TWI238543B - Semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
1238543 (1) 玫、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使用氮化物系化合物半導體之半導 體發光元件。 【先前技術】 【背景技術】 使用氮化物系化合物半導體且具有高亮度發光特性之 半導體發光兀件係揭示在例如日本特開平8— 264832號公 報及日本特開200 1 — 3 1 342 1號公報等。在此種半導體發 光元件之發光層使用InxAlyGa】-「yN ( 〇$ 1、〇$ 1、OSx+y^l)等之氮化鎵系化合物半導體時，可以產 生由紫外線至綠色光爲止之波長帶之光。 習知之半導體發光元件，一般係由藍寶石、矽碳化物 或矽等之所形成之基板以及形成在該基板上之複數層之氮 化鎵系化合物半導體層而構成。例如使用藍寶石基板之半 導體發光元件係在藍寶石基板上，依序地具有：G aN緩衝 層、摻雜Si之η型GaN接點層、η型AlGaN半導體層、 量子井構造之活化層、P型AlGaN半導體層以及摻雜Mg 之p型GaN接點層。
在量子井構造，正如習知，具有多重量子井（MQW ·· Multi-Quantum- Well )構造和單一量子井（SQW · S i n g 1 e - Q u a 111 u m - W e 11 )構造。各個量子井構造之活化層係 有例如由以比較大之比例而包含In (銦）之InG aN所構 -5 - (2) 1238543 成之井層（well layer )和由以比較小之比例而包含In ( 銦）之InGaN所構成之障壁層（barrier layer )。 但是，量子井構造之井層之成長溫度係爲了滿足抑制 I η之分解及良好地保持結晶品質兩者，因此，一般係設 定在80(TC或更低於此之溫度。一般而言，障壁層係也和 井層在實質上，形成在相同之成長溫度。和井層在實質上 形成在相同溫度之障壁層之結晶性係不一定良好。在障壁 層之結晶性變差時，無法藉由障壁層而充分地防止井層之 In蒸發，結果，井層之結晶性係也惡化。此外，由於井 層和障壁層間之界面之井層之In和障壁層之Ga間之相互 擴散而使得實效之井層厚度變得不均，在發光波長，產生 不均。此外，在活化層形成後，一般係在1 1 0 0 °C左右， 使得P型GaN層，進行結晶成長。因此，在障壁層之結 晶性變差時，於該P型GaN層之結晶成長時，更加促進 井層之In蒸發及井層和障壁層間之界面之井層之In和障 壁層之G a間之相互擴散。此外，恐怕也產生雜質（例如 M g )由p型G aN層擴散至活化層之擴散，使得活化層之 結晶性惡化。 【發明內容】 【發明之揭示】 因此，本發明之目的係提供~種具有改善之量子井構 造活化層之半導體發光元件及該製造方法。 用以達成前述目的之按照本發明且具有量子井構造活 -6- (3) 1238543 化層之半導體發光元件之製造方法係包含：準備第1導電 型半導體層之作業以及具有以下作業而形成量子井構造活 化層之作業；具有：在前述第1導電型半導體層上，藉由 有機金屬化學氣相成長法而形成由I n y G a 1 - y N (在此、y 係滿足Ο < y ^ · 5之數値）所構成之第l障壁層之第1作 業；在前述第1障壁層上，藉由有機金屬化學氣相成長法 而形成由AlaGabln!— a-bN(在此、a、b係滿足0<a、b< 1、a + b $ 1之數値）所構成之第1輔助層之第2作業； 在前述第1輔助層上，藉由有機金屬化學氣相成長法而形 成由InxGa〗-xN(在此、X係滿足〇<χ$〇·5及y<x之數 値）所構成之井層之第3作業；在前述井層上，藉由有機 金屬化學氣相成長法而形成由 Ala，Gab，Ini-a，— b‘N (在此 、a ’及b ’係滿足0 < a ’、b ’ < 1、a ’ + b ’ S 1之數値）所構 成之第2輔助層之第4作業；以及，在前述第2輔助層上 ，藉由有機金屬化學氣相成長法而形成由InyGai - yN (在 此、y係滿足〇 < y $ 〇. 5之數値）所構成之第2障壁層之 第5作業。 此外，按照本發明而依序地具有第1導電型半導體層 、量子井構造之活化層和第2導電型半導體層之半導體發 光元件之前述活化層係具有：配置在前述第I導電型半導 體層上並且由InyGai-yN(在此、y係滿足〇<y$〇.5之 數値）所構成之第1障壁層、配置在前述第1障壁層上並 且由 A1 a G a b I η 1 - a - b N (在此、a、b 係滿足 0 < a、b < 1、a + b $ 1之數値）所構成之第1輔助層、配置在前述第1 (4) 1238543 輔助層上並且由I n x G a】—XN (在此、X係滿足0 < X $ 0.5 及y<x之數値）所構成之井層、配置在前述井層上並且 由 A 1 a · G a b，I η 卜 a，_ b. N (在此、a，及 b ’ 係滿足 〇 < a ’、b ’ < 1、a ’ + b ’ S 1之數値）所構成之第2輔助層 '以及配置在 前述第2輔助層上並且由InyGa】-yN (在此、y係滿足〇 <y$0.5及y<x之數値）所構成之第2障壁層。 如果藉由本發明的話，則藉著由 Ala，Gab，Ini - a，- b，N 、也就是氮化鋁系化合物半導體所構成之第2輔助層之作 用而抑制井層之In等之蒸發，並且，抑制井層之In和障 壁層之Ga間之相互擴散。此外，藉著由AlaGabIn】-a_bN 所構成之第1輔助層之作用而抑制井層之In和障壁層之 Ga間之相互擴散。因此，可以良好地防止活化層之結晶 性惡化。 此外，爲了得到多層量子井構造之活化層，因此，最 好是還在前述第2障壁層上，配置具有相同於前述第1障 壁層、前述第1輔助層、前述井層、前述第2輔助層和前 述第2障壁層之同樣功能之複數層。 此外，由前述Ala，Gab，In!— a，_b，N所構成之第2輔助 層之A1比例a’係最好是大於由前述AUGablm - a - 所構 成之第1輔助層之A1比例a。像這樣，在使得第2輔助 層之A1比例a ’更加大於第1輔助層之A1比例a時，能夠 抑制活化層整體之電阻値至比較低而良好地防止井層之 In等之蒸發及擴散。也就是說，隨著由AlaGablm-a-bN 所構成之第〗輔助層及由Ala，Gab,In】—a，- b，N所構成之第 (5) 1238543 2輔助層之A1之混合比例a及a’變大而使得防止In等之 蒸發及相互擴散之作用變大。但是’隨著A1之混合比例 變大而使得第1及第2輔助層之電阻値變大。因此’在 In之蒸發防止來放置重點之狀態下’最好是使得由 Ala:Gab,In】—a,- rN所構成之第2輔助層之A1比例a’大於 · 由AlaGabIn】-a- bN所構成之第1輔助層之A1比例a。可 以藉此而合理地解決I η之蒸發問題以及1 n和G a間之相 互擴散之問題。 籲 此外，由前述Al^Gai^In!— a·- b，N所構成之第2輔助 層係最好是形成更加厚於由前述AhGabl^-a-bN所構成 之第1輔助層（9 )。可以藉此而得到相同於前述第2輔 助層之A1比例a，更加大於第1輔助層之A1比例a之狀態 之同樣效果。 此外，可以藉著由A1 x Ga! - XN (在此、X係滿足〇 < X S1之數値）所構成並且具有產生量子力學隧道、/赛果之厚 度之第1層以及AlyGa, — yN (在此、y係滿足y < X及〇 Φ
Sy<l之數値）所構成並且具有更加厚於前述第1層及 ]Onm〜5 0 Onm厚度之第2層之複合層而構成前述第1導 電型半導體層或者是配置在前述第1導電型半導體層和基 ' 板間之緩衝層。可以藉此而抑制前述第1導電型半導體層 或前述緩衝層之電阻增大。 【實施方式】 【發明之最佳實施形態】 -9- (6) 1238543 接著，參照第1圖〜第3圖而說明按照本發明之第1 實施形態來作爲氮化鎵系化合物半導體發光元件之發光二 極體及該製造方法。 在第1圖槪略地顯示之按照本發明之第1實施形態之 發光二極體係具有：由摻雜雜質之矽單結晶基板所構成之 低電阻基板1、η型緩衝層2、作爲第1導電型半導體層 之η型半導體層3、活化層4、作爲第2導電型半導體層 之ρ型半導體層5、作爲第1電極之陽極電極6a以及作 爲第2電極之陰極電極6b。此外，η型半導體層3係也稱 爲η型包層，此外，ρ型半導體層5係也稱爲ρ型包層。 此外，也可以將η型緩衝層2認爲是第1導電型半導體層 之一部分。 基板1係成爲導電型決定雜質，例如由包含As (砷 )之η型矽單結晶所構成。配置該基板1之緩衝層2側之 主面1 a係在密勒指數所示之結晶面方位之（1 1 1 )剛好面 。該基板1之雜質濃度係5 X 10]8cnT3〜5 X 1 019cnr3左右 ，該基板1之電阻係數係0.000 1 Ω · cm〜0.01 Ω · cm左 右。電阻係數比較低之基板1係發揮作爲陽極電極6a和 陰極電極6b間之電流通路之功能。此外，基板1係具有 比較厚之大約3 5 0 // m之厚度，發揮作爲由緩衝層2、η 型半導體層3、活化層4和ρ型半導體層5所構成之主半 導體區域之支持體之功能。由整體來看的話，緩衝層2係 發揮作爲η型半導體之功能。 配置而被覆基板1某一邊之主面1 a整體之緩衝層2 -10- (7) 1238543 係在第1圖，槪略地顯示成爲1個層，但是，在實際上， 正如第2圖所示，由複數個之第1層2 a和複數個之第2 層2 b交互地進行層積之複合層所構成。在該實施形態， 緩衝層2係藉由5 0個之第1層2 a和5 0個之第2層2 b所 構成。 第1層2a係藉由能夠以化學式AlxGa! - XN (在此、X 係滿足〇 < X S 1之任意數値）來表示之材料而形成。也就 是說，第1層2a係藉由Α1Ν (氮化鋁）或AlGaN (氮化 鎵鋁）而形成。在該實施形態，相當於前述化學式之X成 爲1之材料之A1N (氮化鋁）係使用在第1層2a。第1層 2 a係具有能夠具備絕緣性且量子力學隧道效果之極微薄 之厚度。第I層2a之格子常數及熱膨脹係數係比起第2 層2 b還更加接近矽基板1。因此，第1層2 a係比起第2 層2b還使得緩衝作用變得更加地大。 第2層2b係在能夠以化學式AlyGa】-yN (在此、y係 滿足y<x、〇Sy<l之任意數値）所表示之半導體材料來 摻雜η型導電型決定雜質而構成。也就是說，第2層2b 係由包含η型導電型決定雜質之GaN (氮化鎵）或A1GaN (氮化鎵鋁）而構成。第2層2b之厚度係更加大於第】 層2a之厚度。在使用η型AlGaN來作爲第2層2b之狀 態下，爲了抑制第2層2b之電阻增大，因此，最好是使 得y滿足〇 < y < 0.8之値、也就是使得y大於0且小於 0.8。第2層2b係發揮作爲用以電連接第〗層之導電 體或半導體之功能。 -11 - (8) 1238543 緩衝層2之第1層2a之厚度係最好是〇.5nm〜1 Onm 、也就是5〜1 0 0埃、更加理想是1 n m〜8 n m。在第1層 2a之厚度未滿0.5 nm之狀態下，使得形成於緩衝層2上 面之η型半導體層3、活化層4及p型半導體層5全部之 平坦性，無法良好地保持。在第1層2a之厚度超過10nm 時，無法良好地得到量子力學之隧道效果，增大緩衝層2 之電阻。 第2層2b之厚度係最好是10nm〜5 0 0ηιιι、也就是 1 0 0〜5 0 0 0埃、更加理想是 1 〇 n m〜3 0 0 n m。在第 2層2 b 之厚度未滿〗Onm之狀態下，基板1和第2層2b間之能 帶之不連續性變得比較大，發光元件動作時之陽極電極 6a和陰極電極6b間之電阻及電壓變得比較大。此外，在 第2層2b之厚度未滿l〇nm之狀態下，無法良好地達成 形成於第2層2b上之某一邊之第1層2a和形成於第2層 2b下之其他邊之第1層2a間之電連接，增大緩衝層2之 電阻。在第2層2b之厚度超過5 0 Onm之狀態下，降低第 1層2a對於緩衝層2整體之比例，緩衝功能係相對地變 小，無法良好地保持緩衝層2上之半導體區域之平坦性。 緩衝層2係賦予形成於其上面之η型半導體層3、活化層 4、ρ型半導體層5之結晶性及平坦性之改善。 配置於緩衝層2上之η型半導體層3係例如由η型 A1XG〜 —ΧΝ (在此、X係滿足〇$ χ< 1之數値）所構成之 氮化鎵系化合物半導體、也就是藉由η型GaN (氮化鎵） 或η型AlGaN (氮化鎵鋁）所形成。此外，該實施形態之 -12- 1238543 (9) η型半導體層3係由相當於x = 〇之η型GaN所構成。 形成於η型半導體層3上之多重井、也就是MQW ( Multi — Quantum — Well (多重量子井））構造之活化層4 係在第1圖，槪略地顯示成爲1個層，但是，在實際上， 正如第3圖所示，成爲複數個之障壁層7、複數個之井層 8和複數個之第1及第2輔助層9、10之層積體。也就是 說，重複地配置由活化層4之η型半導體層3側之主面 4a開始朝向ρ型半導體層5側之主面4b而由障壁層7、 第1輔助層9、井層8和第2輔助層1 〇所構成之組合， 此外，在該組合上，配置障壁層7。換句話說，在提供活 化層4之η型半導體層側之主面4 a之最下側之障壁層7 上，重複地配置第1輔助層9、井層8、第2輔助層1 0和 障壁層7之組合。在該實施形態，井層8、第1及第2輔 助層9、10係分別是15層，障壁層7係16層。在本發明 ，將基板1正上方之障壁層7，稱爲第1障壁層，此外， 將透過第1輔助層9、井層8和第2輔助層1 〇而配置在 第1障壁層上之障壁層7，稱爲第2障壁層。也就是說， 將以井層8作爲基準而配置在η型半導體層3側之障壁層 7，稱爲第1障壁層，將配置在Ρ型半導體層5側之障壁 層7，稱爲第2障壁層。在使用第1及第2障壁層之稱呼 而表現活化層4之構造時，活化層4係具有第1障壁層7 、第1輔助層9、井層8、第2輔助層1 〇和第2障壁層7 ’此外，在第2障壁層7上，具有··具備相同於第1輔助 層9、井層8、第2輔助層1 0和第2障壁層7之同樣功能 - 13- (10) 1238543 之複數層。 各個障壁層7係由能夠以化學式inyGa! - yN (在此、 y係滿足〇 < y ^ 〇 · 5之數値）所表示之氮化鎵銦化合物半 導體而構成。該障壁層7之y之理想範圍係0 · 0 1〜〇. 1， 更加理想範圍是〇.〇1〜〇.〇5。在本實施形態，各個障壁層 7係藉由相當於y = 0 · 0 3之I η 〇. 〇 3 G a 〇 9 7 N所形成。各個障 壁層7之厚度係最好是5〜2 0 n m，在本實施形態’成爲 1 0 n m。各個障壁層7係在能帶圖，具有大於井層8之帶 隙。 各個井層8係由能夠以化學式IllxGa] _ χΝ (在此、X 係滿足〇 < X $ 〇 . 5、X > y之數値）所表示之氮化鎵銦化合 物半導體而構成。該井層8係爲了得到小於障壁層7之帶 隙，因此，具有大於障壁層7之In混合比y之In混合比 X。井層8之X之理想範圍係0.0 1〜0.4，更加理想範圍是 0.02〜0.3。在本實施形態，各個井層8係藉由相當於x = 0.2之InuGauN所形成。各個井層8之厚度係最好是1 〜1 Onm，在本實施形態，成爲3nm。 配置於各個井層8和其下側之第1障壁層7間之第1 輔助層9係用以抑制第1障壁層7之Ga和井層8之In間 之相互擴散，藉由能夠以化學式AhGablm - a- bN (在此、 a、b係滿足0<a、b<l、a+b^l之數値）所表示之包 含A1之氮化物系化合物半導體而形成。也就是說，第1 輔助層9係由 A1N (氮化鋁）、AlGaN (氮化鎵鋁）或 A1 Gal nN (氮化銦鎵鋁）所形成。A1之比例a之理想範圍 -14 - (11) 1238543 係Ο · Ο 1〜Ο . 9，更加理想範圍是Ο · 1〜ο · 7。本實施形態之 第1輔助層9係由相當於a=0.5、b=〇.5之Alo.5Gao.5N 所形成。第1輔助層9之A1之比例a係小於第2輔助層 1 〇之A1之比例a，。 第1輔助層9之厚度係最好是〇 · 1〜 2 0nm，更加理想是 0.5〜1 .5nm，在本實施形態，成爲 0.8 nm。該第1輔助層9係形成更加薄於第2輔助層1 〇。 配置於井層8和其上側之第2障壁層7間之第2輔助 層1 〇係主要用以抑制井層8之In蒸發，藉由能夠以化學 式 Ala，Gab，Ini - a，-b，N (在此、a，、b，係滿足 〇< a’、b’ $1、a’+b，^l、a，>a之數値）所表示之包含A1之氮化 物系化合物半導體而形成。也就是說，第2輔助層1 〇係 由 Α1Ν (氮化鋁）、AlGaN (氮化鎵鋁）或 AlGalnN (氮 化銦鎵鋁）所形成。第2輔助層1 0之A1之比例a ’之理想 範圍係0.0 1〜1，更加理想範圍是〇 . 1〜1，在本實施形態 ，成爲a’ =1、b ’= 〇。因此，按照本實施形態之第2輔助 層1 0係由A1N所構成。爲了藉由第2輔助層1 〇而良好 地達成I η蒸發之抑制，因此，最好是設定A1之比例a ’更 加大於第1輔助層9之A1之比例a，並且，設定第2輔 助層1 〇之厚度更加厚於第1輔助層9。第2輔助層1 〇之 厚度係最好是0.5〜3nm ’更加理想是1〜2nm，在本實施 形態，設定成爲1 · 5 n m。 由前面敘述而明顯地得知：第1輔助層9之功能係主 要是第1障壁層7之Ga和井層8之In間之相互擴散之抑 制，第2輔助層1 〇之功能係主要是抑制井層8之In (銦 -15- (12) 1238543 )蒸發。第1及第2輔助層9、1 0之A1 (鋁）係具有抑 制前述相互擴散及抑制I η蒸發之兩種功能。但是，在A1 (鋁）之比例a、a ’變大時，第1及第2輔助層9、1 0之 電阻係增大。此外，隨著第1及第2輔助層9、] 0之厚度 增大而也使得第1及第2輔助層9、1 0之電阻增大。因此 ，必須限制第〗及第2輔助層9、1 0之A1 (鋁）之比例a 、a’及第1及第2輔助層9、10之厚度。根據藉由第2輔 助層1 〇之A1所造成之In蒸發之抑制之活化層4之發光 特性之提升效果係更加大於根據藉由第1輔助層9之A1 所造成之相互擴散之抑制之活化層4之發光特性之提升效 果。因此，最好是設定第2輔助層1 0之A1比例a’更加大 於第1輔助層9之A1比例a，並且，設定第2輔助層1 0 之厚度更加厚於第1輔助層9。 配置於活化層4上之p型半導體層5係最好是在能夠 以化學式AlyGai - yN (在此、y係滿足0$ y < 1之數値） 所表示之GaN (氮化鎵）或AlGaN (氮化鎵鋁）來摻雜p 型雜質而構成。該實施形態之p型半導體層5係由相當於 y = 0之p型GaN所構成。此外，可以在活化層4和p型 半導體層5間，介在p型AlGaN層等之其他氮化鎵系化 合物半導體層。 陽極電極6a係配置在p型半導體層5上面之中央， 並且，電連接於p型半導體層5。此外，可以在p型半導 體層5和陽極電極6 a間，設置P型接點層。此外，可以 在活化層4和陽極電極6 a間，設置習知之電流限制層。 -16- (13) 1238543 陰極電極6b係配置在基板1之下面，並且，電連接於基 板I。 接著，說明按照本發明之第1實施形態之發光二極體 之製造方法。 首先，準備由導入n型雜質之^型矽半導體所構成 之基板1。用以形成緩衝層2之矽基板1某一邊之主面1 a 係在以密勒指數所表示之結晶面方位，成爲（1 1 1 )剛好 面、也就是正確之（1 1 1 )面。但是，可以對於（1 1 1 )剛 好面而在數度之角度範圍內，傾斜基板1之主面1 a。 接著，在基板1之主面la上，形成作爲第1導電型 半導體層一部分之緩衝層2。該緩衝層2係藉由利用習知 之 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ( 金屬有機化學氣相沉積））、也就是有機金屬化學氣相成 長法而重複地層積由A1N所構成之第1層2a和由GaN所 構成之第2層2b來形成。也就是說，將矽單結晶之基板 1配置在MOCVD裝置之反應室內，首先，施加熱退火而 除去表面之氧化膜。接著，在反應室內，供應大約2 7秒 鐘之TMA (三甲基鋁）氣體和NH3 (氨）氣體，在基板1 某一邊之主面，形成由厚度大約5 n m之A1N層所構成之 第1層2 a。在本實施形態，在基板1之加熱溫度成爲 1 120°C後，使得TMA氣體之流量、也就是A1之供應量成 爲大約 6 3 // m ο 1 / m i η，使得Ν Η 3氣體之流量、也就是 Ν Η 3之供應量成爲大約〇 . 1 4 m ο 1 / m i η。接著，在使得基板 1之加熱溫度成爲1 ] 2(TC而停止ΤΜΑ氣體之供應後，在 (14) 1238543 反應室內，供應大約83秒鐘之TMG (三甲基鎵）氣體 NH3 (氨）氣體和SiH4 (矽烷）氣體，在形成於基板1 一邊主面之前述由A1N所構成之第1層2a之上面，形 由厚度大約30nm之η型GaN所構成之第2層2b。在 ，SiH4氣體係用以在形成膜中，導入作爲η型雜質之 。在本實施形態，使得TMG氣體之流量、也就是Ga之 應量成爲大約63 //mol/ min，使得NH3氣體之流量、 就是N Η 3之供應量成爲大約0 . 1 4 m ο 1 / m i η，使得S i HU 體之流量、也就是Si之供應量成爲大約21nmol/min 在本實施形態，重複地進行5 0次之前述由A1N所構成 第1層2a和由GaN所構成之第2層2b之形成，形成 互地層積100層之由A1N所構成之第1層2a和由GaN 構成之第2層2b之緩衝層2。當然，也可以分別改變 A1N所構成之第1層2a和由GaN所構成之第2層2b， 爲25層等之任意數。 接著，在緩衝層2之上面，藉由習知之MOCVD法 依序地連續形成η型半導體層3、活化層4和p型半導 層5。 也就是說，將在上面形成緩衝層2之基板1，配置 MOCVD裝置之反應室內，在反應室內，首先供應三甲 鎵氣體、也就是TMG氣體、ΝΗ3(氨）氣體和SiH4( 烷）氣體，在緩衝層2之上面，形成由η型GaN所構 之η型半導體層3。在此，矽烷氣體係用以在η型半導 層3中，導入作爲η型雜質之Si。在本實施形態，在 某 成 此 Si 供 也 氣 〇 之 交 所 由 成 而 體 在 基 矽 成 體 形 -18 - (15) 1238543 成緩衝層2之基板1之加熱溫度成爲1 04 0 °C後，使得 TMG氣體之流量、也就是Ga之供應量成爲大約4.3 # mol / min，使得NH3氣體之流量、也就是NH3之供應量成爲 大約5 3 . 6 m m ο 1 / m i η，使得S i Η 4氣體之流量、也就是S i 之供應量成爲大約1 . 5 n m ο 1 / m i η。此外，在本實施形態 ’ η型半導體層3之厚度成爲大約0.2// m。在向來之一般 之發光二極體之狀態下，η型半導體層之厚度成爲大約 4 · 0〜5 · 0 μ m，因此，比起這個，第1圖之η型半導體層3 係形成爲非常薄壁。此外，η型半導體層3之雜質濃度係 大約3 X 1 0 1 8cm — 3，充分地低於基板1之雜質濃度。此外 ，如果藉由本實施形態的話，則介在緩衝層2，因此，能 夠在例如1 040 °C之比較高溫度，形成η型半導體層3。 接著，正如第3圖所示，形成活化層4。首先，在η 型半導體層3上，藉由MOCVD法而形成由InyGa!- yN所 構成之障壁層7。也就是說，使得基板1之加熱溫度成爲 8 〇〇 °C，在反應室內，除了 TMG氣體、氨氣體以外，還供 應三甲基銦氣體（以下、稱爲TMI氣體），而在η型半 導體層3之上面，形成例如由In 0.03 Ga〇. 9 7Ν所構成之氮化 鎵銦化合物半導體之障壁層7。該作業之TMG氣體之供 應量係1.1 // mol/ min，TMI氣體之供應量係1.0 // mol/ min。障壁層7之厚度係大約10nm。此外，包含於活化層 4之其他障壁層7係也同樣地形成。 接著，在障壁層7上，藉由 MOCVD法而形成由 AUGabln! - a - bN所構成之第1輔助層9。在該實施形態， -19- 1238543 (16) 作爲第1輔助層9係形成相當於a = 〇. 5、b = 〇. 5之 Al〇.5Ga〇.5N。也就是說，在反應室內，除了 TMG氣體、 势恶體以外’运供應二甲基銘氣體（以下、稱爲TMA氣 體），藉由MOCVD法而形成Al〇.5Ga〇.5N。此時之TMG 氣體之供應量係1·1 V mol / min，TMA氣體之供應量係 1.2 // mol/ min。此外，包含於活化層4之其他第1輔助 層9係也同樣地形成。 接著，在第1輔助層9上，藉由MOCVD法而形成由 InxGa】—XN所構成之井層8。也就是說，在反應室內，除 了 TMG氣體、氨氣體以外，還供應TMI氣體，而在第1 輔助層9之上面，形成例如由Ino.2Gao.8N所構成之氮化 鎵銦化合物半導體之井層8。該作業之TMG氣體之供應 量係 1 . 1 // m ο 1 / m i η，Τ Μ I氣體之供應量係 4 · 5 μ m ο】/ m i n。井層8之厚度係大約3 n m。此外，包含於活化層4 之其他井層8係也同樣地形成。 接著，在井層 8上，藉由 MOCVD法而形成由 Ala，Gab_Ini- a，- b>N所構成之第2輔助層10。在該實施形 態，作爲第2輔助層1 〇係形成相當於a ’ = 1、b ’二0之 A1N。也就是說，在反應室內，除了氨氣體以外，還供應 三甲基鋁氣體（TM A氣體），藉由MOCVD法而形成A1N 。此時之Τ Μ A氣體之供應量係2.4 /i m ο 1 / m i η。此外， 包含於活化層4之其他第2輔助層1 0係也同樣地形成。 接著，使得基板1之加熱溫度成爲1 040 °C ，在反應 室內，供應TMG氣體、氨氣體和雙環五二鑰鎂氣體（以 -20- 1238543 (17) 下，稱爲Cp2Mg氣體。）而在活化層4之上面，形成由p 型GaN (氮化鎵）所構成之P型半導體層5。在此’ CP2 Mg氣體係用以在半導體層5中，導入作爲P型導電型 雜質之M g (鎂）。在本實施形態，此時之T M G氣體之流 量成爲大約4.3 m 〇 1 / ni i η ’使得氨氣體之流蓮:成爲大約 5 3 . 6 // m ο 1 / m i η ’使得C ρ 2 Μ g氣體之流里成爲大約〇 . 1 2 A mol/ min。p型半導體層5之厚度係大約〇·2 // m，此外 ，p型半導體層5之雜質濃度係大約3x1 018cm — 3。 如果藉由前述Μ Ο C V D成長方法的話’則能夠形成良 好地連續由矽單結晶所構成之基板1結晶方位之緩衝層2 。此外，可以對於緩衝層2之結晶方位’而使得η型半導 體層3、活化層4和ρ型半導體層5之結晶方位呈一致。 作爲第1電極之陽極電極6 a係例如藉由利用習知之 真空蒸鍍法等而使得鎳附著在P型半導體層5之上面所形 成，呈低電阻地接觸到P型半導體層5之表面。在ρ型半 導體層5上面中之並無形成陽極電極6 a之區域係發揮作 爲光取出區域之功能。 作爲第2電極之陰極電極6 b係例如藉由利用習知之 真空蒸鍍法等而將鈦和鋁形成在基板1之下面整體。 本實施形態之發光元件、也就是發光二極體係具有以 下效果。 (1)在多重井構造之活化層4之井層8和其上面之 障壁層7間，配置具有防止In蒸發之功能之第2輔助層 10，因此，在井層8上藉由M OCVD法而形成第2障壁層 -21 - (18) 1238543 7時’藉由第2輔助層1 0而抑制井層8之 藉此而良好地保持井層8之結晶性，並且， 8之In進入至障壁層7所造成之障壁層7 ’能夠提供發光特性良好之發光元件。 (2 )在活化層4之井層8和其下面之 配置具有阻止I η及G a間之擴散之功能之第 因此，可以在由活化層4之形成作業、p型 形成作業和p型半導體層5形成之更加後面 之1個或複數個或者是這些之全部作業之熱 壁層7之G a和井層8之In間之相互擴散。 助層1 0係也相同於第1輔助層9，具有防 Ga和井層8之In間之相互擴散之功能。可 地保持障壁層7和井層8之結晶性，提供發 發光元件。 (3 )使得第2輔助層I 0之A1混合比 輔助層9之A1混合比，並且，第2輔助層 厚於第1輔助層9之厚度，因此，能夠良好 之In蒸發。此外，使得第1輔助層9之A1 於第2輔助層1 〇之A1混合比’並且，第1 度更加薄於第2輔助層1 0之厚度’因此’ 輔助層9之電阻增大。 (4)可以藉由第1及第2輔助層9、1 半導體層5之導電決定雜質，擴散至活化層 活化層4之結晶惡化。
In蒸發。可以 防止由於井層 之結晶性惡化 障壁層7間， ;1輔助層9， 半導體層5之 之作業所選出 處理，防止障 此外，第2輔 止障壁層7之 以藉此而良好 光特性良好之 ，更加大於第1 1 〇之厚度更加 1地抑制井層8 混合比更加小 輔助層9之厚 能夠抑制第1 0而抑制p型 4，肯g夠防止 广〇 (19) 1238543 (5 )由緩衝層2之A1N所構成之第1層2a之格子常 數係具有矽晶板1和GaN間之値，因此，由A1N所構成 之第1層2 a係可以良好地連續矽晶板1之結晶方位。結 果，可以在緩衝層2某一邊之主面上，使得結晶方位呈一 致而良好地形成η型半導體層3、活化層4和p型半導體 層5等之GaN系半導體。因此，使得發光特性變得良好 〇 (6)在透過由層積複數層之第1層2a和第2層2b 所構成之緩衝層2而形成η型半導體層3、活化層4和p 型半導體層5等之時，使得這些之平坦性變得良好。也就 是說，在由矽所構成之基板1某一邊之主面而如果形成僅 藉由 GaN半導體層所構成之緩衝層之狀態下，矽和GaN 係格子常數之差異大，因此，無法在該緩衝層之上面，形 成平坦性良好之η型半導體層3等之GaN系半導體區域 。此外，在僅藉由比較厚之AIN而形成緩衝層時，緩衝 層之電阻係變大。此外，在僅藉由比較薄之 A1N而形成 緩衝層時，無法得到充分之緩衝功能。相對於此，在本實 施形態，在基板1和η型半導體層3等之GaN系半導體 區域間，設置：介在由和矽間之格子常數差比較小之A 1 N 所構成之複數層之第1層2a並且在第1層2a之相互間而 介在第2層2b之複合構造之緩衝層2。因此，可以在緩 衝層2上，形成平坦性及結晶性良好之η型半導體層3等 之GaN系半導體區域。結果，使得發光特性變得良好。 (7 )設定包含在緩衝層2之複數層之第1層2a之各 (20) 1238543 個成爲產生量子力學之隧道效果之厚度，因此，可以 緩衝層2之電阻增大。 (8 )可以抑制起因於砂基板1和η型半導體層 之G aN系半導體區域間之熱膨脹係數之差異所造 形產生。也就是說，矽之熱膨脹係數和GaN之熱 數係非常不同，因此，在直接地層積兩者時，容易違 因於熱膨脹係數之差異所造成之變形。但是，本實拥 之由A1N所構成之第1層2a之熱膨脹係數係具有形 1之熱膨脹係數和η型半導體層3等之GaN系半導i 之熱膨脹係數間之中間値。此外，由第1層2 a和第 2 b間之複合層所構成之緩衝層2之平均熱膨脹係數 有基板1之熱膨脹係數和η型半導體層3等之GaN 導體區域之熱張係數間之中間値。因此，可以藉由 衝層2而抑制起因於矽基板1和η型半導體層3等之 系半導體區域間之熱膨脹係數之差異所造成之變形產 (9)設定第2層2b之厚度成爲1〇nm以上之 ，因此，抑制在第2層2b之價電子帶和傳導帶之離 級之產生’抑制有關於第2層2 b載體傳導之能級增 也就是說’阻止第1層2a和第2層2b成爲超格子狀 結果，抑制基板1和第2層2b間之能帶非連續性之 ，使得陽極電極6a和陰極電極6b間之電阻及電壓變 接者’說明按照第4圖所示之第2實施形態之發 極體。但是，在第4圖，在實質相同於第丨圖之同樣 ，附加相同之圖號而省略其說明。 、抑制 3等 ，之變 脹係 生起 ，形態 基板 :區域 2層 係具 系半 該緩 GaN 生。 3 0 n m 散能 大。 態。 惡化 低。 光二 部分 - 24- (21) 1238543 按照第4圖所示之第2實施形態之發光二極係除了不 具有相當於按照第1圖之第1實施形態之發光二極體之η 型半導體層3者以外，其餘係相同於按照第1圖之第1實 施形態之發光二極體而構成。在第4圖，活化層4係直接 地配置在η型緩衝層2上。因此，第4圖之η型緩衝層2 係發揮作爲本發明之第1導電型半導體層之功能。第4圖 之發光二極體係比起第1圖之介在薄壁之η型半導體層3 而形成活化層4之狀態，還具有更加緩和施加在活化層4 之拉引應力之效果。因此，活化層4之結晶性係變得良好 ，使得發光元件之發光特性變得更加良好。 本發明係並非限定在前述實施形態，例如可以進行以 下之變化。 (1 )可以使得基板1，成爲單結晶矽以外之多結晶 矽或SiC等之矽化合物或者是藍寶石。 (2 )能夠使得矽基板】、緩衝層2、η型半導體層3 、活化層4及ρ型半導體層5之導電型，相反於實施形態 〇 (3 )能夠使得緩衝層2、η型半導體層3及ρ型半導 體層5之各個，成爲由GaN (氮化鎵）、AlInN (氮化銦 鋁）、AlGaN (氮化鎵鋁）、InGaN (氮化鎵銦）及 All nGaN (氮化鎵銦鋁）所選出之氮化鎵系化合物半導體 或氮化銦系化合物半導體。 (4 )可以藉由複數層之半導體層之組合而構成^型 半導體層3及ρ型半導體層5之各個。 -25- (22) 1238543 (5 )可以使得陽極電極6 a，成爲透明電極。 (6 )可以使得緩衝層2之第1層2a之數目更多1層 於第2層2b而使得緩衝層2之最上層，成爲第1層2a。 此外，相反地，也可以使得第2層2b之數目更多1層於 第1層2a。 (7)也可以不成爲多重量子井構造而成爲單一量子 井構造。在該狀態下，藉由1個井層8、第1及第2障壁 層7和第1及第2輔助層9、10而形成活化層。 (8 )可以在由活化層4中之障壁層7、第1輔助層9 、井層8和第2輔助層10所選出之1個或複數個或者是 全部，摻雜η型雜質或p型雜質。 (9 )可以將陰極電極6b直接地連接在緩衝層2。 【產業上之可利用性】 本發明係可以利用在發光二極體等之半導體發光元件 【圖式簡單說明】 第1圖係槪略地顯示按照本發明之第1實施形態之發 光二極體之中央縱剖面圖。 第2圖係擴大而顯示第1圖之緩衝層一部分之剖面圖 〇 第3圖係擴大而顯示第1圖之活化層一部分之剖面圖 -26- (23)1238543 第4圖係槪略地顯示按照本發明之第2實施形態之發 光二 :極 體 之中央縱剖面圖 【圖號 說 明】 1 低 電阻基板 la 主 面 2 η 型緩衝層 2 a 第 1層 2b 第 2層 3 η 型半導體層 4 多 重井構造活化層 4 a 主 面 4b 主 面 5 Ρ 型半導體層 6 a 陽 極電極 6b 陰 極電極 7 障 壁層 8 井 層 9 第 1輔助層 10 第 2輔助層 >27-
Claims (1)
- (1) 1238543 拾、申請專利範圍 1. 一種半導體發光元件之製造方法，其特徵爲：係具 有量子井構造之活化層之半導體發光元件之製造方法，包 含：準備第1導電型半導體層（3 )之作業以及具有以下 作業而形成量子井構造之活化層（4 )之作業；具有：在 前述第1導電型半導體層（3)上，藉由有機金屬化學氣 相成長法而形成由I n y G a ! — y N (在此、y係滿足0 < y $ 0 · 5 之數値）所構成之第1障壁層（7 )之第1作業；在前述 第1障壁層（7 )上，藉由有機金屬化學氣相成長法而形 成由 AlaGabIn】-a-bN (在此、a、b 係滿足 〇<a、b<l、a + b S 1之數値）所構成之第1輔助層（9 )之第2作業； 在前述第1輔助層（9)上，藉由有機金屬化學氣相成長 法而形成由InxGai _ χΝ (在此、X係滿足〇 < xS 0.5及y < X之數値）所構成之井層（8)之第3作業；在前述井層 (8)上，藉由有機金屬化學氣相成長法而形成由 Ala.Gab，In】-a，— b，N (在此、a’及 b，係滿足 0 < a，、b，< 1、 a’ + b ’ S 1之數値）所構成之第2輔助層（1 0 )之第4作 業；以及，在前述第2輔助層（】0 )上，藉由有機金屬化 學氣相成長法而形成由InyGa^ yN (在此、y係滿足〇< y $ 〇 · 5之數値）所構成之第2障壁層（7 )之第5作業。 2 .如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件之 製造方法，其中，還包含：在前述第5作業後，藉由重複 地進行相同於前述第2、第3、第4及第5作業之同樣作 業而形成多重量子井構造之活化層（4 )之作業。 - 28- 1238543 (2) 3 .如申請專利範圍第1或2項所記載之半導體發光元 件之製造方法，其中’由則述A 1 a ’ G a b，I η】_ a，_ b，n所構成 之第2輔助層（1 〇 )之A1比例a ’係大於由前述 A ] a G a b I n】_ a _ b N所構成之第1輔助層（9 )之a 1比例a。 4 ·如申請專利範圍第1或2項所記載之半導體發光元 件之製造方法，其中，由前述A 1 a，G a b，I η】_ a, — b , n所構成 之第2輔助層（1 〇 )係形成更加厚於由前述 AlaGabIni_a_bN所構成之第1輔助層（9) 〇 5 · —種半導體發光元件，其特徵爲：係依序地具有第 1導電型半導體層（3)、量子井構造之活化層（4)和第 2導電型半導體層（5)之半導體發光元件；前述活化層 (4)係具有：配置在前述第1導電型半導體層（3)上並 且由InyGai — yN (在此、y係滿足0< y ^ 0.5之數値）所 構成之第1障壁層（7)、配置在前述第1障壁層（7)上 並且由 AhGablnmNC在此、a、b係滿足〇<a、b<l 、a + b ^ 1之數値）所構成之第1輔助層（9 )、配置在 則述第1輔助層（9 )上並且由I n x G a ] - x N (在此、X係滿 足0<xS0.5及y<x之數値）所構成之井層（8)、配置 在前述井層（8)上並且由Ala，Gab,In]-a，— b«N(在此、a’ 及b係滿足〇<a’、b’<l、a’+b’Sl之數値）所構成之 第2輔助層（1 〇 )、以及配置在前述第2輔助層（1 〇 )上 並且由InyGa】_ yN (在此、y係滿足〇< y $ 〇.5及y < X之 數値）所構成之第2障壁層（7 )。 6 .如申請專利範圍第5項所記載之半導體發光元件’ -29- (3) 1238543 其中，前述活化層係爲了得到多層量子井構造之活化層’ 因此，還在前述第2障壁層上，具有相同於前述第1輔助 層（9)、前述井層（8)、前述第2輔助層（1〇)和前述 第2障壁層之同樣功能之複數層。 7 .如申請專利範圍第5或6項所記載之半導體發光兀 件，其中，由前述Ala，Gab，Ini— a，— b,N所構成之第2輔助 層（10 )之A1比例a’係大於由前述AlaGabln】-a - bN所構 成之第1輔助層（9 )之A1比例a。 8 ·如申請專利範圍第5或6項所記載之半導體發光元 件，其中，由前述Ala，Gab，Ini-a,— b，N所構成之第2輔助 層（1 〇 )係形成更加厚於由前述AlaGatJm - a - bN所構成 之第1輔助層（9 )。 9.如申請專利範圍第5或6項所記載之半導體發光元 件，其中，前述第1導電型半導體層係由AUGanN (在 此、X係滿足〇 < X S 1之數値）所構成並且具有產生量子 力學隧道效果之厚度之第1層（2a)以及AlyGa】-yN (在 此、y係滿足y < X及 〇 S y < 1之數値）所構成並且具有 更加厚於前述第1層（2a)及l〇nm〜500n m厚度之第2 層（2b )之複合層而組成。 - 30-
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