TW202008614A - 氮化物半導體發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明所欲解決的問題在於提供一種氮化物半導體發光元件及其製造方法，該氮化物半導體發光元件在特定範圍的發光波長時，能夠提升發光效率。
本發明用於解決技術問題的手段為一種氮化物半導體發光元件1，其為氮化鋁鎵（AlGaN）系氮化物半導體積層而成且發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該氮化物半導體發光元件1具備：n型包覆層30，其藉由n型AlGaN形成；及，活性層50，其設置在前述n型包覆層30上且包含單一量子井構造50A，該單一量子井構造50A藉由一個障壁層51和一個量子井層52構成，該一個障壁層51藉由AlGaN形成，該一個量子井層52藉由AlGaN形成，該一個量子井層52的AlGaN具有的鋁（Al）組成比，小於用以形成該一個障壁層51之AlGaN的Al組成比。
Description
本發明關於一種氮化物半導體發光元件及其製造方法。
已知有一種用於輸出藍光之發光二極體和雷射二極體等氮化物半導體發光元件（參照專利文獻1）。
專利文獻1記載之氮化物半導體發光元件，其特徵在於，在氮化鋁（AlN）系Ⅲ族氮化物單晶上形成之發光波長為300奈米（nm）以下的發光元件中，具有：高濃度n型Ⅲ族氮化物層、多重量子井構造、i型Ⅲ族氮化物最終阻障層、p型Ⅲ族氮化物層、及由p型或i型AlN層所構成之電子阻擋層，該多重量子井構造由n型或i型Ⅲ族氮化物障壁層、與n型或i型Ⅲ族氮化物量子井層所構成，該電子阻擋層形成在前述i型Ⅲ族氮化物最終阻障層與前述p型Ⅲ族氮化物層之間，相對於前述i型Ⅲ族氮化物最終阻障層而成為電子的能障；並且，將前述i型Ⅲ族氮化物最終阻障層的厚度作成2nm至10nm，並將前述n型或i型Ⅲ族氮化物量子井層的厚度作成2nm以下。
如此般地，以往，藉由設置多重量子井層，該多重量子井層是將量子井構造作多重化並積層而成，能夠謀求改善發光元件的發光效率。
[先前技術文獻]
（專利文獻）
專利文獻1：日本特許第5641173號公報
[發明所欲解決的問題]
然而，本發明人得出了下述見解：在藉由氮化鋁鎵（AlGaN）形成之氮化物半導體發光元件中，於特定範圍的發光波長時，即使將量子井構造作多重化，也未必會提升發光效率，亦即，依據發光波長帶，單一量子井構造會比多重量子井構造更能夠提高發光效率。
因此，本發明的目的在於提供一種氮化物半導體發光元件及其製造方法，其在特定範圍的發光波長時，能夠提升發光效率。
[用於解決問題的技術手段]
本發明的一實施態樣之氮化物半導體發光元件，其為AlGaN系氮化物半導體積層而成且發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該氮化物半導體發光元件具備：n型包覆層，其藉由n型AlGaN形成；及，活性層，其設置在前述n型包覆層上且包含單一量子井構造，該單一量子井構造藉由一個障壁層和一個量子井層構成，該一個障壁層藉由AlGaN形成，該一個量子井層藉由AlGaN形成，該一個量子井層的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層之AlGaN的Al組成比。
本發明的另一實施態樣之氮化物半導體發光元件的製造方法，其具備下述步驟：在基板上形成具有n型AlGaN之n型包覆層；及，在前述n型包覆層上形成活性層，該活性層包含單一量子井構造，該單一量子井構造藉由一個障壁層和一個量子井層構成，該一個障壁層藉由AlGaN形成，該一個量子井層藉由AlGaN形成，該一個量子井層的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層之AlGaN的Al組成比。
[發明的功效]
依據本發明，能夠提供一種氮化物半導體發光元件及其製造方法，其在特定範圍的發光波長時，能夠提升發光效率。
[實施型態]
針對本發明的實施型態，參照圖式來加以說明。並且，以下說明的實施型態是作為實施本發明的合適具體例而表示，亦有具體例示技術上較佳的各種技術事項的部分，但本發明的技術範圍並非限定於此具體態樣。另外，各圖式中的各構成要素的尺寸比率未必與實際的氮化物半導體發光元件的尺寸比率一致。另外，在以下說明中，「上」或「下」是作為表示一個目標物與另一個目標物之間的相對位置關係，不僅包含該一個目標物在該另一目標物之上或之下且以二者之間不包夾第三目標物的方式作配置的狀態，亦包含該一個目標物在該另一目標物之上或之下且以二者之間包夾有第三目標物的方式作配置的狀態。
（氮化物半導體發光元件的構成）
第1圖是概略地表示本發明的一實施型態之氮化物半導體發光元件的構成的一例之剖面圖。在氮化物半導體發光元件1（以下，亦簡稱為「發光元件1」）中，包含例如雷射二極體或發光二極體（Light Emitting Diode，LED）。在本實施型態中，作為發光元件1，舉例說明發射中心波長為290nm～360nm（較佳為295nm～355nm，更佳為300nm～350nm）的紫外光之發光二極體（LED）。
如第1圖所示，發光元件1包含下述而構成：基板10、n型包覆層30、包含障壁層51與量子井層52之活性層50、電子阻擋層60、p型包覆層70、p型接觸層80、n側電極90、及p側電極92。
就構成發光元件1之半導體而言，例如，能夠使用由Alx
Ga1-x
N（0≦x≦1）表示之二元系或三元系Ⅲ族氮化物半導體。另外，氮（N）的一部分能夠由磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）等取代。
基板10例如包含藍寶石（Al2
O3
）基板11、與形成在此藍寶石基板11上之緩衝層12而構成。緩衝層12藉由氮化鋁（AlN）形成。取代這樣的構成，就基板10而言，例如，可使用僅藉由AlN形成之AlN基板，在此情況下，未必要包含緩衝層12。以上換言之，基板10的表面（最外表面）由AlN形成。
n型包覆層30形成在基板10上。n型包覆層30是藉由n型AlGaN（以下，亦簡稱為「n型AlGaN」）形成之層，例如是摻雜有矽（Si）作為n型雜質之Alq
Ga1-q
N層（0≦q≦1）。並且，作為n型雜質，可使用鍺（Ge）、硒（Se）、碲（Te）、碳（C）等。
n型包覆層30具有1微米（μm）～4μm程度的厚度，例如，具有3μm程度的厚度。n型包覆層30可為單層，亦可為多層構造。並且，用以形成n型包覆層30之n型AlGaN的Al組成比（亦稱為「Al含有率」或「Al莫耳分率」）較佳是50%以下（亦即，0≦q≦0.5）。
活性層50形成在n型包覆層30上。活性層50包含單一量子井構造50A而構成，該單一量子井構造50A藉由位於n型包覆層30側之一個障壁層51、及位於後述的電子阻擋層60側（亦即，在厚度方向上的與n型包覆層30相反的一側）之一個量子井層52構成。另外，為了輸出波長360nm以下（較佳是355nm以下）的紫外光，活性層50以能帶間隙成為3.4eV以上的方式構成。
障壁層51藉由Alr
Ga1-r
N形成（0≦r≦1）。用以形成障壁層51之AlGaN的Al組成比（以下，亦稱為「第二Al組成比」），其大於用以形成n型包覆層30之n型AlGaN的Al組成比（以下，亦稱為「第一Al組成比」）（亦即，q≦r≦1）。較佳是，第二Al組成比為50%以上（0.5≦r≦1），更佳為60%～90%。另外，障壁層51具有例如5nm～50nm的範圍的厚度。
量子井層52藉由Als
Ga1-s
N形成（0≦s≦1，r>s）。用以形成量子井層52之AlGaN的Al組成比（以下，亦稱為「第三Al組成比」），其小於第一Al組成比。較佳是，第三Al組成比為40%以下（0≦s≦0.4）。另外，量子井層52具有例如1nm～5nm的範圍的厚度。
並且，量子井構造50A內的一個障壁層51和一個量子井層52的配置不限於上述配置，配置的順序可與上述順序相反。
電子阻擋層60形成在活性層50上。電子阻擋層60是藉由p型AlGaN（以下，亦簡稱為「p型AlGaN」）形成之層。電子阻擋層60具有1nm～30nm程度的厚度。用以構成電子阻擋層60之AlGaN的Al組成比（以下，亦稱為「第四Al組成比」）大於第二組成比。並且，電子阻擋層60可包含藉由AlN形成之層。另外，電子阻擋層60未必限定於p型半導體層，亦可為未摻雜的半導體層。
p型包覆層70形成在電子阻擋層60上。p型包覆層70是藉由p型AlGaN形成之層，例如，摻雜有鎂（Mg）作為p型雜質之Alt
Ga1-t
N包覆層（0≦t≦1）。並且，作為p型雜質，可使用鋅（Zn）、鈹（Be）、鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）等。p型包覆層70具有10nm～1000nm程度的厚度，例如，具有50nm～800nm程度的厚度。
p型接觸層80形成在p型包覆層70上。p型接觸層80例如是摻雜有高濃度的Mg等雜質之p型GaN層。
n側電極90形成在n型包覆層30的一部分區域上。n側電極90例如在n型包覆層30上由多層膜形成，該多層膜是依序積層鈦（Ti）/鋁（Al）/Ti/金（Au）而成。
p側電極92形成在p型接觸層80上。p側電極92例如是在p型接觸層80上由依序積層之鎳（Ni）/金（Au）多層膜形成。
（氮化物半導體發光元件1的製造方法）
隨後，針對發光元件1的製造方法加以說明。首先，在藍寶石基板11上高溫成長緩衝層12而製作最外表面為AlN之基板10。隨後，在此基板10上，一邊階段性降低溫度，一邊依序高溫成長n型包覆層30、活性層50、電子阻擋層60、及p型包覆層70，而形成預定直徑（例如，50mm）且具有圓盤狀形狀之氮化物半導體積層體（亦稱為「晶圓」）。
這些n型包覆層30、活性層50、電子阻擋層60、及p型包覆層70，其能夠使用金屬有機化學氣相沉積法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）、分子束磊晶法（Molecular Beam Epitaxy，MBE）、鹵化物氣相磊晶法（Halide Vapor Phase Epitaxy，HVPE）等公知的磊晶成長法來形成。另外，調整構成原料氣體之三甲基鋁（TMA）、或三甲基鎵（TMG）等的組成等，以各層的Al組成比成為目標值的方式來控制。
隨後，在p型包覆層70上形成罩幕（mask），並分別將活性層50、電子阻擋層60、及p型包覆層70上的未形成罩幕之暴露區域加以去除。活性層50、電子阻擋層60、及p型包覆層70的去除，例如能夠藉由電漿蝕刻來進行。
在n型包覆層30的暴露表面30a（參照第1圖）上形成n側電極90，並在已去除罩幕之p型接觸層80上形成p側電極92。n側電極90及p側電極92，能夠藉由例如電子束蒸鍍法或濺鍍法等公知方法來形成。藉由將此晶圓切割成預定尺寸，形成第1圖所示之發光元件1。
（測定結果1）
隨後，針對本發明的實施型態之實施例的發光元件1的發光輸出的測定結果的一例加以說明。測定結果1表示在相同程度的波長（315±10nm）測得之量子井層及障壁層的數量與發光輸出之間的關係。如上所述，實施例之發光元件1，包含單一量子井構造50A（以下，亦稱為「SQW（Single Quantum Well）」）作為活性層50。
相對於此，比較例1及2之發光元件，包含多重量子井層（以下，亦稱為「MQW（Multiple Quantum Well）」）作為活性層50，該多重量子井層由複數個障壁層51與複數個量子井層52交互積層而成。亦即，在實施例之發光元件1與比較例1及2之發光元件之間，量子井構造50A的數量彼此不同。
具體而言，比較例1之發光元件具備三個量子井構造50A（以下，亦稱為「3QW」），該三個量子井構造50A由三個障壁層51與三個量子井層52交互積層而成。比較例2之發光元件具備二個量子井層構造50A（以下，亦稱為「2QW」），該二個量子井層構造50A由二個障壁層51與二個量子井層52交互積層而成。並且，量子井構造50A的數量之外的條件（例如，各層的組成、厚度等），其在實施例之發光元件1、與比較例1及2之發光元件之間統一。
針對實施例及比較例的測定結果，表示於表1中。發光波長（nm）是測定發光輸出時的波長。發光輸出（任意單位）可利用各種公知方法來測定，但在本實施例中，作為一例，使用下述方法：在一片晶圓的中心部與邊緣部分別附著銦（In）電極，對此電極流通預定電流並使晶圓的中心部發光後，藉由設置於預定位置之光檢測器測定其發光。並且，流通電流的大小分別設為20mA。
[表1]表1：測定結果 
第2圖是利用直條圖來表示第1圖所示之實施例的發光元件1以及比較例1及2的發光元件的發光輸出之圖。如表1及第2圖所示，在比較例1及比較例2中，發光輸出停留在0.56及0.15，相對於此，在實施例中，獲得了0.80的發光輸出。亦即，在實施例中，獲得比較例1的約1.4倍的發光輸出，而且，獲得了比較例2的約5.3倍的發光輸出。
如此般地，在具有二個或三個量子井構造50A之發光元件與具有單一量子井構造50A之發光元件1之間比較發光輸出的結果，具有單一量子井構造50A之發光元件1的發光輸出成為最大。如上所述，藉由將量子井構造50A作成一個，相較於將量子井構造50A設置複數個（二個或三個）之構成，表現出發光輸出上升。並且，在此三個發光元件中，發光輸出最小的為具有二個量子井構造50A之發光元件。
（測定結果2）
隨後，針對發光波長與發光輸出之間的關係，參照第3圖加以說明。第3圖是表示實施例及比較例之發光元件的發光波長與發光輸出之間的關係的一例的圖。在此實驗中，作為一例，使用下述方法：在一片晶圓的中心部與邊緣部分別附著銦（In）電極，對此電極流通預定電流並使晶圓的中心部發光後，藉由設置於預定位置之光檢測器測定其發光。另外，將從晶圓的中心部獲得之發光輸出，代用作為實施例的發光元件1的發光輸出。比較例的發光元件的量子井構造50A的數量作成為複數個（2～4個）。並且，作為測定對象之樣品，分別準備71個實施例之發光元件1、98個比較例之發光元件。
第3圖的黑色圓點表示實施例之發光元件1的測定結果，白色圓點表示比較例之發光元件的測定結果。並且，作為參考例，三角形（二點）表示氮化銦鎵（InGaN）系氮化物半導體發光元件的測定結果。另外，第3圖的實線是黑色圓點的數據之近似曲線，虛線是白色圓點的數據之近似曲線。
如第3圖所示，比較例之發光元件的發光輸出，其隨著發光波長從約255nm朝向約285nm增加而上升，在約285nm附近取得極大值，而且，隨著發光波長從約285nm朝向約335nm增加而下降，在約335nm附近取得極小值，且發光波長在約335nm以上的範圍再度上升（參照虛線）。亦即，在比較例之發光元件中，發光波長（單位：nm）與發光輸出（任意單位）的數據，描繪出略呈三次函數的曲線。如此般地，在比較例之發光元件中，表示出下述傾向：在發光波長為約280～290nm至350～360nm之範圍中，相較於其他波長範圍的發光輸出，發光輸出會變得較低。
並且，如第4圖所示，在比較例之各公司製的發光元件中也表示出同樣的傾向。第4圖摘錄了III-Nitride Ultraviolet Emitters Technology and Applications （Kneissl, Michael, Rass, Jens著，2016年，Springer發行， ISBN：978-3-319-24098-5）的第1.1圖所記載的數據。
相對於此，實施例之發光元件1的發光輸出，其隨著發光波長從約290nm朝向約315nm增加而上升，並在發光波長為約315nm至約355nm之範圍中，取得了約1.0～1.5之間的穩定數值（參照實線）。如此般地，在實施例之發光元件1中，於比較例的發光元件中的發光輸出低下的波長範圍（約280～290nm至350～360nm的範圍）中，表現出發光輸出上升。
（實施型態的作用及效果）
如以上所說明，在本發明的實施型態之發光元件1中，在n型包覆層30與電子阻擋層60之間設置有單一量子井構造50A，該單一量子井構造50A藉由一個障壁層51與一個量子井層52構成。藉此，會成為可提升發光元件1的發光輸出，該發光元件1發射中心波長為290nm至360nm（較佳為295nm～355nm，更佳為300nm～350nm）的紫外光。
（實施型態的總結）
隨後，針對根據以上說明之實施型態掌握之技術思想，援用實施型態中的符號等而加以記載。不過，以下記載中的各符號等並非用於將申請專利範圍中的構成要素限定於實施型態具體表示之部件等。
[1] 一種氮化物半導體發光元件（1），其為AlGaN系氮化物半導體積層而成且發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該氮化物半導體發光元件（1）具備：n型包覆層（30），其藉由n型AlGaN形成；及，活性層（50），其設置在前述n型包覆層（30）上且包含單一量子井構造（50A），該單一量子井構造（50A）藉由一個障壁層（51）和一個量子井層（52）構成，該一個障壁層（51）藉由AlGaN形成，該一個量子井層（52）藉由AlGaN形成，該一個量子井層（52）的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層（51）之AlGaN的Al組成比。
[2]如前述[1]所述之氮化物半導體發光元件（1），其中，前述一個障壁層（51），在前述單一量子井構造（50A）內且位於前述n型包覆層（30）側；前述一個量子井層（52），在前述單一量子井構造（50A）內且位於與前述n型包覆層（30）相反的一側。
[3]如前述[1]或[2]所述之氮化物半導體發光元件（1），其中，前述一個障壁層（51）藉由AlGaN形成，該一個障壁層（51）的AlGaN具有的Al組成比，大於前述n型AlGaN的Al組成比。
[4]如前述[1]或[2]所述之氮化物半導體發光元件（1），其中，進一步具備基板（10），該基板（10）位於前述n型包覆層（30）下方且具有由AlN形成之表面。
[5]如前述[3]所述之氮化物半導體發光元件（1），其中，進一步具備基板（10），該基板（10）位於前述n型包覆層（30）下方且具有由AlN形成之表面。
[6]一種氮化物半導體發光元件（1）的製造方法，該氮化物半導體發光元件（1）發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該製造方法具備下述步驟：在基板（10）上形成具有n型AlGaN之n型包覆層（30）；及，在前述n型包覆層（30）上形成活性層（50），該活性層（50）包含單一量子井構造（50A），該單一量子井構造（50A）藉由一個障壁層（51）和一個量子井層（52）構成，該一個障壁層（51）藉由AlGaN形成，該一個量子井層（52）藉由AlGaN形成，該一個量子井層（52）的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層（51）之AlGaN的Al組成比。
1‧‧‧氮化物半導體發光元件(發光元件)
10‧‧‧基板
11‧‧‧藍寶石基板
12‧‧‧緩衝層
30‧‧‧n型包覆層
30a‧‧‧暴露表面
50‧‧‧活性層
50A‧‧‧單一量子井結構
51‧‧‧障壁層
52‧‧‧量子井層
60‧‧‧電子阻擋層
70‧‧‧p型包覆層
80‧‧‧p型接觸層
90‧‧‧n側電極
92‧‧‧p側電極
第1圖是概略地表示本發明的一實施型態之氮化物半導體發光元件的構成的一例之剖面圖。
第2圖是表示實施例及比較例之發光元件的發光輸出的測定結果的圖。
第3圖是表示實施例及比較例之發光元件的發光波長與發光輸出之間的關係的圖。
第4圖是表示另一比較例之發光元件的發光波長與發光輸出之間的關係的圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
1‧‧‧氮化物半導體發光元件(發光元件)
10‧‧‧基板
11‧‧‧藍寶石基板
12‧‧‧緩衝層
30‧‧‧n型包覆層
30a‧‧‧暴露表面
50‧‧‧活性層
50A‧‧‧單一量子井結構
51‧‧‧障壁層
52‧‧‧量子井層
60‧‧‧電子阻擋層
70‧‧‧p型包覆層
80‧‧‧p型接觸層
90‧‧‧n側電極
92‧‧‧p側電極
Claims (6)
- 一種氮化物半導體發光元件，其為AlGaN系氮化物半導體積層而成且發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該氮化物半導體發光元件具備： n型包覆層，其藉由n型AlGaN形成；及，活性層，其設置在前述n型包覆層上且包含單一量子井構造，該單一量子井構造藉由一個障壁層和一個量子井層構成，該一個障壁層藉由AlGaN形成，該一個量子井層藉由AlGaN形成，該一個量子井層的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層之AlGaN的Al組成比。
- 如請求項1所述之氮化物半導體發光元件，其中，前述一個障壁層，在前述單一量子井構造內且位於前述n型包覆層側； 前述一個量子井層，在前述單一量子井構造內且位於與前述n型包覆層相反的一側。
- 如請求項1或2所述之氮化物半導體發光元件，其中，前述一個障壁層藉由AlGaN形成，該一個障壁層的AlGaN具有的Al組成比，大於前述n型AlGaN的Al組成比。
- 如請求項1或2所述之氮化物半導體發光元件，其中，進一步具備基板，該基板位於前述n型包覆層下方且具有由AlN形成之表面。
- 如請求項3所述之氮化物半導體發光元件，其中，進一步具備基板，該基板位於前述n型包覆層下方且具有由AlN形成之表面。
- 一種氮化物半導體發光元件的製造方法，該氮化物半導體發光元件發射中心波長為290nm至360nm的紫外光，該製造方法具備下述步驟： 在基板上形成具有n型AlGaN之n型包覆層；及， 在前述n型包覆層上形成活性層，該活性層包含單一量子井構造，該單一量子井構造藉由一個障壁層和一個量子井層構成，該一個障壁層藉由AlGaN形成，該一個量子井層藉由AlGaN形成，該一個量子井層的AlGaN具有的Al組成比，小於用以形成該一個障壁層之AlGaN的Al組成比。
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