TWI681570B - 發光元件及發光元件之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種發光元件，及發光元件的製造方法，其課題為提供由控制在發光層範圍與載體區塊層之界面附近的摻雜劑濃度者，可使外部量子效率提升而使光輸出提升之發光元件，及發光元件的製造方法。
解決手段為氮化物系半導體之發光元件(1)，係具備第1導電型之第1半導體層(20)，和與第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)之第1半導體層(20)側的第2導電型之載體區塊層(40)，和於第1半導體層(20)與載體區塊層(40)之間，具有發光層之發光層範圍(30)，在載體區塊層(40)內，自與發光層範圍(30)的界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值則較5×1019cm-3為高。

Description

發光元件及發光元件之製造方法
本發明係有關發光元件，及發光元件的製造方法。特別是本發明係有關氮化系化合物半導體之發光元件，及發光元件的製造方法。
現狀，作為發光波長350nm以下之深紫外光源，係加以使用重氫或水銀等之氣體光源。對於此等氣體光源，係有壽命短，及大型等之不良情況。另外，水銀係為持續接受經由條約之規制之物質。因此，加以等待可消解此等之不良情況，處理容易，使用半導體之深紫外發光元件的實現。
但對於使用半導體之發光元件，係與重氫氣體燈或者水銀氣體燈等之氣體光源作比較，而有光輸出弱，另外發光效率亦低之問題。作為在半導體發光元件中光輸出為不充分之原因，係可舉出在氮化物半導體發光元件中係與電洞作比較，電子的有效質量為小，且載體濃度為高之故，電子則通過活性層(範圍)，經由引起溢流於p 型層之時，而招致發光效率之下降。
對於在氮化物半導體發光元件之p型層的電子之溢流的問題，係並非僅在發光波長350nm以下之深紫外發光元件產生之問題。例如，對於專利文獻1，係加以記載有在超過發光波長為350nm之半導體發光元件中，於活性層與p型層之間，經由形成具有較活性層之能帶隙為大之能帶隙的載體區塊層之時，防止自活性層範圍對於p型層之電子的流出，而提高發光效率之技術。另外，對於非專利文獻1中，係加以記載有在深紫外發光元件中，亦嘗試如上述之載體區塊層的適用。如根據非專利文獻1，顯示於活性層與p型層之間夾持未摻雜之薄的AlN層之時而發光效率提高者。
另外，對於摻雜Mg於InGaN/GaN多重量子井之障壁層的發光二極體之特性加以報告(例如，參照非專利文獻2)。如根據非專利文獻2記載之技術，摻雜Mg之發光二極體者則較未摻雜Mg於障壁層之發光二極體，可使光輸出提升者。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-88269號公報
[非專利文獻1] Y.H. Zhu, S. Sumiya, J.C. Zhang, M. Miyoshi, T. Shibata, K. Kosaka, M. Tanaka and T. Egawa, "Improved performance of 264 nm emission AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes", ELECTRONICS LETTERS 44, 493 (2008)
[非專利文獻2] 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)
但發光效率係仍為不充分，而更要求發光效率的提升。在專利文獻1及非專利文獻1所記載之技術中，雖加以記載有經由載體區塊層之導入而可增加發光效率的情況，但未著眼於載體區塊層本身或者載體區塊層與其他半導體層之界面的摻雜濃度。另外，非專利文獻2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範圍與其他的半導體層之界面的摻雜濃度。
隨之，本發明之目的係提供：由抑制在發光層範圍與載體區塊層之界面附近的摻雜濃度者，而可使發光 效率提升之發光元件，及發光元件之製造方法。
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半導體層側的第2導電型之載體區塊層，和於第1半導體層與載體區塊層之間，具有發光層之發光層範圍，在載體區塊層內，自與發光層範圍的界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值則較5×1019cm-3為高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，預先所訂定之範圍則自界面朝向於第2半導體層側而為10nm為止之範圍者為佳。
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，發光層範圍，及載體區塊層則由含有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，半導體基板為AlN基板，而第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導電型之不純物為Mg、Zn、Ca、C、或Be亦可。
另外，本發明係加以提供為了達成上述目 的，而具備於半導體基板上，形成第1導電型之第1半導體層之第1半導體層形成工程，和於第1半導體層上，形成包含發光層之發光層範圍的發光層範圍形成工程，和於發光層範圍上，形成載體區塊層之載體區塊層形成工程，和於載體區塊層上，形成與第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層的第2半導體層形成工程，而載體區塊層形成工程則具有將在載體區塊層內，自與發光層範圍的界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值，作為較特定濃度(5×1019cm-3)為高的濃度之不純物導入工程之氮化物系半導體發光元件的製造方法。
如根據有關本發明之發光元件，及發光元件的製造方法，可提供：由控制在發光層範圍與載體區塊層之界面附近的摻雜濃度者，可使發光效率提升之發光元件，及發光元件的製造方法。
1‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
20‧‧‧第1半導體層
30‧‧‧發光層範圍
32‧‧‧量子井層
40‧‧‧載體區塊層
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
200‧‧‧界面
300‧‧‧障壁層
302‧‧‧井層
304‧‧‧井層
306‧‧‧墊片層
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範圍附近的剖面圖。
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。
[實施形態]
圖1係有關本發明之實施形態之發光元件的剖面之概要的一例。另外，圖2係有關本發明之實施形態之發光層範圍附近的剖面之概要的一例。然而，在本實施形態中所說明的圖係終究為概要圖，各圖所示之各半導體層的厚度，及尺寸等係未必反映實際的厚度及尺寸等者。
(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、或者AlGaN系之III-V族化合物半導體而加以構成，作為放射深紫外範圍的光之發光元件的發光二極體(Light Emitting Diode：LED)，或者雷射二極體等。發光元件1係作為一例，而在平面視中具有矩形狀。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上之發光層範圍30，和加以設置於發光層範圍30上之載體區塊層40，和加以設置於載體區塊層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「於一之半導體層上，加以設置其他之半導體層」之情況，作為包含於一之半導體層之正上方，加以設置其他的半導體層之形 態，和於一之半導體層與其他的半導體層之間，更加以設置其他的半導體層之形態(也就是，於一之半導體層之上方，加以設置其他的半導體層之形態)之構成。
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的範圍之第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側的相反側的面之一部分的範圍之第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，載體區塊層40係包含第2導電型之摻雜劑而加以構成。另外，發光層範圍30係作為一例，具有包含交互加以層積之井層與障壁層之量子井層32而加以構成。
另外，發光層範圍30係具有加以設置於載體區塊層40與量子井層32之間的墊片層306。墊片層306係將在量子井層32與墊片層306之界面附近的第2導電型之不純物濃度，調整為預先訂定之濃度以下。例如，墊片層306係與量子井層32之載體區塊層40側的井層，或者障壁層接觸而加以設置，而具有實質上未使自載體區塊層40之不純物到達至最接近於載體區塊層40位置之井層，或者障壁層與墊片層306之界面附近或界面的機能及構成。
更且，墊片層306及載體區塊層40係具有自 與在載體區塊層40內之發光層範圍之界面(即，墊片層306及載體區塊層40之界面)沿著載體區塊層40之厚度方向，在所預先訂定之距離的範圍內(以下，有稱作「所訂定之範圍」之情況)之第2導電型之不純物濃度的最大值，則成為較5×1019cm-3為高之構成而加以形成。在所預先訂定之第2導電型之不純物濃度的最大值則較5×1019cm-3為高之情況係在所訂定之範圍中，第2導電型之不純物濃度較5×1019cm-3為高之處則至少如為一處即可，而在所訂定之範圍的第2導電型之不純物之濃度曲線則無需為一定。
本發明者係在檢討在構成發光元件之各半導體層中的摻雜劑之舉動，對於摻雜劑之各半導體層之影響，及賦與外部量子效率之摻雜劑濃度之影響等，以及各半導體層之製造方法等之過程中，發現由在載體區塊層40內之所訂定之範圍的不純物濃度，設定為特定濃度以上者，發光元件的發光效率(即，外部量子效率)則提升者。
(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之半導體 基板，或者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(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錯位等之結晶缺陷的產生，層積高品質之半導體層的情況，作為目的，作為一例，將C面的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之晶格常數大不同之晶格常數的材料情況，亦可於基板10與第1半導體層20之間設置緩衝層者。
(各半導體層)
第1半導體層20，包含墊片層306之發光層範圍30，載體區塊層40，第2半導體層50，及第3半導體層52係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，由以AlxGa1-xN(但、0≦x≦1)所表示之化合物半導體而加以構成。在此，載體區塊層40係抑制自第1半導體層20側所傳播的載體(例如，電子)則傳播至第2半導體層50側者之半導體層。
具體而言，第1半導體層20係自包含n型摻雜劑之AlGaN系化合物半導體而加以形成。另外，載體區塊層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系化合物半導體而加以形成。
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AlxGa1-xN(但、0≦x≦1)而 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Al0.75Ga0.25N層而加以形成。含於第1半導體層20之n型摻雜劑的濃度係1×1017cm-3以上5×1020cm-3以下。
載體區塊層40係自包含特定濃度Mg、Zn、Ca、C、或Be等之p型摻雜劑之AlxGa1-xN(但、0≦x≦1)而加以形成，但亦可為未摻雜層。在本實施形態中，載體區塊層40係因具有自第1半導體層20側所傳播的載體，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，載體大之材料而形成者為佳。作為一例，載體區塊層40係自包含p型摻雜劑之AlN而加以形成。含於載體區塊層40之p型摻雜劑的濃度係1×1017cm-3以上5×1020cm-3以下。此時，摻雜劑濃度係不均一，或一部分未摻雜範圍亦可。
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AlxGa1-xN(但、0≦x≦1)而加以形成。在此，第2半導體層50係具有作為包覆層之機能，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Al0.8Ga0.2N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。含於第2半導體層50之p型摻雜劑的濃度係1×1017cm-3以上5×1020cm-3以下，而含於第3半導體52之p型摻雜劑的濃度係1×1017cm-3以上5×1020cm-3以下。
發光層範圍30係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，發光層範圍30係具有發射包含深紫外範圍之波長的光(例如，在發光峰值波長為200nm以上350nm以下的光)之構成。在此，發光層範圍30係於第1半導體層20與載體區塊層40之間，具體而言係第1半導體層20與墊片層306之間，具有作為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)之發光層的量子井層32而加以形成。作為一例，量子井層32係包含作為含有n型摻雜之障壁層之Al0.65Ga0.35N層，和作為未摻雜之井層的Al0.50Ga0.50N層的對。並且，於載體區塊層40與量子井層32之間，作為一例，加以形成有未摻雜Al0.65Ga0.35N所成之墊片層306(或，未摻雜障壁層)。
然而，發光層範圍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，加以交互複數層積障壁層與井層的構造)者。另外，含於障壁層之n型摻雜劑的濃度係1×1017cm-3以上5×1020cm-3以下。在此，障壁層係亦可包含或未包含n型摻雜劑。在本實施形態中，「未摻雜」之半導體層係指在製造過程中，未積極添加摻雜劑而加以形成之半導體層，並非排除包含不可避免之不純物者。
墊片層306係具有將自載體區塊層40朝向於井層304而擴散之摻雜劑的大部分，保留於墊片層306內之機能。
在形成量子井層32之後，形成墊片層306之 間係未導入不純物於墊片層306，而在墊片層306之形成之後，自開始載體區塊層40之形成的階段(即，自墊片層306與載體區塊層40之界面)導入不純物。更且，自與在載體區塊層40內之發光層範圍30的界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值則較在發光層範圍30之不純物濃度為高，呈成為特定濃度以上(超過5×1019cm-3)地導入不純物。
經由此，自與在載體區塊層40內之發光層範圍30的界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值則較在發光層範圍30之第2導電型之不純物濃度為高，而墊片層306係與載體區塊層40同程度之厚度，或較載體區塊層40為厚而加以形成之同時，較發光層範圍30所具有之井層及障壁層為厚而加以形成者為佳，但亦可較載體區塊層為薄。
(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半導體層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，或自一部分不同之材料所構成之複數之電極層的組合而加以構成。
例如，第1電極60係第1半導體層20為n型半導體之情況，由依序形成自第1半導體層20側具有 特定厚度之Ti層、Al層、及Au層者而加以構成。另外，第2電極65係第3半導體層52為p型半導體之情況，由依序形成自第3半導體層52側具有特定厚度之Ni層、及Au層者而加以構成。然而，構成第1電極60及第2電極65之材料係不限於此等，而如為毆母接合於第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，顯示形成發光元件1之半導體層的一部分之概念性的能帶圖100之概要。圖3係顯示自左側，依第2半導體層50之一部分，載體區塊層40，墊片層306，及井層304之順序加以設置各半導體層的樣子。在本實施形態中，在載體區塊層40內中，在預先所訂定之範圍的p型摻雜劑之濃度的最大值，則較5×1019cm-3為高而加以控制。
在本實施形態所預先訂定之範圍係自載體區塊層40，朝向第2半導體層50側，沿著載體區塊層40之厚度方向為至10nm為止之範圍者為佳。即，預先所訂定之範圍係自墊片層306與載體區塊層40之界面，朝向於載體區塊層40側而為10nm之厚度(以圖3的d而表示之厚度)為止之範圍。並且，在載體區塊層40內之預先所訂定之範圍的p型摻雜劑之不純物濃度的最大值係較 5×1019cm-3為高。然而，在墊片層306之厚度方向中，伴隨著自載體區塊層40側，朝向於最接近於載體區塊層40之井層304側，不純物濃度係徐緩地減少。
如此之濃度曲線係可由在形成各半導體層之過程，在特定成長溫度之升降曲線而到達之特定的成長溫度下中，自載體區塊層40之形成開始的時點，以特定的摻雜速度而摻雜特定之摻雜劑於各半導體層同時，執行具有特定之厚度的半導體層之成長者而實現。
(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，使用有機金屬氣相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD法)而以特定之成長溫度，特定之成長時間，形成包含複數之化合物半導體層之AlGaN系的半導體層積構造。具體而言，首先，於基板10上，形成具有加以摻雜n型摻雜劑之AlxGa1-xN(但、0≦x≦1，以下相同)之第1半導體層20(第1半導體層形成工程)。接著，於第1半導體層20上形成發光層範圍30(發光層範圍形成工程)。然而，第1半導體層形成工程係在形成第1半導體層20之前，將緩衝層等其他的半導體層形成於基板10上亦可。
具體而言，發光層範圍形成工程係在形成具有特定對數包含加以摻雜n型摻雜劑於第1半導體層20 上之AlxGa1-xN的障壁層，及包含未摻雜之AlxGa1-xN的井層之量子井層32之後，將包含未摻雜之AlxGa1-xN的墊片層306形成於量子井層32上。
接著，形成具有加以摻雜p型摻雜劑於發光層範圍30上之AlxGa1-xN的載體區塊層40(載體區塊層形成工程)。在此，在本實施形態中，載體區塊層形成工程係具有不純物導入工程。不純物導入工程係自在載體區塊層40內之發光層範圍30與載體區塊層40之界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度之最大值，則作為較5×1019cm-3為高濃度之工程。另外，摻雜劑之導入開始的時間係設定為發光層範圍形成工程之結束後，載體區塊層形成工程之開始時者為佳。
接著，於載體區塊層40上，形成具有加以摻雜p型摻雜劑之AlxGa1-xN的第2半導體層50(第2半導體層形成工程)。又接著，於第2半導體層50上，形成具有加以摻雜p型摻雜劑之AlxGa1-xN的第3半導體層52(第3半導體層形成工程)。經由此，而加以形成於基板10上加以形成半導體層積構造之磊晶晶圓。
然而，在MOCVD法所使用之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)等之有機金屬化合物，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)等者。並且，p型之摻雜劑的原料係可使用二茂鎂(Cp2Mg)等。
另外，作為n型之摻雜劑的原料，亦可使用硒化氫(H2Se)、乙矽烷(Si2H6)、甲矽烷(SiH4)、二乙基碲(DETe)、或二甲基碲(DMTe)者。並且，作為p型之摻雜劑而使用Zn之情況，作為其原料，亦可使用二甲基鋅(DMZn)或二乙基鋅(DEZn)者。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法(Molecular Beam Epitaxy：MBE)等之其他的半導體層形成方法而形成者。
接著，自MOCVD裝置搬出磊晶晶圓之後，於加以形成於基板10上之半導體層積構造，以特定之環境下，特定之溫度而實施特定時間，熱處理。接著，使用光微影法，形成具有使半導體層積構造之第3半導體層52表面的一部分露出之開口部的光阻劑圖案。並且，對於開口部而言，實施蝕刻處理。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，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，使用光微影法，於露出於外部之第1半導體層20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，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之形成的光阻劑 圖案之後，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，由在非活性環境下或活性環境下，特定之溫度，特定時間而實施退火處理者，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，形成具有特定形狀的開口之光阻劑圖案。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下之形成的光阻劑圖案之後，於加以形成有第2電極65之半導體層積構造，由在活性環境下或非活性環境下，特定之溫度，特定時間而實施退火處理者，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成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之導電型，作為成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，將第2導電型作為成n型者亦可。
在本實施形態中，係對於發射相當於深紫外光的波長的光之發光元件1，已做過說明，但由控制構成發光層範圍30之化合物半導體之組成，及/或量子井構造等者，形成發射相當於與紫外光，藍色光，綠色光等之深紫外光不同的光之波長的光之發光元件者亦可。並且，發 光層範圍30係亦可自未摻雜或加以摻雜特定摻雜劑之活性層，單一量子井構造，或多重量子井構造而形成者。
另外，發光元件1之平面形狀係未加以限定於上述之實施形態。例如，將發光元件1之平面尺寸，作為設計呈縱尺寸成為較橫尺寸為短時，在發光元件1之平面視的形狀係成為略長方形。
另外，在本實施形態中，舉例說明過發光二極體構造，而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。
(實施形態之效果)
有關本實施形態之發光元件1係在載體區塊層40內中，特別自發光層範圍30與載體區塊層40之界面，在預先所訂定之範圍的第2導電型之不純物濃度的最大值，作為較5×1019cm-3為高者，可使發光元件1之外部量子效率提升者。
[實施例]
在實施例1中，與以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，製造具備圖1所示之構造同時，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，而於AlN基 板上，作為第1半導體層20，形成具有1.0μm之厚度，加以摻雜有Si之Al0.75Ga0.25N層(但，Si濃度係1×1019cm-3)。並且，於第1半導體層20上，形成作為發光層範圍30而具有障壁層與井層的量子井層，及墊片層306。
作為障壁層，係形成具有7nm之厚度，加以摻雜有Si之Al0.65Ga0.35N之同時，作為井層，係形成具有2nm之厚度，未摻雜之Al0.5Ga0.5N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層之障壁層之構成。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，厚度同時作為同一。同樣地，各井層亦組成，厚度同時作為同一。更且，於量子井層32上，形成墊片層306。作為墊片層306係形成具有20nm之厚度，未摻雜之Al0.65Ga0.35N層。
接著，於墊片層306上，作為載體區塊層40，形成具有15nm之厚度，加以摻雜有Mg之AlN層(但，Mg濃度係5.5×1019cm-3，AlN之能帶隙係6.00eV)。Mg之摻雜係自載體區塊層40之成長開始時點加以開始。並且，於載體區塊層40上，作為第2半導體層50，形成具有35nm之厚度，加以摻雜有Mg之Al0.80Ga0.20N層(但，Mg濃度係5.5×1019cm-3)。此第2半導體層50係作為p型包覆層而發揮機能之半導體層。更且，於第2半導體層50上，作為第3半導體層52，形成具有30nm之厚 度，加以摻雜有Mg之GaN層(但，Mg濃度係2×1019cm-3，GaN之能帶隙係3.40eV)。此第3半導體層52係作為p型接觸層而發揮機能之半導體層。由如此作為，於AlN基板上形成發光元件構造(以下，單稱作「發光元件構造」)。
接著，於發光元件構造，氮環境中，以20分鐘，900℃之條件實施熱處理。並且，於第3半導體層52(即，p型接觸層)表面，使用光微影法，形成具有預先所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，實施反應性離子蝕刻處理。之後，於第1半導體層20表面，經由真空蒸鍍法而形成第1電極60。具體而言，自第1半導體層20側，由依序形成Ti層(但、厚度係20nm)、Al層(但、厚度係200nm)、及Au層(但、厚度係5nm)者，形成第1電極60。並且，對於加以形成有第1電極60之發光元件構造而言，氮環境中，以1分鐘，810℃之條件實施熱處理。
接著，於第3半導體層52表面，經由真空蒸鍍法而形成第2電極65。具體而言，自第3半導體層52側，由依序形成Ni層(但、厚度係20nm)、及Au層(但、厚度係50nm)者，形成第2電極65。並且，對於加以形成有第2電極65之發光元件構造而言，氮環境中，以3分鐘，550℃之條件實施熱處理。經由此，而製造具有發光構造之晶圓。
並且，由使用切割裝置，自該晶圓切出 700μm角之晶片者，製作有關實施例1之氮化物半導體發光元件。
並且，評估有關所製作之實施例1的氮化物半導體發光元件之特性。
在此，各半導體層之組成評估係使用X射線繞射法(XRD)、經由透過型電子顯微鏡之能量分散型X射線分析法(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectrometry：TEM-EDX)、及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，對於發光層範圍30之發光波長的評估，係使用光致發光法(PL法)。由使用此等之分析手法者，各半導體層之組成，及摻雜劑濃度係確認如上述者。
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雙方作比例而加以決定。內部量子效率係依存於發光層(例如，構成量子井之井層)之結晶品質，而發光層之結晶品質為高的情況，較結晶品質為低之情況，內部量子效率係提升。但注入效率為低之情況，即使作為使內部量子效率提升，對於外部量子效率之提升係亦有界限。隨之，使抑制在載體區塊層40之載體流出至第2半導體層50側的機能提升，而使對於發光層範圍30之載體的注入效率提升者，則對於外部量子效率之提升係為有效。
因此，各製造有關實施例1~2，及比較例1~3之發光元件。有關實施例1~2，及比較例1~3之發光元件係除了意圖性地使載體區塊層40與墊片層306之預先所訂定之範圍的Mg濃度變化的點，具備與有關實施例1之發光元件1略同樣的構造。即，關於實施例1~2，及比較例1~3係對於實施例1而言，使Mg流量變化。
於表1，對於各實施例及比較例，顯示在該界面的Mg濃度與外部量子效率的值。
Figure 105102044-A0202-12-0022-1
在載體區塊層40內中，在預先所訂定之範圍的Mg濃度變高時，加以顯示有外部量子效率亦提升之傾向者。即，加以顯示由自載體區塊層40之成長開始階段導入摻雜劑，而將在預先所訂定之範圍的Mg濃度，作為較特定的濃度為高者，外部量子效率則提升。此係暗示對於載體區塊層40之注入效率的提升而言之機能則提升者。
在此，提高外部量子效率之情況，在預先所 訂定之範圍的Mg濃度係作為較5.0×1019(cm-3)為高。如根據經由實施例1，2之發光元件，經由將預先所訂定之範圍的Mg濃度作為較5×1019cm-3為高之時，而更提升載體區塊層之效果，而經由使注入效率增加之時，在高注入電流範圍，亦可實現高發光效率。
以上，說明過本發明之實施形態及實施例，但上述所記載之實施形態及實施例係並未限定有關申請專利範圍之發明者。另外，在實施形態及實施例之中所說明之特徵的組合所有則應留意並非對於為了解決發明之課題之手段為必須的點。更且，上述之實施形態及實施例的技術要素係亦可以單獨而加以適用，而作為呈分割成複數之部分而加以適用者亦可。
1‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
20‧‧‧第1半導體層
30‧‧‧發光層範圍
40‧‧‧載體區塊層
50‧‧‧第2半導體層
52‧‧‧第3半導體層
60‧‧‧第1電極
65‧‧‧第2電極

Claims (5)

  1. 一種氮化物系半導體發光元件，其特徵為具備第1導電型之第1半導體層，和與前述第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層，和加以設置於前述第2半導體層之前述第1半導體層側的前述第2導電型之載體區塊層，和於前述第1半導體層與前述載體區塊層之間，具有發光層之發光層範圍，在前述載體區塊層內，自與發光層範圍的界面，在預先所訂定之範圍的前述第2導電型之不純物濃度的最大值則較5×1019cm-3為高，前述預先所訂定之範圍則自前述界面朝向於前述第2半導體層側而為10nm為止之範圍者。
  2. 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、前述發光層範圍、及前述載體區塊層則由含有AlGaN系半導體而加以構成者。
  3. 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，前述第2導電型之不純物為Mg、Zn、Ca、C、或Be者。
  4. 一種氮化物系半導體發光元件之製造方法，其特 徵為具備於半導體基板上，形成第1導電型之第1半導體層之第1半導體層形成工程，和於前述第1半導體層上，形成包含發光層之發光層範圍的發光層範圍形成工程，和於前述發光層範圍上，形成載體區塊層之載體區塊層形成工程，和於前述載體區塊層上，形成與前述第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層的第2半導體層形成工程，前述載體區塊層形成工程則具有將在前述載體區塊層內，自與發光層範圍的界面，在預先所訂定之範圍的前述第2導電型之不純物濃度的最大值，作為較5×1019cm-3為高的濃度之不純物導入工程者。
  5. 一種氮化物系半導體發光元件，其特徵為具備第1導電型之第1半導體層，和與前述第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層，和加以設置於前述第2半導體層之前述第1半導體層側的前述第2導電型之載體區塊層，和於前述第1半導體層與前述載體區塊層之間，具有發光層之發光層範圍，在前述載體區塊層內，自與發光層範圍的界面，在預先所訂定之範圍的前述第2導電型之不純物濃度的最大值則較5×1019cm-3為高，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、前述發光層範圍、及前述載體區塊層則由含有AlGaN系半導體而加以構成，前述半導體基板為AlN基板，前述第1半導體層則加以設置於前述AlN基板之C面上者。
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