TWI680587B

TWI680587B - 發光元件

Info

Publication number: TWI680587B
Application number: TW104133219A
Authority: TW
Inventors: 小幡俊之; Toshiyuki Obata
Original assignee: 日商斯坦雷電氣股份有限公司; Stanley Electric Co., Ltd.
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2019-12-21
Also published as: TW201633560A; WO2016098632A1; EP3236505A1; EP3236505A4; US20170330995A1; JPWO2016098632A1

Abstract

本發明係一種發光元件，其課題為係提供由控制在發光層與其他半導體層之界面的摻雜濃度者而可使外部量子效率提升之發光元件。

解決手段為氮化物系半導體發光元件係具備：第1導電型之第1半導體層(20)，和與第2導電型之第2半導體層(50)，和加以設置於第2半導體層(50)之第1半導體層(20)側，包含第2導電型之不純物的載子阻擋層(40)，和加以設置於第1半導體層(20)與載子阻擋層(40)之間的發光層(30)，和加以設置於載子阻擋層(40)與發光層(30)之間，將與發光層(30)之界面附近的第2導電型之不純物濃度作為預先所訂定之濃度以下之間隔層(35)。

Description

發光元件

本發明係有關發光元件。特別是，本發明係有關氮化物系化合物半導體的發光元件。

以往，知道有在於n型層與p型層之間，具有活性層之氮化物半導體元件中，活性層則具有由包含Al之氮化物半導體所成之井層，和最加以設置於p型層側，由包含Al之氮化物半導體所成，且與較井層能帶隙能量大之氮化物半導體所成之p側障壁層同時，最加以設置於n型層側之n側障壁層之量子井構造，而接近活性層由所接近而加以設置的光導引層所夾持而形成導波路，加以設置於p型層內之光導引層則較障壁層，能帶隙能量小的氮化物半導體層所成，於活性層與加以設置於p型層內之光導引層之間，具有由包含較活性層為大能帶隙能量之包含Al之氮化物半導體所成且加以摻雜p型不純物之載體封入層之氮化物半導體元件(例如，參照專利文獻1)。如根據專利文獻1記載之氮化物半導體元件，在 380nm以下之短波長域中，可提供雷射振盪可能之活性層，導波路徑構造。

另外，對於摻雜Mg於InGaN/GaN多重量子井之障壁層之發光二極體的特性而加以報告(例如，參照非專利文獻1)。如根據記載於非專利文獻1之技術，摻雜Mg之發光二極體則可較未摻雜Mg於障壁層之發光二極體，使光輸出提升者。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第4161603號公報

[非專利文獻1]Sang-Heon Han, Chu-Young Cho, Sang-Jun Lee, Tae-Young Park, Tae-Hun Kim, Seung Hyun Park, Sang Won Kang, Je Won Kim, Yong Chun Kim, and Seong-Ju Park, "Effect of Mg doping in the barrier or InGaN/GaN multiple quantum well on optical power of light-emitting diodes", APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 051113 (2010)

但在專利文獻1所記載之技術中，係雖加以記載有由摻雜特定濃度之摻雜劑於量子井的井層而可提升發光效率(例如，參照專利文獻1之段落0071)，但未著眼於在發光層與其他半導體層之界面的摻雜濃度。另外，非專利文獻1所記載之技術係著眼於摻雜Mg於障壁層者，但此技術亦未著眼於在發光層與其他半導體層之界面的摻雜濃度。

隨之，本發明之目的係提供由控制在發光層與其他半導體層之界面的摻雜濃度者而可使外部量子效率提升之發光元件。

本發明係為了達成上述目的，而加以提供具備：第1導電型之第1半導體層，和與第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層，和加以設置於第2半導體層之第1半導體層側，包含第2導電型之不純物的載子阻擋層，和加以設置於第1半導體層與載子阻擋層之間的發光層，和加以設置於載子阻擋層與發光層之間，將與發光層之界面附近的第2導電型之不純物濃度作為預先所訂定之濃度以下之間隔層之氮化物系半導體發光元件。

另外，在上述氮化物系半導體發光元件中，間隔層則亦可將界面附近的第2導電型之不純物濃度控制為1×10¹⁷cm^-3以下者。

另外，在上述氮化物系半導體發光元件中，發光層則為加以交互層積障壁層與井層之量子井層，而間隔層則接觸於井層，間隔層與井層之界面的第2導電型之不純物濃度亦可為1×10¹⁷cm^-3以下者。

另外，在上述氮化物系半導體發光元件中，第1半導體層則加以設置於半導體基板上，而第1半導體層，第2半導體層，發光層，間隔層，及載子阻擋層則包含AlGaN系半導體而加以構成亦可。

另外，在上述氮化物系半導體發光元件中，半導體基板則為AlN基板，第1半導體層則加以設置於AlN基板之C面上亦可。

另外，在上述氮化物系半導體發光元件中，第2導電型之不純物則亦可為Mg、Zn、Ca、C、或Be。

如根據有關本發明之發光元件，可提供由控制在發光層與其他半導體層之界面的摻雜濃度者而可使外部量子效率提升之發光元件。

1‧‧‧發光元件

10‧‧‧基板

20‧‧‧第1半導體層

30‧‧‧發光層

35‧‧‧間隔層

40‧‧‧載子阻擋層

50‧‧‧第2半導體層

52‧‧‧第3半導體層

60‧‧‧第1電極

65‧‧‧第2電極

100‧‧‧能帶圖

110‧‧‧濃度剖面圖

300‧‧‧障壁層

302‧‧‧井層

304‧‧‧井層

圖1係有關本實施形態之發光元件的剖面之概要圖。

圖2係有關本實施形態之發光層附近的剖面圖。

圖3係構成有關本實施形態之發光元件的半導體層之能帶圖之一部分的概要圖。

圖4係顯示有關實施例之發光元件，及有關比較例之發光元件的次峰值發光的強度與Mg濃度之關係圖。

[實施形態]

圖1係顯示有關本發明之實施形態的發光元件之剖面的概要之一例。圖2係顯示有關本發明之實施形態的發光層附近之剖面的概要之一例。然而，在本實施形態所說明的圖係終究為概要圖，各圖所示之各半導體層之厚度，及尺寸等係未必反應實際的厚度及尺寸等。

(發光元件1之構造的概要)

有關本實施形態之發光元件1係例如，主要使用GaN系、或AlGaN系之III-V族化合物半導體而加以構成，作為放射深紫外線範圍的光之發光元件之發光二極體(Light Emitting Diode：LED)或者雷射二極體。發光元件1係作為一例，在平面視具有矩形狀。發光元件1係具備：基板10，和加以設置於基板10上之第1導電型之第1半導體層20，和加以設置於第1半導體層20上之發光層30，和加以設置於發光層30上之間隔層35，和加以設置於間隔層35上之載子阻擋層40，和加以設置於載子阻擋層40上，與第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層50，和加以設置於第2半導體層50上之第3半導體層52。

然而，在本實施形態中，記載為「於一半導體層上加以設置有其他之半導體層」之情況，作為包含加以設置有其他的半導體層於一半導體層之正上方之形態，和更加以設置於其他的半導體層於一半導體層與其他之半導體層之間的形態(也就是，加以設置有其他的半導體層於一半導體層之上方的形態)者。

另外，發光元件1係具備：加以設置於第1半導體層20之基板10側的相反側之一部分之範圍的第1電極60，和加以設置於第3半導體層52之第2半導體層50側的相反側的面一部分之範圍的第2電極65。

在此，第1半導體層20係包含作為第1導電型之不純物的摻雜劑，而第2半導體層50及第3半導體層52係各包含與第1導電型不同之第2導電型之摻雜劑而加以構成。並且，在本實施形態中，載子阻擋層40係包含第2導電型之摻雜劑而加以構成。另外，發光層30係作為一例，具有包含加以交互層積之井層與障壁層的量子井層而加以構成。

間隔層35係加以設置於發光層30與載子阻擋層40之間，將在發光層30與間隔層35之界面附近的第2導電型之不純物濃度，調整為預先所訂定之濃度以下。例如，間隔層35係與發光層30之載子阻擋層40側的井層接觸而加以設置，具有使自載子阻擋層40之不純物，實質上未到達至最接近於載子阻擋層40之位置的井層與間隔層35之界面附近或界面的機能及構造。

本發明者係在檢討構成發光元件的各半導體層中之摻雜劑的舉措，對於摻雜劑之各半導體層的影響，及賦予外部量子效率之摻雜劑濃度的影響等過程中，不僅發光層，在構成發光層30之井層，作為呈未實質上使自載子阻擋層40擴散來的摻雜劑存在於最接近於載子阻擋層40側之井層與間隔層35(或加以設置於最接近於載子阻擋層40側之未摻雜半導體層)之界面附近時，首先發現發光元件1之外部量子效率提升之現象，至創出本發明。以下，依照實施形態而詳細說明。

(發光元件1之構造的詳細)

作為一例，說明第1導電型為n型，而第2導電型為p型的例。

(基板10)

基板10係具有預先所訂定之厚度及面方位的半導體基板，或藍寶石等之單結晶基板。例如，作為基板10而使用半導體基板之情況，可使用碳化矽素(SiC)基板、氮化鎵(GaN)基板、或具有高熱傳導性之氮化鋁(AlN)基板等者。在本實施形態中，由使用作為晶格匹配之基板者而防止轉位等之結晶缺陷的產生，將層積高品質之半導體層者作為目的，作為一例，將C面之AlN基板作為基板10而使用。然而，對於基板10，使用具有與藍寶石等之第1半導體層20之晶格常數大的差異之晶格常數的材料情況，可於基板10與第1半導體層20之間設置緩衝層。

(各半導體層)

第1半導體層20，發光層30，間隔層35，載子阻擋層40，第2半導體層50，及第3半導體層52係依此順序加以層積，各主要使用氮化物系化合物半導體而加以構成。此等半導體層係例如，自以Al_xGa_1-xN(但、0≦x≦1)所表示之化合物半導體加以構成。在此，載子阻擋層40係抑制自第1半導體層20側傳播之載體(例如，電子)則傳播至第2半導體層50側之半導體層。

具體而言，第1半導體層20係自包含n型摻雜劑之AlGaN系化合物半導體加以形成。另外，載子阻擋層40，第2半導體層50，及第3半導體層52係自包含p型摻雜劑之AlGaN系化合物半導體加以形成。

更具體而言，第1半導體層20係自包含特定濃度Si、Se等之n型摻雜劑之Al_xGa_1-xN(但、0≦x≦1)加以形成。作為一例，第1半導體層20係自包含n型摻雜劑之Al_0.75Ga_0.25N層加以形成。包含於第1半導體層20之n型摻雜劑之濃度係1×10¹⁷cm^-3以上5×10²⁰cm^-3以下。

載子阻擋層40係包含特定濃度Mg、Zn、Ca、C、或Be等之p型摻雜劑之Al_xGa_1-xN(但、0≦x≦1)加以形成。在本實施形態中，載子阻擋層40係因有抑制自第1半導體層20側傳播之載體傳播至第2半導體層50側之機能之故，使用較其他的半導體層能帶隙大的材料而形成者為佳。作為一例，載子阻擋層40係自包含p型摻雜劑之AlN而加以形成。包含於載子阻擋層40之p型摻雜劑之濃度係1×10¹⁸cm^-3以上5×10²⁰cm^-3以下。

另外，第2半導體層50及第3半導體層52係自包含特定濃度p型摻雜劑之Al_xGa_1-xN(但、0≦x≦1)加以形成。在此，第2半導體層50係作為包覆層之機能，而第3半導體層52係具有作為接觸層之機能。作為一例，第2半導體層50係自包含p型摻雜劑之Al_0.8Ga_0.2N而加以形成，而第3半導體層52係自包含p型摻雜劑之GaN而加以形成。包含於第2半導體層50之p型摻雜劑之濃度係1×10¹⁷cm^-3以上5×10²⁰cm^-3以下，而包含於第3半導體層52之p型摻雜劑之濃度係1×10¹⁷cm^-3以上5×10²⁰cm^-3以下。

發光層30係當自外部加以供給電流時，發射特定範圍之波長的光。具體而言，發光層30係具有發射包含深紫外線範圍之波長的光(例如，在發光峰值波長為200nm以上350nm以下的光)之構成。在此發光層30係於第1半導體層20與載子阻擋層40之間，具體而言係第1半導體層20與間隔層35之間，具有加以交互層積障壁層(例如，障壁層300)與井層(例如，井層302，井層304)之量子井構造而加以形成。作為一例，發光層30係包含作為含有n型摻雜劑之障壁層的Al_0.65Ga_0.35N層，和作為未摻雜之井層的Al_0.50Ga_0.50N層的對。並且，於載子阻擋層40與發光層30之間，作為一例，加以形成有未摻雜之Al_0.65Ga_0.35N所成之間隔層35。

然而，發光層30係亦可具有包含複數障壁層與井層的對之多重量子井構造(即，交互地加以複數層積障壁層與井層之構造)者。另外，包含於障壁層之n型摻雜劑之濃度係1×10¹⁷cm^-3以上5×10²⁰cm^-3以下。在此，障壁層係亦可含有或未含有n型摻雜劑。另外，在本實施形態中，「未摻雜」之半導體層係指在製造過程中，未積極地添加摻雜劑地加以形成之半導體層，並非排除包含不可避的不純物者。

在此，在本實施形態中，對於最接近於量子井構造之載子阻擋層40的位置之井層304與間隔層35之界面，及井層304，係未實質上包含有自載子阻擋層40擴散之p型摻雜劑。即，間隔層35係具有自載子阻擋層40朝向井層304而擴散之摻雜劑之大部分，保留於間隔層35內之機能。對於加以摻雜於載子阻擋層40之p型摻雜劑中，係存在有在間隔層35中朝向於井層304側而擴散的p型摻雜劑。有關本實施形態之間隔層35係由預先所設定之成長條件而形成間隔層35及鄰接於間隔層35之各半導體層者，可將朝向於井層304而擴散的摻雜劑留於其內部者。

具體而言，調整在載子阻擋層40，間隔層35，及井層304(以及井層304與間隔層35之界面)的p型摻雜劑之濃度剖面圖，呈實質上p型摻雜劑未達到井層304與間隔層35之界面地，加以形成作為未摻雜層之間隔層35。更具體而言，將在間隔層35與發光層30之界面附近(即，間隔層35與井層304之界面)的第2導電型之不純物濃度，控制為1×10¹⁷cm^-3以下者為佳。然而，間隔層35係與載子阻擋層40同程度的厚度，或者較載子阻擋層40為厚而加以形成之同時，較發光層30所具有之井層及障壁層為厚而加以形成者為佳。

(第1電極60，第2電極65)

第1電極60係自歐姆接合於第1半導電體層20之材料而加以形成。同樣地，第2電極65係自歐姆接合於第3導電體層52之材料而加以形成。另外，第1電極60及第2電極65係各包含自單一材料所構成之電極層，或一部分不同之材料所構成之複數的電極層之組合而加以構成。

例如，第1電極60係第1半導體層20為n型半導體之情況，由依自第1半導體層20側具有特定厚度之Ti層、Al層、及Au層順序而形成者，而加以構成。另外，第2電極65係第3半導體層52為p型半導體之情況，由依自第3半導體層52側具有特定厚度之Ni層、及Au層順序而形成者，而加以構成。然而，構成第1電極60及第2電極65之材料係不限於此等，而如為歐姆接合於第1半導體層20及第3半導體層52之材料，亦可使用其他的金屬材料，導電性氧化物材料，及/或導電性高分子材料等者。

圖3係顯示構成有關本實施形態之發光元件的半導體層之能帶圖之一部分的概要。

在圖3中，與形成發光元件1之半導體層的一部份之概念的能帶圖100之同時，顯示摻雜劑之濃度剖面圖110的概要。圖3係顯示從左側，以第2半導體層50之一部分，載子阻擋層40，間隔層35，及井層304的順序，加以設置各半導體層的樣子。在本實施形態中，於載子阻擋層40內，存在有p型摻雜劑濃度則至少在載子阻擋層40與間隔層35之兩個層中成為最大的範圍。並且，在間隔層35之厚度方向中，伴隨著從載子阻擋層40側朝向最接近於載子阻擋層40之井層304側，該濃度係徐緩地減少。

並且，在本實施形態中，將抑制發光元件1之次峰值發光而使外部量子效率提升者，作為目的，於間隔層35與井層304之界面或界面附近，未實質上使p型摻雜劑存在者，或極為降低在該界面之p型摻雜劑濃度者(例如，將不純物濃度作為1×10¹⁷cm^-3以下者)為佳。如此之濃度剖面圖110係在形成載子阻擋層之後的各半導體層之過程，在特定之成長溫度的升降剖面圖所達到之特定之成長溫度下，可以特定之摻雜速度摻雜特定之摻雜劑於各半導體層之同時，執行具有特定厚度之半導體層之成長者而實現。更具體而言，可舉出包含載子阻擋層之第2導電型層之成長時間的縮短(理想為90分鐘以內)，或第2導電型層之成長溫度的低溫化(理想為1030℃以下)，或者第2導電型不純物濃度之低濃度化，載子阻擋層之未摻雜化乃至，使第2導電型不純物之摻雜開始延遲等之方策。

(發光元件1之製造方法)

以下，說明有關本實施形態之發光元件1的製造方法之一例。

首先，於基板10上，例如，經由有機金屬氣相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD法)而形成包含複數之化合物半導體層的AlGaN系之半導體層積構造。具體而言，於基板10上，使用MOCVD法，以特定之成長溫度，特定的成長時間，依序形成具有加以摻雜n型摻雜劑之Al_xGa_1-xN(但、0≦x≦1，以下相同)的第1半導體層20，和具有特定對數具有加以摻雜n型摻雜劑之Al_xGa_1-xN的障壁層，及具有未摻雜之Al_xGa_1-xN的井層之發光層30，和具有未摻雜之Al_xGa_1-xN的間隔層35，和具有加以摻雜p型摻雜劑之Al_xGa_1-xN的載子阻擋層40，和具有加以摻雜p型摻雜劑之Al_xGa_1-xN的第2半導體層50，和具有加以摻雜p型摻雜劑之Al_xGa_1-xN的第3半導體層52。經由此，加以形成於基板10上加以形成有半導體層積構造之磊晶成長晶圓。

然而，在MOCVD法中使用的原料係可使用三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三乙基鋁(TEAl)等有機金屬化合物、及氨 (NH₃)者。更且，n型之摻雜劑的原料係可使用三乙基矽烷(TESi)等。並且，p型之摻雜劑的原料係可使用雙環戊二基(Cp₂Mg)等。

另外，作為n型之摻雜劑的原料，亦可使用硒化氫(H₂Se)、二矽烷(Si₂H₆)、矽烷(SiH₄)、二乙基碲(DETe)、或二甲基碲(DMTe)。並且，作為p型的摻雜劑而使用Zn的情況，作為其原料，亦可使用二甲基鋅(DMZn)或二乙基鋅(DEZn)。作為載氣係可使用氫或氮等。

另外，基板10上之半導體層積構造係亦可使用分子束磊晶成長法(Molecular Beam Epitaxy：MBE)等之其他的半導體層形成方法而形成。

接著，從MOCVD裝置搬出磊晶成長晶圓之後，對於形成於基板10上之半導體層積構造，在特定的環境下，特定的溫度施以特定時間，熱處理。接著，使用光微影法，形成具有使半導體層積構造的第3半導體層52表面之一部分露出之開口部的光阻劑圖案。並且，對於開口部而言施以蝕刻處理。蝕刻處理係可使用濕式蝕刻，及/或乾式蝕刻(例如，反應性離子蝕刻)而執行。並且，由自對應於開口部之第3半導體層52表面至露出有第1半導體層20表面為止而執行蝕刻處理者，加以形成蝕刻處理完成之半導體層積構造。

接著，由對於蝕刻處理完成之半導體層積構造施以洗淨處理者，除去光阻劑圖案。除去光阻劑圖案之後，使用光微影法，於露出於外部之第1半導體層20表面的特定範圍，形成具有特定形狀開口之光阻劑圖案。並且，對於此開口，使用真空蒸鍍法(例如，阻抗加熱法，電子束蒸鍍法，或濺鍍法等)，形成第1電極60。在除去，洗淨使用於第1電極60的形成之光阻劑圖案後，對於加以形成有第1電極60之蝕刻處理完成之半導體層積構造，在非活性環境下或活性環境下，以特定的溫度而施以特定時間，退火處理者，加以形成具有第1電極60之半導體層積構造。

接著，使用光微影法，於具有第1電極60之半導體層積構造的第3半導體層52表面之特定範圍，形成具有特定形狀開口之光阻劑圖案。並且，與第1電極60之形成同樣地，使用真空蒸鍍法而形成第2電極65。在除去，洗淨使用於第2電極65的形成之光阻劑圖案後，對於加以形成有第2電極65之半導體層積構造，在非活性環境下或活性環境下，以特定的溫度而施以特定時間，退火處理者，加以形成具有發光元件構造之晶圓。

並且，使用切斷切割裝置等之晶圓的裝置，由將所得到之晶圓切出特定尺寸之矩形狀者，加以製造有關本實施形態之發光元件1。

然而，發光元件1所具備之各半導體層係亦可將構成各半導體層之化合物半導體層的導電型，作為本實施形態之相反者。例如，將第1導電型作為成p型之同時，亦可將第2導電型作為成n型者。

在本實施形態中係對於發射相當於深紫外線光的波長光之發光元件1，已做過說明，但由控制構成發光層30之化合物半導體的組成，及/量子井構造等者，亦可形成發射相當於與紫外線光，藍色光，綠色光等之深紫外線光不同的光之波長光的發光元件者。並且，發光層30係亦可自未摻雜或加以摻雜特定之摻雜劑之活性層，單一量子井構造，或是多重量子井構造而形成者。

另外，發光元件1的平面形狀係不限於上述的實施形態。例如，當將發光元件1之平面尺寸，縱尺寸則呈較橫尺寸為短地設計時，在發光元件1之平面視的形狀係呈為略長方形。

另外，在本實施形態中，舉例說明過發光二極體構造，但亦可形成具有有關本實施形態之半導體層積構造之半導體雷射者。

(實施形態的效果)

有關本實施形態之發光元件1係由實質上未使摻雜劑存在於最接近於載子阻擋層40側之井層304與間隔層35之界面者，或者控制為預先所訂定之不純物濃度者，可使發光元件1之外部量子效率提升。

[實施例]

在實施例1中，與在有關本發明之實施形態的製造工程所製造之發光元件1同樣地，具備圖1所示之構造的同時，製造具有以下構造之發光元件。

首先，作為基板10，準備一邊7mm角，具有500μm厚度之C面的AlN基板。並且，將此AlN基板放置於MOCVD裝置。接著，經由MOCVD法，於AlN基板上，作為第1半導體層20，形成具有1.0μm的厚度，加以摻雜Si之Al_0.75Ga_0.25N層(但，Si濃度係1×10¹⁹cm^-3)。並且，於第1半導體層20上，形成作為發光層30而具有障壁層與井層之量子井層。

作為障壁層係形成具有7nm的厚度，加以摻雜Si之Al_0.65Ga_0.35N層之同時，作為井層係具有4nm的厚度，形成未摻雜之Al_0.5Ga_0.5N層(但，障壁層之Si濃度係1×10¹⁸cm^-3)。另外，量子井層係作成包含3層之井層，和3層之障壁層的構成。即，自第1半導體層20側形成3組障壁層與井層所成的對。然而，各障壁層係組成，厚度亦作成同一。同樣地，各井層，組成，厚度自作成同一。更且，於發光層30上形成間隔層35。作為間隔層35係具有20nm之厚度，形成未摻雜之Al_0.65Ga_0.35N層。

接著，於間隔層35上，作為載子阻擋層40，形成具有15nm厚度，加以摻雜Mg之AlN層(但，Mg濃度係5¹⁹cm^-3，而AlN的能帶隙係6.00eV)。並且，於載子阻擋層40上，作為第2半導體層50，形成具有35nm厚度，加以摻雜Mg之Al_0.80Ga_0.20N層(但，Mg濃度係5¹⁹cm^-3)。此第2半導體層50係作為p型包覆層而發揮機能的半導體層。更且，於第2半導體層50上，作為第3半導體層52，形成具有70nm厚度，加以摻雜Mg之GaN層(但，Mg濃度係2×10¹⁹cm^-3，而GaN的能帶隙係3.40eV)。此第3半導體層52係作為p型接觸層而發揮機能的半導體層。如此作為，於AlN基板上形成半導體層積構造(以下，單稱作「半導體層積構造」)。

接著，對於發光元件構造，氮素環境中，以20分鐘，900℃的條件施以熱處理。並且，於第3半導體層52(即，p型接觸層)表面，使用光微影法，形成具有預先訂定之形狀的開口部之光阻劑圖案。接著，至露出有第1半導體層20表面為止，對於此開口部而言施以反應性離子蝕刻處理。之後，經由真空蒸鍍法而形成第1電極60於第1半導體層20表面。具體而言，自第1半導體層20側，由依Ti層(但、厚度為20nm)、Al層(但、厚度為200nm)、及Au層(但、厚度為5nm)順序形成者，形成第1電極60。並且，對於加以形成有第1電極60之半導體層積構造而言，在氮素環境中，以1分鐘，810℃的條件施以熱處理。

接著，經由真空蒸鍍法而形成第2電極65於第3半導體層52表面。具體而言，自第3半導體層52側，由依Ni層(但、厚度為20nm)及Au層(但、厚度為50nm)順序形成者，形成第2電極65。並且，對於加以形成有第2電極65之半導體層積構造而言，在氮素環境中，以3分鐘，550℃的條件施以熱處理。經由此，製造具有發光構造之晶圓。

並且，由使用切割裝置，從該晶圓切出700μm角的晶片者，製作有關實施例1之氮化物半導體發光元件。

並且，評估所製作之有關實施例1之氮化物半導體發光元件的特性。

在此，各半導體層之組成評估係使用X線繞射法(XRD)、經由透過型電子顯微鏡之能量分散型X線分析法(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectrometry：TEM-EDX)、3維原子探針法(3Dimensional Atom Probe：3DAP)。另外，對於各半導體層之摻雜劑濃度的評估，係使用二次離子質量分析計(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：SIMS)而實施。更且，對於發光層30之發光波長的評估，使用光致發光法(PL法)。由使用此等分析手法者，各半導體層之組成，及摻雜劑濃度係確認到如上述者。

另外，評估最終井層(即，最接近載子阻擋層側之井層304)與間隔層35之界面的Mg濃度。其結果，在有關實施例1之發光元件1中，在該界面的Mg濃度為4.36×10¹⁶cm^-3，加以顯示於該界面，實質上未到達有作為摻雜劑之Mg者。

在此，發光元件1之外部量子效率係與內部量子效率與注入效率的積做比例而加以決定。內部量子效率係依存於發光層(例如，構成量子井之井層)的結晶品質，而發光層之結晶品質為高之情況，內部量子效率係較結晶品質為低之情況提升。另一方面，注入效率係依存於LED之構造本身，例如n型層，p型層之摻雜劑濃度，組成，膜厚等之LED的設計值。其結果，在同一構造中係經由內部量子效率之增加，而發光元件1之外部量子效率亦提升。伴隨著發光層之結晶品質的降低，外部量子效率下降的理由係認為因經由結晶品質之降低而產生之結晶缺陷的非發光遷移的增加引起。並且，分析發光元件1之發光波長的情況，非發光遷移之增加係經由在與主峰值波長不同之波長範圍的次峰值發光的強度之增加所觀察。同時伴隨次峰值發光強度的增加，加以觀察主峰值波長的發光強度的下降。因此，隨著次峰值發光的強度增加，而外部量子效率係下降。

因此，各製造有關實施例2，及比較例1~4之發光元件。有關實施例2，及比較例1~4之發光元件，係除了使最終井層與間隔層35之界面的Mg濃度變化的點以外，具備與有關實施例1之發光元件1略同樣的構造。

圖4係顯示有關實施例之發光元件，及有關比較例之發光元件的次峰值發光的強度與Mg濃度之關係圖。具體而言係圖4係顯示X軸為在最終井層與間隔層35之界面的Mg濃度，Y軸為次峰值發光的強度(但，10mA驅動時，單位係a.u.)。另外，於表1，對於各實施例及比較例，顯示在該界面之Mg濃度與次峰值強度。

如參照圖4而了解到，當在最終井層與間隔層35之界面的Mg濃度變高時，顯示次峰值強度亦變高之傾向者。即，顯示在該界面之Mg濃度變高時，發光元件的非發光遷移則增加，外部量子效率下降者。換言之，顯示經由實質上未從載子阻擋層而使作為摻雜劑之Mg到達至該界面(或者，實質上未使摻雜劑存在於該界面)之時，可提升發光元件的外部量子效率者。

並且，由控制最終井層與間隔層35之界面的摻雜劑濃度為1×10¹⁷cm^-3以下、理想為7×10¹⁶cm^-3以下者，顯示可大幅地抑制次峰值發光的強度，而發光元件的外部量子效率大幅上升(至少，次峰值強度則成為「2(a.u.)」以下者)。

以上，說明本發明之實施形態及實施例，但上述記載之實施形態及實施例係未限定有關申請專利範圍之發明者。另外，應留意在實施形態及實施例中所說明之特徵的組合之所有則未必對於為了解決發明之課題之手段為必需的點。更且，上述之實施形態及實施例之技術的要素係亦可作為可單獨加以適用，而作為呈分割成複數的部分而加以適用者亦可。

Claims

一種氮化物系半導體發光元件，其特徵為具備：具有n型之導電型之第1半導體層，和具有p型之導電型之第2半導體層，和加以設置於前述第2半導體層之前述第1半導體層側，包含p型摻雜物的載子阻擋層，和加以設置於前述第1半導體層與前述載子阻擋層之間的發光層，和於前述載子阻擋層與前述發光層之間，接觸於前述載子阻擋層及前述發光層加以設置，具有較前述載子阻擋層之層厚為大之層厚，與前述發光層之界面附近的前述p型摻雜物濃度為1×10¹⁷cm^-3以下之間隔層；前述載子阻擋層係由較前述第2半導體及前述間隔層頻帶為大之Al_xGa_1-xN(惟0≦x≦1)形成者
如申請專利範圍第1項記載之氮化物系半導體發光元件，其中，前述發光層則為加以交互層積障壁層與井層之量子井層，前述間隔層則接觸於前述井層，前述間隔層與前述井層之界面的前述p型摻雜物之濃度為1×10¹⁷cm^-3以下者。
如申請專利範圍第2項記載之氮化物系半導體發光元件，其中，前述第1半導體層則加以設置於半導體基板上，前述第1半導體層，前述第2半導體層，前述發光層則包含AlGaN系半導體而加以構成者。
如申請專利範圍第3項記載之氮化物系半導體發光元件，其中，前述半導體基板則為AlN基板，前述第1半導體層則加以設置於前述AlN基板的C面上。
如申請專利範圍第1項記載之氮化物系半導體發光元件，其中，前述發光層係於前述第1半導體層與前述間隔層間，含有做為包含n型摻雜物之障壁層之AlGaN系半導體層、和做為非摻雜物之井層之AlGaN系半導體層之複數配對的量子井層；發光尖峰波長係200nm以上300nm以下者。
如申請專利範圍第1項至第5項任一項記載之氮化物系半導體發光元件，其中，前述p型摻雜物為Mg、Zn、Ca、C、或Be。