專利名稱：氮化鎵系發(fā)光器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氮化鎵系發(fā)光器件，特別是涉及在380nm以下的短波長波段進行發(fā)光的發(fā)光二極管(LED)和半導體激光器(LD)等的發(fā)光器件。
背景技術：
歷來，使用了氮化鎵(GaN)系化合物半導體的LED和LD等發(fā)光器件為人們熟知。在380nm以下波段的發(fā)光和振蕩通過改變構成有源層的含In的GaN系化合物半導體中的In組分比，改變其發(fā)光波長，具體地說，通過減小In組分比，使波長變短。
圖9及圖10表示下述的專利文獻所示的發(fā)光器件(半導體激光器)的結構。在圖9中，(a)是發(fā)光器件的剖面結構，(b)表示該剖面結構中Al的組分比。該發(fā)光器件具有在襯底21及緩沖層22上層疊了第1導電型層11、有源層12、第2導電型層13的結構。
第1導電型層11由接觸層23、包層25、第1光導層26構成，有源層12由有源層27構成，第2導電型層13由載流子封閉層28、第2光導層29、包層30及接觸層31構成。在用第1及第2光導層26、29夾持有源層12(或者有源層27)的結構中，用第1及第2光導層和它們之間的有源層形成導光路徑。
在圖10中，表示在有源層12(或者有源層27)附近的層結構及其帶隙。有源層12(27)具有多個阱層1a、1b和多個勢壘層2a、2b、2c交互層疊的結構，進而，在有源層27內(nèi)部或者有源層附近形成載流子封閉層28。載流子封閉層28將來自第1導電型層的載流子封閉在有源層或者阱層內(nèi)。在將第1導電型層為n型、第2導電型層為p型的元件中，載流子封閉層28將電子封閉在有源層內(nèi)。在p層一側(cè)設置載流子封閉層28是由于在氮化物半導體中電子的擴散長度比空穴的擴散長度長，電子容易溢出有源層的緣故。
此外，記述了在n層一側(cè)設置載流子封閉層的情況下，沒有必要像p層側(cè)的載流子封閉層那樣在有源層-勢壘層之間設置大的偏移，在有源層內(nèi)配置在最n側(cè)的n側(cè)勢壘層2a具有作為空穴封閉層的功能，還記述了通過使n側(cè)勢壘層2a比其他的勢壘層增加膜厚，能夠最佳地引出載流子封閉的功能。
專利文獻特開2003-115642號公報發(fā)明內(nèi)容這樣，作為用勢壘層和阱層構成了有源層的多量子阱(MQW)結構，通過在p層側(cè)配置封閉電子的載流子封閉層及在n層側(cè)配置封閉空穴的載流子封閉層，能夠促進載流子復合。但是，使用了GaN系化合物半導體的發(fā)光器件近年來其用途越來越擴大，特別是作為照明用光源希望其發(fā)光強度進一步提高。
本發(fā)明的目的在于在使用了發(fā)出紫外光的GaN系化合物半導體的發(fā)光器件中，提供具有更大發(fā)光強度的發(fā)光器件。
本發(fā)明是具有襯底、在上述襯底上形成的第1導電型的包層、在上述包層上形成的有源層、在上述有源層上形成的第2導電型的包層，上述有源層具有由氮化鎵系化合物半導體層構成的勢壘層及阱層的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述有源層的上述勢壘層具有被在上述第1導電型的包層側(cè)形成的第1勢壘層及上述阱層夾持的第2勢壘層，在上述有源層與上述第2導電型的包層之間具有第2導電型的載流子阻擋層，上述載流子阻擋層的帶隙Egb、第2勢壘層的帶隙Eg2、第1勢壘層的帶隙Eg1、包層的帶隙Egc滿足Egb＞Eg2＞Eg1≥Egc。
在本發(fā)明中，利用載流子阻擋層阻擋來自第1導電型層的載流子，同時利用第1勢壘層，阻擋來自第2導電型層的載流子。通過將各層的帶隙能量的大小關系設定為上述那樣，更有效地封閉載流子，促進在有源層的復合，增大發(fā)光強度。例如，能夠?qū)⒌?導電型設定為n型、將第2導電型設定為p型，第1勢壘層具有作為空穴封閉層的功能，載流子阻擋層具有作為電子封閉層的功能。
按照本發(fā)明，能夠有效地封閉載流子，提高發(fā)光強度。


圖1是實施形態(tài)的發(fā)光器件的結構圖。
圖2是實施形態(tài)的帶隙大小的說明圖。
圖3是表示第1勢壘層相對于第2勢壘層的帶隙與發(fā)光強度的關系的圖。
圖4是表示第1勢壘層相對于包層的帶隙與發(fā)光強度的關系的說明圖。
圖5是表示p型阻擋層相對于第2勢壘層的帶隙與發(fā)光強度的關系的圖。
圖6是表示第1勢壘層的膜厚與發(fā)光強度的關系的圖。
圖7是表示阱層的有無與發(fā)光強度的關系的圖。
圖8是表示阱層的膜厚與發(fā)光強度的關系的圖。
圖9是現(xiàn)有器件的結構圖，圖9(a)是發(fā)光器件的剖面結構圖，圖9(b)是表示Al組分比的圖。
圖10是表示現(xiàn)有器件的帶隙能量的大小的說明圖，圖10(a)是表示層結構的圖，圖10(b)是表示圖10(a)的層結構中的帶隙能量的大小的圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)

本發(fā)明的實施形態(tài)。
圖1表示使用了本實施例的GaN系化合物半導體器件的發(fā)光器件的剖面結構圖。
發(fā)光器件是在藍寶石襯底110上，依次形成低溫(LT)SiN緩沖層112、低溫(LT)GaN緩沖層114、未摻雜GaN緩沖層116、高溫SiN緩沖層118、未摻雜GaN緩沖層120作為基底層，在該基底層上層疊n型接觸層122、n型超晶格包層124、含n型第1勢壘層126的有源層129、p型阻擋層132、p型超晶格包層134、p型接觸層136的結構。在該結構中，沒有特別設定光導層，在插入光導層的情況下，可以在n型超晶格包層124與n型第1勢壘層126之間插入n側(cè)光導層，在p型阻擋層132與p型超晶格包層134之間插入p側(cè)光導層。
有源層129除n型第1勢壘層126外，包含交互層疊了n型阱層128與n型第2勢壘層130的多量子阱(MQW)結構。n型第1勢壘層126及p型阻擋層132分別發(fā)揮作為載流子封閉層的功能。亦即，n型第1勢壘層126具有封閉來自p型層的空穴的功能，p型阻擋層132具有封閉來自n型層的電子的功能。
各層的材料及厚度如下n型接觸層122摻Si的GaN(2μm)n型超晶格包層124Al0.2Ga0.8N勢壘層(2nm)/GaN阱層(2nm)，計50層n型第1勢壘層126Al0.13Ga0.87N(26nm)有源層129In0.05Ga0.95N阱層128(2nm)/Al0.19Ga0.81N第2勢壘層130(13nm)，計3層p型阻擋層132摻Mg的Al0.27Ga0.73N(25nm)p型超晶格包層134摻MgO的Al0.2Ga0.8N勢壘層(2nm)/摻Mg的GaN阱層(2nm)，計30層p型接觸層136摻Mg的GaN(20nm)此外，在圖1中雖然沒有表示，但通過在n型接觸層122上形成n電極、在p型接觸層136上形成p電極，發(fā)揮作為發(fā)光器件的功能。低溫SiN緩沖層112、高溫SiN緩沖層118不是必須的，也可以不形成。
圖1所示的發(fā)光器件用下述工藝制造。
(1)將藍寶石C面襯底110放置在MOCVD裝置內(nèi)的感應器上，在1150℃下在氫氣氛中對襯底110進行十分鐘的熱處理。
(2)接著，降溫到500℃，將氨氣和硅烷氣作為原料氣體供給裝置內(nèi)，生長低溫SiN緩沖層112。
(3)接著，將三甲基鎵(TMG)和氨氣作為原料氣體供給裝置內(nèi)，生長低溫GaN緩沖層114。
(4)接著，升溫到1075℃，將三甲基鎵(TMG)及氨氣作為原料氣體供給裝置內(nèi)，生長未摻雜n型GaN緩沖層116。
(5)接著，維持在1075℃，供給氨氣和硅烷氣作為原料氣體，生長一薄層高溫SiN緩沖層118。
(6)接著，維持在1075℃，供給三甲基鎵(TMG)及氨氣作為原料氣體，生長未摻雜n型GaN層120。用以上處理，形成作為基底層的緩沖層。
(7)接著，在1075℃下，供給含硅氣體，生長摻Si的n型GaN接觸層122。
(8)接著，供給三甲基鋁(TNA)、三甲基鎵、氨氣、硅烷氣作為原料氣體，交互生長n型AlGaN勢壘層與n型GaN阱層合計50層，以生長n型超晶格包層124。
(9)接著，降溫到850℃，供給TMG、TMA及氨氣作為原料氣體，生長n型AlGaN第1勢壘層126。
(10)接著，在850℃下，交互生長n型InGaN阱層與n型AlGaN第2勢壘層130合計3層，以生長有源層129。
(11)接著，升溫到1025℃，生長摻Mg的p型AlGaN阻擋層132。
(12)接著，在相同的1025℃下，交互生長摻Mg的p型AlGaN勢壘層和摻Mg的p型GaN阱層合計30層，以生長p型超晶格包層134。
(13)最后，在1025℃下，生長摻Mg的p型GaN接觸層136。
經(jīng)以上生長形成層疊結構后，從MOCVD裝置中取出晶片，形成電極。具體地說，在晶片表面上依次真空蒸發(fā)Ni(10nm)、Au(10nm)，在含5％氧的氧氣氛中，在520℃下進行熱處理，形成p型透明電極。接著，在整個面上涂敷光致抗蝕劑，作為刻蝕掩模使用，進行刻蝕直到n型接觸層122的一部分露出表面為止。而且，在露出的n型接觸層122上形成n電極。具體地說，依次真空蒸發(fā)Ti(5nm)、Al(5nm)，在氮氣中在450℃下，進行30分鐘熱處理，形成n電極。在P型透明電極及n型電極的一部分上，形成引線鍵合用的金焊區(qū)，研磨襯底背面，通過劃片切出LED芯片，進行安裝，得到LED。
上述各層的材料和厚度是一個例子，具體地能夠用以下條件制作LED。
表1
n型第1勢壘層126也能夠不用AlGaN，而用AlxInyGa1-x-yN構成，組分比x及y的范圍是0≤x≤0.3、0≤y≤0.05。在表中，將這些條件表示為Al≤0.3、In≤0.05。
另外，有源層129的阱層128及n型第2勢壘層130也能夠分別用AlxInyGa1-x-yN構成，各自的阱層128是0≤x≤0.01、0≤y≤0.1，n型第2勢壘層130是0≤x≤0.3、0≤y≤0.05。在表中，將這些表示為n型阱層128Al≤0.01、In≤0.1、n型第2勢壘層130Al≤0.3、In≤0.05。對n型第1勢壘層126、n型阱層128、n型第2勢壘層130、p型阻擋層132、超晶格包層124及134的材料歸納如下。
n型第1勢壘層126及n型第2勢壘層130AlxInyGa1-x-yN(其中，0≤x≤0.3、0≤y≤0.05)n型阱層128AlaInbGa1-a-bN(其中，0≤a≤0.01、0≤b≤0.1)p型載流子阻擋層AlpInqGa1-p-qN(其中，0≤p≤0.5、0≤q≤0.1)超晶格包層(勢壘層)AlαInγGa1-α-γN(其中，0≤α≤0.2、0≤γ≤0.1)超晶格包層(阱層)AlβInηGa1-β-ηN(其中，0≤β≤0.05、0≤η≤0.1)圖1所示的結構與圖9及圖10所示的現(xiàn)有器件的不同點在于通過控制n型超晶格包層124、p型超晶格包層134、p型阻擋層132、n型第2勢壘層130及n型第1勢壘層126的組分比，將它們的帶隙能量設定為滿足規(guī)定的關系。具體地說，在p型阻擋層132的帶隙能量為Egb、有源層129中的n型第2勢壘層130的帶隙能量為Eg2、n型第1勢壘層126的帶隙能量為Eg1、n型包層124及p型包層134的帶隙能量為Egc的情況下，滿足Egb＞Eg2＞Eg1≥EgC。
在圖2中，表示各層的帶隙能量的大小關系。n型包層124及p型包層134是超晶格結構，當設它們的有效帶隙能量為Egc時，為了封閉作為載流子的電子，p型阻擋層132的帶隙能量Egb變得大于Egc、Eg2。亦即，Egb＞Eg2。此外，關于Eg1與Eg2的大小關系，沒有必要如上述專利文獻所示的那樣在有源層-勢壘層之間設置能帶偏移，雖然也能夠使Eg2＝Eg1，但如后面所述，從本專利申請人的種種實驗結果發(fā)現(xiàn)，通過使Eg1＜Eg2，發(fā)光強度更加增大。
在圖3中，表示設n型第2勢壘層130的帶隙能量Eg2為1，使n型第1勢壘層126的帶隙能量Eg1變化時發(fā)光強度的變化。發(fā)光強度是將制成的LED器件放入積分球中，注入電流，測量并比較從器件發(fā)射出的總的光輸出。發(fā)光波長在370nm附近。在圖中，橫軸是Eg1/Eg2，縱軸是電致發(fā)光強度(相對強度)。為了使n型第1勢壘層126的帶隙能量Eg1變化，通過改變?nèi)谆X(TMA)的供給量以改變AlxGa1-xN的Al組分比x來實現(xiàn)。越增大TMA的供給量以增大Al的組分比x，帶隙能量就越增大。Eg1以外的帶隙能量，例如Egc和Egb為恒定值。由圖可知，在Eg1與Eg2相等(Eg1/Eg2＝1)的情況下的發(fā)光強度是0.08，而在Eg1比Eg2小的Eg1/Eg2＝0.96情況下，發(fā)光強度增大到0.18附近。由此可知，通過使Eg2＞Eg1，發(fā)光強度增大。
此外，在圖3中，使Eg1更小，在Eg1/Eg2＝0.92的情況下，發(fā)光強度反而變小到0.07，這是由于Eg1比n型超晶格包層124的有效帶隙Egc小，空穴封閉效應減小的緣故。在圖4中，表示設n型包層126及p型包層134的有效帶隙Egc為1，使n型第1勢壘層126的帶隙Eg1變化時的發(fā)光強度的變化。與圖3的情況相同，通過改變構成第1勢壘層的AlxGa1-xN中的Al組分比x，改變n型第1勢壘層126的帶隙能量。由圖可知，在Eg1與Egc相等、Eg1/Egc＝1的情況下的發(fā)光強度為0.16，而在Eg1/Egc＝1.3時發(fā)光強度增大到0.18，在Eg1/Egc＝0.6時發(fā)光強度反而降低到0.07，可知為了增大發(fā)光強度，必須有Eg1≥Egc。
此外，在圖中使Eg1更大、Eg1/Egc＝1.9的情況下發(fā)光強度降低到0.08，這是由于Eg1設定過大時，成為Eg1＞Eg2的緣故。
在圖5中，表示設n型第2勢壘層130的帶隙能量Eg2為1，使p型阻擋層132的帶隙能量Egb變化時的發(fā)光強度的變化。P型阻擋層132的帶隙能量Egb越增大，發(fā)光強度就越單調(diào)地增加。這是由于Egb越增大，電子封閉效應越大的緣故。
從以上結果可知，如圖2所示，通過使Egb＞Eg2＞Eg1≥Egc，能夠比現(xiàn)有器件增大發(fā)光強度。
另一方面，關于n型第1勢壘層126的厚度，在上述專利文獻中記述了形成得比其他的勢壘層厚。但是，在用未摻雜AlGaN或者未摻雜AlInGaN構成n型第1勢壘層126的情況下，由于該層具有作為電阻層的功能，當形成得太厚時，反而使發(fā)光強度降低。
在圖6中，表示將n型第2勢壘層130的厚度固定在13nm，使n型第1勢壘層126的厚度變化時的發(fā)光強度的變化。n型第1勢壘層126的厚度越增大，發(fā)光強度越增大，厚度在25nm附近得到發(fā)光強度0.18。但是，當以超過這一厚度形成時，發(fā)光強度反而降低下去。因此，在設n型第1勢壘層126的厚度為d1、n型第2勢壘層130的厚度為d2的情況下，必須有d1＞d2，但是，必須將d1的上限抑制在50nm左右以下。
在本實施例中，在n型第1勢壘層126上層疊n型阱層128及n型第2勢壘層130，在n型第1勢壘層126和n型第2勢壘層130之間也形成n型阱層128。從提高發(fā)光強度的觀點考慮，該阱層的存在也是合適的。在圖7中，表示在n型第1勢壘層126與n型第2勢壘層130之間形成阱層的情況下和沒有形成的情況下的發(fā)光強度的變化。在沒有形成阱層的情況下的發(fā)光強度是0.16，而形成阱層的情況下發(fā)光強度增大到0.2。
進而，在本實施例中，由n型第1勢壘層126、n型阱層128、n型第2勢壘層130的MQW構成有源層129，但要盡量薄地形成n型阱層128的厚度，使量子效應顯著地顯現(xiàn)出來是合適的。在圖8中，表示設n型第2勢壘層130的厚度為恒定，使n型阱層128的厚度變化時的發(fā)光強度的變化。n型阱層128越薄，發(fā)光強度越增大。因此，使阱層128在5nm以下為宜，在4nm以下更佳。
權利要求
1.一種氮化鎵系發(fā)光器件，它具有襯底；在上述襯底上形成的第1導電型的包層；在上述包層上形成的有源層；以及在上述有源層上形成的第2導電型包層，上述有源層具有由氮化鎵系化合物半導體層構成的勢壘層及阱層，其特征在于上述有源層的上述勢壘層具有被在上述第1導電型的包層側(cè)形成的第1勢壘層及上述阱層夾持的第2勢壘層；在上述有源層與上述第2導電型的包層之間具有第2導電型的載流子阻擋層；上述載流子阻擋層的帶隙Egb、第2勢壘層的帶隙Eg2、第1勢壘層的帶隙Eg1、包層的帶隙Egc滿足Egb＞Eg2＞Eg1≥Egc。
2.如權利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述第1勢壘層的厚度d1及上述第2勢壘層的厚度d2滿足d1＞d2。
3.如權利要求2所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述第1勢壘層的厚度d1滿足d1≤50nm。
4.如權利要求1、2中任何一項所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述阱層的厚度d3滿足d3≤4nm。
5.如權利要求1～4中任何一項所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述第1勢壘層及上述第2勢壘層由AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤0.3、0≤y≤0.05)構成，上述阱層由AlaInbGa1-a-bN(0≤a≤0.01、0≤b≤0.1)構成。
6.如權利要求1～5中任何一項所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述載流子阻擋層由AlpInqGa1-p-qN(0≤p≤0.5、0≤q≤0.1)構成。
7.如權利要求1～6中任何一項所述的氮化鎵系發(fā)光器件，其特征在于上述包層由層疊了AlαInγGa1-α-γN(0≤α≤0.、0≤γ≤0.1)和AlβInηGa1-β-ηN(0≤β≤0.05、0≤η≤0.1)的超晶格結構構成。
全文摘要
本發(fā)明是使用了GaN系半導體的發(fā)光器件。發(fā)光器件具有n型包層(124)、由n型第1勢壘層(126)、阱層(128)和第2勢壘層(130)構成的有源層(129)、p型阻擋層(132)、p型包層(134)。在p型阻擋層(132)的帶隙能量Egb、第2勢壘層(130)的帶隙能量Eg2、第1勢壘層(126)的帶隙能量Eg1、n型及p型包層(124)、(134)的帶隙能量Egc方面，通過使Egb＞Eg2＞Eg1≥Egc，能夠有效地封閉載流子，增大發(fā)光強度。
文檔編號H01S5/22GK1698215SQ20048000048
公開日2005年11月16日 申請日期2004年4月16日 優(yōu)先權日2004年4月16日
發(fā)明者佐藤壽朗, 和田直樹, 酒井士郎, 木村真大 申請人:氮化物半導體株式會社