專利名稱：制造發(fā)光元件的方法和發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造發(fā)光元件的方法以及發(fā)光元件。更具體來講，本發(fā)明涉及一種制造具有包括化(銦)和N(氮)的量子阱結(jié)構(gòu)的III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件的方法以及發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，由GaN(氮化鎵)、A1N(氮化鋁)和氮化銦)及其三元混晶，也就是說，Al(1_x)feixN(0 < χ < 1)(下文中還被稱作 AlGaN)、In(1_x)GaxN(0 < χ < 1)(下文中還被稱作MGaN)和Ιη(1_χ)Α1χΝ(0 < χ < 1)(下文中也被稱作AlInN)或其四元混晶，也就是說， In(1_x_y)AlxGayN(0 < χ < 1,0 < y < 1, x+y < 1)(下文中還被稱作 InAlGaN)構(gòu)造的 III-V 族化合物半導(dǎo)體用于綠色、藍(lán)色或白色LED (發(fā)光二極管)、藍(lán)紫色LD (激光二極管)等中。關(guān)于如上所述的發(fā)光元件，日本專利特開No. 2007_3MM6(專利文獻1)公開了一種制造包括發(fā)光層的GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，所述發(fā)光層具有由包括In (銦) 的GaN基化合物半導(dǎo)體形成的阱層和由GaN基化合物半導(dǎo)體形成的勢壘層。該專利文獻1 公開了以下內(nèi)容。具體來講，隨著阱層中包含的組分增大，發(fā)光波長變長，并且得到例如490nm或更長的綠發(fā)光波長。為了增大阱層中包含的^組分，必須降低生長溫度。此外，與阱層相比， 必須以較高溫度生長勢壘層。因此，當(dāng)形成發(fā)光層時，生長阱層的溫度Tl和形成勢壘層的溫度T2之間存在Tl ^ T2的關(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1 日本專利特開No. 2007-324546

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在制造專利文獻1中的GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法中，形成發(fā)光層的步驟具有下列問題。圖7至圖11是如以上專利文獻1中所公開的具有包括(氮)的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。如圖7中所示，當(dāng)在生長溫度Tl處在勢壘層11 上形成阱層113a時，阱層113a的表面變得平坦。然而，當(dāng)將溫度升高至生長溫度T2以形成勢壘層時，如圖8中所示，在阱層113a的表面上產(chǎn)生不規(guī)則并且h 組分降低。因此，如圖9中所示，在具有其表面上形成的不規(guī)則性的阱層113a上，形成勢壘層11北。此后，將溫度降低至生長溫度Tl，并且形成阱層113a，如圖10中所示。然而，當(dāng)將溫度升高至生長溫度T2以形成勢壘層11 時，在如圖11中所示的阱層113a的表面上產(chǎn)生不規(guī)則性并且h組分降低。如上所述，同樣在以上專利文獻1中公開的制造GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法中，當(dāng)溫度從形成阱層113a的溫度Tl升高至形成勢壘層11 的溫度T2時，阱層113a 中的h組分降低。問題在于，由于阱層113a中的h組分降低，因此不能得到長波長的發(fā)光元件。另外，問題在于，由于阱層113a的表面上形成不規(guī)則性，因此發(fā)光特性降低。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種制造具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件的方法以及發(fā)光元件。解決問題的方法本發(fā)明的發(fā)明人通過他們的認(rèn)真研究已發(fā)現(xiàn)在以上專利文獻1公開的制造GaN基化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法中阱層113a的表面上形成不規(guī)則性以及h組分降低的因素。換言之，本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，因為在形成阱層113a之后將溫度升高至形成勢壘層 113b的步驟花費的時間長或者在完全生長勢壘層11 之前保持的溫度高，所以造成阱層 113a中的分解。因此，本發(fā)明的發(fā)明人著眼于如下事實因為之間的結(jié)合弱，所以在包括 In的III-V族化合物半導(dǎo)體中，在低溫下熱分解并蒸發(fā)，并且發(fā)明人認(rèn)真研究了中斷步驟中的氣氛。因此，本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)以下將描述的本發(fā)明。換言之，本發(fā)明的一個方面中用于制造發(fā)光元件的方法涉及用于制造III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件的方法，所述III-V族化合物半導(dǎo)體具有包括和N的量子阱結(jié)構(gòu)，所述方法包括如下步驟形成包括h和N的阱層；形成勢壘層，所述勢壘層包括N并且其具有的帶隙比所述阱層的帶隙寬；以及通過在形成阱層的步驟之后以及形成勢壘層的步驟之前供應(yīng)包括N的氣體來中斷外延生長。在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)具有的分解效率高于隊(氮)和NH3(氨)在900°C下分解為活性氮的分解效率的氣體。根據(jù)本發(fā)明的一個方面中制造發(fā)光元件的方法，在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)具有的分解效率高于分解成活性氮的分解效率的氣體。因此，在包括活性氮的氣氛中，中斷外延生長。結(jié)果，可以抑制構(gòu)造阱層的的分離。此外，即使構(gòu)造阱層的分離， 也通過氣氛中的活性氮將N注入阱層。因此，可以抑制在中斷外延生長的步驟中構(gòu)造阱層的N的脫附。因此，可以抑制在形成阱層之后以及形成勢壘層之前在阱層表面上形成不規(guī)則性以及h組分的降低。因此，可以制造具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。本發(fā)明的另一個方面中的用于制造發(fā)光元件的方法涉及一種制造III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件的方法，所述III-V族化合物半導(dǎo)體具有包括和N的量子阱結(jié)構(gòu)， 所述方法包括如下步驟形成包括的阱層；形成勢壘層，所述勢壘層包括N并且具有的帶隙比所述阱層的帶隙寬；以及在形成阱層的步驟之后以及形成勢壘層的步驟之前，通過供應(yīng)包括N的氣體來中斷外延生長。在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)與用作阱層和勢壘層的N源的氣體不同的氣體。根據(jù)本發(fā)明的另一方面中的制造發(fā)光元件的方法，在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)與用作阱層和勢壘層的N源的氣體不同的氣體。形成阱層的步驟以及形成勢壘層的步驟中的氣氛不同于中斷外延生長的步驟中的氣氛，這是因為例如材料不流動。因此，通過在中斷外延生長的步驟中供應(yīng)與用作阱層和勢壘層的N源的氣體不同的氣體，可以抑制構(gòu)造阱層的h和N的分離，并且當(dāng)構(gòu)造阱層的h和N分離時，可以再填充N。因此，可以抑制在中斷外延生長的步驟中構(gòu)造阱層的N的脫附。因此，可以抑制阱層的表面上形成不規(guī)則性以及在形成阱層之后以及形成勢壘層之前的h組分降低。因此，可以制造具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。具體來講，優(yōu)選地，在中斷外延生長的步驟中供應(yīng)阱層的N源以及與用作該N源的氣體不同的氣體這兩者。在這種情況下，即使容易分解成活性氮的條件等變化，N源或氣體分解成活性氮的可能性也較高。因此，可以進一步抑制構(gòu)造阱層的N的脫附。優(yōu)選地，在以上一個和另一個方面中制造發(fā)光元件的方法中，在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)包括一甲胺(CH5N)和一乙胺(C2H7N)中的至少一種的氣體。本發(fā)明的發(fā)明人通過他們的認(rèn)真研究已發(fā)現(xiàn)，一甲胺和一乙胺可以供應(yīng)即使在低溫下也有助于有效率地生長的活性氮。因此，可以在中斷外延生長的步驟中形成包括較大量活性氮的氣氛，并因此，可以有效抑制構(gòu)造阱層的N的脫附。因此，可以制造具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。優(yōu)選地，在以上一個和另一個方面中制造發(fā)光元件的方法中，在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)包括氨(NH3)以及一甲胺和一乙胺中的至少一種的氣體，所述一甲胺和一乙胺中的至少一種具有的濃度為NH3濃度的百分之一或者更小。結(jié)果，由于即使在低溫下也有助于有效率地生長的一甲胺和一乙胺，導(dǎo)致可以形成包括較大量活性氮的氣氛。此外，當(dāng)NH3用作阱層和勢壘層的N源時，可以省略在中斷外延生長的步驟中停止供應(yīng)NH3以及在形成勢壘層的步驟中重新開始供應(yīng)NH3的步驟。因此， 可以用簡化的制造步驟來制造具有進一步增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。本發(fā)明的一個方面中的發(fā)光元件涉及通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法來制造的發(fā)光元件，其中，所述發(fā)光元件具有450nm或更大的發(fā)光波長。根據(jù)本發(fā)明的一個方面中的發(fā)光元件，由于通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法來制造發(fā)光元件，因此可以制造包括發(fā)光層的發(fā)光元件，所述發(fā)光層具有h組分高的阱層。因此，可以實現(xiàn)具有450nm或更大的長波長的發(fā)光元件。本發(fā)明的一個方面中的發(fā)光元件涉及通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法制造的發(fā)光元件，其中，阱層具有的厚度為Inm或更大以及IOnm或更小。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面中的發(fā)光元件，由于通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法來制造發(fā)光元件，因此可以抑制阱層表面的N的脫附。因此，可以實現(xiàn)具有Inm或更大以及IOnm或更小的大厚度的阱層的發(fā)光元件，該發(fā)光元件在傳統(tǒng)上不能實現(xiàn)。本發(fā)明的又一方面中的發(fā)光元件涉及一種通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法制造的發(fā)光元件，其中，所述發(fā)光元件滿足0. 2333x-90 <y < 0. 4284χ-174的關(guān)系，其中 y(nm)表示半高全寬并且χ (nm)表示當(dāng)電流以lOA/cm2或更大經(jīng)過發(fā)光元件時的發(fā)光波長。根據(jù)本發(fā)明的又一方面中的發(fā)光元件，通過使用以上用于制造發(fā)光元件的方法來制造發(fā)光元件。由于可以抑制阱層的表面處的N的脫附，因此可以使半高全寬小。由于阱層中的化組分可以增大，因此波長可以變長。因此，可以實現(xiàn)具有小的半高全寬并且滿足 0. 2333x-90 < y < 0. 4284χ-174的關(guān)系的長波長的發(fā)光元件。本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明中的制造發(fā)光元件的方法以及發(fā)光元件，可以實現(xiàn)具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。


圖1是示意性示出本發(fā)明第一實施例中的LED的橫截面圖。圖2是用于制造本發(fā)明第一實施例中的LED的方法的流程圖。
圖3是用于描述形成本發(fā)明第一實施例中的有源層的步驟的示意圖。圖4是示意性示出本發(fā)明第二實施例中的LD的橫截面圖。圖5示出實例1中的角度位置和衍射強度之間的關(guān)系。圖6示出實例1中的PL波長和PL強度之間的關(guān)系。圖7是用于描述形成專利文獻1中公開的具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。圖8是用于描述形成專利文獻1中公開的具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。圖9是用于描述形成專利文獻1中公開的具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。圖10是用于描述形成專利文獻1中公開的具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。圖11是用于描述形成專利文獻1中公開的具有包括的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的方法的橫截面圖。圖12示出實例3中的半寬全寬和發(fā)光波長之間的關(guān)系。
具體實施例方式下文中，將基于附圖來描述本發(fā)明的實施例，其中用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相應(yīng)的部分，并且將不再重復(fù)對其的描述。(第一實施例)圖1是示意性示出作為本發(fā)明第一實施例中的發(fā)光元件的一個實例的LED的橫截面圖。將參照圖1來描述本實施例中的LED。本實施例中的LED 10包括襯底ll、n型緩沖層12、有源層13、ρ型電子阻擋層14、ρ型接觸層15、ρ型電極16和η型電極17。例如，襯底11是η型GaN襯底。η型緩沖層12包括在襯底11上形成的第一層 12a、在第一層1 上形成的第二層12b和在第二層12b上形成的第三層12c。第一層1 具有的厚度為例如50nm并且由η型AlGaN制成。第二層12b具有的厚度為例如2000nm并且由η型GaN制成。第三層12c具有的厚度為例如50nm并且由η型GaN制成。有源層13形成在η型緩沖層12上并且具有如下的量子阱結(jié)構(gòu)，在所述量子阱結(jié)構(gòu)中，堆疊包括h和N的阱層13a以及具有的帶隙比阱層13a的帶隙寬的勢壘層13b。在本實施例中，在有源層13的最下層(接觸η型緩沖層12的層)下方和有源層13的最上層 (接觸P型電子阻擋層14的層)上形成勢壘層13b。有源層13具有MQW(多量子阱)結(jié)構(gòu)， 在MQW結(jié)構(gòu)中，阱層13a和勢壘層1 交替堆疊在最下面的勢壘層1 與最上面的勢壘層 1 之間。阱層13a具有的厚度為例如3nm，并且由InGaN制成。優(yōu)選地，阱層13a具有的厚度為例如Inm或更大且IOnm或更小。當(dāng)阱層13a具有的厚度為Inm或更大時，可以容易地得到具有的波長為450nm或更大的發(fā)光。當(dāng)阱層13a具有的厚度為IOnm或更小時，可以容易地生長具有高發(fā)光效率和優(yōu)良晶體質(zhì)量的阱層。勢壘層1 具有的厚度為例如15nm并且由GaN制成。ρ型電子阻擋層14形成在有源層13上。ρ型電子阻擋層14具有的厚度為例如
620nm并且由ρ型AlGaN制成。ρ型接觸層15形成在ρ型電子阻擋層14上。ρ型接觸層15具有的厚度為例如 50nm并且由ρ型GaN制成。ρ型電極16形成在ρ型接觸層15上并且具有高透射率的特征。ρ型電極16可以由例如鎳(Ni)和金(Au)來構(gòu)造，或者可以由ITO(銦錫氧化物)等制成。η型電極17形成在襯底11的與形成η型緩沖層12的表面相反的表面?zhèn)壬?，并且由例如?Ti)、A1等制成。LED 10具有450nm或更大，且優(yōu)選地為500nm或更大的發(fā)光波長。當(dāng)LED 10具有的波長為450nm或更大時，InGaN阱層中的h組分可以減少，并因此本發(fā)明的應(yīng)用具有很重要的意義。當(dāng)LED 10具有的波長為500nm或更大時，InGaN阱層中的h組分容易減少， 并因此本發(fā)明的應(yīng)用具有很極重要的意義。要注意的是，出于制造原因，LEDlO的波長上限為例如600nm。另外，假設(shè)y (nm)表示半高全寬并且χ (nm)表示當(dāng)電流以lOA/cm2或更大經(jīng)過LED 10 時的發(fā)光波長，LED 10 滿足 0. 2333x-90 < y < 0. 4284x_174。當(dāng) 0. 2333χ-90 < y 時， 實現(xiàn)了幾乎理想晶體的半高全寬。當(dāng)y <0.4觀虹-174時，本發(fā)明的應(yīng)用導(dǎo)致抑制了 h組分的減少并形成均勻阱層。要注意的是，以上的發(fā)光波長是指當(dāng)測量電流密度為例如lOA/cm2的電流的通路處的發(fā)光光譜時發(fā)光強度最大(峰值強度)的峰值波長。另外，以上的半高全寬是指均提供峰值強度的一半的值的、兩個波長之間的差。圖2是用于制造本實施例中的LED 10的方法的流程圖。參照圖1和圖2，隨后將是用于制造本實施例中的LED 10的方法。首先，準(zhǔn)備襯底11 (步驟Si)。在本實施例中，例如，準(zhǔn)備η型GaN襯底作為襯底 11。接著，在襯底11上形成η型緩沖層12。在該步驟中，通過使用例如MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相沉積)方法依次形成上述的第一層12a、第二層12b和第三層12c。接著，在η型緩沖層12上形成有源層13 (步驟S2至S6)。圖3是描述用于形成本實施例中的有源層13的步驟的示意圖。下文中，將參照圖1至圖3來描述本實施例中的形成有源層13的步驟。首先，如圖1至圖3中所示，在η型緩沖層12上形成包括N的勢壘層13b。在該步驟S2中，通過使用例如MOCVD法來生長GaN。另外，在步驟S2中，為了生長具有優(yōu)良結(jié)晶性和光學(xué)特性的層，在例如880°C的高溫下生長勢壘層13b。例如，使用氨作為勢壘層13b的N源。此后，供應(yīng)包括N的氣體并且中斷外延生長(步驟S3)。在該步驟S3中，停止供應(yīng)材料并且將溫度降低至生長阱層13a的溫度。在該步驟S2中，僅載氣可以流動，或者并非所有的氣體都可以流動，或者另一氣體可以與載氣一起流動或替代載氣。 然后，形成包括h和N的阱層13a (步驟S4)。在該步驟S4中，通過使用例如MOCVD 法生長InGaN。另外，在步驟S4中，在比形成勢壘層13b的步驟S2中的溫度低的溫度(例如，790°C )下形成阱層13a，這是因為構(gòu)造阱層13a的h在低溫下容易在生長表面脫附。 要注意的是，形成阱層13a的步驟S4中的生長溫度比形成勢壘層13b的步驟S2中的生長溫度低，并因此步驟S4中的生長速度也低。例如，使用氨作為阱層13a的N源。
此后，供應(yīng)包括N的氣體并且中斷外延生長(步驟S5)。在該步驟S5中，供應(yīng)分解效率高于隊和NH3在900°C下分解為活性氮的分解效率的氣體。結(jié)果，可以加強保護阱層 13a的效果并且可以抑制構(gòu)造阱層13a的h和N的分解。例如，本文的活性氮是指具有懸掛鍵的N。由于具有懸掛鍵的N容易與其他元素反應(yīng)，因此可以抑制h和N之間的結(jié)合的離解，或者使得在阱層13表面處分離的h和N之間的結(jié)合變?yōu)榭赡?。分解效率可以由例如離解反應(yīng)成活性氮的離解反應(yīng)的常數(shù)、結(jié)合能等來確定。由于h和N的分解具體地在900°C或更高下進行，因此使用具有在900°C下分解成活性氮的高分解效率的氣體。將在以下的表1中描述成為活性氮的結(jié)合能，其作為分解效率指標(biāo)的一個實例。 在表1中，具有小結(jié)合能的氣體是具有高分解效率的氣體。[表 1]
名稱分子式 口口結(jié)合能 (kJ/mol) 25 °C氮N2N=N945氨NH3N-H391一甲胺CH3-NH2N-CH3273二甲胺(CH3)2-NN-CH3273三乙胺(CH3)3-NN-CH3273聯(lián)氨N2H4N-N158二甲肼(CH3)2N-NH2N-N158二乙胼(C2H5)NH-NH(C2H5)N-N158要注意的是，如以上表1中所描述的，與氮和氨相比，一甲胺、二甲胺和三乙胺具有小結(jié)合能。另外，聯(lián)氨、二甲胼和二乙胼(聯(lián)氨基材料)具有較小的結(jié)合能，而其反應(yīng)性太高。因此，聯(lián)氨基材料的問題在于，由用有機金屬材料進行的氣相反應(yīng)造成生長速度降低。 另外，與氨和氮相比，聯(lián)氨基材料具有極高的毒性。因此，需要用于安全維護的設(shè)備成本，并因而，聯(lián)氨基材料不適于制造。為此，優(yōu)選地，一甲胺、二甲胺和三乙胺被用作具有高分解效率的氣體。具體來講，在該步驟S5中，優(yōu)選地供應(yīng)包括一甲胺和一乙胺中的至少一種的氣體作為具有高分解效率的氣體。在氣相中，通過使用斷開N和C(碳)之間一個鍵所需的能量， 一甲胺和一乙胺可以產(chǎn)生具有懸掛鍵的NH2。由于在氣相中分解成具有懸掛鍵的NH2所需的能量小，因此提供活性氮所需的熱量小。因此，一甲胺和一乙胺可以以低溫提供活性氮。另外，優(yōu)選地供應(yīng)包括氨和具有的濃度為氨濃度的百分之一或更小的一甲胺和一乙胺中的至少一種的氣體。當(dāng)氨用作阱層13a和勢壘層13b的N源時，可以在不停止供應(yīng)作為用于N的材料的氨的情況下實現(xiàn)包括活性氮的氣氛。此外，在中斷外延生長的步驟S5中，供應(yīng)與用作阱層13a和勢壘層13b的N源的氣體不同的氣體。在本實施例中，氨用作阱層13a和勢壘層13b的N源，并且在中斷外延生長的步驟S5中，供應(yīng)包括氨和一甲胺和一乙胺中的至少一種的氣體。在這種情況下，即使在中斷外延生長的步驟S5中用于容易分解成活性氮的條件等改變，也存在所述氣體中包括的氨或一甲胺和一乙胺中的至少一種分解成活性氮的較高可能性，并且可以抑制構(gòu)造阱層13a的N的脫附。此外，優(yōu)選地，將步驟S5執(zhí)行一秒或更長時間。在這種情況下，可以容易地升高溫度，并因此制造步驟是容易的。在該步驟S5中，由于外延生長被中斷并且在包括活性氮的氣氛中升高溫度，因此可以抑制阱層13a的表面處的N和I的脫附。因此，阱層13a的表面可以被平坦化。另外， 阱層13a中的h組分可以保持得高。h的組分優(yōu)選地為20%至30%。通過采用該組分， 得到綠色的發(fā)光。如上所述，通過形成勢壘層13b (步驟S2)、中斷外延生長以降低溫度(步驟S3)、 形成阱層13a(步驟S4)以及中斷外延生長以升高溫度(步驟S5)，可以形成一對勢壘層13b 和阱層13a。類似地，通過形成勢壘層13b(步驟S2)、中斷外延生長以降低溫度(步驟S3)、形成阱層13a(步驟S4)以及中斷外延生長以升高溫度(步驟S5)，可以形成多對勢壘層13b 和阱層13a。結(jié)果，如圖1中所示，可以形成有源層13，該有源層13包括阱層13a和勢壘層13b， 所述阱層13a包括h和N，以及所述勢壘層1 具有的帶隙比阱層13a的帶隙寬。要注意的是，在本實施例中，勢壘層1 被形成為位于有源層13的最上層處(步驟S6)。接著，如圖1中所示，在有源層13上形成ρ型電子阻擋層14。在該步驟中，通過使用例如MOCVD法來生長ρ型AlGaN。接著，在ρ型電子阻擋層14上形成ρ型接觸層15。在該步驟中，通過使用例如 MOCVD法來生長ρ型GaN。接著，在ρ型接觸層15上形成具有高透射率的ρ型電極16。在該步驟中，通過使用氣相沉積法，來形成具有例如堆疊的Ni、Au、ITO等的電極。接著，在襯底11的與形成η型緩沖層12的表面相反的表面?zhèn)壬希纬搔切碗姌O 17。在該步驟中，通過使用氣相沉積法，來形成具有例如堆疊的Ti、Al等的電極。要注意的是，當(dāng)生長η型或ρ型III-V族化合物半導(dǎo)體時，在實現(xiàn)所期望的η型或 P型載流子濃度的條件下，包括η型雜質(zhì)的材料或包括P型雜質(zhì)的材料與V族材料和作為用于III族元素的材料的有機金屬一起使用。例如，可以使用TMG(三甲基鎵)、TMI (三甲基銦)、TMA (三甲基鋁)等作為有機金屬。例如，可以使用硅烷等用作η型雜質(zhì)。例如，可以使用雙(環(huán)戊二烯)鎂等作為P型雜質(zhì)。例如，可以使用氮、氫等作為載氣。通過執(zhí)行以上步驟，可以制造圖1中所示的LED 10。雖然在本實施例中通過使用MOCVD法生長III-V族化合物半導(dǎo)體，但是本發(fā)明不具體受限于此。例如，可以采用諸如HVPE(氫化物氣相外延)法和MBE(分子束外延)法的氣相生長法。另外，可以將這些氣相生長法中多種組合起來。另外，在形成阱層13a的步驟S4之后以及形成勢壘層13b的步驟S2和S6之前， 在中斷外延生長的步驟S5中，可以不升高溫度。換言之，在中斷外延生長的步驟S5中，可以保持溫度恒定。同時，在這種情況下，在從用于形成阱層13a的材料切換為用于形成勢壘層1 的材料期間，中斷外延生長。即使在中斷期間溫度低，因為之間的結(jié)合弱，所
9以h與N分離。因此，在中斷外延生長的步驟S5中，執(zhí)行供應(yīng)將分解效率高于N2和NH3在 900°C下分解為活性氮的分解效率的氣體以及供應(yīng)與用作阱層13a和勢壘層13b的N源的氣體不同的氣體中的至少一種。此外，可以不提供在形成勢壘層13b的步驟S2之后以及形成阱層13a的步驟S4 之前的中斷外延生長的步驟S3。此外，雖然在本實施例中用實例方式描述了包括由InGaN制成的阱層和由GaN制成的勢壘層的LED 10，但是發(fā)光元件不具體受限于此，只要它是具有包括h和N的量子阱的III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。例如，本發(fā)明還可應(yīng)用于包括由Inx(iaa_x)ASa_y)Ny(0 <x< l,0<y< 1)制成的阱層和由GaAs制成的勢壘層。如上所述，根據(jù)用于制造本實施例中的LED 10的方法，在中斷外延生長的步驟S5 中，供應(yīng)分解效率高于隊和NH3在900°C下分解為活性氮的分解效率的氣體。由于通常用作載氣的N2和用作V族材料的NH3相對穩(wěn)定，因此在作為形成有源層13的溫度的900°C或更低溫度下，沒有促進分解為活性氮的過程。在本實施例中，在中斷外延生長的步驟S5中， 供應(yīng)具有的分解效率高于氮和氨的分解效率的氣體，并因而，可以在包括大量活性氮的氣氛中中斷外延生長。結(jié)果，可以抑制構(gòu)造阱層13&的^1和N的分離反應(yīng)。另外，即使當(dāng)構(gòu)造阱層13a的化和N分離時，通過氣氛中的活性氮將N吸入到阱層13a中。因此，可以抑制在中斷外延生長的步驟S5中構(gòu)造阱層13a的N的脫附，并且還可以抑制由N的脫附造成的h的脫附。因此，可以抑制在形成阱層13a之后以及在形成勢壘層1 之前在阱層13a 的表面上形成不規(guī)則性，并因而，可以增強發(fā)光特性。另外，由于可以抑制阱層13a表面處的N的脫附并且可以抑制h的凝聚，可以抑制作為金屬h的h的一部分凝聚。因此，可以減小由于變黑造成的非發(fā)光區(qū)，并因此，可以抑制發(fā)光效率降低。此外，可以抑制h組分的降低。因此，可以形成包括阱層13a的有源層13a，有源層13a包括具有例如20% -30% 的h組分的InGaN，并因此，可以制造長波長的綠色LED 10。另外，在中斷外延生長的步驟S5中，當(dāng)在氣氛中包括由阱層13分解得到的h時， 活性氮可以捕獲氣氛中的化。因此，可以抑制在形成阱層13a之后形成勢壘層13b的步驟 S2和S6中不期望h的吸入。此外，在中斷外延生長的步驟S5中，可以以增強的均勻性在阱層13a中形成具有有助于發(fā)光的量子尺寸量級的InGaN的點。因此，可以促進由于形成點導(dǎo)致的量子效應(yīng)，并且可以抑制各個點之間的發(fā)光波長的變化。因此，可以實現(xiàn)LED 10，在該LED 10中，可以使發(fā)光波長的半高全寬小，并且可以增強發(fā)光特性。在制造本實施例中的LED 10的方法中，優(yōu)選地，在中斷外延生長的步驟S5中升高溫度。結(jié)果，還可以高溫形成勢壘層13b。因此，還可以增強勢壘層13b的結(jié)晶性和光學(xué)特性。(第二實施例)圖4是示意性示出作為本發(fā)明第二實施例中的發(fā)光器件的一個實例的LD的橫截面圖。將參照圖4來描述本實施例中的LD。具體來講，如圖4中所示，本實例中的LD 20包括襯底21、n型包覆層22、引導(dǎo)層23、有源層13、引導(dǎo)層M、p型電子阻擋層25、p型包覆層 26、ρ型接觸層27、ρ型電極^、n型電極四和絕緣膜31。例如，襯底21是η型GaN襯底。η型包覆層22形成在襯底21上。η型包覆層22具有的厚度為例如2. 3 μ m并且由η型AWaN制成。引導(dǎo)層23包括在η型包覆層22上形成的第一層23a和在第一層23a上形成的第二層23b。第一層23a具有的厚度為例如200nm并且由η型GaN制成。第二層2 具有的厚度為例如50nm并且由未摻雜的InGaN制成。有源層13形成在引導(dǎo)層23上。有源層13類似于第一實施例中的有源層13，并因此，將不再重復(fù)對其的描述。引導(dǎo)層M包括在有源層13上形成的第一層2 和在第一層2 上形成的第二層 24a0第一層2 具有的厚度為例如50nm并且由未摻雜的InGaN制成。第二層24b具有的厚度為例如200nm并且由未摻雜的GaN制成。ρ型電子阻擋層25形成在引導(dǎo)層M上。ρ型電子阻擋層25具有的厚度為例如 20nm并且由ρ型AlGaN制成。ρ型包覆層沈形成在ρ型電子阻擋層25上。ρ型包覆層沈具有的厚度為例如 0. 4 μ m并且由ρ型AlGaN制成。ρ型接觸層27形成在ρ型包覆層沈上。ρ型接觸層27具有的厚度為例如IOnm 并且由P型GaN制成。通過在除了 ρ型電極觀接觸ρ型接觸層27的接觸部分之外的區(qū)域中進行干法蝕刻，來形成臺面結(jié)構(gòu)。例如，通過使用氣相沉積法，在除了接觸部分之外的區(qū)域中，將 SiO2(二氧化硅)形成為絕緣膜31。P型電極觀形成在P型接觸層27上并且由例如Ni、 Au等制成。η型電極四形成在襯底21的與形成η型包覆層22的表面相反的表面?zhèn)壬?。?型電極四由例如Ti、Al等制成。參照圖4，隨后將是用于制造本實施例中的LD 20的方法。首先，如與第一實施例中一樣，來準(zhǔn)備襯底21 (步驟Si)。接著，通過使用例如MOCVD法，在襯底21上依次形成η型包覆層22、引導(dǎo)層23、有源層13、引導(dǎo)層Μ、ρ型電子阻擋層25、ρ型包覆層沈和ρ型接觸層27。要注意的是，形成有源層13的步驟S2至S6與第一實施例中的那些步驟類似，并因此，將不再重復(fù)對其的描述。另外，與第一實施例中的材料類似的材料可以用作作為III族材料的有機金屬、V族材料、η型和P型雜質(zhì)、載氣等。接著，例如，通過用Cl2 (氯)氣進行的反應(yīng)離子蝕刻，在除了 ρ型電極觀接觸ρ 型接觸層27的接觸部分之外的區(qū)域中，形成具有的寬度為2 μ m且深度為0. 4 μ m的臺面結(jié)構(gòu)。例如，在表面處暴露P型電極阻擋層25之后，通過使用氣相沉積法，在除了接觸部分之外的區(qū)域中，將SiO2形成為絕緣膜31。接著，在ρ型接觸層27上形成ρ型電極28，并且在襯底11的與形成η型包覆層 22的表面相反的表面?zhèn)壬?，形成η型電極四。通過執(zhí)行以上步驟，可以制造圖4中所示的LD 20。由于LD 20包括與第一實施例中的有源層13相類似的有源層13，因此可以實現(xiàn)LD 20，該LD 20實現(xiàn)具有增強的發(fā)光特性的長波長發(fā)光元件。實例1在本實例中，檢驗以下步驟的效果在形成阱層13a的步驟S4之后以及形成勢壘層13b的步驟S2和S6之前供應(yīng)包括N的氣體，并且在中斷外延生長的步驟S5中供應(yīng)具有的分解效率高于N2和NH3在900°C下分解成活性氮的分解效率的氣體。另外，檢驗在中斷外延生長的步驟S5中供應(yīng)與阱層13a和勢壘層13b的N源的氣體不同的氣體的效果。(本發(fā)明的實例1)在本發(fā)明的實例1中，根據(jù)制造第一實施例中的LED的方法，通過使用MOCVD法來制造外延晶片和LED 10。具體來講，首先，將TMG、TMI和TMA準(zhǔn)備為III族材料，將氨準(zhǔn)備為V族材料，將 SiH4(硅烷)準(zhǔn)備為η型雜質(zhì)，并且將一甲胺準(zhǔn)備為在中斷外延生長的步驟S5中提供的氣體。將使用(0001)面作為主表面的GaN襯底準(zhǔn)備為襯底11 (步驟Si)。該襯底11被布置在MOCVD設(shè)備內(nèi)的基座上。此后，將氨和氫引入MOCVD設(shè)備以在1050°C下清潔10分鐘，而MOCVD設(shè)備中的壓力被控制為lOlkPa。接著，引入TMG、TMA、氨和硅烷，并且在1050 °C下將具有的厚度為50nm的 Al0.08Ga0.92N形成為襯底11上的第一層12a。此后，形成具有的厚度為2000nm的η型GaN層作為第二層12b。此后，將溫度降低為800°C，并且將具有的厚度為50nm的η型^5Giia94Ν層形成為第三層12c。第一層1 的生長速度為0. 4 μ m/h,第二層12b的生長速度為0. 4 μ m/ h,并且第三層12c的生長速度為0. 15 μ m/h。接著，在η型緩沖層12上形成有源層13 (步驟S2至S6)。具體來講，生長有源層 13，使其具有如圖3中所示的溫度分布和生長速度分布。下文中，將描述形成有源層13的方法。首先，在η型緩沖層12上形成具有的厚度為15nm并且由GaN制成的勢壘層 13b (步驟S2)。在該步驟S2中，生長溫度為880°C，生長速度為0. 4 μ m/h并且氨的流速為 29.6slm。然后，中斷外延生長(步驟S3)。在該步驟S3中，在4分鐘內(nèi)溫度從880°C降低至 7900C。此時，以29. 6slm的流速供應(yīng)氨。此后，在勢壘層1 上形成具有的厚度為3nm并且由InGaN制成的阱層13a，所述 InGaN具有大約20%的h組分比。在該步驟S4中，生長溫度為790°C，生長速度為0. 15 μ m/ h并且氨的流速為29. 6slm。然后，中斷外延生長(步驟SQ。在該步驟S5中，在3分鐘內(nèi)溫度從790°C升高至 880°C。此時，的流速供應(yīng)氨，并且以3sCCm的流速供應(yīng)一甲胺。在將一甲胺供應(yīng)到MOCVD設(shè)備中之前，將其與氨合并，并且供應(yīng)到基座上。要注意的是，一甲胺具有的分解效率高于隊和NH3在900°C下分解成活性氮的分解效率。此后，將以上步驟S2至S5重復(fù)三次。結(jié)果，形成三量子阱結(jié)構(gòu)。此外，形成具有的厚度為IOnm并且由GaN制成的勢壘層13b (步驟S6)。在該步驟S6中，生長溫度為880°C， 并且生長速度為0. 4 μ m/h。結(jié)果，形成位于有源層13的最上層處的勢壘層13b。如上所述， 形成有源層13。接著，將襯底11的溫度升高至1000°C，并且將具有的厚度為20nm的ρ型 Al0.08Ga0.92Ν形成為有源層13上的ρ型電子阻擋層14。隨后，將具有的厚度為50nm的ρ型GaN形成為ρ型電子阻擋層14上的ρ型接觸層15。
此后，MOCVD設(shè)備中的溫度降低并且將用于III-V族半導(dǎo)體的外延晶片從MOCVD設(shè)備中取出。通過以上步驟制造本發(fā)明的實例1的外延晶片。接著，通過使用氣相沉積法，將具有堆疊的Ni和Au的半透明電極形成為ρ型接觸層15上的ρ型電極16。接著，通過使用氣相沉積法，將具有堆疊的Ti、Al等的電極形成為襯底11的與形成η型緩沖層12的表面相反的表面?zhèn)壬系摩切碗姌O17。另外，在外延晶片中形成臺面結(jié)構(gòu)。具體來講，使用光刻法用于臺面圖案形成并且 RIE(反應(yīng)離子蝕刻)法用于臺面形成。通過以上步驟來制造具有的尺寸為400 μ mX 400 μ m的本發(fā)明的實例IWLED 10。(比較例1)在比較例1中，基本與本發(fā)明的實例1相類似地制造外延晶片和LED。然而，比較例1與本發(fā)明的實例1的唯一不同之處在于，在中斷外延生長的步驟S5中不提供一甲胺而
只供應(yīng)氨。(評價結(jié)果)通過X射線衍射，檢驗本發(fā)明的實例1和比較例1的外延晶片的阱層中的^!組分。 X射線源是CuKa 1并且入口狹縫尺寸被設(shè)置為0.2mmX 2. 0mm。另外，通過使用ω-2 θ法來測量(0002)面處的衍射。結(jié)果在圖5中示出。要注意的是，圖5示出本實例中的角度位置(ω/2θ)和衍射強度之間的關(guān)系。在圖5中，水平軸表示ω/2 θ (單位秒)并且垂直軸表示衍射強度(單位計數(shù)的數(shù)目/秒)。在圖5中，得到MQW中的h平均組分，并且基于由有源層的MQW造成的零級衛(wèi)星峰位置，來估計阱層中的h平均組分。因此，h組分是本發(fā)明的實例1的外延晶片中的0. 18，其中在中斷外延生長的步驟S5中供應(yīng)一甲胺。另一方面，h組分在比較例1的外延晶片中為0. 14，其中，在中斷外延生長的步驟S5中，僅供應(yīng)氨而沒有供應(yīng)一甲胺。該結(jié)果示出，通過供應(yīng)具有的分解效率比隊和NH3在900°C下分解成活性氮的分解效率高的一甲胺，或者通過供應(yīng)作為與用作阱層13a和勢壘13b的N源的氨不同的氣體的一甲胺，在中斷外延生長的步驟S5中，保護阱層13a的效應(yīng)被加強并且h和N的分解能夠得以抑制。另外，如圖5中所示，當(dāng)注意力集中到由MQW造成的衛(wèi)星峰值強度的低角度側(cè)上時，與其中沒有供應(yīng)一甲胺的比較例1相比，觀察到在中斷外延生長的步驟S5中供應(yīng)一甲胺的本發(fā)明的實例1中的衍射強度更清晰。該事實示出，通過供應(yīng)具有的分解效率高于N2 和NH3在900°C下分解為活性氮的分解效率的一甲胺，或者通過供應(yīng)作為與用作阱層13a和勢壘層13b的N源的氨不同的氣體的一甲胺，界面的陡度能夠增大。此外，通過使用光致發(fā)光方法，評價本發(fā)明的實例1和比較例1的外延晶片的發(fā)光波長、發(fā)光強度、半高全寬和發(fā)光光譜。使用具有的波長為325nm的He (氦)-Cd(鎘)激光器作為激發(fā)激光器。激發(fā)強度被設(shè)置為2W/cm2。在室溫下執(zhí)行測量。結(jié)果在表2和圖6中示出。要注意的是，圖6示出本實例中的PL波長和PL強度之間的關(guān)系。在圖6中，水平軸表示PL波長(單位nm)，并且垂直軸表示PL強度(單位a. u.)。[表 2]
權(quán)利要求
1.一種用于制造III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件(10，20)的方法，所述III-V族化合物半導(dǎo)體具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)，所述方法包括如下步驟形成包括化和N的阱層(13a)；形成勢壘層(1北)，所述勢壘層(13b)包括N，并且所述勢壘層(13b)的帶隙比所述阱層(13a)的帶隙寬；以及在形成所述阱層(13a)的所述步驟之后并且在形成所述勢壘層(13b)的所述步驟之前，通過供應(yīng)包括N的氣體來中斷外延生長，其中，在中斷外延生長的所述步驟中，供應(yīng)具有下述分解效率的所述氣體，該分解效率高于 N2和NH3在900°C下分解為活性氮的分解效率。
2.一種用于制造III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件(10，20)的方法，所述III-V族化合物半導(dǎo)體具有包括h和N的量子阱結(jié)構(gòu)，所述方法包括如下步驟形成包括化和N的阱層(13a)；形成勢壘層(1北)，所述勢壘層(13b)包括N，并且所述勢壘層(13b)具有的帶隙比所述阱層(13a)的帶隙寬；以及在形成所述阱層(13a)的所述步驟之后并且形成所述勢壘層(13b)的所述步驟之前， 通過供應(yīng)包括N的氣體來中斷外延生長，其中，在中斷外延生長的所述步驟中，供應(yīng)與被用作所述阱層(13a)和所述勢壘層(13b)的 N源的氣體不同的所述氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造發(fā)光元件(10，20)的方法，其中，在中斷外延生長的所述步驟中，供應(yīng)包含一甲胺和一乙胺中的至少一種的所述氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制造發(fā)光元件(10，20)的方法，其中，在中斷外延生長的所述步驟中，供應(yīng)包含一甲胺和一乙胺中的至少一種和氨的所述氣體，所述一甲胺和一乙胺中的所述至少一種具有的濃度為氨濃度的百分之一或者更小。
5.一種發(fā)光元件(10，20)，所述發(fā)光元件(10，20)通過使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造發(fā)光元件(10，20)的方法來制造，其中，所述發(fā)光元件(10，20)具有450nm或更大的發(fā)光波長。
6.一種發(fā)光元件(10，20)，所述發(fā)光元件(10，20)通過使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造發(fā)光元件的方法來制造，其中，所述阱層(13a)具有大于或等于Inm且小于或等于IOnm的厚度。
7.一種發(fā)光元件(10，20)，所述發(fā)光元件(10，20)通過使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造發(fā)光元件的方法來制造，其中，設(shè)在當(dāng)lOA/cm2或更大的電流經(jīng)過所述發(fā)光元件(10，20)時y(nm)表示半高全寬且 x(nm)表示發(fā)光波長，則所述發(fā)光元件(10，20)滿足0. 2333χ-90 < y < 0. 4284χ-174的關(guān)系。
全文摘要
一種用于制造發(fā)光元件的方法涉及用于制造III-V族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件的方法，所述III-V族化合物半導(dǎo)體具有包括In和N的量子阱結(jié)構(gòu)，所述方法包括如下步驟形成包括In和N的阱層(13a)；形成勢壘層(13b)，所述勢壘層(13b)具有的帶隙比所述阱層(13a)的帶隙寬；以及在形成所述阱層(13a)的步驟之后以及形成所述勢壘層(13b)的步驟之前，供應(yīng)包括N的氣體并且中斷外延生長。在中斷外延生長的所述步驟中，供應(yīng)具有的分解效率高于N2和NH3在900℃下分解為活性氮的分解效率的氣體。另外，在中斷外延生長的步驟中，供應(yīng)與用作阱層(13a)的N源的氣體不同的氣體。
文檔編號H01L21/205GK102239574SQ201080003506
公開日2011年11月9日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者上田登志雄, 上野昌紀(jì), 中村孝夫, 千田裕彥, 善積祐介, 高須賀英良 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社