本发明提供一种氮化物半导体发光元件,包括:n型氮化物半导体层;发光层,其形成在该n型氮化物半导体层上;第一p型氮化物半导体层,其形成在该发光层上;中间层,其以使覆盖第一p型氮化物半导体层表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半导体层上;第二p型氮化物半导体层,其形成在该中间层上。中间层由作为构成元素含有Si和N的化合物构成。
1.一种氮化物半导体发光元件,其特征在于,包括:n型氮化物半导体层;发光层,其形成在所述n型氮化物半导体层上;第一p型氮化物半导体层,其形成在所述发光层上;中间层,其以使覆盖该第一p型氮化物半导体层的部分表面和露出该第一p型氮化物半导体层的部分表面的交替的方式形成在所述第一p型氮化物半导体层上;第二p型氮化物半导体层,其形成在所述中间层上;所述中间层由作为构成元素含有Si和N的化合物构成;所述第二p型氮化物半导体层自所述第一p型氮化物半导体层的露出区域形成而扩展到中间层的上部,形成为彼此分离的多个凸部,所述中间层与所述第二p型氮化物半导体层的彼此分离的凸部相接。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,所述中间层以自然形成的方式被构图而形成,所述以自然形成的方式被构图是指与结晶生长同时进行构图。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,进一步具有形成在所述第二p型氮化物半导体层上的p侧透光性导电层,并且该氮化物半导体发光元件是氮化物半导体发光二极管元件。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,所述p侧透光性导电层至少包括氧化铟锡、二氧化锡和氧化锌中的任一种。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,所述第一p型氮化物半导体层的与所述中间层相接的面是p型GaN层。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,所述第二p型氮化物半导体层的与所述中间层相接的面是p型GaN层。
7.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件,其特征在于,所述中间层的厚度在10nm以下。技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件。
背景技术
由于氮化物半导体具有不仅在可见光的整个波长区域甚至在紫外线区域这样的宽广范围内发光的特性,因此,作为发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等发光元件非常有用。氮化物半导体发光元件的主要构成要素有n侧电极、n型氮化物半导体层、发光层、p型氮化物半导体层和p侧电极。作为氮化物半导体发光元件的课题之一,例举出由于p型掺杂剂的活化能高,因此,难以得到载流子浓度高的p型氮化物半导体层,p型氮化物半导体层与由金属、透光性导电层等构成的p侧电极的接触电阻增高,从而氮化物半导体发光元件的工作电压增高的问题。对于上述课题,以前在p型氮化物半导体层中提出了将与p侧电极相接的层设置成可形成为载流子浓度高的p型InGaN、或提高Mg浓度等方法,在p侧电极中提出了采用金属时选择Pd、Ni等功函高的金属,在采用透光性导电层的结构时,考虑透光性导电层的制膜后的退火条件等方法。而且,作为氮化物半导体发光元件的其他课题,例举出由于氮化物半导体层的折射率高到例如2.5左右,因此,在p型氮化物半导体层与透光性导电层相接触的发光二极管结构中,在该接触界面会产生全反射,导致发光效率下降。对于上述课题,在日本特开2005-277374号公报中提出了如下方法:通过将p型氮化物半导体层的表面形成为凹凸状,产生散射和衍射,使全反射量减小,由此谋求改善光取出效率。但是,当把p型InGaN用于接触层时,由于InGaN层在低温下生长,因此,p型掺杂剂即Mg被活化,从而在发光波长下容易产生吸收等。而且,当提高Mg浓度时,载流子密度因自补偿效应而不会有效地上升。由于这些原因,导致存在如下问题:p型氮化物半导体层与p侧电极的接触电阻不会有效地下降,或者反而会上升。另外,在日本特开2005-277374号公报所记载的方法中存在如下问题:p型氮化物半导体层表面的凹凸加工中的掩模除去工序会对p型氮化物半导体层带来损坏,导致接触电阻上升。
发明内容
鉴于上述课题,本发明的目的在于供一种工作电压低的氮化物半导体发光元件。进而提供一种工作电压低且光取出效率高的氮化物半导体发光元件。本发明涉及氮化物半导体发光元件,其包括:n型氮化物半导体层;发光层,其形成在该n型氮化物半导体层上;第一p型氮化物半导体层,其形成在该发光层上;中间层,其以使覆盖第一p型氮化物半导体层表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半导体层上;第二p型氮化物半导体层,其形成在该中间层上;该中间层由作为构成元素含有Si和N的化合物构成。在此,在本发明的氮化物半导体发光元件中,所述中间层优选以自然形成的方式被构图而形成。而且,在本发明的氮化物半导体发光元件中,第二p型氮化物半导体层的上表面优选形成为凹凸形状。而且,在本发明的氮化物半导体发光元件的一实施方式中,氮化物半导体发光元件为氮化物半导体发光二极管元件,还具有形成在第二p型氮化物半导体层上的p侧透光性导电层。所述p侧透光性导电层优选包括氧化铟锡、二氧化锡、氧化锌中的至少任一种。在本发明的氮化物半导体发光元件中,第一p型氮化物半导体层的与所述中间层相接的面优选为p型GaN层。而且,在本发明的氮化物半导体发光元件中,第二p型氮化物半导体层的与所述中间层相接的面优选为p型GaN层。在本发明的氮化物半导体发光元件中,所述中间层的厚度优选在10nm以下。根据本发明,能够提供工作电压低的氮化物半导体发光元件。进而能够提供工作电压低且光取出效率高的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的氮化物半导体发光二极管元件的层积体的示意性剖面图;图2是通过本发明实施例制作的氮化物半导体发光二极管元件的示意性剖面图。
具体实施方式
本发明涉及氮化物半导体发光元件,该氮化物半导体发光元件包括:n型氮化物半导体层;发光层,其形成在该n型氮化物半导体层上;第一p型氮化物半导体层,其形成在该发光层上;中间层,其以使覆盖第一p型氮化物半导体层表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半导体层上;第二p型氮化物半导体层,其形成在该中间层上;该中间层由作为构成元素含有Si和N的化合物构成。下面,使用附图说明本发明的实施方式。附图和以下叙述中所示的结构为例示,本发明的范围不限于附图和以下叙述中所述的结构。需要说明的是,在本发明的附图中,同一附图标记表示同一部分或相当的部分。而且,在本发明的附图中,为了使附图清楚和简单,适当变更了长度、宽度、厚度等的尺寸关系,并不表示实际的尺寸关系。<氮化物半导体发光元件>图1是表示本发明的氮化物半导体发光元件的优选一例即氮化物半导体发光二极管元件的层积体的示意性剖面图。层积体10具有基板1、形成在基板1上的n型氮化物半导体层2、形成在n型氮化物半导体层2上的发光层3、形成在发光层3上的第一p型氮化物半导体层4、以使覆盖第一p型氮化物半导体层4表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层4表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半导体层4上的中间层5、形成在中间层5上的第二p型氮化物半导体层6。中间层5由作为构成元素含有Si和N的化合物构成。中间层5以使覆盖第一p型氮化物半导体层4表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层4表面的部分交替的方式形成在第一p型氮化物半导体层4上,可以离散地形成在第一p型氮化物半导体层4表面上,或者也可以由具有多个开口部的层形成。在第一p型氮化物半导体层4表面中,将未被中间层5覆盖的区域即未形成有中间层5的区域,或者相当于中间层5的开口部的区域称为“露出区域”,将被中间层5覆盖的区域称为“覆盖区域”。第一p型氮化物半导体层4和第二p型氮化物半导体层6在露出区域直接相接,在覆盖区域隔着中间层5相接。在此,n型氮化物半导体层2、发光层3、第一p型氮化物半导体层4、第二p型氮化物半导体层6均由氮化物半导体构成,这种氮化物半导体的代表是指由通式Al_xGa_yIn_1-x-yN(x,y均在0以上1以下)表示的半导体,但是不限于此,包括为了n型化或p型化而添加任意元素的半导体。下面,关于本实施方式的氮化物半导体发光二极管元件的各构成要素,与其制造方法的一例一同进行说明。首先,利用例如MOCVD(metalxa0Organicxa0Chemicalxa0Vaporxa0Deposition:金属有机化合物气相沉积)法等,将n型氮化物半导体层2、发光层3、第一p型氮化物半导体层4、中间层5、第二p型氮化物半导体层6按照该顺序层积在基板1的表面上。(基板)作为基板,能够采用各种基板,例如氮化镓(GaN)基板、碳化硅(SiC)基板、蓝宝石基板、尖晶石基板、氧化锌(ZnO)基板等。但是,作为基板1优选采用蓝宝石基板。如果作为基板1采用蓝宝石基板,不仅能够降低本实施方式的氮化物半导体发光二极管元件的制造成本,而且能够稳定地制造本实施方式的氮化物半导体发光二极管元件。基板1的n型氮化物半导体层2侧的表面具有凹凸形状。在氮化物半导体发光二极管元件10中,通过在基板1的n型氮化物半导体层2侧的表面设置凹凸,自发光层3产生的光中行进到基板1侧的光因基板1表面的凹凸面而产生光的散射效果及衍射效果,由此,能够向外部取出更多的光。基板1表面的凹凸例如可以通过将基板1的n型氮化物半导体层2侧的表面蚀刻等来形成。在此,基板1表面的凹凸中的多个凹部例如以0.05μm以上10μm以下的间隔形成,各凹部例如以0.05μm以上10μm以下的深度形成。需要说明的是,代替表面为凹凸的基板1,也可以采用表面为平面的基板。(n型氮化物半导体层)n型氮化物半导体层2不限于单层,也可以层积多层。作为这类n型氮化物半导体层2,例如可以采用低温缓冲层、AlN缓冲层、非掺杂层、n型掺杂层等。如果氮化物半导体为非掺杂,一般表示n型导电性,因此,作为n型氮化物半导体层2也可以采用非掺杂氮化物半导体层。作为导入氮化物半导体的n型掺杂剂,可以采用Si、Ge等。在这些n型掺杂剂中,从降低n型氮化物半导体层2的电阻率的观点出发,n型氮化物半导体层2若为单层,则可以采用GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN,其中可以含有Si,也可以不含掺杂剂。另外,n型氮化物半导体层2若为多层,则可以是InGaN/GaN、InGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、InGaN/InGaN之类的层积结构。在n型氮化物半导体层2的形成过程中,首先,在MOCVD装置内设置基板1。接着,将基板1的温度例如调节到1050°C,并使用含有氮和氢的载气,向MOCVD装置内导入III族原料气体、含有n型掺杂剂的掺杂气体及氨气等,从而在基板1上使n型氮化物半导体层2结晶生长。作为用于形成n型氮化物半导体层2而导入装置内的III族原料气体,例如可以采用TMG((CH₃)₃Ga:三甲基镓)、TEG((C₂H₅)₃Ga:三乙基镓)、TMA((CH₃)₃Al:三甲基铝)、TEA((C₂H₅)₃Al:三乙基铝)、TMI((CH₃)₃In:三甲基铟)、TEI((C₂H₅)₃In:三乙基铟)等。如果将Si作为n型掺杂剂,作为含有Si的掺杂气体,例如可以采用SiH₄(硅烷)气体等。(发光层)发光层3优选包括由GaN构成的势垒层和由含有In的氮化物半导体构成的阱层。阱层厚度随着阱层发出的光的波长不同,其最佳层厚不同,优选2~20nm的范围,随着n型氮化物半导体层2的结晶质量提高,阱层层厚可以变厚。这样的发光层3的结构不限于量子结构,可以是单阱结构、多阱结构、多量子阱结构等中的任一种结构。量子结构指阱层的厚度在10nm以下时的结构。如果发光层3包括多个阱层,则至少一个阱层作为发光层发挥作用。这样的阱层优选由In_qGa_1-qN(02Mg(二茂镁)、(EtCp)₂Mg(双(乙基环戊二烯基)镁)等。由于(EtCp)₂Mg在常温常压下为液体,因此,相比该条件下为固体的Cp₂Mg,使导入MOCVD装置内的导入量变化时的响应性良好,容易将其蒸汽压保持为一定。作为用于形成第一p型氮化物半导体层4的III族原料气体及氨气,能够采用与生成n型氮化物半导体层2及发光层3时相同种类的气体。(中间层)接着,在第一p型氮化物半导体层4上,以使覆盖第一p型氮化物半导体层4表面的部分和露出第一p型氮化物半导体层4表面的部分交替的方式形成中间层5。中间层5优选通过自然形成的方式被构图而形成。在此,通过自然形成被构图的中间层5不是在结晶生长之后例如通过蚀刻等除去一部分而构图形成的中间层,而是与结晶生长同时进行构图而形成的中间层。中间层5由作为构成元素含有Si和N的化合物构成。作为其他构成元素,可以含有Mg、Al、Ga、In等,但是,Si的摩尔比大,故优选。这类化合物通过调整化合物的结晶生长时的条件,可以控制为使中间层5在结晶生长的同时形成。因此,由于不经过除去工序能够形成中间层5,因此,能够防止在除去工序中对下层表面带来的损坏而导致的接触电阻上升。为了防止发光层3的热损伤,中间层5的形成温度优选为层积体的温度在1000°C以下。另外,中间层5的层积方向的厚度优选为10nm以下。根据上述化合物,可以形成10nm以下的薄的中间层5。例如,在采用SiO₂等掩模材料的情况下,存在如下问题:由于掩模材料的折射率相对氮化物半导体低而容易产生光的反射,从而光取出效率下降,由于掩模材料的绝缘性而产生串联电阻上升,从而工作电压上升等。但是,在本发明中能够使中间层5的厚度设置在10nm以下,此时,光子(光)、载流子(电子、空穴)能够产生隧道效应(トンネリングする),不会产生SiO₂,中的上述问题。作为构成元素含有Si和N的化合物的结晶可以在MOCVD装置或MBE(Molecularxa0Beamxa0Epitaxy:分子束外延)装置中形成,由于能够在与其他层即氮化物半导体层相同的装置内连续地形成,因此,使制造过程中的层积体无需暴露于大气中,避免因暴露于大气而产生的自然氧化膜附着等问题。自然氧化膜是使接触电阻上升的主要因素。在MOCVD装置内形成由SiN构成的中间层5的情况下,可以通过将硅烷气体和氨气同时导入装置内而形成。通过作为构成元素含有Si和N的化合物的结晶生长,无需使用光刻技术,能够通过自然形成形成中间层5。根据光刻技术,难以将构图精度控制在纳米级,尤其难以将中间层5在层积方向(厚度)上的厚度设置在10nm以下。另一方面,基于自然形成作为构成元素含有Si和N的化合物而形成的中间层5,可以通过调整形成条件以数纳米级进行控制,从而可以形成所需的中间层5,进而将层积于该中间层5上的第二p型氮化物半导体层6形成为所需的凹凸结构。通过将第二p型氮化物半导体层6形成为所需的凹凸结构,能够实现高的光取出效率。由于中间层5阻碍自下层开始的半导体生长,因此,在中间层5需要形成开口部或间隙等未形成中间层5的部分。中间层5的离散度或者开口部的密度例如可以利用中间层5的形成时间来调整。如果形成时间过短,则中间层5形成得不充分,如果形成时间过长,则作为层完全覆盖下层。最好选择在两种情况的中间。(第二p型氮化物半导体层)在第一p型氮化物半导体层4表面上形成中间层5,进而在该中间层5上形成第二p型氮化物半导体层6。如上所述,第一p型氮化物半导体层4的表面通过中间层5被区分为露出区域和覆盖区域。在覆盖区域,形成于其上的第二p型氮化物半导体层6的结晶生长被阻碍。因此,第二p型氮化物半导体层6的结晶在覆盖区域不生长。另一方面,第二p型氮化物半导体层6的结晶在露出区域沿垂直方向生长。接着,自露出区域开始的结晶生长最终向横向扩展,并覆盖到(回り込む)中间层5的上部。由于中间层5的上部不具有特定的结晶方位,因此,在该部分容易单结晶化,并且该部分的半导体层6难以产生位错,半导体层6的结晶品质提高。或者,第一p型氮化物半导体层4的位错因中间层5而停止,并且经过第二p型氮化物半导体层6的形成工序中的再次成核过程,位错向横向弯曲,能够谋求贯通位错减少,从而第二p型氮化物半导体层6的结晶品质提高。如上所述,由于第二p型氮化物半导体层6的结晶品质提高,在第二p型氮化物半导体层6中能够实现1×10¹⁸/cm³以上的高载流子浓度,能够降低第二p型氮化物半导体层6与形成于其上的p侧透光性导电层7的接触电阻。第二p型氮化物半导体层6的上表面优选为凹凸形状。上表面为凹凸形状的情况包括只有其上表面为凹凸形状的情况以及由离散地形成的凸部整体形成凹凸形状的情况。由于第二p型氮化物半导体层6自第一p型氮化物半导体层4的露出区域形成而扩展到中间层5的上部,因此,能够通过通常的工序形成为凹凸状。由于第二p型氮化物半导体层6表面为凹凸形状,能够实现高的光取出效率。第二p型氮化物半导体层6的凹凸形状通过改变中间层5的生长时间、生长温度,或者第二p型氮化物半导体层6的掺杂剂浓度、生长温度、V/III比(氨相对于三族元素的摩尔比)、膜厚等,可以任意地变更。关于第二p型氮化物半导体层6的凹凸形状的尺寸,优选其节距以及最大高度为10μm以下,进而,优选节距以及最大高度大幅超过发光波长,以便得到高的光取出效率。另外,优选节距以及最大高度为10nm以上以使光不产生隧道效应。第二p型氮化物半导体层6不限于单层,也可以层积多层。作为这类第二p型氮化物半导体层6,例如可以包括p型掺杂层和含有In的氮化物半导体层中的任一层。第二p型氮化物半导体层6的与中间层5相接的面最优选由p型GaN构成的结构。由于p型GaN层可构成凹凸结构的生长条件更宽泛,形状控制容易且通过最佳的凹凸设计可以实现高的光取出效率,发光波长中的吸收系数小且可以防止光取出效率下降,因此优选采用p型GaN。第二p型氮化物半导体层6在MOCVD装置内可以采用与第一p型氮化物半导体层4形成时所采用的气体相同的含有氮和氢的载气、III族原料气体、含有p型掺杂剂的掺杂气体、氨气来形成。为了防止发光层3的热损坏,第二p型氮化物半导体层6的生长温度优选层积体的温度在1000°C以下。(p侧透光性导电层)接着,例如通过溅射法等,在第二p型氮化物半导体层6表面上层积p侧透光性导电层7以形成层积体10。p侧透光性导电层7由于以覆盖第二p型氮化物半导体层6表面的方式形成,因此,反映第二p型氮化物半导体层6的表面形状而构成为凹凸形状。p侧透光性导电层7与第二p型氮化物半导体层6接触,作为透光性电极发挥作用。作为这类p侧透光性导电层7所采用的材料不特别限定,可以采用任何材料。例如,举出氧化铟锡(ITO:indiumxa0tinxa0oxide)、二氧化锡(SnO₂)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO₂)、薄膜金属电极(Pb、Ni等)、纳米线金属电极等。考虑良好的导电性,优选采用ITO、ZnO,而且考虑良好的化学稳定性,优选采用SnO₂。在下层即第二p型氮化物半导体层6由p型GaN形成的情况下,ITO、SnO₂、ZnO与p型GaN的接触电阻低,从而优选。(p电极、n电极)接着,通过蚀刻等,除去图1所示的氮化物半导体发光二极管元件的层积体10的一部分,由此使n型氮化物半导体层2表面的一部分露出。然后,例如通过EB(Electronxa0Beam:电子束)蒸镀法等,在n型氮化物半导体层2的露出面上形成n侧电极,并且在p侧透光性导电层7的表面上形成p侧电极,由此能够得到氮化物半导体发光二极管元件。这类p电极和n电极能够采用以往公知的材料,例如能够采用Ti、Al、Au等。而且,p电极及n电极不限于单层结构,也可以构成为多层结构。在按照如上所述制作的氮化物半导体发光二极管元件中,能够降低第二p型氮化物半导体层6与p侧透光性导电层7之间的接触电阻,能够降低工作电压。而且,通过以凹凸状形成第二p型氮化物半导体层6,一部分光被散射、衍射,因此能够减少全反射量,能够改善光取出效率。本发明的氮化物半导体发光元件不限于上述的结构,也可以构成除上述结构以外的结构。例如,在上述内容中作为氮化物半导体发光元件仅例示了氮化物半导体发光二极管元件,但是,本发明的氮化物半导体发光元件也可以构成为氮化物半导体激光器。下面,举出实施例进一步详细说明本发明,但是,本发明不限于这些实施例。实施例x7f图2是根据本实施例制作的氮化物半导体发光二极管元件的示意性剖面图。按照如下步骤制作氮化物半导体发光二极管元件20。首先,将进行了凹凸加工的蓝宝石基板11放入MOCVD装置中,并在基板温度1000°C下热清洗之后,按顺序层积如下层:在600°C的温度下层积由GaN构成的20nm的低温缓冲层、在1000°C的温度下层积2μm的非掺杂GaN层及以5×10¹⁸/cm³原子浓度掺杂Si的3μm的n-GaN层,构成n型氮化物半导体层12。之后,在750°C的温度下将In_0.15Ga_0.85N阱层2.5nm和GaN势垒层8nm相互交替反复层积6次以构成发光层13。此时,最上层被设置为GaN势垒层,该层兼作In的蒸发防止层。之后,在1000°C的温度下按顺序层积20nm的以5×10¹⁹/cm³的原子浓度含有Mg的Al_0.2Ga_0.8N、80nm的以5×10¹⁹/cm³的原子浓度含有Mg的GaN以构成第一p型氮化物半导体层14。接着,在900°C的温度下将硅烷和氨气供给13分钟以形成中间层15。此时中间层15的厚度在约10nm以下。通过中间层15的形成,第一p型氮化物半导体层14的表面区分为露出区域和覆盖区域。接着,在900°C的温度下层积Mg的原子浓度为5×10¹⁹/cm³的GaN以构成第二p型氮化物半导体层16。此时的凸部高度为100nm~1μm、节距为无规则,但是大致的尺寸为500nm~2μm。接着,从MOCVD装置取出形成过程中的层积体,然后通过溅射装置层积150nm厚度的ITO以构成p侧透光性导电层17。之后,从p侧开始利用光刻技术,将层积体的所需范围通过RIE(reactiveionxa0eching)蚀刻至n型氮化物半导体层12的n-GaN层,并在n-GaN层上形成Au/Ti/Al构成的n侧焊盘电极19。而且,在p侧透光性导电层17上形成由Au/Ti/Al构成的p侧焊盘电极18。在该氮化物半导体发光二极管元件20中,中间层15促进第二p型氮化物半导体层16的凹凸形状,第二p型氮化物半导体层16与p侧透光性导电层17的界面为凹凸状,而且,在保持该状态不变的情况下使p侧透光性导电层17与树脂或者空气的界面延续地呈凹凸状,因此,能够提供光取出效率高的发光二极管元件。而且,由于能够以高载流子浓度构成第二p型氮化物半导体层16,因此,第二氮化物半导体层16与p侧透光性导电层17的接触电阻不会上升,从而能够提供工作电压低的发光二极管元件。本申请所公开的实施方式及实施例在所有方面只是例示,理应考虑到该例示并不限定本发明。本发明的范围由权利要求书来限定,而不是由如上所述的说明来限定,并且在与权利要求书等同的含义及范围内进行的所有变更均包含在本发明中。