、綠色等的發光波長主要通過增減氮化銦鎵量子阱層的銦(In)的組合比來決定。這時，多重量子阱結構活性層主要以氮化銦鎵量子阱層/氮化鎵量子勢壘層為一對(pair)，形成多對。但是，多重量子阱結構活性層因氮化銦鎵和氮化鎵的格子常數的差異，會在氮化銦鎵阱層和氮化鎵勢壘層之間產生大應變(strain)。該應變通過在活性層產生大壓電區域(piezoelecticfield)來降低活性層的內部量子效率。並且，氮化銦鎵量子阱層與氮化鎵量子勢壘層之間的應變將成為在活性層內生成V坑(V-Pits)的原因，由於在將活性層堆積層疊時阱層和勢壘層之間的界面(interface)變得粗糙，使活性層的結晶質降低，會對製造高效率發光器件造成問題。與本發明相關的現有文獻有韓國公開專利第10-2009-0002567號(2009.01.09公開)，上述文獻公開一種通過在η型接觸層與活性層之間形成銦成分高的氮化銦鎵起伏層，來在活性層內緩解阱層與勢壘層之間的應變，由此提高發光效率的氮化物半導體發光器件。

發明內容
要解決的問題本發明的目的在於提供一種通過在活性層緩解因量子阱層與量子勢壘層之間的格子常數差異等發生的應變來能夠提高發光效率的氮化物類發光器件。解決問題的方法用於達成上述目的的根據本發明的實施例的氮化物類發光器件，其特徵在於，包括:第一氮化物半導體層，其摻雜有第一導電型雜質，應變緩衝層，其包含氮化銦鎵而形成於上述第一氮化物半導體層上，活性層，其形成於上述應變緩衝層上，並具有由量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多重量子阱結構，以及第二氮化物半導體層，其形成於上述活性層上，並摻雜有與上述第一導電型雜質相反的第二導電型雜質；在上述應變緩衝層以及上述活性層中，將各自的銦的平均組合和各層的厚度的乘積分別定義為A、B時，B/A的比率為1.4 < B/A < 6.1。發明的效果根據本發明的氮化物類發光器件，在活性層的下部形成一層以上的應變緩衝層(strain buffer layer),並採用通過調節包含在各層的銦(In)的平均組合以及各層的厚度來使活性層的應變最小化的比率，由此能夠緩解活性層的應變。通過上述方法，根據本發明的氮化物類發光器件通過提高活性層的內部量子效率來能夠提高發光效率。


圖1是表示根據本發明的一實施例的氮化物類發光器件的剖視圖。圖2是表示根據圖1的活性層以及應變緩衝層的一實施例的銦的側面的圖。圖3是表示根據圖1的活性層以及應變緩衝層的另一實施例的銦的側面的圖。圖4是表示根據本發明的另一實施例的氮化物類發光器件的剖視圖。圖5是表示根據圖4的活性層以及應變緩衝層的一實施例的銦的側面的圖。圖6是表示根據圖4的活性層以及應變緩衝層的另一實施例的銦的側面的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的氮化物類發光器件進行詳細說明。參照附圖與實施例會讓本發明的優點和特徵以及實現這些優點和特徵的方法更加明確。但是，本發明不局限於以下所公開的實施例，能夠以互不相同的各種方式實施，本實施例只用於使本發明的公開內容更加完整，有助於本發明所屬技術領域的普通技術人員完整地理解本發明的範疇，本發明根據權利要求書的範圍而定義。在說明書全文中，相同的附圖標記表示相同的結構部件。圖1是表示根據本發明的實施例的氮化物類發光器件的剖視圖，圖2是表示根據圖1的活性層以及應變緩衝層的一實施例的銦的側面(InpiOfile)的圖，圖3是表示根據圖1的活性層以及應變緩衝層的另一實施例的銦的側面的圖。參照圖1至圖3，根據本發明的一實施例的氮化物類發光器件100包括:第一氮化物半導體層120 ;第二氮化物半導體層150 ;活性層140，其介於第一氮化物半導體層120與第二氮化物半導體層150之間；以及應變緩衝層130，其介於第一氮化物半導體層120與活性層140之間。在此基礎上,氮化物類發光器件100可包括:第一電極160,其與第一氮化物半導體層120電連接；第二電極170，其與第二氮化物半導體層150電連接。並且，氮化物類發光器件100還可包括基板110，該基板110位於第一氮化物半導體層120的下側。並且，雖然未圖示，但在基板110與第一氮化物半導體層120之間還可形成緩衝層、未摻雜氮化物層等。如圖所示，氮化物類發光器件100為包括依次形成在基板110上的第一氮化物半導體層120、應變緩衝層130、活性層140、第二氮化物半導體層150、第二電極170的層壓膜，以及形成在第一氮化物半導體層120的暴露面的第一電極160的發光結構物。
這種氮化物類發光器件100製造出利用半導體的p-n接合結構注入的少數載波(電子或者空穴)，並利用通過它們的再結合發光的現象。在此，基板110可以是半導體生長用基板。例如，作為基板110可以使用藍寶石(sapphire)J^Kii (SiC)、尖晶石(MgAl2O4)、氯化鎂(MgO)、氧化鋰招(LiAlO2)、氧化鋰鎵(LiGa02)、氮化鎵(GaN)等的物質形成的基板。藍寶石為具有六角-菱形(Hexa-RhomboR3c)對稱性的結晶體，c軸以及a軸方向的格子常數分別為13.0OIA和4.758A，並具有C(OOOl)面、A(1120)面、R(1102)面等。在這種情況下，由於C面比較容易使氮化物薄膜生長，並在高溫下穩定，因而主要使用為氮化物生長用基板。為了提高光效率，基板110可利用圖案化藍寶石基板(PSS, Patterned Sapphire Substrate)。第一氮化物半導體層120可用結構式AlxInyGa(1_x_y)N(在這裡，O彡x彡1、 U0^x+y^ I)來表示，例如，可以是摻雜η型雜質的氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鎵
等。包含在第一氮化物半導體層120的第一導電型雜質例如可以是η型雜質，作為η型雜質可以使用娃(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、締(Te)等。第二氮化物半導體層150與第一氮化物半導體層120相同地可以用結構式AlxInyGa(1_x_y)N(在這裡, 0 ^ x ^ 1、0 ^ y ^ 1、0 ( x+y ( I)來表示,例如可以是摻雜p型雜質的氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鎵等。包含於第二氮化物半導體層150的第二導電型雜質例如可以是P型雜質，作為P型雜質可以使用鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。這種第一氮化物半導體層120以及第二氮化物半導體層150可通過在該技術領域公知的金屬有機化合物化學氣相沉澱(MOCVD, MetalOrganic Chemical VaporDeposition)方法、分子束外延(MBE, MolecularBeam Epitaxy)方法、氫化物氣相外延(HVPE, Hydride Vapor PhaseEpitaxy)方法等來生長。在第一氮化物半導體層120為η型，第二氮化物半導體層150為P型的情況下，通過接通電壓，第一氮化物半導體層120可放出電子，第二氮化物半導體層150可放出空穴。活性層140形成於第一氮化物半導體層120與第二氮化物半導體層150之間，通過電子和空穴的再結合，放出具有規定的能量的光。活性層140可具有多個量子阱層和量子勢魚層交替層疊的多重量子講(MQW, Multiple Quantum Well)結構。活性層140選擇具有基於所發出的光的波長的帶隙能量的材料，在發出波長為460nm 470nm的藍色光的情況下，將氮化銦鎵阱層/氮化鎵勢壘層作為一個周期(或者一對(pair))，可形成多重量子阱結構。在這裡，阱層的InxGahN可以在O < I的範圍進行調節。例如，多重量子阱結構的活性層140，在發出波長為440nm 470nm的藍色光的情況下，可通過使用銦的平均組合比在10原子至15原子(atomic) %的氮化銦鎵來形成。但是，在具有將氮化銦鎵阱層/氮化鎵勢壘層作為一個周期(pair)的多重量子阱結構的活性層140的情況下，由於氮化銦鎵和氮化鎵的格子常數的差異，將在氮化銦鎵阱層與氮化鎵勢魚層之間形成大應變(strain)。該應變通過在活性層140產生大壓電區域(piezoelectic field)來降低活性層140的內部量子效率。因此，為了提高氮化物類發光器件100的發光效率，需要用於緩解活性層140內的應變的方案。在本發明的一實施例中，在活性層140的下部形成應變緩衝層130。這種應變緩衝層130介於η型半導體層120與活性層140之間。根據本發明的一實施例，應變緩衝層130用於緩解活性層140的應變，並將應變緩衝層130定義為包括包含小於活性層140的銦的平均組合比的銦的所有層。具體來講，應變緩衝層130包含氮化銦鎵。而且，應變緩衝層130的銦的平均組合比低於活性層140的銦的平均組合比。在這裡，InxGahN可以在O < χ彡I的範圍進行調節。活性層140的應變的最小化，可通過調節應變緩衝層130以及活性層140之間的各層的厚度和銦的組合來達成。在這裡適用使量子勢壘層的厚度變窄，銦的平均組合將上升的原理。但是，應變緩衝層130中的銦的組合過高，有可能會降低活性層140的應變特性。尤其，本發明的一實施例，提出以下表I為基準，將活性層140的應變最小化，來達成接近100%的發光效率的條件。上述一實施例的特徵在於，在各個應變緩衝層130以及活性層140中，將銦的平均組合和各層的厚度的乘積分別定義為Α、Β時，Β/Α的比率(Ratio)滿足 1.4 < B/A < 6.1。實驗結果表明，在上述1.4<8/^<6.1的範圍內光功率高，在脫離上述範圍的情況下，光功率相對低。以下，將對根據本發明的一實施例的應變緩衝層130的一例進行說明，並對應變緩衝層130與活性層140之間的銦的側面的一例進行圖示，但只要滿足上述1.4 < B/A< 6.1的範圍，本發明就不會被限定於以下所述的內容。為了緩解活性層140的應變，應變緩衝層130通過使用銦的組合比低於活性層140的銦的組合比的氮化銦鎵來形成。在這裡，阱層的InxGa1J可以在O < x彡I的範圍進行調節。

應變緩衝層130可以與活性層140相同，具有多個量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多重量子阱結構。在這種情況下，能夠以氮化銦鎵阱層/氮化鎵勢壘層為一個周期來形成為多重量子阱結構。如圖2所示，作為一例，根據本發明的一實施例的氮化物發光器件，在圖2中的a的情況下可包括由量子勢壘層和量子阱層交替層疊的3對(pair)的應變緩衝層，上述量子勢壘層由銦的組合比為O原子％、厚度為ΙΟΟΛ 的氮化鎵形成，上述量子阱層由銦的組合比為10原子％、厚度為30Λ,的氮化銦鎵形成。並且，在圖2中的b情況下可包括由量子勢壘層和量子阱層交替層疊的6對(pair)的活性層，上述量子勢壘層由銦的組合比為O原子％、厚度為IOOii的氮化鎵形成，上述量子阱層由銦的組合比為12原子％、厚度為30Α的氮化銦鎵形成。在這種情況下，可適用變形為多種的對數。尤其，只要在a中，應變緩衝層的銦的平均組合比滿足2.7原子％，在b中，活性層的銦的平均組合比滿足3.5原子％至5.7原子％，如圖3所示，分別在a以及b當中，對應變緩衝層以及活性層的銦的組合比任意(random)進行變形也無關。雖未圖示上述內容，但在a中，即使任一個的銦的組合比相對來講非常低，也能夠包括應變緩衝層的平均組合比滿足2.7原子％的，是不言而喻的。第一電極160以及第二電極170分別與外部電源裝置(未圖示)電連接，是為了向第一氮化物半導體層120以及第二氮化物半導體層150接通電壓。在這裡，圖示了第一電極160和第二電極170水平配置的水平結構的發光器件。
第一電極160與第一氮化物半導體層120電接觸。更具體地，第一電極160形成第二氮化物半導體層150後通過蝕刻使第一氮化物半導體層120暴露之後，可在暴露的第一氮化物半導體層120上進行圖案化而成。第二電極170與第二氮化物半導體層150電連接。第二電極170可在第二氮化物半導體層150上進行圖案化而成。第一電極160以及第二電極170可利用金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W) >11 (Ni)、矽(Si)、鋁(Al)、鑰(Mo)等的金屬或者這些元素的合金。像這樣，根據本發明的一實施例的氮化物類發光器件100在活性層140的下部形成應變緩衝層130，並適用能夠將應變緩衝層130與活性層140之間的活性層140的應變最小化的上述1.4 < B/A < 6.1的範圍，來緩解活性層140的應變。由此，通過減少活性層140的壓電區域，而且活性層140的結晶質量得到改善，來提高活性層140內的空穴和電子的再結合效率，進而能夠提高活性層140的發光效率。另一方面，在本發明中，說明第一氮化物半導體層120形成為η型氮化物半導體層，第二氮化物半導體層150形成為P型氮化物半導體層，但是並不限定於此，還可將此顛倒形成是不言而喻。圖4是表示根據本發明的另一實施例的氮化物類發光器件的剖視圖，圖5是表示根據圖4的活性層以及應變緩衝層的一實施例的銦的側面的圖，圖6是表示根據圖4的活性層以及應變緩衝層的另一實施例的銦的側面的圖。參照圖4至圖6，根據本發明的另一實施例的氮化物類發光器件100』包括；第一氮化物半導體層120 ;第二氮化物半導體層150 ;活性層140，其介於第一氮化物半導體層120與第二氮化物半導體層150之間；以及應變緩衝層130，其介於第一氮化物半導體層120與活性層140之間，呈多層結構。在此基礎上,氮化物類發光器件100』可包括:第一電極160,其與第一氮化物半導體層120電連接；第二電極170，其與第二氮化物半導體層150電連接。並且，氮化物類發光器件100』還可包括基板110，該基板110位於第一氮化物半導體層120的下側。並且，雖然未圖示，但在基板110與第一氮化物半導體層120之間還可形成緩衝層、未摻雜氮化物層等。上述氮化物類發光器件100』的第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b用於緩解活性層140的階段性應變，將上述應變緩衝層定義為包括包含小於活性層140的銦的平均組合比的銦的所有層。由於根據本發明的另一實施例的氮化物類發光器件100』，除了應變緩衝層130形成多層結構之外，可與根據本發明的一實施例的氮化物類發光器件100相同，因而省略重複的內容，在這裡將僅對多層結構的應變緩衝層130進行說明。上述氮化物類發光器件100』的應變緩衝層130自下而上由第一應變緩衝層130a和第二應變緩衝層130b依次層疊形成。實質性地，第二應變緩衝層130b可與根據本發明的一實施例的氮化物類發光器件100的應變緩衝層130相同，因而將省略對第二應變緩衝層130b的說明。氮化物類發光器件100』為了階段性地緩解活性層140的應變，包含越往第一應變緩衝層130a、第二應變緩衝層130b以及活性層140，銦的平均組合比將逐漸增加的氮化銦鎵。S卩，第一應變緩衝層130a可以是包含氮化銦鎵的、厚度為100Λ至5000農的主體層(bulk layer)，為了緩解活性層140的階段性應變，包含銦的平均組合比低於第二應變緩衝層130b的銦的平均組合比的氮化銦鎵。在這裡，InxGapxN可以在O < x彡I的範圍進行調節。第一應變緩衝層130a可由包含氮化銦鎵的厚度為100Λ至5000 的主體層的單層或者多層形成，或者具有由多個量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多重量子阱結構。在此情況下，能夠以氮化銦鎵阱層/氮化鎵勢壘層為一個周期來形成為多重量子阱結構。因此，第二應變緩衝層130b的銦的平均組合比高於第一應變緩衝層130a的銦的平均組合比，第二應變緩衝層130b的銦的平均組合比低於活性層140的銦的平均組合比。活性層140的應變的最小化，可通過調節第一應變緩衝層130a、第二應變緩衝層130b以及活性層140之間的各層的厚度和銦的組合來達成。在這裡適用使量子勢壘層的厚度變窄，銦的平均組合將上升的原理。但是，分別在第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b中，銦的組合過高，有可能會降低應變特性。

尤其，本發明的另一實施例，提出以下表I為基準，將活性層140的應變最小化，來達成接近100%的發光效率的條件。上述實施例的特徵在於，分別在第一應變緩衝層130a、第二應變緩衝層130b以及活性層140中，將銦的平均組合和各層的厚度的乘積分別定義為C、A、B 時，A/C 的比率滿足 0.3 < A/C < 1.8，B/A 的比率滿足 1.4 < B/A < 6.1。實驗結果表明，在包括第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b來形成應變緩衝層130時，在滿足上述0.3 < A/C <1.8的範圍和上述1.4 < B/A < 6.1的範圍的情況下，光功率高，在脫離上述範圍的情況下，光功率相對低。以下，將對根據本發明的另一實施例的包括第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b的應變緩衝層130的一例進行說明，並圖示第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b與活性層140之間的銦的側面的一例，但只要滿足上述0.3 < A/C < 1.8的範圍以及1.4 < B/A < 6.1的範圍，本發明就不會被限定於以下所述的內容。如圖5所示，作為一例，根據本發明的另一實施例的氮化物發光器件，在圖5中的a的情況下可包括第一應變緩衝層，第一應變緩衝層是通過使用銦的組合比為I原子％以下的氮化銦鎵來形成的厚度為3000.Λ.的應變緩衝層。並且，在圖5中的b的情況下可包括由量子勢壘層和量子阱層交替層疊的3對(pair)的第二應變緩衝層，上述量子勢壘層由銦的組合比為O原子％、厚度為100Λ的氮化鎵形成，上述量子阱層由銦的組合比為10原子％、厚度為30Λ的氮化鎵形成。並且，在圖5中的c的情況下可包括由量子勢壘層和量子阱層交替層疊的6對(pair)的活性層，上述量子勢壘層由銦的組合比為O原子％、厚度為100Λ的氮化鎵形成，上述量子阱層由銦的組合比為12原子％、厚度為30Λ的氮化銦鎵形成。在這種情況下，可適用變形的多種對數。尤其，只要在a中，第一應變緩衝層的銦的平均組合比滿足0.2原子％至1.2原子％，在b中，第二應變緩衝層的銦的平均組合比滿足2.7原子％，在c中，活性層的銦的平均組合比滿足3.5原子％至5.7原子％，如圖6所示，分別在a、b以及c當中，對第一應變緩衝層、第二應變緩衝層以及活性層的銦的組合比任意進行變形也無關。雖然未圖示，但在b中，即使任一個的銦的組合比相對來說非常低，也能夠包括第二應變緩衝層的平均組合比滿足2.7原子％的，是不言而喻的。像這樣，根據本發明的另一實施例的氮化物類發光器件100』，在活性層140的下部形成包括第一應變緩衝層130a以及第二應變緩衝層130b的多層的應變緩衝層130，並且，通過調節各個層中銦的平均組合以及層的厚度，來在上述層之間適用能夠使活性層140的應變最小化的比率，即，上述的0.3 < A/C < 1.8的範圍以及1.4 < B/A < 6.1的範圍，就能夠階段性地緩解活性層140的應變。由此，通過減少活性層140的壓電區域，而且活性層140的結晶質得到改善，來提高活性層140內的空穴和電子的再結合效率，進而能夠提高活性層140的發光效率。以下，分別在根據本發明的第一應變緩衝層、第二應變緩衝層以及活性層中，通過變更銦的平均組合和各層的厚度，來評價光功率，並將其顯示在下面的表I中。這時，第二應變緩衝層與根據本發明的一實施例的應變緩衝層實質上相同。表I
權利要求
1.一種氮化物類發光器件，其特徵在於， 包括: 第一氮化物半導體層，其摻雜有第一導電型雜質， 應變緩衝層，其包含氮化銦鎵而形成於上述第一氮化物半導體層上， 活性層，其形成於上述應變緩衝層上，並具有由量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多重量子阱結構，以及 第二氮化物半導體層，其形成於上述活性層上，並摻雜有與上述第一導電型雜質相反的第二導電型雜質； 在上述應變緩衝層以及上述活性層中，將各自的銦的平均組合和各層的厚度的乘積分別定義為A、B時，B/A的比率為1.4 < B/A < 6.1。
2.根據權利要求1所述的氮化物類發光器件，其特徵在於，上述應變緩衝層的銦的平均組合比低於上述活性層的銦的平均組合比。
3.根據權利要求1所述的氮化物類發光器件，其特徵在於， 上述量子阱層包含氮化銦鎵； 上述量子勢魚層包含氮化鎵。
4.根據權利要求1所述的氮化物類發光器件，其特徵在於，上述應變緩衝層由量子阱層和量子勢壘層交替層疊而成。
5.根據權利要求4所述的氮化物類發光器件，其特徵在於， 上述應變緩衝層的量子阱層包含氮化銦鎵； 上述應變緩衝層的量子勢壘層包含氮化鎵。
6.根據權利要求1所述的氮化物類發光器件，其特徵在於， 上述應變緩衝層包括: 第一應變緩衝層， 第二應變緩衝層，其形成於上述第一應變緩衝層的下部； 針對上述第一應變緩衝層的B/A的比率為1.4 < B/A < 6.1， 在將上述第二應變緩衝層的銦的平均組合和各層的厚度的乘積定義為C時，A/C的比率為 0.3 < A/C < 1.8。
7.根據權利要求6所述的氮化物類發光器件，其特徵在於，上述第二應變緩衝層的銦的平均組合比低於上述第一應變緩衝層的銦的平均組合比。
8.根據權利要求6所述的氮化物類發光器件，其特徵在於， 上述第二應變緩衝層的量子阱層包含氮化銦鎵； 上述第二應變緩衝層的量子勢壘層包含氮化鎵。
9.根據權利要求6所述的氮化物類發光器件，其特徵在於，上述第二應變緩衝層的厚度為 100 A 至5000A。
10.根據權利要求1所述的氮化物類發光器件，其特徵在於， 上述第一氮化物半導體層摻雜有η型雜質； 上述第二氮化物半導體層摻雜有P型雜質。
全文摘要
本發明公開一種在活性層的下部利用應變緩衝層，實現優秀的發光效率的氮化物類發光器件。根據本發明的實施例的氮化物類發光器件，其特徵在於，包括第一氮化物半導體層，其摻雜有第一導電型雜質，應變緩衝層，其包含氮化銦鎵而形成於上述第一氮化物半導體層上，活性層，其形成於上述應變緩衝層上，並具有由量子阱層和量子勢壘層交替層疊的多重量子阱結構，以及第二氮化物半導體層，其形成於上述活性層上，並摻雜有與上述第一導電型雜質相反的第二導電型雜質；在上述應變緩衝層以及上述活性層中，將各自的銦的平均組合和各層的厚度的乘積分別定義為A、B時，B/A的比率為1.4＜B/A＜6.1。
文檔編號H01L33/30GK103187500SQ20121058615
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2011年12月30日
發明者樸廷元, 李成學 申請人:日進Led有限公司