TW200910651A - III-nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

200910651 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種第III族氮化物系半導體發光元件。 【先前技術】 專利文獻1(曰本專利特開平8-330629號公報）中揭示有— 種氮化物半導體發光元件。陽極電極與第一 p型氮化物半 導體層接觸。於活性層上，第二p型氮化物半導體層位於口 型包覆層與第一 p型氮化物半導體層之間。亦即，於活性 層上依序設置有p型包覆層、第二？型氮化物半導體層以及 第P型氮化物半導體層。第二p型氮化物型半導體層之受 主雜質濃度低於陽極電極所接觸之第一p型氮化物半導體 層之受主雜質濃度。 專利文獻2(曰本專利特開平1〇_421〇號公報）中揭示有一 種氮化物化合物半導體發光元件。於發光層上依序設置有 P型AI0.08Ga〇.92N包覆層、p型第一 GaN接觸層以及p+型第二 ⑽接觸層，電極與〆型第二GaN接觸層接觸。 【發明内容】 引用文獻1及2中所揭示之發光元件中，於活性層上設置 有由p型AlGaN電子包覆層/_GaN接觸層構成之積層。p

GaN接觸層包含通常％漢度之p型層與高_濃度之 P型GaN層。 業者期望提高該纟士播々1 , ，、，°構之發光二極體之光輸出。根據發明 者對發光二極體之特性進行之分析，於Ρ型半導體層與量 井。構活]·生層之界面附近觀察到了予體能階。又，於低 131099.doc 200910651 狐之發光光譜中觀察到了由與活性層不同之p型半導體層 引起之發光與所推測之峰值。該發光之原因在於，量子井 層之活性層與P型半導體層之界面附近形成有予體缺陷， 該缺陷使電子包覆層之障壁高度下降…般認為由於該下 降’電子自活性層向P型半導體區域茂漏，藉& ,發光效 率降低。 因此，本發明之目的在於提供一種第III族氮化物系半導 體發光元件，該第卿氮化物系半導體發光元件係雲於上 述事項開發而成者，且能夠減少自活性層向P型半導體區 域之電子洩漏。

根據本發明之一方面，第職氮化物系半導體發光元件 包括⑷η型氮化鎵系半導體層；（b)第—pmGaixN ㈣X<1)層；⑷設於上述n型氮化鎵系半導體層與上述第 一 Ρ型AlxGa】.xN層之間、含有InGaN層之發光層；⑷設於 上述第一 P型AlxGai_xN層上之第二p型AWGai γΝ ((^ΚΧ<1)層；⑷設於上述第二Ρ型AlYGai_Y_上之第 二P型AlzGai.zN層㈣uux<1);以及（f)與上述第三㈣ AlzGai_zN層接觸之？電極。上述第二ρΜΑΐγ^ι·γΝ層之p型 摻雜劑濃度大於上述第-㈣从叫摘及上述第三⑻ AlzGa!.zN層之p型摻雜劑濃度。 根據該第III族氮化物系半導體發光元件，第二p塑 AWGa丨·γΝ層之p型摻雜劑濃度大於第_ p型μ如⑽之p 型掺雜劑濃度，因此’來自第二㈣八咖獨之p型掺 雜劑藉由製造該元件時之熱量而向第—p型从叫屬擴 131099.doc 200910651 散並到達第一 p型AixGu層與活性層之界面附近為 ^。藉此’於第一卩型AlxGai χΝ層與活性層之界面附近之 第-Ρ型AlxGai.xN層上，ρ型摻雜劑濃度之分布曲線變得陡 峭。藉此，電子茂漏減小，使發光效率增加。又，第三ρ 型AlzGai_zN層之ρ型摻雜劑濃度可設定為用以獲得適合之 接觸電阻之值。 本發明之第III族氮化物系半導體發光元件中，上述第二

P型AlYGai_YN層之卩型摻雜劑濃度較好為卜102。cm·3以 上。當P型摻雜劑濃度達到1x1〇2g cm·3以上時，會提高促 進摻雜劑擴散之效果。 本發明之第III族氮化物系半導體發光元件中，上述第三 P型AlzGai_zN層之p型摻雜劑濃度較好為ΐχΐ〇丨9 cm·3以上。 該摻雜劑濃度可減小第三?型AlzGai zN層與電極之間之接 電p又，上述第二P型AlzGai-zN層之ρ型摻雜劑濃度較 好為1 x 1 020 cm·3以下。過度之P型摻雜劑濃度會使正向電 壓（Vf)增加。 本發明之第III族氮化物系半導體發光元件中上述第一 P型AlxGahN層之ρ型摻雜劑濃度較好為lxl〇2。cm·3以下。 過里之換雜劑濃度會使活性化率降低，因此，ρ型摻雜 劑濃度較好為cm.3以下。第―？型人⑽^層之作 用在於向活性層提供電洞，因此，較好的是第一 ρ型 AlyGai-yN層之載子濃度高。 本發明之第ill族氮化物系半導體發光元件中上述第二 P型AlYGai_YN層較好的是由GaN形成。又，本發明之第出 131099.doc 200910651 族氮化物系半導體發光元 (r τ 上迷第二Ρ型AIzGai_zN層 較好的是由GaN形成。GaN之忐且、* ώ： π 取 OaN之成長速度可大於八…心之成 長速度，因此可縮短成長時間，從而可降低成本。 進而’本發明之第m族氮化物系半導體發光元件中，上 述第一 P型AlxGai.xN層較好的是由GaN形成。對應於活性 層中之發光波長’ GaN亦可用作電子障壁。又，㈣之成 長速度可大於A1GaN之成長速度，因此可縮短成長時間， 從而可降低成本。 本發明之第III族氮化物系半導體發光元件中，上述第一 P型AlxGai_xN層之p型摻雜劑可為Be、Mg、Zn中之至少一 個。上述第二p型AlYGai YN層之p型摻雜劑可為^、

Zn中之至少一個。上述第三層之ρ型摻雜劑可 為Be、Mg、Zn中之至少一個。於該第ΙΠ族氣化物系半導 體發光元件甲，藉由用於ρ型摻雜劑之上述元素而提供優 良之效果。 【實施方式】 藉由參照作為例示而表示之附圖並考慮以下之詳細記 述，可容易地理解本發明之見解。接著，一方面參照附 圖，一方面說明本發明之第m族氮化物系半導體發光元件 之實施形態。於可能之情形時，對同一部分標註同一符 號。 (實施形態） 圖1係概略表示本實施形態之第ΠΙ族氮化物系半導體發 光元件之圖。作為第III族氮化物系半導體發光元件U，例 131099.doc 200910651

如有面發光之發光二極體。第ΙΠ族氮化物系半導體發光元 件Π包括η型氮化鎵系半導體層13、第一 ρ型AlxGaixN (〇各X<1)層15、含有InGaN層之活性層17、第二p蜇 AlyGauN層 19、帛三p型 AlzGaizN γ^χ<1)層 21、 以及電極23。第一 Ρ型AUGahN層（以下記作ρ型AlxGabXN 層）15設於lnGal^^性層17上。第二層（以下 §己作P型AlyGa-wN層）19設於p型AlxGaixN層15上。第三p 型AlzGa丨-以層（以下記作P型AlzGai.zN層）21設於p型 為陽極電極。較好的是，該接觸為良好之歐姆接觸。p型 19之P型摻雜劑濃度NP〗9大於型八丨…‘小層15 之P型摻雜劑濃度NP〗5。又’ p型摻雜劑濃度Np|9大於p型 2 1以層212p型摻雜劑濃度NP21。ρ型AlxGa^N層15可 由GaN或者AlGaN形成。卩型…叫^層19可由㈣或者 AlGaN形成。p型AlzGai z_21可由⑽或者μ⑽形成。 P型AlYGa,.YM 19與？型从叫^層_成接觸。㈣ AlzGai.zN層21與？型八丨¥(}3|々：^層19形成接觸。 、曲1 艮據該第111族氮化物系半導體發光元件U，_播雜劑 = NP19大於_播雜劑〜濃度，因此，來自P型AlYGaiYN 曰19之P型摻雜劑於半導體發光元件u之製造步驟中，於 型AlxGa|_xN層15中熱擴散，並到達 、 Ημίι^Κ^ m p 生 A1xGai-χΝ層 1 5 與活 f生層17之界面附近為止。藉此， 性層17之界面、PiAlxGanJs^ 15與活 層Π之界面附近之 131099.doc -10- 200910651 度分布曲線變得陡嗜。藉此，減少來自活性層17之電子泡 漏’提面發光效率。又’ p型他』層21之?型摻雜劑濃 P21係，、p里換雜劑濃度互相獨立被規定因此，可 對於電極23於？型AlzGai』層21之接觸提供適合之接觸電 阻。

第矣氮化物系半導體發光元件n進而包括基板。基 板25於本實施例中，例如可為導電性之GaN基板這樣之第 ΙΠ族氮化物基板。或者，亦可使用藍寶石基板作為基板 25 〇於11型<3_基板之主表面（與主表面25a相對應）上，例 如》又有11里AlGaN層27，又，電極29與n型〇aN基板之背面 (與背面25b相對應）上接觸。電極29例如為陰極電極。 活性層17例如具有量子井結構，且包含InGaN井層17a及 障壁層17b。障壁層17b包含氮化鎵系半導體，例如可包含 銦組成；於較井層17a之inGaN之銦組成之InGaN。作為障 壁層17b之材料，於必要時可為⑽。活性層口之結構不 限定於單-或多重量子井結構，亦可由單—之祕心層形 成°來自活性層17之光L經由電極23而射出。 於第III族氮化物系半導體發光元件丨丨中，用於p型 AlYGa丨-YN層19之p型摻雜劑可為Be、Mg、Zn中之至少_ 個。將上述元素用作p型摻雜劑，從而可提供優良之特 性。用於p型AlzGa〗-zl·^ 21之p型摻雜劑可為Be、Mg、zn 中之至少一個。可實現低接觸電阻。摻雜劑濃度之調整例 如藉由改變成長速度等而實現。又，用於p型 15之p型摻雜劑可為Be、Mg、Zn中之至少一個。 131099.doc 200910651 (實施例） 製造發光二極體（LED , light_emitting di〇de)。準備 n型 GaN基板。接著，於結晶成長中，例如使用有機金屬氣相 成長(OMVPE ’ Organic Metal Vapor Phase Epitaxial)法。 作為OMVPE之原料，使用三甲基鎵（丁MGa)作為鎵原料， 使用二甲基銦（TMIn)作為銦原料，使用三甲基㉟（ΤΜΑι)作 為紹原料，使用氨作為氮化原料。使用氫氣與氮氣作為載 氣。使用二環戊二烯鎂（CpzMg)作為p型摻雜劑，使用甲基 梦甲烧（CH3SiH3)作為η型摻雜物。 於η型GaN基板上，依序成長nsAiQ()7GaQ93>^ (例如， 厚度為50 nm)、η型GaN層（例如，厚度為2 μηι)、 Ιη〇.丨々Μ·8”井層（例如，厚度為3 nm)/In〇屬3Ga〇 997N障壁 層（例如’厚度為15 nm)之活性層（6個井層）、p型 Al0.〇85Ga〇.9丨5N(例如，厚度20 nm、Mg濃度為3,〇xi〇丨9 cm-3)、 添加高量Mg之GaN層（例如，厚度為20 nm、Mg濃度為 1.8xl〇2G cm·3)、添加一般量Mg之GaN層（例如，厚度為3〇 nm、Mg濃度為7.6x1019 cm·3)，從而形成磊晶晶圓。 為了參考’不成長添加高量Mg之GaN層，而依序成長添 加一般量Mg之GaN層（例如，厚度為50 nm)，形成磊晶晶 圓R1 (比較例1)。又’不成長添加一般量Mg之GaN層，而 依序成長添加高量Mg之GaN層（例如，厚度為5〇 nm)，形 成磊晶晶圓R2(比較例2) 圖2係表示用於蟲晶晶圓A之二次離子質量分析（siMS， Secondary Ion mass Spectroscopy)之結果之圖。圖 3係表示 131099.doc 12 200910651 用於磊晶晶圓RiSIMS之結果之圖。參照圖2，添加高量 峋之㈣層（圖2中之參照符號19)設於P型A1〇.085Ga〇 915N層 (圖2中之參照符號15)與添加一般量Mg之GaN層（圖2中之來 照符號21)之間’因此’ p型AV(>85GaG9i5N層上之M咖型推 雜劑）之分布曲線PFlMg表示Mg濃度為3〜4χ1〇ΐ9 cm·3，又， 於P型Al0 〇85Ga0.9i5N層與活性層（圖2中之參照符號17)之界 面附近，分布曲線PFlMg之變化之陡峭性增大。參照圖]，

P型層（圖3中之參照符號45)設於活性層（圖3 中之參照符號17)與添加一般量Mgi GaN層（圖3中之參考 符號49)之間。—A1Q〇85Ga〇9i5N層上之Mg(p型摻雜劑）之 分布曲線PF2Mg表示Mg濃度為2〜3xl〇19cm·3,又，關於p型 Alo.o^GaowsN層（圖3中之參照符號45)與活性層（圖3中之參 照符號17)之界面附近的分布曲線叩2化之變化，與圊2之 分布曲線PFlMg相比，分布曲線pF2Mg之陡峭性差。若比較 表示A1濃度之分布曲線與分布曲線卯丨…、pF2Mg，則可良 好地表現陡峭性之差別。 自成長爐取出磊晶晶圓A、R1、R2之後，使用真空蒸鍍 法與微影法，於GaN基板之背面形成n電極（例如Ti/A丨電又 極），同時於磊晶晶圓之表面形成P電極（例如Ni/Au電極）。 P電極之尺寸例如為400 μιη見方。 進而，形成用於ρ電極及η電極之焊墊電極之後，使2〇 之電流流向晶圓之元件而測定發光波長與輸出。又， 藉由TLM法（Transmisson Line Meth〇d，傳輸線旬而測定 接觸電阻。根據SIMS之結果來估計Mg濃度。 131099.doc •13· 200910651 p-GaN層之結構 光輸出 發光波長 驅動電壓 接觸電阻 A 通常Mg濃度/高Mg濃度2層 5mW 468 nm 3.3 V 7E-3Qcm2 R1 通常Mg濃度 1 層 4mW 470 nm 3.3 V 7E-3Qcm2 R2 高Mg濃度 1 層 4.8 mW 465 ran 3.7 V 8Ε-2Ωοηα2 測定驅動電壓作為接通20 mA之直流電流時之值。 該結果顯示，實施例之LED對於兩種比較例之LED具有 高光輸出與低驅動電壓及低接觸電阻該兩方面。雖然於比 較例1之LED中，接觸電阻與驅動電壓低，但是比較例1之 光輸出較實施例之LED之光輸出低20%。比較例2之LED之 光輸出與實施例之LED之光輸出大致相等，但是比較例2 之LED之接觸電阻與驅動電壓高於實施例之LED。

Mg濃度過高或過低，LED之p電極之接觸電阻均有惡化 之傾向，較好為lxlO19 cm-3以上，又，較好為lxlO2。cm-3 以下。另一方面，根據SIMS分布曲線，p型AlGaN層與活 性層之界面上之Mg分布曲線之上升存在如下傾向，即， 與p型AlGaN層相接之p型GaN層之Mg濃度越高，則該Mg 分布曲線之上升越陡峭。其原因在於，當p型GaN層之Mg 濃度變高時，鎂原子容易經由P型AlGaN層而向活性層擴 散。 關於比較例1、2及實施例，一方面使用低溫恆溫器向 LED通電，一方面於10絕對溫度10 K〜420 K之範圍内測定 LED之發光光譜。圖4(a)係表示實施例中之EL光譜之圖。 圖4(b)係表示比較例1中之EL光譜之圖。圖5係根據實施例 及比較例1中之活性層而表示發光強度與環境溫度之關係 的圖。實施例之測定值由「Δ」表示，比較例1之測定值由 131099.doc -14- 200910651 「□」表示。比較例1中，於低溫下380 nm附近出現由？型 半導體層上之予體受主對引起之發光峰值。因此，普遍認 為由於低溫下p型半導體層中之予體受主對發光效率提 高’故而自活性層向P型半導體層洩漏之電子引起上述發 光。另一方面，於實施例中’普遍認為即使於低溫下亦只 能觀測到來自活性層之460 nm附近之發光，因此，電子自 活性層向p型半導體層泄漏之洩漏量小至可忽略不計的程 度。

如圖6(a)所示’於比較例1之1^〇結構中，p型八1(3^與 活性層之界面上形成有予體性缺陷D，該缺陷使p型 層之障壁高度降低。認為由於該障壁高度之降低而產生電 子:¾漏。 於比較例2之LED結構中，結果為，雖然發光效率高， 但疋驅動電壓大，該結構並不理想。 於實施例之LED結構中，藉由來自高濃度MgGaN層之 Mg擴散而控制p型AK}aN層中之Mg濃度，如圖6(b)所示， 實現Mg分布曲線之陡峭性及予體缺陷之補償c。其結果， 可獲得高發光效率。又，與Mg分布曲線之控制相獨立 地，提供用以與電極良好地接觸之p型GaN層。根據實施 例之LED ’可良好地與—f極進行接觸電阻，同時可對 予體性缺陷進行補償。 很錄上述說 1 …、,-Γ .肢 W 70 70 件 1 1 中，當P型摻雜劑濃度達到ixiOM cm-3以上時，促進摻雜 劑擴散之效果提高，因此，p型州…心一層19之p型摻雜 131099.doc -15- 200910651 P型摻雜劑濃度 劑濃度Npb較好為lx〗〇2〇 cm-3以 Np]9較好為1χ1〇21 Cm-3以下。 於第III族氮化物系半導體發光元件u中’為了減小與p 型電極之接觸電阻，層2kp型摻雜劑濃度 Np21較好為lxl0B cm-3以上。又，為了抑制正向電壓㈣ 之增加，避免過度添加P型摻雜劑，且PSA丨zGa丨·ζΝ層21之 Ρ型摻雜劑濃度Νρη較好為1χ1〇2〇 cm_3以下。

、曲於第m族氮化物系半導體發光元件"中，過量之掺雜劑 展度會使活性化率降低，因此，向活性層供給電洞之p型 〗5之p型摻雜劑濃度Μ"5較好為丨χ丨〇2〇⑽3以 下。又，Ρ型摻雜劑濃度Νρ15較好為1〇xl〇19cm_3以上。 於第ΙΠ族氮化物系半導體發光元件丨丨中，作為 AlYGai.YN層 19 ’ 可使用 A1Gai^ GaN。作為㈣ αι^^ν 層21 ’可使用AlGaN或GaN。 較好的是p型AlYGa_i YN層19及p型AlzGa_丨』層21均由 GaN形成。GaN可加快成長速度，故而可縮短成長時間， 從而忐夠降低成本。又，由於受主之活性化率提高，故而 可降低接觸電阻或電阻率。 於第in族氮化物系半導體發光元件丨丨中，？型Α1γ(3~_γΝ 層19較好的是由AiGaN形成’又，ρ型A1zGa_i z]s^ 21較好 的是由GaN形成。若由AlGaN形成，則必需減緩成長速 度’故而可容易地提高供給原料中之Mg之比率，從而可 提高AlGaN中之Mg濃度。 ，p型 進而’於第III族氤化物系半導體發光元件11中 131099.doc -16- 200910651

AlxGaNxN層15之材料不限定於AlGaN，亦可使用GaN。依 據活性層中之發光波長，GaN亦可用作電子塊層。 於較佳之實施形態中’已對本發明之原理進行了圖示與 說明，但業者認為本發明於不脫離該原理之情形下，其配 置及詳細情況可變更。本發明並不限於本實施形態中所揭 示之特定之構成。因此，主張基於申請專利範圍及其精神 之範圍的所有修正及變更之權利。 【圖式簡單說明】 k 根據參照附圖而說明之本發明之較佳實施形態之以下的 詳細記述，更容易使本發明之上述目的及其他目的、特 徵、以及優點變得明確。 圖1係概略表示本實施形態之第m族氮化物系半導體發 光元件之圖 圖2係表示用於蟲晶晶圓a之二次離子質量分析（sims)之 結果的圖。 圖3係表示用於磊晶晶圓r之SIMS之結果的圖。 圖4(a)、（b)係表示實施例及比較例1中之el光譜之圖。 圖5係藉由實施例及比較例丨中之活性層而表示發光強度 與環境溫度之間之關係的圖。 圖6(a)、（b)係表示活性層及p型半導體層之能帶圖之 圖。 【主要元件符號說明】 11 第111族氮化物系半導體發光元件

1 Q η型氮化鎵系半導體層 131099.doc •17· 200910651 15 第一 p型 AlxGai_xN層 17 活性層 17a InGaN井層 17b 障壁層 19 p型 AlyGanN層 21 p型 AlzGa^zN層 23, 29 電極 25 基板 25a 主表面 25b 背面 27 η型AlGaN層 L 光 Npi5, Npi9, Np21 P型換雜劑濃度

L 131099.doc 18-

Claims (1)

1. 200910651 十、申請專利範圍： 1' 一種第111族氮化物系半導體發光元件，其特徵在於具 備： n型氮化鎵系半導體層； 第一P型 AlxGai-xN(〇SX<l)層； 發光層，其係設置於上述η型氮化鎵系半導體層與上 述第一ρ型AlxGai-xN層之間，且包含InGaN層； 第二P型AlYGai-YNCOSYSXU)層，其係設置於上述第 一 P型 AlxGai_xN層上； 第三P型AlzGai-zN層（0SZSY$X<1)，其係設置於上 述第二P型AWGa-丨_YN層上；以及 與上述第三ρ型AlzGa^zN層接觸之ρ電極；且 上述第二ρ型AlYGai YN層之ρ型摻雜劑濃度大於上述第 P型AlxGaKxN層及上述第三ρ型AlzGaizN層之p型摻雜 劑濃度。 2·如請求項1之第〗„族氮化物系半導體發光元件其中上 述第一ρ型AlYGai.YN層之ρ型摻雜劑濃度為lxl〇20 em_3以 如請求項1或2之第m族氮化物系半導體發光元件，其中 上述第三P型AlzGai zN層之P型摻雜劑濃度為卜1〇19 以上、lx1〇20 cm-3以下。 :請求項1〜3中任-項之第111族氮化物系半導體發光元 述第一 P型AlxGai.xN層之ρ型摻雜劑濃度為卜ι〇2〇 I31099.doc 200910651 cm_3以下。 5. 如凊求項1 件，其中 上述第二 6. 如請求項1 件，其中 上述第一 7 ·如請求項1, 件，其中 上述第三 8 ·如請求項1 件，其中 上述第-中之至少一 上述第二 中之至少一 上述第 中之至少一 4中任一項之第III族氮化物系半導體發光元 Ρ型 AlYGai.YN層包含 GaN。 “5中任一項之第in族氮化物系半導體發光元 P 型 AlxGaNxN 層包含 GaN。 中任一項之第ΙΠ族氮化物系半導體發光元 Ρ 型 AlzGa!-zN 層包含 GaN。 中任一項之第ΠΙ族氮化物系半導體發光元 P^L AlxGaNxN層之ρ型摻雜劑為Be、吨、ζη 種； *Ρ型AlYGai_YN層之ρ型摻雜劑為如、吨、ζη 種； -Ρ型AlzGai_zN層之ρ型摻雜劑為Be、Mg、Zn 131099.doc