TWI292629B - Gallium nitride-based compound semiconductor device - Google Patents

Description

1292629 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於氮化鎵（GaN )系化合物半導體裝置，尤其 是關於主要在約3 7 5 nm以下的波長帶進行·發光的發光元件 的構造。 【先前技術】 以往，已開發出將I n G a N作為發光層的波長3 7 5 n m〜 6 0 0 n m帶的L E D。I η x G a ι - χ N係利用使I η組成x變化而改變 發光波長。也就是說，隨著I η組成x增大越大發光波長越 偏向長波長側，而從X = 0的情況（G a Ν )的3 6 3 n m變化為X = 1 的情況（I η N )的6 0 0 n m。 另一方面，最近盛行進行波長為375nm以下的短波長或 紫外線（U V ) L E D的開發。如此之短波長L E D，例如可用於與 螢光體組合的白色光源及利用殺菌作用的應用等，其需求 極大。然而，在將In G a N作為發光層的L E D中，當發光波 長成為3 7 5 n m以下時，I η組成X成為非常之小，I η組成起 伏減小而使得發光效率顯著降低。又，波長3 6 3 n m以下的 發光，只要在將I n G a N作為發光層時，其原理上並不可行。 又，作為本發明之關聯先前技術，可例舉日本國專利申 請公開編號特開2 0 0 0 - 2 1 7 8 9號公報（公開日：2 0 0 0 / 1 / 2 1 )。 【發明内容】 在此，本發明提供即使主要在波長3 7 5 n m以下仍具優良 之發光效率的氮化鎵系化合物半導體裝置。 本發明係為具有形成於基板上的G a N系發光層之氮化鎵 5 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 系化合物半導體裝置，其特徵為：上述發光層包括將I n G a N 井層與AlInGaN障壁層積層之多層量子井層（MQW)。 A1 InGaN障壁層之能帶隙較InGaN之能帶隙寬廣，使 A 1 I n G a N之有效能帶隙擴大而將發光波長短波化。另外， 利用將A 1 I n G a N用作為障壁層，使得與I n G a N井層的晶格 不一致減小，進而減低應變而可提升發光效率。 上述I n G a N井層之I η組成比可設為例如5 %以上、1 5 % 以下。上述InGaN井層之厚度可設為例如lnm以上、2nm 以下 。 另外，上述A 1 I n G a N障壁層之A 1組成比可設為例如1 4 % 以上、4 0 %以下。上述A 1 I n G a N障壁層之I η組成比可設為 例如0 . 1 %以上、5 %以下。 本發明中，亦可更具有鄰接上述發光層之A 1 I n G a Ν緩衝 層。利用鄰接發光層設置A1 InGaN緩衝層，可有效將載子 注入發光層而提升發光效率。 上述A 1 I n G a N緩衝層之A 1組成比可設為例如0 . 5 %以 上、4 0 %以下。上述A 1 I n G a N緩衝層之I η組成比可設為例 如0 . 1 %以上、5 %以下。 【實施方式】 以下，參照圖式，以發光元件、尤其是LED作為半導體 裝置之例子來說明本發明之實施形態。

圖1顯示本實施形態之LED的構成。在藍寶石等的基板 1 0上順序形成S i N緩衝層1 2、低溫（L T )生長緩衝層1 4及 無摻雜G a N層1 6。此等係為減低差排用的層。在無摻雜G a N 6 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 層16上形成降低動作電壓用的n-GaN層18。在n-GaN層 18上形成作為η -包覆層20而交錯積層GaN與AlGaN的 (n-GaN/n-AlGaN)的 SLS(Strained Layer Superlattice · 應變超晶格）層。然後，在η -包覆層2 0上形成A 1 I n G a N緩 衝層22及發光層24。發光層24如後述之，係由將InGaN 井層與AlInGaN障壁層積層之多層量子井層MQW所構成。 在發光層24上形成作為P -包覆層26而積層GaN與AlGaN 的（p-GaN/p-AlGaN)的SLS層。也就是說，本實施形態之 3> LED係為由η-包覆層20及p -包覆層26夾住AlInGaN緩衝 層22及MQW發光層24的構成。在P -包覆層26形成降低 動作電壓用的p-GaN層28，又在p-GaN層28上形成p電 極30。另一方面，使n-GaN層18的一部份曝露’而於其 上形成η電極32。各層使用MOCVD裝置，而由MOCVD法生 長。 習知構成中，作為發光層24使用InGaN等，但是本實 施形態中，作為發光層2 4使用將I n G a N井層與A 1 I n G a N 障壁層交錯積層之多層量子井層MQW，又，在由n -包覆層 2 0及ρ -包覆層2 6夾住發光層2 4時，使鄰接著發光層2 4 形成AlInGaN緩衝層22。 以下，說明發光層2 4及緩衝層2 2。 圖2顯示圖1之發光層2 4的構成。發光層2 4係由將 InGaN井層24b與AlxInyGai-x-yN障壁層24a交錯積層而構 成。其中，0<x<l、0<y<l。InGaN井層24b之厚度如 為1.511111，八1)^11^〇311->^障壁層243之厚度如為1211111。重 7 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 複之數量如為7對（14層hAlxInyGamN障壁層24a之能 帶隙較InGaN井層24b之能帶隙寬廣。當於p電極30及η 電極3 2施加順向偏壓時，藉由I n G a Ν井層2 4 b，電子與電 洞結合而發光。在I n G a N單層中，原理上波長3 6 3 n m以下 的發光並不可能，但是，利用設為交錯積層井層與障壁層 的MQW，InGaN井層24b之有效能帶隙被擴大。藉由有效能 帶隙之擴大，使得在3 6 3nm以下的發光成為可能。屬發光 區域之I n G a N井層2 4 b，因為其I η組成較大（例如，I η組 成χ=10%)，且In組成起伏也大，因此發光效率高。也就 是說，當在組成具有空間起伏時將引起載子的局部化，如 即使在I n G a N内產生差排其發光效率仍不易降低。 另外，AlxIriyGamN障壁層24a因為也包含ln(y>0)， 因而產生In的組成起伏，由與井層24b相同的理由引起載 子的局部化，而與差排之存在無關可抑制發光效率的下 降。作為障壁層2 4 a若與使用未含有I η的A 1 G a N緩衝層的 情況比較，具有在AlInGaN中與InGaN井層24b的晶格不 一致小》不易產生晶格不一致差排之結晶性高的優點。另 外，即使為不產生差排的情況，在A 1 I n G a N中產生於井層 2 4b及障壁層24a的應變變小。在使此等之層c面生長， 而壓縮於面内或施加拉伸應力的情況，六方晶氮化物半導 體依壓電性而於c軸方向產生電場。該電場使注入井層2 4 b 中之電子電洞對向著反方向移動，而減小此等的波動函數 的空間重疊，使得再結合率減小。也就是說，當井層2 4 b 具有應變時其發光效率將降低。如此之效應（量子封入史塔 8 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 克效應（stark effect))尤其是在井層24b寬廣的情況顯著 產生，但是在井層2 4 b狹窄的情況也多少有影響。本實施 形態中，係將A 1 I n G a N用作為障壁層2 4 a以減小晶格不一 致，抑制井層2 4 b的應變，因此也可抑制量子封入史塔克 效應引起的發光效率的降低。 如此，在發光層2 4中利用減薄I n G a N井層2 4 b，增寬 AlInGaN障壁層24a的能帶隙，藉由量子效應增寬InGaN 井層2 4 b之有效能帶隙，從而可達成發光波長3 6 0 n m以下。 在該點，與例如不是I n G a N而是將A 1 I n G a N用作為發光層 的波長380nm以下的LED本質上不同。 在將I n G a N用作為發光層的L E D的情況，當I n G a N層的 厚度為2nm以下時發光效率將降低。這是因為封入井層的 電子與電洞的波動函數滲出於障壁之中（井以外），而在障 壁中的再結合的貢獻變得大為增大的原因。本實施形態中 為產生量子效應也有將I nGaN井層24b之減薄為2nm以下 (例如1 . 5 n m )的必要，但是，本實施形態之發光層2 4不會 產生在將I n G a N薄膜作為發光層的情況所產生的發光效率 的降低。其理由是因為將AlInGaN用作為障壁層24a，而 如上述般有效擴大I n G a N井層2 4 b之能帶隙，使得對於波 動函數之障壁層24a的滲出減小的原因。 又，因為屬障壁層24a之AlInGaN含有A1，其生長溫度 有設為較I n G a N之生長溫度（6 5 0 °C〜7 5 0 °C )高的溫度（例 如，8 0 0 °C )的必要。如此，利用在7 5 0 °C以上的溫度生長， 障壁層2 4 a的結晶性也增高。 9 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 另一方面，緩衝層2 2係由A 1 I n G a N所構成。因為缓衝 層22含有Al，因此其能帶隙增大，而成為較屬InGaN之 井層24b還寬廣。藉由該層22提升對井層24b的電子的注 入效率，相反，減小電洞流於緩衝層2 2的量，而可有效將 電子·電洞封入井層2 4 b内。缓衝層2 2之A1組成例如可 設定為40%程度。 以下，具體說明圖1及圖2所示LED的製造方法。本實 施形態之LED係經由以下的製程所製造。也就是說，利用 常壓MOCVD裝置，將藍寶石c面基板10載置於反應管内的 加熱台上，以1 1 0 0 °C的條件在氫氣環境中進行1 0分鐘的 熱處理。其後，將溫度降低至5 0 0 °C為止。從氣體導入管 流入甲聚矽烷氣體與氨氣1 0 0秒，而於基板1 0上不連續地 (或島狀）生長S i N缓衝層1 2。隨後，以相同溫度從氣體導 入管供給三曱基鎵及氨氣以使生長厚度為2 5 nm的GaN緩衝 層（LT緩衝層）1 4。然後，將溫度上升為1 0 7 5 °C，再度供給 三甲基鎵及氨氣以使生長厚度為2//m的無摻雜GaN層 1 6，接著，使生長1 . 0 // m的加入甲聚矽烷氣體的摻S i的 n-GaN層（η電極層）18i-GaN層18中的載子密度大約為5 X 1 018cnT3。 再者，以相同溫度使5 0對摻石夕η - A 1 〇. 1 G a。. 9 N ( 2 n m )/摻石夕 n-GaN(2nm)生長作為SLS構造而生長n -包覆層20。A1之 原料係使用三甲基鋁（TM A)。η -包覆層2 0的平均電子密度 為5 X 1 0 18 c m_ 3。其後，將溫度下降為8 0 0 °C而使無摻雜 Al〇.〇5ln〇.〇iGa〇.94N緩衝層22生長。緩衝層22的厚度為 10 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 36nm。因為生長溫度為8〇(rc而較低，因此其電阻率增高。 在使AlInGaN緩衝層22生長後，以相同80(rc使7對無摻 雜 InuGauNdJinn)/無摻雜 AluInuGauN (95nm)緩衝 層22生長’而使MQW發光層24生長。發光層24之合計厚 度為9 5 n m。 其後’將溫度上升達到9 7 5。〇而使摻鎂p-AlQ」Ga() 9n (2nm) /摻鎂p-GaN(lnm)生長50週期，而生長為SLS構造 的P -包覆層26,再使厚度為20nm之p-GaN層（p電極層）28 生長。SLS構造的p -包覆層26及p-GaN層28中的電洞濃 度分別為 5x 1017cnT3、3x 1018cnT3。 表1顯示各層的構造、組成、膜厚及生長溫度。 表1 名稱 構造 組成 膜厚 生長 溫度 P電極層 p+-GaN 2 0 nm 975 p-包覆層 p-(GaNlnm/AlGaN2nm) 50 SLS A 1 : - 1 0 % 1 5 0 nm 975 發光層（井層/障壁 層） InGaN 1 . 5nm/A 1 InGaN 12nm 7MQW 井（I n :〜1 0 0/〇) 障壁（In: 1%，A1 〜20%) 9 5nm 800 緩衝層 SI-A1 InGaN36nm I n : 1 %, A 1 〜5 % 36nm 800 η -包覆層 n-(GaN2nm/AlGaN2nm) 50 SLS A卜〜1 0 % 2 0 0 nm 1075 η電極層 n - G a N 1 β m 1075 無推雜G a Ν層 u - G a N 2 // m 1075 低溫生長緩衝層 LT-GaN 2 5 nm 500 S i N緩衝層 Si N 500 基板 藍寶石 又，上述表中之各數值均為例示，也可為其他組合。例 如，作為η-包覆層20使50對摻矽η - Al〇.iGa〇.9N(1.6nm)/ 摻矽n-GaN(l. 6nm)生長以作為SLS構造，作為緩衝層22 形成20nm厚度的Al0.4Iri0.01Ga0.59N，作為發光層使3對 11 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629

In0.05Ga0.95N 量子井層（1. 5nm)/Al 〇.4ln〇.〇iGa〇.59 (lOnm)生長，作為p -包覆層26形成50對摻鎂 (0_76nm)/Alii.i3Ga〇.87N (1.5nm)亦可。此外，$ 時之生長溫度亦為例示，例如可在8 4 0 °C使緩種 光層24生長。 如上述步驟而順序使各層生長後，從Μ 0 C V D 圓，順序進行蒸鍍而於表面形成N i ( 1 0 n m )、A u 含有5 %之氧的氮氣環境中，以5 2 0 °C進行熱處 金屬膜作為P透明電極30。其後，於全面塗敷 阻為遮罩而使用η電極形成用的蝕刻。於藉由 的 n-GaN 層 18 上真空蒸鑛 Ti(5nm)、Al(5nm) 以450 °C進行30分鐘熱處理而形成η電極32。 3 0及η電極3 2的一部分形成打線接合用的厚」 金焊墊，研磨基板10的背面至l〇〇/zm之厚度 由切割切出晶片’黏晶後形成L E D元件。 將如上述般製成的LED元件放入積分球中， 測定從LED元件出射的全光輸出。該光輸出在 2 0mA時約為1 . 6mW。發光波長係在2吋直徑的 多少具有誤差者的360nm 土 5nm的範圍。 再者，在應確認發光層2 4之A 1 I n G a N障壁， 帶隙的影響的流於障壁層2 4 a的生長中的各種 使Τ Μ A (三曱基鋁）的流量變化而製成L E D元件 製成之LED元件的發光效率。 圖3顯示其結果。其橫軸為障壁層2 4 a生長 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 N障壁層 GaN I各層生長 ί層2 2及發 裝置取出晶 (1 0 nm )，在 理而將蒸鍍 光阻，以光 餘刻而曝露 ，在氮氣中 於p電極 复5 0 0 nm的 為止，而藉 注入電流以 注入電流為 晶圓面内而 k 24a的能 氣體中，僅 ，並調查了 中的TMA流 12 1292629 量（流動率：s c c m )，為以相對值顯示流入容器的氣體的流 量。縱軸為發光強度的相對值，為使用積分球測定之值的 約1 / 4。當將Τ Μ A流量從7 s c c m增加為1 0 s c c m時，發光效 率成為2. 6倍。使在該狀態生長的障壁層2 4 a的組成，其 I η組成比約為1 %、A 1組成比約為2 0 %。因為A 1組成比與 TMA流量大致成比例，因此從發光效率的觀點考慮最好將 障壁層24a的A1組成比設為較14%(20x7sccm/10sccm) 大。另一方面，若A 1組成比太大則不易進行電流注入，而 且動作電壓也增高。因此，障壁層2 4 a的A 1組成比之下限 係由發光效率所規定，而上限則由動作電壓所規定，具體 而言，最好為1 4 %以上、4 0 %以下，更佳則為1 6 %以上、4 0 % 以下 。 另外，關於障壁層2 4 a的I η組成比，因為隨著I η組成 比增大，能帶隙變窄，因此以I η組成比較小者為佳，但是， 若I η組成比為0的情況其發光效率將遽減。這可認為是因 為在障壁層24a中產生In組成起伏，而貢獻於發光效率改 善的原因。因此，障壁層2 4 a的I η組成比之下限係由組成 起伏量所規定，而上限則由能帶隙所規定，具體而言，最 好為0 · 1 %以上、5 %以下，更佳則為0 · 1 %以上、3 %以下。障 壁層2 4 a的組成的一例係為將A 1組成比設為4 0 %、I η組成 比設為 1% 的 Al〇.4ln〇.〇iGa().59N。 另一方面，關於井層2 4 b的I η組成比，若太小則I η組 成起伏變小而發光效率降低，若I η組成比太大則發光波長 偏向長波長側。因此，其係依賴於最佳I η組成比所要求的 13 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 發光波長與井層2 4 b的厚度而被決定。例如，在發光波長 為3 6 0 n m的情況，最好為5 %以上、1 5 %以下，更佳則為5 % 以上、1 3 %以下。井層2 4 b的組成的一例係為將I η組成比 設為5 %的I η。. 〇 5 G a。. 9 5 Ν。關於厚度，為使其出現量子效應 而以1 n m以上、2 n m以下為佳，更佳則為1 . 3 n m以上、1 . 8 n m 以下。當將井層2 4 b的厚度設為3 n m以上時，可確認其發 光波長為400nm。井層24b及障壁層24a的生長溫度如上 述最好為7 5 (TC ，更佳則為7 7 0 °C以上（例如為8 0 0 °C )。 再者，將流於發光層2 4之障壁層2 4 a的生長中的Τ Μ A 的流量固定為1 0 s c c m，使流於A 1 I n G a N緩衝層2 2生長中 的T M A變化，測定其發光效率的變化。 圖4顯示其結果。圖中，其橫軸為Τ Μ A流量（流動率）， 為一相對值。縱軸為輸出功率的相對值。當將TMA增大時， 緩衝層2 2的A1組成比增大。當將Τ Μ A流量從0增加為 3 s c c m時，其發光強度成為2 . 7倍。又，在將Τ Μ A流量增 加達到1 0 s c c m時，其發光強度反而下降。在Τ Μ A流量為0 的情況發光強度變弱，可以認為是因為緩衝層2 2的能帶隙 狹窄（因為A 1組成比為0 )而無法有效將電子從緩衝層2 2 注入發光層2 4，或電洞從緩衝層2 2中流出，電洞之井層 2 4 b中之封閉不夠充分的原因。另一方面，當A 1組成比增 大時發光效率降低，可以認為是因為結晶性降低，及該層 的能帶隙太過寬廣，電子不易從η -包覆層2 0被注入的原 因。 據此，A 1 I n G a Ν緩衝層2 2之A 1組成比，最好為0 . 5 %以 14 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 上、4 Ο %以下，更佳則為1 %以上、4 Ο %以下。關於A II n G a N 緩衝層2 2之I n組成比，確認到I n組成比為0的情況，其 發光效率將遽減。這可認為是因為在缓衝層2 2内產生I η 組成起伏，而貢獻於發光效率改善的原因。因此，AlInGaN 緩衝層2 2之I η組成比，最好為0 . 1%以上、5 %以下，更佳 則為0 . 1 %以上、3 %以下。A 1 I n G a Ν緩衝層2 2之組成的一例， 係為將A 1組成比設為4 0 %、I η組成比設為1 %的 Alo.4Ino.01Gao.59N 〇 如此，在本實施形態中，作為發光層使用交錯積層指定 組成範圍的InGaN井層與AlInGaN障壁層組成的多層量子 井層構造，以擴大InGaN的有效能帶隙而可形成3 4 0 nm〜 3 7 5 n m的發光，另外，使用A 1 I n G a N作為障壁層以提升發 光效率，更且，利用鄰接發光層設置指定組成範圍的 AlInGaN緩衝層22而可有效注入載子以提升發光效率。 以上，說明了本發明之實施形態，但本發明並不限定於 此等而可作種種的變化。 例如，在本實施形態中，雖形成S i N緩衝層1 2，但其係 為抑制差排者，也可根據必要不形成S i N緩衝層1 2。 另外，也可由低溫生長的G a N P緩衝層來取代S i N缓衝 層1 2與低溫（L T )生長緩衝層1 4。 【圖式簡單說明】 圖1為實施形態之LED的構成圖。 圖2為圖1之發光層的詳細構成圖。 圖3為顯示流於障壁層中之TMA的流量與輸出功率的關 15 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118 1292629 係的曲線圖。 圖4為顯示流於緩衝層中之Τ Μ A的流量與輸出功率的關 係的曲線圖。 (元件符 號說明） 10 基板 12 S i N緩衝層 14 低溫（LT)生長緩 衝層 16 無摻雜GaN層 18 π - G a N 層 20 η-包覆層 22 AlInGaN緩衝層 24 發光層 24a A 1 X I IlyGai-x-yN 障 壁層 24b I n G a N井層 26 P -包覆層 28 ρ-GaN 層 30 p電極 32 η電極 16 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118

Claims (1)

1. ρ92ρ9Γ 申 請專利範圍： 2006 - 5 SEP 替换本 1 . 一種氮化鎵系化合物半導體裝置，係為具有形成於基 板上的G a N糸發光層者’其特徵為. 具有鄰接上述發光層之A 1 I n G a N緩衝層； 上述發光層包括將InGaN井層與AlInGaN障壁層積層之 多層量子井層； 上述I n G a N井層之I η組成比係為5 %以上、1 5 %以下，厚 度係為 lnm以上、2nm以下；且 ； 上述A 1 I n G a N障壁層之A 1組成比係為1 4 %以上、4 0 %以 實 下，而In組成比係為0.1%以上、5%以下；且 ^ 上述AlInGaN缓衝層之A1組成比係為0.5%以上、40% 以下，而I η組成比係為0 . 1 %以上、5 %以下；且 發光波長為375nm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，上述InGaN井層之In組成比係為5%以上、13% 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，上述InGaN井層之厚度係為1.3nm以上、1.8nm 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，上述A 1 I n G a N障壁層之A 1組成比係為1 6 %以上、 4 0 %以下，而I η組成比係為0 . 1 %以上、3 °/◦以下。 5 ·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，上述A 1 I n G a Ν緩衝層之A 1組成比係為1 %以上、 17 326\總檔\92\92119118\92119118(替換)-3 1292629 4 Ο %以下，而I η組成比係為Ο . 1 %以上、3 %以下。 6.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，上述I n G a N井層及A II n G a N緩衝層係在7 5 0 °C 以上所形成者。 18 326\總檔\92\92119118\92119118(替換)-3 1292629 柒、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 10 基板 12 SiN緩衝層 14 低溫(LT)生長缓衝層 16 無摻雜GaN層 18 n-GaN 層 20 n_包覆層 22 AlInGaN緩衝層 24 發光層 26 p-包覆層 28 p-GaN 層 30 p電極 32 η電極 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無 312/發明說明書(補件)/92-09/92119118