專利名稱：基于氮化鎵的化合物半導體多層結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵化合物半導體多層結構，用于制造發(fā)射紫外至藍光或綠光的高功率發(fā)光器件，還涉及制造該半導體多層結構的方法。
背景技術：
近年來，作為用于制造發(fā)射短波長光的發(fā)光器件的材料，氮化鎵化合物半導體已經(jīng)引起了興趣。通常，通過例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氫化物氣相外延(HVPE)的方法，在由氧化物晶體例如藍寶石單晶、碳化硅單晶或III-V族化合物單晶制成的襯底上生長氮化鎵化合物半導體。
目前，工業(yè)中最廣泛采用的晶體生長方法包括，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在襯底例如藍寶石、SiC、GaN或AlN上生長半導體晶體。具體地說，在約700℃至約1,200℃下，通過采用III族有機金屬化合物和V族源氣體，在置于反應器管中的上述襯底上生長n型層、發(fā)光層和p型層。
在生長上述層后，在襯底或n型層上形成負電極，并且在p型層上形成正電極，從而制得發(fā)光器件。
常規(guī)地，這樣的發(fā)光層由InGaN形成，其組分受到控制以調(diào)制發(fā)光波長。有源層被夾在器帶隙高于InGaN的帶隙的層之間，從而形成雙異質(zhì)結構，或被包括在基于量子阱效應的多量子阱結構中。
在具有多量子阱結構的發(fā)光層的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件中，當阱層的厚度調(diào)節(jié)為2至3nm時，獲得令人滿意的輸出，但是需要高得成問題的工作電壓。相比而言，當阱層的厚度小于等于2nm時，工作電壓降低，但輸出很差。
還提出一種量子點結構，其中如下所述形成點圖形形式的發(fā)光層。
例如，日本專利申請公開號10-79501和11-354839公開了具有量子點結構的發(fā)光層的發(fā)光器件。通過抗表面活性劑效應形成量子點結構。然而，上述量子點結構存在問題。也就是說，因為相對于電流流動的面積，點(發(fā)光點)的總面積過小，即使各發(fā)光點的發(fā)射效率提高，相對于輸入電流，總的發(fā)射輸出降低。這些專利文件沒有規(guī)定被點覆蓋的面積。然而，由對在說明書中描述的點尺寸和優(yōu)選點密度的計算，未被點覆蓋的面積明顯大于被點覆蓋的面積。
另外，提出了一種量子箱結構，包括其面積大于發(fā)光點的面積的發(fā)光箱。
例如，日本專利申請公開號2001-68733公開了一種包含In的量子箱結構，其通過在氫氣中對形成的量子阱結構進行退火以使阱層升華而形成。優(yōu)選各發(fā)光箱的尺寸如下0.5nm≤高度≤50nm以及0.5nm≤寬度≤200nm，發(fā)光箱(高度6nm，寬度40nm)在制造實例中制得。雖然沒有規(guī)定發(fā)光箱密度，未被發(fā)光箱覆蓋的面積大于或等于被發(fā)光箱覆蓋的面積，如附圖所示。
簡而言之，基于上述技術的各結構在其上未提供量子點或量子箱的區(qū)域中不包括量子點或量子箱。另外，被量子箱或量子點覆蓋的面積非常小，相比而言，未被量子箱或量子點覆蓋的面積很大。
在其中被發(fā)光箱或發(fā)光點覆蓋的面積非常小并且在未被量子箱或量子點覆蓋的區(qū)域中未提供發(fā)光元的這樣的結構中，可以降低工作電壓，但是發(fā)射輸出成問題地降低。因此，實際上不能采用這樣的結構。
日本專利申請公開號2001-68733還公開了，通過形成常規(guī)量子阱結構并在氫氣中對該結構進行退火，從而使設置于通孔位錯上的InGaN晶體分解，制造量子箱結構。然而，在氫氣中對量子阱結構進行退火導致In從作為量子箱結構的部分釋放，從而使發(fā)射波長藍移，這不是優(yōu)選的。
并且，在美國專利申請公開號US2003/0160229A1中，公開了一種多量子阱結構，其中阱層具有周期性變化的厚度。然而，關于發(fā)光器件的具體結構，僅僅公布了這樣的結構，其中具有未摻雜的多量子阱結構的發(fā)光層被夾在Si摻雜的n型層和Mg摻雜的p型層之間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化鎵化合物半導體多層結構，用于制造在低電壓下工作同時維持令人滿意的發(fā)光輸出的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種形成防止發(fā)射光藍移的發(fā)光層的方法。
本發(fā)明提供以下方面。
(1)一種氮化鎵化合物半導體多層結構，包括襯底以及形成在所述襯底上的n型層、發(fā)光層和p型層，所述發(fā)光層具有其中阱層和勢壘層重復地交替層疊的多量子阱結構，所述發(fā)光層被夾在所述n型層和所述p型層之間，其中所述阱層包括厚部分和薄部分，以及所述勢壘層包含摻雜劑。
(2)根據(jù)上述(1)的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述阱層包含In。
(3)根據(jù)上述(2)的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述阱層的上表面被不包含In的薄層覆蓋。
(4)根據(jù)上述(1)至(3)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述摻雜劑是選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種。
(5)根據(jù)上述(1)至(4)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所包含的所述摻雜劑的濃度為1×1017cm-3至1×1019cm-3。
(6)根據(jù)上述(1)至(5)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有1.5nm至5nm的厚度。
(7)根據(jù)上述(1)至(6)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有在所述多層結構的截面中測得的大于等于10nm的算術平均寬度。
(8)根據(jù)上述(1)至(7)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述薄部分具有小于1.5nm的厚度。
(9)根據(jù)上述(1)至(8)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述薄部分具有在所述多層結構的截面中測得的小于等于100nm的算術平均寬度。
(10)根據(jù)上述(1)至(9)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分與所述薄部分之間的厚度差在1nm至3nm的范圍內(nèi)。
(11)根據(jù)上述(1)至(10)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有在所述多層結構的截面中測得的占所述阱層整體寬度的大于等于30％的總寬度。
(12)根據(jù)上述(1)至(11)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述多量子阱結構重復地層疊3至10次。
(13)根據(jù)上述(1)至(12)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層由選自GaN、AlGaN和InGaN的氮化鎵化合物半導體形成，所述InGaN的In含量低于形成所述阱層的InGaN的In含量。
(14)根據(jù)上述(13)的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層由GaN形成。
(15)根據(jù)上述(1)至(14)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層具有7nm至50nm的厚度。
(16)根據(jù)上述(15)的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層具有大于等于14nm的厚度。
(17)一種氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中所述器件具有負電極和正電極，所述負電極和所述正電極分別設置在根據(jù)上述(1)至(16)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構的所述n型層和所述p型層上。
(18)根據(jù)上述(17)的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其具有倒裝芯片型器件結構。
(19)根據(jù)上述(18)的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中所述正電極具有反射型結構。
(20)根據(jù)上述(17)至(19)中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中電流為20mA時，工作電壓在2.9V至3.2V的范圍內(nèi)。
(21)根據(jù)上述(17)至(19)中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中跳變電壓在2.5V至3.2V的范圍內(nèi)。
(22)一種燈，包括根據(jù)上述(17)至(21)中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件。
(23)一種燈，包括熒光材料和根據(jù)上述(17)至(21)中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件。
(24)一種制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，所述多層結構包括襯底以及形成在所述襯底上的n型層、發(fā)光層和p型層，所述發(fā)光層具有其中阱層和勢壘層重復地交替層疊的多量子阱結構，所述發(fā)光層被夾在所述n型層和所述p型層之間，其中所述方法包括通過利用摻雜劑摻雜所述勢壘層，在所述阱層中形成厚部分和薄部分。
(25)根據(jù)上述(24)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所包含的所述摻雜劑的濃度為1×1017cm-3至1×1019cm-3。
(26)一種制造根據(jù)上述(1)至(16)中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所述方法包括形成所述阱層的步驟，所述步驟包括生長氮化鎵化合物半導體的步驟以及使部分所述氮化鎵化合物半導體分解或升華的步驟。
(27)根據(jù)上述(26)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在襯底溫度T1下進行所述生長步驟，以及在襯底溫度T2下進行所述分解或升華步驟，其中T1和T2滿足關系式T1≤T2。
(28)根據(jù)上述(27)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T1在650至900℃的范圍內(nèi)。
(29)根據(jù)上述(28)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T2在700至1,000℃的范圍內(nèi)。
(30)根據(jù)上述(27)至(29)中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中當將所述襯底溫度T1升高到T2時，進行所述分解或升華步驟。
(31)根據(jù)上述(30)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中以1℃/min至100℃/min的升溫速率將所述襯底溫度T1升高到T2。
(32)根據(jù)上述(31)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所述升溫速率為5℃/min至50℃/min。
(33)根據(jù)上述(30)至(32)中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在30秒至10分鐘內(nèi)將所述襯底溫度T1升高到T2。
(34)根據(jù)上述(33)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在一分鐘至五分鐘內(nèi)將所述襯底溫度T1升高到T2。
(35)根據(jù)上述(27)至(34)中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在T2下生長所述勢壘層。
(36)根據(jù)上述(35)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在T2下生長所述勢壘層，隨后將所述襯底溫度降低至T3，在T3下進行進一步的生長。
(37)根據(jù)上述(36)的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T3等于T1。
(38)根據(jù)上述(26)至(37)中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在包含氮源和III族金屬源的氣體中進行所述生長步驟，以及在包含氮源但不包含III族金屬源的氣氛中進行所述分解或升華步驟。
根據(jù)本發(fā)明的主旨，包括在用于形成所述發(fā)光層的所述多量子阱結構中的所述勢壘層包含摻雜劑，以及所述阱層由厚部分和薄部分形成。從而，可以制造出氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其維持令人滿意的輸出并且呈現(xiàn)降低的工作電壓。
通過利用摻雜劑摻雜所述勢壘層，在所述阱層中形成所述厚部分和所述薄部分，可以防止從所述阱層發(fā)射的光的藍移。


圖1是在實例1中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的示例性的截面TEM照片；圖2是在實例1中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的另一示例性的截面TEM照片；圖3是在實例1～3中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的截面的示意圖；圖4是在實例1～3中制得的發(fā)光二極管的電極結構示意圖；圖5是在比較實例1中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的示例性的截面TEM照片；以及圖6是在比較實例1中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的另一示例性的截面TEM照片。
具體實施例方式
眾所周知，氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件的n型層、發(fā)光層和p型層由用分子式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1；0≤y＜1；0≤x+y＜1)表示的各種氮化鎵化合物半導體形成。對用于形成本發(fā)明中采用的n型層、發(fā)光層和p型層的氮化鎵化合物半導體沒有特定的限制，并且也可以采用用分子式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1；0≤y＜1；0≤x+y＜1)表示的各種氮化鎵化合物半導體。
對襯底類型沒有特定的限制，可以采用常規(guī)已知的襯底種類，例如藍寶石、SiC、GaP、GaAs、Si、ZnO和GaN。
為了在理論上與氮化鎵化合物晶格不匹配的上述襯底(除了GaN襯底以外)的任何一種上形成氮化鎵化合物半導體，可以采用低溫緩沖方法(例如在日本專利3026087和日本專利申請公開號4-297023中所公開的)和被稱為“引晶工藝(SP)”的晶格失配晶體外延生長技術(例如在日本專利申請公開號2003-243302中所公開的)。在這些方法中，從生產(chǎn)率和其它因素的觀點來看，SP方法是一種尤其有利的晶格失配晶體外延生長技術，該技術可在能夠形成GaN晶體的高溫下制造AlN晶體膜。
當采用晶格失配晶體外延生長技術例如低溫緩沖方法或SP方法時，形成在緩沖層上作為底襯層的氮化鎵化合物半導體優(yōu)選未摻雜或輕摻雜(摻雜劑濃度約為5×1017cm-3)的GaN。底襯層的厚度優(yōu)選為1至20μm，更優(yōu)選為5至15μm。
在本發(fā)明中，包括在用于形成發(fā)光層的多量子阱結構中的阱層由厚部分和薄部分形成。上表面和下表面優(yōu)選具有凹陷和凸起。這里所用的術語“厚部分”是指其厚度不小于阱層的平均厚度的部分，以及術語“薄部分”是指其厚度小于阱層的平均厚度的部分。術語“平均厚度”是最大厚度和最小厚度的算術平均。當薄部分包括未被阱層覆蓋或具有非常薄的阱層的區(qū)域時，厚部分是指其厚度不小于阱層的最大厚度的1/2的部分，以及薄部分是指其厚度小于阱層的最大厚度的1/2的部分。
從氮化鎵化合物半導體的TEM截面照片可以目視地且定量地確定厚部分和薄部分。例如，從放大率為500,000至2,000,000的化合物半導體的TEM截面照片，可以確定厚部分或薄部分的厚度和寬度。圖1示出了在實例1中制得的半導體樣品的TEM截面照片，放大率為2,000,000。在圖1中，參考標號1表示阱層，以及A、B和C各表示薄部分。參考標號2、3和4分別表示勢壘層、n型包覆層和p型包覆層。通過利用放大率，可以計算厚部分或薄部分的寬度和厚度。圖2示出了同一樣品1的TEM截面照片，放大率為500,000。在圖2中，參考標號1表示阱層，以及D、E、F和G各表示薄部分。參考標號2、3和4分別表示勢壘層、n型包覆層和p型包覆層。通過利用放大率，可以計算厚部分或薄部分的寬度和厚度。
厚部分或薄部分的厚度或?qū)挾仁窃赥EM截面照片中多個用于測量的觀測區(qū)域(例如，在10個區(qū)域中觀測，相鄰區(qū)域以10μm的間距間隔)中獲得的算術平均值。
厚部分的厚度優(yōu)選為約1.5nm至約5nm。當厚部分的厚度在該范圍之外時，發(fā)射輸出降低。更優(yōu)選地，厚度為1.5nm至3.0nm。厚部分的寬度優(yōu)選為10至5,000nm，更優(yōu)選為100至1,000nm。
優(yōu)選地，厚部分的面積占阱層整個面積的30至90％。當該面積在此范圍內(nèi)時，可以獲得工作電壓的降低并保持輸出。更優(yōu)選地，被厚部分覆蓋的面積大于被薄部分覆蓋的面積(即占整個有源層的50％或更多)。厚部分的面積比和薄部分的面積比能夠從截面TEM圖片中測量的寬度計算得出。
薄部分的寬度優(yōu)選為1至100nm，更優(yōu)選為5至50nm。
優(yōu)選地，厚部分與薄部分之間的厚度差在約1至3nm的范圍內(nèi)。薄部分的厚度優(yōu)選為小于1.5nm。
阱層可以包括其厚度為0的薄部分。換句話說，阱層可以包括未被阱層覆蓋的區(qū)域。然而，為了防止發(fā)射輸出的降低，優(yōu)選這樣的區(qū)域很窄。因此，優(yōu)選其面積占阱層的整個面積的30％或更少，更優(yōu)選20％或更少，尤其優(yōu)選10％或更少。面積比可從截面TEM照片測量的寬度計算得出。
優(yōu)選地，阱層中的厚部分和薄部分通過用摻雜劑摻雜勢壘層而形成。摻雜元素的實例包括C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra。當然，優(yōu)選Si和Ge，最優(yōu)選Si。
優(yōu)選地，摻雜劑濃度為1×1017cm-3至1×1019cm-3。當濃度低于1×1017cm-3時，形成的阱層具有均勻的厚度，使得很難形成厚部分或薄部分，而當濃度高于1×1019cm-3時，阱層不能發(fā)光。更優(yōu)選地，濃度為2×1017cm-3至5×1018cm-3。當濃度在該更優(yōu)選范圍內(nèi)時，阱層的層厚度分布得以適當?shù)目刂?，并且可以降低直流下阱層的電阻。尤其?yōu)選地，摻雜劑濃度在3×1017cm-3至2×1018cm-3范圍內(nèi)。
勢壘層可具有這樣的結構，其中多個勢壘子層層疊。在這種情況下，與阱層接觸的勢壘子層優(yōu)選包含摻雜劑。優(yōu)選該層的厚度大于等于2.5nm，更優(yōu)選大于等于5nm，尤其優(yōu)選大于等于7.5nm。當與阱層接觸的包含摻雜劑的勢壘層厚度小于5時，很難在阱層中形成厚部分和薄部分。
當在上述條件下形成勢壘層時，阱層的上表面和下表面形成凹陷和凸起。通過采用與摻雜的阱層結合的該結構，可以獲得高輸出強度，且可以進一步降低工作電壓。另外，可以防止由于老化引起的劣化。
勢壘層的厚度優(yōu)選為大于等于7nm，更優(yōu)選為大于等于14nm。當勢壘層過薄時，阻止在阱層中形成厚部分和薄部分，導致發(fā)射效率的降低和由于老化引起的特性劣化，而當勢壘層過厚時，工作電壓升高，且發(fā)射減弱。所以，勢壘層的厚度優(yōu)選為小于等于50nm。
在多量子阱結構中層疊的重復優(yōu)選為約3至約10次，更優(yōu)選為約3至約6次。包括在多量子阱結構中的阱層不必都具有厚部分和薄部分，并各厚部分和薄部分的尺寸和面積比可以在層與層之間變化。
優(yōu)選地，阱層由包含In的氮化鎵化合物半導體形成，因為包含In的氮化鎵化合物半導體屬于易于獲得具有厚部分和薄部分的結構的晶系。另外，包含In的氮化鎵化合物半導體可以發(fā)射藍光波長范圍的高強度光。
當阱層由包含In的氮化鎵化合物半導體形成時，阱層的上表面優(yōu)選被不含In的薄層覆蓋。利用該薄層，可以抑制包含在阱層中的In的分解/升華，由此可以始終如一地控制發(fā)射波長，這是優(yōu)選的。
勢壘層可以由GaN、AlGaN和InGaN形成，該InGaN的In含量低于形成阱層的InGaN的In含量。其中，優(yōu)選GaN。
n型層的厚度通常為約1至約10μm，優(yōu)選為約2至約5μm。n型層由n型接觸層和n型包覆層形成，其中n型接觸層用于形成負電極，n型包覆層的帶隙大于發(fā)光層的帶隙，且n型包覆層與發(fā)光層接觸。n型接觸層還可以用作n型包覆層。優(yōu)選用高濃度的Si或Ge摻雜n型接觸層。如此摻雜的n型層的載流子濃度優(yōu)選被控制在約5×1018cm-3至約2×1019cm-3。
n型包覆層可以由半導體例如AlGaN、GaN或InGaN形成。不必說，采用InGaN時，InGaN優(yōu)選具有這樣的組分，以使其帶隙大于形成發(fā)光層的InGaN的帶隙。n型包覆層的載流子濃度可以等于或大于或小于n型接觸層的載流子濃度。通過適當調(diào)整生長條件，包括生長速率、生長溫度、生長壓強和摻雜劑濃度，n型包覆層的表面優(yōu)選具有高平坦度，以便獲得形成于其上的發(fā)光層的高結晶度。
n型包覆層可以通過重復地交替層疊層形成，各層具有特定的組分和晶格常數(shù)。在這種情況下，除了組分以外，還可以改變層疊的層的摻雜量、膜厚度等。
p型層的厚度通常為0.01至1μm，并且由與發(fā)光層接觸的p型包覆層和用于形成正電極的p型接觸層形成。p型接觸層還可以作為p型包覆層。p型包覆層由半導體例如GaN或AlGaN形成，且摻雜有作為p型摻雜劑的Mg。為了防止電子溢出，p型包覆層優(yōu)選由這種材料形成，其帶隙大于用于形成發(fā)光層的材料帶隙。此外，為了有效地向發(fā)光層注入載流子，p型包覆層優(yōu)選具有高載流子濃度。
與n型包覆層類似，p型包覆層可以通過重復地交替層疊置層而形成，各層具有特定的組分和晶格常數(shù)。在這種情況下，除了組分以外，還可以改變層疊的層的摻雜量、膜厚度等。
p型接觸層可以由半導體例如GaN、AlGaN或InGaN形成，并且摻雜有作為雜質(zhì)元素的Mg。當將其從反應器取出時，剛?cè)〕龅腗g摻雜的氮化鎵化合物半導體通常呈現(xiàn)高電阻。然而，通過激活退火、電子束輻照或微波輻照等，Mg摻雜的化合物半導體呈現(xiàn)p型電導率。
p型接觸層可以由摻雜有p型雜質(zhì)元素的磷化硼形成，即使未進行上述用于獲得p型電導率的處理，p型接觸層也呈現(xiàn)p型電導率。
對生長用于形成上述n型層、發(fā)光層和p型層的氮化鎵化合物半導體的方法沒有特定的限制，可以在眾所周知的條件下，采用任何眾所周知的方法，例如MBE、MOCVD和HVPE。其中，優(yōu)選MOCVD。
關于用于形成半導體的源，可以將氨、肼、疊氮化物或類似的化合物用作氮源。本發(fā)明中可以采用的III族有機金屬源的實例包括三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)和三甲基鋁(TMAl)。可采用的摻雜劑源的實例包括硅烷、乙硅烷、鍺烷、有機鍺源、雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)、其它有機金屬化合物和氫化物。氮氣或氫氣可以用作載氣。
優(yōu)選在650至900℃的襯底溫度下生長包含In的阱層。當襯底溫度等于或低于650℃時，不能形成高結晶度的阱層，而當襯底溫度等于或高于900℃時，包括在阱層中的In量減少，從而不能制得發(fā)射希望波長的光的發(fā)光器件。
如上所述，當阱層包含In時，優(yōu)選在阱層的表面上形成不包含In的薄層。在這種情況下，在包含In的氮化鎵化合物半導體的生長完成后，在同一襯底溫度下生長氮化鎵化合物半導體，同時停止In源的供給。
如前所述，阱層中的厚部分和薄部分優(yōu)選通過用摻雜劑摻雜勢壘層而形成。然而，阱層中的厚部分和薄部分也可以通過生長氮化鎵化合物半導體至預定厚度，并使生長的半導體的一部分分解或升華而形成。
也就是，通過連續(xù)不斷地供給III族金屬(包含In)源和氮源使包含In的氮化鎵化合物半導體生長到預定厚度之后，停止III族金屬源的供給。在上述條件下，保持或升高襯底溫度，從而使部分化合物半導體分解或升華。載氣優(yōu)選氮氣。優(yōu)選當襯底溫度從上述生長溫度升高到700至1,000℃時，或當襯底溫度升高時，進行分解或升華。
優(yōu)選在高于阱層生長所采用的溫度的襯底溫度下生長勢壘層。該襯底溫度優(yōu)選為約700至約1,000℃。當生長阱層的溫度用T1表示以及生長勢壘層的溫度用T2表示時，T1和T2滿足關系式T1≤T2。在阱層生長之后溫度由T1升高至T2期間，停止III族源的供給，同時連續(xù)不斷地供給氮源和包含氮的載氣，從而在阱層中有效地形成厚部分和薄部分。在上述工序過程期間，不需要改變載氣。如果將載氣改變?yōu)闅錃?，發(fā)光波長藍移。因為難以可靠地控制這樣的波長變化，該變化使器件的生產(chǎn)率降低。
溫度從T1升高到T2的速率優(yōu)選為約1至約100℃/min，更優(yōu)選為約5至約50℃/min。溫度從T1升高到T2所需的時間優(yōu)選為約30秒至約10分鐘，更優(yōu)選為約1分鐘至約5分鐘。
勢壘層的生長可以包括在不同生長溫度下進行的多個步驟。例如，在T2下，在具有厚部分和薄部分的阱層上形成具有預定厚度的勢壘層，隨后在生長溫度T3下，在其上形成另一個勢壘層。當T3低于T2時，可以防止由于老化引起的特性劣化，這是優(yōu)選的。T3可以等于T1。
眾所周知各種組分和結構的負電極，并且對本發(fā)明中可以采用的負電極沒有特定的限制?？刹捎玫挠糜谂cn型接觸層接觸的負電極的接觸材料的實例包括Al、Ti、Ni、Au、Cr、W和V。不必說，負電極可以整體地具有多層結構，從而賦予電極接合特性和其它特性。
眾所周知各種組分和結構的正電極，并且對可用于本發(fā)明中的正電極沒有特定的限制。
可透光的正電極材料的實例包括Pt、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和Co。已知通過正電極的部分氧化，增強透光性?？刹捎玫姆瓷湫驼姌O材料的實例包括上述材料、Rh、Ag和Al。
可以通過例如濺射或真空氣相沉積的方法形成正電極。具體地說，當在適當控制的濺射條件下采用濺射時，即使在電極膜形成后未進行退火，也可以形成歐姆接觸，這是優(yōu)選的。
發(fā)光器件可以具有包括反射型正電極的倒裝芯片型結構或具有包括可透光正電極或點陣狀或梳狀正電極的面朝上型(face-up-type)結構。
根據(jù)本發(fā)明的包括厚部分和薄部分的發(fā)光層，在厚部分與薄部分之間的邊界區(qū)域中，阱層和由與阱層的材料不同的材料構成的勢壘層之間的界面向襯底表面傾斜。因此，在與襯底表面垂直的方向上提取的光量增加。尤其是，當發(fā)光器件具有包括反射型電極的倒裝芯片型結構時，發(fā)射強度進一步增強。
采用本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構獲得的發(fā)光器件的工作電壓在一定程度上可以自由地降低。然而，當它非常大程度地下降時，發(fā)光輸出也一起下降。電流為20mA時，發(fā)光輸出不下降的工作電壓為2.5V或更高。更優(yōu)選地，工作電壓為2.9V或更高。因為當發(fā)光器件被包括在設備中時非常高的工作電壓是不利的，所以工作電壓必須小于等于3.5V。
跳變(take-off)電壓，即在電流-電壓曲線中電流迅速增加處的電壓，是二極管特性。采用本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構獲得的發(fā)光器件的跳變電壓可以降低。然而，對于跳變電壓，當它非常大程度地下降時，發(fā)光輸出也下降。電流為20mA時，發(fā)光輸出不下降的跳變電壓為2.3V或更高。更優(yōu)選地，跳變電壓為2.5V或更高。因為當發(fā)光器件被包括在設備中時非常高的跳變電壓是不利的，所以跳變電壓必須小于等于3.2V。
本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構可用于例如發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。
由本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構制得半導體發(fā)光器件，并且通過本領域公知的常規(guī)方法，將透明覆蓋物附到該半導體發(fā)光器件上，從而制得燈。還可以將包含磷的覆蓋物附到半導體發(fā)光器件上，從而制得白光燈。
總之，可以由本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構制造具有高發(fā)光輸出的半導體發(fā)光器件。通過上述技術，可以由本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構制造非常亮的LED燈。此外，其中包括通過上述技術制造的芯片的電子儀器，例如便攜電話、顯示器和控制板(panel)，以及其中包括這些電子儀器的機器，例如汽車、計算機和游戲機，可以在低電功率下工作，并可以獲得高性能。具體地說，通過電池工作的設備，例如便攜電話、游戲機和汽車部件，可以獲得節(jié)能的效果。
實例下面，將通過實例更詳細地描述本發(fā)明，這些實例不應被解釋為限制本發(fā)明。
<實例1>
圖3示意性示出了在實例1中制得的用于制造半導體發(fā)光器件的氮化鎵化合物半導體多層結構(示意性示出了發(fā)光層中阱層和勢壘層的結構)。如圖3所示，通過晶格失配晶體外延生長方法，在具有c面的藍寶石襯底上層疊由AlN形成的SP層。在SP層上，依次形成以下各層未摻雜的GaN底襯層(厚度2μm)；高度Si摻雜的GaN接觸層(電子濃度1×1019cm-3，厚度2μm)；In0.1Ga0.9N包覆層(電子濃度1×1018cm-3，厚度12.5nm)；多量子阱結構的發(fā)光層，包括Si摻雜(1×1018cm-3)的GaN勢壘層(6層，每層厚度16nm)以及阱層(5層，每層由未摻雜的In0.2Ga0.8N層(厚度2.5nm)和GaN層(厚度0至0.5nm)形成)；Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層(厚度10nm)；以及Mg摻雜的p型GaN接觸層(空穴濃度8×1017cm-3，厚度0.1μm)。
通過以下的工序，采用MOCVD制造上述氮化鎵化合物半導體多層結構。
首先，將藍寶石襯底置于干凈的反應爐中，該反應爐通過由感應加熱器加熱的碳基座(susceptor)可以加熱多個襯底。該基座具有如下的機構，以便基座本身可旋轉(zhuǎn)，從而使襯底旋轉(zhuǎn)。藍寶石襯底被置于用于加熱的碳基座上，在氮替換的手套箱中進行該操作。裝入襯底之后，用氮氣凈化反應爐。
在通8分鐘的氮氣后，通過感應加熱器，在10分鐘內(nèi)將襯底溫度升高至600℃，并且將爐內(nèi)的壓力調(diào)整到150bar(15kPa)。當襯底溫度保持在600℃時，通過使襯底在氫氣和氮氣流下維持2分鐘，熱清洗襯底表面。
完成熱清洗之后，關閉氮氣載氣供給管的閥門，從而僅僅將氫氣供給到反應爐。
在載氣改變?yōu)闅錃夂螅瑢⒁r底溫度升高至1,180℃。在確定達到1,180℃的恒定溫度后，通過打開相應的閥門，向反應爐中供給包含TMAl蒸氣的氣體。使被供給的TMAl與通過反應爐內(nèi)壁上的沉積物的分解被釋放的N原子反應，從而在藍寶石襯底上沉積AlN。
在供給TMAl8分30秒后，關閉閥門以停止向反應爐中供給包含TMAl蒸氣的氣體。維持該條件4分鐘，從而完全除去爐中剩余的TMAl蒸氣。隨后，通過打開相應的閥門，向爐中供給氨氣。
在開始供給氨氣后四分鐘，在氨氣流下，將基座溫度降低至1,040℃。在降低基座溫度期間，通過流量控制器調(diào)節(jié)TMGa的流速。
在確認基座溫度降低至1,040℃，且基座維持1,040℃的恒定溫度后，通過打開相應的閥門，向爐中供給TMGa，以便生長未摻雜的GaN。生長進行約一小時，從而形成上述GaN層。
這樣，形成厚度為2μm的未摻雜的GaN底襯層。
在未摻雜的GaN底襯層上，生長高度Si摻雜的n型GaN層。完成未摻雜的GaN底襯層的生長后，將向爐中TMGa的供給中斷一分鐘，并且在中斷氣流期間調(diào)整SiH4的流速。預先預定所關心的流速，并且調(diào)節(jié)氣流以便將高度Si摻雜的GaN層的電子濃度控制在1×1019cm-3。連續(xù)不斷地向爐中供給氨氣，并且流速不變。在上述一分鐘的TMGa的供給中斷期間，將基座的溫度從1,040℃升高至1,060℃。
在中斷TMGa供給一分鐘后，供給TMGa和SiH4，并且進行一小時的生長，從而形成厚度為2μm的高度Si摻雜的GaN接觸層。
在生長高度Si摻雜的GaN接觸層之后，通過關閉相應的閥門，停止向爐中供給TMGa和SiH4。通過閥門操作，將載氣由氫氣變?yōu)榈獨?，同時連續(xù)不斷地供給氨氣。此后，將襯底溫度從1,060℃降低至730℃。
在爐內(nèi)溫度降低期間，改變SiH4的流速。預先預定所關心的流速，并且調(diào)節(jié)氣流以便將Si摻雜的InGaN包覆層的電子濃度控制在1×1018cm-3。連續(xù)不斷地向爐中供給氨氣，并且流速不變。
隨后，在爐內(nèi)的條件穩(wěn)定之后，通過同時打開相應的閥門，向爐中供給TMIn、TEGa和SiH4。持續(xù)預定時間的供給，從而形成厚度為12.5nm的Si摻雜的In0.1Ga0.9N包覆層。通過關閉相應的閥門，停止源(TMIn、TEGa和SiH4)的供給。
在Si摻雜的In0.1Ga0.9N包覆層的生長完成之后，將基座溫度升高至930℃。將基座的溫度保持在恒定溫度930℃后，通過打開相應的閥門，向爐中供給TEGa和SiH4，同時維持襯底溫度、爐內(nèi)壓力、氨氣和載氣的流速以及載氣的類型不變。在930℃的基座溫度下，進行預定時間的生長。隨后，將基座溫度降低至730℃，并供給TEGa和SiH4，以便進行生長。通過關閉相應的閥門，停止供給TEGa和SiH4，從而終止GaN勢壘層的生長。結果，形成總厚度為16nm的GaN勢壘層。
在GaN勢壘層的生長完成之后，停止TEGa的供給30秒。隨后，通過打開相應的閥門，向爐中供給TEGa和TMIn，同時維持襯底溫度、爐內(nèi)壓力、氨氣和載氣的流速以及載氣的類型不變。供給預定時間的TEGa和TMIn，接著通過關閉相應的閥門，停止TMIn的供給，從而終止In0.2Ga0.8N阱層的生長。在這種情況下，形成厚度為2.5nm的In0.2Ga0.8N層。
在In0.2Ga0.8N層的生長完成之后，連續(xù)不斷地向爐中供給預定時間的TEGa和SiH4，從而在InGaN層上形成Si摻雜的GaN薄膜，用于防止In的釋放。隨后，停止供給TEGa和SiH4。
重復上述工序五次，從而形成五層Si摻雜的GaN勢壘層和五層In0.2Ga0.8N阱層。最后，形成另一層Si摻雜的GaN勢壘層，從而制得具有多量子阱結構的發(fā)光層。
在發(fā)光層的最外層的Si摻雜的GaN勢壘層上，形成Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層。
在通過停止供給TEGa和SiH4完成最后的Si摻雜的GaN勢壘層的生長之后，將襯底溫度升高至1,020℃。將載氣改變?yōu)闅錃?，并且將爐內(nèi)壓力調(diào)整為150mbar(15kPa)。在爐內(nèi)的壓力變?yōu)楹愣ê螅ㄟ^打開相應的閥門，向爐中供給源(TMGa、TMAl和Cp2Mg)。進行約三分鐘的生長，此后停止供給TEGa和TMAl，從而終止Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層的生長。結果，形成厚度為10nm的Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層。
在Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層上，形成Mg摻雜的p型GaN接觸層。
在通過停止供給TMGa、TMAl和Cp2Mg完成Mg摻雜的Al0.07Ga0.93N包覆層的生長之后，將爐內(nèi)壓力調(diào)整為200mbar(20kPa)。在爐內(nèi)的壓力變?yōu)楹愣ê?，通過打開相應的閥門，向爐中供給源(TMGa和Cp2Mg)。預先預定Cp2Mg的流速，并且調(diào)節(jié)氣流，以便將Mg摻雜的GaN接觸層的空穴濃度控制為8×1017cm-3。隨后，進行約四分鐘的生長，此后停止供給TMGa和Cp2Mg，從而終止Mg摻雜的GaN層的生長。結果，形成厚度為0.1μm的Mg摻雜的GaN接觸層。
在完成Mg摻雜的GaN接觸層的生長之后，停止對感應加熱器的電力供給，并且在20分鐘內(nèi)將襯底的溫度降至室溫。在降溫的過程中，反應爐中的氣體只有氮氣。當確認襯底溫度已經(jīng)降到室溫時，將由此制得的氮化鎵化合物半導體多層結構取出到空氣中。
通過上述工序，制得用于制造半導體發(fā)光器件的氮化鎵化合物半導體多層結構。即使Mg摻雜的GaN層不經(jīng)歷用于激活p型載流子的退火，GaN層也呈現(xiàn)p型電導率。
通過采用上述氮化鎵化合物半導體多層結構，制得發(fā)光二極管，即一種半導體發(fā)光器件。
在由此制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的p型GaN接觸層的表面上，形成具有如下結構的反射型正電極，其中通過常規(guī)光刻方法在接觸層側(cè)上依次形成Pt、Rh和Au。
隨后，干法蝕刻上述氮化鎵化合物半導體多層結構，以使高度Si摻雜的n型GaN接觸層的負電極部分暴露。在接觸層的暴露部分上依次形成Ti和Al，從而形成負電極。通過這些操作，制得圖4中所示形狀的電極。
研磨并拋光氮化鎵化合物半導體多層結構的藍寶石襯底的背面，從而提供鏡面，其中該多層結構具有以上述方式設置的正電極和負電極。隨后，將氮化鎵化合物半導體多層結構切割成正方形(350μm×350μm)芯片，并且將各芯片附接在下固定件(sub-mount)上，以使電極與下固定件接觸。將由此形成的下固定的芯片置于引線框架上，并用金絲將芯片接線到引線框架，從而制得發(fā)光器件。
當對由此制得的發(fā)光二極管的正電極和負電極施加正向工作電流時，二極管呈現(xiàn)在20mA的電流下的3.0V的正向電壓、455nm的發(fā)射波長以及10mW的發(fā)射輸出?？梢垣@得具有這些特性的發(fā)光二極管，而在從以上制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的整體實際切割并制造的發(fā)光二極管之間沒有變化。
在截面TEM下觀測由此制得的氮化鎵化合物半導體多層結構，圖1和2示出了其照片(放大率2,000,000(圖1)和500,000(圖2))。
如圖1和圖2所示，確認各阱層由厚部分和薄部分形成，并且上表面和下表面具有凹陷和凸起。
發(fā)現(xiàn)觀測到的厚部分的厚度為2.5nm，寬度為50nm，并且發(fā)現(xiàn)觀測到的薄部分的寬度約為5nm，厚度為小于等于1nm。
發(fā)現(xiàn)勢壘層的厚度為16nm。各勢壘層填滿各阱層中的凹陷。
<比較實例1>
在比較實例1中，除了采用不同的發(fā)光層外，重復實例1的工序，從而制得相同結構的氮化鎵化合物半導體多層結構。比較實例1的發(fā)光層與實例1的發(fā)光層的不同之處在于，采用未摻雜Si的勢壘層，并且重復層疊具有均勻厚度的阱層和具有均勻厚度的勢壘層。
采用與實例1中類似的方法，進行形成InGaN包覆層步驟的初始步驟。
在Si摻雜的In0.1Ga0.9N包覆層的生長完成后，將基座的溫度升高至930℃。在基座保持在恒定溫度930℃之后，通過打開相應的閥門，向爐中供給TEGa，同時維持襯底溫度、爐內(nèi)壓力、載氣的流速以及載氣的類型不變。在930℃的基座溫度下，進行預定時間的生長。隨后，將基座的溫度降至730℃，并供給TEGa以便進行生長。通過關閉相應的閥門，停止供給TEGa，從而終止GaN勢壘層的生長。結果，形成總厚度為16nm的未摻雜的GaN勢壘層。
在未摻雜的GaN勢壘層的生長完成之后，停止TEGa的供給30秒。隨后，通過打開相應的閥門，向爐中供給TEGa和TMIn，同時維持襯底溫度、爐內(nèi)壓力、載氣的流速以及載氣的類型不變。供給預定時間的TEGa和TMIn，接著通過關閉相應的閥門，停止TEGa和TMIn的供給，從而終止In0.2Ga0.8N阱層的生長。在這種情況下，形成厚度為2.5nm的In0.2Ga0.8N層。
在In0.2Ga0.8N層的生長完成之后，連續(xù)不斷地向爐中供給預定時間的TEGa，從而在InGaN層上形成GaN薄膜，用于防止In的釋放。
重復上述工序五次，從而形成包括五層未摻雜的GaN勢壘層和五層In0.2Ga0.8N阱層的多層結構。最后，形成另一層未摻雜的GaN勢壘層，從而制得具有多量子阱結構的發(fā)光層。
隨后，采用與實例1中相同的工序，形成Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層和Mg摻雜的p型GaN層。
以與實例1類似的方式，對由氮化鎵化合物半導體多層結構制造的發(fā)光二極管進行評價。結果，二極管呈現(xiàn)在20mA的電流下的3.9V的正向電壓、455nm的發(fā)射波長和8.5mW的發(fā)射輸出。
在截面TEM下觀測由此制得的氮化鎵化合物半導體多層結構，圖5和6示出了其照片(放大率2,000,000(圖5)和500,000(圖6))。在這些圖中，參考標號1、2、3和4分別表示阱層、勢壘層、n型包覆層和p型包覆層。如圖5和6所示，各阱層具有約2.5nm的實際上均勻的厚度，并且發(fā)現(xiàn)厚度沒有位置相關的變化。
<實例2>
用于制造氮化鎵化合物半導體多層結構的實例2的工序與實例1的工序的不同之處如下。具體地說，在實例2中，在生長勢壘層和構成阱層的GaN薄層的步驟期間，供給TEGa和GeH4，因此勢壘層和構成阱層的GaN薄層由Ge摻雜的GaN層形成。調(diào)節(jié)GeH4的流速，以便將Ge摻雜劑的濃度調(diào)整為1×1018cm-3。
以與實例1類似的方式，在由此獲得的氮化鎵化合物半導體多層結構上提供正電極和負電極。正電極具有這樣的結構，其中在p型GaN接觸層側(cè)上依次形成透明電極(Au和NiO)和焊盤電極(Ti、Au、Al和Au)。
以與實例1類似的方式，對制得的發(fā)光二極管進行評價。結果，二極管呈現(xiàn)在20mA的電流下的3.0V的正向電壓、455nm的發(fā)射波長和5mW的發(fā)射輸出?？梢垣@得發(fā)光二極管的這些特性，而在從如上制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的整體實際切割并制造的發(fā)光二極管之間沒有變化。通過在TEM下觀測發(fā)光二極管的截面，發(fā)現(xiàn)各阱層由厚部分和薄部分形成。
<比較實例2>
在比較實例2中，通過利用在比較實例1中制得的氮化鎵化合物半導體多層結構，制造其電極結構與實例2的二極管中所采用的電極結構相同的發(fā)光二極管。
以與實例1類似的方法，對制得的發(fā)光二極管進行評價。結果，二極管呈現(xiàn)在20mA的電流下的3.9V的正向電壓、455nm的發(fā)射波長和5mW的發(fā)射輸出。
<實例3>
在該實例中，如下制造氮化鎵化合物半導體多層結構。
通過晶格失配晶體外延生長方法，在具有c面的藍寶石襯底上層疊由AlN形成的SP層。在SP層上，依次形成以下各層未摻雜的GaN底襯層(厚度8μm)；n-GaN接觸層，其中交替層疊100次Ge高摻雜的層和Ge低摻雜的層(平均電子濃度5×1018cm-3，厚度4μm)；n-In0.1Ga0.9N包覆層(電子濃度1×1018cm-3，厚度180)；多量子阱結構的發(fā)光層，包括Si摻雜的GaN勢壘層(6層，Si濃度8×1017cm-3，每層厚度160)和阱層(5層，每層由未摻雜的In0.2Ga0.8N層(厚度25)和GaN層(厚度0至5)形成)；Mg摻雜的p型Al0.07Ga0.93N包覆層(厚度100)；以及Mg摻雜的p-GaN接觸層(空穴濃度8×1017cm-3，厚度0.1μm)。
通過與實例1類似的工序，通過MOCVD制造上述氮化鎵化合物半導體多層結構。
接著，通過以下工序，通過采用上述氮化鎵化合物半導體多層結構制造發(fā)光二極管，即一種半導體發(fā)光器件。
在由此制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的p型GaN接觸層的表面上，形成具有如下結構的透明型正電極，其中通過常規(guī)光刻方法在接觸層側(cè)上依次形成Pt和Au。然后，在正電極上，形成具有這種結構的焊盤電極，其中在正電極側(cè)上依次形成Ti、Au、Al和Au。
隨后，干法蝕刻氮化鎵化合物半導體多層結構，以使n型GaN接觸層的負電極部分暴露。在接觸層的暴露部分上依次形成Ti和Al，從而形成負電極。通過這些操作，制得圖4中所示形狀的電極。
研磨并拋光氮化鎵化合物半導體多層結構的藍寶石襯底的背面，從而提供鏡面，該多層結構具有以上述方式設置的正電極和負電極。隨后，將氮化鎵化合物半導體多層結構切割成正方形(350μm×350μm)芯片。將由此形成的芯片置于引線框架上，并且利用金絲將其接線至引線框架，從而制得發(fā)光器件。
當對由此制得的發(fā)光二極管的正電極和負電極施加正向工作電流時，二極管呈現(xiàn)在20mA電流下的3.2V的正向電壓，470nm的發(fā)射波長以及6mW的發(fā)射輸出?？梢垣@得發(fā)光二極管的這些特性，而在從以上制得的氮化鎵化合物半導體多層結構的整體實際切割并制造的發(fā)光二極管之間沒有變化。
工業(yè)適用性由本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構制造的發(fā)光器件在低電壓下工作，同時維持令人滿意的發(fā)光輸出。因此，本發(fā)明具有非常高的工業(yè)價值。
權利要求
1.一種氮化鎵化合物半導體多層結構，包括襯底以及形成在所述襯底上的n型層、發(fā)光層和p型層，所述發(fā)光層具有其中阱層和勢壘層重復地交替層疊的多量子阱結構，所述發(fā)光層被夾在所述n型層和所述p型層之間，其中所述阱層包括厚部分和薄部分，以及所述勢壘層包含摻雜劑。
2.根據(jù)權利要求1的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述阱層包含In。
3.根據(jù)權利要求2的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述阱層的上表面被不包含In的薄層覆蓋。
4.根據(jù)權利要求1至3中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述摻雜劑是選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1至4中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所包含的所述摻雜劑的濃度為1×1017cm-3至1×1019cm-3。
6.根據(jù)權利要求1至5中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有1.5nm至5nm的厚度。
7.根據(jù)權利要求1至6中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有在所述多層結構的截面中測得的大于等于10nm的算術平均寬度。
8.根據(jù)權利要求1至7中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述薄部分具有小于1.5nm的厚度。
9.根據(jù)權利要求1至8中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述薄部分具有在所述多層結構的截面中測得的小于等于100nm的算術平均寬度。
10.根據(jù)權利要求1至9中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分與所述薄部分之間的厚度差在1nm至3nm的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權利要求1至10中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述厚部分具有在所述多層結構的截面中測得的占所述阱層整體寬度的大于等于30％的總寬度。
12.根據(jù)權利要求1至11中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述多量子阱結構重復地層疊3至10次。
13.根據(jù)權利要求1至12中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層由選自GaN、AlGaN和InGaN的氮化鎵化合物半導體形成，所述InGaN的In含量低于形成所述阱層的InGaN的In含量。
14.根據(jù)權利要求13的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層由GaN形成。
15.根據(jù)權利要求1至14中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層具有7nm至50nm的厚度。
16.根據(jù)權利要求15的氮化鎵化合物半導體多層結構，其中所述勢壘層具有大于等于14nm的厚度。
17.一種氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中所述器件具有負電極和正電極，所述負電極和所述正電極分別設置在根據(jù)權利要求1至16中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構的所述n型層和所述p型層上。
18.根據(jù)權利要求17的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其具有倒裝芯片型器件結構。
19.根據(jù)權利要求18的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中所述正電極具有反射型結構。
20.根據(jù)權利要求17至19中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中電流為20mA時，工作電壓在2.9V至3.2V的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權利要求17至19中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，其中跳變電壓在2.5V至3.2V的范圍內(nèi)。
22.一種燈，包括根據(jù)權利要求17至21中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件。
23.一種燈，包括熒光材料和根據(jù)權利要求17至21中任何一項的氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件。
24.一種制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，所述多層結構包括襯底以及形成在所述襯底上的n型層、發(fā)光層和p型層，所述發(fā)光層具有其中阱層和勢壘層重復地交替層疊的多量子阱結構，所述發(fā)光層被夾在所述n型層和所述p型層之間，其中所述方法包括通過利用摻雜劑摻雜所述勢壘層，在所述阱層中形成厚部分和薄部分。
25.根據(jù)權利要求24的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所包含的所述摻雜劑的濃度為1×1017cm-3至1×1019cm-3。
26.一種制造根據(jù)權利要求1至16中任何一項的氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所述方法包括形成所述阱層的步驟，所述步驟包括生長氮化鎵化合物半導體的步驟以及使部分所述氮化鎵化合物半導體分解或升華的步驟。
27.根據(jù)權利要求26的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在襯底溫度T1下進行所述生長步驟，以及在襯底溫度T2下進行所述分解或升華步驟，其中T1和T2滿足關系式T1≤T2。
28.根據(jù)權利要求27的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T1在650至900℃的范圍內(nèi)。
29.根據(jù)權利要求28的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T2在700至1,000℃的范圍內(nèi)。
30.根據(jù)權利要求27至29中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中當將所述襯底溫度T1升高到T2時，進行所述分解或升華步驟。
31.根據(jù)權利要求30的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中以1℃/min至100℃/min的升溫速率將所述襯底溫度T1升高到T2。
32.根據(jù)權利要求31的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中所述升溫速率為5℃/min至50℃/min。
33.根據(jù)權利要求30至32中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在30秒至10分鐘內(nèi)將所述襯底溫度T1升高到T2。
34.根據(jù)權利要求33的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在一分鐘至五分鐘內(nèi)將所述襯底的溫度T1升高到T2。
35.根據(jù)權利要求27至34中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在T2下生長所述勢壘層。
36.根據(jù)權利要求35的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在T2下生長所述勢壘層，隨后將所述襯底溫度降低至T3，在T3下進行進一步的生長。
37.根據(jù)權利要求36的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中T3等于T1。
38.根據(jù)權利要求26至37中任何一項的制造氮化鎵化合物半導體多層結構的方法，其中在包含氮源和III族金屬源的氣氛中進行所述生長步驟，以及在包含氮源但不包含III族金屬源的氣氛中進行所述分解或升華步驟。
全文摘要
本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化鎵化合物半導體多層結構，用于制造氮化鎵化合物半導體發(fā)光器件，所述器件在低電壓下工作，同時維持令人滿意的發(fā)光輸出。本發(fā)明的氮化鎵化合物半導體多層結構包括襯底以及形成在所述襯底上的n型層、發(fā)光層和p型層，所述發(fā)光層具有其中阱層和勢壘層重復地交替層疊的多量子阱結構，所述發(fā)光層被夾在所述n型層和所述p型層之間，其中所述阱層包括厚部分和薄部分，以及所述勢壘層包含摻雜劑。
文檔編號H01L33/24GK1918717SQ200580004358
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權日2004年2月24日
發(fā)明者小早川真人, 武田仁志, 三木久幸, 桜井哲朗 申請人:昭和電工株式會社