CN103579427A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法。根据一个实施例，一种半导体发光器件包括第一半导体层、第二半导体层和发光层。所述第二半导体层被设置在所述第一半导体层的[0001]方向侧。所述发光层包括第一阱层、第二阱层和第一势垒层。所述势垒层的In组成比低于所述第一阱层和所述第二阱层的In组成比。所述势垒层包括第一部分和第二部分。所述第二部件具有第一区域和第二区域。所述第一区域具有比所述第一部分的In组成比高的第一In组成比。所述第二区域被设置在所述第一区域和所述第一阱层之间。所述第二区域具有低于所述第一In组成比的第二In组成比。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求享有于2012年8月1日提交的在先日本专利申请No.2012-171527的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
在此描述的实施例概括而言涉及半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
诸如氮化镓（GaN）等的基于氮化物的III-V族化合物半导体被应用到通过利用（leverage）宽带隙而具有高亮度的发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等。对于这样的半导体发光器件，希望实现高发光效率。
发明内容
概括而言，根据一个实施例，一种半导体发光器件包括第一导电类型的第一半导体层、第二导电类型的第二半导体层以及发光层。所述第一半导体层包括氮化物半导体。所述第二半导体层被设置在所述第一半导体层的[0001]方向侧。所述第二半导体层包括氮化物半导体。所述发光层被设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间。所述发光层包括氮化物半导体。所述发光层包括第一阱层、第二阱层和第一势垒层。所述第一阱层被设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间。所述第二阱层被设置在所述第一阱层和所述第一半导体层之间。所述第一势垒层被设置在所述第二阱层和所述第一阱层之间。所述第一势垒层与所述第二阱层和所述第一阱层接触。所述第一势垒层的In组成比低于所述第一阱层的In组成比和所述第二阱层的In组成比。所述第一势垒层包括第一部分和第二部分。所述第一部分被设置在所述第一阱层和所述第二阱层之间。所述第一部分与所述第二阱层接触。所述第一部分具有在从所述第一半导体层朝向所述第二半导体层的第一方向上的第一厚度。所述第二部分被设置在所述第一部分和所述第一阱层之间。所述第二部分具有第一区域和第二区域。所述第一区域与所述第一部分接触。所述第二区域被设置在所述第一区域和所述第一阱层之间。所述第二区域与所述第一阱层接触。所述第一区域具有的第一In组成比高于所述第一部分的In组成比。所述第二区域具有的第二In组成比低于所述第一In组成比。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的半导体发光器件的一部分的示意性截面图；
图2是示出根据第一实施例的半导体发光器件的示意性截面图；
图3示出了根据第一实施例的In组成比的分布图；
图4A和4B是示出根据第一实施例的半导体发光器件的特性的图；
图5A和5B示出了根据参考例的In组成比的分布图；
图6A和6B示出了根据第一参考例的能带图；
图7A和7B是根据第二参考例的能带图；
图8A和8B是根据第一实施例的能带图；
图9A和9B是示出第一实施例的半导体发光器件和参考例的半导体发光器件的特性的图；
图10A到12C示出了根据第一实施例的修改例的In组成比的分布图；
图13是示出根据第二实施例用于制造半导体发光器件的方法的流程图；以及
图14A和14B是示出根据第二实施例用于制造半导体器件的方法的示意性截面图。
具体实施方式
以下将参考附图描述各种实施例。
附图是示意性或概念性的；且各部分的厚度和宽度之间的关系、各部分之间的比例系数等未必与其实际值相同。而且，即使对于相同的部分，尺寸和/或比例系数也可在附图之间被不同地示例。
在本申请的附图和说明书中，与上面关于附图所描述的部件类似的部件用类似的参考标号表示，如果合适，详细描述可省略。
第一实施例
图1是示出了根据第一实施例的半导体发光器件的一部分的示意性截面图。
图2是示出根据第一实施例的半导体发光器件的配置的示意性截面图。
如图2所示，根据第一实施例的半导体发光器件110包括第一导电类型的第一半导体层20、第二导电类型的第二半导体层50和发光层40。
第一导电类型是例如n型。第二导电类型是例如p型。第一导电类型可以是p型；且第二导电类型可以是n型。将在实施例中作为实例来描述第一导电类型是n型且第二导电类型是p型的情况。
第一半导体层20、第二半导体层50和发光层40包括氮化物半导体。第二半导体层50被设置在第一半导体层20的[0001]方向侧。发光层40被设置在第一半导体层20和第二半导体层50之间。发光层40被设置在第一半导体层20和第二半导体层50之间。在半导体发光器件110中，可在发光层40和第一半导体层20之间设置层叠体30。
在此，将从第一半导体层20朝向第二半导体层50的方向视为D1方向。第二半导体层50被设置在第一半导体层20的D1方向侧。
在半导体发光器件110中，衬底10是例如(0001)面（c面）的蓝宝石衬底。c面是所谓的极性面。例如，缓冲层11被设置在衬底10的主表面上。第一半导体层20被设置在缓冲层11上。
第一半导体层20的D1方向侧的表面是(0001)面。然而，第一半导体层20的D1方向侧的表面可以是从(0001)面倾斜的表面。在从(0001)面倾斜的偏斜角小于40度且不小于0度的情况下，发生的压电极化与第一半导体层20的D1方向侧的表面为(0001)面的情况相同。另一方面，在从(0001)面倾斜的角是40度以上时，压电极化的方向与上述极化相反。因此，在第一实施例中，从(0001)面倾斜的偏斜角优选为例如小于40度且不小于0度。
其中第二半导体层50被设置在第一半导体层20的[0001]方向侧的上述状态包括第二半导体层50被设置在从第一半导体层20的(0001)面倾斜的方向上的情况，如上所述。第一半导体层20的D1方向表面是镓表面。
第一半导体层20包括例如未掺杂的GaN基础层21和n型GaN接触层22。
在n型GaN接触层22上设置层叠体30。层叠体30是例如超晶格层。在层叠体30中，例如，第一晶体层和第二晶体层可被交替层叠。
在层叠体30上设置发光层40，该发光层40是有源层。发光层40具有例如多量子阱（MQW）结构。换句话说，发光层40具有这样的结构，其中多个势垒层41和多个阱层42被重复地交替层叠。以下将描述势垒层41和阱层42的详细配置。
在发光层40的D1方向侧设置第二半导体层50。第二半导体层50包括例如中间层51、镁（Mg）掺杂的GaN层52以及p型GaN接触层53。例如，中间层51、Mg掺杂的GaN层52以及p型GaN层53以这样的顺序被设置在发光层40上。
中间层51被设置在第二半导体层50的与发光层40最邻近的一侧上，且包括含有铝（Al）的氮化物半导体。特别地，中间层51是p型AlGaN层。中间层51的带隙大于发光层40的带隙。由此，中间层51用作电子溢出抑制层。
在p型GaN接触层53上设置透明电极60。
作为第一半导体层20的n型GaN接触层22的一部分与对应于n型GaN接触层22的该部分的层叠体30、发光层40和第二半导体层50一起被去除；且在n型GaN接触层22上设置n侧电极70。n侧电极70可包括例如Ti/Pt/Au层叠结构。另一方面，在透明电极60上设置p侧电极80。
由此，根据实施例的该特定实例的半导体发光器件110是发光二极管（LED）。
现在将描述发光层40的多量子阱结构。
如图1所示，发光层40包括第一阱层42a、第一势垒层41a和第二阱层42b。
第一阱层42a被设置在第一半导体层20和第二半导体层50之间。第二阱层42b被设置在第一阱层42a和第一半导体层20之间。第一势垒层41a被设置在第二阱层42b和第一阱层42a之间以与第二阱层42b和第一阱层42a接触。第一势垒层41a的In组成比低于第一阱层42a的In组成比和第二阱层42b的In组成比。
这里，In组成比是指在该膜内的元素成分中铟（In）的比例。
在实施例中，例如，发光层40包括多个阱层42和多个势垒层41。在这种情况下，阱层42的数量被视为阱层数量N（N是不小于2的整数）。
在图1中，括号内的数字指示从第二半导体层50侧起阱层的顺序。这些阱层是从第二半导体层50侧起的第一阱层42a到第N阱层42。而且，设置N层势垒层41。类似地，这些势垒层是从第二半导体层50侧起的第一势垒层41a到第N势垒层41。
在这些阱层中，第一阱层42a是例如被设置在发光层40的与第二半导体层50最邻近的一侧上的阱层42。第一势垒层41a是例如被设置在发光层40的与第二半导体层50的发光层40最邻近的一侧上的势垒层41。
发光层40还可包括例如第二势垒层41b和第三阱层42c。第二势垒层41b被设置在第一半导体层20和第二阱层42之间以与第二阱层42b接触。第二势垒层41b的In组成比低于第二阱层42b的In组成比。
第三阱层42c被设置在第一半导体层20和第二势垒层41b之间以与第二势垒层41b接触。第三阱层42c的In组成比高于第二势垒层41b。
第N阱层42被设置在第(N-1)势垒层41和第一半导体层20之间，第N阱层42的In组成比高于第(N-1)势垒层41的In组成比。
第N势垒层41被设置在第N阱层42和第一半导体层20之间以与第N阱层42接触。第N势垒层41的In组成比低于第N阱层42的In组成比。
这里，第一阱层42a到第N阱层通常被称为阱层42。第一势垒层41a到第N势垒层通常被称为势垒层41。
发光层40的势垒层41和阱层42包含III族元素。至少阱层42包含氮化物半导体，该氮化物半导体包括例如In。发光层40的晶体结构是纤锌矿结构。势垒层41的带隙能量大于阱层42的带隙能量。势垒层41和阱层42可包含痕量的Al等。
例如，势垒层41包括InbGa1-bN(b≥0)。阱层42包括InwGa1-wN(0<w<1)。因为势垒层41的In组成比低于阱层42的In组成比，因此得到b<w。
现在将使用图3描述发光层40的细节。
图3示出了根据第一实施例的In组成比的分布图。
在图3中，横轴是D1方向位置（厚度方向位置）；且纵轴是In组成比。分布110p是根据第一实施例的In组成比的分布图。
如图3所示，第一阱层42a和第二阱层42b的In组成比是例如Cw。第一势垒层41a的In组成比（Cb21和Cb22）低于第一阱层42a和第二阱层42b的In组成比Cw。
这里，第一势垒层41a包括第一部分411和第二部分412。
第一部分411被设置在第一阱层42a和第二阱层42b之间，以与第二阱层42b接触。第一部分411的In组成比是Cb1。第一部分411的In组成比Cb1低于第二阱层42b的In组成比Cw，并低于以下描述的第二部分412的第一区域412a的第一In组成比Cb21。第一部分411的In组成比Cb1等于或低于以下描述的第二部分412的第二区域412b的第二In组成比Cb22。这样，由于具有低In组成比的第一部分411被设置在第一阱层42a和第二阱层42b之间，因此相比于第一部分411，对于在D1方向上进一步层叠的层，结晶度提高。至少第一阱层42a的结晶度提高。
第二部分412具有第一区域412a和第二区域412b。
第一区域412a与第一部分411接触，并且，第一区域412a具有的第一In组成比Cb21高于第一部分411的In组成比Cb1。
第一区域412a是指例如第二部分412的在D1方向中心的第一部分411侧的区域。第一In组成比Cb21是例如第一区域412a的In组成比的最大值（maximum value）。第一In组成比Cb21可以是例如第一区域412a的In组成比的经厚度平均化后的值。
第二区域412b是指例如第二部分412的在D1方向中心的第一阱层42a侧的区域。第二区域412被设置在第一区域412a和第一阱层42之间，以与第一阱层42a接触。第二区域412b具有的第二In组成比Cb22低于第一区域412a的第一In组成比Cb21。
第二In组成比Cb22是例如第二区域412b的In组成比的最小值（minimum value）。在该实例中，第二区域412b的第二In组成比Cb22等于第一部分411的In组成比Cb1。第二In组成比Cb22可以是例如第二区域412b的In组成比的经厚度平均后的值。
这样，第二部分412的In组成比在D1方向逐渐降低。换句话说，第二部分412的In组成比沿D1方向单调降低。由此，由压电场引起的第一势垒层41a的价带弯曲（curve）被缓和。从第二半导体层50侧朝向第一势垒层41a的空穴注入效率增加。
势垒层41的厚度tb是例如不大于10纳米（nm）。由此，空穴从第二半导体层50被有效地供应到发光层40中。半导体发光器件110的发光效率提高；且工作电压被降低到实用地期望的水平。
以下将描述势垒层41的每个部分的厚度和In组成比的细节。
阱层42（第一阱层42a和第二阱层42b）的厚度tw为例如不小于2.5nm，且更优选地为不小于4nm。由此，在阱层42中俘获载流子；且发光效率增加。阱层42的厚度tw优选为例如不大于6nm。由此，可以抑制由具有高In组成比的阱层42引起的结晶度的降低。
被设置在与第二半导体层50最邻近的一侧上的第一阱层42a的厚度可以大于其他阱层42的厚度。通过使第一阱层42a的厚度很厚，该部分的体积增大。由此，即使在其中半导体发光器件110在高电流区域中被驱动的情况下，发光效率也会由于载流子密度降低而增加。
阱层42的In组成比Cw被调整以与半导体发光器件110的发光波长匹配。在发射的光是蓝色的情况下，阱层42的In组成比Cw是例如小于0.15且不小于0.12。
现在将描述第一部分411和第二部分412的厚度和In组成比。
图4A和4B是示出根据第一实施例的半导体发光器件的特性的图。
图4A示出了半导体发光器件110的内部量子效率IQE相对于第一部分411的厚度tb1的模拟效果。
图4B示出了半导体发光器件110的内部量子效率IQE相对于第二部分412的厚度tb2的模拟效果。
纵轴具有任意单元。
首先将描述第一部分411。
如上所述，第一势垒层41的第一部分411被夹在第二阱层42b和第二部分412之间。换句话说，第一部分411的厚度大于0nm。随着第一部分411的厚度增大，在D1方向上进一步层叠的层的结晶度相比于第一部分411提高。
另一方面，如图4A所示，随着第一部分411的厚度的增大，内部量子效率IQE具有降低的趋势。随着第一部分411的厚度增加，第一部分411对于空穴来说势垒更大。因此，内部量子效率IQE降低，这是因为空穴注入效率减少。
从上述两个方面，第一部分411的厚度优选为大于0nm且小于2nm。通过使第一部分411的厚度大于0nm，在D1方向上进一步层叠的层的结晶度相比于第一部分411提高。另一方面，通过使第一部分411的厚度小于2nm，空穴因隧穿而通过第一部分411。因此，半导体发光器件110的内部量子效率IQE增加。
如图4A所示，第一部分411的厚度优选地为不大于1nm。由此，空穴的隧穿概率增加；且内部量子效率IQE增加。
如图3所示，第一部分411被设置为与第二阱层42b接触。在第一部分411的In组成比高的情况下，存在结晶度可能降低的可能性。
例如，第一部分411的In组成比Cb1优选地低于0.02。第一部分411的In组成比Cb1更优选地低于0.01。由此，对于在D1方向上进一步层叠的层，结晶度相比于第一部分411提高。
例如，第一部分411的In组成比的最小值不大于0.02。换句话说，第一部分411具有仅由GaN形成的部分。在第一部分411形成不包括In的层。例如，整个第一部分411可基本由GaN制成。因此，结晶度显著提高。
第一部分411可包括Al。第一部分411的Al组成比的最小值优选地不大于0.02。这是因为，在第一部分411包括Al且第一部分411的带隙大的情况下存在这样的可能性：第一部分411对于空穴来说会不希望地成为势垒。
现在将描述第二部分412。
第二部分412的厚度tb2不小于2nm，且更优选地不小于4nm。如上所述，由于遂穿，载流子通过第一部分411。通过使第二部分412的厚度tb2不小于上述下限，第二部分412基本用作MQW的势垒层。
另一方面，如图4B所示，随着第二部分412的厚度增大，内部量子效率IQE具有降低的趋势。
第二部分412的厚度tb2为不大于9nm，且更优选地不大于7nm。由此，内部量子效率IQE增加。
如图3所示，第二部分412的第一区域412a的第一In组成比Cb21高于第一部分411的In组成比Cb1。随着第一区域412a的第一In组成比Cb21增大，空穴注入效率具有增加的趋势。另一方面，随着第一区域412a的第一In组成比Cb21增大，第一阱层42a的结晶度具有降低的趋势。
第二部分412的第一区域412a的第一In组成比Cb21高于0.02，且更优选地不小于0.04。通过使第一区域412a的第一In组成比Cb21不小于上述下限值，空穴注入效率增加。
第一区域412a的第一In组成比Cb21不大于0.08，且更优选地不大于0.06。通过使第一区域412a的第一In组成比Cb21不大于上述上限值，第一阱层42a的结晶度的降低被抑制。
第二区域412b的第二In组成比Cb22不大于0.04，且更优选地不大于0.02。在第二区域412b的第二In组成比Cb22具有在该区域内的最小值的情况下，第二In组成比Cb22优选地为0.00。这样，从结晶度的角度来说，优选地，第二区域412b的第二In组成比Cb22尽可能地低。
第一区域412a的第一In组成比Cb21和第二区域412b的第二In组成比Cb22之间的差（Cb21-Cb22）不小于0.02，且更优选地不小于0.04。由此，由压电场引起的价带弯曲被缓和。
现在将对比两个参考例来描述根据第一实施例的半导体发光器件110的能带图以及半导体发光器件110的特性。
图5A和5B示出了根据参考例的In组成比的分布图。
图5A示出了根据第一参考例的半导体发光器件191的In组成比的分布191p。
如图5A所示，第一参考例的半导体发光器件191与第一实施例的半导体发光器件110的不同之处在于：整个第一势垒层41a的In组成比是恒定值（例如0）。换句话说，第一参考例的半导体发光器件191的第一势垒层41a不包括具有坡度组成（graded composition）的第二部分412。
图5B示出了根据第二参考例的半导体发光器件192的In组成比的分布192p。
如图5B所示，第二参考例的半导体发光器件192与第一实施例的半导体发光器件110的不同之处在于：第一势垒层41a不包括第一部分411。在第二参考例中，第一势垒层41a的第二阱层42b侧的In组成比Cb1高于第一势垒层41a的第一阱层42a侧的In组成比Cb2。与第一实施例的第二部分412的In组成比类似，第一势垒层41a的In组成沿D1方向逐渐降低。
现在使用图6A和图8B描述第一实施例的能带图和这两个参考例的能带图。
以下附图的能带图是用以下假设进行的模拟的结果。
在第一参考例中，第一势垒层41a是由GaN制成的；且第一势垒层41a的厚度是5nm。
在第二参考例中，第一势垒层41a的第二阱层42b侧的In组成比Cb1是0.04；且第一势垒层41a的第一阱层42a侧的In组成比Cb2是0.00。
在第一实施例中，第一部分411的厚度tb1是1nm。第一In组成比Cb21是0.04；且第二In组成比Cb22是0.00。
图6A和6B是根据第一参考例的能带图。
图6A是导带CB的能带图；且图6B是价带VB的能带图。
在图6A中，实线是导带CB的能带；点线（dotted line）是电子的量子势Pe；且折线（broken line）是电子的准费米能级Efe。
在图6B中，实线是价带VB的能带；点线是空穴的量子势Ph；且折线是空穴的准费米能级Efh。
横轴是D1方向位置（厚度方向位置）。
如图6A和6B所示，发光层40的带结构被压电场调制。在第一势垒层41a中，导带CB的能级沿从第一半导体层20朝向第二半导体层50的方向（D1方向）增加。相反地，在第一阱层42a中，导带CB的能级沿D1方向降低。与导带CB类似，价带VB的能级也具有弯曲的分布。
阱层42的晶体的晶格常数大于势垒层42的晶体的晶格常数。在阱层42与势垒层42之间发生晶格应变。张应力被施加到势垒层41，而压应力被施加到具有比势垒层41的晶格常数大的晶格常数的阱层42。因此，在这些层中发生压电场。在阱层42中，沿与势垒层41的压电场的方向相反的方向形成压电场。与第一参考例中一样地，发光层40的带结构被压电场调制。在第一参考例中，由于发光层40的带结构的调制，存在发光效率降低的可能性。
图7A和7B是根据第二参考例的能带图。
图7A是导带CB的能带图；且图7B是价带VB的能带图。
图7A和7B的量子势等的参考标号与图6A和6B的那些类似。
如图7A和7B所示，第一势垒层41a的价带VB的弯曲被缓和，这是因为第一势垒层41a的In组成比沿D1方向逐渐降低。由此，空穴注入效率增加。
但是，在第一势垒层41a的与第二阱层42b接触的一侧上的In组成比Cb1很高的情况下，尽管由压电场导致的能级调制被抑制，但仍存在第一阱层42a的结晶度会降低的可能性。
相反地，第一实施例的半导体发光器件110具有如下描述的特性。
图8A和8B是根据第一实施例的能带图。
图8A是导带CB的能带图；且图8B是价带VB的能带图。
图8A和8B的量子势等的参考标号与图6A和6B的那些类似。
如图8A和8B所示，在第一实施例中，第一势垒层41a的价带VB的弯曲也缓和。通过在第一势垒层41a内设置第二部分412，该部分的压电场被缓和。
第一部分411被设置为与第二阱层42b接触。空穴的量子势Ph具有在第一部分411和第二部分412之间的缓慢倾斜度。第一部分411对于空穴而言不是注入势垒。如上所述，由于遂穿，空穴通过第一部分411。空穴至少从第一势垒层41a朝向第二阱层42b被稳定地注入。
空穴的准费米能级Efh具有在第一部分411和第二部分412之间的缓慢倾斜度。因为第一部分411足够薄而发生遂穿，空穴分布未被扰动。空穴在第一部分411和第二部分412之间未被俘获。
包括第一部分411和第二部分412的第一势垒层41a被设置在发光层40的与p侧半导体层50最邻近的一侧上。由此，如上所述，空穴被有效地注入到MQW中。
现在将参考图9A和9B描述半导体发光器件的特性。
图9A和9B是示出第一实施例的半导体发光器件和参考例的半导体发光器件的特性的图。
在图9A中，横轴是电流J（毫安（mA））；而纵轴是外部量子效率EQE（任意单位）。
除了纵轴是对数的之外，图9B与图9A类似。
对于第一阱层42a，与以下描述的图11A的第一阱层42a类似，具有沿D1方向逐渐增大的In组成比的半导体发光器件被用于测量。即使在第一阱层42a具有恒定In组成比等的情况下，也认为结果与图9A和9B中的结果类似。
如图9A和9B所示，与第一参考例的半导体发光器件191相比，第二参考例的半导体发光器件192在高电流区域具有高外部量子效率EQE。而且，与第一参考例的半导体发光器件191和第二参考例的半导体发光器件192相比，无论电流区域如何，第一实施例的半导体发光器件110都具有高外部量子效率EQE。
这样，通过在第一实施例中设置第二部分412，缓和了由压电场引起的价带完全。由此，向发光层40的空穴注入效率增加。而且，通过设置第一部分411，对于在D1方向上进一步层叠的层，结晶度相比于第一部分411提高。由此，半导体发光器件412的发光效率提高。
现在将描述第一实施例的修改例。
图10A到图12C示出了根据第一实施例的修改例的In组成比的分布图。
如图10A所示，例如，仅在最邻近第二半导体层50的一侧设置包括第一部分411和第二部分412的第一势垒层41a。除了第一势垒层41a之外，势垒层41的In组成比可以是恒定的。例如，除了第一势垒层41a之外，势垒层41由GaN制成。
这里，发光层40中的作为空穴最初被注入到的MQW的势垒层41是被设置在最邻近第二半导体层50的一侧上的第一势垒层41a。向第一势垒层41a的空穴注入效率优选地为高的。由于在最邻近第二半导体层50的一侧上设置的至少第一势垒层41a包括第一部分411和第二部分412，向发光层40的空穴注入效率稳定地提高。
如图10B所示，例如，与第二阱层42b接触的第二势垒层41b包括第一部分411和第二部分412。类似地，与第N阱层42接触的第N势垒层41也包括第一部分411和第二部分412。这样，多个势垒层41中的每一个可包括第一部分411和第二部分412。由此，向每个阱层42的空穴注入效率提高。
如图10C所示，例如，与第一势垒层41a类似，中间层51可包括第一部分511和第二部分512。第一部分511被设置在第二半导体层50的第一阱层42a侧以与第一阱层42a接触。第二部分512与第一部分511接触。第二部分512包括具有高于第一部分511的In组成比的第一In组成比的第一区域，以及从第一区域朝上设置且具有低于第一组成比的第二In组成比的第二区域。由此，中间层51的价带弯曲缓和。因此，由于向中间层51的空穴注入效率提高，向发光层40的空穴注入效率提高。
如图10D所示，例如，包括第一部分411和第二部分412的势垒层41可不被设置在发光层的最邻近第二半导体层50的一侧上。换句话说，包括第一部分411和第二部分412的势垒层41是第二势垒层41b到第N势垒层41中的至少一个就足够了。
在图10D示出的实例中，第一部分411和第二部分412被设置在第二势垒层41b中。换句话说，第一势垒层41a的In组成比是恒定的。在修改例中，由于第二势垒层41b的空穴注入效率的提高，发光层40的发光效率提高。
如图10D所示，可设置这样的势垒层41：该势垒层41具有与第二部分412的In组成比相反地倾斜的In组成比。
在图10D示出的实例中，第三势垒层41c的In组成比的倾斜与第二部分412的In组成比的倾斜相反。第三势垒层41c的第三阱层42c侧的In组成比高于第一半导体层20侧的In组成比。
如图11A所示，例如，第一阱层42a的第二半导体层50侧的In组成比Cwp可高于第一势垒层41a侧的In组成比Cwn。例如，第一阱层42a具有沿D1方向逐渐增大的In组成比。
这里，如上所述，由于第一势垒层41a的晶格常数和第一阱层42a的晶格常数之间的差异，在第一阱层42a中形成的压电场是沿与第一势垒层41a的压电场的方向相反的方向。通过使第一阱层42a具有沿D1方向逐渐增大的In组成比，第一阱层42a内的压电场缓和。由此，第一阱层42a的空穴注入效率增加。
在半导体发光器件110的发光颜色是蓝色的情况下，优选地，第一阱层42a的第一势垒层41a侧的In组成比Cwn大于0.08且不大于0.1。优选地，第一阱层42a的第二半导体层50侧的In组成比Cwp不小于0.12。例如，In组成比Cwp更优选地为0.14。优选地，第一阱层42a的第二半导体层50侧的In组成比Cwp和第一阱层42a的第一势垒层41a侧的In组成比Cwn之间的差（Cwp-Cwn）不小于0.06。通过使第一阱层42a的In组成比在这些数值范围内，可抑制第一阱层42a的结晶度的降低。第一阱层42a的In组成比可以沿D1方向逐渐增大，或可以非线性地变化。例如，第一阱层42a的In组成比可沿D1方向以阶梯状增大。
如图11B所示，第一势垒层41a的第二部分412的第二区域412b的第二In组成比Cb22可高于第一部分411的In组成比Cb1。如上所述，如果第一势垒层41a的第二部分412的第一区域412a的第一In组成比Cb21高于该部分的第二区域412b的第二In组成比Cb22，则压电场被缓和。
如图11C所示，第一部分411的In组成比Cb1可大于0。如上所述，随着第一部分411的厚度增大，第一部分411对于空穴来说是更大的势垒。因此，第一部分411的厚度优选地小于2nm。
如图12A所示，第二部分412的In组成比沿D1方向逐渐降低。第二部分412的In组成比可沿D1方向非线性地降低。在这种情况下，例如，第二部分412的In组成比可以阶梯状从第一In组成比Cb21降低到第二In组成比Cb22。
如图12B所示，第二部分412的In组成比可包括拐点（flexion point）412c。第二部分412的在该拐点412c的第二阱层42b侧的D1方向的In组成比的变化量小于第二部分412的在该拐点412c的第一阱层42a侧的变化量。
如图12C所示，例如，发光层40的In组成比可以连续地变化。例如，在晶体中，存在这样的可能性：In的迁移可发生在各层的界面的微区域中。在通过二次离子质谱法（SIMS）分析发光层40的In组成的情况下，也可考虑这样的情况：其中In组成比连续地变化。因此，发光层40可具有如下限定的In组成比。
例如，第二部分412的In组成比的沿厚度方向（D1方向）的变化率的绝对值小于第二阱层42b的第一部分411侧的In组成比的沿厚度方向的变化率的绝对值。“第二部分412的In组成比的沿厚度方向（D1方向）的变化率”可被改写为第二部分412的每单位厚度的In组成比的变化量。特别地，例如，“第二部分412的In组成比的沿厚度方向（D1方向）的变化率”是第二部分412的从第一区域412a的第一In组成比Cb21到第二区域412b的第二In组成比Cb22的变化率。例如，“第二阱层42b的第一部分411侧的In组成比的沿厚度方向的变化率”是从第二阱层42b的In组成比的最大点到位于第二阱层42b和第一部分411之间的边界的In组成比的变化率。在第二阱层42b的In组成比具有多个最大点的情况下，上述In组成比的变化率是从与第一部分411最邻近的感兴趣的最大点的变化率。
例如，第二部分412的In组成比的沿厚度方向的变化率的绝对值大于第一部分411的第二部分412侧的In组成比的沿厚度方向的变化率的绝对值。特别地，例如，“第一部分411的第二部分412侧的In组成比的沿厚度方向的变化率”是从第一部分411的In组成比的最小点到位于第一部分411和第二部分412之间的边界的In组成比的变化率。在第一部分411的In组成比具有多个最小点的情况下，上述In组成比的变化率是从与第二部分412最邻近的最小点的变化率。
在各层之间的边界不清楚的情况下，各层之间的界限被认为是针对厚度的In组成比的变化量的拐点的位置。
在发光层40的In组成比连续地变化的情况下，通过使针对厚度的In组成比的变化量满足上述条件，根据第一实施例，通过第二部分412使得由压电场引起的价带的弯曲缓和；并且由于第一部分411，结晶度提高。
可从上述图10A到图12C示出的任意实例中获得第一实施例的效果。
In组成比的增大/减小的分布可与上述不同。分布可以是图10A到12C的分布的合适组合。
第二实施例
图13是示出根据第二实施例的用于制造半导体发光器件的方法的流程图。
如图13所示，根据实施例的用于制造半导体器件的方法包括形成n型半导体层（步骤S101）、形成发光层（步骤S102）以及形成p型半导体层（步骤S103）。现在将描述这些步骤的具体实例。
首先，在步骤S101的n型半导体层的形成中，形成包含氮化物半导体的第一半导体层20。
然后，在步骤S102的发光层的形成中，在第一半导体层20上形成发光层40。下面描述步骤S102的细节。
接下来，在步骤S103的第二半导体层的形成中，在发光层40上形成包含氮化物半导体的第二半导体层。
步骤S102的发光层的形成包括在第一半导体层20上形成第二阱层42b的工序，形成具有比第二阱层42b的In组成比低的In组成比的第一势垒层41a以接触第二阱层42b的工序，以及形成具有比第一势垒层41a的In组成比高的In组成比的第一阱层42a以接触第一势垒层41a的工序。
形成第一势垒层41a的工序包括形成第一部分411以接触第二阱层42b的工序以及形成具有第一区域412a和第二区域412b的第二部分412的工序，其中，第一区域412a接触第一部分411并具有比第一部分411的In组成比Cb1高的第一In组成比Cb21，且第二区域412b接触第一区域412a并具有比第一In组成比Cb21低的第二In组成比Cb22。
由于上述步骤S101到步骤S103的工序，发光层40的发光效率提高。
现在将描述根据第二实施例的用于制造半导体器件的方法的更详细的具体实例。
首先，例如，对c面蓝宝石衬底10进行有机清洗和酸清洗，将其引入到MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备的反应器中，并在反应器的基座上在约1100℃下被加热。由此，去除衬底10的表面的氧化物膜。
然后，执行第一半导体层的形成（步骤S101）。
在衬底10的主表面（c面）上以30nm的厚度生长缓冲层11。然后，在缓冲层11上以3微米（μm）的厚度生长未掺杂的GaN基础层21。接下来，使用Si掺杂的GaN在GaN基础层21上以2μm的厚度生长n型GaN接触层22。Ga源材料气体是例如三甲基镓（TMGa）。V族源材料气体是氨气（NH3）。
然后，通过将第一晶体层31和第二晶体层32交替地层叠30个周期，在n型GaN接触层22上形成层叠体30，该第一晶体层31是InxGa1-xN，第二晶体层32是InyGa1-yN。In源材料气体是例如三甲基铟（TMI）。
接下来，执行发光层40的形成（步骤S102）。
例如，如下所述，在层叠体30上交替地层叠N个周期的势垒层41和阱层42。N是不小于2的整数。在最先被层叠的一侧的势垒层41和阱层42分别是第N势垒层41和第N阱层42。例如，N是8。
例如，在第一温度Tg1下在层叠体30上形成第N势垒层41。第N势垒层41的In组成比至少低于下述第N阱层的In组成比。例如，在第N势垒层41的形成中，In源材料气体的流量FTMI恒定为0。换句话说，未供应In源材料气体。
然后，在低于第一温度Tg1的第二温度Tg2下形成第N阱层42。在第N阱层42的形成中，In源材料的流量FTMI高于第N势垒层41的形成的流量。例如，在第N阱层42的形成中，In源材料气体的流量FTMI恒定为Fw。例如，第N阱层42的In组成比为0.13。
然后，与第N势垒层41类似，在第N阱层42上形成第(N-1)势垒层41。接下来，与第N势垒层42类似，在第(N-1)势垒层41上形成第(N-1)阱层42。通过重复这些工序，形成直到第三阱层42的阱层。
现在将使用图14A和14B来描述形成第二势垒层41b到第一阱层42的工序。
图14A和图14B是根据第二实施例的用于制造半导体器件的方法的示意性截面图。
图14A示出了在通过MOCVD来形成发光层40时的温度分布图以及反应气体的引入时序。在该图中，横轴是时间t。纵轴是温度Tg。示出了源材料气体的引入状态，以匹配横轴。
在形成第三势垒层41之后，在时刻t1停止Ga源材料气体的引入。从时刻t1到时刻t2，温度Tg从第一温度Tg1降低到第二温度Tg2。
这里，优选地，第二温度Tg2不低于800℃。第一温度Tg1和第二温度Tg2之间的差优选地小于100℃且不小于20℃，更优选地小于80℃且不小于40℃。由此，在势垒层41和阱层42的界面处的In组成比的面内波动被降低；并且界面的表面粗糙度被降低。
然后，在时刻t2，开始引入Ga源材料气体和In源材料气体。In源材料气体的流量FTMI恒定为Fw。从时刻t2到时刻t3，在第二温度Tg2下在第三势垒层41上形成第三阱层42。例如，第三阱层42中的In组成比为0.13。
接下来，在时刻t3停止Ga源材料气体和In源材料气体的引入。从时刻t3到时刻t4，温度Tg从第二温度Tg2升高到第一温度Tg1。
然后，在时刻t4，例如，开始仅Ga源材料气体的引入。不供应In源材料气体。从时刻t4到时刻t5，在第一温度Tg1下在第三阱层42上形成第二势垒层41b。由此，形成第二势垒层41b，其具有比下述第二阱层42b的In组成比Cw低的In组成比。
这样，在高于第二温度Tg2的第一温度Tg1下形成从第N势垒层41到第二势垒层41b的势垒层41。从第N势垒层41到第二势垒层41b的势垒层41的结晶度提高。由此，与势垒层41相邻的阱层42的结晶度也会提高。
然后，在时刻t5，停止Ga源材料气体的引入。从时刻t5到时刻t6，温度Tg从第一温度Tg1降低到第二温度Tg2。
接下来，在时刻t6，开始Ga源材料气体和In源材料气体的引入。In源材料气体的流量FTMI恒定为Fw。从时刻t6到时刻t7，在第二温度Tg2下在第二势垒层41上形成第二阱层42。例如，第二阱层42的In组成比为0.13。
然后，在时刻t7，例如，停止仅In源材料气体的引入。由此，仅供应Ga源材料。从时刻t7到时刻t8，温度Tg在第二温度Tg2下保持恒定；并且将第一势垒层41a的第一部分411形成为接触第二阱层42。控制从时刻t7到时刻t8的时间，以使第一部分411的厚度大于0nm且小于2nm。例如，第一部分411的厚度为1nm。
接下来，在时刻t8，例如，重新开始In源材料的引入。在时刻t8，In源材料气体的流量FTMI被设定为例如Fb2，Fb2大于在第一部分411的形成中In源材料气体流量。在该情况下，0<Fb2<Fw。由此，将第一区域412a形成为接触第一部分411，该第一区域412a具有比第一部分411的In组成比Cb1高的第一In组成比Cb21。
然后，从时刻t8到时刻t9，温度Tg在第二温度Tg2下保持恒定；并且In源材料气体的流量FTMI被逐渐降低。在时刻t9，In源材料气体的流量FTMI被降低到比在第一区域412a的形成中In源材料气体的流量低的In源材料气体的流量。例如，In源材料气体的流量FTMI被设定为0。由此，将第二区域412b形成为接触第一区域412a，该第二区域412b具有比第一In组成比Cb21低的第二In组成比Cb22。例如，第一势垒层41a的厚度被设定为5nm。
这样，从时刻t7到时刻t9，形成具有第一区域412a和第二区域412b的第二部分412。在第一势垒层41a的形成中，在第二温度Tg2下形成第一部分411和第二部分412。通过在不改变温度的条件下形成第一势垒层41a，结晶度不会降低；并且可以形成不会急剧改变的In组成比分布。
在时刻t9，In源材料气体的流量FTMI被设定为例如Fw，其大于第一部分411的形成的In源气体流量。从时刻t9到时刻t10，温度Tg在第二温度Tg2下保持恒定。由此，将第一阱层42a形成为接触第一势垒层41a，该第一阱层42a具有比第一势垒层41a的In组成比高的In组成比。例如，第一阱层42a的厚度为5nm。
如图11A所示，可以形成具有沿D1方向逐渐增大的In组成比的第一阱层42a。在该情况下，从到时刻t9到时刻t10，In源材料气体的流量FTMI可以逐渐降低。
然后，在时刻t10，例如，停止仅In源材料气体的引入。从时刻t10到时刻t11，温度Tg从第二温度Tg2升高到第一温度Tg1。从时刻t11起，在发光层40上形成第二半导体层50。
接下来，执行第二半导体层的形成（步骤S103）。
在最顶部的势垒层41上生长具有0.003的Al组成比和5nm的厚度的AlGaN层；随后，层叠具有0.1的Al组成比和10nm的厚度的Mg掺杂的AlGaN层51、具有80nm的厚度的Mg掺杂p型GaN层52（具有2×1019/cm3的Mg浓度）、以及具有约10nm的厚度的高浓度Mg掺杂的GaN层53（具有1×1021/cm3的Mg浓度）。随后，从MOCVD设备的反应器中取出其上生长有上述晶体的衬底10。
然后，对上述多层膜结构的一部分进行干法蚀刻，以使该多层膜结构部分地暴露直到n型GaN接触层22；并且在暴露部分上形成Ti/Pt/Au的n侧电极70。在高浓度Mg掺杂的GaN层53的表面上形成透明电极60，该透明电极60是ITO（铟锡氧化物）；并且在透明电极60的一部分上形成具有例如80μm直径的Ni/Au的p侧电极80。由此，制成半导体发光器件110。
在第二实施例中，可以提供具有较高发光效率的半导体发光器件。特别地，通过形成第二部分412，由压电场引起的价带的弯曲被缓和。由此，向发光层40的空穴注入效率提高。此外，通过形成第一部分411，与第一部分411相比，对于在D1方向上进一步层叠的层，结晶度提高。由此，半导体发光器件110的发光效率提高。
尽管在其中将MOCVD（金属有机气相外延）用作膜形成方法的上述实施例中描述了实例，但诸如分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）等的其他方法也是适用的。
根据上述实施例，提供了一种具有高发光效率的半导体发光器件。
在说明书中，“氮化物半导体”包括化学式为BαInβAlγGa1-α-β-γN(0≤α≤1,0≤β≤1,0≤γ≤1,且α+β+γ≤1)的全部组成比的半导体，其中组成比α,β和γ在各自范围内变化。“氮化物半导体”还包括除了上述化学式中的N（氮）以外的V族元素和/或为了控制导电类型等而被添加的任何掺杂剂。
上面参考具体实例描述了本发明的示例性实施例。然而，本发明不限于这些具体实例。例如，通过从已知技术中进行适当的挑选，包括本领域技术人员针对半导体发光器件中包含的诸如第一半导体层、第二半导体层、有源层、阱层、势垒层、电极、衬底、缓冲层等的部件的具体配置的形状、尺寸、材料特性、布置等进行的各种修改，本领域技术人员可以类似地实施本发明；并且这样的实施以获得类似效果的程度被包含在本发明的范围内。
此外，具体实例中的任意两个或更多个部件可以在技术上可行的范围内被组合，并且以包括本发明的精神的程度被包含在本发明的范围内。
尽管已经描述了特定的实施例，但这些实施例仅通过实例的方式给出，且并不旨在限制本发明的范围。实际上，在此描述的新颖实施例可以以多种其他形式来实现；此外，可以在不偏离本发明的精神的情况下对在此描述的实施例的形式进行各种省略、替换和改变。附图及其等价物旨在涵盖落在本发明的范围和精神内的这种形式或修改。
Claims (20)
1.一种半导体发光器件，包括：
第一导电类型的第一半导体层，其包括氮化物半导体；
第二导电类型的第二半导体层，其被设置在所述第一半导体层的[0001]方向侧，所述第二半导体层包括氮化物半导体；以及
发光层，其被设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述发光层包括氮化物半导体，
所述发光层包括：
第一阱层，其被设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间；
第二阱层，其被设置在所述第一阱层和所述第一半导体层之间；以及
第一势垒层，其被设置在所述第二阱层和所述第一阱层之间以与所述第二阱层和所述第一阱层接触，所述第一势垒层的In组成比低于所述第一阱层的In组成比和所述第二阱层的In组成比，
所述第一势垒层包括：
第一部分，其被设置在所述第一阱层和所述第二阱层之间，所述第一部分与所述第二阱层接触，所述第一部分具有在从所述第一半导体层朝向所述第二半导体层的第一方向上的第一厚度；以及
第二部分，其被设置在所述第一部分和所述第一阱层之间，所述第二部分具有第一区域和第二区域，所述第一区域与所述第一部分接触，所述第二区域被设置在所述第一区域和所述第一阱层之间，所述第二区域与所述第一阱层接触，
所述第一区域具有的第一In组成比高于所述第一部分的In组成比，
所述第二区域具有的第二In组成比低于所述第一In组成比。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一厚度小于2纳米。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一厚度不大于1纳米。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二部分的In组成比沿从所述第一半导体层朝向所述第二半导体层的方向逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述第二部分的In组成比以阶梯状从所述第一In组成比减小到所述第二In组成比。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一部分的In组成比小于0.02。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一部分的In组成比小于0.01。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一In组成比高于0.02。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一In组成比不小于0.04。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一势垒层的在所述第一方向上的厚度不大于10纳米。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一阱层的在所述第一方向上的厚度不小于2.5纳米且不大于6纳米。
12.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一部分的In组成比的最小值不大于0.05。
13.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二部分的In组成比的沿所述第一方向的变化率的绝对值小于所述第二阱层的所述第一部分侧的In组成比的沿所述第一方向的变化率的绝对值。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二部分的In组成比的沿所述第一方向的变化率的绝对值大于所述第一部分的所述第二部分侧的In组成比的沿所述第一方向的变化率的绝对值。
15.根据权利要求1所述的器件，其中
所述发光层还包括第二势垒层，并且
所述第二势垒层被设置在所述第一半导体层和所述第二阱层之间以与所述第二阱层接触，所述第二势垒层的In组成比低于所述第二阱层的In组成比。
16.根据权利要求15所述的器件，其中
所述发光层还包括第三阱层，并且
所述第三阱层被设置在所述第一半导体层和所述第二势垒层之间以与所述第二势垒层接触，且所述第三阱层的In组成比高于所述第二势垒层的In组成比。
17.根据权利要求1所述的器件，其中
所述第二半导体层包括中间层，所述中间层包括氮化物半导体，且该氮化物半导体包含Al，并且
所述中间层被设置在所述第二半导体层的与所述发光层最邻近的一侧。
18.一种制造半导体发光器件的方法，包括：
形成第一导电类型的第一半导体层，所述第一半导体层包括氮化物半导体；
在所述第一半导体层上形成发光层；以及
在所述发光层上形成第二导电类型的第二半导体层，所述第二半导体层包括氮化物半导体，
所述形成发光层包括：
在所述第一半导体层上形成第二阱层；
形成第一势垒层以与所述第二阱层接触，所述第一势垒层的In组成比低于所述第二阱层的In组成比；以及
形成第一阱层以与所述第一势垒层接触，所述第一阱层的In组成比高于所述第一势垒层的In组成比，
所述形成第一势垒层包括：
形成第一部分以与所述第二阱层接触；以及
形成具有第一区域和第二区域的第二部分，所述第一区域与所述第一部分接触且具有比所述第一部分的In组成比高的第一In组成比，所述第二区域与所述第一区域接触且具有比所述第一In组成比低的第二In组成比。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述形成第二阱层之前在第一温度下形成第二势垒层，所述第二势垒层的In组成比低于所述第二阱层的In组成比，
所述形成第二阱层包括在低于所述第一温度的第二温度下执行，
所述形成第一势垒层包括在所述第二温度下形成所述第一部分和所述第二部分。
20.根据权利要求19所述的方法，其中
所述第二温度不低于800℃，且所述第一温度和所述第二温度之间的差小于100℃且不小于20℃。
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