第Ⅲ族氮化物基化合物半导体发光器件

摘要

本发明涉及第III族氮化物基化合物半导体发光器件。本发明提供了一种不需要外部恒流电路的GaN基半导体发光器件。本发明的发光器件包含：蓝宝石衬底；在衬底上形成的AlN缓冲层；和在缓冲层上形成的HEMT结构，该HEMT结构包含GaN层和Al0.2Ga0.8N层。在Al0.2Ga0.8N层上依次形成n-GaN层、包含InGaN阱层和AlGaN势垒层的MQW发光层以及p-GaN层。在Al0.2Ga0.8N层的露出部分上形成源电极和HEMT/LED连接电极。HEMT/LED连接电极用作相应的漏极和用于将电子注入n-GaN层中的电极。在p-GaN层的顶面上形成ITO透明电极，并且在透明电极的顶面的一部分上形成金衬垫电极。

权利要求

1.一种包含具有第III族氮化物基化合物半导体层叠结构的发光部分的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，包括：衬底；

构成高电子迁移率晶体管的恒流元件层，所述恒流元件层包括设置在所述衬底上的第III族氮化物基化合物半导体层、在所述第III族氮化物基化合物半导体层的顶层上形成的漏电极和源电极、以及在所述漏电极和所述源电极之间的所述第III族氮化物基化合物半导体层上形成的沟道；

发光部分，所述发光部分具有在所述顶层的不同于所述恒流元件层的沟道的区域上形成的第III族氮化物基化合物半导体层叠结构；

其中所述漏电极和所述发光部分的n-电极连接并集成。

2.根据权利要求1所述的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，其中，所述高电子迁移率晶体管是常开型，并且在所述源电极和所述漏电极之间没有设置栅电极。

3.根据权利要求1所述的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，其中在所述恒流元件层的顶层上在所述漏电极和所述源电极之间设置栅电极。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，其中所述第III族氮化物基化合物半导体发光器件具有至少五个作为二极管的发光部分以及第一至第四节点(A、B、C和D)；并且，一个或多个发光部分串联连接在第一节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间、第四节点和第三节点之间、第三节点和第二节点之间以及第四节点和第一节点之间，使得当第一节点上的电势比第三节点上的电势高时，电流沿正向流过连接在第一节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间以及第四节点和第三节点之间的所有发光部分，当第三节点上的电势比第一节点上的电势高时，电流沿正向流过连接在第三节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间以及第四节点和第一节点之间的所有发光部分。

说明书

第III族氮化物基化合物半导体发光器件

技术领域

[0001] 本发明涉及包含与其集成的恒流元件的第III族氮化物基化合物半导体发光器件。如本文中所使用的那样，“第III族氮化物基化合物半导体”包括由式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的半导体；这种半导体包含预定的元素以获得例如n-型导电/p-型导电；在这种半导体中，第III族元素中的一部分被B或Tl替代，并且第V族元素中的一部分被P、As、Sb或Bi替代。

背景技术

[0002] 众所周知，发光二极管的光输出与其中流过的电流大致成比例，并且发光二极管的电流根据向其施加的电压升高以指数的方式增加。因此，发光二极管需要用于供给恒定电流的驱动电路，使得二极管发射具有预定范围亮度的光。在这种电路中，例如，已经使用恒流二极管。

[0003] 日本专利申请公开(特开)No.2001-189488公开了用于将透光途径与光学器件集成的技术以及由此集成的器件与另一器件的组合。同时，His-Hsuan Yen等人的“GaN Alternating Current Light-EmittingDevice，”Phys.Stat.Sol.(a)204，No.6，2077-2081(2007)描述了一种电路，其中在两个端子之间连接多个发光二极管使得即使当两个端子之一具有较高的电势时超过一半的发光二极管也发光。

发明内容

[0004] 为了提供不需要外部恒流电路的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，本发明的发明人发现，使用例如GaN/AlGaN界面处的二维电子气的高电子迁移率晶体管(HEMT)可用作恒流元件。基于该发现做出本发明。

[0005] 在本发明的第一方面中，提供一种包含具有第III族氮化物基化合物半导体层叠结构的发光部分的第III族氮化物基化合物半导体发光器件，其中，由第III族氮化物基化合物半导体形成的发光部分和恒流元件设置在共用的衬底上。

[0006] 在本发明的第二方面中，恒流元件是高电子迁移率晶体管。

[0007] 在本发明的第三方面中，恒流元件具有第III族氮化物基化合物半导体层，并且第III族氮化物基化合物半导体层比形成发光部分的第III族氮化物基化合物半导体层叠结构更接近衬底。

[0008] 在本发明的第四方面中，第III族氮化物基化合物半导体发光器件具有至少五个作为二极管的发光部分以及第一至第四节点(A、B、C和D)；并且，一个或多个发光部分串联连接在第一节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间、第四节点和第三节点之间、第三节点和第二节点之间以及第四节点和第一节点之间，使得当第一节点上的电势比第三节点上的电势高时，电流沿正向流过连接在第一节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间以及第四节点和第三节点之间的所有发光部分，并且当第三节点上的电势比第一节点上的电势高时，电流沿正向流过连接在第三节点和第二节点之间、第二节点和第四节点之间以及第四节点和第一节点之间的所有发光部分。

[0009] 如以下所示的那样，第III族氮化物基化合物半导体发光部分的层叠结构可与恒流元件的层叠结构集成。根据本发明，可提供不需要外部恒流电路的第III族氮化物基化合物半导体发光器件。当在发光装置中使用本发明的第III族氮化物基化合物半导体发光器件时，整个装置的尺寸可减小，这有助于成本降低。

附图说明

[0010] 结合附图参考优选实施例的以下详细描述，本发明的各种其它的目的、特征和附带的许多优点将变得更加容易理解。

[0011] 图1是根据本发明的一个特定实施例的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的结构的截面图；

[0012] 图2A是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的LED部分的电压-电流特性的示图；

[0013] 图2B是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的HEMT部分的电压-电流特性的示图；

[0014] 图2C是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的整体的电压-电流特性的示图；

[0015] 图3是根据一个变化方案的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150的结构的截面图；

[0016] 图4是根据本发明的另一个特定实施例的第III族氮化物基化合物半导体发光器件200的结构的截面图；

[0017] 图5是根据本发明的还另一个特定实施例的第III族氮化物基化合物半导体发光器件300的结构的截面图；

[0018] 图6A是根据实施例4的第III族氮化物基化合物半导体发光器件的电路图；

[0019] 图6B是根据对比例的第III族氮化物基化合物半导体发光器件的电路图；

[0020] 图7A是表示根据实施例4的发光器件的电流随时间变化的示图；

[0021] 图7B是表示根据对比例的发光器件的电流随时间变化的示图；

[0022] 图7C是表示施加的电功率(100V，50Hz)的电压随时间的变化的示图。

具体实施方式

[0023] 本发明优选使用由第III族氮化物基化合物半导体形成的HEMT作为恒流元件。在这种HEMT中，可借助于例如可归因于AlGaN/GaN异质结的自发极化和由界面应力引起的压电极化以较高的浓度产生高迁移率的二维电子气。这种HEMT是所谓的常开(normally-on)型。

[0024] 在本发明中使用的恒流元件可具有任何其它已知的HEMT结构。恒流元件可具有其它元件结构；即，其它元件的饱和电流特性。

[0025] 在本发明中，对于其中并入恒流元件的发光部分的结构没有特别的限制。

[0026] 发光部分和恒流元件可设置在衬底的同一侧上，或者可分别设置在衬底的两侧上。或者，可通过以下工序制造发光器件：在外延生长衬底上形成发光部分和恒流元件的层叠结构；移除外延生长衬底；以及将发光部分和恒流元件接合于另一衬底。

[0027] 实施例1

[0028] 图1是根据本发明的实施例1的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的结构的截面图。在发光器件100中，通过众所周知的MOCVD技术外延生长下述各层。

[0029] 在蓝宝石衬底101上形成AlN缓冲层102(厚度：200nm)。

[0030] 如下面描述的那样配置HEMT部分(恒流元件)110。

[0031] 在AlN缓冲层102上形成未掺杂的GaN层111(厚度：1μm)，在GaN层111上形成未掺杂或掺杂硅的Al0.2Ga0.8N层112(厚度：45nm)。在形成下述的LED部分(发光部分)120的各层之后，通过反应离子蚀刻露出Al0.2GaN0.8层112的一部分，并且在Al0.2Ga0.8N层112的露出部分上形成均具有钒(V)和铝(Al)的双层结构的源电极115S和漏电极116D。设置源电极115S和漏电极116D使得电极之间的距离(沟道长度)为8μm并且沟道宽度为600μm。在GaN层111和Al0.2Ga0.8N层112之间的界面处的GaN层111的一部分中产生二维电子气，由此形成沟道。

[0032] 或者，可使用湿蚀刻以露出AlG0.2Ga0.8N层112的一部分。

[0033] 如下面描述的那样配置LED部分(发光部分)120。

[0034] 在Al0.2Ga0.8N层112上形成掺杂硅的n-GaN层121(厚度：3.5μm)。在n-GaN层121上形成包含八个InGaN阱层和AlGaN势垒层的MQW发光层122。在MQW发光层122上形成掺杂镁的p-GaN层123(厚度：100nm)。

[0035] 通过反应离子蚀刻露出n-GaN层121的顶面的一部分，并且在n-GaN层121的露出部分上形成具有钒(V)和铝(Al)的双层结构的n-电极125。在p-GaN层123的顶面上形成ITO透明电极128(厚度：300nm)。形成MQW发光层122从而具有240μm×480μm的水平表面区域。

[0036] 为了评估图1所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的LED部分120的电压-电流特性，使探针与LED部分120的n-电极125和透明电极128接触。图2A是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的LED部分120的电压-电流特性的示图。如图2A所示，当施加约2.8V或更大的电压时，电流流过LED部分120。当施加3.8V的电压时，其中流过10mA的电流。

[0037] 为了评估图1所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的HEMT部分110的电压-电流特性，使探针与HEMT部分110的源电极115S和漏电极116D接触。图2B是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的HEMT部分110的电压-电流特性的示图。在HEMT部分110中，当施加20V的电压时，电流达到8mA，并且，当施加30～50V的电压时，电流几乎恒定地维持在9.2～9.5mA(饱和电流)。

[0038] 图2C是表示第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的整体的电压-电流特性的示图。为了评估整个发光器件100的电压-电流特性，将漏电极116D与n-电极125连接，使得HEMT部分110和LED部分120串联连接。

[0039] 如图2A所示，在图1所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100的LED部分120中，当施加3.6V的电压时，7mA的电流流过；当施加3.8V的电压时，10mA的电流流过；当施加4.0V的电压时，13mA的电流流过。即，在LED部分120中，根据电压关于3.8V的施加电压在±5％的范围内的变化，电流在±30％的范围内变化。

[0040] 相反，从图2C可以清楚地看出，在包含HEMT部分110的整个第III族氮化物基化合物半导体发光器件100中，当施加50V的电压时，9.5mA的电流流过，并且根据电压在±5％的范围内的变化，电流仅在±1％或更小的范围内变化。

[0041] 因此，包含与其集成的恒流元件的第III族氮化物基化合物半导体发光器件表现出关于电压变化的较小的电流变化。

[0042] 在HEMT部分110中，GaN层111可具有1～4μm的厚度，并且Al0.2Ga0.8N层112可具有15～45nm的厚度。源电极115S、漏电极116D或n-电极125可具有由钛(Ti)和铝(Al)形成的双层结构或由钛(Ti)和镍(Ni)形成的双层结构。

[0043] 变化方案

[0044] 图3是根据变化方案的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150的结构的截面图。除了由集成的HEMT/LED连接电极165Dn替代漏电极116D和n-电极125并且在ITO透明电极的顶面的一部分上设置由镍(Ni)和金(Au)形成的衬垫电极(pad electrode)129以外，图3所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150具有与图1所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100相同的结构。

[0045] 实施例2

[0046] 图4是根据本发明的实施例2的第III族氮化物基化合物半导体发光器件200的结构的截面图。除了在源电极115S和HEMT/LED连接电极165Dn之间设置作为肖特基电极的由镍(Ni)和金(Au)形成的栅电极117G以外，图4所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件200具有与图3所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150相同的结构。

[0047] 图1所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件100或图3所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150是借助于AlGaN/GaN异质结以较高的浓度产生高迁移率的二维电子气的常开型。相反，在图4所示的包含栅电极117G的第III族氮化物基化合物半导体发光器件200中，可通过向栅电极117G施加负电势，控制源电极115S和HEMT/LED连接电极165Dn之间的饱和电流。即，可通过施加到栅电极117G上的电势来控制施加到LED部分120上的电流，由此改变从LED部分120的发光层122发射的光的强度。

[0048] 实施例3

[0049] 图5是根据本发明的实施例3的第III族氮化物基化合物半导体发光器件300的结构的截面图。图5所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件300包含具有与图3所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件150的LED部分120类似的结构的LED部分130。在发光器件300中，在LED部分120的p-GaN层123上设置的透明电极128通过LED间连接电极195pn与LED部分130的n-GaN层131连接。LED部分130包含分别与LED部分120的相应的层和电极相绝缘的掺杂硅的n-GaN层131、MQW发光层132、p-GaN层133和ITO透明电极138。在ITO透明电极138上形成衬垫电极139。为了防止短路，LED部分120和LED部分130设置为相互隔开某一间隙(即，蓝宝石衬底101的露出部分)，使得LED部分120和LED部分130不通过半导体层连接。另外，在LED部分120上形成绝缘膜140，使得除了透明电极128以外，LED间连接电极195pn不与第III族氮化物基化合物半导体层的露出表面(即，p-GaN层123的顶面和侧面以及MQW发光层122、n-GaN层121、Al0.2Ga0.8N层112、GaN层111和AlN缓冲层102的侧面)接触。

[0050] 图5所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件300包含两个发光部分，即LED部分120和130。可以以与上述方式相同的方式在发光器件中串联连接预定数量的LED部分；例如，LED部分130的透明电极138可通过LED间连接电极与第三LED部分的n-GaN层连接，并且，第三LED的透明电极然后可通过LED间连接电极与第四LED的n-GaN层连接。当设置多个LED部分时，在某些情况下，如在下面的实施例中说明的那样不串联连接所有的LED部分。

[0051] 实施例4

[0052] 图6A是根据实施例4的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400的结构的电路图，该器件包含多个LED部分。图6A没有示出发光器件400的所有的LED部分。在图6A中，四个LED部分的串联连接旁边的数字表示在串联连接中设置的LED部分的实际数量(这一点同样适用于后面说明的图6B)。

[0053] 如图6A所示，在第III族氮化物基化合物半导体发光器件400中，45个LED部分通过第一到第四节点A、B、C和D与HEMT部分110连接如下。

[0054] 在节点A和B之间串联连接十个LED部分，使得当节点A上的电势比节点B上的电势高时，电流沿正向流动。

[0055] 在节点B和D之间串联连接五个LED部分，使得当节点B上的电势比节点D上的电势高时，电流沿正向流动。

[0056] 在节点D和C之间串联连接十个LED部分，使得当节点D上的电势比节点C上的电势高时，电流沿正向流动。

[0057] 在节点C和B之间串联连接十个LED部分，使得当节点C上的电势比节点B上的电势高时，电流沿正向流动。

[0058] 在节点D和A之间串联连接十个LED部分，使得当节点D上的电势比节点A上的电势高时，电流沿正向流动。

[0059] HEMT部分110的漏极与节点A连接。HEMT部分110的源极与AC电源的一个端子连接，并且AC电源的另一端子与节点C连接。

[0060] 在图6A所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400中，当节点A上的电势比节点C上的电势高时，电流依次地从节点A、通过节点B和D到节点C流过串联连接的25个LED部分，因此该25个LED部分发光。在这种情况下，电流不流过设置在节点C和B之间以及节点D和A之间的20个LED部分，因此该20个LED部分不发光。

[0061] 相反，当节点C上的电势比节点A上的电势高时，电流依次地从节点C、通过节点B和D到节点A流过串联连接的25个LED部分，因此该25个LED部分发光。在这种情况下，电流不流过设置在节点A和B之间以及节点D和C之间的20个LED部分，因此该20个LED部分不发光。

[0062] 因此，在图6A所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400中，45个LED部分串联/并联连接，并且当节点A或节点C上的电势较高时，45个LED部分中的25个LED部分(即，超过所有LED部分的一半)发光。发光器件400包含与其集成的HEMT部分110。

[0063] 对比例

[0064] 图6B是根据对比例的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900的结构的电路图，该器件包含多个LED部分。

[0065] 除了以下方面以外，图6B所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900具有与图6A所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400相同的结构：HEMT部分110被去除；AC电源直接与节点A和C连接；并且在节点B和D之间串联连接15个LED部分，使得当节点B上的电势比节点D上的电势高时，电流沿正向流动。

[0066] 在图6B所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900中，当节点A上的电势比节点C上的电势高时，电流依次地从节点A、通过节点B和D到节点C流过串联连接的35个LED部分，因此该35个LED部分发光。在这种情况下，电流不流过设置在节点C和B之间以及节点D和A之间的20个LED部分，因此该20个LED部分不发光。

[0067] 相反，当节点C上的电势比节点A上的电势高时，电流依次地从节点C、通过节点B和D到节点A流过串联连接的35个LED部分，因此该35个LED部分发光。在这种情况下，电流不流过设置在节点A和B之间以及节点D和C之间的20个LED部分，因此该20个LED部分不发光。

[0068] 因此，在图6B所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900中，55个LED部分串联/并联连接，并且当节点A或节点C上的电势较高时，55个LED部分中的35个LED部分(即，超过所有LED部分的一半)发光。

[0069] 为了评估电流特性，对于图6A所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400和图6B所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900施加商业电功率(100V，
50Hz)。

[0070] 图7A是表示图6A所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400的电流随时间变化的示图；图7B是表示图6B所示的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900的电流随时间变化的示图；图7C是表示施加的电功率(100V，50Hz)的电压随时间变化的示图。使用AC电源(有效电压：100V，频率：50Hz)(即，电压振幅：141V，周期＝0.02秒)(图7C)。从图7A和图7B可以清楚地看出，在第III族氮化物基化合物半导体发光器件400和
900二者中，在0.01秒的间隔上，电流交替地流过在节点A、B、D和C之间串联连接的LED部分或在节点C、B、D和A之间串联连接的LED部分，由此从中发光。

[0071] 在图6A所示的包含HEMT部分110的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400的情况下，大于或等于最大电流的一半的电流流动的时间和一个周期的时间的比值为约0.5(参见图7A)，而在图6B所示的不包含HEMT部分的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900的情况下，该时间比小至约0.3(参见图7B)。从这些数据可以清楚地看出，与图6B所示的不包含HEMT部分的第III族氮化物基化合物半导体发光器件900相比，图6A所示的包含HEMT部分110的第III族氮化物基化合物半导体发光器件400在较长的时间周期上发射较高亮度的光并表现出较少的闪烁。

[0072] 当控制第III族氮化物基化合物半导体发光器件400的最大电流等于第III族氮化物基化合物半导体发光器件900的最大电流时，与在发光器件900(参见图7B)中相比，在发光器件400(参见图7A)中，AC电流的各个半周期中的有效电流更大。换言之，与图6B所示的不包含HEMT部分的发光器件900相比，图6A所示的包含HEMT部分110的发光器件400表现出较大的有效电流并发射较高亮度的光。

[0073] 因此，由本发明提供的包含与其集成的HEMT部分的第III族氮化物基化合物半导体发光器件在较长的时间周期上发射较高亮度的光并表现出较少的闪烁。

[0074] 其它实施例

[0075] 在上述的实施例中，针对作为本发明的发光器件的主要部件并由第III族氮化物基化合物半导体层叠结构形成的发光部分与恒流元件的集成进行了说明。因此，仅以具有非常简单的结构的发光部分为例对发光部件进行了说明。但是，发光器件可包含具有以下描述的层叠结构的发光部分。特别地，在AlGaN层112(即，HEMT部分(恒流元件)110的最上面的层)上，可以依次设置以下各层：

[0076] 由掺杂硅的n-型GaN层形成的n-接触层；

[0077] 通过依次堆叠未掺杂的GaN层和n-型GaN层形成的用于改善静电击穿电压的层；

[0078] 至少包含掺杂硅的层和包含例如InGaN和GaN的多个层的n-包覆层；

[0079] 具有包含例如InGaN阱层以及GaN和AlGaN的双势垒层的多量子阱结构的发光层；

[0080] 由例如InGaN和AlGaN的多个层形成的掺杂镁的p-包覆层；和

[0081] 由具有不同镁浓度的双层形成的p-接触层。

[0082] 可在现有技术中公知的范围内适当地确定形成上述层叠结构的各层的厚度、掺杂剂浓度、数量和生长条件(例如，生长温度)。或者，作为提供简单重复的层叠结构的替代，可以适当地调整厚度、掺杂剂浓度或生长条件(例如，生长温度)以形成例如层叠结构的第一层或最后一层，所述第一层或最后一层与另一功能层或与在所述第一层或最后一层附近的层相接触。可以对于本发明的发光器件的发光部件应用与上述的层中的任一个具有不同功能的另一已知层或另一已知技术。

[0083] 作为由GaN层和AlGaN层形成的上述层叠结构的替代，恒流元件可具有由其它已知的第III族氮化物基化合物半导体形成的结构。

[0084] 发光部分的上述层叠结构的例子如下。

[0085] 由未掺杂的GaN层(厚度：300nm)和n-GaN层(厚度：30nm)形成用于改善静电击穿电压的层。

[0086] 由10个层单元形成n-包覆层(总厚度：约74nm)，每个单元包含未掺杂的In0.1Ga0.9N层、未掺杂的GaN层和掺杂硅(Si)的GaN层。

[0087] 通过交替堆叠八个均具有约3nm的厚度的In0.2Ga0.8N阱层和均包含GaN层(厚度：约2nm)和Al0.06Ga0.94N层(厚度：3nm)的八个势垒层，形成发光层。

[0088] 由包含p-型Al0.3Ga0.7N层和p-型In0.08Ga0.92N层的多个层形成p-包覆层(总厚度：约33nm)。

[0089] p-接触层(总厚度：约80nm)具有包含两个镁浓度不同的p-型GaN层的层叠结构。