專利名稱：半導體發(fā)光元件、其制造方法及半導體發(fā)光元件制造系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及諸如綠、藍或紫外區(qū)域的氮化物化合物半導體發(fā)光元件的半導體發(fā)光元件及其制造方法，以及在該半導體發(fā)光元件的制造方法中采用的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)上，在該類型的傳統(tǒng)氮化物半導體發(fā)光元件中，氮化物化合物半導體發(fā)光元件廣泛地用作綠、藍或紫外區(qū)域的半導體發(fā)光元件。然而，除了發(fā)光強度外，還存在進一步改善氮化物化合物半導體發(fā)光元件的各種特性上的空間。具體而言，在靜電放電的閾值電壓方面，期望氮化物化合物半導體發(fā)光元件比鎵或砷基半導體發(fā)光元件或銦或磷基半導體發(fā)光元件明顯更便宜且在靜電放電閾值電壓上有較大改善。
這里，為了 改善傳統(tǒng)氮化物半導體發(fā)光元件的發(fā)光輸出，下面引用的參考文獻I 和2中描述了有關有源層(發(fā)光層)摻雜的各種結構的建議。
專利文獻I描述了有源層通過順序層疊非摻雜InGaN量子阱層和摻雜有η型雜質的GaN勢壘層形成。此外，描述了摻雜有η型雜質的該GaN勢壘層在與上述InGaN量子阱層相接觸的表面上提供有防擴散膜。描述了該防擴散膜包括濃度低于GaN勢壘層的η型雜質。
圖5是示出專利文獻I公開的傳統(tǒng)半導體發(fā)光二極管的截面?zhèn)纫晥D。
如圖5所示，傳統(tǒng)的GaN半導體發(fā)光二極管100在藍寶石基板101上提供有由η型 GaN構成的第一氮化物半導體層102、具有多量子阱結構的有源層103和由ρ型AlGaN或ρ 型GaN構成的第二氮化物半導體層104。在第一氮化物半導體層102的臺面蝕刻的頂表面上形成η型電極106a，在第二氮化物半導體層104的頂表面上形成透明電極層105，并且ρ 型電極106b形成在透明電極層105上。
具有多量子阱結構的有源層103示出有交替層疊的四個未摻雜的GaN量子勢壘層 103a和五個摻雜有η型雜質的InGaN量子阱層103b。然而，不限制量子勢壘層103a和量子阱層103b的材料或數(shù)量。例如，在氮化物半導體元件中，量子阱勢壘層103a可為了使用從 AlxlInylGanylN Cx^y1=I, O ^ X1 ^ I, O ^ Y1 ^ I)中適當選擇，并且量子講層 103b 可為了使用從Alx2Iny2Gany2N (x2+y2=l, O彡X2彡1，O彡y2彡I)中適當選擇,作為能量帶隙小于量子阱勢壘層103a的材料。
另一方面，專利文獻2描述了有源層包括η型雜質，并且有源層中的η型雜質在η 層側的濃度高于P層側的濃度。
圖6是示出專利文獻2中公開的傳統(tǒng)氮化物半導體發(fā)光元件的截面?zhèn)纫晥D。
在圖6中，傳統(tǒng)氮化物半導體發(fā)光元件200包括基板201，其層疊有緩沖層202、未摻雜GaN層203、由摻雜有Si的GaN構成的η型接觸層204、η型第一多層膜層205、η型第 二多層膜層206、具有由InGaN/GaN構成的多量子阱結構的有源層207、ρ型多層膜層208 和由摻雜有Mg的GaN構成的ρ型接觸層209。構成η型多層膜層206和ρ型多層膜層208 的氮化物半導體的成分和/或層數(shù)對于各自的η型和ρ型是不同的。
具有多量子阱結構的有源層207具有含多層膜結構的多量子阱結構，其中阱層和 勢壘層按順序交替層疊。為了實現(xiàn)多量子阱結構的最小層疊結構，考慮由一個勢壘層和勢 壘層的兩側上提供的兩個阱層構成的三層結構或者由一個阱層和其兩側上提供的兩個勢 壘層構成的三層結構。在多量子阱結構中，兩側上的兩個最外層用阱層或勢壘層構成。此 夕卜，它可構造為使最外層之一是阱層，而另一個最外層是勢壘層。此外，在多量子阱結構中， P層側可用勢壘層或阱層結束。
[引用列表]
[專利文獻]
專利文獻1:日本提前公開N0.2005-109425
專利文獻2:日本提前公開N0.2005-057308發(fā)明內容
[技術問題]
在上述任何一個傳統(tǒng)構造中，對半導體發(fā)光元件的發(fā)光輸出上的改進是可能的。 然而，與η型摻雜濃度和靜電放電閾值電壓相關的驅動電壓通常為折衷選擇，并且難于決 定最優(yōu)化摻雜濃度以及深度方向上濃度分布的最優(yōu)化方案。而且，在生產工廠中，在半導體 發(fā)光元件的連續(xù)制造期間，有源層的生長溫度或氣體成分等不斷地偏離，并且生長的晶體 質量發(fā)生變化。因此，無法判斷所設計的摻雜濃度和深度方向上的濃度分布是否總是最優(yōu) 化的。具體而言，所設計的摻雜濃度和深度方向上的濃度分布會由于有源層的生長溫度和 氣體成分上的變化而有很大變化。
因此，在制造工廠中，所制造的半導體發(fā)光元件的發(fā)光輸出根據(jù)制造日期和生產 時間頻繁變動，并且這種現(xiàn)象在采用氮化物半導體的LED中顯得尤為突出。
本發(fā)明旨在解決上述的傳統(tǒng)問題。本發(fā)明的目的是提供半導體發(fā)光元件的制造方 法，該方法能抑制所設計的摻雜濃度和深度方向上的濃度分布上的制造差異(生產波動)， 且能改善和穩(wěn)定發(fā)光輸出，并提供由上述方法制造的半導體發(fā)光元件，并且提供采用該半 導體發(fā)光元件制造方法的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)。
[解決問題的方案]
提供根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法，用于通過MOCVD部分在單晶基板 上形成具有多量子阱結構的發(fā)光層且用于形成P型電極和η型電極，該方法包括:電容測量 步驟，其中，在形成P型電極和η型電極后，電容測量部分測量ρ型電極和η型電極之間的 電容；雜質濃度分布計算步驟，其中雜質濃度分布計算部分由所測量的電容計算發(fā)光層的 雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制步驟，其中第一雜質濃度分布控制部分控制雜 質濃度，以便在形成下一發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出，以所計算的雜質濃度分布的雜質 濃度的最低值作為特征量，由此來實現(xiàn)上述本發(fā)明的目的。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造方法中，第一雜質濃度分布控制步驟控制至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層中的雜質濃度分布。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布的范圍為5X IO16CnT3至9X 1016cm_3，以其最低值為特征量。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布為7X 1016cnT3，以其最低值為特征量。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，第一雜質濃度分布控制步驟通過至少在生長阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層的生長時控制SiH4氣體和/或 SiH(CH3)3氣體的流量而控制雜質濃度分布的最小值。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，第一雜質濃度分布控制步驟通過至少在生長阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層的生長時控制SiH4氣體和/或 SiH(CH3)3氣體的引入時間而控制雜質濃度分布的最小值。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，電容測量步驟中測量的電容是通過在P型電極和η型電極之間疊加且施加直流電壓和交流電壓的至少一種類型所測得的值。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，電容測量步驟中測得的電容是通過在P型電極和η型電極之間疊加且施加脈沖電壓和交流電壓的至少一種類型所測得的值。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，交流電壓的頻率為 IOOkHz 至 IOMHz。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，交流電壓的振幅為5mV 至 30mV。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，直流電壓的范圍為0.8V至2.8V，以ρ電極為正極。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，雜質濃度分布為η型雜質濃度分布，并且雜質為Si。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，在單晶基板上通過 MOCVD法將由InxGahN (0〈χ〈0.3)構成的第一層和由GaN構成的第二層交替層疊的多層形成在具有多量子阱結構的發(fā)光層的η電極側，并且由包括至少In的InyGai_yN (0<y<0.3)構成的阱層和由InyAlzGa^N (O ( y〈0.1，O彡z<0.2)構成的勢壘層形成作為發(fā)光層。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體發(fā)光元件的方法中，雜質以單一導電類型的雜質濃度在5X IO16CnT3至5X IO18CnT3范圍加到發(fā)光層的至少勢壘層。
更優(yōu)選地，提供根據(jù)制造半導體發(fā)光元件的方法，該方法還包括:發(fā)光輸出和驅動電壓檢查步驟，其中發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分測量用于檢查的發(fā)光輸出和驅動電壓； 以及第二雜質濃度分布控制步驟，其中當所測量的發(fā)光層和驅動電壓超過預定范圍時，第二雜質濃度分布控制部分通過控制MOCVD部分而控制發(fā)光層的雜質濃度分布，以在形成下一發(fā)光層時，根據(jù)所測量的發(fā)光輸出和驅動電壓，最小化驅動電壓的增加，同時獲得最大發(fā)光輸出。
提供由根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件制造方 法制造的半導體發(fā)光元件，其中至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層中的單一導電類型的雜質濃度分布的最低值范圍為 5 X IO16CnT3至9 X IO1W3,由此實現(xiàn)上述本發(fā)明的目的。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件中，單一導電類型的雜質濃度分布的最 低值在公差范圍內為7X1016cm_3。
提供半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，用于通過MOCVD部分在單晶基板上形成具有多 量子阱結構的發(fā)光層且用于形成P型電極和η型電極以給發(fā)光層提供電流，該系統(tǒng)包括:電 容測量部分，用于在形成P型電極和η型電極后測量ρ型電極和η型電極之間的電容；雜質 濃度分布計算部分，用于由測得的電容計算發(fā)光層的雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分 布控制部分，用于控制以在形成下一發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出，以所計算的雜質濃度 分布的雜質濃度的最低值作為特征量，由此來實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)中，第一雜質濃度分布控制 部分控制至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層中的雜質濃度分布。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)中，第一雜質濃度分布控 制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布范圍為5X IO16CnT3至9Χ 1016cm_3，以其最低 值為特征量。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)中，第一雜質濃度分布控 制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布為7X 1016cnT3，以其最低值為特征量。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)中，第一雜質濃度分布控 制步驟通過至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層生長時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3 氣體的流量而控制雜質濃度分布的最小值。
更優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)中，第一雜質濃度分布控 制步驟通過至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層的勢壘層生長時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3 氣體的引入時間而控制雜質濃度分布的最小值。
更優(yōu)選地，提供根據(jù)本發(fā)明的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括:發(fā)光 輸出和驅動電壓檢查部分，用于測量用于檢查的發(fā)光輸出和驅動電壓；以及第二雜質濃度 分布控制部分，當所測量的發(fā)光層和驅動電壓的至少一個超過預定范圍時，用于通過控制 MOCVD部分而控制發(fā)光層的雜質濃度分布，以在形成下一發(fā)光層時根據(jù)所測得的發(fā)光輸出 和驅動電壓，最小化驅動電壓的增加，同時獲得最大發(fā)光輸出。
下面將描述具有上述結構的本發(fā)明的作用。
將說明如何檢測所設計的摻雜濃度和深度方向上的濃度分布的生產波動以及如 何抑制它們。
在本發(fā)明中，用于通過MOCVD部分在單晶基板上形成多量子阱結構的發(fā)光層且形 成用于給發(fā)光層提供電流的P型電極和η型電極的半導體發(fā)光元件制造方法包括:電容測 量步驟，其中電容測量部分在形成P型電極和η型電極后檢測ρ型電極和η型電極之間的 電容；雜質濃度分布計算步驟，其中雜質濃度分布計算部分由所測得的電容計算雜質濃度 分布；以及第一雜質濃度分布控制步驟，其中第一雜質濃度分布控制部分控制MOCVD部分 以在形成下一發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出，以所計算的雜質濃度分布的雜質濃度的最低 值作為特征量。
這樣，因為以由測得的電容值計算的雜質濃度分布的雜質濃度的最低值作為特征量，通過控制雜質濃度能而獲得最大發(fā)光輸出，所以可以抑制所設計的摻雜濃度和在深度 方向上的分布的制造變化(生產波動)以改善且穩(wěn)定發(fā)光輸出。
[本發(fā)明的有益效果]
根據(jù)以上描述的本發(fā)明，因為以由測得的電容值計算的雜質濃度分布的雜質濃度 的最低值作為特征量，通過控制雜質濃度能而獲得最大發(fā)光輸出，所以可以抑制所設計的 摻雜濃度及深度方向上的分布的制造變化(生產波動)以改善且穩(wěn)定發(fā)光輸出。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件的主要部分構造的示例 的截面圖2是示出圖1的C-V法測得的電容測量結果的示意圖，為耗盡層寬度χ ( μ m) 和載流子密度(cm—3)的特性曲線；
圖3是示出圖2的測量結果A-D的最小載流子濃度N和氮化物半導體發(fā)光元件I 的發(fā)光輸出以及此時的驅動電壓之間關系的示意圖4是示出在圖1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法中每個制造步驟的流程 圖5是示出專利文獻I中公開的傳統(tǒng)半導體發(fā)光二極管的截面?zhèn)纫晥D6是示出專利文獻2中公開的傳統(tǒng)氮化物半導體發(fā)光元件的截面?zhèn)纫晥D。
[參考符號列表]
I氮化物半導體發(fā)光元件
2藍寶石基板
3緩沖層
4未摻雜GaN層
5n型接觸層
6 多層
7具有多量子阱結構的發(fā)光層
8電子阻擋層
9p型接觸層
10透明薄膜電極
12η 電極
Ilp 電極
13保護層具體實施方式
在下文，將參考附圖描述這樣的情況，其中本發(fā)明的半導體發(fā)光元件、其制造方法 和半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)應用于實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件、其制造方法和氮 化物半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)。
(實施例1)
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件的主要部分的構造示例的截面圖。
在圖1中，在根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I中，在作為基板的例如藍寶石基板2上沉積有氮化鋁(AlN)構成的膜厚度約為15nm的緩沖層3，其中藍寶石基板2的厚度約300 μ m,因其表面上形成有三角形剖面而不平坦，并且在緩沖層3上沉積有由未摻雜的GaN構成的膜厚度約為500nm的未摻雜GaN層4。藍寶石基板2、緩沖層3和未摻雜GaN 層4構成單晶基板。
此外，在根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I中，由摻雜有I X IO1Vcm3硅(Si)的GaN構成的η型接觸層5 (高載流子濃度η.層)形成在該單晶基板上,該η型接觸層5的膜厚度約5 μ m。多層6形成在該η型接觸層5上，并且具有多量子阱結構的發(fā)光層 7形成在該多層6上。
該多層6交替地層疊有多個由InxGa1J (0<χ<0.3)構成的第一層和多個由GaN構成的第二層。這里，例如，該多層6層疊有五對由膜厚度為2.5nm的Inatl2Gaa98N構成的第一層和由膜厚度為3nm的GaN構成的第二層。Si作為單一導電類型的雜質添加給該多層6的第一層，雜質濃度的范圍為 I X IO16CnT3 至 5X IO18CnT3 (優(yōu)選地,5X IO16CnT3 至 5X 1017cnT3)。
具有多量子阱結構的發(fā)光層7的阱層由至少包括In的InyGai_yN(0彡y〈0.3)構成。 這樣，在這里，例如，具有多量子阱結構的發(fā)光層7層疊有六對由膜厚度為3nm的Ina2Gaa8N 構成的阱層和由膜厚度為5nm的GaN構成的勢壘層
此外，在根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I中，在該發(fā)光層7上形成電子阻擋層8,該電子阻擋層8為由摻雜有2X IO19 (cm_3)Mg的ρ型Alai5Gaa85N構成的ρ型層， 且具有25nm的膜厚度，并且在該電子阻擋層8上，形成膜厚度為IOOnm的由摻雜有8 X IO19 (cm-3) Mg的ρ型GaN構成的ρ型接觸層9。在該ρ型接觸層9上,通過金屬沉積形成透明薄膜電極10 (ITO)0在透明薄膜電極10的一部分上，形成ρ電極11，另一方面，η電極12 形成在η型接觸層5的邊緣部分上。在最頂部上，形成由SiO2構成的保護膜13。透明薄膜電極10由第一層和第二層構成，第一層具有約1.5nm的膜厚度，由鎳(Ni)構成，且直接連接到P型接觸層9，第二層具有約6nm的膜厚度，由金(Au)構成，且直接連接到該鎳膜。
具體而言，在根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I中:緩沖層3和未摻雜GaN 層4以該順序形成在藍寶石基板2上以構成單晶基板；多層6的兩個重復層、具有多量子阱結構的發(fā)光層7的兩個重復層以及電子阻擋層8以該順序形成在該單晶基板上η型接觸層 5和ρ型接觸層9之間；ρ電極11形成在ρ型接觸層9上，作為歐姆接觸的透明薄膜電極10 插設其間；η電極12形成在η型接觸5的一部分上；并且在最頂部上形成用于防潮的保護膜13。
構成發(fā)光層7的多量子阱結構包括阱層，該阱層由至少包括銦(In)的III族氮化物化合物半導體InxGahN (0〈χ〈0.3)構成。發(fā)光層7的構造例 如具有阱層和勢壘層，阱層由摻雜的或未摻雜的InyGai_yN (0〈y〈0.3)構成，勢壘層由III族氮化物化合物半導體 GaN構成、或由帶隙大于該講層的任何組分的InyGahyN (0〈y〈0.1)構成、或由InyAlzGa1IzN (0〈y〈0.1，0〈ζ〈0.2)構成。作為優(yōu)選示例，具有由未摻雜InyGai_yN (0〈y〈0.1)構成的勢壘壁。
發(fā)光層7的η電極12側提供的多層6形成有由InwGai_wN (0〈w〈0.3)構成的層，該層具有的銦(In)的組分w小于由至少包括銦(In)的III族氮化物化合物半導體InxGapxN(0〈x〈0.3)構成的阱層的銦(In)的組分X，后者形成發(fā)光層7。此時，優(yōu)選形成多層6的由 InwGa1^wN (0〈w〈0.3)構成的層的銦(In)的組分w大于或等于0.02且小于或等于0.07,或者更優(yōu)選地，大于或等于0.03且小于或等于0.05。
優(yōu)選的是，在發(fā)光層7的η電極12側提供的多層6的由InwGai_wN (0〈w〈0.3)構成的層的膜厚度大于或等于0.5nm且小于或等于6nm,并且更優(yōu)選地,大于或等于0.5nm且小于或等于4nm。盡管以下將示出發(fā)光特性，但是已經(jīng)知曉，如果由InwGanN (0〈w〈l)構成的層的膜厚度超過6nm，則驅動電壓Vf會顯著增加。應當避免膜厚度小于0.5nm,因為這會使膜厚度很難調節(jié)。另一方面，已經(jīng)知曉，對于多層6的由GaN構成的層，至少在10-40nm的范圍內在元件特性上不發(fā)生很大變化。所希望的是多層6的由InwGanN (0〈w〈0.3)構成的層的厚度與發(fā)光層的阱層的厚度的比大于或等于0.1且小于或等于2。更希望的是多層6 的由InwGanN (0<w<0.3)構成的層的厚度被調節(jié)到發(fā)光層7的阱層的厚度或更小。另一方面，所希望的是多層6的由GaN構成的層的厚度與發(fā)光層7的勢壘層的厚度的比大于或等于0.5且小于或等于4。更希望的是多層6的由GaN構成的層的厚度被調節(jié)到發(fā)光層7的勢壘層的厚度或更大。
所希望的是，發(fā)光層7的η型電極12側提供的多層6的構成InwGai_wN (0〈w〈0.3) 的層數(shù)大于或等于一且小于或等于三十，更優(yōu)選大于或等于三且小于或等于二十。
諸如III族氮化物化合物半導體發(fā)光元件的氮化物半導體發(fā)光元件I可采取任何構造，除了本發(fā)明的有關主要構造的上述限制外。此外，氮化物半導體發(fā)光元件I可為發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光電耦合器或任何其它發(fā)光元件。具體而言，任何制造方法可用作氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法，該氮化物半導體發(fā)光元件I例如為本發(fā)明限定的III族氮化物化合物半導體發(fā)光元件。
更具體地，作為用于生長晶體的基板，可采用藍寶石、尖晶石、S1、SiC、ZnO、MgO或 III族氮化物化合物單晶等。作為在III族氮化物化合物半導體層上生長晶體的方法，分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)、鹵化物氣相外延(HDVPE)或液相外延等是可實現(xiàn)的。
諸如電極形成層的III族氮化物半導體層至少用通過AlxGayIn1IyN (O ^ χ ^ 0.3, 0.7 ^ y ^ I, O ^ x+y ( I)表示的二元、三元或四元半導體構成的III族氮化物化合物半導體形成。
這里，作為根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的特征構造，在發(fā)光層7中， 由InxGahN (0<x<0.3)構成的第一層和由GaN構成的第二層交替層疊，并且Si作為單一導電類型的雜質被加入到該發(fā)光層7的至少勢壘層中，Si的濃度范圍為5X IO16CnT3至5X IO18Cm 3 (更優(yōu)選地，5 X IO16Cm 3 至 5 X IO17Cm 3)。
下面將更加詳細地描述根據(jù)實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的該特征構造。
圖2是通過圖1的C-V法示出電容測量結果的示意圖，為耗盡層寬度χ (μπι)和載流子密度(cm—3)的特性曲線。
如圖2所示，例如，波形A-D是耗盡層寬度χ ( μ m)對載流子密度(cm_3)的特性曲線，這是一批的電容測量結果。η型雜質濃度的測量方法通過測量電容實現(xiàn)。具體而言， 疊加直流電壓Vdc和交流電壓Vac，并且所疊加的直流電壓Vdc和交流電壓施加在氮化物半導體發(fā)光元件I的P型電極11和η型電極12之間，從而根據(jù)復阻抗的測量結果測量電容量。通常，這稱為C-V (電容-電壓)法。通過C-V法計算發(fā)光層的任何深度上的濃度的方法如下。C-V法中的直流電壓Vdc按變化間隔的四組來施加，以0.02V間隔的直流電壓的范圍為3至2V，以0.1V間隔的直流電壓的范圍為2至0V，以0.2V間隔的直流電壓的范圍為O至-10V，并且以IV間隔的直流電壓的范圍為-10至-20V。在上述分開的直流電壓范圍中，同時疊加有頻率為IMHz的交流電壓Vd。，振幅分別為0.01V、0.05V、0.1V和0.5V。在實施例1中，直流電壓的范圍分成四個范圍。如果該直流電壓的范圍不分開或者分成其它的范圍數(shù)，也沒有問題。然而，在使用氮化物半導體的發(fā)光元件中，優(yōu)選該范圍分成2至4 個范圍。此外，優(yōu)選交流電壓Vac的振幅是直流電壓的每個范圍中直流電壓間隔寬度的一半。這是因為氮化物半導體發(fā)光元件I的所有區(qū)域的η型雜質濃度可在由C-V法測量電容時通過設定即時電壓而測量，從而在所有電壓范圍上不會斷開。之后，將被設定的直流電壓 Vdc和被測量的電容C轉換成耗盡層X和載流子密度N。
當交流電壓Vac和直流電壓Vdc疊加且施加到氮化物半導體發(fā)光元件I的η側電極12和ρ側電極11之間以測量耗盡層電容C時，或者具體而言，當檢測氮化物半導體發(fā)光元件I的C-V特性時，耗盡層的厚度χ由下述的公式I計算。
這里，厚度χ的耗盡層主要為η型半導體層中形成的耗盡層，以氮化物半導體發(fā)光元件I的電子阻擋層8 (ρ型半導體)和具有多量子阱結構(近似η型半導體)的發(fā)光層7作為邊界。耗盡層寬度χ的意義與從電子阻擋層8的角度看到的具有多量子阱結構的發(fā)光層 7的深度是一樣的。
X= ε 0 ε r/C...公式 I
在公式I中，χ是耗盡層的厚度(cm)，并且ε ^是真空中的介電常數(shù)(8.9X 1(T14(F/ cm))。L是氮化物半導體發(fā)光材料的相對介電常數(shù)(單位無量綱)，并且可與實施例1中的 GaN的相對介電常數(shù)接近。C是被測量的耗盡層電容(F/cm2)。
此外，當施加給氮化物半導體發(fā)光元件I的電壓大小變化時，耗盡層的厚度(耗盡層厚度χ)變化，并且耗盡層電容變化。這里，耗盡層的底部表面(耗盡層的置于基板3側上的表面)中的載流子濃度N由下面描述的公式2表示。因此，當施加給氮化物半導體發(fā)光元件I的電壓V大小變化且測量耗盡層電容C時，耗盡層的底部表面中的載流子濃度N由下述公式2計算。
N=CViqe0 er ( Δ C/Δ Vdc)}...公式2。在公式2中，N是耗盡層的底部表面中的載流子濃度(1/cm3) ；q是點電荷量(C) ； Δ C是當施加給氮化物半導體發(fā)光元件I的電壓V 變化時耗盡層電容的變化；△ Vdc是施加給氮化物半導體發(fā)光元件I的直流電壓Vdc上的變化。公式2中C、、和L的每一個與公式I的相同。由上可見，如果施加給氮化物半導體發(fā)光元件I的電壓V大小變化且測量到耗盡層電容C，則可發(fā)現(xiàn)耗盡層的厚度χ和耗盡層的底部表面中的載流子濃度N之間的關系。具體而言，可以通過以任何方式改變被施加的直流電壓Vd。來測量發(fā)光層7的載流子濃度 η型雜質濃度=Si摻雜濃度的深度的分布。
如圖2所示，在測量結果 A中，η型載流子濃度(硅濃度)在距發(fā)光層7的表面深0.06 μ m附近為其最低值。此外，在測量結果E中，η型載流子濃度在距發(fā)光層7的表面深0.01 μ m附近為其最低值。這樣，可檢測對應于距發(fā)光層7的表面所希望深度的摻雜濃度(在深度方向上的雜質濃度分布或載流子濃度)。即使在相同的條件下生長有源層，但由于膜生長溫度上的變化或氣體成分上的變化等，也會發(fā)生像測量結果A-E 一樣的制造差異(生產波動)。
在MOCVD中添加Si以生長膜，但是有源層的生長溫度和氣體成分也變化。因此， 用于在MOCVD中提供Si的硅烷氣體量較低時，發(fā)生測量結果A。此外，即使在MOCVD中提供 Si的硅烷氣體以預定值恒定不變地供應時，當膜生長溫度較高時，也發(fā)生測量結果A，從而 使膜生長較快且Si濃度較低。相反，在MOCVD中提供Si的硅烷氣體供應較高時，發(fā)生測量 結果E。此外，即使在MOCVD中提供Si的硅烷氣體以預定值恒定不變地供應時，當膜生長溫 度較低時，也發(fā)生測量結果E，從而使膜生長較慢且Si濃度較高。這樣，發(fā)光層7的生產結 果易于通過C-V法檢測對應于距發(fā)光層7的表面所希望深度的摻雜濃度(在深度方向上的 分布)而被檢測到。
圖3是示出圖2的測量結果A-D的最小載流子濃度N、氮化物半導體發(fā)光元件I的 發(fā)光輸出以及此時驅動電壓之間的關系的示意圖。黑色正方形表示最小載流子濃度N與發(fā) 光輸出之間的關系，并且白色正方形表示最小載流子濃度N與驅動電壓之間的關系。
如圖3所示，發(fā)光輸出用光敏二極管測量。在實施例1的測量結果中，當載流子濃 度為5X IO16至9X IO16 (cm_3)時，發(fā)光輸出為其最大值，并且當載流子濃度低于或高于該值 時，發(fā)光輸出降低。另一方面，在載流子濃度較低時驅動電壓傾向于更低，并且在載流子濃 度較高時傾向于更高。具體而言，如果Si摻雜至7X1016 (cm_3)附近，則最小化了驅動電壓 的增加，而獲得最大發(fā)光輸出。
在圖3中，當η型載流子濃度為7Χ IO16 (cm_3)時，發(fā)光輸出為其最大值，如測量結 果B和C，并且發(fā)光輸出在其前面和后面均降低。另一方面，如白色正方形所示，最小載流子 濃度N和驅動電壓之間的關系是特性曲線向右傾斜下降的示意圖。通過保持ρ電極11和 η電極12之間的關聯(lián)電流不變，測得的驅動電壓越低，能量效率越高。因此，當有源層的生 長溫度或氣體成分等連續(xù)地移動為測量結果A、D或Ε，發(fā)光輸出降低。
據(jù)此，通過C-V法檢測對應于距發(fā)光層7的表面所希望的深度的摻雜濃度(深度方 向上的分布)，并且連續(xù)地控制有源層的生長溫度或氣體成分等為測量結果B或C，可防止 像測量A、D和E —樣的發(fā)光輸出上的降低。
下面將描述具有上述構造的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法。
圖4是示出在圖1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法中每個制造步驟的流程 圖。
如圖4所示，實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法包括:藍寶石基板2 的基板容放步驟，其中，在步驟SI中，基板容放部分在預定位置容放藍寶石基板2 ;藍寶石 表面不平坦處理步驟，其中，在步驟S2中，藍寶石表面不平坦處理部分在藍寶石基板2的表 面上形成三角形的不平坦；M0CVD步驟，其中，在步驟S3中，MOCVD部分按此順序通過MOCVD 法先后在藍寶石基板2的不平坦處理表面上形成緩沖層3、未摻雜GaN層4、η型接觸層5、 多層6、具有多量子阱結構的發(fā)光層7、電子阻擋層8和ρ型接觸層；透明電極形成步驟，其 中，在步驟S4中，透明電極形成部分在ρ型接觸層9上形成透明薄膜電極10 ;η電極和ρ電 極形成步驟，其中，在步驟S5中，η電極和ρ電極形成部分進行蝕刻以去除基板的邊緣部分 至η型接觸層5的一部分，以暴露η型接觸層5的邊緣部分而在η型接觸層5的邊緣部分 表面上形成η電極12，且在透明薄膜電極10的一部分表面上形成ρ電極11 ;保護層形成 步驟，其中，在步驟S6中，保護層形成部分在透明薄膜電極10、ρ電極11、η電極12、η型接觸層5的暴露表面上形成保護層13，并且為了防潮在為了去除而蝕刻的側表面上形成保護 層13 ;電極開口步驟，其中，在步驟S7中，電極開口部分打開ρ電極11和η電極12上各自 的保護層13 ;電容測量步驟，其中，在步驟S8中，電容測量部分測量η電極12和ρ電極11 之間的電容；雜質濃度分布計算步驟，其中，雜質濃度分布計算部分由步驟S8中測量的電 容計算雜質濃度分布；第一雜質濃度分布控制步驟，其中，第一雜質濃度分布控制部分通過 控制MOCVD部分而控制雜質濃度分布的最小值,從而當步驟S8中計算的雜質濃度分布的最 小值超過預定范圍時，通過在形成下一發(fā)光層時比較標準值與作為特征量的該計算的雜質 濃度分布的最低值，可獲得最大發(fā)光輸出；發(fā)光輸出和驅動電壓檢查步驟，其中，在步驟S9 中，發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分檢查發(fā)光輸出和驅動電壓；以及第二雜質濃度分布控制 步驟，其中，第二雜質濃度分布控制部分通過控制MOCVD法而控制雜質濃度分布，以便當測 量的發(fā)光輸出和驅動電壓超過預定范圍時，在下一發(fā)光層形成時根據(jù)所測量的發(fā)光輸出和 驅動電壓，最小化驅動電壓的增加，同時獲得最大發(fā)光輸出。
實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造系統(tǒng)包括:藍寶石基板2的基板容放 部分，用于在預定的位置容放藍寶石基板2 ;藍寶石表面不平坦處理部分，用于在藍寶石基 板2的表面上形成三角形不平坦；M0CVD部分，用于通過MOCVD法按照該順序先后形成緩沖 層3、未摻雜GaN層4、η型接觸層5、多層6、具有多量子講結構的發(fā)光層7、電子阻擋層8 和P型接觸層9 ;透明電極形成部分，用于在ρ型接觸層9上形成透明薄膜電極10 ；η電極 和P電極形成部分，用于蝕刻以去除基板的邊緣部分至η型接觸層5的一部分，以暴露接觸 層5的邊緣部分而在η型接觸層5的邊緣部分表面上形成η電極12，且在透明薄膜電極10 的一部分表面上形成P電極11 ;保護層形成部分，用于在透明薄膜電極10、ρ電極11、η電 極12、η型接觸層5的暴露表面上形成保護層13，并且進一步為了防潮，在蝕刻去除的側表 面上形成保護層13 ；電極開口部分，用于打開ρ電極11和η電極12上各自的保護層13 ； 電容測量部分，用于測量η電極12和ρ電極11之間的電容；雜質濃度分布計算部分，用于 從所測得的電容計算雜質濃度分布；第一雜質濃度分布控制部分，用于通過控制MOCVD部 分而控制雜質濃度分布的最小值，從而在下一發(fā)光層形成時通過比較標準值與作為特征量 的該計算的雜質濃度分布的最低值可獲得最大發(fā)光輸出；發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分， 用于檢測發(fā)光輸出和驅動電壓，以檢查它們是好還是壞；以及第二雜質濃度分布控制部分， 用于通過控制MOCVD法而控制雜質濃度分布，當測量的發(fā)光輸出和驅動電壓超過預定范圍 時，在下一發(fā)光層形成時根據(jù)測量的發(fā)光輸出和驅動電壓，最小化驅動電壓上的增加，同時 獲得最大發(fā)光輸出。
換言之，實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法的特征構造還包括:電容 測量步驟，其中，在形成P型電極11和η型電極12后，電容測量部分，測量P型電極11和 η型電極12之間的電容；雜質濃度分布計算步驟，其中該雜質濃度分布計算部分從所測量 的電容計算雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制步驟，其中該第一雜質濃度分布控 制部分通過控制MOCVD部分而控制雜質濃度分布的最小值，從而通過比較標準值與作為特 征量的所計算的雜質濃度分布的最低值，在下一批次或基板中形成發(fā)光層時可獲得最大發(fā) 光輸出。另外，氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方法的特征構造還包括:發(fā)光輸出和驅動電 壓檢查步驟，其中發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分測量用于檢查的發(fā)光輸出和驅動電壓；以 及第二雜質濃度分布控制步驟，其中該第二雜質濃度分布控制部分通過控制MOCVD法而控制雜質濃度分布，以根據(jù)所測量的發(fā)光輸出和驅動電壓最小化驅動電壓的增加，同時獲得 最大發(fā)光輸出。
比較而言，實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件I的制造系統(tǒng)的特征構造還包括:電 容測量部分，用于測量η電極12和ρ電極11之間的電容；雜質濃度分布計算部分，用于從 所測量的電容計算雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制部分，用于通過控制MOCVD 部分而控制雜質濃度分布的最小值，從而通過比較標準值與作為特征量的所計算的雜質濃 度分布的最低值在下一批次或基板中形成發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出。另外，氮化物半 導體發(fā)光元件I的制造系統(tǒng)還包括:發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分，用于測量用于檢查的 氮化物半導體發(fā)光元件I的發(fā)光輸出和驅動電壓；以及第二雜質濃度分布控制部分，用于 通過控制MOCVD法而控制雜質濃度分布，當測量的發(fā)光輸出和驅動電壓超過預定范圍(好/ 不好的范圍)時，在下一批次或基板的發(fā)光層形成時，根據(jù)所測量的發(fā)光輸出和驅動電壓， 最小化驅動電壓的增加，同時獲得最大發(fā)光輸出。該雜質濃度分布是η型雜質濃度分布的 分布，并且雜質是Si。對于η型雜質，除了硅(Si)外，還有硒和碲。
根據(jù)步驟S8的電容測量步驟中獲得的電容而計算的特定基板或批次的雜質濃度 分布被反饋到步驟S3的MOCVD步驟的形成發(fā)光層7當中，并且在步驟S3的MOCVD步驟中 形成發(fā)光層7時，控制發(fā)光層7中摻雜的Si的量，從而在根據(jù)由電容的反饋值計算的深度 方向上的雜質濃度分布為參數(shù)的特性曲線(圖2)中，在深度方向上的雜質濃度分布中的雜 質濃度最小值所在的范圍內，最大化了光輸出值。換言之，當在MOCVD步驟中形成下一發(fā)光 層7時，根據(jù)所測量的電容值計算的雜質濃度分布被反饋，并且發(fā)光層7中摻雜的硅(Si )量 可改變到適當?shù)臐舛取?br> 換言之，在步驟S8的電容測量步驟中獲得電容，根據(jù)電容計算圖2的雜質濃度 分布特性，并且在步驟S3的MOCVD法中控制提供的氣體流量，從而使雜質濃度的范圍為 5X IO16至9Χ IO16 (cm_3)，或者優(yōu)選地像測量結果B和C 一樣雜質濃度為7X IO16 (cm_3)，以 雜質濃度的最低值為特征量。由此，將發(fā)光層7中摻雜的硅(Si)量改變到適當?shù)腟i濃度。
例如，當檢測到以雜質濃度的最低值作為特征量的雜質濃度為2X IO17時，限制在 步驟S3的MOCVD步驟中提供的氣體流量，使雜質濃度的范圍為5X IO16至9X IO16 (cm_3)。 此外，相反，當檢測到以雜質濃度的最低值為特征量的雜質濃度為2X IO16時，增加在步驟 S3的MOCVD步驟中提供的氣體流量，使雜質濃度的范圍為5X IO16至9X IO16 (cm_3)。
換言之，在氮化物半導體發(fā)光元件I的制造步驟中，包括通過金屬有機化學氣相 沉積在藍寶石基板2上形成氮化物半導體發(fā)光元件結構的第一步驟、形成P電極11和η電 極12的第二步驟和測量作為反向電特性的反向電流值的第三步驟，實施例1的氮化物半導 體發(fā)光元件I的制造方法采用對應于深度方向的雜質濃度分布，該雜質濃度分布是根據(jù)第 三步驟中測量的氮化物半導體發(fā)光元件I的電容值計算的，用以在其雜質濃度分布的測量 結果中選擇雜質濃度的最小值，并控制第一步驟的η導電型雜質Si的濃度至不降低基于該 選擇的雜質濃度的發(fā)光輸出的最大Si濃度。
在此情況下，η導電類型雜質Si的濃度的控制通過控制SiH (CH3)3氣體流量和引 入時間中的至少一個和/或SiH4氣體流量實現(xiàn)。旨在將驅動電壓上的增加限制到最小值 并且保持該最小值，并通過控制η導電類型雜質的平均濃度、通過間歇地控制金屬有機化 學氣相沉積設備(M0CVD部分)的氣體流量和氣體引入時間使η型雜質濃度達到能抑制過量Si摻雜(使發(fā)光輸出降低的原因)的程度來改善發(fā)光輸出，以及限制由于Si濃度上的降低 導致的電阻上的增加進而引起的驅動電壓的增加。
電容測量步驟中被測量的電容是通過在P型電極11和η型電極12之間疊加且施 加至少一種類型的直流電壓和交流電壓而測得的值，或者是通過在P型電極11和η型電極 12之間疊加且施加至少一種類型的脈沖電壓和交流電壓而測得的值。交流電壓的頻率為 IOOkHz至10MHz。在測量電容時，在較高的頻率上，阻抗呈現(xiàn)為較大并且可更精確地測量電 容。因此，其頻率設定為大于或等于100kHz，并且這里，電容以IMHz的頻率測量。從電子和 空穴的復合率關系考慮，如果頻率超過10MHz，相反不能精確測量電容。交流電壓的振幅為 這樣的振幅范圍，其中相鄰的信息不重疊，或者不連續(xù)，在實驗中為5mV至30mV。直流電壓 的范圍為0.8V至2.8V，以ρ電極11作為正極的正偏壓。實驗中，發(fā)射藍光的氮化物半導體 發(fā)光元件I從約2.5V開始發(fā)光。因為重要的是在耗盡層開始發(fā)光前的耗盡層變寬階段測 量電容，所以優(yōu)選在測量電容時以P電極11為正極，直流電壓的范圍為0.8V至2.8V。
由上可見，根據(jù)實施例1，在氮化物半導體發(fā)光元件中包括在單晶基板上具有多 量子阱結構的發(fā)光層7，包括在發(fā)光層7的η電極12側上交替地層疊有多個由InxGahN (0<χ<0.3)構成的第一層和由GaN構成的第二層的多層6，具有多量子阱結構的發(fā)光層7的 阱層由至少包括In的InyGai_yN (O ( y<0.3)形成，并且通過至少給發(fā)光層7的勢壘層加入 范圍為5 X IO16CnT3至5 X IO18CnT3的η導電類型雜質作為其濃度且加入η導電類型雜質Si， 可進一步改善發(fā)光輸出而不增加驅動電壓，從而控制了根據(jù)發(fā)光層7的電容值測量結果而 計算的發(fā)光層7的雜質濃度分布的最小值。這樣，因為反饋得到了控制，從而以根據(jù)所測得 的電容計算的雜質濃度分布的雜質濃度最低值作為特征量，可獲得最大發(fā)光輸出，因此可 防止所設計的摻雜濃度和深度方向上的濃度分布的制造差異(生產波動)，并且可改善且穩(wěn) 定發(fā)光輸出。
在實施例1中，通過給發(fā)光層7的至少勢壘層加入范圍為5 X IO16cnT3至5 X 1018cm_3 的η導電類型雜質作為其濃度，并且采用發(fā)光層7的雜質濃度的最小值來執(zhí)行控制，作為其 示例，根據(jù)從電容測量步驟的測量結果計算得到的發(fā)光層的雜質濃度特性曲線，將其最小 值控制到發(fā)光輸出最大處的Si濃度。已經(jīng)描述了 η導電類型雜質Si加到發(fā)光層7的至少 勢壘層的情況，但是不限于此。N導電類型雜質Si可以以預定范圍內的Si濃度加給發(fā)光層 7的至少勢壘層，在該預定范圍內，根據(jù)電容測量步驟中的測量結果而計算的雜質濃度分布 的最小值處于最大發(fā)光強度所在處的前面和后面。換言之，如果η導電類型雜質以范圍為 5X IO16CnT3至5Χ IO18CnT3作為其濃度加到發(fā)光層7的至少勢壘層，就足夠了。
在此情況下，在實施例1中，已經(jīng)控制了發(fā)光層7的至少勢壘層的Si濃度，但是不 限于此?？煽刂瓢l(fā)光層7的至少勢壘層和第二層的每一個的Si濃度。換言之，控制發(fā)光層 7的至少勢壘層的平均Si濃度就足夠了。此外，更不必說，在形成發(fā)光層7的第一層時，可 間歇地引入SiH4或SiH(CH3)3氣體，以控制作為第一層總平均值的Si濃度。在此情況下， 所控制的參數(shù)是氣體引入的時間而不是氣體流量。
在實施例1中，已經(jīng)說明了方法，其中疊加了發(fā)光層7的交流電壓和直流電壓，以 預定項的反向電特性的反向電流值作為參數(shù)，預先得到了根據(jù)所得到的阻抗的虛數(shù)部分測 得的電容而計算的雜質濃度以及示出發(fā)光輸出和驅動電壓之間關系的特性曲線，并且根據(jù) 特性曲線采用電容測量步驟中得到的雜質濃度最小值作為參數(shù)控制發(fā)光層7的至少勢壘層的Si濃度。然而，電容測量法不限于上述的反向電流值。不必說，它可以是根據(jù)瞬時電 流的時間常數(shù)計算的電容值，其中所述瞬時電流的時間常數(shù)是在施加脈沖電壓時測得的。
在實施例1中，已經(jīng)說明了這樣的情況，其中，電容在步驟S8的電容測量步驟中獲 得，用于MOCVD裝置的每次啟動(或用于每個批次或基板);圖2的雜質濃度分布從電容計算 而來；在接下來的MOCVD步驟中，比較標準值與作為特征量的雜質濃度的最低值；并且控制 在步驟S3的MOCVD步驟中所提供氣體的流量和氣體引入時間的至少一個，使雜質濃度分布 的最小值在5X IO16至9X 1016(cm_3)的范圍中，但不限于此?？蓪⒌锇雽w發(fā)光元件I 預先作為樣品制造好；在步驟S8的電容測量步驟中測得所制造的氮化物半導體發(fā)光元件I 的電容；根據(jù)所測得的電容計算對應于圖2的深度的雜質濃度分布特性；預先制作表格，其 示出了為了將特征值設在目標范圍內(在標準范圍內)，需要增加或減小多少雜質摻雜量， 其中在MOCVD步驟中實際提供的氣體流量和氣體引入時間中的至少一個保持在該特征值 處，雜質濃度分布特性的最小值作為特征值；并且通過參考表格中對應于所計算的雜質濃 度分布特性最小值的氣體流量和氣體引入時間中的至少一個，在步驟S3的MOCVD步驟中控 制氣體流量和氣體引入時間中的至少一個，使雜質濃度范圍為5X1016至9X1016 (cm_3)。
在實施例1中，把作為特征量的所計算的雜質濃度分布的最低值與標準值比較， 以控制雜質濃度分布的最小值。盡管這里沒有具體描述，但是當計算的雜質濃度分布為其 最低值時，空穴和電子結合而發(fā)射最多的光。執(zhí)行控制，以使雜質濃度分布的最低雜質濃度 在基于雜質濃度的最低值的預定值(標準值)的范圍內。
在實施例1中，盡管沒有具體描述，但是在第一雜質濃度分布控制步驟中，以計算 的雜質濃度分布的最低值作為特征量，根據(jù)該特征量至少在阱層的勢壘層和發(fā)光層7的勢 壘層的膜生長時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3氣體的流量和/或氣體引入時間。與在阱 層中額外摻雜Si相比，在勢壘層中額外摻雜Si時發(fā)光輸出增加更多。
在實施例1中，盡管沒有具體描述，在通過上述氮化物半導體發(fā)光元件I的制造方 法制造氮化物半導體發(fā)光元件I中，特征量的范圍為5 X IO16CnT3至9 X IO16Cm-3,以至少阱層 的勢壘層和發(fā)光層7的勢壘層中單一導電類型的(這里為η型)雜質濃度分布的最低值作為 特征量。優(yōu)選地，特征量在公差范圍內為7 X 1016cnT3，以單一導電類型的(這里為η型)雜質 濃度分布的最低值作為特征量。
在實施例1中，描述了這樣的情況，其中本發(fā)明的半導體發(fā)光元件、其制造方法以 及半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)被應用于實施例1的氮化物半導體發(fā)光元件、其制造方法以 及氮化物半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)。然而，除了綠、藍和紫外區(qū)域的氮化物化合物半導體 發(fā)光元件外，本發(fā)明可應用于諸如鎵/砷基半導體元件或銦/磷基半導體發(fā)光元件的半導 體發(fā)光元件。
如上所述，本發(fā)明通過采用其優(yōu)選實施例1而示例。然而，本發(fā)明不應僅基于上述 的實施例1加以解釋。應當理解的是，本發(fā)明的范圍應僅基于權利要求的范圍加以解釋。還 應理解的是，本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明的描述和來自本發(fā)明具體優(yōu)選實施例1的描 述的一般知識實施等同范圍的技術。此外，應理解，本說明書引用的任何專利、任何專利申 請和任何參考文件應以與其中具體描述的內容相同的方式通過引用結合在本說明書中。
工業(yè)實用性
本發(fā)明可應用于諸如綠、藍或紫外區(qū)域的氮化物化合物半導體發(fā)光元件的半導體發(fā)光元件、其制造方法以及在該半導體發(fā)光元件的制造方法中采用的半導體發(fā)光元件的制 造系統(tǒng)的領域中，該半導體發(fā)光元件包括多層6，其由InxGahN (0〈x〈0.3)構造的第一層和 由GaN構造的第二層在發(fā)光層的η電極側12上交替層疊而成，并且可保持且改善發(fā)光輸出 而不會使驅動電壓變差，因為通過給發(fā)光層7添加雜質控制了發(fā)光層7的雜質濃度，使得雜 質濃度的范圍為5Χ IO16CnT3至5Χ 1018cm_3，并且采用特性曲線，以發(fā)光層7的雜質濃度分布 的最小值作為參數(shù)。
在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，各種其它修改對于本領域的技術人員是顯 然的且易于實現(xiàn)。因此，所附權利要求的范圍并不旨在限于這里闡述的說明，而是被廣義解 釋的權利要求。
權利要求
1.一種制造半導體發(fā)光元件的方法，用于通過MOCVD部分在單晶基板上形成具有多量子阱結構的發(fā)光層且用于形成P型電極和η型電極以給該發(fā)光層提供電流，該方法包括:電容測量步驟，其中，在形成該P型電極和該η型電極后，電容測量部分測量該P型電極和該η型電極之間的電容；雜質濃度分布計算步驟，其中雜質濃度分布計算部分由所測量的電容計算該發(fā)光層的雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制步驟，其中第一雜質濃度分布控制部分控制雜質濃度，從而以所計算的雜質濃度分布的雜質濃度的最低值作為特征量，在形成下一發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出。
2.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該第一雜質濃度分布控制步驟控制至少在阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層中的雜質濃度分布。
3.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布在5X IO16CnT3至9Χ IO16CnT3的范圍內，以其最低值為特征量。
4.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布為7X 1016cnT3，以其最低值為特征量。
5.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該第一雜質濃度分布控制步驟通過在至少生長阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3氣體的流量而控制該雜質濃度分布的最小值。
6.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該第一雜質濃度分布控制步驟通過在至少生長阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3氣體的引入時間而控制該雜質濃度分布的最小值。
7.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中在該電容測量步驟中測量的該電容是通過在該P型電極和該η型電極之間疊加且施加直流電壓和交流電壓的至少一種類型所測量的值。
8.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該電容測量步驟中測量的電容是通過在該P型電極和該η型電極之間疊加且施加脈沖電壓和交流電壓的至少一種類型所測量的值。
9.根據(jù)權利要求7或8的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該交流電壓的頻率為 IOOkHz 至 IOMHz。
10.根據(jù)權利要求7 或8的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該交流電壓的振幅為5mV 至 30mV。
11.根據(jù)權利要求7的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該直流電壓的范圍為0.8V至2.8V，以該P電極作為正極。
12.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中該雜質濃度分布為η型雜質濃度分布，并且該雜質為Si。
13.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中在該單晶基板上通過該MOCVD 法，由InxGa1J^0〈χ〈0.3)構成的第一層和由GaN構成的第二層交替層疊的多層形成在該發(fā)光層的η電極側，該發(fā)光層具有該多量子阱結構，并且該發(fā)光層由包括至少In的InyGai_yN(0〈y〈0.3)構成的阱層和由InyAlzGa1^N (O ( y〈0.1，O彡z<0.2)構成的勢壘層形成。
14.根據(jù)權利要求13的制造半導體發(fā)光元件的方法，其中雜質以單一導電類型的雜質濃度在5X IO16CnT3至5X IO18CnT3的范圍內加給該發(fā)光層的至少勢壘層。
15.根據(jù)權利要求1的制造半導體發(fā)光元件的方法，還包括:發(fā)光輸出和驅動電壓檢查步驟，其中發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分測量用于檢查的發(fā)光輸出和驅動電壓；以及第二雜質濃度分布控制步驟，其中當所測得的發(fā)光層和該驅動電壓的至少一個超過預定范圍時，第二雜質濃度分布控制部分通過控制該MOCVD部分而控制該發(fā)光層的該雜質濃度分布，以在形成下一發(fā)光層時，根據(jù)所測得的發(fā)光輸出和驅動電壓，最小化該驅動電壓的增加同時獲得最大發(fā)光輸出。
16.—種由根據(jù)權利要求1-8和11-15任何一項的半導體發(fā)光元件制造方法制造的半導體發(fā)光元件，其中至少在阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層中的單一導電類型的雜質濃度分布的最低值范圍為5X IO16CnT3至9X 1016cnT3。
17.根據(jù)權利要求16的半導體發(fā)光元件，其中該單一導電類型的雜質濃度分布的該最低值在公差范圍內為7X1016cm_3。
18.一種半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，用于由MOCVD部分在單晶基板上形成具有多量子阱結構的發(fā)光層且用于形成P型電極和η型電極以給該發(fā)光層提供電流，該系統(tǒng)包括:電容測量部分，在形成該P型電極和該η型電極后，用于測量該P型電極和該η型電極之間的電容；雜質濃度分布計算部分，用于由所測量的電容計算該發(fā)光層的雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制部分，用于控制使在形成下一發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出， 以所計算的雜質濃度分布的雜質濃度的最低值作為特征量。
19.根據(jù)權利要求18的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，其中該第一雜質濃度分布控制部分控制至少在阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層中的雜質濃度分布。
20.根據(jù)權利要求18的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，其中該第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布的范圍為5Χ IO16CnT3至9X1016cm_3，以其最低值為特征量。
21.根據(jù)權利要求18的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，其中該第一雜質濃度分布控制步驟控制為使單一導電類型的雜質濃度分布為7X 1016cnT3，以其最低值為特征量。
22.根據(jù)權利要求18的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，其中該第一雜質濃度分布控制步驟通過至少在阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層生長時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3氣體的流量而控制雜質濃度分布的最小值。
23.根據(jù)權利要求18的半導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，其中該第一雜質濃度分布控制步驟通過至少在阱層的勢壘層和該發(fā)光層的勢壘層生長時控制SiH4氣體和/或SiH(CH3)3氣體的引入時間而控制雜質濃度分布的最小值。
24.導體發(fā)光元件的制造系統(tǒng)，還包括:發(fā)光輸出和驅動電壓檢查部分，測量用于檢查的發(fā)光輸出和驅動電壓；以及第二雜質濃度分布控制部分，當所測得的發(fā)光層和該驅動電壓的至少一個超過預定范圍時，通過控制MOCVD部分而控制該發(fā)光層的雜質濃度分布，以在形成下一發(fā)光層時，根據(jù)測量的發(fā)光輸出和驅動電壓，最小化該驅動電壓的增加， 同時獲得最大發(fā)光輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了制造半導體發(fā)光元件的方法。該方法包括電容測量步驟，其中在形成p型電極和n型電極后，電容測量部分測量p型電極和n型電極之間的電容；雜質濃度分布計算步驟，其中雜質濃度分布計算部分從測量的電容計算雜質濃度分布；以及第一雜質濃度分布控制步驟，其中第一雜質濃度分布控制部分通過控制MOCVD部分而控制，使得在下一批次或基板中形成發(fā)光層時可獲得最大發(fā)光輸出，以所計算的雜質濃度分布的最小值作為特征量。根據(jù)本發(fā)明，可抑制設計摻雜濃度和深度方向上濃度分布的制造差異(生產波動)，并且可改善且穩(wěn)定發(fā)光輸出。
文檔編號H01L21/205GK103137802SQ20121050578
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2011年11月30日
發(fā)明者海原竜 申請人:夏普株式會社