CN100490199C - Ⅲ族氮化物半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
一种III族氮化物半导体发光元件，其包含具有由III族氮化物半导体形成的多量子阱结构的发光层。该发光层具有多个阱层，并且该多个阱层形成为具有彼此相同的发射波长。
Description
本申请基于日本专利申请No.2006-106805，其全文经引用并入本文。
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体发光元件，具体涉及利用具有例如InGaN层的阱层的MQW(多量子阱)结构作为发光层的III族氮化物半导体发光元件。
背景技术
近年来，使用半导体元件(发光元件)如LED(发光二极管)和LD(激光二极管)的发光装置已广泛地用作光源，因为它们具有比灯泡更小的体积、更优异的功率效率或更长的寿命。
在这种半导体发光元件中，使用具有InxGa1-xN的MQW结构的有源层(发光层)的蓝/绿色发光二极管和紫色半导体激光二极管已经被商业化。
已知在传统的III族氮化物半导体发光元件中，构成发光层的多个阱层在构成阱层的组分的组成比上被设置为各不相同(如，JP-A-10-022525)。
然而，传统的III族氮化物半导体发光元件存在的问题是各个阱层具有各自不同的发射波长，因而导致色纯度劣化和发光强度降低，其原因是阱层之间的压光效应水平和载流子浓度的不同使得阱层之间的屏蔽效应不同。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种III族氮化物半导体发光元件，其具有发射波长彼此相同的阱层，从而实现优异的色纯度并提高发光强度。
根据本发明的一个实施方案，III族氮化物半导体发光元件包含：
发光层，其包含含有III族氮化物半导体的多量子阱结构，
其中所述发光层包含多个阱层，和
所述多个阱层形成为具有彼此相同的发射波长。
在上述发明中，可作出下述的改进和变化：
(i)所述发光层含有多个成对层，每个成对层包含阱层和势垒层，所述发光层还包含p-半导体层，并且所述势垒层相对于阱层更接近p-半导体层。
(ii)所述多个阱层包含InGaN，并且所述多个阱层的InGaN组成比各不相同。所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，并且InGaN中的In组成比沿从n-半导体层至p-半导体层的方向降低。
(iii)所述多个阱层包含InGaN和作为杂质掺杂的硅(Si)，并且所述多个阱层的Si掺杂量各不相同。所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，并且Si掺杂量沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
(iv)所述多个阱层包含InGaN，并且所述多个阱层的厚度各不相同。所述发光层还包括n-半导体层和p-半导体层，并且所述厚度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向减小。
(v)所述多个阱层包含InGaN，并且所述多个阱层的带隙宽度各不相同。所述发光层还包括n-半导体层和p-半导体层，并且所述多个阱层的带隙宽度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
(vi)所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，并且所述带隙宽度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
附图说明
下面将参照附图解释本发明的优选实施方式，其中：
图1A是说明根据本发明的第一优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的横截面示意图。
图1B是说明图1A的发光元件的发光层的横截面示意图。
图2A是说明从第一实施方案的III族氮化物半导体发光元件发射的光的发射光谱图。
图2B是说明从传统的III族氮化物半导体发光元件发射的光的发射光谱图。
图3是说明根据本发明的第二优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的发光层的横截面示意图。
图4是说明根据本发明的第二优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的发光层的横截面示意图。
具体实施方式
第一实施方案
图1A是说明根据本发明的第一优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的横截面示意图。图1B是说明图1A的发光元件的发光层的横截面示意图。
如图1A所示，III族氮化物半导体发光元件1包含p-侧电极18和n-侧电极19，并且还包含顺序堆叠的低温生长条件下在蓝宝石衬底上生长的AlN缓冲层11、Si-掺杂的n+-GaN层12、Si-掺杂的n-AlGaN层13、由InGaN/GaN形成的具有多量子阱结构的MQW14、Mg掺杂的p-AlGaN层15、Mg掺杂的p+-GaN层16和作为导电膜的电流扩散层17。它用作蓝色LED元件，发射例如发射波长为460nm～463nm的蓝光。
AlN缓冲层11通过在350℃～550℃(优选400℃～550℃)的生长温度条件下，利用H2作为载气，将三甲基镓(TMG)供应至放置蓝宝石衬底10的反应器中而形成。
n+-GaN层12和p+-GaN层16通过在1100℃的生长温度条件下，利用H2作为载气，将NH3和三甲基镓(TMG)供应至反应器中而形成。作为Si源的甲硅烷被用作掺杂剂来为n+-GaN层12提供n-型电导率，并且作为Mg源的环戊二烯基镁(Cp2Mg)被用作掺杂剂来为p+-GaN层16提供p-型电导率。
n-AlGaN层13和p-AlGaN层15通过在1100℃的温度条件下，将NH3和三甲基铝(TMA)供应至反应器中而形成。作为Si源的SiH4被用作掺杂剂来为n-AlGaN层13提供n-型电导率，并且作为Mg源的环戊二烯基镁(Cp2Mg)被用作掺杂剂来为p-AlGaN层15提供p-型电导率。
如图1B所示，MQW 14由含有第一成对层21至第四成对层24的发光层形成，每一个成对层都由III族氮化物半导体形成。形成MQW14的第一阱层至第四阱层各自在生长条件下形成为具有彼此相同的发射波长，如下所述。Si作为杂质掺杂进第二阱层至第四阱层中。Si的掺杂量设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐增加。第一阱层至第四阱层的厚度设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐减小。III族氮化物半导体是指至少由InxGa1-xN(其中0≤x≤1)代表的III-V族氮化物半导体。Inx(x：组成比)设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐降低。MQW14通过在700℃～900℃的温度条件下，使用N2作为载气，将NH3、TMG和三甲基铟(TMI)供应至反应器中而形成。
第一成对层21由第一阱层21A和第一势垒层21B组成，并形成在n-AlGaN13上。第一阱层21A相对于第一势垒层21B布置在n-半导体层侧上，并且由厚度约的In0.26Ga0.74N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第一势垒层21B相对于第一阱层21A布置在p-半导体层侧上，并且由厚度约5nm的GaN层形成。
第二成对层22由第二阱层22A和第二势垒层22B组成，并形成在第一成对层21上。第二阱层22A相对于第二势垒层22B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.23Ga0.77N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第二阱层22A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约2×10-7cm-3。第二势垒层22B相对于第二势阱层22A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第三成对层23由第三阱层23A和第三势垒层23B组成，并形成在第二成对层22上。第三阱层23A相对于第三势垒层23B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.20Ga0.80N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第三阱层23A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约4×10-7cm-3。第三势垒层23B相对于第三阱层23A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第四成对层24由第四阱层24A和第四势垒层24B组成，并形成在第三成对层23上。第四阱层24A相对于第四势垒层24B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.17Ga0.83N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第四阱层24A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约6×10-7cm-3。第四势垒层24B相对于第四阱层24A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第一阱层21A至第四阱层24A中的In(＝铟)组成比、厚度和Si掺杂浓度如表1所示。
表1
电流扩散层17沉积在p+-GaN层16上，并由氧化铟锡(ITO)制成的透明电极形成。
p-侧电极18形成在电流扩散层17的表面上，并且n-侧电极19形成在通过蚀刻暴露的n+-GaN层12的表面上。
在从电源对如此构造的III族氮化物半导体发光元件1施加电压时，观察证实从MQW 14发射的光具有尖锐的发射波长峰(发射波长：460nm～463nm)的发射光谱。如图2A所示，其中纵轴表示发射强度，横轴表示波长。如图2A所示，观察到的发射光谱具有20nm的FWHM(＝半高宽)。
与此相反，如图2B所示，从传统MQW发射的光的发射光谱具有440nm～470nm的发射波长峰和27nm的FWHM。
此外，如图2A和图2B所示，该实施方案的发射强度相对于传统的MQW情形下的1增加到1.3。
能够通过上述第一实施方案获得以下效果。
由于第一阱层21至第四阱层24的发射波长彼此相同，因此可以获得优异的色纯度并且可以提高发射强度。
第二实施方案
图3是说明根据本发明的第二优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的发光层的横截面示意图。
如图3所示，第二实施方案的III族氮化物半导体发光元件的MQW
30由含有第一成对层31至第六成对层36的发光层形成，其中每一个成对层都由III族氮化物半导体形成。如下所述，构成MQW30的第一阱层至第六阱层各自在生长条件下形成为具有彼此相同的发射波长。Si作为杂质掺杂进第二阱层至第六阱层中。Si掺杂量设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐增加。第一阱层至第六阱层的厚度设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐减小。III族氮化物半导体是指至少由InxGa1-xN(其中0≤x≤1)表示的III-V族氮化物半导体。Inx(x：组成比)设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐降低。MQW 30通过在700℃～900℃的生长温度条件下，使用N2作为载气，将NH3、TMG和TMI供应至反应器中而形成。
第一成对层31由第一阱层31A和第一势垒层31B组成，并形成在如图1A所示的n-AlGaN13上。第一阱层31A相对于第一势垒层31B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约的In0.26Ga0.74N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第一势垒层31B相对于第一阱层31A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第二成对层32由第二阱层32A和第二势垒层32B组成，并形成在第一成对层31上。第二阱层32A相对于第二势垒层32B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.24Ga0.76N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第二阱层32A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约1×10-7cm-3。第二势垒层32B相对于第二阱层32A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第三成对层33由第三阱层33A和第三势垒层33B组成，并形成在第二成对层32上。第三阱层33A相对于第三势垒层33B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约的In0.22Ga0.78N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第三阱层33A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约2×10-7cm-3。第三势垒层33B相对于第三阱层33A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第四成对层34由第四阱层34A和第四势垒层34B组成，并形成在第三成对层33上。第四阱层34A相对于第四势垒层34B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约30
的In0.20Ga0.80N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第四阱层34A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约3×10-7cm-3。第四势垒层34B相对于第四阱层34A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第五成对层35由第五阱层35A和第五势垒层35B组成，并形成在第四成对层34上。第五阱层35A相对于第五势垒层35B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.18Ga0.82N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第五阱层35A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约4×10-7cm-3。第五势垒层35B相对于第五阱层35A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第六成对层36由第六阱层36A和第六势垒层36B组成，并形成在第五成对层35上。第六阱层36A相对于第六势垒层36B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.16Ga0.84N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第六阱层36A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约5×10-7cm-3。第六势垒层36B相对于第六阱层36A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第一阱层31A至第六阱层36A中的In(铟)组成比、厚度和Si掺杂浓度如表2所示。
表2
通过上述第二实施方案可获得与第一实施方案相同的效果。
第三实施方案
图4是说明根据本发明的第三优选实施方案的III族氮化物半导体发光元件的发光层的横截面示意图。
如图4所示，第三实施方案中的III族氮化物半导体元件的MQW40由含有第一成对层41至第八成对层48的发光层形成，每一个成对层都由III族氮化物半导体形成。如下所述，构成MQW 40的第一阱层至第八阱层各自在生长条件下形成为具有彼此相同的发射波长，Si作为杂质掺杂进第二阱层至第八阱层中。Si掺杂量设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐增加。第一阱层至第八阱层的厚度设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐减小。III族氮化物半导体是指至少由InxGa1-xN(其中0≤x≤1)表示的III-V族氮化物半导体。Inx(x：组成比)设定为从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐降低。MQW 40通过在700℃～900℃的生长温度条件下，使用N2作为载气，将NH3、TMG和TMI供应至反应器中而形成。
第一成对层41由第一阱层41A和第一势垒层41B组成，并形成在如图1A所示的n-AlGaN 13上。第一阱层41A相对于第一势垒层41B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.29Ga0.71N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第一势垒层41B相对于第一阱层41A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第二成对层42由第二阱层42A和第二势垒层42B组成，并形成在第一成对层41上。第二阱层42A相对于第二势垒层42B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.26Ga0.74N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第二阱层42A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约1×10-7cm-3。第二势垒层42B相对于第二阱层42A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第三成对层43由第三阱层43A和第三势垒层43B组成，并形成在第二成对层42上。第三阱层43A相对于第三势垒层43B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.24Ga0.76N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第三阱层43A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约2×10-7cm-3。第三势垒层43B相对于第三势层43A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第四成对层44由第四阱层44A和第四势垒层44B组成，并形成在第三成对层43上。第四阱层44A相对于第四势垒层44B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.22Ga0.78N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第四阱层44A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约3×10-7cm-3。第四势垒层44B相对于第四阱层44A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第五成对层45由第五阱层45A和第五势垒层45B组成，并形成在第四成对层44上。第五阱层45A相对于第五势垒层45B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.20Ga0.80N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第五阱层45A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约4×10-7cm-3。第五势垒层45B相对于第五阱层45A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第六成对层46由第六阱层46A和第六势垒层46B组成，并形成在第五成对层45上。第六阱层46A相对于第六势垒层46B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.18Ga0.82N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第六阱层46A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约5×10-7cm-3。第六势垒层46B相对于第六阱层46A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第七成对层47由第七阱层47A和第七势垒层47B组成，并形成在第六成对层46上。第七阱层47A相对于第七势垒层47B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.16Ga0.84N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第七阱层47A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约6×10-7cm-3。第七势垒层47B相对于第七阱层47A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第八成对层48由第八阱层48A和第八势垒层48B组成，并形成在第七成对层47上。第八阱层48A相对于第八势垒层48B布置在n-半导体层侧上，并由厚度约
的In0.14Ga0.86N层形成。其适于发射发射波长为460nm～463nm的蓝光。第八阱层48A掺杂有杂质硅(Si)，掺杂量为约7×10-7cm-3。第八势垒层48B相对于第八阱层48A布置在p-半导体层侧上，并由厚度约5nm的GaN层形成。
第一阱层41A至第八阱层48A中的In(铟)组成比、厚度和Si的掺杂浓度如表3所示。
表3
通过上述第三实施方案可获得与第一实施方案相同的效果。
尽管本发明已经结合具体实施方式作出了完整和清楚的公开，但所附的权利要求并不因此而受到限制，而是应被解释为使落入本申请基本教导内的本领域技术人员可作出的所有改进和替换方案具体化。
例如，可以根据本发明作出下述改进：
(1)在上述的实施方案中，多个InGaN阱层的组成比被设定为各不相同，以使发射波长彼此相同。然而，本发明不限于此。例如，多个InGaN阱层可包含不同的带隙宽度。在此情形下，希望多个阱层的带隙宽度从n-半导体层侧至p-半导体层侧逐渐增加。
(2)在上述的实施方案中，发光层(即MQW层)具有4、6或8个成对层。然而，本发明不限于此。成对层的数量可任意变化，前提是成对层中的势垒层堆叠在阱层的p-半导体层侧。
(3)在上述的实施方案中，每个成对层的势垒层由GaN形成。然而，本发明不限于此。例如，势垒层可由含有至少由AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)表示的组成比的GaN基半导体形成。
(4)在上述的实施方案中，III族氮化物半导体发光元件是LED元件。然而，本发明不限于此。例如，它可以为LD元件。
Claims (10)
1.一种III族氮化物半导体发光元件，包含：
发光层，其包含含有III族氮化物半导体的多量子阱结构，
其中所述发光层包含多个阱层，
所述多个阱层形成为具有彼此相同的发射波长，
所述多个阱层包含InGaN，和
所述多个阱层中的InGaN的组成比各不相同。
2.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光层包含多个成对层，每个成对层包含阱层和势垒层，
所述发光元件还包含p-半导体层，和
所述势垒层相对于阱层更接近p-半导体层。
3.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光元件还包含n-半导体层和p-半导体层，和
InGaN的In组成比沿从n-半导体层至p-半导体层的方向降低。
4.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述多个阱层包含InGaN和作为杂质掺杂的硅(Si)，和
所述多个阱层的Si掺杂量各不相同。
5.根据权利要求4的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，和
Si掺杂量沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
6.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述多个阱层包含InGaN，和
所述多个阱层的厚度各不相同。
7.根据权利要求6的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，和
所述厚度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向降低。
8.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述多个阱层包含InGaN，和
所述多个阱层的带隙宽度各不相同。
9.根据权利要求1的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，和
所述多个阱层的带隙宽度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
10.根据权利要求8的III族氮化物半导体发光元件，其中：
所述发光层还包含n-半导体层和p-半导体层，和
所述带隙宽度沿从n-半导体层至p-半导体层的方向增加。
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