專利名稱：氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件。更具體地說，本發(fā) 明涉及一種具有低驅動電壓(Vf)且光輸出效率優(yōu)良的氮化鎵基化合物半 導體發(fā)光器件。
背景技術：
近年來，GaN基化合物半導體材料作為用于短波長發(fā)光器件的半導體 材料吸引了越來越多的注意力。通過使用藍寶石單晶、各種其它氧化物和 III-V族化合物作為襯底且通過在襯底上應用金屬有機氣相化學反應方法 (MOCVD)或分子束外延方法，制造GaN基化合物半導體。GaN基半導體材料的一個特性特征是，在橫向方向上電流擴散很小。 因此，電流僅僅被注入到電極正下方的半導體中，并且從發(fā)光層發(fā)射的光 被電極阻隔，不能被輸出。因此，透明電極通常用作這種類型發(fā)光器件中 的正電極，通過正電極輸出光。根據(jù)現(xiàn)有技術的正電極具有通過使Ni或Co的氧化物與Au結合作為 與p型半導體接觸的接觸金屬而形成的層結構(例如，參見日本專利No. 2,803,742)。近年來，通過使用具有較高電導率的金屬氧化物例如ITO， 已經(jīng)最小化了接觸金屬的膜厚度，并且已經(jīng)將提高透明度而不使用接觸金屬的層結構用作正電極(例如，參見日本未審查的實用新型公開No. 6-38265)。導電透明材料例如ITO的層具有高于例如Ni或Co的氧化物的層的透 光率，并且可以形成為相對大的厚度。鑒于Ni或Co的氧化物具有約10 至約50nm的膜厚度，將200nm至500nm的厚度用于ITO等的層。與Ni 和Co相比，n型導電透明材料例如ITO由于其高透光率而可以提高光輸 出效率。然而，問題仍存在于，由于材料為n型，發(fā)生與p型半導體的高 接觸電阻。發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其解 決上述問題，在光輸出效率方面優(yōu)良，并且僅僅需要很低的驅動電壓(Vf)。 本發(fā)明提供以下發(fā)明內容。(1) 一種氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，包括在襯底上由氮化鎵基 化合物半導體形成和依次層疊的n型半導體層、發(fā)光層和p型半導體層， 并且正電極和負電極被設置為分別與所述p型半導體層和所述n型半導體 層接觸，其中，p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域存在于與所述正電極 接觸的所述p型半導體層中，并且所述正電極的至少與所述p型半導體層 接觸的部分由n型導電透光材料形成。(2) 根據(jù)上述(1)的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所 述p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中的氫原子濃度與p型雜質濃度之 比為1/10至2/1。(3) 根據(jù)上述(2)的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所 述p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中的氬原子濃度與p型雜質濃度之 比為1/5至1.5/1。(4) 根據(jù)上述(3)的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所 述p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中氫原子濃度與p型雜質濃度彼此 基本上相等。(5 )根據(jù)上述(1)至(4)中任何一項的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光 器件，其中，所述p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域的厚度是與所述正 電極接觸的所述整個p型半導體層的厚度的至少40% 。(6) 根據(jù)上述(5)的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述 p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域的厚度是與所述正電極接觸的所述整 個p型半導體層的厚度的至少70% 。(7) 根據(jù)上述(1)至(6)中任何一項的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光 器件，其中，所述n型導電透光材料是選自ITO、 Ti02、 ZnO、 Bi203、 MgO、 ZnAlO、 ZnS和Sn02的至少一種的材料。(8) 根據(jù)上述(7)的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述 n型導電透光材料至少包含ITO。(9 )根據(jù)上述(1)至(8 )中任何一項的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光 器件，其中，所述正電極的由所述n型導電透光材料形成的部分的厚度為 35nm至10,。(10 )根據(jù)上述(9 )的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述 正電極的由所述n型導電透光材料形成的部分的厚度為100nm至lpm。(11) 一種燈，包括根據(jù)上述(1)至(10 )中任何一項的氮化鎵基化 合物半導體發(fā)光器件。在根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵基化合物半導體器件中，允許氫存在于與正電 極接觸的p型接觸層中。因此，即使當在p型半導體層上將由具有高透光 率的金屬氧化物例如ITO形成的n型導電透光材料直接設置為正電極時， 驅動電壓(Vf)也很低。當在p型半導體層上將由具有高透光率的金屬氧化物例如ITO形成的 n型導電透光材料直接設置為正電極時，可以限制透明電極對光的吸收， 提高光輸出效率，并且由于沒有使用其它材料，可以簡化工藝。


圖1示例性示出了根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導體發(fā)光器件。圖2是在實例l和2中制造的外延層疊結構的示意性截面視圖。 圖3是在實例l和2中制造的LED的示意性平面視圖。
具體實施方式
在根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件中，與p型半導體層 形成直接接觸的正電極的材料是選自ITO、 Ti02、 ZnO、 Bi203、 MgO、 ZnAlO、 ZnS和Sn02的透光導電材料。由于這些導電材料通常呈現(xiàn)比金 屬薄膜高的透光特性，因此它們具有優(yōu)良的光輸出效率。特別優(yōu)選ITO。然而，由于這些材料是n型的，尚不能通過使它們與p型半導體層接 觸而建立歐姆接觸。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過允許p型雜質和氬原子共 存于p型半導體層中，這些n型導電透光材料和p型半導體層可以建立歐 姆接觸。術語"透光的，，和"透明的"不必意味著在所有波長范圍內呈現(xiàn)100 %的透光率，而是意味著材料具有使得在半導體內部產(chǎn)生的光通過的功能。 因此，將這些術語用于通過控制材料和膜厚度以便在光發(fā)射波長下可實現(xiàn) 至少50%的透光率而制備成的材料。由上述n型導電透光材料形成的正電極可以被形成為這樣的樣式，以 ^_&本上覆蓋p型半導體層的整個表面，或者形成為具有間隙的格子形或 樹形。在形成正電極之后，在一些情況下進行用于改善透明度的合金化或 熱退火處理，但不總是需要進行這樣的處理。構成正電極的至少一部分的n型導電透光層的厚度優(yōu)選為35nm至 lOjrni。當厚度超過10nm時，透光率的下降變得顯著。當考慮干涉效應時， 該厚度更優(yōu)選為50nm至lnm。不特別限制由這些材料形成p型半導體層的膜形成方法，可以采用公 知的真空沉積方法和、減射方法。真空沉積包括用于加熱方法的電阻加熱系 統(tǒng)和電子束加熱系統(tǒng)，但電子束加熱方法適于真空沉積除了單質金屬以外 的材料，例如金屬氧化物。還可以采用這樣的方法，首先對p型半導體層 的表面施加金屬化合物的溶液作為起始材料，然后通過必要的處理，例如在含氧氣氛中的熱處理，將溶液形成為金屬氧化物膜。通常，將掩^襯墊層設置為正電極的最外層，用于與電路襯底或引線框的電連接。已知將使用材料例如Au、 Al、 Ni和Cu的各種結構用于接合各種結構。厚度優(yōu)選為100至1，000nm。由于接合襯墊的特性，當厚度大 時，接合能力變高。因此，厚度優(yōu)選為至少300nm。此外，從生產(chǎn)成本的 觀點，厚度優(yōu)選不大于500nm。最外層優(yōu)選由具有與接合球的高粘附性的 材料例如Au形成。作為其上設置有上述由n型導電透光材料形成的正電極的氮化鎵基化 合物半導體器件，已知具有這樣的結構的氮化鎵基化合物半導體器件，在 該結構中，在襯底1上使得緩沖層2、 n型半導體層3、發(fā)光層4和p型半 導體層5順序生長為各自的晶體，蝕刻去除發(fā)光層4和p型半導體層5的 每一者的一部分，以暴露n型半導體層3，在如此暴露的n型半導體層上 設置負電極6，并在剩余的p型半導體層5上設置正電極7?？梢栽诰哂羞@ 樣的結構的氮化鎵基化合物半導體器件上沒有任何限制地設置根據(jù)本發(fā)明 的由n型導電透光材料形成的正電極。作為村底材料，已知氧化物單晶，例如藍寶石單晶(A1203; A面、C 面、M面、R面)、尖晶石單晶(MgAl204) 、 ZnO單晶、LiA102單晶、 LiGa02單晶以及MgO單晶、Si單晶、SiC單晶、GaAs單晶、A1N單晶、 GaN單晶以及硼化物單晶，例如ZrB2單晶。在本發(fā)明中，可以沒有限制 地使用包括這些已知襯底材料的任何襯底材料。其中優(yōu)選藍寶石單晶和 SiC單晶。另外，不特別限制襯底的平面取向。村底可以是正取向的(just-oriented)襯底或是具有偏角的襯底。通常，通過緩沖層，在襯底上層疊由氮化鎵基化合物半導體形成的n 型半導體層、發(fā)光層和p型半導體層。根據(jù)所使用的襯底且根據(jù)外延層的 生長條件，緩沖層有時是不必要的。作為氮化鎵基化合物半導體，已知由分子式AlxGaYlnzN^MA(0$XH 05Y^1， 0￡ZS1，且X+Y+Z-1; M4戈表不同于氮(N)的V族8元素，且0SAO表示的大量氮化鎵基化合物半導體，在本發(fā)明中也可以 沒有任何限制地使用包括這些已知的半導體且由分子式AlxGaYlnzNLAMA (O^XSl, 0￡Y^1， 0￡Z￡1，且X+Y+Z-1; M代表不同于氮(N)的V族 元素，且0￡厶<1)表示的氮化鎵基化合物半導體。氮化鎵基化合物半導體可以包含除了 Al、 Ga和In以外的III族元素， 且必要時還可包含Ge、 Si、 Mg、 Ca、 Zn、 Be、 P、 As和B。在一些情況 下，除了故意添加的元素外，該化合物半導體還包含那些根據(jù)膜形成* 不可避免地包含的雜質以及包含在起始材料中和反應管的材料中的痕量雜 質。不特別限制氮化鎵基化合物半導體的生長方法，可以應用已知的能夠 生長氮化鎵基化合物半導體的所有方法，例如MOCVD (金屬有機化學氣 相沉積)、HVPE (氫化物氣相外延)、MBE (分子束外延)等。從膜厚 度可控性和批量生產(chǎn)率的觀點，優(yōu)選的生長方法為MOCVD方法。MOCVD 方法將氫氣(H2)或氮氣(N2)用作載氣，將三甲基鎵(TMG)或三乙基 鎵(TEG)用作作為III族原材料的Ga源，將三甲基鋁(TMA)或三乙 基鋁(TEA)用作作為III族原材料的Al源，將三曱基銦(TMI)或三乙 基錮(TEI)用作作為III族原材料的In源，以及將氨(NH3 )、肼(N2H4 ) 和疊氮化物用作作為V族原材料的N源。關于摻雜劑，可以將甲硅烷(SiH4) 或乙硅烷(Si2H6)用于n型Si原材料、以及將鍺烷氣體(GeH4)或有機 鍺化合物例如四甲基鍺((CH3)4Ge)或四乙基鍺((C2H5)4Ge)用于Ge原 材料。在MBE中，單質鍺可用作摻雜源。在p型半導體層的氣相生長時添加的p型雜質(摻雜劑)的實例包括II族元素例如Mg、鋅(Zn )、鈹(Be )、鈞(Ca )、鍶(Sr)、鋇(Ba )、 鎘(Cd)和汞(Hg)。屬于IV族的兩性雜質例如碳(C)也是可以的， 但優(yōu)選將II族元素例如Mg用作p型雜質。Mg原材料的實例包括雙環(huán)戊 二烯基鎂(bis-Cp2Mg)或雙乙基環(huán)戊二烯基鎂(bis-EtCp2Mg)。在本發(fā)明中，允許p型雜質和氬原子共存于與正電極接觸的p型半導 體層中。p型半導體層通常由其帶隙能量大于發(fā)光層的帶隙能量的p型包覆層和其上設置正電極的p型接觸層構成。然而，p型接觸層也可以用作 P型包覆層。因此，其是允許p型雜質和氫原子共存于其中的p型接觸層。 為了提供令人滿意的歐姆接觸、防止產(chǎn)生裂紋并維持優(yōu)良結晶性，優(yōu)選在p型接觸層中添加p型雜質例如Mg，以使該層內的雜質的原子濃度 為1 x 1018cnT3至1 x 1022cnr3。通過例如普通的二次離子質傳(SIMS )和 俄歇電子頻語(AES)的分析方法，可以定量地確定p型半導體層中的p 型雜質的濃度。p型接觸層的厚度優(yōu)選為0.01至0,5jim，更優(yōu)選0.05至0.2nm，最優(yōu) 選小于等于O.lnm。通過在進行氣相生長時調整供給到生長反應系統(tǒng)的III 族元素的原材料的供給時間，可以控制p型接觸層的厚度。通過光學顯微 鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM),可以通過觀測 發(fā)現(xiàn)p型接觸層的厚度。在具有上述厚度的p型接觸層中，本發(fā)明不有意地從層中耗散氫原子， 而是允許氫原子在層的深部處存在。術語"深部"意味著除了 p型接觸層 的表面以外的部分，且是在發(fā)光層側的區(qū)域。在故意地允許氫原子存在的 區(qū)域中，p型雜質與故意地允許存在的氫原子之間的原子濃度之比(氫原 子/p型雜質)優(yōu)選為1/10至2/1，更優(yōu)選為1/5至1.5/1。更優(yōu)選地，該比 基本上為1/1。添加的p型雜質和故意地允許存在的氫原子一起在該區(qū)域內 定量地形成電惰性合成物。通過例如SIMS的分析方法，可以定量地確定 p型雜質和氫原子。通過SIMS對輪廓曲線平坦的部分進行定量確定。為了使p型雜質電惰性而故意允許存在的氫原子降低了正向電壓(Vf) 和閾值電壓(Vth),為此，超過預定程度的區(qū)域(厚度)是有必要的。 例如，厚度為p型接觸層的總厚度的至少40。/c。優(yōu)選地，其是超過p型接 觸層總厚度的70%的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，為了故意地使氫原子保留在特定區(qū)域中，不使用根據(jù)現(xiàn) 有^t術的這樣的熱處理方法作為有效的^R術方法，該熱處理方法使得與所 添加的p型雜質一起構成電惰性合成物的幾乎所有的氫原子排出到層的外 面。在本發(fā)明中，在通過添加p型雜質形成包含p型雜質的層之后，在主要由惰性氣體構成的氣氛中進行熱處理，以形成其中故意地允許一些氫原 子保留的區(qū)域。用于生長的生長爐可以用于該熱處理。在冷卻步驟中，在完成p型接觸層的生長之后，在主要由惰性氣體構 成的氣氛中以控制的速率冷卻該層，以形成其中允許一些氫原子保留的區(qū) 域。當冷卻開始時的溫度(即例如p型接觸層的形成溫度)相同時，如果 冷卻速率很大，其中故意地允許氫原子保留的區(qū)域的寬度(厚度)減小。 當冷卻速率相同時，如果冷卻開始的溫度很高，其中故意地允許氫原子保 留的區(qū)域的寬度(厚度)減小?？梢栽诙栊詺怏w例如氮氣(N2)、氬(Ar)或氦(He)與氫氣(H2) 的混合氣氛中進行對p型接觸層的冷卻。當在具有較大的氫體積比率的氣 氛中進行冷卻時，其中故意地允許氫原子保留的區(qū)域的寬度(厚度)增大。除了冷卻開始溫度、冷卻速率和氣氛構成以外，其中故意地允許氫原 子的一部分保留的區(qū)域的寬度(厚度)還根據(jù)冷卻裝置的形狀而變化。因 此，雖然不能一概地確定冷卻速率，但是當在95體積％的氮氣和5體積％ 的氫氣的混合氣氛中將摻有Mg的GaN層從作為生長溫度的1，050X:冷卻 至室溫時，適合用于形成其中故意地允許氫原子保留的區(qū)域的冷卻速率通 常為每分鐘40至120°C 。在含鋁層例如AlxGaYN ( 0<X， Y<1, X + Y=l) 層的情況下，較小(較慢)的冷卻速率是容許的。即使當改變在冷卻時的冷卻速率和氣氛氣體的構成時，摻雜到p型接觸層中的p型雜質的原子濃度的分布也幾乎不改變。因此，當預先檢測了 冷卻速率與包含在p型接觸層中的氬原子的縮減比率的依賴關系時，可以通過基于該縮減比率調整冷卻速率等，在p型接觸層的深部處形成其p型 雜質與氫原子之間的原子濃度為約1:1的區(qū)域。通過改變材料和組成，可以改變n型導電透光材料的特性，具體地說 載流子濃度。根據(jù)n型導電透光材料的特性，通過降低氫原子濃度，可以 在p型接觸層的表面層區(qū)域中形成包含大量電活性的p型雜質的低阻區(qū)。 在僅僅由惰性氣體構成的氣氛中進行冷卻是有效的。例如，在由氮氣、氬 或氦構成的氣氛中進行冷卻是有效的。具體地，在通過例如MOCVD方法生長p型接觸層之后，將構成生長時的氣氛的氫氣切換為主要由氮氣構成 的氣氛，并且進行冷卻。從而，在冷卻時以上述優(yōu)選比例包含氫氣的氣氛 中，在p型接觸層的深部處，形成故意地包含大量氫原子的區(qū)域，并且此 后通過將構成該氣氛的氣體改變?yōu)橹饕啥栊詺怏w構成的氣氛進行冷卻， 以便在其中故意地允許大量氫原子保留的深部形成高阻區(qū)，同時在其中氬原子的濃度不高于在深部處的區(qū)域的氫濃度的1/3的表面層區(qū)域處形成p 型接觸層作為低阻區(qū)。在p型接觸層的表面層區(qū)域中形成低阻區(qū)時的冷卻速率優(yōu)選大于(快 于)用于形成其中允許大量氫原子保留的深部處的區(qū)域的冷卻速率?？梢?想到在主要由包括氫和氮的化合物例如氨(NH3)的氣體構成的氣氛中進 行用于在p型接觸層的表面層區(qū)域中形成低阻層的冷卻操作，但這不是理 想的，因為在冷卻期間由于在一些情況下氬與氮之間的化學鍵的開放而放 出的氫(原子)侵入p型接觸層的表面層區(qū)域。關于n型半導體層和發(fā)光層，已知具有各種組成和各種結構的那些層， 可以沒有任何限制地在本發(fā)明中使用包括這樣的已知的層的那些層。對于 負電極，也公知各種組成和各種結構?？梢詻]有任何限制地在本發(fā)明中使 用包括這些已知的電極的負電極。通過在本領域中公知的方法整體添加透明覆蓋層(cover),根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件可以用于構成燈。通過使本發(fā)明的氮 化鎵基化合物半導體發(fā)光器件與包含磷光體的覆蓋層組合，還可以制造白 色燈。 實例下文中，將參考其實例詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于僅僅這些實例。(實例1)該實例將具體說明具有ITO正電極的GaN基化合物半導體LED，其 中該ITO正電極直接設置在包括其中故意地允許氫保留的區(qū)域的p型GaN 半導體層上。圖2示出用于制造在該實例中所述的LED 10的外延層疊結構11的示 意性截面視圖。圖3示出LED10的示意性平面視圖。在由c面((0001)晶面)的藍寶石構成的襯底101上，通過由A1N 形成的緩沖層(未示出)，連續(xù)層疊以下層形成層疊結構11:未摻雜的 GaN層(層厚度=2nm ) 102;硅(Si)摻雜的n型GaN層(層厚度- 2nm， 栽流子濃度=lxl019crrT3) 103; Si摻雜的n型AlQ.Q7Ga。.93N包覆層(層厚 度-12.5mn，載流子濃度=lxl018cirT3) 104;具有多量子阱結構的發(fā)光層 105，包括6層Si摻雜的GaN勢壘層(層厚度- 14.0nm，載流子濃度= lxl018cm-3)和5層未摻雜的Ino.2()Gao.8。N阱層(層厚度-2.5nm) ; Mg 摻雜的p型Alo.07Gao.93N包覆層(層厚度- 10nm ) 106;以及Mg摻雜的p 型GaN接觸層(層厚度- lOOnm ) 107。通過普通的真空MOCVD方法生 長層疊結構11的各構成層102至107。具體地，通過以下工序生長Mg摻雜的p型GaN接觸層107。(1) 在完成Mg摻雜的p型Alo.07Gao.93N包覆層106的生長之后，將 生長反應爐內的壓力設定為2乂104帕斯卡(Pa)。(2) 通過使用三甲基鎵和氨作為起始材料以及雙環(huán)戊二烯基鎂 (bis-Cp2Mg)作為Mg的摻雜源，在1，050。C下開始Mg摻雜的p型GaN層的氣相生長。(3) 在4分鐘的過程中向生長反應爐中連續(xù)地供給三甲基鎵、氨和 Mg的摻雜源，以生長具有O.lum的層厚度的Mg摻雜的p型GaN層。(4) 停止向生長反應爐中供給三甲基鎵和bis-Cp2Mg,從而停止Mg 摻雜的p型GaN層的生長。緊接在完成由Mg摻雜的GaN層構成的p型接觸層107的氣相生長之 后，停止對用于加熱襯底101的射頻感應加熱器的電力供給。開始在允許 在其中以氣相生長各構成層102至107的生長反應爐內部對層疊結構11 的冷卻。通過4吏氮氣與用于層疊結構11的各構成層的氣相生長的氫載氣混 合，形成冷卻時的氣氛。氮氣與氫氣的混合比例為95:5的體積比。在該狀 態(tài)下，在20分鐘的過程中將襯底的溫度降低到室溫。換句話說，平均冷卻速率為每分鐘53匸。在進行冷卻降到室溫后，從生長反應爐取出層疊結構ll，并且通過普 通的SIMS分析定量地確定由Mg摻雜的GaN層構成的接觸層107中的鎂 和氫的原子濃度。M面到深度方向中，Mg原子以基本上恒定的濃度按7 x 1019cm—3的濃度分布。另一方面，氫原子的含量在表面區(qū)域中小達約2 x 1019cnf3,但在M面大于等于30nm的深度處，以6 x 1019cnT3的基本 上恒定的濃度存在。因此，這表明在Mg摻雜的p型GaN層107的從與下 層106的結界面沿厚度的增加方向延伸至70nm厚度的最深部分處，形成 Mg與氫之間的原子濃度之比為約1:1的區(qū)域。根據(jù)電流-電壓特性(I-V)， 估計該區(qū)域的電阻為約2kQ 。通過使用具有p型接觸層107的層疊結構11，制造LED 10。首先， 對將要在其中形成n型歐姆電極108的區(qū)域應用普通的干法蝕刻，從而僅 僅在該區(qū)域中使Si摻雜的GaN層103的表面暴露。形成包括相互層疊的 鈦(Ti)和鋁(Al)的n型歐姆電極108。在包括其中故意地保留氬的區(qū) 域的p型接觸層的基本上整個表面上，形成由350nm厚的ITO構成的p 型歐姆電極109。此外，通過依次連續(xù)層疊Ti、 Au、 Al和Au (其中Ti 設置在歐姆電極側)，在p型歐姆電極109上形成正電極接合襯墊110。在形成正電極接合襯墊110之后，通過使用研磨料例如金剛石微細粉 末，拋光藍寶石襯底101的背面，最終形成鏡面。此后將層疊結構11切片 成分離的350nm見方的LED 10。將每個LED 10放置在引線框上，并用 金(An)絲將其引線到引線框。通過使正向電流在如此安裝的LED的歐姆電極108與109之間流動， 測量電特性和光發(fā)射特性。當正向電流為20mA時，正向電壓(Vf)為3.2V。 透射到外面的所發(fā)射光的波長為455nm。通過普通的積分球測量的光發(fā)射 輸出為10mW。對于形成在具有2英寸直徑的圓形襯底的基本上整個表面 上的約IO，OOO個LED (除了那些具有缺陷外觀的LED以外的產(chǎn)品)，可 以沒有變化地獲得具有這樣的特性的LED。對LED IO進行簡單的介電擊穿測試。假定突然地施加靜電，在電極之間瞬時施加脈沖(正)電壓，此后測量在反向上電極之間的短路。在100 個樣品中，被所施加的1，000V脈沖電壓擊穿的LED的數(shù)量僅為一個。換 句話說，反向電壓(Vr)的缺陷發(fā)生率為1%。 (實例2)該實例將說明這樣的GaN基半導體LED，在該LED上，通過使用與 實例1不同的條件，在包括其中故意地允許氫保留的區(qū)域的p型GaN半導 體層上，使ITO電極形成直接接觸。圖2是用于制造該實例的LED 10的外延層疊結構11的示意性截面視 圖。圖3是LED10的示意性平面視圖。在由c面((0001 )晶面)的藍寶石構成的襯底101上，通過由A1N 形成的緩沖層(未示出)，連續(xù)層疊以下層形成層疊結構11:未摻雜的 GaN層(層厚度-2fim)102;硅(Si)摻雜的n型GaN層(層厚度=2nm， 載流子濃度=lxlO"cnT3 ) 103; Si摻雜的n型Alo.07Gao.93N包覆層(層厚 度-12.5mn，載流子濃度=lxlO nT3) 104;具有多量子阱結構的發(fā)光層 105，包括6層Si摻雜的GaN勢壘層(層厚度-14.0nm，載流子濃度-lxl018cm"和5層未摻雜的In0.20Ga0.80N阱層(層厚度-2.5nm) ; Mg 摻雜的p型Al(u)7Ga。.93N包覆層(層厚度=10nm ) 106;以及Mg摻雜的p 型GaN接觸層(層厚度=100nm ) 107。允許通過普通的真空MOCVD方 法生長層疊結構11的各構成層102至107。具體地，通過以下工序，允許生長Mg摻雜的p型GaN接觸層107。(1) 在完成Mg摻雜的p型Alo.07Gao.93N包覆層106的生長之后，將 生長反應爐內的壓力設定為2xl0"帕斯卡(Pa)。(2) 通過使用三甲基鎵和氨作為起始材料以及雙環(huán)戊二烯基鎂 (bis-Cp2Mg)作為Mg的摻雜源，在1,050。C下開始Mg摻雜的p型GaN層的氣相生長。(3) 在4分鐘的過程中向生長反應爐中連續(xù)地供給三甲基鎵、氨和 Mg的摻雜源，以生長具有O.ljim的層厚度的Mg摻雜的p型GaN層。(4) 停止向反應爐中供給三甲基鎵和bis-Cp2Mg，從而停止Mg摻雜的p型GaN層的生長。緊接在完成由Mg摻雜的GaN層構成的p型接觸層107的氣相生長之 后，停止對用于加熱襯底101的射頻感應加熱器的電力供給。開始在允許 在其中以氣相生長各構成層102至107的生長反應爐內部對層疊結構11 的冷卻。通過使氨與用于層疊結構11的各構成層的氣相生長的氫載氣混 合，形成冷卻時的氣氛。氨具有為氫的0.2%的體積比的濃度。在該狀態(tài)下， 在1分鐘30秒的過程中將襯底的溫度降低到800'C，停止氨的供給，然后 將溫度降低到室溫。換句話說，平均冷卻速率為與實例1中的相同的每分 鐘53r。在進行冷卻降到室溫后，從生長反應爐取出層疊結構11，并且以與實 例l相同的方式，定量地確定由Mg摻雜的GaN層構成的p型接觸層107 中的鎂和氫的原子濃度。從表面到深度方向中，Mg原子以基本上恒定的 濃度按1.5xl0"cn^的濃度分布。另一方面，氫原子的含量基本上恒定為 約7.5 x 1019cm-3。因此，在Mg摻雜的p型GaN層107中，Mg與氫之 間的原子濃度之比為約2:1。根據(jù)電流-電壓特性(I-V),估計該區(qū)域的電 阻為約2kQ。以與實例1相同的方式，通過在具有p型接觸層107的層疊結構11 上形成ITO等，制造LEDIO。此后以與實例1相同的方式，將層疊結構11切片成分離的350nm見 方的LED 10，然后將每個LED IO放置在引線框上，并用金(Au )絲將 其引線到引線框。通過使正向電流在如此安裝的LED的歐姆電極108與109之間流動， 測量電特性和光發(fā)射特性。當正向電流為20mA時，正向電壓(Vf )為3.1V。 透射到外面的所發(fā)射光的波長為455nm。通過普通的積分球測量的光發(fā)射 輸出為10.5mW。對于形成在具有2英寸直徑的圓形襯底的基本上整個表 面上的約10,000個LED (除了那些具有缺陷外觀的LED以外的產(chǎn)品)， 可以沒有變化地獲得具有這樣的特性的LED。以與實例l相同的方式，對LED IO進行簡單的介電擊穿測試。假定突然地施加靜電，在電極之間瞬時施加脈沖(正)電壓，此后測量在反向上電極之間的短路。在100個樣品中，被所施加的l，OOOV脈沖電壓擊穿的 LED的數(shù)量僅為一個。換句話說，反向電壓(Vr)的缺陷發(fā)生率為1%。工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件具有優(yōu)良的光發(fā)射輸出 和較低的驅動電壓。因此，其工業(yè)效用非常大。
權利要求
1.一種氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，包括在襯底上由氮化鎵基化合物半導體形成和依次層疊的n型半導體層、發(fā)光層和p型半導體層，并且正電極和負電極被設置為分別與所述p型半導體層和所述n型半導體層接觸，其中，p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域存在于與所述正電極接觸的所述p型半導體層中，并且所述正電極的至少與所述p型半導體層接觸的部分由n型導電透光材料形成。
2. 根據(jù)權利要求l的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所述 p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中的氫原子濃度與p型雜質濃度之比 為1/10至2/1。
3. 根據(jù)權利要求2的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所述 p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中的氫原子濃度與p型雜質濃度之比 為1/5至1.5/1。
4. 根據(jù)權利要求3的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，在所述 p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域中氫原子濃度與p型雜質濃度彼此基 本上相等。
5. 根據(jù)權利要求l的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域的厚度是與所述正電極接觸的所述整個 p型半導體層的厚度的至少40%。
6. 根據(jù)權利要求5的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述p 型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域的厚度是與所述正電極接觸的所述整個 p型半導體層的厚度的至少7(T/。。
7. 根據(jù)權利要求l的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述n 型導電透光材料是選自ITO、 Ti02、 ZnO、 Bi203、 MgO、 ZnAlO、 ZnS 和Sn02的至少一種的材料。
8. 根據(jù)權利要求7的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述n 型導電透光材料至少包含ITO。
9. 根據(jù)權利要求l的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述正 電極的由所述n型導電透光材料形成的部分的厚度為35nm至10nm。
10. 根據(jù)權利要求9的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其中，所述 正電極的由所述n型導電透光材料形成的部分的厚度為100nm至lpm。
11. 一種燈，包括根據(jù)權利要求l的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件。
全文摘要
本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件，其具有優(yōu)良的光輸出效率，且僅僅需要很低的驅動電壓(Vf)。本發(fā)明的氮化鎵基化合物半導體發(fā)光器件包括在襯底上由氮化鎵基化合物半導體形成和依次層疊的n型半導體層、發(fā)光層和p型半導體層，并且正電極和負電極被設置為分別與所述p型半導體層和所述n型半導體層接觸，其中，p型雜質和氫原子共存于其中的區(qū)域存在于與所述正電極接觸的所述p型半導體層中，并且所述正電極的至少與所述p型半導體層接觸的部分由n型導電透光材料形成。
文檔編號H01L33/32GK101258615SQ20068003245
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權日2005年9月6日
發(fā)明者三木久幸, 村木典孝, 篠原裕直 申請人:昭和電工株式會社