CN100359704C - 氮化镓(GaN)类化合物半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用GaN的发光元件。在基板(10)上，依次层积SiN缓冲层(12)、GaN缓冲层(14)、无掺杂GaN层(16)、掺杂Si的n-GaN层(18)、SLS层(20)、无掺杂GaN层(22)、MQW发光层(24)、SLS层(26)及p-GaN层(28)，而形成p电极(30)和n电极(32)。MQW发光层(24)使用了交互地层积InGaN井层和AlGaN阻挡层的构造。设定了SLS层(20)、(26)的Al成分比是5%以上、25%以下，MQW发光层(24)的井层的In成分比是3%以上、20%以下，阻挡层的Al成分比是1%以上、30%以下。通过将各层的成分比及膜厚调整为希望值，而提高波长400nm以下的发光效率。

Description

氮化镓(GaN)类化合物半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化镓(GaN)类化合物半导体装置及其制造方法，特别是涉及发光效率的改善。
背景技术
使用氮化物半导体的波长370～550nm带的发光元件已实用化。这些发光元件，主要是使用InxGa1-xN(0＜x＜1)来作为发光材料。通过改变InxGa1-xN中的In成分比x而改变发光波长，具体地说，x越大，则发光波长也变得越长。此外，在改变In成分比x时，则发光波长和发光效率也一起发生变化。具体地说，在In成分比x变得越大时，则会由于(1)和成为夹住InGaN的层的GaN或AlGaN间的晶格常数差变大以及(2)为了使具有高In成分的InGaN来进行结晶生长而必须降低结晶生长温度等原因，以致于InGaN的结晶品质恶化，在波长长于530nm时，则发光效率降低。在波长400～530nm的范围，一般而言，发光效率变高，但是，在波长成为400nm以下时，则再一次地使得发光效率降低。
所谓在波长400nm以下的短波长侧而使得发光效率降低，认为是起因于结晶中的所存在的位错的缘故。具有适当In成分比的波长400～530nm的发光元件(LED等)的效率不因为位错密度而变高，是由于InGaN层中的In成分的波动的缘故。也就是说，在存在有In的成分波动时，则在In成分呈部分大的部位上，进行发光，因此，在该部位捕获所注入的载流子，无法到达至位错，以致于效率不降低。为了使得发光波长变短，因此，正如前面叙述，必须使得In成分比x变小，当然，In成分波动也变小。在成分波动变小时，无法充分地进行载流子的捕获，载流子到达至位错，以致于发光效率降低。
像这样，在发光波长400nm以下，发光效率在很大程度上依赖于位错密度，由于位错的存在而导致发光效率降低。
为了防止波长400nm以下的发光效率降低，因此，必须抑制位错密度。向来，例如使用ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法或者是在形成沟槽的蓝宝石基板等的上面生长发光层的方法，来降低位错密度，在这些方法中，由于要伴有光微影等的方法而导致花费工夫，结果，会有作为发光元件的成本增加的问题产生。
发明内容
本发明的目的，是不使用光微影等的特殊方法而得到短波长(特别是波长400nm以下)的发光效率良好的装置。
本发明的氮化镓类化合物半导体装置具有：基板、形成在前述基板上而交互地层积n型AlGaN层和n型GaN层所构成的第1超晶格层、形成在前述第1超晶格层上而交互地层积GaN类量子阱层和GaN类量子阻挡层所构成的多重量子阱层、以及形成在前述多重量子阱层上而交互地层积p型AlGaN层和p型GaN层所构成的第2超晶格层。
在本发明中，可以在前述基板和前述第1超晶格装置之间具有缓冲层、第1GaN类层和n型GaN类层，在前述第1超晶格层上具有第2GaN类层，在前述第2超晶格层上具有p型GaN类层。
在本发明中，可以使得多重量子阱层的GaN类量子阻挡层的Al成分比，大于第1超晶格层及第2超晶格层的Al成分比。
在本发明中，可以使得前述第1超晶格层及第2超晶格层的AlGaN层的Al成分比是5％以上、25％以下，前述多重量子阱层的InGaN或AlInGaN量子阱层的In成分比是3％以上、20％以下，AlGaN或AlInGaN量子阻挡层的Al成分比是1％以上、30％以下，前述量子阱层的带隙亦可小于前述量子阻挡层。
在本发明中，可以使得前述第1超晶格层的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1nm以上、10nm以下，前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，前述第2超晶格层的AlGaN层的厚度为0.5nm以上、10nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、5nm以下。
在本发明中，可以使得前述第1GaN类层的厚度为500nm以上、3000nm以下，前述n型GaN类层的厚度为500nm以上、10000nm以下，前述第1超晶格层的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1nm以上、10nm以下，前述第2GaN类层的厚度为5nm以上、100nm以下，前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，前述第2超晶格层的AlGaN层的厚度为0.5nm以上、10nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、5nm以下，前述p型GaN类层的厚度为5nm以上、50nm以下。
在本发明中，可以使得前述第1超晶格层的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1.5nm以上、5nm以下，前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，前述第2超晶格层的AlGaN层的厚度为1nm以上、6nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、3nm以下。
在本发明中，可以使得前述第1GaN类层的厚度为1500nm以上、3000nm以下，前述n型GaN类层的厚度为1000nm以上、2000nm以下，前述第1超晶格层的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1.5nm以上、5nm以下，前述第2GaN类层的厚度为20nm以上、40nm以下，前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，前述第2超晶格层的AlGaN层的厚度为1nm以上、6nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、3nm以下，前述p型GaN类层的厚度为10nm以上、40nm以下。
本发明的氮化镓类化合物半导体装置可以通过MOCVD法而进行制造。该制造方法包含以下的各个步骤：在前述基板上，于450℃以上、600℃以下的温度下形成前述缓冲层；在前述缓冲层上，于1050℃以上、1100℃以下的温度而依次形成前述第1GaN类层、前述n型GaN类层和前述第1超晶格层；在前述第1超晶格层上，于800℃以上、900℃以下的温度而依次形成前述第2GaN类层和前述多重量子阱层；在前述多重量子阱层上，于950℃以上、1025℃以下的温度而依次形成前述第2超晶格层和前述p型GaN类层。
此外，本发明的氮化镓类化合物半导体装置具有：基板、形成在前述基板上的n型AlGaN层、形成在前述n型AlGaN层上而交互地层积GaN类量子阱层和GaN类量子阻挡层所构成的多重量子阱层、以及形成在前述多重量子阱层上的p型AlGaN层。
在本发明中，可以使得多重量子阱层内的GaN类量子阻挡层的Al成分比，大于前述n型AlGaN层及前述p型AlGaN层的Al成分比。
在本发明中，可以在前述基板和前述n型AlGaN层之间，具有：缓冲层、第1GaN类层以及n型GaN类层，在前述n型AlGaN层和前述多重量子阱层之间具有第2GaN类层，在前述p型AlGaN层上具有p型GaN类层。
在本发明中，可以使得前述n型AlGaN层及p型AlGaN层的Al成分比是5％以上、25％以下，前述多重量子阱层的InGaN或AlInGaN量子阱层的In成分比是3％以上、20％以下，AlInGaN或AlGaN量子阻挡层的Al成分比是1％以上、30％以下，前述量子阱层的带隙亦可小于前述量子阻挡层。
本发明的氮化镓类化合物半导体装置可以通过MOCVD法而进行制造。该制造方法包含以下的各个步骤：在前述基板上，于450℃以上、600℃以下的温度下形成前述缓冲层；在前述缓冲层上，于1050℃以上、1100℃以下的温度而依次形成前述第1GaN类层、前述n型GaN类层和前述n型AlGaN层；在前述n型AlGaN层上，于800以上、900℃以下的温度而依次形成前述第2GaN类层和前述多重量子阱层；在前述多重量子阱层上，于950℃以上、1025℃以下的温度而依次形成前述p型AlGaN层和前述p型GaN类层。
在本发明的装置，也可以进一步具有：连接在前述n型GaN类层的n电极、连接在前述p型GaN类层的p电极、以及施加电压至前述n电极和p电极间的电源。此外，也可以得到将此种装置作为光源而照射波长400nm以下的光的装置。将本发明的氮化镓类化合物半导体装置组装入光源的装置具有良好的短波长(波长400nm以下)的发光效率，因此，适用于需要短波长光源的用途。
附图说明
图1是氮化镓类化合物半导体装置的构造图。
图2是显示发光元件的剖面电子显微镜照片的图。
图3是显示发光元件的其他剖面电子显微镜照片的图。
具体实施方式
以下，根据图示而就本发明的实施方式来进行说明。
<第1实施方式>
在图1，显示作为本实施方式的GaN类化合物半导体装置的发光元件(LED(发光二极体))的构造。发光元件是通过在基板上利用MOCVD法(金属有机化学气相生长法)而生长复数层所制作的。具体地说，正如以下而进行制造。此外，MOCVD装置本身是公知的，但是，在就其装置构造而进行概说时，于反应管内，设置感测器和气体导入管。在感测器，载置基板，通过加热器而加热基板，同时，供应原料气体，而在基板上，进行反应。气体导入部是例如设置在反应管的两边，一边是由基板侧方而导入三甲基镓或硅烷气体等的原料气体，另一边是由基板上部开始，透过具有通气性的微多孔质构件而供应氢和氮的混合气体等。
首先，准备蓝宝石c面基板10，安装在常压MOCVD装置的感测器，在基板温度1100℃、氢气环境中，进行10分钟热处理。然后，通过将基板10的温度，降低至500℃为止，通入单甲基硅烷气体和氨气100秒钟，而在基板10上，不连续地形成SiN缓冲膜12。应注意的是，该不连续SiN膜12是用以确实地降低层中的位错，但是，在本实施方式，也可以省略。接着，将温度维持在500℃，并且，通入三甲基镓和氨气，而形成25nm的GaN缓冲层14。该GaN缓冲层14是发挥所谓作为低温缓冲层的功能。接着，将温度升温至1075℃为止，再一次地通入三甲基镓和氨气，而形成2μm的无掺杂GaN层16。此外，在三甲基镓和氨气中加入单甲基硅烷气体，形成1μm的掺杂Si的n-GaN层18。单甲基硅烷气体是用以在GaN掺杂Si而成为n型，掺杂Si的n-GaN层18内的载流子密度是大约5×1018cm-3。
接着，在基板10的温度一直维持在1075℃时，交互地形成50对掺杂Si的n-Al0.1Ga0.9N(2nm)/掺杂Si的n-GaN(2nm)，形成SLS(Strained Layer Superlattice：应变层超晶格)层20。为了形成AlGaN，可以除三甲基镓和氨气之外供应三甲基铝(为了掺杂Si，实际上还供应单甲基硅烷气体)。SLS层20内的平均载流子密度是5×1018cm-3。
然后，将基板温度降低至830℃为止，形成30nm的无掺杂GaN层22。此外，交互地层积7对无掺杂In0.05Ga0.95N(1.5nm)/无掺杂Al0.1In0.02Ga0.88N(9.5nm)，形成MQW(多重量子阱)发光层24。InGaN类供应三甲基镓、三甲基铟和氨气所形成，AlInGaN类还供应三甲基铝所形成。MQW发光层24是交互地层积井(well)层和阻挡层所构成，无掺杂InGaN类发挥作为井层的功能，无掺杂AlInGaN类发挥作为阻挡层的功能。井层的带隙的设定小于阻挡层。在本实施方式，井层是InGaN层，但是，也可以通过AlInGaN来构成井层。在井层和阻挡层皆由AlInGaN所构成时，调整Al成分而使得井层的带隙小于阻挡层。作为井层的Al成分比是以0％～20％为优选。图1的InGaN井层是显示Al成分比成为0％的状态。作为阻挡层的Al成分比是以1％～30％为优选。
在MQW发光层24形成后，将基板10的温度上升至975℃为止，交互地形成50对掺杂Mg的p-AlGaN(1.5nm)/掺杂Mg的p-GaN(0.8nm)，形成p-SLS层26，并且，仅形成15nm的p-GaN层28。P-SLS层26及p-GaN层28内的载流子浓度分别为5×1017cm-3、3×1018cm-3。
此外，夹住发光层24所形成的SLS层20及SLS层26，是发挥作为封闭入载流子的包层的功能。
在像以上这样而制作LED晶圆后，由MOCVD装置而取出LED晶圆，依次进行Ni(10nm)、Au(10nm)的真空蒸镀，层积在表面上，在包含5％氧的氮气环境中，于520℃进行热处理，使得金属膜成为p透明电极30。在形成p电极30后，于表面上涂敷光阻剂，作为蚀刻掩膜使用，进行蚀刻而露出n-GaN层18，在露出的n-GaN层18上，蒸镀Ti(5nm)、Al(5nm)，在氮气中，于450℃进行30分钟热处理，形成n电极32。
在图1，SLS层20是对应于第2超晶格层，MQW发光层24是对应于多重量子阱层，SLS层26是对应于第2超晶格装置。此外，无掺杂GaN层16是对应于第1GaN类层，掺杂Si的n-GaN层18是对应于n型GaN类层，无掺杂GaN层22是对应于第2GaN类层，p-GaN层28是对应于p型GaN类层。
此外，虽然并无显示在图上，但是，在p电极30及n电极32的一部分，形成打线用的厚度500nm的Au旱垫，研磨基板10的背面至100μm为止，通过洗涤而切出晶片，进行固定而制作发光元件装置(LED元件)。
表1显示了图1所示的各层材料和成分范围及载流子浓度范围。
表1
层材料 成分范围 载流子浓度范围(1/cm<sup>3</sup>)
P+GaN 1-50E17
掺杂Mg的p-AlGaN/掺杂Mg的p-GaN SLS Al＝5-25％ 1-30E17
AlInGaN/AlInGaN MQW AlInGaN(井)(In＝3-20％，Al＝0-20％)、AlInGaN(阻挡)(Al＝1-20％，In＝0-10％)、但是，选择成分而使得井层的带隙小于阻挡层的带隙 无掺杂
无掺杂GaN 无掺杂
掺杂Si的n-AlGaN/掺杂Si的n-GaN SLS Al＝5-25％ 1-8E18
掺杂Si的n-GaN 1-8E18
无掺杂GaN 无掺杂
缓冲层 无掺杂
SiN缓冲(也可以没有)
蓝宝石C面基板
在表1，MQW发光层24作为AlInGaN/AlInGaN MQW层，但是，前者是表示井层，后者是表示阻挡层。在表1所应该着眼的，是SLS层20、26的Al成分比为5％以上、25％以下，MQW发光层24的井层的Al成分比为0％以上、20％以下，In成分比为3％以上、20％以下，阻挡层的Al成分比为1％以上、20％以下，In成分比为0％以上、10％以下。MQW发光层24的阻挡层的Al成分比也可以是1％以上、30％以下。就阻挡层的Al成分和SLS层20及SLS层26的Al成分间的关系而言，优选阻挡层的Al成分比大于SLS层20、26的Al成分比。成为载流子的电子和空穴是在MQW发光层24的井层，进行再结合而发光。在增大阻挡层的Al成分比时，带隙增大并高效地将载流子关入至MQW发光层24的井层中，可提高发光效率。在阻挡层的Al成分比增大时，MQW发光层24的井层的实效带隙也跟着增大。
井层的Al成分比包含0％、阻挡层的In成分比包含0％，因此，作为MQW发光层24的材料，存在以下的4种组合。
(a)InGaN井层/AlGaN阻挡层
(b)InGaN井层/AlInGaN阻挡层
(c)AlInGaN井层/AlGaN阻挡层
(D)AlInGaN井层/AlInGaN阻挡层
不论是任何一种组合，可选择成分而使得井层的带隙小于阻挡层的带隙。图1是(b)的状态。
此外，在表2，显示各层的理想膜厚。
表2
层材料 理想膜厚
p+GaN 5-50nm
掺杂Mg的p-AlGaN/掺杂Mg的p-GaN SLS AlGaN(0.5-10nm)/GaN(0.5-5nm)(20-100对)
AlInGaN/AlInGaN MQW AlInGaN(井)(1-5nm)/AlInGaN(阻挡)(2-50nm)
无掺杂GaN 5-100nm
掺杂Si的n-Al GaN/掺杂Si的n-GaN SLS AlGaN(1-10nm)/GaN(1-10nm)(10-500对)
掺杂Si的n-GaN 500-10000nm
无掺杂GaN 500-3000nm
缓冲层 10-40nm
Si缓冲(也可以没有)
蓝宝石C面基板
在表2，作为MQW发光层24，是AlInGaN(或InGaN)井层的膜厚为1nm以上、5nm以下，AlInGaN(或AlGaN)阻挡层的膜厚为2nm以上、50nm以下。此外，SLS层20的AlGaN的膜厚是1nm以上、10nm以下，GaN的膜厚也是1nm以上、10nm以下。SLS层26的AlGaN的膜厚是0.5nm以上、10nm以下，GaN的膜厚是0.5nm以上、5nm以下。
就其他层而言，GaN缓冲层14的膜厚是10nm以上、40nm以下，无掺杂GaN层16的膜厚是500nm以上、3000nm以下(优选500nm以上、2000nm以下)，掺杂Si的n-GaN层18的膜厚是500nm以上、10000nm以下，无掺杂GaN层22的膜厚是5nm以上、100nm以下，p-GaN层28的膜厚是5nm以上、50nm以下。
在表3，显示各层的优选膜厚。
表3
层材料 更加理想的膜厚
p+GaN 10-40nm
掺杂Mg的p-AlGaN/掺杂Mg的p-GaN SLS AlGaN(1-6nm)/GaN(0.5-3nm)(40-60对)
AlInGaN/AlInGaN MQW AlInGaN(井)(1-2nm)/AlInGaN(阻挡)(6-20nm)(5-10对)
无掺杂GaN 20-40nm
掺杂Si的n-AlGaN/掺杂Si的n-GaN SLS AlGaN(1.5-5nm)/GaN(1.5-5nm)(40-60对)
掺杂Si的n-GaN 1000-2000nm
无掺杂GaN 1500-3000nm
缓冲层 25-35nm
SiN缓冲(也可以没有)
蓝宝石C面基板
在表3，作为MQW发光层24，AlInGaN(或InGaN)井层的膜厚为1nm以上、2nm以下，AlInGaN(或AlGaN)阻挡层的膜厚为6nm以上、20nm以下。此外，SLS层20的AlGaN的膜厚是1.5nm以上、5nm以下，GaN的膜厚是1.5nm以上、5nm以下。SLS层26的AlGaN的膜厚是1nm以上、6nm以下，GaN的膜厚是0.5nm以上、3nm以下。就其他层而言，GaN缓冲层14的膜厚是25nm以上、35nm以下，无掺杂GaN层16的膜厚是1500nm以上、3000nm以下(优选1500nm以上、2000nm以下)，掺杂Si的n-GaN层18的膜厚是1000nm以上、2000nm以下，无掺杂GaN层22的膜厚是20nm以上、40nm以下，p-GaN层28的膜厚是10nm以上、40nm以下。
在表4，显示通过MOCVD装置来生长各层时的生长温度。
表4
层材料  温度(℃)
p+GaN  950-1025
掺杂Mg的p-AlGaN/掺杂Mg的p-GaN SLS  950-1025
AlInGaN/AlInGaN MQW  800-900
无掺杂GaN  800-900
掺杂Si的n-AlGaN/掺杂Si的n-GaN SLS  1050-1100
掺杂Si的n-GaN  1050-1100
无掺杂GaN  1050-1100
缓冲层  450-600
SiN缓冲  450-600
蓝宝石C面
在表4，GaN缓冲层14是在450℃以上、600℃以下而进行生长，无掺杂GaN层16是在1050℃以上、1100℃以下而进行生长，掺杂Si的n-GaN层18是在1050℃以上、1100℃以下而进行生长，SLS层20或AlGaN单层20是在1050℃以上、1100℃以下而进行生长，无掺杂GaN层22是在800℃以上、900℃以下而进行生长，MQW发光层24是在800℃以上、900℃以下而进行生长，SLS层26或AlGaN单层26是在950℃以上、1025℃以下而进行生长，p-GaN层28是在950℃以上、1025℃以下而进行生长。
将以上所制作的发光元件，放入至积分球中，在p电极30和n电极32连接电源来注入电流并测定了由晶片所射出的全光输出，注入电流20mA时，得到大约2Mw的光输出。确认了发光波长在直径2英寸的晶圆面内多少有些偏差，但在波长372nm±5nm的范围内。外部量子效率是大约3％。
本案申请人是在形成许多的改变图1的层的材料或厚度的晶圆而进行相同的评价时，发现由于发光波长带而使得各层的限制条件成不同。也就是说，在发光峰值波长为380～400nm时，如果各层的厚度为在表2所示的优选范围内的话，则可得到1mW以上的光输出。
另一方面，在发光峰值波长为365～380nm时，在各层的膜厚偏离表2所示的优选厚度的范围时，光输出急剧地减少至0.1mW以下，在各层的厚度偏离表3所示的更优选的厚度范围时，光输出变为1mW以下。确认到：可以借着由这些而设定在表2或表3所示的范围，而提高短波长(波长400nm以下)的发光效率。
认为像这样改善发光效率存在如下原因。图2显示了在本实施方式所制作的发光元件的剖面电子显微镜照片。在详细地观察该剖面电子显微镜照片时，得知在n-GaN/AlGaN SLS层20和无掺杂GaN层22间的界面，位错减少。认为结合SLS层20中的所包含的歪斜和在该交界处来改变生长温度，而使得由底材层所传送的位错，弯曲于横方向(侧方向)上，降低形成在其正上方的MQW发光层24中的位错。也就是说，认为可以通过调整各层的成分及厚度在前述范围内而抑制MQW发光层24中的位错。
此外，认为成为发光效率改善的另外一个原因是发光层24的成分波动。在层积了AlInGaN(或InGaN)井层/AlInGaN(或AlGaN)阻挡层的MQW发光层24，In成分变低，不容易引起InGaN的成分波动。在产生成分波动时，于In成分呈部分大的部位，进行发光，因此，所注入的载流子是在该部位被捕获，无法到达至位错而不降低效率。但是，在阻挡层中添加了铝，因此，认为通过同时增加In和Al的成分，而边保持短的发光波长，边增加In和Al的成分，结果，成分波动变大。图3中显示了剖面电子显微镜照片，通过该相片，确认了发光层24的井层变为不均。也就是说，认为可以通过调整MQW发光层24的材料及成分比在前述范围内而增加成分波动，来抑制由于位错所造成的发光效率的降低。
像这样，通过成为图1所示的层构造、设定各层厚度在表2或表3所示的范围内，可得到高发光效率。
此外，本案申请人发现：即使用AlGaN单层取代SLS层20、用AlGaN单层取代SLS层26，波长400nm以下的发光效率也一样高。具体地说，为了取代SLS层20，因此，形成50nm以上、500nm以下、更优选为70nm以上、300nm以下的Al成分为5～25％的AlGaN，为了取代SLS层26，形成50nm以上、500nm以下、更优选为70nm以上、200nm以下的Al成分为5～25％的AlGaN。在使用AlGaN单层时的整体构造如下。
蓝宝石基板10/SiN不连续膜12/GaN缓冲层14/无掺杂GaN层16/掺杂Si的n-GaN层18/AlGaN层20/无掺杂GaN层22/MQW发光层24/AlGaN层26/p-GaN层28。
对该构造也选择Al成分比而使其小于MQW24的井层的带隙或阻挡层的带隙。此外，优选选择MQW24的阻挡层的Al成分比大于AlGaN层20、26的Al成分比。具体地说，能够使得MQW24的阻挡层的Al成分比为30％左右。
此外，本案申请人还制造了一种发光元件，并发现波长400nm以下的发光效率一样高。其中，该发光元件在图1并未形成SiN膜12，并具有：为了取代无掺杂GaN层16而使用具有在GaN层中插入了SiN的GaN层/SiN层/GaN层构造的GaN类层16、作为SLS层20而交互地形成50对无掺杂AlGaN(1.7nm)/掺杂Si的GaN(1.7nm)、作为SLS层20而使用AlGaN层(26nm)来取代无掺杂GaN层22、作为MQW发光层24而交互地形成3对InGaN井层(1.7nm)/AlGaN阻挡层(13nm)来成为MQW发光层24、作为SLS层26而交互地形成50对AlGaN(1.1nm)/GaN(0.5nm)来成为SLS层26。通过在GaN层插入SiN，而降低形成在SiN层上的GaN层的位错，借此而抑制MQW发光层24的位错。
在表5，显示各层材料和成分范围及载流子浓度范围。
表5
层材料 成分范围 载流子浓度范围(cm<sup>-3</sup>)
P<sup>+</sup>GaN(17nm) 1-50E17
AlGaN(1.1nm)/GaN(0.5nm)(50对) Al＝5-25％ 1-30E17
InGaN(井)(1.7nm)/AlGaN(阻挡)(13nm)(3对) InGaN(井)(In～5.5％)、AlGaN(阻挡)(Al～30％) 无掺杂
AlGaN(26nm) Al～20％ 无掺杂
无掺杂AlGaN(1.7nm)/掺杂Si的n-GaN(17nm)SLS、(50对) Al～18％ 1-8E18
掺杂Si的n-GaN 1-8E18
无掺杂GaN2(800-1200nm) 无掺杂
SiN高温缓冲
无掺杂GaN1(800-1200nm) 无掺杂
缓冲层(～25nm) 无掺杂
蓝宝石C面基板
MQW发光层24的AlGaN阻挡层的Al成分比是30％，大于作为SLS层20的Al成分比的大约18％，并且，也大于作为SLS层26的Al成分比的5％～25％。在AlGaN中的Al成分变大时，则结晶品质恶化，因此，MQW发光层24的AlGaN阻挡层的Al成分的上限，优选是30％左右。
本实施方式的发光元件是在波长400nm以下，具有高发光效率，因此，可以专门利用该特性而制作各种制品。以下，显示使用图1所示的发光元件来作为光源的几个装置例。
<第2实施方式>
即使在可见光照明下，用市售的黑笔(萤光笔)描绘文字或图形等，也无法看见，但是，在此照射紫外线时，则出现所描绘的文字或图形。彩色的黑笔(在照射紫外线时出现彩色的图形)也在市面上贩卖，但是，为了再显现彩色，因此，所照射的紫外线波长必须为400nm以下，更准确地说，必须为波长380nm以下。以往使用萤光灯黑色光或水银灯等作为光源，但是，有体积大、耗电量也大且电源也随之增大的缺点。
因此，在使用图1所示的发光元件装置(LED)来作为图形再现用光源时，也可以进行小型的电池驱动。以峰值波长400nm、385nm、372nm的LED来照射通过黑笔所描绘的图形，尝试进行图形的再现。照射光强度是大约5mW(400nm)、3mW(385nm)、1mW(372nm)。
在400nmLED时，图形虽出现但颜色并无再现，萤光强度也非常低，只是勉强看到的程度。在通过385nm LED来进行照射时，可得到清楚地看到图形形状程度的强萤光强度，但是，颜色并无再现。特别是红色的再现性差。另一方面，在波长372nm LED时，不论照射强度是否微弱至1mW，萤光强至即使在明亮的室内也能毫无问题地看清的程度，并且，能够忠实地再现3原色。
由这些而确认到：波长365～380nm带的LED是非常适合作为通过市售的黑笔(萤光笔)所描绘的图形的再现用光源。得到能够将本实施方式的LED和电池一起组装于钥匙挂圈或黑笔、橡皮擦等其他制品上而简单地进行再现的描绘看不见的文字或图形的系统。
<第3实施方式>
将来自本实施方式的LED的光，短时间地照射在人体的皮肤上，调查其影响。分别将峰值波长400nm(5mW)、385nm(3mW)、372nm(1mW)的LED光，照射皮肤10分钟，调查皮肤的变化(所谓晒黑)。结果，在峰值波长400nm(5mW)时，几乎未发现任何影响，相对地，在385nm(3mW)时，看到些轻微变化。另一方面，在372nm(1mW)时，看到清楚的痕迹。这个是表示波长365～380nm带的LED引起人体的晒黑。使用该LED来作为光源而制作晒黑装置。制作仅晒黑直径5mm点的装置以及将LED配置在长度3cm直线上而对于线条进行晒黑的装置，进行实验。任何一个装置是皆照射10分钟而得到晒黑。此外，在照射30分钟以上时，认为有皮肤损伤。
向来，晒黑装置是使用紫外线灯，因此，适合在照射面积大的用途上，但是，无法制作仅小区域的晒黑，例如必须进采取通过毛巾等来覆盖希望晒黑的部位以外等方法，利用本实施方式的晒黑装置，能够任意地制作点或线等的晒黑。
<第4实施方式>
对于涂敷市售的阻断UV用化妆品(SPF50+PA+++)的皮肤，通过将峰值波长372nm(1mW)的LED组装至光源的第3实施方式的晒黑装置而照射10分钟。结果，确认比起并无涂敷阻断UV用化妆品时，晒黑程度变得非常小。像这样，本实施方式的LED是也可以用作评价阻断UV用化妆品性能的装置。
以往，此种检查装置体积大，为了调查效果需要相当宽的皮肤表面。本实施方式的检查装置是正如前述实施方式所叙述的，能够在点或线等的任意形状或部位，制作晒黑，因此，也可以调查人体部位的每一个晒黑程度，或者是调查进行携带而经过长时间的照射效果。
<第5实施方式>
在时钟的文字盘或避难引导等的标示类中使用夜光材料。这个是利用在夜光剂接触到光时，即使是光消失，也利用萤光的继续进行，以便于即使是在黑暗中，也能够读取字等的构造。近年来，夜光时间也变长，而使得也出现3原色。例如已知在硫化锌中结合了铜的短残光型或者是在锶铝化物中结合了稀土类金属的长残光型等。这种夜光剂的感度，一般是波长400nm以下。因此，可以通过组合夜光剂和本实施方式的LED，通过重复地进行所谓仅在短时间来照射光而消失光的操作，以便于制作所耗电量非常小的显示装置。此外，也可以制成即使切断电源显示也不会消失(不挥发)的紧急用显示装置。
组合峰值波长400nm(5mW)、385nm(3mW)、372nm(1mW)的LED和3原色的夜光剂而制作显示装置。将夜光剂加工成为板状，由其背面而照射实施方式的LED光，观测来自表面的发光。重复地进行照射10分钟而仅在所决定的时间来切断照射的周期。即使是切断30分钟左右的照射，也在办公室程度的明亮房间，确认来自夜光剂的发光。此外，即使是在黑暗中，切断1小时左右，也可确认来自夜光剂的发光。在全部的波长下得到了同样的效果，但是，在使用峰值波长400nm(5mW)来作为光源时，残光最强。
像这样，通过使用波长365～400nm带的LED和夜光剂的显示装置，比起公知的显示装置，可显著地降低耗电量。
此外，就颜色的再现性进行了观测。峰值波长400nm(5mW)、385nm(3mW)的LED肉眼下为蓝色～紫色，因此，当夜光剂发出红色时，则两者相互混合而无法再现纯粹的红色。绿色也是同样的。另一方面，肉眼几乎看不到峰值波长372nm(1mW)的LED，因此，能够忠实地再现3原色。所以，使用波长365-380nm带的LED来作为光源并且使用夜光剂的显示装置，耗电量低，并且可再现全色。
<第6实施方式>
蛾等的昆虫的复眼对波长360nm具有峰值感度。现有市售的利用该性质并使用紫外线灯的昆虫驱除装置。将紫外线灯安装在街头，在其周边，安装昆虫驱除装置。紫外线灯也发射出可见光，因此，一般是可明亮地看到。此外，会有所谓耗电量大的问题产生。作为该昆虫收集用光源，使用的是实施方式的LED。峰值波长是372nm。在黑暗处设置LED，确认昆虫的聚集状况。同时，为了进行比较，在其他场所也设置了2W(瓦)的水银灯。为了节省LED的耗电量以及为了增加发光峰值强度，进行了峰值电流200mA、峰值输出大约10mW、脉冲幅宽10mS及重复频率10Hz(平均输出1mW)的脉冲驱动。观测到虽然光输出的LED比较小，但在LED收集到众多的昆虫。水银灯肉眼下为蓝色～紫色，但是，LED几乎用肉眼无法确认。由此而得知：作为昆虫收集用光源是可使用波长365～380nm带的LED。
于是，用LED取代市售的昆虫驱除装置的灯并制作了一个装置。使用200个波长为372nm的LED，与前述实验一样，进行脉冲驱动并进行操作。结果，能够在一个晚上，驱除相同于改造前的同样程度的昆虫。在光源中使用本实施方式的LED的昆虫驱除装置，耗电量小，LED变小，因此，具有在光源布置上自由度增加的优点。此外，肉眼几乎看不到，因此，也可以用于讨厌照明的环境。
以上，就本发明的实施方式进行了说明，但是，这些不过是例举，也可以使用本发明的LED来制作其他装置。例如也可以使用在用以辨别纸币的判定或纸币的真伪的装置或者是利用通过照射氧化钛所得到的光催化反应来净化空气或水。
此外，在本实施方式，能够使用AlGaN层来取代GaN层16，能够使用n型AlGaN层来取代n型GaN层18。此外，能够使用InGaN层来取代GaN层22，能够使用p型InGaN层来取代p型GaN层28。在GaN类层中，除了GaN层以外，还包含通过Al或In来取代了GaN中的Ga的AlGaN层或InGaN层。

Claims (19)

1.一种氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：该装置具有
基板，
形成在前述基板上、n型AlGaN层和n型GaN层交互层积而成的第1超晶格层，
形成在前述第1超晶格层上、GaN类量子阱层和GaN类量子阻挡层交互层积而成的多重量子阱层，以及
形成在前述多重量子阱层上、p型AlGaN层和p型GaN层交互层积而成的第2超晶格层；
并且前述多重量子阱层中的前述GaN类量子阻挡层的Al成分比，大于前述第1超晶格层和前述第2超晶格层的Al成分比。
2.如权利要求1所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：在前述基板和前述第1超晶格层之间，具有缓冲层、形成在前述缓冲层上的第1GaN类层以及形成在前述第1GaN类层上的n型GaN类层；
在前述第1超晶格层和前述多重量子阱层之间，具有第2GaN类层；
在前述第2超晶格层上，具有p型GaN层。
3.如权利要求2所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1GaN类层形成了在GaN层内插入了SiN层的构造，前述第2GaN类层具有AlGaN层。
4.如权利要求1所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1超晶格层及前述第2超晶格层中的AlGaN层的Al成分比是5％以上、25％以下，
前述多重量子阱层中的InGaN或AlInGaN量子阱层的In成分比是3％以上、20％以下，AlGaN或AlInGaN量子阻挡层的Al成分比是1％以上、30％以下，前述量子阱层的带隙小于前述量子阻挡层的带隙。
5.如权利要求1所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1超晶格层中的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1nm以上、10nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，
前述第2超晶格层中的AlGaN层的厚度为0.5nm以上、10nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、5nm以下。
6.如权利要求2所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1GaN类层的厚度为500nm以上、3000nm以下，
前述n型GaN类层的厚度为500nm以上、10000nm以下，
前述第1超晶格层的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1nm以上、10nm以下，
前述第2GaN类层的厚度为5nm以上、100nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，
前述第2超晶格层中的AlGaN层的厚度为0.5nm以上、10nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、5nm以下，
前述p型GaN类层的厚度为5nm以上、50nm以下。
7.如权利要求1所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1超晶格层中的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1.5nm以上、5nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，
前述第2超晶格层中的AlGaN层的厚度为1nm以上、6nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、3nm以下。
8.如权利要求2所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1GaN类层的厚度为1500nm以上、3000nm以下，
前述n型GaN类层的厚度为1000nm以上、2000nm以下，
前述第1超晶格层中的AlGaN层及GaN层的厚度分别为1.5nm以上、5nm以下，
前述第2GaN类层的厚度为20nm以上、40nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，
前述第2超晶格层中的AlGaN层的厚度为1nm以上、6nm以下，GaN层的厚度为0.5nm以上、3nm以下，
前述p型GaN类层的厚度为10nm以上、40nm以下。
9.一种氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：该装置具有
基板，
形成在前述基板上的n型AlGaN层，
形成在前述n型AlGaN层上、GaN类量子阱层和GaN类量子阻挡层交互层积而成的多重量子阱层，以及
形成在前述多重量子阱层上的p型AlGaN层；
并且前述多重量子阱层中的前述GaN类量子阻挡层的Al成分比，大于前述n型AlGaN层和前述p型AlGaN层的Al成分比。
10.如权利要求9所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：在前述基板和前述n型AlGaN层之间，具有缓冲层、形成在前述缓冲层上的第1GaN类层以及形成在前述第1GaN类层上的n型GaN类层；
在前述n型AlGaN层和前述多重量子阱层之间，具有第2GaN类层；
具有形成在前述p型AlGaN层上的p型GaN类层。
11.如权利要求9所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述n型AlGaN层及p型AlGaN层的Al成分比是5％以上、25％以下，
前述多重量子阱层中的InGaN或AlInGaN量子阱层的In成分比是3％以上、20％以下，AlInGaN或AlGaN量子阻挡层的Al成分比是1％以上、30％以下，前述量子阱层的带隙小于前述量子阻挡层。
12.如权利要求9所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述n型AlGaN层的厚度为50nm以上、500nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，
前述p型AlGaN层的厚度为50nm以上、500nm以下。
13.如权利要求10所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1GaN类层的厚度为500nm以上、3000nm以下，
前述n型GaN类层的厚度为500nm以上、10000nm以下，
前述n型AlGaN层的厚度为50nm以上、500nm以下，
前述第2GaN类层的厚度为5nm以上、100nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、5nm以下，量子阻挡层的厚度为2nm以上、50nm以下，
前述p型AlGaN层的厚度为50nm以上、500nm以下，
前述p型GaN类层的厚度为5nm以上、50nm以下。
14.如权利要求9所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述n型AlGaN层的厚度为70nm以上、300nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，
前述p型AlGaN层的厚度为70nm以上、200mm以下。
15.如权利要求10所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：前述第1GaN类层的厚度为1500nm以上、3000nm以下，
前述n型GaN类层的厚度为1000nm以上、2000nm以下，
前述n型AlGaN层的厚度为70nm以上、300nm以下，
前述第2GaN类层的厚度为20nm以上、40nm以下，
前述多重量子阱层中的量子阱层的厚度为1nm以上、2nm以下，量子阻挡层的厚度为6nm以上、20nm以下，
前述p型AlGaN层的厚度为70nm以上、200nm以下，
前述p型GaN类层的厚度为10nm以上、40nm以下。
16.一种氮化镓类化合物半导体装置的制造方法，是通过MOCVD法制造如权利要求2所述的装置的方法，其特征在于：在前述基板上，于450℃以上、600℃以下的温度下形成前述缓冲层；
在前述缓冲层上，于1050℃以上、1100℃以下的温度下依次形成前述第1GaN类层、前述n型GaN类层和前述第1超晶格层；
在前述第1超晶格层上，于800℃以上、900℃以上的温度下依次形成前述第2GaN类层和前述多重量子阱层；
在前述多重量子阱层上，于950℃以上、1025℃以下的温度下依次形成前述第2超晶格层和前述p型GaN类层。
17.一种氮化镓类化合物半导体装置的制造方法，是通过MOCVD法制造如权利要求10所述的装置的方法，其特征在于：在前述基板上，于450℃以上、600℃以下的温度下形成前述缓冲层；
在前述缓冲层上，于1050℃以上、1100℃以下的温度下依次形成前述第1GaN类层、前述n型GaN类层和前述n型AlGaN层；
在前述n型AlGaN层上，于800℃以上、900℃以下的温度下依次形成前述第2GaN类层和前述多重量子阱层；
在前述多重量子阱层上，于950℃以上、1025℃以下的温度下依次形成前述p型AlGaN层和前述p型GaN类层。
18.如权利要求2或10所述的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：具有连接在前述n型GaN类层上的n电极、连接在前述p型GaN类层上的p电极、以及在前述n电极和p电极间施加电压的电源。
19.一种装置，该装置将如权利要求18所述的装置用作光源，照射波长为400nm以下的光。
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