CN102301548A - 半导体发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光装置及其制造方法，半导体发光装置具备：在基板(101)上形成的n型覆层(102)；在n型覆层(102)上形成且具有阱层以及障壁层的活性层(105)；在活性层(105)上形成的p型覆层(109)。其中，阱层由含有铟的氮化物半导体构成，且阱层的氢浓度高于n型覆层(102)的氢浓度，且低于p型覆层(109)的氢浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光装置及其制造方法，特别是涉及一种利用了氮化物半导体的半导体激光装置及其制造方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的III-V族氮化物系化合物半导体即所谓的氮化物半导体正受到人们的关注。氮化物半导体的一般式以InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1)来表现。氮化物半导体是由III族元素的铝(Al)、镓(Ga)以及铟(In)，以及V族元素的氮(N)构成的化合物半导体。光设备领域中，对于利用了氮化物半导体的发光二极管(LED)，其被用作为大型显示器装置以及信号器等的组成要素。另外，利用了氮化物半导体的LED与荧光体的组合而形成的白色LED也已实现了部分商品化，将来，如果使发光效率得到改善，可期待置换现状的照明装置。
另一方面，人们也正极其盛行地研究开发关于利用了氮化物半导体的蓝紫色～纯绿色区域的半导体激光装置。较之于对现有的高密度光盘(CD)以及数字多功能光盘(DVD)等的光盘而利用的进行红色域光或红外域光的发光的半导体激光装置，由于蓝紫色半导体激光装置能够使得在光盘上的光斑直径较小，所以，能够提高光盘的记录密度。另外，发光波长为450nm～470nm的纯蓝色激光装置以及发光波长为525nm～535nm的纯绿色激光装置能够用于激光显示器以及液晶的背光源(backlight)用途。通过利用这些激光装置，比现有的显示器，能够实现具有色再现性非常高的显示器。
这些氮化物半导体激光装置中，特别是，由于纯蓝色以及纯绿色激光装置的振荡阈值电流非常高，而尚未实现产品化。一般而言，为了获得发光波长为430nm以上的氮化物半导体激光装置，需要在具有量子阱构造的活性层中使阱层的In组成(组份)较高。其理由在于，需使阱层的In组成较高，从而使阱层的能带隙(energy bandgap)减小，进而使发光波长增大。为了使In组成较高的阱层进行结晶生长，需要使气相中的In原料的浓度成为较高。但是，结晶生长时将气相中的In浓度设定得较高时，未被取入阱层中的In将在阱层的表面发生偏析。而在表面发生了In偏析的区域将成为非发光区域，进而将导致活性层的发光效率显著降低。另外，In组成为较高的阱层中，不仅发生In的偏析，也易于发生In组成的不均匀。由此，光致发光的光的半值幅宽变大。光致发光的光的半值幅宽越变大，越难以获得至激光振荡为止的增益。
为了抑制阱层中In的偏析，人们正研讨下述方法：在使阱层进行结晶生长后，暂且使生长中断，通过供给包含氨气体、氮气体以及氢气体的载气(carrier gas)来去除已偏析的In的方法(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：JP特开2009-054616号公报
但是，本申请的发明者发现在上述现有的用于抑制In偏析的方法中，不能充分地抑制阱层中的In偏析。另外，也难以抑制In组成的不均匀。并且，由于需要使作为载气而供给的氢的比率较高，而发现因氢蚀刻效果而造成表面形态的恶化。如此，现有的用于抑制In偏析的方法中，难以抑制半导体激光装置的阈值电流密度的上升以及难以抑制光致发光的光的半值幅宽的增大。另外，不仅在半导体激光装置，而且在发光二极管等的其他的半导体发光装置中也产生同样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，抑制活性层中的In偏析以及In组成的不均匀，实现阈值电流密度较低的氮化物半导体发光装置。
为了达成所述目的，本发明的半导体发光装置构成为：含有铟的阱层的氢浓度高于n型覆层(cladding layer)的氢浓度，且低于p型覆层的氢浓度。
具体而言，所例示的半导体发光装置具备：n型覆层，其在基板上形成；活性层，其在n型覆层上形成，并具有阱层以及障壁层；和p型覆层，其在活性层上形成，其中，阱层由含有铟的氮化物半导体构成，阱层的氢浓度高于n型覆层的氢浓度且低于p型覆层的氢浓度。
所例示的半导体发光装置是阱层含有铟(In)的氮化物半导体，阱层的氢浓度高于n型覆层的氢浓度且低于p型覆层的氢浓度。由此，能够通过氢发挥对In偏析的抑制效果，同时，使由于氢使表面形态的恶化效果得到抑制。因此，能够实现阈值电流密度低的半导体发光装置。另外，能够抑制光致发光的光的半值幅宽的增大，易于产生激光振荡。
在例示的半导体发光装置中，优选阱层的氢浓度比n型覆层的氢浓度的2倍要高且为10倍未满，且阱层的氢浓度比p型覆层的氢浓度的0.07倍要高且为0.35倍未满。
在例示的半导体发光装置中，优选阱层的氢浓度比7×1017cm-3要高且为3×1018cm-3未满。
在例示的半导体发光装置中，也可以是：阱层与障壁层的氢浓度相等。
在例示的半导体发光装置中，优选阱层由一般式以InxGa1-xN(0＜x＜1)所表现的化合物构成。
在例示的半导体发光装置中，优选阱层的铟的组成比为0.1以上。
在例示的半导体发光装置中，优选活性层的铟的偏析密度优选为1×106cm-2以下。
在例示的半导体发光装置中，优选活性层的光致发光的光的半值幅宽优选为120meV以下。
例示的半导体发光装置的制造方法包括：工序(a)，在基板上使n型覆层生长；工序(b)，在工序(a)之后，利用含有氢的载气使活性层生长；和工序(c)，在工序(b)之后，使p型覆层生长，其中，活性层具有阱层以及障壁层，阱层由含有铟的氮化物半导体构成，且阱层的氢浓度高于n型覆层的氢浓度，且低于p型覆层的氢浓度。
例示的半导体发光装置的制造方法，包括利用含有氢的载气使活性层生长的工序。由此，能够抑制活性层中的In偏析。另外，阱层的氢浓度高于n型覆层的氢浓度且低于p型覆层的氢浓度。由此，能够抑制因氢蚀刻效果所造成的表面形态的恶化，能够实现不易发生光致发光的光的半值幅宽的增大以及阈值电流密度的上升的半导体发光装置的制造方法。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选在工序(b)中，使阱层的氢浓度比n型覆层的氢浓度的2倍要高且为10倍未满，并且，比p型覆层的氢浓度的0.07倍要高且为0.35倍未满。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选在工序(b)中，使阱层的氢浓度比7×1017cm-3要高且为3×1018cm-3未满。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选在工序(b)中，使阱层与障壁层的氢浓度相等。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选阱层由一般式以InxGa1-xN所表现的化合物构成，其中，0＜x＜1。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选阱层的铟的组成比为0.1以上。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选活性层的铟的偏析密度优选为1×106cm-2以下。
在例示的半导体发光装置的制造方法中，优选活性层的光致发光的光的半值幅宽优选为120meV以下。
(发明效果)
根据本发明的氮化物半导体发光装置及其制造方法，能够抑制活性层中的In偏析以及In组成不均匀，实现阈值电流密度较低的氮化物半导体发光装置。
附图说明
图1的(a)以及(b)表示抑制In偏析的原理，(a)表示载气为氮的情况下的InGaN的结晶生长，(b)表示载气为氮、氢的混合气体的情况下的InGaN的结晶生长。
图2是表示一实施方式所涉及的氮化物半导体发光装置的剖面图。
图3是表示一实施方式所涉及的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖面图。
图4是表示一实施方式所涉及的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖面图。
图5的(a)～(e)分别为不同条件下所制造的InGaN层的原子间力显微镜像。
图6是表示量子阱活性层中的氢浓度与光致发光的光的半值幅宽之间的关系的图。
图7的(a)是表示量子阱活性层中的氢浓度和n型覆层中的氢浓度的比、与光致发光的光的半值幅宽之间的关系的图，(b)表示量子阱活性层中的氢浓度和p型覆层中的氢浓度的比、与光致发光的光的半值幅宽之间的关系的图。
图8是表示电流密度与光输出之间的关系的图。
图9是表示阈值电流密度与光致发光的光的半值幅宽之间的关系的图。
图10是表示一实施方式所涉及的氮化物半导体发光装置的变形例的剖面图。
具体实施方式
首先，对本实施方式中的抑制In偏析的原理进行说明。图1(a)以及(b)表示InGaN的生长。图1(a)是载气为氮(N2)的情况，图1(b)是载气为氮(N2)、氢(H2)的混合气体的情况。如图1(a)所示，未添加氢而仅只有氮的载气的情况下，In的供给量为较高的状态下使InGaN生长时，除正常的InGaN的生长外，过剩的In的一部分相互结合而产生In的偏析。另一方面，在载气中添加了氢的情况下，通过氢蚀刻效果而分解暂且产生的In与In彼此间的结合。由此，能够抑制In的偏析。氢的添加量优选为相对于载气流量为0.5％以下。
图2表示一实施方式所涉及的半导体发光装置的剖面构成。如图2所示，本实施方式的半导体发光装置为半导体激光装置(激光二极管)。在由n-GaN构成的基板101的(0001)面上依次形成有n型覆层102、第一n型引导层(guide layer)103、第二n型引导层104、活性层105、第一p型引导层106、第二p型引导层107、电子障壁层108、p型覆层109以及接触层110。
各层只要诸如下述那样地形成即可。首先，如图3(a)所示，基板101上，利用有机金属气相沉积生长法(MOCVD法)，依次生长n型覆层102、第一n型引导层103以及第二n型引导层104。n型覆层102形成为n-Al0.05Ga0.95N，第一n型引导层103形成为n-GaN，第二n型引导层104形成为n-In0.02Ga0.98N即可。
接下来，如图3(b)所示，形成量子阱构造的活性层105。活性层105使In0.15Ga0.85N与In0.03Ga0.97N进行3周期生长。阱层只要是包含In的一般式以InxGa(1-x)N(0＜≤x＜1)所表现的化合物即可，为了形成波长为430nm以上的半导体激光装置，In的组成x优选为0.1以上。障壁层只要是一般式以InyGa(1-y)N(0≤y＜x)所表现的化合物即可。在活性层105的形成时，在载气中微量地添加氢。氢的添加量优选添加为相对于载气流量为0.5％以下。本实施方式中，活性层105中所含的氢的浓度比7×1017cm-3要高且为3.5×1018cm-3未满。本实施方式中，在障壁层的形成时，也在载气中添加氢。但是，在障壁层不含In的情况下，在障壁层的形成时也可以不添加氢。
接下来，如图3(c)所示，依次形成由p-In0.02Ga0.98N构成的第一p型引导层106、由p-GaN构成的第二p型引导层107、由p-Al0.22Ga0.78N构成的电子障壁层108、由p-Al0.1Ga0.9N与GaN交互层叠的p型覆层109以及由p-GaN构成的接触层110。
接下来，如图4(a)所示，在形成宽度为1.5μm左右的脊条(ridge stripe)部后，形成绝缘膜111。脊条部的形成如下所述地形成即可。首先，在接触层110上，利用等离子化学气相沉积法(CVD法)形成厚度为300nm的SiO2膜。其后，通过光刻以及利用氟酸的蚀刻，对SiO2膜进行选择性去除，形成宽度为1.5μm的条状的蚀刻掩膜。接下来，通过利用了氯(Cl2)气体的诱导结合型(ICP)干蚀刻，将未被蚀刻掩膜覆盖的部分，去除至0.35μm左右的深度为止。
将绝缘膜111的厚度设为300nm左右的SiO2膜即可。在去除蚀刻掩膜后，以覆盖基板101上的整个面的方式，通过等离子CVD法来形成SiO2膜。接着，通过光刻以及干蚀刻，以使接触层110的上表面露出的方式对SiO2膜进行选择性去除。
接下来，如图4(b)所示，形成p电极112、布线电极(未图示)、焊盘(pad)电极113以及n电极114。p电极112通过电子线(EB)蒸镀法等形成厚度为35nm左右的钯膜与厚度为40nm左右的铂膜即可。布线电极形成由厚度为50nm的钛膜、厚度为200nm的铂膜以及厚度为50nm的钛膜层叠的层叠体，与裁截面平行的方向的宽度为20μm左右即可。焊盘电极113在形成厚度为50nm的钛膜、厚度为1000nm的金膜，使得在共振器方向的长度为550μm左右且在裁截面的平行的方向的宽度为150μm左右后，通过电场电镀，将金膜的厚度增厚至10μm左右即可。n电极114是在通过金刚石浆磨将基板101的厚度减薄至100μm左右后，利用EB蒸镀法等在基板101的背面，形成厚度为5nm的钛膜、厚度为10nm的铂膜以及厚度为1000nm的金膜即可。其后，通过裁截而分离成芯片。
图5(a)～(e)表示通过原子间力显微镜(AFM)对各种条件下形成的活性层105的表面进行观察的结果。(a)～(e)分别表示活性层105的氢浓度为7×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、3×1018cm-3、3.5×1018cm-3的情况。图5中，通过黒框所包围的部分表示发生偏析的部分。另外，表1表示活性层105所含的氢的浓度与从AFM像中所求取的In的偏析密度之间的关系。随着活性层105所含的氢的浓度变高，因In的偏析所造成的异常生长减小，氢浓度为2×1018cm-3的情况下，In的偏析密度为1×106cm-2以下，几乎不认为发生异常生长。但是，氢浓度超过2×1018cm-3时，则因In的偏析所造成的异常生长增加。
图6表示活性层105中的氢浓度与光致发光的光的半值幅宽(PL半值幅宽)之间的关系。随着活性层105所含的氢浓度变高，PL半值幅宽减小，氢浓度为2×1018cm-3情况下，PL半值幅宽为115meV左右。但是，氢浓度进一步变高时，PL半值幅宽则上升。
半导体激光装置中的PL半值幅宽优选为小于150meV左右。因此，优选将活性层105中的氢浓度设为高于7×1017cm-3且低于3×1018cm-3。特别是，通过将活性层105中的氢浓度设为1.8×1018cm-3以上且为2.2×1018cm-3以下，即使在发光波长为430nm以上的半导体激光装置中，也能够将PL半值幅宽设为120meV左右以下。当前量产化的波长为400nm～410nm左右的蓝紫色的激光二极管的PL半值幅宽为110meV～120meV左右。因此，在该情况下，即使在波长为430nm以上的纯蓝色激光二极管等中，也能够实现与蓝紫色激光二极管大致同等的特性。
图7(a)以及(b)分别表示活性层105中的氢浓度和n型覆层102以及p型覆层109中的氢浓度的比、与PL半值幅宽之间的关系。如图7(a)所示，随着活性层105中的氢浓度和n型覆层102中的氢浓度的比(A/N)变大，PL半值幅宽也随着变小。A/N为7左右时，PL半值幅宽成为最小，A/N为其以上变大时，PL半值幅宽也随着变大。另外，如图7(b)所示，随着活性层105中的氢浓度与p型覆层109中的氢浓度的比率(A/P)变大，PL半值幅宽随着变小。A/P为0.25左右时，PL半值幅宽成为最小，A/P为其以上变大时，PL半值幅宽也随着变大。通过使A/N比2要大且比10要小的同时，使A/P比0.07要大且比0.35要小，能够使PL半值幅宽比150meV左右要小。也就是说，通过将活性层中的氢浓度设为比n型覆层中的氢浓度的2倍要大且为10倍未满，并且将活性层中的氢浓度设为比p型覆层中的氢浓度的0.07倍要大且为0.35倍未满，能够使PL半值幅宽比150meV左右要小。特别是，只要使A/N为5.9以上且为7.2以下的同时，使A/P为0.22以上且为2.7以下，能够使PL半值幅宽为120meV左右以下。
p型覆层109中的氢浓度比活性层105要高的理由为，在p型覆层109成膜时添加了作为p型杂质的Mg。Mg由于易于与氢结合，含有Mg的p型覆层109中的氢浓度比活性层105要高。
图8表示电流密度与光输出之间的关系。A/N为6.6且A/P为0.25的情况下，产生激光振荡的阈值电流密度为7.5KA/cm2左右。另一方面，A/N为2且A/P为0.07的情况下，阈值电流密度上升至9.4KA/cm2左右。图9表示阈值电流密度与PL半值幅宽之间的关系。阈值电流密度小的情况下，PL半值幅宽也变小。
本实施方式中，以阱层为InGaN的情况为例进行了表示，对于阱层，可取代In或者在In的基础上而包含铝(A1)、硼(B)、磷(P)、砷(As)或者锌(Zn)等。
本实施方式中，将基板设为主面为(0001)面的GaN基板，也可以利用主面为(10-1x)面或者(11-2x)面(其中，x为比0大的整数)等的GaN基板。另外，取代GaN基板，也可以利用蓝宝石基板、炭化硅(SiC)基板、硅(Si)基板、氧化锌(ZnO)基板或者尖晶石(spinel)基板。另外，实施方式中所示的各层的组成以及膜厚等仅为一例，也可以适宜地变更。
本实施方式中，对具有脊型的光导波路的半导体激光装置进行了说明，在埋入型激光装置中，也可以获得同样的效果。另外，并不仅限于半导体激光装置，也可以适用于超发光二极管等。并且，也可以适用于半导体发光二极管(LED)，在设为LED的情况下，例如，如图10所示那样的构成即可。基板201上依次形成由n-GaN构成的n接触层202、InGaN量子阱活性层203、由p-GaN构成的p接触层204。p接触层204上形成p电极205，在n接触层202上形成n电极206。即使在该构成的情况下，也能够抑制In偏析，所以，量子阱活性层的内部量子效率变得非常高。另外，由于抑制了In组成的不均匀，所以，能够将PL半值幅宽缩窄在110meV～120meV左右。由此，能够提高LED的发光效率。
(产业上的可利用性)
本发明的氮化物半导体发光装置及其制造方法，能够抑制活性层中的In偏析以及In组成不均匀，实现阈值电流密度低的氮化物半导体发光装置，特别是，作为氮化物半导体激光装置及其制造方法等是有用的。
(附图符号说明)
101基板
102n型覆层
103第一n型引导层
104第二n型引导层
105活性层
106第一p型引导层
107第二p型引导层
108电子障壁层
109p型覆层
110接触层
111绝缘膜
112p电极
113焊盘电极
114n电极
201基板
202n接触层
203InGaN量子阱活性层
204p接触层
205p电极
206n电极
Claims (16)
1.一种半导体发光装置，其特征在于，具备：
n型覆层，其形成在基板上；
活性层，其形成在所述n型覆层上，并具有阱层以及障壁层；和
p型覆层，其形成在所述活性层上，
其中，所述阱层由含有铟的氮化物半导体构成，所述阱层的氢浓度高于所述n型覆层的氢浓度且低于所述p型覆层的氢浓度。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述阱层的氢浓度比所述n型覆层的氢浓度的2倍要高且为10倍未满，并且所述阱层的氢浓度比所述p型覆层的氢浓度的0.07倍要高且为0.35倍未满。
3.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述阱层的氢浓度高于7×1017cm-3且为3×1018cm-3未满。
4.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述阱层的氢浓度与所述障壁层的氢浓度相等。
5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述阱层由一般式以InxGa1-xN所表现的化合物构成，其中，0＜x＜1。
6.根据权利要求5所述的半导体发光装置，其中，
所述阱层的铟的组成比为0.1以上。
7.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述活性层的铟的偏析密度为1×106cm-2以下。
8.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，
所述活性层的光致发光的光的半值幅宽为120meV以下。
9.一种半导体发光装置的制造方法，其特征在于，包括：
工序(a)，在基板上使n型覆层生长；
工序(b)，在所述工序(a)之后，利用含有氢的载气使活性层生长；和
工序(c)，在所述工序(b)之后，使p型覆层生长，
其中，所述活性层具有阱层以及障壁层，
所述阱层由含有铟的氮化物半导体构成，所述阱层的氢浓度高于所述n型覆层的氢浓度且低于所述p型覆层的氢浓度。
10.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
在所述工序(b)中，使所述阱层的氢浓度比所述n型覆层的氢浓度的2倍要高且为10倍未满，并且使所述阱层的氢浓度比所述p型覆层的氢浓度的0.07倍要高且为0.35倍未满。
11.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
在所述工序(b)中，使所述阱层的氢浓度比7×1017cm-3要高且为3×1018cm-3未满。
12.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
在所述工序(b)中，使所述阱层的氢浓度与所述障壁层的氢浓度相等。
13.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
所述阱层由一般式以InxGa1-xN所表现的化合物构成，其中，0＜x＜1。
14.根据权利要求13所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
所述阱层的铟的组成比为0.1以上。
15.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
所述活性层的铟的偏析密度为1×106cm-2以下。
16.根据权利要求9所述的半导体发光装置的制造方法，其中，
所述活性层的光致发光的光的半值幅宽为120meV以下。
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