制造非极性氮化镓基半导体层的方法、非极性半导体器件及其制造方法

制造非极性氮化镓基半导体层的方法、非极性半导体器件及其制造方法
【专利摘要】提供了一种制造非极性氮化镓基半导体层的方法。所述方法是利用金属有机化学气相沉积来制造非极性氮化镓层的方法，所述方法包括：在室内设置具有m面生长表面的氮化镓基底；通过加热基底将基底温度升高到GaN生长温度；以及通过在生长温度下将Ga源气体、N源气体和环境气体提供到室中在氮化镓基底上生长氮化镓层。提供的环境气体包含N2而不包含H2。通过切断H2的供给，防止在基底生长表面上的各向异性蚀刻，从而引起氮化镓层的表面形态的改善。
【专利说明】制造非极性氮化镓基半导体层的方法、非极性半导体器件及其制造方法

【技术领域】
[0001]本发明的示例性实施例涉及一种氮化镓基半导体器件，更具体地讲，涉及一种制造非极性氮化镓基半导体层的方法、非极性半导体器件及其制造方法。

【背景技术】
[0002]氮化镓基化合物被认作用于高功率、高性能的光学器件或电子器件的重要材料。具体地讲，因为诸如GaN的第III族氮化物具有优异的热稳定性和直接跃迁能带结构，所以第III族氮化物作为用于可见光区域和紫外线区域的发光装置的材料近来引起许多注意。例如，在多种应用中已经利用使用InGaN的蓝色发光装置和绿色发光装置，例如，大型本色平板显示装置、交通灯、室内照明、高密度光源、高分辨率输出系统和光学通信工具。
[0003]然而，因为难以制造能够在其上生长第III族氮化物半导体层的同质基底，所以已经通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在具有类似晶体结构的异质基底上生长第III族氮化物半导体层。对于异质基底，已经主要使用具有六角形结构的蓝宝石基底。具体地讲，因为GaN外延层趋向在c面方向生长，所以已经主要使用具有c面生长表面的蓝宝石基底。
[0004]然而，生长在异质基底上的外延层因相对于生长基底的热膨胀系数差和晶格失配而具有相对高的位错密度。已知生长在蓝宝石基底上的外延层通常具有lE8/cm2或更大的位错密度。这样的具有高位错密度的外延层对改善发光二极管的发光效率存在限制。
[0005]此外，生长在c面生长表面上的c面氮化镓基半导体层由于自发极化和压电极化而产生内电场，这降低了辐射复合率。为了防止这样的极化现象，正在进行对非极性或半极性氮化镓基半导体层的研究。作为这样的研究之一，已经进行了使用非极性或半极性氮化镓基底作为生长基底来形成氮化镓层的尝试。然而，在使用在蓝宝石基底上的生长方法在非极性氮化镓基底上生长氮化镓层的情况下，氮化镓层具有非常粗糙的表面形态。在使用这样的氮化镓层制造诸如发光二极管的半导体器件的情况下，漏电流大并且非辐射复合率增大，使得难以获得优异的发光效率。


【发明内容】

[0006]【技术问题】
[0007]本发明的示例性实施例提供了一种能够改善生长在非极性氮化镓基底上的氮化镓基半导体层的表面形态的生长非极性氮化镓基半导体层的方法。
[0008]本发明的示例性实施例还提供了一种通过在非极性氮化镓基底上形成具有高晶体质量的非极性氮化镓基半导体层来制造半导体器件的方法。
[0009]本发明的示例性实施例还提供了一种具有改善的晶体质量的非极性或半极性半导体层的半导体器件。
[0010]本发明的示例性实施例还提供了一种非极性或半极性发光二极管和一种用于制造该非极性或半极性发光二极管的方法。
[0011]【技术方案】
[0012]在传统的蓝宝石基底上生长氮化镓层的情况下，主要使用H2或者既使用H2又使用队作为环境气体。因为H2具有高分子迁移率，对于补偿室的内部温度是有利的。此外，因为H2用于清洁蓝宝石基底的表面，所以优选地用于生长具有优异的表面特性的氮化镓层。然而，如果利用与在蓝宝石基底上生长氮化镓层的条件相同的条件在非极性氮化镓基底上生长氮化镓层，则生长具有粗糙表面的氮化镓层。本申请的发明人发现，非极性氮化镓基底的表面上的各向异性影响表面形态，并且完成了本发明。
[0013]本发明的实施例提供了一种利用金属有机化学气相沉积来制造非极性氮化镓层的方法。该方法包括:在室内设置具有m面生长表面的氮化镓基底；通过加热基底将基底温度升高到GaN生长温度；以及通过在生长温度下将Ga源气体、N源气体和环境气体提供到室中在氮化镓基底上生长氮化镓层。提供的环境气体包含N2而不包含H2。
[0014]H2气体蚀刻氮化镓基底的表面。然而，由于氮化镓基底的各向异性，因此氮化镓基底的表面根据方向而被H2气体不同地蚀刻。另外，因为生长在基底上的氮化镓层被H2气体各向异性地蚀刻，因此氮化镓层生长为具有粗糙表面。因此，根据本发明，通过切断用作环境气体的H2气体的供给，能够防止基底表面或生长的GaN被H2气体蚀刻。因此，可以制造具有改善的表面形态的氮化镓层。
[0015]此外，可以将N2气体作为环境气体单独地提供到室中。
[0016]另一方面，Ga源气体可以是TMG或TEG，N源气体可以是NH3。
[0017]GaN生长温度可以等于或高于950°C并低于1050°C。具体地讲，GaN生长温度可以为 1000Co
[0018]另外，即使当基底温度升高到GaN生长温度时，也可以提供N源气体和环境气体。
[0019]即使当基底温度升高时，也可以提供Ga源气体。然而，为了防止在不稳定的温度下形成GaN，可以仅在GaN生长温度下提供Ga源气体。另外，在氮化镓基底达到GaN生长温度之后并且在提供Ga源气体之前，可以将氮化镓基底保持3分钟至10分钟。
[0020]本发明的实施例提供了一种通过使用利用上述方法制造的非极性氮化镓层来制造半导体器件的方法。
[0021]本发明的实施例提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括:氮化镓基底；氮化镓基第一半导体层，设置在氮化镓基底上；以及中间温度缓冲层，设置在氮化镓基底和第一半导体层之间。在700°C至800°C的生长温度下在氮化镓基底上生长中间温度缓冲层。
[0022]氮化镓基底具有非极性或半极性生长表面，中间温度缓冲层直接形成在氮化镓基底的生长表面上。具体地讲，氮化镓基底可以具有m面生长表面，中间温度缓冲层可以设置在m面生长表面上。另一方面，中间温度缓冲层可以是GaN层。
[0023]半导体器件还可以包括:第二半导体层，设置在第一半导体层上方；以及有源层，设置在第一半导体层和第二半导体层之间。半导体器件可以是非极性或半极性发光二极管。
[0024]本发明的实施例提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括:在700°C至800°C的范围内在氮化镓基底上形成中间温度缓冲层；以及在比中间温度缓冲层的形成温度高的生长温度下在中间温度缓冲层上生长氮化镓基第一半导体层。
[0025]氮化镓基底可以具有非极性或半极性生长表面。具体地讲，氮化镓基底可以具有m面生长表面，中间温度缓冲层可以形成在m面生长表面上。此外，中间温度缓冲层可以由GaN形成。
[0026]生长第一半导体层的步骤可以包括:在形成中间温度缓冲层之后停止提供镓源；将氮化镓基底的温度升高到第一半导体层的生长温度；在第一半导体层的生长温度下将氮化镓基底保持3分钟至10分钟；以及重新开始提供镓源，以在中间温度缓冲层上生长氮化镓基层。
[0027]所述方法还可以包括:在第一半导体层上生长有源层；以及在有源层上生长氮化镓基第二半导体层。
[0028]【有益效果】
[0029]根据本发明的实施例，可以在非极性氮化镓基底上生长具有优异的表面形态的非极性氮化镓层。因此，可以在非极性氮化镓基底上生长具有优异的晶体质量的半导体层，可以使用这些半导体层来制造具有高发光效率的诸如发光二极管的半导体器件。另外，通过采用中间温度缓冲层，可以在非极性或半极性氮化镓基底上生长具有优异的晶体质量的非极性或半极性氮化镓基半导体层。可以使用生长在中间温度缓冲层上的非极性或半极性氮化镓基半导体层来提供半导体器件。具体地讲，可以提供具有改善的发光效率的非极性或半极性发光二极管。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]包括附图以提供本发明的进一步理解，附图被包括其中并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例并与描述一起用于解释本发明的原理。
[0031]图1是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的示意性流程图。
[0032]图2是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的示意性剖视图。
[0033]图3是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的温度曲线图。
[0034]图4中的(a)至图4中的(C)是示出根据各种环境气体的非极性氮化镓层的表面形态的光学照片。
[0035]图5中的(a)至图5中的(f)是示出根据生长温度的非极性氮化镓层的表面形态的光学照片。
[0036]图6是用于描述根据本发明的实施例的发光二极管的剖视图。
[0037]图7是用于描述根据本发明的另一实施例的发光二极管的剖视图。
[0038]图8是用于描述根据本发明的另一实施例的生长中间温度缓冲层和半导体层的方法的曲线图。
[0039]图9至图10是用于描述根据本发明的另一实施例的发光二极管的超晶格层的剖视图。
[0040]图11是用于描述根据本发明的另一实施例的有源层的剖视图。
[0041]图12示出用于描述图11的有源层的能带。
[0042]图13中的(a)至图13中的(C)是用于描述根据本发明的另一实施例的氮化镓层的表面形态的光学照片。

【具体实施方式】
[0043]在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实施并且不应被解释为局限于在此阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例使得本公开是彻底的，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚可能夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。在附图中的同样的附图标记指示同样的元件。
[0044]图1是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的示意性流程图，图2是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的示意性剖视图，图3是用于描述根据本发明的实施例的制造非极性氮化镓层的方法的温度曲线图。在图3中也示出了环境气体。
[0045]参照图1、图2和图3，将非极性氮化镓基底11设置在MOCVD室内(SI)。在这个实施例中，非极性氮化镓基底11具有m面生长表面。另外,氮化镓基底11的生长表面可以具有用于帮助外延层生长的倾角。
[0046]具有m面生长表面的氮化镓基底11可以是但不限于利用HVPE技术等制造的裸基底。m面氮化镓基底11可以包括形成在其上且具有生长在裸基底上的m面生长表面的氮化镓基半导体层。例如，可以在相对低的温度下在裸态的m面氮化镓基底上生长GaN层或InGaN层，可以在GaN层或InGaN层上生长根据实施例的非极性氮化镓层13。
[0047]MOCVD室是公知的用于生长氮化镓基半导体层的室。MOCVD室包括基底11将被设置在其上的托盘和托盘位于其上的基座。基座被加热器加热，来自基座的热量传递到基底11，使得基底11被加热。通过热电偶测量基座的温度，测量的基座的温度被认作基底11的温度。另一方面，MOCVD室包括供气单元，供气单元被构造为提供与第III族元素(诸如Al、In或Ga)的源气体、N源气体(诸如NH3)和杂质源气体(诸如SiH4或Cp2Mg) —起的诸如N2> H2或Ar的环境气体(或载气)。
[0048]基座被加热器加热，来自基座的热量被传递，从而加热基底(S2)。因此，如图3中所示，基底11的温度在tl至t2的时间段期间从Ta上升到Tb。基底11的温度可以以例如大约100°C /min的速率上升。
[0049]可以在加热基底11的过程中提供N2气体作为环境气体，并且可以提供NH3。优选的是，在加热基底11的过程中，不提供H2气体。具体地讲，在当基底11的温度高(例如，在大约800°C之上)时提供H2气体的情况下，基底11的表面会被H2气体蚀刻。在这种情况下，因为m面氮化镓基底11具有高的各向异性，因此在基底11的表面上根据方向而不同地出现被H2气体蚀刻的表面。结果，基底11具有条纹状的粗糙表面。因此，优选的是，在升高基底11的温度的工艺中切断H2气体的供给，以防止基底11的表面粗糙。
[0050]另一方面，可以在加热基底11的过程中提供Ga源气体，但是通过提供Ga源气体会在基底11上生长GaN层。因为在温度不稳定的状态下形成GaN层，所以GaN层的表面容易粗糙地形成。必须精确地控制工艺条件，从而生长具有优异的表面形态的GaN层。因此，优选的是，在加热基底11的过程中不提供Ga源气体，从而实现稳定的工艺。
[0051]另一方面,NH3气体向基底11的表面提供氮(N)，这防止氮原子与氮化镓基底11分离。另外，作为环境气体的N2用于升高室的内部温度。可以将代替N2的诸如Ar的惰性气体作为环境气体来提供，或者除了 N2之外还可以提供惰性气体，例如，Ar。
[0052]接着，在基底11的温度达到生长温度Tb之后，在t2至t3时间段期间将基底11保持在生长温度Tb (S3)。该时间段可以是例如3分钟至10分钟。生长温度Tb可以在950°C至1050°C范围内，具体地讲，大约1000°C。在这个时间段期间，连续地提供N2和NH3，使得在室内的气体状态和基底11的表面状态稳定。另外，即使在这个时间段期间，基于上述相同理由也不提供H2。由于为了使工艺稳定而需要步骤S3，所以可以跳过步骤S3。
[0053]接着，将Ga源气体提供到室，因此，在基底11上生长氮化镓层13 (S4)。氮化镓层13沿基底11的生长表面生长有m面生长表面。此时，在将H2作为环境气体来提供的情况下，H2各向异性地蚀刻正在生长的GaN。因此，氮化镓层13的表面会变得粗糙。因为这个原因，不将H2作为环境气体来提供。作为环境气体，如上所述，可以使用N2，或者可以使用诸如Ar的惰性气体。为了将杂质掺杂到氮化镓层13中，可以一起提供诸如Cp2Mg的杂质源气体。
[0054](实验示例I)
[0055]图4中的(a)至图4中的(C)是示出根据各种环境气体的非极性氮化镓层13的表面形态的光学照片。具体来说，图4中的(a)示出将N2作为环境气体来提供的情况，图4中的(b)示出将H2作为环境气体来提供的情况，图4中的(c)示出将N2和H2—起作为环境气体来提供的情况。在所有情况下，在相同的生长温度下在m面氮化镓基底11上生长氮化镓层，对于每种环境气体适当地调节源气体的流速。
[0056]如图4中的(a)中所示，在不提供H2而提供N2作为环境气体的情况下，生长了具有相对优异的表面形态的氮化镓层13。另一方面，如图4中的(b)和图4中的(c)中所示，在环境气体中包含H2的情况下，氮化镓层的表面非常粗糙。另外，如图4中的(b)所示，在仅提供H2的情况下，氮化镓层的表面最粗糙。
[0057]在将H2作为环境气体来提供的情况下，确定的是，因为氮化镓基底11和氮化镓层的表面被4各向异性地蚀刻，所以粗糙地形成氮化镓层13的表面。
[0058]图5中的(a)至图5中的(f)是示出根据生长温度的非极性氮化镓层的表面形态的光学照片。除了不同的生长温度之外，在相同的条件下在m面氮化镓基底11上生长每个样品的氮化镓层，并且仅使用N2气体作为环境气体。
[0059]参照图5，氮化镓层13的表面形态根据基底温度Tb而非常不同。具体地讲，可以看出，当基底温度为1000°c时，生长具有相对优异的表面形态的氮化镓层。
[0060]图6是用于描述根据本发明的实施例的发光二极管的剖视图。
[0061]参照图6，发光二极管包括氮化镓基底11、第一接触层13、超晶格层15、有源层17、P型覆盖层19和第二接触层21。另外，发光二极管还可以包括透明导电层23、第一电极25和第二电极27。
[0062]因为氮化镓基底11与参照图2描述的相同，所以将省略对其的详细描述。第一接触层13可以由Si掺杂的GaN形成。除了将Si作为杂质来掺杂之外，第一接触层13大体上与图2的氮化镓层13相同。如以上参照图1至图3所描述的，第一接触层13生长在氮化镓基底11上，并且使用N2作为环境气体，而不使用H2。
[0063]具有多层结构的超晶格层15可以设置在第一接触层13上。超晶格层15设置在第一接触层13和有源层17之间。超晶格层15可以通过以多个周期(例如，15个周期至20个周期)重复地层叠一对InGaN/GaN来形成，但是不限于此。例如，可以按照这样的方式来构造超晶格层15:以多个周期(例如，10个周期至20个周期)重复地层叠InGaN层/AlGaN层/GaN层的三层结构。优选的是，当正在形成超晶格层15时，不提供H2气体。
[0064]另一方面，具有多量子阱结构的有源层17设置在超晶格层15上。有源层17具有交替地层叠有势垒层和阱层的结构。例如，势垒层可以是GaN、AlGaN或AlInGaN,阱层可以是InGaN或GaN。在比第一接触层13的生长温度相对低的温度下生长有源层17，但优选的是不提供H2气。
[0065]P型覆盖层19设置在有源层17上，并且可以由AlGaN或AlInGaN形成。可选择地，P型覆盖层19还可以形成在重复地层叠有InGaN/AlGaN的超晶格结构中。P型覆盖层19是电子阻挡层并防止电子移动到P型接触层21，从而引起发光效率的提高。P型覆盖层19在比有源层17的生长温度相对高的温度下生长。因此，需要升高基底温度以生长P型覆盖层19。此时，当升高基底温度时不提供H2气体。另外，当P型覆盖层19在生长时也不提供H2气体。
[0066]另一方面，第二接触层21可以由Mg掺杂的GaN形成。第二接触层21可以设置在P型覆盖层19上。第二接触层21可以在比P型覆盖层19相对低的温度下生长。因此，会需要降低基底温度的步骤。在降低基底温度的步骤中或者当第二接触层21在生长时，不提供H2气体作为环境气体，并且可以仅使用N2气体作为环境气体。另一方面，可以省略P型覆盖层19，第二接触层21可以直接生长在有源层17上。在这种情况下，因为第二接触层21的生长温度比有源层17的生长温度相对高，所以需要在形成有源层17之后升高基底温度。此时，当正在升高基底温度时不提供H2气体。
[0067]另一方面，透明导电层23(诸如ITO或ZnO)可以形成在第二接触层21上并且与第二接触层21欧姆接触。第二电极27可以通过透明导电层23连接到第二接触层21。另夕卜，可以通过经蚀刻工艺去除第二接触层21、p型覆盖层19、有源层17和超晶格层15的一部分来暴露第一接触层13。第一电极25可以形成在暴露的第一接触层13上。
[0068]图7是用于描述根据本发明的另一实施例的发光二极管的剖视图。
[0069]参照图7，发光二极管包括氮化镓基底111、中间温度缓冲层113、第一接触层119、超晶格层120、有源层130和第二接触层143。另外，发光二极管还可以包括覆盖层141、透明电极层145、第一电极147和第二电极149。
[0070]氮化镓基底111可以具有m面或P面非极性生长表面或半极性生长表面。另外，氮化镓基底111的生长表面可以具有用于帮助外延层生长的倾角。可以利用例如HVPE技术来制造氮化镓基底111。
[0071]中间温度缓冲层113可以形成在氮化镓基底111上。中间温度缓冲层113可以在大约700°C至800°C的温度范围内形成为具有大约2nm至1nm的厚度。
[0072]传统地，已经使用在低于600°C的温度下用于形成低温缓冲层的技术来在蓝宝石基底上生长氮化镓基外延层。由于低温缓冲层，因此氮化镓基外延层会晶格失配且热膨胀系数差大地生长在蓝宝石基底上。然而，氮化镓基底111对于氮化镓外延层是同质基底，并且不需要低温缓冲层。此外，在低温缓冲层形成在非极性或半极性氮化镓基底111上的情况下，低温缓冲层由非晶层形成，然后随着基底温度上升而结晶。此时，低温缓冲层容易结晶以具有C面生长表面。因此，形成低温缓冲层的方法在非极性或半极性氮化镓基底上几乎不生长具有优异的晶体质量的非极性或半极性氮化镓基半导体层。
[0073]另一方面，可以考虑在900°C之上的高温下在氮化镓基底111上直接生长氮化镓外延层。然而，在900°C之上的高温下生长氮化镓层的情况下，因为氮化镓层趋向于成长到c面，所以氮化镓层具有非常粗糙的表面。具体地讲，由于非极性氮化镓基底的各向异性，因此容易形成条纹状图案。在通过在具有坏的表面形态的半导体层上生长随后的外延层来制造半导体器件的情况下，容易产生漏电流并且容易发生非辐射复合。因此，半导体器件的电特性和光学特性劣化。
[0074]相反，可以通过在700°C至800°C的温度下生长缓冲层113并在缓冲层113上生长外延层来制造生长在缓冲层113上的外延层以具有光滑的表面。
[0075]如图8中示出的，在室温Ta下将基底111装载到室中，在基底温度在tl至t2时间段期间以大约100°c /min的速率提高到700°C至800°C的温度Tb之后，在t2至t3的时间段期间，生长中间温度缓冲层113。此时，从温度升高时开始连续地提供N2气体和NH3气体，并且在t2时提供作为镓源的TMG。因此，在t2至t3时间段期间形成GaN中间温度缓冲层 113。
[0076]η型接触层119可以由Si掺杂的GaN形成。η型接触层119生长在中间温度缓冲层113上，第一电极147与η型接触层119欧姆接触。
[0077]如图8中所示，在温度Tc下生长η型接触层119。温度Tc可以在900°C之上，例如，950°C至1050°C，具体地讲，大约1000°C。例如，在温度Tb下形成中间温度缓冲层113之后，停止提供镓源。在t3至t4时间段期间以大约100°C /min的速率升高基底温度。当基底温度达到温度Tc时，可以通过在时刻t4时再次提供镓源来生长η型接触层119。
[0078]优选地，在基底温度达到Tc之后，可以将中间温度缓冲层113在温度Tc下保持预定时间(例如，在t4至t5的时间段期间)。例如，可以将中间温度缓冲层113在温度Tc下保持3分钟至10分钟(优选地，5分钟至10分钟)。接着，可以通过在时刻t5时再次提供镓源来生长η型接触层119。因为中间温度缓冲层113维持在温度Tc下，所以中间温度缓冲层113可以被热处理并且再结晶。因此，可以进一步地改善生长在中间温度缓冲层113上的η型接触层119的表面形态。
[0079]尽管η型接触层119被示出为单层，但是η型接触层119不限于单个GaN层。另一个氮化镓基层可以设置在η型接触层119的中间中。
[0080]另一方面，具有多层结构的超晶格层120设置在η型接触层119上。超晶格层120设置在η型接触层119和有源层130之间。因此，超晶格层120设置在电流通路上。可以通过以多个周期(例如，15个周期至20个周期)重复地层叠一对InGaN/GaN来形成超晶格层120，但是不限于此。例如，如图9中所示，可以以这样的方式来构造超晶格层120:以多个周期(例如，10个周期至20个周期)重复地层叠InGaN层121/AlGaN层122/GaN层123的三层结构来形成超晶格层120。可以颠倒AlGaN层122和InGaN层121的顺序。在这种情况下，与在有源层130内的阱层相比，InGaN层121具宽的带隙。另外，优选的是，与在有源层130内的势垒层相比，AlGaN层122可以具有宽带隙。此外，InGaN层121和AlGaN层122可以由没有故意地掺杂杂质的无掺杂层形成，GaN层123可以由Si掺杂的层形成。优选的是，超晶格层120的取上层是惨杂杂质的GaN层123。
[0081]因为在超晶格层120中包括AlGaN层122，所以可以防止有源层130内的空穴向η型接触层119移动，改善了有源层130内的辐射复合率。AlGaN层122可以形成为具有小于Imm的厚度。
[0082]另一方面，在超晶格层120中，因为AlGaN层122形成在InGaN层121上，所以在InGaN层121和AlGaN层122之间的晶格失配大，因此，在它们之间的界面上容易形成晶体缺陷。因此，如图10中所示，GaN层124可以设置在InGaN层121和AlGaN层122之间。GaN层124可以由无惨杂层或Si惨杂的层形成。
[0083]具有多量子阱结构的有源层130设置在超晶格层120上。如图11中所示，有源层130具有交替地层叠有势垒层31a和31b以及阱层33n、33和33p的结构。阱层33η代表与超晶格层120或η型接触层119最靠近的阱层(第一阱层)，阱层33ρ代表与ρ型覆盖层141或ρ型接触层143最靠近的阱层(第η阱层)。图12示出有源层130的能带。
[0084]参照图11和图12，(η-1)个势垒层31a和31b以及(n_2)个阱层33交替地层叠在阱层33η和阱层33p之间。势垒层31a具有比(n_l)个势垒层31a和31b的平均厚度大的厚度，势垒层31b具有比所述平均厚度小的厚度。另外，如图11和图12中所示，势垒层31a被设置为更靠近于第一阱层33η，势垒层31b被设置为更靠近于第η阱层33ρ。
[0085]此外，势垒层31a可以设置为与超晶格层120的最上层接触。S卩，势垒层31a可以设置在超晶格层120和第一阱层33η之间。另外，势垒层35可以设置在第η阱层33ρ上。势垒层35可以具有比势垒层31a相对大的厚度。
[0086]通过相对地减小靠近于第η阱层33ρ的势垒层31b的厚度，可以减少有源层130的电阻成分。另外，从P型接触层143注入的空穴可以分散到有源层130内的阱层33。因此，可以减小发光二极管的正向电压。另外，通过相对增加势垒层35的厚度，重新覆盖在生长有源层130(具体地讲，阱层33n、33和33p)的同时产生的晶体缺陷。因此，可以改善形成在有源层130上的外延层的晶体质量。然而，在势垒层31b形成得比势垒层31a多的情况下，在有源层130内的缺陷密度会增加，因此，发光效率会降低。因此，优选的是，势垒层31a形成得比势鱼层31b多。
[0087]另一方面，阱层33n、33和33p可以具有大体上相同的厚度。因此，可以发射具有非常窄的半峰全宽的光。相反，可以通过不同地调节阱层33n、33和33p的厚度来发射具有相对宽的半峰全宽的光。此外，与设置在势垒层31a之间的阱层33相比，可以通过相对地减小设置在势垒层31b之间的阱层33的厚度来防止晶体缺陷的产生。例如，阱层33n、33和33p的厚度可以在1A至30A的范围内，势垒层31a的厚度可以在50A至70A的范围内，势垒层3lb的厚度可以在30A至50人的范围内。
[0088]另外，阱层33n、33和33p可以由发射近紫外光、蓝光或绿光的氮化镓基层形成。例如，阱层33η、33和33ρ可以由InGaN形成，并且根据需要的波长来调节In组分比。
[0089]另一方面，势垒层31a和31b由具有比阱层33n、33和33p宽的带隙的氮化镓基层形成，以将电子和空穴限制在阱层33n、33和33p内。例如，势垒层31a和31b可以由GaN、AlGaN或AlInGaN形成。具体地讲，势垒层31a和31b可以由包含Al的氮化镓基层形成，以进一步改善带隙。在这种情况下，优选的是，在势鱼层31a和31b内的Al组分比在O至
0.1 (具体地讲，从0.02至0.05)的范围内。通过将Al组分比限定在上述范围内，可以增加光输出。
[0090]另外，尽管未示出，但是盖层可以形成在各个阱层33n、33和33p与设置在所述各个阱层33n、33和33p上的势垒层31a和31b之间。形成盖层以防止当室的温度正在升高以生长势垒层31a和31b时阱层的损坏。例如，可以在大约780°C的温度下生长阱层33η、33和33ρ，可以在大约800°C的温度下生长势垒层31a和31b。
[0091]ρ型覆盖层141设置在有源层130上，并且可以由AlGaN形成。可选择地，P型覆盖层141还可以形成在其中重复地层叠有InGaN/AlGaN的超晶格结构中。ρ型覆盖层141是电子阻挡层并防止电子移动到P型接触层143，从而引起发光效率的提高。
[0092]再次参照图7，ρ型接触层143可以由Mg掺杂的GaN形成。ρ型接触层143可以设置在P型覆盖层141上。另一方面，透明导电层145 (诸如ITO或ZnO)可以形成在ρ型接触层143上并与ρ型接触层143欧姆接触。第二电极149电连接到ρ型接触层143。第二电极149可以通过透明导电层145连接到ρ型接触层143。
[0093]另一方面，可以通过经蚀刻工艺去除ρ型接触层143、ρ型覆盖层141、有源层130和超晶格层120的一部分来暴露η型接触层119。第一电极147可以形成在暴露的η型接触层119上。
[0094]在这个实施例中，可以利用MOCVD技术来形成生长在氮化镓基底111上的中间温度缓冲层113和外延层119至143。此时，TMAl、TMGa和TMIn可以用作Al、Ga和In的源，NH3可以用作N的源。另夕卜，SiH4 (η型杂质)可以用作Si的源，Cp2Mg (ρ型杂质)可以用作Mg的源。
[0095](实验示例)
[0096]图13中的(a)至图13中的(C)是示出根据中间温度缓冲层113的使用的外延层的表面形态的光学照片。图13中的(a)是示出在没有中间温度缓冲层113的情况下生长在氮化镓基底111上的η型GaN层的表面的照片。图13中的(b)是示出当中间温度缓冲层113形成在氮化镓基底111上、基底温度升高到η型GaN层的生长温度然后达到η型GaN层的生长温度时立即生长的η型GaN层的表面的照片。图13中的(c)是示出当在氮化镓基底111上形成中间温度缓冲层113、基底温度升高到η型GaN层的生长温度、然后将中间温度缓冲层在η型GaN层的生长温度下保持5分钟时生长的η型GaN层的表面的照片。
[0097]将具有m面生长表面的基底用作氮化镓基底111。当将NH3与TMG之比(即，V/III比率)设置为大约357.1时，在大约750°C的温度下，中间温度缓冲层113形成为具有大约5nm的厚度。当将V/III比率设置为大约76.9时在1000°C下η型GaN层全部生长。
[0098]参照图13中的(a)，在η型GaN层直接地生长而不形成中间温度缓冲层113的情况下，可以看出，η型GaN层的表面非常粗糙。因为生长在氮化镓基底111上的GaN层的晶体方向局部地改变，所以外延层具有粗糙的表面。另外，观察到条状表面形态。这被确定为因为氮化镓基底111具有各向异性而发生的现象。
[0099]相反，参照图13中的(b)，可以看出，通过使用中间温度缓冲层113来形成具有光滑表面的η型GaN层。即，因为中间温度缓冲层113减轻生长基底111的表面缺陷，所以改善了形成在其上的外延层的晶体质量。
[0100]因此，可以看出，可以通过在700°C至800°C的温度下生长中间温度缓冲层113来改善在900°C的高温下生长在中间温度缓冲层113上的外延层的晶体质量。
[0101]此外，参照图13中的(C)，可以看出，通过将中间温度缓冲层113在η型GaN层的生长温度下保持预定时间来进一步地改善η型GaN层的表面形态。
[0102]在前述实施例中，已经为了说明性的目的描述了发光二极管，但是本发明不限于发光二极管。本发明还可以应用于采用非极性或半极性氮化镓基半导体层的任何类型的半导体器件。
[0103]尽管已经参照具体实施例描述了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员将明显的是，在不脱离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。
【权利要求】
1.一种利用金属有机化学气相沉积来制造非极性氮化镓层的方法，所述方法包括: 在室内设置具有m面生长表面的氮化镓基底； 通过加热基底将基底温度升高到GaN生长温度；以及 通过在生长温度下将Ga源气体、N源气体和环境气体提供到室中在氮化镓基底上生长氮化镓层， 其中，提供的环境气体包含N2而不包含H2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将N2气体作为环境气体单独地提供到室中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，Ga源气体是TMG或TEG，N源气体是NH3。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，GaN生长温度等于或高于950°C并低于1050°C。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，GaN生长温度为1000°C。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，即使当基底温度升高到GaN生长温度时，也提供N源气体和环境气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，仅在GaN生长温度下提供Ga源气体。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括在氮化镓基底达到GaN生长温度之后并且在提供Ga源气体之前，将氮化镓基底保持3分钟至10分钟。
9.一种通过利用金属有机化学气相沉积形成非极性氮化镓层来制造半导体器件的方法，所述方法包括: 在室内设置具有m面生长表面的氮化镓基底； 通过加热基底将基底温度升高到GaN生长温度；以及 通过在生长温度下将Ga源气体、N源气体和环境气体提供到室中，在氮化镓基底上生长氮化镓层， 其中，提供的环境气体包含N2而不包含H2。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，即使当基底温度升高到GaN生长温度时，也提供N源气体和环境气体。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述半导体器件是发光二极管。
12.—种半导体器件，所述半导体器件包括: 氮化镓基底； 氮化镓基第一半导体层，设置在氮化镓基底上；以及 中间温度缓冲层，设置在氮化镓基底和第一半导体层之间， 其中，中间温度缓冲层在700°C至800°C的生长温度生长在氮化镓基底上。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，氮化镓基底具有m面生长表面，中间温度缓冲层设置在m面生长表面上。
14.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，中间温度缓冲层是GaN层。
15.根据权利要求12所述的半导体器件，所述半导体器件还包括: 第二半导体层，设置在第一半导体层上方；以及 有源层，设置在第一半导体层和第二半导体层之间， 其中，半导体器件是非极性或半极性发光二极管。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，所述半导体器件还包括具有多层结构的超晶格层，所述超晶格层设置在第一半导体层和有源层之间。
17.—种制造半导体器件的方法，所述方法包括: 在700°C至800°C的范围内在氮化镓基底上形成中间温度缓冲层；以及在比中间温度缓冲层的形成温度高的生长温度下在中间温度缓冲层上生长氮化镓基第一半导体层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，氮化镓基底具有m面生长表面，中间温度缓冲层形成在m面生长表面上。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，中间温度缓冲层由GaN形成。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，生长第一半导体层的步骤包括: 在形成中间温度缓冲层之后停止提供镓源； 将氮化镓基底的温度升高到第一半导体层的生长温度； 在第一半导体层的生长温度下将氮化镓基底保持3分钟至10分钟；以及 重新开始提供镓源，以在中间温度缓冲层上生长氮化镓基层。
21.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括: 在第一半导体层上生长有源层；以及 在有源层上生长氮化镓基第二半导体层。
【文档编号】H01L21/205GK104205297SQ201380015737
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】崔承奎, 金材宪, 郑廷桓 申请人:首尔伟傲世有限公司