CN102138227A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体装置,其具备:基底层(20);以及发光层(30),其形成于基底层(20)上,并交替地层叠有由InAlGaN形成的势垒层和由InGaN形成的量子阱层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
近年来,使用了InGaN系的半导体的发光二极管(LED)的研究开发正在推进(参照专利文献1)。但是,在使用了InGaN系的半导体的发光二极管中,存在难以获得发光效率高的高亮度的绿色的问题。
专利文献1:特开2002-43618号公报。
发明内容
本发明的目的提供可以获得发光效率高的发光二极管的半导体装置。
本发明的一方面的半导体装置,具备:基底层;以及发光层,其形成于前述基底层上,并交替地层叠有由InAlGaN形成的势垒层和由InGaN形成的量子阱层。
根据本发明,能够提供可以获得发光效率高的发光二极管的半导体装置。
附图说明
图1是示意地表示本发明的第1实施方式的半导体装置的基本的结构的剖面图。
图2是关于本发明的第1实施方式、示意地表示发光层的详细的结构的剖面图。
图3是表示晶格常数与带隙的关系的图。
图4是表示本发明的第1实施方式的半导体装置的测定结果的图。
图5是表示本发明的第1实施方式的第1比较例的半导体装置的测定结果的图。
图6是表示本发明的第1实施方式的第2比较例的半导体装置的测定结果的图。
图7是示意地表示本发明的第2实施方式的半导体装置的结构的剖面图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1是示意地表示本发明的第1实施方式的半导体装置(发光二极管)的基本的结构的剖面图。图1所示的半导体装置包括基板10、形成于基板10上的基底层20、形成于基底层20上的发光层30。
基板10使用蓝宝石基板,蓝宝石基板10的上面(元件形成面)成为蓝宝石晶体的(0001)面即C面。在蓝宝石基板10的上面(C面)上,作为基底层20而形成有GaN层。在GaN层20上,形成有具有多重量子阱结构的发光层30。
图2是示意地表示图1所示的发光层30的详细的结构的剖面图。另外,在图2中,为了方便,仅示出了发光层30的1周期,但是实际上图2所示的发光层30层叠有2周期或2周期以上。如图2所示,发光层30包括势垒层(barrier层)31、中间层32、量子阱层33、中间层34以及势垒层(barrier层)35的层叠结构。
势垒层31由InAlGaN(一般地,表示为InxAlyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1)))形成,厚度为12.5nm。具体地,势垒层31由In0.02Al0.33Ga0.65N形成。
中间层32由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,厚度为0.5nm。具体地,中间层32由In0.02Ga0.98N形成。
量子阱层33由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,厚度为2.5nm。具体地,量子阱层33由In0.15Ga0.85N形成。
中间层34由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,厚度为0.5nm。具体地,中间层34由In0.02Ga0.98N形成。
势垒层35由InAlGaN(一般地,表示为InxAlyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1))形成,厚度为11.5nm。具体地,势垒层35由In0.02Al0.33Ga0.65N形成。
在本实施方式中,形成有5周期的图2的层叠结构。并且,在最上层,作为盖层,形成有厚度15nm的InAlGaN(一般地,表示为InxAlyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1))。具体地,盖层由In0.02Al0.33Ga0.65N形成。
另外,上述的结构,在蓝宝石基板10的实质性的(0001)面(即C面)上,通过使基底层20及发光层30外延生长而形成。具体地,作为外延生长法,可以使用有机金属汽相生长(MOCVD)法和/或分子束外延(MBE)法等。
在上述的本实施方式的半导体装置中,可以获得发光效率高的高亮度的发光二极管。以下,关于其理由进行说明。
图3是表示化合物半导体的晶格常数与带隙(禁止带宽)的关系的图。从图3可知,与GaN相比,InGaN这一方其晶格常数大,随着使InGaN的In组成增加而InGaN的晶格常数增大。因此,当在GaN层上使In组成高的InGaN层生长为量子阱层的情况下,在面方向(a轴方向)会产生压缩变形,在生长方向(c轴方向)会产生拉伸变形。在该情况下,通过设置In组成低的InGaN层或In组成低的InAlGaN层作为势垒层,可以缓和面方向(a轴方向)的压缩变形。
但是,在使用了In组成低的InGaN层作为势垒层的情况下,不能大幅地缓和生长方向(c轴方向)的拉伸变形。若c轴方向的拉伸变形大,则因压电极化产生的压电电场会变大。因此,电子和空穴的再结合概率会下降,发光效率下降。因c轴方向的拉伸变形引起的压电电场,随In组成的增加而增加。进而,在压电电场大的情况下,若检查量子效率的注入电流密度依赖性,则高注入电流密度区域的量子效率的下降显著,不适合于以高注入电流密度进行使用的发光二极管。因此,若使量子阱层的In组成增加,则发光效率会下降。另一方面,从图3可知,为了使发光波长长波长化(使带隙减小),需要使量子阱层的In组成增加。因此,在使用了In组成低的InGaN层作为势垒层的情况下,难以不使发光效率大幅降低而使发光波长长波长化。
相对于此,在使用了In组成低的InAlGaN层作为势垒层的情况下,能够大幅地缓和生长方向(c轴方向)的拉伸变形。因此,即使为了使发光波长长波长化而使量子阱层的In组成增加,也能够抑制发光效率的大幅的下降。因此,通过如本实施方式那样,使用InAlGaN层作为势垒层,可以不使发光效率大幅下降地使发光波长长波长化。此外,本实施方式由于能够减小压电电场,所以能够抑制高注入电流密度区域的量子效率的下降,可以提供高注入电流密度且高效率的发光二极管。进而,通过使用InAlGaN层作为势垒层,势垒层的带隙能量变大,能够抑制载流子、特别是电子的溢流(overflow)。因此,最适合于以高注入电流密度进行使用的发光二极管。例如,可以获得具有大于等于100A/cm2左右的电流密度的高功率的发光二极管。
此外,根据本申请发明人的实验结果,确认了:即使与量子阱层的In组成相同,在使用了InAlGaN层作为势垒层的情况下,与使用了InGaN层作为势垒层的情况比较,也能够使发光波长长波长化。从这样的观点也可以看出,本实施方式中,可以不使发光效率大幅下降地使发光波长长波长化。若以相反的观点而言,则在制作相同发光波长的发光二极管的情况下,用本实施方式可以使量子阱层的In组成降低。以下,加以说明。原本,若InGaN量子阱层的In组成相同,则发光波长不应该变化。尽管如此,之所以通过使用InAlGaN层作为势垒层能够使发光波长长波长化,认为可能是因为以下的理由。从图3可知,AlN与InN之间的带隙差及晶格常数差,比GaN与InN之间的带隙差及晶格常数差大。因此,在使用了InAlGaN层作为势垒层的情况下,容易产生热力学的组成改变。因此,认为可能局部地形成In组成高的InGaN层,能够使发光波长长波长化。由于能够使量子阱层的In组成降低,所以可抑制热力学的组成改变,成为在热力学上也稳定了的晶体,所以可以提供高可靠性的半导体装置。此外,由于能够使量子阱层的In组成降低,所以可以使量子阱层的膜厚变厚,可以使量子阱层每1层的电流密度降低。
以上,在本实施方式中,通过使用InAlGaN层作为势垒层,可以不使发光效率大幅下降地使发光波长长波长化。其结果,可以获得以往困难的发光效率高的绿色光。
此外,在本实施方式中,如图2所示,在势垒层31与量子阱层33之间设置有中间层32,在势垒层35与量子阱层33之间设置有中间层34。这样,通过使中间层介于势垒层与量子阱层之间,能够抑制势垒层与量子阱层之间的晶格不匹配。其结果,能够抑制相分离和/或缺陷的发生,使发光层的发光效率提高。以下,关于该点进行说明。
如图3所示,AlN与InN的晶格常数差大。此外,InAlGaN势垒层的Al组成在某种程度上高,InGaN量子阱层的In组成在某种程度上高。因此,若没有中间层地层叠InAlGaN势垒层和InGaN量子阱层,则容易产生势垒层的AlN与量子阱层的InN直接接触的状况。其结果,会发生急剧的晶格不匹配,在势垒层与量子阱层的界面附近容易发生相分离和/或结晶缺陷。在本实施方式中,在势垒层与量子阱层之间,在对带结构不会产生影响的程度上使In组成低的InGaN中间层介于其间。即,在InGaN中间层中,与In组成相比,Ga组成这一方格外地高,GaN为支配性的。如从图3可知,GaN具有AlN的晶格常数与InN的晶格常数的中间的晶格常数。因此,通过使InGaN中间层介于InAlGaN势垒层与InGaN量子阱层之间,能够抑制势垒层与量子阱层之间的急剧的晶格不匹配。其结果,能够抑制相分离和/或缺陷的发生,可以使发光效率提高。
图4是表示本实施方式的半导体装置(发光二极管)的测定结果的图。具体地,是表示由显微光致发光(PL)得到的测定结果的图。如图4所示,得到了中心波长为495nm的发光强度非常强的绿色的发光光谱。
图5是表示本实施方式的第1比较例的半导体装置(发光二极管)的测定结果的图。在第1比较例中,由InGaN形成势垒层,并且为了使发光波长长波长化,使量子阱层的In组成增高为0.35。与本实施方式比较,在比较例中,发光强度大幅地下降。在比较例中,认为由于为了实现长波长化而使量子阱层的In组成增高,所以由于已经描述的理由发光效率大幅地下降。
图6是表示本实施方式的第2比较例的半导体装置(发光二极管)的测定结果的图。在第2比较例中,不设置中间层而层叠了势垒层和量子阱层。与本实施方式比较,在比较例中,发光强度大幅地下降。在比较例中,认为由于不存在中间层而直接层叠势垒层和量子阱层,所以由于已经描述的理由发光效率大幅地下降。
另外,一般地,势垒层的Al组成优选处于0.2~0.4的范围,势垒层的In组成优选处于0.01~0.05的范围。势垒层的膜厚优选处于4~20nm的范围。此外,中间层,优选具有与势垒层相同或比势垒层高的In组成。特别地,中间层的In组成优选处于与势垒层的In组成同等的0.01~0.05的范围。通过这样,能够有效地抑制急剧的晶格不匹配,抑制相分离和/或缺陷的发生。此外,量子阱层的In组成优选处于0.1~0.3的范围。这是因为,若量子阱层的In组成高于0.3,则压电电场的影响会变得显著,有可能发光效率大幅地下降。优选将量子阱层的In组成设为小于等于0.3,通过调整势垒层的Al组成来控制发光波长。此外,中间层的厚度优选处于0.5~1.5nm的范围。
(实施方式2)
接着,关于本发明的第2实施方式进行说明。而且,基本的结构与第1实施方式相同,关于在第1实施方式中已说明了的事项省略说明。
图7是示意地表示本实施方式的半导体装置(发光二极管)的结构的剖面图。
基板10使用蓝宝石基板,蓝宝石基板10的上面(元件形成面)成为蓝宝石晶体的(0001)面即C面。在蓝宝石基板10的上面(C面),层叠有n型GaN接触层21、n型GaN引导层22、具有多重量子阱结构的发光层30、p型AlGaN溢流防止层41、p型GaN层42及p型GaN接触层43。此外,在n型GaN接触层21的露出面上,形成有包含Ti/Pt/Au的n侧电极50。进而,在p型GaN接触层43的表面,形成有包含Ni/Au的p侧电极60。发光层30的结构与在第1实施方式中所说明的结构相同。
溢流防止层,特别地,例如在具有大于等于100A/cm2左右的电流密度的高功率的发光二极管中有效。作为溢流防止层,除了上述的例子之外,例如举出具有p-InuAlvGa1-u-vN(0≤u<1,0<v<1)的组成的层。此时,期望溢流防止层为了其目的而具有比势垒层高的Al组成。
在本实施方式中,由于发光层30的结构也与在第1实施方式中说明的结构相同,所以能够获得与在第1实施方式中所说明的效果同样的效果。
以下,关于本实施方式的半导体装置(发光二极管)的制造方法进行说明。
本半导体装置的各层,通过有机金属汽相生长(MOCVD)法形成。原料能够使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、二茂镁(Cp2Mg)。作为气体原料,能够使用氨(NH3)、硅烷(SiH4)。作为气体载体,能够使用氢气及氮气。
首先,将通过有机清洗及酸清洗进行了处理的蓝宝石基板导入至MOCVD装置的反应室内,设置于通过高频进行加热的基座上。接着,在常压的氮气/氢气氛围下,以约12分钟升温至温度1100℃。在升温过程中,对基板表面实施汽相蚀刻,除去基板表面的自然氧化膜。
接着,使用氮气/氢气作为载体气体,以氨气6L/分钟、TMG 50cc/分钟、SiH410cc/分钟的流量供给60分钟,形成n型GaN接触层21。接着,使温度下降到1060℃,并且使SiH4下降到3cc/分钟,在约3分钟期间形成n型GaN引导层22。
接着,停止TMG及SiH4的供给,使基板温度下降到800℃。将载体气体变换为仅氮气,以氨气12L/分钟、TMG 3cc/分钟的流量进行供给。其中,在以TMI 5cc/分钟、SiH41cc/分钟的流量供给2分钟期间之后,进而以16cc/分钟的流量增加TMA,供给12分钟。此后,停止TMA的供给,以TMG及SiH4的供给原样进行2分钟的生长。此后,使TMI的供给量增加为80cc/分钟,进行40秒的生长。反复进行5次这一系列的处理,最后通过以TMG 3cc/分钟、TMI 5cc/分钟的流量供给约14分钟,形成具有多重量子阱结构的发光层30。另外,除了在同一结构中重复5次之外,还可以使TMG、TMA或TMI的流量变化,在势垒层31和/或中间层32中使Al组成和/或In组成倾斜。此外,多重量子阱结构的周期也不限定于5次,而可以在2~10的范围内进行选择。
接着,停止TMG及TMI的供给,以氮气和氨气原样升温到1030℃。在使温度保持为1030℃的状态下,在氮气/氢气氛围下将氨气变换为4L/分钟的流量。其中,以TMG 25cc/分钟、TMI约30cc/分钟、Cp2Mg 6cc/分钟的流量供给约1分钟,形成p型AlGaN溢流防止层41。另外,虽然p型AlGaN的Al组成只要是大于等于0.2即可,但是期望其比InAlGaN势垒层31的Al组成高。由此,能够显著地抑制电子的溢流,特别适合于以高电流密度进行使用的半导体装置。
接着,通过从上述的状态仅停止TMA的供给,使Cp2Mg变换为8cc/分钟的流量并供给6分钟,而形成p型GaN层42。
接着,从上述的状态以50cc/分钟的流量供给Cp2Mg约3分钟,形成p型GaN接触层43。接着,停止有机金属原料的供给,仅继续供给载体气体,使基板温度自然降温。但是,氨气的供给在基板温度达到500℃时停止。
接着,通过干法蚀刻将上述那样获得的多层结构的一部分除去直至达到n型GaN接触层21为止,在露出的接触层21形成包含Ti/Pt/Au的n侧电极50。此外,在p型GaN接触层43上,形成包含Ni/Au的p侧电极60。
接着,在对于安装有上述那样获得的结构的半导体装置(发光二极管),测定I-V特性时,获得了良好的特性。该发光二极管的工作电压在20mA时为3.5~4V,光输出为10mW。此外,在进行波长测定时,获得了波长中心为500nm的峰值。
另外,在上述的第1及第2实施方式中,虽然使用了蓝宝石基板作为基板,但是也可以使用GaN基板、SiC基板、ZnO基板等。此外,元件形成面不限定于C面,而也可以在非极性面上形成各层。此外,也可以应用在晶片的背面侧设置有电极的结构。进而,不仅是发光效率高的绿色发光二极管,也可以获得发光效率高的蓝色发光二极管。
Claims (7)
1.一种半导体装置,其特征在于,具备:
基底层;以及
发光层,其形成于前述基底层上,并交替地层叠有由InAlGaN形成的势垒层和由InGaN形成的量子阱层。
2.根据权利要求1所述的半导体装置,其特征在于:
前述势垒层,具有比前述量子阱层低的In组成。
3.根据权利要求2所述的半导体装置,其特征在于,还具备:
中间层,其设置于相互相邻的前述势垒层与前述量子阱层之间,由InGaN形成并且具有比前述量子阱层低的In组成。
4.根据权利要求3所述的半导体装置,其特征在于,还具备:
溢流防止层,其形成于前述发光层上,具有比前述势垒层高的Al组成。
5.根据权利要求3所述的半导体装置,其特征在于,还具备:
p-InuAlvGa1-u-vN(0≤u<1,0<v<1)层,其形成于前述发光层上。
6.根据权利要求2所述的半导体装置,其特征在于:
前述基底层由GaN形成。
7.根据权利要求6所述的半导体装置,其特征在于:
前述基底层,形成于基板的实质性的(0001)面上。
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