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CN101188264B - 氮化物半导体发光器件 - Google Patents

氮化物半导体发光器件 Download PDF

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Abstract

在具有n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的有源层的氮化物半导体发光器件中，有源层具有多量子阱结构，其包括交替堆叠的多个InxGa1-xN(0＜x≤1)量子阱层和多个InyGa1-yN(0≤y＜1)势垒层；且势垒层的至少一个具有超晶格结构，其中周期性地堆叠具有互不相同的In组成比例的多个势垒子层。

Description

氮化物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件和具体地涉及其发光效率的提高。
背景技术
在例如根据日本特开平06-268257号公报的氮化物半导体LED(发光二极管)的氮化物半导体发光器件中，夹置在n型氮化物层和p型氮化物层之间的有源层具有多量子阱(MQW)结构，其中In0.2Ga0.8N量子阱层和In0.04Ga0.96N势垒层交替重复5个周期。
此外，根据日本特开平11-330554号公报，在氮化物半导体发光器件的MQW有源层中，In0.2Ga0.8N量子阱层和GaN势垒层交替重复5个周期。
如上所述，在根据日本特开平06-268257号公报和特开平11-330554号公报的现有技术中，每个势垒层都是由GaN或InGaN的单层形成的。
顺便提及，由于与GaN比较InN具有更小的能量带隙，具有相对高In浓度的层可以作为量子阱层，而具有相对低In浓度的层可以作为势垒层。从通过MQW有源层的阱层中捕获和复合载流子提高发光效率的观点出发，优选的是量子阱层和势垒层之间有较大的带隙差异，且同样优选的是势垒层的厚度能增大到一定程度。
作为通过提高氮化物半导体发光器件中MQW有源层的质量来改善发光效率的一个因素，减小阱层和势垒层之间界面处由这些层之间晶格失配产生的畸变的影响可以是有效的。
当GaN用于势垒层时，如日本特开平11-330554号公报所述，难于避免由InGaN阱层和GaN势垒层之间的晶格失配引起的畸变的影响。具体地，当在发射蓝光或绿光的氮化物半导体发光器件中的MQW有源层中，具有高浓度In的阱层或具有大厚度的势垒层是期望的时，由晶格失配引起的畸变的影响变得更显而易见了。
当InGaN同时用于阱层和势垒层时，如日本特开平06-268257号公报，不可能为了具有与阱层相比具有足够高的带隙的需要而增加势垒层中的In浓度。特别地，必须使得In浓度在阱层和势垒层之间不同，且因此难于避免由阱层和GaN势垒层之间的晶格失配引起的畸变的影响。
发明内容
虽然在如上所述的氮化物半导体发光器件的MQW有源层中有关晶格失配的问题的困难，本发明的主要目的是提供一种氮化物半导体发光器件，其通过减小阱层和势垒层之间界面处由晶格失配引起的畸变的影响而提高发光效率。
依照本发明一个方面，在具有n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的有源层的氮化物半导体发光器件中，有源层具有多量子阱结构，其包括交替堆叠的多个InxGa1-xN(0＜x≤1)量子阱层和多个InyGa1-yN(0≤y＜1)势垒层；且随后至少一个势垒层具有超晶格势垒结构，其中周期性地堆叠具有互不相同的In组成比例的多个势垒子层。
依照本发明另一方面，在多个势垒层中，除了与p型氮化物半导体层接触的势垒层之外的势垒层具有所述超晶格势垒结构。优选地，阱层的In组成比例大于包括在势垒层中的任何势垒子层的In组成比例。此外，在势垒层中，优选的是，具有相对小In组成比例的势垒子层与具有相对大In组成比例的势垒子层比较具有更大的厚度。
依照本发明又一方面，n型氮化物半导体层包括与有源层接触的n侧超晶格层；且n侧超晶格层包括交替堆叠的Inz1Ga1-z1N(0＜z1＜1)的和Inz2Ga1-z2N(0≤z2＜1)的n侧超晶格子层。
优选地，阱层的In组成比例大于包括在n侧超晶格层中的n侧超晶格子层的In组成比例。此外，在n侧超晶格层中，优选的是，具有相对小In组成比例的n侧超晶格子层比具有相对大In组成比例的n侧超晶格子层比较具有更大的厚度。
当结合附图结合时，从本发明的以下详细描述，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点变得更加明显。
附图说明
图1是显示依照本发明一实施例的LED器件的叠层结构的示意截面图。
具体实施方式
此后，将详细描述依照本发明一实施例的氮化物半导体发光器件和一些比较例。
<实施例>
图1是示出依照本发明一实施例的LED器件的叠层结构的示意截面图。不必说，本发明不限制于此实施例。
图1的LED包括在蓝宝石衬底1上顺序堆叠的GaN缓冲层2、n型GaN接触层3、n侧超晶格层4、有源层5、p型AlGaN包层6和p型接触层7。
P型接触层7由p侧透明电极8覆盖，在其部分区域上形成p侧焊盘电极9。此外，在n型接触层3的部分暴露区域上形成n侧焊盘电极10。
通过以下工艺可以制造上述的依照本发明实施例的图1的LED器件。
(衬底预处理)
首先，将蓝宝石(C平面)衬底1设置在MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备的反应腔中。将衬底温度增加到1050℃，在反应腔中使得氢气流动，由此干清洁衬底。
(缓冲层2)
将清洁的衬底冷却到510℃，且接着采用氨气和TMG(三甲基镓)作为源气以及氢气作为载气，在衬底1上生长约20nm厚的GaN缓冲层2。
(N型接触层3)
在形成GaN缓冲层2之后，将衬底温度增加到1050℃，且接着采用氨气和TMG(三甲基镓)作为源气、氢气作为载气及硅烷作为杂质气体，生长6μm厚的以浓度1×1018/cm3掺杂Si的n侧GaN接触层3。
(N侧超晶格层4)
在形成n侧GaN接触层3之后，将衬底温度降低到800℃，且接着采用氨气、TMG和TMI(三甲基铟)作为源气以及氢气作为载气，形成n侧超晶格层4。此时，生长2nm厚的第一种In0.05Ga0.95N的n侧超晶格子层且接着在其上生长1 5nm厚的第二种GaN的n侧超晶格子层。这些第一种和第二种n侧超晶格子层交替生长9个周期，因此形成n侧超晶格层4。
自然n侧超晶格子层的In组成比例、厚度等不限于此实施例中示范性显示的。然而，优选的是，使得In浓度相对小的n侧超晶格子层比In浓度相对大的n侧超晶格子层更厚。原因在于n层超晶格层4与有源层5比较应理想地具有更大的带隙。更具体地，In组成比例相对小的n侧超晶格子层应优选地具有5至20nm范围内的厚度，且In组成比例相对大的n侧超晶格子层应优选地具有1至5nm范围内的厚度。
(有源层5)
在形成n侧超晶格层4之后，将衬底温度降低到750℃，且接着采用氨气、TMG和TMI作为源气以及氢气作为载气，生长2.5nm厚的In0.25Ga0.75N量子阱层。
此后，生长5nm厚的第一种GaN势垒子层且在其上生长1.5nm厚的第二种In0.1Ga0.9N势垒子层。第一和第二种势垒子层交替生长3个周期，由此形成19.5nm厚的超晶格势垒结构。
然后，量子阱层和具有超晶格势垒结构的势垒层交替生长5个周期。此后，生长更多一层阱层，且生长20nm厚的单GaN层的势垒层，由此完成MQW有源层5。
自然势垒子层的In组成比例、厚度等不限于此实施例中示范性显示的。然而，优选地，In组成比例相对小的势垒子层与In组成比例相对大的势垒子层比较应具有更大的厚度。其原因在于势垒层应该比阱层的带隙更大。具体地，In组成比例相对小的势垒子层应该优选地具有2-10nm范围内的厚度，和In组成比例相对大的势垒子层应该优选地具有1-3nm范围内的厚度。
(p型包层6)
在形成有源层5之后，将衬底温度增加到950℃，且接着采用氨气、TMA(三甲基铝)和TMG作为源气、氢气作为载气和CP2Mg(环戊二烯合锰)作为杂质气体，以浓度5×1019/cm3掺入Mg的p型Al0.15Ga0.85N包层6生长约30nm厚。
(p型接触层7)
在形成p型包层6之后，当衬底温度保持在950℃时，采用氨气和TMG作为源气、氢气作为载气和Cp2Mg作为杂质气体，以浓度1×1020/cm3掺入Mg的p型GaN接触层7生长0.1μm厚。
(热处理)
在形成p型接触层7之后，将衬底温度降低到700℃，且接着为了激活作为p型杂质的Mg，进行热处理，在反应腔中仅引入氮气。
(电极形成)
此后，从反应腔中取出通过在衬底1上生长半导体层2至7获得的晶片，在p型接触层7的表面上形成构图为预定形状的掩模(未示出)。采用该掩模，在RIE(反应离子刻蚀)设备中从p型接触层7侧刻蚀晶片，由此n型接触层3被部分地暴露，如图1所示。
在刻蚀之后，在p型接触层7的几乎整个表面上形成7nm厚的包括Pd的透明电极8，且在透明电极8的预定部分区域上形成0.5μm厚的p侧Au焊盘电极9。另一方面，在经过刻蚀暴露的n型接触层3的部分暴露区域上形成了包括Ti和Al的n侧焊盘电极10。通过形成这些电极完成了LED器件。
以上述方式得到的此实施例的LED器件在20mA的正向电流下具有470nm的发射波长和4.0mW的发射输出，且在正向电流从0.1至20mA的情况下发射波长的偏移量为约2nm。
<比较例1>
根据比较例1的LED器件与本发明上述实施例的不同之处仅在于改变了有源层5的结构。比较例1的改变的有源层5以以下的方式形成。
具体而言，在750℃的衬底温度，采用氨气、TMG和/或TMI作为源气以及氢气作为载气，生长2.5nm厚的In0.25Ga0.75N的阱层和15nm厚的单GaN层的势垒层。这些阱层和势垒层交替生长6个周期，由此形成比较例1中的MQW有源层5。
以该方式获得的比较例1的LED器件在20mA的正向电流下具有465nm的发射波长和3.0mW的发射输出，且在正向电流从0.1至20mA的情况下发射波长的偏移量为约10nm。。
从本发明实施例的LED器件和比较实例1的比较，可以看出通过在有源层5的势垒层中包括超晶格结构而显著提高实施例的LED器件的发射输出。这表明在本发明的实施例中，有源层5中减小了畸变的影响并且这导致提高的发光效率。此外，在该实施例的LED器件中，随着在有源层5中减小了畸变的影响，发射波长的偏移量显著变小。
<比较例2>
根据比较例2的LED器件与本发明上述实施例的不同之处仅在于省略了n侧超晶格层4。
比较例2的LED器件在20mA的正向电流下具有470nm的发射波长和4.0mW的发射输出，且在正向电流从0.1至20mA的情况下发射波长的偏移量为约4nm。
从本发明实施例的LED器件和比较例2的比较中，可以看出在实施例的LED器件中，发射波长的偏移量通过提供n侧超晶格层4而变小。这说明在实施例的LED器件中，n侧超晶格层4还有助于缩小有源层5中的畸变的影响。
如上所述，本发明可以提供氮化物半导体发光器件，其中通过减小由阱层和势垒层之间界面处的晶格失配引起的畸变的影响，提高了它的发光效率和在从低到高的注入电流中减小了发射波长的偏移量。
虽然已经详细描述和示出了本发明，但是可以清楚地理解，其仅是以说明和实例的方式并不是以限制的方式，本发明的范围由所附的权利要求的条款来解释。
此申请基于2006年11月22日在日本专利局提交的日本专利申请No.2006-315582，其全部内容以引用的方式引入于此。

Claims (9)

1.一种氮化物半导体发光器件，具有在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的有源层，其中
所述有源层具有多量子阱结构，其包括交替堆叠的多个InxGa1-xN量子阱层和多个InyGa1-yN势垒层，其中0＜x≤1，0≤y＜1；且
所述多个势垒层的至少一个具有超晶格势垒结构，其中周期性地堆叠具有互不相同的In组成比例的多个势垒子层，
其中在所述多个势垒层中，除了与所述p型氮化物半导体层接触的势垒层之外的势垒层具有所述超晶格势垒结构。
2.依照权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中
具有所述超晶格结构的势垒层包括具有相对小In组成比例的势垒子层和具有相对大In组成比例的势垒子层。
3.依照权利要求2的氮化物半导体发光器件，其中
所述阱层的In组成比例大于包括在所述势垒层中的任何所述势垒子层的In组成比例。
4.依照权利要求2的氮化物半导体发光器件，其中
在所述势垒层中，具有相对小In组成比例的所述势垒子层与具有相对大In组成比例的所述势垒子层比较具有更大的厚度。
5.依照权利要求4的氮化物半导体发光器件，其中
具有相对小In组成比例的所述势垒子层具有2-10nm范围内的厚度，且具有相对大In组成比例的所述势垒子层具有1-3nm范围内的厚度。
6.依照权利要求1的氮化物半导体发光器件，其中
所述n型氮化物半导体层包括与所述有源层接触的n侧超晶格层；且
所述n侧超晶格层包括交替堆叠的Inz1Ga1-z1N的n侧超晶格子层和Inz2Ga1-z2N的n侧超晶格子层，其中0＜z1＜1，0≤z2＜1。
7.依照权利要求6的氮化物半导体发光器件，其中
所述阱层的In组成比例大于包括在所述n侧超晶格层中的任何所述n侧超晶格子层的In组成比例。
8.依照权利要求6的氮化物半导体发光器件，其中
在所述n侧超晶格层中，具有相对小In组成比例的所述n侧超晶格子层与具有相对大In组成比例的所述n侧超晶格子层比较具有更大的厚度。
9.依照权利要求6的氮化物半导体发光器件，其中
具有相对小In组成比例的所述n侧超晶格子层具有5-20nm范围内的厚度，且具有相对大In组成比例的所述n侧超晶格子层具有1-5nm范围内的厚度。
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