TWI559567B - 氮化物半導體層積體及半導體發光元件 - Google Patents
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Description
本發明之實施形態係有關氮化物半導體層積體及半導體發光元件。
近年來，使用氮化物半導體之發光元件則廣泛普及，另外，為了使發光效率提升之研究及開發亦持續被加以進行。
[專利文獻1]日本特開2013-197512號公報
[專利文獻2]日本特開2010-135490號公報
[專利文獻3]日本特公平01-043472號公報
本發明之實施形態係提供發光效率高之氮化
物半導體層積體及半導體發光元件。
實施形態之氮化物半導體層積體係具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，其中，從前述活性層加以設置於電子擴散長度範圍內之範圍，對於前述活性層抑制特定能量以下之電子注入的n側電子阻障層。
另外，實施形態之氮化物半導體層積體係具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，其中，從前述活性層加以設置於電子擴散長度範圍內之範圍，具有較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之氮化物半導體之n側電子阻障層。
另外，實施形態之氮化物半導體層積體係具備：
包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，包含較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之氮化物半導體，在熱平衡狀態作為空乏化之n側電子阻障層。
另外，實施形態之氮化物半導體層積體係具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，包含較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之AlGaN，較前述n型包覆層及前述活性層，氧濃度為高之n側電子阻障層。
另外，實施形態之氮化物半導體層積體係具備：包含n型GaN之n型包覆層，和包含p型GaN之p型包覆層，
和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間之活性層，其中，具有包含未摻雜InGaN之複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大，包含未摻雜GaN之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，包含較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大，包含AlGaN之n側電子阻障層，於在前述n型包覆層之前述n側電子阻障層的介面附近，具有高濃度電子範圍。
另外，實施形態之半導體發光元件係具備：前述任一項記載之氮化物半導體層積體，和加以連接於前述n型包覆層之n側電極，和加以連接於前述p型包覆層之p側電極。
如根據實施形態，可提供發光效率高之氮化物半導體層積體及半導體發光元件者。
1‧‧‧基板
2‧‧‧n側電極墊片
3‧‧‧透明電極
4‧‧‧p側電極墊片
10‧‧‧氮化物半導體層積體
20‧‧‧n型包覆層
21，22，23‧‧‧n側電子阻障層
30‧‧‧活性層
31‧‧‧阱層
32‧‧‧障壁層
40‧‧‧p型包覆層
41‧‧‧p側電子阻障層
圖1係第1實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖2係第1實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
圖3係第2實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖4係第2實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
圖5係第3實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖6係第3實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
圖7係第4實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖8係第4實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
圖9係經由第1實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。
圖10(a)係在經由第1實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之熱平衡狀態的載體分布圖，(b)係在經由第1實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之熱平衡狀態的電場強度圖。
圖11係經由第2實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。
圖12係經由第4實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。
圖13係經由參照例之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。
圖14係表示AlGaN厚度與電子穿隧機率的關係圖表。
圖15係參照例之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
圖16係實施形態之半導體發光元件之模式剖面圖。
圖17(a)係第5實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖，(b)係第5實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
以下，參照圖面，對於實施形態加以說明。然而，各圖面中，對於相同要素係附上相同符號。
圖1係第1實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖2(a)及(b)係第1實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。圖2(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖2(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖2(b)係亦同時顯示電子密度之能量分布n，和電洞密度之能量分布p。
圖9(a)及(b)係經由第1實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。圖9(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖9(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖9(a)係將費米能階，對於圖9(b)係將電子之擬費米能階及電洞之擬費米能階，以1點點劃線而顯示。另外，圖10(a)，(b)係顯示各在經由第1實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之熱平衡狀態的載體分布，電場強度。
然而，在本說明書中，氮化物半導體係以InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)所表示。然而，作為包含為了控制導電型所添加之不純物的構成，亦包含於氮化物半導體之構成。
第1實施形態之氮化物半導體層積體(以下，亦有單稱作層積體)係具有：n型包覆層20，和p側包覆層40，和加以設置於n型包覆層20與p側包覆層40之間的活性層30。
n型包覆層20係例如，n型GaN層，所謂在pn接合的順偏壓時，供給電子於活性層30。另外p型包覆層40係例如，p型GaN層，所謂在pn接合的順偏壓時，供給電洞於活性層30。
活性層30係具有：相互加以層積之複數之阱層31與複數之障壁層32之多重量子井(MQW：Multiple Quantum well)構造。然而，阱層31與障壁層32之層積數係為任意。
阱層31係能量間隙則較n型包覆層20及p側包覆層40為小。障壁層32係將阱層31夾持於層積方向，能量間隙則較阱層31為大。
阱層31係例如，包含未摻雜之InxGa1-xN(0<x<1)。障壁層32係例如，包含未摻雜之GaN，而實質上未包含In。另外，障壁層32則包含In之情況，在障壁層32之In組成比係較在阱層31之In組成比為低。從活性層30所釋放之光的峰值波長係例如，
400nm以上650nm以下。
在此，未摻雜係表示在結晶成長時，未意圖放入不純物之情況。相反地，記述為n型或p型之情況係作為指摻雜意圖性控制導電型之不純物之構成。
更且，第1實施形態之層積體係從活性層30而視，呈位置於n型包覆層20側地具有n側電子阻障層21，於接近於活性層30之n型包覆層20側的端之範圍，設置電子阻障層。例如，在圖1所示的例中，n側電子阻障層21係加以設置於活性層30之最靠近n型包覆層20之障壁層32，和n型包覆層20之間。或者，n側電子阻障層21係加以設置於在n型包覆層20中之活性層30側之範圍亦可。
無論如何作為，n側電子阻障層21係從活性層30朝向n型包覆層20側，加以設置於電子之擴散長度範圍內之範圍。更具體而言，n側電子阻障層21係從活性層30之最靠近n型包覆層20之阱層31或障壁層32，朝向n型包覆層20側，加以設置於電子之擴散長度範圍內之範圍。n側電子阻障層21係從n型包覆層20加以注入至活性層30之電子之中，抑制n側電子阻障層21之能量障壁高度以下之能量的電子之注入。
n側電子阻障層21係能量間隙則較n型包覆層20及障壁層32為大，例如，未摻雜之AlGaN層。
在此，圖15(a)及(b)係將一般所使用之氮化物半導體層積體之能帶圖，作為參照例而示之構成。圖
15(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)之能帶圖，圖15(b)係顯示順偏壓時之能帶圖。另外，對於圖15(b)係亦同時顯示電子密度之能量分布n，和電洞密度之能量分布p。
圖13(a)及(b)係經由參照例之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。圖13(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖13(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖13(a)係將費米能階，對於圖13(b)係將電子之擬費米能階及電洞之擬費米能階，以1點點劃線而顯示。
在參照例之層積體中，未設置有前述之第1實施形態之層積體的n側電子阻障層21，而取而代之，於p型包覆層40與活性層30之間，加以設置有p側電子阻障層41。經由圖13之參照例的氮化物半導體層積體之模擬的能帶圖係相當於從圖9的層構成，除去n側電子阻障層21，設置p側電子阻障層41之構成，上述以外之構成的參數係所有與圖9之模擬同一。
p側電子阻障層41係能量間隙則較p型包覆層40及障壁層32為大，例如，p型AlGaN層。p側電子阻障層41係抑制從活性層30至p型包覆層40側之電子的溢流。
在InGaN/GaN系之多重量子井中，不論傳導帶之阻障高度(異質界面的能量不連續量)與價帶的阻障高度為略相等，比較於電子之有效質量，電洞的有效質量為數倍大之故(例如，GaN之場合，對於電子之有效質量0.2
而言，電洞的有效質量為1.7等)，在pn接合之順偏壓時，對於以電子與電洞超越量子井的障壁層32的量，產生大幅度的差，而有著不易注入電洞至活性層30(多重量子井)之n型包覆層側之量子井為止之問題。
即，從p型包覆層40所注入之電洞則偏在於活性層30至p型包覆層40側，而在活性層30之n型包覆層20側，電洞則不足，活性層30內之載體注入則成為不均一而招致發光效率下降。此情況係亦可從圖13(b)之參照例的電洞擬費米能階，則在n型包覆層20側下降(電洞則減少，成為靠近能帶隙的中央)情況確認。此情況，在接近於n型包覆層20側之量子井中，成為幾乎未存在有電洞之電洞枯竭狀態。另外，載體注入之不充分之量子井31係光增益(經由載體再結合之光釋放)為低之故，作為吸收其他之量子井所發射的光而進行載體(電子及電洞)生成之光吸收體而發揮機能，只要經由光吸收而生成之載體無一切損失而未再結合，將產生作為全體之載體損失(發光效率下降)。再參照例之氮化物半導體層積體中，於p型包覆層40側之量子井集中有電洞之結果，為了保持電荷中性則而電子則被吸引至p型包覆層40側，為了控制住在p側電子阻障層41，對於p型包覆層40之電子擴散，而容易產生於接合於活性層30之p側電子阻障層41之障壁層32的部分，電子過剩地集中，而使在障壁層32之Auger效果(非發光載體再結合)促進之載體損失。本來Auger效果係為了對於載體密度之3乘作比例之效果，而
有必要呈未製作電子之集中部而構成。另外，於接合於p側電子阻障層41之障壁層32的部分，電子過剩地集中之結果，引起有p側電子阻障層41之帶隙變形(對於價帶側之潛沒)而p側電子阻障層41之電子阻障效果薄弱，作為結果，成為容易產生電子的溢流。
有鑑於此等問題，如根據第1實施形態，於接近於活性層30之n型包覆層20側的端之範圍，設置n側電子阻障層21。n側電子阻障層21係例如為能量間隙較GaN層之n型包覆層20為大之AlGaN層，對於n型包覆層20而言具有電子之異質障壁。即，n側電子阻障層21係對於n型包覆層20中的電子而言，成為障壁，抑制對於較n型包覆層20之電子之中AlGaN與GaN之傳導帶異質障壁，能量低之電子的活性層30之注入。此係在施加pn接合之順偏壓於n型包覆層20與p型包覆層40之間而流動有電流之情況，亦為同樣。
此結果，對於施加順偏壓於pn接合之情況，較活性層30而電子積存於n型包覆層20側(n型包覆層20與n側電子阻障層21之界面附近)，相當於其電子積存量之電洞則為了保持電荷中性準則，而成為從p型包覆層40加以注入至活性層30，呈吸引至n型包覆層20側為止。因此，成為呈供給電洞至活性層30(多重量子井)之n型包覆層20側之量子井，由均等化活性層30內之注入載體分布者，成為可提升發光效率。
另外，經由n側電子阻障層21與n型包覆層20之電
子親和力的差，在熱平衡狀態中，從n側電子阻障層21，電子則移動至n型包覆層20，而n側電子阻障層21則產生空乏化，於n側電子阻障層21與n型包覆層20之界面，形成有電子之高濃度範圍。n側電子阻障層21與n型包覆層20之電子障壁(傳導帶異質障壁)則某種程度變大時，成為於n型包覆層20之n側電子阻障層21界面附近的帶隙變形部，形成有量子位準，呈吸引n側電子阻障層21及n型包覆層20之電子而形成二次元電子氣體。
因此，在熱平衡狀態中，n側電子阻障層21及活性層30之殘留電子則加以吸收於電子高濃度範圍或二次元電子氣體而容易成為空乏化(電子則產生枯竭化)。由此電子親和力的效果，InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)氮化物半導體之壓電效果則增大，即，經由n側電子阻障層21則由略至本質區為止產生空乏化者而n側電子阻障層21之壓電效果增大(經由殘留載體之電場遮蔽效果變無)之時，如圖9(a)所示，於n側電子阻障層21之兩端產生大的電位差，經由此，使活性層30之電子枯竭化(排出於n型包覆層20側)，更且經由電子高濃度範圍(或二次元電子氣體)之負電荷而從p型包覆層40吸引電洞，對於活性層30及n側電子阻障層21，一切未意圖性地摻雜p型不純物(例如，Mg等)，即，可在未摻雜之狀態，使活性層30擬似性地作為p範圍化者。在實際的結晶成長層中，亦有僅包含從p型包覆層40等熱擴散之Mg之情況，但上述之擬似p範圍化係指亦一切未含有如
此未意圖之不純物，而可作為實質上之p範圍化者。其結果，成為可將n側電子阻障層21作為疑似性之pn接合範圍，使pn接合之擴散電位，集中於n側電子阻障層21部分，使經由pn接合之擴散電位的最大電場範圍，較活性層30之中央部而位置於n型包覆層20側者。在此，經由pn接合之擴散電位之最大電場範圍係指作為除了即使在異質接合界面等未有pn接合而亦產生的局部性之電場，在pn接合之擴散電位產生之電場的最大範圍(能帶的傾斜成為最大的部分)者。
由如此作為而構成之情況的帶隙構造，示於圖9(a)。圖9(a)係與圖2(a)之模式性的帶隙構造(為了簡單化而省略氮化物半導體之壓電電場效果)不同，亦採取各氮化物半導體之壓電效果而作為模擬之結果。如圖9(a)及圖10(b)所示，了解到於n側電子阻障層21之範圍，集中有經由pn接合之擴散電位的非常大之電場，而活性層30(量子井31及障壁層32之所有)則成為實質性之p範圍者。當然，在上述之模擬中係於活性層30，未含有一切之p型不純物，而模擬在p型包覆層40等之p型不純物則產生擴散而未混入於活性層30之理想的結晶成長層之帶隙構造。另外，在模擬中係考慮在實際之結晶成長層之殘留載體，將1×1016cm-3之電子濃度作為初期值而設定。即，不論將活性層30作為1×1016cm-3之n型層而作為初期設定，而成為由構造的效果作為p範圍化者。此情況係如圖10(a)所示，亦從即使在熱平衡狀態，亦由電洞填滿活性層
30情況了解到。經由此擬似p範圍化之效果，比較於圖13(a)所示之參照例，大幅度地緩和經由在活性層30之pn接合之擴散電位的電場之情況，亦一目了然。
作為如此，為了使經由pn接合之最大電場範圍，較活性層30而位置於n型包覆層20側之構成例，係例如，將n型包覆層20作為GaN(例如，將載體濃度作為1×1019cm-3)、而將n側電子阻障層21，作為Al0.25Ga0.75N(例如，未摻雜)，厚度15nm，將活性層30(障壁層GaN、阱層InGaN)係所有作為未摻雜。圖9(a)係在此條件之模擬結果，作為為了將活性層30，擬似性地作為p範圍化之條件，n型包覆層20為GaN(例如，將載體濃度作為1×1019cm-3)、活性層30(障壁層GaN、阱層InGaN)則所有未摻雜之情況，n側電子阻障層21之Al組成為0.05以上，厚度為2nm以上為佳。
圖17(a)係第5實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖，圖17(b)係第5實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。
n側電子阻障層係未加以限定於AlGaN層之單層。如根據圖17(a)及(b)所示之實施形態，為了結晶成長層之應力控制，n側電子阻障層係包含有複數之未摻雜AlGaN層21，和複數之未摻雜GaN層25。
n側電子阻障層係例如，包含3層之Al0.25Ga0.75N層21。各Al0.25Ga0.75N層21之厚度係例如，5nm。於AlGaN層21之間，加以設置有GaN層25。
各GaN層25之厚度係例如，5nm。
對於為了作為上述之帶隙構造，活性層30，n側電子阻障層21之未摻雜時之殘留載體密度(電子密度)係例如，1×1016cm-3以下為佳。
經由設置n側電子阻障層21之時，在熱平衡狀態，pn接合之空乏層係成為容易較經由n側電子阻障層21而電子產生積存作為高載體密度化之n側，而延伸於p側。並且，如圖9(b)所示，對於順偏壓時，為了將n型包覆層20與n側電子阻障層21之界面的積存電子電荷(n++)，作為電荷中性化而吸引電洞，成為容易注入電洞至活性層30之n型包覆層20側之範圍(量子井)為止。在熱平衡時，非對稱性地延伸於p側之空乏層係順偏壓時，從p側產生縮小，而成為促進對於活性層30之電洞注入者。
其結果，均一化對於活性層30而言之電子與電洞的注入，發光效率則變高，另外，未有在活性層內局部集中有電子之部分，Auger效果則激減，而可緩和高注入時之減弱現象。
圖14係表示夾持於GaN層與GaN層之間的AlGaN層之厚度(nm)，和電子穿隧機率(%)之關係的圖表。自傳導帶的底部之AlGaN層之障壁能量△Ec係350meV、GaN範圍之電子的有效質量me係作為0.22。
另外，圖表中，a、b、c、d、e、f、g、h、i係各表示在△Ec比之電子能量0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、
0.6、0.7、0.8、0.9。
作為n側電子阻障層21而發揮機能的AlGaN層則過薄時，經由穿隧效果而對於電子而言未成為障壁。因此，如根據圖14之結果，了解到作為n側電子阻障層21之AlGaN層的厚度係為2nm以上為佳。
另外，n側電子阻障層21過厚時，n型包覆層20與n側電子阻障層21之界面的積存電子則自活性層30遠離，經由積存電子電荷之電洞的吸引效果則成為不充分。
隨之，n側電子阻障層21之厚度係2nm以上50nm以下為佳，而理想係2nm以上5nm以下為佳。
另外，n側電子阻障層21之位置係對於活性層30進行電子注入之故，從活性層30作為電子擴散長度以下之範圍為佳。
另外，為了將n型包覆層20與n側電子阻障層21之間的障壁作為陡峭，而n型包覆層20與n側電子阻障層21之間的遷移層的厚度係2nm以下為佳。
另外，AlGaN層中的氧係作為供給自由電子之供體而發揮機能。隨之，作為n側電子阻障層21而使用AlGaN層，由在n側電子阻障層21中局部地增高氧濃度者，使與n型包覆層(GaN層)20之界面的積存電子增大，且有效地進行n側電子阻障層21之載體枯竭化，可提高前述之電洞吸引效果者。
接著，圖3係第2實施形態之氮化物半導體
層積體的模式剖面圖。
圖4(a)及(b)係第2實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。圖4(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖4(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖4(b)係亦同時顯示電子密度之能量分布n，和電洞密度之能量分布p。
圖11(a)及(b)係經由第2實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。圖11(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖11(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖11(a)係將費米能階，對於圖11(b)係將電子之擬費米能階及電洞之擬費米能階，以1點點劃線而顯示。
在第2實施形態中，作為n側電子阻障層22，加以設置有能量間隙較n型包覆層20及障壁層32為大之n型AlGaN層。其他的構成及效果係與第1實施形態相同。
對於n側電子阻障層22，係在成膜時，作為n型不純物，例如，加以摻雜Si。但n側電子阻障層22中之載體(電子)係擴散於較n側電子阻障層22能量低之n型包覆層20及活性層30，在熱平衡狀態中，n側電子阻障層22係作為空乏化(載體則作為枯竭化)，經由包含二次元電子氣體之高濃度電子積存的效果及壓電效果，如圖11(a)之模擬結果所示，於n側電子阻障層22之範圍，產生有非常大的電場。另外，比較於圖13(a)所示之參照例，緩和活性層30之電場。
對於為了作為上述之帶隙構造，活性層30，作為空乏化(載體則作為枯竭化)之n側電子阻障層22之未摻雜時之殘留載體密度(電子密度)係例如，1×1016cm-3以下為佳。
並且，在第2實施形態中，對於順偏壓時，以對於n型包覆層20與n側電子阻障層22之界面的積存電子電荷(n++)而言之電荷中性則，吸引電洞，成為容易注入電洞至活性層30之n型包覆層20側之範圍為止。其結果，均一化對於活性層30而言之電子與電洞的注入，發光效率則變高，另外，未有在活性層內局部集中有電子之部分，Auger效果則激減，而可緩和高注入時之減弱現象。
另外，與第1實施形態同樣，n側電子阻障層22之厚度係2nm以上50nm以下為佳，而理想係2nm以上5nm以下為佳。另外，n型包覆層20與n側電子阻障層22之間的遷移層的厚度係2nm以下為佳。
另外，在第2實施形態中，作為n側電子阻障層21而使用AlGaN層，由在n側電子阻障層21中局部地增高氧濃度者，使與n型包覆層(GaN層)20之界面的積存電子增大，且有效地進行n側電子阻障層21之載體枯竭化，可提高前述之電洞吸引效果者。
接著，圖5係第3實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖6(a)及(b)係第3實施形態之氮化物半導體
層積體的模式性之能帶圖。圖6(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖6(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖6(b)係亦同時顯示電子密度之能量分布n，和電洞密度之能量分布p。
在第3實施形態中，作為n側電子阻障層23，設置有能量間隙較n型包覆層20及障壁層32為大之p型AlGaN層於n型包覆層20內側。
對於n側電子阻障層23，係在成膜時，作為p型不純物，例如，加以摻雜Mg，Zn，Cd，C。
並且，在第3實施形態中，n側電子阻障層23(p型)則夾持於n型包覆層20而呈使價帶位準一致地作為帶隙構成之故，在順偏壓時，由較n型包覆層20，n側電子阻障層23則突出於傳導帶側之形式而成為低能量電子之阻障，可積存電子於n型包覆層20與n側電子阻障層23之界面者。由對於此界面之積存電子電荷(n++)而言之電荷中性則，吸引電洞，容易注入電洞至活性層30之n型包覆層20側的範圍為止。其結果，均一化對於活性層30而言之電子與電洞的注入，發光效率則變高，另外，未有在活性層內局部集中有電子之部分，Auger效果則激減，而可緩和高注入時之減弱現象。
另外，與第1實施形態同樣，n側電子阻障層23之厚度係2nm以上50nm以下為佳，而理想係2nm以上5nm以下為佳。另外，n型包覆層20與n側電子阻障層23之間的遷移層的厚度係2nm以下為佳。
另外，作為將AlGaN作為p型之不純物，摻雜Mg之情況，Mg係容易與H結合。隨之，不論哪個，均較未含有p型不純物(Mg)之n型包覆層(GaN)20及活性層(InGaN/GaN)30，在p型AlGaN層之n側電子阻障層23，局部性地氫濃度則變高。此係貢獻於n側電子阻障層23之缺陷之降低。
然而，n側電子阻障層23係與第一實施形態，第二實施形態同樣地，由作為未夾持n型包覆層20而接合於活性層30之構成者亦可。此情況，有著經由n側電子阻障層23(p摻雜)而拉起活性層30，成為容易作為疑似p範圍化之效果。
接著，圖7係第4實施形態之氮化物半導體層積體的模式剖面圖。
圖8(a)及(b)係第4實施形態之氮化物半導體層積體的模式性之能帶圖。圖8(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖8(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖8(b)係亦同時顯示電子密度之能量分布n，和電洞密度之能量分布p。
圖12(a)及(b)係經由第4實施形態之氮化物半導體層積體的模擬之能帶圖。圖12(a)係顯示熱平衡狀態(偏壓電壓為0V)，圖12(b)係顯示順偏壓狀態。另外，對於圖12(a)係將費米能階，對於圖12(b)係將電子之擬費米能階及電洞之擬費米能階，以1點點劃線而顯示。
在第4實施形態中，係加上於第1實施形態
之構成，更具備p側電子阻障層41。
p側電子阻障層41係加以設置於接近於活性層30之p型包覆層40側的端之範圍。例如，在圖7所示的例中，p側電子阻障層41係加以設置於活性層30之最靠近p型包覆層40之障壁層32，和p型包覆層40之間。
p側電子阻障層41係能量間隙則較p型包覆層40及障壁層32為大，例如，p型AlGaN層。
p側電子阻障層41係在第1實施形態中，雖僅些微，亦抑制從活性層30洩漏至p型包覆層40側之電子的溢流。此情況，係亦可從圖12(b)之電子的擬費米能階則較p側電子阻障層41先降低(電子減少而成為靠近中央)之情況確認。
如根據第4實施形態，由設置電子阻障層於n型包覆層20側及p型包覆層40之雙方者，可更提高在活性層30之電子與電洞之發光再結合效率者。
然而，在第2實施形態及第3實施形態之構成中，於p型包覆層40側，更設置p側電子阻障層41亦可。
圖16係實施形態之半導體發光元件之模式剖面圖。對於圖16係作為半導體發光元件之一例，顯示LED(Light Emitting Diode)。
實施形態之半導體發光元件係具有氮化物半導體層10。氮化物半導體層10係包含前述任一之實施形
態之氮化物半導體層積體。
氮化物半導體層10係於基板1上，經由有機金屬化學氣相沉積(MOCVD：metal organic chemical vapor deposition)法而加以形成。或者，經由分子束磊晶成長(MBE：molecular beam epitaxy)法，將氮化物半導體層10形成於基板1上亦可。
基板1係例如，可使用矽基板，藍寶石基板，SiC基板，GaN基板等。
另外，氮化物半導體層10係在前述的層(n型包覆層，活性層，p型包覆層，n側電子阻障層，p側電子阻障層)以外，可包含緩和基板1與氮化物半導體之晶格常數之不一致的緩衝層，與電極之矽層等者。另外，於n型包覆層與基板1之間，形成SLS(strained layer super lattice)緩衝層而謀求晶格缺陷的降低化亦可。
氮化物半導體層10係於基板1的相反側，具有p型層的面10p，和n型層的面10n。對於n型層的面10n上係加以設置有n側電極墊片2。對於p型層的面10p上係加以設置有p側電極3(例如，ITO(Indium Tin Oxide)等之透明電極或Ag電極)，而對於其p側電極3上係加以設置有p側電極墊片4。基板1係由亦可保持殘留，或除去者均可。對於前者之情況，係將p側電極3作為透明電極者為佳，對於後者之情況係從將p側電極3作為Ag而除去基板的面，取出光亦可。另外，後者的情況，由將n側電極設置於除去基板的面亦可，作為n側電
極而形成透明電極，部分地設置n電極墊片2之構成亦可。
包含前述之實施形態之氮化物半導體層積體的發光元件(LED)，係具有高發光效率。
然而，實施形態之氮化物半導體層積體係不限於LED，而對於LD(Laser Diode)亦可適用。
雖已說明過本發明之幾個實施形態，但此等實施形態係作為例而提示之構成，未特意限定發明之範圍者。例如，前述之n側電子阻障層21~23及p側電子阻障層41係加以設置複數層亦可，而另外，其複數之電子阻障層之組成為不同亦可。此等新穎之實施形態係可由其他種種形態而加以實施，在不脫離發明的內容範圍，可進行種種省略，置換，變更者。此等實施形態或其變形係與包含於發明範圍或內容之同時，包含於記載於申請專利申請範圍之發明與其均等的範圍。
20‧‧‧n型包覆層
21‧‧‧n側電子阻障層
30‧‧‧活性層
40‧‧‧p型包覆層
Claims (20)
- 一種氮化物半導體層積體，其特徵為具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，其中，從前述活性層加以設置於電子擴散範圍內之範圍，對於前述活性層抑制特定能量以下之電子注入的n側電子阻障層。
- 如申請專利範圍第1項記載之氮化物半導體層積體，其中，從前述活性層之中央，於前述n型包覆層側，具有經由pn接合之擴散電位的最大電場範圍者。
- 一種氮化物半導體層積體，其特徵為具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，其中，從前述活性層加以設置於電子擴散長度範圍內 之範圍，具有較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之氮化物半導體之n側電子阻障層。
- 一種氮化物半導體層積體，其特徵為具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，包含較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之氮化物半導體，在熱平衡狀態作為空乏化之n側電子阻障層。
- 如申請專利範圍第4項記載之氮化物半導體層積體，其中，做成空乏化之前述n側電子阻障層之載體密度係1×1016cm-3以下。
- 一種氮化物半導體層積體，其特徵為具備：包含氮化物半導體之n型包覆層，和包含氮化物半導體之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間，包含氮化物半導體之活性層，其中，具有複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側 的端之範圍，包含較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之AlGaN，較前述n型包覆層及前述活性層，氧濃度為高之n側電子阻障層。
- 一種氮化物半導體層積體，其特徵為具備：包含n型GaN之n型包覆層，和包含p型GaN之p型包覆層，和加以設置於前述n型包覆層和前述p型包覆層之間之活性層，其中，具有包含未摻雜InGaN之複數之阱層，與夾持各前述阱層而具有較前述阱層，能量間隙為大，包含未摻雜GaN之複數之障壁層之活性層，和加以設置於接近於前述活性層之前述n型包覆層側的端之範圍，較前述n型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大，包含AlGaN之n側電子阻障層，於在前述n型包覆層之前述n側電子阻障層的界面附近，具有高濃度電子範圍。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，前述n側電子阻障層則由複數層而加以構成者。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，前述n側電子阻障層係未摻雜層者。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，前述n側電子阻障層係n型層者。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，前述n側電子阻障層係p型層者。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，前述n側電子阻障層之厚度係2nm以上50nm以下者。
- 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，其中，更具備：加以設置於接近於前述活性層之前述p型包覆層側的端之範圍，較前述p型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之p側電子阻障層。
- 一種半導體發光元件，其特徵為具備：如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之氮化物半導體層積體，和加以連接於前述n型包覆層之n側電極，和加以連接於前述p型包覆層之p側電極。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，前述n側電子阻障層則由複數層而加以構成。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，前述n側電子阻障層係未摻雜層者。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，前述n側電子阻障層係n型層者。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，前述n側電子阻障層係p型層者。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，前述n側電子阻障層之厚度係2nm以上50nm以下者。
- 如申請專利範圍第14項記載之半導體發光元件，其中，更具備：加以設置於接近於前述活性層之前述p型包覆層側的端之範圍，較前述p型包覆層及前述障壁層，能量間隙為大之p側電子阻障層。
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