CN1788358A - 化合物半导体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种3-5族化合物半导体,具有多重量子阱结构,该多重量子阱结构包括至少两个以下的量子阱结构,即所述量子阱结构是由以一般式InxGayAlzN表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构,其中,x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1,该3-5族化合物半导体特征是:利用所述多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层的平均InN混晶比,相对于由通过向所述3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,在42.5%以下。

Description

化合物半导体及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有由以一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1)表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构的3-5族化合物半导体。
背景技术
作为紫色、蓝色或绿色的发光二极管、或紫色、蓝色或绿色的激光二极管等发光元件的材料,已知有以一般式InaGabAlcN(但是,a+b+c=1、0≤a≤1、0≤b<1、0≤c≤1)表示的3-5族化合物半导体。以下,有时将a、b及c分别称为InN混晶比、GaN混晶比及AlN混晶比。在该3-5族化合物半导体中,尤其是按混晶比含有5%以上InN的半导体,由于能够根据InN混晶比调整在可视区域的发光波长,所以在显示用途中尤为重要。
试验了在蓝宝石、GaAs、ZnO等多种基板上成膜该3-5族化合物半导体,但由于晶格常数或化学性质与该化合物半导体有较大不同,因此不能得到品质足够高的晶体。因此,试验了首先生长晶格常数、化学性质与该化合物半导体非常相似的GaN的晶体,然后通过在其上面生长该化合物半导体,得到优异的晶体(特公昭55-3834号公报)。
此外,提出了通过将由InaGabAlcN(但是,a+b+c=1、0<a<1、0<b<1、0≤c<1)表示的半导体形成量子阱结构,能够实现高效率的发光元件(特许第3064891号公报),但在亮度方面不一定能够充分满足。
另外,已知还有在掺杂Si的GaN上,在660~780℃下生长InGaN层,在5~10秒的生长中断后生长GaN,通过在此条件下重复InGaN层的生长和GaN的生长,形成多重量子阱结构,然后在1040℃下生长p-GaN层,如此制造半导体的方法,但在生长该p-GaN层时,破坏InGaN层,析出In金属或InN结晶,从而使亮度显著降低(晶体生长日报 248、498(2003))。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种能够成为高亮度的发光元件的3-5族化合物半导体、其制造方法及其用途。
本发明者们,在如此的状况下进行了深入研究,结果发现,利用多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比相对于从通过注入电荷发光的发光波长算出的InN混晶比在42.5%以下的具有特定的平均InN混晶比的化合物半导体,能够成为高亮度的发光元件,同时发现,通过在量子阱层的生长温度下用超过10分钟的时间,或在比量子阱层的生长温度高的温度下的特定的条件下,进行从量子阱层的生长结束后到下个阻挡层生长开始的生长中断,能够制造成为高亮度的发光元件的化合物半导体,由此完成本发明。
即,本发明,[1]提供一种3-5族化合物半导体,具有由以一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1)表示的量子阱层、夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构,其特征是:利用该多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,相对于从通过向该3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,在42.5%以下。
此外,本发明,[2]提供一种3-5族化合物半导体,具有由以一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1)表示的量子阱层、夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的单一量子阱结构,其特征是:该阻挡层和该量子阱层,以在通过多次重复上述层形成多重量子阱结构的情况下,利用该多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,相对于从通过向具有该多重量子阱结构的3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,达到42.5%以下的方式而形成。
此外,本发明,[3]提供一种3-5族化合物半导体的制造方法,其特征是:在制造具有由以一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1)表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构的3-5族化合物半导体时,在量子阱层的生长温度下用超过10分钟的时间,或在比量子阱层的生长温度高的温度下,进行从量子阱层的生长结束后到阻挡层生长开始的生长中断。
附图说明
图1是表示根据本发明的1个实施方式的元件的结构的剖面图。
图2是由利用X射线衍射算出的发光层的InN混晶比与从通过注入电荷形成的发光波长算出的InN混晶比的关系的图示。虚线是由发光波长求出的氮化铟混晶比和由X射线衍射求出的氮化铟混晶比的比为0.425的线。
图3是表示由生长中断时间和X射线衍射求出的发光层的InN混晶比、及中断时间和从通过注入电荷形成的发光波长算出的InN比的关系的图。
图中:1-n型GaN层,2-非掺杂GaN层,3-GaN层(阻挡层),4-InGaN层(量子阱层),5-GaN层(阻挡层、第1盖层),6-Mg掺杂AlGaN层(第2盖层),7-P型GaN层,8-p电极,9-n电极。
具体实施方式
本发明的3-5族化合物半导体,具有由以一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1)表示的量子阱层、夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的单一量子阱结构。
该量子阱层,其膜厚度通常为5~90,优选10~70,更优选15~60。
此外该量子阱层,可以掺杂杂质,也可以不掺杂杂质,在不掺杂的时候,如果其浓度过高,由于降低结晶性,所以通常在1021cm3以下。
此外作为该阻挡层,通常采用以InaGabAlcN(但是,a+b+c=1、0≤a<1、0≤b≤1、0≤c≤1)表示的3-5族化合物半导体。在该层中,可以掺杂杂质,也可以不掺杂杂质。作为杂质,例如可列举Si、Zn、Mg、O等元素。也可以不掺杂这些杂质。在掺杂杂质的时候,其量通常在1016cm3~1021cm3的范围。夹持量子阱层的2个阻挡层可以相同,也可以不相同。
阻挡层的膜厚度,通常为30~1000,优选50~500,更优选100~300。
由上述的量子阱层和上述的阻挡层构成量子阱结构,但在本发明中,优选具有至少含有2个量子阱结构的多重量子阱结构。当然也可以具有单一的量子阱结构。
此外,在具有多重量子阱结构的时候,多个量子阱层可以相同,也可以不相同,多个阻挡层也可以相同或不相同,但优选含有交替重复同样量子阱层和同样阱层的结构。
本发明的3-5族化合物半导体具有上述的量子阱结构,但在具有多重量子阱结构的时候,其特征是:利用该多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,相对于从通过向该3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,在42.5%以下,此外在具有单一量子阱结构的时候,其特征是:该阻挡层和该量子阱层,以在通过多次重复上述层形成多重量子阱结构的情况下,利用该多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,相对于从通过向具有该多重量子阱结构的3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,达到42.5%以下的方式形成。
优选,利用多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,相对于从通过向该3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比在40%以下,更优选在35%以下,最优选在30%以下。
此处,InN混晶比的测定利用X射线衍射进行。例如,可举例将从多重量子阱结构的超晶格的卫星反射测定的InN混晶比作为量子阱层和阻挡层的平均的InN混晶比,从量子阱层和阱层的比例,计算量子层的InN混晶比的方法。
此外,按下述方法,从注入电荷形成的发光波长计算量子阱层上的InN混晶比。
一般用于发光器件的半导体的发光波长λ(mm),如果将该半导体的带隙能量规定为Eg(eV),能够用下式(1)表示。
λ=1240/Eg                         (1)
另外,化合物半导体的带隙能量能够从其混晶比算出。例如,在InN和GaN的混晶是InxGa1-xN的情况下,由于InN的带隙能量为0.8eV,GaN的带隙能量为3.42eV,所以该化合物半导体的带隙能量(Eg)能够用下式(2)表示。
Eg=0.8x+3.42(1-x)                   (2)
因此,该化合物半导体的InN混晶比,能够由式(1)和式(2)得出:
x=(3.42-(1240/λ))/(3.42-0.8)
在发光波长为470nm时,x=0.298。
通过热处理能够制造具有上述InN混晶比的量子阱结构。量子阱层通常在650~850℃下生长,阱层通常在650~1000℃下生长,但是,例如,通过在量子阱层的生长温度下用超过10分钟的时间,或在比量子阱层的生长温度高的温度下,进行从该量子阱层的生长结束后到下个阻挡层生长开始的生长中断,能够制造上述结构。
当在量子阱层的生长温度下进行该中断的时候,其中断时间,优选在12分钟以上,更优选在15分钟以上,上限不特别限定,但通常到60分钟左右。
此外,在比量子阱层的生长温度高的温度下进行该中断的时候,优选比量子阱层的生长温度高10℃以上,更优选高30℃以上,最优选高50℃以上。其上限不特别限定,但通常在比量子阱层的生长温度高100℃左右的温度下实施。该中断时间依温度而定,但是通常在1分钟以上,优选在3分钟以上,更优选在5分钟以上,最优选在7分钟以上,其上限不特别限定,但通常在60分钟左右。该中断时间,优选是量子阱层生长后的到阻挡层生长的升温时间。
此外,在生长中断时,停止供给3族原料。也可以不供给5族原料、载体气体,但优选供给5族原料,通过该供给能够防止量子阱层上的氮的减少。
通过上述的热处理,能够降低利用多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层上的平均InN混晶比,能够制造具有上述特定的InN混晶比的量子阱结构。
除该中断的条件以外,能够根据公知的条件制造本发明的3-5族化合物半导体。
下面,图1是表示采用本发明的3-5族化合物半导体的元件的一例结构。图1所示的例,在n型GaN层1上,叠层无掺杂的GaN层2,再交替各5层叠层作为阻挡层的GaN层3和作为量子阱层的InGaN层4,从而由在上述层和在其上作为阻挡层形成的GaN层5(第1盖层)构成量子阱结构,在其上再依次叠层Mg掺杂AlGaN层6(第2盖层)、p型GaN层7。在n型GaN层1上设置n电极9,在p型GaN层7上设置p电极8,通过顺方向施加电压,从注入电流的量子阱层得到发光。
作为上述3-5族化合物半导体的制造方法,可列举分子束外延(以下有时写为MBE。)法、金属有机物气相外延(以下有时写为MOVPE。)法、高压气相外延(以下有时写为HVPE。)法等。在这些方法中,MOVPE法,由于能够大面积地均匀生长晶体,所以是主要的方法。
此外在MOVPE法中,能够采用以下的原料。
作为3族原料,例如能够列举由三甲基镓[(CH3)3Ga,以下有时写为TMG。]、三乙基镓[(C2H5)3Ga,以下有时写为TEG。]等的一般式R1R2R3Ga(此处,R1、R2、R3表示低级烷基。)表示的三烷基镓;由三甲基铝[(CH3)3Al,以下有时写为TMA。]、三乙基铝[(C2H5)3Al,以下有时写为TEA。]、三异丁基铝[(I-C4H9)3Al等的一般式R1R2R3Al(此处,R1、R2、R3表示低级烷基。)表示的三烷基铝;三甲胺氢化铝[(CH3)3N:AlH3];由三甲基铟[(CH3)3In,以下有时写为TMI。]、三乙基铟[(C2H5)3In等的一般式R1R2R3In(此处,R1、R2、R3表示低级烷基。)表示的三烷基铟;从二乙基氯化铟[(C2H5)2InCl]等三烷基铟中将1~3个烷基交换成卤原子的、由氯化铟[InCl]等一般式InX(X为卤原子)表示的卤化铟等。这些原料可以单独或混合使用。
接着,作为5族原料,例如可列举氨、联氨、1,1-二甲基联氨、1,2-二甲基联氨、t-丁胺、乙撑二胺等。这些原料可以单独或混合使用。这些原料中的氨和联氨,由于分子中不含碳原子,所以适合减少碳对半导体中的污染。
作为生长该3-5族化合物半导体的基板,能够单独或叠层多个基板地使用蓝宝石、ZnO、ZrB2等金属硼化物、SiC、GaN、AlN。
此外,作为化合物半导体的p型层,通过在以一般式IngGahAli(g+h+i=1、0≤g≤1、0≤h≤1、0≤i≤1)表示的3-5族化合物半导体中掺杂p型掺杂剂而形成。作为p型掺杂剂,可采用Mg、Zn、Ca等金属。p型掺杂剂优选以有机金属的形式供给。
尤其,以在p型层中含有In的一般式p型InjGakN(j+k=1、0<j≤1、1≤k<1)表示的3-5族化合物半导体,能够在相对的低温例如650~950℃下晶体生长,易于抑制量子阱结构的热劣化。
在生长了p型层后,也可以在电极形成前或在电极形成后进行退火,以得到与电极的良好的接触电阻。进行退火的保护气氛也可以是在惰性气氛中。此外,也可以是实际上含有氢的气体,或者也可以在上述气体中添加含有氧的气体。退火的温度通常为200~1000℃,优选在400~800℃。
在量子阱层和p型层的之间,作为盖层也可以1层或2层以上地形成含有一般式InlGamAlnN(l+m+n=1、0≤l≤1、0≤m≤1、0≤n≤1)的层。尤其,如果含有AlN混晶,能提高耐热性,有时抑制发光层的相分离等热劣化。在该盖层中,也可以掺杂Mg、Zn、Ca等p型掺杂剂及/或Si、O、S、Se等n型掺杂剂。
在制造本发明的3-5族化合物半导体的时候,作为利用优选采用的MOVPE法的晶体生长装置,能够采用公知结构的晶体生长装置。具体可列举从基板的上部吹喷原料气体的晶体生长装置,及从基板的侧方吹喷原料气体的晶体生长装置等。这些装置是朝上配置基板,但也能够采用朝下相反地配置基板的装置。在此种情况下,可列举从基板的下部供给原料的晶体生长装置,或从基板的侧方吹喷原料的晶体生长装置。在这些反应炉中,基板的角度不需要真正地朝水平方向,也可以几乎垂直或完全垂直地配置。此外,对于应用这些基板和气体供给的配置的、能够同时处理多枚基板的生长装置也同样。
以下,通过实施例详细说明本发明,但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
在蓝宝石C面上,以TMG和氨作为原料,作为载体气体采用氢气,在490℃下大约50nm生长GaN低温生长缓冲层。接着,一度停止TMG的供给,升温到1090℃,以TMG、氨和硅烷作为原料,作为载体气体采用氢气,大约3μm生长n型GaN层,停止硅烷的供给,大约0.3μm生长无掺杂GaN层。接着停止供给TMG,在降温到720℃后,以TEG、TMI和氨作为原料,作为载体气体采用氮气,5次重复生长15nm的GaN层和3nm的InGaN层。详细的生长过程是,供给氨和TEG,在15nm生长无掺杂GaN层后,停止供给TEG,只供给氨和载体气体,3分钟实施生长中断。其后供给TMI及再次的TEG,3nm生长InGaN层。然后,停止供给TMI和TEG,只供给氨和载体气体,生长中断实施15分钟。
在5次重复该GaN层生长、GaN层的生长中断、InGaN层生长、InGaN层的生长后,供给TEG和氨,18nm生长无掺杂GaN层。在该无掺杂GaN层生长后,升温到800℃,作为TMA和TEG及氨和p型掺杂剂原料,供给双乙基环戊二烯基镁,25nm生长AlGaN层。在生长了AlGaN层后,停止供给TMA、TEG及双乙基环戊二烯基镁,升温到1050℃,作为TEG、氨和p型掺杂剂原料供给双乙基环戊二烯基镁,200nm生长p型GaN层。接着,从反应炉中取出基板,通过在含有氨和氧的氮气流下,在800℃退火48秒,制造3-5族化合物半导体。
在利用X射线衍射评价多重量子阱结构的卫星反射时,发现InN混晶比按照多重量子阱整体的平均值为1.96%,由此表明InGaN活性层的InN混晶比为11.76%。
在得到的试样上形成NiAu的p电极、Al的n电极。在向如此得到的LED试样流通20mA的顺方向电流时,所有试样都显示明亮的蓝色发光。亮度为1795mcd,发光波长为470.8nm。从该发光波长计算出InGaN活性层中的InN混晶比为29.8%。
实施例2
除将在实施例1中3nm生长InGa层后的生长中断从15分钟变更为20分钟以外,按照实施例1制作了3-5族化合物半导体。
在利用X射线衍射评价多重量子阱结构的卫星反射时,发现InN混晶比按照多重量子阱整体的平均值为1.915%,由此表明InGaN活性层的InN混晶比为11.49%。
在得到的试样上形成NiAu的p电极、Al的n电极。在向如此得到的LED试样流通20mA的顺方向电流时,所有试样都显示明亮的蓝色发光。亮度为1175mcd,发光波长为476nm。从该发光波长计算出InGaN活性层中的InN混晶比为31.1%。
实施例3
按照实施例1,大约50nm生长GaN低温生长缓冲层、大约3μm生长n型GaN层、大约0.3μm生长无掺杂GaN层。接着,在停止供给TMG后,在降温到770℃,接着以TEG、TMI和氨作为原料,作为载体气体采用氮气,在720℃生长15nm厚的GaN层和3nm的InGaN层,5次重复生长GaN层和InGaN层。详细的生长的顺序是,在770℃供给氨和TEG,在15nm生长无掺杂GaN层后,停止TEG的供给,只供给氨和载体气体,生长中断5分钟。在该生长中断中降温到720℃,然后供给TMI和再次的TEG,3nm生长InGaN层。
然后,停止供给TMI和TEG,只供给氨和载体气体,生长中断5分钟。在该生长中断中再次升温到770℃,再次生长GaN层。
在5次重复该GaN层生长、GaN层的生长中断(降温)、InGaN层的生长、InGaN层的生长中断(升温)后,通过按照实施例1生长无掺杂GaN层、AlGaN层、p型GaN层,制造3-5族化合物半导体。
在利用X射线衍射评价多重量子阱结构的卫星反射时,发现InN混晶比按照多重量子阱整体的平均值为1.53%,由此表明InGaN活性层的InN混晶比为9.18%。
在得到的试样上形成NiAu的p电极、Al的n电极。给如此得到的LED试样流通20mA的顺方向电流时,所有试样都显示明亮的蓝色发光。亮度为3548mcd,发光波长为482.9nm。从该发光波长计算出InGaN活性层中的InN混晶比为32.5%。
比较例1
除将在实施例1中3nm生长InGa层后的生长中断从15分钟变更为5分钟以外,按照实施例1制作了3-5族化合物半导体。
在利用X射线衍射评价多重量子阱结构的卫星反射时,发现InN混晶比按照多重量子阱整体的平均值为3.29%,由此表明InGaN活性层的InN混晶比为19.74%。
在得到的试样上形成NiAu的p电极、Al的n电极。在向如此得到的LED试样流通20mA的顺方向电流时,所有试样也都显示明亮的蓝色发光。亮度为46mcd,发光波长为480nm。从该发光波长计算出InGaN活性层中的InN混晶比为31.9%。
比较例2
除将在实施例1中3nm生长InGa层后的生长中断从15分钟变更为10分钟以外,按照实施例1制作了3-5族化合物半导体。
在利用X射线衍射评价多重量子阱结构的卫星反射时,发现InN混晶比按照多重量子阱整体的平均值为2.26%,InGaN发光层的InN混晶比为13.56%。
在得到的试样上形成NiAu的p电极、Al的n电极。在向如此得到的LED试样流通20mA的顺方向电流时,所有试样也都显示明亮的蓝色发光。亮度为163mcd,发光波长为464nm。从该发光波长计算出InGaN活性层中的InN混晶比为28.5%。
图2中纵轴表示从实施例1~3及比较例1~2中的发光波长计算的InN混晶比(百分率),横轴表示利用多重量子阱结构的X射线衍射测定的InN混晶比(百分率)。实施例和比较例的点,以由利用注入电荷形成的发光波长计算的InN混晶比为由X射线衍射得到的InN混晶比的42.5%的线为界限,被明确区分。
图3中横轴表示从实施例1~2及比较例1~2中的量子阱层的生长结束后到下个阻挡层生长开始的生长中断时间,纵轴表示由多重量子阱结构的量子阱层的X射线衍射测定的InN混晶比和利用注入电荷发光的发光波长。值得注意的是,表现出尽管减少由X射线衍射得到的InN混晶比,通过注入电荷发光的发光波长也几乎不变化。这明确表明,通过控制用X射线衍射测定的活性层中的InN混晶比,能够在不变化发光波长的情况下得到高亮度化。
本发明的3-5族化合物半导体,由于利用X射线衍射测定的量子阱结构的InN混晶比,相对于从通过注入电荷发光的发光波长算出的InN混晶比达到42.5%以下,所以能够成为高亮度的发光元件。
此外,根据本发明,通过在量子阱层的生长温度下用超过10分钟的时间,或在比量子阱层的生长温度高的温度下进行的特定的条件下,实施从量子阱层的生长结束后到下个阻挡层生长开始的生长中断,能够制造可成为高亮度的发光元件的3-5族化合物半导体。

Claims (5)

1.一种3-5族化合物半导体,具有多重量子阱结构,该多重量子阱结构包括至少两个以下的量子阱结构,即所述量子阱结构是由以一般式InxGayAlzN表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构,其中,x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1,该3-5族化合物半导体特征是:
利用所述多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层的平均InN混晶比,相对于由通过向所述3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,在42.5%以下。
2.一种3-5族化合物半导体,具有单一量子阱结构,该单一量子阱结构由以一般式InxGayAlzN表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成,其中,x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1,该3-5族化合物半导体特征是:
所述阻挡层和所述量子阱层,以在通过多次重复它们而形成多重量子阱结构的情况下,利用所述多重量子阱结构的X射线衍射测定的量子阱层的平均InN混晶比,相对于由通过向具有所述多重量子阱结构的所述3-5族化合物半导体注入电荷而发光的发光波长算出的InN混晶比,在42.5%以下的方式形成。
3.一种3-5族化合物半导体的制造方法,所述3-5族化合物半导体具有由以一般式InxGayAlzN表示的量子阱层、和夹持该量子阱层的2个阻挡层构成的量子阱结构,其中,x+y+z=1、0<x<1、0<y<1、0≤z<1,所述制造方法的特征是:
将从量子阱层的生长结束后到阻挡层生长开始之前的生长中断,以在量子阱层的生长温度下进行超过10分钟的时间而实施、或者在比量子阱层的生长温度更高的温度下进行而实施。
4.如权利要求3所述的3-5族化合物半导体的制造方法,其特征是:在3族原料的供给停止的条件下实施生长中断。
5.一种3-5族化合物半导体发光元件,其特征是:使用如权利要求1~2所述的3-5族化合物半导体、或通过如权利要求3~4所述的制造方法得到的3-5族化合物半导体而构成。
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