TWI240429B - Group III nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
1240429 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明是關於第III族氮化物半導體發光元件及其製造 5 方法。
【先前技J 發明背景 近幾年來，發光二極體（以下簡稱”LED”)和雷射二極體 (以下簡稱”LD”）兩者已知是由第][Π族氮化物形成。 10 在第1圖顯示的LD元件1中，其是藉由第πΐ族氮化物半 導體材料做成，在藍寶石基材2上有氮化鋁緩衝層3、〜型 氮化鎵之η-型接觸層4、由氮化鋁鎵製成的n-型包覆層5、n_ 型氮化鎵之η-型導層6、一具有氮化銦鎵之主成分的作用層 7、ρ_型氮化鎵之ρ-型導層8、ρ-型氮化鋁鎵之ρ-型包覆層9、 15 和Ρ-型氮化鎵之Ρ-型接觸層1〇,依提及的順序一個接著另一 個形成。形成的該ρ-型接觸層1〇有一凸狀隆起緣1丨突出於 其厚度方向。除了在隆起緣11的平頂之外，有一絕緣層形 成’，而且ρ-型電極13以覆蓋該隆起緣11的方式被提供。 應該注意的是η·型電極14是形成在η-型接觸層4上。 20 當一正向偏壓被施加在Ρ-型電極13和η-塑電極14之間 時，電洞和電子分別由ρ-型電極13和η-型電極14射入作為載 子之该LD元件1中’同時在該作用層7中彼此再結合而發 光0 如上面建構之該LD元件1被裝配，使得該作用層由其 1240429 相對側被炎在该些導層之間’再者該作用區域與該此導層 由其外侧被夾在該些包覆層之間，藉此該些載子藉由該些 導層而被侷限在該作用層中，而且光線被侷限在該些導層 中’同時該作用層被該些包覆層限制。這個結構是已知有 5 SCH結構(個別侷限式異質結構）。 有上面提及的SCH結構之第III族氮化物半導體雷射元 件能夠藉由增加該些包覆層的厚度或在該些包覆層中氮化 銘的莫耳分率，而提升該元件之光束困因子（nght confinement factor) 〇 10 不過，已知的是當該氮化鋁鎵之η-型包覆層5厚度被增 加，或在該些包覆層中氮化鋁的莫耳分率被增加時，在該 η-型包覆層5中會產生抗張應力，因為氮化鋁鎵的晶格常數 比氮化鎵的晶格常數小，這會造成裂縫可能被產生（舉例 來說，見日本專利申請Kokai第Η11-74621號）。裂縫開始發 15生之該n_型包覆層5的厚度被稱為，，裂縫產生之臨界層厚度，， 或簡稱”臨界層厚度”。在該n_型包覆層5產生的該些裂縫會 降低該LD元件的發光性質。 為了克服該問題，意即避免裂縫在該n_型包覆層中產 生，其已經提出在該n-型接觸層和該n-型包覆層之間提供一 20阻止裂縫層（未顯示），以緩和在該η-型包覆層中產生抗張應 力。由氮化銦鎵形成之該阻止裂縫層具有1〇〇Α至〇5微米的 厚度(舉例來說，見日本專利申請Kokai第Η9-148247號）。 在傳統的發光元件中，其中該氮化銦鎵層被提供在氮 化鎵層和该氮化鋁鎵層之間，以便減少裂縫的發生，它必 1240429 須在形成該阻止裂縫層之前或之後，升高或降低該基材的 溫度，因為氮化銦鎵晶體的成長溫度（大約700°Cs800。^) 比氮化鎵和氮化鋁鎵晶體的成長溫度（大約1000°c至1100 °c)低。再者，氮化銦鎵的晶體成長率比氮化鎵的晶體成長 5 率低，所以它花一長的時間製作發光元件。 另外，氮化銦鎵比氮化鎵需要更大量的氮源材料，其 被使用於晶體成長反應中，諸如氨或類似物，結果會增加 製造發光元件的製造成本。 再者，氮化銦鎵比氮化鎵和氮化鋁鎵有更大的折射 10率，因此，當該氮化銦鎵層被使用作為該}型包覆層下之 一層時，沒有完全被該包覆層侷限的光線更有可能洩漏。 而且，當該阻止裂縫層之銦成分等於或大於發光層之銦成 分時，該阻止裂縫層是當作一吸收光線層，這會引起波導 損失。這對臨限電流數值的提高是一不利的因素。 15 【發明内容】 發明概要 本發明要解決的問題包括，舉例來說，上面提到的問 題。 依據本發明，有一第III族氮化物半導體發光元件被提 20供，其包括n_型氮化鎵之n-型接觸層、Π-型氮化鋁^家^一因 y(0<X<l、〇<y<l、（Xx+yd)之1型包覆層、一作用層、严 型包覆層和p-型接觸層，其包含被提供在該n_型接觸層和該 η-型包覆層之間的η-型氮化鎵阻止裂縫層，其中該阻止裂縫 層具有比該η-型接觸層之滲雜劑濃度更低的滲雜劑濃度。 1240429 依據本發明的另一aspect，一種製造具有藉由在基材上 、，個接著一個依序堆疊第ΙΠ族氮化物半導體之多層結構的 半導體發光元件被提供，該方法包含形成η-型氮化鎵之n- 里接觸層、與形成η-型氮化鎵之阻止裂縫層的步驟，該阻 止裂縫層具有之滲雜劑濃度小於該η -型接觸層的滲雜劑濃 度。 圖式簡單說明 第1圖疋傳統LD元件的截面圖式， 第2圖是依據本發明之LD元件的截面圖式， 1〇 第3圖顯示在滲雜劑濃度為4 X 1018 cm·3之氮化鎵上的 型包覆層的照片，和 第4圖顯示在滲雜劑濃度為2x 1018 cm·3之氮化鎵上的 η-型包覆層的照片。 C實施方式】 15較佳實施例之詳細說明 現在將參考該些圖式而對本發明之實施例做詳細的說 明。應δ亥注意的是，在該些圖式中，彼此相似或相同的組 件零件與儿件會被指定相同的參考數標。 首先談到第2圖，依據該實施例之LD元件1Α包含一在 20藍寶石基材2上的氮化鋁緩衝層3。該緩衝層3有大約50奈米 的厚度。 在該緩衝層3上有一η-型氮化鎵之η-型接觸層4Α。該η-型接觸層4Α含有矽作為滲雜劑。矽的原子濃度是1χΐ〇19 cm_3。該滲雜劑濃度較好是在4x 1018cm·3到2x 1〇19咖·3的 1240429 範圍這疋因為是在该範圍的滲雜劑濃度有助於該整個ld 元件之争聯電阻的降低。 一〜型電極被形成在該n-型接觸層4A上，而且在遠 離5亥〜型電極14的位置有一η-型氮化鎵之阻止裂縫層15形 成。該阻止裂縫層15含有濃度是ixl0i7 cm·3的矽滲雜劑，且 2微米的厚度。包含在該阻止裂縫層15之矽滲雜劑濃度較好 低於該η-型接觸層4A中含有的矽滲雜劑濃度，較好低於4χ 1 A 18 .3 υ cm 。該矽滲雜劑濃度更好是在5\1〇16〇111-3到5乂1()17 CW3的範圍。 其可以相信由於該阻止裂縫層15之該滲雜劑濃度低於 -型接觸層4A之滲雜劑濃度，該阻止裂縫層15的電阻變 馬 ^致4LD元件之驅動電壓增壓。不過，當降低時，載 子的遷移率會增加，因此該阻止裂縫層15的電阻係數增加 會被抑制。再者，在該阻止裂縫層15中之電流通道的長度 15與該阻止裂縫層15的厚度相等，因為電流是在該阻止裂縫 層15a的厚度方向流動。更明確地，阻止裂縫層15的厚度是 數微米，反之通過該整個LD元件的電流長度是在1〇〇微米 的數量級，所以該阻止裂縫層15的電阻值與該整個LD元件 的電阻值比是很小的。因此，，即使在該LD元件中包含具有 20 一低滲雜劑濃度之η-型氮化鎵的該阻止裂縫層15，對於該 整個元件的電阻之不良影像是很小的。 η-型氮化铭ο.ο8蘇%之η-型包覆層5Α被形成在該阻止 裂縫層15上。該η-型包覆層5Α具有1.2微米的厚度，而且矽 滲雜劑濃度是2 X 1018 cm-3。 1240429 在《亥η-型包覆層5A以下立即提供具有低石夕滲雜劑濃度 之&型氮化鎵的該阻止裂縫層15已增加該n-型包覆層5A之 臣°°界層厚度。這清楚地顯示於第3圖和第4圖中，其圖式說 5明^個別的情況中之裂縫的發生，其中由η-型氮化銘請鎵 5 G.92製成，同時具有0·5微米厚度之η-型包覆層是形成在具有 同夕〇雜劑》辰度之η-型氮化鎵層上。更明確地，具有較 t的矽滲雜劑濃度之η_型氮化鎵層（第4圖中顯示的）之裂縫 毛生的在度更低。其假設該降低的滲雜劑濃度使該氮化鎵 體較乂有因為渗雜造成的硬化現象，而且者可能使該卜 10型鼠化鎵層形變，因而降低在該氮化鎵層上之該}型包覆 層的抗張應力。 15 4〜型包覆層5Α的臨界層厚度不僅與該阻止裂縫層b 的滲雜劑濃度有關，也與⑴在該n•型包覆層认中氮化㈣ 莫耳分率，和⑺該η-型包覆層认之該滲雜劑濃度有關。當 該二參數之烟的數值被增加，腿界層厚度被降低，使 得裂縫更容易產生。不過，雜止裂縫層15的提供，使起 可能增加該些參數之個別的值。藉由增加氮她的莫耳分 率的⑴參數，其可能有效地限制在該LD元件1Α中產生的光 線。再者，藉由增加該滲雜劑濃度之⑺參數，該^型包覆 層的電阻係數減少，而降低該元件的串聯電阻，因此該元 件的驅動電壓被降低。應能意的是該…型包覆層5Α可以 由11-型氮化！呂\鎵1，銦)^(〇<\<1、〇<乂<1、〇<^+^1)开)成 一 〇·05微米厚度之η-型氮化鎵的η-型導層(gu layer)6,與作用層7依提及的順序—個接著另一個形成在 20 1240429 η-型包覆層5A上。另一方面’由該…型導層6之該側藉由沈 積含有碎滲雜劑之氮化銦鎵的阻隔層，與不切渗雜劑， 且由具有該些姐隔層更多之銦濃度之氮化銦鎵形成之井 層（未顯不）直’直到預定數目的井被形成最後在該些層的 頂端沈積-阻隔層而生成之多量子井(以下簡稱"Μ，) 作用層的作用層7。 類似在第i圖圖式說明的LD元件，型氮化嫁之&型導 層8、卜型氮化紹鎵之P-型包覆層9、P-型氮化鎵之P-型接觸 層10和p-型電極13，-提到的順序一個接著另一個形成在 ίο α亥作用層7上。應該注意的是，一 型氮化銘鎵之電子阻隔 層（未顯示)被插在該作用層7和該p_型導層8之間。 接著，將對於一種製造上面說明的以^元件做說明。一 作為基材之藍寶石晶圓被放置在]^〇(：¥1)(金屬_有機化學 蒸’Λ沈積）系統之反應器中，並且保持在1 〇5〇。〇溫度下於 15 300托耳(Torr)之壓力的氫氣流中1〇分鐘，使其表面被清 潔。然後，藍寶石基材被冷卻到4〇〇°C，同時氨(NH3)，其 是氮源材料、和三甲基鋁（TMA)，其是鋁源材料被引入而 沈積一緩衝層。 在緩衝層已經被形成之後，在一已經停止供應TMA， 20而僅持續供應NH3的情況中，該基材的溫度再一次被升到 1050°C，然後三甲基鎵(TMG)被引入該反應器中，以進行 用於生成η-型氮化鎵之n型接觸層之n_型接觸層形成步 驟。在該η-型接觸層形成步驟中，甲基矽烷(Me-SiH3)被加 入生長環境氣體作為矽之源材料。該加入之Me-SiH3的量被 1240429 調整，使得在該產生的層_之矽的原子濃度等於ΐχΐ〇19 cm'3 ° 在該η-型接觸層生長到1〇微米的厚度之後，氏的 流速被降低’以近行形成具有1x1 〇17 cm·3之矽原子濃度的阻 5止裂縫層之阻止裂縫層生成步驟。在該阻止裂縫層生成步 驟中，它只需要減少Me-SiH3的流速，其是滲雜劑材料，用 於該η-型接觸層形成步驟，而且它不需要通映其他任何的 材料製5亥反應為'，或提升或降低該反應器的溫度。換句話 說，相同的材料被用於形成該化型接觸層與該阻止裂縫 10層，使其可能降低材料成本與製造該LD元件需要的時間。 ΤΜΑ被引入反應器中以形成η_型氣化铭〇⑽錄〇 %之化型包 覆層。被允許流進該反應器之Me-SiH3的量被調整，使得在 該η-型包覆層中之矽的原子濃度等於2xl〇i8cm-3。因為氮化 紹鎵晶體的晶體成長溫度大約與氮化鎵的晶體成長溫度相 15專’其不需要升南或降低反應器的溫度。 然後’ TMA的供給被停止，而且n-型氮化鎵之n_型導 層是生長至0.05微米的厚度。當該η-型氮化鎵導層的生長已 經完成時，TMG和Me-SiH3的供應被停止，而且該基材溫度 被降低至770°C。 20 該基材溫度已經被降低至770°C之後，該承載氣體也就 是該輸送源材料的氣體是由氫氣轉換成氮氣，同時TMG，、 二甲基姻（TMI)和Me-SiH^被引入，以造成阻隔層的沈積。 然後，Me-SiH3的供應被停止，同時TMI的流速被增加， 因此一具有比該阻隔層更高的銦組成之井層被沈積。依據 12 1240429 MQW設計重覆數目組，重複進行阻隔層的生長與井層的生 長。一阻隔層被生長在最後的井層上，以完成MQW作用層 之形成。TMI和Me-SiH3的供應被停止。然後，TMA和作為 鎂源材料之乙基環戊二烯鎂(EtCp2Mg)被引入代替TMI和 5 Me-SiH3，藉此生長一鎂滲雜之氮化鋁〇.()8鎵0.92之電子阻隔 層。當該電子阻隔層的厚度已經到達200埃時，TMG、TMA 和EtCp2Mg的供應被停止，另外該承載氣體由氮氣換成氫 氣，並且開始增加溫度。 在基材溫度已經到達1050°C之後，TMG和EtCp2Mg被 10 引入，以生長一鎂滲雜的氮化鎵之p-型導層。當該p-型導層 的厚度已經到達0.05微米時，TMA被引入以沈積一鎂滲雜 的氮化铭G.〇8鎵0.92之P-型包覆層。 在該P-型包覆層的厚度已經已經生長到〇·5微米時之 後，ΤΜΑ的供應被停止，以生長鎂滲雜的氮化鎵之ρ-型接 15觸層。當該Ρ-型接觸層的厚度已經等於〇·1微米時，TMG和 EtCp2Mg的供應被停止，並且開始降低溫度。當該基材溫 度降低至400°C或更低時，Η%的供應被停止。該基材溫度 專於至/JDL之後，將具有LD結構之該些層沈積其上的晶圓由 該反應器取出。 20 接著，在進行傳統光微影程序以及乾蝕刻而在該p-型 接觸層形成隆起緣之後，除了在該隆起緣的平頂之外，生 成一絕緣層，另外形成一 P-型電極。同樣地，在藉由部分 蚀刻使該卜型接觸層被暴露之後，形成1·型電極。晶圓被 分開成元件，因此而獲得LD元件。 13 1240429 雖然監實石被當作基材材料使用，但是這不限制，伸 它可能使用碳化矽基材、氮化鎵塊材、矽基材，以及預先 在例如藍寳石之基材上生長氮化鎵而形成之基材。 藉由進行上面說明的步驟而製成之該1^〇元件的特性 5被量測。使用具有2微米之隆起緣寬度與0.6毫米空腔長度 的LD元件進行量測。應該注意的是，一傳統的]^〇元件，如 第1圖所不之該相同的1^〇元件丨被使用。該傳統的[〇元件具 有石夕滲雜劑濃度為2xlf cm-3之η·型接觸層4，並且有厚度 0.8微米之n-型包覆層5。 1〇 纟依據本發明之實施例的發光it件中，雷射振盈發生 在405奈米的波長，臨限電流值為4〇毫安培。另外，在$毫 瓦的輸出下該發光元件的驅動電壓是5·4伏特。另一方面， 在傳統發光元件中，雷射振靈發生在406奈米的波長，臨限 電流值為45毫安培。在5毫瓦的輸出下，傳統發光元件的驅 15動電壓是6.2伏特。因此，它可能藉由提供具有較高的渗雜 劑?辰度之η-型包覆層，與具有滲雜劑濃度低於在該[〇元件 中之該η-型接觸層的滲雜劑濃度之阻止裂縫層，而降低該 LD元件的串聯電阻，但沒有在該仏型包覆層中產生裂縫。 由該些上面說明的LD元件之一發射的雷射光束之 20 FFP(遠場圖案）被量測。如由傳統的LD元件發出的雷射光 束，由於讜光束的漏洩，在主峰的兩邊可見到側峰。在比 較下，依據本發明之該LD元件的雷射光束呈現出高斯分 佈。其假δ又產生裂縫的臨界條件會由於提供該阻止裂縫層 而被緩和，因此其可能形成具有比傳統元件之該卜型包覆 1240429 層的厚度更大之tl-型包覆層，這是由於該元件的光線限制 效應的改善，從而改善該FFP。 雖然在上面的實施例中，矽被使用作為該仏型滲雜 劑’但是這不限制，鍺也可以被使用。 5 再者’雖然所給定之該說明只是該些LD元件，本發明 沒有限制在該些Ld元件。本發明也可以應用在LEDs(發光 二極體）。特別地，在用於發射36〇奈米或更短的波長之短 波LED的情況中，該氮化鎵層是用作吸光層，所以具有高 铭組成之氮化鋁鎵包覆層，或布拉袼(Bragg)反射器結構需 10要被提供在該作用層下方。因此，在該包覆曾與該-型接觸 層之間插入一具有低滲雜劑濃度之阻止裂縫層是非常有效的。 依據包含η-型氮化鎵之n-型接觸層、卜型氮化鋁<鎵1-^ 銦y(0<x<l、〇<y<l、〇<x+y<1)之η-型包覆層、一作用層、 Ρ-型包覆層和ρ-型接觸層之第III族氮化物半導體發光元 15件，該發光元件含有一在該η-型接觸層和該η_型包覆層之間 的η-型氮化鎵阻止裂縫層，其中該阻止裂縫層具有的滲雜 劑濃度比該η-型接觸層之滲雜劑濃度更低，由於具有低滲 雜劑濃度之該阻止裂縫層的提供，它可能增加該η_变包覆 層的厚度或在該η-型包覆層中之氮化紹的莫耳分率，而沒 20有產生裂縫。因此，該元件之發光效率可以被改善。而且’ 它可能降低該元件的串聯電阻，因為該〜型接觸層之滲雜 劑濃度可以被增加。 依照製造藉由在一基材上依序形成一個接著一個第III 族氮化物半導體發光元件，而獲得具有多層結構的半導體 15 1240429 發光元件的方法，該方法包含形成η-型氮化鎵之η-型接觸 層、與形成η-型氮化鎵之阻止裂縫層的步驟，該阻止裂縫 層具有之滲雜劑濃度小於該η-型接觸層的滲雜劑濃度，它 可能由相同的材料形成該η-型接觸層與該阻止裂縫層，它 5 可能減少用於製造該半導體發光元件的材料成本與時間。 本發明已經參考其較佳的實施例而被說明。熟悉該技 藝者應該瞭解的是可以由上面說明之該些實施例做各種的 改變與修正。因此其預期該些附錄的申請專利範圍會包含 所有該些改變與修正。 10 【圖式簡單說明】 第1圖是傳統LD元件的截面圖式， 第2圖是依據本發明之LD元件的截面圖式， 第3圖顯示在滲雜劑濃度為4 X 1018 cnT3之氮化鎵上的 η-型包覆層的照片，和 15 第4圖顯示在滲雜劑濃度為2χ 1018 cm_3之氮化鎵上的 η-型包覆層的照片。 【圖式之主要元件代表符號表】 1、1Α…雷射二極體 2···藍寶石基材 3···氮化I呂緩衝層 4···η-型氮化鎵之η-型接觸層 5、5Α···η-型包覆層 6···η-型氮化鎵之η-型導層 7…作用層 8···ρ-型氮化鎵之ρ-型導層 9…ρ-型氮化鋁鎵之ρ-型包覆層 10…ρ-型氮化鎵之ρ-型接觸層 ll···隆起緣 13…p-型電極 14…η-型電極 15…阻止裂縫層 16
Claims (1)
1240429 fi 拾、申請專利範圍： 第92127817號專利巾請”請專利範圍修正本败) 1. 修正曰期：2005年3月7曰 種包括η-型氮化鎵之n_型接觸層、卜型 AlxGa】-xN(〇<X<1)之型包覆層、作用層、P-型包覆層和 Ρ-型接觸層的第ΠΙ族氮化物半導體發光元件，包含··一 设置於該η·型接觸層和該n_型包覆層間之^型氮化蘇的 阻止裂縫層’其中該阻±裂縫層具有比_型接觸層之 /夢雜劑濃度更低的滲雜劑濃度。 10 •如申3月專利範圍第1項的第m族氮化物半導體發光元 件，其中該阻止裂縫層具有低於和1〇18(^3的滲雜劑濃 度0 •如申請專利範圍第2項的第m族氮化物半導體發光元 件，其中該阻止裂縫層具有在5xl〇】6 cm·3至5χΐ〇η cm_3 範圍中之的滲雜劑濃度。 4·如申請專利範圍第】項的第m族氮化物半導體發光元 件，其中該ία-型接觸層具有在4x 1〇'm_3至2χ 1〇'以·3 範圍中之的滲雜劑濃度。 5·如申請專利範圍第丨項的第m族氮化物半導體發光元 件，其中該阻止裂縫層的滲雜劑是矽與鍺之一。 6·如申請專利範圍第i項的第m族氮化物半導體發光元 件，其中該η-型接觸層的滲雜劑是矽與鍺之一。 •種製造具有多層結構之半導體發光元件的方法，該半 導體發光元件係藉由在一基材上一個接著一個依序堆 17 1240429 疊第III族氮化物半導體而組成，該方法包含下列步驟： 形成一n_型氮化鎵之η-型接觸層； 形成一η-型氮化鎵之阻止裂缝層，該阻止裂縫層具 有比該η-型接觸層的滲雜劑濃度更低之滲雜劑濃度；及 5 於該阻止裂縫層上形成一 η-型AlxGa丨_χΝ(0<χ< 1)之 η-型包覆層的包覆層形成步驟。 8.如申請專利範圍第7項的方法，其中該形成阻止裂縫層 的步驟包含減少在該形成η-型接觸層中被使用之滲雜 劑材料的供應量。 10 18
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