CN113169255A - Iii族氮化物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供兼顾高发光输出和优异可靠性的III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。基于本发明的III族氮化物半导体发光元件在基板上依次具备n型半导体层、发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型接触层和p侧反射电极，从前述发光层发出的光的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，前述p型AlGaN电子阻挡层的Al组成比为0.40以上且0.80以下，前述p型接触层的膜厚为10nm以上且50nm以下，且该p型接触层具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层。

Description

III族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III族氮化物半导体发光元件及其制造方法，尤其涉及兼顾高发光输出和优异可靠性的III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。

背景技术

由Al、Ga、In等III族元素与N的化合物构成的III族氮化物半导体是具有直接过渡型带结构的宽带隙半导体，其是可期待杀菌、净水、医疗、照明、高密度光记录等广泛应用领域的材料。尤其是，发光层使用了III族氮化物半导体的发光元件通过调整III族元素的含有比率而能够覆盖深紫外光至可见光的区域，正在推进在各种光源中的实用化。

使用III族氮化物半导体得到的深紫外光发光元件的发光效率通常极低，据称其难以实现高输出化。然而，为了实现小型且高输出的深紫外发光元件，除了提高内量子效率之外，还进行了各种用于实现高光取出效率、低电阻特性等的尝试。

发出深紫外光的深紫外发光元件通常如下制作。即，在蓝宝石、AlN单晶等基板上形成缓冲层，依次形成由III族氮化物半导体构成的n型半导体层、发光层、p型半导体层。接着，分别形成与n型半导体层电连接的n侧电极、与p型半导体层电连接的p侧电极。此处，为了获得欧姆接触，至今为止通常在p型半导体层的p侧电极侧形成容易提高空穴浓度的p型GaN接触层。然而，p型GaN接触层因其带隙而会吸收波长为360nm以下的光。

专利文献1公开了在具有较高Al组成比的AlGaInN层上设置有膜厚为0.01μm以上且0.3μm以下的GaN层的III族氮化物半导体元件。专利文献1中，通过将GaN层的生长模式设为接近FM(Frank-van der Merwe)模式的状态(准FM模式)并使其生长，从而在GaN层的结晶刚生长后起使其表面平滑。其结果，即便将在Al组成比高的AlGaInN层上形成的GaN层的膜厚减薄的情况下，也能够使表面平滑。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-232364号公报

发明内容

发明要解决的问题

通过专利文献1的技术，能够减薄p型GaN接触层的膜厚，因此可期待能够抑制由该层导致的光吸收，能够提高III族氮化物半导体元件的光取出效率。

根据本发明人的实验，在将p型GaN接触层的膜厚极度减薄至50nm以下的情况下，能够获得与现有技术相比发光输出高的III族氮化物半导体元件。然而确认到：如此制作的III族氮化物半导体发光元件的一部分样品会出现发光输出突然劣化至与初始发光输出相比减半这一程度的现象。本说明书中，将这种发光输出突然劣化的现象称作“猝灭”。具体而言，将发光面积设为0.057mm²的III族氮化物半导体发光元件的样品以20mA进行通电来测定初始的发光输出，接着，以100mA通电3秒钟后，再次以20mA进行测定时，将确认到与初始发光输出相比输出降低一半以上的样品视作发生了猝灭。此处，对III族氮化物半导体发光元件的发光面积标绘相对于正向电流的发光输出时，上述20mA为保持线性的范围的电流值，上述100mA为发光元件放热而丧失输出的线性的范围的电流值。像这样发光输出突然劣化的元件的可靠性不充分，在制品的品质管理上不能接受可靠性不充分的元件混入至制品中。

因而，本发明的目的在于，提供兼顾高发光输出和优异可靠性的III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。

用于解决问题的方案

本发明人等针对解决上述课题的方法进行了深入研究。在将p型GaN层形成得极薄至50nm以下的情况下，因大幅的压缩应变的缓和而导入缺陷，且表面平坦性也恶化。可推测：利用FM模式使p型GaN层生长时，如果成为p型GaN层的正下层的AlGaN层(包含In时为AlInGaN层)存在凹凸或位错，则会向填埋该凹凸或位错的方向推进生长，但压缩应变的缓和容易加剧而容易导入缺陷。因此，无法填埋的p型GaN层的正下层的凹凸或位错自不用说，即便p型GaN层看上去已平坦化，但有时也会产生新的位错。考虑到实验事实，本发明人认为当它们存在于电极形成区域时，发光元件会发生猝灭。因而获得如下见解：通过使用具有0.03以上且0.25以下的Al组成比x的AlGaN层作为p型接触层，能够防止发光元件的猝灭且兼顾高的发光输出和优异的可靠性，从而完成了本发明。即，本发明的要点特征如下所示。

(1)一种III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，其在基板上依次具备n型半导体层、发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型接触层和p侧反射电极，

从前述发光层发出的光的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，

前述p型AlGaN电子阻挡层的Al组成比为0.40以上且0.80以下，

前述p型接触层的膜厚为10nm以上且50nm以下，并且，该p型接触层具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层。

(2)根据上述(1)所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，前述p型接触层仅由前述p型AlGaN接触层构成。

(3)根据上述(1)所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，前述p型接触层在前述p型AlGaN接触层与前述p侧反射电极之间具有p型GaN接触层。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，前述p型AlGaN接触层的膜厚为10nm以上且25nm以下。

(5)一种III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，其包括如下工序：

在基板上形成n型半导体层的工序；

在前述n型半导体层上形成发光层的工序；

在前述发光层上形成p型AlGaN电子阻挡层的工序；

在前述p型AlGaN电子阻挡层上形成p型接触层的工序；以及

在前述p型接触层上形成p侧反射电极的工序，

源自前述发光层的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，

前述p型AlGaN电子阻挡层的Al组成比为0.40以上且0.80以下，

前述p型接触层的膜厚为10nm以上且50nm以下，

前述p型接触层具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层。

发明的效果

根据本发明，可提供兼顾高发光输出和优异可靠性的III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。

附图说明

图1是说明本发明的III族氮化物半导体发光元件的一个实施方式的示意剖视图。

图2是说明本发明的III族氮化物半导体发光元件的p型接触层的一个方式的放大示意剖视图。

图3是说明本发明的III族氮化物半导体发光元件的制造方法的一个实施方式的示意剖视图。

图4A是实施例1的p型接触层表面的AFM像。

图4B是实施例2的p型接触层表面的AFM像。

图4C是实施例3的p型接触层表面的AFM像。

图4D是比较例1的p型接触层表面的AFM像。

具体实施方式

在说明基于本发明的实施方式之前，预先针对以下方面进行说明。首先，本说明书中，在未明示Al组成比而简写为“AlGaN”时，是指III族元素(Al,Ga的总和)与N的组成比为1:1、且III族元素Al与Ga的比率不定的任意化合物。此外，“AlGaN”即便不存在属于III族元素的In的相关表述，也视作任选包含相对于作为III族元素的Al与Ga的总和为5％以内的In，包含In而记载的组成式将Al组成比设为x且将In组成比设为y(0≤y≤0.05)而记作Al_xIn_yGa_1-x-yN。简写为“AlN”或“GaN”时，是分别指不含Ga和Al，但只要未加以明示，则不会因简写为“AlGaN”而排除AlN或GaN中的任意者。需要说明的是，Al组成比的值可通过光致发光测定和X射线衍射测定等来测定。

此外，本说明书中，将电学上以p型的形式发挥功能的层称为p型层，将电学上以n型的形式发挥功能的层称为n型层。另一方面，在不主动添加Mg、Si等特定杂质而电学上不以p型或n型的形式发挥功能的情况下，称为“i型”或“未掺杂”。未掺杂的层中可以混入有制造过程中的不可避免的杂质，具体而言，在载流子密度小(例如小于4×10¹⁶/cm³)的情况下，在本说明书中称为“未掺杂”。此外，Mg、Si等的杂质浓度的值设为基于SIMS分析的值。

此外，通过外延生长而形成的各层的膜厚整体可使用光干涉式膜厚测定器进行测定。进而，在邻接的各层的组成明显不同的情况下(例如Al组成比相差0.01以上时)，各层的膜厚可分别由基于透射型电子显微镜的生长层的截面观察来算出。此外，针对邻接的层之中Al组成比相同或基本相等(例如Al组成比小于0.01)但杂质浓度不同的层的边界和膜厚，两者的边界和各层的膜厚通过基于TEM-EDS的测定来获得。并且，两者的杂质浓度可通过SIMS分析进行测定。此外，在如超晶格结构那样地各层的膜厚薄的情况下，可使用TEM-EDS来测定膜厚。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，相同的构成要素原则上标注相同的参照编号，并省略说明。此外，在各图中，为了便于说明而与实际比率相比夸张地显示基板和各层的长宽比率。

(III族氮化物半导体发光元件)

如图1所示那样，基于本发明的一个实施方式的III族氮化物半导体发光元件100在基板10上依次具备n型半导体层30、发光层40、p型AlGaN电子阻挡层60、p型接触层70和p侧反射电极80。并且，从发光层40发出的光的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，p型AlGaN电子阻挡层60的Al组成比为0.40以上且0.80以下，p型接触层70的膜厚为10nm以上且50nm以下，并且，p型接触层70具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层71。

需要说明的是，如图1所示那样，在基板10与n型半导体层30之间设置缓冲层20、对n型半导体层30设置露出面、对该露出面设置n侧电极90等是III族氮化物半导体发光元件100的优选方式。以下，依次说明各构成的详情。

<基板>

作为III族氮化物半导体发光元件100的基板10，可以使用蓝宝石基板。可以使用在蓝宝石基板的表面设置有经外延生长的AlN层的AlN模板基板。作为蓝宝石基板，可以使用任意的蓝宝石基板，任选有无偏离角，设置有偏离角时的倾斜方向的晶轴方位可以为m轴方向或a轴方向中的任一者。例如，可以将蓝宝石基板的主面设为C面以0.5度的偏离角θ发生了倾斜的面。使用AlN模板基板时，优选蓝宝石基板表面的AlN层的结晶性优异。此外，还优选在AlN模板基板的表面设置有未掺杂的AlGaN层。此外，作为基板10，可以使用AlN单晶基板。

<n型半导体层>

n型半导体层30根据需要隔着缓冲层20而设置在基板10上。n型半导体层30也可以直接设置在基板10上。n型半导体层30可以使用掺杂有n型掺杂物的AlGaN。根据需要，也可以以5％以内的组成比导入In等III族元素而制成AlGaInN等。作为n型掺杂物的具体例，可列举出硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、氧(O)、钛(Ti)、锆(Zr)等。n型掺杂物的掺杂浓度只要是n型半导体层30能够以n型的形式发挥功能的掺杂浓度，就没有特别限定，可以设为例如1.0×10¹⁸atoms/cm³～1.0×10²⁰atoms/cm³。此外，优选的是：n型半导体层30的带隙宽于发光层40(制成量子阱结构时，为阱层41)的带隙，且相对于发光的深紫外光具有透射性。此外，也可以制成如下构成：n型半导体层30除了包含单层结构、由多层构成的结构之外，还包含使III族元素的组成比沿着结晶生长方向呈现组成梯度分布的组成梯度分布层、超晶格结构。n型半导体层30不仅形成与n侧电极90接触的接触部，还可以兼具从基板起至发光层为止提高结晶性的功能。

<发光层>

发光层40设置在n型半导体层30上，发出发光中心波长为250nm以上且330nm以下的深紫外光。发光层40可以设为AlGaN，其Al组成比只要以能够获得期望的发光中心波长的方式适当设定即可，可以设为例如0.17～0.70的范围内。

发光层40可以为Al组成比固定的单层结构，还优选由多量子阱(MQW：MultipleQuantum Well)结构构成，所述多量子阱结构是反复形成由Al组成比不同的AlGaN构成的阱层41和势垒层42而成的。在任意情况下，均可根据需要以5％以内的组成比导入In等III族元素来制成AlGaInN材料等，更优选设为仅使用Al和Ga作为III族元素的三元系的AlGaN材料。

使用多量子阱结构时，使势垒层42的Al组成比b高于阱层41的Al组成比w(即b>w)。针对Al组成比b，在b>w的条件下，可以将势垒层42的Al组成比b设为例如0.30～0.95。可通过阱层41的Al组成比w来大致调整中心发光波长，例如，若将发光层40中的阱层41的Al组成比w设为0.17～0.68，则从发光层40放射出的光的中心波长成为250～330nm。

此外，阱层41和势垒层42的反复次数没有特别限定，可以设为例如1～10次。优选将发光层40的膜厚方向的两端侧(即最初和最后)设为势垒层，若将阱层41和势垒层42的反复次数设为n，则此时表述为“n.5组的阱层和势垒层”。此外，可以将阱层41的膜厚设为0.5nm～5nm，将势垒层42的膜厚设为3nm～30nm。

需要说明的是，优选将势垒层42的导电类型设为n型。这是因为电子浓度增加、具有弥补阱层41内的晶格缺陷的效果。需要说明的是，发光层40可以设为反复形成势垒层42和阱层41且用势垒层42夹持的一般的多量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)结构，也可以制成根据需要而去除p型AlGaN电子阻挡层60侧的最后的势垒层42而得的结构。

<p型AlGaN电子阻挡层>

p型AlGaN电子阻挡层60设置在发光层40上。p型AlGaN电子阻挡层60作为用于阻挡电子、将电子注入至发光层40(在MQW结构的情况下为阱层41)内而提高电子注入效率的层来使用。本发明中，作为p型AlGaN电子阻挡层，可以使用将其Al组成比设为0.40以上且0.80以下的p型的Al_zGa_1-zN(0.40≤z≤0.80)。根据需要，可以制成以5％以内的组成比导入有In等III族元素的四元系的AlGaInN材料等，更优选设为仅使用Al和Ga作为III族元素的三元系的AlGaN材料。若Al组成比为该范围，则p型AlGaN电子阻挡层60中会形成较多位错，因此，此时使用本发明的p型接触层70是有效的。Al组成比为0.60以上且0.70以下时，尤其容易形成位错。

p型AlGaN电子阻挡层60的膜厚没有特别限定，优选设为例如10nm～80nm。如果p型AlGaN电子阻挡层60的膜厚为该范围，则能够可靠地获得高的发光输出。需要说明的是，优选p型AlGaN电子阻挡层60的膜厚比势垒层42的膜厚更厚。此外，作为向p型AlGaN电子阻挡层60中掺杂的p型掺杂物，可例示出镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、铍(Be)、锰(Mn)等，通常使用Mg。p型AlGaN电子阻挡层60的掺杂浓度只要是能够以p型层的形式发挥功能的掺杂浓度，就没有特别限定，可以设为例如1.0×10¹⁸atoms/cm³～5.0×10²¹atoms/cm³。

<p型接触层>

p型接触层70直接设置在p型AlGaN电子阻挡层60上。p型接触层70是用于降低设置在其最外表面上的p侧反射电极80与p型AlGaN电子阻挡层60之间的接触电阻的层。本发明中，将p型接触层70的膜厚设为10nm以上且50nm以下。并且，p型接触层70具有将Al组成比x设为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN层71。并且，p型AlGaN接触层71以与p型AlGaN电子阻挡层60的正上方接触的方式形成，组成式Al_xGa_1-xN的Al组成比x可以使用0.03≤x≤0.25。通过本发明人的实验而确认：通过使p型接触层70在p型AlGaN电子阻挡层60的正上方具有p型AlGaN层71，从而能够防止III族氮化物半导体发光元件100的猝灭。可认为这是因为：代替将p型GaN层形成在p型AlGaN电子阻挡层60的正上方，而是形成p型AlGaN接触层71(Al_xGa_1-xN、0.03≤x≤0.25)时，会遏制表面平坦性的恶化的不良影响，且抑制在生长初期形成的位错的发生。

为了获得本发明效果，只要p型接触层70在p型AlGaN电子阻挡层60的正上方具有上述p型AlGaN接触层71即足以。p型接触层70可以仅由p型AlGaN接触层71构成(参照图1)，另一方面，p型接触层70可以在p型AlGaN接触层71与p侧反射电极80之间具有p型GaN接触层(参照图2)。在任意情况下，p型AlGaN接触层71的膜厚均可以设为10nm以上且50nm以下，只要p型接触层70的整体膜厚为上述10nm以上且50nm以下即可。需要说明的是，为了获得本发明的效果且增大III族氮化物半导体发光元件100的发光输出，更优选将p型AlGaN接触层71的膜厚设为10nm以上且25nm以下。此外，为了将猝灭更可靠地抑制至零，进一步优选将p型接触层70的厚度设为15nm以上。

需要说明的是，虽未图示，但p型接触层70优选在与p型AlGaN电子阻挡层60相反的一侧(换言之，与p侧反射电极80接触的一侧)具有Mg浓度为3×10²⁰atoms/cm³以上的高浓度区域，更优选该高浓度区域中的Mg浓度为5×10²⁰atoms/cm³以上。能够提高p型接触层70的空穴浓度，降低III族氮化物半导体发光元件100的正向电压Vf。需要说明的是，虽然并不刻意限定上限，但如果考虑到工业生产率，则本实施方式中，可以将高浓度区域中的Mg浓度的上限设为1×10²¹atoms/cm³。此时，p型接触层70中的p型AlGaN电子阻挡层60侧的区域的Mg浓度可以设为一般的范围，通常为5×10¹⁹atoms/cm³以上且小于3×10²⁰atoms/cm³。需要说明的是，p型接触层中的Mg浓度是基于SIMS测定的各区域中的平均浓度。为了保持p型接触层70的结晶性，高浓度区域的膜厚通常为15nm以下。

<p侧电极>

可以将p侧反射电极80设置在p型接触层70的正上方(最外表面上)。p侧反射电极80优选使用相对于从发光层40放射出的紫外光具有高反射率(例如60％以上)的金属。作为具有这种反射率的金属，可列举出例如铑(Rh)、铂(Pt)、铱(Ir)、钌(Ru)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、以及至少含有它们中的任一者的合金。这些金属或合金因对深紫外光的反射率高、且p型接触层70与p侧反射电极80也能够呈现较好的欧姆接触而优选。需要说明的是，从反射率的观点出发，这些之中，p侧反射电极80优选以单质或合金的形态包含铑(Rh)。此外，p侧反射电极80的膜厚、形状和尺寸可根据III族氮化物半导体发光元件100的形状和尺寸来适当选择，例如，可以将p侧反射电极80的膜厚设为30～45nm。

以上说明的基于本实施方式的III族氮化物半导体发光元件100可以兼顾高的发光输出和优异的可靠性。

以下，针对本实施方式可应用的具体方式进行叙述，但本实施方式不限定于以下的方式。

<缓冲层>

如图1所示那样，还优选在基板10与n型半导体层30之间设置用于缓和两者的晶格失配的缓冲层20。作为缓冲层20，可以使用未掺杂的III族氮化物半导体层，可以使用例如未掺杂的AlN。可以将缓冲层20制成超晶格结构。可以在缓冲层20与n型半导体层30之间进一步设置选自AlGaN层、组成梯度分布层和超晶格层中的一种以上的缓冲层。

<n侧电极>

可以在n型半导体层30的露出面上设置的n侧电极90可以制成例如具有含Ti膜和形成在该含Ti膜上的含Al膜的金属复合膜。n侧电极90的膜厚、形状和尺寸可根据发光元件的形状和尺寸来适当选择。n侧电极90不限定于形成在图1所示那样的n型半导体层30的露出面上，只要与n型半导体层电连接即可。

<p型引导层>

需要说明的是，虽未在图1中图示，但可以在发光层40与p型AlGaN电子阻挡层60之间设置与p型AlGaN电子阻挡层60的Al组成比相比Al组成比更高的由AlGaN或AlN构成的p型引导层。通过设置引导层，能够促进空穴向发光层40中的注入。

<n型引导层>

进而，虽未在图1中图示，但可以在发光层40与n型半导体层30之间设置n型引导层。n型引导层优选使用AlGaN，其Al组成比优选设为前述n型半导体层30的Al组成比以上且势垒层42的Al组成比b以下。其膜厚可以设为3nm～30nm。此外，n型引导层优选与n型半导体层30同样地掺杂n型掺杂物(杂质)，但其掺杂量优选低于n型层。

需要说明的是，基于本实施方式的III族氮化物半导体发光元件100通过由反射电极材料形成p侧反射电极80而使深紫外光反射，从而能够将基板侧或基板水平方向设为主要的光取出方向。此外，可以将III族氮化物半导体发光元件100设为被称为所谓倒装片型的形态。

(III族氮化物半导体发光元件的制造方法)

接着，参照图3来说明上述III族氮化物半导体发光元件100的制造方法的一个实施方式。基于本发明的III族氮化物半导体发光元件100的制造方法的一个实施方式包括如下工序：在基板10上(参照步骤A)形成n型半导体层30的工序、在n型半导体层30上形成发光层40的工序、在发光层40上形成p型AlGaN电子阻挡层60的工序(参照步骤B)、在p型AlGaN电子阻挡层60上形成p型接触层70的工序(参照步骤C)、以及在p型接触层70上形成p侧反射电极80的工序(参照步骤D)。此处，本制造方法的一个实施方式中，从发光层40发出的光的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，p型AlGaN电子阻挡层60的Al组成比为0.40以上且0.80以下，p型接触层70的膜厚为10nm以上且50nm以下。此外，p型接触层70具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层71。

以下，参照表示基于本实施方式的适合实施方式的流程图的图3，与具体方式一并依次说明各工序的详情，但省略与III族氮化物半导体发光元件100的各构成有关的重复说明。

首先，如图3的步骤A、B所示那样，在基板10上依次形成n型半导体层30、发光层40和p型AlGaN电子阻挡层60。这些各工序中，可利用有机金属气相沉积(MOCVD：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法、分子束外延(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法、溅射法等公知的外延生长技术来形成各层。

在形成n型半导体层30、发光层40和p型AlGaN电子阻挡层60的各层时，关于用于使其外延生长的生长温度、生长压力、生长时间，可以设为与各层的Al组成比和膜厚相符的一般条件。作为用于使其外延生长的载气，只要使用氢气或氮气或两者的混合气体等并供给至腔室内即可。进而，作为使上述各层生长的原料气体，可使用TMA(三甲基铝)、TMG(三甲基镓)等作为III族元素的原料气体，可以使用NH₃气体作为V族元素气体。关于根据NH₃气体等V族元素气体和TMA气体等III族元素气体的生长气体流量而计算的V族元素相对于III族元素的摩尔比(以下记作V/III比)，也设为一般的条件即可。进而，作为掺杂物源的气体，关于p型掺杂物而适当选择作为Mg源的环戊二烯基镁气体(CP₂Mg)等，关于n型掺杂物而适当选择作为Si源的例如甲硅烷气体(SiH₄)、作为Zn源的氯化锌气体(ZnCl₂)等，并以规定的流量供给至腔室内即可。

接着，在图3的步骤C所示的p型接触层形成工序中，在p型AlGaN电子阻挡层60上形成p型AlGaN接触层71。关于p型接触层70的膜厚范围和p型AlGaN接触层71的Al组成比的条件、以及任选形成p型GaN接触层72(图3中未示出。参照图2)如上所述。此外，p型接触层70也是与p型AlGaN电子阻挡层60等同样地通过基于MOCVD法等的外延生长进行结晶生长即可。并且，生长条件没有特别限定，但优选通过调整气体流量和V/III比、生长温度而将厚度方向的生长速度设为0.03～0.50μm/h，更优选为0.03～0.19μm/h，最优选将厚度方向的生长速度设为0.10～0.15μm/h。需要说明的是，载气优选使用H₂。

需要说明的是，为了将p型接触层70的Mg浓度设为高浓度，只要适当调整Mg/III族元素气体比率即可。

此外，如图2的步骤D所示那样，可以通过蚀刻等去除发光层40、p型AlGaN电子阻挡层60和p型接触层70的一部分，并在露出的n型半导体层30上形成n侧电极90。需要说明的是，p侧反射电极80和n侧电极90可通过溅射法、真空蒸镀法等来成膜。此外，还优选在基板10的表面10A上形成缓冲层20。

实施例

以下，使用实施例更详细地说明本发明，但本发明完全不限定于以下的实施例。

(实施例1：波长为280nm)

准备蓝宝石基板(直径：2英寸、膜厚：430μm、面方位：(0001)、m轴方向偏离角θ：0.5度)。接着，通过MOCVD法在上述蓝宝石基板上生长中心膜厚为0.60μm(平均膜厚为0.61μm)的AlN层，制成AlN模板基板。此时，AlN层的生长温度为1300℃、腔室内的生长压力为10Torr，以V/III比成为163的方式设定氨气和TMA气体的生长气体流量。V族元素气体(NH₃)的流量为200sccm、III族元素气体(TMA)的流量为53sccm。需要说明的是，针对AlN层的膜厚，使用光干涉式膜厚测定机(Nanospec M6100A；NANOMETRICS公司制)，测定包括晶片面内的中心在内的、等间隔分散的共计25个部位的膜厚。

接着，将上述AlN模板基板导入至热处理炉中，在减压至10Pa后用氮气吹扫至常压，由此将炉内制成氮气气氛，然后将炉内的温度升温，对AlN模板基板实施热处理。此时，加热温度设为1650℃、加热时间设为4小时。

接着，通过MOCVD法，作为未掺杂的AlGaN层，形成Al组成比为0.85～0.65且沿着晶体生长方向生成组成梯度分布的膜厚200nm的未掺杂AlGaN层。接着，作为n型半导体层，形成由Al_0.65Ga_0.35N构成且掺杂有Si的膜厚2μm的n型层。需要说明的是，经SIMS分析的结果，n型层的Si浓度为1.0×10¹⁹atoms/cm³。

接着，在n型层上形成由Al_0.65Ga_0.35N构成且掺杂有Si的膜厚20nm的n型引导层，进而，作为势垒层而形成4nm的Al_0.65Ga_0.35N。接着，交替地各形成两层由Al_0.45Ga_0.55N构成的膜厚3nm的阱层和膜厚4nm的由Al_0.65Ga_0.35N构成的势垒层，进而形成由Al_0.45Ga_0.55N构成的膜厚3nm的阱层。即，阱层的层数和势垒层的层数N均为3，势垒层的Al组成比b为0.65，阱层的Al组成比w为0.45。需要说明的是，在势垒层的形成中掺杂了Si。

其后，在第3层的阱层上，以氮气作为载气，形成未掺杂的AlN引导层。AlN引导层的膜厚设为1nm。接着，停止供给TMA气体，且持续供给氨气，在该状态下停止载气的氮气并供给氢气，将载气变更为氢气后，再次供给作为III族元素原料气体的TMA气体和TMG气体，形成由Al_0.68Ga_0.32N构成且掺杂有Mg的层厚40nm的电子阻挡层。

接着，停止电子阻挡层的生长，将载气切换成氮气，使气体流量变更为p型Al_0.08Ga_0.92N接触层的设定条件后，将载气切换成氢气，形成了掺杂有Mg的膜厚20nm的p型Al_0.08Ga_0.92N接触层(以下，在实施例中简写为“p型接触层”)。经SIMS分析的结果，p型接触层的Mg浓度以平均计为1.2×10²⁰atom/cm³。需要说明的是，将形成p型接触层时的厚度方向的生长速度设为0.12μm/h。

其后，在p型接触层上形成掩膜，并通过干蚀刻来进行台面蚀刻，使n型半导体层的一部分露出，在p型接触层上形成由Ni/Au构成的p侧电极，在露出的n型层上形成由Ti/Al构成的n侧电极。需要说明的是，p侧电极之中，Ni的膜厚为

Au的膜厚为

此外，n侧电极之中，Ti的膜厚为

Al的膜厚为

最后，以550℃进行接触退火(RTA)，形成各电极。

将如上操作而制作的实施例1的III族氮化物半导体发光元件的各层的构成示于表1。

[表1]

(实施例2～5、实施例8～11、比较例1、现有例1、比较例4～7：波长为280nm)

除了如表2记载那样地变更实施例1中的p型接触层的膜厚和Al组成比之外，与实施例1同样操作，制作实施例2～5、比较例1、现有例1的III族氮化物半导体发光元件。需要说明的是，在实施例3中，在p型Al_0.68Ga_0.32N电子阻挡层上形成膜厚20nm的p型Al_0.08Ga_0.92N接触层，接着，形成膜厚20nm的p型GaN接触层。进而，除了如表2记载那样地变更实施例1中的p型接触层的膜厚和Al组成比之外，与实施例1同样操作，制作实施例8～11、比较例4～7的III族氮化物半导体发光元件。

(实施例6、实施例12～13、比较例2、现有例2：波长为310nm)

将实施例1中的阱层的Al组成比w：0.45的Al组成比变更为0.30，进而，将未掺杂层的Al组成比变更为0.55、将n型半导体层的Al组成比变更为0.45、将n引导层和势垒层的Al组成比变更为0.55、将p型电子阻挡层的Al组成比变更为0.58，且如表2记载那样地变更p型接触层的膜厚和Al组成比x，除此之外，与实施例1同样操作，制作实施例6、比较例2、现有例2记载的III族氮化物半导体发光元件。进而，除了如表2记载那样地变更实施例6中的p型接触层的膜厚和Al组成比之外，与实施例6同样操作，制作实施例12和13的III族氮化物半导体发光元件。

(实施例7、实施例14、比较例3、现有例3：波长为265nm)

将实施例1中的阱层的Al组成比w：0.45的Al组成比变更为0.58，进而，将势垒层的Al组成比变更为0.76，如表2记载那样地变更p型接触层的膜厚和Al组成比x，除此之外，与实施例1同样操作，制作实施例7、比较例3、现有例3的III族氮化物半导体发光元件。进而，除了如表2记载那样地变更实施例7中的p型接触层的膜厚和Al组成比之外，与实施例7同样操作，制作实施例14的III族氮化物半导体发光元件。

[表2]

注1：无法测定

(评价1：各层的膜厚和Al组成的测定)

针对实施例1～7、8～14、比较例1～3、4～7、现有例1～3各例，通过外延生长而形成的各层的膜厚使用光干涉式膜厚测定器进行测定。此外，包括势垒层、电子阻挡层在内的各层的膜厚薄至数nm～数十nm的层使用基于透射型电子显微镜的各层的截面观察中的TEM-EDS来测定各层膜厚和Al组成比。需要说明的是，各层的膜厚的测定位置为晶片中央部。

(评价2：可靠性评价)

针对由实施例1～7、8～14、比较例1～3、4～7、现有例1～3得到的发光元件(测定个数为24个)，使用恒定电流电压电源，以20mA的电流进行通电，测定发光输出，接着，以100mA通电3秒钟后，再次以20mA进行通电，测定发光输出，测定发光输出相对于初始发光输出的变化。此时，通过通电而发光的面积为0.057mm²。确认以100mA通电3秒钟后的发光输出下降至初始发光输出的一半以下、即发生猝灭的发光元件的个数。实施例1～7和现有例1～3中，即使以100mA的电流进行通电后也没有明显变化，但比较例1～3中，以100mA的电流进行通电后，确认到晶片内未点亮或者输出与初始发光输出相比成为一半以下的发光元件(即确认到猝灭的发生)。将发生这种未点亮、发光输出骤减至初始发光输出的一半以下的发光元件的比率作为猝灭发生率而示于表2。需要说明的是，测定发光输出Po时，使用了积分球。将初始发光输出的平均值和猝灭发生率的结果示于表2。需要说明的是，利用光纤分光器来测定各样品的发光中心波长。发光中心波长也示于表2。

(评价3：表面粗糙度Ra的测定)

作为代表例，针对实施例1～5、比较例1的p型接触层的最外表面，利用原子力显微镜(AFM：Atomic Force Microscope)来获得AFM像，并且，作为表面粗糙度的指标，测定Ra(平均粗糙度；基于JIS B 0601:2001)。需要说明的是，测定部位为晶片中央部。将Ra的测定值示于表2。需要说明的是，针对实施例1～5、比较例1，还一并示出基于基板观察的凹坑有无。进而，将基于实施例1～3、比较例1的AFM图像分别示于图4A～图4D。

(评价结果的考察)

在基于本发明条件的实施例1～7中，以相同波长进行对比时，确保了可靠性且与现有例1～3各自相比能够增大发光输出。比较例1、2中，因减薄p型接触层而能够抑制源自发光层的光吸收，其结果，能够增大发光输出，但确认到猝灭的发生。比较例3中，从初始通电起频繁发生猝灭，连测定发光输出都无法实现。

由图4A～图4D所示的AFM图像以及实施例1～5和比较例1的表面粗糙度Ra的值可确认：即便表面粗糙度充分小也会发生猝灭。从在实施例1、2、4和比较例1中观察到凹坑可以判断：在填埋电子阻挡层的凹凸或位错的同时，抑制与压缩应变的缓和相伴的结晶缺陷的增加对于防止猝灭而言是重要的。

此外，若将波长为280nm的实施例1～5、8～11与比较例1、4～7、现有例1进行对比，则可知：通过使p型接触层的Al组成比在0.03～0.25的范围内，且膜厚在10～50nm的范围内，能够获得不发生猝灭且与现有相比发光输出更大的发光元件。并且可知：其结果，在波长为310nm的实施例6、12、13、波长为265nm的实施例7、14中也可观察到同样的结果。

根据以上的结果可确认：通过形成满足本发明条件的p型接触层，能够获得高的发光输出且能够兼顾可靠性。

产业上的可利用性

根据本发明，可提供兼顾高发光输出和优异可靠性的III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。

附图标记说明

10 基板

20 缓冲层

30 n型半导体层

40 发光层

41 阱层

42 势垒层

60 p型AlGaN电子阻挡层

70 p型接触层

71 p型AlGaN接触层

72 p型GaN层

80 p侧反射电极

90 n侧电极

100 III族氮化物半导体发光元件

Claims (5)

1.一种III族氮化物半导体发光元件，其特征在于，其在基板上依次具备n型半导体层、发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型接触层和p侧反射电极，

从所述发光层发出的光的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，

所述p型AlGaN电子阻挡层的Al组成比为0.40以上且0.80以下，

所述p型接触层的膜厚为10nm以上且50nm以下，并且，该p型接触层具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层。

2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述p型接触层仅由所述p型AlGaN接触层构成。

3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述p型接触层在所述p型AlGaN接触层与所述p侧反射电极之间具有p型GaN接触层。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述p型AlGaN接触层的膜厚为10nm以上且25nm以下。

5.一种III族氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，其包括如下工序：

在基板上形成n型半导体层的工序；

在所述n型半导体层上形成发光层的工序；

在所述发光层上形成p型AlGaN电子阻挡层的工序；

在所述p型AlGaN电子阻挡层上形成p型接触层的工序；以及

在所述p型接触层上形成p侧反射电极的工序，

源自所述发光层的发光中心波长为250nm以上且330nm以下，

所述p型AlGaN电子阻挡层的Al组成比为0.40以上且0.80以下，

所述p型接触层的膜厚为10nm以上且50nm以下，

所述p型接触层具有Al组成比为0.03以上且0.25以下的p型AlGaN接触层。

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