CN102468389A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
提供一种氮化物半导体发光元件，其包括：在基板上形成的n型氮化物半导体层、在该n型氮化物半导体层上形成的发光层、以及在该发光层上形成的p型氮化物半导体层；n型氮化物半导体层为一层或两层以上层叠而成的结构；构成n型氮化物半导体层的至少一层含有作为n型掺杂剂的Si和Sn，并且含有作为等电子掺杂剂的In。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件，特别涉及发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、电子设备等所使用的氮化物半导体发光元件。
背景技术
对于氮化物半导体发光元件等所使用的氮化物半导体，为了降低动作电压而要求提高其结晶性，为了提高该结晶性，必须减少氮化物半导体中的晶格缺陷，降低氮化物半导体的空穴密度。
作为用来降低氮化物半导体的空穴密度的尝试，例如在(日本)特开平05-243614号公报(专利文献1)及PHYSICAL REVIEW B，VOLUME 64，035318(非专利文献1)中公开了向氮化物半导体中添加等电子掺杂剂的技术，在这些文献中都记述了向GaN这样的氮化物半导体中掺杂原子半径比构成氮化物半导体的元素大的In等同族元素的情况。
通过掺杂这样的等电子掺杂剂，对氮化物半导体施加压缩应力，该压缩应力与氮化物半导体中的扩张性变形相抵消，从而能够降低空穴密度。这样就能够提高氮化物半导体的结晶性，提高位错钉扎(転位のピン止め)或移动度。
通过像上述那样利用In等进行等电子掺杂，能够降低空穴过饱和度，并且能够降低空穴密度。但是，氮化物半导体所使用的n型掺杂剂为Si，该Si置换Ga，会由于沸点的不同导致表面能量发生变化，或由于原子半径的不同导致产生变形。因此，如果以1×1019/cm3以上的浓度进行掺杂，则存在氮化物半导体的结晶周期性变差、结晶性恶化等问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于通过同时含有作为掺杂剂的Si、Sn以及In，提高氮化物半导体的结晶性，从而提高氮化物半导体发光元件的动作电压。
本发明的氮化物半导体发光元件的特征在于，包括：在基板上形成的n型氮化物半导体层、在该n型氮化物半导体层上形成的发光层、以及在该发光层上形成的p型氮化物半导体层；n型氮化物半导体层为一层或二层以上层叠而成的结构，并且构成n型氮化物半导体层的至少一层含有作为n型掺杂剂的Si和Sn，且含有作为等电子掺杂剂的In。
构成上述n型氮化物半导体层的至少一层优选含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Si，优选含有原子浓度为5×1017/cm3以上、1×1019/cm3以下的Sn，优选含有原子浓度为5×1019/cm3以上、1×1021/cm3以下的In。
构成n型氮化物半导体层的至少一层中，优选Sn的原子浓度小于Si的原子浓度，构成n型氮化物半导体层的至少一层优选为GaN。
n型氮化物半导体层优选是与n侧电极接触的接触层，该n侧电极优选由含有Ti或Al中任意一种或这两种金属、或由含有该金属的合金构成。
n型氮化物半导体层包括：第一n型氮化物半导体层、以及在该第一n型氮化物半导体层及发光层之间形成的第二n型氮化物半导体层，该第二n型氮化物半导体层优选n型掺杂剂的原子浓度小于第一n型氮化物半导体层所含有的n型掺杂剂的原子浓度。
第二n型氮化物半导体层优选含有作为等电子掺杂剂的In，进而优选含有Mg。第二n型氮化物半导体层优选含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Mg。
本发明的氮化物半导体发光元件通过具有上述结构，能够提高氮化物半导体的结晶性，因而能够提高氮化物半导体发光元件的动作电压。
下面，通过结合附图而被理解的该发明的详细说明，来明确本发明的上述内容以及其他目的、特征、方面及优点。
附图说明
图1是表示本发明的氮化物半导体发光元件基本结构的一例的示意性剖面图；
图2是表示实施例的氮化物半导体发光元件的结构的示意性剖面图。
具体实施方式
以下根据附图说明本发明的实施方式。对以下附图中相同或相当的部分使用相同的附图标记，不再重复其说明。并且为了简洁明了，附图的长度、大小、宽度等尺寸关系进行了适当的修改，不表示实际的尺寸。
(氮化物半导体发光元件)
图1是表示本发明的氮化物半导体发光元件结构的示意性剖面图。如图1所示，本发明的氮化物半导体发光元件的特征在于，包括：在基板1上形成的n型氮化物半导体层2、在该n型氮化物半导体层2上形成的发光层3、以及在该发光层3上形成的p型氮化物半导体层4；n型氮化物半导体层2是一层或两层以上层叠而成的结构，并且构成n型氮化物半导体层2的至少一层含有作为n型掺杂剂的Si和Sn，且含有作为等电子掺杂剂的In。
通过像这样在n型氮化物半导体层2的至少一层中同时掺杂Si、Sn以及In，使结晶性的扩张变形成分与压缩变形成分相抵消，因而能够提高结晶性。以下说明构成本发明的氮化物半导体发光元件的各部分。
(基板)
在本发明中，作为基板1，可以使用像蓝宝石这样的绝缘性基板、以及像GaN、SiC、尖晶石、ZnO等这样的导电性基板。这样的基板1不一定只限于平面状的基板，也可以使用在基板1的表面形成凹凸的基板。
(n型氮化物半导体层)
在本发明中，构成n型氮化物半导体层2的至少一层的特征在于，含有作为n型掺杂剂的Si和Sn，且含有作为等电子掺杂剂的In。
像这样构成n型氮化物半导体层2的至少一层通过同时掺杂Si、Sn以及In，特别通过同时掺杂原子半径小于Ga的Si以及原子半径大于Ga的Sn，使结晶性的扩张变形成分与压缩变形成分相抵消，从而能够提高其结晶性。因此，即使是5×1018/cm3以上的高掺杂浓度，也能够得到具有100cm2/Vs以上的高移动度的GaN。在此，Si的原子半径为Ga的原子半径为
Sn的原子半径为
进而，通过在构成n型氮化物半导体层2的至少一层中含有作为等电子掺杂剂的In，能够减小空穴过饱和度(即抑制空穴的生成)，因而能够提高结晶性。
构成上述n型氮化物半导体层2的至少一层优选含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Si，优选含有原子浓度为5×1017/cm3以上、1×1019/cm3以下的Sn，优选含有原子浓度为5×1019/cm3以上、1×1021/cm3以下的In。如果超过任一数值范围的上限，则反而会使结晶性恶化；如果低于下限，则不能充分获得提高结晶性的效果，因而不优选上述数值范围以外的值。
构成这样的n型氮化物半导体层2的至少一层优选Sn的原子浓度小于Si的原子浓度，由此能够进一步地提高n型氮化物半导体层2的结晶性。构成这样的n型氮化物半导体层2的至少一层优选是含有Al、In或Ga中任意一种的氮化物半导体，更优选为GaN。
在上述的n型氮化物半导体层2上形成n侧电极7，在此，n型氮化物半导体层2优选为与n侧电极7接触的接触层。像这样通过使n型氮化物半导体层2为与n侧电极7接触的接触层，能够以高载流子浓度降低接触电阻。
该n型氮化物半导体层2可以是单层结构，也可以是多层结构。当n型氮化物半导体层2为多层结构时，优选使组成或掺杂浓度不同的氮化物半导体层或超晶格层叠。当为多层结构时，例如如图1所示，优选为低温缓冲层11、由GaN形成的未掺杂层12、由GaN形成的n型高掺杂浓度层、以及n型低掺杂浓度层。在此，将n型高掺杂浓度层作为第一n型氮化物半导体层13，将n型低掺杂浓度层作为第二n型氮化物半导体层14。
在图1中，n型氮化物半导体层2包括第一n型氮化物半导体层13、以及位于该第一n型氮化物半导体层及发光层3之间的第二n型氮化物半导体层14，该第二n型氮化物半导体层14优选n型掺杂剂的原子浓度小于第一n型氮化物半导体层13所含有的n型掺杂剂的原子浓度。
像这样通过在发光层3的正下方层叠n型掺杂剂的原子浓度小于第一n型氮化物半导体层13所含有的n型掺杂剂的原子浓度的第二n型氮化物半导体层14，在与发光效率直接相关的发光层3的正下方导入结晶性高的n型低掺杂浓度层，能够提高发光效率。
而且，在第二n型氮化物半导体层14中，如果Si的原子浓度为5×1018/cm3以下，那么下限也可以是未掺杂。但从提高结晶性的观点出发，优选掺杂In及Mg。通过在该第二n型氮化物半导体层14中导入In，能够减少空穴过饱和度，因此能够提高结晶性。
还有，第二n型氮化物半导体层14优选含有Mg，并且优选含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Mg。如果原子浓度超过1×1020/cm3，则结晶性反而会恶化；如果低于5×1018/cm3，则不能充分地获得提高结晶性的效果。
(发光层)
在本发明中，发光层3优选为至少含有Al、In或Ga中任意一种的氮化物半导体，更优选由GaN形成的势垒层与由含有In的氮化物半导体形成的阱层交替地层叠而形成的结构。阱层的厚度与基于阱层发光的波长的最适合的厚度不同，优选在2～20nm的范围内。
从提高发光效率的观点出发，这样的发光层3的结构优选多重量子阱结构。当发光层3含有多个阱层时，至少一个阱层发挥发光层3的作用，该阱层优选由InpGa1-pN(0＜p＜1)形成。
(p型氮化物半导体层)
在本发明中，p型氮化物半导体层4由含有Al、In或GaN中任意一种的氮化物半导体层形成，例如可以使用GaN、AlGaN、InAlGaN或InGaN。对于这样的p型氮化物半导体层4，除了可以使用掺杂了Mg或Zn的p型杂质的氮化物半导体层以外，也可以使用无掺杂的氮化物半导体层。
这样的p型氮化物半导体层4可以是单层，也可以是多层。当p型氮化物半导体层4为多层时，也可以是InGaN/GaN、InGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、InGaN/InGaN这样的积层结构。
(电流扩散层)
在本发明中，电流扩散层5与p型氮化物半导体层4接触，起着作为透光性的电极的作用。作为该电流扩散层5所使用的材料，没有特别限定，任何材料都可以使用，但从作为电流扩散层5的功能、以及透明性等观点出发，优选使用氧化铟锡(ITO：indium tin oxide)。
(p侧电极及n侧电极)
在本发明中，p侧电极6及n侧电极7是为了与外部连接而设置的，这样的p侧电极6及n侧电极7可以使用目前公知的材料，例如可以使用Ti、Al、Au等。而且p侧电极6及n侧电极7不限于单层，也可以是多层结构。
这样的p侧电极6及n侧电极7优选由含有Ti或Al中的任意一种或这两种的金属形成、或由含有该金属的合金形成，由此能够降低氮化物半导体发光元件的动作电压。
上述的n侧电极7采用光刻技术，选择性地进行蚀刻，在露出第二n型氮化物半导体层表面的基础上，在其表面上形成。
<实施例>
以下通过实施例进一步详细地说明本发明，但本发明不限定于此。
在本实施例中，按照以下的工序制作图2所示的氮化物半导体发光元件。首先将蓝宝石基板21放置在有机金属气相生长(MOCVD：Metal OrganicChemical Vapor Deposition)装置中，然后在将蓝宝石基板21的温度设定为1000℃的基础上，在氢气环境下进行热清洗。
接着，在将蓝宝石基板21的温度设定为500℃的基础上，通过导入三甲基镓(TMG)及氨(NH3)，使厚度为20nm的低温GaN缓冲层31生长。
然后，在将蓝宝石基板21的温度设定为1000℃的基础上，通过与上述相同地导入TMG及NH3，使厚度为2μm的未掺杂GaN层32生长。进而将蓝宝石基板21的温度维持在1000℃，除了导入TMG及NH3外，还导入三甲基铟(TMI)、硅烷(SiH4)、四甲基锡((CH3)4Sn)，由此使厚度为3μm的高掺杂浓度n-GaN层33生长。
通过调整原料的供给量，向该高掺杂浓度n-GaN层33中导入浓度为1×1020/cm3的TMI、浓度为2×1019/cm3的SiH4、以及浓度为2×1018/cm3的(CH3)4Sn，这样，在蓝宝石基板21上形成由低温GaN缓冲层31、未掺杂GaN层32、以及高掺杂浓度n-GaN层33构成的n型氮化物半导体层22。
然后，将蓝宝石基板21的温度降至700℃，通过导入TMG及NH3，形成厚度为10nm的GaN势垒层。之后在导入TMG及NH3外，还导入TMI，由此形成厚度为2.5nm的In0.2Ga0.8N阱层。这样通过六次交替地重复形成GaN势垒层和In0.2Ga0.8N阱层，在n型氮化物半导体层22上使发光层23生长。
然后，将蓝宝石基板21的温度设定为950℃，通过导入三甲基铝(TMA)、TMG、NH3、二茂镁(CP2Mg)，形成厚度为20nm的p-Al0.2Ga0.8N层。接着，将蓝宝石基板21的温度维持在950℃，通过导入TMG及NH3，形成厚度为100nm的p-GaN层。这样，形成由p-Al0.2Ga0.8N层及p-GaN层构成的p型氮化物半导体层24。
然后，在充分降低蓝宝石基板21的温度后，将蓝宝石基板21从MOCVD装置中取出，设置在溅射装置中。然后在p型氮化物半导体层24上形成由厚度为200nm的ITO构成的电流扩散层25。
接着，利用光刻技术，通过从电流扩散层25的表面，利用反应离子蚀刻(RIE：reactive ion etching)选择性地进行蚀刻直到露出高掺杂浓度n-GaN层33的表面。然后，在通过上述蚀刻所露出的高掺杂浓度n-GaN层33上，形成由Ti/Al/Au构成的n侧电极27，并且在电流扩散层25上形成由Ti/Al/Au构成的p侧电极26。按照上述说明，制作出图2所示的氮化物半导体发光元件。
按照上述说明制作出的本实施例的氮化物半导体发光元件在高掺杂浓度n-GaN层33中，导入原子浓度为2×1019/cm3的Si、原子浓度为1×1020/cm3的In以及原子浓度为2×1018/cm3的Sn。因此，能够形成结晶性高的氮化物半导体，降低电阻率，从而能够降低氮化物半导体发光元件的动作电压。
在本发明中，上述说明的优选实施方式的氮化物半导体发光元件不限于上述结构，也可以是上述结构以外的其他结构。
根据本发明，能够获得高品质的n型氮化物半导体层，可以应用于发光二极管、激光二极管等电子设备中。
如上所述，虽然针对本发明的实施方式及实施例进行了说明，但从最初阶段也计划将各实施方式及实施例的特征进行适当的组合。
虽然详细地说明、表示了本发明，但这只用于例示，本发明不限定于此，本发明的范围通过权利要求的解释可以被清晰地理解。
Claims (12)
1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，包括：在基板上形成的n型氮化物半导体层，
在所述n型氮化物半导体层上形成的发光层，
以及在所述发光层上形成的p型氮化物半导体层；
所述n型氮化物半导体层是一层或两层以上层叠而成的结构；
构成所述n型氮化物半导体层的至少一层中含有作为n型掺杂剂的Si和Sn，并且含有作为等电子掺杂剂的In。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，构成所述n型氮化物半导体层的至少一层含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Si。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，构成所述n型氮化物半导体层的至少一层含有原子浓度为5×1017/cm3以上、1×1019/cm3以下的Sn。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，构成所述n型氮化物半导体层的至少一层含有原子浓度为5×1019/cm3以上、1×1021/cm3以下的In。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，构成所述n型氮化物半导体层的至少一层中Sn的原子浓度小于Si的原子浓度。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，构成所述n型氮化物半导体层的至少一层为GaN。
7.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述n型氮化物半导体层为与n侧电极接触的接触层。
8.如权利要求7所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述n侧电极由含有Ti或Al的任意一种或这两种的金属形成、或含有该金属的合金形成。
9.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述n型氮化物半导体层包括：第一n型氮化物半导体层、以及在该第一n型氮化物半导体层及所述发光层之间形成的第二n型氮化物半导体层；所述第二n型氮化物半导体层含有的n型掺杂剂的原子浓度小于所述第一n型氮化物半导体层含有的n型掺杂剂的原子浓度。
10.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第二n型氮化物半导体层含有作为等电子掺杂剂的In。
11.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第二n型氮化物半导体层含有Mg。
12.如权利要求9所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第二n型氮化物半导体层含有原子浓度为5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下的Mg。
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