專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件緊湊配置為以低電耗在紫外-可見光區(qū)發(fā)光，并且已經(jīng)進(jìn) 行了廣泛地研究以用于衛(wèi)生學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用以及照明器件、精密機(jī)械等的開發(fā)。氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光器件已被開發(fā)用于實(shí)際應(yīng)用中，特別是在諸如藍(lán)光區(qū)的區(qū)域。如同發(fā)藍(lán)色光的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件(下文中，其被稱作藍(lán)色發(fā)光二極管) 一樣，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件需要具有進(jìn)一步改進(jìn)的發(fā)光效率和光輸出。特別地，與藍(lán)色 發(fā)光二極管相比，在紫外區(qū)發(fā)光的半導(dǎo)體發(fā)光器件(下文中，其被稱作紫外發(fā)光二極管 (UV-LED))提供明顯更低的光提取效率和明顯更小的光輸出。該明顯小的光提取效率和光 輸出已成為發(fā)光二極管實(shí)際應(yīng)用于UV區(qū)的障礙。該明顯小的光提取效率和光輸出被推測 歸因于發(fā)光層中非常低的發(fā)光效率(在下文中稱為內(nèi)部量子效率)。由于發(fā)光層中大量形 成的躍遷、點(diǎn)缺陷等，致使由氮化物半導(dǎo)體材料(氮化物混晶)制成的發(fā)光層的內(nèi)部量子效 率明顯下降。具體而言，由含Al的AlGaN三元混合晶體制得的發(fā)光層表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)部 量子效率，這是因?yàn)殡y以生長高質(zhì)量的晶體。通過向AlGaN添加In而獲得的AlGaInN四元 混合晶體作為不易產(chǎn)生躍遷和點(diǎn)缺陷的混晶在應(yīng)用到發(fā)光層材料方面已經(jīng)引起了人們的 注意。InAlGaN提供改進(jìn)的UV-LED發(fā)光層的內(nèi)部量子效率，已被研究用于實(shí)現(xiàn)UV-LED的實(shí) 際應(yīng)用。但是，UV-LED提供的發(fā)光層的內(nèi)部量子效率仍然過低，需要改善以實(shí)現(xiàn)百分之幾 十的高的外部量子效率。日本未審查專利申請公報2007-73630披露了一種UV發(fā)光二極管，其包括用于外 延生長的單晶襯底、層疊到單晶襯底上側(cè)的η-型氮化物半導(dǎo)體層、插入單晶襯底和η-型氮 化物半導(dǎo)體層之間的第一緩沖層、層疊到η-型氮化物半導(dǎo)體層上側(cè)的發(fā)光層和層疊到發(fā) 光層上側(cè)的P-型氮化物半導(dǎo)體層。日本未審查專利申請公報2007-73630中的這種UV發(fā) 光二極管包括具有AlGaInN量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層以及與發(fā)光層的勢壘層具有相同組成的 第二緩沖層。第二緩沖層位于η-型氮化物半導(dǎo)體層和發(fā)光層之間。當(dāng)提供有第二緩沖層 時，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管與不具有第二緩沖層的發(fā)光二極管相比得到高輸出的UV光。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件例如日本未審查專利申請公報2007-73630中的這種UV發(fā) 光二極管具有層疊結(jié)構(gòu)，其中提供第二緩沖層用于抑制由于η-型氮化物半導(dǎo)體層和發(fā)光 層之間的晶格常數(shù)差異所導(dǎo)致的發(fā)光層的畸變。但是，由于由具有不同組成的AlGaInN層 形成的阱層和勢壘層之間的晶格常數(shù)差異，這種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件仍然不能消除由壓 電效應(yīng)引起的電場(在下文中，被稱作“壓電場”)所涉及的問題。壓電場在空間上將各個 空穴與注入發(fā)光層的各個電子分離開，使得在發(fā)光層的厚度方向上高電子密度部分偏離高 空穴密度部分。這使得電子-空穴再結(jié)合的可能性下降以及發(fā)光層的內(nèi)部量子效率降低， 由此導(dǎo)致外部量子效率下降。盡管具有第二緩沖層，但該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件仍然具有 平坦性差的用于發(fā)光層生長的基層，由此難以形成高質(zhì)量的發(fā)光層。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題已經(jīng)完成了本發(fā)明，其一個目的在于提供一種具有改進(jìn)的發(fā)光層內(nèi) 部量子效率以提供進(jìn)一步改進(jìn)的輸出的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。本發(fā)明中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括單晶襯底、第一緩沖層、η-型氮化物半導(dǎo) 體層、第二緩沖層、發(fā)光層和P-型氮化物半導(dǎo)體層。第一緩沖層層疊到單晶襯底的上側(cè)。 η-型氮化物半導(dǎo)體層層疊到第一緩沖層的上側(cè)。第二緩沖層層疊到η-型氮化物半導(dǎo)體層 的上側(cè)。發(fā)光層層疊到第二緩沖層的上側(cè)。P-型氮化物半導(dǎo)體層層疊到發(fā)光層的上側(cè)。氮 化物半導(dǎo)體發(fā)光器件還包括第三緩沖層。第三緩沖層提供在第二緩沖層和發(fā)光層之間，并 且摻雜有用作施主的雜質(zhì)。當(dāng)提供摻雜有用作施主的雜質(zhì)的第三緩沖層并且將其提供在第二緩沖層和發(fā)光 層之間時，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠減少發(fā)光層中的線位錯和剩余畸變。這種 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件改善發(fā)光層的結(jié)晶度，以及通過利用第三緩沖層中產(chǎn)生的載流子來 抑制發(fā)光層中的壓電場，用于改善內(nèi)部量子效率和光輸出。此外，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā) 光器件能夠在第三緩沖層中所摻雜的用作施主的雜質(zhì)的幫助下為發(fā)光層提供電子并同時 保持高電導(dǎo)率，從而改善發(fā)光層的內(nèi)部量子效率以實(shí)現(xiàn)高輸出。第三緩沖層中摻雜的雜質(zhì)優(yōu)選是Si。由于在第三緩沖層中摻雜有Si，所以氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠改善第三緩沖層的表面平坦性，改善發(fā)光層的質(zhì)量以及發(fā)光層的內(nèi)部 量子效率。當(dāng)η-型氮化物半導(dǎo)體層摻雜有作為施主的Si雜質(zhì)時，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器 件在第三緩沖層中不需要用作施主的另外的Si源和用于轉(zhuǎn)移Si源的轉(zhuǎn)移管，從而簡化制 造設(shè)備以及降低制造成本。第三緩沖層優(yōu)選設(shè)置為具有與第二緩沖層相同的組成。該設(shè)置使得第三緩沖層能 夠在與第二緩沖層的生長相同的溫度下進(jìn)行生長，由此允許第三緩沖層在第二緩沖層的生 長完成后連續(xù)生長，而不產(chǎn)生長的中斷。因此，該設(shè)置能夠改善第二緩沖層和第三緩沖層之間的界面的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)發(fā)光器 件制造時間的減少。第三緩沖層優(yōu)選設(shè)置為具有比發(fā)光層發(fā)出的光的光子能更大的帶隙能。該設(shè)置使 得發(fā)光層發(fā)出的光被有效地導(dǎo)向外部而不是在第三緩沖層中被吸收。第三緩沖層優(yōu)選設(shè)置為具有比第二緩沖層更大的厚度。該設(shè)置能夠改善充當(dāng)發(fā)光 層生長用的基層的第三緩沖層的平坦性。第三緩沖層優(yōu)選設(shè)置為具有比η-型氮化物半導(dǎo)體層更小的施主濃度。該設(shè)置能 夠減少在充當(dāng)發(fā)光層生長用的基層的第三緩沖層中的晶格缺陷并改善發(fā)光層的內(nèi)部量子 效率。在一個優(yōu)選的構(gòu)造中，發(fā)光層具有包括勢壘層的量子阱結(jié)構(gòu)，所述勢壘層摻雜有 用作施主的雜質(zhì)。在該構(gòu)造中，發(fā)光層具有量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢壘層與阱層相鄰設(shè)置并且摻 雜有用作施主的雜質(zhì)。這能夠通過利用勢壘層中產(chǎn)生的載流子來有效抑制在發(fā)光層的量子 阱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的壓電場。


圖1示出根據(jù)第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性截面圖。
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圖2示出通過測量上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的發(fā)光層的發(fā)光而獲得的PL(發(fā) 光)光譜。圖3示出上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個實(shí)施例的電流注入發(fā)光光譜。圖4示出在實(shí)施例和對比例中的上述半導(dǎo)體發(fā)光器件所獲得的電流和光輸出之 間的關(guān)系。圖5示出根據(jù)第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性截面圖。圖6示出根據(jù)第三實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性截面圖。圖7示出根據(jù)第四實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性截面圖。圖8示出第二緩沖層的厚度與PL光譜的強(qiáng)度之間的關(guān)系。圖9示出第三緩沖層的厚度與PL光譜的強(qiáng)度之間的關(guān)系。圖10示出PL光譜的強(qiáng)度隨著第三緩沖層和勢壘層的每一層中Si濃度的變化，其 是針對上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件獲得的。圖11示出上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的實(shí)施例所獲得的電流注入發(fā)光譜。圖12示出在上述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光層的實(shí)施例中光輸出和外部量子效率隨著電 流的變化。
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施方案)在該實(shí)施方案中，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件為UV發(fā)光二極管。如圖1所示，氮化物 半導(dǎo)體發(fā)光器件包括用于外延生長的單晶襯底1、第一緩沖層2、n-型氮化物半導(dǎo)體層3、第 二緩沖層4、第三緩沖層5、發(fā)光層6、p-型氮化物半導(dǎo)體層7。在單晶襯底1的上側(cè)上形成 第一緩沖層2。在第一緩沖層2的上側(cè)上形成η-型氮化物半導(dǎo)體層3。第三緩沖層5層疊 到η-型氮化物半導(dǎo)體層3的上側(cè)上，其中第二緩沖層4插入在二者之間。在第三緩沖層5 的上側(cè)上形成發(fā)光層6。在發(fā)光層6的上側(cè)上形成ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7。η-型氮化物半 導(dǎo)體層3和ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7分別形成有陰極(未示出)和陽極(未示出)。單晶襯底1由在其頂部具有(0001)面，即C-面的藍(lán)寶石襯底形成。第一緩沖層2由厚度為2. 2 μ m的AlN單晶層形成，用于抑制n_型氮化物半導(dǎo)體 層3的線位錯和剩余畸變。第一緩沖層2可以形成為具有除2. 2 μ m之外的厚度。在形成第一緩沖層2之前，將由藍(lán)寶石襯底形成的單晶襯底1放入MOVPE設(shè)備的 反應(yīng)室中。然后，單晶襯底在預(yù)定的壓力(例如IOkPa 76托)下被加熱到高達(dá)預(yù)定溫度 (例如1250°C )并且在該溫度下保持預(yù)定的時間(例如10分鐘)，以在其頂面進(jìn)行清潔。 接著，向反應(yīng)室同時供應(yīng)作為Al源的三甲基鋁(TMAI)和作為氮源的NH3,同時將襯底保持 在預(yù)定溫度(在該實(shí)施方案中為1250°C)，以生長由單晶AlN層制成的第一緩沖層2。此 時，TMAl和NH3的供應(yīng)速率均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 05L/分鐘(50SCCM)。第一緩沖層2可 以由代替單晶AlN層的單晶AlGaN層制成。η-型氮化物半導(dǎo)體層3由在第一緩沖層2上的Si摻雜的η_型Ala55Gaa45N層形 成。在該實(shí)施方案中，η-型氮化物半導(dǎo)體層3設(shè)置為具有2μπι的厚度，但是本發(fā)明并不限 于此厚度。η-型氮化物半導(dǎo)體層3可以形成為多層結(jié)構(gòu)而非單層結(jié)構(gòu)。例如，η-型氮化 物半導(dǎo)體層3可以由在第一緩沖層2上形成的Si摻雜η-型Ala7Gaa3N層和在該Si摻雜η-型Al0.7Ga0.3N層上形成的Si摻雜η-型Al0.55Ga0.45N層構(gòu)成。η-型氮化物半導(dǎo)體層3在IOkPa的壓力下在1100°C的溫度下生長。TMAl、三甲基 鎵(TMGa)、NH3和四乙基硅烷(TESi)分別用作n_型氮化物半導(dǎo)體層3生長的Al源、Ga源、 N源和Si源。Si用作提供η-型電特性的雜質(zhì)。H2和N2用作載運(yùn)這些源的載氣。TESi的 供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/分鐘(0. 9SCCM)?？梢圆捎闷渌创嫔鲜霾牧嫌糜?本發(fā)明中η-型氮化物半導(dǎo)體層的生長。例如，三乙基鎵(TEGa)、胼衍生物和甲硅烷(SiH4) 可以分別用作Ga源、N源和Si源。第二緩沖層4被提供用于抑制發(fā)光層6的線位錯和剩余畸變，并且由厚度為3nm 的AlGaInN層形成。本文中，第二緩沖層4適宜地設(shè)計為具有特定組成，使得其帶隙能不會 在其中吸收由發(fā)光層6發(fā)出的光。在該實(shí)施方案中，該帶隙能設(shè)定為4. 7eV。除非在其中吸 收由發(fā)光層6發(fā)出的光，否則第二緩沖層無需具有以上帶隙能。在該實(shí)施方案中，第二緩沖 層4的厚度設(shè)置為3nm，但在本發(fā)明中可以是其它值。第二緩沖層4在IOkPa的壓力、800°C的溫度下生長。TMAl、TMGa、三甲基銦(TMIn) 和NH3分別用作第二緩沖層生長的Al源、Ga源、In源和N源。N2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。第三緩沖層5被提供用于抑制發(fā)光層6的線位錯和剩余畸變以及充當(dāng)發(fā)光層6的 底部生長的平坦化基層。通過利用在第三緩沖層5中產(chǎn)生的載流子，第三緩沖層5用來抑制 發(fā)光層6的壓電場，并且由厚度為20nm的摻雜有作為施主的Si雜質(zhì)的η-型AlGaInN層形 成。即，第三緩沖層5具有與第二緩沖層4相同的組成。第三緩沖層5的組成適宜地設(shè)定 為具有大的帶隙能，用于使發(fā)光層6發(fā)出的光不在第三緩沖層5中被吸收。在該實(shí)施方案 中，第三緩沖層5具有與第二緩沖層4相同的組成。第三緩沖層5可以形成為具有除20nm 之外的厚度。第三緩沖層5在IOkPa的壓力、800°C的溫度下生長。TMAl、TMGa、三甲基銦(TMIn)、 NH3和TESi分別用作第三緩沖層生長的Al源、Ga源、In源、N源和Si源。N2用作載運(yùn)這些 源的載氣。即，第三緩沖層5和第二緩沖層4以幾乎相同的方式進(jìn)行生長，只是在第三緩沖 層5的生長中供應(yīng)TESi。在該實(shí)施方案中，TESi的供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/ 分鐘(0. 9SCCM)。發(fā)光層6具有由勢壘層和阱層構(gòu)成的AlGaInN量子阱結(jié)構(gòu)，其中各勢壘層由厚度 為5nm的Si摻雜AlGaInN層形成，各阱層由厚度為1. 7nm的AlGaInN層形成。在該實(shí)施方 案中，發(fā)光層6由多量子阱結(jié)構(gòu)形成，但是也可以由單量子阱結(jié)構(gòu)形成。勢壘層設(shè)計為其組 成具有與第三緩沖層相同的帶隙能4. 7eV，而阱層設(shè)計為其組成具有4. 4eV的帶隙能。發(fā)光 層6具有包含三個阱層的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中各阱層和各勢壘層彼此交替疊加。阱層和勢 壘層的組成不限于以上值，而是可以根據(jù)期望的發(fā)光波長分別加以確定。對于阱層的數(shù)目 不作具體限定，但可以是1個。在這種情況下，發(fā)光層可以是僅具有1個阱層的單量子阱層 結(jié)構(gòu)。對勢壘層和阱層的厚度不作具體限定。在該實(shí)施方案中，發(fā)光層6在勢壘層中摻雜 有Si，但是不是必需摻雜有Si。對Si的摻雜量不作具體限定。發(fā)光層6以與第三緩沖層4相同的方式，在IOkPa的壓力、800°C的溫度下生長。 TMAl、TMGa、TMIn、TESi和NH3分別用作發(fā)光層生長的Al源、Ga源、In源、Si源和N源。N2氣 體用作載運(yùn)這些源的載氣。TESi的供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/分鐘(0. 9SCCM)，僅用于勢壘層的生長。適宜地控制III族材料的摩爾比(供應(yīng)速率中的比例)以生長發(fā)光 層6的勢壘層和阱層。由于勢壘層和第三緩沖層5具有相同的組成，所以在發(fā)光層6的底 部的勢壘層可以在第三緩沖層5生長之后，在沒有中斷的情況下進(jìn)行連續(xù)地生長。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7包括由Mg摻雜的ρ-型AlGaInN層構(gòu)成的第一 p_型半導(dǎo) 體層7a、由Mg摻雜的ρ-型AlGaInN層構(gòu)成的第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b，和由Mg摻雜的ρ-型 Intl.O3Gaa97N層構(gòu)成的第三ρ-型半導(dǎo)體層7c。在發(fā)光層6上形成第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a。在 第一 P-型半導(dǎo)體層7a上形成第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b。在第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b上形成第 三P-型半導(dǎo)體層7c。適宜地確定第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b的組成， 以使第一 P-型半導(dǎo)體層7a具有比第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b更大的帶隙能。第二 ρ-型半導(dǎo) 體層7b設(shè)定為具有特定的組成，以具有與勢壘層相同的帶隙能。在該實(shí)施方案中，P-型半 導(dǎo)體層7設(shè)定為第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a具有6nm的厚度、第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b具有50nm 的厚度，以及第三P-型半導(dǎo)體層7c具有20nm的厚度。對ρ-型半導(dǎo)體層的厚度不作具體 限定。在ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7中的第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b均 在IOkPa的壓力、800°C的溫度下生長。TMAl、TMGa、TMIn、NH3和二茂鎂(Cp2Mg)分別用作這 些層生長的Al源、Ga源、In源、N源和Mg源。N2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。Mg作為呈 現(xiàn)P-型導(dǎo)電性的雜質(zhì)供應(yīng)。第三P-型半導(dǎo)體層7c基本上以與第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b幾 乎相同的方式進(jìn)行生長，只是在第三P-型半導(dǎo)體層7c的生長中不供應(yīng)TMAl。Cp2Mg的供 應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 02L/分鐘(20SCCM)，用于第一、第二和第三ρ-型半導(dǎo)體層7a、 7b和7c的生長。適宜地控制第III主族材料的摩爾比(供應(yīng)速率中的比例)以生長具有 預(yù)定組成的第一、第二和第三P-型半導(dǎo)體層7a、7b和7c。對于該實(shí)施方案中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的表面暴露的發(fā)光層6獲得發(fā)光 (PL)光譜，用于測定發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率。所獲得的結(jié)果示于圖2中。在77K(在圖2 中用“ α，，標(biāo)記)和環(huán)境溫度(在圖2中用“ β ”標(biāo)記)測量PL光譜。關(guān)于圖2中由PL光 譜和橫軸所包圍的面積，在77Κ和環(huán)境溫度下的PL光譜的面積比為約1到0. 85。發(fā)現(xiàn)該實(shí) 施方案中的發(fā)光層6盡管難以在常規(guī)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件用的區(qū)域內(nèi)提高內(nèi)部量子效 率，但提高在深紫外區(qū)域的內(nèi)部量子效率。對于具有層2-7的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的一個實(shí)施例，測量電流注入發(fā)光光 譜，所述層分別由以上材料形成并具有以上組成和厚度。獲得的結(jié)果示于圖3中。具有Si 摻雜的第三緩沖層的實(shí)施例得到在約280nm(在深紫外區(qū))處具有峰的發(fā)光光譜。為了確認(rèn)提供在第二緩沖層4和發(fā)光層6之間的第三緩沖層5的效果，制備了不 具有第三緩沖層5的對比例樣品以及具有第三緩沖層5的以上實(shí)施例樣品。在制備對比例 的樣品時，第二緩沖層設(shè)定為具有等于該實(shí)施例中第二緩沖層4和第三緩沖層5的厚度總 和的厚度。通過測量實(shí)施例和對比例的樣品的電流注入發(fā)光光譜，獲得電流與光輸出之間 的關(guān)系。獲得的結(jié)果示于圖4中。圖4示出針對實(shí)施例的樣品(由“ α ”標(biāo)記)和對比例 的樣品(由“β”標(biāo)記)所獲得的光輸出隨電流的變化。圖4說明具有插入在第二緩沖層 4和發(fā)光層6之間的第三緩沖層5的實(shí)施例給出高的光輸出。當(dāng)具有第三緩沖層5 (其摻雜有用作施主的雜質(zhì)并且提供在第二緩沖層4和發(fā)光 層6之間)時，在該實(shí)施方案中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠減少發(fā)光層6的線位錯和剩余畸變，從而改善發(fā)光層6的結(jié)晶度和內(nèi)部量子效率。此外，通過利用第三緩沖層5中產(chǎn)生 的載流子，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件用來降低發(fā)光層6中的壓電場，得到用于實(shí)現(xiàn)改善的 光輸出的發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率。此外，由于該實(shí)施方案的第三緩沖層5中的雜質(zhì)用作 施主，因此該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠?yàn)榘l(fā)光層6提供電子，同時保持高的電導(dǎo)率。在該實(shí)施方案中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的第三緩沖層5中摻雜的雜質(zhì)是Si，由 此改善充當(dāng)發(fā)光層6生長用的基層的第二緩沖層5的表面平坦性，從而改善發(fā)光層6的質(zhì) 量以及發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率。通過AFM(原子力顯微鏡)確認(rèn)摻雜有Si雜質(zhì)的第三緩 沖層5具有改善的平坦性。當(dāng)Si用作η-型氮化物半導(dǎo)體層3中的施主雜質(zhì)時，在該實(shí)施 方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中沒有必要另外準(zhǔn)備充當(dāng)?shù)谌彌_層5中的施主的 Si源和通過MOVPE等轉(zhuǎn)移Si源的轉(zhuǎn)移管，從而能夠簡化器件的制造并降低制造成本。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第三緩沖層5具有與第二緩沖層4相 同的組成，從而允許在與第二緩沖層4的生長相同的溫度下進(jìn)行生長，從而允許第三緩沖 層5在第二緩沖層4的生長之后進(jìn)行連續(xù)生長而無需中斷改變生長條件。因此，可以改善 第二緩沖層4和第三緩沖層5之間的界面并因此減少制造時間。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由于第三緩沖層5的帶隙能大于由發(fā) 光層6發(fā)出的光的光子能，因而允許由發(fā)光層6發(fā)出的光有效地向外輻射，而不是在第三緩 沖層5中被吸收。(第二實(shí)施方案)示于圖5中的該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有與第一實(shí)施方案的氮化 物半導(dǎo)體發(fā)光器件幾乎相同的結(jié)構(gòu)。除了單晶襯底1和第一緩沖層2之外，該實(shí)施方案的 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件與第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的區(qū)別在于層3-7的組 件和組成。與第一實(shí)施方案相同的組件用相同的附圖標(biāo)記表示，在該實(shí)施方案中不給出重 復(fù)的說明。該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括單晶襯底1、第一緩沖層2、由Si摻雜 的η-型Ala68Gaa32N層形成的η-型氮化物半導(dǎo)體層3、由Ala64Gaa36N層形成的第二緩沖 層4、由摻雜有用作施主的Si雜質(zhì)的Ala64Gaa36N層形成的第三緩沖層5、由Ala5tlGaa5tlN/ Ala 64Gaa 36Ν的量子阱結(jié)構(gòu)形成的發(fā)光層6和ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層 7包括第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a、第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b和第三ρ-型半導(dǎo)體層7c。第一 ρ-型 半導(dǎo)體層7a形成在發(fā)光層6上，由Mg摻雜的ρ-型Ala8tlGaa2tlN層組成。第二 ρ-型半導(dǎo)體 層7b形成在第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a上，由Mg摻雜的ρ-型Ala64Gaa36N層組成。第三ρ-型 半導(dǎo)體層7c形成在第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b上，由Mg摻雜的ρ-型GaN層組成。第二緩沖層4控制為具有15nm的厚度和具有帶隙能4. 7eV的組成。但是，對于厚 度和組成不作具體限定。第二緩沖層4在IOkPa的壓力、1100°C下生長。TMAl、TMGa和NH3分別用作該層生 長的Al源、Ga源和N源。H2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。第三緩沖層5由厚度為lOOnm、摻雜有用作施主的Si雜質(zhì)的Ala64Gaa 36N層形成。 即，第三緩沖層5由與第二緩沖層4相同的組分形成。第三緩沖層5的組成適宜地設(shè)定為 具有大的帶隙能，以使由發(fā)光層6發(fā)出的光不在第三緩沖層5中被吸收。在該實(shí)施方案中， 第三緩沖層5設(shè)定為具有和第二緩沖層4相同的組成。在本發(fā)明中，第三緩沖層5不是必
8需具有IOOnm的厚度。第三緩沖層5在IOkPa的壓力、1100°C下生長。TMA1、TMGa、NH3和TESi分別用作該 層生長的Al源、Ga源、N源和Si源。H2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。即，第三緩沖層5基 本上以與第二緩沖層4幾乎相同的方式進(jìn)行生長，只是在第三緩沖層5的生長中供應(yīng)TESi。 在該實(shí)施方案中，TESi的供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/分鐘(0. 9SCCM)。發(fā)光層6包括勢壘層和阱層，其中各個勢壘層由厚度為IOnm的Ala64Gaa36N層形 成，各個阱層由厚度為3nm的Al。.5。Ga。.5。N層形成。勢壘層設(shè)定為具有和第三緩沖層5相同 的組成。阱層設(shè)定為具有特定的組成以具有4. 4eV的帶隙能。發(fā)光層6為具有3個阱層的 多量子阱結(jié)構(gòu)，其中各勢壘層和各阱層彼此交替疊加。阱層和勢壘層的組成根據(jù)期望的發(fā) 光波長加以確定。在本發(fā)明中，發(fā)光層不是必需具有特定數(shù)目的阱層，可以由僅具有一個阱 層的單阱結(jié)構(gòu)形成。在本發(fā)明中，對勢壘層和阱層的厚度不作具體限定。如在第三緩沖層4中那樣，發(fā)光層6在IOkPa的壓力、1100°C下生長。TMAl、TMGa 和NH3分別用作該層6生長的Al源、Ga源和N源。H2用作載運(yùn)這些源的載氣。勢壘層和阱 層在III族材料的不同供應(yīng)速率下進(jìn)行生長。但是，勢壘層和第三緩沖層5設(shè)定為具有相 同的組成，從而允許在形成第三緩沖層5之后在沒有中斷的情況下連續(xù)地形成發(fā)光層6的 底部。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7設(shè)定為第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b 具有不同的組成，以使第一 P-型半導(dǎo)體層7a的帶隙能大于第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b的帶隙 能。第二 P-型半導(dǎo)體層7b設(shè)定為具有與勢壘層具有相同帶隙能的組成。在該實(shí)施方案中， P-型氮化物半導(dǎo)體層7設(shè)定為第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a具有20nm的厚度、第二 ρ-型半導(dǎo)體 層7b具有50nm的厚度，以及第三ρ-型半導(dǎo)體層7c具有20nm的厚度。但是，在本發(fā)明中， 對上述厚度不作具體限定。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7的第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b在IOkPa 的壓力、1100°c下生長。TMA1、TMGa、NH3和Cp2Mg分別用作這些層生長的Al源、Ga源、N源 和Mg源，Mg作為用于呈現(xiàn)ρ-型導(dǎo)電性的施主進(jìn)行供應(yīng)。H2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。 第三P-型半導(dǎo)體層7c以與第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b幾乎相同的方式進(jìn)行生長。只是在第三 P-型半導(dǎo)體層7c的生長中不供應(yīng)TMAl。以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 02L/分鐘(20SCCM)的供應(yīng)速率 供應(yīng)Cp2Mg,用于各個ρ-型半導(dǎo)體層7a、7b和7c的生長。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第三緩沖層5摻雜有用作施主的雜質(zhì) 并且提供在第二緩沖層4和發(fā)光層6之間，以減少發(fā)光層6中的線位錯和剩余畸變，以及改 善發(fā)光層6的結(jié)晶度和內(nèi)部量子效率。此外，發(fā)光層6中產(chǎn)生的壓電場受到發(fā)光層6中產(chǎn) 生的載流子的抑制，從而改善發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率和光輸出。此外，摻雜在第三緩沖層 5中的雜質(zhì)充當(dāng)施主，從而能夠?yàn)榘l(fā)光層6供應(yīng)電子，同時保持高的電導(dǎo)率。在該實(shí)施方案 的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，摻雜在第三緩沖層5中的雜質(zhì)是Si，由此改善充當(dāng)發(fā)光層6生 長的基層的第三緩沖層5的平坦性，從而有望得到高質(zhì)量的發(fā)光層6，以及改善發(fā)光層6的 內(nèi)部量子效率。(第三實(shí)施方案)示于圖6中的該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有與第一實(shí)施方案的氮化 物半導(dǎo)體發(fā)光器件幾乎相同的結(jié)構(gòu)。除了單晶襯底1之外，該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件與第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的區(qū)別在于層2-7的組件和組成。與第一 實(shí)施方案相同的組件用相同的附圖標(biāo)記表示，在該實(shí)施方案中不給出重復(fù)的說明。該實(shí)施方案中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件為可見光發(fā)光二極管，包括單晶襯底1、由 GaN層形成的第一緩沖層2、由Si摻雜的η-型GaN層形成的η_型氮化物半導(dǎo)體層3、由 Intl.C12Gaa98N層形成的第二緩沖層4、由摻雜有用作施主的Si雜質(zhì)的Ina Jaa98N層形成的第 三緩沖層5、由Ina2ciGaa8ciNAnaci2Gaa98N的量子阱結(jié)構(gòu)形成的發(fā)光層6和ρ-型氮化物半導(dǎo) 體層7。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7包括第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b。第 一 P"型半導(dǎo)體層7a提供在發(fā)光層6上，由Mg摻雜的ρ-型Ala 10Ga0.90N層形成。第二 ρ-型 半導(dǎo)體層7b提供在第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a上，由Mg摻雜的ρ-型GaN層形成。提供第一緩沖層2以減少η-型氮化物半導(dǎo)體層3的線位錯，并且第一緩沖層2由 25nm厚度的GaN緩沖層在低溫下形成。第一緩沖層2的厚度并非具體限于該數(shù)值。在形成第一緩沖層2之前，將由藍(lán)寶石襯底形成的單晶襯底1放入MOVPE儀器的 反應(yīng)室中。然后，單晶襯底在反應(yīng)室內(nèi)的預(yù)定壓力(例如IOkPa 76托)下被加熱到預(yù)定 溫度(例如1250°C )并且在該溫度保持預(yù)定的時間(例如10分鐘)，以在其頂面進(jìn)行清潔。 接著，向反應(yīng)室同時供應(yīng)分別作為Ga源和氮源的TMGa和NH3,同時將襯底保持在500°C的較 低溫度下，以在該襯底上生長非晶GaN層。此時，TMGa和NH3的供應(yīng)速率分別設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀 態(tài)下0. 02L/分鐘(20SCCM)和2L/分鐘(2SLM)。接著，將襯底加熱到預(yù)定的退火溫度(例 如1100°C )并在該溫度下保持5分鐘，目的是使GaN層退火，以形成多晶GaN層作為第一緩 沖層2。第一緩沖層2可以由AlGaN層或AlN層替代GaN層制成。η-型氮化物半導(dǎo)體層3由在第一緩沖層2上提供的η-型GaN層形成。η_型氮化 物半導(dǎo)體層3的厚度在該實(shí)施方案中設(shè)定為4 μ m，但也可以是其它值。η-型氮化物半導(dǎo)體 層3可以具有多層結(jié)構(gòu)，而不是單層結(jié)構(gòu)。例如，η-型氮化物半導(dǎo)體層3可以由在第一緩 沖層2上的η-型Ala2Gaa8N層和在該η-型Ala2Gaa8N層上的η-型GaN層構(gòu)成。η-型氮化物半導(dǎo)體層3在IOkPa的壓力、1100°C的溫度下生長。TMGa、NH3和TESi 分別用作η-型氮化物半導(dǎo)體層3生長的Ga源、N源和Si源。Si充當(dāng)用于提供η_型電特 性的雜質(zhì)。H2和N2用作載運(yùn)這些源的載氣。TESi的供給速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/ 分鐘(0.9SCCM)。其它源也可以用于η-型氮化物半導(dǎo)體層的生長。例如，TEGa、胼衍生物 和SiH4可以分別用作Ga源、N源和Si源。第二緩沖層4由厚度為15nm的Inatl2Gaa98N層形成，并且具有帶隙能為3. 2eV的 組成。對厚度和組成不作具體限定。第二緩沖層4在IOkPa的壓力、750°C的溫度下生長。TMGa、TMIn和NH3分別用作 該層生長的Ga源、In源和N源。N2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。提供第三緩沖層5用于抑制發(fā)光層6的線位錯和剩余畸變，以及充當(dāng)用于發(fā)光層6 生長的具有改善的平坦性的基層。第三緩沖層5也用于利用其中產(chǎn)生的載流子來抑制發(fā)光 層6中的壓電場。第三緩沖層5由厚度為IOOnm的摻雜有作為施主的Si雜質(zhì)的InGaN層 形成。即，第三緩沖層5具有與第二緩沖層4相同的組成。第三緩沖層5的組成適宜地控 制為具有大的帶隙能，從而不允許由發(fā)光層6發(fā)出的光在第三緩沖層5中被吸收。在該實(shí) 施方案中，第三緩沖層5與第二緩沖層4具有相同的組成。第三緩沖層5可以形成為具有 除IOOnm之外的厚度。
第三緩沖層5在IOkPa的壓力、750°C的溫度下生長。TMIn、TMGa、NH3和TESi分別 用作該層生長的In源、Ga源、N源和Si源。N2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。S卩，第三緩沖 層5基本上以與第二緩沖層4幾乎相同的方式進(jìn)行生長，只是在第三緩沖層5的生長中供 應(yīng)TESi。在該實(shí)施方案中，TESi的供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/分鐘(0. 9SCCM)。發(fā)光層6由勢壘層和阱層構(gòu)成。各勢壘層由IOnm厚的Inatl2Gaa98N層形成。各阱 層由3nm厚的Ina2tlGaa8tlN層形成。勢壘層具有與第三緩沖層具有相同帶隙能的組成，然而 阱層具有帶隙能為2. 7eV的組成。發(fā)光層6具有包含3個阱層的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中各阱 層和各勢壘層彼此交替疊加。阱層和勢壘層的組成不作具體限定，可以根據(jù)期望的發(fā)光波 長適宜地確定。阱層的數(shù)目不作具體限定，但可以是1層。發(fā)光層可以由僅具有1個阱層 的單量子阱結(jié)構(gòu)形成。勢壘層和阱層的厚度不作具體限定。如第三緩沖層5那樣，發(fā)光層6在IOkPa的壓力、750°C的溫度下生長。TMIruTMGa 和NH3分別用作該層生長的In源、Ga源和N源。N2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。適宜地控 制III族材料的摩爾比(供應(yīng)速率的比例)以生長發(fā)光層6的勢壘層和阱層。由于勢壘層 和第三緩沖層5具有相同的組成，所以在發(fā)光層6的底部的勢壘層可以在第三緩沖層5的 生長之后進(jìn)行連續(xù)地生長而不中斷。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7包括第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b。第
一P"型半導(dǎo)體層7a提供在發(fā)光層6上，由ρ-型AlaitlGaa9tlN層形成。第二 ρ-型半導(dǎo)體層 7b提供在第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a上，由ρ-型GaN層形成。適宜地確定第一 ρ-型半導(dǎo)體層 7a和第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b的組成，以使第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a具有比第二 ρ-型半導(dǎo)體 層7b更大的帶隙能。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7控制為第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a具有20nm的厚 度，而第二 P-型半導(dǎo)體層7b具有50nm的厚度。對ρ-型半導(dǎo)體層的厚度不作具體限定。在ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7中的第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a在IOkPa的壓力、1100°C的 溫度下生長。TMA1、TMGa、NH3和Cp2Mg分別用作該層生長的Al源、Ga源、N源和Mg源。Mg 用作提供P-型電特性的雜質(zhì)。H2氣體用作載運(yùn)這些源的載氣。第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b以 與第一 P-型半導(dǎo)體層7a幾乎相同的方式進(jìn)行生長，只是在第二 P-型半導(dǎo)體層7b的生長 中不供應(yīng)TMA1。Cp2Mg的供應(yīng)速率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.02L/分鐘(20SCCM)，用于第一和第
二P-型半導(dǎo)體層7a、7b的生長。由于如在第一實(shí)施方案中那樣，第三緩沖層5摻雜有用作施主的雜質(zhì)并且提供在 第二緩沖層4和發(fā)光層6之間，所以該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠減少發(fā)光層 6中的線位錯和剩余畸變，由此改善發(fā)光層6的結(jié)晶度以及提高內(nèi)部量子效率。此外，該氮 化物半導(dǎo)體發(fā)光器件通過利用第三緩沖層5中產(chǎn)生的載流子來抑制發(fā)光層6中的壓電場， 獲得發(fā)光層6的改善的內(nèi)部量子效率，從而實(shí)現(xiàn)高輸出。此外，由于該實(shí)施方案的第三緩沖 層5中的雜質(zhì)充當(dāng)施主，因此這種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠?yàn)榘l(fā)光層6供應(yīng)電子，同時保 持高的電導(dǎo)率。此外，由于在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第三緩沖層5中所摻 雜的雜質(zhì)是Si，所以第三緩沖層5能夠改善其充當(dāng)發(fā)光層6生長的基層的表面的平坦性，從 而有望獲得高質(zhì)量的發(fā)光層6以及發(fā)光層6的高內(nèi)部量子效率。(第四實(shí)施方案)示于圖7中的該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有與第一實(shí)施方案的氮化 物半導(dǎo)體發(fā)光器件幾乎相同的結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件與第一實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的區(qū)別在于第一緩沖層2和第三緩沖層5的厚度，在第三緩沖層5 上形成的發(fā)光層6的結(jié)構(gòu)，以及第一、第二和第三ρ-型半導(dǎo)體層7a_7c的厚度。與第一實(shí) 施方案相同的組件用相同的附圖標(biāo)記表示，在該實(shí)施方案中不給出重復(fù)的說明。在該實(shí)施方案中，由結(jié)晶AlN層制成的第一緩沖層2控制為具有2. 5nm的厚度。第 三緩沖層5由18nm厚的Si摻雜的η-型AlGaInN層形成，并且摻雜有充當(dāng)施主的Si雜質(zhì)。 但是，對這些層的厚度不作具體限定。發(fā)光層6由具有兩個阱層6a的AlGaInN量子阱結(jié)構(gòu)形成，其中各阱層6a和各勢 壘層6b彼此交替疊加。發(fā)光層6在該實(shí)施方案中具有多量子阱結(jié)構(gòu)，但是也可以具有單量 子阱結(jié)構(gòu)。各個阱層6a由1.7nm厚的AlGaInN層形成。在阱層6a、6a之間提供的勢壘層 6b由7nm厚的Si摻雜的η-型AlGaInN層形成。在阱層6a和ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7之間 提供的勢壘層6b由14nm(為在阱層6a、6a之間提供的勢壘層6b厚度的兩倍)厚的Si摻 雜的η-型AlGaInN層形成。勢壘層6b設(shè)定為具有與第三緩沖層5相同的4. 7eV帶隙能的 組成。阱層設(shè)定為具有帶隙能為4. 4eV的組成。阱層6a和勢壘層6b的組成根據(jù)期望的發(fā) 光波長加以確定。對阱層6a的數(shù)目不作具體限定，并且可以是一層。例如，發(fā)光層可以由 具有一個阱層6a的單量子阱結(jié)構(gòu)形成。對阱層6a和勢壘層6b的厚度不作具體限定。發(fā) 光層6在勢壘層中摻雜有Si，但不是必需摻雜有Si。對Si的摻雜量不作具體限定。ρ-型氮化物半導(dǎo)體層7為由ρ-型AlGaInN層形成的第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a具 有15nm的厚度，由ρ-型AlGaInN層形成的第二 ρ-型半導(dǎo)體層7b的厚度為55nm，由ρ-型 Inatl3Gaa97N層形成的第三ρ-型半導(dǎo)體層7c的厚度為15nm。本發(fā)明不限于以上厚度。為了確認(rèn)第二緩沖層4的效果，在室溫(RT)下測量了具有不同厚度的第二緩沖層 4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的多個樣品的PL光譜，其中發(fā)光層6在其表面處暴露。獲得的 結(jié)果示于圖8中。通過所提供的第二緩沖層4，使得PL強(qiáng)度提高。特別地，在第二緩沖層4 中具有2. 5nm厚度的樣品表現(xiàn)出大的發(fā)光強(qiáng)度。但是，在第二緩沖層中具有大于5nm厚度 的樣品表現(xiàn)出PL強(qiáng)度的下降，據(jù)推測是由于厚度過大的第二緩沖層4的平坦性差的原因。為了確認(rèn)第三緩沖層5的效果，在室溫(RT)下測量了具有不同厚度的第三緩沖層 5的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的多個樣品的PL光譜，其中發(fā)光層6在其表面處暴露。獲得的 結(jié)果示于圖9中。與具有的第三緩沖層5的厚度(5nm)略大于第二緩沖層4的厚度的樣品 相比，各自具有的第三緩沖層5的厚度顯著大于第二緩沖層4的厚度(3nm)的三個樣品顯 示出具有更大的發(fā)光強(qiáng)度。在三個樣品中，具有17. 5nm厚度的第三緩沖層5的樣品表現(xiàn)出 最大的發(fā)光強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)樣品在第三緩沖層5的厚度比第二緩沖層4的厚度大時，表現(xiàn)出PL 光譜的強(qiáng)度增加。但是，第三緩沖層5的厚度為22. 5nm的樣品得到比第三緩沖層5的厚度 為17. 5nm的樣品更小的PL光譜強(qiáng)度。鑒于含In的氮化物半導(dǎo)體因線位錯可能經(jīng)受V形 缺陷的事實(shí)，推測這是由于具有V形缺陷(下文中，稱為V形缺陷)造成的發(fā)光層6的體積 下降所導(dǎo)致的，所述V形缺陷是由于Si摻雜的η-型AlGaInN層制得的發(fā)光層6的勢壘層 6b的生長而發(fā)展的。為了確認(rèn)作為施主摻雜的Si的效果，在室溫(RT)下獲得了對于在第三緩沖層5 和勢壘層6b中的每一層中都具有不同Si濃度的多個樣品的PL光譜，其中η-型氮化物半 導(dǎo)體層3具有1 X IO18Cm3的Si濃度，并且發(fā)光層6在其表面處暴露。獲得的結(jié)果示于圖10 中。圖10說明在第三緩沖層5和勢壘層6b中均具有5X IO16CnT3的Si濃度的樣品獲得大的發(fā)光強(qiáng)度PL光譜。圖11示出對于氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的樣品所獲得的電流注入發(fā)光光譜，所述 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有分別由以上材料形成且具有以上組成和厚度的層2-7。圖12示 出光輸出和外量子效率隨著電流的變化圖，這是通過室溫(RT)下測量實(shí)施例的氮化物半 導(dǎo)體發(fā)光器件的電流注入發(fā)光光譜而獲得的。如圖11所示，在該實(shí)施例中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件具有Si摻雜的第三緩沖層， 得到在約282nm(深UV區(qū))的發(fā)光峰。圖12示出該實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中的 電流和光輸出之間的關(guān)系(由“ α ”表示)以及電流和外量子效率之間的關(guān)系(由“ β ”表 示)。所獲得的光輸出的最大值為10.6mW。所獲得的外量子效率的最大值為1.2%。如氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的第一實(shí)施方案中那樣，摻雜有充當(dāng)施主的雜質(zhì)的第三 緩沖層5提供在第二緩沖層4和發(fā)光層6之間，減少發(fā)光層6的線位錯和剩余畸變以及改善 發(fā)光層6的結(jié)晶度和內(nèi)部量子效率。此外，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠通過利用第三緩 沖層5中產(chǎn)生的載流子來抑制發(fā)光層6中的壓電場，改善發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率以實(shí)現(xiàn) 高輸出。此外，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件允許向發(fā)光層6供應(yīng)電子，同時保持高的電導(dǎo)率， 這是因?yàn)閾诫s于第三緩沖層5中的雜質(zhì)充當(dāng)施主。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第三緩沖層5的厚度(例如18nm)大 于第二緩沖層4的厚度(例如3nm)，由此改善用作發(fā)光層6的生長基層的第三緩沖層5的 平坦性。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，第三緩沖層5具有比η-型氮化物半導(dǎo) 體層3更大的施主濃度，使得其能夠減少用作發(fā)光層6的生長基層的第三緩沖層5的晶體 缺陷以及改善發(fā)光層6的內(nèi)部量子效率。在該實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，發(fā)光層6具有量子阱結(jié)構(gòu)，其中鄰近 阱層6a的勢壘層6b摻雜有充當(dāng)施主的雜質(zhì)。此外，在勢壘層6b中產(chǎn)生的載流子的幫助下， 具有量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層6中的壓電場可以被有效地降低。在以上實(shí)施方案中，發(fā)光層6具有多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)，但是也可以由 單層結(jié)構(gòu)形成。在這種情況下，由單層結(jié)構(gòu)制成的發(fā)光層6用來與相鄰層(即第三緩沖層5 和P-型氮化物半導(dǎo)體層7的第一 ρ-型半導(dǎo)體層7a) —起形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，通過利 用以上實(shí)施方案中的上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的技術(shù)觀念可以廣泛地應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)中。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件在以上實(shí)施方案中是通過MOVPE方法制造的，但是不是必 需通過MOVPE方法進(jìn)行制造?？梢圆扇∑渌绞嚼鐨浠餁庀嗤庋由L方法(HVPES 法)、分子束外延生長方法(MBE方法)等來制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。在以上實(shí)施方案中，用于制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的單晶襯底1由藍(lán)寶石襯底 形成，但是不是必需由藍(lán)寶石襯底來形成?？梢杂杉饩r底、硅襯底、碳化硅襯底、氧化鋅 襯底、磷酸鎵襯底、砷化鎵襯底、氧化鎂襯底、硼酸鋯襯底、III族氮化物半導(dǎo)體晶體襯底等 來替代藍(lán)寶石襯底形成單晶襯底1。
1權(quán)利要求
一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括 單晶襯底； 層疊在所述單晶襯底的上側(cè)的第一緩沖層； 層疊在所述第一緩沖層的上側(cè)的n 型氮化物半導(dǎo)體層； 層疊在所述n 型氮化物半導(dǎo)體層的上側(cè)的第二緩沖層； 層疊在所述第二緩沖層的上側(cè)的發(fā)光層； 層疊在所述發(fā)光層的上側(cè)的p 型氮化物半導(dǎo)體層；其中所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件還包括提供在所述第二緩沖層和所述發(fā)光層之間的第三緩沖層，所述第三緩沖層摻雜有充當(dāng)施主的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述雜質(zhì)是Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第三緩沖層具有與所 述第二緩沖層相同的組分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第三緩沖層 具有的帶隙能大于所述發(fā)光層發(fā)出的光的光子能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第三緩沖層 的厚度大于所述第二緩沖層的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第三緩沖層 的所述施主的濃度小于所述η-型氮化物半導(dǎo)體層的所述施主的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層具有 包含勢壘層的量子阱結(jié)構(gòu)，所述勢壘層摻雜有充當(dāng)施主的所述雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有改善的內(nèi)部量子效率的發(fā)光層和具有高的光輸出的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。所述氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括用于外延生長的單晶襯底(1)、形成在單晶襯底(1)的上表面?zhèn)壬系牡谝痪彌_層(2)、形成在第一緩沖層(2)的上表面?zhèn)壬系膎-型氮化物半導(dǎo)體層(3)、通過第二緩沖層(4)形成在n-型氮化物半導(dǎo)體層(3)的上表面?zhèn)壬系牡谌彌_層(5)、形成在第三緩沖層(5)的上表面?zhèn)壬系陌l(fā)光層(6)和形成在發(fā)光層(6)的上表面?zhèn)壬系膒-型氮化物半導(dǎo)體層(7)。第三緩沖層(5)用于減少發(fā)光層(6)中的線位錯和剩余畸變，改善發(fā)光層(6)的基層的平坦度，以及進(jìn)一步地通過利用第三緩沖層(5)中產(chǎn)生的載流子來改變發(fā)光層(6)中的壓電場，并且在第三緩沖層(5)中添加Si充當(dāng)施主的雜質(zhì)。
文檔編號H01L33/00GK101981711SQ20098011075
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者平山秀樹, 椿健治, 藤川紗千惠, 高野隆好 申請人:松下電工株式會社;獨(dú)立行政法人理化學(xué)研究所