半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
【專利摘要】根據(jù)一個實施方式，半導(dǎo)體發(fā)光元件包括n型的第一半導(dǎo)體層、p型的第二半導(dǎo)體層和發(fā)光單元。第一半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。第二半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。發(fā)光單元被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間。發(fā)光單元包括多個阱層和多個勢壘層，所述多個阱層與所述多個勢壘層交替堆疊。阱層包括最接近第二半導(dǎo)體層的第一p側(cè)阱層、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層的第二p側(cè)阱層。第一p側(cè)阱層的激子的定域能小于第二p側(cè)阱層的激子的定域能。
【專利說明】半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于2013年3月7日申請的日本專利申請N0.2013-046008并要求其優(yōu)先的利益，該申請的全部內(nèi)容通過引用包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]在此描述的實施方式一般地涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]諸如氮化鎵(GaN)等的II1-V族氮化物半導(dǎo)體被應(yīng)用于諸如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等的半導(dǎo)體發(fā)光元件。期望提升這類半導(dǎo)體發(fā)光元件的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施方式的目的在于解決以上的問題。
[0006]根據(jù)一個實施方式，半導(dǎo)體發(fā)光元件包括η型的第一半導(dǎo)體層、P型的第二半導(dǎo)體層和發(fā)光單元。第一半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。第二半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。發(fā)光單元被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間。發(fā)光單元包括多個阱層和多個勢壘層，所述多個阱層與所述多個勢壘層交替堆疊。阱層包括最接近第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層的第二 P側(cè)阱層。第一 P側(cè)阱層的激子(exciton)的定域能(localizat1n energy)小于第二 p側(cè)講層的激子的定域能。
[0007]根據(jù)一個實施方式，公開了一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。該方法可以包括形成含有氮化物半導(dǎo)體的η型第一半導(dǎo)體層，在第一半導(dǎo)體層上通過交替堆疊阱層和勢壘層形成含有多個阱層和多個勢壘層的發(fā)光單元、以及在發(fā)光單元上形成含有氮化物半導(dǎo)體的P型第二半導(dǎo)體層。阱層包括最接近第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層的第二 P側(cè)阱層。第一 P側(cè)阱層的激子的定域能小于第二 P側(cè)阱層的激子的定域能。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以提高半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1A和圖1B是示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性截面圖。
[0010]圖2Α和圖2Β是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0011]圖3是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0012]圖4是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0013]圖5是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0014]圖6是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0015]圖7是示出了根據(jù)第二實施方式的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0016]根據(jù)一個實施方式，半導(dǎo)體發(fā)光元件包括η型的第一半導(dǎo)體層、P型的第二半導(dǎo)體層和發(fā)光單元。第一半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。第二半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。發(fā)光單元被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間。發(fā)光單元包括多個阱層和多個勢壘層，所述多個阱層與所述多個勢壘層交替堆疊。阱層包括最接近第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層的第二 P側(cè)阱層。第一 P側(cè)阱層的激子的定域能小于第二 P側(cè)阱層的激子的定域能。
[0017]根據(jù)一個實施方式，公開了一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。該方法可以包括形成含有氮化物半導(dǎo)體的η型第一半導(dǎo)體層，在第一半導(dǎo)體層上通過交替堆疊阱層和勢壘層形成含有多個阱層和多個勢壘層的發(fā)光單元、以及在發(fā)光單元上形成含有氮化物半導(dǎo)體的P型第二半導(dǎo)體層。阱層包括最接近第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層的第二 P側(cè)阱層。第一 P側(cè)阱層的激子的定域能小于第二 P側(cè)阱層的激子的定域能。
[0018]如下將參考附圖描述各實施方式。
[0019]附圖是示意性或概念性的，并且各部分的厚度和寬度之間的關(guān)系、各部分之間的大小比例等無需與其實際值相同。進一步地，即便是相等同的部分，其尺寸和/或比例也可以在各附圖之間不同地顯示。
[0020]在本申請的附圖和說明書中，類似于關(guān)于以上附圖描述的那些部件用相似的參考編號標(biāo)記，并且適當(dāng)?shù)厥÷詫ζ涞脑敿?xì)描述。
[0021]第一實施方式
[0022]圖1A和圖1B是示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性截面圖。
[0023]圖1B示出了圖1A的一部分。
[0024]如圖1A所示，根據(jù)實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件110包括第一半導(dǎo)體層10、第二半導(dǎo)體層20和發(fā)光單元30。發(fā)光單元30被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層10和第二半導(dǎo)體層20之間。
[0025]第一半導(dǎo)體層10包括氮化物半導(dǎo)體。第一半導(dǎo)體層10是η型。第二半導(dǎo)體層20包括氮化物半導(dǎo)體。第二半導(dǎo)體層20是P型。
[0026]在此例中，在基底5上設(shè)有緩沖層6，并且在該緩沖層6上設(shè)有第一半導(dǎo)體層10、多層結(jié)構(gòu)體40、發(fā)光單元30和第二半導(dǎo)體層20。
[0027]基底5例如包括藍(lán)寶石基底(例如，c平面藍(lán)寶石基底)?；?例如可以包括S1、GaN、SiC、ZnO等的基底。
[0028]緩沖層6例如包括從AlN層、AlGaN層、GaN層或包括這些層的層疊膜中選出的至少一種。
[0029]第一半導(dǎo)體層10例如包括η型摻雜物。例如，Si被用作η型摻雜物。例如，Ge、Sn等可被用作η型摻雜物。
[0030]在此例中，第一半導(dǎo)體層10包括第一 η側(cè)層11和第二 η側(cè)層12。第一 η側(cè)層11被布置在第二 η側(cè)層12和發(fā)光單元30之間(在此例中，在第二 η側(cè)層12和多層結(jié)構(gòu)體40之間)。
[0031]第一 η側(cè)層11例如是η側(cè)接觸層。第一 η側(cè)層11例如包括η型GaN。第二 η側(cè)層12包括GaN。第一 η側(cè)層11的摻雜濃度高于第二 η側(cè)層12的摻雜濃度。
[0032]第二半導(dǎo)體層20例如包括P型摻雜物。例如，Mg被用作P型摻雜物。例如，Zn等可以被用作P型摻雜物。
[0033]在此例中，第二半導(dǎo)體層20包括第一 P側(cè)層21、第二 P側(cè)層22、第三ρ側(cè)層23和第四P側(cè)層24。第二 P側(cè)層22被設(shè)置在第一 P側(cè)層21和發(fā)光單元30之間。第三ρ側(cè)層23被設(shè)置在第二 ρ側(cè)層22和發(fā)光單元30之間。第四ρ側(cè)層24被設(shè)置在第三ρ側(cè)層23和發(fā)光單元30之間。第一 ρ側(cè)層21例如是ρ側(cè)接觸層。第一 ρ側(cè)層21包括具有高摻雜濃度的P型GaN。第二 ρ側(cè)層22包括ρ型GaN。第一 ρ側(cè)層21的摻雜濃度高于第二 ρ側(cè)層22的摻雜濃度。第三ρ側(cè)層23例如包括ρ型AlGaN。第四ρ側(cè)層24例如包括AlGaN。第三P側(cè)層23例如用作激子溢出抑制層。
[0034]從第一半導(dǎo)體層10向第二半導(dǎo)體層20的方向被看做是Z軸方向(堆疊方向)。
[0035]多層結(jié)構(gòu)體40包括與多個第二層(未不出)堆疊的多個第一次(未不出)。第一層沿著Z軸方向與第二層堆疊。第一層例如包括GaN，第二層例如包括InGaN。多層結(jié)構(gòu)體40例如是超晶格層。多層結(jié)構(gòu)體40可以在需要時設(shè)置，也可被省略。
[0036]在此例中進一步設(shè)有第一電極70和第二電極80。第一電極70電連接至第一半導(dǎo)體層10。第二電極80電連接至第二半導(dǎo)體層20。 [0037]在此例中，在第二半導(dǎo)體層20、發(fā)光單元30和多層結(jié)構(gòu)體40中做出溝，并且第一電極70在溝的底表面處連接至第一 η側(cè)層11。換句話說，第一半導(dǎo)體層10 (第一 η側(cè)層11)具有第一部分1a和第二部分10b。第一部分1a和第二部分1b被布置在與Z軸方向(堆疊方向)相交的平面內(nèi)。第一電極70與第一部分1a相連。發(fā)光單元30被設(shè)置在第二部分1b和第二半導(dǎo)體層20之間。
[0038]第一電極70例如包括Ti膜/Pt膜/Au膜的堆疊層。Ti膜的厚度例如為0.05 μ m。Pt膜的厚度例如為0.05 μ m。Au膜的厚度例如為1.0 μ m。
[0039]在此例中，第二電極80包括第一導(dǎo)電單元81和第二導(dǎo)電單元82。第二導(dǎo)電單元82被設(shè)置在第一導(dǎo)電單元81和第二半導(dǎo)體層20之間。第二導(dǎo)電單元82與第二半導(dǎo)體層20接觸。第二導(dǎo)電單元82例如包括透光的導(dǎo)電材料。第二導(dǎo)電單元82例如包括含有從In,Sn,Zn和Ti組成的組中選出的至少一種的氧化物。第二導(dǎo)電單元82例如包括ITO (氧化銦錫)等。第二導(dǎo)電單元82的厚度例如為0.2^。
[0040]第一導(dǎo)電單元81電連接至第二導(dǎo)電單元82。第一導(dǎo)電單元81設(shè)置在第二導(dǎo)電單元82的一部分上。第一導(dǎo)電單元81例如包括Ni膜/Au膜的堆疊層。Ni膜的厚度例如為
0.05 μ m。Au膜的厚度例如為1.0 μ m。
[0041]通過在第一電極70和第二電極80之間施加電壓而使得電流經(jīng)由第一半導(dǎo)體層10和第二半導(dǎo)體層20在發(fā)光單元30內(nèi)流動。由此，光從發(fā)光單元30中發(fā)出。發(fā)出光的峰值波長例如不小于370納米(nm)且不大于650nm。半導(dǎo)體發(fā)光元件110例如是LED。
[0042]在此例中，從發(fā)光單元30發(fā)出的光主要從第二半導(dǎo)體層20側(cè)(第二電極80側(cè))發(fā)射到外部。換句話說，第二半導(dǎo)體層20側(cè)被用作發(fā)光表面。
[0043]例如，從發(fā)光單元30發(fā)出的光可以主要從第一半導(dǎo)體層10側(cè)發(fā)射到外部。換句話說，第一半導(dǎo)體層10側(cè)被用作發(fā)光表面。
[0044]例如，在基底5上形成緩沖層6、第一半導(dǎo)體層10、多層結(jié)構(gòu)體40、發(fā)光單元30和第二半導(dǎo)體層20。通過外延生長進行形成過程。例如通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)等進行外延生長?；?可以在這些層形成之后被移除。
[0045]如圖1B中所示，發(fā)光單元30包括多個阱層32和多個勢壘層31，多個阱層32和多個勢壘層31交替堆疊。多個阱層32和多個勢壘層31沿著Z軸方向(堆疊方向)交替布置。發(fā)光單元30具有多量子阱(MQW)配置。
[0046]阱層32的帶隙能小于多個勢壘層31的帶隙能。阱層32的厚度例如小于勢壘層31的厚度。講層32的厚度例如不小于3nm且不大于6nm。勢魚層31的厚度例如不小于3nm且不大于10nm。
[0047]阱層32例如包括InwGapwN (0〈w〈l)。勢壘層31例如包括InbGa1J (O ( b〈l且b〈w)。阱層32例如包括InGaN。勢壘層31例如包括GaN。例如，勢壘層31基本上不包括In。在勢魚層31包括In的情況下,勢魚層31的In組成比低于講層32的In組成比。
[0048]例如，發(fā)光單元30包括j+Ι個勢壘層31和j個阱層32 (j是不小于2的整數(shù))。第(i+Ι)個勢壘層BL (i+Ι)被布置在第i個勢壘層BLi和第二半導(dǎo)體層20之間(i是不小于I且不大于j-Ι的整數(shù))。第(i+Ι)個阱層WL (i+Ι)被布置在第i個阱層WLi和第二半導(dǎo)體層20之間。第一勢壘層BLl被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層10和第一阱層WLl之間。第j個阱層WLj被設(shè)置在第j個勢壘層BLj和第(j+Ι)個勢壘層BL (j+Ι)之間。第(j+Ι)個勢壘層BL (j+Ι)被設(shè)置在第j個阱層WLj和第二半導(dǎo)體層20之間。
[0049]如圖1B所示，多個阱層32包括第一 ρ側(cè)阱層32a和第二 ρ側(cè)阱層32b。在多個阱層32之中，第一 ρ側(cè)阱層 32a最接近第二半導(dǎo)體層20。在多個阱層32之中，第二 ρ側(cè)阱層32b次接近第二半導(dǎo)體層20。多個阱層32還可以包括第三ρ側(cè)阱層32c。在多個阱層32之中，第三P側(cè)阱層32c第三最接近第二半導(dǎo)體層20。
[0050]第一 ρ側(cè)阱層32a對應(yīng)于第j個阱層WLj。第二 ρ側(cè)阱層32b對應(yīng)于第(j_l)個阱層WL(j-l)。第三ρ側(cè)阱層32(:對應(yīng)于第(j-2)個阱層WL(j-2)。第一阱層WLl第j接近第二半導(dǎo)體層20。在多個阱層32之中，第一阱層WLl最接近第一半導(dǎo)體層10。第一阱層WLl例如對應(yīng)于η側(cè)阱層32η。
[0051]在此實施方式中，第一 ρ側(cè)阱層32a的激子的定域能被設(shè)定為小于第二 P側(cè)阱層32b的激子的定域能。
[0052]由此，位于第一半導(dǎo)體層10側(cè)上且具有低載流子密度的阱層32 (第二 P側(cè)阱層32b)可被構(gòu)造為不會輕易受缺陷影響。由此，能夠抑制多個阱層32中每一層中的激子復(fù)合時非發(fā)光復(fù)合成分的比例。換句話說，第一半導(dǎo)體層10側(cè)上的阱層32(第二 ρ側(cè)阱層32b)的非發(fā)光復(fù)合率降低，并且內(nèi)部量子效率增加。由此，可以提高發(fā)光效率。
[0053]發(fā)光單元30的發(fā)光效率Eff例如由下述式(I)表示。
[0054]Eff=Bn2/ (An+Bn2+Cn3)(I)
[0055]在式(I)中，η是被注入的載流子密度。系數(shù)A是肖克萊里德霍爾(Shockley-Read-Hall)常數(shù)。項An對應(yīng)于發(fā)光單元30的晶體缺陷非發(fā)光過程。系數(shù)B是發(fā)光復(fù)合常數(shù)。項Bn2對應(yīng)于發(fā)光復(fù)合過程。系數(shù)C是奧格(Auger)常數(shù)。項Cn3對應(yīng)于奧格非發(fā)光過程。在此忽略載流子泄漏。式(I)中對發(fā)光復(fù)合過程有貢獻(xiàn)的項是Bn2項。
[0056]圖2A和圖2B是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。[0057]在圖2A中，水平軸是注入到發(fā)光單元30的載流子密度η的對數(shù)。在圖2Α中，垂直軸是發(fā)光效率EfT。
[0058]在圖2B中，水平軸是Z軸方向位置pz。在圖2B中，垂直軸是載流子密度η。圖2Β示出了用于多個阱層32的一部分的載流子密度η。
[0059]如圖2Α所示，發(fā)光效率Eff隨著載流子密度η改變而具有峰值。這是因為發(fā)光效率Eff由上述式(I)所表示。在圖2Α中，發(fā)光效率Eff由于其中載流子密度η低于在發(fā)光效率EfT具有峰值處的載流子密度nl的區(qū)域內(nèi)的缺陷而降低。
[0060]從圖2A中可知，存在用于獲取高發(fā)光效率Eff的合適的載流子密度η。
[0061]另一方面，如圖2Β所示，最接近第二半導(dǎo)體層20的第j個阱層WLj (第一 ρ側(cè)阱層32a)的載流子密度η高。而第二最接近第二半導(dǎo)體層20的第(j-Ι)個阱層WL (j-1)(第二 P側(cè)阱層32b)的載流子密度η低于第j個阱層WLj。第三最接近第二半導(dǎo)體層20的第(j_2)個阱層WL (j-2)(第三ρ側(cè)阱層32c)的載流子密度η更低。
[0062]例如，如圖2Α所示，通過調(diào)整在整個發(fā)光單元30內(nèi)流動的電流來獲取第j個阱層WLj的相對高的發(fā)光效率Eff。然而，在此情況下，具有較低載流子密度的第(j-Ι)個阱層WL (j-Ι)的發(fā)光效率Eff非期望地低。
[0063]于是，缺陷的影響導(dǎo)致遠(yuǎn)離ρ型第二半導(dǎo)體層20的阱層32由于載流子密度η低而使其發(fā)光效率更容易降低。
[0064]考慮式(I)中項An的系數(shù)A (Shockley-Read-Hal I常數(shù))依賴于阱層32的激子的定域能。對應(yīng)于晶體缺陷非發(fā)光過程的系數(shù)A可以通過提高阱層32的激子的定域能而降低。
[0065]例如，在激子的定域能大的情況下，載流子在阱層32的平面內(nèi)不再容易地移動。因此，最接近在阱層32中出現(xiàn)的缺陷的載流子被抑制。由此，晶體缺陷非發(fā)光過程被抑制。相反地，在激子的定域能小的情況下，載流子在阱層32的平面內(nèi)容易地移動，載流子接近缺陷，結(jié)果使得晶體缺陷非發(fā)光過程很容易發(fā)生。
[0066]圖3是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0067]在圖3中，水平軸是注入到發(fā)光單元30的載流子密度η的對數(shù)。在圖3Α中，垂直軸是發(fā)光效率。
[0068]在此實施方式中，針對多個阱層32中的每一層修改例如激子的定域能。在此例中，對第j個阱層WLj (第一 ρ側(cè)阱層32a)和第(j-Ι)個阱層WL (j-Ι)(第二 ρ側(cè)阱層32b)修改激子的定域能。因此，如圖3所示，獲取兩類曲線。
[0069]例如，修改激子的定域能以匹配每個阱層32的載流子密度n，由此獲取高發(fā)光效率Eff。由此，針對多個阱層32中的每一層獲取高發(fā)光效率EfT。
[0070]對于本實施方式中的第二 ρ側(cè)層32b，通過提高激子的定域能來抑制晶體缺陷非發(fā)光過程。由此，即便在低載流子濃度的情況下也能獲得高發(fā)光效率。另一方面，針對最接近P側(cè)的阱層32 (第一阱層32a)，減小激子的定域能。由此，獲得對應(yīng)于高載流子濃度的高發(fā)光效率。
[0071 ] 于是，根據(jù)本實施方式，能夠提供高效半導(dǎo)體發(fā)光元件。
[0072]優(yōu)選的是ρ側(cè)上第一 ρ側(cè)阱層32a的激子的定域能小于50毫電子伏特(meV)。更優(yōu)選的是小于40meV。更優(yōu)選的是小于30meV。[0073]優(yōu)選的是η側(cè)上第二 ρ側(cè)阱層32b的激子的定域能等于30meV或以上。更優(yōu)選的是等于40meV或以上。更優(yōu)選的是等于50meV或以上。
[0074]例如，其激子的定域能大于第一 ρ側(cè)阱層32a的多個阱層32的數(shù)量可以是一個或多個。至少第二 P側(cè)阱層32b的激子的定域能比第一 P側(cè)阱層32a的激子的定域能大。例如，第三P側(cè)阱層32c的激子的定域能也可以比第一 ρ側(cè)阱層32a的激子的定域能大。
[0075]例如，多個阱層32的激子的定域能可以從第一半導(dǎo)體層10側(cè)向第二半導(dǎo)體層20側(cè)降低。例如，多個阱層32的激子的定域能可以從第一半導(dǎo)體層10側(cè)向第二半導(dǎo)體層20側(cè)連續(xù)降低或階梯狀降低。
[0076]在ρ側(cè)上最接近第二半導(dǎo)體層20的第一 ρ側(cè)阱層32a的載流子密度η最高。在載流子密度較高時的發(fā)光復(fù)合概率能夠通過減小第一 P側(cè)阱層32a的這一激子的定域能而增加。
[0077]第二最接近第二半導(dǎo)體層20的第二 ρ側(cè)阱層32b的載流子密度比第一 P側(cè)阱層32a的載流子密度低得多。由此，能夠通過將第二 ρ側(cè)阱層32b的激子的定域能設(shè)為比第一P側(cè)阱層32a的激子的定域能小來抑制第二 ρ側(cè)阱層32b的非發(fā)光復(fù)合概率的增加。
[0078]例如能夠根據(jù)光致發(fā)光(PL)的積分強度的溫度依賴性確定激子的定域能。例如可以根據(jù)時間分辨的PL測量的結(jié)果確定激子的定域能。
[0079]考慮激子的定域能的大小依賴于阱層32的波動狀態(tài)?？梢酝ㄟ^控制多個阱層32中每一層的波動狀態(tài)來控制每一層的激子的定域能的水平。
[0080]例如，在阱層32的層中的In濃度分布波動大時，阱層32的激子的定域能大。在阱層32的層中的In濃度波動小的情況下，阱層32的激子的定域能小。這樣In濃度的波動例如是在直徑不大于10nm的區(qū)域中的平面內(nèi)的波動。
[0081]例如，在阱層32的厚度的波動大時，阱層32的激子的定域能大。在阱層32的厚度的波動小時，阱層32的激子的定域能小。這樣的厚度的波動例如是在直徑不大于10nm的區(qū)域中的平面內(nèi)的波動。
[0082]在本實施方式中，例如第二 ρ側(cè)阱層32b的In濃度的波動被設(shè)置為比第一 ρ側(cè)阱層32a的In濃度的波動大。例如，第二 P側(cè)阱層32b的厚度的波動被設(shè)置為比第一 ρ側(cè)阱層32a的厚度的波動大。在本實施方式中，例如第二 P側(cè)阱層32b具有從In濃度的波動比第一 P側(cè)阱層32a的In濃度的波動大、以及厚度的波動比第一 P側(cè)阱層32a的厚度的波動大之中選出的至少一種狀態(tài)。
[0083]對于阱層32，In濃度的波動或是厚度的波動能夠例如由生長發(fā)光單元30時的形成條件控制。例如，激子的定域能可由發(fā)光單元30的形成條件控制。
[0084]對于阱層32，In濃度的波動或是厚度的波動能夠例如由三維原子探針分析來確定。
[0085]圖4是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0086]圖4示出了在形成阱層32時的生長速率與該阱層32的激子的定域能之間的關(guān)系的例子。在圖4中，水平軸是生長速率GR (相對值)。垂直軸是激子的定域能Ew (meV)。在圖4的示例中，通過改變形成阱層32時所使用的源材料的供應(yīng)量而改變生長速率GR。在此例中，修改三甲基鎵(TMG)的供應(yīng)流量。
[0087]從圖4中可知，激子的定域能Ew通過改變阱層32的生長速率GR而改變。在生長速率GR高時，激子的定域能Ew小。在生長速率GR低時，激子的定域能Ew大。在此例中，獲得約41meV至約58meV的定域能Ew。
[0088]在本實施方式中，例如將第二 ρ側(cè)阱層32b的生長速率設(shè)為比第一 P側(cè)阱層32a的生長速率低(慢)。例如，通過以具有相對值I的生長速率GR形成第二 ρ側(cè)阱層32b來獲得約58meV的激子的定域能Ew。例如，通過以具有相對值3的生長速率GR形成第一 ρ側(cè)阱層32a來獲得約4ImeV的激子的定域能Ew。
[0089]圖5是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0090]圖5示出了根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件110的內(nèi)部量子效率的模擬結(jié)果的例子。在此例中，阱層32的數(shù)量是8。在此例中，多個阱層32中最接近第二半導(dǎo)體層20的第一 P側(cè)阱層32a的激子的定域能是30meV。對于其他阱層32 (7個阱層32)，激子的定域能是60meV。換句話說,在此例中,第二 ρ側(cè)講層32b的激子的定域能是60meV。
[0091]圖5還示出了第一參考例(結(jié)構(gòu)未示出)的半導(dǎo)體發(fā)光元件119a的特性。在半導(dǎo)體發(fā)光元件119a中，激子的定域能在多個阱層32之間是相同的。換句話說，激子的定域能對于所有8個阱層32都是30meV。除此之外，半導(dǎo)體發(fā)光元件119a的條件與半導(dǎo)體發(fā)光元件110的條件相同。
[0092]在圖5中，水平軸是電流密度Jc (A/cm2)。垂直軸是內(nèi)部量子效率IQE (相對值)。
[0093]從圖5中可知,對于根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光兀件110獲取的發(fā)光效率大于第一參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119a的發(fā)光效率。
[0094]這是抑制除第一 ρ側(cè)阱層32a之外的阱層32的激子的非發(fā)光復(fù)合的結(jié)果。如圖2B所述，載流子密度η隨著從多個阱層32向第二半導(dǎo)體層20的距離的增加而降低。實踐中，通過抑制第二最接近第二半導(dǎo)體層20的第二 ρ側(cè)阱層32b的激子的非發(fā)光復(fù)合來獲得
高效率。
[0095]如上所述，對于阱層32，In濃度的波動或是厚度的波動能夠例如由三維原子探針分析來確定。現(xiàn)將描述In濃度的波動的測量結(jié)果的例子。
[0096]例如，通過三維原子探針測量阱層32的In濃度的分布。對于阱層32的In濃度分布的測量區(qū)域而言，沿Z軸方向的寬度為2nm，沿X軸方向的寬度為20nm，并且沿Y軸方向的寬度為20nm。這樣的測量區(qū)域被分成多個區(qū)域。對于這多個區(qū)域中的每個區(qū)域，沿Z軸方向的寬度為2nm，沿X軸方向的寬度為2nm，并且沿Y軸方向的寬度為2nm。這樣的多個區(qū)域中的每個區(qū)域的In濃度根據(jù)In濃度分布的測量結(jié)果確定。隨后，根據(jù)多個區(qū)域中的每個區(qū)域的In濃度的值確定一個阱層32的平面內(nèi)的In濃度的波動。該波動表示為標(biāo)準(zhǔn)差δ 0
[0097]在根據(jù)該實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件110中，第8個阱層WL8(第一 ρ側(cè)阱層32a)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差δ例如為1.08atm% (原子百分?jǐn)?shù))。另一方面，第7個阱層WL7 (第二P側(cè)阱層32b)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差δ例如為1.24atm%。換句話說，第8個阱層WL8 (第一P側(cè)阱層32a)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差δ小于第7個阱層WL7 (第二 ρ側(cè)阱層32b)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差δ。這與第8個阱層WL8 (第一 ρ側(cè)阱層32a)的激子的定域能比第7個阱層WL7(第二 P側(cè)阱層32b)的激子的定域能小相對應(yīng)。
[0098]另一方面，在第一參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119a中，第8個阱層WL8(第一 ρ側(cè)阱層32a)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差δ為1.17atm%。第7個阱層WL7 (第二 ρ側(cè)阱層32b)的In濃度的標(biāo)準(zhǔn)差S為1.00atm%。在該第一參考例中，第8個阱層WL8 (第一 ρ側(cè)阱層32a)的激子的定域能不小于第7個阱層WL7 (第二 ρ側(cè)阱層32b)的激子的定域能。
[0099]現(xiàn)將描述一種用于制造根據(jù)該實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件110的方法的例子。
[0100]例如，可以進行c平面藍(lán)寶石基底5的有機清洗和酸清洗。基底5被放置在MPCVD裝置的反應(yīng)室內(nèi)，并在該反應(yīng)室的基座上被加熱到約1100°c。由此移除基底5的前表面的氧化膜。
[0101]在基底5的主表面(c平面)上生長30nm厚的緩沖層6。隨后，在緩沖層6上生長3 μ m厚的用于形成第二 η側(cè)層12的無摻雜GaN層。隨后,在第二 η側(cè)層12上生長2 μ m厚的用于形成第一 η側(cè)層11的摻雜了 Si的GaN層。
[0102]通過在第一 η側(cè)層11上交替堆疊第一層和第二層形成多層結(jié)構(gòu)體40。第一層包括InxGa^N (O≤ χ〈1 )，第二層包括InyGai_yN (0〈y〈l且x〈y)。第一層和第二層的堆疊數(shù)(周期)例如為30。
[0103]在多層結(jié)構(gòu)體40上形成發(fā)光單元30。在此例中，交替堆疊8周期的勢壘層31和阱層32。形成5nm厚的GaN層作為勢壘層31。形成3nm厚的InGaN層作為阱層32。阱層32的In成分比為0.13。該In成分比是InwGai_wN (0<w<l)的W。存在阱層32的In濃度出現(xiàn)波動的情況。In成分比是阱層32的In濃度的平均值。存在阱層32的厚度存在波動的情況。上述阱層32的厚度值是阱層32的厚度的平均值。
[0104]在8個阱層32中，在第一半導(dǎo)體層10側(cè)上形成7個阱層32的生長速率GR具有相對值3(參見圖5)。在8 個阱層32中，最接近第二半導(dǎo)體層20形成第一 ρ側(cè)阱層32a的生長速率GR具有相對值I (參見圖5)。由此，在8個阱層32中，第一半導(dǎo)體層10側(cè)上的7個阱層32的激子的定域能例如是約60meV。在8個阱層32中，最接近第二半導(dǎo)體層20的第一 P側(cè)講層32a的激子的定域能例如是約40meV。
[0105]在發(fā)光單元30上順序形成第四P側(cè)層24、第三ρ側(cè)層23、第二 ρ側(cè)層22和第一P側(cè)層21。形成Al成分比為0.003且厚度為5nm的AlGaN層作為第四P側(cè)層24。形成Al成分比為0.1且厚度為1nm的摻雜了 Mg的AlGaN層作為第三ρ側(cè)層23。形成厚度為80nm的摻雜了 Mg的ρ型GaN層作為第二 ρ側(cè)層22。第二 ρ側(cè)層22的Mg濃度為約2 X 1019/cm3。形成厚度為1nm的高濃度摻雜了 Mg的GaN層作為第一 ρ側(cè)層21。第一 ρ側(cè)層21的Mg濃度為約 I X 12Vcm3。
[0106]隨后，從MOCVD裝置的反應(yīng)室中移除在其上生長上述半導(dǎo)體堆疊體的基底5。
[0107]半導(dǎo)體堆疊體的一部分通過干法蝕刻移除。由此，暴露出第一η側(cè)層11的一部分。在暴露出的第一 η側(cè)層11上形成Ti膜/Pt膜/Au膜的第一電極70。另一方面，在第一 ρ側(cè)層21上形成用于形成第二導(dǎo)電單元82的ITO膜。在第二導(dǎo)電單元82上形成Ni膜/Au膜的第一導(dǎo)電單元81。第一導(dǎo)電單元81的平面圖案例如是直徑80 μ m的圓。
[0108]于是，半導(dǎo)體發(fā)光元件110被形成。
[0109]另一方面，參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件也通過其中使用相同條件形成全部8個阱層32的上述制造方法來制成。對于第二參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件11%而言(結(jié)構(gòu)未示出)，8個阱層的激子的定域能是40meV。對于第三參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119c而言(結(jié)構(gòu)未示出)，8個阱層的激子的定域能是60meV。
[0110]從半導(dǎo)體發(fā)光元件110、119b和119c發(fā)出的主波長(峰值波長)為約450nm。換句話說，這些半導(dǎo)體發(fā)光元件是發(fā)藍(lán)光的LED。
[0111]現(xiàn)將描述這些半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的測量結(jié)果的例子。
[0112]圖6是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的曲線圖。
[0113]圖6示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件110、119b和119c的外部量子效率的評估結(jié)果。在圖6中，水平軸是電流Ic (mA)。垂直軸是外部量子效率EQE (相對值)。
[0114]從圖6中可知，針對根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件110獲得的外部量子效率比第二參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119b和第三參考例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119c高。
[0115]由此，根據(jù)本實施方式獲得了高效半導(dǎo)體發(fā)光元件。
[0116]第二實施方式
[0117]本實施方式涉及一種制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
[0118]圖7是示出了根據(jù)第二實施方式的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的流程圖。
[0119]如圖7所示，根據(jù)本實施方式的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法包括形成含有氮化物半導(dǎo)體的η型第一半導(dǎo)體層10的處理(步驟SI 10)。
[0120]該制造方法還包括通過在第一半導(dǎo)體層10上交替堆疊多個阱層32和多個勢壘層31來形成包括多個阱層32和多個勢壘層31的發(fā)光單元30的處理(步驟S120)。
[0121]該制造方法還包括在發(fā)光單元30上形成包括氮化物半導(dǎo)體的P型第二半導(dǎo)體層20的處理(步驟S130)。
[0122]多個阱層32包括最接近第二半導(dǎo)體層20的第一 ρ側(cè)阱層32a、以及第二最接近第二半導(dǎo)體層20的第二 ρ側(cè)講層32b。在該制造方法中,第一 ρ側(cè)講層32a的激子的定域能被設(shè)置為比第二 P側(cè)阱層32b的激子的定域能小。
[0123]例如，第二 ρ側(cè)阱層32b的生長速率GR比第一 ρ側(cè)阱層32a的生長速率慢。
[0124]由此，載流子密度相對低，并且對于第一半導(dǎo)體層10側(cè)上的阱層32還獲取高效率。根據(jù)本實施方式，能夠提供一種制造高效半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
[0125]例如，第二 ρ側(cè)阱層32b的生長速率不小于第一 P側(cè)阱層32a的生長速率的1/10并且不大于第一 P側(cè)阱層32a的生長速率的1/2。例如，第二 P側(cè)阱層32b的生長速率可以不小于第一 P側(cè)阱層32a的生長速率的1/5并且不大于第一 ρ側(cè)阱層32a的生長速率的2/5。
[0126]例如，多個阱層32的堆疊可以通過供給V族元素(例如，氮)和III族元素(例如，Ga、In等)來進行。例如，供給氨氣作為包括V族元素的原材料。例如，供給三甲基鎵(TMG)作為包括III族元素的原材料。例如,可以供給三甲基銦(TMI)作為包括III族元素的原材料。
[0127]例如，形成第二 ρ側(cè)阱層32b的V/III比(V族元素的供給量與III族元素的供給量之比)高于形成第一 P側(cè)阱層32a的V/III比。V/III比例如可以是TMG氣的供給量與氨氣的供給量之比。
[0128]例如，形成第二 ρ側(cè)阱層32b的V族元素的供給量可被設(shè)為與形成第一 P側(cè)阱層32a的V族元素的供給量相同。在此情況下，例如，形成第二 ρ側(cè)阱層32b的III族元素的供給量被設(shè)為比形成第一 P側(cè)阱層32a的III族元素的供給量小。
[0129]由此，第一 ρ側(cè)阱層32a的激子的定域能被設(shè)置為小于第二 P側(cè)阱層32b的激子的定域能。[0130]例如，第二 ρ側(cè)阱層32b的In濃度的波動比第一 P側(cè)阱層32a的In濃度的波動大。例如，第二 P側(cè)阱層32b的厚度在第二 ρ側(cè)阱層32b的平面中的波動比第一 ρ側(cè)阱層32a的厚度在第一 ρ側(cè)阱層32a的平面中的波動大。
[0131]根據(jù)本實施方式，能夠提供一種高效半導(dǎo)體發(fā)光元件以及用于制造該半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
[0132]在本說明書中，“氮化物半導(dǎo)體”包括化學(xué)式BxInyAlzGai_x_y_zN(0<叉<1，0<7<1，0<2<1,且x+y+z ( I)中組成比x, y和z各自在范圍內(nèi)改變的所有半導(dǎo)體組成?！暗锇雽?dǎo)體”還包括上述化學(xué)式中N (氮)以外的V族元素、被添加以控制諸如導(dǎo)電類型之類的各種屬性的各元素、以及被無意包括的各元素。
[0133]在本申請的說明書中，“垂直”和“平行”不僅指代嚴(yán)格垂直和嚴(yán)格平行，而是例如還包括由于制造工藝導(dǎo)致的波動等。大體上垂直和大體上平行即可。
[0134]至此，參考具體例子描述了本發(fā)明的各實施方式。然而，本發(fā)明不限于這些具體例子。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過從現(xiàn)有技術(shù)中適當(dāng)選擇包括在半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)的各要素(例如，第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、發(fā)光單元、阱層、勢壘層、第一電極、第二電極等)的具體構(gòu)造來實踐本發(fā)明，并且這些實踐落入限于獲得類似效果的本發(fā)明范圍內(nèi)。
[0135]此外，具體例子中任意兩個或以上的要素可以在技術(shù)可行性的范圍內(nèi)組合，并且被包括在其中涵蓋本發(fā)明要旨的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0136]此外，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明上述實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件、半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法而做出的適當(dāng)設(shè)計修改實踐的所有半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法也位于其中涵蓋本發(fā)明精神的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0137]本領(lǐng)域技術(shù)人員還能夠設(shè)想本發(fā)明精神范圍內(nèi)的各種其他變化和修改，并且應(yīng)該理解這些變化和修改也被涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0138]雖然已經(jīng)描述了特定實施方式，但是這些實施方式僅作為例子呈現(xiàn)，而非旨在限制本發(fā)明的范圍。在此描述的新穎實施方式的確能夠以各種其他形式具體化，此外，可以對在此描述的各實施方式形式做出各種省略、替換和改變而不背離本發(fā)明的精神。所附權(quán)利要求及其等效方案旨在覆蓋落入本發(fā)明范圍和精神內(nèi)的這些形式或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括: 包括氮化物半導(dǎo)體的η型第一半導(dǎo)體層； 包括氮化物半導(dǎo)體的P型第二半導(dǎo)體層；以及 設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層之間的發(fā)光單元，所述發(fā)光單元包括多個阱層和多個勢壘層，所述多個阱層與所述多個勢壘層交替堆疊， 所述阱層包括最接近所述第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近所述第二半導(dǎo)體層的所述第二 P側(cè)阱層， 所述第一 P側(cè)阱層的激子的定域能小于所述第二 P側(cè)阱層的激子的定域能。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第一P側(cè)阱層的厚度不小于3納米且不大于6納米，并且所述第二 P側(cè)阱層的厚度不小于3納米且不大于6納米。
3.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第一P側(cè)阱層的激子的定域能小于30毫電子伏特。
4.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的激子的定域能不小于50毫電子伏特。
5.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的激子的定域能不小于40毫電子伏特。
6.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的激子的定域能不小于30毫電子伏特。
7.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第一P側(cè)阱層的激子的定域能小于40毫電子伏特。
8.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第一P側(cè)阱層的激子的定域能小于50毫電子伏特。
9.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的In濃度的波動大于所述第一 P側(cè)阱層的In濃度的波動。
10.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的厚度在所述第二 P側(cè)阱層的平面中的波動比所述第一 P側(cè)阱層的厚度在所第一 P側(cè)阱層的平面中的波動大。
11.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述阱層的激子的定域能從所述第一半導(dǎo)體層側(cè)向所述第二半導(dǎo)體層側(cè)降低。
12.如權(quán)利要求1所述的元件，其中所述第二P側(cè)阱層的生長速率比所述第一P側(cè)阱層的生長速率低。
13.一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，包括: 形成包括氮化物半導(dǎo)體的η型第一半導(dǎo)體層； 通過在所述第一半導(dǎo)體層上交替堆疊阱層和勢壘層來形成包括多個阱層和多個勢壘層的發(fā)光單元；以及 在所述發(fā)光單元上形成包括氮化物半導(dǎo)體的P型第二半導(dǎo)體層， 所述阱層包括最接近所述第二半導(dǎo)體層的第一 P側(cè)阱層、以及第二最接近所述第二半導(dǎo)體層的所述第二 P側(cè)阱層， 所述第一 P側(cè)阱層的激子的定域能小于所述第二 P側(cè)阱層的激子的定域能。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二P側(cè)阱層的生長速率比所述第一 P側(cè)阱層的生長速率低。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二P側(cè)阱層的生長速率不小于第一 P側(cè)阱層生長速率的1/10并且不大于第一 P側(cè)阱層生長速率的1/2。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二P側(cè)阱層的生長速率不小于第一 P側(cè)阱層生長速率的1/5并且不大于第一 P側(cè)阱層生長速率的2/5。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中 通過供給V族元素和III族元素進行所述阱層的堆疊，并且 在所述第二 P側(cè)阱層形成中的V族元素的供給量與III族元素的供給量之比高于在所述第一 P側(cè)阱層形成中的V族元素的供給量與III族元素的供給量之比。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中 通過供給V族元素和III族元素進行所述阱層的堆疊， 在所述第二 P側(cè)阱層的形成中的V族元素的供給量與在所述第一 P側(cè)阱層的形成中的V族元素的供給量相同，并且 在所述第二P側(cè)阱層的形成中的III族元素的供給量小于在所述第一P側(cè)阱層的形成中的III族元素的供給量。
19.如權(quán)利要求13所 述的方法，其中所述第二P側(cè)阱層的In濃度的波動大于所述第一P側(cè)阱層的In濃度的波動。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二P側(cè)阱層的厚度在所述第二 P側(cè)阱層的平面中的波動比所述第一 P側(cè)阱層的厚度在第一 P側(cè)阱層的平面中的波動大。
【文檔編號】H01L33/06GK104037286SQ201410080036
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】木村重哉, 名古肇, 布上真也 申請人:株式會社東芝