СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИТРИДНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИЗЛУЧАЮЩЕГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА И НИТРИДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2020 года по МПК H01L33/06 H01L33/32 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому излучающему ультрафиолетовое излучение элементу, включающему светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе AlGaN, и имеющему пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, и способу изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Традиционно широко используют нитридные полупроводниковые светоизлучающие элементы, в которых светоизлучающий слой, который излучает свет при рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок), состоит из полупроводника на основе GaN или полупроводника на основе InGaN. Между тем, нитридные полупроводниковые излучающие ультрафиолетовое излучение элементы, имеющие более короткую длину волны излучения, чем нитридные полупроводниковые светоизлучающие элементы, упомянутые выше и включающие светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе AlGaN, предложены, например, в патентном документе 1 и других документах, но все еще не используются.

[003] Это происходит потому, что в нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементах, включающих светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе AlGaN, по мере уменьшения пиковой длины волны излучения (когда долю Al в составе светоизлучающего слоя повышают и долю Ga в составе него снижают), эффективность светоизлучения снижается. Эффективность светоизлучения полупроводникового светоизлучающего элемента выражается через квантовую эффективность, которая описывается коэффициентом преобразования инжектированных электронов в фотоны. Применительно к фотонам, генерируемым во внутренней части светоизлучающего элемента, коэффициент относится к внутренней квантовой эффективности, тогда как применительно к фотонам, испускаемым за пределы светоизлучающего элемента, коэффициент относится к внешней квантовой эффективности.

[004] Такая проблема будет описана с обращением к чертежам. На фиг. 5 и 6 представлены графики соотношения между пиковой длиной волны излучения и внешней квантовой эффективностью нитридных полупроводниковых светоизлучающих элементов. На фиг. 5 представлен график, изображенный в непатентном документе 1 и полученный путем сбора данных, приведенных в научных статьях и других документах, различными компаниями и исследовательскими институтами. На фиг. 6 представлен график, полученный при измерении образцов, изготовленных в последнее время авторами настоящего изобретения. По горизонтальной оси каждого из графиков, показанных на фиг. 5 и 6, представлена пиковая длина волны излучения, тогда как по вертикальной оси представлена внешняя квантовая эффективность. На фиг. 5 для удобства изображения чертежа представлена кривая, которая не является точной аппроксимацией, но отображает общую тенденцию точек, а пунктирная линия, которой обозначена пиковая длина волны излучения 285 нм, добавлена к графику, изображенному в непатентном документе 1.

[005] Как показано на фиг. 5 и 6, в нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементах, имеющих пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, по мере уменьшения пиковой длины волны излучения внешняя квантовая эффективность резко снижается. Это показывает, что для нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементов, имеющих пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, присущи специфические проблемы, которые не возникают для нитридных полупроводниковых светоизлучающих элементов, имеющих пиковую длину волны излучения более длинную чем 285 нм. Кроме того, эти проблемы возникают для всех без исключения нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементов, имеющих пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, и даже в последние годы они все еще не решены.

ДОКУМЕНТЫ ИЗ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

[006] Патентный документ 1: патент Японии №5641173.

НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

[007] Непатентный документ 1: Michael Kneissl, ʺA Brief Review of III-nitride UV Emitter Technologies and Their Applicationsʺ, III-Nitride Ultraviolet Emitters, Chapter 1, 2016.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫЕ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[008] В результате интенсивного исследования описанных выше проблем, специфических для нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементов, имеющих пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, изобретатели настоящей заявки выявили причины проблем и нашли решения проблем.

[009] Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, для которого исключены специфические проблемы, описанные выше, для достижения повышенной эффективности светоизлучения, и способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

[010] Согласно настоящему изобретению для решения упомянутой выше задачи предложен способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую. Способ изготовления содержит первый этап, на котором формируют слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X≥0,5), на верхней поверхности нижележащей части, включающей сапфировую подложку, второй этап, на котором над слоем полупроводника n-типа формируют активный слой, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), и который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN, и третий этап, на котором формируют слой полупроводника p-типа, состоящего из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1≥Z>Y), над активным слоем. Температура выращивания на втором этапе выше чем 1200 °С и равна температуре выращивания на первом этапе или выше нее.

[011] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температура выращивания активного слоя выше чем 1200 °С, количество вакансий Al в светоизлучающем слое, включенном в активный слой, может быть пониженным. Снижение количества вакансий Al в светоизлучающем слое является причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую.

[012] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, температура выращивания на втором этапе может быть выше, чем температура выращивания на первом этапе.

[013] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температура, подходящая для выращивания полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X≥0,5), составляющего слой полупроводника n-типа, может быть выбрана в качестве температуры выращивания слоя полупроводника n-типа, которая требуется при выращивании более толстого слоя по сравнению с другими слоями, поскольку слой полупроводника n-типа необходимо вскрывать для формирования на нем n-электрода, и в таком случае можно отдельно выбирать более высокую температуру, чем температура выращивания слоя полупроводника n-типа, в качестве температуры выращивания активного слоя. Тем самым в значительной степени можно предотвращать снижение эффективности изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

[014] Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанный выше, может также содержать четвертый этап, на котором формируют первый предотвращающий разложение слой вслед за слоем полупроводника n-типа при такой же температуре выращивания, как на первом этапе, сразу же после первого этапа, на котором формируют слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1>X≥0,5). Первый предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1≥α>X) и имеет толщину 3 нм или менее. По меньшей мере по окончании четвертого этапа температура выращивания может быть повышена и затем второй этап может быть выполнен.

[015] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температуру выращивания повышают от температуры выращивания на первом этапе до температуры выращивания на втором этапе, первый предотвращающий разложение слой формируют на верхней поверхности слоя полупроводника n-типа и поэтому слой полупроводника n-типа не является открытым. Тем самым можно предотвращать ухудшение характеристик нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, вызываемое разложением GaN в слое полупроводника n-типа.

[016] В способе выращивания нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, температура выращивания на третьем этапе может быть ниже, чем температура выращивания на втором этапе.

[017] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента можно повышать количество акцепторной примеси, вводимой для легирования, по сравнению со случаем, когда слой полупроводника p-типа выращивают при такой же температуре, как и активный слой.

[018] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, самый верхний слой активного слоя может состоять из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥Y). Способ изготовления может также содержать пятый этап, на котором формируют второй предотвращающий разложение слой вслед за активным слоем при такой же температуре, как на втором этапе, сразу же после второго этапа. Второй предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_βGa_1-βN (1≥β≥Y) и имеет толщину 3 нм или менее. По меньшей мере по окончании пятого этапа температура выращивания может быть снижена и затем может быть выполнен третий этап.

[019] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температуру выращивания понижают от температуры выращивания на втором этапе до температуры выращивания на третьем этапе, второй предотвращающий разложение слой формируют на верхней поверхности активного слоя и поэтому активный слой не открывается. Тем самым можно предотвращать ухудшение характеристик нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, вызываемое разложением GaN в активном слое.

[020] Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанный выше, может также содержать шестой этап, на котором формируют контактный слой p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0), над слоем полупроводника p-типа. Температура выращивания на шестом этапе может быть ниже, чем температура выращивания на третьем этапе.

[021] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температура выращивания контактного слоя p-типа, в котором доля Ga в составе больше, чем доля Ga в составе слоя полупроводника p-типа, и поэтому GaN интенсивно разлагается (повторно испаряется) во время выращивания, ниже, чем температура выращивания слоя полупроводника p-типа, контактный слой p-типа может быть эффективно выращен.

[022] Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанный выше, может также содержать седьмой этап, на котором формируют третий предотвращающий разложение слой вслед за слоем полупроводника p-типа при такой же температуре выращивания, как на третьем этапе, сразу же после третьего этапа, при этом слой полупроводника p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1>Z>Y), может быть образован на третьем этапе. Третий предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_γGa_1-γN (1≥γ>Z) и имеет толщину 3 нм или менее. По меньшей мере по окончании седьмого этапа температура выращивания может быть снижена и затем шестой этап может быть выполнен.

[023] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температуру выращивания понижают от температуры выращивания на третьем этапе до температуры выращивания на шестом этапе, третий предотвращающий разложение слой формируют на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа и поэтому слой полупроводника p-типа не является открытым. Тем самым можно предотвращать ухудшение характеристик нитридного полупроводникового светоизлучающего элемента, вызываемое разложением GaN в слое полупроводника p-типа.

[024] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, температура выращивания на шестом этапе может быть ниже, чем температура выращивания на третьем этапе, на 150 °С или более.

[025] Поскольку в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента требуется длительное время для понижения температуры выращивания от температуры выращивания на третьем этапе до температуры выращивания на шестом этапе, то в это время третий предотвращающий разложение слой формируют на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа и поэтому слой полупроводника p-типа на открывается. Тем самым можно предотвращать ухудшение характеристик нитридного полупроводникового светоизлучающего элемента, вызываемое разложением GaN в слое полупроводника p-типа.

[026] Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанный выше, может также содержать восьмой этап, на котором выполняют термическую обработку при температуре выше чем 1200°С и в то же время подают газ, содержащий 50% или более азота, по меньшей мере по окончании второго этапа.

[027] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента облегчается перемещение атомов Al несколько смещенными от положений кристаллической решетки в светоизлучающем слое и поэтому количество вакансий Al в светоизлучающем слое может быть также снижено. Кроме того, может предотвращаться разложение AlN и GaN и предотвращаться генерация вакансий N или понижаться количество вакансий N.

[028] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, температура выращивания на третьем этапе может быть равна или ниже чем 1100°С.

[029] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента температура выращивания на третьем этапе не является особенно высокой. Если температуру выращивания понижать от температуры выращивания на третьем этапе до температуры выращивания на шестом этапе, разложение GaN в слое полупроводника p-типа не станет проблемой. Поэтому можно предотвращать разложение GaN в слое полупроводника p-типа без формирования третьего предотвращающего разложение слоя.

[030] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, второй этап может быть этапом формирования активного слоя, который имеет структуру с одной или многочисленными квантовыми ямами, в котором один или более слоев ям, функционирующих как светоизлучающий слой, и один или более барьерных слоев, состоящих из полупроводника на основе Al_RGa_1-RN (1>R>Y), наслаивают поочередно.

[031] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента реализуют структуру с одной или многочисленными квантовыми ямами, эффективность светоизлучения может быть повышена.

[032] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, описанном выше, температура выращивания на втором этапе может быть равна или выше чем 1250°С.

[033] Когда в способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента активный слой выращивают при температуре, равной или выше чем 1250°С, миграция атомов Al ускоряется в достаточной степени для эффективного снижения количества вакансий Al в светоизлучающем слое.

[034] Кроме того, согласно настоящему изобретению предложен нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, имеющий пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент содержит нижележащую часть, включающую сапфировую подложку, слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1>X≥0,5), при этом слой полупроводника n-типа образован на верхней поверхности нижележащей части, активный слой, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), и который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN, при этом активный слой образован над слоем полупроводника n-типа, и слой полупроводника p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1≥Z>Y), при этом слой полупроводника p-типа образован над активным слоем. Доля Al в составе на верхней поверхности слоя полупроводника n-типа больше, чем доля Al в составе внутри слоя полупроводника n-типа, или первый предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1≥α>X) и имеющий толщину 3 нм или менее, образован на верхней поверхности слоя полупроводника n-типа.

[035] В нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе активный слой можно выращивать при более высокой температуре, чем температура выращивания слоя полупроводника n-типа, для уменьшения количества вакансий Al в светоизлучающем слое, которые являются причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, при этом в значительной степени предотвращается снижение эффективности изготовления.

[036] В нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе, описанном выше, самый верхний слой активного слоя может состоять из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥Y), а доля Al в составе на верхней поверхности самого верхнего слоя может быть больше, чем доля Al в составе внутри самого верхнего слоя, или второй предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_βGa_1-βN (1≥β>Y1) и имеющий толщину 3 нм или менее, может быть образован на верхней поверхности активного слоя.

[037] В нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе слой полупроводника p-типа можно выращивать при более низкой температуре, чем температура выращивания активного слоя, для повышения количества акцепторной примеси, вводимой для легирования в слой полупроводника p-типа.

[038] В нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе, описанном выше, слой полупроводника p-типа может состоять из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1>Z>Y). Кроме того, нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент может содержать контактный слой p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0), при этом контактный слой p-типа образован над слоем полупроводника p-типа. Доля Al в составе на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа больше, чем доля Al в составе внутри слоя полупроводника p-типа, или третий предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_γGa_1-γN (1≥γ>Z) и имеющий толщину 3 нм или менее, может быть образован на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа.

[039] В нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе контактный слой p-типа можно выращивать при более низкой температуре, чем температура выращивания слоя полупроводника p-типа, для эффективного роста контактного слоя p-типа.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[040] Согласно способу изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента в нитридном полупроводниковом излучающем ультрафиолетовое излучение элементе можно уменьшить количество вакансий Al в светоизлучающем слое, которые являются причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую. Поэтому можно повысить эффективность светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[041] На чертежах:

фиг. 1 - график, показывающий кривые спада, которыми представлены результаты измерений разрешенной во времени фотолюминесценции нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементов двух видов, имеющих различные пиковые длины волны излучения;

фиг. 2 - поперечное сечение основной части, схематично показывающее пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 - вид в плане, схематично показывающий пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанного на фиг. 2, при наблюдении элемента сверху;

фиг. 4 - временная диаграмма, схематично показывающая пример способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 - график, показывающий соотношение между пиковой длиной волны излучения и внешней квантовой эффективностью нитридного полупроводникового светоизлучающего элемента; и

фиг. 6 - график, показывающий соотношение между пиковой длиной волны излучения и внешней квантовой эффективностью нитридного полупроводникового светоизлучающего элемента.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[042] <Причина снижения эффективности светоизлучения>

В первую очередь с обращением к чертежам будет описана причина снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, которая определена изобретателями настоящей заявки. На фиг. 1 представлен график, показывающий результаты измерений разрешенной во времени фотолюминесценции (ФЛ) нитридных полупроводниковых излучающих ультрафиолетовое излучение элементов двух видов, имеющих различные пиковые длины волны излучения. На графике, показанном на фиг. 1, по вертикальной оси представлена интенсивность фотолюминесценции и по горизонтальной оси представлено время.

[043] Образцы для измерения разрешенной во времени фотолюминесценции были образованы наслаиванием на поверхность (0001) сапфировой подложки слоя AlN, слоя AlGaN n-типа, легированного Si, активного слоя, имеющего структуру с многочисленными квантовыми ямами, в котором слой AlGaN ям и барьерный слой AlGaN наслоены в течение трех этапов, и слоя AlGaN p-типа, легированного Mg, в этом порядке. Кроме того, для получения заданной пиковой длины волны излучения регулировали доли Al и Ga в составе каждого из слоев над слоем AlN. В частности, когда доля Al в составе слоя AlGaN ям, который представляет собой светоизлучающий слой, излучающий свет при рекомбинации носителей (электронов и дырок), возрастает, пиковая длина волны излучения уменьшается. По этой причине долю Al в составе слоя AlGaN ям устанавливали так, чтобы получалась заданная пиковая длина волны излучения. Кроме того, чтобы дать возможность носителям эффективно проходить в светоизлучающий слой (слой AlGaN ям), долю Al в составе барьерного слоя AlGaN регулировали так, чтобы она была больше, чем доля Al в составе слоя AlGaN ям. Более того, регулировали долю Al в составе слоев AlGaN n-типа и p-типа, чтобы она была равна или больше, чем доля Al в составе барьерного слоя AlGaN.

[044] Выполняли измерения образцов двух видов. Для одного выполняли регулирование, чтобы образец имел пиковую длину волны излучения 300 нм (в дальнейшем образец ʺLED300ʺ), и для другого выполняли регулирование, чтобы образец имел пиковую длину волны излучения 265 нм (в дальнейшем образец ʺLED265ʺ). Как описывалось выше, доля Al в составе слоя AlGaN ям образца LED265 больше, чем доля Al в составе слоя AlGaN ям образца LED300. На оба образцов возбуждающий свет (имевший длину волны от 244 нм до 266 нм), который представлял собой третью гармонику излучения титан-сапфирового лазера, подавали при комнатной температуре на сторону слоя AlGaN p-типа и обнаруживали фотолюминесценцию со стороны слоя AlGaN p-типа.

[045] Результаты измерений разрешенной во времени фотолюминесценции, показанные на фиг. 1, отражают процесс, при котором носители заряда, возбужденные светом, релаксируют до основного состояния (электроны и дырки исчезают), и они использовались для оценивания кристалличности образцов. При использовании времени релаксации, полученного путем приближения экспоненциальной функции к результатам измерений разрешенной во времени фотолюминесценции, можно количественно сравнивать релаксационные процессы. Время релаксации вычисляли при согласовании нижеследующей формулы (1) с каждым из результатов измерений LED265 и LED300, показанных на фиг. 1. Нижеследующей формулой (1) представлена функция, использованная для согласования двух видов релаксационных процессов, то есть, процесса быстрой релаксации и процесса медленной релаксации, и она обычно используется для результатов измерений разрешенной во времени фотолюминесценции. В нижеследующей формуле (1) τ₁ обозначает время релаксации в процессе быстрой релаксации и τ₂ обозначает время релаксации в процессе медленной релаксации.

[046] Формула 1:

(1)

[047] После согласования приведенной выше формулы (1) с результатами измерений разрешенной во времени фотолюминесценции, показанной на фиг. 1, время τ₁ релаксации LED300 составило 0,682 нс, тогда время τ₁ релаксации LED265 составило 0,164 нс, и оно намного меньше времени τ₁ релаксации LED300. С учетом того, что результаты измерений, показанные на фиг. 1, получены при комнатной температуре, а безызлучательная рекомбинация легко возникает вследствие захвата носителей дефектами или чем-либо в этом роде, эти результаты показывают, что релаксационный процесс при безызлучательной рекомбинации является доминирующим в LED265 по сравнению с LED300.

[048] Кроме того, известно, что в AlGaN центром безызлучательной рекомбинации является в основном комплекс катионных вакансий (комплекс катионных вакансий, которые представляют собой вакансии Ga и Al, а также азотные вакансии), и когда доля Al в составе возрастает, количество катионных вакансий также возрастает (например, Uedono et al., Journal of Applied Physics, 111, 013512, 2012, Chichibu et al., Journal of Applied Physics, 113, 213506, 2013).

[049] Обобщив эти факты, можно предположить, что LED265 имеет в составе более высокую долю Al, чем LED300, и повышенное количество вакансий Al, которые представляют собой катионные вакансии, и поэтому безызлучательная рекомбинация легко возникает, количество носителей, рекомбинирующих с излучением, уменьшается и эффективность светоизлучения также уменьшается. Как показано на фиг. 5 и 6, для нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, предполагается, что, когда пиковая длина волны излучения уменьшается, доля Al в составе светоизлучающего слоя возрастает и количество вакансий Al также возрастает, и поэтому, когда пиковая длина волны излучения уменьшается, эффективность светоизлучения снижается.

[050] Как описывалось выше, причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, являются вакансии Al в светоизлучающем слое. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, который имеет повышенную эффективность светоизлучения благодаря уменьшению количества вакансий Al, и способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента описываются ниже с обращением к чертежам.

[051] <Пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента>

Сначала с обращением к чертежам будет описан пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2 представлено поперечное сечение основной части, схематично показывающее пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 представлен вид в плане, если смотреть сверху на фиг. 2, схематично показывающий пример конфигурации нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанного на фиг. 2. Для удобства на фиг. 2 толщины (отрезки по вертикали на чертеже) подложки, слоя полупроводника и электрода показаны схематично, и поэтому эти толщины не всегда соответствуют фактическому соотношению размеров. В последующем описании полупроводником на основе AlGaN является AlGaN, AlN или GaN. В ином случае полупроводником на основе AlGaN является AlGaN, AlN или GaN с небольшим количеством примеси (например, Si, Mg или In). При необходимости Al и Ga придаются нижние индексы для обозначения относительной доли Al и Ga в составе (например, Al_XGa_1-XN). Кроме того, в последующем описании слой полупроводника без приданного обозначения «n-типа» или «p-типа» представляет собой нелегированный полупроводник, но может содержать небольшое количество примеси, неизбежно примешиваемой к слою нелегированного полупроводника.

[052] Как показано на фиг. 2 и 3, нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя нижележащую часть 10, включающую сапфировую подложку 11, и часть 20 структуры элемента, включающую слои нитридного полупроводника и электроды. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 установлен (способом перевернутого кристалла) на основании для монтажа, при этом сторона части 20 структуры элемента (верхняя сторона на фиг. 2) обращена к основанию для монтажа, а свет выводится со стороны нижележащей части 10 (нижней стороны на фиг. 2).

[053] Нижележащая часть 10 включает в себя сапфировую подложку 11, имеющую поверхность (0001) в качестве основной поверхности, и слой 12 AlN, который образован на основной поверхности сапфировой подложки 11. Сапфировая подложка 11 может быть отклоненной подложкой, основная поверхность которой наклонена относительно поверхности (0001) на небольшой угол (например, больший чем 0° и равный или меньший чем 3,0°). В дополнение к этому слой 12 AlN может содержать небольшое количество Ga или других примесей или слой, состоящий из полупроводника на основе AlGaN, может быть также образован на верхней поверхности слоя 12 AlN.

[054] Часть 20 структуры элемента образована таким образом, что, начиная от стороны нижележащей части 10, плакирующий слой 21 n-типа (слой полупроводника n-типа), состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1>X≥0,5), первый предотвращающий разложение слой 22, состоящий из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1≥α>X), активный слой 23, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN, и который включает в себя самый верхний слой, состоящий из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥Y), второй предотвращающий разложение слой 24, состоящий из полупроводника на основе Al_βGa_1-βN (1≥β>Y1), блокирующий электроны слой 25, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1>Z>Y), третий предотвращающий разложение слой 26, состоящий из полупроводника на основе Al_γGa_1-γN (1≥γ>Z), и контактный слой 27 p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0), наслоены в этом порядке.

[055] Часть 20 структуры элемента также включает в себя p-электрод 28, который состоит, например, из Ni/Au и образован на верхней поверхности контактного слоя 27 p-типа, и n-электрод 29, который состоит, например, из Ti/Al/Ti/Au и образован на верхней поверхности плакировочного слоя 21 n-типа в отдельной области, в которой плакировочный слой 21 n-типа открыт. Когда электрический ток подводится между p-электродом 28 и n-электродом 29 таким образом, что дырки подводятся с p-электрода 28 и электроны подводятся с n-электрода 29, подводимые дырки и электроны достигают светоизлучающего слоя в активном слое 23, и электроны и дырки рекомбинируют и свет излучается из светоизлучающего слоя.

[056] Активный слой 23 имеет структуру с одной или многочисленными квантовыми ямами, в котором один или более слоев ям, функционирующих в качестве светоизлучающего слоя, состоящего из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN, и один или более слоев, состоящих из полупроводника на основе Al_RGa_1-RN (1>R>Y), наслоены поочередно. Самый верхний слой активного слоя 23 является барьерным слоем (или слоем ям). Активный слой 23 может быть выполнен с возможностью включения только светоизлучающего слоя, состоящего из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (в этом случае самый верхний слой является также светоизлучающим слоем). С учетом повышения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 предпочтительно, чтобы активный слой 23 имел структуру с квантовыми ямами (в частности, структуру с многочисленными квантовыми ямами).

[057] Каждый из первого предотвращающего разложение слоя 22, второго предотвращающего разложение слоя 24 и третьего предотвращающего разложение слоя 26 обычно состоит из AlN (то есть, α=1, β=1 и γ=1) и предпочтительно, чтобы каждый имел толщину 3 нм или менее, а более предпочтительно, чтобы каждый имел толщину 2 нм или менее. Как будет описано позднее более подробно в разделе <Пример способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента>, слои 22, 24 и 26 формируют для защиты слоев 21, 23 и 25 непосредственно под слоями 22, 24 и 26, соответственно, и они не способствуют излучению света, и поэтому предпочтительно формировать их как можно более тонкими с тем, чтобы получать пониженное сопротивление.

[058] Контактный слой 27 p-типа обычно состоит из GaN (то есть, Q=0). Слой, состоящий из полупроводника p-типа на основе AlGaN, имеющий меньшую долю Al в составе, чем доля Al в составе блокирующего электроны слоя 25, и большую, чем доля Al в составе контактного слоя 27 p-типа, может быть предусмотрен между блокирующим электроны слоем 25 и контактным слоем 27 p-типа.

[059] Доли (X, Y, Y1, Z, Q, R, α, β и γ) Al и Ga в составе полупроводников на основе AlGaN, составляющих слои с 21 по 27, соответственно задают таким образом, чтобы удовлетворялись соотношения величин, приведенные выше, а нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 имел заданную пиковую длину волны излучения.

[060] <Пример способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента>

Далее описывается пример способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанного на фиг. 2.

[061] Слой 12 AlN, включенный в нижележащую часть 10, и слои с 21 по 27, состоящие из нитридных полупроводников и включенные в часть 20 структуры элемента, получают эпитаксиальным выращиванием на сапфировой подложке 11, используя хорошо известный способ эпитаксиального выращивания, такой как способ эпитаксии пиролизом паров металлоорганических соединений (MOVPE) или способ молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE), чтобы осуществлять наслаивание в этом порядке. В этом случае донорной примесью, например, Si, легируют слой n-типа, тогда как акцепторную примесь, например Mg, вводят в качестве легирующей примеси в слой p-типа.

[062] Затем осуществляют избирательное травление отдельной области, используя хорошо известный способ травления, такой как реактивное ионное травление, чтобы в этой области открыть плакирующий слой 21 n-типа. Электрод 28 p-типа формируют на контактном слое 27 p-типа в нетравленой области и n-электрод 29 формируют на плакирующем слое 21 n-типа в травленой области, используя хорошо известный способ формирования пленки, такой как способ электронно-лучевого осаждения. После образования одного электрода или как p-электрода, так и n-электрода может быть выполнена термическая обработка при использовании хорошо известного способа термической обработки, такого как быстрый тепловой отжиг (RTA).

[063] Как описано в разделе <Причина снижения эффективности светоизлучения>, причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, являются вакансии Al в светоизлучающем слое. Поэтому нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 изготавливают способом изготовления, при котором уменьшается количество вакансий Al в светоизлучающем слое.

[064] Пример способа изготовления, при котором уменьшается количество вакансий Al в светоизлучающем слое, будет описан с обращением к чертежам. На фиг. 4 представлена временная диаграмма, схематично показывающая пример способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На временной диаграмме из фиг. 4 показана температура выращивания во время формирования слоев с 21 по 27, состоящих из нитридных полупроводников и включенных в часть 20 структуры элемента. По вертикальной оси временной диаграммы представлена температура выращивания и по горизонтальной оси представлено время. Температура выращивания обычно представляет собой температуру пластины (подложки), но зависит от системы нагрева, используемой в устройстве, применяемом для эпитаксиального выращивания. Кроме того, можно контролировать, происходит ли выращивание слоев с 21 по 27, например, по тому, подается ли материал к поверхности пластины. Например, долю материала в составе каждого из слоев с 21 по 27 можно регулировать изменением подачи материала.

[065] Как показано на фиг. 4, при использовании способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения сначала выращивают плакирующий слой 21 n-типа при температуре Т1 выращивания в течение периода Р1 времени. Первый предотвращающий разложение слой 22 выращивают вслед за плакирующим слоем 21 n-типа при температуре Т1 выращивания в течение периода Р2 времени сразу же после периода Р1 времени.

[066] Затем температуру выращивания повышают от Т1 до Т2 и после этого выращивают активный слой 23 при температуре Т2 выращивания в течение периода Р3 времени. Второй предотвращающий разложение слой 24 выращивают вслед за активным слоем 23 при температуре Т2 выращивания в течение периода Р4 времени сразу же после периода Р3 времени.

[067] Затем температуру выращивания понижают от Т2 до Т3 и после этого выращивают блокирующий электроны слой 25 при температуре Т3 выращивания в течение периода Р5 времени. Третий предотвращающий разложение слой 26 выращивают вслед за блокирующим электроны слоем 25 при температуре Т3 выращивания в течение периода Р6 времени сразу же после периода Р5 времени. Хотя на фиг. 4 показан пример случая, когда температура Т3 выращивания выше, чем температура Т1 выращивания, температура Т3 выращивания может быть ниже, чем температура Т1 выращивания, или температура Т3 выращивания может быть равна температуре Т1 выращивания.

[068] Затем температуру выращивания понижают от Т3 до Т4 и после этого выращивают контактный слой 27 p-типа при температуре Т4 выращивания в течение периода Р7 времени. Таким образом, выращивание слоев с 21 по 27 завершается.

[069] В общем случае предпочтительно, чтобы наивысшая температура выращивания AlGaN, который является смешанным кристаллом AlN и GaN, была приблизительно 1100°С. Причина этого заключается в том, что, хотя предпочтительно повышать температуру выращивания для содействия миграции атомов на поверхность роста (в частности, миграции атомов Al, которые связываются с атомами N с большой силой химической связи и поэтому с трудом перемещаются), получение хороших кристаллов с меньшим количеством дефектов или чего-либо в этом роде связано с ограничением, заключающемся в том, что температуру выращивания необходимо поддерживать низкой для предотвращения разложения (повторного испарения) GaN. В результате этого верхний предел диапазона температур, при котором обеспечивается согласование этих условий, составляет приблизительно 1100°С (см., например, абзацы [004], [005] и [044] в публикации №2005-32803 заявки на патент Японии).

[070] Более того, в общем случае, когда светоизлучающий слой состоит из AlGaN, чтобы локально уменьшить ширину запрещенной зоны светоизлучающего слоя для удержания носителей в нем, необходимо, чтобы доля Ga в составе светоизлучающего слоя была по меньшей мере больше (доля Al в составе была меньше), чем доля Ga в составе слоев, состоящих из AlGaN n-типа и p-типа (или AlN), в случае расположения светоизлучающего слоя между этими слоями. По этой причине необходимо, чтобы светоизлучающий слой содержал Ga в достаточном количестве, и поэтому особенно необходимо понижать температуру выращивания светоизлучающего слоя. При уменьшении пиковой длины волны излучения нитридного полупроводникового светоизлучающего элемента ширина запрещенной зоны светоизлучающего слоя возрастает и доля Ga в составе понижается. Однако Ga необходимо включать и поэтому предпочтительно, чтобы температура выращивания была приблизительно 1100°С. Например, несмотря на то, что нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, описанный в патентном документе 1, имеет пиковую длину волны излучения 254 нм, которая меньше чем 285 нм, вследствие наличия проблемы пониженной эффективности светоизлучения, описанной выше, температура выращивания светоизлучающего слоя составляла 1120°С (см., например, абзацы [026] и [035] патентного документа 1).

[071] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанном на фиг. 4, температура выращивания активного слоя 23, включающего светоизлучающий слой (например, слой ямы в случае структуры с квантовыми ямами), выше, чем типичная температура выращивания светоизлучающего слоя, упомянутая выше (приблизительно 1100 °С). В частности, температуру Т2 выращивания задают выше чем 1200 °С. Миграция атомов Al в течение выращивания светоизлучающего слоя облегчается и поэтому количество вакансий Al в светоизлучающем слое снижается.

[072] Как описывалось выше, способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения позволяет уменьшать количество вакансий Al в светоизлучающем слое, которые являются причиной снижения эффективности светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, и этим можно повышать эффективность светоизлучения.

[073] Как описывалось выше, верхний предел оптимальной температуры выращивания AlGaN составляет приблизительно 1100°С. Если температура выращивания выше чем 1200°С, может возникать проблема, заключающаяся в интенсивном разложении (повторном испарении) GaN. Эта проблема может быть решена оптимизацией других условий выращивания, а не температуры выращивания, например, повышением количества подаваемого материала к Ga по сравнению с обычными случаями, но эффективность изготовления может снижаться, так как количество потребляемого материала может возрастать или скорость выращивания может понижаться. Обычно считается, что как только температура выращивания AlGaN превышает 1200°С, обнаруживаются недостатки, упомянутые выше. Поэтому температуры выше 1200°С не выбирают в качестве температур выращивания AlGaN.

[074] Однако в результате интенсивного исследования нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, изобретатели настоящей заявки установили, что причиной снижения эффективности светоизлучения являются вакансии Al в светоизлучающем слое, и установили, что количество вакансий Al можно уменьшать и эффективность светоизлучения можно повышать путем повышения температуры выращивания светоизлучающего слоя до 1200 °С или более. Кроме того, применением способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, хотя и за счет снижения эффективности изготовления, можно решать нерешенные проблемы, то есть, можно повышать эффективность светоизлучения нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую.

[075] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, показанном на фиг. 4, в котором требуется изменение температуры выращивания на середине этапа, необходимо некоторое время для изменения температуры выращивания. Если слой, состоящий из AlGaN, открывается во время изменения температуры выращивания, GaN может разлагаться. В частности, температура Т2 выращивания активного слоя 23 выше чем 1200°С. Следовательно, когда температуру выращивания повышают от Т1 до Т2, GaN может разлагаться в плакирующем слое 21 n-типа, а когда температуру выращивания понижают от Т2 до Т3, GaN может разлагаться в активном слое 23. Более того, температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25, имеющего большую долю Al в составе, намного выше, чем температура Т4 выращивания контактного слоя p-типа, имеющего небольшую долю Al в составе (например, на 150°С или более), и поэтому требуется время для снижения температуры выращивания от Т3 до Т4. Поэтому GaN может разлагаться в блокирующем электроны слое 25. Вследствие разложения GaN в плакирующем слое 21 n-типа, активном слое 23 и блокирующем электроны слое 25 характеристики (например, эффективность светоизлучения) нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 могут ухудшаться.

[076] В способе изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанном на фиг. 4, первый предотвращающий разложение слой 22, второй предотвращающий разложение слой 24 и третий предотвращающий разложение слой 26 формируют для предотвращения разложения GaN в нижележащих слоях 21, 23 и 25, соответственно. Предпочтительно, чтобы каждый из первого предотвращающего разложение слоя 22, второго предотвращающего разложение слоя 24 и третьего предотвращающего разложение слоя 26 был слоем, имеющим более высокую долю Al в составе (то есть, имеющим меньшее влияние на разложение GaN), чем слои, подлежащие защите, и предпочтительно, чтобы он состоял из AlN.

[077] Температура Т2 выращивания активного слоя 23 может быть равна или выше чем 1250°С. Температуры, равные 1250°С или более высокие, используют не для выращивания кристаллов части 20 структуры элемента, а для выращивания кристалла слоя 12 AlN, включенного в нижележащую часть 10 (см., например, абзац [041] в публикации №2015-043468 заявки на патент Японии), и при таких температурах можно ожидать достаточной миграции атомов Al. Следовательно, при выращивании активного слоя 23 при температурах, равных или более высоких чем 1250°С, миграция атомов Al ускоряется в степени, достаточной для эффективного уменьшения количества вакансий Al в светоизлучающем слое.

[078] Например, температура Т2 выращивания активного слоя 23 равна или ниже чем 1350°С, предпочтительно, чтобы она была равна или ниже чем 1300°С.

[079] <Модификации и тому подобное>

Конфигурация нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, показанного на фиг. 2, и способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанный на фиг. 4, являются только примерами и, как поясняется ниже, могут быть надлежащим образом модифицированы. Модификации, описываемые ниже, могут быть осуществлены путем осуществления соответствующего объединения при условии, что оно не является противоречивым.

[080] (1) Хотя на фиг. 4 представлен в качестве примера случай, когда температура Т2 выращивания активного слоя 23 выше, чем температура Т1 выращивания плакирующего слоя 21 n-типа, температура Т1 выращивания может быть равна температуре Т2 выращивания.

[081] Как показано на фиг. 2, нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 включает в себя сапфировую подложку 11, функционирующую как изолятор, и поэтому приходится формировать n-электрод 29 на верхней поверхности плакирующего слоя 21 n-типа, который подвергают обработке, чтобы он был частично открытым. Чтобы выполнять такую обработку, необходимо выращивать плакирующий слой 21 n-типа более толстым по сравнению с другими слоями с 22 по 27. Например, в то время как слои с 22 по 27 в отличие от плакирующего слоя 21 n-типа имеют толщину приблизительно от нескольких нанометров до сотен нанометров, плакирующий слой 21 n-типа имеет толщину 1 мкм или более. В этом случае, если плакирующий слой 21 n-типа выращивать при температуре выше чем 1200°С, которая является такой же, как при выращивании активного слоя 23, эффективность изготовления может снизиться в значительной степени. Поэтому, как представлено примером на фиг. 4, предпочтительно выбирать температуру, подходящую для выращивания полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X≥0,5), в качестве температуры Т1 выращивания плакирующего слоя 21 n-типа и затем отдельно выбирать температуру выше температуры Т1 выращивания в качестве температуры Т2 выращивания активного слоя 23.

[082] (2) Хотя на фиг. 4 представлен пример случая, когда температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25 ниже, чем температура Т2 выращивания активного слоя 23, температура Т2 выращивания может быть равна температуре Т3 выращивания.

[083] Однако, когда температуру выращивания повышают, становится более трудно осуществлять легирование магнием Mg, который является акцепторной примесью. Поэтому, как представлено примером на фиг. 4, предпочтительно, чтобы температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25 была ниже, чем температура Т2 выращивания активного слоя 23, поскольку можно повысить количество акцепторной примеси, вводимой для легирования, по сравнению со случаем, когда блокирующий электроны слой 25 выращивают при температуре Т2 выращивания, которая является такой же, как для активного слоя 23.

[084] (3) Хотя на фиг. 4 представлен пример случая, когда температура Т4 выращивания контактного слоя 27 p-типа ниже, чем температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25, температура Т3 выращивания может быть равна температуре Т4 выращивания.

[085] Как представлено примером на фиг. 4, предпочтительно, чтобы температура Т4 выращивания контактного слоя 27 p-типа, в котором доля Ga в составе больше, чем доля Ga в составе блокирующего электроны слоя 25, и поэтому GaN интенсивно разлагается (повторно испаряется) во время выращивания, была ниже, чем температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25, вследствие чего контактный слой 27 p-типа может быть эффективно выращен.

[086] (4) Хотя на фиг. 2 и 4 представлены примеры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, включающего первый предотвращающий разложение слой 22, и способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, первый предотвращающий разложение слой 22 не обязательно необходим.

[087] Например, когда температура Т1 выращивания плакирующего слоя 21 n-типа равна температуре Т2 выращивания активного слоя 23, выращивание активного слоя 23 можно начинать сразу же после выращивания плакирующего слоя 21 n-типа, и поэтому нет необходимости в формировании первого предотвращающего разложение слоя 22.

[088] Кроме того, например, если температура Т2 выращивания активного слоя 23 выше, чем температура Т1 выращивания плакирующего слоя 21 n-типа, то поскольку области, имеющие большую долю Al в составе вследствие разложения GaN на верхней поверхности плакирующего слоя 21 n-типа, незначительно влияют на характеристики нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 (например, при условии, что области имеют толщину, равную приблизительно нескольким нанометрам), нет необходимости в формировании первого предотвращающего разложение слоя 22.

[089] Более того, например, когда полупроводник n-типа на основе Al_XGa_1-XN, образующий плакирующий слой 21 n-типа, не содержит Ga (X=1), нет необходимости в формировании первого предотвращающего разложение слоя 22.

[090] (5) Хотя на фиг. 2 и 4 представлены примеры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, включающего второй предотвращающий разложение слой 24, и способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, второй предотвращающий разложение слой 24 не обязательно необходим.

[091] Например, когда температура Т2 выращивания активного слоя 23 равна температуре Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25, выращивание блокирующего электроны слоя 25 можно начинать сразу же после выращивания активного слоя 23, и поэтому нет необходимости в формировании второго предотвращающего разложение слоя 24.

[092] Кроме того, например, если температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25 ниже, чем температура Т2 выращивания активного слоя 23, то поскольку области, имеющие большую долю Al в составе вследствие разложения GaN на верхней поверхности активного слоя 23, незначительно влияют на характеристики нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 (например, при условии, что области имеют толщину, равную приблизительно нескольким нанометрам), нет необходимости в формировании второго предотвращающего разложение слоя 24.

[093] (6) Хотя на фиг. 2 и 4 представлены примеры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, включающего третий предотвращающий разложение слой 26, и способа изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, третий предотвращающий разложение слой 26 не обязательно необходим.

[094] Например, когда температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25 равна температуре Т4 выращивания контактного слоя 27 p-типа, выращивание контактного слоя 27 p-типа можно начинать сразу же после выращивания блокирующего электроны слоя 25, и поэтому нет необходимости в формировании третьего предотвращающего разложение слоя 26.

[095] Кроме того, например, если температура Т4 выращивания контактного слоя 27 p-типа ниже, чем температура Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25, то поскольку области, имеющие большую долю Al в составе вследствие разложения GaN на верхней поверхности блокирующего электроны слоя 25, незначительно влияют на характеристики нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1 (например, при условии, что области имеют толщину, равную приблизительно нескольким нанометрам), нет необходимости в формировании третьего предотвращающего разложение слоя 26.

[096] Более того, например, когда полупроводник p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN, образующий блокирующий электроны слой 25, не содержит Ga (Z=1), не обязательно формировать третий предотвращающий разложение слой 26.

[097] Более того, например, когда температура Т3 выращивания блокирующего электроны 25 слоя равна или ниже чем 1100°С, температура Т3 выращивания не является слишком высокой. Если температуру выращивания понизить от Т3 до Т4, GaN будет лишь незначительно разлагаться на верхней поверхности блокирующего электроны слоя 25. В результате не будет необходимости в формировании третьего предотвращающего разложение слоя 26.

[098] (7) Во время выращивания светоизлучающего слоя атомы Al могут мигрировать в недостаточной степени и поэтому могут несколько смещаться от положений его кристаллической решетки. После выращивания блокирующего электроны слоя 25 можно добавить этап проведения термической обработки при температуре выше чем 1200°С с одновременной подачей газа, содержащего 50% или более азота (другими компонентами являются, например, водород и инертный газ, такой как аргон).

[099] Когда этап термической обработки добавляют, перемещение атомов Al, несколько смещенных от положений кристаллической решетки в светоизлучающем слое, облегчается и поэтому количество вакансий Al в светоизлучающем слое также может уменьшаться. Когда газ, содержащий 50% или более азота, подают на этапе термической обработки, можно предотвращать разложение AlN и GaN и предотвращать образование вакансий N или снижать количество вакансий N.

[100] В тех случаях, когда выполняют этап термической обработки, третий предотвращающий разложение слой 26 можно формировать до этого этапа. В ином случае температуру Т3 выращивания блокирующего электроны слоя 25 можно задавать выше чем 1200 °С (например, задавать равной температуре Т2 выращивания активного слоя 23) и затем этап термической обработки можно выполнять при такой же температуре, как температура Т3 выращивания, или можно выполнять при температуре, которая выше (или ниже), чем температура Т3 выращивания.

[101] Единственное, что требуется, так это выполнение этапа термической обработки по меньшей мере после выращивания активного слоя 23. Поэтому этап термической обработки можно выполнять до выращивания блокирующего электроны слоя 25. Например, после выращивания второго предотвращающего разложение слоя 24 этап термической обработки можно выполнять при такой же температуре, как температура Т2 выращивания, или можно выполнять при температуре, которая выше (или ниже), чем температура Т2 выращивания.

[102] Более того, контактный слой 27 p-типа имеет относительно большую долю Ga в составе (обычно GaN). Следовательно, в тех случаях, когда термическую обработку выполняют относительно контактного слоя 27 p-типа при температуре выше чем 1200°С, GaN может разлагаться. Поэтому предпочтительно выполнять этап термической обработки до выращивания контактного слоя 27 p-типа.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[103] Настоящее изобретение применимо к нитридному полупроводниковому излучающему ультрафиолетовое излучение элементу, включающему светоизлучающий слой, образованный из полупроводника на основе AlGaN, и имеющему пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, и способу изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

ОПИСАНИЕ ПОЗИЦИЙ

[104] 1- нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент;

10 - нижележащая часть;

11 - сапфировая подложка;

12 - слой AlN;

20 - часть структуры элемента;

21 - плакирующий слой n-типа (слой полупроводника n-типа);

22 - первый предотвращающий разложение слой;

23 - активный слой;

24 - второй предотвращающий разложение слой;

25 - блокирующий электроны слой (слой полупроводника p-типа);

26 - третий предотвращающий разложение слой;

27 - контактный слой p-типа;

28 - p-электрод;

29 - n-электрод;

Т1-Т4 - температура выращивания;

Р1-Р7 - период времени.

Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, содержит первый этап, на котором формируют слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X≥0,5), на верхней поверхности нижележащей части, включающей сапфировую подложку, второй этап, на котором над слоем полупроводника n-типа формируют активный слой, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), и который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN, и третий этап, на котором формируют слой полупроводника p-типа, состоящего из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1≥Z>Y), над активным слоем. В способе изготовления температура выращивания на втором этапе выше 1200°С и равна температуре выращивания на первом этапе или выше нее. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, имеющего пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, содержащий:

первый этап, на котором формируют слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X≥0,5), на верхней поверхности нижележащей части, включающей сапфировую подложку;

второй этап, на котором над слоем полупроводника n-типа формируют активный слой, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), и который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN; и

третий этап, на котором формируют слой полупроводника p-типа, состоящего из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1≥Z>Y), над активным слоем, при этом

температура выращивания на втором этапе выше 1200°С и равна температуре выращивания на первом этапе или выше нее.

2. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 1, в котором температура выращивания на втором этапе выше, чем температура выращивания на первом этапе.

3. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 2, дополнительно содержащий четвертый этап, на котором формируют первый предотвращающий разложение слой вслед за слоем полупроводника n-типа при такой же температуре выращивания, как на первом этапе, сразу же после первого этапа, при этом

слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1>X≥0,5), формируют на первом этапе,

первый предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1≥α>X) и имеет толщину 3 нм или менее, и

по меньшей мере по окончании четвертого этапа температуру выращивания повышают и затем выполняют второй этап.

4. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по любому одному из пп. 1-3, в котором температура выращивания на третьем этапе ниже, чем температура выращивания на втором этапе.

5. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 4, дополнительно содержащий пятый этап, на котором формируют второй предотвращающий разложение слой вслед за активным слоем при такой же температуре выращивания, как на втором этапе, сразу же после второго этапа, при этом

самый верхний слой активного слоя состоит из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥Y),

второй предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_βGa_1-βN (1≥β>Y1) и имеет толщину 3 нм или менее, и

по меньшей мере по окончании пятого этапа температуру выращивания понижают и затем выполняют третий этап.

6. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по любому одному из пп. 1-3, дополнительно содержащий шестой этап, на котором формируют контактный слой p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0), над слоем полупроводника p-типа, при этом

температура выращивания на шестом этапе ниже, чем температура выращивания на третьем этапе.

7. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 6, дополнительно содержащий седьмой этап, на котором формируют третий предотвращающий разложение слой вслед за слоем полупроводника p-типа при такой же температуре выращивания, как на третьем этапе, сразу же после третьего этапа, при этом

слой полупроводника p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1>Z>Y), формируют на третьем этапе,

третий предотвращающий разложение слой состоит из полупроводника на основе Al_γGa_1-γN (1≥γ>Z) и имеет толщину 3 нм или менее, и

по меньшей мере по окончании седьмого этапа температуру выращивания понижают и затем выполняют шестой этап.

8. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 7, в котором температура выращивания на шестом этапе ниже, чем температура выращивания на третьем этапе, на 150°С или более.

9. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по любому одному из пп. 1-3, дополнительно содержащий восьмой этап, на котором выполняют термическую обработку при температуре выше 1200°С и в то же время подают газ, содержащий 50% или более азота, по меньшей мере по окончании второго этапа.

10. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по п. 6, в котором температура выращивания на третьем этапе равна или ниже 1100°С.

11. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по любому одному из пп. 1-3, в котором второй этап представляет собой этап формирования активного слоя, который имеет структуру с одной или многочисленными квантовыми ямами, в котором один или более слоев ям, функционирующих как светоизлучающий слой, и один или более барьерных слоев, состоящих из полупроводника на основе Al_RGa_1-RN (1>R>Y), наслаивают поочередно.

12. Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента по любому одному из пп. 1-3, в котором температура выращивания на втором этапе равна или выше 1250°С.

13. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, имеющий пиковую длину волны излучения 285 нм или более короткую, содержащий:

нижележащую часть, включающую сапфировую подложку;

слой полупроводника n-типа, состоящий из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1>X≥0,5), при этом слой полупроводника n-типа сформирован на верхней поверхности нижележащей части;

активный слой, который включает в себя светоизлучающий слой, состоящий из полупроводника на основе Al_YGa_1-YN (X>Y>0), и который в целом состоит из полупроводника на основе AlGaN, при этом активный слой сформирован над слоем полупроводника n-типа; и

слой полупроводника p-типа, состоящий из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1≥Z>Y), при этом слой полупроводника p-типа сформирован над активным слоем, при этом

доля Al в составе на верхней поверхности слоя полупроводника n-типа больше, чем доля Al в составе внутри слоя полупроводника n-типа, или первый предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1≥α>X) и имеющий толщину 3 нм или менее, сформирован на верхней поверхности слоя полупроводника n-типа.

14. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент по п. 13, в котором

самый верхний слой активного слоя состоит из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥Y), и

доля Al в составе на верхней поверхности самого верхнего слоя больше, чем доля Al в составе внутри самого верхнего слоя, или второй предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_βGa_1-βN (1≥β>Y1) и имеющий толщину 3 нм или менее, сформирован на верхней поверхности активного слоя.

15. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент по п. 13 или 14, дополнительно содержащий контактный слой p-типа, сформированный над слоем полупроводника p-типа, при этом

слой полупроводника p-типа состоит из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-ZN (1>Z>Y),

контактный слой p-типа состоит из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0) и

доля Al в составе на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа больше, чем доля Al в составе внутри слоя полупроводника p-типа, или третий предотвращающий разложение слой, состоящий из полупроводника на основе Al_γGa_1-γN (1≥γ>Z) и имеющий толщину 3 нм или менее, сформирован на верхней поверхности слоя полупроводника p-типа.