CN109075226A - Iii族氮化物层叠体及iii族氮化物发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光输出的偏差较小、能够稳定地获得较高的光输出的III族氮化物层叠体以及使用该层叠体的III族氮化物发光元件。III族氮化物层叠体包括基板和用组分式AlXGa1‑XN(0<X≤1)表示的n型的第一AlGaN层，其特征在于，在所述基板和所述n型的第一AlGaN层之间具有用组分式AlYGa1‑YN(0.5<Y≤1，其中Y<X)表示的第二AlGaN层，在设所述n型的第一AlGaN层的膜厚为tx及所述第二AlGaN层的膜厚为ty时，tx>ty。并且，III族氮化物发光元件的特征在于，在上述III族氮化物层叠体的n型的AlGaN层上具有活性层，该活性层具有至少一个以上的阱层，该活性层中的阱层是用组分式AlWGa1‑WN(0<W<1)表示的AlGaN层，Al组分W是W≤Y。

Description

III族氮化物层叠体及III族氮化物发光元件
技术领域
本发明涉及新型的III族氮化物层叠体及使用该层叠体的新型的III族氮化物发光元件。
背景技术
当前，发光波长在365nm以下的深紫外光源使用重氢或水银等气体光源。所述气体光源寿命较短，还存在设备较大型的问题。并且，水银的使用有时受限制。因此，期待着使用能够消除上述问题且容易操作使用的半导体所实现的发光元件。
作为这样的深紫外发光元件，提出了使用由组分式AlqGa1-qN(0≤q≤1)表示的III族氮化物半导体的发光元件。这样的III族氮化物半导体在波长200～365nm的总范围内是直接迁移型半导体，因此作为深紫外发光元件发挥功能(参照专利文献1及非专利文献1)。
使用III族氮化物半导体的深紫外发光元件通常是通过在由单晶体构成的基板上晶体生长n型层、活性层、p型层的层叠构造而制备的。作为半导体层叠构造的晶体生长技术存在金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法。
上述晶体生长法所使用的单晶体基板采用蓝宝石或SiC、Si等异种基板材料、或AlN、GaN等同种基板，在该基板上晶体生长作为发光元件的半导体层叠构造，由此形成使用III族氮化物半导体的深紫外发光元件。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】国际公开WO2014/123092号公报
【非专利文献】
【非专利文献1】Hideki Hirayama，Sachie Fujikawa，Norimichi Noguchi，JunNorimatsu，Takayoshi Takano，Kenji Tsubaki，and Norihiko Kamata，“222-282nm AlGaNand InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire”，Phys.Status Solidi A 206，No.6，1176-1182(2009)
但是，使用所述III族氮化物半导体的发光元件与重氢气体灯或者水银气体灯相比，具有发光效率低、光输出较弱的问题。
作为原因之一是上述深紫外发光元件中的位错。在单晶体基板使用蓝宝石或SiC、Si等异种基板材料的情况下，当在该基板上进行AlqGa1-qN层的晶体生长时，由于与基板的晶格常数及热膨胀系数不同，因而导致在晶体生长中包含多个位错，导致光输出下降。
因此，在非专利文献1中，通过研究AlqGa1-qN层的晶体生长法，降低AlqGa1-qN层中的位错密度，其结果是，发光效率提高，实现提高光输出的效果(非专利文献1)。
并且，已知将同种基板用作单晶体基板而晶体生长AlqGa1-qN层时，能够进行几乎没有位错的发光元件的制备，光输出提高。
因此，本发明人们进一步进行研究，通过对AlN基板上的发光元件的半导体层叠构造加入新型的构造，实现了光输出的提高(参照专利文献1)。
但是，本发明人在利用上述专利文献1的方法连续制备使用III族氮化物半导体的发光元件时，不同批次之间光输出的偏差较大，难以稳定地生产具有光输出较高的特性的发光元件。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供光输出的偏差较小、能够稳定地获得较高光输出的III族氮化物层叠体，以及使用该层叠体的III族氮化物发光元件。
本发明人们为了达到上述目的而进行了深入研究。首先，通过研究构成III族氮化物半导体的各层的组分或厚度而获得如下认识：当采用在基板和n型的AlGaN层之间夹有AlGaN层的结构的情况下，同一批次或者批次之间的光输出偏差的程度根据多个AlGaN层的组分、厚度而不同。因此，继续对被夹在基板和n型的AlGaN层之间的AlGaN层进行研究发现，通过使该AlGaN层的Al组分比n型的AlGaN层的Al组分低，还使该AlGaN层的膜厚比n型的AlGaN层的膜厚薄，能够稳定地生产具有光输出偏差较小、且光输出较高的特性的发光元件，进而完成了本发明。
即，第一方面的本发明涉及III族氮化物层叠体，包括基板和用组分式AlXGa1-XN(0&lt;X≤1)表示的n型的第一AlGaN层，其特征在于，
在所述基板和所述n型的第一AlGaN层之间具有用组分式AlYGa1-YN(0.5&lt;Y≤1，其中Y&lt;X)表示的第二AlGaN层，
在设所述n型的第一AlGaN层的膜厚为tx及所述第二AlGaN层的膜厚为ty时，tx&gt;ty。
上述本发明的III族氮化物层叠体可以适合采用以下的方式。
(1)在所述基板中与所述第二AlGaN层接触的最表面具有用组分式AlZGa1-ZN(0.9&lt;Z≤1)表示的表层部。
(2)所述第二AlGaN层的膜厚ty是30～100nm。
(3)所述n型的第一AlGaN层与所述第二AlGaN层的膜厚比tx/ty是2以上100以下。
(4)所述第二AlGaN层具有n型导电性。
(5)所述基板是AlN单晶体基板。
另外，第二方面的本发明涉及III族氮化物发光元件，在上述III族氮化物层叠体的n型的AlGaN层上具有活性层，该活性层具有至少一个以上的阱层，该活性层中的阱层是用组分式AlWGa1-WN(0&lt;W&lt;1)表示的AlGaN层，Al组分W是W≤Y。
在上述第二方面的本发明的III族氮化物发光元件中，优选发光峰值波长是210～365nm。
发明效果
本发明的III族氮化物层叠体的特征在于，在基板和所述n型的第一AlGaN层(第一AlGaN层)之间具有Al组分比第一AlGaN层低、而且膜厚比第一AlGaN层薄的AlGaN层(第二AlGaN层)。通过采用这种结构的层叠体，即使是基板和n型的第一AlGaN层的组分不同的情况下，也能够稳定地获得高质量的III族氮化物层叠体。因此，通过使用本发明的III族氮化物层叠体，能够获得具有光输出的偏差较小、且光输出较高的特性的III族氮化物发光元件。
另外，在上述基板和n型的AlGaN层的晶格常数不同的情况下，有可能在晶体生长时产生裂纹等缺陷。因此，在专利文献1中示例了在基板上具有多个n型层的III族氮化物发光元件，以便缓解基板和生长层之间的晶格不匹配或界面的粗糙，还记载了在基板是蓝宝石基板或者AlN基板的情况下，多个n型层中与基板接触的n型基底层的带隙大于被层叠在其上的n型包层的带隙，即从n型基底层的Al的组分比n包层高、晶格常数较小的层开始顺序地进行层叠(参照专利文献1(图8)、(图9(A))及第0078～0081段)。
这样，当在AlN等的基板上层叠Al组分不同的多个AlGaN层的情况下，通常提高与基板接触的AlGaN层的Al组分，以便在晶体生长时抑制裂纹等缺陷。
另一方面，在本发明中，与上述专利文献1等的结构相反，在基板和n型的第一AlGaN层之间导入了与n型AlGaN层相比Al组分较低、晶格常数较大的层，作为第二AlGaN。另外，通过使第二AlGaN层的厚度比n型的第一AlGaN层薄，成功地抑制裂纹等缺陷的产生和光吸收，稳定地获得高质量的III族氮化物层叠体，这种认识是由本发明人们最先发现的。
附图说明
图1是表示本发明的III族氮化物层叠体的一例的剖面示意图。
图2是表示本发明的III族氮化物层叠体的另一例的剖面示意图。
图3是表示本发明的III族氮化物发光元件(“深紫外发光元件”)的一例的剖面示意图。
图4是图3所示的III族氮化物发光元件的能带图的一例。
图5是表示本发明的III族氮化物发光元件的另一例的剖面示意图。
图6是图5所示的III族氮化物发光元件的能带图的一例。
具体实施方式
(III族氮化物层叠体)
首先，对本发明的III族氮化物层叠体进行说明。图1是本发明的III族氮化物层叠体1的一例的剖面示意图。III族氮化物层叠体1在基板10上包括n型的第一AlGaN层30，在基板10和第一AlGaN层30之间具有第二AlGaN层20。
在本发明中，用组分式AlXGa1-XN(0&lt;X≤1)表示的上述n型的第一AlGaN层30及用组分式AlYGa1-YN(0.5&lt;Y≤1)表示的第二AlGaN层20满足下述条件。
(1)各自的Al组分X、Y是Y&lt;X。
(2)在设n型的第一AlGaN层30的膜厚为tx及第二AlGaN层20的膜厚为ty时，tx&gt;ty。
由此，通过使用特定的Al组分及膜厚的AlGaN层(第二AlGaN层)，能够抑制裂纹的产生和光吸收，而且稳定地获得高质量的III族氮化物层叠体。
另外，基于生产性的观点，优选所述第一AlGaN层30的膜厚和所述第二AlGaN层20的膜厚ty之比tx/ty是2以上100以下。
下面，对构成本发明的III族氮化物层叠体1的各层进行详细说明。
(基板10)
作为本发明的III族氮化物层叠体的基板10，只要是使用半导体的发光元件所使用的基板，就没有特别限制，能够使用各种基板。具体地，可以举出AlN基板、GaN基板、蓝宝石基板、SiC基板、Si基板等。其中，以C面为生长面的AlN基板与第二AlGaN层是同种基板，而且晶格整合性较高，从210～365nm的光的透射性的方面考虑是优选的。并且，从210～365nm的光的透射性的方面考虑，蓝宝石基板也是优选的。
特别是从晶格整合性的观点考虑时，优选在所述基板中与所述第二AlGaN层接触的最表面具有用组分式AlZGa1-ZN(0.9&lt;Z≤1)表示的AlGaN层。特别在异种基板用作基板10的情况下，通过在最表面具有用组分式AlZGa1-ZN表示的层(下面也称为“表层部11”)，能够实现第二AlGaN层20及n型的第一AlGaN层30的较高的结晶性，因而是优选的。图2是基板10具有上述表层部11时的III族氮化物层叠体的剖面示意图。在图2中，组分式为AlZGa1-ZN(0.9&lt;Z≤1)的表层部11设于基板10和第二AlGaN层20之间。
所述表层部11可以是n型的单晶体的层，也可以是非掺杂层的单晶体的层。在是n型的情况下，关于掺杂材料及掺杂材料的浓度，可以按照期望的目的适当设定，基于可以稳定有效地获得n型的表层部11的观点，优选以Si作为掺杂剂、且杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的范围。
基于后述的III族氮化物发光元件的生产性以及获得深紫外(210～365nm)的发光元件的观点，所述表层部11的Al组分(Z)优选超过0.90且在1.00以下，更优选设为0.92～1.00的范围，最优选设为0.95～1.00的范围。
并且，所述表层部11的膜厚没有特别限制，但是考虑到III族氮化物发光元件整体的厚度，可以在1nm以上50μm以下的范围内适当确定。
作为基板10的厚度，可以考虑后述的III族氮化物发光元件整体的厚度适当确定。具体地，虽然作为基板10的厚度没有特别限制，但是可以在0.1～2mm的范围内适当确定。另外，在基板10具有表层部11的情况下，基板10和表层部11相加的厚度只要是上述范围即可。
(n型的第一AlGaN层30)
n型的第一AlGaN层30用组分式AlXGa1-XN表示，是掺杂了n型掺杂剂的单晶体的层。关于上述掺杂材料及掺杂材料的浓度，可以按照期望的目的适当确定，但基于稳定且有效地获得n型的第一AlGaN层30的观点，优选以Si作为掺杂剂、且设为杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的范围。
基于后述的III族氮化物发光元件的生产性以及获得深紫外(210～365nm)的发光元件的观点，n型的第一AlGaN层30的Al组分(X)优选设为0.05～0.99的范围，更优选设为0.10～0.98的范围，最优选设为0.45～0.93的范围。另外，后述的第二AlGaN层20的Al组分(Y)和n型的第一AlGaN层30的Al组分(X)需要满足Y&lt;X，因而X的下限值优选超过0.5，更优选0.52以上，最优选0.54以上。
所述n型的第一AlGaN层30的膜厚tx只要与第二AlGaN层20的膜厚ty是tx&gt;ty的关系，就没有特别限制，可以考虑后述的III族氮化物发光元件整体的厚度适当确定。作为所述第一AlGaN层30的膜厚tx，具体地可以在60nm～50μm的范围内适当确定。
在图1中示出了n型的第一AlGaN层30是单层的例子，但n型的第一AlGaN层30也可以是组分不同的多个层。并且，在由多层构成的情况下，各层的Al组分可以在0&lt;X≤1的范围内适当设定，特别是满足上述优选的范围比较好。
在使用n型层为多层的本发明的III族氮化物层叠体制备III族氮化物发光元件的情况下，可以形成n型空穴阻挡层、以及用于提高横向传导度的n型电流扩散层等，n型空穴阻挡层是为了抑制通过对该发光元件施加电场而从p型层向活性层注入的空穴的一部分泄露到n型层侧而设置的。
在将这些n型层设为多个层的情况下，优选各功能层的厚度为1nm以上50μm以下。
(第二AlGaN层20)
本发明的III族氮化物层叠体中的第二AlGaN层20用组分式AlYGa1-YN表示，可以是n型的单晶体的层，也可以是非掺杂层的单晶体的层。在是n型的情况下，关于掺杂材料及掺杂材料的浓度，可以按照期望的目的适当设定，基于可以稳定有效地获得n型的第一AlGaN层30的观点，优选以Si作为掺杂剂、且设为杂质浓度达到1×1016～1×1021[cm-3]的范围。
该第二AlGaN层20的Al组分Y需要在0.5&lt;Y≤1的范围内，且Y&lt;X。第二AlGaN层20的Al组分(Y)与第一AlGaN层30的Al组分(X)之比(Y/X)优选在0.7≤Y/X&lt;1.0的范围，更优选在0.83≤Y/X&lt;1.0的范围，最优选在0.87≤Y/X&lt;1.0的范围。并且，第二AlGaN层20也可以包含In。
在是具有表层部11的基板的情况下，表层部的Al组分(Z)与第二AlGaN层的Al组分(Y)之组分差(Z-Y)优选0.39≤Z-Y&lt;1，更优选0.42≤Z-Y&lt;1，最优选0.5≤Z-Y&lt;1。
并且，第二AlGaN层20的膜厚ty只要与n型的第一AlGaN层30的膜厚tx是tx&gt;ty的关系，就没有特别限制，可以考虑n型的第一AlGaN层30的膜厚tx或后述的III族氮化物发光元件整体的厚度适当确定。基于生产性的观点，优选比值tx&gt;ty为2以上100以下，更优选在3～70的范围。作为第二AlGaN层20的膜厚ty，具体地可以在30nm以上100nm以下的范围内适当确定。
(III族氮化物层叠体1的制备方法)
本发明的III族氮化物层叠体1可以利用公知的制备方法例如金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)进行制备。具体地，可以使用市场上销售的装置，在图1及图2中，向基板10上供给III族原料气体例如三甲基铝、三甲基镓那样的有机金属的气体、和氮源气体例如氨气那样的原料气体，由此在基板10上按照需要来层叠所述表层部11，然后顺序地层叠第二AlGaN层20、第一AlGaN层30进行制备。并且，本发明的III族氮化物层叠体还可以利用MOCVD法以外的方法进行制备。
另外，利用MOCVD法制备本发明的III族氮化物层叠体的条件可以采用公知的方法，但是为了维持且良好地控制第二AlGaN层20的平坦性进行层叠，期望按照比公知的方法高的V/III比、而且以较慢的生长速度进行晶体生长。具体地，V/III比在3500以上、生长速度为200nm/h以下，更优选V/III比在5000以上、生长速度为150nm/h以下进行晶体生长。
本发明的III族氮化物层叠体的各层中的构成元素(Al、Ga、N)的比率，可以利用X射线衍射法(XRD)、SIMS(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：二次离子质谱仪)、TEM-EDX(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-rayspectrometry：透射型电子显微镜-能量分散型X射线光谱法)、三维原子探针法(3DAP)等，测量所制备的氮化物半导体发光元件而求得。并且，还可以根据带隙换算各层构成元素的比率。通过利用阴极发光法(CL法)、光致发光法(PL法)分析氮化物半导体发光元件，可以直接求出各层的带隙，因而可以使用换算式确定Al组分。
下面，对使用本发明的III族氮化物层叠体的III族氮化物发光元件进行说明。
(III族氮化物发光元件100)
首先，对III族氮化物发光元件100的基本概况进行说明。
在本发明中，具有210～365nm的发光波长的III族氮化物发光元件(也称为深紫外发光元件)，例如可以利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)进行制备。具体地，可以使用市场上销售的装置，向所述基板10上供给III族原料气体例如三甲基铝、三甲基镓那样的有机金属的气体、和氮源气体例如氨气那样的原料气体，由此顺序地进行III族氮化物层叠体、活性层、p型层的晶体生长来进行制备。利用MOCVD法制备氮化物半导体发光元件的条件可以采用公知的条件。并且，本发明的III族氮化物发光元件还可以利用MOCVD法以外的方法进行制备。
在本发明中，III族氮化物发光元件只要是具有210～365nm的发光波长，就没有特别限制。具体地，可以是包括铝(Al)、镓(Ga)及氮(N)，确定各层的组分，是具有210～365nm的发光波长的III族氮化物发光元件即可。
构成元素(Al、Ga、N)的比率可以利用前述的各种分析方法进行测量，但在本申请的实施例/比较例中，利用X射线衍射法(XRD)求出各层的Al组分。
下面，使用附图详细说明本发明的III族氮化物发光元件。图3表示使用图1的III族氮化物层叠体1的代表性的III族氮化物发光元件100的剖面示意图。并且，图4表示图3所示的III族氮化物发光元件的能带图的一例。在图4中，纸面上下方向的直线间的间隔表示带隙的大小。纸面上方的直线表示传导带的能级，下方的直线表示价电子带的能级。在AlGaN类半导体中，在Al组分越高时带隙越大，因而表示是纵向的间隔与各AlGaN层的Al组分对应，间隔越宽时Al组分越高的AlGaN层(对于其它能带图也一样)。并且，图5表示使用图2的III族氮化物层叠体的代表性的III族氮化物发光元件的剖面示意图。并且，图6表示图5的III族氮化物发光元件的能带图的例。
III族氮化物发光元件100包括具有以下各层的层叠构造：活性层40，设于III族氮化物层叠体1的n型的第一AlGaN层30上；电子阻挡层5，设于所述活性层40上；p型包层60，设于电子阻挡层5上；以及p型接触层70，设于p型包层60上。另外，活性层40是具有至少一个以上的阱层的层。并且，在本发明的III族氮化物发光元件中，还可以具有不存在电子阻挡层5的层叠构造，详细情况在下面进行说明。
另外，通常III族氮化物发光元件100在p型接触层70上具有p型用电极90和n型用电极80，n型用电极80设于通过蚀刻去除从p型接触层70到n型的第一AlGaN层30的一部分而露出的第一AlGaN层30上。p型用电极90及n型用电极80可以利用公知的方法形成。并且，在该图1中，n型的第一AlGaN层30是单层的(由相同的组分构成的单层)，但也可以由组分不同的多个层形成。
下面，对各个层进行详细说明。
(活性层40)
活性层40形成于所述n型的第一AlGaN层30上。活性层40是具有至少一个以上的阱层的层。关于阱层的数量(阱层数)，在图4中示出了是三个的例子，但也可以是一个，还可以是两个以上的多个。在具有多个阱层的情况下，优选在各阱层之间具有后述的势垒层。作为阱层的数量，虽然没有特别限制，但是在考虑到III族氮化物发光元件的生产性时，优选是10以下。在图4中记载了阱层40a、41a、42a，记载了势垒层40b、41b、42b、43b。
(势垒层)
活性层包括由势垒层和阱层构成的情况、和仅由阱层构成的情况这两种。并且，在具有势垒层的情况下，势垒层的带隙通常大于阱层。因此，势垒层由比阱层高的Al组分比的AlGaN形成。
在本发明的深紫外发光元件中，势垒层由用组分式AlVGa1-VN(0.02≤V≤0.99)表示的单晶体形成。
另外，在具有多层势垒层的情况下，只要是在0.5～50nm的厚度范围、上述组分式的范围(0.02≤V≤0.99)内，则各层的厚度、组分可以彼此不同，但在考虑到生产性时，优选是厚度、组分都相同的层。另外，势垒层的厚度优选是2～20nm，更优选达到3～10nm。在各层的组分不同的情况下，和其它层的Al组分比进行比较的层，使用Al组分比最高的势垒层的Al组分比。
(阱层)
阱层是用于使载流子进行再耦合并发光的层。因此，阱层由除p型接触层以外、Al组分是最低的层的AlGaN的单晶体形成。
在用组分式AlWGa1-WN表示阱层的单晶体时，阱层中的Al组分(W)可以根据与其它层的平衡来确定，但优选满足0≤W≤0.97，更优选满足0.10≤W≤0.97，特别优选满足0.30≤W≤0.92。
并且，阱层的膜厚只要是1.5nm以上20nm以下即可。
在具有多层阱层的情况下，是在1.5nm以上20nm以下的厚度范围、组分式的范围(0≤W≤0.97)，优选是厚度、组分都相同的层。
(活性层40的构造)
活性层40是层叠了阱层和势垒层的构造(多层构造)、或者仅阱层的单一构造。
在是仅阱层的单一构造的情况下，阱层是与第一AlGaN层30及电子阻挡层50接触的构造。另外，如后面所述，电子阻挡层50不是必须的。在电子阻挡层50不存在的情况下，阱层还可以与p型包层60接触。
并且，如图4所示，在是多层构造的情况下，可以形成为与n型的第一AlGaN层30接触的层是势垒层40b，与电子阻挡层50接触的层是势垒层43b的构造。通过形成这样的构造，可以防止掺杂剂从n型层及p型层向阱层扩散。另外，图4中示出了势垒层43b与电子阻挡层50接触的例子，但在电子阻挡层50不存在的情况下，势垒层43b还可以与p型包层60接触。
并且，还可以形成为与n型的第一AlGaN层30接触的层是阱层40a，与电子阻挡层50接触的层是阱层42a的构造。通过形成这样的构造，与阱层42a接触的电子阻挡层50成为势垒层，因而可以抑制载流子溢流。另外，在电子阻挡层50不存在的情况下，阱层42a还可以与p型包层60接触。
并且，可以形成为与n型的第一AlGaN层30接触的层是势垒层40b，与电子阻挡层50接触的层是阱层42a的构造。相反，可以形成为与n型的第一AlGaN层30接触的层是阱层40a，与电子阻挡层50接触的层是势垒层43b的构造。通过形成这样的构造，可以调整光场，在制备半导体激光器时容易进行设计。另外，无论在哪个示例中，在电子阻挡层50不存在的情况下，阱层42a、势垒层43b都可以与p型包层60接触。
另外，在势垒层40b～43b中可以添加p型或者n型的掺杂剂。在添加p型掺杂剂的情况下，抑制通过施加电场而从n型层向活性层注入的电子的一部分泄露到p型层侧的效果(载流子溢流的抑制效果)提高，并且可以抑制QCSE(Quantum Confined Stark Effect：量子限制斯塔克效应)。并且，在添加n型掺杂剂的情况下，可以抑制QCSE。
(电子阻挡层50)
电子阻挡层50是根据需要而设置的层。该层的作用在于抑制载流子溢流。因此，虽然电子阻挡层50也可以用后述的p型包层60替代，但是通过设置电子阻挡层50，能够降低p型包层的Al组分、而且使膜厚变薄，其结果是，可以得到降低驱动电压的效果。
在设置电子阻挡层50的情况下，优选电子阻挡层50的带隙比所述活性层40及形成下面详述的p型层的层的带隙大。另外，活性层的带隙是指Al组分为最大的势垒层的带隙。换言之，电子阻挡层50由单晶体形成，该单晶体由Al组分比高于活性层40或p型层的AlGaN构成。优选电子阻挡层50形成于活性层40和下面详述的p型包层60之间。另外，电子阻挡层50的Al组分可以比n型的第一AlGaN层30的Al组分低，但优选由比第一AlGaN层30高的Al组分的AlGaN单晶体形成。即，优选电子阻挡层50由Al组分高于其它任何层的AlGaN单晶层构成。
在电子阻挡层50用组分式AlaGa1-aN表示的情况下，Al组分(a)优选达到0.13≤a≤1.00，更优选达到0.33≤a≤1.00，特别优选达到0.53≤a≤1.00。
并且，电子阻挡层50的Al组分(a)如上所述，优选大于p型包层60的Al组分(b)。
并且，电子阻挡层50可以掺杂p型的掺杂剂，还可以是i型的非掺杂层。在掺杂p型的掺杂剂的情况下，例如，在掺杂了Mg的情况下，优选是杂质浓度达到1×1016～1×1021[cm-3]的范围。另外，在该电子阻挡层50中可以存在掺杂了p型掺杂剂的区域和没有掺杂的区域。在这种情况下，优选是电子阻挡层50整体的杂质浓度达到1×1016～1×1021[cm-3]的范围。
虽然没有特别限制，但是电子阻挡层50优选膜厚在1nm以上50nm以下。并且，电子阻挡层50在不妨碍效果的范围内可以包含In。
(p型包层60)
p型包层60形成于所述电子阻挡层50上。但是，当然在不设置电子阻挡层50的情况下，p型包层60形成于活性层上。
在本发明中，p型包层60用组分式AlbGa1-bN(0.12&lt;b≤1.00)表示，为了进一步发挥更高的效果，Al组分(b)优选0.32≤b≤1.00，特别优选0.52≤b≤1.00。
p型包层60的厚度没有特别限制，但是优选膜厚在1nm以上1μm以下。并且，p型包层60在不妨碍效果的范围内可以包含In。
(p型接触层70)
p型接触层70形成于所述p型包层60上。通过形成p型接触层70，能够易于实现与p型用电极90的欧姆接触，并且能够易于实现该接触阻值的降低。
在设置p型接触层70的情况下，优选p型接触层70的带隙比p型包层60的带隙低。即，优选p型接触层70的Al组分比小于p型包层60的Al组分比。在p型接触层70由用AlcGa1-cN表示的单晶体构成的情况下，Al组分(c)优选0.00～0.70，更优选0.00～0.40，最优选的是p型接触层70利用由GaN(c＝0.00)构成的单晶体形成的情况。并且，该p型接触层70在不妨碍效果的范围内可以包含In。
p型接触层70的厚度没有特别限制，但是优选在1nm以上500nm以下。
(晶片)
本发明还涉及具有上述层叠构造的晶片。以上说明了III族氮化物发光元件，但本发明还包括具有多个该III族氮化物发光元件的晶片。即，包括具有在上述III族氮化物发光元件中说明的层叠构造的III族氮化物晶片。通常，从具有多个III族氮化物发光元件的晶片(具有上述层叠构造的晶片)切取各III族氮化物发光元件进行使用。
【实施例】
下面，通过实施例及比较例详细说明本发明，但本发明不限于下面的实施例。
在下面的实施例及比较例中，利用X射线衍射法(XRD)测量各层的构成元素的比率，利用光致发光法(PL法)求出带隙。XRD测量使用PANalytical B.V.制的X‘Pert PRO，PL法的测量使用HORIBA,Ltd.制的HR800UV。发光波长的测量使用SphereOptics GmbH制的SMS-500，记录了发光强度最大的波长作为发光波长。
实施例1
制备具有图3所示的层叠构造的III族氮化物发光元件。
首先，利用MOCVD法，在直径厚度600μm的C面AlN基板10上形成掺杂了Si的Al0.68Ga0.32N层(ty＝30nm、Si浓度4×1018cm-3)，作为第二AlGaN层20。
然后，形成掺杂了Si的Al0.70Ga0.30N层(tx＝1000nm、Si浓度8×1018cm-3)，作为n型的第一AlGaN层30。
然后，在n型的第一AlGaN层30上，以势垒层和阱层交替层叠的方式，形成四层势垒层(组分Al0.65Ga0.35N、掺杂Si、层厚度7nm、Si浓度1×1018cm-3)、及三层阱层(组分Al0.5Ga0.5N、无掺杂、层厚度1.8nm)，由此形成具有包括三个阱层的量子阱构造(参照图4)的活性层40。一个势垒层形成为与n型的第一AlGaN层30接触，另一个势垒层形成为最外层。
在活性层40上(即作为活性层的最外层的势垒层上)，形成掺杂了Mg的AlN层(层厚度15nm、Mg浓度3×1019cm-3)，作为电子阻挡层50。在电子阻挡层50上形成掺杂了Mg的Al0.8Ga0.2N层(层厚度50nm、Mg浓度3×1019cm-3)，作为p型包层60。并且，在p型包层60上形成掺杂了Mg的GaN层(层厚度270nm、Mg浓度2×1019cm-3)，作为p型接触层70。
然后，在氮气氛围中，在900℃条件下进行了20分钟的热处理。然后，在p型接触层70的表面通过光刻形成规定的抗蚀剂图案，通过反应性离子蚀刻对未形成抗蚀剂图案的窗口部进行蚀刻，一直到n型的第一AlGaN层30的表面露出为止。然后，在所露出的n型的第一AlGaN层30的表面上，利用真空蒸镀法形成Ti(20nm)/Al(200nm)/Au(5nm)电极(n型用电极)，在氮气氛围中，在810℃条件下进行了1分钟的热处理。然后，在p型接触层70的表面上，利用真空蒸镀法形成Ni(20nm)/Au(50nm)电极(p型用电极)，然后在氧气氛围中，在550℃条件下进行了3分钟的热处理。
然后，通过机械研磨使AlN基板背面薄膜化，完成了发光二极管晶片。此时的基板剩余厚度为100μm。通过激光划刻将所制备的发光二极管晶片裁切成800×800μm的多个芯片形状，然后倒装焊接在陶瓷支架上，完成了III族氮化物发光元件。
利用上述制法制备了五批III族氮化物发光元件。
所得到的III族氮化物发光元件在电流注入为150mA时的平均光输出为8.1mW，在电流注入为300mA时的平均光输出为13.6mW。并且，在将150mA驱动时的斜率效率(≡光输出/注入电流量：mW/mA)与300mA驱动时的斜率效率的比率标准化为下降(droop)量时，平均下降量为0.84。并且，150mA驱动时的五批的最大及最小的光输出分别是11.3mW及5.9mW，最大-最小差为5.4mW。
实施例2～5、比较例1～3
在实施例1中，将n型的第一AlGaN层30的Al组分X及膜厚tx、第二AlGaN层20的Al组分Y及膜厚ty按照表1所示进行变更，除此之外进行了与实施例1相同的操作，由此制备了五批氮化物半导体发光元件。所得到的III族氮化物发光元件的评价结果在表2中示出。另外，比较例3因光输出极小而不能进行评价。并且，实施例1～5及比较例1、2的150mA驱动时的平均发光波长都是265nm。
【表1】
【表2】
附图标记列表
1：III族氮化物层叠体
10：基板
11：表层部
20：第二AlGaN层
30：n型的第一AlGaN层
40：活性层
40a、41a、42a：阱层
40b、41b、42b、43b：势垒层
50：电子阻挡层
60：p型包层
70：p型接触层
80：n型用电极
90：p型用电极
100：III族氮化物发光元件

Claims (8)

1.一种III族氮化物层叠体，包括基板和用组分式AlXGa1-XN(0&lt;X≤1)表示的n型的第一AlGaN层，其特征在于，
在所述基板和所述n型的第一AlGaN层之间具有用组分式AlYGa1-YN(0.5&lt;Y≤1，其中Y&lt;X)表示的第二AlGaN层，
在设所述n型的第一AlGaN层的膜厚为tx及所述第二AlGaN层的膜厚为ty时，tx&gt;ty。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物层叠体，其特征在于，
在所述基板中与所述第二AlGaN层接触的最表面具有用组分式AlZGa1-ZN(0.9&lt;Z≤1)表示的表层部。
3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物层叠体，其特征在于，
所述第二AlGaN层的膜厚ty是30～100nm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的III族氮化物层叠体，其特征在于，
所述n型的第一AlGaN层与所述第二AlGaN层的膜厚比tx/ty是2以上100以下。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的III族氮化物层叠体，其特征在于，
所述第二AlGaN层具有n型导电性。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的III族氮化物层叠体，其特征在于，
所述基板是AlN单晶体基板。
7.一种III族氮化物发光元件，其特征在于，
在权利要求1～6中任意一项所述的III族氮化物层叠体的n型的AlGaN层上具有活性层，该活性层具有至少一个以上的阱层，该活性层中的阱层是用组分式AlWGa1-WN(0&lt;W&lt;1)表示的AlGaN层，Al组分W是W≤Y。
8.根据权利要求7所述的III族氮化物发光元件，其特征在于，
发光峰值波长是210～365nm。
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