磷化硼系半导体发光元件、其制造方法和发光二极管技术

一种磷化硼系半导体发光元件，其具备异种接合结构的发光部，该发光部是在导电性或者高电阻的单晶体基板的表面上依次具备由ｎ型化合物半导体构成的ｎ型下部包层、由ｎ型的Ⅲ族氮化物半导体构成的ｎ型发光层、以及由设置在该发光层上的ｐ型的磷化硼系半导体构成的ｐ型上部包层而构成，且该磷化硼系半导体发光元件形成有与该ｐ型上部包层接触的ｐ型电极而构成，其特征在于，由磷化硼系半导体构成的非晶态层设置在ｐ型上部包层和ｎ型发光层中间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及磷化硼系半导体发光元件及其制造方法，更详细地说，是涉及正向电压或者阀值低、耐逆向电压优良、发光强度高、由长时间通电引起的发光强度降低也少的磷化硼系半导体发光元件。此外，本专利技术涉及该磷化硼系半导体发光元件的制造方法和由该磷化硼系半导体发光元件构成的发光二极管。
技术介绍
迄今，III族氮化物半导体，被用于构成发光二极管(英文简称LED)或者激光二极管(英文简称LD)等氮化物半导体元件。例如，参照赤崎勇编著《III族氮化物半导体》，1999年12月8日，第一版，(株)培风馆，13章和14章(以下称为“非专利文献1”)。在附图说明图1中例示出由层叠在晶体基板上的III族氮化物半导体层的层叠结构体制作的以往的一般化合物半导体LED的剖面结构。在达到实用化的III族氮化物半导体LED中，基板101专门使用蓝宝石(α-Al2O3单晶)或碳化硅(化学式SiC)单晶。在基板101表面上设置有用于期待向发光层103发光和将载流子“关在里面”的下部包层102。下部包层102通常由比构成发光层103的材料的禁带宽的III族氮化物半导体，例如n型氮化铝·镓(化学式AlXGa1-XN0≤X≤1)构成的。例如，参照非专利文献1。在下部包层102上层叠发光层103。发光层103由调整成可得到所要求的发光波长那样的构成元素的组成比的III族氮化物半导体层构成。例如，具有已适宜选择的铟(元素符号In)的组成比的n型氮化镓·铟(化学式GaXIn1-XN0≤X≤1)成为一般的发光层103的构成材料。例如，参照特公昭55-3834号公报。在发光层103上设置由与为了发挥“关在里面”作用的下部包层102相反的传导型的III族氮化物半导体构成的上部包层106。为了得到发光光谱的半值宽度狭窄、单色性优良的发光，发光层103使用量子阱结构是已知的。例如，参照特开2000-133884号公报。量子阱结构中，阱层103a一般由n型GaXIn1-XN(0≤X≤1)构成。另一方面，为了在阱层103a内发光和将载流子“埋在里面”，与阱层103a接合而设置的阻挡层103b，由比阱层103a的禁带宽度大的III族氮化物半导体构成。例如，由AlXGa1-XN(0≤X≤1)构成是好的例子。参照特开2000-133884号公报。在构成发光层的量子阱结构中，有数量上含有唯一的阱层103a的单量子阱(英文简称SQW)结构。另外，已知具备使阱层103a和阻挡层103b的接合对周期地反复层叠的数个阱层103a的多重量子阱(英文简称MQW)结构。顺便说一下，在图1中例示出的发光层103，是使阱层103a和阻挡层103b的接合对3周期地反复层叠而构成的MQW结构的发光层。在如上所述的以往的LED用途的层叠结构体11中，n型传导层(具体地说是下部包层102)设置在基板101侧，而成为上部包层106的p型传导层设置在表面侧，因此称为p侧向上型。在III族氮化物半导体LED中，最一般的p侧向上型的LED10，是直接接触p型的上部包层106的表面形成p型欧姆性电极107而构成的。为了形成接触电阻低的p型欧姆性电极107，需要由导电性良好的p型传导层构成p型上部包层106。p型上部包层106迄今一般由掺杂镁(元素符号Mg)的GaN层构成。参照非专利文献1。但是，利用气相生长手段形成的掺杂Mg的GaN层，在未加工的状态(as-grown state)是高电阻的，因此，为了形成p型层，在气相生长后，要求给予热处理或真空中的电子束辐射处理等复杂的操作。例如，参照特开昭53-20882号公报和赤崎勇编著《III-V族化合物半导体》，1994年5月20日，第一版，(株)培风馆，13章。此外，还公开了设置比设置在上部包层106表面的禁带宽度小的氮化砷化镓(化学式GaAsN)混晶层，接触该层设置欧姆性电极的技术。例如，参照特开平11-40890号公报。另外，作为III-V族化合物半导体的一种，已知有单体的磷化硼(化学式BP)。参照P.POPPER著《Boron Phosphide，a III-Vcompound ofZinc-Blende Structure》，(英国)(Nature)，1975年5月25日，4569号，p.1075。磷化硼是带来发光的辐射再结合的效率较低的间接过渡型的半导体。参照(K.Seeger)著，山本惠一译《物理学丛书61，半导体的物理学(下))》，第1次印刷，(株)吉冈书店，1991年6月25日，p.507。因此，迄今磷化硼晶体层不是作为半导体发光元件或者受光元件的活性层，而是作为其他的机能层被利用。例如，呈现n型的传导的磷化硼晶体层(n型磷化硼晶体层)作为异质双极晶体管(HBT)的n型发射极层或作为用于使pn接合型硅(Si)太阳能电池的太阳光透过的窗层等利用。参照TakeoTakenaka)著《Diffusion Layers Formed in Si Substrates durimg theEpitaxial Growth of BP and Application to Devices》，(美国)，(Jouranlof Electrochemical Society)，1978年4月，第125卷，第4号，p.633-637。作为III-V族化合物半导体的一种的单体磷化硼(化学式BP)，通过掺杂镁(Mg)，可以得到p型晶体层。例如，参照特开平2-288388号公报。另外，当利用p型磷化硼晶体层形成发光元件时，p型欧姆性电极由金·锌(Au·Zn)合金构成。例如，参照特开平10-242569号公报。依赖于现有技术的p型磷化硼晶体层，例如利用有机金属化学气相淀积法(MOCVD)手段，在850℃～1150℃的高温形成。例如参照特开平2-288388号公报。另一方面，形成像上述的量子阱结构的阱层的n型GaxIn1-xN(0≤X≤1)的实用的气相生长温度成为600℃～850℃的低温(例如参照特开平6-260680号公报)。应用这样的低温是因为可抑制自本身为非常薄的层的阱层的n型GaxIn1-xN(0≤X≤1)的铟(In)的挥发，从而稳定地提供目标铟组成的阱层。例如，为了得到正向电压(Vf)或者阀值(Vth)电压减低的发光元件，形成低接触电阻的欧姆性电极的技术也是重要的。在p侧向上型的发光元件的场合，尤其，如何接触低电阻的p型传导层而形成p型欧姆性电极是重要的。在这方面，代替为形成低电阻的p型传导层而必须进行复杂的操作的以往的III族氮化物半导体层，可想到将从上述的掺杂了镁(Mg)的p型磷化硼半导体晶体层形成p型上部包层的方法作为一种上策。如果作为一例举出，有在层叠薄膜层而形成的量子阱结构的发光层上，作为上部包层设置掺杂镁(Mg)而形成的p型磷化硼晶体层，再接触上部包层而形成p型欧姆性电极，而形成p侧向上型发光元件的方法。但是，如在上述现有技术的例子中所看到的，对于构成量子阱结构的发光层的阱层和p型磷化硼层，合适的气相生长温度大不相同。因此，在高温使p型磷化硼层进行气相生长时，会导致构成阱层的含铟氮化物半导体层的铟组成比变动。铟组成比的变动，一般作为铟组成比的减少而出现，成为使阱层内的量子能级发生不稳定地变化的主要原因。由于此，对稳定制造进行所要求波长的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磷化硼系半导体发光元件，其具备异种接合结构的发光部，该发光部是在导电性或者高电阻的单晶体基板的表面上依次具备由n型化合物半导体构成的n型下部包层、由n型的III族氮化物半导体构成的n型发光层、以及由设置在该发光层上的p型的磷化硼系半导体构成的p型上部包层而构成，且该磷化硼系半导体发光元件形成有与该p型上部包层接触的p型电极而构成，其特征在于，由磷化硼系半导体构成的非晶态层设置在p型上部包层和n型发光层中间。2.根据权利要求1所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，非晶态层具有多层结构，其包括与n型发光层接触的第1非晶态层，和由比该第1非晶态层载流子浓度高的p型磷化硼系半导体构成的，与p型上部包层接触的第2非晶态层。3.根据权利要求2所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，第1非晶态层由在低于n型发光层的温度进行气相生长的磷化硼系半导体构成。4.根据权利要求2或3所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，第1非晶态层的层厚为2nm～50nm，由未掺杂的磷化硼构成。5.根据权利要求2所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，第2非晶态层由在高于该第1非晶态层的温度进行气相生长的p型磷化硼系半导体构成。6.根据权利要求2所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，第2非晶态层由未掺杂的非晶态的p型磷化硼构成，其室温下的受主浓度(acceptor concentration)是2×1019cm-3～4×1020cm-3、室温下的载流子浓度是5×1018cm-3～1×1020cm-3、而且层厚是2nm～450nm。7.根据权利要求1所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，p型上部包层由位错密度小于或等于形成n型发光层的III族氮化物半导体的位错密度的p型磷化硼系半导体构成。8.根据权利要求1所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，p型上部包层由室温下的受主浓度是2×1019cm-3～4×1020cm-3、室温下的载流子浓度是5×1018cm-3～1×1020cm-3、而且室温下的电阻率是小于或等于0.1Ω·cm的未掺杂多晶体的p型磷化硼系半导体构成的。9.根据权利要求1所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，设置在p型上部包层上的p型电极由底面电极和p型欧姆性电极构成，该底面电极与p型上部包层的表面接触，由与构成该p型上部包层的p型磷化硼系半导体形成非欧姆性接触的材料构成，该p型欧姆性电极与该底面电极电接触、而且延伸为也与p型上部包层表面接触，并且与p型磷化硼系半导体进行欧姆性接触。10.根据权利要求9所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，p型欧姆性电极在未形成该底面电极的p型上部包层的表面上作为带状电极延伸设置。11.根据权利要求9所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，底面电极由金·锡(Au·Sn)合金或者金·硅(Au·Si)合金构成。12.根据权利要求9所述的磷化硼系半导体发光元件，其特征在于，底面电极由钛(Ti)...

【专利技术属性】
技术研发人员：宇田川隆，笠原明，
申请(专利权)人：昭和电工株式会社，
类型：发明
国别省市：