CN100355094C - 紫外光发射元件 - Google Patents
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Abstract
直接在晶体基片(B)或在晶体基片(B)上的缓冲层上形成包含GaN系晶体层和发射区的层压结构(S)。发射区具有多个量子势阱结构。这些势阱层由可以发射紫外光的InGaN制成。势阱层的层数为2至20，并且势垒层的厚度为7至30nm。因此，通过由InGaN制成的发射层，实现了高输出能量的紫外光辐射。为了形成高质量的GaN薄膜，优选直接在AlN低温生长缓冲层上形成AlGaN底层。推荐一种其中不在晶体基片和势阱层之间(在提供AlGaN底层的模式情况下，在AlGaN底层和势阱层之间)形成AlGaN层的模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件。更具体而言，本发明涉及一种GaN系紫外光发射元件，其包含具有可以发射紫外光的组成的InGaN系材料作为发光层的材料。
背景技术
在GaN系发光元件如GaN系发光二极管(LED)、GaN系激光二极管(LD)等中，公知使用InGaN作为发光层的发光元件(尤其是，具有含高In组成的发光层的蓝色、绿色发光元件)提供高效的光发射。已将此解释为可归因于载流子的局部化，原因在于In组成的波动降低了注射入发光层的载流子的比例，其被非辐射中心捕获，又提供高效率的光发射。
当不超过420nm的紫外光将在GaN系LED和GaN系LD中发射时，典型地将InGaN(In组成不超过0.15)用作发光层的材料。
一般而言，紫外光波长的上限短于可见光的短波长端(380nm-400nm)并且其下限为约1nm(0.2nm-2nm)。但是，在本说明书中，紫外光包含由上面所述的具有不超过0.15的In组成的InGaN发射的不超过420nm的蓝紫光。可以由GaN发生的紫外光的波长为365nm。因此，在其中InGaN基本上含有In组成并且不含有Al组成的三元化合物的情况下，可以发生的紫外光的波长的下限长于上面所述的365nm。在下面，包含InGaN作为发光层材料的紫外光发射元件是指InGaN紫外光发射元件。
但是，由于与高In组成的发光层的蓝色、绿色发光元件相比，在InGaN紫外光发射元件中的紫外光具有短波长，因此需要降低发光层的In组成。结果，由于上面所述的In组成的波动所导致的局部化作用降低，由非辐射复合中心捕获的比例降低，其又阻止高输出。
在InGaN紫外光发射元件中，发光部件的结构是单个量子势阱(SQW)结构或多个量子势阱(MQW)结构(在SQW结构中由于其薄的激活层而包含所谓的DH结构)，其中发光层(势阱层)夹在由具有更高带隙的材料制成的覆盖层之间(量子势阱结构还包括势垒层)。根据参考文献(Hiroo Yonezu，Hikari Tsushin Soshi Kogaku，Kougakutosho Ltd.，第72页)，提供了一种在发光层和覆盖层之间的带隙差不低于“0.3eV”的准则。
考虑到上面所述的背景，当将InGaN用作发射紫外光的发射层(势阱层)时，由于载流子的限制，将具有大带隙的AlGaN用于夹合发光层的覆盖层和势垒层。
图6所示为常规紫外光LED的元件结构的一个实施方案，所述的紫外光LED包含作为发光层的材料的In0.003Ga0.97N(发光波长380nm)。如该图中所示，在晶体基片B10上通过缓冲层B20形成n-型GaN接触层101，通过晶体生长，在n-型GaN接触层101上相继层压含有SQW结构(n-型Al0.1Ga0.9N覆盖层102，In0.03Ga0.97N势阱层(发光层)103，p-型Al0.2Ga0.8N覆盖层104)的发光部件和p-型GaN接触层105。而且，在部分暴露的n-型GaN接触层101上形成n-型电极P10，并且在p-型GaN接触层105上形成p-型电极P20。
图6中所示的发光部件具有SQW结构。当制备其具有MQW结构时，需要在两个势阱层之间安置的势垒层具有可以提供隧道效应的厚度，该厚度通常为约3-6nm。
但是，尽管采用了上面所述的各种结构的发光部件，InGaN紫外光发射元件不能提供足够的输出，原因在于其发光层的低In组成。
发明内容
本发明的一个目的在于解决上面所述的问题，并且在将InGaN和另一种InGaN系材料用作发光层材料时，提供一种通过使元件结构最优化而显示更高输出的紫外光发射元件。
本发明人发现，即使当发光层材料是具有可以发射紫外光的组成的InGaN系材料时，通过将发光部件的结构限制为MQW结构，并且再将势阱层的层数和势垒层的厚度限制在具体范围内，可以提高输出，这导致本发明的完成。因此，本发明的紫外光发射元件具有下面的特征：
(1)一种紫外光发射元件，其是一种具有包含晶体基片和GaN系晶体层的层压结构的GaN系半导体发光元件，所述GaN系晶体层直接形成在或通过缓冲层形成在所述基片上，其中所述层压结构包含含有p-型层和n-型层的发光部件，其中所述发光部件具有多个量子势阱结构，并且所述势阱层是由可以发射紫外光的InGaN系材料制成的，所述势阱层的层数为2-20，并且所述势垒层的厚度为7nm-30nm。
(2)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中上面所述的层压结构是通过AlN低温生长缓冲层在晶体基片上形成的，其中直接在所述的AlN低温生长缓冲层上形成AlXGa1-XN(0＜X≤1)基础层。
(3)上面(2)所述的紫外光发射元件，其在所述AlXGa1-XN(0＜X≤1)基础层和所述势阱层之间没有由AlGaN制成的层。
(4)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中在上面所述的层压结构中的p-型层和n-型层的位置关系是p-型层在上侧，且p-型接触层是由InYGa1-YN(0＜Y≤1)制成的。
(5)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中上面所述的多个量子势阱结构具有与p-型层接触的势垒层，并且所述与p-型层接触的势垒层的厚度为10nm-30nm。
(6)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中上面所述的多个量子势阱结构包含由未掺杂的GaN系晶体制成的势阱层和由Si掺杂的GaN系晶体制成的势垒层。
(7)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中上面所述的多个量子势阱结构包含由InXGa1-XN(0＜X≤1)制成的势阱层和由GaN制成的势垒层。
(8)上面(7)所述的紫外光发射元件，其中上面所述的InXGa1-XN中的In组成X为0＜X≤0.11。
(9)上面(1)所述的紫外光发射元件，其在所述晶体基片和所述势阱层之间没有由AlGaN制成的层。
(10)上面(1)所述的紫外光发射元件，其中将所述的晶体基片在其表面上进行凹-凸处理，并且气相生长GaN系晶体层覆盖所述凹-凸部分以形成层压结构。
附图简述
图1所示为本发明紫外光发射元件结构的一个实例的示意图。在此图中，每一种符号表示如下：B：晶体基片，S：含有GaN系晶体层的层压结构，2：n-型覆盖层，3：MQW结构，4：p-型覆盖层；P1：n-型电极，P2：p-型电极。
图2所示为本发明紫外光发射元件的结构一个不同实例的示意图。
图3所示为MQW的势阱层的层数与根据本发明实施例1中测量的发射光的输出之间关系的曲线图。
图4所示为MQW的阻拦层的厚度与根据本发明实施例2中测量的发射光的输出之间关系的曲线图。
图5所示为在本发明的紫外光元件中，采用Si掺杂势垒层的势垒层载流子浓度(单位cm-3)和发射光的输出之间关系的曲线图。
图6所示为常规紫外光LED的元件结构的一个实施方案，其中In0.03Ga0.97N为发光层的材料。
实施本发明的最佳方式
当在本发明中使用时，GaN系是指由InXGaYAlZN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，X+Y+Z＝1)所示的化合物半导体。例如，作为重要的化合物，可以提及AlN，GaN，AlGaN，InGaN，InGaAlN等。
在上面所述的InXGaYAlZN中，InGaN系基本上含有In组成和Ga组成，并且可以是InGaN或添加有Al组成的InGaN。
本发明的紫外光发射元件可以是紫外光LED，紫外光LD等。在下面中，本发明参考紫外光LED作为实例进行解释。在元件结构中，p-型层和n-型层中的任何一种可以位于下侧(晶体基片侧)。为了容易获得高质量晶体的GaN系半导体的生产等，优选其中在下侧形成n-型层的实施方案。在下面中，解释其中在下侧形成n-型层的元件结构，但不限于此。
图1所示为本发明紫外光发射元件的结构(LED元件结构)的一个实施方案。如此图中所示，通过GaN系低温生长缓冲层B1在晶体基片B上生长包含GaN系晶体层的层压结构S，并且层压结构S含有包含p-型层和n-型层的发光部件，并且还含有电极，由此形成本发明的紫外光发射元件。
对于图1的实施方案，从底层那一侧开始，各层的构成如下：蓝宝石晶体基片B，GaN低温生长缓冲层B1，未掺杂的GaN层1，发光部件[n-型GaN覆盖层(＝接触层)2，MQW结构3(GaN势垒层/InGaN势阱层/GaN势垒层/InGaN势阱层/GaN势垒层)，p-型AlGaN覆盖层4]，p-型GaN接触层5。部分地暴露n-型GaN接触层，在所述暴露的表面上形成n-型电极P1和在p-型GaN接触层上形成p-型电极P2。
上述元件结构的重要特征在于发光部件基本上具有MQW结构，所述的MQW结构势阱层的材料是具有可以发射紫外光的组成的InGaN，势阱层的层数为2-20，并且势垒层的厚度为7nm-30nm。
通过将发光部件限制至这样的结构，即使使用InGaN系材料，特别是InGaN的紫外光发射元件，对于发光层可以提供比常规发光层更高的输出。
发光部件具有p-型覆盖层和n-型覆盖层，以及在它们之间的MQW结构。n-型和p-型覆盖层还都可以作为n-型和p-型接触层。此外，根据需要，LD等的元件结构在覆盖层的里面可以含有波导层，保护层等。
图3所示为MQW的势阱层的层数与根据下面实施例1中测量的发射光的输出之间关系的曲线图。如从此曲线图中清楚地看出，势阱层的层数应当为2-20，并且在此范围之外，发射光的输出与常规水平一样低。特别优选势阱层的层数为8至15，其中得到最高的发射光输出。
势阱层的材料是InGaN系材料，特别是InXGa1-XN(0＜X≤1，如果Ga是必须的，0＜X＜1)，其可以具有任何组成，只要可以发射不超过420nm的紫外光即可。InXGa1-XN的In组成X的更具体和优选的值为0＜X≤0.11。不需要势阱层的材料对于所有层为相同的In组成，并且可以根据需要适宜地确定，其中所述的组成可以具有梯度等。
势阱层可以与已知的MQW结构具有相同的厚度，例如，为2nm-10nm。
不需要势垒层独立地作为邻近两个覆盖层的最外层存在。例如，可以采用下面的实施方案(1)至(3)等。
(1)对于在(n-型覆盖层/势阱层/势垒层/势阱层/p-型覆盖层)中，一个其中覆盖层也是最外面的势垒层的实施方案。
(2)对于在(n-型覆盖层/势垒层/势阱层/势垒层/势阱层/势垒层/p-型覆盖层)中，一个其中最外面的势垒层独立地存在于覆盖层之外的实施方案。
(3)对于在(n-型覆盖层/势阱层/势垒层/势阱层/势垒层/p-型覆盖层)中，一个其中最外面的势垒层独立地仅存在于一侧上的实施方案。
本发明中，在MQW结构中的所有势垒层的厚度都为7nm-30nm。
图4所示为阻拦层的厚度与根据下面的实施例中测量的发射光的输出之间关系的曲线图。如从此图中的曲线清楚地看出，当势垒层的厚度为7nm-30nm时，可以得到具有高发射光输出的紫外光发射元件。当势垒层的厚度薄于7nm或厚于30nm时，发光输出变得与常规实施方案一样低。在上面所述的势垒层的厚度范围中，特别优选的是8nm-15nm，在此范围内，可以得到具有最高输出的发光元件。
虽然常规MQW结构的势垒层的厚度为3nm-6nm，但本发明中的势垒层的厚度为7nm-30nm。通过将势垒层的厚度增加至此水平，波函数不重叠，通过势垒层，得到多个SQW结构的层压材料而不是MQW结构，并且提供足够的高输出。当势垒层的厚度超过30nm时，在空穴到达势阱层之前，由位错缺陷等捕获从p-层注入的空穴，所述的位错缺陷等成为在GaN势垒层中存在的非辐射中心，其又不优选地降低发光效率。
作为本发明中的MQW结构的优选实施方案，可以提及这样一个实施方案，其中最外面的势垒层总是存在于p-型覆盖层侧之上(即，上面所述的实施方案(2)和(3))，并且在p-型侧的最外面的势垒层的厚度为10-30nm。由此实施方案，势阱层不容易受到由p-型覆盖层之后生长的层的热量和气体的损害，导致损害的降低。此外，可以降低来自于p-型层的掺杂剂材料(Mg等)的扩散，并且可以降低在势阱层上的变形，其提供不仅提高输出而且增加元件寿命的作用和效果。
势垒层的材料可以是任何材料，只要它是具有可以成为InGaN势阱层的势垒层的带隙的GaN系半导体材料即可。在本发明中，推荐GaN作为优选的材料。
在常规的MQW结构中，考虑到势阱层中的载流子限制，使用具有足够宽带隙的势垒层而不是势阱层。特别地，在紫外光发射元件的情况下，与蓝光发射元件等相比，由于势阱层本身具有更宽的带隙，势阱层需要具有还要宽带隙的材料。例如，当势阱层为InGaN(In组成为0.03)时，将AlGaN用作势垒层和覆盖层等。
相反，在本发明中，注意到，在InGaN势阱层和AlGaN势垒层的组合中，它们具有极大不同的晶体生长温度的最佳值，并且这被认为是一个问题。确切地说，与GaN相比，为AlGaN组成的AlN具有高的熔点，并且为AlGaN组成的InN具有比GaN低的熔点。对于GaN的晶体生长的具体最佳温度为1000℃，对于InGaN，不超过1000℃(优选为约600-800℃)，并且对于AlGaN，不低于GaN的晶体生长的具体最佳温度。因此，对于InGaN势阱层和AlGaN势垒层的组合，需要极大地改变势阱层和势垒层的生长温度至其优选的值，以提供具有优选晶体质量的层。
但是，对于每一种势阱层/势垒层的生长温度的改变需要中断生长。对于厚度为约3nm的薄势阱层，生长的中断导致厚度由于在生长中断期间产生的蚀刻作用、在表面上的晶体缺陷等而变化。
由于这种折衷关系，由AlGaN势垒层和InGaN势阱层的组合难以得到高质量的产品。此外，将AlGaN用作势垒层，出现在势阱层上变形的问题，这阻止高的输出。
因此，本发明中，通过使用GaN作为势垒层的材料，降低了上述的折衷问题。这降低了势垒层和势阱层之间带隙的差别，而且总体上改善了两层的晶体质量和提高了输出。
而且，对于InGaN系材料，可以将通过在InGaN中混合Al而得到的AlInGaN用作势阱层，由此可以得到与在InGaN的情况中相同的作用和效果。
而且，本发明中，关于涉及InGaN势阱层和AlGaN势垒层的组合的上面所述问题的解决方案，推荐一种在晶体基片和势阱层之间不含AlGaN层的实施方案(在稍后提及的实施方案中，其中AlGaN基础层直接形成在AlGaN基础层和势阱层之间的AlN低温生长缓冲层上)。这减轻由晶体生长温度的差别所导致的上述问题。作为消除AlGaN层的一个具体实施方案，可以提及使用GaN层而不是AlGaN层的实施方案。在图1的实例中，在GaN低温缓冲层上生长不掺杂质的未掺杂的GaN晶体层(厚度0.1μm-2.0μm)，并且在其上生长n-型GaN晶体层(接触层和覆盖层)。可以省略未掺杂的GaN晶体层。此外，可以给予n-型GaN晶体层不同的载流子浓度，并且可以单独地形成为n-型GaN接触层和n-型GaN覆盖层。
作为MQW结构的不同优选实施方案，可以提及一个其中势阱层是未掺杂的并且向势垒层加入Si的实施方案。
图5所示为采用Si掺杂势垒层的势垒层载流子浓度和发射光的输出之间关系的曲线图。在用于测量的样品中，势阱层的层数为6并且势垒层的厚度为10nm，并且这同样应用于其它情况。如从其中的曲线清楚地看出，在Si未掺杂的情况下，发射光的输出小，并且使Si掺杂的量不低于5×1018cm-3，发射光的输出降低。势垒层掺杂Si是适宜的，因为它提高了光发射的强度。但是，当加入量增加得太多时，结晶度下降，并且光发射强度相反地降低。Si掺杂的适宜量为5×1016cm-3-5×1018cm-3。
用于生长的晶体基片可以是任何基片，只要可以生长GaN系晶体即可。优选的晶体基片包括例如，蓝宝石(C-平面，A-平面，R-平面)，SiC(6H，4H，3C)，GaN，AlN，Si，尖晶石，ZnO，GaAs，NGO等。此外，基片可以含有作为表面层的这些晶体。不特别限制基片的取向，并且它还可以刚好是一种基片或一种具有斜角(off angle)的基片。
根据需要，可以在晶体基片和GaN系晶体层之间形成缓冲层。将由GaN，AlN晶体等制成的基片用作晶体基片，缓冲层不是必须的。
发现，为了得到具有更少位错等的高质量GaN薄膜，优选将晶格常数不同于GaN薄膜的AlGaN薄膜(AlGaN基础层)设置为基础层，以生长GaN薄膜。当在AlGaN薄膜上生长GaN时，向GaN上施加压缩应力。当在此状态下进行生长时，相对于AlGaN薄膜/GaN薄膜界面中的生长方向垂直地弯曲位错(确切地说，在AlGaN薄膜上生长GaN的早期阶段)，并且位错不在生长方向上传播。即，可以如此得到高质量的GaN薄膜。为了生长这种AlGaN基础层，优选将缓冲层用作基础。作为优选的缓冲层，可以提及GaN系低温生长缓冲层。通过参考已知的技术，可以知悉缓冲层的材料、形成方法和形成条件。至于GaN系低温生长缓冲层的材料，可以提及GaN，AlN，InN等，并且对于生长温度，可以提及300℃-600℃。优选缓冲层的厚度为10nm-50nm，特别优选为20nm-40nm。作为特别优选的模式，可以提及AlN缓冲层。图2所示为此实施方案的元件结构的一个实例。如此图中所示，在晶体基片B上通过AlN低温生长缓冲层10生长包含GaN系晶体层的层压结构S，并且在AlN低温生长缓冲层10上形成AlXGa1-XN(0＜X≤1)基础层11。
AlXGa1-XN基础层的最佳厚度根据Al组成(X值)而变化。
例如，当Al组成为30％(X＝0.3)时，优选厚度为10nm-5μm，特别优选为50nm-1μm。当它薄于10nm时，不能得到上面所述的效果，这不是优选的。当其厚于5 m时，GaN层的结晶度不优选地降低。
此外，AlXGa1-XN基础层的Al组成(X值)可以在生长方向具有梯度。Al组成可以连续地或多阶梯地变化。
当AlGaN基础层厚(例如，当Al组成为30％时，约500nm-5000nm)时，可以直接在其上形成发光部件。
本发明中，用InGaN形成的p-型接触层是优选实施方案的一种接触层。
即，在使用p-型GaN接触层的常规GaN系发光元件中，p-型接触电阻高达1×10-3Ωcm2，并且即使对于优良的为约1×10-4Ωcm2。相反，当将InGaN用作p-型接触层的材料时，获得下面的益处：受体能级变低，并且空穴浓度增加及接触电阻降低至约1×10-6Ωcm2。
特别优选形成p-型电极的p-型接触层是Mg掺杂的InYGa1-YN(0＜Y≤1)。通过将InGaN层生长期间的气体环境气氛设置为N2+NH3，可以使生长后被称为p-型活化处理的Mg的活化条件温和或可以省略处理本身。这是因为在生长期间气体环境气氛的更少的H2含量可以防止使Mg不活泼的H2的混合到薄膜中。而且，由于在用Mg掺杂InGaN时形成的受体能级低，在室温下的空穴浓度变高，其同样使p-型活化处理的条件温和，或可以省略处理本身。
通过应用p-型InGaN接触层至紫外光发射元件中，可以更大地提高发射光的输出。这是因为可以抑制掺杂的杂质向势阱层中的扩散，其来自于这样的事实，即由于前面的原因，可以使p-型活化处理的条件(特别是加热退火)温和，或可以省略处理本身。
尤其，当由未掺杂的GaN系晶体制成的势阱层和由Si掺杂的GaN系晶体制成的势垒层组成MQW结构时，热处理不是必须的。因此，可以得到陡峭的杂质分布图。结果，认为进一步提高了发射光的输出。
为了降低在晶体基片上生长的GaN系晶体层的位错密度，可以适宜地引入用于降低位错密度的结构。可以出现下列情况，将由异种材料如SiO2等制成的部件包含于含有GaN系晶体层的层压结构中，连同用于降低位错密度的结构的引入。
至于用于降低位错密度的结构，例如，可以提及下面所述的结构：
(a)一种其中在晶体基片上以条纹图案等形成掩模层(使用的是SiO2等)的结构，以便可以进行常规已知的选择性生长方法(ELO方法)。
(b)一种已经对晶体基片进行过点状、条纹状凹-凸加工的结构，以便GaN系晶体可以侧向生长或面向(facet)生长。
适当的时候，可以合并这些结构和缓冲层。
在用于降低位错密度的结构中，上述的(b)是一种优选没有掩模层的结构。这解释如下：
对于凹-凸加工方法，例如，提及的有：一种包含使用常规光刻技术根据目标凹-凸实施方案形成图案，并且使用RIE技术等进行蚀刻加工以得到目标凹-凸结构的方法。
凹-凸结构的构型图案包括例如，一种包含一排点状凹形部件(或凸形部件)的图案，一种包含以固定的间隔或不确定的间隔安置的线形或曲线形凹形通道(或凸脊)的条纹或同心图案等。含有格子状交叉的凸脊的图案可以看作是由整齐安置的点状(方孔状)凹形部件形成的图案。对于凹-凸剖面形状，可以提及矩形(包括梯形)波，三角形波，正弦曲线等。
在这样的各种凹-凸实施方案中，优选其中以固定的间隔安置线形凹形通道(或凸脊)的条纹状凹-凸图案(矩形波截面)，原因在于它可以简化制造步骤并且容易形成图案。
当将要形成条纹状凹-凸图案时，条纹的纵向方面可以是任何方向。对于将要通过包埋图案而生长的GaN系晶体而言，<11-20>方向抑制横向方向中的生长，其又有利于斜面如{1-101}平面等的形成。结果，在从基片侧的C-轴方向上扩散的位错在此平面上向横向方向弯曲，并且不容易向上扩散，由此可以特别优选形成低位错密度的区域。
当将条纹的纵向方向设定为将要生长的GaN系晶体的<1-100>方向时，从凸起的上面部分开始生长的GaN系晶体在侧向方向高速生长，并且形成具有作为空穴的凹形部件的GaN系晶体层。即使将条纹的纵向方向设定为<1-100>方向时，通过采用使平面容易形成的生长条件，可以得到与由<11-20>方向提供的相同的效果。
用于使凹-凸的截面为矩形波的优选尺寸如下：凹形通道的优选宽度：0.1μm-20μm，特别优选为0.5μm-10μm。凸起部分的优选宽度：0.1μm-20μm，特别优选为0.5μm-10μm。凹-凸范围(凹形通道的深度)：不低于凹形部分和凸起部分中更宽者的20％。由此计算的这些尺寸和间距等与具有不同截面形状的凹-凸结构相同。
可以提及的GaN系晶体层的生长方法包括例如HVPE，MOVPE，MBE等。为了形成厚膜，优选HVPE，但为了形成薄膜，优选MOVPE和MBE。
实施例
实施例1
在此实施例中，制备图1所示的紫外光LED，并且将势垒层的厚度固定为10nm并且将势阱层的层数设置从1至25，得到总共25种样品，然后测量每一种样品的输出。形成元件的方法如下：
对于每一种样品，在MOVPE装置中安置C-平面蓝宝石基片，并且在氢气气氛下加热至1100℃以进行热蚀刻。将温度降低至500℃，并且通过通入作为第III族组成材料的三甲基镓(以下称为TMG)和作为N组成材料的氨，生长30nm厚的GaN低温缓冲层。
然后将温度升高至1000℃，并且通入作为组成材料的TMG和氨，以生长2μm厚的未掺杂的GaN晶体层1。然后，通入SiH4以生长3μm厚的Si掺杂的n-型GaN晶体层(接触和覆盖层)。
[量子势阱结构]
对于每一种样品，将温度降低至800℃，并且将GaN势垒层(厚度10nm，添加有5×1017cm-3的Si)和InGaN势阱层(发射光的波长为380nm，In组成为0.03，厚度为3nm)的对数从1改变至25。而且，在每一种样品中形成与p-层相邻的最后的GaN势垒层(掺杂有Si(5×1017cm-3)，厚度20nm)。
对于每种样品，将生长温度升高至1000℃，相继形成30nm厚的p-型AlGaN覆盖层4和50nm厚的p-型GaN接触层，以得到发射光的波长为380nm的紫外光LED晶片，接着形成电极，并且切割元件，得到紫外光LED芯片。
将上面得到的具有不同层数势阱层的紫外光LED芯片样品在裸芯片状态下用20mA激发，并且测量在380nm波长下的输出。结果，如图3所示，得到显示势阱层层数和输出之间关系的曲线图。根据上面所述，势阱层的层数应当为2-20，其提供不低于2mW的输出。发现，特别优选势阱层的层数为6至15，其提供不低于5mW的发射光的输出。
实施例2
在此实施例中，以与上述实施例1类似的方法制备图1所示的紫外光LED，将势阱层的层数固定为6，并且形成势垒层的厚度从3nm改变至40nm的样品，然后，测量每一种样品的输出。
将此实施例中得到的具有不同势垒层厚度的紫外光LED芯片样品在裸芯片状态下用20mA激发，并且测量在380nm波长下的输出。结果，如图4所示，得到显示势垒层厚度和输出之间关系的曲线图。根据上面所述，势垒层的厚度应当为7nm-30nm，其提供不低于2mW的输出。发现，特别优选势垒层的厚度为8nm-15nm，其提供不低于5mW的发射光的输出。
在上面所述的实施例1中，将阻拦层的厚度固定为一种，在上面所述的实施例2中，将势阱层的层数固定为一种。以与上面所述的元件形成方法相同的方式，制备其中阻拦层的厚度在7-30nm范围内改变并且势阱层的层数在每一个厚度下在2-20的范围内改变的样品。发现，在这样的元件样品中，根据势阱层层数的变化，在势垒层的任何厚度下得到与图3类似的曲线，并且根据势垒层厚度的变化，在势阱层的任何层数下得到与图4类似的曲线。
实施例3
在此实施例中，在上面所述的实施例1和2制备的所有样品中，通过下面的方法制备紫外光LED样品：使用AlN低温缓冲层代替GaN低温缓冲层，使用AlGaN基础层代替未掺杂的GaN晶体层并且使用p-型InGaN接触层代替p-型GaN接触层。测量每一种样品的输出。形成元件的方法如下。
在每一种样品中，在MOVPE装置中安置C-平面蓝宝石基片，并且在氢气气氛下加热至1100℃以进行热蚀刻。将温度降低至350℃，并且通入作为第III族组成材料的三甲基铝(以下称为TMA)和作为N组成材料的氨，生长20nm厚的AlN低温缓冲层。
然后，将温度升高至1000℃，并且通入作为组成材料的TMA、TMG和氨，以生长200nm厚的Al组成为10％的未掺杂的AlGaN晶体层(基础层)1，然后，停止TMA的供给，并且通入SiH4以生长4μm厚的Si掺杂的n-型GaN晶体层(接触和覆盖层)。然后，以与实施例1和2相同的方法形成MQW结构。
对于每种样品，将生长温度升高至1000℃，相继形成30nm厚的p-型AlGaN缓冲层4，50nm厚的p-型GaN层和5nm厚的p-型InGaN接触层(In组成为10％)，以得到发射光的波长为380nm的紫外光LED晶片，接着形成电极，并且切割元件，得到紫外光LED芯片。
将上面得到的紫外光LED芯片样品在裸芯片状态下用20mA激发，并且测量在380nm波长下的输出。结果，与实施例1和2的样品相比，每一种样品的输出提高了约10％-30％。
工业适用性
如上所述，对于MQW结构，通过将势阱层的层数设置为2-20并且使势垒层的厚度为7nm-30nm，通过使用InGaN系材料，特别是InGaN作为发光层材料的紫外光元件，可以得到常规不能达到的高输出。
此申请是基于在日本提交的专利申请350615/2001和073871/2002，其内容通过引用结合在此。
Claims (4)
1.一种紫外光发射元件，其是一种具有包含晶体基片和GaN系晶体层的层压结构的GaN系半导体发光元件，所述GaN系晶体层直接形成在或通过缓冲层形成在所述基片上，
其中所述层压结构包含含有p-型层和n-型层的发光部件，其中所述发光部件具有多个量子势阱结构，其中所述的多个量子势阱结构包含由未掺杂的InGaN系晶体制成的势阱层和由Si掺杂的GaN系晶体制成的势垒层，并且所述势阱层是由可以发射紫外光的InGaN系材料制成的，所述势阱层的层数为2-20，并且所述势垒层的厚度为7nm-30nm。
2.根据权利要求1所述的紫外光发射元件，其中所述势垒层的GaN系晶体的Si掺杂量为5×1016cm-3-5×1018cm-3。
3.根据权利要求2所述的紫外光发射元件，其中所述的势阱层由InXGa1-XN制成且所述的势垒层由GaN制成，其中0＜X≤0.11。
4.根据权利要求3所述的紫外光发射元件，其中所述的势阱层的层数为8至15。
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160407 Address after: Japan's Aichi Patentee after: Toyoda Gosei Co.,Ltd. Address before: Tokyo, Japan Patentee before: MITSUBISHI CHEMICAL Corp. |
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Granted publication date: 20071212 |
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