CN101188262A - 氮化物半导体发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化物半导体发光器件，所述器件包括衬底，以及形成在所述衬底上的第一n型氮化物半导体层、发光层、第一p型氮化物半导体层、第二p型氮化物半导体层、p型氮化物半导体隧道结层、n型氮化物半导体隧道结层和第二n型氮化物半导体层，所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层形成了隧道结，并且所述p型氮化物半导体隧道结层具有比所述第二p型氮化物半导体层的铟含量比率更高的铟含量比率。所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层中的至少一个包括铝。

Description

氮化物半导体发光器件

技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，更具体而言，涉及一种具有隧道结的氮化物半导体发光器件。

背景技术

关于在其作为光输出侧的一侧含有p型氮化物半导体层的氮化物半导体发光二极管器件而言，通常需要形成在p型氮化物半导体层上的p侧电极满足以下三个条件。

第一个条件是p侧电极具有关于从氮化物半导体发光二极管器件发出的光的高透射率。第二个条件是p侧电极具有允许注入电流在发光层的平面内充分扩散的电阻和厚度。第三个条件是p侧电极具有相关于p型氮化物半导体层的低的接触电阻。

在氮化物半导体发光二极管器件的p型氮化物半导体层的一侧为光输出侧的情况下，形成在p型氮化物半导体层上的p侧电极通常是半透明的金属电极，该金属电极形成为比如钯或镍的厚度为约几nm至10nm的金属膜并且形成在p型氮化物半导体层的整个表面上。然而，这样的半透明金属电极具有关于从氮化物半导体发光二极管器件发出的光的约50％的低透射率，并由此降低了光输出效率，导致难以获得高亮度氮化物半导体发光二极管器件的问题。

因此，取代以比如钯或镍的金属膜形成的半透明金属电极，制造了具有透明导电膜的高亮度氮化物半导体发光二极管器件，所述透明导电膜由ITO(氧化铟锡)制成并形成在p型氮化物半导体层的整个表面上，从而改善了光输出效率。关于其中形成有这样的透明导电膜的氮化物半导体发光二极管器件而言，通过热处理等来改善透明导电膜与p型氮化物半导体层之间的接触电阻的问题。

专利文件1(日本特开公报No.2002-319703)公开了一种具有形成在衬底上的III族氮化物半导体多层结构的氮化物半导体发光二极管器件，所述多层结构至少含有第一n型III族氮化物半导体多层结构、p型III族氮化物半导体多层结构和第二n型III族氮化物半导体层叠结构。在第一n型III族氮化物半导体多层结构中的n型III族氮化物半导体层设置有负电极，在第二n型III族氮化物半导体多层结构中的n型III族氮化物半导体层设置有正电极，并且通过第二n型III族氮化物半导体多层结构中的n型III族氮化物半导体层和p型III族氮化物半导体多层结构中的p型III族氮化物半导体层形成了隧道结。

在专利文件1中公开的氮化物半导体发光二极管器件中，正电极形成在第二n型III族氮化物半导体多层结构中的n型III族氮化物半导体层处，并且与p型III族氮化物半导体相比，n型III族氮化物半导体具有易于增大的载流子密度。因此，与其正电极形成在p型III族氮化物半导体层处的常规结构相比，能够减小接触电阻，驱动电压降低，并且能够实现更大的输出驱动。此外，由于减小了作为氮化物半导体发光二极管器件的故障因素之一的正电极的发热，所以可以认为该二极管器件能够具有改善的可靠性。

发明内容

然而，由ITO制成的透明导电膜具有在高温下光学特性不可逆转地改变的问题，导致了关于可见光的减小的透射率。此外，在使用由ITO制成的透明导电膜的情况下，因为要防止关于可见光的透射率降低，所以存在形成由ITO制成的透明导电膜之后的工艺的温度范围受限的问题。此外，存在由ITO制成的透明导电膜因大电流操作而劣化并由此变黑的问题。

关于在专利文件1的实例中公开的氮化物半导体发光二极管器件而言，其In(铟)含量比率大致等于发光层的In含量比率的p型InGaN层和n型InGaN层形成了隧道结，并且相应的膜厚度为每个50nm。

如在专利文件1的实例中所公开的那样，为了以固相的形式充分地供应In，有必要将生长温度降低到大约800℃。然而，在低温下难以得到具有1×10¹⁹/cm³或更高的高载流子密度的p型InGaN层。因此，不能减小隧道结处的电压损失，导致了驱动电压增大的问题。

此外，关于专利文件1中公开的氮化物半导体发光二极管器件，与正电极的接触电阻能够被减小，然而由于隧道结处电压损失所致的可靠性是需要关注的问题。

例如，在专利文件1的实例1中，公开了具有载流子密度为1×10¹⁹/cm³的p型In_0.16Ga_0.84N层和载流子密度为1×10²⁰/cm³的n型In_0.16Ga_0.84N层的隧道结的氮化物半导体发光二极管器件。在以大电流密度来驱动如此构造的氮化物半导体发光二极管器件的情况下，由于InGaN的氮化物半导体层的高密度掺杂杂质和晶格缺陷等导致了劣化，这是可靠性劣化的原因。

因此，本发明的一个目的是提供一种能够减小其驱动电压的氮化物半导体发光器件。

本发明的另一目的是提供一种能够改善其可靠性的氮化物半导体发光器件。

根据本发明的第一方面，提供了一种氮化物半导体发光器件，所述器件包括衬底，以及形成在所述衬底上的第一n型氮化物半导体层、发光层、第一p型氮化物半导体层、第二p型氮化物半导体层、p型氮化物半导体隧道结层、n型氮化物半导体隧道结层和第二n型氮化物半导体层，所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层形成了隧道结，并且所述p型氮化物半导体隧道结层具有比所述第二p型氮化物半导体层的铟含量比率更高的铟含量比率。

此处，关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，“所述p型氮化物半导体隧道结层具有铟含量比率”中的“铟含量比率”意味着In原子的数目与包括在p型氮化物半导体隧道结层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率。“第二p型氮化物半导体层的In含量比率”意味着In原子的数目与包括在第二p型氮化物半导体层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率。这里，Al表示铝，Ga表示镓，In表示铟。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选第二p型氮化物半导体层具有不小于2nm的厚度。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选第二p型氮化物半导体层具有不小于临界厚度的厚度。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选第二p型氮化物半导体层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述p型氮化物半导体隧道结层具有不大于5nm的厚度。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述p型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述第一p型氮化物半导体层的带隙大于所述第二p型氮化物半导体层的带隙，且所述第二p型氮化物半导体的带隙大于所述p型氮化物半导体隧道结层的带隙。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层包括铟。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的n型杂质。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层具有不大于10nm的厚度。

根据本发明的第二方面，提供了一种氮化物半导体发光器件，所述器件包括衬底，以及相继形成在所述衬底上的第一n型氮化物半导体层、发光层、p型氮化物半导体层、p型氮化物半导体隧道结层、n型氮化物半导体隧道结层和第二n型氮化物半导体层，所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层形成了隧道结，并且所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层中的至少一个包括铝。

此处，关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，可以在从所述衬底与所述第一n型氮化物半导体层之间的部分、所述第一n型氮化物半导体层与所述发光层之间的部分、所述发光层与所述p型氮化物半导体隧道结层之间的部分、及所述n型氮化物半导体隧道结层与所述第二n型氮化物半导体层之间的部分构成的组中选取的至少一个部分中形成另一层。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层中的至少一个的铝含量为不小于1原子百分比且不大于5原子百分比。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，表示Al含量的“原子百分比”指的是在Al包括在p型氮化物半导体隧道结层中而不包括在n型氮化物半导体隧道结层中的情况下，所包括的Al原子数目相对于包括在p型氮化物半导体隧道结层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率(％)。在Al包括在n型氮化物半导体隧道结层中而不包括在p型氮化物半导体隧道结层中的情况下，表示Al含量的“原子百分比”指的是所包括的Al原子数目相对于包括在n型氮化物半导体隧道结层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率(％)。在Al包括在n型氮化物半导体隧道结层和p型氮化物半导体隧道结层两者中的情况下，表示Al含量的“原子百分比”指的是所包括的Al原子数目相对于包括在p型氮化物半导体隧道结层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率(％)和所包括的Al原子数目相对于包括在n型氮化物半导体隧道结层中的III族元素(Al、Ga和In)的原子总数目的比率(％)中的至少一个。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述p型氮化物半导体隧道结层包括铝和铟，并且铟含量高于铝含量。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层包括铝和铟，并且铟含量高于铝含量。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述p型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

关于本发明第二方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的n型杂质。

关于本发明第一方面中的氮化物半导体发光器件，优选所述n型氮化物半导体隧道结层具有不大于10nm的厚度。

关于本发明，“p型杂质的掺杂密度”指的是包括在氮化物半导体中的p型杂质原子的密度，“n型杂质的掺杂密度”指的是包括在氮化物半导体中的n型杂质原子的密度，并且所述p型杂质的掺杂密度和所述n型杂质的掺杂密度中的每一个可以通过例如SIMS(二次离子质量光谱)来定量的计算。

根据本发明的第一方面，能够提供可减小驱动电压的氮化物半导体发光器件。

根据本发明的第二方面，能够提供可改善可靠性的氮化物半导体发光器件。

通过结合附图对于本发明的以下详细描述，本发明的以上和其他目的、特征、方面和优点将变得更加明了。

附图说明

图1是作为本发明的氮化物半导体发光器件一个实例的氮化物半导体发光二极管器件的优选实例的示意性剖面图；

图2是实例1至2中的氮化物半导体发光二极管器件的示意性剖面图；

图3示出了实例1中氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压和p型InGaN层的厚度之间的关系；

图4示出了实例2中氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压和p型隧道结层的厚度之间的关系；

图5示出了实例2中氮化物半导体发光二极管器件的光输出和p型隧道结层的厚度之间的关系；

图6是实例3中的氮化物半导体发光二极管器件的示意性剖面图；

图7是比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件的示意性剖面图；

图8是作为本发明的氮化物半导体发光器件一个实例的氮化物半导体发光二极管器件的优选实例的示意性剖面图；

图9是实例4至6中的氮化物半导体发光二极管器件的示意性剖面图；

图10示出了实例4中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度与n型隧道结层和p型隧道结层的Al含量之间的关系；以及

图11示出了实例4中的氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压与n型隧道结层和p型隧道结层的Al含量之间的关系。

具体实施方式

以下，将描述本发明的实施例。在本发明的附图中，相同的附图标记表示相同或相应的元件。

第一实施例

图1示出了作为本发明的氮化物半导体发光器件一个实例的氮化物半导体发光二极管器件的优选实例的示意性剖面图。此处，图1所示的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括衬底1，以及相继沉积在衬底1上的第一n型氮化物半导体层2、发光层3、第一p型氮化物半导体层4、第二p型氮化物半导体层5、p型氮化物半导体隧道结层6、n型氮化物半导体隧道结层7、n型氮化物半导体蒸发减少层(n-type nitride semiconductorvaporization reduction layer)8和第二n型氮化物半导体层9，并具有形成在第一n型氮化物半导体层2上的n侧电极10和形成在第二n型氮化物半导体层9上的p侧电极11。

与正电极形成在常规p型氮化物半导体层处的常规结构相比，如此构造的氮化物半导体发光器件可具有更小的接触电阻，还可具有减小的驱动电压，而要关注的问题是在隧道结处怎样能够减小电压损失，所述隧道结是p型氮化物半导体隧道结层6与n型氮化物半导体隧道结层7之间的结。

通常由以下表达式(1)来表示隧道结的隧穿几率Tt。

Tt＝exp((-8π(2m_e)^1/2Eg^3/2)/(3qhε))  ...(1)

在以上表达式(1)中，Tt表示隧穿几率，m_e表示导带电子(conductionelectron)的有效质量，Eg表示能隙，q表示电子的电荷，h表示普朗克常数，ε表示施加到隧道结的电场。

为了减小氮化物半导体发光器件的驱动电压，所需的是增大该隧穿几率Tt。从以上表达式(1)可以看出，增大隧穿几率Tt的可能的方法是减小隧道结处的能隙Eg并增大施加到隧道结的电场ε。

为了减小隧道结处的能隙Eg，优选的是p型氮化物半导体隧道结层6和n型氮化物半导体隧道结层7每一个都含有In并且In含量比率较高。如果p型氮化物半导体隧道结层6的In含量比率高于发光层3的In含量比率，则发光层3发出的光被隧道结吸收，这是光输出效率劣化的原因。因此，优选的是p型氮化物半导体隧道结层6的厚度较小。

N型氮化物半导体隧道结层7含有高活化比率(activation ratio)的n型杂质并由此能够实现高的载流子密度。因此，能够减小被驱动时隧道结的n侧上耗尽层的宽度。在改善光输出效率方面，优选的是n型氮化物半导体隧道结层7的厚度等于或小于p型氮化物半导体隧道结层6的厚度。

然而，如上所述，在固相的In要充分地进入p型氮化物半导体隧道结层6的情况下，生长温度不得不降低到大约800℃，并且难以增大p型氮化物半导体隧道结层6的载流子密度。

因此，本发明具有以下特征，即，p型氮化物半导体隧道结层6中的In含量比率高于第二p型氮化物半导体层5中的In含量比率。由于这种结构，p型氮化物半导体隧道结层6相对于第二p型氮化物半导体层5具有晶格失配，并且由于这些层的界面处或界面附近第二p型氮化物半导体层5与p型氮化物半导体隧道结层6之间的电子亲和势的差异产生了电场，因此，p型氮化物半导体隧道结层6的空穴被吸引到界面及其附近并产生了二维电子气。由于所产生的二维电子气的效应，能够在p型氮化物半导体隧道结层6一侧的界面附近局部地增大载流子密度。因此，能够增大隧道结的隧穿几率Tt。因而，能够减小隧道结处的电压损失。

为了增大施加到隧道结的电场ε，可以增大p型氮化物半导体隧道结层6和n型氮化物半导体隧道结层7的相应的离子化杂质密度。此处，由于优选的是p型氮化物半导体隧道结层6的离子化杂质密度为1×10¹⁸/cm³或更大，所以优选的是p型氮化物半导体隧道结层6中p型杂质的掺杂密度为1×10¹⁹/cm³或更大。作为本发明的p型杂质，可以使用例如Mg(镁)和/或Zn(锌)用于掺杂。

由于优选的是n型氮化物半导体隧道结层7的离子化杂质密度为1×10¹⁹/cm³或更大，所以优选的是n型氮化物半导体隧道结层7中n型杂质的掺杂密度为1×10¹⁹/cm³或更大。作为本发明的n型杂质，可以使用例如Si(硅)和/或Ge(锗)用于掺杂。

增大隧穿几率Tt的另一方法是形成中间能级。形成中间能级的一个方法例如是形成位错。为了形成位错，第二p型氮化物半导体层5优选相对于下面的第一p型氮化物半导体层4具有晶格失配，并优选具有2nm或更大的厚度，所述厚度优选为临界厚度或更大。在如此形成位错的情况下，位错导致了隧道结的中间能级。载流子也能够隧穿通过中间能级，由此能够增大隧穿几率Tt，并有可能减小驱动电压。

临界厚度通常由以下表达式(2)表示。

h_c＝(a_e/(2^1/2πf))×((1-v/4)/(1+v))×(ln(h_c2^1/2/a_e)+1)...(2)

在表达式(2)中，h_c表示第二p型氮化物半导体层5的临界厚度，a_e表示第二p型氮化物半导体层5的晶格常数，f表示(a_s-a_e)/a_e的绝对值的最大值，v表示第二p型氮化物半导体层5的泊松比。此外，a_s表示第一p型氮化物半导体层4的晶格常数。

作为衬底1，例如可以使用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或氧化锌衬底等等。

作为第一p型氮化物半导体层2，例如可以使用掺杂有n型杂质的氮化物半导体晶体。

作为发光层3，例如可以生长具有单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构的氮化物半导体晶体。特别是，优选的是使用含有多量子阱结构的发光层，所述多量子阱结构包括由以下组成式表示的氮化物半导体晶体：

Al_a1In_b1Ga_1-(a1+b1)N(0≤a1≤1，0≤b1≤1，0≤1-(a1+b1)≤1)

在所述组成式中，a1表示Al的含量比率，b1表示In的含量比率，1-(a1+b1)表示Ga的含量比率。

作为第一p型氮化物半导体层4，可以使用掺杂有p型杂质的氮化物半导体晶体。例如，可以使用其上生长p型GaN层的含Al的p型氮化物半导体层，或者在其上生长有p型GaN层的含Al的p型氮化物半导体层上进一步生长含In的p型氮化物半导体层。

作为第二p型氮化物半导体层5，可以使用掺杂有p型杂质的氮化物半导体晶体。在第二p型氮化物半导体层5相对于第一p型氮化物半导体层4的最上层具有晶格失配的情况下，优选在超过临界厚度的阶段形成位错。此外，在p型氮化物半导体隧道结层6的厚度足够小、例如5nm或更小时，在第二p型氮化物半导体层5中也形成耗尽层，优选可以使用掺杂有p型杂质的通过组成式In_xGa_1-xN(0≤x＜1)表示的氮化物半导体晶体层。在以上组成式中，x1表示In含量比率，而1-x1表示Ga含量比率。优选地，第二p型氮化物半导体层5的p型杂质的掺杂密度为1×10¹⁹/cm³或更高。在第二p型氮化物半导体层5的p型杂质的掺杂密度小于1×10¹⁹/cm³的情况下，第二p型氮化物半导体层5的电阻增大，可能导致增大的驱动电压。

例如，在第一p型氮化物半导体层4为其上生长有p型GaN层的p型AlGaN层的情况下，第二p型氮化物半导体层5优选为掺杂有p型杂质的通过组成式In_x1Ga_1-x1N(0≤x1＜1)表示的氮化物半导体晶体层。在第一p型氮化物半导体层4的最上层是p型AlGaN层的情况下，第二p型氮化物半导体层5可以是p型GaN层。此外，为了防止光输出效率降低，第二p型氮化物半导体层5的带隙能量可以等于或大于对应于发光层3发出的光波长的能量。

此外，如上所述，优选p型氮化物半导体隧道结层6为含In的氮化物半导体，并且优选p型氮化物半导体隧道结层6的离子化杂质密度为1×10¹⁸/cm³或更高。

对于第一p型氮化物半导体层4、第二p型氮化物半导体层5和p型氮化物半导体隧道结层6之间的带隙的关系，优选的是第一p型氮化物半导体层4的带隙大于第二p型氮化物半导体层5的带隙，并且第二p型氮化物半导体层5的带隙大于p型氮化物半导体隧道结层6的带隙。在第二p型氮化物半导体层5的带隙大于第一p型氮化物半导体层4的带隙的情况下，p型掺杂剂具有增大的活化能从而引起减小的载流子密度，可能导致增大的驱动电压。

此外，如上所述，为了增大隧穿几率Tt，优选的是n型氮化物半导体隧道结层7为含In的氮化物半导体，并且优选n型氮化物半导体隧道结层7的离子化杂质密度为1×10¹⁸/cm³或更高。此处，由于n型氮化物半导体隧道结层7的离子化杂质密度能够高于p型氮化物半导体层的离子化杂质密度，所以n型氮化物半导体隧道结层7可以为例如不含In的氮化物半导体，比如GaN。

由于n型氮化物半导体隧道结层7具有低的施主能级和高的活化比率，所以离子化杂质密度可以更高，例如1×10¹⁹/cm³或更高。鉴于隧道结耗尽层朝向n型氮化物半导体隧道结层7的小的扩展并鉴于从发光层3发出的光被吸收量的减少，优选n型氮化物半导体隧道结层7的厚度为10nm或更小。

N型氮化物半导体隧道结层7可以与n型杂质一起掺杂有p型杂质。在这种情况下，可以预期的是，例如，来自p型氮化物半导体隧道结层6的p型杂质的扩散被限制并且在耗尽层内部形成了中间能级，这例如能够有助于隧穿几率的改善。

P型氮化物半导体隧道结层6和n型氮化物半导体隧道结层7可以分别含有相反导电类型的层和/或未掺杂的层。相反导电类型的层和未掺杂层的相应厚度可以是允许载流子在隧道结中隧穿的厚度(例如2nm或更小)。

此外，由于形成了n型氮化物半导体蒸发减少层8，所以在p型氮化物半导体隧道结层6和/或n型氮化物半导体隧道结层7含有In的情况下，能够抑制In从这些层蒸发。

此处，作为n型氮化物半导体蒸发减少层8，可以使用掺杂有n型杂质的通过组成式Al_c1In_d1Ga_1-(c1+d1)N(0≤c1≤1，0≤d1≤1，0≤1-(c1+d1)≤1)表示的氮化物半导体晶体层，尤其优选使用n型GaN。在以上组成式中，c1表示Al含量比率，d1表示In含量比率，1-(c1+d1)表示Ga含量比率。

通过形成第二n型氮化物半导体层9，能够使从形成在第二n型氮化物半导体层9上的p侧电极11注入的电流扩散。

此处，作为第二n型氮化物半导体层9，优选可以使用掺杂有n型杂质的氮化物半导体晶体，尤其优选低电阻层。特别是，所需的是其由具有1×10¹⁸/cm³或更高的载流子密度的GaN形成。

此外，作为形成在第一n型氮化物半导体层2上的n侧电极10和形成在第二n型氮化物半导体层9上的p侧电极11，例如，优选可以使用从Ti(钛)、Hf(铪)和Al(铝)构成的组中选取的至少一种金属来形成电极以便形成欧姆接触。

此处，可以在如上所述生长第二n型氮化物半导体层9之后从晶片的第二氮化物半导体层9一侧通过蚀刻来暴露第一n型氮化物半导体层2的一部分并在暴露的表面上形成电极，来形成n侧电极10。

可选地，对于单独制备的导电支撑衬底，可以将生长第二n型氮化物半导体层9之后晶片的第二n型氮化物半导体层9的那侧进行附着。这样，第一n型氮化物半导体层2一侧是光输出侧，而第二n型氮化物半导体层9一侧是支撑衬底侧。可以在支撑衬底侧上形成高反射率的从Al、Pt和Ag构成的组中选取的至少一种金属。由此，可以制造具有顶部和底部电极结构的氮化物半导体发光二极管器件。

对于具有顶部和底部电极结构的这样的氮化物半导体发光二极管器件，第二n型氮化物半导体层9可以具有比常规的p型氮化物半导体层更高的载流子密度。因此，与金属的功函数无关，更易于实现通过载流子隧穿得到的欧姆特性。因此，可以在第二n型氮化物半导体层9上形成如上所述的高反射率金属，表现出光输出效率改善的趋势。

第二实施例

图2示出了作为本发明的氮化物半导体发光器件一个实例的氮化物半导体发光二极管器件的优选实例的示意性剖面图。此处，图2所示的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括衬底21，以及相继沉积在衬底21上的第一n型氮化物半导体层22、发光层23、p型氮化物半导体层24、p型氮化物半导体隧道结层25、n型氮化物半导体隧道结层26、n型氮化物半导体蒸发减少层27和第二n型氮化物半导体层28，并具有形成在第一n型氮化物半导体层22上的n侧电极29和形成在第二n型氮化物半导体层28上的p侧电极30。

与正电极形成在常规p型氮化物半导体层处的常规结构相比，如此构造的氮化物半导体发光器件可具有更小的接触电阻，还可具有减小的驱动电压，而要关注的问题是在隧道结处怎样能够减小电压损失，所述隧道结是p型氮化物半导体隧道结层25与n型氮化物半导体隧道结层26之间的结。

通常由以上表达式(1)来表示该隧道结的隧穿几率Tt。

为了减小氮化物半导体发光器件的驱动电压，所需的是增大该隧穿几率Tt。从以上表达式(1)可以看出，增大隧穿几率Tt的可能的方法是减小隧道结处的能隙Eg并增大施加到隧道结的电场ε。

对于例如在专利文件1中公开的构造成具有p型InGaN层与n型InGaN层之间的隧道结的常规氮化物半导体发光二极管器件，作为减小隧道结的能隙Eg的方法，可以想到增大p型InGaN层的In含量和n型InGaN层的In含量。作为增大施加到隧道结的电场ε的方法，可以想到增大p型InGaN的离子化杂质密度和n型InGaN层的离子化杂质密度。

然而，对于专利文件1中公开的常规氮化物半导体发光二极管器件，必须在900℃或更低的低温下生长p型InGaN层并生长n型InGaN层，以允许In以固相被包含，这导致了这些层结晶度的劣化。此外，由于p型InGaN层和n型InGaN层每一个都是三重混合晶体，所以存在比如点缺陷和线缺陷的非常多的晶格缺陷。此外，为了增大离子化杂质密度，进行高密度杂质掺杂。由于这些因素，氮化物半导体发光二级管器件具有劣化的可靠性。

因此，本发明的发明者全面研究并发现了通过使形成隧道结的p型氮化物半导体隧道结层25和n型氮化物半导体隧道结层26中的至少一个含有Al，即使在p型氮化物半导体隧道结层25和n型氮化物半导体隧道结层26在低温下生长的情况下或者在为增大离子化杂质浓度而进行高密度杂质掺杂的情况下，也可以改善可靠性，并由此实现了本发明，

此处，在p型氮化物半导体隧道结层25和/或n型氮化物半导体隧道结层26含有Al的情况下，在抑制驱动电压增大方面，优选的是Al含量为1原子百分比或更高以及5原子百分比或更低。例如，优选的是将通过对组成式Al_x2In_y2Ga_1-(x2+y2)N(0.01＜x2≤0.05，0＜y2＜1，x2＜y2)表示的四元混合晶体的氮化物半导体晶体掺杂p型杂质和/或n型杂质制备的材料用作p型氮化物半导体隧道结层25和/或n型氮化物半导体隧道结层26。在以上组成式中，x2表示Al含量比率，y2表示In含量比率，1-(x2+y2)表示Ga含量比率。

为了减小驱动电压，优选的是p型氮化物半导体隧道结层25的离子化杂质密度为1×10¹⁸/cm³或更高。因此，优选的是p型氮化物半导体隧道结层25的p型杂质的掺杂密度为1×10¹⁹/cm³或更高。对于本发明而言，作为p型杂质，可以使用例如Mg(镁)和/或Zn(锌)用于掺杂。

此外，为了减小驱动电压，优选的是n型氮化物半导体隧道结层26的离子化杂质密度为1×10¹⁹/cm³或更高。因此，优选的是n型氮化物半导体隧道结层26的n型杂质的掺杂密度为1×10¹⁹/cm³或更高。对于本发明而言，作为n型杂质，可以使用例如Si(硅)和/或Ge(锗)用于掺杂。

由于n型氮化物半导体隧道结层26具有低的施主能级和高的活化比率，所以离子化杂质密度可以较高，例如1×10¹⁹/cm³或更高。鉴于隧道结耗尽层朝向n型氮化物半导体隧道结层26的小的扩展并鉴于从发光层23发出的光被吸收量的减少，优选n型氮化物半导体隧道结层26的厚度为10nm或更小。

N型氮化物半导体隧道结层26可以与n型杂质一起掺杂有p型杂质。在这种情况下，可以预期的是，例如，来自p型氮化物半导体隧道结层25的p型杂质的扩散被限制并且在耗尽层内部形成了中间能级，这能够有助于隧穿几率的改善。

P型氮化物半导体隧道结层25和n型氮化物半导体隧道结层26可以分别含有相反导电类型的层和/或未掺杂的层。相反导电类型的层和未掺杂层的相应厚度可以是允许载流子在隧道结中隧穿的厚度(例如2nm或更小)。

作为衬底21，例如可以使用硅衬底、碳化硅衬底或氧化锌衬底。

作为第一n型氮化物半导体层22，例如可以使用掺杂有n型杂质的氮化物半导体晶体。

作为发光层23，例如可以生长具有单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构的氮化物半导体晶体。特别是，优选的是使用含有多量子阱结构的发光层，所述多量子阱结构包括由以下组成式表示的氮化物半导体晶体：

Al_a2In_b2Ga_1-(a2+b2)N(0≤a2≤1，0≤b2≤1，0≤1-(a2+b2)≤1)

在所述组成式中，a2表示Al的含量比率，b2表示In的含量比率，1-(a2+b2)表示Ga的含量比率。

作为p型氮化物半导体层24，例如可以使用掺杂有p型杂质的氮化物半导体晶体。特别是，可以使用其上生长有p型GaN层的具有含Al的p型覆层的氮化物半导体层。

由于形成了n型氮化物半导体蒸发减少层27，所以在p型氮化物半导体隧道结层25和/或n型氮化物半导体隧道结层26含有In的情况下，能够抑制In从这些层蒸发。

此处，作为n型氮化物半导体蒸发减少层27，可以使用掺杂有n型杂质的通过组成式Al_c2In_d2Ga_1-(c2+d2)N(0≤c2≤1，0≤d2≤1，0≤1-(c2+d2)≤1)表示的氮化物半导体晶体层，尤其优选使用n型GaN。在以上组成式中，c2表示Al含量比率，d2表示In含量比率，1-(c2+d2)表示Ga含量比率。此外，优选在大约等于用于P型氮化物半导体隧道结层25和/或n型氮化物半导体隧道结层26的温度下生长n型氮化物半导体蒸发减少层27。

通过形成第二n型氮化物半导体层28，能够使从形成在第二n型氮化物半导体层28上的p侧电极30注入的电流扩散。

此处，作为第二n型氮化物半导体层28，优选可以使用掺杂有n型杂质的氮化物半导体晶体，尤其优选低电阻层。特别是，理想的是具有1×10¹⁸/cm³或更高的载流子密度的GaN。

作为形成在第一n型氮化物半导体层22上的n侧电极29和形成在第二n型氮化物半导体层28上的p侧电极30，例如，优选可以使用从Ti(钛)、Hf(铪)和Al(铝)构成的组中选取的至少一种金属从而形成欧姆接触。

此处，可以在如上所述生长第二n型氮化物半导体层28之后从晶片的第二氮化物半导体层28一侧通过蚀刻来暴露第一n型氮化物半导体层22的一部分并在暴露的表面上形成电极，来形成n侧电极29。

供选地，对于单独制备的导电支撑衬底，可以将生长第二n型氮化物半导体层28之后晶片的第二n型氮化物半导体层28的那侧进行附着。这样，第一n型氮化物半导体层22一侧是光输出侧，而第二n型氮化物半导体层28一侧是支撑衬底侧。可以在支撑衬底侧上形成高反射率的从Al、Pt和Ag构成的组中选取的至少一种金属。由此，可以制造具有顶部和底部电极结构的氮化物半导体发光二极管器件。

对于具有顶部和底部电极结构的这样的氮化物半导体发光二极管器件，第二n型氮化物半导体层28可以具有比常规的p型氮化物半导体层更高的载流子密度。因此，与金属的功函数无关，更易于实现通过载流子隧穿得到的欧姆特性。因此，可以在第二n型氮化物半导体层28上形成如上所述的高反射率金属，表现出光输出效率改善的趋势。

实例1

在实例1中，制造如图3的示意性剖面图中所示构造的氮化物半导体发光二极管器件。此处，实例1中的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括在蓝宝石衬底101上按以下顺序沉积的GaN缓冲层102、n型GaN下层103、n型GaN接触层104、发光层105、p型AlGaN覆层106、p型GaN接触层107、p型InGaN层108、p型隧道结层109、n型隧道结层110、n型GaN蒸发减少层111和n型GaN层112，并具有形成在n型GaN层112表面上的衬垫电极(pad electrode)113和形成在n型GaN接触层104表面上的衬垫电极114。

首先，在MOCVD设备的反应器中设置蓝宝石衬底101。在将氢施加到反应器中时，蓝宝石衬底101的温度增大到1050℃以清洁蓝宝石衬底101的表面(c平面)。

接着，将蓝宝石衬底101的温度下降到510℃，并将氢作为载气以及将氨和TMG(三甲基镓)作为源材料气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在蓝宝石衬底101的表面(c平面)上生长GaN缓冲层102至约20nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度升高到1050℃，并将氢作为载气、将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在GaN缓冲层102上生长掺杂Si的n型GaN下层103(载流子密度：1×10¹⁸/cm³)至6μm的厚度。

然后，除了进行Si掺杂以提供5×10¹⁸/cm³的载流子密度之外，以和n型GaN下层103类似的方式，通过MOCVD在n型GaN下层103上生长n型GaN接触层104至0.5μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度下降到700℃，并将氢作为载气，将氨、TMG和TMI(三甲基铟)作为源材料气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在n型GaN接触层104上以交替的6个循环生长2.5nm厚的In_0.25Ga_0.75N层和18nm的GaN层，由此在n型GaN接触层104上形成具有多量子阱结构的发光层105。显而易见的是，在形成发光层105的工艺中，在生长GaN层时TMI没有施加到反应器中。

然后，将蓝宝石衬底101的温度升高到950℃，并将氢作为载气，将氨、TMG和TMA(三甲基铝)作为源材料气体以及将CP2Mg(环戊二烯镁，cyclopentadienyl magnesium)作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在发光层105上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的Al_0.15Ga_0.85N构成的p型AlGaN覆层106至约30nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在950℃，并将氢作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型AlGaN覆层106上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的GaN构成的p型GaN接触层107至0.1μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层107上生长p型InGaN层108至0至50nm范围内的预定厚度，所述p型InGaN层108是掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.25Ga_0.75N构成的第二p型氮化物半导体层。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到670℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型InGaN层108上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.30Ga_0.70N构成的p型隧道结层109至2nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底101的温度保持在670℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层109上生长掺杂有Si的In_0.30Ga_0.70N构成的n型隧道结层110(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在670℃，并将氮作为载气，将氨、和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而在n型隧道结层110上生长掺杂有Si的GaN构成的n型GaN蒸发减少层111(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至15nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底101的温度升高到950℃，并将氢作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在n型GaN蒸发减少层111上生长掺杂有密度为1×10¹⁹/cm³的Si的GaN构成的n型GaN层112至0.2μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，并将氮作为载气施加到反应器中以进行退火。

从反应器移开退火之后的晶片，在晶片最上层、即n型GaN层112的表面上，形成图案化的掩模。通过RIE(反应性离子蚀刻)，从n型GaN层112一侧蚀刻晶片的一部分从而暴露n型GaN接触层104的一部分表面。

然后，在n型GaN层112的表面上，形成衬垫电极113，并在n型GaN接触层104上，形成衬垫电极114。此处，通过在n型GaN层112和n型GaN接触层104的相应表面上相继沉积Ti层和Al层来同时形成衬垫电极113和衬垫电极114。之后，将晶片分成多个芯片从而制造具有图3中示意性剖面图所示结构的实例1中的氮化物半导体发光二极管器件。

图4示出了实例1中氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压和p型InGaN层108的厚度之间的关系。在图4中，纵轴表示当注入20mA的电流时的驱动电压(V)，横轴表示p型InGaN层108的厚度(nm)。

如图4所示，驱动电压随着p型InGaN层108厚度的增大而减小，直至到达p型InGaN层108的20nm的厚度。在作为第二p型氮化物半导体层的p型InGaN层108的厚度为10nm或更小时，可以确定的是驱动电压显著减小。

实例2

在与实例1相同的条件下并且通过与实例1相同的方法制造氮化物半导体发光二极管器件，直至生长p型GaN接触层107的步骤。

将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层107上生长p型InGaN层108至20nm的厚度，所述p型InGaN层108是掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.25Ga_0.75N构成的第二p型氮化物半导体层。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到670℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型InGaN层108上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.30Ga_0.70N构成的p型隧道结层109至0至10nm范围内的预定厚度。

之后，在与实例1相同的条件下并且通过与实例1相同的方法，制造实例2中的氮化物半导体发光二极管器件。

图5示出了实例2中氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压和p型隧道结层109的厚度之间的关系。在图5中，纵轴表示当注入20mA的电流时的驱动电压(V)，横轴表示p型隧穿层109的厚度(nm)。

如图5所示，在p型隧道结层109的厚度为5nm或更小的情况下，驱动电压降低。在p型隧道结层109的厚度为1nm或更大以及3nm或更小的情况下，驱动电压尤为降低。

图6示出了实例2中氮化物半导体发光二极管器件的光输出与p型隧道结层109的厚度之间的关系。在图6中，纵轴表示光输出(.a.u)而横轴表示p型隧道结层109的厚度(nm)。

如图6所示，可以确定的是光输出随着p型隧道结层109厚度的减小而增大。

从图5和6的结果中，可以确定的是，在减小驱动电压和改善光输出方面，优选的是p型隧道结层109的厚度为5nm或更小，更优选地为1nm或更大及3nm或更小。

实例3

在实例3中，制造如图7的示意性剖面图所示构造的氮化物半导体发光二极管器件。此处，实例3中的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括在导电衬底55上相继沉积的欧姆接触层56、第一接合金属层(firstbonding metal layer)57、第二接合金属层54、阻挡层53、反射层52、n型GaN层112、n型GaN蒸发减小层111、n型隧道结层110、p型隧道结层109、p型InGaN层108、p型GaN接触层107、p型AlGaN覆层106、发光层105、n型GaN接触层104、n型GaN下层103和衬垫电极58。

在实例3中，以和实例1类似的方式制造二极管器件直至生长p型GaN接触层107的步骤。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层107上生长p型InGaN层108至20nm的厚度，所述p型InGaN层108是掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.25Ga_0.75N构成的第二p型氮化物半导体层。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到670℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型InGaN层108上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.30Ga_0.70N构成的p型隧道结层109至2nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底101的温度保持在670℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层109上生长掺杂有Si的In_0.30Ga_0.70N构成的n型隧道结层110(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在670℃，并将氮作为载气，将氨、和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而在n型隧道结层110上生长掺杂有Si的GaN构成的n型GaN蒸发减少层111(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至15nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底101的温度升高到950℃，并将氢作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在n型GaN蒸发减少层111上生长掺杂有密度为1×10¹⁹/cm³的Si的GaN构成的n型GaN层112至0.2μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，并将氮作为载气施加到反应器中以进行退火。

在退火之后，在n型GaN层112的表面上，通过EB(电子束)气相沉积按以下顺序形成厚度为150nm的Ag层形成的反射层52、厚度为50nm的Mo层形成的阻挡层53以及厚度为3μm的Au层形成的第二接合金属层54。

然后，在单独制备的厚度为120μm的由导电Si形成的导电衬底55上，使用EB气相沉积按以下顺序沉积含有按以下顺序沉积的厚度为15nm的Ti层和厚度为150nm的Al层的欧姆电极层56，以及含有按以下顺序沉积的厚度为100nm的Au层和厚度为3μm的AuSn层的第一接合金属层57。

然后，将位于第一接合金属层57最表面层的AuSn层和位于第二接合金属层54最表面层的Au层设置为彼此相对。使用共晶结合方法来结合第一接合金属层57和第二接合金属层54。共晶结合工艺中的温度设置在290℃。

然后，利用YAG激光辐射的三次谐波(波长：355nm)来辐射被镜面抛光的蓝宝石衬底101的后表面侧，从而使形成在蓝宝石衬底101上的GaN缓冲层102与n型GaN下层103之间的界面部分热分解，从而去除蓝宝石衬底101和GaN缓冲层102。

之后，在因去除蓝宝石衬底101和GaN缓冲层102而暴露的n型GaN下层103的表面上，顺序沉积Ti层和Au层，从而形成衬垫电极58。将形成衬垫电极58之后的晶片分成多个芯片以制造如图7的示意性剖面图中所示构造的实例3中的氮化物半导体发光二极管器件。对于实例3中的氮化物半导体发光二极管器件，为了减小n型GaN下层103和衬垫电极58之间的接触电阻，将n型GaN下层103的载流子密度设置为5×10¹⁸/cm³。

可以确认的是，对于实例3中的氮化物半导体发光二极管器件，在注入20mA的电流时驱动电压为4.0V，这低于具有以下所述的顶部和底部电极结构的常规半导体发光二极管器件(比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件)。

比较实例1

在比较实例1中，制造如图8的示意性剖面图所示构造的氮化物半导体发光二极管器件。此处，比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括在导电衬底55上相继沉积的欧姆接触层56、第一结合金属层57、第二结合金属层54、阻挡层53、反射层52、p型GaN接触层107、p型AlGaN覆层106、发光层105、n型GaN接触层104、n型GaN下层103和衬垫电极58。

除了n型GaN层112、n型GaN蒸发减小层111、n型隧道结层110、p型隧道结层109、p型InGaN层108之外，比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件被构造为与实例3中的氮化物半导体发光二极管器件相同。

对于比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件，在注入20mA的电流时驱动电压为6.0V。可以确认的是，该驱动电压高于在注入20mA的电流时实例3中的氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压。一个原因在于由Ag层形成的反射层52与p型GaN接触层107之间的接触电阻较高。

对于比较实例1中的氮化物半导体发光二极管器件，为了减小驱动电压，可以使用比如Pd或Ni的具有高功函数的金属在p型GaN接触层107和由Ag层形成的反射层52之间形成约几nm的薄膜。然而，在这种情况下，由于Pd和Ni的低反射率，来自发光层105的光可能被吸收从而减小了光输出。

实例4

在实例4中，制造如图9的示意性剖面图中所示构造的氮化物半导体发光二极管器件。此处，实例4中的氮化物半导体发光二极管器件构造为包括在蓝宝石衬底201上按以下顺序沉积的GaN缓冲层202、n型GaN下层203、n型GaN接触层204、发光层205、p型AlGaN覆层206、p型GaN接触层207、p型隧道结层208、n型隧道结层209、n型GaN蒸发减少层210和n型GaN层211，并具有形成在n型GaN层211表面上的衬垫电极212和形成在n型GaN接触层204表面上的衬垫电极213。

首先，在MOCVD设备的反应器中设置蓝宝石衬底201。在将氢施加到反应器中时，蓝宝石衬底201的温度增大到1050℃以清洁蓝宝石衬底201的表面(c平面)。

接着，将蓝宝石衬底201的温度下降到510℃，并将氢作为载气以及将氨和TMG(三甲基镓)作为源材料气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在蓝宝石衬底201的表面(c平面)上形成GaN缓冲层202至约20nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底201的温度升高到1050℃，并将氢作为载气、将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在GaN缓冲层202上生长掺杂Si的n型GaN下层203(载流子密度：1×10¹⁸/cm³)至6μm的厚度。

然后，除了进行Si掺杂以提供5×10¹⁸/cm³的载流子密度之外，以和n型GaN下层203类似的方式，通过MOCVD在n型GaN下层203上生长n型GaN接触层204至0.5μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底201的温度下降到700℃，并将氢作为载气，将氨、TMG和TMI(三甲基铟)作为源材料气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在n型GaN接触层204上以交替的6个循环生长2.5nm厚的In0.25Ga0.75N层和18nm厚的GaN层，由此在n型GaN接触层204上形成具有多量子阱结构的发光层205。显而易见的是，在形成发光层205的工艺中，在生长GaN层时TMI没有施加到反应器中。

然后，将蓝宝石衬底201的温度升高到950℃，并将氢作为载气，将氨、TMG和TMA(三甲基铝)作为源材料气体以及将CP2Mg(环戊二烯镁，cyclopentadienyl magnesium)作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在发光层205上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的Al_0.15Ga_0.85N构成的p型AlGaN覆层206至约30nm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底201的温度保持在950℃，并将氢作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型AlGaN覆层206上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的GaN构成的p型GaN接触层207至0.1μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底201的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMA、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层207上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的Mg的Al_xIn_yGa_1-(x+y)N(0≤x≤0.05，y＝0.25)构成的p型隧道结层208至20nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底201的温度保持在700℃，并将氮作为载气，将氨、TMA、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层208上生长掺杂有Si的Al_xIn_yGa_1-(x+y)N(0≤x≤0.05，y＝0.25)构成的的n型隧道结层209(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。在n型隧道结层209中，Al的含量与p型隧道结层208中Al的含量相同。

显而易见的是，在p型隧道结层208和n型隧道结层209不含Al的情况下(即x＝0)，不施加TMA。

然后，将蓝宝石衬底201的温度保持在700℃，并将氮作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而在n型隧道结层209上生长掺杂有Si的GaN构成的n型GaN蒸发减少层210(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至15nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底201的温度升高到950℃，并将氢作为载气，将氨和TMG作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而在n型GaN蒸发减少层210上生长掺杂有密度为1×10¹⁹/cm³的Si的GaN构成的n型GaN层211至0.2μm的厚度。

然后，将蓝宝石衬底201的温度降低到700℃，并将氮作为载气施加到反应器中以进行退火。

从反应器移开退火之后的晶片，在晶片最上层、即n型GaN层211的表面上，形成以预定形状构图的掩模。通过RIE(反应性离子蚀刻)，从n型GaN层211一侧蚀刻晶片的一部分从而暴露n型GaN接触层204的一部分表面。

然后，在n型GaN层211的表面上，形成衬垫电极212，并在n型GaN接触层204上，形成衬垫电极213。此处，通过在n型GaN层211和n型GaN接触层204的相应表面上相继沉积Ti层和Al层来同时形成衬垫电极212和衬垫电极213。之后，将晶片分成多个芯片从而制造具有图9中示意性剖面图所示结构的实例4中的氮化物半导体发光二极管器件。

图10示出了实例4中氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度与p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量之间的关系。击穿电流密度指的是当隧道结被击穿从而停止发光时注入电流的密度。在图10中，纵轴表示击穿电流密度(A/cm²)，横轴表示p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量(原子百分比)。

如图10所示，在p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量在不小于1原子百分比且不大于5原子百分比的范围内的情况下，与Al含量超过不小于1原子百分比且不大于5原子百分比的范围的情况相比，击穿电流密度显著增大。

图11示出了实例4中氮化物半导体发光二极管器件的驱动电压与p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量之间的关系。在图11中，纵轴表示当注入20mA的电流时的驱动电压(V)，横轴表示p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量(原子百分比)。

如图11所示，从p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量超过5百分比的点，驱动电压急剧增大。因此，优选的是，p型隧道结层208和n型隧道结层209的A1含量为5原子百分比或更小。

因此，从以上结果看出，优选的是p型隧道结层208和n型隧道结层209的Al含量为1原子百分比或更大以及5原子百分比或更小。

实例5

在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法制造氮化物半导体发光二极管器件，直至生长p型GaN接触层207的步骤。

在生长p型GaN接触层207之后，将蓝宝石衬底201的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMA、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层207上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的Al_0.02In_0.25Ga_0.73N构成的p型隧道结层208至20nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底201的温度保持在700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层208上生长掺杂有Si的In_0.25Ga_0.75N构成的n型InGaN隧道结层209(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。

之后，在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法，制造实例5中的氮化物半导体发光二极管器件。

评估实例5中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度。发现该击穿电流密度高于以下所述的比较实例2中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度，由此使可靠性较高。

实例6

在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法制造氮化物半导体发光二极管器件，直至生长p型GaN接触层207的步骤。

在生长p型GaN接触层207之后，将蓝宝石衬底201的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层207上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.25Ga_0.75N构成的p型隧道结层208至20nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底201的温度保持在700℃，并将氮作为载气，将氨、TMA、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层208上生长掺杂有Si的Al_0.02In_0.25Ga_0.73N构成的n型InGaN隧道结层209(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。

之后，在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法，制造实例6中的氮化物半导体发光二极管器件。

评估实例6中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度。该击穿电流密度高于以下所述的比较实例2中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度，由此使可靠性较高。

比较实例2

在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法制造氮化物半导体发光二极管器件，直至生长p型GaN接触层207的步骤。

在生长p型GaN接触层207之后，将蓝宝石衬底201的温度降低到700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将CP2Mg作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型GaN接触层207上生长掺杂有密度为1×10²⁰/cm³的镁的In_0.25Ga_0.75N构成的p型隧道结层208至20nm的厚度。

之后，将蓝宝石衬底201的温度保持在700℃，并将氮作为载气，将氨、TMG和TMI作为源材料气体以及将硅烷作为杂质气体施加到反应器中，从而通过MOCVD在p型隧道结层208上生长掺杂有Si的In_0.25Ga_0.75N构成的n型InGaN隧道结层209(载流子密度：5×10¹⁹/cm³)至4nm的厚度。

之后，在与实例4相同的条件下并且通过与实例4相同的方法，制造比较实例2中的氮化物半导体发光二极管器件。

比较实例2中的氮化物半导体发光二极管器件的击穿电流密度低于实例5和6中的氮化物半导体发光二极管器件的相应的击穿电流密度，由此使可靠性较低。

根据本发明，能够降低氮化物半导体发光器件的驱动电压，该氮化物半导体发光器件比如是具有隧道结并发射蓝光(波长：例如430nm或更大以及490nm或更小)的氮化物半导体发光二极管器件。

根据本发明，能够改善氮化物半导体发光器件的可靠性，该氮化物半导体发光器件比如是具有隧道结并发射蓝光(波长：例如430nm或更大以及490nm或更小)的氮化物半导体发光二极管器件。

尽管已经描述并详细示出了本发明，但应清楚理解的是，仅通过图解和实例的方式而非通过限制的方式表示本发明，本发明的范围由所附权利要求的条款来解释。

本非临时申请基于分别于2006年11月22日和2006年12月4日在日本专利局提交的日本专利申请No.2006-315298和2006-327124，其全部内容在此引入作为参考。

Claims (17)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：

衬底；

形成在所述衬底上的第一n型氮化物半导体层；

形成在所述第一n型氮化物半导体层上的发光层；

形成在所述发光层上的第一p型氮化物半导体层；

形成在所述第一p型氮化物半导体层上的第二p型氮化物半导体层；

形成在所述第二p型氮化物半导体层上的p型氮化物半导体隧道结层；

形成在所述p型氮化物半导体隧道结层上的n型氮化物半导体隧道结层；

形成在所述n型氮化物半导体隧道结层上的第二n型氮化物半导体层；以及

其中所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层形成隧道结，并且所述p型氮化物半导体隧道结层具有比所述第二p型氮化物半导体层的铟含量比率更高的铟含量比率。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第二p型氮化物半导体层具有不小于2nm的厚度。

3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第二p型氮化物半导体层具有不小于临界厚度的厚度。

4.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第二p型氮化物半导体层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述p型氮化物半导体隧道结层具有不大于5nm的厚度。

6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述p型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

7.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第一p型氮化物半导体层的带隙大于所述第二p型氮化物半导体层的带隙，且所述第二p型氮化物半导体的带隙大于所述p型氮化物半导体隧道结层的带隙。

8.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层包括铟。

9.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的n型杂质。

10.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层具有不大于10nm的厚度。

11.一种氮化物半导体发光器件，包括：

衬底；

形成在所述衬底上的第一n型氮化物半导体层；

形成在所述第一n型氮化物半导体层上的发光层；

形成在所述发光层上的p型氮化物半导体层；

形成在所述p型氮化物半导体层上的p型氮化物半导体隧道结层；

形成在所述p型氮化物半导体隧道结层上的n型氮化物半导体隧道结层；以及

形成在所述n型氮化物半导体隧道结层上的第二n型氮化物半导体层；以及

其中所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层形成隧道结，并且所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层中的至少一个包括铝。

12.根据权利要求11所述的氮化物半导体发光器件，其中所述p型氮化物半导体隧道结层和所述n型氮化物半导体隧道结层中的至少一个的铝含量为不小于1原子百分比且不大于5原子百分比。

13.根据权利要求12所述的氮化物半导体发光器件，其中所述p型氮化物半导体隧道结层包括铝和铟，并且铟含量高于铝含量。

14.根据权利要求12所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层包括铝和铟，并且铟含量高于铝含量。

15.根据权利要求11所述的氮化物半导体发光器件，其中所述p型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的p型杂质。

16.根据权利要求11所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层掺杂有掺杂密度不小于1×10¹⁹/cm³的n型杂质。

17.根据权利要求11所述的氮化物半导体发光器件，其中所述n型氮化物半导体隧道结层具有不大于10nm的厚度。

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