CN103594574A - 半导体发光器件 - Google Patents

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CN103594574A CN201310328701.3A CN201310328701A CN103594574A CN 103594574 A CN103594574 A CN 103594574A CN 201310328701 A CN201310328701 A CN 201310328701A CN 103594574 A CN103594574 A CN 103594574A
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semiconductor
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light emitting
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黄钟日
斋藤真司
桥本玲
布上真也
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Abstract

本发明涉及半导体发光器件。根据一个实施例，一种半导体发光器件包括：第一半导体层、第二半导体层、以及设于第一半导体层和第二半导体层之间的发光层。第一半导体层包括氮化物半导体，并且是n型的。第二半导体层包括氮化物半导体，并且是p型的。所述发光层包括：第一阱层；设于第一阱层与第二半导体层之间的第二阱层；设于第一和第二阱层之间的第一势垒层；以及在第一势垒层与第二阱层之间接触第二阱层并且包括含Alx1Ga1-x1N（0.1≤x1≤0.35）的层的第一含Al层。

Description

半导体发光器件
相关申请的交叉引用
本申请基于2012年8月13日提交的在先日本专利申请No.2012-179522并且要求其优先权；该在先申请的全部内容通过引用的方式结合在本申请中。
技术领域
此处描述的实施例总体上涉及半导体发光器件。
背景技术
在诸如LD（激光二极管）和LED（发光二极管）的半导体发光器件中，期望提高发光效率。
在半导体发光器件中，例如将含In的氮化物半导体用于有源层。当有源层的In成分比率增加以便获得期望的发光波长时，观察到晶体质量劣化以及发光效率降低的趋势。
发明内容
一般而言，根据一个实施例，一种半导体发光器件包括：包括氮化物半导体的第一半导体层，该第一半导体层是n型的；包括氮化物半导体的第二半导体层，该第二半导体层是p型的；以及设于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的发光层。该发光层包括：包括氮化物半导体的第一阱层；设于所述第一阱层与所述第二半导体层之间并且包括氮化物半导体的第二阱层；设于所述第一阱层和所述第二阱层之间并且包含氮化物半导体的第一势垒层，所述第一势垒层的带隙能量大于所述第一阱层的带隙能量以及所述第二阱层的带隙能量；以及在所述第一势垒层和所述第二阱层之间接触所述第二阱层并且包括含Alx1Ga1-x1N（0.1≤x1≤0.35）的层的第一含Al层。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图2是示出根据第一实施例的另一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图3是示出根据第一实施例的又一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图4是示出根据第一实施例的再一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图5是示出根据第一实施例的另外一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图6A和图6B是半导体发光器件的透射电子显微图像；
图7A和图7B是示出半导体发光器件的时间分辨的光致发光特性的曲线图；
图8A和图8B是示出半导体发光器件的表面状态的原子力显微照相图像；
图9A和图9B是示出半导体发光器件的特性的曲线图；
图10是示出根据第二实施例的半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图11是示出根据第二实施例的另一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；
图12是示出根据第二实施例的再一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图；以及
图13是示出根据第二实施例的另外一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
具体实施方式
在下文中将参考附图描述各种实施例。
注意，附图是示意性的或概念性的。各部分的厚度与宽度之间的关系、各部分的尺寸比等不一定与真实的关系、尺寸比等一样。此外，即使在表示相同部分的情况下，各部分之间的尺寸和比率有时也不同地表达，这取决于各个图。
在说明书及附图中，与上文的附图中描述和示出的部件相似的那些部件用相同的参考标记标示，并且适当地省略具体描述。
第一实施例
图1是示出根据第一实施例的半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。如图1所示，根据该实施例的半导体发光器件110包括第一半导体层10、第二半导体层20以及发光层30。
第一半导体层10包括氮化物半导体，并且第一半导体层10是n型的。第二半导体层20包括氮化物半导体，并且第二半导体层20是p型的。发光层30设于所述第一半导体层10和所述第二半导体层20之间。
此处，假设从第一半导体层10到第二半导体层20的方向为Z轴方向。在半导体发光器件110中，发光层30设于第一半导体层10上，并且第二半导体层20设于发光层30上。第一半导体层10、发光层30和第二半导体层20以此顺序在Z轴方向上层叠。
在本说明书中，“一个部件设于另一个部件上”的状态包括一个部件直接设于另一部件上的状态、以及一个部件设于另一个部件上且在这些部件之间***不同的元件的状态。在本说明书中，“一个部件层叠于另一个部件上”的状态包括一个部件与另一部件彼此层叠的状态、以及一个部件层叠于另一个部件上且在这些部件之间***不同的元件的状态。
第二半导体层20通过发光层30与第一半导体层10相对。在本说明书中，“一个部件与另一个部件相对”的状态包括一个部件直接面对另一部件上的状态、以及一个部件间接面对另一个部件上且在这些部件之间***不同的元件的状态。
在下文中，用于“下侧”和“上侧”用于简化解释。“下侧”对应于第一半导体层10一侧，且“上侧”对应于第二半导体层20一侧。
例如，包含n型杂质的GaN用于第一半导体层10。Si、Ge、Te和Sn中的至少一种可以用于n型杂质。第一半导体层10包括例如n侧接触层。
例如，包含p型杂质的GaN用于第二半导体层20。Mg、Zn和C中的至少一种可以用于p型杂质。第二半导体层20包括例如p侧接触层。
发光层30包括多个阱层WL（例如，包括第一阱层WL1和第二阱层WL2）、势垒层BL以及含Al层AL。阱层WL包含氮化物半导体。势垒层BL设于阱层WL之间。势垒层BL的带隙能量大于阱层WL的带隙能量。势垒层BL包含氮化物半导体。
含Al层AL设于单个势垒层BL与p侧阱层WL之间并且与p侧阱层WL接触，所述p侧阱层WL设于所述单个势垒层BL与第二半导体层10之间。例如，含Al层AL接触所述单个势垒层BL。含Al层AL包含Alx0Ga1-x0N（0.1≤x0≤0.35）。x0是含Al层AL的Al成分比率。例如，含Al层AL的厚度为大于等于0.5纳米（nm）且小于等于2.5nm。
即，发光层30包括第一阱层WL1、第二阱层WL2、第一势垒层BL1和第一含Al层AL1。第一阱层WL1和第二阱层WL2包含氮化物半导体。第二阱层WL2设于第一阱层WL1和第二半导体层20之间。第一势垒层BL1设于第一阱层WL1和第二阱层WL2之间。第一势垒层BL1的带隙能量大于第一阱层WL1的带隙能量以及第二阱层WL2的带隙能量。第一势垒层BL1包含氮化物半导体。
第一含Al层AL1在第一势垒层BL1与第二阱层WL2之间接触第二阱层WL2。第一含Al层AL包含Alx1Ga1-x1N（0.1≤x1≤0.35）。例如，第一含Al层AL接触第一势垒层BL1。例如，第一含Al层AL的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
在该实例中，发光层30还包括n侧势垒层Bln以及n侧含Al层ALn。n侧势垒层BLn设于所述第一阱层WL1和所述第一半导体层10之间。n侧势垒层BLn的带隙能量大于第一阱层WL1的带隙能量以及第二阱层WL2的带隙能量。n侧势垒层BLn包含氮化物半导体。
如下文中所描述的，在单个阱层WL中带隙能量有时变化。即，有时在单个阱层WL中提供带隙能量相对较小的第一部分以及带隙能量大于第一部分的其它部分（带隙能量相对较大的部分）。当提供这些部分时，“一部分的带隙能量大于阱层WL的带隙能量”的状态是指这样的状态，其中“一部分的带隙能量大于阱层WL中的具有相对较大带隙能量的部分的带隙能量”。
n侧含Al层ALn在n侧势垒层BLn与第一阱层WL1之间接触第一阱层WL1。n侧含Al层AL包含AlxnGa1-xnN（0.1≤xn≤0.35）。例如，n侧含Al层Aln接触n侧势垒层BLn。例如，n侧含Al层AL的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
在该实例中，半导体发光器件110还包括p侧含Al层Alp。p侧含Al层ALp设于发光层30和所述第二半导体层20之间。p侧含Al层ALp的带隙能量大于第一势垒层BL1的带隙能量，并且p侧含Al层ALp包括含有Al的氮化物半导体。即，p侧含Al层ALp的带隙能量大于阱层WL的带隙能量。
在半导体发光器件110中，电流通过第一半导体层10和第二半导体层20被提供给发光层30，并且从发光层30发射光。例如，从发光层30发射的光的峰值波长为大于等于400nm且小于等于670nm。
阱层WL的带隙能量以及阱层WL的厚度设置成使得从发光层30发射的光的峰值波长例如为大于等于400nm且小于等于670nm。
例如，阱层WL包括含有Inp0Ga1-p0N（0.1<p0≤0.4）的部分。例如，阱层WL的厚度为大于等于1.5nm且小于等于5nm。下面将描述阱层WL的一个示例性配置。
例如，半导体发光器件110是LED。半导体发光器件110可以是LD。在这种情况下，第一半导体层10的至少一部分以及第二半导体层20的至少一部分具有引导从发光层30发射的光波的功能。
在该实施例中，第二半导体层20例如置于第一半导体层10的[0001]方向侧上。然而，与第二半导体层20相对的第一半导体层10的表面（为了方便起见，将该表面称为顶表面）可以不是严格的（0001）面。所述顶表面可以是以特定偏移角相对于严格（0001）面倾斜的面。该偏移角例如是大于等于零度且小于等于90度的角。第二半导体层20设于第一半导体层10的[0001]方向侧上的状态也包括这样的情况，其中：在Z轴方向上的第一半导体层10的表面如上所述地相对于（0001）面倾斜。
第一半导体层10的主表面例如是c-面。例如，在衬底（未示出）上形成缓冲层（未示出），并且在缓冲层上顺序形成第一半导体层10、发光层30和第二半导体层20。例如，c-面蓝宝石衬底用于所述衬底。例如，（110）、（111）和（100）硅（Si）中的任何一种都可以用于该衬底。在形成这些层之后，可以去除衬底和缓冲层。
在该实施例中，提供含Al层AL以例如改善阱层WL平坦度，并且阱层WL的晶体质量也得到提高。由此，在发光层30中电子和空穴的复合效率提高。
根据该实施例，可以提供具有高晶体质量的高效半导体发光器件。通过发明人进行的实验发现了通过提供含Al层AL发挥的这些效果。将在下文中描述该实验。
在下文中，将描述根据该实施例的半导体发光器件的一些实例。
图2是示出根据第一实施例的另一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图2所示，在根据该实施例的半导体发光器件111中，发光层30还包括第三阱层WL3、第四阱层WL4、第二势垒层BL2、第三势垒层BL3、第二含Al层AL2和第三含Al层AL3。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件110中的相同，并且省略描述。
第三阱层WL3设于所述第二阱层WL2与所述第二半导体层20之间并且包括氮化物半导体。第二势垒层BL2设于所述第二阱层WL2和第三阱层WL3之间。第二势垒层BL2的带隙能量大于第二阱层WL2的带隙能量以及第三阱层WL3的带隙能量，并且第二势垒层BL2包含氮化物半导体。第二含Al层AL2在第二势垒层BL2与第三阱层WL3之间接触第三阱层WL3。第二含Al层AL2包含Alx2Ga1-x2N（0.1≤x2≤0.35）。例如，第二含Al层AL2接触第二势垒层BL2。第二含Al层AL的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
如上所述，例如，提供N（N为2或更大的整数）个阱层WL。
第i阱层WLi（i是2或更大的整数）设于第（i-1）阱层WL（i-1）与第二半导体层20之间，并且包含氮化物半导体。第（i-1）势垒层BL（i-1）设于第（i-1）阱层WL（i-1）与第i阱层WLi之间。第（i-1）势垒层BL（i-1）的带隙能量大于第（i-1）阱层WL（i-1）的带隙能量以及第i阱层WLi的带隙能量，并且第（i-1）势垒层BL（i-1）包含氮化物半导体。第（i-1）含Al层AL（i-1）在第（i-1）势垒层BL（i-1）与第i阱层WLi之间接触第i阱层WLi。第（i-1）含Al层AL（i-1）包含Alx（i-1）Ga1-x（i-1）N（0.1≤x（i-1）≤0.35）。例如，第（i-1）含Al层AL（i-1）接触第（i-1）势垒层BL（i-1）。第（i-1）含Al层AL（i-1）的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
在该实例中，提供四个阱层WL。然而，在该实施例中阱层WL的数量是任选的。
在该实例中，含Al层AL设于各个阱层WL的下侧（在第一半导体层10侧）上。然而，含Al层AL可以设于任何一个阱层WL的下侧上。
例如，含Al层AL可以设于在阱层WL中接近第一半导体层10的阱层WL的下侧上。在这种情况下，当从第一半导体层10侧生长晶体时晶体生长的初始阶段中的阱层WL（例如，第一阱层WL）的晶体质量提高。因此，晶体生长在阱层WL上的另一层的晶体质量提高，并且整个发光效率提高。
另一方面，例如，含Al层AL可以设于在阱层WL中接近（例如，最靠近）第二半导体层20的阱层WL的下侧上。已经揭示了主要在靠近p型的第二半导体层20的阱层WL中发射光。因此，将含Al层AL设置在靠近（最靠近）第二半导体层20的阱层WL下方以提高该阱层WL的晶体质量。因此，发光效率提高。
图3是示出根据第一实施例的又一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图3所示，在根据该实施例的半导体发光器件112中，在单个阱层WL中In浓度（In成分比）变化。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件111中的相同，并且省略描述。
例如，阱层WL包括含有Inp01Ga1-p01N（0.1<p01≤0.4）的第一部分PL01。第一部分PL01是相对高In浓度的部分。阱层WL还包括第二部分PL02。第二部分PL02设于第一部分PL01与第二半导体层20之间并且包含Inp02Ga1-p02N（0<p02<p01）。
例如，第二阱层WL1包括含有Inp21Ga1-p21N（0.1<p21≤0.4）的第一部分PL21。第二阱层WL2还包括第二部分PL22。第二部分PL22设于第一部分PL21与第二半导体层20之间并且包含Inp22Ga1-p22N（0<p22<p21）。
可以在阱层WL的至少一部分上提供相对高In浓度的部分和相对低In浓度的部分。
图4是示出根据第一实施例的又一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图4所示，在根据该实施例的半导体发光器件113中，在单个阱层WL中相对高In浓度的部分布置在相对低In浓度的两个部分之间。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件112中的相同，并且省略描述。
例如，阱层WL包括第一部分PL01、第二部分PL02和第三部分PL03。第一部分PL01包含Inp01Ga1-p01N（0.1<p01≤0.4）。第二部分PL02设于第一部分PL01和所述第二半导体层20之间。第二PL02包含Inp02Ga1-p02N（0<p02<p01）。第三部分PL03设于所述第一部分PL01和第一半导体层10之间。第三部分PL03包含Inp03Ga1-p03N（0<p03<p01）。
例如，第二阱层WL2包括含有Inp21Ga1-p21N（0.1<p21≤0.4）的第一部分PL21、设于第一部分PL21和第二半导体层20之间且包含Inp22Ga1-p22N（0<p22<p21）的第二部分PL22、以及设于第一部分PL21与第一含Al层AL1（第一部分PL21和第一半导体层10）之间并且包含Inp23Ga1-p23N（0<p23<p21）的第三部分PL23。
类似地，第三阱层WL3包括：含有Inp31Ga1-p31N（0.1<p31≤0.4）的第三阱层WL3的第一部分PL31；设于第三阱层WL3的第一部分PL31与第二半导体层20之间并且包含Inp32Ga1-p32N（0<p32<p31）的第三阱层WL3的第二部分PL32；以及设于第三阱层WL3的第一部分PL31与第一半导体层10之间并且包含Inp33Ga1-p33N（0<p33<p31）的第三阱层WL3的第三部分PL33。
类似地，第四阱层WL4包括：含有Inp41Ga1-p41N（0.1<p41≤0.4）的第四阱层WL4的第一部分PL41；设于第四阱层WL3的第一部分PL41与第二半导体层20之间并且包含Inp42Ga1-p42N（0<p42<p41）的第四阱层WL4的第二部分PL42；以及设于第四阱层WL4的第一部分PL41与第一半导体层10之间并且包含Inp43Ga1-p43N（0<p43<p41）的第四阱层WL4的第三部分PL43。
第一阱层WL1的第一部分PL01的In成分比例如为大于等于0.1且小于等于0.4，并且例如为0.3。第二部分PL02和第三部分PL03的In成分比例如为大于等于0.02且小于等于0.2，并且例如为0.1。
如上所述，在阱层WL中，提供具有高In成分比的第一部分PL01、具有低In成分比的第二部分PL02、以及具有低In成分比的第三部分PL03，以在阱层WL中形成适当的应变，从而可以有效地引起压电场。由此，可以使得电子的空间分布位置靠近空穴的空间分布位置。因此，有可能提高发光效率。
如上所述，阱层WL可以包括多个子层。在子层中In成分比不同，并且带隙相应地变化。子层的数目是任选的。
阱层WL中In成分比的变化（分布）可以是连续的，或者可以是阶段性的（不连续的）。在阱层WL之间，In成分比的分布可以彼此不同。
阱层WL的带隙能量的分布根据阱层WL中In成分比的分布变化。阱层WL中带隙能量的变化（分布）可以是连续的，或者可以是阶段性的（不连续的）。
图5是示出根据第一实施例的又一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图5所示，在根据该实施例的半导体发光器件114中，第一半导体层10包括n型氮化物半导体层11和设于氮化物半导体层11与发光层30之间的层叠体40。
例如，包含n型杂质的GaN用于n型氮化物半导体层11。
层叠体40包括彼此交替层叠的多个第一膜41和多个第二膜42。第一膜41与第二膜42的层叠方向是Z轴方向。第二膜42的带隙能量大于第一膜41的带隙能量。例如，InGaN用于第一膜41，并且例如，GaN用于第二膜。例如，第一膜41的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2nm。例如，第二膜42的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2nm。层叠体40例如是超晶格。层叠体40例如提高发光层30的晶体质量。
层叠体40例如包含n型杂质。层叠体40可以不包含任何n型杂质。在该实施例中，晶体质量提高并且发光效率提高。在下文中将描述从中获得这些发现的实验。
在下面的实验中，制备半导体发光器件114。
在该实验中，在c-面蓝宝石衬底上形成缓冲层。该缓冲层包括形成在衬底上的低温GaN层以及形成在低温GaN层上的GaN层。层叠体40形成在该缓冲层上。形成n型GaN层用于层叠体40上的n型氮化物半导体层11。层叠体40形成在n型GaN层上，发光层30形成在层叠体40上，p侧含Al层ALp形成在发光层30上，并且第二半导体层20形成在p侧含Al层ALp上。将金属-有机化学气相沉积（MOCVD）用于生长这些半导体层的方法。例如，可以使用金属-有机气相外延。
在该实施例中，阱层WL的数量是四个。含Al层形成在各个阱层WL下方。即，在形成势垒层BL之后形成含Al层AL，并且阱层WL形成在含Al层AL上。在形成阱层WL时，形成第一到第三部分。重复形成层叠膜的过程四次。含Al层AL的Al成分比率是0.3。含Al层AL的厚度是约1.5nm。
势垒层BL是GaN，并且厚度是约10nm。阱层WL的第一部分的In成分比是0.3，并且第一部分的厚度是2nm。第二部分的In成分比是0.15，并且第二部分的厚度是1nm。第三部分的In成分比是0.15，并且第三部分的厚度是1nm。
形成p侧含Al层ALp，并且在p侧含Al层ALp上形成第二半导体层20。由此，制备了半导体发光器件114。
在该实例中，也制备根据参考样品的半导体发光器件191。在根据参考样品的半导体发光器件191中，在半导体发光器件114的配置中不提供含Al层，其它条件与半导体发光器件114相同。即，在制备该半导体发光器件时，阱层WL直接形成在各个势垒层BL上而不形成含Al层AL。
在半导体发光器件114和191上，使用电子显微镜（TEM，透射电子显微镜）观察横截面并且评价时间分辨的电致发光特性。使用原子力显微镜（AFM）评价这些样品的表面状态。
图6A和图6B是半导体发光器件的透射电子显微图像。
图6A对应于半导体发光器件114，并且图6B对应于根据参考样品的半导体发光器件191。由于复杂性，势垒层BL的位置未示出。
图6B显示出，在其中不在阱层WL下方提供含Al层AL的半导体发光器件191中，对应于阱层WL（第一阱层WL1到第四阱层WL4）的暗的带状图像不清楚。这被认为是阱层WL与阱层WL上方和下方的层（即，势垒层BL）之间的边界不清楚，并且未形成期望的层。这也被认为是这些层的晶体质量差。
相反，图6A显示出，在其中在阱层WL下方提供含Al层AL的半导体发光器件114中，对应于阱层WL（第一阱层WL1到第四阱层WL4）的暗的带状图像非常清楚。即，这被认为是阱层WL与阱层WL上方和下方的层（即，含Al层AL和势垒层BL）之间的边界清楚，并且形成了期望的层。这也被认为是这些层的晶体质量极佳。
图7A和图7B是示出半导体发光器件的时间分辨的光致发光特性的曲线图。
图7A对应于半导体发光器件114，并且图7B对应于根据参考样品的半导体发光器件191。在图7A和图7B中，水平轴表示时间t，垂直轴表示获得的光致发光的强度Int。强度Int被归一化，其中半导体发光器件119的最大强度为1。
图7B显现出，在半导体发光器件191中，光致发光强度Int快速衰减。半导体发光器件191的电致发光的衰减时间常数τ短。光致发光衰减是因为阱层WL中的电子被该层中的缺陷等俘获，并且光致发光消失。该光致发光强度Int的最大值小。
相反，图7A显现出，在半导体发光器件114中，光致发光强度Int逐渐衰减。半导体发光器件114的光致发光的衰减时间常数τ长。当在半导体发光器件191的光致发光的衰减时间常数τ为1的情况下归一化衰减时间常数τ时，半导体发光器件114的光致发光的衰减时间常数τ是1.61。当在半导体发光器件191的光致发光强度Int的最大值为1的情况下归一化强度Int时，半导体发光器件114的光致发光强度Int的最大值约为2.3，该值高。
如上所述，在阱层WL下方提供含Al层AL，使得光致发光强度Int的最大值增加，并且光致发光的时间常数延长。例如，这意味着引起阱层WL中的电子消失的阱层WL的晶体缺陷少。即，揭示了在阱层WL下方提供含Al层AL来例如抑制阱层WL的晶体缺陷，以提高晶体质量。因此，可以因为晶体质量提高而提高发光效率。
图8A和图8B是示出半导体发光器件的表面状态的原子力显微照相图像。
图8A对应于半导体发光器件114，并且图8B对应于根据参考样品的半导体发光器件191。图8A和8B是在形成第一阱层WL1的状态下结束半导体层的形成的图像，并且使用AFM观察该状态下的样品。
图8B显现，在其中未在阱层WL下方提供含Al层AL的半导体发光器件191中，表面上的凸起和凹陷大。半导体发光器件191的表面粗糙度（均方根粗糙度的RMS值）约为0.46nm。半导体发光器件191的表面粗糙度（算术平均粗糙度的Ra值）为0.37nm。
相反，如图8A所显现的，在其中在阱层WL下方提供含Al层AL的半导体发光器件114中，表面上的凸起和凹陷小。半导体发光器件114的表面粗糙度（RMS值）约为0.42nm。半导体发光器件114的表面粗糙度（Ra值）为0.33nm。
如上所述，揭示了在形成阱层WL之前形成含Al层AL作为阱层WL的下层以提高阱层WL的表面的平坦度。
改变含Al层AL的Al成分比以类似地制备样品，并且根据时间分辨的光致发光特性评价光学属性。
图9A和图9B是示出半导体发光器件的特性的曲线图。
图9A和图9B中的水平轴表示含Al层AL的Al成分比x0。根据参考样品的半导体发光器件的特性在Al成分比x0为零的地方示出。图9A中的垂直轴表示时间分辨的光致发光特性的时间常数τ。时间常数τ被归一化，其中半导体发光器件191的时间常数为1。图9B中的垂直轴表示时间分辨的光致发光特性的光致发光强度Int的最大值Intmax。最大值Intmax被归一化，其中半导体发光器件119的光致发光强度Int的最大值为1。
如图9A中所揭示的，当含Al层AL的Al成分比x0为0.15时，时间常数τ为1.44。当Al成分比x0为0.3时，时间常数τ为1.61。当Al成分比x0为0.45时，时间常数τ为1.35。如上所述，揭示了当含Al层AL的Al成分比x0为0.1或更大时，时间常数τ大。更具体地，当Al成分比x0为大于等于0.2且小于等于0.4时时间常数τ大。
如图9B中所揭示的，当含Al层AL的Al成分比x0为0.15时，光致发光强度Int的最大值Intmax为2.2。当Al成分比x0为0.3时，光致发光强度Int的最大值Intmax为2.3。当Al成分比x0为0.45时，光致发光强度Int的最大值Intmax为1.7。如上所述，揭示了当含Al层AL的Al成分比x0为0.1或更大时，光致发光强度Int的最大值Intmax大。更具体地，当Al成分比率x0为大于等于0.2且小于等于0.4时，光致发光强度Int的最大值Intmax大。
存在这样的配置，其中在阱层Wl和势垒层BL之间提供中间层。也已知一种配置，其中在上和下阱层WL之间提供AlGaN层作为中间层。在所述配置中，已知的是当AlGaN的Al成分比率在0%到10%（0.1）的范围内变化时，在Al成分比率为小于等于5%时发光效率高。已知的是，当Al成分比率为0%（即，当成分时GaN时），发光效率更高。即，已知的是当Al成分比率低时发光效率高。
相反，在该实施例中，在阱层Wl的下侧上布置Al成分比率高于0.05的含Al层AL。更具体地，该含Al层的Al成分比率为大于等于0.1，并且希望地为大于等于0.2且小于等于0.4。
发明人在实际进行实验之前预测到当具有这种高Al成分比率的含Al层AL形成于势垒层BL与阱层WL之间时，含Al层AL的晶格常数与阱层WL的晶格常数之间的差过大，于是晶体质量退化。然而，由于没有关于其中Al成分比率如上所述增加的实际示例性实验的报告，发明人进行了Al成分比率大幅度变化的实验。因此，如上所述，揭示了在Al成分比率大大超过0.05的Al成分比率的大于等于0.1——更具体地，大于等于0.2且小于等于0.4——的范围内，表面粗糙度VRMS显著地小。也解释了，时间分辨的光致发光特性的时间常数τ同时显著延长。即，揭示了在大大超过到目前为止所报道的小于等于5%的范围的Al成分比率下，晶体表面变得平坦且晶体中的缺陷减少。即，在这些条件下，晶体质量提高，并且可以获得高发光效率。
如上所述，在常规配置中，可以获得这样的结果：在Al成分比率为小于等于5%时发光效率高，更具体地，在Al成分比率为0%时发光效率增加。相反，在本实验中，在Al成分比率为大于等于0.1，更具体地为大于等于0.2且小于等于0.4时，效率提高。这是完全不同于常规认识的现象。
如上所述，当含Al层AL被提供并且阱层WL形成在含Al层AL上时，表面的平坦度提高，并且阱层WL的晶体质量提高。因此，提供根据本实施例的含Al层AL，以相比于常规配置增加阱层WL的In成分比率。
例如，在阱层WL中提供具有高In成分比率的第一部分PL01、具有低In成分比率的第二部分PL02、以及具有低In成分比率的第三部分PL03的情况下，当具有高In成分比率的第一部分PL01的浓度过高时或当第一部分PL01的厚度过厚时，阱层WL的晶体质量趋于劣化。在这种情况下，在阱层WL的下侧上布置根据本实施例的含Al层AL，即使第一部分PL01的In成分比率增加也可以维持高晶体质量。
具有高In成分比率的第一部分PL01（诸如，例如，第一部分PL11、PL21、PL31和PL41）的厚度例如为大于等于0.5nm且小于等于2nm。例如，当第一部分PL01的厚度超过2nm时，空穴的波函数与电子的波函数的交叠减少，发光效率趋于劣化。
例如，In成分比率低的第二部分PL02的厚度和第三部分PL03的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2nm。
例如，阱层WL的厚度（单个阱层WL的整个厚度）为大于等于1nm且小于等于10nm。在阱层WL的厚度小于1nm时，阱层WL对载流子的限制效应变小，从而减小了发光效率。当阱层WL的厚度超过10nm时，晶体质量显著劣化。阱层WL的厚度例如为3nm。
在该实施例中，例如，含Al层AL的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。更具体地，含Al层AL的厚度例如是约1.0nm。或者，含Al层AL的厚度例如是约1.5nm。当含Al层AL的厚度为1.0nm时的操作电压，低于当含Al层的厚度为1.5nm时的操作电压。当含Al层AL的厚度为1.0nm时的功率转换效率（wall plug efficiency），高于当含Al层的厚度为1.5nm时的功率转换效率。
在该实施例中，例如，势垒层BL的厚度为大于等于5nm且小于等于30nm。例如，当含Al层的厚度为1.5nm时，势垒层BL的厚度为例如10nm。
第二实施例
图10是示出根据第二实施例的半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图10所示，根据该实施例的半导体发光器件120也包括第一半导体层10、第二半导体层20以及发光层30。同样在该实施例中，发光层30包括多个阱层WL（例如，包括第一阱层WL1和第二阱层WL2）、势垒层BL以及含Al层AL。
阱层WL具有包含Inp01Ga1-p01N（0.1<p01≤0.4）的部分（第一部分PL01）。例如，第一阱层WL1具有包含Inp11Ga1-p11N（0.1<p11≤0.4）的部分（第一部分PL11）。例如，第二阱层WL2具有包含Inp21Ga1-p21N（0.1<p21≤0.4）的部分（第一部分PL21）。
在该实施例中，势垒层BL包括Al成分比率彼此不同的多个部分（多个层）。
即，第一势垒层Bl1包括第一n侧层Bn1和第一p侧层Bp1。第一n层层Bn1接触第一阱层WL1。第一n侧层Bn1的带隙能量大于第一部分PL01（第一部分PL11）的带隙能量。第一n侧层Bn1包含Alq11Inr11Ga1-q11-r11N（0≤q11<1、0≤r11<1、0≤q11+r11≤1且r11<p21）。
第一p侧层Bp1设于第一n层层Bn1与第二半导体层20之间（在第一n侧层Bn1与第一含Al层AL1之间）。第一p侧层Bp1的带隙能量大于第一部分PL01（第一部分PL11）的带隙能量。第一p侧层Bp1包含Alq12Inr12Ga1-q12-r12N（0≤q12<1、0≤r12<1、0≤q12+r12≤1、q12<q11且r12<p21）。
除了上述配置之外的配置与半导体发光器件110的配置等价，并且省略描述。
在第一势垒层BL1中，第一p侧层Bp1布置在第一n侧层Bn1上。第一p侧层Bp1的带隙能量小于第一n侧层Bn1的带隙能量。
第一n侧层Bn1以及第一p侧层Bp1的In成分比率例如为零。例如，第一n侧层Bn1的Al成分比率为大于等于0.1且小于等于0.3。例如，Al0.15Ga0.85N用于第一n侧层Bn1。例如，或者，Al0.3Ga0.7N用于第一n侧层Bn1。例如，第一p侧层Bp1的Al成分比率小于0.1。例如，GaN用于第一p侧层Bp1。
例如，第一n侧层Bn1的厚度为大于等于0.1nm且小于等于5nm。在第一n侧层Bn1的厚度小于0.1nm的情况下，阱层WL对载流子的限制效应减小，难以获得高发光效率。当第一n侧层Bn1的厚度超过5nm时，操作电压显著增加。第一n侧层Bn1的厚度例如为1nm。
例如，第一p侧层Bp1的厚度为大于等于1nm且小于等于30nm。在第一p侧层Bp1的厚度小于1nm的情况下，晶体质量劣化，难以获得高发光效率。当第一p侧层Bp1的厚度超过30nm时，操作电压增加。第一p侧层Bp1的厚度例如为10nm。
如上所述，在该实施例中，在单个势垒层BL中形成带隙能量分布。即，在设于阱层WL上的势垒层BL中，与阱层WL接触的部分（第一n侧层Bn1）的带隙能量增加为大于除先前部分之外的部分（第一p侧层Bp1）的带隙能量。
因此，例如，发光效率提高。更具体地，尤其可以在从发光层30发出的光的峰值波长λ大于515nm的半导体发光器件中获得高发光效率。
依照根据该实施例的配置，认为可以获得上述高效率的原因在于抑制了量子限制斯塔克（Stark）效应导致的发光效率降低。
在半导体发光器件中，阱层WL受到应变以产生压电场。压电场有时候减小空穴的波函数与电子的波函数的交叠的积分值，从而降低发光效率。例如，在压电场被适当控制的情况下，阱层WL的电子的波函数泄漏到例如第二半导体层20侧。更具体地，在长波长处阱层WL中，应变增加，该趋势是显而易见的。
当应变增加时，在接触阱层WL的第二半导体层20侧上的势垒层BL的部分上提供AlGaN层（例如，第一n侧层Bn1），以抑制电子向第二半导体层20侧的泄漏。由于电子具有小的有效质量，提供AlGaN层以比空穴的波函数更多地将电子的波函数移至第一半导体层10侧。由此，有可能增加空穴的波函数与电子的波函数的交叠的积分值。
图11是示出根据第二实施例的另一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图11所示，在根据该实施例的另一半导体发光器件121中，同样，在各个势垒层BL上提供Al成分比率彼此不同的多个部分（多个层）。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件111中的相同，并且省略描述。
第一势垒层Bl1包括第一n侧层Bn1和第一p侧层Bp1。
例如，发光层30还包括设于第二阱层WL2与第二半导体层20之间的第二势垒层BL2。第二势垒层BL2包括第二n侧层Bn2和第二p侧层Bp2。第二n侧层Bn2接触第二阱层WL2，且带隙能量大于第二阱层WL2的第一部分PL21的带隙能量。第二势垒层BL2包含Alq21Inr21Ga1-q21-r21N（0≤q21<1、0≤r21<1、0≤q21+r21≤1且r21<p21）。第二p侧层Bp2设于第二n侧层Bn2与第二半导体层20之间，并且带隙能量大于第一部分PL21的带隙能量。第二p侧层Bp2包含Alq22Inr22Ga1-q22-r22N（0≤q22<1、0≤r22<1、0≤q22+r22≤1、q22<q21且r22<p21）。即，第二势垒层BL2包括在第一半导体层10侧的具有高Al成分比率的部分（第二n侧层Bn2）以及在第二半导体层20侧的具有相对较低Al成分比率的部分（第二p侧层Bp2）。
类似地，第三势垒层BL3包括在第一半导体层10侧的具有高Al成分比率的部分（第三n侧层Bn3）以及在第二半导体层20侧的具有相对较低Al成分比率的部分（第三p侧层Bp3）。n侧势垒层BLn包括在第一半导体层10侧的具有高Al成分比率的部分（n侧层Bnn）以及在第二半导体层20侧的具有相对低Al成分比率的部分（p侧层Bpp）。
同样，在该半导体发光器件121中，发光效率的减少受到抑制并且可以获得高效率。
图12是示出根据第二实施例的又一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图12所示，在根据该实施例的又一半导体发光器件122中，同样，在各个势垒层BL上提供Al成分比率彼此不同的多个部分（多个层）。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件112中的相同，并且省略描述。
图13是示出根据第二实施例的再一个半导体发光器件的配置的示意性横截面视图。
如图13所示，在根据该实施例的再一个半导体发光器件123中，同样，在各个势垒层BL上提供Al成分比率彼此不同的多个部分（多个层）。除了上述配置之外的配置与半导体发光器件113中的相同，并且省略描述。
同样，在半导体发光器件123中，还可以类似于半导体发光器件114提供层叠体40。
同样，在该半导体发光器件122和123中，发光效率的减少受到抑制并且可以获得高效率。
根据该实施例，可以提供具有高晶体质量的高效半导体发光器件。
在本说明书中，“氮化物半导体”包括具有这样的成分的所有半导体，其中，在化学式BxInyAlzGa1-x-y-zN（0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、且x+y+z≤1）中成分比率x、y和z在单独的范围内变化。此外，“氮化物半导体”也包括：在化学式中还包含不是N（氮）的V族元素的半导体、还包含被添加用于控制各种物理属性（例如导电类型）的各种元素的半导体、以及还包含非故意包含的各种元素的半导体。
如上所述，参考具体实例描述了本发明的实施例。然而，本发明的实施例不限于这些具体实例。例如，在本发明的范围内并入包含在半导体发光器件中的诸如第一半导体层、第二半导体层、发光层、阱层、势垒层以及含Al层的部件的特定配置，只要本领域技术人员从公知范围内适当地选择部件来类似地实施本发明以获得相似的效果。
尽管已经描述了特定实施例，但是这些实施例仅以举例的方式被呈现，并不意图限制本发明的范围。实际上，此处描述的新颖的实施例可以体现为各种其它形式；此外，可以在不脱离本发明的精神的情况下对此处描述的实施例的形式进行各种省略、替代和变化。所附权利要求及其等效物意图覆盖应落入本发明的精神和范围内的这些形式或修改。

Claims (20)

1.一种半导体发光器件，包括：
包括氮化物半导体的第一半导体层，所述第一半导体层是n型的；
包括氮化物半导体的第二半导体层，所述第二半导体层是p型的；以及
设于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的发光层，所述发光层包括：
包括氮化物半导体的第一阱层；
设于所述第一阱层与所述第二半导体层之间并且包括氮化物半导体的第二阱层；
设于所述第一阱层和所述第二阱层之间并且包括氮化物半导体的第一势垒层，所述第一势垒层的带隙能量大于所述第一阱层的带隙能量以及所述第二阱层的带隙能量；以及
在所述第一势垒层和所述第二阱层之间接触所述第二阱层并且包括含Alx1Ga1-x1N(0.1≤x1≤0.35)的层的第一含Al层。
2.根据权利要求1的器件，其中所述第一含Al层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
3.根据权利要求1的器件，其中，所述第二阱层WL1包括包含Inp21Ga1-p21N(0.1<p21≤0.4)的第一部分。
4.根据权利要求3的器件，其中所述第二阱层还包括设于所述第一部分与第二半导体层20之间并且包含Inp22Ga1-p22N(0<p22<p21)的第二部分。
5.根据权利要求4的器件，其中所述第二阱层还包括设于所述第一部分与所述第一含Al层之间并且包含Inp23Ga1-p23N(0<p23<p21)的第三部分。
6.根据权利要求3的器件，其中所述第一部分的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2nm。
7.根据权利要求3的器件，其中所述第一势垒层包括：
接触所述第一阱层并且包含Alq11Inr11Ga1-q11-r11N(0≤q11<1、0≤r11<1、0≤q11+r11≤1且r11<p21)的第一n侧层，所述第一n侧层的带隙能量大于所述第一部分的带隙能量；以及
设于所述第一n侧层与所述第二半导体层之间并且包含Alq12Inr12Ga1-q12-r12N(0≤q12<1、0≤r12<1、0≤q12+r12≤1、q12<q11且r12<p21)的第一p侧层，所述第一p侧层的带隙能量大于所述第一部分的带隙能量。
8.根据权利要求7的器件，其中
所述第一n侧层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于5nm，以及
所述第一p侧层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于30nm。
9.根据权利要求3的器件，其中
所述发光层还包括设于所述第二阱层与所述第二半导体层之间的第二势垒层。
其中所述第二势垒层包括：
接触所述第二阱层并且包含Alq21Inr21Ga1-q21-r21N(0≤q21<1、0≤r21<1、0≤q21+r21≤1且r21<p21)的第二n侧层，所述第二n侧层的带隙能量大于所述第一部分的带隙能量；以及
设于所述第二n侧层与所述第二半导体层之间并且包含Alq22Inr22Ga1-q22-r22N(0≤q22<1、0≤r22<1、0≤q22+r22≤1、q22<q21且r22<p21)的第二p侧层，所述第二p侧层的带隙能量大于所述第一部分的带隙能量。
10.根据权利要求9的器件，其中
所述第二n侧层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于5nm，以及
所述第二p侧层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于30nm。
11.根据权利要求1的器件，其中所述第二半导体层置于所述第一半导体层的[0001]方向侧上。
12.根据权利要求1的器件，其中所述第一半导体层10的主表面是c-面。
13.根据权利要求3的器件，其中，所述发光层还包括：
设于所述第二阱层与所述第二半导体层之间并且包括氮化物半导体的第三阱层；
设于所述第二阱层和所述第三阱层之间并且包括氮化物半导体的第二势垒层，所述第二势垒层的带隙能量大于所述第二阱层的带隙能量以及所述第三阱层的带隙能量；以及
在所述第二势垒层和所述第三阱层之间接触所述第三阱层并且包含Alx2Ga1-x2N(0.1≤x2≤0.35)的第二含Al层。
14.根据权利要求13的器件，其中所述第二含Al层的厚度为大于等于0.5nm且小于等于2.5nm。
15.根据权利要求13的器件，其中所述第三阱层包括含有Inp31Ga1-p31N(0.1<p31≤0.4)的所述第三阱层的第一部分。
16.根据权利要求15的器件，其中，所述第三阱层还包括：
设于所述第三阱层的所述第一部分与所述第二半导体层之间并且包含Inp32Ga1-p32N(0<p32<p31)的第三阱层的第二部分，以及
设于所述第三阱层的所述第一部分与所述第一半导体层之间并且包含Inp33Ga1-p33N(0<p33<p31)的所述第三阱层的第三部分。
17.根据权利要求15的器件，其中所述第三阱层的所述第一部分的厚度为大于等于1nm且小于等于2nm。
18.根据权利要求1的器件，其中，所述发光层还包括：
设于所述第一阱层和所述第一半导体层之间并且包含氮化物半导体的n侧势垒层，所述n侧势垒层的带隙能量大于所述第一阱层的带隙能量以及所述第二阱层的带隙能量；以及
在所述n侧势垒层和所述第一阱层之间接触所述第一阱层并且包含AlxnGa1-xnN(0.1≤xn≤0.35)的n侧含Al层。
19.根据权利要求1的器件，进一步包括设于所述发光层和所述第二半导体层之间并且包括含Al氮化物半导体的p侧含Al层，所述p侧含Al层的带隙能量大于所述第一势垒层的带隙能量。
20.根据权利要求1的器件，其中从所述发光层发射的光的峰值波长为大于等于450nm且小于等于670nm。
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