TW201523920A - 氮化物半導體發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
實現一邊相較於先前的元件更提升發光效
率,一邊也具有優良壽命特性的氮化物半導體發光元件。
一種氮化物半導體發光元件,係在n型
氮化物半導體層與p型氮化物半導體層之間,具有交互層積由氮化物半導體所成之量子井層與由氮化物半導體所成之障壁層的發光層的氮化物半導體發光元件,其中,障壁層中與p型氮化物半導體層接觸之位置所形成的最後障壁層,係包含n型不純物,與p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度為4×1017/cm3以下。
Description
本發明係關於在n型氮化物半導體層與p型氮化物半導體層之間,具有交互層積由氮化物半導體所成之量子井層與由氮化物半導體所成之障壁層的發光層的氮化物半導體發光元件及其製造方法。
現在,氮化物半導體係作為LED(發光二極體)及LD(雷射二極體)等多樣的發光元件的用途,進行利用、開發(例如參照專利文獻1、2)。近來,也進展作為發出紫外光或比其短波長的光線的元件的開發。
氮化物半導體發光元件係一般來說,採用在n型氮化物半導體層與p型氮化物半導體層之間,具有交互層積由氮化物半導體所成之量子井層與由氮化物半導體所成之障壁層的發光層的構造。後述專利文獻1及2都記載發光層的構造相關的特徵。
於專利文獻1,揭示在發光層最外側,鄰接於p型氮化物半導體層的障壁層,亦即最後障壁層(也稱為「最後阻障層」)不包含n型不純物,於其他障壁層,包
含n型不純物的構造。
同文獻有以下的記述。「先前,利用於最後障壁層摻雜n型不純物,藉由來自鄰接該最後障壁層所形成之p型氮化物半導體層的p型不純物的擴散,於最後障壁層含有n型不純物與p型不純物,因此,降低載體的生命期。但是,利用作為專利文獻1的構造,因為可防止最後障壁層中n型不純物與p型不純物併存之狀態,故可提升元件壽命及反向耐壓特性。」
於專利文獻2,揭示將量子井層設為無摻雜,於障壁層摻雜n型不純物的構造,揭示至少將最後的量子井層設為無摻雜,於最後的障壁層,亦即最後障壁層摻雜n型不純物的構造,有依據相關構造,可實現臨限值電流密度較低且長壽命的雷射元件之要旨的記述。
同文獻有以下的記述。「因為於障壁層摻雜n型不純物的話,量子井層的載體濃度會變大,除了臨限值會降低之外,相反地,有於障壁層意圖性摻雜p型不純物時難以降低的傾向。因此,於障壁層僅摻雜n型不純物為佳。進而,於障壁層摻雜n型不純物的話,量子井層的載體濃度會變大,故應變所致之壓電效應的史塔克效應所致之電子與電洞的空間性分離被遮蔽,臨限值會降低。相反地,於量子井層摻雜不純物的話,結晶性變差,載體的散亂會變大,有臨限值變高的傾向。多量子井結構係使鄰接於p側氮化物半導體層之側,在障壁層結束為佳。」
進而,於同文獻也有以下的記述。「多量子
井結構係相較於在量子井層結束,在障壁層結束有臨限值容易降低的傾向,進而,將最後的量子井層設為無摻雜,於障壁層摻雜n型不純物的話,臨限值更會降低。此理由雖不確定,但是,氮化物半導體之狀況中,電洞的有效質量較大,被注入於活性層的電洞局部存在於p層側,僅p層側的量子井層發光。所以,接近n層側的量子井層不太有助於發光,接近p層側的量子井層有助於發光的比率較高。因此,可推測將最接近p層側之量子井層設為無摻雜,於障壁層摻雜n型不純物的話,可最提升效率。」
[專利文獻1]日本專利第3498697號說明書
[專利文獻2]日本特開平11-298090號公報
專利文獻1及2都以提升元件壽命為目的,揭示使發光層的構造具有特徵的內容,但是,其內容是在兩文獻中不相容者。亦即,在專利文獻1中揭示於最後障壁層不包含n型不純物之要旨的記載,在專利文獻2中,揭示將最後量子井層設為無摻雜之外,於最後障壁層包含n型不純物之要旨的記載。
但是,藉由本案發明者的銳意研究,發現以
所定條件形成最後障壁層的話,可一邊實現比專利文獻1及2所揭示之氮化物半導體發光元件更高的發光效率,一邊表現出優良壽命特性的元件。
亦即,本發明的目的係實現一邊相較於先前的元件更提升發光效率,一邊也具有優良壽命特性的氮化物半導體發光元件。
本發明的氮化物半導體發光元件,係在n型氮化物半導體層與p型氮化物半導體層之間,具有交互層積由氮化物半導體所成之量子井層與由氮化物半導體所成之障壁層的發光層,其特徵為:前述障壁層中與前述p型氮化物半導體層接觸之位置所形成的最後障壁層,係包含n型不純物,與前述p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度為4×1017/cm3以下。
在將鄰接於p型氮化物半導體層之最後障壁層設為無摻雜的構造之狀況中,可推測因該層不包含n型不純物,未進行壓電緩和而導致發光效率的降低。另一方面,最後障壁層加入過多n型不純物的話,從最後障壁層擴散之n型不純物會大量進入p型氮化物半導體層內,而導致特性的降低。
雖然在「實施形態」中參照實施例才於後進行說明,但是,藉由本案發明者的銳意研究,發現設為利
用將障壁層中至少最後障壁層包含n型不純物的構造,針對其n型不純物濃度,利用將與p型氮化物半導體層的界面相關之n型不純物濃度設為4×1017/cm3以下,可比將最後障壁層設為無摻雜的構造更提升發光效率。
在此,最後障壁層與p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度,可利用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次離子質量分析法)等來進行檢證。利用SIMS等來測定不純物濃度時,一邊從氮化物半導體發光元件的表面往深度方向以所定間距進行蝕刻,一邊進行組成評估。此時,所得之組成比之值,係成為因應蝕刻的間距之零散(離散)之值。所以,根據間距,有以之前的間距所測定之測定點的組成為p型氮化物半導體層最接近最後障壁層之測定點者,以之後的間距所測定之測定點的組成比為最後障壁層最接近p型氮化物半導體層之測定點者的可能性。此時,於嚴格的意義中,無法測定最後障壁層與p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度。
因此,在本案說明書中,將最後障壁層與p型氮化物半導體層的界面,以最後障壁層與p型氮化物半導體層的組成差為1/2之處來界定。此時,藉由前述方法,可利用以直線補足離散地測定的各測定點之組成比之值,並導出前述組成差為1/2之處,可檢測出前述界面的位置。同樣地,關於n型不純物濃度之值,也可利用以直線補足各測定點所導出之值,檢測出以前述方法所檢測之
界面的位置之值。如此所檢測出的界面之n型不純物濃度為4×1017/cm3以下時,發光特性與壽命特性比先前的發光元件更提升。再者,於最後障壁層含有n型不純物,故該界面之n型不純物濃度包含一定量以上,不是無摻雜。
再者,以前述的方法檢測出界面的n型不純物濃度之狀況中,根據提升其精度的觀點來看,將測定間距設為5nm以下為佳,設為2nm以下更理想。
相較於電子,電洞的有效質量較高,移動度較低。因此,即使於具有複數量子井層所成的發光層中,接近p型氮化物半導體層之側的量子井層成為特別有助於發光之處。另一方面,因產生起因於壓電電場之能帶的應變,電子難以從障壁層朝量子井層移動,結果,最接近p型氮化物半導體層的位置之量子井層內無法積存充分量的電子。因此,最有助於發光,最接近p型氮化物半導體層的位置之量子井層應積存充分量的電子,利用至少於最後障壁層,含有n型氮化物,減少能帶的應變,提升發光效率。
再者,障壁層的n型不純物濃度,為5×1017/cm3~1×1019/cm3的範圍為佳。該n型不純物濃度比5×1017/cm3還少的話,難以發生壓電電場的緩和,妨礙電子的移動而產生降低發光效率的可能性。另一方面,該n型不純物濃度比1×1019/cm3還大的話,發光層中的電子會飽和,流至p型氮化物半導體側,產生發生所謂溢流的可能性。考量壓電電場的緩和的話,最後障壁層也在前述
範圍內包含n型不純物為佳。但是,最後障壁層係需要以與p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度成為4×1017/cm3以下之方式,在界面附近進行摻雜的調整。n型不純物濃度比4×1017/cm3還高的話,之後的p層會n型化,破壞pn接合,產生降低發光效率的可能性。
於前述構造中,作為包含前述最後障壁層之所有前述障壁層包含n型不純物者亦可。雖然在「實施形態」中參照實施例才於後進行說明,但是,在將最後障壁層之與前述p型氮化物半導體層的界面之n型不純物濃度共通設為4×1017/cm3以下之狀態下,對比讓一部分的障壁層不含有n型不純物的構造,與讓所有障壁層含有n型不純物的構造之結果,後者顯示比較高的發光效率。
又,本發明之氮化物半導體發光元件的製造方法,其特徵為包含:在前述最後障壁層的形成時,供給於用以形成前述最後障壁層之材料的第1原料氣體,含有用以含有n型不純物之第2原料氣體的混合氣體的工程;及停止前述第2原料氣體的供給,持續供給前述第1原料氣體的工程。
再者,作為第1原料氣體的一例,可作為氮、氫、三甲基鎵及三甲基銦的混合氣體。又,作為第2原料氣體,例如作為n型不純物,將Si設為摻雜物時,除了四乙基矽烷之外,可採用矽烷。
在本發明的方法中,在最後障壁層的形成初
始階段中進行第1原料氣體與第2原料氣體的供給之後,停止第2原料氣體的供給,持續進行第1原料氣體的供給,形成最後障壁層。藉此,可使在初始狀態中含有的n型不純物擴散至最後障壁層的表面側,一邊將該表面,亦即與之後形成之p型氮化物半導體層的界面之n型不純物濃度設為4×1017/cm3以下之值,一邊將p型氮化物半導體層內的擴散抑制到最小限度。再者,依據此方法,利用控制初始狀態之第2原料氣體的供給時間,可將與p型氮化物半導體層的界面之n型不純物濃度調整成理想之值。
依據本發明,可實現一邊相較於先前更提升發光效率,一邊也具有優良壽命特性的氮化物半導體發光元件。
1‧‧‧氮化物半導體發光元件
10‧‧‧支持基板
12‧‧‧第1緩衝層
14‧‧‧第2緩衝層
16‧‧‧n型氮化物半導體層
20‧‧‧發光層
20a、20c、20e、20g、20i、20k‧‧‧障壁層
20b、20d、20f、20h、20j‧‧‧量子井層
20ka‧‧‧最後障壁層20k中最接近p型氮化物半導體層22的測定點
21‧‧‧最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的界面
22‧‧‧p型氮化物半導體層
22a‧‧‧p型氮化物半導體層22中最接近最後障壁層20k的測定點
24‧‧‧p型被覆層
26‧‧‧p型接觸層
[圖1]模式揭示氮化物半導體發光元件的構造的剖面圖。
[圖2]模式揭示氮化物半導體發光元件的構造之一部份的剖面圖。
[圖3]模式揭示對於氮化物半導體發光元件使用SIMS,進行組成分析的結果之一例的圖表。
[圖4]揭示實施例1~5及比較例1~2之各元件的發
光光量與供給電流的關係的圖表。
[圖5]揭示對於實施例1~5、比較例1~2的各元件,施加反向偏壓的電壓,評估耐壓的特性之結果的圖表。
針對本發明的氮化物半導體發光元件及其製造方法,參照圖面來進行說明。再者,於以下各圖面中,實際的尺寸比與圖面上的尺寸比不一定一致。
圖1係模式揭示氮化物半導體發光元件的構造的剖面圖。氮化物半導體發光元件1係在n型氮化物半導體層16與p型氮化物半導體層22之間具有發光層20所成的構造。更詳細來說,氮化物半導體發光元件1係於藍寶石等的支持基板10的上層,由下依序具備第1緩衝層12、第2緩衝層14、n型氮化物半導體層16、發光層20、p型氮化物半導體層22、p型被覆層24、p型接觸層26。
以下,針對氮化物半導體發光元件1的更詳細構造,進行說明。
支持基板10係以藍寶石基板所構成。再者,藍寶石之外,以Si、SiC、GaN、YAG等構成亦可。
第1緩衝層12係以在支持基板10(藍寶石基板)的c面上低溫成長的GaN層所形成。又,第2緩衝層14係於第1緩衝層12的上層高溫成長之作為基底層的GaN層。兩層都構成無摻雜層。
n型氮化物半導體層16係以於第2緩衝層14的上層高溫成長之n-AlnGa1-nN(0≦n<1)所構成。作為一例,在本實施形態中,藉由n-Al0.06Ga0.94N,形成n型氮化物半導體層16。作為摻雜物的n型不純物,係適合使用Si,但是,也可使用Ge、S、Se、Sn、Te等。
再者,作為於接觸第2緩衝層14的區域,包含以n-GaN構成之層(保護層)的構造亦可。此時,設為至少於保護層,摻雜前述的n型不純物的構造。
p型氮化物半導體層22係以於發光層20的上層成長之p-AlmGa1-mN(0≦m<1)所構成。又,p型被覆層24係以於p型氮化物半導體層22的上層成長之p-AlaGa1-aN(0≦a<1)所構成。作為一例,在本實施形態中,藉由p-Al0.3Ga0.7N來形成p型氮化物半導體層22,藉由p-Al0.13Ga0.87N來形成p型被覆層24。作為摻雜物的n型
不純物,係適合使用Mg,但是,也可使用Be、Zn、C等。
p接觸層26係以於p型被覆層24的上層成長之例如p+-GaN或p+-AlGaN所構成。例如,以高濃度摻雜Mg的GaN或AlGaN所形成,但是,也可高濃度摻雜Be、Zn、C等來形成。
針對發光層20的構造,參照圖2進行說明。圖2係模式揭示放大氮化物半導體發光元件1中發光層20及其附近的部分的剖面圖。
發光層20係交互層積以氮化物半導體所形成之障壁層(20a,20c,20e,20g,20i,20k),與以氮化物半導體所形成之量子井層(20b,20d,20f,20h,20j)。再者,在本實施形態中,設為發光層20具有6層的障壁層與5層的量子井層的構造,但是,障壁層及量子井層的層數僅為一例,可適當設定。
障壁層(20a,20c,20e,20g,20i,20k)係例如以AlbGa1-bN(0<b≦1)所形成,量子井層(20b,20d,20f,20h,20j)係例如以IncGa1-cN(0<c≦1)所形成。作為一例,在本實施形態中,藉由厚度為20nm的由Al0.08Ga0.92N所成之障壁層(20a,20c,20e,20g,
20i,20k),與厚度為5nm的由In0.03Ga0.97N所成之量子井層(20b,20d,20f,20h,20j),構成發光層20。
然後,氮化物半導體發光元件1係針對障壁層中與p型氮化物半導體層22接觸的位置所形成之障壁層20k,亦即最後障壁層20k,設為至少包含n型不純物的構造,將與該p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度,設為4×1017/cm3以下。
關於圖2所示構造,變更發光層10,特別是障壁層(20a,20c,20e,20g,20i,20k)含有之n型不純物濃度,進行元件的特性的評估。
將所有障壁層的厚度設為20nm,相對於該等,含有n型不純物,並且關於最後障壁層20k,以與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度為3×1016/cm3之方式形成。
在此,最後障壁層20k的形成時,除了成為AlbGa1-bN的原料氣體之氮、氫、三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)之外,混合作為用以摻雜構成n型不純物之Si的原料氣體的四乙基矽烷(TESi),僅所定時間進行成長。之後,僅停止TESi的供給,再次進行成長。藉此,藉由TESi的供給所摻雜的Si,亦即n型不純物擴散
至最後障壁層20k的表面側。利用控制TESi的供給時間,可控制最後障壁層20k的表面,亦即,之後形成之p型氮化物半導體層22與最後障壁層20k的界面之n型不純物濃度。
針對最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的界面之n型不純物濃度的測定方法,參照圖3進行說明。圖3係模式揭示對於形成之氮化物半導體發光元件,使用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次離子質量分析法),來進行組成分析的結果之一例的圖表,橫軸是自表面之深度方向的距離,右縱軸揭示Al組成比,左縱軸揭示Si濃度。再者,圖3揭示對於圖1中未形成p接觸層26的元件來進行分析之狀況。
利用SIMS等來測定n型不純物濃度時,一邊從氮化物半導體發光元件的表面往深度方向以所定間距進行蝕刻,一邊進行組成評估。此時,所得之組成比之值,係成為因應蝕刻的間距之離散之值。在圖3中,模式揭示一邊以5nm間距從表面往深度方向對於元件進行蝕刻,一邊藉由SIMS來進行各測定點之組成分析時的結果。
一邊從最表面往深度方向進行蝕刻一邊進行SIMS分析時,暫且之間係取得以p-Al0.13Ga0.87N構成之p型被覆層24的組成由來的訊號。該層係包含Al之外,因為未包含n型不純物的Si,如圖3所示,揭示一定比例的Al組成之值,與幾乎是n型不純物濃度的檢測限度之1×1016/cm3的Si濃度之值。
進而往深度方向更進行蝕刻的話,可開始取得形成於p型被覆層24的下層之p型氮化物半導體層22(p-Al0.3Ga0.7N)由來的訊號。該層係因Al組成比p型被覆層24高,故Al組成之值會上升。另一方面,因為未包含n型不純物的Si,與p型被覆層24同樣地表示幾乎是n型不純物濃度的檢測限度之1×1016/cm3的Si濃度之值。
在此,在圖3中,因以5nm間距進行蝕刻,進行各測定點之組成分析,故圖表上所得之分析結果會成為離散之值。因此,關於各測定點之間的位置之組成比之值,嚴格來說無法取得。因此,如圖3般,利用以直線來補足在各測定點所得之離散之值,也針對各測定點之間的位置之組成比進行推測。採用此種方法時,蝕刻的間距越細則可取得越嚴格之值,可說是越好。在本實施形態中設為5nm間距,但是5nm以下的話為佳,設為2nm以下更理想。
進而往深度方向進行蝕刻的話,可開始取得形成於p型氮化物半導體層22的下層,最後障壁層20k由來的訊號。該最後障壁層20k係以含有n型不純物(Si)的Al0.08Ga0.92N所形成,所以,從相關層內的測定點,可取得Al的訊號與Si的訊號。關於Al組成比,因為最後障壁層20k比p型氮化物半導體層22還少,其數值會下降。另一方面,關於Si,p型氮化物半導體層22中並未包含,最後障壁層20k中有包含,故其數值會上升。
如上所述,一邊以所定間距進行蝕刻,一邊進行組成分析,故p型氮化物半導體層22與最後障壁層20k的界面有不成為測定點的可能性。更具體來說,有之前的測定點22a是p型氮化物半導體層22中最接近最後障壁層20k之處,之後的測定點20ka成為最後障壁層20k中最接近p型氮化物半導體層22之處的可能性。此時,於嚴格的意義中,無法測定最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度。
因此,利用前述的直線補足,將最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的界面,以最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的Al組成差成為1/2之處來界定。如圖3所示,隨著從p型氮化物半導體層22接近最後障壁層20k,Al組成會降低,Si濃度會上升。因此,以直線補足p型氮化物半導體層22中最接近最後障壁層20k的測定點22a之Al組成之值,與最後障壁層20k中最接近p型氮化物半導體層22的測定點20ka之Al組成之值,以該值成為中間值之處,導出最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的界面21之位置。
然後,如圖3所示,利用以直線補足p型氮化物半導體層22中最接近最後障壁層20k的測定點22a之Si濃度之值,與最後障壁層20k中最接近p型氮化物半導體層22的測定點20ka之Si濃度之值,導出界面21的位置之Si濃度之值。
在實施例1中,最後障壁層20k的形成時,
關於初始約120秒鐘,除了氮、氫、TMG、TMA之外,進行TESi的供給,一邊含有n型不純物一邊成長5nm。之後,停止TESi的供給,利用約360秒鐘供給氮、氫、TMG及TMA來進行成長,最後約480秒鐘,形成層厚為20nm的最後障壁層20k。藉此,將最後障壁層20k中與p型氮化物半導體層22的界面之n型不純物濃度,設為3×1016/cm3。
也針對以下的實施例及比較例,利用前述的方法,測定最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22的界面之n型不純物濃度。
在形成最後障壁層20k時,利用將TESi的供給時間設為約240秒鐘,一邊含有n型不純物一邊進行10nm成長之後,停止TESi的供給,將氮、氫、TMG及TMA約供給240秒鐘來進行成長,藉此,最後花費約480秒鐘來形成層厚20nm的最後障壁層20k以外,與實施例1同樣地形成。藉此,於實施例2的元件中,最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度為7×1016/cm3。
針對障壁層(20a,20c,20e,20g,20i,20k)中一部分的障壁層20g,設為無摻雜以外,設為與實施例2相
同條件來形成元件。
在形成最後障壁層20k時,利用將TESi的供給時間設為約288秒鐘,一邊含有n型不純物一邊進行12nm成長之後,停止TESi的供給,將氮、氫、TMG及TMA約供給192秒鐘來進行成長,藉此,最後花費約480秒鐘來形成層厚20nm的最後障壁層20k以外,與實施例1同樣地形成。藉此,於實施例4的元件中,最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度為1.5×1017/cm3。
在形成最後障壁層20k時,利用將TESi的供給時間設為約360秒鐘,一邊含有n型不純物一邊進行15nm成長之後,停止TESi的供給,將氮、氫、TMG及TMA約供給120秒鐘來進行成長,藉此,最後花費約480秒鐘來形成層厚20nm的最後障壁層20k以外,與實施例1同樣地形成。藉此,於實施例5的元件中,最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度為4×1017/cm3。
利用不供給TESi來形成最後障壁層20k,將最後障
壁層20k設為無摻雜以外,與實施例1同樣地形成。
在形成最後障壁層20k時,利用將TESi的供給時間設為約456秒鐘,一邊含有n型不純物一邊進行19nm成長之後,停止TESi的供給,將氮、氫、TMG及TMA約供給24秒鐘來進行成長,藉此,最後花費約480秒鐘來形成層厚20nm的最後障壁層20k以外,與實施例1同樣地形成。藉此,於比較例1的元件中,最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度為8×1017/cm3。
圖4係揭示實施例1~5及比較例1~2之各元件的發光光量與供給電流的關係的圖表。依據圖4,可知將最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度(以下,適當略記成「界面濃度」)設為7×1016/cm3的實施例2,發光光量最高,依序將界面濃度設為3×1016/cm3的實施例1,將界面濃度設為1.5×1017/cm3的實施例4,發光光量較高。
又,將界面濃度設為7×1016/cm3,將一部分的障壁層(20g)設為無摻雜的實施例3,雖然相較於將界面濃度設為相同條件,於所有障壁層摻雜n型不純物的實施例2,發光光量較低,但是,相較於將最後障壁層20k設為無摻雜的比較例1,發光光量較高。
將界面濃度設為4×1017/cm3的實施例5雖然
相較於實施例1~4,發光光量較低,但是當然相較於將最後障壁層20k設為無摻雜的比較例1,發光光量較高。另一方面,將界面濃度設為8×1017/cm3的比較例2,相較於將最後障壁層20k設為無摻雜的比較例1,發光光量降低。
依據圖4,可知利用對於最後障壁層20k,摻雜n型不純物,並且將該最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度設為4×1017/cm3以下,相較於將最後障壁層20k設為無摻雜之先前的元件,更提升發光效率。又,比較實施例2及實施例3的話,可知對於所有障壁層摻雜n型不純物,發光效率會有所提升,而利用將最後障壁層20k與p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物濃度設為4×1017/cm3以下,即使一部分的障壁層為無摻雜,相較於將最後障壁層20k設為無摻雜之先前的元件,發光效率也有提升。
再者,如比較例2,將界面濃度設為8×1017/cm3時,因為一部分的n型不純物從最後障壁層20k擴散至p型氮化物半導體層22,會對p-n接合造成損傷,導致注入效率降低,特性的劣化。
圖5係揭示對於實施例1~5、比較例1~2的各元件,施加反向偏壓的電壓,評估耐壓的特性之結果的圖表。橫軸表示界面濃度,縱軸表示為了流通1μA的反向偏壓電流所需之反向偏壓電壓的大小。再者,在比較例1中,界面濃度為1.5×1016,此係伴隨雜訊之值,事實上
的測定限度,實際作為無摻雜者亦可。
即使參照圖5,如比較例2,也可知在將界面濃度提高為8×1017/cm3時,耐壓大幅度降低。該結果也表示一部分的n型不純物從最後障壁層20k擴散至p型氮化物半導體層22,p-n接合發生損傷,耐壓降低。另一方面,關於將界面濃度設為4×1017/cm3以下的實施例1~5,表示高耐壓,暗示無漏電流的發生,成功實現長壽命的元件。
以下,針對氮化物半導體發光元件1的製造方法之一例進行說明。再者,在後述製造方法中說明的製造條件及膜厚等的尺寸,僅為一例,並不是限定於該等數值者。亦即,於各半導體層的成長工程中,作為在因應目的的組成之基板溫度及爐內壓力的條件下,進行氣相沉積者以可。
以下,針對使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金屬化學氣相沉積)法來使各半導體層成長,來製造氮化物半導體發光元件1的方法進行說明。使用此方法時,作為Al原子供給源的有機金屬化合物,使用三甲基鋁(TMA),作為Ga原子供給源的有機金屬化合物,使用三甲基鎵(TMG),作為In原子供給源的有機金屬化合物,使用三甲基銦(TMI),作為Si原子供給源的有機金屬化合物,使用四乙基矽烷(TESi),作為Mg原子供給源的有機金屬化合物,使用
雙(環戊二烯)鎂(Cp2Mg),作為N原子供給源的化合物,使用氨,作為載體氣體,氮氣及氫氣,但是,並不限定於該等。
首先,作為支持基板10,準備c面藍寶石基板,進行該清洗。更具體來說,藉由例如於MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金屬化學氣相沉積)裝置的處理爐內配置c面藍寶石基板,一邊於處理爐內流通流量為10slm的氫氣,一邊將爐內溫度例如升溫至1150℃來進行。
接著,在爐內壓力100kPa、基板溫度480℃的狀態下,一邊對處理爐內,作為載體氣體,供給流量5slm的氮氣及流量5slm的氫氣,一邊70秒鐘供給流量250000μmol/min的氨及流量50μmol/min的TMG,藉此,於支持基板10的表面成長層厚20nm的GaN層,形成第1緩衝層(LT-GaN)12。
接著,在基板溫度1150℃的狀態下,一邊對處理爐內,作為載體氣體,供給流量20slm的氮氣及流量15slm的氫氣,一邊30分鐘供給流量250000μmol/min的氨及流
量100μmol/min的TMG,藉此,於第1緩衝層12上成長層厚1.7μm之無摻雜的GaN層,形成第2緩衝層(u-GaN)14。
接著,於第2緩衝層14的上層,形成以n-AlnGa1-nN(0≦n<1)所構成的n型氮化物半導體層16。更具體來說,與步驟S3同樣地,一邊對處理爐內,作為載體氣體,供給流量20slm的氮氣及流量15slm的氫氣,一邊在基板溫度1150℃、爐內壓力30kPa的狀態下,供給流量5.2μmol/min的TMA,流量0.013μmol/min的TESi,藉此,於第2緩衝層14上形成層厚2.3μm的由n-Al0.06Ga0.94N層所成的n型氮化物半導體層16。
再者,在本步驟中,將作為摻雜物的n型不純物,設為Si,但是,之外也可使用Ge、S、Se、Sn及Te等。
接著,於n型氮化物半導體層16的上層,形成交互重複由IncGa1-cN(0<c≦1)所成之量子井層與由AlbGa1-bN(0<b≦1)所成之障壁層所成的發光層20。
發光層20的更具體形成方法係例如以下所述。在步驟S4之後,中斷成長工程,之後,進行一邊對處理爐內,作為載體氣體,供給流量15slm的氮氣及流量
1slm的氫氣,在爐內壓力100kPa、基板溫度820℃的狀態下,120秒鐘供給流量10μmol/min的TMG、流量7μmol/min的TMI,藉此,形成層厚5nm的具有In0.03Ga0.97N之組成的量子井層的工程,與480秒鐘供給流量10μmol/min的TMG、流量0.9μmol/min的TMA、流量0.9μmol/min的TESi,形成層厚20nm的具有n-Al0.08Ga0.92N之組成的障壁層的工程。以下,例用重複該等2工程,5週期層積量子井層與障壁層。再者,障壁層的Si摻雜,係對障壁層整體進行摻雜亦可,又,在有因為Si的擴散,Si過剩進入量子井層的InGaN層,而降低注入效率之虞時,對障壁層進行部分摻雜亦可。
進而,在形成最後之量子井層20j之後,進行所定時間供給流量10μmol/min的TMG、流量0.9μmol/min的TMA、流量0.9μmol/min的TESi之後,停止TESi的供給,持續供給流量10μmol/min的TMG、流量0.9μmol/min的TMA,藉此,形成層厚20nm的具有n-Al0.08Ga0.92N之組成的最後障壁層20k。如上所述,於該工程中,利用調整TESi的供給時間,可將最後障壁層20k的表面,亦即在下個步驟S6中形成之p型氮化物半導體層22之界面的n型不純物的濃度,設為4×1017/cm3以下。
一邊以爐內壓力100kPa,對處理爐內,作為載體氣
體,供給流量15slm的氮氣及流量25slm的氫氣,一邊將基板溫度設為1025℃,在該狀態下,20秒鐘供給流量100μmol/min的TMG、流量24μmol/min的TMA、流量0.1μmol/min的Cp2Mg,藉此,於發光層20上,成長層厚20nm的p-Al0.3Ga0.7N層,形成p型氮化物半導體層22。
接下來,藉由將TMA的流量變更為12μmol/min,並100秒鐘持續成長,藉此,於p型氮化物半導體層22上,形成層厚100nm的由p-Al0.13Ga0.87N所成的p型被覆層24。
在步驟S7之後,將CP2Mg的流量變更為0.2μmol/min,20秒鐘持續成長,藉此,於p型被覆層24上,形成層厚度20nm的由p+型Al0.1Ga0.9N所成的p型接觸層26。
接著,對於經由步驟S1~S8所得之晶圓,進行活性化處理。更具體來說,使用RTA(Rapid Thermal Anneal:快速加熱)裝置,在大氣中以700℃進行15分鐘的活性化處理。
之後,藉由光微影與感應耦合型電漿處理裝置(ICP),對n型氮化物半導體層的一部分進行蝕刻來露出,藉此,形成n焊墊部,於該n焊墊部與設定於p型接觸層26的表面之p焊墊部,分別形成電極材料(例如Ni5nm及金5nm)之後,於大氣中以溫度500℃進行5分鐘退火,於n焊墊部及p焊墊部,分別蒸鍍Al,形成n電極及p電極。
又,在實現縱型的元件時,剝離支持基板10之後,於該支持基板10存在之處,層積電極材料,用以形成n電極。然後,於設定於p型接觸層26的表面之p焊墊部,利用與前述相同方法,形成p電極。
16‧‧‧n型氮化物半導體層
20‧‧‧發光層
20a、20c、20e、20g、20i、20k‧‧‧障壁層
20b、20d、20f、20h、20j‧‧‧量子井層
22‧‧‧p型氮化物半導體層
Claims (3)
- 一種氮化物半導體發光元件,係在n型氮化物半導體層與p型氮化物半導體層之間,具有交互層積由氮化物半導體所成之量子井層與由氮化物半導體所成之障壁層的發光層的氮化物半導體發光元件,其特徵為:前述障壁層中與前述p型氮化物半導體層接觸之位置所形成的最後障壁層,係包含n型不純物,與前述p型氮化物半導體層之界面的n型不純物濃度為4×1017/cm3以下。
- 如申請專利範圍第1項所記載之氮化物半導體發光元件,其中,包含前述最後障壁層的所有前述障壁層為包含n型不純物的構造。
- 一種氮化物半導體發光元件的製造方法,係申請專利範圍第1項所記載之氮化物半導體發光元件的製造方法,其特徵為包含:在前述最後障壁層的形成時,供給於用以形成前述最後障壁層之材料的第1原料氣體,含有用以含有n型不純物之第2原料氣體的混合氣體的工程;及停止前述第2原料氣體的供給,持續供給前述第1原料氣體的工程。
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