CN102144342A - 氮化物半导体发光器件和半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

在一种氮化物半导体发光器件中，在n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)上依次地堆叠氮化物半导体层(103，303，603，1203)、p型氮化物半导体层(104，304，604，1204)和有源层(105，305，605，1205)。在一种氮化物半导体发光器件中，在衬底(1401，1501，1601，1701)上依次地堆叠第一底层(1402，1502，1602，1702)、第二底层(1404，1504，1604，1704)、有源层(1405，1505，1605，1705)和厚度不大于40nm的上层(1406，1506，1606，1706)，针对n型的第二电极(1408，1508，1608，1708)与上层(1406，1506，1606，1706)相接触的界面包含金属，所述金属的表面等离激元能够由从有源层(1405，1505，1605，1705)产生的光来激励。

Description

氮化物半导体发光器件和半导体发光器件
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，具体涉及能够通过允许隧道电流的良好流动来实现降低的驱动电压的氮化物半导体发光器件。
此外，本发明涉及半导体发光器件，具体涉及通过使用表面等离激元(plasmon)效应而具有提高的发光效率的半导体发光器件。
背景技术
例如，非专利文献1(IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.8，NO.4，JULY/AUGUST 2002，pp.739-743)公开了一种使用隧道结的氮化物半导体发光二极管器件，作为包括氮化物半导体的氮化物半导体发光器件的一个示例。
图11示出了使用非专利文献1中描述的隧道结的传统氮化物半导体发光二极管器件的横截面图。该氮化物半导体发光二极管器件的结构是：GaN缓冲层1102、Si掺杂n型GaN层1103(层厚度：3μm)、有源层1104、Mg掺杂p型GaN层1105(层厚度：50nm)、Mg高掺杂p+型GaN层1106(层厚度：10nm)、Si高掺杂n+型GaN层1107(层厚度：10nm)、以及Si掺杂n型GaN层1108(层厚度：200nm)连续地堆叠在蓝宝石衬底1101上，其中，所述有源层1104具有由堆叠构成的MQW，在所述堆叠中InGaN层(层厚度：2nm)和GaN层(层厚度：8nm)交替地堆叠六次，在Si掺杂n型GaN层1103上形成第一n电极1109，在Si掺杂n型GaN层1108上形成第二n电极1110。从而Mg高掺杂p+型GaN层1106与Si高掺杂n+型GaN层1107之间的pn结形成隧道结。
在使用隧道结的这种氮化物半导体发光二极管器件中，电流在Si掺杂n型GaN层1108的平面内传播，并且电流通过利用Mg高掺杂p+型GaN层1106和Si高掺杂n+型GaN层1107之间的隧道结而在Mg掺杂p型GaN层1105与Si掺杂n型GaN层1108之间流动。
此外，最近尝试了在半导体发光器件中通过使用表面等离激元来提高发光效率。
图18中的示意性横截面图示出了专利文献1(日本专利公开No.2005-108982)中公开的表面等离激元的氮化物半导体发光二极管器件。在该氮化物半导体发光二极管器件中，n型GaN层1802(层厚度：大约5μm)、n型AlGaN覆层1803(层厚度：大约0.15μm)、多量子阱有源层1804、非掺杂GaN保护层1805(层厚度：大约10nm)、p型AlGaN覆层1806(层厚度：大约0.15μm)、以及p型GaInN接触层1807(层厚度：大约0.3μm)依次形成在衬底1801上，其中所述多量子阱有源层1804包括交替地堆叠的多个GaN层和多个GaInN层。
在p型GaInN接触层1807上形成多个针对p型的电极(例如，岛)，所述针对p型的电极(例如，岛)例如具有三层结构，所述三层结构包括：Pd第一电极层1808(层厚度：大约1nm)、Ag第二电极层1809(层厚度：大约2nm)和Au保护层1810(层厚度：大约1nm)。这些针对p型的电极是以二维形式周期性地布置的。每一个针对p型的电极具有环形二维形状。同时，在衬底1801的下表面上形成针对n型的电极1811。
Ag的表面等离激元频率与光波长的430nm频段左右的波长相对应，略微大于该波长的在蓝色区域中的光可以激励表面等离激元。在专利文献1中描述的氮化物半导体发光二极管器件中，在指定的时间段内布置针对p型的电极，并使从多量子阱有源层1804发射的在蓝色区域中的光经过Ag第二电极层1809，使得在Ag第二电极层1809的表面侧激励表面等离激元，从而得到表面等离激元效应。
应注意，因为Ag第二电极层1809不能建立与p型GaInN接触层1807的良好欧姆接触，所以提供了在针对p型的电极中包含的Pd第一电极层1808以建立与p型GaInN接触层1807的良好欧姆接触。此外，为了不妨碍表面等离激元的激励，在Ag第二电极层1809的表面侧形成特别薄的Pd第一电极层1808。
此外，非专利文献2(Applied Physics Letters，Vol.87，071102(2005))公开了一种技术，该技术通过在氮化物半导体发光二极管器件中的有源层的近场内布置半导体Ag界面，来有效地实现表面等离激元与光的耦合。即，该技术通过将有源层与Ag层之间的半导体层的厚度设置为特别小的10nm，来达到这种效果。非专利文献2指出，在通过光泵浦从有源层的光发射中，可以实际看出在自发发射速率方面的改善。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开No.2005-108982
非专利文献
非专利文献1：Seong-Ran Jeon等人的″GaN-Based Light-Emitting Diodes Using Tunnel Junctions，″IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.8，NO.4，JULY/AUGUST 2002，pp.739-743
非专利文献2：K.Okamoto等人的″等离激元Surface plasmon enhanced spontaneous emission rate of InGaN/GaN quantum wells probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy，″Applied Physics Letters，Vol.87，071102(2005)。
发明内容
本发明要解决的问题
在具有图11所示结构的氮化物半导体发光二极管器件中，可以用n型杂质将Si掺杂n型GaN层1108掺杂到大约3×1019cm-3的载流子密度，从而可以相对容易地制造Si掺杂n型GaN层1108。
然而，在形成隧道结的Mg高掺杂p+型GaN层1106中难以实现高Mg掺杂浓度。随着Mg掺杂的增加，Mg高掺杂p+型GaN层1106的结晶度变差并且表面变粗糙，或者反之电阻变得更高。
因此，在图11所示的传统氮化物半导体发光二极管器件中，无法形成具有良好结晶度的Mg高掺杂p+型GaN层1106，因此在Mg高掺杂p+型GaN层1106与Si高掺杂n+型GaN层1107之间的界面处，耗尽层近似延伸到几乎不小于40nm。因此隧道电流没有良好地流动，并且电阻变得更高。
此外，在专利文献1中公开的氮化物半导体发光二极管器件中，实际上尚未实现通过有利的表面等离激元效应来达到发光效率提高的效果，这是因为Ag第二电极层1809的表面侧上的表面等离激元与从多量子阱有源层1804发射的光之间的充分耦合实际上是很难的。即，在专利文献1公开的氮化物半导体发光二极管器件中，尽管在Ag第二电极层1809与p型GaInN接触层1807之间放置了特别薄的Pd第一电极层1808，然而该Pd第一电极层1808吸收来自多量子阱有源层1804的光，从而对Ag第二电极层1809的表面侧上的表面等离激元的激励减小。
同时，非专利文献2公开了一种技术，该技术用于将有源层与Ag层之间的半导体层的厚度设置为10nm，以将Ag层布置在有源层的近场内。即使将非专利文献2公开的这种技术应用于专利文献1公开的氮化物半导体发光二极管器件，实质上利用多量子阱有源层1804通过电流注入来发射光也是很难的。
第一个原因是，如果Ag第二电极层1809和p型GaInN接触层1807如在非专利文献2中一样彼此直接接触，则无法建立良好的欧姆接触。
此外，第二个原因是，一般在诸如氮化物半导体之类的半导体中，很难通过掺杂p型杂质来获得具有足够高的载流子浓度的p型半导体，如果p型GaInN接触层1807如在非专利文献2中一样具有大约10nm的特别小的厚度，则具有这种小厚度的p型GaInN接触层1807中的载流子浓度不会高，并且不会为多量子阱有源层1804提供足够多的用于光发射的孔。
如上所述，传统上尚未成功实现通过使用表面等离激元效应来提高半导体发光器件的发光效率。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种氮化物半导体发光器件，该氮化物半导体发光器件能够通过允许隧道电流的良好流动来实现降低的驱动电压。
此外，鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件通过利用表面等离激元效应而具有提高的发光效率。
解决问题的手段
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，包括：n型氮化物半导体层；设置在n型氮化物半导体层上的氮化物半导体层；设置在氮化物半导体层上的p型氮化物半导体层；以及设置在p型氮化物半导体层上的有源层。
此外，本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，包括：n型氮化物半导体层；设置在n型氮化物半导体层上的氮化物半导体层，在氮化物半导体层的至少一部分中具有极性平面(polar plane)；设置在氮化物半导体层上的p型氮化物半导体层；以及设置在p型氮化物半导体层上的有源层。
此外，在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体层优选地包含铝。
此外，在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体层优选地是AlxGa1-xN(0＜x≤1)。
此外，根据本发明的氮化物半导体发光器件包括设置在有源层上的第二n型氮化物半导体层，其中，与n型氮化物半导体层相接触的第一电极是阳极，与第二n型氮化物半导体层相接触的第二电极是阴极。
此外，在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体层优选地具有不小于0.5nm且不大于30nm的厚度。
此外，在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，优选地，有源层具有由包含In的III族氮化物半导体构成的阱层，阱层中的In成分比率不低于0.15且不高于0.4。
此外，在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，优选地，有源层具有由包含In的III族氮化物半导体构成的阱层，阱层中的In成分比率不低于0.2且不高于0.4。
应注意，在本发明中，In成分比率是指In原子数与形成III族氮化物半导体的III族元素的原子总数之比((In原子数)/(III族元素的原子总数))
此外，本发明涉及一种半导体发光器件，包括：衬底、设置在衬底上并且包含n型半导体的第一底层、设置在第一底层上并且包含p型半导体的第二底层、设置在第二底层上的有源层、设置在有源层上并且包含n型半导体的上层、被设置为与衬底或第一底层相接触的针对n型的第一电极、以及设置在上层上并与之接触的针对n型的第二电极，所述上层具有不大于40nm的厚度，针对n型的第二电极与上层相接触的界面包含金属，所述金属的表面等离激元能够由从有源层产生的光来激励。
此外，在根据本发明的半导体发光器件中，优选地，其表面等离激元能够由从有源层产生的光来激励的金属包括Ag、Au和Al中的任何一种作为主要成分。此外，在根据本发明的半导体发光器件中，针对n型的第一电极可以是阳极电极，针对n型的第二电极可以是阴极电极。
此外，根据本发明的半导体发光器件可以是氮化物半导体发光器件。此外，优选地，根据本发明的半导体发光器件还包括在第一底层与第二底层之间的中间层，其中，中间层包括由于第一底层与第二底层之间的晶格常数的差异而引起的拉伸应变。此外，在根据本发明的半导体发光器件中，衬底可以是n型导电衬底，针对n型的第一电极优选地被设置为与n型导电衬底相接触。
本发明的效果
根据本发明，可以提供一种氮化物半导体发光器件，所述氮化物半导体发光器件能够通过允许隧道电流的良好流动来实现降低的驱动电压。
此外，根据本发明，可以提供一种通过利用表面等离激元效应而具有提高的发光效率的半导体发光器件。
附图说明
图1是根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例的示意性横截面图。
图2是根据本发明的氮化物半导体发光器件的另一示例的示意性横截面图。
图3是根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
图4示出了根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的AlN中间层附近的能带能量图的理论计算结果。
图5示出了当根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的AlN中间层的厚度改变时，AlN中间层附近的能带能量图的理论计算结果。
图6是根据示例3的氮化物半导体激光器器件的示意性横截面图。
图7是根据比较性示例的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
图8是根据比较性示例的氮化物半导体发光二极管器件的俯视平面图。
图9是在根据比较性示例的氮化物半导体发光二极管器件的隧道结层附近的一部分的示意性横截面图。
图10示出了根据比较性示例的氮化物半导体发光二极管器件的隧道结层附近的能带能量图的理论计算结果。
图11是使用隧道结的传统氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
图12是根据示例4的氮化物半导体激光器器件的示意性横截面图。
图13(a)和13(b)是示出了在制造根据示例4的氮化物半导体激光器器件中使用的抗蚀剂图案的示例的示意性平面图。
图14是氮化物半导体发光器件的示意性横截面图，该氮化物半导体发光器件表示根据本发明的半导体发光器件的另一示例。
图15是氮化物半导体发光器件的示意性横截面图，该氮化物半导体发光器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的另一示例。
图16是根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
图17是根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
图18是使用表面等离子体激元效应的传统氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图。
具体实施方式
以下将描述本发明的实施例。在本发明的附图中，为相同或相应的元素分配相同的附图标记。此外，在表示晶面和方向时，实质上所需的数字应当被表示为在该数字上面有一横线。然而由于表达方式受限制，所以本文中通过在所需数字前加“-”来表示该数字，而不是通过在所需数字上加横线来表示该数字。
(第一实施例)
图1示出了根据本发明的氮化物半导体发光器件(氮化物半导体发光二极管器件)的一个示例的示意性横截面图。因此，具有图1所示结构的氮化物半导体发光器件包括衬底101、形成在衬底101上的第一n型氮化物半导体层102、形成在第一n型氮化物半导体层102上的氮化物半导体层103、形成在氮化物半导体层103上的p型氮化物半导体层104、以及形成在p型氮化物半导体层104上的有源层105，其中，所述氮化物半导体层103由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成。
此外，在第一n型半导体层102的表面上形成第一n电极107。此外，在有源层105上形成第二n型氮化物半导体层106，在第二n型氮化物半导体层106上形成第二n电极108。
本文中，第一n电极107是阳极，从外部对该第一n电极107施加正偏置电压。此外，第二电极108是阴极，从外部对第二电极108施加负偏置电压。通过以这种方式向氮化物半导体发光器件施加偏置电压，对pn结施加正向偏置电压，从而发射光，其中所述pn结包括有源层105相对两侧的p型氮化物半导体层104和第二n型氮化物半导体层106。然而，在本文中如果第一n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层104直接相接合以形成pn结，则向该pn结施加反向偏置电压，并且电流几乎不可能流动。然而，通过将以下将详细描述的氮化物半导体层103放置在第一n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层104之间，电流可以有效地流经该pn结。
本文中，例如，如果将六边形晶体衬底(如，蓝宝石衬底、氮化物半导体衬底或碳化硅衬底)用作衬底101，并且例如通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积)等在衬底101的C平面({0001}平面)上连续地外延生长第一n型氮化物半导体层102、氮化物半导体层103和p型氮化物半导体层104，则由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103的表面是C平面。
如果在具有这样的C平面并且由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103中，由于晶格失配或其他原因而引起晶格应变，则在氮化物半导体层103中出现由于压电场而引起的自发极化，并且自发极化的方向沿C轴方向。因此，氮化物半导体层103的C平面在+C轴侧和在-C轴侧表现出不同的特性。因此，氮化物半导体层103在与另一层的每个界面处都具有极性平面。在图1所示的结构中，与另一层的界面是指：第一n型氮化物半导体层102与氮化物半导体层103之间的界面、以及氮化物半导体层103与p型氮化物半导体层104之间的界面。
如果氮化物半导体层103具有这样的极性平面，则氮化物半导体层103的能带弯曲，并且可以使第一n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层104之间的耗尽层的宽度变窄。因此，与具有图11所示的结构并且使用隧道结的传统器件相比，隧道电流更有可能流动并且氮化物半导体发光器件的驱动电压可以降低。
此外，例如，六边形晶体衬底可以用作衬底101，并且例如可以使用MOCVD等在该衬底101的半极性平面(如，R平面({1-102}平面)或{11-22}平面)上连续地外延生长第一n型氮化物半导体层102、氮化物半导体层103和p型氮化物半导体层104。在这种情况下，由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103的表面是半极性平面，如，R平面({1-102}平面)或{11-22}平面。
因此，如果例如由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103中的晶格失配等引起晶格应变，其中氮化物半导体层103的表面是诸如R平面({1-102}平面)或{11-22}平面之类的半极性平面，则在氮化物半导体层103中出现由于压电场而引起的自发极化，并且氮化物半导体层103的相对表面上的半极性平面表现出互不相同的特性。因此，在这种情况下，氮化物半导体层103也具有极性平面。
因此，如果由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103的表面是半极性平面，则氮化物半导体层103的能带弯曲，并且第一n型氮化物半导体层102和p型氮化物半导体层104之间的耗尽层的宽度可以变窄。因此，与具有图11所示的结构并且使用隧道结的传统器件相比，隧道电流更有可能流动并且氮化物半导体发光器件的驱动电压可以降低。
此外，氮化物半导体层103可以具有与C平面成指定的倾角的极性平面或与R平面成指定倾角的极性平面。应注意，上述与C平面成指定倾角的极性平面的示例包括相对于C平面倾斜0°以上45°以下的平面。同时，上述与R平面成指定倾角的极性平面的示例包括相对于R平面倾斜0°以上45°以下的平面。
此外，氮化物半导体层103可以具有与作为非极性平面的m平面成指定的倾角的极性平面或与作为非极性平面的A平面成指定的倾角的极性平面。应注意，上述与m平面成指定倾角的极性平面的示例包括相对于m平面倾斜0°以上45°以下的平面。同时，上述与A平面成指定倾角的极性平面的示例包括相对于A平面倾斜0°以上45°以下的平面。
图2示出了根据本发明的氮化物半导体发光器件(氮化物半导体发光二极管器件)的另一示例的示意性横截面图。本文中，具有图2所示结构的氮化物半导体发光器件的特征在于，采用导电六边形n型氮化物半导体衬底201，并通过在n型氮化物半导体衬底201的背面形成第一n电极107，将氮化物半导体发光器件实现为具有垂直电极结构的氮化物半导体发光器件。
也就是说，具有图2所示结构的氮化物半导体发光器件具有n型氮化物半导体衬底201、形成在n型氮化物半导体衬底201上并由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103、形成在氮化物半导体层103上的p型氮化物半导体层104、形成在p型氮化物半导体层104上的有源层105、以及形成在有源层105上的第二n型氮化物半导体层106，第一n电极107形成在n型氮化物半导体衬底201的背面，第二n电极108形成在第二n型氮化物半导体层106上。
同样，在具有图2所示结构的氮化物半导体发光器件中，例如，如果采用MOCVD等，通过外延生长，在n型氮化物半导体衬底201的C平面({0001}平面)上依次地形成氮化物半导体层103和p型氮化物半导体层104，则由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103的表面是C平面。
因此，如果由具有这样的C平面并且以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103中的晶格失配等引起晶格应变，则氮化物半导体层103具有极性平面，原因同上。
那么，在具有极性平面的氮化物半导体层103中，能带弯曲并且n型氮化物半导体衬底201与p型氮化物半导体层104之间的耗尽层的宽度可以变窄，从而隧道电流更有可能流动。因此，在具有图2所示结构的氮化物半导体发光器件中，与具有图11所示结构并使用隧道结的传统器件相比，氮化物半导体发光器件的驱动电压可以更低。
此外，还可以采用MOCVD等在n型氮化物半导体衬底201的半极性平面(如，R平面({1-102}平面)或{11-22}平面)上依次地外延生长氮化物半导体层103和p型氮化物半导体层104，在这种情况下，由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103的表面是诸如上述R平面({1-102}平面)或{11-22}平面之类的半极性平面。
因此，如果具有半极性平面作为表面并且由以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示的氮化物半导体晶体构成的氮化物半导体层103中的晶格失配等引起晶格应变，则在氮化物半导体层103中出现由于压电场而引起的自发极化，并且氮化物半导体层103的相对表面上的半极性平面表现出互不相同的特性。因此，氮化物半导体层103具有极性平面。如果氮化物半导体层103具有极性平面，则在氮化物半导体层103中能带歪曲，并且n型氮化物半导体衬底201与p型氮化物半导体层104之间的耗尽层的宽度可以变窄，从而隧道电流更有可能流动。因此，在这种情况下，与具有图11所示结构并且使用隧道结的传统器件相比，氮化物半导体发光器件的驱动电压可以降低。
例如，在本发明中，由六边形半导体晶体构成的衬底(如，蓝宝石衬底、氮化物半导体衬底或碳化硅衬底)可以用作上述衬底101。其中，如果氮化物半导体衬底用作衬底101，则与在衬底101上形成的氮化物半导体层之间在晶格常数方面的差异变小，从而可以得到具有良好结晶度的氮化物半导体层。应注意，例如，由以公式Alx0Gay0Inz0N(0≤x0≤1，0≤y0≤1，0≤z0≤1，x0+y0+z0＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体构成的衬底可以用作氮化物半导体衬底。
备选地，在本发明中，例如，通过用n型杂质等对上述以公式Alx0Iny0Gaz0N(0≤x0≤1，0≤y0≤1，0≤z0≤1，x0+y0+z0＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体构成的衬底进行掺杂而形成的衬底可以用作n型氮化物半导体衬底201。
在以上公式中，Al表示铝，In表示铟，Ga表示镓，x0表示Al成分比率，y0表示In成分比率，z0表示Ga成分比率。此外，例如，硅和/或锗等可以用作n型杂质。
此外，在衬底101和由上述氮化物半导体衬底实现的n型氮化物半导体衬底201中，大约有10原子百分比或更少的氮原子可以被替换成As(砷)、P(磷)、Sb(锑)原子等，只要保持六边形晶体结构就可以。
例如，传统上已知的n型氮化物半导体可以用作第一n型氮化物半导体层102，例如，可以使用通过用n型杂质对以公式Alx1Iny1Gaz1N(0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体进行掺杂而形成的单层或多个层。在以上公式中，Al表示铝，In表示铟，Ga表示镓，x1表示Al成分比率，y1表示In成分比率，z1表示Ga成分比率。此外，例如，硅和/或锗等可以用作n型杂质。从为氮化物半导体层103提供极性平面的观点来看，优选地将与氮化物半导体层103的材料不同的材料用于第一n型氮化物半导体层102。
此外，在第一n型氮化物半导体层102与衬底101之间，以及在氮化物半导体层103与n型氮化物半导体衬底201之间，可以包括或可以不包括诸如缓冲层或薄非掺杂层(例如，厚度不大于0.5μm的非掺杂层)之类的一个或多个其他层。
此外，如上所述，以公式AlxGa1-xN(0＜x≤1)表示并且具有极性平面的Ⅲ族氮化物半导体晶体用于氮化物半导体层103。本文中，Al表示铝，Ga表示镓，x表示Al成分比率，(1-x)表示Ga成分比率。应注意，氮化物半导体层103可以是以下类型中的任何类型的n型、p型或非掺杂。
氮化物半导体层103优选地具有不小于0.5nm且不大于30nm的厚度。当氮化物半导体层103具有不小于0.5nm的厚度时，氮化物半导体层103更有可能是具有均匀的平面内厚度的层。当氮化物半导体层103具有不大于30nm的厚度时，几乎不可能发生由于氮化物半导体层103中的晶格应变产生裂缝而造成氮化物半导体层103的结晶度变差。
尽管在氮化物半导体层103与第一n型氮化物半导体层102之间可以包括一个或多个其他层，然而从使耗尽层的宽度变窄的观点来看，优选地氮化物半导体层103和第一n型氮化物半导体层102是彼此接触的。
同时，例如，传统上已知的p型氮化物半导体可以用于p型氮化物半导体层104，例如，可以使用通过用p型杂质对以公式Alx2Iny2Gaz2N(0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1，x2+y2+z2＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体进行掺杂而形成的单层或多个层。在以上公式中，Al表示铝，In表示铟，Ga表示镓，x2表示Al成分比率，y2表示In成分比率，z2表示Ga成分比率。此外，例如，镁和/或锌等可以用作p型杂质。从为氮化物半导体层103提供极性平面的观点来看，优选地将与氮化物半导体层103的材料不同的材料用于p型氮化物半导体层104。
尽管在p型氮化物半导体层104与氮化物半导体层103之间可以包括一个或多个其他层，然而从使耗尽层的宽度变窄的观点来看，优选地p型氮化物半导体层104与氮化物半导体层103是彼此接触的。
同时，例如，传统上已知的氮化物半导体可以用于有源层105，例如，可以使用由以公式Alx3Iny3Gaz3N(0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤z3≤1，x3+y3+z3＝1)表示的非掺杂Ⅲ族氮化物半导体晶体构成的单层或多个层，或通过用p型杂质和n型杂质中的至少一种杂质对以该公式表示的Ⅲ族氮化物半导体晶进行掺杂而形成的单层或多个层。在以上公式中，Al表示铝，In表示铟，Ga表示镓，x3表示Al成分比率，y3表示In成分比率，z3表示Ga成分比率。此外，有源层105可以被构造为具有传统上已知的单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。
在有源层105与p型氮化物半导体层104之间可以包括或可以不包括一个或多个其他层。
同时，例如，传统上已知的n型氮化物半导体可以用于第二n型氮化物半导体层106，例如，可以使用通过用n型杂质对以公式Alx4Iny4Gaz4N(0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤z4≤1，x4+y4+z4＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶进行掺杂而形成的单层或多个层。在以上公式中，Al表示铝，In表示铟，Ga表示镓，x4表示Al成分比率，y4表示In成分比率，z4表示Ga成分比率。此外，例如，硅和/或锗等可以用作n型杂质。
在第二n型氮化物半导体层106与有源层105之间可以包括或可以不包括一个或多个其他层。
同时，例如，传统上已知的能够建立与第一n型氮化物半导体层102的欧姆接触的金属可以用于第一n电极107。例如，传统上已知的能够建立与第二n型氮化物半导体层106的欧姆接触的金属可以用于第一n电极108。应注意，第一n电极107和第二n电极108可以由相同金属构成或分别由不同金属构成。
在具有图1和图2所示结构的每个氮化物半导体发光器件中，在形成有源层105之后形成第二n型氮化物半导体层106。如果在低温下形成第二n型氮化物半导体层106，则由于第二n型氮化物半导体层106是n型氮化物半导体层，所以可以抑制第二n型氮化物半导体层106的较高的电阻以及结晶度的显著变差。此外，由于可以在低温下形成第二n型氮化物半导体层106，所以还可以减轻对有源层105的热损伤。
已知与不包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体相比，包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶具有非常低的分解温度。例如，诸如GaN、AlN及其混合晶体等不包含In的氮化物半导体晶体在1000℃左右的高温下相对稳定，而InN甚至在大约600℃至700℃的低温下就分解了。因此，例如以公式InyGa1-yN表示的包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶的结晶度通常在温度超过1000℃时变差，尽管这取决于In成分比率y。当发射在长波长范围内的光(如，绿色光或红色光)时，在以公式InyGa1-yN表示的包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体中，In成分比率y应当较高，大约为0.15到0.4，然而在这种情况下，更有可能发生与包含In的氮化物半导体晶体的温度相关联的结晶度变差。
在具有图11所示结构的传统氮化物半导体发光器件中，在例如在大约600℃至800℃的低温下形成包含InGaN的有源层1104之后，应当在超过1000℃的高温下形成诸如Mg掺杂p型GaN层1105之类的p型氮化物半导体层。
在具有图11所示结构的传统氮化物半导体发光器件中，在为了以高温形成诸如Mg掺杂p型GaN层1105之类的p型氮化物半导体层而提高温度的过程中，或者在形成该p型氮化物半导体层的过程中，在有源层1104上发生由于温度而造成的热损伤，从而有源层1104的结晶度显著变差。另一方面，如果在构成有源层1104的InGaN中，In成分比率不低于0.15，并且具体不低于0.2，则应当在低温下形成Mg掺杂p型GaN层1105之类的p型氮化物半导体层，这导致了p型氮化物半导体层的电阻更高且结晶度变差，从而导致驱动电压增大。
然而，在具有图1和图2所示结构的每个氮化物半导体发光器件中，在形成有源层105之后形成第二n型氮化物半导体层106，并且不必须形成p型氮化物半导体层。因此，例如在有源层105具有包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体的情况下，如果In成分比率不低于0.15并且具体不低于0.2，则认为如图1和2所示在形成有源层105之后形成第二n型氮化物半导体层106并且不形成p型氮化物半导体层是高效的。尽管在本发明中没有限制有源层105中的In成分比率的上限，然而如果有源层105中的In成分比率超过0.4，则发光效率可能降低，因此有源层105中的In成分比率优选地不高于0.4。
此外，尽管以上主要描述了氮化物半导体发光二极管器件的结构，其中该氮化物半导体发光二极管器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件，然而上述结构显然还可以应用于氮化物半导体激光器器件等。
(第二实施例)
图14示出了氮化物半导体发光器件(氮化物半导体发光二极管器件)的示意性横截面图，该氮化物半导体发光器件表示根据本发明的半导体发光器件的一个示例。该氮化物半导体发光器件包括衬底1401、形成在衬底1401上并由氮化物半导体构成的第一底层1402、形成在第一底层1402上并由氮化物半导体构成的中间层1403、形成在中间层1403上并由氮化物半导体构成的第二底层1404、形成在第二底层1404上并由氮化物半导体构成的有源层1405、以及形成在有源层1405上并由氮化物半导体构成的上层1406。
此外，与第一底层1402的暴露表面相接触地形成针对n型的第一电极1407，与上层1406相接触地形成针对n型的第二电极1408。
第一底层1402包括单个氮化物半导体层或多个氮化物半导体层，并且该第一底层1402整体上具有n型导电性。本文中，整体上具有n型导电性是指具有以下特性：主要包括具有n型导电性的层，即使在层之间或在端部布置这样的层作为薄非掺杂层，整体上也主要传导电子。第二底层1404包括单个氮化物半导体层或多个氮化物半导体层，并且该第二底层1404整体上具有p型导电性。本文中，整体上具有p型导电性是指具有以下特性：主要包括具有p型导电性的层，即使在层之间或在端部布置这样的层作为薄非掺杂层，整体上也主要传导空穴。上层1406包括单个氮化物半导体层或多个氮化物半导体层，并且该上层1406整体上具有n型导电性。
针对n型的第一电极1407用作阳极电极，针对n型的第二电极1408用作阴极电极。即，在驱动具有如图14所示结构的氮化物半导体发光器件时，从外部对针对n型的第一电极1407施加正电压，对针对n型的第二电极1408施加负电压。因此，从正电压到负电压的电流路径是：从针对n型的第一电极1407通过整体上具有n型导电性的第一底层1402、中间层1403、整体上具有p型导电性的第二底层1404、有源层1405、以及上层1406到针对n型的第二电极1408。
通过这样偏置具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件，向pn结施加正向偏置，其中，所述pn结由整体上具有p型导电性的第二底层1404和整体上具有n型导电性的上层1406构成，在第二底层1404与上层1406之间夹着有源层1405，通过正常驱动氮化物半导体发光二极管器件来发射光。本文中，可以适当地选择整体上具有p型导电性的第二底层1404的厚度或掺杂量，而不考虑表面等离激元与光的耦合。因此，可以以足够高的浓度用p型杂质来掺杂第二底层1404，可以在驱动氮化物半导体发光器件的同时向有源层1405提供足够的空穴。
应当将整体上具有n型导电性的上层1406的厚度限制为不大于40nm的厚度，以实现针对n型的第二电极1408的表面等离激元与来自有源层1405的光之间的耦合。与用p型杂质进行掺杂的情况相比，用n型杂质对上层1406中的氮化物半导体进行掺杂更容易。
更具体地，关于p型杂质(一般是Mg)，为了达到所需的载流子(空穴)浓度，应当用过量的杂质对氮化物半导体进行掺杂。此外，由于Mg趋向于扩散到另一层中，所以很难仅在厚度不大于40nm的非常薄的层中产生足够的载流子。此外，如果Mg扩散到(或被添加到)氮化物半导体发光器件的有源层中，也会发生降低有源层质量的问题。然而，在整体上具有n型导电性并且具有不大于40nm的非常小的厚度的上层1406中，产生的载流子是电子，因此发生在具有p型导电性的层中(其中载流子是空穴)的情况下的问题的可能性要小得多。
即，在氮化物半导体中，n型杂质(通常是Si)可以产生与掺杂量实质上一样多的载流子(电子)，即使Si扩散到有源层中，也不太可能发生有源层质量降低的问题。相反，还有报告记载通过向有源层添加Si来提高发光效率(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.37(1998)pp.L362-L364)。用n型杂质对有源层自身进行掺杂没什么损害，也不必须在多个层中的晶体生长期间快速地切换掺杂操作。因此，制造氮化物半导体发光器件是方便的。应注意，本文中，当有源层具有多量子阱结构时，所述有源层是指从最低阱层到最高阱层的那些层，当有源层具有单量子阱结构时，有源层是指仅一个阱层。
当驱动具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件时，向附加pn结施加反向偏置，其中所述pn结由整体上具有p型导电性的第二底层1404和整体上具有n型导电性的第一底层1402构成，在所述第二底层1404与第一底层1402之间夹着中间层1403。本文中，在正常pn结的情况下，电流不太可能沿反偏置方向流动，然而，通过使用允许隧道电流有效流动的结构(隧道结)，电流可以高效地流经附加pn结。为此，优选地特殊构造夹着中间层1403的附加pn结，如稍后将举例说明的。
在针对n型的第二电极1408中，与上层1406接触的至少一个表面(界面)由Ag构成(Ag界面)。此外，将上层1406设置为具有不大于40nm的厚度。由于因此而可以将半导体-Ag界面布置在有源层1405的近场内，所以来自有源层1405的光可以容易地与针对n型的第二电极1408的Ag界面处的表面等离激元耦合，可以提高光发射效率。应注意，优选地将上层1406的厚度设置为20nm或更小，可以将其设置为近似10nm。
根据上述具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件的特征，在将电流注入氮化物半导体发光器件中时，可以有效地将空穴和电子注入有源层1405中，从而驱动氮化物半导体发光器件。因此可以从有源层1405发射足够量的光，在针对n型的第二电极1408的Ag界面处，可以产生由于来自有源层1405的光与表面等离激元的耦合而引起的表面等离子体激元(surface plasmon polariton，SPP)。因此，在具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件中，可以通过电流注入来有效地产生SPP，并且可以实现如非专利文献2中一样的从有源层1405进行光发射的自发发射速率，从而可以得到较高的光发射效率。
应注意，针对n型的第二电极1408与由n型氮化物半导体构成的上层1406相接触的的Ag界面通常并不平坦，但是该Ag界面在许多情况下显微地包括晶界或小的不均匀度。因此，当如上产生的SPP沿着针对n型的第二电极1408的Ag界面传播时，调制该SPP，并将该SPP再次转换成光，将此光提取到外部。考虑到这种现象，可以在针对n型的第二电极1408的Ag界面上人工地提供不规则性或图案。此外，由于针对n型的第二电极1408的Ag界面可以形成与由n型氮化物半导体构成的上层1406的良好欧姆接触，所以可以将载流子良好地注入有源层1405中，这也改进了现有技术。
关于有源层与电极材料之间的组合，以下情况是可能的。即，通过从有源层发射光而产生的SPP与金属的表面等离激元频率有关。因此，对于发射蓝色区域(波长从440到500nm)中的光的有源层来说，将Ag(与表面等离激元频率相对应的光的波长：大约440nm)用于与半导体接触的电极的界面是尤为高效的，甚至在发射比蓝色区域中的光波长略长(波长在500到600nm范围内)的光的有源层中，一样可以预期光发射效率的提高。
备选地，对于发射深紫外区域(波长在230nm到300nm范围内)中的光的有源层来说，将Al(与表面等离激元频率相对应的光的波长：大约230nm)用于与半导体相接触的电极的界面是尤为高效的，甚至在发射比深紫外区域中的光波长略长(波长在300到400nm范围内)的有源层中，也可以预期光发射效率的提高。
此外备选地，对于发射从绿色到红色的区域(波长在540nm到600nm范围内)中的光的有源层来说，将Au(与表面等离激元频率相对应的光的波长：大约540nm)用于与半导体相接触的电极的界面是尤为高效的，甚至在发射比从绿色到红色区域中的光波长略长(波长在600到700nm范围内)的有源层中，也可以预期光发射效率的提高。
由于Al和Au可以形成与n型氮化物半导体的良好欧姆接触，如在上述Ag的情况下一样，所以可以在驱动氮化物半导体发光二极管器件时将载流子良好地注入有源层。应注意，Ag、Al和Au通常可以形成与由化合物半导体构成的n型层的良好欧姆接触，而不限于与氮化物半导体的良好欧姆接触。因此，对于包括除了氮化物半导体以外的化合物半导体的半导体发光器件来说，Ag、Al和Au可以用作电极材料。
在将主要由Ag构成的合金与其他成分相混合时，很难预期表面等离激元频率如何变化，这是因为存在许多未知的点。然而例如，如果包含Ag作为主要成分(主成分)的合金用作具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件的针对n型的第二电极1408的材料，则认为可以预期本发明的效果。
因此，认为至少Ag合金(其中Ag原子浓度不低于50原子百分比)可以用作具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件的针对n型的第二电极1408的材料。
此外，出于与上述关于Ag合金而描述的原因相同的原因，认为Al合金(其中Al原子浓度不低于50原子百分比)和Au合金(其中Au原子浓度不低于50原子百分比)也可以用作具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件的针对n型的第二电极1408的材料。此外，也可以选择具有与从有源层发射的光的波长相对应的表面等离激元频率的材料，以用作能够在合适时候激励表面等离激元的电极材料(除了上述Ag、Ag合金、Al、Al合金、Au、Au合金以外)。
现在将描述附加pn结。在具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件中，如果六边形半导体晶体衬底(如，蓝宝石衬底、氮化物半导体衬底、或碳化硅衬底)用作衬底1401，并且通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积)等在衬底1401的C平面({0001}平面)上依次地外延生长第一底层1402、中间层1403和第二底层1404，则外延地生长的第一底层1402、中间层1403和第二底层1404的相应表面也是C平面。这种C平面取向在氮化物半导体发光器件中是最常见的。
本文中，例如，如果具有这种C平面的中间层1403中的晶格失配等引起晶格应变，则在中间层1403中，在沿C轴方向(<0001>方向)延伸的极化方向上，产生由于压电极化而引起的压电场。因此，在+C轴侧与-C轴侧之间，中间层1403的C平面表现出不同的电特性，从而中间层1403具有下界面和上界面，所述下界面和上界面是极性不同的极性平面。本文中，中间层1403的下界面是与具有n型导电性的第一底层1402接触的表面，中间层1403的上界面是与具有p型导电性的第二底层1404接触的表面。
如果当向具有这种极性平面的中间层1403施加由于与第一底层第一底层1402和第二底层1404中每一层的晶格常数差异而引起的拉伸应力时，中间层1403具有拉伸应变，中间层1403的能带弯曲，并且第一底层1402与中间层1403之间的耗尽层的宽度可以变窄。因此，隧道电流更有可能通过被施加反向偏置的附加pn结，在第一底层第一底层1402与第二底层1404之间流动，与不包含中间层1403的结构相比，氮化物半导体发光器件的驱动电压可以降低。例如，如果第一底层1402和第二底层1404由Al浓度低的AlN或AlGaN构成，中间层1403由Al浓度高的AlN或AlGaN构成，则由于AlGaN的晶格常数随着AlGaN中Al浓度的增大而减小，可以获得上述这种结构，即中间层1403具有极性平面和拉伸应变。
此外，可以将六边形半导体晶体衬底用作衬底1401，也可以通过MOCVD或类似技术在衬底1401的半极性平面(如，R平面({1-102}平面)或{11-22}平面)上依次外延生长第一底层1402、中间层1403和第二底层1404。在这种情况下，中间层1403的表面也可以是诸如R平面({1-102}平面)或{11-22}平面之类的半极性平面。如果因此具有诸如R平面({1-102}平面)或{11-22}平面之类的半极性平面作为表面的中间层1403中的晶格失配引起晶格应变，则产生由于压电极化而引起的压电场，作为中间层1403的半极性平面的下界面和上界面表现彼此不同的电特性。
此外，衬底1401的表面(上面生长了氮化物半导体层的表面)可以是与C平面或R平面成倾角的平面。在这种情况下，衬底1401的表面的示例包括：相对于C平面倾斜大于0°小于45°的表面，或相对于R平面倾斜大于0°小于45°的表面。
此外，衬底1401的表面可以是与M平面({10-10}平面)或A平面({11-20}平面)的非极性平面成倾角的平面。
在这种情况下，衬底1401的表面的示例包括：相对于M平面倾斜大于0°小于45°的表面，或相对于A平面倾斜大于0°小于45°的表面。
如上所述，如果1401的表面是与C平面、R平面、M平面或A平面成倾角的表面，则如在衬底1401的表面是C平面的情况下一样，可以降低氮化物半导体发光器件的驱动电压。
此外，为了便于反向偏置电流流过附加pn结，以高浓度来掺杂结部分也是高效的。例如，第一底层1402和第二底层1404可以彼此接合而不提供中间层1403，至少在结附近，可以将第一底层1402中的n型杂质浓度设置在从1×1018到1×1021/cm3的范围内，优选地，在从1×1019到1×1020/cm3的范围内，可以将第二底层1404中的p型杂质的浓度设置在从1×1019到1×1020/cm3的范围内，更优选地，在从3×1019到3×1020/cm3的范围内。本文中，结附近是指从结界面开始的深度为大约50nm的区域，在该区域中可以通过掺杂来改变隧道电流。此外，在这种情况下，可以通过提供以如上所述构成的中间层1403来得到协同效应，在采用或不采用具有与上述成分不同成分的中间层的情况下，仅可以利用高浓度掺杂的效果。
图15示出了氮化物半导体发光器件(氮化物半导体发光二极管器件)的示意性横截面图，该氮化物半导体发光器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的另一示例。具有图15所示结构的氮化物半导体发光器件的特征在于，使用由具有n型导电性的六边形氮化物半导体构成的n型衬底1501，并且通过在n型衬底1501的背面形成针对n型的第一电极1507，将氮化物半导体发光器件实现为具有垂直电极结构的氮化物半导体发光器件。
也就是说，具有图15所示结构的氮化物半导体发光器件包括n型衬底1501、形成在n型衬底1501上的第一底层1502、形成在第一底层1502上的中间层1503、形成在中间层1503上的第二底层1504、形成在第二底层1504上的有源层1505、以及形成在有源层1505上的上层1506。在n型衬底1501的背面形成针对n型的第一电极1507，在上层1506的表面上形成与上层1506接触的针对n型的第二电极1508。
在具有图15所示结构的氮化物半导体发光器件中，从正电压到负电压的电流路径是从针对n型的第一电极1507，通过n型衬底1501、整体上具有n型导电性的第一底层1502、中间层1503、整体上具有p型导电性的第二底层1504、有源层1505和上层1506，到第二n型电极1508。
由于除了具有图15所示结构的氮化物半导体发光器件的上述描述以外，其他描述与具有图14所示结构的氮化物半导体发光器件的相同，所以不再提供对这些其他描述。
如果根据本发明的氮化物半导体发光器件具体是具有图14和图15所示结构的氮化物半导体发光器件，其中氮化物半导体层堆叠在衬底上，则如上所述诸如蓝宝石衬底、氮化物半导体衬底或碳化硅衬底等六边形半导体晶体衬底可以用作衬底1401、1501。其中，将氮化物半导体衬底用作氮化物半导体发光器件的衬底1401、1501将实现氮化物半导体层的良好结晶度，这是因为衬底1401、1501与氮化物半导体层之间在物理特性方面的差异可以较小，例如衬底1401、1501与衬底1401、1501上堆叠的氮化物半导体层之间在晶格常数方面的较小差异。
例如，可以将由以公式Alx5Gay5Inz5N(0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤z5≤1，x5+y5+z5＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体构成的衬底用作氮化物半导体衬底。
此外，例如，由以公式Alx6Iny6Gaz6N(0≤x6≤1，0≤y6≤1，0≤z6≤1，x6+y6+z6＝1)表示的Ⅲ族氮化物半导体晶体可以独立地用于要堆叠在衬底1401、1501上的层(第一底层1402、1502，中间层1502、1503，第二底层1404、1504，有源层1405、1505，以及上层1406、1506)。Si和/或Ge可以用作n型杂质，也可以使用诸如O和Se等Ⅵ族元素。Mg和/或Zn可以用作p型杂质。此外，例如，可以将有源层1405、1505构造为具有传统上已知的单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。
例如，可以将能够形成与第一底层1402或n型衬底1501的欧姆接触的传统已知金属用于在具有图14和图15所示结构的氮化物半导体发光器件中的针对n型的第一电极1407、1507。在具有图14和图15所示结构的每个氮化物半导体发光器件中，可以在形成有源层1405、1505之后形成上层1406、1506。然而如果在低温下形成上层1406、1506，则由于上层1406、1506是n型氮化物半导体层，所以可以抑制上层1406、1506的较高的电阻和结晶度的显著变差。此外，如果在低温下形成上层1406、1506，则也可以减轻对有源层1405、1505的热损伤。
已知与不包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体相比，包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体具有非常低的分解温度。例如，诸如GaN、AlN及其混合晶体等不包含In的氮化物半导体晶体在1000℃左右的高温下相对稳定，而InN甚至在大约600℃至700℃的低温下就分解了。因此，例如以公式InyGa1-yN表示的包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体的结晶度通常在温度超过1000℃时变差，尽管这取决于In成分比率y。当要从有源层1405、1505发射在长波长范围内的光(如，绿色光或红色光)时，以公式InyGa1-yN表示的包含In的Ⅲ族氮化物半导体晶体的In成分比率y应当较高，大约在0.15到0.4的范围内，然而在这种情况下，更有可能发生与包含In的氮化物半导体晶体的温度相关联的结晶度的变差。
示例
<示例1>
图3示出了根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图，该氮化物半导体发光二极管器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例。本文中，根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的结构是：厚度为5μm的第一n型GaN层302、厚度为2.5nm的AlN中间层303、厚度为0.3μm的p型GaN层304、厚度为10nm的p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层309、厚度为0.168μm的多量子阱有源层305、以及厚度为0.3μm的第二n型GaN层306依次堆叠在厚度为400μm的蓝宝石衬底301上，其中，在第一n型GaN层302上形成第一n电极307，在第二n型GaN层306上形成第二n电极308。
本文中，多量子阱有源层305的结构是：从p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层309的一侧开始，依次形成厚度为60nm的非掺杂GaN层、堆叠(其中厚度为8nm的非掺杂In0.02Ga0.98N势垒层和厚度为4nm的非掺杂In0.2Ga0.8N阱层交替地堆叠四次)和厚度为60nm的非掺杂GaN层。
此外，与第一n型GaN层302相接触地形成第一n电极307，并且该第一n电极307的结构是：从第一n型GaN层302的一侧开始依次堆叠铪膜(厚度为30nm)、铝膜(厚度为200nm)、钼膜(厚度为30nm)、铂膜(厚度为50nm)和金膜(厚度为200nm)。
第二n电极308的结构与第一n电极307的结构相同。
以如下方式制造具有上述结构的根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件。
首先，使用MOCVD膜沉积设备，在蓝宝石衬底301的作为C平面的(0001)平面上，通过MOCVD依次外延生长第一n型GaN层302、AlN中间层303、p型GaN层304、p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层309、多量子阱有源层305和第二n型GaN层306，其中所述蓝宝石衬底301具有直径为2英寸、厚度为400μm的表面。本文中，氨用作氮源，TMG(三甲基镓)用作镓源，TMI(三甲基铟)用作铟源，TMA(三甲基铝)用作铝源，Cp2Mg(双(环戊二烯)镁)用作镁的来源(镁是p型杂质)，硅烷用作硅的来源(硅是n型杂质)。
应注意，第一n型GaN层302和第二n型GaN层306中的每一个中，载流子密度是大约1×1018cm-3。此外，p型GaN层304中的载流子密度是大约4×1017cm-3。不有意地用p型杂质和n型杂质对AlN中间层303进行掺杂。
通过将蓝宝石衬底301的温度设置为1125℃来形成第一n型GaN层302，还通过将蓝宝石衬底301的温度设置为1125℃来依次地形成AlN中间层303、p型GaN层304和p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层309。
然后，通过将蓝宝石衬底301的温度降至750℃来形成多量子阱有源层305，通过将蓝宝石衬底301的温度升高至850℃来形成第二n型GaN层306。此后，将蓝宝石衬底301的温度降至室温。
即使在形成多量子阱有源层305之后通过将蓝宝石衬底301的温度设置到850℃左右的低温来形成第二n型GaN层306的示例中，也可以抑制第二n型GaN层306的较高电阻和结晶度的显著变差，这是因为第二n型GaN层306是n型氮化物半导体层。此外，由于与在多量子阱有源层305上形成p型氮化物半导体层的如图11所示的传统结构中相比，可以在更低的温度下形成第二n型GaN层306，所以可以减小对多量子阱有源层305的热损伤。
此后，通过EB(电子束)汽相沉积在第二n型GaN层306上形成第二n电极308。本文中，如下来图案化第二n电极308。首先，在第二n型GaN层306的整个表面上形成光致抗蚀剂之后，使用一般光刻技术和蚀刻技术，在该光致抗蚀剂中，按照第二n电极308的形状来提供开口部分。然后通过EB汽相沉积来形成第二n电极308，以覆盖光致抗蚀剂的整个表面，此后通过剥离(lift-off)来去除光致抗蚀剂，使得在第二n型GaN层306上形成以预定形状图案化的第二n电极308。
然后，在第二n型GaN层306上形成用于汽相蚀刻的掩模，通过使用ICP(感应耦合等离子)蚀刻，沿厚度方向执行蚀刻直到第一n型GaN层302内部。
然后，通过EB汽相沉积和溅射，在第一n型GaN层302的暴露表面上形成第一n电极307。本文中，如图案化第二n电极308一样来图案化第一n电极307。
然后，通过一般的打磨和抛光，使在形成第一n电极307之后蓝宝石衬底301的厚度减小到大约100μm，此后用金刚石针进行刻绘，以将衬底分成片，每片具有350μm2的表面。从而得到根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件。
尽管以镁掺杂的p型氮化物半导体层除非在不低于1000℃的高温下形成，否则不会表现出p型导电性，而以硅掺杂的n型氮化物半导体层甚至在低于1000℃的低温下也表现出n型导电性。因此，可以通过优化形成条件，在甚至800℃左右的低温下形成第二n型GaN层306。
此外，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，由于向第一n电极307施加正电压并且向第二n电极308施加负电压，所以第一n电极307起到正电极(阳极电极)的作用，第二n电极308起到负电极(阴极电极)的作用。通过这样向根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件施加电压，从多量子阱有源层305发射光。
同时，将具有图7的示意性横截面视图所示结构的氮化物半导体发光二极管器件制造为比较示例。本文中，将根据该比较示例的氮化物半导体发光二极管器件制造为与根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件相类似，区别在于：如图9的示意性横截面图所示，取代AlN中间层303，在第一n型GaN层302的上部形成厚度为10nm且载流子密度为3.4×1019cm-3的硅高掺杂层701，在p型GaN层304的下部形成厚度为10nm并且载流子密度为3×1018cm-3的镁高掺杂层702，并且形成了隧道结层703，该隧道结层703具有通过将硅高掺杂层701和镁高掺杂层702相接合而形成的隧道结。
在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是4.6V。另一方面，在根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是7.5V。因此，与根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件相比，根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件可以实现将用于通过注入20mA电流来驱动的驱动电压降低大约3V。
此外，通过用光学显微镜观察根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件和根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件的光发射图案可以看出，在根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中，如图8所示，光发射密度高的区域801和光发射密度低的区域802以混合的方式存在，光发射密度的变化很大，并且电流注入不均匀。
另一方面，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，很难观察到像根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中一样的光发射密度变化。
此外，在根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中，在光发射密度高的区域801与光发射密度低的区域802之间，光发射密度相差大约8倍，而在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，在光发射密度高的区域与光发射密度低的区域之间的光发射密度差异被抑制在大约3倍。
此外，图4示出了根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的AlN中间层303附近的能带能量图的理论计算结果，图10示出了根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件的隧道结703附近的能带图的理论计算结果。
在图4和图10中，横坐标表示沿厚度方向的位置(nm)，纵坐标表示能带能量(eV)和载流子密度(cm-3)。应注意，图4的横坐标上的位置50(nm)指示AlN中间层303与p型GaN层304之间的界面的位置，图4的横坐标上更大的数值指示第一n型GaN层302侧，图4的横坐标上更小的数值指示p型GaN层304侧。此外，图10的横坐标上的位置50(nm)指示第一n型GaN层302与硅高掺杂层701之间的界面的位置，图10的横坐标上的更大数值指示第一n型GaN层302侧，图10的横坐标上的更小数值指示p型GaN层304侧。
在图4和图10中，导带中的能带能量401与价带中的能带能量405彼此接合，使得能带能量401和能带能量405在费米能量402上相同，在示出了p型杂质的载流子密度403的区域与示出了n型杂质的载流子密度404的区域之间，未示出载流子密度的区域是不存在载流子的耗尽层，耗尽层的宽度被示为z。该耗尽层宽度较小，便于隧道电流流动。
通过在图4和图10之间比较耗尽层的宽度z可以看出，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，耗尽层的宽度z为大约2.5nm，而在根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中，耗尽层的宽度z为大约30nm。因此，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中耗尽层的宽度z大约是在根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中耗尽层的宽度z的1/10，因此认为良好的隧道电流在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中流动，这使得降低了驱动电压。
也就是说，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中，形成AlN中间层303的AlN的晶格常数比形成第一n型GaN层302和p型GaN层304的GaN的晶格常数小。因此，这种晶格常数的差异引起由于晶格失配而造成的晶格应变，沿C轴方向出现由于压电场而引起的自发极化，在+C轴侧和-C轴侧之间，AlN中间层303的C平面表现出不同的特性。因此AlN中间层303具有极性平面。因此认为，由于在具有极性平面的AlN中间层303中能带弯曲，所以耗尽层的宽度可以变窄。
此外，在根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件中几乎观察不到光发射密度的变化的原因可以是，通过插入AlN中间层303降低第一n型GaN层302和p型GaN层304上的电压，并减小第一n型GaN层302和p型GaN层304层之间的电阻，从而可以均匀地注入电流。
图5示出了当根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的AlN中间层303的厚度变成4nm时，在AlN中间层303附近的能带能量图的理论计算结果。在这种情况下，耗尽层的宽度z为大约4nm，这大约是根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件中耗尽层宽度的1/7。因此可以看出，即使在AlN中间层303的厚度变成4nm时，也可以得到本发明的效果，即，良好的隧道电流流动并且驱动电压降低。结合图5的描述与结合图4的描述相同。
应注意，本发明的效果不限于中间层303由AlN构成的情况，也可以在中间层303由AlxGa1-xN(0＜x≤1)构成的情况下实现本发明。
此外，在以下情况下也可以得到与本示例相同的效果：将蓝宝石衬底301的温度设置为大约500℃，并在蓝宝石衬底301的作为C平面的(0001)平面上，在形成GaN缓冲层之后形成第一n型GaN层302。
此外，在以下情况下也可以得到与本示例相同的效果：使用n型氮化物半导体衬底来代替蓝宝石衬底301，在n型氮化物半导体衬底的极性平面或半极性平面上直接形成中间层303，在该中间层303上形成p型GaN层304，如图2所示对垂直电极结构作出改变。
此外，在将包含Al的混合晶体用于多量子阱有源层305的情况下也可以得到与上述效果相同的效果，此外在根据需要改变在形成多量子阱有源层305的阱层中的In成分比率以改变光发射波长的情况下，也得到与本示例相同的效果。
在本发明中，与传统的一般结构不同，在p型氮化物半导体层上形成有源层。通过从p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层309的一侧，依次分层布置厚度为60nm的非掺杂GaN层、厚度为8nm的非掺杂In0.02Ga0.98N势垒层以及厚度为4nm的非掺杂In0.2Ga0.8N阱层，来形成多量子阱有源层305。当直接在p型氮化物半导体层上形成作为有源层的阱层时，由于作为p型掺杂剂的Mg扩散到有源层中，使得可以降低光发射密度。因此，优选地在p型氮化物半导体层与作为有源层的阱层之间提供不小于5nm的间隙。应注意，在本示例中优选地在间隙中形成非掺杂氮化物半导体层。
<示例2>
如示例1一样制造氮化物半导体发光二极管器件，区别在于将根据示例1的氮化物半导体发光二极管器件的中间层303的成分变成Al0.3Ga0.7N，将中间层303的厚度变成20nm。
如在根据上述示例1的氮化物半导体发光二极管器件的情况下一样，与根据比较示例的氮化物半导体发光二极管器件相比，以这种方式制造的根据示例2的氮化物半导体发光二极管器件也可以实现在光发射密度的变化方面的抑制，并且也可以实现驱动电压的降低。
<示例3>
图6示出了根据示例3的氮化物半导体激光器器件的示意性横截面图，该氮化物半导体激光器器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例。本文中，根据示例3的氮化物半导体激光器器件的结构是：在厚度为400μm的n型GaN衬底601上，依次堆叠厚度为2.5μm的第一n型Al0.05Ga0.95N覆层602a、厚度为0.1μm的第一n型GaN引导层602b、厚度为2.5nm的Al0.8Ga0.2N中间层603、厚度为0.2μm的p型GaN引导层604、厚度为0.01μm的p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层609、厚度为0.144μm的多量子阱有源层605、厚度为0.2μm的第二n型GaN引导层606b、以及厚度为0.6μm的第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a。
此外，当去除第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a的一部分和第二n型GaN引导层606b的一部分时，形成沿谐振器的长度方向延伸的脊式条带部分(脊式条带部分的条带宽度是1.2至2.4μm)，用绝缘膜611来覆盖脊式条带部分的侧表面和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a的表面。
此外，在n型GaN衬底601的背面形成第一n电极607，在第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a上形成第二n电极608。
本文中，形成多量子阱有源层605，该多量子阱有源层605的混合晶体比率被调节为使得来自根据示例3的氮化物半导体激光器器件的振荡的激光束具有500nm的波长，具体地，该多量子阱有源层605的结构是：从p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层609的一侧开始，依次堆叠厚度为60nm的非掺杂GaN层、由厚度为8nm的非掺杂In0.02Ga0.98N势垒层和厚度为4nm的非掺杂In0.2Ga0.8N阱层交替堆叠两次而形成的堆叠、以及厚度为60nm的非掺杂GaN层。
此外，与n型GaN衬底601相接触地形成第一n电极607，第一n电极607的结构是：从n型GaN衬底601的一侧开始，依次堆叠铪膜(厚度为30nm)、铝膜(厚度为200nm)、钼膜(厚度为30nm)、铂膜(厚度为50nm)和金膜(厚度为200nm)。
第二n电极608的结构与第一n电极607的结构相同。此外，绝缘膜611的构造是：依次堆叠厚度为200nm的氧化硅层和厚度为50nm的氧化钛层。
此外，第一n型Al0.05Ga0.95N覆层602a、第一n型GaN引导层602b、第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a和第二n型GaN引导层606b分别都具有大约1×1018cm-3的载流子密度。此外，p型GaN引导层604具有大约4×1017cm-3的载流子密度。不有意用p型杂质和n型杂质来掺杂Al0.8Ga0.2N中间层603。
如下制造具有上述结构的示例3的氮化物半导体激光器器件。
首先，使用MOCVD膜沉积设备，在n型GaN衬底601的作为C平面的(0001)平面上，通过MOCVD，依次外延生长第一n型Al0.05Ga0.95N覆层602a、第一n型GaN引导层602b、Al0.8Ga0.2N中间层603、p型GaN引导层604、p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层609、多量子阱有源层605、第二n型GaN引导层606b、以及第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a，其中所述n型GaN衬底601具有直径为2英寸、厚度为400μm的表面。本文中，氨用作氮源，TMG用作镓源，TMI用作铟源，TMA用作铝源，Cp2Mg用作镁的来源(镁是p型杂质)，硅烷用作硅的来源(硅是n型杂质)。
本文中，通过将n型GaN衬底601的温度设置为1125℃，来形成第一n型Al0.05Ga0.95N覆层602a至非掺杂GaN层，该非掺杂GaN层是多量子阱有源层605中更靠近n型GaN衬底601的一侧的非掺杂GaN层；然后通过将n型GaN衬底601的温度降至750℃来形成多量子阱有源层605的其余部分。然后，通过将n型GaN衬底601的温度升高至850℃来形成第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a。此后，将n型GaN衬底601的温度降至室温。
即使在示例中，在形成多量子阱有源层605之后，通过将n型GaN衬底601的温度降至850℃左右的温度，来形成第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a，也可以抑制第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a的更高的电阻和结晶度的显著变差，这是因为第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a分别都是n型氮化物半导体层。此外，由于与形成p型氮化物半导体层的图11所示的传统结构相比，可以在更低温度下在多量子阱有源层605上形成第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a，所以可以减小对多量子阱有源层605的热损伤。
此后，通过EB(电子束)汽相沉积，在第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a上形成第二n电极608。然后，在第二n电极608的整个表面上形成光致抗蚀剂之后，使用一般光刻技术和蚀刻技术，在该光致抗蚀剂中没有形成脊式条带部分的区域中，提供开口部分。然后，通过使用ICP蚀刻，沿厚度方向蚀刻到第二n型GaN引导层606b的内部。然后，通过采用EB汽相沉积和溅射在光致抗蚀剂的整个表面上依次堆叠氧化硅层和氧化钛层，来形成绝缘层611。然后，通过剥离来去除光致抗蚀剂，在第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a上形成第二n电极608，并形成以指定形状图案化的绝缘层611。
然后，通过EB汽相沉积，在n型GaN衬底601的背面形成第一n电极607。
然后通过一般的打磨和抛光，使形成第一n电极607之后n型GaN衬底601的厚度减小至大约100μm，此后用金刚石针进行刻绘，以分裂成条形。然后，在通过这种分裂而暴露的谐振器的端面上，形成厚度为大约30nm的端面涂敷膜，所述端面涂敷膜是由以公式AlOaN1-a(0≤a)表示的电介质膜来实现的。本文中，将光发射侧的谐振器的端面的反射率设置为10％，将光反射侧的谐振器的端面的反射率设置为90％。因此得到根据示例3的氮化物半导体激光器器件。
同时，作为比较示例，将根据比较示例的氮化物半导体激光器器件制造为与示例3的氮化物半导体激光器器件结构相同，不同之处在于，取代Al0.8Ga0.2N中间层603，在第一n型GaN引导层602b的上部形成厚度为50nm且载流子密度为3.4×1019cm-3的硅高掺杂层，在p型GaN引导层604的下部形成厚度为50nm且载流子密度为3×1018cm-3的镁高掺杂层，并且形成了隧道结层，该隧道结层具有通过将硅高掺杂层和镁高掺杂层相接合而形成的隧道结。
在示例3的氮化物半导体激光器器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是6.2V。另一方面，在根据比较示例的氮化物半导体激光器器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是9.0V。因此，与根据比较示例的氮化物半导体激光器器件相比，根据示例3的氮化物半导体激光器器件可以实现将用于通过注入20mA电流来驱动的驱动电压降低大约3V。
在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，在形成多量子阱有源层605之后，仅形成诸如第二n型GaN引导层606b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层606a之类的n型氮化物半导体层，而不形成p型氮化物半导体层。因此，当多量子阱有源层605的阱层中In成分比率不低于0.15，具体不低于0.2时，可以认为示例3的氮化物半导体激光器器件的结构是卓越的结构。
此外，在传统氮化物半导体激光器器件中，由于脊式条带部分是由具有高电阻的p型氮化物半导体层形成的，所以驱动电压较高。然而根据示例3的氮化物半导体激光器器件的优选之处在于，脊式条带部分由电阻比p型氮化物半导体层低的n型氮化物半导体层形成，从而与传统氮化物半导体激光器器件相比，可以将驱动电压抑制到较低水平。
此外，在传统氮化物半导体激光器器件中，应当形成与p型氮化物半导体层相接触的p电极和与n型氮化物半导体层相接触的n电极。然而在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，可以使用仅n电极，从而与传统氮化物半导体激光器器件相比，可以降低电极与氮化物半导体之间的接触电阻。
此外，在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，第一n电极607和第二n电极608可以相同或彼此不同。如果第一n电极607和第二n电极608相同，则由于不必须改变形成条件等，所以可以提高生产率。此外，由于可以使用相同的材料，所以可以降低制造成本。应注意，也可以针对第一n电极607和第二n电极608来采用这种钛层和铝层堆叠的结构。
在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，可以在端面涂敷膜上形成氧化物膜(例如，氧化硅膜、氧化铝膜、氧化锆膜、氧化钽膜、氧化钛膜和氧化铌膜等中的至少一个)、氮化物膜(例如，氮化硅膜和氮化铝膜等中的至少一个)、或氮氧化物膜(例如，氮氧化硅膜和氮氧化铝膜等中的至少一个)等等，其中所述端面涂敷膜是由以公式AlOaN1-a(0≤a)表示的电介质膜来实现的。
此外，在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，通过根据需要改变多量子阱有源层605的结构，例如，该结构可以使得波长在380nm到550nm范围内的激光束振荡。
此外，在根据示例3的氮化物半导体激光器器件中，可以采用n型AlGaN衬底、n型AlN衬底或n型InGN衬底等，而不是n型GaN衬底601。
此外，根据示例3的氮化物半导体激光器器件可以由适于说明应用的各种类型的氮化物半导体激光器器件来实现，例如，通过将脊式条带部分的宽度设置为大约2μm至100μm来实现。
<示例4>
图12示出了根据示例4的氮化物半导体激光器器件的示意性横截面图，该氮化物半导体激光器器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例。本文中，根据示例4的氮化物半导体激光器器件与根据示例3的氮化物半导体激光器器件的不同之处在于，通过采用具有非极性平面的衬底并形成具有极性平面的中间层，来制造氮化物半导体激光器器件。
根据示例4的氮化物半导体激光器器件的结构是：在厚度为400μm的n型GaN衬底1201m平面上，依次堆叠厚度为2.5μm的第一n型Al0.05Ga0.95N覆层1202a、厚度为0.1μm的第一n型GaN引导层1202b、厚度为2.5nm的AlN中间层1203、厚度为0.2μm的p型GaN引导层1204、厚度为0.01μm的p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1209、厚度为0.144μm的多量子阱有源层1205、厚度为0.2μm的第二n型GaN引导层1206b以及厚度为0.6μm的第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a。
此外，当去除第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a的一部分和第二n型GaN引导层1206b的一部分时，形成沿谐振器长度方向延伸的脊式条带部分(脊式条带部分的宽度为1.2至2.4μm)，用绝缘膜1211覆盖脊式条带部分的侧面和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a的表面。
此外，在n型GaN衬底1201的背面形成第一n电极1207，在第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a上形成第二n电极1208。本文中，第一n电极1207是阳极电极，对第一n电极1207施加正偏置电压；第二n电极1208是阴极电极，对第二n电极1208施加负偏置电压。
本文中，形成多量子阱有源层1205，将该多量子阱有源层1205的混合晶体比率调节为使得来自根据示例4的氮化物半导体激光器器件的振荡的激光束具有520nm的波长，具体地，该多量子阱有源层1205的结构是：从p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1209的一侧开始，依次堆叠厚度为60nm的非掺杂GaN层、由厚度为8nm的非掺杂In0.02Ga0.98N势垒层和厚度为4nm的非掺杂In0.2Ga0.8N阱层交替堆叠两次而形成的堆叠以及厚度为60nm的非掺杂GaN层。
此外，与n型GaN衬底1201相接触地形成第一n电极1207，第一n电极1207的结构是：从n型GaN衬底1201的一侧开始，依次堆叠铪膜(厚度为30nm)、铝膜(厚度为200nm)、钼膜(厚度为30nm)、铂膜(厚度为50nm)和金膜(厚度为200nm)。
第二n电极1208与第一n电极1207结构相同。此外，绝缘层1211的结构是：依次堆叠厚度为200nm的氧化硅层和厚度为50nm的氧化钛层。
此外，第一n型Al0.05Ga0.95N覆层1202a、第一n型GaN引导层1202b、第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a和第二n型GaN引导层1206b分别都具有大约1×1018cm-3的载流子密度。此外，p型GaN引导层1204具有大约4×1017cm-3的载流子密度。不有意用p型杂质和n型杂质来掺杂Al0.8Ga0.2N中间层1203。
如下制造根据示例4的具有上述结构的氮化物半导体激光器器件。
首先，使用MOCVD膜沉积装置，在n型GaN衬底1201的作为非极性m平面的(1-001)平面上，生长第一n型Al0.05Ga0.95N覆层1202a和第一n型GaN引导层1202b，所述n型GaN衬底1201具有直径为2英寸、厚度为400μm的表面。
然后，将上面生长有第一n型GaN引导层1202b的n型GaN衬底1201从MOCVD膜沉积设备中取出一次，例如，通过一般光刻工艺，在第一n型GaN引导层1202b上，形成如图13(a)的示意性平面图所示具有圆形开口部分1302的抗蚀剂图案1301，或者如图13(b)的示意性平面图所示具有矩形开口部分1303的抗蚀剂图案1301。此后，沿着与第一n型GaN引导层1202b的表面垂直的方向，按照图13(a)所示抗蚀剂图案1301中的开口部分1302的形状，或图13(b)所示抗蚀剂图案1301中的开口部分1303的形状，去除第一n型GaN引导层1202b的一部分，从而在第一n型GaN引导层1202b的表面中形成不规则性。应注意，第一n型GaN引导层1202b的被去除的部分的形状不限于上述圆形形状和矩形形状，其也可以是诸如三角形形状等其他形状。此外，例如可以将第一n型GaN引导层1202b的被去除的部分的深度设置为大约0.01μm到0.3μm，以甚至去除第一n型Al0.05Ga0.95N覆层1202a的一部分。此外，例如可以将被去除的部分的表面的尺寸设置为大约0.1μm到5μm。应注意，在圆形的情况下，被去除的部分的表面的尺寸是指直径，在诸如矩形等多边形的情况下，被去除的部分的表面的尺寸是指最长边的长度。
在形成上述不规则性之后将N型GaN衬底1201返回到MOCVD膜沉积设备，并通过MOCVD依次外延生长AlN中间层1203、p型GaN引导层1204、p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1209、多量子阱有源层1205、第二n型GaN引导层1206b和第二n型Al0.05Ga0.95N覆层1206a。此后，通过与示例3相同的工艺，得到根据示例4的氮化物半导体激光器器件。
在根据示例4的氮化物半导体激光器器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是6.8V。另一方面，在根据上述比较示例的氮化物半导体激光器器件中，用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压是大约9.0V。因此，与根据比较示例的氮化物半导体激光器器件相比，根据示例4的氮化物半导体激光器器件可以实现将用于通过注入20mA的电流来驱动的驱动电压降低2V或更多。
例如，在通过使用图13(a)和13(b)所示的抗蚀剂图案1301来制造具有图12所示结构的氮化物半导体激光器器件的情况下，在第一n型GaN引导层1202b的侧面X上形成极性平面而不是m平面。因此，如果AlN中间层1203在与第一n型GaN引导层1202b的界面处以及在与p型GaN引导层1204的界面处具有极性平面，则通过使用如图12中箭头所示的极性平面(侧面)，隧道电流有效地流动。
<示例5>
图16示出了根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图，该氮化物半导体发光二极管器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例。本文中，根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的结构是：在厚度为150μm的蓝宝石衬底1601上，依次堆叠厚度为5μm的第一n型GaN层1602、厚度为2.5nm的AlN中间层1603、第二底层1604、多量子阱有源层1605以及厚度为10nm的第二n型GaN层1606，其中在第一n型GaN层1602上形成第一n电极1607，在第二n型GaN层1606上形成第二n电极1608。
本文中，第二底层1604包括连续地堆叠的以下层：厚度为0.3μm的p型GaN层1604a、厚度为10nm的p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1604b、厚度为60nm的非掺杂GaN层1604c、以及厚度为8nm的非掺杂In0.02Ga0.98N层1604d。应注意，p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1604b上的非掺杂GaN层1604c和非掺杂In0.02Ga0.98N层1604d可以起到如缓冲层的作用，以在晶格常数相对小的p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1604b上形成良好的多量子阱有源层1605；也可以起到防止来自p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1604b的Mg扩散到多量子阱有源层1605的作用，因为在Mg扩散到多量子阱有源层1605中的情况下，光发射效率可能降低。
此外，多量子阱有源层1605具有堆叠结构，其中依次地沉积厚度为4nm的Si掺杂InGaN阱层、厚度为8nm的Si掺杂In0.02Ga0.98N势垒层以及厚度为4nm的Si掺杂InGaN阱层。
在第一n型GaN层1602的部分地暴露的表面上形成第一n电极1607，并且第一n电极1607是与第一n型GaN层1602的表面相接触地形成的。本文中，第一n电极1607包括：从第一n型GaN层1602的一侧开始，依次堆叠的Hf层(厚度为30nm)、Al层(厚度为200nm)、Mo层(厚度为30nm)、Pt层(厚度为50nm)以及Au层(厚度为200nm)。
此外，在第二n型GaN层1606的表面上形成第二n电极1608，并且第二n电极1608是与第二n型GaN层1606的表面相接触地形成的。本文中，第二n电极1608包括：从第二n型GaN层1606的一侧开始，依次堆叠的Ag层(厚度为30nm)、Pt层(厚度为50nm)以及Au层。因此，在Ag层的与第二n型GaN层1606相接触的表面(Ag界面)处，产生表面等离体激元(SPP)。
如下制造根据示例5的具有上述结构的氮化物半导体发光二极管器件。首先，使用MOCVD膜沉积设备，通过MOCVD，在蓝宝石衬底1601的作为C平面的(0001)平面上，依次地外延生长第一n型GaN层1602至第二n型GaN层1606，所述蓝宝石衬底1601具有直径为2英寸、厚度为400μm的表面。氨用作氮源，TMG(三甲基镓)用作镓源，TMI(三甲基铟)用作铟源，TMA(三甲基铝)用作铝源，Cp2Mg(双(环戊二烯)镁)用作镁的来源(镁是p型杂质)，硅烷用作硅的来源(硅是n型杂质)。
应注意，第一n型GaN层1602和第二n型GaN层1606的载流子密度均为大约1×1018cm-3。此外，p型GaN层1604a的载流子密度是大约4×1017cm-3。不有意地用p型杂质和n型杂质对AlN中间层1603进行掺杂。
通过将蓝宝石衬底1601的温度设置为1125℃来形成第一n型GaN层1602，还通过将蓝宝石衬底1601的温度设置为1125℃来依次地形成AlN中间层1603、p型GaN层1604a和p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层1604b。
然后，通过将蓝宝石衬底1601的温度降至750℃来形成非掺杂GaN层1604c、非掺杂In0.02Ga0.98N层1604d和多量子阱有源层1605，通过将蓝宝石衬底1601的温度升高至850℃来形成第二n型GaN层1606。即使在示例中，在形成多量子阱有源层1605之后，通过将蓝宝石衬底1601的温度设置到850℃左右的相对低温，来形成第二n型GaN层1606，也可以抑制第二n型GaN层1606的较高电阻和结晶度的显著变差，这是因为第二n型GaN层1606是n型氮化物半导体层。即使当第二n型GaN层1606具有大约10nm一样小的厚度时，也可以实现用n型杂质进行良好的掺杂。
如果在多量子阱有源层1605上提供p型氮化物半导体层，则很难在850℃左右的低温下生长氮化物半导体晶体以提供p型导电性。相反，如果升高蓝宝石衬底1601的温度以提供p型导电性，则多量子阱有源层1605中的Si掺杂InGaN阱层由于温度的升高而变差。在这种情况下，如果不强制对多量子阱有源层1605上提供的层的厚度的限制，则可以在多量子阱有源层1605上提供用于防止蒸发的抗蒸发层，然而，在本发明中，最多能够承受大约40nm的厚度，很难在多量子阱有源层1605上提供抗蒸发层。
此外，尽管以Mg掺杂的p型氮化物半导体层除非在不低于1000℃的高温下形成，否则不表现出p型导电性，然而以Si掺杂的氮化物半导体层即使在低于1000℃的相对低温下形成时也表现出n型导电性。因此，即使蓝宝石衬底1601的温度被设置为800℃左右的低温，也可以通过优化形成条件来形成第二n型GaN层1606。
此外，通过EB(电子束)汽相沉积，在第二n型GaN层1606上形成第二n电极1608。接着，在第二n型GaN层1606和第二n电极1608上形成用于汽相蚀刻的掩模，通过使用ICP(感应耦合等离子)蚀刻，沿厚度方向蚀刻到第一n型GaN层1602内部。然后，通过采用EB汽相沉积和溅射，在第一n型GaN层1602的部分地暴露的表面上形成第一n电极1607。
然后，通过一般的打磨和抛光，使在形成第一n电极1607之后蓝宝石衬底1601的厚度减小到大约150μm，此后进行刻绘，以将衬底分成片，每片具有350μm2的表面。从而得到根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件。
在根据该示例5的氮化物半导体发光二极管器件中，通过利用用作阳极电极的第一n电极1607和用作阴极电极的第二n电极1608施加电压，从多量子阱有源层1605发射蓝色光(蓝色光具有大约460nm的峰值波长)。此外，用于使根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件通过注入20mA的电流来发射光的驱动电压是4V，通过根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的蓝宝石衬底1601和根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的侧面，将所发射的光提取到外部。估计从根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件进行光发射的内部量子效率，当通过注入20mA电流来驱动时，所估计的内部量子效率是90％或更高，并且实现了特别高的值。
如下考虑这一点。在根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件中，从多量子阱有源层1605发射的光与第二n电极1608的Ag界面处的表面等离激元有效地彼此耦合，因此可以将来自多量子阱有源层1605的光的光发射效率提高效果(自发发射速率的提高)实现为：使得无辐射复合不会在室温下造成问题。
<示例6>
根据示例6的氮化物半导体发光二极管器件与示例5中的氮化物半导体发光二极管器件相同，不同之处在于，将从根据示例5的氮化物半导体发光二极管器件的多量子阱有源层1605发射的光的峰值光发射波长变成550nm，将第二n电极1608中在第二n型GaN层1606侧的金属层从Ag层变成Au层。
估计从示例6的氮化物半导体发光二极管器件进行光发射的内部量子效率，当通过在示例6的氮化物半导体发光二极管器件中注入20mA电流来驱动该氮化物半导体发光二极管器件时，所估计的内部量子效率是90％或更高，并且实现了较高的值。
鉴于已知当使用氮化物半导体有源层时，在400nm左右的波长处可能得到最高效的光发射，与波长为550nm左右的绿色区域中的光发射有关的传统内部量子效率降至大约1/4，所以50％的内部量子效率是很优良的值。因此，认为在根据示例6的氮化物半导体发光二极管器件中，从有源层和表面等离激元发射的光在Au界面处也有效地彼此耦合，因此可以针对来自有源层的光达到光发射增强效果(自发发射速率的提高)。
<示例7>
图17示出了根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的示意性横截面图，该氮化物半导体发光二极管器件表示根据本发明的氮化物半导体发光器件的一个示例。本文中，根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的结构是：在厚度为200μm的n型AlGaN衬底1701上，依次堆叠厚度为5μm的第一n型AlGaN层1702、厚度为4nm的n型InAlGaN中间层1703、第二底层1704、多量子阱有源层1705以及厚度为20nm的第二n型AlGaN层1706，其中，在n型AlGaN衬底1701的背面形成第一n电极1707，在第二n型AlGaN层1706上形成第二n电极1708。
本文中，第二底层1704包括连续堆叠的以下层：厚度为0.3μm的p型AlGaN层1704a、厚度为10nm的p型AlGaN载流子阻挡层1704b、厚度为60nm的非掺杂InAlGaN层1704c以及厚度为8nm的非掺杂InAlGaN层1704d。应注意，p型AlGaN载流子阻挡层1704b上的非掺杂InAlGaN层1704c和非掺杂InAlGaN层1704d起到缓冲层的作用，以在晶格常数相对小的p型AlGaN载流子阻挡层1704b上形成良好的多量子阱有源层1705；并且还起到防止Mg从p型AlGaN载流子阻挡层1704b扩散到多量子阱有源层1705中的作用，因为在Mg扩散到多量子阱有源层1705中的情况下，光发射效率可能降低。
多量子阱有源层1705具有堆叠结构，使得依次堆叠厚度为3nm的Si掺杂InAlGaN阱层、厚度为4nm的Si掺杂InAlGaN势垒层以及厚度为3nm的Si掺杂InAlGaN阱层。
在n型AlGaN衬底1701的背面形成第一n电极1707，并且第一n电极1707是与n型AlGaN衬底1701的背面相接触地形成的。
此外，在第二n型AlGaN层1706的表面上形成第二n电极1708，并且第二n电极1708是与第二n型AlGaN层1706的表面相接触地形成的。本文中，第二n电极1708由Al层(厚度为300nm)形成。因此，在Al层的与第二n型AlGaN层1706相接触的表面(Al界面)处，产生表面等离体激元(SPP)。
用于使根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件通过注入20mA的电流来发光的驱动电压是8V。在这种情况下，从多量子阱有源层1705发射紫外光(具有大约270nm的峰值波长)。然后，通过根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的n型AlGaN衬底1701和根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的侧面，将紫外光提取到外部。估计根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件的内部量子效率，当注入20mA的驱动电流以进行驱动时，所估计的内部量子效率是10％或更高，对于发射波长为270nm的光的发光二极管而言，实现了特别高的光发射效率。
如下考虑这一点。在根据示例7的氮化物半导体发光二极管器件中，从多量子阱有源层1705发射的光与第二n电极1708的Al界面处的表面等离激元有效地彼此耦合，因此可以将来自多量子阱有源层1705的光的光发射效率提高效果(自发发射速率的提高)实现为：使得无辐射复合不会在室温下造成问题。
应理解，本文所公开的实施例和示例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求来限定，而不是由以上描述来限定，本发明的范围包含在权利要求及其等价物的范围之内的任何修改。
工业应用
根据本发明的氮化物半导体发光器件可以适用于例如照明应用或显示应用。
根据本发明的氮化物半导体发光器件具有高光发射效率，并且可以适用于例如红外区域内的通信应用、可见光区域内的照明应用或显示应用、以及紫外区域内的消毒和水净化等。
附图标记的说明
101衬底；102第一n型氮化物半导体层；103中间层；104p型氮化物半导体层；105有源层；106第二n型氮化物半导体层；107第一n电极；108第二n电极；201n型氮化物半导体衬底；301蓝宝石衬底；302第一n型GaN层；303 AlN中间层；304p型GaN层；305多量子阱有源层；306第二n型GaN层；307第一n电极；308第二n电极；309p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层；401导带中的能带能量；402费米能量；403p型杂质载流子密度；404n型杂质载流子密度；405价带中的能带能量；601n型GaN衬底；602a第一n型Al0.05Ga0.95N覆层；602b第一n型GaN引导层；603Al0.8Ga0.2N中间层；604p型GaN引导层；605多量子阱有源层；606a第二n型Al0.05Ga0.95N覆层；606b第二n型GaN引导层；607第一n电极；608第二n电极；609p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层；611绝缘膜；701硅高掺杂层；702镁高掺杂层；703隧道结层；801光发射密度高的区域；802光发射密度低的区域；1101蓝宝石衬底；1102GaN缓冲层；1103Si掺杂n型GaN层；1104有源层；1105Mg掺杂p型GaN层；1106Mg高掺杂p+型GaN层；1107Si高掺杂n+型GaN层；1108Si掺杂n型GaN层；1109第一n电极；1110第二n电极；1201n型GaN衬底；1202a第一n型Al0.05Ga0.95N覆层；1202b第一n型GaN引导层；1203 AlN中间层；1204p型GaN引导层；1205多量子阱有源层；1206a第二n型Al0.05Ga0.95N覆层；1206b第二n型GaN引导层；1207第一n电极；1208第二n电极；1209p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层；1211绝缘膜；1301抗蚀剂图案；1302，1303开口部分；1401衬底；1402第一底层；1403中间层；1404第二底层；1405有源层；1406上层；1407针对n型的第一电极；1408针对n型的第二电极；1501 n型衬底；1502第一底层；1503中间层；1504第二底层；1505有源层；1506上层；1507针对n型的第一电极；1508针对n型的第二电极；1601蓝宝石衬底；1602第一n型GaN层；1603 AlN中间层；1604第二底层；1604a p型GaN层；1604b p型Al0.1Ga0.9N载流子阻挡层；1604c非掺杂GaN层；1604d非掺杂In0.02Ga0.98N层；1605多量子阱有源层；1606第二n型GaN层；1607第一n电极；1608第二n电极；1701n型AlGaN衬底；1702第一n型AlGaN层；1703n型InAlGaN中间层；1704第二底层；1704a p型AlGaN层；1704b p型AlGaN载流子阻挡层；1704c非掺杂InAlGaN层；1704d非掺杂InAlGaN层；1705多量子阱有源层；1706第二n型AlGaN层；1707第一n电极；1708第二n电极；1801衬底；1802n型GaN层；1803n型AlGaN覆层；1804多量子阱有源层；1805非掺杂GaN保护层；1806p型AlGaN覆层；1807p型GaInN接触层；1808Pd第一电极层；1809 Ag第二电极层；1810 Au保护层；1811针对n型的电极。

Claims (14)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)；
氮化物半导体层(103，303，603，1203)，设置在所述n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)上；
p型氮化物半导体层(104，304，604，1204)，设置在所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)上；以及
有源层(105，305，605，1205)，设置在所述p型氮化物半导体层(104，304，604，1204)上。
2.一种氮化物半导体发光器件，包括：
n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)；
氮化物半导体层(103，303，603，1203)，设置在所述n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)上，在所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)的至少一部分中具有极性平面；
p型氮化物半导体层(104，304，604，1204)，设置在所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)上；以及
有源层(105，305，605，1205)，设置在所述p型氮化物半导体层(104，304，604，1204)上。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，其中，
所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)包含铝。
4.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，其中，
所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)是AlxGa1-xN(0＜x≤1)。
5.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，包括：第二n型氮化物半导体层(106，306，606a，1206a)，设置在所述有源层(105，305，605，1205)上，其中，
与所述n型氮化物半导体层(102，201，302，601，1201)相接触的第一电极(107，307，607，1207)是阳极电极，以及
与所述第二n型氮化物半导体层(106，306，606a，1206a)相接触的第二电极(108，308，608，1208)是阴极电极。
6.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，其中，
所述氮化物半导体层(103，303，603，1203)具有不小于0.5nm且不大于30nm的厚度。
7.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，其中，
所述有源层(105，305，605，1205)具有由包含In的III族氮化物半导体构成的阱层，以及
所述阱层中的In成分比率不低于0.15且不高于0.4。
8.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光器件，其中，
所述有源层(105，305，605，1205)具有由包含In的III族氮化物半导体构成的阱层，以及
所述阱层中的In成分比率不低于0.2且不高于0.4。
9.一种半导体发光器件，包括：
衬底(1401，1501，1601，1701)；
第一底层(1402，1502，1602，1702)，设置在所述衬底(1401，1501，1601，1701)上并且包含n型半导体；
第二底层(1404，1504，1604，1704)，设置在所述第一底层(1402，1502，1602，1702)并且包含p型半导体；
有源层(1405，1505，1605，1705)，设置在所述第二底层(1404，1504，1604，1704)上；
上层(1406，1506，1606，1706)，设置在所述有源层(1405，1505，1605，1705)上并且包含n型半导体；
针对n型的第一电极(1407，1507，1607，1707)，被设置为与所述衬底(1401，1501，1601，1701)或所述第一底层(1402，1502，1602，1702)相接触；以及
针对n型的第二电极(1408，1508，1608，1708)，设置在所述上层(1406，1506，1606，1706)上并与之接触，
所述上层(1406，1506，1606，1706)具有不大于40nm的厚度，以及
所述针对n型的第二电极(1408，1508，1608，1708)与所述上层(1406，1506，1606，1706)相接触的界面包含金属，所述金属的表面等离激元能够由从所述有源层(1405，1505，1605，1705)产生的光来激励。
10.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其中，
其表面等离激元能够由从所述有源层(1405，1505，1605，1705)产生的光来激励的金属包括Ag、Au和Al中的任何一种作为主要成分。
11.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其中，
所述针对n型的第一电极(1407，1507，1607，1707)是阳极电极，所述针对n型的第二电极(1408，1508，1608，1708)是阴极电极。
12.根据权利要求9所述的半导体发光器件，所述半导体发光器件是氮化物半导体发光器件。
13.根据权利要求12所述的半导体发光器件，还包括在所述第一底层与所述第二底层之间的中间层，其中，
所述中间层包括由于所述第一底层与所述第二底层之间的晶格常数的差异而引起的拉伸应变。
14.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其中，
所述衬底(1401，1501，1601，1701)是n型导电衬底，所述针对n型的第一电极(1407，1507，1607，1707)被设置为与所述n型导电衬底相接触。
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