CN111052411A - 氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
氮化物半导体发光元件(1)包含：n型包覆层(30)，其由n型AlGaN形成；多量子阱层，其在n型包覆层(30)侧具有由AlGaN形成的势垒层(52a)，在上述氮化物半导体发光元件(1)中，还具备触发层(40)，其位于上述n型包覆层(30)和上述势垒层(52a)之间，是包含Si而形成的，在上述n型包覆层(30)和上述多量子阱层形成有以上述n型包覆层(30)中的位错为起始端并在上述多量子阱层内终止的多个V形坑(100)。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法。
背景技术
近年来，输出蓝色光的发光二极管、激光二极管等氮化物半导体发光元件已实用化，提高了发光输出的氮化物半导体发光元件的开发得到推进(参照专利文献1。)。
专利文献1所记载的氮化物半导体发光元件是将n型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、形成发光层的多量子阱层、以及p型氮化物半导体层按此顺序设置而构成的氮化物半导体发光元件，在上述多量子阱层形成有V形坑，上述触发层包括具有与构成上述n型氮化物半导体层的上表面的材料不同的晶格常数的氮化物半导体材料，上述V形坑扩大层包括具有与构成上述n型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的晶格常数的氮化物半导体材料，具有5nm以上5000nm以下的厚度。
可是，在非专利文献1中，记载有多量子阱层中的V形坑的作用。具体地说，在非专利文献1中记载有：当在多量子阱层内存在V形坑时，V形坑的斜面上的量子阱宽度会变窄，因此，由于量子能级的能量变大等效果，实际有效的带隙变大，妨碍了量子阱中的电子、空穴到达V形坑内部，其结果是，抑制了多量子阱层内的非发光再结合。专利文献1所记载的氮化物半导体发光元件涉及的是基于与该多量子阱层中的V形坑的作用相关的技术思想而完成的发明。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特许第5881393号公报
非专利文献
非专利文献1：A.Hangleiter,F.Hitzel,C.Netzel,D.Fuhrmann,U.Rossow,G.Ade,and P.Hinze,“Suppression of Nonradiative Recombination by V-Shaped Pits inGaInN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light EmissionEfficiency”,Physical Review Letters 95,127402(2005)
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所记载的氮化物半导体发光元件中，由于触发层是由具有与构成n型氮化物半导体层的上表面的材料不同的晶格常数的氮化物半导体材料形成的，因此，需要进一步形成包含具有与构成上述n型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的晶格常数的氮化物半导体材料的层作为V形坑扩大层，形成氮化物半导体发光元件的工序变多，并且有可能招致制造成本的上升。
本发明的目的在于，提供一种氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法，其不必将包括具有与构成n型氮化物半导体层的上表面的材料不同的晶格常数的氮化物半导体材料的触发层形成在n型氮化物半导体上，通过在多量子阱层形成V形坑，就能够使发光输出得到提高。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式的氮化物半导体发光元件包含：n型包覆层，其由n型AlGaN形成；以及多量子阱层，其在n型包覆层侧具有由AlGaN形成的势垒层，在上述氮化物半导体发光元件中，还具备触发层，其位于上述n型包覆层和上述势垒层之间，是包含Si而形成的，在上述n型包覆层和上述多量子阱层形成有以上述n型包覆层中的位错为起始端并在上述多量子阱层内终止的多个V形坑。
另外，本发明的另一实施方式的氮化物半导体发光元件的制造方法的特征在于，具备：在基板上形成n型包覆层的工序，上述n型包覆层具有n型AlGaN；形成多量子阱层的工序，上述多量子阱层在上述n型包覆层侧具有势垒层，上述势垒层具有AlGaN；以及形成触发层的工序，上述触发层位于上述n型包覆层和上述势垒层之间，是包含Si而形成的，在形成上述触发层的工序中，一边将Si的供应量调整为上述n型包覆层所包含的位错的密度的5.0×109～5.0×1010倍一边进行形成。
发明效果
根据本发明的一实施方式，能够提供一种氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法，其不必将包括具有与构成n型氮化物半导体层的上表面的材料不同的晶格常数的氮化物半导体材料的触发层形成在n型氮化物半导体上，通过在多量子阱层形成V形坑，就能够使发光输出得到提高。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的构成的一例的概略截面图。
图2A是示出形成有V形坑的氮化物半导体发光元件的一截面的图像。
图2B是将图2A的一部分放大示出的V形坑的放大图像。
图3是示出实施例和比较例的发光波长与发光输出的关系的一例的坐标图。
图4是表示图3所示的实施例和比较例的顺向上供应的电流和发光输出的数据的一例的图。
具体实施方式
[实施方式]
参照图1至图4来说明本发明的实施方式。此外，以下说明的实施方式是作为实施本发明方面的优选的具体例来示出的，虽然也有具体地例示了在技术上优选的各种技术事项的部分，但本发明的技术范围不限于该具体的形式。另外，各附图中的各构成要素的尺寸比并非一定与实际的氮化物半导体发光元件的尺寸比一致。
图1是示出本发明的实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的构成的一例的概略截面图。氮化物半导体发光元件1(以下，也简称为“发光元件1”。)是发出紫外区域的波长的光的发光二极管(Light Emitting Diode：LED)。在本实施方式中，特别列举发出中心波长为250nm～350nm的深紫外光的发光元件1为例来进行说明。
如图1所示，发光元件1构成为包含：基板10、缓冲层20、n型包覆层30、触发层40、多量子阱层50、电子阻挡层60、p型包覆层70、p型接触层80、n侧电极90以及p侧电极92。
构成发光元件1的半导体例如能够使用由AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的III族氮化物半导体。另外，这些III族元素的一部分可以用铟(In)、硼(B)、铊(Tl)等来取代，另外，也可以用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等来取代N的一部分。
基板10对于发光元件1发出的深紫外光具有透光性。基板10例如是包含蓝宝石(Al2O3)的蓝宝石(Al2O3)基板。除了蓝宝石(Al2O3)基板之外，基板10例如也可以使用氮化铝(AlN)基板、氮化铝镓(AlGaN)基板。
缓冲层20形成在基板10上。缓冲层20构成为包含AlN层22、以及形成在AlN层22上的无掺杂的u-AlpGa1-pN层24(0≤p≤1)。另外，基板10和缓冲层20构成基底结构部2。此外，u-AlpGa1-pN层24可以不必一定设置。
n型包覆层30形成在基底结构部2上。n型包覆层30是由n型的AlGaN(以下，也简称为“n型AlGaN”。)形成的层，例如是掺杂有作为n型的杂质的硅(Si)的AlqGa1-qN层(0≤q≤1)。此外，作为n型的杂质，也可以使用锗(Ge)、硒(Se)、碲(Te)、碳(C)等。n型包覆层30具有1μm～3μm左右的厚度，例如具有2μm左右的厚度。n型包覆层30可以是单层，也可以是多层结构。
触发层40形成在n型包覆层30上。触发层40是担负产生在后述的多量子阱层50形成的V形坑100(参照图2A)的责任的层。触发层40具有1～100nm左右的厚度，例如具有25nm左右的厚度。
触发层40是包含硅(Si)而形成的层。触发层40的Si的浓度根据在n型包覆层30内产生的位错等缺陷的密度来适当调整。作为一例，在n型包覆层30内存在1.0×109个/cm3的位错的情况下，触发层40的Si的浓度例如是5.0×1018cm-3～5.0×1019cm-3。
形成发光层的多量子阱层50形成在触发层40上。多量子阱层50是将由AlrGa1-rN形成的包含多量子阱层的n型包覆层30侧的势垒层52a在内的3层的势垒层52a、52b、52c与由AlsGa1-sN形成的3层的阱层54a、54b、54c(0≤r≤1，0≤s≤1，r＞s)交替地层叠而成的。多量子阱层50为了输出波长为350nm以下的深紫外光而构成为带隙在3.4eV以上。此外，在本实施方式中，在多量子阱层50设置了3个势垒层52a、52b、52c和3个阱层54a、54b、54c，但层的数量不限于3个，也可以是2个，还可以是4个以上。
接下来，参照图2A、图2B来说明V形坑100。图2A是示出形成有V形坑100的氮化物半导体发光元件的一截面的图像，图2B是将图2A的一部分(图2A的圆圈部分)放大示出的V形坑100的放大图像。此外，图2A、图2B所示的图像均为SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)观察图像。
如图2A所示，在多量子阱层50形成有多个V形坑100。所谓V形坑100，例如是由于在生长中可能产生的晶体位移等而产生的一种晶体缺陷。这些多个V形坑100是由于设置了触发层40而由存在于n型包覆层30的位错等缺陷处产生的。如图2B所示，V形坑100经由多个势垒层52a、52b、52c和阱层54a、54b、54c在发光元件1的厚度方向上延伸，具有顶点100a朝向n型包覆层30侧(图示下侧)配置的大致倒圆锥形的形状(参照图2B中的虚线)。
换言之，V形坑100的纵截面如图2B所示的那样具有朝向电子阻挡层60侧(图示上侧)开放的大致V字型的形状，V形坑100的横截面具有大致圆形状。在此，所谓纵截面，是指与发光元件1的厚度方向平行的截面，所谓横截面，是指与发光元件1的厚度方向垂直的截面。此外，V形坑100的形状不限于大致圆锥形，也可以是六棱锥形状、多棱锥形状、楕圆锥形状、圆柱状、多棱柱状等。
V形坑100的顶点100a从n型包覆层30中的位错处产生，V形坑100的底面100b在多量子阱层50内终止。优选地，V形坑100的底面100b的直径为100nm以下。此外，在V形坑100的底面100b不具有圆形状的情况下，所谓V形坑100的直径，是指将V形坑100的底面100b的形状例如以外接圆等近似成圆形时的直径。另外，V形坑100具有10nm～30nm左右的厚度，例如具有20nm左右的厚度。在此，所谓V形坑的厚度是指V形坑100在纵截面中沿发光元件1的厚度方向的长度。
电子阻挡层60形成在多量子阱层50上。电子阻挡层60是由p型的AlGaN(以下，也简称为“p型AlGaN”。)形成的层。电子阻挡层60具有1nm～10nm左右的厚度。此外，电子阻挡层60也可以包含由AlN形成的层。另外，电子阻挡层60并非一定限于p型的半导体层，也可以是无掺杂的半导体层。
p型包覆层70形成在电子阻挡层60上。p型包覆层70是由p型AlGaN形成的层，例如是掺杂有作为p型的杂质的镁(Mg)的AltGa1-tN包覆层(0≤t≤1)。此外，作为p型的杂质，也可以使用锌(Zn)、铍(Be)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)等。p型包覆层70具有300nm～700nm左右的厚度，例如具有400nm～600nm左右的厚度。
p型接触层80形成在p型包覆层70上。p型接触层80例如是以高浓度掺杂有Mg等杂质的p型的GaN层。
n侧电极90形成在n型包覆层30的一部分的区域上。n侧电极90例如由在n型包覆层30之上按顺序层叠钛(Ti)/铝(Al)/Ti/金(Au)而成的多层膜形成。
p侧电极92形成在p型接触层80之上。p侧电极92例如由在p型接触层80之上按顺序层叠的镍(Ni)/金(Au)的多层膜形成。
接下来，对发光元件1的制造方法进行说明。在基板10上形成缓冲层20。具体地说，在基板10上，使AlN层22和无掺杂的u-Al1-pGapN层24高温生长。接下来，在缓冲层20上使n型包覆层30高温生长。
接下来，一边根据高温n型包覆层30内包含的位错等缺陷密度适当调整Si的掺杂量，一边在n型包覆层30上使触发层40高温生长。例如，以Si的浓度成为上述的5.0×1018cm-3～5.0×1019cm-3的方式调整Si的掺杂量。接下来，在触发层40上使多量子阱层50、电子阻挡层60以及p型包覆层70按顺序高温生长。
n型包覆层30、触发层40、多量子阱层50、电子阻挡层60以及p型包覆层70能够使用有机金属化学气相生长法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy：MBE)、卤化物气相外延法(Halide Vapor PhaseEpitaxy：NVPE)等周知的外延生长法来形成。
接下来，在p型包覆层70之上形成掩模，将未形成有掩模的露出区域的触发层40、多量子阱层50、电子阻挡层60以及p型包覆层70除去。触发层40、多量子阱层50、电子阻挡层60以及p型包覆层70的除去例如能够通过等离子体蚀刻来进行。在n型包覆层30的露出面30a(参照图1)上形成n侧电极90，在除去了掩模的p型接触层80上形成p侧电极92。n侧电极90和p侧电极92例如能够通过电子束蒸镀法、溅射法等周知的方法来形成。至此，形成图1所示的发光元件1。
(实施例)
如上所述，触发层40含有与n型包覆层30的位错等缺陷密度相应的掺杂量的Si。该触发层40配置在上述n型包覆层30与在上述n型包覆层30侧的最外层具有由AlGaN形成的势垒层52a的多量子阱层50之间。通过该构成，以上述n型包覆层30的位错等缺陷为起始端并经由上述多量子阱层50的多个势垒层52a、52b、52c和阱层54a、54b、54c延伸的大致倒圆锥状的与上述缺陷密度相应的多个V形坑100，会以上述多量子阱层50的例如上述电子阻挡层60侧(与上述n型包覆层30相反的一侧)的最外层的由AlGaN形成的阱层54c为终止端来形成。确认了该多个V形坑100会提高发光元件1的发光输出。
接下来，参照图3对确认了会提高发光输出的实验进行说明。图3是示出实施例和比较例的顺向上供应的电流与发光输出的关系的一例的坐标图。图3的横轴表示对发光元件1施加的电流(mA)，纵轴表示发光输出(任意单位)。记号A示出实施例的情况，记号B示出比较例的情况。图4是示出图3所示的实施例和比较例的顺向上供应的电流和发光输出的数据的表。此外，作为比较例，使用的是具有从上述的发光元件1除去了触发层40的构成的发光元件。
如图3和图4所示，在实施例中，在施加了约20mA的电流时，大概得到了1700的发光输出，在施加了约60mA的电流时，大概得到了5000的发光输出，在施加了100mA的电流时，大概得到了7800的发光输出，在施加了150mA的电流时，大概得到了11000的发光输出。相对于此，在比较例中，在施加了约20mA的电流时，大概得到了1300的发光输出，在施加了约60mA的电流时，大概得到了3500的发光输出，在施加了100mA的电流时，大概得到了5000的发光输出，在施加了150mA的电流时，大概得到了7400的发光输出。
综上，实施例的发光输出在施加了20mA的电流时为比较例的发光输出的约1.31倍，在施加了60mA的电流时为比较例的发光输出的约1.43倍，在施加了100mA的电流时为比较例的发光输出的约1.56倍，在施加了150mA的电流时，实施例的发光输出为比较例的发光输出的约1.49倍。如上所示，实施例的发光输出在所施加的电流的范围内至少提高了20％以上。从这些结果来看，发光元件1的发光输出显然上升了。
(实施方式的作用和效果)
如以上所说明的那样，在本发明的实施方式所涉及的发光元件1中，在n型包覆层30与多量子阱层的n型包覆层30侧的势垒层52a之间设置有包含与n型包覆层30的位错等缺陷密度相应的掺杂量的Si的触发层40。由于该触发层40，会从n型包覆层30内所产生位错等缺陷处产生V形坑，在多量子阱层50内形成经由多个势垒层52a、52b、52c和阱层54a、54b、54c延伸的大致倒圆锥形状的多个V形坑。通过所述的构成，在本发明所涉及的发光元件1中，能使深紫外光的发光输出上升。可以认为这是因为，由于设置这样的触发层40而在多量子阱层内形成的V形坑能够抑制由在多量子阱层内可能产生的位错所致的非发光再结合。
(实施方式的总结)
接下来，援用实施方式中的附图标记等来记载从以上说明的实施方式掌握的技术思想。不过，以下的记载中的各附图标记等不限于在实施方式中具体地示出了权利要求书中的构成要素的构件等。
[1]一种氮化物半导体发光元件(1)，包含：n型包覆层(30)，其由n型AlGaN形成；以及多量子阱层(50)，其在上述n型包覆层(30)侧具有由AlGaN形成的势垒层(52a、52b、52c)，在上述氮化物半导体发光元件(1)中，还具备触发层(40)，其位于上述n型包覆层(30)和上述势垒层(52a)之间，是包含Si而形成的，在上述n型包覆层(30)和上述多量子阱层(50)形成有以上述n型包覆层(30)中的位错为起始端并在上述多量子阱层(50)内终止的多个V形坑(100)。
[2]根据上述[1]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述触发层(40)的Si浓度是上述n型包覆层(30)中的上述位错的密度的5.0×109～5.0×1010倍。
[3]根据上述[1]或[2]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述V形坑(100)具有在上述氮化物半导体发光元件(1)的厚度方向上延伸的大致倒圆锥状的形状。
[4]根据上述[3]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述V形坑(100)在与上述氮化物半导体发光元件(1)的厚度方向垂直的截面中具有具备100nm以下的直径的圆形状。
[5]根据上述[1]或[2]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述V形坑(100)具有10nm～30nm的厚度。
[6]一种氮化物半导体发光元件(1)的制造方法，其特征在于，具备：在基板(10)上形成n型包覆层(30)的工序，上述n型包覆层(30)具有n型AlGaN；形成多量子阱层(50)的工序，上述多量子阱层(50)在上述n型包覆层(30)侧具有势垒层(52a、52b、52c)，上述势垒层(52a、52b、52c)具有AlGaN；以及形成触发层(40)的工序，上述触发层(40)位于上述n型包覆层(30)和上述势垒层(52a)之间，是包含Si而形成的，在形成上述触发层(40)的工序中，一边将Si的供应量调整为上述n型包覆层(30)所包含的位错的密度的5.0×109～5.0×1010倍一边进行形成。
工业上的可利用性
提供一种氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法，其不必将包括具有与构成n型氮化物半导体层的上表面的材料不同的晶格常数的氮化物半导体材料的触发层形成在n型氮化物半导体上，通过在多量子阱层形成V形坑，就能够使发光输出得到提高。
附图标记说明
1…氮化物半导体发光元件(发光元件)
10…基板
30…n型包覆层
40…触发层
50…多量子阱层
52、52a、52b、52c…势垒层
54、54a、54b、54c…阱层
100…V形坑。
Claims (6)
1.一种氮化物半导体发光元件，包含：
n型包覆层，其由n型AlGaN形成；以及
多量子阱层，其在上述n型包覆层侧具有由AlGaN形成的势垒层，
在上述氮化物半导体发光元件中，
还具备触发层，其位于上述n型包覆层和上述势垒层之间，是包含Si而形成的，
在上述n型包覆层和上述多量子阱层形成有以上述n型包覆层中的位错为起始端并在上述多量子阱层内终止的多个V形坑。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
上述触发层的Si浓度是上述n型包覆层中的上述位错的密度的5.0×109～5.0×1010倍。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，
上述V形坑具有在上述氮化物半导体发光元件的厚度方向上延伸的大致倒圆锥状的形状。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，
上述V形坑在与上述氮化物半导体发光元件的厚度方向垂直的截面中具有100nm以下的直径的圆形状。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，
上述V形坑具有10nm～30nm的厚度。
6.一种氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，具备：
在基板上形成n型包覆层的工序，上述n型包覆层具有n型AlGaN；
形成多量子阱层的工序，上述多量子阱层在上述n型包覆层侧具有势垒层，上述势垒层具有AlGaN；以及
形成触发层的工序，上述触发层位于上述n型包覆层和上述势垒层之间，是包含Si而形成的，
在形成上述触发层的工序中，一边将Si的供应量调整为上述n型包覆层所包含的位错的密度的5.0×109～5.0×1010倍一边进行形成。
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