TW201115784A - Nitride-based semiconductor light-emitting element - Google Patents

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TW201115784A
TW201115784A TW099121558A TW99121558A TW201115784A TW 201115784 A TW201115784 A TW 201115784A TW 099121558 A TW099121558 A TW 099121558A TW 99121558 A TW99121558 A TW 99121558A TW 201115784 A TW201115784 A TW 201115784A
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Takashi Kyono
Yohei Enya
Yusuke Yoshizumi
Katsushi Akita
Masaki Ueno
Takamichi Sumitomo
Masahiro Adachi
Shinji Tokuyama
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Sumitomo Electric Industries
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201115784 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種氮化物系半導體發光元件。 【先前技術】 下述非專利文獻1中記載有一種使用具有半極性主面的 GaN基板之LED(發光二極體）。其中記載有該LED係形成於 以（11-22)面為主面之GaN基板上，且具有包含InGaN/GaN 之單一量子井結構之發光層，發光波長為600 nm等。 下述非專利文獻2中記載有一種使用具有半極性主面之 GaN基板之LD(雷射二極體）。其中記載有該LD係形成於以 (10-1-1)面為主面之GaN基板上，且具有包含InGaN/GaN之 多量子井結構之發光層，發光波長為405.9 nm(藍紫色） 等。 先前技術文獻 非專利文獻 非專利文獻 1 : Mitsuru FUNATO et.al. 「Blue, Green, and
Amber InGaN/GaN Light-Emitting Diodes on Semipolar {11-22} GaN Bulk Substrates」，Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 26, 2006, pp. L659-L662 » 非專利文獻 2 : Anurag TYAGI et.al， 「Semipolar (10-1-1) InGaN/GaN Laser Diodes on Bulk GaN Substrates」， Japanese Journal of Applied.Physics, Vol. 46，No. 19，2007, pp. L444-L445 【發明内容】 149212.doc 201115784 發明所欲解決之問題 作為氮化物系半導體發光元件，有於氮化鎵（GaN)等之 氮化物系半導體基板上形成有包含發光層等之半導體積層 體者。在如此之氮化物系半導體發光元件中，使用以c面 為主面之GaN基板之情形’會於發光層產生相對較大之應 變。因此，會產生壓電極化所引起之量子斯塔克效應，使 電子及電洞空間分離，從而產生發光效率降低等之問題。 為抑制如此之壓電極化所引起之不良影響，已知有如上 述非專利文獻1及非專利文獻2所記載，使用以半極性面為 主面之GaN基板而製作氮化物系半導體發光元件之方法。 藉此’可抑制壓電極化所引起之發光效率之降低。 然而，根據發明者等之見解，即使使用以半極性面為主 面之GaN基板，在具備具有inGaN井層與包含系半導 體之障壁層之多量子井結構之發光層的氮化物系半導體發 光元件中，若井層與障壁層之能帶隙之差增大，則會因如 下所述之理由，有發光效率降低、驅動電壓增高之異常情 形。 即，若井層與障壁層之能帶隙之差增大，則井層與障壁 層之傳導帶之能帶偏移亦會增大。因此，若著眼於從_ 半導體層向發光層移動之電子，則當電子到達最初之井層 時，移動至鄰接之障壁層時必須超越之電位較大。其結 果，使得電子難以移動至位於p型半導體層侧之井層。另 一方面’井層與障壁層之價電子帶之能帶偏移會變得小於 傳導帶之能帶偏移。因此’從p型半導體層向發光層移動 1492l2.doc 201115784 之電洞相對較容易移動至半導體層側之井層。 因此’在各井層中’由於電子與電洞之佈植密度不均 一，故會導致發光效率降低，且驅動電壓升高。 ' 本發明係鑑於如此之問題而完成者，其目的在於提供一 * 種氮化物系半導體發光元件，其係使用以半極性面為主面 之GaN基板者，即使井層與障壁層之能帶隙之差較大，亦 可抑制發光效率之降低與驅動電壓之升高。 解決問題之技術手段 為解決上述之問題，本發明之氮化物系半導體發光元 件其特徵為具備.GaN基板，《包含六方晶系GaN半導 體，且具有相對正交於在該GaN半導體之(：軸方向延伸之 基準轴之基準平面成有限之角度的主面；η型氮化物系半 導體層；Ρ型氮化物系半導體層；及發光層，其包含交替 積層之複數個井層及複數個障壁層；且，主面係顯示半極 性；上述有限之角度係在4〇度以上5〇度以下及大於9〇度且 130度以下之範圍；發光層係設置型氮化物系半導體層 與Ρ型氮化物系半導體層之間；複數個井層分別包含 • InGaN;複數個障壁層分別包含㈣系半導體；複數個井 . ^分別之能帶隙能量與複數個障壁層中與各井層鄰接之障 壁層之能帶隙能量之差為〇7 eV以上；複數個井層分別之 塵電極化之方向，係從n型氮化物系半導體層朝向ρ型氮化 物系半導體層之方向。 ，根據本發明之氮化物系半導體發光元件，由於係使用以 半極性面為主面之GaN基板，故相較於使用以極性面為主 149212.doc 201115784 面之GaN基板之情形，可抑制壓電極化引起之發光效率之 降低。且’根據本發明之氮化物系半導體發光元件，由於 上述有限之角度係位於40度以上50度以下及大於9〇度且 13 0度以下之範圍，因此，複數個井層之各壓電極化之方 向為從η型氮化物系半導體層朝向p型氮化物系半導體層之 方向。藉此，障壁層之傳導帶之形狀變形，以使各障壁層 之傳導帶之η型氮化物系半導體層側之能階降低，而ρ型氮 化物系半導體層側之能階上升。因此，從η型氮化物系半 導體層到達至井層之電子移動至鄰接於該井層之ρ型氮化 物系半導體層側之障壁層時必須超越之電位降低。藉此使 侍電子易於移動至Ρ型氮化物系半導體層側之井層。因 此，即使各井層之能帶隙能量、與鄰接於其之障壁層之能 2隙能量之差為0.7 eV以上，電子與電洞仍容易再次結 合。其結果’在使用以半極性面為主面之㈣基板之氣化 物系半導體發光元件中，即使井層與障壁層之能帶隙之差 幸又大，亦可抑制發光效率之降低與驅動電壓之升高。 又，在本發明之氮化物系半導體發光元件中，發光層之 發光波長可為46G喊上55G nm以下。為獲得如此之發光 波長’必須加深井層之傳導帶之電位，且通常容易引起發 光效率之降低與驅動電壓之升高，但根據本發明之氮化物 系半導體發光元件’可如上所述抑制發光效率之降低盘驅 動電壓之升高。 〃 又’錢形下，主面可設為{1(M2}面、⑴面及 面中任意一者。 149212.doc 201115784 又，在本發明之氮化物系半導體發光元件中，上述有限 之角度可在100度以上117度以下之範圍。藉此，由於可減 小壓電極化，故而可抑制壓電極化所引起之發光效率之降 低。再者，由於可容易地增加井層之In納入量，故尤其有 利於利用本發明之氮化物系半導體發光元件實現長波長之 發光元件之情形。 又，該情形下，主面可設為{20-2-1}面。 又’本發明之氮化物系半導體發光元件可進而具備包含 InGaN之應變缓和層，且η型氮化物系半導體層可設置於 GaN基板與發光層之間’應變緩和層可設置於η型氮化物 系半導體層與發光層之間。在各井層之能帶隙能量與鄰接 於其之障壁層之能帶隙能量之差為〇_7 ev以上的情形下， 井層之應變有增大之傾向。若產生如此之應變，將會於井 層與障壁層之界面產生缺陷，從而導致發光效率降低。如 上所述’藉由於發光層下設置使該應變緩和之應變緩和 層’可抑制井層之應變，故可抑制發光效率之降低。 又’該情形下，應變緩和層之GaN基板側之界面之缺陷 饴度可為1 X 1 〇5 cm-1以下。藉此，藉由應變緩和層可充分 地抑制井層與障壁層之界面所產生之缺陷，因此可尤其抑 制發光效率之降低。 又’該情形下，應變緩和層之GaN基板側之界面之缺陷 畨度可為5xl〇3 cm·1以上。藉此，較之應變緩和層，GaN 基板側之各層中某種程度之應變獲得緩和，因此可藉由應 支緩和層尤其抑制井層與障壁層之界面所產生之缺陷，從 149212.doc 201115784 而可尤其抑制發光效率之降低。 又，在本發明之氮化物系半導體發光元件中，n型氮化 物系半導體層可以GaN或ΙηΑ丨(^…占5〇體積％以上之方式 構成。該等材料與井層之InGaN晶格失配較小，且形成於
GaN基板上之情形時，包含該等材料之層之應變之緩和亦 較小。因，可減小井層之應變，從而可尤其抑制發光效 率之降低。 發明之效果 根據本發明，可提供一種即使井層與障壁層之能帶隙之 差較大，亦可抑制發光效率之降低與驅動電壓之升高之氮 化物系半導體發光元件。 【實施方式】 以下，茲參照附圖詳細地說明實施形態之氮化物系半導 體發光元件。$ ’各圖式中’在可能之情形下對相同之要 素使用相同之符號。又，圖式中之構成要素内及構成要素 間之尺寸比分別為任意尺寸，以便易於觀察圖式。 圖1係概略性顯示本實施形態之氮化物系半導體發光元 件之結構之圖。作為氮化物系半導體發光元件，例如有半 導體雷射、發光二極體等。 氮化物系半導體發光元件LE1具有適於發光二極體之結 構。氮化物系半導體發光元件LE1具備：包含六方晶系氮 化録（GaN)半導體之氮化鎵基板I〗、n型氮化鎵系半導體層 13、發光層15、及Ρ型氮化鎵系半導體層17。 氮化鎵基板11具有主面lla及背面llb。氮化鎵基板"之 149212.doc 201115784 主面lla顯示半極性。 圖！顯示包含氮化鎵半導體之六方晶系之結晶轴㈣、爪 軸、及C軸之結晶座標系CR。例如， ，、方日日之C面係標記為 _υ」’㈣記為「（_·υ」之面方位係相對（〇謝） 面相反。又’圖1顯示有包含幾何學座標抽χ'γ、ζ之正 交座標系S。在正交座標系s中’在與主面Ua平行之方向 設定X軸及Y軸’在氮化鎵基板以厚度方向設定2轴。 氮化鎵基板11之主面〗la係相對於正交於基準軸Cx之基 準平面Sc，以40度以上50度以下及大於9〇度且13〇度以下 之範園之有限的角度α傾斜4處，基準軸以係朝氮化鎵 半導體之c軸方向延伸。在本實施例中，主面"a係相對於 基準平面Scsm軸方向傾斜有限之角度α，但亦可於a軸方 向傾斜有限之角度α，亦可相對於m軸與a軸兩者傾斜，藉 此與基準平面Se成有限之角度αβ該有限之角度續為相對 於氮化嫁基板11之c面之偏離角。 η型氮化鎵系半導體層13、發光層15、及ρ型氮化鎵系半 導體層17分別為磊晶層，且沿著與ζ軸平行之軸Αχ而排列 於主面11 a上。 發光層15係設置Μη型氮化鎵系半導體層13與卩型氮化鎵 系半導體層17之間。η型氮化鎵系半導體層13可包含丨個或 複數個η型氮化鎵系半導體層（在本實施形態中，為氮化鎵 系半導體層25、27、29)。ρ型氮化鎵系半導體層17包含： 具有大於發光層15之障壁層之能帶隙之能帶隙的氮化鎵系 半導體層31、與1個或複數個ρ型氮化鎵系半導體層（在本 1492J2.doc 201115784 實施形態中’為氮化録系半導體層33、35)。 發光層15可包含活性層19與氮化鎵半導體層37。氮化鎵 半導體層37可设為未摻雜之氮化鎵半導體層。 其次，參照圖2，說明活性層19之細節。圖2係顯示氮化 物系半導體發光元件之發光層附近之剖面結構之圖。 如圖2所示，活性層19具有交替積層之複數個井層21及 複數個障壁層23。即，活性層丨9具有多量子井結構。井層 2.1包含六方晶系InGaN。障壁層23包含六方晶系之氮化鎵 系半導體，例如可為GaN、InGaN、AlGaN、AlGalnN等。 又，各井層21之能帶隙能量、與和該井層2丨鄰接之障壁層 23之能帶隙能量之差為〇.7 以上。 又，井層21係沿著相對於正交於在〇軸方向延伸之基準 軸Cx之基準平面Sc，以有限之角度α21傾斜之基準平面§尺 而延伸。即，基準平面Sc與基準平面SR所成之有限之角度 α21大致等於基準平面Sc與主面】u所成之有限之角度以。 井層21内包有應變，井層21之屢電極化具有從打型氮化錄 系半導體層13朝向ρ型氮化鎵系半導體層17之方向（ζ軸之 正方向）之成份。由於InGaN之a軸及c轴方向之晶格常數大 於GaN之a軸及c軸方向之晶格常數，因此包含ΐη^Ν之井 層21從障壁層23受到應力（壓縮應變），而内包應變。因 此上述壓電極化之方向可藉由調節主面lla與基準平面 SC所成之有限之角度α，即適宜選擇主面11a之結晶面而決 定。 又如圖1所示，η型氮化鎵系半導體層丨3之氮化鎵系半 I492I2.doc 201115784 體層25可作為例如包含摻歸料㈣㈣或副_ 之緩衝層。氮化鎵系半導體層27為例如用於供給η型載子 之層’且可作為摻雜扣等之η型GaN層或InA1Ga_。氮 化料半導體層29為用於緩和井層21之應變之應變緩和 層氮化鎵系半導體層Μ可為例如摻雜有^等之打型^^^ 層再者，η型氮化鎵系半導體層13亦可不包含作為應變 緩和層之氮化鎵系半導體層29。 ρ型氮化鎵系半導體層17内之氮化鎵系半導體層31可作 為電子阻擋層及覆蓋層中任意—者。電子阻擋層係阻播來 自發光層之電子，而覆蓋層係進行載子之閉入及光之閉 ^化録系半導體層31可包含例如#雜有Mg等之ρ型 A1GaN。氮化鎵系半導體層33可包含例如摻雜有Mg等之p ! aN氮化鎵系半導體層3 5為例如摻雜有之p+型 接觸層。 又，氮化鎵系半導體層35上設置有第i電極（例如陽極電 )&彦面11 b上设置有第2電極（例如陰極電極）41 h若 經由該等電極而於活性屢19佈植載子，則會生成光。 八人說明本貫施形態之變形例之氮化物系半導體發光 元件。在本變形例之説明中，與上述之氮化物系半導體發 光疋件LE1相同之f素係附注相同之符冑，因此而有省略 其詳細說明之部分。 圖3係概略性顯示本實施形態之氮化物系半導體發光元 件之結構之圖。作為氮化物系半導體發光元件LD1，例如 有半導體雷射等。 149212.doc 201115784 氮化物系半導體發光元件LD1具有適於半導體雷射之結 構。氮化物系半導體發光元件LD1具備氮化鎵基板11、n 型氮化鎵系半導體層13、發光層15、及ρ型氮化鎵系半導 體層17。發光層15包含活性層19 ’活性層19具有包含交替 排列之複數個井層21及複數個障壁層23之量子井結構。發 光層15係設置於η型氮化鎵系半導體層13與ρ型氮化鎵系半 導體層17之間。η型氮化鎵系半導體層13可包含一個或複 數個η型氮化鎵系半導體層（在本實施例中，為氮化鎵系半 導體層55、57)。ρ型氮化鎵系半導體層17包含：能帶隙大 於障壁層23之能帶隙之氮化鎵系半導體層3 1、與一個或複 數個Ρ型氮化鎵系半導體層（在本實施例中，為氮化鎵系半 導體層51、53)。 氮化鎵系半導體層55可作為例如摻雜有Si等之η型AlGaN 覆蓋層。氮化鎵系半導體層57為用於緩和井層21之應變之 應變緩和層。氮化鎵系半導體層57可為例如掺雜有8丨等之 π型InGaN層。發光層15可包含第1光引導層59a、第2光引 導層59b、及未摻雜GaN層61。活性層1 9係設置於第1光引 導層59a與第2光引導層59b之間。第1光引導層59a及第2光 引導層59b可包含例如未摻雜InGaN。第2光引導層5补上設 置有未換雜GaN層61。再者’ n型氮化鎵系半導體層13可 不包含氮化鎵系半導體層57。 氮化鎵系半導體層3 1可作為例如摻雜有Mg等之ρ型 AlGaN層。氮化鎵系半導體層5丨可作為例如摻雜有等之 Pt· AlGaN覆蓋層。氮化鎵系半導體層53為例如摻雜有Mg H9212.doc -12- 201115784 等之p+型GaN接觸層。 P里氮化鎵系半導體層17上，設置有具有條狀窗之絕緣 膜63。於絕緣膜63及P型氮化鎵系半導體層17上形成電 極。第1電極（例如陽極電極）65係設置於氮化嫁系半導體層 53上，且第2電極（例如陰極電極）67係形成於背面Ub上：。 應答經由㈣電極之載子之佈值，活性層19生成雷射光。 又，在本變形例中，氮化鎵基板11之主面1 la係相對於 基準平面Sc而於&軸方向傾斜有限之角度α。 根據如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光元件 LE1 LD1，由於使用以半極性面為主面i丨&之氮化鎵基板 Π (參照圖1及圖3)，故相較於使用以極性面為主面之氮化 鎵基板之情形，其井層21之壓電極化變小。因此，可抑制 壓電極化所引起之量子斯塔克效應，故可抑制發光效率之 降低。 且’根據如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光 兀件LEI、LD1，由於上述有限之角度“系扣度以上5〇度以 下及大於90度且130度以下之範圍内（參照圖i及圖3),因此 複數個井層21分別之壓電極化之方向為從n型氮化鎵系半 導體層13朝向p型氮化鎵系半導體層17之方向。藉此，在 使用以半極性面為主面丨la之氮化鎵基板丨丨之氮化物系半 V體發光元件中’即使井層21與障壁層23之能帶隙之差較 大’亦可抑制發光效率之降低與驅動電壓之升高。就該原 理，一面參照圖4 一面進行說明。 圖4(a)係井層之壓電極化之方向為從p型半導體層朝向η 149212.doc 201115784 型半導體層之方向之情形的發光層之能帶圖，圖4(b)係井 層之壓電極化之方向為從η型半導體層朝向p型半導體層之 方向之情形的發光層之能帶圖。 在圖4(a)中，顯示包含交替積層之複數個包含之 井層21χ及包含GaN之障壁層23χ的活性層ΐ9χ ,且對應於 活I1生層19χ内之ζ座標而顯示井層21χ及障壁層之傳導帶 以、及價電子帶Εν。在圖4(b)中，對應於活性層^内之ζ 座標而顯示井層21及障壁層23之傳導帶Ec、及價電子帶 Εν。 如圖4(a)所示，當井層之壓電極化之方向為從ρ型半導體 層朝向η型半導體層之方向（z軸之負方向）時，由於井層 21x之壓電極化，障壁層23χ之料帶Ec之形狀變形，錢 障壁層23x之n型半導體層側（z抽之負方向側）之能階择 高’使P型半導體層側（Z轴之正方向⑷之能階降低。因曰 此，使得到達至井層21χ之電子e移動至鄰接於p型半導體 層側之&壁層23x時所必須超越之電位p234冑。因此， 電子e難以向p型半導體層側移動…已知在井層包含 InGaN、障壁層包含GaN之情形下，井詹&與障壁層a” 之界：之價電子帶Εν之能帶偏移相對縮小。因此，電洞匕 比較各易從P型半導體層側移動至η型半導體層側。因此， 會使各井層21Χ中，電子e與電洞h之佈植密度不均一，故 導致發光效率降低，驅動電壓升高。 相對於此，>圖4(b)所示，當井層之壓電極化之方 從―半導體層朝向p型半導體層之方向(z軸之正 149212.doc 201115784 時’障壁層23之傳導帶Ec之形狀變形，以使障壁層23之n 型氮化物系半導體層側之能階降低，使ρ型氮化物系半導 體層側之能階上升。因此，使得從η型氮化物系半導體層 到達至井層21之電子e移動至鄰接於該井層21之ρ型氮化物 系半導體層側之障壁側23時所必須超越之電位p23降低。 藉此，電子e易於向ρ型氮化物系半導體層側之井層2丨移 動。其結果’即使各井層21之能帶隙能量G21 '與鄰接於 其之障壁層23之能帶隙能量G2 3之差為0.7 eV以上，由於 电子e與電洞h谷易再次結合，故仍可抑制發光效率之降低 與驅動電壓之升高。 又，在如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光元 件LEI、LD1中，發光層15(活性層19)之發光波長可為46〇 nm以上550 nm以下。為獲得如此之發光波長，必須加深井 層21之傳導帶Ec之電位（參照圖4)，通常易引起發光效率 之降低與驅動電壓之升高。但根據本實施形態之氮化物系 半導體發光元件LEI、LD1，可如上所述抑制發光效率之 降低與驅動電壓之升高。 又，在如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光元 件LEI、LD1中，主面lla可設為{1〇12}面、{1122}面、 及{10-1-1}面中任意一者。 又在如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光元 件LEI、LD1中’有ρ艮之角度〇1可在1〇〇度以上117度以下之 範圍内。藉此由於可減小井層21之壓電極化，故可抑制壓 電極化所引起之發光效率之降低。再者，由於可容易地增 149212.doc -15- 201115784 加井層21之In納入量’因此尤其有利於藉由氮化物系半導 體發光元件LEI、LD1實現長波長之發光元件之情形。 又，當有限之角度α為1〇〇度以上117度以下之範圍内時， 主面11a可設為{20-2-1}面。 又，如上所述，本實施形態之氮化物系半導體發光元件 LEI、LD1，作為包含InGaN之應變緩和層，進而具備氮化 鎵系半導體層29(圖1)或氮化鎵系半導體層57(圖3)。各井 層21之能帶隙能量G21、與鄰接於其之障壁層23之能帶隙 能量G23之差為0.7 eV以上之情形，井層21之應變有增大 之傾向。若產生如此之應變，則會於井層21與障壁層23之 界面產生缺陷，導致發光效率降低。如上所述，藉由於活 性層19之下設置缓和該應變之應變緩和層，可抑制井層21 之應變，故可抑制發光效率之降低。 又，如上述之實施形態之情形，當氮化物系半導體發光 元件LE1、LD1具備應變緩和層（氮化鎵系半導體層29或氮 化鎵系半導體層57)時，應變緩和層之氮化鎵基板u側之 界面之缺陷密度可為1x1 〇5 cm·1以下（參照圖1及圖3)。藉 此’由於可藉由應變缓和層充分地抑制於井層2 1與障壁層 23之界面產生之缺陷（參照圖2)，故可尤其抑制發光效率之 降低。 且在該情形下’應變緩和層（氮化鎵系半導體層29或氮 化鎵系半導體層57)之氮化鎵基板丨丨側之界面之缺陷密度 可為5xl03 cm-1以上（參照圖1及圖3)。藉此，可較應變緩和 層更能某種程度地緩和氮化鎵基板丨丨側之各層（氮化鎵系 149212.doc -16- 201115784 半導體層27、氮化嫁系半導體潛25'氮化鎵系半導體層 55)中之應變，因此，可藉由應變緩和層尤其地抑制於井 層21與障壁層23之界面產生之缺陷，可尤其抑制發光效率 之降低。 又’在如上所述之本實施形態之氮化物系半導體發光元 件LEI、LD1中’ η型氮化鎵系半導體層η可以GaN或 InAlGaN佔50體積％以上之方式而構成（參照圖1及圖3)。該 等材料與井層21之InGaN的晶格失配較小，當其形成於氮 化鎵基板11上時，包含該等材料之層之應變之緩和亦小。 因此，可減小井層2 1之應變，從而可尤其抑制發光效率之 降低。 (實施例） 以下’就實施例及比較例進行說明。 作為實施例1〜實施例3、比較例丨〜比較例6，而製作 LED(發光二極體）。圖5係顯示實施例丨〜實施例3 '比較例 1~比較例6之LED結構之圖。如圖5所示，準備GaN基板 71。又，在各實施例及比較例中，使GaN基板71之主面 7la與正交於基準軸Cx之基準平面Sc所成之有限之角度α的 值（偏離角）變化。即’使各實施例及比較例中之主面71&之 面方位變化。將GaN基板7丨配置於生長爐，供給氨氣 (ΝΗ;)及氫氣（¾2)，於攝氏1〇5〇度之氛圍下將GaN基板乃保 持10分鐘。執行該前處理（熱清洗）後，將原料氣體供給於 生長爐，如下所示製作成用於LED之構造。 首先，在攝氏1100度下使η型GaN引導層72生長2μηι。在 149212.doc •17- 201115784 攝氏800度下使n型InG❶山以?sN應變緩和層73生長1 〇〇 nm。其次，使發光層74生長。發光層74係採用將包含15 run之GaN之障壁層、與包含3 nm2InGaN2井層交替積層 之量子井結構。根據GaN基板7〗之偏離角，井層之化之^ 入容易度不同。因此，以使井層成為期望之構成，達到期 望之發光波長的方式’在各實施例及各比較例中調節井層 與障壁層之生長溫度。井層之數係設為3層。其後，在攝 氏1000度下，依序生長20 1^之1^型入1。18〇知8川電子阻擋 層75、及50 nn^p型GaN接觸層76。又，於觸層田 76上，蒸鍍包含Ni/Au且具有開口之陽極電極刃、與包含 TVAu且經由陽極電極77之開口而接觸於p型GaN接觸層％ 之墊電極78。又，於GaN基板71之背面，蒸鍍包含Ti/Ai之 陰極電極79。 圖6係顯示實施例丨〜實施例3、比較例丨〜比較例6之主面 之面方位、偏離角（角度α)、及大概之發光波長的圖。如 圖6所示，面方位係以實施例丨、比較例丨〜5、實施例2、比 車又例6、只施例3之順序，分別設為^卜^卜⑺⑽”“卜 22) > (10-1 1) . (20-21) . (10-10) . (20-2-1) > (20-21) > (20-1)又，偏離角係以實施例1、比較例1〜5、實施例2、 比較例6、Α施例3之順序，分別設為43度（⑺軸方向）、〇 度、58度（a軸方向）、62度（111軸方向）、乃度加軸方向）、9〇 度（m轴方向）、1〇5度（m軸方向）、乃度（⑺軸方向）、⑺$度 (袖方向）發光波長在實施例1〜實施例2、比較例1〜比較 例5中為500 nm左右’在實施例3、比較例6中為4〇〇 nm左 149212.doc 201115784 右。 其次’就實施例1〜實施例2、Λ較例1〜比較例5, 一面施 力，项向偏壓’—面對各LED從陽極電極77之上照射激發 光，檢測PL(光致發光），藉此決定各井層之壓電極化之朝 向乂下面參照圖7及圖8，一面說明如此之偏壓施mPL 測定之原理。 圖7係井層之屋電極化（確切而言，係合併塵電極化盘自 發極化之内部電場）正性強時之井層及障壁層的能帶圖\ 圖7之橫軸係將從n型氮化物系半導體層朝向p型氮化物系 半導體層之方向作為正向。圖7⑷係顯示順向偏麈施加前 之狀態，圖7(b)係顯示順向偏壓施加後之狀態。 圖8係井層之壓電極化（確切而言，係包含壓電極化與自 發極化之内部電場）正向弱或為負時之井層及障壁層的能 帶圖。圖8之橫軸係將從n型氮化物系半導體層朝向p型^ 化物系半導體層之方向設為正向。圖8⑷係顯示順向偏壓 施加前之狀態，圖8(b)係顯示順向偏壓施加後之狀態。 如圖7所示，當井層之壓電極化正性強時，係藉由施加 順向偏壓，而改變井層之傳導帶以與價電子帶Ev2傾斜方 向。藉此，藉由施加順向偏壓，井層之傳導帶以内之最低 能階與價電子帶Εν内之最高能階的差Gw縮小。其結果，_ 藉由施加順向偏壓，使PL波長紅移。 另一方面，如圖8所示，當井層之壓電極化正性弱或為 負時，係藉由施加順向偏壓，於井層之傳導帶以與價電子 帶Εν之傾斜方向相同下，傾斜之大小減小。藉此，藉=施 149212.doc -19- 201115784 加順向偏壓，井層之傳導帶以之最低能階與價電子帶以内 之最高能階的差Gw增大。其結果，藉由施加順向偏壓， 使PL波長藍移。就實施例丨〜實施例2、比較例丨〜比較例5， 在絕對溫度100 K下，進行各種順向偏壓大小之如此般之 測定。 圖9(a)圖9(b)、及圖9(c)係分別顯示比較例1、實施例 1、及比較例4之偏壓施加PL測定結果之圖，且顯示複數個 順向偏壓值。圖9之圖中之橫軸係表示pL峰值之波長，縱 軸係表示以EL強度除PL強度將其標準化之光強度。如圖9 所示，在比較例1中，當順向偏壓值增加時，1^峰值之波 長發生紅移，而在實施例i中，PL峰值之波長幾乎無變 化。藉此，可知在比較例丨及實施例1中，井層之壓電極化 為正。又，在比較例4中，當順向偏壓值增加時，pL峰值 之波長發生藍移。藉此，可知在比較例4中，井層之壓電 極化為負。 圖10係根據實施例1〜實施例2、比較例卜 施一結果而求得一之波長之位移㈣之= 角依存性。PL峰值之波長之位移量係作為偏壓為〇 v時之 PL峰值的波長、與EL發光開始後之pL峰值之波長之差。 在圖10中，比較例5(面方位（10_10)、偏離角9〇度（〇1軸方 向））中，由於主面為m面，故内部電場為〇。因此，波長位 移里大於比較例5之實施例或比較例之壓電極化為正，波 長位移量小於比較例5之實施例或比較例之壓電極化為 負。如圖1〇所示，井層之壓電極化之方向為正的是比較例 149212.doc •20· 201115784 1與實施例1，井層之壓電極化之方向為負的是比較例2〜比 較例4。此處’使用以相當於比較例2~比較例4之GaN基板 之背面之面為主面的GaN基板，製作同樣之LED之情形， 其井層之壓電極化為正。因此，若使用以（n—2-2)面（相當 於比較例2之GaN基板之背面）、（1 〇_ 1 _ 1)面（相當於比較例3 之GaN基板之背面）、及（20-2-1)面（相當於比較例4之GaN 基板之背面、實施例2之GaN基板之主面）為主面之GaN基 板，製作同樣之LED ’則可知井層之壓電極化將為正。再 者’圖10中亦顯示以與比較例2相同之條件製作之其他比 較例、及以與比較例4相同之條件製作之其他比較例，所 對應於PL峰值之波長之位移量的曲線圖。 其次，就實施例2與比較例4之電壓-電流特性進行比 較。比較例4之GaN基板之背面相當於實施例2之GaN基板 之主面。如上所述’實施例2之井層之壓電極化之朝向為 正，比較例4之井層之壓電極化之朝向為負。圖u係顯示 實施例2與比較例4之電壓·電流特性之測定結果之圖。如 圖11所示，實施例2之驅動電壓變低。藉此，可知藉由將 井層之壓電極化之方向設為正，可使驅動電壓降低。 同樣地，就實施例3與比較例6之電壓_電流特性進行比 較。比較例6之GaN基板之背面相當於實施例3之〇州基板 之主面。如上所述，實施例3之井層之壓電極化之朝向為 正，比較例6之井層之壓電極化之方向為負。圖12係顯示 實施例3與比較例6之電壓_電流特性之測定結果之圖。如 圖12所示’實施例3之驅動電壓變低。藉此，可知藉由將 149212.doc •21· 201115784 井層之壓電極化之朝向設為正，可使驅動電壓降低。但， 圖12所不之400 nm帶LED(實施例3與比較例6)之驅動電壓 之降低程度，係小於圖丨丨所示之5〇〇 nm帶LED(實施例2與 比較例4)之驅動電壓之降低程度。其理由認為是由於實施 例3與比較例6中井層之傳導帶之電位較淺，因此即使在井 層之壓電極化之朝向為負之比較例6中，電子仍相對較容 易從某個井層移動至與其鄰接之井層。藉此，可認為藉由 將井層之壓電極化之朝向作為正而使驅動電壓降低之效 果’在井層之傳導帶之電位較深時，發揮得更為顯著。 其次’作為實施例4及實施例5，而製作LD(雷射二極 體）。圖13係顯示實施例4及實施例5之lD結構之圖。如圖 13所示，準備GaN基板81。又，GaN基板81之主面81a、與 正交於基準軸Cx之基準平面sc所成之有限角度α之值（偏離 角）為105度。即，實施例4及實施例5之主面8丨a之面方位 係設為（20-1-1)。將GaN基板81配置於生長爐，且供給氨 氣（NH3)及氫氣（H2)，並於攝氏1〇5〇度之氛圍下將〇aN基板 81保持10分鐘。執行該前處理（熱清洗）後，將原料氣體供 給於生長爐’如下所述製作成用於LD之構造。 首先’在攝氏1050度下，使n型GaN層82生長500 nm。 在攝氏880度下，使n型in()Q2A1()()9(}a()89N覆蓋層83生長1.2 μηι。在攝氏840度下使n型inGaN引導層84生長2〇〇 nm。此 處，係將實施例4之η型InGaN引導層84之組成設為 In0.〇3Ga0.97N ’將實施例5之InGaN引導層84之組成設為 In0.01Ga〇.99N。η型InGaN引導層84係作為應變缓和層而發 149212.doc •22· 201115784 揮力月b八人，使發光層85生長。發光層85係採用將包含 15 nm之GaN之障壁層、與包含3⑽之㈤…叫⑽之井層 父替積層之里子井結才冓。井|之數係設為2層。井層之生 長溫度係設為攝氏740度，障壁層之生長溫度係設為84〇 度0 其次，在攝氏840度下，使InGaN引導層86生長2〇〇nm。 此處，係將實施例4之inGaN引導層86之組成設為
In〇.〇3Ga0.97N，將實施例5之InGaN引導層％之組成設為 In〇,oiGa().99N。在攝氏10〇〇度下，依序生長2〇 型
Al'12Ga〇.88N電子阻擋層 87、4〇〇 1^之{)型111〇。2八1〇 〇9^〇 8小 覆蓋層88、及50 nm之p型GaN接觸層89。又，於p型_接 觸層89上，經由包含氧化矽（Si〇2)之絕緣膜卯之寬度i〇 之條狀的開口，藉由蒸鍍而形成包含见/如之p電極與
Ti/Au層之墊電極91，且於GaN基板81之背面藉由蒸鍍而形 成包含Τι/Al之η電極與Ti/Au層之墊電極92。且，在與條狀 以800 μιη間隔劈開GaN基 之開口之延伸方向垂直之面上 板81。於經劈開而露出之兩端面形成包含Si〇2/Ti〇2之介電 體多層膜，製作成增益波導型之LD。 就實施例4及實施例5進行剖面TEM觀察。在實施例4 中’於η型In0.02Al0.09Ga0.89N覆蓋層83與η型InGaN引導層84 之界面，確認有2xl04 cm·1之密度之錯位差排。於發光層 85上未確認到錯位差排。在實施例5中，未於打型 In0.Q2Al〇.〇9Ga〇.89N覆蓋層83、與η型InGaN引導層84之界面 上確認到錯位差排，但在發光層85中，確認有從井層與障 149212.doc •23- 201115784 壁層之界面貫通至發光層85之表面之ixio8 cm·2之密度的 缺陷。在貫施例4中，由於InGaN引導層84之應變被緩 和，因此認爲即使提高井層之In組成，亦可抑制在發光層 85中產生缺陷。 【圖式簡單說明】 圖1係概略性顯示氮化物系半導體發光元件之結構之 圖。 圖2係顯不氮化物系半導體發光元件之發光層附近之剖 面結構之圖。 圖3係概略性顯示氮化物系半導體發光元件之結構之 圖。 圖4(a)、（b)係發光層之能帶圖。
圖5係顯示實施例1〜實施例3、比較例1〜比較例6之LED 結構之圖。 圖ό係顯示實施例丨〜實施例3、比較例丨〜比較例6之主面 之面方位、偏離角（角度〇〇、及發光波長之圖。 圖7(a)、（b)係井層及障壁層之能帶圖。 圖8(a)、（b)係井層及障壁層之能帶圖。 圖9(a)〜（c)係顯示比較例1、實施例1、及比較例4之測定 結果之圖。 圖1 〇係顯示實施例丨〜實施例2、比較例1〜比較例5之測定 結果之圖。 圖Π係顯示實施例2與比較例4之電壓-電流特性之測定 結果之圖。 149212.doc -24- 201115784 圖12係顯示實施例3與比較例6之電壓-電流特性之測定 結果之圖。 圖13係顯示實施例4及實施例5之LD結構之圖。 【主要元件符號說明】 11 氮化鎵基板 11a 主面 lib 背面 13 η型氮化鎵系半導體區域 15 發光區域 17 第2氮化鎵系半導體區域 19 活性層 21 井層 23 障壁層 25 ' 27 ' 29 氮化鎵系半導體層 31、 33 ' 35 氮化鎵系半導體層 37 氮化鎵半導體層 41a 第1電極 41b 第2電極 CR 結晶座標糸 Cx 基準軸 LEI 、LD1 氮化物系半導體發光元件 Sc 基準平面 a 偏離角
S 149212.doc -25-

Claims (1)

  1. 201115784 七、申請專利範圍·· 1 一種氮化物系半導體發光元件，其特徵為具備： GaN基板’其包含六方晶系GaN半導體，且具有相對 ，正父於在该GaN半導體之c軸方向延伸之基準軸之基準平 面成有限之角度的主面； η型氮化物系半導體層； Ρ型氮化物系半導體層；及 發光層，其包含交替積層之複數個井層及複數個障壁 層；且， 上述主面係顯示半極性； 上述有限之角度係40度以上5〇度以下及大於9〇度且 130度以下之範圍； 上述發光層係設置於上述η型氮化物系半導體層與上 述Ρ型氮化物系半導體層之間； 上述複數個井層分別包含InGaN ; 上述複數個障壁層分別包含GaN系半導體； 上述複數個井層分別之能帶隙能量、與上述複數個障 壁層中與該各井層鄰接之障壁層之能帶隙能量之差為〇.7 eV以上； ”· 々上述複數個井層分別之壓電極化之方向係從上述η型 氮化物系半導體層朝向上述Ρ型氮化物系半導體層之方 向。 s 2.如請求们之氮化物系半導體發光元件，其中上述發光 層之發光波長為460 nm以上550 nm以下。 149212.doc 201115784 3. 如請求項1或2之氮化物系半導體發光元件，其中上述主 面為{10-12}面。 4. 如請求項1或2之氮化物系半導體發光元件，其中上述主 面為{ 11-2-2}面。 5. 如請求項1或2之氮化物系半導體發光元件，其中上述主 面為{10-1-1}面。 6. 如請求項1或2之氮化物系半導體發光元件，其中上述有 限之角度係在100度以上117度以下之範圍。 7·如請求項6之氮化物系半導體發光元件，其中上述主面 為{20-2-1}面。 8. 如請求項丨至7中任一項之氮化物系半導體發光元件，其 進而具備包含InGaN之應變緩和層，且， 上述η型氮化物系半導體層係設置於上述GaN基板與上 述發光層之間； 上述應變緩和層係設置於上述η型氮化物系半導體層 與上述發光層之間。 9. 如請求項8之氮化物系半導體發光元件，其中上述應變 缓和層之上述GaN基板側之界面之缺陷密度為ΐχΐ 〇5 cm·1 以下。 10. 如請求項8或9之氮化物系半導體發光元件，其中上述應 變緩和層之上述GaN基板側之界面之缺陷密度為5x1 〇3 cm-1以上。 1 1.如請求項1至10中任一項之氮化物系半導體發光元件， 其中上述η型氮化物系半導體層係以GaN或InAlGaN佔50 體積％以上之方式而構成。 149212.doc
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