专利名称：半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光元件。
背景技术：
发光波长400nm频带的蓝紫色激光的半导体发光元件推进着对下一代DVD(digital versatile disk)等的开发。作为这种元件结构，例如，已知在GaN衬底上具有InGaAlN类材料构成的双重异质结，将上部覆盖层形成脊(ridge)形状的脊波导型半导体发光元件(例如，参照(日本)特开2000-299497号公报)。这种脊波导型半导体发光元件，在n型GaN衬底上形成Al0.05Ga0.95N构成的不掺杂的n型接触层。在该不掺杂的n型接触层上形成掺杂了Si的Al0.05Ga0.95N构成的n型接触层，在该n型接触层的一部分区域中设置n侧电极，在没有设置这种n侧电极的区域上，设置掺杂了Si由In0.08Ga0.92N构成的n型防裂层。在n型防裂层上，形成将不掺杂的Al0.14Ga0.86N构成的层和掺杂了Si的GaN构成的层交替160次叠层的多层膜(超晶格结构)构成的n型覆盖层。在该n型覆盖层上形成不掺杂的GaN构成的n型引导层。在n型引导层上，将掺杂了Si的In0.01Ga0.99N构成的阻挡层和不掺杂的In0.11Ga0.89N构成的阱层交替叠层三次，并在其上形成叠层了阻挡层的多重阱结构(MQW)的有源层。在该有源层上形成掺杂了Mg的Al0.4Ga0.6N构成的p型防止溢出层。在该p型防止溢出层上，形成将不掺杂的Al0.1Ga0.9N构成的层和掺杂了Mg的GaN构成的层交替叠层100次的多层膜(超晶格结构)构成且形成为脊形状的p型覆盖层。在该p型覆盖层的侧部形成Zr氧化物构成的保护膜，在上述p型覆盖层上形成掺杂了Mg的GaN构成的p型接触层。然后，成为在上述p型覆盖层和保护膜上形成了p侧电极的结构。
由于防止溢出层的带隙宽，所以可以挡住从n侧电极注入的电子，将电子封闭在有源层中，但为了提高溢出防止效果，需要提高防止溢出层的杂质浓度，以增大带隙。这种情况下，杂质会扩散至有源层，阻碍发光再结合，存在效率下降的问题。
发明内容
本发明的一方案的半导体发光元件的特征在于包括形成于结晶衬底上的第1导电型的第1覆盖层；形成于所述第1覆盖层上的有源层；形成于所述有源层上、防止杂质扩散到所述有源层中的防扩散层；形成于所述防扩散层上、防止注入到所述有源层中的载流子的溢出的与所述第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及形成于所述防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。
图1是表示基于本发明的第1实施方式的半导体发光元件的结构的剖面图。
图2是表示通过模拟求出的基于第1实施方式的半导体发光元件和基于比较例1、2的半导体发光元件的环境为室温时的I-L特性的特性曲线。
图3是表示通过模拟求出的基于第1实施方式的半导体发光元件和基于比较例1、2的半导体发光元件的环境为100℃时的I-L特性的特性曲线。
图4是表示基于本发明的第2实施方式的半导体发光元件的结构的剖面图。
图5是表示基于比较例1和比较例2的半导体发光元件的结构的剖面图。
具体实施例方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)图1示出本发明的第1实施方式的半导体发光元件的结构。
在GaN构成的n型衬底1上，形成层厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al0.08Ga0.92N构成的n型覆盖层2。在该n型覆盖层2上，形成层厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN构成的n型光引导层3。在该n型光引导层3上，将层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的掺杂了Si的In0.02Ga0.98N构成的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的不掺杂的In0.15Ga0.85N构成的阱层交替地叠层2至4次后，设置有形成了由层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的掺杂了Si的In0.02Ga0.98N构成的阻挡层的多重量子阱MQW(MultipleQuantum Well)结构的有源层4。在该有源层4上，形成层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.1μm的不掺杂的GaN构成的防扩散层51。在该防扩散层51上，设置层厚度大于等于5nm、小于等于20nm的Al0.2Ga0.8N构成的p+型防止溢出层5。如果防扩散层51过薄，则p+型防止溢出层5的杂质会扩散至有源层4，如果过厚，则防止溢出层5会与有源层4分离，将没有防止溢出的效果。
在防止溢出层5上，形成层厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN构成的p型光引导层6。在该光引导层6上，形成层厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al0.08Ga0.92N构成的p型覆盖层7。在覆盖层7上，设置层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.2μm的GaN构成的p+型接触层8。再有，直至覆盖层7的中途，接触层8和覆盖层7被形成为脊形状，形成为脊形状的覆盖层7和接触层8的部分成为脊型波导10。再有，脊型波导10在垂直于纸面的方向上延长。即，垂直于纸面并从上向下观察，脊型波导10为条状。
在脊型波导10的上部以外的整个表面上，形成层厚度大于等于0.2μm、小于等于0.7μm的SiO2构成的保护膜9，并在脊型波导10上形成p侧电极11，在GaN衬底1之下设置n侧电极12。再有，p侧电极11可以由从Pt、Pd、Ni、Au等中选择出的至少一种金属构成的层、叠层了被选择出的大于等于两种的金属的叠层膜、或这些金属的合金来构成。此外，n侧电极12也可以由从Ti、Pt、Au、Al等中选择出的至少一种金属构成的层、叠层了被选择出的大于等于两种的金属的叠层膜、或这些金属的合金来构成。再有，覆盖层2和覆盖层7以形成为将层厚度大于等于1nm、小于等于5nm的Al0.16Ga0.84N构成的层和GaN构成的层交替地生长的超晶格层。此外，形成防止溢出层5和防扩散层51时的温度最好是高于有源层4的形成温度。
作为比较例，将不形成本实施方式的半导体发光元件的防扩散层51、并且杂质不扩散到有源层4的半导体发光元件作为比较例1形成，将不形成防扩散层51并且杂质扩散到有源层4的半导体发光元件作为比较例2形成。这些比较例1和比较例2具有图5所示的结构。
对本实施方式的半导体发光元件和比较例1及比较例2的半导体发光元件的光输出与施加电流的特性(I-L特性)进行模拟。图2示出在环境为室温的情况下的上述特性，图3示出环境为100°的情况下的上述特性。
在杂质扩散至有源层4的比较例2的情况下，与本实施方式和比较例1相比，可知阈值电流增加，效率(I-L特性曲线的斜率)也下降，高温下的I-L特性的饱和显著。这是因为杂质扩散造成的p-n结的位置偏移和形成能级造成的非发光的再结合增加。
与之相对，在本实施方式中，与比较例1和比较例2相比，阈值电流下降，而且效率增加，未发现I-L特性的饱和。即，可知与比较例1的有源层中没有杂质扩散的情况相比，得到改善。这是因为在本实施方式中，在有源层4和防止溢出层5之间设有防扩散层51，折射率低的防止溢出层5与有源层4稍稍分离，对有源层4的光的封闭增加。
如以上说明，根据本实施方式，可以抑制杂质从溢出层向有源层的扩散，并抑制发光效率下降。
再有，n型覆盖层2和p型覆盖层7优选是AlsGa1-sN或AlsGa1-sN/GaN构成的超晶格(0.0＜s≤0.3)。
此外，有源层4优选是InxGa1-xN/InyGa1-yN构成的多重量子阱有源层(0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y)。
此外，防止溢出层5优选是由AltGa1-tN构成，防止溢出层5中的Al的化学计量比t比覆盖层2、7中的Al的化学计量比s大。
此外，防扩散层51优选是由AluGa1-uN(0≤u＜t)构成，防扩散层51中的Al的化学计量比u大于等于0，并且比防止溢出层5中的Al的化学计量比t小。通过这样构成，折射率增大，可以增强对有源层的光的封闭。
此外，防止溢出层5优选是杂质浓度大于等于5×1018/cm-3并且防扩散层不掺杂。通过这样构成，可以进一步防止载流子的来自有源层的溢出。
此外，期望脊波导10的脊宽度是大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。脊宽度小于1.5μm时电阻升高，工作电压上升。脊宽度大于2.5μm时容易产生高次模振荡。此外，期望脊波导10以外的第2覆盖层7的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。脊波导10以外的第2覆盖层7的层厚度小于0.03μm时脊部分和脊以外的折射率差增大，容易产生高次模振荡。而大于0.20μm时，电流向横方向扩展，增加无效电流。
(第2实施方式)下面，图4示出本发明的第2实施方式的半导体发光元件的结构。
本实施方式的半导体发光元件，在图1所示的第1实施方式的半导体发光元件中，使不掺杂的GaN构成的防扩散层51稍厚，例如达到0.1μm～0.15μm而具有光波导功能，成为除去了GaN构成的p型光波导层6的结构。由于防止溢出层5越靠近有源层4效果越大，但因杂质的浓度高而势垒提高，所以即使有源层4和防止溢出层稍稍分离，也可以维持防止溢出效果。因此，在本实施方式中，防止溢出层5的杂质浓度比第1实施方式高。
本实施方式与第1实施方式同样，可以抑制从溢出层向有源层扩散杂质，抑制发光效率下降。
如以上说明，根据本发明的各实施方式，可以抑制从溢出层向有源层扩散杂质，抑制发光效率下降。
权利要求
1.一种半导体发光元件，包括形成于结晶衬底上的第1导电型的第1覆盖层；形成于所述第1覆盖层上的有源层；形成于所述有源层上、防止杂质扩散到所述有源层中的防扩散层；形成于所述防扩散层上、防止注入到所述有源层中的载流子的溢出的与所述第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及形成于所述防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层的杂质浓度大于等于5×1018/cm-3，所述防扩散层是不掺杂层。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层的层厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防扩散层是GaN层。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层是AltGa1-tN(t＞0.16)构成的层。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述有源层是在将大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱层2至4次交替地叠层后，形成了层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层的多重量子阱结构。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第2导电型的第2覆盖层包括所述防止溢出层上设置的第1层、以及在该第1层上设置的脊部。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述脊形状的第2覆盖层的脊宽度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆盖层的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。
11.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1导电型的第1覆盖层和第2导电型的第2覆盖层是AlsGa1-sN构成的层或AlsGa1-sN/GaN构成的超晶格(0.0＜s≤0.3)层，所述有源层是InxGa1-xN/InyGa1-yN构成的多重量子阱有源层(0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y)，所述防止溢出层是AltGa1-tN(t＞s)构成的层，所述防扩散层是AluGa1-uN(0≤u＜t)构成的层。
12.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层的杂质浓度大于等于5×1018/cm-3，所述防扩散层是不掺杂层。
13.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层的层厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
14.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防扩散层是GaN层。
15.如权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
16.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述防止溢出层是AltGa1-tN(t＞0.16)构成的层。
17.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述有源层是在将大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱层2至4次交替地叠层后，形成了层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层的多重量子阱结构。
18.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第2导电型的第2覆盖层包括所述防止溢出层上设置的第1层、以及在该第1层上设置的脊部。
19.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述脊形状的第2覆盖层的脊宽度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。
20.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆盖层的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。
全文摘要
提供一种半导体发光元件，包括形成于结晶衬底上的第1导电型的第1覆盖层；形成于第1覆盖层上的有源层；形成于有源层上、防止杂质扩散到有源层中的防扩散层；形成于防扩散层上、防止注入到有源层中的载流子的溢出的与第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及形成于防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。
文档编号H01S5/22GK1681138SQ200510064010
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月5日 优先权日2004年4月5日
发明者田中 明, 小野村正明 申请人:株式会社东芝