Led元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED元件，特別是涉及用氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的LED元件。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為使用了氮化物半導(dǎo)體的LED元件，如藍(lán)色發(fā)光二極管所代表的那樣，在藍(lán)寶石基板上利用外延生長(zhǎng)形成有半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)體(層疊半導(dǎo)體基板)。這樣的技術(shù)例如公開(kāi)在下述專利文獻(xiàn)I或?qū)＠墨I(xiàn)2中。
[0003]專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)了具有在藍(lán)寶石基板上依次層疊有作為η型氮化物半導(dǎo)體的由氮化鎵(GaN)構(gòu)成的η型接觸層、由n_AlGaN構(gòu)成的η型包覆層、由n-1nGaN構(gòu)成的活性層、由p-AlGaN構(gòu)成的P型包覆層和由p_GaN構(gòu)成的p型接觸層的結(jié)構(gòu)的LED。通過(guò)單一量子阱結(jié)構(gòu)或多重量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了活性層。
[0004]進(jìn)而，在藍(lán)寶石基板與η型接觸層之間形成有由GaN、AlGaN或AlN構(gòu)成的緩沖層。在形成活性層的n-1nGaN中摻雜有Si或Ge等供體雜質(zhì)及/或Zn或Mg等受體雜質(zhì)。
[0005]專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了下述內(nèi)容:在形成LED的層疊半導(dǎo)體基板中，在面取向集中在c軸方向上的AlN上生長(zhǎng)形成晶格常數(shù)比AlN大、且面取向集中在c軸方向上的GaN層，在GaN層上依次形成晶格常數(shù)比GaN層小的n-AlGaN層、具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的活性層、P-AI GaN 層。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)平10-93138號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2005-209925號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明要解決的課題
[0011](第I課題)
[0012]GaN或AlGaN等氮化物半導(dǎo)體具有纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)(六方晶結(jié)構(gòu))。纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的面以4指數(shù)標(biāo)記(六方晶指數(shù))、使用al、a2、a3及c所示的基本矢量來(lái)表示結(jié)晶面或取向。基本矢量c在
[0001]方向上延伸、將該方向稱作“c軸”。將垂直于c軸的面稱作“ c面”或“(0001)面”。
[0013]以往，當(dāng)使用氮化物半導(dǎo)體制作半導(dǎo)體元件時(shí)，作為使氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶生長(zhǎng)的基板，使用主面具有c面基板的基板。實(shí)際上，在該基板上使未摻雜的GaN層生長(zhǎng)、進(jìn)而在它的上層使η型的氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)。
[0014]圖23是表示以往的LED元件190的結(jié)構(gòu)的概略截面圖。另外，以下附圖中，實(shí)際尺寸比和附圖上的尺寸比未必一定一致。
[0015]LED元件190是在藍(lán)寶石等支撐基板111的上層具有以3 μ m的膜厚形成了例如未摻雜的GaN層的未摻雜層113和在它的上層以1.5 μπι的膜厚形成了例如n_AlGaN層的η型包覆層115。進(jìn)而，LED元件190具有通過(guò)在η型包覆層115的上層交替層疊例如構(gòu)成阱層的膜厚為2nm的InGaN和構(gòu)成勢(shì)皇層的膜厚為5nm的AlGaN而形成了 MQW(Mult1-quantumWell:多重量子阱)的活性層117。進(jìn)而，LED元件190在活性層117的上層具有例如用P-AlGaN層形成的P型包覆層119、在它的上層具有用P+-GaN層形成的p型接觸層121。另夕卜，LED元件190根據(jù)需要在活性層117與P型包覆層119之間具有用AlGaN形成的最終阻擋層。
[0016]在此，構(gòu)成η型包覆層115的AlGaN的晶格常數(shù)比構(gòu)成它的下層的未摻雜層113的GaN的晶格常數(shù)小。因此，在η型包覆層115內(nèi)產(chǎn)生由晶格失配引起的拉伸應(yīng)力181。另夕卜，拉伸應(yīng)力181所示的箭頭表示應(yīng)力的方向。該拉伸應(yīng)力181隨著η型包覆層115的膜厚增大而增大，當(dāng)超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生表面粗糙或開(kāi)裂、伴隨結(jié)晶缺陷的錯(cuò)配位錯(cuò)，導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。
[0017]另一方面，當(dāng)使η型包覆層115的膜厚過(guò)薄時(shí)，如果對(duì)P型接觸層121的上表面形成的供電端子(未圖示)與η型包覆層115之間施加電壓，則自供電端子介由位于它的正下方附近的P型接觸層121、ρ型包覆層119、活性層117向η型包覆層115流過(guò)電流。因此，電流會(huì)僅向活性層117內(nèi)的一部分區(qū)域流動(dòng)，發(fā)光區(qū)域減少，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。進(jìn)而，由于電流流過(guò)活性層117的一部分，因而局部地發(fā)生電流集中，產(chǎn)生活性層117內(nèi)的載流子的不均勻性，無(wú)法獲得高的發(fā)光強(qiáng)度。
[0018](第2課題)
[0019]GaN或AlGaN等氮化物半導(dǎo)體具有纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)(六方晶結(jié)構(gòu))。纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的面以4指數(shù)標(biāo)記(六方晶指數(shù))、使用al、a2、a3及c所示的基本矢量來(lái)表示結(jié)晶面或取向?；臼噶縞在
[0001]方向上延伸、將該方向稱作“c軸”。將垂直于c軸的面稱作“ c面”或“(0001)面”。
[0020]以往，使用氮化物半導(dǎo)體制作半導(dǎo)體元件時(shí)，作為使氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶生長(zhǎng)的基板，使用主面具有c面基板的基板。實(shí)際上，在該基板上使未摻雜的GaN層生長(zhǎng)、進(jìn)而在它的上層使η型的氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)。
[0021]圖24是表示以往的LED元件290的結(jié)構(gòu)的概略截面圖。另外，在以下的附圖中，實(shí)際的尺寸比和附圖上的尺寸比未必一定一致。
[0022]LED元件290是在藍(lán)寶石等支撐基板211的上層具有以3 μπι的膜厚形成了例如未摻雜的GaN層的未摻雜層213和在它的上層以1.5 μπι的膜厚形成了例如n_AlGaN層的η型包覆層215。進(jìn)而，LED元件290具有通過(guò)在η型包覆層215的上層交替層疊例如構(gòu)成阱層的膜厚2nm的InGaN和構(gòu)成勢(shì)皇層的膜厚為5nm的AlGaN而形成了 MQW(Mult1-quantumWell:多重量子阱)的活性層217。進(jìn)而，LED元件290在活性層217的上層具有例如用P-AlGaN層形成的P型包覆層219、在它的上層具有用P+-GaN層形成的p型接觸層221。另夕卜，LED元件290根據(jù)需要在活性層217與p型包覆層219之間具有用AlGaN形成的最終阻擋層。
[0023]在此，構(gòu)成η型包覆層215的AlGaN的晶格常數(shù)比構(gòu)成它的下層的未摻雜層213的GaN的晶格常數(shù)小。因此，在η型包覆層215內(nèi)產(chǎn)生由晶格失配引起的拉伸應(yīng)力281。另夕卜，拉伸應(yīng)力281所示的箭頭表示應(yīng)力的方向。該拉伸應(yīng)力281隨著η型包覆層215的膜厚增大而增大，當(dāng)超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生表面粗糙或開(kāi)裂、伴隨結(jié)晶缺陷的錯(cuò)配位錯(cuò)，導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。
[0024]另一方面，當(dāng)使η型包覆層215的膜厚過(guò)薄時(shí)，如果對(duì)ρ型接觸層221的上表面形成的供電端子(未圖示)與η型包覆層215之間施加電壓，則自供電端子介由位于它的正下方附近的P型接觸層221、ρ型包覆層219、活性層217向η型包覆層215流過(guò)電流。因此，電流會(huì)僅向活性層217內(nèi)的一部分區(qū)域流動(dòng)，發(fā)光區(qū)域減少，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。進(jìn)而，由于電流流過(guò)活性層217的一部分，局部地發(fā)生電流集中，產(chǎn)生活性層217內(nèi)的載流子的不均勻性，無(wú)法獲得高的發(fā)光強(qiáng)度。
[0025]本發(fā)明鑒于上述課題，目的在于實(shí)現(xiàn)在不會(huì)產(chǎn)生由與活性層相鄰的η型半導(dǎo)體層的晶格失配引起的課題的情況下確?；钚詫觾?nèi)的水平方向的電流擴(kuò)展、提高了發(fā)光效率的LED元件。
[0026]用于解決課題的手段
[0027]本發(fā)明的LED元件是在支撐基板上使氮化物半導(dǎo)體層進(jìn)行c軸生長(zhǎng)而成的LED元件，其特征在于，其具有用η型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第I半導(dǎo)體層、在上述第I半導(dǎo)體層的上層形成的電流擴(kuò)散層、在上述電流擴(kuò)散層的上層形成的用氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的活性層、以及在上述活性層的上層形成的用P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第2半導(dǎo)體層，
[0028]上述電流擴(kuò)散層具有由InxGai_xN(0 < x ^ 0.05)構(gòu)成的第3半導(dǎo)體層與由I1-AlylGay2Iny3N(O < yl < 1，O < y2 < 1，O 彡 y3 彡 0.05，yl+y2+y3 = I)構(gòu)成的第 4 半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)，上述第3半導(dǎo)體層的膜厚為1nm以上且25nm以下。
[0029]通過(guò)因由InxGa^xN構(gòu)成的第3半導(dǎo)體層與由n_AlylGay2Iny3N(0 < yl < 1,0 < y2< 1,0 ^ y3 ^ 0.05,yl+y2+y3 = I)構(gòu)成的第4半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)導(dǎo)致的兩材料的能帶隙的差異，從而在兩層的界面上形成能帶彎曲區(qū)域。在該能帶彎曲區(qū)域上形成水平方向上迀移率高的二維電子氣體層。
[0030]在此，當(dāng)使InxGahN的In比率高于10%時(shí)，發(fā)生由壓電電場(chǎng)引起的能帶的變形，由量子斯塔克效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)光效率降低。這與在利用由InaGai_aN(0 <a^ I)構(gòu)成的阱層與由AlbGai_bN(0 <b^ I)構(gòu)成的勢(shì)皇層反復(fù)而成的多重量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)活性層的情況下也是相同的。在此，In組成的比率成為決定放射光的波長(zhǎng)的主要原因。也就是說(shuō)，作為生成在使構(gòu)成電流擴(kuò)散層的InxGahN或構(gòu)成活性層的InaGa1^(O < a彡I)的In比率為10%以下時(shí)能夠取出的光、即波長(zhǎng)例如為365nm左右的近紫外光的LED元件，本發(fā)明是特別有用的。
[0031]另外，使由InxGahN構(gòu)成的第3半導(dǎo)體層的膜厚與用于構(gòu)成一般的多重量子阱結(jié)構(gòu)的阱層所形成的InxGahN的膜厚(例如2nm左右)相比，為足夠厚的1nm以上且25nm以下。在一般的多重量子阱結(jié)構(gòu)中，為了防止因量子斯塔克效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)光比例的降低，進(jìn)行使InxGa^xN的膜厚為2nm左右，即便是加厚最高也不過(guò)是3nm以下。
[0032]但是，本發(fā)明的LED元件中，使構(gòu)成電流擴(kuò)散層的InxGahN的膜厚為1nm以上且25nm以下。如此，通過(guò)增大膜厚，可以擴(kuò)大利用InxGai_xN形成的大致平坦的能帶區(qū)域、增加確保電子的容量。在該區(qū)域中充分地蓄積電子之前的期間，電子不會(huì)超過(guò)利用第4半導(dǎo)體層(n-AlylGay2Iny3N)形成的勢(shì)皇。在此期間，由于二維電子氣體在平行于界面的方向上移動(dòng)，因此電子在水平方向上擴(kuò)散。也就是說(shuō)，在電子充分地在水平方向上擴(kuò)散、在能帶彎曲區(qū)域及大致平坦的能帶區(qū)域內(nèi)蓄積了充分量的電子的階段中，電子超過(guò)n-AlylGay2Iny3N的勢(shì)皇、向P層側(cè)移動(dòng)。也就是說(shuō)，直到電流從P層側(cè)流至η層側(cè)，暫且實(shí)現(xiàn)電子在水平方向上的擴(kuò)展。由此，由于流過(guò)活性層內(nèi)的電流向水平方向擴(kuò)展，因此可以使活性層整體發(fā)光、可以提尚發(fā)光效率。
[0033]另一方面，根據(jù)本發(fā)明人們的深入研宄可知，當(dāng)使InxGahN的膜厚比25nm還厚、例如30nm時(shí)，結(jié)晶缺陷等問(wèn)題變得顯著，光輸出功率降低。也就是說(shuō)，InxGahN的膜厚優(yōu)選為不發(fā)生結(jié)晶缺陷的臨界膜厚以下。
[0034]因此，如上所述，通過(guò)使InxGa^xN的膜厚為1nm以上且25nm以下，與以往的LED元件相比，可獲得提高光輸出功率的效果。另外，如后所述，通過(guò)使InxGahN的膜厚在上述范圍內(nèi)，還可獲得提高元件相對(duì)于ESD(Electro Static Discharge:靜電放電)的耐壓的效果。
[0035]另外，為n-AlylGay2Iny3N的第4半導(dǎo)體層所含的In組成還可以是O。但是，通過(guò)使第4半導(dǎo)體層中含有5%以內(nèi)范圍的In，可獲得進(jìn)一步提高光輸出功率的效果。
[0036]另外，本發(fā)明的LED元件的另一特征在于，上述第3半導(dǎo)體層的能帶隙能量比上述第I半導(dǎo)體層及上述第4半導(dǎo)體層的各自的能帶隙能量小。通過(guò)為該構(gòu)成，可以在第3半導(dǎo)體層與第4半導(dǎo)體層的界面上形成二維電子氣體層。
[0037]進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明人們的深入研宄可知，通過(guò)使作為第4半導(dǎo)體層的I1-AlylGay2Iny3N的Si摻雜濃度為I X 11Vcm3以上且5X10 1Vcm3以下，可以擔(dān)保這樣的光輸出功率的提高效果。例如，當(dāng)使Si摻雜濃度為5 X 11Vcm3這樣的小于I X 10 18/cm3的值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生伴隨絕對(duì)載流子不足的活性層內(nèi)的載流子的不均勻，另一方面，當(dāng)為9X 11Vcm3這樣的高于5 X 11Vcm3的值時(shí)，會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象，均無(wú)法獲得高的光輸出功率。
[0038]因此，通過(guò)使InxGahN的膜厚為1nm以上且25nm以下，進(jìn)而使n_AlylGay2Iny3N的Si摻雜濃度為I X 11Vcm3以上且5 X 10 18/cm3以下，與以往的LED元件相比，可獲得進(jìn)一步提高光輸出功率的效果。
[0039]另外，通過(guò)將上述第3半導(dǎo)體層和上述第4半導(dǎo)體層多組層疊，也可以實(shí)現(xiàn)上述電流擴(kuò)散層成為具有多個(gè)上述異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成。
[0040]成為這樣的構(gòu)成時(shí)，形成了多個(gè)異質(zhì)結(jié)的界面，因此形成多個(gè)要形成二維電子氣體層的電子阱。另外，還形成多個(gè)作為電子蓄積層發(fā)揮功能的利用InxGahN得到的電子阱。由此，可以進(jìn)一步提高電流擴(kuò)展的效果。
[0041]本發(fā)明的LED元件是在支撐基板上使氮化物半導(dǎo)體層進(jìn)行c軸生長(zhǎng)而成的LED元件，其特征在于，其具備:
[0042]在上述支撐基板的上層形成的未摻雜層；
[0043]在上述未摻雜層的上層形成的用η型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第5半導(dǎo)體層；
[0044]在上述第5半導(dǎo)體層的上層用第6半導(dǎo)體層和第7半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體，其中，上述第6半導(dǎo)體層用Si摻雜濃度為I X 11Vcm3以上且I X 10 19/cm3以下的n-AlxlGax2Inx3N(0 < xl < 1，O < x2 < 1，O 彡 x3 彡 0.05，xl+x2+x3 = I)構(gòu)成，上述第 7 半導(dǎo)體層用膜厚為1nm以上且25nm以下的InyGa^yN構(gòu)成；以及
[0045]在上述異質(zhì)結(jié)構(gòu)體的上層形成的用P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第8半導(dǎo)體層，
[0046]上述LED元件的峰值發(fā)光波長(zhǎng)為362nm以上且395nm以下。
[0047]通過(guò)因用n_AlxlGax2Inx3N(0 < xl < 1，O < x2 < 1，O 彡 x3 彡 0.05，xl+x2+x3 =I)構(gòu)成的第6半導(dǎo)體層與用InyGapyN構(gòu)成的第7半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)導(dǎo)致的兩材料的能帶隙的差異，從而在兩層的界面上形成能帶彎曲區(qū)域。在該能帶彎曲區(qū)域上形成水平方向上迀移率高的二維電子氣體層。另外，以下將第6半導(dǎo)體層適當(dāng)?shù)芈杂洖椤皀-