半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
【專利摘要】本公開涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。根據(jù)一實(shí)施例，半導(dǎo)體發(fā)光元件包括其中包括氮化物半導(dǎo)體的n型半導(dǎo)體層、p型半導(dǎo)體層和發(fā)光層。所述p型半導(dǎo)體層包括其中包括Mg的Alx1Ga1-x1N(0≤x1<1)的第一p側(cè)層，包括Mg的Alx2Ga1-x2N(0<x2<1)的第二p側(cè)層，以及包括Mg的Alx3Ga1-x3N(x2<x3<1)的第三p側(cè)層。所述發(fā)光層被提供在所述n型半導(dǎo)體層和所述第二p側(cè)層之間。發(fā)光層包括勢(shì)壘層以及阱層。每一個(gè)阱層被提供在所述勢(shì)壘層之間。勢(shì)壘層中與第二p側(cè)層最靠近的p側(cè)勢(shì)壘層包括Alz1Ga1-z1N(0≤z1)的第一層以及Alz2Ga1-z2N(z1<z2<x2)的第二層。
【專利說明】半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)基于并主張2012年12月28日提交的日本專利申請(qǐng)N0.2012-287340的優(yōu)先權(quán)；該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]此處所描述的各實(shí)施例總體上涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]正在開發(fā)使用氮化物半導(dǎo)體的諸如發(fā)光二極管、激光二極管等的半導(dǎo)體發(fā)光元件。期望提高這樣的半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意視圖；
[0006]圖2是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意截面圖；
[0007]圖3是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的圖；
[0008]圖4A到圖4C是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的另一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意視圖；
[0009]圖5是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意截面圖；
[0010]圖6是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的圖；以及
[0011]圖7是示出了根據(jù)第三實(shí)施例的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體發(fā)光元件包括η型半導(dǎo)體層、ρ型半導(dǎo)體層和發(fā)光層，其中η型半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體。所述ρ型半導(dǎo)體層包括其中包括Mg的AlxlGa1^xlN(O ^xKl)的第一ρ側(cè)層、其中包括Mg的Α1χ26&1_χ2Ν(0〈χ2〈1)的第二ρ側(cè)層，以及其中包括Mg的Alx3Gah3N (χ2〈χ3〈1)的第三ρ側(cè)層。在第一 P側(cè)層和η型半導(dǎo)體層之間提供了第二 P側(cè)層。在第一 P側(cè)層和第二 P側(cè)層之間提供了第三P側(cè)層。在所述η型半導(dǎo)體層和所述第二P側(cè)層之間提供所述發(fā)光層。發(fā)光層包括多個(gè)勢(shì)壘層和多個(gè)阱層。每一個(gè)阱層都提供在所述勢(shì)壘層之間。勢(shì)壘層中最鄰近第二 P側(cè)層的P側(cè)勢(shì)壘層包括AlzlGah1N(OSzl)的第一層，以及Alz2Ga^2N(zl〈z2〈X2)的第二層。在第一層和第二 ρ側(cè)層之間提供該第二層。第二層與第一層和第二 P側(cè)層接觸。所述P側(cè)勢(shì)壘層的厚度小于3.5納米。
[0013]根據(jù)一實(shí)施例，公開了用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。所述元件包括η型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層、以及在所述η型半導(dǎo)體層和所述第二 P側(cè)層之間提供的發(fā)光層，所述η型半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體，所述ρ型半導(dǎo)體層包括其中包括Mg的AlxlGa1^xlN(O ( xKl)的第一 ρ側(cè)層，在所述第一 ρ側(cè)層和所述η型半導(dǎo)體層之間提供的包括Mg的Alx2Gah2N(0〈χ2〈1)的第二 ρ側(cè)層，以及，在所述第一 ρ側(cè)層和所述第二 ρ側(cè)層之間提供的包括Mg的Alx3Gah3N (χ2〈χ3〈1)的第三ρ側(cè)層，所述發(fā)光層包括多個(gè)勢(shì)壘層和分別在所述多個(gè)勢(shì)壘層之間提供的多個(gè)阱層。
[0014]所述方法可包括在η型半導(dǎo)體層上形成發(fā)光層，以及在發(fā)光層上形成P型半導(dǎo)體層。形成所述發(fā)光層包括使所述多個(gè)勢(shì)壘層中最鄰近所述第二 P側(cè)層的P側(cè)勢(shì)壘層包括AlzlGa1^1N(O≤zl)的第一層和的第二層,所述第一層是在所述η型半導(dǎo)體層和所述第二 P側(cè)層之間提供的，所述第二層是在所述第一層和所述第二 P側(cè)層之間提供的，以接觸所述第一層和所述第二 P側(cè)層，所述P側(cè)勢(shì)壘層的厚度小于3.5納米。
[0015]下面將參考附圖來描述各實(shí)施例。
[0016]附圖是示意性的或概念性的；而各部分的厚度和寬度、各部分之間的大小的比例等等之間的關(guān)系不一定與其實(shí)際值相同。進(jìn)一步地，即使對(duì)于相同的部分，在各附圖之間，大小和/或比例也可以以不同的方式示出。
[0017]在本申請(qǐng)的附圖和說明書中，類似于對(duì)于其上面的附圖所描述的那些組件的組件用類似的參考編號(hào)標(biāo)記，相應(yīng)地省略了詳細(xì)描述。
[0018]第一實(shí)施例[0019]圖1是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意視圖。
[0020]圖2是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意截面圖。
[0021]首先，將參考圖2來描述半導(dǎo)體發(fā)光元件的配置的概述。
[0022]如圖2所示，根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件110包括η型半導(dǎo)體層10、ρ型半導(dǎo)體層20以及發(fā)光層30。發(fā)光層30提供在η型半導(dǎo)體層10和ρ型半導(dǎo)體層20之間。
[0023]η型半導(dǎo)體層10包括氮化物半導(dǎo)體。
[0024]η型半導(dǎo)體層10包括，例如，摻雜了硅(Si)的η型GaN層。η型半導(dǎo)體層10包括η型接觸層。η型接觸層的Si濃度，例如，不小于I X IO18 (原子/cm3)，并且不大于I X IO19 (原子/cm3)，例如，大約8 X IO18 (原子/cm3)。η型半導(dǎo)體層10的厚度是，例如，不小于2微米(μ m)并且不大于8 μ m,例如，為5 μ m。η型半導(dǎo)體層10的至少一部分充當(dāng)，例如，η型包覆層。
[0025]以從η型半導(dǎo)體層10朝向ρ型半導(dǎo)體層20的方向作為Z軸方向。Z軸方向平行于包括η型半導(dǎo)體層10、發(fā)光層30以及ρ型半導(dǎo)體層20的層疊結(jié)構(gòu)體90的層疊方向。
[0026]在說明書中，層疊的狀態(tài)不僅包括彼此接觸地重疊的狀態(tài)，而且還包括與在它們之間插入的另一層重疊的狀態(tài)。
[0027]ρ型半導(dǎo)體層20包括第一 ρ側(cè)層21、第二 ρ側(cè)層22，以及第三ρ側(cè)層23。第二 ρ側(cè)層22被安置在第一 ρ側(cè)層21和η型半導(dǎo)體層10之間。第三ρ側(cè)層23被安置在第一 ρ側(cè)層21和第二 ρ側(cè)層22之間。在示例中，進(jìn)一步提供了第四ρ側(cè)層24。第四ρ側(cè)層24被安置在第一 P側(cè)層21和第三ρ側(cè)層23之間。
[0028]第一 P側(cè)層21包括Mg。第一 P側(cè)層21包括，例如，AlxlGah1N(OSxKl)tj例如，第一 P側(cè)層21的Al成分比率Xl小于0.01，并且不小于O。第一 P側(cè)層21包括，例如，ρ型GaN層。第一 ρ側(cè)層21是，例如，ρ側(cè)接觸層。例如，第一 ρ側(cè)層21的Mg濃度，不小于
IX IO2tlCnT3，并且不大于3 X 1021CnT3。例如，第一 ρ側(cè)層21的厚度不小于5納米(nm)，并且不大于20納米，例如，大約10納米。
[0029]第二 ρ側(cè)層22包括Mg。例如，使用Alx2Ga^2N (0〈x2〈I)層作為第二 P側(cè)層22。
[0030]第三ρ側(cè)層23包括Mg。例如，使用Alx3Ga^3N (x2〈x3〈I)層作為第三ρ側(cè)層23。[0031]下面將描述第二 ρ側(cè)層22和第三ρ側(cè)層23的示例。
[0032]第四ρ側(cè)層24包括Mg。例如，使用Alx4Ga1^x4N(O ≤ x4<1)作為第四P側(cè)層24。第四ρ側(cè)層24的Al成分比率x4低于Al成分比率x3。例如，Al成分比率x4低于Al成分比率x2。例如，Al成分比率x4小于0.1并且不小于O。例如，使用ρ型GaN層作為第四ρ側(cè)層24。第四ρ側(cè)層24充當(dāng),例如，ρ側(cè)包覆層。第四P側(cè)層24的Mg濃度低于第一 ρ側(cè)層21的Mg濃度。第四ρ側(cè)層24的Mg濃度，例如，不小于I X IO19CnT3，并且不大于I X102°cm_3。例如，第四P側(cè)層24的厚度不小于20nm,并且不大于150nm,例如，大約80nm。
[0033]在η型半導(dǎo)體層10和ρ型半導(dǎo)體層20的第二 ρ側(cè)層22之間安置了發(fā)光層30。
[0034]在示例中，η型半導(dǎo)體層10具有第一部分IOp和第二部分10q。沿著垂直于Z軸方向的方向布置第二部分IOq與第一部分10p。在示例中，P型半導(dǎo)體層20與第一部分IOp相對(duì)。在第一部分IOp和ρ型半導(dǎo)體層20之間提供發(fā)光層30。
[0035]在本申請(qǐng)的說明書中，相對(duì)的狀態(tài)不僅包括彼此直接面對(duì)的狀態(tài)，而且還包括在它們之間插入另一組件的狀態(tài)。
[0036]發(fā)光層30具有，例如，多量子阱(MQW)配置。發(fā)光層30包括多個(gè)勢(shì)壘層31和多個(gè)阱層32。多個(gè)阱層32分別在多個(gè)勢(shì)壘層31之間提供。例如，沿著Z軸方向交替地層疊多個(gè)勢(shì)壘層31和多個(gè)阱層32。
[0037]發(fā)光層30包括，例如，n+1個(gè)勢(shì)壘層31和η個(gè)阱層32(η是不小于2的整數(shù))。第(i+1)勢(shì)壘層BL(i+l)被安置在第i勢(shì)壘層BLi和ρ型半導(dǎo)體層20之間(i是不小于I并且不大于η-1的整數(shù))。第(i+1)阱層WL(i+l)被安置在第η阱層WLn和ρ型半導(dǎo)體層20之間。在η型半導(dǎo)體層10和第一阱層WLl之間提供第一勢(shì)壘層BLl。在第η勢(shì)壘層BLn和第(n+1)勢(shì)壘層BL (n+1)之間提供第η阱層WLn。在第η阱層WLn和ρ型半導(dǎo)體層20之間提供第(n+1)勢(shì)壘層BL (n+1)。例如，阱層32的數(shù)量η不小于6層。
[0038]勢(shì)壘層31包括，例如，AlzlInylGa1I1N(O≤yl〈l且O≤zl〈l)。阱層32包括Iny2Ga1^y2N(0<y2 ( I且yl〈y2)。換言之，阱層32包括In。在勢(shì)壘層31包括In的情況下，勢(shì)壘層31的In成分比率yl低于阱層32的In成分比率y2?；蛘?，勢(shì)壘層31基本上不包括In。勢(shì)魚層31包括,例如,GaN層。勢(shì)魚層31的帶隙能大于講層32的帶隙能。例如,勢(shì)壘層31的In成分比率yl不大于0.01。阱層32的In成分比率y2，例如，不小于0.08并且不大于0.18，例如，不小于0.1并且不大于0.14。
[0039]阱層32的厚度是，例如，不小于1.5納米并且不大于6納米。
[0040]如下面將描述的，多個(gè)勢(shì)壘層31中與ρ型半導(dǎo)體層20鄰近的勢(shì)壘層31的厚度是薄的。例如，除與P型半導(dǎo)體層20鄰近的勢(shì)壘層31之外的勢(shì)壘層31的厚度不小于3.5納米并且不大于8納米。
[0041]多個(gè)勢(shì)壘層31中最鄰近ρ型半導(dǎo)體層20的勢(shì)壘層31被稱為ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ。ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ對(duì)應(yīng)于第(i+1)勢(shì)壘層BL (i+Ι)。多個(gè)阱層32中最鄰近ρ型半導(dǎo)體層20的阱層32被稱為ρ側(cè)阱層32ρ。ρ側(cè)阱層32ρ對(duì)應(yīng)于第η阱層WLn。例如，ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ對(duì)應(yīng)于多個(gè)勢(shì)壘層31中最上面的勢(shì)壘層。例如，ρ側(cè)阱層32ρ對(duì)應(yīng)于多個(gè)阱層32中最上面的阱層。
[0042] 現(xiàn)在將描述ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ基本上不包括In的情況的示例。換言之，在P側(cè)勢(shì)壘層31ρ中，上文列舉的In成分比率yl基本上為O。例如，In成分比率yl不大于0.001。[0043]ρ側(cè)勢(shì)魚層31p包括第一層33a和第二層33b。第一層33a被安置在P側(cè)講層32p和P型半導(dǎo)體層20 (例如，第二 ρ側(cè)層22)之間。第二層33b被安置在第一層33a和ρ型半導(dǎo)體層20 (例如，第二 ρ側(cè)層22)之間。
[0044]第一層33a 包括 AlzlGa1^1N(O ≤ zl)層。第二層 33b 包括 Alz2Ga1^2N(zl<z2<x2)層。弟一層33a包括，例如，GaN層。弟二層33b包括，例如，AlGaN層。弟一層33a的Al成分比率zl低于第二層33b的Al成分比率z2。第二層33b不包括Al的狀態(tài)也包括在Al成分比率zl低于Al成分比率z2的狀態(tài)中。第二層33b的Al成分比率z2低于第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2。
[0045]例如，多個(gè)勢(shì)壘層31中的除ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ以外的勢(shì)壘層31的厚度比ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度更厚。例如，多個(gè)勢(shì)壘層31中的除ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ以外的勢(shì)壘層31的厚度比阱層32的厚度更厚。例如，多個(gè)勢(shì)壘層31中的除ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ以外的勢(shì)壘層31的厚度比多個(gè)阱層32中的除ρ側(cè)阱層32ρ以外的阱層32的厚度更厚。
[0046]相反地，例如，存在ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度比阱層32的厚度薄的情況。例如，存在P側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度比P側(cè)阱層32ρ的厚度薄的情況。
[0047]下面將描述ρ側(cè)阱層32ρ和ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的示例。
[0048]在示例中，半導(dǎo)體發(fā)光元件110還包括襯底50、基礎(chǔ)層60、第一電極70以及第二電極80。基 礎(chǔ)層60包括在層疊的結(jié)構(gòu)體90中。在襯底50和η型半導(dǎo)體層10之間提供基礎(chǔ)層60。
[0049]第一電極70電連接到η型半導(dǎo)體層10。第二電極80電連接到ρ型半導(dǎo)體層20。
[0050]在示例中，在η型半導(dǎo)體層10的第二部分IOq上提供第一電極70。第一電極70電連接到η型半導(dǎo)體層10。例如，第二電極80被提供在ρ型半導(dǎo)體層20上，以電連接到ρ型半導(dǎo)體層20。
[0051]在本申請(qǐng)的說明書中，“在...上提供”的狀態(tài)不僅包括直接接觸地提供的狀態(tài)，而且還包括在其之間插入了另一層的狀態(tài)。
[0052]通過在第一電極70和第二電極80之間施加電壓，電流經(jīng)由η型半導(dǎo)體層10和ρ型半導(dǎo)體層20被提供給發(fā)光層30。光從發(fā)光層30發(fā)出。例如，半導(dǎo)體發(fā)光元件110是發(fā)光二極管(LED)。半導(dǎo)體發(fā)光元件110可以是激光二極管(LD)。
[0053]例如,從發(fā)光層30發(fā)出的光(發(fā)射光)的峰值波長(zhǎng)不小于400nm并且不大于650nm。
[0054]在示例中，半導(dǎo)體發(fā)光元件110還包括層疊體40。在η型半導(dǎo)體層10和發(fā)光層30之間提供層疊體40。層疊體40包括在層疊的結(jié)構(gòu)體90中。層疊體40包括，例如，氮化物半導(dǎo)體層的層疊薄膜。
[0055]層疊體40包括，例如，多個(gè)第一薄膜41和多個(gè)第二薄膜42。多個(gè)第一薄膜41和多個(gè)第二薄膜42在Z軸方向交替地層疊。
[0056]第一薄膜41包括，例如，GaN層。第一薄膜41包括，例如，摻雜了 Si的η型GaN層。例如，第一薄膜41的Si濃度不小于5 X 1017Cm_3，并且不大于1 X 1019Cm_3，例如，大約為
2X 1018cm_3o例如,第一薄膜41的厚度不小于Inm并且不大于5nm,例如，為3nm。
[0057]第二薄膜42包括，例如，InGaN層。第二薄膜42包括，例如，無摻雜的InaGa1_aN(0< a〈0.1)層。例如，第二薄膜42的厚度不小于0.5nm,并且不大于5nm，例如，大約lnm。例如，層疊體40具有超晶格結(jié)構(gòu)。在示例中，第二薄膜42的數(shù)量是，例如，不小于20個(gè)薄膜。
[0058]現(xiàn)在將描述發(fā)光層30和ρ型半導(dǎo)體層20的示例。
[0059]圖1是發(fā)光層30和ρ型半導(dǎo)體層20的Al成分比率的示例的類似于模型的圖示。水平軸是深度方向(Z軸方向)的位置dz。垂直軸是Al成分比率CAl。
[0060]如圖1所示，ρ側(cè)講層32ρ、ρ側(cè)勢(shì)魚層31p的第一層33a、ρ側(cè)勢(shì)魚層31ρ的第二層33b、第二 ρ側(cè)層22以及第三ρ側(cè)層23按此順序布置。
[0061]例如，ρ側(cè)阱層32p的Al成分比率CAl基本上為O。
[0062] 第二層33b的Al成分比率z2高于第一層33a的Al成分比率zl。第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2高于第二層33b的Al成分比率z2。第三ρ側(cè)層23的Al成分比率x3高于第二 P側(cè)層22的Al成分比率x2。
[0063]現(xiàn)在將描述ρ側(cè)阱層32ρ、ρ側(cè)勢(shì)壘層31p、第二 ρ側(cè)層22以及第三ρ側(cè)層23的示例。
[0064]例如,P側(cè)講層32ρ包括Ir^Gah^CKyS ( I且yl〈y3)。例如,ρ側(cè)講層32ρ的厚度不小于3納米并且不大于6納米。例如，ρ側(cè)阱層32ρ的厚度可以與其它阱層32的厚度相同或不同。如下面所描述的，P側(cè)阱層32ρ的厚度可以比其它阱層32之一的厚度更厚。P側(cè)阱層32ρ的In成分比率y3可以不同于其它阱層32之一的In成分比率y2。
[0065]ρ側(cè)勢(shì)魚層31p的第一層33a包括AlzlGa1^1N(O ( zl)。例如，ρ側(cè)勢(shì)魚層31ρ的Al成分比率zl基本上為O。例如，Al成分比率zl小于0.003。例如，第一層33a的Mg濃度低于P型半導(dǎo)體層20 (例如，第四ρ側(cè)層24)的Mg濃度。第一層33a包括，例如，無摻雜的GaN層。
[0066]ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b包括，例如，Alz2Gah2N(ZKzZGZ)層。例如，第二層33b的Al成分比率z2小于0.03并且不小于0.003，例如，為0.01。第二層33b的Mg濃度低于P型半導(dǎo)體層20 (例如，第四P側(cè)層24)的Mg濃度。第二層33b包括，例如，無摻雜的AlGaN 層。
[0067]ρ側(cè)勢(shì)魚層31p的厚度小于3.5nm。例如,第一層33a的厚度小于3納米并且不小于2納米。例如，第二層33b的厚度小于1.5納米并且不小于0.5納米。關(guān)于上文列舉的第一層33a的厚度的范圍和關(guān)于上文列舉的第二層33b的厚度的范圍被設(shè)置為滿足ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度小于3.5納米的條件。例如，第一層33a的厚度和第二層33b的厚度的總和小于3.5納米。
[0068]例如，第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率x2小于0.15并且不小于0.03，例如，為0.1。例如，第二 P側(cè)層22充當(dāng)?shù)谝浑娮幼钃鯇右哉T捕發(fā)光層30中的電子。第二 ρ側(cè)層22的Mg濃度不小于5X IO18CnT3,并且不大于5X 1019cnT3。例如,第二 ρ側(cè)層的厚度不小于5nm,并且不大于20nm,例如，大約7.5nm。
[0069]第三ρ側(cè)層23包括Mg。例如，使用Alx3Ga^3N (x2〈x3〈l)層作為第三P側(cè)層23。例如，第三ρ側(cè)層23的Al成分比率x3不小于0.15并且不大于0.25，例如，為0.20。例如，第三P側(cè)層23也充當(dāng)?shù)诙娮幼钃鯇右哉T捕發(fā)光層30中的電子。第三ρ側(cè)層23的Mg濃度高于第二 P側(cè)層22的Mg濃度。例如，第三ρ側(cè)層23的Mg濃度不小于5X 1019cnT3，并且不大于3 X 1020cm_3o例如,第三ρ側(cè)層的厚度不小于5nm,并且不大于20nm,例如，大約7.5nm。
[0070]如此，Al成分比率CAl按照第二層33b、第二 ρ側(cè)層22以及第三ρ側(cè)層23的順序從發(fā)光層30朝向ρ型半導(dǎo)體層20增加。在示例中，Al成分比率Cal分階段地改變(增加)。
[0071]在半導(dǎo)體發(fā)光元件110中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度被設(shè)置為非常薄，即，小于3.5nm。由于ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度非常薄，因此，充當(dāng)電子阻擋層的ρ型半導(dǎo)體層20 (例如，第二 P側(cè)層22)與ρ側(cè)阱層32ρ鄰近。因此，空穴的注入效率大大地提高；并且阱層32中的輻射復(fù)合概率增加。
[0072]同樣，在半導(dǎo)體發(fā)光元件110中，Al成分比率沿著從發(fā)光層30的第二層33b朝向P型半導(dǎo)體層20的方向增加。例如，在ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第一層33a (例如，GaN層)上提供具有0.01的Al成分比率的AlGaN層(第二層33b);在具有0.01的Al成分比率的AlGaN層上提供具有0.1的Al成分比率的AlGaN層(第二 ρ側(cè)層22);以及在具有0.1的Al成分比率的AlGaN層上提供具有0.2的Al成分比率的AlGaN層(第三ρ側(cè)層23)。如此，可以通過在與阱層32鄰近的部分(P側(cè)勢(shì)壘層31ρ的第二層33b)將Al成分比率CAl設(shè)置為低，并通過在遠(yuǎn)離阱層32的部分(第三ρ側(cè)層23)將Al成分比率CAl設(shè)置為高來提高第三ρ側(cè)層23的Al成分比率χ3。
[0073]結(jié)晶度隨著Al成分比率的提高而很容易降低。在Al成分比率為低的情況下，獲得高結(jié)晶度。通過各種實(shí)驗(yàn)，本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過沿著從發(fā)光層30朝向ρ型半導(dǎo)體層20的方向增加Al成分比率CAl，可以增加第三ρ側(cè)層23的Al成分比率χ3，同時(shí)維持高結(jié)晶度。通過將第三P側(cè)層23的Al成分比率χ3設(shè)置為高，獲得好的電子阻擋效果。由此，可以提聞發(fā)光效率。
[0074]進(jìn)一步地，在實(shí)施例中，可以抑制Mg從ρ型半導(dǎo)體層20向發(fā)光層30的擴(kuò)散(移動(dòng))。
[0075]在包括Mg的ρ型半導(dǎo)體層20與發(fā)光層30鄰近的情況下，有Mg不合乎需要地在發(fā)光層30內(nèi)擴(kuò)散的情況；并且發(fā)光層30的質(zhì)量降低。因此，可以考慮這樣的配置:在發(fā)光層30和ρ型半導(dǎo)體層20之間安置中間層(擴(kuò)散防止層)等等，以便ρ型半導(dǎo)體層20遠(yuǎn)離發(fā)光層30 (阱層32)。在這樣的配置中，發(fā)光層30和ρ型半導(dǎo)體層20之間的距離長(zhǎng)，例如，不小于4納米。在某些情況下，該距離被設(shè)置為6納米或更多。
[0076]根據(jù)本申請(qǐng)的發(fā)明人的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)，在包括Mg的電子阻擋層的Al成分比率CAl為高的情況下，Mg從電子阻擋層到發(fā)光層30的擴(kuò)散(移動(dòng))的程度很大；但是，在包括Mg的電子阻擋層的Al成分比率CAl為低的情況下，Mg的擴(kuò)散(移動(dòng))的程度很小。可以認(rèn)為，在Al成分比率為高的情況下，由于結(jié)晶度差，Mg很容易解吸。例如，可以認(rèn)為，在第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2為高的情況下，第二 ρ側(cè)層22中所包括的Mg很容易解吸；解吸的Mg很容易移動(dòng)到阱層32中。在第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2為低的情況下，第二 ρ側(cè)層22中所包括的Mg不容易解吸；并且Mg不容易移動(dòng)到阱層32中。
[0077]在第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2被設(shè)置為低以抑制Mg的擴(kuò)散的情況下，電子阻斷效果變小。在實(shí)施例中，通過增加遠(yuǎn)離阱層32的第三ρ側(cè)層23的Al成分比率χ3，獲得好的電子阻斷效果。由于Mg的擴(kuò)散(移動(dòng))可以被抑制，第二 ρ側(cè)層22可以鄰近阱層32。由此，空穴的注入效率增加。
[0078]如此，在根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件110中，Al成分比率沿著從發(fā)光層30朝向P型半導(dǎo)體層20的方向增加。由于與發(fā)光層30鄰近的部分的Al成分比率為低，并且可以抑制Mg向發(fā)光層30的擴(kuò)散，電子阻擋層(例如，第二 ρ側(cè)層22)可以與發(fā)光層30鄰近。由此，空穴的注入效率可以提高。同樣，第三P側(cè)層23的Al成分比率X3可以為高，并且可以提高電子的阻擋效率，同時(shí)維持高結(jié)晶度。由此，獲得高發(fā)光效率。
[0079]例如，在具有多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層30中，交替地層疊GaN層和包括In的層(InGaN層)。在發(fā)光層30中，在具有不同于InGaN層的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)的GaN層上連貫地形成包括In的InGaN層。由此，在發(fā)光層30內(nèi)累積了壓力。在發(fā)光層30內(nèi)，壓力增力口，朝向P型半導(dǎo)體層20很容易發(fā)生晶體缺陷。此外，壓力在具有超晶格結(jié)構(gòu)的層疊體40內(nèi)累積。同樣，在層疊體40內(nèi)，壓力增加，朝向ρ型半導(dǎo)體層20很容易發(fā)生晶體缺陷。
[0080]為提高電子阻擋效果，期望增加P型半導(dǎo)體層20的Al成分比率。然而，在具有高Al成分比率的電子阻擋層被安置為與發(fā)光層30鄰近的情況下，晶格失配變得明顯；由于晶格常數(shù)的失配，很容易引入晶體缺陷。具體而言，在Al成分為高并且層為厚的情況下，更容易發(fā)生晶體缺陷。晶體缺陷降低了半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光效率。
[0081]可以認(rèn)為，可以環(huán)緩解在發(fā)光層30中累積的壓力，通過由在發(fā)光層30的InGaN層(P側(cè)阱層32p)的鄰近處設(shè)置包括Al的層(例如，ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b和/或ρ型半導(dǎo)體層20的第二 ρ側(cè)層22)所提供的平衡力降低晶體缺陷的引入。
[0082]相反，在具有過高的Al成分比率CAl的含Al層被安置在鄰近P側(cè)阱層32ρ的情況下，成分失配太大；很容易發(fā)生由于失配而導(dǎo)致的晶體缺陷。在實(shí)施例中，由于失配而導(dǎo)致的晶體缺陷的發(fā)生可以通過在P側(cè)阱層32Ρ和具有高Al成分比率CAl的層(第三P側(cè)層23)之間插入具有低Al成分比率CAl的第二 ρ側(cè)層22來抑制。由此，結(jié)晶度增加；并且發(fā)光效率提高。
[0083]在根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件110中，具有高Al成分比率的層(例如，第三ρ側(cè)層23)被安置在ρ型半導(dǎo)體層20內(nèi)遠(yuǎn)離發(fā)光層30的位置，而將ρ型半導(dǎo)體層20的電子阻擋層(例如，第二 P側(cè)層22)置于鄰近發(fā)光層30。沿著從發(fā)光層30朝向ρ型半導(dǎo)體層20的方向增加Al成分比率。由此，晶格長(zhǎng)度逐漸地而不是突然地變化。壓力也逐漸緩解。晶格常數(shù)的失配不容易發(fā)生；并且可以抑制晶體缺陷的發(fā)生。由于電子阻擋層的Al成分比率CAl可以被設(shè)置為高，因此可以提高電子阻擋效果。由此，可以在廣范圍的電流區(qū)域全面提高發(fā)光效率。
[0084]圖3是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的圖。
[0085]圖3是示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光效率的圖。水平軸是P側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度dp (納米(nm))。垂直軸是發(fā)光效率EfT (毫瓦/毫安(mW/mA))。發(fā)光效率EfT對(duì)應(yīng)于從半導(dǎo)體發(fā)光元件輻射出的光的強(qiáng)度除以施加到半導(dǎo)體發(fā)光元件的電流Id的值。圖3示出了當(dāng)電流Id是IOOmA時(shí)的發(fā)光效率。
[0086]除根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件111的特性之外，圖3還示出了第一到第三參考示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119a到119c的特性(未示出剖面圖)。
[0087]半導(dǎo)體發(fā)光元件111具有關(guān)于圖1和圖2所描述的半導(dǎo)體發(fā)光元件110的配置?，F(xiàn)在將描述半導(dǎo)體發(fā)光元件111的特定配置。
[0088]半導(dǎo)體發(fā)光元件111包括層疊結(jié)構(gòu)體90。緩沖層(未示出)、具有3 μ m厚度的無摻雜的GaN層(基礎(chǔ)層60)、具有5 μ m厚度和8 X IO18原子/cm3的Si濃度的η型GaN層(η型半導(dǎo)體層10)、層疊體40、發(fā)光層30以及ρ型半導(dǎo)體層20在層疊結(jié)構(gòu)體90中的c平面藍(lán)寶石的襯底50上按此順序?qū)盈B。[0089]在層疊體40中，例如，三十個(gè)周期的具有3nm厚度和2 X IO18原子/cm3的Si濃度的η型GaN層(第一薄膜41)和具有Inm厚度和0.07的In成分比率的無摻雜的InGaN層(第二薄膜42)交替地層疊。
[0090]在發(fā)光層30中，例如，層疊了八對(duì)具有5nm厚度的GaN層(勢(shì)壘層31)和具有3.5nm厚度的InGaN層(阱層32和ρ側(cè)阱層32ρ)。使用八對(duì)中的最后一個(gè)阱層32作為ρ側(cè)阱層32ρ。在示例中，對(duì)于ρ側(cè)阱層32ρ和其它阱層32，In成分比率是0.13。ρ側(cè)阱層32ρ的厚度與其它阱層32的厚度相同。ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ層疊在ρ側(cè)阱層32ρ上。換言之，形成用于形成P側(cè)勢(shì)壘層31ρ的第一層33a的GaN層。第一層33a的Al成分比率zl為O。在GaN層上形成用于形成P側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b的具有0.01的Al成分比率z2的無摻雜的AlGaN層。第二層33b的總厚度是3nm。例如，第一層33a的厚度是2nm ;且第二層33b的厚度是lnm。
[0091]第二 ρ側(cè)層22、第三ρ側(cè)層23、第四ρ側(cè)層24以及第一 ρ側(cè)層21按此順序?qū)盈B作為P型半導(dǎo)體層20。例如，形成具有7.5nm厚度、0.1的Al成分比率x2以及不小于大約I X IO19并且不大于大約I X IO20Cm-3的Mg濃度的ρ型AlGaN層，作為第二 ρ側(cè)層22。形成具有7.5nm厚度、0.2的Al成分比率x3以及不小于大約IX 102°并且不大于大約3X 102°cnT3的Mg濃度的ρ型AlGaN層，作為ρ型AlGaN層上的第三ρ側(cè)層23。形成具有80nm厚度和大約2X IO19CnT3的Mg濃度的ρ型GaN層，作為ρ型AlGaN層上的第四ρ側(cè)層24。形成具有IOnm厚度和大約I X IO21Cm-3的Mg濃度的ρ型GaN層，作為ρ型GaN層上的第一 ρ側(cè)層21。
[0092]在層疊結(jié)構(gòu)體90中，通過從P型半導(dǎo)體層20的前表面一側(cè)蝕刻，暴露η型半導(dǎo)體層10的一部分。在暴露的η型半導(dǎo)體層10上形成Ti薄膜/Pt薄膜/Au薄膜(第一電極70)。在ρ型GaN層(第一 ρ側(cè)層21)上形成Ni薄膜/Au薄膜(第二電極80)，其中該ρ型GaN層為接觸層。
[0093]另一方面，在第一參考示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119a中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的第一層33a (GaN層)的厚度是3nm ;而ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的第二層33b (無摻雜的AlGaN層)的厚度是2nm。另外，配置與半導(dǎo)體發(fā)光元件111的配置相同。在半導(dǎo)體發(fā)光元件119a中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度是5nm ;且第三ρ側(cè)層23的Al成分比率χ3高于第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2。
[0094]在第二參考示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119b中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第一層33a (GaN層)的厚度是5nm ；p側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b (無摻雜的AlGaN層)的厚度是3nm ;第三P側(cè)層23 (ρ型AlGaN層)的Al成分比率x3是0.1。另外，配置與半導(dǎo)體發(fā)光元件111的配置相同。在半導(dǎo)體發(fā)光元件11%中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度是8nm;第三ρ側(cè)層23的Al成分比率x3與第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率x2相同。
[0095]在第三參考示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件119c中，ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第一層33a (GaN層)的厚度是3nm ；p側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b (無摻雜的AlGaN層)的厚度是2nm ;第三P側(cè)層23 (ρ型AlGaN層)的Al成分比率x3是0.1。另外，配置與半導(dǎo)體發(fā)光元件111的配置相同。在半導(dǎo)體發(fā)光元件119c中，ρ側(cè)勢(shì)魚層31p的厚度是5nm ;而第三ρ側(cè)層23的Al成分比率χ3與第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2相同。
[0096]如圖3所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件119a的發(fā)光效率EfT是45%。半導(dǎo)體發(fā)光元件119c的發(fā)光效率EfT是42%。半導(dǎo)體發(fā)光元件119a的發(fā)光效率EfT高于半導(dǎo)體發(fā)光元件119c的發(fā)光效率。對(duì)于前者，第三P側(cè)層23的Al成分比率x3高于第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率x2。對(duì)于后者，第三ρ側(cè)層23的Al成分比率x3與第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2相同。可以看出，可以通過將第三P側(cè)層23的Al成分比率χ3設(shè)置為高于第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2來提高發(fā)光效率EfT。
[0097]半導(dǎo)體發(fā)光元件119b的發(fā)光效率EfT是41%。半導(dǎo)體發(fā)光元件119c的發(fā)光效率Eff高于半導(dǎo)體發(fā)光元件11%的發(fā)光效率。前者的ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度(5nm)比后者的P側(cè)勢(shì)魚層31p的厚度(8nm)薄。因此,可以看出，當(dāng)ρ側(cè)勢(shì)魚層31ρ的厚度較薄時(shí),發(fā)光效率Eff可以改善。
[0098]另一方面，半導(dǎo)體發(fā)光元件111的發(fā)光效率EfT是49%。為半導(dǎo)體發(fā)光元件111獲得比半導(dǎo)體發(fā)光元件119a到119c中的任何一個(gè)更高的發(fā)光效率Eff。在半導(dǎo)體發(fā)光元件111中，第三P側(cè)層23的Al成分比率x3高于第二 ρ側(cè)層22的Al成分比率χ2 ;而ρ側(cè)勢(shì)魚層31ρ的厚度薄，即，3nm。
[0099]已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ρ側(cè)阱層32p和第二 ρ側(cè)層22之間的距離(在本示例中，對(duì)應(yīng)于P側(cè)勢(shì)壘層31p的厚度)小于3nm時(shí)，發(fā)光效率的改善效果特別高。
[0100]圖4A到圖4C是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的其它半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意視圖。
[0101]圖4A到圖4C分別示出了根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件IIOa到IlOc的Al成分比率的示例。水平軸是深度方向(Z軸方向)的位置dz ;而垂直軸是Al成分比率CA1。
[0102]如圖4A所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件IlOa的Al成分比率CAl在第一層33a和第二層33b之間，在第二層33b和第二 ρ側(cè)層22之間，以及在第二 ρ側(cè)層22和第三ρ側(cè)層23之間逐漸變化。在本示例中，Al成分比率CAl在每一層內(nèi)基本上是恒定的。沿著從ρ側(cè)勢(shì)壘層3Ip朝向ρ型半導(dǎo)體層20的方向，Al成分比率CAl增加。
[0103]如圖4Β所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件IlOb的Al成分比率CAl在每一層中變化(增加)。
[0104]如圖4C所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件I IOc的Al成分比率CAl在各層之間以及在每一層內(nèi)連續(xù)地變化。
[0105]同樣，在半導(dǎo)體發(fā)光元件IlOa到IlOc中，沿著從ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ朝向ρ型半導(dǎo)體層20的方向，Al成分比率CAl增加。ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的厚度也小于3.5nm。同樣，在這些半導(dǎo)體發(fā)光元件中，獲得高發(fā)光效率。
[0106]每一層的厚度都可以通過，例如，透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等等來感測(cè)。每一層的成分比率以及雜質(zhì)濃度(Mg濃度等等)可以通過，例如，次級(jí)離子質(zhì)譜法來感測(cè)?？梢允褂媚芰可⑸鋁射線光譜。
[0107]例如，在實(shí)施例中，使用藍(lán)寶石襯底(例如，c平面藍(lán)寶石襯底)作為襯底50。襯底50可以包括，例如，GaN、SiC、ZnO、Si等等的襯底。例如，在襯底50上形成層疊結(jié)構(gòu)體90。例如，該形成通過外延生長(zhǎng)來執(zhí)行。可以在形成層疊結(jié)構(gòu)體90之后去除襯底50。
[0108]例如，使用無摻雜的GaN層作為基礎(chǔ)層60。例如，基礎(chǔ)層60的厚度不小于大約Ium并且不大于大約5 μ m,例如,大約3 μ m。在去除襯底50時(shí),可以去除基礎(chǔ)層60的至少一部分。還可以在襯底50和基礎(chǔ)層60之間提供緩沖層?？梢允褂肁lGaN層來作為基礎(chǔ)層60?？梢允褂枚鄠€(gè)氮化物半導(dǎo)體層的層疊薄膜作為選自基礎(chǔ)層60和緩沖層中的至少一個(gè)。
[0109]第一電極70包括，例如，Ti薄膜/Pt薄膜/Au薄膜的層疊薄膜。第二電極80包括，例如，Ni薄膜/Au薄膜的層疊薄膜。
[0110]現(xiàn)在將描述根據(jù)實(shí)施例的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的示例。
[0111]例如，執(zhí)行對(duì)c平面藍(lán)寶石的襯底50的有機(jī)清洗和酸洗。在清洗之后，在襯底50上按順序執(zhí)行緩沖層、基礎(chǔ)層60、n型半導(dǎo)體層10、層疊體40、發(fā)光層30以及ρ型半導(dǎo)體層20的晶體生長(zhǎng)。由此，在襯底50上形成層疊結(jié)構(gòu)體90。在必要時(shí)，形成緩沖層。
[0112]例如，使用MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)來形成層疊結(jié)構(gòu)體90?？梢允褂脷浠锲嗵幯?HVPE)、分子束外延(MBE)等等來形成這些層?，F(xiàn)在將描述通過MOCVD來形成層疊結(jié)構(gòu)體90的示例。
[0113]在清洗之后，將襯底50置于MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室內(nèi)。通過在氮?dú)?N2)和氫氣(H2)的大氣壓力的混合氣體氣氛中進(jìn)行電阻加熱，將襯底50的溫度提高到1160°C。由此，執(zhí)行對(duì)襯底50的前表面的氣相蝕刻；并且去除在前表面上形成的本地氧化膜。
[0114]襯底50的溫度降低到530°C。在襯底50上形成緩沖層(低溫緩沖層)。供應(yīng)載氣和工藝氣體以形成緩沖層。例如，使用N2氣和H2氣的氣體混合物作為載氣。在本示例中，供應(yīng)第五族源-材料氣體、包括Ga的氣體以及包括Al的氣體，作為工藝氣體。例如，使用氨(NH3)氣作為第五族源-材料氣體。例如，使用三甲基鎵(TMG)作為包括Ga的氣體。例如，使用三乙基鎵(TEG)作為包括Ga的氣體。例如，使用三甲基鋁(TMA)作為包括Al的氣體。
[0115]例如，形成無摻雜的GaN層作為基礎(chǔ)層60。在持續(xù)供應(yīng)NH3時(shí)，停止TMG和TMA的供應(yīng)。將溫度提高到1160°C。再次供應(yīng)TMG，同時(shí)將溫度維持在1160°C。由此，形成基礎(chǔ)層60。
[0116]例如，形成η型GaN層作為η型半導(dǎo)體層10。進(jìn)一步地,在不改變工藝氣體的情況下，供應(yīng)包括Si的氣體。例如，使用硅烷(SiH4)氣作為包括Si的氣體。襯底50的溫度是1160。。。
[0117]在持續(xù)供應(yīng)NH3時(shí)，停止TMG和SiH4氣的供應(yīng)。將襯底50的溫度降低到800°C，并維持在800°C。
[0118]例如，形成η型GaN層，作為層疊體40的第一薄膜41。襯底50的溫度是800°C。使用N2氣作為載氣。使用NH3、TMG、以及SiH4氣作為工藝氣體。
[0119]例如，形成無摻雜的Iny3Ga1I3N (0〈y3〈0.1)，作為層疊體40的第二薄膜42。在形成第二薄膜42時(shí)，停止SiH4氣體的供應(yīng)；并供應(yīng)包括In的氣體。例如，使用三甲基銦(TMI)作為包括In的氣體。襯底50的溫度是800°C。
[0120]多路(multiply)重復(fù)上文列舉的第一薄膜41的形成和上文列舉的第二薄膜42的形成。換言之，交替地重復(fù)SiH4氣體的供應(yīng)和TMI的供應(yīng)。重復(fù)次數(shù)是，例如，三十個(gè)周期。由此，形成具有超晶格結(jié)構(gòu)的層疊體40。
[0121]形成發(fā)光層30。首先，例如，形成GaN層作為勢(shì)壘層31。停止TMG、TMI，以及SiH4氣體的供應(yīng)。將襯底50的溫度提高到880°C，同時(shí)持續(xù)供應(yīng)N2氣體和NH3氣體。隨后，供應(yīng) TMG。
[0122]例如，形成Iny2Gapy2N層(0〈y2〈l)作為阱層32。在形成阱層32時(shí)，只停止TMG的供應(yīng)；襯底50的溫度降低到820°C。隨后，供應(yīng)TMG和TMI。
[0123]例如，多路重復(fù)上文列舉的勢(shì)壘層31的形成和上文列舉的阱層32的形成。重復(fù)次數(shù)是，例如，八個(gè)周期。
[0124]在ρ側(cè)阱層32p上形成最后一個(gè)勢(shì)壘層(P側(cè)勢(shì)壘層31p)。停止TMG和TMI的供應(yīng)。將襯底50的溫度提高到并維持在880°C，同時(shí)持續(xù)供應(yīng)N2氣體和NH3氣體。隨后，供應(yīng)TMG。由此，形成GaN層(ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ的第一層33a)。
[0125]例如，在GaN層上形成AlGaN層(ρ側(cè)勢(shì)壘層31p的第二層33b)。AlGaN層是，例如，無摻雜的。通過持續(xù)按原樣供應(yīng)工藝氣體并通過也提供TMA來形成AlGaN層。
[0126]然后，在持續(xù)供應(yīng)NH3時(shí)，停止TMG和TMA的供應(yīng)。襯底50的溫度提高到1030°C，并維持在N2氣氛中。
[0127]在1030°C的襯底溫度形成ρ型AlGaN層(第二 ρ側(cè)層22)。使用N2氣和H2氣的氣體混合物作為載氣。供應(yīng)包括NH3、TMG、TMA以及Mg的氣體作為工藝氣體。例如，使用雙(環(huán)戊二烯基)鎂(Cp2Mg)作為包括Mg的氣體。
[0128]然后，通過增加TMA的供應(yīng)量，來形成P型AlGaN層(第三ρ側(cè)層23)。
[0129]通過在持續(xù)供應(yīng)TMG和Cp2Mg的過程中停止供應(yīng)TMA來形成用于形成P型包覆層的P型GaN層(第四ρ側(cè)層24)。
[0130]然后，通過增加Cp2Mg的供應(yīng)量來形成用于形成P型接觸層的P型GaN層(第一 ρ側(cè)層21 )。
[0131]在持續(xù)供應(yīng)NH3時(shí)，停止TMG和Cp2Mg的供應(yīng)。換言之，停止所有工藝氣體的供應(yīng)。繼續(xù)載氣的供應(yīng)。使襯底50的溫度自然地下降。NH3的供應(yīng)持續(xù)，直到襯底50的溫度達(dá)到300。。。
[0132]從MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室中提取襯底50。
[0133]從ρ型半導(dǎo)體層20 —側(cè)去除層疊結(jié)構(gòu)體90的一部分，直到達(dá)到η型半導(dǎo)體層10。例如，使用RIE (反應(yīng)離子蝕刻)來去除層疊結(jié)構(gòu)體90。在暴露的η型半導(dǎo)體層10上形成第一電極70。在第一 ρ側(cè)層21上形成第二電極80。
[0134]由此，形成根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件(例如，半導(dǎo)體發(fā)光元件110)。在在襯底50上形成層疊結(jié)構(gòu)體90之后，可以去除襯底50。在去除襯底50時(shí)，可以去除基礎(chǔ)層60的一部分。
[0135]第二實(shí)施例
[0136]圖5是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意截面圖。
[0137]在如圖5所示的根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件120中，ρ側(cè)阱層32ρ的配置不同于多個(gè)阱層32中的一個(gè)其它阱層32的配置。一個(gè)其它阱層32的配置可以類似于半導(dǎo)體發(fā)光元件110的配置；因此，省略描述。
[0138]在半導(dǎo)體發(fā)光元件120的發(fā)光層30中所包括的多個(gè)阱層32中，ρ側(cè)阱層32ρ的厚度最厚。例如，在半導(dǎo)體發(fā)光元件120中，ρ側(cè)阱層32ρ的厚度大約是5nm。除ρ側(cè)阱層32ρ以外的其它阱層32的厚度大約是3.5nm。
[0139]在本示例中，ρ側(cè)阱層32p的In成分比率低于其它阱層32的In成分比率。ρ側(cè)阱層32ρ的In成分比率是，例如，0.12。其它阱層32的In成分比率是0.13。
[0140]圖6是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性的圖。
[0141]圖6示出了半導(dǎo)體發(fā)光元件120的發(fā)光效率和半導(dǎo)體發(fā)光元件111的發(fā)光效率。水平軸是電流Id (毫安(mA));而垂直軸是發(fā)光效率Eff (毫瓦/毫安(mW/mA))。發(fā)光效率Eff對(duì)應(yīng)于從半導(dǎo)體發(fā)光元件輻射出的光的強(qiáng)度除以施加到半導(dǎo)體發(fā)光元件的電流Id的值。
[0142]如圖6所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件120的發(fā)光效率Eff比其中ρ側(cè)阱層32ρ的厚度與其它阱層32的厚度相同的半導(dǎo)體發(fā)光元件110的發(fā)光效率EfT高。
[0143]通過提高阱層32的體積，可以抑制阱層32中的電流密度(電荷密度)的增加，即使是在向半導(dǎo)體發(fā)光元件提供的電流Id增加的情況下。由此，可以抑制阱層32中的電流濃度(電荷濃度)。相應(yīng)地，抑制了電子從發(fā)光層30的溢出；并進(jìn)一步地增加了空穴載流子注入效率。具體而言，通過將P側(cè)阱層32ρ的厚度設(shè)置得比其它阱層32的厚度更厚來增加ρ側(cè)阱層32ρ的體積。由此，可以將ρ側(cè)阱層32ρ中的電流濃度維持在低級(jí)別。由此，可以抑制對(duì)光發(fā)射具有高貢獻(xiàn)的P側(cè)阱層32ρ中的電流濃度；并可以提高ρ側(cè)阱層32ρ的發(fā)光效率。
[0144]同樣，在半導(dǎo)體發(fā)光元件120中，電子阻擋層(例如，第二 P側(cè)層22)被安置在鄰近P側(cè)阱層32Ρ ;并且沿著從發(fā)光層30朝向P型半導(dǎo)體層20的方向，Al成分比率Cal逐漸增加。由此，半導(dǎo)體發(fā)光元件120的發(fā)光效率可以更高。
[0145]在為阱層32的InGaN層被設(shè)置為厚的情況下，在發(fā)光層30中累積的壓力變大。因此，很容易引入了晶體缺陷；并且變得難以維持高質(zhì)量晶體。
[0146]在為實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件120中，不僅P側(cè)阱層32ρ較厚，而且其中Al成分比率CAl增加的AlGaN層被安置為鄰近ρ側(cè)阱層32ρ。由此，即使在ρ側(cè)阱層32ρ為厚的情況下，也可以很容易放松壓力。同樣，因?yàn)榘司哂懈逜l成分的AlGaN層，也維持了好的電子阻擋，發(fā)光效率Eff大大地提高。同樣，在半導(dǎo)體發(fā)光元件120中，獲得了高發(fā)光效率。
[0147]上文列舉的第一和第二實(shí)施例中的發(fā)光層30的ρ側(cè)勢(shì)壘層31ρ(第一層33a和第二層33b)的厚度為示例。ρ型半導(dǎo)體層20 (例如，第二 ρ側(cè)層22和第三ρ側(cè)層23)的厚度、Al成分比率以及Mg濃度為示例。在實(shí)施例中，對(duì)于每一層的厚度、成分比率以及Mg濃度的各種修改是可行的。
[0148]第三實(shí)施例
[0149]實(shí)施例涉及用于制造包括η型半導(dǎo)體層10、ρ型半導(dǎo)體層20以及其中包括氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光層30的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。ρ型半導(dǎo)體層20包括其中包括Mg的AlxlGa1^xlN(O ( xKl)的第一 ρ側(cè)層21，在第一 ρ側(cè)層21和η型半導(dǎo)體層10之間提供的包括Mg的Alx2Ga^2N (0〈χ2〈I)的第二 ρ側(cè)層22，以及在第一 ρ側(cè)層21和第二 ρ側(cè)層22之間提供的包括Mg的Alx3Gah3N (χ2〈χ3〈1)的第三ρ側(cè)層。發(fā)光層30被提供在η型半導(dǎo)體層和第二 P側(cè)層之間。發(fā)光層30包括多個(gè)勢(shì)壘層31和多個(gè)阱層32。多個(gè)阱層32分別被提供在多個(gè)勢(shì)壘層31之間。
[0150]圖7是示出了根據(jù)第三實(shí)施例的用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的流程圖。
[0151]如圖7所示，制造方法包括在η型半導(dǎo)體層10上形成發(fā)光層30的過程(步驟SI 10)和在發(fā)光層30上形成ρ型半導(dǎo)體層20的過程(步驟S120)。
[0152]發(fā)光層30的形成(步驟S110)包括形成發(fā)光層30，以便多個(gè)勢(shì)壘層31中最鄰近第二 P側(cè)層22的ρ側(cè)勢(shì)魚層31ρ包括第一層33a和第二層33b ；p側(cè)勢(shì)魚層31p的厚度小于3.5nm。第一層33a在η型半導(dǎo)體層10和第二 ρ側(cè)層22之間提供，并包括AlzlGa1^1N(O ( zl)。第二層33b在第一層33a和第二 ρ側(cè)層22之間提供以接觸第一層和第二 P 側(cè)層 22，并包括 Alz2Ga1I2N (zl〈z2〈x2)。
[0153]例如，實(shí)現(xiàn)了關(guān)于根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件110或111所描述的制造方法。根據(jù)用于制造根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，可以提供具有高發(fā)光效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件和用于制造該半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
[0154]根據(jù)各實(shí)施例，可以提供具有高發(fā)光效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件和用于制造該半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
[0155]在說明書中，“氮化物半導(dǎo)體”包括化學(xué)分子式BJrV^GahnNO)≤X≤1，O≤y≤I,O ^ z ^ I,且x+y+z；^ I)的半導(dǎo)體的所有成分,成分比率x,y,和z分別在范圍內(nèi)變化。“氮化物半導(dǎo)體”還在上文列舉的化學(xué)分子式中包括除N (氮)以外的第五族元素、被添加的以控制諸如導(dǎo)電類型之類的各種屬性的各種元素、以及無意地包括的各種元素。
[0156]在本申請(qǐng)的說明書中，“垂直”和“平行”不僅是指嚴(yán)格地垂直和嚴(yán)格地平行，而且包括，例如，由于制造過程而導(dǎo)致的波動(dòng)等等?；旧洗怪焙突旧掀叫芯妥銐蛄恕?br> [0157]在上文中，參考具體示例描述了本發(fā)明的各實(shí)施例。然而，本發(fā)明不僅限于這些具體示例。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過從已知技術(shù)中適當(dāng)?shù)剡x擇半導(dǎo)體發(fā)光元件中所包括的諸如襯底、緩沖層、基礎(chǔ)層、半導(dǎo)體層、層疊體、發(fā)光層、電極等等的組件的特定配置，來類似地實(shí)施本發(fā)明；而這樣的實(shí)施在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要獲得類似的效果。
[0158]進(jìn)一步地，具體示例的任何兩個(gè)或更多組件可以在技術(shù)可行性的范圍內(nèi)組合，并包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要本發(fā)明的意義被包括。
[0159]此外，由本領(lǐng)域技術(shù)人員基于上文作為本發(fā)明的各實(shí)施例所描述的半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)修改可實(shí)施的所有半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法在包括在本發(fā)明的精神的情況下也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0160]所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的精神內(nèi)可以構(gòu)思各種其它變化和修改，應(yīng)該理解，這樣的變化和修改也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0161]盡管描述了某些實(shí)施例，但是，這些實(shí)施例是只作為示例呈現(xiàn)的，而不限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，可以以各種其它形式實(shí)現(xiàn)此處所描述的新穎的實(shí)施例；此外，在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，可以作出此處所描述的各實(shí)施例形式的省略、替換和變化。所附帶的權(quán)利要求書以及它們的等效內(nèi)容意在涵蓋落在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的這樣的形式或修
改方案。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括: 包括氮化物半導(dǎo)體的η型半導(dǎo)體層； P型半導(dǎo)體層，包括: 包括 Mg 的 AlxlGa1^xlN(O ( χ1<1)的第一 P 側(cè)層， 在所述第一 P側(cè)層和所述η型半導(dǎo)體層之間提供的包括Mg的Α1χ26&1_χ2Ν(0〈χ2〈1)的第二 P側(cè)層，以及 在所述第一 P側(cè)層和所述第二 P側(cè)層之間提供的包括Mg的Alx3Gah3N (χ2〈χ3〈1)的第三P側(cè)層；以及 在所述η型半導(dǎo)體層和所述第二 P側(cè)層之間提供的發(fā)光層，所述發(fā)光層包括多個(gè)勢(shì)壘層和分別在所述勢(shì)壘層之間提供的多個(gè)阱層， 所述勢(shì)壘層中最鄰近所述第二 P側(cè)層的P側(cè)勢(shì)壘層包括 AlzlGa1^1N(O ^ zl)的第一層，以及 在所述第一層和所述第二 P側(cè)層之間提供的接觸所述第一層和所述第二 P側(cè)層的Alz2Ga1^2N(zl<z2<x2)的第二層， 所述P側(cè)勢(shì)魚層的厚度小于3.5納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述多個(gè)阱層中最鄰近所述第二P側(cè)層的P側(cè)阱層的厚度比所述多個(gè)阱層中的一個(gè)其它阱層的厚度更厚。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的元件，其中，所述P側(cè)阱層的厚度不小于3納米并且不大于6納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的元件，其中，所述多個(gè)阱層中除所述P側(cè)阱層以外的阱層的厚度小于6納米并且不小于1.5納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的元件，其中 所述多個(gè)阱層中的每一個(gè)阱層都包括In，并且 所述P側(cè)阱層的In成分比率低于所述多個(gè)阱層中的一個(gè)其它阱層的In成分比率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，χ3不小于0.15并且不大于0.25。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，χ2小于0.15并且不小于0.03。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，ζ2小于0.03并且不小于0.003。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第一層的厚度比所述第二層的厚度更厚。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第一層的厚度小于3納米并且不小于2納米。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的元件，其中，所述第二層的厚度小于1.5納米并且不小于0.5納米。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第一層的厚度和所述第二層的厚度的總和小于3.5納米。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二P側(cè)層的厚度不小于5納米并且不大于20納米。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第三P側(cè)層的厚度不小于5納米并且不大于20納米。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述P型半導(dǎo)體層還包括在所述第一P側(cè)層和所述第三P側(cè)層之間提供的包括Mg的Alx4Gah4N (O ( x4〈l且x4〈x3)的第四p側(cè)層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的元件，其中，所述x4小于所述x2。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述多個(gè)勢(shì)壘層中除所述P側(cè)勢(shì)壘層以外的勢(shì)壘層是GaN層。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，從所述發(fā)光層發(fā)出的光的峰值波長(zhǎng)不小于400納米并且不大于650納米。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述多個(gè)阱層包括Iny2Ga1^y2N (0.08 ≤ y2 ≤ 0.18)。
20.一種制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，所述元件包括η型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層以及在所述η型半導(dǎo)體層和第二 P側(cè)層之間提供的發(fā)光層，所述η型半導(dǎo)體層包括氮化物半導(dǎo)體，所述P型半導(dǎo)體層包括其中包括Mg的AlxlGah1N(C) ( χ1<1)的第一 P側(cè)層、在所述第一 P側(cè)層和所述η型半導(dǎo)體層之間提供的包括Mg的Alx2Gah2N(0〈χ2〈1)的第二 ρ側(cè)層，以及在所述第一 P側(cè)層和所述第二 P側(cè)層之間提供的包括Mg的Alx3Gah3N (χ2〈χ3〈1)的第三P側(cè)層，所述發(fā)光層包括多個(gè)勢(shì)壘層和分別在所述多個(gè)勢(shì)壘層之間提供的多個(gè)阱層，所述方法包括: 在所述η型半導(dǎo)體層上形成所述發(fā)光層；以及 在所述發(fā)光層上形成所述P型半導(dǎo)體層， 形成所述發(fā)光層包括使所述多個(gè)勢(shì)壘層中最鄰近所述第二 P側(cè)層的P側(cè)勢(shì)壘層包括AlzlGa1^1N(O ( zl)的第一層和的第二層,所述第一層被提供在所述η型半導(dǎo)體層和所述第二 P側(cè)層之間，所述第二層被提供在所述第一層和所述第二 P側(cè)層之間以接觸所述第一層和所述第二 P側(cè)層，所述P側(cè)勢(shì)壘層的厚度小于3.5納米。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK103915531SQ201310741264
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】名古肇, 木村重哉, 原田佳幸, 布上真也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝