TWI271877B - Gallium nitride compound semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

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TWI271877B
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Hisao Sato
Tomoya Sugahara
Shinji Kitazawa
Yoshihiko Muramoto
Shiro Sakai
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Nitride Semiconductors Co Ltd
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Description

1271877 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種氮化鎵（G a N )系化合物半導體裝置及 其製造方法；特別是關於發光效率之改善。 【先前技術】 使用氮化物半導體之波長 3 7 0〜5 5 0 nm帶之發光元件係 已實用化。該等發光元件，主要是使用InxGanIUiXx' 1 )來作為發光材料。藉由改變I η X G a i - x N中之I η組成比X 而改變發光波長，具體地說，越加使得x變大，則發光波 長也變得越長。此外，在改變I η組成比X時，則發光波長 和發光效率也一起發生變化。具體地說，在 I η 組成比 X 變得過大時，則會由於（1 )和成為夾住 I n G a Ν之層之 G a Ν 或AlGaN間之格子常數差變大以及（2)為了對於具有高In 組成之I n G a N來進行結晶成長而必須降低結晶成長溫度等 之理由，以致於I n G a N之結晶品質呈惡化，在波長更加長 於5 3 0 n m時，則發光效率降低。在波長4 0 0〜5 3 0 n m之範圍， 一般而言，發光效率係變高，但是，在波長成為4 0 0 n m以 下時，則再一次地使得發光效率降低。 所謂在波長 4 0 0 n m 以下之短波長側而使得發光效率降 低，認為係起因於結晶中之所存在之差排之緣故。所謂具 有適當In組成比之波長400〜530nm之發光元件（LED等） 之效率不因為差排密度而變高，係由於 InGaN層中之 In 組成之搖動不定之緣故。也就是說，在存在有I η之組成搖 動時，則在I η組成呈部分大之部位上，進行發光，因此， 5 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1271877 在該部位捕獲所注入之載體，無法到達至差排，以致於效 率不降低。為了使得發光波長變短，因此，正如前面敘述， 必須使得I η組成比X變小，當然，I η組成搖動也變小。 在組成搖動變小時，無法充分地進行載體之捕獲，載體到 達至差排，以致於發光效率降低。 像這樣，在發光波長4 0 0 n m以下，發光效率係大幅度地 依附於差排密度，由於差排之存在而導致發光效率降低。 為了防止波長4 0 0 n m以下之發光效率降低，因此，必須 抑制差排密度。向來，例如使用 E L 0 ( E p i t a X i a 1 Lateral 0 v e r g r o w t h:蠢晶側向過度成長）法或者是在形成溝槽之藍 寶石基板等之上而成長發光層之方法，來減低差排密度， 在這些方法，由於隨著光微影等之方法而導致花費工夫， 結果，會有作為發光元件之成本增加之問題產生。 此外，作為有關於本發明之先前技術，係列舉日本專利 申請公開編號特開 2 0 0 0 - 2 1 7 8 9號公報（公開日期：西元 2 0 0 0 / 1 / 2 1 ) ° 【發明内容】 本發明之目的，係不使用光微影等之特殊方法而得到短 波長（特別是波長4 0 0 nm以下）之發光效率良好之裝置。 本發明之氮化鎵系化合物半導體裝置，係具有：基板、 形成在前述基板上而交互地層積η型AlGaN層和η型GaN 層所構成之第1超格子層、形成在前述第1超格子層上而 交互地層積G a N系量子井層和G a N系量子障壁層所構成之 多重量子井層、以及形成在前述多重量子井層上而交互地 6 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 層積P型AlGaN層和p型GaN層所構成之第2超格子層。 在本發明中，可以在前述基板和前述第1超格子裝置之 間，具有緩衝層、第1G a N系層和η型G a N系層，在前述第 1超格子層上，具有第2GaN系層，在前述第2超格子層上， 具有P型GaN系層。 在本發明中，可以使得多重量子井層之GaN系量子障壁 層之A1組成比，大於第1超格子層及第2超格子層之A1 組成比。 在本發明中，可以使得前述第1超格子層及第2超格子 層之AlGaN層之A1組成比係5%以上、25%以下，前述多 重量子井層之InGaN或AlInGaN量子井層之In組成比係3 % 以上、20% 以下，AlGaN或AlInGaN量子障壁層之A1組 成比係 1 %以上、3 0 %以下，前述量子井層、其頻帶隙亦 可小於前述量子障壁層。 在本發明中，可以使得前述第1超格子層之AlGaN層及 GaN層之厚度係分別為lnm以上、10nm以下，前述多重量 子井層之量子井層之厚度係為lnm以上、5nm以下，量子 障壁層之厚度係為2nm以上、50nm以下，前述第2超格子 層之AlGaN層之厚度係為0.5nm以上、10nm以下，GaN層 之厚度係為〇.5nm以上、5ηπι以下。 在本發明中，可以使得前述第 1 G a Ν系層之厚度係為 500ηπι以上、3000nm以下，前述η型GaN系層之厚度係為 500nm以上、lOOOOnm以下，前述第1超格子層之 AlGaN 層及G a N層之厚度係分別為1 n m以上、1 0 n m以下，前述第 7 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1271877 2GaN系層之厚度係為5nm以上、lOOnm以下，前述多重量 子井層之量子井層之厚度係為lnm以上、5ηπι以下，量子 障壁層之厚度係為2nm以上、50nm以下，前述第2超格子 層之AlGaN層之厚度係為0.5nui以上、10nm以下，GaN層 之厚度係為〇.5nm以上、5nm以下，前述p型GaN系層之 厚度係為5 n m以上、5 0 n m以下。 在本發明中，可以使得前述第1超格子層之AlGaN層及 GaN層之厚度係分別為1.5nm以上、5nm以下，前述多重量 子井層之量子井層之厚度係為lnm以上、2ηπι以下，量子 障壁層之厚度係為6nm以上、20nm以下，前述第2超格子 層之AlGaN層之厚度係為lnm以上、6nm以下，GaN層之厚 度係為0 . 5 n m以上、3 n m以下。 在本發明中，可以使得前述第 1 G a N系層之厚度係為 1500nm以上、3000ηπι以下，前述η型GaN系層之厚度係為 lOOOnm以上、2000nm以下，前述第1超格子層之 AlGaN 層及GaN層之厚度係分別為1.5nm以上、5nm以下，前述 第2GaN系層之厚度係為20nm以上、40nm以下，前述多重 量子井層之量子井層之厚度係為lnm以上、2nm以下，量 子障壁層之厚度係為6nm以上、20nm以下，前述第2超格 子層之AlGaN層之厚度係為lnm以上、6nm以下，GaN層之 厚度係為0.5nm以上、3nm以下，前述p型GaN系層之厚 度係為1 0 n m以上、4 0 n m以下。 本發明之氮化鎵系化合物半導體裝置係可以藉由 MOCVD 法而進行製造。該製造方法係包含以下之各個步驟：在前 8 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 述基板上，於4 5 0 °C以上、6 Ο 0 °C以下之溫度而形成前述緩 衝層；在前述緩衝層上，於1 0 5 0 °C以上、1 1 0 0 °C以下之溫 度而依序地形成前述第1 G a N系層、前述η型G a N系層和前 述第1超格子層；在前述第1超格子層上，於800 °C以上、 9 0 0 °C以下之溫度而依序地形成前述第2 G a N系層和前述多 重量子井層；在前述多重量子井層上，於950 °C以上、1025 °C以下之溫度而依序地形成前述第2超格子層和前述p型 G a N系層。 此外，本發明之氮化鎵系化合物半導體裝置係具有：基 板、形成在前述基板上之η型AlGaN層、形成在前述η型 AlGaN層上而交互地層積GaN系量子井層和GaN系量子障 壁層所構成之多重量子井層、以及形成在前述多重量子井 層上之p型AlGaN層。 在本發明中，可以使得多重量子井層内之G a N系量子障 壁層之A1組成比，係大於前述η型 AlGaN層及前述p型 A 1 G a N層之A 1組成比。 在未發明中，可以在前述基板和前述 η型 AlGaN層之 間，具有：緩衝層、第1G a N系層以及η型G a N系層，在前 述 η型 AlGaN層和前述多重量子井層之間，具有第 2GaN 系層，在前述p型AlGaN層上亦可具有p型GaN系層。 在本發明中，可以使得前述η型AlGaN層及p型AlGaN 層之A1組成比係5 %以上、2 5 %以下，前述多重量子井層 之InGaN或AlInGaN量子井層之In組成比係3% 以上、20 %以下，AlInGaN或AlGaN量子障壁層之A1組成比係1% 9 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1271877 以上、3 Ο %以下，前述量子井層、其頻帶隙亦可小 量子障壁層。 本發明之氮化鎵系化合物半導體裝置係可以藉由 法而進行製造。該製造方法係包含以下之各個步驟 述基板上，於4 5 0 °C以上、6 0 0 °C以下之溫度而形成 衝層；在前述缓衝層上，於1 0 5 0 °C以上、1 1 0 0 °C以 度而依序地形成前述第IGaN系層、前述η型GaN系 述η型AlGaN層；在前述η型AlGaN層上，於800 °C 9 0 0 °C以下之溫度而依序地形成前述第2 G a N系層和 重量子井層；在前述多重量子井層上，於950 °C以上 °(：以下之溫度而依序地形成前述p型AlGaN層和前 GaN系層。 在本發明之裝置，也可以具有：連接在前述η型 層之η電極、連接在前述ρ型GaN系層之ρ電極、 加電壓至前述η電極和p電極間之電源。此外，也 到將此種裝置來使用在光源而照射波長4 0 0 n m以下 裝置。將本發明之氮化鎵系化合物半導體裝置組裝 之裝置係具有良好之短波長（波長 400nm以下）之 率，因此，適合在需要短波長光源之用途上。 【實施方式】 以下，根據圖式而就本發明之實施形態，來進行 <第1實施形態> 在圖1，顯示作為本實施形態之GaN系化合物半 置之發光元件（LED(發光二極體））之構造。發光元件 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 於前述 MOCVD :在前 前述緩 下之溫 層和前 以上、 前述多 M025 述ρ型 GaN系 以及施 可以得 之光之 入光源 發光效 說明。 導體裝 係藉由 10 1271877 在基板上利用Μ 0 C V D法（金屬有機化學氣相成長法）而成長 複數層所製作的。具體地說，正如以下而進行製造。此外’ Μ 0 C V D裝置本身係習知的，但是，在就其裝置構造而進行 概說時，於反應管内，設置感測器和氣體導入管。在感測 器，載置基板，藉由加熱器而加熱基板，同時，供應原料 氣體，而在基板上，進行反應。氣體導入部係例如設置在 反應管之2邊，一邊係由基板側方而導入三甲基鎵或石夕烧 氣體等之原料氣體，其他邊係由基板上部開始，透過具有 通氣性之微多孔質構件而供應氫和氮之混合氣體等。 首先，準備藍寶石c面基板10，安裝在常壓MOCVD裝置 之感測器，在基板溫度1 1 0 0 °C、氫氣環境中，進行1 〇分 鐘熱處理。然後，藉由將基板1 0之溫度，降低至5 0 0 °C為 止，流動單甲基矽烷氣體或氨氣 10 0秒鐘，而在基板 1 0 上，不連續地形成S i N緩衝膜1 2。此外，該不連續S i N膜 1 2係用以確實地減低層中之差排，但是，在本實施形態， 也可以省略。接著，將溫度維持在 5 0 0 °C ，並且，流動三 曱基鎵和氨氣，而形成25nm之GaN緩衝層14。該GaN缓 衝層1 4係發揮所謂作為低溫緩衝層之功能。接著，將溫度 升溫至1 0 7 5 °C為止，再一次地流動三甲基鎵和氨氣，而形 成之無摻雜GaN層16。此外，在三曱基鎵和氨氣， 加入單曱基矽烷氣體，形成之摻雜Si之η-GaN層18。 單曱基矽烷氣體係用以在GaN摻雜Si而成為η型，摻雜 Si之η-GaN層18内之載體密度係大約5xl018cm_3。 接著，在基板1 0之溫度一直維持在1 0 7 5 °C之狀態下， 11 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 交互地形成 50對之摻雜 Si之 n-AlG.iGa〇.9N(2nm) /摻雜 Si 之 n-GaN(2nm)，形成 SLS(Strained Layer Superlattice ：應變層超格子（超歪格子））層 20。為了形 成 A 1 G a N，因此，可以加入於三曱基鎵和氨氣中而供應三 曱基鋁（為了摻雜Si，實際上還供應單曱基矽烷氣體）°SLS 層20内之平均載體密度係5xl018cm_3。 然後，將基板溫度降低至8 3 0 °C為止，形成3 0 n m之無摻 雜 GaN 層 22。此外，交互地層積 7 對之無摻雜 In〇.〇5Ga〇.95N(l. 5nm) / 無摻雜 Α1〇·ι In〇.G2GaG.88N(9· 5nm)， 形成MQW(多重量子井）發光層24°InGaN係供應三甲基鎵、 三曱基銦和氨氣所形成，A 1 I n G a N係還供應三曱基鋁所形 成。M Q W發光層2 4係交互地層積井（w e 1 1 )層和障壁層所構 成，無摻雜InGaN係發揮作為井層之功能，無摻雜A1 InGaN 係發揮作為障壁層之功能。井層之頻帶隙係設定小於障壁 層。在本實施形態，井層係I n G a N層，但是，也可以藉由 AlInGaN來構成井層。在井層和障壁層皆由AlInGaN所構 成之狀態下，調整 A 1組成而使得井層之頻帶隙小於障壁 層。作為井層之 A1組成比係以0 %〜2 0 %較佳。圖1之 I n G a N井層係顯示A 1組成比成為0 %之狀態。作為障壁層 之A 1組成比係以1 % 〜3 0 %為佳。 在MQW發光層24形成後，將基板1 0之溫度上升至975 °C為止，交互地形成50對之摻雜Mg之p-AlGaN(1.5nm)/ 摻雜Mg之p-GaN(0.8nni)，形成p-SLS層26，並且，僅形 成15nm之p-GaN層28°p-SLS層26及p-GaN層28内之載 12 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 26， 1271877 體濃度係分別為 5 x 1 Ο 17 c πΓ 3、3 x 1 Ο 18 c πΓ 3。 此外，夾住發光層24所形成之SLS層20及SLS層 係發揮作為封閉入載體之包層之功能。 在像以上這樣而製作LED晶圓後，由MOCVD裝置而 L E D晶圓，依序地進行N i ( 1 0 n m )、A u ( 1 0 n m )之真空蒸 層積在表面上，在包含5 %氧之氮氣環境中，於5 2 0 °C 熱處理，使得金屬膜成為P透明電極3 0。在形成p電^ 後，於表面上塗敷光阻劑，使用作為蝕刻用遮蔽，進 刻而露出 n-GaN層 18’在露出之 n-GaN層 18上’ Ti(5nm)、Al(5nm)，在氮氣中，於450 °C進行30分鐘 理，形成η電極32。 在圖1，S L S層2 0係對應於第1超格子層，M Q W發 2 4係對應於多重量子井層，S L S層2 6係對應於第2超 裝置。此外，無摻雜G a Ν層1 6係對應於第1 G a Ν系層 雜S i之η - G a N層1 8係對應於η型G a N系層，無摻雜 層2 2係對應於第2 G a N系層，p - G a N層2 8係對應於p型 系層。 此外，雖然並無顯示在圖上，但是，在 p電極 3 0 電極32之一部分，形成打線用之厚度500nm之Au銲 研磨基板1 0之背面至1 Ο Ο μ m為止，藉由洗滌而切出I 進行固定而製作發光元件裝置（L E D元件）。 在表1，顯示圖1所示之各層材料和組成範圍及載 度範圍。 (表1) 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 取出 鍍， 進行 1¾ 3 0 行餘 蒸鍍 熱處 光層 格子 ，摻 GaN GaN 及 η 墊， I片， 體濃 13 1271877 層材料 組成範圍 載體濃度範 圍（1 / cm3) p + GaN 1-50E17 摻雜Mg之 p-AlGaN /摻雜 Mg 之 p-GaN SLS A1-5-25% 1-30E17 AlInGaN / AlInGaN MQW AlInGaN(井）（In = 3-20%，A1=0-20%)、A1 InGaN(障壁） (Al = l-20%，In = 0-10%)、但是、 選擇組成而使得井層之頻帶隙 小於障壁層之頻帶隙 無摻雜 無摻雜GaN 無摻雜 摻雜Si之n-AlGaN /摻雜Si之n-GaN SLS A1-5-25% 1-8E18 摻雜Si之n-GaN 1-8E18 無摻雜GaN 無摻雜 緩衝層 無摻雜 S i N緩衝（也可以沒 有） 藍寶石C面基板
在表 1，MQW 發光層 24 係成為 AlInGaN/AlInGaN MQW 層，但是，前者係表示井層，後者係表示障壁層。在表 1 所應該著眼的，係S L S層2 0、2 6之A 1組成比為5 % 以上、 2 5 %以下，M Q W發光層2 4之井層之A 1組成比為0 %以上、 2 0 % 以下，I η組成比為3 % 以上、2 0 % 以下，障壁層之A 1 組成比為 1 % 以上、2 0 %以下，I η組成比為 0 % 以上、1 0 % 以下。M Q W發光層 2 4之障壁層之A 1組成比係可以是1 % 以上、3 0 % 以下。就障壁層之A 1組成和S L S層2 0及S L S 層 2 6之A1組成間之關係而言，最好是障壁層之A1組成 比，更加大於SLS層20、26之A1組成比。成為載體之電 子和正孔係在M Q W發光層2 4之井層，進行再結合而發光。 在增大障壁層之A 1組成比時，頻帶隙係能夠增大而有效率 14 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 地將載體關入至MQW發光層24之井層中，來提高發光效 率。在障壁層之A1組成比增大時，MQW發光層24之井層 之實效頻帶隙也跟著增大。 井層之A1組成比係包含〇 % ，障壁層之I η組成比係包 含0 % ，因此，作為M Q W發光層2 4之材料，係存在以下之 4種組合。 (a) InGaN井層/ AlGaN障壁層 (b) InGaN 井層 / AlInGaN 障壁層 (c) AlInGaN 井層 /AlGaN 障壁層 (d) AlInGaN 井層 /AlInGaN 障壁層 不論是任何一種組合，也選擇組成而使得井層之頻帶隙 更加小於障壁層之頻帶隙。圖1係（b )之狀態。 此外，在表2，顯示各層之理想膜厚。 (表2) 層材料 理想膜厚 ______ p + GaN 5-50nm ______ 摻雜 Mg 之 p-AlGaN / 摻雜 Mg 之 p-GaN SLS AlGaN(0.5-10nm) ’ GaN(0· 5_5nm)( 20- 1 00 對） AlInGaN/AlInGaN MQW AlInGaN(井）（l-5run) / AlInGaN(障 壁）（2-50nm) 無摻雜GaN 5-1OOnm 摻雜 Si 之 η-AlGaN / 摻雜 Si 之 η-GaN SLS AlGaN(1-1Onm) / GaNU-10nm)( 1 0-5 0 0 對） 摻雜Si之η-GaN 500-1OOOOnm 無摻雜GaN 500-3000nm 緩衝層 10-40nm S i N緩衝（也可以沒有） 藍寶石C面基板 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 15 1271877 在表2,作為MQW發光層24,係AlInGaMr_u Μ或InGaN)井層 之膜厚為lnm以上、5ηπι以下’ AlInGaN(或A1GaN)障壁層 之膜厚為2nm以上、50ηπι以下。此外，SLS層20之AlGaN 之膜厚係lnm以上、l〇nm以下，GaN之膜厚係也lnm以上、 lOnm以下。SLS層26之AlGaN之膜厚係〇, 5nm以上、1〇nm 以下，GaN之膜厚係〇.5nm以上、5nm以下。 就其他層而言，GaN缓衝層14之膜厚係1〇nm以上、4〇nm 以下，無摻雜GaN層16之膜厚係500nmj^上、3000nm以 下（最好是500nm以上、2000nm以下），摻雜si之n-GaN 層18之膜厚係500nm以上、lOOOOnm以下，無摻雜GaN層 22之膜厚係5nm以上、100nm以下，p-GaN層28之膜厚係 5nm以上、50nm以下。 在表3，顯示各層之更加理想之膜厚。 (表3) 層材料 更加理想之膜厚 p + GaN 10-40nm 掺雜 Mg 之 p-AlGaN/ 摻雜 Mg 之 p-GaN SLS AlGaN(l-6nm)/GaN(0.5-3nm)(40-6(^) A1 InGaN/AlInGaN MQW AlInGaN(井）（l-2nm) / AlInGaN(障 壁）（6-20nm)(5-10 對） 無摻雜GaN 20-40nm 摻雜 Si 之 n-AlGaN/ 摻雜 Si 之 n-GaN SLS AlGaN(l.5-5nm) / GaN(l. 5-5nm)(40-60 對） 摻雜Si之n-GaN 1000-2000nm 無摻雜GaN 1500-3000nm 緩衝層 25-35nm S i N緩衝（也可以沒有） 藍寶石C面基板 Μ 2/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 16 1271877
而進行成長，摻雜S i之η - G a N層1 8係在1 Ο 5 0 °C以上、 °C以下而進行成長，SLS層20或AlGaN單層20係在 °C以上、1100 °C以下而進行成長，無摻雜GaN層22 8 0 0 °C以上、9 0 0 T：以下而進行成長，MQW發光層24係在 °C以上、900 °C以下而進行成長，SLS層 26或AlGaN 2 6係在9 5 0 °C以上、1 0 2 5 °C以下而進行成長，p - G a N 係在9 5 0 °C以上、1 0 2 5 °C以下而進行成長。 將以上所製作之發光元件，放入至積分球中，在p 3 0和η電極3 2連接電源來注入電流而測定由晶片所 之全光輸出時，光輸出係在注入電流 2 0 m Α時，得到 2 m W。確認發光波長係在2英吋直徑之晶圓面内而具有 之不均之波長3 7 2 n m ± 5 n m之範圍内。外部量子效率係 3 % 。 本案申請人係在形成許多之改變圖1之層之材料或 之晶圓而進行相同之評價時，發現由於發光波長帶而 各層之限制條件成不同。也就是說，在發光峰值波長為 〜400nm之狀態下，如果各層之厚度成為在表2所示 想膜厚之範圍内的話，則光輸出係得到1 m W以上。 另一方面，在發光峰值波長為365〜380nm之狀態7 各層之膜厚偏離表2所示之理想厚度之範圍時，光輸 急劇地減少至0 . 1 m W以下，在各層之厚度偏離表3所 更加理想之厚度範圍時，光輸出係成為1 οι W以下。確言彳 可以藉著由這些而設定在表2或表3所示之範圍，而 短波長（波長4 0 0 n m以下）之發光效率。 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1100 1050 係在 .800 單層 層28 電極 射出 大約 些微 大約 厚度 使得 ,380 之理 •，在 出係 示之 到： 提高 18 1271877 認為像這樣改善發光效率之原因係正如以下。在圖 2， 顯示在本實施形態所製作之發光元件之剖面電子顯微鏡照 片。在詳細地觀察該剖面電子顯微鏡照片時，得知在η - G a N / A 1 G a N S L S層2 0和無摻雜G a N層2 2間之界面，差排減 少。認為結合S L S層2 0中之所包含之歪斜和在該境界面來 改變成長溫度，而使得由底材層所傳送之差排，彎曲於橫 方向（側方向）上，減低形成在其正上方之 MQW發光層 2 4 中之差排。也就是說，認為可以藉由調整各層之組成及厚 度在前述範圍内而抑制MQW發光層24中之差排。 此外，認為成為發光效率改善之另外一個原因係發光層 24 之組成搖動。在層積 AlInGaN(或 InGaN)井層/ 八111^8“或八1〇8以障壁層之^1〇界發光層24，111組成變低， 不容易引起InGaN之組成搖動。在產生組成搖動時，於In 組成呈部分大之部位，進行發光，因此，所注入之載體係 在該部位被捕獲，無法到達至差排而不降低效率。但是， 在障壁層中，添加I呂，因此，認為由於同時增加 I η和 A 1 之組成，而保持短的發光波長，並且，增加I η和A1之組 成，結果，組成搖動係變大。在圖 3，顯示剖面電子顯微 鏡照片，確認在該相片，發光層24之井層係成為不均。也 就是說，認為可以藉由調整M Q W發光層2 4之材料及組成比 在前述範圍内而增加組成搖動，來抑制由於差排所造成之 發光效率之降低。 像這樣，藉由成為圖1所示之層構造，設定各層厚度在 表2或表3所示之範圍内，而得到高發光效率。 19 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1271877 此外，本案申請人係發現到：即使是為了取代S L S層2 Ο 而成為AlGaN單層，為了取代SLS層26而成為AlGaN單層， 也同樣是成為在波長 400nm以下之發光效率高。具體地 說’為了取代 SLS層 20，因此，形成 50nm以上、500nm 以下、更佳為70nm以上、300nm以下之A1組成成為5〜25 %之AlGaN，為了取代SLS層26，因此，形成50nm以上、 500nm以下、更佳為70nm以上、200nm以下之A1組成成為 5〜25 %之AlGaN。在使用AlGaN單層之狀態下之整體構造 係正如以下。 藍寶石基板ΙΟ/SiN不連續膜12/GaN缓衝層14 /無摻 雜GaN層16 /摻雜Si之n-GaN層18/AlGaN層20 /無摻 雜 GaN 層 22/MQW 發光層 24/AlGaN 層 26/p-GaN 層 28 即使是在該構造，選擇A1組成比而變得更加小於MQW24 之井層之頻帶隙或障壁層.之頻.帶隙。此外，最好是選擇 MQW24之障壁層之A1組成比而變得更加大於AlGaN層20、 2 6之A 1組成比。具體地說，能夠使得μ Q W 2 4之障壁層之 A1組成比，成為3 0 %左右。 此外，本案申請人係發現到：也製造在圖1並未形成S i N 膜12、為了取代無摻雜GaN層16而成為具有在GaN層插 入SiN之GaN層/ SiN層/ GaN層構造之GaN系層16、作 為SLS層20而交互地形成50對之無摻雜AlGaN(1.7nm)/ 摻雜Si之GaN(1.7nm)、作為SLS層20而成為AlGaN層 (26nm)來取代無摻雜GaN層22、作為MQW發光層24而交 互地形成3對之InGaN井層（1.7nm)/AlGaN障壁層（13nm) 20 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 來成為MQW發光層24、作為SLS層26而交互地形成50對 之 AlGaN(l.lnm)/GaN(0.5nm)來成為 Sls 層 26 的發光元 件；同樣使得波長40 Onm以下之發光效率變高。藉由在GaN 層插入SiN’而減低形成在siN層上之GaN層之差排，藉 此而抑制MQW發光層24之差排。 在表5，顯不各層材料和組成範圍及載體濃度範圍 (表5) 層材料 組成範圍 -50E17 P+GaN(17nm； 1-30E17 InGaN(井）（1. 7nm)/AlGaN (障壁）（13nm) (3 對） InGaN(井）（ιη 〜 5· 50/〇)、AlGaN(障 壁）（A1 〜30%)
MQW發光層24之AlGaN障壁層之A1組成比係3〇% ，更 加大於成為SLS層20之A1組成比之大約18% ，並且，也 更加大於成為SLS層26之A1組成比之5%〜25%。在AlGaN 中之A1組成變大時’則結晶品質惡化，因此，MQW發光層 24之AlGaN障壁層之A1組成之上限，係最好是3〇%左右。 本實施形態之發光元件係在波長4 〇 〇 n m以下，具有高發 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 21 1271877 光效率，因此，可以專門利用該特性而製作各種製品。以 下，顯示使用圖1所示之發光元件來作為光源之幾個裝置 例。 <第2實施形態> 市面上所販賣之黑筆（螢光筆）係即使是在可見光照明 下，描繪文字或圖形等，也無法看見，但是，在此照射紫 外線時，則出現所描繪之文字或圖形。彩色之黑筆（在照射 紫外線時、出現彩色之圖形）也在市面上販賣，但是，為了 再顯現彩色，因此，所照射之紫外線波長係必須成為4 0 0 n m 以下’更加正確的話’必須成為波長3 8 0 n m以下。從前為 使用螢光燈黑色光或水銀燈等之光源，但是，會有大型、 消耗電力也大而電源也成為大型化之缺點產生。 因此，在使用圖1所示之發光元件裝置（L E D)來作為圖形 再現用光源時，也可以進行小型之電池驅動。以峰值波長 4 Ο Ο n m、3 8 5 n m、3 7 2 n m之L E D來照射藉由黑筆所描繪之圖 形，嘗試進行圖形之再現。照射光強度係大約 5mW(400nm) 、 3 mW(385nm) 、 lmW(372nm) 〇 在4 Ο Ο n m L E D之狀態下，圖形出現之顏色係並無再現，螢 光強度係也成為勉強看到程度之非常低之位準。在藉由 3 8 5 n m L E D來進行照射時，得到清楚地看到圖形形狀程度之 強螢光強度，但是，顏色係並無再現。特別是紅色之再現 性變差。另一方面，在波長3 7 2 n m L E D之狀態下，不論照射 強度是否微弱至 1 mW，螢光係即使是在明亮之室内，也並 無問題產生，強烈至看見程度，，並且，能夠忠實地再現 3 22 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 1271877 原色。 由這些而確認到：波長3 6 5〜3 8 0 n m帶之 作為藉由市面上所販賣之黑筆（螢光筆）所 現用光源。得到能夠將本實施形態之LED 於鑰匙掛圈或黑筆、橡皮擦之其他製品上 現之描繪看不見之文字或圖形之系統。 <第3實施形態> 將來自本實施形態之LED之光，短時間 皮膚上，調查其影響。分別將峰值波 3 8 5 nm(3mW) > 372nm(lmW)之 LED 光，照射 查皮膚之變化（所謂曬黑）。結果，在峰值 之狀態下，幾乎並無發現任何影響，相對地 之狀態下，看到些微變化。另一方面，在 態下.，看到清楚之痕跡。這個係表示波長 LED引起人體之曬黑。使用該LED來作為 裝置。製作僅曬黑直徑5mm點之裝置以及 度3 c m直線上而對於線條進行曬黑之裝置 何一個裝置係皆照射 1 0分鐘而得到曬黑 3 0分鐘以上時，認為有皮膚損傷。 向來，曬黑裝置係使用紫外線燈，因此 積大之用途上，但是，無法製作僅小區域 須進行藉由毛巾等而覆蓋希望曬黑之部位 在本實施形態之曬黑裝置，能夠任意地製 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 LED係非常適合 描繪之圖形之再 和電池一起組裝 而簡單地進行再 地照射在人體之 b 400nm(5mW)、 皮膚1 0分鐘，調 波長 400nm(5mW) ，，在 385nm(3mW) 3 7 2 nm( lmW)之狀 3 6 5〜3 8 0 nm ·帶之 光源而製作曬黑 將LED配置在長 ，進行實驗。任 。此外，在照射 ，適合在照射面 之曬黑，例如必 以外等之工夫， 作點或線等之曬 23 1271877 <第4實施形態> 對於塗敷市面上所販賣之 U V阻絕用化粧品（S P F 5 0 + P A + + + )之皮膚，藉由將峰值波長372nm(lmW)之LED組裝 至光源之第3實施形態之曬黑裝置而照射1 0分鐘。結果， 確認比起並無塗敷UV阻絕用化粧品之狀態，曬黑程度係變 得非常小。像這樣，本實施形態之LED係也可以使角作為 評價UV阻絕用化粧品性能之裝置。 向來，此種檢查裝置係大型，為了調查效果，因此，需 要相當寬之皮膚表面。本實施形態之檢查裝置係正如前述 實施形態所敘述的，能夠在點或線等之任意形狀或部位， 製作曬黑，因此，也可以調查人體部位之每一個曬黑程度， 或者是調查進行攜帶而經過長時間之照射效果。 <第5實施形態> 在時鐘之文字盤或避難引導等之標示類，使用蓄光材 料。這個係利用在蓄光劑接觸到光時，即使是光消失，也 利用螢光之繼續進行，以便於即使是在黑暗中，也能夠讀 取字等之構造。近年來，蓄光時間也變長，而使得也出現 3原色。例如知道在硫化鋅而結合銅之短殘光型式或者是 在锶鋁化物而結合稀土類金屬之長殘光型式等。此種蓄光 劑之感度，一般係波長4 0 0 n m以下。因此，可以藉由組合 蓄光劑和本實施形態之 LED，藉由重複地進行所謂僅在短 時間來照射光而消失光之操作，以便於製作所消耗電力非 常小之顯示裝置。此外，也可以成為即使切斷電源也不會 消失（不揮發）顯示之緊急用顯示裝置。 24 312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8 1271877 組合峰值波長 400nm(5mW)、 385nm(3mW) 之L E D和3原色之蓄光劑而製作顯示裝置。 成為板狀，由其背面而照射實施形態之LED 表面之發光。重複地進行照射1 0分鐘而僅在 來切斷照射之週期。即使是切斷3 0分鐘左右 辦公室程度之明亮房間，確認來自蓄光劑之 即使是在黑暗中，切斷1小時左右，也確認 發光。在全部之波長而得到同樣之效果，但 值波長4 0 0 n m ( 5 m W )來作為光源之狀態，係殘 像這樣，可以藉由使用波長 3 6 5〜4 0 0 n m 光劑之顯示裝置，來比起習知之顯示裝置， 減低所消耗電力。 此外，就顏色之再現性而進行觀測 400nm(5mW)、385nm(3mW)之 LED 係肉眼看見 色，因此，再蓄光劑出現紅色時，則兩者相 再現純粹之紅色。綠色也是同樣的。另一方 372nm(lmW)之LED係肉眼幾乎看不到，因此 再現3原色。所以，使用波長365〜380nm帶 光源並且使用蓄光劑之顯示裝置，係能夠 力，並且，再現全色。 <第6實施形態> 蛾等之昆蟲之複眼係在波長3 6 0 n m具有峰 面上，販賣利用該性質而使用紫外線燈之昆 將紫外線燈安裝在街頭，在其周邊，安裝昆 312/發明說明書(補件)/92-08/92115 03 8 > 372nm(lmW) 將蓄光劑加工 光，觀測來自 所決定之時間 之照射，也在 發光。此外， 來自蓄光劑之 是，在使用峰 光最強。 帶之LED和蓄 還更加顯著地 。 峰值波長 成為藍色〜紫 互混合而無法 面，峰值波長 ，能夠忠實地 之LED來作為 成為低消耗電 值感度。在市 蟲驅除裝置。 蟲驅除裝置。 25 1271877 紫外線燈係也射出可見光，因此，一般係明亮地看到 外，會有所謂消耗電力大之問題產生。作為該昆蟲收 光源，係使用實施形態之L E D。峰值波長係3 7 2 n m。在 處，設置 LED，確認昆蟲之聚集狀況。同時，為了進 較，因此，2 W (瓦）之水銀燈係也設置在其他場所。為 省LED之消耗電力以及為了增加發光峰值強度，因此 行峰值電流 2 0 0 m A、峰值輸出大約 1 0 m W、脈衝幅寬 及重複頻率1 Ο Η z (平均輸出1 mW )之脈衝驅動。觀測光 係不論LED是否比較小而在LED收集到更多之昆蟲。 燈係肉眼看見成為藍色〜紫色，但是，LED係幾乎肉 法確認。由此而得知：作為昆蟲收集用光源係使用波長 〜380nm帶之LED 。 因此，將市面上所販賣之昆蟲驅除裝置之燈來取代 LED而製作裝置。使用200個之波長372nm之LED，相 前述實驗，進行脈衝驅動而進行動作。結果，能夠在 晚上，驅除相同於改造前之同樣程度之昆蟲。在光源 本實施形態之 LED之昆蟲驅除裝置，係消耗電力小 成為小型化，因此，具有所謂在光源佈置而自由度增 優點。此外，在肉眼幾乎看不到，因此，也可以使用 厭照明之環境上。 以上，就本發明之實施形態而進行說明，但是，這 不過是例舉，也可以使用本發明之LED來製作其他裝 例如也可以使用在用以辨別紙幣之判定或紙幣之真偽 置或者是利用藉由照射氧化鈦所得到之光觸媒反應之 312/發明說明書(補件)/92-08/92115038 °此 集用 黑暗 行比 Λ/τ 了即 ，進 1 OmS 輸出 水銀 眼無 365 成為 同於 一個 使用 LED 加之 在討 些係 置。 之裝 空氣 26 1271877 或水之洗淨上。 此外，在本實施形態，能夠使用A 1 G a N層來取代G a N層 1 6，能夠使用η型A 1 G a N層來取代η型G a N層1 8。此外， 能夠使用InGaN層來取代GaN層22，能夠使用p型InGaN 層來取代p型GaN層28。在GaN系層，除了 GaN層以外， 還包含藉由A1或In來取代GaN之Ga之AlGaN層或InGaN 層。 【圖式簡單說明】 圖1係氮化鎵系化合物半導體裝置之構造圖。 圖2係顯示發光元件之剖面電子顯微鏡照片之圖。 圖3係顯示.發光元件之其他剖面電子顯微鏡照片之圖。 (元件符號說明） 10 基板 12 S i N緩衝層 14 G a N緩衝層 16 無摻雜G a N層 18 摻雜Si之n— GaN層 20 SLS 層 2 2 無摻雜G a N層 24 MQW發光層 26 SLS 層 28 p— GaN 層 3 0 p電極 3 2 η電極 27
312/發明說明書(補件)/92-08/9211503 8

Claims (1)

1271877 拾、申請專利範圍： 1 . 一種氮化鎵系化合物半導體裝置，其特徵為， 具有： 基板； 第1超格子層，係形成在前述基板上，交互地層積η型 AlGaN層和η型GaN層所構成； 多重量子井層，係形成在前述第1超格子層上，交互地 層積G a N系量子井層和G a N系量子障壁層所構成；以及， 第2超格子層，係形成在前述多重量子井層上，交互地 層積P型AlGaN層和p型GaN層所構成； 在前述基板和前述第1超格子層之間，具有：緩衝層、 形成在前述緩衝層上之第 1 G a N系層以及形成在前述第 1 G a N系層上之η型G a N系層； 在前述第1超格子層和前述多重量子井層之間，具有第 2GaN系層； 在前述第2超格子層上，具有p型GaN層； 前述第IGaN系層係成為在GaN層内插入SiN層之構造； 前述第2 G a N系層係具有A 1 G a N層； 前述多重量子井層之前述GaN系量子障壁層之A1組成 比，係大於前述第1超格子層及前述第 2超格子層之 A1 組成比； 前述第1超格子層及第2超格子層之AlGaN層之A1組 成比係5% 以上且25% 以下； 前述多重量子井層之InGaN或 AlInGaN量子井層之In 28
326\總檔\92\9211503 8\9211503 8(替換)-2 1271877 組成比係3 % 以上且2 Ο % 以下，A 1 G a N或A 1 I n G a N量子障 壁層之A 1組成比係1 % 以上且3 0 % 以下，前述量子井層之 頻帶隙係小於前述量子障壁層； 前述第1超格子層之AlGaN層及GaN層之厚度係分別為 1 n m以上且1 Ο n m以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnni以上且 5nm以下，量子障壁層之厚度係為2nm以上且50nm以下； 前述第2超格子層之AlGaN層之厚度係為0.5nm以上且 10nm以下，GaN層之厚度係為0.5nm以上且5nm以下。 2 .如申請專利範圍第 1項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 前述第IGaN系層之厚度係為500nm以上且3000nm以下； 前述η型GaN系層之厚度係為500nm以上且lOOOOnm以 下； 前述第1超格子層之AlGaN層及GaN層之厚度係分別為 lnm以上且10nm以下； 前述第2 G a N系層之厚度係為5 n m以上且1 0 0 n m以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnm 以上且 5nm以下，量子障壁層之厚度係為2nm以上且50nm以下； 前述第2超格子層之AlGaN層之厚度係為0.5nm以上且 lOnm以下，GaN層之厚度係為0.5nm以上且5nm以下； 前述p型GaN系層之厚度係為5ηιτι以上且50nm以下。 3 .如申請專利範圍第 1項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 29 326\總檔\92\92115038\92115038(替換)-2 1271877 前述第1超格子層之AlGaN層及GaN層之厚度係分別為 1.5nm以上且5nm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 Ιηπι以上且 2nm以下，量子障壁層之厚度係為6nm以上且20nm以下； 前述第2超格子層之AlGaN層之厚度係為lnm以上且6nm 以下，GaN層之厚度係為0.5nm以上且3nm以下。 4 .如申請專利範圍第 1項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 前述第IGaN系層之厚度係為1500nm以上且3000nm以 下； 前述η型GaN系層之厚度係為lOOOnm以上且2000nm以 下； 前述第1超格子層之AlGaN層及GaN層之厚度係分別為 1.5nm以上且5nm以下； 前述第2GaN系層之厚度係為20nm以上且40nm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnm以上且 2nm以下，量子障壁層之厚度係為6nm以上且20nm以下； 前述第2超格子層之AlGaN層之厚度係為lnm以上且6nm 以下，GaN層之厚度係為0.5nm以上且3nm以下； 前述p型GaN系層之厚度係為10nm以上且40nm以下。 5 . —種氮化鎵系化合物半導體裝置，其特徵為， 具有： 基板； η型A 1 G a N層，係形成在前述基板上； 326\總檔\92\92115038\92115038(替換)-2 30 1271877 多重量子井層，係形成在前述η型AlGaN層上，交互地 層積G a N系量子井層和G a N系量子障壁層所構成；以及， p型AlGaN層，係形成在前述多重量子井層上； 在前述基板和前述η型A 1 G a N層之間，具有：緩衝層、 形成在前述緩衝層上之第 1 G a N系層以及形成在前述第 1 G a N系層上之η型G a N系層； 在前述η型AlGaN層和前述多重量子井層之間，具有第 2 G a N系、層； 具有形成在前述P型AlGaN層上之p型GaN系層； 前述多重量子井層之前述GaN系量子障壁層之 A1組成 比，係大於前述η型 AlGaN層及前述p型 AlGaN層之A1 組成比， 前述η型AlGaN層及p型AlGaN層之A1組成比係5% 以 上且2 5 % 以下； 前述多重量子井層之 InGaN或 AlInGaN量子井層之 In 組成比係3 % 以上且2 0 %以下，A 1 I n G a N或A 1 G a N量子障 壁層之A 1組成比係1 % 以上且3 Ο % 以下，前述量子井層之 頻帶隙係小於前述量子障壁層； 前述η型AlGaN層之厚度係為50nm以上且500nm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnm 以上且 5nm以下，量子障壁層之厚度係為2nm以上且50nm以下； 前述p型AlGaN層之厚度係為50nm以上且500nm以下。 6 .如申請專利範圍第 5項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 31 326\總檔\92\9211503 8\92115038(替換)-2 1271877 前述第1 G a N系層之厚度係為5 Ο 0 n m以上且3 Ο Ο 0 n m以下； 前述η型GaN系層之厚度係為500nm以上且lOOOOnm以 下； 前述η型AlGaN層之厚度係為50nm以上且500nm以下； 前述第2GaN系層之厚度係為5nm以上且lOOnm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 Inni以上且 5 n m以下，量子障壁層之厚度係為2 n m以上且5 0 n ill以下； 前述p型AlGaN層之厚度係為50nm以上且500nm以下； 前述p型G a N系層之厚度係為5 n m以上且5 0 n m以下。 7 .如申請專利範圍第 5項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 前述η型AlGaN層之厚度係為70nm以上且300nm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnm以上且 2nm以下，量子障壁層之厚度係為6nm以上且20nm以下； 前述p型AlGaN層之厚度係為70nm以上且200nm以下。 8 .如申請專利範圍第 5項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其中， 前述第IGaN系層之厚度係為1500nm以上且 3000nm以 下； 前述η型GaN系層之厚度係為lOOOnm以上且2000nm以 下； 前述η型AlGaN層之厚度係為70nm以上且300nm以下； 前述第2GaN系層之厚度係為20nm以上且40nm以下； 前述多重量子井層之量子井層之厚度係為 lnm 以上且 32 326\總檔\92\92115038\92115038(替換)-2 1271877 2nm以下，量子障壁層之厚度係為6nm以上且20nm以下； 前述p型AlGaN層之厚度係為70nm以上且200nm以下； 前述p型GaN系層之厚度係為10nm以上且40nm以下。 9 . 一種氮化鎵系化合物半導體裝置之製造方法，係藉由 M0CVD法而製造申請專利範圍第1項所記載之氮化鎵系化 合物半導體裝置者，其特徵為： 在前述基板上，以 4 5 0 °C以上且 6 0 0 °C以下之溫度形成 前述緩衝層； 在前述緩衝層上，以 1 0 5 0 °C以上且 1 1 0 0 °C以下之溫度 依序地形成前述第IGaN系層、前述η型GaN系層和前述第 1超格子層； 在前述第1超格子層上，於8 0 0 °C以上且 9 0 0 °C以下之 溫度依序地形成前述第2GaN系層和前述多重量子井層； 在前述多重量子井層上，於950 °C以上且1025 °C以下之 溫度依序地形成前述第2超格子層和前述p型G a N系層。 1 0 . —種氮化鎵系化合物半導體裝置之製造方法，係藉 由MOCVD法而製造申請專利範圍第5項所記載之氮化鎵系 化合物半導體裝置者，其特徵為： 在前述基板上，以 4 5 0 °C以上且 6 0 0 °C以下之溫度形成 前述緩衝層； 在前述緩衝層上，以 1 0 5 0 °C以上且 1 1 0 0 °C以下之溫度 依序地形成前述第IGaN系層、前述η型GaN系層和前述η 型A 1 GaN層； 在前述η型 AlGaN層上，以 800 °C以上且 900 °C以下之 33 326\總檔\92\92115038\92115038(替換)-2 1271877 溫度依序地形成前述第2GaN系層和前述多重量子井層； 在前述多重量子井層上，以950 °C以上且1025 °C以下之 溫度依序地形成前述p型AlGaN層和前述p型GaN系層。 1 1 .如申請專利範圍第1或5項之氮化鎵系化合物半導 體裝置，其中，具有：連接在前述η型GaN系層之η電極、 連接在前述Ρ型GaN系層之ρ電極、以及施加電壓至前述 η電極和p電極間之電源。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之氮化鎵系化合物半導體裝 置，其係使用於光源，照射波長4 0 0 n m以下之光。 34 326\總檔\92\9211503 8\9211503 8(替換)-2
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