專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。
背景技術(shù)：
以往，在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件等氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的有源層(active layer)中，為了確保氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的高發(fā)光效率，采用將量子阱層和阻擋層(barrier layer)交替層疊的多重量子講層結(jié)構(gòu)。例如，在專利文獻(xiàn)I (特開2007-201146號(hào)公報(bào))中，記載了在由多重量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的有源層的阻擋層中采用了 AlGaN層的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。在專利文獻(xiàn)I中，通過采用由AlGaN構(gòu)成的阻擋層，能夠緩和有源層中的量子阱層 的應(yīng)力，而且由于能夠通過減薄由AlGaN構(gòu)成的阻擋層的厚度而向有源層高效率地提供電子和空穴，所以使氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光效率提高。

發(fā)明內(nèi)容
作為氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的共同的課題，可舉出在將大電流密度的電流注入到有源層的情況下，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的發(fā)光效率降低的光效下降現(xiàn)象(droopphenomenon)。作為產(chǎn)生光效下降現(xiàn)象的理由，可舉出由于電子和空穴的擴(kuò)散距離的差異所引起的電子向P型氮化物半導(dǎo)體層的溢流(overflow)。另外，還可舉出由于載流子在多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層的厚度方向上沒有均勻地分配而局部存在于有源層的P型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)，使得該部分的載流子密度局部地升高，所以光效下降現(xiàn)象增強(qiáng)。但是，近些年來，由于在LED照明等用途中，以大電流密度驅(qū)動(dòng)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的需要不斷提高，所以對(duì)即使在以大電流密度驅(qū)動(dòng)的情況下，也能夠抑制由光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率降低的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的期望強(qiáng)烈。鑒于上述事實(shí)，本發(fā)明的目的在于提供在向有源層注入了大電流密度的電流的情況下，能夠抑制發(fā)光效率的降低的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。根據(jù)本發(fā)明的第I方案，提供氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；P型氮化物半導(dǎo)體層；和設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層，有源層具有包含量子阱層和與P型氮化物半導(dǎo)體層的阻擋層相連的多重量子阱結(jié)構(gòu)，阻擋層由AlGaN層和GaN層的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，阻擋層的AlGaN層與量子阱層的ρ型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連，AlGaN層中的Al原子的含量為10原子％以上。這里，在本發(fā)明第I方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，AlGaN層的厚度優(yōu)選為Inm以上4nm以下。根據(jù)本發(fā)明的第2方案，能夠提供氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；和設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層，有源層具有包含量子阱層、包含與量子阱層的η型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連的InGaN層的第I阻擋層、以及包含與量子阱層的P型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連的AlGaN的第2阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)。這里，在本發(fā)明第2方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，第I阻擋層的InGaN層的厚度優(yōu)選為Inm以上4nm以下。另外，在本發(fā)明第2方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選量子阱層包含In，第I阻擋層的InGaN層中的In原子的含量少于量子阱層中的In原子的含量。另外，在本發(fā)明第2方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選第I阻擋層的InGaN層中的In原子的含量為量子阱層中的In原子的含量的O. 3倍以上O. 7倍以下。另外，在本發(fā)明第2方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選第2阻擋層AlGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。根據(jù)本發(fā)明的第3方案，能夠提供氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括n型氮化 物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；和設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層，有源層具有包含量子阱層、以及與P型氮化物半導(dǎo)體層相連的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)，阻擋層由AlGaN層和GaN的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，阻擋層的AlGaN層與量子阱層的P型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連，AlGaN層包含Mg和In中的至少一種。這里，在本發(fā)明第3方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選AlGaN層的Mg濃度為I X IO1Vcm3以上I X IO2Vcm3以下。另外，在本發(fā)明第3方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選AlGaN層的In原子的含量為O. 01原子％以上5原子％以下。另外，在本發(fā)明第3方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選AlGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。另外，根據(jù)本發(fā)明的第4方案，能夠提供氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；和設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層，有源層具有包含量子阱層、由GaN層的單層構(gòu)成的第I阻擋層、以及由AlGaN層和GaN層的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的第2阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)，量子阱層包含在量子阱層中配置在最靠近η型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第I量子阱層；和在量子阱層中配置在最靠近P型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第2量子阱層，在第I量子阱層的P型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)以及第2量子阱層的ρ型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)分別設(shè)置第I阻擋層，與第2阻擋層相連地形成第I量子阱層和第2量子阱層以外的量子阱層。另外，在本發(fā)明第I方案-第4方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，多重量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)優(yōu)選為6以上20以下。而且，在本發(fā)明第I方案-第4方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選η型氮化物半導(dǎo)體層、P型氮化物半導(dǎo)體層、和有源層分別以c面為主面。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，能夠抑制在將大電流密度的電流注入到有源層中的情況下發(fā)光效率的降低。本發(fā)明的上述以及其它目的、特征、局面以及優(yōu)點(diǎn)，從與附圖相關(guān)聯(lián)地理解的有關(guān)本發(fā)明的下面的詳細(xì)說明中而更清楚。


圖I是實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。圖2 圖5是圖示實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一例制造方法的一部分制造工序的示意性剖面圖。圖6是實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。圖7是實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。圖8是實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。圖9 圖15是圖示實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一例制造方法的一部分制造工序的示意性剖面圖。圖16是實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。再有，在本發(fā)明的附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同的部分或相當(dāng)?shù)牟糠帧?lt;實(shí)施方式1>圖I中圖示作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一個(gè)例子的實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的適宜性剖面圖。其中，實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件包括基板I ;n型氮化物半導(dǎo)體層2，設(shè)置在基板I上；有源層3，設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層2上；ρ型氮化物半導(dǎo)體層4，設(shè)置在有源層3上；透明導(dǎo)電層5，設(shè)置在ρ型氮化物半導(dǎo)體層4上；η側(cè)電極6，設(shè)置在透明導(dǎo)電層5上；η側(cè)電極層7，設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層2上。這里，有源層3設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層2和ρ型氮化物半導(dǎo)體層4之間，具有從η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)交替地層疊(stack)量子阱層11和阻擋層12的結(jié)構(gòu)。有源層3具有包含多個(gè)量子阱層11的多重量子阱結(jié)構(gòu)。另外，阻擋層12由AlGaN層12a、在AlGaN層12a上設(shè)置的GaN層12b的二層結(jié)構(gòu)形成，有源層3的最上層的阻擋層12的GaN層12b與ρ型氮化物半導(dǎo)體層4相連。另一方面，成為有源層3的最下層的量子阱層11與η型氮化物半導(dǎo)體層2相連，在最下層的量子阱層11的P型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)的表面上相連阻擋層12的AlGaN層12a。S卩，在有源層3中，具有從η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)到ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)，將量子阱層11、AlGaN層12a、和GaN層12b以該順序反復(fù)層疊的結(jié)構(gòu)。下面，參照?qǐng)D2-圖5的示意性剖面圖，說明實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一例制造方法。首先，如圖2所示，在基板I上層疊η型氮化物半導(dǎo)體層2。這里，η 型氮化物半導(dǎo)體層 2 例如可以通過 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)法等形成在基板I上。作為基板1，例如可以采用藍(lán)寶石(Al2O3)基板、GaN自支承基板、SiC基板、尖晶石(MgAl2O4)基板或ZnO基板等。作為η型氮化物半導(dǎo)體層2，例如可以采用在以AlxlGayl InzlN (O彡xl彡I、O ^ yl ^ 1>0 ^ zl ^ 1> xl+yl+zl O)式表示的氮化物半導(dǎo)體中摻雜了 Si等η型摻雜物的氮化物半導(dǎo)體晶體等。η型氮化物半導(dǎo)體層2不限定于單層，例如也可以是低溫緩沖層、未摻雜層以及超晶格層等的組成和/或η型摻雜物的摻雜濃度不同的多個(gè)層。再有，在η型氮化物半導(dǎo)體層2其一部分中包含未摻雜層的情況下，η型氮化物半導(dǎo)體層2整體上顯示η型導(dǎo)電性即可。接下來，如圖3所示，在η型氮化物半導(dǎo)體層2上層疊有源層3。這里，有源層3可以例如通過MOCVD法等，在η型氮化物半導(dǎo)體層2上以量子阱層I UAlGaN層12a和GaN層12b的順序反復(fù)層疊它們而形成。作為量子阱層11，例如可以采用以Alx2Gay2Inz2N(O彡x2彡1，O彡y2彡1，O彡z2彡I, x2+y2+z2 O)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體等,尤其優(yōu)選采用以Gay2Inz2N(O< y2 < 1,0 < z2 < I, y2+z2 < I)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體。
作為AlGaN 層 12a，采用以 Alx3Gay3N(O. I ^ x3 < I, O < y3 < I, x3+y3 Φ O)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體。即，AlGaN層12a的Al原子的含量為10原子％以上。再有，AlGaN層12a和GaN層12b的帶隙分別比量子阱層11的帶隙大，AlGaN層12a的帶隙比GaN層12b的帶隙大。接下來，如圖4所示，在有源層3上層疊ρ型氮化物半導(dǎo)體層4，在ρ型氮化物半導(dǎo)體層4上層疊透明導(dǎo)電層5。這里，ρ型氮化物半導(dǎo)體層4例如可以通過MOCVD法等在有源層3上形成。另外，透明導(dǎo)電層5例如可以通過濺射法等形成在ρ型氮化物半導(dǎo)體層4上。作為P型氮化物半導(dǎo)體層4，例如可用采用在以Alx5Gay5Inz5N(O ^ x5 ^ I,
O< y5 < I, O < z5 < I, x5+y5+z5 0)式表示的氮化物半導(dǎo)體中摻雜了 Mg等ρ型摻雜物(dopant)的氮化物半導(dǎo)體晶體等。作為透明導(dǎo)電層5，例如可以采用ITO (Indium Tin Oxide :氧化銦錫)等透明導(dǎo)電膜。接下來，如圖5所示，通過對(duì)η型氮化物半導(dǎo)體層2、有源層3、ρ型氮化物半導(dǎo)體層4和透明導(dǎo)電層5的各自的一部分進(jìn)行光刻，使η型氮化物半導(dǎo)體層2的表面露出。接下來，如圖I所示，在透明導(dǎo)電層5的表面上形成P側(cè)電極6的同時(shí)，在η型氮化物半導(dǎo)體層2的露出表面上形成η側(cè)電極7。這里，作為ρ側(cè)電極6，例如可以采用在透明導(dǎo)電層5的表面上以Ti層、Al層和Au的順序?qū)盈B它們等方式。另外，作為η側(cè)電極7，例如可以采用在η型氮化物半導(dǎo)體層2的露出表面上以Ti層、Al層和Au層的順序?qū)盈B它們等方式。通過上述步驟，制造圖I中示出的實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。在實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，與有源層3的量子阱層11的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)的表面相連的阻擋層12的AlGaN層12a的Al原子的含量為10原子％以上。由此使量子阱層11和AlGaN層12a之間的導(dǎo)帶間能量差大，能夠抑制注入到有源層3中的電子向ρ型氮化物半導(dǎo)體層4的溢流。另一方面，注入到有源層3中的空穴可以從量子阱層11的價(jià)電子帶到AlGaN層12a的價(jià)電子帶，通過作為這里間的能帶的GaN層12b的價(jià)電子帶移動(dòng)到η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，所以比電子容易移動(dòng)到有源層3中，能夠?qū)⒂性磳?中相對(duì)于電子的空穴的擴(kuò)散距離增長(zhǎng)。因此，在實(shí)施方式I中，與沒有形成AlGaN層12a的情況相比，能夠縮小有源層3中電子與空穴之間的擴(kuò)散距離的差異，所以不僅能夠抑制電子向P型氮化物半導(dǎo)體層4的溢流，還能夠在具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層3的厚度方向上均勻地分配載流子，從而抑制載流子局部存在于有源層3的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)。
根據(jù)上面的理由，在實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，即使在用大電流密度驅(qū)動(dòng)的情況下，也能夠抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低，所以能夠抑制在大電流密度的電流注入到了有源層3中的情況下的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的發(fā)光效率的降低。在圖I中示出的實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，優(yōu)選AlGaN層12a的厚度tl為Inm以上4nm以下。在AlGaN層12a的厚度tl為Inm以上4nm以下的情況下，空穴變得容易穿過AlGaN層12a，從而使空穴變得容易擴(kuò)散到有源層3的內(nèi)部，所以能夠提高載流子向有源層3分配的均勻性，具有能夠進(jìn)一步抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率降低的傾向。另外，優(yōu)選有源層3的多重量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為6以上20以下。在有源層3的多重量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為6以上的情況下，在有源層3的厚度方向上能夠均勻分配載流子的傾向變大。另外，在有源層3的多重量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為20以下的情況下，具有有源層3的厚度與載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相比也不會(huì)變得過厚的傾向。因此，在有源層3的多重 量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)優(yōu)選為6以上20以下的情況下，能夠進(jìn)一步抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低。再有，在分別使η型氮化物半導(dǎo)體層2、有源層3、和ρ型氮化物半導(dǎo)體層4的c面成為主面(生長(zhǎng)面)的情況下，在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中產(chǎn)生的壓電電場(chǎng)妨礙空穴的輸送。但是，在實(shí)施方式I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，即使在產(chǎn)生這樣的壓電電場(chǎng)情況下，在能夠?qū)崿F(xiàn)高的發(fā)光效率這方面也是有用的。<實(shí)施方式2>圖6中圖示了作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一例的實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。這里，實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的特征在于，有源層3的結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式I不同。即，在實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的有源層3中，從η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，以量子阱層IUAlGaN層12c、GaN層12d和InGaN層12e的順序反復(fù)層疊，形成以GaN層12d結(jié)束層疊的多重量子阱結(jié)構(gòu)。另外，InGaN層12e與位于有源層3的最下層的量子阱層11以外的量子阱層11的η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)的表面相連，AlGaN層12c與ρ型氮化物半導(dǎo)體層4的表面相連。在實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，配置氮化物半導(dǎo)體層(以InGaN層12e、GaN層12d和AlGaN層12c的順序設(shè)置)，使得在作為有源層3的最下層的阻擋層12中，從量子阱層11 一側(cè)到η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，帶隙逐漸變大。從而，空穴從量子阱層11向阻擋層12擴(kuò)散時(shí)，可以從量子阱層11的價(jià)電子帶到AlGaN層12c的價(jià)電子帶,通過作為逐漸變大的兩級(jí)的中間能帶的InGaN層12e和GaN層12d的價(jià)電子帶，移動(dòng)到η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，所以能夠比電子容易移動(dòng)到有源層3中，能夠?qū)⒂性磳?中空穴相對(duì)于電子的擴(kuò)散距離增長(zhǎng)。因此，即使在實(shí)施方式2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，不僅能夠抑制電子向P型氮化物半導(dǎo)體層4的溢流，還能夠在具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層3的厚度方向上均勻地分配載流子，從而抑制載流子局部存在于有源層3的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)，所以能夠抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低。另外，與量子阱層11相連的AlGaN層12c的厚度t2優(yōu)選為Inm以上4nm以下。在該情況下，由于能夠使與量子阱層11相連的AlGaN層12c的厚度變得充分地薄，所以能夠防止在與量子阱層11相連的阻擋層12上形成的量子阱層11的結(jié)晶性的惡化。另外，在量子阱層11由包含In的氮化物半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的情況下，優(yōu)選阻擋層12的InGaN層12e中的In原子的含量比量子阱層11中的In原子的含量少，優(yōu)選阻擋層12的InGaN層12e中的In原子的含量為量子阱層11中的In原子的含量的O. 3倍以上7倍以下。在該情況下，通過設(shè)置了 InGaN層12e和GaN層12d的兩級(jí)的中間能帶，具有能夠進(jìn)一步提高光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低的抑制效果的傾向。另外，優(yōu)選與量子阱層11相連的InGaN層12e的厚度t3為Inm以上4nm以下。在該情況下，由于能夠使與量子阱層11相連的InGaN層12e的厚度充分地薄，所以能夠防止 在與量子阱層11相連的阻擋層12上形成的量子阱層11的結(jié)晶性的惡化。作為AlGaN層12c，例如可用采用以Alx6Gay6Inz6N(O彡x6彡1，O彡y6彡1，
O^ z6 ^ I, x6+y6+z6幸O)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體等。作為InGaN層 12e，例如可以采用用 Gay8Inz8N(0<y8< I，0<z8< I，y8+z8< I)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體等。由于本實(shí)施方式的上述以外的說明與實(shí)施方式I相同，所以省略對(duì)其的說明。<實(shí)施方式3>圖7中示出了作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一個(gè)例子的實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。這里，實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的特征在于，采用由含Mg和In中的至少一種的AlGaN層12f、GaN層12b的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的阻擋層42作為具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層3的阻擋層。S卩，實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的有源層3具有從η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，以量子阱層11、AlGaN層12f和GaN層12b的順序反復(fù)層疊的多重量子阱結(jié)構(gòu)。這里，作為有源層3的最下層的量子阱層11與η型氮化物半導(dǎo)體層2相連，有源層3的最上層的阻擋層42的GaN層12b與ρ型氮化物半導(dǎo)體層4相連。另外，阻擋層42的AlGaN層12f與該阻擋層42上的量子阱層11的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)的表面相連。在采用包含In的氮化物半導(dǎo)體層結(jié)晶作為量子阱層11的情況下，為了抑制In從量子阱層11的蒸發(fā)，有必要使AlGaN層12f在低溫(例如700°C -800°C )下生長(zhǎng)。在這樣的低溫下使氮化物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的情況下，難以得到平坦的生長(zhǎng)表面，但是對(duì)于含Mg和In中的至少一種的AlGaN層12f，即使在這樣的低溫(例如700°C -800°C )下生長(zhǎng)的情況下也有得到平坦的生長(zhǎng)表面的傾向。這是因?yàn)樵贏lGaN層的生長(zhǎng)中包含Mg和In中的至少一種從而促進(jìn)了 AlGaN層的二維生長(zhǎng)。即使在實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的有源層3中，也與實(shí)施方式
I相同，由于采用由AlGaN層12f和GaN層12b的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的阻擋層42，所以能夠?qū)⒂性磳?中空穴對(duì)于電子的擴(kuò)散距離增長(zhǎng)。因此，即使在實(shí)施方式3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，不僅能夠抑制電子向P型氮化物半導(dǎo)體層4的溢流，還能夠在具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層3的厚度方向上均勻地分配載流子，從而抑制載流子局部存在于有源層3的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)，所以能夠抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低。這里，在AlGaN層12f含Mg的情況下，優(yōu)選AlGaN層12f的Mg濃度在I X IO1Vcm3以上I X IO2Vcm3以下。AlGaN層12f的Mg濃度在I X IO1Vcm3以上的情況下，由于Mg起到表面活性劑的作用，所以即使在低溫下生長(zhǎng)AlGaN層12f的情況下，也使得到具有平坦表面的AlGaN層12f的傾向變大。另外，在AlGaN層12f的Mg濃度在lX102°/cm3以上的情況下，由于使AlGaN層12f的結(jié)晶性惡化，所以優(yōu)選在其以下。另外，在AlGaN層12f含In的情況下，優(yōu)選AlGaN層12f的In原子的含量在O. 01原子％以上5原子％以下。在AlGaN層12f的In原子的含量在O. 01原子％以上的情況下，由于In具有表面活性劑的功能，所以即使在低溫下生長(zhǎng)AlGaN層12f的情況下，也使得到具有平坦表面的AlGaN層12f的傾向變大。另外，在AlGaN層12f的In原子含量在5原子％以下的情況下，由于沒有使AlGaN層12f的帶隙過小，所以具有能夠進(jìn)一步抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低的傾向。再有,在本說明書中，所謂AlGaN層的In原子的含量為O. 01原子％以上5原子％ 以下，是指以AlGaN層的Al、Ga、和In的總原子數(shù)為100時(shí)的In原子數(shù)的比率為O. 01以上5以下。另外，優(yōu)選與量子阱層11的P型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)的表面相連的AlGaN層12f的厚度t4為Inm以上4nm以下。在該情況下，由于能夠提高載流子向有源層3分配的均勻性，所以具有能夠進(jìn)一步抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低的傾向。作為AlGaN層 12f，例如可以采用以 Gax9Inz9N(0<x9< l，0<y9< I，x9+y9< I)式表示的氮化物半導(dǎo)體晶體等。本實(shí)施方式的除上述以外的說明與實(shí)施方式I相同，所以省略對(duì)其的說明。<實(shí)施方式4>圖8是作為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的實(shí)施方式4的一例氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的示意性剖面圖。這里，實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的特征在于，有源層3的結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式1-3不同。S卩，實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的有源層3從η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)，以量子阱層11、第I阻擋層52a、量子阱層11、和第2阻擋層52b的順序反復(fù)層疊，形成由第I阻擋層52a結(jié)束層疊的多重量子阱結(jié)構(gòu)。這里，第I阻擋層52a由GaN層的單層構(gòu)成，第2阻擋層52b由AlGaN層12a、AlGaN層12a上設(shè)置的GaN層12b的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。另外，作為有源層3的最下層的量子阱層11與η型氮化物半導(dǎo)體層2相連，作為有源層3的最上層的第I阻擋層52a與ρ型氮化物半導(dǎo)體層4相連。另外，在實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，在構(gòu)成有源層3的量子阱層11中，在配置于距η型氮化物半導(dǎo)體層2最近的位置的量子阱層11的P型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)，設(shè)置第I阻擋層52a。另外，在實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，在構(gòu)成有源層3的量子阱層中，在配置于距ρ型氮化物半導(dǎo)體層4最近的位置的量子阱層11的P型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)，設(shè)置第I阻擋層52a。并且，配置于距η型氮化物半導(dǎo)體層2最近的位置的量子阱層11和配置于距ρ型氮化物半導(dǎo)體層4最近的位置的量子阱層11以外的量子阱層11，與第2阻擋層52b相連地形成。因此，在實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，由AlGaN層12a和AlGaN層12b的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的第2阻擋層52b，沒有設(shè)置在有源層3的厚度方向上的η型氮化物半導(dǎo)體層2 —側(cè)的端部和ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)的端部上，而設(shè)置在有源層3的內(nèi)部。因此，在有源層3的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了使上述有源層3中電子和空穴的擴(kuò)散距離的差異變小的效果，能夠在有源層3的厚度方向的中央部聚集電子和空穴。由此，即使在實(shí)施方式4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，不僅能夠抑制電子向P型氮化物半導(dǎo)體層4的溢流，由于在具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的有源層3的厚度方向上均勻地分配載流子而抑制載流子局部存在于有源層3的ρ型氮化物半導(dǎo)體層4 一側(cè)上，所以還能夠抑制光效下降現(xiàn)象引起的發(fā)光效率的降低。再有，可以采用與構(gòu)成第2阻擋層52b的一部分的GaN層12b相同的層，作為構(gòu)成第I阻擋層52a的GaN層。本實(shí)施方式的除上述以外的說明與實(shí)施方式I相同，所以省略對(duì)其的說明。
實(shí)施例I下面，參照?qǐng)D9 圖16的示意性剖面圖，說明實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的一例制造方法。首先，如圖9所示，準(zhǔn)備藍(lán)寶石基板21，將藍(lán)寶石基板21設(shè)置在MOCVD裝置內(nèi)。然后，通過將設(shè)置在MOCVD裝置內(nèi)的藍(lán)寶石基板21在氫氣氛下加熱到1000°C，進(jìn)行藍(lán)寶石基板21的表面的熱清洗。接下來，如圖10所示，使藍(lán)寶石基板21的溫度降低到500°C，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG (三甲基鎵)氣體和NH3 (氨)氣體，在藍(lán)寶石基板21的表面上使低溫緩沖層22生長(zhǎng)到20nm的厚度。接下來，如圖10所示，使藍(lán)寶石基板21的溫度上升到1000°C，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG氣體和NH3氣體，在低溫GaN緩沖層22的表面上使未摻雜的GaN層23生長(zhǎng)到
2μ m的厚度。接下來，如圖11所示，將藍(lán)寶石基板21的溫度一直維持在1000°C，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG氣體、NH3氣體和SiH4 (硅烷)氣體，在未摻雜GaN層23的表面上使高度摻雜η型GaN層24生長(zhǎng)到3 μ m的厚度。這里，向MOCVD裝置內(nèi)供給SiH4氣體，使得高度摻雜η型GaN層24中的Si濃度為7 X IO1Vcm30接下來，使藍(lán)寶石基板21的溫度降低到700°C，如圖12所示，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG氣體、NH3氣體和TMI (三甲基銦)氣體，在高度摻雜η型GaN層24上使由In。. 2Ga0.8N構(gòu)成的量子阱層61生長(zhǎng)到2. 5nm的厚度。然后，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG氣體、NH3氣體和TMA(三甲基鋁)氣體，在量子阱層61上使八1(|.和(^層生長(zhǎng)到2nm的厚度。其后，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMG氣體和NH3氣體，在Al。, ^a0.9N層上使GaN層生長(zhǎng)到6nm的厚度。由此，在量子阱層61上形成由AlGaN層和GaN層的層疊體構(gòu)成的阻擋層62。這樣，通過在高度摻雜η型GaN層24上交替地六個(gè)周期地重復(fù)生長(zhǎng)量子阱層61和阻擋層62，形成有源層25。接下來，使藍(lán)寶石基板21的溫度上升到950°C，通過向MOCVD裝置內(nèi)供給TMA氣體、TMG氣體、NH3氣體和CP2Mg (雙環(huán)戊二烯鎂)氣體，在阻擋層62上使Ala2Gaa8N層生長(zhǎng)到20nm的厚度，其后，通過供給TMG氣體、NH3氣體和CP2Mg氣體，在ρ型Ala2Gaa8N層上使P型GaN層生長(zhǎng)到IOOnm的厚度。由此，如圖13所示，在有源層25上生長(zhǎng)由ρ型Ala2Gaa8N層和ρ型GaN的層疊體構(gòu)成的ρ型氮化物半導(dǎo)體層26。
接下來，使藍(lán)寶石基板21的溫度降低到室溫之后，從MOCVD裝置中取出直至形成了 P型氮化物半導(dǎo)體層26的藍(lán)寶石基板21，將其設(shè)置在濺射裝置內(nèi)。接下來，如圖14所示，在ρ型氮化物半導(dǎo)體層26的表面上，通過濺射法，將由ITO構(gòu)成的透明導(dǎo)電層27形成至200nm的厚度。接下來，在透明導(dǎo)電層27的表面的一部分上通過光刻技術(shù)形成了掩模之后，通過進(jìn)行RIE (Reactive Ion Etching :反應(yīng)離子刻蝕)，如圖15所示，除去透明導(dǎo)電層27、ρ型氮化物半導(dǎo)體層26、有源層25和高度摻雜η型GaN層24的各自的一部分，使高度摻雜η型GaN層24的表面露出。其后，如圖16所示，在透明導(dǎo)電層27和高度摻雜η型GaN層24的露出表面上，通過以Ti層、Al層、和Au層的順序分別進(jìn)行層疊，在透明導(dǎo)電層27上形成ρ側(cè)焊盤電極(pad electrode) 28，在高度摻雜η型GaN層24的露出表面上形成η側(cè)焊盤電極29。通過 上面的步驟，完成實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。另外,作為比較,除了不形成厚度2nm的AlaiGaa9N層而僅以6nm的GaN層作為阻擋層以外，與實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件同樣，制作比較例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。如上所述制作的實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，與比較例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相比，如上所述，能夠?qū)⒖昭ǖ臄U(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相對(duì)地增長(zhǎng)。因此，在實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，由于能夠使峰值電流位置移動(dòng)到大電流側(cè)，所以能夠抑制向有源層注入了大電流密度的電流的情況下的發(fā)光效率的降低。實(shí)施例2除了使實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的最上層的阻擋層62為厚度2nm的Ala Aaa9N層和厚度4nm的GaN層的二層結(jié)構(gòu)，將最上層的阻擋層62以外的阻擋層62改變?yōu)閺母叨葥诫sη型GaN層24 —側(cè)，厚度2nm的Al。. Aaa9N層、厚度4nm的GaN層、和厚度2nm的InaiGaa9N層的三層結(jié)構(gòu)以外，與實(shí)施例I相同，制作實(shí)施例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。另外，作為比較，除了不形成厚度2nm的Al。. Aaa9N層和厚度2nm的InaiGaa9N層而僅以厚度6nm的GaN層作為阻擋層以外，與實(shí)施例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相同，制作比較例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。如上所述制作的實(shí)施例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，與比較例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相比，如上所述，能夠使空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相對(duì)地增長(zhǎng)。因此，在實(shí)施例2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，由于能夠使峰值電流位置移動(dòng)到大電流側(cè)，所以能夠抑制向有源層注入了大電流密度的電流的情況下的發(fā)光效率的降低。實(shí)施例3除了在實(shí)施例I的氮化物發(fā)光二極管元件的阻擋層62的厚度2nm的Ala Aaa9N層中用CP2Mg氣體摻雜Mg到5X IO1Vcm3的濃度以外，與實(shí)施例I相同，制作實(shí)施例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。另外，作為比較，除了不形成厚度2nm的AlaiGaa9N層而僅以厚度6nm的GaN層作為阻擋層以外，與實(shí)施例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相同，制作比較例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。如上所述制作的實(shí)施例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，與比較例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相比，如上所述，能夠使空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相對(duì)地增長(zhǎng)。因此，在實(shí)施例3的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，由于能夠使峰值電流位置移動(dòng)到大電流側(cè)，所以能夠抑制向有源層注入了大電流 密度的電流的情況下的發(fā)光效率的降低。實(shí)施例4除了在實(shí)施例I的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件的阻擋層62的厚度2nm的Ala Aaa9N層中添加In而使AlaiGaa9N層的In原子的含量為O. 5原子％以外，與實(shí)施例I相同，制作實(shí)施例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。另外，作為比較，除了不形成厚度2nm的AlaiGaa9N層而僅以厚度6nm的GaN層作為阻擋層以外，與實(shí)施例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相同，制作比較例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件。如上所述制作的實(shí)施例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，與比較例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件相比，如上所述，能夠使空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相對(duì)地增長(zhǎng)。因此，在實(shí)施例4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件中，由于能夠使峰值電流位置移動(dòng)到大電流側(cè)，所以能夠抑制向有源層注入了大電流密度的電流的情況下的發(fā)光效率的降低。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，可以用于在照明等中使用的大電流驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管元件。本次公開的實(shí)施方式和實(shí)施例，在所有方面是例示而不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。本發(fā)明的范圍不由上述的說明而由權(quán)利要求的范圍來表示，意味著包含與權(quán)利要求請(qǐng)求的范圍均等的意思以及范圍的全部變化。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括 n型氮化物半導(dǎo)體層； P型氮化物半導(dǎo)體層；和 設(shè)置在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層， 所述有源層具有包含量子阱層和與所述P型氮化物半導(dǎo)體層相連的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)， 所述阻擋層由AlGaN層和GaN層的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 所述阻擋層的所述AlGaN層與所述量子阱層的所述p型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連， 所述AlGaN層中的Al原子的含量為10原子％以上。
2.如權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述AlGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。
3.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括 n型氮化物半導(dǎo)體層； P型氮化物半導(dǎo)體層；和 設(shè)置在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和所述p型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層， 所述有源層具有包含量子阱層、包含與量子阱層的n型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連的InGaN層的第I阻擋層、以及包含與量子阱層的p型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連的AlGaN的第2阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述第I阻擋層的所述InGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。
5.如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述量子阱層包含In， 所述第I阻擋層的所述InGaN層中的In原子的含量少于所述量子阱層中的In原子的含量。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述第I阻擋層的所述InGaN層中的所述In原子的含量為所述量子阱層中的所述In原子的含量的0. 3倍以上0. 7倍以下。
7.如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述第2阻擋層的所述AlGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。
8.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括 n型氮化物半導(dǎo)體層； P型氮化物半導(dǎo)體層；和 設(shè)置在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和所述p型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層， 所述有源層具有包含量子阱層、以及與P型氮化物半導(dǎo)體層相連的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)， 所述阻擋層由AlGaN層和GaN的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 所述阻擋層的所述AlGaN層與所述量子阱層的所述p型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連， 所述AlGaN層包含Mg和In中的至少一種。
9.如權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，所述AlGaN層的Mg濃度為I X IO1Vcm3以上I X IO2Vcm3以下。
10.如權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述AlGaN層的In原子的含量為0. 01原子％以上5原子％以下。
11.如權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述AlGaN層的厚度為Inm以上4nm以下。
12.—種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件，包括 n型氮化物半導(dǎo)體層； P型氮化物半導(dǎo)體層；和 設(shè)置在所述n型氮化物半導(dǎo)體層和所述p型氮化物半導(dǎo)體層之間的有源層， 所述有源層具有包含量子阱層、由GaN層的單層構(gòu)成的第I阻擋層、以及由AlGaN層和GaN層的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的第2阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)， 所述量子阱層包含在所述量子阱層中配置在最靠近所述n型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第I量子阱層；和在所述量子阱層中配置在最靠近所述P型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第2量子阱層， 在所述第I量子阱層的所述P型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)以及所述第2量子阱層的所述p型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)分別設(shè)置所述第I阻擋層，與所述第2阻擋層相連地形成所述第I量子阱層和所述第2量子阱層以外的所述量子阱層。
13.如權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述多重量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為6以上20以下。
14.如權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件， 所述n型氮化物半導(dǎo)體層、所述p型氮化物半導(dǎo)體層、和所述有源層分別以c面為主面。
全文摘要
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管元件包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；以及在n型氮化物半導(dǎo)體層和p型氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置的有源層，有源層具有量子阱層；以及與p型氮化物半導(dǎo)體層相連的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)，阻擋層由AlGaN層和GaN層的二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，阻擋層的AlGaN層與量子阱層的p型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)相連。
文檔編號(hào)H01L33/06GK102760807SQ20121009293
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者駒田聰 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社