TWI295859B - Nitride semiconductor lihgt emitting element - Google Patents

Description

1295859 板側）依序藉由氣相沈積（vaper phase deposition)而將；η型 被覆（clad)層11 〇(本例中兼用為η型接觸層）、發光層（可為 夕里子井（MQW : multiquantum well)等的層合構造）12〇、p 型被後層130、p型接觸層14〇層合而得。p1〇、p2〇分別 為η侧電極、p側電極。在雙異構造（d〇uMe 价此如匀 之卷光元件中，發光層WO則由較n型被覆層HO、p型被 覆層130之帶隙（bandgap)為小的結晶所成。雙異構造之發 光兀件才康說#乂同貝接合（h〇m〇細cti〇n)之發光元件具有高 =以上的發光輸出（例如，參考文獻1:日本專利特開平 8-330629 號公報）。 型值：Ϊ被後層、110 ’可由η型不純物之添加而形成為n ，°Ρ型被覆層130與Ρ型接觸層140,如經由添加 Ρ型不純物之同時，視需 々、二由添加 等低電—時，射;^魏退火（咖Μ】㈣處理 y /成為P型傳導性。發夯声〗9 η 可形成為η型導電性 广^先層12〇 ，之層的狀態。又，亦可：^:性，或混在有此等導電性 之層的情形(不含成广純物的未經摻雜 通常顯示較弱之⑼傳導性)何不純物的未經摻雜之層， 吨物系結晶層作成Ρ型傳導性之用的好ρ型不 純物而言，可採用Mg。 〜π日]孕乂仏P型不 如％光元件之動作電尿 · 用 愈佳。如欲降低動作；壓愈低’則實 以低者為佳，因此，較佳 :衣Ρ型層之串聯電阻 因此，如Mg之添加量 Ζ ρ型層之電洞（h〇】e)濃度， 以约，則結晶性會惡化而電洞之 1295859 •移動度會降低，以奸+ a 加量較佳為作成币、曲法充分降低。因而，峋之添 下降的濃度。n農度充分提高，且結晶性不致於明顯 如欲降低發光元件之動作電 側電極間之接觸電 在降低P型層與p m Γ ma叫方面亦極為重要。 ^ 為降低此種接觸電阻時，列需要楛古# # 濃度之⑽;心如將高載子咖㈣ •姆性可獲改善，結果，L==i據厂說與p側電極間的歐 流動既定順向電二=正向電屢(f_rd 2;日本專利_= 的施加電麼）即降低（參考文獻 本專利特開平7-15041號公報）。 濃产接觸層之％濃度，據說並不因載子 效，因此，而一對接觸電阻之降低方面有 Μσ噥卢r"夂又…為錯由提南ρ型接觸層之表面側的 y又p牛低發光元件之動作電壓或正向電塵的方法 ，爹照文獻1、文獻3 ;日本專利特開平8-97471 _公報）。 ’，對Mg濃度之增加的載子濃度之增加率變小，最 載子濃度會成為反比例，惟如將p型接觸層

減度區域時’則與？側電極間的歐 姆性會成為良好，並降低動作電壓J 如作為P型不純物而使用仏時，則有由該·所引 起的光吸收之發光效率降低之問題的說法（例如，來二文獻 4;日本專利特開平1(Μ25956號公報）。因⑽所引起的 317031 7 1295859 μ 光吸收’係經說明為Mg在GaN系結晶中形成深準位的受 階（acceptor level)，因其深準位與傳導帶間的帶隙而有 430nm以下波長之光被吸收的現象。 在蒼考文獻4所記載的發明中，對此種問題，係藉由 將P型被覆層作成A1比例在8%以上的AlGaN，以擴大上 述帶隙，作成所吸收光之波長較43〇nm為短之同時，將p 型被覆層或p型接觸層厚度作薄，以減輕前述光吸收之問 題者。

如上述，為了減輕Mg所引起的光吸收之問題，周知 有種將p型層（包括p型被覆層、p型接觸層之在發光層 上面所形成的p型傳導層整體）作薄的手法。 曰 I於疋’本發明人等認為，將p型接觸層厚度作薄最為 重要，將經掺雜高濃度Mg之^型接觸層形成薄 !〇以下，並製作使其正下面之p型層之M 少的GaN系I^ED，以嘗試其評估。 心、減 的辜^^ ’動作Μ即將上升 的事貝。其原因應為因濃度梯度(抑-叫所引 降低p型接觸層表層之M e濃戶，乂 + 兴月 觸電阻會增大。換言之，與ρ側電極間的接

湲度以降低與P側電極間的接觸表層之 型接觸層增厚至相當程度，因合 ^不將該P 亦即，在先前技術中，並未能同;=產4光吸收。 南的P型接觸層以降低發光元件之動作^ Mg〉辰度 P型層中的光吸收兩項事宜。 电i、與充分抑制 31703] 1295859 •【發明内容】 本發明之目的在於解決p型層之上 ”

GaN系發光元件—種能在p型接觸層表層中唯掊丄亚賦與

Mg，由於降低添加於P型層中的Mg總量，即可^農度之 =壓之上升的同時’可減少由Mg所引起 ^動作 層構造。 次收的p型 本發明人等發現’在p型層中’由p型 近發光層之層的⑽系材料之組成變化、層人/至取葬 濃度之變化、各層厚等加以本發明獨特之規範，即°可之= 上述目的，遂而完成本發明。 、 亦即，本發明具有下述特徵。 滩(1)一種氮化物半導體發光元件，係具有由氮化物半導 =、1曰層所成之層合體，而該層合體中從下層側依序包含 n型層、發光層、P型層，而P型層中之p型不純物係 多雜有Mg的氮化物半導體發光元件，而其特徵為： 鲁刑、p型層之最下部中設有由八1>^心-3(〇$)^1)所成之口 ^被覆層，而於該P型被覆層上方以1個或1個以上之異 貝界面（hetero interface)中介而設有由 AlyGa】_yN(〇gy$ 〇 所成之Mg高濃度層，而於該Mg高濃度層之正上面則設 為P型層之敢上部的由AlzGa】_zN(y<z S 1)所成之p型 接觸層，而 P型接觸層，係層厚為10nm以下，Mg濃度a為5x ]〇】9crrf3 $ a，

Mg南/辰度層’係層厚為5nm至20]植，河3濃度13為 9 317031 1295859 2x l〇】9cirT3<b，而 p Mg高濃度層與 濃度 c 為 lx 10]9Cm-3“<b，而 ^ iT'Mg 除了 P型接觸声以 未滿5x H)】W。 ，P型層之巉濃度的平均值為 Μ ί·2ί/Λ(1)所記載之氮化物半導體發mi中， Μ…度層在與至少p型 ： 濃度為5XWW3以上的部分。接觸之側3有呦 (3)如上述(2)所記載之氮 發

Mg高濃度層係僅在盘ρ型…:广“先兀件，其中’ 為5x WW以上之、部分層接觸之側，含有呦濃度 ττ⑴所記載之氮化物半導體發光元件，其， Mg /辰度 C 為 c<5x 1 〇19Cin.3。 〆、 b<a⑺如上述⑴所記載之氮化物半導體發光it件，其中， r⑹士上述(1)所記載之氮化 p型層之中，高濃度層與發光二;’其中， 度為未滿2x之部分’:先層之間的層，含有Mg濃 (7)如上述(6)所記載之氮化物半導體發 於該Mg高濃度層與門 件，其中， 值為未滿〜10]W3 間的層中的Mg濃度之平均 p型記載之氮化物半導體發光元件，其中， 尘s之層厗為WOnm至30〇nm。 (9)如上述⑴所記載之氮化物半導體發光元件，其中， 31703] 7295859 ，P型接觸層之層厚為0.5至l〇㈣'Mg濃度a為5x 10】W3 g ag lx l〇2lCm-3，而 "Mg同/辰度層之層厚為5至2〇nm、Mg濃度b為 10 cm-3<(0.5x agb$lx 1〇2]cm.3 ,而 P型層之中，Mg高濃度層與發光層之間的層，係M 濃度 c 為（0.2X b)$c<b。 g ·【實施方式】 ·_ (發明之最佳實施形態） 本說明書中，為說明該發光元件之層合構造中之各層 位置起見，使用「下層側」、「最下部」、「正上面」等，^ =上下_的語句。此乃於層合構造之形成過程中，將結 晶基板作為下側，在其上面所先形成的n型層上形成發^ 層、P型層等方式的根據層合順序的方便上的表現方式， 並：限定在元件之絕對性的上下方向、或元件實裝方向'實 裝時之姿勢）者。「正上面」係指直接相鄰接的上側'「正下 鲁面」係指直接相鄰接的下侧之意。 以下，以GaN系發光元件之丨的GaN系led作為例 子使用，以說明本發明。有關半導體雷射形態方面， 需要時加以說明。 ' 本發明之GaN彡LED之元件構造，如第】圖所示之 一例’於結晶基板B1上’具有經依序成長㈣系結晶層 後作成層合體S的元件構造。該層合體S中，從下層側二 序包含有未經摻雜之層卜n型層2、發光層3、p型層4。 如上述(1)所記載’本發明中，於p型層中所摻雜之p型不 317031 11 1295859 純物為1VI g。 m土層2巾冑％雖包含單獨之n型接觸層、與n型 ' 惟在該圖之例中，則僅以1層兼用兩層功能。 發光層3，係為產生因截早夕 戟子之再結合所引起的發光之 用的層，而如後述，不僅為單一 ▲ 干屑之形怨而亦可為層合構 造。 Ρ型層4中’至少取下部含有ρ型被覆層41，在直上 方含有叫高濃度層43,再在該層43之正上面含有型 接觸層44。此等由ρ形姑罗β 1χ 寻Ρ生被復層41、Mg高濃度層43、ρ型 接觸層44所成ρ型層之特徵，係如上述⑴所記載者。 第1圖之例中，於ρ型被覆層41與Mg高濃度層Μ 之間存在有Mg低濃度層42，惟京尤此方面而容後敛述。 μ結晶基板上面’可為如第3圖之例的平坦（fiat)式，惟 第1圖之it件構造例中，係於結晶基板B1上面經凹凸（後 述）加工後，於該凹凸上形成由GaN系材料所成之緩衝層 • B2’覆蓋凹凸而使未經摻雜之⑽層^型⑽被覆‘ (兼作η型接觸層）2成長。層合體s，係使部分之n型 被覆層2露出之方式從p型層側加以蝕刻…沈…％)，於兮 露出部分設有由A1(鋁）所成η侧電極Pi ^又，在p型接觸 層44上面，從與該上面相接之側依序設有由Ni(鎳）與 Au(金）層合所成之ρ側電極ρ〕。 從發光層3所發出的光，可任由從上方（從p側電極侧） 釋出’或透過結晶基板後再從下側（基板内面侧）釋出，而 只要採用能分別對應於P侧電極之形態，或_般姿能 3】7〇3] 1295859 • (attItude)之封裝或覆晶（flip chip)封裝的構造即可。 如上述，本發明中，作為p型層内之層合構造，首先， 從下層側依序，作成至少含有p型被覆層、（p型）高濃 度層、P型接觸層的構造。於Mg高濃度層與p型被覆層 之間，可存在有其他層（如後述）。其次，將此等層之材料 組成、Mg添加濃度、層厚等依上述（1)之方式加以規範（較 -佳的狀態而言，按上述（2)至（7)之方式加以規範），並藉此 :產生下列3種效果，以達成上述目的。 修⑴結晶性之提升 將P型被覆層作成2元或3元結晶之AlxGa“xN(〇Sx )，將Mg高濃度層作成2元或3元結晶之_ “a)，將P型接觸層作成3元結晶之AlzGai_zN(y〈g 1)的原HJ ’係由於易於製得錯位密度低之高品質結晶。 夕;卩牛低1曰位在度（dlsI〇cation density)即可提升電洞 叙：：ί因此’ P型層之電阻降低而可降低發光元件之 丨 彳工制％者釭位缺陷區域所發生的M之 擴散。 (H)接觸電阻之降低 將P型接觸層作成从^满加…並料 二:乍成較峋高濃度層之A1比例y為高之原因: 2加較之以與氮的結合力強的之比例，則p型声最 上邛所形成的P型接觸層，在 曰 人/、士 在結日日成長時、結晶成長德之 、p型化退火處理時、電極退火處理時等更 ㈣曝咸在高溫環境下時的氮氣漏茂。 "技 317031 ]3 1295859

留的糸結晶層中發生氮氣漏㈣，由於之後所殘 剂傳=缺（Vae_y)可賦與n型傳導性，因此，會妨礙P :::性之顯現，而成為提高與電極間的接觸電阻 之串聯電阻的主要原因。 本發明中，係將p型接觸層之Al比例作成比正下層者 阻=藉以設法控制氮m而控制與電極間的接觸電 阻或層内之串聯電阻之上升。 將P型接觸層之Mg濃度a作成5x 1〇19cm-3$a之理 由：係如在此種濃度之範圍，則能達成與p側電極間較佳 之歐姆接觸’結果便能充分降低與該電極 7型層之Mg量的降低與來自p型接觸層的心;抑 將P型接觸層之厚度限制為極薄之i〇nm以下之理 2係由於在此層中為獲得心側電極間的歐姆性而添加 回浪度之Mg，因此，為抑制Mg所引起的光吸收時，如將 ,此層厚度作薄則為最有效的方法。此乃由於添加Mg 型層所吸收的光之波長，如Mg濃度愈高，Mg愈會形成深 的能級而長波化，而吸收波長愈長波化，結果 所 發生的光愈容易被吸收。 尤曰所 然而，如僅將添加高濃度Mg之p型接觸層作薄時， 則會產生接觸電阻上升之問題。 ’ 相對於此’在本發明中，由於在P型層全體之構成方 面下過工夫’因此’能在防止P型接觸層之接觸電阻的上 升之下，而減低P型層中所含之…㊂量。 317031 14 T295859 、先方' p型被覆層與p型接觸 個組成相異之結晶的接合界面之異界面至少設置兩 被覆層與Mg高濃度層之間所 ''即’係於P型 及得嗜斤成Mg高濃度V個編

(y<zg 1)所成p型接觸居 ^ ^ 與AIzGa】.zN 风Pi接觸層之間所形成之 *於異界面上存在有因結晶之面因 此，容易捕獲經離子化的不純物， 起的电场’因 效果。 令抑制Mg之擴散的 fctU了/tMg高濃度層之Mg濃度b作成h 日尽作成5議至2。麵之同時，將在Mg高濃 度fT面的P型傳導層（包含p型被覆層），亦即，將陶 1層與發光層之間的p型傳導層之Mg濃度c作成i X 10 cm Sc<b。在此所稱c<b的不等式，乃指峋高濃 度層之Mg濃度b，係較Mg高濃度層與發光層之間的p 型傳導層中之任-部分之Mg濃度為高之意。因此，將咐 高濃度層之層厚作成20nm以下，且作成c<b的條件，係 表示在p型接觸層之下側，設定p型層之Mg濃度使由p 型接觸層下面的距離在20nm以内之區域中，Mg濃度成為 最高之意。 再者，將除了 p型接觸層以外之p型層之Mg濃度的 平均值，亦即，從Mg高濃度層至p型被覆層合併在内的 P型傳導層中的Mg濃度之平均值，作成未滿5x i〇19clll-3 之方式。 以如此方式設定p型接觸層與發光層之間的p型傳導 15 317031 •1295859 層之Mg〉辰度’即能在防止刑 P 土接們層之接觸電阻的上升 之下，壓低P型層中所添加的Mg之總量。 、口日日基板，祇要GaN系4士 b w # je 土 B 曰 丄 乐、、、口日日可成長者即可。較佳之結 日日基板而έ，可例舉如：藍賓 4H、3C)'GaN、趟、面、R#SlC⑽、 一 大日日石(spinel)、Zn〇、GaAs、 NGaO等。又，亦可么丨、j仏々々 ”，、 寺…晶作為表層所具有之基材。 另外’基板之面方位並益特別 —ρ ^ ^&+77^,c/ r 卫.，，、将別限疋，可為整版基板亦可為 賦與切餘板（〇ff-cut)的基板。 门 =基板與GaN系結晶層之間，較佳為介在有緩衝 上方所形成的P型層之錯位密度的降低係為了 性。如前述p型層之錯位密度降低，即可產 生電阻之降低，或Mg擴散之抑制等較佳之效果。 較佳的緩衝層而言，可例舉：GaN系緩衝層。緩衝層 之材料，方法、形成條件方面，參考習知技術即可： 惟GaN系緩衝層材料而言，可例舉：GaN、入咖、趟、 ,ΙηΝ等，而成長溫度而言，祇要是較在其上所成長的㈣ 。糸結晶層之成長溫度為低溫者即可，可例舉：30(TC至700 °c ° 缓衝層厚度較佳為1〇nm至特佳為2如m至 40η曰m。如將緩衝層之材料作成㈣時，則上方所成長的 結曰曰層之錯位密度便成為最低，又由於緩衝層之最 範圍增大而佳。 & 另外如作為結晶基板而使用由GaN或A】N纟士曰笪 、、Ό 曰曰 所成基板時，則不需要缓衝層。 31703] 】6 1295859 • GaN系結晶層，可成長在平坦的結晶基板上，惟可於 結晶基板面適當導入用以降低結晶中之錯位密度的構造。 •由此，由5ϊ02等異種材料所成部分有時將包含於由⑽ 系結晶層所成之層合體中。 用以降低錯位密度之構造而言，可例舉：（甲）使能實 苑以往白知之選擇性成長法（EL〇 : 法）之 -方式，而於結晶基板上面將遮罩（mask)層作成條紋圖案 • (pipe pattern)等所形成的構造、（乙）使GaN系結晶能進行 杈向生長（lateral growth)或小平面型生長（faceted g卿叫 之方式，而於結晶基板上面施加點（d〇t)狀、條紋狀等凹凸 加工之構造等。 此等構造與缓衝層，可適當組合。 即使用以降低錯位密度之構造中，由於基板上面施加 有上述（乙）之凹凸加工的構造並不使用遮罩層，因此，可 =止因遮罩層材料之擴散所引起的GaN系結晶之污染 •寺，而佳。又，如按埋入凹凸方式使CaN系結晶成長時， 則^採用由藍寶石基板等不同於GaN系材料所成結晶基 板％，由於折射率相異的結晶基板與GaN系結晶間的界面 成為光散射性，因此，會發生LED之光讀取效率（〇pticai

Piek~Up efflciency)獲提升的理想效果（不同於錯位 降低的效果。) 〇 如將埋入凹凸方式成長的GaN系結晶，實施GaN，特 別疋未經摻雜之GaN時，則由於容易獲得成長面之平坦性 且*a位岔度低的高品質之結晶，因此，在提升上方 3]?031 17 1295859 € *所成長的P型層品質方面很合適。 結晶基板上面的凹凸加工方法、凹凸之配置圖案、凹 凸之剖面形狀、在凹凸上的GaN系結晶之成長過程等，則 參考日本專利特開2000-331947號公報、日本專利特開 2002-164296號公報等即可。又，如作為凹凸而將凹溝形 成為條紋狀時的凹溝之長度方向、凹溝之寬度、凸狀棱角 之寬度、凹凸之振幅（凹溝之深度）等，亦可參考該等文獻 或習知技術。 • GaN系結晶層之成長方法而言，可例舉：HVPE(hydride vapor phase epitaxy :氫化物氣相外延生長）法、 MOVPE(metal organic vapor phase epitaxial:有機金屬氣相 蠢晶）法、MBE(molecular beam epitaxial :分子束蟲晶法） 法等。從能以實用性成長速度形成高品質的結晶薄膜而 言，特佳為MOVPE法。 發光層，可為由單一組成之結晶層所成構造’亦可為 鲁由帶隙相異的複數層所成單一量子井（SQW : sinsle quantum well)構造、多重量子井（MQW : multi_quantum wel1) 構造等多層膜構造。在量子井構造（quantum well structure) 中，嚴格來講，產生發光現象之層雖為井層（we11 layer)， 惟在本發明中，將陴障層（barrier layer)/井層之層合構造整 體視為1個單元（un丨t)，稱之為發光層。 用為發光層的GaN系結晶之組成’可適當選擇具有依 所欲產生光之波長的帶隙之組成’惟如作成較p型被覆層 及η型被覆層為帶隙小的組成時’則由於成為雙異構造而 18 317031 Ί295859 為特佳。如將發光層作成量子井構造時，則可作成井層之 帶隙較P型被覆層及η型被覆層之帶隙為小的方式。曰 如以InGaN構成發光層時，經由調整結晶之化比 即可控制發光波長約從36〇nm(In比例為零）至红外光波 領域的廣泛範圍。發光波長，亦可藉由對發光層中之^型 不純物及/或p型不純物之添加而加以控制。 如以hGaN構成發光層時，則由於形成有“局部性 ，地W濃度分佈的區域’而由於該區域將作為發光再μ 中心而發揮功用，因此，即使發光層具有較高錯位密度:夺口， 仍能獲得南發光效率。 、然而，為將發光波長作成420nm以下之紫至紫外光區 域而降低In比例時，由於難以產生如此效果，因此，發光 層中的錯位密度將對發光效率產生極大影響。因而，^將 發光波長作纽種短波區域時，則較佳為將減低前述之錯 位密度之有效構造，採用為發光層下方之構造。 _如作為ϋ型被覆層之材料，而對發光層之材料使用帶 隙大者’則能將載子有效地侷限在發光層内。在led的情 形=，由於使用時的電流密度較小，因此，與發光層之間 的f隙差亚不需要作大，特別是在發光層為量子井構造的 情形下，亦可使用對其阻障層不存在帶隙差者（同樣組成 者），或帶隙更小者。 ”理由’乃係從Ρ型被覆層注入於發光層，並朝向η 塑被覆層擴散的電洞，由於較朝向相反方向擴散的電子之 秒動度為小’因此’在未到達型被覆層之前即以高或然 317031 K95859 電子再行結合。 而仕LED之發光層使用inQaN時的Ώ型被覆層 ^材"斗，較佳為使用容易製得錯位密度低的2元結晶之 aN或3几結晶之A1GaN、InGaN、特佳為使用GaN。在 ,1GaN的情形，由於如增大A1比例時則有結晶性降低的 、向口此，較佳為將A1比例作成〇·2以下、更佳為作成 0.1以下。 ·、 j <本^明中，作為p型被覆層之材料而使用AlxGa^lSKO SXS1)。亦即’ p型被覆層，係以2元結晶之GaN或3 2結晶之AlGaN構成。㈣被覆層之組成，較佳為依帶隙 务光層者為大的方式而選擇。具體而言，為了將發光 層中朝向P型被覆層方向擴散的電子有效地偈限在發光層 1 ’因此’較佳為作成與發光層（如發光層係量子井構造 ¥，則為井層)間的帶隙差成為〇 3eV以上的组成。 业發光波長（―與發光層（如發光層係量子井構造時，則 .為井層）之帶隙Eg(eV)間的關係如下式表示。

lxEg=124° (式 D 下jr方面，AlxGa]都^丨）之帶隙L係如 卜式表不0

EgAiGaN=6.16x + 3.4(l^x).x(Kx)(弋 2)

射匕’可使用此等關係式以求得較佳 比例的最小值。 ^ AI 例如，將發光波長設為400nm時， 的發光層之帶隙為3.lev，因此，t 、之^ )求得 口此較佳P型被覆層之帶隙 317031 20 1295859 ，成為3.4eV以上’如使用(式2)時’則此時的較佳p型被 復，之比例x便成為〇 〇6以上。另外，如增大八】比例 土了則由方AlxGa]-xN之結晶性有降低的傾向，因此，較 ::為將X作成0.2以下、更佳為作成〇1以下。如前所述， 、，晶性如降低時，則容易沿著錯位缺陷發生Mg之擴散。 P型《層之層厚並無特別限定，可適當參考周知技 十餘而決定，惟輕去氧Ί Λ > 1為 至1〇〇nm、更佳為20nm至7〇nm。 ► 南濃度層’亦可視為位於單薄的P型接觸層正下 P面的弟2接觸層。

Mg高濃度層之材料組成’係ΑΐΜ ·#㈣y 可為y=0(亦即，GaN)。 少4發tr在於p型被覆層與叫高濃度層之間至 乂彡叉有一個異界面。 則作：：：於P型被覆層正下面配置Mg高濃度層時， “列y能成為相L j g高濃度層之A1比 .而:可ί: 時’由於4⑼的差額愈大， 心D g之擴散抑制效果，因此，X盥y之差 佳為0.01以上、f .盔λλ。 ” y之差額較 上更么為〇·〇3以上、特佳為0.05以上。 ::與y間的差額過大時，則因格子不整合 …01广因此，X與y間的差額較佳為0.2以下、 更“ 〇·15以下、特佳為0.1以下。 二於％高濃度層# A]比例y增大性 的傾向，因此，y較佳為作成0.2以下。又，亦可將有= 濃度層的…作成較p型被覆層之A1比例x為小：： 317031 21 1295859 力為：=::^高濃度層之帶隙會愈小，因此，即作 掸 、而易於活性化，因此可望達成因載子濃户 故如以⑽形成Mg高濃度層二 p型接觸層之材料組成為 （ 比例z，如係較％高濃度層…例= •發明之效果中所述，則古、 。上述 •氣漏_果，及因異界面所二=， ㈣高溫環境下的氮氣漏姻 二：= 特佳為作成〇 〇3〜 旱乂仏為作成〇.〇1 之外另而：二如Z值大時，則除了結晶性有降低的傾向 因在^ 引起作為Mg之p型不純物的活性化， =:下來看’z較佳一下、更佳一下、 •好::::的要是作成能與電極形成良 具體而言，如作成二产:：可二可參考習知技術。 ㈣，則可在以P型之：a、別疋作成1X 1〇2°⑽·3 形成良好的歐姆接觸。〜極而周知的各種電極之間 果時另Μ ’如欲更提g Mg所引起的光吸收之抑制效 约，^度a之較佳範圍為5χ】 ,似 較佳為5X⑺〜一至]χ 3 至X 10 cm、 lx l〇20cm*3 〇 cm 、特佳為 5χ I〇i9cm，3 至 p型接觸層之層厚，如係。5_以上時，則可能因接 3]703】 22 1295859 觸=阻之降低，而較在Mg高濃度層上直接形成p側電極 的情形，為更能降低發光元件之動作電壓。 另一方面，由於P型接觸層係以高濃度添加Mg，因 此，如將層厚度作薄，則愈可抑制Mg所引起的光吸收。 因而，P型接觸層之層厚，較佳為〇5]1]11至l〇nm、更 為 0.5nm 至 5nm。 如依MOVPE法形成p型層時 作兔 如在結晶生長時阻礙 為Mg之p型不純物的活性化的氫多量進入p型層中 可’則產生P型層之串聯雷p且夕μ此 屛蛊η 升，或可能因Ρ型接觸 7ρ側電極間的接觸電阻之增加的元件之動作電壓之上 火j者’需要在更嚴袼的條件下進行使Mg活性化之退 以致可能會發生該處理所引起的元件之劣化。 體”：：二在I =之成長時供給於反應容器中的氣 為作成气气等之：j·二J料之載氣(CarriergaS)以外較佳 F爲虱乳寻之惰性氣體，惟 件，則結晶之成長速度會顯著下降。、長時氣體條 因而，如p型層之厚度較 長’其結果，由於結晶層曝露在&、^^所需時間會拖 此，將促進所添加的Mg之擴:下的時間會增長，因 之劣化而有降低元件特性之傾;耐熱Μ的1n㈣層 型接觸層厚度作薄的作法，在* Mg尚濃度層或Ρ 上，亦拫合適。 制此種元件特性之低落 可

Mg尚濃度層之Mg濃度b， 特別是與P型接觸層相接觸 祇要係2x 10i9cm-3<b即 的部分’ Mg濃度較佳為 Ή7ΓΠ1 1295859 •作成5x 1019cmT3以上。 相對於p型接觸層之Mg濃度，作成（〇.5>< a)sbg ΐχ 102】cmT3的作法，係為達成本發明之目的的較隹形離之一。 從抑制Mg所引起的光吸收之觀點而言，較佳為將 高濃度層之Mg濃度b作成較p型接觸層為低之濃度。由& 於Mg高濃度層係以較p型接觸層者之Ai比例為小的 系結晶，亦即，係由於以帶隙更小的GaN系結晶所形成， 因此，如對Mg高濃度層及p型接觸層摻雜相同濃度之从g •時，於Mg高濃度層的光吸收，會較p型接觸層的光吸收 為大。 如Mg濃度b較lx l〇2]cm-3為高時，則Mg高濃度層 之結晶性有降低的傾向。 曰

Mg同浪度層之層厚，係作成5nm至2〇η^。如“皂高 濃度層包含卩5x l〇]9cm-3以上之濃度含有Mg的部分，: 抑制因Mg的光吸收之觀點而言，較佳為Mg高濃度層: •僅與P側接觸層相接觸之側作成Mg濃度5χ 1〇19咖3以 上。如作成此種方式時，於較ρ型接觸層為下側之 中’ Mg濃度成為5x 1〇19Cm-3 LV μ 八 r — 曰

Cm以上的部分之厚度即成為

Onm以下。该厚度之更佳範圍為至15麵、更佳 為 5ηηι 至]Onni〇 在設置經如上被古*4、4 士 — 上塊方式特定Mg濃度及層厚的Mg高嘈 度層之後，將ρ型屑中左少w 9中存在Mg咼濃度層與發光層之間的 P型傳導層(例如，於笛 、罘1圖之例中，係ρ型被覆層31、

Mg低〉辰度層32等）之λΛ曲 号）之Mg濃度c，作成]x 1〇i9cm-3gc， 31703] 24 1295859 尸可抑制從經形成為以下之 的Μ σ之黎％ w 又、Ρ里接觸層表層 ^之擴政，亚可抑制元件之動作電壓 。潜 又，作成（0.2X b)‘c的作法，係為達 的較佳形態之… 4達成本發明之目的 又，作成c<b之同時，將除了 技链 層之Mg濃度之平均值設定為未 θ以外的P型 制元件之動作電堡的上升之同時，：可1二，即可在抑 >體之Mg所引起的光吸收。 β卩，作為Ρ型層整 在Mg高濃度層、與其正下面之 佳為使Mg濃度依階段式改變 之間，較 分’可設…W以上、更佳為=層，部 濃度差。在此，並不因c<b的條件而：以上之 之段差的形成，例如，從P型被覆層涵濃度 亦可容許Mg濃度直線式上升的狀態等f 度層’ 又，在Mg濃度c中，更佳為設置如 身限值，其理由在於添加有Mg ⑽之上 濃度作成5x 以上的高濃^^層中，如將崗 丸，曲点 辰度（對於P型接觸層而言 為)時，則Mg所引起的光吸收便娜 又，為了更減少p型層中 高濃度層與發光層之間的mC起見，於Mg 濃度…]W以下之；;:中方^ P型層中的Mg濃度之平均 /再者，更佳為於忒 之方式。 值作成4為2x]G]W以下 317031 25 1295859 ㈣P為觸層、Mg高濃度層、P型被覆層可為連續的3 夕:二惟亦：於❿高濃度層與p型被覆層之間，作為另 低濃^再設置具有較高濃度層為低的Μ§濃度之Mg

io〇nMg、低濃度層係以設置為p型層整體之層厚能成為 聰以上、較佳u0nn^ 300nm、更佳為100nmJL 作將p型層整體之層厚作成較ι〇〇_為厚的 :法广適的原因’在於如為了肖n型層間的平衡變 ί ’ 長後之冷卻時、p型化退化處料，電極退火 處理時等的發光層之劣化便可_得栌击丨 心侍控制。如p型層整體之 層尽較300nm為厚時，則此等效果達 =時’則除了因Mg所引起的先吸收之問題加大：二 會時間拖長所引起的製造效率之低落或材料浪 如？型層之成長時間過長時，亦會產生因 生長時之高溫所引起的元件劣化之問題。 口

Mg低濃度層’係與峋高濃度層及p型被覆層 或任-界面，成為異界面之方式，而決定其組成即可。者 元处曰’《結晶11的觀點來看’較佳為使用2 兀·、、'口日日之G a N、或3开έ士曰> a 1广、 兀、、、口日日之AlGaN。如採用A1GaN時， 由於如AI比例高時則彡士曰槌女κ夂仏， 蔣丨从^、Λ 降低的傾向，因此，較佳為 將A1比例作成〇.2以下、特佳為（U以下。

Mg低濃度層’可使用與正上面之⑽高濃度層者 “晶組成之材料Al Ga】 N(0<v<i、丄 成與正上面之Ms高漢;=二。如將Mg低濃度層作 &门，辰度層者同樣結晶組成，或作成超晶 31703] 26 1295859 .袼構造（superlattice structure)，則由於可望達成提升正上 面之Mg高濃度層、以及其更上方之p型接觸層之結晶性 的效果，因此，在降低Mg高濃度層或p型接觸層之電阻， 或抑制沿著錯位缺陷所引起的Mg擴散方面係為理想。 於Mg咼濃度層與p型被覆層之間，元件構造上，視 需要可再插入其他層。可例舉：作為構成面射型雷射 • (surface_emitting iaser :振盪方向·射出方向與層合方向相 .互一致的雷射）時的共振器（resonator)中之一方之反射層的 布雷格反射層（Bragg，s reflecti〇n layer)、構成端面發光雷 射（振盪方向.射出方向與層合方向相互垂直的雷射）時的 光侷限層（optical confinement layer)等。 上述布雷格反射層或光侷限層，可為獨立之層，亦可 為兼用Mg高濃度層《Mg低濃度層之部分或全部的層。 一對，等層之材料，從結晶性的觀點來看，較佳為使用 一 ”口日日之GaN或3元結晶之AlGaN ,如使用AlGaN時 籲的AlGaN結晶之A1比例較佳為作成〇 2以下、特佳為^ 以下。 又二P型接觸層、Mg高濃度層、Mg低濃度層、p型 被復層等各層，紙要是結晶組成及Mg濃度能符合本發明 所規定之既定範圍内，亦可作為多層膜構造（包含超晶格構 造）。 (實施例）： 以下，包括用以特定P型接觸層之較佳厚度、Mg高 濃度層之Mg濃度的實驗在内，表示作為本發明之GaN系 317031 27 *1295859 % - 發光元件之實例的GaN系LED之具體構成。 下列之各實驗所示Mg摻雜層之Mg濃度或膜厚，均 係設計值，而實際所得結杲物之測定值内，可能含有製造 誤差在内。 各實驗中具有特定之Mg濃度（設計值）的Mg摻雜層之 生長，係按下列步驟實施。 (曱）預先調查將欲生長的組成之GaN系結晶層依 獅 MOVPE法加以生長時之Mg(雙環戊二烯基鎂）的供給量與 ❿3族原料（三甲基鎵、三曱基鋁）之供給量的比例[Mg/3族原 料比]、與實際所得結晶中之Mg濃度間的關係。為此，所 生長的結晶層之膜厚作成約300nm、Mg濃度則依SIMS(二 次離子質譜法：Secondary Ion Mass Spectroscopy)測定。 (乙）由上述關係求出Mg濃度成為既定之設計值的 [Mg/3族原料比]，在依照該[Mg/3族原料比]供給Mg原料 與3族原料之下，依MOVPE法進行GaN系結晶層之生長。 φ 各層之膜厚，係從單獨生成該組成之膜時的生長速 度，求出生長為既定厚度所需之生長時間，並僅依該生長 時間使其生長，藉以控制者。 各實驗中所製作的AlGaN層或CaN層之膜厚，係以 SIM S經由測定G a或A1之珠度方向分佈5以確認大約按 照設計值之方式。特別是，膜厚為小時，則亦併用厚度方 向之解析能力更佳的分析方法之XPS(X射線光電子能譜 法·· X-ray Photoelectron Spectroscopy)，藉以確認。 又，經由SIMS確認各層之Mg濃度亦大約成為按照 28 317031 1295859

广j值之方式。特別是，如進行結晶層表面附近之SIMS 、寺則F牛低姓刻率（etchlng rate)，藉以提高深度方向 之解析能力。 另外如P型接觸層或Mg高濃度層之膜厚小時，則 Mg有時會往才目鄰接之層擴散流出、或者，來自相鄰接之 層的Mg之擴散流入之影響變大，以致例如，產生峋濃 度之傾斜。又，有時Mg高濃度層之膜厚，Θ Mg往相鄰 接之Mg低濃度層的流出，而使較設計值為小的情形。 實驗1 本貝驗中，製作如第i圖所示構造之GaN系LED。在 GaN系結晶層之生長方面，採用法。 赫Γΐp型接觸層（A1GaN)44之較佳厚度起見，將該 =二層厚設為A，其正下方之以⑽層(將Mg低濃 :曰2兵Mg南濃度層43作成以）之層厚設為b，並改 「受兩層厚度以評估發光特性。 將本實驗中所製作的GaN系、LED之各層構成， 從上層側往下層側表示。 丹 [P型接觸層] 材料；Al0.03Ga0.97N、Mg 濃度；1χ 1〇2 ⑽ A(nm) ° 广層7子， [P型GaN層] P型⑽層，係本應分為Mg高濃度層、μ戶 層之層’惟在此，則為實驗起見，將⑽濃度涵蓋全層； 31703] 29 1295859 成 5x l〇]9(Cm-3)。層厚為 B(nm)。 [P型被覆層] 材料，Al〇 〇8Ga〇.92N、Mg 濃度，2x 10]9(cm 3)、層厚； 5〇(nm) 〇 [發光層] 將GaN阻障層與inGaN井層（發光波長405nm)作成經 層合6周期的MQW構造。最上層作為GaN阻障層。層厚 為 100(nm) 〇 [η型被覆層] 材料；GaN、與η型接觸層共用。層厚為4(// m)。 [未經摻雜之GaN層] 材料；GaN。層厚為從基板凹凸之凸部之上面為上方 之部分的厚度，計為2(//ηι)。 [結晶基板、緩衝層] 、於C面藍寶石基板表面，貼上條紋狀圖案，並施加剖 丨面為矩形波狀之凹凸加工。於該凹凸之凸部上面、凹部底 面，使CaN缓衝層生長。 一 θ對上述構成之GaN系LED，製作能使P型接觸層之層 厚A、與p型GaN層之層厚維持在：= 之方^、 =以變化的元件試樣，並以通電電流2〇(mA)分別測定; 出之結果，發現如P型接觸層之層厚A超過1〇_時: 則輪出會顯著降低的事實。 ^

声、此乃"心為因Mg經以高濃户r 型被覆層之5倍、p刑r M疏七。从 门/辰度（P 土 GaN層之2仑）添加的P型接觸層所 引戏的光吸收之影響增大之故。 斤 3Π〇3] 30 •1295859 , 由此可知，p型接觸層之層厚上限應設為10nm。 將P型接觸層之層厚作成10nm時的vf(流通正向電流 20mA所需之正向電壓），為3·5ν。 實驗2 由上述貫驗1之結果，將p型接觸層厚度固定於1〇nm。 、 對正下方之P型GaN層，則將層厚作成90nm ,並為 -了再抑制因Mg所引起的光吸收，而將Mg濃度作成ΐχ •l〇】9(cm，。 除了該等變更以外，其餘則依與實驗i相同規格製作 GaN系LED，並在測定發光輸出時，相較於實驗！之結果， 雖然發光輸出提升40%左右，而vf卻上升約〇 3 v。 依照本發明人等之檢討結果，其原因可推想為從 p型接觸層往正下方之p型GaN層擴散流出，因而p型接 觸層表面之Mg濃度降低，以致與p側電極間的接觸電阻 #增加。由於p型接觸層僅薄至10nm，因此，可能在該層中 所保持的Mg總量少，以致Mg流出之影響明顯地呈^出 來0 實驗3 修正上述貫驗2之結果，在保持高發光輸出之下，以 不提升vf為目的，而改變對p型GaN層的Mg之添加开 態。具體而言，將P型GaN層之最下部（與p型被覆層相 接觸的區域）之Mg濃度作成lx ]0】9cm-3，將最上部 31 31703] Ί295859 型接觸層相接觸的區域）之Mg濃 Μσ :詹痒"乂 β 又又成5χ 1 0 ，使

Mg /辰度仅層下部往層上部略 4 便 摻雜）。 生上升之方式變化（傾斜 除了此種變更以外，其餘 ⑽系LED，並測定笋光於中夕处、a 1相同規格製作 實驗1有同料級。 Μ輸出均與 依照本發明人等之檢討結 從Vf降低至與實驗1 事貫，可認為已達成來自p型接觸層的Mg擴散 另一方面，從發光輪出降低至與實驗1相同 2的事貫，可認為按本實驗3 Ug傾斜播雜，顯示尚 無法充分抑制由Mg引起的光吸收之事實。 實驗4 修正上述實驗2之結果，在保持低Vf之下，以使提 升發光輸出為目的，而在p型GaN層（層厚9〇n叫之中， #將=與P型接觸層間的界面至厚度x(nm)止的部分作成 高濃度層（Mg濃度5x 1019cm-3)，將其餘厚度Y(nm) (Y=9〇OC)之部分作成Mg低濃度層（Mg濃度ix 1〇i9cm-3)， 以使X與γ呈現多種變化。 除了此種變更以外，其餘則與實驗2相同規格製作 GaN系LED，並測定Vf、發光輸出。 將測定結果示於第2圖之圖表。該圖之圖表，係以橫 軸作為Mg高濃度層之層厚X，將χ=〇、5、10、2〇、9〇(_) 時的Vf值以黑圓圈描繪，並將發光輸出之值以白色四方 1295859 -形描繪。 從該圖之圖表可知，Vf而言，在5SX㈣㈣之範 圍内而與上述實驗1同樣為3.5V，係較佳之值。由此可知， 如將Mg高濃度層之層厚確保為5腿時，即可保持值 為低值的事實。在士卜，士盘心、β ν〜 、 本貝1^ 4之X=〇(nm)的情形，係相 當於上述實驗2者。 ^著的提升&光輸出而3，當作成X ^ 20nm時，觀察到有顯 觀點實ΓΓ知，從保持低Vf，且再提升發光輸出之 t ’作為Mg高濃度層之層厚，較佳為5至2〇謂。 85ηΛ二 使使Mg低漠度層之層厚Y在―至 85nm之廣範圍間變化 _ ,, 仍然未見有Vf之變化之現象係表 不·由[於P型接觸層之 之峋高濃度層，並在故置呦濃度為5心％-3 成至少kWW]的方、J，P型層，係將Mg濃度作 •層表：的峋之擴散流出為不影響W之等級的事;。 又’如將p型接觸層曲ώ 、 度時，由於不八恭斗Λ /辰度之設計值作成更高濃 可得到低的v= :g:農度不足之問題，因此，同樣地 則由於p型接觸層與p型古計值作成更低濃度時， 有效抑制來自Ρ型接觸：度層間的溫度差變小而能更 同樣地可得到二二值的峋之咖 實驗 31703] 1295859 • 除了上述實驗4之結果以外，以再降低v I 目的， 便進行使P型接觸層之厚度薄化的實驗。

依照上述實驗4之結果，在p型GaN層(層厚9〇腿) 之中，將上側作成Mg高濃度層（層厚5nm，M 將其f之下部固定為啦低濃度層(層二

Mg /辰度lx 10 cm·3)，以使p型接觸層之厚度 1 〇nm以下的單薄範圍内使之多種變化。 本實驗5中，當形成p型接觸層時， 屬化合物原料的三甲基鎵、三 *.，、有機金 給於反應容器的載氣，而使用氣氣與氮 $。’供⑽反應容器的氣_僅化成3族原料之氧、=氮 供給於反應容器之氫氣在氨、 量比為30%以下。μ接㈣二I氣氣中所佔的流 旦L p !接觸層之生長逮度，盥將廿气> I比例作成約60%之實驗】至4 /、，匕虱乳〜 k分之丨。 4之&形相比較時，為約5 除了此種變更以外，並

GaN系LED,並測定Vf二丄貫驗4相同規格製作 列疋Vf '發光輸出。 測定之結果，觀察有τ=】〇至 相同等級而Vf有降低的傾向 寺，务光輸出維持在 =升，惟仍然較㈣無p型 雖有些微 值。 I )知，約為0.】eV之低 從此結果可知，p型接觸 者，而其層厚之較佳範圍為〇為將八1比例高出下層 •王 j 。 3]703] 34 1295859 τ= i〇至1止，vf顯示降低傾向的原因，可推定為因p 土接觸層之生長時間變短而結晶曝露在高溫下的時間變 短，以致因熱所引起的劣化之影響變小。 實驗ό 除了上述實驗4之結果以外，進行用以調查抑制竹 之上升所需f的Mg高濃度層之Mg漢度之下限的實驗。 在上述實驗4中，將Mg高濃度層之層厚χ固定為 ’ Mg低漠度層之層厚γ固定為85細，並使岣高濃 度層之Mg濃度在5x 1〇19cm-3至1χ 1〇1W3之間變化。 除了該變更以外，其餘則按與實驗4相同規格製作⑽ LED，並測定vf。 ’、 其ίΛ，Vf係、Mg高濃度層之Mg濃度在& cm (相▲於上述實驗2)至2χ ι〇]9⑽·3之 實驗2相同等級，惟當成為” ，降低而貼近5x i〇】W時的值之53¥。 ’始

從本實驗ό可知，如將設置於 Mg高濃度層之厚度作成5nm以上，將心正下方的 以上’則有抑制 ^^成2X 電壓之上升的效果。 觸層；度變缚時的動作 (產業上之利用領域） 發光元件，從實用上之觀 ^ 高，即屬良好發光元件，而亚不僅因發光輸出 機器方面對低& # + 士 子有從兀件所組裝的裝置· Ρ。刀®對低消費電力化的要求。 衣置 317031 Ί295859 曰又，發光7L件之動作電壓由於直接關係到該元件之發 ’七、嚴口此對元件胥命之影響大。又，由於發熱愈大， 愈需要以放熱為優先的封裝構造，因此，亦有在設^上需 要加以種種限制的問題。特別是，在GaN系半導體發光元 件方面，由於會產生短波光，因此，除了理論上不得不提 高動作電壓之外，尚有作為結晶生長用基板之目前最為合 .適的監寶石之熱傳導性極低的問題。 . #於此種情況’而強烈要求對於_系半導體發光元 一動作电壓，例如，在LED上的正向電壓（vf)，或雷射 二極體上的振盪之門檻值電壓(threshold vohage)的降低， 即使減低〇. 1 v，仍希望加以降低。 而能在抑制GaN系半導體發光元 ，有效降低P型層之Mg總量， 由於本發明之開發， 件之動作電壓的上升之下 以改善光吸收之問題。 本申請案，係以在曰本所申請的特願200心134704 1基礎者，而其中所含内容則全部包含於本說明書内。 【圖式簡單說明】 的二圖，係表示本發明之GaN系發光元件之元件· 、:圖。影線（hatching)係以區別領域為目的所施加者 ^圖’係表示峋高濃度層之厚度、與竹、發光库 出之間的關係圖表。 第3圖，係表示以往GaN系發光元件 式圖。 Π几件構造的才; 主要元件符號說明 31703] 36 1295859 第 1圖中的各符號， 分別表示下列元件。 1 未經摻雜之層 2 η型層 3 發光層 4 ρ型層 31 P型被覆層 33 Mg高濃度層 34 P型接觸層 41 P型被覆（clad)層 42 Mg低濃度層 43 Mg高濃度層 44 P型接觸層 100 結晶基板 100b (GaN系低溫生長）缓衝層 110 η型被覆層 120 發光層 130 ρ型被覆層 140 P型接觸層 a、b、 c Mg濃度 B1 結晶基板 B2 緩衝層 P1 η側電極 P2 ρ側電極 P10 η側電極 P20 ρ側電極 S、S1 層合體 37 317031

Claims (1)

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第94113619號專利申請案 ?岭/〇月ι>日二龙 〆.. ..... ........-：. 、申請專利範圍： •種氮化物半導體發光元件 *».»t…（ 9 ό 年 10 月 2 2 曰） 係具有由氮化物半導體結 曰曰層所成之層合體，而該層合體中從下層側依序包含有 η型層、發光層、ρ型層，而ρ型層中之ρ型不純物係 才乡雜有Mg的氮化物半導體發光元件，而其特徵為： P型層之最下部中設有由所成 之P型被覆層，而於該p型被覆層上方以i個或i個以 上之異質界面為中介而設有由AlyGaiyN(〇$yg丨）所成 之Mg高濃度層，而於該Mg高濃度層之正上面則設有 作為p型層之隶上部的由AlzGa^zN^jKzS 1)所成之p型 接觸層，而 P型接觸層，係層厚為1 〇nrn以下，Mg濃度a為5 xl〇19cnT3 至 lxi〇20cnr3， Mg高濃度層，係層厚為5nm以上，Mg濃度b為5 xl〇]9cirT3$bSlxl021cnT3，而 P型層之中’ Mg高濃度層與發光層之間的層，係 Mg 濃度 c 為 lxl〇19cnT3 S 5xl〇19cm·3，而 除了 P型接觸層以外的p型層之Mg濃度的平均值 為未滿 5\1019〇111。。 2 ·如申请專利範圍第1項之氮化物半導體發光元件，其 中，Mg高濃度層之層厚為20nm以下。 (修正本)3】7〇31 38