CN110383508A - 半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法 - Google Patents

半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110383508A
CN110383508A CN201880015866.6A CN201880015866A CN110383508A CN 110383508 A CN110383508 A CN 110383508A CN 201880015866 A CN201880015866 A CN 201880015866A CN 110383508 A CN110383508 A CN 110383508A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
mentioned
planarization layer
planarization
semiconductor material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880015866.6A
Other languages
English (en)
Inventor
和田贡
深掘真也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nichikeikan Co Ltd
Nikkiso Co Ltd
Original Assignee
Nichikeikan Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nichikeikan Co Ltd filed Critical Nichikeikan Co Ltd
Publication of CN110383508A publication Critical patent/CN110383508A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
    • H01L33/0025—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap comprising only AIIIBV compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

半导体发光元件(10)包括：n型AlGaN系半导体材料的n型包覆层(24)；包含设于n型包覆层(24)上的AlGaN系半导体材料的平坦化层(第1平坦化层(41))、和设于平坦化层上的AlGaN系半导体材料的势垒层(第1势垒层(40a))、和设于势垒层上的AlGaN系半导体材料的阱层(36)的活性层(26)；以及设于活性层(26)上的p型半导体层。活性层(26)发出波长为360nm以下的深紫外光；平坦化层(第1平坦化层(41))的导带的基态能级低于势垒层(第1势垒层(40a))的导带的基态能级，且高于阱层(36)的导带的基态能级。

Description

半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法。
背景技术
近年，输出深紫外光的半导体发光元件的开发正在进展。深紫外光用的发光元件具有在基板上按顺序层叠的氮化铝镓(AlGaN)系的n型包覆层、活性层、p型包覆层。发光波长为400nm程度的氮化镓(GaN)系的发光元件中，为了提高活性层的平坦性而提案在n型包覆层与活性层之间***光子晶体构造的平坦化层(例如，参考专利文献1)。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2008-140917号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
在使其输出波长为360nm以下的深紫外光的情况下，作为n型包覆层，需要使用AlN组分比高的AlGaN。在AlN组分比高的n型包覆层与活性层之间***光子晶体构造的情况下，会给对活性层的电子注入效率带来较大的影响，导致发光特性的降低。
本发明鉴于这样的课题而完成，其示例性的目的之一在于提供一种使半导体发光元件的发光特性提高的技术。
[用于解决技术课题的技术方案]
本发明的一种方案的半导体发光元件包括：n型AlGaN系半导体材料的n型包覆层；包含设于n型包覆层上的AlGaN系半导体材料的平坦化层、和设于平坦化层上的AlGaN系半导体材料的势垒层、和设于势垒层上的AlGaN系半导体材料的阱层的活性层；以及设于活性层上的p型半导体层。活性层发出波长为360nm以下的深紫外光，平坦化层的AlN的摩尔分数低于势垒层，且导带的基态能级高于阱层。
根据本方案，通过在AlN组分相对较低的平坦化层上设置势垒层及阱层，能够提高由AlN组分低的AlGaN系半导体材料构成的阱层的平坦性。另外，通过使平坦化层的导带的基态能级高于阱层，能够抑制在平坦化层的发光，在平坦性高的阱层产生发光。由此，使活性层的发光特性提高，特别是能够降低发射光谱的半值宽度。
也可以是，平坦化层的层叠方向的厚度小于阱层。
也可以是，平坦化层的AlN摩尔分数高于阱层。
也可以是，平坦化层与阱层之间的导带的基态能级的差为活性层的发光波长所对应的光能的2％以上。
也可以是，平坦化层为第1平坦化层，势垒层为第1势垒层，活性层还包含设于第1平坦化层与第1势垒层之间的AlGaN系半导体材料的第2平坦化层，和设于第1平坦化层与第2平坦化层之间的AlGaN系半导体材料的第2势垒层。也可以是，第2平坦化层的AlN摩尔分数低于第1势垒层及第2势垒层，且导带的基态能级高于活性层。
也可以是，第2平坦化层的层叠方向的厚度小于阱层的厚度。
也可以是，第2平坦化层的AlN摩尔分数大于阱层的AlN摩尔分数。
也可以是，活性层还包含设于n型包覆层与平坦化层之间的AlGaN系半导体材料的其他的势垒层。
本发明的其它方案为发出波长为360nm以下的深紫外光的半导体发光元件的制造方法。该方法为半导体发光元件的制造方法，包括：在n型AlGaN系半导体材料的n型包覆层上形成AlGaN系半导体材料的平坦化层的工序，在平坦化层上形成AlGaN系半导体材料的势垒层的工序，在势垒层上形成AlGaN系半导体材料的阱层的工序，以及在阱层上形成p型半导体层的工序。平坦化层的AlN摩尔分数低于势垒层，且导带的基态能级高于阱层。
根据本方案，通过在AlN组分相对较低的平坦化层上设置势垒层及阱层，能够提高由AlN组分低的AlGaN系半导体材料构成的阱层的平坦性。另外，通过使平坦化层的导带的基态能级高于阱层，能够抑制在平坦化层的发光，并在平坦性高的阱层产生发光。由此，使活性层的发光特性提高，特别是能够降低发射光谱的半值宽度。
形成势垒层的工序也可以包含供给Ⅲ族原料及Ⅴ族原料使AlGaN系半导体材料层成长的工序，和以停止供给Ⅲ族原料的状态在6秒以上且30秒以下的时间内供给Ⅴ族原料从而使AlGaN系半导体材料层稳定化的工序。
[发明效果]
根据本发明，能够使半导体发光元件的发光特性提高。
附图说明
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件的构成的剖面图。
图2是示意性地表示半导体发光元件的能带的图。
图3是表示半导体发光元件的制造方法的流程图。
具体实施方式
在具体地说明本发明之前，先叙述其概要。本实施方式为用于输出波长在360nm以下的深紫外光的氮化铝镓(AlGaN)系的半导体发光元件。该发光元件包括基板上的n型包覆层、n型包覆层上的活性层、以及活性层上的p型半导体层。活性层包含AlGaN系半导体材料的势垒层和AlGaN系半导体材料的阱层。
在上述构造的发光元件中，在蓝宝石(Al2O3)基板上形成氮化铝(AlN)层，在AlN层上形成n型包覆层、活性层及P型半导体层。其结果，与使用氮化镓(GaN)基板的情况相比，n型包覆层及活性层与基板之间产生较大的晶格失配，从原子水平观察时结晶表面易粗糙，结晶表面的平坦性易降低。在平坦性低的表面上形成活性层，特别是形成阱层的情况下，难以形成厚度均等的阱层。活性层的发光波长被量子阱构造内的阱层的厚度影响，因此若阱层的厚度不均等则发光波长会产生偏差，发光光谱幅度会变宽。这样，输出光的单色性会降低。
因此，在本实施方式中，通过在n型包覆层与阱层之间***平坦化层，提高阱层的结晶表面的平坦性，使阱层的厚度均等化。特别是通过使平坦化层的AlN组分比与阱层为相同程度，能够缓和基板与阱层之间的晶格常数差，形成平坦性高的阱层。进而，在本实施方式中，通过使平坦化层的导带的基态能级高于阱层，从而抑制在平坦化层的发光，防止平坦化层的发光所引起的发光特性的劣化。
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，在说明中对相同的要素标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，为有助于说明的理解，各附图的各构成要素的尺寸比并非与实际的发光元件的尺寸比一致。
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件10的构成的剖面图。半导体发光元件10为以发出中心波长λ约为360nm以下的“深紫外光”的方式构成的LED(Light EmittingDiode：发光二极管)芯片。为输出这样波长的深紫外光，半导体发光元件10由带隙约为3.4eV以上的氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料构成。在本实施方式中特别表示发出中心波长λ约为240nm～350nm的深紫外光的情况。
在本说明书中，“AlGaN系半导体材料”是指主要包含氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的半导体材料，也包括含有氮化铟(InN)等其它材料的半导体材料。因此，本说明书中提到的“AlGaN系半导体材料”例如可以用In1-x-yAlxGayN(0≦x+y≦1、0≦x≦1、0≦y≦1)的组分来表示，包括AlN、GaN、AlGaN、氮化铝铟(InAlN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(InAlGaN)。
另外，为了区别“AlGaN系半导体材料”中的实质上不包含AlN的材料，有时称作“GaN系半导体材料”。“GaN系半导体材料”中主要包括GaN及InGaN，其中也包括含有微量的AlN的材料。同样，为了区别“AlGaN系半导体材料”中的实质上不包含GaN的材料，有时称作“AlN系半导体材料”。“AlN系半导体材料”中主要包括AlN及InAlN，其中也包括含有微量的GaN的材料。
半导体发光元件10具有基板20、缓冲层22、n型包覆层24、活性层26、电子阻挡层28、p型包覆层30、n层电极32、以及p侧电极34。
基板20为对于半导体发光元件10发出的深紫外光具有透光性的基板，例如为蓝宝石(Al2O3)基板。基板20具有第1主表面20a和第1主表面20a的相反侧的第2主表面20b。第1主表面20a是作为用于使比缓冲层22靠上的各层成长的结晶成长面的一主表面。第2主表面20b是作为用于将活性层26所发出的深紫外光取出到外部的光取出面的一主表面。在变形例中，基板20可以为氮化铝(AlN)基板，也可以为氮化铝镓(AlGaN)基板。
缓冲层22形成于基板20的第1主表面20a上。缓冲层22为用于形成比n型包覆层24靠上的各层的基底层(模板层)。缓冲层22例如为非掺杂的AlN层，具体来说为高温成长的AlN(HT-AlN；High Temperature AlN：高温氮化铝)层。缓冲层22也可以包含形成于AlN层上的非掺杂的AlGaN层。在变形例中，基板20为AlN基板或AlGaN基板的情况下，缓冲层22也可以仅由非掺杂的AlGaN层构成。即缓冲层22至少包含非掺杂的AlN层及AlGaN层的至少一者。
n型包覆层24形成于缓冲层22上。n型包覆层24为n型的AlGaN系半导体材料层，例如为掺杂了作为n型的杂质的硅(Si)的AlGaN层。选择n型包覆层24的组分比使得透过活性层26所发出的深紫外光，例如以AlN的摩尔分数为20％以上，优选为40％以上或50％以上的方式形成。n型包覆层24具有大于活性层26所发出的深紫外光的波长的带隙，例如以带隙为4.3eV以上的方式形成。n型包覆层24优选以AlN的摩尔分数为80％以下，即带隙为5.5eV以下的方式形成，更优选以AlN的摩尔分数为70％以下(即带隙为5.2eV以下)的方式形成。n型包覆层24具有1μm～3μm程度的厚度，例如具有2μm程度的厚度。
活性层26由非掺杂的AlGaN系半导体材料构成，被夹在n型包覆层24与电子阻挡层28之间而形成双异质结结构。活性层26具有量子阱构造，包含由AlGaN系半导体材料形成的阱层36、和由AlGaN系半导体材料形成的势垒层40a、40b、40c(统称为势垒层40)、以及由AlGaN系半导体材料形成的平坦化层41、42。在图示的例子中，第3势垒层40c、第2平坦化层42、第2势垒层40b、第1平坦化层41、第1势垒层40a及阱层36按顺序层叠于n型包覆层24上。关于活性层26的详细构成，参照图2另行后述。
电子阻挡层28形成于活性层26上。电子阻挡层28为p型的AlGaN系半导体材料层，例如以AlN的摩尔分数为40％以上，优选为50％以上的方式形成。电子阻挡层28也可以以AlN的摩尔分数为80％以上的方式形成，也可以由实质上不包含GaN的AlN系半导体材料形成。电子阻挡层具有1nm～10nm程度的厚度，例如具有2nm～5nm程度的厚度。电子阻挡层28也可以并非为p型、而为非掺杂的半导体层。
p型包覆层30为形成于电子阻挡层28上的p型半导体层。p型包覆层30为p型的AlGaN系半导体材料层，例如为掺杂了作为p型的杂质的镁(Mg)的AlGaN层。p型包覆层30具有300nm～700nm程度的厚度，例如具有400nm～600nm程度的厚度。p型包覆层30也可以由实质上不包含AlN的p型GaN系半导体材料形成。
n侧电极32形成于n型包覆层24的局部区域上。n侧电极32由在n型包覆层24上依次层叠了钛(Ti)/铝(Al)/Ti/金(Au)的多层膜形成。p侧电极34形成于p型包覆层30上。p侧电极34由在p型包覆层30上依次层叠的镍(Ni)/金(Au)的多层膜形成。
图2是示意性地表示半导体发光元件10的能带的图，特别示意性地表示活性层26附近的导带的基态能级。如图示那样，阱层36的基态能级E0最低，平坦化层41、42的基态能级E1比阱层36稍大ΔE。势垒层40(40a、40b、40c)的基态能级E3大于阱层36及平坦化层41、42，也大于n型包覆层24的基态能级E2。电子阻挡层28的基态能级E4大于势垒层40。
阱层36由非掺杂的AlGaN系半导体材料构成。阱层36被构成为带隙小于势垒层40，且AlN的摩尔分数小于势垒层40。阱层36与相邻的势垒层40之间形成量子阱构造，被构成为带隙在3.4eV以上，使得输出波长为360nm以下的深紫外光。阱层36的AlN摩尔分数也取决于活性层26的发光波长，例如被形成得在10％以上，优选在15％以上。阱层36的AlN摩尔分数具体来说为15％、20％、25％、30％、35％、或40％的程度。
势垒层40(40a、40b、40c)由非掺杂的AlGaN系半导体材料构成。势垒层40被构成为带隙大于阱层36及平坦化层41、42，且AlN的摩尔分数大于这些层。势垒层40的摩尔分数也取决于活性层26的发光波长，例如被形成为在40％以上，优选为50％以上。势垒层40的AlN的摩尔分数也可以为60％以上，具体来说也可以为65％、70％、75％、80％、85％的程度。
平坦化层41、42由非掺杂的AlGaN系半导体材料构成。平坦化层41、42被构成为带隙小于势垒层40，且AlN的摩尔分数小于势垒层。因此，平坦化层41、42与相邻的势垒层40之间形成量子阱构造。另一方面，为使平坦化层41、42中不产生由载流子复合造成的实质的发光，被以量子阱的基态能级E1高于阱层36的方式构成。
为了防止在平坦化层41、42的实质性发光，阱层36与平坦化层41、42的基态能级的差ΔE(＝E1-E0)需要为与阱层36的发光波长λ对应的光能E＝hc/λ的2％以上，优选为3％以上。另一方面，为了改善阱层36的平坦性，优选阱层36与平坦化层41、42的AlN组分比相近，优选阱层36与平坦化层41、42的AlN摩尔分数的差在10％以内，例如在5％以内。
平坦化层41、42的基态能级E1的值能够通过适当地选择AlGaN系半导体材料的AlN摩尔分数、和平坦化层41、42的层叠方向的厚度来控制。例如，通过使平坦化层41、42的AlN摩尔分数高于阱层36，使平坦化层41、42的带隙增大，能够使平坦化层41、42的基态能级E1大于阱层36的基态能级E0。另外，通过使平坦化层41、42的厚度缩小，能够使形成于量子阱构造内的平坦化层41、42的基态能级E1的高度增大。
在使平坦化层41、42与阱层36的厚度相同的情况下，通过使平坦化层41、42的AlN组分比大于阱层36的AlN组分比，能够使平坦化层41、42的基态能级E1大于阱层36的基态能级E0。例如，通过使阱层36与平坦化层41、42的AlN摩尔分数的差为3％以上，能够使阱层36与平坦化层41、42的基态能级的差ΔE为2％以上。
另一方面，在使平坦化层41、42的AlN组分比与阱层36相同的情况下，通过使平坦化层41、42的厚度小于阱层36的厚度，能够使平坦化层41、42的基态能级E1大于阱层36的基态能级E0。例如阱层36的厚度为1.5～3nm程度，而平坦化层41、42的厚度为0.5～1.5nm程度即可。在上述数值范围内，通过使阱层36与平坦化层41、42之间产生20％～50％程度的厚度差，能够适当地防止平坦化层41、42的发光。
此外，也可以通过使平坦化层41、42的AlN摩尔分数和厚度的二者与阱层36不同，来调整平坦化层41、42的基态能级E1。例如，也可以通过使平坦化层41、42的AlN摩尔分数低于阱层36，并且使平坦化层41、42的厚度小于阱层36，而使平坦化层41、42的基态能级E1高于阱层36。
第1平坦化层41和第2平坦化层42的基态能级E1可以彼此相同，也可以彼此不同。例如，可以被构成为靠近阱层36的第1平坦化层41的基态能级可以高于距阱层36远的第2平坦化层42。相反，也可以被构成为第1平坦化层41的基态能级低于第2平坦化层42。在任意一种情况下，第1平坦化层41及第2平坦化层42的基态能级都被构成得高于阱层36的基态能级E0。
在图示的示例中，设有2个平坦化层41、42，但平坦化层的层数可以为1层，也可以为3层以上。在平坦化层为1层的情况下，第2势垒层40b、第1平坦化层41、第1势垒层40a及阱层36被按顺序设于n型包覆层24上。在平坦化层为3层以上的情况下，在n型包覆层24及第3势垒层40c之间***另一平坦化层及势垒层。
接下来，说明半导体发光元件10的制造方法。图3是表示半导体发光元件10的制造方法的流程图。首先，准备基板20，在基板20的第1主表面20a上按顺序形成缓冲层22及n型包覆层24(S10)。
基板20为蓝宝石基板(Al2O3)，为用于形成AlGaN系半导体材料的成长基板。例如缓冲层22形成于蓝宝石基板的(0001)面上。缓冲层22例如包含高温成长的AlN(HT-AlN)层和非掺杂的AlGaN(u-AlGaN)层。n型包覆层24为由AlGaN系半导体材料形成的层，可以使用有机金属化学气相外延(MOVPE)法、或分子束外延(MBE)法等已知的外延成长法来形成。
接下来，在n型包覆层24上形成势垒层(第3势垒层40c)，在势垒层上形成平坦化层(第2平坦化层42)(S12)。势垒层及平坦化层为由AlGaN系半导体材料形成的层，可以使用有机金属化合物气相外延(MOVPE)法、或分子束外延(MBE)法等已知的外延成长法来形成。例如通过供给作为原料气体的Ⅲ族原料三甲基铝(TMA；(CH3)3Al)及三甲基镓(TMG；CH3)3Ga)、和Ⅴ族原料氨气(NH3)，能够使AlGaN系半导体材料成长。
接着，通过在停止Ⅲ族原料的供给的状态下供给Ⅴ族原料而使平坦化层稳定化(S14)。该稳定化工序被进行6秒以上且30秒以下的时间。通过在停止Ⅲ族原料的供给的状态下供给Ⅴ族原料，能够改善平坦化层表面的结晶性，形成更加平坦化的结晶表面。
接下来，若需要更多的平坦化层(S16的是)，则重复S12及S14的工序。例如，在第2平坦化层42上形成再一个势垒层(第2势垒层40b)，在势垒层上形成再一个平坦化层(第1平坦化层41)，并使形成的平坦化层稳定化。若不需要更多的平坦化层(S16的否)，则在平坦化层上形成势垒层(第1势垒层40a)，在势垒层上形成阱层36。阱层36为由AlGaN系半导体材料形成的层，可以使用有机金属化合物气相外延(MOVPE)法、或分子束外延(MBE)法等已知的外延成长法来形成。由此，活性层26制造完成。
接着，在活性层26上形成p型半导体层(S20)。例如，在活性层26上形成电子阻挡层28，接下来，形成p型包覆层30。电子阻挡层28及p型包覆层30为由AlN系半导体材料或AlGaN系半导体材料形成的层，可以使用有机金属化合物气相外延(MOVPE)法、或分子束外延(MBE)法等已知的外延成长法来形成。
接下来，在p型包覆层30上形成掩模，并去除未形成掩模的露出区域的活性层26、电子阻挡层28及p型包覆层30。活性层26、电子阻挡层28及p型包覆层30的去除可以通过等离子蚀刻来进行。在n型包覆层24的露出面24a上形成n侧电极32，在去除了掩模的p型包覆层30上形成p侧电极34。n侧电极32及p侧电极34例如可以通过电子束蒸发法或溅射法等已知的方法来形成。由此，图1所示的半导体发光元件10制造完成。
以下，一边例举实施例及比较例，一边说明本实施方式所发挥的效果。
实施例1中，形成2层的平坦化层41、42，通过使平坦化层41、42的AlN摩尔分数高于阱层36，而使平坦化层41、42的导带的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。实施例1中，在平坦化层41、42形成时未进行稳定化处理。实施例1中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为17.8nm、发光输出为4.3mW。
实施例2中，形成2层的平坦化层41、42，通过使平坦化层41、42的厚度小于阱层36，而使平坦化层41、42的导带的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。实施例2中，在平坦化层41、42形成时未进行稳定化处理。实施例2中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为15.6nm、发光输出为4.4mW。
实施例3中，与实施例2同样通过使平坦化层41、42的厚度小于阱层36，而使平坦化层41、42的导带的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。实施例3中，在平坦化层41、42形成时进行了12秒的稳定化处理。实施例3中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为13.6nm、发光输出为4.5mW。
实施例4中，与实施例3同样通过使平坦化层41、42的厚度小于阱层36，而使平坦化层41、42的导带的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。实施例4中，在平坦化层41、42形成时进行了24秒的稳定化处理。实施例4中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为14.2nm、发光输出为4.3mW。
比较例1中，未设置平坦化层，在n型包覆层24上分别形成1层势垒层及阱层。比较例1中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为20.2nm、发光输出为4.2mW。
比较例2中，与实施例2～4同样，通过使2层的平坦化层41、42的厚度小于阱层36，而使平坦化层41、42的导带的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。比较例2中，在平坦化层41、42形成时进行了36秒的稳定化处理。比较例2中，在100mA的通电时，得到的发光波长为285nm、发射光谱的半值宽度为14.6nm，但发光输出不足4mW。
根据以上的结果，通过将平坦化层41、42***活性层26，能够使半导体发光元件10的发光特性提高。特别是能够无损半导体发光元件10的发光强度地使半导体发光元件10的发射光谱的半值宽度缩小15％～30％程度，从而提高半导体发光元件10的单色性。另外，通过12秒或24秒的稳定化处理能够提高半导体发光元件10的单色性，但若进行36秒的稳定化处理则半导体发光元件10的发光输出降低。因此，稳定化处理的时间需要小于36秒，优选为6秒以上且30秒以下。
本实施方式中，通过设有2层的平坦化层41、42，并在2层的平坦化层41、42中***势垒层(第2势垒层40b)，能够更适当地提高半导体发光元件10的发光特性。为改善阱层36的平坦性，考虑优选使作为其基底的平坦化层的厚度增大。但是，若使平坦化层的厚度增大，则平坦化层的导带的基态能级降低，可能导致平坦化层发光。另一方面，若为了防止平坦化层发光而使平坦化层的AlN组分比提高，则平坦化层与阱层36的晶格常数差变大，平坦化层的***带来的平坦性的改善效果会降低。
根据本实施方式，并非***厚度大的平坦化层，而是通过分开***多个厚度小的平坦化层41、42，能够使平坦化层41、42的基态能级E1高于阱层36的基态能级E0。另外，通过使多个平坦化层41、42的总计的厚度增大，能够提高平坦化层的***带来的平坦性的改善效果。
此外，要增加平坦化层的层数的情况下，需要根据平坦化层的层数而增加势垒层的层数，可能导致阱层36的载流子注入效率的降低。因此，过度增加平坦化层的层数并非优选。根据本发明人们的知识，平坦化层的层数优选为4层以下，更优选为1层～3层程度。
以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应理解，本发明并不被限定于上述实施方式，可以有各种设计变更，可以有各种变形例，并且这些变形例也在本发明的范围内。
上述实施方式中，表示了关于在n型包覆层24与第2平坦化层42之间设置第3势垒层40c的情况。在另一变形例中，也可以不设置第3势垒层40c，而在n型包覆层24上直接设置第2平坦化层42。
[附图标记说明]
10…半导体发光元件，24…n型包覆层，26…活性层，36…阱层，40…势垒层，40a…第1势垒层，40b…第2势垒层，41…第1平坦化层，42…第2平坦化层。
[工业可利用性]
根据本发明，能够使半导体发光元件的发光特性提高。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：
n型AlGaN系半导体材料的n型包覆层，
活性层，其包含设于上述n型包覆层上的AlGaN系半导体材料的平坦化层、和设于上述平坦化层上的AlGaN系半导体材料的势垒层、以及设于上述势垒层上的AlGaN系半导体材料的阱层，以及
p型半导体层，其设于上述活性层上；
上述活性层发出波长为360nm以下的深紫外光；
上述平坦化层的AlN摩尔分数低于上述势垒层，且导带的基态能级高于上述阱层。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述平坦化层的层叠方向的厚度小于上述阱层。
3.如权利要求1或者2所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述平坦化层的AlN摩尔分数高于上述阱层。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述平坦化层与上述阱层之间的导带的基态能级的差为上述活性层的发光波长所对应的光能的2％以上。
5.如权利要求1至4的任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述平坦化层为第1平坦化层，上述势垒层为第1势垒层；
上述活性层还包含设于上述第1平坦化层与上述第1势垒层之间的AlGaN系半导体材料的第2平坦化层和设于上述第1平坦化层与上述第2平坦化层之间的AlGaN系半导体材料的第2势垒层；
上述第2平坦化层的AlN摩尔分数低于上述第1势垒层及上述第2势垒层，且导带的基态能级高于上述活性层。
6.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述第2平坦化层的层叠方向的厚度小于上述阱层的厚度。
7.如权利要求5或者6所述的半导体发光元件，其特征在于，
上述第2平坦化层的AlN摩尔分数高于上述阱层的AlN摩尔分数。
8.如权利要求1至7的任意一项所述的半导体发光装置，其特征在于，
上述活性层还包含设于上述n型包覆层与上述平坦化层之间的AlGaN系半导体材料的其他势垒层。
9.一种半导体发光元件的制造方法，为发出波长为360nm以下的深紫外光的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括：
在n型AlGaN系半导体材料的n型包覆层上形成AlGaN系半导体材料的平坦化层的工序，
在上述平坦化层上形成AlGaN系半导体材料的势垒层的工序，
在上述势垒层上形成AlGaN系半导体材料的阱层的工序，以及
在上述阱层上形成p型半导体层的工序；
上述平坦化层的AlN摩尔分数低于上述势垒层，且导带的基态能级高于上述阱层。
10.如权利要求9所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述形成势垒层的工序包含供给Ⅲ族原料及Ⅴ族原料使AlGaN系半导体材料层成长的工序，和在停止供给Ⅲ族原料的状态下供给6秒以上且30秒以下的时间的Ⅴ族原料，使AlGaN系半导体材料层稳定化的工序。
CN201880015866.6A 2017-03-08 2018-02-21 半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法 Pending CN110383508A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017044055A JP6486401B2 (ja) 2017-03-08 2017-03-08 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
JP2017-044055 2017-03-08
PCT/JP2018/006231 WO2018163824A1 (ja) 2017-03-08 2018-02-21 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110383508A true CN110383508A (zh) 2019-10-25

Family

ID=63448099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880015866.6A Pending CN110383508A (zh) 2017-03-08 2018-02-21 半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (3) US11824137B2 (zh)
EP (1) EP3595021B1 (zh)
JP (1) JP6486401B2 (zh)
CN (1) CN110383508A (zh)
WO (1) WO2018163824A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6379265B1 (ja) * 2017-09-12 2018-08-22 日機装株式会社 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法
JP6640815B2 (ja) * 2017-10-26 2020-02-05 日機装株式会社 半導体発光素子の製造方法
WO2019159265A1 (ja) * 2018-02-14 2019-08-22 創光科学株式会社 窒化物半導体紫外線発光素子

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000156544A (ja) * 1998-09-17 2000-06-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 窒化物半導体素子の製造方法
JP2002100837A (ja) * 2000-09-25 2002-04-05 Sharp Corp 窒化物半導体発光素子およびその製造方法
JP2008140917A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物系半導体発光素子
CN101981711A (zh) * 2008-03-26 2011-02-23 松下电工株式会社 氮化物半导体发光器件
CN101997268A (zh) * 2009-08-21 2011-03-30 夏普株式会社 氮化物半导体晶片、氮化物半导体元件及其制造方法以及半导体装置
CN102169931A (zh) * 2010-02-25 2011-08-31 株式会社东芝 半导体发光器件及其制造方法
CN103633208A (zh) * 2012-08-23 2014-03-12 Lg伊诺特有限公司 发光器件
JP2014241397A (ja) * 2013-05-17 2014-12-25 株式会社トクヤマ 窒化物半導体発光素子、および窒化物半導体ウェーハ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6423984B1 (en) * 1998-09-10 2002-07-23 Toyoda Gosei Co., Ltd. Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor
CN100359707C (zh) 2004-04-16 2008-01-02 氮化物半导体株式会社 氮化镓系发光器件
JP5274785B2 (ja) * 2007-03-29 2013-08-28 日本碍子株式会社 ＡｌＧａＮ結晶層の形成方法
KR20090117538A (ko) * 2008-05-09 2009-11-12 삼성전기주식회사 질화물 반도체 발광소자
JP5514920B2 (ja) * 2012-01-13 2014-06-04 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 Ｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板および該基板を用いた深紫外発光素子
CN102544281A (zh) * 2012-01-20 2012-07-04 厦门市三安光电科技有限公司 具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管
JP5521068B1 (ja) * 2013-01-30 2014-06-11 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
US9196788B1 (en) * 2014-09-08 2015-11-24 Sandia Corporation High extraction efficiency ultraviolet light-emitting diode
JP2015053531A (ja) * 2014-12-17 2015-03-19 株式会社東芝 半導体発光素子
US10505074B2 (en) * 2015-09-28 2019-12-10 Nichia Corporation Nitride semiconductor light emitting element including electron blocking structure layer
CN105374912B (zh) * 2015-10-28 2017-11-21 厦门市三安光电科技有限公司 发光二极管及其制作方法
US10644194B2 (en) * 2016-04-15 2020-05-05 Lg Innotek Co., Ltd. Light-emitting device, light-emitting device package, and light-emitting module
CN107180898B (zh) * 2017-05-09 2019-05-17 天津三安光电有限公司 发光二极管

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000156544A (ja) * 1998-09-17 2000-06-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 窒化物半導体素子の製造方法
CN1316123A (zh) * 1998-09-17 2001-10-03 松下电器产业株式会社 氮化物半导体器件制造方法
JP2002100837A (ja) * 2000-09-25 2002-04-05 Sharp Corp 窒化物半導体発光素子およびその製造方法
JP2008140917A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物系半導体発光素子
CN101981711A (zh) * 2008-03-26 2011-02-23 松下电工株式会社 氮化物半导体发光器件
CN101997268A (zh) * 2009-08-21 2011-03-30 夏普株式会社 氮化物半导体晶片、氮化物半导体元件及其制造方法以及半导体装置
CN102169931A (zh) * 2010-02-25 2011-08-31 株式会社东芝 半导体发光器件及其制造方法
CN103633208A (zh) * 2012-08-23 2014-03-12 Lg伊诺特有限公司 发光器件
JP2014241397A (ja) * 2013-05-17 2014-12-25 株式会社トクヤマ 窒化物半導体発光素子、および窒化物半導体ウェーハ

Also Published As

Publication number Publication date
EP3595021A1 (en) 2020-01-15
JP2018148130A (ja) 2018-09-20
US11824137B2 (en) 2023-11-21
US20190393378A1 (en) 2019-12-26
EP3595021A4 (en) 2020-11-11
JP6486401B2 (ja) 2019-03-20
US20240038926A1 (en) 2024-02-01
US20240038925A1 (en) 2024-02-01
EP3595021B1 (en) 2024-07-24
WO2018163824A1 (ja) 2018-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11251330B2 (en) Pseudomorphic electronic and optoelectronic devices having planar contacts
JP6589987B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
KR101646064B1 (ko) 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법, 웨이퍼, 질화물 반도체 발광 소자
US20170069793A1 (en) Ultraviolet light-emitting device and production method therefor
US9978905B2 (en) Semiconductor structures having active regions comprising InGaN and methods of forming such semiconductor structures
US9397258B2 (en) Semiconductor structures having active regions comprising InGaN, methods of forming such semiconductor structures, and light emitting devices formed from such semiconductor structures
TW200908393A (en) Nitride semiconductor light emitting element and method for manufacturing nitride semiconductor
TWI623112B (zh) Nitride semiconductor light-emitting element
CN111373552B (zh) 氮化物半导体发光元件
US9246057B2 (en) Semiconductor structures having active regions comprising InGaN, methods of forming such semiconductor structures, and light emitting devices formed from such semiconductor structures
CN106415860B (zh) 氮化物半导体发光元件
WO2014140372A1 (en) Light emitting diode semiconductor structures having active regions comprising ingan
CN110383508A (zh) 半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法
JP6829235B2 (ja) 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
TWI545798B (zh) Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
TWI714891B (zh) 發光元件及其製造方法
WO2023203599A1 (ja) 窒化物半導体紫外線発光素子
JP4055794B2 (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
JP2018078232A (ja) 広波長域発光素子および広波長域発光素子の作製方法
JP2002231998A (ja) 半導体発光素子の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191025