專利名稱：發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有利用于LED(發(fā)光二極管)、LD(激光二極管)等發(fā)光元件中的具有氮化物層半導(dǎo)體(例如InxAlyGa1-x-yN，0≤x，0≤y，x+y≤1)的發(fā)光元件。
另外，LED由于具有消耗功率低及壽命長的極為優(yōu)越的特征，且在消耗功率的節(jié)約及保養(yǎng)頻率的降低上具有相當大的功效，所以被期望應(yīng)用在作為信號機用的發(fā)光源，且被期待可開發(fā)出即使在室外也可獲得目視性充分的高輝度的LED。另外，黃色區(qū)域光，除了所述的信號機以外，也多用于汽車的方向指示器、道路交通情報揭示板等，可對人促進注意的表示上，具有很寬廣的用途。
發(fā)出黃色區(qū)域波長光的高輝度的LED，已有由AlGaInP所構(gòu)成的LED被實用化。然而，由AlGaInP所構(gòu)成的LED有溫度依存性大，尤其是高溫下的發(fā)光輸出會顯著降低的問題。如此高溫下的發(fā)光輸出的降低，若使用于設(shè)在室外的表示器上則會造成莫大的問題，這是因為一般在太陽光線很強的夏季時期或熱帶地區(qū)由于表示器內(nèi)部的溫度會變得非常高，而在太陽光線強的狀況下發(fā)光輸出的降低會帶來目視性降低所致。這就對于促進人的注意力的表示器中常用的發(fā)出黃色區(qū)域光的表示器中就更會造成莫大的問題。
具有氮化物半導(dǎo)體層(例如InxAlyGa1-x-yN，0≤x，0≤y，x+y≤1)的發(fā)光元件，已知的有，在發(fā)出例如相當于信號機的黃色的黃色區(qū)域波長光時，通過將活性層當作含銦(In)的混晶，且增大該銦的混晶比x并減小禁帶寬度能量，即可以使發(fā)光波長得到長波長化。然而，為了要利用具有氮化物半導(dǎo)體層的發(fā)光元件以獲得黃色區(qū)域波長的發(fā)光，通過持續(xù)增大活性層的銦的混晶比以使發(fā)光波長得到長波長化時，就會有隨著增大銦混晶比而使發(fā)光輸出降低的問題。該發(fā)光輸出的降低在發(fā)光波長λd為550nm時最為顯著。而且，在含有取得相當于590nm的發(fā)光波長所需要量的銦(In)的活性層，存在其表面狀態(tài)變得極差，無法結(jié)晶性好地形成在活性層上所形成的半導(dǎo)體層的問題。
為了達到上述目的，本發(fā)明的發(fā)光元件，其是在n型半導(dǎo)體層與p型半導(dǎo)體層之間形成活性層的發(fā)光元件，其特征在于所述活性層，包含有由含銦(In)的Inx1Ga1-x1N(x1＞0)所構(gòu)成的井層、以及形成于所述井層上的含鋁(Al)的Aly2Ga1-y2N(y2＞0)所構(gòu)成的第一阻擋層。
如此所構(gòu)成的本發(fā)明的發(fā)光元件，特別可提高具有發(fā)出波長比黃色區(qū)域的波長還長的光的氮化物半導(dǎo)體層的發(fā)光元件的發(fā)光輸出。又，可提高形成于井層及第一阻擋層上的半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件，其中由于將井層設(shè)為由Inx1Ga1-x1N(0.6≤x1≤1)所構(gòu)成的三元混晶，所以可提高井層及形成于其上的第一阻擋層的結(jié)晶性，更可提高形成于第一阻擋層上的半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件中，所述井層也可包含自鄰接層擴散而來的鋁(Al)。
又，本發(fā)明的發(fā)光元件中，所述第一阻擋層也可包含自鄰接層擴散而來的銦(In)。
又，本發(fā)明的發(fā)光元件中，由形成井層的銦(In)混晶比x1為0.6以上的構(gòu)成，即可獲得黃色波長區(qū)域、或黃色波長區(qū)域以上的長波長的發(fā)光。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件，優(yōu)選的是，所述井層的銦(In)混晶比x1，設(shè)定成使在該井層中發(fā)出530nm以上的波長的光。
而且，本發(fā)明的發(fā)光元件，優(yōu)選的是，第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2設(shè)定為0.1以上，由此，即可特別地提高發(fā)出黃色區(qū)域或黃色區(qū)域以上的長波長光的元件的發(fā)光輸出。
另外，更優(yōu)選的是，第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2設(shè)為0.15以上，進而更優(yōu)選的是，第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2設(shè)為0.2以上。
如此，當增大第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2時就可降低發(fā)光元件的臨界電壓。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件中，所述活性層，優(yōu)選的是包含由Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3≤0.3，0≤y3≤0.1，x3+y3≤0.3)所構(gòu)成的第二阻擋層，據(jù)此，就可提高形成其上的井層的結(jié)晶性。
又，本發(fā)明的發(fā)光元件中，更優(yōu)選的是，將第二阻擋層設(shè)為由Inx3Ga1-x3N(0≤x3≤0.3)所構(gòu)成的三元混晶，或由相當于x3＝0的GaN所構(gòu)成的二元混晶，據(jù)此，就可降低由于井層之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生的結(jié)晶缺陷，而且可抑制隨著銦(In)的高混晶化所帶來的第二阻擋層本身結(jié)晶性的劣化，并可以更加提高井層的結(jié)晶性。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件，即使由含有所述第二阻擋層、所述井層、所述第一阻擋層而使銦(In)的混晶比變大時，由于也可以結(jié)晶性好地形成所述活性層，所以更適于具有多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層。
另外，本發(fā)明的發(fā)光元件中，優(yōu)選的是，所述n型半導(dǎo)體層具有用以將載體鎖住于所述活性層內(nèi)的n型包覆層，而且所述p型半導(dǎo)體層具有用以將載體鎖住于所述活性層內(nèi)的p型包覆層，在所述活性層與所述n型包覆層之間，具有由含銦(In)的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的n側(cè)第二包覆層，在所述活性層與所述p型包覆層之間，具有由含銦(In)的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的p側(cè)第二包覆層。
在如此所構(gòu)成的發(fā)光元件中，由于所述n側(cè)第二包覆層及所述p側(cè)第二包覆層，可以防止因所述n型包覆層與所述p型包覆層間的晶格常數(shù)的差異而在所述活性層中所產(chǎn)生的結(jié)晶性的惡化及不需要的畸變的發(fā)生等，所以可以提高發(fā)光輸出。
圖2是表示實施方式1的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖3是表示實施方式1的一變形例的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖4是表示實施方式1的另一變形例的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖5是本發(fā)明的實施方式2的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖6是表示實施方式2的一變形例的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖7是表示實施方式2的另一變形例的活性層構(gòu)成的模型剖面圖。
圖8是本發(fā)明的實施方式3的激光二極管構(gòu)成的模型剖面圖。
圖9是表示本發(fā)明的發(fā)光二極管中的臨界電壓對第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2的曲線。


圖10是表示本發(fā)明的發(fā)光二極管中的發(fā)光輸出對第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2的曲線。
圖11是表示本發(fā)明的發(fā)光二極管的中間元件狀態(tài)中的PL發(fā)光輸出對第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2的曲線。
圖12是表示比較本發(fā)明發(fā)光二極管的溫度特性和由以往的AlGaInP所構(gòu)成的發(fā)光二極管的溫度特性的曲線。
圖13是表示本發(fā)明的實施方式4的發(fā)光二極管構(gòu)成的模型剖面圖。
圖14是顯示本發(fā)明的發(fā)光二極管的第一阻擋層13(鋁(Al)混晶比0.15)的表面形態(tài)的AFM像。
圖15是顯示本發(fā)明的發(fā)光二極管的第一阻擋層13(鋁(Al)混晶比0.30)的表面形態(tài)的AFM像。
圖16是顯示本發(fā)明的發(fā)光二極管的第一阻擋層13(鋁(Al)混晶比0.45)的表面形態(tài)的AFM像。
圖17是顯示本發(fā)明的發(fā)光二極管的第一阻擋層13(鋁(Al)混晶比0.60)的表面形態(tài)的AFM像。
圖18是顯示本發(fā)明的發(fā)光二極管中的驅(qū)動電壓對鋁(Al)混晶比Z的曲線。
圖19是表示本發(fā)明的實施方式4的發(fā)光二極管的活性層構(gòu)成的模型截面圖。
圖20是表示本發(fā)明的實施方式4的發(fā)光二極管的活性層與其附近的能量位準的示意圖。
圖21是表示本發(fā)明的實施方式5的發(fā)光二極管的活性層構(gòu)成的模型截面圖。
圖22是表示本發(fā)明的實施方式5的一實施方式的活性層構(gòu)成的模型截面圖。
圖23是表示本發(fā)明的實施方式5的發(fā)光二極管中的發(fā)光輸出對波長的曲線。
圖1是表示將本發(fā)明應(yīng)用于發(fā)光二極管中的實施方式1的模型構(gòu)造。本實施方式1的發(fā)光二極管，是在基板101上依次疊層緩沖層102、非摻雜GaN層103、n型接觸層104、n型包覆層105、活性層106、p型包覆層107、及p型接觸層108，并在n型接觸層104及p型接觸層108上分別形成n電極111及p電極112所構(gòu)成。
基板101用以成長所希望的氮化物半導(dǎo)體層(InxAlyGa1-x-yN，x≥0，y≥0，x+y≤1)者，可適當?shù)剡x擇。緩沖層102，是為了要緩和基板101與氮化物半導(dǎo)體(InxAlyGa1-x-yN，x≥0，y≥0，x+y≤1)的晶格常數(shù)不正而所形成的層。非摻雜GaN層103，是為了使成長于其上的n型接觸層104的結(jié)晶性良好而所形成的層。n型接觸層104，是為了要實現(xiàn)與n電極111之間的歐姆接觸而所形成的層。n型包覆層105，是為了要將載體鎖住于活性層106內(nèi)而所形成的層?；钚詫?06，是用以進行發(fā)光的層。p型包覆層107，是與n型包覆層105同樣是為了要將載體鎖住于活性層106內(nèi)而所形成的層。p型接觸層108，是為了實現(xiàn)與p電極112之間的歐姆接觸而所形成的層。
上述發(fā)光元件的基板101、緩沖層102、非摻雜GaN層103是在其上的各層皆被形成的后，為了達到提高發(fā)光輸出或降低光之內(nèi)部吸收等的目的而也可以利用蝕刻法等選擇性地適當去除。另外，在本說明書中，以各層的成長方向為向上的形態(tài)來加以說明。因而，在本實施方式1中從n型半導(dǎo)體層來看p型半導(dǎo)體層方向為朝上。
以下是就本發(fā)明的實施方式1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管中的各構(gòu)成要素加以詳細說明。
在基板101上除了以C面為主面的藍寶石之外，也可以使用以R面、A面為主面的藍寶石，其他，除了如尖晶石(spinel)(MgAl2O4)的絕緣性的基板101之外，也可采用SiC(包含6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等的半導(dǎo)體基板101。
緩沖層102是為了要緩和基板101與氮化物半導(dǎo)體(InxAlyGa1-x-yN，x≥0，y≥0，x+y≤1)的晶格常數(shù)不正而所形成的層，例如可采用AlN、GaN、AlGaN、InGaN等。緩沖層102，最好是以900℃以下的溫度成長，即可形成10埃～500埃的膜厚。
非摻雜GaN層103，是不添加雜質(zhì)而成長的GaN層，如本實施方式2所示，當在緩沖層102上再成長一層非摻雜GaN層103時，就可以使成長于該非摻雜GaN層103上的n型接觸層104的結(jié)晶性成為良好。
n型接觸層104，通常是摻雜Si等的n型雜質(zhì)濃度為3×1018/cm2以上，最好是5×1018/cm2以上而成。n型接觸層104的組成，可由Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5，0≤y5，x5+y5≥1)所構(gòu)成，本發(fā)明雖非限定于該組成，但是最好是GaN或y值0.2以下的AlyGa1-y，由此即可獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層。n型接觸層104的膜厚，雖未被限定在以下的范圍內(nèi)，但是由于其是形成n電極111的層，所以被設(shè)定在0.1～20μm，最好是0.5～10μm，更好是1～5μm。
其次，n型包覆層105，較好是由非摻雜的n型包覆第一層、摻有n型雜質(zhì)的n型包覆第二層、為摻雜的n型包覆第三層的至少三層所構(gòu)成。又，n型包覆層105也可進而具有上述第一層至第三層以外的其他層。且n型包覆層105，即使與活性層106相接，也可在與活性層106之間具有其他層。
用以構(gòu)成這些n型包覆第一層至第三層的氮化物半導(dǎo)體，雖可采用以(InxAlyGa1-x-yN，x≥0，y≥0，x+y≤1)表示的各種組成的氮化物半導(dǎo)體，但是最好采用由GaN所構(gòu)成的半導(dǎo)體。且n型包覆層105的第一至第三的各層組成也可互為相同或互異。n型包覆層105的膜厚，雖然沒有特別限定在以下的范圍內(nèi)，但是最好為175～12000埃，更好為1000～10000埃，更好為2000～6000埃。n型包覆層105的膜厚若在上述范圍內(nèi)時就可謀求Vf的最適當化且可提高靜電耐壓。
具有上述范圍的膜厚的包覆層的膜厚調(diào)整，最好是適當?shù)卣{(diào)整n型包覆第一層、第二層、及第三層的各膜厚，以使n型包覆層105的總膜厚設(shè)為上述的范圍內(nèi)。用以構(gòu)成上述n型包覆層105的各層的組成，雖可選自以(InxAlyGa1-x-yN，x≥0，y≥0，x+y≤1)為代表的組成的半導(dǎo)體，但是最好是將銦(In)及鋁(Al)的比例設(shè)為較小的組成，更好是設(shè)為由GaN所構(gòu)成的層。
另外，在本實施方式1中，在n型包覆層105上形成有圖2所示的單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層106?；钚詫?06，包含有形成于井層12的下方的第二阻擋層11、利用載體的再結(jié)合以進行發(fā)光的井層12、及形成于井層12的上方的第一阻擋層13，在第一阻擋層13的上方進而形成有用以使p型包覆層107的結(jié)晶性成長好的最上部層14。
第二阻擋層11，由例如以銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)及氮(N)的二種以上所組成的通式Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3，0≤y3，x3+y3≤0.1)表示的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成。該第二阻擋層11，最好是將銦(In)或鋁(Al)的混晶比x3、y3設(shè)為x3≤0.3，y3≤0.1，且x3+y3≤0.3，以使由進行以下所形成的黃色區(qū)域波長發(fā)光所需要的銦(In)的混晶比較大的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的井層12的結(jié)晶性成為良好。尤其是，設(shè)為Inx3Ga1-x3N(x3≤0.3)的三元混晶或由GaN所構(gòu)成的二元混晶，可一邊降低因第二阻擋層11與井層12的晶格常數(shù)差所引起的結(jié)晶缺陷，而可一邊抑制隨著銦(In)的高混晶化帶給第二阻擋層11層本身的結(jié)晶性的劣化，更好的可更加提高形成于其上的井層12的結(jié)晶性所致。膜厚雖設(shè)為10埃以上100埃以下，但是最好是在于結(jié)晶性好地成長井層12。
井層12，由例如銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)及氮(N)所組成的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(x1＞0，y1≥0，x1+y1≤1)所構(gòu)成。銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)的混晶比，以作為黃色發(fā)光的有效波長區(qū)域λd為550nm～610nm的范圍內(nèi)或是在該范圍以上的長波長區(qū)域中可獲得發(fā)光峰值波長λd的方式而決定。尤其是，通過將井層12的銦(In)的混晶比x1設(shè)為x1≥0.6即可獲得較好的黃色發(fā)光波長。
但是，隨著增大銦(In)的混晶比x1，晶格常數(shù)也會變大，所以與其他層之間的晶格不匹配會變大。因此井層12就有必要形成于由與該井層12之間的晶格常數(shù)差比較小且結(jié)晶性好的結(jié)晶所構(gòu)成的層上。另外，由于本發(fā)明利用與上述第二阻擋層11組合以形成井層12，所以可結(jié)晶性好的形成井層12，更可在該結(jié)晶性好的井層12上，結(jié)晶性好地形成由與該井層12的晶格常數(shù)差較大的結(jié)晶所構(gòu)成的層。又，井層12在以Inx1Ga1-x1N的三元混晶、或InN的二元混晶構(gòu)成方面，以成長結(jié)晶性好的為宜。井層12的膜厚較好的設(shè)為10埃以上100埃以下。
第一阻擋層13，由例如銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)及氮(N)所組成的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(x2≥0，y2＞0，x2+y2≤1)所構(gòu)成。該第一阻擋層13，以鋁(Al)為必須的構(gòu)成要素，由此就可提高在井層12上所發(fā)光的黃色區(qū)域波長的發(fā)光輸出。又，通過上述的組成，即可提高形成于第一阻擋層13的上方的最上部層14的結(jié)晶性。進而第一阻擋層13在以Aly2Gal-y2N的三元混晶構(gòu)成方面，以成長結(jié)晶性更好是宜。而且，更好的設(shè)為鋁(Al)的混晶比y2≥0.1，再更好的設(shè)為y2≥0.15。又，本發(fā)明中，第一阻擋層13的禁帶寬度能量最好設(shè)得比第二阻擋層11大。第一阻擋層13的膜厚最好設(shè)為10埃以上100埃以下。
最上部層14，由例如銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)及氮(N)所組成的(Inx4Aly4Ga1-x4-y4N，0≤x4，0≤y4，x4+y4≤0.1)所構(gòu)成。該最上部層14，為了要結(jié)晶性好地成長以下所形成的p型包覆層，最好是將銦(In)或鋁(Al)的混晶比x4、y4設(shè)定為0≤x4，y4≤0，x4+y4≤0.1。而且，Aly4Ga1-y4N的三元混晶或由GaN所構(gòu)成的二元混晶，更好的結(jié)晶性好地成長形成于其上的p型包覆層107。較好膜厚設(shè)為10埃以上100埃以下。又，該最上部層14也可為與第二阻擋層11相同的構(gòu)成。
以上說明的活性層106的各層，可從不含雜質(zhì)的非摻雜層、摻有硅(Si)等n型雜質(zhì)的n型摻雜層、或摻有鎂(Mg)等p型雜質(zhì)的p型摻雜層的中適當?shù)剡x擇構(gòu)成。
本實施方式1，通過在n型包覆層105上依次形成第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13、最上部層14，以構(gòu)成活性層106。然而，本發(fā)明并非限定于此，也可如圖3所示，采用依次形成第一阻擋層13、第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13、最上部層14的活性層106a以替代活性層106構(gòu)成。如此在井層12的n型包覆層105側(cè)，由形成禁帶寬度能量大于第二阻擋層11的第一阻擋層13，即可更有效鎖住進入井層12內(nèi)的載體。
另外，若為取得第一阻擋層13與p型包覆層107的晶格匹配的范圍，則可如圖4所示，使用已省略最上部層14的活性層106b以替代106構(gòu)成。當然，活性層也可以第一阻擋層13、第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13來構(gòu)成。
即，本發(fā)明只要在至少一個井層上具有含鋁(Al)的第一阻擋層13即可，且可以滿足其最小限的條件下進行各種的改變。
在活性層106上形成有p型包覆層107。p型包覆層107，也可通過疊層禁帶寬度能量較大的p型包覆第一層、及禁帶寬度能量小于p型包覆第一層的p型包覆第二層以形成多層膜，也可形成由含有p型雜質(zhì)的AlbGa1-bN(0≤b≤1)所構(gòu)成的單一層。又，在多層膜的情況，p型包覆第一層與p型包覆第二層也可為p型雜質(zhì)濃度互異或相同。
其次，首先就將p型包覆層107形成多層膜結(jié)構(gòu)(超晶膜結(jié)結(jié))的情況加以詳細說明。
用以構(gòu)成多層膜的p型包覆層107的p型包覆第一層及p型包覆第二層的膜厚，可調(diào)整在100埃以下，更好是70埃以下，最好是10～40埃的膜厚，而p型包覆第一層與p型包覆第二層的膜厚，也可為互同或互異。當將多層膜結(jié)構(gòu)的各膜厚設(shè)定在上述范圍時，各氮化物半導(dǎo)體層會變成彈性臨界膜厚以下，與厚膜成長的情況相比，由于可成長結(jié)晶性好的氮化物半導(dǎo)體層，且可形成結(jié)晶性好的氮化物半導(dǎo)體層，所以在添加p型雜質(zhì)的情況下可獲得載體濃度大，電阻系數(shù)小的p型層，并可降低元件的Vf、臨界值。將具有該種膜厚的二種類的層形成一對并疊層多次以形成多層膜層。然后，p型多層膜包覆層的總膜厚的調(diào)整，通過調(diào)整該p型包覆第一層、p型包覆第二層的各膜厚并調(diào)整疊層次數(shù)來進行。p型多層膜包覆層的總膜厚，雖未被特別限定，但是可為2000埃以下，最好是1000埃以下，更好是500埃以下。
p型包覆第一層以成長至少含有鋁(Al)的氮化物半導(dǎo)體，較佳為AlnGa1-nN(0＜n≤1)為人所期望，p型包覆第二層最好是以成長如AlpGa1-pN(0≤p＜1＜，n＞p)，InrGa1-rN(0≤r≤1)的二元混晶、三元混晶的氮化物半導(dǎo)體。
與p型包覆層107的p型包覆第一層、p型包覆第二層的p型雜質(zhì)濃度不同，增大一方的層的雜質(zhì)濃度，而減小另一方的層的雜質(zhì)濃度。與n型包覆層105相同，最好是增大禁帶寬度能量大的p型包覆第一層的p型雜質(zhì)濃度，而減小禁帶寬度能量小的p型包覆第二層的p型雜質(zhì)濃度，且禁帶寬度小的p型包覆第二層，最好是設(shè)為非摻雜。然而，本發(fā)明并非限定于上述的構(gòu)成，也可減小禁帶寬度能量大的p型包覆第一層的p型雜質(zhì)濃度，而增大禁帶寬度能量小的p型包覆第二層的p型雜質(zhì)濃度。
摻入p型包覆第一層中的較佳摻雜量調(diào)整在1×1018/cm3～1×1021/cm3的范圍內(nèi)，更好的調(diào)整在1×1019/cm3～5×1020/cm3的范圍內(nèi)。當少于1×1018/cm3時，載體濃度就會變小，且多于1×1021/cm3時，結(jié)晶性會變差所致。另一方面，p型包覆第二層的p型雜質(zhì)濃度，只要少于p型包覆第一層即可，最好是減少1/10以上。然而，p型包覆第二層，由于膜厚較薄，所以有自p型包覆第一層側(cè)擴散而來的p型雜質(zhì)，而p型包覆第二層的p型雜質(zhì)濃度，最好是包含經(jīng)被擴散的p型雜質(zhì)，且為1×1020/cm3以下形成小于p型包覆第一層。又，在對禁帶寬度能量大的p型包覆第一層摻有較少的p型雜質(zhì)，而對禁帶寬度能量小的p型包覆第二層摻有較多的p型雜質(zhì)的情況也為相同。
p型雜質(zhì)選擇鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈣(Ca)、鈹(Be)等的周期表第IIA族、IIB族元素，最好是將鎂(Mg)、鈣(Ca)等當作p型雜質(zhì)。
而且，在用以構(gòu)成多層膜的p型包覆層107的各氮化物半導(dǎo)體層中，摻有高濃度雜質(zhì)的層，相對于厚度方向，以半導(dǎo)體層中心部附近的雜質(zhì)濃度為大，而兩端部附近的雜質(zhì)濃度為小(最好是非摻雜)，俾于降低電阻系數(shù)為人所期望。
另外，就利用含有p型雜質(zhì)且由AlbGal-bN(0b1)所組成的單一層以構(gòu)成p型包覆層107的情況加以說明。p型包覆層107，設(shè)定為2000埃以下，最好是1000埃以下，更佳為100～500埃。
又，單一膜層的p型包覆層107，與所述多層膜結(jié)構(gòu)的p型包覆層107相比，雖然結(jié)晶性稍差，但是通過與具有多層膜結(jié)構(gòu)的n型包覆層105相組合，即可結(jié)晶性好地成長。而且，如上所述即使是單一膜，通過與其他層構(gòu)成相組合也可減少元件性能的降低，而且由于是單一膜，所以可以使制造工藝簡化，適于批量生產(chǎn)。
單一層的p型包覆層107的p型雜質(zhì)濃度，設(shè)定在1×1018/cm3～1×1021/cm3的范圍內(nèi)，最好是5×1018/cm3～5×1020/cm3，更好是5×1019/cm3～1×1020/cm3。當雜質(zhì)濃度為上述范圍時，就可形成良好的p型膜。
其次，本發(fā)明中，p型接觸層108，是進行鎂(Mg)摻雜，最好是將其組成設(shè)為未含有銦(In)、鋁(Al)的二元混晶的氮化物半導(dǎo)體的GaN。若含有銦(In)、鋁(Al)時，就無法與p電極112獲得良好的歐姆接觸，且發(fā)光效率會降低。p型接觸層108的膜厚，是為0.001μm～0.5μm，最好是0.01μm～0.3μm，更好是0.05μm～0.2μm。當膜厚比0.001μm還薄時，p電極112就容易與p型GaAlN包覆層發(fā)生電短路，且作為p型接觸層108的接觸層的機能會降低。又，在三元混晶的GaAlN包覆層的上方，由于積層有組成不同的二元混晶的GaN接觸層，所以當其膜厚比0.5μm還厚時，因結(jié)晶間的錯合(misfit)所造成的晶格缺陷容易在p側(cè)GaN接觸層9中發(fā)生，而有使結(jié)晶性降低的傾向。另外，從發(fā)光效率的觀點來看，接觸層的膜厚越薄就越降低Vf而越提高發(fā)光效率。另外，該9的p型雜質(zhì)最好是鎂(Mg)，由此就可容易取得p型特性，且容易取得歐姆接觸。鎂(Mg)的濃度，設(shè)定在1×1018/cm3～1×1021/cm3，最好是5×1019/cm3～3×1020/cm3，更好是1×1020/cm3左右。
另外，p型接觸層108，也可由非摻雜GaN所組成的p型接觸第一層與摻有鎂(Mg)的GaN所組成的p型接觸第二層所形成。
n電極111形成于n型接觸層104上，而p電極112形成于摻有鎂(Mg)的p型GaN接觸層9上。本發(fā)明雖沒有特別限定使用n電極111及112的材料，但是例如n電極111可采用鎢(W)/鋁(Al)，p電極112可采用鎳(Ni)/金(Au)。
以上的實施方式1的發(fā)光二極管，在活性層106中，由于在井層上形成有第一阻擋層，所以更可有效地在井層上鎖住載體，且可提高發(fā)光效率。
實施方式2.
其次，就本發(fā)明的實施方式2的發(fā)光二極管加以說明。
如上述般，本發(fā)明，由于可提高形成于井層12及第一阻擋層13的上方的層的結(jié)晶性，所以非常適于多重量子井結(jié)構(gòu)。
即，本發(fā)明的實施方式2的發(fā)光元件，種采用圖5所示的多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層106c以取代實施方式1的發(fā)光元件的活性層106而構(gòu)成的發(fā)光二極管，除此之外其余具有與實施方式1相同的構(gòu)成。
在本實施方式2的發(fā)光元件中，如圖5所示，多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層106c，依次反復(fù)形成第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13。此情況，在形成最上部的第一阻擋層13的后，形成有最上部層14。在此，在活性層106c中，第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13及最上部層14，具有與實施方式1相同的構(gòu)成。
如此構(gòu)成的實施方式2的發(fā)光元件，具有如下優(yōu)越的特征。
即，在具有含鋁(Al)的第一阻擋層13的以經(jīng)黃色發(fā)光元件中，因?qū)⒒钚詫有纬删哂卸鄠€井層的多重量子井結(jié)構(gòu)就會使結(jié)晶性的劣化更加顯著且使發(fā)光輸出降低。
然而，在具有本發(fā)明需要鋁(Al)的第一阻擋層13的黃色發(fā)光元件中，通過將井層12形成多個多重量子晶構(gòu)造，即可與以經(jīng)相反地提高發(fā)光輸出。
在此，表示在n型包覆層105上，依次反復(fù)形成有第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13，最后形成最上部層14的情況。然而，本發(fā)明如圖6所示，也可采用在n型包覆層105上首先形成第一阻擋層13的后，與圖5同樣地依次反復(fù)形成第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13，最后形成最上部層14所構(gòu)成的活性層106d。如此在最初的井層12的n型包覆層105側(cè)，形成禁帶寬度能量大于第二阻擋層11的第一阻擋層13，即可更有效地鎖住最初進入井層12內(nèi)的載體。
另外，若為取得第一阻擋層13與p型包覆層107的晶格匹配的范圍，則如圖7所示，可在圖6的活性層106d中省略最上部層14。另外，將如此構(gòu)成的活性層，在圖7中附記106e的元件符號來表示。當然，也可在n型包覆層105上首先形成第一阻擋層13的后同樣地省略依次反復(fù)形成第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13的活性層106d的最上部層14。
如以上所述，在本發(fā)明的發(fā)光元件中，只要滿足在至少一個井層上形成含鋁(Al)的第一阻擋層的最小限條件仍可做各種的改變。
因而，本發(fā)明也可如下說明般地應(yīng)用于激光元件中。
實施方式3.
以下，就將本發(fā)明應(yīng)用于激光元件中的本發(fā)明的實施方式3的發(fā)光元件加以說明。
圖8是表示本實施方式3的作為發(fā)光元件的氮化物半導(dǎo)體激光元件的構(gòu)成模型圖。
本實施方式3的氮化物半導(dǎo)體激光元件，在基板201上依次疊層緩沖層202、n型接觸層203、n型包覆層204、n型導(dǎo)光層205、活性層206、p型導(dǎo)光層207、p型包覆層208、p型接觸層209，且在n型包覆層204及p型包覆層208上分別形成有n電極211及p電極212。
基板201、緩沖層202、n型接觸層203、及n型包覆層204，構(gòu)成與實施方式1、2相同。在此，本實施方式3，也可在緩沖層202與n型接觸層203之間，與實施方式1、2同樣地形成非摻雜GaN層。
n型導(dǎo)光層205，與活性層206同時用以構(gòu)成光波導(dǎo)路徑。因此，n型導(dǎo)光層205構(gòu)成與活性層206的折射率差小，而與n型包覆層204的折射率差相當大的組成。
本實施方式3中，活性層206構(gòu)成與實施方式1相同。然而，本發(fā)明并非限定于此，也可形成與實施方式2同樣的多重量子井結(jié)構(gòu)，當形成多重量子井結(jié)構(gòu)時即可實現(xiàn)高輸出化。
p型導(dǎo)光層207，與n型導(dǎo)光層205相同，與活性層206同時構(gòu)成光波導(dǎo)路徑。因此，p型導(dǎo)光層207構(gòu)成與活性層206的折射率差小，而與p型包覆層208的折射率差相當大的組成。
p型包覆層208及p型接觸層209，雖然構(gòu)成于實施方式1、2相同，但是在激光的情況下，p型包覆層208及p型接觸層209進行蝕刻作業(yè)直至p型導(dǎo)光層207的境界面附近為止，以形成寬1.5μm的條(stripe)狀的導(dǎo)波路徑。如此，在位于活性層206上部的層中，通過形成條狀的隆起緣(ridge)形狀，即可以使活性層206的發(fā)光集中于條狀隆起緣的下方以降低臨界值。特別是將p形包層以上的層形成隆起緣形狀為好。
n電極211及p電極212的構(gòu)成與實施方式1、2相同，進而在激光之外面形成有絕緣膜230。
如以上所構(gòu)成的實施方式3的氮化物半導(dǎo)體激光元件，由于與實施方式1及2同樣，在井層上具有含鋁(Al)的第一阻擋層，所以可降低臨界值。
實施方式4.
如圖13所示，本發(fā)明的實施方式4的發(fā)光元件(發(fā)光二極管)，在實施方式1的發(fā)光二極管中，除了具有后面詳述的活性層106f以替代活性層106且在活性層106f與n型包覆層105之間更具備多層膜n型第二包覆層105a之外，其余則構(gòu)成與實施方式1的發(fā)光二極管相同。
另外，在圖13中，在與實施方式1相同的構(gòu)件上附相同的元件符號。
本實施方式4的發(fā)光元件中，如圖19所示，活性層106f，在多層膜n型第二包覆層105a的上方，通過依次反復(fù)多次地形成第二阻擋層11、井層12及第一阻擋層13，最后(最上層)形成第二阻擋層11所構(gòu)成。
然后，本實施方式4，其特征在于通過特別地將第一阻擋層13的組成在AlzGa1-zN中設(shè)鋁(Al)的混晶比為0.30以上，即可更加顯著地實現(xiàn)設(shè)置該第一阻擋層13的效果。
即，本實施方式4，在本發(fā)明中，設(shè)置第一阻擋層13的效果，在成長以AlzGa1-zN(0.30≤Z≤1)為代表的第一阻擋層13的后，發(fā)現(xiàn)在使溫度上升至第二阻擋層11的成長溫度為止時可更加顯著出現(xiàn)且適用于LED元件中。
另外，通過設(shè)置該第一阻擋層13而得的效果，如以下說明可知與第一阻擋層13的表面形態(tài)有很大的關(guān)聯(lián)。
圖14至圖17利用AFM(原子間力顯微鏡)觀察到以820℃形成第一阻擋層13的后，使溫度升溫至1050℃為止時的第一阻擋層13的表面形態(tài)。圖14鋁(Al)的混晶比Z＝0.15，圖15為Z＝0.30，圖16為Z＝0.45，圖17為Z＝0.60，看圖即可知當鋁(Al)的混晶比為Z0.30時，第一阻擋層13就會形成具有表面陷沒或貫穿層的多個區(qū)域的網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)。這是因為以低溫形成第一阻擋層13的AlGaN，所以該AlGaN的結(jié)晶性及膜厚會不均等，且在成長第一阻擋層13的后，使溫度上升至第二阻擋層11的成長溫度時，井層12的一部分的銦(In)會在AlGaN的結(jié)晶性較差或膜厚較薄的部分處分解，而第一阻擋層13的表面會陷沒或?qū)颖回灤?，井?2的表面的一部分等會露出者。進而，可明白該已陷沒或貫穿的區(qū)域在成為第一阻擋層13表面積的1成以上的鋁(Al)混晶比為0.30以上時，驅(qū)動電壓會大幅降低。將此結(jié)果表示于圖18的曲線中。圖18的曲線，是表示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體LED元件中的驅(qū)動電壓對鋁(Al)混晶比的變化。
另外，本發(fā)明的實施方式4中的活性層的各層較好膜厚等與實施方式1相同。
另外，在本實施方式4中，雖然就多重量子井結(jié)構(gòu)加以說明，但是該活性層106f的效果即使在單一量子井的情況下也可同樣獲得。
在本實施方式4的活性層106f中，第一阻擋層13的禁帶寬度能量，如圖20所示設(shè)定得比第二阻擋層11的禁帶寬度能量還大，且第一阻擋層13必須在形成井層12的后，與井層12相接形成。
另外，本實施方式4中，作為最好的例子，雖將第一阻擋層13分別形成全部的井層12的上方，但是本發(fā)明并非限定于此，只要在井層12與第二阻擋層11間的至少一處包含有第一阻擋層13即可。
另外，第一阻擋層13的膜厚比第二阻擋層11的膜厚還薄，最好設(shè)為一原子層以上100埃以下。當比100埃還厚時，就會在第一阻擋層13與井層12之間形成小型的禁帶寬度(miniband)且發(fā)光效率會變差。因而，該第一阻擋層13最好是盡量的薄。
又，第二阻擋層11的膜厚可設(shè)在10埃以上400埃以下，有井層12的膜厚最好是設(shè)在10埃以上70埃以下。
另外，本實施方式4中，多層膜n型第二包覆層105a，為例如由非摻GaN層與非摻雜InGaN層所組成的高晶膜結(jié)結(jié)的非摻雜層，是為了要提高發(fā)光輸出而形成的。
n型包覆層105，通過與實施方式1相同的構(gòu)成，即可提高靜電耐壓。
如此，實施方式4中，通過以n型包覆層105與多層膜n型第二包覆層105a構(gòu)成n側(cè)的包覆層，即可提高發(fā)光輸出，且可提高靜電耐壓。
如以上說明，本實施方式4的發(fā)光二極管，在活性層106f中，通過設(shè)置含有比較多禁帶寬度大于第二阻擋層的鋁(Al)的第一阻擋層，即可降低驅(qū)動電壓，且通過以n型包覆層105與n型第二包覆層105a構(gòu)成n側(cè)的包覆層，即可提高發(fā)光輸出，且可提高靜電耐壓。
在以上的實施方式4中，雖說明氮化物半導(dǎo)體LED元件為例，但是本發(fā)明并非限定于LED元件，應(yīng)用于氮化物半導(dǎo)體激光元件中也可獲得同樣的效果。
實施方式5.
其次，就本發(fā)明實施方式5的發(fā)光二極管加以說明。
如圖21所示，本實施方式5的發(fā)光二極管，在實施方式2的發(fā)光二極管中，進而在n型包覆層105與活性層106c之間形成由含有銦(In)的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的n側(cè)第二包覆層21，在p型包覆層107與活性層106c之間形成由含有銦(In)的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的p側(cè)第二包覆層22，除此以外其余構(gòu)成與實施方式2的發(fā)光二極管相同。
在該實施方式5中，n側(cè)第二包覆層21及p側(cè)第二包覆層22，形成于如圖21所示的活性層106c的兩側(cè)，用以防止因n型包覆層105與p型包覆層107的晶格常數(shù)不同而在活性層106c所發(fā)生的結(jié)晶性的惡化及不必要的畸變的發(fā)生等。
因而，n側(cè)第二包覆層21及p側(cè)第二包覆層22，在n型包覆層105與p型包覆層107之間形成晶格常數(shù)的差更大的銦(In)的比率較高的活性層時特別有效。
若更具體說明，則n側(cè)第二包覆層21，在成長井層12時，用以使銦(In)成長為均勻，由此有降低井層中的組成不穩(wěn)定的效果。由此，特別是可防止具有活性層的發(fā)光元件的發(fā)光輸出的降低，該活性層由有必要含比較多銦(In)的高混晶的井層。該效果，在成長有必要反復(fù)形成銦(In)的比率較高的高混晶井層12的多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層106c時特別顯著。
在此，n側(cè)第二包覆層21，可含銦(In)的通式Inx6Ga1-x6N為代表的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成，為了更有效地發(fā)揮上述作用，x6，最好是設(shè)定在0.0025≤x6≤0.1的范圍內(nèi)，膜厚，最好是設(shè)定在1000埃～5000埃的范圍內(nèi)。
另外，p側(cè)第二包覆層22，在活性層106c的上方形成p型包覆層107時，發(fā)揮緩和因活性層106c與107的晶格常數(shù)的差，而在活性層的井層上發(fā)生不必要的畸變的作用。根據(jù)該作用，就可特別地防止發(fā)光元件的發(fā)光輸出的降低，而該發(fā)光元件具有包含有必要含比較多銦(In)的高混晶井層的活性層。該效果，在成長有必要反復(fù)形成銦(In)的比率較高的高混晶井層12的多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層106c時特別顯著。
在此，p側(cè)第二包覆層21，可以含銦(In)的通式Inx7Ga1-x7N為代表的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成，為了更有效地發(fā)揮上述作用，x7，最好是設(shè)定在0.005≤x7≤0.1的范圍內(nèi)，膜厚，最好是設(shè)定在100?！?000埃的范圍內(nèi)。
圖23是表示本發(fā)明的實施方式5的發(fā)光二極管的發(fā)光輸出Po(mW)對波長λd(nm)的曲線圖，與以往的發(fā)光二極管做比較表示。
從圖23的曲線中可明白，若依據(jù)本實施方式5的構(gòu)成，則在535nm以上的波長區(qū)域中，可防止發(fā)光輸出的降低。
在此，本發(fā)明發(fā)光二極管及以往的發(fā)光二極管，分別使用如下所構(gòu)成的元件來評估。
本發(fā)明的發(fā)光二極管的層構(gòu)成，由如下的(1)～(9)所構(gòu)成。
(1)緩沖層102；非摻雜AlxGa1-xN，100埃，(2)非摻雜GaN層103；GaN，1.5μm；(3)n型接觸層104；摻有Si的GaN，4.165μm，(4)n型包覆層105；非摻雜GaN(3000埃)/摻有Si的GaN(300埃)/非摻雜GaN(50埃)的三層構(gòu)造，(5)n側(cè)第二包覆層21；In0.005Ga0.995N，3500埃，(6)活性層106c；(由GaN所構(gòu)成的第二阻擋層70埃/由InGaN所構(gòu)成的井層30埃/由AlGaN所構(gòu)成的第一阻擋層40埃)×4周期+由GaN所構(gòu)成的最上部層70埃，(7)p側(cè)第二包覆層22；摻有鎂(Mg)的In0.014Ga0.986N，200埃，(8)p型包覆層107；非摻雜Al0.042Ga0.958N，2500埃，及(9)p型接觸層108；摻有鎂(Mg)的GaN，1200埃。
以往例的發(fā)光二極管的層構(gòu)成，由如下(1)～(9)所構(gòu)成。
(1)緩沖層；非摻雜AlxGal-xN，100埃，(2)非摻雜GaN層；GaN，1.5μm；(3)n型接觸層；摻有Si的GaN，4.165μm，(4)n型包覆層；非摻雜GaN(3000埃)/摻有Si的GaN(300埃)/非摻雜GaN(50埃)的三層構(gòu)造，(5)緩沖超晶格層；(GaN40埃/In0.13Ga0.87N20埃)×10+GaN40埃，(6)活性層106c；(由GaN所構(gòu)成的阻擋層200埃/由InGaN所構(gòu)成的井層30埃)×4周期+由GaN所構(gòu)成的阻擋層200埃，(7)p側(cè)包覆層；摻有鎂(Mg)的Al0.16Ga0.84N40埃/摻有鎂(Mg)的In0.03Ga0.97N25埃)×5+摻有鎂(Mg)的Al0.16Ga0.84N40埃，(8)非摻雜AlGaN；非摻雜Al0.05Ga0.95N，2800埃，及(9)p型接觸層；摻有鎂(Mg)的GaN，1200埃。
在以上的實施方式5的發(fā)光二極管中，在n側(cè)第二包覆層21的上方，雖以最初形成第二阻擋層的方式形成活性層106c，但是本發(fā)明也可如圖22所示，在n側(cè)第二包覆層21的上方，以最初形成第一阻擋層的方式使用活性層106d的構(gòu)成。
即使進行以上的實施方式也可獲得與實施方式5同樣的作用效果。
實施例以下，就本發(fā)明的實施例加以說明。
慎重而言，本發(fā)明并非限定于以下的實施例。
(實施例1)在制作實施例1的元件時，使用主表面為C面的藍寶石基板以作為基板101，各層可利用有機金屬氣相沉積方法(MOCVD法)進行沉積作業(yè)，作為第III族氣體源，可以三甲基鎂(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基銦(TMI)及三甲基鋁(TMA)分別作為鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)的原料，作為第V族氣體源，可采用氨(NH3)以作為氮的原料。N型摻雜劑源可采用單硅烷(SiH4)，p型摻雜劑源可采用Cp2Mg，載送氣體與副流氣體可采用H2與N2。
首先，在MOCVD裝置內(nèi)設(shè)置由藍寶石所構(gòu)成的異種基板101，將基板101置于H2中并加熱基板溫度至約1140℃，以進行基板101的表面處理。
在基板表面處理后，將基板101的溫度降至約510℃，使用TMG、NH3作為反應(yīng)氣體，以將GaN所構(gòu)成的緩沖層102在基板101上形成約200埃的膜厚。
在形成緩沖層102的后，將基板溫度上升至約1150℃，并使用TMG、NH3作為反應(yīng)氣體，以將非摻雜GaN層103在緩沖層102上形成約1.5μm的膜厚。
而且，在形成非摻雜GaN層103的后，使用TMG、NH3作為反應(yīng)氣體，使用SiH4作為摻雜劑的硅(Si)源，以形成膜厚約2μm的n型接觸層104，n型接觸層104由摻有5×1018/cm3的硅(Si)的GaN所構(gòu)成。
其次，在n型接觸層104上形成n型包覆層105。n型包覆層105，由n型包覆第一層、第二層及第三層所構(gòu)成。使用反應(yīng)氣體TMG、NH3形成非摻雜GaN層以作為n型包覆第一層及第三層。有關(guān)n型包覆第二層進一步使用SiH4作為摻雜劑的硅(Si)源，而形成摻有5×1018/cm3的硅(Si)的GaN。N型包覆第一層、第二層及第三層的膜厚，分別設(shè)為3000埃、300埃、50埃。
其次，將基板溫度降至1000℃，并重新供給TEG40cc/min、NH3約3little/min以取代TMG。由此，由膜厚約50埃的包含非摻雜GaN的第二阻擋層11將形成于n型接觸層104上。此外，以第二阻擋層11作為Inx3Ga1-x3N的三元混晶而形成時，另適當供給TMA。
其次，將基板溫度降低至750℃以下，供給TEG4.5cc/min，NH3約31/min，及TMI40cc/min。由此，將由膜厚約35埃的In0.75Ga0.25N所構(gòu)成的井層12可形成于第二阻擋層11上。
然后，將基板溫度上升至800℃，以使第一阻擋層13成長。供給TEG18cc/min，NH3約3little/min，進而供給TMA4.5cc/min。由此，使膜厚約30埃的Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第一阻擋層13成長于井層12上。
在重復(fù)4次進行上述的第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13的成長工序后，最后使用基板溫度上升至1000℃，并供給TEG40cc/min，NH3約3little/min。由此，使膜厚約50埃的非摻雜GaN所構(gòu)成的最上部層14成長于最上方的第一阻擋層13上。如此以形成多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)的活性層106。
其次，在形成最上部層14的后，以相同溫度，使用TEG、NH3、TMA作為反應(yīng)氣體，使用Cp2Mg作為摻雜劑源，以使膜厚約200埃的由摻有鎂(Mg)的Al0.1Ga0.9N所構(gòu)成的p型包覆層107形成于活性層106上。
其次，將溫度降至950℃，使用TMG、NH3作為反應(yīng)氣體，以使膜厚約1300埃的非摻雜GaN所構(gòu)成的p型接觸第一層形成于包覆層上。
而且，加上p型摻雜劑源的Cp2Mg之外，以將膜厚約200埃的由摻有鎂(Mg)的GaN所構(gòu)成的p型接觸第二層形成于上p型接觸第一層。
然后，在反應(yīng)裝置內(nèi)置換N2并以約600℃的溫度進行5分鐘的熱退火。利用該熱退火以使p型包覆層107、p型接觸層108變換成載體濃度高的p型層。
其次為了要形成n電極111，而在n型接觸層104露出為止進行蝕刻作業(yè)，且在被蝕刻的單晶片上的預(yù)定位置上分別形成n電極111與p電極112。
具有如此所得的由In0.75Ga0.25N所構(gòu)成的活性層106，且發(fā)光色為黃色的發(fā)光二極管，在順向電流(If)＝20mA的下，可獲得發(fā)光波峰值波長λd＝590nm、半振幅＝45nm、發(fā)光輸出＝1.8mW、驅(qū)動電壓＝3.2V的測定結(jié)果。
(實施例2)實施例2的發(fā)光二極管，除了將活性層形成以下所示外其余與實施例1相同。
即，在實施例2中，在形成n型包覆層105的后，將基板溫度降至1000℃，并重新供給TEG40cc/min，NH3約3little/min以取代TMG。由此，使膜厚約50埃的非摻雜GaN所構(gòu)成的第二阻擋層11成長于n型接觸層104上。
其次，將基板溫度降至750℃，并供給TEG4.5cc/min、NH3約3little/min，進而供給TMI40cc/min。。由此，將由膜厚約35埃的In0.75Ga0.25N所構(gòu)成的井層12形成于第二阻擋層11上。
然后，將基板溫度上升至800℃，以使第一阻擋層13成長。供給TEG18cc/min，NH3約3little/min，進而供給TMA4.5cc/min。由此，使膜厚約30埃的Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第一阻擋層13成長于井層12上。
的后，將基板溫度上升至1000℃，并供給TEG40cc/min，NH3約3little/min。由此，將由膜厚約50埃的非摻雜GaN所構(gòu)成的最上部層14成長于第一阻擋層13上。如此可形成單一井結(jié)構(gòu)的活性層106。
在形成最上部層14的后，與實施例1同樣，依次形成p型包覆層107以后的層。
如以上所制作的實施例2的發(fā)光二極管，可獲得與實施例1同樣的結(jié)果。
(關(guān)于第一阻擋層詳細說明)其次，就具有多重量子井結(jié)構(gòu)實施例1的發(fā)光二極管中，依次使以第一阻擋層作為Aly2Ga1-y2N時的鋁(Al)的混晶比的情況加以說明。圖9是表示驅(qū)動電壓Vf對當時的混晶比y2的關(guān)系圖。另外，在此所謂的驅(qū)動電壓，指以順向電流If＝20mA驅(qū)動發(fā)光二極管所需要的驅(qū)動電壓的意。從圖中即可明白，以電流值20mA驅(qū)動發(fā)光元件所需要的電壓，在y2＜0.15時雖然處于減少傾向，但是y2≥0.15時則大致變成固定值。從此情形可知因第一阻擋層的鋁混晶比增加而使驅(qū)動電壓降低的效果，在y2≥0.15時處于飽和傾向。
其次，圖10表示將具有多重量子井結(jié)構(gòu)的上述實施例1的發(fā)光二極管中的第一阻擋層做為Aly2Ga1-y2N時的鋁(Al)的發(fā)光輸出對混晶比y2的關(guān)系圖。如從圖中可知，從y2≥0.1的區(qū)域開始，發(fā)光輸出會大幅提高。
一般而言，AlGaAs及InGaAsP的雙異質(zhì)構(gòu)造的激光二極管中的載體鎖住所需要的禁帶寬度能量差ΔEg(＝Eg1-Eg2)，設(shè)為Δeg≥0.3eV(光通信元件工學(xué)-受光發(fā)光元件-，第72頁第8行至第14行(米津宏雄氏著，工學(xué)圖書股份有限公司出版))。
另外，在日本專利特開平6-164055號公報中，有記載也與具有由InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)所構(gòu)成的井層與阻擋層的半導(dǎo)體激光同樣，兩者的禁帶寬度能量差ΔEg最好是0.3eV以上。
相對于此，當以下面式子近似概算將本實施例的發(fā)光二極管的禁帶寬度能量差ΔEg設(shè)為InxAlyGa1-x-yN時的禁帶寬度能量Eg時，Eg＝3.4-1.45x+2.8y (eV)作為由GaN所構(gòu)成的第二阻擋層11與In0.75Ga0.25N所構(gòu)成的井層12時的ΔEg就約為1.1eV，至于進一步作為由In0.75Ga0.25N所構(gòu)成的井層12與由Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第一阻擋層13時的ΔEg就約為1.6eV。
激光二極管的載體鎖住由于有必要以密度高于發(fā)光二極管的高密度來進行，所以當考慮激光二極管所需要的ΔEg大于發(fā)光二極管所需要的ΔEg時，可知本發(fā)明的發(fā)光二極管的第二阻擋層11及第一阻擋層13，相對于井層12，具有比一般使用的阻擋層還極大的禁帶寬度能量差。
第一阻擋層13與井層12之間的ΔEg，在第一阻擋層13的鋁混晶比y2及井層12的銦混晶比x1的值很小時的組合中雖變成最小，但是作為在提高發(fā)光輸出方面可見到很大效果的下限值y2＝0.1、與用以取得作為黃色較好的發(fā)光波長的銦混晶比x1的下限值x1＝0.6的x1、y2，即使在各自的下限值的組合中ΔEg約為1.2eV可知依然為極大。而且，在作為降低臨界電壓方面可見到效果的下限值y2＝0.15、與用以取得作為黃色較好的發(fā)光波長的銦混晶比x1的下限值x1＝0.6的x1、y2，即使在各自的下限值的組合中ΔEg約為1.3eV成為更大值。
通過在銦混晶比x1較大的井層12的上方形成鋁混晶比y2較大的第一阻擋層13，發(fā)光二極管的發(fā)光輸出可大幅提高的理由，可看做因井層與阻擋層的極大的禁帶寬度能量所致。因此，我們以除去各種其他要因而評估為目的，在逐層以第二阻擋層11、井層12及第一阻擋層13形成活性層106的階段的沒有p型半導(dǎo)體層的中間元件狀態(tài)下進行PL評估。如圖11所示，即使在PL發(fā)光輸出對第一阻擋層的鋁混晶比y2的關(guān)系中，可看到y(tǒng)2的值從0.12附近開始提高。從此情形可看做所謂提高具有發(fā)出本發(fā)明的黃色區(qū)域波長光的氮化物半導(dǎo)體層的發(fā)光二極管的發(fā)光輸出的效果，主要通過在井層上形成將鋁混晶比y2設(shè)定得很高的第一阻擋層來達成。換言的，也可以說因活性層中的井層與阻擋層的極大禁帶寬度能量差所帶來的效果。
而且，在前面的日本專利特開平6-164055號公報中，有記載最好是具有由InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)所構(gòu)成的井層與阻擋層的半導(dǎo)體激光的井層與阻擋層的晶格常數(shù)差為1％以下。相對于此，井層In0.6Ga0.4N與第一阻擋層Al0.1Ga0.9N的各自的晶格常數(shù)為3.402埃、3.181埃，第一阻擋層的晶格常數(shù)對井層的晶格常數(shù)的差的比率約為6.5％，在日本專利特開平6-164055號公報中與較好的的晶格常數(shù)差1％相比成為極大的值。又，井層In0.6Ga0.4N與第一阻擋層Al0.2Ga0.8N的各自的晶格常數(shù)為3.402埃、3.174埃，其晶格常數(shù)差的比率約為6.7％，成為更大的值。然而，本發(fā)明人等，發(fā)現(xiàn)通過設(shè)置本發(fā)明的第二阻擋層，更可提高形成于該第二阻擋層上的井層的結(jié)晶性，且在該井層上可結(jié)晶性好地形成晶格常數(shù)差較大的第一阻擋層。而且，通過在該第一阻擋層上再次形成第二阻擋層，可無損結(jié)晶性而形成多重量子井結(jié)構(gòu)。又，另一方面看本發(fā)明時，也可獲得因井層與第一阻擋層的較大的晶格常數(shù)差所造成的晶格畸變的效果。
其次，圖12表示具有發(fā)出本發(fā)明的黃色區(qū)域光的氮化物半導(dǎo)體層的光二極管與由以往的AlGaInP所構(gòu)成的發(fā)光二極管的溫度特性比較。具有圖12中的氮化物半導(dǎo)體層的發(fā)光二極管，具有由本實施例所示的非摻雜GaN所構(gòu)成的第二阻擋層11、由Inx0.75Ga0.25N所構(gòu)成的井層、與Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第一阻擋層13以構(gòu)成多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層106的發(fā)光二極管的例子。圖12的溫度特性，表示設(shè)為驅(qū)動電流If＝20mA時的發(fā)光輸出。從圖中可知，與由AlGaInP所構(gòu)成的發(fā)光二極管相比，由本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的發(fā)光二極管，在高溫下的發(fā)光輸出降低較小。
當在室外采用由發(fā)光二極管所構(gòu)成的信號機等的表示器時，在太陽光線很強的狀況下，發(fā)光二極管在目視性上有必要確保較大的發(fā)光輸出。一般而言，在太陽光線強的夏季時期或熱帶地區(qū)中由于表示器內(nèi)的溫度會變得非常高，所以最好是室外所用的表示器由即使在暴露于高溫的情況發(fā)光輸出的降低很小的發(fā)光元件所構(gòu)成。在使用于室外下表示器內(nèi)的溫度達75℃的情況并不稀奇，在由AlGaInP所構(gòu)成的發(fā)光二極管方面雖然75℃下的發(fā)光輸出會降至室溫下的25℃的約50％，但是在由本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的發(fā)光二極管方面，75℃下的發(fā)光輸出會維持25℃下的發(fā)光輸出的80％以上，而可抑制發(fā)光輸出的降低。
從此情況中可知，由本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的發(fā)光元件，與由發(fā)出相同黃色區(qū)域光的AlGaInP所構(gòu)成的發(fā)光二極管相比，可說具有較優(yōu)越的溫度特性。
(實施例3)圖13表示本發(fā)明的一實施例的氮化物半導(dǎo)體LED元件構(gòu)造的模型截面圖。以下，以該圖為基礎(chǔ)而就實施例3加以說明。另外本發(fā)明的發(fā)光元件并非限定于圖13的構(gòu)造(緩沖層202)將2寸φ、且在以C面為主面的藍寶石上利用公知方法所得的GaN基板101(也稱藍寶石基板)設(shè)在MOVPE的反應(yīng)容器內(nèi)，并使用TMG與氨，在GaN基板101上成長膜厚約200埃的由GaN所構(gòu)成的緩沖層102。
(非摻雜GaN層103)在成長緩沖層102的后，只停止TMG的供給，并將溫度上升至1050℃。若達1050℃時，同樣使用TMG、氨氣的原料氣體，以成長膜厚1μm的非摻雜GaN層103。
(n型接觸層104)持續(xù)以1050℃，同樣使用TMG、氨氣作為原料氣體，硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，以成長膜厚4μm的由摻有3×1019/cm3的GaN所構(gòu)成的n型接觸層104。
(n型包覆層105)其次只停止硅烷氣體的供給，并以1050℃，使用TMG、氨氣體，成長膜厚3000埃的由非摻雜GaN所構(gòu)成的第一層，接著以相同溫度追加硅烷氣體以成長膜厚300埃的由摻有4.5×1018/cm3的GaN所構(gòu)成的第二層，進而接著只停止硅烷氣體，并以相同溫度成長膜厚50埃的由非摻雜GaN所構(gòu)成的第三層，以成長由三層所組成的總膜厚3350埃的n型包覆層105。
(n型多層膜層105a)其次，以相同的溫度，成長膜厚40埃的由非摻雜GaN所構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層，其次將溫度設(shè)在800℃，并使用TMG、TMI、氨，以成長膜厚20埃的由非摻雜In0.13Ga0.87N所構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層。然后重復(fù)這些的操作，并以第二+第一的順序交互以10層逐次疊層，最后成長膜厚40埃的由GaN所構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層，進而成長膜厚640埃的由超晶膜結(jié)結(jié)的多層膜所構(gòu)成的n型多層膜層105a。
(活性層106f)使用TMG、TMI、氨、硅烷氣體，以1050℃成長膜厚200埃的由摻有5×1017/cm3的In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的第二阻擋層11，接著將溫度設(shè)為820℃，并使用TMG、TMI、氨，以成長膜厚30埃的由In0.3Ga0.7N所構(gòu)成的井層12。進而使用、TMG、TMA、氨，以成長膜厚10埃的由Al0.3Ga0.7N所構(gòu)成的第一阻擋層13。進而重復(fù)疊層4次該第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13的三層構(gòu)造，最后形成第二阻擋層11，以成長由總膜厚1400埃的多重量子井(MQW)所構(gòu)成的活性層106f。
(p型包覆層107)其次，以溫度1050℃并使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg，以成長膜厚40埃的由摻有鎂(Mg)的5×1019/cm3的p型Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層，接著將溫度設(shè)在800℃，并使用TMG、TMI、氨、Cp2Mg，以成長膜厚25埃的由摻有鎂(Mg)的5×1019/cm3的In0.02Ga0.98N所構(gòu)成的第四氮化物半導(dǎo)體層。然后重復(fù)這些的操作，并以第三十第四的順序交互以5層逐次疊層，最后成長膜厚40埃的第三氮化物半導(dǎo)體層，進而成長膜厚365埃的由超晶膜結(jié)結(jié)的多層膜所構(gòu)成的p型包覆層107。
(p型接觸層108)然后，以溫度1050℃，并使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg，以成長膜厚700埃的由摻有鎂(Mg)的1×1020/cm3的p型GaN所構(gòu)成的p型接觸層108。
反應(yīng)結(jié)束后，將溫度降至室溫，進而在氮氣氛中，將單晶片置入反應(yīng)容器內(nèi)，并以700℃進行退火，以使p型層進一步低電阻化。而且，在退火后，從反應(yīng)容器取出單晶片，并在最上層的p型接觸層108的表面形成預(yù)定形狀的罩幕，再利用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)裝置從p型接觸層側(cè)開始進行蝕刻，以使n型接觸層104的表面如圖13般地露出。
蝕刻后，在位于最上層的108的大致全面上形成含有膜厚200埃的鎳(Ni)與金(Au)的透光性的p側(cè)電極210，以及在依蝕刻而露出的n型接觸層104的表面形成含有鎢(W)與鋁(Al)的n電極211以形成LED元件。
該LED元件在順向電壓20mA中，表示470nm的藍色發(fā)光，且驅(qū)動電壓為3.0V。又，圖15為升溫至阻擋層的成長溫度時的第一阻擋層13的表面形態(tài)。
(比較例1)為了與實施例3做比較而將活性層處理如下以制作LED元件。
(活性層)使用TMG、TMI、氨、硅烷氣體，以1050℃成長膜厚2000埃的由摻有硅(Si)的5×1017/cm3的In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的阻擋層，接著將溫度設(shè)在820℃，并使用TMG、TMI、氨，以成長膜厚30埃的由In0.3Ga0.7N所構(gòu)成的井層。進而反復(fù)4次疊層該阻擋層、井層，最后形成阻擋層，以成長由總膜厚1350埃的多重量子井(MQW)所構(gòu)成的活性層。
除了以上所述之外，其余與實施例3同樣制作時發(fā)光波峰會變寬，而驅(qū)動電壓為3.8V。
(比較例2)為了與實施例3比較而將活性層做如下處理以制作LED元件。
(活性層)使用TMG、TMI、氨、硅烷氣體，以1050℃成長膜厚200埃的由摻有硅(Si)的5×1017/cm3的In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的阻擋層，接著將溫度設(shè)在820℃，并使用TMG、TMI、氨，以成長膜厚30埃的由In0.3Ga0.7N所構(gòu)成的井層。進而成長膜厚10埃的由禁帶寬度能量位于阻擋層與井層之間的非摻雜的In0.15Ga0.85N所構(gòu)成的第一阻擋層13。進而反復(fù)4次疊層該阻擋層、井層、第一阻擋層13的三層構(gòu)造，最后形成阻擋層，以成長由總膜厚1400埃的多重量子井(MQW)所構(gòu)成的活性層。如以上所述，除了將第一阻擋層13的帶能形成比阻擋層小，而形成比井層大之外當其余與實施例3同樣制作時，驅(qū)動電壓不會降低而為4.0V。
(實施例4)在實施例3中，除了將活性層106f的第一阻擋層13設(shè)為Al0.45Ga0.55N以外其余以同樣方式制作LED元件。
該LED元件在順向電壓20mA中，是表示470nm的藍色發(fā)光，且驅(qū)動電壓為3.0V。又，圖16為升溫至阻擋層的成長溫度時的第一阻擋層13的表面形態(tài)。
(實施例5)在實施例3中，除了將活性層106f的第一阻擋層13設(shè)為Al0.60Ga0.40N以外其余以同樣方式制作LED元件。
該LED元件在順向電壓20mA中，表示470nm的藍色發(fā)光，且驅(qū)動電壓為2.8V。又，圖17為升溫至阻擋層的成長溫度時的第一阻擋層13的表面形態(tài)。
(實施例6)在實施例3中，除了將活性層106f的第一阻擋層13設(shè)為Al0.15Ga0.85N以外其余以同樣方式制作LED元件。
該LED元件在順向電壓20mA中，表示470nm的藍色發(fā)光，且驅(qū)動電壓為3.6V。又，圖14為升溫至阻擋層的成長溫度時的第一阻擋層13的表面形態(tài)。
(實施例7)在實施例3中，將活性層106f形成如下。
(活性層207)使用TMG、TMI、氨、硅烷氣體，以1050℃成長膜厚200埃的由摻有硅(Si)的5×1017/cm3的In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的第二阻擋層11，接著將溫度設(shè)在820℃，并使用TMG、TMI、氨，以成長膜厚30埃的由In0.8Ga0.2N所構(gòu)成的井層12。進而使用TMG、TMA、氨，以成長膜厚10埃的由非摻雜的In0.3Ga0.7N所構(gòu)成的第一阻擋層13。進而反復(fù)4次疊層該第二阻擋層11、井層12、第一阻擋層13的三層構(gòu)造，最后形成第二阻擋層11，以成長由總膜厚1400埃的多重量子井(MQW)所構(gòu)成的活性層207。
如以上所述，除了將井層12的銦混晶比設(shè)為0.8之外，其余與實施例3同樣地制作LED元件時，在順向電壓20mA中，表示570nm的黃色發(fā)光，比較驅(qū)動電壓為2.9V、與同條件下未形成第一阻擋層13時的驅(qū)動電壓為3.7V可看到有較大的降低。
如以上說明，通過使用本發(fā)明，即可提高氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，尤其是發(fā)出波長比黃色區(qū)域波長還長(550nm以上)的光的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光輸出。進而，可提高形成于發(fā)出黃色區(qū)域波長光的氮化物半導(dǎo)體層的上的半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。
特別是上述效果，在第一阻擋層的鋁(Al)的混晶比y2為y2≥0.1時更顯著出現(xiàn)。而且，通過設(shè)為y2≥0.15，更好是y2≥0.2，則在發(fā)光元件的臨界電壓的降低方面也可見到效果。
可在各種的領(lǐng)域中當作發(fā)光元件來利用。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，是在n型半導(dǎo)體層與p型半導(dǎo)體層之間形成有活性層，其特征在于所述活性層，包含由含有銦(In)的Inx1Ga1-x1N(x1＞0)而構(gòu)成的井層、由含有形成于所述井層上的鋁(Al)的Aly2Ga1-y2N(y2＞0)而構(gòu)成的第一阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中所述的井層的銦(In)混晶比x1為0.6以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中所述的井層的銦(In)混晶比x1，設(shè)定成在該井層中發(fā)出530nm以上的波長的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項中所述的發(fā)光元件，其中所述第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2為0.1以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項中所述的發(fā)光元件，其中所述第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2為0.15以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項中所述的發(fā)光元件，其中所述第一阻擋層的鋁(Al)混晶比y2為0.2以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任一項中所述的發(fā)光元件，其中所述活性層，包括含有Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3≤0.3，0≤y3≤0.1，x3+y3≤0.3)而構(gòu)成的第二阻擋層，所述井層形成于所述第二阻擋層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的發(fā)光元件，其中所述第二阻擋層由Inx3Ga1-x3N(0≤x3≤0.3)而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中所述的發(fā)光元件，其中所述活性層，以所述第二阻擋層、所述井層、所述第一阻擋層重復(fù)形成復(fù)數(shù)層的多重量子井結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9的任意一項中所述的發(fā)光元件，其中所述n型半導(dǎo)體層具有用以將載體鎖住于所述活性層內(nèi)的n型包覆層，且所述p型半導(dǎo)體層具有用以將載體鎖住于所述活性層內(nèi)的p型包覆層，在所述活性層與所述n型包覆層之間，具有由含有銦(In)的氮化物半導(dǎo)體而構(gòu)成的n側(cè)第二包覆層，在所述活性層與所述p型包覆層之間，具有由含有銦(In)的氮化物半導(dǎo)體而構(gòu)成的p側(cè)第二包覆層。
全文摘要
本發(fā)明的發(fā)光元件，具有由含有銦(In)的氮化物半導(dǎo)體的活性層的發(fā)光元件，尤其是為了要提高發(fā)出長波長(550nm以上)的光的發(fā)光元件的發(fā)光輸出，其在n型半導(dǎo)體層與p型半導(dǎo)體層之間形成有活性層，該活性層由有由含有銦(In)的In
文檔編號H01S5/343GK1409875SQ00817076
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月13日
發(fā)明者森田大介, 山田元量 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會社