CN101405876B - Ⅲ族氮化物半导体发光元件和其制造方法、以及灯 - Google Patents

Ⅲ族氮化物半导体发光元件和其制造方法、以及灯 Download PDF

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Abstract

本发明提供驱动电压低、且发光效率优越的双面电极型的III族氮化物半导体发光元件。这样的III族氮化物半导体发光元件是，其半导体叠层结构至少具备杂质层30和III族氮化物半导体层2，所述杂质层30含有高浓度层3b和低浓度层3a，所述高浓度层3b由含有高浓度杂质原子的III族氮化物半导体形成，所述低浓度层3a由含有比高浓度层3b浓度低的杂质原子的III族氮化物半导体形成，低浓度层3a与高浓度层3b依次在III族氮化物半导体层2上连续形成。

Description

Ⅲ族氮化物半导体发光元件和其制造方法、以及灯
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体发光元件、III族氮化物半导体发光元件的制造方法和灯，特别是，涉及使用低电阻且平坦性优异的半导体叠层结构、驱动电压低、元件特性优异的III族氮化物半导体发光元件。
本申请主张基于2006年3月24日在日本的专利申请特愿2006-082473号的优先权，在这里援引其内容。
背景技术
一直以来，在基板上形成的III族氮化物半导体，作为用于构成发射短波长可见光的发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等的pn接合型结构的III族氮化物半导体发光元件的功能材料而被使用(例如参考专利文献1)。例如，在呈现近紫外区、蓝色区、或绿色区的发光的LED中，为了构成包层，使用n型或p型的氮化镓铝(组成式AlXGaYN：0≦X，Y≦1，X+Y＝1)(例如，参考专利文献2)，为了构成发光层，使用氮化铟镓(组成式GaYInZN：0≦Y，Z≦1，Y+Z＝1)。
另外，掺杂有硅(Si)等杂质的III族氮化物半导体被配置在基板与发光层的中间，用于控制电阻值。
然而，作为构成III族氮化物半导体发光元件的基板使用最多的蓝宝石基板是绝缘体，有热传导率低等缺点，所以要求开发成为蓝宝石基板的替代品的基板。现在，作为蓝宝石基板的替代基板，有人提出了使用由导电性和热传导率高、与III族氮化物半导体晶格常数一致的III族氮化物半导体晶体形成的基板。
另外，作为蓝宝石基板的替代基板，除了上述的由III族氮化物半导体 晶体形成的基板之外，有人提出了在由含有蓝宝石的异质基板组成的基体上叠层有III族氮化物半导体层的基板。这样的基板，一般来说，在异质基板上叠层的III族氮化物半导体层上，形成了具有作为LED功能的叠层结构。这样的基板，当在异质基板上制作III族氮化物半导体层的晶体生长方法，与形成具有LED功能的叠层结构的晶体生长方法不同的情况下是有效的。一般来说，作为在异质基板上形成III族氮化物半导体层的方法使用HVPE、MBE等，作为形成叠层结构的方法使用MOCVD等。
另外，对于叠层有III族氮化物半导体层的基板而言，在使用由Si、ZnO形成的异质基板为基体的情况下，可以使之具有导电性。因此，在半导体发光元件的双面制作电极，从而制成使电流可上下连通的双面电极型III族氮化物半导体发光元件是可能的。
另外，对于叠层有III族氮化物半导体层的基板而言，即使在使用蓝宝石基板等绝缘性基板为基体的情况下，也可以通过使用在形成电极之前剥离蓝宝石基板的技术，来实现双面电极型的III族氮化物半导体发光元件。
专利文献1：特开2000-332364号公报
专利文献2：特开2003-229645号公报
专利文献3：特公昭55-3834号公报
发明内容
可是，使用现有的叠层有III族氮化物半导体层的基板，在制造双面电极型的III族氮化物半导体发光元件的情况下，如下所示，实现驱动电压低且元件特性优异的III族氮化物半导体发光元件是困难的。
即，在制造双面电极型III族氮化物半导体发光元件的情况下，因为一旦在III族氮化物半导体发光元件内形成绝缘性层，电阻值就变高，造成驱动电压上升，所以不能在III族氮化物半导体发光元件内形成具有绝缘性的层。
但是，如果为了控制电阻值，使掺杂的III族氮化物半导体层在叠层有III族氮化物半导体层的基板上外延生长，那么就会有在表面出现凹陷、裂 缝，造成发光效率降低等缺点。一般认为这种缺点的原因是由于作为杂质的掺杂剂在III族氮化物半导体层生长初始的层上凝聚的缘故。
另外，在使不掺杂的III族氮化物半导体层在叠层有III族氮化物半导体层的基板上外延生长的情况下，表面出现的凹陷、裂缝较少，可以得到良好的结晶性。但是，因为不掺杂的III族氮化物半导体层是绝缘性层，所以造成III族氮化物半导体发光元件的电阻值变高。
本发明鉴于上述状况，目的是解决上述问题，提供驱动电压低、且发光效率优异的双面电极型III族氮化物半导体发光元件。
另外，本发明的目的是使用驱动电压低且发光特性优异的III族氮化物半导体发光元件，提供具有优异特性的灯。
即，本发明提供以下的发明。
(1)一种III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备半导体叠层结构、由III族氮化物半导体形成的发光层、和分别设置在所述半导体叠层结构的表面侧和背面侧的电极，
所述半导体叠层结构至少具备杂质层和III族氮化物半导体层，所述杂质层含有高浓度层和低浓度层，所述高浓度层由含有高浓度的杂质原子的III族氮化物半导体形成，所述低浓度层由含有比所述高浓度层浓度低的杂质原子的III族氮化物半导体形成，
在所述III族氮化物半导体层上依次连续形成了所述低浓度层和所述高浓度层。
(2)如(1)所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备多个互相邻接的所述杂质层。
(3)如(1)或(2)所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述高浓度层和所述低浓度层的厚度分别为0.5～500nm。
(4)如(1)～(3)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述低浓度层的厚度大于或等于所述高浓度层的厚度。
(5)如(1)～(4)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，叠层有10～1000层所述杂质层。
(6)如(1)～(5)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述杂质层的总厚度为0.1～10μm。
(7)如(1)～(6)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述高浓度层的杂质原子的浓度为5×1017～5×1019cm-3。
(8)如(1)～(7)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述低浓度层的杂质原子的浓度为2×1019cm-3以下。
(9)如(1)～(8)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述杂质原子是选自硅(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、锡(Sn)、和碲(Te)中的1种，或是它们之中2种以上的组合。
(10)如(1)～(9)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述III族氮化物半导体层由导电性的氮化镓系化合物半导体形成。
(11)如(1)～(10)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述III族氮化物半导体层是在导电性基体上形成的。
(12)如(11)所述的III族氮化物半导体发光元件，所述杂质层与所述基体的导电类型相同。
这里，所谓杂质层与基体的导电类型相同，是指杂质层的导电类型是n型时基体的导电类型也是n型，杂质层的导电类型是p型时基体的导电类型也是p型。
(13)如(11)或(12)所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述基体由硅(Si)或氧化锌(ZnO)形成。
(14)一种III族氮化物半导体发光元件的制造方法，所述III族氮化物半导体发光元件具备半导体叠层结构、由III族氮化物半导体形成的发光层、和分别设置在所述半导体叠层结构的表面侧和背面侧的电极，所述半导体叠层结构至少具备杂质层和III族氮化物半导体层，所述杂质层含有高浓度层和低浓度层，所述高浓度层由含有高浓度的杂质原子的III族氮化物半导体形成，所述低浓度层由含有比所述高浓度层浓度低的杂质原子的III族氮化物半导体形成，其特征在于，
在所述III族氮化物半导体层上依次连续形成所述低浓度层和所述高浓 度层。
(15)如(14)所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，通过仅在形成所述高浓度层的工序中掺杂所述杂质原子来形成所述杂质层。
(16)如(14)或(15)所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在基体上设置所述III族氮化物半导体层的工序。
(17)如(16)所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述基体有导电性。
(18)如(16)所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述基体有绝缘性，该方法包括在所述基体上形成III族氮化物半导体层之后，除去所述基体的工序。
(19)如(14)～(18)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述III族氮化物半导体层由氮化镓系化合物半导体形成。
(20)一种灯，其特征在于，使用了(1)～(13)的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件。
本发明的III族氮化物半导体发光元件，具备半导体叠层结构、发光层、和分别设置在所述半导体叠层结构的表面侧和背面侧的电极，半导体叠层结构至少具备由高浓度层和低浓度层形成的杂质层、和III族氮化物半导体层，低浓度层与高浓度层按照该顺序在III族氮化物半导体层上连续形成，所以可以实现驱动电压低且元件特性优异的双面电极型III族氮化物半导体发光元件。更详细地说，在低浓度层是在III族氮化物半导体层上形成的情况下，表面不容易出现凹陷、裂缝，可以得到良好的结晶性。另外，通过在低浓度层上形成高浓度层，使杂质层的电阻值降低，有助于降低III族氮化物半导体发光元件的电阻。所以，具备杂质层、低浓度层与高浓度层按照该顺序在III族氮化物半导体层上连续形成的半导体叠层结构，作为整体变得电阻低且平坦性优异。因此，本发明的III族氮化物半导体发光元件驱动电压变低，且具有优异的发光效率。
进而，在本发明的III族氮化物半导体发光元件中具备多个互相邻接的杂质层的情况下，因为在高浓度层上形成低浓度层，所以可以得到用低浓度层填埋在高浓度层上形成的凹陷和裂缝的效果。所以，形成了具有更加优异的平坦性的半导体叠层结构的III族氮化物半导体发光元件。
另外，因为根据本发明的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，所述低浓度层与所述高浓度层按照该顺序在III族氮化物半导体层上连续形成，所以受益于使上述低浓度层的结晶性提高的效果，和通过高浓度层提高导电性的效果，可以形成作为整体电阻低且平坦性优异的杂质层，获得驱动电压低、且具有优异的发光效率的III族氮化物半导体发光元件。
另外，本发明的灯因为使用了本发明的III族氮化物半导体发光元件，所以变得驱动电压低、发光特性优异。
附图说明
图1是表示一例本发明的III族氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图2是表示图1所示的III族氮化物半导体发光元件所具备的半导体叠层结构的示意性剖视图。
图3是表示构成图1所示的III族氮化物半导体发光元件所具备的半导体叠层结构的杂质层的示意性剖视图。
图4是表示一例本发明的灯的示意性剖视图。
符号说明
1   基体
2   III族氮化物半导体层
3   重复杂质层
3a  低浓度层
3b  高浓度层
5   包层
6   发光层
6a  阻挡层
6b  阱层
7p  型包层
8p  型接触层
9n  型欧姆电极
10p 型欧姆电极
11  半导体叠层结构
30  杂质层
40  III族氮化物半导体发光元件
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方案，参照附图进行说明。但是，本发明并不受以下的各种实施方案限制，例如，可以将这些实施方案的构成要素彼此适当组合。
图1是表示本发明的III族氮化物半导体发光元件的一例的示意性剖视图。另外，图2是表示图1所示的III族氮化物半导体发光元件所具备的半导体叠层结构的示意性剖视图。另外，图3是表示构成图1所示的III族氮化物半导体发光元件所具备的半导体叠层结构的杂质层的示意性剖视图。
在图1中，符号40表示作为III族氮化物半导体发光元件的LED芯片，符号11表示半导体叠层结构。半导体叠层结构11如图2所示，含有：基体1与III族氮化物半导体层2形成的基板20；和在基板20的III族氮化物半导体层2上形成的重复杂质层3。另外，在半导体叠层结构11上，如图1所示，叠层有包层5、发光层6、阻挡层6a、阱层6b、p型包层7、p型接触层8。另外，半导体叠层结构11的表面侧(在图1中为上侧)设有p型欧姆电极10，背面侧(在图1中为下侧)设有n型欧姆电极9，从而制成双面电极型的III族氮化物半导体发光元件40。
如图2所示，在基体1是由导电性材料形成的情况下，基板20是在基体1上设置III族氮化物半导体层2而成的，在作为基体1，使用由绝缘性 材料形成的基体的情况下，在基体1上形成III族氮化物半导体层2之后，在形成n型欧姆电极9之前除去基体1。
在本发明中，作为叠层有III族氮化物半导体层2的基体1，可以列举由熔点较高的、耐热性的蓝宝石(α-Al2O3单晶)、氧化锌(ZnO)、或氧化镓锂(组成式LiGaO2)等氧化物单晶材料，硅单晶(Silicon)、立方晶或六方晶型的碳化硅(SiC)等IV族半导体单晶形成的基板等。另外，作为基体1的材料，还可以使用磷化镓(GaP)等III-V族化合物半导体单晶材料。
作为叠层有III族氮化物半导体层2的基体1，优选的是由蓝宝石形成的基板，但由蓝宝石形成基板因为有绝缘性，所以有必要在形成n型欧姆电极9之前除去。
在叠层有III族氮化物半导体层2的基体1有绝缘性的情况下除去基体1，在可溶解基体1的药液存在的情况下以湿式进行最为简便，所以优选。但是，也有时可溶解基体1的药液不存在、或可溶解基体1的药水难以处理。在这样的情况下有必要剥离基体1。例如，在要剥离蓝宝石基板的情况下，使用准分子激光等将界面热破坏的剥离方法最为有效。
另外，作为由导电性材料形成的基体1，理想地可以使用由Si、ZnO形成的基板。在基体1是由导电性材料形成的情况下，优选使用发光层6发出的光可以透过的光学上透明的单晶材料。
另外，III族氮化物半导体层2由组成式为AlXGaYInZN1-aMa(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1，且X+Y+Z＝1。符号M表示与氮不同的V族元素，0≦a<1。)等的n型III族氮化物半导体形成，优选由n型氮化镓系化合物半导体形成。
作为在基体1上形成III族氮化物半导体层2的方法，可以列举有机金属化学气相沉积法(简称为MOCVD、MOVPE或OMVPE等)、分子束外延法(MBE)、卤素气相生长法、卤化物(氢化物)气相生长法(HVPE法)等气相生长方法。除了上述气相生长方法之外，还可以通过例如蒸镀、溅射等物理性的气相成膜方法，或对涂布的溶液进行热处理而形成的方法等来形成。在上述的形成III族氮化物半导体层2的方法中，优选通过MBE法、 HVPE法来形成。
此外，在基体1、与在基体1上形成的III族氮化物半导体层2之间有晶格错配的情况下，优选缓和晶格错配，使由结晶性优异的III族氮化物半导体层2形成的缓冲层介于基体1与III族氮化物半导体层2之间来叠层。缓冲层可以由例如氮化铝镓(组成式AlXGaYN：0≦X，Y≦1，X+Y＝1)等构成。
另外，在构成基板20的III族氮化物半导体层2上形成的重复杂质层3如图3所示，具备由互相邻接设置的高浓度层3b与低浓度层3a形成的多个杂质层30。重复杂质层3如图3所示，通过具备多个互相邻接的杂质层30，而形成了高浓度层3b与低浓度层3a交替叠层的状态。另外，如图3所示，在杂质层30中，使紧贴在III族氮化物半导体层2的上面形成的层3c为低浓度层3a，使低浓度层3a和高浓度层3b按照该顺序在III族氮化物半导体层2上连续形成。
高浓度层3b是由含有高浓度的杂质原子的III族氮化物半导体形成的。另外，低浓度层3a是由含有比高浓度层3b浓度低的杂质原子的III族氮化物半导体形成的。
作为构成高浓度层3b和低浓度层3a的III族氮化物半导体，可以使用组成式为(AlXBYInZGa1-X-Y-Z)N1-i-jPiAsj(0≦X≦1，0≦Y≦1，0≦Z≦1，0≦j<1，0≦i<1)等的半导体。
图3所示的重复杂质层3可以利用有机金属化学气相沉积法(简称为MOCVD、MOVPE或OMVPE等)、分子束外延法(MBE)、卤素气相生长法、卤化物(氢化物)气相生长法等气相生长方法来形成。其中优选MOCVD法。
在MOCVD法中，作为载气可以使用氢气(H2)或氮气(N2)，作为III族原料，Ga源可以使用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)，作为Al源可以使用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)，作为In源可以使用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)，作为氮源可以使用氨(NH3)或肼(N2H4)等。
另外，在MOCVD法中，优选在III族氮化物半导体层2上使符合目的 的III族氮化物半导体层在900～1250℃的温度范围内生长。
另外，在III族氮化物半导体层2上形成重复杂质层3的情况下，首先紧贴在III族氮化物半导体层2的上方形成低浓度层3a，在低浓度层3a上形成高浓度层3b。在将成为高浓度层3b和低浓度层3a的III族氮化物半导体层的气相生长时，通过改变作为杂质的掺杂源对气相生长反应体系的供给量，来形成高浓度层3b和低浓度层3a。
例如，不向气相生长反应体系供给杂质掺杂源，从而形成没掺杂的层，即杂质原子浓度为零的低浓度层3a，然后向气相生长反应体系瞬间供给大量杂质掺杂源，形成含有高浓度的杂质原子的高浓度层3b。这种情况下，仅在形成高浓度层3b的工序中通过掺杂杂质原子形成杂质层30。
另外，可以将V/III族原料比率等生长条件调整为适合低浓度层3a的条件，使杂质原子浓度为低浓度的低浓度层3a生长，然后暂时中断生长，将V/III族原料比率等生长条件调整为适合高浓度层3b的条件，使杂质原子浓度为高浓度的高浓度层3b生长。
这样，如果在将成为高浓度层3b和低浓度层3a的III族氮化物半导体层的气相生长时使杂质掺杂源对气相生长反应体系的供给量经时地增减，如图3所示，就连续形成了高浓度层3b与低浓度层3a，可以周期性地交替形成杂质原子浓度不同的高浓度层3b和低浓度层3a。
此外，如图3所示，使在杂质层30中的紧贴在III族氮化物半导体层2的上方形成的层3c为低浓度层3a。通过预先紧贴在III族氮化物半导体层2的上方形成低浓度层3a，来形成杂质层30，可以防止在表面发生龟裂、凹陷。
作为高浓度层3b和低浓度层3a含有的杂质原子的掺杂剂，既可以是p型又可以是n型。但是，因为在III族氮化物半导体发光元件中多采取在最表面形成p型层的结构，所以n型的杂质层多在靠近基板的一侧形成，作为在基板20的III族氮化物半导体层2上形成的重复杂质层3优选是n型的杂质层。
作为n型杂质，可以使用硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、Se(硒)、和 Te(碲)等。作为原料，可以利用各元素的氢化物，例如硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、锗烷(GeH4)、硫化氢(H2S)、硒化氢(H2Se)、碲化氢(H2Te)等，以及各元素的有机化合物，例如四甲基硅((CH3)4Si)、四乙基硅((C2H5)4Si)、四甲基锗((CH3)4Ge)、四乙基锗((C2H5)4Ge)、二乙基硒((C2H5)2Se)、二异丙基硒((C3H7)2Se)、二乙基硫醚((C2H5)2S)、二异丙基硫醚((C3H7)2S)、四甲基锡((CH3)4Sn)、四乙基锡((C2H5)4Sn)、二甲基碲((CH3)2Te)、二乙基碲((C2H5)2Te)等。另外，在MBE法中，单质(金属)也可以作为掺杂源使用。
另外，作为p型杂质，可以使用镁(Mg)、钙(Ca)、锌(Zn)等。作为原料，可以使用各元素的有机化合物，例如，二环戊二烯基镁((C5H10)2Mg)、二甲基二环戊二烯基镁((C5H10)2Mg)四乙基硅((C2H5)4Si)、二甲基锌((CH3)2Zn)等。另外，在MBE法中，单质(金属)也可以作为掺杂源使用。
另外，高浓度层3b的杂质原子的浓度优选为5×1017cm-3～5×1019cm-3，更优选为1×1018cm-3～3×1019cm-3，特别优选为3×1018cm-3～2×1019cm-3。
如果高浓度层3b的杂质原子的浓度不足5×1017cm-3，那么重复杂质层3整体的电阻就变高，难以得到顺向电压低的III族氮化物半导体发光元件40。另一方面，如果高浓度层3b的杂质原子的浓度超过5×1019cm-3，高浓度层3b中的载流子浓度就变成了超过大概(3～4)×1019cm-3的浓度。因为如果超过该载流子浓度来掺杂杂质原子，则在高浓度层3b表面的龟裂、凹陷的密度就会急剧增加，所以不优选。
此外，高浓度层3b的杂质原子的浓度在重复杂质层3整体中可以未必是相同的，可以各杂质层30连续地或不连续地变化。另外，在每个高浓度层3b内部杂质原子的浓度也可以变化。进而，杂质元素可以不是1种，可以将2种以上的元素进行组合。
另外，低浓度层3a的杂质原子的浓度，是比高浓度层3b的杂质原子的浓度低的浓度，并且，优选为2×1019cm-3以下。因为如果低浓度层3a的杂质原子的浓度超过2×1019cm-3，则在低浓度层3a的表面的龟裂、凹陷的密度就会急剧增加，所以不优选。低浓度层3a的杂质原子的浓度优选 为1×1019cm-3以下，特别优选为5×1018cm-3以下。
另外，低浓度层3a的杂质原子的浓度越低越好，优选在使低浓度层3a生长时故意地不掺杂。为了使低浓度层3a的杂质原子的浓度为低浓度，优选将低浓度层3a制成由不掺杂的III族氮化物半导体形成的层的情况，从而完全填埋在高浓度层3b的表面出现的龟裂、凹陷的效果进一步提高，得到表面更加平坦的杂质层30。此外，因为低浓度层3a的杂质原子的浓度低，载流子浓度越低电阻值越高，所以优选使低浓度层3a的厚度较薄。
另外，与高浓度层3b一样，低浓度层3a的杂质原子的浓度在半导体层整体中可以未必是相同的，也可以各杂质层30连续地或不连续地变化。另外，在每个低浓度层3a内部杂质原子的浓度也可以变化。进而，杂质元素可以不是1种，可以将2种以上的元素组合。
杂质原子的浓度和元素的种类可以通过例如用二次离子质谱法(SIMS)测定来确认。二次离子质谱法是通过向试样表面照射一次离子，对离子化飞出的元素进行质量分析的方法，可以观察并定量特定元素的深度方向的浓度分布。即使对于在III族氮化物半导体层中存在的杂质元素，通过二次离子质谱法来确认也是有效的。另外，通过二次离子质谱法来确认杂质原子的浓度和元素的种类时，还可以计算出各层的厚度。
另外，高浓度层3b的膜厚度t2适宜为0.5nm～500nm。优选为2nm～200nm，更优选为3nm～50nm。如果高浓度层3b的膜厚度t2不足0.5nm，在整个重复杂质层3中的杂质掺杂量就不充分，造成高电阻化。相反，如果高浓度层3b的膜厚度t2超过500nm，就不能用低浓度层3a充分填埋在高浓度层3b的表面形成的龟裂、凹陷，杂质层30的平坦性变差。另外，如果为了填埋高浓度层3b表面的龟裂、凹陷而使低浓度层3a的膜厚度t1充分地厚，作为整个重复杂质层3的电阻值就会变高。
另外，低浓度层3a的膜厚度t1与高浓度层3b一样，优选为0.5nm～500nm，更优选为2nm～200nm，特别优选为3nm～50nm。如果低浓度层3a的膜厚度t1不足0.5nm，就不能充分填埋在高浓度层3b上形成的龟裂、凹陷，杂质层30的平坦性受损。另外，如果低浓度层3a的膜厚度t1超过 500nm，就会造成作为整个重复杂质层3的电阻值高电阻化，对于得到顺向电压(Vf)或阈值电压(Vth)低的III族氮化物半导体发光元件40是不利的。
另外，设置有互相邻接的高浓度层3b与低浓度层3a的杂质层30的膜厚度t3适宜为1nm～1000nm。优选为4nm～400nm，更优选为6nm～100nm。如果杂质层30的膜厚度t3超过1000nm，那么或者不能抑制形成龟裂和凹陷，或者造成整个重复杂质层3高电阻化。另外，在杂质层30的膜厚度t3不足1nm的情况下，必须频繁地改变杂质原子的供给量，操作效率低下。
另外，在各个杂质层30中高浓度层3b的膜厚度t2比低浓度层3a的膜厚度t1厚的情况下，对抑制龟裂和凹陷不充分，不能得到充分的平坦性。另一方面，在各个杂质层30中低浓度层3a的膜厚度t1与高浓度层3b的膜厚度t2相同或比高浓度层3b的膜厚度t2厚的情况下，平坦性变得良好。所以优选低浓度层3a的膜厚度t1大于等于高浓度层3b的膜厚度t2。
另外，重复杂质层3的整体层厚度t5优选为0.1μm～10μm，更优选为0.3μm～5μm，特别优选为0.5μm～3μm。如果重复杂质层3的层厚度t5不足0.1μm，III族氮化物半导体发光元件40的顺向电压就变高。另外，即使使重复杂质层3的厚度t5为超过10μm的厚度，得到的效果差别也不大，仅仅是成本上升。
由上述各杂质层30的厚度t3和重复杂质层3整体的厚度t5推算，叠层杂质层30的叠层数优选为1～10000，更优选为10～1000，特别优选为20～200。例如，在形成含有厚度10nm的高浓度层3b和厚度10nm的低浓度层3a的杂质层30的情况下，使杂质层30叠层100层，形成总计厚度为2μm的半导体叠层结构体11。
另外，如图1所示，在半导体叠层体结构11的重复杂质层3上形成有包层5。在包层5上依次形成含有阻挡层6a与阱层6b的多量子阱结构的发光层6、p型阱层7、和接触层8。
作为这些各层，不仅仅是图1所示的结构，用AlXGaYInZN1-aMa(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1，且X+Y+Z＝1。符号M表示与氮不同的V 主族元素，0≦a<1。)表示的各种组成的单量子阱结构和多量子阱结构等的发光层已经被人们所知，可以没有任何限制地使用这些发光层。另外，对于用于构成双异质结构的发光部分的p型III族氮化物半导体而言，掺杂了Mg、Zn等p型掺杂剂的用上述组成式表示的各种组成已经被人们所知，可以没有任何限制地使用它们。
另外，如图1所示，通过在接触层8n的上面设置p型欧姆电极10，在与基体1的III族氮化物半导体层2相反一侧的面(下面)上设置n型欧姆电极9，制成了双面电极型的III族氮化物半导体发光元件40。在本发明中，可以没有任何限制地使用作为化合物半导体发光元件用的正极和负极被人们所知各种构成和结构。另外，对于它们的制造方法，也可以没有任何限制地使用真空蒸镀法、溅射法、光刻方法等公知的方法。
图4是表示一例本发明的灯的示意性剖视图。图4所示的灯，是具备图1所示的III族氮化物半导体发光元件40的被称为最高包装(top package)类型的灯，将p型欧姆电极10一侧作为发光面。
在图4中，符号22表示引线框，符号23表示反射器，符号24表示由含有硅酸盐荧光体的玻璃环氧树脂形成的荧光树脂，25表示由玻璃环氧树脂形成的密封树脂。
如图4所示，将III族氮化物半导体发光元件40的n型欧姆电极9固定在引线框22的一侧的接线22a上，同时使其连通。另外，在III族氮化物半导体发光元件40的p型欧姆电极10的上面形成了焊盘12。焊盘12具有Au/Ti/Al/Ti/Au5层结构(厚度分别为50/20/10/100/200nm)，通过金属线21与另一侧的接线22a焊接在一起。
图4所示的灯使用了图1所示的本发明的双面电极型的III族氮化物半导体发光元件40，可以使用历来公知的方法制造。具体地说，例如，可以通过将III族氮化物半导体发光元件40放置在引线框22上，使用由AuSn形成的共晶焊糊等，将III族氮化物半导体发光元件40的n型欧姆电极9在2根接线22a中的一根上固定，通过介由焊盘12和金属线21，将III族氮化物半导体发光元件40的p型欧姆电极10与接线22的另一根接合，然 后注入荧光树脂24并进行热处理使之固化，再用密封树脂25将反射器23整体密封，从而制作出图4所示的灯。
以下通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
准备作为Si(111)基板的基体1，在基体1上介由由AlN形成的缓冲层，使用减压MBE法形成由掺杂了Si的GaN形成的n型III族氮化物半导体层2，从而获得了基板20。
接着在基板20的III族氮化物半导体层2上，经如下所示操作，形成图3所示的重复杂质层3，获得了图2所示的半导体叠层结构11。
为了形成重复杂质层3，首先在MOCVD装置内导入基板20，放置在半导体用高纯度石墨制成的基座上，该基座被高频(RF)感应加热式加热器加热至成膜温度。然后，在不锈钢制的气相生长反应炉内通入氮气，将炉内进行了吹扫。
接着，使氮气在气相生长反应炉内流通8分钟，然后开动感应加热式加热器，将基板20的温度在10分钟内从室温升温到600℃。接着，将基板20的温度保持在600℃不变，通入氢气和氮气，使气相生长反应炉内的压力为1.5×104帕斯卡(Pa)。在该温度和压力下放置2分钟，热清洗基体1的表面，在热清洗结束后，停止对气相生长反应炉内供给氮气。继续供给氢气。
接着，向气相生长反应炉内供给氨(NH3)气，经过4分钟，然后一边继续通入氨气，一边将基座的温度上升到1120℃，通过通入18秒钟TMG，在不向气相生长反应体系供给杂质掺杂源的情况下使由不掺杂的GaN形成的低浓度层3a生长。然后，一边继续通入TMG和氨气，一边通入18秒钟四甲基锗((CH3)4Ge)，使由含有锗(Ge)作为杂质原子的GaN形成的高浓度层3b生长。
并且，通过将上述使低浓度层3a生长的工序，与使高浓度层3b生长的工序连续交替重复进行100次，从而形成了图3所示的重复杂质层3， 其具备多个设置了互相邻接的高浓度层3b与低浓度层3a的杂质层30。
将这样得到的半导体叠层结构11用二次离子质谱法(SIMS)分析，结果高浓度层3b的厚度为10nm，低浓度层3a的厚度为10nm。另外根据SIMS分析的结果，高浓度层3b中杂质原子的浓度为1.2×1019cm-3，低浓度层3a中杂质原子的浓度为1×1018cm-3。
此外，SIMS分析的测定条件是，使用Cs+作为一次离子源，使加速电压为14.5keV，使离子电流为40nA。另外，使光栅范围为100μm2，分析范围设为30μm2。
另外，得到的半导体叠层结构11的重复杂质层3利用霍尔效应测定的载流子浓度为7×1018cm-3。另外，用光学显微镜观察重复杂质层3的表面，结果可以确认是凹陷密度为200个/cm2以下的非常平坦的面。
另外，基板20的厚度为80μm，半导体叠层结构11整体的厚度为82μm.
接着，在这样得到的半导体叠层结构11的重复杂质层3上，在1060℃下，通过将不掺杂n型In0.03Ga0.97N进行叠层，形成了包层5。该包层5以三乙基镓(TEG)为镓源，以三甲基铟(TMI)为铟源，使它们生长来获得，层厚度为12.5nm。
接着，使半导体叠层结构11的温度为730℃，在包层5上设置了具有5周期结构的多量子阱结构的发光层6，所述发光层6含有由GaN形成的阻挡层6a、与由In0.25Ga0.75N形成的阱层6b。首先使包层5与阻挡层6a接合起来来设置多量子阱结构的发光层6。
此外，阻挡层6a通过以三乙基镓(TEG)为镓源，在非掺杂的情况下使之生长来形成。使阻挡层6a的层厚度为8nm。另外，阱层6b通过以三乙基镓(TEG)为镓源、以三甲基铟(TMI)为铟源，在非掺杂的情况下使之生长来形成。使阱层6b的层厚度为2.5nm。
接着，在发光层6上形成了由掺杂有镁(Mg)的p型Al0.07Ga0.93N形成的p型包层7。得到的p型包层7的层厚为10nm。进而，在p型包层7上形成了由掺杂有Mg的p型GaN形成的接触层8。Mg的掺杂源使用了二环戊二烯基镁。此外，添加Mg使得接触层8的电子空穴(electron hole) 浓度为8×1017cm-3。使p型GaN接触层8的层厚为100nm。
在接触层8的生长结束后，停止对感应加热式加热器通电，用约20分钟将叠层有直到接触层8的各层的半导体叠层结构11的温度降至室温。降温中使气相生长反应炉内的气氛仅为氮气。然后，确认叠层有直到接触层8的各层的半导体叠层结构11的温度降至室温，从气相生长反应炉取出到外部。接触层8即使不进行用于将p型载流子(Mg)电活化的退火处理，在该时刻也已经显示p型的传导性。
接着，使用光刻技术，在与基体1的III族氮化物半导体层2相反一侧的面(下面)上形成了由ITO构成的n型欧姆电极9。另外，在接触层8的表面，使用真空蒸镀方法、光刻方法等，形成了由ITO构成的p型欧姆电极10。
然后，在p型欧姆电极10的上面，形成了由Au/Ti/Al/Ti/Au5层结构(厚度分别为50/20/10/100/200nm)形成的焊盘12。
然后，用划片机切割成200μm见方的正方形，获得了在图1所示的III族氮化物半导体发光元件40上形成有焊盘12的LED芯片。
然后，如图4所示，将III族氮化物半导体发光元件40放置在引线框22上，使用由AuSn形成的共晶焊糊，将III族氮化物半导体发光元件40的n型欧姆电极9固定在2根接线22a中的一根上，通过介由焊盘12和金属线21将III族氮化物半导体发光元件40的p型欧姆电极10与另一根接线22a接合，利用引线框22使得对III族氮化物半导体发光元件40的元件驱动电流为可流通状态。
并且，通过介由引线框22在n型和p型欧姆电极9、10之间顺向流通元件驱动电流。使顺向电流为20mA时的顺向电压为3.2V。另外，流通了20mA的顺向电流时发射的蓝色区发光的中心波长为460nm。另外，使用一般的积分球测定的发光强度达到了10mW，可以确认得到了高强度的发光。
然后，如图4所示，在反射器23内注入由含有硅酸盐荧光体的玻璃环氧树脂形成的荧光树脂24，在150度的退火炉中保持6小时进行热处理使 之固化。此外，根据预先进行的实验，使得荧光树脂24中的荧光体的量为受构成灯的LED芯片所发出的光激发时可呈现白色的量。另外，使荧光树脂24固化时出现荧光体沉淀，荧光体的分布变成了在越接近芯片的区域越多的分布。将荧光树脂24固化后，再次在荧光树脂24上注入密封树脂25而成型，通过将反射器23整体密封从而得到了图4所示的灯。
在这样获得的灯中，通过介由引线框22在n型和p型欧姆电极9、10之间顺向流通元件驱动电流。流通20mA的顺向电流时的发射光是白光。另外，发光的效率达到了70lm/W，可以确认为良好。
比较例1
除了使由均匀地含有锗(Ge)的GaN形成的层生长，代替在实施例1中制造的III族氮化物半导体发光元件40的重复杂质层3之外，其它与实施例1同样地制造了III族氮化物半导体发光元件。
将在比较例1中获得的半导体叠层结构与实施例1同样地利用二次离子质谱法(SIMS)分析，结果由含有锗(Ge)的GaN形成的层的厚度为2000nm，杂质原子的浓度为1.2×1019cm-3。
另外，对得到的半导体叠层结构11中的由含有锗(Ge)的GaN形成的层利用霍耳效应进行测定的载流子浓度为1.2×1019cm-3。另外，用光学显微镜观察由含有锗(Ge)的GaN形成的层的表面，结果是出现了裂缝。
另外，与实施例1同样地测定了顺向电压和发光强度，结果是，顺向电压与实施例1同样为3.2V，但发光强度为0.4mW，只得到了比实施例1强度低的发光。
工业可利用性
本发明可以在III族氮化物半导体发光元件、III族氮化物半导体的制造方法和灯中应用，特别是可以在使用低电阻且平坦性优异的半导体叠层结构、驱动电压低、元件特性优异的III族氮化物半导体发光元件中应用。

Claims (22)

1.一种III族氮化物半导体发光元件，具备半导体叠层结构、由III族氮化物半导体形成的发光层、和分别设置在所述半导体叠层结构的表面侧和背面侧的电极，其特征在于，
所述半导体叠层结构至少具备杂质层和III族氮化物半导体层，所述杂质层含有高浓度层和低浓度层，所述高浓度层由含有高浓度的杂质原子的III族氮化物半导体形成，所述低浓度层由含有浓度比所述高浓度层低的杂质原子的III族氮化物半导体形成，
在所述III族氮化物半导体层上依次连续形成有所述低浓度层和所述高浓度层。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备多个互相邻接的所述杂质层。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述高浓度层和所述低浓度层的厚度分别为0.5～500nm。
4.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述低浓度层的厚度大于或等于所述高浓度层的厚度。
5.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，叠层有10～1000层所述杂质层。
6.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述杂质层的总厚度为0.1～10μm。
7.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述高浓度层的杂质原子的浓度为5×1017～5×1019cm-3。
8.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述低浓度层的杂质原子的浓度为2×1019cm-3以下。
9.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述杂质原子是选自硅(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、锡(Sn)、和碲(Te)中的1种，或它们之中2种以上的组合。
10.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述III族氮化物半导体层由导电性的氮化镓系化合物半导体形成。
11.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述III族氮化物半导体层是在导电性基体上形成的。
12.如权利要求11所述的III族氮化物半导体发光元件，所述杂质层与所述基体的导电类型相同。
13.如权利要求11所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述基体由硅(Si)或氧化锌(ZnO)形成。
14.如权利要求12所述的III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述基体由硅(Si)或氧化锌(ZnO)形成。
15.一种III族氮化物半导体发光元件的制造方法，所述III族氮化物半导体发光元件具备半导体叠层结构、由III族氮化物半导体形成的发光层、和分别设置在所述半导体叠层结构的表面侧和背面侧的电极，所述半导体叠层结构至少具备杂质层和III族氮化物半导体层，所述杂质层含有高浓度层和低浓度层，所述高浓度层由含有高浓度的杂质原子的III族氮化物半导体形成，所述低浓度层由含有比所述高浓度层浓度低的杂质原子的III族氮化物半导体形成，其特征在于，
在所述III族氮化物半导体层上依次连续形成所述低浓度层和所述高浓度层。
16.如权利要求15所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，通过仅在形成所述高浓度层的工序中掺杂所述杂质原子来形成所述杂质层。
17.如权利要求15所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在基体上设置所述III族氮化物半导体层的工序。
18.如权利要求16所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在基体上设置所述III族氮化物半导体层的工序。
19.如权利要求17所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述基体有导电性。
20.如权利要求17所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述基体有绝缘性，该方法包括在所述基体上形成III族氮化物半导体层之后，除去所述基体的工序。
21.如权利要求15～20的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述III族氮化物半导体层由氮化镓系化合物半导体形成。
22.一种灯，其特征在于，使用了权利要求1～14的任一项所述的III族氮化物半导体发光元件。
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