氮化物半導體發光元件的製作方法

2023-06-01 23:29:36

專利名稱：氮化物半導體發光元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體發光元件。
背景技術：
由於氮化物半導體具有不僅在可見光的整個波長區域甚至在紫外線區域這樣的 寬廣範圍內發光的特性，因此，作為發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)等發光元件非常有 用。氮化物半導體發光元件的主要構成要素有η側電極、η型氮化物半導體層、發光層、ρ型 氮化物半導體層和P側電極。作為氮化物半導體發光元件的課題之一，例舉出由於ρ型摻雜劑的活化能高，因 此，難以得到載流子濃度高的P型氮化物半導體層，P型氮化物半導體層與由金屬、透光性 導電層等構成的P側電極的接觸電阻增高，從而氮化物半導體發光元件的工作電壓增高的 問題。對於上述課題，以前在P型氮化物半導體層中提出了將與ρ側電極相接的層設置 成可形成為載流子濃度高的P型MiaN、或提高Mg濃度等方法，在P側電極中提出了採用金 屬時選擇Pd、Ni等功函高的金屬，在採用透光性導電層的結構時，考慮透光性導電層的制 膜後的退火條件等方法。而且，作為氮化物半導體發光元件的其他課題，例舉出由於氮化物半導體層的折 射率高到例如2. 5左右，因此，在ρ型氮化物半導體層與透光性導電層相接觸的發光二極體 結構中，在該接觸界面會產生全反射，導致發光效率下降。對於上述課題，在日本特開2005-277374號公報中提出了如下方法通過將ρ型氮 化物半導體層的表面形成為凹凸狀，產生散射和衍射，使全反射量減小，由此謀求改善光取 出效率。但是，當把ρ型InGaN用於接觸層時，由於InGaN層在低溫下生長，因此，ρ型摻雜 劑即Mg被活化，從而在發光波長下容易產生吸收等。而且，當提高Mg濃度時，載流子密度 因自補償效應而不會有效地上升。由於這些原因，導致存在如下問題ρ型氮化物半導體層 與P側電極的接觸電阻不會有效地下降，或者反而會上升。另外，在日本特開2005-277374號公報所記載的方法中存在如下問題ρ型氮化物 半導體層表面的凹凸加工中的掩模除去工序會對P型氮化物半導體層帶來損壞，導致接觸 電阻上升。

發明內容
鑑於上述課題，本發明的目的在於供一種工作電壓低的氮化物半導體發光元件。 進而提供一種工作電壓低且光取出效率高的氮化物半導體發光元件。本發明涉及氮化物半導體發光元件，其包括η型氮化物半導體層；發光層，其形 成在該η型氮化物半導體層上；第一 ρ型氮化物半導體層，其形成在該發光層上；中間層， 其以使覆蓋第一P型氮化物半導體層表面的部分和露出第一P型氮化物半導體層表面的部
3分交替的方式形成在第一 P型氮化物半導體層上；第二 P型氮化物半導體層，其形成在該中 間層上；該中間層由作為構成元素含有Si和N的化合物構成。在此，在本發明的氮化物半導體發光元件中，所述中間層優選以自然形成的方式 被構圖而形成。而且，在本發明的氮化物半導體發光元件中，第二 ρ型氮化物半導體層的上表面 優選形成為凹凸形狀。而且，在本發明的氮化物半導體發光元件的一實施方式中，氮化物半導體發光元 件為氮化物半導體發光二極體元件，還具有形成在第二 P型氮化物半導體層上的P側透光 性導電層。所述ρ側透光性導電層優選包括氧化銦錫、二氧化錫、氧化鋅中的至少任一種。在本發明的氮化物半導體發光元件中，第一 ρ型氮化物半導體層的與所述中間層 相接的面優選為P型GaN層。而且，在本發明的氮化物半導體發光元件中，第二 ρ型氮化物半導體層的與所述 中間層相接的面優選為P型GaN層。在本發明的氮化物半導體發光元件中，所述中間層的厚度優選在IOnm以下。根據本發明，能夠提供工作電壓低的氮化物半導體發光元件。進而能夠提供工作 電壓低且光取出效率高的氮化物半導體發光元件。


圖1是表示本發明實施方式的氮化物半導體發光二極體元件的層積體的示意性 剖面圖；圖2是通過本發明實施例製作的氮化物半導體發光二極體元件的示意性剖面圖。
具體實施例方式本發明涉及氮化物半導體發光元件，該氮化物半導體發光元件包括n型氮化物 半導體層；發光層，其形成在該η型氮化物半導體層上；第一 P型氮化物半導體層，其形成 在該發光層上；中間層，其以使覆蓋第一 P型氮化物半導體層表面的部分和露出第一 P型氮 化物半導體層表面的部分交替的方式形成在第一 P型氮化物半導體層上；第二 P型氮化物 半導體層，其形成在該中間層上；該中間層由作為構成元素含有Si和N的化合物構成。下面，使用

本發明的實施方式。附圖和以下敘述中所示的結構為例示，本 發明的範圍不限於附圖和以下敘述中所述的結構。需要說明的是，在本發明的附圖中，同一 附圖標記表示同一部分或相當的部分。而且，在本發明的附圖中，為了使附圖清楚和簡單， 適當變更了長度、寬度、厚度等的尺寸關係，並不表示實際的尺寸關係。圖1是表示本發明的氮化物半導體發光元件的優選一例即氮化物半導體發光二 極管元件的層積體的示意性剖面圖。層積體10具有基板1、形成在基板1上的η型氮化物 半導體層2、形成在η型氮化物半導體層2上的發光層3、形成在發光層3上的第一 ρ型氮 化物半導體層4、以使覆蓋第一 ρ型氮化物半導體層4表面的部分和露出第一 ρ型氮化物半 導體層4表面的部分交替的方式形成在第一 ρ型氮化物半導體層4上的中間層5、形成在中間層5上的第二 ρ型氮化物半導體層6。中間層5由作為構成元素含有Si和N的化合物構 成。中間層5以使覆蓋第一 ρ型氮化物半導體層4表面的部分和露出第一 ρ型氮化物 半導體層4表面的部分交替的方式形成在第一 ρ型氮化物半導體層4上，可以離散地形成 在第一 P型氮化物半導體層4表面上，或者也可以由具有多個開口部的層形成。在第一 ρ 型氮化物半導體層4表面中，將未被中間層5覆蓋的區域即未形成有中間層5的區域，或者 相當於中間層5的開口部的區域稱為「露出區域」，將被中間層5覆蓋的區域稱為「覆蓋區 域」。第一 P型氮化物半導體層4和第二 ρ型氮化物半導體層6在露出區域直接相接，在覆 蓋區域隔著中間層5相接。在此，η型氮化物半導體層2、發光層3、第一 ρ型氮化物半導體層4、第二 ρ 型氮化物半導體層6均由氮化物半導體構成，這種氮化物半導體的代表是指由通式 AlfiiJnmNU，y均在0以上1以下)表示的半導體，但是不限於此，包括為了 η型化或ρ 型化而添加任意元素的半導體。下面，關於本實施方式的氮化物半導體發光二極體元件的各構成要素，與其製造 方法的一例一同進行說明。首先，利用例如MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor D印osition :金屬有機化 合物氣相沉積)法等，將η型氮化物半導體層2、發光層3、第一 ρ型氮化物半導體層4、中間 層5、第二 ρ型氮化物半導體層6按照該順序層積在基板1的表面上。(基板)作為基板，能夠採用各種基板，例如氮化鎵(GaN)基板、碳化矽(SiC)基板、藍寶石 基板、尖晶石基板、氧化鋅(aio)基板等。但是，作為基板ι優選採用藍寶石基板。如果作 為基板ι採用藍寶石基板，不僅能夠降低本實施方式的氮化物半導體發光二極體元件的制 造成本，而且能夠穩定地製造本實施方式的氮化物半導體發光二極體元件。基板1的η型氮化物半導體層2側的表面具有凹凸形狀。在氮化物半導體發光二 極管元件10中，通過在基板1的η型氮化物半導體層2側的表面設置凹凸，自發光層3產 生的光中行進到基板1側的光因基板1表面的凹凸面而產生光的散射效果及衍射效果，由 此，能夠向外部取出更多的光。基板1表面的凹凸例如可以通過將基板1的η型氮化物半 導體層2側的表面蝕刻等來形成。在此，基板1表面的凹凸中的多個凹部例如以0.05 μ m 以上10 μ m以下的間隔形成，各凹部例如以0. 05 μ m以上10 μ m以下的深度形成。需要說 明的是，代替表面為凹凸的基板1，也可以採用表面為平面的基板。(η型氮化物半導體層)η型氮化物半導體層2不限於單層，也可以層積多層。作為這類η型氮化物半導體 層2，例如可以採用低溫緩衝層、AlN緩衝層、非摻雜層、η型摻雜層等。如果氮化物半導體 為非摻雜，一般表示η型導電性，因此，作為η型氮化物半導體層2也可以採用非摻雜氮化 物半導體層。作為導入氮化物半導體的η型摻雜劑，可以採用Si、Ge等。在這些η型摻雜劑中， 從降低η型氮化物半導體層2的電阻率的觀點出發，η型氮化物半導體層2若為單層，則可 以採用GaN、AWaN、InAlGaN, InGaN，其中可以含有Si，也可以不含摻雜劑。另外，η型氮化 物半導體層2若為多層，則可以是hfeiN/feiN、InGaN/AlGaN, AlGaN/GaN, InGaN/InGaN之類的層積結構。在η型氮化物半導體層2的形成過程中，首先，在MOCVD裝置內設置基板1。接著， 將基板1的溫度例如調節到1050°C，並使用含有氮和氫的載氣，向MOCVD裝置內導入III族 原料氣體、含有η型摻雜劑的摻雜氣體及氨氣等，從而在基板1上使η型氮化物半導體層2
結晶生長。作為用於形成η型氮化物半導體層2而導入裝置內的III族原料氣體，例如可 以採用 TMG ((CH3)3Ga 三甲基鎵)、TEG ((C2H5) 3Ga 三乙基鎵)、TMA ((CH3) 3A1 三甲基鋁)、 TEA((C2H5)3Al 三乙基鋁)、TMI( (CH3)3In 三甲基銦)、TEI ((C2H5) 3In 三乙基銦)等。如果 將Si作為η型摻雜劑，作為含有Si的摻雜氣體，例如可以採用SiH4(矽烷)氣體等。(發光層)發光層3優選包括由GaN構成的勢壘層和由含有h的氮化物半導體構成的阱層。 阱層厚度隨著阱層發出的光的波長不同，其最佳層厚不同，優選2 20nm的範圍，隨著η型 氮化物半導體層2的結晶質量提高，阱層層厚可以變厚。這樣的發光層3的結構不限於量 子結構，可以是單阱結構、多阱結構、多量子阱結構等中的任一種結構。量子結構指阱層的 厚度在IOnm以下時的結構。如果發光層3包括多個阱層，則至少一個阱層作為發光層發揮作用。這樣的阱層 優選由(0 < q 才、U >夕『t易)，不會產生SiO2，中的上述問題。作為構成元素含有Si和N的化合物的結晶可以在MOCVD裝置或MBE (Molecular Beam Epitaxy 分子束外延)裝置中形成，由於能夠在與其他層即氮化物半導體層相同的 裝置內連續地形成，因此，使製造過程中的層積體無需暴露於大氣中，避免因暴露於大氣而 產生的自然氧化膜附著等問題。自然氧化膜是使接觸電阻上升的主要因素。在MOCVD裝置 內形成由SiN構成的中間層5的情況下，可以通過將矽烷氣體和氨氣同時導入裝置內而形 成。通過作為構成元素含有Si和N的化合物的結晶生長，無需使用光刻技術，能夠通 過自然形成形成中間層5。根據光刻技術，難以將構圖精度控制在納米級，尤其難以將中間 層5在層積方向(厚度)上的厚度設置在IOnm以下。另一方面，基於自然形成作為構成元 素含有Si和N的化合物而形成的中間層5，可以通過調整形成條件以數納米級進行控制，從 而可以形成所需的中間層5，進而將層積於該中間層5上的第二 ρ型氮化物半導體層6形成 為所需的凹凸結構。通過將第二P型氮化物半導體層6形成為所需的凹凸結構，能夠實現 高的光取出效率。由於中間層5阻礙自下層開始的半導體生長，因此，在中間層5需要形成開口部或 間隙等未形成中間層5的部分。中間層5的離散度或者開口部的密度例如可以利用中間層 5的形成時間來調整。如果形成時間過短，則中間層5形成得不充分，如果形成時間過長，則 作為層完全覆蓋下層。最好選擇在兩種情況的中間。(第二ρ型氮化物半導體層)在第一 ρ型氮化物半導體層4表面上形成中間層5，進而在該中間層5上形成第二 P型氮化物半導體層6。如上所述，第一 ρ型氮化物半導體層4的表面通過中間層5被 區分為露出區域和覆蓋區域。在覆蓋區域，形成於其上的第二 P型氮化物半導體層6的結 晶生長被阻礙。因此，第二 P型氮化物半導體層6的結晶在覆蓋區域不生長。另一方面，第 二P型氮化物半導體層6的結晶在露出區域沿垂直方向生長。接著，自露出區域開始的結 晶生長最終向橫向擴展，並覆蓋到(回込tr )中間層5的上部。由於中間層5的上部不 具有特定的結晶方位，因此，在該部分容易單結晶化，並且該部分的半導體層6難以產生位 錯，半導體層6的結晶品質提高。或者，第一 P型氮化物半導體層4的位錯因中間層5而停 止，並且經過第二 P型氮化物半導體層6的形成工序中的再次成核過程，位錯向橫向彎曲， 能夠謀求貫通位錯減少，從而第二 P型氮化物半導體層6的結晶品質提高。如上所述，由於第二 ρ型氮化物半導體層6的結晶品質提高，在第二 ρ型氮化物半 導體層6中能夠實現1 X IO1Vcm3以上的高載流子濃度，能夠降低第二 ρ型氮化物半導體層 6與形成於其上的ρ側透光性導電層7的接觸電阻。第二 ρ型氮化物半導體層6的上表面優選為凹凸形狀。上表面為凹凸形狀的情況 包括只有其上表面為凹凸形狀的情況以及由離散地形成的凸部整體形成凹凸形狀的情況。 由於第二 P型氮化物半導體層6自第一 ρ型氮化物半導體層4的露出區域形成而擴展到中 間層5的上部，因此，能夠通過通常的工序形成為凹凸狀。由於第二 ρ型氮化物半導體層6 表面為凹凸形狀，能夠實現高的光取出效率。第二 P型氮化物半導體層6的凹凸形狀通過 改變中間層5的生長時間、生長溫度，或者第二 ρ型氮化物半導體層6的摻雜劑濃度、生長 溫度、V/III比(氨相對於三族元素的摩爾比)、膜厚等，可以任意地變更。關於第二 ρ型氮化物半導體層6的凹凸形狀的尺寸，優選其節距以及最大高度為 IOym以下，進而，優選節距以及最大高度大幅超過發光波長，以便得到高的光取出效率。另 外，優選節距以及最大高度為IOnm以上以使光不產生隧道效應。第二 ρ型氮化物半導體層6不限於單層，也可以層積多層。作為這類第二 P型氮化 物半導體層6，例如可以包括ρ型摻雜層和含有的氮化物半導體層中的任一層。第二ρ型 氮化物半導體層6的與中間層5相接的面最優選由ρ型GaN構成的結構。由於ρ型GaN層 可構成凹凸結構的生長條件更寬泛，形狀控制容易且通過最佳的凹凸設計可以實現高的光 取出效率，發光波長中的吸收係數小且可以防止光取出效率下降，因此優選採用P型GaN。第二 ρ型氮化物半導體層6在MOCVD裝置內可以採用與第一 ρ型氮化物半導體層 4形成時所採用的氣體相同的含有氮和氫的載氣、III族原料氣體、含有P型摻雜劑的摻雜 氣體、氨氣來形成。為了防止發光層3的熱損壞，第二 ρ型氮化物半導體層6的生長溫度優 選層積體的溫度在1000°C以下。(ρ側透光性導電層)接著，例如通過濺射法等，在第二 ρ型氮化物半導體層6表面上層積ρ側透光性導 電層7以形成層積體10。ρ側透光性導電層7由於以覆蓋第二 ρ型氮化物半導體層6表面的方式形成，因 此，反映第二 P型氮化物半導體層6的表面形狀而構成為凹凸形狀。P側透光性導電層7 與第二 P型氮化物半導體層6接觸，作為透光性電極發揮作用。作為這類ρ側透光性導電 層7所採用的材料不特別限定，可以採用任何材料。例如，舉出氧化銦錫(ITOdndium tin oxide)、二氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、薄膜金屬電極(Pb、Ni等)、納米線金屬電極等。考慮良好的導電性，優選採用ιτο、aio，而且考慮良好的化學穩定性，優選 採用Sn02。在下層即第二 ρ型氮化物半導體層6由ρ型GaN形成的情況下，ITO, SnO2, ZnO 與P型GaN的接觸電阻低，從而優選。(ρ電極、η電極)接著，通過蝕刻等，除去圖1所示的氮化物半導體發光二極體元件的層積體10的 一部分，由此使η型氮化物半導體層2表面的一部分露出。然後，例如通過EB (Electron Beam 電子束)蒸鍍法等，在η型氮化物半導體層2 的露出面上形成η側電極，並且在ρ側透光性導電層7的表面上形成ρ側電極，由此能夠得 到氮化物半導體發光二極體元件。這類P電極和η電極能夠採用以往公知的材料，例如能 夠採用Ti、Al、Au等。而且，ρ電極及η電極不限於單層結構，也可以構成為多層結構。在按照如上所述製作的氮化物半導體發光二極體元件中，能夠降低第二 ρ型氮化 物半導體層6與ρ側透光性導電層7之間的接觸電阻，能夠降低工作電壓。而且，通過以凹 凸狀形成第二 P型氮化物半導體層6，一部分光被散射、衍射，因此能夠減少全反射量，能夠 改善光取出效率。本發明的氮化物半導體發光元件不限於上述的結構，也可以構成除上述結構以外 的結構。例如，在上述內容中作為氮化物半導體發光元件僅例示了氮化物半導體發光二極 管元件，但是，本發明的氮化物半導體發光元件也可以構成為氮化物半導體雷射器。下面，舉出實施例進一步詳細說明本發明，但是，本發明不限於這些實施例。實施例圖2是根據本實施例製作的氮化物半導體發光二極體元件的示意性剖面圖。按照如下步驟製作氮化物半導體發光二極體元件20。首先，將進行了凹凸加工的 藍寶石基板11放入MOCVD裝置中，並在基板溫度1000°C下熱清洗之後，按順序層積如下層 在600°C的溫度下層積由GaN構成的20nm的低溫緩衝層、在1000°C的溫度下層積2 μ m的 非摻雜GaN層及以5X 1018/cm3原子濃度摻雜Si的3 μ m的n_GaN層，構成η型氮化物半導 體層12。之後，在750°C的溫度下將Ina 15Ga0.85N阱層2. 5nm和GaN勢壘層Snm相互交替反 復層積6次以構成發光層13。此時，最上層被設置為GaN勢壘層，該層兼作h的蒸發防 止層。之後，在1000°C的溫度下按順序層積20nm的以5X1019/cm3的原子濃度含有Mg的 Al0.2Ga0.8N,SOnm的以5X 1019/cm3的原子濃度含有Mg的GaN以構成第一 ρ型氮化物半導體 層14。接著，在900°C的溫度下將矽烷和氨氣供給13分鐘以形成中間層15。此時中間層 15的厚度在約IOnm以下。通過中間層15的形成，第一 ρ型氮化物半導體層14的表面區分 為露出區域和覆蓋區域。接著，在900°C的溫度下層積Mg的原子濃度為5 X IO1Vcm3的GaN以構成第二 ρ型 氮化物半導體層16。此時的凸部高度為IOOnm Ιμπκ節距為無規則，但是大致的尺寸為 500nm 2 μ m。接著，從MOCVD裝置取出形成過程中的層積體，然後通過濺射裝置層積150nm厚度 的ITO以構成ρ側透光性導電層17。之後，從ρ側開始利用光刻技術，將層積體的所需範圍通過RIE (reactiveion eching)蝕刻至η型氮化物半導體層12的n_GaN層，並在n-GaN層上形成Au/Ti/Al構成的
9η側焊盤電極19。而且，在ρ側透光性導電層17上形成由Au/Ti/Al構成的ρ側焊盤電極 18。在該氮化物半導體發光二極體元件20中，中間層15促進第二 ρ型氮化物半導體 層16的凹凸形狀，第二 ρ型氮化物半導體層16與ρ側透光性導電層17的界面為凹凸狀， 而且，在保持該狀態不變的情況下使P側透光性導電層17與樹脂或者空氣的界面延續地呈 凹凸狀，因此，能夠提供光取出效率高的發光二極體元件。而且，由於能夠以高載流子濃度構成第二 ρ型氮化物半導體層16，因此，第二氮化 物半導體層16與ρ側透光性導電層17的接觸電阻不會上升，從而能夠提供工作電壓低的 發光二極體元件。本申請所公開的實施方式及實施例在所有方面只是例示，理應考慮到該例示並不 限定本發明。本發明的範圍由權利要求書來限定，而不是由如上所述的說明來限定，並且在 與權利要求書等同的含義及範圍內進行的所有變更均包含在本發明中。
權利要求
1.一種氮化物半導體發光元件，其特徵在於，包括 η型氮化物半導體層；發光層，其形成在所述η型氮化物半導體層上； 第一 P型氮化物半導體層，其形成在所述發光層上；中間層，其以使覆蓋該第一P型氮化物半導體層表面的部分和露出該第一P型氮化物 半導體層表面的部分交替的方式形成在所述第一 P型氮化物半導體層上； 第二 P型氮化物半導體層，其形成在所述中間層上； 所述中間層由作為構成元素含有Si和N的化合物構成。
2.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於， 所述中間層以自然形成的方式被構圖而形成。
3.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於， 所述第二 P型氮化物半導體層的上表面形成為凹凸形狀。
4.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於，進一步具有形成在所述第二 P型氮化物半導體層上的P側透光性導電層，並且該氮化 物半導體發光元件是氮化物半導體發光二極體元件。
5.如權利要求4所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於，所述P側透光性導電層至少包括氧化銦錫、二氧化錫和氧化鋅中的任一種。
6.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於，所述第一 P型氮化物半導體層的與所述中間層相接的面是P型GaN層。
7.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於，所述第二 P型氮化物半導體層的與所述中間層相接的面是P型GaN層。
8.如權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特徵在於， 所述中間層的厚度在IOnm以下。
全文摘要
本發明提供一種氮化物半導體發光元件，包括n型氮化物半導體層；發光層，其形成在該n型氮化物半導體層上；第一p型氮化物半導體層，其形成在該發光層上；中間層，其以使覆蓋第一p型氮化物半導體層表面的部分和露出第一p型氮化物半導體層表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半導體層上；第二p型氮化物半導體層，其形成在該中間層上。中間層由作為構成元素含有Si和N的化合物構成。
文檔編號H01L33/02GK102097551SQ20101056936
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者駒田聰 申請人:夏普株式會社