CN100521260C - 氮化镓类化合物半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及主要在不超过375nm的波长下发光的LED。LED由衬底(10)上的GaN层(16)、n-覆盖层(20)、AlInGaN缓冲层(22)、发光层(24)、p-覆盖层(26)、p电极(30)、n电极(32)构成。发光层(24)为对InGaN阱层和AlInGaN阻挡层进行层叠而成的多层量子阱结构(MQW)。通过量子阱结构扩大了InGaN阱层的有效带隙并使发光波长变短。此外，通过在发光层(24)的基底层采用AlInGaN缓冲层(22)，从而有效地将电子注入到发光层(24)，增大发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓(GaN)类化合物半导体装置，特别涉及在大约375nm以下的波长带主要发光的发光元件的结构。
背景技术
目前正在开发以InGaN作为发光层的375nm～600nm波长带的LED。InxGaN1-x通过改变In组成x来改变发光波长。也就是说，In组成x越增大，则发光波长越向长波侧偏移，并且从x＝0(GaN)时的363nm变化到x＝1时(InN)的600nm。
另一方面，当前，波长375nm以下的短波或者紫外线(UV)LED的开发很盛行。象这样的短波LED其需求非常大，例如可以利用它与荧光体组合而成的白色光源或杀菌作用而进行应用等。但是，在以InGaN作为发光层的LED中，如果发光波长在375nm以下，则In组成x显著减小，In组成起伏减少，造成发光效率显著降低。而且，只要以InGaN作为发光层，则从原理上讲，波长363nm以下的发光是不可能的。
发明内容
本发明提供一种即使主要在375nm以下仍具有良好的发光效率的GaN类化合物半导体装置。
本发明涉及一种具有形成在基板上的GaN类发光层的氮化镓类化合物半导体装置，其特征在于：所述发光层包含对InGaN阱层和AlInGaN阻挡层实施了层叠的多层量子阱层(MQW)。AlInGaN阻挡层的带隙(band gap)比InGaN的带隙宽，并且随着InGaN阱层的有效带隙扩大，致使发光波长短波化。此外，通过采用AlInGaN作为阻挡层，从而减小与InGaN阱层的晶格不匹配，降低失真，从而提高发光效率。
上述InGaN阱层的In组成比可以设定为例如大于等于5％而小于等于15％。上述InGaN阱层的厚度例如可以设定为大于等于1nm而小于等于2nm。
上述AlInGaN阻挡层的Al组成比例如可以设定为大于等于14％而小于等于40％。AlInGaN阻挡层的In组成比例如可以设定为大于等于0.1％而小于等于5％。
在本发明中，还可以具有与所述发光层相邻的AlInGaN缓冲层。通过与发光层相邻设置AlInGaN缓冲层，从而高效地将载流子注入到发光层以提高发光效率。
上述AlInGaN缓冲层的Al组成比例如可以设定为大于等于0.5％而小于等于40％。AlInGaN阻挡层的In组成比例如可以设定为大于等于0.1％而小于等于5％。
附图说明
图1是实施方式中所涉及的LED结构图。
图2是图1中发光层的详细结构图。
图3是表示在阻挡层中流动的TMA流量与输出功率之间的关系的图表。
图4是表示在缓冲层中流动的TMA流量和输出功率之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，根据附图作为半导体装置以发光元件，特别是LED为例说明本发明的实施方式。
图1表示本实施方式中LED的结构。在材质为蓝宝石等的衬底10上依次形成SiN缓冲层12、低温(LT)生长缓冲层14、和无掺杂GaN层16。这些层均是用于降低位错的层。在无掺杂GaN层16上形成用于降低动作电压的n-GaN层18。在n-GaN层18上形成作为n-覆盖层20的SLS(Strained Layer Superlattice：失真超晶格)层，该SLS层由GaN和AlGaN交替层叠而成(n-GaN/n-AlGaN)。在n-覆盖层20上形成AlInGaN缓冲层22和发光层24。发光层24如后文所述那样，由多层量子阱MQW构成，该多层量子阱MQW由InGaN阱层和AlInGaN阻挡层层叠而成。在发光层24上形成作为p-覆盖层26的SLS层，该SLS层由GaN和AlGaN层叠而成(p-GaN/p-AlGaN)。即，本实施方式的LED是采用n-覆盖层20和p-覆盖层26夹持AlInGaN缓冲层22和MQW发光层24而构成的。在p-覆盖层26上形成用于降低动作电压的p-GaN层28，并且在p-GaN层28上形成p电极30。另一方面，使n-GaN层18的一部分露出，在其上面形成n电极32。各层均采用MOCVD装置并利用MOCVD法生长。
现阶段，虽然采用InGaN等作为发光层24，但是本实施方式中采用了多层量子阱MQW作为发光层24，该多层量子阱MQW由InGaN阱层和AlInGaN阻挡层交替层叠而形成，并且当采用n-覆盖层20和p-覆盖层26夹持发光层24时，与发光层24相邻地形成AlInGaN缓冲层22。
下面，对发光层24和缓冲层22进行说明。
图2表示图1中发光层24的结构。发光层24是交替层叠InGaN阱层24b和AlxInyGa1-x-yN阻挡层24a而构成的。这里，0<x<1，0<y<1。AlGaN阱层24b的厚度例如为1.5nm，AlInGaN阻挡层24a的厚度例如为12nm。重复数例如为7对(14层)。AlInGaN阻挡层24a的带隙比InGaN阱层24b的带隙还宽。如果对p电极30和n电极32施加正向偏压，则电子和空穴将在InGaN阱层24b结合而发光。如果是单层InGaN，则从原理上讲当波长小于等于363nm就不会发光，但通过采用由阱层和阻挡层进行交替层叠而成的MQW结构，InGaN阱层24b的有效带隙将扩大。由于有效带隙的扩大，从而波长小于等于363nm时也能够发光。作为发光区域的InGaN阱层24b由于In组成较大(例如，In组成x＝10％)，In组成起伏也较大，故发光效率较高。也就是说，如果组成中存在空间起伏，会引发载流子的局部集中，例如即使InGaN内发生位错，发光效率也很难降低。
另外，由于AlxInyGa1-x-yN阻挡层24a也包含In(y>0)，所以产生In的组成起伏，与阱层24b同样的理由，载流子发生局部集中，从而抑制发光效率的降低而不管是否存在位错。作为阻挡层24a，与采用不包含In的AlGaN阻挡层的情形相比较具有下述优点：如果采用AlInGaN，则与InGaN阱层24b的晶格不匹配较小，不易产生晶格不匹配位错且结晶性较高。此外，即使不发生位错，若是AlInGaN，则在阱层24b和阻挡层24a中产生的失真变小。当使这些层c面生长且在面内压缩或施加拉伸应力时，六方晶氮化物半导体由于压电性而在c轴方向产生电场。该电场使注入到阱层24b中的电子空穴对反向移动，并减小这些波函数的空间重叠从而减小再结合率。换言之，如果在阱层24b中产生失真，则发光效率降低。这样的效果(quantum confined stark effect：量子局限的史塔克效应)特别是当阱层24b较宽时较为明显，但当阱层24b较窄时多少也有一些影响。在本实施方式中，采用AlInGaN作为阻挡层24a来减小晶格不匹配，并抑制阱层24b的失真，所以也能抑制量子局限的史塔克效应所引发的发光效率降低。
象这样，在发光层24中，通过使InGaN阱层24b变薄，使AlInGaN阻挡层24a的带隙变宽，借助于量子效果使InGaN阱层24b的有效带隙加宽，从而实现不超过360nm的发光波长。这一点与例如不是InGaN而是以AlInGaN为发光层的波长不超过380nm的LED本质上不同。
当以InGaN作为发光层的LED的情形，如果InGaN层的厚度不大于2nm，则发光效率降低。这是因为被密闭在阱层中的电子和空穴的波函数渗出到阻挡层中(阱外)，在阻挡层中的再结合的影响变大的缘故。在本实施方式中，为了产生量子效果需要将InGaN阱层24b变薄到不超过2nm(例如，1.5nm)，但是，本实施方式的发光层24并不会发生以InGaN薄膜为发光层时产生的发光效率降低的问题。其原因在于：因为采用AlInGaN作为阻挡层24a，故如上所述那样InGaN阱层24b的带隙有效扩大，波函数的向阻挡层24a的渗出减小。
另外，作为阻挡层24a的AlInGaN由于包含Al，所以其生长温度需要设定为比InGaN的生长温度(650℃～750℃)高的温度(譬如800℃)。如上所述，通过使其在不低于750℃的温度下生长，从而提高阻挡层24a的结晶性。
另一方面，缓冲层22由AlInGaN构成。缓冲层22由于包含Al，因而带隙变宽，并且比作为InGaN的阱层24b还宽。借助于该层22注入到阱层24b中的电子的注入效率有所提高，相反，减小空穴流入到缓冲层22的量，从而将电子和空穴高效地密闭在阱层24b内。缓冲层22的Al组成可以设定为例如40％左右。
以下，对图1和图2所示的LED的制造方法进行具体说明。本实施方式的LED通过下述工艺制造。即，在常压MOCVD装置中，将蓝宝石c面衬底10放置到反应管内的感受器，在1100℃并在氢环境中热处理10分钟。然后，温度降低到500℃。从气体导入管中流入单甲基硅烷气体和氨气，并持续供给100秒，在衬底10上不连续地(或岛状地)生长SiN缓冲层12。然后，在相同的温度下从气体导入管供给三甲基镓气体和氨气，使厚度为25nm的GaN缓冲层(LT缓冲层)14生长。然后，温度上升到1075℃，再供给三甲基镓气体和氨气使厚度为2μm的无掺杂GaN层16生长，然后，使施加了单甲基硅烷气体后的Si掺杂的n-GaN层(n电极层)18生长1.0μm。n-GaN层18中的载流子密度大约为5×1018cm-3。
其次，在相同温度下使Si掺杂的n-Al0.1Ga0.9N(2nm)/Si掺杂的n-GaN(2nm)生长50对成为SLS结构并使n-覆盖层20生长。采用三甲基镓(TMA)作为Al的原料。n-覆盖层20的平均电子密度为5×1018cm-3。然后，使温度降低到800℃左右使无掺杂的Al0.05In0.01Ga0.94N缓冲层22生长。缓冲层22的厚度为36nm。由于生长温度降低到800℃，所以其电阻率变高。AlInGaN缓冲层22生长后，在相同的800℃下使无掺杂In0.1Ga0.9N(1.5nm)/无掺杂Al0.2In0.1Ga0.7N(95nm)生长7对，从而使MQW发光层24生长。发光层24的总厚度为95nm。
然后，使温度上升到975℃并使Mg掺杂的p-Al0.1Ga0.9N(2nm)/Mg掺杂的p-GaN(1nm)生长50周期，从而使SLS结构的p-覆盖层26生长，并进一步使厚度为20nm的p-GaN(p电极层)28生长。SLS的p-覆盖层26及p-GaN层28中的空穴浓度分别为5×1017cm-3、3×1018cm-3。
表1 表示各层的结构、组成、膜厚、生长温度。
| 名称 | 结构 | 组成 | 膜厚 | 生长温度 |
| p电极层 | P<sup>+</sup>-GaN | 20nm | 975 | |
| p覆盖层 | p<sup>-</sup>(GaN1nm/AlGaN2nm)50 SLS | Al：～10％ | 150nm | 975 |
| 发光层(阱层/阻挡层) | InGaN1.5nm/Al InGaN12nm 7MQW | 阱(In：～10％)势垒(In：1％，Al～20％) | 95nm | 800 |
| 缓冲层 | SI-AlInGaN36nm | In：1％，Al～5％ | 36nm | 800 |
| n覆盖层 | n-(GaN2nm/AlGaN2nm) | Al：～10％ | 200nm | 1075 |
| 50SLS | ||||
| n电极层 | n-GaN | 1μm | 1075 | |
| 无掺杂GaN层 | u-GaN | 2μm | 1075 | |
| 低温生长缓冲层 | LT-GaN | 25nm | 500 | |
| SiN缓冲层 | SiN | 500 | ||
| 衬底 | 蓝宝石 |
另外，上表中的各数值是一个例子，也可以是其他组合。例如，也可以使Si掺杂的n-Al0.1Ga0.9N(1.6nm)/Si掺杂的n-GaN(1.6nm)生长50对成为SLS结构并作为n-覆盖层20，形成20nm厚的Al0.4In0.01Ga0.59N作为缓冲层22，使In0.05Ga0.95N量子阱层(1.5nm)/Al0.4In0.01Ga0.59N阻挡层(10nm)生长3对作为发光层24，使Mg掺杂的GaN(0.76nm)/Al0.13Ga0.87N(1.5nm)形成50对作为p-覆盖层26。此外，各层生长时的生长温度也仅仅是举例，例如也可以在840℃下使缓冲层22和发光层24生长。
如上所述，使各层依次生长后，从MOCVD装置中取出晶片，依次真空蒸镀从而在表面形成Ni(10nm)、Au(10nm)，在包含5％的氧气的氮气环境中，在520℃下进行热处理并将蒸镀金属膜作为p透明电极30。之后，在整个表面上涂敷光致抗蚀剂，将光致抗蚀剂用作掩摸应用于形成n电极用的蚀刻中。在通过蚀刻露出的n-GaN层18上对Ti(5nm)、Al(5nm)进行真空蒸镀，在氮气中，在450℃下热处理约30分钟后形成n电极32。在p电极30和n电极32的一部分形成用于引线键合的厚为500nm的金焊盘(goldpad)，研磨衬底10的背面至100μm，并通过洗涤(scrubbing)截出芯片，安装得到LED器件。
将采用上述方式制作出的LED器件投入到积分球中，注入电流后测量从LED器件发出的整个光输出。当注入电流为20mA时，光输出大致为1.6mW。尽管在直径为2英寸的晶片面内多少存在一些偏差，但发光波长都处于360nm±5nm的范围以内
其次，为了确认发光层24中AlInGaN阻挡层24a的带隙的影响，在阻挡层24a的生长过程中提供的各种气体中仅仅使TMA(三甲基镓)的流量变化，从而制作出LED器件，研究制作出的LED的发光效率。
图3表示其结果。横轴为阻挡层24a生长过程中的TMA流量(流量：sccm)，采用相对值表示流入容器中气体的流量。纵轴表示发光强度的相对值，是使用积分球测量的值的大致1/4。当TMA流量从7sccm增加到10sccm时，发光效率变为原来的2。6倍。在该状态下生长的阻挡层24a的组成中，In组成比约为1％，Al组成比约为20％。Al组成比基本上与TMA流量成比例，因而从发光效率的观点来看希望阻挡层24a的Al组成比大于14％(20×7sccm/10sccm)。另一方面，如果Al组成比过大则不易进行电流注入，工作电压亦增高。因此，阻挡层24a的Al组成比的下限根据发光效率来规定，上限根据工作电压来规定，具体地，希望其值大于等于14％而小于等于40％，大于等于16％而小于等于40％更好。
此外，对于阻挡层24a的In组成比，由于In组成比增大的同时带隙变窄，因而最好In组成比很小，但当In组成比为0时发光效率大幅度降低。这是因为在阻挡层24a中产生In组成起伏，有助于改善发光效率的缘故。因此，阻挡层24a的In组成比的下限由组成起伏量来规定，其上限由带隙来规定，具体地，希望其值大于等于0.1％而小于等于5％，大于等于0.1％而小于等于3％更好。作为阻挡层24a的组成，举一个例子来说例如为Al组成比为40％而In组成比为1％的Al0.4In0.01Ga0.59N。
另一方面，阱层24b的In组成比如果过小，则In组成起伏变小，发光效率降低，如果In组成比过大，则发光波长向长波长一侧偏移。故，最合适的In组成比由所要求的发光波长和阱层24b的厚度来决定。譬如，当发光波长为360nm时，In组成比最好大于等于5％而小于等于15％，大于等于5％而小于等于13％更好。作为阱层24b的组成，举一个例子来说例如为In组成比为5％的In0.05Ga0.95N。为了出现量子效果，最好厚度大于等于1nm而小于等于2nm，大于等于1.3nm而小于等于1.8nm更好。如果阱层24b的厚度大于等于3nm，则发光波长变为400nm。阱层24b及阻挡层24a的生长温度最好如上述那样不低于750℃，不低于770℃(例如800℃)更好。
其次，发光层24中阻挡层24a的生长中流动的TMA流量固定为10sccm，改变AlInGaN缓冲层22生长中流动的TMA并测量发光效率的变化。
图4表示其结果。在图4中，横轴表示TMA流量，是相对值。纵轴表示输出功率的相对值。当增大TMA流量时，则缓冲层22的Al组成比增大。如果TMA流量从0增大到3sccm，则发光效率增大到原来的2.7倍。并且，如果TMA流量增大到10sccm，则发光强度反而降低。当TMA为0时发光强度较弱是因为：由于缓冲层22的带隙较窄(由于Al组成比为0)，所以电子没有自缓冲层22有效地注入到发光层24中，或者说空穴流出到缓冲层22中以至于空穴的阱层24b中的密闭不充分。另一方面，如果Al组成比过大则发光效率降低是因为结晶性降低以及该层的带隙变得过宽，难以从n-覆盖层20注入电子的缘故。
因此，AlInGaN缓冲层22的Al组成比最好是大于等于0.5％而小于等于40％，大于等于1％而小于等于40％更好。关于AlInGaN缓冲层22的In组成比，可以验证：当In组成比为0时发光效率大幅度降低。这是由于缓冲层22内产生In组成起伏，有助于发光效率的改善的缘故。因此，AlInGaN缓冲层22的In组成比最好是大于等于0.1％而小于等于5％，大于等于0.1％而小于等于3％更好。作为AlInGaN缓冲层22的组成，举一个例子来说例如Al组成比为40％而In组成比为1％的Al0.4In0.01Ga0.59N。
如上所述，在本实施方式中，作为发光层24可采用对规定组成范围的InGaN阱和AlInGaN阻挡层交替层叠而成的多层量子阱结构，扩大InGaN的有效带隙使340nm～375nm的发光成为可能，进一步通过采用AlInGaN作为阻挡层来提高发光效率，并且通过与发光层相邻地设置规定组成范围的AlInGaN缓冲层22，从而能够有效地注入载流子，提高发光效率。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，可以进行种种变更。
例如，在本实施方式中，形成了SiN缓冲层12，但该SiN缓冲层12用于抑制位错，也可以根据需要而不形成SiN缓冲层12。
再者，也可以采用低温生长的GaNP缓冲层来置换SiN缓冲层12和低温(LT)生长缓冲层14。
Claims (9)
1.一种氮化镓类化合物半导体装置，具有形成在衬底上的GaN类发光层，其特征在于：
所述GaN类发光层形成在n型覆盖层和p型覆盖层之间，
所述n型覆盖层和p型覆盖层是对GaN和AlGaN进行层叠而成的SLS结构，
所述发光层包含由InGaN阱层和AlxInyGa1-x-yN阻挡层层叠而成的多层量子阱层，其中0<x<1，0<y<1，
在所述n型覆盖层和所述发光层之间形成AlαInβGa1-α-βN缓冲层，其中0<α<1，0<β<1，
所述AlInGaN缓冲层的Al组成比大于等于0.5％而小于等于40％，In组成比大于等于0.1％而小于等于5％。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述InGaN阱层的In组成比大于等于5％而小于等于15％。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述InGaN阱层的In组成比大于等于5％而小于等于13％。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述InGaN阱层的厚度大于等于1nm而小于等于2nm。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述InGaN阱层的厚度大于等于1.3nm而小于等于1.8nm。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述AlInGaN阻挡层的Al组成比大于等于14％而小于等于40％，In组成比大于等于0.1％而小于等于5％。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述AlInGaN阻挡层的Al组成比大于等于16％而小于等于40％，In组成比大于等于0.1％而小于等于3％。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述AlInGaN缓冲层的Al组成比大于等于1％而小于等于40％，In组成比大于等于0.1％而小于等于3％。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述InGaN阱层和AlInGaN阻挡层在不低于750℃下形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Granted publication date: 20090729 |
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| CX01 | Expiry of patent term |