专利名称：氮化物半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过在发光层形成部的上下两面形成反射层作为 共振器，从而从表面侧获取高效发光的光的共振器发光二极管等，在 发光层形成部的至少基板侧形成光反射层的氮化物半导体发光元件。
背景技术：
近几年来，正在开发一种具有通过交互地层叠折射率不同的两层， 从而能够有选择地使入射到多层膜的波长的光反射的分布式布拉格光
反射层(Distributed Bragg Reflector,以下称作DBR)的半导体发光元 件。 一般情况下，所谓DBR是指，使目的光在真空中的波长为入，使 材料的折射率为n的情况下，以入/ (4n)的膜厚交互地层叠折射率大 的层与折射率小的层。由此，以入的光为中心，以与在折射率大的层 向折射率小的层的交界处入射的波相同的相位被反射的波、和相对于 在折射率小的层向折射率大的层的交界处入射的波相位发生反转而被 反射的波变成相同的相位，从而能够获得高反射率。该反射率在交互 地层叠充分地具有折射率的差的两层的情况下，能够使用数量较少的 多层膜获得高反射率。
并且，作为利用该DBR的半导体发光元件，例如，作为实现使用 氮化物半导体的激光元件的例子，如图3所示，在蓝宝石基板1上形 成缓冲层9、 n-GaN接触层10、 n-第一光反射层2、由被n和p-GaN隔 离(spacer)层31、 33所夹着的活性层32构成的发光层形成部3、 p-第二光反射层4和p-GaN接触层5，分别在p-GaN接触层5上形成p 侧电极8，在n-GaN接触层10的露出部分形成n侧电极7。 n-第一光 反射层2和p-第二光反射层4，分别以入/(4n) (A为发光波长，n为 折射率)的膜厚，交互地层叠由单层构造的n-AlGaN类化合物(Al与 Ga的混合晶比率并非表示一个意思，它表示各种能够获得的化合物， 以下的(类)也使用相同的意思)构成的低折射率层21与由单层构造的n-InGaN类化合物构成的高折射率层22 (参照专利文献1)。 专利文献1:特开平8-228048号公报(图3)
发明内容
如果在活性层的上下方向形成具有光反射层构造的半导体发光元 件，那么，沿着上下方向前进的光在光反射层中被反射并放出光。但 是，在上述元件中，由于构成低折射率层的AlGaN类化合物层与构成 高折射率层的InGaN类化合物层在晶格常数以及热膨胀率等方面差异 较大，因此，在光反射层内发生歪曲，使光反射层的结晶性下降，反 射率不会达到理论值程度。因此，本发明人考虑低折射率层采用薄膜 的AlGaN类化合物层与GaN层的多层构造。根据这种构造，光反射层 的变形得到缓解，于是很难发生歪曲，从而能够防止反射率下降。
但是，尝试制作光反射层的低折射率层形成为AlGaN类化合物层 与GaN层交互地层叠的多层构造的元件，发现虽然反射率确实得以改 善，但是却出现了活性层的品质下降，亮度降低这样的问题。
因此，本发明的目的在于解决上述这种问题，并且提供一种具有 防止反射率下降，同时不会发生活性层的品质下降亮度降低的光反射 层的氮化物半导体发光元件。
本发明人通过积极研究并调査活性层品质下降的原因后发现，活 性层品质下降的原因是基板与活性层之间的第一光反射层的平坦性变 差。而且，通过更详细地研究后发现，其原因在于因低折射率层形成 为GaN层与AlGaN类化合物层的多层构造，故AlGaN类化合物层的 厚度比现有的单层构造薄。即，如果第一光反射层的低折射率层形成 为多层构造，那么，AlGaN类化合物层以外的GaN层也会被设置在低 折射率层中，因此，低折射率层中的AlGaN类化合物层的总膜厚比现 有的单层构造薄。并且，在该低折射率层中的AlGaN类化合物层的薄 膜化，是由使防止在InGaN类化合物层构成的高折射率层中发生的被 称作V缺陷(defect)这样的缺陷的效果减少这一点而想到的。再者， 所谓V缺陷是指，当在半导体发光元件内层叠InGaN类化合物层时， 妨碍该InGaN类化合物层的平坦性的V字形状的缺陷。如果发生这种 缺陷，那么，就会妨碍InGaN类化合物层表面的平坦性，被层叠在InGaN类化合物层上的层也会丧失平坦性，导致结晶性变差。
艮P，如上所述，本发明人发现如下原因，如果本发明人所发明的
低折射率层形成为AlGaN类化合物层与GaN层的多层构造，那么，就 会在由InGaN类化合物层构成的高折射率层上形成AlGaN类化合物层 与GaN层被交互地层叠的低折射率层，构成低折射率层的AlGaN类化 合物层的总膜厚比现有的单层构造的AlGaN类化合物层薄，并且吸收 在高折射率层的InGaN类化合物层中发生的V缺陷的效果减少，活性 层的品质下降。
因此，本发明的氮化物半导体发光元件是至少包括基板；在该 基板上设置、折射率互不相同的低折射率层与高折射率层被交互地层 叠的光反射层；以及在该光反射层上设置的发光层形成部的氮化物半 导体发光元件，其特征在于，上述光反射层的低折射率层由AlxGa,.xN 层(0<^<1)的单层构造构成，上述光反射层的高折射率层由AlyGai.yN 层(0<y〇0.5， y<x)或者IntGaMN层(0丘t^0.5)和InuGa卜uN层(0 <u^l， t<u)交互地层叠的多层构造构成。
并且，前述光反射层的高折射率层优选采用AlyGa^N层(0<y^ 0.5， y<x)与InuGa卜uN (0<u^l)层交互地层叠的多层构造。
并且，优选在前述发光层形成部上设置折射率互不相同的低折射 率层与高折射率层被交互地层叠的第二光反射层，前述第二光反射层 的低折射率层和高折射率层均由多层构造构成，提高第二光反射层的 反射率。
根据本发明，在存在于基板与活性层之间的光反射层的低折射率 层中采用单层构造的AlGaN类化合物层，该AlGaN低折射率层吸收在 包括InGaN类化合物层的高折射率层中发生的V缺陷并使其平坦化， 被层叠在光反射层上的活性层也被平坦化，活性层的结晶性不会变差。 另一方面，由于高折射率层由包括InGaN类化合物层的多层构造形成， 因此，与现有技术相比，光反射层的歪曲得以缓解，于是很难发生歪 曲，从而能够防止反射率下降。
并且，高折射率层采用AlzGa,.zN层((Xz^0.5， z〈x)和InuGai-uN (0<u^l)层交互地层叠的多层构造，由此，与现有技术的由未使用 多层构造的单层构造的InGaN类化合物层所构成的情况相比，高折射率层中的InGaN类化合物层的膜厚也会变薄。因此，由发生V缺陷而 引起的平坦性变差与现有技术相比也能够得到抑制。因此，不仅能够 完全抑制V缺陷引起的平坦性变差，而且，能够得到因晶格匹配和热 膨胀率的相异而引起的结晶性变差也被抑制的半导体发光元件。
图1是表示本发明的实施方式的半导体激光器的截面说明图。
图2是表示本发明的其它实施方式的半导体激光器的截面说明图。 图3是说明现有的半导体激光器的截面说明图。 符号说明 1基板
2第一光反射层
3发光层形成部
4第二光反射层
21第一光反射层低折射率层
22第一光反射层高折射率层
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的氮化物半导体发光元件进行说明。 本发明的氮化物半导体发光元件，作为其一个实施方式的共振器
发光二极管的断面说明图如图1所示，至少具有在基板1上设置、
并且在折射率互不相同的低折射率层21和高折射率层22交互地层叠 的第一光反射层2上设置的发光层形成部3，第一光反射层2的低折射 率层21由AlxGa,.xN层(O^xSl)的单层构造形成，第一光反射层2 的高折射率层22由AlyGa,.yN层y<x)或者IntGai.tN层 ((Xt^0.5)禾卩InuGa,-uN层(0<u^l， t<u)的多层构造形成。另夕卜， 在发光层形成部3上形成有第二光反射层4。
第一光反射层2设置在基板1上，折射率各异的低折射率层21和 高折射率层22以入/(4n)的膜厚交互地层叠，由此具有作为反射率高 的光反射层的功能。在图1所示的例子中，在SiC基板1上形成的 Alo.2GaQ.8N缓冲层9上，低折射率层21和高折射率层22层叠10 50个周期形成第一光反射层2。此外，缓冲层9优选由以AlaGabIni-a-bN (0 Sa^l、 0^b^l、 OSa+b^l)的通式所表示的氮化物材料构成，但 是并非局限于此。另外，缓冲层的厚度等也能够根据用途而适当调整。
第一光反射层2的低折射率层21由AlxGai-xN层(0<x<l) 21b 的单层构造构成。AlxGa^N低折射率层21是实际用于缩小折射率的调 整层，形成为A/ (4n)的厚度。AlxGa,-xN低折射率层21吸收在后述 的高折射率层22中所包括的InGaN类化合物中所产生的V缺陷并使 其平坦化，在第一光反射层2上层叠的活性层3也被平坦化，活性层3 的结晶性不会变差。在图l所示的例子中，Ala3Ga().7N低折射率层21 以460nm左右(发光波长为450nm)的厚度形成。
第一光反射层2的高折射率层22由AlyGaNyN层(0<y^0.5， y <x)或者IntGa,.tN层(O^t^O.5)禾卩InuGa,.uN层(0<u^l， t<u) 的多层构造形成。InuGa,-uN层(0<u^l， t<u)是实际用于增大折射 率的调整层22a。与此相对，AlyGa,—yN层(0<y ^ 0.5 ， y〈x)或者IntGauN 层(0$-0.5)是用于缓和与调整层22a以及AlxGai.xN低折射率层21 的晶格不匹配、热膨胀率的缓和层22b。像这样，由于高折射率层由多 层构造形成，因此，与现有的未使用多层构造的情况相比，因热膨胀 率以及晶格常数的相异而产生的结晶性的恶化更加减少。
另外，由于光反射层2的缓和层22b由AlyGa,.yN层(0^y^0.5， y<x)构成，因此与现有技术相比，因发生V缺陷而导致的平坦性变 差也能够得到抑制，故非常优选。即，通过在缓和层22b中使用未包 含In的AlyGa,-yN层(0^y^0.5， y<x)，由此，在高折射率层中就会 存在未包含In的层，整个高折射率层的InGaN类化合物层的膜厚与现 有的单层构造的InGaN类化合物层的情况相比变薄。因此，不仅能够 抑制V缺陷引起的平坦性变差，而且，能够得到因晶格匹配和热膨胀 系数的相异而导致的结晶性变差被抑制的半导体发光元件。
例如，在图l所示的例子中，InuGa^N调整层22a (例如11=0.02) 以0.5 2nm左右，优选是lnm左右的厚度，AlyGai.yN缓和层22b (例 如y-O，即GaN层)以l 3nm左右，优选是2nm左右的厚度被层叠 15个周期。
使该第一光反射层2成为如上所述的构成，除此以外的部分，可以按照与现有的氮化物半导体发光元件的构造同样的方式形成。但是， 图1所示的例子是共振器型发光二极管的例子，在发光层形成部3的 两侧设置有第一和第二反射层2、 4。基板l使用碳化硅(SiC)基板， 但是并非局限于此，也可以使用蓝宝石(Ah03单结晶)基板等绝缘性
基板、GaN、 GaAs、 Si、 ZnO等半导体基板。在使用绝缘性基板的情 况下，由于无法从基板的背面取出电极，因此，必须蚀刻除去半导体 层叠部的一部分使下层的导电形层(在图1的例子中为n形层31或者 图中未示的接触层)露出。
发光层形成部3具有活性层32，形成于第一光反射层2上。发光 层形成部3由以AlaGabIn|-a-bN (0芸aSl， O^b^l, O^a+b^l)的通 式所表示的氮化物材料构成。在图l所示的例子中，以夹着活性层32 的方式设置有0.5jiim左右的n形GaN隔离层31和0.5pm左右的p形 GaN隔离层33。这些层是具有调整发光层形成部3的膜厚、即垂直方 向的共振器长度的功能的层，通过将整个发光层形成部3调整为入/n， 在第一和第二光反射层2、 4间形成共振器，光在共振器内放大然后从 反射率被略为变小的第二光反射层4侧射出。另外，如果是通常的发 光二极管，那么，既可以没有该隔离层31、 33，也可以设置电子阻挡 层或空穴阻挡层等来取代隔离层31、 33，它们的组成和膜厚也可以适 当调整。活性层32选择具有与使其发光的光的波长相应的带隙能量的 材料，例如在发出波长为440 470nm的蓝色光的情况下，由0.01 0.2pm左右的InQ.15GaQ.85N构成的整体(bulk)构造的材料，或者形成 为1 20nm左右的InojGao.9N井层与1 20nm左右的GaN隔壁层的单 一或者多重的量子井构造，并且整体形成为0.01 0.1nm左右。活性层 32以非掺杂方式形成，但是，也可以是p形层或者n形层。
在发光层形成部3上，优选通过设置反射率比第一光反射层2小 的第二光反射层4而形成共振器，能够有效地形成上面发射型元件或 者侧面发光的元件。在图l所示的例子中，第二光反射层4是，与第 一光反射层2同样地设置有低折射率层41和高折射率层42，并且形成 为反射率比第一光反射层2略低的构造。第二光反射层4的低折射率 层41和高折射率层42分别为多层构造，这从改善第二光反射层4的 反射率的观点来看为优选。即，由于第二光反射层4的形成是在形成活性层32之后，因此，与第一光反射层2的情况不同，即便因形成高
折射率层的全部或者一部分的InGaN类化合物层发生V缺陷，也不会 影响活性层32的结晶性，不比使第二光反射层4的低折射率层为 AlGaN类化合物的单层。因此，低折射率层41与高折射率层42均能 够采用多层构造，能够防止反射率变差。
例如，在图2所示的例子中，高折射率层42例如由InGaN类化合 物、具体来讲由In證Ga,N构成的调整层42a为lnm左右的厚度，由 GaN构成的缓和层42b为2nm左右的厚度层叠15个周期左右。低折 射率层41例如由AlGaN类化合物、具体来讲由Alo.3Gao.7N构成的调 整层41a为lnm左右的厚度，GaN缓和层42b为2nm左右的厚度层叠 15个周期。然后，该低折射率层41和高折射率层42交互地形成10 50个周期。此外，也能够交互地层叠整体构造的低折射率层41和高折 射率层42或者将其中一个形成为多层构造。而且，各层的组成和膜厚 也可适当改变。
在第二光反射层4上设置有透光性导电层6。例如，采用层叠Ni 与Au制成合金并形成为2 100nm左右的厚度的材料，或者ZnO层、 或ITO层等的透过光，同时具有电流易于在芯片的整个面扩散那样的 导电性，并且易于得到欧姆接触的材料形成。由于即便ZnO和ITO厚 也具有透光性，因此，例如形成为0.1 2pm左右的厚度。在图l所示 的例子中，ZnO层作为透光性导电层6形成为0.3lim左右的厚度。此 外，也能够在第二光反射层4与透光性导电层6之间例如设置p形GaN 接触层5等。 一般情况下，接触层5由载流子浓度容易增大的GaN层 形成，但是，也可以用InGaN类化合物层或者AlGaN类化合物层形成。
第二电极8在图1所示的例子中，半导体层叠部的上面侧是由p 形构成的层，因此，作为p侧电极形成，例如，采用Ti/Au、 Pd/Au或 者Ni-Au等层叠构造，整体形成为0.1 lpm的厚度，第一电极7 (n 侧电极)在图1所示的例子中，在基板的背面侧由例如Ti-Al或者Ti/Au 等合金层或者层叠构造，整体形成为0.1 lnm的厚度。另外，在使用 蓝宝石基板的情况下，因无法从基板背面获取欧姆接触，故在例如Cl2 以及BC13的混合气体的气氛下进行反应性离子蚀刻等干蚀刻等，在缓 冲层等上形成露出面，并形成于露出面上。为了将前述的发光层形成部、光反射层等形成为n形，将H2Se、 SiH4、 GeH4、 TeH4等作为杂质原料气体混入反应气体内即能够得到Se、 Si、 Ge、 Te。为了形成p形，作为Cp2Mg或DMZn的有机金属气体在 原料气体中混入Mg或Zn。但是，n形的情况下，即便不混入杂质， 在成膜时N容易蒸发而自然地变成n形，因此，也可以利用该性质。
下面，用具体的例子对本发明的半导体发光元件的制造方法进行 简单的说明。首先，例如将SiC基板1放置在MOCVD (有机金属化 学气相生长)装置内，将生长的半导体层的成分气体，例如三甲基镓、 三甲基铝、三甲基铟、氨气、作为n形掺杂气体的H2Se、 SiH4、 GeH4、 TeH4中的任一个、或者作为p形掺杂气体的二甲基锌或者环戊二烯镁 中的必需气体与载流子气体的H2或者N2 —同导入，在例如700 1200 r左右的温度下，将n形的AlQ.2Ga().8N缓冲层9、由lnm左右的InGaN 类化合物构成的调整层22a和2nm左右的GaN缓和层22b交互地层叠 15个周期，形成约45nm的高折射率层22，接着，形成46nm左右的 Al。.;Gao.7N低折射率层。然后，将该高折射率层与低折射率层的组合交 互地层叠20个周期左右，形成第一光反射层。
接着，通过顺次层叠0.5 um厚的n形的GaN隔离层31、将由 Ino.,Gao';N构成的井层和由GaN构成的隔壁层交互地层叠5个周期的 量子井活性层32以及0.5 u m厚度的p形GaN隔离层33，从而生长发 光层形成部3。接着，在设置第二光反射层4的情况下，在生长p形 GaN隔离层后，使lnm左右的In,GaQ.98N调整层42a和2nm左右的 GaN缓和层42b交互地生长15个周期左右，形成约46nm左右的高折 射率层42，接着，使2nm左右的Alo.3Ga^N调整层41a和lnm左右的 GaN缓和层42b交互地层叠15个周期，形成约45nm左右的低折射率 层。然后，该低折射率层41和高折射率层42交互地形成20个周期左 右。在形成第二反射层后，分别顺次外延生长0.05 2ym厚的p形 GaN接触层5。
其后，在接触层5的整个表面设置Si02保护膜，在400 80(TC下 进行20 60分钟左右的退火。接着，在基板l的背面，通过溅射或真 空蒸镀等方法形成Ti、 An等金属膜并形成第一电极7，在p形接触膜 5上形成0.3um左右的ZnO透明电极6，并且，通过溅射或蒸镀等方法形成Ti、 Al等金属膜并形成第二电极8。之后，通过研磨基板的背 面侧，使基板变薄。最后，进行划线制成芯片形成半导体元件。 工业可利用性
不仅能够提高使用氮化物半导体的LED或者激光二极管等的发光 元件的特性，而且，能够在利用这些半导体发光元件的各种电子仪器 中应用。
权利要求
1.一种氮化物半导体发光元件，至少包括基板；在该基板上设置的、折射率互不相同的低折射率层与高折射率层交互地层叠的光反射层；以及在该光反射层上设置的发光层形成部，其特征在于所述光反射层的低折射率层由AlxGa1-xN(0＜x＜1)层的单层构造构成，所述光反射层的高折射率层由AlyGa1-yN(0≤y≤0.5，y＜x)层或者IntGa1-tN(0＜t≤0.5)层和InuGa1-uN(0＜u≤1，t＜u)层交互地层叠的多层构造构成。
2. 根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于所述光反射层的高折射率层由AlyGa,—yN (0^y^0.5， y<x)与 InuGau,N (0<u^l)层交互地层叠的多层构造构成。
3. 根据权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 由所述AlyGa，.yN(0^y^0.5， y<x)构成的缓和层形成为l 3nm的厚度，由所述InuGaNuN (0<u^l)构成的调整层形成为0.5 2nm 的厚度。
4. 根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 在所述发光层形成部的上面侧还设置有折射率互不相同的低折射率层与高折射率层交互地层叠的第二光反射层。
5. 根据权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述发光层形成部形成为n形层、活性层以及p形层的层叠构造，使得在活性层发光的光在所述光反射层与所述第二光反射层之间共 振。
6. 根据权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第二光反射层的反射率形成为比所述光反射层的反射率小，采用从所述第二光反射层侧取出光的构造。
7. 根据权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第二光反射层的低折射率层和高折射率层的至少一方由多层构造构成。
8. 根据权利要求7所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于所述第二光反射层的高折射率层形成为由InGaN类化合物构成的 调整层和由GaN构成的缓和层的层叠构造，所述第二光反射层的低折 射率层形成为由AlGaN类化合物构成的调整层和由GaN构成的缓和层 的层叠构造。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种具有防止反射率降低，同时不会发生活性层的品质下降、亮度降低的光反射层的氮化物半导体发光元件。本发明的氮化物半导体激光器至少包括例如被设置在基板(1)的、并且设置在折射率互不相同的低折射率层(21)和高折射率层(22)交互地层叠的第一光反射层(2)上的发光层形成部(3)，第一光反射层的低折射率层(21)由Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N层(0≤x≤1)的单层构造形成，第一光反射层的高折射率层(22)由Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N层(0≤y≤0.5，y＜x)或者In<sub>t</sub>Ga<sub>1-t</sub>N层(0＜t≤0.5)和In<sub>u</sub>Ga<sub>1-u</sub>N层(0＜u≤1，t＜u)的多层构造形成。
文档编号H01S5/183GK101322253SQ200680044679
公开日2008年12月10日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年11月29日
发明者伊藤范和, 园部雅之, 酒井光彦 申请人:罗姆股份有限公司