氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和氮化物半導(dǎo)體的制造方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>電氣元件制品的制造及其應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和氮化物半導(dǎo)體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在氮化物半導(dǎo)體的ALN緩沖層上具備由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的層積體的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和氮化物半導(dǎo)體的制造方法。
背景技術(shù)：
被稱為氮化鎵系化合物半導(dǎo)體，即、所謂的in-v族氮化物半導(dǎo)體(以下稱為氮化物半導(dǎo)體)的半導(dǎo)體元件的開發(fā)正在廣泛進(jìn)行。氮化物半導(dǎo)體
在作為照明用、背光燈用等光源而使用的藍(lán)色LED、多色化使用的LED、 LD等中被使用。由于氮化物半導(dǎo)體難于制造成大塊單晶，所以在藍(lán)寶石、 SiC等不同種類的襯底上利用MOCVD (有機(jī)金屬氣相生長法)來使GaN 生長。由于藍(lán)寶石村底在外延生長工序的高溫氨環(huán)境中穩(wěn)定性優(yōu)良，所以作為生長用襯底而特別被使用。
利用MOCVD法來制造氮化物半導(dǎo)體時(shí)，例如，作為生長用襯底而將藍(lán)寶石襯底設(shè)置在反應(yīng)室內(nèi)，并供給作為反應(yīng)氣體的有機(jī)金屬化合物氣體，將晶體生長溫度保持在大約900。C 110(TC的高溫，使GaN半導(dǎo)體晶體的外
延層在藍(lán)寶石襯底上生長。
但由于藍(lán)寶石襯底與GaN半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)有很大不同，所以使用MOCVD法在藍(lán)寶石村底上直接生長的GaN半導(dǎo)體層的表面有六角棱錐狀乃至六角柱狀的生長圖形，成為無數(shù)的凹凸，其表面形態(tài)非常不好。使用這種表面有無數(shù)凹凸的表面形態(tài)非常不好半導(dǎo)體晶體層來制作器件是非常困難的。
于是，如專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)3記載的那樣，提出了在生長用襯底上形成以生長溫度50(TC 800。C的低溫形成的低溫GaN緩沖層，在其上使氮化物半導(dǎo)體晶體生長。雖然這能夠期待氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性等被改善，但在生長了低溫GaN緩沖層后，在形成氮化物半導(dǎo)體晶體時(shí)就必須將生長溫度上升到1000。C以上的高溫，在該溫度上升的過程中低溫GaN緩沖層性能劣化，存在無法發(fā)揮作為緩沖層的作用的問題。由于將溫度上升到高溫，所以還產(chǎn)生已經(jīng)在低溫制作的GaN緩沖層中發(fā)生熱變形的問題。
低溫GaN緩沖層的膜厚度薄的，由于在其上進(jìn)行晶體生長的GaN膜的晶軸方向容易一致，所以GaN膜的結(jié)晶性良好，但當(dāng)將膜厚度變薄時(shí)，表面容易形成六角形小面，GaN膜的表面形態(tài)惡化，所以在器件的制作使用有問題。
一方面，以緩和藍(lán)寶石襯底與GaN半導(dǎo)體晶體的晶格不匹配為目的，提出了在藍(lán)寶石襯底上形成ALN緩沖層等后在其上使GaN半導(dǎo)體晶體生長的方案(例如參照專利文獻(xiàn)1 )。
另一方面，使用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件例如具有在襯底上順序?qū)臃en 型氮化物半導(dǎo)體層(n型半導(dǎo)體層)、活性層(發(fā)光層)、p型氮化物半導(dǎo)體層(p型半導(dǎo)體層)的結(jié)構(gòu)。使從p型半導(dǎo)體層供給的空穴(hole)與從n 型半導(dǎo)體層供給的電子在活性層再結(jié)合，并將發(fā)出的光向外部輸出(例如參照專利文獻(xiàn)4)。
作為活性層，使用將阱層(well層)由比阱層能帶隙大的勢(shì)壘層(勢(shì) 壘層)以夾層狀多層夾持的多量子阱(MQW: Multi-Quantum Well)結(jié)構(gòu) 等(例如參照專利文獻(xiàn)5)。
以降低順向電壓(Vf)和提高發(fā)光效率為目的，將p型半導(dǎo)體層形成雙層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)的例子也被公開(例如參照專利文獻(xiàn)6和專利文獻(xiàn)7 )。
專利文獻(xiàn)1:日本特許第2713094號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特許第3478287號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:日本特公平8-8217號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)4:日本特開平10-284802號(hào)7>報(bào)
專利文獻(xiàn)5:日本特開2004-55719號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)6:日本特許第3250438號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)7:日本特許第331466號(hào)公報(bào)
在現(xiàn)有的、ALN緩沖層上使GaN半導(dǎo)體晶體生長的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，由于在ALN緩沖層上形成不摻雜GaN或n型GaN接觸層，所以 ALN與GaN的晶格常數(shù)相當(dāng)不同，容易產(chǎn)生由晶格的不匹配引起的晶格缺陷，由于材料組成不同而熱膨脹系數(shù)有很大不同而容易產(chǎn)生裂紋。
在將n型GaN接觸層作為包覆層使用時(shí)，不僅有上述那樣的晶體質(zhì)量低下的問題，而且由于活性層(發(fā)光層)與包覆層的能帶隙差不太大，所
8以發(fā)光效率低下，無望提高光輸出。
另一方面，作為p側(cè)的接觸層，考慮到與電極的歐姆接觸而使用p型
GaN，但與上述n側(cè)的半導(dǎo)體層同樣，即使將p型GaN接觸層作為包覆層使用時(shí)，由于活性層與包覆層的能帶隙差不太大，所以與上述同樣地?zé)o望提高發(fā)光效率。
也可以將p側(cè)包覆層與接觸層分別設(shè)置，但AlGaN層與p型GaN接觸層的晶格匹配性不好，接觸層的結(jié)晶性惡化，有載流子注入效率降低，發(fā) 光效率惡化的問題。
在InGaN活性層生長后將p型GaN等成膜時(shí)，為了提高晶體質(zhì)量而以比活性層生長溫度高200 300。C的溫度，即、IOO(TC附近的生長溫度來進(jìn)行外延生長，生長時(shí)間通常是15~60分鐘左右。這樣，由于p型層的生長溫度高，所以已經(jīng)成膜的活性層受到熱損傷，晶體質(zhì)量惡化，發(fā)光輸出明顯惡化。
另一方面，關(guān)于ALN緩沖層的形成方法，若使用低溫制作的低溫ALN 緩沖層，則產(chǎn)生與上述低溫GaN緩沖層同樣的問題，所以提出了使以卯O 。C以上高溫制作的高溫ALN緩沖層在生長用襯底上生長后，層積氮化物半導(dǎo)體晶體的方案。但高溫ALN緩沖層的生長條件困難，有時(shí)使在ALN緩沖層上形成的氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性和表面形態(tài)惡化，難于制作優(yōu)質(zhì) 的氮化物半導(dǎo)體晶體。
另一方面，在將p型半導(dǎo)體層形成為多層結(jié)構(gòu)時(shí)，為了減少對(duì)活性層的熱損傷而需要低溫生長，同時(shí)，需要降低順向電壓(Vf)和提高發(fā)光效率。
在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，MQW的配對(duì)數(shù)量(^<7數(shù))是使用4~5對(duì)。這時(shí)，n 型半導(dǎo)體層供給的電子飛越活性層而流到p型半導(dǎo)體層。這時(shí)，p型半導(dǎo)體層供給的空穴在到達(dá)活性層之前就與電子再結(jié)合。到達(dá)活性層的空穴濃度減少。由此，LED的亮度減少。為了防止這種情況，使用緊鄰p型半導(dǎo)體層插入能帶隙大的p型AlGaN層的結(jié)構(gòu)。但當(dāng)導(dǎo)入鋁(Al)時(shí)，p型化困難，電阻值上升。
向活性層上配置的p型半導(dǎo)體層摻雜的p型雜質(zhì)在p型半導(dǎo)體層的形成工序和以后的制造工序中，從p型半導(dǎo)體層向活性層擴(kuò)散。當(dāng)向活性層擴(kuò)散的p型雜質(zhì)到達(dá)阱層時(shí)，存在活性層的晶體質(zhì)量惡化，活性層發(fā)光的光亮度降低，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的質(zhì)量惡化的問題。
9在將活性層直接配置在n型半導(dǎo)體層上的情況下，有時(shí)產(chǎn)生從n型半導(dǎo)體層向活性層供給的電子到達(dá)在活性層的正上方配置的p型半導(dǎo)體層，在p型半導(dǎo)體層中與空穴再結(jié)合的現(xiàn)象(以下稱為"電子的溢出")。這時(shí)，由于在p型半導(dǎo)體層中的再結(jié)合而使發(fā)光效率降低，所以從半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出的光的亮度降低，有半導(dǎo)體發(fā)光元件的質(zhì)量惡化的問題。在半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造工序中，向n型半導(dǎo)體層添加的n型雜質(zhì)向活性層擴(kuò)散而使活性層的晶體質(zhì)量惡化，產(chǎn)生使輸出的光的亮度降低的問題。
目前，p型雜質(zhì)在添加雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體層的形成中，在原料氣體的供給中使用包含有氫(H2)和氮(N2)的載氣(年亇U 7力'7)。但由包含氫的載氣來形成p型半導(dǎo)體層時(shí)，與p型雜質(zhì)一起^^皮取入的氫原子使p型雜質(zhì)難于活化，阻礙p型半導(dǎo)體層的p型化，p型半導(dǎo)體層的晶體質(zhì)量惡化。因此，在形成p型半導(dǎo)體層后需要實(shí)施用于從p型半導(dǎo)體層除去氫原子的退火，招致制造工序的增多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述課題而作出的，提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和氮化物半導(dǎo)體的制造方法，能夠使在ALN緩沖層上層積的氮化物半導(dǎo) 體的晶體質(zhì)量等質(zhì)量良好而提高光輸出。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，在ALN緩沖層上形成n型AlGaN包覆層。
本發(fā)明的其他形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，在ALN緩沖層上形成n型AlGaN包覆層，在該n型AlGaN包覆層上形成具有量子阱結(jié)構(gòu) 的活性層，
所述活性層由AljalnwGa^N阱層(X1+Y1+Z1 = 1、 0<X1<1、 0< Yl < 1 、 0 < Zl < 1 =和AlX2GaY2N勢(shì)壘層(X2 + Y2 = 1 、 0 < X2 < 1 、 0 < Y2 < 1 =構(gòu)成。
本發(fā)明的又一形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，在ALN緩沖層上形成n型AlGaN包覆層，在該n型AlGaN包覆層上形成具有量子阱結(jié)構(gòu) 的活性層，在該活性層上形成p型AlInGaN包覆層或p型AlInGaN / InGaN 超晶格包覆層，所述活性層由AlxlInY1GazlN阱層(XI + Yl +Z1 = 1、 0< XI <1、 0<Y1<1、 0〈Zl〈卜和AbaGaY2N勢(shì)壘層(X2 + Y2 = l、 0<X2< 1、 0<Y2< 1 =構(gòu)成。
本發(fā)明的其他形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，具備襯底、配置在所述襯底上的ALN緩沖層、配置在所述ALN緩沖層上且被添加n 型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層、配置在所述n型半導(dǎo)體層上且以比所述n型半導(dǎo) 體層低的濃度添加有n型雜質(zhì)的阻擋層、配置在所述阻擋層上且具有將勢(shì) 壘層和比該勢(shì)壘層能帶隙小的阱層交替配置的層積結(jié)構(gòu)，并且，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層、配置在所述活性層上且包含p型雜質(zhì)的第一氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第一氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p 型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第二氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第二氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)濃度高的高濃度p型雜質(zhì)的第三氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第三氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第三氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層，所述層積結(jié)構(gòu)最上層的最終勢(shì)壘層的膜厚度比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)的擴(kuò)散距離厚。
本發(fā)明的又一形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，具備襯底、配置在所述襯底上的ALN緩沖層、配置在所述ALN緩沖層上且被添加n 型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層、配置在所述n型半導(dǎo)體層上且以比所述n型半導(dǎo) 體層低的濃度添加有n型雜質(zhì)的阻擋層、配置在所述阻擋層上且具有將勢(shì) 壘層和比該勢(shì)壘層能帶隙小的阱層交替配置的層積結(jié)構(gòu)，且由包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層、配置在所述活性層上且包含p型雜質(zhì)的的第一氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第一氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的所述p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第二氮化物系半導(dǎo)體層上且由氧化物電極構(gòu)成的透明電極，所述層積結(jié)構(gòu)最上層的最終勢(shì)壘層的膜厚度比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)的擴(kuò)散距離厚。
本發(fā)明的又一形態(tài)是提供一種氮化物半導(dǎo)體的制造方法，使氮化物半導(dǎo)體晶體在ALN緩沖層上生長，其中，所述ALN緩沖層是在生長溫度900 。C以上交替供給Al原料和N原料。
才艮據(jù)本發(fā)明，由于將n側(cè)包覆層由在ALN緩沖層上晶體生長的n型 AlGaN層構(gòu)成，且將p側(cè)的包覆層由p型AlInGaN包覆層或p型AlInGaN/ InGaN超晶格層構(gòu)成，所以對(duì)于n側(cè)的包覆層使ALN緩沖層與n側(cè)包覆層的晶格匹配性變好，能夠得到比現(xiàn)有晶格缺陷等少的晶體質(zhì)量好的n側(cè) 包覆層，由于ALN和AlGaN的組成材料也接近，熱膨脹系數(shù)也接近，所以能夠緩和由熱引起的變形。
通過向GaN加入Al而使n側(cè)包覆層成為AlGaN，能夠?qū)捘軒痘?由于能夠增大與活性層的能帶隙差，所以能夠提高光和載流子的封閉效果，使發(fā)光效率變好。
另一方面，通過向活性層的阱層添加Al，使晶體的結(jié)合性增加且耐熱性提高，因此能夠減少p型層晶體生長時(shí)由熱引起的損傷，特別是能夠防止In組成比率高的綠色~黃色區(qū)域發(fā)光效率的降低。且通過向活性層的勢(shì)壘層(阻擋層)也添加Al,能夠?qū)捘軒痘?，所以載流子的封閉效果好，能夠提高光輸出。
另一方面，p側(cè)的包覆層有電子阻擋層的作用，抑制電子從活性層向p 側(cè)包覆層流入，能夠提高發(fā)光效率，并且通過向p型AlGaN添加In而成為 AlInGaN,使與p側(cè)接觸層的晶格匹配容易，提高p側(cè)接觸層的結(jié)晶性，且使載流子濃度增加，通過提高空穴注入效率而提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，以低溫形成p型半導(dǎo)體層而使對(duì)活性層的熱損傷降低，且能夠降低順向電壓Vf和提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，由n型半導(dǎo)體層供給的電子與由p型半導(dǎo)體層供給的空穴在活性層高效率地再結(jié)合，所以能夠使活性層的MQW配對(duì)數(shù)量最優(yōu)化，提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制p型雜質(zhì)從p型半導(dǎo)體層向阱層的擴(kuò)散，能夠提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制電子從n型半導(dǎo)體層向p型半導(dǎo)體層的溢出和抑制n型雜質(zhì)從n型半導(dǎo)體層向活性層的擴(kuò)散，能夠提高發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，不需要將氫原子從p型半導(dǎo)體層除掉的退火工序。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，利用反射層積膜來提高外部發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，由于將在生長溫度900。C以上制作的ALN緩沖層的Al (鋁)原料的供給和N (氮)原料的供給交替進(jìn)行，所以N原料/ Al原料的摩爾比是恰當(dāng)?shù)闹?，在氮化物半?dǎo)體晶體的結(jié)晶性中不加入Al，能夠形
成結(jié)晶性良好且表面形態(tài)良好的氮化物半導(dǎo)體晶體。
由于以900。C以上高溫來制作ALN緩沖層，所以與在該緩沖層上層積的氮化物半導(dǎo)體晶體的生長溫度幾乎沒有溫度差，能夠立刻開始氮化物半導(dǎo)體晶體的晶體生長，所以能夠防止由加熱引起的ALN緩沖層的惡化。且還能夠防止由生長溫度差51起的ALN緩沖層的熱變形。
由于比現(xiàn)有的ALN緩沖層的制造方法而大幅度縮短了制造時(shí)間，所以能夠縮短氮化物半導(dǎo)體整體的制造時(shí)間。

圖1是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件剖面結(jié)構(gòu)一例的圖2是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件其他結(jié)構(gòu)例的圖3是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件其他結(jié)構(gòu)例的圖4是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件其他結(jié)構(gòu)例的圖5是將p型GaN層形成為四層多層結(jié)構(gòu)時(shí)表示剖面結(jié)構(gòu)的圖6是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件其他結(jié)構(gòu)例的圖7是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中活性層的多量子阱結(jié)構(gòu)的
圖8是在表示活性層的晶體生長中氣體流動(dòng)形式的圖；圖9是將熱處理溫度對(duì)活性層的影響按活性層種類表示的圖；圖10是表示相對(duì)于向活性層添加Al的比例和熱處理溫度的活性層黑色化變化的圖11是表示在本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體的制造方法中ALN緩沖層形成方法的圖12是表示具有ALN緩沖層的氮化物半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)的圖13是表示圖12氮化物半導(dǎo)體晶體具體結(jié)構(gòu)一例的圖14是表示現(xiàn)有ALN緩沖層形成方法的圖15是表示利用現(xiàn)有方法制作的ALN援沖層表面的圖16是表示在利用現(xiàn)有方法制作的ALN緩沖層上層積的GaN表面的
圖17是表示圖16所示GaN晶體內(nèi)部狀態(tài)的13圖18是本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖，(a) 是氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件部分的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖，(b)是活性層部分的放大示意性剖面結(jié)構(gòu)圖19是根據(jù)本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的示意性剖面結(jié) 構(gòu)圖，(a)是氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件部分的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖，(b)是活性層部分的放大示意性剖面結(jié)構(gòu)圖20是形成到本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的p側(cè)電極和n側(cè)電極的示意性剖面結(jié)構(gòu)數(shù)量之間關(guān)系的圖22是說明在本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中MQW層內(nèi)的發(fā)光現(xiàn)象的能帶結(jié)構(gòu)的示意的能帶結(jié)構(gòu)，(a)是MQW層是5對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的示意性圖，(b )是MQW 層是8對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的示意性圖，(c)是MQW層是12對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu) 的示意性圖24是在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中說明當(dāng)形成4層結(jié)構(gòu)的p 型半導(dǎo)體層(341~344)時(shí)的溫度分布的圖(a)和說明氫氣流動(dòng)條件的圖 (b ) ~ ( e );
圖25是在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中說明當(dāng)形成4層結(jié)構(gòu)的p 型半導(dǎo)體層(341~344)時(shí)的溫度分布的圖(a)和說明氮?dú)饬鲃?dòng)條件的圖 (b)和氨氣流動(dòng)條件的圖(c);
圖26是本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中最終電極形成工序后的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖。
附圖標(biāo)記說明
1藍(lán)寶石襯底 2 ALN緩沖層3 n型AlGaN層
4 InGaN / GaN活性層 5 p型AlGaN層 6 p型GaN層
7 p電極 8 n電極 31襯底 32 n型半導(dǎo)體層
33活性層 34 p型半導(dǎo)體層 35氧化物電極 36緩沖層
37阻擋層 38反射層積膜 331勢(shì)壘層(GaN層)
332阱層(InGaN層) 341第一氮化物系半導(dǎo)體層342第二氮化物系半導(dǎo)體層 343第三氮化物系半導(dǎo)體層
344第四氮化物系半導(dǎo)體層 40 p側(cè)電極 200、 300n側(cè)電極
3310最終勢(shì)壘層 3311~331n 勢(shì)壘層 3321 332n 阱層
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的一實(shí)施例。圖1表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的一例。
作為生長用襯底而使用藍(lán)寶石襯底1，在藍(lán)寶石村底1上形成ALN緩沖層2,在其上順序?qū)臃e有n型AlGaN層3、 InGaN/GaN活性層4、 p型 GaN層6的氮化物半導(dǎo)體。該氮化物半導(dǎo)體通過已知的MOCVD法等形成。氮化物半導(dǎo)體被表示為A1GA1NN四元混晶，被稱為所謂的III-V族氮化物半導(dǎo)體，能夠以AlxGayInzN (xl+yl+zl = 1、 0<xl<l、 0《yl《l、 0<zl <1)表示。
進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕(y廿工y于y夕、、)直到n型AlGaN層3從p型GaN 層6露出，在該露出的n型AlGaN層3表面形成n電極8。另一方面，在p 型GaN層6上形成p電極7。 P電極7和n電極8被使用Ti / Au和Al / Au 等的金屬多層膜結(jié)構(gòu)。
n型AlGaN層3兼有作為用于封閉光和載流子的包覆層的作用和用于與n電極8進(jìn)行歐姆接觸的接觸層的作用。n型AlGaN層3由以n型雜質(zhì) Si (硅)濃度為1 x 10!W3 5 x 10!W3的范圍，例如3 x 10"cm^左右摻雜的AlxGaN構(gòu)成。在此，Al的組成比率X能夠設(shè)定在0.01。/。 20。/。的范圍，例如為3%。 Al的組成比率X若超過20。/。，則AlGaN的結(jié)晶性惡化，所以如上述那樣優(yōu)選上限為20%。
另一方面，p型GaN層6也兼?zhèn)溆凶鳛橛糜诜忾]光和載流子的包覆層的作用和用于與p電極7進(jìn)行歐姆接觸的接觸層的作用。p型GaN層6例如被p型雜質(zhì)Mg以3 x 1019cm-3左右的濃度摻雜。
活性層4是具有量子阱結(jié)構(gòu)(Quantum Well)的活性層，是將阱層由比阱層能帶隙大的屏障層(勢(shì)壘層)以夾層狀?yuàn)A住的結(jié)構(gòu)。該量子阱結(jié)構(gòu) 也可以不是一個(gè)而是^皮多重化，這時(shí)就成為MQW ( Multi-Quantum Well )，即多量子阱結(jié)構(gòu)。
InGaN / GaN活性層4例如是由將膜厚度為28埃的不摻雜InGaN阱層與膜厚度為165埃的不摻雜GaN勢(shì)壘層交替層積八個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu) (MQW)構(gòu)成。
在此，n側(cè)的包覆層由在ALN緩沖層2上晶體生長的n型AlGaN層3 構(gòu)成，由于ALN與AlGaN的晶格匹配性比ALN與GaN的晶格匹配性好，所以能夠得到比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的晶格缺陷等少的晶體質(zhì)量好的n側(cè)包覆層，由于ALN和AlGaN的組成材料也接近，熱膨脹系數(shù)也接近，所以能夠緩和由熱引起的變形。
且通過向GaN加入Al而使n側(cè)包覆層成為AlGaN，能夠?qū)捘軒痘?由于能夠增大與InGaN/GaN活性層4的能帶隙差，所以能夠提高光和載流子的封閉效果(包覆層效果和勢(shì)壘層效果)，提高光輸出。
說明圖1的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法。首先向MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相生長)裝置放入藍(lán)寶石襯底1，一邊使氫氣流入一邊將溫度上升到105(TC左右，對(duì)藍(lán)寶石村底1進(jìn)行熱清洗。將溫度維持不動(dòng)或下降到900 。C以上的合適的溫度，使高溫ALN緩沖層2生長。對(duì)于該高溫ALN緩沖層2的生長溫度則需要900。C以上的溫度。例如作為Al的原料氣體而將三曱基鋁(TMA)、作為N (氮)的原料氣體而將氨(NH3)向反應(yīng)室供給，來制作高溫ALN緩沖層。
接著，使生長溫度為102(TC 104(TC，在TMA供給的基礎(chǔ)上再例如將三曱基鎵(TMGa)以20 n摩爾/分供給，作為n型摻雜劑氣體而供給硅烷 (SiH4),使n型AlGaN層3生長。然后停止TMA、 TMGa、硅烷的供給，在氨與氫的混合環(huán)境中將襯底溫度下降到70(TC 80(TC之間，將三甲基銦 (TMIn)以200la摩爾/分供給，將三乙基鎵(TEGa)以20ju摩爾/分供給，層積InGaN/GaN活性層4的不摻雜InGaN阱層，僅停止TMIn的供給，層積由不摻雜GaN構(gòu)成的勢(shì)壘層。且通過GaN勢(shì)壘層和InGaN阱層反復(fù)而成為多量子阱結(jié)構(gòu)。
在InGaN/GaN活性層4的生長后，停止TMIn的供給，將生長溫度上升到85(TC左右，供給Ga原子的原料氣體即三曱基鎵(TMGa)、氮原子的原料氣體即氨(NH3)、 p型雜質(zhì)Mg的摻雜劑材料即CP2Mg (雙環(huán)戊二乙基鎂)，使p型GaN層6生長。
對(duì)于各半導(dǎo)體層的制造，與作為載氣的氬或氮一起而供給三乙基鎵 (TEGa )、三曱基鎵(TMG )、氨(NH3 )、三曱基鋁(TMA )、三曱基銦(TMIn )等與各半導(dǎo)體層的成分對(duì)應(yīng)的反應(yīng)氣體，且在n型的情況下作為摻雜劑氣體而供給硅烷(SiH4),在p型的情況下作為摻雜劑氣體而供給CP2Mg (雙環(huán)戊二乙基鎂)等必要的氣體，通過在700。C 1200。C左右的溫度范圍內(nèi)進(jìn) 行順序生長而能夠以希望的組成按必要的厚度形成所希望的導(dǎo)電型的半導(dǎo) 體層。
如上所述，當(dāng)將ALN緩沖層2設(shè)定成以生長溫度90(TC以上的溫度生長的高溫ALN緩沖層，則與n型AlGaN層3的生長溫度的差變小，能夠防止由于n型AlGaN層3生長時(shí)的升溫而引起的ALN緩沖層2的變質(zhì)，再現(xiàn) 性良好。且能夠防止由生長溫度差引起的ALN緩沖層2的熱變形。
400 800。C的低溫形成膜厚度100~500埃(埃)的低溫ALN緩沖層，但緩沖層的生長條件被嚴(yán)格限制，且需要將膜厚度嚴(yán)格設(shè)定在100~500埃的薄的范圍，因此，難于合格品率高地改善半導(dǎo)體的結(jié)晶性和表面形態(tài)。低溫 ALN緩沖層的膜厚度薄的，由于在其上晶體生長的GaN膜的晶軸方向容易一致，所以GaN膜的結(jié)晶性良好，但當(dāng)將膜厚度變薄，則表面容易形成六角形小面，有GaN膜的表面形態(tài)惡化的缺點(diǎn)。
關(guān)于生長膜厚度，例如能夠設(shè)定成高溫ALN緩沖層2是10埃 50埃、 n型AlGaN層3是4 ju m左右、InGaN/ GaN活性層4是0.1 jlim左右、p 型GaN層6是0.2jam左右。如上所述，由于高溫ALN緩沖層2以非常薄的膜厚度就足夠，所以能夠縮短制造時(shí)間。
如上所述，在層積到p型GaN層6后進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕而使n型AlGaN 層3的一部分露出，在該露出的表面形成n電極8。另一方面，在p型GaN 層6上形成p電才及7。
下面，圖2 圖4表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的其他例。圖 l和圖3是使用InGaN/GaN活性層4的結(jié)構(gòu)例，這些結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于圖 3附加有p型AlInGaN層5。另一方面，圖2和圖4是使用AlInGaN / AlGaN 活性層14的結(jié)構(gòu)例，這些結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于p型包覆層是使用p型AlInGaN 層15A還是使用p型AlInGaN/InGaN超晶格層15B。
以圖2為基礎(chǔ)進(jìn)行說明，在藍(lán)寶石襯底11上形成ALN緩沖層12，在其上順序?qū)臃e有n型AlGaN層13、 AlInGaN / AlGaN活性層14、p型AlInGaN 層15A、 p型GaN層16的各氮化物半導(dǎo)體層。在p型GaN層16上形成p
17電極17,在利用臺(tái)面型腐蝕而露出的n型AlGaN層13上形成n電極18。
對(duì)于藍(lán)寶石襯底11、 ALN緩沖層12、到n型AlGaN層13的結(jié)構(gòu)等則與所述圖l相同。與圖l相比，作為層結(jié)構(gòu)新追加有p型AlInGaN層15A。 p型AlInGaN層15A是p側(cè)的包覆層，有電子阻擋層的作用。這樣就與圖1 不同，在p側(cè)，作為包覆層的p型AlInGaN層15A與作為接觸層的p型GaN 層16被分離。
向活性層14添加Al，向p側(cè)包覆層也添加Al，使n型AlGaN層13、 AlInGaN/AlGaN活性層14、 p型AlInGaN層15A的層積結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù) 差變小。n型AlGaN層13的結(jié)構(gòu)與上述的n型AlGaN層3相同，但p型 AlInGaN層15A是按AlX3InY3GaZ3N (X3 + Y3 +Z3 = 1 、 0 < X3 < 1 、 0 < Y3 <1、 0〈Z3〈l)構(gòu)成，Al的組成比率X3若超過20%則結(jié)晶性惡化，所以優(yōu)選0.01% 20%的范圍。
如圖4所示，p型AlInGaN層15A也可以是p型AlInGaN / InGaN超晶格層15B。在圖4的情況下，p型AlInGaN/InGaN超晶格層15B是由將 Alx4InY4Gaz4N( X4 + Y4 +Z4 = 1 、 0 < X4 < 1 、 0 < Y4 < 1 、 0 < Z4 < 1 =和InX5Ga Y5N (X5 + Y5 = 1、 0<X5<1、 0<Y5<1)交替層積的層積體構(gòu)成， AlX4InY4GaZ4N的Al的組成比率X4若超過20%則結(jié)晶性惡化，所以優(yōu)選 0.01 °/0~20°/。的范圍，In的組成比率Y4是0 < Y4 < 0.1 ，另一方面，InX5Ga Y5N 的In的組成比率Y5是0〈Y5〈0.1。
在此，不向活性層添加A1，如圖1所示地i殳定InGaN/GaN活性層4，將p側(cè)分離成作為包覆層的p型AlInGaN層5和作為接觸層的p型GaN層 6結(jié)構(gòu)則是圖3。
如上所述，由于構(gòu)成n側(cè)和p側(cè)的包覆層，所以有以下的效果。n側(cè)的包覆層由在ALN緩沖層2上晶體生長的n型AlGaN層3構(gòu)成，由于ALN 與AlGaN的晶格匹配性比ALN與GaN的晶格匹配性好，所以能夠得到比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的晶格缺陷等少的晶體質(zhì)量好的n側(cè)包覆層。由于ALN和AlGaN 的組成材料也接近，熱膨脹系數(shù)也接近，所以能夠緩和由熱引起的變形。
另一方面，p側(cè)包覆層由p型AlInGaN層或p型AlInGaN / InGaN超晶格層構(gòu)成，這些半導(dǎo)體層成為電子阻擋層，抑制電子從活性層向p側(cè)包覆層流入，能夠提高發(fā)光效率，且添加In，至少包含p型AlInGaN層，使與接觸層即p型GaN層6、 16的晶格匹配容易，提高p型GaN層6、 16的結(jié)晶性，且使載流子濃度增加，通過提高空穴注入效率而提高發(fā)光效率。
如圖1和圖3那樣，在使用不向活性層14添加Al的InGaN/GaN活性層的情況下則產(chǎn)生以下的問題。在InGaN/GaN活性層4生長后而使p 型GaN等成膜時(shí)，為了提高晶體質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)中以比活性層生長溫度高 200 300。C的溫度即1000。C附近的生長溫度來進(jìn)行外延生長，生長時(shí)間通常是15 60分鐘左右。這樣，由于p型層的生長溫度高，所以已經(jīng)成膜的活性層4受到熱損傷，發(fā)光特性明顯惡化。
特別是在制作綠色黃色區(qū)域發(fā)光波長的長波長氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)，阱層In的組成比率以超過20。/。的程度升高，In的組成比率越高則在成為高溫狀態(tài)時(shí)In就越容易升華被破壞，發(fā)光效率顯著降低。當(dāng)持續(xù)受到熱損傷，則In分離，也有時(shí)出現(xiàn)晶片黑色化的情況。為了解決該問題，向活性層14整體添加Al來提高耐熱性。且通過將p型GaN層16的生長溫度不是設(shè)定在1000。C附近的高溫而是設(shè)定在850。C左右，則能夠進(jìn)一步防止活性層的惡化。
AlInGaN / AlGaN活性層14是向活性層整體添加Al的四元混晶系的 AlInGaN，是將阱層設(shè)定成AlxlInY1GazlN阱層(XI + Yl +Z1 = 1、 0<X1 <1、 0<Y1<1、 0<Z1<1 =、將勢(shì)壘層i殳定成Alx2GaY2N勢(shì)壘層(X2 + Y2 =1、 0<X2<1、 0<Y2<1)的多量子阱結(jié)構(gòu)。阱層的A1組成比率X1能夠是0.01% 6%，勢(shì)壘層的A1組成比率X2能夠是0.01%~20%， Al的組成比率若超過20%則結(jié)晶性惡化。
在此，表示一具體例，將勢(shì)壘層由不摻雜或Si摻雜濃度為5x I016cm'3 以上且不足1 x 10"cm-3的、膜厚度為70 170埃的Alo.(X)5GaN構(gòu)成。另一方面，將阱層例如由膜厚度28埃的不摻雜Alo.oosInGaN構(gòu)成，將阱層和勢(shì)壘層交替八周期左右進(jìn)行層積。通過如上述那樣向活性層4的阱層添加Al來構(gòu)成抗熱損傷強(qiáng)的活性層14,另一方面，通過向活性層4的勢(shì)壘層添加Al 而能夠?qū)捘軒痘?，能夠提高載流子的封閉效果，能夠"^是高光輸出。
如圖4所示，在將p型包覆層設(shè)定為p型AlInGaN/InGaN超晶格層 15B的情況下，由于AlInGaN/ AlGaN活性層14與p型AlInGaN/InGaN 超晶格層15B晶格匹配性好，所以超晶格層15B的結(jié)晶性也變好。
接著在下面詳細(xì)說明上述耐熱性AlInGaN/AlGaN活性層M。圖6表示使用AlInGaN/AlGaN活性層14的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的一例，是從圖2和圖4將p型AlInGaN層15A或p型AlInGaN / InGaN超晶格層 15B除掉的結(jié)構(gòu)。與圖2和圖4相同的符號(hào)則表示相同的結(jié)構(gòu)。
因此，p型GaN層16兼有作為用于封閉光和載流子的包覆層的作用和用于與p電極17進(jìn)行歐姆接觸的接觸層的作用。p型GaN層16例如被p 型雜質(zhì)Mg以3 x 1019(^1-3左右的濃度摻雜。
詳細(xì)表示活性層14結(jié)構(gòu)的是圖7?；钚詫?4在與n型AlGaN層13連接側(cè)配置勢(shì)壘層14a，在其上層積阱層14b,在將該勢(shì)壘層14a和阱層14b 交替層積幾個(gè)周期后而形成最后的勢(shì)壘層14a，在該最后的勢(shì)壘層14a上層積p型GaN層16。
AlInGaN/ AlGaN活性層14例如是由將膜厚度28埃的AlxlInY1GazlN 阱層(XI + Yl +Z1 = 1 、 0 < XI < 1 、 0 < Yl < 1 、 0 < Zl < 1 =和膜厚度165 埃的AlX2GaY2N勢(shì)壘層(X2 + Y2:1、 0<X2<1、 0<Y2<1 =交替層積八周期的多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)構(gòu)成。
在此，表示一具體例，將勢(shì)壘層14a由不摻雜或Si摻雜濃度為5x 1016cm-3以上且不足1 x I017cm-3的、膜厚度為70~170埃的Alo.,GaN構(gòu)成。另一方面，將阱層14b例如由膜厚度28埃的Alo.oo5lnGaN構(gòu)成，將阱層和勢(shì)壘層交替八個(gè)周期左右進(jìn)行層積。通過如上述那樣向活性層14的阱層添加Al來構(gòu)成抗熱損傷強(qiáng)的活性層，另一方面，通過向活性層14的勢(shì)壘層添加Al而能夠?qū)捘軒痘?，能夠提高載流子的封閉效果，能夠提高光輸出。
為了通過添加Al而得到希望的波長，則必須使In組成比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中 InGaN阱層的In組成比率稍多，夂f旦由此壓電效應(yīng)增加，因此通過如上述那樣將n型雜質(zhì)Si向活性層14摻雜，則能夠減少壓電效應(yīng)。
在圖6的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在藍(lán)寶石襯底11上形成ALN緩沖層12后，代替n型AlGaN層13而形成AlInGaN/AlGaN超晶格層，作為活性層14而將AlInGaN阱層和AlGaN勢(shì)壘層形成五周期后進(jìn)行退火處理，檢查是否由于該退火溫度(熱處理溫度)和Al的組成比率而使活性層 14的表面黑色化。Al的組成比率在AlInGaN阱層和AlGaN勢(shì)壘層是共通的。
圖IO表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一部分，是將活性層14表面的圖像數(shù)據(jù)排列在縱軸是A1組成(Al/Ga供給比)、橫軸是熱處理溫度(退火溫度)的坐標(biāo) 上?；钚詫?4是使用作為勢(shì)壘層(阻擋層)而將不摻雜AlGaN交替層積的，將AlInGaN阱層的In組成比率設(shè)定為20%左右，各個(gè)溫度的熱處理在氮環(huán) 境中進(jìn)行，熱處理時(shí)間是30分鐘。
為了與向活性層添加了 Al的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，將活性層14設(shè)定為是現(xiàn) 有的InGaN/GaN活性層，將上述AlInGaN/AlGaN超晶格層設(shè)定為是 InGaN/GaN超晶格層，以這樣的結(jié)構(gòu)在相同的條件下進(jìn)行熱處理。使 InGaN阱層的In組成比率是與上述同樣的20%左右。圖10中的虛線表示晶片開始黑色化的邊界線。
如從圖IO所了解的那樣，現(xiàn)有的InGaN/GaN活性層在950。C可看到晶片的黑色化。但AlInGaN/AlGaN活性層，在Al組成是0.5%的情況下以 1000。C的熱處理?xiàng)l件開始黑色化。且增加Al組成而在Al組成1.0%的情況下，不到1050。C的熱處理溫度則不黑色化，即使在100(TC,活性層也不出現(xiàn)問題。將Al組成增加到2.0%的情況與Al組成是1.0%的情況相比，狀態(tài) 沒有變化，耐熱性沒有大的提高。
圖9表示PL (光致發(fā)光)測定的結(jié)果。縱軸表示PL強(qiáng)度(任意單位)，橫軸表示熱處理溫度。首先與圖10的情況同樣地按圖6的結(jié)構(gòu)在藍(lán)寶石襯底1上作為活性層14而將AlInGaN阱層和AlGaN勢(shì)壘層或是AlInGaN阱層和GaN勢(shì)壘層形成五個(gè)周期左右后，變化退火溫度，在氮環(huán)境中進(jìn)行熱處理(時(shí)間30分鐘)，然后在室溫下測定發(fā)光光鐠(PL強(qiáng)度分布)，求出各個(gè)溫度的PL強(qiáng)度分布積分值。
曲線Al表示活性層是AlInGaN阱層/ AlGaN勢(shì)壘層的MQW結(jié)構(gòu)， Al的組成比率是0.25%。曲線A2表示使用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的活性層，表示InGaN 阱層/GaN勢(shì)壘層的MQW結(jié)構(gòu)的情況。曲線A3表示活性層是AlInGaN 阱層/GaN勢(shì)壘層的MQW結(jié)構(gòu)，Al的組成比率是1%。曲線A4表示活性層是AlInGaN阱層/ AlGaN勢(shì)壘層的MQW結(jié)構(gòu)，Al的組成比率是1%。
在使用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)活性層的A2中，進(jìn)行95(TC的熱處理則PL強(qiáng)度急劇降低，看到活性層的惡化。這與圖10的結(jié)果也一致。另一方面，在Al的組成比率是0.25%的情況下，在950。C附近表示出良好的PL強(qiáng)度，以1000 。C進(jìn)行熱處理則PL強(qiáng)度降低。因此，添加了鋁(Al)的曲線A1比使用現(xiàn) 有結(jié)構(gòu)活性層的曲線A2相比，提高了T。C (圖中是50。C )耐熱性。A3中，僅向阱層添加1%的鋁，在1000。C發(fā)光強(qiáng)度降低，耐熱性與曲線A1幾乎沒有變化，但隨著鋁的組成比率的增加，發(fā)光強(qiáng)度也降低。另一方面，向阱層和勢(shì)壘層這兩者添加1%的鋁的曲線A4則與參照?qǐng)D10也可以了解的那樣，耐熱性比曲線Al和A3提高，發(fā)光強(qiáng)度比曲線A3降低。
如上所述，根據(jù)圖9、圖IO表示的測定結(jié)果可以認(rèn)為，即使添加量少，但只要向活性層添加了鋁，則可提高耐熱性。
說明圖6的氮化物半導(dǎo)體元件的制造方法。首先向MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相生長)裝置放入藍(lán)寶石襯底11, 一邊使氫氣流入一邊將溫度上升到105(TC左右，對(duì)藍(lán)寶石襯底11進(jìn)行熱清洗。將溫度維持不動(dòng)或下降到900。C以上合適的溫度，使高溫ALN緩沖層12生長。對(duì)于該高溫ALN緩沖層12的生長溫度則需要900。C以上的溫度。例如作為Al的原料氣體而將三曱基鋁(TMA)、作為N(氮)的原料氣體而將氨(NH3)向反應(yīng)室供給，來制作高溫ALN緩沖層。
接著，使生長溫度為1020。C 1040。C,在TMA供給的基礎(chǔ)上再例如將三曱基鎵(TMGa)以20 ja摩爾/分供給，作為n型摻雜劑氣體而供給硅烷(SiH4),使n型AlGaN層13生長。
關(guān)于接下來的活性層14的生長狀況，一邊參照?qǐng)D8—邊說明，使載氣氮(N2)流動(dòng)，供給Ga原子的原料氣體即三乙基鎵(TEG)或三曱基鎵(TMG)、氮原子的原料氣體即氨(NH3),作為Al原子的材料氣體而供給三曱基鋁(TMA)。且在n型的情況下作為摻雜劑氣體而供給硅烷(SiH4)。
如從圖8也了解的那樣，在活性層14的制作中對(duì)于TEG、 TMA和未圖示的NH3則是使它們連續(xù)流動(dòng)，僅在制作阱層14b時(shí)使In原子的原料氣體三曱基銦(TMI)僅在時(shí)間L期間流動(dòng)。且設(shè)定成將供給TMI期間與停止供給期間相互交替。這樣，則在與時(shí)間L對(duì)應(yīng)的期間制作阱層14b，在其之外的停止供給TMI期間制作勢(shì)壘層14a,將勢(shì)壘層14a和阱層14b交替形成。
作為生長條件的一具體例，阱層14b和勢(shì)壘層14a都是生長溫度730。C，是共通的，阱層14b的生長時(shí)間(與期間L相當(dāng))是0.86分鐘、勢(shì)壘層14a的生長時(shí)間7分鐘，TEG流量是74sccm、 TMI流量是115sccm、 TMA流量是10 200sccm等。
在AlInGaN/ AlGaN活性層14的生長后，停止TMIn的供給，將生長溫度上升到1020。C 1040。C,供給Ga原子的原料氣體即三甲基鎵(TMGa)、氮原子的原料氣體即氨(NH3)、 p型雜質(zhì)Mg的摻雜劑材料即CP2Mg (雙環(huán)戊二乙基4美)，使p型GaN層16生長。
在此，表示生長膜厚度的一具體例，能夠設(shè)定成高溫ALN緩沖層12 是10埃 50埃、n型AlGaN層13是4iam左右、AlInGaN/AlGaN活性層 14是0.1jam左右、p型GaN接觸層16是0.2jum左右。
如上所述，在層積到p型GaN層16后進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕而使n型AlGaN 層13的一部分露出，在該露出的表面形成n電極18。另一方面，在p型 GaN層16上形成p電才及17。
如上所述，當(dāng)將ALN緩沖層12設(shè)定成以生長溫度900。C以上的溫度生長的高溫ALN緩沖層時(shí)，則與n型AlGaN層13的生長溫度的差變小，能夠防止由生長溫度差引起的ALN緩沖層12的熱變形。
400 800。C的低溫形成膜厚度100~500埃(埃)的低溫ALN緩沖層，但低溫ALN緩沖層的情況是膜厚度薄的，由于在其上晶體生長的GaN膜的晶軸方向容易一致，所以GaN膜的結(jié)晶性良好，但是，當(dāng)將膜厚度變薄時(shí)，則表面容易形成六角形小面，GaN膜的表面形態(tài)惡化，所以用于器件制作時(shí) 會(huì)有問題。
于是，為了解決這些問題，提出了使以900。C以上的高溫制作的高溫 ALN緩沖層在生長用襯底上生長后，層積氮化物半導(dǎo)體晶體的方案。但高溫ALN緩沖層的生長條件困難，有時(shí)使在ALN緩沖層上形成的氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性和表面形態(tài)惡化，難于制作優(yōu)質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體晶體。
現(xiàn)有技術(shù)中，在制作高溫ALN緩沖層時(shí)，例如作為III族氣體而使用三曱基鋁(TMA),作為V族氣體而使用氨(NH3)，將這些原料氣體向反應(yīng) 室供給則按照?qǐng)D14所示的時(shí)間圖進(jìn)行。首先在時(shí)刻tO開始(通)供給TMA，然后在時(shí)刻tl開始(通)供給NH3。 TMA和NH3都是一旦供給成為開通的狀態(tài)，直到高溫ALN緩沖層的制作完成，都持續(xù)使原料氣體流動(dòng)。
在如上制作的高溫ALN緩沖層中，NH3/TMA的摩爾比高，在ALN 緩沖層上晶體生長的氮化物半導(dǎo)體晶體表面的平坦性不好。圖15表示在以 NH3/TMA的摩爾比1800形成的ALN緩沖層上晶體生長的GaN晶體的表面，可以看出表面相4造。
另一方面，若NH3/TMA的摩爾比低，則在高溫ALN緩沖層上晶體生長的氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性不好。表示該狀態(tài)的是圖16和圖17,圖
2316表示在ALN緩沖層上晶體生長的GaN晶體的表面狀態(tài)，圖17表示GaN 晶體中的狀態(tài)。NH3/TMA的摩爾比是1200。如從圖16了解的那樣，GaN 晶體的表面平坦性非常良好，但如圖17所示那樣，GaN晶體中混入有Al， GaN晶體的結(jié)晶性惡化。
一般來說，被供給的反應(yīng)氣體N原料/A1原料的摩爾比若小，則對(duì)高溫ALN緩沖層上的氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性有影響，另一方面，若N原料/Al原料的摩爾比若大，則氮化物半導(dǎo)體晶體的表面形態(tài)惡化。
于是，在形成本發(fā)明圖1 圖4、圖6等結(jié)構(gòu)的高溫ALN緩沖層1、 11 時(shí)，如下地來制作高溫ALN緩沖層。圖11表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體制造方法主要工序的時(shí)間圖。圖12表示由本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體制造方法制作的氮化物半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)。
在生長用襯底21上層積ALN緩沖層22，在其上使氮化物半導(dǎo)體晶體 30晶體生長。該氮化物半導(dǎo)體通過已知的MOCVD法等形成。氮化物半導(dǎo) 體晶體30被表示為A1GA1NN的四元混晶，被稱為所謂的in-V族氮化物半導(dǎo)體，能夠以AlxGayInzN (x + yl+zl= 1、 0《x《l、 0《y《l、 0《z《l)表示。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于，在使ALN緩沖層22晶體生長時(shí)是以90(TC以上的高溫使其生長，且將作為ALN緩沖層22的Al原料使用的三曱基鋁(TMA ) 和氨(NH3)交替供給。這時(shí)，可以將三曱基鋁(TMA)先向反應(yīng)室供給，也可以將氨(NH3)先向反應(yīng)室供給，但優(yōu)選將三曱基鋁(TMA)先向反應(yīng)室供給。
圖11的時(shí)間圖中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示供給的通-斷狀態(tài)。雖然未圖示，但當(dāng)然有氫等的載氣流動(dòng)。本發(fā)明中，首先，在時(shí)刻tO開始(通)供給TMA后到形成規(guī)定膜厚度的ALN緩沖層22之前，如圖11的上部所示那樣將TMA的供給間歇進(jìn)行。在時(shí)刻tl開始(通)供給NH3后到形成規(guī) 定膜厚度的ALN緩沖層22之前，如圖11的下部所示那樣將NH3的供給也間歇進(jìn)行。且TMA的供給與NH3的供給并不重疊，而是交錯(cuò)進(jìn)行。
在時(shí)刻t0開始TMA的供給，在L期間連續(xù)地供給TMA后在時(shí)刻tl 停止(斷)TMA的供給，同時(shí)開始NH3的供給。
接著，將NH3的供給在時(shí)刻tl t2的W期間連續(xù)進(jìn)行后在時(shí)刻t2停止 (斷)供給，同時(shí)開始TMA的供給。關(guān)于時(shí)刻t2 t3的L期間，是TMA在時(shí)刻t2 t3的L期間被連續(xù)地供給后在時(shí)刻t3停止(斷)供給，同時(shí)開始NH3的供給。接著，將麗3在時(shí)刻t3 t4的W期間連續(xù)供給后在時(shí)刻t4 被中斷供給，同時(shí)開始TMA的供給。然后在t4 t5的L期間僅供給TMA。
同樣地，在下面的時(shí)刻t5 t6的W期間和時(shí)刻t7 t8的W期間，停止 TMA的供給而僅供給NH3,在時(shí)刻t6 t7的L期間停止NH3的供給而僅進(jìn) 行TMA的供給。如上所述，在期間W僅進(jìn)行NH3的供給、在期間L僅進(jìn) 行TMA的供給，將NH3和TMA的供給交替反復(fù)進(jìn)行。W+L的反復(fù)次數(shù)能夠根據(jù)需要進(jìn)行增減。
如上所述，通過將ALN的N (氮)原料供給和Al (鋁)原料供給交替反復(fù)進(jìn)行，而能夠?qū)原料/A1原料的摩爾比設(shè)定成合適的值，在氮化物半導(dǎo)體晶體30的結(jié)晶性中不加入Al的同時(shí)，形成表面形態(tài)良好的氮化物半導(dǎo)體晶體30。
將生長壓力設(shè)定成200Torr，作為載氣而使用氫，將該載流子氫(H2) 的流量設(shè)定成14L /分鐘，將TMA的流量設(shè)定成20cc /分鐘，將NH3的流量設(shè)定成500cc/分鐘。計(jì)算這時(shí)的NH3/TMA的摩爾比則是約2600。能夠在W是4秒 30秒、L是3秒 18秒、W+L的反復(fù)次數(shù)是3次 5次的范圍形成，例如能夠在W是9秒、L是6秒、W+L的反復(fù)次數(shù)是5次的情況下形成膜厚度是20埃~30埃左右的ALN緩沖層。在這樣使ALN緩沖層22 晶體生長的情況下，例如能夠在75秒左右之前制作膜厚度10埃~50埃的 ALN緩沖層，根據(jù)現(xiàn)有的圖14所示的方法，需要10分鐘~15分鐘的生長時(shí)間，但通過使用圖11的本發(fā)明的方法，能夠大幅度縮短ALN緩沖層的生長時(shí)間。
作為在圖2的ALN緩沖層22上層積的氮化物半導(dǎo)體晶體30的具體例，則能夠舉出圖1 圖4、圖6所示的結(jié)構(gòu)，而表示其他一例的則是圖13所示的結(jié)構(gòu)。在作為生長用襯底的藍(lán)寶石襯底21上晶體生長的ALN緩沖層22 上，將Si摻雜濃度3x 10"cm-s的n型GaN接觸層23、Si摻雜濃度5 x 1016cm-3
的n型GaN層24、 MQW活性層25、 Mg摻雜的p型GaN接觸層26按順序?qū)臃e，n型GaN接觸層23 p型GaN接觸層26與圖12的氮化物半導(dǎo)體晶體30相當(dāng)。將這些各半導(dǎo)體層利用MOCVD法形成。MQW活性層25 例如是由不摻雜GaN構(gòu)成的勢(shì)壘層和不摻雜InxlGai.xlN (0<X1 =構(gòu)成的阱層構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)。說明圖13的氮化物半導(dǎo)體的制造方法。首先向MOCVD (有機(jī)金屬化學(xué)氣相生長)裝置中放入作為生長用村底的藍(lán)寶石襯底21，一邊使氫氣流入一邊將溫度上升到105(TC左右，對(duì)藍(lán)寶石襯底21進(jìn)行熱清洗。將溫度維持不動(dòng)或下降到90(TC以上的合適溫度，使高溫ALN緩沖層22生長。對(duì)于該高溫ALN緩沖層22的生長溫度則需要900。C以上的溫度，優(yōu)選設(shè)定在 90(TC 95(TC的范圍。
如圖11所示，使作為Al原料使用的反應(yīng)氣體(例如TMA)先連續(xù)地向反應(yīng)室流入，接著，在供給作為N原料使用的反應(yīng)氣體(例如NH3)時(shí) 停止A1原料氣體，之后，將A1原料氣體的供給和N原料氣體的供給交替進(jìn)行，制作高溫ALN緩沖層22。
接著，使生長溫度為1020°C~1040°C，停止TMA的供給，例如將三曱基鎵(TMGa )以20 ju摩爾/分供給，作為n型摻雜劑氣體而供給硅烷(SiH4 )，使n型GaN接觸層23生長。然后，減少硅烷(SiH4 )的供給量，以低摻雜層形成作為包覆層來發(fā)揮作用的n型GaN層24。
然后，停止TMGa、硅烷的供給，在氨和氫的混合環(huán)境中使村底溫度下降到700。c 800。c之間，將三甲基銦(TMIn)以200 m摩爾/分鐘供給、將三乙基鎵(TEGa )以20 ju摩爾/分鐘供給，層積MQW活性層25的不摻雜InGaN阱層，僅停止TMIn的供給，層積由不摻雜GaN構(gòu)成的勢(shì)壘層。通過反復(fù)層積GaN勢(shì)壘層和InGaN阱層而成為多量子阱結(jié)構(gòu)。
在MQW活性層25生長后，將生長溫度上升到1020°C 1040°C，供給 Ga原子的原料氣體即三曱基鎵(TMGa)、氮原子的原料氣體即氨(NH3)、 p型雜質(zhì)Mg的摻雜劑材料即CP2Mg (雙環(huán)戊二乙基鎂)，使p型GaN接觸層26生長。
如上所述，將ALN緩沖層22的生長溫度設(shè)定在900。C 95(TC之間，使與n型GaN接觸層23的生長溫度差變小，能夠防止由生長溫度差引起的 ALN緩沖層22的熱變形。表示生長膜厚度等結(jié)構(gòu)的一例，有高溫ALN緩沖層22是10埃~50埃、n型GaN接觸層23是4~6 ja m、 n型GaN包覆層 24是200nm左右、MQW活性層25是將膜厚度20埃~30埃的InGaN阱層和膜厚度120埃 180埃的GaN阻擋層交替層積八個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)。 p型GaN接觸層26形成膜厚度0.2iam左右，與上述的生長溫度不同，是使低溫生長，是將p型雜質(zhì)Mg調(diào)制摻雜的p型GaN層。雖然未圖示，但200880020316.X
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在p型GaN接觸層26上形成有ZnO電極(透明電極)，也可以在該ZnO 電極上形成氧化膜等DBR層(光反射層)。
如上所述，在形成氮化物半導(dǎo)體晶體后進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕而使n型GaN 4妾觸層23的一部分露出，在該露出的表面形成n電極28。另一方面，在p 型GaN接觸層26上形成p電極27。
p電極27和n電極28使用Al或Al/Ni的金屬多層膜結(jié)構(gòu)中任一個(gè)，在是Al /Ni的情況下，各膜厚度被形成為3000埃/ 500埃等。
如上所述，能夠使p型GaN接觸層26在900。C以下的低溫生長，使之成為將p型雜質(zhì)調(diào)制摻雜的p型GaN層。關(guān)于該方法在以下詳細(xì)說明。
圖5表示將圖1~圖4的p型GaN層6、 16設(shè)定成四層結(jié)構(gòu)的例。圖5 (a)是將圖1、 3的p型GaN層6設(shè)定成四層的多層結(jié)構(gòu)，圖5 (b)是將圖2、 4的p型GaN層16設(shè)定成四層的多層結(jié)構(gòu)。例如p型GaN層6、 16 是摻雜p型雜質(zhì)的、以0.05-1 ium左右的膜厚度形成，作為p型雜質(zhì)而能夠使用鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈣(Ca)、鈹(Be)、碳(C)等。
p型GaN層6、 16結(jié)構(gòu)例的詳細(xì)情況如下。即，如圖5(a)、圖5(b) 所示，具備形成在p型包覆層5、 15上的第一p型GaN層61、形成在第一p型GaN層61上且包含比第一p型GaN層61的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第二p型GaN層62、形成在第二p型GaN層62上且包含比第二p型GaN層62的p型雜質(zhì)濃度高的高濃度p型雜質(zhì)的第三p型GaN 層63、形成在第三p型GaN層63上且包含比第三p型GaN層63的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四p型GaN層64。這樣，p型雜質(zhì)的濃度就從靠近活性層4、 14的p型GaN層開始進(jìn)行高濃度、低濃度、高濃度、低濃度交替反復(fù)的濃度調(diào)制。
第二p型GaN層62的厚度被形成為比第一p型GaN層61、第三p型 GaN層63、第四p型GaN層64中任一層的厚度都厚。
在此，具體說明各層的材料和厚度。第一 p型GaN層61例如被形成p 型雜質(zhì)Mg的濃度是約2 x 102Gcm-3、膜厚度約50nm左右。配置在第一 p型 GaN層61上的第二 p型GaN層62被添加比第一 p型GaN層61低濃度的 p型雜質(zhì)，例如被形成p型雜質(zhì)Mg的濃度是約4x 10"cn^、膜厚度約100nm 左右。配置在第二p型GaN層62上的第三p型GaN層63被添加比第二p 型GaN層62高濃度的p型雜質(zhì)，例如^皮形成p型雜質(zhì)Mg的濃度是約1 x1020m-3、膜厚度約40nm左右的p型GaN層。配置在第三p型GaN層63 上的第四p型GaN層64被添加比第三p型GaN層63濃度低的p型雜質(zhì)，例如被形成p型雜質(zhì)Mg的濃度是約8 x 1019cnf3、膜厚度約10nm左右。
如上所述，p型GaN層6、 16是將Mg濃度不同的四層，即、第一 p 型GaN層61 第四p型GaN層64層積的層積結(jié)構(gòu)。第一p型GaN層61 第四p型GaN層64為了減少活性層4、 14的熱損傷而以約800。C 90(TC的乂《4長
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離活性層最近的第一p型GaN層61由于Mg濃度越高則發(fā)光強(qiáng)度就越高，所以希望Mg濃度越高越好。第二p型GaN層62由于若過于添加雜質(zhì) Mg,則起因于Mg的晶體缺陷增加，膜的電阻變高，所以優(yōu)選10"cm-s這一等級(jí)中約中間左右的Mg濃度。第三p型GaN層63由于是決定向活性層注入的空穴的注入量的層，所以優(yōu)選比第二 p型GaN層62稍微高的Mg濃度。第四p型GaN層64用于與p電極7、 17實(shí)現(xiàn)歐姆接觸的層，被實(shí)質(zhì)性耗盡。向第四p型GaN層64添加Mg雜質(zhì)，使Mg濃度成為半導(dǎo)體發(fā)光元件的順向電壓(Vf)最下降時(shí)的Mg濃度。
在使第一p型GaN層61 第四p型GaN層64這四層晶體生長時(shí)，對(duì) 于離p電極近的第三p型GaN層63和第四p型GaN層64,由于需要使膜中的空穴濃度上升，所以增多載氣中的H2氣體量。對(duì)于靠近活性層的第一 p型GaN層61和第二p型GaN層62,不需要增多載氣中的H2氣體量，使活性層在N2載氣中生長而以其延長使晶體生長。在這些p型GaN層生長時(shí)，盡量提高V族氣體與III族氣體的摩爾比(v/m)則能夠使更低電阻的膜生長，能夠降低發(fā)光元件的順向電壓(Vf)。
如上所述，以低溫形成第一p型GaN層61~第四p型GaN層64,能夠減少對(duì)活性層的熱損傷，且降低順向電壓(Vf)和提高發(fā)光效率。
以下說明構(gòu)成p型GaN層6、 16的第一 p型GaN層61~第四p型GaN 層64的制造方法。如前所述，將襯底溫度設(shè)定在800。C 90(TC左右，將第一 p型GaN層61~第四p型GaN層64的合計(jì)膜厚度形成為0.05 1 p m左右。
作為p型雜質(zhì)在摻雜質(zhì)Mg的情況下，作為原料氣體而使用雙環(huán)戊二乙基鎂(CP2Mg )氣體，且同時(shí)供給p型GaN層作為Ga原料氣體的TMG 氣體和作為N原料氣體的NH3氣體，形成第一 p型GaN層61 第四p型GaN層64。
圖24 (a)是說明在形成第一p型GaN層61 第四p型GaN層64時(shí)生長溫度分布的圖，圖24 (b) (e)是說明作為載氣的氬氣流的條件。圖 25 (a)是說明在形成第一p型GaN層61 第四p型GaN層64時(shí)生長溫度分布的圖，圖25 (b)是說明氮?dú)饬鞯臈l件，圖25 (c)是說明氨氣流的條件。
在圖24 (a)和圖25 (a)所示的生長溫度分布中，時(shí)刻U t2的期間 Tl是形成第一 p型GaN層61的期間，時(shí)刻t2 t3的期間T2是形成第二 p 型GaN層62的期間，時(shí)刻t3 t4的期間T3是形成第三p型GaN層63的期間，時(shí)刻t4 t5的期間T4是形成第四p型GaN層64的期間。時(shí)刻t5 t6的期間T5是使襯底溫度從850。C冷卻到350。C的期間，
如圖24所示，第一p型GaN層61 第四p型GaN層64是在約800°C 900。C左右的低溫形成，利用不含氫的載氣來供給原料氣體，形成多個(gè)p 型GaN層61~64中的至少一層。在此，在利用CVD法使氮化物生長時(shí)，作為載氣通常多使用氫(H2)或氮(N2)或氫與氮的混合氣體。于是作為不含氫的載氣的一例，舉出僅由氮?dú)鈽?gòu)成的氣體等，作為含氫的氣體的一例，舉出僅由氫氣構(gòu)成的氣體和氫與氮的混合氣體等。
在利用含氪的載氣形成p型GaN層時(shí)，由于與Mg—起進(jìn)入的氫原子使Mg難于活化而成為阻礙p型GaN層p型化的原因。為此，在形成p型 GaN層后，而需要實(shí)施用于除掉氫原子而使p型GaN層p型化的退火(以下稱為"p型化退火")。
但是，本實(shí)施例將第一p型GaN層61 第四p型GaN層64中的至少一層通過不含氫的載氣來供給Mg原料氣體形成，能夠省略p型化退火工序。能夠任意設(shè)定第一 p型GaN層61~第四p型GaN層64中的哪個(gè)部分是通過不含氫的載氣形成的。
例如，如圖24(b)所示，在第一p型GaN層61 第四p型GaN層64 內(nèi)，將膜厚度厚的第二 p型GaN層62和Mg濃度高的第一 p型GaN層61 由不含氫的載氣形成，由于省略p型化退火工序，因此是優(yōu)選的。例如圖 24 (c)是將第一p型GaN層61 第三p型GaN層63由不含氫的載氣形成的例。圖24 (d)是將第一p型GaN層61和第三p型GaN層63由不含氫的載氣形成的例。圖24 (e)是將第二p型GaN層62和第三p型GaN層63由不含氫的載氣形成的例。
另一方面，如圖24 (b) ~圖24 (e)所示，為了使與p電極7、 17相連接的第四p型GaN層64的晶體狀態(tài)盡可能地好，優(yōu)選通過含氫的載氣來供給Mg原料氣體形成。這是由于一般來說通過含氫的載氣來供給Mg原料氣體的情況與通過不含氫的載氣來形成的情況相比，摻雜Mg的p型半導(dǎo)體層的晶體狀態(tài)更好。
按照?qǐng)D24和圖25詳細(xì)說明第一 p型GaN層61~第四p型GaN層64 制造方法的一例。作為p型雜質(zhì)是使用Mg，但如前所述，也可以使用其他 p型雜質(zhì)。如圖24(b)所示，以將第一p型GaN層61和第二p型GaN層 62由不含氬的載氣形成、將第三p型GaN層63和第四p型GaN層64由含氫的載氣形成的情況作為代表例進(jìn)行說明。
如圖24和圖25所示，將形成第一p型GaN層61 第四p型GaN層64 的襯底溫度Tp統(tǒng)一設(shè)定成850°C 、壓力設(shè)定統(tǒng)一成200Torr。
首先，第一工序，在時(shí)刻tl 時(shí)刻t2作為載氣而供給N2氣體，且作為原料氣體而分別向MOCVD裝置的生長室供給NH3氣體、TMG氣體、雙環(huán) 戊二乙基鎂(CP2Mg )氣體，形成第一 p型GaN層61。將時(shí)刻tl 時(shí)刻t2 期間設(shè)定成5分鐘，形成膜厚度50nm、 Mg濃度2 x 102Gcnf3的第一氮化物系半導(dǎo)體層41。
在第二工序即時(shí)刻t2 時(shí)刻t3中，作為載氣而供給N2氣體，且作為原料氣體而分別向生長室供給NH3氣體、TMG氣體、CP2Mg氣體，形成第二 p型GaN層62。將時(shí)刻t2 時(shí)刻t3期間設(shè)定成21分鐘，形成膜厚度100nm、 Mg濃度4 x 1019cm-3的第二 p型GaN層62。
在第三工序即時(shí)刻t3 時(shí)刻t4中，作為載氣而供給H2氣體和N2氣體的混合氣體，且作為原料氣體而分別向生長室供給NH3氣體、TMG氣體、 CP2Mg氣體，形成第三p型GaN層63。將時(shí)刻t3 時(shí)刻t4期間設(shè)定成1分鐘，形成膜厚度40nm、 Mg濃度1 x 102Gcm-3的第三p型GaN層63。
在第四工序即時(shí)刻t4 時(shí)刻t5中，作為載氣而供給H2氣體和N2氣體的混合氣體，且作為原料氣體而分別向生長室供給NH3氣體、TMG氣體、 CP2Mg氣體，形成第四p型GaN層64。將時(shí)刻t4 時(shí)刻t5期間設(shè)定成3分鐘，形成膜厚度10nm、 Mg濃度8x 10"cn^的第四p型GaN層64。
在第五工序即時(shí)刻t5 時(shí)刻t6中，一邊作為載氣而供給N2氣體，一邊
30將襯底溫度從溫度Tp ( 850°C )下降到溫度Td (350°C )以下的溫度。即不實(shí)施在400°C以上進(jìn)行的p型化退火。
通過上述的第一工序第五工序來形成第一 p型GaN層61~第四p型 GaN層64。由于將Mg濃度高的第一 p型GaN層61和膜厚度厚的第二 p 型GaN層62由不含H2氣體的載氣形成，所以即使不實(shí)施p型化退火，也能夠進(jìn)行p型化而得到p型GaN層6、 16。由供給含H2氣體的載氣形成的第四p型GaN層64的晶體狀態(tài)良好，與p電極7、 17相連接的表面的晶體狀態(tài)良好，所以能夠?qū)崿F(xiàn)與p電極7、 17的歐姆接觸。
根據(jù)上述p型GaN層6、 16的制造工序，將p型GaN層6、 16設(shè)定成多層結(jié)構(gòu)，將重點(diǎn)放在p型雜質(zhì)的活化來選擇GaN層，對(duì)于選擇好的GaN
層，由于通過供給不含H2氣體的載氣來形成而不使H2與p型雜質(zhì)一起進(jìn)入，
所以不需要p型化退火，能夠縮短制造工序。
接著，使上述的p型接觸層以900'C以下的襯底溫度晶體生長，使p 型雜質(zhì)調(diào)制摻雜，決定MQW活性層中阱層和勢(shì)壘層的合適的配對(duì)數(shù)量等，將以這些為著眼點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的基本結(jié)構(gòu)在以下進(jìn)行說明。在圖18、圖19中將該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件以一般化的氮化物半導(dǎo)體的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行表示。
圖18( a )表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面結(jié)構(gòu)的一例，圖18 (b)表示活性層部分的放大示意性剖面結(jié)構(gòu)。
如圖18所示，本實(shí)施例的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具備襯底31、配置在襯底31上的緩沖層36、配置在緩沖層36上且被添加n型雜質(zhì)的n 型半導(dǎo)體層32、配置在n型半導(dǎo)體層32上且被添加比n型半導(dǎo)體層32濃度低的n型雜質(zhì)的阻擋層37、配置在阻擋層37上的活性層33、配置在活性層33上的p型半導(dǎo)體層34、配置在p型半導(dǎo)體層34上的氧化物電極35。
如圖18 (b)所示，活性層33具有將勢(shì)壘層33U 331n、 3310和比該勢(shì)壘層3311-331n、 3310能帶隙小的阱層3321~332n交替配置而成的層積結(jié)構(gòu)。以下，將活性層33所包含的第一勢(shì)壘層3311 第n勢(shì)壘層331n總稱稱為"勢(shì)壘層331"。將活性層33所包含的所有阱層總稱稱為"阱層332"。
上述層積結(jié)構(gòu)最上層的最終勢(shì)壘層3310的膜厚度也可以比該最終勢(shì)壘層3310以外的層積結(jié)構(gòu)所包含的其他勢(shì)壘層(第一勢(shì)壘層3311~第n勢(shì)壘層331n)的厚度厚。圖18所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，最終勢(shì)壘層3310的p型摻雜濃度是從與p型半導(dǎo)體層34相連接的最終勢(shì)壘層3310的第一主面開始沿最終勢(shì)壘層3310的膜厚度方向逐漸減少，在與第一主面相對(duì)的第二主面中則不存在p型摻雜。
襯底31例如能夠采用具有從c面(0001 )偏斜0.25°的主面的藍(lán)寶石襯底等。n型半導(dǎo)體層32、活性層33和p型半導(dǎo)體層34各自由III族氮化物系半導(dǎo)體構(gòu)成，在襯底31上順序?qū)臃e緩沖層36、 n型半導(dǎo)體層32、阻擋層37、活性層33和p型半導(dǎo)體層34。 (ALN緩沖層)
緩沖層36例如由厚度約10~50埃左右的ALN層形成。在使ALN緩沖層36晶體生長時(shí)，如上所述，在約900。C 950。C左右的溫度范圍的高溫下使其生長。作為ALN緩沖層36的Al原料而使用三曱基鋁(TMA),作為 N原料而使用氨(NH3)，將H2氣體作為載流子，如上述圖11所示那樣，通過交替脈沖式地向反應(yīng)室供給而使ALN緩沖層36晶體生長。只要是如圖11那樣生長，就能夠高速生長成厚度約10 50埃左右的薄的ALN緩沖層36，且能夠一邊保持結(jié)晶性良好一邊形成。 (阻擋層)
配置在n型半導(dǎo)體層32與活性層33之間的阻擋層37,例如能夠采用作為n型雜質(zhì)而添加了不足1 x 10"cn^的Si的、膜厚度約200nm左右的I11 族氮化物系半導(dǎo)體，例如GaN層等。
圖18所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，例如向n型半導(dǎo)體層32作為雜質(zhì)添加3 x 10 m-s左右的Si時(shí)，通過將被添加了約8 x 10"cn^左右的 Si的阻擋層37配置在n型半導(dǎo)體層32與活性層33之間，能夠防止在活性層33形成工序和該工序以后的制造工序中Si從n型半導(dǎo)體層32向活性層 33擴(kuò)散。
即、使Si在活性層33內(nèi)不擴(kuò)散，能夠防止活性層33產(chǎn)生的光的亮度降低。并且，為了使活性層33發(fā)光而向n型半導(dǎo)體層32與p型半導(dǎo)體層 34之間施加偏壓時(shí)，能夠防止溢出，即、防止從n型半導(dǎo)體層32向活性層 33供給的電子通過活性層33而到達(dá)p型半導(dǎo)體層34，能夠防止從氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出的光的亮度降低。
阻擋層37的Si濃度不足1 x 1017cnf3。這是由于若阻擋層37的Si濃度過高時(shí)，則從n型半導(dǎo)體層32供給的電子就超過活性層33而到達(dá)p型半導(dǎo)體層34而發(fā)生溢出，并在p型半導(dǎo)體層34內(nèi)與空穴再結(jié)合，在活性層 33中的再結(jié)合的比例減少，活性層33產(chǎn)生的光的亮度就降低。另一方面，若阻擋層37的Si濃度過低時(shí)，則從n型半導(dǎo)體層32向活性層33注入的電子的載流子密度就不能上升。因此，優(yōu)選阻擋層37的Si濃度是約5 x 1016 以上、不足1 x 1017cm-3。
如以上所說明的，在第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，通過將阻擋層37 配置在n型半導(dǎo)體層32與活性層33之間，而能夠防止在制造工序中Si從 n型半導(dǎo)體層32向活性層33擴(kuò)散，能夠防止發(fā)光時(shí)電子從n型半導(dǎo)體層 32向p型半導(dǎo)體層34溢出，能夠防止從氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出的光的亮度降低。其結(jié)果是能夠防止圖1所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的質(zhì)量惡化。
(n型半導(dǎo)體層)
n型半導(dǎo)體層32將電子向活性層33供給，p型半導(dǎo)體層34將空穴(孔洞)向活性層33供給。被供給的電子和空穴通過在活性層33再結(jié)合而產(chǎn) 生光。
n型半導(dǎo)體層32例如能夠采用將硅(Si)等n型雜質(zhì)摻雜的膜厚度1 6 iam左右的ni族氮化物系半導(dǎo)體，例如GaN層等。 (p型半導(dǎo)體層)
p型半導(dǎo)體層34例如能夠采用將p型雜質(zhì)摻雜的膜厚度0.05~1 p m左右的III族氮化物系半導(dǎo)體，例如GaN層等。作為p型雜質(zhì)能夠使用鎂(Mg )、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉤(Ca)、鈹(Be)、碳(C)等。
P型半導(dǎo)體層34結(jié)構(gòu)例的更詳細(xì)情況如下。即如圖18 (a)所示，p 型半導(dǎo)體層34具備配置在活性層33上部且包含p型雜質(zhì)的第一氮化物系半導(dǎo)體層341、配置在第一氮化物系半導(dǎo)體層341上且包含比第一氮化物系半導(dǎo)體層341的p型雜質(zhì)濃度低的p型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層342 、配置在第二氮化物系半導(dǎo)體層342上且包含比第二氮化物系半導(dǎo)體層342 的p型雜質(zhì)濃度高的高濃度p型雜質(zhì)的第三氮化物系半導(dǎo)體層343、配置在第三氮化物系半導(dǎo)體層343上且包含比第三氮化物系半導(dǎo)體層3"的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層344。
第二氮化物系半導(dǎo)體層342的厚度被形成為比第一氮化物系半導(dǎo)體層341、或第三氮化物系半導(dǎo)體層343乃至第四氮化物系半導(dǎo)體層344的厚度厚。
在此，具體說明各層的材料和厚度。配置在活性層33上部且包含p型雜質(zhì)的第一氮化物系半導(dǎo)體層341例如由添加了雜質(zhì)Mg的約2 x 102Gcm-3、膜厚度約50nm左右的p型GaN層形成。
配置在第一氮化物系半導(dǎo)體層341上且包含比第一氮化物系半導(dǎo)體層 341的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層342例如由添加了約4x 10"cmJ的雜質(zhì)Mg、膜厚度約100nm左右的p型GaN層形
成o
配置在第二氮化物系半導(dǎo)體層342上且包含比第二氮化物系半導(dǎo)體層 342的p型雜質(zhì)濃度高的高濃度p型雜質(zhì)的第三氮化物系半導(dǎo)體層343例如由添加了約1 x l02Gcm-3的雜質(zhì)Mg、膜厚度約40nm左右的p型GaN層形成。
配置在第三氮化物系半導(dǎo)體層343上且包含比第三氮化物系半導(dǎo)體層 343的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層344例如由添加了約8x 1(Tcm-s的雜質(zhì)Mg、膜厚度約10nm左右的p型GaN層形成。
本發(fā)明第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，如上所述，由包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層33上形成的p型半導(dǎo)體層34是由Mg濃度不同的四層結(jié)構(gòu)的p型GaN層構(gòu)成，按上述濃度被摻雜。為了減少對(duì)活性層33 的熱損傷，p型GaN層以約800。C 90(TC的低溫生長。
離活性層33最近的第一氮化物系半導(dǎo)體層341由于Mg濃度越高則發(fā) 光強(qiáng)度就越高，所以Mg濃度越高越好。
第二氮化物系半導(dǎo)體層342由于若過于添加雜質(zhì)Mg,則起因于Mg的晶體缺陷增加，膜的電阻變高，所以優(yōu)選1019cm-3這個(gè)等級(jí)的中間左右的 Mg濃度。
第三氮化物系半導(dǎo)體層343由于是決定向活性層33注入的空穴的注入量的層，所以優(yōu)選具有比第二氮化物系半導(dǎo)體層342稍高的Mg濃度。
第四氮化物系半導(dǎo)體層344是為了實(shí)現(xiàn)與氧化物電極35之間的歐姆接觸的p型GaN層，被實(shí)質(zhì)性耗盡。作為氧化物電極35，例如在使用被添加了 1 x io19 5 x 10"cm^左右Ga或Al的ZnO電極時(shí)，向第四氮化物系半導(dǎo)體層344添加Mg雜質(zhì)，〗吏Mg濃度成為氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的順向電壓 (Vf)最下降時(shí)的Mg濃度。
在使p型GaN層34層生長時(shí)，靠近p側(cè)電極40的第三氮化物系半導(dǎo) 體層343和第四氮化物系半導(dǎo)體層344由于需要使膜中的空穴濃度上升，所以增多載氣中的H2氣體量。且靠近活性層33的第一氮化物系半導(dǎo)體層 341和第二氮化物系半導(dǎo)體層342不需要增多載氣中的H2氣體量，使活性層33在N2載氣中生長而以其延長進(jìn)行晶體生長。在這些p型GaN層生長時(shí)，盡量提高V/11I比則能夠使更低電阻的膜生長，能夠降低發(fā)光元件的順向電壓(Vf)。
根據(jù)本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，以低溫形成p型半導(dǎo)體層，能夠減少對(duì)活性層的熱損傷，且降低順向電壓(Vf)和提高發(fā)光效率。 (活性層)
如圖18(b)所示，活性層33具有被第一勢(shì)壘層3311 第n勢(shì)壘層331n 和最終勢(shì)壘層3310分別夾住的第一阱層3321~第n阱層332n的多量子阱 (MQW)結(jié)構(gòu)(n是自然數(shù))。即、活性層33是將阱層332由比阱層332 能帶隙大的勢(shì)壘層331夾層狀?yuàn)A住的量子阱結(jié)構(gòu)作為單位配對(duì)結(jié)構(gòu)，而具有將該單位配對(duì)結(jié)構(gòu)層積n次的n配對(duì)結(jié)構(gòu)。
具體說就是，將第一阱層3321配置在第一勢(shì)壘層3311與第二勢(shì)壘層 3312之間、將第二阱層3322配置在第二勢(shì)壘層3312與第三勢(shì)壘層3313之間。且將第n阱層332n配置在第n勢(shì)壘層331n與最終勢(shì)壘層3310之間。將活性層33的第一勢(shì)壘層3311經(jīng)由緩沖層36而配置在n型半導(dǎo)體層32 上，將p型半導(dǎo)體層34( 341 344 )配置在活性層33的最終勢(shì)壘層3310上。
阱層3321~332n例如由InxGauxN (0〈Xl〈l-層形成，勢(shì)壘層 3311 331n、 3310例如由GaN層形成。特點(diǎn)是，多量子阱層的配對(duì)數(shù)量例如是6 1L阱層3321 332n的鎵(Ga)對(duì)于銦(In)的比率(x/ (1-x)} 按照想使發(fā)光的光的波長來適當(dāng)設(shè)定。
特點(diǎn)是，阱層3321~332n的厚度例如是約2 3nm左右，優(yōu)選約2.8nm 左右，勢(shì)壘層3311 331n的厚度例如是約7 18nm左右，優(yōu)選約16.5mn左右。
圖21表示在本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中發(fā)光輸出與量子阱配對(duì)數(shù)量的關(guān)系。圖22是表示說明在本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中活性層33內(nèi) 的發(fā)光現(xiàn)象的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖23是說明在本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中活性層33內(nèi)的發(fā) 光現(xiàn)象的能帶結(jié)構(gòu)，圖23 (a)是MQW層為五對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖23 (b)是MQW層為八對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖23 (c)是MQW 層為12對(duì)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，MQW的配對(duì)數(shù)由于是使用四五對(duì)，所以如圖23(a) 所示，從n型半導(dǎo)體層32供給的電子飛越活性層33而流到p型半導(dǎo)體層 34。這時(shí)，從p型半導(dǎo)體層34供給的空穴在到達(dá)活性層33之前就與電子再結(jié)合，到達(dá)活性層33的空穴濃度減少。由此，LED的亮度減少。這是由于空穴的有效質(zhì)量與電子相比高，所以來自p型半導(dǎo)體層34的注入空穴的移動(dòng)度低，在空穴到達(dá)活性層33之前電子就已經(jīng)到達(dá)p型半導(dǎo)體層34而與空穴再結(jié)合。
另一方面，在MQW的配對(duì)數(shù)大于12對(duì)的情況下，如圖23 (c)所示，由于活性層33厚，所以從n型半導(dǎo)體層32供給的電子不能在活性層33內(nèi) 充分運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，從p型半導(dǎo)體層34供給的空穴也不能在活性層3內(nèi)充分運(yùn)動(dòng)。因此，在活性層33內(nèi)不充分產(chǎn)生電子與空穴的再結(jié)合，由此，LED 的亮度減少。
相對(duì)地，在MQW的配對(duì)數(shù)是八對(duì)左右的情況下，如圖22和圖23 (b) 所示，活性層33的厚度被最優(yōu)化，從n型半導(dǎo)體層32供給的電子能夠在活性層33內(nèi)充分運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)，從p型半導(dǎo)體層34供給的空穴也能夠在活性層3內(nèi)充分運(yùn)動(dòng)，在活性層33內(nèi)充分產(chǎn)生電子與空穴的再結(jié)合，由此，能夠提高LED的亮度。
在確保從p型半導(dǎo)體層34向活性層33有充分的空穴注入量，且確保從n型半導(dǎo)體層32向活性層33也有充分的電子注入量的情況下，對(duì)發(fā)光現(xiàn)象起作用的活性層33內(nèi)的MQW也可以是從p型半導(dǎo)體層34開始數(shù)二三對(duì)。由于電子的移動(dòng)度比空穴的移動(dòng)度高，所以對(duì)發(fā)光現(xiàn)象起作用的活性層33內(nèi)的MQW是接近p型半導(dǎo)體層34側(cè)的幾對(duì)。
如圖21所示，在MQW的配對(duì)數(shù)是八時(shí)，發(fā)光輸出P顯示出最大值 P2,另一方面，在MQW的配對(duì)數(shù)是5或12時(shí)，發(fā)光輸出P是P! (P!〈P2 =左右，在MQW的配對(duì)數(shù)是比5小的情況或是比12大的情況下，則難于
36確保充分的發(fā)光輸出P。
在本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，能夠?qū)⒂糜谑箯膎型半導(dǎo)體層32供給的電子與從p型半導(dǎo)體層34供給的空穴在活性層33中高效率再結(jié)合的活性層33內(nèi)的MQW的配對(duì)數(shù)最優(yōu)化。 (最終勢(shì)壘層)
最終勢(shì)壘層3310的膜厚度被形成為比Mg從p型半導(dǎo)體層34向活性層33擴(kuò)散的距離厚。
在圖1所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，最終勢(shì)壘層3310的p型雜質(zhì) 濃度是從與p型半導(dǎo)體層34相連接的最終勢(shì)壘層3310的第一主面開始沿最終勢(shì)壘層3310的膜厚度方向逐漸減少，在與第一主面相對(duì)的第二主面中則實(shí)質(zhì)上不存在p型雜質(zhì)。
圖1所示氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的最終勢(shì)壘層3310的膜厚度do被設(shè)定成在p型半導(dǎo)體層34的形成工序和該工序以后，從p型半導(dǎo)體層34向活性層33擴(kuò)散的p型雜質(zhì)達(dá)不到活性層33的阱層332。即、將膜厚度do設(shè) 定成從p型半導(dǎo)體層4向最終勢(shì)壘層3310擴(kuò)散的p型雜質(zhì)達(dá)不到與p型半導(dǎo)體層34相連接的最終勢(shì)壘層3310的與第一主面相對(duì)的第二主面(最終勢(shì)壘層3310與阱層332n相連接的面)的厚度。
與p型半導(dǎo)體層34相連接的最終勢(shì)壘層3310的第一主面的Mg濃度例如是約2 x 102()011-3左右，朝向與第一主面相對(duì)的最終勢(shì)壘層3310的第二主面，則Mg濃度逐漸降低，在距離第一主面約7 8nm的位置，則Mg的濃度是不足約1016cm-3,成為沒有影響的在分析的檢測下限以下。
即、通過將最終勢(shì)壘層3310的膜厚度4設(shè)定成是約10nm左右而使 Mg擴(kuò)散不到最終勢(shì)壘層3310的第二主面，因此，與活性層33相連接的最終勢(shì)壘層3310的第二主面不存在Mg。即、Mg擴(kuò)散不到第n阱層332n內(nèi)，能夠防止活性層33產(chǎn)生的光的亮度降低。
第一勢(shì)壘層3311 第n勢(shì)壘層331n的膜厚度dl dn也可以相同。但膜厚度dl dn需要設(shè)定成使從n型半導(dǎo)體層32向活性層33注入的空穴到達(dá) 第n阱層332n,并在第n阱層332n進(jìn)行電子與空穴的再結(jié)合而能夠出現(xiàn)發(fā) 光的厚度。第一勢(shì)壘層3311 第n勢(shì)壘層331n的膜厚度dl dn若過厚，則妨礙活性層33中空穴的移動(dòng)，成為發(fā)光效率降低的原因。例如最終勢(shì)壘層 3310的膜厚度d()是約10nm左右，第一勢(shì)壘層3311~第n勢(shì)壘層331n的膜厚度dl dn是約7 18nm左右，第一阱層3321~第n阱層332n的膜厚度是約2 3nm左右。
如以上所說明的，在本發(fā)明第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，與p型半導(dǎo)體層34相連接的最終勢(shì)壘層3310的膜厚度do被設(shè)定成從p型半導(dǎo)體層34向活性層33擴(kuò)散的p型雜質(zhì)達(dá)不到活性層33的阱層332的厚度。即、根據(jù)圖1所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，通過將最終勢(shì)壘層3310 的膜厚度do設(shè)定成比Mg的擴(kuò)散距離厚，而能夠一邊抑制活性層33整體的膜厚度增大一邊防止p型雜質(zhì)從p型半導(dǎo)體層34向活性層33的阱層332 擴(kuò)散。其結(jié)果是不產(chǎn)生起因于p型雜質(zhì)向阱層332擴(kuò)散的光的亮度下降，能夠制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的質(zhì)量惡化被抑制的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
(電極結(jié)構(gòu))
如圖20所示，本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件還具備向n型半導(dǎo) 體層32施力。電壓的n側(cè)電極41和向p型半導(dǎo)體層34施加電壓的p側(cè)電極 40。如圖20所示，在將p型半導(dǎo)體層34、活性層33、阻擋層37和n型半導(dǎo)體層32的一部分區(qū)域進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕而露出的n型半導(dǎo)體層32的表面配置n側(cè)電才及41。
p側(cè)電極40經(jīng)由氧化物電極35而被配置在p型半導(dǎo)體層34上?；蛘?也可以將p側(cè)電極40直接配置在p型半導(dǎo)體層34上。配置在第四氮化物系半導(dǎo)體層344上的由氧化物電極35構(gòu)成的透明電極例如包括ZnO、 ITO 含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
n側(cè)電極41例如由鋁(Al)膜、Ti / Ni / Au或Al / Ti / Au， Al /Ni /Au， Al/Ti/Ni/Au的多層膜，或者從上層開始由Au-Sn/Ti/Au/Ni /Al的多層膜構(gòu)成，p側(cè)電極40例如由Al膜、4巴(Pd)-金(Au)合金膜、 Ni / Ti / Au的多層膜、或者從上層開始由Au-Sn / Ti / Au的多層膜構(gòu)成。 n側(cè)電極41與n型半導(dǎo)體層32歐姆接觸，p側(cè)電極40經(jīng)由氧化物電極35 而與p型半導(dǎo)體層34歐姆"t妄觸。
圖26表示本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中最終電極形成工序后的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖。由于將本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件向倒裝片結(jié)構(gòu)安裝，所以圖26將p側(cè)電極40的表面與n側(cè)電極50的表面形成為從襯底31測量的高度是相同的高度。n側(cè)電極50與n側(cè)電極41同樣地例如
38由鋁(Al)膜、Ti/Ni/Au多層膜，或者從上層開始由Au-Sn/Ti/Au/ Ni/Al的多層膜構(gòu)成。
圖26的結(jié)構(gòu)具備作為氧化物電極35而形成透明導(dǎo)電膜ZnO,并將該ZnO由對(duì)發(fā)出光的波長入反射的反射層積膜38覆蓋的結(jié)構(gòu)。反射層積膜 38具有入/4m和入/4n2的層積結(jié)構(gòu)(ni、 n2是層積的層的折射率)。作為層積結(jié)構(gòu)所使用的材料例如能夠使用相對(duì)入=450nm的藍(lán)色光而由Zn02 ( n =2.12)和SiCb (n = 1.46)構(gòu)成的層積結(jié)構(gòu)。這時(shí)各層的厚度例如設(shè)定成是Zn02是約53nm、 Si02是約77nm。作為用于形成層積結(jié)構(gòu)的其他材料也能夠使用Ti02、八1203等。
根據(jù)本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，由于能夠通過反射層積膜 38而將活性層33內(nèi)發(fā)出的光不被p側(cè)電極40吸收地向外部取出，所以能夠提高外部發(fā)光效率。
(制造方法)
下面說明圖18所示的本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法的例。以下所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法是一例，當(dāng)然，包含其變形例在內(nèi)的、除此以外的各種制造方法也能夠?qū)崿F(xiàn)。在此，說明村底1 適用藍(lán)寶石襯底的例。
(a )首先利用眾所周知的有機(jī)金屬氣相生長(MOCVD )法等而使ALN 緩沖層36在藍(lán)寶石襯底31上生長。例如在約900。C 95(TC左右的高溫下將三曱基鋁(TMA)和氨(NH3)以H2氣體作為載氣，如圖ll所示那樣，通過交替脈沖式地向反應(yīng)室供給而使厚度約10-30埃左右的薄的ALN緩沖層 36在短時(shí)間生長。
(b)接著，在ALN緩沖層36上利用MOCVD法使成為n型半導(dǎo)體層 32的GaN層生長。例如將形成有ALN緩沖層36的襯底31熱清洗后將襯底溫度設(shè)定成100(TC左右，在ALN緩沖層36上使添加了 n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層32生長1 5 jum左右。n型半導(dǎo)體層32例如能夠采用作為n型雜質(zhì)而將Si以3 x 10"cm-3左右的濃度被添加的GaN膜。在摻雜Si的情況下，將三曱基鎵(TMG)、氨(NH3)和硅烷(SiH4)作為原料氣體供給，形成 n型半導(dǎo)體層32。
(c )接著，作為阻擋層37而將Si以不足1 x 1017cm-3、例如8 x io'W3 左右的濃度被添加的GaN膜在n型半導(dǎo)體層32上生長約200nm左右。這時(shí)，能夠適用與形成n型半導(dǎo)體層32時(shí)同樣的原料氣體。
(d) 接著，在n型半導(dǎo)體層32上形成活性層33。例如將由GaN膜構(gòu) 成的勢(shì)壘層331和由InGaN膜構(gòu)成的阱層332交替層積來形成活性層33。具體說就是，在形成活性層33時(shí)一邊調(diào)整襯底溫度和原料氣體的流量一邊使勢(shì)壘層331和阱層332交替連續(xù)地生長，形成由勢(shì)壘層331和阱層332 層積而成的活性層33。即、通過調(diào)節(jié)襯底溫度和原料氣體的流量而將層積阱層332和比阱層332能帶隙大的勢(shì)壘層331的工序作為單位工序，將該單位工序反復(fù)進(jìn)行n次，例如8次左右，來得到將勢(shì)壘層331和阱層332 交替層積的層積結(jié)構(gòu)。
例如以村底溫度Ta形成勢(shì)壘層331，以襯底溫度Tb (Ta〉Tb)形成阱層332。即在襯底溫度被設(shè)定成Ta的時(shí)刻tlO tll期間形成第一勢(shì)壘層3311。接著在時(shí)刻tll將襯底溫度設(shè)定成Tb，在時(shí)刻tll 時(shí)刻t20期間形成第一阱層3321。以后也同樣地，在時(shí)刻t20 t21期間以襯底溫度Ta形成第二勢(shì)壘層3312，在時(shí)刻t21 時(shí)刻t30期間以襯底溫度Tb形成第二阱層3322。且在時(shí)刻tnO tnl期間以襯底溫度Ta形成第n勢(shì)壘層331n，在時(shí)刻tnl 時(shí)刻te 期間以襯底溫度Tb形成第n阱層332n，完成將勢(shì)壘層31和阱層32交替層積的層積結(jié)構(gòu)。
在形成勢(shì)壘層331時(shí)，作為原料氣體例如分別將TMG氣體和NH3氣體向成膜用的處理裝置供給。另一方面，在形成阱層332時(shí)，作為原料氣體例如分別將TMG氣體、三曱基銦(TMI)氣體和腿3氣體向處理裝置供給。TMG氣體是作為Ga原子的原料氣體、TMI氣體是作為In原子的原料氣體、NH3氣體是作為氮原子的原料氣體被供給。
在形成的層積結(jié)構(gòu)上，作為最終勢(shì)壘層3310而將不摻雜的GaN膜形成為10nm左右，形成圖l所示的活性層33。如已經(jīng)說明過的那樣，最終勢(shì)壘層3310的膜厚度do被設(shè)定成從p型半導(dǎo)體層34向活性層33擴(kuò)散的p 型摻雜劑達(dá)不到活性層33的阱層332的厚度。
(e) 接著，將襯底溫度設(shè)定成800。C 900。C左右，將添加p型雜質(zhì)的 p型半導(dǎo)體層34在最終勢(shì)壘層3310上形成0.05~1 in m左右。
p型半導(dǎo)體層34例如是作為p型雜質(zhì)而被添加Mg雜質(zhì)的形成的四層結(jié)構(gòu)。配置在活性層33上部的第一氮化物系半導(dǎo)體層341由約2x 102Gcm_3、厚度約50nm左右的p型GaN層形成，第二氮化物系半導(dǎo)體層342由約為4
40x 1019cm-3、厚度約lOOnm左右的p型GaN層形成，第三氮化物系半導(dǎo)體層343例如由約1 x 102Qcm-3、厚度約40nm左右的p型GaN層形成，第四氮化物系半導(dǎo)體層344由約8x 1019cm-3、厚度約10nm左右的p型GaN層。
在添加Mg雜質(zhì)的情況下，將TMG氣體、NH3氣體和雙環(huán)戊二乙基鎂 (CP2Mg)氣體作為原料氣體供給，形成p型半導(dǎo)體層34 (341 344)。在形成p型半導(dǎo)體層34( 341~344 )時(shí)，雖然有Mg /人p型半導(dǎo)體層34( 341-344 ) 向活性層33擴(kuò)散，但利用最終勢(shì)壘層3310而能夠防止Mg擴(kuò)散到活性層 33的阱層332。
在此，更詳細(xì)地-說明p型半導(dǎo)體層34的形成工序。
圖24表示在本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中當(dāng)形成四層結(jié)構(gòu)的氮化物系半導(dǎo)體層(341 344)時(shí)的溫度分布的圖(a)和說明氫氣流動(dòng)條件的圖(b) ~ (e)。
圖25表示在本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中當(dāng)形成四層結(jié)構(gòu)的氮化物系半導(dǎo)體層(341~344)時(shí)的溫度分布的圖(a)和說明氮?dú)饬鲃?dòng)條件和氨氣流動(dòng)條件的圖(b)和(c)。
在圖24 (a)和圖25 (a)所示的溫度分布中，時(shí)刻tl t2的期間Tl是形成第一氮化物系半導(dǎo)體層341的期間，時(shí)刻t2 t3的期間T2是形成第二氮化物系半導(dǎo)體層342的期間，時(shí)刻t3 t4的期間T3是形成第三氮化物系半導(dǎo)體層343的期間，時(shí)刻t4 t5的期間T4是形成第四氮化物系半導(dǎo)體層 344的期間。時(shí)刻t5~t6的期間T5是使襯底溫度從850。C冷卻到350°C的期間。
在本發(fā)明第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法中，包括有形成n型半導(dǎo)體層32的步驟、在n型半導(dǎo)體層32上形成活性層33的步驟、層積分別包含p型雜質(zhì)的多個(gè)p型GaN層而將氮化物半導(dǎo)體層(341 344 ) 以約800。C 900。C左右的低溫形成的步驟，利用不含氫的載氣來供給原料氣體，形成多個(gè)p型GaN層的至少一部分。
在利用含氬的載氣形成p型半導(dǎo)體層34時(shí)，由于與Mg—起進(jìn)入的氫原子使Mg難于活化而成為阻礙p型半導(dǎo)體層34的p型化的原因。因此，在形成p型半導(dǎo)體層34后，要除掉氫原子而需要實(shí)施用于使p型半導(dǎo)體層 34進(jìn)行p型化的退火(以下稱為"p型化退火")。
但根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，將第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第四氮化物系半導(dǎo)體層344中的至少一層通過不含氫的載氣來供給Mg原料氣體而形成，能夠省略p型化退火工序。能夠任意設(shè)定P型半導(dǎo)體層34的哪個(gè)部分是通過不含氫的載氣形成的，例如將第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第三氮化物系半導(dǎo)體層343由不含氫的載氣來形成，也可以僅將第四氮化物系半導(dǎo)體層344由不含氫的載氣來形成。
例如如圖24 (b)所示，在第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第四氮化物系半導(dǎo)體層344內(nèi)將膜厚度厚的第二氮化物系半導(dǎo)體層342和Mg濃度高的第一氮化物系半導(dǎo)體層341由不含氫的載氣形成，由于省略p型化退火工序，因此是優(yōu)選的。例如圖24 (c)是將第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第四氮化物系半導(dǎo)體層344內(nèi)的第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第三氮化物系半導(dǎo)體層343由不含氫的載氣形成的例。圖24 (d)是將第一氮化物系半導(dǎo)體層341和第三氮化物系半導(dǎo)體層343由不含氫的載氣形成的例。圖24 (e)是將第二氮化物系半導(dǎo)體層342和第三氮化物系半導(dǎo)體層343由不含氫的載氣形成的例。
另一方面，如圖24 (b)到圖24 (e)所示，為了使與p側(cè)電極40相連接的第四氮化物系半導(dǎo)體層344的晶體狀態(tài)盡可能地好，優(yōu)選通過含氫的載氣來供給Mg原料氣體形成。這是由于一般來說通過含氫的載氣來供給Mg原料氣體的情況與通過不含氫的載氣形成的情況相比，摻雜Mg的p型半導(dǎo)體層的晶體狀態(tài)好。
下面說明本發(fā)明第一實(shí)施例氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法中p型膜的形成方法。以下所述的p型膜的形成方法是一例，當(dāng)然也可以通過包含其變形例在內(nèi)的、除此以外的各種方法來實(shí)現(xiàn)。在此，作為p型雜質(zhì)而采用Mg,如圖24 (b)所示，以將第一氮化物系半導(dǎo)體層341和第二氮化物系半導(dǎo)體層342由不含氫的載氣形成、將第三氮化物系半導(dǎo)體層343和第四氮化物系半導(dǎo)體層344由含氫的載氣形成的情況作為例示來說明。
如圖24到圖25所示，將形成p型半導(dǎo)體層34的襯底溫度Tp統(tǒng)一設(shè)定成850。C、壓力i殳定成200Torr。
(工序1 )在時(shí)刻tl 時(shí)刻t2中，作為載氣而供給N2氣體，且作為原料氣體而分別向處理裝置供給NH3氣體、TMG氣體、雙環(huán)戊二乙基鎂(CP2Mg)氣體，形成第一氮化物系半導(dǎo)體層341。將時(shí)刻tl 時(shí)刻t2期間設(shè)定成5分鐘，形成膜厚度50nm、 Mg濃度2 x 102Qcm-3的第一氮化物系半導(dǎo)體層341。
(工序2)在時(shí)刻t2 時(shí)刻t3中，作為載氣而供給N2氣體，且作為原料氣體而分別向處理裝置供給NH3氣體、TMG氣體、CP2Mg氣體，形成第二氮化物系半導(dǎo)體層342。將時(shí)刻t2 時(shí)刻t3期間設(shè)定成21分鐘，形成膜厚度100nm、 Mg濃度4 x 1019cm-3的第二氮化物系半導(dǎo)體層342。
(工序3)在時(shí)刻t3 時(shí)刻t4中，作為載氣而供給H2氣體和N2氣體，且作為原料氣體而分別向處理裝置供給NH3氣體、TMG氣體、CP2Mg氣體，形成第三氮化物系半導(dǎo)體層343。將時(shí)刻t3 時(shí)刻t4期間設(shè)定成1分鐘，形成膜厚度40nm、 Mg濃度1 x 102Gcm-3的第三氮化物系半導(dǎo)體層343。
(工序4)在時(shí)刻t4 時(shí)刻t5中，作為載氣而供給H2氣體和N2氣體，且作為原料氣體而分別向處理裝置供給NH3氣體、TMG氣體、CP2Mg氣體，形成第四氮化物系半導(dǎo)體層344。將時(shí)刻t4 時(shí)刻t5期間設(shè)定成3分鐘，形成膜厚度10nm、 Mg濃度8 x 1019cm'3的第四氮化物系半導(dǎo)體層344。
(工序5)在時(shí)刻t5 時(shí)刻t6中，一邊作為載氣而供給N2氣體，一邊將襯底溫度從溫度Tp ( 850°C )下降到溫度Td (350°C )以下的溫度。即、不實(shí)施在400。C以上進(jìn)行的p型化退火。
通過上述的工序1~工序5來形成包含第一氮化物系半導(dǎo)體層341 第四氮化物系半導(dǎo)體層344的p型半導(dǎo)體層34。由于將Mg濃度高的第一氮化物系半導(dǎo)體層341和膜厚度厚的第二氮化物系半導(dǎo)體層342由不含H2氣體的載氣形成，所以即使不實(shí)施p型化退火，也能夠作為p型半導(dǎo)體而得到p型半導(dǎo)體層34。由供給含H2氣體的載氣形成的第四氮化物系半導(dǎo)體層344的表面形態(tài)良好，晶體狀態(tài)良好。即、p型半導(dǎo)體層4的與p側(cè)電極40相連接的表面的晶體狀態(tài)良好，所以p型半導(dǎo)體層34與p側(cè)電極40的接觸良好。
根據(jù)上述p型半導(dǎo)體層34的形成工序，通過供給不含H2氣體的載氣來形成p型半導(dǎo)體層34, H2不會(huì)與p型雜質(zhì)一起進(jìn)入p型半導(dǎo)體層34 。所以，不需要用于將H2從p型半導(dǎo)體層34去掉的p型化退火，能夠縮短氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造工序。
(工序6 )接著對(duì)p型半導(dǎo)體層34的上部進(jìn)行蒸鍍，利用噴濺技術(shù)等形成氧化物電極35。作為氧化物電極35例如能夠使用ZnO、 ITO或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。并且，也可以將Ga或Al等n型雜質(zhì)以高濃度添加
43到1 x 1019cm-3~5 x 10"cm陽3的程度。
(工序7)接著，在將氧化物電極35構(gòu)圖后，以覆蓋氧化物電極35的方式利用蒸鍍、噴濺技術(shù)等來形成對(duì)發(fā)出光的波長入反射的反射層積膜38,作為反射層積膜38所使用的材料例如能夠使用相對(duì)于入=450nm的藍(lán)色光而由Zn02 (n = 2.12)和Si02 (n=1.46)構(gòu)成的層積結(jié)構(gòu)。各層的厚度例如設(shè)定成是Zn02是約53nm、 SiO;j是約77nm。
(工序8 )接著，使用反應(yīng)性離子腐蝕(RIE: Reactive Ion Etching )等腐蝕技術(shù)，進(jìn)行臺(tái)面型腐蝕直到反射層積膜38和p型半導(dǎo)體層34 n型半導(dǎo)體層32的中間，使n型半導(dǎo)體層32的表面露出。
(工序9)接著，向露出的n型半導(dǎo)體層32的表面利用蒸鍍、噴濺技術(shù)等來形成n側(cè)電極41、 50。對(duì)于p型半導(dǎo)體層34上的氧化物電極35也利用蒸鍍、噴濺技術(shù)等來形成構(gòu)圖形成后的p側(cè)電極40,完成圖20所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
(變形例)
圖19 ( a)表示本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖，圖2 (b)表示活性層部分放大的示意性剖面結(jié)構(gòu)圖。
如圖19所示，作為本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具備襯底31、配置在村底31上的緩沖層36、配置在緩沖層36上且被添加n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層32、配置在n型半導(dǎo)體層32上且被添加比n型半導(dǎo)體層32濃度低的低濃度n型雜質(zhì)的阻擋層37、配置在阻擋層37上的活性層33、配置在活性層33上的p型半導(dǎo)體層34、配置在p型半導(dǎo)體層34上的氧化物電極35。
作為第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的特征為，具備配置在活性層33上部的包含p型雜質(zhì)的第三氮化物系半導(dǎo)體層343、配置在第三氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比第三氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層344、配置在第四氮化物系半導(dǎo)體層上的由氧化物電極35構(gòu)成的透明電極。
氧化物電極的特征為包括添加有1 x 1019cm-3~5 x 10"cm^左右的Ga或Al的ZnO、 ITO或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
作為第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的特征為，在第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)上，將p型半導(dǎo)體層34形成為雙層結(jié)構(gòu)，包括直接配置在活性層33上部的第三氮化物系半導(dǎo)體層、配置在第三氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比第三氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì) 濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層。
直接配置在活性層33上部的第三氮化物系半導(dǎo)體層343例如由添加了約1 x l02Qcm-3的雜質(zhì)Mg、厚度約40nm左右的p型GaN層形成。
配置在第三氮化物系半導(dǎo)體層343上且包含比第三氮化物系半導(dǎo)體層 343的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層344例如由添加了約8x 10"cm-s的雜質(zhì)Mg、厚度約10nm左右的p型GaN層形成。
在圖19的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，如上所述，由包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層33上形成的p型半導(dǎo)體層34是由Mg濃度不同的雙層結(jié)構(gòu)的 p型GaN層構(gòu)成，按上述濃度進(jìn)行摻雜。為了減少對(duì)活性層33的熱損傷， p型GaN層以約80(TC 90(TC的低溫生長。
離活性層33最近的第三氮化物系半導(dǎo)體層343由于是決定向活性層33 注入的空穴的注入量的層，所以Mg濃度越高則發(fā)光強(qiáng)度就越強(qiáng)。因此優(yōu)選 Mg濃度越高越好。
第四氮化物系半導(dǎo)體層344是為了實(shí)現(xiàn)與氧化物電極35的歐姆接觸的 p型GaN層，被實(shí)質(zhì)性耗盡。作為氧化物電極35例如在使用添加了 1 x 1019 5 x 10"cmJ左右的Ga或Al的ZnO電極時(shí)，向第四氮化物系半導(dǎo)體層344 添加Mg雜質(zhì)，使Mg濃度成為氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的順向電壓Vf最下降時(shí)的Mg濃度。
在使p型GaN層34層生長時(shí)，靠近p側(cè)電極40的第三氮化物系半導(dǎo) 體層343和第四氮化物系半導(dǎo)體層344由于需要使膜中的空穴濃度上升，所以增多載氣中的H2氣體量?；蛘撸拷钚詫?3的第三氮化物系半導(dǎo)體層343不需要增多載氣中的H2氣體量，也可以使活性層33在N2載氣中生長而以其延長進(jìn)行晶體生長。
在作為本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，由于ALN緩沖層36、 n型半導(dǎo)體層32、阻擋層37、活性層33、 p 型半導(dǎo)體層34、最終勢(shì)壘層3310、反射層積膜38和電極結(jié)構(gòu)與本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件相同，所以省略說明。
根據(jù)作為本發(fā)明第一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件變形例的氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光元件，能夠提供這樣的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其能夠改善在高溫ALN緩沖層上形成的in族氮化物系半導(dǎo)體層的結(jié)晶性和表面形態(tài)，以低溫形成p 型半導(dǎo)體層而減少對(duì)活性層的熱損傷，且能夠降低順向電壓(vf)并提高發(fā)
光效率，將用于使n型半導(dǎo)體層供給的電子與p型半導(dǎo)體層供給的空穴在活性層高效率再結(jié)合的活性層的MQW配對(duì)數(shù)量最優(yōu)化，能夠提高發(fā)光效率，能夠抑制p型雜質(zhì)從p型半導(dǎo)體層向阱層的擴(kuò)散而提高發(fā)光效率，能夠抑制電子從n型半導(dǎo)體層向p型半導(dǎo)體層的溢出和n型雜質(zhì)從n型半導(dǎo) 體層向活性層的擴(kuò)散而提高發(fā)光效率，不需要將氫原子從p型半導(dǎo)體層去掉的退火工序，且能夠提供利用反射層積膜而提高外部發(fā)光效率的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。 [其他實(shí)施例]
如上所述，本發(fā)明通過第一實(shí)施例進(jìn)行了記載，但作為該公開的一部分的論述和附圖并不限定本發(fā)明。通過該公開而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了各種替代實(shí)施方式、實(shí)施例和運(yùn)用技術(shù)。
在已經(jīng)敘述過的實(shí)施例的說明中，表示了活性層33是具有被各個(gè)勢(shì)壘層331夾住的多個(gè)阱層332的MQW結(jié)構(gòu)的情況，但也可以是活性層33包含一個(gè)阱層332，而配置在該阱層332與p型半導(dǎo)體層34之間的最終勢(shì)壘層3310的膜厚度do比Mg的擴(kuò)散距離厚的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，本發(fā)明包含有在這里沒被記載的各種實(shí)施例等。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍僅從上述的說明由妥當(dāng)?shù)谋景l(fā)明的范圍中的發(fā)明特定事項(xiàng)來決定。
權(quán)利要求
1、一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在ALN緩沖層上形成有n型AlGaN包覆層。
2、如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述n型AlGaN包覆層兼作與電極接觸的接觸層。
3、如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在所述n型AlGaN包覆層上形成有具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，所述活性層由AlxlInY1GazlN阱層(XI + Yl +Z1 = 1 、 0 < XI < 1 、 0 <Yl < 1 、 0 < Zl < 1 )和Alx2GaY2N勢(shì)壘層(X2 + Y2 = 1 、 0 < X2 < 1 、 0 < Y2< 1 )構(gòu)成。
4、如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述活性層被摻雜有不到1017cm_3的n型雜質(zhì)。
5、如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在所述活性層上形成有p型AlInGaN包覆層或p型AlInGaN / InGaN超晶格包覆層。
6、如權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在所述p型包覆層與p電極之間形成有與p電極相連接的p型GaN接觸層。
7、如權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述p型GaN接觸層是從靠近所述p型包覆層的一側(cè)開始而按照第一p型GaN層、第二p型GaN層、第三p型GaN層、第四p型GaN層的順序?qū)臃e的多層結(jié)構(gòu)，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件形成為所述第二 p型GaN層的p型雜質(zhì)濃度比所述第一 p型GaN層的濃度低，且所述第三p型GaN層的p型雜質(zhì)濃度比所述第二p型GaN層的濃度高，且所述第四p型GaN層的p型雜質(zhì)濃度比所述第三p型GaN層的濃度低。
8、如權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述ALN緩沖層在生長溫度90(TC以上被形成。
9、一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，具備襯底、配置在所述襯底上的ALN緩沖層、配置在所述ALN緩沖層上且添加了 n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層、配置在所述n型半導(dǎo)體層上且以比所述n型半導(dǎo)體層低的濃度添加有所述n型雜質(zhì)的阻擋層、配置在所述阻擋層上且具有將勢(shì)壘層和比該勢(shì)壘層的能帶隙小的阱層交替配置的層積結(jié)構(gòu)，且由包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層、配置在所述活性層上且包含p型雜質(zhì)的第一氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第一氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第一氮化物系半導(dǎo) 體層的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第二氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第二氮化物系半導(dǎo) 體層的p型雜質(zhì)濃度高的高濃度p型雜質(zhì)的第三氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第三氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第三氮化物系半導(dǎo) 體層的p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第四氮化物系半導(dǎo)體層，所述層積結(jié)構(gòu)最上層的最終勢(shì)壘層的膜厚比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)的擴(kuò)散距離厚。
10、如權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第二氮化物系半導(dǎo)體層的厚度被形成為比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層或所述第三乃至第四氮化物系半導(dǎo)體層的厚度厚。
11、如權(quán)利要求9或權(quán)利要求IO所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，還具有被配置在所述第四氮化物系半導(dǎo)體層上且由氧化物電極構(gòu) 成的透明電極。
12、如權(quán)利要求11所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述透明電極包括ZnO、 ITO或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
13、如權(quán)利要求11所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述透明電極包括將Ga或Al以1 x 1019~5 x 1021cm-3的雜質(zhì)濃度被添加了雜質(zhì) 的ZnO、 ITO或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
14、如權(quán)利要求9 13中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述勢(shì)壘層由GaN構(gòu)成，所述阱層由InxGaLxN (0<X< 1 )構(gòu)成，所述多量子阱的配對(duì)數(shù)是6 11 。
15、如權(quán)利要求14所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述阱層的厚度是2 3nm,所述勢(shì)壘層的厚度是15 18nm。
16、如權(quán)利要求9 15中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述最終勢(shì)壘層的所述p型雜質(zhì)的濃度是從與所述p型半導(dǎo)體層相連接的所述最終勢(shì)壘層的第一主面開始沿最終勢(shì)壘層的膜厚度方向逐漸減少，在與所述第一主面相對(duì)的第二主面，所述p型雜質(zhì)不足1 x l016cm-3。
17、如權(quán)利要求9 16中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述最終勢(shì)壘層由GaN構(gòu)成。
18、如權(quán)利要求9 17中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述p型雜質(zhì)是鎂。
19、如權(quán)利要求9 18中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述n型雜質(zhì)是硅。
20、如權(quán)利要求19所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述阻擋層的硅濃度不足1 x lO"cm-3。
21、如權(quán)利要求9 20中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第一乃至第四氮化物系半導(dǎo)體層都是由GaN通過800。C 900。C 的低溫生長而形成。
22、一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，具備襯底、配置在所述襯底上的ALN緩沖層、配置在所述ALN緩沖層上且被添加了 n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層、配置在所述n型半導(dǎo)體層上且以比所述n型半導(dǎo)體層低的濃度添加有所述n型雜質(zhì)的阻擋層、配置在所述阻擋層上且具有將勢(shì)壘層和比該勢(shì)壘層的能帶隙小的阱層交替配置的層積結(jié)構(gòu)，且由包含銦的多量子阱構(gòu)成的活性層、配置在所述活性層上且包含p型雜質(zhì)的第一氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第一氮化物系半導(dǎo)體層上且包含比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的所述p型雜質(zhì)濃度低的低濃度p型雜質(zhì)的第二氮化物系半導(dǎo)體層、配置在所述第二氮化物系半導(dǎo)體層上且由氧化物電極構(gòu)成的透明電極，所述層積結(jié)構(gòu)最上層的最終勢(shì)壘層的膜厚比所述第一氮化物系半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)的擴(kuò)散距離厚。
23、如權(quán)利要求22所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述透明電極包括ZnO、 ITO或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
24、如權(quán)利要求22所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述透明電極包括將Ga或Al以1021cm-3的雜質(zhì)濃度被添加了雜質(zhì)的ZnO、 ITO 或含有銦的ZnO之中的任一個(gè)。
25、如權(quán)利要求22~24中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述勢(shì)壘層由GaN構(gòu)成，所述阱層由InxGaLxN(0〈X〈l)構(gòu)成，所述多量子阱的配對(duì)數(shù)是6~11 。
26、如權(quán)利要求25所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述阱層的厚度是2 3nm,所述勢(shì)壘層的厚度是15 18nm。
27、如權(quán)利要求22 26中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述最終勢(shì)壘層的所述p型雜質(zhì)濃度是從與所述p型半導(dǎo)體層相連接的所述最終勢(shì)壘層的第一主面開始沿最終勢(shì)壘層的膜厚方向逐漸減少，在與所述第一主面相對(duì)的第二主面，所述p型雜質(zhì)不足1 x l016cm-3。
28、如權(quán)利要求22~27中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述最終勢(shì)壘層由GaN構(gòu)成。
29、如權(quán)利要求22~28中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述p型雜質(zhì)是鎂。
30、如權(quán)利要求22~29中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述n型雜質(zhì)是硅。
31、如權(quán)利要求30所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述阻擋層的石圭濃度不足1 x 1017cnf3。
32、如權(quán)利要求22~30中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第一乃至第二氮化物系半導(dǎo)體層都是由GaN通過800°C~900 。C的^[氏溫生長而形成。
33、如權(quán)利要求9 32中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述襯底由藍(lán)寶石形成。
34、如權(quán)利要求11 13或權(quán)利要求22 24中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光元件，其特征在于，在所述透明電極上還具備反射層積膜。
35、如權(quán)利要求34所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件具備倒裝片結(jié)構(gòu)，被所述反射層積膜反射的光被從襯底側(cè)取出。
36、一種氮化物半導(dǎo)體的制造方法，使氮化物半導(dǎo)體晶體在ALN緩沖層上生長，其特征在于，所述ALN緩沖層是在生長溫度900 °C以上的條件下交替供給Al原料和 N原料。
37、如權(quán)利要求36所述的氮化物半導(dǎo)體的制造方法，其特征在于，所述ALN緩沖層的膜厚在10埃 50埃的范圍內(nèi)形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和氮化物半導(dǎo)體的制造方法，能夠使在ALN緩沖層上層積的氮化物半導(dǎo)體的晶體質(zhì)量等質(zhì)量良好而提高光輸出。在藍(lán)寶石襯底(1)上形成ALN緩沖層(2)，在其上順序?qū)臃en型AlGaN層(3)、InGaN/GaN活性層(4)、p型GaN層(5)這些氮化物半導(dǎo)體。在n型AlGaN層(3)的表面形成n電極(7)、在p型GaN層(5)上形成p電極(6)。n型AlGaN層(3)具有用于將光和載流子封閉的作為包覆層的作用。ALN緩沖層(2)通過在生長溫度900℃以上的條件下交替供給原料Al和原料N來制作。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101689586SQ20088002031
公開日2010年3月31日申請(qǐng)日期2008年6月13日優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者中田俊次, 中西康夫, 千田和彥, 園部雅之, 藤原徹也申請(qǐng)人:羅姆股份有限公司

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