专利名称：发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及发光元件及其制造方法，特别涉及使用发出紫外光的氮化物半导体的发光元件及其制造方法。
背景技术：
GaN系化合物半导体由于其带隙大，作为蓝色LED(Light EmittingDiode)或者紫外光LED发挥功能，并多用于白色LED的激发光源。对于发出这些短波长的紫外光的GaN系LED，为了提高其性能，例如，提出了以下方案。
(d1)使用SiC基板，将InAlGaN层作为发光层，通过调整该InAlGaN层的In等的组成比，在波长360nm以下的紫外域进行高效率化的发光(特开2001-237455号公报)。
(d2)将形成于GaN基本上的由Al0.1Ga0.9N层/Al0.4Ga0.6N层构成的单层量子阱结构作为发光层，求得高亮度化(T.Nishida，H.Saito，N.kobayashi；Appl.Phys.Lett.，Vol.79(2001)711)。
然而，所述的紫外发光元件，发光效率低，且具有如果为了照明等目的流通大电流则由于发热从而发光效率变得低下等问题。作为所述紫外发光元件的发光效率低的理由，可以举出由于基板或者发光层等的位错密度高，这些错位作为非发光中心起作用的情况。特别是在使用蓝宝石基板的情况下，散热性差，且具有发光效率不随输入成比例线性上升而中途饱和的强烈倾向。
发明内容
本发明的目的在于，提供能实现高效率发光和高输出发光的发光元件及其制造方法。
本发明的发光元件在氮化物半导体基板的第一主表面的侧具备包含InAlGaN4元混晶的发光层。
根据所述的结构，通过使用低位错密度的氮化物半导体基板，可以抑制发光元件内作为非发光中心起作用的贯通位错密度，提高发光效率。另外，通过由包含在InAlGaN4元混晶中的In起组成调制效果，可进一步提高发光效率。另外，氮化物半导体基板可以是，GaN基板、AlxGa1-xN基板(0＜x≤1)、包含于该AlxGa1-xN基板的AlN基板等，具有第一导电型导电性的任何氮化物半导体。
本发明的另一个发光元件，具有第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(0≤x1≤1)，和位于第一导电型的Alx1Ga1-x1N层上的第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(0≤x2≤1)，和位于第一导电型的Alx1Ga1-x1N层与第二导电型的Alx2Ga1-x2N层之间且包含InAlGaN4元混晶的发光层，并且还具有从发光层看比第一导电型的Alx1Ga1-x1N层更远的厚度为100μm以下的氮化物半导体层。
所述的厚度为100μm以下的氮化物半导体层，是由所述本发明中氮化物半导体基板通过蚀刻或是剥离而成的。根据所述的结构，抑制发光元件内作为非发光中心起作用的贯通位错密度，且基于InAlGaN4元混晶中的In的组成调制效果，结果能够防止由氮化物半导体基板的吸收。
本发明的发光元件的制造方法，具备在氮化物半导体基板的第一主表面侧，形成第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(0≤x1≤1)的工序，和在第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(0≤x1≤1)上形成包含InAlGaN4元混晶的发光层的工序，和在发光层上形成第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(0≤x2≤1)的工序，和形成第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(0≤x2≤1)之后去除氮化物半导体基板的工序。
例如，由于GaN吸收波长在360nm以下的紫外光，因此根据所述的方法，通过去除或是剥离GaN基板，可提高光输出。其结果，可以进一步大幅度提高光输出。另外，对于其他的氮化物半导体，也会有吸收想要取出的波长域的光的情况，这种情况下，也可以通过去除其氮化物半导体基板，提高光输出。
另外，所谓B层位于A层上，是指从氮化物半导体基板侧观察，B层位于比A层更远的位置，A层可以与B层接触也可以不接触。
图1是表示本发明实施例1的紫外LED的图。
图2是表示图1的紫外LED的发光光谱的图。
图3是表示图1的紫外LED的外加电流和光输出之间的关系的图。
图4是表示本发明的实施例2的紫外LED的图。
图5是表示图4的发光层的放大图。
图6是表示图4的紫外LED的外加电流和光输出之间的关系的图。
图7是表示图4的紫外LED的发光光谱的图。
图8是表示本发明实施例3的本发明例的紫外LED，和比较例的紫外LED的外加电流和光输出之间的关系的图。
图9是表示本发明的实施例4的紫外LED的层叠结构的图。
具体实施例方式
下面，说明本发明的实施例。
(实施例1)图1是表示本发明实施例1的LED的图。图1中，在GaN基板1上，形成了(n型GaN层2/n型AlxGa1-xN层3/InAlGaN发光层4/p型AlxGa1-xN层5/p型GaN层6)的层叠结构。GaN基板1的作为第二主平面的反面配置有n电极11，另外，p型GaN层6上配置有p电极12。通过对这一对n电极11和p电极12之间外加电流，从InAlGaN发光层发出紫外光。InAlGaN发光层具有InxaAlyaGa1-xa-yaN组成。
图1表示的GaN系LED通过下面的处理工序制造。将厚度400μm、位错密度5E6cm-2、比电阻1E-2Ωcm的GaN基板，配置于MOCVD(有机金属气相生长法Metal Organic Chemical Vapor Deposition)成膜装置内的基座上，保持成膜装置内减压状态，并通过下述的MOCVD法形成层叠结构，制作紫外发光二极管。
MOCVD原料使用了三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟加合物、氨、四乙基硅烷、双乙基环戊二烯镁。首先，在生长温度1050℃下，在GaN基板1上作为基底层形成厚度0.1μm的n型GaN层2，接着在其之上成膜形成厚度0.2μm的n型Al0.18Ga0.82N层3。
之后，将生长温度降低至830℃，生长了60nm的InAlGaN发光层4。此时的原料气体的流量是氨为2l/min、三甲基镓为3μmol/min、三甲基铝0.5μmol/min、三甲基铟加合物60μmol/min。之后，再次将生长温度升高至1050℃，形成厚度0.2μm的p型Al0.18Ga0.82N层5。然后，在其之上作为接触层生长形成了厚度30nm的p型GaN层。
对由此生长的LED外延结构，使用合适的金属材料在p型GaN层6上形成p电极12，在GaN基板的作为第二面的主平面且处于外延层的相反侧的面(反面)上，形成n电极11。由此制作的紫外光发光二极管具有图1所示的结构。
对所述的紫外发光二极管外加连续电流的结果，如图2所示，得到了波长360nm的InAlGaN发光层的带端发光。即使将外加电流值提高至300mA，如图3所示，也不会产生光输出的饱和，线性增加。由此证实了GaN基板的高散热性。另外，本实施例中，GaN基板由于使用了位错密度低的基板，因此贯通位错密度低，能提高发光效率。
(实施例2)图4表示本发明的实施例2的紫外发光二极管。该紫外发光二极管与图1所示的紫外LED的层叠结构相比，其特征是，在与发光层4邻接的接近GaN基板1的侧，配置了缓冲层InxAlyGa1-x-yN层17。另外，发光层也设置为多层量子阱结构，而对于发光层之后进行说明。
本实施例的紫外LED的制造方法如以下所述。作为GaN基板1，使用了厚度400μm、贯通位错密度5E6/cm2的基板。应用与实施例1同样的方法，在GaN基板上，按顺序形成了n型GaN层2和n型AlxGa1-xN层3。接着，邻接着n型AlxGa1-xN层3，在生长温度830℃下生长了厚度50nm的InxAlyGa1-x-yN缓冲层17。
之后，如图5所示，在该InxAlyGa1-x-yN缓冲层17上，将(Inx5Aly5Ga1-x5-y5N阻挡层4a/Inx4Aly4Ga1-x4-y4N阱层4b)的2层结构进行3周期层叠，形成多重量子阱结构。实施例2中，该多重量子阱结构构成了发光层4。
对缓冲层InxAlyGa1-x-yN层生长时，以及对Inx5Aly5Ga1-x5-y5N阻挡层4a生长时的原料气体的流量是氨为2l/min、三甲基镓为1.5μmol/min、三甲基铝0.65μmol/min、三甲基铟加合物30μmol/min。
对Inx4Aly4Ga1-x4-y4N阱层生长时的原料气体的流量是氨为2l/min、三甲基镓为1.5μmol/min、三甲基铝0.52μmol/min、三甲基铟加合物53μmol/min。
本实施例和实施例1的不同之处在于，配置了缓冲层InxAlyGa1-x-yN层，以及将发光层形成为InAlGaN层的多层量子阱结构这两点。
通过所述两点改良，如图6所示，发光输出得到了飞跃式的提升。例如，在图3中相对于100mA外加电流的光输出是0.01mW左右，而在图6中相对于100mA外加电流的光输出则是1.7mW左右，即获得了强150倍的大幅度提高。另外，如图7所示，发光光谱的半辐值变小为12nm。这是由于，通过将发光层形成为多重量子阱结构，量子能级间的发光可以被支配的缘故。
(实施例3)本发明的实施例3，对形成于GaN基板上的紫外LED(本发明例)，和形成于GaN样板(在蓝宝石基板上夹持低温生长GaN缓冲层生长了3μm的n型GaN的基板)上的紫外LED(比较例)之间的光输出，进行了比较。使用的GaN样板是预先制作的。对所述本发明例和比较例，都形成了图4和图5所述的层叠结构。但是，GaN样板形成于反面侧是绝缘体且预先露出n电极的n型GaN层上。
首先，在制造时，将GaN基板和GaN样板都配置于MOCVD成膜装置内的基座上。接着，在GaN基板和GaN样板上成膜形成了n型GaN层、n型Alx1Ga1-x1N层和缓冲层InxAlyGa1-x-yN层。之后，同实施例2中一样，将(Inx4Aly4Ga1-x4-y4N阻挡层/Inx3Aly3Ga1-x3-y3N阱层)的2层结构进行3周期层叠，制作多重量子阱结构。之后，形成p型Alx2Ga1-x2N层/p型GaN层，形成p电极和n电极。所述的成膜处理的整个期间，生长温度、原料气体的流量与实施例2同样。但是，如上所述，GaN样板的n电极形成于n型GaN层上。
对由所述方法制作的本发明例和比较例，都外加了电流并测定了光输出。其结果的比较如图8所示。图8中，使用了GaN样板的比较例，用实际光输出的5倍值表示。
根据图8，电流50mA下，用GaN基板上的LED获得了GaN样板上的约10倍的输出。另外，使用GaN样板的LED在电流100mA下显示了输出的饱和倾向，而相对于此，GaN基板上输出以线性增加。由此，对使用了InAlGaN发光层的紫外LED的高效化、基于高电流注入的LED的高输出化，低错位GaN基板是有效的。本发明例的LED通过以下两点，即，由于使用了热传导良好的GaN基板从而抑制了由发热引起的高温化，以及由于贯通位错密度低从而非发光中心被抑制，获得了所述的高输出。
(实施例4)图9表示有关本发明的实施例4的发光元件的层叠结构。首先，说明制造方法。将AlxGa1-xN基板(x＝0.18)配置于基座上，对有机金属气相生长法的成膜装置内保持减压状态，并制作层叠结构，获得紫外发光二极管结构。原料使用了三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟加合物、氨、四乙基硅烷、双乙基环戊二烯镁。首先，在生长温度1050℃下，生长了厚度0.5μm的n型Al0.18Ga0.82N缓冲层22。
之后，将生长温度降低至830℃，然后与所述实施例2一样，形成将InAlGaN阻挡层24a和InAlGaN阱层24b重复3周期的多重量子阱结构。之后，再次将生长温度升高至1050℃，生长厚度20nm的p型Al0.30Ga0.70N层25和厚度50nm的p型Al0.18Ga0.82N层26。
在通过上述方式形成的LED外延结构的p型AlGaN层26上，用金属材料形成半透明p电极12，另外在AlGaN基板21的反面侧形成n型电极11。
对通过上述方式形成的紫外发光二极管外加连续电流的结果，获得了波长351nm的InAlGaN发光层的带端发光。作为该带端发光的光输出，电流100mA时得到了8mW。
以上，说明了本发明的实施例，下面，包括所述实施例，对本发明的具体实施方式
罗列着进行说明。
可以将所述氮化物半导体基板作为GaN基板。由于可以用大型且廉价的GaN基板，因此适于批量生产。最好使用贯通位错密度在1E7cm-2以下的GaN基板。由此，可以减小本发明的发光元件的贯通位错密度，并降低非发光中心密度。
另外，也可以将所述氮化物半导体基板设为AlxGa1-xN基板(0＜x≤1)。通过使用AlxGa1-xN基板，可以提高InAlGaN发光层的结晶性。即，可以减小发光层和氮化物半导体基板之间的晶格的差异，并抑制产生于发光层的晶格不规则。
所述AlxGa1-xN基板(0＜x≤1)的贯通位错密度最好在1E7cm-2以下。根据该结构，可以减小本发明的发光元件中的贯通位错密度，并可以降低非发光中心密度。
可以使所述AlxGa1-xN基板(0＜x≤1)的带隙能，在包含InAlGaN4元混晶的发光层发出的光的波长所对应的能量以下。通过AlxGa1-xN基板具有所述带隙能，可以使从发光层发出的光不被氮化物半导体基板吸收，从而能有效利用。
所述氮化物半导体基板的第一主表面侧，具备有第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(0≤x1≤1)，和从氮化物半导体基板侧观察、与第一导电型的Alx1Ga1-x1N层相比位于更远的位置的第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(0≤x2≤1)，且在第一导电型的Alx1Ga1-x1N层和第二导电型的Alx2Ga1-x2N层之间，包含所述的InAlGaN4元混晶。
根据所述结构，通过从p导电型层和n导电型层，将电流注入至夹在它们之间的InAlGaN4元混晶，可以获得高效率的发光。
另外，也可以是以下结构，即，在所述氮化物半导体基板和第一导电型的Alx1Ga1-x1N层之间，具有第一导电型的与氮化物半导体基板同类的氮化物半导体层。
该结构与将第一导电型的Alx1Ga1-x1N层邻接氮化物半导体基板形成的结构相比，可以通过使第一导电型的与氮化物半导体基板同类的氮化物半导体层起缓冲层功能，提高第一导电型的Alx1Ga1-x1N层的结晶性。
也可以是以下结构，即，在所述第二导电型的Alx2Ga1-x2N层上，具有厚度1nm～500nm的第二导电型的Alx3Ga1-x3N层(0≤x3＜1，x3＜x2)。
根据所述结构，与邻接第二导电型的Alx2Ga1-x2N层并形成电极的结构相比，可以降低接触电阻，提高电力-光变换效率。如果第二导电型的Alx3Ga1-x3N层的厚度不足1nm，则越降低接触电阻越得不到良好的层，而厚度超过500nm，则增加波长360nm以下的紫外光的吸收量。因此，第二导电型的Alx3Ga1-x3N层的厚度取1nm～500nm的范围。
也可以是以下结构，即，在位于所述第一主表面的相反侧的第二主表面形成第一电极，且在第二导电型的Alx2Ga1-x2N层上形成与第一电极构成一对的第二电极。
根据所述的结构，由于可以在氮化物半导体基板的作为第二主表面的反面配置第一电极，可以减小串联电阻。因此，由于可以提高电压效率且减小发热，可以提高发光效率。另外，氮化物半导体的热传导率良好从而几乎不受发热的影响，而这也使其性能更加良好。
所述的第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(0≤x1≤1)和第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(0≤x2≤1)的厚度总计，可以是0.4μm以下。
如果第一导电型的Alx1Ga1-x1N层和第二导电型的Alx2Ga1-x2N层的厚度总计超过0.4μm，则会产生裂纹，且只从与这些层的一部分所对应的部分发光，因此所述厚度总计最好是0.4μm以下。
所述的发光元件，通过发光层上的发光，可以发出波长330nm～370nm范围的光。
通过将发光层调整成能放射出所述范围波长的光，可以获得发光效率优良的紫外线区域的发光元件。
所述的发光层也可以是具有以下量子阱构造的结构，该量子阱构造包含表示为Inx4Aly4Ga1-x4-y4N(0＜x4＜0.2，0＜y4＜0.5)的阱层和表示为Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5＜0.2，0＜y5＜0.5)的阻挡层。
如上所述，通过使发光层具有量子阱构造，可大幅提高发光效率。另外，通过使阱层和阻挡层都使用InAlGaN结晶，可以减小应变，提高发光效率。
也可以具有以下结构，即，在所述发光层和氮化物半导体基板之间，具有厚度10nm～200nm的InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜0.2，0＜y＜0.5)层。
根据所述的结构，可以减小发光层的应变，防止由压电效应引起的电子和空穴的在空间上的分离，提高发光效率。
所述另一个本发明的发光元件可以具有以下结构，即，氮化物半导体基板被蚀刻或是被剥离，从而从发光层观察，在比第一导电型的Alx1Ga1-x1N层更远处，不具有氮化物半导体层。
根据该结构，可以消除由氮化物半导体基板(氮化物半导体层)引起的短波长区域的吸收。
权利要求
1.一种发光元件，其特征在于，具备氮化物半导体基板和，在所述氮化物半导体基板的第一主表面侧含有InAlGaN4元混晶的发光层(4、24)。
2.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于所述氮化物半导体基板是GaN基板(1)。
3.如权利要求2所述的发光元件，其特征在于所述氮化物半导体基板的贯通位错密度是1E7cm-2以下。
4.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于所述氮化物半导体基板是AlxGa1-xN基板(21)，其中0＜x≤1。
5.如权利要求4所述的发光元件，其特征在于所述氮化物半导体基板的贯通位错密度是1E7cm-2以下。
6.如权利要求4所述的发光元件，其特征在于所述AlxGa1-xN基板(21)的带隙能，在所述包含InAlGaN4元混晶的发光层发出的光的波长所对应的能量以下，其中0＜x≤1。
7.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于所述氮化物半导体基板的第一主表面侧，具备所述第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(3、22)，和从所述氮化物半导体基板侧观察、与第一导电型的Alx1Ga1-x1N层相比位于更远的位置的第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(5、25)，且在所述第一导电型的Alx1Ga1-x1N层和第二导电型的Alx2Ga1-x2N层之间，包含所述InAlGaN4元混晶，其中0≤x1≤1，0≤x2≤1。
8.如权利要求7所述的发光元件，其特征在于在所述氮化物半导体基板和第一导电型的Alx1Ga1-x1N层之间，具有第一导电型的与所述氮化物半导体基板同类的氮化物半导体层(2)。
9.如权利要求7所述的发光元件，其特征在于在所述第二导电型的Alx2Ga1-x2N层上，具有厚度1nm～500nm的第二导电型的Alx3Ga1-x3N层(26)，其中0≤x3＜1，x3＜x2。
10.如权利要求7所述的发光元件，其特征在于在与所述第一主表面相反侧的第二主表面上形成第一电极(11)，且在所述第二导电型的Alx2Ga1-x2N层上形成与所述第一电极构成一对的第二电极(12)。
11.如权利要求7所述的发光元件，其特征在于所述的第一导电型的Alx1Ga1-x1N层和第二二导电型的Alx2Ga1-x2N层的厚度总计在0.4μm以下，其中0≤x1≤1、0≤x2≤1。
12.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于通过所述发光层上的发光，发出波长330nm～370nm范围的光。
13.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于所述的发光层具有以下量子阱构造的结构，该量子阱构造包含表示为Inx4Aly4Ga1-x4-y4N的阱层(4b)和表示为Inx5Aly5Ga1-x5-y5N的阻挡层(4a)，其中，0＜x4＜0.2，0＜y4＜0.5，0≤x5＜0.2，0＜y5＜0.5。
14.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于在所述发光层和所述氮化物半导体基板之间，具有厚度10nm～200nm的InxAlyGa1-x-yN层(17)，其中，0＜x＜0.2，0＜y＜0.5。
15.一种发光元件，其特征在于，具备第一导电型的Alx1Ga1-x1N层(3、22)，和位于所述第一导电型的Alx1Ga1-x1N层上的第二导电型的Alx2Ga1-x2N层(5、25)，和位于所述第一导电型的Alx1Ga1-x1N层与第二导电型的Alx2Ga1-x2N层之间且包含InAlGaN4元混晶的发光层(4、24)，其中，0≤x1≤1，0≤x2≤1，并且从发光层观察，比第一导电型的AlxiGa1-x1N层更远处，具有厚度为100μm以下的氮化物半导体层(1、21)。
16.如权利要求15所述的发光元件，其特征在于从发光层观察，在比第一导电型的Alx1Ga1-x1N层更远处，不具有氮化物半导体层。
17.一种发光元件的制造方法，其特征在于，具备在氮化物半导体基板的第一主表面侧，形成第一导电型的Alx1Ga1-x1N层的工序，在所述第一导电型的Alx1Ga1-x1N层上形成包含InAlGaN4元混晶的发光层的工序，在所述发光层上形成第二导电型的Alx2Ga1-x2N层的工序，在形成第二导电型的Alx2Ga1-x2N层之后，去除所述氮化物半导体基板的工序，其中，0≤x1≤1，0≤x2≤1。
全文摘要
本发明提供一种通过高效率发光能够实现高输出发光的使用了氮化物半导体的发光元件及其制造方法，为达到该目的，所述发光元件具备GaN基板(1)，以及在该GaN基板(1)的第一主表面侧含有InAlGaN4元混晶的发光层。
文档编号H01L33/32GK1585144SQ20041005783
公开日2005年2月23日 申请日期2004年8月18日 优先权日2003年8月20日
发明者平山秀树, 秋田胜史, 中村孝夫 申请人:住友电气工业株式会社, 独立行政法人理化学研究所