專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等發(fā)光元件，太陽能電池、光傳感器等受光元件或者晶體管、功率器件等電子器件的氮化物半導(dǎo)體元件，特別是發(fā)光峰值波長在450～540nm范圍的量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光元件的改良，以達(dá)到降低驅(qū)動(dòng)電壓或提高發(fā)光輸出的目的。
特別是由于多量子阱結(jié)構(gòu)具有由多個(gè)微小能帶組成的結(jié)構(gòu)、效率高、即使在小電流下也能發(fā)光，因此，期待它能比單量子阱結(jié)構(gòu)在更高發(fā)光輸出等元件特性方面進(jìn)一步提高。
作為利用這種多量子阱結(jié)構(gòu)有源層的LED元件，如在特開平10-135514號(hào)公報(bào)所展示的那樣，為獲得良好的發(fā)光效率和發(fā)光輸出，將由未摻雜GaN組成的勢壘層和未摻雜InGaN組成的量子阱層疊層生長構(gòu)成的多量子阱發(fā)光層，用具有比發(fā)光層的勢壘層禁帶寬度更寬的包層將發(fā)光層挾在中間形成了氮化物半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明的目的是提供一種采用量子阱結(jié)構(gòu)的有源層、即使層數(shù)很多正向電壓也不上升的氮化物半導(dǎo)體元件，特別是能提供提高發(fā)光效率的高發(fā)光輸出的氮化物半導(dǎo)體元件。
發(fā)明人在對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)氮化物半導(dǎo)體元件、特別是對(duì)多量子阱結(jié)構(gòu)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)光現(xiàn)象的銳意研討中發(fā)現(xiàn)有源層中電子與空穴的復(fù)合僅發(fā)生在接近P型半導(dǎo)體層一側(cè)的量子阱層中，而在接近n型半導(dǎo)體層的量子阱層處電子與空穴復(fù)合的幾率很小，因而，并未充分發(fā)揮其作為發(fā)光層的功能，如果在難于發(fā)揮發(fā)光層功能的量子阱層一側(cè)摻雜n型雜質(zhì)、提高載流子濃度，就能降低正向電壓、提高發(fā)光效率。
在有關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上、在n型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間具有由量子阱層和勢壘層疊層生長而成、包含n型雜質(zhì)有源層的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征是本發(fā)明提出了在所述有源層的疊層中、至少與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層以及/或者量子阱層是包含n型雜質(zhì)的層的氮化物半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明中，由于這種n型雜質(zhì)、有源層被補(bǔ)充從n型層的施主的供給、得到發(fā)光輸出高的氮化半導(dǎo)體元件。就我們的知識(shí)所見，直到滿足后述(1)式條件的層為止、因n型雜質(zhì)摻雜就能夠獲得高發(fā)光輸出的氮化物半導(dǎo)體元件。含n型雜質(zhì)層超過式(1)的范圍時(shí)、該層及在其上疊層生長層的結(jié)晶性變壞、發(fā)光輸出也變壞。
因此、本發(fā)明中提供的氮化物半導(dǎo)體元件、所述有源層是多量子阱結(jié)構(gòu)、當(dāng)所述有源層的疊層總數(shù)為i層時(shí)、從疊層中滿足下式的與n型氮化物半導(dǎo)體層接觸一側(cè)數(shù)起到j(luò)層為止的任一層中含有n型雜質(zhì)。
j＝i/6+2(但是、i≥4、j是舍掉小數(shù)的整數(shù)) (1)此外，在本發(fā)明中所謂的含n型雜質(zhì)層基本意思是有意識(shí)的摻雜n型雜質(zhì)的層，n型雜質(zhì)濃度最好是5×1016～2×1018/cm3。因相鄰層或別的層中所含n型雜質(zhì)的擴(kuò)散而含有n型雜質(zhì)的情況、因原料或者裝置污染混入雜質(zhì)的層不是有意識(shí)的摻雜，但是當(dāng)含有的n型雜質(zhì)在所述濃度范圍的情況時(shí)、也包含在含n型雜層中。
為使與所述有源層疊層中所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層以及/或者量子阱層發(fā)揮作為通常的有源層的功能、最好是不含n型雜質(zhì)的層。在與所述有意識(shí)摻雜濃度區(qū)域的關(guān)系中、不含n型雜質(zhì)的意思是不足5×1016/cm3的濃度范圍。
當(dāng)與本發(fā)明相關(guān)的氮化物半導(dǎo)體元件的有源層是量子阱層的兩側(cè)被勢壘層挾持的單量子阱結(jié)構(gòu)情況時(shí)，最好與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層含n型雜質(zhì)、而與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層不含n型雜質(zhì)。
另一方面，當(dāng)與本發(fā)明相關(guān)的氮化物半導(dǎo)體元件的有源層是量子阱層與勢壘層交互疊層而成的多量子阱結(jié)構(gòu)情況時(shí)、與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層以及/或者量子阱層最好含有n型雜質(zhì)、而與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層以及/或者量子阱層不含n型雜質(zhì)。
特別是，所述有源層的疊層總數(shù)是大于9層小于15層的情況時(shí)、從與含n型雜質(zhì)的n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)數(shù)起小于4層、最好是小于3層。
還有，發(fā)光或者受光的峰值波長是450～540nm、最好是490～510nm的氮化物半導(dǎo)體元件中、所述有源層的量子阱層由InXGa1-XN(但是、0＜X＜1)構(gòu)成，1n克分子(量)比比較大，量子阱層的結(jié)晶性降低、各層的發(fā)光效率降低。即使增加層數(shù)、由于本發(fā)明增加下層的載流子濃度就可以不增加正向電壓而使整體的發(fā)光效率提高。
本發(fā)明中，所述n型雜質(zhì)至少是Si、Ge、Sn中的一種，最好是Si。
本發(fā)明中，所述有源層中含有的n型雜質(zhì)的濃度最好小于在n型氮化物半導(dǎo)體層中有意識(shí)摻雜的n型雜質(zhì)濃度，即使所述有源層中含有的n型雜質(zhì)的濃度一樣，隨著與n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)逐漸變遠(yuǎn)也可以不斷減少。
通常，雖然所述有源層中含有的n型雜質(zhì)濃度被調(diào)整在5×1016～2×1018/cm3，也可以調(diào)整所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度以及量子阱層中含有的n型雜質(zhì)的濃度二者中的一方或雙方。在雙方都含有n型雜質(zhì)的情況下，最好使所述有源層的量子阱層中含有的n型雜質(zhì)濃度小于勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度。因此，一方面所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度是5×1016～2×1018/cm3，在量子阱層中含有的n型雜質(zhì)的濃度有時(shí)不足5×1016cm3，比所述有源層的勢壘層中包含的n型雜質(zhì)的濃度還低。
在本發(fā)明中，與所述有源層的所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或量子阱層的膜厚比與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層膜厚厚時(shí)、構(gòu)成適于高輸出用氮化物半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)。另一方面，與所述有源層中所述n型氮化半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚比與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)不含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層膜厚薄時(shí)、成為能在更低驅(qū)動(dòng)電壓下工作的理想的氮化物半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明以特別適用于藍(lán)綠系列多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光元件而獲得顯著的效果，既適用于具有多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件又能減少正向電壓。因此，本發(fā)明也提供在n型氮化物半導(dǎo)體層與P型氮化物半導(dǎo)體層之間具有由量子阱層和勢壘層疊層生長而成的有源層、所述有源層中的量子阱層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)構(gòu)成，它是發(fā)光峰值波長在470～530nm的發(fā)光元件、所述有源層的疊層總數(shù)大于9層小于13層、從與n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)開始數(shù)起3層以下的層中含有從Si、Ge、Sn組成的群中選出的n型雜質(zhì)5×1016～2×1018/cm3的發(fā)光元件。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式中，當(dāng)與所述有源層中的所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚比與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚大時(shí)，成為高輸出用發(fā)光元件，而當(dāng)與所述有源層中的所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚比與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚小時(shí)，就成為能在低驅(qū)動(dòng)電壓下工作的發(fā)光元件。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式中，所述n型雜質(zhì)用的是Si，所述有源層的量子阱層由InxGa1-xN(但是0＜x＜1)構(gòu)成，最適用于發(fā)光峰值波長在490～510nm范圍的發(fā)光元件。
所述有源層的勢壘層最好由InyGa1-yN(但是、0≤y＜1、y＜x)或者AlGaN化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，具體的說能提供InGaN/GaN、InGaN/InGaN或者InGaN/AlGaN的組合。
最佳實(shí)施方式中，所述有源層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)/InyG1-yN(但是、0≤y＜1，y＜x)或者AlGaN的多量子阱層組成，形成在n型多層膜上，所述多層膜作為由不摻雜n型雜質(zhì)的InzGa1-zN(但是、0＜z＜1)/GaN疊層或者AlwGa1-wN/GaN(但是、0＜w＜1)疊層組成的緩沖超晶格層形成能提高所述有源層的結(jié)晶性。希望在多層膜和有源層上同時(shí)制作GaN的情況下，所述緩沖超晶格GaN層的厚度小于70，所述有源層的勢壘層InyGa1-yN(但是、0≤y＜1，y＜x)的厚度大于70，因?yàn)镚aN層的膜厚從小的區(qū)域變化向大的區(qū)域，能夠區(qū)分緩沖超晶格區(qū)域和有源區(qū)域。
另一方面，所述有源層也可以形成的n型包層上，這種情況下、n型包層最好由多層膜構(gòu)成，含有n型雜質(zhì)、能夠由比所述有源層的量子阱層禁帶寬度能量大的InzGa1-zN(但是、0＜z＜1，z＜y)層或者AlwGa1-wN(但是0＜w＜1)層和GaN層的疊層形成。n型包層由多層膜形成時(shí)、所述有源層區(qū)域能夠特別的用n型雜質(zhì)濃度識(shí)別。也就是說，這是因?yàn)楫?dāng)所述有源層及n型包層中所含雜質(zhì)是Si時(shí)，一方面所述有源層疊層中含有的Si濃度是5×1016～2×1018/cm3，而在n型包層的疊層中含有的Si濃度大于5×1017/cm3，而且比所述有源層的Si濃度還要多。
以下，用

圖1所示的顯示本發(fā)明一種實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體元件模式斷面圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1示出在襯底1上順序疊層生長緩沖層2、未摻雜GaN層3、由Si摻雜的GaN組成的n型接觸層4、n型第1多層膜5、n型第2多層膜6、由InGaN/GaN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)有源層7、p型多層膜8，由Mg摻雜GaN組成的P型接觸層9、由此形成的氮化物半導(dǎo)體元件。構(gòu)成所述n型多層膜6及P型多層膜8的各自的氮化物半導(dǎo)體的組成、以及/或者層數(shù)因n型與P型而不同。
在本發(fā)明實(shí)施方式中，有源層采用順序疊層生長阱層和勢壘層的多層膜結(jié)構(gòu)多量子阱結(jié)構(gòu)，它的最小疊層結(jié)構(gòu)是由1個(gè)勢壘層和設(shè)在勢壘層兩側(cè)的兩個(gè)阱層組成的三層結(jié)構(gòu)或者由1個(gè)阱層和設(shè)在它兩側(cè)的兩個(gè)勢壘層組成的3層結(jié)構(gòu)。在多量子阱結(jié)構(gòu)中、兩側(cè)的兩個(gè)最外層分別由阱層或者勢壘層構(gòu)成，也可以是一方的最外層是阱層而另一方的最外層由勢壘層構(gòu)成。還有，多量子阱結(jié)構(gòu)在P層一側(cè)用勢壘層終結(jié)也可以、用阱層終結(jié)也可以。
在這種多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層中，雖然阱層以及勢壘層能夠用含In和Ga的氮化物半導(dǎo)體(最好是InGaN)形成二者，也可以用含In和Ga的氮化物半導(dǎo)體(最好是InGaN)、GaN形成阱層，用AIN、GaN形成勢壘層。例如，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成的有源層的阱層，應(yīng)用至少含In的氮化物半導(dǎo)體，最好采用InXGa1-XN(0＜X＜1)。另一方面，勢壘層選用禁帶寬度能量比阱層大的氮化物半導(dǎo)體，最好采用InyGa1-yN(0≤Y＜1，X＞Y)或者AlZGa1-ZN(0＜Z＜0.5)。
有源層中包含的n型雜質(zhì)能夠采用Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等IV族或者VI族元素，理想的是采用Si、Ge、Sn、進(jìn)一步說最理想的是用Si。
本發(fā)明中有源層中的n型雜質(zhì)濃度n型層一側(cè)比P型一側(cè)大、更理想的是從與n型氮化物半導(dǎo)體連接的層數(shù)起到滿足所述(1)式的層為止都含有n型雜質(zhì)。所謂的「n型雜質(zhì)濃度n型層一側(cè)比P型層一側(cè)大」舉例來說是指如果有源層是阱層與勢壘層交互疊層生長由合計(jì)11層組成的多量子阱的情況，是說在n層一側(cè)的6層內(nèi)含n型雜質(zhì)、P型層一側(cè)的5層內(nèi)不含n型雜質(zhì)的情況或者n層側(cè)的6層內(nèi)僅阱層含n型雜質(zhì)，如果n層一側(cè)n型雜質(zhì)含量多的話，這個(gè)層數(shù)和含n型雜質(zhì)的層數(shù)也可以改變。
本發(fā)明中、有源層的總膜厚沒有特別的限制，阱層和勢壘層疊層形成的總膜厚具體說是500～5000埃，最好是1000～3000埃。有源層總膜厚如果是所述范圍內(nèi)、從發(fā)光輸出以及有源層晶體生長所需時(shí)間看是理想的。
構(gòu)成有源層多量子阱結(jié)構(gòu)的單一勢壘層的膜厚是70～500埃，理想的是100～300埃。如果勢壘層單一層膜厚是所述范圍的話，能提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低Vf、減小漏電流、比較理想。
還有，有源層中阱層的單一膜厚小于100埃、理想的是70埃，更理想的是小于50埃。阱層的單一膜厚的下限沒有特別限制，理想的是大于10埃。阱層的單一膜厚如果是在所述范圍，從提高發(fā)光輸出以及減少發(fā)光光譜半高寬看是理想的。
在有源層中包含的n型雜質(zhì)濃度小于n型接觸層中摻雜的Si的摻雜量，理想的是在5×1016cm3～1×1019/cm3、更理想的是5×1016cm3～5×1018/cm3，最理想的是在5×1016cm3～2×1018/cm3范圍內(nèi)調(diào)整。如果n型雜質(zhì)的濃度是在所述范圍內(nèi)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率不降低、看不到I-V特性中漏電流的增加、Vf能降低是理想的。
還有、本發(fā)明中，作為有源層以外的器件結(jié)構(gòu)沒有特別的限制，可以用各種層結(jié)構(gòu)。作為器件結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式
可以舉出下面實(shí)施例中所述的器件結(jié)構(gòu)。還有、電極等也沒有特別限定，可以用各種電極。
反應(yīng)結(jié)束后、將溫度降到室溫，進(jìn)一步在氮?dú)夥罩?、將晶片在反?yīng)容器內(nèi)在700℃下進(jìn)行退火，使P型層進(jìn)一步低電阻化。
退火后、將晶片從反容器中取出，在最上層的P型接觸層9的表面上形成規(guī)定形狀的掩膜、用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)裝置從P型接觸層一側(cè)開始進(jìn)行刻蝕、如圖1所示，使n型接觸層4的表面露出。
刻蝕后、在最上層的P型接觸層的幾乎整個(gè)面上形成膜厚200埃的含Ni和Au的透光性P電極10，在刻蝕后露出的n型接觸層4表面上形成含W和Al的n電極11，從而形成LED元件。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光，Vf 3.4V、發(fā)光輸出6.5mW。[實(shí)施例2]在實(shí)施例1中、有源層7按下述方法制作、其他相同，這樣制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生長膜厚為200埃的、由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著在800℃溫度下，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨，硅烷氣體生長膜厚為30埃、Si摻雜為5×1017/cm3的由In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步、生長200埃由未摻雜GaN組成的勢壘層，由30埃Si摻雜5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻的勢壘層11層和阱層10層，阱層的最初2層摻雜Si、剩余8層未摻雜、總數(shù)21層、總膜厚2500埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，由該多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf 3.4V、得到6.4mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例3]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生長膜厚為200埃、由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著將溫度定為800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨、硅烷氣體生長膜厚為30埃、由Si摻雜5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長膜厚為200埃的由未摻雜GaN組成的勢壘層和膜厚為30埃的由未摻雜In0.3Ga0.7N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻雜勢壘層6層和阱層5層、僅僅最初1層阱層摻雜Si、剩下的4層阱層未摻雜，總層數(shù)為11層、總厚度為1350埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.4V、得到6.3mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例4]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生成膜厚為200埃的、由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著將溫度定為800℃，進(jìn)一步使用TMG、TMI、氨、硅烷氣體生長膜厚為30埃的、由摻雜Si 5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長200埃由未摻雜GaN組成的勢壘層和膜厚為30埃的由未摻雜In0.3Ga0.7N組成阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻雜的勢壘層3層阱層2層，僅最初1層阱層摻Si、剩下1層阱層未摻雜、總層數(shù)5層、總膜厚660埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.4V、得到6.2mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例5]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同、由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨、硅烷氣體生長膜厚200埃、由Si摻雜5×1017/cm3的GaN組成的勢壘層，接著將溫度定在800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨生長膜厚為30埃的由未摻雜In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長膜厚為200埃、由摻雜Si 5×1017/cm3GaN組成的勢壘層和厚度為30埃、由摻雜Si 5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱+……+勢壘的順序交互疊層生長勢壘層16層和阱層15層，勢壘層僅最初3層摻雜Si、剩余13層未摻雜，15層阱層中僅最初3層摻雜Si、剩余12層未摻雜，總數(shù)為31層、總膜層為3650埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下、顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.6V、得到6.4mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例6]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨、硅烷氣體生長膜厚200埃、由Si摻雜5×1017/cm3GaN組成的勢壘層，接著將溫度定在800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨和硅烷氣體生長膜厚30埃的由Si摻雜5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長由Si摻雜5×1017/cm3GaN組成的勢壘層200埃和由硅摻雜5×1017/cm3In0.3Ga0.7N組成的阱層30埃。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長勢壘層16層和阱層15層，總數(shù)31層，總膜厚3650埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，16層勢壘層中僅最初的3層摻雜Si、剩余的13層未摻雜，15層阱層中僅最初的3層摻雜Si、剩余的12層未摻雜，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.6V、得到6.2mW發(fā)光輸出。[實(shí)施例7]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨、硅烷氣體生長膜厚200埃、由Si摻雜5×1017/cm3GaN組成的勢壘層，接著將溫度定在800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨和硅烷氣體生長膜厚30埃的由Si摻雜5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長由Si摻雜5×1017/cm3GaN組成的勢壘層200埃和由硅摻雜5×1017/cm3In0.3Ga0.7N組成的阱層30埃。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長勢壘層11層和阱層10層，總數(shù)21層，總膜厚3650埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，11層勢壘層中僅最初的2層摻雜Si、剩余的9層未摻雜，10層阱層中僅最初的2層摻雜Si、剩余的8層未摻雜，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.6V，得到6.2mW發(fā)光輸出。[實(shí)施例8]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其他相同，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨、硅烷氣體生長膜厚200埃、由Si摻雜5×1017/cm3GaN組成的勢壘層，接著將溫度定在800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨和硅烷氣體生長膜厚30埃、由Si摻雜5×1017/cm3In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長由未摻雜GaN組成的勢壘層200埃和由未摻雜In0.3Ga0.7N組成的阱層30埃。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長勢壘層11層和阱層10層，總數(shù)21層、總膜厚3650埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，11層勢壘層中僅最初的1層摻雜Si、剩余的9層未摻雜，10層阱層中僅最初的1層摻雜Si、剩余的8層未摻雜，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.6V、得到6.0mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例9]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其它相同，由此制作LED元件。(有源層7)
使用TMG、氨、硅烷氣體生長膜厚為200埃、由Si摻雜5×1017/cm3的GaN組成的勢壘層，接著將溫度定在800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨生長膜厚30埃、由未摻雜In0.3Ga0.7N組成的阱層，進(jìn)一步生長200埃、由未摻雜GaN組成的勢壘層，生長由單量子阱結(jié)構(gòu)組成的有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.4V、得到5.6mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例10]在實(shí)施例1中，到n型接觸層4為止制作方法相同。(第2未摻雜GaN層5)其次，僅僅停止硅烷氣體，在1050℃下同樣生長膜厚1500埃的第2未摻雜GaN層5。(n型多層膜6)再次，將溫度定在800℃，用TMG、TMI、氨生長由未摻雜In0.03Ga0.97N組成的第2氮化物半導(dǎo)體層20埃、接著使溫度升高，在它上面生長由未摻雜GaN組成的第1氮化物半導(dǎo)體層40埃。而且、反復(fù)進(jìn)行這些操作、按照第2+第1的順序交互疊層生長各10層、最后生長由GaN組成的第2氮化物半導(dǎo)體層40埃，由這樣生長的超晶格結(jié)構(gòu)多層膜組成膜厚640埃的n型多層膜6。
有源層7以下與實(shí)施例1一樣、由此制作LED元件。由于在n型接觸層和有源層之間設(shè)有所述n側(cè)第1多層膜5和n側(cè)第2多層膜6、能夠得到更加良好的靜電耐壓。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm藍(lán)色發(fā)光、Vf3.6V，得到6.5mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例11]在實(shí)施例1中，省略了第2未摻雜GaN層5，n型多層膜6，其它一樣、由此制作LED元件。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.8V，得到6.2mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例12]在實(shí)施例1中、在P型多層膜8和P型接觸層9之間形成如下一層。(P型未摻雜AlGaN層)在形成P型多層膜后，形成膜厚為2000埃的未摻雜Al0.05Ga0.95N層。由于從P型多層膜層8的Mg的擴(kuò)散該層包含P型雜質(zhì)、顯示P型。
該LED元件與實(shí)施例1一樣，在正向電壓20mA下，顯示470nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf3.4V，得到6.5mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例13]在實(shí)施例3中，有源層7按以下方法制作其它一樣、由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生長膜厚為200埃的由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著把溫度定為800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨、硅烷氣體生長膜厚為30埃的由Si摻雜5×1017/cm3In0.35Ga0.65N組成的阱層。進(jìn)一步生長由未摻雜GaN組成的勢壘層200埃和膜厚30埃、由未摻雜In0.35Ga0.65N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻雜的勢壘層6層和阱層5層，總數(shù)11層，總膜厚1350埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，5層阱層中僅最初的1層摻雜Si，其余4層未摻雜。由這樣的多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA下，顯示500nm的藍(lán)色發(fā)光、Vf 3.8V，得到5.2mW的發(fā)光輸出。[實(shí)施例14]在實(shí)施例1中，有源層7按以下方法制作、其他一樣，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生長膜厚200埃、由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著將溫度定為800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨、硅烷氣體生長膜厚30埃、由Si摻雜5×1017/cm3的In0.40Ga0.60N組成的阱層。進(jìn)一步生長200埃由未摻雜GaN組成的勢壘層和30埃由未摻雜In0.40Ga0.60N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻雜的勢壘層5層和阱層4層，總數(shù)9層、總膜厚1120埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，4層阱層中僅最初的1層摻雜Si、剩余的3層未摻雜，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
該LED元件在正向電壓20mA，顯示530nm的藍(lán)綠色發(fā)光、Vf 3.5V，得到3.6mW發(fā)光輸出。[實(shí)施例15]在實(shí)施例1中，省略第2多層膜6、其它一樣，由此制作LED元件，盡管與實(shí)施例1相比、其元件特性及發(fā)光輸出稍低，但與舊有的LED元件相比具有良好的發(fā)光輸出。[實(shí)施例16]在實(shí)施例1中，將緩沖層2的膜厚定為150埃，第1未摻雜GaN層3的膜厚定為1.5μm，其它一樣，由此制作LED元件、得到與實(shí)施例1同樣的效果。[實(shí)施例17]在實(shí)施例13中，將緩沖層2的膜厚定為150埃、第1未摻雜GaN層3的膜厚定為1.5μm，其它一樣，由此制作LED元件、得到與實(shí)施例13同樣的效果。[實(shí)施例18]在實(shí)施例1中、有源層7按以下方法制作，其它一樣，由此制作LED元件。(有源層7)用TMG、氨生長膜厚200埃、由未摻雜GaN組成的勢壘層，接著將溫度定為800℃，進(jìn)一步用TMG、TMI、氨、硅烷氣體生長膜厚30埃、由摻雜Si 5×1017/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。進(jìn)一步生長200埃由未摻雜GaN組成的勢壘層和膜厚30埃、由摻雜Si 1×1017/cm3In0.3Ga0.7N組成阱層。進(jìn)一步還生長200埃由未摻雜GaN組成的勢壘層和膜厚30埃、由摻雜Si 5×1016/cm3的In0.3Ga0.7N組成的阱層。而且按勢壘+阱+勢壘+阱……+勢壘的順序交互疊層生長未摻雜的勢壘層16層和阱層15層，總數(shù)31層，總膜厚3650埃的多量子阱結(jié)構(gòu)，15層阱層中僅最初的3層摻雜Si、剩余的12層未摻雜，由多量子阱結(jié)構(gòu)組成有源層7。
采用這樣的有源層中摻Si的層離n型層越遠(yuǎn)、Si摻雜量越少的結(jié)構(gòu)，得到與實(shí)施例1同樣的效果。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明由于在阱層和勢壘層多量子阱組成的有源層n層一側(cè)摻雜n型雜質(zhì)Si，而且將摻雜層限定，能夠補(bǔ)充從n型層的施主供給，因而能夠得到發(fā)光輸出高的氮化物半導(dǎo)體元件，因而它不僅可用于發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等發(fā)光元件，而且還可用于太陽能電池、光傳感器等受光元件或者晶體管、功率器件等電子器件，是很有用的氮化物半導(dǎo)體元件。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，在n型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間、具有由量子阱層和勢壘層疊層生長而成、而且含有n型雜質(zhì)的有源層，其特征在于所述有源層疊層中至少與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層及/或量子阱層是含n型雜質(zhì)的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層是多量子阱結(jié)構(gòu)、當(dāng)所述有源層的疊層總數(shù)為i層時(shí)、從與疊層中滿足下式的n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)數(shù)起直到j(luò)層的任何一層中含有n型雜質(zhì)。j＝i/6+2(但是、i≥4、j是舍去小數(shù)點(diǎn)的整數(shù))
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于在所述有源層疊層中與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層及/或量子阱層是不含n型雜質(zhì)的層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層是用勢壘層挾持量子阱層兩側(cè)構(gòu)成單量子阱結(jié)構(gòu)、與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層含n型雜質(zhì)、與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層不含n型雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層由量子阱層和勢壘層交互疊層而成的多量子阱結(jié)構(gòu)、與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層及/或量子阱層含n型雜質(zhì)、與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的勢壘層及/或量子阱層不含n型雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層的疊層總數(shù)大于9層小于15層，從與含n型雜質(zhì)的n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)數(shù)起小于4層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層的量子阱層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)組成，發(fā)光或者受光峰值波長是470～530nm，理想的是490～510nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述n型雜質(zhì)至少是Si、Ge、Sn中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述n型雜質(zhì)是Si。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層內(nèi)含有的n型雜質(zhì)的濃度小于n型氮化物半導(dǎo)體層中的n型雜質(zhì)濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層內(nèi)含有的n型雜質(zhì)濃度隨遠(yuǎn)離與n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)而逐漸減少。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于包含在所述有源層中的含n型雜質(zhì)層的n型雜質(zhì)濃度是5×1016～2×1018/cm3。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于在所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度是5×1016～2×1018/cm3。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于在所述有源層的量子阱層中含有的n型雜質(zhì)的濃度是5×1016～2×1018/cm3。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于一方面在所述有源層的勢壘中含有的n型雜質(zhì)的濃度是5×1016～2×1018/cm3，另一方面在量子阱層中含有的n型雜質(zhì)的濃度也是5×1016～2×1018/cm3，但是比在所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度小。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于一方面在所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度是5×1016～2×1018/cm3、而在量子阱層中含有的n型雜質(zhì)的濃度不足5×1016/cm3，比所述有源層的勢壘層中含有的n型雜質(zhì)的濃度小。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層中的與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚大于與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或量子阱層的膜厚，以制作高輸出用氮化物半導(dǎo)體元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述有源層中的與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚小于與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或量子阱層的膜厚，以制作低驅(qū)動(dòng)電壓用氮化物半導(dǎo)體元件。
19.一種發(fā)光元件，其特征在于在n型氮化物半導(dǎo)體層與P型氮化物半導(dǎo)體之間具有由量子阱層和勢壘層疊層而成的有源層，所述有源層的量子阱層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)組成，其發(fā)光峰值波長在450～540nm，所述有源層的總層數(shù)大于9層小于13層，從與n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)數(shù)起3層以內(nèi)的層內(nèi)含有n型雜質(zhì)5×1016～2×1018/cm3，n型雜質(zhì)從Si、Ge、Sn組成的雜質(zhì)群中選出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光元件，其特征在于所述有源層中的與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚大于與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚，以制作高輸出用發(fā)光元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光元件，其特征在于所述有源層中的與所述n型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的含n型雜質(zhì)的勢壘層或者量子阱層的膜厚小于與所述P型氮化物半導(dǎo)體層連接一側(cè)的不含n型雜質(zhì)的勢壘或者量子阱層的膜厚，以制作低驅(qū)動(dòng)電壓用發(fā)光元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光元件，其特征在于所述n型雜質(zhì)是Si。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的氮化物發(fā)光元件，其特征在于所述有源層的量子阱層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)組成，其發(fā)光峰值波長在490～510nm范圍。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的發(fā)光元件，其特征在于所述有源層的勢壘層由InyGa1-yN(但是、0≤y＜1，y＜x)組成。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光元件，其特征在于所述有源層由InxGa1-xN(但是、0＜x＜1)/InyGa1-yN(但是、0≤y＜1、y＜x)的多量子阱層組成，形成在n型多層膜上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)光元件，其特征在于所述多層膜是作為緩沖超晶格層形成的、它由不摻雜n型雜質(zhì)的InzGa1-zN(但是，0＜z＜1)/GaN疊層或者AlwGa1-wN/GaN(但是，0＜w＜1)疊層組成。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的發(fā)光元件，其特征在于所述緩沖超晶格的GaN層的厚度小于70、所述有源層的勢壘層厚度大于70。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光元件，其特征在于所述多層膜是作為包層形成的、它含n型雜質(zhì)、由比所述有源層的量子阱層禁帶寬度能量大的InzGa1-zN(但是，0＜z＜1，z＜y)層或者AlwGa1-wN(但是，0＜w＜1)層與GaN層的疊層組成。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的發(fā)光元件，其特征在于包含在所述有源層及n型包層中的n型雜質(zhì)是Si、包含在所述有源層疊層中的Si濃度是5×1016～2×1018/cm3、包含在n型包層疊層中的Si濃度大于5×1017cm3、比所述有源層的Si濃度大。
全文摘要
一種氮化物半導(dǎo)體元件,其特征是:它在n型氮化物半導(dǎo)體層和P型半導(dǎo)體層之間具有由量子阱層和勢壘層疊層生長而成的有源層,所述有源層的量子阱層由In
文檔編號(hào)H01L31/18GK1353867SQ00808539
公開日2002年6月12日 申請日期2000年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月7日
發(fā)明者谷沢公二 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社