CN112349820A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

提供一种能够提高发光输出的氮化物半导体发光元件。氮化物半导体发光元件具备：活性层，其包含势垒层；p型接触层，其位于活性层的上侧；以及电子阻挡层叠体，其位于活性层和p型接触层之间，电子阻挡层叠体具备：第1电子阻挡层，其位于活性层侧，具有比势垒层的Al组分比大的Al组分比；以及第2电子阻挡层，其位于p型接触层侧，具有比势垒层的Al组分比小的Al组分比。

Description

氮化物半导体发光元件

技术领域

本发明涉及氮化物半导体发光元件。

背景技术

近年来，输出紫外光的发光二极管、激光二极管等氮化物半导体发光元件已实用化，并在推进能提高发光输出的氮化物半导体发光元件的开发(参照专利文献1)。

专利文献1所述的发光元件具备形成在III族氮化物单晶上并包括势垒层和阱层的多量子阱层，且以使该势垒层中的位于p型的III族氮化物层侧的最终阻隔层的厚度为2nm至10nm，使该阱层的厚度分别为2nm以下的方式进行了调整。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】特许第5641173号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，即使如专利文献1所述的发光元件那样实施了将最终阻隔层和阱层的膜厚最佳化的举措，有时也无法得到足够的发光强度，关于提高发光强度，仍有进一步改善的余地。

因此，本发明的目的在于，提供一种能够提高发光输出的氮化物半导体发光元件。

用于解决问题的方案

本发明以解决上述问题为目的，提供一种氮化物半导体发光元件，其具备：活性层，其包含势垒层；p型接触层，其位于上述活性层的上侧；以及电子阻挡层叠体，其位于上述活性层和上述p型接触层之间，上述电子阻挡层叠体具备：第1电子阻挡层，其位于上述活性层侧，具有比上述势垒层的Al组分比大的Al组分比；以及第2电子阻挡层，其位于上述p型接触层侧，具有比上述势垒层的Al组分比小的Al组分比。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够提高发光输出的氮化物半导体发光元件。

附图说明

图1是概略地示出本发明的第1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截面图。

图2是示意性地示出构成本发明的第1实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的半导体层的Al组分比的一例的图。

图3是概略地示出本发明的第2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截面图。

图4是示意性地示出构成本发明的第2实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的半导体层的Al组分比的一例的图。

图5是示意性地示出构成本发明的第3实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的半导体层的Al组分比的一例的图。

图6是示出本发明的实施方式所涉及的发光元件的发光输出的测定结果的一例的图。

附图标记说明

1…氮化物半导体发光元件(发光元件)

11…基板

12…缓冲层

30…n型包覆层

30a…露出面

50…活性层

52、52a、52b、52c…势垒层

54、54a、54b、54c…阱层

60…电子阻挡层叠体

61…第1电子阻挡层

62…第2电子阻挡层

70…p型包覆层

80…p型接触层

90…n侧电极

92…p侧电极。

具体实施方式

参照附图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子来示出的，虽然也有具体地例示了在技术上优选的各种事项的部分，但本发明的技术范围不限于该具体的形式。另外，图1和图3所示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。

[第1实施方式]

(氮化物半导体发光元件的构成)

图1是概略地示出本发明的第1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截面图。图2是示意性地示出构成图1所示的氮化物半导体发光元件的半导体层的Al组分比(也称为“AlN摩尔分数”)的一例的图。该氮化物半导体发光元件1(以下，也简称为“发光元件1”)例如包含激光二极管、发光二极管(Light Emitting Diode：LED)。在本实施方式中，作为发光元件1，将发出中心波长为250nm～360nm的紫外光的发光二极管(LED)举作例子进行说明。

如图1所示，发光元件1构成为包含：基板11；缓冲层12；n型包覆层30；活性层50；电子阻挡层叠体60，其层叠有多个电子阻挡层；p型接触层80；n侧电极90；以及p侧电极92。

活性层50具备：包含位于n型包覆层30侧的势垒层52a在内的3个势垒层52a、52b、52c；以及包含位于电子阻挡层叠体60侧的阱层54c在内的3个阱层54a、54b、54c。电子阻挡层叠体60具有将第1电子阻挡层61与第2电子阻挡层62按顺序层叠而成的结构。此外，在以下的说明中，当对3个势垒层52a、52b、52c进行统称时，也称为“势垒层52”，当对3个阱层54a、54b、54c进行统称时，也称为“阱层54”。

构成发光元件1的半导体例如能够使用由Al_rGa_sIn_1-r-sN(0≤r≤1，0≤s≤1，0≤r+s≤1)表示的二元系、三元系或者四元系的III族氮化物半导体。另外，可以用硼(B)、铊(Tl)等来取代这些III族元素的一部分，另外，也可以用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)等来取代N的一部分。以下，对各构成要素进行说明。

(1)基板11

基板11是对发光元件1发出的紫外光具有透光性的基板。基板11例如使用由蓝宝石(Al₂O₃)形成的蓝宝石基板。此外，基板11也可以是由氮化铝(AlN)形成的AlN单晶基板。

(2)缓冲层12

缓冲层12形成在基板11上。缓冲层12是由AlN形成的AlN层。缓冲层12具有1.0μm至4.5μm左右的膜厚。缓冲层12的结构可以是单层，也可以是多层结构。此外，在基板11为AlN单晶基板的情况下，缓冲层12可以不必一定设置。也可以在缓冲层12上设置由AlGaN形成的无掺杂的AlGaN层。

(3)n型包覆层30

n型包覆层30形成在缓冲层12上。n型包覆层30是由n型AlGaN形成的层，例如是掺杂有作为n型的杂质的硅(Si)的AlGaN层。此外，作为n型的杂质，也可以使用锗(Ge)、硒(Se)或碲(Te)等。n型包覆层30具有1μm至4μm左右的膜厚，例如具有2μm至3μm左右的膜厚。

另外，形成n型包覆层30的n型AlGaN的Al组分比大于形成阱层的AlGaN的Al组分比。这是为了在发光元件为以倒装芯片型来安装的构成、即从n型包覆层30侧取出从活性层50出射的光的构成的情况下，抑制出现该出射的光被n型包覆层30吸收而光的取出效率下降的情况。此外，n型包覆层30的结构可以是单层，也可以是多层结构。

(4)活性层50

活性层50形成在n型包覆层30上。在本实施方式中，活性层50具有将3层的势垒层52a、52b、52c和3层的阱层54a、54b、54c交替层叠而成的量子阱结构。

势垒层52例如具有3nm至50nm左右的范围的膜厚。另外，阱层54例如具有1nm至5nm左右的范围的膜厚。势垒层52和阱层54的数量不限于3个，势垒层52和阱层54也可以分别各设置1个，也可以各设置2个，还可以设置4个以上。在此，将势垒层52和阱层54分别各设置有1个的构成也称为单量子阱结构(SQW：Single Quantum Well)，将势垒层52和阱层54分别各设置有多个的构成也称为多量子阱结构(MQW：Multi Quantum Well)。

如图2所示，势垒层52是包含Al_xGa_1-xN而形成的，阱层54是包含Al_aGa_1-aN而形成的(0≤x≤1，0≤a≤1，a＜x)。在此，x是形成势垒层52的AlGaN的Al组分比(以下，也称为“势垒层52的Al组分比”)，a是形成阱层54的AlGaN的Al组分比(以下，也称为“阱层54的Al组分比”)。

另外，为了能够使活性层50输出波长为360nm以下的紫外光而以活性层50内的带隙在3.4eV以上的形式分别对势垒层52的Al组分比x和阱层54的Al组分比a进行适当调整。

(5)电子阻挡层叠体60

电子阻挡层叠体60形成在活性层50上。电子阻挡层叠体60是担负抑制电子向p型接触层80侧流出的作用的层。电子阻挡层叠体60包含将位于活性层50侧的第1电子阻挡层61与位于该第1电子阻挡层61上的第2电子阻挡层62层叠而成的结构。

第1电子阻挡层61和第2电子阻挡层62均是由p型AlGaN形成的层，例如是掺杂有作为p型的杂质的镁(Mg)的AlGaN层。此外，作为p型的杂质，也可以使用锌(Zn)、铍(Be)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)或碳(C)等。此外，电子阻挡层61也可以是无掺杂的。

具体地说，第1电子阻挡层61是包含Al_bGa_1-bN而构成的，第2电子阻挡层62是包含Al_yGa_1-yN而构成的(0≤b≤1，0≤y≤1)。在此，b是形成第1电子阻挡层61的p型AlGaN的Al组分比(以下，也称为“第1电子阻挡层61的Al组分比”)，y是形成第2电子阻挡层62的p型AlGaN的Al组分比(以下，也称为“第2电子阻挡层62的Al组分比”)。在将Al组分比低的第2电子阻挡层62配置于比第1电子阻挡层61靠活性层50侧的情况下，溢出至Al组分比高的第1电子阻挡层61的位置的电子的存在概率会提高。所以，阱层54中的电子的存在概率会减小，发光效率相应地下降。因而，为了提高阱层54中的电子的存在概率来提升发光效率，Al组分比高的第1电子阻挡层61被设置在活性层50侧。

如图2所示，第2电子阻挡层62的Al组分比y小于第1电子阻挡层61的Al组分比b(y＜b)。通过由包含第1电子阻挡层61和第2电子阻挡层62的多个层构成电子阻挡层叠体60，使第1电子阻挡层61的Al组分比b高于第2电子阻挡层62，能够提高上述的电子阻挡层叠体60的功能，即能够提高抑制电子向p型接触层80侧流出的功能。

另外，通过使第2电子阻挡层62的Al组分比y低于第1电子阻挡层61，能够抑制由于提高电子阻挡层叠体60整体的Al组分比而可能发生的电阻增加。即，通过由Al组分比不同的2个层构成电子阻挡层叠体60，并调整其组分比和层厚，能够兼顾抑制电子流出与抑制电阻增加。

另外，通过如上述那样使第2电子阻挡层62的Al组分比y小于一定的值(作为一例，第1电子阻挡层61的Al组分比b)，能够抑制在Al组分比高的情况下由于Mg等杂质变得难以掺杂而可能发生的发光效率的下降。

另外，如图2所示，第1电子阻挡层61的Al组分比b大于势垒层52的Al组分比x(即，x＜b)。第2电子阻挡层62的Al组分比y小于势垒层52的Al组分比x(即，y＜x)且大于阱层54的Al组分比a(即，a＜y)。综上，各Al组分比a、b、x、y满足a＜y＜x＜b的关系。将各Al组分比a、b、x、y的具体例子汇总在以下的表1中。

【表1】

表1：关于A1组分比

第2电子阻挡层62的膜厚大于第1电子阻挡层61的膜厚。第2电子阻挡层62例如具有第1电子阻挡层61的膜厚的5倍以上20倍以下的膜厚。作为一例，第1电子阻挡层61具有1nm以上10nm以下的膜厚，第2电子阻挡层62具有5nm以上100nm以下的膜厚。

电子阻挡层的Al组分比越高或者电子阻挡层的膜厚越厚，就越能够提高抑制电子流出的功能，但当增大Al组分比高的层的膜厚时，发光元件1的电阻有可能会变大。然而，若如上述那样使Al组分比低的第2电子阻挡层62的膜厚大于Al组分比高的第1电子阻挡层61的膜厚，则既能够将Al组分比高的第1电子阻挡层61层叠得薄，又能够将电子阻挡层叠体60整体的膜厚保持在一定厚度以上。因此，只要使第2电子阻挡层62的膜厚大于第1电子阻挡层61的膜厚，就既能够抑制电子阻挡层叠体60的电阻上升，又能够提高抑制电子流出的功能。

(6)p型接触层80

p型接触层80形成在电子阻挡层叠体60上，具体是形成在第2电子阻挡层62上。p型接触层80例如是由以高浓度掺杂有Mg等杂质的例如具有10％以下的Al组分比的p型AlGaN形成的层。优选p型接触层80是由p型的GaN形成的p型GaN层。

(7)n侧电极90

n侧电极90形成在n型包覆层30的一部分区域上。n侧电极90例如由在n型包覆层30上按顺序将钛(Ti)/铝(Al)/Ti/金(Au)依次层叠而成的多层膜形成。

(8)p侧电极92

p侧电极92形成在p型接触层80上。p侧电极92例如由在p型接触层80上按顺序层叠的镍(Ni)/金(Au)的多层膜形成。

(发光元件1的制造方法)

接下来，说明发光元件1的制造方法。首先，在基板11上使缓冲层12高温生长。接下来，在该缓冲层12上按顺序层叠n型包覆层30、活性层50、电子阻挡层叠体60和p型接触层80，形成具有规定的直径(例如，50mm左右)的圆板状的氮化物半导体层叠体(也称为“晶片”或“晶圆”)。

这些n型包覆层30、活性层50、电子阻挡层叠体60和p型接触层80可以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(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE)等周知的外延生长法来形成。

接下来，在p型接触层80上形成掩模，将活性层50、电子阻挡层叠体60和p型接触层80中未形成掩模的各自的露出区域除去。活性层50、电子阻挡层叠体60和p型接触层80的除去例如可以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例如可以通过电子束蒸镀法、溅射法等周知的方法来形成。通过将该晶片切分为规定的尺寸，形成图1所示的发光元件1。

[第2实施方式]

图3是概略地示出本发明的第2实施方式所涉及的发光元件1的构成的一例的截面图。图4是示意性地示出构成图3所示的发光元件1的半导体层的Al组分比的一例的图。第2实施方式所涉及的发光元件1具有p型包覆层70，这一点与第1实施方式的发光元件1不同。以下，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明。

本实施方式所涉及的发光元件1在上述的第1实施方式所涉及的发光元件1的构成的基础上，还具备位于电子阻挡层叠体60与p型接触层80之间的p型包覆层70。p型包覆层70具有10nm～1000nm左右的膜厚，例如具有20nm～800nm左右的膜厚。p型包覆层70是由p型AlGaN形成的层。

具体地说，p型包覆层70是包含Al_zGa_1-zN而构成的(0≤z≤1)。在此，z是形成p型包覆层70的p型AlGaN的Al组分比(以下，也称为“p型包覆层70的Al组分比”)。

如图4所示，p型包覆层70的Al组分比z为第2电子阻挡层62的Al组分比y以下(即，z≤y)且大于阱层54的Al组分比a(即，a＜z)。综上，各Al组分比a、b、x、y、z满足a＜z≤y＜x＜b的关系。此外，作为一例，p型包覆层70的Al组分比z为0％以上70％以下。

通过进一步设置具有比第2电子阻挡层62的Al组分比y小的Al组分比z的p型包覆层70，能够进一步提高抑制由于增大Al组分比而可能发生的电阻增加的功能。

[第3实施方式]

图5是示意性地示出构成第3实施方式所涉及的发光元件1的半导体层的Al组分比的一例的图。第3实施方式所涉及的发光元件1具有Al组分比在膜厚的方向上倾斜的p型包覆层70，这一点与第1实施方式的发光元件1不同。以下，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明。此外，第3实施方式所涉及的发光元件1的构成与图3所示的第2实施方式所涉及的发光元件1实质上相同，因此省略其详细说明。

本实施方式所涉及的发光元件1在上述的第1实施方式所涉及的发光元件1的构成的基础上，还具备位于电子阻挡层叠体60与p型接触层80之间的p型包覆层70。p型包覆层70的Al组分比z随着去往p型接触层80而减小。Al组分比z的倾斜率(去往p型接触层80侧的方向上的减小率)为0.025/nm以上0.20/nm以下(即，2.5％/nm以上20％/nm以下)。

此外，p型包覆层70的Al组分比z可以不必一定如图5所示的那样以直线形式减小，例如也可以按阶梯状阶段性地减小，或者还可以按曲线(例如，二次函数曲线、指数函数曲线等)状减小。在p型包覆层70的Al组分比z按曲线状减小的情况下，为了与p型接触层80的Al组分比平滑连接，优选使Al组分比的减小率随着去往p型接触层80而变小。

另外，在Al组分比倾斜的情况下，上述的Al组分比的关系式(即，a＜z≤y＜x＜b)对于p型包覆层70的Al组分比z的最大值是成立的。在此，p型包覆层70的Al组分比z的最大值是指p型包覆层70的第2电子阻挡层62侧的Al组分比。换言之，p型包覆层70的Al组分比的最小值(即，p型包覆层70的p型接触层80侧的Al组分比)也可以小于阱层的Al组分比a。此外，在p包覆层70与第2电子阻挡层62之间，Al组分比z也可以是不连续的(z＜y)。

通过如以上这样使p型包覆层70的Al组分比z在厚度方向上倾斜，p型接触层80的Al组分比与p型包覆层70的Al组分比之间的高低差得以减小，因此认为更加能够抑制在Al组分比不连续之处由于晶格失配而造成的位错的发生。

(发光输出)

图6是示出上述的实施方式所涉及的发光元件1的发光输出的测定结果的一例的图。横轴的“实施例1”表示第1实施方式所涉及的发光元件1的测定结果，“实施例2”表示第2实施方式所涉及的发光元件1的测定结果，“实施例3”表示第3实施方式所涉及的发光元件1的测定结果。发光输出能通过各种公知的方法来测定，但在本实施例中，作为一例，是在上述的n侧电极90和p侧电极92之间流通一定的电流(例如，100mA)，通过设置在发光元件1的下侧的光检测器来进行测定。

如图6所示，在实施例1中，中心波长279nm处的光输出为7.2×10³μW。另外，在实施例2中，中心波长275nm处的光输出为7.6×10³μW。而且，在实施例3中，中心波长282nm处的光输出为8.6×10³μW。根据该测定结果得以确认，通过设置具有比第2电子阻挡层62的Al组分比y小的Al组分比z的p型包覆层70或具有倾斜的Al组分比z的p型包覆层70，发光输出会进一步提高。

(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并不是将权利要求书中的构成要素限定于实施方式中具体示出的构件等。

[1]一种氮化物半导体发光元件(1)，具备：活性层(50)，其包含AlGaN系的势垒层(52)；p型接触层(80)，其位于上述活性层(50)的上侧；以及电子阻挡层叠体(60)，其位于上述活性层(50)和上述p型接触层(80)之间，上述电子阻挡层叠体(60)具备：第1电子阻挡层(61)，其位于上述活性层(50)侧，具有比上述势垒层(52)的Al组分比大的Al组分比；以及第2电子阻挡层(62)，其位于上述p型接触层(80)侧，具有比上述势垒层(52)的Al组分比小的Al组分比。

[2]根据上述[1]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述活性层(50)还具备阱层(54)，上述阱层(54)具有比上述势垒层(52)的Al组分比小的Al组分比，上述第2电子阻挡层(62)的Al组分比大于上述阱层(54)的Al组分比。

[3]根据上述[1]或[2]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述第2电子阻挡层(62)具有比上述第1电子阻挡层(61)的膜厚大的膜厚。

[4]根据上述[3]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述第2电子阻挡层(62)具有上述第1电子阻挡层(61)的膜厚的5倍以上20倍以下的膜厚。

[5]根据上述[1]至[4]中的任意一项所述的氮化物半导体发光元件(1)，在上述第2电子阻挡层(62)和上述p型接触层(80)之间还具备p型包覆层(70)，上述p型包覆层(70)是由具有比上述第2电子阻挡层(62)的Al组分比小且比上述阱层(54)的Al组分比大的Al组分比的p型的AlGaN形成的。

[6]根据上述[5]所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述p型包覆层(70)具有在膜厚的方向上倾斜的Al组分比。

[7]根据上述[1]至[6]中的任意一项所述的氮化物半导体发光元件(1)，上述第1电子阻挡层(61)的Al组分比为80％以上，上述第2电子阻挡层(62)的Al组分比为40％以上90％以下。

Claims (7)

1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备：

活性层，其包含AlGaN系的势垒层；

p型接触层，其位于上述活性层的上侧；以及

电子阻挡层叠体，其位于上述活性层和上述p型接触层之间，

上述电子阻挡层叠体具备：

第1电子阻挡层，其位于上述活性层侧，具有比上述势垒层的Al组分比大的Al组分比；以及

第2电子阻挡层，其位于上述p型接触层侧，具有比上述势垒层的Al组分比小的Al组分比。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，

上述活性层还具备阱层，上述阱层具有比上述势垒层的Al组分比小的Al组分比，

上述第2电子阻挡层的Al组分比大于上述阱层的Al组分比。

3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，

上述第2电子阻挡层具有比上述第1电子阻挡层的膜厚大的膜厚。

4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，

上述第2电子阻挡层具有上述第1电子阻挡层的膜厚的5倍以上20倍以下的膜厚。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的氮化物半导体发光元件，

在上述第2电子阻挡层和上述p型接触层之间还具备p型包覆层，上述p型包覆层是由具有比上述第2电子阻挡层的Al组分比小且比上述阱层的Al组分比大的Al组分比的p型的AlGaN形成的。

6.根据权利要求5所述的氮化物半导体发光元件，

上述p型包覆层具有在膜厚的方向上倾斜的Al组分比。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的氮化物半导体发光元件，

上述第1电子阻挡层的Al组分比为80％以上，

上述第2电子阻挡层的Al组分比为40％以上90％以下。

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