CN101071841A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了可以在不损害发光元件原有功能的前提下，流过20A/cm2密度的电流所必需的电压不到3V，可以在比以往更低的电压下工作的氮化物半导体发光元件。多重量子阱(15)中所含有的InbGa1－bN阻挡层的In组成比b为0.04≤b≤0.1，并且，包括该InbGa1－bN阻挡层，发光元件中含有的In组成比为0.04～0.1范围的InGaN层的厚度的合计为60nm以下。

Description

氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及不损害发光元件本来的功能、可以在比以往更低的电压下工作的氮化物半导体发光元件。
背景技术
当前，作为绿色-蓝色-近紫外区域的发光元件(LED)用材料，氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)等氮化物半导体受到广泛关注。
图6中示出以往的氮化物半导体发光元件的结构例。
该发光元件的结构是，在蓝宝石衬底1上，依次形成低温生长GaN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、n-GaN层4、InaGa1-aN(量子阱层)/GaN(阻挡层)对的多重量子阱5、p-Al0.1Ga0.9N层6、p-GaN层7，然后，通过使用反应性离子腐蚀(RIE)装置进行蚀刻，从p-GaN层7的表面腐蚀到n-GaN层4的一部分，之后，在未被RIE腐蚀的p-GaN层7的表面上蒸镀透明导电膜8(Ni 2nm/Au4nm)，在部分重叠透明导电膜8的区域上形成p电极9，在由RIE腐蚀的n-GaN层4的表面上形成n电极10。
由InaGa1-aN阱层/GaN阻挡层形成的成对的多重量子阱5，例如在峰波长为460nm的蓝色发光元件的场合，以In的组成比a为0.15、生长温度为780℃来形成。另外，在峰波长为525nm的绿色发光元件的场合，以In的组成比a为0.25、生长温度为730℃来形成。
对于这样的以蓝色或者绿色发光的氮化物半导体发光元件，以往必须施加3V以上的电压才能流过20A/cm2密度的电流。这一电压值与发光的能量(蓝色时，若想使发光波长为460nm，需要2.7eV，绿色时，若想使发光波长为525nm，需要2.36eV)相比是非常大的，该能量差在半导体内部变成热量，引起氮化物半导体发光元件工作时的温度上升、输出下降、元件寿命降低、密封树脂劣化。
据认为，其原因是，在以往的氮化物半导体发光元件中，作为多重量子阱的阻挡层使用如图6所示的GaN层或者含有微量In的InGaN(In组成3％以下)，因此阻挡层的禁带增大到3V以上，这样大的禁带成为妨碍活性层中载流子移动的障碍。如上可知，为了降低氮化物半导体发光元件的驱动电压，有效的方法是，减小阻挡层的禁带，例如采用In组成为4％以上的InGaN层作为阻挡层(参照专利文献1、2)。
专利文献1：特许第3135041号公报(实施例2、图1)
专利文献2：特开2002-76521号公报(图1)
发明内容
但是，专利文献1中公开的发光元件中，多重量子阱内的阻挡层的In组成为20％，因此，作为基底层的n型GaN层和活性层之间的晶格的不匹配增大，在活性层中导入新的晶格缺陷，有可能丧失发光元件的功能。
此外，专利文献2中公开的发光元件中，由于生长了200nm厚度的由In0.05Ga0.95N构成的阻挡层同样组成的光引导层，当然会导入由于晶格不匹配而产生的晶体缺陷，有可能损害作为发光元件的功能。
因此，本发明的目的是，解决上述问题，提供一种氮化物半导体发光元件，该氮化物半导体发光元件不会损害发光元件原来的功能，流过20A/cm2密度的电流所需要的电压不到3V，可以在比以往更低的电压下工作。
为了解决上述问题，实现使用与以往相比In组成比更大的InGaN阻挡层、驱动电压小而且不损害作为发光元件的功能的发光元件，本发明人反复进行了深入的研究，仔细研究了包含多重量子阱的元件整体的层结构以使得不产生晶格缺陷，结果发现：(1)通过将多重量子阱活性层中含有的InGaN阻挡层的In组成设定在特定的范围，与以往相比可以降低发光元件的驱动电压；(2)通过将InGaN阻挡层的厚度设定在特定的范围，并将InGaN阻挡层和元件中所含有的具有特定范围的In组成的InGaN层的厚度的合计控制在特定的厚度以下，可以防止导入新的晶格缺陷。
本发明是基于上述发现而完成的，本发明的氮化物半导体发光元件的特征是，在衬底上至少层叠n型层、由多对InGaN阱层/InGaN阻挡层构成的多重量子阱活性层、以及p型层，上述的多重量子阱层活性层所含有的InGaN阻挡层的组成由InxGa1-xN(0.04≤x≤0.1)表示，并且，包括上述InGaN阻挡层，发光元件中合有的In组成比为0.04～0.1范围的InGaN层的厚度的合计为60nm以下。
上述活性层的发光峰波长可以是蓝色和绿色发光区域的430～560nm的范围。
优选的是，上述InGaN阻挡层的厚度为5～20nm的范围。
在上述多重量子阱活性层和上述n型层之间，还可以插入In组成比为0.04～0.1范围的InGaN层。
还可以在上述衬底上以晶格缓和(lattice-relaxed)的形态形成GaN层或AlyGa1-yN层(0＜y＜0.5)，在其上面形成上述多重量子阱活性层。
上述衬底可以采用由蓝宝石、Ga2O3、SiC、Si、GaN、AlN中的任一种构成的单晶衬底。
构成上述氮化物半导体发光元件的叠层结构的晶体的生长，优选在气相生长装置内进行，例如优选在有机金属气相生长(MOVPE)装置或氢化物气相生长(HVPE)装置内进行。
根据本发明，可以在不损害发光元件的功能的情况下，使流过20A/cm2密度的电流所需要的电压不到3V，可以实现在比以往更低的电压下驱动的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1是表示第1实施方式中的氮化物半导体发光元件的结构的截面图。
图2是表示第2实施方式中的氮化物半导体发光元件的结构的截面图。
图3是表示其他实施方式中的氮化物半导体发光元件的结构的截面图。
图4是表示InGaN阻挡层的In组成与20A/cm2通电时的驱动电压的关系的曲线图。
图5是表示InGaN阻挡层的In组成与光输出的关系的曲线图。
图6是表示以往例的氮化物半导体发光元件的结构的截面图。
符号说明
1：蓝宝石衬底
2：低温生长GaN缓冲层
3：未掺杂GaN层
4：n-GaN层
5：InaGa1-aN/InbGa1-bN多重量子阱
6：p-Al0.1Ga0.9N层
7：p-GaN层
8：透明导电膜
9：p电极
10：n电极
15：InaGa1-aN/GaN对多重量子阱
17：未掺杂InbGa1-bN层
21：GaN衬底
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
第1实施方式
图1中示出了第1实施方式的氮化物半导体发光元件的断面结构。
该氮化物半导体发光元件的结构是，在蓝宝石衬底1上，依次形成低温生长GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、n-GaN层4、InaGa1-aN(阱层)/InbGa1-bN(阻挡层)多重量子阱15、p-Al0.1Ga0.9N层6、p-GaN层7，然后，使用反应性离子腐蚀(RIE)装置进行腐蚀，从p-GaN层7的表面腐蚀到n-GaN层4的一部分，随后，在未被RIE腐蚀的p-GaN层7的表面上蒸镀透明导电膜8(Ni 2nm/Au 4nm)，在与透明导电膜8部分重叠的区域上形成p电极9，在由RIE腐蚀的n-GaN层4的表面上形成n电极10。
即，该氮化物半导体发光元件的特征在于，将图6所示的以往的氮化物半导体发光元件的InaGa1-aN(阱层)/GaN(阻挡层)对的多重量子阱5替换成InaGa1-aN(阱层)/InbGa1-bN(阻挡层)多重量子阱15。
由后述的实施例的结果可以清楚地看出，在该InaGa1-aN(阱层)/InbGa1-bN(阻挡层)多重量子阱15中，将InbGa1-bN阻挡层的In组成比b设定在0.04～0.1的范围内，可以使得流过20A/cm2密度的电流所必需的电压不到3V。
而且，通过将InbGa1-bN阻挡层的厚度设为5～20nm的范围，并且，将InbGa1-bN阻挡层的厚度的合计设定为60nm以下，不会损害氮化物半导体发光元件的功能。
InbGa1-bN阻挡层的数目，可以在InbGa1-bN阻挡层的厚度合计为60nm以下的范围内适当设定。
另外，在峰波长460nm的蓝色元件的场合，InaGa1-aN阱层的a为0.15，在峰波长525nm的绿色元件的场合，a为0.25，这一点与以往例是相同的。
第2实施方式
图2中示出了第2实施方式的氮化物半导体发光元件的断面结构。
该氮化物半导体发光元件，除了在图1所示的第1实施方式的氮化物半导体发光元件的n-GaN层4和InaGa1-aN/InbGa1-bN多重量子阱15之间插入未掺杂InbGa1-bN层17外，与第1实施方式的氮化物半导体发光元件同样形成。
在该氮化物半导体发光元件中，InaGa1-aN/InbGa1-bN多重量子阱15中含有的InbGa1-bN阻挡层的In组成比b为0.04～0.1的范围，且阻挡层的厚度为5～20nm的范围，而且，未掺杂InbGa1-bN层17的In组成比b也是0.04～0.1的范围，该未掺杂InbGa1-bN层17的厚度与InbGa1-bN阻挡层整体厚度的合计厚度为60nm以下。这样，与第1实施方式同样，可以不损害氮化物半导体发光元件的功能，且流过20A/cm2密度的电流所必需的电压不到3V。
此外，在本实施方式中，从晶格匹配的角度考虑，将未掺杂InbGa1-bN层17的In组成比设定为与阻挡层的In组成比相同的b，不过，也可以是在0.04～0.1的范围内与阻挡层的组成比彼此独立的值。
另外，本实施方式中的层状结构是，在n-GaN层4和InaGa1-aN/InbGa1-bN多重量子阱15之间插入了未掺杂InbGa1-bN层17，不过，只要如上所述满足In组成比b为0.04～0.1的范围且包括阻挡层的InGaN层合计厚度为60nm以下的条件，也可以插入多个InGaN层。
其他实施方式
在第1和第2实施方式的氮化物半导体发光元件中，低温生长缓冲层2、未掺杂层3和n型层4为GaN，不过，这些层的部分或全部也可以由AlcGa1-cN(0＜c＜0.5)形成，
此外，在第1和第2实施方式的氮化物半导体发光元件中，采用蓝宝石衬底1作为衬底，但也可以采用Ga2O3衬底、SiC衬底、Si衬底。
另外，可以采用晶体生长的AlN缓冲层来代替非晶状态的低温生长缓冲层2。
此外，如图3所示，可以采用GaN衬底21来作为衬底。这种情况下，由于与n-GaN层4组成相同，不会产生晶格不匹配或膨胀系数差异的问题，如图3所示，还可以省略作为缓冲层的低温生长缓冲层2和在其上形成的未掺杂GaN层3。
                        实施例
通过以下实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。
实施例1  蓝色氮化物半导体发光元件的制作
采用MOVPE法制造图1所示结构的蓝色(峰波长460nm)氮化物半导体发光元件。
首先，将2英寸直径的C面蓝宝石衬底1导入MOVPE装置中，然后，在1200℃下清洁蓝宝石衬底1的表面，随后，在520℃下形成低温生长GaN缓冲层2。在其上面于1150℃下生长2μm未掺杂GaN层3，再在相同温度下生长2μm的n型载流子浓度为5×1018/cm3的n-GaN层4。
然后，将生长温度设定为780℃，生长由1～10对InaGa1-aN量子阱层3nm/InbGa1-bN阻挡层(0＜b＜0.13，厚度为3～30nm)的多重量子阱15构成的发光层。量子阱的生长是，首先在n-GaN层4上生长阻挡层，然后，按阱层→阻挡层→阱层…的顺序进行生长。另外，最后一个阻挡层的厚度为5nm。另外，InaGa1-aN量子阱层的In组成比a为0.15。
然后，在1100℃下生长30nm的p型载流子浓度为3×1017/cm3的p-Al0.1Ga0.9N层6、170nm的p型载流子浓度为7×1017/cm3的p-GaN层7。
接着，采用反应性离子腐蚀(RIE)装置对各晶片的部分表面进行腐蚀，腐蚀至n-GaN层4的一部分。之后，在未经RIE腐蚀的p-GaN层7的表面上蒸镀透明导电膜8(Ni 2nm/Au 4nm)，在氧气氛中、500℃下进行热处理5分钟，形成欧姆性的电极。然后，在用RIE腐蚀的区域蒸镀Ti 200nm/Al 500nm/Ti 200nm，在氮气中、600℃下热处理10分钟，形成具有欧姆性的n电极10。然后，蒸镀Ti 200nm/Au 8000nm与透明导电膜8部分重叠，形成p电极9，同时，也在n电极10上进行蒸镀，制成如图1所示结构的氮化物系半导体发光二极管。
实施例2  绿色氮化物系半导体发光元件的制作
采用MOVPE法制造图1所示结构的绿色(峰波长525nm)氮化物半导体发光元件。
首先，将2英寸直径的C面蓝宝石衬底1导入MOVPE装置，然后，在1200℃下清洁蓝宝石衬底1的表面，之后，在520℃下形成低温生长GaN缓冲层2。在其上面于1150℃下形成2μm未掺杂GaN层3，再在同一温度下生长2μm的n型载流子浓度为5×1018/cm3的n-GaN层4。
然后，将生长温度设定为730℃，生长由1～10对InaGa1-aN量子阱层3nm/InbGa1-bN阻挡层(0＜b＜0.13，厚度为3～30nm)的多重量子阱15构成的发光层。与实施例1同样，量子阱的生长是，首先在n-GaN层4上生长阻挡层，然后，按照阱→阻挡→阱…的顺序进行生长。另外，最后一个阻挡层的厚度为5nm。此外，InaGa1-aN量子阱层的In组成比a为0.25。
然后，在1100℃下生长30nm的p型载流子浓度为3×1017/cm3的p-Al0.1Ga0.9N层6、170nm的p型载流子浓度为7×1017/cm3的p-GaN层7。
接着，与实施例1同样，采用RIE装置对各晶片的部分表面进行腐蚀，腐蚀至n-GaN层4的一部分，在未由RIE腐蚀的p-GaN层7的表面上形成透明导电膜8，通过蒸镀形成p电极9使其与该透明导电膜8部分重叠，同时，在由RIE腐蚀的区域形成n电极10，制成如图1所示结构的氮化物系半导体发光二极管。
实验例
对于实施例1和实施例2中获得的氮化物系半导体发光二极管，阻挡层厚度为10nm，量子阱的对数为4，研究InGaN阻挡层的In组成对于20A/cm2通电时的驱动电压的依赖关系以及InGaN阻挡层的In组成对于光输出的依赖关系，结果如图4和图5所示。
由图4所示的结果可知，在InGaN阻挡层的In组成比为0.04～0.1的范围内，对于蓝色和绿色，与以往的情况(In组成比为0)相比，驱动电压更低，可以实现不到3V。
同样，由图5所示的结果可知，在InGaN阻挡层的In组成比为0.04～0.1的范围内，对于蓝色和绿色，与以往的情况(In组成比为0)相比，可以实现高输出的发光二极管。
另一方面，In组成比大于0.1的情况下，对于蓝色和绿色基本上都观测不到发光(图5)，驱动电压大约为1V左右(图4)。据认为，这是由于晶格不匹配增大而导入晶格缺陷，使得因缺陷而导致的漏电流成为主导的电流输送机制，不再产生pn结中的发光再结合。
对于上述阻挡层厚度10nm、对数为4以外的各种组合，也得到同样的实验结果，在阻挡层的In组成为0.04～0.1的范围内，在其厚度为5～20nm的范围且阻挡层的厚度的合计为60nm以下的情况下，与上述同样，发现驱动电压不到3V。
实施例3
如图2所示，在多重量子阱5和n-GaN层4之间插入1～200nm的未掺杂InbGa1-bN层17，制作LED。进行与实施例1和实施例2同样的实验。
结果，上述多重量子阱活性层中所含有的InbGa1-bN阻挡层的In组成比b为0.04～0.1、其厚度为5～20nm，且In组成比b为0.04～0.1范围的未掺杂InbGa1-bN层17加上阻挡层整体的厚度的合计厚度为60nm以下，在这种情况下，与实施例1和2同样，驱动电压比以往低，不到3V。
与此相对，即使阻挡层整体的厚度为60nm以下，若In组成b为0.04～0.1范围的未掺杂InbGa1-bN层17与阻挡层整体的厚度的合计超过60nm，则导入新的晶体缺陷，丧失了作为发光二极管的功能。
实施例4
在实施例3中，在680～800℃的范围内改变活性层的生长温度，制作发光的峰波长为430～560nm范围的发光二极管。
这种情况下，与实施例3同样，在多重量子阱活性层中所含有的InbGa1-bN阻挡层的In组成比b为0.04～0.1、其厚度为5～20nm、且In组成比b为0.04～0.1nm范围的未掺杂InbGa1-bN层17加上阻挡层整体的厚度的合计厚度为60nm以下的场合，与实施例3同样，驱动电压比以往低，不到3V。
实施例5
制作实施例3中低温缓冲层和n型层为AlcGa1-cN(0＜c＜0.5)的发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例6
在实施例3中，使用在1100℃生长的1μm的AlN层作为缓冲层来替代低温缓冲层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例7
在实施例3中，以SiC为衬底，以在1100℃生长的100nm的AlN层为缓冲层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例8
在实施例3中，以Si为衬底，以在1100℃生长的100nm的AlN层为缓冲层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例9
在实施例3中，如图3所示，以GaN为衬底，在其上面直接生长n型GaN层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例10
在实施例3中，以AlN为衬底，在其上面直接生长n型GaN层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。
实施例11
在实施例3中，以Ga2O3为衬底，在其上面直接生长n型GaN层，制作发光二极管。这种情况下，得到与实施例3同样的结果。

Claims (6)

1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，在衬底上至少叠层n型层、由多对InGaN阱层/InGaN阻挡层构成的多重量子阱活性层、以及p型层，所述的多重量子阱活性层所含有的InGaN阻挡层的组成由InxGa1-xN(0.04≤x≤0.1)表示，并且，包括上述InGaN阻挡层，发光元件中含有的In组成比为0.04～0.1范围的InGaN层的厚度的合计为60nm以下。
2.权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述活性层的发光峰波长在430～560nm的范围。
3.权利要求1所述氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述InGaN阻挡层的厚度为5～20nm的范围。
4.权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，在所述多重量子阱活性层和所述n型层之间，插入了In组成比为0.04～0.1范围的InGaN层。
5.权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，在衬底上形成的GaN层或AlyGa1-yN层(0＜y＜0.5)之上，形成所述的多重量子阱活性层。
6.权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述的衬底是由蓝宝石、Ga2O3、SiC、Si、GaN、AlN中的任一种构成的单晶衬底。
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