半导体发光元件及其制造方法

半导体发光元件及其制造方法
【专利摘要】根据一个实施方式，半导体发光元件包括n型的第一半导体层、p型的第二半导体层和发光单元。第一半导体层包括氮化物半导体。第二半导体层包括氮化物半导体。发光单元被设置在第一半导体层和第二半导体层之间。发光单元包括多个阱层和多个势垒层，所述多个阱层与所述多个势垒层交替堆叠。阱层包括最接近第二半导体层的第一p侧阱层、以及第二最接近第二半导体层的第二p侧阱层。第一p侧阱层的激子的定域能小于第二p侧阱层的激子的定域能。
【专利说明】半导体发光元件及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2013年3月7日申请的日本专利申请N0.2013-046008并要求其优先的利益，该申请的全部内容通过引用包含于此。
【技术领域】
[0003]在此描述的实施方式一般地涉及半导体发光元件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]诸如氮化镓(GaN)等的II1-V族氮化物半导体被应用于诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等的半导体发光元件。期望提升这类半导体发光元件的效率。

【发明内容】

[0005]本发明的实施方式的目的在于解决以上的问题。
[0006]根据一个实施方式，半导体发光元件包括η型的第一半导体层、P型的第二半导体层和发光单元。第一半导体层包括氮化物半导体。第二半导体层包括氮化物半导体。发光单元被设置在第一半导体层和第二半导体层之间。发光单元包括多个阱层和多个势垒层，所述多个阱层与所述多个势垒层交替堆叠。阱层包括最接近第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近第二半导体层的第二 P侧阱层。第一 P侧阱层的激子(exciton)的定域能(localizat1n energy)小于第二 p侧讲层的激子的定域能。
[0007]根据一个实施方式，公开了一种用于制造半导体发光元件的方法。该方法可以包括形成含有氮化物半导体的η型第一半导体层，在第一半导体层上通过交替堆叠阱层和势垒层形成含有多个阱层和多个势垒层的发光单元、以及在发光单元上形成含有氮化物半导体的P型第二半导体层。阱层包括最接近第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近第二半导体层的第二 P侧阱层。第一 P侧阱层的激子的定域能小于第二 P侧阱层的激子的定域能。
[0008]根据本发明的实施方式，可以提高半导体发光元件的发光效率。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1A和图1B是示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的示意性截面图。
[0010]图2Α和图2Β是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0011]图3是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0012]图4是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0013]图5是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0014]图6是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0015]图7是示出了根据第二实施方式的用于制造半导体发光元件的方法的流程图。【具体实施方式】
[0016]根据一个实施方式，半导体发光元件包括η型的第一半导体层、P型的第二半导体层和发光单元。第一半导体层包括氮化物半导体。第二半导体层包括氮化物半导体。发光单元被设置在第一半导体层和第二半导体层之间。发光单元包括多个阱层和多个势垒层，所述多个阱层与所述多个势垒层交替堆叠。阱层包括最接近第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近第二半导体层的第二 P侧阱层。第一 P侧阱层的激子的定域能小于第二 P侧阱层的激子的定域能。
[0017]根据一个实施方式，公开了一种用于制造半导体发光元件的方法。该方法可以包括形成含有氮化物半导体的η型第一半导体层，在第一半导体层上通过交替堆叠阱层和势垒层形成含有多个阱层和多个势垒层的发光单元、以及在发光单元上形成含有氮化物半导体的P型第二半导体层。阱层包括最接近第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近第二半导体层的第二 P侧阱层。第一 P侧阱层的激子的定域能小于第二 P侧阱层的激子的定域能。
[0018]如下将参考附图描述各实施方式。
[0019]附图是示意性或概念性的，并且各部分的厚度和宽度之间的关系、各部分之间的大小比例等无需与其实际值相同。进一步地，即便是相等同的部分，其尺寸和/或比例也可以在各附图之间不同地显示。
[0020]在本申请的附图和说明书中，类似于关于以上附图描述的那些部件用相似的参考编号标记，并且适当地省略对其的详细描述。
[0021]第一实施方式
[0022]图1A和图1B是示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的示意性截面图。
[0023]图1B示出了图1A的一部分。
[0024]如图1A所示，根据实施方式的半导体发光元件110包括第一半导体层10、第二半导体层20和发光单元30。发光单元30被设置在第一半导体层10和第二半导体层20之间。
[0025]第一半导体层10包括氮化物半导体。第一半导体层10是η型。第二半导体层20包括氮化物半导体。第二半导体层20是P型。
[0026]在此例中，在基底5上设有缓冲层6，并且在该缓冲层6上设有第一半导体层10、多层结构体40、发光单元30和第二半导体层20。
[0027]基底5例如包括蓝宝石基底(例如，c平面蓝宝石基底)。基底5例如可以包括S1、GaN、SiC、ZnO等的基底。
[0028]缓冲层6例如包括从AlN层、AlGaN层、GaN层或包括这些层的层叠膜中选出的至少一种。
[0029]第一半导体层10例如包括η型掺杂物。例如，Si被用作η型掺杂物。例如，Ge、Sn等可被用作η型掺杂物。
[0030]在此例中，第一半导体层10包括第一 η侧层11和第二 η侧层12。第一 η侧层11被布置在第二 η侧层12和发光单元30之间(在此例中，在第二 η侧层12和多层结构体40之间)。
[0031]第一 η侧层11例如是η侧接触层。第一 η侧层11例如包括η型GaN。第二 η侧层12包括GaN。第一 η侧层11的掺杂浓度高于第二 η侧层12的掺杂浓度。
[0032]第二半导体层20例如包括P型掺杂物。例如，Mg被用作P型掺杂物。例如，Zn等可以被用作P型掺杂物。
[0033]在此例中，第二半导体层20包括第一 P侧层21、第二 P侧层22、第三ρ侧层23和第四P侧层24。第二 P侧层22被设置在第一 P侧层21和发光单元30之间。第三ρ侧层23被设置在第二 ρ侧层22和发光单元30之间。第四ρ侧层24被设置在第三ρ侧层23和发光单元30之间。第一 ρ侧层21例如是ρ侧接触层。第一 ρ侧层21包括具有高掺杂浓度的P型GaN。第二 ρ侧层22包括ρ型GaN。第一 ρ侧层21的掺杂浓度高于第二 ρ侧层22的掺杂浓度。第三ρ侧层23例如包括ρ型AlGaN。第四ρ侧层24例如包括AlGaN。第三P侧层23例如用作激子溢出抑制层。
[0034]从第一半导体层10向第二半导体层20的方向被看做是Z轴方向(堆叠方向)。
[0035]多层结构体40包括与多个第二层(未不出)堆叠的多个第一次(未不出)。第一层沿着Z轴方向与第二层堆叠。第一层例如包括GaN，第二层例如包括InGaN。多层结构体40例如是超晶格层。多层结构体40可以在需要时设置，也可被省略。
[0036]在此例中进一步设有第一电极70和第二电极80。第一电极70电连接至第一半导体层10。第二电极80电连接至第二半导体层20。 [0037]在此例中，在第二半导体层20、发光单元30和多层结构体40中做出沟，并且第一电极70在沟的底表面处连接至第一 η侧层11。换句话说，第一半导体层10 (第一 η侧层11)具有第一部分1a和第二部分10b。第一部分1a和第二部分1b被布置在与Z轴方向(堆叠方向)相交的平面内。第一电极70与第一部分1a相连。发光单元30被设置在第二部分1b和第二半导体层20之间。
[0038]第一电极70例如包括Ti膜/Pt膜/Au膜的堆叠层。Ti膜的厚度例如为0.05 μ m。Pt膜的厚度例如为0.05 μ m。Au膜的厚度例如为1.0 μ m。
[0039]在此例中，第二电极80包括第一导电单元81和第二导电单元82。第二导电单元82被设置在第一导电单元81和第二半导体层20之间。第二导电单元82与第二半导体层20接触。第二导电单元82例如包括透光的导电材料。第二导电单元82例如包括含有从In,Sn,Zn和Ti组成的组中选出的至少一种的氧化物。第二导电单元82例如包括ITO (氧化铟锡)等。第二导电单元82的厚度例如为0.2^。
[0040]第一导电单元81电连接至第二导电单元82。第一导电单元81设置在第二导电单元82的一部分上。第一导电单元81例如包括Ni膜/Au膜的堆叠层。Ni膜的厚度例如为
0.05 μ m。Au膜的厚度例如为1.0 μ m。
[0041]通过在第一电极70和第二电极80之间施加电压而使得电流经由第一半导体层10和第二半导体层20在发光单元30内流动。由此，光从发光单元30中发出。发出光的峰值波长例如不小于370纳米(nm)且不大于650nm。半导体发光元件110例如是LED。
[0042]在此例中，从发光单元30发出的光主要从第二半导体层20侧(第二电极80侧)发射到外部。换句话说，第二半导体层20侧被用作发光表面。
[0043]例如，从发光单元30发出的光可以主要从第一半导体层10侧发射到外部。换句话说，第一半导体层10侧被用作发光表面。
[0044]例如，在基底5上形成缓冲层6、第一半导体层10、多层结构体40、发光单元30和第二半导体层20。通过外延生长进行形成过程。例如通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等进行外延生长。基底5可以在这些层形成之后被移除。
[0045]如图1B中所示，发光单元30包括多个阱层32和多个势垒层31，多个阱层32和多个势垒层31交替堆叠。多个阱层32和多个势垒层31沿着Z轴方向(堆叠方向)交替布置。发光单元30具有多量子阱(MQW)配置。
[0046]阱层32的带隙能小于多个势垒层31的带隙能。阱层32的厚度例如小于势垒层31的厚度。讲层32的厚度例如不小于3nm且不大于6nm。势鱼层31的厚度例如不小于3nm且不大于10nm。
[0047]阱层32例如包括InwGapwN (0〈w〈l)。势垒层31例如包括InbGa1J (O ( b〈l且b〈w)。阱层32例如包括InGaN。势垒层31例如包括GaN。例如，势垒层31基本上不包括In。在势鱼层31包括In的情况下,势鱼层31的In组成比低于讲层32的In组成比。
[0048]例如，发光单元30包括j+Ι个势垒层31和j个阱层32 (j是不小于2的整数)。第(i+Ι)个势垒层BL (i+Ι)被布置在第i个势垒层BLi和第二半导体层20之间(i是不小于I且不大于j-Ι的整数)。第(i+Ι)个阱层WL (i+Ι)被布置在第i个阱层WLi和第二半导体层20之间。第一势垒层BLl被设置在第一半导体层10和第一阱层WLl之间。第j个阱层WLj被设置在第j个势垒层BLj和第(j+Ι)个势垒层BL (j+Ι)之间。第(j+Ι)个势垒层BL (j+Ι)被设置在第j个阱层WLj和第二半导体层20之间。
[0049]如图1B所示，多个阱层32包括第一 ρ侧阱层32a和第二 ρ侧阱层32b。在多个阱层32之中，第一 ρ侧阱层 32a最接近第二半导体层20。在多个阱层32之中，第二 ρ侧阱层32b次接近第二半导体层20。多个阱层32还可以包括第三ρ侧阱层32c。在多个阱层32之中，第三P侧阱层32c第三最接近第二半导体层20。
[0050]第一 ρ侧阱层32a对应于第j个阱层WLj。第二 ρ侧阱层32b对应于第(j_l)个阱层WL(j-l)。第三ρ侧阱层32(:对应于第(j-2)个阱层WL(j-2)。第一阱层WLl第j接近第二半导体层20。在多个阱层32之中，第一阱层WLl最接近第一半导体层10。第一阱层WLl例如对应于η侧阱层32η。
[0051]在此实施方式中，第一 ρ侧阱层32a的激子的定域能被设定为小于第二 P侧阱层32b的激子的定域能。
[0052]由此，位于第一半导体层10侧上且具有低载流子密度的阱层32 (第二 P侧阱层32b)可被构造为不会轻易受缺陷影响。由此，能够抑制多个阱层32中每一层中的激子复合时非发光复合成分的比例。换句话说，第一半导体层10侧上的阱层32(第二 ρ侧阱层32b)的非发光复合率降低，并且内部量子效率增加。由此，可以提高发光效率。
[0053]发光单元30的发光效率Eff例如由下述式(I)表示。
[0054]Eff=Bn2/ (An+Bn2+Cn3)(I)
[0055]在式(I)中，η是被注入的载流子密度。系数A是肖克莱里德霍尔(Shockley-Read-Hall)常数。项An对应于发光单元30的晶体缺陷非发光过程。系数B是发光复合常数。项Bn2对应于发光复合过程。系数C是奥格(Auger)常数。项Cn3对应于奥格非发光过程。在此忽略载流子泄漏。式(I)中对发光复合过程有贡献的项是Bn2项。
[0056]图2A和图2B是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。[0057]在图2A中，水平轴是注入到发光单元30的载流子密度η的对数。在图2Α中，垂直轴是发光效率EfT。
[0058]在图2B中，水平轴是Z轴方向位置pz。在图2B中，垂直轴是载流子密度η。图2Β示出了用于多个阱层32的一部分的载流子密度η。
[0059]如图2Α所示，发光效率Eff随着载流子密度η改变而具有峰值。这是因为发光效率Eff由上述式(I)所表示。在图2Α中，发光效率Eff由于其中载流子密度η低于在发光效率EfT具有峰值处的载流子密度nl的区域内的缺陷而降低。
[0060]从图2A中可知，存在用于获取高发光效率Eff的合适的载流子密度η。
[0061]另一方面，如图2Β所示，最接近第二半导体层20的第j个阱层WLj (第一 ρ侧阱层32a)的载流子密度η高。而第二最接近第二半导体层20的第(j-Ι)个阱层WL (j-1)(第二 P侧阱层32b)的载流子密度η低于第j个阱层WLj。第三最接近第二半导体层20的第(j_2)个阱层WL (j-2)(第三ρ侧阱层32c)的载流子密度η更低。
[0062]例如，如图2Α所示，通过调整在整个发光单元30内流动的电流来获取第j个阱层WLj的相对高的发光效率Eff。然而，在此情况下，具有较低载流子密度的第(j-Ι)个阱层WL (j-Ι)的发光效率Eff非期望地低。
[0063]于是，缺陷的影响导致远离ρ型第二半导体层20的阱层32由于载流子密度η低而使其发光效率更容易降低。
[0064]考虑式(I)中项An的系数A (Shockley-Read-Hal I常数)依赖于阱层32的激子的定域能。对应于晶体缺陷非发光过程的系数A可以通过提高阱层32的激子的定域能而降低。
[0065]例如，在激子的定域能大的情况下，载流子在阱层32的平面内不再容易地移动。因此，最接近在阱层32中出现的缺陷的载流子被抑制。由此，晶体缺陷非发光过程被抑制。相反地，在激子的定域能小的情况下，载流子在阱层32的平面内容易地移动，载流子接近缺陷，结果使得晶体缺陷非发光过程很容易发生。
[0066]图3是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0067]在图3中，水平轴是注入到发光单元30的载流子密度η的对数。在图3Α中，垂直轴是发光效率。
[0068]在此实施方式中，针对多个阱层32中的每一层修改例如激子的定域能。在此例中，对第j个阱层WLj (第一 ρ侧阱层32a)和第(j-Ι)个阱层WL (j-Ι)(第二 ρ侧阱层32b)修改激子的定域能。因此，如图3所示，获取两类曲线。
[0069]例如，修改激子的定域能以匹配每个阱层32的载流子密度n，由此获取高发光效率Eff。由此，针对多个阱层32中的每一层获取高发光效率EfT。
[0070]对于本实施方式中的第二 ρ侧层32b，通过提高激子的定域能来抑制晶体缺陷非发光过程。由此，即便在低载流子浓度的情况下也能获得高发光效率。另一方面，针对最接近P侧的阱层32 (第一阱层32a)，减小激子的定域能。由此，获得对应于高载流子浓度的高发光效率。
[0071 ] 于是，根据本实施方式，能够提供高效半导体发光元件。
[0072]优选的是ρ侧上第一 ρ侧阱层32a的激子的定域能小于50毫电子伏特(meV)。更优选的是小于40meV。更优选的是小于30meV。[0073]优选的是η侧上第二 ρ侧阱层32b的激子的定域能等于30meV或以上。更优选的是等于40meV或以上。更优选的是等于50meV或以上。
[0074]例如，其激子的定域能大于第一 ρ侧阱层32a的多个阱层32的数量可以是一个或多个。至少第二 P侧阱层32b的激子的定域能比第一 P侧阱层32a的激子的定域能大。例如，第三P侧阱层32c的激子的定域能也可以比第一 ρ侧阱层32a的激子的定域能大。
[0075]例如，多个阱层32的激子的定域能可以从第一半导体层10侧向第二半导体层20侧降低。例如，多个阱层32的激子的定域能可以从第一半导体层10侧向第二半导体层20侧连续降低或阶梯状降低。
[0076]在ρ侧上最接近第二半导体层20的第一 ρ侧阱层32a的载流子密度η最高。在载流子密度较高时的发光复合概率能够通过减小第一 P侧阱层32a的这一激子的定域能而增加。
[0077]第二最接近第二半导体层20的第二 ρ侧阱层32b的载流子密度比第一 P侧阱层32a的载流子密度低得多。由此，能够通过将第二 ρ侧阱层32b的激子的定域能设为比第一P侧阱层32a的激子的定域能小来抑制第二 ρ侧阱层32b的非发光复合概率的增加。
[0078]例如能够根据光致发光(PL)的积分强度的温度依赖性确定激子的定域能。例如可以根据时间分辨的PL测量的结果确定激子的定域能。
[0079]考虑激子的定域能的大小依赖于阱层32的波动状态。可以通过控制多个阱层32中每一层的波动状态来控制每一层的激子的定域能的水平。
[0080]例如，在阱层32的层中的In浓度分布波动大时，阱层32的激子的定域能大。在阱层32的层中的In浓度波动小的情况下，阱层32的激子的定域能小。这样In浓度的波动例如是在直径不大于10nm的区域中的平面内的波动。
[0081]例如，在阱层32的厚度的波动大时，阱层32的激子的定域能大。在阱层32的厚度的波动小时，阱层32的激子的定域能小。这样的厚度的波动例如是在直径不大于10nm的区域中的平面内的波动。
[0082]在本实施方式中，例如第二 ρ侧阱层32b的In浓度的波动被设置为比第一 ρ侧阱层32a的In浓度的波动大。例如，第二 P侧阱层32b的厚度的波动被设置为比第一 ρ侧阱层32a的厚度的波动大。在本实施方式中，例如第二 P侧阱层32b具有从In浓度的波动比第一 P侧阱层32a的In浓度的波动大、以及厚度的波动比第一 P侧阱层32a的厚度的波动大之中选出的至少一种状态。
[0083]对于阱层32，In浓度的波动或是厚度的波动能够例如由生长发光单元30时的形成条件控制。例如，激子的定域能可由发光单元30的形成条件控制。
[0084]对于阱层32，In浓度的波动或是厚度的波动能够例如由三维原子探针分析来确定。
[0085]图4是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0086]图4示出了在形成阱层32时的生长速率与该阱层32的激子的定域能之间的关系的例子。在图4中，水平轴是生长速率GR (相对值)。垂直轴是激子的定域能Ew (meV)。在图4的示例中，通过改变形成阱层32时所使用的源材料的供应量而改变生长速率GR。在此例中，修改三甲基镓(TMG)的供应流量。
[0087]从图4中可知，激子的定域能Ew通过改变阱层32的生长速率GR而改变。在生长速率GR高时，激子的定域能Ew小。在生长速率GR低时，激子的定域能Ew大。在此例中，获得约41meV至约58meV的定域能Ew。
[0088]在本实施方式中，例如将第二 ρ侧阱层32b的生长速率设为比第一 P侧阱层32a的生长速率低(慢)。例如，通过以具有相对值I的生长速率GR形成第二 ρ侧阱层32b来获得约58meV的激子的定域能Ew。例如，通过以具有相对值3的生长速率GR形成第一 ρ侧阱层32a来获得约4ImeV的激子的定域能Ew。
[0089]图5是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0090]图5示出了根据本实施方式的半导体发光元件110的内部量子效率的模拟结果的例子。在此例中，阱层32的数量是8。在此例中，多个阱层32中最接近第二半导体层20的第一 P侧阱层32a的激子的定域能是30meV。对于其他阱层32 (7个阱层32)，激子的定域能是60meV。换句话说,在此例中,第二 ρ侧讲层32b的激子的定域能是60meV。
[0091]图5还示出了第一参考例(结构未示出)的半导体发光元件119a的特性。在半导体发光元件119a中，激子的定域能在多个阱层32之间是相同的。换句话说，激子的定域能对于所有8个阱层32都是30meV。除此之外，半导体发光元件119a的条件与半导体发光元件110的条件相同。
[0092]在图5中，水平轴是电流密度Jc (A/cm2)。垂直轴是内部量子效率IQE (相对值)。
[0093]从图5中可知,对于根据本实施方式的半导体发光兀件110获取的发光效率大于第一参考例的半导体发光元件119a的发光效率。
[0094]这是抑制除第一 ρ侧阱层32a之外的阱层32的激子的非发光复合的结果。如图2B所述，载流子密度η随着从多个阱层32向第二半导体层20的距离的增加而降低。实践中，通过抑制第二最接近第二半导体层20的第二 ρ侧阱层32b的激子的非发光复合来获得
高效率。
[0095]如上所述，对于阱层32，In浓度的波动或是厚度的波动能够例如由三维原子探针分析来确定。现将描述In浓度的波动的测量结果的例子。
[0096]例如，通过三维原子探针测量阱层32的In浓度的分布。对于阱层32的In浓度分布的测量区域而言，沿Z轴方向的宽度为2nm，沿X轴方向的宽度为20nm，并且沿Y轴方向的宽度为20nm。这样的测量区域被分成多个区域。对于这多个区域中的每个区域，沿Z轴方向的宽度为2nm，沿X轴方向的宽度为2nm，并且沿Y轴方向的宽度为2nm。这样的多个区域中的每个区域的In浓度根据In浓度分布的测量结果确定。随后，根据多个区域中的每个区域的In浓度的值确定一个阱层32的平面内的In浓度的波动。该波动表示为标准差δ 0
[0097]在根据该实施方式的半导体发光元件110中，第8个阱层WL8(第一 ρ侧阱层32a)的In浓度的标准差δ例如为1.08atm% (原子百分数)。另一方面，第7个阱层WL7 (第二P侧阱层32b)的In浓度的标准差δ例如为1.24atm%。换句话说，第8个阱层WL8 (第一P侧阱层32a)的In浓度的标准差δ小于第7个阱层WL7 (第二 ρ侧阱层32b)的In浓度的标准差δ。这与第8个阱层WL8 (第一 ρ侧阱层32a)的激子的定域能比第7个阱层WL7(第二 P侧阱层32b)的激子的定域能小相对应。
[0098]另一方面，在第一参考例的半导体发光元件119a中，第8个阱层WL8(第一 ρ侧阱层32a)的In浓度的标准差δ为1.17atm%。第7个阱层WL7 (第二 ρ侧阱层32b)的In浓度的标准差S为1.00atm%。在该第一参考例中，第8个阱层WL8 (第一 ρ侧阱层32a)的激子的定域能不小于第7个阱层WL7 (第二 ρ侧阱层32b)的激子的定域能。
[0099]现将描述一种用于制造根据该实施方式的半导体发光元件110的方法的例子。
[0100]例如，可以进行c平面蓝宝石基底5的有机清洗和酸清洗。基底5被放置在MPCVD装置的反应室内，并在该反应室的基座上被加热到约1100°c。由此移除基底5的前表面的氧化膜。
[0101]在基底5的主表面(c平面)上生长30nm厚的缓冲层6。随后，在缓冲层6上生长3 μ m厚的用于形成第二 η侧层12的无掺杂GaN层。随后,在第二 η侧层12上生长2 μ m厚的用于形成第一 η侧层11的掺杂了 Si的GaN层。
[0102]通过在第一 η侧层11上交替堆叠第一层和第二层形成多层结构体40。第一层包括InxGa^N (O≤ χ〈1 )，第二层包括InyGai_yN (0〈y〈l且x〈y)。第一层和第二层的堆叠数(周期)例如为30。
[0103]在多层结构体40上形成发光单元30。在此例中，交替堆叠8周期的势垒层31和阱层32。形成5nm厚的GaN层作为势垒层31。形成3nm厚的InGaN层作为阱层32。阱层32的In成分比为0.13。该In成分比是InwGai_wN (0<w<l)的W。存在阱层32的In浓度出现波动的情况。In成分比是阱层32的In浓度的平均值。存在阱层32的厚度存在波动的情况。上述阱层32的厚度值是阱层32的厚度的平均值。
[0104]在8个阱层32中，在第一半导体层10侧上形成7个阱层32的生长速率GR具有相对值3(参见图5)。在8 个阱层32中，最接近第二半导体层20形成第一 ρ侧阱层32a的生长速率GR具有相对值I (参见图5)。由此，在8个阱层32中，第一半导体层10侧上的7个阱层32的激子的定域能例如是约60meV。在8个阱层32中，最接近第二半导体层20的第一 P侧讲层32a的激子的定域能例如是约40meV。
[0105]在发光单元30上顺序形成第四P侧层24、第三ρ侧层23、第二 ρ侧层22和第一P侧层21。形成Al成分比为0.003且厚度为5nm的AlGaN层作为第四P侧层24。形成Al成分比为0.1且厚度为1nm的掺杂了 Mg的AlGaN层作为第三ρ侧层23。形成厚度为80nm的掺杂了 Mg的ρ型GaN层作为第二 ρ侧层22。第二 ρ侧层22的Mg浓度为约2 X 1019/cm3。形成厚度为1nm的高浓度掺杂了 Mg的GaN层作为第一 ρ侧层21。第一 ρ侧层21的Mg浓度为约 I X 12Vcm3。
[0106]随后，从MOCVD装置的反应室中移除在其上生长上述半导体堆叠体的基底5。
[0107]半导体堆叠体的一部分通过干法蚀刻移除。由此，暴露出第一η侧层11的一部分。在暴露出的第一 η侧层11上形成Ti膜/Pt膜/Au膜的第一电极70。另一方面，在第一 ρ侧层21上形成用于形成第二导电单元82的ITO膜。在第二导电单元82上形成Ni膜/Au膜的第一导电单元81。第一导电单元81的平面图案例如是直径80 μ m的圆。
[0108]于是，半导体发光元件110被形成。
[0109]另一方面，参考例的半导体发光元件也通过其中使用相同条件形成全部8个阱层32的上述制造方法来制成。对于第二参考例的半导体发光元件11%而言(结构未示出)，8个阱层的激子的定域能是40meV。对于第三参考例的半导体发光元件119c而言(结构未示出)，8个阱层的激子的定域能是60meV。
[0110]从半导体发光元件110、119b和119c发出的主波长(峰值波长)为约450nm。换句话说，这些半导体发光元件是发蓝光的LED。
[0111]现将描述这些半导体发光元件的特性的测量结果的例子。
[0112]图6是示出了半导体发光元件的特性的曲线图。
[0113]图6示出了半导体发光元件110、119b和119c的外部量子效率的评估结果。在图6中，水平轴是电流Ic (mA)。垂直轴是外部量子效率EQE (相对值)。
[0114]从图6中可知，针对根据本实施方式的半导体发光元件110获得的外部量子效率比第二参考例的半导体发光元件119b和第三参考例的半导体发光元件119c高。
[0115]由此，根据本实施方式获得了高效半导体发光元件。
[0116]第二实施方式
[0117]本实施方式涉及一种制造半导体发光元件的方法。
[0118]图7是示出了根据第二实施方式的用于制造半导体发光元件的方法的流程图。
[0119]如图7所示，根据本实施方式的用于制造半导体发光元件的方法包括形成含有氮化物半导体的η型第一半导体层10的处理(步骤SI 10)。
[0120]该制造方法还包括通过在第一半导体层10上交替堆叠多个阱层32和多个势垒层31来形成包括多个阱层32和多个势垒层31的发光单元30的处理(步骤S120)。
[0121]该制造方法还包括在发光单元30上形成包括氮化物半导体的P型第二半导体层20的处理(步骤S130)。
[0122]多个阱层32包括最接近第二半导体层20的第一 ρ侧阱层32a、以及第二最接近第二半导体层20的第二 ρ侧讲层32b。在该制造方法中,第一 ρ侧讲层32a的激子的定域能被设置为比第二 P侧阱层32b的激子的定域能小。
[0123]例如，第二 ρ侧阱层32b的生长速率GR比第一 ρ侧阱层32a的生长速率慢。
[0124]由此，载流子密度相对低，并且对于第一半导体层10侧上的阱层32还获取高效率。根据本实施方式，能够提供一种制造高效半导体发光元件的方法。
[0125]例如，第二 ρ侧阱层32b的生长速率不小于第一 P侧阱层32a的生长速率的1/10并且不大于第一 P侧阱层32a的生长速率的1/2。例如，第二 P侧阱层32b的生长速率可以不小于第一 P侧阱层32a的生长速率的1/5并且不大于第一 ρ侧阱层32a的生长速率的2/5。
[0126]例如，多个阱层32的堆叠可以通过供给V族元素(例如，氮)和III族元素(例如，Ga、In等)来进行。例如，供给氨气作为包括V族元素的原材料。例如，供给三甲基镓(TMG)作为包括III族元素的原材料。例如,可以供给三甲基铟(TMI)作为包括III族元素的原材料。
[0127]例如，形成第二 ρ侧阱层32b的V/III比(V族元素的供给量与III族元素的供给量之比)高于形成第一 P侧阱层32a的V/III比。V/III比例如可以是TMG气的供给量与氨气的供给量之比。
[0128]例如，形成第二 ρ侧阱层32b的V族元素的供给量可被设为与形成第一 P侧阱层32a的V族元素的供给量相同。在此情况下，例如，形成第二 ρ侧阱层32b的III族元素的供给量被设为比形成第一 P侧阱层32a的III族元素的供给量小。
[0129]由此，第一 ρ侧阱层32a的激子的定域能被设置为小于第二 P侧阱层32b的激子的定域能。[0130]例如，第二 ρ侧阱层32b的In浓度的波动比第一 P侧阱层32a的In浓度的波动大。例如，第二 P侧阱层32b的厚度在第二 ρ侧阱层32b的平面中的波动比第一 ρ侧阱层32a的厚度在第一 ρ侧阱层32a的平面中的波动大。
[0131]根据本实施方式，能够提供一种高效半导体发光元件以及用于制造该半导体发光元件的方法。
[0132]在本说明书中，“氮化物半导体”包括化学式BxInyAlzGai_x_y_zN(0<叉<1，0<7<1，0<2<1,且x+y+z ( I)中组成比x, y和z各自在范围内改变的所有半导体组成。“氮化物半导体”还包括上述化学式中N (氮)以外的V族元素、被添加以控制诸如导电类型之类的各种属性的各元素、以及被无意包括的各元素。
[0133]在本申请的说明书中，“垂直”和“平行”不仅指代严格垂直和严格平行，而是例如还包括由于制造工艺导致的波动等。大体上垂直和大体上平行即可。
[0134]至此，参考具体例子描述了本发明的各实施方式。然而，本发明不限于这些具体例子。例如，本领域技术人员可以通过从现有技术中适当选择包括在半导体发光元件内的各要素(例如，第一半导体层、第二半导体层、发光单元、阱层、势垒层、第一电极、第二电极等)的具体构造来实践本发明，并且这些实践落入限于获得类似效果的本发明范围内。
[0135]此外，具体例子中任意两个或以上的要素可以在技术可行性的范围内组合，并且被包括在其中涵盖本发明要旨的本发明的范围内。
[0136]此外，可由本领域技术人员基于本发明上述实施方式的半导体发光器件、半导体发光元件及其制造方法而做出的适当设计修改实践的所有半导体发光元件及其制造方法也位于其中涵盖本发明精神的本发明的范围内。
[0137]本领域技术人员还能够设想本发明精神范围内的各种其他变化和修改，并且应该理解这些变化和修改也被涵盖在本发明的范围内。
[0138]虽然已经描述了特定实施方式，但是这些实施方式仅作为例子呈现，而非旨在限制本发明的范围。在此描述的新颖实施方式的确能够以各种其他形式具体化，此外，可以对在此描述的各实施方式形式做出各种省略、替换和改变而不背离本发明的精神。所附权利要求及其等效方案旨在覆盖落入本发明范围和精神内的这些形式或修改。
【权利要求】
1.一种半导体发光元件，包括: 包括氮化物半导体的η型第一半导体层； 包括氮化物半导体的P型第二半导体层；以及 设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的发光单元，所述发光单元包括多个阱层和多个势垒层，所述多个阱层与所述多个势垒层交替堆叠， 所述阱层包括最接近所述第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近所述第二半导体层的所述第二 P侧阱层， 所述第一 P侧阱层的激子的定域能小于所述第二 P侧阱层的激子的定域能。
2.如权利要求1所述的元件，其中所述第一P侧阱层的厚度不小于3纳米且不大于6纳米，并且所述第二 P侧阱层的厚度不小于3纳米且不大于6纳米。
3.如权利要求1所述的元件，其中所述第一P侧阱层的激子的定域能小于30毫电子伏特。
4.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的激子的定域能不小于50毫电子伏特。
5.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的激子的定域能不小于40毫电子伏特。
6.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的激子的定域能不小于30毫电子伏特。
7.如权利要求1所述的元件，其中所述第一P侧阱层的激子的定域能小于40毫电子伏特。
8.如权利要求1所述的元件，其中所述第一P侧阱层的激子的定域能小于50毫电子伏特。
9.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的In浓度的波动大于所述第一 P侧阱层的In浓度的波动。
10.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的厚度在所述第二 P侧阱层的平面中的波动比所述第一 P侧阱层的厚度在所第一 P侧阱层的平面中的波动大。
11.如权利要求1所述的元件，其中所述阱层的激子的定域能从所述第一半导体层侧向所述第二半导体层侧降低。
12.如权利要求1所述的元件，其中所述第二P侧阱层的生长速率比所述第一P侧阱层的生长速率低。
13.一种用于制造半导体发光元件的方法，包括: 形成包括氮化物半导体的η型第一半导体层； 通过在所述第一半导体层上交替堆叠阱层和势垒层来形成包括多个阱层和多个势垒层的发光单元；以及 在所述发光单元上形成包括氮化物半导体的P型第二半导体层， 所述阱层包括最接近所述第二半导体层的第一 P侧阱层、以及第二最接近所述第二半导体层的所述第二 P侧阱层， 所述第一 P侧阱层的激子的定域能小于所述第二 P侧阱层的激子的定域能。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第二P侧阱层的生长速率比所述第一 P侧阱层的生长速率低。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第二P侧阱层的生长速率不小于第一 P侧阱层生长速率的1/10并且不大于第一 P侧阱层生长速率的1/2。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述第二P侧阱层的生长速率不小于第一 P侧阱层生长速率的1/5并且不大于第一 P侧阱层生长速率的2/5。
17.如权利要求13所述的方法，其中 通过供给V族元素和III族元素进行所述阱层的堆叠，并且 在所述第二 P侧阱层形成中的V族元素的供给量与III族元素的供给量之比高于在所述第一 P侧阱层形成中的V族元素的供给量与III族元素的供给量之比。
18.如权利要求13所述的方法，其中 通过供给V族元素和III族元素进行所述阱层的堆叠， 在所述第二 P侧阱层的形成中的V族元素的供给量与在所述第一 P侧阱层的形成中的V族元素的供给量相同，并且 在所述第二P侧阱层的形成中的III族元素的供给量小于在所述第一P侧阱层的形成中的III族元素的供给量。
19.如权利要求13所 述的方法，其中所述第二P侧阱层的In浓度的波动大于所述第一P侧阱层的In浓度的波动。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述第二P侧阱层的厚度在所述第二 P侧阱层的平面中的波动比所述第一 P侧阱层的厚度在第一 P侧阱层的平面中的波动大。
【文档编号】H01L33/06GK104037286SQ201410080036
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】木村重哉, 名古肇, 布上真也 申请人:株式会社东芝