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Title:
NITRIDE SEMICONDUCTOR COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/052130
Kind Code:
A1
Abstract:
A nitride semiconductor component, sequentially comprising an AlN buffer layer (220), an n-type nitride semiconductor layer (230), an active layer (240), and a p-type nitride semiconductor layer (250). The component is characterized in that a three-dimensional stress modulation layer (260) is inserted between the AlN buffer layer (220) and the n-type nitride semiconductor layer (230). An interface between the three-dimensional stress modulation layer (260) and the AlN buffer layer (220) has a characteristic of having a three-dimensional constituent distribution. The component releases stress in a three-dimensional manner, and modulates stress of the n-type nitride semiconductor layer, thus improving crystal quality of the material, and improving light emission efficiency of a device.

Inventors:
CHUO, Chang-Cheng (No.1721-1725, Lvling Road Siming Distric, Xiamen Fujian 9, 361009, CN)
CHEN, Shengchang (No.1721-1725, Lvling Road Siming Distric, Xiamen Fujian 9, 361009, CN)
DENG, Heqing (No.1721-1725, Lvling Road Siming Distric, Xiamen Fujian 9, 361009, CN)
Application Number:
CN2018/078652
Publication Date:
March 21, 2019
Filing Date:
March 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
XIAMEN SAN'AN OPTOELECTRONICS CO., LTD. (NO.841-899, Min An Road Hongtang Town, Tongan Distric, Xiamen Fujian 0, 361100, CN)
International Classes:
H01L33/12
Foreign References:
CN107634128A2018-01-26
CN106784216A2017-05-31
CN103022290A2013-04-03
CN101556917A2009-10-14
US20110001127A12011-01-06
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Claims:
权利要求书

[权利要求 1] 氮化物半导体元件, 依次包括 A1N缓冲层、 n型氮化物半导体层、 有 源层、 p型氮化物半导体层, 其特征在于: 在所述 A1N缓冲层和 n型氮 化物半导体层间插入三维应力调变层, 所述三维应力调变层与所述 A1 N缓冲层的界面具有三维组份分布特性。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述三维应 力调变层的组份呈现如下分布: 沿着成长方向, 铝组分从所述 A1N缓 冲层到所述三维应力调变层的组份是由大到小的变化, 但在界面的 xy 平面上, 铝组份呈现高高低低不规则的分布。

[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述三维应 力调变层的晶格常数大于所述 A1N缓冲层的晶格常数。

[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述三维应 力调变层为 Al xGa yIn ixyN, 其中 x≥0, y>0, x+y≤l。

[权利要求 5] 根据权利要求 4所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述 A1组分 的取值 X为 0.2~0.9。

[权利要求 6] 根据权利要求 1所述所氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述三维应 力调变层的成长温度介于 1000~1300°C。

[权利要求 7] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述三维应 力调变层的厚度介于 100~5000nm。

[权利要求 8] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述 A1N缓 冲层的上表面呈高、 低起伏状。

[权利要求 9] 根据权利要求 8所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述 A1N缓 冲层上表面的高、 低起伏状的高度差大于 10nm。

[权利要求 10] 根据权利要求 1所述的氮化物半导体元件, 其特征在于: 所述 A1N缓 冲层的厚度为 lOOnm以上。

Description:
氮化物半导体元件 技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制备领域, 具体为一种氮化物半导体元件。

背景技术

[0002] 近年来紫外发光二极管随着产品功率提升与技 术精进, 加上寿命长、 体积小等 优势, 已逐渐取代较低功率的汞灯。 同吋国际禁汞的 《水俣公约》 将于 2020年 生效, 这一政策将加速 UV LED规模化应用的到来。

[0003] 目前深紫外 LED的缓冲层主要以 A1N为主。 图 1为传统深紫外 LED外延结构, 在 衬底形成 A1N缓冲层, 在 A1N缓冲层形成 n型氮化物半导体层、 量子井发光层与 p 型氮化物半导体层。 其中因 n型氮化物半导体层与 A1N缓冲层存在晶格失配, 对 后生长的 AlGaN产生极大的压应力, 衍生出更多的位错密度, 进而影响晶体质量 与 LED器件发光效率。

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 针对上述问题, 本发明提供一种氮化物半导体元件, 其应用 3D应力调变缓冲层 外延技术, 在 A1N缓冲层与 n型半导体层之间成长 3D应力调变层, 藉由三维方 式释放应力, 改善晶体质量。

[0005] 本发明的技术方案为: 依次包括 A1N缓冲层、 三维应力调变层、 n型氮化物半导 体层、 有源层、 p型氮化物半导体层, 所述三维应力调变层与所述 A1N缓冲层界 面具有三维组份分布特性。

[0006] 优选地, 所述三维应力调变层的组份呈现如下分布: 沿着成长方向其铝组分从 所述 A1N缓冲层到所述三维应力调变层的组份是由大 到小的变化, 但在界面的 xy 平面上, 其铝组份呈现高高低低不规则的分布。

[0007] 优选地, 所述三维应力调变层的晶格常数大于所述 A1N缓冲层的晶格常数。 [0008] 优选地, 所述三维应力调变层为 Al x Ga y I n i x y N, 其中 x≥0, y>0, x+y≤l。 藉由

Al、 Ga、 In流量控制可以对其晶格常数进行调控, 达到调变应力的目的。

[0009] 优选地, 所述三维应力调变层的 A1组分的取值 X为 0.2~0.9。 更佳的, X的取值 可以为 0.5~0.9, 例如取 0.5或 0.75等。

[0010] 优选地, 所述三维应力调变层的成长温度介于 1000~1300°C。

[0011] 优选地, 所述三维应力调变层的厚度介于 100~5000nm。 在一些实施例中, 所 述厚度 dl可以取 500~3000nm, 例如取微米或者 1微米。

[0012] 优选地, 所述 A1N缓冲层的上表面呈高、 低起伏状。

[0013] 优选地, 所述 A1N缓冲层上表面的高、 低起伏状的高度差大于 10nm。

[0014] 优选地, 所述 A1N缓冲层的厚度为 lOOnm以上。 在一些实施例中, 所述厚度 d2 可以取 100~1000nm之间, 例如 500nm; 在一些实施例中, 所述厚度 d2可以取 500

~3000nm之间, 例如 2000nm。

发明的有益效果

有益效果

[0015] 本发明所述氮化物半导体元件适用于紫外发光 二极管, 特别是波长为 340nm以 下深紫外发光二极管。 通过在 A1N缓冲层与 n型半导体层之间插入三维应力调变 层, 可以减少 n型氮化物半导体层的压应力, 进而改善材料晶体质量, 提升发光 效率。

[0016] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中 阐述, 并且, 部分地从说明书中 变得显而易见, 或者通过实施本发明而了解。 本发明的目的和其他优点可通过 在说明书、 权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实 现和获得。

对附图的简要说明

附图说明

[0017] 附图用来提供对本发明的进一步理解, 并且构成说明书的一部分, 与本发明的 实施例一起用于解释本发明, 并不构成对本发明的限制。 此外, 附图数据是描 述概要, 不是按比例绘制。

[0018] 图 1为传统深紫外 LED外延结构的示意图。

[0019] 图 2为根据本发明实施的一种氮化物半导体元件 示意图。 [0020] 图 3为根据本发明实施的一种氮化物半导体组件 三维应力调应层的透射电子 显微镜图。

[0021] 图 4为采用能量弥散 X射线探测 (EDX)之铝组份分布图。

[0022] 图中各标号表示如下:

[0023] 110, 210: 衬底;

[0024] 120, 220: A1N缓冲层;

[0025] 130, 230: n型半导体层;

[0026] 140, 240: 有源层;

[0027] 150, 250: p型半导体层;

[0028] 260: 三维应力调变层;

[0029] 270: 三维应力调变层 260与 A1N缓冲层 220的界面。

本发明的实施方式

[0030] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的 实施方式, 借此对本发明如何应 用技术手段来解决技术问题, 并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以 实 施。 需要说明的是, 只要不构成冲突, 本发明中的各个实施例以及各实施例中 的各个特征可以相互结合, 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内 。

[0031] 实施例 1

[0032] 本实施例的氮化物半导体元件为紫外发光二极 管, 如图 2所示, 在外延生长用 的衬底 210的一个表面侧上依次形成 A1N缓冲层 220、 三维应力调变层 260、 n型氮 化物半导体层 230、 有源层 240和 p型氮化物半导体层 250。 虽然未图示, 一般在 n 型氮化物半导体层 230上形成有阴极电极, 在 p型氮化物半导体层 250上形成有阳 极电极。

[0033] 本实施例可采用金属有机化合物化学气相沉淀 (MOCVD) 外延生长技术, 以 蓝宝石作为衬底 210, 进行外延生长。

[0034] A1N缓冲层 220形成在衬底 210上, 其厚度优选为 lOOnm以上, 较佳值为 1000 30 00nm。 在 A1N缓冲层 220的上表面呈现高、 低起伏状或者具有一系列的岛状结构 , 其上表面的高、 低差优选大于 10nm。 以岛状结构为例, 各个岛状结构大小优 选大于

100nm。 其中, 可采用低温、 高五三族比条件成长等方式在 A1N缓冲层 220上表 面形成高、 低起伏状岛状结构, 其成长温度介于 1000~1350°C, 五三族比高于 15 00。 考量到过多的氨气 (NH3)将导致有机金属源气相预反应 (pre-reaction)问题, 综合具体较佳条件为生长温度 1200°C、 五三族比介于 2000〜3000。

[0035] 三维应力调变层 260形成在 A1N缓冲层上, 成长温度介于 1000~1300°C, 厚度介 于 100~5000nm, 由晶格常数大于缓冲层 220的材料构成, 其材料可以是 Al x Ga y In !_ x _ y N (其中 x≥0, y>0, x+y≤l) , 藉由

Al、 Ga流量控制, 使其晶格常数大于 AIN材料层的晶格常数, 具体的 Al x G a i X N 的 A1组分 X可取 0.2~0.9, 较佳值为 0.5~0.9。

[0036] n型氮化物半导体层 230形成在三维应力调变层 260上, 其中 A1组分取值为 0.5 1

[0037] 有源层 240形成在 n型氮化物半导体层 230之上, 采用 Al xl Ga ^ xl N/Ak2Gal-x2N

(xl<x2) 量子阱结构, 其中 Al xl G a i _ xl N阱层的 A1组分为 0.3~0.9, 例如可取 0.4, Al x2 Ga xl N垒层的 A1组分为 0.6~1, 例如可取 0.6。

[0038] p型氮化物半导体层 250形成于有源层 240之上, 其可包含 p型 AlGaN阻挡层、 惨 杂 Mg的 p型 AlGaN层和 Mg的 p型 GaN层。

[0039] 在本实施例中, 三维应力调变层 260与 A1N缓冲层 220的界面 270具有三维组份 分布特性, 图 3显示了三维应力调应层的透射电子显微镜图 图 4为采用能量弥 散 X射线探测 (EDX)之铝组份分布图。 从图中可看出, 沿着成长方向 (即 z轴) , 其铝组分从 A1N缓冲层 220到三维应力调变层 260的组份是由大到小的变化, 但在三维应力调变层 260与 A1N缓冲层 220的界面 270的 xy平面上, 铝组份呈现高 高低低不规则的分布, 从而使得应力可以三维方式释放。

[0040] 在本实施例中, 控制应力调变层 260的晶格常数介于 A1N缓冲层 220与 N型 AlGa N层 230之间, 其中采用高温生长 Al x G a i X N应力调变层 260, 其 A1组分 x控制方式 可以 N型 AlGaN层 230的生长参数为基准, 例如将三甲基铝 (TMA1) 的流量固定 , 仅改变三甲基镓 (TMGa) 的流量, 如生长 N型 AlGaN层 230吋的三甲基镓 (T MGa) 流量为 fl, 则生长 Al x G a i X N应力调变层 260的三甲基镓 (TMGa) 流量 为 f2, 其 0<f2<fl, 较佳值为 f2=fl/2。 同样的也可以采用固定三甲基镓 (TMGa

) 流量, 通过改变三甲基铝 (TMA1) 流量的方式来达成组份的调控。

[0041] 在本实施例中, A1组分 X还可藉由控制生长温度方式达成。 例如生长应力调变 层 260的温度为 Tl, A1N缓冲层 220的温度为 Τ2, Ν型 AlGaN层 230的温度为 Τ3, 贝 1J Τ3<Τ1<Τ2, 较佳值可选择 Τ1=(Τ2+/Τ3)/2。

[0042] 需要说明的是, 以上实施方式仅用于说明本发明, 而并非用于限定本发明, 本 领域的技术人员, 在不脱离本发明的精神和范围的情况下, 可以对本发明做出 各种修饰和变动, 因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴 , 本发明的专 利保护范围应视权利要求书范围限定。