CN101859853A - 氮化物半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化物半导体发光二极管，其至少由n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层构成。所述有源层由发光二极管中In混晶比最大的一层第一氮化物半导体层构成，该发光二极管具有第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层中的至少任一方，该第二氮化物半导体层位于所述有源层和所述n型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，该第三氮化物半导体层位于所述有源层和所述p型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，所述第二氮化物半导体层所含有的InGaN层及所述第三氮化物半导体层所含有的InGaN层中至少任一方的In混晶比，小于构成所述有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。根据本发明，可以提供发光效率高的LED。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光二极管。
背景技术
根据日本特开平06-268257号公报，作为有源层提出有由In混晶比不同的InGaN层的多层膜构成的结构。
根据日本特开平10-084132号公报，提出有有源层由量子阱层、势垒层构成的超晶格结构。
根据日本特开2006-60197号公报，提出有包含如下结构的III族氮化物半导体层叠体，即，将作为n型杂质的掺杂浓度高的III族氮化物半导体层的高浓度掺杂层、与作为n型杂质的掺杂浓度比上述掺杂浓度低的III族氮化物半导体层的低浓度掺杂层交替层叠而形成的结构。
这样，现有的发光二极管的有源层的结构，作为一般的技术而报告为多重量子阱结构。
作为发光二极管的发光效率降低的主要原因，列举因有源层的自吸收而导致光取出效率降低这一原因。虽然有源层可列举多重量子阱结构、单量子阱结构，但如上所述，多重量子阱结构因有源层的各阱层的混晶比波动等而容易受到自吸收的影响。对于单量子阱结构而言，虽然也受层厚影响，但自吸收的影响小，然而与多重量子阱结构相比，难以实现高发光效率。
发明内容
本发明是鉴于多重量子阱结构及单量子阱结构这两者的缺陷而作出的，其目的在于提供一种发光效率高的LED。
本发明的发光二极管至少由n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层构成，其特征在于，所述有源层由发光二极管中In混晶比最大的一层第一氮化物半导体层构成，该发光二极管具有第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层中的至少任一方，该第二氮化物半导体层位于所述有源层和所述n型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，该第三氮化物半导体层位于所述有源层和所述p型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，所述第二氮化物半导体层所含有的InGaN层及所述第三氮化物半导体层所含有的InGaN层中至少任一方的In混晶比，小于构成所述有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中的至少任一方，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，所述两层以上的氮化物半导体层各自的In混晶比，小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层包含In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比的InGaN层。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，所述两层以上的氮化物半导体层分别具有InGaN层，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，In混晶比小于构成所述有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比的InGaN层，其In混晶比为5％以上。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，构成所述周期结构的两层以上的氮化物半导体层为GaN层及InGaN层。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层所包含的InGaN层都未掺杂，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，所述第二氮化物半导体层所包含的InGaN层掺杂有Si及Ge，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，构成所述周期结构的GaN层及InGaN层都未掺杂。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，构成所述第二氮化物半导体层的周期结构的GaN层或InGaN层掺杂有Si及Ge中的至少一方。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，构成所述第三氮化物半导体层的周期结构的GaN层或InGaN层未掺杂。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，与所述有源层相接的第二氮化物半导体层中的层为GaN层。
本发明的氮化物半导体发光二极管优选为，与所述p型氮化物半导体层相接的第三氮化物半导体层中的层为GaN层。
根据本发明，可以提高氮化物半导体发光二极管元件等的发光效率。
附图说明
图1是作为本发明的氮化物半导体发光元件的一例的氮化物半导体层结构的优选例的剖面示意图；
图2是本发明实施方式的氮化物半导体层结构的优选例的剖面示意图。
具体实施方式
通过结合附图对本发明进行的以下详细说明，本发明的上述和其他目的、特征、方面和优点将变得明显。
以下，说明本发明的实施方式。另外，在本发明的附图中，同一附图标记表示同一部分或相当部分。
图1表示作为本发明的氮化物半导体发光二极管的一例的氮化物半导体层结构的优选例的剖面示意图。该氮化物半导体发光二极管在基板1上至少形成n型氮化物半导体层2、第二氮化物半导体层3、有源层4、第三氮化物半导体层5、p型氮化物半导体层6。
<基板>
基板1可以选择蓝宝石、SiC、GaN基板等。
<n型氮化物半导体层>
n型氮化物半导体层2由AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)形成，也可以形成低温缓冲层、未掺杂层，掺杂物选择Si、Ge等。
<第二氮化物半导体层>
在n型氮化物半导体层2上层叠包含InGaN层的第二氮化物半导体层3，接下来形成有源层4。
为了确保有源层4的内部量子效率，在所述第二氮化物半导体层3中，优选与有源层4相接的第二氮化物半导体层中的层为GaN层。
从确保光取出效率的观点来看，必须使形成于第二氮化物半导体层3中的InGaN层的In混晶比，小于构成有源层的、包含In的第一氮化物半导体层的In混晶比。但是，作为例外，即便在形成于第二氮化物半导体层3中的InGaN层的In混晶比，大于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比的情况下，层厚与有源层相比减小，导带底与价带顶之间(伝導帯及び価電子帯の基底準位間)的禁带宽度大于有源层即可。另外，在本说明书中，In混晶比是指In的摩尔原子数与其他13族元素的总摩尔原子数之比。
而且，第二氮化物半导体层3优选为，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，所述两层以上的氮化物半导体层分别具有In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比，且它们各自的In混晶比彼此不同。另外，所述两层以上的氮化物半导体层各自的氮化物半导体层的In混晶比也可以成阶段性地不同。具体而言，从确保有源层4的内部量子效率的观点来看，优选为GaN层和InGaN层的周期结构。在这种情况下，从确保光取出效率的观点来看，必须使InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。但是，作为例外，即便在形成于第二氮化物半导体层3中的InGaN层的In混晶比，大于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比的情况下，只要层厚与有源层相比较小，导带底及价带顶之间的禁带宽度大于有源层即可。
第二氮化物半导体层3既可以未掺杂，也可以是n型掺杂。在该情况下，n型掺杂可以考虑Si、Ge等。
从确保有源层4的内部量子效率的观点来看，第二氮化物半导体层3的InGaN层的In混晶比为5％以上，进一步优选为5～15％。另外，若所述In混晶比超过15％，由于InGaN层的结晶性恶化，故非优选。
n型掺杂物由第二氮化物半导体层3和有源层4各自的In混晶比确定，通过使第二氮化物半导体层3进行n型掺杂，从而可以通过有源层4这一层进一步发光，从防止载流子漏泄、提高光取出效率的观点来看是优选的。
<有源层>
有源层4由第一氮化物半导体层构成。具体而言，优选由InGaN层形成，通过改变In混晶比、层厚，可以设计为所希望的波长。
为了得到任意的波长而设计第一氮化物半导体层的In混晶比。为了确保内部量子效率，构成第一氮化物半导体层的InGaN层优选未掺杂。
<第三氮化物半导体层>
第三氮化物半导体层5包含InGaN层。而且，从减轻p型氮化物半导体层6生长时对有源层的热损害的观点来看，第三氮化物半导体层5优选由InGaN层和GaN层形成。
为了确保向有源层的注入效率，与p型氮化物半导体层相接的第三氮化物半导体层中的层优选由GaN层形成。
第三氮化物半导体层5构成为，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，所述两层以上的氮化物半导体层为如下的氮化物半导体层，即分别具有In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比，且它们的In混晶比彼此不同。另外，所述两层以上的氮化物半导体层也可以构成为各氮化物半导体层的In混晶比成阶段性地不同。另外，从确保载流子的注入效率、防止杂质向有源层扩散的观点来看，优选第三氮化物半导体层5未掺杂。
从确保有源层4的内部量子效率的观点来看，第三氮化物半导体层3的InGaN层的In混晶比优选5％以上，更优选5～15％。另外，若所述In混晶比超过15％，由于InGaN层的结晶性恶化，因此非优选。
<p型氮化物半导体层>
接着，p型氮化物半导体层6中作为p型掺杂物选择Mg、Zn。p型氮化物半导体层6包含AlGaInN层。
<电极>
正负电极可以分别如下形成，例如在蓝宝石之类的绝缘基板的情况下，通过自p型氮化物半导体层6侧蚀刻至n型氮化物半导体层2，从而可以在p型氮化物半导体6上例如隔着ITO(氧化铟锡物)、IZO(氧化铟锌)、IGO(氧化铟镓)、SnO2等透明电流扩散层而形成正电极，在露出的p型氮化物半导体层2上形成负电极。
另一方面，在GaN、SiC之类的导电性基板的情况下，可以在p型氮化物半导体6上例如隔着ITO、IZO、IGO、SnO2等电流扩散层而形成正电极，在基板1背面形成负电极。
以下，使用图2说明本发明的优选实施方式1～6。另外，实施方式1～6的结构如表1所示。
表1
<实施方式1>
在实施方式1中，制作具有图2所示的结构的氮化物半导体发光二极管元件。首先，准备由蓝宝石构成的基板11，将该基板11设置于MOCVD装置的反应炉内。接着，使氢流到该反应炉内，并使基板11的温度上升至1050℃，对基板11的表面(C面)进行清洗。
(n型氮化物半导体层的形成)
接着，使基板11的温度降低至510℃，作为载气使氢流到反应炉内、作为原料气体使氨及TMG(三甲基镓)流到反应炉内，在基板11的表面(C面)上通过MOCVD法，以约20nm的厚度层叠由GaN构成的缓冲层。
接着，使基板11的温度上升至1050℃，作为运载气体使氢流到反应炉内、作为原料气体使氨及TMG流到反应炉内、作为杂质气体使硅烷流到反应炉内，通过MOCVD法，以约6μm的厚度在缓冲层上层叠掺杂有硅且由GaN构成的n型氮化物半导体基底层(载流子浓度：1×1018/cm3)。
接下来，除以载流子浓度为5×1018/cm3的方式掺杂Si之外，其他条件与n型氮化物半导体基底层同样地，通过MOCVD法，以约0.5μm的厚度在n型氮化物半导体基底层上层叠由GaN构成的n型氮化物半导体接触层。
以上，将缓冲层、n型氮化物半导体基底层、n型氮化物半导体接触层作为n型氮化物半导体层12。
(第二氮化物半导体层的形成)
接着，使基板11的温度降低至730℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI(三甲基铟)流到反应炉内，在n型氮化物半导体接触层上形成厚度为2.5nm的由In0.13Ga0.87N构成的第二氮化物半导体第一层13a，接着，通过停止TMI的供给，形成厚度为7nm的由GaN构成的第二氮化物半导体第二层13b，将上述形成过程作为一个周期，进行三个周期的生长，将如上所述生长而得到的结构作为第二氮化物半导体层13。
(有源层的形成)
接下来，将基板11的温度降低至700℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI流到反应炉内，在所述第二氮化物半导体第二层13b上生长厚度为2.5nm的由In0.20Ga0.80N构成的有源层14。
(蒸发防止层的形成)
接下来，将基板11的温度保持为700℃，通过停止TMI的供给，在有源层14上生长厚度为2nm的由GaN构成的蒸发防止层15。
(第三氮化物半导体层的形成)
接下来，将基板11的温度上升至730℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG流到反应炉内，生长厚度为7nm的由GaN构成的第三氮化物半导体第二层16b，此后，除此之外，通过供给TMI，生长厚度为2.5nm的由In0.13Ga0.87N构成的第三氮化物半导体第一层16a，将该生长过程作为一个周期，在蒸发防止层15上进行两个周期的生长，进而在其上生长厚度为7nm的由GaN构成的第三氮化物半导体第二层16b，将如上所述生长而得到的结构作为第三氮化物半导体层16。
(p型氮化物半导体层的形成)
接下来，使基板11的温度上升至950℃，作为载气使氢流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMA(三甲基铝)流到反应炉内、作为杂质气体使CP2Mg流到反应炉内，通过MOCVD法，以约20nm的厚度在第三氮化物半导体层16上层叠p型氮化物半导体包覆层，该p型氮化物半导体包覆层由Al0.20Ga0.85N构成，且以1×1020/cm3的浓度掺杂有Mg。
接下来，将基板11的温度保持为950℃，作为载气使氢流到反应炉内、作为原料气体使氨及TMG流到反应炉内、作为杂质气体使CP2Mg流到反应炉内，通过MOCVD法，以任意的厚度例如80nm在p型氮化物半导体包覆层上层叠以1×1020/cm3的浓度掺杂有Mg的、由GaN构成的p型氮化物半导体接触层。
以上，p型氮化物半导体层17由p型氮化物半导体包覆层、p型氮化物半导体接触层构成。
接着，将基板11的温度降低至700℃，作为载气使氮流到反应炉内，进行退火处理。
(电极的形成)
接下来，自反应炉中取出晶片，在最上层的p型氮化物半导体层17的表面以100nm的厚度通过EB蒸镀形成由ITO构成的透光性电极18。在透光性电极18上形成被构图为规定形状的掩模，通过RIE(反应性离子蚀刻)装置自透光性电极18侧进行蚀刻，使n型氮化物半导体接触层的表面露出。在透光性电极18上及露出的n型氮化物半导体接触层上的规定位置，分别形成包含Ti和Al的焊盘电极19、20。通过以上处理，构成LED元件。
(性能)
该LED元件特性，在EL发光时主要自有源层14发光，除此之外的InGaN层由于In混晶比小于有源层14的In混晶比且禁带宽度比有源层14的禁带宽度更宽，因此，相比由同一组分形成MQW(multi quantum well：多重量子阱)的情况，自吸收减少，可以提高光取出效率，并可以提高发光效率。另外，通过相比有源层14在更靠近n型氮化物半导体层侧的第二氮化物半导体层及更靠近p型氮化物半导体层侧的第三氮化物半导体层中设置InGaN层，相比SQW(single quantum well：单量子阱)，可以形成发光效率高的LED元件。无论p型氮化物半导体层侧的第三氮化物半导体层的周期结构为一个周期、两个周期中的哪一个，主要从有源层14发光，根据上述理由，可以实现高发光效率。
<实施方式2>
实施方式2与实施方式1相比，除改变第二氮化物半导体层13且不形成第三氮化物半导体层16之外，其他都相同。
在生长n型氮化物半导体层12之后，将基板11的温度降低至770℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI(三甲基铟)流到反应炉内，在n型氮化物半导体接触层上形成厚度为2.5nm的由In0.07Ga0.93N构成的第二氮化物半导体第一层13a，接着，通过停止TMI的供给，形成厚度为7nm的由GaN构成的第二氮化物半导体第二层13b，将上述形成过程作为一个周期，进行三个周期的生长，将如上所述生长而得到的结构作为第二氮化物半导体层13。
接下来，将基板11的温度降低至700℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI流到反应炉内，在所述第二氮化物半导体第二层13b上生长厚度为2.5nm的由In0.20Ga0.80N构成的有源层14。
接下来，将基板11的温度保持为700℃，通过停止TMI的供给，在有源层14上生长厚度为10nm的由GaN构成的蒸发防止层15。此后，形成p型氮化物半导体层17。
该LED元件自有源层14得到主要的发光，与实施方式1同样可以实现高的光取出效率。
<实施方式3>
实施方式3与实施方式1相比，除不形成第二氮化物半导体层13之外，其他都相同。
在该LED元件中，能够自有源层14得到主要的发光。与实施方式1同样可以实现高的光取出效率。
<实施方式4>
实施方式4与实施方式1相比，除对第二氮化物半导体层13中的第二氮化物半导体第二层13b进行掺杂之外，其他都相同。
在生长n型氮化物半导体层12之后，将基板11的温度降低至730℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI(三甲基铟)流到反应炉内，在n型氮化物半导体接触层上形成厚度为2.5nm的由In0.13Ga0.87N构成的第二氮化物半导体第一层13a，接着，停止TMI的供给，除此之外供给SiH4(硅烷)以使硅掺杂浓度达到5×1018/cm3，从而形成厚度为7nm的由GaN构成的第二氮化物半导体第二层13b，将上述形成过程作为一个周期，进行三个周期的生长，将如上所述生长而得到的结构作为第二氮化物半导体层13。此后，形成有源层14、蒸发防止层15、第三氮化物半导体层16、p型氮化物半导体层17。
在该LED元件中，能够自有源层14得到主要的发光。与实施方式1同样可以实现高的光取出效率。
<实施方式5>
实施方式5与实施方式1相比，除将第二氮化物半导体层13的周期结构变更为一个周期之外，其他都相同。
在生长n型氮化物半导体层12之后，将基板11的温度降低至730℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG及TMI(三甲基铟)流到反应炉内，在n型氮化物半导体接触层上形成厚度为2.5nm的由In0.13Ga0.87N构成的第二氮化物半导体第一层13a，接着，停止TMI的供给，形成厚度为7nm的由GaN构成的第二氮化物半导体第二层13b。此后，形成有源层14、蒸发防止层15、第三氮化物半导体层16、p型氮化物半导体层17。
在该LED元件中，能够自有源层14得到主要的发光。与实施方式1同样可以实现高的光取出效率。
<实施方式6>
实施方式6相对于实施方式5，除将第三氮化物半导体层16的周期结构的周期改变之外，其他都相同。
在生长n型氮化物半导体层12、第二氮化物半导体层13、有源层14及蒸发防止层15之后，将基板11的温度上升至730℃，作为载气使氮流到反应炉内、作为原料气体使氨、TMG流到反应炉内，生长厚度为7nm的由GaN构成的第三氮化物半导体第二层16b，此后，除此之外通过供给TMI，生长厚度为2.5nm的由In0.13Ga0.87N构成的第三氮化物半导体第一层16a，进而在其上生长厚度为7nm的由GaN构成的第三氮化物半导体第二层16b，将如上所述生长而得到的结构作为第三氮化物半导体层16。此后，形成p型氮化物半导体层17。
在该LED元件中，能够自有源层14得到主要的发光。与实施方式1同样可以实现高的光取出效率。
虽然已详细描述并展示了本发明，但应明确地理解，上述内容仅为展示和示例的方式，而不是限制的方式，本发明的范围通过所附权利要求的术语解释。
Claims (13)
1.一种氮化物半导体发光二极管，至少由n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层构成，其特征在于，
所述有源层由发光二极管中In混晶比最大的一层第一氮化物半导体层构成，
该氮化物半导体发光二极管具有第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层中的至少任一方，该第二氮化物半导体层位于所述有源层和所述n型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，该第三氮化物半导体层位于所述有源层和所述p型氮化物半导体层之间且包含InGaN层，
所述第二氮化物半导体层所含有的InGaN层及所述第三氮化物半导体层所含有的InGaN层中至少任一方的In混晶比，小于构成所述有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中的至少任一方，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，所述两层以上的氮化物半导体层各自的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层包含InGaN层，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
4.如权利要求2所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，
所述两层以上的氮化物半导体层分别具有InGaN层，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，In混晶比小于构成所述有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比的InGaN层，其In混晶比为5％以上。
6.如权利要求2所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，在所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层中，两层以上的氮化物半导体层构成周期结构，
构成所述周期结构的两层以上的氮化物半导体层为GaN层及InGaN层。
7.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，所述第二氮化物半导体层及所述第三氮化物半导体层所包含的InGaN层都未掺杂，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
8.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，所述第二氮化物半导体层所包含的InGaN层掺杂有Si及Ge，该InGaN层的In混晶比小于构成有源层的第一氮化物半导体层的In混晶比。
9.如权利要求6所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，构成所述周期结构的GaN层及InGaN层都未掺杂。
10.如权利要求6所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，构成所述第二氮化物半导体层的周期结构的GaN层或InGaN层掺杂有Si及Ge中的至少一方。
11.如权利要求6所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，构成所述第三氮化物半导体层的周期结构的GaN层或InGaN层未掺杂。
12.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，与所述有源层相接的第二氮化物半导体层中的层为GaN层。
13.如权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管，其特征在于，与所述p型氮化物半导体层相接的第三氮化物半导体层中的层为GaN层。
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