專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件和氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件和一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，具體 地，涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件和一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其能夠抑制有 源層結(jié)晶度惡化并且具有高發(fā)光效率和高電流密度。
背景技術(shù)：
常規(guī)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)通常是在襯底上順序?qū)盈Bn型氮化物 半導(dǎo)體層、n型或未摻雜的氮化物半導(dǎo)體有源層和p型氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。在具有此結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由于氮化物半導(dǎo)體有源層是 n型的并且電子的有效質(zhì)量小于空穴的有效質(zhì)量，在高電流密度下氮化物半 導(dǎo)體有源層中的空穴濃度與電子濃度相比變得非常小。因此，由于過多的電子到達p型氮化物半導(dǎo)體層的區(qū)域并且以一定的比例與p型氮化物半導(dǎo)體層 的區(qū)域中的空穴復(fù)合，其中電子在氮化物半導(dǎo)體有源層的區(qū)域中不能被忽 略，所以就帶來了氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率降低的問題。因此，在日本專利特開公報2004-064080號中，提出了一種氮化物半 導(dǎo)體發(fā)光器件，在其中至少一個氮化物半導(dǎo)體有源層形成為p型。發(fā)明內(nèi)容然而，半導(dǎo)體中p型雜質(zhì)的激活能十分大。例如，在氮化物半導(dǎo)體中一 般作為p型雜質(zhì)的Mg的激活能為約200meV,它是n型雜質(zhì)的激活能的大 約10倍。因此，為了在日本專利特開公報2004-064080中描述的氮化物半導(dǎo)體 發(fā)光器件的氮化物半導(dǎo)體有源層中獲得期望的p型載流子濃度，因為必須以 p型載流子的大約100倍摻雜p型雜質(zhì)，所以摻雜高濃度的p型雜質(zhì)引發(fā)了 氮化物半導(dǎo)體有源層的結(jié)晶度惡化的問題。此外，在日本專利特開公凈艮2004-064080中描述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中氮化物半導(dǎo)體有源層的多重量子阱結(jié)構(gòu)的阱層中使用InGaN層的情 況下，因為In極高的蒸汽壓導(dǎo)致必須在低溫下形成該InGaN層，所以很難 在此低溫下將該阱層激活為p型。本發(fā)明的一個目的是提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件和一種氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光器件，其能夠抑制有源層的結(jié)晶度惡化并具有高發(fā)光效率和高電流密度。在發(fā)明中，"發(fā)光效率"指外部量子效率，其是內(nèi)部量子效率、注入效 率和光發(fā)出效率的乘積。這里，內(nèi)部量子效率指有源層中產(chǎn)生的光子數(shù)量與 注入到有源層中的電子數(shù)量的比例，注入效率指有源層中空穴和電子的復(fù)合 數(shù)量與器件中空穴和電子的復(fù)合總量的比例，光發(fā)出效率指發(fā)出到器件外的 光子數(shù)量與有源層產(chǎn)生的光子數(shù)量的比例。本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括n型半導(dǎo)體層、有源層、n型 半導(dǎo)體層與有源層之間的第一 p型半導(dǎo)體層以及在有源層的第一 p型半導(dǎo)體 層側(cè)的相反側(cè)上的第二 p型半導(dǎo)體層。此外，本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層、氮化物半導(dǎo)體有源層、在n型半導(dǎo)體層與氮化物半導(dǎo)體有源層之間的第一p型氮化物半導(dǎo)體層以及在氮化物半導(dǎo)體有源層的第一p型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)的相反側(cè)上的第二,p型氮化物半導(dǎo)體層。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件優(yōu)選地包括GaN層或InGaN層，其布 置為與第一p型氮化物半導(dǎo)體層接觸。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第一 p型氮化物半導(dǎo)體層優(yōu)選地 包括含有Al的氮化物半導(dǎo)體層。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第一p型氮化物半導(dǎo)體層中含有 的Al原子的數(shù)量與Al、 Ga和In原子的總量的比例優(yōu)選為0.05至0.5。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，不含p型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層 位于第一 p型氮化物半導(dǎo)體層與氮化物半導(dǎo)體有源層之間。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第一p型氮化物半導(dǎo)體層中的p 型雜質(zhì)的原子濃度優(yōu)選為5 x 10'9/cm3或更小。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，氮化物半導(dǎo)體有源層中的p型雜 質(zhì)的原子濃度優(yōu)選為1 x 10"9/cm3或更小。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，氮化物半導(dǎo)體有源層優(yōu)選為未摻雜。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第二 p型氮化物半導(dǎo)體層優(yōu)選地包括p型InGaN層。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，p型InGaN層中的In原子的數(shù) 量與In和Ga原子的總量的比例優(yōu)選為0.1或更小。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，氮化物半導(dǎo)體有源層優(yōu)選為具有 2個或更多阱的多重量子阱結(jié)構(gòu)。在本描述中，Al表示鋁，Ga表示鎵，In表示銦以及N表示氮。在本發(fā)明中，p型雜質(zhì)的原子濃度和n型雜質(zhì)的原子濃度中的每個都能 夠采用例如SIMS (次級離子質(zhì)譜法)的方法進行定量計算。依照本發(fā)明，可以提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件和氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件， 其能夠抑制有源層的結(jié)晶度惡化并具有高發(fā)光效率和高電流密度。在下文結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本發(fā)明的前述和其它目的、特 征、方面和優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個優(yōu)選實例的截面示意圖。 圖2是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的另 一優(yōu)選實例的截面示意圖。 圖3是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個優(yōu)選實例的能帶圖。 圖4是實例1中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的截面示意圖。 圖5是顯示注入到比較例1中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中的電流密 度與發(fā)光效率之間的關(guān)系的視圖。
具體實施方式
下文將描述本發(fā)明的一個實施例。此外，在本發(fā)明的附圖中，相同的附 圖標記表示相同的部分或相應(yīng)的部分。圖1是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個優(yōu)選實例的截面示意圖。 圖1所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有在襯底1上順序?qū)盈B的n型氮化物半 導(dǎo)體層2、第一p型氮化物半導(dǎo)體層3、氮化物半導(dǎo)體有源層4、第二p型氮 化物半導(dǎo)體層5和半透明電極6的結(jié)構(gòu)。然后，在半透明電極6的表面上形 成p側(cè)電極8，并在n型氮化物半導(dǎo)體層2的表面上形成n側(cè)電極9。此外，圖2是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的另一優(yōu)選實例的截面示意圖。這里，圖2所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有與圖1中的氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光器件相同的配置，除了沒有摻雜p型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層10形成在第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3和氮化物半導(dǎo)體有源層4之間之外。此外，圖1和2所示的本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件特征在于包括在 n型氮化物半導(dǎo)體層2與氮化物半導(dǎo)體有源層4之間的第一 p型氮化物半導(dǎo) 體層3和在氮化物半導(dǎo)體有源層4的與第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3相對側(cè)上 的第二p型氮化物半導(dǎo)體層5。這種配置允許獲得具有高發(fā)光效率和高電流密度的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光 器件，同時，即使當?shù)锇雽?dǎo)體有源層4沒有摻雜大量p型雜質(zhì)時也能抑 制氮化物半導(dǎo)體有源層4的結(jié)晶度惡化。圖3是本發(fā)明中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個優(yōu)選實例的能帶圖。此外， 圖3中縱軸表示帶隙能量(eV)和橫軸表示距第二p型氮化物半導(dǎo)體層5的 表面的距離(nm)。也就是，意味著在橫軸中的距離越大，從第二p型氮化 物半導(dǎo)體層5的表面越靠近襯底1側(cè)。此外，圖3中所示的能量帶隙圖顯示了氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的帶隙， 該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有如圖2所示的配置并且使用由以下材料形成的 氮化物半導(dǎo)體層。也就是，n型GaN層作為圖2所示的n型氮化物半導(dǎo)體層 2，層疊體(layered body )作為第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3,在該層疊體中 厚度20 nm的p型Alai5Gaa85N層(載流子濃度5 x 1017/cm3)和厚度10 nm 的p型GaN層(載流子濃度5 x 1017/cm3)順序從n型氮化物半導(dǎo)體層2 側(cè)形成。此外，厚度10 nm的未摻雜GaN層(圖1中未示出)作為氮化物 半導(dǎo)體層10。另外，具有6個阱層的多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層作為氮化物半 導(dǎo)體有源層4，在該結(jié)構(gòu)中未摻雜的Ino,2Ga。.8N層作為阱層并且未摻雜的GaN 層作為壘層。另外，層疊體作為第二p型氮化物半導(dǎo)體層5，在該層疊體中 厚度20 nm的p型In,Ga0.97N層(載流子密度1 x 10l8/cm3)和厚度100腦 的p型GaN層(載流子濃度1 x 1018/cm3)順序從氮化物半導(dǎo)體有源層4 側(cè)形成。在具有這種配置的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，通過施加正向偏壓，電子 從圖3的右側(cè)流動到左側(cè)且空穴從圖3的左側(cè)流動到右側(cè)。同樣，假定在高 電流密度下驅(qū)動此氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的情況，氮化物半導(dǎo)體有源層4中 的空穴濃度變得大于電子濃度，氮化物半導(dǎo)體有源層4中的多數(shù)載流子變成空穴的趨勢變大。由于電子具有比空穴更小的有效質(zhì)量，電子具有更大的移動速度且擴散 長度變得比空穴的擴散長度更長，所以在氮化物半導(dǎo)體有源層4中多數(shù)載流 子是電子的情況下，特別是在高電流密度的情況下，擴散到第二p型氮化物半導(dǎo)體層5區(qū)域中的電子數(shù)量與注入到氮化物半導(dǎo)體有源層4中的電子數(shù)量的比例不能被忽略，注入效率降低，結(jié)果，發(fā)光效率降低。另一方面，在氮化物半導(dǎo)體有源層4中空穴是多數(shù)載流子的情況下，即使在高電流密度下驅(qū) 動，電子也變?yōu)樯贁?shù)載流子，且發(fā)光效率沒有降低，因為在到達第二p型氮 化物半導(dǎo)體層5的區(qū)域之前，在氮化物半導(dǎo)體有源層4中電子與空穴復(fù)合。因此，由于以上原因，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，同樣在高 電流密度的注入電流的情況下，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率能夠得到 提高，因為溢流到第二p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)的電子數(shù)量能夠被減少，而 不與氮化物半導(dǎo)體有源層4中的空穴復(fù)合。在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，能夠抑制氮化物半導(dǎo)體有源層4 的結(jié)晶度惡化，因為不必將大量p型雜質(zhì)摻入氮化物半導(dǎo)體有源層4中或者 根本不需摻雜。另外，如上所述，第一p型氮化物半導(dǎo)體層3包括一種配置，在該配置 中含有Al且?guī)断鄬Υ蟮牡锇雽?dǎo)體層和不含Al且?guī)断鄬π〉牡?半導(dǎo)體層相接觸并層疊，在以上這種情況下，由于在氮化物半導(dǎo)體有源層4 側(cè)的p型AlGaN層與p型GaN層之間界面中產(chǎn)生二維電子氣、以及由構(gòu)成 第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3的p型AIGaN層與氮化物半導(dǎo)體有源層4( InGaN 層或GaN層)之間的晶格失配引起而產(chǎn)生壓電電場(piezo electronic field), 能夠有效地使得氮化物半導(dǎo)體有源層4的空穴濃度高，且氮化物半導(dǎo)體有源 層4中的耗盡區(qū)域能夠形成在n型氮化物半導(dǎo)體層2側(cè)。因此，溢流到第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)的電子數(shù)量能夠被減少，而電子不與氮化物半導(dǎo)體 有源層4中的空穴復(fù)合。這里，(i)由于構(gòu)成第一p型氮化物半導(dǎo)體層3的p型AlGaN層與第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3上的氮化物半導(dǎo)體有源層4 (InGaN層或GaN層)之 間的電子親和勢差異，在氮化物半導(dǎo)體有源層4側(cè)上的第一 p型氮化物半導(dǎo) 體層3的p型AlGaN層的界面處產(chǎn)生帶正電的二維電子氣。(ii)由于第一p 型氮化物半導(dǎo)體層3的p型AlGaN層與氮化物半導(dǎo)體有源層4(InGaN層或GaN層)之間的晶格失配，產(chǎn)生了壓電電場，并且由該壓電電場施加了電場 以使得氮化物半導(dǎo)體有源層4的第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)是負電的。 (iii)由于氮化物半導(dǎo)體有源層4未摻雜且氮化物半導(dǎo)體有源層4上的第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5是p型，則施加了電場以使得氮化物半導(dǎo)體有源層4 的第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)是正電的。由于(ii)和(iii)的電場相互抵消并且氮化物半導(dǎo)體有源層4側(cè)上的p 型AlGaN層的界面是帶正電的，氮化物半導(dǎo)體有源層4實際上變?yōu)閜型。此外，就通過產(chǎn)生壓電電場而施加電場以使得氮化物半導(dǎo)體有源層4上 的p型AlGaN層的界面帶正電而言，在構(gòu)成第一p型氮化物半導(dǎo)體層3的p 型AlGaN層緊接下方的層優(yōu)選是n型或p型GaN層。例如，由p型AlxInyGazN ( O^x^l ， 0￡y^l, O^z^l ， x+y+z-0)晶體形 成的氮化物半導(dǎo)體層可以作為第一p型氮化物半導(dǎo)體層3。然而，就如上所 述的產(chǎn)生二維電子氣而言，第一p型氮化物半導(dǎo)體層3優(yōu)選地包括含Al的 層。在上述公式中，x表示Al的混合晶體比例，y表示In的混合晶體比例， 和z表示Ga的混合晶體比例。也就是，在第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3具有p型AlxlInylGazlN( 0<xl^l ， 0Syl化(^zl化xl+yl+zl-0)層和p型AIx2Iny2Gaz2N (0Sx2蘭l， 0，^1, 0Sz2Sl， x2+y2+z2^0)層從n型氮化物半導(dǎo)體層2側(cè)順序?qū)盈B的配置的情然而，就如上所述的產(chǎn)生二維電子氣而言，p型AlxlInylGazlN ( 0<xKl， 0￡yl^l, O^zl^l, xl+yl+zl#0)層優(yōu)選為不含In的p型AlGaN層，而p 型Alx2Iny2Gaz2N (0$x2Sl， 0^y2^1 ， 0￡z2^1， x2+y2+z2^0)層優(yōu)選為不含 Al的p型GaN層或p型InGaN層(p型Iny2Gaz2N ( 0￡y2^1, 0Sz2^1, y2+z2 層)。在氮化物半導(dǎo)體有源層4側(cè)上的第一p型氮化物半導(dǎo)體層3最前面的表 面由p型AlxlInylGazlN (0<xKl， O^yKl, O^zKl, xl+yl+zl共0 )層構(gòu)成 的情況下，就產(chǎn)生二維電子氣而言，與該最前面的表面接觸的層優(yōu)選為不含 Al的n型或未摻雜的GaN層，或者不含Al的n型或未摻雜InGaN層。此 外，與成為氮化物半導(dǎo)體有源層4側(cè)上的第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3最前面 的表面的p型AlxlInylGazlN (0<xl^l, O^yKl, O^zKl, xl+yl+zl-0)層 接觸的不含Al的n型或未摻雜的GaN層或者不含Al的n型或未摻雜InGaN層，起抑制p型雜質(zhì)擴散進入氮化物半導(dǎo)體有源層4的作用。此外，在構(gòu)成第一p型氮化物半導(dǎo)體層3的p型AlxlInylGazlN(0<xl^l, 0SylSl， O^zl^l, xl+yl+zl-0)層中Al原子的數(shù)量與Al、 Ga和In原子的 總量的比例優(yōu)選為0.05至0.5。在該比例為0.05至0.5的情況下，趨向于充 分表現(xiàn)出由如上所述的二維電子氣的產(chǎn)生而帶來的影響。此外，在該比例超 過0.5時，將會產(chǎn)生問題，例如第一p型氮化物半導(dǎo)體層3的電阻變高和產(chǎn) 生裂紋。此外，第一氮化物半導(dǎo)體層3中的p型雜質(zhì)的原子濃度優(yōu)選為5x 10,cn^或更小。在此情況下，當通過采用MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相沉 積Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法外延生長而形成氮化物半導(dǎo) 體有源層4時，能夠抑制將例如晶格缺陷和位錯傳遞到氮化物半導(dǎo)體有源層 4。這里，xl和x2表示Al的混合晶體比例，yl和y2表示In的混合晶體 比例，以及z 1和z2表示Ga的混合晶體比例。此外，第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3和氮化物半導(dǎo)體有源層4可以相接觸， 如圖l所示的配置。然而，優(yōu)選的是在第一p型氮化物半導(dǎo)體層3與氮化物 半導(dǎo)體有源層4之間形成不含p型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層10,如圖2所示的 配置，因為可以抑制p型雜質(zhì)從第一 p型氮化物半導(dǎo)體層3擴散到氮化物半 導(dǎo)體有源層4。這里，就充分抑制p型雜質(zhì)擴散而言，氮化物半導(dǎo)體層10 的層厚度優(yōu)選為10 nm至50 nm。此外，氮化物半導(dǎo)體有源層4優(yōu)選地具有多重量子阱結(jié)構(gòu)，其為周期結(jié) 構(gòu)，其中由InaGabN (O^a^l, 0^b^l， a+b#0)構(gòu)成的阱層和由AlsIntGauN (0￡s￡l, 03￡1, 0￡u￡l， s+t+u共0)構(gòu)成的壘層交替層疊。這里,s表示Al的混合晶體比例，a和t表示In的混合晶體比例，以及b和u表示Ga的混合晶體比例。就抑制氮化物半導(dǎo)體有源層4的結(jié)晶度惡化而言，氮化物半導(dǎo)體有源層 4中的p型雜質(zhì)的原子濃度優(yōu)選為1 x 1019/(^3或更小，且優(yōu)選為未摻雜。就增大氮化物半導(dǎo)體有源層4的態(tài)密度且抑制載流子溢流而言，氮化物 半導(dǎo)體有源層4中阱的數(shù)量優(yōu)選為2或更多。氮化物半導(dǎo)體有源層4中的電子擴散長度依據(jù)氮化物半導(dǎo)體有源層4中 的空穴濃度而有很大不同。然而，因為氮化物半導(dǎo)體有源層4中的空穴濃度為例如1 x 10'8/cn^時擴散長度為約l|im,所以氮化物半導(dǎo)體有源層4的總 層厚度優(yōu)選為l|im或更大。例如，在例如層疊一層阱層和一層壘層以使得 其為一個周期的情形，當一個周期的層厚度為20nm時阱的數(shù)量變?yōu)?0。例如，由p型Alx3Iny3Gaz3N ( 0^c3￡l ， 0Sy3$l, 0^z3^1, x3+y3+z3#0) 晶體構(gòu)成的層能夠作為第二p型氮化物半導(dǎo)體層5。這里，x3表示Al的混 合晶體比例，y3表示In的混合晶體比例，和z3表示Ga的混合晶體比例。在這些層中，由不含Al的p型Iny3Gaz3N ( 05y3^1, 0^351 ， y3+z3 - 0 ) 晶體構(gòu)成的層(p型InGaN層)優(yōu)選地作為第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5。在 p型InGaN層作為第二p型氮化物半導(dǎo)體層5的情況下，在第二p型氮化物 半導(dǎo)體層5的側(cè)上的氮化物半導(dǎo)體有源層4中的空穴濃度趨于能夠有效增 大，且在以高電流密度注入電流的情況下溢流到第二p型氮化物半導(dǎo)體層5 側(cè)的電子數(shù)量可以被降低。也就是，因為構(gòu)成第二p型氮化物半導(dǎo)體層5的 p型InGaN層與氮化物半導(dǎo)體有源層4之間的晶格失配產(chǎn)生了壓電電場，其 中第二p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)的氮化物半導(dǎo)體有源層4的界面變?yōu)檎姷模?所以有效提高了氮化物半導(dǎo)體有源層4中的第二p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)的 空穴濃度。此外，僅p型InGaN層可以形成為第二p型氮化物半導(dǎo)體層5。然而， p型InGaN層和p型GaN層可以順序從氮化物半導(dǎo)體有源層4的側(cè)形成。在第二p型氮化物半導(dǎo)體層5配置有p型InGaN層和p型GaN層的層 疊體的情況下，p型InGaN層中In原子的數(shù)量與In和Ga原子的總量的比例 優(yōu)選為0.1或更小。在此情況下，可以抑制p型InGaN層與p型GaN層的 界面處接觸電阻的增大。由藍寶石、SiC (碳化硅)、Si (硅)、ZnO (氧化鋅)等構(gòu)成的襯底可以 作為襯底1。例如，由n型Alkln,GamN ( O^k^l, 03^1， 0SmSl， k+l+m共0)晶體構(gòu) 成的氮化物半導(dǎo)體層可以作為n型氮化物半導(dǎo)體層2。這里，k表示Al的混 合晶體比例，l表示In的混合晶體比例，和m表示Ga的混合晶體比例。此外，優(yōu)選地形成在n型氮化物半導(dǎo)體層2上形成的n側(cè)電極9，從而 采用例如選自由Ti (鈦)、Hf (鉿)和Al (鋁)組成的組的至少一種金屬形 成歐姆接觸。這里，通過蝕刻暴露出第一n型氮化物半導(dǎo)體層2的一部分表 面，且n側(cè)電極9可以形成在它的暴露面上。例如，由Pd (釔)、Ni (鎳)、ITO (氧化銦錫)、n型GaN等構(gòu)成的膜 可以作為形成在第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5上的半透明電極6。例如，帶有A1膜的Au (金)膜或Ti (鈦)膜的層疊體可以作為形成在 半透明電才及6上的p側(cè)電極8。通過在分開制備的導(dǎo)電支撐襯底上生長第二p型氮化物半導(dǎo)體層5之后 涂布上述晶片的第二 p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)，使得n型氮化物半導(dǎo)體層2 側(cè)成為發(fā)光側(cè)而第二p型氮化物半導(dǎo)體層5側(cè)成為支撐襯底側(cè)，并且在該支 撐襯底側(cè)上形成選自由具有高反射率的Al、 Pt (鉑)和Ag (銀)組成的組 的至少一種金屬膜，從而制成具有頂電極和底電極結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光 二極管器件。在本發(fā)明中，由例如選自由Si、 Ge (鍺)和O (氧)組成的組的至少一 種優(yōu)選地作為n型雜質(zhì)進行摻雜。在本發(fā)明中，Mg (鎂)和/或Zn (鋅)等可以作為p型雜質(zhì)進行摻雜。 然而，具有較小激活能的Mg優(yōu)選地作為p型雜質(zhì)進行摻雜。上文描述了氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。然而，本發(fā)明不限于該氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光器件，且適用于其中不使用氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體發(fā)光器件。實例(實例1)在實例1中，制造具有圖4的示意截面圖示出的配置的氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光二極管。首先，將藍寶石襯底101放置在MOCVD設(shè)備的反應(yīng)爐中。然后，當氫 氣流入反應(yīng)爐中時藍寶石村底101的溫度升高到1050。C,從而實行對藍寶石 襯底101的表面(C面)的清潔。接著，將藍寶石襯底101的溫度降低到51CTC,作為載氣的氫氣和作為 原材料氣體的氨及TMG (三曱基鎵)流入反應(yīng)爐中，從而采用MOCVD法 在藍寶石襯底101的表面(C面)上生長GaN緩沖層102達到大約20 nm 的厚度。將藍寶石襯底101的溫度升高到105(TC,作為載氣的氫氣、作為原材料 氣體的氨和TMG以及作為雜質(zhì)氣體的石圭烷流入反應(yīng)爐中，從而采用 MOCVD法在GaN緩沖層102上生長摻雜有Si的n型GaN下層103 (載流子濃度1 x 1018/cm3)達到6 pm的厚度。采用MOCVD法以與n型GaN下層103相同的方式，除了沒有摻雜Si 之夕卜，在n型GaN下層103上生長n型GaN接觸層104達到0.5 pm的厚度， 使得載流子濃度變?yōu)? x 1018/cm3。然后，將藍寶石襯底101的溫度保持在1050°C,且作為載氣的氫氣、作 為原材料氣體的氨和TMG以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg (環(huán)戊二烯合鎂)流 入反應(yīng)爐中，從而采用MOCVD法在n型GaN接觸層104上生長以1 x 10l9/cm3濃度摻雜Mg的p型GaN層105達到20 nm的厚度。接著，將藍寶石襯底101的溫度降低到700°C，作為載氣的氮氣和作為 原材料氣體的氨、TMG和TMI (三曱基銦)流入反應(yīng)爐中，采用MOCVD 法在p型GaN層105上將2.5 nm厚的未4參雜Ina2。Ga。.8()N層和18 nm厚的未 摻雜GaN層交替生長六個循環(huán)，從而在p型GaN接觸層105上形成具有多 重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層106。無需說明的是在形成有源層106中當生長GaN 層時TMI沒有流入反應(yīng)爐中。隨后，將藍寶石襯底101的溫度升高到950°C,且作為載氣的氫氣、作 為原材料氣體的氨和TMG以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg流入反應(yīng)爐中，從 而采用MOCVD法在有源層106上生長以1 x 1027cm3的濃度摻雜Mg的p 型GaN層107達到大約0.1 |im的厚度。將藍寶石襯底101的溫度降低到700°C，和作為載氣的氮氣流入反應(yīng)爐 中，從而實行退火。在上述退火后從反應(yīng)爐中取出晶片，在作為晶片的頂層的p型GaN層 107的表面上形成構(gòu)圖為預(yù)定形狀的掩模。通過采用R正(反應(yīng)離子蝕刻) 法從p型GaN層107側(cè)的上述晶片的一部分上實行蝕刻而暴露出n型GaN 接觸層104的一部分表面。在p型GaN層107的幾乎整個面上形成7 nm厚的Pd膜108以作為半 透明電極，在Pd膜108上形成0.5 |am厚的Au膜109以作為p側(cè)電極。另 一方面，在由蝕刻暴露的n型GaN接觸層104的表面上，Ti膜和Al膜的層 疊體110形成為n側(cè)電極。此后，通過將晶片切成多個芯片而生產(chǎn)出具有圖4的示意截面圖所示配 置的實例1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中，在后文所述電流密度和發(fā)光效率之間的關(guān)系中由于 電流密度增大而引起的峰值發(fā)光效率的降低率變小了，結(jié)果，即使以例如超過50 A/cm2的高電流密度注入電流，也允許發(fā)光效率高。此外，為了實現(xiàn)高發(fā)光效率，實例1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的有源層106更優(yōu)選為未摻雜的，其次優(yōu)選使得有源層106的p型雜質(zhì)的原子 濃度達到1 x 10力cm3或更小。 (實例2)采用與實例i相同的條件和相同的方法生長n型GaN接觸層104。接著，將藍寶石村底101的溫度保持在105(TC,作為載氣的氫氣、作為 原材料氣體的氨、TMG和TMA (三曱基鋁)以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg 流入反應(yīng)爐中，從而采用MOCVD法在n型GaN接觸層104上生長以1 x 1019/cm3的濃度摻雜Mg的p型Ala25GaQ.75N層達到20 nm的厚度。然后，將藍寶石襯底IOI的溫度保持在1050°C,作為載氣的氫氣、作為 原材料氣體的氨和TMG以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg流入反應(yīng)爐中，從而 采用MOCVD法在p型Alo.25Gaa75N層上生長以1 x 1019/cm3的濃度摻雜Mg 的p型GaN層達到10 nm的厚度。此后，通過采用與實例1相同的條件和方法實施生長有源層106之后的 步驟，制造實例2中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。在電流密度與發(fā)光效率之間的關(guān)系中，與實例1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二 極管器件相比較，實例2中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的配置允許由于電 流密度的增大而產(chǎn)生的峰值發(fā)光效率的降低率變小。結(jié)果，高電流密度的電 流注入也允許發(fā)光效率高。在實例2中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中，在p型Ala25Ga0.75N層 中Al原子數(shù)量與Al和Ga原子總量的比例為0.05或更大的情況下，發(fā)光效 率可以比實例1的發(fā)光效率高。因此，在比例為0.5或更小的情況下，能夠 抑制層的高電阻、產(chǎn)生裂紋等。p型Al0.25Ga0.75>^t Mg原子的濃度優(yōu)選為5x 1019/cm3或更小。在Mg 原子的濃度超過5x 1()W/cmS的情況下，有源層106的結(jié)晶度惡化了且引起 發(fā)光效率的降低。 (實例3)接著，將藍寶石襯底ioi的溫度保持在io5o°c，作為載氣的氫氣、作為原材料氣體的氨、TMG和TMA以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg流入反應(yīng)爐中， 從而采用MOCVD法在n型GaN接觸層104上生長p型Alo.25GaQ.75N層達到 20 nm的厚度。然后，將藍寶石襯底101的溫度保持在1050°C，作為載氣的氫氣以及作 為原材料氣體的氨和TMG流入反應(yīng)爐中，從而采用MOCVD法在p型 Al025Gaa75N層上生長未#^雜的GaN層達到20 nm的厚度。此后，通過采用與實例1相同的條件和方法實施生長有源層106之后的 步驟，制造實例3中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。在電流密度與發(fā)光效率之間的關(guān)系中，與實例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二 極管器件相比較，實例3中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件允許由于電流密 度的增大而產(chǎn)生的峰值發(fā)光效率的降低率變小。結(jié)果，高電流密度的電流注 入也允許發(fā)光效率高。此外，因為未摻雜的GaN層抑制Mg從p型Alo.2sGac).75N層擴散到有源 層106,所以可以實現(xiàn)高發(fā)光效率而不受電流密度的影響。進而，通過采用硅烷等作為雜質(zhì)氣體摻雜n型雜質(zhì)Si而形成n型GaN 層代替形成未摻雜的GaN層。然而，在以大于5 x 1018/cm3的原子濃度摻雜 Si的情況下，耗盡區(qū)達到有源層106，結(jié)果引起有源層106中的空穴濃度降 低，n型GaN層中的n型雜質(zhì)的原子濃度優(yōu)選為5 x 10'S/cm"或更小，且最 優(yōu)選的是未摻雜。 (實例4)采用與實例1、 2和3中相同的條件和相同的方法生長有源層106。接著，將藍寶石襯底101的溫度升高到85(TC，作為載氣的氮氣、作為 原材料氣體的氨、TMG和TMI以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg流入反應(yīng)爐中， 從而采用MOCVD法在有源層106上生長以1 x 102Q/cm3的濃度摻雜Mg的p 型In().Q3Gaa97N層達到20 nm的厚度。然后，將藍寶石襯底101的溫度升高到950°C，作為載氣的氫氣、作為 原材料氣體的氨和TMG以及作為雜質(zhì)氣體的CP2Mg流入反應(yīng)爐中，從而 采用MOCVD法在p型Ina()3Gao.97N層上生長以1 x 102G/cm3的濃度摻雜Mg 的p型GaN層達到100 nm的厚度。此后，通過采用與實例l、 2和3相同的條件和方法實施形成Pd膜108之后的步驟，制造實例4中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。在電流密度與發(fā)光效率之間的關(guān)系中，與實例1、 2和3的氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光二極管器件相比較，實例4中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的配置允 許由于電流密度的增大而產(chǎn)生的峰值發(fā)光效率的降低率變小。在其中，最優(yōu)化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。在實例4中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的p型Ino.03Gao.97N層中In原 子數(shù)量與In和Ga總量的比例為0.1或更小，這種情況下，可以抑制驅(qū)動電 壓的增大。另一方面，在有源層106由6個循環(huán)制成且其厚度為105 nm的情況下， 獲得上述結(jié)果的In原子數(shù)量的上述比例優(yōu)選為0.03或更大，而在有源層106 由2個循環(huán)制成且其厚度為35 nm的情況下，上述比例優(yōu)選為0.01或更大。通過藍寶石襯底101的溫度為850。C時在p型Ino.o3Gao.97N層與p型GaN 層之間生長，可以層疊大約10 nm的厚度的p型GaN層。在p型In。.Q3Gao.97N 層生長之后溫度升高時可以抑制In的蒸發(fā)的趨勢而言，上述情況是優(yōu)選的。 (實例5)采用與實例1、 2和3中相同的條件和相同的方法生長p型GaN層105。接著，將藍寶石襯底101的溫度降低到700°C，作為載氣的氮氣、作為 原材料氣體的氨、TMG和TMI流入反應(yīng)爐中，采用MOCVD法在p型GaN 層105上以任意數(shù)量的循環(huán)交替生長2.5 nm厚的未摻雜Ina2。Gao.8。N層和15 nm厚的未摻雜GaN層，從而在p型GaN接觸層105上形成具有多重量子 阱結(jié)構(gòu)的有源層106。此外，無需說明的是在形成有源層106過程中當生長 GaN層時TMI沒有流入反應(yīng)爐中。此后，通過采用與實例l、 2和3相同的條件和方法實施形成p型GaN 層107之后的步驟，制造實例5中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。與有源層106是單量子阱結(jié)構(gòu)的情況相比較，實例5中氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光二極管器件的配置允許載流子從阱層的溢流變小，且即使以超過50A/cm2 的高電流密度電流注入也允許發(fā)光效率高。此外，實例5中氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中的有源層106的循環(huán)次 數(shù)上限優(yōu)選地設(shè)定為使有源層106的總層厚度小于電子的擴散長度，電子在 有源層106中是少數(shù)載流子。例如，在使得層結(jié)構(gòu)對于實例l、 2、 3和4為更優(yōu)選條件的情況下，因為有源層106的空穴濃度在大約lxio"至lx 1018/0113的量級，且此時電子的擴散長度為大約lpm，所以阱的數(shù)量能變?yōu)?57。(比較例1 )除了沒有生長p型GaN層105之外，采用與實例1相同的條件和相同 的方法制造比較例1中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件。圖5示出了比較例1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中的注入電流的電 流密度與發(fā)光效率之間的關(guān)系。如圖5所示，當電流密度為7 A/cm2時發(fā)光 效率具有它的峰值，且發(fā)光效率隨著電流密度大于該值而降低。在比較例1 中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件中，當電流密度50 A/cm2的電流被注入時 電流密度的峰值的降低率為大于13%。由于根據(jù)本發(fā)明可以在高電流密度下提高例如氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極 管器件的半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率，本發(fā)明中的半導(dǎo)體發(fā)光器件和氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光器件可以被應(yīng)用于例如照明領(lǐng)域中的光源等。雖然已經(jīng)詳細描述和示出了本發(fā)明，但可以理解的是本發(fā)明僅以說明和 舉例的方式而不以限制的方式，本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求的條款來解 釋。本申請基于2007年3月28日向日本專利局提交的日本專利申請 2007-085146號，其全部內(nèi)容通過引用的方式引入于此。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括n型半導(dǎo)體層；有源層；在所述n型半導(dǎo)體層和所述有源層之間的第一p型半導(dǎo)體層；和第二p型半導(dǎo)體層，在所述有源層的與所述第一p型半導(dǎo)體層相對的側(cè)上。
2. —種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 n型氮化物半導(dǎo)體層； 氮化物半導(dǎo)體有源層；第一 p型氮化物半導(dǎo)體層，在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和所述氮化物半 導(dǎo)體有源層之間；和第二p型氮化物半導(dǎo)體層，在所述氮化物半導(dǎo)體有源層的與所述第一p 型氮化物半導(dǎo)體層相對的側(cè)上。
3. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括GaN層或InGaN 層，布置為與所述第一p型氮化物半導(dǎo)體層接觸。
4. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一 p型氮 化物半導(dǎo)體層包括含Al的氮化物半導(dǎo)體層。
5. 依照權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第一 p型氮 化物半導(dǎo)體層中含有的Al原子數(shù)量與Al、Ga和In原子的總量的比例為0.05 至0.5。
6. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括不含p型雜質(zhì)的 氮化物半導(dǎo)體層，在所述第一p型氮化物半導(dǎo)體層和所述氮化物半導(dǎo)體有源 層之間。
7. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在所述第一 p 型氮化物半導(dǎo)體層中的p型雜質(zhì)的原子濃度為5x 10|9/0113或更小。
8. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在所述氮化物半 導(dǎo)體有源層中的p型雜質(zhì)的原子濃度為1 x 10'"cmS或更小。
9. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述氮化物半導(dǎo) 體有源層是未摻雜的。
10. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第二p型 氮化物半導(dǎo)體層包括p型InGaN層。
11. 依照權(quán)利要求10所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中在所述p型 InGaN層中In原子的數(shù)量與In和Ga原子的總量的比例為0.1或更小。
12. 依照權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述氮化物半 導(dǎo)體有源層具有多重量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有2個或更多個阱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括n型半導(dǎo)體層、有源層、n型半導(dǎo)體層和有源層之間的第一p型半導(dǎo)體層，以及在有源層的與第一p型半導(dǎo)體層相對的側(cè)上的第二p型半導(dǎo)體層。此外，本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層、氮化物半導(dǎo)體有源層、n型氮化物半導(dǎo)體層和氮化物半導(dǎo)體有源層之間的第一p型氮化物半導(dǎo)體層、以及在氮化物半導(dǎo)體有源層的與第一p型氮化物半導(dǎo)體層相對的側(cè)上的第二p型氮化物半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制有源層的結(jié)晶度惡化并具有高發(fā)光效率和高電流密度。
文檔編號H01L33/32GK101276875SQ20081008842
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者駒田聰 申請人:夏普株式會社