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第III族氮化物半導體發光器件.pdf

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III 氮化物 半導體 發光 器件
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摘要
申請專利號:

CN201210086827.X

申請日:

2012.03.28

公開號:

CN102738329B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 33/06申請日:20120328|||公開
IPC分類號: H01L33/06(2010.01)I; H01L33/32(2010.01)I 主分類號: H01L33/06
申請人: 豐田合成株式會社
發明人: 豐田優介; 奧野浩司; 西島和樹
地址: 日本愛知縣
優先權: 2011.03.30 JP 2011-074727; 2011.09.28 JP 2011-212298
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227 代理人: 蔡勝有;吳鵬章
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210086827.X

授權公告號:

102738329B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.12.12|||2012.10.17

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種在不增加驅動電壓的情況下表現出改進的發射性能的第III族氮化物半導體發光器件。該第III族氮化物半導體發光器件至少包括n型層側包覆層、具有包括AlxGa1-xN(0<x<1)層作為勢壘層的多量子結構的發光層以及p型層側包覆層,其中,每個層由第III族氮化物半導體形成。在發光層從n型層側包覆層到p型層側包覆層沿著厚度方向分為第一塊、第二塊和第三塊這三個塊的情況下,第一塊和第三塊中的勢壘層的數量相同,并且,每個發光層的Al組成比被設置成滿足關系式x+z=2y且z<x,其中,x表示第一塊中的勢壘層的平均Al組成比,y表示第二塊中的勢壘層的平均Al組成比,z表示第三塊中的勢壘層的平均Al組成比。

權利要求書

1.一種第III族氮化物半導體發光器件,其至少包括:
n型層側包覆層;
發光層,所述發光層具有包括AlxGa1-xN(0<x<1)層作為勢壘層的多
量子阱結構;和
p型層側包覆層,
所述層中的每個層都由第III族氮化物半導體形成,其中在所述發光
層從所述n型層側包覆層向所述p型層側包覆層沿厚度方向分為第一塊、
第二塊和第三塊的三個塊時,每個塊中的勢壘層的Al組成比設定為滿足
關系式z<y<x,其中,x表示所述第一塊中的勢壘層的平均Al組成比,y
表示所述第二塊中的勢壘層的平均Al組成比,并且z表示所述第三塊中
的勢壘層的平均Al組成比。
2.根據權利要求1所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在所述第
一塊中的勢壘層的數量等于在所述第三塊中的勢壘層的數量,并且在每個
塊中的勢壘層的Al組成比設定為滿足關系式x+z=2y。
3.根據權利要求2所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中比值x/y
設定為滿足關系式1.1≤x/y≤2.2。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的第III族氮化物半導體發光器件,
其中每個塊中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<b<c和c<b<a中的至
少之一,其中a表示在所述第一塊中的勢壘層的平均厚度,b表示在所述
第二塊中的勢壘層的平均厚度,并且c表示在所述第三塊中的勢壘層的平
均厚度。
5.根據權利要求4所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在所述第
一塊中的勢壘層的數量等于在所述第三塊中的勢壘層的數量,并且在每個
塊中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a+c=2b。
6.根據權利要求5所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在每個塊
中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<c。
7.根據權利要求5所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中,在a<b<c
的情況下,比值a/b為0.7≤a/b≤0.9,而在c<b<a的情況下,比值c/b為
0.7≤c/b≤0.9。
8.一種第III族氮化物半導體發光器件,其至少包括:
n型層側包覆層;
發光層,所述發光層具有包括AlxGa1-xN(0<x<1)層作為勢壘層的多
量子阱結構;和
p型層側包覆層,
所述層中的每個層都由第III族氮化物半導體形成,其中在所述發光
層從所述n型層側包覆層向所述p型層側包覆層沿厚度方向分為第一塊、
第二塊和第三塊的三個塊的情況下,所述第一塊、所述第二塊和所述第三
塊中的每個塊中的所述勢壘層的Al組成比相同,并且在每個塊中的所述
勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<b<c和c<b<a中的至少之一,其中a
表示在所述第一塊中的勢壘層的平均厚度,b表示在所述第二塊中的勢壘
層的平均厚度,c表示在所述第三塊中的勢壘層的平均厚度。
9.根據權利要求8所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在所述第
一塊中的勢壘層的數量等于在所述第三塊中的勢壘層的數量,并且在每個
塊中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a+c=2b。
10.根據權利要求9所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在每個
塊中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<c。
11.根據權利要求9所述的第III族氮化物半導體發光器件,其中在a<b<c
的情況下,比值a/b為0.7≤a/b≤0.9,而在c<b<a的情況下,比值c/b為
0.7≤c/b≤0.9。

說明書

第III族氮化物半導體發光器件

技術領域

本發明涉及第III族氮化物半導體發光器件,所述第III族氮化物半
導體發光器件抑制驅動電壓的增加并且表現出改進的發射性能。

背景技術

到目前為止,已知多種第III族氮化物半導體發光器件,并且,日本
公開特許公報(kokai)號2008-103711中公開了其中的一些第III族氮化
物半導體發光器件。日本公開特許公報(kokai)號2008-103711公開了一
種第III族氮化物半導體發光器件,其包括具有如下結構的有源層:在所
述結構中,越靠近n型接觸層,InGaN阱層的帶隙能越大;越靠近n型
接觸層,阱層的厚度越小;并且,越靠近n型接觸層,InGaN勢壘層的
帶隙能越大。該結構消除了發射波長的不均勻性。

此外,日本公開特許公報(kokai)號2009-152552公開了一種第III
族氮化物半導體發光器件,其包括具有如下結構的有源層:在所述結構中,
勢壘層的厚度隨著越靠近p型層而逐漸地增加以抑制載流子的溢出。

此外,日本公開特許公報(kokai)號2003-273473公開了一種第III
族氮化物半導體發光器件,其包括具有如下結構的有源層:在所述結構中,
有源層包括勢壘層、阱層和勢壘層這三個層,其中,n型層側上的勢壘層
的帶隙能大于p型層側上的勢壘層的帶隙能,并且,n型層側上的勢壘層
的厚度小于p型層側上的勢壘層的厚度。

但是,甚至在具有以上結構的第III族氮化物半導體發光器件中,也
需要進一步改進發射性能。在MQW(多量子阱)結構的有源層中,電子
擴散距離大于空穴擴散距離。因此,在MQW結構中,從n型包覆層注
入到有源層的電子到達p型包覆層,并且由勢壘限制在有源層中。結果,
在更靠近p型包覆層的阱層中捕獲到更多電子。即,有源層的阱層中的電
子密度分布隨著越靠近p型包覆層而增加。因此,從p型包覆層注入到有
源層的空穴更多地與限制在更靠近p型包覆層的具有較高的電子密度的
阱層中的電子復合。

這導致以下問題:有源層中的發射區域集中在更靠近p型包覆層的位
置處,從而導致發光器件的發射性能和總的光輸出降低。

發明內容

鑒于上述內容,本發明的目的是在不增加驅動電壓的情況下改善第
III族氮化物半導體發光器件的發射輸出和性能。

在本發明的第一方面中,提供了一種第III族氮化物半導體發光器件,
該第III族氮化物半導體發光器件至少包括n型層側包覆層、具有其中
AlxGa1-xN(0<x<1)層用作勢壘層的多量子阱結構的發光層以及p型層側
包覆層,其中所述層中的每個層都由第III族氮化物半導體形成,其中,
在發光層從n型層側包覆層向p型層側包覆層沿著厚度方向分為第一塊、
第二塊和第三塊這三個塊的情況下,每個發光層的Al組成比設定為滿足
關系式z<y<x,其中x表示第一塊中的勢壘層的平均Al組成比,y表示第
二塊中的勢壘層的平均Al組成比,z表示第三塊中的勢壘層的平均Al組
成比。

在本發明中,第一塊、第二塊和第三塊中可以包括任意數量的勢壘層。
第一塊中的勢壘層的數量優選地等于第三塊中的勢壘層的數量。此外,相
同塊中的勢壘層的Al組成比可以不同或相同。此外,即使勢壘層的Al
組成比從n型層側包覆層單調減少,但是,如果每個塊中的勢壘層的平均
Al組成比滿足關系式z<y<x,則相同的塊中可能具有任意Al組成比分布。
但是,優選地,勢壘層的Al組成比從n型層側包覆層單調減少。

在本發明的第二方面中,第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中的勢
壘層的數量,并且,每個勢壘層的Al組成比設定為在本發明的第一方面
的情況下滿足x+z=2y。第一塊和第三塊中的勢壘層的數量表示為k,發
光層中的勢壘層的總數量表示為n。在本發明中,第一塊中的勢壘層的平
均Al組成比x、第二塊中的勢壘層的平均Al組成比y以及第三塊中的勢
壘層的平均Al組成比z由下面的等式確定,其中,z<x:

xk+y(n-2k)+zk=yn

x+z=2y????????????????????????????????????...(1)

等式1也表示為等式2。

x-y=y-z???????????????????????????????????...(2)

等式2也表示為等式3。

x/y-1=1-z/y????????????????????????????...(3)

在本發明的第二方面中,進行設計,使得第一塊中的勢壘層的數量等
于第三塊中的勢壘層的數量,第一塊中的勢壘層的平均Al組成比x大于
第三塊中的勢壘層的平均Al組成比z,并且第一塊中的勢壘層的平均Al
組成比x與第三塊中的勢壘層的平均Al組成比z的算術平均值等于第二
塊中的勢壘層的平均Al組成比y。

換言之,差(x-y),即,第一塊中的勢壘層的平均Al組成比x與第
二塊中的勢壘層的平均Al組成比y的差,等于差(y-z),即,第二塊中
的勢壘層的平均Al組成比y與第三塊中的勢壘層的平均Al組成比z的差。
此外,差(x/y-1),即,第一塊中的勢壘層的平均Al組成比x與第二塊中
的勢壘層的平均Al組成比y的比值x/y與1的差,等于差(1-z/y),即,
1與第三塊中的勢壘層的平均Al組成比z和第二塊中的勢壘層的平均Al
組成比y的比值z/y的差。通過發光層的三個塊中的勢壘層的平均Al組
成比分布的上述對稱性,本發明的第III族氮化物半導體發光器件表現出
改進的發射性能。最優選地,相同的塊中存在的多個勢壘層的Al組成比
可以相同。在這種情況下,第一塊中的所有勢壘層的Al組成比等于x。
第二塊中的所有勢壘層的Al組成比等于y。第三塊中的所有勢壘層的Al
組成比等于z。這應用于下面的發明中。

在本發明的第三方面中,第一塊中的勢壘層的平均Al組成比x與第
二塊中的勢壘層的平均Al組成比y的比值x/y在本發明的第二方面的情
況下滿足1.1≤x/y≤2.2。在勢壘層的平均Al組成比的比值設定為在該范
圍內以便為對稱的情況下,可以顯著地改進發射性能。

在本發明的第四方面中,每個塊中的勢壘層的厚度被設置成在本發明
的第一方面至第三方面的情況下滿足a<b<c和c<b<a中的至少一個,其
中,a表示第一塊中的勢壘層的平均厚度,b表示第二塊中的勢壘層的平
均厚度,c表示第三塊中的勢壘層的平均厚度。每個塊中的勢壘層的平均
厚度沿著p型層側包覆層的方向單調增加或單調減少。每個塊中的多個勢
壘層的厚度可以相同或不同,但是優選地是相同的。每個塊中的勢壘層的
平均厚度a、b和c應該滿足上面的關系式。

在本發明的第五方面中,第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中的勢
壘層的數量,并且,每個勢壘層的厚度被設定為在本發明的第四方面的情
況下滿足a+c=2b。在本發明中,每個塊中的勢壘層的平均厚度由下面的
等式確定:

ak+b(n-2k)+ck=bn

a+c=2b????????????????????????????...(4)

等式4也表示為等式5。

b-a=c-b???????????????????????????...(5)

等式5也表示為等式6。

1-a/b=c/b-1???????????????????????...(6)

在本發明中,進行設計,使得第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中
的勢壘層的數量,并且第一塊中的勢壘層的平均厚度a與第三塊中的勢壘
層的平均厚度c的算術平均值等于第二塊中的勢壘層的平均厚度b。在本
發明的第五方面中,勢壘層的平均厚度滿足關系式a<b<c的情況和滿足
關系式c<b<a的情況包括在專利發明的范圍內。

換言之,差(b-a),即,第二塊中的勢壘層的平均厚度b與第一塊中
的勢壘層的平均厚度a的差,等于差(c-b),即,第三塊中的勢壘層的平
均厚度c與第二塊中的勢壘層的平均厚度b的差。此外,差(1-a/b),即,
1與第一塊中的勢壘層的平均厚度a和第二塊中的勢壘層的平均厚度b的
比值a/b的差,等于差(c/b-1),即第三塊中的勢壘層的平均厚度c和第
二塊中的勢壘層的平均厚度b的比值c/b與1的差。本發明的第III族氮
化物半導體發光器件通過發光層中的勢壘層的平均Al組成比分布和平均
厚度分布的上述對稱性表現出改進的發射性能。最優選地,相同塊中存在
的多個勢壘層的厚度可以相同。在這種情況下,第一塊中的所有勢壘層的
厚度等于a。第二塊中的所有勢壘層的厚度等于b。第三塊中的所有勢壘
層的厚度等于c。這應用于下面的發明中。

在本發明的第六方面中,第一塊中的勢壘層的平均厚度a和第三塊中
的勢壘層的平均厚度c設定為在本發明的第五方面的情況下滿足關系式
a<c。即,在更靠近p型層側包覆層的勢壘層的平均厚度大于更靠近n型
層側包覆層的勢壘層的平均厚度的情況下,通過減少第三塊中的勢壘層的
Al組成比,勢壘層的厚度抑制了由于勢壘層的低高度而造成的電子的溢
出。

在本發明的第七方面中,在本發明的第五方面的情況下,在a<b<c
的情況下,比值a/b設定為在0.7到0.9的范圍內,并且,在c<b<a的情
況下,比值c/b設定為在0.7到0.9的范圍內。在勢壘層的平均厚度的比
值設定在該范圍內以便為對稱的情況下,可以顯著地改進發射性能。

在本發明的第八方面中,提供了一種第III族氮化物半導體發光器件,
其中,該第III族氮化物半導體發光器件至少包括n型層側包覆層、具有
包括AlxGa1-xN(0<x<1)層作為勢壘層的多量子阱結構的發光層以及p
型層側包覆層,每個層由第III族氮化物半導體形成,其中,在發光層從
n型層側包覆層到p型層側包覆層沿著厚度方向分為第一塊、第二塊和第
三塊這三個塊的情況下,第一塊、第二塊和第三塊中的勢壘層的Al組成
比相同,并且,每個勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<b<c和c<b<a中
的至少一種,其中,a表示第一塊中的勢壘層的平均厚度,b表示第二塊
中的勢壘層的平均厚度,c表示第三塊中的勢壘層的平均厚度。

在本發明中,第一塊、第二塊和第三塊中的勢壘層的Al組成比相同,
并且,第一塊、第二塊和第三塊中的勢壘層的平均厚度如本發明的第四方
面中那樣是對稱的。

在本發明的第九方面中,第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中的勢
壘層的數量,并且,每個勢壘層的厚度設定為在本發明的第八方面的情況
下滿足a+c=2b。此外,在本發明的第十方面中,第一塊中的勢壘層的平
均厚度a和第三塊中的勢壘層的平均厚度c設定為在本發明的第九方面的
情況下滿足關系式a<c。在這種情況下,如果更靠近p型層側包覆層的勢
壘層的平均厚度大于更靠近n型層側包覆層的勢壘層的平均厚度,則抑制
了電子朝著p型層側包覆層溢出,從而改進了發射性能。

在本發明的第十一方面中,在本發明的第九方面的情況下,在a<b<c
的情況下,比值a/b設定為在0.7到0.9的范圍內,并且,在c<b<a的情
況下,比值c/b設定為在0.7到0.9的范圍內。在勢壘層的平均厚度的比
值設定為在該范圍內以便為對稱的情況下,可以顯著地改進發射性能。

在根據本發明的所有以上方面的半導體發光器件中,通常,用于形成
n型電極的n型接觸層設置在n型包覆層下面,并且用于形成p型電極的
p型接觸層設置在p型層側包覆層上面。本發明的半導體發光器件可以包
括除了上述層以外的層。發光層具有多量子阱結構,并且可以具有任意數
量的層。周期性的層結構的一個層單元至少可以包括阱層和勢壘層,并且
還可以包括除了上述層以外的層。層單元的數量是整數3或更多。

優選地,p型層側包覆層具有包括AlzGa1-zN(0<z<1)層的超晶格層。
n型層側包覆層優選地具有包括AlxGa1-xN(0≤x<1)層的超晶格層。此
外,n型層側包覆層可以具有包括InyGa1-yN(0<y<1)層、AlxGa1-xN(0<x<1)
層以及GaN層的超晶格結構。這些超晶格層中的至少一個層優選地包含
Si。很明顯,形成n型層側包覆層的所有層可以包含Si。

P型層側包覆層可以是具有包括InwGa1-wN層和AlzGa1-zN(0<z<1)
層的周期性結構的超晶格層。在這種構造的情況下,可以將電子有效地限
制在發光層中,并且,可以將空穴有效地注入發光層中。因此,可以改進
發射性能。如本文中所使用的,“第III族氮化物半導體”包括由分子式
Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1=1,0≤x1,y1,z1≤1)表示的化合物半導體;在該
化合物半導體中,Al、Ga或In部分由另外的13族元素(即,B或Tl)
代替,或者N部分由另外的15族元素(即,P、As、Sb或Bi)代替。通
常,第III族氮化物半導體是一種包含Ga作為基本元素的氮化物半導體,
如GaN、AlGaN、InGaN或AlGaInN。

發光層可以具有多量子阱結構。可以使用的多量子阱結構的示例包括
具有任意組成比的AlGaN/GaN多量子阱結構、具有任意組成比的
AlGaN/InGaN多量子阱結構以及具有任意組成比的AlGaN/GaN/InGaN
多量子阱結構。本發明的半導體發光器件還可以包括除了上述層以外的
層,如n型接觸層或p型接觸層。用于改善靜電擊穿電壓的層(下文中可
以稱作“ESD層”)可以設置在n型接觸層與n型層側包覆層之間。器件
可以具有任意其他層構造。

在本發明中,在發光層從n型層側包覆層到p型層側包覆層沿著厚
度方向分為第一塊、第二塊和第三塊這三個塊的情況下,每個勢壘層的
Al組成比設定為滿足z<y<x,其中,x表示第一塊中的勢壘層的平均Al
組成比,y表示第二塊中的勢壘層的平均Al組成比,z表示并且第三塊中
的勢壘層的平均Al組成比。這導致更靠近n型層側包覆層的勢壘層具有
較高的勢壘高度。因此,發光層的電子也存儲在靠近n型層側包覆層的阱
層中。電子密度分布沿著發光層的整個厚度方向可以是均勻的,并且,發
光區域沿著整個厚度方向可以是均勻的。因此,可以改進發射性能。

在第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中的勢壘層的數量并且每個
層的Al組成比被設置成滿足關系式x+z=2y的情況下,n型層側包覆層側
的Al組成比分布較大并且p型層側包覆層側的Al組成比分布較小。此外,
Al組成比分布關于厚度的中心是點對稱的。因此,電子也存儲在靠近n
型層側包覆層的阱層中。電子密度分布沿著發光層的整個厚度方向可以是
均勻的,并且發光區域沿著整個厚度方向可以是均勻的。因此,可以改進
發射性能。

上述每個塊中的勢壘層的厚度設定為滿足關系式a<b<c或c<b<a,其
中,a表示第一塊中的勢壘層的平均厚度,b表示第二塊中的勢壘層的平
均厚度,c表示第三塊中的勢壘層的平均厚度。因此,可以改進發射性能。

在第一塊中的勢壘層的數量等于第三塊中的勢壘層的數量并且每個
勢壘層的厚度設定為滿足a+c=2b的情況下,勢壘層的厚度分布沿著發光
層的厚度方向可以關于中心是點對稱的。這可以改進發射性能。特別地,
在第三塊中的靠近p型層側包覆層的勢壘層的平均厚度大于第一塊中的
靠近n型層側包覆層的勢壘層的平均厚度的情況下,可以防止電子朝著p
型層側包覆層溢出,從而改進發射性能。

附圖說明

當結合附圖參照下面的優選實施方案的詳細描述較好地理解本發明
的目的、特征和伴隨優點時,將會容易理解本發明的多種其他目的、特征
以及許多伴隨優點,圖中:

圖1示出根據實施方案1的發光器件1的構造;

圖2A至2C是示出用于制造發光器件1的過程的簡圖;

圖3示出根據實施方案1的發光器件的帶結構;

圖4示出通過僅著重于根據實施方案1的發光器件中的勢壘層和阱層
而簡化的帶結構;

圖5示出通過僅著重于根據實施方案2的發光器件中的勢壘層和阱層
而簡化的帶結構;

圖6示出通過僅著重于根據實施方案3的發光器件中的勢壘層和阱層
而簡化的帶結構;

圖7示出根據實施方案5的發光器件的帶結構;

圖8示出通過僅著重于根據實施方案5的發光器件中的勢壘層和阱層
而簡化的帶結構;

圖9示出通過僅著重于根據實施方案6的發光器件中的勢壘層和阱層
而簡化的帶結構;

圖10示出通過僅著重于根據實施方案7的發光器件中的勢壘層和阱
層而簡化的帶結構;以及

圖11是示出根據實施方案5、6、7以及對比例1和2的發光層的發
射強度的圖。

具體實施方式

接下來將參考附圖描述本發明的具體實施方案。但是,本發明不局限
于實施方案。

實施方案1

圖1示出根據實施方案1的發光器件1的構造。發光器件1具有如下
結構:該結構包括藍寶石襯底100;AlN緩沖層120;n型接觸層101、
ESD層102、n型層側包覆層(在整個實施方案均稱作“n型包覆層”)103、
發光層104、未摻雜包覆層105、p型層側包覆層(在整個實施方案均稱
作“p型包覆層”)106以及p型接觸層107,其中層101至107由第III
族氮化物半導體形成并且經由緩沖層120沉積在襯底100上;形成在p
型接觸層107上的p型電極108;以及形成在n型接觸層101的通過從p
型接觸層107蝕刻移除層102至107的對應部分而暴露的一部分上的n
型電極130。

對藍寶石襯底100的表面進行壓紋,以改進光提取性能。藍寶石襯底
100可以用由例如SiC、ZnO、Si或GaN制成的其它生長襯底代替。

n型接觸層101由具有1×1018/cm3或更大的Si濃度的n型GaN形成。
n型接觸層101可以由具有不同的載流子濃度的多個層形成,以獲得層101
與n型電極130之間的良好接觸。

ESD層102具有包括第一ESD層110和第二ESD層111的兩層結構,
所述層110和111順序沉積在n型接觸層101上。第一ESD層110由未
摻雜的GaN形成。第一ESD層110具有50nm至500nm的厚度。第一
ESD層110的表面110a具有密度為2×108/cm2或更大的一些小坑(pit)。
第二ESD層111由摻有Si的GaN形成,并且具有25nm至50nm的厚度。
第一ESD層110可以摻有Si,使得層具有5×1017/cm3或更小的載流子濃
度。

第二ESD層111由摻有Si的GaN形成,并且具有由Si濃度(/cm3)
和厚度(nm)的乘積定義的0.9×1020(nm/cm3)至3.6×1020(nm/cm3)
的特征值。例如,當第二ESD層111具有30nm的厚度時,層具有3.0×
1018/cm3到1.2×1019/cm3的Si濃度。

n型包覆層103具有包括15個層單元的超晶格結構,其中每個層單
元包括順序堆疊的三個層:未摻雜的In0.08Ga0.92N層131(厚度:2.5nm)、
未摻雜的GaN層132(厚度:0.7nm)和摻有Si的n型GaN層133(厚
度:1.4nm)。n型包覆層103的與第二ESD層111接觸的首層是
In0.08Ga0.92N層131,并且n型包覆層103的與發光層104接觸的末層是n
型GaN層133。n型包覆層103的總厚度是69nm。In0.08Ga0.92N層131
可以具有1.5nm至5.0nm的厚度。未摻雜的GaN層132可以具有0.3nm
至2.5nm的厚度。摻有Si的n型GaN層133可以具有0.3nm至2.5nm
的厚度。

發光層(也可以稱作“有源層“)104從n型層側包覆層103沿著厚
度方向分為第一塊、第二塊和第三塊這三個塊。在第一塊中,設置有兩個
層單元,每個層單元包括順序堆疊的四個層:Al0.05Ga0.95N層141(厚度:
2.4nm)、In0.2Ga0.8N層142(厚度:3.2nm)、GaN層143(厚度:0.6nm)
以及Al0.33Ga0.66N層144(厚度:0.6nm)。在第二塊中,設置有三個層單
元,每個層單元包括順序堆疊的四個層:Al0.05Ga0.95N層141(厚度:2.4nm)、
In0.2Ga0.8N層142(厚度:3.2nm)、GaN層143(厚度:0.6nm)以及Al0.2Ga0.8N
層144(厚度:0.6nm)。在第三塊中,設置有兩個層單元,每個層單元包
括順序堆疊的四個層:Al0.05Ga0.95N層141(厚度:2.4nm)、In0.2Ga0.8N層
142(厚度:3.2nm)、GaN層143(厚度:0.6nm)以及Al0.07Ga0.93N層
144(厚度:0.6nm)。在本實施方案中,第一塊中的兩個Al0.33Ga0.66N層
144、第二塊中的三個Al0.2Ga0.8N層144以及第三塊中的兩個Al0.07Ga0.93N
層144分別為本發明的勢壘層144。In0.2Ga0.8N層142是阱層142。
Al0.05Ga0.95N層141也是勢壘層。當Al0.05Ga0.95N層141是勢壘層時,GaN
層143和其后的層144有時稱作Al0.05Ga0.95N層141的蓋層。Al0.05Ga0.95N
層141所跟隨的層144中的每個層具有大于阱層142的帶隙的帶隙,并且
用作勢壘層以將載流子限制在阱層142中。因此,實施方案1至4描述了
當層144中的每個層都是勢壘層時的情況。實施方案5至8描述了當層
141中的每個層都是勢壘層的情況。

下文中,附圖標記144和142也分別被指定為勢壘層和阱層。

發光層104的與n型包覆層103接觸的首層是Al0.05Ga0.95N層141,
并且發光層104的與未摻雜的包覆層105接觸的末層是Al0.2Ga0.8N層144。
一個層單元具有6.8nm的厚度。發光層104的總厚度是47.6nm。發光層
104的所有層均由未摻雜的層形成。包括未摻雜的GaN層151(厚度:
2.5nm)和未摻雜的Al0.15Ga0.85N層152(厚度:3nm)的未摻雜的包覆層
105置于發光層104與p型包覆層106之間。未摻雜的包覆層105設置為
防止包含在形成于層105上方的層中的Mg擴散至發光層104。

p型包覆層106具有包括七個層單元的結構,每個層單元包括順序堆
疊的p型In0.05Ga0.95N層161(厚度:1.7nm)和p型Al0.3Ga0.7N層162
(厚度:3.0nm)。p型包覆層106的與未摻雜的包覆層105接觸的首層是
p型In0.05Ga0.95N層161,并且p型包覆層106的與p型接觸層107接觸
的末層是p型Al0.3Ga0.7N層162。p型包覆層106的總厚度是32.9nm。
Mg被用作p型雜質。

P型接觸層107由摻有Mg的p型GaN形成。P型接觸層107可以
由具有不同的載流子濃度的多個層形成,以獲得層107與p型電極之間的
良好接觸。

由于ESD層102具有前述的構造,所以發光器件1表現出高的靜電
擊穿電壓、改進的發射性能和可靠性以及減少的電流泄漏。接下來將描述
按如上配置ESD層102的原因。ESD層102配置為使得:首先,形成具
有小坑(小坑密度:2×108/cm2或更大)的第一ESD層110;并且在第一
ESD層110上形成摻有Si的第二ESD層111。Si在第一ESD層110的小
坑中的存在在該位置處產生導電性。利用該配置,獲得了高靜電擊穿電壓。
將第一ESD層110的厚度調整至50nm至500nm,使得不降低靜電擊穿
電壓和發射性能,并且使得小坑尺寸調整為不引起電流泄漏的增加。

為了進一步改善靜電擊穿電壓、發射性能和可靠性以及減少電流泄
漏,優選地,按如下配置ESD層102。第一ESD層110優選具有50nm
至500nm的厚度以及2×108/cm2至1×1010/cm2或更小的小坑密度。第二
ESD層112優選具有1.5×1020nm/cm3至3.6×1020nm/cm3的特征值和
25nm至50nm的厚度。

接下來將參考圖2描述用于制造發光器件1的方法。在圖2中,省略
了對圖1中示出的超晶格層的周期性結構的描述。

晶體生長通過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)來進行。使用的氣
體如下:氫氣或氮氣(H2或N2)作為載氣;氨氣(NH3)作為氮源;三
甲基鎵(Ga(CH3)3,下文中可以稱作“TMG”)作為Ga源;三甲基銦
(In(CH3)3,下文中可以稱作“TMI”)作為In源;三甲基鋁(Al(CH3)3,
下文中稱作“TMA”)作為Al源;硅烷(SiH4)作為n型摻雜劑氣體;
和環戊二烯基鎂(Mg(C5H5)2,下文中稱作“Cp2Mg”)作為p型摻雜劑
氣體。

首先,在氫氣氣氛中加熱藍寶石襯底100以進行清潔,從而從藍寶石
襯底100的表面移除沉積物。之后,將襯底溫度保持在400℃,并且通過
MOCVD在藍寶石襯底100上形成AlN緩沖層120。之后,將襯底溫度在
氫氣(載氣)流和氨氣流中提升至1100℃。在襯底溫度已經達到1100℃
之后,緊接著通過使用TMG和氨氣作為原料氣并且使用硅烷氣作為雜質
氣而在緩沖層120上沉積由GaN形成并具有4.5×1018/cm-3的Si濃度的n
型接觸層101(圖2A)。

隨后,通過下面的過程形成ESD層102。首先,通過MOCVD在n
型接觸層101上沉積由未摻雜的n型GaN形成的并且具有50nm至500nm
的厚度的第一ESD層110。將生長溫度調整至800℃至950℃,以生長具
有5×1017/cm3或更小的載流子濃度以及2×108/cm2或更大的小坑密度的
高品質晶體。當生長溫度調整至800℃至900℃時,小坑密度增加,這是
優選的。

接下來,通過MOVCD在第一ESD層110上沉積第二ESD層111,
其中,第二ESD層111由摻有Si的n型GaN形成并且具有如由Si濃度
(/cm3)和厚度(nm)的乘積定義的0.9×1020(nm/cm3)至3.6×1020
(nm/cm3)的特征值。將生長溫度調整至800℃至950℃。通過這些過程,
在n型接觸層101上形成ESD層102(圖2B)。

接下來,通過MOCVD,在ESD層102上形成n型包覆層103。通
過周期性地堆疊15個層單元來形成n型包覆層103,每個層單元包括未
摻雜的In0.08Ga0.92N層131(厚度:2.5nm)、未摻雜的GaN層132(厚度:
0.7nm)以及摻有Si的n型GaN層133(厚度:1.4nm)。在供給硅烷氣、
TMG、TMI以及氨氣且同時將襯底溫度保持在830℃的情況下形成
In0.08Ga0.92N層131。在供給TMG和氨氣且同時將襯底溫度保持在830℃
的情況下形成n型GaN層133。

然后,在n型包覆層103上形成發光層104。發光層104通過周期性
地堆疊七個層單元來形成,每個層單元包括以下四個層:Al0.05Ga0.95N層
141、In0.2Ga0.8N層142、GaN層143以及AlwGa1-wN層144。但是,在第
一塊中用作勢壘層144的AlwGa1-wN層144是兩個Al0.33Ga0.66N層144。
在第二塊中用作勢壘層144的AlwGa1-wN層144是三個Al0.2Ga0.8N層144。
在第三塊中用作勢壘層144的AlwGa1-wN層144是兩個Al0.07Ga0.93N層
144。在這種情況下,用作勢壘層144的AlwGa1-wN層144的生長溫度即
襯底溫度是從800℃至950℃的任意溫度。In0.2Ga0.8N層142、GaN層143
以及Al0.2Ga0.8N層144的生長溫度是770℃。作為一個替代方案,四個層
141、142、143和144的生長溫度通常可以保持在770℃。在供給對應的
原料氣的情況下生長層141至144中的每個層,以形成發光層104。

隨后,在供給TMG和氨氣且同時將襯底溫度保持在855℃的情況下,
在發光層104上生長未摻雜的GaN層151(厚度:2.5nm)。然后,在將
襯底溫度保持在855℃的同時,在供給TMA、TMG和氨氣的情況下,生
長未摻雜的Al0.15Ga0.85N層152(厚度:3nm)。由此,形成未摻雜的包覆
層105。

接下來,在未摻雜的包覆層105上形成p型包覆層106。在供給
Cp2Mg、TMI、TMG和氨氣且同時將襯底溫度保持在855℃的情況下,
形成p型In0.05Ga0.95N層161(厚度:1.7nm),并且,在供給Cp2Mg、
TMA、TMG和氨氣且同時將襯底溫度保持在855℃的情況下,形成p型
Al0.3Ga0.7N層162(厚度:3.0nm)。將該層形成過程重復七次。

然后,在將襯底溫度保持在1000℃的情況下,通過使用TMG、氨氣
和Cp2Mg沉積由摻有Mg(1×1020/cm-3)的p型GaN形成的p型接觸層
107(厚度:50nm)。由此,形成圖2c中示出的器件結構。p型接觸層107
可以具有1×1019/cm-3至1×1021/cm-3的Mg濃度。p型接觸層107可以具
有10nm至100nm的厚度。

隨后,通過熱處理活化Mg,并隨后從p型接觸層107的頂面進行干
法蝕刻,從而形成到達n型接觸層101的溝槽。由Ni/Au/Al(依次堆疊
在p型接觸層107上)在p型接觸層107的頂面上形成p型電極108。然
后,在通過干法蝕刻暴露在溝槽的底部處的n型接觸層101的表面上,由
Ni/Au(依次堆疊在n型接觸層101上)形成n型電極130。由此,制得
圖1中示出的發光器件1。

圖3示出發光器件1的帶結構。在導帶(C.B.)中,n型包覆層103
的未摻雜的GaN層132提供最高的勢壘。但是,由于GaN層132具有小
至0.7nm的厚度,所以來自n型接觸層101的電子隧穿通過層132并且
注入發光層104中。此外,在發光層104中,用作勢壘層144的AlwGa1-wN
層144的Al組成比w在更靠近n型包覆層103的勢壘層中較高,并且在
更靠近p型包覆層106的勢壘層中較低。Al組成比滿足關系式x+z=2y,
即,(x-y)=(y-z)。這意味著第二塊中的勢壘層144的Al組成比與第一
塊中的勢壘層144的Al組成比的差等于第三塊中的勢壘層144的Al組成
比與第二塊中的勢壘層144的Al組成比的差。換言之,發光層104中的
勢壘層144的Al組成比分布關于第二塊點對稱。

由于勢壘是由發光層104與p型包覆層106之間的加入的p型雜質
提供的,所以p型包覆層106中的p型Al0.3Ga0.7N層162阻擋了電子從n
型包覆層103注入發光層104中的通路。因此,電子被有效地限制在發光
層104中。此時,如上所述,勢壘層144的Al組成比分布沿著厚度方向
是對稱的,并且,更靠近n型包覆層103的勢壘層中的Al組成比較大。
因此,電子也可以被存儲在靠近n型包覆層103的阱層142中。

同時,在價帶(V.B.)中,盡管GaN層132具有足夠反射空穴的小
至0.7nm的厚度,但是,從p型接觸層107經由p型包覆層106和未摻
雜的包覆層105注入發光層104中的空穴不能隧穿通過n型包覆層103
的未摻雜的GaN層132。即,層132阻擋了空穴的通路。由此,空穴被
有效地限制在發光層104中。因此,空穴密度在發光層104中均勻地分布。
發光層104中的電子和空穴的復合的密度分布沿著厚度方向可以更均勻。
結果,可以在不提高驅動電壓的情況下改進發射性能。

圖4示出僅著重具有以上結構的勢壘層144和阱層142的帶結構。發
光層104中的勢壘層144的勢壘在n型包覆層103側較高并且在p型包覆
層106側較低。因此,由于第一塊中的勢壘層144的勢壘高度,所以注入
至發光層104的第一塊中的阱層142中的電子難以移動至第二塊中的阱層
142。同樣地,由于第二塊中的勢壘層144的勢壘高度,所以第二塊中的
阱層142的電子難以移動至第三塊中的阱層142。結果,在發光層104中,
阱層142的電子密度在n型包覆層103側高于在p型包覆層106側。由此,
從p型包覆層106注入發光層104中的一部分空穴到達發光層104(該層
與n型包覆層103接觸)的層中并且也與那部分處的電子復合。因此,發
出的光沿著發光層104的厚度方向是均勻的,使得發射輸出和性能得至改
善。

實施方案2

在實施方案2中,發光層104中的勢壘層144的厚度改變。用作勢壘
層144的七個AlwGa1-wN層144的Al組成比w都是0.2。第一塊中的兩
個勢壘層具有0.48nm的厚度a。第二塊中的三個勢壘層具有0.6nm的厚
度b。第三塊中的兩個勢壘層具有0.72nm的厚度c。換言之,第一塊中
的勢壘層144的厚度a、第二塊中的勢壘層144的厚度b以及第三塊中的
勢壘層144的厚度c滿足關系式a+c=2b,即,(b-a)=(c-b)=0.12nm。即,
與第二塊中的勢壘層144的厚度的差關于第二塊中的勢壘層144的厚度點
對稱。在這種情況下,更靠近p型包覆層106的勢壘層144的厚度c大于
更靠近n型包覆層103的勢壘層144的厚度a,即,滿足關系式a<c。根
據實施方案2的發光器件制造為具有與根據實施方案1的發光器件相同的
構造,只是勢壘層的厚度和Al組成比不同。圖5示出通過僅選取發光層
104的勢壘層144和阱層142而簡化的帶結構。

實施方案3

在實施方案3中,發光層104中的勢壘層144的厚度如實施方案2
中那樣變化。用作勢壘層144的七個AlwGa1-wN層144的Al組成比w都
是0.2。第一塊中的兩個勢壘層具有0.72nm的厚度a。第二塊中的三個勢
壘層具有0.6nm的厚度b。第三塊中的兩個勢壘層具有0.48nm的厚度c。
換言之,第一塊中的勢壘層144的厚度a、第二塊中的勢壘層144的厚度
b以及第三塊中的勢壘層144的厚度c滿足關系式a+c=2b,即,(a-b)=(b-
c)=0.12nm。即,與第二塊中的勢壘層144的厚度的差關于第二塊中的勢
壘層144的厚度點對稱。在這種情況下,與實施方案2相反,在實施方案
3中,更靠近p型包覆層106的勢壘層144的厚度c小于更靠近n型包覆
層103的勢壘層144的厚度a,即,滿足關系式c<a。根據實施方案3的
發光器件制造成具有與根據實施方案1的發光器件相同的構造,只是勢壘
層的厚度和Al組成比不同。圖6示出通過僅選取發光層104的勢壘層144
和阱層142而簡化的帶結構。

如果勢壘層144的厚度分布關于發光層104的厚度的中心CL如圖5
和6中所示是點對稱的,則與不對稱的情況相比,其發射強度較高。勢壘
層144的這種厚度分布使得發射強度沿著發光層104的厚度方向是均勻
的,從而導致發射強度增加。

實施方案4

在實施方案4中,勢壘層144與實施方案1中的勢壘層具有相同的
Al組成比分布并且與實施方案2中的勢壘層具有相同的厚度分布。發光
層104的第一塊中的勢壘層144是兩個具有0.48nm的厚度的Al0.33Ga0.66N
層144。發光層104的第二塊中的勢壘層144是三個具有0.6nm的厚度的
Al0.2Ga0.8N層144。發光層104的第三塊中的勢壘層144是兩個具有0.72nm
的厚度的Al0.07Ga0.93N層144。換言之,Al組成比滿足關系式x+z=2y且
z<x,并且厚度滿足關系式a+c=2b且a<c。利用該配置,由于更靠近n型
包覆層103的勢壘層144具有較大的Al組成比,所以對電子的勢壘在更
靠近n型包覆層103的勢壘層中較高,并且對電子的勢壘在更靠近p型包
覆層106的勢壘層中較低。為了抑制由于更靠近p型包覆層106的勢壘層
144的較低勢壘高度而造成的電子溢出,使更靠近p型包覆層106的勢壘
層144具有較大的厚度,從而使得發射強度的增加。

在所有上述實施方案中,如果第一塊中的層的數量等于第三塊中的層
的數量,則發光層104可以具有任意數量的勢壘層144。如果滿足關系式
x+z=2y且z<x,則勢壘層144可以具有任意的Al組成比,但是當關系式
為1.1≤x/y≤2.2時發射強度高。當x/y小于1.1時,通過改變發光層104
中的Al組成比來使阱層中的電子密度分布均勻的效果降低,這不是優選
的。當x/y大于2.2時,阱層的結晶度降低,這不是優選的。因此,x/y
優選地在上面的范圍內。

此外,如果勢壘層144的厚度滿足關系式a+c=2b,則任意范圍的厚
度是可能的。但是,當a/b為0.7≤a/b≤0.9時,發射強度增加。與更靠
近p型包覆層106的勢壘層144的厚度小于更靠近n型包覆層103的勢壘
層144的厚度的情況相比,在更靠近p型包覆層106的勢壘層144的厚度
大于更靠近n型包覆層103的勢壘層144的厚度的情況下,發射強度較大。
在兩種情況下,發射強度高于勢壘層具有恒定厚度的情況。當a/b大于0.9
時,勢壘層144的寬度的變化減小,并且對具有均勻密度的電子的沿著發
光層的厚度方向的限制效果降低,這不是優選的。當a/b小于0.7時,較
少電子移動至具有較大厚度的勢壘層上的阱層,從而阻礙在沿著發光層的
厚度方向形成均勻的發光區域。因此,a/b優選地在上面的范圍內。

實施方案5

本實施方案與實施方案1相同,只是發光層104的勢壘層(其Al組
成比變化)從勢壘層144變化至勢壘層141。與實施方案1中一樣,發光
層104從n型層側包覆層103沿著厚度方向分為第一塊、第二塊和第三塊
這三個塊。在第一塊中,設置有兩個層單元,每個層單元包括順序堆疊的
四層:Al0.083Ga0.917N層141(厚度:2.4nm)、In0.2Ga0.8N層142(厚度:
3.2nm)、GaN層143(厚度:0.6nm)以及Al0.2Ga0.8N層144(厚度:0.6nm)。
在第二塊中,設置有三個層單元,每個層單元包括順序堆疊的四層:
Al0.05Ga0.95N層141(厚度:2.4nm)、In0.2Ga0.8N層142(厚度:3.2nm)、
GaN層143(厚度:0.6nm)以及Al0.2Ga0.8N層144(厚度:0.6nm)。在
第三塊中,設置有兩個層單元,每個層單元包括順序堆疊的四層:
Al0.017Ga0.983N層141(厚度:2.4nm)、In0.2Ga0.8N層142(厚度:3.2nm)、
GaN層143(厚度:0.6nm)以及Al0.2Ga0.8N層144(厚度:0.6nm)。第
一塊中的兩個Al0.083Ga0.917N層141、第二塊中的三個Al0.05Ga0.95N層141
以及第三塊中的兩個Al0.017Ga0.983N層141分別是本發明的勢壘層141。
In0.2Ga0.8N層142是阱層142。下文中,附圖標記141和142也分別被賦
予勢壘層和阱層。

發光層104的與n型包覆層103接觸的首層是Al0.083Ga0.917N層141,
并且發光層104的與未摻雜的包覆層105接觸的末層是Al0.2Ga0.8N層144。
一個層單元的厚度是6.8nm。發光層104的總厚度是47.6nm。發光層104
的所有層均由未摻雜的層形成。除發光層104以外的層具有與示例1中相
同的構造并且用與示例1中的制造方法相同的方法來制造。

但是,在用于制造發光層104的方法中,第一塊中用作勢壘層141
的AlwGa1-wN層141是兩個具有2.4nm的厚度的Al0.083Ga0.917N層141。
在第二塊中用作勢壘層141的AlwGa1-wN層141是三個具有2.4nm的厚度
的Al0.05Ga0.95N層141。在第三塊中用作勢壘層141的AlwGa1-wN層141
是兩個具有2.4nm的厚度的Al0.017Ga0.983N層141。用作勢壘層141的
AlwGa1-wN層141的生長溫度是從800℃至950℃的任意溫度。In0.2Ga0.8N
層142、GaN層143以及Al0.2Ga0.8N層144的生長溫度是770℃。作為一
個替代方案,四個層141、142、143以及144的生長溫度通常可以保持在
770℃。在供給對應的原料氣的情況下生長層141至144中的每個層,以
形成發光層104。

圖7示出發光器件1的帶結構。在導帶中,n型包覆層103的未摻雜
的GaN層132提供最高的勢壘。但是,由于GaN層132具有小至0.7nm
的厚度,所以來自n型接觸層101的電子隧穿通過層132并且注入發光層
104中。此外,在發光層104中,用作勢壘層141的AlwGa1-wN層141的
Al組成比w在更靠近n型包覆層103的勢壘層中較高,并且在更靠近p
型包覆層106的勢壘層中較低。Al組成比滿足關系式x+z=2y,即,
(x-y)=(y-z)。這意味著第二塊中的勢壘層141的Al組成比與第一塊中的勢
壘層141的Al組成比的差等于第三塊中的勢壘層141的Al組成比與第二
塊中的勢壘層141的Al組成比的差。換言之,在發光層104中的勢壘層
141的Al組成比分布關于第二塊點對稱。

由于勢壘是由發光層104與p型包覆層106之間加入的p型雜質來
提供的,所以p型包覆層106中的p型Al0.3Ga0.7N層162阻擋了電子從n
型包覆層103注入發光層104中的通路。因此,電子被有效地限制在發光
層104中。此時,如上所述,勢壘層141的Al組成比分布沿著厚度方向
是對稱的,并且更靠近n型包覆層103的勢壘層中的Al組成比較大。因
此,電子也可以被存儲在靠近n型包覆層103的阱層142中。

同時,在價帶中,盡管GaN層132具有足夠反射空穴的小至0.7nm
的厚度,但是從p型接觸層107經由p型包覆層106和未摻雜的包覆層
105注入發光層104的空穴不能隧穿通過n型包覆層103的未摻雜的GaN
層132。即,層132阻擋了空穴的通路。因此,空穴被有效地限制在發光
層104中。因此,在發光層104中,空穴密度均勻地分布。發光層104中
的電子和空穴的復合的密度分布沿著厚度方向可以更均勻。結果,可以在
不提高驅動電壓的情況下改進發射性能。

圖8示出僅著重于具有以上結構的勢壘層141和阱層142的帶結構。
發光層104中的勢壘層141的勢壘在n型包覆層103側較高并且在p型包
覆層106側較低。因此,由于第一塊中的勢壘層141的勢壘高度,所以注
入至發光層104的第一塊中的阱層142中的電子難以移動至第二塊中的阱
層142。同樣地,由于第二塊中的勢壘層141的勢壘高度,所以第二塊中
的阱層142的電子難以移動至第三塊中的阱層142。結果,在發光層104
中,阱層142的電子密度在n型包覆層103側高于在p型包覆層106側。
由此,從p型包覆層106注入發光層104中的一部分空穴到達發光層104
(該層與n型包覆層103接觸)的層中并且也與那部分處的電子復合。因
此,發出的光沿著發光層104的厚度方向是均勻的,使得發射輸出和性能
得到改善。

圖11是示出發光層的所測得的發射強度的圖。制造了如下發光器件
作為對比例1:其中發光層104具有上述七個層單元,并且用作勢壘層的
七個AlwGa1-wN層141的Al組成比w都是0.05,與根據實施方案5的第
二塊中的勢壘層的Al組成比相同。此外,制造了如下發光器件作為對比
例2:其中用作勢壘層的AlwGa1-wN層141的Al組成比w在第一塊中是
0.017、在第二塊中是0.05并且在第三塊中是0.083。在對比例2中,盡管
發光層104中的勢壘層141的Al組成比分布關于發光層104的厚度的中
心是點對稱的,但是,在更靠近n型包覆層103的勢壘層中的Al組成比
w較低,并且在更靠近p型包覆層106的勢壘層中的Al組成比w較高。
圖11示出在根據對比例1的發光層的發射強度歸一化為1的情況下的相
對發射強度。如根據圖11理解的,發射強度在對比例2中小至0.975,并
且在實施方案5中大至1.01。因此,與均勻分布(對比例1)或與實施方
案5的分布相對的分布(對比例2)相比,根據實施方案5的勢壘層141
中的Al組成比的點對稱分布中的發射強度較高。

在實施方案1中,勢壘層144而不是示例5中的勢壘層141的Al組
成比以同樣的方式變化。但是,層141和144均具有大于阱層142的帶隙
的帶隙,并且用作勢壘層以將載流子限制在阱層142中。因此,根據圖
11的測量結果,據認為在實施方案1中可以獲得與實施方案5中相同的
效果。

實施方案6

在實施方案6中,發光層104中的勢壘層141的厚度改變。用作勢壘
層的七個AlwGa1-wN層141的Al組成比w都是0.05。第一塊中的兩個勢
壘層141具有2.0nm的厚度a。第二塊中的三個勢壘層具有2.4nm的厚度
b。第三塊中的兩個勢壘層具有2.8nm的厚度c。換言之,第一塊中的勢
壘層141的厚度a、第二塊中的勢壘層141的厚度b以及第三塊中的勢壘
層141的厚度c滿足關系式a+c=2b,即,(b-a)=(c-b)=0.4nm。即,與第
二塊中的勢壘層141的厚度的差關于第二塊中的勢壘層141的厚度是對稱
的。在這種情況下,更靠近p型包覆層106的勢壘層141的厚度c大于更
靠近n型包覆層103的勢壘層141的厚度a,即,滿足關系式a<c。根據
實施方案6制造的發光器件與根據實施方案5制造的發光器件具有相同的
構造,只是勢壘層141的厚度和Al組成比不同。圖9示出通過僅選取發
光層104的勢壘層141和阱層142而簡化的帶結構。

圖11示出所測得的發射強度。很清楚,根據實施方案6的發光器件
的發射強度是1.018,大于對比例1。同樣地,根據圖11的測量結果,據
認為當根據實施方案2的勢壘層144具有與實施方案6中相同的厚度分布
時可以取得相同的效果。

實施方案7

在實施方案7中,發光層104的勢壘層141的厚度以與實施方案6
中相同的方式變化。用作勢壘層的七個AlwGa1-wN層141的Al組成比w
都是0.05。第一塊中的兩個勢壘層具有2.8nm的厚度a。第二塊中的三個
勢壘層具有2.4nm的厚度b。第三塊中的兩個勢壘層具有2.0nm的厚度c。
換言之,第一塊中的勢壘層141的厚度a、第二塊中的勢壘層141的厚度
b以及第三塊中的勢壘層141的厚度c滿足關系式a+c=2b,即,
(a-b)=(b-c)=0.4nm。即,與第二塊中的勢壘層141的厚度的差關于第二塊
中的勢壘層141的厚度是點對稱的。在這種情況下,與實施方案6相反,
更靠近p型包覆層106的勢壘層141的厚度c小于更靠近n型包覆層103
的勢壘層141的厚度a,即,滿足關系式c<a。根據實施方案7制造的發
光器件與根據實施方案5制造的發光器件具有相同的構造,只是勢壘層
141的厚度和Al組成比不同。圖10示出通過僅選取發光層104的勢壘層
141和阱層142而簡化的帶結構。

圖11示出所測得的發射強度。很清楚,根據實施方案7的發光器件
的發射強度是1.01,大于對比例1。同樣地,根據圖11的測量結果,據
認為在根據實施方案3的勢壘層144具有與實施方案7中相同的厚度分布
時可以取得相同的效果。

如圖9和10中所示,根據以上描述,很明顯,如果勢壘層141的厚
度分布關于發光層104的厚度的中心CL是點對稱的,則發射強度與不對
稱的情況(對比例1)相比較高。勢壘層141的這種厚度分布使得發射強
度沿著發光層104的厚度方向是均勻的,從而導致發射強度的增加。

實施方案8

在實施方案8中,勢壘層141具有與實施方案5中相同的Al組成比
分布并且具有與實施方案6中相同的厚度分布。發光層104的第一塊中的
勢壘層141是兩個具有2.0nm的厚度的Al0.083Ga0.917N層141。發光層104
的第二塊中的勢壘層141是三個具有2.4nm的厚度的Al0.05Ga0.95N層141。
發光層104的第三塊中的勢壘層141是兩個具有2.8nm的厚度的
Al0.017Ga0.983N層141。換言之,組成比滿足關系式x+z=2y且z<x,并且
厚度滿足關系式a+c=2b且a<c。利用該配置,由于更靠近n型包覆層103
的勢壘層141具有較大的Al組成比,所以對電子的勢壘在更靠近n型包
覆層103的勢壘層中較高并且對電子的勢壘在更靠近p型包覆層106的勢
壘層中較低。為了抑制由于更靠近p型包覆層106的勢壘層141的較低的
勢壘高度而造成的電子溢出,更靠近p型包覆層106的勢壘層141中的厚
度較大,從而得至較高的發射強度。

在上述實施方案5至8中,如果第一塊中的層的數量等于第三塊中的
層的數量,則發光層104可以具有任意數量的勢壘層141。如果滿足關系
式x+z=2y且z<x,盡管勢壘層141可以具有任意的Al組成比,但是當關
系式為1.1≤x/y≤2.2時發射強度高。當x/y小于1.1時,通過改變發光層
104中的Al組成比來使阱層中的電子密度分布均勻的效果降低,這不是
優選的。當x/y大于2.2時,阱層的結晶度降低,這不是優選的。因此,
x/y優選地在上面的范圍中。

此外,如果勢壘層141的厚度滿足關系式a+c=2b,則任意范圍的厚
度都是可能的。但是,當a/b為0.7≤a/b≤0.9時,發射強度增加。與更
靠近p型包覆層106的勢壘層141的厚度小于更靠近n型包覆層103的勢
壘層141的厚度的情況相比,在更靠近p型包覆層106的勢壘層141的厚
度大于更靠近n型包覆層103的勢壘層141的厚度時發射強度較大。在兩
種情況下,發射強度高于勢壘層具有恒定厚度的情況。當a/b超過0.9時,
勢壘層141的寬度的變化降低,并且對在發光層的厚度方向上的具有均勻
強度的電子的限制效果降低,這不是優選的。當a/b小于0.7時,較少的
電子移動至具有大厚度的勢壘層上的阱層,從而阻礙在沿著發光層的厚度
方向產生均勻的發光區域。因此,a/b優選地在上面的范圍內。

在上述實施方案1至8中,n型包覆層103具有如下周期性結構:該
周期性結構包括依次堆疊在n型接觸層101上的未摻雜的In0.08Ga0.92N層
131、未摻雜的GaN層132以及摻有Si的n型GaN層133。但是,n型
包覆層103可以具有如下周期性結構:其中In0.08Ga0.92N層、摻有Si的n
型GaN層以及未摻雜的GaN層依次堆疊;摻有Si的n型GaN層、未摻
雜的GaN層以及In0.08Ga0.92N層依次堆疊;或者摻有Si的n型GaN層、
In0.08Ga0.92N層以及未摻雜的GaN層依次堆疊。In0.08Ga0.92N層131可以
摻有Si,以用作n型層。GaN層133可以是未摻雜的。摻有Si的Al0.2Ga0.8N
層133可以代替摻有Si的n型GaN層133來使用。Al0.2Ga0.8N層133可
以是未摻雜的。

n型包覆層103由15個層單元形成,但是層單元的數量不限于此。
例如,層單元的數量可以是3至30。未摻雜的GaN層132可以具有0.3nm
至2.5nm的厚度。摻有Si的GaN層133可以具有0.3nm至2.5nm的厚
度。In0.08Ga0.92N層131可以具有1.5nm至5.0nm的厚度。

當AlxGa1-xN層132用作層132時,AlxGa1-xN層132可以具有0.05
至1的組成比x。組成比x優選地是0.1至0.8,更優選地是0.2至0.6。
當AlxGa1-xN層132由AlN形成時,甚至在層具有小至0.3nm時,電子也
可以隧穿通過層,并且層可以阻擋空穴的通路。同時,當AlxGa1-xN層132
由Al0.05Ga0.95N形成時,層132必須具有大至2.5nm的厚度。由此,
AlxGa1-xN層132可以具有0.3nm至2.5nm的厚度。由于形成p型包覆層
106的周期性結構的層中的一個層是p型Al0.3Ga0.7N層162,所以優選將
n型包覆層103中的AlxGa1-xN層132的Al組成比x調整至0.15或更多。

本發明的第III族氮化物半導體發光器件在不增加驅動電壓的情況下
表現出改進的發射性能。

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