CN1641900A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供半导体发光元件及制作半导体发光元件的方法。半导体发光元件(1)具备:发光区域(3)、第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层(5)、第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层(7)。该半导体发光元件中,发光区域由III族氮化物半导体制成,包含InAlGaN半导体层。第1AlX1Ga1-X1N半导体层例如被镁(Mg)之类的p型掺杂剂掺杂,被设于发光区域上。第2AlX2Ga1-X2N半导体层被设于发光区域和第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间。第2AlX2Ga1-X2N半导体层具有比第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂浓度更小的p型掺杂剂浓度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元件及制作半导体发光元件的方法。
背景技术
在文献1(特开2001-237455号公报)中,记载有在紫外频带的短波长区域发光的InAlGaN(氮化铟铝镓)半导体及使用了改InAlGaN半导体的紫外发光元件。使用了InAlGaN半导体的半导体发光元件可以在室温下发出紫外频带的波长的光。
在文献2(特开2001-119068号公报)中,记载有紫外线发光元件。紫外线发光元件将10纳米以上的厚度的未掺杂AlGaN包层设于未掺杂(undope)AlGaN活性层和p型AlGaN包层之间。这样,就会防止活性层的电子向p型AlGaN包层的镁的受主能级(acceptor level)迁移。利用该未掺杂AlGaN包层,就可以提供以活性层的发光波长发光并使用了廉价的蓝宝石基板的发光元件。该紫外线发光元件中,为了防止活性层的电子向包层的受主能级迁移,需要使Mg掺杂的AlGaN包层与活性层有相当大的距离,必须使Mg掺杂的AlGaN包层与活性层之间为未掺杂。
InAlGaN半导体可以根据其构成元素的组成来幅度较宽地改变能带隙。将InAlGaN半导体用于发光区域的半导体发光元件可以发出与紫外波长相比波长更长的波长区域的光。为了在该半导体发光元件中使载流子进入发光区域,使用电位壁垒比InAlGaN半导体更高的AlGaN半导体层来形成载流子·阻挡(carrier block)层。
根据发明人等的实验发现,由于从与发光区域中所使用的InAlGaN半导体层相靠近的p型半导体区域中向该InAlGaN半导体层扩散的p型掺杂剂,半导体发光元件的发光效率降低。
发明内容
本发明的目的在于,提高具有InAlGaN半导体层的半导体发光元件的发光效率,及提供制造该半导体发光元件的方法。
根据本发明的一个方式,制造半导体发光元件的方法具备:(a)形成用于发光区域的未掺杂InAlGaN半导体膜的工序、(b)在所述InAlGaN半导体膜上形成未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)膜的工序、(c)在所述未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体膜上形成p型AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜及/或多个氮化镓类半导体膜,并由此将所述p型AlX1Ga1-X1N半导体膜的p型掺杂剂(dopant)向所述未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体膜扩散的工序。
由于在p型AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜的形成之前,在未掺杂InAlGaN半导体膜上形成未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)膜,因此就可以减少从p型AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜扩散而到达发光区域的p型掺杂剂的量。
根据本发明的另一个方式,半导体发光元件具备:(a)包括InAlGaN半导体层的发光区域、(b)添加p型掺杂剂的第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层、(c)具有比所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的铝组成更大的铝组成的第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层,(d)所述第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层被设于所述InAlGaN半导体层和所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间。
AlGaN半导体中,随着铝组成变小,受主能级变低,p型掺杂剂就容易被活化。另一方面,当提高AlGaN半导体的铝组成时,就可以增强载流子向发光区域中的进入。为了获得这些优点,设置第1AlX1Ga1-X1N半导体层和具有比该半导体层的铝组成更大的铝组成的第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层。
根据本发明的另一个方式,半导体发光元件具备:(a)包括InAlGaN半导体层的发光区域、(b)添加p型掺杂剂的第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层、(c)具有比所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂浓度更小的p型掺杂剂浓度的第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层,(d)所述第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层被设于所述InAlGaN半导体层和所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间。
根据该半导体发光元件,在InAlGaN半导体层和第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间设置第2AlX2Ga1-X2N半导体层而使InAlGaN半导体层与第1AlGaN半导体层分离。这样,第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂就会因制造工序中所加的热而从第1AlX1Ga1-X1N半导体层向第2AlX2Ga1-X2N半导体层扩散。
本发明的半导体发光元件中,在所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层和所述发光区域之间的所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层上,有p型掺杂剂浓度在3×1018cm-3以下的区域,该区域的厚度在1纳米以上。
如果为该厚度值,则可以使发光区域与第1AlX1Ga1-X1N半导体层充分分离,降低发光区域的p型掺杂剂浓度。
另外,本发明的半导体发光元件中,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的p型掺杂剂浓度小于所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂浓度。由于将第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层设于InAlGaN半导体层和第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间,因此第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂在制造工序中就会在第2AlX2Ga1-X2N半导体层内扩散。
在优选的实施例中,第1AlX1Ga1-X1N半导体层的厚度大于第2AlX2Ga1-X2N半导体层的厚度。利用第1及第2AlGaN半导体层实现载流子的进入,并且实现第1AlGaN半导体层具有低电阻的目的。
本发明的半导体发光元件中,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的厚度为5纳米以上。如果是该厚度,则可以使发光区域与第1AlX1Ga1-X1N半导体层充分分离。
在该半导体发光元件的优选的实施例中,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层和所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的边界的p型掺杂剂浓度在1×1019cm-3以上。
本发明的所述几个方式的半导体发光元件的优选的实施例中,所述发光区域和所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的边界的p型掺杂剂浓度在3×1018cm-3以下。
另外,在优选的实施例中,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的厚度为50纳米以下。根据该第2AlX2Ga1-X2N半导体层,则载流子向发光区域的注入效率就在可以容许的范围内。
本发明的半导体发光元件中,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层包括p型掺杂剂的镁,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层包括镁浓度大于1×1019cm-3的区域。
根据该半导体发光元件,就可以防止第1AlX1Ga1-X1N半导体层的镁掺杂剂浓度降低的情况。
本发明的半导体发光元件中,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层包括p型掺杂剂的镁,所述发光区域和所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的边界的镁浓度小于3×1018cm-3。
根据该第2AlX2Ga1-X2N半导体层,就可以防止发光区域的p型掺杂剂浓度变大的情况。
本发明的半导体发光元件中,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的最大值的p型掺杂剂浓度为1×1020cm-3以上。
根据该半导体发光元件,就可以提供低电阻的第1AlX1Ga1-X1N半导体层。另外,由于除了第1AlX1Ga1-X1N半导体层以外,还设置了第2AlX2Ga1-X2N半导体层,因此发光区域的p型掺杂剂浓度较小。
本发明的半导体发光元件中,(e)还具备由III族氮化物构成的支撑基体,(f)所述发光区域、所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层及所述第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层被设于所述支撑基体上。
根据该半导体发光元件,就可以降低作为非发光中心作用的贯通转位的密度。
本发明的半导体发光元件中,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层最好被作为未掺杂层形成。
根据该半导体发光元件,可以在发光区域上获得低杂质的半导体区域,并且在第2AlGaN半导体层上使掺杂剂从第1AlGaN半导体层扩散而获得电阻小的半导体区域。
附图说明
本发明的所述目的及其他的目的、特征以及优点,根据参照附图而进行的本发明的优选的实施方式的以下的详细的叙述,会更加容易地理解。
图1是表示本实施方式的半导体发光元件的图。
图2(A)是表示半导体发光元件的变形例的图。图2(B)是示意性地表示p型掺杂剂的分布(profile)的图。
图3(A)是表示半导体发光元件的变形例的图。图3(B)是示意性地表示电位壁垒的图。
图4是表示该一实施例的发光二极管的发光特性的图表。
图5是表示该一实施例的发光二极管的输出特性的图表。
图6是表示发光二极管A的二次离子(ion)质量分析(SIMS)的图表。
图7是表示发光二极管B的二次离子质量分析(SIMS)的图表。
图8是表示这些发光二极管的输出特性的图表。
图9是表示发光二极管的光输出特性的图表。
图10(A)及图10(B)是表示用于制造本实施方式的半导体发光元件的工序的图。
图11(A)及图10(B)是表示用于制造本实施方式的半导体发光元件的工序的图。
具体实施方式
本发明的见解可以通过参照作为示例而表示的附图来考虑以下的详细叙述而容易地理解。下面,将在参照附图的同时,对本发明的半导体发光元件及其制造方法的实施方式进行说明。在可能的情况下,对相同的部分使用相同的符号。
(实施方式1)
图1是表示本实施方式的半导体发光元件的图。图1所示的半导体发光元件是适于发光二极管之类的面发光元件的构造。
半导体发光元件1具备发光区域3、第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层5、第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层7。该半导体发光元件1中,发光区域3由III族氮化物半导体构成,包括InAlGaN半导体层。第1AlX1Ga1-X1N半导体层5被例如镁(Mg)之类的p型掺杂剂掺杂,被设于发光区域3上。第2AlX2Ga1-X2N半导体层7被设于发光区域3和第1AlX1Ga1-X1N半导体层5之间。第2AlX2Ga1-X2N半导体层7具有比第1AlX1Ga1-X1N半导体层5的p型掺杂剂浓度更小的p型掺杂剂浓度。
根据半导体发光元件1,第2AlX2Ga1-X2N半导体层7由于将发光区域3与第1AlX1Ga1-X1N半导体层5分离,因此第1AlX1Ga1-X1N半导体层5的p型掺杂剂在制造工序中就会在第2AlX2Ga1-X2N半导体层7内扩散。由于该第2AlX2Ga1-X2N半导体层7的存在,在制造工序中从第1AlX1Ga1-X1N半导体层5到达发光区域3的p型掺杂剂就可以减少。所以,就可以提高该半导体发光元件的发光效率。
在InAlGaN半导体层的表面存在小坑(pit)。该小坑形成于贯通转位密度较高的位置上。当在该InAlGaN半导体层上堆积含有较高浓度的p型掺杂剂的AlGaN半导体层时,p型掺杂剂由于该坑的原因就会从p型AlGaN半导体层向发光区域扩散。但是,由于不是将含有比较高浓度的p型掺杂剂的AlGaN半导体层,而是将相对较低的载流子浓度的AlGaN半导体层设置在InAlGaN半导体层上,就可以减小导入InAlGaN半导体层的p型掺杂剂数量。另外,可以在发光区域上获得较低掺杂剂浓度的半导体区域,并且在第2AlGaN半导体层上获得掺杂剂从第1AlGaN半导体层扩散而电阻较小的半导体区域。
半导体发光元件1可以包括第3AlX3Ga1-X3N半导体层(0≤X3≤1)9。在第3AlX3Ga1-X3N半导体层9中,添加有硅(Si)之类的n型掺杂剂。在一个实施例中,发光区域3形成于第3AlX3Ga1-X3N半导体层9上。发光区域3被设于第1AlX1Ga1-X1N半导体层5和第3AlX3Ga1-X3N半导体层9之间。
第3AlX3Ga1-X3N半导体层9向发光区域3供给电子,第1AlX1Ga1-X1N半导体层5经过第2AlX2Ga1-X2N半导体层7而向发光区域3供给空穴(hole)。这些载流子(carriers)即电子及空穴因2个AlGaN半导体层的作用而进入发光区域,由于在发光区域中的复合而产生光。
半导体发光元件1可以包含支撑基体11。在支撑基体11的主面上,设有第1~第3AlGaN半导体层5、7、9及发光区域3。在优选的实施例中,支撑基体11可以为III族氮化物支撑基体13,支撑基体11可以包括设于该III族氮化物支撑基体13的主面13a上的缓冲层15。III族氮化物支撑基体13可以由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等构成,另外,可以将以下的材料作为支撑基体的材料使用:炭化硅或二硼化锆(ZrB2)。
在优选的实施例中,支撑基体11优选由氮化镓构成。利用该支撑基体,就可以降低作为非发光中心作用而形成于发光区域的表面的贯通转位的密度。
半导体发光元件1可以包括接触(contact)层17。接触层17被设于第1AlGaN半导体层5上。半导体发光元件1还可以包括设于III族氮化物支撑基体13的背面13b上的阴极(cathode)21、设于接触层17上的阳极(anode)23。
图2(A)是表示半导体发光元件的变形例的图。图2(B)是示意性地表示p型掺杂剂的分布(profile)的图。半导体发光元件1a不具有发光区域3,而具有发光区域3a。发光区域3a具有一个或多个势阱层(例如势阱层25a、25b、25c)及多个阻挡(barrier)层(例如阻挡层27a、27b、27c、27d)。势阱层25a~25c及阻挡层27a~27d被交互排列。阻挡层27a~27d提供相对于势阱层25a~25c的电位势垒。发光层3a被2个AlGaN半导体区域所夹,这2个AlGaN半导体层分别提供相对于阻挡层27a及27e的电位势垒。发光区域3a虽然具有多重量子势阱(MQW)构造,但是下面的说明同样地适于单一量子势阱(SQW)构造。
参照图2(B),将p型掺杂剂的浓度作为位置的函数表示。下面的说明中,在参照作为p型掺杂剂含有镁的AlGaN层的同时,进行p型掺杂剂·分布的说明。以分布P1表示的镁的掺杂剂浓度从第1AlGaN半导体层5向发光区域3单调减少。
在优选的实施例中,第1AlX1Ga1-X1N半导体层5镁浓度大于1×1019cm-3(箭头N1)。根据该半导体发光元件1a,即使镁原子的一部分从第1AlX1Ga1-X1N半导体层5向第2AlX2Ga1-X2N半导体层7扩散,也可以防止第1AlX1Ga1-X1N半导体层的电阻上升。
另外,在优选的实施例中,半导体发光元件1a中,发光区域3a和第2AlX2Ga1-X2N半导体层7的边界(箭头J1)的镁浓度小于3×1018cm-3(箭头N2)。根据该第2AlX2Ga1-X2N半导体层7,可以防止发光区域3a的p型掺杂剂浓度变大。
另外,在优选的实施例中,半导体发光元件1a中,第1AlGaN半导体层5和第2AlGaN半导体层7的边界(箭头J2)的镁浓度大于1×1019cm-3(箭头N3)。根据该第1AlGaN半导体层5,可以防止像发光效率降低那样发光区域3a的镁掺杂剂浓度变大的情况。
此外,在优选的实施例中,半导体发光元件1a中,第1AlX1Ga1-X1N半导体层5的镁浓度的最大值在1×1020cm-3(箭头N4)以上。根据该半导体发光元件1a,可以提供低电阻的第1AlX1Ga1-X1N半导体层5。
在第1AlX1Ga1-X1N半导体层5和发光区域3a之间,有p型掺杂剂浓度在3×1018cm-3以下的区域,该区域的厚度D在1纳米以上。如果是该范围的厚度,就可以使发光区域与第1AlX1Ga1-X1N半导体层充分分离,降低发光区域的p型掺杂剂浓度。
在优选的实施例中,实质上参与发光的发光区域3a包括镁浓度在1×1017cm-3以下的区域。
半导体发光区域1a中,在优选的实施例中,第2AlX2Ga1-X2N半导体层7的厚度在1纳米以上。如果是该厚度,就可以使发光区域3a与第1AlX1Ga1-X1N半导体层5充分分离。另外,与发光区域3a相邻的层状的AlGaN半导体区域的镁(Mg)浓度优选1×1017cm-3以下。这样,就可以充分地减小发光区域3a的镁浓度。
在优选的实施例中,第2AlX2Ga1-X2N半导体层7的厚度为50纳米(nm)以下。根据该第2AlX2Ga1-X2N半导体层7,则载流子向发光区域3a的注入效率就处于可以容许的范围内。
第2AlGaN半导体层由于被作为未掺杂半导体层而形成,因此第2AlGaN半导体层和发光区域的边界的p型掺杂剂浓度就可以小于第3AlGaN半导体层和发光区域的边界的n型掺杂剂浓度。
图3(A)是表示半导体发光元件的变形例的图。图3(B)是示意性地表示电位势垒的图。
半导体发光元件1b具备发光区域3b、第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层31、第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层33。该半导体发光元件1b中,发光区域3b由III族氮化物半导体构成,包括InAlGaN半导体层。第2AlX2Ga1-X2N半导体层33具有比第1AlX1Ga1-X1N半导体层31的p型掺杂剂浓度更小的p型掺杂剂浓度。第2AlX2Ga1-X2N半导体层33被设于发光区域3b和第1AlX1Ga1-X1N半导体层31之间。
由于将第2AlX2Ga1-X2N半导体层33设于InAlGaN半导体层和第1AlX1Ga1-X1N半导体层31之间,因此第1AlX1Ga1-X1N半导体层31的p型掺杂剂在制造工序中就会在第2AlX2Ga1-X2N半导体层33内扩散。由于该第2AlX2Ga1-X2N半导体层33的关系,在制造工序中,从第1AlX1Ga1-X1N半导体层31到达发光区域3b的p型掺杂剂就可以减少。所以,该半导体发光元件1b的发光效率就被提高。
当增大AlGaN半导体的铝组成时,就可以加强载流子向具有InAlGaN半导体层的发光区域的进入。AlGaN半导体随着铝组成变大,受主能级变深,p型掺杂剂的活性化率降低。半导体发光元件1b中,第2AlX2Ga1-X2N半导体层33的铝组成大于第1AlX1Ga1-X1N半导体层31的铝组成。第1AlX1Ga1-X1N半导体层31的p型掺杂剂与第2AlX2Ga1-X2N半导体层33相比,更容易活性化。另外,第2AlX2Ga1-X2N半导体层33的相对于发光区域3b的电子势垒由于与第1AlX1Ga1-X1N半导体层31相比更大,因此这些AlGaN半导体层作为整体在载流子的进入性方面更为优良。在优选的实施例中,第2AlX2Ga1-X2N半导体层33的厚度在5纳米以上。如果是该厚度,就可以使发光区域3b与第1AlX1Ga1-X1N半导体层31充分分离,并且可以提高载流子的进入性。另外,在优选的实施例中,第2AlX2Ga1-X2N半导体层33的厚度在50纳米以下。根据第2AlX2Ga1-X2N半导体层33,则载流子向发光区域3b的注入效率就处于可以容许的范围内。
发光区域3b具有一个或多个势阱层(例如势阱层35a、35b、35c)及多个阻挡层(例如阻挡层37a、37b、37c、37d)。势阱层35a~35c及阻挡层37a~37d被交互排列。如图3(B)所示,发光层3b被2个AlGaN半导体区域所夹,第2AlGaN半导体层32向阻挡层37a提供比第1AlGaN半导体层32的电位势垒B2更大的电位势垒B1。第3AlGaN半导体层9提供相对于阻挡层37d的电位势垒B3。阻挡层37a~37d提供相对于势阱层35a~35c的电位势垒B4。
作为发光区域3a及3b的优选的实施例,在InY1AlZ1Ga1-Y1-Z1N势阱层中,0<Y<0.2及0<Z1<0.5,在InY2AlZ2Ga1-Y2-Z2N壁垒层中,0≤Y2<0.2及0≤Z2<0.5。InY1AlZ1Ga1-Y1-Z1N半导体的能带隙小于InY2AlZ2Ga1-Y2-Z2N半导体的能带隙。
作为半导体发光元件的优选的实施例,将发光二极管(LED)A表示如下。即,形成:
接触层17:Mg掺杂GaN半导体
50纳米
第1AlGaN半导体层:Mg掺杂Al0.18Ga0.82N半导体
50纳米
第2AlGaN半导体层33:Al0.27Ga0.73N半导体(被作为未掺杂半导体层形成的)
20纳米
发光区域3b
势阱层35a~35c:InAlGaN半导体
15纳米
阻挡层37a~37d:InAlGaN半导体
3纳米
第3AlGaN半导体层9:Si掺杂Al0.18Ga0.82N半导体
0.2微米
缓冲层15:Si掺杂GaN半导体
0.1微米(μm)
支撑基体13:GaN基板。
图4是表示该一个实施例的发光二极管的发光特性的图表。横轴以纳米单位表示波长,纵轴表示相对发光强度。该发光特性是来自被连续地通以100毫安(mA)的电流的发光二极管的光谱,是InAlGaN半导体的带端发光。处于紫外区域,峰波长为359纳米。半幅值为16.9纳米。
图5是表示该一个实施例的发光二极管的输出特性的图表。横轴以毫安单位表示施加电流,纵轴以毫瓦单位表示发光强度。直到300毫安左右,发光功率随着施加电流的增加而单调增加,与施加电流值基本上成正比。
为了表示第2AlGaN半导体层的作用,制成下述的构造的发光二极管B。即,形成:
接触层17:Mg掺杂GaN半导体
50纳米
第1AlGaN半导体层5:Mg掺杂Al0.18Ga0.82N半导体
50纳米
第2AlGaN半导体层:镁掺杂Al0.27Ga0.73N半导体
20纳米
发光区域
势阱层:InAlGaN半导体
15纳米
阻挡层:InAlGaN半导体
3纳米
第3AlGaN半导体层:Si掺杂Al0.18Ga0.82N半导体
0.2微米
缓冲层:Si掺杂GaN半导体
0.1微米
支撑基体:n型GaN基板。
图6是表示发光二极管A的二次离子质量分析(SIMS)的图表。图7是表示发光二极管B的二次离子质量分析(SIMS)的图表。在图6及图7中,线Al、In、Ga、Mg分别表示铝、铟、镓、镁掺杂剂的分布。另外,图6及图7的横轴表示发光二极管距离表面的深度。在从各图表的原点向横轴的正的方向,依次配置有接触层、第1AlGaN半导体层、第2AlGaN半导体层、InAlGaN半导体的发光区域(3个势阱层及4个阻挡层)、第3AlGaN半导体层、缓冲层、GaN基板。图6及图7的纵轴表示主要的元素(Al、In、Ga、Mg)的浓度(或者每秒的计数值)。
参照图6,线Mg表示下述的情况:镁掺杂剂在第1AlGaN层中超过1×1020cm-3,当超过第1AlGaN层和第2AlGaN层时则急剧地变少,在第2AlGaN层和发光区域的边界处为十分小的值,例如为1×1018cm-3。
在图6中,区域S1为接触层,区域S2为第1AlGaN层,区域S3为第2AlGaN层,区域S4为发光区域,区域S5为第3AlGaN层。
参照图7,线Mg表示下述的情况:镁掺杂剂在第1AlGaN层中超过1×1019cm-3,在第2AlGaN层缓慢地减少,即使在第2AlGaN层和发光区域的边界处也为某一程度的值,例如为3×1018cm-3,在发光区域中缓慢地减少而变为十分小的值(1017cm-3左右)。
在图7中,区域T1为接触层,区域T2为第1AlGaN层,区域T3为第2AlGaN层,区域T4为发光区域,区域T5为第3AlGaN层。
图8是表示这些发光二极管的输出特性的图表。特性线CA表示发光二极管A的特性,特性线CB表示发光二极管B的特性。该输出特性表示在直到施加电流300毫安的范围中发光二极管A的特性与发光二极管B的特性相比大约好2倍。
第2AlGaN半导体层在发光二极管B中被掺杂Mg,在发光二极管A中被作为未掺杂层形成。所以,图8所示的2条特性线的差是因被作为未掺杂半导体层而形成的第2AlGaN半导体层而产生的。
图9是表示发光二极管的光输出特性的图表。线C18、C24、C27分别表示具有铝的组成(X)为0.18、0.24、0.27的第2AlXGa1-XN半导体层的发光二极管的特性。如图9所示,当第2AlGaN半导体层的铝组成增加时,光输出特性也提高。在Al组成为27%处达到最大,继而当铝组成超过27%时,发光特性降低。
在变形例的半导体发光元件1b中,AlGaN层及发光区域的p型掺杂剂虽然可以为与图2(B)的分布相同或类似的分布,但是半导体发光元件1b的p型掺杂剂分布并不限定于此。
作为用于形成包括InAlGaN半导体层的发光区域的AlXGa1-XN包层,Al组成优选为0.1<X,另外优选X≤0.3。
如上说明所示,根据本实施方式的半导体发光元件,就可以提高具有InAlGaN半导体的半导体发光元件的发光效率。
(实施方式2)
图10(A)、图10(B)、图11(A)及图11(B)是表示用于制造本实施方式的半导体发光元件的工序的图。
首先,如图10(A)所示,准备n型GaN半导体单晶基板之类的基板41。然后,使用有机金属气相生长装置,在基板41上形成多个III族氮化物的半导体膜。
如图10(A)所示,在有机金属气相生长装置43的基座43a上放置基板41。在调整了生长温度后,向有机金属气相生长装置43内的被真空排气了的小室中供给原料气体而在基板41上形成膜。如果要列举原料气体,则使用三甲基镓(trimethyl-gallium)作为镓源,使用三甲基铝(trimethyl-aluminum)作为铝源,使用三甲基铟加合物(trimethyl-indiumadduct)作为铟源,使用氨(ammonia)作为氮源,使用四乙基硅烷(tetraethylsilane)作为硅源,使用双乙基环戊基二烯基镁(bisethyl-cyclopentadienyl magnesium)作为镁源。
将生长温度设定在摄氏1050度。将四乙基硅烷、三甲基镓及氨向小室供给,在基板41上堆积n型GaN膜45。n型GaN膜45作为缓冲层发挥作用,其厚度例如为0.1微米,其掺杂剂浓度为2×1018cm-3左右。
然后,不改变温度,将三甲基铝、四乙基硅烷、三甲基镓及氨向小室供给,在GaN膜45上堆积n型AlGaN膜47。n型AlGaN膜47作为n型空穴阻挡层发挥作用,例如为0.2微米,其组成为Al0.18Ga0.82N,其掺杂剂浓度为2×1018cm-3左右。
其后,如图10(B)所示,在n型AlGaN膜47上形成发光区域49。发光区域49包括未掺杂InAlGaN半导体膜。将生长温度设定为摄氏830度。将三甲基铝、三甲基铟加合物、三甲基镓及氨向小室供给,在n型AlGaN膜47上堆积In0.05Al0.25Ga0.70N膜。其组成使用卢瑟福后方散射法(RBS)来测定。该InAlGaN膜作为阻挡层发挥作用,其厚度例如为15纳米。
然后,将三甲基铝、三甲基铟加合物、三甲基镓及氨向小室供给,在n型AlGaN膜47上堆积In0.05Al0.20Ga0.75N膜。该InAlGaN膜作为势阱膜发挥作用,其厚度例如为3纳米。然后,将三甲基铝、三甲基铟加合物、三甲基镓及氨向小室供给,在n型AlGaN膜47上堆积In0.05Al0.25Ga0.70N膜。该InAlGaN膜作为阻挡膜发挥作用,其后端例如为15纳米。将该势阱层及阻挡层的堆积重复所需的次数,例如3次。利用该反复堆积,形成了具有多重量子构造的发光区域。
如果示例InAlGaN阻挡膜的堆积条件,则为:
氨:每分钟2升(litters per minute)
三甲基镓:每分钟1.5微摩(micromoles per minute)
三甲基铝:每分钟0.65微摩
三甲基铟加合物:每分钟30微摩。
如果示例InAlGaN势阱膜的堆积条件,则为:
氨:每分钟2升
三甲基镓:每分钟1.5微摩
三甲基铝:每分钟0.52微摩
三甲基铟加合物:每分钟53微摩。
图11(A)中,将生长温度设定为摄氏1050度。在包括InAlGaN半导体膜的发光区域49上形成未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)膜。例如,将三甲基铝、三甲基镓及氨向小室供给,在发光区域49上堆积未掺杂AlGaN膜51。该AlGaN膜51作为电子阻挡层发挥作用,其厚度例如为20纳米,其组成为Al0.27Ga0.73N。
然后,不改变温度,在未掺杂AlGaN半导体膜51上堆积p型AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜53及/或多个氮化镓类半导体膜,例如形成接触膜55。在这些半导体膜的堆积中,虽然AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜53中的p型掺杂剂向未掺杂AlGaN半导体膜51扩散,但是由于未掺杂AlGaN半导体膜51的关系,到达发光区域49的p型掺杂剂十分少。由此,发光区域49的大部分未被p型掺杂剂掺杂,实质上为未掺杂的半导体区域。
为了形成p型AlGaN半导体膜53,例如将三甲基铝、双乙基环戊基二烯基镁、三甲基镓及氨向小室供给,在未掺杂AlGaN半导体膜51上堆积p型AlGaN膜53。p型AlGaN膜53可以作为电子阻挡层发挥作用,其厚度例如为50纳米,其组成为Al0.18Ga0.82N,其掺杂剂浓度为2×1020cm-3左右。
图11(B)中,接下来,为了形成p型GaN半导体膜55,例如将双乙基环戊基二烯基镁、三甲基镓及氨向小室供给,在p型AlGaN半导体膜53上堆积p型GaN膜55。p型GaN膜55作为p型接触层发挥作用,其厚度例如为50纳米,其掺杂剂浓度为2×1020cm-3左右。
利用这些工序,在基板41上堆积多个氮化镓类半导体膜,就可以得到基板生产物。其后,在p型接触膜55上形成半透明(阳极)电极,在基板41的背面形成电极(阴极)。
如上说明所示,即提供了制造具有InAlGaN半导体的半导体发光元件的方法。
AlGaN半导体及GaN半导体的成膜温度由于与InAlGaN半导体的合适的成膜温度相比更高,因此在AlGaN半导体层及GaN半导体层上很少产生小坑。但是,在InAlGaN半导体层上,与AlGaN半导体层及GaN半导体层相比,形成更多的小坑。小坑较多的InAlGaN半导体层中,p型掺杂剂Mg容易扩散,由此发光效率降低。所以,如上说明所示的半导体发光元件中,p型掺杂剂Mg的作用被降低。即,InAlGaN半导体的合适的成膜温度由于与AlGaN半导体及GaN半导体的成膜温度相比更低,因此与AlGaN半导体层及GaN半导体层相比,在InAlGaN半导体层上更容易产生小坑。包含InAlGaN半导体层的半导体发光元件中,通过减少InAlGaN半导体层所含的p型掺杂剂Mg的量来减少发光效率的降低,并且通过使Mg原子向位于InAlGaN半导体层的附近的AlGaN半导体层扩散,使电阻降低,来减少发光效率的降低。
虽然在优选的实施方式中对本发明的原理进行了图示说明,但是对于技术人员来说,应当知道本发明在不脱离此种原理的条件下,可以在配置及具体事项中进行更改。例如,本实施方式虽然说明了发光二极管之类的面发光半导体元件,但是技术人员可以理解,也可以将本发明用于激光二极管。由此,本发明并不受本实施方式所示的特定的构成限定。另外,支撑基体可以使用蓝宝石基板。所以,对于属于技术方案的范围及其精神的范围的所有的修正及变更,都要求享有权利。
Claims (10)
1.一种半导体发光元件,其特征是,具备:包括InAlGaN半导体层的发光区域、添加p型掺杂剂的第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层、具有比所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的铝组成更大的铝组成的第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层被设于所述InAlGaN半导体层和所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的p型掺杂剂浓度小于所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂浓度。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件,其特征是,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的厚度在5纳米以上。
3.一种半导体发光元件,其特征是,具备:包括InAlGaN半导体层的发光区域、添加p型掺杂剂的第1AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)层、具有比所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层的p型掺杂剂浓度更小的p型掺杂剂浓度的第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)层被设于所述InAlGaN半导体层和所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层之间。
4.根据权利要求3所述的半导体发光元件,其特征是,在所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层上,有p型掺杂剂浓度在3×1018cm-3以下的区域,该区域的厚度为1纳米以上。
5.根据权利要求1到4中任意一项所述的半导体发光元件,其特征是,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层含有p型掺杂剂的镁,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层包括镁浓度大于1×1019cm-3的区域。
6.根据权利要求1到4中任意一项所述的半导体发光元件,其特征是,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层含有p型掺杂剂的镁,所述发光区域和所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的边界的镁浓度小于3×1018cm-3。
7.根据权利要求1到4中任意一项所述的半导体发光元件,其特征是,所述第1AlX1Ga1-X1N半导体的p型掺杂剂浓度的最大值在1×1020cm-3以上,所述发光区域和所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层的边界的p型掺杂剂浓度在3×1018cm-3以下。
8.根据权利要求1到7中任意一项所述的半导体发光元件,其特征是,还具有由III族氮化物构成的支撑基体,所述发光区域、所述第1AlX1Ga1-X1N半导体层以及所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层被设于所述支撑基体上。
9.根据权利要求1到8中任意一项所述的半导体发光元件,其特征是,所述第2AlX2Ga1-X2N半导体层被作为未掺杂层而形成。
10.一种制造权利要求1到7中任意一项所述的半导体发光元件的方法,其特征是,具备:形成用于发光区域的未掺杂InAlGaN半导体膜的工序、在所述InAlGaN半导体膜上形成未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体(0≤X2≤1)膜的工序、在所述未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体膜上形成p型AlX1Ga1-X1N半导体(0≤X1≤1)膜及/或多个氮化镓类半导体膜,并由此将所述p型AlX1Ga1-X1N半导体膜的p型掺杂剂向所述未掺杂AlX2Ga1-X2N半导体膜扩散的工序。
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