氮化物半導體發光元件的制作方法

文檔序號：7224463閱讀：133來源：國知局

專利名稱：氮化物半導體發光元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過在發光層形成部的上下兩面形成反射層作為共振器，從而從表面側獲取高效發光的光的共振器發光二極管等，在發光層形成部的至少基板側形成光反射層的氮化物半導體發光元件。
背景技術：
近幾年來，正在開發一種具有通過交互地層疊折射率不同的兩層，從而能夠有選擇地使入射到多層膜的波長的光反射的分布式布拉格光
反射層(Distributed Bragg Reflector,以下稱作DBR)的半導體發光元件。一般情況下，所謂DBR是指，使目的光在真空中的波長為入，使材料的折射率為n的情況下，以入/ (4n)的膜厚交互地層疊折射率大的層與折射率小的層。由此，以入的光為中心，以與在折射率大的層向折射率小的層的交界處入射的波相同的相位被反射的波、和相對于在折射率小的層向折射率大的層的交界處入射的波相位發生反轉而被反射的波變成相同的相位，從而能夠獲得高反射率。該反射率在交互地層疊充分地具有折射率的差的兩層的情況下，能夠使用數量較少的多層膜獲得高反射率。
并且，作為利用該DBR的半導體發光元件，例如，作為實現使用氮化物半導體的激光元件的例子，如圖3所示，在藍寶石基板1上形成緩沖層9、 n-GaN接觸層10、 n-第一光反射層2、由被n和p-GaN隔離(spacer)層31、 33所夾著的活性層32構成的發光層形成部3、 p-第二光反射層4和p-GaN接觸層5，分別在p-GaN接觸層5上形成p 側電極8，在n-GaN接觸層10的露出部分形成n側電極7。 n-第一光反射層2和p-第二光反射層4，分別以入/(4n) (A為發光波長，n為折射率)的膜厚，交互地層疊由單層構造的n-AlGaN類化合物(Al與 Ga的混合晶比率并非表示一個意思，它表示各種能夠獲得的化合物，以下的(類)也使用相同的意思)構成的低折射率層21與由單層構造的n-InGaN類化合物構成的高折射率層22 (參照專利文獻1)。專利文獻1:特開平8-228048號公報(圖3)

發明內容
如果在活性層的上下方向形成具有光反射層構造的半導體發光元件，那么，沿著上下方向前進的光在光反射層中被反射并放出光。但是，在上述元件中，由于構成低折射率層的AlGaN類化合物層與構成高折射率層的InGaN類化合物層在晶格常數以及熱膨脹率等方面差異較大，因此，在光反射層內發生歪曲，使光反射層的結晶性下降，反射率不會達到理論值程度。因此，本發明人考慮低折射率層采用薄膜的AlGaN類化合物層與GaN層的多層構造。根據這種構造，光反射層的變形得到緩解，于是很難發生歪曲，從而能夠防止反射率下降。
但是，嘗試制作光反射層的低折射率層形成為AlGaN類化合物層與GaN層交互地層疊的多層構造的元件，發現雖然反射率確實得以改善，但是卻出現了活性層的品質下降，亮度降低這樣的問題。
因此，本發明的目的在于解決上述這種問題，并且提供一種具有防止反射率下降，同時不會發生活性層的品質下降亮度降低的光反射層的氮化物半導體發光元件。
本發明人通過積極研究并調査活性層品質下降的原因后發現，活性層品質下降的原因是基板與活性層之間的第一光反射層的平坦性變差。而且，通過更詳細地研究后發現，其原因在于因低折射率層形成為GaN層與AlGaN類化合物層的多層構造，故AlGaN類化合物層的厚度比現有的單層構造薄。即，如果第一光反射層的低折射率層形成為多層構造，那么，AlGaN類化合物層以外的GaN層也會被設置在低折射率層中，因此，低折射率層中的AlGaN類化合物層的總膜厚比現有的單層構造薄。并且，在該低折射率層中的AlGaN類化合物層的薄膜化，是由使防止在InGaN類化合物層構成的高折射率層中發生的被稱作V缺陷(defect)這樣的缺陷的效果減少這一點而想到的。再者，所謂V缺陷是指，當在半導體發光元件內層疊InGaN類化合物層時，妨礙該InGaN類化合物層的平坦性的V字形狀的缺陷。如果發生這種缺陷，那么，就會妨礙InGaN類化合物層表面的平坦性，被層疊在InGaN類化合物層上的層也會喪失平坦性，導致結晶性變差。
艮P，如上所述，本發明人發現如下原因，如果本發明人所發明的
低折射率層形成為AlGaN類化合物層與GaN層的多層構造，那么，就會在由InGaN類化合物層構成的高折射率層上形成AlGaN類化合物層與GaN層被交互地層疊的低折射率層，構成低折射率層的AlGaN類化合物層的總膜厚比現有的單層構造的AlGaN類化合物層薄，并且吸收在高折射率層的InGaN類化合物層中發生的V缺陷的效果減少，活性層的品質下降。
因此，本發明的氮化物半導體發光元件是至少包括基板；在該基板上設置、折射率互不相同的低折射率層與高折射率層被交互地層疊的光反射層；以及在該光反射層上設置的發光層形成部的氮化物半導體發光元件，其特征在于，上述光反射層的低折射率層由AlxGa,.xN 層(0<^<1)的單層構造構成，上述光反射層的高折射率層由AlyGai.yN 層(0<y〇0.5， y<x)或者IntGaMN層(0丘t^0.5)和InuGa卜uN層(0 <u^l， t<u)交互地層疊的多層構造構成。
并且，前述光反射層的高折射率層優選采用AlyGa^N層(0<y^ 0.5， y<x)與InuGa卜uN (0<u^l)層交互地層疊的多層構造。
并且，優選在前述發光層形成部上設置折射率互不相同的低折射率層與高折射率層被交互地層疊的第二光反射層，前述第二光反射層的低折射率層和高折射率層均由多層構造構成，提高第二光反射層的反射率。
根據本發明，在存在于基板與活性層之間的光反射層的低折射率層中采用單層構造的AlGaN類化合物層，該AlGaN低折射率層吸收在包括InGaN類化合物層的高折射率層中發生的V缺陷并使其平坦化，被層疊在光反射層上的活性層也被平坦化，活性層的結晶性不會變差。另一方面，由于高折射率層由包括InGaN類化合物層的多層構造形成，因此，與現有技術相比，光反射層的歪曲得以緩解，于是很難發生歪曲，從而能夠防止反射率下降。
并且，高折射率層采用AlzGa,.zN層((Xz^0.5， z〈x)和InuGai-uN (0<u^l)層交互地層疊的多層構造，由此，與現有技術的由未使用多層構造的單層構造的InGaN類化合物層所構成的情況相比，高折射率層中的InGaN類化合物層的膜厚也會變薄。因此，由發生V缺陷而引起的平坦性變差與現有技術相比也能夠得到抑制。因此，不僅能夠完全抑制V缺陷引起的平坦性變差，而且，能夠得到因晶格匹配和熱膨脹率的相異而引起的結晶性變差也被抑制的半導體發光元件。

圖1是表示本發明的實施方式的半導體激光器的截面說明圖。
圖2是表示本發明的其它實施方式的半導體激光器的截面說明圖。圖3是說明現有的半導體激光器的截面說明圖。符號說明 1基板
2第一光反射層
3發光層形成部
4第二光反射層
21第一光反射層低折射率層
22第一光反射層高折射率層
具體實施例方式
下面，參照附圖對本發明的氮化物半導體發光元件進行說明。本發明的氮化物半導體發光元件，作為其一個實施方式的共振器
發光二極管的斷面說明圖如圖1所示，至少具有在基板1上設置、
并且在折射率互不相同的低折射率層21和高折射率層22交互地層疊的第一光反射層2上設置的發光層形成部3，第一光反射層2的低折射率層21由AlxGa,.xN層(O^xSl)的單層構造形成，第一光反射層2 的高折射率層22由AlyGa,.yN層y<x)或者IntGai.tN層 ((Xt^0.5)禾卩InuGa,-uN層(0<u^l， t<u)的多層構造形成。另夕卜，在發光層形成部3上形成有第二光反射層4。
第一光反射層2設置在基板1上，折射率各異的低折射率層21和高折射率層22以入/(4n)的膜厚交互地層疊，由此具有作為反射率高的光反射層的功能。在圖1所示的例子中，在SiC基板1上形成的 Alo.2GaQ.8N緩沖層9上，低折射率層21和高折射率層22層疊10 50個周期形成第一光反射層2。此外，緩沖層9優選由以AlaGabIni-a-bN (0 Sa^l、 0^b^l、 OSa+b^l)的通式所表示的氮化物材料構成，但是并非局限于此。另外，緩沖層的厚度等也能夠根據用途而適當調整。
第一光反射層2的低折射率層21由AlxGai-xN層(0<x<l) 21b 的單層構造構成。AlxGa^N低折射率層21是實際用于縮小折射率的調整層，形成為A/ (4n)的厚度。AlxGa,-xN低折射率層21吸收在后述的高折射率層22中所包括的InGaN類化合物中所產生的V缺陷并使其平坦化，在第一光反射層2上層疊的活性層3也被平坦化，活性層3 的結晶性不會變差。在圖l所示的例子中，Ala3Ga().7N低折射率層21 以460nm左右(發光波長為450nm)的厚度形成。
第一光反射層2的高折射率層22由AlyGaNyN層(0<y^0.5， y <x)或者IntGa,.tN層(O^t^O.5)禾卩InuGa,.uN層(0<u^l， t<u) 的多層構造形成。InuGa,-uN層(0<u^l， t<u)是實際用于增大折射率的調整層22a。與此相對，AlyGa,—yN層(0<y ^ 0.5 ， y〈x)或者IntGauN 層(0$-0.5)是用于緩和與調整層22a以及AlxGai.xN低折射率層21 的晶格不匹配、熱膨脹率的緩和層22b。像這樣，由于高折射率層由多層構造形成，因此，與現有的未使用多層構造的情況相比，因熱膨脹率以及晶格常數的相異而產生的結晶性的惡化更加減少。
另外，由于光反射層2的緩和層22b由AlyGa,.yN層(0^y^0.5， y<x)構成，因此與現有技術相比，因發生V缺陷而導致的平坦性變差也能夠得到抑制，故非常優選。即，通過在緩和層22b中使用未包含In的AlyGa,-yN層(0^y^0.5， y<x)，由此，在高折射率層中就會存在未包含In的層，整個高折射率層的InGaN類化合物層的膜厚與現有的單層構造的InGaN類化合物層的情況相比變薄。因此，不僅能夠抑制V缺陷引起的平坦性變差，而且，能夠得到因晶格匹配和熱膨脹系數的相異而導致的結晶性變差被抑制的半導體發光元件。
例如，在圖l所示的例子中，InuGa^N調整層22a (例如11=0.02) 以0.5 2nm左右，優選是lnm左右的厚度，AlyGai.yN緩和層22b (例如y-O，即GaN層)以l 3nm左右，優選是2nm左右的厚度被層疊 15個周期。
使該第一光反射層2成為如上所述的構成，除此以外的部分，可以按照與現有的氮化物半導體發光元件的構造同樣的方式形成。但是，圖1所示的例子是共振器型發光二極管的例子，在發光層形成部3的兩側設置有第一和第二反射層2、 4。基板l使用碳化硅(SiC)基板，但是并非局限于此，也可以使用藍寶石(Ah03單結晶)基板等絕緣性
基板、GaN、 GaAs、 Si、 ZnO等半導體基板。在使用絕緣性基板的情況下，由于無法從基板的背面取出電極，因此，必須蝕刻除去半導體層疊部的一部分使下層的導電形層(在圖1的例子中為n形層31或者圖中未示的接觸層)露出。
發光層形成部3具有活性層32，形成于第一光反射層2上。發光層形成部3由以AlaGabIn|-a-bN (0蕓aSl， O^b^l, O^a+b^l)的通式所表示的氮化物材料構成。在圖l所示的例子中，以夾著活性層32 的方式設置有0.5jiim左右的n形GaN隔離層31和0.5pm左右的p形 GaN隔離層33。這些層是具有調整發光層形成部3的膜厚、即垂直方向的共振器長度的功能的層，通過將整個發光層形成部3調整為入/n，在第一和第二光反射層2、 4間形成共振器，光在共振器內放大然后從反射率被略為變小的第二光反射層4側射出。另外，如果是通常的發光二極管，那么，既可以沒有該隔離層31、 33，也可以設置電子阻擋層或空穴阻擋層等來取代隔離層31、 33，它們的組成和膜厚也可以適當調整。活性層32選擇具有與使其發光的光的波長相應的帶隙能量的材料，例如在發出波長為440 470nm的藍色光的情況下，由0.01 0.2pm左右的InQ.15GaQ.85N構成的整體(bulk)構造的材料，或者形成為1 20nm左右的InojGao.9N井層與1 20nm左右的GaN隔壁層的單一或者多重的量子井構造，并且整體形成為0.01 0.1nm左右。活性層 32以非摻雜方式形成，但是，也可以是p形層或者n形層。
在發光層形成部3上，優選通過設置反射率比第一光反射層2小的第二光反射層4而形成共振器，能夠有效地形成上面發射型元件或者側面發光的元件。在圖l所示的例子中，第二光反射層4是，與第一光反射層2同樣地設置有低折射率層41和高折射率層42，并且形成為反射率比第一光反射層2略低的構造。第二光反射層4的低折射率層41和高折射率層42分別為多層構造，這從改善第二光反射層4的反射率的觀點來看為優選。即，由于第二光反射層4的形成是在形成活性層32之后，因此，與第一光反射層2的情況不同，即便因形成高
折射率層的全部或者一部分的InGaN類化合物層發生V缺陷，也不會影響活性層32的結晶性，不比使第二光反射層4的低折射率層為 AlGaN類化合物的單層。因此，低折射率層41與高折射率層42均能夠采用多層構造，能夠防止反射率變差。
例如，在圖2所示的例子中，高折射率層42例如由InGaN類化合物、具體來講由In證Ga,N構成的調整層42a為lnm左右的厚度，由 GaN構成的緩和層42b為2nm左右的厚度層疊15個周期左右。低折射率層41例如由AlGaN類化合物、具體來講由Alo.3Gao.7N構成的調整層41a為lnm左右的厚度，GaN緩和層42b為2nm左右的厚度層疊 15個周期。然后，該低折射率層41和高折射率層42交互地形成10 50個周期。此外，也能夠交互地層疊整體構造的低折射率層41和高折射率層42或者將其中一個形成為多層構造。而且，各層的組成和膜厚也可適當改變。
在第二光反射層4上設置有透光性導電層6。例如，采用層疊Ni 與Au制成合金并形成為2 100nm左右的厚度的材料，或者ZnO層、或ITO層等的透過光，同時具有電流易于在芯片的整個面擴散那樣的導電性，并且易于得到歐姆接觸的材料形成。由于即便ZnO和ITO厚也具有透光性，因此，例如形成為0.1 2pm左右的厚度。在圖l所示的例子中，ZnO層作為透光性導電層6形成為0.3lim左右的厚度。此外，也能夠在第二光反射層4與透光性導電層6之間例如設置p形GaN 接觸層5等。一般情況下，接觸層5由載流子濃度容易增大的GaN層形成，但是，也可以用InGaN類化合物層或者AlGaN類化合物層形成。
第二電極8在圖1所示的例子中，半導體層疊部的上面側是由p 形構成的層，因此，作為p側電極形成，例如，采用Ti/Au、 Pd/Au或者Ni-Au等層疊構造，整體形成為0.1 lpm的厚度，第一電極7 (n 側電極)在圖1所示的例子中，在基板的背面側由例如Ti-Al或者Ti/Au 等合金層或者層疊構造，整體形成為0.1 lnm的厚度。另外，在使用藍寶石基板的情況下，因無法從基板背面獲取歐姆接觸，故在例如Cl2 以及BC13的混合氣體的氣氛下進行反應性離子蝕刻等干蝕刻等，在緩沖層等上形成露出面，并形成于露出面上。為了將前述的發光層形成部、光反射層等形成為n形，將H2Se、 SiH4、 GeH4、 TeH4等作為雜質原料氣體混入反應氣體內即能夠得到Se、 Si、 Ge、 Te。為了形成p形，作為Cp2Mg或DMZn的有機金屬氣體在原料氣體中混入Mg或Zn。但是，n形的情況下，即便不混入雜質，在成膜時N容易蒸發而自然地變成n形，因此，也可以利用該性質。
下面，用具體的例子對本發明的半導體發光元件的制造方法進行簡單的說明。首先，例如將SiC基板1放置在MOCVD (有機金屬化學氣相生長)裝置內，將生長的半導體層的成分氣體，例如三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦、氨氣、作為n形摻雜氣體的H2Se、 SiH4、 GeH4、 TeH4中的任一個、或者作為p形摻雜氣體的二甲基鋅或者環戊二烯鎂中的必需氣體與載流子氣體的H2或者N2 —同導入，在例如700 1200 r左右的溫度下，將n形的AlQ.2Ga().8N緩沖層9、由lnm左右的InGaN 類化合物構成的調整層22a和2nm左右的GaN緩和層22b交互地層疊 15個周期，形成約45nm的高折射率層22，接著，形成46nm左右的 Al。.;Gao.7N低折射率層。然后，將該高折射率層與低折射率層的組合交互地層疊20個周期左右，形成第一光反射層。
接著，通過順次層疊0.5 um厚的n形的GaN隔離層31、將由 Ino.,Gao';N構成的井層和由GaN構成的隔壁層交互地層疊5個周期的量子井活性層32以及0.5 u m厚度的p形GaN隔離層33，從而生長發光層形成部3。接著，在設置第二光反射層4的情況下，在生長p形 GaN隔離層后，使lnm左右的In,GaQ.98N調整層42a和2nm左右的 GaN緩和層42b交互地生長15個周期左右，形成約46nm左右的高折射率層42，接著，使2nm左右的Alo.3Ga^N調整層41a和lnm左右的 GaN緩和層42b交互地層疊15個周期，形成約45nm左右的低折射率層。然后，該低折射率層41和高折射率層42交互地形成20個周期左右。在形成第二反射層后，分別順次外延生長0.05 2ym厚的p形 GaN接觸層5。
其后，在接觸層5的整個表面設置Si02保護膜，在400 80(TC下進行20 60分鐘左右的退火。接著，在基板l的背面，通過濺射或真空蒸鍍等方法形成Ti、 An等金屬膜并形成第一電極7，在p形接觸膜 5上形成0.3um左右的ZnO透明電極6，并且，通過濺射或蒸鍍等方法形成Ti、 Al等金屬膜并形成第二電極8。之后，通過研磨基板的背面側，使基板變薄。最后，進行劃線制成芯片形成半導體元件。工業可利用性
不僅能夠提高使用氮化物半導體的LED或者激光二極管等的發光元件的特性，而且，能夠在利用這些半導體發光元件的各種電子儀器中應用。
權利要求
1.一種氮化物半導體發光元件，至少包括基板；在該基板上設置的、折射率互不相同的低折射率層與高折射率層交互地層疊的光反射層；以及在該光反射層上設置的發光層形成部，其特征在于所述光反射層的低折射率層由AlxGa1-xN(0＜x＜1)層的單層構造構成，所述光反射層的高折射率層由AlyGa1-yN(0≤y≤0.5，y＜x)層或者IntGa1-tN(0＜t≤0.5)層和InuGa1-uN(0＜u≤1，t＜u)層交互地層疊的多層構造構成。
2. 根據權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于所述光反射層的高折射率層由AlyGa,—yN (0^y^0.5， y<x)與 InuGau,N (0<u^l)層交互地層疊的多層構造構成。
3. 根據權利要求2所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于由所述AlyGa，.yN(0^y^0.5， y<x)構成的緩和層形成為l 3nm的厚度，由所述InuGaNuN (0<u^l)構成的調整層形成為0.5 2nm 的厚度。
4. 根據權利要求1所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于在所述發光層形成部的上面側還設置有折射率互不相同的低折射率層與高折射率層交互地層疊的第二光反射層。
5. 根據權利要求4所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于所述發光層形成部形成為n形層、活性層以及p形層的層疊構造，使得在活性層發光的光在所述光反射層與所述第二光反射層之間共振。
6. 根據權利要求4所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于所述第二光反射層的反射率形成為比所述光反射層的反射率小，采用從所述第二光反射層側取出光的構造。
7. 根據權利要求4所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于所述第二光反射層的低折射率層和高折射率層的至少一方由多層構造構成。
8. 根據權利要求7所述的氮化物半導體發光元件，其特征在于所述第二光反射層的高折射率層形成為由InGaN類化合物構成的調整層和由GaN構成的緩和層的層疊構造，所述第二光反射層的低折射率層形成為由AlGaN類化合物構成的調整層和由GaN構成的緩和層的層疊構造。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種具有防止反射率降低，同時不會發生活性層的品質下降、亮度降低的光反射層的氮化物半導體發光元件。本發明的氮化物半導體激光器至少包括例如被設置在基板(1)的、并且設置在折射率互不相同的低折射率層(21)和高折射率層(22)交互地層疊的第一光反射層(2)上的發光層形成部(3)，第一光反射層的低折射率層(21)由AlxGa1-xN層(0≤x≤1)的單層構造形成，第一光反射層的高折射率層(22)由AlyGa1-yN層(0≤y≤0.5，y＜x)或者IntGa1-tN層(0＜t≤0.5)和InuGa1-uN層(0＜u≤1，t＜u)的多層構造形成。
文檔編號H01S5/183GK101322253SQ200680044679
公開日2008年12月10日申請日期2006年11月28日優先權日2005年11月29日
發明者伊藤范和, 園部雅之, 酒井光彥申請人:羅姆股份有限公司

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