氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光波長(zhǎng)在200~300nm區(qū)域的新型的深紫外發(fā) 光元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)狀是作為發(fā)光波長(zhǎng)300nm以下的深紫外光源，使用氘、汞等的氣體光源。這些氣 體光源存在短壽命、以及為大型等不便。此外，汞為受到條約限制的物質(zhì)。因此，期待實(shí)現(xiàn) 能夠消除這些不便、處理容易的、使用半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光元件。
[0003] 然而，使用半導(dǎo)體的發(fā)光元件存在與氘氣體燈或者汞氣體燈等的氣體光源相比光 輸出弱、此外發(fā)光效率也低的問(wèn)題。
[0004] 作為半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出不充分的原因，可以列舉出在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件中，與空穴相比，電子的有效質(zhì)量小、并且載流子濃度高，因此引起電子穿過(guò)活性層（區(qū) 域）、向P型層溢出，從而導(dǎo)致發(fā)光效率的降低。這種電子向P型層溢出在高注入電流條件 下導(dǎo)致發(fā)光效率的進(jìn)一步降低，同時(shí)發(fā)熱量增加。其結(jié)果，光輸出達(dá)到極限，難以得到與注 入的載流子的量相應(yīng)的光輸出。
[0005] 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中的電子向p型層溢出的問(wèn)題不是僅在發(fā)光波長(zhǎng)300nm以 下的深紫外發(fā)光元件中產(chǎn)生的問(wèn)題（例如，參照非專利文獻(xiàn)1)。例如，專利文獻(xiàn)1中記載 了如下的技術(shù)，在發(fā)光波長(zhǎng)超過(guò)300nm的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在活性層與p型層之間形成具 有與活性層的帶隙相比更大的帶隙的電子阻擋層，從而防止電子由活性層區(qū)域向P型層流 出，提高發(fā)光效率。此外，非專利文獻(xiàn)2中記載了，在深紫外發(fā)光元件中，嘗試如上所述的電 子阻擋層的應(yīng)用（參照非專利文獻(xiàn)2)。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007] 非專利文獻(xiàn)
[0008] 非專利文獻(xiàn) 1 :J.Appl.Phys. 108,033112(2010)
[0009] 非專利文獻(xiàn) 2 :Electorn.Lett. 44,493 (2008)
[0010] 專利文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2007-88269號(hào)公報(bào)
[0012] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)2010-205767號(hào)公報(bào)
[0013] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開(kāi)平11-298090號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0015] 然而，根據(jù)本發(fā)明人的研究，明確在發(fā)光波長(zhǎng)300nm以下的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件中，僅簡(jiǎn)單地設(shè)置電子阻擋層不能充分地改善發(fā)光效率。本發(fā)明人對(duì)于該理由推定如下。 即，要求發(fā)光波長(zhǎng)為300nm以下的深紫外發(fā)光元件中的p型層的帶隙大于近紫外以及可見(jiàn) 光的發(fā)光元件中的P型層的帶隙。認(rèn)為結(jié)果是深紫外發(fā)光元件的P型層中的空穴的活化率 進(jìn)一步降低、并且有效質(zhì)量也變大，因此電子的溢出更容易產(chǎn)生。
[0016] 因此本發(fā)明的課題在于針對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)為200~300nm的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件解 決如上所述的問(wèn)題點(diǎn)，提供發(fā)光效率高的氮化物半導(dǎo)體深紫外發(fā)光元件。
[0017] 用于解決問(wèn)題的方案
[0018] 本發(fā)明人為了解決上述課題進(jìn)行深入研究。尤其是，詳細(xì)地研究各層的帶隙的關(guān) 系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)至少設(shè)置一層具有與形成活性層以及P型層的層的帶隙相比更大的帶隙的電 子阻擋層、和具有與n型層內(nèi)為最小帶隙的層（在以下，有時(shí)稱為"n型第一層"）的帶隙相 比更大的帶隙的P型第一層，從而可以高效地改善氮化物半導(dǎo)體深紫外發(fā)光元件的發(fā)光效 率，從而完成本發(fā)明。
[0019] 本發(fā)明的第一方式：
[0020] [1] -種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有200~300nm的 發(fā)光波長(zhǎng)，其特征在于，其具有：
[0021] 由單一層或帶隙不同的多個(gè)層形成的n型層、
[0022] 由單一層或帶隙不同的多個(gè)層形成的p型層、以及
[0023] 配設(shè)在n型層與p型層之間的活性層，
[0024] p型層具有p型第一層，該p型第一層具有與在n型層內(nèi)具有最小帶隙的n型第一 層的帶隙相比更大的帶隙，并且
[0025] 具有比形成活性層以及p型層的層的帶隙都大的帶隙的電子阻擋層設(shè)置于活性 層與P型第一層之間。
[0026] [2]在本發(fā)明的第一方式中，p型層能夠由帶隙不同的多個(gè)層形成。
[0027] [3]在本發(fā)明的第一方式中，優(yōu)選的是，活性層具有阱層以及勢(shì)皇層；p型層 具有P型包層以及P型接觸層；該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件包含以如下順序?qū)盈Bn型 層、活性層、電子阻擋層、P型包層、以及P型接觸層的層疊結(jié)構(gòu)；勢(shì)皇層用組成式 AlaGaiaN(0. 34彡a彡0. 89)表示；p型包層用組成式AlbGaibN(0. 44〈b〈l. 00)表示；并且， P型包層的A1組成與勢(shì)皇層的A1組成之差（b-a)超過(guò)0. 10且為0. 45以下。
[0028] 需要說(shuō)明的是，上述p型包層優(yōu)選為p型第一層。
[0029] [4]在上述形態(tài)[3]的本發(fā)明的第一方式中，優(yōu)選的是，阱層用組成式 AleG&1eN(0. 33彡e彡0. 87)表示；勢(shì)皇層的A1組成與阱層的A1組成之差（a-e)為0. 02 以上。
[0030][5]在上述形態(tài)[3]~[4]的本發(fā)明的第一方式中，優(yōu)選的是，阱層的厚度為4~20nm〇
[0031] [6]在上述形態(tài)[3]~[5]的本發(fā)明的第一方式中，優(yōu)選的是，電子阻擋層為p型 或i型；電子阻擋層的組成用組成式AlfaiJ(0. 45彡c彡1. 00)表示；p型包層的組成用 組成式41心&1。(0.44〈13〈1.00)表示；電子阻擋層的41組成（(3)大于前述口型包層的41組 成（b);電子阻擋層的A1組成與前述勢(shì)皇層的A1組成之差（c-a)為0. 11~0.98;p型包 層的A1組成與前述勢(shì)皇層的A1組成之差（b-a)超過(guò)0. 10且為0. 45以下。
[0032] [7]在上述形態(tài)[3]~[6]的本發(fā)明的第一方式中，優(yōu)選的是，具有多個(gè)勢(shì)皇層； 該多個(gè)勢(shì)皇層包含與n型層相接的第一勢(shì)皇層、和與電子阻擋層相接的第二勢(shì)皇層。
[0033] [8]本發(fā)明的第二方式為具有上述本發(fā)明的第一方式中所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光 元件的層疊結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體晶圓。
[0034] 發(fā)明的效果
[0035] 根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制發(fā)光波長(zhǎng)300nm以下的氮化物半導(dǎo)體深紫外發(fā)光元件中的 電子的溢出，因此可以提高氮化物半導(dǎo)體深紫外發(fā)光元件的發(fā)光效率。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的一個(gè)實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0037] 圖2為說(shuō)明圖1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的一個(gè)例子的圖。
[0038]圖3為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式中的能帶圖的一個(gè) 例子的示意性截面圖。
[0039]圖4為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式中的能帶圖的一個(gè) 例子的示意性截面圖。
[0040] 圖5為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式中的能帶圖的一個(gè) 例子的示意性截面圖。
[0041]圖6為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0042]圖7為說(shuō)明圖6的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的一個(gè)例子的圖。
[0043]圖8為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0044] 圖9為說(shuō)明圖8的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的例子的圖。
[0045] 圖10為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0046] 圖11為說(shuō)明圖10的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的一個(gè)例子的圖。
[0047] 圖12為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0048] 圖13為說(shuō)明圖12的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的例子的圖。
[0049]圖14為說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的其他實(shí)施方式的示意性截面圖。
[0050]圖15為說(shuō)明圖14的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的一個(gè)例子的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 〈1.氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件〉
[0052] 首先對(duì)于氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的基本概要進(jìn)行說(shuō)明。
[0053] 在本發(fā)明中，具有200~300nm的發(fā)光波長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件（以下也存 在僅簡(jiǎn)記為"深紫外發(fā)光元件"的情況）例如可以通過(guò)有機(jī)金屬化學(xué)氣相成長(zhǎng)法（M0CVD法） 來(lái)制造。具體而言，可以如下制造，使用市售的裝置，在后述的單晶基板上、或?qū)盈B體的基板 上，供給III族原料氣體例如三甲基鋁那樣的有機(jī)金屬的氣體、和氮源氣體例如氨氣體那 樣的原料氣體。通過(guò)M0CVD法制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的條件可以采用公知的方法。此 外，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件也可以用M0CVD法以外的方法來(lái)制造。
[0054] 在本發(fā)明中，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件若具有200~300nm的發(fā)光波長(zhǎng)，則沒(méi)有特別 限制。具體而言，從包含選自硼、鋁、銦和鎵中的一種以上以及氮且用通式：BxAlYInzG aixyZN (0<x彡l、0〈y彡l、(Xz〈l、0〈x+y+z彡1)表示的構(gòu)成的物質(zhì)之中，決定各層的組成，制成 具有200~300nm的發(fā)光波長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件即可。若示出更具體的例子，例如， 由用AlaGaiaN表示的組成構(gòu)成活性層的情況下，需要為0. 2彡a彡1的組成。
[0055] 此外，通常地，B、A1的比例增加時(shí)，帶隙有變大的傾向，In、Ga的比例增加時(shí)，帶隙 有變小的傾向。因此，可以通過(guò)這些構(gòu)成元素的比例來(lái)調(diào)整各層的帶隙。構(gòu)成元素的比例 可以利用SIMS(SecondaryIon-microprobeMassSpectrometer:二次離子質(zhì)譜分析儀）、 TEM-EDX(TransmissionElectronMicroscope-EnergyDispersiveX-rayspectrometry： 透射電子顯微鏡-能量色散型X射線光譜法）、三維原子探針?lè)ǎ?DAP)等測(cè)定所制造的氮 化物半導(dǎo)體發(fā)光元件而求出。然后，帶隙可以由各層的構(gòu)成元素的比例來(lái)?yè)Q算。此外，也可 以利用陰極發(fā)光法（CL法）、光致發(fā)光法（PL法）分析氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，從而直接求 出各層的帶隙。構(gòu)成元素為Al、Ga、以及N時(shí)，可以由帶隙的值使用換算式來(lái)特定A1組成。
[0056] 需要說(shuō)明的是，在本申請(qǐng)的實(shí)施例/比較例中，通過(guò)X射線衍射法（XRD)來(lái)測(cè)定各 層的構(gòu)成元素的比例，利用PL法來(lái)求出帶隙。在判斷本申請(qǐng)所公開(kāi)的發(fā)明的技術(shù)范圍時(shí)， 只要沒(méi)有特別的情況，則對(duì)于各層的組成，應(yīng)用XRD得到的測(cè)定值，對(duì)于各層的帶隙，應(yīng)用 由PL法確定的值。
[0057] 以下，使用附圖對(duì)于本發(fā)明的第一方式的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō) 明。圖1為一個(gè)實(shí)施方式的本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性截面圖。此外，圖2 為說(shuō)明圖1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的能帶圖的一個(gè)例子的圖。在圖2中，以紙面上下方 向表示帶隙的大小、越向紙面上方電子的能量越高（空穴的能量越低）的方式描繪能帶圖。 在本申請(qǐng)的其他的能帶圖中也是同樣的。圖2例如表示了與n型層20的帶隙相比，電子阻 擋層40、以及p型第一層51的帶隙大。
[0058] 如圖1所示，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件1具備基板10、在基板10上設(shè)置的n型層20、 在n型層20上設(shè)置的活性層30、在活性層30上設(shè)置的電子阻擋層40、和在電子阻擋層40 上設(shè)置的P型層50。在圖1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件100中，n型層為單一層。此時(shí)，n型 層20相當(dāng)于在n型層內(nèi)具有最小帶隙的n型第一層。此外，在圖1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件100中，p型層50由帶隙不同的多個(gè)層形成。p型層50由具有與n型第一層20的帶隙 相比更大的帶隙的P型第一層（P型包層）51、和具有不同于p型第一層51的帶隙的p型第 二層（P型接觸層）52形成。
[0059] 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件1還具備：在從p型第二層52至n型層20的一部分被蝕 刻除去從而露出的n型層20的表面設(shè)置的n型用電極60、和在p型第二層52上設(shè)置的p 型用電極70。n型用電極60以及p型用電極70可以使用公知的方法來(lái)