Ⅲ族氮化物半导体发光元件及其制造方法技术

Ⅲ族氮化物半导体发光元件及其制造方法。Ⅲ族氮化物半导体发光元件包括置于ｎ型接触层（４Ａ）与ｎ型包层（５Ａ）之间的ｎ型ＧａＮ的裂纹防止层（１５），其中，裂纹防止层１５的掺杂浓度比ｎ型接触层（４Ａ）的掺杂浓度要低。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及III族氮化物半导体发光元件及其制造方法。
技术介绍
近年来，皆由III族氮化物半导体形成的发光二极管(以下称为“LED”)和激光二极管(以下称为“LD”)是公知的。在图1所示的通过使用III族氮化物半导体材料而制成的LD元件1中，在蓝宝石的衬底2上形成有AlN的缓冲层3、n型GaN的n型接触层4、n型AlGaN制成的n型包层5、n型GaN的n型引导层6、主要成分为InGaN的有源层7、p型GaN的p型引导层8、p型AlGaN的p型包层9，以及p型GaN的p型接触层10，它们按所述顺序相互层叠。p型接触层10形成有在其厚度方向上凸出的凸脊11。在凸脊11的平坦顶部之外的部分上形成有绝缘层，并按覆盖凸脊11的方式设置有p型电极13。应当注意，在n型接触层4上形成有n型电极14。当在p型电极13与n型电极14之间施加正偏压时，作为载流子，空穴和电子分别从p型电极13和n型电极14注入LD元件1中，并在有源层7中相互复合，从而发光。构成如上的LD元件1被设计成由所述多个引导层从有源层的相对两侧夹着该有源层，并且进而由所述多个包层从外部夹着该有源层和多个引导层，由此由所述多个引导层将载流子约束在有源层内，并由所述多个包层将光约束在所述多个引导层和有源层内。该结构被称为SCH结构(分离限制异质结构)。通过增加包层的厚度或包层内的AlN的摩尔百分数，上述具有SCH结构的III族氮化物半导体激光元件可以提高元件的光约束系数。然而，公知的是，当增加AlGaN的n型包层5的厚度、或者增加该层内的AlN的摩尔百分数时，在n型包层5中产生了拉应力，这是因为AlGaN的晶格常数比GaN的晶格常数小，而这使得易于形成裂纹(例如，参见日本专利申请特开平第11-74621号公报)。n型包层5开始出现破裂的厚度被称为“产生裂纹的临界层厚度”或简称为“临界层厚度”。n型包层5内产生的裂纹会劣化LD元件的发光性质。为克服该问题，作为用于防止在n型包层内产生裂纹的方法，已提出在n型接触层与n型包层之间设置裂纹防止层(未示出)以减轻在n型包层内产生的拉应力。该裂纹防止层由厚度为100到0.5μm的InGaN形成(例如，参见日本专利申请特开平第9-148247号公报)。在其中在GaN层与AlGaN层之间设置有InGaN层以减少裂纹出现的常规发光元件中，要求在形成裂纹防止层之前和之后提高或降低称底的温度，这是因为InGaN晶体的生长温度(约700℃到800℃)低于GaN和AlGaN晶体的生长温度(约1000℃到1100℃)。此外，InGaN的晶体生长速率低于GaN的晶体生长速率，从而制造该发光元件要花费很长时间。此外，与GaN相比，InGaN需要大量在晶体生长反应中使用的氮源材料，如氨等，这导致发光元件的制造成本增加。此外，InGaN的折射率比GaN和AlGaN的折射率大，因此当把InGaN层用作位于n型包层之下的层时，未被包层完全约束的光更易于泄漏。而且，当裂纹防止层的In成分等于或大于发光层的In成分时，裂纹防止层充当光吸收层，从而造成波导损耗。这是阈电流值升高的不利因素。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题例如包括上述问题。根据本专利技术，提供了一种III族氮化物半导体发光元件，其包括n型GaN的n型接触层、n型AlxGa1-x-yInyN(0＜x＜1，0≤y＜1，0＜x+y＜1)的n型包层、有源层、p型包层以及p型接触层，该III族氮化物半导体发光元件包括置于n型接触层与n型包层之间的n型GaN的裂纹防止层，其中，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于制造半导体发光元件的方法，该半导体发光元件具有通过在衬底上逐层地按顺序层叠III族氮化物半导体的多层而构成的多层结构，该方法包括形成n型GaN的n型接触层的步骤和形成n型GaN的裂纹防止层的步骤，该裂纹防止层的掺杂浓度比n型接触层的掺杂浓度要低。附图说明图1是一种常规LD元件的剖面图。图2是根据本专利技术的LD元件的剖面图。图3是示出置于掺杂浓度为4×1018cm-3的GaN层上的n型包层的表面的照片。图4是示出置于掺杂浓度为2×1018cm-3的GaN层上的n型包层的表面的照片。具体实施例方式下面参照附图对本专利技术实施例进行详细描述。应当注意，在附图中，彼此类似或等同的组成部分和元件由相同的标号来标示。首先参照图2，根据本实施例的LD元件1A包括置于蓝宝石衬底2上的AlN的缓冲层3。缓冲层3的厚度约为50nm。在缓冲层3上设置有n型GaN的n型接触层4A。该n型接触层4A含有Si作为掺杂剂。Si的原子浓度为1×1019cm-3。优选地，掺杂浓度在4×1018cm-3到2×1019cm-3的范围内。这是因为在此范围内的掺杂浓度有助于减小整个LD元件的串联电阻。在n型接触层4A上形成有n型电极14，并在远离n型电极14的位置处形成有n型GaN的裂纹防止层15。该裂纹防止层15包含浓度为1×1017cm-3的Si掺杂剂，并且其厚度为2μm。优选地，裂纹防止层15中包含的Si掺杂剂的浓度比n型接触层4A中包含的Si掺杂剂的浓度要低，优选地低于4×1018cm-3。更优选的是，该Si掺杂剂的浓度在5×1016cm-3到5×1017cm-3的范围内。可以推测，由于裂纹防止层15的掺杂浓度比n型接触层4A的掺杂浓度低，所以裂纹防止层15的电阻将变高，从而导致LD元件的驱动电压升高。然而，载流子的迁移率随掺杂浓度降低而升高，由此抑制了裂纹防止层15的电阻率的增加。此外，由于电流沿裂纹防止层15的厚度方向流动，所以电流通路在裂纹防止层15中的长度等于裂纹防止层15的厚度。更具体来说，裂纹防止层15的厚度为几μm，而通过整个LD元件1A的电流通路的长度在100μm的量级，因而裂纹防止层15的电阻值与整个LD元件1A的电阻值之比很小。因此，即使在LD元件中设置了具有低掺杂浓度的n型GaN的裂纹防止层15，对整个元件的电阻的不利影响也很小。在裂纹防止层15上形成有n型Al0.08Ga0.92N的n型包层5A。该n型包层5A的厚度为1.2μm，并且其Si掺杂浓度为2×1018cm-3。紧接在n型包层5A之下设置具有低Si掺杂浓度的n型GaN的裂纹防止层15，增加了n型包层5A的临界层厚度。这清楚地示出在图3和图4中，图3和图4示出了在具有不同Si掺杂浓度的n型GaN层上形成有由n型Al0.08Ga0.92N制成的同时厚度为0.5μm的n型包层的各情况下裂纹的出现。更具体来说，具有较低Si掺杂浓度的n型GaN层(图4所示)的裂纹出现密度较低。认为降低的掺杂浓度使GaN晶体更不易于发生由掺杂导致的硬化现象，并且这使得n型GaN层可以变形，因而降低了GaN层上的n型包层内的拉应力。n型包层5A的晶体层厚度不仅取决于裂纹防止层15的掺杂浓度，而且取决于以下参数(1)n型包层5A中的AlN的摩尔百分数，和(2)n型包层5A的掺杂浓度。当这两个参数的相应值增加时，晶体层厚度减小，从而使得更易于产生破裂。然而，设置裂纹防止层15使得可以增大这些参数的相应值。通过增大(1)AlN的摩尔百分数的参数，可以有效地约束在LD元件1A中产生的光。此外，通过增大(2)掺杂浓度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ⅲ族氮化物半导体发光元件，其包括ｎ型ＧａＮ的ｎ型接触层、ｎ型Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｎ的ｎ型包层、有源层、ｐ型包层以及ｐ型接触层，其中０＜ｘ＜１、０≤ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１，该Ⅲ族氮化物半导体发光元件包括：置 于所述ｎ型接触层与所述ｎ型包层之间的ｎ型ＧａＮ的裂纹防止层，其中，所述裂纹防止层的掺杂浓度比所述ｎ型接触层的掺杂浓度要低。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：渡边温，高桥宏和，木村义则，宫地护，
申请(专利权)人：先锋株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]