发光器件及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了发光器件及其制造方法。通过减少施加在发光层上的应力提高了发光器件的发光效率。在蓝宝石衬底上，依次沉积有n型接触层、nESD层、n型覆层、发光层、p型覆层以及p型接触层。发光层具有MQW结构，在MQW结构中重复地沉积有依次沉积的阱层、盖层以及势垒层的层单元。在阱层中，仅第一阱层的In组成比与其他阱层的In组成比相比减小，并且其他阱层的In组成比彼此相同。第一阱层的In组成比被设计为使得第一阱层的发射波长等于其他阱层的发射波长。
【专利说明】
发光器件及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及III族氮化物半导体发光器件，更具体地，涉及特征在于发光层的结构的III族氮化物半导体发光器件。
【背景技术】
[0002]在III族氮化物半导体发光器件中，其中重复地沉积有阱层和势皇层的MQW结构被广泛地用作发光层。阱层由InGaN形成并且具有相同的In组成比。
[0003]日本专利第3433038号描述了最靠近η型覆层的阱层的In组成比以及最靠近P型覆层的阱层的In组成比与在中央的阱层的In组成比相比减小，从而释放了从η型覆层和P型覆层施加至发光层的应力。
[0004]日本公开特许公报(特开)第2014-110396号描述了nESD层(η侧防静电击穿层)形成在η型接触层与η型覆层之间，从而在nESD层中生成凹坑。所述凹坑穿过阱层并且到达P型接触层的表面。这样的凹坑的生成释放了在发光层中的应力，从而提高了发光效率。
[0005]然而，在日本专利第3433038号中所描述的方法中，分别减小了最靠近η型覆层和P型覆层的阱层的In浓度。这些阱层不能发光，并且发光效率可能会降低。
[0006]尽管如在日本公开特许公报(特开)第2014-110396号中所描述的，通过生成凹坑能够减少应力，但是不足以消除应力，并且需要进一步释放应力。
【发明内容】
[0007]鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种其中减少施加在发光层上的应力从而提高发光效率的III族氮化物半导体发光器件。
[0008]由于针对降低应力的密集的研究和开发，发明人发现在MQW结构中的阱层中从η型覆层起的仅第一阱层的发射波长与其他阱层的发射波长相比偏移至较长的波长。发射波长的偏移是通过晶体应变引起的。也就是说，发现在MQW结构中的阱层中从η型层起的第一阱层受应变影响最多。本发明基于该发现作出。
[0009]在本发明的一个方面中，提供了一种III族氮化物半导体发光器件，其包括依次沉积在蓝宝石衬底上的η型接触层、防静电击穿层、η型覆层和发光层，发光层具有MQW结构，并且具有凹坑，在MQW结构中重复地沉积有InGaN阱层和势皇层，所述凹坑从防静电击穿层延伸至发光层并且穿过发光层，其中阱层的从η型覆层起的仅第一阱层的In组成比与除了第一阱层之外的其他阱层的In组成比相比减小，使得第一阱层的发射波长等于其他阱层的发射波长，在所有的阱层之中第一阱层最靠近η型覆层;并且所有其他阱层的In组成比彼此相等。
[0010]在本发明的另一方面中，提供了一种III族氮化物半导体发光器件，其包括依次沉积在蓝宝石衬底上的η型接触层、防静电击穿层、η型覆层以及发光层，发光层具有MQW结构并且具有凹坑，在MQW结构中重复地沉积有由包含In的III族氮化物半导体制成的阱层和由带隙大于阱层的带隙的III族氮化物半导体制成的势皇层，所述凹坑从防静电击穿层延伸至发光层并且穿过发光层，其中阱层的从η型覆层起的仅第一阱层的In组成比与除了第一阱层之外的其他阱层的In组成比相比减小，在所有的阱层之中第一阱层最靠近η型覆层;所有其他阱层的In组成比彼此相等;并且其他阱层的In组成比与第一阱层的In组成比之间的差大于Oat %并且小于5.2at %。
[0011]通过相对于其他阱层的In组成比减少第一阱层的In组成比使得其他阱层的发射波长等于第一阱层的发射波长，能够提高发光效率并且能够减小发射光谱的半高全宽。相等的发射波长可以是发射波长基本上不能彼此区分的水平，例如，发射波长差的绝对值是2nm以下。
[0012]另外，在其他阱层的In组成比与第一阱层的In组成比之间的差优选地大于0at%并且小于5.2at%。在这个范围内，能够进一步提高发光效率。所述差更优选地为I %至4.5%,进一步优选地为2 %至3.5 %。
[0013]通过相对于其他阱层的In组成比减少第一阱层的In组成比能够减小发射光谱的半高全宽。例如，能够实现半值宽度为20nm以下的发光器件。
[0014]根据本发明，能够在不损失第一阱层的发光功能的情况下，通过减小施加在第一阱层的应力提高发光效率。
【附图说明】
[0015]在结合附图考虑的情况下，参照优选实施方案的以下详细描述，本技术的各种其他目的、特征和许多附带优点将变得更好理解，所以可以容易地认识到本发明的各种其他目的、特征以及许多附带优点，其中:
[0016]图1是示出根据实施方案I的发光器件的结构的简图；
[0017]图2是示出发光层14的结构的简图；
[0018]图3是示出阱层140的发射波长的图；
[0019]图4是示出在In组成比差与第一阱层140a的发射波长差之间的关系的图；以及
[0020]图5是示出在PL强度比与第一阱层140a的In组成比之差之间的关系的图。
【具体实施方式】
[0021]下面将参照附图描述本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于实施方案。
[0022]实施方案I
[0023][发光器件的结构]
[0024]图1是示出根据实施方案I的III族氮化物半导体发光器件的结构的简图。如图1所示，根据实施方案I的发光器件具有衬底10。在衬底10上，经由AlN缓冲层(未示出)沉积有均由III族氮化物半导体制成的η型接触层ll、nESD层12、n型覆层13、发光层14、p型覆层15以及P型接触层16。在P型接触层16上设置有透明电极17，并且在透明电极17上设置有P电极
18。在P型接触层16的表面的一部分上形成有沟槽，并且在沟槽的底表面处露出η型接触层
11。在露出的η型接触层11上设置有η电极19。
[0025]下面将描述根据实施方案I的发光器件的组成。
[0026]衬底10是具有c面主表面的蓝宝石衬底。III族氮化物半导体晶体生长的表面利用凹部和凸部(未示出)粗糙化，从而提高了发光效率。
[0027]在衬底10上设置有η型接触层11，并且η型接触层11由厚度为6μπι且Si浓度为IX1018/cm3或者更高的n-GaN形成。为了与η电极19形成更好的欧姆接触，η型接触层11可具有多个具有不同的Si浓度的层。
[0028]在η型接触层11上设置有nESD层12，并且nESD层12为用于防止器件静电击穿的层，并且由例如在比η型接触层11的温度低的温度下生长的厚度为850nm的n-GaN形成。由于穿透位错的角锥形凹坑20从nESD层12生成。凹坑20朝着发光层14延伸，穿过发光层14并且到达P型覆层15。随着层的沉积凹坑20逐渐被填充，并且完全被P型覆层15埋置，使得P型接触层16是平坦的。这样的凹坑20的生长释放了在发光层14中的应力，从而提高了发光效率。在发光层14中的应力是通过在发光层14与下层(在衬底10上)之间的晶格失配引起的。
[0029]在η型覆层13的表面(在发光层14侧的表面)上，凹坑20中的每一个的直径为50nm至170nm。在每个凹坑20的直径为50nm以上的情况下，能够减小施加至发光层14上的应力。在每个凹坑20的直径大于170nm的情况下，有效的发光面积减小并且光输出减少。能够通过nESD层12的生长条件控制凹坑20的生长或者每个凹坑20的直径。每个凹坑20的直径更优选地为70nm至150nm，并且进一步优选地为10nm至150nm。在η型覆层13的表面上，凹坑20的密度为I X 1Vcm2Sl X 109/cm2。在凹坑密度为I X 108/cm2以上的情况下，能够减小施加在发光层14上的应力。在凹坑密度为IX 109/cm2以上的情况下，有效发光面积减少并且光输出减少。凹坑20的密度更优选地为I X 108/cm2至7 X 18/cm2，并且进一步优选地为I X 108/cm2至5X108/cm2o
[0030]nESD层12可以具有多个层以进一步提高静电击穿电压。例如，可以在η型接触层11上依次沉积1-GaN和n-GaN。
[0031]在nESD层12上沉积有η型覆层13，n型覆层13具有η型超晶格结构，在η型超晶格结构中，依次沉积有厚度为2.5nm并且In组成比为8at%(下文中，原子百分比(at%)被简化为％ )的InGaN层、厚度为0.8nm的未掺杂的GaN层以及厚度为1.6nm的η-GaN层的层单元被重复地沉积十五次。η型覆层13是用于释放施加在发光层14上的应力(由于在衬底10与III族氮化物半导体之间的晶格失配)的层。
[0032]在η型覆层13上沉积有发光层14。如图2所示，发光层14具有MQW结构，在MQW结构中，依次沉积有阱层140、盖层141以及势皇层142的层单元被重复地沉积九次。
[0033]在实施方案I中，在发光层14是通过重复地沉积层单元形成的情况下重复的数目为九，但是不限于此。然而，重复的数目优选地为5至20，并且更优选地为5至15以提高发光效率。为了通过在发光层14中的凹坑20充分地实现应力减小效应，发光层14的总厚度优选地为 500nm 至 700nmo
[0034]阱层140由厚度为3.5nm的InGaN形成。下面将描述阱层140的In组成比。盖层141具有其中在阱层140上依次沉积有厚度为0.8nm的GaN、厚度为0.8nm并且Al组成比为15%的AlGaN的结构。盖层141是在形成阱层140之后当温度升高以形成势皇层142时用于防止In从阱层140蒸发的层。势皇层142由厚度为2.5nm并且Al组成比为6%的AlGaN形成。然而，从η型覆层13起的仅第九势皇层142(即，与P型覆层15相邻的层)由GaN而不是AlGaN形成以利于空穴注入发光层14。
[0035]阱层140的材料不限于InGaN只要是包含In的III族氮化物半导体即可。势皇层142可以由带隙比阱层140的带隙宽的III族氮化物半导体形成。盖层141不是必须的。优选地设置盖层141以提高发光效率。在实施方案I中，盖层141具有多个层。然而，可以使用任意常规结构，例如单层GaN、AlGaN或AlGalnN。
[0036]在发光层14上沉积有P型覆层15，并且P型覆层15具有超晶格结构，在超晶格结构中，依次沉积的厚度为0.8nm并且In组成比为5%的ρ-1nGaN层、厚度为1.5nm并且Al组成比为30 %的P-AlGaN层的层单元被重复地沉积十二次。
[0037]在P型覆层15上沉积有P型接触层16，并且P型接触层16由厚度为70nm并且Mg浓度为I X 11Vcm3至I X 12Vcm3的P-GaN形成。为了在透明电极17与P型接触层16之间形成好的欧姆接触，P型接触层16可以具有多个具有不同的组成比或Mg浓度的层。
[0038]透明电极17由ITO形成以几乎覆盖P型接触层16的整个表面。除了ITO之外，可以使用IZO(锌掺杂的铟氧化物)或ICO(铟铈氧化物)。
[0039]在透明电极17上沉积有P电极18，并且P电极18与透明电极17进行欧姆接触。在沟槽的底表面处露出的η型接触层11上沉积有η电极19并且η电极19与η型接触层11进行欧姆接触。
[0040][阱层的In组成比]
[0041]下面将具体描述在发光层14中的阱层140的In组成比。首先，为了便于描述，从η型覆层13起的第一阱层被称作第一阱层140a，并且除了第一阱层140a之外的阱层140中的每一个(从η型覆层13起的第二阱层至第九阱层)被称作其他阱层140b。每个阱层140的In组成比分别为:第一阱层140a的In组成比为19.4%，其他阱层140b的In组成比为22%。
[0042]在阱层140中，仅第一阱层140a的In组成比与其他阱层140b的In组成比相比减小，并且其他阱层140b的In组成比彼此相等。相等的In组成比可以为In组成比基本上不能彼此区分的水平。如果用于形成其他阱层140b的生长条件(生长温度或In源气体供给量)相同，则可以认为其他阱层140b的In组成比相同。当第一阱层140a具有这样的In组成比时，能够减小施加在发光层14上的应力(由于在发光层14与下层之间的晶格失配)，从而提高发光效率。
[0043]通过诸如生长温度和In源气体供给量的生长条件能够控制每个阱层140的In组成比。
[0044]另外，第一阱层140a的In组成比被设置为使得第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长。相等的发射波长可以是发射波长基本上不能彼此区分的水平，例如发射波长差的绝对值是2nm以下。因为由于在第一阱层140a中的应力减少以及在第一阱层140a中的In组成比减少，有效带隙变大，所以第一阱层140a的发射波长偏移至较短波长。然而，通过合适地选择In组成比的减少范围能够使得第一阱层140a的发射波长与其他阱层140b的发射波长相等。通过设计第一阱层140a以具有这样In组成比，能够提高发光效率并且能够减小发射光谱的半高全宽。例如，能够实现半高全宽为20nm以下的发光器件。为了以这样的方式确定第一阱层140a的In组成比，可以执行下面的步骤。
[0045]首先，制造用于调整波长的发光器件以具有除了第一阱层140a的In组成比之外与根据实施方案I的发光器件的结构相同的结构。制造了几种类型的用于调整波长的发光器件，用变化的第一阱层140a的In组成比作为一个参数。获得在第一阱层140a的In组成比与发射波长之间的关系。这个关系是近似线性的，并且获得了其倾斜度(发射波长对In组成比的变化率)。然后，根据发射波长对In组成比的变化率以及发射波长的差，估计第一阱层140a的In组成比应该减少多少以使得第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长。发光器件可以被设计为根据其他阱层140b的In组成比的估计值通过减少第一阱层140a的In组成比来使得第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长。
[0046]第一阱层140a的发射波长可以不等于其他阱层140b的发射波长。然而，第一阱层140a的In组成比与其他阱层140b的In组成比之间的差优选地为大于0%且小于5.2%。在这个范围内能够提高发光效率。该差更优选地为I %至4.5%，并且进一步优选地为2%至3.5%。
[0047]下面将以这样的方法描述设置每一阱层140的In组成比的原因。
[0048]因为蓝宝石的晶格常数与III族氮化物半导体的晶格常数不同，所以在沉积在衬底10上的III族氮化物半导体层(从η型接触层到P型接触层的层)中生成应力。特别地，在发光层14中的应力引起了诸如由于晶体质量的劣化引起的发光效率下降的问题。
[0049]为了通过消除在发光层14中的应力而提高发光效率，通过在nESD层12中生成凹坑20来减少应力。然而，仍有减少应力的余地，并且需要进一步释放应力。
[0050]发明人根据对在所有阱层140的In组成比均相等的情况下对应力消除的各种研究发现，仅阱层140的第一阱层140a的发射波长相对于其他阱层140b的发射波长偏移至较长的波长。发射波长的偏移被认为是由于在第一阱层140a中的应力通过有效的带隙减少引起的。与其他阱层140b相比，第一阱层140a被认为更大程度地被赋予应变。这是因为在由InGaN制成的第一阱层140a与下层之间存在晶格失配，并且由于晶格失配被认为应力在第一阱层140a中几乎释放。
[0051]图3是示出制造为比较例的发光器件中的各个阱层140的发射波长的图。比较例是其中所有阱层140的In组成比均等于22%并且其他结构与根据实施方案I的发光器件的结构相同的发光器件。横轴上的数字表示从η型覆层13起的第η阱层。纵轴表示相对于其他阱层140b(从η型覆层13起的第二阱层至第九阱层140)的平均发射波长的差(单位:nm)。从图3可以清楚地看出，仅从η型覆层13起的第一阱层140a的发射波长相对于其他阱层140b的发射波长向较长的波长较大程度地偏移了 10.5nm。
[0052]根据这个结果可以发现，在不改变其他阱层140b的In组成比的情况下通过减少仅第一阱层140a的In组成比，使得第一阱层140a的晶格常数靠近与第一阱层140a相邻的η型覆层13的GaN层的晶格常数，从而能够减小应力。另外，还发现因为由于在第一阱层140a中的应力减小以及在第一阱层140a中的In组成比减少，第一阱层140a的有效带隙变大，第一阱层140a的发射波长偏移至较短的波长，从而第一阱层140a的发射波长变得更靠近其他阱层140b的发射波长，并且能够减小发射光谱的半高全宽。
[0053]第一阱层140a的In组成比的减少范围可以在第一阱层140a可以用作阱层的范围内，也就是说，发光效率不因为发光功能的损失而减小。在选择第一阱层140a的In组成比的减小范围使得第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长的情况下，能够提高发光效率并且能够使发光器件中发射光谱的半高全宽变窄这是因为各个阱层的发射波长是相等的。例如，半高全宽可以变窄至20nm以下。
[0054]图4是示出In组成比差与第一阱层140a的发射波长差之间的关系的图。横轴表示第一阱层140a的In组成比与其他阱层140b的In组成比(其他阱层140b的平均值，22%)之间的差。纵轴表示第一阱层140a的发射波长与参考波长之间的差。此时参考波长为当In组成比差为0(第一阱层140a的In组成比等于其他阱层140b的In组成比)时第一阱层140a的发射波长。
[0055]如图4所示，发射波长几乎相对于第一阱层140a的In组成比的变化而线性变化。通过获得这条直线的倾斜度(发射波长相对于In组成比的变化率)能够估计当第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长时的In组成比。如图3所示，在第一阱层140a的In组成比等于其他阱层140b的In组成比的情况下(22%)，第一阱层140a的发射波长相对于其他阱层140b的发射波长向较长的波长偏移10.5nm。从图4可以清楚地看出，当纵轴的值为_10.5nm的情况下，In组成比的差为-2.6%。能够使得第一阱层140a的发射波长等于其他阱层140b的发射波长。换言之，第一阱层140a的In组成比可以为19.4%。
[0056]图5是示出PL强度比与第一阱层140a的In组成比差之间关系的图。横轴与图4相同。纵轴表示PL强度与当第一阱层140a的In组成比为0(第一阱层140a的In组成比等于其他阱层140b的In组成比)时的PL强度之比。
[0057]如图5所示，在第一阱层140a的In组成比逐渐减小的情况下，PL强度逐渐增加。在PL强度在In组成比差为-2.6%处达到峰值之后，其转为降低。当In组成比差为-5.2%时，PL强度几乎等于当In组成比差为O时的PL强度。根据这个结果可以看出，减少的范围可以大于0%且小于5.2%以通过减小第一阱层140a的In组成比来提高发光效率。从图5中可以清楚地看出，第一阱层140a的In组成比的减小范围更优选地可以是1%至4.5%，并且进一步优选地为2 %至3.5 %以进一步提高发光效率。
[0058]如上所述，在根据实施方案I的发光器件中，具有MQW结构的发光层14的阱层140被设计为使得第一阱层140a的In组成比与其他阱层140b的In组成比相比减小，并且所有其他阱层140b的In组成比彼此相等。这可以减小在第一阱层140a中的应力，并且通过使得第一阱层140a的发射波长更靠近其他阱层140b的发射波长来补偿发射波长。因此，与常规发光器件相比，根据实施方案I的发光器件显示了较高的发光效率。变化方案
[0059]发光器件的结构不限于实施方案I中所描述的结构。可以使用任意结构，只要在蓝宝石衬底上依次沉积有均由III族氮化物半导体形成的η型接触层、nESD层、η型覆层以及发光层即可。本发明可以应用于任意类型的发光器件，例如面朝上型或倒装芯片型。
[0060]发光层的结构不限于实施方案I中的结构。可以使用任意结构只要发光层具有其中沉积有至少由包含In的III族氮化物半导体制成的至少阱层和由带隙比阱层的带隙宽的III族氮化物半导体制成的势皇层的MQW结构即可。
[0061]本发明的发光器件可以用作显示装置或照明装置的光源。
【主权项】
1.一种III族氮化物半导体发光器件，其包括依次沉积在蓝宝石衬底上的η型接触层、防静电击穿层、η型覆层和发光层，所述发光层具有MQW结构，并且具有凹坑，在所述MQW结构中重复地沉积有由包含In的III族氮化物半导体制成的阱层和由带隙大于所述阱层的带隙的III族氮化物半导体制成的势皇层，所述凹坑从所述防静电击穿层延伸至所述发光层并且穿过所述发光层，其中: 仅第一阱层的In组成比与除了所述第一阱层之外的其他阱层的In组成比相比减小，使得所述第一阱层的发射波长等于所述其他阱层的发射波长，在所有的阱层之中所述第一阱层最靠近所述η型覆层;并且 所有所述其他阱层的In组成比彼此相等。2.—种III族氮化物半导体发光器件，其包括依次沉积在蓝宝石衬底上的η型接触层、防静电击穿层、η型覆层和发光层，所述发光层具有MQW结构并且具有凹坑，在所述MQW结构中重复地沉积有由包含In的III族氮化物半导体制成的阱层和由带隙大于所述阱层的带隙的III族氮化物半导体制成的势皇层，所述凹坑从所述防静电击穿层延伸至所述发光层并且穿过所述发光层，其中: 仅第一阱层的In组成比与除了所述第一阱层之外的其他阱层的In组成比相比减小，在所有的阱层之中所述第一阱层最靠近所述η型覆层； 所有所述其他阱层的In组成比彼此相等;并且 所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差大于0&〖％并且小于5.2at% ο3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差大于0&丨％并且小于5.2at%。4.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差为1&〖％至4.5&七％。5.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差为2&丨％至3.5&七％。6.根据权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差为1&〖％至4.5&七％。7.根据权利要求2所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述其他阱层的In组成比与所述第一阱层的In组成比之间的差为2&丨％至3.5&七％。8.根据权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体发光器件，其中在所述η型覆层的在所述发光层侧的表面上，所述凹坑的直径为50nm至17 Onm。9.根据权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体发光器件，其中在所述η型覆层的在所述发光层侧的表面上，所述凹坑的密度为I X 108/cm2至I X 109/cm2。10.根据权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体发光器件，其中所述发光层的总厚度为500nm至700nmo
【文档编号】H01L33/06GK105990481SQ201610154288
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】中村亮, 坊山美乡
【申请人】丰田合成株式会社