專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管元件、激光二極管元件等元器件，太陽(yáng)電池、光感測(cè)器等感光元器件，或用于晶體管、功率器件等電子器件的氮化物半導(dǎo)體(InxAlyGa1-x-yN，0≤X，≤Y，Y≤1)制成的元器件。
背景技術(shù)：
氮化物半導(dǎo)體已被用來作為高亮度純綠色發(fā)光LED、藍(lán)色LED、并已在藍(lán)色LED顯示器、交通信號(hào)燈、圖像掃描器光源等各種光源中實(shí)用化。這種氮化物半導(dǎo)體的LED元件基本上具有按照脈沖層、Si摻雜GaN制N側(cè)接觸層、具有單一量子井結(jié)構(gòu)的InGaN或具有InGaN多重量子井構(gòu)成的活性層、Mg摻雜AlGaN制p側(cè)包層、Mg摻雜GaN制p側(cè)接觸層，順序?qū)盈B在藍(lán)寶石基板上的結(jié)構(gòu)，在20mA(毫安)中，發(fā)光波長(zhǎng)450nm(奈米)的藍(lán)色LED為5mW(毫瓦)，外部量子功率9.1％，520nm的綠色LED為3mW，外部量子效率6.3％，示出具有極佳的特性。
此外，本發(fā)明人等曾首次向全世界發(fā)表使用這種氮化物半導(dǎo)體材料于脈沖電流下，于室溫的410nm的振蕩(例如Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74，Jpn.J.Appl Phys.35(1996)L217等)。這種激光元器件具有變異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有使用InGaN的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQWMulti-Quantum-Well)的活性層，在脈沖寬度2μs，脈沖周期2ms條件下，閾值電流610mA，閾值電流密度8.7kA/cm2，顯示有410nm的振蕩。此外，本發(fā)明人等也首次在室溫下連續(xù)振蕩成功而將其發(fā)表(例如日經(jīng)電子1996年12月2日號(hào)技術(shù)快報(bào)、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett/69(1996)4056-等〕。這種元器件在20℃下，在閾值電流密度3.6kA/cm2，閾值電壓5.5V，1.5mW輸出功率下，顯示連續(xù)振蕩27小時(shí)。
這樣，氮化物半導(dǎo)體雖已以LED(發(fā)光元器件Light Emitting Device)實(shí)用化，LD(激光二極體Laser Diode)更達(dá)到連續(xù)振蕩數(shù)十小時(shí)程度，但為了使用LED于例如照明用光源，相當(dāng)于直射日光的屋外顯示上，有進(jìn)一步提高其輸出的要求。此外為了LD降低閾值，延長(zhǎng)壽命，實(shí)用化于光拾取、DVD等光源，有進(jìn)一步改良的必要。此外，前述LED元器件在20mA中，Vf接近3.6V。借助于Vf進(jìn)一步下降，元器件的發(fā)熱量變小，可靠性提高。所以，激光元器件降低閾值電壓在提高元器件壽命上非常重要。
發(fā)明目的本發(fā)明有鑒在這種，其目的在于，主要足以提高LED、LD等氮化物半導(dǎo)體元器件的輸出，同時(shí)降低Vf閾值電壓，提高元器件的可靠性，特別是提高N型接觸層的載波子濃度，達(dá)到其電阻率的降低為第一目的。
其第二目的更在于提供一種N型氮化物層結(jié)構(gòu)，在提高N型接觸層的載流子濃度同時(shí)，可提高N型接觸層上所形成氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。
發(fā)明的概要本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體元器件的要點(diǎn)為將上述N型接觸層作成特殊的三層層疊結(jié)構(gòu)或超格子結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明第1發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元器件，包括在基板上至少形成N電極的N型接觸層，使電子與空穴再結(jié)合的活性層，形成P電極的P型接觸層，各層由氮化物半導(dǎo)體形成，其特征在于具有三層層疊結(jié)構(gòu)，所述N型接觸層由具有第1面及第2面的摻有N型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體形成，分別與所述第1面和第2面連接而形成不摻有N型雜質(zhì)的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層。
此外，本發(fā)明非摻雜氮化物半導(dǎo)體層，是指不摻加雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層，包含例如包含在原料中的雜質(zhì)、反應(yīng)元器件內(nèi)的污染、依所需摻有雜質(zhì)的其他層，因不經(jīng)心擴(kuò)散，混入的層；以及微量摻雜，實(shí)質(zhì)上視為摻雜的層(例如電阻率3×10-1Ωcm以上)。此外，N型雜質(zhì)可列舉者有IV族元素的Si、Ge、Sn等，最好為Si。含有N型接觸層而與其層疊的氮化物半導(dǎo)體雖可舉GaN、InGaN、AlGaN為代表例，但N型接觸層為不含In、Al的GaN由結(jié)晶性觀點(diǎn)看來較佳。另一方面，夾有這種N型接觸層的摻雜氮化物半導(dǎo)體雖如以下詳述，但若以N型接觸層為三層層疊結(jié)構(gòu)第2層，形成于其基板側(cè)的第1氮化物半導(dǎo)體最好為GaN或AlGaN。形成于N型接觸層的基板反側(cè)的第3氮化物半導(dǎo)體最好為GaN、InGaN或AlGaN。特別是，可舉摻雜Si的N型接觸層(第2層)夾有非摻雜GaN，而形成的GaN(第3層)/Si摻雜GaN(第二層)/摻雜GaN(第一層)的三層層疊結(jié)構(gòu)為代表例。
此外，前述第二氮化物半導(dǎo)體層(n型接觸層)，其特征在于，可具有3×1018/cm3以上的載流子濃度，若考慮此層移動(dòng)度，電阻率即不滿8×103Ωcm。以往的N型接觸層的電阻率雖以8×103Ωcm為限，(例如美國(guó)專利5,733,796號(hào))，但可借助于減少此電阻率降低Vf。實(shí)現(xiàn)的電阻率在6×103Ωcm以下，較佳者在4×103Ωcm以下。雖無特別規(guī)定下限，但最好調(diào)整在1×105Ωcm以上。若為較下限值低的電阻，雜質(zhì)量即會(huì)過多，有氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性劣化的傾向。
此外，在前述基板與前述的第1氮化物半導(dǎo)體層之間最好具有較第1氮化物半導(dǎo)體層低溫生長(zhǎng)的緩沖層。這種緩沖層可例如在400℃～900℃將AlN、GaN、AlGaN等生長(zhǎng)為0.5μm以下的膜厚，以緩和基板與氮化物半導(dǎo)體的格子不整，或用來作為底層，使第1氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)性極佳地生長(zhǎng)。特別是在第述第1層生長(zhǎng)GaN情形下，最好為GaN緩沖層。
此外，第3氮化物半導(dǎo)體膜厚宜在0.5μm以下。第3氮化物半導(dǎo)體層的較佳膜厚在0.2μm以下，最好在0.15μm以下。雖未特別規(guī)定下限，但宜調(diào)整在10埃以上，較佳者在50埃以上，最佳者在100埃以上。第3氮化物半導(dǎo)體層為非摻雜層，由于電阻率通常高達(dá)0.1Ωcm以上，故與此層的厚膜層生長(zhǎng)相反，Vf有降低的傾向。
本發(fā)明第2發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元器件，包括在基板上至少形成N電極的N型接觸層，使電子與空穴再結(jié)合的活性層，形成P電極的P型接觸層，各層由氮化物半導(dǎo)體形成，其特征在于所述N型接觸層由至少層疊摻有N型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層與未摻有N型雜質(zhì)的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層的超格子層所形成。
此外，上述N型接觸層與第1氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件相同，分別連接其第1面及第2頁(yè)而形成不摻雜N型雜質(zhì)之非摻雜或N型雜質(zhì)超格子層少的第1及第2氮化物半導(dǎo)體層，最好夾有第2氮化物半導(dǎo)體層(N型接觸層)而層疊。
在上述第2氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件中，超格子結(jié)構(gòu)是指膜厚宜在100埃以下，較佳者在70埃以下，最佳者在50埃以下的氮化物半導(dǎo)體層以多層膜結(jié)構(gòu)層疊而成的結(jié)構(gòu)。此外，本說明書所謂超格子結(jié)構(gòu)或超格子層，包含組成互異層所疊層的多層膜，以及互有相同組成但N型雜質(zhì)的摻雜互異的層所層疊的多層膜二者。此外，非摻雜氮化物半導(dǎo)體層是指不摻有雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層，與第1發(fā)光元器件情形相同。
此外，本發(fā)明第2氮化物半導(dǎo)體元器件最好在基板與前述第1氮化物半導(dǎo)體層之間具有較第1氮化物半導(dǎo)體層低溫生長(zhǎng)的緩沖層。緩沖層可在400℃～900℃使例如AlN、GaN、AlGaN等生長(zhǎng)0.5μm以下的膜厚，以緩和基板與氮化物半導(dǎo)體的格子不整，或作為底層，用以使第1氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)性極佳地生長(zhǎng)。
第2氮化物半導(dǎo)體層可由帶隙能量互異的2種氮化物半導(dǎo)體層層疊構(gòu)成，最好在這種2種氮化物半導(dǎo)體層間形成其他氮化物半導(dǎo)體層予以疊層。
在這種情形下，這2種氮化物半導(dǎo)體層最好摻雜N型雜質(zhì)互異的濃度，以下稱構(gòu)成超格子層的氮化物半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度互異為異常摻雜。
此外，以層疊帶隙能量不同的二種層以形成第2氮化物半導(dǎo)體層情形下，可摻雜較多雜質(zhì)于N型雜質(zhì)帶隙能量大的層上，亦可摻雜較多雜質(zhì)于帶隙能量小的層上。
此外，在層疊帶隙能量不同的二種層以形成第2氮化物半導(dǎo)體層情形下，最好其中一層處于不摻有雜質(zhì)狀態(tài)，仍保持非摻雜，在這種情形下，N型雜質(zhì)宜摻雜在帶隙能量大的層，亦宜摻雜在帶隙能量小的層。
此外，在本發(fā)明中，前述第2氮化物半導(dǎo)體層最好層疊N型雜質(zhì)濃度互異但具有同一組成的二種氮化物半導(dǎo)體層而構(gòu)成。在這種情形下，最好前述二種氮化物半導(dǎo)體層之一為不摻有N型雜質(zhì)的摻雜層。
特別是，代表性的形成N型接觸層的超格子層由選自GaN/GaN，InGaN/GaN，AlGaN/GaN與InGaN/AlGaN組合的氮化物層交互層疊的超格子層所形成，其一方最好摻雜Si。
此外，在具備第3氮化物半導(dǎo)體層情形下，宜為非摻雜，其膜厚在0.1μm以下，調(diào)整為較佳者，第3氮化物半導(dǎo)體層的膜厚在500埃以下，最佳者在200埃以下。此第3氮化物半導(dǎo)體層雖未特別限定其膜存下限，但最好調(diào)整在10埃以上。在第3氮化物半導(dǎo)體層為非超格式結(jié)構(gòu)的非摻雜單層情形下，電阻率通常高達(dá)1×10-1Ωcm以上，所以此層生長(zhǎng)大于0.1μm的膜存，相反地，Vf即有難以降低的傾向。此外，若此第3氮化物半導(dǎo)體層未摻雜，由于氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性變佳，其上部所生長(zhǎng)活性層的結(jié)晶性亦變佳而提高輸出。
形成上述超格子結(jié)構(gòu)的N型接觸層可具有3×1018/cm3以上的載流子濃度，若考慮此層移動(dòng)性，電阻率為不滿8×10-3Ωcm。已往的N型接觸層的電阻率雖以8×10-3Ωcm以下，較佳者在4×10-3Ωcm以下。雖未特別限定其下限，但最好調(diào)整在1×10-5Ωcm以上。若電阻較下限值低，雜質(zhì)即會(huì)過多而有氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶性惡化的傾向。
圖式的簡(jiǎn)單說明。


圖1表示與本發(fā)明一實(shí)施例有關(guān)的LED元件結(jié)構(gòu)的模式剖視圖。
圖2表示與本發(fā)明另一實(shí)施例有關(guān)的LD元件結(jié)構(gòu)的模式剖視圖。
圖號(hào)對(duì)照說明1 基板 緩沖層3 第1氮化物半導(dǎo)體層4 第2氮化物半導(dǎo)體層5 第3氮化物半導(dǎo)體層6 活性層7 P側(cè)包層 8 P側(cè)接觸層9 P電極10 P焊接壓電極11 N電極12 絕緣膜20 基板 21 緩沖層22 第1氮化物半導(dǎo)體層23 第2氮化物半導(dǎo)體層24 第3氮化物半導(dǎo)體層25 N側(cè)包層26 N側(cè)光導(dǎo)層27 活性層28 P側(cè)間隙層29 P側(cè)光層層30 P側(cè)包層 31 P側(cè)接觸層32 P電極33 P焊接區(qū)電極34 N電極35 絕緣膜發(fā)明詳細(xì)說明實(shí)施形態(tài)1本發(fā)明第1發(fā)明的發(fā)光元器件具有至少在活性層與基板之間具有3層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體層。首先，第1氮化物半導(dǎo)體層為了結(jié)晶性極佳地生長(zhǎng)含N型雜質(zhì)的第2氮化物半導(dǎo)體層，而不摻雜。此層若刻意摻雜，結(jié)晶性即會(huì)惡化，難以結(jié)晶性極佳地生長(zhǎng)。接著，第2氮化物半導(dǎo)體層摻有N型雜質(zhì)，用來作為接觸層以形成電阻率降低、載流子濃度高的N電阻。因此，第2氮化物半導(dǎo)體的電阻率最好小到僅可與N電極材料電阻接觸的程度，最好不滿8×10-3Ωcm。接著，第3氮化物半導(dǎo)體層也非摻雜。此層不摻雜，電阻率小、載流子濃度大的第2氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性也不甚佳。若于其上直接生長(zhǎng)活性層、包層等，由在這種等層也會(huì)惡化，故于其間介以非摻雜的結(jié)晶性良好第3氮化物半導(dǎo)體，用來作為活性層生長(zhǎng)前的緩沖層。進(jìn)一步將電阻率較高的非摻雜層介于活性層與第2氮化物半導(dǎo)體層之間，即可籍此防止元器件漏電，提高逆向的耐壓。此外，，第二氮化物半導(dǎo)體層的載流子濃度大于3×1018/cm。雖然以第4族元素作為N型雜質(zhì)，但宜使用Si或Ge，較佳者為Si。
就本發(fā)明第1氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件而言，由于活性層與基板間的非摻雜第1氮化物半導(dǎo)體層可生長(zhǎng)以維持N型雜質(zhì)摻雜的第2氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性，故接著摻有N型雜質(zhì)的第2氮化物半導(dǎo)體層可生長(zhǎng)結(jié)晶性良好的厚膜。進(jìn)一步摻雜的N型雜質(zhì)摻雜的第3氮化物半導(dǎo)體成為生長(zhǎng)在這種層上的氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性良好的底層。因此，第2氮化物半導(dǎo)體層的電阻率可降低，由于載流子濃度提高，故可實(shí)現(xiàn)效率極佳的氮化物半導(dǎo)體元器件。如此，根據(jù)本發(fā)明，由于可實(shí)現(xiàn)閾值低的發(fā)光元器件，故可提供元器件發(fā)熱量也變少，信賴度提高的元器件。
實(shí)施形態(tài)2本發(fā)明第2發(fā)光元器件于活性層與基板之間具有作為N型接觸層的氮化物半導(dǎo)體超格子層，此超格子層具有第1面及第2頁(yè)，為了使超格子層在第1面上結(jié)晶性良好地生長(zhǎng)，具有非摻雜或N型雜質(zhì)濃度較第2氮化物半導(dǎo)體層少的第1氮化物半導(dǎo)體層，此第1氮化物半導(dǎo)體層最好為非摻雜，由于第2氮化物半導(dǎo)體層為超格子結(jié)構(gòu)，故亦可摻雜較第2氮化物半導(dǎo)體層少的N型雜質(zhì)。雖以第4族元素作為N型雜質(zhì)，但較佳者為Si或Ge最佳者是使用Si。
接著，若N型接觸層為超格子結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)成此超格子層的氮化物半導(dǎo)體層的各膜厚在彈性臨界膜厚以下，故可生長(zhǎng)結(jié)晶缺陷極少的氮化物半導(dǎo)體。另外，由于可藉此超格子層使自基板通過第1氮化物半導(dǎo)體層而發(fā)生的結(jié)晶缺陷受到某種程度的抑制，故可增進(jìn)超格子層上所生長(zhǎng)第3氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。就值得一提的作用而言，是類似于HEMT的效果。
此超格子層最好是具有超格子結(jié)構(gòu)，由帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層與帶隙能量較此帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層小的氮化物半導(dǎo)體層層的膜厚宜調(diào)整在100埃以下較佳者在70埃以下，最佳者在10～40埃以下。若大于1100埃，帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層及帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層即會(huì)變成在彈性傾斜界限以上的膜厚，而有微少裂縫或結(jié)晶缺陷易于深入膜中的傾向。帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層、帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層的下限雖未特別限定，但宜在一原子層以上，最好如前述，在10埃以上。此外，帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層至少是含Al的氮化物半導(dǎo)體，最好是生長(zhǎng)AlxGa1-xN(0＜X≤1)者。另一方面，帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體但宜為帶隙能量較帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體小的氮化物半導(dǎo)體，但最好是AlyGa1-YN(0≤Y＜1，X＞Y)，InZGa1-ZN(0≤Z＜1)的2元混晶，3元混晶的氮化物半導(dǎo)體易于生長(zhǎng)，此外，易于獲得結(jié)晶性良好特性。其中尤佳者是帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體為實(shí)質(zhì)上不含In、Ga的Al1-XN(0＜X＜1)，帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體為實(shí)質(zhì)上不含Al的InZGa1-ZN(0≤Z＜1)，其中就獲得結(jié)晶性良好的超格子而言，最好為Al混晶比(Y值)在0.3以下的AlXGa1-XN(0＜X≤0.3)與GaN的組合。
在第2氮化物半導(dǎo)體層形成包層用來作為光封閉層情形下，有必要生長(zhǎng)帶隙能量較活性層的井層大的氮化物半導(dǎo)體。帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層是Al混晶比高的氮化物半導(dǎo)體。已往的在使混晶比高的生長(zhǎng)厚膜時(shí)，由于裂縫易于深入，故結(jié)晶生長(zhǎng)甚為困難。但本發(fā)明若為超格子層，即使構(gòu)成超格子層的單一層為Al混晶比略高的層，由于生長(zhǎng)彈性臨界膜厚以下的膜厚，故裂縫難以深入。因此，借助于Al混晶比高的層可結(jié)晶性良好地生長(zhǎng)，提高光封閉、載波子封閉效率，激光元器件可降低閾值電壓，LD元器件可降低Vf(正向電壓)。
此外，此第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層與帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層的N型雜質(zhì)濃度最好不同。由在這種即所謂異常摻雜，故在一方的層的N型雜質(zhì)濃度小，最好是不摻有雜質(zhì)狀態(tài)(非摻雜)狀態(tài)下，若另一方高濃度摻雜，即可降低閾值電壓、Vf等。由于雜質(zhì)濃度低的層存在于超絡(luò)子層中，故此層移動(dòng)度變大，由于雜質(zhì)濃度高的層同時(shí)存在，故可在載流子濃度極高下形成超格子層。即，由于雜質(zhì)濃度低移動(dòng)度高的層以及雜質(zhì)濃度高載流子濃度高的層同時(shí)存在，故載流子濃度大移動(dòng)度亦大的層形成包層，由在這種推知閾值電壓，Vf降低。
在帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層中摻雜高濃度雜質(zhì)情形下，由在這種異常摻雜，故可在高雜質(zhì)濃度層與低雜質(zhì)濃度層之間產(chǎn)生2維電子云，經(jīng)推測(cè)，在此電子云影響下，電阻率會(huì)降低。例如，就N型雜質(zhì)摻雜的帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層與帶隙能量小的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層層疊而成的超格子層而言，阻擋層側(cè)會(huì)在N型雜質(zhì)添加層與非摻雜層的異質(zhì)接合界面空乏化，而電子(2維電子云)會(huì)蓄積在帶隙能量小的層側(cè)厚度前后界面上。由在這種2維電子云出現(xiàn)在帶隙能量小的一側(cè)，故電子行進(jìn)時(shí)不受雜質(zhì)散亂影響，因此，超格子的電子移動(dòng)度提高，電阻率降低。此外，經(jīng)推測(cè)，P側(cè)異常摻雜也同樣受2維空云的影響。在P層情形下，AlGaN與GaN相比，電阻率較高。由于AlGaN側(cè)借助于摻雜P型雜質(zhì)降低電阻率。故在制作超格子層的實(shí)質(zhì)電阻率降低的元器件情形下，經(jīng)推測(cè)，閾值有降低的傾向。
另一方面，在間隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層中摻雜高濃度雜質(zhì)情形下，經(jīng)推測(cè)有以下作用。例如在AlGaN層與GaN層中摻雜同量Mg情形下，AlGaN層的Mg受主位準(zhǔn)深度大，活性化率小。另一方面，GaN層的受主位準(zhǔn)深度較AlGaN層淺，Mg的活性化率高。例如，即使摻雜1(1020/cm3的Mg，相對(duì)于GaN為(1017/cm3程度的載流子濃度，AlGaN無法得1(1017/cm3程度的載流子濃度。因此，本發(fā)明以AlGaN/GaN作為超格子，借助于在可獲得高載流子濃度的GaN層上摻雜極多雜質(zhì)，獲得高載流子濃度的超格子。由于作成超格子，故在隧道效應(yīng)下，載流子沿雜濃度少的AlGaN層移動(dòng)，實(shí)質(zhì)上，載流子不受AlGaN層作用，AlGaN層用來作為帶隙能量高的包層。因此，即使帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體中摻有極多雜質(zhì)，在降低激光元器件、LED元器件的閾值上亦極具效果。此外，本說明書雖就P型層側(cè)形成超格子的例子加以說明，但在N層側(cè)形成超格子的情形下，亦具有相同的效果。
在帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層摻雜極多雜質(zhì)情形下，帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層上的摻雜量宜調(diào)整在1(1017/cm3～(1020/cm3，較佳者在(1018/cm3～5(1019/cm3范圍。若小于1(1017/cm3，與帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層的差便會(huì)變少。而有無法獲得載流子濃度大的層的傾向。此外，較1(1020/cm3大的話，便包含元器件本身漏電易于增多的傾向。另一方面，帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層的N型雜質(zhì)濃度宜較Al大的氮化物半導(dǎo)體層少，較佳者少1/10以上。最好為非摻雜，如此即可獲得移動(dòng)度最高的層，由于膜存薄，有自帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體側(cè)擴(kuò)散的N型雜質(zhì)，故此量亦宜在(1019/cm3以下。選擇Si、Ge、Se、S、O等周期表的第IVB、VIB族元素來作為N型雜質(zhì)，最好以Si、Ge、S為N型雜質(zhì)。此作用在帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層摻雜極少N型雜質(zhì)，以及帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層摻雜極多N型雜質(zhì)情形下均相同。以上雖就最好異常摻雜雜質(zhì)于超子層的情形加以說明，但亦可使帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體與帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度相等。
此外，在構(gòu)成超格子的氮化物半導(dǎo)體中，雜質(zhì)濃度高的摻雜層最好相對(duì)于厚度方向，令半導(dǎo)體層中心部位近旁的雜質(zhì)濃度大，兩端部件旁的雜質(zhì)濃度小(最好非摻雜)。具體地說，例如在以摻雜Si的N型雜質(zhì)之AlGaN與非摻雜GaN層形成超格子層情形下，雖然AlGaN由于摻雜Si而以電子作為施主離開導(dǎo)帶，但電子會(huì)落在電位低的GaN導(dǎo)帶上。由于GaN結(jié)晶中不摻雜施主摻質(zhì)，故不因雜質(zhì)而受載波子的散亂影響。因此，電子易于在GaN結(jié)晶中移動(dòng)，實(shí)質(zhì)上提高電子移動(dòng)度。這與前述2維電子云的效果類似，電子橫向的實(shí)質(zhì)移動(dòng)度提高，電阻率變小。此外，若高濃度摻雜于帶隙能量大的AlGaN中心領(lǐng)域，效率即會(huì)變大。即，借助于電子移動(dòng)于GaN中，也多少會(huì)受AlGaN中所含N型雜質(zhì)離子(此情形為Si)的散亂影響。但由于相對(duì)于AlGaN層的厚度方向，二端部若不摻雜，即難以受Si散亂影響，故可進(jìn)一步提高非摻雜GaN層的移動(dòng)度。此外，作用雖有些不同，但亦具有類似于P側(cè)層構(gòu)成超格子的情形的效果，最好于帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體層中心領(lǐng)域摻雜極多P型雜質(zhì)，于二端摻雜極少或不摻雜。另一方面，雖可以在帶隙能量小的氮化物半導(dǎo)體層摻雜極多雜質(zhì)的層作為前述雜質(zhì)濃度的構(gòu)成，但在帶隙能量小的層摻雜極多雜質(zhì)作成的超格子包含效果減少的傾向。
此外，本發(fā)明元器件也不摻雜第3氮化物半導(dǎo)體層，或以其作為摻雜質(zhì)濃度第2氮化物半導(dǎo)體層少的層。此層的N型雜質(zhì)濃度小，若直接在超格子層的最上層上生長(zhǎng)含有極多雜質(zhì)的第3氮化物半導(dǎo)體層，由在這種層的結(jié)晶性有惡化的傾向，故為了使第3氮化物半導(dǎo)體層結(jié)晶性良好的生長(zhǎng)，使N型雜質(zhì)濃度小，最好不摻雜。第3氮化物半導(dǎo)體層的組成雖不用說，最好為InXGa1-XN(0≤X≤1)，但借助于生長(zhǎng)InXGa1-XN(0≤X≤0.5，用來作為第3氮化物半導(dǎo)體上所生長(zhǎng)層的緩沖層，即易于自第3氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)上層，此外借助于非摻雜單層的電阻率高的層介于活性層與第2氮化物半導(dǎo)體之間，可防止元器件漏電，提高逆向耐壓。
(實(shí)施例1)超格子結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaN/Si摻雜GaN(B)/摻雜GaN(A)/非摻雜GaN圖1表示與本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的一實(shí)施例有關(guān)的LED元器件結(jié)構(gòu)的模式剖視圖，現(xiàn)根據(jù)該圖說明本發(fā)明元器件的制造方法。
將藍(lán)寶石(面)制基板1置于反應(yīng)容器內(nèi)，充分更換容器內(nèi)的氫后，令氫流出，使基板溫度上升至1050℃，進(jìn)行基板清洗?；迳纤{(lán)寶石C面外，可使用作為主面R面、A面的藍(lán)寶石，在尖晶石(Mgal2O4)等絕緣性基板外，使用SiC(6H、4H、3C)、Si、ZnO、GaAs、GaN等半導(dǎo)體基板。
(緩沖層2)接著溫度下降至510℃，使用摻氫載流子氣體，摻氨原料氣體與TMG(三甲基鎵)，于基板上生長(zhǎng)200埃厚的GaN制緩沖層。
(第1氮化物半導(dǎo)體層3)緩沖層2生長(zhǎng)后，僅關(guān)掉TMG，溫度上升至1050℃。達(dá)到1050℃，即使用相摻TMG原料氣體、氨，生長(zhǎng)5(m膜厚的非摻雜GaN制第1氮化物半導(dǎo)體層3。第1氮化物半導(dǎo)體層在較緩沖層高溫下，例如在900℃～1100℃下生長(zhǎng)，可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成。此組成不用說較佳者為GaN，若為X值在0.2以下的AlxGa1-xN，即易于獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層。此外，膜厚不用說，生長(zhǎng)較緩沖層厚的厚膜，通常生長(zhǎng)0.1(m以上的膜厚。此層作為非摻雜層雖接近純半導(dǎo)體，電阻率大于0.2，但亦可摻雜較第2氮化物半導(dǎo)體層少的SiG等N型雜質(zhì)而作成電阻率降低的層。
(第2氮化物半導(dǎo)體層4)接著在1050℃下，使用TMG、氮，生長(zhǎng)20埃膜厚的非摻雜GaN層。接著以相同溫度，追加Si氣，生長(zhǎng)20埃膜厚的1(1018/cm3Si摻雜GaN。如此即成對(duì)生長(zhǎng)20埃非摻雜GaN層所形成的A層與具有Si摻雜GaN層的20埃B層。層疊此對(duì)250層，使其厚達(dá)1μm，生長(zhǎng)超格式子結(jié)構(gòu)所形成的第氮化物半導(dǎo)體層4。
(第3氮化物半導(dǎo)體層4)接著，僅關(guān)掉Si氣，同樣在1050℃下生長(zhǎng)100埃膜厚的非摻雜GaN制第3氮化物半導(dǎo)體層5。此第3氮化物半導(dǎo)體層亦可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成。此構(gòu)成不用說，最好為GaN，若為X值在0.2以下的AlxGa1-XN或Y值在0.1以下的InYGa1-yN，即易于獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層。若生長(zhǎng)InGaN，即可于其上生長(zhǎng)含Al氮化物半導(dǎo)體中。
(活性層6)接著，令溫度為800℃，將載流子氣體換成氮，使用TMG、TMI(三甲基銦)、氨、形成30埃膜厚的非摻雜In0.6Ga0.6N層，使具有單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層生長(zhǎng)。此外，此層最好為具有InGaN所形成井層的多重量子井結(jié)構(gòu)。
(P側(cè)包層7)接著，提高溫度至1050℃，使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg(茂基鎂)，生長(zhǎng)0.1μm膜厚的1(1020/cm3Mg摻雜P型Al0.1Ga0.9N制P側(cè)包層7。此層用來作為載流子封閉層，使含Al氮化物半導(dǎo)體，最好是AlYGa1-YN(0＜Y＜1)生長(zhǎng)，為了生長(zhǎng)結(jié)晶性良好的層，最好生長(zhǎng)0.5μm以及膜厚的Y值0.3以下的AlYGa1-YN層。
此外，P側(cè)包層7也可為超格子層，除超格子層于P側(cè)層外，最好閾值降低。但不特別限于超格子層形成于P側(cè)層的層。
(P側(cè)接觸層8)接著，在1050℃下，使用TMG、氨、C 2Mg，使1(1020/cm3Mg摻雜P型GaN制P側(cè)接觸層8生長(zhǎng)0.1μm膜厚。P側(cè)接觸層8也可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成。此組成不用說，最好為GaN，如此即易于獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層，并可與P電極材料作極佳電阻接觸。
反應(yīng)結(jié)束后，溫度降至室溫，進(jìn)一步于物氮?dú)庵校诜磻?yīng)容器內(nèi)，以700℃對(duì)薄片進(jìn)行熱焙，使P型層進(jìn)一步低電阻化。
熱焙后，自反應(yīng)容器將薄片取出，于最上層的P側(cè)接觸層8的表面上形成預(yù)定形狀的屏蔽，以RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)，如圖1所示，使第2氮化物半導(dǎo)體層4的表面露出。
蝕刻后，于最上層的P側(cè)接觸層的大致全部表面上，形成200埃膜厚的含Ni與Au透光性電極9，并在此P側(cè)電極9上形成0.5μm膜厚的焊接用Au所形成的P焊接區(qū)電極10.另一方面，在借助于蝕刻露出的第2氮化物半導(dǎo)體層4表面上形成含Al的電極11。最后，在為了保證P電極9表面而如圖1所示形成SiO2制絕緣膜12后，借助于劃割，使晶圓分離而作成350μm方塊的LED元器件。
此LED元器件于正向電壓20mA中，顯示520nm的純綠色發(fā)光，與藍(lán)寶石上依GaN制緩沖層、Si摻雜GaN制N側(cè)接觸層、單一量子井的InGaN制活性側(cè)、Mg摻雜AlGaN制p側(cè)包層、Mg摻雜GaN制p側(cè)接觸層順序?qū)盈B而成的已往的LED綠色發(fā)光LED比較，于20mA中可降低0.2-0.4V的Vf，輸出可提高40％～50％。此外，靜電耐壓與已往的LED比較為其5倍以上。
(實(shí)施例2)超格子結(jié)構(gòu)LEDSi摻雜GaN/Si摻雜GaN(B)/非摻雜GaN(A)/Si摻雜GaN在實(shí)施例1中生長(zhǎng)第1氮化物半導(dǎo)體層3時(shí)，生長(zhǎng)3μm膜厚的1(1017/cm3Si摻雜GaN，進(jìn)一步在生長(zhǎng)第3氮化物半導(dǎo)體層5時(shí)，除形成1(1017/cm3Si摻雜GaN外，與實(shí)施例1同樣制作LED元器件，結(jié)果，與實(shí)施全例相較，輸出雖降低10％，但獲得Vf靜電耐壓特征性大致相同的LED。
(實(shí)施例3)超格子結(jié)構(gòu)非摻雜GaN/Si摻雜GaN/非摻雜InGaN/非摻雜GaN于實(shí)施例1中，在生長(zhǎng)第2氮化物半導(dǎo)體時(shí)，除如以下形成外，與實(shí)施例1相同。
即，在1050℃下，使用TMG、氨及Si氣，生長(zhǎng)25埃的10×1019/cm3Si℃下使用TM2、TMG及氨，生長(zhǎng)75μm非摻雜InGaN。如此，Si雜GaN層形成的A層為25埃，非摻雜InGaN制B層為75埃而交互層疊100層，形成總膜存2μm的超格子結(jié)構(gòu)形成的第2化物半導(dǎo)體層。
如以上制成的實(shí)施例3的超格子結(jié)構(gòu)LED具有與實(shí)施例1相同的性能。
(實(shí)施例4)超格子結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaN/Si摻雜AlGaN/非摻雜GaN于實(shí)施例1中成第2氮化物半導(dǎo)體4時(shí)，并互層疊40埃非摻雜GaN層所形成的的A層與60埃的均摻雜10×1018/cm3Si的AI0.1Ga0.9N層N層，制得總膜厚3μm的超格子結(jié)構(gòu)以外相同的LED元器件，可制得具有與實(shí)施例2大致等特性的LED元器件。
(實(shí)施例5)超格子結(jié)構(gòu)非摻雜InGaN/Si摻雜GaN(B)/非摻雜GaN(A)/非摻雜GaN圖2表示與本發(fā)明另一實(shí)施例有關(guān)的激光元器件結(jié)構(gòu)的模式剖視圖，是沿平行于激光共射面切斷元器件時(shí)的圖。以下根據(jù)此圖對(duì)實(shí)施例4進(jìn)行說明。
與實(shí)施例1相同，在藍(lán)寶石(C面)制基本20上生長(zhǎng)200埃GaN制緩沖層21、5μm非摻雜GaN制第1氮化物半導(dǎo)體層22、20埃非摻雜GaN層A層、20埃Si摻雜GaN制B層所層疊總膜厚3μm的超格子結(jié)構(gòu)所形成的第2氮化物半導(dǎo)體層23(第2氮化物半導(dǎo)體層4的構(gòu)成與實(shí)施例1相同)。
此外，在藍(lán)寶石基板之外，與基板上藍(lán)寶石氮化物半導(dǎo)體不同材料所制成的基板上，生長(zhǎng)第1GaN層，在這種第1GaN層上，SiO2等局部形成氮化物半導(dǎo)體難以生長(zhǎng)于表面上的保護(hù)膜，進(jìn)一步通過此保護(hù)膜，于前經(jīng)1GaN層上生長(zhǎng)第2GaN，于SiO2上橫向生長(zhǎng)第2GaN，橫向連接第2GaN層而使用第2GaN層為基板作成的氮化物半導(dǎo)體基板，如此，在增進(jìn)氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶性上極佳。在以此氮化物半導(dǎo)體基板為基板情形下，并無特別生長(zhǎng)緩沖層的必要。
(第3氮化物半導(dǎo)體層24)接著，令溫度為800℃，使用TMI、TMG、氨，生長(zhǎng)500埃膜存的非摻雜In0.05Ga0.95N所形成的第3氮化物半導(dǎo)體層。
(N側(cè)包層25)接著，令溫度為1050℃，交互層疊200層的20埃的10×1019/cm3S I摻雜型Al0.2Ga0.8N層、20埃非摻雜GaN層，形成總膜厚0.8μm的超格子結(jié)構(gòu)。N側(cè)側(cè)包層254用來作為載流子封閉層及光封閉層，宜作成含Al氮化物半導(dǎo)體，最好為含AlGaN的超格子層，超格子層全體膜存宜生長(zhǎng)100埃以下，較佳者500埃以上，2μm以下。此外，使N側(cè)包層中央部位的雜質(zhì)濃度大，二端部雜質(zhì)濃度小，(N側(cè)光層層26)接著，生長(zhǎng)0.1μm膜厚的5×1017/cm3Si摻雜N型GaN制N側(cè)光導(dǎo)層。此N側(cè)光導(dǎo)層用來作為活性層的光層層，最好生長(zhǎng)GaN，InGaN一般宜生長(zhǎng)100埃-5μm，較佳者200埃-1μm膜厚。此N側(cè)光層5雖然一般為摻雜Si、GE等N型雜質(zhì)的N型導(dǎo)電型，但亦可物地不摻雜。
(活性層27)接著，在800℃下，生長(zhǎng)總膜厚175埃的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)的活性層27，此量子井結(jié)構(gòu)由25埃的非摻雜In0.2Ga0.8N所形成。
(P側(cè)間隙層28)
接著，在1050℃下，使隙能量較P側(cè)光層層8大，并較活性層6大，生長(zhǎng)300埃膜厚的摻雜1×1020/cm3Mg的P型Al0.3Ga0.7N制P側(cè)間隙層28。此P側(cè)間隙層28雖有摻雜P型雜質(zhì)的層，但由于膜存極薄，故可為摻雜N型雜質(zhì)而補(bǔ)償載流子的i型，或非摻雜，但最好為P型雜質(zhì)摻雜層。P側(cè)間隙層28膜厚宜調(diào)整在0.1μm以下，較佳者在500埃以下，最好在300埃以下。若生長(zhǎng)大于0.1μm的膜存，裂縫即容易深入P型間隙層28中，其原因在于結(jié)晶性良好的氮化物半導(dǎo)體層難以生長(zhǎng)。Al組成比大的AlGaN越薄，LD元器件即越容易振蕩。例如，若為Y值在0.2μm以上的AlYGa1-YN，最好調(diào)整在500埃以下。P側(cè)間隙層76的膜存下限雖無特別限定，但最好形成10埃以上的膜厚。
(P側(cè)光導(dǎo)層29)接著，生長(zhǎng)0.1μm膜存的帶隙能量較P側(cè)間隙層28小，摻雜1×1019/cm3SMg的P型GaN制P側(cè)光導(dǎo)層。此層用來作為活性層的光導(dǎo)層，最好N側(cè)光層層26同樣以GaN、InGaN生長(zhǎng)。此外此層亦可用來作為生長(zhǎng)P側(cè)包層30時(shí)的緩沖層，借助于生長(zhǎng)宜為100?！?μm，較佳者為200?！?μm的膜存，最好用來作為光導(dǎo)層，此P側(cè)光導(dǎo)層雖為摻雜Mg等P型雜質(zhì)的P型導(dǎo)電型，但不摻有雜質(zhì)尤佳。
(P側(cè)包層30)接著，生長(zhǎng)由摻雜1×1020/cm3Mg的20埃Al0.2Ga0.8N層與摻雜1×1019/cm3Mg的20埃P型GaN層交互層疊為總膜存0.8μm的超格子層所形成的P側(cè)包層30.此層與N側(cè)包層25同樣用來作為封閉層，借助于超格子結(jié)構(gòu)，用來作為使P型層側(cè)電阻率降低的層。此P側(cè)包層30的膜厚雖未特別限定，但宜在100埃以上，2μm以上，較佳者在500埃以上，1μm以下生長(zhǎng)?？墒勾薖側(cè)包層的中央部的雜質(zhì)濃度大，亦可使二端部的雜質(zhì)濃度變小。
(P側(cè)接觸層31)最好，生長(zhǎng)150埃膜存的摻雜2×1020/cm3Mg的P型GaN制P側(cè)接觸層10.P側(cè)接觸層若調(diào)整在500埃以下，較佳者在400在埃以下，最佳者在20埃上，由于P層電阻變小，故在降低閾值電壓上極為有利。
反應(yīng)結(jié)束后，于反應(yīng)容器內(nèi)，在氮?dú)庵校?00℃下，進(jìn)行薄片熱焙，使P層進(jìn)一步低電阻化。熱焙后，自反應(yīng)容器取出薄片，如圖2所示，藉RIE所示，藉RIE對(duì)最上層的P側(cè)接觸層與P側(cè)包層30蝕刻，形成40μm帶寬的脊部形狀。
脊部形成后，圖2所示，以脊形帶為中心，對(duì)此脊形帶二側(cè)露出的P側(cè)包層30蝕刻，使形成N電極11的第2氮化物光導(dǎo)層23的表面露出，以此露出面為雜質(zhì)濃度大的超格子層。
接著，于脊部全部表面上形成Ni/Au制P電極32。接著如圖2所示，于除去P電極32的P側(cè)包層、P側(cè)接觸層31表面上形成SiO2制絕緣膜35，并形成通過此絕緣膜35與P電極32電氣連接的P墊片電極。另一方面在前端露出的N側(cè)接觸層4的表面上形成W與Al制N電極。
電極形成后，在研磨薄片藍(lán)寶石基板內(nèi)面，使其成50μm的厚度，于藍(lán)寶石的M面切開薄片，制成以此初開面為共振面的片段。另一方面，在與帶狀電極平行位置割劃此片段，使其分雄，作成激光元器件。此激光元器件形狀如圖2所示。在室溫下使此激光元器件激光振蕩，結(jié)果，與已往的連續(xù)振蕩37小時(shí)的氮化物半導(dǎo)體激光元器件相比，發(fā)現(xiàn)，閾值電流密度降至接近2.0kA/cm2，閾值電壓亦接近4V，壽命提高到500小時(shí)以上。
(實(shí)施例6)超格子結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaN/非摻雜AlGaN/Si摻雜GaN/非摻雜GaN于實(shí)施例1中，第2氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)20埃的摻雜1×1019/cm3Si的GaN層，以及20埃的非摻雜Al0.10Ga0.90N層，使此對(duì)生長(zhǎng)250次，生長(zhǎng)由總膜存1.0μm(10000埃)超格子結(jié)構(gòu)所形成的第2氮化物半導(dǎo)體層4的其他實(shí)例與實(shí)施例1一樣進(jìn)行，可獲得大致與實(shí)施例1相同良好的效果。
如前所述，本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體元器件借助于層疊非摻雜或摻雜濃度小的第1氮化物半導(dǎo)體層、雜技同濃度大的超格子層所形成的第2氮化物半導(dǎo)體層、非摻雜或雜質(zhì)濃度小的第3氮化物半導(dǎo)體層，即可獲得Vf低的LED，低閾值的激光元器件。復(fù)由于第2氮化物半導(dǎo)體層的電阻率小，撤N電極與第2氮化物半導(dǎo)體層容易電阻接觸，Vf等會(huì)降低。此外，，本說明書雖就LED、激光元器件加以說明，但本發(fā)明可適用于感光元器件，太陽(yáng)電池以外使用氮化物半導(dǎo)體輸出的功率器等，使用氮化物半導(dǎo)體的所有元器件上。
(實(shí)施例7)三層層疊結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaN/Si摻雜N型GaN/非摻雜GaN由于本發(fā)明實(shí)施形態(tài)，之一LED元器件實(shí)施例除作成N型接觸層的構(gòu)成超格子結(jié)構(gòu)三層層疊結(jié)構(gòu)與圖1所示實(shí)施例1同樣制造，雖僅就N型接觸層(三層層疊結(jié)構(gòu))加以說明。
(第1氮化物半導(dǎo)體層)與實(shí)施例1相同生長(zhǎng)緩沖層2后，僅關(guān)掉TMG，使溫度上升至1050℃。若達(dá)到1050℃，即同樣使用TMG、氨氣為原料氣體，生長(zhǎng)1.5μm膜厚的非摻雜GaN所形成的第1氮化物半導(dǎo)體層3。第1氮化物半導(dǎo)體層在較緩沖層高溫，例如900℃～1100℃下生長(zhǎng)，可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成，此組成不用說，最好為GaN，若為X值在0.2以下的AlXGa1-XN，即可易于獲得結(jié)晶缺陷極少的氮化物半導(dǎo)體層。此外，膜厚不管如何，生長(zhǎng)較緩沖層厚的膜厚，一般生長(zhǎng)0.1以上20μm以下的膜存，此層由于作為非摻雜層，故接近純半導(dǎo)體，電阻率大于0.1Ωcm。此外，由于是在較上述緩沖層高的溫度下生長(zhǎng)的層，故即使未摻雜，亦與上述緩沖層有別。
(第2氮化物半導(dǎo)體層4)接著，在1050℃下，使用TMG、氨氣、摻有雜質(zhì)氣體的硅烷氣體，生長(zhǎng)3μm膜厚的Si摻雜GaN層。此第2氮化物半導(dǎo)體層4亦可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成，此組成不用說，最好為GaN，若為X值0.2以下的AlXGa1-XN或Y值在0.1以下的InYGa1-YN，即易于獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層。此外，，膜存不用說，由于形成N電極，最好生長(zhǎng)一般在0.1以上20μm以下的膜存。此外，若不作為元器件結(jié)構(gòu)，使用別的藍(lán)寶石基板，同樣生長(zhǎng)GaN，載流子濃度即為1×1019/cm3，電阻率為5×10-3Ωcm。
(第3氮化物半導(dǎo)體層5)接著，僅關(guān)掉TMG，同樣于1050℃形成0.15μm膜厚的非摻雜GaM形成的第3氮化物半導(dǎo)體層。此第3氮化物半導(dǎo)體層5亦可以InXAlyGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)構(gòu)成。此組成不用說，最好為GaN，若為X值在0.2以下的AlXGa1-XN或Y值在0.1以下的InYGa1-YN，即可地獲得結(jié)晶缺陷少的氮化物半導(dǎo)體層。若生長(zhǎng)InGaN，在生長(zhǎng)含Al氮化物半導(dǎo)體于其上情形下，可防止裂縫深入含Al氮化物半導(dǎo)體層。此外在以單一氮化物半導(dǎo)體層長(zhǎng)第2氮化物半導(dǎo)體層情形下，最好第1氮化物半導(dǎo)體層、第2氮化物半導(dǎo)體層、第3氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)同一組成的氮化物半導(dǎo)體，特別是GaN。
此LED元器件于正向電壓20mA中，顯示發(fā)出520nm純綠色光，與依由GaN型成于藍(lán)石基板上的緩沖層，Si摻雜GaN所形成的N側(cè)接觸層、單一量子進(jìn)結(jié)構(gòu)的InGaN所形成的活性層、Mg摻雜AlGaN，形成的包層、Mg摻雜GaN型成的P側(cè)接觸層順序?qū)盈B的已往的綠色發(fā)光LED比較，可于20mA中將Vf降低0.1～0.2V，將輸出提高5％～10％。
(實(shí)施例8)三層層疊結(jié)構(gòu)LD非摻雜In0.05Ga0.95N/Si摻雜N型GaN/非摻雜GaN本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1之一LD元器件實(shí)施例由于除N型接觸層的構(gòu)成之外與圖2(沿平行于激光共振面的方向切斷元器件的圖)所示實(shí)施例4同樣制造，故僅就N型接觸層加以說明。
與實(shí)施例1相同，于藍(lán)寶石(C面)制基板20上，生長(zhǎng)200埃的GaN制緩沖層，溫度上升至1020℃，在1020℃下，生長(zhǎng)5μm非摻雜GaN制第1氮化物半導(dǎo)體層22。
接著，于1020℃下，使用摻有雜質(zhì)氣體的硅烷氣體，生長(zhǎng)Si摻雜N型GaN所形成的第2氮化物半導(dǎo)體層23。其電阻率亦為5×10-3Ωcm。
(第3氮化物半導(dǎo)體層24)接著，令溫度為800℃，使用TMI、TMG、氨，生長(zhǎng)500埃厚的非摻雜In0.05Ga0.95N制第3氮化物半導(dǎo)體層。
(N側(cè)包層25)接著，令溫度為1020℃，將1×1017/cm3Si摻雜N型Al0.2Ga0.8N層生長(zhǎng)為40埃，并將非摻雜GaN層生長(zhǎng)40埃，交互層疊40層作成超格子結(jié)構(gòu)。此N側(cè)包層用來作為載流子封閉層及光封閉層。
(N側(cè)光導(dǎo)體26)接著，生長(zhǎng)0.2μm膜存的1×1019/cm3Si摻雜N型GaN制N側(cè)光導(dǎo)層26。以N側(cè)光導(dǎo)體26用來作為活性層的光導(dǎo)層，宜生長(zhǎng)GaN、InGaN，一般生長(zhǎng)100?！?μm，較佳者生長(zhǎng)200?！?μm的膜厚。此N側(cè)光導(dǎo)層5亦可不摻雜。
(活性層27)接著，于800℃，使Si摻雜In0.2Ga0.8N型成的井層生長(zhǎng)25埃膜厚。接著，僅變化TMI的摩爾比，生長(zhǎng)50埃膜厚的Si摻雜In0.01Ga0.99N所形成的阻擋層。此操作反復(fù)進(jìn)行2次，最好層疊井層而作成多量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(P側(cè)間隙層28)接著，于1020℃下，使用TMG、RTMA，氨，Cp2Mg，生長(zhǎng)300埃膜厚的帶隙能量較活性層大的1×2020/cm3Mg摻雜P型Al0.3Ga0.7N所形成的P側(cè)間隙層28。此P側(cè)間隙層28雖為P型摻雜層，但由于膜厚極薄，故亦可為摻有N型雜質(zhì)而補(bǔ)償載流子的i型。P側(cè)間隙層28膜厚宜調(diào)整在0.1μm以下。若生長(zhǎng)大于0.1μm的膜厚，裂縫即易于深入P型間隙層28中。難友生長(zhǎng)結(jié)晶性良好的氮化物半導(dǎo)體層。此外，由于隧道效應(yīng)，故載流子無法通過此能量障壁。Al的組成化大而AlGaN越薄，LD元器件越容易振蕩。例如，若為Y值在0.2以上的AlYGa1-YN，最好調(diào)整在500埃以下。P側(cè)間隙層28的膜厚下限雖未特別限定，但與上述實(shí)施例4所示激光元器件相同，最好形成10埃以上膜厚。
(P側(cè)光導(dǎo)層)接著，于1020℃生長(zhǎng)0.2μm膜厚的1×1018/cm3Mg摻雜P型GaN制P側(cè)光導(dǎo)層。此層與N側(cè)光導(dǎo)層26相同，用來作為活性層的光導(dǎo)層，宜以GaN、InGaN生長(zhǎng)，宜生長(zhǎng)100?！?μm，較佳者200?！?μm膜存。此P側(cè)光導(dǎo)層雖為一般摻雜Mg等P型雜質(zhì)的P型導(dǎo)電型，但亦可特別是不摻雜者。
(P側(cè)包層30)接著，于1020℃生長(zhǎng)40埃的1×1020/cm3Mg摻雜Al0.25Ga0.75N層與40埃非摻雜P型GaN層并互層疊40層所形成超格子層作成的P側(cè)包層30.此層與N側(cè)包層25同樣用來作為載流子封閉層。借助于超格子結(jié)構(gòu)，即有P型層的電阻下降，閾值易于降低的傾向。
(P側(cè)接觸層31)最后生長(zhǎng)150埃膜存的2×1020/cm3Mg摻雜P型GaN制P側(cè)接觸層31。
反應(yīng)結(jié)束后，于反應(yīng)容器內(nèi)，氮?dú)庵校?00℃下，進(jìn)行薄片熱焙，進(jìn)一步使P層低電阻化。熱焙后，自反應(yīng)容器取出薄片，如圖2所示，藉RIE元器件將最上層的P側(cè)接觸層31與P側(cè)包層30蝕刻，作成具有40μm帶寬的脊部形狀。借助于特別是活性層以上含Al氮化物半導(dǎo)體層的以上諸層作為脊部形狀，活性層的發(fā)光集中于脊部下部，橫型易于單一化，閾值易于降低。脊部形成后，形成屏蔽于脊部表面上。如圖2所示，相對(duì)于帶狀脊部左右對(duì)稱，易于形成N電極，第2氮化物半導(dǎo)體層23表面露出。
接著，于脊部全部表面上形成Ni/Au制P電極32。另一方面，形成TI與Al制N電極34于帶狀第2氮化物半導(dǎo)體層的大致全部表面上。大致全部表示即80％以上的面積。如此相對(duì)于P電極32左右對(duì)稱而使第2氮化物半導(dǎo)體層23露出。在閾值降低上亦極為有利。接著，于P電極與N電極間形成SiO2制絕緣膜35，形成通過由此絕緣膜35與P電極32電氣連接的Au制p焊接區(qū)電極。
電極形成后，在研磨薄片藍(lán)寶石基板內(nèi)面成50μm厚度之后，劃割研磨面而沿垂直于帶狀電極方向切成棒狀，以此切開面作成共振器。形成SiO2與TiO2制電介質(zhì)膜于共振器表面上，最后沿平行于P電極方向?qū)舳吻袛嘧鞒杉す庠骷?。將此元器件設(shè)于散熱片上，于室溫測(cè)試激光振蕩，經(jīng)確認(rèn)其在室溫下，閾值電流密度.5kA/cm2，閾值電壓4.0V，振蕩波長(zhǎng)405nm的連續(xù)振蕩，顯示壽命在500小時(shí)以上，與已往的氮化物半導(dǎo)體激光元器件相比，壽命提高10倍以上。
(實(shí)施例9)三層層疊結(jié)構(gòu)LED非摻雜In0.05Ga0.95N/Si摻雜N型GaN/摻雜GaN于實(shí)施例中，第3氮化物半導(dǎo)體層5生長(zhǎng)時(shí)，令溫度為800℃，使用TMG、TMI、氨，生長(zhǎng)200埃膜存的非摻雜In0.05Ga0.95N層，此外側(cè)與實(shí)施例1相同，以制得LED元器件，結(jié)果獲得具有大部分實(shí)施例6特性的元器件。
此外，由于三層層疊結(jié)構(gòu)重點(diǎn)在于提高N型接觸層所形成第2氮化物半導(dǎo)體層的載流子濃度，作為獲得結(jié)果僅能降低電阻率的接觸層，故在實(shí)質(zhì)上不影響第2氮化物半導(dǎo)體層的電阻率降低范圍內(nèi)，不會(huì)妨礙第1氮化物半導(dǎo)體層中N型雜質(zhì)的摻雜。此外，第2氮化物半導(dǎo)休中摻雜高濃度N型雜質(zhì)，作為在不妨礙于其上形成的N型包層、活性層等結(jié)晶性良好的生長(zhǎng)下，形成第3氮化物半導(dǎo)體層，因此可知，在實(shí)質(zhì)上不妨礙其目的范圍內(nèi)即使摻雜雜質(zhì)，亦屬本發(fā)明技術(shù)范圍。實(shí)質(zhì)上，即使Si在第1或第3氮化物半導(dǎo)體中的摻雜在1×1017/cm3以下，與非摻雜相比，因發(fā)現(xiàn)有漏電此外，輸出降低些許，但經(jīng)推測(cè)，并無不耐用情形(參考后述實(shí)施例9～11)。相關(guān)現(xiàn)象亦發(fā)生在使用超格子結(jié)構(gòu)作為N型接觸層情形。但在上述實(shí)施例的非摻雜InGaN/Si摻雜N型GaN或超格子結(jié)構(gòu)/非摻雜GaN、非摻雜GaN/Si摻雜N型GaN或超格子結(jié)構(gòu)/非摻雜GaN中，只要實(shí)質(zhì)上不妨礙第2氮化物半導(dǎo)體層，即可將N型雜質(zhì)摻雜于第1或第3至少其一中。
(實(shí)施例10)超格子結(jié)構(gòu)LRF非摻雜GaN/Si摻雜GaN/非摻雜GaN/非摻雜InGaN實(shí)施例10的LED與實(shí)施例1相同于形成緩沖層2之后，在與實(shí)施例1相同條件下，生長(zhǎng)1.5μm膜厚的非摻雜GaN層制第1氮化物半導(dǎo)體層3。
接著，在1050℃下，使用TMG、氨及Si氣，借助于生長(zhǎng)2.25μm的1×1019/cm3Si摻雜的Si摻雜GaN層。
并此外，在1050℃下，使用TMG及氨，生長(zhǎng)20埃非摻雜GaN層，接著，在800℃下，使用TMI、TMG及氨，生長(zhǎng)10μm非雜質(zhì)InGaN。如此，若非摻雜GaN所形成的A層為20埃，非摻雜InGaN所形成的B層為10埃，即交互層疊20層，形成總膜厚600A超格子結(jié)構(gòu)所形成的第3氮化物半導(dǎo)體層。上述以外側(cè)與實(shí)施例1一樣，裝成實(shí)施例9的LED。
如以上制成的實(shí)施例9的超格子結(jié)構(gòu)LED具有與實(shí)施例1相同的性能。
(實(shí)施例11)三層層疊結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaN/Si摻雜N型GaN/Si摻雜GaN于實(shí)施例6中，除第1氮化物半導(dǎo)體層3摻雜Si1×1017/cm3，第2氮化物半導(dǎo)體層GaN4參雜Si8×1018/cm3，第3氮化物半導(dǎo)體層非摻雜外，同樣形成元器件，元器件多少會(huì)漏電，輸出亦降低。
(實(shí)施例12)三層層疊結(jié)構(gòu)LEDSi摻雜GaN/Si摻雜N型GaN/非摻雜GaN于實(shí)施例6中，除第3氮化物半導(dǎo)體層中摻雜Si1×1017/cm3，第2氮化物半導(dǎo)體層GaN4中摻雜Si8×1018/cm3，第1氮化物半導(dǎo)體層5非摻雜外，同樣形成元器件，元器件多少會(huì)發(fā)生漏電，輸出也會(huì)降低。
(實(shí)施例13)三層層疊結(jié)構(gòu)LEDSi摻雜GaN/Si摻雜N型GaN/Si摻雜GaN于實(shí)施例6中，除第1及第3氮化物半導(dǎo)體層3與5中摻雜Si8×1016/cm3，第2氮化物半導(dǎo)體層GaN4中摻雜Si5×1018/cm3外，同樣形成元器件，元器件雖然幾乎不會(huì)漏電，但輸出則降低。
(實(shí)施例14)超格子結(jié)構(gòu)LED非摻雜GaNSi摻雜GaN/非摻雜GaN(A)/Si摻雜GaN(A)實(shí)施例14的LED與實(shí)施例1相同，于形成緩沖層之后，在與實(shí)施例1相同條件下，生長(zhǎng)1.5μm的非摻雜GaN層制第1氮化物半導(dǎo)體層3。
接著，在1050℃下，使用TMG、氨氣及Si氣，借助于生長(zhǎng)2.25μm的摻有1×1019/cm3Si的Si摻雜GaN層，形成第2氮化物半導(dǎo)體層4。
接著，在1050℃下，使用TMG及氨氣，生長(zhǎng)75μm非摻雜GaN，在相同溫度下使用TMG、氨氣及Si氣，生長(zhǎng)25埃的摻有1×1019/cm3Si的Si摻雜GaN層。如此，若非摻雜GaN所形成的層為75埃此外，Si摻雜GaN層形成的層為25埃，即交互層疊25層，形成總膜厚600埃超格子結(jié)構(gòu)所形成的第3氮化物半導(dǎo)體層。
除前述之外，與實(shí)施例1相同地形成LED元器件。
如前所述制成的實(shí)施例14的超格子結(jié)構(gòu)LED具有與實(shí)施例1相同的性能。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，包括在基板上至少形成N電極的N型接觸層，使電子與空穴再結(jié)合的活性層，形成P電極的P型接觸層，各層由氮化物半導(dǎo)體形成，其特征在于具有三層層疊結(jié)構(gòu)，所述N型接觸層由具有第1面和第2面的摻有N型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體形成，分別與所述第1面和第2面連接而形成不摻有N型雜質(zhì)的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層由GaN型成，所述N型雜質(zhì)是由摻雜Si形成，與該第1面連接形成的氮化物半導(dǎo)體層是非摻雜的GaN或AlGaN，與該第2面連接形成的氮化物半導(dǎo)體層是非摻雜的GaN，AlGaN或InGaN。
3.如權(quán)利要求2或3所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層具有超過3×1018/cm3的載流子濃度。
4.如權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層具有不滿8×10-3Ωcm的電阻率。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層形成在藍(lán)寶石基板上形成的緩沖層上。
6.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，包括在基板上至少形成N電極的N型接觸層，使電子與空穴再結(jié)合的活性層，形成P電極的P型接觸層，各層由氮化物半導(dǎo)體形成，其特征在于所述N型接觸層由至少層疊摻有N型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層與未摻有N型雜質(zhì)的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層的超格子層所形成。
7.如權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層是由選自GaN/GaN，InGaN/GaN，LGaN/GaN與InGaN/AlGaN組合的氮化物層交互層疊的超格子層所形成，其中之一摻雜Si。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層具有超過3×1018/cm3的載流子濃度。
9.如權(quán)利要求7或8所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于所述N型接觸層具有不滿8×10-3Ωcm的電阻率。
10.如權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層由具有第1頁(yè)和第2頁(yè)的摻有N型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體超格子層所形成，分別連接所述第1頁(yè)和第2頁(yè)而形成不摻有N型雜質(zhì)的非摻雜氮化物半導(dǎo)體層或N型雜質(zhì)較超格子層少的氮化物半導(dǎo)體層。
11.如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，其特征在于，所述N型接觸層形成在藍(lán)寶石基板上所形成緩沖層上形成的不摻有N型雜質(zhì)的非摻雜GaN上，通過不摻有N型雜質(zhì)的非摻雜GaN，將包含所述活性層的其他氮化物層層疊在該N型接觸層上。
12.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元器件，包括在基板上至少形成N電極的N型接觸層，使電子與空穴再結(jié)合的活性層，形成P電極的P型接觸層，各層由氮化物半導(dǎo)體形成，其特征在于所述N型接觸層由GaN型成，摻雜所述N型雜質(zhì)Si，連接該第1面和第2面而形成的氮化物半導(dǎo)體層其至少1層在摻雜濃度較N型接觸層低的Si，連接該第1面所形成的第1氮化物半導(dǎo)體層為GaN或AlGaN，連接該第2面所形成的第3氮化物半導(dǎo)體為GaN，AlGaN或InGaN。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種氮化物半導(dǎo)體元器件,在用來作為L(zhǎng)D和LED元件的氮化物半導(dǎo)體元器件中,為了提高輸出,同時(shí)降低Vf,將N電極所形成的n型導(dǎo)電層作成以非摻雜氮化物半導(dǎo)體層夾住摻雜n型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體層的三層層疊結(jié)構(gòu)或氮化物超格子結(jié)構(gòu),n型導(dǎo)電層具有超過3×10
文檔編號(hào)H01S5/00GK1265228SQ98807519
公開日2000年8月30日 申請(qǐng)日期1998年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月25日
發(fā)明者中村修二, 向井孝志, 谷沢公二, 三谷友次, 丸居宏充 申請(qǐng)人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社