CN1689205A - Ⅲ族氮化物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。III族氮化物半导体发光元件包括置于n型接触层(4A)与n型包层(5A)之间的n型GaN的裂纹防止层(15)，其中，裂纹防止层15的掺杂浓度比n型接触层(4A)的掺杂浓度要低。

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。

背景技术

近年来，皆由III族氮化物半导体形成的发光二极管(以下称为“LED”)和激光二极管(以下称为“LD”)是公知的。

在图1所示的通过使用III族氮化物半导体材料而制成的LD元件1中，在蓝宝石的衬底2上形成有AlN的缓冲层3、n型GaN的n型接触层4、n型AlGaN制成的n型包层5、n型GaN的n型引导层6、主要成分为InGaN的有源层7、p型GaN的p型引导层8、p型AlGaN的p型包层9，以及p型GaN的p型接触层10，它们按所述顺序相互层叠。p型接触层10形成有在其厚度方向上凸出的凸脊11。在凸脊11的平坦顶部之外的部分上形成有绝缘层，并按覆盖凸脊11的方式设置有p型电极13。应当注意，在n型接触层4上形成有n型电极14。

当在p型电极13与n型电极14之间施加正偏压时，作为载流子，空穴和电子分别从p型电极13和n型电极14注入LD元件1中，并在有源层7中相互复合，从而发光。

构成如上的LD元件1被设计成：由所述多个引导层从有源层的相对两侧夹着该有源层，并且进而由所述多个包层从外部夹着该有源层和多个引导层，由此由所述多个引导层将载流子约束在有源层内，并由所述多个包层将光约束在所述多个引导层和有源层内。该结构被称为SCH结构(分离限制异质结构)。

通过增加包层的厚度或包层内的AlN的摩尔百分数，上述具有SCH结构的III族氮化物半导体激光元件可以提高元件的光约束系数。

然而，公知的是，当增加AlGaN的n型包层5的厚度、或者增加该层内的AlN的摩尔百分数时，在n型包层5中产生了拉应力，这是因为AlGaN的晶格常数比GaN的晶格常数小，而这使得易于形成裂纹(例如，参见日本专利申请特开平第11-74621号公报)。n型包层5开始出现破裂的厚度被称为“产生裂纹的临界层厚度”或简称为“临界层厚度”。n型包层5内产生的裂纹会劣化LD元件的发光性质。

为克服该问题，作为用于防止在n型包层内产生裂纹的方法，已提出在n型接触层与n型包层之间设置裂纹防止层(未示出)以减轻在n型包层内产生的拉应力。该裂纹防止层由厚度为100到0.5μm的InGaN形成(例如，参见日本专利申请特开平第9-148247号公报)。

在其中在GaN层与AlGaN层之间设置有InGaN层以减少裂纹出现的常规发光元件中，要求在形成裂纹防止层之前和之后提高或降低称底的温度，这是因为InGaN晶体的生长温度(约700℃到800℃)低于GaN和AlGaN晶体的生长温度(约1000℃到1100℃)。此外，InGaN的晶体生长速率低于GaN的晶体生长速率，从而制造该发光元件要花费很长时间。

此外，与GaN相比，InGaN需要大量在晶体生长反应中使用的氮源材料，如氨等，这导致发光元件的制造成本增加。

此外，InGaN的折射率比GaN和AlGaN的折射率大，因此当把InGaN层用作位于n型包层之下的层时，未被包层完全约束的光更易于泄漏。而且，当裂纹防止层的In成分等于或大于发光层的In成分时，裂纹防止层充当光吸收层，从而造成波导损耗。这是阈电流值升高的不利因素。

发明内容

本发明要解决的问题例如包括上述问题。

根据本发明，提供了一种III族氮化物半导体发光元件，其包括n型GaN的n型接触层、n型Al_xGa_1-x-yIn_yN(0＜x＜1，0≤y＜1，0＜x+y＜1)的n型包层、有源层、p型包层以及p型接触层，该III族氮化物半导体发光元件包括置于n型接触层与n型包层之间的n型GaN的裂纹防止层，其中，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造半导体发光元件的方法，该半导体发光元件具有通过在衬底上逐层地按顺序层叠III族氮化物半导体的多层而构成的多层结构，该方法包括形成n型GaN的n型接触层的步骤和形成n型GaN的裂纹防止层的步骤，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低。

附图说明

图1是一种常规LD元件的剖面图。

图2是根据本发明的LD元件的剖面图。

图3是示出置于掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3的GaN层上的n型包层的表面的照片。

图4是示出置于掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的GaN层上的n型包层的表面的照片。

具体实施方式

下面参照附图对本发明实施例进行详细描述。应当注意，在附图中，彼此类似或等同的组成部分和元件由相同的标号来标示。

首先参照图2，根据本实施例的LD元件1A包括置于蓝宝石衬底2上的AlN的缓冲层3。缓冲层3的厚度约为50nm。

在缓冲层3上设置有n型GaN的n型接触层4A。该n型接触层4A含有Si作为掺杂剂。Si的原子浓度为1×10¹⁹cm^-3。优选地，掺杂浓度在4×10¹⁸cm^-3到2×10¹⁹cm^-3的范围内。这是因为在此范围内的掺杂浓度有助于减小整个LD元件的串联电阻。

在n型接触层4A上形成有n型电极14，并在远离n型电极14的位置处形成有n型GaN的裂纹防止层15。该裂纹防止层15包含浓度为1×10¹⁷cm^-3的Si掺杂剂，并且其厚度为2μm。优选地，裂纹防止层15中包含的Si掺杂剂的浓度比n型接触层4A中包含的Si掺杂剂的浓度要低，优选地低于4×10¹⁸cm^-3。更优选的是，该Si掺杂剂的浓度在5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁷cm^-3的范围内。

可以推测，由于裂纹防止层15的掺杂浓度比n型接触层4A的掺杂浓度低，所以裂纹防止层15的电阻将变高，从而导致LD元件的驱动电压升高。然而，载流子的迁移率随掺杂浓度降低而升高，由此抑制了裂纹防止层15的电阻率的增加。此外，由于电流沿裂纹防止层15的厚度方向流动，所以电流通路在裂纹防止层15中的长度等于裂纹防止层15的厚度。更具体来说，裂纹防止层15的厚度为几μm，而通过整个LD元件1A的电流通路的长度在100μm的量级，因而裂纹防止层15的电阻值与整个LD元件1A的电阻值之比很小。因此，即使在LD元件中设置了具有低掺杂浓度的n型GaN的裂纹防止层15，对整个元件的电阻的不利影响也很小。

在裂纹防止层15上形成有n型Al_0.08Ga_0.92N的n型包层5A。该n型包层5A的厚度为1.2μm，并且其Si掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。

紧接在n型包层5A之下设置具有低Si掺杂浓度的n型GaN的裂纹防止层15，增加了n型包层5A的临界层厚度。这清楚地示出在图3和图4中，图3和图4示出了在具有不同Si掺杂浓度的n型GaN层上形成有由n型Al_0.08Ga_0.92N制成的同时厚度为0.5μm的n型包层的各情况下裂纹的出现。更具体来说，具有较低Si掺杂浓度的n型GaN层(图4所示)的裂纹出现密度较低。认为降低的掺杂浓度使GaN晶体更不易于发生由掺杂导致的硬化现象，并且这使得n型GaN层可以变形，因而降低了GaN层上的n型包层内的拉应力。

n型包层5A的晶体层厚度不仅取决于裂纹防止层15的掺杂浓度，而且取决于以下参数：(1)n型包层5A中的AlN的摩尔百分数，和(2)n型包层5A的掺杂浓度。当这两个参数的相应值增加时，晶体层厚度减小，从而使得更易于产生破裂。然而，设置裂纹防止层15使得可以增大这些参数的相应值。通过增大(1)AlN的摩尔百分数的参数，可以有效地约束在LD元件1A中产生的光。此外，通过增大(2)掺杂浓度的参数，减小了n型包层的电阻率，从而减小了元件的串联电阻，因而降低了元件的驱动电压。

应当注意，n型包层5A可以由Al_xGa_1-x-yIn_yN(0＜x＜1，0≤y＜1，0＜x+y＜1形成。

在n型包层5A上，形成有厚度为0.05μm的n型GaNn的n型引导层6、以及有源层7，它们按所述顺序相互层叠。有源层7是通过以下步骤形成的多重量子势阱(以下称为“MQW”)有源层：从n型引导层6侧交替淀积包含Si掺杂剂的InGaN的阻挡层(未示出)、以及不含Si掺杂剂并由与阻挡层相比In浓度更大的InGaN形成的势阱层(未示出)，直到形成预定数量的势阱为止；并且最后在这些层的顶部淀积一阻挡层。

类似于图1中所示的LD元件1，在有源层7上形成有p型GaN的p型引导层8、p型AlGaN的p型包层9、p型GaN的p型接触层10以及p型电极13，它们按所述顺序相互层叠。应当注意，在有源层7与p型引导层8之间可以插入p型AlGaN的电子阻挡层(未示出)。

然后，对上述LD元件的制造方法进行描述。

把作为衬底的蓝宝石晶片置于MOCVD(有机金属化学汽相淀积)系统的反应器内，并将其在1050℃的温度下、在压力为300托的氢气流中保持10分钟，以清洁其表面。然后，将蓝宝石衬底冷却到400℃，并将氨(NH₃)(其为氮源材料)和三甲基铝(TMA)(其为铝源材料)引入反应器中，从而淀积缓冲层。

在形成了缓冲层之后，在停止提供TAM而仅继续提供NH₃的条件下，将衬底的温度再次升高到1050℃，然后将三甲基镓(TMG)引入反应器中，以执行用于生长n型GaN的n型接触层的n型接触层形成步骤。在该n型接触层形成步骤中，将甲基硅烷(Me-SiH₃)作为Si的源材料加入生长环境气体中。把要加入的Me-SiH₃的量调节成使得在所得层中的Si的原子浓度变成等于1×10¹⁹cm^-3。

在n型接触层生长到10μm的厚度之后，减小Me-SiH₃的流率，以执行形成Si原子浓度为1×10¹⁷cm^-3的裂纹防止层的裂纹防止层形成步骤。在该裂纹防止层形成步骤中，只要求从用于n型接触层形成步骤的多种材料中减小Me-SiH₃(其为掺杂材料)的流率，而不必向反应器提供任何其它材料，或者升高或降低反应器中的温度。换句话说，使用相同的材料来形成n型接触层和裂纹防止层，这使得可以减少制造LD元件所需的材料成本和时间。

将TMA引入反应器中，以形成n型Al_0.08Ga_0.92N的n型包层。将允许流入反应器中的Me-SiH₃的量调节成，使得在n型包层中的Si的原子浓度变为等于2×10¹⁸em^-3。由于AlGaN晶体的晶体生长温度大致等于GaN的晶体生长温度，所以不需要升高或降低反应器内的温度。

然后，停止提供TMA，并且使n型GaN的n型引导层生长到0.05μm的厚度。当n型GaN引导层的生长已完成时，停止提供TMG和Me-SiH₃，并将衬底温度降低到770℃。

在已将衬底温度降低到770℃之后，将载气(即，源材料输运气体)由氢气切换为氮气，并引入TMG、三甲基铟(TMI)以及Me-SiH₃以引起阻挡层的淀积。然后，停止提供Me-SiH₃，同时增大TMI的流率，由此淀积与阻挡层相比In成分更大的势阱层。根据针对MQW设置的设计重复数，重复执行阻挡层的生长和势阱层的生长。在最终势阱层上生长一阻挡层，以完成MQW有源层的形成。

停止提供TMI和Me-SiH₃。然后，引入作为Mg源材料的TMA和乙基环戊二烯合镁(EtCp2Mg)来取代TMI和Me-SiH₃，从而生长出掺MgAlGaN的电子阻挡层。当电子阻挡层的厚度达到200时，停止提供TMG、TMA以及EtCp2Mg，并进而将载气由氮气变为氢气并开始升温。

在衬底温度达到1050℃之后，引入TMG和EtCp2Mg以生长出掺MgGaN的p型引导层。当p型引导层的厚度达到0.05μm时，引入TMA以淀积掺MgAl_0.08Ga_0.92N的p型包层。

在p型包层生长到0.5μm的厚度时停止提供TMA以生长掺MgGaN的p型接触层。当p型接触层的厚度变为等于0.1μm时，停止提供TMG和EtCp2Mg，并开始降温。当衬底温度降到400℃或更低时，停止提供NH₃。在衬底温度变为等于室温时，从反应器取出其上淀积有LD结构的多层的晶片。

随后，在执行常规光刻工艺和干法刻蚀以在p型接触层上形成脊部之后，在除该脊部的平坦顶部以外的其它部分上形成绝缘层，进而，形成p型电极。类似地，在通过部分刻蚀使n型接触层露出之后形成n型电极。将晶片划分为多个单元，由此获得多个LD元件。

尽管把蓝宝石用作衬底材料，但是这并不是限制性的，而是可以使用SiC衬底、GaN容积衬底(bulk substrate)、Si衬底以及通过在例如蓝宝石衬底上预先生长GaN而形成的衬底。

对通过执行上述多个步骤而制成的LD元件的特性进行了测量。使用脊部宽度为2μm并且谐振腔长度为0.6μm的LD元件来执行该测量。应当注意，作为常规LD元件，使用了与图1所示相同的LD元件1。该常规LD元件具有Si掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型接触层4和厚度为0.8μm的n型包层5。

在根据本发明该实施例的发光元件中，在波长405nm处发生激光振荡，门限电流值为40mA。此外，在输出为5mW时发光元件的驱动电压为5.4V。另一方面，在所述常规发光元件中，在波长406nm处发生激光振荡，门限电流值为45mA。在输出为5mW时，该常规发光元件的驱动电压为6.2V。因此，通过在LD元件内设置掺杂浓度更高的n型接触层和掺杂浓度低于n型接触层的掺杂浓度的裂纹防止层，可以减小LD元件的串联电阻而不在n型包层内产生裂纹。

对从上述多个LD元件中的每一个发出的激光束的FFP(远场图案)进行了测量。对于从常规LD元件发出的激光束，在主峰的两侧观察到了由于束泄漏而产生的多个侧峰。与之对照，从根据本发明的LD元件发出的激光束呈现高斯分布。据此认为通过设置裂纹防止层放宽了产生裂纹的临界条件，由此就可以形成厚度比常规元件的n型包层的厚度更厚的n型包层，这有助于改进元件的光约束效应，从而改进FFP。

尽管在上述实施例中，使用Si作为n型掺杂剂，但这不是限制性的，相反也可以使用Ge。

此外，尽管只给出了对LD元件的描述，但是本发明并不限于LD元件。本发明还可应用于LED(发光二极管)。具体来说，针对用于发出波长为360nm或更短的光的短波长LED的情况，GaN层充当光吸收层，因而要求在有源层之下设置具有高Al成分的AlGaN包层或布拉格反射器结构。因此，在包层与n型接触层之间插入掺杂浓度低的裂纹防止层是非常有效的。

提供了一种III族氮化物半导体发光元件，其包括n型GaN的n型接触层、n型Al_xGa_1-x-yIn_yN(0＜x＜1，0≤y＜1，0＜x+y＜1)的n型包层、有源层、p型包层以及p型接触层，该发光元件包括置于n型接触层与n型包层之间的n型GaN的裂纹防止层，其中，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低，根据该III族氮化物半导体发光元件，由于设置了掺杂浓度低的裂纹防止层而可以在不导致破裂的情况下增大n型包层的厚度或n型包层内的AlN的摩尔百分数。因此，可以改进元件的发光效率。而且，由于可以增大n型接触层的掺杂浓度，所以可以减小元件的串联电阻。

提供了一种用于制造半导体发光元件的方法，该半导体发光元件具有通过在衬底上相互层叠地按顺序形成III族氮化物半导体的多层而获得的多层结构，该方法包括形成n型GaN的n型接触层的步骤和形成n型GaN的裂纹防止层的步骤，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低，根据该用于制造半导体发光元件的方法，可以由相同材料形成n型接触层和裂纹防止层，因此，可以减少用于制造半导体发光元件所需的材料成本和时间。

Claims (8)

1、一种III族氮化物半导体发光元件，其包括n型GaN的n型接触层、n型Al_xGa_1-x-yIn_yN的n型包层、有源层、p型包层以及p型接触层，其中0＜x＜1、0≤y＜1、0＜x+y＜1，该III族氮化物半导体发光元件包括：

置于所述n型接触层与所述n型包层之间的n型GaN的裂纹防止层，

其中，所述裂纹防止层的掺杂浓度比所述n型接触层的掺杂浓度要低。

2、如权利要求1所述的发光元件，其中，所述裂纹防止层的掺杂浓度低于4×10¹⁸cm^-3。

3、如权利要求2所述的发光元件，其中，所述裂纹防止层的掺杂浓度在5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁷cm^-3的范围内。

4、如权利要求1所述的发光元件，其中，所述n型接触层的掺杂浓度在4×10¹⁸cm^-3到2×10¹⁹cm^-3的范围内。

5、如权利要求1所述的发光元件，其中，所述裂纹防止层的掺杂剂是Si和Ge中的任何一种。

6、如权利要求1所述的发光元件，其中，所述n型接触层的掺杂剂是Si和Ge中的任何一种。

7、一种用于制造半导体发光元件的方法，该半导体发光元件具有通过在衬底上逐层地按顺序层叠III族氮化物半导体层而构成的多层结构，该方法包括：

n型接触层形成步骤，用于形成n型GaN的n型接触层，和

裂纹防止层形成步骤，用于形成n型GaN的裂纹防止层，该裂纹防止层的掺杂浓度比所述n型接触层的掺杂浓度要低。

8、如权利要求7所述的方法，其中，所述裂纹防止层形成步骤包括减少n型接触层形成步骤中所用的掺杂剂材料的供应量的步骤。

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