專利名稱：半導體發(fā)光器件及其制造方法
技術領域：
這里說明的實施例一般而言涉及半導體發(fā)光器件及其制造方法。
背景技術：
為了改善包括氮化物半導體的發(fā)光器件的發(fā)光效率，使用了量子阱結構，其中 InGaN阱層被夾在勢壘層之間，勢壘層的帶隙能量大于阱層的帶隙能量。對于這樣的發(fā)光器件，需要在盡可能低的溫度下生長晶體以有利于在阱層的形成中并入^。然而，隨著晶體生長溫度變低，結晶質量變得劣化。因此，為了提高半導體發(fā)光器件的效率，形成高質量晶體并同時確保^的并入是重要的。在JP-A 2004-297098(特開)中，描述了一種氮化物半導體發(fā)光器件，其中，在量子阱結構中，在有源層的阱層與勢壘層之間形成由AldGai_dN(0. 30彡d彡1)構成的中間層。 中間層被分別形成在所有阱層上且具有大于勢壘層的帶隙能量。然而，即使這用這樣的技術，也仍然存在提高發(fā)光效率的空間。

發(fā)明內容
總體而言，根據一個實施例，一種半導體發(fā)光器件包括η型半導體層、ρ型半導體層以及發(fā)光層。所述η型半導體層包含氮化物半導體。所述ρ型半導體層包含氮化物半導體。所述發(fā)光層包括阱層和多個勢壘層。所述多個勢壘層被設置在所述η型半導體層與所述P型半導體層之間。所述勢壘層包含氮化物半導體。所述阱層被設置在所述多個勢壘層之間。所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量。所述阱層包含^GaN。所述多個勢壘層中的至少一個包括第一層、第二層以及第三層。所述第二層被設置為比所述第一層更靠近所述P型半導體層。所述第三層被設置為比所述第二層更靠近所述P型半導體層。 所述第二層包含AlxGai_xN(0 < χ < 0. 05)，其中χ為Al在III族元素中的原子比。所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量和所述第三層的帶隙能量。所述第一層和所述第二層的總厚度不大于所述第三層的厚度。根據另一實施例，一種半導體發(fā)光器件包括襯底，半導體發(fā)光器件包括η型半導體層、P型半導體層以及發(fā)光層。所述η型半導體層包含氮化物半導體。所述P型半導體層包含氮化物半導體。所述發(fā)光層包括阱層和多個勢壘層。所述多個勢壘層被設置在所述 η型半導體層與所述ρ型半導體層之間。所述勢壘層包含氮化物半導體。所述阱層被設置在所述多個勢壘層之間。所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量。所述阱層包含 hGaN。所述多個勢壘層中的至少一個包括第一層、第二層以及第三層。所述第二層被設置為比所述第一層更靠近所述P型半導體層。所述第三層被設置為比所述第二層更靠近所述P型半導體層。所述第二層包含AlxGai_xN(0 < χ < 0. 05)，其中χ為Al在III族元素中的原子比。所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量和所述第三層的帶隙能量。所述第一層和所述第二層的總厚度不大于所述第三層的厚度。根據再一實施例，公開了一種用于制造半導體發(fā)光器件的方法。所述半導體發(fā)光器件包括η型半導體層、P型半導體層、阱層以及多個勢壘層。所述η型半導體層包含氮化物半導體。所述P型半導體層包含氮化物半導體。所述多個勢壘層被設置在所述η型半導體層與所述P型半導體層之間。每一個所述勢壘層包含氮化物半導體。所述阱層被設置在所述多個勢壘層之間，所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量，并且所述阱層包含化6鄉(xiāng)。所述方法可以在所述阱層上形成第一層并在所述第一層上形成第二層。所述第二層包含Alx(iai_xN(0 < χ彡0. 05)，其中χ為Al在III族元素中的原子比，所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量。此外，所述方法可以在比用于形成所述第一層和形成所述第二層的溫度高的溫度下在所述第二層上形成第三層。所述第三層的帶隙能量小于所述第二層的帶隙能量，并且所述第三層的厚度不小于所述第一層和所述第二層的總厚度。


圖1為示出了半導體發(fā)光器件的一部分的示意性截面圖；圖2為示出了半導體發(fā)光器件的示意性截面圖；圖3A和IBB為示出了勢壘層的表面狀態(tài)的圖；圖4A和4B為示出了勢壘層的表面狀態(tài)的圖；圖5A和5B為示出了勢壘層的表面狀態(tài)的圖；圖6A和6B為示出了半導體發(fā)光器件的一部分的圖；圖7A至7E為示出了半導體發(fā)光器件和比較例的示意圖；圖8為示出了半導體發(fā)光器件和比較例的特性的圖；以及圖9為示出了制造半導體發(fā)光器件的方法的流程圖。
具體實施例方式現在將參考

本發(fā)明的實施例。附圖是示例性或概念性的；并且各部分的厚度與寬度之間的關系以及各部分間的尺寸比例系數等等不必與其實際值相同。此外，在附圖當中，即使對于相同的部分，尺寸和比例系數也可能被不同地示例。在本申請的說明書和附圖中，與參考之前的附圖而描述的要素相似的要素用相似的參考標號來標記，并且在適當時略去了對其的詳細說明。(第一實施例)圖1為示例了根據第一實施例的半導體發(fā)光器件的一部分的結構的示意性截面圖。圖2為示例出根據第一實施例的半導體發(fā)光器件的結構的示意性截面圖。如圖2所示，根據該實施例的半導體發(fā)光器件110包括η型半導體層20、ρ型半導體層50以及設置在η型半導體層20與ρ型半導體層50之間的發(fā)光層40。η型半導體層20和ρ型半導體層50包含氮化物半導體。
圖1示意性地示例了作為半導體發(fā)光器件的一部分的發(fā)光層40的詳細結構。如圖1所示，發(fā)光層40包括多個勢壘層41 ；以及被設置在與其相鄰的勢壘層41 之間的阱層42。勢壘層41和阱層42包含氮化物半導體。包含銦(In)的氮化物半導體被用于阱層42。阱層42優(yōu)選具有例如不小于1納米(nm)且不大于5nm的厚度(膜厚度)。對于阱層42，例如，使用halGai_alN(0 < al彡0.4)。&1為^在111族元素中的原子比。勢壘層41的帶隙能量大于阱層42的帶隙能量。具體地，當勢壘層41包含h時， 化在勢壘層41中的組成比小于h在阱層42中的組成比。因此，阱層42的帶隙能量小于勢壘層41的帶隙能量。如上所述，勢壘層41和阱層42交替層疊。這里，假設阱層42的數目為“n”，阱層 42包括第一阱層Wl到第η阱層Wn。另一方面，勢壘層41包括第一勢壘層Bl到第(n+1)
勢壘層。如圖1所示，勢壘層41中的至少一個包括第一層BLl ；第二層BL2，其被設置為比第一層BLl更靠近ρ型半導體層50 ；以及第三層BL3，其被設置為比第二層BL2更靠近ρ型半導體層50。第二層BL2包含Alx(iai_xN(0 < χ ^ 0. 05),并且第二層BL2的帶隙能量大于第一層BLl和第三層BL3的帶隙能量。χ為III元素中的Al的原子比。并且，第一層BLl 和第二層BL2的總厚度(膜厚度)不大于第三層BL3的厚度(膜厚度)。如圖1所示，例如，勢壘層41中的每一個具有上述的第一層BL1、第二層BL2以及第三層BL3。換言之，勢壘層41中的每一個包括設置在阱層42上的第一層BL1、設置在第一層BLl上的第二層BL2以及設置在第二層BL2上的第三層BL3。例如，第一層BLl被設置為接觸阱層42。在根據該實施例的半導體發(fā)光器件110中，利用該結構改善了勢壘層41的結晶質量和平坦度，并改善了發(fā)光效率。第一層BLl用于抑制施加到阱層42的應變。這可以抑制出現缺陷，例如由高h 組成比而導致的化相分離和凹坑。因此，即使在從藍-綠光到紅光區(qū)域的長波長區(qū)域中， 也可以獲得高質量發(fā)光層40。第二層BL2具有抑制在形成勢壘層41時出現缺陷的效果和改善勢壘層41的平坦度的效果。當在比阱層42高的溫度下形成勢壘層41時，第二層BL2還具有防止由加熱而導致的阱層42消失的效果。優(yōu)選第一層BLl和第二層BL2盡可能薄。第一層BLl和第二層BL2優(yōu)選具有這樣的厚度，例如，該厚度不小于一個單層(monolayer)且不大于5nm。一個單層的厚度為一個原子的尺寸。第三層BL3的厚度可以不小于第一層BLl和第二層BL2的總厚度(膜厚度)， 并且優(yōu)選不小于Inm且不大于20nm。第一層BLl和第二層BL2的總厚度(膜厚度)被設定為不大于第三層BL3的厚度(膜厚度)的原因為，第三層BL3證明是勢壘層中具有最高結晶質量的區(qū)域，由此使第三層BL3主要發(fā)揮作為勢壘層的限制作用，從而提高了效率。此夕卜，對于第一層BL1，例如使用Aly JnzlGai_yl_zlN (0彡yl彡1，0彡zl彡1， 0 ^ yl+zl ^ 1)。yl為Al在III族元素中的原子比，zl為h在III族元素中的原子比。對于第三層BL3，例如使用AlyJnz2Gai_y2_z2N(0彡y2彡1，0彡z2彡1，0彡y2+z2彡1)。y2 為Al在III族元素中的原子比，z2為h在III族元素中的原子比。第一層BLl和第三層 BL3的組合物(composition)可以相同或不同。如上所述，在半導體發(fā)光器件110中，因為勢壘層41包括第一層BL1、第二層BL2 以及第三層BL3，抑制了在勢壘層41中的缺陷形成，并獲得具有了平滑表面的勢壘層41。結果，改善了勢壘層41與阱層42之間的界面突變性(interface abruptness)。此外，當在比阱層42高的溫度下形成勢壘層41時，可以抑制由加熱導致的阱層42消失。此外，可以形成具有均勻膜厚度的阱層42。由此，可以高產率地獲得具有高發(fā)光效率的半導體發(fā)光器件 110。當勢壘層41包括四個或更多的層時，這些層中的滿足上述要求的任何三個層分別對應于第一層BL1、第二層BL2以及第三層BL3。第一層BLl接觸阱層42。下面將說明半導體發(fā)光器件110的具體結構的一個實例。該具體實例中的半導體發(fā)光器件Iio為發(fā)光二極管(LED)。如圖2所示，在半導體發(fā)光器件110中，在例如由藍寶石構成的襯底10的主表面上設置緩沖層11，并在緩沖層11上設置GaN基底層(kiselayerd和η型GaN接觸層22。 η型GaN接觸層22被包括在η型半導體層20中。為了方便，GaN基底層21也被包括在η 型半導體層20中。然后，在η型GaN接觸層22上設置η型超晶格層30和有源層(發(fā)光層40)，并且在其上依次設置ρ型AWaN層51 (電子溢流防止層)、ρ型GaN層52以及ρ型GaN接觸層 53。ρ型AlGaN層51、ρ型GaN層52以及ρ型GaN接觸層53被包括在ρ型半導體層50中。此后，去除η型GaN接觸層22 (即，η型半導體層20)的一部分以及與該部分對應的η型超晶格層30、發(fā)光層40以及ρ型半導體層50。然后，在η型GaN接觸層上設置η側電極70。另一方面，在ρ型GaN接觸層53上設置ρ側電極80。例如，如下制造根據該實施例的半導體發(fā)光器件110。首先，在由例如藍寶石構成的襯底10的主表面上形成緩沖層11之后，在緩沖層11 上晶體生長GaN基底層21。對于晶體生長，例如，使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法。除此之外，還可以使用分子束外延(MBE)方法進行晶體生長。GaN基底層21具有例如 2微米(ym)的厚度。此外，可以用η型雜質摻雜GaN基底層21。對于襯底10，可以使用除藍寶石之外的各種材料，例如，GaN, SiC、Si以及GaAs。接下來，在GaN基底層21上晶體生長η型GaN接觸層22。使用Si作為η型雜質來摻雜η型GaN接觸層22。然而，作為η型雜質，可以使用除Si之外的各種元素，例如，Ge、 Te、以及Sn。Si在η型GaN接觸層22中的摻雜量為例如約2Χ 1018cm_3，并且η型GaN接觸層22具有例如4μπι的厚度。GaN基底層21和η型GaN接觸層22 二者都是在1000°C到1100°C的生長溫度下生長而成。對于η型GaN接觸層22，可以使用具有約4 μ m厚度的Ina 01Ga0.99N來替代GaN層。 在使用InatllGiia99N的情況下的生長溫度為例如700°C到900°C。接下來，在η型GaN接觸層22上形成η型超晶格層30。作為η型超晶格層30，例如，可以使用這樣的超晶格結構，該超晶格結構包括交替層疊的未摻雜的Inatl5Giia95N層和未摻雜的GaN層。例如，每一個^iaC15Giia95N層的膜厚度為lnm，并且每一個GaN層的膜厚度為2nm。兩種層的生長溫度都為例如700°C到900°C。可以用諸如Si的η型雜質摻雜η型超晶格層30。然后，在η型超晶格層30上形成發(fā)光層40。對于載體氣體，使用氮氣和/或氫氣。例如，開始于形成作為勢壘層中的第一個的第一勢壘層Bi。此時，首先形成包含例如未摻雜的GaN的第一層BLl。第一層BLl具有例如Inm的厚度。此后，在第一層BLl上，形成包含未摻雜的Alx(iai_xN(0<X彡0.05)的第二層BL2。 第二層BL2具有例如2nm的厚度。隨后，在第二層BL2上，形成包含例如未摻雜的GaN的第三層BL3。第三層BL3具有例如9. 5nm的厚度。因此，此時勢壘層41的厚度為例如12. 5nm。以該方式，將第一層BLl和第二層 BL2的厚度(在該實例中分別為Inm和2nm)設定為小于第三層BL3的厚度(在該實例中為 9. 5nm)。然后，在第三層BL3上，形成作為阱層中的第一個的第一阱層Wl。對于該第一阱層 W1，例如，使用未摻雜的Inai5Giia85N,并且其厚度為例如1. 5nm。此后，以與上述相同的方式，交替地并重復地形成勢壘層41 (第二勢壘層B2到第 η勢壘層Bn)和阱層42 (第二阱層W2到第η阱層Wn)。然后，形成最后的第(η+1)勢壘層 Β(η+1)。由此，形成具有多量子阱(MQW)結構的發(fā)光層40，在發(fā)光層40中交替層疊有勢壘層41和阱層42。上述“η”被設定為例如八。發(fā)光層40可以具有單量子阱(SQW)結構。在具有交替層疊的勢壘層41和阱層42的結構中，在第二層BL2與阱層42之間設置第一層BLl。由此，通過第一層BLl抑制施加到阱層42的應變。因此，發(fā)光層40中的發(fā)射波長增大，可以實現更高的效率。阱層42的生長溫度為例如600°C到800°C。第三層BL3的生長溫度高于阱層42 的生長溫度，為例如700°C到1000°C。第一層BLl和第二層BL2的生長溫度不低于阱層42 的生長溫度，低于第三層BL3的生長溫度，為例如600°C到1000°C。以該方式，在比第一層 BLl和第二層BL2高的溫度下形成第三層BL3。由此，改善了第三層BL3的結晶質量，并改善了發(fā)光層40中的發(fā)光效率。上述勢壘層41和阱層42是被設計為使得室溫下發(fā)光層40的光致發(fā)光波長為 450nm的實例?？梢杂弥T如Si的η型雜質或者諸如Mg的ρ型雜質來摻雜發(fā)光層40。替代地，可以用諸如Al或h的III族元素來等電子摻雜發(fā)光層40。阱層42和勢壘層41 二者都可以被摻雜有雜質，或者阱層42和勢壘層41中的至少一者可以被摻雜有雜質。此外，對于勢壘層41，所有的第一層BL1、第二層BL2以及第三層BL3都可以被摻雜有雜質，或者第一層 BL1、第二層BL2以及第三層BL3中的至少一者可以被摻雜有雜質。接下來，在發(fā)光層40上形成ρ型AlGaN層51。對于ρ型AlGaN層51，可以使用用 P型雜質摻雜的Ala2GEia8Ntj P型AlGaN層51具有例如約IOnm的厚度。ρ型AlGaN層51用作電子溢流防止層。作為P型雜質，例如，使用Mg，并且Mg的濃度為例如約IX 1019cnT3。然而，作為P型雜質，可以使用除Mg之外的各種元素，例如，Si和C。形成ρ型AlGaN層51的 Al0.2Ga0.8N的生長溫度為例如1000°C到1100°C。
然后，在ρ型AlGaN層51上形成ρ型GaN層52。對于ρ型GaN層52，可以使用用 Mg摻雜的ρ型GaN層。ρ型GaN層52具有例如約IOOnm的厚度。作為ρ型雜質，可以使用 Mg，并且Mg的濃度為例如約1 X IO1W30形成ρ型GaN層52的生長溫度為例如IOOO0CilJ 1100°C。此后，在ρ型GaN層52上形成ρ型GaN接觸層53。對于ρ型GaN接觸層53，可以使用例如Mg作為ρ型雜質。Mg的濃度為例如約1 X IO20Cm-3,并且ρ型GaN接觸層53具有例如約IOnm的厚度。對通過執(zhí)行上述層的晶體生長而獲得的層疊結構體進行以下器件處理。具體地，在ρ型GaN接觸層53上形成ρ側電極80。對于ρ側電極80，例如，使用鈀-鉬-金(Pd/Pt/Au)復合膜。Pd膜具有例如0. 05 μ m的厚度。Pt膜具有例如0. 05 μ m 的厚度。Au膜具有例如0.05 μ m的厚度。然而，對于ρ側電極80，除該復合膜之外，可以使用諸如銦錫氧化物(ITO)的透明電極或者諸如Ag的高反射性金屬。此后，部分地干法蝕刻上述層疊結構體以暴露η型GaN接觸層22，并形成η側電極 70。對于η側電極70，例如，使用鈦-鉬-金(Ti/Pt/Au)復合膜。Ti膜具有例如約0. 05 μ m 的厚度。Pt膜具有例如約0. 05 μ m的厚度。Au膜具有例如約1. 0 μ m的厚度。由此制造出圖2中所示例的半導體發(fā)光器件110。圖3A到5B為示例了勢壘層的表面狀態(tài)的視圖。具體地，圖3A和;3B示例了不具有第二層BL2的勢壘層41a的表面。圖4A和4B示例了具有其Al組成比為0. 5%的第二層BL2的勢壘層41b的表面。圖5A和5B示例了具有其Al組成比為5%的第二層BL2的勢壘層41c的表面。圖3A、4A和5A分別為勢壘層41a、41b和41c的原子力顯微鏡(AFM)圖像。在這些圖像中，較亮的部分指示出表面高度較高的區(qū)域，而較暗的部分指示出表面高度較低的區(qū)域。圖;3B、4B和5B分別為通過利用熒光顯微鏡觀察勢壘層41a、41b和41c而獲得的圖像。在這些圖像中，亮部分指示出晶體缺陷。圖4A中示出的勢壘層41b的表面比圖3A中示出的勢壘層41a和圖5A中示出的勢壘層41c的表面更平坦。此外，圖:3B中示出的勢壘層41a具有比缺陷比圖4B中示出的勢壘層41b和圖5B中示出的勢壘層41c更多出現的晶體缺陷。此外，圖5B中示出的勢壘層41c具有比圖4B中示出的勢壘層41B更少的晶體缺陷。圖6A和6B均為示例出發(fā)光層40的一部分(即，半導體發(fā)光器件的一部分)的截面透射電子顯微鏡(TEM)圖像的圖。具體地，圖6A示例了具有上述阱層42和勢壘層41a的發(fā)光層40。圖6B示例了具有上述阱層42和勢壘層41c的發(fā)光層40。在圖6A中示例的發(fā)光層40中，觀察到了阱層42的一部分的消失，如圖6A中的虛線圈A所示。另一方面，在圖6B中示例的發(fā)光層40中，沒有觀察到阱層42的消失。如上所述，在其中勢壘層41具有第二層BL2的半導體發(fā)光器件中，抑制了勢壘層 41中的晶體缺陷。這抑制了當生長勢壘層41時由加熱導致的阱層42的消失。此外，勢壘層41的第一層BLl抑制了在阱層42與第二層BL2之間的應變。這改善了長波長區(qū)域中的發(fā)光效率。
通常，在形成包含InGaN的阱層42的情況下，在阱層42中發(fā)生h組成比的波動， 當在阱層42上形成勢壘層41時，在具有高h組成比的區(qū)域中阻礙了勢壘層41的生長。這更可能導致在勢壘層41中形成凹坑(晶體缺陷)。這些凹坑影響了勢壘層41的平坦度。當勢壘層41的膜厚度出現分布時，不能獲得足夠的量子效應。此外，在形成勢壘層41時，阱層42會部分地分解或消失。此外，在層疊阱層42和勢壘層41的工藝中，在具有高h組成比的區(qū)域中的凹坑內部發(fā)生異常生長。因此，當在形成發(fā)光層40之后在比發(fā)光層40更高的溫度下生長ρ型半導體層50時，會從異常生長的部分開始發(fā)生發(fā)光層40的劣化。這影響了發(fā)光效率。在根據該實施例的半導體發(fā)光器件110中，因為設置了包含AlxGa1J (0 < χ ^ 0. 05)的第二層BL2，因此顯著抑制了勢壘層41中凹坑的形成。因此，可以獲得具有良好表面平坦度的勢壘層41。換言之，通過在勢壘層41中設置包含少量Al的第二層BL2， 在生長勢壘層期間促進了橫向生長。結果，阱層42被充分覆蓋，并改善了接下來將要層疊的勢壘層41 (例如，第三層BL3)的平坦度。此外，抑制了在形成勢壘層41時阱層42的消失。將通過與比較例進行比較來說明根據該實施例的半導體發(fā)光器件。圖7A和7E為示例出根據該實施例的半導體發(fā)光器件和比較例的半導體發(fā)光器件的配置的示意圖。具體地，圖7A到7E中的每一個通過模型示出了在半導體發(fā)光器件的發(fā)光部中的導帶的能帶。圖7A對應于根據第一實例的半導體發(fā)光器件120，圖7B到7E分別對應于根據第一到第四比較例的半導體發(fā)光器件191到194。根據第一實例的半導體發(fā)光器件120具有與圖1中示出的半導體發(fā)光器件110相同的結構。通過參考該附圖，下面將描述第一實例。如下制造半導體發(fā)光器件120。首先，將通過有機清潔和酸清潔處理的藍寶石襯底放置到MOCVD裝置的反應腔中，并通過使用三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)形成30nm厚度的由GaN構成的緩沖層11。然后，使用氮氣和氫氣作為載體氣體，TMG和氨作為原材料氣體，硅烷(SiH4)作為雜質原材料氣體，在1120°C下形成2 μ m厚度的未摻雜的GaN基底層21。隨后，形成具有 4 μ m厚度的η型GaN接觸層22。
此后，在氮氣氣氛下，使用TMG和氨，在800°C下形成2nm厚度的未摻雜的GaN， 隨后，在相同的溫度下向其進一步添加三甲基銦(TMI)以形成具有Inm厚度的未摻雜的 Maci7Giia93^在重復這樣的工藝二十次之后，最后添加作為雜質原材料氣體的硅烷以形成具有2nm厚度的η型GaN。由此，形成η型超晶格層30。隨后，在氮氣氣氛中，使用TMG和氨，在800°C下形成Inm厚度的由未摻雜的GaN構成的第一層BL1。此外，使用三甲基鋁(TMA)、TMG以及氨，在800°C下形成2nm厚度的由未摻雜的Alacitl5GEia 995N構成的第二層BL2。此后，使用TMG和氨，在850°C的襯底溫度下，形成9. 5nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第三層BL3。由此，形成包括第一到第三層BLl到BL3并具有12. 5nm的總膜厚度的第
一勢壘層Bi。隨后，在730°C的襯底溫度下，使用TMG、TMI以及氨，形成具有1. 5nm厚度的由未摻雜的Ina25GEia75M^成的第一阱層Wl。然后，在相同的溫度下，使用TMG和氨，形成Inm厚度的由未摻雜的GaN構成的將作為第二勢壘層B2的一部分的第一層BL1。此外，使用三甲基鋁(TMA)、TMG以及氨，生長 2nm厚度的由未摻雜的Alacitl5GEia 995N構成的第二層BL2。之后，在850°C的襯底溫度下，使用TMG和氨，形成9. 5nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第三層BL3。由此，形成包括第一到第三層BLl到BL3并具有12. 5nm的總膜厚度的第二勢壘層B2。進一步重復形成阱層42、第一層BL1、第二層BL2以及第三層BL3七次以形成發(fā)光層40。然后，在包括氮氣和氫氣的氣氛中，使用TMA、TMG以及氨并進一步使用雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為雜質原材料，在1030°C下形成IOnm厚度的ρ型MGaN層51。此外，使用TMG和氨，形成80nm厚度的ρ型GaN層52，并形成具有5nm厚度的ρ型GaN接觸層53。在完成生長之后，將溫度降低到室溫，并通過干法蝕刻去除由此獲得的多層結構的一部分直到暴露η型GaN接觸層22。然后，在暴露的η型GaN接觸層22上，形成包括Ti/ Pt/Au的η側電極70。此外，在ρ型GaN接觸層53上，形成包含ITO的ρ側電極80。下面將說明比較例。(比較例1)如圖7Β所示，如下獲得根據第一比較例的半導體發(fā)光器件191。在730°C下形成阱層42。隨后，作為勢壘層41，形成2nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第一層，然后在850°C 下形成具有10. 5nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第三層BL3。換言之，沒有設置由未摻雜的 Alacitl5GEia 995N 構成的第二層 BL2。(比較例2)如圖7C示，如下獲得根據第二較例的半導體發(fā)光器件192。在730°C下形成阱層 42。隨后，作為勢壘層41，形成2nm厚度的未摻雜的Ala 005Ga0.995N構成的第二層BL2，然后在850°C下形成具有10. 5nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第三層BL3。換言之，沒有設置由未摻雜的GaN構成的第一層BLl。(比較例3)如圖7D所示，如下獲得根據第三比較例的半導體發(fā)光器件193。在730°C下形成阱層42。隨后，作為勢壘層41，形成7. 5nm厚度的由未摻雜的GaN構成的第一層BL1，然后形成2nm厚度的由未摻雜的Alacitl5GEia 995N構成的第二層BL2，之后在850°C下形成具有3nm 厚度的由未摻雜的GaN構成的第三層BL3。換言之，第一層BLl的厚度大于第三層BL3的厚度。(比較例4)如圖7E所示，在第四比較例的半導體發(fā)光器件194中，勢壘層41具有第一層BLl、 第二層BL2以及第三層BL3。然而，在半導體發(fā)光器件194中，將未摻雜的AlaUG^185N用于第二層BL2。換言之，在AlxGahN中的Al組成比為0. 15，因此不滿足0 < χ彡0. 05。圖8為示例出根據該實施例的半導體發(fā)光器件和根據各比較例的半導體發(fā)光器件的特性的圖。具體地，圖8示出了在20mA的驅動電流下的光發(fā)射輸出。圖8的垂直軸指示出假設第一比較例的半導體發(fā)光器件191的光發(fā)射輸出為1時的歸一化的光發(fā)射輸出Ir。因此在所有的半導體發(fā)光器件120和第一到第四比較例的半導體發(fā)光器件191到 194中，光發(fā)射波長為500nm，發(fā)射藍-綠光。
如圖8所示，在根據該實施例的半導體發(fā)光器件120中的光發(fā)射輸出(歸一化的光發(fā)射輸出Ir)高于比較例中的任何一個的光發(fā)射輸出。在根據第一實例的半導體發(fā)光器件120中，勢壘層41具有上述的第一層BLl、第二層BL2和第三層BL3，因此形成了具有良好平坦度的勢壘層41。換言之，在半導體發(fā)光器件120中，因為設置了包含AlxGai_xN(0<x<0.05)的第二層BL2，顯著抑制了在勢壘層41中的凹坑(缺陷)的形成。因此，改善了勢壘層的結晶質量，由此可以獲得具有良好表面平坦度的勢壘層41。另外，抑制了在形成勢壘層41時阱層 42的消失，從而改善了發(fā)光效率。此外，減小了器件特性的變化。此外，因為在阱層42與第二勢壘層BL2之間設置了第一層BL1，抑制了會在阱層 42中發(fā)生的缺陷和相分離，從而改善了阱層的結晶質量。此外，在半導體發(fā)光器件120中，增強了阱層42中的載流子限制效應。并且，第三層BL3在高溫下的形成改善了結晶質量，這可以獲得具有更好的表面平坦度的勢壘層41。結果，改善了勢壘層41與阱層42之間的界面突變性，由此進一步改善了發(fā)光效率。認為第一比較例的光發(fā)射輸出低于第一實例的光發(fā)射輸出的原因是因為在形成第三層BL3時阱層42部分地消失。此外，由勢壘層41中形成的凹坑造成的異常生長導致了在高溫下形成P型半導體層50時有源層(發(fā)光層40)的熱劣化。因此，觀察到了光發(fā)射峰的展寬。這被認為是光發(fā)射輸出降低的原因。第二比較例的光發(fā)射輸出與第一比較實例相比有所改善。這是因為，通過設置由 Altl.OO5Giia 995N構成的第二層BL2，抑制了阱層的消失，從而允許獲得均勻阱層。然而，第二比較例的光發(fā)射輸出低于第一實例的光發(fā)射輸出。在第二比較例中，第二層BL2與阱層42彼此直接接觸，這導致第二層BL2與阱層42之間的大晶格失配。結果， 在第二比較例中，阱層42中的應變和缺陷傾向于增加。這被認為是因為與第一實例相比第二比較例中的結晶質量差和光發(fā)射輸出低的原因。第三比較例的輸出低于第一比較例的輸出。這被認為是因為第一層BLl的大厚度使得難以在第二層BL2中獲得足夠的平坦化效果，因此當在高溫下形成ρ型半導體層50時會劣化發(fā)光層40。第四比較例的輸出低于第一比較例的輸出。在第二層BL2的Al組成比大于0. 1 的情況下，通過過量地供給Al會使第二層BL2的表面平坦度劣化，這導致效率降低。在第四比較例中，過高的Al組成比使第二層BL2的表面平坦度劣化。這被認為是因為勢壘層41 的結晶質量劣化的原因。此外，認為阱層42中的增加的應變和缺陷是較低輸出的原因。比較而言，在根據第一實例的半導體發(fā)光器件120中，形成具有均勻膜厚度的阱層42，由此抑制了缺陷在勢壘層41中的形成。與上述比較例中的任一個相比，這改善了光發(fā)射輸出(發(fā)光效率)。此外，均勻阱層42的形成還提高了半導體發(fā)光器件120的產率。(第二實施例)本發(fā)明的第二實施例是用于制造半導體發(fā)光器件的方法。該制造方法為用于制造這樣的半導體發(fā)光器件的方法，該半導體發(fā)光器件包括 包含氮化物半導體的η型半導體層20 ；包含氮化物半導體的ρ型半導體層50 ；包含氮化物半導體并被設置在η型半導體層20與ρ型半導體層50之間的多個勢壘層41 ；以及阱層41，每一個阱層均被設置在所述多個勢壘層41中的相鄰的兩個勢壘層之間并具有小于勢壘層 41的帶隙能量。圖9為示例出根據第二實施例的用于制造半導體發(fā)光器件的方法的流程圖。如圖9所示，該制造方法包括勢壘層41的形成工序，勢壘層41的形成工序包括以下工藝。勢壘層41的形成工序包括在阱層41上形成第一層BLl (步驟S110)；在第一層 BLl上形成第二層BL2，所述第二層BL2包含AlxGai_xN(0 < χ ^ 0. 05)并具有大于第一層 BLl的帶隙能量(步驟S120)；升高溫度(步驟S130)；以及在比用于形成第一層BLl和第二層BL2的溫度高的溫度下在第二層BL2上形成第三層BL3，所述第三層BL3的帶隙能量小于第二層BL2的帶隙能量，所述第三層BL3的厚度不小于第一和第二層BLl和BL2的總厚度(步驟S140)。這里，在步驟SllO和步驟S120中，第一層BLl和第二層BL2的生長溫度為例如 600 °C 到 IOOO0Co 在步驟S140中，第三層BL3的生長溫度高于第一層BLl和第二層BL2的生長溫度， 為例如700°C到IOOO0Co在第三層BL3與第一和第二層BLl和BL2之間生長氣氛和原材料氣體變化的情況下，可以在步驟S130中改變生長條件。此外，可以在各工藝之間設置生長中斷。具體地，例如，可以設置僅僅引入V族原材料氣體的時間。通過設置這樣的生長中斷，改善了在勢壘層BL之間的界面突變性?？梢詫⒗鏝H3氣體用于V族原材料氣體。另一方面，對于111族原材料氣體，例如，可以使用諸如( (CH3) 3和( (C2H5) 3的有機金屬( 化合物氣體以及諸如h (CH3) 3和h (C2H5) 3的有機金屬h化合物氣體。此外，在勢壘層BL和阱層WL包含Al的情況下，例如，可以使用諸如Al (CH3) 3和Al (C2H5) 3的有機金屬Al化合物氣體作為III族原材料。根據該實施例的制造半導體發(fā)光器件的方法使得能夠制造具有改善的發(fā)光效率的半導體發(fā)光器件。雖然對其中發(fā)光層40具有MQW結構的實例進行了說明，該MQW結構包括將阱層42 夾在其間的多組勢壘層41，但發(fā)光層40可以具有單量子阱(SQW)結構，該SQW結構包括將阱層42夾在其間的一組勢壘層41。根據該實施例的半導體發(fā)光器件及其制造方法可以被應用于紫外光、藍紫光、藍光或綠光激光二極管(LD)以及紫外光、藍紫光、藍光或綠光LED。在說明書中，“氮化物半導體”包括化學式BJnyAlzGai_x_y_zN(0彡χ彡1，0彡y彡1， O^z^ l,x+y+z ^ 1)的半導體的所有組合物，其中組成比x、y和ζ中的每一個在范圍內變化。此外，“氮化物半導體”還包括在上述化學式中除了 N(氮)之外的V族元素、所添加的用于控制諸如導電性類型等等的各種特性的各種元素，以及非故意地包含的各種元素。上文中，參考具體實例描述了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明并不受這些具體實例的限制。例如，本領域的技術人員可以對半導體發(fā)光器件的各要素(例如η型半導體層、P型半導體層、發(fā)光層、阱層、勢壘層、電極、襯底、以及緩沖層)的結構、尺寸、材料品質、 設置等等做出各種修改，這樣的修改被以包括本發(fā)明的主旨的程度而被包括在本發(fā)明的范圍內。此外，可以在技術可行的范圍內組合具體實例的任何兩個或多個要素；并以包括本發(fā)明的主旨的程度而被包括在本發(fā)明的范圍內。此外，本領域的技術人員基于上述作為本發(fā)明的示例性實施例而描述的半導體發(fā)光器件可通過適宜的設計修改而實施的所有半導體發(fā)光器件同樣以包括本發(fā)明的主旨的程度而被包括在本發(fā)明的范圍內。此外，在本發(fā)明的精神內的各種修改和替代對于本領域的技術人員而言是顯而易見的。因此，應將所有這樣的修改和替代視為在本發(fā)明的范圍內。雖然描述了特定的實施例，但是這些實施例僅僅以實例的方式給出，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。實際上，這里描述的新穎實施例可以被具體化為各種其他的形式；此外，可以進行這里描述的實施例的形式上的各種省略、替換和改變而不背離本發(fā)明的精神。 所附權利要求及其等價物旨在覆蓋落入本發(fā)明的范圍和精神內的這樣的形式或修改。
權利要求
1.一種半導體發(fā)光器件，包括η型半導體層，其包含氮化物半導體； P型半導體層，其包含氮化物半導體； 發(fā)光層，其包括多個勢壘層，其被設置在所述η型半導體層與所述P型半導體層之間，所述勢壘層包含氮化物半導體；以及阱層，其被設置在所述多個勢壘層之間，所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量，所述阱層包含InGaN，所述多個勢壘層中的至少一個包括第一層；第二層，其被設置為比所述第一層更靠近所述P型半導體層；以及第三層，其被設置為比所述第二層更靠近所述P型半導體層， 所述第二層包含AlxGai_xN(0 < X < 0. 05)，其中X為Al在III族元素中的原子比， 所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量和所述第三層的帶隙能量， 所述第一層和所述第二層的總厚度不大于所述第三層的厚度。
2.根據權利要求1的器件，其中所述第一層與所述阱層接觸。
3.根據權利要求1的器件，其中所述第一層包含h。
4.根據權利要求1的器件，其中所述第一層包含AlylInzl(iai_yl_zlN(0彡yl彡1，0彡zl彡1，0彡yl+zl彡1)，其中yl 為Al在III族元素中的原子比，zl為h在III族元素中的原子比，并且所述第三層包含Aly2Inz2(iai_y2_z2N(0彡y2彡1，0彡z2彡1，0彡y2+z2彡1)，其中y2 為Al在III族元素中的原子比，z2為h在III族元素中的原子比。
5.根據權利要求1的器件，其中所述第一層的厚度不小于一個單層的厚度且不大于5納米，并且所述第二層的厚度不小于一個單層的厚度且不大于5納米。
6.根據權利要求3的器件，其中所述第一層的組合物與所述第三層的組合物相同。
7.根據權利要求3的器件，其中所述第一層的組合物與所述第三層的組合物不同。
8.根據權利要求1的器件，其中所述發(fā)光部具有多量子阱結構，在所述多量子阱結構中設置有多個所述阱層。
9.根據權利要求1的器件，其中所述發(fā)光部具有單量子阱結構，在所述單量子阱結構中設置有單個所述阱層。
10.根據權利要求1的器件，還包括被設置在所述η型半導體層與所述發(fā)光層之間的超晶格層。
11.根據權利要求10的器件，其中所述超晶格層包括交替層疊的多個InGaN層和多介GaN 層。
12.—種半導體發(fā)光器件，包括 襯底；η型半導體層，其包含氮化物半導體； P型半導體層，其包含氮化物半導體；發(fā)光層，其包括多個勢壘層，其被設置在所述η型半導體層與所述P型半導體層之間，所述勢壘層包含氮化物半導體；以及阱層，其被設置在所述多個勢壘層之間，所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量，所述阱層包含InGaN，所述多個勢壘層中的至少一個包括第一層；第二層，其被設置為比所述第一層更靠近所述P型半導體層；以及第三層，其被設置為比所述第二層更靠近所述P型半導體層， 所述第二層包含AlxGai_xN(0 < X < 0. 05)，其中X為Al在III族元素中的原子比， 所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量和所述第三層的帶隙能量， 所述第一層和所述第二層的總厚度不大于所述第三層的厚度。
13.根據權利要求12的器件，其中所述第一層與所述阱層接觸。
14.根據權利要求12的器件，其中所述第一層包含AlylInzl(iai_yl_zlN(0彡yl彡1，0彡zl彡1，0彡yl+zl彡1)，其中yl 為Al在III族元素中的原子比，zl為h在III族元素中的原子比，并且所述第三層包含Aly2Inz2(iai_y2_z2N(0彡y2彡1，0彡z2彡1，0彡y2+z2彡1)，其中y2 為Al在III族元素中的原子比，z2為h在III族元素中的原子比。
15.根據權利要求12的器件，其中所述第一層的厚度不小于一個單層的厚度且不大于5納米，并且所述第二層的厚度不小于一個單層的厚度且不大于5納米。
16.一種制造半導體發(fā)光器件的方法，所述半導體發(fā)光器件包括包含氮化物半導體的n型半導體層；包含氮化物半導體的ρ型半導體層；多個勢壘層，其被設置在所述η型半導體層與所述P型半導體層之間，所述勢壘層包含氮化物半導體；以及阱層，其被設置在所述多個勢壘層之間，所述阱層的帶隙能量小于所述勢壘層的帶隙能量，并且所述阱層包含 InGaN，所述方法包括以下步驟形成所述勢壘層中的至少一個，所述形成勢壘層包括 在所述阱層上形成第一層；在所述第一層上形成第二層，所述第二層包含Alx(iai_xN(0 < χ < 0. 05)，其中χ為Al 在III族元素中的原子比，所述第二層的帶隙能量大于所述第一層的帶隙能量；以及在比用于形成所述第一層和形成所述第二層的溫度高的溫度下在所述第二層上形成第三層，所述第三層的帶隙能量小于所述第二層的帶隙能量，并且所述第三層的厚度不小于所述第一層和所述第二層的總厚度。
17.根據權利要求16的方法，其中所述形成所述第一層包括將所述第一層形成為與所述阱層接觸。
18.根據權利要求16的方法，其中所述第一層包含 AlylInzl(iai_yl_zlN(0 ^ yl ^ 1,0 ^ zl ^ 1,0 ^ yl+zl 彡 1)，其中 yl 為Al在III族元素中的原子比，zl為h在III族元素中的原子比，并且所述第三層包含Aly2Inz2(iai_y2_z2N(0彡y2彡1，0彡z2彡1，0彡y2+z2彡1)，其中y2為Al在III族元素中的原子比，z2為h在III族元素中的原子比。
19.根據權利要求16的方法，其中所述第一層的厚度不小于一個單層且不大于5納米，并且所述第二層的厚度不小于一個單層且不大于5納米。
20.根據權利要求16的方法，其中所述形成所述勢壘層中的至少一個是在形成于超晶格層上的所述阱層上進行的，所述超晶格層被設置在所述η型半導體層上。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件及其制造方法。根據一個實施例，一種半導體發(fā)光器件包括n型和p型半導體層、勢壘層以及阱層。所述n型和p型半導體層以及勢壘層包含氮化物半導體。勢壘層被設置在n型半導體層與p型半導體層之間。阱層被設置在勢壘層之間，阱層的帶隙能量小于勢壘層的帶隙能量，阱層包含InGaN。勢壘層中的至少一個包括第一層、第二層以及第三層。第二層被設置為比第一層更靠近p型半導體層。第三層被設置為比第二層更靠近p型半導體層。第二層包含AlxGa1-xN(0＜x≤0.05)。第二層的帶隙能量大于第一和第三層的帶隙能量。第一和第二層的總厚度不大于第三層的厚度。
文檔編號H01L33/06GK102169931SQ20101027558
公開日2011年8月31日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年2月25日
發(fā)明者原田佳幸, 布上真也, 彥坂年輝, 鹽田倫也 申請人:株式會社東芝