TWI856366B - 氮化物半導體發光元件 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種氮化物半導體發光元件，其能夠抑制氫往活性層的擴散。作為解決手段的氮化物半導體元件具備：n型半導體層、p型半導體層、設置於n型半導體層與p型半導體層之間的活性層、及設置於活性層與p型半導體層之間的電子阻擋層。電子阻擋層的膜厚為100 nm以下。在n型半導體層、活性層、電子阻擋層及p型半導體層的積層方向之中，電子阻擋層的各位置的氫濃度的平均值為2.0×10 18atoms/cm 3以下。p型半導體層與前述電子阻擋層之邊界部處含有n型雜質。

Description

氮化物半導體發光元件
本發明關於一種氮化物半導體發光元件。
專利文獻1中揭示了一種氮化鎵系化合物半導體發光元件，其在p型氮化鎵系化合物半導體層與活性層之間設置有厚度100 nm以下的無摻雜中間層(undoped spacer layer)。在專利文獻1所記載的氮化鎵系化合物半導體發光元件中，若無摻雜中間層超過100nm，驅動氮化鎵系化合物半導體發光元件的電壓會上升，因此將無摻雜中間層設為100 nm以下。在此處，若將無摻雜中間層設為100 nm以下，p型氮化鎵系化合物半導體層與活性層之間的距離會變近，而會有氫由p型氮化鎵系化合物半導體層往活性層擴散的疑慮。因此，在專利文獻1所記載的氮化鎵系化合物半導體發光元件中，使p型氮化鎵系化合物半導體層中含有氧，來用以抑制氫由p型氮化鎵系化合物半導體層往活性層的擴散。 [先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：國際公開第2012/140844號公報。
[發明所欲解決的問題] 專利文獻1所記載的氮化鎵系化合物半導體發光元件中，從抑制氫往活性層的擴散這樣的觀點來看，仍有改善的空間。
本發明是有鑑於上述情況所完成者，目的在於提供一種氮化物半導體發光元件，其能夠抑制氫往活性層的擴散。 [解決問題的技術手段]
為了達成前述目的，本發明提供一種氮化物半導體發光元件，其具備n型半導體層、p型半導體層、設置於前述n型半導體層與前述p型半導體層之間的活性層、及設置於前述活性層與前述p型半導體層之間的電子阻擋層；前述電子阻擋層的膜厚為100 nm以下；在前述n型半導體層、前述活性層、前述電子阻擋層及前述p型半導體層的積層方向之中，前述電子阻擋層的各位置的氫濃度的平均值為2.0×10 18atoms/cm 3以下；並且，前述p型半導體層與前述電子阻擋層之邊界部含有n型雜質。 [發明的效果]
根據本發明，能夠提供一種氮化物半導體發光元件，其能夠抑制氫往活性層的擴散。
[實施形態] 參照第1圖來說明本發明的實施形態。再者，以下說明的實施形態是表示作為在實施本發明上較合適的具體例，並且雖然有具體例示技術上較佳的各種技術事項的部分，但本發明的技術範圍並不受該具體態樣所限定。
(氮化物半導體發光元件1) 第1圖是概略地顯示本形態中的氮化物半導體發光元件1的構成的示意圖。再者，第1圖中，氮化物半導體發光元件1(以下，也僅稱為「發光元件1」)的各層的積層方向的尺寸比未必與實際物一致。
發光元件1是用以構成例如：發光二極體(LED：Light Emitting Diode)或半導體雷射(LD：Laser Diode)。本形態中，發光元件1是用以構成發出紫外區域的波長的光的發光二極體(Light Emitting Diode：LED)。特別是，本形態的發光元件1是用以構成會發出中心波長為200 nm以上且365 nm以下的深紫外光的深紫外LED。本形態的發光元件1能夠在例如下述領域中使用：殺菌(例如空氣淨化、淨水等)、醫療(例如光線治療、量測/分析等)、UV(紫外線)硬化等。
發光元件1在基板2上依序具備：緩衝層3、n型包覆層4(n型半導體層)、組成傾斜層5、活性層6、電子阻擋層7及p型半導體層8。基板2上的各層能夠使用下述周知磊晶成長法來形成：有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy：MBE)、鹵化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE)等。此外，發光元件1具備：n側電極11，其設置於n型包覆層4上；及，p側電極12，其設置於p型半導體層8上。
以下，將基板2、緩衝層3、n型包覆層4、組成傾斜層5、活性層6、電子阻擋層7、及p型半導體層8的積層方向(第1圖的上下方向)僅稱為「積層方向」。此外，將相對於基板2來積層有發光元件1的各層之側(亦即第1圖的上側)稱為上側，將其相反側(亦即第1圖的下側)稱為下側。上下的表現是為了方便，並非用以限定例如：使用發光元件1時的發光元件1相對於垂直方向的姿勢。用以構成發光元件1的各層在積層方向具有厚度。
作為構成發光元件1的半導體能夠使用例如：Al xGa yIn 1 － x － yN(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x＋y≦1)表示的2～4元系的III族氮化物半導體。再者，深紫外LED中，經常使用不含銦的Al zGa 1-zN系(0≦z≦1)。此外，構成發光元件1的半導體的III族元素的一部分可置換為硼(B)、鉈(Tl)等。此外，也能夠以下述來將氮的一部分置換：磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)等。以下說明發光元件1的各構成要素。
(基板2) 基板2是由會使活性層6發出的光(本形態中為深紫外光)穿透的材料所構成。基板2為例如藍寶石(Al 2O 3)基板。再者，基板2可使用例如：氮化鋁(AlN)基板、或氮化鋁鎵(AlGaN)基板等。
(緩衝層3) 緩衝層3形成於基板2上。本形態中，緩衝層3是藉由氮化鋁來形成。再者，當基板2為氮化鋁基板或氮化鋁鎵基板時，緩衝層3未必要設置。
(n型包覆層4) n型包覆層4形成於緩衝層3上。n型包覆層4是n型半導體層，其由例如摻雜有n型雜質之Al aGa 1 － aN(0≦a≦1)所構成。n型包覆層4的Al組成比a例如較佳是設為20%以上，更佳是設為25%以上且70%以下。再者，Al組成比也稱為AlN莫耳分率。
n型包覆層4是摻雜有矽(Si)作為n型雜質之n型半導體層。再者，作為n型雜質，可使用鍺(Ge)、硒(Se)或碲(Te)等。n型包覆層4以外的包含n型雜質之半導體層亦同。n型包覆層4具有1 μm以上且4 μm以下的膜厚。n型包覆層4可以是單層結構，也可以是複數層結構。
(組成傾斜層5) 組成傾斜層5形成於n型包覆層4上。組成傾斜層5是由Al bGa 1 － bN(0＜b≦1)所構成。組成傾斜層5的積層方向的各位置中的Al組成比是越靠上側的位置變得越大。再者，組成傾斜層5在積層方向的極小部分的區域(例如組成傾斜層5的整個積層方向的5%以下的區域)中，可包含Al組成比不會隨著越往上側變得越大的區域。
組成傾斜層5較佳是：其下端部的Al組成比與n型包覆層4的Al組成比大致相同(例如差值在5%以內)，並且其上端部的Al組成比與和組成傾斜層5鄰接的障壁層61的Al組成比大致相同(例如差值在5%以內)。藉由設置組成傾斜層5，即能夠在和組成傾斜層5的上下相鄰的障壁層61與n型包覆層4之間防止Al組成比急遽變化。藉此，能夠抑制起因於晶格失配的錯位發生。其結果，活性層6中能夠藉由非發光性的再結合來抑制電子與電洞被消耗，從而提升發光元件1的光輸出。組成傾斜層5的膜厚能夠設為例如5 nm以上且20 nm以下。本形態中，組成傾斜層5中較佳是含有作為n型雜質的矽，但不限於此。
(活性層6) 活性層6形成於組成傾斜層5上。本形態中，活性層6是以成為具有複數層的阱層62之多重量子阱結構的方式來形成。本形態中，活性層6具有各3層的障壁層61與阱層62，並且障壁層61與阱層62交互地進行積層。活性層6中，障壁層61位於下端，阱層62位於上端。活性層6在多重量子阱結構內會使電子與電洞再結合來產生既定波長的光。本形態中，活性層6為了輸出波長365 nm以下的深紫外光，是以使能帶隙成為3.4 eV以上的方式構成。特別是，本形態中，活性層6是以能夠產生中心波長為200 nm以上且365 nm以下的深紫外光的方式構成。
各障壁層61是由Al cGa 1-cN(0＜c≦1)所構成。各障壁層61的Al組成比c，例如能夠設為75%以上且95%以下。此外，各障壁層61具有2 nm以上且12 nm以下的膜厚。
各阱層62是由Al dGa 1 － dN(0≦d＜1)所構成。本形態中，3層的阱層62為最下方阱層621與2層的上側阱層622，而在構成上不同，最下方阱層621是被形成在距離p型半導體層8最遠的位置處的阱層62，上側阱層622是最下方阱層621以外的2層的阱層62。
最下方阱層621的膜厚比各上側阱層622的膜厚大1 nm以上。本形態中，最下方阱層621具有4 nm以上且6 nm以下的膜厚，各上側阱層622具有2 nm以上且4 nm以下的膜厚。最下方阱層621與各上側阱層622的膜厚差，能夠設為2 nm以上且4 nm以下。最下方阱層621的膜厚能夠設為上側阱層622的膜厚的例如2倍以上且3倍以下。藉由最下方阱層621的膜厚大於上側阱層622的膜厚，最下方阱層621會平坦化，並且形成於最下方阱層621上的活性層6的各層的平坦性也會提升。藉此，能夠抑制在活性層6的各層中產生Al組成比的變異，而能夠使輸出光的單色性提升。
此外，最下方阱層621的Al組成比比2層的上側阱層622分別的Al組成比大2%以上。本形態中，最下方阱層621的Al組成比具有35%以上且55%以下的Al組成比，各上側阱層622具有25%以上且45%以下的Al組成比。最下方阱層621的Al組成比與各上側阱層622的Al組成比的差值，例如能夠設為10%以上且30%以下。最下方阱層621的Al組成比能夠設為上側阱層622的Al組成比的例如1.4倍以上且2.2倍以下。藉由將最下方阱層621的Al組成比設為大於上側阱層622的Al組成比，能夠將n型包覆層4與最下方阱層621之間的Al組成比的差值減少至較小，而提升最下方阱層621的結晶性。藉由最下方阱層621的結晶性提升，也可提升形成於最下方阱層621上的活性層6的各層的結晶性。藉此，能夠使活性層6中的載體的移動度提升，而提升發光強度。
此外，例如：在最下方阱層621中可摻雜有作為n型雜質的矽。藉此，會誘發活性層6中的V坑(pit)的形成，該V坑會產生停止錯位從n型包覆層4側進展的作用。再者，上側阱層622中也可以含有矽等n型雜質。此外，本形態中，活性層6設為多重量子阱結構，但是也可以是僅具備1層的阱層62之單一量子阱結構。
(電子阻擋層7) 電子阻擋層7具有下述功能：藉由抑制電子從活性層6漏出至p型半導體層8側的外溢(overflow)現象的產生，來提高對活性層6的電子注入效率。本形態中，電子阻擋層7由Al eGa 1-eN(0.7＜e≦1)所構成。亦即，本形態中，電子阻擋層7的Al組成比e為70%以上。電子阻擋層7具有從下側依序積層而成的第一層71及第二層72。
第一層71是以與位於活性層6最上側的上側阱層622相接的方式來設置。第一層71的Al組成比較佳是設為80%以上，本形態中是由氮化鋁所構成(亦即Al組成比為100%)。Al組成比越大則抑制電子通過的電子阻擋效果越高。因此，藉由在與活性層6鄰接的位置形成Al組成比大的第一層71，即能夠在接近活性層6的位置處獲得高電子阻擋效果，並且容易確保3層的阱層62中的電子的存在機率。
在此處，若Al組成比高的第一層71的膜厚過大，會有整個發光元件1的電阻值變得過大的疑慮。因此，第一層71的膜厚較佳是設為0.5 nm以上且10 nm以下，更佳是設為0.5 nm以上且5 nm以下。另一方面，若降低第一層71的膜厚，則可能會因穿隧效應而增加電子從下側至上側穿過第一層71的機率。因此，本形態的發光元件1中，在第一層71上形成有第二層72，藉此，已抑制電子穿過整個電子阻擋層7。
第二層72具有比第一層71的Al組成比更小的Al組成比。第二層72的Al組成比例如能夠設為70%以上且90%以下。此外，第二層72的膜厚，較佳是第一層71的膜厚以上，從確保電子阻擋效果及降低電阻值的觀點來看，較佳是設為1 nm以上且小於100 nm。
電子阻擋層7的膜厚T即第一層71及第二層72的合計膜厚，能夠設為15 nm以上且100 nm以下。特別是，當將電子阻擋層7的膜厚T設為100 nm以下時，伴隨對發光元件1通電，作為自p型半導體層8往活性層6側擴散的p型雜質的鎂會變得容易到達活性層6。並且，因為氫容易與鎂結合，若自p型半導體層8往活性層6側擴散的鎂變得容易到達活性層6，氫也會同時地變得容易往活性層6擴散。若鎂往活性層6擴散，會由於構成活性層6的母相原子與鎂的原子半徑的差異，變得容易在活性層6中發生錯位。若是如此，活性層6中的電子與電洞的再結合會容易成為非發光性的再結合(例如使振動產生的再結合)，而有發光效率降低的疑慮。此外，若氫往活性層6擴散，活性層6會劣化，並且伴隨通電時間的經過，會有發光輸出降低並且發光元件1的壽命變短的疑慮。
因此，本形態中，整個電子阻擋層7的積層方向的各位置的氫濃度的平均值成為2.0×10 18atoms/cm 3以下，較佳是成為1.0×10 18atoms/cm 3以下。如此，電子阻擋層7的氫濃度較低，藉此能夠抑制氫結合於由p型半導體層往活性層6擴散的鎂，並且能夠抑制氫往活性層6擴散。
電子阻擋層7的各層中的氫濃度的調整，例如能夠藉由調整電子阻擋層7的各層的鎂濃度來實現。亦即，因為氫會容易收到鎂的牽引，例如藉由降低電子阻擋層7的各層的鎂濃度，即能夠降低電子阻擋層7的各層的氫濃度。從降低電子阻擋層7的各層的氫濃度的觀點來看，電子阻擋層7的各層的積層方向的各位置的鎂濃度，較佳是設為5.0×10 18atoms/cm 3以下，更佳是設為背景濃度程度。背景濃度程度的鎂濃度，是在不摻雜鎂時所檢測出的鎂濃度。
本形態中，電子阻擋層7的各層是無摻雜的層。再者，電子阻擋層7的各層能夠設為含有n型雜質之層、含有p型雜質之層、或含有n型雜質及p型雜質雙方之層。當電子阻擋層7的各層含有雜質時，電子阻擋層7的各層所含有的雜質可包含於電子阻擋層7的各層的整體中，也可以包含於電子阻擋層7的各層的一部分中。作為電子阻擋層7的各層所包含的p型雜質，能夠使用鎂(Mg)，除了鎂以外，也可以使用：鋅(Zn)、鈹(Be)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、或碳(C)等。此外，整個電子阻擋層7中的各雜質濃度的積層方向平均，較佳是分別為5.0×10 18atoms/cm 3以下。如此，藉由降低電子阻擋層7的各層的雜質濃度，可抑制自p型半導體層8往活性層6側擴散的氫到達至活性層6。此外，電子阻擋層7能夠以單層來構成。
(電子阻擋層7與p型半導體層8之邊界部13) 在電子阻擋層7與p型半導體層8之邊界部13處，包含有作為n型雜質的矽。設置邊界部13中所含有的矽的目的在於，抑制鎂及氫自p型半導體層8往活性層6擴散。亦即，藉由電子阻擋層7與p型半導體層8之邊界部13中含有矽，能夠藉由邊界部13的矽來攔截p型半導體層8中的鎂。藉此，可抑制p型半導體層8中的鎂往活性層6擴散。再者，p型雜質與n型雜質，特別是鎂與矽容易互相牽引。進而，因為氫容易結合於鎂，所以藉由鎂自p型半導體層8往活性層6的擴散受到抑制，氫自p型半導體層8往活性層6的擴散也會一併受到抑制。再者，鎂在III-V族半導體中，時常被用來作為p型雜質。
在邊界部13處，矽只要能夠以下述至少任一狀態存在即可：固溶於結晶中的狀態；形成有團簇(cluster)的狀態；及，析出了含有矽之化合物的狀態。所謂矽固溶於結晶中的狀態，是構成邊界部13的氮化鋁鎵中摻雜有矽的狀態，亦即矽位於氮化鋁鎵的晶格位置中的狀態。又，所謂矽形成有團簇的狀態是下述狀態：構成邊界部13的氮化鋁鎵中過剩地摻雜有矽，而矽存在於氮化鋁鎵的晶格位置，並且在晶格間位置處也有進行凝聚等而存在有矽。並且，所謂析出了含有矽之化合物的狀態，例如是形成有氮化矽等的狀態。在電子阻擋層7與p型半導體層8之邊界部13處，可形成有含矽之層，也可以是含矽之部位分散地存在於與積層方向正交的面方向上。
在發光元件1的積層方向的矽濃度分布中，邊界部13中的矽濃度的峰值，較佳是滿足1.0×10 18atoms/cm 3以上且1.0×10 20atoms/cm 3以下。藉由設為1.0×10 18atoms/cm 3以上，能夠進一步容易地抑制鎂的擴散。此外，藉由設為1.0×10 20atoms/cm 3以下，能夠抑制與邊界部13鄰接的第二層72及第一p型包覆層81的結晶性降低的情況。進一步，在發光元件1的積層方向的矽濃度分布中，邊界部13中的矽濃度的峰值，更佳是滿足3.0×10 18atoms/cm 3以上且5.0×10 19atoms/cm 3以下。並且，將位於包含有矽之邊界部13與活性層6之間的電子阻擋層7，設為如同前述那樣的雜質較少的層(特別是無摻雜的層)，並將位於與邊界部13中的活性層6側為相反側的p型半導體層8設為p型雜質較多的層，藉此可增加p型半導體層8的載體濃度，還能夠抑制鎂及氫自p型半導體層8往活性層6擴散。
(p型半導體層8) p型半導體層8形成於第二層72上。本形態中，p型半導體層8的Al組成比為小於70%。本形態中，p型半導體層8是具有從下側依序積層而成的第一p型包覆層81、第二p型包覆層82及p型接觸層83。
第一p型包覆層81是以與第二層72相接的方式設置。第一p型包覆層81是由包含鎂作為p型雜質之Al fGa 1-fN(0＜f≦1)所構成。第一p型包覆層81的鎂濃度，能夠設為1.0×10 18atoms/cm 3以上且5.0×10 19atoms/cm 3以下。第一p型包覆層81的Al組成比f，能夠設為45%以上且65%以下。第一p型包覆層81具有15 nm以上且35 nm以下的膜厚。
第二p型包覆層82是由包含鎂作為p型雜質之Al gGa 1-gN(0＜g≦1)所構成。第二p型包覆層82的鎂濃度，與第一p型包覆層81的鎂濃度相同，能夠設為1.0×10 18atoms/cm 3以上且5.0×10 19atoms/cm 3以下。
第二p型包覆層82的積層方向的各位置中的Al組成比，呈越靠上側的位置越小。再者，第二p型包覆層82在積層方向的極小部分的區域(例如第二p型包覆層82的整個積層方向的5%以下的區域)中，可包含Al組成比不會隨著越往上側變得越小的區域。
第二p型包覆層82較佳是：其下端部的Al組成比與第一p型包覆層81的Al組成比大致相同(例如差值在5%以內)，並且其上端部的Al組成比與p型接觸層83的Al組成比大致相同(例如差值在5%以內)。藉由設置第二p型包覆層82，即能夠在與第二p型包覆層82的上下相鄰的p型接觸層83與第一p型包覆層81之間防止Al組成比急遽變化。藉此，能夠抑制起因於晶格失配的錯位發生。其結果，活性層6中的電子與電洞能夠藉由非發光性的再結合來抑制受到消耗的情況，從而提升發光元件1的光輸出。第二p型包覆層82的膜厚能夠設為例如2 nm以上且4 nm以下。
p型接觸層83是連接有p側電極12的層，是由高濃度地摻雜有作為p型雜質的鎂之Al hGa 1-hN(0≦h＜1)所構成。p型接觸層83的鎂濃度能夠設為5.0×10 18atoms/cm 3以上且5.0×10 21atoms/cm 3以下。本形態中，p型接觸層83是由p型的氮化鎵(GaN)所構成。p型接觸層83為了實現與p側電極12的歐姆接觸，是以使Al組成比h降低的方式構成，從這樣的觀點來看，較佳是藉由p型的氮化鎵(GaN)來形成。p型接觸層83的膜厚，能夠設為例如10 nm以上且25 nm以下。
再者，p型半導體層8的各層中所含有的p型雜質設為鎂，但是也可以設為：鋅、鈹、鈣、鍶、鋇、或碳等。
(n側電極11) n側電極11形成於在n型包覆層4中在上側露出的面上。n側電極11能夠設為例如多層膜，該多層膜在n型包覆層4上依序積層有鈦(Ti)、鋁、鈦、金(Au)。
(p側電極12) p側電極12形成於p型接觸層83上。p側電極12是將從活性層6所發出的深紫外光進行反射的反射電極。p側電極12具有在活性層6所發出的光的中心波長中的50%以上的反射率，較佳是60%以上的反射率。p側電極12較佳是含銠(Rh)之金屬。含銠之金屬對於深紫外光的反射率高，且與p型接觸層83的黏合性也高。本形態中，p側電極12由銠的單膜所構成。由活性層6往上側發出的光，會在p側電極12與p型半導體層8之界面處被反射。
本形態中，發光元件1是覆晶(flip chip)安裝在未圖示的封裝基板。亦即，發光元件1是將積層方向中的設置有n側電極11及p側電極12之側朝向封裝基板側，經由金凸塊等來將n側電極11及p側電極12分別安裝在封裝基板。覆晶安裝而成的發光元件1從基板2側(亦即下側)將光萃取出。再者，不限於此，發光元件1也可以藉由打線接合(wire bonding)等來安裝在封裝基板。此外，本形態中，發光元件1是設為所謂的橫型的發光元件1，該橫型的發光元件1是n側電極11及p側電極12雙方設置於發光元件1的上側而成，但不限於此，也可以是縱型的發光元件1。縱型的發光元件1為藉由n側電極11及p側電極12來將活性層6夾在中間而成的發光元件1。再者，當將發光元件1設為縱型時，基板2及緩衝層3較佳是藉由雷射剝離(lift-off)等來去除。
(有關元素濃度的數值) 前述的發光元件1的積層方向的各位置中的元素濃度(氫濃度、矽濃度等)的數值，是藉由二次離子質量分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)所獲得的值。即便在使用二次離子質量分析法時，仍可能會因為同時進行測定元素濃度的元素數量及元素種類等，造成測定結果大幅地變化，因此針對元素濃度的測定方法進行說明。
當要進行發光元件1的積層方向的各位置中的元素濃度的測定時，分別實行：同時測定矽、氧、碳及氫這4種元素的濃度及鋁的二次離子強度的步驟；及，同時測定鎂濃度及鋁的二次離子強度的步驟。當要測定該等元素時，能夠使用ULVAC-PHI, Inc.製造的PHI ADEPT1010。再者，二次離子質量分析法中，無法正確地進行構成最表面的層(本形態中是p型接觸層83)的元素濃度的測定，但是前述的發光元件1的積層方向的各位置中的元素濃度(氧濃度、氫濃度、矽濃度等)的數值，是忽略了無法正確地測量的區域的測定值。作為測定條件，能夠將一次離子種類設為Cs +，將一次加速電壓設為2.0 kV，並將檢測區域設為88×88μm 2。
(實施形態的作用及效果) 本形態中，電子阻擋層7的膜厚T是100 nm以下。電子阻擋層7因為Al組成比高，所以若變厚會成為使整個發光元件1的電阻值上升的主要原因，因而藉由將電子阻擋層7的膜厚T設為100 nm以下，即能夠使整個發光元件1的電阻值降低。在此處，當將電子阻擋層7的膜厚T設為100 nm以下時，若是沒有特別地處置，p型雜質(鎂)會變得容易由p型半導體層8通過電子阻擋層7地往活性層6擴散。進而，因為氫容易與鎂結合，若自p型半導體層8往活性層6側擴散的鎂變得容易到達活性層6，氫也會同時地變得容易往活性層6擴散。若鎂往活性層6擴散，會由於構成活性層6的母相原子與鎂的原子半徑的差異，變得容易在活性層6中發生錯位。若是如此，活性層6中的電子與電洞的再結合會容易成為非發光性的再結合(例如使振動產生的再結合)，而有發光效率降低的疑慮。此外，若氫往活性層6擴散，活性層6會劣化，並且伴隨通電時間的經過，會有發光輸出降低並且發光元件1的壽命變短的疑慮。
因此，本形態中，使在p型半導體層8與電子阻擋層7之邊界部13中含有n型雜質(矽)。因為鎂容易受矽牽引，所以藉由邊界部13中含有矽，要自p型半導體層8往活性層6側擴散的鎂會由於邊界部13的矽而被攔截。因此，能夠降低自p型半導體層8往活性層6側擴散的鎂，繼而能夠抑制與鎂結合的氫往活性層6擴散。進一步，本形態中，將電子阻擋層7中的積層方向的各位置的氫濃度的平均值設為2.0×10 18atoms/cm 3以下。藉此，即便鎂自p型半導體層8往活性層6擴散，仍能夠抑制氫結合於往活性層6擴散的鎂，因此能夠抑制氫往活性層6擴散。
此外，電子阻擋層7的積層方向的各位置的氫濃度的平均值進一步滿足1.0×10 18atoms/cm 3以下。藉此，能夠進一步抑制氫自p型半導體層8往活性層6擴散。
此外，發光元件1中的積層方向的矽濃度分布中，邊界部13的峰值是1.0×10 18atoms/cm 3以上。由此能夠更加抑制鎂及氫自p型半導體層8往活性層6側的擴散。
此外，發光元件1中的積層方向的矽濃度分布中，邊界部13的峰值進一步滿足1.0×10 20atoms/cm 3以下。由此能夠抑制與邊界部13鄰接的第二層72及第一p型包覆層81的結晶性降低的情況。
此外，電子阻擋層7中的積層方向的各位置的n型雜質濃度的平均值及電子阻擋層7中的積層方向的各位置的p型雜質濃度的平均值，分別為5.0×10 18atoms/cm 3以下。如此，藉由降低電子阻擋層7的雜質濃度，能夠抑制氫經由電子阻擋層7地自p型半導體層8往活性層6擴散。
如同上述，根據本形態能夠提供一種氮化物半導體發光元件，其能夠抑制氫往活性層的擴散。
[實驗例] 本實驗例是針對分別且適當地變更鎂濃度與氫濃度而成的樣品1～樣品4的發光元件，評價初始發光輸出及殘留發光輸出後的示例。再者，在本實驗例中所使用的構成要素的名稱中，與既有形態所使用的名稱相同者，只要沒有特別說明，即表示與既有形態相同的構成要素。
首先，針對樣品1～樣品4的發光元件進行說明。表1中顯示了樣品1～樣品4的發光元件的各層的厚度、Al組成比、矽濃度、鎂濃度及氫濃度。
[表1]
構造 膜厚 Al組成比[％] Si濃度[atoms/cm 3] Mg濃度[atoms/cm 3] H濃度[atoms/cm 3]
基板 430um±25 um - BG BG BG
緩衝層 2000±200 nm 100 BG BG BG
n型包覆層 2000±200 nm 55±10 (1.50±1.00)E+19 BG BG
組成傾斜層 15±5 nm 55→85 BG-最下方阱層的波峰濃度 BG BG
活性層(3QW) 障壁層 7±5 nm 85±10 BG-最下方阱層的波峰濃度 BG BG
阱層(最下方阱層) 5±1 nm 45±10 波峰濃度：(3.50±2.50)E+19 BG BG
障壁層 7±5 nm 85±10 BG-最下方阱層的波峰濃度 BG BG
阱層(上側阱層) 3±1 nm 35±10 BG-1.00E+19 BG BG
障壁層 7±5 nm 85±10 BG-1.00E+19 BG-1.00E+19 BG-1.00E+19
阱層(上側阱層) 3±1 nm 35±10 BG-1.00E+18 BG-1.00E+19 BG-1.00E+19
電子阻擋層 第一層 2±1nm 95±5 ・邊界部的波峰濃度 (2.00±1.00)E+19 ・邊界部以外 BG 平均值 樣品1：1.97E+17 樣品2：3.96E+18 樣品3：6.56E+18 樣品4：7.80E+18 平均值 樣品1：2.80E+17 樣品2：7.14E+17 樣品3：2.69E+18 樣品4：4.15E+18
第一層 20±5 nm 80±10
p型半導體層 第一p型包覆層 25±10 nm 55±10 1.00E+18-5.00E+19 1.00E+18-5.00E+19
第二p型包覆層 3±1nm 55→0 1.00E+18-5.00E+19 1.00E+18-5.00E+19
p型接觸層 20±5 nm 0 5.00E+18-5.00E+21 BG-5.00E+21
表1中所記載的各層的Al組成比，是基於藉由SIMS測定出的Al的二次離子強度所推算出的值。表1中，「BG」這樣的標記表示背景濃度程度。表1中的組成傾斜層的欄位表示了自組成傾斜層的下端起延續到上端為止，組成傾斜層的積層方向的各位置的Al組成比自55%逐漸增加到85%的情況。同樣地，在表1中的第二p型包覆層的欄位表示了自第二p型包覆層的下端起延續到上端為止，第二p型包覆層的積層方向的各位置的Al組成比自55%逐漸減少到0%的情況。表1中，電子阻擋層的鎂濃度的欄位，表示了樣品1～樣品4中的電子阻擋層的積層方向的各位置的鎂濃度的平均值。表1中，電子阻擋層的氫濃度的欄位，表示了樣品1～樣品4中的電子阻擋層的積層方向的各位置的氫濃度的平均值。再者，表1中所記載的電子阻擋層的欄位中的鎂濃度的平均值及氫濃度的平均值，是忽略了下述區域之測定結果：自電子阻擋層與活性層的邊界起至往p型半導體層側距離5nm的位置為止的區域、及自電子阻擋層與p型半導體層的邊界起至往遠離活性層側距離5nm的位置為止的區域。其原因在於，該等區域是無法利用SIMS獲得正確的數值之處。
由表1可知，樣品1～樣品4中，電子阻擋層中的積層方向的各位置的鎂濃度的平均值及電子阻擋層中的積層方向的各位置的氫濃度的平均值不同。亦即，電子阻擋層中的積層方向的各位置的鎂濃度的平均值及電子阻擋層中的積層方向的各位置的氫濃度的平均值，分別依照樣品1、樣品2、樣品3、樣品4的順序變大。至於其他構成方面，樣品1～樣品4具有互為相同的構成。
第2圖中顯示了各樣品的發光元件中的積層方向的矽濃度分布及Al二次離子強度分布。第3圖中顯示了各樣品的發光元件中的積層方向的鎂濃度分布及Al二次離子強度分布。第4圖中顯示了各樣品的發光元件中的積層方向的氫濃度分布及Al二次離子強度分布。再者，第2圖中，有關積層方向的矽濃度分布及Al二次離子強度分布兩者，在樣品1～樣品4的結果方面沒有太大的差異，因此僅表示作為代表的樣品1的結果。第3圖及第4圖中，有關積層方向的Al二次離子強度分布，在樣品1～樣品4的結果方面沒有太大的差異，因此僅表示作為代表的樣品1的結果。此外，第3圖及第4圖中，從容易觀察的觀點來看，有關鎂濃度分布及氫濃度分布，以實線表示樣品1及樣品3的結果，並以虛線表示樣品2及樣品4的結果。此外，第2圖～第4圖中，顯示了樣品1～樣品4的發光元件的各層大致的邊界位置。
第2圖中，在電子阻擋層與p型半導體層之邊界部中表現有矽濃度的波峰P。在此處，第2圖中，波峰P雖然看起來具有一定程度的寬度，但是這僅是測定上的問題，實際上邊界部大致沒有含矽之部分的厚度。此外，比較第3圖及第4圖可知，氫濃度會與鎂濃度連動地進行增減。亦即，可知電子阻擋層包含越多鎂，則氫濃度會變得越高。
並且，針對樣品1～樣品4測定初始發光輸出與殘留發光輸出。初始發光輸出是在製造後立即使500 mA的電流流經樣品1～樣品4時的發光輸出。此外，殘留發光輸出是持續112小時流通500 mA的電流後的樣品1～樣品4時的發光輸出。發光輸出的測定，是藉由設置在樣品1～樣品4的發光元件各自的下側的光偵測器來測定。將結果顯示於第5圖的圖表。第5圖中，將樣品1的結果以圓形記號標示，將樣品2的結果以方形記號標示，將樣品3的結果以三角形記號標示，並將樣品4的結果以X形記號標示。
由第5圖可知，樣品1～樣品4中，電子阻擋層的平均氫濃度越低，初始發光輸出會變得越高。此外，樣品1～樣品4中，電子阻擋層的平均氫濃度越低，殘留發光輸出也會變得越高。進一步，樣品3及樣品4與樣品1及樣品2，在圖表上的斜率不同，並且可知樣品1及樣品2在發光輸出方面降低的速度較為緩和。因而可知，在樣品1及樣品2即電子阻擋層的積層方向的各位置的氫濃度的平均值滿足2.0×10 18atoms/cm 3以下的發光元件中，可達成發光元件的長壽命化。此外，從該結果可知，特佳是電子阻擋層的積層方向的各位置的氫濃度的平均值滿足1.0×10 18atoms/cm 3以下。此外還可知，比起電子阻擋層的積層方向的各位置的氫濃度的平均值超過7.0×10 17atoms/cm 3的樣品2～樣品4，樣品1即前述平均值為2.80×10 17atoms/cm 3的發光元件中，初始發光輸出及殘留發光輸出兩者皆變高，且也能夠達成高壽命化。因此可知，電子阻擋層的積層方向的各位置的氫濃度的平均值進一步較佳是滿足7.0×10 17atoms/cm 3以下。
(實施形態的總括) 繼而，援用實施形態中的符號來記載由以上說明的實施形態所掌握的技術思想。但是，以下的記載中的各符號等，並非用以將發明申請專利範圍中的構成要素限定為實施形態中具體地表示的構件等。
[1] 本發明的第一實施態樣是一種氮化物半導體發光元件(1)，其具備n型半導體層(4)、p型半導體層(8)、設置於前述n型半導體層(4)與前述p型半導體層(8)之間的活性層、及設置於前述活性層與前述p型半導體層(8)之間的電子阻擋層(7)；前述電子阻擋層(7)的膜厚(T)為100 nm以下；在前述n型半導體層(4)、前述活性層、前述電子阻擋層(7)及前述p型半導體層(8)的積層方向之中，前述電子阻擋層(7)的各位置的氫濃度的平均值為2.0×10 18atoms/cm 3以下；並且，前述p型半導體層(8)與前述電子阻擋層(7)之邊界部(13)含有n型雜質。 藉此，能夠抑制氫由p型半導體層往活性層擴散。
[2] 本發明的第二實施態樣是針對第一實施態樣，前述積層方向中的前述電子阻擋層(7)的各位置的氫濃度的平均值進一步滿足1.0×10 18atoms/cm 3以下。 藉此，能夠進一步抑制p型雜質及氫由p型半導體層往活性層側的擴散。
[3] 本發明的第三實施態樣是針對第一或第二實施態樣，在前述積層方向中的前述n型雜質的濃度分布中，前述邊界部(13)的峰值為1.0×10 18atoms/cm 3以上。 藉此，能夠進一步抑制p型雜質及氫由p型半導體層往活性層側的擴散。
[4] 本發明的第四實施態樣是針對第三實施態樣，前述峰值進一步滿足1.0×10 20atoms/cm 3以下。 藉此，能夠抑制與邊界部鄰接的電子阻擋層及p型半導體層的結晶性降低的情況。
[5] 本發明的第五實施態樣是針對第一～第四實施態樣中的任一態樣，前述電子阻擋層(7)中的前述積層方向的各位置的n型雜質濃度的平均值及前述電子阻擋層(7)中的前述積層方向的各位置的p型雜質濃度的平均值，分別為5.0×10 18atoms/cm 3以下。 藉此，能夠進一步抑制p型雜質及氫由p型半導體層往活性層側的擴散。
(附記) 以上已說明本發明的實施形態，但前述實施形態並非用以限定申請專利範圍的發明。此外，應注意的是：實施形態中所說明的特徵的全部組合不一定對於解決發明所欲解決的問題的技術手段而言皆為必須。此外，本發明能夠在不脫離其要旨的範圍內適當變形來實施。
1:發光元件 11:n側電極 12:p側電極 13:邊界部 2:基板 3:緩衝層 4:n型包覆層(n型半導體層) 5:組成傾斜層 6:活性層 61:障壁層 62:阱層 621:最下方阱層 622:上側阱層 7:電子阻擋層 71:第一層 72:第二層 8:p型半導體層 81:第一p型包覆層 82:第二p型包覆層 83:p型接觸層 T:電子阻擋層的膜厚
第1圖是概略性地顯示實施形態中的氮化物半導體發光元件的構成的示意圖。 第2圖是顯示實驗例的樣品1～樣品4的發光元件中的積層方向的矽濃度分布及Al二次離子強度分布的圖表。 第3圖是顯示實驗例的樣品1～樣品4的發光元件中的積層方向的鎂濃度分布及Al二次離子強度分布的圖表。 第4圖是顯示實驗例的樣品1～樣品4的發光元件中的積層方向的氫濃度分布及Al二次離子強度分布的圖表。 第5圖是顯示實驗例的樣品1～樣品4的發光元件中的初始發光輸出及殘留發光輸出的圖表。
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Claims (5)

  1. 一種氮化物半導體發光元件，其具備n型半導體層、具有由p型的氮化鎵所構成之p型接觸層之p型半導體層、設置於前述n型半導體層與前述p型半導體層之間的活性層、及設置於前述活性層與前述p型半導體層之間的電子阻擋層；前述電子阻擋層的膜厚為100nm以下；在前述n型半導體層、前述活性層、前述電子阻擋層及前述p型半導體層的積層方向之中，前述電子阻擋層的各位置的氫濃度的平均值為2.0×1018atoms/cm3以下；前述p型半導體層與前述電子阻擋層之邊界部含有n型雜質；前述電子阻擋層由無摻雜的層所構成；前述p型接觸層的膜厚為10nm以上且25nm以下。
  2. 如請求項1所述之氮化物半導體發光元件，其中，前述積層方向中的前述電子阻擋層的各位置的氫濃度的平均值進一步滿足1.0×1018atoms/cm3以下。
  3. 如請求項1或2所述之氮化物半導體發光元件，其中，在前述積層方向中的前述n型雜質的濃度分布中，前述邊界部的峰值為1.0×1018atoms/cm3以上。
  4. 如請求項3所述之氮化物半導體發光元件， 其中，前述峰值進一步滿足1.0×1020atoms/cm3以下。
  5. 如請求項1所述之氮化物半導體發光元件，其中，前述電子阻擋層中的前述積層方向的各位置的n型雜質濃度的平均值及前述電子阻擋層中的前述積層方向的各位置的p型雜質濃度的平均值，分別為5.0×1018atoms/cm3以下。
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