CN100375301C - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

可提高发光特性的半导体发光元件，在低电阻的硅衬底上设有缓冲层、n型半导体层、多重阱结构活性层(4)、p型半导体层。多重阱结构活性层(4)由以下部分构成：由多个InyGa1-yN构成的第一势垒层(7)，由多个AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)，以及由InxGa1-xN构成的阱层(8)，由Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)。第一辅助层(9)和第二辅助层(10)防止In的蒸发或扩散。

Description

半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种利用氮化物系化合物半导体的半导体发光元件。
背景技术
利用氮化物系化合物半导体的具有高亮度发光特性的半导体发光元件，例如在日本的特开平8-264832号公报以及特开2001-313421号公报等中公开。在这种半导体发光元件的发光层上，使用InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)等的氮化镓系化合物半导体时，能够发生从紫外光到绿色光的波长区的光。
一般，传统半导体发光元件包含由蓝宝石、碳化硅或硅等形成的衬底和在该衬底上形成的多个氮化镓系化合物半导体层。例如，采用蓝宝石衬底的半导体发光元件，在蓝宝石衬底上，依次设有GaN缓冲层、掺杂Si的n型GaN接触层、n型AlGaN半导体层、量子阱结构的活性层、p型AlGaN半导体层、掺杂Mg的p型GaN接触层。
众所周知，量子阱结构有多重量子阱(MQW：Multi QuantumWell)结构和单一量子阱(SQW：Single Quantum Well)结构。各量子阱结构的活性层，例如有含较大比例In(铟)的InGaN构成的阱层(well layer)和含较小比例In(铟)的InGaN构成的势垒层(barrierlayer)。
但是，量子阱结构中的阱层的生长温度，为满足抑制In的分解及确保良好的结晶质量这两方面，一般定为800℃或比它低的温度。一般，势垒层也以与阱层基本相同的生长温度形成。以与阱层基本相同的温度形成的势垒层的结晶性并不好。若势垒层的结晶性差，则不能用势垒层充分地防止阱层中In的蒸发，结果，使阱层的结晶性也恶化。另外，因在阱层和势垒层的界面上的阱层中In和势垒层中Ga的相互扩散导致阱层的有效厚度不匀，使得在发光波长上产生色散。并且，活性层形成后一般在1100℃左右使p型GaN层结晶生长。因此，若势垒层的结晶性差，则p型GaN层结晶生长时，阱层中In的蒸发以及阱层和势垒层的界面上的阱层中In和势垒层中Ga的相互扩散被进一步促进。并且，还产生从p型GaN层到活性层的杂质(例如Mg)扩散，可能使活性层的结晶性恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供具有改善的量子阱结构的活性层的半导体发光元件及其制造方法。
为达成上述目的，本发明的具有量子阱结构的活性层的半导体发光元件的制造方法中包括：
准备第一导电型半导体层的工序，以及
形成量子阱结构的活性层的工序，该工序包括用有机金属化学气相生长法在所述第一导电型半导体层上形成由InyGa1-yN(其中y是满足0＜y≤0.5的数值)构成的第一势垒层的第一工序，用有机金属化学气相生长法在所述第一势垒层上形成由AlaGabIn1-a-bN(其中a、b是满足0＜a、b＜1、a+b≤1的数值)构成的第一辅助层的第二工序，用有机金属化学气相生长法在所述第一辅助层上形成由InxGa1-xN(其中x是满足0＜x≤0.5且y＜x的数值)构成的阱层的第三工序，用有机金属化学气相生长法在所述阱层上形成由Ala′Gab′In1-a′-b′N(其中a′、b′是满足0＜a′、b′＜1、a′+b′≤1的数值)构成的第二辅助层的第四工序，以及用有机金属化学气相生长法在所述第二辅助层上形成由InyGa1-yN(其中y是满足0＜y≤0.5的数值)构成的第二势垒层的第五工序。
另外，依据本发明的半导体发光元件中，依次设有第一导电型半导体层、量子阱结构的活性层和第二导电型半导体层，其中的所述活性层由以下部分构成：
在所述第一导电型半导体层上配置的由InyGa1-yN(其中y是满足0＜y≤0.5的数值)构成的第一势垒层，
在所述第一势垒层上配置的由AlaGabIn1-a-bN(其中a、b是满足0＜a、b＜1、a+b≤1的数值)构成的第一辅助层，
在所述第一辅助层上配置的由InxGa1-xN(其中x是满足0＜x≤0.5且y＜x的数值)构成的阱层，
在所述阱层上配置的由Ala′Gab′In1-a′-b′N(其中a′、b′是满足0＜a′、b′＜1、a′+b′≤1的数值)构成的第二辅助层，以及
在所述第二辅助层上配置的由InyGa1-yN(其中y是满足0＜y≤0.5且y＜x的数值)构成的第二势垒层。
依据本发明，利用由Ala′Gab′In1-a′-b′N即氮化铝系化合物半导体构成的第二辅助层的作用来抑制阱层中In等的蒸发，并且，抑制阱层中In和势垒层中Ga的相互扩散。另外，利用由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层的作用来抑制阱层中In和势垒层中Ga的相互扩散。因此，能够很好地防止活性层的结晶性的恶化。
还有，为了获得多重量子阱结构的活性层，最好在所述第二势垒层上，再配置多层具有与所述第一势垒层、所述第一辅助层、所述阱层、所述第二辅助层和所述第二势垒层相同的功能的层。
另外，由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层中Al的比例a′最好大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层中Al的比例a。如此，当第二辅助层的Al的比例a′大于第一辅助层中Al的比例a时，能够将活性层全体的电阻值抑制得较低且很好地防止阱层中In等的蒸发以及扩散。即，随着由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层与由Ala′Gab′In1-a′ -b′N构成的第二辅助层中的Al的混合比例a和a′的增大，防止In等的蒸发以及相互扩散的作用变大。但是，随着Al的混合比例的增大，第一和第二辅助层的电阻值变大。因此，将重点放在防止In的蒸发时，最好使由Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层中Al的比例a′大于由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层中Al的比例a。从而，能够合理地解决In的蒸发问题和In及Ga的相互扩散问题。
另外，最好使由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层的形成厚度大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层。由此，能够得到与上述的使第二辅助层中Al的比例a′大于第一辅助层中Al的比例a时同样的效果。
另外，在所述第一导电型半导体层或所述第一导电型半导体层与衬底之间配置的缓冲层，可由如下两层的复合层构成：即由AlxGa1 -xN(其中x是满足0＜x≤1的数值)构成的具有产生量子力学上的隧道效应的厚度的第一层和由AlyGa1-yN(其中y是满足y＜x且0≤y＜1的数值)构成的具有厚于所述第一层的10nm～500nm厚度的第二层。由此，能够抑制所述第一导电型半导体层或所述缓冲层的电阻的增大。
附图说明
图1是概略表示本发明第一实施例的发光二极管的中央纵剖视图。
图2是表示图1的缓冲层的一部分的放大剖视图。
图3是表示图1的活性层的一部分的放大剖视图。
图4是概略表示本发明第二实施例的发光二极管的中央纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照图1～图3就本发明的第一实施例的作为氮化镓系化合物半导体发光元件的发光二极管及其制造方法进行说明。
图1中概略表示的本发明的第一实施例的发光二极管，其中有：由掺杂的单晶硅衬底构成的低电阻衬底1、n型缓冲层2、作为第一导电型半导体层的n型半导体层3、活性层4、作为第二导电型半导体层的p型半导体层5、作为第一电极的阳电极6a和作为第二电极的阴电极6b。还有，n型半导体层3还被称为n型包层，并且p型半导体层5也被称为p型包层。另外，n型缓冲层2可认为是第一导电型半导体层的一部分。
衬底1由包含作为导电型确定杂质的例如As(砷)的n型单晶硅构成。该衬底1的配置了缓冲层2侧的主面1a是用密勒指数(millerindex)表示的结晶的面方位中(111)最佳(just)面。该衬底1的杂质浓度为5×1018cm-3～5×1019cm-3左右，该衬底1的电阻率为0.0001Ω·cm～0.01Ω·cm左右。电阻率较低的衬底1作为阳电极6a和阴电极6b之间的电流通路起作用。另外，衬底1的厚度在较厚处约为350μm，作为由缓冲层2、n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5构成的主半导体区域的支撑物起作用。缓冲层2从整体看时作为n型半导体起作用。
整个覆盖衬底1的一侧主面1a而配置的缓冲层2，在图1中用一层概略表示，但如图2所示，实际上由多个第一层2a和多个第二层2b交互层叠的复合层构成。本实施例中，缓冲层2由50个第一层2a和50个第二层2b构成。
第一层2a由可用化学式AlxGa1-xN(其中x是满足0＜x≤1的任意数值)表示的材料形成。即，第一层2a由AlN(氮化铝)或AlGaN(氮化铝镓)形成。本实施例中，第一层2a使用相当于上述式的x为1的材料的AlN(氮化铝)。第一层2a具有绝缘性且具有可得到量子力学的隧道效应的极薄的厚度。第一层2a的晶格常数和热膨胀系数比第二层2b接近硅衬底1。因而，第一层2a的缓冲作用大于第二层2b。
第二层2b由可用化学式AlyGa1-yN(其中y是满足y＜x、0≤y＜1的任意数值)表示的半导体材料上掺杂n型导电型确定杂质而构成。即，第二层2b由包含n型导电型确定杂质的GaN(氮化镓)或AlGaN(氮化铝镓)构成。第二层2b的厚度大于第一层2a的厚度。在第二层2b使用n型AlGaN时，为抑制第二层2b的电阻的增大，y最好满足0＜y＜0.8，即大于0且小于0.8。第二层2b作为电连接第一层2a的导电体或半导体起作用。
缓冲层2的第一层2a的厚度最好是0.5nm～10nm即5～100埃，若为1nm～8nm则更理想。若第一层2a的厚度小于0.5nm，则不能很好地确保所有在缓冲层2的上面形成的n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5的平坦性。若第一层2a的厚度超过10nm，则不能得到良好的量子力学的隧道效应，且缓冲层2的电阻增大。
第二层2b的厚度最好为10nm～500nm即100～5000埃，若为10nm～300nm则更理想。若第二层2b的厚度小于10nm，则衬底1和第二层2b之间的能带的不连续性较大，发光元件工作时的阳电极6a和阴电极6b之间的电阻和电压较大。另外，若第二层2b的厚度小于10nm，则不能良好地实现在第二层2b上侧形成的第一层2a和在第二层2b下侧形成的另一第一层2a之间的电连接，缓冲层2的电阻增大。若第二层2b的厚度超过500nm，则对整个缓冲层2而言第一层2a所占的比例下降，缓冲功能相对变小，且不能很好地保持缓冲层2上的半导体区域的平坦性。缓冲层2对其上形成的n型半导体层3、活性层4、p型半导体层5的结晶性与平坦性的改善作出贡献。
在缓冲层2以上配置的n型半导体层3，例如由n型AlxGa1-xN(其中x是满足0≤x＜1的数值)构成的氮化镓系化合物半导体，即n型GaN(氮化镓)或n型AlGaN(氮化铝镓)形成。还有，本实施例的n型半导体层3由相当于x＝0的n型GaN构成。
在n型半导体层3上形成的多重阱即MQW(Multi-QuantumWell)结构的活性层4，在图1中用一层概略表示，但实际上如图3所示，是多个势垒层7、多个阱层8、多个第一和第二辅助层9、10的层叠物。即在从活性层4的n型半导体层3侧的主面4a到p型半导体层5侧主面4b的方向上，重复配置由势垒层7、第一辅助层9、阱层8和第二辅助层10构成的组合，并且在该组合上配置势垒层7。换言之，在提供活性层4的n型半导体层侧主面4a的最下侧的势垒层7上，重复配置由第一辅助层9、阱层8、第二辅助层10、势垒层7的组合。本实施例中，阱层8、第一和第二辅助层9、10分别为15层，势垒层7为16层。本发明中，将衬底1正上方的势垒层7称为第一势垒层，并将在第一势垒层上隔着第一辅助层9、阱层8和第二辅助层10配置的势垒层7称为第二势垒层。即，以阱层8为基准，在n型半导体层3侧配置的势垒层7称为第一势垒层，在p型半导体层5侧配置的势垒层7称为第二势垒层。若用第一和第二势垒层的命名方式表现活性层4的结构时，则可说成：活性层4包括第一势垒层7、第一辅助层9、阱层8、第二辅助层10和第二势垒层7，另外，在第二势垒层7之上，有多个与第一辅助层9、阱层8、第二辅助层10和第二势垒层7相同功能的层。
各势垒层7由可用化学式InyGa1-yN(其中y是满足0＜y≤0.5的数值)表示的氮化铟镓化合物半导体构成。该势垒层7中的y的范围以0.01～0.1为宜，最好是0.01～0.05。本实施例中，各势垒层7由相当于y＝0.03的In0.03Ga0.97N形成。各势垒层7的厚度最好为5～20nm，本实施例中为10nm。各势垒层7在能带图中具有比阱层8大的带隙。
各阱层8由可用化学式InxGa1-xN(其中x是满足0＜x≤0.5、x＞y的数值)表示的氮化铟镓化合物半导体构成。为获得比势垒层7小的带隙，该阱层8具有比势垒层7中的In的混合比y大的In的混合比x。阱层8中的x的理想范围是0.01～0.4，最好是0.02～0.3。本实施例中，各阱层8由相当于x＝0.2的In0.2Ga0.8N形成。各阱层8的厚度最好为1～10nm，本实施例中为3nm。
在各阱层8和其下侧的第一势垒层7之间配置的第一辅助层9，用于抑制第一势垒层7中Ga和阱层8中In的相互扩散，由可用化学式AlaGabIn1-a-bN(其中a、b是满足0＜a、b＜1、a+b≤1的数值)表示的包含Al的氮化物系化合物半导体形成。即，第一辅助层9由AlN(氮化铝)或AlGaN(氮化铝镓)或AlGaInN(氮化铝镓铟)构成。Al的比例a的理想的范围是0.01～0.9，最好是0.1～0.7。本实施例的第一辅助层9由对应于a＝0.5、b＝0.5的Al0.5Ga0.5N构成。第一辅助层9中的Al的比例a小于第二辅助层10的Al的比例a′。第一辅助层9的理想厚度是0.1～20nm，最好是0.5～1.5nm，本实施例中采用0.8nm。该第一辅助层9的形成厚度小于第二辅助层10。
在阱层8和其上侧的第二势垒层7之间配置的第二辅助层10，主要用于抑制阱层8中In的蒸发，由可用化学式Ala′Gab′In1-a′-b′N(其中a′、b′是满足0＜a′、b′≤1、a′+b′≤1、a′＞a的数值)表示的包含Al的氮化物系化合物半导体形成。即，第二辅助层10由AlN(氮化铝)或AlGaN(氮化铝镓)或AlGaInN(氮化铝镓铟)构成。第二辅助层10中Al的比例a′的理想范围是0.01～1，最好是0.1～1，本实施例中a′＝1、b′＝0。因而，本实施例的第二辅助层10由AlN构成。为了用第二辅助层10达成良好抑制In的蒸发，最好将Al的比例a′设定为大于第一辅助层9中Al的比例a且将第二辅助层10的厚度设定为大于第一辅助层9。第二辅助层10的厚度最好是0.5～3nm，更好是1～2nm，本实施例中设定为1.5nm。
从上述可知：第一辅助层9的功能主要是抑制第一势垒层7中Ga和阱层8中In的相互扩散，第二辅助层10的功能主要是抑制阱层8中In(铟)的蒸发。第一和第二辅助层9、10中Al(铝)具有抑制上述相互扩散和抑制In蒸发这两个方面的功能。但是，Al(铝)的比例a、a′变大时，第一和第二辅助层9、10的电阻增大。另外，随着第一和第二辅助层9、10厚度的增大，第一和第二辅助层9、10的电阻增大。因此，需要限制第一和第二辅助层9、10中Al(铝)的比例a、a′与第一和第二辅助层9、10的厚度。基于用第二辅助层10中的Al的In的蒸发抑制来改善活性层4的发光特性的效果，优于基于用第一辅助层9中的Al的相互扩散抑制来改善活性层4的发光特性的效果。因而，最好将第二辅助层10中Al的比例a′设定为大于第一辅助层9中Al的比例a，并将第二辅助层10的厚度设成大于第一辅助层9。
在活性层4上配置的p型半导体层5，最好由可用化学式AlyGa1-yN(其中y是满足0≤y＜1的数值)表示的GaN(氮化镓)或AlGaN(氮化铝镓)上掺杂p型杂质而构成。本实施例的p型半导体层5由对应于y＝0的p型GaN构成。还有，在活性层4和p型半导体层5之间可以隔着p型AlGaN层等的其它氮化镓系化合物半导体层。
阳电极6a配置于p型半导体层5上面的中央且与p型半导体层5电连接。还有，可在p型半导体层5和阳电极6a之间设置p型接触层。另外，可在活性层4和阳电极6a之间设置公知的电流限制层。阴电极6b配置于衬底1的下面且与衬底1电连接。
接着就本发明的第一实施例的发光二极管的制造方法进行说明。
首先，准备导入了n型杂质的由n+型硅半导体构成的衬底1。用以形成缓冲层2的硅衬底1的一个主面1a在密勒指数表示的结晶的面方位中是(111)最佳面，即正确的(111)面。但是，可使衬底1的主面1a相对于(111)最佳面在数度的角度范围内倾斜。
接着，在衬底1的主面1a上形成作为第一导电型半导体层的一部分的缓冲层2。该缓冲层2用公知的MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition)即有机金属化学气相生长法，将由AlN构成的第一层2a和由GaN构成的第二层2b重复层叠而形成。即，将单晶硅的衬底1配置在MOCVD装置的反应室内，首先，实施热退火后去除表面的氧化膜。接着，向反应室内供给TMA(三甲基铝)气体和NH3(氨)气体约2.7秒钟，衬底1的一个主面上形成厚度约5nm的由AlN层构成的第一层2a。本实施例中将衬底1的加热温度设成1120℃后，TMA气体的流量即Al的供给量设成约63μmol/min，将NH3气体的流量即NH3的供给量设成约0.14mol/min。接着，将衬底1的加热温度设为1120℃，自停止TMA气体供给后向反应室内供给TMG(三甲基镓)气体、NH3(氨)气体和SiH4(硅烷)气体约83秒钟，在衬底1的一个主面上形成的由上述AlN构成的第一层2a的上面，形成厚度约30nm的由n型的GaN构成的第二层2b。这里，SiH4气体用于向形成膜中导入作为n型杂质的Si。本实施例中，设定TMG气体的流量即Ga的供给量为约63μmol/min、NH3气体的流量即NH3的供给量为约0.14mol/min、SiH4气体的流量即Si的供给量为约21nmol/min。本实施例中，重复50次形成上述的由AlN构成的第一层2a和由GaN构成的第二层2b，形成由AlN构成的第一层2a和由GaN构成的第二层2b交互层叠100层的缓冲层2。显然，可以将由AlN构成的第一层2a、由GaN构成的第二层2b分别改为25层等的任意数。
接着，用公知的MOCVD法在缓冲层2的上面依次连续形成n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5。
即，将在上面形成了缓冲层2的衬底1配置在MOCVD装置的反应室内，向反应室内首先供给三甲基镓气体即TMG气体、NH3(氨)气体、SiH4(硅烷)气体，在缓冲层2上面形成由n型GaN构成的n型半导体层3。这里，硅烷气体用于向n型半导体层3中导入作为n型杂质的Si。本实施例中将形成了缓冲层2的衬底1的加热温度设成1040℃后，TMG气体的流量即Ga的供给量设为约4.3μmol/min，NH3气体的流量即NH3的供给量设为约53.6mmol/min，硅烷气体的流量即Si的供给量设为约1.5nmol/min。另外，本实施例中，n型半导体层3的厚度设为约0.2μm。采用传统的一般发光二极管时，n型半导体层的厚度为约4.0～5.0μm，相比之下，图1的n型半导体层3形成地更薄。另外，n型半导体层3的杂质浓度约3×1018cm-3，比衬底1的杂质浓度充分低。还有，依据本实施例由于隔着缓冲层2，因此能够在如1040℃那样的较高温度下形成n型半导体层3。
接着如图3所示，形成活性层的4。首先，用MOCVD法在n型半导体层3上形成由InyGa1-yN构成的势垒层7。即，将衬底1的加热温度设成800℃，向反应室内除了TMG气体、氨气体外，还供给三甲基铟气体(以下，称为TMI气体)，在n型半导体层3上面例如由In0.03Ga0.97N构成的氮化铟镓化合物半导体的势垒层7。该工序中的TMG气体的供给量是1.1μmol/min，TMI气体的供给量是1.0μmol/min。势垒层7的厚度约10nm。还有，活性层4所包含的其它势垒层7也以同样的方法形成。
接着，用MOCVD法在势垒层7上形成由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层9。本实施例中，作为第一辅助层9形成对应于a＝0.5、b＝0.5的Al0.5Ga0.5N。即，除了TMG气体、氨气体外，还向反应室供给三甲基铝气体(以下，称为TMA气体)，用MOCVD法形成Al0.5Ga0.5N。此时的TMG气体的供给量是1.1μmol/min，TMA气体的供给量是1.2μmol/min。还有，活性层4所包含的第一辅助层9也以同样的方法形成。
接着，用MOCVD法在第一辅助层9上形成由InxGa1-xN构成的阱层8。即，除了TMG气体、氨气体外，还向反应室供给TMI气体，在第一辅助层9上面例如形成由In0.2Ga0.8N构成的氮化铟镓化合物半导体的阱层8。该工序中的TMG气体的供给量是1.1μmol/min，TMI气体的供给量是4.5μmol/min。阱层8的厚度约3nm。还有，活性层4所包含的阱层8也以同样的方法形成。
接着，用MOCVD法在阱层8上形成由Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层10。本实施例中作为第二辅助层10形成对应于a′＝1、b′＝0的AlN。即，除氨气体外还向反应室供给三甲基铝气体(TMA气体)，用MOCVD法形成AlN。此时的TMA气体的供给量为2.4μmol/min。还有，在活性层4所包含的第二辅助层10也以同样的方法形成。
接着，设衬底1的加热温度为1040℃，向反应室内供给TMG气体、氨气体和二茂镁气体(以下，称为Cp2Mg气体)，在活性层4上面形成由p型GaN(氮化镓)构成的p型半导体层5。这里，Cp2Mg气体用于向半导体层5中导入作为p型导电型杂质的Mg(镁)。本实施例中，此时的TMG气体的流量为约4.3μmol/min、氨气体的流量为约53.6μmol/min、Cp2Mg气体的流量为约0.12μmol/min。p型半导体层5的厚度约0.2μm，另外，p型半导体层5的杂质浓度约3×1018cm-3。
依据上述的MOCVD生长方法，能够形成使由单晶硅构成的衬底1的结晶方位良好继续的缓冲层2。另外，能够使n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5的结晶方位相对于缓冲层2的结晶方位一致。
作为第一电极的阳电极6a，例如用公知的真空蒸镀法等将镍和金附着在p型半导体层5上面而形成，与p型半导体层5的表面以低电阻接触。在p型半导体层5上面未形成阳电极6a的区域作为出光区域起作用。
作为第二电极的阴电极6b，例如用公知的真空蒸镀法等将钛和铝形成在衬底1的整个下表面上。
本实施例的发光元件即发光二极管具有如下效果。
(1)由于在多重阱结构的活性层4的阱层8与其上的势垒层7之间配置了具有阻止In蒸发的功能的第二辅助层10，因此在阱层8上用MOCVD法形成第二势垒层7时可由第二辅助层10抑制阱层8的In蒸发。从而，能够很好地保持阱层8的结晶性且防止因势垒层7上进入阱层8的In导致的势垒层7的结晶性的恶化，并能够提供发光特性良好的发光元件。
(2)由于在活性层4的阱层8与其下方势垒层7之间配置具有阻止In和Ga扩散的功能的第一辅助层9，能够在比活性层4的形成工序、p型半导体层5的形成工序和在p型半导体层5的形成之后的工序中选择的一个或多个或全部工序中的热处理中，防止势垒层7中Ga和阱层8中In的相互扩散。还有，第二辅助层10也与第一辅助层9一样具有防止势垒层7中Ga和阱层8中In的相互扩散的功能。从而，能够很好地保持势垒层7和阱层8的结晶性，并提供发光特性良好的发光元件。
(3)由于使第二辅助层10的Al的混合比大于第一辅助层9的Al的混合比且第二辅助层10的厚度大于第一辅助层9的厚度，可良好地抑制阱层8中In的蒸发。另外，由于使第一辅助层9的Al的混合比小于第二辅助层10中Al的混合比且第一辅助层9的厚度小于第二辅助层10的厚度，能够抑制第一辅助层9的电阻增大。
(4)通过第一和第二辅助层9、10，能够抑制p型半导体层5的导电确定杂质向活性层4的扩散，并能够防止活性层4的结晶恶化。
(5)由于缓冲层2的由AlN构成的第一层2a的晶格常数具有硅衬底1和GaN之间的值，由AlN构成的第一层2a能够使硅衬底1的结晶方位良好地继续。结果，在缓冲层2的一侧主面上，能够使n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5等的GaN系半导体在结晶方位取得一致后良好地形成。因此，发光特性良好。
(6)隔着第一层2a和第二层2b层叠多层而构成的缓冲层2形成n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5等时，它们的平坦性良好。即，在由硅构成的衬底1的一侧主面，若形成仅由GaN半导体层构成的缓冲层，则由于硅和GaN的晶格常数差较大，在该缓冲层上面不能形成平坦性良好的n型半导体层3等的GaN系半导体区域。另外，若仅用较厚的AlN形成缓冲层，则缓冲层的电阻会变大。若仅用较薄的AlN形成缓冲层，则得不到充分的缓冲作用。与之相比，本实施例中，在衬底1和n型半导体层3等的GaN系半导体区域之间隔着与硅的晶格常数差较小的由AlN构成的多个第一层2a，且设有在第一层2a的相互之间隔着第二层2b的复合结构的缓冲层2。因此，能够在缓冲层2上形成平坦性和结晶性良好的n型半导体层3等的GaN系半导体区域。结果，发光特性良好。
(7)在缓冲层2所包含的多个第一层2a各自以产生量子力学的隧道效应的厚度设定，因此能够抑制缓冲层2的电阻增大。
(8)能够抑制因硅衬底1和n型半导体层3等的GaN系半导体区域的热膨胀系数之差而导致的变形的发生。即，由于硅的热膨胀系数和GaN的热膨胀系数相差较大，在直接将两者层叠时容易因热膨胀系数差而发生变形。但是，本实施例的由AlN构成的第一层2a的热膨胀系数，具有硅衬底1的热膨胀系数和n型半导体层3等的GaN系半导体区域的热膨胀系数的中间值。另外，由第一层2a和第二层2b的复合层构成的缓冲层2的平均热膨胀系数，具有衬底1的热膨胀系数和n型半导体层3等的GaN系半导体区域的热膨胀系数的中间值。因此，能够通过该缓冲层2抑制因衬底1与n型半导体层3等的GaN半导体区域的热膨胀系数之差而发生的变形。
(9)由于第二层2b的厚度设定为10nm以上的30nm，抑制了第二层2b的价电子带和导带中的离散的能级的发生，并抑制与第二层2b中的载流子传导相关的能级的增大。即，防止第一层2a和第二层2b成为超晶格状态。结果，抑制了在衬底1和第二层2b之间能带不连续性的恶化，阳电极6a和阴电极6b之间的电阻与电压降低。
接着，就图4所示的第二实施例的发光二极管进行说明。但是，图4中实质上与图1相同的部分上采用相同的符号，省略其说明。
图4所示的第二实施例的发光二极管与图1的第一实施例的发光二极管的不同点在于不具有与n型半导体层3相当的层，其它结构与图1的第一实施例的发光二极管相同。图4中活性层4直接配置在n型缓冲层2上。因而，图4的n型缓冲层2作为本发明的第一导电型半导体层起作用。与图1的隔着层厚的n型半导体层3形成活性层4时相比，图4的发光二极管具有缓解加到活性层4上拉伸应力的效果。因此，活性层4的结晶性变好，发光元件的发光特性更加好。
本发明并不限于上述实施例，例如可作如下的变形。
(1)除了单晶硅以外，衬底1还可以采用多晶硅或SiC等的硅化合物或蓝宝石。
(2)可以采用其导电型与硅衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、活性层4和p型半导体层5的实施例相反的形态。
(3)缓冲层2、n型半导体层3、p型半导体层5可分别采用从GaN(氮化镓)、AlInN(氮化铝铟)、AlGaN(氮化铝镓)、InGaN(氮化铟镓)和AlInGaN(氮化铝镓铟)中选择的氮化镓系化合物半导体或氮化铟系化合物半导体。
(4)n型半导体层3和p型半导体层5可分别由多个半导体层的组合构成。
(5)阳电极6a可作成透明电极。
(6)可以使缓冲层2的第一层2a的层数比第二层2b多一层并将缓冲层2的最上层设成第一层2a。另外，也可相反地使第二层2b的层数比第一层2a的层数多一层。
(7)可以不用多重量子阱结构而用单一量子阱结构。这时，由一个阱层8、第一和第二势垒层7以及第一和第二辅助层9、10形成活性层。
(8)可对从活性层4中的势垒层7、第一辅助层9、阱层8以及第二辅助层10选择的一个或多个或全部层上掺杂n型杂质或p型杂质。
(9)可将阴电极6b直接连接到缓冲层2。
产业上的利用可能性
本发明可应用于发光二极管等的半导体发光元件。

Claims (9)

1.一种具有量子阱结构活性层的半导体发光元件的制造方法，其特征在于包括：
准备第一导电型半导体层(3)的工序，以及
形成量子阱结构的活性层(4)的工序，该工序包括用有机金属化学气相生长法在所述第一导电型半导体层(3)上形成由InyGa1-yN构成的第一势垒层(7)的第一工序，其中y是满足0＜y≤0.5的数值；用有机金属化学气相生长法在所述第一势垒层(7)上形成由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)的第二工序，其中a、b是满足0＜a≤1、0≤b＜1、0＜a+b≤1的数值；用有机金属化学气相生长法在所述第一辅助层(9)上形成由InxGa1-xN构成的阱层(8)的第三工序，其中x是满足0＜x≤0.5且y＜x的数值；用有机金属化学气相生长法在所述阱层(8)上形成由Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)的第四工序，其中a′、b′是满足0＜a’≤1、0≤b’＜1、0＜a’+b’≤1的数值；以及用有机金属化学气相生长法在所述第二辅助层(10)上形成由InyGa1-yN构成的第二势垒层(7)的第五工序，其中y是满足0＜y≤0.5的数值。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于：在所述第五工序后还包括通过重复与所述第二、第三、第四和第五工序相同的工序形成多重量子阱结构的活性层(4)的工序。
3.如权利要求1或权利要求2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于：由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)中Al的比例a′大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)中Al的比例a。
4.如权利要求1或权利要求2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于：使由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)的形成厚度大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)。
5.一种依次设有第一导电型半导体层(3)、量子阱结构的活性层(4)和第二导电型半导体层(5)的半导体发光元件，其特征在于：
所述活性层(4)包括以下部分：
在所述第一导电型半导体层(3)上配置的由InyGa1-yN构成的第一势垒层(7)，其中y是满足0＜y≤0.5的数值；
在所述第一势垒层(7)上配置的由AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)，其中a、b是满足0＜a≤1、0≤b＜1、0＜a+b≤1的数值；
在所述第一辅助层(9)上配置的由InxGa1-xN构成的阱层(8)，其中x是满足0＜x≤0.5且y＜x的数值；
在所述阱层(8)上配置的由Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)，其中a′、b′是满足0＜a’≤1、0≤b’＜1、0＜a’+b’≤1的数值；以及
在所述第二辅助层(10)上配置的由InyGa1-yN构成的第二势垒层(7)，其中y是满足0＜y≤0.5且y＜x的数值。
6.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于：为了获得多重量子阱结构的活性层，所述活性层中还包含多层在所述第二势垒层上形成的具有与所述第一辅助层(9)、所述阱层(8)、所述第二辅助层(10)和所述第二势垒层(7)相同功能的层。
7.如权利要求5或权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于：使由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)中Al的比例a′大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)中Al的比例a。
8.如权利要求5或权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于：使由所述Ala′Gab′In1-a′-b′N构成的第二辅助层(10)的形成厚度大于由所述AlaGabIn1-a-bN构成的第一辅助层(9)。
9.如权利要求5或权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述第一导电型半导体层由以下两层的复合层构成：
由AlxGa1-xN构成的具有产生量子力学上的隧道效应的厚度的第一层(2a)，其中x是满足0＜x≤1的数值；以及
由AlyGa1-yN构成的厚于所述第一层(2a)的、具有10nm～500nm厚度的第二层(2b)，其中y是满足y＜x且0≤y＜1的数值。
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