CN101330123B - Ⅲ族氮化物系半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种III族氮化物系半导体发光元件(11)，其中，p型Al_YGa_1-YN层(19)的p型掺杂剂浓度N_p19比p型Al_XGa_1-XN层(15)的p型掺杂剂浓度N_p15大，因此，p型掺杂剂从p型Al_YGa_1-YN层(19)向p型Al_XGa_1-XN层(15)扩散，且到达p型Al_XGa_1-XN层(15)和活性层(17)的界面附近。p型Al_XGa_1-XN层(15)和活性层(17)的界面附近的p型Al_XGa_1-XN层(15)中，p型掺杂剂的浓度分布曲线PF1_Mg变得陡峭。另外，p型Al_ZGa_1-ZN层(21)的p型掺杂剂浓度与p型Al_YGa_1-YN层(19)的p型掺杂剂浓度N_p19被独立地规定。

Description

Ⅲ族氮化物系半导体发光元件

技术领域

本发明涉及一种III族氮化物系半导体发光元件。

背景技术

专利文献1(日本特开平8-330629号公报)中记载有一种氮化物半导体发光元件。阳极与第一p型氮化物半导体层接触。在活性层上，第二p型氮化物半导体层位于p型包覆层和第一p型氮化物半导体层之间。即，在活性层上依次设置有p型包覆层、第二p型氮化物半导体层和第一p型氮化物半导体层。第二p型氮化物型半导体层的受主杂质浓度比阳极接触的第一p型氮化物半导体层的受主杂质浓度低。

专利文献2(日本特开平10-4210号公报)中记载有一种III族氮化物化合物半导体发光元件。在发光层上依次设置有p型Al_0.08Ga_0.92N包覆层、p型第一GaN接触层以及p⁺型第二GaN接触层，且电极与p⁺型第二GaN接触层接触。

对比文献1及2中记载的发光元件中，在活性层上设置有由p型AlGaN电子包覆层/p型GaN接触层构成的层压层。p型GaN接触层包含通常Mg浓度的p型GaN层和高Mg浓度的p型GaN层。

期望提高该结构的发光二极管的光输出功率。根据发明人对发光二极管的特性解析，在p型半导体层和量子阱结构活性层的界面附近观察了施主能级。另外，低温中的发光光谱中观察了由与活性层不同的p型半导体层引起的发光和推测峰值。该发光的原因为，在量子阱结构的活性层和p型半导体层的界面附近形成有施主缺陷，该缺陷使电子包覆层的势垒高度下降。认为由于该下降，电子从活性层向p型半导体区域漏泄，由此，发光效率降低。

发明内容

于是，本发明是鉴于上述事项而完成的，目的在于提供一种能够降低从活性层向p型半导体区域的电子漏泄的III族氮化物系半导体发光元件。

根据本发明的一方面，III族氮化物系半导体发光元件包括：(a)n型氮化镓系半导体层、(b)第一p型Al_XGa_1-XN(0≤X＜1＝层、(c)设于所述n型氮化镓系半导体层和所述第一p型Al_XGa_1-XN层之间且含有InGaN层的发光层、(d)设于所述第一p型Al_XGa_1-XN层上的第二p型Al_YGa_1-YN(0≤Y≤X＜1＝层、(e)设于所述第二p型Al_YGa_1-YN层上的第三p型Al_ZGa_1-ZN层(0≤Z≤Y≤X＜1＝、和(f)与所述第三p型Al_ZGa-_1-ZN层接触的p电极。所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂浓度比所述第一p型Al_XGa_1-XN层及所述第三p型Al_ZGa_1-ZN层的p型掺杂剂浓度大。

根据该III族氮化物系半导体发光元件，第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂浓度比第一p型Al_XGa1_-XN层的p型掺杂剂浓度大，因此来自第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂依靠制造该元件中的热向第一p型Al_XGa_1-XN层扩散，并到达第一p型Al_XGa_1-XN层和活性层的界面附近。由此，第一p型Al_XGa_1-XN层和活性层的界面附近的第一p型Al_XGa_1-XN层中，p型掺杂剂的浓度分布曲线变得陡峭。由此，降低电子漏泄，提高发光效率。而且，第三p型Al_ZGa_1-ZN层的p型掺杂剂浓度可以设定为用于得到适合的接触电阻的值。

本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第二p型Al_YGa-_1-YN层的p型掺杂剂浓度优选为1×10²⁰cm^-3以上。p型掺杂剂浓度达到1×10²⁰cm^-3以上时会提高促进掺杂剂扩散的效果。

本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第三p型Al_ZGa-_1-ZN层的p型掺杂剂浓度优选为1×10¹⁹cm^-3以上。该掺杂剂浓度可减小第三p型Al_ZGa_1-ZN层与电极之间的接触电阻。另外，所述第三p型Al_ZGa_1-ZN层的p型掺杂剂浓度优选为1×10²⁰cm^-3以下。超过限度的p型掺杂剂浓度使顺向电压(Vf)增加。

本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第一p型Al_XGa_1-XN层的p型掺杂剂浓度优选为1×10²⁰cm^-3以下。

过量的掺杂剂浓度会使活性化率降低，因此，p型掺杂剂浓度优选为1×10²⁰cm^-3以下。第一p型Al_XGa_1-XN层的作用是向活性层提供空穴，因此，优选第一p型Al_XGa_1-XN层的载流子浓度高。

本发明涉及的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第二p型Al_YGa_1-YN层优选由GaN组成。而且，本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第三p型Al_ZGa_1-ZN层优选由GaN组成。GaN的成长速度能比AlGaN的成长速度快，因此可以缩短成长时间，降低成本。

此外，本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第一p型Al_XGa_1-XN层优选由GaN组成。按照活性层中的发光波长，GaN也可以作为电子势垒使用。另外，GaN的成长速度能比AlGaN的成长速度快，因此可以缩短成长时间，降低成本。

本发明的III族氮化物系半导体发光元件中，所述第一p型Al_XGa_1-XN层的p型掺杂剂可以为Be、Mg、Zn中的至少一个。所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂可以为Be、Mg、Zn中的至少一个。所述第三p型Al_ZGa_1-ZN层的p型掺杂剂可以为Be、Mg、Zn中的至少一个。该III族氮化物系半导体发光元件中，通过用于p型掺杂剂的所述元素可以提供良好的效果。

从以下参考附图而进行的对本发明的优选实施方式的详细记述中，更容易了解本发明的上述目的及其他目的、特征以及优点。

附图说明

图1是概略表示本实施方式所涉及的III族氮化物系半导体发光元件的图。

图2是表示用于外延片A的二次离子质量分析(SIMS)结果的图。

图3是表示用于外延片R的SIMS结果的图。

图4是表示实施例及比较例1中的EL光谱的图。

图5是通过实施例及比较例1中的活性层表示发光强度和环境温度的关系的图。

图6是表示活性层及p型半导体层的手绘草图的图。

具体实施方式

通过参考作为例示表示的附图考虑以下的详细记述，可以容易地理解本发明的想法。下面，参考附图，说明本发明的III族氮化物系半导体发光元件的实施方式。在可能的情况下，同一部分使用同一标号。

(实施方式)

图1是概略表示本实施方式的III族氮化物系半导体发光元件的图。作为III族氮化物系半导体发光元件11，例如有面发光的发光二极管。III族氮化物系半导体发光元件11包括n型氮化镓系半导体层13、第一p型Al_XGa_1-XN(0≤X＜1)层15、含有InGaN层的活性层17、第二p型Al_YGa_1-YN(0≤Y≤X＜1)层19、第三p型Al_ZGa_1-ZN(0≤Z≤Y≤X＜1＝层21、和电极23。第一p型Al_XGa_1-XN层(以下记作p型Al_XGa_1-XN层)15设于InGaN活性层17上。第二p型Al_YGa_1-YN(0≤Y≤X＜1)层(以下记作p型Al_YGa_1-YN层)19设于p型Al_XGa_1-XN层15上。第三p型Al_ZGa_1-ZN层(以下记作p型Al_ZGa_1-ZN层)21设于p型Al_YGa_1-YN层19上。电极23与p型Al_ZGa_1-ZN层21接触、例如为阳极。优选该接触为良好的欧姆接触。p型Al_YGa_1-YN层19的p型掺杂剂浓度N_p19比p型Al_XGa_1-XN层15的p型掺杂剂浓度N_p15大。另外，p型掺杂剂浓度N_p19比p型Al_ZGa_1-ZN层21的p型掺杂剂浓度N_p21大。p型Al_XGa_1-XN层15可由GaN或者AlGaN组成。p型Al_YGa_1-YN层19可由GaN或者AlGaN组成。p型Al_ZGa_1-ZN层21可由GaN或者AlGaN组成。p型Al_YGa_1-YN层19与p型Al_XGa_1-XN层15接触。p型Al_ZGa_1-ZN层21与p型Al_YGa_1-YN层19接触。

根据该III族氮化物系半导体发光元件11，p型掺杂剂浓度N_p19比p型掺杂剂浓度N_p15大，因此，来自p型Al_YGa_1-YN层19的p型掺杂剂在半导体发光元件11的制造工序中向p型Al_XGa_1-XN层15热扩散，并到达p型Al_XGa_1-XN层15和活性层17的界面附近。由此，p型Al_XGa-_1-XN层15和活性层17的界面附近的p型Al_XGa_1-XN层15中，p型掺杂剂的浓度分布曲线变得陡峭。由此，降低来自活性层17的电子漏泄，提高发光效率。另外，p型Al_ZGa_1-ZN层21的p型掺杂剂浓度N_p21与p型掺杂剂浓度N_p19是独立地规定的，因此，可以给电极23与p型Al_ZGa-_1-ZN层21的接触提供适合的接触电阻。

III族氮化物系半导体发光元件11还包括基板25。基板25在本实施例中，例如可以为导电性的GaN基板这样的III族氮化物基板。或者，作为基板25也可以使用蓝宝石基板。在n型GaN基板的主表面(与主表面25a相对应)上，例如设有n型AlGaN层27，另外，在n型GaN基板的背面(与背面25b相对应)上，有电极29与之接触。电极29例如为阴极。

活性层17例如可以有量子阱结构，包含InGaN阱层17a及势垒层17b。势垒层17b由氮化镓系半导体组成，例如可由铟组成比阱层17a的InGaN的少的InGaN组成。作为势垒层17b的材料，必要时也可以为Ga-N。活性层17的结构不限于单或多量子阱结构，也可由单一的InGaN层组成。来自活性层17的光L通过电极23射出。

III族氮化物系半导体发光元件11中，用于p型Al_YGa_1-YN层19的p型掺杂剂可为Be、Mg、Zn中的至少一个。将上述的元素作为p型掺杂剂使用，能够提供良好的特性。用于p型Al_ZGa_1-ZN层21的p型掺杂剂可为Be、Mg、Zn中的至少一个。可以实现低接触电阻。掺杂剂浓度的调整通过例如改变成长速度等来实现。另外，用于p型Al_XGa_1-XN层15的p型掺杂剂可为Be、Mg、Zn中的至少一个。

实施例

制造发光二极管(LED)。准备n型Ga-N基板。接着，在结晶成长中，例如使用有机金属气相成长(OMVPE)法。作为OMVPE的原料，作为镓原料使用三甲基镓(TMGa)、作为铟原料使用三甲基铟(TMIn)、作为铝原料使用三甲基铝(TMAl)，作为氮原料使用氨。作为载气使用氢和氮。作为p型掺杂剂使用二茂镁(Cp₂Mg)、作为n型掺杂物使用甲基矽甲烷(CH₃SiH₃)。

在n型GaN基板上，依次成长n型Al_0.07Ga_0.93N层(例如，厚度50nm)、n型GaN层(例如，厚度2μm)、In_0.14Ga_0.86N阱层(例如，厚度3nm)/In_0.003Ga_0.997N势垒层(例如，厚度15nm)的活性层(6个阱层)、p型Al_0.085Ga_0.915N(例如，厚度20nm、Mg浓度3.0×10¹⁹cm^-3)、Mg高添加GaN层(例如，厚度20nm、Mg浓度1.8×10²⁰cm^-3)、Mg通常添加GaN层(例如，厚度30nm、Mg浓度7.6×10¹⁹cm^-3)。形成外延片A。

为了进行参考，不成长Mg高添加GaN层，而是依次成长Mg通常添加GaN层(例如，厚度50nm)，形成外延片R1(比较例1)。另外，不成长Mg通常添加GaN层，而是依次成长Mg高添加GaN层(例如，厚度50nm)，形成外延片R2(比较例2)。

图2是表示用于外延片的A二次离子质量分析(SIMS)结果的图。图3是表示用于外延片R的SIMS结果的图。参考图2，Mg高添加GaN层(图2中参考标号19)设于p型Al_0.085Ga_0.915N层(图2中参考标号15)和Mg通常添加GaN层(图2中参考标号21)之间，因此，p型Al_0.085Ga-_0.915N层上的Mg(p型掺杂剂)的分布曲线PF_1Mg显示Mg浓度3～4×10¹⁹cm^-3，另外，在p型Al_0.085Ga_0.915N层和活性层(图2中参考标号17)的界面附近，分布曲线PF1_Mg的变化的陡峭性增大。参考图3，p型Al_0.085Ga_0.915N层(图3中参考标号45)设于活性层(图3中参考标号17)和Mg通常添加GaN层(图3中参考标号49)之间。p型Al_0.085Ga_0.915N层中的Mg(p型掺杂剂)的分布曲线PF2_Mg显示Mg浓度2～3×10¹⁹cm^-3，另外，关于p型Al_0.085Ga_0.915N层(图3中参考标号45)和活性层(图3中参考标号17)的界面附近的分布曲线PF2_Mg的变化，与图2的分布曲线PF1_Mg相比，分布曲线PF2_Mg的陡峭性差。比较表示A1浓度的分布曲线和分布曲线PF1_Mg、分布曲线PF2_Mg，可以很好地表示陡峭性的差别。

从成长炉取出外延片A、R1、R2后，使用真空蒸镀法和光刻法(lithography)在GaN基板的背面形成n电极(例如Ti/Au电极)，同时在外延片的表面形成p电极(例如Ni/Au电极)。p电极的尺寸例如为400μm方形。

此外，形成用于p电极及n电极的焊盘电极(pad electrode)后，使20mA的电流流向晶片元件而测定发光波长和输出功率。另外，通过TLM法(Transmisson Line Method)测定接触电阻。从SIMS的结果估计Mg浓度。

p-GaN层的结构              光输出功率  发光波长  驱动电压  接触电阻

A通常Mg浓度/高Mg浓度2层    5mW         468nm     3.3V      7E-3Ωcm²

R1通常Mg浓度1层            4mW         470nm     3.3V      7E-3Ωcm²

R2高Mg浓度1层              4.8mW       465nm     3.7V      8E-2Ωcm²

驱动电压作为通20mA直流电流时的值测定。

该结果显示，实施例的LED相对于两个比较例的LED具有高光输出功率和低驱动电压及低接触电阻这两方面。虽然比较例1的LED中，接触电阻和驱动电压低，但是比较例1的光输出功率比实施例的LED的光输出功率低20％。比较例2的LED的光输出功率与实施例的LED的光输出功率大致相等，但是比较例2的LED的接触电阻和驱动电压比实施例的LED的高。

Mg浓度过高或过低，LED的p电极的接触电阻都有变差的倾向，优选为1×10¹⁹cm^-3以上，并且优选为1×10²⁰cm^-3以下。另一方面，根据SIMS分布曲线，p型AlGaN层和活性层的界面上Mg分布曲线的上升有与p型AlGaN层相接的p型GaN层的Mg浓度越高就越陡峭的倾向。根据该理由，认为是因为当p型GaN层的Mg浓度变高时，镁原子通过p型AlGaN层向活性层的扩散变得容易。

关于比较例1、2及实施例，在使用低温恒温器向LED通电的同时，在10绝对温度10K～420K的范围内测定LED的发光光谱。图4(a)是表示实施例中EL光谱的图。图4(b)是表示比较例1中EL光谱的图。图5是通过实施例及比较例1中的活性层表示发光强度和环境温度的关系的图。实施例的测定值用“△”表示，比较例1的测定值用“□”表示。比较例1中，低温下380nm附近出现p型半导体层的由施主-受主对引起的发光峰。因此，普遍认为由于低温下p型半导体层的施主-受主对发光效率提高，所以从活性层向p型半导体层漏泄的电子引起前述发光。另一方面，普遍认为实施例中，即使在低温下也只能观测到来自活性层的460nm附近的发光，因此，电子从活性层向p型半导体层的漏泄量小到可以忽略不计。

如图6(a)所示，比较例1的LED结构中，p型AlGaN和活性层的界面上形成有施主性缺陷D，该缺陷使p型AlGaN层的势垒高度降低。认为由于该势垒高度的降低而产生电子漏泄。

比较例2的LED结构中，结果是，虽然发光效率高，但是驱动电压大，该结构不优选。

实施例的LED结构中，通过来自高浓度MgGaN层的Mg扩散来控制p型AlGaN层中的Mg浓度，如图6(b)所示，实现Mg分布曲线的陡峭性及施主缺陷的补偿C。其结果得到高发光效率。另外，Mg分布曲线的控制是独立的，提供用于与电极的良好接触电阻的p型GaN层。根据实施例的LED，与p型电极的良好接触电阻及施主性缺陷的补偿这两者可以并存。

根据上述说明，III族氮化物系半导体发光元件11中，p型掺杂剂浓度达到1×10²⁰cm^-3以上时提高促进掺杂剂扩散的效果，因此，p型Al_YGa_1-YN层19的p型掺杂剂浓度N_p19优选在1×10²⁰cm^-3以上。另外，p型掺杂剂浓度N_p19优选在1.0×10²¹cm^-3以下。

III族氮化物系半导体发光元件11中，为了减小与p型电极的接触电阻，p型Al_ZGa_1-ZN层21的p型掺杂剂浓度N_p21优选为1×10¹⁹cm^-3以上。另外，为了抑制顺向电压(Vf)的增加，避免p型掺杂剂的过度添加，且p型Al_ZGa_1-ZN层21的p型掺杂剂浓度N_p21优选为1×10²⁰cm^-3以下。

III族氮化物系半导体发光元件11中，过量的掺杂剂浓度使活性化率降低，因此，向活性层供给空穴的p型Al_XGa_1-XN层15的p型掺杂剂浓度N_p15优选为1×10²⁰cm^-3以下。另外，p型掺杂剂浓度N_p15优选为1.0×10¹⁹cm^-3以上。

III族氮化物系半导体发光元件11中，作为p型Al_YGa_1-YN层19，可以使用AlGaN或GaN。作为p型Al_ZGa_1-ZN层21，可以使用AlGaN或GaN。

p型Al_YGa_1-YN层19及p型Al_ZGa_1-ZN层21都优选由GaN组成。GaN可以加速成长速度，所以可以缩短成长时间，且能够降低成本。另外，由于受主的活性化率提高，所以可以降低接触电阻和比电阻。

III族氮化物系半导体发光元件11中，p型Al_YGa_1-YN层19优选由AlGaN组成，另外，p型Al_ZGa_1-ZN层21优选由GaN构成。为AlGaN时需要减缓成长速度，所以可以容易地提高供给原料中Mg的比率，且能够提高AlGaN中的Mg浓度。

此外，III族氮化物系半导体发光元件11中，p型Al_XGa_1-XN层15的材料不限于AlGaN，也可以用GaN。根据活性层中的发光波长，GaN也可作为电子块层来使用。

优选的实施方式中对本发明的原理进行了图解和说明，但本领域技术人员认为，本发明在不脱离该原理情况下，配置及详细情况可以变化。本发明不限于本实施方式中公开的特定结构。因此，申请保护源于权利要求的范围及其主旨范围的所有修改及变更的权利。

Claims (7)

1.一种III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，该III族氮化物系半导体发光元件具备：

n型氮化镓系半导体层；

第一p型Al_xGa_1-xN(0≤X＜1)层；

设于所述n型氮化镓系半导体层和所述第一p型Al_xGa_1-xN层之间，且包含InGaN层的发光层；

设于所述第一p型Al_xGa_1-xN层上的第二p型Al_YGa_1-YN(0≤Y≤X＜1)层；

设于所述第二p型Al_YGa_1-YN层的第三p型Al_zGa_1-zN层(0≤Z≤Y≤X＜1)；

与所述第三p型Al_zGa_1-zN层接触的p电极，其中，

所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂浓度比所述第一p型Al_xGa_1-xN层及所述第三p型Al_zGa_1-zN层的p型掺杂剂浓度大，

所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂浓度大于1×10²⁰cm^-3，

并且，通过所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂向所述第一p型Al_xGa_1-xN层扩散，使得所述第一p型Al_xGa_1-xN层和所述发光层的界面附近的第一p型Al_xGa_1-xN层中，p型掺杂剂浓度的分布曲线变得陡峭，降低漏电，提高发光效率。

2.如权利要求1所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第三p型Al_zGa_1-zN层的p型掺杂剂浓为1×10¹⁹cm^-3以上，1×10²⁰cm^-3以下。

3.如权利要求1或2所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第一p型Al_xGa_1-xN层的p型掺杂剂浓度为1×10²⁰cm^-3以下。

4.如权利要求1或2所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第二p型Al_YGa_1-YN层由GaN组成。

5.如权利要求1或2所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第一p型Al_xGa_1-xN层由GaN组成。

6.如权利要求1或2所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第三p型Al_zGa_1-zN层由GaN组成。

7.如权利要求1或2所述的III族氮化物系半导体发光元件，其特征在于，

所述第一p型Al_xGa_1-xN层的p型掺杂剂为Be、Mg、Zn中的至少之一，

所述第二p型Al_YGa_1-YN层的p型掺杂剂为Be、Mg、Zn中的至少之一，

所述第三p型Al_zGa_1-zN层的p型掺杂剂为Be、Mg、Zn中的至少之一。

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