TW200845436A - Nitride semiconductor light-emitting device - Google Patents

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TW200845436A
TW200845436A TW097111833A TW97111833A TW200845436A TW 200845436 A TW200845436 A TW 200845436A TW 097111833 A TW097111833 A TW 097111833A TW 97111833 A TW97111833 A TW 97111833A TW 200845436 A TW200845436 A TW 200845436A
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intermediate layer
nitride semiconductor
semiconductor light
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TW097111833A
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Inventor
Akihito Ohno
Kyosuke Kuramoto
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Description

200845436 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於氮化物半導體發光元件，且特別有關 於適合在低電壓下之利用的氮化物半導體發光元件。 【先前技術】. 氮化物系半導體係作為發光元件或電子元件用材料而 應用於各式各樣製品。特開2__307149號公報所揭露之 乳化物半導體元件在P型接觸層與p型披覆層之中間具有 高濃度摻雜層與低濃度摻雜層’卩降低作動㈣。^化
物半導體元件係藉由上述構成且藉由使p型層 I 度最適化，而降低作動電壓。 s ''' 眼 【知^午文獻1】特開2000 —3〇7149號公報 【特誇文獻2】特開2000 —1 64922號公報
L贫明内容J 列舉位於異面接合之能帶間隙不連續量… 化物半導體元件之作動電壓的要素。在應輸送载子：：： 接合中，θ為能帶間隙不連續量—旦大的話 . 輸送之際的障壁，所以從低作動電屢之觀點來看的不 :的。但是，在前述習知之氮化物半導體發光元件;疋因不 ^是考慮能㈣連續量的料，所以有難以维抑= 出之低作動電壓化的問題。 、$先輪 為了解決上述課題，本發明之目的係提供―種抑制作
2118-9552-PF 5 200845436 動電壓之氮化物半導體元件。 本發明一實施例提供一種氮化物半導體發光元件。該 氮化物半導體發光元件包括·· P型接觸層；p型中間層，形 成於該P型接觸層之下層；以及p型披覆層，形成於該p型中 間層之下層；其中，該p型接觸層與該p型中間層間、及該p 型中間層與該p型披覆層間之能帶差係分別為200meV以下。 藉由本發明可以降低氮化物半導體發光元件之作動電 壓。 【實施方式】 實施形態1 以本實施形態之氮化物半導體發光元件的製造而言， 使用I I I族原料之化合物，例如三甲基鎵（以後，稱為 TMG)、三曱基鋁（以後，稱為TMA)、三曱基銦（以後，稱為 TMI)。以V族原料而言，則使用阿摩尼亞（關3)氣體。n型不 純物原料係使用矽烷（以後，稱為以儿）。？型不純物原料係 使用（壞戊二烯）鎂（以後，稱為CP2Mg)。上述原料氣體的載 子氣體係使用氫氣（H2)氣體及氮氣（化）。但是，上述各原料 僅為一部分的實施例，本發明並不限定於此。 一般而言，以用於成長氮化物系半導體的結晶成長方 法而言，例如是有機金屬氣相成長法（M〇CVD)、分子束磊晶 法（MBE)、氫化物氣相成長法（HVPE)。在本實施形態中，元 件層之結晶成長方法係使用有機金屬氣相成長法 (M0CVD)。但是，用於製造本實施形態之氮化物半導體發光
2118-9552-PF 6 200845436 元件的結晶成長方法並不限於有機金屬氣相成長法 (M0CVD)，也可以使用分子束磊晶（MBE)、氫化物氣相成長 法（HVPE)〇 圖1係繪示用;:於説1明構成本實 發光元件之結構的圖。基板1 〇係由GaN構成。在本實施形態 中’基板10之主面為（0001)面。此基板10設置於 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)裝置 内。而且，一邊供給NL氣體一邊將温度升至100(rc。之後， 開始供給TMG與Si H4，而η型半導體層12開始成長。η型半導 體層12係以形成於基板1〇之主面上且膜厚為m的GaN作 為主成分。接著，開始供給TMA，而n型披覆層14開始成長。 η型披覆層14乃是由n型氮化鋁鎵（Α1δ Q?Ga() ηΝ)所組成之膜 厚1· 0/ziii的層。η型披覆層主要是後述用於提高活性層之電 子密度的層。接著，停止供給ΤΜΑ，而由11型（^1^所構成之厚 度為1·0//ιη的η型導光層16開始成長。Ν型導光層16主要是 將光侷限在後述之活性層並調整活性層内之光密度。2 後，停止供給TMG與SiH4，而温度降至7〇(rc。如上所述， 自η型半導體層12至η型導光層16為具有n型之導電型的層。 接著，藉由以氮化銦鎵（InGaN)為成分之多重量子曰井 (以後，稱為MQW)所構成的活性層18開始成長。活性層 18係由井層與障壁層交互疊積之3對構造所形成。在此實 施例中’井層乃是藉由TMI、TMG、阿摩尼亞 為 腦)之供給而形成。其組成…心。‘。另外，膜厚 1 3·^。另―方面’障壁層乃是藉由咖與肌之供給而形
2118-9552-PF 7 200845436 成。其組成為GaN。另外，膜厚為7· Onm。如此一來，因為 活性層18具有MQW構造，而可以達成自活性層、丨8發出之 光的局輸出化。 揍著，停止供給TMG，一邊供給〇3一邊將溫度升至丨〇⑽ °c。之後，開始供給TMG、TMA.、CP2Mg，而p型電子障壁層 20開始形成。p型電子障壁層2〇之組成為A1。」Ga。州。其膜 厚為〇· 02//m。接著，停止供給TMA。之後，而形成p型導光 層22。P型導光層22為GaN，膜厚為〇· 1 # m。p型導光層22
主要擔任調整活性層18内之光密度的角色。接著，開始供 給TMA，而形成p型披覆層24。p型彼覆層24具有以 M°_°7Ga^N表示之組成，其膜厚為0.4/ζηι。形成p型披覆層 24之目的主要是為了提高活性層18的電洞密度。接著，: 成P型中間層26。p型中間層26具有以Ah。心。屬示之組 成，其膜厚為(M㈣。形成此層之意義乃是降低本實施形 態之氮化物系半導體雷射的作動電壓，詳細内容如後所 述一之後开y成13型接觸層28。P型接觸層28之組成為GaN， 三、膜2為0.1/zm。之後，停止供給tmg、CP·，將温度冷 部至室温。在此實施例中，於p型之各層摻雜不純物，而p 型披覆層24、ΐ3^ΦΡ3®〇β 4曰26、ρ型接觸層28之不純*Mg的宓 度分別是 2E19cm~3、5E18rirT3 1 -3 山 、1E2〇cm 。本實施形態之型 層成為上述構成。 上述結晶成長終了之後 著，藉由微影製程而形成預 預定形狀之光阻圖案與台地 ’在晶圓上全面塗布光阻。接 定形狀之光阻圖案，其中，該 (mesa)部之形狀對應。以該
2118-9552-PF 8 200845436 光阻圖案為罩幕，姓刻未被光阻覆蓋之部分直到_披覆層 24為止。關於該姓刻步驟，其'中一種方式是使用反應㈣ 子姓刻（關法等。而且，以RIE法之姓刻氣體而言，例如 可以使用氯系氣體。如此一來，藉由餘刻而產生成為光導 波構造之脊狀32。接著，直接留下在蝕 阻，，在基板全面形成厚度G.2 一膜36== 之形成係可以使用CV])(CheinidVapQr如咖出⑽）法、 真空蒸着法、減鍍法等。接著，在除去光阻的同時，一併 除去脊狀上之Si(«。此為稱作舉離法的處理。舉離的結 果是形成脊狀32上的開口部34。 接著，在基板全面依序形成Pt層、如層。關於pt層、 Au層之形成，例如可以使用真空蒸着法。之後，進行光阻 塗布、微影、及姓刻。㈣的話可以使用濕钱刻或乾钱刻。 如此-來，形成p型電極30之圖案。接著，藉由真空墓着 法，在基板背面整面分別形成Ti、Pt、A_，並進行用於 使η電極38歐姆接觸的合金處理。 接著，將上述作成之基板切割而加工成條狀。藉此， 形成兩共振器端面。而且，對上述共振器端面施加端面塗 :::面塗佈施作之目的乃是為了降低雷射元件之闕値電 :雄度。接著，將形成條狀之基板切割成晶片。本實施形 恶之氮化物半導體發光元件係由上述結構所構成。 圖2係繪製了囊整本實施形態之氮化物半導體發光元 件之Ρ型披覆層24、ρ型中間層261型接觸層⑼之組成等 的表。本發明之特徵係在於具有上述3層的結構。之後，
2118-9552-PF 9 200845436 依序説明本發明之三個特徵。 第将徵係如圖2所示，在於可以將p型披覆声24* 型中間屛a TP主做復層舆p 曰"之:能帶間隙差（以後，稱為第1能帶間隙差）、 # p j中間層26與ρ型接觸層28間之能‘帶間隙差（以後，稱 第2:、▼間隙差）分別抑制在70meV、90raev。在氮化物半導 :Y光兀件中，從省能等的要求來看，漸漸地必須維持發 光，出且降低作動電壓。而且，決定作動電壓的要素之: =疋層間之旎帶不連續量（也就是能帶間隙差）。一旦能 ^ j隙差大的活，則必須藉由提高作動電壓而得到所欲之 香光輪出。因此，低作動電壓化是困難的。在此實施例中， 一般而言，AlxGai_xN(〇gXglh^晶之能帶間隙Eg[eV]乃是 由以下式1表示。 g[eV] (1-Χ) χ (5^μ) + Χχ(Εαιι〇 —b xX(l—X) · ·式1 EGaN = GaN之能帶間隙=3. 39eV、
Em =A1N之能帶間隙= 6.2eV、 參 b(彎曲係數）=〇·6。 為了抑制第1能帶間隙差及第2能帶間隙差，本實施形 〜之氮化物半導體發光元件根據上述式1與後述之考察，決 疋Ρ型披覆層24、ρ型中間層26之組成。在此實施例中，Ρ 型披覆層24、ρ型中間層26❼組成係個別決定，披覆層 24所用之係數X與ρ型中間層26所用之係數χ並不一致。 以第1能帶間隙差與第2能帶間隙差之値而言，較佳 値係根據以下理論考察而決定。 一般而言’ 一旦能帶間隙相異之2種類的半導體接合的
2118-9552-PF 10 200845436 4，則在其界面會因為傳導帶Ec與價電子帶Ev而產生能帶 間隙差。能帶間隙:i乃是為了能保存半導體之電子親和力 (也就是說，從真空準位至傳導體不端的能量差）而決定。 在 GaN(Eg= 3· 39eV)與 AlN(Eg= 6· 2eV)的積況下，兩者 之傳導帶間之能量差（以後，稱為△“）大約為h96eV，價 電子帶間之能量差（以後，稱為ΔΕν)大約為〇84eV。在此 實施例中，為了防止作動電壓之上昇，可以事先將控 制在較低的値。在前述之GaN與A1N的情況下，一旦將ΔΕν 舆AEc之和控制成能帶間隙差的話，則其値為2· 8lev左 右。因此，ΔΕν大約占能帶間隙差的3〇%左右。 本實施形態之ρ型披覆層24、ρ型中間層26、接觸層 28具有圖2所不之組成，第1能帶間隙差及第2能帶間隙差分 別是70meV、90meV。第1能帶間隙差7〇meV之中3〇%左右為第 1能帶間隙差的ΔΕν成分（以後，稱為△以1)。八以1為21111〜 左右。另一方面，第2能帶間隙差90 mev之中30%左右為第 2月b π間隙差的ΛΕν成分（以後，稱為AEV2)。為27meV 左右。ΔΕν：1、ΔΕν2兩者與室温之熱能量（約26meV)大約相 同。因此，P型載子之電洞係容易穿越△EvUAEW之障 壁。故，△ Evl與△ Ev2實質上不使作動電壓上昇。換句話 說，可以使第1能帶間隙差、第2能帶間隙差皆在丨〇〇 meV 以下。 而且，一旦假疋成帶間隙差為2QQ mey的情況，△ Εν 為60 meV左右。即使^Ev為60meV，對於因為前述室温下 之熱旎量的2倍左右所造成之作動電壓上昇的影響是輕微 2118-9552-PF 11 200845436
的。因此，可以說，即使能帶間隙差為2 〇 〇 m e V，實用上還 是在容許的範圍内。但是，一旦能帶間隙差超過3〇〇 meV 的情況下’無法忽略因為A Ev超過9 q m e V而使作動電壓上 昇所造成的影響。 藉由上述理論考察，可以決定一較佳值以作為第1能帶 間隙差與第2能帶間隙差的値。一旦根據前述之考察的.話， 則第1能帶間隙差與第2能帶間隙差係分別在2⑽meV以 下，更佳者係在1〇〇 mev以下。本實施形態之第！能帶間隙 差與第2能帶間隙差係分別是7〇 meV、90meV，滿足其條件。 如本實施形態所述，藉由降低第丨能帶間隙差與第2能帶間 隙差，因為載子之障壁降低，而可以在維持發光輸出的情 況下降低作動電壓。 另外，P型中間層26之能帶間隙係型披覆層24之能 帶間隙小。一旦p型中間層26之能帶間隙小的話，可以降低 P型中間層26之摻雜物Mg的活性化能量。藉此，中間層 26可以侍到⑤載子濃度。因此，由於可以供給比形成於p 型中間層26上層之p型接觸層28更多的載子，所以能維持氮 化物半導體發光元件之輸出，i降低作動電壓。而且，如 前所述，若將p型中間層26之能帶間隙控制得比口型披覆層 24之能帶間隙更小的話，則可以得到前述之降低作動電壓 的效果。 一般而言，包含A1之p型氮化物半導體乃是AjL&成愈小 則能帶間隙能量變得愈小，而Mg之受體（accept〇r)準位
也變小。因此，在本實施形態中，如圖2所示，將p型中間 2118-9552-PF 12 200845436 =26之A1組成比控制得比p型披覆層^之^組成比更低。藉 之I I ? P型中間層26之能帶間隙控制得比P型披覆層24 之点帶:間隙更低，而可以降低作動電壓。 第二特徵乃是：從作動電壓與微分效率之觀點來看， 胜P!中間層26之摻雜物濃度最適化。使用旧與圖4説明此 ’徵。在圖3中，繪示本實施形態之氮化物半導體發光元件 之P型中間層26之摻雜物濃度與作動電壓的關係。圖3之圖 :横軸為P型中間層2叫濃度;縱軸為本實施形態之氮化 半導體卷光7L件之i00mA作動時的作動電壓。從圖3來 看，作動3電壓變成最小ο型中間層26物濃度係介於 3E18[cm3]至 3E19[cnf3]的範圍内。 若是此範圍内之_濃度的話，則可以得到最小之^左 右的作_。?型中間層26之％濃度變化所引起之氮化物 +導體發光元件的作動電5變動係可以藉^型中間⑽ 的載子漠度説明。也就中間層26之載子濃度乃是 在P型中間層26之Mg濃度為3E18krw3Ei9[enf3]左右的 情況下取極大値。因為載子濃度高，因此可以提升向P型接 觸層的電洞注人效率，& ’可以抑制作動電壓。 圖4係表示p型中間層26之摻雜物濃度與微分效率之 關係的圖。圖4之圖的横轴為P型中間層26的心濃度； 縱轴為本實施形態之氮化物半導體發光元件發振時的微分 效率。在P型中間層2kMg濃度為1E19[cnf3]以下的區 域中’因為Mg具有吸收光的效果’所以^濃度愈低則微 分效率顯示愈高的値。另—方面，在Mg濃度為ML]
2118-9552-PF 13 200845436 以上的情況下，微分效率為L28WA且飽和。因此，為了 提升微分效率，p型中間層之Mg濃>度在1E19[cm_3]以下， 盡可能是低濃度者較佳。但是，—旦為了提高微分效率而 降低Mg濃度的話，則圖3所説明念作動電壓會上昇。因為 一旦Mg濃度降到1E18 [⑽_3]的話，則作動電壓會急遽地增 加’所以較佳者係摻雜該値以上的。因此，將作動電壓 與微分效率兩者控制成良好値之P型中間層26的Mg濃度 乃是在lE18[cm-3]以上1E19[cm-3]以下。本實施形態之p 型中間層26的Mg濃度為SEUknT3]，成為兼具低作動電 壓•與高微分效率的結構。 第三特徵乃是：P型中間層26之摻雜物濃度比p型接 觸層28及P型披覆層24更低。如前所述，因為p型中間 層26内之Mg吸收光所引起的吸收損失乃是使微分效率惡 化的主要因素。在本實施形態中，藉由使p接觸層Μ、p 型中間層26、ρ型披覆層24之内、ρ型中間層26的Mg濃 度最小化’可以抑制由Ug引起之光的吸收。 根據具有上述3個特徵之本實施形態之結構的話，可 以在維持發光輸出之外，降低作動電壓。 在本實施形態中，雖然P型接觸層28之組成為GaN，但 是，本發明並不限定於此。也就是說，p型接觸層之組成滿 足 InyAlzGai-y-zN(〇S y、〇$ z、y + z< u，且可以得到盡可能 將P型接觸層_p型中間層間之能帶間隙差抑制在2〇〇meV以 下等所謂本發明的效果。 雖然本實施形態之P型接觸層28的摻雜物濃度為
2118-9552-PF 14 200845436 1Ε20χπΓ3,但是，本發明並不限定於此。也就是說，因為在
Mg濃度為lE2〇Cnf3以上iE21Cnr3以下的情況下摻雜，能具 有良好的歐姆接觸，所以只要在該範圍内的Mg濃度都屬本 發明的範圍。 實施形態2 本貫施形態係在p型中間層使用GaN，且有關於降低作 動電壓的氮化物半導體發光元件。本實施形態之氮化物半 導體發光元件相較於圖i所示之實施形態丨的氮化物半導體 發光兀件而言，除了 p型中間層之組成不同之外，其餘相 同。本實施形態之p型中間層4〇的組成為GaN。其膜厚為Q. } ^ m在圖6之表格中，係茱整了本實施形態之氮化物半導 體發光元件的組成等。藉由上述結構，因為可以降低？型中 間層之Mg的受體準位，所以容易得到高載子濃度。因此， 載子之庄入效率增加。結果，可以使作動電壓降低。 而且，如上所述，本實施形態之氮化物半導體發光元 件除了使載子之注入效率增加之外，亦可以將p型接觸層Μ Ρ型中間層40間、及ρ型中間層40 — Ρ型披覆層24間的能 π間隙差分別抑制在2〇〇mev以下。藉此，可以得到實施形 態1所説明之效果，並可以降低作動電壓。 在本實施形態中，雖然p型接觸層28之組成為GaN，但 是，本發明並不限定於此。也就是說，p型接觸層之組成滿 足 InyAlzGaitzN(0^y、0^z、y + z<1)，且可以得到將p型 觸層P型中間層間之能帶間隙差盡可能抑制在20〇meV 以下等本發明的效果。
2H8-9552-PF 15 200845436 雖然本實施形態之p型接觸層28的摻雜物濃度為 1E2Ocm 3，但是，本發明並不限定於此。也就是說，因為在 Mg濃度為iE2〇cm-3以上1E21cm-3以下的情況下·摻雜，能具 有良’好的歐姆接觸，所以只要在該範園内的Mg濃度都屬本 發明的範圍。 【圖式簡單說明】 [圖1 ]係緣示用於説明構成實施形態1之氮化物半導 _ 體發光元件之各層的圖。 [圖2]係繪示用於説明構成實施形態丨之氮化物半導 肢奄光兀件之P接觸層、p型中間層、p型披覆層之組成等 的圖。 [圖_3]係纷示用於説明關於實施形態i之氣化物半導 脱舍光兀件’其作動電壓之p型中間I⑹農度依存性的圖。 [圖4]係緣示用於説明關於實㈣§丨 體發光元件，其料八对銮々 卿千寺
「 /、外刀> 、p型中間層Mg濃度依存性的圖。 L圖 5 ]係緣示用於玲 俨㈣亓杜 ㈣°兄月構成實施形態2之氮化物半導 體舍先兀件之各層的圖。 實施形態2之氮化物半導 間層、P型彼覆層之組成等 [圖6 ]係繪示用於説明構成 體發光兀件之P接觸層、p型中 的圖。 【主要元件符號說明】 24〜p型披覆層
2118-9552-PF 16 200845436 2 6〜p型中間層 28〜p型接觸層
2118-9552-PF 17

Claims (1)

  1. 200845436 • 十、申請專利範圍： 1 ·種氮化物半導體發光元件，包括： p型接觸層； p型冲間層，形成於該p型接觸層之下層；以及 p型披覆層，形成於該p型中間層之下層； 該p型接觸層與該p型中間層間、及該p型中間層與該p 型披覆層間之能帶差係分別為2〇〇meV以下。 2·如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元 I件，其中，該p型接觸層係摻雜有社的InyAlzGai_y』、 0 S z、y + Z < 1 ); 該P型中間層係摻雜有Mg的AlxiGamNCO^xd i); 该P型披覆層係摻雜有Mg的Alx2Gai_x2N(〇$X2$丨）。 3·如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光元 件，其中，該ρ型接觸層係GaN ; 該P型接觸層之Mg濃度為lxl02°cnT3〜lxl021cnf3。 4·如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光元 ®件其中’ ”亥ρ型中間層之Mg濃度為1 〇18cm_3〜;| X1 Ql9cm_3。 5 ·如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光元 件’其中’該p型中間層之Mg濃度比該P型接觸層及該P 型披覆層之Mg濃度低。 6 ·如申请專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光元 件，其中，該p型中間層之組成為GaN。 2118-9552-PF 18
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