TW201318292A - 氮化物半導體發光元件 - Google Patents

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Takashi Kyono
Yohei Enya
Masaki Ueno
Katsunori Yanashima
Kunihiko Tasai
Hiroshi Nakajima
Noriyuki Futagawa
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Sumitomo Electric Industries
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Abstract

本發明可提供一種具有可減少來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之構造的氮化物半導體發光元件。{20-21}面上之半導體雷射係藉由該異質接面而於電洞帶上生成二維電洞氣。於生成二維電洞氣之異質接面自半導體隆脊位置偏離時，該二維電洞氣係於p側之半導體區域內引起載子之橫向擴散。另一方面，c面上之半導體雷射係不會藉由該異質接面而於電洞帶上生成二維電洞氣。於異質接面HJ包含於半導體隆脊時，在自半導體隆脊流出之載子中，不存在因二維電洞氣之作用引起之橫向擴散。

Description

氮化物半導體發光元件
本發明係關於一種氮化物半導體發光元件。
專利文獻1係關於一種氮化鎵系半導體雷射元件。於該氮化鎵系半導體雷射元件中，包含氮化物半導體之多重量子井構造活化層包含2層量子井層，各量子井層之厚度為10 nm以下。藉此，可使電子與電洞均勻地分佈至所有量子井層。電子與電洞向電子．電洞因再耦合而削減之量子井層內之注入係有效地進行，故而有效地調變存在於量子井層內之電子與電洞之密度。其結果，亦可調變其光輸出，從而於用作光碟用時，實現不會於資料之讀取時產生錯誤之氮化鎵系半導體雷射元件。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-177624號公報
專利文獻1係揭示一種氮化鎵系半導體雷射元件。氮化鎵系半導體雷射元件係使用藍寶石基板、SiC基板、尖晶石基板、MgO基板、Si基板或GaAs基板而製作，於氮化鎵系半導體雷射元件之製作中，在成長於基板上之極性c面上，成長用以雷射之半導體層。於磊晶成長之最後，成長0.7 μm厚之p型包覆層及0.2 μm厚之接觸層。此後，蝕刻p 型接觸層及p型包覆層而形成隆脊構造。於形成隆脊時，未蝕刻光導引層。於該隆脊構造中，經蝕刻之p型包覆層之殘膜處於0.05 μm至0.5 μm之範圍內。
於半極性面上設置有活化層之氮化物半導體雷射係於半極性面上之井層之壓電極化為負，即與c面上之井層之壓電極化為反向時，根據發明者等人之認知，於半導體雷射之特性中產生差異。於將具有隆脊構造之氮化物半導體雷射製作至半極性面上時，發明者等人之實驗表示如下情形：使用半極性面之氮化物半導體雷射之閾值電流變得大於使用c面之氮化物半導體雷射。該點暗示：於半極性面上製作如井層之壓電極化自p型包覆層朝向n型包覆層之方向之半導體隆脊中，來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於設置於c面上之半導體隆脊。
根據發明者等人之認知，無法將c面之氮化物半導體雷射之技術應用至半極性面之氮化物半導體雷射的情形較多，反向壓電極化之技術為一例。
本發明之目的在於提供一種具有可減少來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之構造的氮化物半導體發光元件。
本發明之氮化物半導體發光元件包括：(a)包含n型包覆層及第1內側半導體層之第1 III族氮化物半導體區域；(b)設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上之活化層；(c)包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上之第2 III族氮化物半導體區 域；及(d)設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上之電極。上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述第1內側半導體層、上述活化層及上述第2內側半導體層構成核心區域，上述n型包覆層、上述核心區域及上述p型包覆層構成光波導構造，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述井層包含InGaN層，上述活化層之上述井層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域具有半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層包含與上述活化層之上述井層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述 半導體隆脊之上述底部與上述第2異質接面之距離為200 nm以下。
根據該氮化物半導體發光元件，活化層與第1 III族氮化物半導體區域之第1內側半導體層形成異質接面(第1異質接面)，該異質接面係相對於n型包覆層之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜。因此，活化層係設置於所謂之半極性面上。於該活化層包含內包壓縮應變之井層時，製作至如該井層之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向的半極性面上之半導體隆脊係來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上的半導體隆脊之載子之橫向擴散。於半導體隆脊之底部與第2異質接面之距離為200 nm以下時，來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之增加減少，從而可減少因光波導構造之光分佈與載子分佈之失配引起之波導損失。因此，閾值電流之增加得以減少。
再者，半導體隆脊之底部與第2異質接面之距離較佳為30 nm以上。若半導體隆脊之底部與第2異質接面之距離短於30 nm，則隆脊加工之損傷波及至活化層，從而具有發光效率下降之可能性。
又，本發明之氮化物半導體發光元件包括：(a)包含n型包覆層及第1內側半導體層之第1 III族氮化物半導體區域；(b)設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上之活化層；(c)包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上之第2 III族氮化物半導體 區域；及(d)設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上之電極。上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域具有半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層係包含處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活化層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面。
根據該氮化物半導體發光元件，活化層與第1 III族氮化 物半導體區域之第1內側半導體層形成異質接面(第1異質接面)，該異質接面係相對於n型包覆層之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜。因此，活化層係設置於所謂之半極性面上。於該活化層包含內包壓縮應變之井層時，製作至如該井層之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向的半極性面上之半導體隆脊係來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上的半導體隆脊之載子之橫向擴散。
根據關於該活化層與第2內側半導體層形成異質接面(第2異質接面)之構造之發明者研究，第2 III族氮化物半導體區域之半導體隆脊包含第2內側半導體層與p型包覆層之間之異質接面(第3異質接面)，另一方面，第2內側半導體層之第3部分，換言之自第2異質接面於積層軸之方向上超過80 nm而至半導體隆脊之底部為止的半導體部分不包含異質接面。於該半導體部分不包含異質接面時，電洞帶之因浸漬引起之載子橫向擴散得到抑制，從而光分佈與載子分佈之失配減少，因此閾值電流之增加減少。
進而，本發明之氮化物半導體發光元件包括：(a)包含n型包覆層及第1內側半導體層之第1 III族氮化物半導體區域；(b)設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上之活化層；(c)包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上之第2 III族氮化物半導體區域；及(d)設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上之電極。上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述 第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域具有半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層係包含處於上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活化層包含形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面，上述第2內側半導體層包含第1光導引層及第2光導引層，上述第1光導引層之帶隙大於第2光導引層之帶隙，上述第1光導引層設置於上述p型包覆層與上述第2光導引層之間，上述第 1光導引層係與上述第2光導引層，於上述半導體隆脊內形成異質接面。
根據該氮化物半導體發光元件，活化層與第1 III族氮化物半導體區域之第1內側半導體層形成異質接面(第1異質接面)，該異質接面係相對於n型包覆層之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜。因此，活化層係設置於所謂之半極性面上。於該活化層包含內包壓縮應變之井層時，製作至如該井層之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向的半極性面上之半導體隆脊係來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上的半導體隆脊之載子之橫向擴散。
根據關於該活化層與第2內側半導體層形成異質接面(第2異質接面)之構造之發明者研究，第2 III族氮化物半導體區域之半導體隆脊包含第2內側半導體層與p型包覆層之間之異質接面(第3異質接面)，另一方面，第2內側半導體層之第3部分、即自第2異質接面於積層軸之方向上超過80 nm而至半導體隆脊之底部為止之半導體部分不包含異質接面。
又，可藉由第1光導引層與第2光導引層之折射率差而提高光封閉性能。第1光導引層與第2光導引層構成異質接面，且該異質接面位於半導體隆脊內，因此不會藉由因該異質接面引起之電洞帶之浸漬，產生自半導體隆脊流出之載子之橫向擴散，從而閾值電流之增加得以減少。
進而又，本發明之氮化物半導體發光元件包括：(a)包含 n型包覆層及第1內側半導體層之第1 III族氮化物半導體區域；(b)設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上之活化層；(c)包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上之第2 III族氮化物半導體區域；及(d)設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上之電極。上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域具有半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層係包含處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活化層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1 部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分包含如下之區域：上述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上單調地變化。
根據該氮化物半導體發光元件，活化層與第1 III族氮化物半導體區域之第1內側半導體層形成異質接面(第1異質接面)，該異質接面係相對於n型包覆層之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜。因此，活化層係設置於所謂之半極性面上。於該活化層包含內包壓縮應變之井層時，製作至如該井層之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向的半極性面上之半導體隆脊係來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上的半導體隆脊之載子之橫向擴散。
根據關於該活化層與第2內側半導體層形成異質接面(第2異質接面)之構造之發明者之研究，第2 III族氮化物半導體區域之半導體隆脊包含第2內側半導體層與p型包覆層之間之異質接面(第3異質接面)，另一方面，第2內側半導體層之第3部分、即自第2異質接面超過於積層軸之方向上所規定之80 nm而至半導體隆脊之底部為止的半導體部分包含組成梯度，但不包含異質接面。於該半導體部分不包含異質接面時，不會產生因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散，因此閾值電流之增加得以減少。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述p型包 覆層之帶隙係於上述第3異質接面中，大於上述第2內側半導體層之上述第2部分之帶隙，上述傾斜角可處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內。
根據該氮化物半導體發光元件，於上述傾斜角之範圍內，p型包覆層之帶隙係於第3異質接面中，大於第2內側半導體層之帶隙，因此於上述傾斜角之範圍內，在第2內側半導體層之電洞帶上，於第3異質接面之附近形成浸漬。電洞帶之浸漬係引起電洞之橫向擴散。然而，第3異質接面位於半導體隆脊內，因此於第3異質接面內，載子之橫向擴散限定為半導體隆脊寬度。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層之上述第1部分處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上規定之80 nm以內，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面。
根據該氮化物半導體發光元件，於III族氮化物半導體(較小之帶隙)與III族氮化物半導體(較大之帶隙)以形成異質接面之方式排列時，根據發明者等人之研究，於該異質接面內，在第2內側半導體層之電洞帶上形成浸漬，從而電洞帶之浸漬引起電洞之橫向擴散。然而，第2內側半導體層之第3部分不包含異質接面，因此可避免因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散之產生。
又，根據發明者等人之研究，第2異質接面至在積層軸之方向上所規定之80 nm以內之部分係因如生成電洞帶的浸漬之異質接面引起之載子擴散之影響較小。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層包含第1光導引層及第2光導引層，上述第1光導引層之材料與上述第2光導引層之材料不同，上述第2內側半導體層之上述第2部分可包括包含上述第1光導引層與上述第2光導引層之接面。
根據該氮化物半導體發光元件，第1光導引層包含與第2光導引層彼此不同之材料，因此可於第2內側半導體層內，生成折射率分佈，從而可使光封閉良好。另一方面，第2內側半導體層之第2部分包括包含第1光導引層與第2光導引層之異質接面。藉由該異質接面，於電洞帶上形成浸漬。然而，該異質接面包含於半導體隆脊，因此可避免因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散之產生。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層之上述第3部分可包含梯度組成區域，該梯度組成區域係上述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上單調地變化。
根據該氮化物半導體發光元件，梯度組成區域向第2內側半導體層內提供折射率分佈，又，不會於電洞帶上生成浸漬。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層之上述第2部分及上述第3部分包含第1光導引層及第2光導引層，上述第2光導引層之帶隙大於上述第1光導引層之帶隙，上述第2內側半導體層之上述第2部分及上述第3部分更包含組成梯度區域，該組成梯度區域係上 述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上單調地變化，上述第1光導引層係具有實質上固定之組成，上述第2光導引層係可具有實質上固定之組成。
根據該氮化物半導體發光元件，梯度組成區域係連結第1光導引層與第2光導引層而可於第2內側半導體層內生成折射率分佈。另一方面，因梯度組成區域而第1光導引層與第2光導引層不會形成異質接面。因此，第2內側半導體層包含彼此不同之折射率之第1光導引層及第2光導引層，但不會於第2內側半導體層之電洞帶上生成浸漬。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層之上述第1部分可包含電子阻擋層。
根據該氮化物半導體發光元件，第2內側半導體層之第1區域包含電子阻擋層，因此第1區域包含異質接面。該異質接面係於第1區域之電洞帶上生成浸漬。然而，第2內側半導體層之第1區域以與活化層形成接面之程度接近活化層，因此因電子阻擋層之異質接面引起之載子擴散之影響較小。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第1部分包含設置於上述電子阻擋層與上述活化層之間之光導引層、及該光導引層與上述電子阻擋層之第4異質接面，上述第4異質接面可以上述積層軸之方向上所規定之10 nm以上之距離遠離上述第2異質接面。
根據該氮化物半導體發光元件，具有向第4異質接面之 半導體層添加摻雜劑之可能性。上述10 nm以上之距離係可不使摻雜劑擴散之影響波及至活化層。
本發明之上述氮化物半導體發光元件可更包括具有包含III族氮化物半導體之半極性主表面之基板。上述半極性主表面與上述基準面所成之角度處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內，上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域設置於上述半極性主表面上。
根據該氮化物半導體發光元件，於磊晶成長至上述基板上之III族氮化物半導體層形成異質接面時，該異質接面係於電洞帶上形成浸漬。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述基板可包含GaN。根據該氮化物半導體發光元件，於同調地磊晶成長至GaN基板上之InGaN層，內包壓縮應變。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第1內側半導體層之厚度為200 nm以上500 nm以下，上述第1內側半導體層包含設置於上述n型包覆層與上述活化層之間之第1光導引區域，上述第2內側半導體層之厚度為200 nm以上500 nm以下，上述第2內側半導體層可包含設置於上述p型包覆層與上述活化層之間之第2光導引區域。
根據該氮化物半導體發光元件，綠色雷射等之長波長發光之雷射係因折射率之波長分散而無法使光導引層與包覆層之折射率差變大。為了使光封閉性變大，利用較厚之光導引層之情形有效。然而，若光導引層之合計膜厚超過 500 nm，則對於第2內側半導體層，自活化層至陽極電極為止之半導體區域內之元件串列電阻按照可忽視之程度變大，其導致驅動電壓之上升。又，對於第1內側半導體層，若光導引層之合計膜厚超過500 nm，則存在導致光導引層之應變增大或結晶性之惡化之情形。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層包含上述第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)、及Mg摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)，上述未摻雜InXGa1-XN層設置於上述活化層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之間，上述未摻雜InXGa1-XN層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之合計膜厚大於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之底部之間之距離，上述未摻雜InXGa1-XN層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之接面可處於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之底部之間。
根據該氮化物半導體發光元件，未摻雜InXGa1-XN層與Mg摻雜InXGa1-XN層具有相同之In組成，因此該等層不構成異質界面，而可避免因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散。為了減少吸收損失，接近活化層之InXGa1-XN層係較佳為未摻雜。又，未摻雜InXGa1-XN層設置於活化層與Mg摻雜InXGa1-XN層之間，因此可防止Mg自光導引層向活化層擴散。
於本發明之上述氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層包含上述第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層 (0<X1<1)、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層、上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層、及上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層係於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上依序配置，上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層與上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層形成接面，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層與上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層之合計之厚度可大於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之底部之距離。
根據該氮化物半導體發光元件，未摻雜InX1Ga1-X1N層與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層之合計之厚度大於第2異質接面與半導體隆脊之底部之距離，因此Mg摻雜InX2Ga1-X2N層與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層之接面位於半導體隆脊內。藉此，該接面形成電洞帶之浸漬，但可避免載子之橫方向擴散。可由高In組成之半導體層與低In組成(包含零)之半導體構成光導引區域，因此不會大幅損傷光導引區域之光封閉功能，而可使結晶品質變得良好，又，不會使成長至光導引區域上之包覆及接觸層之結晶品質劣化。
於本發明之氮化物半導體發光元件中，上述第2內側半導體層包含上述第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層、上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層、及上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層係於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上依序配置，上述Mg摻雜組成梯度 InXGa1-XN層之In組成X於上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層與上述Mg摻雜組成梯度InGaN層之界面上為組成X1，於上述Mg摻雜組成梯度InGaN層與上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層之界面上為組成X2，自上述組成X1單調地變化至上述組成X2為止，上述Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層可位於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之底部之間。
根據該氮化物半導體發光元件，Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層之In組成X自組成X1單調地變化至組成X2為止。該Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層位於第2異質接面與半導體隆脊之底部之間。藉此，可避免因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散，並且提供良好之光導引功能。
於本發明之氮化物半導體發光元件中，上述傾斜角可處於63度以上80度以下之範圍內。
根據該氮化物半導體發光元件，上述傾斜角之半極性面可實現均質之In之取入及高In組成的氮化鎵系半導體之成長。該特徵係於傾斜為m軸方向時更明顯。又，基板之半極性主表面與基準面所成之角度可處於63度以上80度以下之範圍內。
於本發明之氮化物半導體發光元件中，上述活化層能夠以如下方式設置：生成於500 nm以上550 nm以下之範圍內具有振盪峰值波長之發光光譜。
根據該氮化物半導體發光元件，利用半極性面，製作生成於500 nm以上550 nm以下之範圍內具有振盪峰值波長之發光光譜之活化層。於在該氮化物半導體發光元件中應用 該活化層時，可避免因異質接面引起之載子之擴散。
於本發明之氮化物半導體發光元件中，在上述活化層中，上述井層可與上述第2內側半導體層形成接面。
如以上說明，根據本發明，可提供一種具有可減少來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之構造的氮化物半導體發光元件。
繼而，一面參照隨附圖式，一面對製作本發明之氮化物半導體發光元件、及氮化物半導體發光元件之方法之實施形態進行說明。於可能之情形時，對相同之部分標示相同之符號。
圖1係表示本實施形態之氮化物半導體發光元件之構造之圖式。於圖1中，記載有XYZ座標系統S及結晶座標系統CR。結晶座標系統CR具有c軸、a軸及m軸。
氮化物半導體發光元件11包含第1 III族氮化物半導體區域13、活化層15、第2 III族氮化物半導體區域17及電極19。第1 III族氮化物半導體區域13包含第1內側半導體層21及n型包覆層23。活化層15設置於第1內側半導體層21上。第1內側半導體層21設置於n型包覆層23上。第2 III族氮化物半導體區域17包含第2內側半導體層25及p型包覆層27，p型包覆層27設置於第2內側半導體層25上。第2 III族氮化物半導體區域17設置於活化層15上。第1內側半導體層21設置於活化層15與n型包覆層23之間。第2內側半導體 層25設置於活化層15與p型包覆層27之間。電極19設置於第2 III族氮化物半導體區域17上。第1 III族氮化物半導體區域13、活化層15及第2 III族氮化物半導體區域17係沿積層軸Ax(座標系統S之Z軸之方向)依序排列。
第1內側半導體層21、活化層15及第2內側半導體層25構成核心區域31，核心區域31設置於n型包覆層23與p型包覆層27之間。n型包覆層23、核心區域31及p型包覆層27構成光波導構造。
活化層15與第1內側半導體層21構成第1異質接面HJ1。n型包覆層23包含III族氮化物半導體，第1異質接面HJ1係相對於n型包覆層23之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面Sc，以大於零之傾斜角Angle傾斜。於圖1中，n型包覆層23之基準面係正交於表示結晶座標系統CR之c軸之方向之軸(以向量VC表示之軸)。活化層15包含至少1個井層33a，該井層33a包含例如氮化鎵系半導體。井層33a內包壓縮應變。井層33a之壓電極化具有自p型包覆層27朝向n型包覆層23之方向之成分。半極性面上之該壓電極化之方向係與c面上之壓電極化之方向相反。井層33a可包含例如InGaN層。
於需要之情形時，活化層15可包含複數個井層33a及至少1個障壁層33b。於鄰接之井層33a之間，設置障壁層33b。活化層15之最外層可包含井層。活化層15之井層33a與第2內側半導體層25構成第2異質接面HJ2。
第2 III族氮化物半導體區域17具有半導體隆脊35。於本 實施例中，半導體隆脊35係沿n型包覆層23之藉由III族氮化物半導體之c軸及m軸規定之面而延伸。氮化物半導體發光元件11包含端面37a及37b，於一實施例中，端面37a及37b可構成光共振器。該半導體隆脊35包含第2內側半導體層25與p型包覆層27之第3異質接面HJ3。第3異質接面HJ3係於半導體隆脊35之側面35b終止。半導體隆脊35具有上端TOP及底部BOTTOM。半導體隆脊35之上表面35a與電極19形成接面J0。半導體隆脊35之底部BOTTOM與第2異質接面HJ2之距離D為200 nm以下。
第2內側半導體層25包含第1部分25a、第2部分25b及第3部分25c。第1部分25a、第3部分25c及第2部分25b係沿積層軸Ax依序排列。第1部分25a與活化層15之井層33a形成第2異質接面HJ2。第2部分25b係自第3異質接面HJ3至半導體隆脊35之底部BOTTOM為止之區域。第3部分25c位於第1部分25a與第2部分25b之間。
半導體隆脊35包含第2內側半導體層25之一部分、p型包覆層27、及p型接觸層29。第2內側半導體層25係作為光導引層而發揮作用，於該光導引層上，設置p型包覆層27，且於該p型包覆層27上，設置p型接觸層29。
根據該氮化物半導體發光元件11，活化層15與第1 III族氮化物半導體區域13之第1內側半導體層21形成異質接面(第1異質接面HJ1)。該異質接面HJ1係相對於n型包覆層23之沿III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面Sc，以大於零之傾斜角Angle傾斜，因此活化層15設置於所謂之半極 性面上。於該活化層15包含壓縮應變之井層33a時，製作至如該井層33a之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向的半極性面上之半導體隆脊35係來自半導體隆脊35之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上的半導體隆脊之載子之橫向擴散。於半導體隆脊35之底部BOTTOM與第2異質接面HJ2之距離為200 nm以下時，來自半導體隆脊35之載子之橫向擴散之增加減少，從而可減少因光波導構造之光分佈與載子分佈之失配引起之波導損失。因此，閾值電流之增加得以減少。
(實施例1)
於製作至c面之隆脊型氮化物半導體雷射中，亦具有p型氮化物半導體區域為較高之電阻之情形，使得電流之狹窄以半導體隆脊構造之幅度達成所期望之程度。其含義在於，於製作至c面之隆脊型氮化物半導體雷射中，載子分佈與光分佈之匹配之程度處於可接受之程度。
另一方面，於製作至一部分之半極性面上之隆脊型氮化物半導體雷射中，電流狹窄之不足產生於在c面上達成所期望之電流狹窄之隆脊深度。電流狹窄之不足係表現為閾值電流之增加。該隆脊型氮化物半導體雷射係藉由因載子分佈與波導光分佈之失配引起之波導損失而雷射特性惡化。根據發明者等人之研究，於壓電極化之方向相對於c面上而成為相反之半極性面上，與c面上之p型氮化物半導體區域相比，電流之橫向擴散於p型氮化物半導體區域內，引起閾值電流增加。
準備半極性GaN基板。該半極性GaN基板之主表面具有{20-21}面。於{20-21}面內，基板之GaN之c軸係以75度之角度向該GaN之m軸之方向傾斜。進行GaN基板之熱清洗。熱清洗係於包含氨(NH3)及氫(H2)之環境中進行，熱處理溫度為攝氏1050度。於該前處理後，首先成長第1 III族氮化物半導體區域。於GaN基板之半極性主表面上，成長n型GaN層。成長溫度為攝氏1050度。於使基板溫度降至攝氏840度後，在該n型GaN層上，成長n型包覆層。於本實施例中，作為n型包覆層，成長厚度為2 μm之n型InAlGaN包覆層。該n型InAlGaN包覆層之In組成為0.03，Al組成為0.14。於攝氏840度之基板溫度下，在n型InAlGaN包覆層上，成長n型GaN光導引層，並且成長n型InGaN光導引層。該InGaN層之In組成為0.03。於形成包含該等光導引層之n側之內側半導體層後，在該內側半導體層上，成長活化層。於該實施例中，作為活化層，於攝氏790度之基板溫度下，成長InGaN層。該InGaN層之In組成為0.30，InGaN層之厚度為3 nm。於活化層上，成長第2III族氮化物半導體區域。例如，於使基板溫度上升至攝氏840度後，在活化層上，成長未摻雜InGaN光導引層，並且成長p型GaN光導引層。該InGaN層之In組成為0.03。於形成包含該等光導引層之p側之內側半導體層後，在該內側半導體層上，成長厚度為400 nm之p型InAlGaN包覆層。該p型InAlGaN包覆層之In組成為0.02，Al組成為0.07。於使基板溫度上升至攝氏1000度後，在p型InAlGaN包覆層上， 成長厚度為50 nm之p型GaN接觸層。可藉由該等步驟製作磊晶基板。
對該磊晶基板應用光微影、乾式蝕刻及真空蒸鍍，製作寬度為2 μm之半導體隆脊、及長度為600 μm之光共振器之隆脊型氮化鎵系半導體雷射。
於該製作中，蝕刻第2 III族氮化物半導體區域而形成半導體隆脊。半導體隆脊之加工係藉由乾式蝕刻而進行。改變乾式蝕刻之蝕刻量而製作具有不同之半導體隆脊之高度的複數個半導體雷射。於半導體隆脊之加工中，將自活化層與光導引層之界面至半導體隆脊之底部為止之距離參照為值「D」。
藉由利用乾式蝕刻之加工，形成半導體隆脊之上表面及側面。於形成半導體隆脊後，形成絕緣膜，例如氧化矽膜(具體而言SiO2)。該絕緣膜覆蓋半導體隆脊之側面及光導引層之正面(藉由蝕刻而形成之正面)，並且於半導體隆脊之上表面(表示半極性之接觸面)具有開口。於半導體隆脊上，形成電極。於半導體隆脊之上表面，藉由蒸鍍形成陽極電極(例如Ni/Au)。以覆蓋該歐姆電極之方式，形成焊墊電極(例如Ti/Au)。對GaN基板之背面進行研磨而形成基板膜厚為80 μm之研磨基板。於該GaN基板之研磨面上之整個面，形成陰極電極(例如Ti/Al)與焊墊電極(例如Ti/Au)。藉由該等步驟，製作基板生產物。
於形成電極後，進行基板生產物之切斷而形成用以光共振器之端面(與解理面不同之端面)。於該等端面上，成膜 介電質多層膜。介電質多層膜包含SiO2/TiO2。藉由該等步驟，於以75度之角度向m軸方向傾斜之半極性GaN基板之{20-21}面上，製作半導體雷射。該半導體雷射可於520 nm之波長帶上發光。
作為比較例，將上述磊晶基板之構造製作至c面GaN基板上。於使用c面GaN基板之磊晶基板中，井層包含InGaN層(In組成為0.07)，該半導體雷射可於410 nm之帶上振盪。未對該半導體雷射進行端面塗敷。
圖2係模式性地表示實施例1之隆脊型氮化物半導體雷射之構造之圖式。圖2之(a)部係模式性地表示用以實施例1之隆脊型氮化物半導體雷射之磊晶基板之構造的圖式。圖2之(b)部係模式性地表示實施例1之隆脊型氮化物半導體雷射之隆脊構造之圖式。圖3係表示對{20-21}面及c面上之半導體雷射進行脈衝通電而測定之閾值電流Ith與距離D之關係的圖式。於{20-21}面上之半導體雷射11a中，閾值電流Ith自距離D超過150 nm之附近開始急遽增加。另一方面，於c面上之半導體雷射中，閾值電流Ith係自距離D為200 nm附近開始增加。
於活化層包含內包壓縮應變之井層時，上述{20-21}面上之半導體雷射係該井層之壓電極化之方向自p型包覆層朝向n型包覆層之方向。於此種活化層之半極性面上，製作半導體隆脊。根據發明者等人之考察，如圖3所示，該構造係來自半導體隆脊之載子之橫向擴散大於來自設置於c面上之半導體隆脊之載子之橫向擴散。可認為，{20-21} 面上之半導體雷射係於半導體隆脊之底部與第2異質接面之距離D為200 nm以下時，來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之程度為可容許，從而可容許因光波導構造之光分佈與載子分佈之失配引起之波導損失。因此，閾值電流之增加得到抑制。
根據發明者等人之進一步之考察，150 nm之上述距離D係大致等於p側內側半導體層之未摻雜InGaN光導引層與p型InGaN光導引層之合計膜厚。p側內側半導體層之未摻雜InGaN光導引層與p型InGaN光導引層形成異質接面。如圖4之(a)部所示，{20-21}面上之半導體雷射係藉由該異質接面而於電洞帶上生成二維電洞氣。於生成二維電洞氣HG之異質接面自半導體隆脊位置偏離時，該二維電洞氣HG具有於p側之半導體區域內，引起載子之橫向擴散之可能性。另一方面，如圖4之(b)部所示，c面上之半導體雷射係不會藉由該異質接面而於電洞帶上生成二維電洞氣。
如圖4所示，{20-21}面上之井層WS之帶之傾斜與c面上的井層WC之帶之傾斜反向，因此{20-21}面上之井層WS之壓電極化之方向與c面上的井層WC之壓電極化之方向相反。c面上之半導體雷射係不會產生如下之現象：生成如{20-21}面上之半導體雷射之二維電洞氣。
如圖4所示，虛線RG表示半導體隆脊之底部BOTTOM之位置。於異質接面HJ不包含於半導體隆脊內時，自半導體隆脊流出之載子係藉由二維電洞氣之作用而亦於橫方向上流動。
(實施例2)
圖5係模式性地表示實施例2之隆脊型氮化物半導體雷射之構造之圖式。實施例2之隆脊型氮化物半導體雷射11b係於實施例1之半極性面之雷射構造的p側內側半導體層中，在p型InGaN光導引層與p型GaN光導引層之間，設置厚度為20 nm之組成梯度層。於組成梯度層中，In組成係自p型InGaN光導引層之界面之In組成值連續地增加至p型GaN光導引層之界面的In組成值(In組成為零)。於形成半導體隆脊之蝕刻中，距離D為170 nm。
該半導體雷射之閾值電流Ith為70 mA左右，若參照圖3而進行比較，則與具有170 nm之距離D之半導體雷射之閾值相比，低至60至70%左右。可認為該閾值電流之下降表示如下情形：光導引區域內之異質接面置換至組成梯度層，從而因二維電洞氣引起之載子擴散得到抑制。
對上述實施例1及實施例2之結果進行研究，結果本實施形態之氮化物半導體發光元件11較佳為具有以下之形態。
再次一面參照圖1，一面對本實施形態之氮化物半導體發光元件11進行說明。傾斜角Angle可處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內。p型包覆層27之帶隙於第3異質接面HJ3內，大於第2內側半導體層25之第2部分25b之帶隙。因此，於第2內側半導體層25之電洞帶上，在第3異質接面HJ3之附近形成浸漬。電洞帶之浸漬引起電洞之橫向擴散。然而，第3異質接面HJ3位於半導體隆脊35內，因此於第3異質接面HJ3內，載子之橫向擴散限定 為半導體隆脊35之寬度。
氮化物半導體發光元件11可更包括基板39。基板39具有包含III族氮化物半導體之半極性主表面39a。半極性主表面39a係相對於正交於在III族氮化物半導體之c軸之方向上延伸之軸(以向量VC表示之軸Cx)的基準面而傾斜。半極性主表面39a與基準面Sc所成之角度(實質上等於角度Angle之角度)可處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內。第1 III族氮化物半導體區域13、活化層15及第2 III族氮化物半導體區域17設置於半極性主表面39a上。於磊晶成長至上述基板39上之III族氮化物半導體層形成異質接面時，該異質接面於電洞帶上形成浸漬。基板39可包含GaN。於同調地磊晶成長至GaN基板上之InGaN層中，內包壓縮應變。
又，傾斜角Angle可處於63度以上80度以下之範圍內。上述傾斜角Angle之半極性主表面39a係可實現均質之In之取入及高In組成之氮化鎵系半導體的成長。又，基板39之半極性主表面39a與基準面Sc所成之角度可處於63度以上80度以下之範圍內。
活化層15能夠以如下方式設置：生成於500 nm以上550 nm以下之範圍內具有峰值波長之發光光譜。生成於500 nm以上550 nm以下之範圍內具有峰值波長之發光光譜之活化層15係利用半極性面而製作。於對該氮化物半導體發光元件11應用該活化層15時，可避免因異質接面引起之載子之擴散。於活化層15中，井層33a可與第2內側半導體層25形 成接面。
若參照圖1，則作為第2內側半導體25，表示有構造A1、A2、A3、A4。
．構造A1~A4。
於該氮化物半導體發光元件11中，在III族氮化物半導體(較小之帶隙)與III族氮化物半導體(較大之帶隙)以形成異質接面之方式排列時，根據發明者等人之研究，於該異質接面中，在第2內側半導體層25之電洞帶上形成浸漬。於該異質接面不包含於半導體隆脊35時，電洞帶之浸漬引起電洞之橫向擴散。然而，如圖1所示之構造A1~A4，第3部分25c不包含異質接面，因此可避免因電洞帶之浸漬引起之載子橫向擴散之產生。
．構造A1、A2。
根據發明者等人之研究，第2異質接面HJ2至在積層軸Ax之方向上所規定之80 nm以內之部分係因如生成電洞帶之浸漬之異質接面引起之載子擴散之影響較小。於圖1所示之構造A1、A2中，第2內側半導體層25之第1部分25a係由較薄之半導體層40之厚度而提供，可包含電子阻擋層41。於電子阻擋層41於第2內側半導體層25內，包含於第2異質接面HJ2至80 nm以內之第1部分25a時，第1部分25a包含異質接面HJ4。該異質接面HJ4係於第1部分25a之電洞帶上生成浸漬。然而，第1部分25a係以與活化層15形成接面之程度接近活化層15，因此因電子阻擋層41之異質接面HJ4引起之載子擴散之影響較小。
又，較佳為，第1部分25a之第4異質接面HJ4以積層軸Ax之方向上所規定之10 nm以上之距離遠離第2異質接面HJ2。具有向第4異質接面HJ4之半導體層(例如電子阻擋層41)添加摻雜劑之可能性。上述10 nm以上之距離可使摻雜劑擴散之影響波及至活化層15。為了提供上述10 nm以上之距離，於活化層15與電子阻擋層41之間設置半導體層，該較薄之半導體層亦可包含與光導引層或障壁層之材料相同之材料。較薄之半導體層可包含於電子阻擋層41之帶隙與井層之帶隙之間具有帶隙之氮化鎵系半導體，例如GaN或InGaN。
．構造A3、A4。
另一方面，如實施例1及實施例2，於氮化物半導體發光元件11中，第2內側半導體層25之第1部分25a處於第2異質接面HJ2至在積層軸Ax之方向上所規定之80 nm以內，第3部分25c不包含異質接面。
．構造A2、A4。
第2內側半導體層25可包含第1光導引層43及第2光導引層45。第1光導引層43之材料與第2光導引層45之材料不同。因此，第2光導引層45之帶隙大於第1光導引層43之帶隙。第2部分25b包括包含第1光導引層43與第2光導引層45之接面HJ5。第1光導引層43包含與第2光導引層45彼此不同之材料，因此可於第2內側半導體層25內生成折射率分佈。另一方面，第2內側半導體層25之第2部分25b包括包含第1光導引層43與第2光導引層45之異質接面HJ5。藉由 該異質接面HJ5，於電洞帶上形成浸漬。然而，該異質接面HJ5包含於半導體隆脊35，因此可避免因電洞帶上之浸漬引起之載子橫向擴散之產生。
．構造A1、A3。
於氮化物半導體發光元件11中，第2內側半導體層25之第2部分25b及第3部分25c包含第1光導引層43及第2光導引層45，第2光導引層45之帶隙大於第1光導引層43之帶隙，第2內側半導體層25之第2部分25b及第3部分25c可更包含組成梯度區域47，該組成梯度區域47係第2內側半導體層25之材料之組成於自n型包覆層23向p型包覆層27之方向上單調地變化。第1光導引層43係實質上具有固定之組成，第2光導引層45係實質上具有固定之組成，組成梯度區域47係In組成減少。
梯度組成區域47係連結第1光導引層43與第2光導引層45而可於第2內側半導體層內生成折射率分佈，另一方面，因梯度組成區域47而第1光導引層43與第2光導引層45不會形成異質接面。因此，第2內側半導體層25包含彼此不同之折射率之第1光導引層43及第2光導引層45，但不會於第2內側半導體層25之電洞帶上生成浸漬。
再者，於氮化物半導體發光元件11中，第2內側半導體層25之第3部分25c不包含梯度組成區域47，但組成梯度可設置於第2內側半導體層25之一部分或整個部分。梯度組成可於第2內側半導體層25內生成折射率分佈。又，不會於電洞帶上生成浸漬。
於良好之實施例中，第2內側半導體層25之厚度DG2可為200 nm以上500 nm以下。第2內側半導體層25可包含設置於p型包覆層27與活化層15之間之第2光導引區域。又，第1內側半導體層21之厚度DG1可為200 nm以上500 nm以下。第1內側半導體層21包含設置於n型包覆層23與活化層15之間之第1光導引區域。
綠色雷射等之長波長發光之雷射係因折射率之波長分散而無法使光導引層與包覆層之折射率差變大。為了補償無法使折射率差變大，利用如上所述之較厚之光導引層之情形有效。然而，若光導引層之合計膜厚超過500 nm，則對於第2內側半導體層25，自活化層15至陽極電極為止之半導體區域內之元件串列電阻以可忽視之程度變大。其導致驅動電壓之上升。又，對於第1內側半導體層21，若光導引層之合計膜厚超過500 nm，則存在導致光導引層之應變增大或結晶性之惡化之情形。
於良好之實施例中，如包含於圖6之(a)部，於第2內側半導體層25內，第2光導引區域可包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)53a、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)53b、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)53c。未摻雜InX1Ga1-X1N層53a、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層53b、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層53c係於自n型包覆層23向p型包覆層27之方向上依序配置。Mg摻雜InX2Ga1-X2N層53c與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層53b形成接面(圖1之異質接面HJ5)。未摻雜InX1Ga1-X1N層53a與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層53b之合計之厚度大於第2異質接面 HJ2與半導體隆脊35之底部BOTTOM的距離。
根據該氮化物半導體發光元件11，未摻雜InX1Ga1-X1N層53a與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層53b之合計之厚度大於第2異質接面HJ2與半導體隆脊35之底部BOTTOM的距離，因此Mg摻雜InX2Ga1-X2N層53c與Mg摻雜InX1Ga1-X1N層53b之接面(圖1所示之異質接面HJ5)位於半導體隆脊35內。可由高In組成之半導體層與低In組成(包含零)之半導體構成光導引區域，因此不會大幅損傷光導引區域之光封閉功能，而可使結晶品質變得良好，又，不會使成長至光導引區域(53a~53c)上之包覆層27及接觸層29之結晶品質劣化。
於良好之實施例中，如包含於圖6之(b)部，於第2內側半導體層25內，第2光導引區域可包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)55a、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)55b、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層55c、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)55d。未摻雜InX1Ga1-X1N層55a、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層55b、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層55c、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層55d係於自n型包覆層23向p型包覆層27之方向上依序配置。Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層之In組成X係於Mg摻雜InX1Ga1-X1N層55b與Mg摻雜組成梯度InGaN層55c之界面上為組成X1。於Mg摻雜組成梯度InGaN層55c與Mg摻雜InX2Ga1-X2N層55d之界面上為組成X2。自組成X1單調地變化至組成X2為止。Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層55c位於半導體隆脊35之底部BOTTOM與第2異質接面HJ2之間。
根據該氮化物半導體發光元件11，Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層55c之In組成X係自組成X1單調地變化至組成X2為止。該Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層55c位於第2異質接面HJ2與半導體隆脊35之底部BOTTOM之間。再者，第2內側半導體層25之In組成可於自n型包覆層23向p型包覆層27之方向上單調地變化。
於良好之實施例中，第2內側半導體層25係於圖6之(b)部所示之構造中，不包含組成梯度層，第2光導引區域可包含未摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)及Mg摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)。未摻雜InXGa1-XN層設置於活化層15與Mg摻雜InXGa1-XN層之間。未摻雜InXGa1-XN層與Mg摻雜InXGa1-XN層之合計膜厚大於第2異質接面HJ2與半導體隆脊35之底部BOTTOM之間之距離。未摻雜InXGa1-XN層與Mg摻雜InXGa1-XN層之接面可處於第2異質接面HJ2與半導體隆脊35之底部BOTTOM之間。根據該氮化物半導體發光元件11，未摻雜InXGa1-XN層與Mg摻雜InXGa1-XN層為相同之In組成，因此該等層不構成異質界面。為了減少吸收損失，接近活化層15之InXGa1-XN層較佳為未摻雜。又，未摻雜InXGa1-XN層設置於活化層15與Mg摻雜InXGa1-XN層之間，因此可防止Mg自光導引層向活化層15擴散。
圖7係表示半導體隆脊之形狀之例示之圖式。如圖7所示，半導體隆脊不僅為圖1所示之形狀，亦可具有圖7之(a)部、(b)部及(c)部所示之形狀。圖7之(a)部~(c)部所示之形狀係由2層光導引層43、45形成之異質接面HJ5於半導體隆 脊之側面終止。圖7之(a)部之半導體隆脊35係藉由溝槽而規定。圖7之(b)部之半導體隆脊35係藉由遮擋異質接面HJ5之延伸之較小之一對槽而規定。圖7之(c)部之半導體隆脊35係藉由遮擋異質接面HJ5之延伸之錐形狀之一對槽而規定。該等隆脊形狀係可藉由乾式蝕刻而形成。
圖8係表示壓電極化與能帶圖之關係之圖式。於圖8中，符號F1表示傳導帶側之仿費米能階，符號F2表示價帶側之仿費米能階。InGaN活化層形成於{20-21}面GaN上。於設置於該面上之氮化鎵半導體層於其面內方向上受到壓縮應力時，在該氮化鎵半導體層上產生負之壓電極化VPW。於圖6中，InGaN活化層係於例如面內方向上受到壓縮應力。於該活化層上，形成In組成小於InGaN活化層之In組成之InGaN光導引層。於InGaN活化層上，InGaN導引層之應變得以緩和，InGaN導引層內包較弱之壓縮。將該InGaN光導引層分為4個區域GR1、GR2、GR3、GR4。區域GR1係與InGaN活化層形成異質接面。於該異質界面上，根據生成於InGaN活化層之負之極化VPW，於區域GR1內，生成較小且正之極化，從而InGaN區域GR1表示正之極化VPG1。區域GR3、GR4係因InGaN光導引層之壓縮應變而於負方向上生成極化，從而區域GR3、GR4分別具有負之極化VPG3、VPG4。區域GR4係與GaN光導引層形成異質接面。於該異質界面上，在GaN光導引層上，於與InGaN光導引層之極化相反方向上產生極化VPG0。如上所述，於區域GR3、GR4內，產生負之極化，於GaN光導引層， 生成正之極化。較小之帶隙之InGaN光導引層之區域GR4具有負之極化VPG4，因此於該異質界面上，在電洞帶生成浸漬DIP。區域GR2位於表示正之極化VPG1之區域GR1與表示負之極化VPG3之區域GR3之間，且係極化之過渡區域。
圖9係表示壓電極化與能帶圖之關係之圖式。於圖9中，符號F1表示傳導帶側之仿費米能階，符號F2表示價帶側之仿費米能階。於圖9之磊晶構造中，包含AlGaN或GaN之電子阻擋層設置於光導引層內。
於該構造中，InGaN活化層包含面內方向之壓縮應變，電子阻擋層包含面內方向之拉伸應變。於將InGaN活化層與電子阻擋層之間之InGaN光導引層分為3個區域GR5、GR6、GR7時，區域GR5具有正之極化VPG5，區域GR7具有負之極化VPG7，區域GR6係於區域GR5與區域GR7之間極化過渡。
又，於將GaN光導引層與電子阻擋層之間之InGaN光導引層分為3個區域GR8、GR9、GR10時，區域GR8具有受到來自電子阻擋層之應力而略大之負之極化VPG8。區域GR10係與GaN光導引層形成接面，具有較小之負之極化VPG10。區域GR9係於區域GR8與區域GR10之間極化過渡。
於該構造中，二維電洞氣係藉由異質接面J2、J3而生成。異質接面J2設置於半導體隆脊內，因此無助於載子之橫向擴散。異質接面J3設置於半導體隆脊外。然而，異質 接面J3之電子阻擋層位於活化層至80 nm左右之以內，因此該異質接面J3幾乎無助於載子之橫向擴散。較佳為，異質接面J3以10 nm以上之距離遠離活化層。藉此，於向電子阻擋層添加p型摻雜劑時，InGaN井層不會受到該p型摻雜劑之擴散之影響。
本發明並不限定於本實施形態中所揭示之特定之構成。
產業上之可利用性
根據本實施形態，可提供一種具有可減少來自半導體隆脊之載子之橫向擴散之構造的氮化物半導體發光元件。
11‧‧‧氮化物半導體發光元件
13‧‧‧第1 III族氮化物半導體區域
15‧‧‧活化層
17‧‧‧第2 III族氮化物半導體區域
19‧‧‧電極
21‧‧‧第1內側半導體層
23‧‧‧n型包覆層
25‧‧‧第2內側半導體層
27‧‧‧p型包覆層
29‧‧‧p型接觸層
31‧‧‧核心區域
33a‧‧‧井層
33b‧‧‧障壁層
35‧‧‧半導體隆脊
37a‧‧‧端面
37b‧‧‧端面
39‧‧‧基板
39a‧‧‧半極性主表面
Angle‧‧‧傾斜角
Ax‧‧‧積層軸
BOTTOM‧‧‧半導體隆脊之底部
HG‧‧‧二維電洞氣
HJ1‧‧‧異質接面
HJ2‧‧‧異質接面
HJ3‧‧‧異質接面
HJ4‧‧‧異質接面
HJ5‧‧‧異質接面
RG‧‧‧虛線
Sc‧‧‧基準面
圖1係表示本實施形態之氮化物半導體發光元件之構造之圖式。
圖2係模式性地表示實施例1之隆脊型氮化物半導體雷射之構造之圖式。
圖3係表示對{20-21}面及c面上之半導體雷射進行脈衝通電而測定之閾值電流Ith與距離D之關係的圖式。
圖4(a)、(b)係表示{20-21}面及c面之能帶圖之圖式。
圖5係模式性地表示實施例2之隆脊型氮化物半導體雷射之構造之圖式。
圖6(a)、(b)係模式性地表示可應用於隆脊型氮化物半導體雷射之構造之圖式。
圖7(a)~(c)係表示半導體隆脊之形狀之例示之圖式。
圖8係表示壓電極化與能帶圖之關係之圖式。
圖9係表示壓電極化與能帶圖之關係之圖式。
HG‧‧‧二維電洞氣
RG‧‧‧虛線

Claims (20)

  1. 一種氮化物半導體發光元件，其包括：第1 III族氮化物半導體區域，其包含n型包覆層及第1內側半導體層；活化層，其設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上；第2 III族氮化物半導體區域，其包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上；及電極，其設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上；且上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述第1內側半導體層、上述活化層及上述第2內側半導體層構成核心區域，上述n型包覆層、上述核心區域及上述p型包覆層構成光波導構造，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾 斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述井層包含InGaN層，上述活化層之上述井層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域包含半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層包含與上述活化層之上述井層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述半導體隆脊之上述底部與上述第2異質接面之距離為200 nm以下。
  2. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層之帶隙於上述第3異質接面內，大於上述第2內側半導體層之上述第2部分之帶隙，上述傾斜角處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內。
  3. 如請求項1或2之氮化物半導體發光元件，其中上述第2 內側半導體層之上述第1部分處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面。
  4. 如請求項1至3中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層包含第1光導引層及第2光導引層，上述第1光導引層之材料與上述第2光導引層之材料不同，上述第2內側半導體層之上述第2部分包括包含上述第1光導引層與上述第2光導引層之接面。
  5. 如請求項1至4中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層之上述第3部分包含梯度組成區域，該梯度組成區域係上述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上單調地變化。
  6. 如請求項1至3中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層之上述第2部分及上述第3部分包含第1光導引層及第2光導引層，上述第2光導引層之帶隙大於上述第1光導引層之帶隙，上述第2內側半導體層之上述第2部分及上述第3部分更包含組成梯度區域，該組成梯度區域係上述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包 覆層之方向上單調地變化，上述第1光導引層係包含實質上固定之組成，上述第2光導引層係包含實質上固定之組成。
  7. 如請求項1至6中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層之上述第1部分包含電子阻擋層。
  8. 如請求項7之氮化物半導體發光元件，其中上述第1部分包含設置於上述電子阻擋層與上述活化層之間之光導引層、及該光導引層與上述電子阻擋層之第4異質接面，上述第4異質接面係以上述積層軸之方向上所規定之10 nm以上之距離遠離上述第2異質接面。
  9. 如請求項1至8中任一項之氮化物半導體發光元件，其更包括基板，該基板係包含包括III族氮化物半導體之半極性主表面，上述半極性主表面與上述基準面所成之角度處於50度以上80度以下、或130度以上170度以下之範圍內，上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域設置於上述半極性主表面上。
  10. 如請求項9之氮化物半導體發光元件，其中上述基板包含GaN。
  11. 如請求項1至10中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第1內側半導體層之厚度為200 nm以上500 nm以下，上述第1內側半導體層包含設置於上述n型包覆層與上 述活化層之間之第1光導引區域，上述第2內側半導體層之厚度為200 nm以上500 nm以下，上述第2內側半導體層包含設置於上述p型包覆層與上述活化層之間之第2光導引區域。
  12. 如請求項1至11中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層包含第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)、及Mg摻雜InXGa1-XN層(0<X<1)，上述未摻雜InXGa1-XN層設置於上述活化層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之間，上述未摻雜InXGa1-XN層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之合計膜厚大於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之上述底部之間之距離，上述未摻雜InXGa1-XN層與上述Mg摻雜InXGa1-XN層之接面處於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之上述底部之間。
  13. 如請求項1至11中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層包含第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層、上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層、及上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層係於自上述n型包覆層 向上述p型包覆層之方向上依序配置，上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層與上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層形成接面，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層與上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層之合計之厚度大於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之上述底部的距離。
  14. 如請求項1至11中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述第2內側半導體層包含第2光導引區域，上述第2光導引區域包含未摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜InX1Ga1-X1N層(0<X1<1)、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層、及Mg摻雜InX2Ga1-X2N層(0≦X2<X1<1)，上述未摻雜InX1Ga1-X1N層、上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層、Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層、及上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層係於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上依序配置，上述Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層之In組成X係於上述Mg摻雜InX1Ga1-X1N層與上述Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層之界面上為組成X1，於上述Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層與上述Mg摻雜InX2Ga1-X2N層之界面上為組成X2，自上述組成X1單調地變化至上述組成X2為止，上述Mg摻雜組成梯度InXGa1-XN層位於上述第2異質接面與上述半導體隆脊之上述底部之間。
  15. 如請求項1至14中任一項之氮化物半導體發光元件，其 中上述傾斜角處於63度以上80度以下之範圍內。
  16. 如請求項1至15中任一項之氮化物半導體發光元件，其中上述活化層係以如下方式設置：生成於500 nm以上550 nm以下之範圍內具有振盪峰值波長之發光光譜。
  17. 如請求項1至16中任一項之氮化物半導體發光元件，其中於上述活化層中，上述井層係與上述第2內側半導體層形成接面。
  18. 一種氮化物半導體發光元件，其包括：第1 III族氮化物半導體區域，其包含n型包覆層及第1內側半導體層；活化層，其設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上；第2 III族氮化物半導體區域，其包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上；及電極，其設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上；且上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體， 上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域包含半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層係包含處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活化層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面。
  19. 一種氮化物半導體發光元件，其包括：第1 III族氮化物半導體區域，其包含n型包覆層及第1內側半導體層；活化層，其設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之 上述第1內側半導體層上；第2 III族氮化物半導體區域，其包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上；及電極，其設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上；且上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域包含半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面， 上述第2內側半導體層包含處於自上述第2異質接面至在上述積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活化層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面，上述第2內側半導體層包含第1光導引層及第2光導引層，上述第1光導引層之帶隙大於第2光導引層之帶隙，上述第1光導引層設置於上述p型包覆層與上述第2光導引層之間，上述第1光導引層係與上述第2光導引層，於上述第2部分上形成異質接面。
  20. 一種氮化物半導體發光元件，其包括：第1 III族氮化物半導體區域，其包含n型包覆層及第1內側半導體層；活化層，其設置於上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層上；第2 III族氮化物半導體區域，其包含p型包覆層及第2內側半導體層，且設置於上述活化層上；及電極，其設置於上述第2 III族氮化物半導體區域上；且 上述第1 III族氮化物半導體區域、上述活化層及上述第2 III族氮化物半導體區域係沿某個積層軸依序排列，上述第1內側半導體層設置於上述活化層與上述n型包覆層之間，上述第2內側半導體層設置於上述活化層與上述p型包覆層之間，上述活化層與上述第1 III族氮化物半導體區域之上述第1內側半導體層構成第1異質接面，上述n型包覆層包含III族氮化物半導體，上述第1異質接面係相對於上述n型包覆層之沿上述III族氮化物半導體之c面而延伸之基準面，以大於零之傾斜角傾斜，上述活化層包含井層，該井層係包含氮化鎵系半導體，且內包壓縮應變，上述井層之壓電極化之方向係自上述p型包覆層朝向上述n型包覆層之方向，上述活化層與上述第2 III族氮化物半導體區域之上述第2內側半導體層構成第2異質接面，上述第2 III族氮化物半導體區域包含半導體隆脊，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述半導體隆脊包含上述第2內側半導體層與上述p型包覆層之間之第3異質接面，上述第2內側半導體層係包含處於自上述第2異質接面至在積層軸之方向上所規定之80 nm以內，且與上述活 化層形成上述第2異質接面之第1部分、自上述第3異質接面至上述半導體隆脊之底部為止之第2部分、及上述第1部分與上述第2部分之間之第3部分，上述第1部分、上述第3部分及上述第2部分係沿上述積層軸依序排列，上述第2內側半導體層之上述第3部分不包含異質接面，上述第2內側半導體層之上述第3部分包含如下之區域：上述第2內側半導體層之材料之組成於自上述n型包覆層向上述p型包覆層之方向上單調地變化。
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