TW202027265A - 半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法 - Google Patents

半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202027265A
TW202027265A TW108147132A TW108147132A TW202027265A TW 202027265 A TW202027265 A TW 202027265A TW 108147132 A TW108147132 A TW 108147132A TW 108147132 A TW108147132 A TW 108147132A TW 202027265 A TW202027265 A TW 202027265A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
compound semiconductor
iii
semiconductor layer
group
Prior art date
Application number
TW108147132A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI725679B (zh
Inventor
小鹿優太
門脇嘉孝
Original Assignee
日商同和電子科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商同和電子科技股份有限公司 filed Critical 日商同和電子科技股份有限公司
Publication of TW202027265A publication Critical patent/TW202027265A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI725679B publication Critical patent/TWI725679B/zh

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/301AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/02Semiconductor 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
    • H01L33/04Semiconductor 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
    • H01L33/06Semiconductor 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 within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/02Semiconductor 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
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/02Semiconductor 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
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02387Group 13/15 materials
    • H01L21/02392Phosphides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02455Group 13/15 materials
    • H01L21/02461Phosphides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02455Group 13/15 materials
    • H01L21/02463Arsenides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/02543Phosphides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/02546Arsenides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本發明提供一種提高發光輸出的半導體發光元件。本發明的半導體發光元件具備發光層,該發光層具有重覆積層組成比相互不同的第一III-V族化合物半導體層及第二III-V族化合物半導體層而成的積層結構,其中所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均包含選自Al、Ga、In、及As、Sb以及P的三種以上的元素,所述第一III-V族化合物半導體層的組成波長與所述第二III-V族化合物半導體層的組成波長的組成波長差為50 nm以下,並且所述第一III-V族化合物半導體層的晶格常數與所述第二III-V族化合物半導體層的晶格常數的晶格常數差之比為0.05%以上且0.60%以下。

Description

半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法
本發明是有關於一種半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法。
作為半導體發光元件中的半導體層的半導體材料,使用InGaAsP等III-V族化合物半導體。藉由調整由III-V族化合物半導體材料形成的發光層的組成比,能夠將半導體發光元件的發光波長自綠色至紅外,進行廣泛調整。例如,若為以波長750 nm以上的紅外區域為發光波長的紅外發光的半導體發光元件,廣泛應用於感測器、氣體分析、監視照相機等用途中。
迄今為止,進行了多次用以改善半導體發光元件的特性的嘗試。例如,專利文獻1中,著眼於使用積層多個III-V族化合物半導體層而成的積層結構的發光層中各層的晶格常數差。
專利文獻1使用具有量子阱結構的發光層,該量子阱結構包含InGaAsP的四元系化合物半導體層。在專利文獻1中,試圖藉由改變各阱層的組成比來調整晶格常數差而使量子阱產生應變,來實現伴隨該應變的高輸出化等。再者,專利文獻1的各阱層的組成比調整為使發光遷移波長相等。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平7-147454號公報
[發明所欲解決之課題] 近年來,半導體發光元件的用途越來越廣泛。因此,尋求進一步提高使用III-V族化合物半導體作為發光層材料的半導體發光元件的發光輸出的技術。
因此,本發明的目的在於提供一種提高了發光輸出的半導體發光元件。此外,本發明的目的在於提供一種所述半導體發光元件的製造方法。 [解決課題之手段]
本發明者等人為了解決所述課題,反覆進行了努力研究,結果著眼於具有積層第一III-V族化合物半導體層和第二III-V族化合物半導體層而成的積層結構的發光層中的各層間的組成波長差以及晶格常數差。而且發現,藉由在減小組成波長差的同時設置設有適當範圍的晶格常數差的積層結構,能夠提高半導體發光元件的發光輸出。本發明是基於所述見解而完成者,其主旨構成如下。
(1)一種半導體發光元件,具備發光層,該發光層具有將組成比相互不同的第一III-V族化合物半導體層及第二III-V族化合物半導體層重覆積層而成的積層結構,其中 所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層中的III族元素是選自由Al、Ga、In所組成的群組中的一種或兩種以上,並且所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層中的V族元素是選自由As、Sb、P所組成的群組中的一種或兩種以上, 所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均包含選自所述III族元素及所述V族元素中的三種以上的元素, 所述第一III-V族化合物半導體層的組成波長與所述第二III-V族化合物半導體層的組成波長的組成波長差為50 nm以下,且所述第一III-V族化合物半導體層的晶格常數與所述第二III-V族化合物半導體層的晶格常數的晶格常數差之比為0.05%以上且0.60%以下。
(2)如所述(1)所述的半導體發光元件,其中,所述晶格常數差之比為0.3%以上。
(3)如所述(1)或(2)所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層和所述第二III-V族化合物半導體層的組成波長差為30 nm以下。
(4)如所述(1)~(3)中任一項所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均包含選自所述III族元素及所述V族元素中的四種以上元素。
(5)如所述(4)所述的半導體發光元件,其中,構成所述四種以上元素的元素中,III族元素為Ga、In,V族元素為選自由As、Sb、P所組成的群組中的兩種以上。
(6)如所述(1)~(3)中任一項所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均為InGaAsP的四元系化合物半導體。
(7)如所述(1)~(6)中任一項所述的半導體發光元件,其中,在所述發光層的所述積層結構中,在所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層間更設置有第三III-V族化合物半導體層, 所述第三III-V族化合物半導體層包含選自所述III族元素及所述V族元素中的四種以上的元素, 所述第一III-V族化合物半導體層、所述第二III-V族化合物半導體層及所述第三III-V族化合物半導體層的相鄰的相互的組成波長差均為50 nm以下,且, 所述第一III-V族化合物半導體層、所述第二III-V族化合物半導體層及所述第三III-V族化合物半導體層的相鄰的相互的晶格常數差之比均為0.05%以上且0.60%以下。
(8)如所述(7)所述的半導體發光元件,其中,所述第三III-V族化合物半導體層是InGaAsP的四元系化合物半導體。
(9)一種半導體發光元件的製造方法,是製造如所述(1)~(8)中任一項所述的半導體發光元件的方法,其特徵在於包括: 第一步驟,形成所述第一III-V族化合物半導體層; 第二步驟,形成所述第二III-V族化合物半導體層;以及 發光層形成步驟,重覆進行所述第一步驟及所述第二步驟而形成所述發光層。 [發明的效果]
根據本發明,可以提供一種提高了發光輸出的半導體發光元件。進而,本發明可提供該半導體發光元件的製造方法。
在說明根據本發明的實施方式之前,對本說明書中的各定義進行說明。
<III-V族化合物半導體層> 首先,在本說明書中簡稱為「III-V族化合物半導體」的情況下,其組成由通式:(Ina Gab Alc )(Px Asy Sbz )表示。此處,關於各元素的組成比,以下的關係成立。 對於III族元素,c=1-a-b,0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1 對於V族元素,z=1-x-y,0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1 而且,如後所述,發光層中的III-V族化合物半導體層包括三種以上元素,所述三種以上元素包含選自III族元素中的一種或兩種以上及選自V族元素中的一種或兩種以上,所述III族元素選自由Al、Ga、In所組成的群組、所述V族元素選自由As、Sb、P所組成的群組。三種元素中,與成長用基板的晶格常數差之比為1%以下的組合有限,因此更佳為使用四種以上的元素構成。所述通式中的各組成比a、b、c中的一種或兩種以上、x、y、z中的一種或兩種以上的合計三種以上至少超過0。
<基於組成的組成波長及晶格常數> 在本說明書中,在計算基於組成的組成波長及晶格常數時,使用文獻(永井治男等人,〈〈光子學系列(photonics series)6 III-V族半導體混晶〉〉、初版、科諾(Corona)公司、1988年10月25日)記載的數值(表2.1中的三元混晶的非線性因子的值、表2.2中的二元晶體的晶格常數、表2.3中的二元晶體的彈性勁度常數、及表2.7中的二元晶體的帶隙等)。以下主要使用InGaAsP系進行說明,但含有Al、Sb的情況下,亦可基於所述文獻記載的文獻值來算出。以下,將各組成比a、b、c、x、y、z中,具有a、b、c中的兩種、x、y、z中的兩種的情況稱為擬四元混晶,將具有a、b、c中的三種,x、y、z中的一種(或a、b、c中的一種,x、y、z中的三種)的情況稱為擬三元混晶。 本說明書中的III-V族化合物半導體層的「組成波長」是指根據基於III-V族化合物半導體層的組成的能帶隙Eg藉由下式<1> Eg=1239.8/λ     …<1> 換算而得的波長λ。在已知各組成比(固相比)的情況下,首先,使用三元混晶的非線性因子求出作為擬四元混合晶體的基礎的4個三元混晶的能帶隙E。以InGaAsP系(即通式:(Ina Gab )(Px Asy ))為例進行例示,對於三元混晶(Ga,In)P、(Ga,In)As、Ga(P,As)、In(P,As),算出考慮了非線性因子的能帶隙E。將文獻值中的InP:1.35、GaP:2.74、InAs:0.36、GaAs:1.42用作二元系的帶隙E0[eV]、及將文獻值中的(Ga,In)P:0.7、(Ga,In)As:0.51、Ga(P,As):0.3、In(P、As):0.23用作非線性因子(彎曲參數E0[eV])的值來進行計算。例如,Ina Gab P的能帶隙Eabx 以如下方式計算,即 Eabx =1.35×a+2.74×b‐0.7×a×b 其他三元混晶亦同樣地進行計算。 在算出4個三元混晶的能帶隙之後,根據魏加氏定律,擬四元混晶(Ina Gab )(Px Asy )的物性值Egabxy (擬四元混晶的帶隙)當利用4個三元混晶的物性值Eabx 、Eaby 、Eaxy 、Ebx y(考慮到根據所述求出的非線性因子的能帶隙)時,可基於下述式<2>求出。 [數1]
Figure 02_image001
…<2> 此處,由於在所述式<2>中,4個三元混晶的物性值考慮了非線性因子,因此,計算出的擬四元混晶的物性值也必然考慮了非線性因子。 接下來,將說明本說明書中混晶的晶格常數的計算。晶格常數有相對於基板平面為垂直方向(成長方向)和水平方向(面內方向)兩種,在本說明書中使用垂直方向的值。首先按照魏加氏定律計算混晶的簡單晶格常數。若以InGaAsP系(即通式:(Ina Gab )(Px Asy ))為例進行例示,則物性常數Aabxy (基於魏加氏定律的晶格常數)在各組成比(固相比)已知的情況下,基於成為擬四元混晶的基礎的4個二元混晶的物性常數Bax 、Bbx 、Bay 、Bby (下述表1的文獻值的晶格常數)並藉由下述式<3>算出。 Aabxy =a×x×Bax +b×x×Bbx +a×y×Bay +b×y×Bby …<3>
[表1]
  晶格常數 [nm] C11 C12
InP 0.58688 10.22 5.76
GaP 0.54512 14.12 6.253
InAs 0.60584 8.329 4.526
GaAs 0.56533 11.88 5.38
接著,對於彈性常數C11、C12,與所述式<3>同樣地分別記算出(Ina Gab )(Px Asy )的彈性常數C11abxy 、C12abxy 。 並且,若將成長用基板的晶格常數設為as ,則考慮基於半導體晶體的彈性性質的晶格變形而應用下述式<4>,能夠求出考慮了晶格變形的(垂直方向的)晶格常數aabxy 。 aabxy =Aabxy -2×(as -Aabxy )×C12abxy /C11abxy …<4> 此處,在本實施方式中,將InP作為成長用基板,因此成長用基板的晶格常數在as 中使用InP的晶格常數即可。
在擬三元混晶的情況下,以通式:(Ina Gab Alc )(As)為例,能夠根據下述式<5>、<6>計算帶隙Egabcy 及基於魏加氏定律的晶格常數Aabcy 。 [數2]
Figure 02_image003
…<5> Aabcy =a×Bay +b×Bby +c×Bcy …<6> 再者,在III-V族化合物半導體為三元系、五元系或六元系情況下,可以按照與所述同樣的想法使式變形,求出組成波長及晶格常數。另外,對於二元系,可以使用所述文獻中記載的值。
<p型、n型和i型及摻雜劑濃度> 在本說明書中,將作為p型電性地發揮功能的層稱為p型層,將作為n型電性地發揮功能的層稱為n型層。另一方面,於未有意地添加Si、Zn、S、Sn、Mg等特定雜質而不會作為p型或n型電性地發揮功能的情況下,稱為「i型」或「未摻雜」。亦可於未摻雜的III-V族化合物半導體層中混入製造過程中的不可避免的雜質。具體而言,本說明書中視為:於摻雜劑濃度低(例如未滿7.6×1015 atoms/cm3 )的情況下為「未摻雜」。Si、Zn、S、Sn、Mg等雜質濃度的值設為藉由二次離子質譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy,SIMS)分析而得者。同樣地,活性層的n型摻雜劑(例如Si、S、Te、Sn、Ge、O等)雜質濃度(「摻雜劑濃度」)的值亦設為藉由SIMS分析而得者。再者,於各半導體層的邊界附近,摻雜劑濃度的值大幅變動,故將活性層的厚度方向的中央的摻雜劑濃度的值設為摻雜劑濃度的值。
<各層的膜厚及組成> 另外,所形成的各層的厚度整體可使用光干涉式膜厚測定器來測定。進而,各層的厚度分別可根據利用光干涉式膜厚測定器及穿透式電子顯微鏡觀察成長層的剖面來算出。另外,各層的厚度為幾nm左右小到與超晶格結構類似的程度的情況下,可使用穿透式電子顯微鏡-能量散射光譜(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersion Spectrum,TEM-EDS)來測定厚度,對於本說明書中的發光層的各層的組成比(固相比),使發光層露出後,使用藉由SIMS分析得到的值。再者,在各層的剖面圖中,於規定層具有傾斜面的情況下,該層的厚度設為使用距離所述層的正下層的平坦面的最大高度者。
以下,參照圖式來詳細地對本發明的實施方式進行說明。再者,原則上對相同構成要素標註相同的參照編號,並省略重覆的說明。各圖中,為了便於說明,將基板及各層的縱橫比率自實際比率誇張地表示。
(半導體發光元件) 參照示出本發明的一個形態的圖1。根據本發明的半導體發光元件包括發光層50,該發光層50具有重覆積層了組成比相互不同的第一III-V族化合物半導體層51及第二III-V族化合物半導體層52而成的積層結構。以下,將第一III-V族化合物半導體層51及第二III-V族化合物半導體層52分別簡稱為第一層51及第二層52。而且,在根據本發明的半導體發光元件中,第一層51及第二層52中的III族元素為選自由Al、Ga、In所組成的群組中的一種或兩種以上,並且,第一層51及第二層52中的V族元素為選自由As、Sb、P所組成的群組中的一種或兩種以上。
在下文中,將第一層51的III-V族化合物半導體的組成記為(Ina1 Gab1 Alc1 )(Px1 Asy1 Sbz1 );c1 =1-a1 -b1 ,z1 =1-x1 -y1 ,0≦a1 ≦1,0≦b1 ≦1,0≦c1 ≦1,0≦x1 ≦1,0≦y1 ≦1,0≦z1 ≦1。同樣地,將第二層52的III-V族化合物半導體的組成記為(Ina2 Gab2 Alc2 )(Px2 Asy2 Sbz2 );c2 =1-a2 -b2 ,z2 =1-x2 -y2 ,0≦a2 ≦1,0≦b2 ≦1,0≦c2 ≦1,0≦x2 ≦1,0≦y2 ≦1,0≦z2 ≦1。根據本發明的第一層51及第二層52均包括一種或兩種以上的III族元素,以及一種或兩種以上的V族元素,總共三種以上的元素。
而且,在本發明中,使第一層51的組成波長與第二層52的組成波長的組成波長差為50 nm以下,並且使第一層51的晶格常數與第二層52的晶格常數的晶格常數差之比為0.05%以上且0.60%以下。再者,組成波長差及晶格常數差為絕對值下的值。再者,晶格常數差之比設為將第一層51和第二層52的晶格常數差的絕對值除以第一層51和第二層52的晶格常數的平均值所得的值。在設置後述的第三層53的情況下,對鄰接的層分別計算晶格常數差之比,設為將第一層51和第三層53的晶格常數差的絕對值除以第一層51和第三層53的晶格常數的平均值所得的值,將第三層53和第二層52的晶格常數差的絕對值除以第三層53和第二層52的晶格常數的平均值所得的值,且將各個值設為0.05%以上且0.60%以下。本發明者等人藉由實驗確認了:在基於第一層51和第二層52的組成比的組成波長差及晶格常數差滿足所述關係的情況下,較以往能夠大幅度地提高半導體發光元件的發光輸出。
藉由組成波長差以及晶格常數差滿足所述條件,使半導體發光元件的發光輸出提高的理由還不確定,另外,關於本發明可獲得本發明效果的理由並不受理論限制,但本發明者等人認為如以下。若組成波長差為50 nm以下,則在通電時(發光時)的接面溫度下,只有電洞(hole)容易超過的障壁層(阻擋層(barrier))作為通電時(發光時)的帶結構,成為與沒有組成波長差的雙異質結構類似的結構。另外,若組成波長差為30 nm以下(更佳為25 nm以下),則只有即使是非通電時的室溫的熱能,亦容易被越過的低障壁(barrier),因此作為帶結構,進一步接近沒有組成波長差的雙異質結構,成為與雙異質結構大致相同的結構。而且,藉由接近雙異質結構降低阻擋層高度,並且由晶格常數差引起的應變產生價帶的分裂,藉此獲得與量子阱結構類似的電子約束效果,因此認為發光輸出提高。
此處,為了更確實地獲得本發明效果,第一層51及第二層52的晶格常數差之比較佳為0.05以上,更佳為0.3%以上,特別是第一層51及第二層52各自的組成波長之差可為20 nm以下,另外亦可為1 nm以下,組成波長差亦可相同(即,組成波長差為0 nm)。
進而,更佳為III族元素為Ga、In此兩種,V族元素為選自由As、Sb、P所組成的群組中的兩種以上。另外,進而佳為InGaAsP四元系化合物半導體(以下稱為InGaAsP系半導體)。若第一層51及第二層52的各III-V族化合物半導體材料均為InGaAsP四元系化合物半導體,則可確實地獲得本發明效果。在所述情況下,第一層51中的Al的組成比c1 和Sb的組成比z1 均為0,組成式(Ina1 Gab1 )(Px1 Asy1 );b1 =1-a1 ,y1 =1-x1 ,0≦a1 ≦1,0≦b1 ≦1,0≦x1 ≦1,0≦y1 ≦1,並且第二層52中Al的組成比c2 和Sb的組成比z2 均為0,組成式(Ina2 Gab2 )(Px2 Asy2 );b2 =1-a2 ,y2 =1-x2 ,0≦a2 ≦1,0≦b2 ≦1,0≦x2 ≦1,0≦y2 ≦1。
根據本發明的半導體發光元件中的發光層50的積層結構,可僅包含第一層51和第二層52,亦可進一步設置III-V族化合物半導體層。例如,如表示本發明的另一形態的圖2所示,在發光層50的積層構造中,可在第一層51和第二層52之間更設置第三III-V族化合物半導體層53(以下,簡記為第三層53)。對第三層53的較佳的形態進行說明。
仿照第一層51及第二層52,將第三層53的III-V族化合物半導體的組成記為(Ina3 Gab3 Alc3 )(Px3 Asy3 Sbz3 );c3 =1-a3 -b3 ,z3 =1-x3 -y3 ,0≦a3 ≦1,0≦b3 ≦1,0≦c3 ≦1,0≦x3 ≦1,0≦y3 ≦1,0≦z3 ≦1。在發光層50設置第三層53的情況下,與第一層51及第二層52同樣,第三層53較佳為包含選自所述III族元素中的一種或兩種以上以及所述V族元素中的一種或兩種以上的三種以上元素。進而,在所述情況下,較佳為第一層51和第三層53、第三層53和第二層52、第二層52和第一層51的相鄰的彼此的組成波長差均為50 nm以下,並且相鄰的彼此的晶格常數差之比均為0.05%以上且0.60%以下。
另外,自更確實地獲得本發明效果的觀點出發,在設置第三層53的情況下,第三層53的III-V族化合物半導體材料較佳為III族元素為Ga、In,V族元素為選自由As、Sb、P所組成的群組中的兩種以上,更佳為InGaAsP四元系化合物半導體(以下,稱為InGaAsP系半導體)。在所述情況下,第三層53中的Al的組成比c3 和Sb的組成比z3 均為0。
-膜厚- 發光層50的整體膜厚沒有限制,但是例如可設為1 μm~8 μm。另外,發光層50的積層結構中的第一層51、第二層52及第3層53的各層的膜厚亦沒有限制,但例如可以為1 nm~15 nm左右。各層的膜厚可彼此相同,亦可不同。另外,關於第一層51彼此的膜厚,在積層結構中可相同,亦可不同。對於第二層52彼此的膜厚及第三層53的膜厚彼此亦同樣。不過,使第一層51彼此的膜厚及第二層52彼此的膜厚(在設置第三層53的情況下,對於第三層彼此的膜厚亦)相同而將發光層50設為超晶格結構的情況是本發明中的較佳的形態之一。
-積層組數- 參照圖1。第一層51和第二層52兩者的組數不受限制,但例如可以是3組~50組。可將積層結構的一端設為第一層51,將另一端設為第二層52。在所述情況下,將第一層51和第二層52的組數記為n組(n為自然數)。
另外,將積層結構的一端設為第一層51,藉由設置第二層52和第一層51的重覆結構而將另一端亦設為第一層51。或者可相反地,將兩端設為第二層52。在所述情況下,將第一層51及第二層52的組數記為n(n是自然數),並且被稱為n.5組。在圖1中,將積層結構的兩端圖示為第一層51。
再者,如圖2所示在積層結構中設有第三層53的情況下的組數不受限制,與參照圖1的形態同樣地可設為3組~50組。在圖2中,示出了積層組數為n組的情況,但不一定限定於該形態。
-組成比- 只要滿足組成波長差和晶格常數差的條件,則第一層51、第二層52和第三層53各層的III-V族化合物半導體的組成比a、b、c、x、y、z不受限制。但是,為了抑制發光層的結晶性惡化,組成比的選擇範圍較佳為使成長用基板與發光層(第一層與第二層)之間的晶格常數差之比均為1%以下。即,較佳為將成長用基板與第一層的晶格常數差的絕對值除以成長用基板與第一層的平均值所得的值、和將成長用基板與第二層的晶格常數差的絕對值除以成長用基板與第二層的平均值所得的值均為1%以下。例如在將發光中心波長設為1000 nm~1900 nm情況下,若將成長用基板設為InP基板,則可將各層中的In的組成比a設為0.0~1.0、將Ga的組成比b設為0.0~1.0、將Al的組成比c設為0.0~0.35、將P的組成比x設為0.0~0.95、將As的組成比y設為0.15~1.0、將Sb的組成比z設為0.0~0.7。自所述範圍內,以滿足組成波長差及晶格常數差之比的條件的方式適當設定即可。所述發光中心波長只不過是一例,例如在InGaAsP四元系化合物半導體(以下,稱為InGaAsP系半導體)的情況下,可將發光中心波長設為1000 nm以上且2200 nm以下的範圍內,在包含Sb的情況下可進一步設為長波長(11 μm以下)的紅外線。
-摻雜劑- 雖然發光層50中各層的摻雜劑沒有限制,但是為了確實地獲得本發明效果,較佳為第一層51、第二層52及第三層53均為i型摻雜劑。然而,各層可摻雜n型或p型摻雜劑。
以下,並不意圖對本發明的半導體發光元件的具體構成進行限定,對本發明的半導體發光元件可更具備的結構的具體形態進行說明。參照圖3,對根據本發明的一個實施方式的半導體發光元件100進行說明。
較佳為根據本發明的一實施方式的半導體發光元件100至少包括具有所述積層結構的發光層50,進而自支撐基板10、介隔層20、第一導電型III-V族化合物半導體層30、第一間隔層41、發光層50、第二間隔層42、第二導電型III-V族化合物半導體層70中按順序配備期望的構成。另外,可在半導體發光元件100的第二導電型III-V族化合物半導體層70上進而具備第二電極80,並且在支撐基板10的背面進一步具備第一電極90。再者,若第一導電型為n型,則第二導電型為p型;相反,若第一導電型為p型,則第二導電型為n型。以下對第一導電型為n型並且第二導電型為p型的情況下的形態進行說明。以下,為了便於說明,將第一導電型III-V族化合物半導體層30記為n型半導體層30,將第二導電型III-V族化合物半導體層70記為p型半導體層70,並根據具體示例說明本實施方式。藉由將發光層50夾在n型半導體層30和p型半導體層70之間,能夠成為類似於雙異質結構的結構,並且藉由對發光層50通電,在發光層50內,藉由電子和電洞進行耦合而發光。
<成長用基板> 成長用基板根據發光層50的組成,自InP基板、InAs基板、GaAs基板、GaSb基板、InSb基板等化合物半導體基板中適當選擇即可。關於各基板的導電型,較佳為對應於成長用基板上的半導體層的導電型,作為能夠應用於本實施方式的化合物半導體基板,可例示n型InP基板及n型GaAs基板。
<支撐基板> 作為支撐基板10,可使用在該支撐基板10上使發光層50成長的成長用基板。當使用後述的接合法時,可使用不同於成長用基板的各種基板作為支撐基板10。
<介隔層> 介隔層20可設置在支撐基板10上。可將介隔層20設為III-V族化合物半導體層。能夠作為用於在作為成長用基板的支撐基板10上使半導體層磊晶成長的初始成長層使用。另外,例如,亦可用作緩衝層,所述緩衝層用以緩衝作為成長用基板的支撐基板10與n型半導體層30之間的晶格應變。另外,藉由使成長用基板與介隔層20晶格匹配的同時改變半導體組成,亦能作為蝕刻停止層使用。例如,當支撐基板是n型InP基板時,較佳為將介隔層20設為n型InGaAs層。所述情況下,為了使介隔層20與InP成長用基板晶格匹配,III族元素中In組成比較佳為0.3~0.7,更佳為0.5~0.6。另外,只要與所述InGaAs層同程度地設為與InP基板晶格常數接近的組成比,則亦可以採用AlInAs、AlInGaAs、InGaAsP。介隔層20可以是單層,或者亦可以是與其他層的複合層(例如超晶格層)。
<n型半導體層> 能夠在支撐基板10及根據需要在介隔層20上設置n型半導體層30,可將所述n型半導體層30用作n型包覆層。n型半導體層30的III-V族化合物半導體的組成只要根據發光層50的III-V族化合物半導體的組成適當地確定即可。發光層50包含InGaAsP系半導體時,例如能夠使用n型InP層。n型半導體層30可以是單層結構,也可以是積層有多層的複合層。作為n型包覆層的厚度,可例示1 μm~5 μm。
<間隔層> 亦較佳為在n型半導體層30與發光層50之間及p型半導體層70與發光層50之間分別設置第一間隔層41及第二間隔層42。第一間隔層41可以是未摻雜的或n型III-V族化合物半導體層,例如較佳為使用i型InP間隔層。另一方面,p側的第二間隔層42較佳為未摻雜的III-V族化合物半導體層,例如可以使用i型InP間隔層。藉由設置未摻雜的間隔層42,可防止發光層50和p型層之間不必要的摻雜劑擴散。各間隔層41、42的厚度沒有限制,例如為5 nm~500 nm即可。
<p型半導體層> 能夠在發光層50及根據需要在第二間隔層42上設置p型半導體層70。p型半導體層70自發光層50側起可依次包括p型包覆層71及p型接觸層73。亦較佳為在p型包覆層71和p型接觸層73之間設置中間層72。藉由設置中間層72,可以緩和p型包覆層71和p型接觸層73的晶格失配。只要根據發光層50的III-V族化合物半導體的組成適當確定p型半導體層70的III-V族化合物半導體的組成即可。在發光層50包含InGaAsP系半導體的情況下,能夠例示p型InP作為p型包覆層、p型InGaAsP作為中間層、不包含P的p型InGaAs作為p型接觸層73。對p型半導體層70的各層的膜厚沒有特別限制,但是作為p型包覆層71的膜厚可以例示1 μm~5 μm,作為中間層72的膜厚可以例示50 nm~200 nm,作為p型接觸層73的膜厚可例示50 nm~200 nm。
<電極> 可以在p型半導體層70上及支撐基板10的背面分別設置第一電極90及第二電極80,並且用於構成各電極的金屬材料可以使用通常的材料,例如Ti、Pt、Au等金屬,或與金形成共晶合金的金屬(Sn等)等。進而,各電極的電極圖案是任意的,沒有任何限制。
至此,已經說明了使用化合物半導體基板作為成長用基板並且將化合物半導體基板直接用作支撐基板10的實施方式,但是本發明不限於此。作為本發明的半導體發光元件的支撐基板,亦可在成長用基板上形成各半導體層之後,利用接合法除去成長用基板,並且貼合Si基板等半導體基板、Mo、W或科伐合金等金屬基板、使用了AlN等的各種子基板等,將其用作支撐基板(以下,稱為「接合法」,參照日本專利特開2018-006495號公報)。
在使用接合法的情況下,半導體發光元件100除了各電極以外,還可設置III-V族化合物半導體以外的層。例如,在使用接合法的情況下,能夠在包含Si基板的支撐基板10上形成包含金屬材料的介隔層20,在介隔層20上依次形成p型半導體層70、發光層50、n型半導體層30。再者,介隔層20可用作支撐基板10上的金屬反射層。進而,在半導體發光元件100中,除了III-V族化合物半導體層之外,可根據需要設置包括歐姆電極部的介電層。介電質材料是SiO2 、SiN、ITO等。
再者,如上所述,儘管在所述的一實施方式中,以第一導電型半導體層是n型並且第二導電型半導體層是p型的情況為例進行了說明,但是當然可理解各層的導電型n型/p型可以與所述實施方式相反。
(半導體發光元件的製造方法) 根據本發明的所述半導體發光元件的製造方法至少包括:形成第一層51的第一步驟、形成第二層52的第二步驟、以及重覆進行所述第一步驟及所述第二步驟而形成發光層50的發光層形成步驟。亦可更包括形成第三層53的第三步驟。在所述情況下,在發光層形成步驟中,可重覆進行形成第一層51的第一步驟、形成第三層53的第三步驟、及形成第二層52的第二步驟。
另外,根據需要,可包括形成參照圖3說明的半導體發光元件100的各層的步驟。可用作第一層51及第二層52的III-V族化合物半導體材料、以及該些的組成波長差和晶格常數差的各條件、進而各膜厚、積層組數等如上所述,省略重覆的說明。
III-V族化合物半導體層各層例如可利用有機金屬氣相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法或分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)法、濺鍍法等公知的薄膜成長方法形成。若為InGaAsP系半導體,例如以規定的混合比使用作為In源的三甲基銦(TMIn)、作為Ga源的三甲基鎵(TMGa)、作為As源的砷化氫(AsH3 )、作為P源的膦(PH3 )等,使用載氣且使該些原料氣體氣相成長,藉此可根據成長時間以所需厚度使InGaAsP系半導體層磊晶成長。另外,在使用Al作為III族元素的情況下,作為Al源例如使用三甲基鋁(TMA)等即可,在使用Sb作為V族元素的情況下,作為Sb源使用TMSb(三甲基銻)等即可。此外,在將各半導體層摻雜為p型或n型的情況下,根據需要還可以使用在構成元素中含有Si、Zn等的摻雜源的氣體。
另外,第一電極及第二電極等金屬層的形成可以使用公知的方法,例如可以使用濺鍍法、電子束蒸鍍法或電阻加熱法等。若在使用接合法的情況下形成介電層,則可以採用電漿化學氣相沈積(chemical vapor deposition,CVD)法或濺鍍法等公知的成膜法,亦可根據需要利用公知的蝕刻法來形成凹凸。
在使用接合法(參照上文所述的日本專利特開2018-006495號公報)的情況下,例如可以按如下方式製作半導體發光元件。
首先,在成長用基板上依次形成包含蝕刻停止層、n型半導體層30、發光層50、p型包覆層71、中間層72、p型接觸層73的III-V族化合物半導體層的各層。接著,在p型接觸層73上形成分散成島狀的p型歐姆電極部。然後,在p型歐姆電極部及其周邊形成抗蝕劑遮罩,藉由濕士蝕刻等除去形成歐姆電極部的場所以外的p型接觸層73,使中間層72露出。而且,在中間層72上形成介電層。進而,藉由蝕刻除去p型歐姆電極部及其周邊的介電層,使中間層72露出,在中間層72上形成金屬反射層。
另一方面,使用導電性Si基板等作為支撐基板,在支撐基板上形成金屬接合層。將金屬反射層及金屬接合層相向配置,藉由加熱壓縮等進行接合。而且,對成長用基板進行蝕刻,除去該成長用基板,並且,對蝕刻停止層進行蝕刻,使n型半導體層30露出。藉由在n型半導體層30上形成上表面電極,可獲得接合型的半導體發光。如上所述,各層的導電型的n型/p型可以與所述例子反轉。
以下,使用實施例進一步詳細說明本發明,但是本發明不受以下實施例的任何限定。 [實施例]
(實驗例1) 將目標發光中心波長設為1300 nm,藉由接合法製作以下的發明例1及比較例1~3的半導體發光元件。
<發明例1> 對於根據發明例1的半導體發光元件100的III-V族化合物半導體層的各構成,參照圖3的符號。使用摻雜S的n型InP基板作為成長用基板。在n型InP基板(S摻雜、摻雜劑濃度2×1018 atoms/cm3 )的(100)表面上,藉由MOCVD法依序形成厚度100 nm的n型InP層及厚度20 nm的n型In0.57 Ga0.43 As層(分別為初始成長層和蝕刻停止層)、厚度2000 nm的n型InP層(作為n型包覆層的n型半導體層30)、厚度100 nm的i型InP層(第一間隔層41)、將在後面詳細描述的發光層50、厚度320 nm的i型InP層(第二間隔層42)、厚度4800 nm的p型InP層(p型包覆層71)、厚度50 nm的p型In0.8 Ga0.2 As0.5 P0.5 層(中間層72)、以及厚度100 nm的p型In0.57 Ga0.43 As層(p型接觸層73)。n型InP層及n型InGaAs層(分別為初始成長層和蝕刻停止層)、n型InP層(作為n型包覆層的n型半導體層30)進行Si摻雜,摻雜劑濃度為7×1017 atoms/cm3 。p型InP層(p型包覆層71)進行Zn摻雜,摻雜劑濃度為1×1018 atoms/cm3 。p型InGaAsP層(中間層72)、p型InGaAs層(p型接觸層73)進行Zn摻雜,摻雜劑濃度為1×1019 atoms/cm3
在形成發光層50時,首先形成i型Ina1 Gab1 Asx1 Py1 層(第一層51),接著將i型Ina2 Gab2 Asx2 Py2 層(第二層52)及i型Ina1 Gab1 Asx1 Py1 層(第一層51)各交替積層10層,形成10.5組的積層結構。即,發光層50的兩端均為i型Ina1 Gab1 Asx1 Py1 層(第一層51)。i型Ina1 Gab1 Asx1 Py1 層(第一層51)是厚度為8 nm的In0.675 Ga0.325 As0.689 P0.311 。即,In組成比(a1 )為0.675、Ga組成比(b1 )為0.325、As組成比(x1 )為0.689、P組成比(y1 )為0.311。另外,i型Ina2 Gab2 Asx2 Py2 層(第二層52)是厚度為5 nm的In0.633 Ga0.367 As0.716 P0.284 。即,In組成比(a2 )為0.633、Ga組成比(b2 )為0.367、As組成比(x2 )為0.716、P組成比(y2 )為0.284。另外,發光層的合計膜厚為138 nm。再者,所述發明例1中的各層的各組成是藉由SIMS分析測定而得的值。另外,對於發光層的各層,在使發光層露出後進行SIMS分析,確認各層的固相比。
在p型接觸層上形成分散成島狀的p型歐姆電極部(Au/AuZn/Au,合計厚度:530 nm)。再者,在形成島狀的圖案時,形成抗蝕劑圖案,接著對歐姆電極蒸鍍,藉由抗蝕劑圖案的剝離而形成。p型歐姆電極部的朝p型接觸層的接觸面積率為4.5%,晶片尺寸為380 μm見方。
其次,於p型歐姆電極部及其周邊形成抗蝕劑遮罩,藉由酒石酸-過氧化氫系濕式蝕刻將形成有歐姆電極部的部位以外的p型接觸層去除,使中間層露出。其後,藉由電漿CVD法而於中間層72上的整個面形成包含SiO2 的介電層(厚度:700 nm)。而且,於p型歐姆電極部的上方區域利用抗蝕劑形成在寬度方向及長邊方向加成寬度3 μm的形狀的窗口圖案,藉由利用緩衝氫氟酸(buffered hydrofluoric acid,BHF)的濕式蝕刻將p型歐姆電極部及其周邊的介電層去除,而使中間層72露出。
其次,藉由蒸鍍而於中間層72上的整個面形成金屬反射層(Al/Au/Pt/Au)。金屬反射層的各金屬層的厚度依次為10 nm、650 nm、100 nm、900 nm。
另一方面,於成為支撐基板的導電性Si基板(厚度:300 μm)上形成金屬接合層(Ti/Pt/Au)。金屬接合層的各金屬層的厚度依次為650 nm、10 nm、900 nm。
將該些金屬反射層及金屬接合層相向配置,於300℃下進行加熱壓縮接合。而且,藉由鹽酸稀釋液對n型InP基板進行濕式蝕刻而去除,進而,使用硫酸-過氧化氫系藉由濕式蝕刻去除蝕刻停止層,使n型包覆層露出。
藉由抗蝕劑圖案形成、n型電極的蒸鍍、抗蝕劑圖案的剝離而於n型包覆層上形成n型電極(Au(厚度:10 nm)/Ge(厚度:33 nm)/Au(厚度:57 nm)/Ni(厚度:34 nm)/Au(厚度:800 nm)/Ti(厚度:100 nm)/Au(厚度:1000 nm))作為上表面電極的配線部。進而,於n型電極上形成墊片部(Ti(厚度:150 nm)/Pt(厚度:100 nm)/Au(厚度:2500 nm)),從而形成上表面電極的圖案。
最後,藉由平台蝕刻(mesa etching)將各元件間(寬度60 μm)的半導體層去除而形成切割線。而且,朝Si基板的背面側形成背面電極(Ti(厚度:10 nm)/Pt(厚度:50 nm)/Au(厚度200 nm)),藉由切割而進行晶片單片化,從而製作發明例1的半導體發光元件。
<比較例1~3> 除了如表2中記載般改變發明例1中的第一層51以及第二層52的組成比以外,與發明例1同樣地按照接合法形成半導體發光元件。表2中包含發明例1,示出第一層51及第二層52的組成比及由該些換算的組成波長及晶格常數。進而,表2中以絕對值示出組成波長差及晶格常數差之比。再者,比較例1的第二層52是i型InP層,而構成發光層的其它層是i型InGaAsP層。
(實驗例2) 將目標發光中心波長設為1460 nm,藉由接合法製作以下的發明例2及比較例4~8的半導體發光元件。
<發明例2、比較例4~8> 除了如表3中記載般改變發明例1中的第一層51和第二層52的組成比以外,與發明例1同樣地按照接合法形成發明例2及比較例4~8的半導體發光元件。再者,比較例4的第二層52是i型InP層。另外,表3中與表2同樣地示出該些組成波長差及晶格常數差之比。
[表2]
  第一層 第二層 組成波長差 [nm] 晶格常數差 [%]
In 組成比 a1 Ga 組成比 b1 As 組成比 x1 P 組成比 y1 組成 波長 [nm] 晶格 常數 [Å] In 組成比 a2 Ga 組成比 b2 As 組成比 x2 P 組成比 y2 組成 波長 [nm] 晶格 常數 [Å]
發明例1 0.6753 0.3250 0.6890 0.3111 1297.4 0.5865 0.6331 0.3670 0.7160 0.2836 1278.2 0.5841 19.2 0.41
比較例1 0.7133 0.2867 0.7081 0.2919 1382.2 0.5904 1.0000 0.0000 0.0000 1.0000 918.5 0.5869 463.7 0.59
比較例2 0.6900 0.3100 0.7474 0.2526 1410.8 0.5900 0.8094 0.1906 0.4240 0.5760 1132.2 0.5873 278.6 0.46
比較例3 0.6900 0.3100 0.7474 0.2526 1410.8 0.5900 0.7268 0.2732 0.5899 0.4101 1231.4 0.5869 179.4 0.53
[表3]
  第一層 第二層 組成波長差 [nm] 晶格常數差 [%]
In 組成比 a1 Ga 組成比 b1 As 組成比 x1 P 組成比 y1 組成 波長 [nm] 晶格 常數 [Å] In 組成比 a2 Ga 組成比 b2 As 組成比 x2 P 組成比 y2 組成 波長 [nm] 晶格 常數 [Å]
發明例2 0.6393 0.3604 0.8104 0.1896 1449.2 0.5885 0.5952 0.4048 0.8554 0.1446 1449.8 0.5864 0.6 0.36
比較例4 0.6071 0.3983 0.8704 0.1296 1491.7 0.5875 1.0000 0.0000 0.0000 1.0000 918.5 0.5869 573.2 0.11
比較例5 0.5451 0.4549 0.9272 0.0728 1513.2 0.5852 0.7302 0.2698 0.5725 0.4275 1213.7 0.5865 299.5 0.22
比較例6 0.5589 0.4411 0.9222 0.0778 1527.9 0.5861 0.7156 0.2844 0.5851 0.4149 1211.4 0.5858 316.5 0.05
比較例7 0.5270 0.4730 0.9306 0.0694 1486.8 0.5838 0.7208 0.2792 0.5886 0.4114 1234.4 0.5862 252.4 0.41
比較例8 0.5412 0.4588 0.9303 0.0697 1513.3 0.5850 0.7085 0.2915 0.6102 0.3898 1222.2 0.5863 291.1 0.22
<評估1:發光輸出評估> 對發明例1、發明例2、比較例1~比較例8各自的半導體發光元件中使用恆電流電壓電源並流通20 mA的電流,測定此時的正向電壓Vf、利用積分球的發光輸出Po、及發光中心波長λp,分別求出3個試樣的測定結果的平均值。將結果示於表4。另外,將表示組成波長差與發光輸出Po的關係的圖表示於圖4。進而,將表示組成波長差和正向電壓Vf的關係的圖表示於圖5。
<評價2:發光輸出的維持率> 藉由剛製作完成後的半導體發光元件的積分球來測定初期的發光輸出(三個試樣的平均),其後對半導體發光元件於室溫下連續通電1000小時20 mA後,藉由積分球測定發光輸出(三個試樣的平均)。將結果示於表4。
[表4]
  組成波長差[nm] 晶格常數差 發光中心波長 λp [nm] 發光輸出 Po [MW] 正向電壓 Vf [V] 發光輸出的維持率
實施例1 19.2 0.41% 1295.0 3.03 0.88 93.0%
比較例1 463.7 0.59% 1277.0 2.43 0.90 92.0%
比較例2 278.6 0.46% 1291.4 2.69 0.91 91.4%
比較例3 179.4 0.53% 1315.3 2.67 0.90 92.3%
實施例2 0.6 0.36% 1444.1 2.27 0.88 93.4%
比較例4 573.2 0.10% 1478.8 1.83 0.90 92.7%
比較例5 299.5 0.22% 1468.8 1.96 0.87 92.4%
比較例6 316.5 0.05% 1470.2 2.05 0.87 92.5%
比較例7 252.4 0.41% 1467.9 1.97 0.87 93.8%
比較例8 291.1 0.22% 1430.9 2.12 0.89 92.0%
由表4及圖4可確認,滿足符合本發明條件的組成波長差及晶格常數差時,發光輸出提高。另外,根據圖5確認,對於正向電壓,實施例1、實施例2分別是與各實驗例的比較例同程度以上良好的值。另外,關於發光輸出的維持率,確認了實施例1、2的各個是與各實驗例的比較例同等程度以上良好的值。
10:支撐基板 20:介隔層 30:第一導電型半導體層(n型半導體層) 41:第一間隔層 42:第二間隔層 50:發光層 51:第一III-V族化合物半導體層(第一層) 52:第二III-V族化合物半導體層(第二層) 53:第三III-V族化合物半導體層(第三層) 70:第二導電型半導體層(p型半導體層) 71:p型包覆層 72:中間層 73:p型接觸層 80:第二電極 90:第一電極 100:半導體發光元件
圖1是表示按照本發明的半導體發光元件中的發光層的一個形態的示意剖面圖。 圖2是表示按照本發明的半導體發光元件中的發光層的另一形態的示意剖面圖。 圖3是表示按照本發明的一實施方式的半導體發光元件的示意剖面圖。 圖4是對比實施例中的發光輸出的圖表。 圖5是對比實施例中的正向電壓的圖表。
50:發光層
51:第一III-V族化合物半導體層(第一層)
52:第二III-V族化合物半導體層(第二層)

Claims (9)

  1. 一種半導體發光元件,包括發光層,所述發光層具有將組成比相互不同的第一III-V族化合物半導體層及第二III-V族化合物半導體層重覆積層而成的積層結構,其特徵在於, 所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層中的III族元素是選自由Al、Ga、In所組成的群組中的一種或兩種以上,並且所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層中的V族元素是選自由As、Sb、P所組成的群組中的一種或兩種以上, 所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均包含選自所述III族元素及所述V族元素中的三種以上的元素, 所述第一III-V族化合物半導體層的組成波長與所述第二III-V族化合物半導體層的組成波長的組成波長差為50 nm以下,且所述第一III-V族化合物半導體層的晶格常數與所述第二III-V族化合物半導體層的晶格常數的晶格常數差之比為0.05%以上且0.60%以下。
  2. 如請求項1所述的半導體發光元件,其中,所述晶格常數差之比為0.3%以上。
  3. 如請求項1或2所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層與所述第二III-V族化合物半導體層的組成波長差為30 nm以下。
  4. 如請求項1或2所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均包含選自所述III族元素及所述V族元素中的四種以上的元素。
  5. 如請求項4所述的半導體發光元件,其中,構成所述四種以上元素的元素中,所述III族元素為Ga、In,所述V族元素為選自由As、Sb、P所組成的群組中的兩種以上。
  6. 如請求項1或2所述的半導體發光元件,其中,所述第一III-V族化合物半導體層及所述第二III-V族化合物半導體層均為InGaAsP的四元系化合物半導體。
  7. 如請求項1或2所述的半導體發光元件,其中,在所述發光層的所述積層結構中,在所述第一III-V族化合物半導體層與所述第二III-V族化合物半導體層間更設置有第三III-V族化合物半導體層, 所述第三III-V族化合物半導體層包含選自所述III族元素及所述V族元素中的四種以上元素, 所述第一III-V族化合物半導體層、所述第二III-V族化合物半導體層及所述第三III-V族化合物半導體層的相鄰的相互的組成波長差均為50 nm以下,且 所述第一III-V族化合物半導體層、所述第二III-V族化合物半導體層及所述第三III-V族化合物半導體層的相鄰的相互的晶格常數差之比均為0.05%以上且0.60%以下。
  8. 如請求項7所述的半導體發光元件,其中,所述第三III-V族化合物半導體層是InGaAsP的四元系化合物半導體。
  9. 一種半導體發光元件的製造方法,是製造如請求項1至8中任一項所述的半導體發光元件的方法,其特徵在於包括: 第一步驟,形成所述第一III-V族化合物半導體層; 第二步驟,形成所述第二III-V族化合物半導體層;以及 發光層形成步驟,重覆進行所述第一步驟及所述第二步驟而形成所述發光層。
TW108147132A 2019-01-07 2019-12-23 半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法 TWI725679B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019000854A JP6679767B1 (ja) 2019-01-07 2019-01-07 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法
JP2019-000854 2019-01-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202027265A true TW202027265A (zh) 2020-07-16
TWI725679B TWI725679B (zh) 2021-04-21

Family

ID=70166391

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108147132A TWI725679B (zh) 2019-01-07 2019-12-23 半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11888090B2 (zh)
JP (1) JP6679767B1 (zh)
CN (1) CN113272974A (zh)
DE (1) DE112019006575T5 (zh)
TW (1) TWI725679B (zh)
WO (1) WO2020145025A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7368336B2 (ja) * 2020-09-30 2023-10-24 信越半導体株式会社 紫外線発光素子用金属貼り合わせ基板の製造方法、及び紫外線発光素子の製造方法
CN112217096B (zh) * 2020-12-14 2021-03-09 陕西源杰半导体技术有限公司 半导体器件及其制备方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2806089B2 (ja) * 1991-08-06 1998-09-30 日本電気株式会社 半導体多重歪量子井戸構造
JPH07147454A (ja) 1993-11-26 1995-06-06 Hitachi Ltd 半導体素子
US5625635A (en) * 1994-11-28 1997-04-29 Sandia Corporation Infrared emitting device and method
US5780867A (en) * 1996-03-07 1998-07-14 Sandia Corporation Broadband light-emitting diode
JPH1168153A (ja) * 1997-08-08 1999-03-09 Hitachi Ltd 発光ダイオードおよびその製造方法
JP2002026455A (ja) * 2000-07-03 2002-01-25 Nec Corp 半導体光素子およびその製造方法
US7244965B2 (en) * 2002-09-04 2007-07-17 Cree Inc, Power surface mount light emitting die package
US7119373B2 (en) * 2004-01-23 2006-10-10 Exalos Ag Sled
JP4592388B2 (ja) * 2004-11-04 2010-12-01 シャープ株式会社 Iii−v族化合物半導体発光素子およびその製造方法
US10374120B2 (en) * 2005-02-18 2019-08-06 Koninklijke Philips N.V. High efficiency solar cells utilizing wafer bonding and layer transfer to integrate non-lattice matched materials
TWI282636B (en) * 2005-12-29 2007-06-11 Epistar Corp Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof
JP2008066326A (ja) * 2006-09-04 2008-03-21 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体光素子を作製する方法
JP5095848B1 (ja) * 2011-05-18 2012-12-12 株式会社東芝 半導体発光素子
JP5514920B2 (ja) * 2012-01-13 2014-06-04 Dowaエレクトロニクス株式会社 Iii族窒化物エピタキシャル基板および該基板を用いた深紫外発光素子
EP2696365B1 (en) * 2012-08-09 2021-06-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of manufacturing a semiconductor device using a semiconductor buffer structure
US9306115B1 (en) * 2015-02-10 2016-04-05 Epistar Corporation Light-emitting device
JP6452651B2 (ja) 2016-06-30 2019-01-16 Dowaエレクトロニクス株式会社 半導体光デバイスの製造方法および半導体光デバイス
JP6608352B2 (ja) * 2016-12-20 2019-11-20 Dowaエレクトロニクス株式会社 半導体発光素子およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE112019006575T5 (de) 2021-09-30
CN113272974A (zh) 2021-08-17
JP2020109817A (ja) 2020-07-16
US20220059721A1 (en) 2022-02-24
US11888090B2 (en) 2024-01-30
WO2020145025A1 (ja) 2020-07-16
JP6679767B1 (ja) 2020-04-15
TWI725679B (zh) 2021-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11417793B2 (en) Method of manufacturing semiconductor optical device and semiconductor optical device
JP6940664B2 (ja) 深紫外発光素子およびその製造方法
US11996496B2 (en) Semiconductor light-emitting device
JP6785331B2 (ja) 半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイスの中間体
TWI725679B (zh) 半導體發光元件以及半導體發光元件的製造方法
WO2020255976A1 (ja) 半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイス
US8952353B2 (en) Semiconductor light emitting device
TWI803785B (zh) 發光元件及其製造方法
TWI743463B (zh) 半導體光元件的製造方法以及半導體光元件的中間體
JP7413599B1 (ja) Iii-v族化合物半導体発光素子及びiii-v族化合物半導体発光素子の製造方法
JP7387048B1 (ja) 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法
WO2019216308A1 (ja) 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法