第iii族氮化物半導體發(fā)光器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及第III族氮化物半導體發(fā)光器件。具體而言，本發(fā)明提供一種呈現(xiàn)出改進的發(fā)光效率的第III族氮化物半導體發(fā)光器件。發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，在MQW結(jié)構(gòu)中重復沉積有多個層單元，每個層單元包括依次沉積的阱層、蓋層和勢壘層。阱層由InGaN形成，蓋層具有在阱層上按以下順序沉積的GaN層和AlGaN層的結(jié)構(gòu)，以及勢壘層由AlGaN形成。AlGaN層的Al組成比高于勢壘層的Al組成比。當發(fā)光層沿厚度方向劃分為n型覆層側(cè)的前部和p型覆層側(cè)的后部時，在前部中的AlGaN層的Al組成比低于在后部中的AlGaN層的Al組成比。
【專利說明】第M I族氮化物半導體發(fā)光器件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及其發(fā)光層具有MQW(多量子阱)結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導體發(fā)光器件。
【背景技術】
[0002]在常規(guī)的第III族氮化物半導體發(fā)光器件中，發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)以改進發(fā)光效率。這種發(fā)光層的結(jié)構(gòu)已知的是在其中反復地沉積InGaN阱層和AlGaN勢壘層的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，勢壘層的生長溫度必須高于阱層的生長溫度以獲得良好的結(jié)晶度。然而，由于在勢壘層形成期間溫度的增加，所以In從阱層中蒸發(fā)，導致結(jié)晶度變差。
[0003]因此，日本公開特許公報N0.2011-35156和N0.2011-187862提出了如下結(jié)構(gòu):在結(jié)構(gòu)中，在與阱層相同的生長溫度下在阱層和勢壘層之間形成蓋層，以防止在勢壘層形成期間由于溫度增加而導致In蒸發(fā)。日本公開特許公報N0.2011-35156公開了將GaN用作蓋層，以及日本公開特許公報N0.2011-187862公開了將AlGaN用作蓋層。其還公開了每個蓋層具有相同的Al組成比。
[0004]在常規(guī)的發(fā)光層中，載流子分布是不均勻的并且偏向正極。這是因為電子和空穴的漂移速度是不同的:電子因遷移率高而容易到達發(fā)光層的正極，而空穴因遷移率低而難以擴散到發(fā)光層的負極。因此，電子和空穴的復合集中在正極，導致發(fā)光效率降低。
[0005]為了解決這個問題，已經(jīng)研究了一種通過降低發(fā)光層中載流子分布的不均勻性以改進發(fā)光效率的技術。然而，在技術上難以完全消除載流子分布的不均勻性，并且即使降低了載流子分布的不均勻性，也不能期望發(fā)光效率大幅提高。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明的一個目的是提供一種其發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中通過發(fā)光層的結(jié)構(gòu)來提高發(fā)光效率。
[0007]本發(fā)明提供了一種在η型覆層和P型覆層之間形成有發(fā)光層的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，該發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，其中發(fā)光層具有其中重復沉積多個層單元的結(jié)構(gòu)，每個層單元包括依次沉積的阱層和勢壘層，其中勢壘層的帶隙大于阱層的帶隙，并且在阱層和勢壘層之間形成有AlGaN層，AlGaN層的Al組成比大于勢壘層的Al組成比，并且當發(fā)光層劃分成在η型覆層側(cè)的前部和在P型覆層側(cè)的后部這兩個部分時，在前部中的AlGaN層的平均Al組成比低于在后部中的AlGaN層的平均Al組成比。
[0008]在此所使用的“Al組成比”定義為當在第III族氮化物半導體中的總的第III族原子的摩爾百分比是100摩爾％時Al的摩爾百分比(摩爾％ )。也就是說，IOOx (% )是在由公式 AlxGaYInzN(x+y+z = 1,0 ^ x ^ 1,0 ^ y ^ 1,0 ^ z ^ I)表示的第 III 族氮化物半導體中的Al組成比。
[0009]在前部中的AlGaN層的平均Al組成比表示的不是在前部中的一些AlGaN層的平均Al組成比，而是在前部中的所有AlGaN層的平均Al組成比。在后部中的AlGaN層的平均Al組成比也表示在后部中的所有AlGaN層的平均Al組成比。
[0010]發(fā)光層優(yōu)選地具有下述結(jié)構(gòu)以進一步提高發(fā)光效率。在前部中的AlGaN層的平均Al組成比優(yōu)選地是在后部中的AlGaN層的平均Al組成比的0.2至0.8倍。發(fā)光層優(yōu)選地具有3個至12個層單元；在前部中有I個至9個層單元，以及在后部中有2個至11個層單
J Li ο
[0011]在阱層和AlGaN層之間可以形成有蓋層，該蓋層的帶隙大于阱層的帶隙并且小于勢壘層的帶隙。蓋層是在與用于阱層的溫度相同的溫度下生長的并且在加熱以形成勢壘層期間防止阱層蒸發(fā)的層。蓋層也是減小阱層和AlGaN之間的張力的層。盡管GaN、AlGaN和InGaN都可以用作蓋層，但是，優(yōu)選使用GaN作為蓋層以進一步產(chǎn)生蓋層的上述效果。
[0012]每個AlGaN層可以具有任意結(jié)構(gòu)，只要在前部中的AlGaN層的平均Al組成比低于在后部中的AlGaN層的平均Al組成比即可。
[0013]例如，每個AlGaN層可以具有下述結(jié)構(gòu):在前部中的每個AlGaN層具有相同的Al組成比，并且在后部中的每個AlGaN層具有相同的Al組成比，在后部中的每個AlGaN層的Al組成比高于在前部中的AlGaN層的Al組成比。
[0014]每個AlGaN層可以具有下述結(jié)構(gòu):在前部和后部中的至少一個部分中每個AlGaN層的Al組成比隨著層單元的數(shù)目的增加而從η型覆層側(cè)朝P型覆層側(cè)單調(diào)遞增。Al組成比隨著層單元的數(shù)目的增加而單調(diào)遞增，也就是說，每個AlGaN層具有下述結(jié)構(gòu):當從η型覆層側(cè)計數(shù)的第i層單元(i≥I)的Al組成比定義為Ai時，總是滿足AwSitl Al組成比可以恒定地增加或以可變的方式增加。具體地，其為階梯式的增加:在前部和后部中每個ALGaN層的Al組成比按一個層單元或幾個層單元的方式從η型覆層側(cè)朝P型覆層側(cè)單調(diào)遞+?
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[0015]如果在前部中的AlGaN層的平均Al組成比低于在后部中的AlGaN層的平均Al組成比，則在前部或者后部中可以存在Al組成比降低的部分，也就是說，Ai+1 < A”然而，優(yōu)選的是總是滿足Ai+1 SAi,這是因為還產(chǎn)生本發(fā)明的效果。
[0016]帶隙大于阱層的帶隙的第III族氮化物半導體例如AlGaN、GaN和InGaN可以用作勢壘層，但是特別優(yōu)選的是AlGaN。
[0017]在常規(guī)的發(fā)光層中，載流子分布偏向P型覆層側(cè)。然而，在本發(fā)明的發(fā)光層中，電子更易于到達發(fā)光層的P型覆層側(cè)，并且載流子分布更加偏向P型覆層側(cè)。因此，載流子有效地集中在發(fā)光層的P型覆層側(cè)以使得電子和空穴能夠在P型覆層側(cè)的阱層中有效地復合。在發(fā)光層中空穴的漂移距離較短，并且在非輻射的復合中心的空穴捕獲比率下降，因而減小了非輻射的復合比率。因此，載流子被有效地捕獲在發(fā)光層的正極。因此，本發(fā)明的第III族氮化物半導體發(fā)光器件呈現(xiàn)出改進的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]當結(jié)合附圖參照下述優(yōu)選實施方案的詳細描述時，本發(fā)明的各種其它的目的、特征，以及許多伴隨的優(yōu)點將變得更好理解也易于領會，在附圖中:
[0019]圖1示出根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)；
[0020]圖2示出發(fā)光層的結(jié)構(gòu)；
[0021]圖3A和3B是發(fā)光層的帶隙圖；[0022]圖4A至4C是示出用于制造根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的過程的略圖；
[0023]圖5A至是示出用于形成發(fā)光層15的過程的略圖；
[0024]圖6是示出發(fā)光效率和電流密度之間關系的曲線圖；
[0025]圖7是示出光輸出和電流密度之間關系的曲線圖；以及
[0026]圖8是示出VF-1F特征的曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]接下來參照附圖描述本發(fā)明的具體實施方案。然而，本發(fā)明并不局限于實施方案。
[0028]實施方案I
[0029]圖1示出根據(jù)實施方案I的第III族氮化物半導體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)。
[0030]如圖1所示，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件包括藍寶石襯底10 ;以及η型接觸層12、η型ESD層13、η型覆層14、發(fā)光層15、ρ型覆層16和ρ型接觸層17，這些層經(jīng)由AlN緩沖層(未圖示)依次沉積在藍寶石襯底10上。
[0031]此外，在特定的部分上設置有從ρ型接觸層17的上表面向η型接觸層12延伸的溝槽，并且在溝槽底部處露出的η型接觸層12上形成有η型電極18。在ρ型接觸層17上形成ITO(氧化銦錫)透明電極19，在透明電極19上形成有ρ型電極20。發(fā)光器件中除了P型電極20和η型電極18以外的部分覆蓋有SiO2保護膜(未圖示)。該保護膜設置為防止電流泄露或短路。根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件是正裝型，其中光從P型電極20側(cè)的表面提取。
[0032]接下來將詳細描述根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)。
[0033]藍寶石襯底10在第III族氮化物半導體進行晶體生長的一側(cè)的表面上具有以周期圖案如條紋或點形成的凹面和凸面(未圖示)。這些凹面和凸面被形成以改進光提取性能。生長襯底可以由除了藍寶石以外的材料如SiC、S1、ΖηΟ、尖晶石、GaN或Ga2O3形成。
[0034]η型接觸層12由具有I X IO1Vcm3或更大的Si濃度的n_GaN形成。η型接觸層12可以包括具有不同Si濃度的多個層。當一些層具有較高的Si濃度并且與η型電極18接觸時，可以進一步減小與η型電極18的接觸電阻而不使η型接觸層12的結(jié)晶度變差。
[0035]η型ESD層13具有在η型接觸層12上順序沉積的第一 ESD層、第二 ESD層和第三ESD層的三層結(jié)構(gòu)。第一 ESD層在其發(fā)光層15側(cè)的表面上具有凹坑(凹坑密度:1 X 107cm2或更小)。第一 ESD層由具有200nm至IOOOnm的厚度以及I X 1016/cm3至5Χ IO1Vcm3的Si濃度的GaN形成。第二 ESD層在其發(fā)光層15側(cè)的表面上具有凹坑(凹坑密度:2X 108/cm2或更大)。第二 ESD層由具有50nm至200nm的厚度以及5 X IO1Vcm3或更小的載流子濃度的GaN形成。第三ESD由具有0.9X 102°至3.6X 102°(nm/cm3)的特征值的GaN形成，該特征值由Si濃度(/cm3)和厚度(nm)的乘積來定義。這種η型ESD層13可以改善靜電擊穿電壓、發(fā)光效率、以及可靠性，并且降低電流泄漏。
[0036]η型覆層14具有超晶格結(jié)構(gòu)，在該超晶格結(jié)構(gòu)中多個層單元被重復沉積，每個層單元具有依次沉積的未摻雜InGaN、未摻雜GaNjP n_GaN的三層結(jié)構(gòu)。
[0037]發(fā)光層15具有MQW結(jié)構(gòu)，在該MQW結(jié)構(gòu)中多個層單元被重復沉積，每個層單元包括依次沉積的講層15a、蓋層15b和勢魚層15c。講層15a由未摻雜InGaN形成。蓋層15b具有下述結(jié)構(gòu):未摻雜GaN層15b-l和未摻雜InGaN層15b_2依次沉積在阱層15a上。勢壘層15c由未摻雜AlGaN形成。阱層15a具有5人至ΙΟΟΛ的厚度、以及O摩爾％至50摩爾％的111組成比。蓋層15b的GaN層15b_l和AlGaN層15b_2分別具有I蓋至JOl的厚度。勢壘層15c具有5蓋至IOOl的厚度、以及I摩爾％至20摩爾％的Al組成比。
[0038]在實施方案I中，發(fā)光層15的阱層15a、蓋層15b、以及勢壘層15c是未摻雜的，但是這三層中的至少一層或更多層可以是摻雜Si的η型層。
[0039]蓋層15b是在加熱以形成勢壘層15c期間保護阱層免受蒸發(fā)的層。蓋層15b的GaN層15b-l是降低阱層15a和AlGaN層15b-2之間的晶格失配的層?？梢圆恍纬稍揋aN層15b-l。通過在阱層15a上(沿晶體生長方向)形成AlGaN層15b-2，減小了壓電場，并且減小了施加到阱層15a的電場，因此降低了 QCSE (量子約束斯塔克效應)。這提高了發(fā)光效率。
[0040]AlGaN層15b_2的Al組成比高于勢壘層15c的Al組成比。當發(fā)光層15沿厚度方向劃分為在η型覆層14側(cè)的前部和在ρ型覆層16側(cè)的后部這兩個部分時，在前部中的AlGaN層15b-2(在下文中，稱為AlGaN層15b-2-l)的Al組成比低于在后部中的AlGaN層15b-2(在下文中，稱為AlGaN層15b-2-2)的Al組成比。在前部中的每個AlGaN層15b_2_l具有相同的Al組成比，并且在后部中的每個AlGaN層15b_2_2具有相同的Al組成比。前部和后部可以具有發(fā)光層15的至少一個層單元。
[0041]AlGaN層 15b_2 的 Al 組成比、AlGaN層 15b_2_l 的Al 組成比、以及AlGaN層 15b_2_2的Al組成比、或者勢壘層15c的Al組成比是指相應層的平均Al組成比。沿厚度方向的Al組成分布可以是均勻的或者不均勻的。Al組成比可以從AlGaN層15b_2到勢壘層15c連續(xù)地變化。
[0042]只要在前部中的所有AlGaN層15b_2_l的平均Al組成比落在比后部中的所有AlGaN層15b-2-2的平均Al組成比低的范圍內(nèi)，則每個AlGaN層15b_2_l的Al組成比可以不同。類似地，在后部中的每個AlGaN層15b-2-2的Al組成比可以不同。
[0043]當每個AlGaN層15b_2_l具有不同的Al組成比時，Al組成比可以隨著層單元的數(shù)目的增加而從η型覆層14朝ρ型覆層16單調(diào)遞增。此外，Al組成比可以按一個層單元或幾個層單元的方式從η型覆層14側(cè)朝ρ型覆層16側(cè)單調(diào)遞增。也就是說，Al組成比可以以階梯方式增加。這同樣適用于當每個AlGaN層15b-2-2具有不同的Al組成比時的情況。Al組成比可以恒定地或以可變的方式增加。
[0044]圖3B示出發(fā)光層15的帶隙圖。圖3B示出發(fā)光層15包括九個層單元的實例:四個層單元在前部中，五個層單元在后部中。用于比較，圖3A示出當每個AlGaN層15b_2具有與AlGaN層15b-2-2相同并且恒定的Al組成比時的帶隙圖。
[0045]從圖3B可以清楚的看出，因為在前部中的AlGaN層15b_2_l的Al組成比低于后部中的AlGaN層15b-2-2的Al組成比，所以AlGaN層15b_2_l的帶隙小于AlGaN層15b_2_2的帶隙。因此，與如圖3A所示的當AlGaN層15b_2具有恒定的Al組成比時相比，從η型覆層14側(cè)注入到發(fā)光層15的電子更易于到達發(fā)光層15的ρ型覆層16側(cè)。因此，發(fā)光層15中的載流子分布比在圖3Α所示的情況下更加偏向ρ型覆層16側(cè)。因此，載流子更加集中在發(fā)光層15的ρ型覆層16側(cè)，以使得在ρ型覆層16側(cè)的阱層15a中可以有效地捕獲載流子。電子和空穴之間復合的概率增加，因而提高了發(fā)光效率。反之，由于空穴漂移距離較短，所以空穴難以到達發(fā)光層15的η型覆層14側(cè)?？昭ㄒ子诓东@在非輻射的復合中心中。漂移距離越大，非輻射復合的概率越高。因此，通過縮短空穴漂移距離降低了非輻射復合的比率。因此，提高了發(fā)光效率。
[0046]為了進一步提高發(fā)光效率，發(fā)光層15優(yōu)選的具有下述結(jié)構(gòu)。發(fā)光層15優(yōu)選地包括三個至十二個層單元，更優(yōu)選地，發(fā)光層15包括六個至十個層單元。優(yōu)選地，在前部中有一個至九個層單元，并且在后部中有兩個至十一個層單元。更優(yōu)選地，在前部中有二個至五個層單元，并且在后部中有兩個至五個層單元。優(yōu)選地，AlGaN層15b-2-l的Al組成比是AlGaN層15b-2-2的Al組成比的0.2至0.8倍。更優(yōu)選地，AlGaN層15b_2_l的Al組成比是AlGaN層15b-2-2的Al組成比的0.4至0.6倍。優(yōu)選地，AlGaN層15b_2_2的Al組成比是勢壘層15c的Al組成比的1.1至3.0倍。更優(yōu)選地，AlGaN層15b_2_2的Al組成比是勢壘層15c的Al組成比的1.3至2.0倍。勢壘層15c的Al組成比為I摩爾％至20摩爾％，更優(yōu)選地，勢壘層15c的Al組成比為3摩爾％至10摩爾％。
[0047]ρ型覆層16具有超晶格結(jié)構(gòu)，在該超晶格結(jié)構(gòu)中多個層單元被重復沉積，每個層單元包括依次沉積的摻雜Mg的AlGaN層和摻雜Mg的InGaN層。
[0048]ρ型覆層16不是必須具有超晶格結(jié)構(gòu)，而是可以僅僅包括多層或單層，例如摻雜Mg的AlGaN單層。當ρ型覆層16具有上述超晶格結(jié)構(gòu)時，每個層單元可以包括AlGaN和GaN兩層，或者可以包括AlGaN、GaN和InGaN三層，而不是AlGaN和InGaN兩層。
[0049]ρ型接觸層17具有在ρ型覆層16側(cè)上按以下順序的第一 P型接觸層、第二 P型接觸層和第三P型接觸層的三層結(jié)構(gòu)。由P型GaN形成的第一 P型接觸層具有295人至355Λ的厚度以及1.0X IO1Vcm3至3.0X IO1Vcm3的Mg濃度。由ρ型GaN形成的第二 ρ型接觸層具有290蓋至350蓋的厚度以及7.0X IO1Vcm3至2.0X IO2tVcm3的Mg濃度。由ρ型GaN形成的第三P型接觸層具有501至110蓋的厚度以及7.0X IO1Vcm3至2.0X IO2tVcm3的Mg濃度。P型接觸層17的這種結(jié)構(gòu)可以同時減小接觸電阻和驅(qū)動電壓。
[0050]ρ型接觸層17的結(jié)構(gòu)并不限于上述結(jié)構(gòu)，而是可以采用任意常規(guī)的已知結(jié)構(gòu)。例如，P型接觸層17可以包括P型GaN單層。當P型接觸層17包括多層時，可以改變組成比。第一 P型接觸層17a可以由供給的Mg摻雜劑氣體來形成，或者可以在不供給Mg摻雜劑氣體的情況下由于記憶效應引起的Mg摻雜來形成。
[0051]透明電極19由ITO構(gòu)成并且形成在ρ型接觸層17的幾乎整個表面上。例如，透明電極19可以由透明氧化物導電材料如除了 ITO以外的ICO(摻雜鈰的氧化銦)、IZO(摻雜鋅的氧化銦)、Zn0、Ti02、Nb TiO2和TaTiO2形成，也可以由金屬薄膜如Co/Au、Au或石墨烯形成。
[0052]η型電極18和ρ型電極20可以具有如下結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括:接合導線的焊墊；以及接合焊墊的布線圖案，所述布線圖案在η型接觸層12和透明電極19的每個表面上(例如，以格狀圖案、梳齒狀圖案或輻射狀圖案)延伸。這種結(jié)構(gòu)能改進電流擴散，因而獲得均勻的光發(fā)射。
[0053]因為根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件中的發(fā)光層15具有上述結(jié)構(gòu)，所以與常規(guī)結(jié)構(gòu)相t匕，發(fā)光層15中的載流子分布更加偏向ρ型覆層16側(cè)，提高了發(fā)光效率。
[0054]接下來將參照附圖描述制造根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的過程。第III族氮化物半導體通過常壓MOCVD形成。在MOCVD中采用的原料氣體有:作為氮源的氨氣(NH3)；作為Ga源的三甲基鎵(Ga(CH3)3);作為In源的三甲基銦(In(CH3)3);作為Al源的三甲基鋁(Al(CH3)3);作為Si摻雜劑氣體的硅烷(SiH4);作為Mg摻雜劑氣體的環(huán)戊二烯基鎂(Mg (C5H5) 2);以及作為載氣的氫氣(H2)和氮氣(N2)。
[0055]首先，準備在其上具有凹陷和突起的藍寶石襯底10，并且在氫氣氣氛中加熱以清潔表面。隨后，在藍寶石襯底10上，通過常壓MOCVD依次沉積AlN緩沖層(未圖示)、n型接觸層12、η型ESD層13以及η型覆層14 (圖4Α)。
[0056]接下來，通過常壓MOCVD在η型覆層14上形成發(fā)光層15 (圖4Β)。將參照圖5Α至5D詳細描述制造發(fā)光層15的過程。
[0057]首先，通過常壓M0CVD，在770°C至1000°C的溫度(高于其后用于形成阱層15a的溫度)下在η型覆層14上形成AlGaN勢壘層15c (圖5A)。
[0058]第二，在降低溫度后，通過常壓MOCVD在600°C至850°C的溫度下形成InGaN阱層15a (圖 5B)。
[0059]第三，通過常壓M0CVD，在相同的溫度下通過依次沉積GaN層15b_l和AlGaN層15b-2形成蓋層15b (圖5C)。當形成蓋層15b時,可以對蓋層15b的GaN層15b_l進行蒸發(fā)以變薄或消失，只要阱層15a不被蒸發(fā)即可。
[0060]然后，在溫度增加到770°C至1000°C后，在蓋層15b上形成勢壘層15c (圖5D)。此時，在溫度增加期間，蓋層15b的存在抑制了阱層15a的蒸發(fā)。
[0061]隨后地，通過順序地并重復地沉積阱層15a、蓋層15b以及勢壘層15c并且形成多個層單元來形成發(fā)光層15的前部，每個層單元包括這三層。
[0062]除了通過當形成蓋層15b的AlGaN層15b_2時增加Al源氣體的供給量使得AlGaN層15b-2的Al組成比較高以外，在相同的條件下，通過進一步重復沉積阱層15a、蓋層15b、以及勢壘層15c并且形成多個層單元來形成發(fā)光層15的后部。
[0063]通過上述過程，形成發(fā)光層15。
[0064]接下來，通過常壓M0CVD，在發(fā)光層15上依次地沉積ρ型覆層16和ρ型接觸層17 (圖 4C)。
[0065]隨后，通過干蝕刻特定部分形成具有從P型接觸層17的上表面延伸到η型接觸層12的深度的溝槽。在ρ型接觸層17的幾乎整個表面上形成由ITO構(gòu)成的透明電極19，在透明電極19上形成ρ型電極20，并且在η型接觸層12的暴露在溝槽底部的表面上形成η型電極18。通過上述過程，制造如圖1所示的根據(jù)實施方案I的第III族氮化物半導體發(fā)光器件。
[0066]圖6是示出根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的發(fā)光效率和電流密度之間關系的曲線圖。發(fā)光層15包括九個層單元:在前部中的四個層單元，以及在后部中的五個層單元。在前部中的AlGaN層15b-2-l具有6摩爾％的Al組成比，以及在后部中的AlGaN層15b_2_2具有12摩爾％的Al組成比。圖6的曲線圖中也示出根據(jù)對比例I和對比例2的發(fā)光器件的發(fā)光效率和電流密度之間的關系。除了根據(jù)對比例I的發(fā)光器件的所有蓋層的AlGaN層具有12摩爾％的Al組成比以外，根據(jù)對比例I的發(fā)光器件具有與根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件相同的結(jié)構(gòu)。除了根據(jù)對比例2的發(fā)光器件的發(fā)光層劃分為前部和后部這兩個部分，其中在前部中有七個層單元，在后部中有兩個層單元，并且在前部中的蓋層的AlGaN層具有12摩爾％的Al組成比，在后部中的蓋層的AlGaN層具有6摩爾％的Al組成比以外，根據(jù)對比例2的發(fā)光器件具有與根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件相同的結(jié)構(gòu)。[0067]從圖6中可以清楚的看出，根據(jù)對比例I的發(fā)光器件具有隨著電流密度的增大發(fā)光效率逐漸減小的特性。根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件具有相同的特性，但是在任意電流密度下，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的發(fā)光效率高于根據(jù)對比例I的發(fā)光器件的發(fā)光效率。在lOA/cm2或更小的低電流密度范圍下，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件和根據(jù)對比例2的發(fā)光器件具有相同的發(fā)光效率。然而，在lOA/cm2或更大的高電流密度范圍下，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的發(fā)光效率高于根據(jù)對比例2的發(fā)光器件的發(fā)光效率。與根據(jù)實施方案I或?qū)Ρ壤齀的發(fā)光器件的發(fā)光效率相比，根據(jù)對比例2的發(fā)光器件的發(fā)光效率隨著電流密度的增加而更迅速地減小。電流密度越高，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件和根據(jù)對比例2的發(fā)光器件之間的發(fā)光效率的差異越大。根據(jù)對比例2的發(fā)光器件具有與實施方案I的發(fā)光層15相反的結(jié)構(gòu)，該相反的結(jié)構(gòu)降低了載流子分布的不均勻性性。因此，相較于對比例1，對比例2的發(fā)光效率被認為得到提高。然而，對比例2的發(fā)光效率僅在低電流密度范圍內(nèi)高于實施方案I的發(fā)光效率。相反，在30A/cm2或更大的電流密度范圍下，對比例I的發(fā)光效率高于對比例2的發(fā)光效率。
[0068]結(jié)果是根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的發(fā)光效率高于根據(jù)對比例I和對比例2的發(fā)光器件的發(fā)光效率。考慮到與根據(jù)對比例I的發(fā)光器件的發(fā)光層相比，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的發(fā)光層15的結(jié)構(gòu)中的載流子分布更加偏向P型覆層側(cè)。
[0069]圖7是示出根據(jù)實施方案1、對比例I和對比例2的發(fā)光器件的光輸出和電流密度之間關系的曲線圖。從圖7中可以清楚的看出，當電流密度小時，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件以及根據(jù)對比例I和對比例2的發(fā)光器件具有相同的光輸出。然而，電流密度越大，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件的光輸出就越大于根據(jù)對比例I的發(fā)光器件的光輸出。電流密度越大，根據(jù)對比例2的發(fā)光器件的光輸出就越小于根據(jù)對比例I的發(fā)光器件的光輸出。
[0070]圖8是示出根據(jù)實施方案1、對比例I和對比例2的發(fā)光器件的VF-1F特征的曲線圖。如圖8所示，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件和根據(jù)對比例I的發(fā)光器件在VF-1F特性上幾乎沒有差異。因此，根據(jù)實施方案I的發(fā)光器件提高了發(fā)光效率而不影響驅(qū)動電壓。另一方面，與根據(jù)對比例I的發(fā)光器件相比，根據(jù)對比例2的發(fā)光器件中的驅(qū)動電壓增大。
[0071]在實施方案中，就在與用于阱層15a的溫度相同的溫度下形成AlGaN層15b_2這一點而言，AlGaN層15b_2被認為是蓋層15b的一部分。反之,就AlGaN層15b_2的帶隙大于阱層15a的帶隙(這有助于將載流子約束在阱層15a中)這一點而言，AlGaN層15b_2也可以被認為是勢壘層15c的一部分。AlGaN層15b_2也可以被認為是與蓋層或勢壘層分開的單獨層。也就是說，本發(fā)明也包括其中AlGaN層15b-2是蓋層或勢壘層的一部分、或者是與這些層分開的單獨層的第III族氮化物半導體發(fā)光器件。
[0072]在實施方案中，阱層15a由InGaN形成，勢壘層15c由AlGaN形成。然而，只要勢壘層15c的帶隙大于阱層15a的帶隙，則阱層15a和勢壘層15c可以由具有任意組成比的第III族氮化物半導體例如GaN或InGaN形成。
[0073]在實施方案中的GaN層15b_l不一定由GaN形成，只要其由具有比阱層的帶隙大且比勢壘層的帶隙小的帶隙的第III族氮化物半導體形成即可。AlGaN或InGaN可以用來替代GaN。
[0074]根據(jù)實施方案I的第III族氮化物半導體發(fā)光器件是正裝芯片型。然而，本發(fā)明并不限于此，并且也可以應用于倒裝芯片型或垂直型的第III族氮化物半導體發(fā)光器件。垂直型具有沿垂直于襯底主表面的方向建立電傳導的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以通過例如使用激光剝離技術移除生長的襯底或通過采用自支撐的襯底來獲得。
[0075]此外，在實施方案中，發(fā)光層15劃分為前部和后部這兩個部分。這是包括發(fā)光層15劃分成三部分或更多部分的情況的構(gòu)思。例如，即使發(fā)光層15取決于AlGaN層15b_l的Al組成比被劃分為前部、中間部和后部這三個部分，但是只要將前部和中間部分認為是前部，則在本發(fā)明中前部中的平均Al組成比低于后部中的平均Al組成比。
[0076]本發(fā)明的第III族氮化物半導體發(fā)光器件可用作光源，例如照明設備的光源、顯示設備的光源或光通信器件的光源。
【權(quán)利要求】
1.一種在η型覆層和P型覆層之間具有發(fā)光層的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，所述發(fā)光層具有MQW結(jié)構(gòu)，其中: 所述發(fā)光層具有其中重復沉積有多個層單元的結(jié)構(gòu)，每個層單元包括依次沉積的阱層和勢壘層，所述勢壘層的帶隙大于所述阱層的帶隙； 在所述阱層和所述勢壘層之間形成有AlGaN層，所述AlGaN層的Al組成比大于所述勢壘層的Al組成比；以及 所述發(fā)光層包括在所述η型覆層側(cè)的前部和在所述P型覆層側(cè)的后部這兩個部分，其中在所述前部中所述AlGaN層的平均Al組成比低于在所述后部中所述AlGaN層的平均Al組成比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部中所述AlGaN層的平均Al組成比是在所述后部中所述AlGaN層的平均Al組成比的0.2至0.8倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層具有三至十二個層單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層在所述前部中具有一至九個層單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層在所述前部中具有一至九個層單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層在所述后部中具有二至十一個層單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的 第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述發(fā)光層在所述后部中具有二至十一個層單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述阱層和所述AlGaN層之間形成有蓋層，所述蓋層的帶隙大于所述阱層的帶隙并且小于所述勢壘層的帶隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部中的所述AlGaN層中的每一個具有相同的Al組成比，并且在所述后部中的所述AlGaN層中的每一個具有相同的Al組成比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部和所述后部中的至少一個部分中所述AlGaN層的Al組成比隨著層單元的數(shù)目的增加而從所述η型覆層側(cè)朝所述P型覆層側(cè)單調(diào)遞增。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部和所述后部中所述AlGaN層的Al組成比按一個層單元或幾個層單元的方式從所述η型覆層側(cè)朝所述P型覆層側(cè)單調(diào)遞增。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述勢壘層由AlGaN形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中所述蓋層由GaN形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部中所述AlGaN層中的每一個具有相同的Al組成比，并且在所述后部中所述AlGaN層中的每一個具有相同的Al組成比。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的第III族氮化物半導體發(fā)光器件，其中在所述前部和所述后部中的至少一個部分中所述AlGaN層的所述Al組成比隨著層單元的數(shù)目的增加而從所述η型覆層側(cè)朝所述P型覆 層側(cè)單調(diào)遞增。
【文檔編號】H01L33/06GK103682001SQ201310381656
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月26日
【發(fā)明者】奧野浩司 申請人:豐田合成株式會社