CN101322292B - 氮化镓半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化镓半导体发光元件，其可降低AlGaN半导体层与GaN系半导体层的界面上产生的自发极化及压电极化所引起的载体耗尽化，并能使驱动电压稳定。在蓝宝石基板(1)的(R)面上形成有包含发光区域的氮化镓半导体晶体(2)。另外，其它构成中，在GaN基板(3、4)的(A)面或(M)面上形成氮化镓半导体晶体(2)。这些氮化镓半导体晶体(2)的成长表面不是N(氮)极性面及Ga极性面，而为无极性面，因此，可减小在p侧GaN/AlGaN的界面产生的自发极化及压电极化引起的电场的大小，从而可避免载体耗尽化。

Description

氮化镓半导体发光元件
技术领域
本发明涉及一种使用了GaN的氮化镓半导体发光元件。
背景技术
作为发出蓝色或者紫色光的半导体激光元件、发光二级管等半导体发光元件，有氮化镓半导体发光元件。在制造GaN系半导体元件时，因为由GaN构成的基板的制造困难，所以在由蓝宝石、SiC、Si等构成的基板上外延成长GaN系半导体层。
例如，使用MOCVD(有机金属气相成长法)，在蓝宝石基板的(0001)面上依次形成非掺杂的GaN缓冲层、n-GaN接触层、n-AlGaN包覆层、n-GaN光导层、InGaN多重量子阱(MQW)活性层等，在活性层上依次形成p-GaN光导层、p-AlGaN包覆层、p-GaN接触层等。
通过进行蚀刻将p-GaN接触层去除至n-GaN接触层的一部分区域，使n-GaN接触层露出，且在n-GaN接触层露出的上表面上形成n电极，在p-GaN接触层的上表面上形成p电极。
图9是表示蓝宝石单晶体的面方位的单位晶格图，蓝宝石的晶体结构近似于图中所示的六方晶系。在蓝宝石基板上层叠GaN系半导体层时，利用蓝宝石基板的C面(0001)在(0001)方位的蓝宝石基板上层叠的GaN系半导体具有(0001)方位的纤维锌矿型的晶体结构，如图7所示，Ga的阳离子元素具有成为成长表面方向的晶体极性(在C轴方向上成长)。即，在蓝宝石基板上垂直方向以C轴(0001)层叠。
图10表示在上述蓝宝石基板上层叠GaN系半导体而成的氮化镓半导体发光元件中，n-AlGaN包覆层41、n-GaN光导层42、MQW活性层43、p-GaN光导层44、p-AlGaN包覆层45的层叠区域的价电子带中的带隙能量。
专利文献1：日本特开2000-216497号公报
如上述现有技术，层叠在蓝宝石基板的C面(0001)上的GaN系半导体层中，Ga极性面成为成长表面方向，但由于在成长后的GaN系半导体层的GaN/AlGaN异质结界面上，在C轴方向上无对称性，而在C面成长的外延膜上有表里产生的纤维锌矿结构，因此，产生由自发极化和界面应力引起的压电极化，且产生极化电荷，在异质结界面上产生电场。该电场在n侧将电子引入活性层中，因此问题很小。
但是在p侧，如图10所示，由于电场E从p-GaN光导层44朝向p-AlGaN包覆层45产生，因此，由于产生的电场E，从p-AlGaN包覆层45流入p-GaN光导层44的空穴受到电的排斥而难以流入MQW活性层43，从而产生载体耗尽化而使驱动电压上升。驱动电压的上升会缩短氮化镓半导体发光元件的寿命。
尤其是，p-AlGaN包覆层45中包含有成为p型杂质的Mg，当该Mg浓度为1×1019cm-3以下时，在p-GaN光导层44与p-AlGaN包覆层45的界面发生的压电极化急剧增大，图10所示的电场E会变得异常大，因此而成为问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够减少AlGaN半导体层和GaN系半导体层的界面上产生的自发极化及压电极化所引起的载体耗尽化，使驱动电压稳定的氮化镓半导体发光元件。
为了实现上述目的，本发明第一技术方案提供一种氮化镓半导体发光元件，其基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlGaN半导体层与GaN半导体层的界面，该AlGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧并且含有1019cm-3以下的Mg，该GaN半导体层位于该AlGaN半导体层的n侧，其特征在于，从所述n型半导体层到AlGaN半导体层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
另外，本发明第二技术方案提供一种氮化镓半导体发光元件，其基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlGaN半导体层与InGaN半导体层的界面，该AlGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧并且含有1019cm-3以下的Mg，InGaN半导体层位于该AlGaN半导体层的n侧，其特征在于，从所述n型半导体层到AlGaN半导体层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
另外，本发明第三技术方案提供一种氮化镓半导体发光元件，其基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlXGaN半导体层与AlYGaN半导体层(X＞Y)的界面，该AlXGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧并且含有1019cm-3以下的Mg，该AlYGaN半导体层位于该p型AlXGaN半导体层的n侧，其特征在于，从所述n型半导体层到AlXGaN半导体层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
根据本发明，基板上层叠的氮化镓半导体的成长方向(相对于基板的垂直方向)在不同于GaN的N(氮)极性或Ga极性的无极性面，即A面或M面形成，因此，可将在p侧的AlGaN半导体层和GaN系半导体层的界面上因自发极化或压电极化而产生的电场减到极小，从而可避免载体耗尽化而使驱动电压稳定。
附图说明
图1(a)～(c)是表示本发明的氮化镓半导体发光元件的概略构成的示意图；
图2是表示氮化镓半导体发光元件中LED结构的一个示例的剖面图；
图3是表示图2的LED的价电子带中带隙能量的示意图；
图4是表示氮化镓半导体发光元件中的LD结构的一个示例的剖面图；
图5是表示氮化镓半导体发光元件结构的一个示例的剖面图；
图6是表示图5氮化镓半导体发光元件的价电子带中带隙能量的示意图；
图7(a)～(b)是表示AlGaN/InGaN界面以及AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)界面的电场状态的示意图；
图8是表示成长表面为Ga极性面时的氮化镓半导体晶体的晶体结构的模式图；
图9是表示六方晶系的面方位的单位晶格图；
图10是表示现有的氮化镓半导体发光元件的价电子带中带隙能量的示意图。
附图标记说明
1  蓝宝石基板
2  氮化镓半导体晶体
3  GaN基板
4  GaN基板
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1表示本发明的氮化镓半导体发光元件的概略构成。图1(a)的氮化镓半导体发光元件是在蓝宝石基板1上形成有包含发光区域的氮化镓半导体晶体2。氮化镓半导体晶体2通过MOCVD法等在蓝宝石基板1的R面(1-102)上形成，其成长表面在A面成长。参照图8、9可知，A面不是Ga极性面及N(氮)极性面，而是无极性面。
另外，专利文献1中所示的日本特开2000-216497中记载的是，使用蓝宝石基板的A面及M面层叠GaN系半导体层，可将成长表面作成M面或A面，但通常在使用了蓝宝石基板的A面及M面时，成长方向为C轴，因此，认为GaN系半导体层的成长表面不是M面或A面。
另外，图1(b)的氮化镓半导体发光元件是在GaN基板3上层叠有包含发光区域的氮化镓半导体晶体2。氮化镓半导体晶体2通过MOCVD法等在GaN基板3的A面(11-20)上形成，其成长表面在A面成长。如上所述，A面不是Ga极性面及N(氮)极性面，而是无极性面。
另外，图1(c)的氮化镓半导体发光元件是在GaN基板3上层叠有包含发光区域的氮化镓半导体晶体2。氮化镓半导体晶体2通过MOCVD法等在GaN基板3的M面(10-10)上形成，其成长表面在M面成长。也如图8、9可知，M面不是Ga极性面及N(氮)极性面，而是无极性面。
如上，通过使氮化镓半导体晶体2成长，而使氮化镓半导体晶体2的成长表面不为Ga极性面及N(氮)极性面，而为无极性面，因此，在成长后的氮化镓半导体晶体2的GaN/AlGaN界面上产生的电场E的强度，与现有的图10所示的成长表面为Ga极性面的情况相比，其强度非常弱，因此，可避免载体耗尽化。特别是AlGaN半导体层中掺杂有Mg作为杂质，在该Mg浓度为1×1019cm-3以下的情况下，如现有技术所示，当成长表面为氮极性面时，在AlGaN半导体层和GaN系半导体层的界面引起的压电极化急剧增大，从而电场E急剧增大，但如本发明，通过作成无极性面，可将该电场E减小到极小，因此效果显著。
图2表示的是，使氮化镓半导体晶体2在蓝宝石基板1的R面上成长，且成长表面为A面的氮化镓半导体发光元件的LED的一个示例。在蓝宝石基板11上形成缓冲层12、n型接触层13、n型超晶格层15、MQW活性层16、p型电子块层17、p型接触层18。另外，在p型接触层18上形成有正电极(p电极)20、在n型接触层13上形成有负电极(n电极)14。缓冲层12、n型接触层13、n型超晶格层15、MQW活性层16、p型电子块层17、p型接触层18所有的成长表面都为A面。
图3表示的是，在此，缓冲层12为非掺杂的GaN，n型接触层13为n-GaN，n型超晶格层15为将n-GaN薄膜和n-InGaN薄膜交互5～10循环层叠而成的超晶格结构，MQW活性层16为由InGaN构成的阱层和由GaN或InGaN构成的阻挡层的多重量子阱结构，p型电子块层17为掺杂有浓度为1×1019cm-3以下的Mg作为p型杂质的p-AlGaN，p型接触层18为由p-GaN构成时的价电子带的带隙能量。
如图10所示，现有的以Ga极性面作为成长表面而形成氮化镓半导体晶体的情况下，在p-GaN光导层和p-AlGaN包覆层的界面上，从GaN半导体层朝向AlGaN半导体层有电场E产生，但是，在成长表面为无极性面的情况下，如图3所示，虽然从MQW活性层16的GaN阻挡层朝向p-AlGaN电子块层17产生电场E，但是该电场的大小要比现有的图10所示的电场的强度小得多，因此，从正电极19侧注入的空穴能够容易地注入发光区域即MQW活性层16侧，从而能够避免载体耗尽化。
作为制造方法，用众所周知的MOCVD方法等使之成长。例如，在蓝宝石基板11的R面上，顺序层叠1～3μm程度的由非掺杂GaN构成的缓冲层12、1～5μm程度的Si掺杂的GaN接触层13、0.2～1μm程度的Si掺杂的InGaN/GaN超晶格层15、MQW活性层16、Mg掺杂的AlGaN电子块层17、Mg掺杂的GaN接触层18。MQW活性层16是将1～3nm的由In0.17Ga0.83N构成的阱层和10～20nm的由InXGaN(0≤X≤0.05)构成的阻挡层交互层叠3～10个循环的多层结构。
在形成了p型接触层18后，将p型接触层18、p型电子块层17、MQW活性层16、n型超晶格层15、n型接触层13的一部分通过反应性离子蚀刻等进行台面蚀刻并去除。之后，通过蒸镀在n型接触层13的被蚀刻面上形成负电极14，通过蒸镀在p型接触层18上形成正电极19。
其次，图4表示的是，使氮化镓半导体晶体2在蓝宝石基板1的R面上成长，且成长表面为A面的氮化镓半导体发光元件的LD的一个示例。作为制造方法，用众所周知的MOCVD方法等使之成长。例如，在蓝宝石基板31的R面上，顺序层叠1～3μm程度的由非掺杂GaN构成的缓冲层32、1～5μm程度的由Si掺杂的AlGaN/GaN超晶格层构成的n型包覆层34、0.2～1μm程度的由Si掺杂的InGaN/GaN构成的n型超晶格层35、MQW活性层36、由掺杂有浓度为1×1019cm-3以下的Mg的AlGaN构成的p型电子块层37、Mg掺杂的AlGaN/GaN超晶格层构成的p型包覆层38。MQW活性层36是将1～3nm的由In0.17Ga0.83N构成的阱层和由10～20nm的InZGaN(0≤Z≤0.05)构成的阻挡层交互层叠3～10个循环的多层结构。
在通过蚀刻p型包覆层38进行图形化而形成脊部后，以绝缘层39覆盖自脊部的侧面到p型包覆层38的平坦部，并在p型包覆层38的脊部上层叠由Mg掺杂的GaN构成的p型接触层40。
在形成p型接触层40后，将p型接触层40、p型包覆层38、p型电子块层37、MQW活性层36、n型超晶格层35、n型包覆层34、缓冲层32的一部分通过反应性离子蚀刻等进行台面蚀刻并去除。之后，通过蒸镀在缓冲层32的被蚀刻面上形成n电极33，通过蒸镀在p型接触层40上形成p电极50。
对于如图4所示构成的LD，缓冲层32、n型包覆层34、n型超晶格层35、MQW活性层36、p型电子块层37、p型包覆层38、p型接触层40所有的成长表面也都为A面。在此，在p侧的AlGaN电子块层37和MQW活性层36的GaN阻挡层(Z＝0)的界面产生电场。但是，在成长表面为无极性面的情况下，与图3的情况相同，虽然从GaN阻挡层MQW朝向p-AlGaN电子块层37产生电场E，但是该电场的大小要比现有的如图10所示的电场的强度小得多，因此，从p电极41侧注入的空穴能够容易地注入发光区域MQW活性层36侧，从而可避免载体耗尽化。
另一方面，图5表示的是，使氮化镓半导体晶体2在GaN基板3、4的A面或M面上成长，且成长表面为A面或M面的氮化镓半导体发光元件的一个示例。
以图5的结构形成LED的情况下，利用已知的MOCVD法等，例如在GaN基板22的A面或M面上，顺序层叠0.8μm程度的作为n型包覆层23的掺杂了Si的AlGaN、0.1μm程度的作为n型光导层24的非掺杂GaN或者n掺杂GaN、0.1μm程度的作为MQW活性层25以及p型光导层26的非掺杂GaN或者p掺杂GaN、200
Figure S2006800451527D00071
程度的作为电子块层27的掺杂了浓度为1×1019cm-3以下的Mg的AlGaN、作为p型包覆层28以及p型接触层29的掺杂了Mg的GaN。
另外，MQW活性层25例如为层叠由30
Figure S2006800451527D00072
的In0.08GaN构成的阱层和由150
Figure S2006800451527D00073
的In0.01GaN构成的阻挡层(障壁层)而成的多重量子阱结构，p型包覆层28为将20～50的非掺杂AlGaN和掺杂了Mg的20～50
Figure S2006800451527D00075
的GaN交互层叠而成的超晶格层。最后，通过蒸镀形成正电极30(p电极)和负电极21(n电极)。如此层叠的氮化镓半导体LED的n型包覆层23、n型光导层24、MQW活性层25、p型光导层26、电子块层27、p型包覆层28、p型接触层29所有的成长表面都为A面或者M面。
另一方面，以图5的结构形成LD的情况下，利用已知的MOCVD法等，例如在GaN基板22的A面或M面上顺序层叠0.1μm程度的作为n型包覆层23以及n型光导层24的非掺杂GaN或n掺杂GaN、0.1μm程度的作为MQW活性层25以及p型光导层26的非掺杂GaN或者p掺杂GaN、20
Figure S2006800451527D00076
程度的作为电子块层27的掺杂了浓度为1×1019cm-3以下的Mg的AlGaN、作为p型包覆层28以及p型接触层29的掺杂了Mg的GaN。
而且，MQW活性层25例如为层叠由30
Figure S2006800451527D00077
的In0.08Ga0.92N构成的阱层和由150的In0.01GaN构成的阻挡层(障壁层)而成的多重量子阱结构，n型包覆层23为交互层叠20～50
Figure S2006800451527D00079
的非掺杂AlGaN和掺杂了Si的20～5
Figure S2006800451527D000710
的GaN而成的超晶格层，p型包覆层28为交互层叠20～50
Figure S2006800451527D000711
的非掺杂AlGaN和掺杂Mg的20～50
Figure S2006800451527D000712
的GaN而成的超晶格层。最后，通过蒸镀形成正电极30(p电极)和负电极21(n电极)。如此层叠的氮化镓半导体LD的n型包覆层23、n型光导层24、MQW活性层25、p型光导层26、电子块层27、p型包覆层28、p型接触层29所有的成长表面都为A面或者M面。
图6表示的是如上述那样由LED或者LD构成图5的结构时的情况下价电子带的带隙能量。在由GaN构成的p型光导层26和由AlGaN构成的电子块层27的界面上，从p型光导层26朝向电子块层27产生电场E，但是，由于成长表面为无极性面，所以如图6所示，要比现有技术的图10所示的电场的强度小得多，因此，从正电极30侧注入的空穴能够容易地注入发光区域MQW活性层25侧，从而可避免载体耗尽化。
另外，在由AlGaN和GaN超晶格层构成的p型包覆层28和由AlGaN构成的电子块层27的界面上，以及在p型包覆层28和由GaN构成的p型接触层的界面上都产生电场，但是，由于成长表面为无极性面，故产生的电场的强度变得非常小，因此，不论电场的朝向如何，其影响都会变得很小，从而可避免载体耗尽化。
但是，由自发极化和界面应力造成的压电极化所引起的电场E的产生，不仅在AlGaN/GaN的界面上，在AlGaN和其他GaN系半导体层的界面上也能够看到。特别是在AlGaN/InGaN的界面、AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)的界面上产生同样的电场。即，当基板上的氮化镓半导体晶体的外延成长方向为Ga极性面时，与图10相同，在AlGaN/InGaN的界面上从InGaN半导体层朝向AlGaN半导体层的方向产生电场E、在AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)的界面上从AlYGaN半导体层朝向AlXGaN半导体层的方向产生电场E，来自p电极侧的空穴受到电排斥而难以流进发光区域。
例如，在图2或者图4的结构中可将MQW活性层16、36的阻挡层(Z≠0)作成InGaN，根据这样的结构，在由AlGaN构成的p型电子块层17、37和阻挡层之间形成AlGaN/InGaN的界面。另外，在图5的结构中，有时在由AlGaN和GaN的超晶格层构成的p型包覆层28和由AlGaN构成的电子块层27之间形成AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)界面。图7(a)表示AlGaN/InGaN的界面状态，图7(b)中将AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)的界面状态与价电子带的带隙能量一起表示。
当氮化镓半导体晶体的成长面为Ga极性面时，在上述各界面中，来自p电极侧的空穴也会受到电排斥而难以被注入到发光区域，如图1所示的结构，如果将氮化镓半导体晶体的半导体层的成长方向作成无极性面时，则如图7(a)所示，在AlGaN/InGaN的界面上可将从InGaN半导体层朝向AlGaN半导体层产生的电场E的大小减到极小，从而可使来自p电极侧的空穴容易地注入发光区域。
另外，如图7(b)所示，在AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)的界面上，也可以将从AlYGaN半导体层朝向AlXGaN半导体层产生的电场E的大小减到极小，从而可使来自p电极侧的空穴更容易地注入发光区域。这样，可防止载体耗尽化，使驱动电压稳定。
尤其是，当AlGaN半导体层及上述AlYGaN半导体层中的杂质Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3以下时，在成长表面为Ga极性面的情况下，在AlGaN/InGaN界面、AlGaN/GaN界面、AlXGaN/AlYGaN(X＞Y)的各界面上都会产生极强的电场，但是，在本发明的情况下，由于成长表面为无极性面，因此能够使上述各界面中的电场大小显著缩小，从而可使来自p电极侧的空穴容易地注入发光区域。

Claims (3)

1.一种氮化镓半导体发光元件，其在基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlGaN半导体层与GaN半导体层的界面，该AlGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧并且含有1019cm-3以下的Mg，该GaN半导体层位于该AlGaN半导体层的n侧，其特征在于，
所述AlGaN半导体层为p型电子块层，
p型包覆层形成在所述p型电子块层上，
从所述n型半导体层到所述p型包覆层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
2.一种氮化镓半导体发光元件，其在基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlGaN半导体层与InGaN半导体层的界面，该AlGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧上并且含有1019cm-3以下的Mg，该InGaN半导体层位于该AlGaN半导体层的n侧，其特征在于，
所述AlGaN半导体层为p型电子块层，
p型包覆层形成在所述p型电子块层上，
从所述n型半导体层到所述p型包覆层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
3.一种氮化镓半导体发光元件，其在基板上至少依次具备n型半导体层、发光区域、p型半导体层，且该氮化镓半导体发光元件具有AlXGaN半导体层与AlYGaN半导体层的界面，其中，X＞Y，该AlXGaN半导体层形成在所述p型半导体层侧上并且含有1019cm-3以下的Mg，该AlYGaN半导体层位于该p型AlXGaN半导体层的n侧，其特征在于，
所述AlYGaN半导体层为p型电子块层，
p型包覆层形成在所述p型电子块层上，
从所述n型半导体层到所述p型包覆层，成长表面在既不是GaN的氮极性也不是Ga极性的无极性方向形成。
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