[发明专利]氮化物半导体元件

说明书

技术领域

本发明涉及使用在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等发光元件，太阳能电池、光传感器等受光元件或者晶体管、功率器件等电子器件的氮化物半导体元件，特别是发光峰值波长在450～540nm范围的量子阱结构发光元件的改良，以达到降低驱动电压或提高发光输出的目的。

背景技术

氮化物半导体作为高亮度纯绿色发光LED、蓝光LED已经用于全彩色LED显示器、交通信号灯、图像扫描器光源等各种光源中。这些LED元件基本上具有在蓝宝石衬底上顺序叠层生长的由GaN组成的缓冲区、由Si掺杂GaN组成的n型接触层、单量子阱结构(SQW：Single-Quantum-well)InGaN或多量子阱结构(MQW：Multi-Quantum-well)的有源层、由Mg掺杂AlGaN组成的P型包层、由Mg掺杂GaN组成的P型接触层而成的结构，是在20mA下发光波长为470nm的蓝色LED，有源层是单量子阱结构时是2.5mW、外部量子效率5％，有源层是多量子阱结构时是5mW、外部量子效率9.1％，发光波长为520nm的绿色LED情况下，单量子阱结构时是2.2mW、外量子效率4.3％，多量子阱结构时是3mW、外量子效率6.3％，显示出非常优秀的特性。

特别是由于多量子阱结构具有由多个微小能带组成的结构、效率高、即使在小电流下也能发光，因此，期待它能比单量子阱结构在更高发光输出等元件特性方面进一步提高。

作为利用这种多量子阱结构有源层的LED元件，如在特开平10-135514号公报所展示的那样，为获得良好的发光效率和发光输出，将由未掺杂GaN组成的势垒层和未掺杂InGaN组成的量子阱层叠层生长构成的多量子阱发光层，用具有比发光层的势垒层禁带宽度更宽的包层将发光层挟在中间形成了氮化物半导体元件。

发明内容

特别是在蓝绿系列发光元件中，为提高发光输出、就增加多量子阱结构的层数，那样就产生正向电压V_f升高、发光效率降低的问题。

本发明的目的是：提供一种采用量子阱结构的有源层、即使层数很多正向电压也不上升的氮化物半导体元件，特别是能提供提高发光效率的高发光输出的氮化物半导体元件。

发明人在对量子阱结构氮化物半导体元件、特别是对多量子阱结构氮化物半导体发光元件发光现象的锐意研讨中发现：有源层中电子与空穴的复合仅发生在接近P型半导体层一侧的量子阱层中，而在接近n型半导体层的量子阱层处电子与空穴复合的几率很小，因而，并未充分发挥其作为发光层的功能，如果在难于发挥发光层功能的量子阱层一侧掺杂n型杂质、提高载流子浓度，就能降低正向电压、提高发光效率。

在有关知识的基础上、在n型氮化物半导体层和P型氮化物半导体层之间具有由量子阱层和势垒层叠层生长而成、包含n型杂质有源层的氮化物半导体元件，其特征是：本发明提出了在所述有源层的叠层中、至少与所述n型氮化物半导体层连接一侧的势垒层以及/或者量子阱层是包含n型杂质的层的氮化物半导体元件。

本发明中，由于这种n型杂质、有源层被补充从n型层的施主的供给、得到发光输出高的氮化半导体元件。就我们的知识所见，直到满足后述(1)式条件的层为止、因n型杂质掺杂就能够获得高发光输出的氮化物半导体元件。含n型杂质层超过式(1)的范围时、该层及在其上叠层生长层的结晶性变坏、发光输出也变坏。

因此、本发明中提供的氮化物半导体元件、所述有源层是多量子阱结构、当所述有源层的叠层总数为i层时、从叠层中满足下式的与n型氮化物半导体层接触一侧数起到j层为止的任一层中含有n型杂质。

j＝i/6+2(但是、i≥4、j是舍掉小数的整数)      (1)

此外，在本发明中所谓的含n型杂质层基本意思是有意识的掺杂n型杂质的层，n型杂质浓度最好是5×10¹⁶～2×10¹⁸/cm³。因相邻层或别的层中所含n型杂质的扩散而含有n型杂质的情况、因原料或者装置污染混入杂质的层不是有意识的掺杂，但是当含有的n型杂质在所述浓度范围的情况时、也包含在含n型杂层中。

为使与所述有源层叠层中所述P型氮化物半导体层连接一侧的势垒层以及/或者量子阱层发挥作为通常的有源层的功能、最好是不含n型杂质的层。在与所述有意识掺杂浓度区域的关系中、不含n型杂质的意思是不足5×10¹⁶/cm³的浓度范围。