TW201703294A - 半導體發光元件 - Google Patents

Abstract

實現顯示高發光強度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發光層與由氮化物半導體所成之障壁層的活性層，障壁層中形成於最接近p型氮化物半導體層的位置之最後障壁層的C濃度為1×1018/cm3以下。

Description

半導體發光元件

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發光層與由氮化物半導體所成之障壁層的活性層的氮化物半導體發光元件。

現在，氮化物半導體係作為LED(發光二極體)及LD(雷射二極體)等之發光元件的用途，進行利用、開發(例如參照專利文獻1、2)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[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

本案發明者係注目於以相同材料製造複數半 導體發光元件，對於各元件注入電流之後，混雜有實際上發光的元件，與完全不發光或幾乎不發光的元件。然後，進行該等元件的結晶評估，但是兩者之間，在結晶上並不存在有意義的差別。

本案發明者對於根據元件而產生發光或不發光的現象反覆進行更銳意研究，結果，發現在發光的元件與未發光的元件之間，特定處之C濃度存在有差異之狀況。

本發明係有鑑於前述的檢討，目的為實現顯示高發光強度的氮化物半導體發光元件。

本發明是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發光層與由氮化物半導體所成之障壁層的活性層的氮化物半導體發光元件，其特徵為：前述障壁層中形成於最接近前述p型氮化物半導體層的位置之最後障壁層的C濃度為1×10¹⁸/cm³以下。

藉由本案發明者的銳意研究，已確認利用將最後障壁層的C濃度設為1×10¹⁸/cm³以下，來構成氮化物半導體發光元件，可實現發光強度高的發光元件。尤其，利用將最後障壁層的C濃度設為5×10¹⁷/cm³以下，可實現發光強度更高的發光元件。該結果係在「實施方式」的項 目中參照實施例於後敘述。

藉由本案發明者的銳意研究，已確認最後障壁層的C濃度高於1×10¹⁸/cm³的話，該C濃度越高則發光強度越降低。該理由在現在時間點並未確定，本案發明者係如下來推測該理由。亦即，因最後障壁層的C濃度較高，從p型氮化物半導體層朝向發光層之電洞的移動會被妨礙。根據電洞相較於電子，移動度較低，構成活性層的複數發光層中，形成於p型氮化物半導體層附近的發光層中電子與電洞容易再結合，該發光層最有助於發光。但是，因最後障壁層之C濃度較高，該最有助於發光的發光層內無法使電洞充分移動。結果，該發光層之電子與電洞的再結合機率降低，伴隨此狀況，發光強度也會降低。

依據該觀點，在p型氮化物半導體層與最後障壁層之間具有其他層的發光元件中，利用針對該其他層的C濃度也設為1×10¹⁸/cm³以下，能以高效率將電洞注入至最有助於發光的發光層。再者，此時，將該其他層的C濃度設為5×10¹⁷/cm³以下，來構成發光元件更為理想。

再者，構成氮化物半導體發光元件的各半導體層，係一般來說藉由MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沉積法)所形成。存在於最後障壁層的C成分，係可推測為源於作為原料氣體所利用的三甲基鎵(TMG)等的有機金屬化合物所包含之C 元素。因此，可利用適當變更原料氣體及載體氣體的流量及成長溫度的溫度曲線，來適當調整最後障壁層的C濃度。

依據本發明，可實現顯示高發光強度的氮化物半導體發光元件。

1‧‧‧氮化物半導體發光元件

2‧‧‧基板

3‧‧‧無摻雜層

4‧‧‧n型氮化物半導體層

5‧‧‧活性層

6‧‧‧p型氮化物半導體層

7‧‧‧無摻雜AlGaN層

5a，5c，5e，5g，5i，5k‧‧‧障壁層

5b，5d，5f，5h，5j‧‧‧發光層

[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]揭示實施例1~3及比較例1之各元件的發光光量與供給電流的關係的圖表。

[圖4]模式揭示氮化物半導體發光元件的其他構造的剖面圖。

[圖5]模式揭示氮化物半導體發光元件的其他構造之一部分的剖面圖。

針對本發明的氮化物半導體發光元件，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。

[構造]

圖1係模式揭示氮化物半導體發光元件的構造的剖面圖。圖1所示之氮化物半導體發光元件1(以下適當略記為「發光元件1」)係於基板2上，具有無摻雜層3、n型氮化物半導體層4、活性層5、及p型氮化物半導體層6所構成。

(基板2)

基板2係以藍寶石基板所構成。再者，藍寶石之外，以Si、SiC、AlN、AlGaN、GaN、YAG等構成亦可。

(無摻雜層3)

無摻雜層3係以GaN形成。更具體來說，藉由由GaN所成之低溫緩衝層，與於其上層由GaN所成之基底層所形成。

(n型氮化物半導體層4)

n型半導體層4係藉由Al_X1In_Y1Ga_Z1N(0≦X1≦1，0≦Y1≦1，0≦Z1≦1，X1+Y1+Z1=1)所構成。作為一例，n型氮化物半導體層4係藉由n-Al_0.06Ga_0.94N所構成。再者，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，n型氮化物半導體層4係作為於接觸無摻雜層3的區域，包含以n-GaN構成之層(保護層)的構造亦可。

(活性層5)

活性層5係重複複數層之由Al_X3In_Y3Ga_Z3N(0≦X3≦1，0≦Y3≦1，0≦Z3≦1，X3+Y3+Z3=1)所成之發光層，與由Al_X4In_Y4Ga_Z4N(0≦X4≦1，0≦Y4≦1，0≦Z4≦1，X4+Y4+Z4=1)所成之障壁層所構成。構成活性層5的發光層，係帶間隙能比構成活性層5的障壁層還低即可。活性層5係例如以具有重複複數層例如由InGaN所成之發光層與由AlGaN所成之障壁層所構成。該等層係作為無摻雜型亦可，作為摻雜p型或n型亦可。再者，在此所謂「InGaN」的記載僅為記載是包含In與Ga的氮化物半導體層，並不是表示In與Ga的組成比為1：1。關於「AlGaN」的記載也相同。

針對活性層5的構造，參照圖2進行詳細說明。圖2係模式揭示放大氮化物半導體發光元件1中活性層5及其附近的部分的剖面圖。

活性層5係交互層積以氮化物半導體所形成之障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)，與以氮化物半導體所形成之發光層(5b，5d，5f，5h，5j)。再者，在本實施形態中，設為活性層5具有6層的障壁層與5層的發光層的構造，但是，障壁層及發光層的層數僅為一例，可適當 設定。

參照圖2來說明活性層5的話，活性層5中，障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)以AlGaN所構成，發光層(5b，5d，5f，5h，5j)以InGaN所構成。作為一例，本實施形態之氮化物半導體發光元件1具備的活性層，係藉由由Al_0.08Ga_0.92N所成之障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)，與由In_0.03Ga_0.97N所成之發光層(5b，5d，5f，5h，5j)所構成。

然後，發光元件1係將障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)中，形成於最接近p型氮化物半導體層6的位置之障壁層5k，亦即最後障壁層5k的C濃度，設為1×10¹⁸/cm³以下。

(p型氮化物半導體層6)

p型半導體層6係藉由Al_X2In_Y2Ga_Z2N(0≦X2≦1，0≦Y2≦1，0≦Z2≦1，X2+Y2+Z2=1)所構成。作為一例，可將p型氮化物半導體層6設為n-Al_0.3Ga_0.7N與p-Al_0.09Ga_0.91N的層積構造。作為摻雜物的p型不純物，係適合使用Mg，但是，也可使用Be、Zn等。

進而，p型氮化物半導體層6作為於Al_X2In_Y2Ga_Z2N層的上層，具有接觸用之高濃度p-GaN層者亦可。

[製程]

接著，針對圖1及圖2所示之發光元件1的製程，進行說明。再者，此製程僅為一例，適當調整氣體的流量、爐內溫度、爐內壓力等亦可。

(步驟S1)

首先，於基板2的上層，形成無摻雜層3。此係例如藉由以下方法來實現。

準備作為基板2的藍寶石基板，進行c面藍寶石基板的清洗。該清洗更具體來說，利用例如於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，一邊對於處理爐內流通所定流量的氫氣，一邊將爐內溫度升溫至所定溫度來進行。

接著，於c面藍寶石基板的表面，形成由GaN所成的低溫緩衝層，進而於其上層形成由GaN所成的基底層。該等低溫緩衝層及基底層對應無摻雜層3。具體來說，在將MOCVD裝置之爐內的溫度及壓力設定為所定值之狀態下，利用一邊對該爐內，作為載體氣體，以所定流量流通氮氣及氫氣，一邊作為原料氣體，以所定流量將三甲基鎵(TMG)及氨，供給所定時間來執行。藉此，於c面藍寶石基板的表面，形成所定厚度(例如20nm)的GaN所成的低溫緩衝層。

接著，在使MOCVD裝置的爐內溫度升溫之狀態下，利用適當調整前述載體氣體及前述原料氣體的流 量及供給時間，於低溫緩衝層的表面，形成所定厚度(例如1.7μm)的GaN所成的基底層。

(步驟S2)

接著，於無摻雜層3的上層，形成由Al_X1In_Y1Ga_Z1N的組成所成之n型氮化物半導體層4。具體來說，在將MOCVD裝置之爐內的溫度及壓力設定為所定值之狀態下，利用一邊對該爐內，作為載體氣體，以所定流量流通氮氣及氫氣，一邊作為原料氣體，以所定流量將TMG、三甲基鋁(TMA)、氨及用以摻雜n型不純物的四乙基矽烷，供給所定時間來執行。藉此，例如具有Al_0.06Ga_0.94N的組成，厚度為1.7μm的n型氮化物半導體層4，形成於無摻雜層3的上層。

再者，於本步驟中，以Al_X1In_Y1Ga_Z1N來實現n型氮化物半導體層4時，作為原料氣體，加上所定流量的三甲基銦(TMI)亦可。

(步驟S3)

接著，於n型氮化物半導體層4的上層形成活性層5。此時，交互執行形成發光層(5b，5d，5f，5h，5j)的步驟，與形成障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)的步驟。

具體來說，在將MOCVD裝置之爐內的溫度及壓力設定為所定值之狀態下，利用一邊對該爐內，作為載體氣體，以所定流量流通氮氣及氫氣，一邊作為原 料氣體，以所定流量將TMG、TMA、氨、及四乙基矽烷，供給所定時間，形成障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)。又，在將MOCVD裝置之爐內的溫度及壓力設定為所定值之狀態下，利用一邊對該爐內，作為載體氣體，以所定流量流通氮氣及氫氣，一邊作為原料氣體，以所定流量將TMG、TMI、及氨，供給所定時間，形成發光層(5b，5d，5f，5h，5j)。可藉由原料氣體的供給時間來調整各層的厚度，可藉由重複次數來調整發光層與障壁層的週期數。

藉此，例如具有厚度為20nm的由n型AlGaN所成之障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)的活性層5及厚度為2nm的由InGaN所成的發光層(5b，5d，5f，5h，5j)，形成於n型氮化物半導體層4的上面。

再者，在此，揭示將發光層(5b，5d，5f，5h，5j)設為無摻雜，以n型不純物摻雜障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)時的製程，但是，該等層作為無摻雜亦可，作為摻雜p型或n型亦可。

又，以AlInGaN構成發光層(5b，5d，5f，5h，5j)亦可。此時，可利用讓原料氣體包含所定流量的TMA來實現。同樣地，以AlInGaN構成障壁層(5a，5c，5e，5g，5i，5k)亦可。此時，可利用讓原料氣體包含所定流量的TMI來實現。

(步驟S4)

接著，於活性層5的上層，形成以Al_X2In_Y2Ga_Z2N所構成之p型氮化物半導體層6。具體來說，在將MOCVD裝置之爐內的溫度及壓力設定為所定值之狀態下，利用一邊對該爐內，作為載體氣體，以所定流量流通氮氣及氫氣，一邊作為原料氣體，以所定流量將TMG、TMA、氨及用以摻雜p型不純物的雙(環戊二烯)鎂(Cp₂Mg)，供給所定時間來執行。藉此，例如以厚度為20nm的Al_0.3Ga_0.7N，與厚度為150nm的Al_0.09Ga_0.91N的層積構造所構成之p型氮化物半導體層6，形成於活性層5的上層。再者，於本步驟中，以Al_X2In_Y2Ga_Z2N來實現p型氮化物半導體層6時，作為原料氣體，更加上所定流量的TMI亦可。

再者，之後，利用停止TMA的供給，並且適當變更Cp₂Mg的流量，將原料氣體供給所定時間，形成高濃度p型的GaN層亦可。此時，p型氮化物半導體層6係以Al_X2In_Y2Ga_Z2N與高濃度p型GaN層的層積構造所構成。

(之後的工程)

在實現於基板2的相同面側配置n側電極與p型電極之所謂「橫型構造」的發光元件1時，藉由ICP蝕刻來使n型氮化物半導體層4的一部分上面露出，於露出之n型氮化物半導體層4的上層形成n側電極，於p型氮化物半導體層6的上層形成p側電極。然後，藉由例如雷射切割裝置來分離各元件彼此，對於電極進行引線接合。

另一方面，在製造在基板的一方之面配置n側電極，於另一方之面配置p側電極所成，所謂「縱型構造」的發光元件1時，如以下步驟所致。首先，於p型氮化物半導體層6的上層形成成為p側電極的金屬電極(反射電極)、焊錫擴散防止層、及焊錫層。然後，隔著焊錫層，貼合以導體或半導體所構成的支持基板(例如CuW基板)之後，上下反轉，藉由雷射照射等的方法來剝離基板2。之後，於n型氮化物半導體層4的上層形成n側電極。以下，與橫型構造同樣地，進行元件分離及引線接合。

[評估]

關於圖1及圖2所示之發光元件1，變更最後障壁層5k的C濃度，進行元件之特性的評估。具體來說，利用變更步驟S3的成長條件及步驟S4之p型氮化物半導體層6的成長條件，變更最後障壁層5k的C濃度。再者，各實施例及比較例之各層的組成及厚度為共通。

更詳細來說，於上述之製程中，利用讓爐內溫度之升溫的速度、及原料氣體的供給開始時機不同，僅變更最後障壁層5k的C濃度。

再者，在本實施形態的發光元件1中，採用最後障壁層5k接觸p型氮化物半導體層6的構造。因此，不僅使最後障壁層5k成長時的原料氣體，根據使p型氮化物半導體層6成長時的原料氣體，也有影響最後障 壁層5k所包含之C濃度的可能性。因此，如上所述，利用變更步驟S3與步驟S4雙方的成長條件，來變更最後障壁層5k的C濃度。

實施例1的發光元件係最後障壁層5k的C濃度為5×10¹⁶/cm³。再者，該值相當於幾乎檢測限度。

實施例2的發光元件係最後障壁層5k的C濃度為5×10¹⁷/cm³。

實施例3的發光元件係最後障壁層5k的C濃度為1×10¹⁸/cm³。

比較例1的發光元件係最後障壁層5k的C濃度為2×10¹⁸/cm³。

再者，於前述之各實施例1~3及比較例1中，最後障壁層5k的C濃度之值，係使用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry：二次離子質量分析法)所導出者。

圖3係揭示實施例1~3及比較例1之各元件的發光強度與供給電流的關係的圖表。依據圖3，最後障壁層5k的C濃度為5×10¹⁶/cm³的實施例1的元件，及最後障壁層5k的C濃度為5×10¹⁷/cm³的實施例2的元件，係表示幾乎同等程度的高發光強度。

另一方面，最後障壁層5k的C濃度顯示為2×10¹⁸/cm³之最高值的比較例1的元件，幾乎未確認到發光。又，最後障壁層5k的C濃度為實施例2與比較例1之間的1×10¹⁸/cm³之實施例3的元件，雖然相較於實施例2的元件，發光強度降低，但是，相較於比較例1的元 件，可確認充分之強度的發光。

有鑑於圖3的結果，可知顯示最後障壁層5k的C濃度越高則元件的發光強度越降低的傾向。該理由並不確定，但是，可推測最後障壁層5k的C濃度較高的結果，從p型氮化物半導體層6往發光層(5j等)之電洞的注入會被妨礙，該發光層(5j等)之電子與電洞的再結合機率降低，因此發光強度降低。

電洞相較於電子，移動度較低，故構成活性層5的各發光層(5b，5d，5f，5h，5j)中，位於p型氮化物半導體層6附近的發光層(例如發光層5j等)中，電子與電洞最有效率地再結合。亦即，位於p型氮化物半導體層6附近的發光層成為最有助於發光之層。但是，如比較例1般，在位於發光層5j與p型氮化物半導體層6之間的最後障壁層5k的C濃度較高時，因對於最有助於發光的發光層5j之電洞的注入量降低，相較於實施例1及實施例2，發光強度會降低。

有鑑於此推測，可知利用以最後障壁層5k的C濃度盡可能變低之方式形成發光元件1，可實現顯示高發光強度的發光元件。尤其，於圖3中，與對元件施加0.1A的電流之狀況進行比較的話，最後障壁層5k的C濃度為1×10¹⁸/cm³之實施例3的元件，相較於最後障壁層5k的C濃度為5×10¹⁶/cm³之實施例1的元件，發光強度降低至6成程度。然後，最後障壁層5k的C濃度為2×10¹⁸/cm³之比較例1的元件，係實施例1的元件之發光 強度的5%以下，幾乎無法確認發光。亦即，利用至少將最後障壁層5k的C濃度設為1×10¹⁸/cm³以下，可實現顯示耐實用之發光強度的發光元件，進而，利用將最後障壁層5k的C濃度設為5×10¹⁷/cm³以下，可實現顯示極為高發光強度的發光元件。

再者，讓構成活性層5的發光層及障壁層的層積數與前述實施例不同，來進行相同的實驗，獲得與圖3相同的傾向。又，讓障壁層的組成、p型氮化物半導體層6的組成、或障壁層的膜厚等與前述實施例不同，來進行相同的實驗仍然獲得與圖3相同的傾向。根據該狀況，可導出結論是利用至少將最後障壁層5k的C濃度設為1×10¹⁸/cm³以下，可實現顯示耐實用之發光強度的發光元件，進而，利用將最後障壁層5k的C濃度設為5×10¹⁷/cm³以下，可實現顯示極為高發光強度的發光元件。

再者，在前述實施形態中，已針對利用重複複數週期之發光層及障壁層來形成活性層5之狀況進行說明，但是，活性層5作為具有單一發光層的構造亦可。此時，活性層5係具有發光層與挾持該發光層的兩個障壁層，交互層積障壁層與發光層來實現。然後，兩個障壁層中形成於最接近p型氮化物半導體層6的位置之障壁層對應最後障壁層，該最後障壁層的C濃度為1×10¹⁸/cm³以下。

再者，有鑑於因為最後障壁層5k所包含的C，來自p型氮化物半導體層6之電洞的移動被妨礙，發 光元件1在最後障壁層5k與p型氮化物半導體層6之間具有其他層所構成時，關於該其他層，也將C濃度設為1×10¹⁸/cm³以下為佳。圖4係模式揭示發光元件1之其他構造的剖面圖，圖5係放大圖4所示之發光元件1中，活性層5及其附近的部分併進行模式揭示的剖面圖。圖4及圖5所示之發光元件1，係在最後障壁層5k與p型氮化物半導體層6之間，具備無摻雜AlGaN層7的構造。此種狀況中，以最後障壁層5k及無摻雜AlGaN層7所含有的C濃度為1×10¹⁸/cm³以下之方式構成。藉此，對於接近p型氮化物半導體層6的發光層(發光層5j等)之電洞的注入會提升，改善發光強度。

在參照圖4及圖5進行說明的範例中，將形成於最後障壁層5k與p型氮化物半導體層6之間之層，設為無摻雜AlGaN層7，但是此僅為一例，形成其他層亦可。

再者，於圖4及圖5所示之構造中，作為在最後障壁層5k與p型氮化物半導體層6之間，存在複數層亦可。此時，以該等複數層所含有的C濃度成為1×10¹⁸/cm³以下之方式構成為佳。

Claims (3)

1. 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發光層與由氮化物半導體所成之障壁層的活性層的氮化物半導體發光元件，其特徵為：前述障壁層中形成於最接近前述p型氮化物半導體層的位置之最後障壁層的C濃度為1×10¹⁸/cm³以下。
2. 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，前述最後障壁層的C濃度為5×10¹⁷/cm³以下。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之氮化物半導體發光元件，其中，前述障壁層與前述p型氮化物半導體層之間具有其他層，該其他層的C濃度為1×10¹⁸/cm³以下。