氮化物半导体发光元件和其形成方法

专利名称：氮化物半导体发光元件和其形成方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件以及形成氮化物半导体发 光器件的方法。
背景技术：
在非专利文献l中，公开了InGaN基发光二极管。该发光二极管形 成在通过横向过生长形成的a面GaN模板上。发光二极管的有源层具有 包括In。.nGa。.83N阱层(4nm) /Si掺杂GaN势垒层(16nm)的5周期多量 子阱结构。根据在250mA的电流下测量晶片状态时的特性，发光二极 管具有413.5nm的发光波长、1.5mW的光输出以及0.2%的外量子效率。
在专利文献l中，公开了设置在GaN (1-100)衬底上的具有 IncuGao.9N有源层的激光二极管。另外，也已经公开了设置在高电阻率 SiC (11-20)衬底上的具有In(U5Gao.85N阱层和Ino.o5Gao.95N势垒层的垂 直腔面发射激光器。此外，也已经公开了设置在高电阻率SiC衬底的 (1-100)或(11-20)面上的具有4nm厚的Ino.2Ga(uN阱层和4nm厚的 Ino.o5Gao.95N势垒层的垂直腔面发射激光器。 Applied Physics Letter Vol. 85, No. 22 (2004)， p.5143日本未经审查的专利申请公布No.lO-13557
发明内容
本发明将要解决的问题
在具有由氮化镓基半导体构成的有源层的半导体发光器件中，由于使用所谓的c面GaN衬底，所以由压电效应所引起的影响也出现在有 源层上。另一方面，即使在GaN中，GaN的a面也显示出非极性特性， 并且因而期望有源层不受压电效应影响。在非专利文献l中，已经公开 了形成在a面GaN模板上的具有InGaN基量子阱结构的发光二极管。在 专利文献l中，尽管已经公开了具有若干铟组分的InGaN有源层和InGaN 阱层，但是几乎没有公开涉及发光波长和发光强度的详尽描述。
期望得到具有比非专利文献l中公开的发光二极管的峰值波长更 长的发光波长的发光二极管。然而，根据本发明的发明人所进行的实 验，当在用于在c面GaN上形成量子阱结构的生长条件下在a面GaN上形
成量子阱结构时，不能获得期望的光致发光波长。另外，根据不同的 实验结果，依据发光强度以及光致发光波长，在a面GaN上形成的具有 InGaN基有源层的发光器件示出与在c面GaN上形成的具有InGaN基有 源层的发光器件不同的趋势。
考虑到上述情况来构思本发明，并且本发明的目的是提供具有使 用涉及a面的非极性氮化镓基半导体并且可以提供较高的发光强度的结 构的氮化物半导体发光器件，以及本发明的目的也是提供用于形成氮 化物半导体发光器件的方法。
解决问题的手段
根据本发明的一个方面，提供一种氮化物半导体发光器件，所述 氮化物半导体发光器件包括(a)第一导电类型氮化镓基半导体区域；
(b)第二导电类型氮化镓基半导体区域；以及(c)有源层，所述有源 层设置在第一导电类型氮化镓基半导体区域和第二导电类型氮化镓基 半导体区域之间以便发射具有在440到550nm范围内的波长的光。在以 上氮化物半导体发光器件中，有源层包括由六方晶系InxGaLxN (0.16 《X《0.35，铟组分X:应变组分)构成的阱层，阱层的厚度D大于2.5nm， 阱层的厚度D为10nm或以下，铟组分X和厚度D满足X》-0.1XD+0.6， 第一导电类型氮化镓基半导体区域、有源层以及第二导电类型氮化镓基半导体区域被布置在预定轴方向，并且六方晶系InxGaLxN的a面在预 定轴方向上被对准。
根据该氮化物半导体发光器件，由于阱层的六方晶系InxGai.xN的a 面在预定轴方向被对准，所以有源层基本上示出非极性特性。另外， 所述阱层由六方晶系InxG^ocN (0.16《X《0.35， X:应变组分)构成。 涉及a面的非极性InGaN阱层的铟组分高于在c面生长条件下形成的氮 化物半导体发光器件的非极性InGaN的铟组分。因而，与在c面生长条
件下形成的氮化物半导体发光器件相比，根据本发明的氮化物半导体 发光器件具有较高的发光强度。此外，由于阱层由六方晶系InxGaLxN
(0.16《X《0.35， X:应变组分)构成并且也具有在大于2.5nm到10nm
的范围内的厚度，所以提供发射具有440到550nm的波长的光的量子阱结构。
在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，有源层可以包括由六 方晶系InyGa,-YN (0《Y《0.05， Y:应变组分)构成的势垒层。
根据该氮化物半导体发光器件，有源层可以具有量子阱结构，并 且对于非极性InGaN势垒层而言所述六方晶系InYGaLyN (0《Y《0.05，
Y:应变组分)具有可优选的铟组分。
根据本发明的氮化物半导体发光器件可以进一步包括由六方晶系
AlzGai.zN (0《Z《1)半导体构成的衬底。第一导电类型氮化镓基半导 体区域、有源层以及第二导电类型氮化镓基半导体区域安置在衬底的 主表面上。
根据该氮化物半导体发光器件，因为第一导电类型氮化镓基半导 体区域、有源层以及第二导电类型氮化镓基半导体区域形成在六方晶 系AlzGawN半导体上，所以其结晶度优良。在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，可以使衬底的主表面
偏离a面一偏角(off angle) (-2°《9《+2°)。根据该氮化物半导体 发光器件，可以获得具有优良质量的半导体晶体而基本上不受极性特 性的任何影响。
在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，衬底的穿透位错在c轴 方向上延伸。根据该氮化物半导体发光器件，由于在c轴方向上延伸， 所以这些穿透位错基本上平行于衬底的主表面延伸。另外，在根据本 发明的氮化物半导体发光器件中，相交于衬底c面的穿透位错的平均密 度可优选是lXl(Tcm'z或以下。根据该氮化物半导体发光器件，由于相 交于c面的穿透位错的密度低，所以使得当在a面主表面上进行生长时从 那里连续延伸的穿透位错的密度也低。
在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，衬底包括具有比第一 穿透位错密度高的在c轴方向上延伸的穿透位错密度的第一区域和具有 比第一穿透位错密度低的在c轴方向上延伸的穿透位错密度的第二区 域，以及第二区域出现在衬底的主表面上。根据该氮化物半导体发光 器件，在a面主表面上出现的第二区域上生长的半导体具有低的穿透位 错密度。
在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，在第二区域中的穿透 位错密度可优选小于lX10、m—2。根据该氮化物半导体发光器件，由于 具有小于l X 10、iT^的穿透位错密度的第二区域出现在a面主表面上， 所以在其上生长的半导体具有非常低的穿透位错密度。
根据本发明的另一方面，提供用于形成氮化物半导体发光器件的 方法。上述方法包括(a)准备由六方晶系AlzGaLzN (0《Z《1)半 导体构成的衬底的步骤；(b)在衬底的主表面上形成第一导电类型氮 化镓基半导体膜的步骤；(c)在第一导电类型氮化镓基半导体膜上形 成发射具有在440到550nm范围内的波长的光的有源层的步骤；以及(d)在有源层上形成第二导电类型氮化镓基半导体膜的步骤。在上述方法 中，第一导电类型氮化镓基半导体膜、有源层以及第二导电类型氮化 镓基半导体膜在预定轴方向上设置在衬底的主表面上，在形成有源层
的步骤中在第一温度下生长由六方晶系ItixGaLxN (0.16《X《0.35， X:
应变组分)构成并且具有第一镓组分的第一半导体层，在形成有源层 的步骤中在第二温度下生长由六方晶系IiiYGaLYN (0《Y《0.05， Y<X， Y:应变组分)构成并且具有第二镓组分的第二半导体层，第一镓组分 低于第二镓组分，第一温度低于第二温度，第一温度和第二温度之间 的差是105。C或以上，并且六方晶系InxGai.xN的a面在预定轴方向上被 对准。
根据该方法，在形成其中六方晶系InxG^xN的a面在预定轴方向上 被对准的有源层的形成中，由于两种类型的氮化镓半导体之间的生长 温度的差是105。C或以上，在两种类型的氮化镓半导体中，第一镓组分 低于第二镓组分，所以第一半导体层可以通过增加其铟组分来用作阱 层。
根据本发明的方法，通过切割在c轴方向上生长的六方晶系 AlzGai.zN (0《Z《1)晶体以便与其a轴(垂直于a面的轴)相交来获得 衬底，并且衬底的主表面通过抛光处理进行加工并且沿与a轴相交的a 面延伸。
通过该方法，由于生长的晶体在c轴方向上延伸，所以穿透位错也 在c轴方向上延伸。当半导体板被从六方晶系AlzGa,.zN半导体切下来以 便与其a轴相交时，可以提供适于形成其中六方晶系InxGaLxN的a面在 预定轴方向被对准的有源层的衬底。
根据本发明的方法，衬底包括多个第一区域和多个第二区域，在 所述多个第一区域的每一个中在c轴方向上延伸的穿透位错的密度高于 第一穿透位错密度，在所述多个第二区域的每一个中在c轴方向上延伸的穿透位错的密度低于第一穿透位错密度，第一区域和第二区域被交 替布置，并且第二区域中的一个出现在衬底的主表面上。
根据该方法，在a面主表面上出现的第二区域上生长的半导体具有 低的穿透位错密度。
根据本发明的方法，第二区域中的每一个的穿透位错的密度可优 选地小于lX10、m'2。通过该方法，可以获得具有优良质量的半导体晶 体而不受位错的任何影响。
根据本发明的方法，可以使衬底的主表面偏离a面一偏角(-2°《9 《+2°)。通过该方法，可以获得具有优良质量的半导体晶体而基本上 不受极性特性的任何影响。
根据本发明的方法，在形成第一导电类型氮化镓基半导体膜之前， 在供应包含氨和氢的气体时，可以进一步提供对衬底进行热处理的步骤。
通过该方法，由于在生长氮化镓基半导体之前在包含氨和氢的气
体中对衬底进行热处理，因此容易获得平坦的衬底表面，并且因而可 以获得具有更优良的发光特性的半导体发光器件。
参考附图，根据本发明的优选实施例的下列详细描述，将会更容 易理解本发明的以上目的、其他目的、特征和优点。
优点
因而正如已经描述的，根据本发明，提供具有使用涉及a面的非极 性氮化镓基半导体并且可以提供较高的发光强度的结构的氮化物半导 体发光器件。另外，根据本发明，提供用于形成氮化物半导体发光器 件的方法，并且通过该方法，使用非极性氮化镓基半导体，并且另外，也提供较高的发光强度。


图l是示意地示出根据该实施例的氮化物半导体发光器件的图。
图2是示出用于氮化物半导体发光器件的氮化镓衬底的一个示例 的图。
图3是示出用于氮化物半导体发光器件的氮化镓衬底的另一个示 例的图。
图4是示出形成发光器件的主要步骤的图。
图5A是示出(11-20)面的x射线衍射测量(xn-2 e测量)结果的图， 其中示出伴峰。
图5B是示出(11-20)面的x射线衍射测量(tu-2 9测量)结果的图，
其中没有示出伴峰。
图6是示出电流-光输出特性和电流-外量子效率特性的图。 图7是示出室温下裸芯片LED的施加电流与峰值发光波长之间的
关系的图。
图8是示出阱层厚度与被提供用于有源层以发射具有在440到
550nm范围内的波长的光的铟组分之间的关系的图。 图9是示出阱层厚度与PL谱之间的关系的图。 图10是示意地示出根据示例的氮化物激光二极管的图。 图llA是示出发光波长随着在c面衬底上形成的LED中的电流的增
加而蓝移的图。
图llB是示出高温下在a面GaN上形成的有源层的PL谱的图。
附图标记
Ax 预定轴
11 氮化物半导体发光器件 13 第一导电类型氮化镓基半导体区域 15 第二导电类型氮化镓基半导体区域 17 有源层19 量子阱结构
21 盖层 23 半导体层 25 电子阻挡层 27 接触层 29a 阱层 29b 势垒层 31 衬底
32a， 32b 电极 33， 35 衬底
33c， 35c 第一区域(高位错区域)
33d， 35d 第二区域(低位错区域)
具体实施例方式
参考通过示例示出的附图，考虑下列详细描述，将容易理解本发 明的结论。连续地，将参考附图描述根据本发明的氮化物半导体发光 器件和用于制造氮化物半导体发光器件的方法。在可能时，相同的元 件由相同的附图标记指示。
图l是示意地示出根据该实施例的氮化物半导体发光器件的图。作 为氮化物半导体发光器件，例如可以提及发光二极管或激光二极管。 氮化物半导体发光器件11具有第一导电类型氮化镓基半导体区域13、 第二导电类型氮化镓基半导体区域15以及有源层17。有源层17设置在 第一导电类型氮化镓基半导体区域13和第二导电类型氮化镓基半导体 区域15之间。有源层17可以由单InGaN半导体阱层形成或者可以具有量 子阱结构19。设置有源层17以便发射具有440nm或以上的波长的光。另 外，设置有源层17以便发射具有550nm或以下的波长的光。在预定轴 Ax方向上布置第一导电类型氮化镓基半导体区域13、有源层17以及第 二导电类型氮化镓基半导体区域15。有源层17包括由六方晶系 InxGaLxN构成的阱层，并且通过应变组分表示铟组分X。六方晶系InxGaLxN的a面在预定轴Ax方向上被对准。从第一导电类型氮化镓基半 导体区域13和第二导电类型氮化镓基半导体区域15提供的载流子被限 制在有源层17的阱层中。与该阱层的带隙相比，第一导电类型氮化镓 基半导体区域13和第二导电类型氮化镓基半导体区域15的带隙大。
当阱层被形成为具有2.5nm或以上的厚度时，可以形成具有440nm 或以上的发光波长的发光器件。当阱层的厚度大于10nm时，其晶体质 量恶化，并且发光特性恶化。 1
正如可由图l中示出的坐标系理解的，通过利用c轴和与该c轴垂直 相交的三个轴al、 a2和a3表示六方晶系InxGa,.xN。三个轴al、 a2和a3 在其间形成120。的角(Yl、 y2、 y3)。六方晶系系统的c轴在正交坐 标系S的Z轴上被对准，并且轴al在正交坐标系S的Y轴方向被对准。在 图1中，示出典型的a面。
在其中该六方晶系InxGaLxN的a面在预定轴Ax方向上被对准的氮 化物半导体发光器件ll中，当铟组分X为0.16或以上时，该六方晶系 InGaN优选用于具有440nm或以上的发光的发光器件的有源层。另外， 当铟组分大于0.35时，InGaN的晶体质量恶化，并且发光特性恶化。
下面描述其原因。即使当在a面GaN上形成的InGaN基发光器件的 铟组分等于在c面GaN上形成的InGaN基发光器件的铟组分时，在a面 GaN上形成的InGaN基发光器件的光致发光波长也比在c面GaN上形成 的InGaN基发光器件的光致发光波长短。因此，在a面GaN上形成的 InGaN基发光器件中，为了获得期望的光致发光波长，必须生长具有更 高铟组分的InGaN。另外，为了获得比非专利文献l中公开的发光二极 管的发光波长长的波长，必须进一步增加铟组分。
如上所述，根据氮化物半导体发光器件ll，由于阱层的六方晶系 InxGaLxN的a面在预定轴方向上被对准，所以有源层17显示出非极性特性。另夕卜，有源层17的阱层由六方晶系InxGawN (0.16《X《0.35， X: 应变组分)构成。与在c面生长条件下形成的氮化物半导体发光器件的 非极性InGaN阱层的铟组分相比，该非极性InGaN阱层的铟组分被设定 成大的值，该实施例的氮化物半导体发光器件的发光强度优于在c面生
长条件下形成的氮化物半导体发光器件的发光强度。此外，由于有源 层17的阱层由六方晶系InxGaLxN (0.16《X《0.35, X:应变组分)构 成，并且另外，阱层的厚度在2.5nm以上至10nm的范围内，设置有源层 17以便发射具有在440到550nm的范围内的发光波长的光。在发射具有 在440到550nm的范围内的发光波长的光的发光器件中，当电流密度增 加时，明显出现发光波长的縮短(蓝移)；然而，由于可以通过利用 非极性表面抑制蓝移，利用a面GaN衬底的效果尤其重大。
第一导电类型氮化镓基半导体区域13例如可以包括由具有比有源 层的带隙大的带隙的氮化镓基半导体构成的盖层21，并且氮化镓基半 导体可以是例如n型GaN或n型AlGaN。无论何时需要，第一导电类型氮 化镓基半导体区域13可以包括由n型AlGaN氮化镓半导体构成的半导体 层23。
第二导电类型氮化镓基半导体区域15例如可以包括由具有比有源 层的带隙大的带隙的氮化镓基半导体构成的电子阻挡层25，并且该氮 化镓基半导体可以是例如p型GaN。第二导电类型氮化镓基半导体区域 15例如可以包括由p型氮化镓基半导体构成的接触层27，并且该氮化镓 基半导体可以是例如p型GaN。
在根据一个示例的氮化物半导体发光器件ll中，有源层17包括量 子阱结构19。量子阱结构19可以包括阱层29a和势垒层29b。阱层29a和 势垒层29b被彼此交替布置。在氮化物半导体发光器件ll中，阱层29a 可以由六方晶系InxGa,.xN (0.16《X《0.35， X:应变组分)构成。另 夕卜，有源层17的势垒层29b可以由六方晶系InYGa!-YN (0《Y《0.05， Y: 应变组分)构成。六方晶系InYGabyN具有用于非极性InGaN势垒层的优选铟组分。六方晶系InYGaLYN的铟组分可以是O或以上(当铟组分为0 时，势垒层由GaN构成)。另外，由于在阱层和势垒层之间获得了足够 能量的势垒，所以六方晶系IriYGaLYN的铟组分可以是0.05或以下。铟 组分通过应变组分来表示。势垒层29b的厚度可以被设定为5nm或以上。 其原因是载流子可以被充分限制在阱层中。另外，势垒层29b的厚度可 以被设定为20nm或以下。其原因是可以获得充分低的元件电阻。势垒 层29b例如由GaN或InGaN构成。
氮化物半导体发光器件ll可以进一步包括由六方晶系AlzGaLzN(O 《Z《1)半导体构成的衬底31。衬底31可优选地显示出导电性。第一 导电类型氮化镓基半导体区域13、有源层17以及第二导电类型氮化镓 基半导体区域15被安置在衬底31的主表面31a上。由于第一导电类型氮 化镓基半导体区域13、有源层17以及第二导电类型氮化镓基半导体区 域15可以形成在六方晶系AlzGaLzN半导体上，其结晶度优良。例如可 以使用GaN、 AlGaN或AlN作为衬底31的材料。衬底31的材料可优选地 是n型GaN。电极32a (诸如阴极)设置在衬底31的背表面31b上，并且 另一个电极32b (诸如阳极)设置在接触层27上。
尽管衬底31的主表面31a可以设定成与a面平行，但是它可以偏离a 面一定的偏角。通过在衬底31的主表面31a的法线与a面的法线之间形成 的角度来定义偏角，所述偏角在下文中被称作"Angle Off"。例如所 述Angle Of河以被设定为使得在c轴方向上满足-2。《0《+2°以及可 以被设定成在m轴方向上满足-2。《6《+2°。根据该衬底31，可以获得 具有优良质量的半导体晶体而不受极性特性的任何影响。
在氮化物半导体发光器件11中，衬底31的穿透位错在c轴方向上延 伸。由于在c轴方向上延伸，所以穿透位错基本上平行于衬底31的主表 面31a延伸。另外，相交于衬底31的c面的穿透位错的平均密度可优选地 是lX10、m^或以下(诸如随意分布的穿透位错的密度)。根据该衬底 31，由于相交于c面的穿透位错的密度低，所以使得当在a面主表面上进行生长时从那里连续延伸的穿透位错的密度也低。通过从在C轴方向上
生长的六方晶系AlzGa^N (0《Z《1)晶体切割以便与a轴相交来获得 如上所述的衬底31，并且主表面31a通过抛光处理进行加工并且也沿与a 轴相交的平面延伸。由于衬底31的半导体晶体的生长在c轴方向上延伸， 穿透位错也在c轴方向上延伸。当半导体板从六方晶系AlzGai.zN半导体 晶体切割以便与a轴相交时，该衬底31可优选地用于形成其中六方晶系 InxGaLxN的a面在预定轴Ax方向上被对准的有源层。
图2是示出氮化物半导体发光器件11的氮化镓衬底的一个示例的 图。并且在图2中，用于六方晶系系统的坐标系如图l中所示。在图2中， c面用附图标记"C"表示，并且附图标记"A"和"M"分别表示a面 和m面。具有相对髙的穿透位错密度的第一区域(高位错区域)33c不 出现在根据一个示例的氮化镓衬底33的第一表面33a上，并且第一表面 33a由其上出现具有相对低的穿透位错密度的第二区域(低位错区域) 33d的领域形成。第一区域33c和第二区域33d被交替布置，并且在c面和 m面，第一区域形成条带形状。第一表面33a沿与a轴相交的平面延伸。 大部分穿透位错在c轴方向上延伸。在a面主表面上出现的第二区域33d 上生长的半导体具有低的穿透位错密度。另外，如上所述，氮化镓衬 底33的第一表面33a可以相对于a面倾斜一定角度。
在c面处第二区域33d中的穿透位错密度可优选是例如lX10Vm'2 或以下。由于具有lX10、n^或以下的穿透位错密度的第二区域33d出 现在a面主表面上，在第二区域33d上形成的半导体具有非常低的穿透位 错密度。
图3是示出用于氮化物半导体发光器件11的氮化镓衬底的另一个 示例的图。同样在图3中，用于六方晶系系统的坐标系如图l中所示。 在图3中，c面用附图标记"C"表示，并且附图标记"A"和"M"分 别表示a面和m面。根据示例的氮化镓衬底35的第一表面35a由其上没有 出现每个都具有相对高的穿透位错密度的第一区域(高位错区域)35c并且其上出现具有相对低的穿透位错密度的第二区域(低位错区域)
35d的领域形成。第一区域35c布置在第二区域35d中。因此，第一领域 布置在第二领域中以在c面形成虚线的图案。大部分穿透位错在c轴方向 上延伸。在a面主表面上出现的第二区域35d上生长的半导体具有低的穿 透位错密度。另外，如上所述，氮化镓衬底35的第一表面35a可以相对 于a面倾斜一定角度。在c面处第二区域35d中的穿透位错密度可优选地 是例如lX10、m'z或以下。当沿a面进行切割使得第一区域(高位错区 域)35c不出现在第一表面35a上时，可以形成其中仅第二区域(低位错 区域)35d出现在第一表面35a上的衬底。由于具有lX10、n^或以下的 穿透位错密度的第二区域35d出现在a面主表面上，所以在第二区域35d 上生长的半导体具有非常低的穿透位错密度。
连续地，将描述示例。如下所述，可以形成包括设置成发射具有 在440到550nm范围内的波长的光的有源层的发光器件。在该示例中，
通过金属有机化学汽相沉积方法形成蓝光发光器件。使用三甲基镓、 三甲基铝、三甲基铟、氨、甲硅垸以及环戊二烯基镁作为金属有机化 学汽相沉积方法的源材料。图4是形成诸如发光二极管或激光二极管的 发光器件的主要步骤的流程IOO。
如图4中所示，在步骤S101中，准备由六方晶系AlzGai.zN (0 《Z《1)构成的衬底。在该示例中，在通过切片n型GaN晶体形成独 立的GaN体之后，抛光该独立的GaN体以便形成a面GaN (11-20) 衬底，所述n型GaN晶体在c面具有每个均具有小于1X10气m^的穿 透位错密度的低缺陷区域和以条带形状图案分布的缺陷集中区域并且 所述n型GaN晶体在(0001)方向上生长。
在步骤S103中，在形成第一导电类型氮化镓基半导体膜以前，通 过热处理加工a面GaN衬底同时供应包含氨和氢的气体。对于该处理， n型a面GaN衬底被放置在基座上，反应器内的压力被设定为30KPa， 并且在反应器中供应氨和氢，使得在105(TC的衬底温度下执行清洁10分钟。通过该热处理，可以容易地获得平坦的衬底表面，并且另外， 可以获得具有更优良的发光特性的半导体发光器件。
在步骤S105中，第一导电类型氮化镓基半导体膜然后被形成在衬 底的主表面上。在该示例中，在衬底温度增加到110(TC之后，生长n 型Al(U2Gao.8sN层。对于该生长，氢主要被用作载气，并且供应三甲基 镓(24 u摩尔/分钟)、三甲基铝(4.3 ix摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔 /分钟)以及甲硅烷。AlGaN膜的厚度是例如50nm。
接下来，当所述生长停止并且衬底温度增加到1150'C以后，生长 n型GaN层。对于该生长，氢主要被用作载气，并且供应三甲基镓(244 P摩尔/分钟)、氨(0.33摩尔/分钟)以及甲硅'烷。GaN膜的厚度是例 如2|im。
接下来，在步骤S107中，在第一导电类型氮化镓基半导体膜上形 成有源层以便发射具有在440到550nm范围内的波长的光。对于该形 成，当所述生长停止并且衬底温度降低到880'C以后，生长InG.Q1GaQ.99N 势垒层。该势垒层的厚度是例如15nm。对于该生长，氮主要被用作载 气，并且供应三甲基镓(24ii摩尔/分钟)、三甲基铟(1.6u摩尔/分钟) 以及氨(0.27摩尔/分钟)。在生长InGaN势垒层以后，并且衬底温度 然后降低到75(TC，生长InQ.27GaQ.73N阱层。该阱层的厚度是例如5nm。 对于该生长，氮主要被用作载气，并且供应三甲基镓(24u摩尔/分钟)、 三甲基铟(24u摩尔/分钟)以及氨(0.36摩尔/分钟)。未掺杂的势垒 层的生长和未掺杂的阱层的生长被重复执行，使得形成例如6周期量 子阱层。
接下来，在步骤S109中，在有源层上形成第二导电类型氮化镓基 半导体膜。对于该形成，当所述生长再次停止以及衬底温度增加到1050 。C以后，生长p型Alo.15Ga().85N电子阻挡层。对于该生长，氢主要被用 作载气，并且供应三甲基镓(24u摩尔/分钟)、三甲基铝(2.3 "摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及环戊二烯基镁。所述电子阻挡层的 厚度是例如20nm。
在生长p型AlGaN电子阻挡层之后，生长p型GaN层。对于该生 长，氢主要被用作载气，并且供应三甲基镓(99u摩尔/分钟)、氨(0.22 摩尔/分钟)以及环戊二烯基镁。该GaN层的厚度是例如25nm。
在生长p型GaN层之后，生长p型GaN接触层。该GaN接触层 的厚度是例如25nm。对于该生长，氢主要被用作载气，并且供应三甲 基镓(67u摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及环戊二烯基镁。
通过上述步骤，形成该发光二极管(LED)的外延晶片。外延晶 片的每个氮化镓基半导体膜的a面基本上平行于沿GaN衬底的主表面 延伸的平面表面。随后，从反应器取出GaN衬底，在(11-20)面上执 行X射线衍射测量(tu-2 6测量)。图5A是示出X射线衍射角分布的 测量结果的图，其中示出清晰的伴峰。根据该测量，InGaN阱层的In 组分是大约30%。在该外延晶片的p型GaN层上，利用适当的金属材 料形成具有400 pm平方的半透明p电极(作为电极面积，例如1.6X 10_3cm2)，并且也在GaN衬底的背表面上形成n电极。因此，形成LED 元件。
图6是示出电流-光输出特性和电流-外量子效率特性的图。图7是示 出室温下裸芯片LED的施加电流与峰值发光波长之间的关系的图。峰值 发光波长是453nm并且是纯蓝色。在20mA的电流下(电流密度 12.5A/cm2)，光输出是0.70mW并且外量子效应是1.3X。在200mA的 电流下(电流密度125A/cm2)，光输出是5.8mW并且外量子效应是 1.1%。该芯片利用环氧树脂来模塑以形成LED灯。通过模塑密封之后 的测量，在20mA的电流下(电流密度12.5A/cm2)，峰值波长是453nm， 光输出是2.1mW，并且外量子效率是3.9%。当施加的电流从lmA增加 到50mA时，发光波长到较短波长的偏移(蓝移)小，例如是4nm。在该LED中，第一导电类型氮化镓基半导体膜、有源层以及第二 导电类型氮化镓基半导体膜安置在GaN衬底的主表面上并且在预定轴 方向上以该顺序设置。在第一温度Tw下生长由六方晶系InxGaLxN(0.16 《X《0.35， X:应变组分)构成并且具有第一镓组分的阱半导体层， 并且还在第二温度TB下生长由六方晶系IriYGaLYN (0《Y《0.05， Y<X， Y:应变组分)构成并且具有第二镓组分的势垒半导体层。第一镓组分 低于第二镓组分，第一温度Tw低于第二温度Tb，并且第一温度Tw和第 二温度tb之间的差是105"C或以上。根据该方法，在其中六方晶系 InxGaLxN的a面在预定轴方向被对准的有源层的形成中，由于具有不同 的第一和第二镓组分的两种氮化镓基半导体之间的生长温度之间的差 为105'C或以上，所以第一半导体层可以通过增加其铟组分而被用作阱 层。InGaN阱层的生长温度范围可优选地是70(TC或以上以及80(rC或以
下。另外，势垒层的生长温度范围可优选地是8oor或以上以及90(rc
或以下。此外，第一温度Tw和第二温度TB之间的差可优选地是105'C或 以下。
图8是示出阱层厚度与被提供用于有源层以发射具有在440到 550nm范围内的波长的光的铟组分之间的关系的图。垂直轴表示铟组 分，并且水平轴表示阱层的厚度。在区域"A1"中的有源层可以发射 具有在440到550nm范围内的波长的光。在区域"A2"中，由于铟组分 太低，所以有源层不能发射具有440nm或以上波长的光。在区域"A3" 中，由于阱层的厚度太小，所以有源层不能发射具有440nm或以上波长 的光。在区域"A4"中，由于铟组分与阱层厚度之间的关系，所以有 源层不能发射具有440nm或以上波长的光。在区域"A5"中，由于铟 组分太高，所以不能获得具有优良质量的InGaN晶体。在图8中，
线L1表示X=0.35，
线L2表示X=0.16,
线L3表示D=2.5，
线L4表示X》-0.1XD + 0.6，以及线L5表示D=10。
另外，点P1到P5 (其是部分测量结果)分别表示在441、 457、 446、 490和502nm的发光波长处的测量点。对于阱层厚度与被设置用于有源 层以发射具有在440到550nm范围内的波长的光的铟组分之间的关系， 由线L1到L5围绕的区域(包括边界)是可优选的区域。在点P5到P8处， 由于InGaN的颜色变成黑色，所以不能测量发光波长。
正如可以从图8理解的，铟的增加不容易被执行。除了在73(TC的 衬底温度下执行InGaN阱层的生长以外，在类似于示例l的条件下形成 LED的外延晶片。该外延晶片的外表是黑色的，并且不能观测来自量子 阱发光层的光致发光谱。图5B是示出该外延晶片的(11-20)面的X射 线衍射测量(tn-2 9测量)结果的图。完全观测不到量子阱发光层的伴 峰。因而，没有形成量子阱结构。据估计，铟组分超过35%。如上所 述，当在InGaN的生长中增加铟组分时，晶体质量严重恶化。
另外，除了通过以58P摩尔/分钟的流速供应三甲基铟来执行 InGaN阱层的生长以外，在类似于示例1的条件下形成LED的外延晶片。 该外延晶片的外表是黑色的，并且不能观测来自量子阱发光层的光致 发光谱。在该外延晶片的(11-20)面的X射线衍射测量(ta-2 6测量) 结果中，完全观测不到量子阱发光层的伴峰。因而，没有形成量子阱 结构。据估计，铟组分超过35%。因此，也可以由该结果理解的是， 当铟组分增加时，晶体质量严重恶化。
因此，为了利用a面形成发光器件，重要的是增加阱层和势垒层之 间的生长温度的差以及控制阱层的厚度和铟组分。
(阱层的厚度)
将描述另一个示例。在类似于示例l的条件下，通过将InGaN阱层 的厚度变为3、 5和8mm来形成LED结构的外延晶片。图9示出阱层厚度与PL光谱W3、 W5和W8之间的关系。当阱层的厚度增加时，PL波长增 加。如图9中所示，在3nm的阱宽处PL波长是441nm，在5nm的阱宽处 PL波长是457nm，并且在8nm的阱宽处PL波长是490nm。
以与示例l类似的方式利用外延晶片形成具有8nm阱宽的LED。例 如，通过测量裸芯片，峰值发光波长是489nm。在20mA的电流下(电 流密度12.5 A/cm2)，光输出是0.5mW，并且外量子效率是0.78% 。 利用环氧树脂模塑芯片使得形成LED灯。通过在模塑密封之后执行的测 量，在20mA的电流下(电流密度12.5A/cm2)，峰值波长是489nm, 光输出是1.5mW，并且外量子效率是2.8%。
(激光二极管)
仍旧将描述另一个示例。如下所述形成包括有源层的激光二极管， 设置所述有源层以便发射具有在440到550nm范围内的波长的光。准备 由六方晶系AlzGawN (0《Z《1)构成的具有a面主表面的衬底。在该 示例中，在通过切片n型GaN晶体形成独立的GaN体之后，抛光该独立 的GaN体，以便形成a面GaN (11-20)衬底，所述n型GaN晶体在c面包 括每个具有lX10^m々或以下的穿透位错密度的低缺陷区域和以条带 形状图案分布的缺陷集中区域并且所述n型GaN晶体在(0001)方向上 生长。
在外延生长第一导电类型氮化镓基半导体之前，正如在形成LED 的情况下，在a面GaN衬底上执行热处理同时供应包含氨和氢的气体。 通过该热处理，可以容易地获得平坦的衬底表面，并且可以获得具有 更优良的发光特性的半导体发光器件。
在GaN层的a面主表面上生长第一n型Alo^Gao^N膜。该 Alo.o3Gao.97N的衬底温度是1150。C，并且AlGaN膜的厚度是例如2pm。氢
主要被用作载气，并且在生长反应器中供应三甲基镓(99y摩尔/分钟)、 三甲基铝(46ii摩尔/分钟)、氨(0.27摩尔/分钟)以及甲硅垸。随后，在第一n型Al謡Gao.97N膜上生长第二n型Alo.Q7GaQ.93N膜。AlGaN膜的厚 度是例如600nm。氢主要被用作载气，并且在生长反应器中供应三甲基 镓(37u摩尔/分钟)、三甲基铝(3.0u摩尔/分钟)、氨(0.27摩尔/ 分钟)以及甲硅烷。
接下来，当所述生长停止以后，生长n型GaN层同时衬底温度维持 在1150'C。对于该生长，氢主要被用作载气，并且供应三甲基镓(99 U摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及甲硅烷。GaN膜的厚度是例 如3nm。
随后，在n型氮化镓基半导体膜上形成有源层以便发射具有在440 到550nm范围内的波长的光。对于该形成，当所述生长停止并且衬底温 度降低到880'C以后，形成Ino.(nGao.99N势垒层。该势垒层的厚度是例如 15nm。对于该生长，氮主要被用作载气，并且供应三甲基镓(24ix摩 尔/分钟)、三甲基铟(1.6u摩尔/分钟)以及氨(0.27摩尔/分钟)。在 生长InGaN势垒层之后，并且衬底温度降低到750 °C ，然后生长 Ino.27Ga。.73N阱层。该阱层的厚度是例如8nm。对于该生长，氮主要被用 作载气，并且供应三甲基镓(24ix摩尔/分钟)、三甲基铟(24u摩尔/ 分钟)以及氨(0.36摩尔/分钟)。通过重复未掺杂势垒层的生长和未 掺杂阱层的生长，形成例如3周期量子阱层。
接下来，在有源层上形成氮化镓基半导体膜。首先，生长未掺杂 的GaN光导层。该GaN的衬底温度是1100。C，并且其厚度是例如100nm。 氢主要被用作载气，并且在生长反应器中供应三甲基镓(99u摩尔/分 钟)和氨(0.22摩尔/分钟)。
在光导层上形成第二导电类型氮化镓基半导体膜。对于该形成， 当所述生长再次停止并且衬底温度增加到105(TC以后，生长p型 Al(U8Ga。.82N电子阻挡层。对于该生长，氢主要被用作载气，并且供应 三甲基镓(17u摩尔/分钟)、三甲基铝(2.8u摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及环戊二烯基镁。电子阻挡层的厚度是例如20nm。
在形成电子阻挡层之后，形成p型Alo.。7Gao.93N盖层。在105(TC的衬 底温度下执行该生长。对于该生长，氢主要被用作载气，供应三甲基 镓(24u摩尔/分钟)、三甲基铝(2.0u摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/ 分钟)以及环戊二烯基镁。盖层的厚度是例如400nm。
在生长p型AlGaN盖层之后，生长p型GaN接触层。对于该生长，氢 主要被用作载气，供应三甲基镓(67u摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分 钟)以及环戊二烯基镁。GaN层的厚度是例如50nm。
通过上述步骤，形成该激光二极管(LD)的外延晶片。外延晶片 的每个氮化镓基半导体膜的a面基本上平行于沿GaN衬底的主表面延伸 的平面表面，并且有源层的a面与垂直于衬底的主表面的轴相交。
随后，从反应器中取出外延晶片。在p型接触层上形成绝缘膜(例 如氧化硅膜)之后，通过光刻和刻蚀形成具有10um宽度的窗口，并且 形成例如由Ni/Au构成的p型电极。在通过抛光等减小GaN衬底的厚度之 后，在衬底的背表面上形成n电极。通过在m面处劈开，形成具有800pm 的长度的激光器条。劈开的表面用作晶面镜。形成具有图io中所示结 构的LD元件。当在室温下将脉冲电流施加到该LD元件时，观测到在 490nm波长处的激光振荡。
(不同于GaN衬底的衬底) 利用不同于GaN衬底的衬底形成LED。在类似于示例l的条件下， 通过在4H-SiC (11-20)衬底或r面蓝宝石衬底代替n型a面GaN (11-20) 衬底上生长LED外延结构来形成LED。产生许多堆叠缺陷，并且仅能获 得非常弱的输出。
(c面GaN衬底)另外，利用c面GaN衬底形成LED。通过如下描述的金属有机化学 汽相沉积方法来形成蓝光发光器件。使用三甲基镓、三甲基铝、三甲 基铟、氨、甲硅烷以及环戊二烯基镁作为源材料。通过切片n型GaN， 随后抛光来形成c面GaN衬底，所述n型GaN包括每个具有小于lX 10、m^的穿透位错密度的低缺陷区域和以条带形状图案分布的缺陷集 中区域，并且所述n型GaN在(0001)方向上生长。
n型c面GaN (0001)衬底被放置在基座上，并且在反应器中供应 氨和氢，同时反应器压力被控制为30kPa，使得在1050'C的衬底温度下 执行清洁10分钟。随后，在衬底温度增加到1100'C之后，氢主要被用 作载气，供应三甲基镓(24 u摩尔/分钟)、三甲基铝(4.3 u摩尔/分钟)、 氨(0.22摩尔/分钟)以及甲硅烷，使得生长具有50nm厚度的n型 Al(u2Gao.88N层。接下来，当所述生长停止并且衬底温度增加到115(TC 以后，氢主要被用作载气，供应三甲基镓(244"摩尔/分钟)、氨(0.33 摩尔/分钟)以及甲硅烷，使得生长具有2pm厚度的n型GaN层。
随后，当所述生长停止并且衬底温度降低到880'C以后，氮主要被 用作载气，并且供应三甲基镓(24u摩尔/分钟)、三甲基铟(1.6u摩 尔/分钟)以及氨(0.27摩尔/分钟)，使得生长具有15nm厚度的InGaN 势垒层(铟组分1%)。接下来，在衬底温度降低到80(TC之后，氮 主要被用作载气，并且供应三甲基镓U6u摩尔/分钟)、三甲基铟(13 u摩尔/分钟)以及氨(0.36摩尔/分钟)，使得生长具有3nm厚度的InGaN 阱层。通过重复上述步骤，形成6周期量子阱发光层。
随后，当所述生长再次停止并且衬底温度增加到105(TC以后，氢 主要被用作载气，并且供应三甲基镓(17ix摩尔/分钟)、三甲基铝(2.8 P摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及环戊二烯基镁，使得生长具 有20nm厚度的p型Al(U8Gao.82N电子阻挡层。接下来，氢主要被用作载 气，并且供应三甲基镓(99n摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分钟)以及 环戊二烯基镁，使得生长具有25nm厚度的p型GaN层。接下来，氢主要被用作载气，并且供应三甲基镓(67u摩尔/分钟)、氨(0.22摩尔/分 钟)以及环戊二烯基镁，使得生长具有25nm厚度的p型GaN接触层。
接下来，从反应器取出GaN衬底，并且当执行X射线衍射测量(ta-2 9测量)时，InGaN阱层的铟组分是大约10X。在该LED外延晶片的p 型GaN层上形成由合适的金属材料构成并且具有400^im平方大小的半 透明p电极(电极面积1.6Xl(T3cm2)，并且在GaN衬底的背表面上形 成n电极，使得形成LED元件。当在室温下将脉冲电流施加到该裸芯片 LED时，虽然在纯蓝色的460nm波长处获得了高的发光效率，但是观测 到发光波长随着电流增加产生蓝移，如图11A中所示。另一方面，在示 例1的LED中，没有观测到发光波长随着电流增加产生的蓝移。
此外，在示例1中，在880。C生长In謹Gao.99N势垒层，并且也在750 'C的衬底温度下生长Ino.27Gao.73N阱层(厚度5nm)。另一方面，当在 88(TC形成InGaN势垒层时，并且也在比750'C高的780'C的衬底温度下
(温度差100。C)形成InGaN阱层(厚度5nm)，如图11B中所示，在 PL谱中观测到具有385nm和425nm波长的两个峰值(附图标记为
"W578()")。与由附图标记W575o表示的PL谱的峰值相比，由附图标 记W578o表示的PL谱的峰值低。根据(11-20)面的X射线衍射测量(tn-2
e测量)，在78(TC的衬底温度下生长的InGaN阱层的铟组分是7X。
尽管已经参考优选实施例说明了本发明的原理，但是本领域技术 人员将理解的是，在不脱离其原理的情况下，可以修改和改变本发明 的配置和细节。例如在本发明的实施例中，已经描述了诸如发光二极 管或激光二极管的发光器件；然而，本发明并不限于实施例中公开的 特定配置。另外，在本发明的实施例中，尽管已经借助于示例描述了 在a面GaN衬底上的发光器件，但是也可以在a面AlGaN衬底上形成发光 器件。因此，要求专利权利要求范围内的以及由其精神和范围导出的 所有修改和变更中的权利。
权利要求
1. 一种氮化物半导体发光器件，包括第一导电类型氮化镓基半导体区域；第二导电类型氮化镓基半导体区域；以及有源层，其设置在所述第一导电类型氮化镓基半导体区域和所述第二导电类型氮化镓基半导体区域之间以便发射波长在440到550nm范围内的光，其中，所述有源层包括由六方晶系InXGa1-XN构成的阱层，其中，0.16≤X≤0.35，铟组分X为应变组分，所述阱层的厚度D大于2.5nm，所述阱层的厚度D为10nm以下，所述铟组分X和所述厚度D满足X≥-0.1×D+0.6，所述第一导电类型氮化镓基半导体区域、所述有源层以及所述第二导电类型氮化镓基半导体区域沿一预定轴方向设置，以及所述六方晶系InXGa1-XN的a面沿所述预定轴方向对准。
2. 根据权利要求l所述的氮化物半导体发光器件，其中， 所述有源层包括由六方晶系InYGaLYN构成的势垒层，其中，0《Y《0.05, Y为应变组分。
3. 根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光器件，进一步包括 由六方晶系AlzGa^N (0《Z《1)半导体构成的衬底，其中，在所述衬底的主表面上安置所述第一导电类型氮化镓基半导体区 域、所述有源层以及所述第二导电类型氮化镓基半导体区域。
4. 根据权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其中， 所述衬底的主表面偏离于所述a面一偏角(-2°《6《+2°)。
5. 根据权利要求3或4所述的氮化物半导体发光器件，其中，所述衬底的穿透位错在C轴方向上延伸，以及与所述衬底的c面相交的穿透位错的密度是l X 10、m々以下。
6. 根据权利要求3或4所述的氮化物半导体发光器件，其中， 所述衬底包括第一区域和第二区域，在所述第一区域中，沿c轴方向延伸的穿透位错的密度大于第一穿透位错密度，在所述第二区域中， 沿c轴方向延伸的穿透位错的密度小于第一穿透位错密度，以及 所述第二区域出现在所述衬底的主表面上。
7. 根据权利要求6所述的氮化物半导体发光器件，其中， 在所述第二区域中的穿透位错密度小于lX10、m'2。
8. —种用于形成氮化物半导体发光器件的方法，包括 准备由六方晶系AlzGaLzN (0《Z《1)半导体构成的衬底的步骤； 在所述衬底的主表面上形成第一导电类型氮化镓基半导体膜的步骤；在所述第一导电类型氮化镓基半导体膜上形成有源层的步骤，所述有源层发射波长在440到550nm范围内的光；以及在所述有源层上形成第二导电类型氮化镓基半导体膜的步骤， 其中，在所述衬底的主表面上沿预定轴方向设置所述第一导电类型氮化镓基半导体膜、所述有源层以及所述第二导电类型氮化镓基半导体膜，在所述形成有源层的步骤中，以第一温度生长由六方晶系 InxGaLxN构成的并且具有第一镓组分的第一半导体层，其中0.16《X《 0.35， X为应变组分，在所述形成有源层的步骤中，以第二温度生长由六方晶系 InYGaLYN构成的并且具有第二镓组分的第二半导体层，其中0《Y《 0.05， Y<X， Y为应变组分，所述第一镓组分低于所述第二镓组分，所述第一温度低于所述第二温度，所述第一温度和所述第二温度之间的差是105'C以上，以及 所述六方晶系InxGaLxN的a面沿预定轴方向对准。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，通过切割在c轴方向上生长的六方晶系AlzGaLzN(0《Z《1)晶体， 使得与其a轴相交来获得所述衬底，以及所述衬底的主表面通过抛光处理进行加工并且沿与所述a轴相交的面延伸。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述衬底包括多个第一区域和多个第二区域，在所述多个第一区 域的每一个中，在所述c轴方向上延伸的穿透位错的密度高于第一穿透 位错密度，在所述多个第二区域的每一个中，在所述c轴方向上延伸的 穿透位错的密度低于所述第一穿透位错密度，所述第一区域和所述第二区域被交替地设置，以及 所述第二区域中的一个出现在所述衬底的主表面上。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中， 所述第二区域中的每一个的穿透位错的密度小于lX10、m'2。
12. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述衬底的主表面偏离于所述a面一偏角(-2°《9《+2°)。
13. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤 在形成所述第一导电类型氮化镓基半导体膜之前，在供应包含氨和氢的气体的同时对所述衬底进行热处理。
全文摘要
设置有源层以便发射具有在440到550nm范围内的发光波长的光。在预定轴(Ax)方向上布置第一导电类型氮化镓基半导体区域(13)、有源层(17)以及第二导电类型氮化镓基半导体区域(15)。有源层(17)包括由六方晶系In_XGa_1-XN(0.16≤X≤0.35，X应变组分)构成的阱层，并且铟组分X由应变组分表示。六方晶系In_XGa_1-XN的a面在预定轴(Ax)方向被对准。阱层的厚度在大于2.5nm到10nm的范围内。当阱层的厚度被设定为2.5nm或以上时，可以形成具有440nm或以上的发光波长的发光器件。
文档编号H01L33/16GK101548400SQ20088000077
公开日2009年9月30日 申请日期2008年4月17日 优先权日2007年7月11日
发明者京野孝史, 石桥惠二, 秋田胜史, 笠井仁 申请人:住友电气工业株式会社