半导体发光器件的制作方法

专利名称：半导体发光器件的制作方法
技术领域：
这里说明的实施例一般而言涉及半导体发光器件。
背景技术：
使用诸如氮化镓(GaN)的基于氮化物的III-V族化合物半导体，已经开发了半导体发光器件，例如，高强度紫外光到蓝光和绿光发光二极管(LED)和蓝紫光到蓝光和绿光激光二极管(LD)。这些半导体发光器件需要改善发光效率并同时抑制工作电压。JP-B 3427265提出了一种氮化物半导体发光器件的结构，其中为了改善发光效率并获得更好的静电耐压(electrostatic withstand pressure)，在η型接触层与η型多层膜层之间设置这样的层，该层包括由未掺杂的GaN构成的基底层(base layer)和由η型杂质掺杂的GaN构成的中间层。通常，氮化镓半导体发光器件被形成在例如蓝宝石衬底上并在外延生长层中产生由衬底与外延生长层之间的热膨胀系数差异而导致的压缩应力。例如，该压缩应力造成有源层的量子阱层中的变形积累。结果，压电场的影响变得显著，这阻碍了光发射输出的改善。因此，存在改善应力弛豫的空间。

发明内容
一般而言，根据一个实施例，一种半导体发光器件包括η型半导体层、ρ型半导体层、发光部、多层结构体以及η侧中间层。所述η型半导体层包含氮化物半导体。所述P型半导体层包含氮化物半导体。所述发光部被设置在所述η型半导体层与所述P型半导体层之间。所述发光部包括多个势垒层，其彼此层叠并包含GaN;以及阱层，其被设置在所述多个势垒层中的一个与所述多个势垒层中的另一个之间。所述阱层包含Ιηχ1(^_χ1Ν，其中第一 h组成比Xl为化在III族元素中的原子比。所述多层结构体被设置在所述η型半导体层与所述发光部之间。所述多层结构体包括多个第一层，其彼此层叠并包含GaN ；以及第二层，其被设置在所述多个第一层中的一个与所述多个第一层中的另一个之间。所述第二层包含^ix2GiVx2N,其中第二 h组成比x2为h在III族元素中的原子比，所述第二 h组成比 x2不小于所述第一 h组成比xl的0. 6倍且低于所述第一 h组成比xl。所述η侧中间层被设置在所述多层结构体与所述发光部之间并包括包含Alyl(}ai_ylN的第三层，其中第一 Al 组成比yl为Al在III族元素中的原子比，所述第一 Al组成比yl高于0且不大于0. 01。


图1为示出了半导体发光器件的示意性截面图；图2为示出了半导体发光器件的一部分的示意性截面图；图3为示出了根据比较例的半导体发光器件的一部分的示意性截面图；图4为示出了半导体发光器件的一部分的示意性截面图；图5为示出了半导体发光器件的特性的图；图6为示出了半导体发光器件的一部分的示意性截面图；图7为示出了半导体发光器件的一部分的示意性截面图；以及图8为示出了半导体发光器件的一部分的示意性截面图。
具体实施例方式以下将参考附图详细描述本发明的实施例。附图是示例性或概念性的；并且各部分的厚度与宽度之间的关系以及各部分间的尺寸比例系数等等不必与其实际值相同。此外，在附图当中，即使对于相同的部分，尺寸和比例系数也可能被不同地示例。在本申请的说明书和附图中，与参考之前的附图而描述的要素相似的要素用相似的参考标号来标记，并且在适当时略去了对其的详细说明。图1为示例出根据本发明的实施例的半导体发光器件的结构的示意性截面图。图2为示例出根据本发明的实施例的半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图1和2所示，根据本发明的实施例的半导体发光器件110包括包含氮化物半导体的η型半导体层10、包含氮化物半导体的ρ型半导体层20、设置在η型半导体层10与 P型半导体层20之间的发光部30、设置在η型半导体层10与发光部30之间的多层结构体 40、以及设置在多层结构体40与发光部30之间的η侧中间层50。如图1所示，η型半导体层10、多层结构体40、η侧中间层50、发光部30以及ρ型半导体层20沿Z轴方向层叠。发光部30具有多个势垒层31和阱层32 (量子阱层)，所述多个势垒层31彼此层叠，并且所述多个阱层32中的每一个被设置在势垒层31之间。所述多个势垒层31中的每一个包含GaN。所述多个阱层32中的每一个包含具有第一 h组成比的InGaN。所述多个势垒层31和所述多个阱层32沿Z轴方向层叠。多层结构体40具有多个第一层41和多个第二层42，所述多个第一层41彼此层叠，并且所述多个第二层42中的每一个被设置在第一层41之间。所述多个第一层41中的每一个包含GaN。所述多个第二层42中的每一个包含具有第二 h组成比的InGaN。第二 In组成比等于第一 h组成比的0. 6倍或大于第一 h组成比的0. 6倍。第二 h组成比低于第一 h组成比。多个第一层41和多个第二层42沿Z轴方向层叠。这里，In组成比(第一和第二 h组成比)表示化在III族元素中的比率(原子比)。例如，第一层41和第二层42为超晶格层。η侧中间层50包括包含Alyl^vylN(0 < yl彡0. 01)的第三层51。
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如图1所示，η型半导体10可以具有例如基底GaN层11、以及设置在基底GaN层 11与多层结构体40之间的η型接触层12。例如，η型接触层12使用其中掺杂了诸如Si的 η型杂质的GaN或hGaN。ρ型半导体层20可以具有例如ρ型GaN接触层22、设置在ρ型GaN接触层22与发光部30之间的ρ型AlGaN层20c、以及设置在ρ型GaN接触层22与ρ型AlGaN层20c之间的P型GaN覆层(cald layer) 21。将ρ型杂质(例如Mg)掺杂到ρ型半导体层20中。
图1示出的具体实例具有设置在发光部30与ρ型半导体层20 (ρ型AlGaN层20c) 之间的GaN帽层20a和设置在GaN帽层20a与ρ型半导体层20 (ρ型AlGaN层20c)之间的 AlGaN帽层20b。GaN帽层20a和AlGaN帽层20b是根据需要而设置的。GaN帽层20a和 AlGaN帽层20b可以被认为是ρ型半导体层20或发光部30的一部分。如图1所示，根据该实施例的半导体发光器件110还可以包括由例如蓝宝石构成的衬底5和设置在衬底5上的缓冲层6。缓冲层6具有设置在其上的基底GaN层11，并且基底GaN层11具有设置在其上的η型接触层12。此外，在η型接触层12上设置多层结构体40 (第一层41和第二层42)。在多层结构体40上设置η侧中间层50。在η侧中间层50上设置发光部30。在发光部30上设置GaN帽层20a。在GaN帽层20a上设置AlGaN帽层20b。在AlGaN帽层20b上设置ρ型 AlGaN帽层20c。在ρ型MGaN帽层20c上设置ρ型GaN覆层21。在ρ型GaN覆层21上设置P型GaN接触层22。在具有上述结构的层叠结构体的ρ型半导体层20侧的第一主表面上，去除以下各层的一部分η型半导体层10的一部分、多层结构体40、η侧中间层50、发光部30、ρ型半导体层20。由此，在第一主表面侧暴露η型半导体层10。将η侧电极71设置为与暴露的 η型半导体层10接触，并将ρ侧电极81设置为与ρ侧半导体层20接触。在发光部30中，势垒层31为包含GaN的层，阱层32为包含Ιηχ1(^_χ1Ν的层，其中第一 h组成比xl大于0且小于1。具体地，第一 h组成比xl为例如不小于0. 12且不大于 0. 20。在多层结构体40中，第一层41为包含GaN的层，第二层42为包含Ιηχ2(^_χ2Ν的层，其中第二 h组成比x2大于0且小于1。然而，第二 h组成比x2等于或大于第一 h组成比的0. 6倍且小于第一组成比xl。具体地，第二 h组成比x2为例如不小于0. 08且小于 0. 12 (其中满足关系(xlX 0.6) ^ x2 < xl)。第二 h组成比x2被设定为等于或大于第一的0. 6倍(其相对而言较接近第一 h 组成比)，以便可以使施加到阱层32的压缩应力弛豫。结果，可以充分改善结晶性。当第二 h组成比x2被设定为小于第一 h组成比xl的0. 6倍时，不能充分地获得对压缩应力的弛豫的效果。另一方面，在第二 h组成比x2与第一 h组成比xl相同的情况下，当光向η型半导体层10 (衬底5侧)传播时，在发光部30中发射的光被多层结构体40的第二层42吸收。 由于该原因，在该实施例中，第二 h组成比x2被设定为低于第一 h组成比xl。由此，可以抑制上述光吸收，并可以提高发光效率。优选第二层42的厚度等于或小于2nm(纳米)以获得较好的结晶性。第一层41的厚度被设定为等于或大于第二层42的厚度。当第一层41的厚度小于
6第二层42的厚度时，多层结构体40中的平均成分增大。结果，在多层结构体40的内部积累压缩应力，这会导致在界面(例如，在多层结构体40与η型半导体层10之间的界面， 在第一层41与第二层42之间的界面等等)中诱发晶体缺陷。为了抑制这些晶体缺陷的出现，第一层41的厚度被设定为等于或大于第二层42的厚度。第一层41可包含η型杂质。η型杂质可以为例如Si。换言之，第一层41为例如 Si掺杂的GaN层。包括包含Alyl(iai_ylN(0 < yl彡0. 01)的第三层51的η侧中间层50被设置在多层结构体40与发光部30之间，以便可以使施加到发光部30的压缩应力进一步弛豫。换言之，发光部30和多层结构体40使用这样的InGaN层，该InGaN层的平均h 成分相对高。然而，这样的hGaN层具有在基底GaN层11(未掺杂的GaN层)与η型接触层12(η型GaN层)之间的晶格失配的大的差异。例如，GaN的晶格长度与^iN的晶格长度之间的差异为11%。此外，因为发光部30和多层结构体40中的层叠的层的数目大，因此倾向于积累压缩应力。当压缩应力变得较大时，会在阱层32中积累变形。结果，压电场的影响变得显著，由此阻碍了发光效率的改善。在该实施例中，在多层结构体40与发光部30之间插入包括这样的第三层51的η侧中间层50，该第三层51包含其与GaN的晶格失配差异较小的AlGaN。GaN的晶格长度与AlN 的晶格长度之间的差异为2%，其远远小于在GaN的晶格长度与InN的晶格长度之间的差异。此外，如图2所示，在均包含InGaN的发光部30和多层部分40中产生压缩应力 CF。相反地，在包含AKiaN的η侧中间层中产生拉伸应力TF。使用这样的η侧中间层50， 可以减弱在多层结构体40和发光部30中积累的压缩应力CF。如上所述，η侧中间层50可以使施加到多层结构体40和发光部30的压缩应力CF 弛豫，从而可以减少在多层结构体40和发光部30中产生的晶体缺陷，并且可以减弱阱层32 中产生的变形。因此，可以降低半导体发光器件110的工作电压，并可以改善器件特性。在η侧中间层50的第三层51中，Al组成比yl被设定为大于0且等于或小于0.01。 当Al组成比大于0. 01时，倾向于劣化结晶性，由此还倾向于劣化发光效率。例如，η侧中间层50的厚度可以等于或小于50nm，优选地等于或小于lOnm。当η 侧中间层50的厚度大于50nm时，结晶性会劣化。当η侧中间层50的厚度被设定为等于或小于50nm时，可以获得较好的结晶性并由此可以获得高发光效率。此外，当η侧中间层50 的厚度被设定为等于或小于IOnm时，可以获得更好的结晶性。图3为示出了根据比较例的半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图3所示，在根据该比较例的半导体发光器件119中，在η型半导体层10与多层结构体40之间设置了包括包含AWaN的第三层51的η侧中间层50。在根据比较例的半导体发光器件119中，在η型半导体层10与多层结构体40之间设置η侧中间层50。因此，存在可以弛豫在η型半导体层10和多层结构体40中产生的应力的可能性。然而，不存在用于弛豫在多层结构体40与发光部30 ( 二者均包括层叠的膜) 之间的应力的层。由于该原因，在多层结构体40与发光部30( 二者均具有压缩应力CF)中积累了大的压缩应力CF。由此，易于劣化发光效率。比较而言，在根据该实施例的半导体发光器件110中，在引起压缩应力CF的多层结构体40与引起压缩应力CF的发光部30之间插入具有拉伸应力TF的η侧中间层50。通
7过该结构，可以使积累的压缩应力CF弛豫，并可以获得高发光效率。如上所述，在该实施例中，在半导体层中引起的应力被弛豫。由此，可以获得以较低的电压工作并实现高发光效率的半导体发光器件。当在衬底5上外延生长半导体层时，会在衬底5与其中压缩应力小的半导体层之间的界面中引起大量的位错。然而，这些位错在生长半导体层的过程中消失，并且在外延生长的层中积累压缩应力。在该实施例中，在引起压缩应力CF的多层结构体40与引起压缩应力CF的发光部30之间插入具有拉伸应力TF的η侧中间层50。通过该结构，可以使积累的压缩应力CF弛豫。因此，可以抑制压电场的影响，并进一步提高发光效率。图4为示出了根据本发明的实施例的另一半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图4所示，在根据该实施例的另一半导体发光器件111具有设置在η侧中间层 50中的多个第三层51。多个第三层51彼此层叠。换言之，多个第三层51沿Z轴方向层叠。此外，η侧中间层50还包括第四层52，每个第四层52被设置在多个第三层51之间。第四层52包含的η型杂质的浓度高于在第三层51中包含的η型杂质的浓度。同样， 第四层52包含Aly2(iai_y2N(0 < y2彡0. 01)，其中在第四层52中的Al组成比y2可以与第三层51中的Al组成比yl相同或不同。Al组成比y2被设定为大于0且等于或小于0. 01。 当Al组成比y2大于0. 01时，倾向于劣化结晶性，由此倾向于劣化发光效率。例如，第三层51为未掺杂的AKkiN层，第四层52为Si掺杂的AKkiN层。例如，第三层51的厚度为约lnm，第四层52的厚度为约lnm。交替层叠这些第三层51和第四层52，以形成第三层51和第四层52的25个层叠的层对(总共50个层)。该层叠的膜可被用作η侧中间层50。替代地，交替层叠第三层51和第四层52，以形成5个层叠的层对(总共10个层)。 该层叠的膜可被用作η侧中间层50。如上所述，第三层51和第四层52的层叠结构被用作η侧中间层50，从而可以有效地注入电子载流子。因此，可以弛豫半导体层中的应力而不会劣化器件特性。因此，可以提供在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。以下说明制造半导体发光器件110的方法的实例。在下面的说明中，通过其中使用MOCVD (金属有机化学气相沉积)的情给出实例。 然而，该实例并不局限于此。根据该实施例的半导体发光器件的制造方法可以采用用于生长氮化物半导体的任何方法，例如，HVPE (卤化物气相外延)和MBE (分子束外延)。此外，通过使用以下情况给出该实例，在该情况下，所使用的材料包括三甲基镓 (TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)，并且气体材料包括氨(NH3)和硅烷(S^)，载体气体包括氢气和氮气。然而，这些材料并不受上述情况的限制， 而是可以应用可用于制造根据该实施例的半导体发光器件的结构的任何材料。例如，可以使用三乙基镓(TEG)。例如，衬底5使用蓝宝石衬底。这里，蓝宝石衬底相对于M轴方向倾斜0.2°并包括C面，在C面上设置有柱形凹陷和凸起，每一个凹陷和凸起具有3 μ m的直径、1 μ m的高度禾口 5μπι的间距。换言之，衬底5的朝向η型半导体层10的主表面可以相对于衬底5的M轴方向在0.1°到0.5°的范围内倾斜。通过该结构，可以改善将在衬底5上生长的各种半导体层的结晶性。当衬底5的主表面与M轴方向之间的角度小于0.1°时，结晶性倾向于劣化。当角度大于0.5°时，结晶性同样倾向于劣化。此外，衬底5具有设置在该主表面上的凹陷和凸起。通过这些凹陷和凸起，可以改变从发光部30发射的光的路径，由此改善光提取效率。凹陷和凸起的形状(当切断凹陷和凸起以与衬底5的主表面平行时的平面形状)可以为任何形状。此外，当在衬底5上生长半导体层时，在衬底5上设置凹陷和凸起可以使得凹陷和凸起作为晶体生长的核，由此带来改善半导体层的结晶性的效果。例如，对衬底5进行作为预处理的有机清洁和酸清洁。此后，将衬底5储存在MOCVD 装置的内部。例如，通过高频加热在常压下并在氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体的气氛中将衬底5的温度升高到1100°C。通过该处理，对衬底5的表面进行气相蚀刻，由此去除形成在表面上的自然氧化物膜。此后，在连续地供给NH3气体的同时，将衬底5的温度降低到500°C并保持在 500 "C。接下来，使用队气体和吐气体的混合气体作为载体气体，例如，供给作为工艺气体的氨(NH3)气、TMG(三甲基镓)和TMA(三甲基铝)以形成包含AKiaN的缓冲层6。缓冲层 6的厚度被设定为例如20nm。然后，在连续地供给NH3气体的同时，将衬底5的温度升高到1100°C并保持在 1100°C。随后，使用N2气体和H2气体的混合气体作为载体气体，例如，供给作为工艺气体的氨(NH3)气、TMG(三甲基镓)以形成基底GaN层11。在该实施例中，基底GaN层11为未掺杂的层。基底GaN层11的厚度为例如3 μ m。此后，例如，供给作为η型掺杂剂的硅烷(SiH4气体)以形成η型接触层12。η型接触层12的厚度为例如4 μ m。η型接触层12为包含Si的GaN层。此后，在连续供给NH3气体的同时停止供给TMG，并将衬底5的温度降低到800°C 并保持在800°C。接下来，使用N2气作为载体气体，例如，供给作为工艺气体的NH3气体、TMG、以及 SiH4以形成第一层41。第一层41为Si掺杂的GaN层。第一层41的厚度被设定为例如 2nm。然后，在连续供给TMI (三甲基铟)的同时停止供给SiH4气体以形成第二层42。第二层42为具有0.1的h组成比(第二 h组成比x2)的hGaN层。第二层42的厚度为例如 Inm0随后，例如，交替重复供给和停止TMI以及停止和供给SiH4气体以重复30次形成第一层41和第二层42。结果，可以获得多层结构体40。此后，在连续供给TMG和NH3气体的同时，停止TMI和SiH4气体的供给，并供给 TMA(三甲基铝)，以便形成η侧中间层50的第三层51。η侧中间层50为未掺杂的层，并是其Al组成比yl为0. 01的AlGaN层。第三层51的厚度为例如5nm。此后，在连续供给TMG和NH3气体的同时，停止供给TMA，以便形成势垒层31。势垒层31为GaN层。势垒层31的厚度为例如5nm。接下来，供给TMI (三甲基铟)以形成阱层32。阱层32为例如其h组成比(第一 In组成比xl)为0. 15的InGaN层。阱层32的厚度为例如2. 5nm。然后，重复进行TMI的供给和停止，以便例如重复7次形成势垒层31和阱层32。 结果，获得了具有多量子阱结构的发光部30。随后，在连续供给TMG和NH3气体的同时，停止供给TMI，以便形成GaN帽层20a。 GaN帽层20a为例如未掺杂的GaN层。GaN帽层20a的厚度为例如5nm。此后，在连续供给TMG的同时，供给TMA(三甲基铝)，以便形成AKkiN帽层20b。 AlGaN帽层20b为例如其Al组成比为0. 003的未掺杂的AWaN层。AWaN帽层20b的厚度为例如lnm。之后，在连续供给NH3气体的同时，停止供给TMG和TMA，并在队气体的气氛中将衬底5的温度升高到1030°C，并保持在1030°C。接下来，使用N2气体和H2气体的混合气体作为载体气体，并供给作为工艺气体的 NH3气体、TTMG和MA以及作为ρ型掺杂剂的二(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)，以便形成ρ掺杂的AlGaN层。ρ型AlGaN层20c的Mg浓度为例如1 X IO19-20CnT3。ρ型AlGaN层20c的厚度为例如lOnm。ρ型AlGaN层20c作为电子势垒层(电子溢流防止层)。然后，在连续供给TMG和Cp2Mg的同时，停止TMA的供给，以便形成ρ型GaN覆层21。 P型GaN覆层21的Mg浓度为例如2 X IO1W30 ρ型GaN覆层21的厚度为例如约IOOnm0随后，增加Cp2Mg的供给量，以形成ρ型GaN接触层22。ρ型GaN接触层22的Mg 浓度为例如3 X IO2ciCnT3。ρ型GaN接触层22的厚度为例如约lOnm。此后，在连续供给NH3气体的同时，停止供给TMG，并仅仅连续供给载体气体，以便衬底5的温度自然下降。连续供给NH3气体，直到衬底5的温度达到500°C。之后，从MOCVD装置中取出衬底5，并通过例如RIE (反应离子蚀刻)方法去除所形成的半导体层的层叠结构体的一部分以到达η型接触层12，从而暴露η型接触层12的一部分。例如，在暴露的η型接触层12上形成由Ti膜/Pt膜/Au膜形成的η侧电极71。此外， 在P型GaN接触层22上形成由例如Ni膜/Au膜形成的ρ侧电极81。如上所述，获得了图 1中示例的半导体发光器件110。关于半导体发光器件110的I-V特性，例如，当电流为20mA时，工作电压为 3. IV(伏)到3. 5V，此时的光输出为约15mW。光发射的峰值波长为约450nm。如上所述，在根据该实施例的半导体发光器件110中，在半导体层中引起的应力被弛豫。由此，可以获得在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。在上述制造方法中，可以通过在形成η侧中间层50的工艺中层叠多个第三层51 和多个第四层52来形成半导体发光器件111。例如，形成多层结构体40，然后，形成包含其 Al组成比yl为0. 01的未掺杂的AWaN的第三层。在该情况下，第三层51的厚度被设定为例如lnm。在形成第三层51之后，形成包含其Al组成比y2为0. 01的Si掺杂的AWaN的第四层52。第四层52的厚度被设定为例如lnm。这些第三层51和第四层52被成对地形成5次(总共10层)。结果，例如，获得具有IOnm厚度的η侧中间层50。与半导体发光器件110相似，在以该方式制造的半导体发光器件111中，在半导体层中引起的应力被弛豫。由此，可以获得在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。图5为示例出半导体发光器件的特性的图。特别地，图5示出了当半导体发光器件的多层结构体40中的^！组成比被改变时的发光特性的变化。在图5中，水平轴表示波长λ (nm)，垂直轴表示发光强度Ip。通过将最大强度设定为1来标准化发光强度Ip。图5示例了其中没有设置η侧中间层50的半导体发光器件的特性。并且，图5示出了在多层结构体40的第二层42中其h组成比(第二 h组成比x2)彼此不同的两种半导体发光器件119a和119b的特性。在半导体发光器件119a中的第二 h组成比x2为 0. 14，而在半导体发光器件119b中的第二 h组成比x2为0.沈。如图5所示，在其中多层结构体40的第二层42的第二 h组成比x2高的半导体发光器件11%中，发光强度Ip的波长宽度窄于半导体发光器件119a的情况。具体地，与半导体发光器件119a相比，半导体发光器件119b的发光谱的半带宽度减小了 17. 7nm。此外，半导体发光器件119a的工作电压为3. 5V到3. 6V，而半导体发光器件119b 的工作电压为3. 3V。换言之，其第二层42的第二 h组成比x2较高的半导体发光器件的工作电压降低。因此，第二层42的第二 h组成比x2增大，从而可以获得较好特性。此时，例如，认为发光部30的生长温度被设定为高于多层结构体40的生长温度， 以进一步改善发光部30的结晶性。例如，存在这样的情况，其中采用800°C作为层叠结构体 40的生长温度，并采用850°C作为发光部30的生长温度。如果将在形成多层结构体40之后的生长发光部30的温度设定为高于在其中没有设置η侧中间层的比较例中的生长多层结构体40的温度，在通过将h组成比设定为较高而形成的第二层42中h消失。结果，第二 h组成比x2会低于希望的值。在该情况下，不能获得希望的特性。此时，对于根据该实施例的半导体发光器件110和111，设置η侧中间层50，以便 η侧中间层50作为多层结构体40的帽层。因此，即使当发光部30的生长温度被设定为高于多层结构体40的生长温度，也可以抑制第二层42中的h消失。结果，获得了希望的第二 h组成比x2，由此，可以获得希望的特性。如上所述，η侧中间层50除了可以实现作为抑制压缩应力CF的应力弛豫层的作用之外还可以实现作为多层结构体40的帽层的作用。图6为示例出根据本发明的实施例的另一半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图6所示，根据该实施例的半导体发光器件112进一步在图1和2中所示例的半导体发光器件110中包括P侧中间层60。ρ侧中间层60被设置在发光部30与ρ型半导体层20之间。ρ侧中间层60包括包含 Α1z1Ga1_z1Ν(0 < zl ≤ 0.01)的第五层 61。第五层61的Al组成比zl可以与第三层51的Al组成比yl和第四层52的Al组成比y2相同或不同。Al组成比zl被设定为大于0且等于或小于0. 01。当Al组成比zl 大于0.01时，结晶性倾向于劣化。结果，发光效率倾向于劣化。在该实施例中，在发光部30与ρ型半导体层20的ρ型AlGaN层20c之间设置ρ侧中间层60。然而，该实施例并不局限于此。与图1中示例的半导体发光器件110相似地，可以在发光部30与ρ型半导体层20之间设置GaN帽层20a，并可以在发光部30与GaN帽层 20a之间设置ρ侧中间层60。在该情况下，在GaN帽层20a与ρ型半导体层20 (ρ型AWaN 层20c)之间可以进一步设置AlGaN帽层20b。在其中进一步包括ρ侧中间层的半导体发光器件112中，可以通过ρ侧中间层60 进一步抑制在层叠的半导体层中积累的压缩应力，并使半导体层中的应力进一步弛豫。由此，可以获得在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。图7为示例出根据本发明的实施例的另一半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图7所示，在根据该实施例的半导体发光器件11 中设置多个第五层61。所述多个第五层61彼此层叠。换言之，所述多个第五层61沿Z轴方向层叠。此外，ρ侧中间层60进一步包括第六层62，每个第六层62被设置在第五层61之间。第六层62包含的ρ型杂质的浓度高于第五层61中所包含的ρ型杂质的浓度。此外， 第六层62包含Alz2(iai_z2N(0 < z2 ^ 0. 01)。这里，第六层62中的Al组成比z2可以与第五层61中的Al组成比zl相同或不同。第六层62中的Al组成比z2可以与第三层51的 Al组成比yl和第四层52的Al组成比y2相同或不同。Al组成比z2被设定为大于0且等于或小于0.01。当Al组成比z2大于0.01时，结晶性倾向于劣化。结果，发光效率倾向于劣化。例如，第五层61为未掺杂的AKkiN层，第六层62为Mg掺杂的AKkiN层。如上所述，可以将多层结构体应用于ρ侧中间层60。通过该结构，在半导体层中引起的应力被弛豫。由此，可以获得在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。图8为示例出根据本发明的实施例的另一半导体发光器件的结构的一部分的示意性截面图。如图8所示，根据该实施例的另一半导体发光器件112b包括具有多层结构体(多个第三层51和多个第四层52)的η侧中间层50和具有多层结构体(多个第五层61和多个第六层62)的ρ侧中间层60。在半导体发光器件112b中，在半导体层中引起的应力同样被弛豫。由此，可以获得在较低的工作电压下工作并实现高发光效率的半导体发光器件。如上所述，在该实施例中，在多层结构体40和发光部30之间设置η侧中间层50。 η侧中间层50是单个的未掺杂的AlGaN层，或者是其中层叠有未掺杂的AlGaN层和Si掺杂的GaN层的多层膜。该η侧中间层50具有应力弛豫的功能，从而使在具有InGaN层的多层结构体40和发光部30中引起的压缩应力弛豫。因此，可以减小将在层叠界面中引起的缺陷和在阱层32中引起的变形。由此，可以获得实现了足够的光输出并在低工作电压下工作的半导体发光器件。通过使用其中使用C面蓝宝石衬底作为衬底5的情况，给出了上述说明。然而，可以使用诸如GaN、SiC或ZnO衬底的其他衬底。此外，衬底5的面方向不局限于C面，可以使用另外的面，例如无极性面。注意，在该实施例中，“氮化物半导体”旨在包括这样的半导体，该半导体的所有组成是通过使在化学式BxInyAlzGEth丁ZN(0彡x彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡Ι,χ+y+z彡1)中的每一组成比χ、y和ζ在各自的范围内变化而获得的。此外，在上述化学式中，“氮化物半导体”旨在包括进一步包含除了 N(氮化物)之外的V族元素的半导体、进一步包含为了控制诸如导电类型的各种特性而添加的各种元素的半导体、以及进一步包含各种被非故意地包含的元素的半导体。上文中，参考具体实例描述了本发明的示例性实施例。然而，本发明并不受这些具体实例的限制。例如，本领域的技术人员可以对半导体发光器件的各要素(例如η型半导体层、P型半导体层、发光部、阱层、势垒层、多层结构体、η侧中间层、ρ侧中间层、第一到第六层、电极、衬底、以及缓冲层)的结构、尺寸、材料品质、设置等等做出各种修改，这样的修改被以包括本发明的主旨的程度而被包括在本发明的范围内。此外，可以在技术可行的范围内组合具体实例的任何两个或多个要素；并以包括本发明的主旨的程度而被包括在本发明的范围内。此外，本领域的技术人员基于上述作为本发明的示例性实施例而描述的半导体发光器件可通过适宜的设计修改而实施的所有半导体发光器件同样以包括本发明的主旨的程度而被包括在本发明的范围内。此外，在本发明的精神内的各种修改和替代对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，应将所有这样的修改和替代视为在本发明的范围内。虽然描述了特定的实施例，但是这些实施例仅仅以实例的方式给出，并且不旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖实施例可以被具体化为各种其他的形式；此外，可以进行这里描述的实施例的形式上的各种省略、替换和改变而不背离本发明的精神。 所附权利要求及其等价物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的这样的形式或修改。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包括η型半导体层，其包含氮化物半导体； P型半导体层，其包含氮化物半导体；发光部，其被设置在所述η型半导体层与所述P型半导体层之间， 所述发光部包括多个势垒层，其彼此层叠并包含GaN，以及阱层，其被设置在所述多个势垒层中的一个与所述多个势垒层中的另一个之间，所述阱层包含InxlGai_xlN，其中第一 h组成比xl为h在III族元素中的原子比； 多层结构体，其被设置在所述η型半导体层与所述发光部之间， 所述多层结构体包括 多个第一层，其彼此层叠并包含GaN，以及第二层，其被设置在所述多个第一层中的一个与所述多个第一层中的另一个之间，所述第二层包含Inx2^vx2N,其中第二 In组成比x2为h在III族元素中的原子比，所述第二 In组成比x2不小于所述第一 h组成比xl的0. 6倍且低于所述第一 h组成比xl ；以及η侧中间层，其被设置在所述多层结构体与所述发光部之间并包括包含AlylGai_ylN的第三层，其中第一 Al组成比yl为Al在III族元素中的原子比，所述第一 Al组成比yl大于 0且不大于0.01。
2.根据权利要求1的器件，其中所述第三层被设置为多个，所述多个第三层彼此层叠，并且所述η侧中间层还包括第四层，所述第四层被设置在所述多个第三层中的一个与所述多个第三层中的另一个之间，所述第四层所包含的η型杂质的浓度高于在所述第三层中包含的η型杂质的浓度，所述第四层包含Aly2Gai_y2N，其中第二 Al组成比y2为Al在III族元素中的原子比，所述第二 Al组成比y2不小于0且不大于0. 01。
3.根据权利要求2的器件，其中所述第三层为未掺杂的层，所述第四层为Si掺杂的层。
4.根据权利要求2的器件，其中所述第三层的数目不小于5且不大于25。
5.根据权利要求1的器件，还包括P侧中间层，所述P侧中间层被设置在所述发光部与所述P型半导体层之间并包括包含AlzlGah1N层的第五层，其中第三Al组成比zl为Al在 III族元素中的原子比，所述第三Al组成比zl大于0且不大于0. 01。
6.根据权利要求5的器件，其中所述第五层被设置为多个，所述多个第五层彼此层叠，并且所述P侧中间层还包括第六层，所述第六层被设置在所述多个第五层中的一个与所述多个第五层中的另一个之间，所述第六层所包含的P型杂质的浓度高于在所述第五层中包含的P型杂质的浓度，所述第六层包含Alz2Gai_z2N，其中第四Al组成比Z2为Al在III族元素中的原子比，所述第四Al组成比z2不小于0且不大于0. 01。
7.根据权利要求6的器件，其中所述第五层为未掺杂的层，所述第六层为Mg掺杂的层。
8.根据权利要求1的器件，其中所述第一层包含η型杂质。
9.根据权利要求1的器件，其中所述第一层的厚度不小于所述第二层的厚度。
10.根据权利要求1的器件，其中所述第一层和所述第二层为超晶格层。
11.根据权利要求1的器件，其中所述第一h组成比xl不小于0. 12且不大于0. 20。
12.根据权利要求1的器件，其中所述第二h组成比x2不小于0. 08且小于0. 12。
13.根据权利要求1的器件，其中所述第二层的厚度不大于2纳米。
14.根据权利要求1的器件，其中所述η侧中间层的厚度不大于50纳米。
15.根据权利要求1的器件，其中所述η型半导体层包括GaN层和η型层，所述η型层被设置在所述GaN层与所述多层结构体之间，所述η型层包括包含Si的GaN和包含Si的 InGaN中的一种。
16.根据权利要求1的器件，其中所述ρ型半导体层包括第一ρ型GaN层、ρ型AlGaN 层以及第二 P型GaN层，所述ρ型AlGaN层被设置在所述第一 ρ型GaN层与所述发光部之间，所述第二 P型GaN层被设置在所述第一 ρ型GaN层与所述ρ型AlGaN层之间，所述第二 P型GaN层具有的ρ型杂质浓度低于所述第一 ρ型GaN层的ρ型杂质浓度。
17.根据权利要求1的器件，还包括GaN帽层以及AWaN帽层，所述GaN帽层被设置在所述发光层与所述P型半导体层之间，所述AlGaN帽层被设置在所述GaN帽层与所述ρ型半导体层之间。
18.根据权利要求1的器件，还包括衬底，所述衬底由蓝宝石构成并被设置在所述η型半导体层的与所述P型半导体层相对的侧上，所述衬底的朝向所述η型半导体层的主表面以不小于0. 1度且不大于0. 5度的角度相对于所述衬底的M轴方向倾斜。
19.根据权利要求18的器件，其中所述衬底包括被设置在所述主表面上的凹陷和凸起。
20.根据权利要求1的器件，还包括衬底，所述衬底被设置在所述η型半导体层的与所述P型半导体层相对的侧上，所述衬底包括GaN、SiC以及SiO中的至少一种。
全文摘要
本发明涉及半导体发光器件。根据一个实施例，一种半导体发光器件包括n型和p型半导体层、发光部、多层结构体以及n侧中间层。所述发光部被设置在所述半导体层之间。所述发光部包括包含GaN的势垒层以及被设置在所述势垒层之间的阱层。所述阱层包含Inx1Ga1-x1N。所述体被设置在所述n型半导体层与所述发光部之间。所述体包括包含GaN的第一层以及被设置在所述第一层之间的第二层。所述第二层包含Inx2Ga1-x2N。第二In组成比x2不小于第一In组成比x1的0.6倍且低于所述第一In组成比x1。所述中间层被设置在所述体与所述发光部之间并包括包含Aly1Ga1-y1N(0＜y≤0.01)的第三层。
文档编号H01L33/22GK102157648SQ20101027556
公开日2011年8月17日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年2月12日
发明者名古肇, 布上真也, 彦坂年辉, 木村重哉, 橘浩一 申请人:株式会社东芝