TW201535783A - 光半導體元件 - Google Patents
光半導體元件 Download PDFInfo
- Publication number
- TW201535783A TW201535783A TW103123046A TW103123046A TW201535783A TW 201535783 A TW201535783 A TW 201535783A TW 103123046 A TW103123046 A TW 103123046A TW 103123046 A TW103123046 A TW 103123046A TW 201535783 A TW201535783 A TW 201535783A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- active layer
- well
- type
- pit
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 32
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 54
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 34
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 7
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 5
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 5
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
- H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
實施形態提供一種結晶缺陷之影響經抑制之高效率之光半導體元件。
實施形態之光半導體元件包含第1導電型之第1氮化物半導體層、第2導電型之第2氮化物半導體層、及設置於上述第1氮化物半導體層與上述第2氮化物半導體層之間之活性層。上述光半導體元件具有凹坑，該凹坑於上述活性層中具有始點，且沿自上述始點朝向上述第2氮化物半導體層之第1方向擴展。
Description
本申請案享受以日本專利申請案2014-52308號(申請日：2014年3月14日)為基礎申請案之優先權。本申請案以參照該基礎申請案之形式包含基礎申請案之所有內容。
實施形態係關於一種光半導體元件。
以氮化物半導體為材料，且於可見光區域及紫外光區域進行動作之光半導體元件之開發不斷進展。用於此種光半導體元件之氮化鎵等氮化物半導體係使用例如MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機氣相沈積)法進行磊晶成長。而且，為獲得磊晶層所包含之結晶缺陷減少之優質結晶，較理想為使用具有與氮化物半導體結晶相同之晶格常數之結晶基板。然而，此種基板價格昂貴，並不適合例如照明、顯示等民生用光半導體元件之製造。因此，使用藍寶石基板、矽基板等通用基板，但無法避免因晶格失配或熱膨脹係數之差異而產生結晶缺陷。
實施形態提供一種結晶缺陷之影響經抑制之高效率之光半導體元件。
實施形態之光半導體元件包含第1導電型之第1氮化物半導體
層、第2導電型之第2氮化物半導體層、及設置於上述第1氮化物半導體層與上述第2氮化物半導體層之間之活性層。上述光半導體元件具有凹坑，該凹坑於上述活性層中具有始點，且沿自上述始點朝向上述第2氮化物半導體層之第1方向擴展。
1‧‧‧光半導體元件
1B‧‧‧區域
10、100‧‧‧基板
20‧‧‧n型層
20a‧‧‧n型層之部分
20b‧‧‧n型GaN層
20s‧‧‧超晶格層
21、31‧‧‧障壁層
23、33‧‧‧井層
30‧‧‧活性層
40‧‧‧p型層
43‧‧‧p型層之部分
51‧‧‧p電極
53‧‧‧n電極
60‧‧‧凹坑
60a‧‧‧始點
60c‧‧‧刻面
70‧‧‧穿透位錯
BL1、BL2、BL3‧‧‧障壁層31之成長區段
e‧‧‧電子
h‧‧‧電洞
hν‧‧‧光
QW1、QW2‧‧‧井層33之成長區段
Wp‧‧‧寬度
圖1(a)及(b)係例示實施形態之光半導體元件之模式剖面圖。
圖2(a)~(c)係例示實施形態之光半導體元件之製造過程之模式剖面圖。
圖3(a)及(b)係例示繼圖2之後之製造過程之模式剖面圖。
圖4係例示實施形態之活性層之形成方法之模式圖。
圖5係例示比較例之光半導體元件之剖面之TEM(Transmission Electron Microscopy，穿透式電子顯微鏡)像。
圖6(a)及(b)係例示實施形態之光半導體元件之動作之模式圖。
圖7係例示實施形態之光半導體元件之特性的曲線圖。
以下，一面參照圖式一面對實施形態進行說明。對圖式中之相同部分標註相同編號而適當省略其詳細之說明，並對不同之部分進行說明。再者，圖式為模式性或概念性者，各部分之厚度與寬度之關係、部分間之大小之比率等未必與現實相同。又，即便於表示相同部分之情形時，亦有根據圖式而將彼此之尺寸或比率不同地示出之情形。
圖1(a)係例示實施形態之光半導體元件1之模式剖面圖。圖1(b)表示將圖1(a)中虛線所示之區域1B放大之剖面。
光半導體元件1係以例如氮化鎵系半導體為材料之發光二極體(Light Emitting Diode：LED)。以下，以光半導體元件1為例對本實施形態進行說明，但並不限定於此。例如，亦可為以氮化物半導體為材
料之雷射二極體、或受光元件。根據本實施形態，可提高LED及雷射二極體等發光元件之發光效率。又，關於受光元件，可減少漏電流、即所謂之暗電流，且提高其受光感度。又，本實施形態並不限定於光半導體元件之構造，其技術範圍亦跨及用以製作光半導體元件之半導體晶圓或使用光半導體元件之照明裝置、及光半導體元件之製造方法、及結晶成長裝置。
圖1所示之光半導體元件1包含第1導電型之第1氮化物半導體層(以下稱為n型層20)、活性層30、及第2導電型之第2氮化物半導體層(以下稱為p型層40)。活性層30設置於n型層20與p型層40之間。
此處，將第1導電型設為n型、將第2導電型設為p型而進行說明，但實施形態並不限定於此。即，亦可將第1導電型設為p型、將第2導電型設為n型。
例如，如圖1所示，n型層20設置於基板10上。活性層30設置於n型層20上，p型層40設置於活性層30上。
基板10例如為藍寶石基板或矽基板。藍寶石基板相對於可見光及紫外光而為透明，可於其上直接形成n型層20。又，亦可於藍寶石基板與n型層20之間形成未圖示之緩衝層。
另一方面，矽基板吸收可見光及紫外光。因此，於使用矽基板作為基板10之情形時，較理想為於矽基板與n型層20之間設置反射層。反射層將自活性層30放射之光向p型層40之方向反射而提高光半導體元件1之輸出。
n型層例如為n型氮化鎵(GaN)層。p型層40例如為p型GaN層。p型層40例如可於與活性層30相接之部分包含p型AlGaN。p型AlGaN為帶隙能大於障壁層33之材料即可，亦可為AlInGaN或InAlN。
於p型層40上設置有p電極51。另一方面，選擇性地對p型層40及活性層30進行蝕刻，且於使n型層20露出之部分20a設置有n電極53。
於光半導體元件1中，對p電極51與n電極53之間施加電壓，而於活性層30中流通電流。藉此，使活性層30發光並將該光放射至外部。
如圖1(b)所示，活性層30包含第1障壁層(以下稱為障壁層31)、及第1井層(以下稱為井層33)。障壁層31沿自n型層20朝向p型層40之第1方向(以下稱為Z方向)積層。井層33設置於複數個障壁層31各者之間。
障壁層31例如為GaN層。井層33例如為InxGa1-xN(0<x≦1)層。井層33以發出所需之波長之光之方式被控制銦(In)組成或井層膜厚。例如，於自活性層30放射波長為450奈米(nm)之藍色光之情形時，In之比率x為0.15。井層33之Z方向之厚度例如為2~5nm。另一方面，障壁層31之Z方向之厚度例如為2nm~20nm。
進而，活性層30具有複數個凹坑60。凹坑60設置成於活性層30之內部具有始點60a，且沿自始點60a朝向p型層40之Z方向擴展之形狀。而且，設置於活性層30上之p型層40包含埋入凹坑60之內部之部分43。
凹坑60為所謂之V型凹坑，具有於側面具有刻面(結晶面)且例如以始點60a為頂點之六角錐之形狀。凹坑亦有根據形成過程之條件而具有圓錐狀之形狀之情況。只要具有源於穿透位錯之凹型構造即可。
活性層30並不限定於圖1(b)所示之例，只要包含至少1個井層33即可。即，活性層30包含沿Z方向積層之兩個障壁層31、及設置於兩個障壁層31之間之井層33。凹坑60以貫通至少1個井層33之方式形成。
又，如圖1(b)所示，n型層20可包含第2障壁層(以下稱為障壁層21)、及第2井層(井層23)。障壁層21例如沿Z方向積層。井層23設置於複數個障壁層21各者之間。
n型層20內之包含障壁層21及井層23之區域為所謂之超晶格層
20s。超晶格層20s例如設置於n型GaN層20b上。超晶格層20s例如以具有n型GaN層20b之晶格常數與活性層30之晶格常數之間的中間晶格常數之方式而設置。即，超晶格層20s緩和因n型GaN層20b與活性層30之間之晶格常數之差而引起之應變。藉此，可減少因活性層30中產生之應變而引起之壓電電場，而提高光學特性。又，藉此可減少活性層30中產生之錯配位錯。
再者，此處所謂之活性層30及超晶格層20s之「晶格常數」例如為由障壁層及井層之厚度與各者之晶格常數算出之平均晶格常數。
障壁層21例如為GaN層。井層23例如為InyGa1-yN(0<y<1)層。井層23所包含之銦之比率y例如為0.01~0.1。井層23之Z方向之厚度例如為1~3nm。另一方面，障壁層21之Z方向之厚度例如為1nm~10nm。障壁層21及井層23可視需要包含n型雜質、例如Si。
又，於發光元件之情形時，較佳為超晶格層20s之井層23之帶隙寬於活性層30之井層33之帶隙。藉此，可抑制自活性層30放射之光於超晶格層20s中之吸收。換言之，較理想為超晶格層20s之井層23所包含之銦之含有率y小於活性層30之井層33所包含之銦之含有率x。量子井構造中之帶隙能主要由井層33之帶隙能及井寬決定，作為量子構造之超晶格層20s所具有之帶隙能較佳為大於活性層之帶隙能。又，根據此種構成，超晶格層20s之平均晶格常數成為n型GaN層20b之平均晶格常數與活性層30之平均晶格常數之間之值，可具有對活性層30而言吸收應變之效果。
本實施形態中之活性層30為包含經以放射所需之波長之光之方式調整之井層33的範圍。所謂所需之波長例如為在最終用途中獲得之發光波長。例如為藉由注入350mA之電流而獲得之光之發光波長。根據驅動條件，有即便於同一構成條件內發光波長亦略微變化之情況，只要為上述所需之發光波長±5nm之範圍，則可視為自本實施形
態中之活性層30之發光。於圖1(b)所示之例中，n型層20與活性層30之邊界例如為超晶格層20s中之最靠近活性層30之井層23與障壁層21之界面。即，超晶格層20s之障壁層21與活性層30之障壁層31均為GaN層，位於超晶格層20s與活性層30之間之障壁層21及31實質上為一體。因此，將設置於最靠近活性層30之位置之障壁層21與井層23之界面設為n型層20側之邊界較恰當。另一方面，活性層30之p型層40側之邊界例如可設為最靠近p型層40之障壁層31與井層33之界面。
其次，參照圖2~圖4，對實施形態之光半導體元件之製造方法進行說明。圖2(a)~圖3(b)係例示實施形態之光半導體元件之製造過程之模式剖面圖。圖4係例示實施形態之活性層之形成方法之模式圖。
如圖2(a)所示，於基板100上形成n型層20。n型層20係使用例如MOCVD法而形成，且包含n型GaN層20b、及超晶格層20s(參照圖1(b))。n型GaN層20b形成於基板100上，超晶格層20s形成於n型GaN層20b上。
基板100例如為矽基板。亦可於基板100與n型層20之間形成未圖示之緩衝層。緩衝層例如具有包含氮化鋁(AlN)及AlGaN之多層構造。亦可包含Si或其他雜質之δ摻雜層或SiN層等。藉由包含該等層，可抑制因Si與氮化物半導體間之熱膨脹係數差而產生之裂痕、或因晶格常數差而產生之穿透位錯。
例如，於基板100上形成緩衝層及n型層20之期間，形成有因基板100與氮化物半導體之晶格失配而產生之大量位錯。而且，該等位錯彙集為複數個穿透位錯且到達至上層。例如，於n型層20形成有具有108~1010cm-2之密度之穿透位錯。
其次，於n型層20上形成活性層30。例如，如圖2(b)所示，使障壁層31與井層33交替地成長。於此例中，障壁層31為GaN層，井層33
為InGaN層。
圖4係表示於活性層30之形成過程中導入至MOCVD裝置之反應室之原料氣體之供給順序之模式圖。圖4中所示之複數個圖之橫軸為成長時間(Growth Time)，縱軸表示各原料氣體之供給量(任意單位)。
各圖被分為障壁層31之成長區段BL及井層33之成長區段QW。例如，作為原料之載體之氮氣(N2)及成為V族原料之氨氣(NH3)跨及成長之全部區段而供給。
於障壁層31之成長區段BL，例如供給TMG(Trimethylgallium，三甲基鎵)、及氨(NH3)。藉此，形成GaN層。另一方面，於井層33之成長區段QW，供給TMG(Trimethylgallium)、TMI(Trimethylindium，三甲基銦)、及氨(NH3)。藉此，形成InGaN層。
而且，如圖4所示，藉由交替地重複成長區段BL及成長區段QW而形成活性層30。進而，於本實施形態中，於使活性層30成長之過程之中途，將氫氣(H2)導入至反應室。例如，如圖4所示，於障壁層31之成長區段BL2，開始導入氫氣。藉此，可開始凹坑60之形成。氫氣例如較佳為以於障壁層31之成長區段BL進行供給，且於井層33之成長區段不進行供給之方式而控制。
例如，如圖2(c)所示，以開始供給氫氣之區段中所成長之障壁層31為起點而形成凹坑60。而且，凹坑60以隨著積層井層33及一面再次供給氫氣一面積層障壁層31而沿Z方向擴展之方式形成。凹坑60之大小例如可藉由氫氣之流量而控制。氫氣具有微弱之蝕刻效果，且具有抑制向刻面之成長之效果。例如，藉由增大氫氣之流量，可抑制向刻面之成長，消除埋入凹坑內部之效果。藉此，隨著積層膜厚增大，可使凹坑60沿與Z方向垂直之方向大幅地張開。
又，可根據開始於活性層30內導入氫氣之時序而改變凹坑形成之起點。例如，如圖4所示，藉由自第2障壁層BL2起供給氫氣，可將
第2障壁層設為凹坑之起點。又，於圖3中表示自障壁層31與井層33之界面形成凹坑之例，但本實施形態並不限於此。例如，可藉由自障壁層31之形成過程之中間導入氫氣而將障壁層31之中間設為凹坑60之起點。又，亦可藉由於一面供給氫氣一面形成障壁層31之步驟之後，包含不再次供給氫氣而形成障壁層31之步驟，而以埋入凹坑60之方式進行成長，從而控制凹坑之尺寸。
繼而，如圖3(a)所示，使最後之障壁層31成長，而結束活性層30之形成。藉此，可形成於活性層30中具有始點且沿Z方向擴展之凹坑60。凹坑60之始點60a例如與自n型層20到達活性層30之穿透位錯之位置對應。
其次，如圖3(b)所示，於活性層30上形成p型層40。p型層40較佳為以埋入凹坑60之內部之方式形成。具體而言，例如於p型層40之成長中，以高於活性層30之溫度進行成長或使氫氣之供給量相對較少。藉此，於凹坑之刻面上亦開始成長，而可停止凹坑60之擴大並埋入其內部。即，p型層40以包含埋入凹坑60之內部之部分43的方式而形成。
p型層40例如較佳為以於與活性層30相接之部分包含p型AlGaN之方式而形成。例如，藉由p型AlGaN而限制自活性層30向p型層40之電子移動，從而促進井層33中之電子與電洞之發光再結合。藉此，可提高活性層30之發光效率。
此處，示出於使活性層30成長之過程之中途供給氫氣，而於活性層30中形成凹坑60之方法，但實施形態並不限定於該方法。例如，亦可藉由於MOCVD裝置之反應室中控制載置基板100之基座之轉數而形成凹坑60。即，若使基座之轉數較大，則不會形成凹坑60，若使轉數較小則可形成凹坑60。又，凹坑60之形成亦可藉由活性層30之成長速度或氨供給量、或者In組成而控制。
又，凹坑60之形成亦可藉由井層33或障壁層32之成長溫度而控制。例如，成長溫度越高(例如大於等於800℃且小於等於1150℃)，則障壁層越容易於刻面上成長，而可抑制凹坑60之形成。例如，可藉由使複數個障壁層中之某層數以後之成長溫度變化，而控制凹坑60之起點。凹坑之形成取決於井層33或障壁層32之積層方向(例如於使用c面藍寶石基板或(111)矽基板之情形時為(0001)方向)與化學穩定之刻面(例如(11-22))方向之成長速度之平衡。若採用(0001)方向之成長速度快於(11-22)方向之成長速度之成長條件，則凹坑60擴大。若採用(0001)方向之成長速度慢於(11-22)方向之成長速度之成長條件，則以埋入凹坑60之方式成長。藉由對各層適當地選擇此種條件，可形成具有本實施形態之發光元件。
圖5係例示比較例之光半導體元件之剖面之TEM像。
圖6係例示實施形態之光半導體元件1之動作之模式圖。
於圖5所示之例中，於n型層20上形成有活性層30，於活性層30上形成有p型層40。活性層30包含複數個井層33。而且，凹坑60以貫通活性層30之方式形成。
於此例中，凹坑60之始點60a位於n型層20中。始點60a例如可定義為將凹坑60之兩側之刻面60c延長所得之交點。又，於凹坑60之中央存在自n型層20到達p型層40之穿透位錯70。穿透位錯70通過凹坑60之始點60a並延伸至p型層40中。
圖6(a)係表示未形成凹坑60之情形之活性層30之剖面的模式圖。圖6(b)係表示形成有凹坑60之活性層30之剖面的模式圖。為簡單起見，表示包含兩個障壁層31及設置於其等間之井層33之例。
如圖6(a)所示，於未形成凹坑60之情形時，穿透位錯70直接貫通活性層30，而自n型層20到達p型層40。關於此種構造，考慮於活性層30中流通電流而於井層33注入電子e與電洞h之情形。
於井層33中，所注入之電子e與電洞h發光再結合，而自活性層30放射光hν。於此例中，由於活性層30與穿透位錯70接觸，故而注入至井層33之電子e及電洞h之一部分經由穿透位錯70而漏出至井層33外。即，於此例中，產生無助於發光再結合之漏電流。又，電子e及電洞h之一部分經由穿透位錯70而引起非發光再結合，形成熱子(phonon)並成為熱，由此失去載子。即，於此例中發光效率降低。
與此相對，於圖6(b)所示之例中，形成有以穿透位錯70為起點之凹坑60。而且，成為於活性層30與穿透位錯70之間介置有p型層40之一部分43之構造。藉此，可避免活性層30與穿透位錯70接觸，而可抑制經由穿透位錯70之電流洩漏或非發光再結合。結果為，注入至井層33之電子e與電洞n發光再結合之機率變高，可較圖6(a)所示之例提高活性層30之發光效率。
又，藉由以覆蓋凹坑60之刻面之方式形成p型AlGaN層，可進一步提高上述效果。由於AlGaN之帶隙能大於GaN，故而阻礙電子e之移動之效果較大。因此，藉由於凹坑60之刻面與穿透位錯70之間形成p型AlGaN層，可抑制電子e向穿透位錯70之移動。即，可獲得高效率之發光。
如此，藉由形成貫通活性層30之凹坑60，可減少經由穿透位錯70之漏電流或非發光再結合，而提高活性層30之發光效率。考慮到此方面，認為例如圖5所示般形成貫通活性層30之整體之凹坑60較為有利。
然而，凹坑60係以沿Z方向擴展之方式形成。因此，若凹坑60於Z方向上較長地形成，則p型層40側之凹坑60之寬度WP變寬。結果為，例如凹坑60占取活性層30之面積變大。如上所述，穿透位錯70例如以108~1010cm-2之高密度存在。於使用矽作為基板之情形時，與使用藍寶石之情形相比，與GaN之晶格常數及熱膨脹係數之差較大，更
容易產生穿透位錯，例如以5×109cm-2~2×1010cm-2之高密度存在。凹坑之面內方向之直徑係由凹坑之深度與刻面角度之關係決定。因此，因凹坑60而引起之活性層30之面積的減少成為無法忽視之水平。即，活性層30之發光面積減少，並且流經活性層30之電流密度增加，從而其發光效率降低。圖7係表示該例之曲線圖。
圖7係例示實施形態之光半導體元件1之特性之曲線圖。縱軸為PL強度(Photoluminescence Intensity，光致發光強度)，橫軸為發光波長。
圖7中所示之兩個資料表示本實施形態之樣品EB、及比較例之樣品CS之特性。樣品EB之凹坑60係以於包含9層井層33之活性層30中，於第6層與第7層之間具有始點，且貫通第7層~第9層之井層33之方式形成。另一方面，於樣品CS中，凹坑60係以貫通全部9層井層33之方式形成。又，樣品EB之基於X射線繞射之GaN(102)面之半峰全幅值為419秒，刃狀穿透位錯密度為1.4×109cm-2。又，樣品CS之GaN(102)面之半峰全幅值為424秒，刃狀穿透位錯密度為1.4×109cm-2，具有與樣品EB大致相同之穿透位錯密度。
由圖7可知，樣品EB之PL強度於發光之全波長範圍內，高於樣品CS之PL強度。若以位於波長450nm之附近之發光峰之強度進行比較，則樣品EB之PL強度超過樣品CS之2倍。可以說其原因在於，有助於發光之井層33之面積增大之效果、與因面積增大而每單位面積之載子減少從而井層33之每單位面積之發光效率提高之效果的協同效應。於使用氮化物半導體之發光元件中，已知有若載子之注入量增大則發光效率降低之下降(Droop)現象，根據實施形態，可減少每單位面積之載子注入量，而可獲得發光效率之提高效果。
如此，藉由形成於活性層30中具有始點且沿Z方向擴展之凹坑60，可提高活性層30之發光效率。於使用氮化物半導體之發光元件
中，已知電洞h之有效質量較大，最靠近p型層之井層對發光之貢獻較大。即，活性層30所包含之複數個井層33內之有助於發光者設置於p型層40之附近。而且，設置於最靠近p型層40之位置之井層33之貢獻較大。因此，凹坑60之始點60a例如較佳為形成於較活性層30之Z方向之厚度的二分之一更靠近p型層40之位置。進而，凹坑60較理想為以至少貫通井層33之總數中之大於等於二分之一的井層數之方式形成。凹坑60更理想為以至少貫通設置於最靠近p型層40之位置之井層33之方式形成。藉此，可增大設置於最靠近p型層40之位置之井層33之平面之面積，而可獲得高效率之發光元件。又，藉由於凹坑60與穿透位錯70之間包含AlGaN層，可進一步抑制因穿透位錯而引起之非發光再結合，從而獲得更高效率之發光元件。
如此，根據本實施形態，即便穿透位錯以相對較高密度存在，亦可抑制發光效率之降低而獲得高效率之發光元件。又，根據本實施例，亦可將電洞h通過設計為適當深度之凹坑60而注入至井層，從而即便穿透位錯密度較大亦可獲得高效率之發光。一般認為減少穿透位錯密度為獲得高效率之發光元件所必需，但根據本實施形態，即便穿透位錯密度大於等於4×108cm-2，亦可獲得高效率之發光元件。與此對應之GaN(102)面之X射線半峰全幅值大於等於250秒。尤其，若使用量產性優異之矽基板作為基板，則與氮化鎵之晶格常數差及熱膨脹係數差大於藍寶石基板，而存在容易產生位錯之問題。然而，藉由將本實施形態形成於矽基板上，可製作量產性優異之高效率之發光元件。形成於矽基板上之氮化物半導體之穿透位錯密度例如大於等於8×108cm-2。與此對應之GaN(102)面之X射線半峰全幅值大於等於330秒。於此種情形時，藉由應用本實施形態，可較大地獲得抑制因穿透位錯而引起之非發光再結合之效果、及藉由增大有助於發光之井層之面積而提高發光效率之效果。若矽基板之直徑大於等於8英吋，則提
高量產性之效果較大。
如上所述，根據本實施形態，可實現結晶缺陷之影響經抑制之高效率之光半導體元件。例如，對於LED、雷射二極體等發光元件，可提高活性層之發光效率而實現高亮度之發光。又，對於受光元件，可減少暗電流而提高受光感度。
再者，於本說明書中，所謂「氮化物半導體」包含BxInyAlzGa1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)之III-V族化合物半導體，進而，亦包含除N(氮)以外亦含有磷(P)或砷(As)等作為V族元素之混晶。又，進而含有為控制導電型等各種物性而添加之各種元素者、及進而含有不意圖包含之各種元素者亦包含於「氮化物半導體」中。
已對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提出者，並不意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態能以其他各種形態實施，於不脫離發明之主旨之範圍內可進行各種省略、替換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍或主旨內，並且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
1‧‧‧光半導體元件
1B‧‧‧區域
10‧‧‧基板
20‧‧‧n型層
20a‧‧‧n型層之部分
20b‧‧‧n型GaN層
20s‧‧‧超晶格層
21、31‧‧‧障壁層
23、33‧‧‧井層
30‧‧‧活性層
40‧‧‧p型層
43‧‧‧p型層之部分
51‧‧‧p電極
53‧‧‧n電極
60‧‧‧凹坑
60a‧‧‧始點
Claims (7)
- 一種光半導體元件，其包含：第1導電型之第1氮化物半導體層；第2導電型之第2氮化物半導體層；及活性層，其設置於上述第1氮化物半導體層與上述第2氮化物半導體層之間；且上述光半導體元件具有凹坑，該凹坑於上述活性層中具有始點，且沿自上述始點朝向上述第2氮化物半導體層之第1方向擴展。
- 如請求項1之光半導體元件，其中上述第2氮化物半導體層包含埋入上述凹坑之內部之部分。
- 如請求項1之光半導體元件，其中上述活性層包含沿上述第1方向積層之兩個第1障壁層、及設置於上述兩個第1障壁層之間之第1井層，且上述凹坑貫通上述第1井層。
- 如請求項1之光半導體元件，其中上述活性層包含沿上述第1方向積層之複數個障壁層、及設置於上述複數個障壁層各者之間之複數個第1井層，且上述凹坑至少貫通設置於最靠近上述第2氮化物半導體層之位置之第1井層。
- 如請求項3或4之光半導體元件，其中上述第1氮化物半導體層包含沿上述第1方向積層之兩個第2障壁層、及設置於上述兩個第2障壁層之間之第2井層，且上述第2井層之帶隙寬於上述第1井層之帶隙。
- 如請求項5之光半導體元件，其中上述第1井層及上述第2井層包 含含有銦之氮化物半導體，且上述第1井層之銦之含有率大於上述第2井層之銦之含有率。
- 如請求項1至4中任一項之光半導體元件，其中於上述凹坑與通過上述凹坑之起點之穿透位錯之間包含含有鋁之氮化物半導體。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014052308A JP2015177025A (ja) | 2014-03-14 | 2014-03-14 | 光半導体素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201535783A true TW201535783A (zh) | 2015-09-16 |
Family
ID=54069886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103123046A TW201535783A (zh) | 2014-03-14 | 2014-07-03 | 光半導體元件 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20150263232A1 (zh) |
| JP (1) | JP2015177025A (zh) |
| CN (1) | CN104916748A (zh) |
| TW (1) | TW201535783A (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017085006A (ja) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | 富士通株式会社 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
| DE102015120896A1 (de) * | 2015-12-02 | 2017-06-08 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Elektronisches Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils |
| CN105470356A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-04-06 | 聚灿光电科技股份有限公司 | 一种双波长led芯片及其制备方法 |
| CN105720137B (zh) * | 2016-02-18 | 2018-09-14 | 圆融光电科技股份有限公司 | 发光二极管外延结构及其生长方法和发光二极管 |
| DE102017124596A1 (de) | 2017-10-20 | 2019-04-25 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements |
| WO2021106928A1 (ja) * | 2019-11-26 | 2021-06-03 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| EP4216291A1 (en) * | 2022-01-19 | 2023-07-26 | Nichia Corporation | Light emitting element and method of manufacturing same |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3594826B2 (ja) * | 1999-02-09 | 2004-12-02 | パイオニア株式会社 | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP3909811B2 (ja) * | 2001-06-12 | 2007-04-25 | パイオニア株式会社 | 窒化物半導体素子及びその製造方法 |
| US7385226B2 (en) * | 2004-03-24 | 2008-06-10 | Epistar Corporation | Light-emitting device |
| US7446345B2 (en) * | 2005-04-29 | 2008-11-04 | Cree, Inc. | Light emitting devices with active layers that extend into opened pits |
| US7535031B2 (en) * | 2005-09-13 | 2009-05-19 | Philips Lumiled Lighting, Co. Llc | Semiconductor light emitting device with lateral current injection in the light emitting region |
| KR101164026B1 (ko) * | 2007-07-12 | 2012-07-18 | 삼성전자주식회사 | 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
| KR100877774B1 (ko) * | 2007-09-10 | 2009-01-16 | 서울옵토디바이스주식회사 | 개선된 구조의 발광다이오드 |
| KR101521259B1 (ko) * | 2008-12-23 | 2015-05-18 | 삼성전자주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
| KR20100093872A (ko) * | 2009-02-17 | 2010-08-26 | 삼성엘이디 주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
| US8525221B2 (en) * | 2009-11-25 | 2013-09-03 | Toshiba Techno Center, Inc. | LED with improved injection efficiency |
| KR101007136B1 (ko) * | 2010-02-18 | 2011-01-10 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자, 발광 소자 패키지 및 발광 소자 제조방법 |
| KR101683898B1 (ko) * | 2010-06-21 | 2016-12-20 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 |
| KR101692410B1 (ko) * | 2010-07-26 | 2017-01-03 | 삼성전자 주식회사 | 발광소자 및 그 제조방법 |
| JP6005346B2 (ja) * | 2011-08-12 | 2016-10-12 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
| US9012921B2 (en) * | 2011-09-29 | 2015-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light emitting devices having light coupling layers |
| JP5908979B2 (ja) * | 2012-06-13 | 2016-04-26 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| KR20140012538A (ko) * | 2012-07-22 | 2014-02-03 | 김범 | 가청주파수 내의 공명을 이용한 오브젝트 파인더. |
| WO2014127502A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-28 | Source Photonics (Chengdu) Co., Ltd. | Variable bandgap modulator for modulated laser system |
| KR102075987B1 (ko) * | 2014-02-04 | 2020-02-12 | 삼성전자주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 |
-
2014
- 2014-03-14 JP JP2014052308A patent/JP2015177025A/ja active Pending
- 2014-07-03 TW TW103123046A patent/TW201535783A/zh unknown
- 2014-09-02 US US14/475,517 patent/US20150263232A1/en not_active Abandoned
- 2014-09-05 CN CN201410454176.4A patent/CN104916748A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015177025A (ja) | 2015-10-05 |
| US20150263232A1 (en) | 2015-09-17 |
| CN104916748A (zh) | 2015-09-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5995302B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法 | |
| TWI436495B (zh) | 以氮化物為主之發光裝置 | |
| JP4989978B2 (ja) | 窒化物系発光素子及びその製造方法 | |
| JP5048236B2 (ja) | 半導体発光素子、および半導体発光素子を作製する方法 | |
| KR102191213B1 (ko) | 자외선 발광 소자 | |
| JP4539752B2 (ja) | 量子井戸構造の形成方法および半導体発光素子の製造方法 | |
| TW201535783A (zh) | 光半導體元件 | |
| JP5322523B2 (ja) | 発光素子及びその製造方法 | |
| JP2007305851A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
| JP5279006B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
| JP2013118412A (ja) | 多重量子ウェル構造の活性領域を有する発光ダイオード | |
| JP2010021287A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物系半導体発光素子、及びエピタキシャルウエハ | |
| KR102122846B1 (ko) | 질화물 반도체 성장 방법, 이를 이용한 반도체 제조용 템플릿 제조 방법 및 반도체 발광 소자 제조 방법 | |
| JP2010010678A (ja) | 量子ドットデバイスおよびその製造方法 | |
| US9773947B2 (en) | Light-emitting device and production method therefor | |
| JP2008028121A (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
| US8278129B2 (en) | Manufacturing method of nitride semi-conductor layer, and a nitride semi-conductor light emitting device with its manufacturing method | |
| JP2012204540A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| US20110133158A1 (en) | Method for fabricating ingan-based multi-quantum well layers | |
| JP2007200933A (ja) | 窒化物系半導体素子の製造方法 | |
| JP2009231609A (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
| JP2015115343A (ja) | 窒化物半導体素子の製造方法 | |
| TW201836169A (zh) | 氮化物半導體紫外線發光元件的製造方法及氮化物半導體紫外線發光元件 | |
| JP2008227103A (ja) | ＧａＮ系半導体発光素子 | |
| JP4055794B2 (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |