СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР НА ОСНОВЕ НИТРИДНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА
LIGHT-EMITTING INSTRUMENT BASED ON NITRIDE SEMICONDUCTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому светоизлучающему прибору, а более конкретно, к высококачественному нитридному полупроводниковому светоизлучающему прибору, который имеет существенно улучшенные электрические характеристики и морфологию поверхности полупроводниковой области p-типа.
Описание уровня техники
III
V
x
y
1-x-y
В последнее время светоизлучающие диоды или лазерные диоды, которые образованы из нитридных полупроводников типа AB (для простоты называемых нитридными полупроводниками), таких как GaN, AlGaN и InGaN, широко используют в качестве полупроводниковых светоизлучающих приборов в различных областях применения. В общем случае нитридный полупроводник имеет формулу InAlGaN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1).
По мере того как разрабатываются цифровые изделия, в которых используются нитридные светоизлучающие диоды или лазерные диоды, возникает необходимость в нитридных светоизлучающих приборах, которые имеют более высокую яркость, эффективность и надежность. Однако легированный акцепторной примесью слой GaN, который расположен в полупроводниковой области p-типа нитридного полупроводникового светоизлучающего прибора, не имеет характеристик p-типа или достаточно хороших электрических характеристик вследствие ослабления действия акцепторной примеси или снижения эффективности активации.
На фиг.1 представлено поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно уровню техники. Что касается фиг.1, то светоизлучающий прибор 10 имеет структуру, в которой легированный донорной примесью слой 14 GaN, активный слой 16 и легированный акцепторной примесью слой 18 GaN последовательно наслоены на подложку 11, образованную из сапфира. Электрод 15 n-типа сформирован на верхней поверхности легированного донорной примесью слоя 14 GaN, который вскрыт травлением с получением мезаструктуры. Электрод 19 p-типа сформирован на легированном акцепторной примесью слое 18 GaN.
18
-1
В структуре нитридного полупроводникового светоизлучающего прибора согласно уровню техники легированный акцепторной примесью слой 18 GaN имеет относительно низкую электрическую удельную проводимость. Кроме того, трудно добиться, чтобы легированный акцепторной примесью слой 18 GaN имел концентрацию дырок 10 см или более высокую, и трудно получить легированный акцепторной примесью слой 18 GaN с хорошим качеством кристаллической структуры. При выращивании легированного акцепторной примесью GaN источник легирующей примеси Mg образует комплекс Mg-H, который ослабляет действие акцепторной примеси Mg и снижает эффективность активации Mg. Когда источник Mg подводят в избыточном количестве, чтобы получить высокую концентрацию дырок, морфология поверхности легированного акцепторной примесью слоя GaN не является однородной, и качество кристаллической структуры ухудшается. Поэтому снижаются спектральная световая эффективность и яркость светоизлучающего прибора.
Сущность изобретения
Согласно аспекту настоящего изобретения предложен нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор, который имеет улучшенные морфологию поверхности и электрические характеристики, такие как электрическая удельная проводимость нитридной полупроводниковой области p-типа.
Согласно аспекту настоящего изобретения предложен нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор, при этом прибор включает в себя: нитридную полупроводниковую область n-типа; активный слой, сформированный на нитридной полупроводниковой области n-типа; и нитридный полупроводниковый слой p-типа, сформированный на активном слое, в котором нитридная полупроводниковая область p-типа имеет многослойную структуру, в которой нанесены по меньшей мере две пары легированных акцепторной примесью слоев GaN и легированных акцепторной примесью или беспримесных слоев AlGaN, чередующихся друг с другом.
19
20
-1
19
-1
Слой AlGaN может иметь толщину 20 нм, и легированный акцепторной примесью слой GaN может иметь толщину, равную или большую, чем толщина слоя AlGaN. Слой AlGaN может иметь толщину в пределах от 20 до 100 нм. Слой AlGaN может быть беспримесным или легированным акцепторной примесью при концентрации легирующей примеси более низкой, чем концентрация легирующей примеси в легированном акцепторной примесью слое GaN. Легированный акцепторной примесью слой GaN может иметь концентрацию легирующей примеси в пределах от 6×10 до 1×10 см при использовании легирующей примеси Mg и слой AlGaN может иметь концентрацию легирующей примеси в пределах от 0 до 5×10 см при использовании легирующей примеси Mg.
Нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор может дополнительно включать в себя электрод n-типа, электрически соединенный с нитридной полупроводниковой областью n-типа, и электрод p-типа, сформированный на нитридной полупроводниковой области p-типа, при этом нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор может быть светоизлучающим прибором с горизонтальной структурой, имеющим электрод n-типа и электрод p-типа, обращенные в одну и ту же сторону. В данном случае нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор может дополнительно включать в себя подложку, образованную из сапфира или аналогичного материала, расположенную под нитридной полупроводниковой областью n-типа.
Нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор с вертикальной структурой может дополнительно включать в себя электрод n-типа, электрически соединенный с нитридной полупроводниковой областью n-типа, и электрод p-типа, сформированный на нитридной полупроводниковой области p-типа, при этом нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор может быть светоизлучающим прибором с вертикальной структурой, имеющим электрод n-типа и электрод p-типа, обращенные в противоположные стороны. Нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор может дополнительно включать в себя проводящую подложку, расположенную на другой стороне активного слоя, при этом нитридная полупроводниковая область n-типа помещена между ними. С другой стороны, светоизлучающий прибор с вертикальной структурой может дополнительно включать в себя проводящую подложку, расположенную на другой стороне активного слоя, при этом нитридная полупроводниковая область p-типа помещена между ними. В данном случае светоизлучающий прибор с вертикальной структурой может дополнительно включать в себя проводящий адгезивный слой, сформированный между проводящей подложкой и нитридной полупроводниковой областью p-типа.
Краткое описание чертежей
Упомянутые выше и другие аспекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более отчетливо понятными из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг.1 - поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно уровню техники;
Фиг.2 - поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - местное сечение, иллюстрирующее полупроводниковую область p-типа согласно примерам осуществлений настоящего изобретения;
Фиг.4 - поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 - поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.6 - вид, иллюстрирующий полученные с помощью атомно-силовой микроскопии фотографии нитридных полупроводниковых областей p-типа согласно сравнительному осуществлению и примеру изобретения.
Подробное описание предпочтительного осуществления
Теперь со ссылками на сопровождающие чертежи будут подробно описаны примеры осуществлений настоящего изобретения. В нижеследующем подробном описании для простоты в качестве иллюстрации показаны и описаны только некоторые примеры осуществлений настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение не ограничено нижеследующими примерами осуществлений, а могут быть сделаны различные модификации и изменения изобретения.
На фиг.2 представлено поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно примеру осуществления изобретения. Что касается фиг.2, то нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор 100 включает в себя структуру, в которой нитридная полупроводниковая область 104 n-типа, активный слой 106 и нитридная полупроводниковая область 108 p-типа последовательно сформированы на диэлектрической подложке 101, образованной из сапфира или аналогичного материала. Электрод 105 n-типа и электрод 109 p-типа, предназначенные для приложения напряжения к полупроводниковой области n-типа и полупроводниковой области p-типа, соответственно, электрически соединены с полупроводниковой областью 104 n-типа и полупроводниковой областью 108 p-типа, соответственно. В частности, участок нитридной полупроводниковой области 104 n-типа вскрыт травлением через сетчатый трафарет. Электрод 105 n-типа расположен на вскрытом участке нитридной полупроводниковой области 104 n-типа. Нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор 100 образует светоизлучающий прибор с горизонтальной структурой, в котором электрод 105 n-типа и электрод 109 p-типа обращены в одну и ту же сторону.
Нитридная полупроводниковая область 104 n-типа может включать в себя буферную структуру, которая расположена под ней, для уменьшения рассогласования параметров решетки между подложкой 101 и нитридной полупроводниковой областью 104 n-типа. Активный слой 106 может иметь, например, структуру с множественной квантовой ямой, имеющую беспримесный барьерный слой GaN и беспримесный слой InGaN с ямой, или структуру с одиночной квантовой ямой.
Как показано на фиг.2, нитридная полупроводниковая область 108 p-типа имеет многослойную структуру, в которой беспримесные или легированные акцепторной примесью слои 108а AlGaN и легированные акцепторной примесью слои 108b GaN чередуются друг с другом, и при этом наслоены две пары слоев 108а AlGaN и 108b GaN. В многослойной структуре, имеющей по меньшей мере пары легированных акцепторной примесью слоев GaN и беспримесных или легированных акцепторной примесью слоев AlGaN, слои 108а AlGaN, находящиеся между легированными акцепторной примесью слоями 108b GaN, стимулируют активацию акцепторной легирующей примеси, такой как Mg, и повышают концентрацию дырок в легированных акцепторной примесью слоях 108b GaN. Кроме того, наслоены по меньшей мере две пары слоев 108а AlGaN и легированных акцепторной примесью слоев 108b GaN, чередующихся друг с другом, благодаря чему снижается напряжение на границе раздела между AlGaN и GaN.
Повышение концентрации дырок и снижение напряжения на границе раздела обеспечивают возможность получения повышенной электрической удельной проводимости и гладкой морфологии поверхности легированного акцепторной примесью слоя 108b GaN, расположенного сверху. Посредством экспериментов можно подтвердить, что по сравнению со случаем, когда полупроводниковая область p-типа выращена с использованием только легированного акцепторной примесью слоя GaN, нитридная полупроводниковая область p-типа имеет меньшую среднюю шероховатость и более высокую электрическую удельную проводимость в случае такой же концентрации легирующей примеси Mg (обратитесь к фиг.6).
2
Многослойная структура, которая имеет легированные акцепторной примесью слои GaN и беспримесные или легированные акцепторной примесью слои AlGaN (108а и 108b), чередующиеся друг с другом, может быть образована путем использования химического осаждения из паров металлоорганического соединения. Например, легированный акцепторной примесью слой GaN и беспримесный или легированный акцепторной примесью слой AlGaN могут быть выращены химическим осаждением из паров металлорганического соединения с использованием металлорганического источника, такого как триметилгаллий и триметилалюминий, и источника легирующей примеси, такого как CPMg.
2
3
Согласно осуществлению изобретения диэлектрическую подложку, образованную из сапфира (AlO), используют в качестве подложки 101 для выращивания нитридного полупроводникового кристалла. Однако вместо сапфировой подложки любая подложка, такая как карбидокремниевая подложка, кремниевая подложка, подложка из ZnO, подложка из MgO и подложка из GaN, может быть использована при условии, что она может быть использована для выращивания нитридных полупроводниковых слоев.
На фиг.3 представлено местное сечение, иллюстрирующее полупроводниковую область p-типа согласно примерам осуществлений настоящего изобретения. Как показано на фиг.3А, полупроводниковая область p-типа может иметь многослойную структуру, в которой слой AlGaN (беспримесный или легированный акцепторной примесью), слой GaN (легированный акцепторной примесью), слой AlGaN и слой GaN последовательно наслоены на активный слой. В качестве альтернативы на фиг.3 В показана двухслойная структура GaN/AlGaN, в которой слой GaN (легированный акцепторной примесью), выращенный на активном слое, и слой AlGaN, выращенный на нем, могут быть многократными.
В многослойной структуре нитридной полупроводниковой области 108 p-типа согласно предпочтительному осуществлению изобретения беспримесный или легированный акцепторной примесью слой 108а AlGaN может иметь толщину d1, равную 20 нм или больше, а легированный акцепторной примесью слой 108b GaN имеет толщину d2, которая может быть равна толщине d1 слоя 108а AlGaN или больше ее. Например, слой 108а AlGaN в описанной выше многослойной структуре может иметь толщину от 20 до 100 нм, а легированный акцепторной примесью слой 108b GaN может иметь толщину от толщины слоя 108а AlGaN до 110 нм. Толщина слоя p-GaN и слоя AlGaN больше, чем толщина одного слоя, который образует сверхрешетку. Кроме того, в многослойной структуре можно реализовать морфологию поверхности p-GaN и электрическую удельную проводимость, которые невозможно ожидать в структуре сверхрешетки.
19
20
19
-1
18
-1
19
-1
Слой 108а AlGaN может быть беспримесным (заданная концентрация легирующей примеси равна 0) или легированным акцепторной примесью при концентрации легирующей примеси более низкой по сравнению с концентрацией легирующей примеси легированного акцепторной примесью слоя GaN. Например, легированный акцепторной примесью слой GaN может иметь концентрацию легирующей примеси в пределах от 6×10 до 1×10 при использовании Mg в качестве легирующей примеси, а слой AlGaN может иметь концентрацию легирующей примеси в пределах от 0 (беспримесный) до 5×10 см при использовании Mg в качестве легирующей примеси. В легированном акцепторной примесью слое 108b GaN можно реализовать концентрацию дырок 10 см или более высокую при концентрации легирующей примеси Mg 6×10 см.
На фиг.4 представлено поперечное сечение, иллюстрирующее нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения. Согласно этому осуществлению электрод n-типа и электрод p-типа обращены в противоположные стороны от светодиодной структуры (полупроводниковой области n-типа, активного слоя и полупроводниковой области p-типа), в результате чего образуется светоизлучающий прибор с вертикальной структурой.
Что касается фиг.4, то нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор 200 включает в себя нитридную полупроводниковую область 204 n-типа, активный слой 206 и нитридную полупроводниковую область 208 p-типа, которые последовательно наслоены на проводящую подложку 201, образованную из SiC. Электрод 205 n-типа может быть расположен на нижней стороне проводящей подложки 201, а электрод 209 p-типа может быть сформирован на нитридной полупроводниковой области 208 p-типа.
Как описывалось выше, нитридная полупроводниковая область 208 p-типа имеет многослойную структуру, в которой беспримесные или легированные акцепторной примесью слои AlGaN и легированные акцепторной примесью слои GaN чередуются друг с другом, и при этом наслоены по меньшей мере две пары слоев AlGaN и GaN. В этом светоизлучающем приборе с вертикальной структурой благодаря нитридной полупроводниковой области 208 p-типа, имеющей многослойную структуру, снижается напряжение на границе раздела, повышается концентрация дырок и достигается однородная морфология легированного акцепторной примесью GaN.
Подложка, которая имеет кристаллическую поверхность (верхнюю поверхность) для роста GaN, может быть использована в качестве проводящей подложки 201. Например, из подложек из SiC, ZnO и GaN любая подложка может быть использована в качестве проводящей подложки 201. Кроме того, путем удаления проводящей подложки 201 может быть образована тонкопленочная светоизлучающая диодная структура. В тонкопленочной светоизлучающей диодной структуре электрод 205 n-типа может находиться в непосредственном контакте с нитридной полупроводниковой областью 205 без образования проводящей подложки.
На фиг.5 представлено поперечное сечение, иллюстрирующее светоизлучающий прибор с вертикальной структурой согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения. Что касается фиг.5, то нитридный полупроводниковый светоизлучающий прибор 300 включает в себя нитридную полупроводниковую область 308 p-типа, активный слой 306 и нитридную полупроводниковую область 304 n-типа, которые последовательно наслоены на проводящую подложку 301. То есть нитридная полупроводниковая область 308 p-типа расположена между активным слоем 306 и проводящей подложкой 301, а проводящая подложка 301 расположена по другую сторону от нитридной полупроводниковой области 304 n-типа. Проводящий адгезивный слой 312 может быть сформирован между проводящей подложкой 301 и нитридной полупроводниковой областью 308 p-типа. Электрод 309 p-типа сформирован на нижней поверхности проводящей подложки 301, а электрод 305 n-типа расположен на верхней поверхности нитридной полупроводниковой области 304 n-типа.
Согласно этому осуществлению нитридная полупроводниковая область 308 p-типа также имеет многослойную структуру, в которой легированные акцепторной примесью слои GaN и беспримесные или легированные акцепторной примесью слои AlGaN чередуются друг с другом, и при этом наслоены по меньшей мере две пары слоев GaN и AlGaN. Светоизлучающий прибор 300 с вертикальной структурой может быть получен путем присоединения проводящей подложки и удаления подложки в течение выращивания. Например, после того как нитридная полупроводниковая область 304 n-типа, активный слой 306 и нитридная полупроводниковая область 308 p-типа, имеющая многослойную структуру, последовательно выращены на сапфировой подложке (непоказанной), несущая проводящая подложка 301 может быть присоединена к нитридной полупроводниковой области 308 p-типа путем использования проводящего адгезивного слоя 312, сформированного из Au, Au-Sn и т.п. После этого сапфировая подложка может быть удалена от нитридной полупроводниковой области 304 n-типа путем использования такой технологии удаления подложки, как лазерное отслаивание и травление. В дополнение к подложкам, образованным из SiC, ZnO и GaN, в качестве проводящей подложки 301 могут быть использованы металлические подложки, образованные из Al, Cu и т.п.
3
2
На фиг.6 показаны полученные с помощью атомно-силовой микроскопии фотографии поверхностей полупроводниковых областей p-типа, сформированных в соответствии со сравнительным примером (а) и примером (b) изобретения. В случае сравнительного примера использовали триметилгаллий в качестве источника галлия, NH в качестве источника азота и CPMg в качестве источника (легирующей примеси) Mg, при этом химическим осаждением из паров металлорганического соединения выращивали только легированный акцепторной примесью слой GaN. Исходя из анализа поверхности легированного акцепторной примесью слоя GaN, показанного на фиг.6, шероховатость поверхности легированного акцепторной примесью слоя GaN согласно сравнительному примеру соответствует средней шероховатости 2,75 нм и среднеквадратическому значению 3,62 нм.
3
2
Напротив, в случае примера изобретения в дополнение к триметилгаллию, NH и CPMg в качестве источника Al использовали триметилалюминий, чтобы тем самым образовать нитридную полупроводниковую многослойную структуру, описанную выше. В частности, беспримесные слои AlGaN и легированные акцепторной примесью слои GaN чередуются друг с другом, а для образования нитридной полупроводниковой многослойной структуры наслоены десять пар слоев AlGaN и GaN. При выращивании беспримесного слоя AlGaN в качестве легирующей примеси использовали Mg. Беспримесный слой AlGaN выращивали толщиной около 20 нм, а легированный акцепторной примесью слой GaN выращивали толщиной около 25 нм. В многослойной структуре верхний слой (выращенный в заключение слой) представляет собой легированный акцепторной примесью слой GaN. Легированный акцепторной примесью слой GaN, самый верхний слой, показанный на фиг.6, имеет шероховатость поверхности 2,30 нм и среднеквадратическое значение 2,9 нм.
-1
-1
Исходя из результатов измерения электрической удельной проводимости полупроводниковых областей p-типа из сравнительного примера и примера изобретения, полупроводниковая область p-типа (фиг.6А) из сравнительного примера имеет электрическую удельную проводимость около 0,14 (Ом·см), тогда как полупроводниковая область p-типа (фиг.6) имеет электрическую удельную проводимость 1,2 (Ом·см) или более высокую. В соответствии с этим можно видеть, что многослойная структура из примера изобретения имеет электрическую удельную проводимость, в три раза более высокую, чем легированная акцепторной примесью нитрид-галлиевая однослойная структура согласно родственному уровню техники.
Как изложено выше, согласно примерам осуществлений изобретения многослойная структура, в которой легированные акцепторной примесью слои GaN и легированные акцепторной примесью или беспримесные слои AlGaN чередуются друг с другом, и при этом нанесены по меньшей мере две пары слоев GaN и AlGaN, образована в нитридной полупроводниковой области p-типа, в результате чего улучшается морфология поверхности нитридной полупроводниковой области p-типа и повышается электрическая удельная проводимость. Поэтому повышаются эффективность и яркость нитридного полупроводникового светоизлучающего прибора.
Хотя настоящее изобретение было показано и описано применительно к примерам осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что модификации и изменения могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.