CN101276875B - 半导体发光器件和氮化物半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件，其包括n型半导体层、有源层、n型半导体层和有源层之间的第一p型半导体层，以及在有源层的与第一p型半导体层相对的侧上的第二p型半导体层。此外，本发明涉及氮化物半导体发光器件，其包括n型氮化物半导体层、氮化物半导体有源层、n型氮化物半导体层和氮化物半导体有源层之间的第一p型氮化物半导体层、以及在氮化物半导体有源层的与第一p型氮化物半导体层相对的侧上的第二p型氮化物半导体层。根据本发明，能够抑制有源层的结晶度恶化并具有高发光效率和高电流密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件和一种氮化物半导体发光器件，具体地，涉及一种半导体发光器件和一种氮化物半导体发光器件，其能够抑制有源层结晶度恶化并且具有高发光效率和高电流密度。
背景技术
常规氮化物半导体发光器件的结构通常是在衬底上顺序层叠n型氮化物半导体层、n型或未掺杂的氮化物半导体有源层和p型氮化物半导体层的结构。
在具有此结构的氮化物半导体发光器件中，由于氮化物半导体有源层是n型的并且电子的有效质量小于空穴的有效质量，在高电流密度下氮化物半导体有源层中的空穴浓度与电子浓度相比变得非常小。因此，由于过多的电子到达p型氮化物半导体层的区域并且以一定的比例与p型氮化物半导体层的区域中的空穴复合，其中电子在氮化物半导体有源层的区域中不能被忽略，所以就带来了氮化物半导体发光器件的发光效率降低的问题。
因此，在日本专利特开公报2004-064080号中，提出了一种氮化物半导体发光器件，在其中至少一个氮化物半导体有源层形成为p型。
发明内容
然而，半导体中p型杂质的激活能十分大。例如，在氮化物半导体中一般作为p型杂质的Mg的激活能为约200meV，它是n型杂质的激活能的大约10倍。
因此，为了在日本专利特开公报2004-064080中描述的氮化物半导体发光器件的氮化物半导体有源层中获得期望的p型载流子浓度，因为必须以p型载流子的大约100倍掺杂p型杂质，所以掺杂高浓度的p型杂质引发了氮化物半导体有源层的结晶度恶化的问题。
此外，在日本专利特开公报2004-064080中描述的氮化物半导体发光器件中氮化物半导体有源层的多重量子阱结构的阱层中使用InGaN层的情况下，因为In极高的蒸汽压导致必须在低温下形成该InGaN层，所以很难在此低温下将该阱层激活为p型。
本发明的一个目的是提供一种半导体发光器件和一种氮化物半导体发光器件，其能够抑制有源层的结晶度恶化并具有高发光效率和高电流密度。
在发明中，“发光效率”指外部量子效率，其是内部量子效率、注入效率和光发出效率的乘积。这里，内部量子效率指有源层中产生的光子数量与注入到有源层中的电子数量的比例，注入效率指有源层中空穴和电子的复合数量与器件中空穴和电子的复合总量的比例，光发出效率指发出到器件外的光子数量与有源层产生的光子数量的比例。
本发明涉及一种半导体发光器件，其包括n型半导体层、有源层、n型半导体层与有源层之间的第一p型半导体层以及在有源层的第一p型半导体层侧的相反侧上的第二p型半导体层。
此外，本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，其包括n型氮化物半导体层、氮化物半导体有源层、在n型半导体层与氮化物半导体有源层之间的第一p型氮化物半导体层以及在氮化物半导体有源层的第一p型氮化物半导体层侧的相反侧上的第二p型氮化物半导体层。
本发明的氮化物半导体发光器件优选地包括GaN层或InGaN层，其布置为与第一p型氮化物半导体层接触。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，第一p型氮化物半导体层优选地包括含有Al的氮化物半导体层。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，第一p型氮化物半导体层中含有的Al原子的数量与Al、Ga和In原子的总量的比例优选为0.05至0.5。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，不含p型杂质的氮化物半导体层位于第一p型氮化物半导体层与氮化物半导体有源层之间。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，第一p型氮化物半导体层中的p型杂质的原子浓度优选为5×1019/cm3或更小。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体有源层中的p型杂质的原子浓度优选为1×1019/cm3或更小。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体有源层优选为未掺杂。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，第二p型氮化物半导体层优选地包括p型InGaN层。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，p型InGaN层中的In原子的数量与In和Ga原子的总量的比例优选为0.1或更小。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，氮化物半导体有源层优选为具有2个或更多阱的多重量子阱结构。
在本描述中，Al表示铝，Ga表示镓，In表示铟以及N表示氮。
在本发明中，p型杂质的原子浓度和n型杂质的原子浓度中的每个都能够采用例如SIMS(次级离子质谱法)的方法进行定量计算。
依照本发明，可以提供一种半导体发光器件和氮化物半导体发光器件，其能够抑制有源层的结晶度恶化并具有高发光效率和高电流密度。
在下文结合附图对本发明进行详细描述，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明中氮化物半导体发光器件的一个优选实例的截面示意图。
图2是本发明中氮化物半导体发光器件的另一优选实例的截面示意图。
图3是本发明中氮化物半导体发光器件的一个优选实例的能带图。
图4是实例1中氮化物半导体发光二极管器件的截面示意图。
图5是显示注入到比较例1中氮化物半导体发光二极管器件中的电流密度与发光效率之间的关系的视图。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个实施例。此外，在本发明的附图中，相同的附图标记表示相同的部分或相应的部分。
图1是本发明中氮化物半导体发光器件的一个优选实例的截面示意图。图1所示的氮化物半导体发光器件具有在衬底1上顺序层叠的n型氮化物半导体层2、第一p型氮化物半导体层3、氮化物半导体有源层4、第二p型氮化物半导体层5和半透明电极6的结构。然后，在半透明电极6的表面上形成p侧电极8，并在n型氮化物半导体层2的表面上形成n侧电极9。
此外，图2是本发明中氮化物半导体发光器件的另一优选实例的截面示意图。这里，图2所示的氮化物半导体发光器件具有与图1中的氮化物半导体发光器件相同的配置，除了没有掺杂p型杂质的氮化物半导体层10形成在第一p型氮化物半导体层3和氮化物半导体有源层4之间之外。
此外，图1和2所示的本发明的氮化物半导体发光器件特征在于包括在n型氮化物半导体层2与氮化物半导体有源层4之间的第一p型氮化物半导体层3和在氮化物半导体有源层4的与第一p型氮化物半导体层3相对侧上的第二p型氮化物半导体层5。
这种配置允许获得具有高发光效率和高电流密度的氮化物半导体发光器件，同时，即使当氮化物半导体有源层4没有掺杂大量p型杂质时也能抑制氮化物半导体有源层4的结晶度恶化。
图3是本发明中氮化物半导体发光器件的一个优选实例的能带图。此外，图3中纵轴表示带隙能量(eV)和横轴表示距第二p型氮化物半导体层5的表面的距离(nm)。也就是，意味着在横轴中的距离越大，从第二p型氮化物半导体层5的表面越靠近衬底1侧。
此外，图3中所示的能量带隙图显示了氮化物半导体发光器件的带隙，该氮化物半导体发光器件具有如图2所示的配置并且使用由以下材料形成的氮化物半导体层。也就是，n型GaN层作为图2所示的n型氮化物半导体层2，层叠体(layered body)作为第一p型氮化物半导体层3，在该层叠体中厚度20nm的p型Al0.15Ga0.85N层(载流子浓度：5×1017/cm3)和厚度10nm的p型GaN层(载流子浓度：5×1017/cm3)顺序从n型氮化物半导体层2侧形成。此外，厚度10nm的未掺杂GaN层(图1中未示出)作为氮化物半导体层10。另外，具有6个阱层的多重量子阱结构的有源层作为氮化物半导体有源层4，在该结构中未掺杂的In0.2Ga0.8N层作为阱层并且未掺杂的GaN层作为垒层。另外，层叠体作为第二p型氮化物半导体层5，在该层叠体中厚度20nm的p型In0.03Ga0.97N层(载流子密度：1×1018/cm3)和厚度100nm的p型GaN层(载流子浓度：1×1018/cm3)顺序从氮化物半导体有源层4侧形成。
在具有这种配置的氮化物半导体发光器件中，通过施加正向偏压，电子从图3的右侧流动到左侧且空穴从图3的左侧流动到右侧。同样，假定在高电流密度下驱动此氮化物半导体发光器件的情况，氮化物半导体有源层4中的空穴浓度变得大于电子浓度，氮化物半导体有源层4中的多数载流子变成空穴的趋势变大。
由于电子具有比空穴更小的有效质量，电子具有更大的移动速度且扩散长度变得比空穴的扩散长度更长，所以在氮化物半导体有源层4中多数载流子是电子的情况下，特别是在高电流密度的情况下，扩散到第二p型氮化物半导体层5区域中的电子数量与注入到氮化物半导体有源层4中的电子数量的比例不能被忽略，注入效率降低，结果，发光效率降低。另一方面，在氮化物半导体有源层4中空穴是多数载流子的情况下，即使在高电流密度下驱动，电子也变为少数载流子，且发光效率没有降低，因为在到达第二p型氮化物半导体层5的区域之前，在氮化物半导体有源层4中电子与空穴复合。
因此，由于以上原因，在本发明的氮化物半导体发光器件中，同样在高电流密度的注入电流的情况下，氮化物半导体发光器件的发光效率能够得到提高，因为溢流到第二p型氮化物半导体层5侧的电子数量能够被减少，而不与氮化物半导体有源层4中的空穴复合。
在本发明的氮化物半导体发光器件中，能够抑制氮化物半导体有源层4的结晶度恶化，因为不必将大量p型杂质掺入氮化物半导体有源层4中或者根本不需掺杂。
另外，如上所述，第一p型氮化物半导体层3包括一种配置，在该配置中含有Al且带隙相对大的氮化物半导体层和不含Al且带隙相对小的氮化物半导体层相接触并层叠，在以上这种情况下，由于在氮化物半导体有源层4侧的p型AlGaN层与p型GaN层之间界面中产生二维电子气、以及由构成第一p型氮化物半导体层3的p型AlGaN层与氮化物半导体有源层4(InGaN层或GaN层)之间的晶格失配引起而产生压电电场(piezo electronic field)，能够有效地使得氮化物半导体有源层4的空穴浓度高，且氮化物半导体有源层4中的耗尽区域能够形成在n型氮化物半导体层2侧。因此，溢流到第二p型氮化物半导体层5侧的电子数量能够被减少，而电子不与氮化物半导体有源层4中的空穴复合。
这里，(i)由于构成第一p型氮化物半导体层3的p型AlGaN层与第一p型氮化物半导体层3上的氮化物半导体有源层4(InGaN层或GaN层)之间的电子亲和势差异，在氮化物半导体有源层4侧上的第一p型氮化物半导体层3的p型AlGaN层的界面处产生带正电的二维电子气。(ii)由于第一p型氮化物半导体层3的p型AlGaN层与氮化物半导体有源层4(InGaN层或GaN层)之间的晶格失配，产生了压电电场，并且由该压电电场施加了电场以使得氮化物半导体有源层4的第二p型氮化物半导体层5侧是负电的。(iii)由于氮化物半导体有源层4未掺杂且氮化物半导体有源层4上的第二p型氮化物半导体层5是p型，则施加了电场以使得氮化物半导体有源层4的第二p型氮化物半导体层5侧是正电的。
由于(ii)和(iii)的电场相互抵消并且氮化物半导体有源层4侧上的p型AlGaN层的界面是带正电的，氮化物半导体有源层4实际上变为p型。
此外，就通过产生压电电场而施加电场以使得氮化物半导体有源层4上的p型AlGaN层的界面带正电而言，在构成第一p型氮化物半导体层3的p型AlGaN层紧接下方的层优选是n型或p型GaN层。
例如，由p型AlxInyGazN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≠0)晶体形成的氮化物半导体层可以作为第一p型氮化物半导体层3。然而，就如上所述的产生二维电子气而言，第一p型氮化物半导体层3优选地包括含Al的层。在上述公式中，x表示Al的混合晶体比例，y表示In的混合晶体比例，和z表示Ga的混合晶体比例。
也就是，在第一p型氮化物半导体层3具有p型Alx1Iny1Gaz1N(0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1≠0)层和p型Alx2Iny2Gaz2N(0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1，x2+y2+z2≠0)层从n型氮化物半导体层2侧顺序层叠的配置的情况下，在氮化物半导体有源层4侧上的这些层的界面中可以产生二维电子气。然而，就如上所述的产生二维电子气而言，p型Alx1Iny1Gaz1N(0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1≠0)层优选为不含In的p型AlGaN层，而p型Alx2Iny2Gaz2N(0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1，x2+y2+z2≠0)层优选为不含Al的p型GaN层或p型InGaN层(p型Iny2Gaz2N(0≤y2≤1，0≤z2≤1，y2+z2≠0)层)。
在氮化物半导体有源层4侧上的第一p型氮化物半导体层3最前面的表面由p型Alx1Iny1Gaz1N(0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1≠0)层构成的情况下，就产生二维电子气而言，与该最前面的表面接触的层优选为不含Al的n型或未掺杂的GaN层，或者不含Al的n型或未掺杂InGaN层。此外，与成为氮化物半导体有源层4侧上的第一p型氮化物半导体层3最前面的表面的p型Alx1Iny1Gaz1N(0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1≠0)层接触的不含Al的n型或未掺杂的GaN层或者不含Al的n型或未掺杂InGaN层，起抑制p型杂质扩散进入氮化物半导体有源层4的作用。
此外，在构成第一p型氮化物半导体层3的p型Alx1Iny1Gaz1N(0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1，x1+y1+z1≠0)层中Al原子的数量与Al、Ga和In原子的总量的比例优选为0.05至0.5。在该比例为0.05至0.5的情况下，趋向于充分表现出由如上所述的二维电子气的产生而带来的影响。此外，在该比例超过0.5时，将会产生问题，例如第一p型氮化物半导体层3的电阻变高和产生裂纹。
此外，第一氮化物半导体层3中的p型杂质的原子浓度优选为5×1019/cm3或更小。在此情况下，当通过采用MOCVD(金属有机化学气相沉积Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法外延生长而形成氮化物半导体有源层4时，能够抑制将例如晶格缺陷和位错传递到氮化物半导体有源层4。
这里，x1和x2表示Al的混合晶体比例，y1和y2表示In的混合晶体比例，以及z1和z2表示Ga的混合晶体比例。
此外，第一p型氮化物半导体层3和氮化物半导体有源层4可以相接触，如图1所示的配置。然而，优选的是在第一p型氮化物半导体层3与氮化物半导体有源层4之间形成不含p型杂质的氮化物半导体层10，如图2所示的配置，因为可以抑制p型杂质从第一p型氮化物半导体层3扩散到氮化物半导体有源层4。这里，就充分抑制p型杂质扩散而言，氮化物半导体层10的层厚度优选为10nm至50nm。
此外，氮化物半导体有源层4优选地具有多重量子阱结构，其为周期结构，其中由InaGabN(0≤a≤1，0≤b≤1，a+b≠0)构成的阱层和由AlsIntGauN(0≤s≤1，0≤t≤1，0≤u≤1，s+t+u≠0)构成的垒层交替层叠。这里，s表示Al的混合晶体比例，a和t表示In的混合晶体比例，以及b和u表示Ga的混合晶体比例。
就抑制氮化物半导体有源层4的结晶度恶化而言，氮化物半导体有源层4中的p型杂质的原子浓度优选为1×1019/cm3或更小，且优选为未掺杂。
就增大氮化物半导体有源层4的态密度且抑制载流子溢流而言，氮化物半导体有源层4中阱的数量优选为2或更多。
氮化物半导体有源层4中的电子扩散长度依据氮化物半导体有源层4中的空穴浓度而有很大不同。然而，因为氮化物半导体有源层4中的空穴浓度为例如1×1018/cm3时扩散长度为约1μm，所以氮化物半导体有源层4的总层厚度优选为1μm或更大。例如，在例如层叠一层阱层和一层垒层以使得其为一个周期的情形，当一个周期的层厚度为20nm时阱的数量变为50。
例如，由p型Alx3Iny3Gaz3N(0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤z3≤1，x3+y3+z3≠0)晶体构成的层能够作为第二p型氮化物半导体层5。这里，x3表示Al的混合晶体比例，y3表示In的混合晶体比例，和z3表示Ga的混合晶体比例。
在这些层中，由不含Al的p型Iny3Gaz3N(0≤y3≤1，0≤z3≤1，y3+z3≠0)晶体构成的层(p型InGaN层)优选地作为第二p型氮化物半导体层5。在p型InGaN层作为第二p型氮化物半导体层5的情况下，在第二p型氮化物半导体层5的侧上的氮化物半导体有源层4中的空穴浓度趋于能够有效增大，且在以高电流密度注入电流的情况下溢流到第二p型氮化物半导体层5侧的电子数量可以被降低。也就是，因为构成第二p型氮化物半导体层5的p型InGaN层与氮化物半导体有源层4之间的晶格失配产生了压电电场，其中第二p型氮化物半导体层5侧的氮化物半导体有源层4的界面变为正电的，所以有效提高了氮化物半导体有源层4中的第二p型氮化物半导体层5侧的空穴浓度。
此外，仅p型InGaN层可以形成为第二p型氮化物半导体层5。然而，p型InGaN层和p型GaN层可以顺序从氮化物半导体有源层4的侧形成。
在第二p型氮化物半导体层5配置有p型InGaN层和p型GaN层的层叠体的情况下，p型InGaN层中In原子的数量与In和Ga原子的总量的比例优选为0.1或更小。在此情况下，可以抑制p型InGaN层与p型GaN层的界面处接触电阻的增大。
由蓝宝石、SiC(碳化硅)、Si(硅)、ZnO(氧化锌)等构成的衬底可以作为衬底1。
例如，由n型AlkInlGamN(0≤k≤1，0≤l≤1，0≤m≤1，k+l+m≠0)晶体构成的氮化物半导体层可以作为n型氮化物半导体层2。这里，k表示Al的混合晶体比例，l表示In的混合晶体比例，和m表示Ga的混合晶体比例。
此外，优选地形成在n型氮化物半导体层2上形成的n侧电极9，从而采用例如选自由Ti(钛)、Hf(铪)和Al(铝)组成的组的至少一种金属形成欧姆接触。这里，通过蚀刻暴露出第一n型氮化物半导体层2的一部分表面，且n侧电极9可以形成在它的暴露面上。
例如，由Pd(钯)、Ni(镍)、ITO(氧化铟锡)、n型GaN等构成的膜可以作为形成在第二p型氮化物半导体层5上的半透明电极6。
例如，带有Al膜的Au(金)膜或Ti(钛)膜的层叠体可以作为形成在半透明电极6上的p侧电极8。
通过在分开制备的导电支撑衬底上生长第二p型氮化物半导体层5之后涂布上述晶片的第二p型氮化物半导体层5侧，使得n型氮化物半导体层2侧成为发光侧而第二p型氮化物半导体层5侧成为支撑衬底侧，并且在该支撑衬底侧上形成选自由具有高反射率的Al、Pt(铂)和Ag(银)组成的组的至少一种金属膜，从而制成具有顶电极和底电极结构的氮化物半导体发光二极管器件。
在本发明中，由例如选自由Si、Ge(锗)和O(氧)组成的组的至少一种优选地作为n型杂质进行掺杂。
在本发明中，Mg(镁)和/或Zn(锌)等可以作为p型杂质进行掺杂。然而，具有较小激活能的Mg优选地作为p型杂质进行掺杂。
上文描述了氮化物半导体发光器件。然而，本发明不限于该氮化物半导体发光器件，且适用于其中不使用氮化物半导体层的半导体发光器件。
实例
(实例1)
在实例1中，制造具有图4的示意截面图示出的配置的氮化物半导体发光二极管。
首先，将蓝宝石衬底101放置在MOCVD设备的反应炉中。然后，当氢气流入反应炉中时蓝宝石衬底101的温度升高到1050℃，从而实行对蓝宝石衬底101的表面(C面)的清洁。
接着，将蓝宝石衬底101的温度降低到510℃，作为载气的氢气和作为原材料气体的氨及TMG(三甲基镓)流入反应炉中，从而采用MOCVD法在蓝宝石衬底101的表面(C面)上生长GaN缓冲层102达到大约20nm的厚度。
将蓝宝石衬底101的温度升高到1050℃，作为载气的氢气、作为原材料气体的氨和TMG以及作为杂质气体的硅烷流入反应炉中，从而采用MOCVD法在GaN缓冲层102上生长掺杂有Si的n型GaN下层103(载流子浓度：1×1018/cm3)达到6μm的厚度。
采用MOCVD法以与n型GaN下层103相同的方式，除了没有掺杂Si之外，在n型GaN下层103上生长n型GaN接触层104达到0.5μm的厚度，使得载流子浓度变为5×1018/cm3。
然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在1050℃，且作为载气的氢气、作为原材料气体的氨和TMG以及作为杂质气体的CP2Mg(环戊二烯合镁)流入反应炉中，从而采用MOCVD法在n型GaN接触层104上生长以1×1019/cm3浓度掺杂Mg的p型GaN层105达到20nm的厚度。
接着，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，作为载气的氮气和作为原材料气体的氨、TMG和TMI(三甲基铟)流入反应炉中，采用MOCVD法在p型GaN层105上将2.5nm厚的未掺杂In0.20Ga0.80N层和18nm厚的未掺杂GaN层交替生长六个循环，从而在p型GaN接触层105上形成具有多重量子阱结构的有源层106。无需说明的是在形成有源层106中当生长GaN层时TMI没有流入反应炉中。
随后，将蓝宝石衬底101的温度升高到950℃，且作为载气的氢气、作为原材料气体的氨和TMG以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在有源层106上生长以1×1020/cm3的浓度掺杂Mg的p型GaN层107达到大约0.1μm的厚度。
将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，和作为载气的氮气流入反应炉中，从而实行退火。
在上述退火后从反应炉中取出晶片，在作为晶片的预层的p型GaN层107的表面上形成构图为预定形状的掩模。通过采用RIE(反应离子蚀刻)法从p型GaN层107侧的上述晶片的一部分上实行蚀刻而暴露出n型GaN接触层104的一部分表面。
在p型GaN层107的几乎整个面上形成7nm厚的Pd膜108以作为半透明电极，在Pd膜108上形成0.5μm厚的Au膜109以作为p侧电极。另一方面，在由蚀刻暴露的n型GaN接触层104的表面上，Ti膜和Al膜的层叠体110形成为n侧电极。
此后，通过将晶片切成多个芯片而生产出具有图4的示意截面图所示配置的实例1的氮化物半导体发光二极管器件。
与比较例的氮化物半导体发光二极管器件相比较，在实例1的氮化物半导体发光二极管器件中，在后文所述电流密度和发光效率之间的关系中由于电流密度增大而引起的峰值发光效率的降低率变小了，结果，即使以例如超过50A/cm2的高电流密度注入电流，也允许发光效率高。
此外，为了实现高发光效率，实例1的氮化物半导体发光二极管器件的有源层106更优选为未掺杂的，其次优选使得有源层106的p型杂质的原子浓度达到1×1019/cm3或更小。
(实例2)
采用与实例1相同的条件和相同的方法生长n型GaN接触层104。
接着，将蓝宝石衬底101的温度保持在1050℃，作为载气的氢气、作为原材料气体的氨、TMG和TMA(三甲基铝)以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在n型GaN接触层104上生长以1×1019/cm3的浓度掺杂Mg的p型Al0.25Ga0.75N层达到20nm的厚度。
然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在1050℃，作为载气的氢气、作为原材料气体的氨和TMG以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在p型Al0.25Ga0.75N层上生长以1×1019/cm3的浓度掺杂Mg的p型GaN层达到10nm的厚度。
此后，通过采用与实例1相同的条件和方法实施生长有源层106之后的步骤，制造实例2中的氮化物半导体发光二极管器件。
在电流密度与发光效率之间的关系中，与实例1的氮化物半导体发光二极管器件相比较，实例2中氮化物半导体发光二极管器件的配置允许由于电流密度的增大而产生的峰值发光效率的降低率变小。结果，高电流密度的电流注入也允许发光效率高。
在实例2中的氮化物半导体发光二极管器件中，在p型Al0.25Ga0.75N层中Al原子数量与Al和Ga原子总量的比例为0.05或更大的情况下，发光效率可以比实例1的发光效率高。因此，在比例为0.5或更小的情况下，能够抑制层的高电阻、产生裂纹等。
p型Al0.25Ga0.75N层中Mg原子的浓度优选为5×1019/cm3或更小。在Mg原子的浓度超过5×1019/cm3的情况下，有源层106的结晶度恶化了且引起发光效率的降低。
(实例3)
采用与实例1相同的条件和相同的方法生长n型GaN接触层104。
接着，将蓝宝石衬底101的温度保持在1050℃，作为载气的氢气、作为原材料气体的氨、TMG和TMA以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在n型GaN接触层104上生长p型Al0.25Ga0.75N层达到20nm的厚度。
然后，将蓝宝石衬底101的温度保持在1050℃，作为载气的氢气以及作为原材料气体的氨和TMG流入反应炉中，从而采用MOCVD法在p型Al0.25Ga0.75N层上生长未掺杂的GaN层达到20nm的厚度。
此后，通过采用与实例1相同的条件和方法实施生长有源层106之后的步骤，制造实例3中的氮化物半导体发光二极管器件。
在电流密度与发光效率之间的关系中，与实例2的氮化物半导体发光二极管器件相比较，实例3中的氮化物半导体发光二极管器件允许由于电流密度的增大而产生的峰值发光效率的降低率变小。结果，高电流密度的电流注入也允许发光效率高。
此外，因为未掺杂的GaN层抑制Mg从p型Al0.25Ga0.75N层扩散到有源层106，所以可以实现高发光效率而不受电流密度的影响。
进而，通过采用硅烷等作为杂质气体掺杂n型杂质Si而形成n型GaN层代替形成未掺杂的GaN层。然而，在以大于5×1018/cm3的原子浓度掺杂Si的情况下，耗尽区达到有源层106，结果引起有源层106中的空穴浓度降低，n型GaN层中的n型杂质的原子浓度优选为5×1018/cm3或更小，且最优选的是未掺杂。
(实例4)
采用与实例1、2和3中相同的条件和相同的方法生长有源层106。
接着，将蓝宝石衬底101的温度升高到850℃，作为载气的氮气、作为原材料气体的氨、TMG和TMI以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在有源层106上生长以1×1020/cm3的浓度掺杂Mg的p型In0.03Ga0.97N层达到20nm的厚度。
然后，将蓝宝石衬底101的温度升高到950℃，作为载气的氢气、作为原材料气体的氨和TMG以及作为杂质气体的CP2Mg流入反应炉中，从而采用MOCVD法在p型In0.03Ga0.97N层上生长以1×1020/cm3的浓度掺杂Mg的p型GaN层达到100nm的厚度。
此后，通过采用与实例1、2和3相同的条件和方法实施形成Pd膜108之后的步骤，制造实例4中的氮化物半导体发光二极管器件。
在电流密度与发光效率之间的关系中，与实例1、2和3的氮化物半导体发光二极管器件相比较，实例4中氮化物半导体发光二极管器件的配置允许由于电流密度的增大而产生的峰值发光效率的降低率变小。在其中，最优选的是采用除了上述条件之外与实例3相同的条件和方法制造实例4中的氮化物半导体发光二极管器件。
在实例4中氮化物半导体发光二极管器件的p型In0.03Ga0.97N层中In原子数量与In和Ga总量的比例为0.1或更小，这种情况下，可以抑制驱动电压的增大。
另一方面，在有源层106由6个循环制成且其厚度为105nm的情况下，获得上述结果的In原子数量的上述比例优选为0.03或更大，而在有源层106由2个循环制成且其厚度为35nm的情况下，上述比例优选为0.01或更大。
通过蓝宝石衬底101的温度为850℃时在p型In0.03Ga0.97N层与p型GaN层之间生长，可以层叠大约10nm的厚度的p型GaN层。在p型In0.03Ga0.97N层生长之后温度升高时可以抑制In的蒸发的趋势而言，上述情况是优选的。
(实例5)
采用与实例1、2和3中相同的条件和相同的方法生长p型GaN层105。
接着，将蓝宝石衬底101的温度降低到700℃，作为载气的氮气、作为原材料气体的氨、TMG和TMI流入反应炉中，采用MOCVD法在p型GaN层105上以任意数量的循环交替生长2.5nm厚的未掺杂In0.20Ga0.80N层和15nm厚的未掺杂GaN层，从而在p型GaN接触层105上形成具有多重量子阱结构的有源层106。此外，无需说明的是在形成有源层106过程中当生长GaN层时TMI没有流入反应炉中。
此后，通过采用与实例1、2和3相同的条件和方法实施形成p型GaN层107之后的步骤，制造实例5中的氮化物半导体发光二极管器件。
与有源层106是单量子阱结构的情况相比较，实例5中氮化物半导体发光二极管器件的配置允许载流子从阱层的溢流变小，且即使以超过50A/cm2的高电流密度电流注入也允许发光效率高。
此外，实例5中氮化物半导体发光二极管器件中的有源层106的循环次数上限优选地设定为使有源层106的总层厚度小于电子的扩散长度，电子在有源层106中是少数载流子。例如，在使得层结构对于实例1、2、3和4为更优选条件的情况下，因为有源层106的空穴浓度在大约1×1017至1×1018/cm3的量级，且此时电子的扩散长度为大约1μm，所以阱的数量能变为57。
(比较例1)
除了没有生长p型GaN层105之外，采用与实例1相同的条件和相同的方法制造比较例1中的氮化物半导体发光二极管器件。
图5示出了比较例1的氮化物半导体发光二极管器件中的注入电流的电流密度与发光效率之间的关系。如图5所示，当电流密度为7A/cm2时发光效率具有它的峰值，且发光效率随着电流密度大于该值而降低。在比较例1中的氮化物半导体发光二极管器件中，当电流密度50A/cm2的电流被注入时电流密度的峰值的降低率为大于13％。
由于根据本发明可以在高电流密度下提高例如氮化物半导体发光二极管器件的半导体发光器件的发光效率，本发明中的半导体发光器件和氮化物半导体发光器件可以被应用于例如照明领域中的光源等。
虽然已经详细描述和示出了本发明，但可以理解的是本发明仅以说明和举例的方式而不以限制的方式，本发明的范围通过所附权利要求的条款来解释。
本申请基于2007年3月28日向日本专利局提交的日本专利申请2007-085146号，其全部内容通过引用的方式引入于此。
Claims (11)
1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
n型氮化物半导体层；
氮化物半导体有源层；
第一p型氮化物半导体层，在所述n型氮化物半导体层和所述氮化物半导体有源层之间；和
第二p型氮化物半导体层，在所述氮化物半导体有源层的与所述第一p型氮化物半导体层相对的侧上。
2.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，包括GaN层或InGaN层，布置为与所述第一p型氮化物半导体层在所述氮化物半导体有源层侧接触。
3.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第一p型氮化物半导体层包括含Al的氮化物半导体层。
4.依照权利要求3所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第一p型氮化物半导体层中含有的Al原子数量与Al、Ga和In原子的总量的比例为0.05至0.5。
5.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，包括不含p型杂质的氮化物半导体层，在所述第一p型氮化物半导体层和所述氮化物半导体有源层之间。
6.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中在所述第一p型氮化物半导体层中的p型杂质的原子浓度为5×1019/cm3或更小。
7.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中在所述氮化物半导体有源层中的p型杂质的原子浓度为1×1019/cm3或更小。
8.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述氮化物半导体有源层是未掺杂的。
9.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第二p型氮化物半导体层包括p型InGaN层。
10.依照权利要求9所述的氮化物半导体发光器件，其中在所述p型InGaN层中In原子的数量与In和Ga原子的总量的比例为0.1或更小。
11.依照权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述氮化物半导体有源层具有多重量子阱结构，该结构具有2个或更多个阱。
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