TWI467802B - 氮化物半導體發光元件 - Google Patents

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Description

氮化物半導體發光元件
本發明係關於一種氮化物半導體發光元件。
包含氮之III-V族化合物半導體(以下稱為「氮化物半導體」)具有相當於具有紅外線區域至紫外線區域之波長之光的能量之帶隙，故而作為發射具有紅外線區域至紫外線區域之波長之光之發光元件的材料、或接收具有紅外線區域至紫外線區域之波長之光之受光元件的材料而有用。
又，構成氮化物半導體之原子間之鍵結較強，介質擊穿電壓(dielectric breakdown voltage)較高，且飽和電子速度較大，故而氮化物半導體亦作為耐高溫、高輸出且高頻電晶體等電子器件之材料而有用。
進而，氮化物半導體亦作為基本不會破壞環境且易於使用之材料而受到關注。
於使用有此種氮化物半導體之氮化物半導體發光元件中，通常採用量子井構造作為發光層。若施加電壓，則於發光層中之井層中電子與電洞再結合，藉此產生光。發光層可包含單一量子井構造，亦可包含井層與障壁層交替積層而成之多重量子井構造。
於日本專利特開2005-109425號公報中，記載有活性層(相當於本申請案之發光層)係由非摻雜GaN障壁層與摻雜有n型雜質(相當於本申請案之摻雜劑)之InGaN量子井層依次積層而成之情形。又，於該公報中，記載有該非摻雜 GaN障壁層於與上述InGaN量子井層接觸之界面包含防擴散膜之情形，且記載有該防擴散膜包含濃度低於InGaN量子井層之n型雜質之情形。
於日本專利特開2000-349337號公報中，記載有活性層包含n型雜質，及活性層中之n型雜質濃度係n層側高於p層側之情形。又，於該公報中，亦記載有於活性層中，n型雜質濃度係n層側高於p層側，因此可補充自n層側向活性層之供體(donor)之供給，從而獲得發光輸出較高之氮化物半導體元件之情形。
於日本專利特開2007-150312號公報中，記載有藉由將障壁層之厚度相對於量子井活性層之井層之厚度設為13倍以上，而獲得良好之光輸出功率之情形。
另外，近年來，作為氮化物半導體發光元件之用途，研究有液晶背光源或照明用燈泡，藉由大電流驅動氮化物半導體發光元件之情形增加。
於日本專利特開2007-067418號公報中，記載有如下技術：基於「具有InGaN發光層之市售之III族氮化物器件多數情況下包含薄於50Å且典型而言摻雜量少於約1×1018cm-3之複數個量子井發光層。其原因在於，該等量子井設計尤其於低驅動電流時可改善低品質磊晶材料之性能。於照明所期望之高驅動電流中，此種器件之效率隨著電流密度增加而下降」之背景，將與活性層厚設為50Å與250Å之間的先前技術相比較厚之單一井層設為活性層，藉此提高大電流驅動時之特性。
若根據先前技術製造氮化物半導體發光元件，且藉由大電流驅動所製造出之氮化物半導體發光元件，則會導致發光效率之下降，且存在動作電壓上升而電力消耗變大之情形。根據該等情形，存在導致每單位電力之發光效率(電力效率)下降之情形。
通常，於施加於氮化物半導體發光元件之電流密度相對較低之情形及較高之情形時，發光效率下降。認為於電流密度相對較低之情形時發光效率下降之原因在於，產生非發光再結合之能階(結晶缺陷等)多個存在於發光層中。因此，先前技術中之氮化物半導體發光元件之發光效率之提高對策主要係降低發光層中之結晶缺陷。
然而，若施加於氮化物半導體發光元件之電流密度變高，則因發光層之結晶缺陷以外之主要原因而產生發光效率之降低。作為其原因，提出有歐傑再結合(Auger recombination)學說、壓電電場學說、及溢流學說等。
歐傑再結合學說作為大電流密度之發光效率下降之原因之一，隨著活性層之注入載子密度變高，歐傑再結合(再結合機率與注入載子密度之立方成比例地增大之非發光再結合)占支配地位。
壓電電場學說係如下所述者。於井層之組成為InxGa1-xN且障壁層之組成為GaN之情形時，兩者之晶格常數不同，故而原本剖面形狀為正方形之晶格延伸或壓縮為長方形。隨之於結晶中尤其是井層中產生「壓電電場」，因其影響 而產生半導體之能帶(價帶、傳導帶)之傾斜，電洞與電子之密度分佈達到最大之位置於空間上分離至井層之兩側。因此，阻礙電子與電洞之發光再結合(發光再結合之壽命變長)。
溢流學說係如下所述者：若增加對發光層之電子注入，則電子自發光層溢出而到達至p側之層，於該p側之層因非發光再結合而消失。
於任一種學說中，為了抑制大電流驅動時之發光效率下降，均較理想為降低井層之注入載子密度即增大井層之體積。
作為降低注入載子密度之方法之一，考慮有如下方法：增大晶片尺寸而增大發光面積，從而降低每單位面積之電流值，藉此降低實際之每單位體積之載子濃度。然而，若增大晶片尺寸，則由1片晶圓可製造之晶片之個數減少，故而導致氮化物半導體發光元件之價格提高。
作為降低注入載子密度之其他方法，考慮有增厚多重量子井構造之井層之層厚、或增加井層之層數等方法。然而，若過度增厚井層之層厚，則導致井層之結晶品質之下降。又，若過度增加井層之層數，則導致氮化物半導體發光元件之動作電壓之上升。進而，若因所注入之電子與電洞而密度分佈不同，則即便增加表觀之井層之體積，有效之井層之體積亦不會與其成比例地增加。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於不使發光層之結晶品質下降，而即便藉由大電流驅動，亦可防止動 作電壓之上升，提高發光效率，藉此製作電力效率良好之氮化物半導體發光元件。
本發明之氮化物半導體發光元件依序包括n型氮化物半導體層、下部發光層、上部發光層、及p型氮化物半導體層。下部發光層係由複數個下部井層與挾持於下部井層且帶隙大於下部井層之下部障壁層交替積層而成者。上部發光層係由複數個上部井層與挾持於上部井層且帶隙大於上部井層之上部障壁層交替積層而成者。上部發光層之上部障壁層之厚度薄於下部發光層之下部障壁層之厚度。
該構成係根據如下考慮而導入：使上部發光層之障壁層厚較薄之部分作為主要之發光層發揮功能，使下部發光層之障壁層厚較厚之部分作為結晶恢復層發揮功能。
氮化物半導體發光元件之發光層通常具有包含InzGa1-zN(z>0)之井層，故而發光層之成長溫度低於GaN及AlGaN等不包含In之氮化物半導體層之成長溫度。又，於藉由MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，有機金屬化學氣相沈積)法而結晶成長之情形時，使用氮作為載氣之大部分，完全不使用氫，或即便使用亦為極微量。根據此種成長條件，於發光層中容易產生結晶缺陷。
即便於發光層中存在結晶缺陷，但為了儘可能不受存在於發光層中之結晶缺陷之影響而提高發光效率，而必需於結晶缺陷中捕獲注入載子之前產生發光再結合，因此必需減小因井層之壓電電場所致之帶之傾斜。然而，於使用表面為C面之藍寶石基板使氮化物半導體結晶於c軸方向上成 長，由GaN形成大部分氮化物半導體結晶，並於其中設置晶格常數不同之InzGa1-zN(z>0)井層且藉由該井層發光之通常構造之情形時，井層之晶格常數與井層以外之氮化物半導體層之晶格常數不同，隨之於井層中必然會產生壓電電場。於本發明中，為減小井層中之壓電電場，而考慮出使尤其有助於發光之上部發光層之障壁層變薄。
本發明者推測出，即便僅使障壁層之厚度變薄，障壁層之組成相對於障壁層與井層之平均組成之差異亦減少，從而可降低井層中之壓電電場。又，若於發光層整體中使障壁層變薄，則結晶缺陷增大，故而僅使發光層中主要進行發光之p層側之發光層的障壁層變薄而降低壓電電場，於n層側之發光層中，重視藉由障壁層降低井層之成長後蓄積之結晶缺陷之效果而增厚障壁層。障壁層不包含In，或即便包含In，In組成亦低於井層。因此，提高障壁層之結晶品質較提高井層之結晶品質容易。藉此，推測出藉由使n層側之發光層之障壁層成長為較厚而發揮恢復井層中下降之結晶品質之作用。
進而，若僅考慮結晶品質，則認為較理想為自下部發光層消除井層而僅設為障壁層，但實際上，可認為下部發光層具有緩和應變之效果。因此，為了降低上部發光層之壓電電場，較佳為於下部發光層中包含井層。
又，若使上部發光層之障壁層變薄，則推測出亦具有以下之效果。於發光層中，自p層側注入之電洞向發光層整體之擴散不充分，故而接近p層之井層之電洞密度較高， 隨著遠離p層電洞密度變低。為了使電洞擴散至更下側之井層，認為只要使設置於井層之間的障壁層之厚度變薄，縮短距下方之井層為止的距離即可。另一方面，於作為發光層之作用較少之下部發光層中，即便使障壁層變薄，電洞亦難以到達，因此該部分注重作為結晶恢復層之作用而增厚障壁層。藉此，實現上部發光層之結晶品質及發光效率之提高。
上部障壁層之厚度較佳為較下部障壁層之厚度薄0.5nm以上。
下部障壁層及上部障壁層之各層之厚度較佳為與正下方之層之厚度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層側而變薄。此處，所謂「正下方之層」係指相對於著眼之下部障壁層挾持1層下部井層而位於n型氮化物半導體側之下部障壁層，且係指相對於著眼之上部障壁層挾持1層上部井層而位於n型氮化物半導體側之上部障壁層。
下部發光層之平均n型摻雜濃度較佳為高於上部發光層之平均n型摻雜濃度。
下部發光層亦作為相對於上部發光層之n型載子注入層而發揮作用，故而藉由使下部發光層之平均n型摻雜濃度高於上部發光層之平均n型摻雜濃度，電子之移動變得容易，該部分之電阻降低，從而可降低驅動電壓。
下部障壁層及上部障壁層之各層之平均n型摻雜濃度較佳為與正下方之層的平均n型摻雜濃度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層側而變低。此處，所謂「正下方之層」 係如上所述。
根據本發明之氮化物半導體發光元件，即便藉由大電流驅動，亦可防止動作電壓之上升，且防止發光效率之下降，藉此電力效率良好。
本發明之上述及其他目的、特徵、態樣及優點係根據與隨附圖式關聯而理解之有關本發明之以下之詳細說明而明確。
以下，一面參照圖式，一面對本發明之實施形態進行說明。
再者，以下，「障壁層」係指挾持於井層之層，未挾持於井層之層係以「最初之障壁層」或「最後之障壁層」之形式而改變表記為挾持於井層之層。其原因在於，於本發明中，井層與形成於井層之間的障壁層中之電洞或電子之移動尤其重要。
又，於以下之實施形態中，使用「下部發光層」及「上部發光層」之表記，但所謂「下部發光層」係用以指接近n側氮化物半導體層側之層之方便的表現，所謂「上部發光層」係用以指接近p側氮化物半導體層側之層之方便的表現。例如，即便使圖1之上下反轉，「下部發光層」及「上部發光層」之表記亦不會改變。可於「上部發光層」上設置基板，且亦可剝離基板而設為無基板之氮化物半導體發光元件。
又，以下使用「載子濃度」之用語及「摻雜濃度」之用 語，其關係於下文敍述。
又，本發明並不限定於以下所示之實施形態。進而，於本發明之圖式中，長度、寬度、及厚度等尺寸關係係為了圖式之明瞭化及簡化而適當變更，並非表示實際之尺寸關係。
圖1及圖2分別係本發明之實施形態之氮化物半導體發光元件1之概略剖面圖及概略俯視圖。圖2所示之I-I線之剖面圖相當於圖1。又，圖3係模式性地表示圖1所示之氮化物半導體發光元件1之自超晶格層11至p型氮化物半導體層16為止之帶隙能量Eg的大小之能量圖。圖3之縱軸方向係圖1所示之層之上下方向，圖3之橫軸之Eg係模式性地表示各組成之帶隙能量之大小。又，於圖3中，對進行n型摻雜之層塗有斜線。
<氮化物半導體發光元件>
本實施形態之氮化物半導體發光元件1係於基板3之上表面上依序積層緩衝層5、基底層7、n型氮化物半導體層9、10、超晶格層11、下部發光層13、上部發光層15、及p型氮化物半導體層16、17、18而構成台面部30(參照圖2)。於台面部30之外側，n型氮化物半導體層10之上表面之一部分未由超晶格層11覆蓋而露出，於該露出部分上設置有n側電極21。於p型氮化物半導體層18上，介隔透明電極23而設置有p側電極25。於氮化物半導體發光元件1之大致整個上表面，以露出p側電極25及n側電極21之方式設置有透明保護膜27。
<基板>
基板3例如可為包含藍寶石等之絕緣性基板，亦可為包含GaN、SiC、或ZnO等之導電性基板。基板3之厚度設為120μm，但並無特別限定，例如只要為50μm以上300μm以下即可。基板3之上表面可為平坦，亦可如圖1所示般具有包含凸部3A及凹部3B之凹凸形狀。
<緩衝層>
緩衝層5例如較佳為Als0Gat0N(0≦s0≦1、0≦t0≦1、s0+t0≠0)層，更佳為AlN層。然而，亦可將N之極少部分(0.5~2%)置換為氧。藉此，以於基板3之成長面之法線方向上伸長之方式形成緩衝層5，因此獲得包含聚集有晶粒之柱狀結晶之集合體之緩衝層5。
緩衝層5之厚度並無特別限定，但較佳為3nm以上100nm以下，更佳為5nm以上50nm以下。
<基底層>
基底層7例如較佳為Als1Gat1Inu1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、0≦u1≦1、s1+t1+u1≠0)層，更佳為Als1Gat1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、s1+t1≠0)層，進而較佳為GaN層。藉此，存在於緩衝層5中之結晶缺陷(例如位錯等)於緩衝層5與基底層7之界面附近容易被阻截，藉此可防止該結晶缺陷自緩衝層5向基底層7延續。
基底層7亦可包含n型雜質。然而，若基底層7不包含n型雜質，則可維持基底層7良好之結晶性。藉此，基底層7較佳為不包含n型雜質。
藉由增厚基底層7之厚度而使基底層7中之缺陷減少，但即便某種程度以上地增厚基底層7之厚度，基底層7中之缺陷減少效果亦飽和。由此，基底層7之厚度並無特別限定，但較佳為1μm以上8μm以下。
<n型氮化物半導體層>
n型氮化物半導體層9、10例如較佳為於Als2Gat2Inu2N(0≦s2≦1、0≦t2≦1、0≦u2≦1、s2+t2+u2≒1)層中摻雜有n型雜質之層，更佳為於Als2Ga1-s2N(0≦s2≦1，較佳為0≦s2≦0.5，更佳為0≦s2≦0.1)層中摻雜有n型雜質之層。
n型摻雜劑並無特別限定，但較佳為Si、P、As或Sb等，更佳為Si。該情形於下述各層中亦成立。
n型氮化物半導體層9、10之n型摻雜濃度並無特別限定，但較佳為1×1017cm-3以下。
n型氮化物半導體層9、10之厚度越厚，其電阻越減少。因此，n型氮化物半導體層9、10之厚度越厚越佳。然而，若增厚n型氮化物半導體層9、10之厚度，則成本變高。因此，於實際使用中，n型氮化物半導體層9、10之厚度越薄越佳。n型氮化物半導體層9、10之厚度並無特別限定，但實際使用上較佳為1μm以上10μm以下。
再者，n型氮化物半導體層9、10係於下述實施例1中暫時中斷相同之n型GaN層之成長而藉由2個成長步驟形成者，可連續n型氮化物半導體層9與n型氮化物半導體層10而設為單層，亦可具有3層以上之積層構造。各層可包含 相同之組成，亦可包含不同之組成。又，各層可具有相同之膜厚，亦可具有不同之膜厚。
<超晶格層>
本說明書中之超晶格層係指包含藉由交替積層非常薄之結晶層而其週期構造長於基本單位晶格的晶格之層。如圖3所示，超晶格層11係寬帶隙層11A與窄帶隙層11B交替積層而構成超晶格構造，其週期構造較構成寬帶隙層11A之半導體材料之基本單位晶格及構成窄帶隙層11B之半導體材料之基本單位晶格長。再者，超晶格層11亦可依次積層與寬帶隙層11A及窄帶隙層11B不同之1層以上之半導體層、寬帶隙層11A、窄帶隙層11B而構成超晶格構造。又，超晶格層11之一週期之長度(即，寬帶隙層11A之層厚與窄帶隙層11B之層厚之合計)短於下述下部發光層13之一週期之長度，具體而言，較佳為1nm以上10nm以下。
各寬帶隙層11A例如較佳為AlaGabIn(1-a-b)N(0≦a<1、0<b≦1)，更佳為GaN層。
各窄帶隙層11B之組成例如較佳為帶隙能量小於寬帶隙層11A且大於下述下部井層13B及上部井層15B之各帶隙能量之AlaGabIn(1-a-b)N(0≦a<1、0<b≦1)，更佳為GabIn(1-b)N(0<b≦1)。
各寬帶隙層11A及各窄帶隙層11B中之至少一者較佳為包含n型摻雜劑。其原因在於，若寬帶隙層11A與窄帶隙層11B之兩者為非摻雜，則驅動電壓上升。
再者，寬帶隙層11A及窄帶隙層11B之各層數於圖3中設 為20，但例如只要為2至50即可。
超晶格層11係為了降低存在於n型氮化物半導體層9、10之穿透位錯(threading dislocation)等結晶缺陷而設置，且係為了減少下部發光層13及上部發光層15之結晶缺陷而設置。然而，於結晶缺陷較少之情形、及使下部發光層13兼具超晶格層11之結晶缺陷降低功能之情形時，可省略。
<下部發光層>
如圖3所示，下部發光層13係藉由下部井層13B與下部障壁層13A交替積層且下部障壁層13A挾持於下部井層13B而構成者，且介隔最初之下部障壁層13A'而設置於超晶格層11上。下部障壁層13A之帶隙能量大於下部井層13B之帶隙能量。再者，下部發光層13亦可與超晶格層11同樣地，依次積層有與下部障壁層13A及下部井層13B不同之1層以上之半導體層、下部障壁層13A、下部井層13B。又，下部發光層13之一週期之長度(下部障壁層13A與下部井層13B之合計之厚度)例如較佳為5nm以上100nm以下。
各下部井層13B之組成較佳為根據本實施形態之氮化物半導體發光元件所需之發光波長而調整，例如較佳為AlaGabIn(1-a-b)N(0≦a<1、0<b≦1)，更佳為不包含Al之IncGa(1-c)N(0<c≦1)層。然而，於進行例如375nm以下之紫外發光之情形時，通常為了擴大帶隙而適當包含Al。
各下部障壁層13A及最初之下部障壁層13A'例如較佳為AlaGabIn(1-a-b)N(0≦a<1、0<b≦1)層，更佳為GaN層。然而，必需使下部障壁層13A之帶隙能量大於下部井層 13B，故而適當導入In、Al、或In及Al而調整帶隙能量。
下部發光層13之平均n型摻雜濃度較佳為高於下述上部發光層15之平均n型摻雜濃度。藉此，即便藉由大電流驅動氮化物半導體發光元件1，亦可抑制其驅動電壓之上升，故而可防止電力效率之下降。然而，若可藉由其他方法抑制驅動電壓之上升，則下部發光層13之平均n型摻雜濃度較上部發光層15之平均n型摻雜濃度越低，發光效率越提高，故認為較佳。
就抑制驅動電壓上升之觀點而言，各下部井層13B與各下部障壁層13A及最初之下部障壁層13A'中之至少一障壁層較佳為包含n型摻雜劑。又，各下部障壁層13A之n型摻雜濃度更佳為高於各下部井層13B之n型摻雜濃度。
各下部井層13B及各下部障壁層13A之n型摻雜濃度並無特別限定，但較佳為1×1017cm-3以上，更佳為3×1017cm-3以上3×1018cm-3以下。若下部發光層13之平均載子濃度(於摻雜劑為Si之情形時，大致等於n型摻雜濃度)小於1×1017cm-3，則存在氮化物半導體發光元件1之驅動電壓上升之傾向。
各下部井層13B之厚度並無特別限定，但較佳為1.5nm以上5.5nm以下。若各下部井層13B之厚度處於該範圍外，則存在發光效率下降之情形。
各下部障壁層13A及最初之下部障壁層13A'之厚度並無特別限定，但較佳為3nm以上，若為4nm以上20nm以下，則更佳。各下部障壁層13A之厚度無需為固定，尤其 圖3所示之最初之下部障壁層13A'之厚度亦可與各下部障壁層13A之厚度不同。
通常，於氮化物半導體發光元件中，因構成發光層之井層與n型氮化物半導體層中晶格常數等不同而產生應變，但下部發光層13具有降低因該應變所致之結晶缺陷之作用。
<上部發光層>
如圖3所示，上部發光層15係上部井層15B與上部障壁層15A交替積層且上部障壁層15A挾持於上部井層15B而構成者，於上部井層15B中位於最靠近p型氮化物半導體層16側之上部井層15B上設置有最後之上部障壁層15A'。上部障壁層15A及最後之上部障壁層15A'之帶隙能量大於上部井層15B之帶隙能量。再者，上部發光層15亦可依次積層與上部障壁層15A及上部井層15B不同之1層以上之半導體層、上部障壁層15A、上部井層15B。又，上部發光層15之一週期(上部障壁層15A之厚度與上部井層15B之厚度之和)之長度例如較佳為5nm以上100nm以下。
本發明之特徵在於，構成上部發光層之各上部障壁層15A(不包含最後之上部障壁層15A')之厚度薄於構成下部發光層之各下部障壁層13A之厚度。各上部障壁層15A之厚度較佳為較各下部障壁層13A之厚度薄0.5nm以上，更佳為薄1nm以上，進而較佳為薄1.5nm以上。如上所述，上部障壁層15A之厚度越厚，作為修復上部井層15B之結晶缺陷之結晶恢復層之效果越高。然而，若上部障壁層 15A較厚，則阻礙上部發光層15中作為注入載子之電子及電洞之移動，因此認為存在因電子與電洞之再結合產生之發光受到阻礙之傾向。
最後之上部障壁層15A'之厚度較佳為1nm以上40nm以下。
各上部井層15B之厚度並無限定，但更佳為與各下部井層13B之厚度相同。若下部井層13B之厚度與上部井層15B之厚度相同，則藉由各井層之電子與電洞之再結合而於各井層中以相同之波長發光，藉此氮化物半導體發光元件1之發光光譜寬度變窄，故而良好。另一方面，亦可藉由有意地使上部井層15B之厚度與下部井層13B之厚度不同、或者使構成上部井層15B之各井層之厚度彼此不同，而使氮化物半導體發光元件1之發光光譜寬度變寬。
各上部井層15B之厚度較佳為1nm以上7nm以下。若各上部井層15B之厚度處於該範圍外，則存在發光效率下降之傾向。
各上部障壁層15A之n型摻雜濃度並無特別限定，但較佳為8×1017cm-3以下。若上部障壁層15A之n型摻雜濃度超過8×1017cm-3，則於對發光元件施加電壓時，電洞難以注入至上部發光層15，藉此存在導致發光效率下降之情形。存在於各上部障壁層15A及最後之上部障壁層15A'中包含p型摻雜劑之情形。
各上部井層15B之組成較佳為根據本實施形態之氮化物半導體發光元件所需之發光波長而調整，例如較佳為 AlaGabIn(1-a-b)N(0≦a<1、0<b≦1)，更佳為不包含Al之IncGa(1-c)N(0<c≦1)層。然而，於進行例如375nm以下之紫外發光之情形時，通常為了擴大帶隙能量而適當包含Al。又，各下部井層13B較佳為儘可能不包含摻雜劑(成長時不導入摻雜劑原料)。若各上部井層15B不包含n型摻雜劑，則難以產生各上部井層15B之非發光再結合，從而發光效率變得良好。再者，各上部井層15B亦可包含n型摻雜劑，藉此存在發光元件之驅動電壓下降之傾向。
<p型氮化物半導體層>
於圖1所示之構成中，將p型氮化物半導體層設為p型AlGaN層16、p型GaN層17、及高濃度p型GaN層18之3層構造，但該構成為一例，通常p型氮化物半導體層16、17、18較佳為例如於Als4Gat4Inu4N(0≦s4≦1、0≦t4≦1、0≦u4≦1、s4+t4+u4≠0)層中摻雜有p型摻雜劑之層，更佳為於Als4Ga1-s4N(0<s4≦0.4，較佳為0.1≦s4≦0.3)層中摻雜有p型摻雜劑之層。
p型摻雜劑並無特別限定，例如為鎂。
p型氮化物半導體層17、18之載子濃度較佳為1×1017cm-3以上。此處，p型摻雜劑之活性率為0.01左右，故而p型氮化物半導體層17、18之p型摻雜濃度(與載子濃度不同)較佳為1×1019cm-3以上。然而，接近上部發光層15之p型氮化物半導體層16之p型摻雜濃度亦可低於此。
p型氮化物半導體層16、17、18之合計之厚度並無特別限定，但較佳為50nm以上300nm以下。
<n側電極、透明電極、p側電極>
n側電極21及p側電極25係用以對氮化物半導體發光元件1供給驅動電力之電極。n側電極21及p側電極25於作為俯視圖之圖2中僅包含焊墊電極部分，但亦可連接有用以電流擴散之細長之突出部(分枝電極)。又，亦可於p側電極25之下部設置用以停止電流之注入之絕緣層，藉此由p側電極25遮蔽之發光量減少。n側電極21例如較佳為依序積層鈦層、鋁層及金層而構成，若假定進行線接合之情形時之強度，則較佳為具有1μm左右之厚度。p側電極25例如較佳為依序積層鎳層、鋁層、鈦層及金層而構成，且較佳為具有1μm左右之厚度。n側電極21與p側電極25亦可為相同之組成。透明電極23例如較佳為包含ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)、或IZO(Indium Zinc Oxide，氧化銦鋅)等之透明導電膜，且較佳為具有20nm以上200nm以下之厚度。
如上所述，於本實施形態之氮化物半導體發光元件1中，上部發光層15之上部障壁層15A之厚度薄於下部發光層13之下部障壁層13A之厚度。因此，獲得如下效果：(i)上部發光層15之上部井層15B之壓電電場降低，發光再結合機率隨之增加；及(ii)自p側注入之電洞向各上部井層15B之擴散提高，可降低注入電洞密度，從而可抑制歐傑再結合之產生；藉此可防止發光效率之下降。
該效果係藉由使上部發光層15之上部障壁層15A之厚度較下部發光層13之下部障壁層13A之厚度薄0.5nm以上而 變得顯著。
又，於本實施形態之氮化物半導體發光元件1中，較佳為下部發光層13之平均n型摻雜濃度高於上部發光層15之平均n型摻雜濃度。因此，可實現下部發光層13之串聯電阻成分之下降，即便藉由大電流驅動氮化物半導體發光元件1，亦可防止動作電壓之上升。
如上所述，於本實施形態中，可防止大電流驅動時之動作電壓之上升及發光效率之下降，因此可防止大電流驅動時之電力效率之惡化。
再者，於本實施形態之氮化物半導體發光元件1中，下部障壁層13A之厚度較佳為與正下方之層(相對於著眼之下部障壁層13A挾持1層下部井層13B而位於n型氮化物半導體層9側之下部障壁層13A)之厚度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層16側而變薄。藉此，上述效果(即，可防止大電流驅動時之動作電壓之上升及發光效率之下降，因此可防止大電流驅動時之電力效率之惡化之效果)更為明顯。根據相同原因，上部障壁層15A之厚度較佳為與正下方之層(相對於著眼之上部障壁層15A挾持1層上部井層15B而位於n型氮化物半導體層9側之上部障壁層15A)之厚度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層16側而變薄。
又，於本實施形態之氮化物半導體發光元件1中，下部障壁層13A之平均n型摻雜濃度較佳為與正下方之層之平均n型摻雜濃度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層16側而變低。藉此，可實現下部發光層13之串聯電阻成分之下降 之效果變得明顯。根據相同原因，上部障壁層15A之平均n型摻雜濃度較佳為與正下方之層之平均n型摻雜濃度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層16側而變低。
此處，載子濃度係指電子或電洞之濃度，並非僅藉由n型摻雜劑之量或p型摻雜劑之量而決定。即，下部發光層13之載子濃度並非僅藉由摻雜於下部發光層13之n型摻雜劑之量而決定，上部發光層15之載子濃度並非僅藉由摻雜於上部發光層15之n型摻雜劑之量而決定。此種載子濃度係根據氮化物半導體發光元件1之電壓對電容特性之結果而算出者，且係指未注入電流之狀態之載子濃度，且係因經離子化之雜質、經供體化之結晶缺陷、或經受體化之結晶缺陷產生之載子之合計。
然而，關於n型載子濃度，由於作為n型摻雜劑之Si等之活化率較高，故而可認為與n型摻雜濃度相同。又，n型摻雜濃度係藉由利用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry，次級離子質譜分析)測定深度方向之濃度分佈而容易地求出。進而，摻雜濃度之相對關係(比率)與載子濃度之相對關係(比率)大致相同。根據該等情形，於本發明之專利申請範圍中，由實際容易測定之摻雜濃度定義。而且，若將藉由測定而獲得之n型摻雜濃度平均化，則可獲得平均n型摻雜濃度。
例
以下，表示本發明之具體之實施例。再者，本發明並不限定於以下所示之實施例。
<實施例1>
首先，準備包含上表面實施有凹凸加工之直徑100mm之藍寶石基板3之晶圓，藉由濺鍍法於其上表面上形成包含AlN之緩衝層5。
繼而，將晶圓放入至第1MOCVD裝置中，藉由MOCVD法使用TMG(trimethyl gallium，三甲基鎵)與NH3作為原料氣體而使包含非摻雜GaN之基底層7結晶成長，繼而添加SiH4作為摻雜劑用氣體而使包含n型GaN之n型氮化物半導體層9結晶成長。此時，基底層7之厚度為4μm，n型氮化物半導體層9之厚度為3μm，n型氮化物半導體層9之n型摻雜濃度為6×1018cm-3。
將自第1MOCVD裝置取出之晶圓放入至第2MOCVD裝置中，將晶圓之溫度設定為1050℃，使n型氮化物半導體層10結晶成長。n型氮化物半導體層10包含n型GaN，且厚度為1.5μm。繼而，將晶圓之溫度設定為880℃，使超晶格層11結晶成長。具體而言，使包含摻雜Si之GaN之寬帶隙層11A與包含摻雜Si之InGaN之窄帶隙層11B交替地結晶成長20個週期。
此處，使用TMG、NH3、及SiH4作為寬帶隙層11A用之原料氣體。各寬帶隙層11A之厚度為1.75nm，各寬帶隙層11A之n型摻雜濃度為3×1018cm-3。
窄帶隙層11B係使用TMG、TMI(trimethyl indium，三甲基銦)、NH3、及SiH4作為原料氣體而結晶成長。各窄帶隙層11B之厚度為1.75nm。又，以井層中藉由光致發光而發 出之光之波長成為375nm之方式調整TMI之流量，故而各窄帶隙層之組成為InyGa1-yN(y=0.10)。超晶格層11之平均n型摻雜濃度成為約3×1018cm-3。
繼而，將晶圓之溫度降至855℃而使下部發光層13結晶成長。具體而言，使包含摻雜Si之GaN之下部障壁層13A與包含非摻雜InGaN之下部井層13B交替地結晶成長3個週期。
下部障壁層13A係使用TMG、NH3、及SiH4作為原料氣體而結晶成長。將各下部障壁層13A之成長速度設為100nm/hour。各下部障壁層13A之厚度為6.5nm，各下部障壁層13A之n型摻雜濃度為3.4×1017cm-3。
下部井層13B係使用TMI氣體與NH3氣體作為原料氣體，使用氮氣作為載氣而使非摻雜InxGa1-xN層(x=0.13)結晶成長。將各下部井層13B之成長速度設為100nm/hour。各下部井層13B之厚度為3.9nm。又，In之組成x係以下部井層13B中藉由光致發光而發出之光之波長成為448nm之方式調整TMI之流量而設定。包含下部障壁層13A與下部井層13B之下部發光層13之平均n型摻雜濃度成為約2.6×1017cm-3。
繼而，將晶圓之溫度降至850℃而使上部發光層15結晶成長。具體而言，使包含非摻雜GaN之上部障壁層15A與包含非摻雜InGaN之上部井層15B交替地結晶成長3個週期。
上部障壁層15A係使用TMG、NH3、及SiH4作為原料氣 體而結晶成長。將各上部障壁層15A之成長速度設為100nm/hour。將各上部障壁層15A之厚度設為4nm而使其薄於各下部障壁層13A之厚度。各上部障壁層15A設為非摻雜。
上部井層15B係使用TMI氣體與NH3氣體作為原料氣體，使用氮氣作為載氣而使非摻雜InxGa1-xN層(x=0.13)結晶成長。將各上部井層15B之成長速度設為100nm/hour。將各上部井層15B之厚度設為3.9nm而使其於設計上與各下部井層13B之厚度為相同厚度。又，In之組成x係以上部井層15B中藉由光致發光而發出之光之波長成為448nm之方式調整TMI之流量而設定。包含上部障壁層15A與上部井層15B之上部發光層15之平均n型摻雜濃度成為約7×1016cm-3。
繼而，於最上層之上部井層15B上成長10nm之包含非摻雜之GaN層之最後之上部障壁層15A'。
繼而，提高晶圓之溫度，使p型Al0.18Ga0.82N層16、p型GaN層17、及p型接觸層18結晶成長於最上障壁層之上表面上。
繼而，以n型氮化物半導體層9之一部分露出之方式對p型接觸層18、p型GaN層17、p型AlGaN層16、上部發光層15、下部發光層13、超晶格層11、n型氮化物半導體層10之一部分進行蝕刻。於藉由該蝕刻而露出之n型氮化物半導體層10之上表面上形成有包含Au之n側電極21。又，於p型接觸層18之上表面上，依序形成有包含ITO之透明電極23與包含Au之p側電極25。又，以主要覆蓋透明電極23及 藉由上述蝕刻而露出之各層之側面之方式形成有包含SiO2之透明保護膜27。
將晶圓分割為280×550μm尺寸之晶片而獲得實施例1之氮化物半導體發光元件。
將所獲得之氮化物半導體發光元件安裝至TO-18型底座，不進行樹脂密封便測定光輸出，結果以驅動電流30mA、驅動電壓2.9V獲得光輸出45mW(主波長(dominant wavelength)為451nm)。
可確認出，與先前之氮化物半導體發光元件相比，以此方式獲得較高之發光效率之氮化物半導體發光元件之井層中之壓電電場較小。壓電電場變小之情形可藉由各種方法間接地觀測。其方法之一係將光致發光之發光峰值波長λPL與電流注入時之發光峰值波長λEL之差進行比較，若其差變小，則可判斷為壓電電場變小。如圖4(於圖4中，表示本實施例之λEL與(λPL-λEL)之關係)所示，於本實施例之發光元件中，λPL-λEL為-0.4~+0.1nm左右，於其他設計(障壁層厚均為6.5nm，圖4所示之「先前構造」)之情形時，λPL=λEL為2.5~3.5nm。如上所述，於本實施例之發光元件中，與上述其他設計相比，λPL-λEL大幅度減少。又，根據使電流密度改變3位數左右時之發光波長之變化量減少，亦可判斷為壓電電場變小。
<實施例2>
於實施例2中，將晶圓直徑(基板3之直徑)設為150mm，使用與實施例1中所使用者不同之MOCVD裝置，將下部發 光層13之下部井層13B之厚度設為3.25nm，且將下部障壁層13A之厚度設為6.25nm。又，將上部發光層15之上部井層15B之厚度設為3.25nm，將上部障壁層15A之厚度設為4nm。
由於MOCVD裝置不同，故而無法與實施例1直接比較，但於本實施例中，亦能夠以30mA之驅動電流獲得45mW之光輸出，與先前構造(於下部發光層13與上部發光層15中，使障壁層厚度為相同者)相比，實現約1.5mW之光輸出之提高。
<實施例3>
於實施例3中，除增加下部發光層13之下部井層13B之層數以外，與上述實施例1相同。以下，表示與上述實施例1不同之方面。
下部發光層13之下部井層13B之層數為6。對下部井層13B及下部障壁層13A之n型摻雜係無論其有無而均與實施例1同樣地進行。
上部發光層15之上部井層15B之層數為3。
所獲得之結果於波動範圍內大致與實施例1相同。
<實施例4>
於實施例4中，除增加下部發光層13之下部井層13B之層數、及上部發光層15之上部井層15B之層數以外，與上述實施例1相同。以下，表示與上述實施例1不同之方面。
下部發光層13之下部井層13B之層數為4。對下部井層13B及下部障壁層13A之n型摻雜係無論其有無而均與實施 例1同樣地進行。
上部發光層15之上部井層15B之層數為5。
所獲得之結果係驅動電流為30mA，且驅動電壓較實施例1高0.05V而成為2.95V。
<實施例5>
於實施例5中，以實施例1為基礎，亦對上部障壁層15A(挾持於上部井層15B之層)進行n型摻雜。以n型摻雜濃度成為3.4×1017cm-3之方式對上部障壁層15A進行摻雜。
所獲得之結果係驅動電流為30mA，且驅動電壓較實施例1低0.03V而成為2.87V，但大電流下之發光效率下降，故而宜為驅動電流為30mA以下之低電流驅動用。
<實施例6>
以實施例4為基礎，使下部障壁層13A及上部障壁層15A之層厚逐漸變化。但下部井層之層數與上部井層之層數之和為9。將未區分下部發光層13與上部發光層15而自下方之層(基板3側)起記載障壁層之層厚之結果示於表1。
如何判斷下部發光層13與上部發光層15之邊界成為問題。障壁層1之層厚與障壁層8之層厚之平均為5.25nm，故而將該值設為下部發光層13與上部發光層15之邊界，自障壁層1起至障壁層4為止係設為下部障壁層13A，自障壁層5起至障壁層8為止係設為上部障壁層15A。然而，本實施例中為方便起見而進行該區分，若自功能方面而言，則以如下之方式逐漸緩慢變化：關於下部發光層13之功能與上部發光層15之功能之比率，於下方之層中為下部發光層13之比率變多，於上方之層中為上部發光層15之比率變多。
以n型摻雜濃度成為3.4×1017cm-3之方式，對最初之障壁層0、障壁層1至障壁層4為止之下部障壁層13A、及該下部障壁層13A之間的下部井層13B進行摻雜。
<實施例7>
以實施例6為基礎，亦使n型摻雜濃度逐漸變化。但下部井層之層數與上部井層之層數之和為9。將未區分下部發光層13與上部發光層15而自下方之層起記載障壁層之層厚及n型摻雜濃度之結果示於表2。
與實施例6同樣地，障壁層1之層厚與障壁層8之層厚之平均為5.25nm，故而將自障壁層1至障壁層4為止設為下部障壁層13A，將自障壁層5至障壁層8為止設為上部障壁層15A。
如上所述般對本發明之實施形態及實施例進行了說明，但最初亦預定有適當組合各實施形態及實施例之特徵。
已詳細地說明表示了本發明，但其僅用以例示，並不作限定，應當明確地理解發明之範圍係藉由隨附之申請範圍而解釋。
1‧‧‧氮化物半導體發光元件
3‧‧‧基板
3A‧‧‧凸部
3B‧‧‧凹部
5‧‧‧緩衝層
7‧‧‧基底層
9‧‧‧n型氮化物半導體層
10‧‧‧n型氮化物半導體層
11‧‧‧超晶格層
11A‧‧‧寬帶隙層
11B‧‧‧窄帶隙層
13‧‧‧下部發光層
13A‧‧‧下部障壁層
13A'‧‧‧下部障壁層
13B‧‧‧下部井層
15‧‧‧上部發光層
15A‧‧‧上部障壁層
15A'‧‧‧上部障壁層
15B‧‧‧上部井層
16‧‧‧p型氮化物半導體層
17‧‧‧p型氮化物半導體層
18‧‧‧p型氮化物半導體層
21‧‧‧n側電極
23‧‧‧透明電極
25‧‧‧p側電極
27‧‧‧透明保護膜
30‧‧‧台面部
Eg‧‧‧帶隙能量
I-I‧‧‧線
圖1係本發明之一實施形態之氮化物半導體發光元件之概略剖面圖。
圖2係本發明之一實施形態之氮化物半導體發光元件之概略俯視圖。
圖3係模式性地表示構成本發明之一實施形態之氮化物半導體發光元件之氮化物半導體層的帶隙能量Eg之大小之能量圖。
圖4係表示實施例1之結果之圖表。
1‧‧‧氮化物半導體發光元件
3‧‧‧基板
3A‧‧‧凸部
3B‧‧‧凹部
5‧‧‧緩衝層
7‧‧‧基底層
9‧‧‧n型氮化物半導體層
10‧‧‧n型氮化物半導體層
11‧‧‧超晶格層
13‧‧‧下部發光層
15‧‧‧上部發光層
16‧‧‧p型氮化物半導體層
17‧‧‧p型氮化物半導體層
18‧‧‧p型氮化物半導體層
21‧‧‧n側電極
23‧‧‧透明電極
25‧‧‧p側電極
27‧‧‧透明保護膜
30‧‧‧台面部

Claims (4)

  1. 一種氮化物半導體發光元件，其特徵在於依序包括n型氮化物半導體層、下部發光層、上部發光層、及p型氮化物半導體層，且上述下部發光層係由複數個下部井層與挾持於該下部井層且帶隙大於該下部井層之下部障壁層交替積層而成者，上述上部發光層係由複數個上部井層與挾持於該上部井層且帶隙大於該上部井層之上部障壁層交替積層而成者，上述上部發光層之上述上部障壁層之厚度薄於上述下部發光層之上述下部障壁層之厚度，上述下部發光層之平均n型摻雜濃度高於上述上部發光層之平均n型摻雜濃度。
  2. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述上部障壁層之厚度較上述下部障壁層之厚度薄0.5nm以上。
  3. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述下部障壁層及上述上部障壁層之各層之厚度係與正下方之層之厚度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層側而變薄。
  4. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述下部障壁層及上述上部障壁層之各層之平均n型摻雜濃度係與正下方之層之平均n型摻雜濃度相同，或隨著接近p型氮化物半導體層側而變低。
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