专利名称：氮化物半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化物半导体发光元件，特别涉及适于在较低的电压下 利用的氮化物半导体发光元件。
背景技术：
氮化物系半导体作为发光元件或电子器件用材料被应用于各种产
品。对于特开2000-307149号公报所公开的氮化物半导体元件来说，为 了降低工作电压，在p型接触层和p型覆盖层的中间具有高浓度掺杂层 与低浓度掺杂层。对于该氮化物半导体元件来说，利用这样的结构，使 p型层的杂质浓度最优化，由此，使工作电压降低。
专利文献1 特开2000-307149号公报
专利文献2 特开2000-164922号公报
作为决定氮化物半导体元件的工作电压的要素，可列举出异质结的 带隙不连续量。在应该输送栽流子的异质结中，带隙不连续量较大时， 成为载流子输送时的势垒，因此从低工作电压的角度出发不优选。但是， 在所述现有的氮化物半导体发光元件中，不是考虑了带不连续量的设 计，因此存在维持发光输出的低工作电压化较困难这一 问题。
发明内容
本发明是为了解决所述问题而进行的，其目的在于提供一种抑制了 工作电压的氮化物半导体元件。
本发明的氮化物半导体发光元件的特征在于，具有p型接触层、形 成在所述p型接触层的下层的p型中间层、以及形成在所述p型中间层 的下层的p型覆盖层，所述p型接触层与所述p型中间层、以及所述p 型中间层与所述p型覆盖层间的带隙差分别为200meV以下。
能够利用本发明降低氮化物半导体发光元件的工作电压。
图1是用于说明构成实施方式1的氮化物半导体发光元件的各层的图2是用于说明构成实施方式1的氮化物半导体发光元件的p型接 触层、p型中间层、p型覆盖层的成分等的图。
图3是用于说明实施方式1的氮化物半导体发光元件的工作电压的 p型中间层Mg浓度依赖性的图。
图4是用于说明实施方式1的氮化物半导体发光元件的微分效率的 p型中间层Mg浓度依赖性的图。
图。曰、:，:二 、:一::: 触层、p型中间层、p型覆盖层的成分等的图。
具体实施方式
实施方式i
在本实施方式的氮化物半导体发光元件的制造中，作为m族原料，
使用三曱基镓(以后称为TMG)、三甲基铝(以后称为TMA)、三甲 基铟(以后称为TMI)。作为口族原料，使用氨(NH3)气。n型杂质 原料使用甲硅烷(以后称为SiH4) 。 p型杂质原料使用二茂镁(以后称 为CPzMg)。这些原料气体的载气使用氢气(H2)及氮气(N2)。但是， 所迷各种原料是例示性的，并不限于此。
一般地，作为用于生长氮化物系半导体的结晶生长的方法，多以金 属有机气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相生 长法(HVPE)进行。在本实施方式中，元件层的结晶生长方法使用金 属有机气相沉积法(MOCVD)。但是，用于制造本实施方式的氮化物 半导体发光元件的结晶生长的方法并不限于金属有机气相沉积法
(MOCVD)，也可以使用分子束外延(MBE)、氢化物气相生长法
(HWE)。
图1是用于说明本实施方式的氮化物半导体发光元件的结构的图。 衬底10由GaN构成。在本实施方式中，衬底10的主面为(0001 )面。 将该^H"底10 i殳置在MOCVD ( metal organic chemical vapor deposition: 金属有机气相沉积)装置内。并且， 一边提供NH3气一边使温度上升至 1000°C。之后，开始供给TMG和SiH4，生长n型半导体层12。 n型半导体层12是形成在衬底10的主面上、膜厚为l|im并且以GaN作为主 要成分的层。接下来，开始供给TMA，生长n型覆盖层14。 n型覆盖 层14是由氮化铝镓(Alao7Gao.93N)构成的膜厚为l.Opm的层。n型覆 盖层主要是用于提高后述的活性层的电子密度的层。然后，停止TMA 的供给，生长由n型GaN构成的厚度为l.Ojim的n型光引导层16。 n 型光引导层16主要是将光关闭在后述的活性层内的层，调整活性层内 的光密度。之后，停止TMG与SiH4的供给，温度降至700。C。如上所 述，从n型半导体层12至n型光引导层16是具有n型导电型的层。
然后，生长由以氮化铟镓(InGaN)为主要成分的多重量子阱(以 后称为MQW)构成的活性层18。活性层18由交替地层叠有阱层和势 垒层的3对的结构形成。此处，利用TMI、 TMG、氨(以后称为NH3) 的供给形成阱层。其成分为Inai2Gao.88N。此外，膜厚为3.5nm。另一方 面，利用TMG和NH3的供给形成势垒层。其成分为GaN。此外，膜厚 为7.0nm。这样，活性层18具有MQW结构，从而实现从活性层18发 出的光的高输出化。
接下来，停止TMG的供给， 一边供给NH3—边使温度升至1000°C。 之后，开始供给TMG、 TMA、 CP2Mg，形成p型电子势垒层20。 p型 电子势垒层20的成分是Ala2Gaa8N。其膜厚为0.02nm。接下来，停止 TMA的供给。之后，形成p型光引导层22。 p型光引导层22是GaN， 膜厚为O.lpm。 P型光引导层22主要承担调整活性层18内的光密度的 作用。接下来，开始供给TMA，形成p型覆盖层24。 p型覆盖层24具 有以AlQ.Q7Gao.93N表现的成分，其膜厚为0.4pm。 p型覆盖层24主要是 为了提高活性层18的空穴密度而形成的。然后，形成p型中间层26。 p 型中间层26具有以Alo.o3Gao.97N表现的成分，其膜厚为O.lpm。形成该 层的意义在于，本实施方式的氮化物系半导体激光器的工作电压降低， 详细情况后述。之后，形成p型接触层28。 p型接触层28的成分为GaN， 其膜厚为O.lpm。之后，停止TMG、 CP2Mg的供给，将温度冷却至室温。 此处，在p型的各层中掺杂有杂质，p型覆盖层24、 p型中间层26、 p 型接触层28的杂质Mg的密度分别为2E19cm-3、 5E18cm-3、 1E20cnT3。 本实施方式的p型层为如上所述的结构。
所述的结晶生长结束之后，在晶片的整个面上涂敷抗蚀剂。然后， 利用光刻法形成与台面(mesa)部的形状相对应的预定形状的抗蚀剂图形。将该抗蚀剂图形作为掩膜，对未被抗蚀剂覆盖的部分进行直到P型
覆盖层24的刻蚀。在该刻蚀中，作为一例，使用反应性离子刻蚀(RIE) 法等。并且，作为RIE法的刻蚀气体，例如，使用氯系气体。这样，利 用刻蚀作成作为光波导结构的脊32。然后，在残留有在刻蚀中用作掩膜 的抗蚀剂的状态下，在衬底整个面上形成厚度为0.2nm的Si02膜36。 使用CVD (Chemical Vapor Deposition:化学气相沉积)法、真空蒸镀 法、溅射法等形成Si02膜36。然后，在除去抗蚀剂的同时，脊上的Si02 膜被除去。这是称为剥离(liftoff)的处理。剝离的结果是，形成脊32 上的开口部34。
然后，在衬底整个面上依次形成Pt层、Au层。在Pt层、Au层的 形成中，例如使用真空蒸镀法。之后，进行抗蚀剂涂敷、光刻以及刻蚀。 刻蚀使用湿法刻蚀或干法刻蚀。这样，进行p型电极30的图形形成。 然后，利用真空蒸镀法，在衬底的背面整个面上分别形成Ti、 Pt、 Au 膜，进行用于使n型电极38进行欧姆接触的合金处理。
然后，利用解理等将这样制作的衬底加工成条(bar)状。由此，形 成两共振器端面。并且，对这些共振器端面实施端面涂敷。端面涂敷是 以降低激光器元件的阈值电流密度等为目的而进行的。然后，利用解理 等将形成为该条状的衬底进行芯片化。本实施方式的氮化物半导体发光 元件由所述结构构成。
图2是总结了本实施方式的氮化物半导体发光元件的p型覆盖层 24、 p型中间层26、 p型接触层28的成分等之后的表。本发明的特征在 于具有这样3层的结构。以下，依次说明本发明的3个特征。
如图2所示，笫一特征在于，分别将p型覆盖层24和p型中间层
26之间的带隙差(以下称为第1带隙差)、以及p型中间层26和p型
接触层28之间的带隙差(以下称为第2带隙差)抑制为70meV、卯meV。
在氮化物半导体发光元件中，由于节能等的要求，需要维持发光输出并
降低工作电压。并且，决定工作电压的要素之一是层间的带不连续量即
带隙差。带隙差较大时，必须使工作电压变高来得到所希望的发光输出。
因此，低工作电压化比较困难。此处， 一般地，以如下的式1给出
AlxGa.xN ( 0《X《1 )混晶的带隙Eg[eV]。
Eg[eV]-(卜X)X(EGaN)+XX(EAiN)-bXX(l-X)…式i此处，E(3aN-GaN的带隙-3.39eV， Eain-A1N的帶隙=6.2eV, b (弯曲参数)=0.6。
对于本实施方式的氮化物半导体发光元件来说，为了抑制第1带隙 差及第2带隙差，根据所述式1和后述的考察，决定p型覆盖层24、 p 型中间层26的成分。此处，p型覆盖层24、 p型中间层26的成分是个 别决定的，p型覆盖层24使用的参数X和p型中间层26使用的参数X 不一致。
作为第1带隙差和第2带隙差的值，优选的值由如下理论性的考察 来决定。
一般地，当带隙不同的2种半导体进行接合时，在其界面，导带Ec 和价带Ev产生带隙差。以保存半导体的电子亲和力即从真空能级至导 带下端的能量差的方式决定带隙差。在GaN(Eg-3.39eV)和 AlN(Eg-6.2eV)的情况下，两者的导带间的能量差(以下，称为AEc) 大概为1.96eV，价带间的能量差(以下称为AEv)大概为0.84eV。此 处，为了防止工作电压的上升，优选使AEv为较低的值。当将所述GaN 与AlN的情况下的AEv与AEc之和定义为带隙差时，该值为2.81eV左 右。因此，厶Ev占带隙差的30%左右。
但是，本实施方式的p型覆盖层24、 p型中间层26、 p型接触层28 具有如图2所示的成分，第1带隙差及第2带隙差分别为70meV、90meV。 第1带隙差70meV中的30。/。左右为第1带隙差的AEv成分(以下称为 AEvl)。 AEvl为21meV左右。另一方面，第2带隙差90meV中的 30%左右为第2带隙差的AEv成分(以下称为AEv2)。 AEv2为27meV 左右。AEvl、厶Ev2都与室温下的热能(约26meV)为相同程度。因 此，作为p型载流子的空穴容易越过AEvl与AEv2的势垒。因此，AEvl 和AEv2实质上不使工作电压上升。即，可以说优选第1带隙差、第2 带隙差都为100meV以下。
并且，设想带隙差为200meV的情况时，AEv为60meV左右。即 使厶Ev为60meV,是所述室温下的热能的两倍左右，使工作电压上升 的影响也是轻微的。因此，即使带隙差为200meV,也可以说是应用上 允许的范围。但是，在带隙差超过300meV的情况下，不能忽略由于厶Ev 超过90meV而使工作电压上升的影响。根据这样的理论性的考察，决定优选值作为第1带隙差和第2带隙 差的值。根据所述的考察，优选第1带隙差和第2带隙差分别为200meV 以下，更优选为100meV以下。本实施方式的第1带隙差和第2带隙差 分别为70meV、 90meV，满足该条件。如本实施方式，将第1带隙差和 第2带隙差抑制得较低，由此，由于载流子的势垒被降低，所以，能够 仍维持发光输出地降低工作电压。
此外，优选p型中间层26的带隙比p型覆盖层24的带隙小。p型 中间层26的带隙较小时，能够降低p型中间层26的掺杂剂即Mg的活 性化能量。由此，p型中间层26得到高载流子浓度。因此，能够向形成 在p型中间层26的上层的p型接触层28提供更多的载流子，因此，能 够维持氮化物半导体发光元件的输出并降低工作电压。并且，如上所迷， 若使p型中间层26的带隙比p型覆盖层24的带隙小，则可得到所述工 作电压下降的效果。
一般地，对于含有Al的p型氮化物半导体来说，Al成分越小，带 隙能量越小，Mg的受主能级也变小。因此，在本实施方式中，如图2 所示，将p型中间层26的Al成分比设定得比p型覆盖层24的Al成分 比低。由此，可以使p型中间层26的带隙比p型覆盖层24的带隙低， 从而可以降低工作电压。
第二特征在于，从工作电压和微分效率的角度出发，对p型中间层 26的掺杂剂浓度进行最优化。使用图3和图4来说明该特征。图3中示 出表示本实施方式的氮化物半导体发光元件的p型中间层26的掺杂剂 浓度和工作电压关系的图表。图3的图表的横轴为p型中间层26的Mg 浓度，纵轴为本实施方式的氮化物半导体发光元件的100mA工作时的 工作电压。由图3可知，工作电压为最小的p型中间层26的Mg浓度是 从3E18[cm-3]到3E19[cm-3]的范围。若是该范围内的Mg浓度，则可得 到最小的6V左右的工作电压。能够以p型中间层26的栽流子浓度来说 明由p型中间层26的Mg浓度变化所导致的氮化物半导体发光元件的工 作电压的变动。即，对于p型中间层26的载流子浓度来说，在p型中 间层26的Mg浓度为3E18[cm力到3E19[cm力左右取最大值。载流子浓 度较高，由此，针对p型接触层的空穴注入效率提高。因此，可抑制工 作电压。
图4是表示p型中间层26的载流子浓度和微分效率的关系的图表。图4的图表的^黄轴为p型中间层26的Mg浓度，纵轴为本实施方式的氮 化物半导体发光元件振荡时的微分效率。在p型中间层26的Mg浓度为 1E19[cm力以下的区域，Mg具有吸收光的效果，所以，Mg浓度越^0 微分效率越显示较高的值。另一方面，在Mg浓度为2E19[cm力以上的 情况下，微分效率在1.28W/A处饱和。因此，为了使微分效率提高，优 选p型中间层的Mg浓度为1E19[cm力以下并且是尽可能的低浓度。但 是，为了提高微分效率，使Mg浓度下降时，图3所示的工作电压上升。 当Mg浓度低于1E18[cm力时，工作电压急剧增加，因此，优选掺杂该 值以上的Mg。因此，使工作电压和微分效率这两者为良好的值的p型 中间层26的Mg浓度为1E18[cm,以上且lE19[cm」]以下。本实施方式 的p型中间层26的Mg浓度为5E18[cm-3]，成为兼顾较低的工作电压和 较高的微分效率的结构。
第三特征在于，p型中间层26的掺杂剂浓度比p型接触层28及p 型覆盖层24低。如上所述，由于p型中间层26内的Mg对光进行吸收 所导致的吸收损失，是使微分效率恶化的因素。在本实施方式中，使p 型接触层28、 p型中间层26、 p型覆盖层24中的p型中间层26的Mg 浓度最小，由此，能够抑制由Mg所导致的光吸收。
根据具有所迷3个特征的本实施方式的结构，能够维持发光输出并 且降低工作电压。
在本实施方式中，p型接触层28的成分为GaN,但是，本发明不限 于此。即，只要p型接触层的成分满足InyAlzGa!-y-zN ((Ky、 CKz、 y+z < 1)并且将p型接触层-p型中间层的带隙差抑制为200meV以下，就 能够得到本发明的效果。
本实施方式的p型接触层28的掺杂剂浓度为1E20criT3,但是，本 发明不限于此。即，以Mg浓度为1E20cmJ以上且lE21cm^以下进行 掺杂，从而可实现良好的欧姆接触，因此只要是该范围内的Mg浓度即 可。
实施方式2
本实施方式涉及p型中间层使用GaN并降低工作电压的氮化物半 导体发光元件。对于本实施方式的氮化物半导体发光元件来说，除了 p 型中间层的成分不同以外，与图1所示的实施方式1的氮化物半导体发 光元件相同。本实施方式的p型中间层40的成分为GaN。其膜厚为O.lnm。图6示出了总结本实施方式的氮化物半导体发光元件的成分等 的表。作成这样的结构，由此，能够使p型中间层的Mg的受主能级降 低，因此，容易得到高栽流子浓度。因此，栽流子的注入效率增加。其 结果是，能够降低工作电压。
并且，如上所述，本实施方式的氮化物半导体发光元件使载流子的 注入效率增加，并且，分别将p型接触层28-p型中间层40间、以及p 型中间层40-p型覆盖层24间的带隙差抑制为200meV以下。由此， 能够得到实施方式1所说明的效果即工作电压降低。
在本实施方式中，p型接触层28的成分为GaN，但是，本发明不限 于此。即，只要p型接触层的成分满足InyAlzGa!于zN (0<y、 (Kz、 y+z < 1 )并且将p型接触层-p型中间层的带隙差抑制为200meV以下，就 能够得到本发明的效果。
本实施方式的p型接触层28的掺杂剂浓度为1E20cm'3,但是，本 发明不限于此。即，以Mg浓度为1E20cn^以上且1E21cn^以下进行 掺杂，从而可实现良好的欧姆接触，因此，是该范围内的Mg浓度即可。
权利要求
1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，具有p型接触层；p型中间层，形成在所述p型接触层的下层；p型覆盖层，形成在所述p型中间层的下层，所述p型接触层与所述p型中间层间、以及所述p型中间层与所述p型覆盖层间的带隙差分别为200meV以下。
2. 如权利要求1的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述p型接触层是掺杂有Mg的InyAlzGa!.y-zN (0《y， 0《z， y+z <1),所述p型中间层是掺杂有Mg的AlxlGai_xlN ( 0<Xl《1 ), 所述p型覆盖层是掺杂有Mg的Alx2Ga!.x2N ( 0《x2《1 )。
3. 如权利要求2的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述p型接触层为GaN，所述p型接触层的Mg浓度是1 x 102(W3 ~ 1 x 1021cm'3。
4. 如权利要求2的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述p型中间层的Mg浓度是1 x 10W3 ~ 1 x 1019cm-3。
5. 如权利要求2的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述p型中间层的Mg浓度比所述p型接触层以及所述p型覆盖层 的Mg浓度寸氐。
6. 如权利要求2的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述p型中间层的成分是GaN。
全文摘要
本发明涉及一种抑制工作电压的氮化物半导体元件，目的在于提供一种适于在较低的电压下的利用的由氮化物系半导体构成的半导体激光器或发光二极管等发光元件。具有p型接触层(28)；形成在p型接触层(28)下层的p型中间层(26)；形成在p型中间层的下层的p型覆盖层(24)。p型接触层(28)和所述p型中间层(26)之间、以及p型中间层(26)与所述p型覆盖层(24)之间的带隙差分别为200meV以下。
文档编号H01L33/32GK101290963SQ20081009260
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者大野彰仁, 藏本恭介 申请人:三菱电机株式会社