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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