第III族氮化物半导体发光器件制造技术

本发明专利技术提供了一种呈现出改进的发射输出的第III族氮化物半导体发光器件。该发光器件包括：其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在发光层与n型接触层之间的n型覆层。n型覆层具有至少两层的结构，所述至少两层包括与发光层较近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层。第一n型覆层的Si浓度高于第二n型覆层的Si浓度，并且第一n型覆层的厚度小于第二n型覆层的厚度。

【技术实现步骤摘要】
第III族氮化物半导体发光器件
本专利技术涉及表现出改进的发射输出的第III族氮化物半导体发光器件。
技术介绍
通常，已知下列第III族氮化物半导体发光器件。日本专利申请公开(特开)第2002-299762号公开了一种激光器，其中，在包括有源层和包围有源层的引导层的芯的顶部和底部分别设置n型覆层和p型覆层，所述n型覆层和p型覆层的每一层均具有两层结构。在该激光器中，通过使较接近有源层的n型覆层和p型覆层的杂质浓度比距有源层较远的n型覆层和p型覆层的杂质浓度低来减少自由载流子吸收损耗，从而使阈值电压降低。两层结构的每个n型覆层均为超晶格层。日本专利第3909694号公开了一种包括由n型GaN形成的n型接触层、由n型AlGaInN形成的n型覆层、以及有源层的第III族氮化物半导体发光器件，其中，在n型覆层与n型接触层之间设置有由n型GaN形成的防裂层。防裂层的杂质浓度比n型接触层的杂质浓度小。凭借由GaN形成的防裂层，抑制了波导损耗的增加。日本专利申请公开(特开)第1998-4210号公开了一种发光器件，在该器件中按顺序布置有：缓冲层、由掺杂Si的GaN形成的n型层(第一低杂质浓度层)(厚度：0.6μm，Si浓度：2×1018/cm3，并且电子浓度：1×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的高载流子浓度的n+型层(高杂质浓度层)(厚度：4.0μm，Si浓度：4×1018/cm3，并且电子浓度：2×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的n型层(第二低杂质浓度层)(厚度：0.5μm，Si浓度：1×1018/cm3，并且电子浓度：5×1017/cm3)、以及发光层。日本专利申请公开(特开)第2001-196702号公开了一种激光二极管，在该激光二极管中按顺序设置有：n型接触层、由掺杂Si的Al0.08Ga0.92N形成的n型覆层(厚度：1μm，并且电子浓度：5×1017/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的n型引导层(厚度：100nm，并且电子浓度：5×1017/cm3)、以及有源层。日本专利申请公开(特开)第2001-44497号公开了一种发光器件，在该器件中按顺序布置有：缓冲层、由掺杂Si的AlGaN形成的接触层(厚度：3μm，并且Si浓度：1×1018/cm3)、由掺杂Si的AlGaN形成的覆层(厚度：1μm，并且Si浓度：1×1018/cm3)、由掺杂Si的GaN形成的光波导层(厚度：0.1μm，并且Si浓度：1×1018/cm3)、以及发光层。以上专利文献公开了一种其中第III族氮化物半导体通过MOCVD在异质衬底(如蓝宝石)上异质外延生长的发光器件。在这样的发光器件中，与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度(包括没有添加杂质)，从而不使发光层的结晶度劣化。然而，专利技术人已发现在其中第III族氮化物半导体同质生长在第III族氮化物半导体生长衬底上的发光器件中，当与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度时，与采用蓝宝石衬底的发光器件相比发射输出没有增加。本专利技术人假设该现象的原因如下。当第III族氮化物半导体通过MOCVD异质外延生长在异质衬底(如蓝宝石)上时，由于衬底与生长的第III族氮化物半导体之间的大的晶格失配，所以如图7所示，高密度的凹坑直径随生长从下层至上层扩大。在发光层的顶表面上，凹坑直径大，为150nm至200nm，并且凹坑密度大，为1×108/cm2至1×109/cm2。由于凹坑用p型层半导体填充，所以施加有电压的n型层与p型层之间的距离被等效地缩短。因此，即使与发光层接合的n型层具有5×1018/cm3或更小的低的Si浓度和低的导电率，发光层中的电子和空穴也容易复合。结果，获得了较高的发射输出。相反，当第III族氮化物半导体同质外延生长在第III族氮化物半导体生长衬底上时，改进了外延生长层的结晶度，发光层中的凹坑密度低并且凹坑直径小。当与发光层接合的n型层具有与采用蓝宝石衬底的发光器件类似的5×1018/cm3的低的Si浓度时，p型层填充以上凹坑的效果降低，施加有电压的p型层与n型层之间的等效距离变长。因此，本专利技术人认为发光层中的电子和空穴复合的可能性降低，并且与采用蓝宝石衬底的发光器件相比，无法获得较高的发射输出。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的一个目的是通过在第III族氮化物半导体生长衬底上外延生长第III族氮化物半导体来抑制所制造的发光器件中的发射输出的减少。本专利技术的其他目的是抑制具有低的凹坑密度或小的凹坑直径的发光器件中的发射输出的减少，即使生长衬底是由除第III族氮化物半导体之外的材料形成。在本专利技术的第一方面中，提供一种具有在第III族氮化物半导体衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层的第III族氮化物半导体发光器件，该发光器件包括：其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在发光层与n型接触层之间的n型覆层；其中，n型覆层具有包括至少两层的结构，所述至少两层包括与发光层较接近的第一n型覆层和相比第一n型覆层距发光层较远的第二n型覆层；并且，第一n型覆层的Si浓度高于第二n型覆层的Si浓度，并且第一n型覆层的厚度小于第二n型覆层的厚度。本专利技术的发光器件可以具有发挥其他功能的多个层，只要其包括至少第III族氮化物半导体衬底、n型接触层、n型覆层、发光层、p型覆层、以及p型接触层即可。优选地，发光层直接接合到第一n型覆层。然而，可以在发光层与第一n型覆层之间设置引导层。发光层可以是单层，或者，可以具有在其两侧处包括一个阱层和多个势垒层的SQW(单量子阱)结构或其中重复沉积多个层单元、每个层单元包括阱层和势垒层的MQW(多量子阱)结构。衬底可以由具有任意组成比的第III族氮化物半导体(如GaN、AlGaN、InGaN、和AlGaInN)形成。待生长在衬底上的半导体层(如n型接触层、n型覆层、发光层、p型覆层、和p型接触层)可以由四种成分的半导体(如AlGaInN)、三种成分的半导体(如AlGaN或InGaN)、或两种成分的半导体(如GaN)形成，各种半导体具有任意的组成比。在这样的半导体中，可以用另外的第13族元素(第3B族元素)(即，B或Tl)来部分地代替Al、Ga、或In，或者可以用另外的第15族元素(第5B族元素)(即，P、As、Sb、或Bi)来部分地代替N。在本专利技术中，优选地，第一n型覆层的Si浓度为1.0×1019/cm3至2.5×1019/cm3。优选地，第一n型覆层的厚度为5nm至50nm。优选地，在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小。凹坑密度的下限越小，就越优选。下限是在同质外延生长中不可避免地出现凹坑时的值。优选地，在发光层的与n型覆层相反的顶表面上的凹坑直径为100nm或更小。凹坑直径越小，就越优选。下限是在同质外延生长中可不避免地出现凹坑时的值。优选地，第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3，其与常规n型覆层的Si浓度相等。在该范围内，使用第III族氮化物半导体衬底的发光器件的发射输出高于使用蓝宝石衬底的发光器件的发射输出。优选地，第二n型覆层的厚度为100nm至500nm。在本专利技术的第二方面中，提供一种具有在由与第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种第III族氮化物半导体发光器件，所述第III族氮化物半导体发光器件具有在第III族氮化物半导体衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层，所述发光器件包括：其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在所述发光层与所述n型接触层之间的n型覆层；其中，所述n型覆层具有包括至少两层的结构，所述至少两层包括与所述发光层较近的第一n型覆层和相比所述第一n型覆层距所述发光层较远的第二n型覆层；并且所述第一n型覆层的Si浓度高于所述第二n型覆层的Si浓度，并且所述第一n型覆层的厚度小于所述第二n型覆层的厚度。

【技术特征摘要】
2013.07.25 JP 2013-1541201.一种第III族氮化物半导体发光器件，所述第III族氮化物半导体发光器件具有在第III族氮化物半导体衬底的表面上的多个第III族氮化物半导体层，所述发光器件包括：其上形成有n电极的n型接触层、发光层、形成在所述发光层与所述n型接触层之间的n型覆层；其中，所述n型覆层具有包括至少两层的结构，所述至少两层包括设置成与所述发光层较近且连接至所述发光层的作为单层的第一n型覆层，和设置成相比所述第一n型覆层距所述发光层较远且连接至所述第一n型覆层的作为单层的第二n型覆层；所述第一n型覆层的Si浓度高于所述第二n型覆层的Si浓度，并且所述第一n型覆层的厚度小于所述第二n型覆层的厚度；以及所述第一n型覆层的Si浓度为1.2×1019/cm3至2.5×1019/cm3；所述第一n型覆层的厚度为5nm至50nm；在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑密度为5.0×106/cm2或更小；在所述发光层的与所述n型覆层相反的顶表面上的凹坑直径为100nm或更小；所述第二n型覆层的Si浓度为1.0×1018/cm3至5.0×1018/cm3；所述第二n型覆层的厚度为100nm至500nm；以及发射输出高于...

【专利技术属性】
技术研发人员：青木真登，斋藤义树，
申请(专利权)人：丰田合成株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP