CN102668138A - 氮化物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够得到充分的光输出的氮化物半导体发光元件及其制造方法。具备：具有n型氮化物半导体的第1包覆层（13）；形成于第1包覆层（13）上的、具有包括In的氮化物半导体的有源层（14）；形成于有源层（14）上的GaN层（17）；形成于GaN层（17）上的、具有第一Al组成比（x1）的第一AlGaN层（18）；形成于第一AlGaN层（18）上的、具有比第一Al组成比（x1）高的第二Al组成比（x2）且含有比GaN层（17）及第一AlGaN层（18）多的Mg的p型第二AlGaN层（19）；以及形成于第二AlGaN层（19）上的、具有p型氮化物半导体的第2包覆层（20）。

Description

氮化物半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
现有技术中，对于氮化物半导体发光元件，已知有以下氮化物半导体发光元件：在具有包括In的氮化物半导体的有源层上形成有掺杂了Mg的p型AlGaN层来作为用于将电子封闭在有源层中的电子势垒层（例如参照专利文献1或者专利文献2）。
在专利文献1的氮化物半导体发光元件中，作为p型AlGaN层，具备：为了抑制有源层的劣化而通过采用N2气体的MOCVD（Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积）法所形成的第一p型AlGaN层；和为了形成势垒电位而通过采用H2气体的MOCVD法所形成的第二p型AlGaN层。
但是，在该氮化物半导体发光元件中，第一p型AlGaN层设定为与第二p型AlGaN层的Al组成比基本相等，为0.1以上，且为了降低体电阻而掺杂有大量的Mg。
其结果是，形成第二p型AlGaN层时，存在Mg过剩地扩散到有源层使得有源层的品质降低的问题。
在专利文献2的氮化物半导体发光元件中，为了抑制Mg过剩地扩散到有源层，在有源层与p型AlGaN层之间，具备包括未掺杂的GaN、AlGaN等的中间层。
但是，在该氮化物半导体发光元件中，边在有源层上使中间层生长边使基板的温度上升。其结果是，存在在升温中发生有源层的热劣化、使得有源层的品质降低的问题。
因此，在任一种氮化物半导体发光元件中，都存在发光效率低下、无法得到充分的光输出的问题。
专利文献1：日本特许第3446660号说明书
专利文献2：日本特开2006-261392号公报
发明内容
本发明提供可以得到充分的光输出的氮化物半导体发光元件及其制造方法。
本发明的一方式的氮化物半导体发光元件的特征在于，具备：具有n型氮化物半导体的第1包覆层；形成于前述第1包覆层上的、具有包括In的氮化物半导体的有源层；形成于前述有源层上的GaN层；形成于前述GaN层上的、具有第一Al组成比的第一AlGaN层；形成于前述第一AlGaN层上的、具有比前述第一Al组成比高的第二Al组成比且含有比前述GaN层及前述第一AlGaN层多的Mg的p型的第二AlGaN层；以及形成于前述第二AlGaN层上的、具有p型氮化物半导体的第2包覆层。
本发明的一方式的氮化物半导体发光元件的制造方法的特征在于，包括：在具有n型氮化物半导体的第1包覆层上形成具有包括In的氮化物半导体的有源层的工序；在前述有源层上，通过有机金属气相生长法在第1生长温度、氮气气体气氛及以不添加Mg的方式，按顺序形成GaN层及具有第一Al组成比的第一AlGaN层的工序；在前述第一AlGaN层上，通过有机金属气相生长法在比前述第1生长温度高的第2生长温度、以氢气气体为主成分的气氛及以添加Mg的方式，形成具有比前述第一Al组成比大的第二Al组成比的第二AlGaN层的工序；以及在前述第二AlGaN层上形成具有p型氮化物半导体的第2包覆层的工序。
根据本发明，可以得到能得到充分的光输出的氮化物半导体发光元件及其制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的实施例涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图2是表示氮化物半导体发光元件的Mg的深度曲线的图。
图3是将氮化物半导体发光元件的发光效率与第1比较例对比而示出的图。
图4是表示第1比较例的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图5是将氮化物半导体发光元件的发光效率与第2比较例对比而示出的图。
图6是表示第2比较例的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图7是将氮化物半导体发光元件的发光效率与第3比较例对比而示出的图。
图8是表示氮化物半导体发光元件的制造工序的剖面图。
图9是表示氮化物半导体发光元件的制造工序的剖面图。
图10是表示氮化物半导体发光元件的制造工序的剖面图。
图11是表示氮化物半导体发光元件的制造工序的剖面图。
符号说明
10、40、60 氮化物半导体发光元件
11 基板
12 GaN层
13 n型GaN包覆层
14 MQW有源层
15 GaN势垒层
16 InGaN阱层
17 GaN罩盖层
18 AlGaN罩盖层
19 p型AlGaN电子势垒层
20 p型GaN包覆层（cladding layer）
21 p型GaN接触层
22 p侧电极
23 n侧电极
具体实施方式
以下，关于本发明的实施例参照附图进行说明。
实施例
关于本发明的实施例涉及的氮化物半导体发光元件采用图1进行说明。图1是表示氮化物半导体发光元件的剖面图。
如图1所示，在本实施例的氮化物半导体发光元件10中，在对发光波长透明的基板11、例如蓝宝石基板上，形成通过缓冲（过渡）层（未图示）所形成的厚度为3μm程度的氮化镓层12（以下称为GaN层12）。
在GaN层12上形成厚度为2μm程度的掺杂有硅（Si）的n型的氮化镓包覆层13（以下称为n型GaN包覆层或第1包覆层13）。
在n型GaN包覆层13上形成具有包括In的氮化物半导体的有源层14。有源层14是将例如厚度为5nm的氮化镓势垒层15（以下称为GaN势垒层15）和厚度为2.5nm的氮化铟镓阱层16（以下称为InGaN阱层16）交替层叠，最上层是为InGaN阱层16的多量子阱（MQW：Multi Quantum Well）有源层。以下将有源层14记为MQW有源层14。
InGaN阱层16（（InxGa1-xN层，0＜x＜1）的In组成比x例如设定为使得发光的峰值波长为～450nm（约450nm）的0.1程度（左右）。
在MQW有源层14之上形成氮化镓层17（以下称为GaN层17）。在GaN层17上形成Al组成比x1（第一Al组成比）小的第一AlGaN层18。第一AlGaN层的组成表示为Alx1Ga1-x1N（0＜x1＜1）。
GaN层17及第一AlGaN层18如后所述以未掺杂方式形成，作为用于抑制升温工序的MQW有源层14的热劣化、抑制Mg向MQW有源层14扩散的罩盖层（cap layer）发挥作用。
以下，将GaN层17记为GaN罩盖层17，将第一AlGaN层18记为AlGaN罩盖层18。
因此，AlGaN罩盖层18必须为不给发光效率带来障碍地有效地抑制MQW有源层14的热劣化且不给工作电压带来障碍地能得到低的体电阻的满足双方的要求那样的Al组成比x1及厚度的组合。
GaN罩盖层17必须为吸收扩散而来的Mg且不给作为用于将电子封闭在后述的MQW有源层14中的电子势垒层的P型AlGaN层的功能带来障碍的满足双方的要求那样的厚度。
在此，GaN罩盖层17的厚度设定为例如5nm程度。AlGaN罩盖层18的Al组成比x1优选为比0大且为0.01以下，例如设定为0.003，厚度设定为例如1nm程度。
在AlGaN罩盖层18之上，形成高浓度地掺杂有Mg的、用于将电子封闭（阻挡）在MQW有源层14中的p型AlGaN电子势垒层19（第二AlGaN层19）。第二AlGaN层的组成表示为Alx2Ga1-x2N（0＜x2＜1，x1＜x2）。
p型AlGaN电子势垒层19的Al组成比x2（第二Al组成比）设定为比Al组成比x1大，例如为0.1～0.2。
p型AlGaN电子势垒层19的Mg浓度设定为例如1E19～1E20cm-3程度。p型AlGaN电子势垒层19的厚度为例如10nm程度。
在p型AlGaN电子势垒层19之上，形成例如厚度为100nm程度的高浓度地掺杂有Mg的p型的氮化镓包覆层13（以下称为p型GaN包覆层或第2包覆层20）。p型GaN包覆层20的Mg浓度设定为例如1E19～1E20cm-3程度。
在p型GaN包覆层20之上，以例如厚度为10nm程度形成Mg以比p型GaN包覆层20的浓度高的浓度掺杂的p型氮化镓接触层21（以下称为p型GaN接触层21）。p型GaN接触层21的Mg浓度设定为例如1E20～1E21cm-3程度。
在p型GaN接触层21之上，形成包括Ni/Au的P侧电极22。进而，一边侧从p型GaN接触层21挖入到n型GaN包覆层13的一部分为止，在露出的n型GaN包覆层13之上形成包括Ti/Pt/Au的n侧电极23。n型GaN包覆层13兼作n型GaN接触层。
将P侧电极22连接于电源的正极，将n侧电极23连接于电源的负极，通过进行通电使得光从MQW有源层14放出。
在此，关于n型GaN包覆层13、MQW有源层14、p型GaN包覆层20、p型GaN接触层21的各层的功能众所周知，省略其相关说明。
在上述结构的氮化物半导体发光元件中，构成为：通过谋求即使在比较低的生长温度也可以形成结晶性良好的厚膜的GaN罩盖层17和由于化学性在比较高的熔点稳定而有效地抑制MQW有源层14的热劣化的AlGaN罩盖层18的两层重叠结构的最佳化，在形成高浓度地掺杂有Mg的p型AlGaN电子势垒层19乃至p型GaN接触层21时，抑制MQW有源层14的热劣化且增强防止Mg向MQW有源层14的扩散的效果。
为了对此进行确认，采用图2说明对氮化物半导体发光元件10的Mg的深度曲线进行研究的结果。
进而，采用图3至图7说明对GaN罩盖层17、AlGaN罩盖层18、Al组成比x1对发光效率造成的影响进行研究的结果。
图2是表示氮化物半导体发光元件10的Mg的深度曲线的图。Mg的深度曲线通过2次离子质量分析法（SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry）求取。
图2中除了Mg的深度曲线之外，还一并表示由于与Mg结合取入成膜中而表现出与Mg相同的趋势的氢（H）的深度曲线与成为用于识别各层的标记的Al、In的2次离子强度。
粗实线表示Mg的深度曲线，细实线表示H的深度曲线。此外，虚线表示Al的2次离子强度，单点划线表示In的2次离子强度。
如图2所示，由Al及In的2次离子强度的深度曲线可知，MQW有源层14与未掺杂的GaN罩盖层17的界面处于距离表面的深度为大体100nm附近（设计值为例如126nm）。
Al及In的2次离子强度的上升的梯度（～7nm/decade）与H浓度的本底水平（background level，本底浓度）（～5E18cm-3）以下的Mg浓度的下降的梯度大体相等，因此不认为是Mg向MQW有源层14的有意的扩散。这一点表现出MQW有源层14的Mg为检测界限以下。
此外，未掺杂GaN罩盖层17及AlGaN罩盖层18中的Mg浓度被推定为1E18cm-3以下。
因此，确认：通过未掺杂的较厚的GaN罩盖层17与未掺杂的、Al组成比x1小且薄的AlGaN罩盖层18的两层重叠结构，有效地抑制Mg向MQW有源层14的扩散。
图3是将氮化物半导体发光元件10的发光效率的电流相关性与第1比较例对比而示出的图，图4是表示第1比较例的剖面图。
氮化物半导体发光元件的发光效率的电流相关性通过一边改变氮化物半导体发光元件中通电的电流，一边采用积分球测定从氮化物半导体发光元件放射的光的强度，将光的强度除以通电电流而求取。
氮化物半导体发光元件的发光效率的电流相关性一般除了上升的低电流区域之外，表现出电流越增加则越下降的趋势。这一趋势起因于：当电流变大则注入到MQW有源层的载流子溢出的概率增加而使得载流子注入效率下降这一情况、因发热而使得MQW有源层的内部量子效率下降等情况。
在此，所谓第1比较例，如图4所示，是不具有未掺杂的厚的GaN罩盖层17的氮化物半导体发光元件40时的情况。首先，关于第1比较例进行说明。如图3所示，第1比较例的氮化物半导体发光元件40表现出电流为5mA以下时与本实施例的氮化物半导体发光元件10大体相等的发光效率。但是，发光效率当电流越增加则越急剧下降。
另一方面，在本实施例的氮化物半导体发光元件10中，即使电流增加、发光效率的下降也平缓，可以得到比第1比较例的氮化物半导体发光元件40高的发光效率。
发光效率的增加率在电流为20mA时为9％，在电流为50mA时是17％程度，表现出电流越大则增加率越高的趋势。
这种情况表示：主要是未掺杂的厚的GaN罩盖层17抑制Mg向MQW有源层14的扩散。
图5是将氮化物半导体发光元件10的发光效率的电流相关性与第2比较例对比而表示的图，图6是表示第2比较例的剖面图。
在此，所谓第2比较例，如图6所示，是不具有未掺杂的、Al组成比x1小且薄的AlGaN罩盖层18的氮化物半导体发光元件60时的情况。首先，对第2比较例进行说明。
如图5所示，表示第2比较例的氮化物半导体发光元件60在电流为10mA以下具有与本实施例的氮化物半导体发光元件10大体相等的发光效率。但是，表现出发光效率当电流越增加则越急剧降低的趋势。
另一方面，在本实施例的氮化物半导体发光元件10中，即使电流增加、发光效率的下降也平缓，可以得到比第2比较例的氮化物半导体发光元件60高的发光效率。
发光效率的增加率在电流为20mA时为3％，在电流为50mA时为6％程度，表现出电流越大则增加率越高的趋势。
这一情况表示即使通过Al组成比x1低且薄的AlGaN罩盖层18也能有效抑制MQW有源层14的热劣化。
图7是将氮化物半导体发光元件10的发光效率的电流相关性与第3比较例对比而示出的图。在此，所谓第3比较例，是具有Al组成比x1高的AlGaN罩盖层的氮化物半导体发光元件时的情况。
图7是本实施例的氮化物半导体发光元件10的AlGaN罩盖层18的Al组成比x1为0.003、第3比较例的氮化物半导体发光元件的AlGaN罩盖层的Al组成比x1为0.05时的例子。
如图7所示，本实施例的氮化物半导体发光元件10及第3比较例的氮化物半导体发光元件的电流相关性大体相同。但是，在全电流区域中，本实施例的氮化物半导体发光元件10能得到比第3比较例的氮化物半导体发光元件高的发光效率。
发光效率的增加率在电流为20mA时为3％、在电流为50mA时为2.2％程度，相对于电流的增加率表现出大体一定的趋势。
这一情况表示：Al组成比越低则AlGaN层的结晶性越提高，因此在AlGaN罩盖层18中，抑制Mg向MQW有源层14的扩散的效果与第3比较例的AlGaN罩盖层相比提高。
由此，确认了：通过谋求GaN罩盖层17与AlGaN罩盖层18的2层重叠结构的最佳化，实现了抑制MQW有源层14的热劣化且防止Mg向MQW有源层14的扩散的叠加效果。
接下来，关于氮化物半导体发光元件10的制造方法采用图8至图11进行说明。图8至图11是按顺序表示氮化物半导体发光元件10的制造工序的剖面图。
首先，对基板11、例如C面蓝宝石基板作为前处理而实施例如有机清洗、酸清洗之后，将其收置于MOCVD装置的反应室内。接着，例如在氮气（N2）气体与氢气（H2）气体的常压混合气体气氛中，通过高频加热，使得基板11的温度Ts升温到T0例如1100℃为止。由此，基板11的表面被气相蚀刻，去除在表面形成的自然氧化膜。
接着，如图8所示，将N2气体和H2气体的混合气体作为载气，作为处理气体供给例如氨气（NH3）和三甲基镓（TMG：Tri-Methyl Gallium），以未掺杂方式形成厚度为3μm的GaN层12。
接着，作为n型掺杂剂供给例如硅烷（SiH4）气体，形成厚度为2μm的n型GaN包覆层13。
接着，边持续供给NH3气体边停止TMG及SiH4气体的供给，将基板11的温度Ts降温到比T0低的T1、例如800℃为止，以800℃保持。
接着，如图9所示，将N2气体作为载气，作为处理气体供给例如NH3气体及TMG，形成厚度为5nm的GaN势垒层15，对其中供给三甲基铟（TMI：Tri-Methyl Indium），由此形成厚度为2.5nm、In组成比为0.1的InGaN阱层16。
接下来，通过断续地进行TMI的供给，例如7次反复进行GaN势垒层15和InGaN阱层16的形成。由此，得到MQW有源层14。
接着，如图10所示，边持续供给TMG、NH3气体边停止TMI的供给，形成未掺杂的、厚度为5nm的GaN罩盖层17。
接着，使得TMG的供给不变、供给三甲基铝（TMA：Tri-MethylAluminum），形成未掺杂的、Al组成比x1为0.003、厚度为1nm的AlGaN罩盖层18。
接着，边持续供给NH3气体边停止TMG、TMA的供给，在N2气体气氛中将基板11的温度Ts升温到比T1高的T2、例如1030℃为止，以1030℃保持。
接着，如图11所示，将N2气体和H2气体的混合气体作为载气，作为处理气体供给NH3气体、TMG、TMA，作为p型掺杂剂供给双(环戊二烯)镁（Cp2Mg），形成Mg浓度为1E19～20cm-3、厚度为10nm的p型AlGaN电子势垒层19。
接下来，边持续供给TMG、Cp2Mg边停止TMA的供给，形成Mg浓度为1E20cm-3、厚度为100nm程度的p型GaN包覆层20。
接着，增加Cp2Mg的供给，形成Mg浓度为1E21cm-3、厚度为10nm程度的p型GaN接触层21。
接着，边持续供给NH3气体边停止TMG的供给，仅仅继续供给载气，将基板11自然降温。NH3气体的供给持续直到基板11的温度Ts达到500℃为止。
接着，将基板11从MOCVD装置取出后，通过RIE（Reactive IonEtching，反应性离子蚀刻）法将一部分去除直到到达n型GaN包覆层13为止，在露出了的n型GaN包覆层13上形成包括Ti/Pt/Au的n侧电极23。
此外，在p型GaN接触层21上，形成包括Ni/Au的p侧电极22。由此，得到图1所示的氮化物半导体发光元件10。
对氮化物半导体发光元件10的I-V特性进行测定的结果是，电流为20mA时的工作电压为3.1～3.5V。此时的光输出可以得到大体15mW，发光的峰值波长为大体450nm。
如以上所说明的那样，在本实施例中，以与形成MQW有源层14的温度T1相同的温度，形成未掺杂的厚的GaN罩盖层17及未掺杂的Al组成比x1低且薄的AlGaN罩盖层18。
其结果是，在从温度T1向温度T2升温时，可以防止MQW有源层14的热劣化。进而，在以温度T2形成p型AlGaN电子势垒层19乃至p型GaN接触层21时，可以防止Mg向MQW有源层14的扩散。
由此，可以维持MQW有源层14的品质。因此，可以得到能得到充分的光输出的氮化物半导体发光元件及其制造方法。
本实施例的GaN罩盖层17的膜厚、AlGaN罩盖层18的Al组成比x1及膜厚是一例。在不脱离上述主旨的范围内相应于氮化物半导体发光元件的结构、制造条件等，进一步优选谋求各自的最佳化。
在此，关于作为基板11采用C面蓝宝石基板的情况进行了说明，但也可以采用其他的基板例如GaN、SiC、ZnO等的基板。
此外，基板11的面方位（取向）不仅是C面，也可以采用其他的面、例如非极性面。
对作为氮化物半导体层的形成方法而采用MOCVD法的情况进行了说明，但也可以采用其他的形成方法例如氢化物气相外延法（HVPE：HalideVapor Phase Epitaxy）、分子束气相外延法（MBE：Molecular BeamEpitaxy）等。
对作为处理气体采用了TMG、TMA、TMI、NH3的情况进行了说明，但也可以采用其他的处理气体例如三乙基镓（TEG：Tri Ethyl Gallium）。

Claims (9)

1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备：
第1包覆层，其具有n型氮化物半导体；
有源层，其形成于上述第1包覆层上，具有包括In的氮化物半导体；
GaN层，其形成于上述有源层上；
第一AlGaN层，其形成于上述GaN层上，具有第一Al组成比；
p型的第二AlGaN层，其形成于上述第一AlGaN层上，具有比上述第一Al组成比高的第二Al组成比，且含有比上述GaN层及上述第一AlGaN层多的Mg；以及
第2包覆层，其形成于上述第二AlGaN层上，具有p型氮化物半导体。
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，
上述第一Al组成比大于0且为0.01以下。
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，
上述GaN层及上述第一AlGaN层的Mg浓度为1E18cm-3以下。
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，
上述第一AlGaN层的厚度比上述GaN层的厚度薄。
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，
上述有源层具有将势垒层和阱层层叠的量子阱结构，与上述GaN层相接的层为阱层。
6.一种氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在具有n型氮化物半导体的第1包覆层上，形成具有包括In的氮化物半导体的有源层的步骤；
在上述有源层上，通过有机金属气相生长法，在第1生长温度、氮气气体气氛下及以不添加Mg的方式，按顺序形成GaN层及具有第一Al组成比的第一AlGaN层的步骤；
在上述第一AlGaN层上，通过有机金属气相生长法，在比上述第1生长温度高的第2生长温度、以氢气气体为主成分的气氛下及以添加Mg的方式，形成具有比上述第一Al组成比大的第二Al组成比的第二AlGaN层的步骤；以及
在上述第二AlGaN层上，形成具有p型氮化物半导体的第2包覆层的步骤。
7.如权利要求6所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述第一Al组成比大于0且为0.01以下。
8.如权利要求6所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述GaN层及上述第一AlGaN层的Mg浓度为1E18cm-3以下。
9.如权利要求6所述的氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述第一AlGaN层的厚度比上述GaN层的厚度薄。
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