專利名稱：氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件和具有該發(fā)光元件的光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件。此外，本發(fā)明還涉及具有該發(fā)光元件的光源(典型的是白色光源)。
背景技術(shù)：
具有氮(N)作為V族元素的氮化物半導(dǎo)體，由于其帶隙的大小，所以作為短波發(fā)光元件的材料備受期待。尤其是氮化鎵類化合物半導(dǎo)體(GaN類半導(dǎo)體)的研究正在廣泛展開，藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED以及以GaN類半導(dǎo)體為材料的半導(dǎo)體激光器也已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。Wurtzite
氮化鎵類半導(dǎo)體具有纖鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造。圖1示意性地示出了 GaN的單位晶格。 AlaGabIncN (O ( a、b、c ( 1，a+b+c=l)半導(dǎo)體的結(jié)晶中，圖1所示的Ga的一部分能夠被置換為Al和/或In。
圖2表示為了利用4指數(shù)標(biāo)注(六方晶指數(shù))表示纖鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造的面而通常使用的4個(gè)基本矢量(vectoiOapayayC?；臼噶縞沿
方向延伸，該方向被稱為“c 軸”。與c軸垂直的面(plane)被稱為“c面”或“
面”。此外，“c軸”和“c面”有時(shí)也分別被標(biāo)記為“C軸”和“C面”。
在纖鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造中，如圖3所示，還存在除c面以外的有代表性的晶面方位。 圖3 Ca)示出了(0001)面，圖3 (b)示出了(10-10)面，圖3 (c)示出了(11-20)面，圖3 (d)示出了(10-12)面。此處，表示密勒指數(shù)的括號內(nèi)的數(shù)字的左邊所標(biāo)注的表示“橫杠(bar)”。(0001)面、(10-10)面、(11-20)面和(10-12)面分別是 c 面、m 面、a 面和 r 面。 m面和a面是與c軸平行的“非極性面”，r面是“半極性面”。m面是(10-10)面、(-1010) 面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的總稱。
長期以來，利用了氮化鎵類化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件是通過“c面生長(c-plane growth)”制成的。在本說明書中，“X面生長”是指在與六方晶纖鋅礦構(gòu)造的X面(X=c、m、 a、r等)垂直的方向上產(chǎn)生外延生長。在X面生長中，有時(shí)將X面稱為“生長面”。另外，有時(shí)也將通過X面生長而形成的半導(dǎo)體的層稱作“X面半導(dǎo)體層”。
在利用通過c面生長而形成的半導(dǎo)體層疊構(gòu)造來制造發(fā)光元件時(shí)，由于c面為極性面，因而在與c面垂直的方向(c軸方向)上產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)部極化。產(chǎn)生極化的原因是在 c面中Ga原子和N原子的位置沿c軸方向錯(cuò)開。當(dāng)在發(fā)光層(活性層)產(chǎn)生這種極化時(shí)，會產(chǎn)生載流子的量子限制斯塔克(Stark)效應(yīng)。通過該效應(yīng)，發(fā)光層內(nèi)的載流子的發(fā)光復(fù)合概率下降，因而發(fā)光效率下降。
因此，近年來，關(guān)于使氮化鎵類化合物半導(dǎo)體在m面、a面等非極性面或r面等半極性面上生長的研究很活躍。如果能選擇非極性面作為生長面，則在發(fā)光層的層厚方向(結(jié)晶生長方向)上不會產(chǎn)生極化，因而也不產(chǎn)生量子限制斯塔克效應(yīng)，能夠潛在性地制造高效的發(fā)光元件。即使在選擇半極性面作為生長面的情況下，也能夠大幅減輕量子限制斯塔克效應(yīng)的影響。
圖4(a)示意性地表示表面為m面的氮化物類半導(dǎo)體的截面(與基板表面垂直的截面)的結(jié)晶構(gòu)造。由于Ga原子與氮原子存在于與m面平行的同一原子面上，因而在與m面垂直的方向上不會發(fā)生極化。此外，所添加的In和Al位于Ga的位置(site)，將Ga置換。 即使Ga的至少一部分被In、Al置換，在與m面垂直的方向上也不會發(fā)生極化。
為供參考，在圖4 (b)中示意性地示出了表面為c面的氮化物類半導(dǎo)體的截面(與基板表面垂直的截面)的結(jié)晶構(gòu)造。Ga原子與氮原子不存在于與c面平行的同一原子面上。 其結(jié)果是，在與c面垂直的方向上發(fā)生極化。c面GaN類基板是用于使GaN類半導(dǎo)體結(jié)晶生長的通常的基板。與c面平行的Ga (或In)的原子層和氮的原子層的位置沿c軸方向稍微錯(cuò)開，因此沿c軸方向形成極化。
在專利文獻(xiàn)I的制造方法中，為了抑制阱層層厚方向上的In組分的偏差，通過在 GaN基板40的主面上使阻擋層43、45、47、49和阱層44、46、48交替生長來形成量子阱構(gòu)造 (活性層50)的工序中，通過使InGaN生長而形成各阱層，將各阻擋層的生長溫度設(shè)為第一溫度，將各阱層的生長溫度設(shè)為比第一溫度低的第二溫度，在使各阱層生長時(shí)，在開始進(jìn)行 Ga原料氣體(三甲基鎵)的供給之前預(yù)先供給In的原料氣體。
在專利文獻(xiàn)2的氮化物半導(dǎo)體激光器的制作方法中，為了制作能夠提高InGaN阱層的銦組成的均勻性的氮化物半導(dǎo)體激光器，在工序SllO中，向生長爐供給TMG、TMIn和 NH3，在溫度Tl下進(jìn)行比阱層的膜厚DWO薄的膜厚DWl (Dffl < DffO)的InGaN·薄膜的堆疊。 該薄膜為Inm厚。在工序Slll中，一邊向生長爐供給TMIn和NH3, —邊將溫度從溫度Tl變更為T2 (Tl < T2)。在工序SI 12中，一邊向生長爐供給TMIn和NH3，一邊將溫度保持在溫度T2。在工序SI 13中，一邊向生長爐供給TMIn和NH3，一邊將溫度從溫度T2變更為Tl。
在專利文獻(xiàn)3的發(fā)光元件中，活性層5中，以InGaN為材料的單一量子阱層中埋入有δ層4，由此量子阱層被隔開成兩個(gè)量子阱層3Α和3Β。δ層4的帶隙設(shè)置得比量子井層3Α和3Β寬，以對載流子的遷移賦予影響，但與以往眾所周知的多量子阱(MQW)構(gòu)造中采用的阻擋層不同，其厚度被設(shè)定為例如Inm左右以實(shí)際上誘發(fā)電子和空穴的遷移。
在專利文獻(xiàn)4的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件構(gòu)成為在基板I上具有至少形成有發(fā)光層的包含活性層4的氮化物半導(dǎo)體層疊部6，活性層4具有由InxGahN (O < χ彡I)構(gòu)成的講層 7 和由 AlyInzGa1IzN (O < y < 1、0 < z < 1、0 < y+z < l、z < x)構(gòu)成的阻擋層 8 父替層置而成的多星子講結(jié)構(gòu)。而且，講層7被由AlvInwGa1IwN (O < v〈 1、0 < w〈1、 O ^ v+w < Uw < X)構(gòu)成的薄膜阻擋層7c至少分割成第一阱層7a和第二阱層7b，薄膜阻擋層7c的膜厚為I原子層以上，形成為20人以下。
專利文獻(xiàn)5涉及一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在至少由η型氮化物半導(dǎo)體層、活性層、P型氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成的發(fā)光二極管中，活性層中的發(fā)光層包括多個(gè)層，至少2個(gè)以上的具有不同的In混晶比的層接觸形成。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-253164號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 :日本特開2009-267124號公報(bào)
專利文獻(xiàn)3 :國際公開第2007/026767號公報(bào)
專利文獻(xiàn)4 :日本特開2007-150066號公報(bào)
專利文獻(xiàn)5 :日本特開2010-232290號公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
但是，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，都曾追求進(jìn)一步提高發(fā)光效率。
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)狀完成的，以提高發(fā)光效率為目的。
解決問題的方案
本發(fā)明的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件是具有活性層的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，上述活性層包含阱層和阻擋層，上述阱層和上述阻擋層分別是以m面為生長面的半導(dǎo)體層，上述阱層具有下表面和上表面，并且沿著該阱層的層厚方向具有In組分根據(jù)自上述下表面的距離而變化的In組分分布，上述阱層的In組分在自上述下表面的距離為一定的位置呈現(xiàn)出極小，上述阱層中In組分呈現(xiàn)出極小的部分與上述下表面平行地延伸。
在某實(shí)施方式中，上述阱層的In組分在自上述下表面的距離不同的多個(gè)位置呈現(xiàn)出極小，在上述多個(gè)位置之間的位置呈現(xiàn)出極大。
在某實(shí)施方式中，呈現(xiàn)出上述極小的In組分不足呈現(xiàn)出上述極大的In組分的 90%。
在某實(shí)施方式中，上述極大和上述極小以4nm以下的厚度為I周期交替出現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件是具有活性層的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，上述活性層包含阱層和阻擋層，上述阱層和上述阻擋層分別是以m面為生長面的半導(dǎo)體層，上述阱層具有至少I個(gè)將該阱層分割為多個(gè)部分層的分割層，上述分割層的In組分不足上述部分層的In組分的90%。
在某實(shí)施方式中，上述分割層以上述部分層為3nm以下的厚度的方式分割上述阱層。
在某實(shí)施方式中，上述分割層包括AlaInbGacMO≤a≤l、0<b<l、0<c<l)。
在某實(shí)施方式中，上述分割層的厚度為O. 3nm以上O. 8nm以下。
在某實(shí)施方式中，上述分割層中，與層厚方向平行的任意面的In組分的平均值都為整個(gè)該分割層的In組分的平均值的±10%以內(nèi)。
在某實(shí)施方式中，上述阱層包括AlxInyGazN (O≤x < 1、0 < y < 1、0 < z < I)。
在某實(shí)施方式中，上述阱層的厚度為6nm以上20nm以下。
在某實(shí)施方式中，上述阻擋層的厚度為7nm以上40nm以下。
在某實(shí)施方式中，上述活性層為多量子阱結(jié)構(gòu)。
在某實(shí)施方式中，上述活性層具有多個(gè)上述阱層和設(shè)置在各阱層之間的上述阻擋層。
在某實(shí)施方式中，呈現(xiàn)出上述極小的位置或上述分割層，與在上述阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率為最大的位置不同。
本發(fā)明的光源具有上述任意氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件；和對從上述氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)出的光的波長進(jìn)行轉(zhuǎn)換的包含熒光物質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換部。
本發(fā)明的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法包括以m面作為生長面形成In組分沿層厚方向變化的阱層的工序；和以m面作為生長面形成上述阻擋層的工序，上述形成阱層的工序包含在供給In原料使上述阱層生長的工藝的中途抑制或停止In的供給的工序。
在某實(shí)施方式中，上述抑制或停止In供給的工序，使上述阱層的In組分在自上述阱層的下表面的距離為一定的位置為極小。
在某實(shí)施方式中，上述抑制或停止In供給的工序，在使上述阱層生長的工藝的中途，反復(fù)多次。
在某實(shí)施方式中，上述抑制或停止In供給的工序，形成至少I個(gè)將上述阱層分割為多個(gè)部分層的分割層。
在某實(shí)施方式中，上述形成阱層的工序，即使在上述抑制或停止In供給的工序中，也使生長溫度和生長壓力維持為一定。
在某實(shí)施方式中，在上述阱層內(nèi)In組分為極小的位置或上述分割層，與上述阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率為最大的位置不同。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，能夠使發(fā)光效率提高。


圖1是示意性地表示GaN的單位晶格的立體圖。
圖2是表示纖鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造的基本矢量a” a2、a3、c的立體圖。
圖3 (a) 圖3 (d)是表不TK方晶纖鋒礦構(gòu)造的有代表性的晶面方位的不意圖。
圖4 (a)是表示m面的結(jié)晶構(gòu)造的圖，圖4 (b)是表示c面的結(jié)晶構(gòu)造的圖。
圖5 (a)和圖5 (b)是表不為了掌握未實(shí)施本發(fā)明時(shí)的InGaN講層內(nèi)部的層厚方向的In組分波動而實(shí)施的3維原子探針分析的結(jié)果的圖。
圖6 (a)和圖6 (b)是表示為了比較本發(fā)明的效果而實(shí)施的高分辨率截面TEM (Transmission Electron Microscope :透射電子顯微鏡)的分析結(jié)果的圖。
圖7是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施方式中氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖8是表示制造本發(fā)明的實(shí)施方式的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的活性層時(shí)的生長序列的一例的不意圖。
圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式中制造出的樣品的光致發(fā)光測定的結(jié)果的圖表。
圖10是表不白色光源的實(shí)施方式的截面圖。
具體實(shí)施方式
長期以來，氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件在大多數(shù)情況下是以c面為生長面而制成的。c面生長中由于不能避免在構(gòu)成發(fā)光層(活性層)的InGaN阱層中發(fā)生量子限制斯塔克效應(yīng)，因而通常進(jìn)行控制使得InGaN阱層的厚度典型的為5nm以下。當(dāng)發(fā)生量子限制斯塔克效應(yīng)時(shí)，載流子的發(fā)光復(fù)合概率下降，發(fā)光效率降低。為了抑制量子限制斯塔克效應(yīng)的發(fā)生，必須使InGaN阱層的厚度變薄。
但是，在以m面為代表的非極性面生長中，原本就不會發(fā)生量子限制斯塔克效應(yīng)。因此，即使使InGaN阱層的厚度為5nm以上，原理上也不會引起發(fā)光效率的下降。本發(fā)明的發(fā)明人通過其它實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了當(dāng)m面生長InGaN層的厚度在6nm以上的某個(gè)一定的范圍內(nèi)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)以往的c面生長不能實(shí)現(xiàn)的極高的發(fā)光效率。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將InGaN阱層堆疊得較厚時(shí)，會在層厚方向(深度方向)上顯著地產(chǎn)生In組分的波動。另外還發(fā)現(xiàn)，In組分的顯著波動成為發(fā)光元件的制作成品率下降的主要原因，發(fā)光元件的制作成品率下降表現(xiàn)在例如發(fā)光波長大幅偏離目標(biāo)值，或由于元件的動作環(huán)境和動作狀態(tài)而發(fā)光波長產(chǎn)生偏差等。c面生長中，如上所述，通常不會堆疊超過5nm那樣厚的InGaN層，因此在層厚方向上產(chǎn)生的In組分波動沒有成為問題。
此外，本說明書中的“層厚方向”與結(jié)晶生長面垂直，表示半導(dǎo)體層生長的方向。例如，在層厚方向上In組分增大是表示In組分從半導(dǎo)體層的下表面?zhèn)?開始生長的位置)向上表面?zhèn)?結(jié)束生長的位置)增大。此處，“下表面”和“上表面”與實(shí)際的“上下方向”無關(guān)地被限定。另外，半導(dǎo)體層的“下表面”如上所述相當(dāng)于“生長開始位置”，但“上表面”并不限于“生長結(jié)束位置”。“上表面”也可以通過蝕刻而比生長結(jié)束位置更接近下表面。
本發(fā)明的某個(gè)實(shí)施方式的目的在于，在AlxInyGazN (O ^ x < UO < y < UO < z<I)層內(nèi)部將在層厚方向上產(chǎn)生的In組分波動抑制在較小的范圍，并且成品率較好地制作具有6nm以上的厚度的m面生長AlxInyGazN (O≤ x < 1、0 < y < 1、0 < z < I)層，提供發(fā)光效率良好的發(fā)光元件。另外，本發(fā)明的另一實(shí)施方式的目的在于提供具有上述發(fā)光兀件的光源。
專利文獻(xiàn)I中記載有“已知由于阻擋層與阱層的晶格常數(shù)的不同，在阱層的生長初始，In組分變得不充分。即，緊隨使阱層(例如InGaN)的生長開始之后，在阻擋層(例如 GaN)的正上方不能獲取充分的In，In組分伴隨阱層的生長逐漸增大，在達(dá)到某種程度的厚度的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)所希望的In組分。”。但是，本發(fā)明的發(fā)明人在對使厚度增大了的InGaN層進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)確實(shí)在InGaN層內(nèi)的層厚方向上存在容易形成In組分波動的傾向，但是In 組分并不是限定于在層厚方向上增加，相反也有In組分在層厚方向上減少的情況。特別是在面內(nèi)In組分的分布方式不同，因分析的部位的不同，在厚度方向上In組分或增加或減少，或者是無秩序地重復(fù)著增加和減少這樣的波動的狀態(tài)。
專利文獻(xiàn)2以“InGaN阱層的空間性的波動的增加”為課題，公開了用“一種方法， 其特征在于具有在氮化鎵類半導(dǎo)體區(qū)域上形成具有第一膜厚且用于活性層的第一 InGaN 膜的工序，所述形成所述第一 InGaN膜的工序包括以下工序向生長爐供給第一鎵原料、第一銦原料和第一氮原料，為了形成所述InGaN膜，在第一溫度下進(jìn)行比所述第一膜厚薄的 InGaN的堆疊；一邊向所述生長爐供給第二銦原料和第二氮原料，一邊在比所述第一溫度高的第二溫度下進(jìn)行所述InGaN的熱處理；和在所述熱處理后，進(jìn)行至少一次的InGaN堆疊，形成所述第一 InGaN膜”來解決的內(nèi)容。但是，在這樣的方法中，特別是在堆疊較厚的 InGaN層的情況下，制造上非常費(fèi)時(shí)間，生產(chǎn)性顯著降低。
以往，在使由活性層內(nèi)的阻擋層隔開的阱層生長時(shí)，通常從開始到結(jié)束總是將主要的控制參數(shù)維持不變。此處，“主要的控制參數(shù)”是規(guī)定氮化物半導(dǎo)體層的生長條件的參數(shù)，包括生長溫度、生長壓力、原料氣體的供給流量(ymol/min)?！霸蠚怏w”包括例如Ga、 In、Al這樣的作為IIIA族原料的原料氣體以及作為VA族N的原料的NH3。在形成非極性 m面生長InGaN層的情況下，即使像這樣將主要的控制參數(shù)固定為不變，在層厚方向上也會自然地產(chǎn)生In組分波動且增大。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了研究的結(jié)果是明確了以下事項(xiàng)。即，特別是在謀求發(fā)光波長超過420nm這樣的In組分而形成的InGaN層中，InGaN層內(nèi)部的In組分在層厚方向上或增加或相反地減少。另外，In組分的增加或減少為單調(diào)的情況少，大多情況是呈現(xiàn)出無秩序地重復(fù)增加和減少的波動方式。偶爾也會出現(xiàn)在層厚方向上幾乎不產(chǎn)生In組分波動的情況，但多是按照發(fā)光波長成為420nm以下的方式使InGaN層生長的情況。這樣的In組分的波動在與層厚方向垂直的方向(以下，也有時(shí)稱作“面內(nèi)方向”)上也會發(fā)生。層厚方向上的In組分的分布，在與生長面垂直的任意截面上不是相同的，按每一截面能得到不同的。
圖5中表示以m面為生長面堆疊而得的InGaN阱層的In組分波動的分析結(jié)果。 InGaN阱層的目標(biāo)厚度為9nm，通過光致發(fā)光(PL)測定得到的發(fā)光峰值波長為450nm。
圖5 Ca)是利用3維原子探針分析(atom probe)對InGaN講層的內(nèi)部進(jìn)行測定得到的測繪圖像。在測繪圖像中,將InmX InmX Inm的立方體作為單位體積對InGaN阱層進(jìn)行分割，表示出了各個(gè)單位體積中的In原子濃度(In組分)。此處，In的原子濃度是能夠檢測到存在于單位體積內(nèi)的所有原子的總數(shù)中In原子的個(gè)數(shù)所占的比例。圖5 (a)是根據(jù)該測定結(jié)果，用亮度(濃淡)來表示某個(gè)截面的In組分的圖。在圖5 (a)中，層疊的3個(gè) InGaN阱層中的In組分用不同的亮度表示。在圖5 Ca)的左側(cè)表示出了圖的亮度與In組分的關(guān)系。圖中的“7. O原子％”、“7. 5原子％”、“8. O原子％”、“8. 5原子％”和“9. O原子％” 分別表示處于 6. 995-7. 004 原子 %、7· 495-7. 504 原子 %、7· 995-8. 004 原子 %、8· 495-8. 504 原子％、8. 995-9. 004原子％的范圍。圖5 Ca)的圖表的縱軸是樣品的距離基準(zhǔn)面的深度。
圖5 (b)是將相同樣品的3個(gè)InGaN阱層中的位于正中間的InGaN阱層的層厚方向上的In組分波動在面內(nèi)的稍寬的范圍(圖5 Ca)中用虛線包圍的范圍)內(nèi)平均化后表示于圖表中得到的圖。圖5 Ca)的虛線包圍的范圍具有大約30nm的寬度，因此某深度的In 組分 相當(dāng)于對位于相同深度的大約30個(gè)InmX InmX Inm的立方體平均后的In組分。
根據(jù)圖5 (a)可知，按照目標(biāo)的In組分在阱層的整個(gè)層厚方向均勻地形成的部位較少，在大多部分在厚度方向上或存在In組分高的區(qū)域，或存在In組分低的區(qū)域，In組分是波動的。像這樣InGaN阱層的In組分無論在層厚方向上還是在面內(nèi)方向上都不是一樣的，在三維地波動。
在層厚方向上產(chǎn)生的In組分的波動方式因分析的面內(nèi)的部位而不同，在層厚方向上呈現(xiàn)出增加傾向或呈現(xiàn)出減少傾向，或者是無秩序地重復(fù)增加和減少等各種各樣的狀態(tài)。但是，根據(jù)將面內(nèi)的稍寬的范圍平均而得的圖5 (b)的圖表可知，In組分波動的幅度 (振幅)具有在層厚方向上逐漸變大的傾向。換言之，InGaN阱層的In組分波動根據(jù)自InGaN 阱層的下表面的距離而變大。因此，形成的InGaN阱層越厚，在InGaN阱層內(nèi)In組分波動大的部分所占的比例就越增大。
在層厚方向上In原子以各種組成分布是指，形成有各種波長的發(fā)光能級，發(fā)光波長從目標(biāo)波長偏離，或容易形成寬(tooad)的發(fā)光光譜。這意味著發(fā)光波長的成品率下降。
在InGaN層內(nèi)部在層厚方向上產(chǎn)生In組分波動的原因尚不明確。通常可以認(rèn)為原因是由生長裝置的性能決定的In原料的供給和排氣的延遲效應(yīng)(存儲效應(yīng))以及由與基底結(jié)晶之間的晶格不匹配引起的組分拉伸效應(yīng)(composition pulling effect)?？傊?如果如圖5 (b)所示，In組分波動的振幅在層厚方向上逐漸變大，則可以肯定的是以獲得較高的內(nèi)部量子效率為目的將InGaN阱層堆疊得越厚，發(fā)光波長的成品率越變差。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行研究后得知，當(dāng)將發(fā)光波長超過大約420nm的InGaN層以超過4nm的厚度進(jìn)行堆疊時(shí)，發(fā)光波長的成品率開始顯著地變差。于是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)為了抑制層厚方向上發(fā)生的In組分波動并堆疊超過4nm的厚度的InsGa1J^O < s < I) 層，有效的對策是在厚度到達(dá)4nm之前的階段，暫時(shí)抑制或停止In原料氣體的供給，極薄地設(shè)置In組分相對小或完全不包含In原子的層(IntGai_tN，0彡t < s < I)。通過這樣做， 在厚度方向的In組分波動還沒有繼續(xù)變大時(shí)，使波動的幅度恢復(fù)，因此這是結(jié)果上能夠使層厚方向上的In組分波動降低的方法。
在設(shè)置IntGa1J (O彡t < s < I)層后，立即再次在相同的生長條件下再開始 InsGa1^sN (O < s < I)層的堆疊時(shí)，In組分波動停留為以與剛開始InsGai_sN (O < s < I) 層的堆疊時(shí)相同程度的波動寬度再次產(chǎn)生。因此，層厚方向的In組分波動不增大，In組分的分布收斂于一定的寬度中。S卩，IntGa1^tN (O ^ t < s < I)層起到防止層厚方向上的In 組分波動的增大的作用。自此以后，將其稱為“波動增大防止層”。
當(dāng)設(shè)置于InsGa1^sN (O < s < I)層內(nèi)的IntGa1^tN (O彡t < s < I)波動增大防止層過厚時(shí)，其會作為阻擋層起作用。因而，InsGai_sN (O < s < I)層變得只具有實(shí)際上4nm 以下的厚度，發(fā)光波長短波長化，更加不能得到較高的內(nèi)部量子效率。因此，IntGai_tN(0<t<s < I)波動增大防止層優(yōu)選以防止In組分波動的增大且不妨礙InsGai_sN (O < s < I) 阱層內(nèi)部的載流子的遷移的程度的厚度形成。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)雖然在I原子層的厚度以上能夠得到防止波動的增大的效果，但在4原子層以上的厚度時(shí)，發(fā)光波長開始短波長化，出現(xiàn)載流子的鎖定效應(yīng)。因此，IntGanN (0<t〈s〈l)波動增大防止層的厚度優(yōu)選I原子層以上3原子層以下之間(O. 3nm以上O. 8nm以下)。
在波動增大防止層中，In組分變得極小(local minimum :局部最小值)。IntGa1^tN (0^t<s < I)波動增大防止層對于載流子而言不作為阻擋層起作用，因此不會對阱層內(nèi)的載流子分布賦予較大影響。因此，在阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率最大的位置(阱層的層厚方向上的中央部)不因波動防止層的存在而改變，從波動防止層的位置偏離。換言之，In 組分表示出極小的位置與在阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率最大的位置不同。發(fā)光復(fù)合概率最大的是阱層內(nèi)的層厚方向上的中央部。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究，IntGa1J (O ^ t < s < I)波動增大防止層的In組分(t)需要相對減小到不足作為基體的InsGa^N (O < s < I)阱層的In組分(s)的90% (t < O. 9s)0 當(dāng) IntGanN (O < t < s < I)波動增大防止層的 In 組分(t)為 InsGa1J^ (O<s < I)阱層的In組分(s)的90%以上(t彡O. 9s)時(shí)，難以得到防止層厚方向上的In組分波動的增大的效果。波動增大防止層既可以為不包含In的GaN層，也可以為包括Al的 AlaInbGacN (O < a 彡 1、0 彡 b < 1、0 < c 彡1、b < O. 9s)層。
InsGa1^sN (O < s < I)講層，當(dāng)包括 IntGa1^N (O ^ t < s < I)波動增大防止層， 而厚度為6nm以上20nm以下時(shí)，能夠呈現(xiàn)出較高的內(nèi)部量子效率。當(dāng)更加理想地為9nm以上17nm以下時(shí)，能夠呈現(xiàn)出更高的內(nèi)部量子效率。當(dāng)將InsGai_sN (O < s < I)阱層以超過 20nm的厚度進(jìn)行堆疊時(shí)，由于積累的應(yīng)變而發(fā)生晶格弛豫的可能性變得非常高。在發(fā)光波長超過450nm的情況下，當(dāng)InsGa1J^ (O < s < I)講層變得大于17nm時(shí),容易引起晶格弛豫，當(dāng)變得大于20nm時(shí)，更加容易引起晶格弛豫。晶格弛豫成為使發(fā)光効率和可靠性降低的主要原因。
作為發(fā)光元件的活性層，與InsGa1J (O < s < I)阱層僅單獨(dú)存在I層相比，優(yōu)選用厚度為7nm以上40nm以下的阻擋層隔開，構(gòu)成為2周期以上的周期結(jié)構(gòu)。InsGai_sN (O<s < I)阱層存在多層，能夠防止在大電流驅(qū)動時(shí)阱層內(nèi)部的載流子密度過度變大，而且能夠減小溢出活性層的載流子的數(shù)量。此時(shí)，作為隔開InsGai_sN (O < s < I)阱層的阻擋層，只要是具有比InsGa1^sNCO < s < I)阱層的帶隙能量大的帶隙能量，使InsGa1^sNCO < s<I)阱層發(fā)揮鎖定載流子的作用的層即可。當(dāng)阻擋層的厚度變薄到不足7nm時(shí)，將載流子鎖定于被規(guī)定為6nm以上的InsGai_sN (O < s < I)阱層中的效果顯著降低。另外，如果阻擋層的厚度超過40nm，則在發(fā)光元件動作時(shí)，布滿存在多個(gè)的InsGai_sN (O < s < I)阱層地注入載流子變得困難。另外，自不必說即使在阻擋層中包含S1、Mg等表示η型、P型的摻雜劑，要得到本實(shí)施方式的效果也沒有任何問題。
本發(fā)明的某個(gè)實(shí)施方式中，為了防止In組分波動的增大而設(shè)置的IntGai_tN(0 ( t<s < I)波動增大防止層的In組分(t)，和作為基體的InsGa^N (O < s < I)阱層·的In 組分(s),具有t < O. 9s的關(guān)系。Sf^InsGahsN (O < s < I)講層中的In組分優(yōu)選以4nm 以下的厚度為I周期，分布為在層厚方向上大致周期性地交替出現(xiàn)極大和極小，并且，分布為成為極小的In組分不足成為極大的In組分的90%，而且表示出極小的部分的厚度為O.3nm以上O. Snm以下。只要能夠在層厚方向上形成這樣的In組分，就能夠得到本實(shí)施方式的效果，并不限定In組分分布的形成方法。IntGai_tN (O ^ t < s < I)波動增大防止層的形成是為了得到本實(shí)施方式的效果的有效手段之一。
關(guān)于In組分分布為周期性這一點(diǎn)，并不是為了得到本實(shí)施方式的效果而要求嚴(yán)密的周期性。在任意分析方法中，只要呈現(xiàn)出能夠被常識性地判斷為周期性的分布，就足夠能夠享有本實(shí)施方式的效果。
圖6是表示在將目標(biāo)厚度設(shè)定為9nm的條件下堆疊而成的InGaN阱層的截面中的 In組分的圖表。具體而言，該圖表是將實(shí)施高分辨率TEM分析而得的圖像對比度數(shù)值化，并用與層厚方向?qū)?yīng)的直方圖來表示而得的圖表。數(shù)值越大In組分越高。
圖6(a)是對層厚方向的In組分波動不實(shí)施任何對策的樣品(比較例)的圖表。圖表的左側(cè)示出了該比較例的高分辨率TEM像。高分辨率TEM像的亮度與In組分對應(yīng)。將該高分辨率TEM像上的用箭頭表示的直線上的圖像對比度數(shù)值化而得的圖表是圖6 (a)的圖表。
另一方面，圖6 (b)是本發(fā)明的實(shí)施例的圖表。該圖表的左側(cè)也示出了高分辨率 TEM像。將該高分辨率TEM像上的用箭頭表示的直線上的圖像對比度數(shù)值化而得的圖表是圖6 (b)的圖表。該實(shí)施例是在將InGaN阱層在層厚方向上按每約3nm分割的位置有意地減少In原料的供給量，形成有具有O. Snm的厚度的“波動增大防止層”的樣品。該I個(gè)阱層包括被2個(gè)波動增大防止層分割的3個(gè)部分層；和2個(gè)波動增大防止層。此處，“波動增大防止層”作為分割層(dividing layer)起作用。圖6 (b)所示的樣品的阱層的總厚度為大約10. 6nm (=3nmX3層+0. 8nmX2層)。波動增大防止層的In組分比被分割得到的部分層的In組分低(典型的是不足90%)，但各波動增大防止層構(gòu)成I個(gè)阱層的一部分，作為阱層的一部分起作用。即，波動增大防止層不是“阻擋層”。
在沒有實(shí)施任何對策的圖6 (a)的樣品中，由于與層厚方向的In組分對應(yīng)的對比度無秩序地重復(fù)增加和減少，因而呈現(xiàn)出極大和呈現(xiàn)出極小的部位在InGaN阱層內(nèi)部產(chǎn)生有多個(gè)。這是與圖5 (a)、(b)所示的結(jié)果相匹配的。本說明書中，In組分的極大和極小是指將表示In組分的圖表中的高頻噪音平均后的包絡(luò)線上的極大和極小。
圖6 (a)的樣品，根據(jù)其高分辨率TEM像可知，在面內(nèi)方向上In組分也波動。該比較例的樣品中，由于在面內(nèi)方向上In組分波動，因而當(dāng)在不同的截面實(shí)施高分辨率TEM 分析時(shí)，得到與圖6 Ca)的圖表所示的直方圖不同的直方圖(histogram)。
像這樣，圖6 Ca)的圖表所示的In組分分布中也出現(xiàn)了極小和極大，在該截面中呈現(xiàn)極小的位置(自InGaN阱層的下表面的距離)未必與在其它界面中呈現(xiàn)In組分分布的極小的位置(自InGaN阱層的下表面的距離)一致。
與此相對，在本發(fā)明的實(shí)施例中，如圖6 (b)的圖表所示那樣對比度的波動方式大致是周期性的，在層厚方向上的In組分分布中極小和極大交替出現(xiàn)。另外，在當(dāng)觀察本實(shí)施例的高分辨率TEM像時(shí)，亮度高的部分被亮度低的部分(In組分相對低的部分)分割。換言之，在層厚方向上In組分分布成為極小的位置(自InGaN阱層的下表面的距離)在面內(nèi)方向是一定的，In組分相對低的部分與InGaN阱層的下表面平行地呈層狀延伸。
將大約9nm厚的InGaN阱層分割為各3nm的要素，針對各個(gè)要素算出平均的In組分時(shí)的要素間的偏差，圖6 (b)的樣品比圖6 (a)的樣品小。即，設(shè)置有“波動增大防止層” 的InGaN阱層，在將阱層視作一個(gè)整體時(shí)的In組分可以說為接近一定的狀態(tài)。另外，在圖 6 (b)中，對比度呈現(xiàn)極小的部分對應(yīng)于抑制了 In原料的供給的波動增大防止層，與呈現(xiàn)極小的部分中的In組分對應(yīng)的對比度的大小,不足與呈現(xiàn)極大的部分中的In組分對應(yīng)的對比度的大小的90%。
專利文獻(xiàn)3中公開了在作為極性面的c面生長的活性層中，用不足Inm厚的阻擋層層)將InGaN阱層隔開的構(gòu)造。但是，在專利文獻(xiàn)3中，以消除由于c面生長而不可避免的內(nèi)部極化的產(chǎn)生所引起的載流子分布的偏移為目的，S層明確地作為阻擋層起作用，InGaN阱層如果不是存在于夾著該δ層的位置，就則不能得到發(fā)明的效果，不能對發(fā)光起作用。相反，在本實(shí)施方式中，由于原本以非極性m面生長InGaN阱層為對象，因而不會發(fā)生內(nèi)部極化，載流子分布的偏移本來就不會產(chǎn)生。AlaInbGaeN (O彡a < 1、0彡b < 1、0<c <1、b < O. 9s)層的插入說到底是以抑制層厚方向上產(chǎn)生的In組分波動的增大為目的而實(shí)施的。阱層內(nèi)的AlaInbGacN (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡1、b< O. 9s)層由于是O. 3nm至O. Snm這樣極薄的厚度，因而不會作為阻擋層起作用。
各自包含“波動增大防止層”的多個(gè)InGaN阱層，也可以用7nm以上40nm以下的厚度的阻擋層隔開。在此情況下，各個(gè)InGaN阱層為非極性m面生長層，In組分波動得到抑制，因此各個(gè)InGaN阱層中載流子分布均勻，能夠以理想的良好功率作用于發(fā)光。存在多個(gè)InGaN阱層是因?yàn)?作為發(fā)光元件即使在大電流驅(qū)動時(shí)也能夠維持高效率所以優(yōu)選，這一點(diǎn)是與專利文獻(xiàn)3明顯不同的特征，本實(shí)施方式是與專利文獻(xiàn)3在發(fā)明的宗旨上完全不同的實(shí)施方式。
另外，在圖6 (b)的實(shí)施例中，I個(gè)InGaN阱層具有2個(gè)“波動增大防止層”，但本實(shí)施方式中的阱層并不限于此種情況。本實(shí)施方式中的阱層也可以包含單獨(dú)的“波動增大防止層”。在此情況下，阱層的In組分在自其下表面的距離為一定的位置呈現(xiàn)I個(gè)極小。在此時(shí)的In組分分布中，在呈現(xiàn)極小的位置的兩側(cè)，未必呈現(xiàn)極大。
(實(shí)施方式I)
以下，參照圖7，對本實(shí)施方式的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件進(jìn)行說明。
本實(shí)施方式中使用的結(jié)晶生長用基板101既可以是m面GaN基板，也可以是在表面形成有m面GaN層的m面SiC基板、在表面形成有m面GaN層的r面藍(lán)寶石基板、m面藍(lán)寶石基板。最重要的一點(diǎn)是活性層為m面氮化物類半導(dǎo)體層。
此外，在本發(fā)明中，“m面”包含在±5°的范圍內(nèi)從m面(不傾斜時(shí)的m面)向規(guī)定的方向傾斜的面。現(xiàn)實(shí)中的m面半導(dǎo)體層的生長面不必是與m面完全平行的面，也可以從m 面以規(guī)定的角度傾斜。傾斜角度由活性層主面的法線與m面的法線所形成的角度規(guī)定。傾斜角度Θ的絕對值在c軸方向只要為5°以下優(yōu)選為1°以下的范圍即可。另外，在a軸方向只要為5°以下優(yōu)選為1°以下的范圍即可。該傾斜是整體上從m面傾斜，但微觀上由 I 數(shù)原子層量級的高度的臺階(step)構(gòu)成，包括包含多個(gè)m面區(qū)域的生長面。因此，從m 面以絕對值為5°以下的角度傾斜的面可以認(rèn)為具有與m面同樣的性質(zhì)。此外，當(dāng)傾斜角度 Θ的絕對值大于5°時(shí)，存在內(nèi)部量子效率由于壓電電場而下降的情況。但是，即使在將傾斜角度Θ設(shè)定為例如5°的情況下，由于制造偏差，現(xiàn)實(shí)的傾斜角度Θ有可能從5°偏移 ±1°的程度。完全排除這種制造偏差是困難的，而且如果是這種程度的微小角度，也不會妨礙到本發(fā)明的效果。
以GaN/InGaN多量子阱活性層105為代表的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體的堆疊，例如用 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition :金屬有機(jī)氣相沉積)法進(jìn)行。首先，將基板101用緩沖氫氟酸溶液(BHF)洗凈，之后充分進(jìn)行水洗然后干燥。基板101在洗凈后，盡量不使其與空氣接觸，載置于MOCVD裝置的反應(yīng)室中。之后，一邊僅供給作為氮源的氨(NH3), —邊將基板加熱至大約850°C，然后對基板表面實(shí) 施清潔處理。
接著，供給三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)，進(jìn)一步，供給硅烷(SiH4),將基板加熱到1100°C程度堆積n-GaN層102。硅烷是供給作為η型摻雜物的Si的原料氣體。
接著，停止SiH4的供給，將基板的溫度降溫到不足800°C，堆疊GaN阻擋層103。進(jìn)一步，開始供給三甲基銦(TMI)來堆疊InyGai_yN (O < y < I)阱層104。在本實(shí)施方式中， GaN阻擋層103與InyGa^N (O < y < I)阱層104以2周期以上交替堆疊，由此形成作為發(fā)光部的GaN/InGaN多量子阱活性層105。設(shè)為2周期以上，是因?yàn)镮nyGai_yN(0 < y < I) 阱層104的數(shù)量多，能夠在大電流驅(qū)動時(shí)防止阱層內(nèi)部的載流子密度過剩地變大，而且能夠減少溢出活性層的載流子的數(shù)量，因而元件的特性會變得良好。其中，I個(gè)活性層也可以具有由2個(gè)阻擋層104夾著的單一的InyGa^N (O < y < I)阱層104。
InyGa1^yN (O < y < I)講層104優(yōu)選以厚度成為6nm以上20nm以下的方式調(diào)整生長時(shí)間進(jìn)行堆疊。另外，優(yōu)選以隔開InyGa^N (O < y < I)阱層104的GaN阻擋層103 的厚度為7nm以上40nm以下的方式調(diào)整生長時(shí)間進(jìn)行堆疊。
在本實(shí)施方式中，形成InyGahyN (O < y < I)講層104時(shí),通過以下詳述的方法, 在阱層104內(nèi)形成波動增大防止層110。
以下，參照圖8，對GaN/InGaN多量子阱活性層105的形成工藝的一例進(jìn)行說明。 圖8示出了本實(shí)施方式中形成的GaN/InGaN多量子阱活性層105的截面結(jié)構(gòu)和活性層形成中的原料氣體供給序列的一例。圖8的例子中，3個(gè)GaN阻擋層103和2個(gè)InyGapyN (O<y < I)阱層104交替層疊。GaN阻擋層103和InyGa1J (O < y < I)阱層104分別從圖8的左側(cè)向右側(cè)生長。圖中的粗箭頭表示“層厚方向”。
在本實(shí)施方式中，在堆疊InyGapyN (O < y < I)阱層104時(shí)，在時(shí)刻tl開始供給 TMI，在InyGa^N (O < y < I)阱層104的厚度成為4nm之前的階段(時(shí)刻t2)，抑制或停止 TMI的供給。此時(shí)，根據(jù)情況，也可以同時(shí)以合適的流量供給三甲基鋁(TMA)。在圖8的例子中，在降低TMI的供給量的期間，供給TMA。這樣一來，在本實(shí)施方式中，形成與InyGa1J (O < y < I)阱層104的其它部分相比，有意識地減少了 In組分的AlaInbGaeN(0彡a <1、 O彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層110。
為了形成波動增大防止層110而抑制或停止TMI的供給的時(shí)間是從時(shí)刻t2到時(shí)刻t3的期間。在InyGai_yN (O < y < I)阱層104的生長中途使In供給量相對變少的時(shí)間 (t3-t2)為例如2秒至8秒程度，為I個(gè)InyGa1J (O < y < I)阱層104的生長所需要的時(shí)間的例如30%以下。于是，首先形成圖8所示的2個(gè)InyGa1J (O < y < I)阱層104中的左側(cè)的波動防止層110。此外，在圖8中，波動防止層110記載為明確的“層”，但在波動防止層110的界面，In組分未必需要呈臺階狀變化。在InyGa^N (O < y < I)阱層104， 在自其下表面的距離為一定的位置，存在In組分局部下降的部分，該部分如果與面內(nèi)方向平行地延伸，則該部分是“波動防止層110”。
將AlaInbGacN (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層110以I原子層至3原子層的厚度(O. 3 O. 8nm)堆疊之后，在時(shí)刻t3停止TMA的供給，使TMI恢復(fù)原來的供給流量，繼續(xù)進(jìn)行InyGai_yN (O < y < I)阱層104的堆疊。在波動增大防止層110 上的InyGa^N (O < y < I)阱層104的厚度再次成為4nm之前的階段(時(shí)刻t4)，抑制或停止再次供給TMI。此時(shí)，根據(jù)情況，也可以同時(shí)以合適的流量供給TMA。這樣一來，堆疊第二 AlaInbGacN (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層110。抑制或停止TMI的供給的時(shí)間是從時(shí)刻t4至?xí)r刻 t5的期間。
此后，在從時(shí)刻t5到時(shí)刻t6的期間，直到第2波動增大防止層110上的InyGapyN (O < y < I)阱層104的厚度再次成為4nm之前的階段，供給TMI而形成InyGai_yN (O < y<I)阱層104的剩余的部分。
反復(fù)進(jìn)行幾次這樣的工序，將包括AlaInbGac;N(0彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I) 波動增大防止層110的InyGai_yN(0 <y < I)阱層104堆疊到希望的厚度。此外，AlaInbGaciN (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層110分別插入由GaN阻擋層103分割而得的各 InyGa1^yN (O < y < I)阱層 104。
在圖8的例子中，通過同樣的工序,形成有被GaN阻擋層夾著的第二 InyGapyN (O<y < I)阱層104，但該形成并不是本實(shí)施方式所必需的。另外，I個(gè)活性層也可以具有3 個(gè)以上的InyGa1^yN (O < y < I)阱層104。此外，在形成2個(gè)以上的InyGa1^yN (O < y < I) 阱層104的情況下，各阱層104的結(jié)構(gòu)和厚度也可以相互不同。
在本實(shí)施方式中，通過上述方法，調(diào)整生長條件使得發(fā)光波長成為450nm附近，制作了 9nm厚的InGaN講層和15nm厚的GaN阻擋層交替堆疊3個(gè)周期而成的GaN/InGaN多量子阱活性層(A:比較例)。另外又制作了 作為InGaN層的厚度同為9nm，將在按3nm分割該InGaN層的位置(將InGaN層堆疊了 3nm和6nm的部位)設(shè)置有O. 8nm厚的GaN層的構(gòu)造 (作為阱層的總厚度為10. 6nm)作為I個(gè)阱層，將該阱層與15nm厚的GaN阻擋層交替堆疊3個(gè)周期而得的GaN/InGaN多量子阱活性層(B :實(shí)施例)。作為詳細(xì)的生長條件，兩者均將生長溫度750°C、生長壓力300Torr、TMG供給流量33 μ mol/min、NH3供給流量O. 8mol/min維持為一定，僅在InGaN阱層的堆疊時(shí)，以170 μ μ mol/min的流量供給TMI。
針對上述比較例與實(shí)施例進(jìn)行了 PL的測定。圖9表示PL測定的結(jié)果。
在用標(biāo)準(zhǔn)的方法制作的比較例(A)中，成為除強(qiáng)度為峰值的波長之外在短波長側(cè)還具有另外峰值這樣的半福值極大的PL譜(spectre),結(jié)果表明在9nm厚的InGaN講層中控制發(fā)光波長是困難的。
與此相對,插入了 AlaInbGacN Ca = 0、b = 0、c = I)波動增大防止層的實(shí)施例(B) 中，得到了雙峰值消失單峰性的頻譜，得到了半輻值也降低大約IOnm程度的結(jié)果。這是表示在厚的InyGa1J (O < y < I)阱層104產(chǎn)生的層厚方向上的In組分波動降低的結(jié)果。 根據(jù)本發(fā)明的某個(gè)實(shí)施方式，能夠防止發(fā)射光譜變寬，也能夠提高發(fā)光波長的成品率。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究獲知在調(diào)整了生長條件使得發(fā)光波長成為450nm的基礎(chǔ)上制作厚度9nm的InGaN層的情況下，當(dāng)將In供給量保持一定時(shí)，如圖5 (b)所示，從平均的In組分以最大±30%的幅度產(chǎn)生In組分的波動。但是，根據(jù)本發(fā)明的某實(shí)施方式， 在由波動增大防止層分割而得的各部分層中，In組分的波動在±10%以內(nèi)。S卩，各部分層的與層厚方向或生長方向平行的任 意面的In組分的平均值，在整個(gè)該部分層的In組分的平均值的±10%以內(nèi)。像這樣，本實(shí)施方式中，在阱層的生長中途有意識地停止或減少In 的供給，由此能夠整體上減少In組分波動。
作為針對InyGai_yN (O < y < I)阱層104的層厚方向上產(chǎn)生In組分的波動的對策，可以認(rèn)為通過實(shí)施生長條件的準(zhǔn)連續(xù)性的變化，能夠代替本實(shí)施方式。例如，如果在層厚方向上In組分具有變大的傾向，隨著InyGai_yN (O < y < I)阱層104的堆疊，在各個(gè)合適的范圍，逐漸減少TMI，或?qū)⑸L溫度逐漸升高等，則In原子進(jìn)入結(jié)晶內(nèi)部的量減少，結(jié)果有可能能夠在層厚方向得到一定的In組分。相反如果在層厚方向上In組分具有變小的傾向，則只要隨著InyGa1J (O < y < I)阱層104的堆疊，在適合的范圍內(nèi)，逐漸增加TMI 或?qū)⑸L溫度逐漸升溫即可。
但是，為此當(dāng)然必須要把握在層厚方向上產(chǎn)生的In組分波動的傾向，對生長條件進(jìn)行控制以抵消該波動傾向。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究，層厚方向上的In組分波動是無秩序的，而且具有某種程度的幅度，時(shí)而在層厚方向上增大時(shí)而在層厚方向上減少，或者In 組分不太變化。以涵蓋這種每次生長所帶來的不確定性的方式進(jìn)行生長條件的準(zhǔn)連續(xù)變化是幾乎不可能的，即使得以實(shí)施也缺乏再現(xiàn)性。另外，In組分波動的發(fā)生方式如上所述，也存在面內(nèi)的不確定性，通過使生長條件連續(xù)地變化來解決是困難的。
針對這一點(diǎn)，本實(shí)施方式能夠在面內(nèi)將In組分調(diào)整均勻，能夠發(fā)揮抑制層厚方向的In組分波動的作用。另外，與實(shí)施準(zhǔn)連續(xù)性的生長條件的變化的情況相比再現(xiàn)性高。
進(jìn)一步，如專利文獻(xiàn)2的方法那樣，作為生長的方式并不繁雜。包括AlaInbGaJ (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)的波動增大防止層110的堆疊與InyGai_yN(0 < y < I) 阱層104的生長連續(xù)，僅實(shí)施切換TMI的供給或根據(jù)情況切換TMA的供給。能夠使生長溫度、生長壓力等其它生長條件一定來實(shí)施，可以說是極其簡便、生產(chǎn)性高的方法。
像這樣，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，盡管插入InyGai_yN (O < y < I)阱層104的中途的AlaInbGaeN (O彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層110的厚度極薄，只有I原子層至3原子層厚，但對于降低InyGa1J (O < y < I)阱層104的層厚方向上產(chǎn)生的In 組分波動卻極為有效。
再次回到圖7。
在GaN/InGaN多量子阱活性層105的堆疊后，停止TMI的供給，在載流子氣體中增加氮，再次開始?xì)涞墓┙o。進(jìn)一步，當(dāng)使生長溫度上升到850°C 1000°C，并供給三甲基鋁 (TMA)和作為P型摻雜物的Mg的原料供給二 (環(huán)戊二烯基)鎂(Cp2Mg),堆疊ρ-AlGaN溢出抑制層106。接著停止TMA的供給，堆疊ρ-GaN層107。
從反應(yīng)室取出的基板使用光刻等手段僅將ρ-GaN層106、GaN/InGaN多量子阱活性層105的規(guī)定的區(qū)域利用蝕刻等手法除去，使n-GaN層102的一部分表露出。在n_GaN層 102表露出的區(qū)域形成由Ti/Al等構(gòu)成的η側(cè)電極108。另外，作為P側(cè)電極109，只要使用包括Pd/Pt的電極即可。
通過以上過程，能夠注入η型、P型各個(gè)載流子，能夠制造在用本實(shí)施方式的制造方法制成的GaN/InGaN多量子阱活性層105中以期望的波長發(fā)光的發(fā)光元件。
(實(shí)施方式2)
本實(shí)施方式的上述發(fā)光元件也可以直接用作光源。但是，本實(shí)施方式的發(fā)光元件如果與具有用于波長轉(zhuǎn)換的熒光物質(zhì)的樹脂等組合，能夠適宜用作波長帶寬擴(kuò)大了的光源 (例如白色光源)。
圖10是表不這種白色光源的 一例的不意圖。圖10的光源包括具有圖7所不的結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件100 ;分散有將從上述發(fā)光元件100發(fā)出的光的波長轉(zhuǎn)換為更長的波長的突光體(例如YAG :Yttrium Alumninum Garnet)的樹脂層200。發(fā)光元件100搭載于在表面形成有配線圖案的支撐部件220上，在支持部件220上以包圍發(fā)光元件100的方式配置有反射部件240。樹脂層200形成為覆蓋發(fā)光元件100。
本實(shí)施方式提供在不發(fā)生量子限制斯塔克效應(yīng)的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體的m面， 在活性層具有層厚方向的In組分波動極小的阱層的發(fā)光元件。如果使用本實(shí)施方式，則能夠發(fā)光波長的成品率良好地制造實(shí)現(xiàn)了高內(nèi)部量子效率的阱層。0132]工業(yè)上的可利用性0133]本發(fā)明能夠使用于例如發(fā)光二-極管(LED)、半導(dǎo)體激光器中。0134]符號說明0135]101基板0136]102N-GaN層0137]103GaN阻擋層0138]104InyGa1^N (O < y< I)阱層0139]105GaN/InGaN多量子阱活性層0140]106P-AlGaN溢出抑制層0141]107p-GaN 層0142]108η側(cè)電極0143]109P側(cè)電極0144]110AlaInbGacN (O 彡a < 1、0彡b < 1、0 < c彡I)波動增大防止層
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有活性層， 所述活性層包含阱層和阻擋層，所述阱層和所述阻擋層分別是以m面為生長面的半導(dǎo)體層， 所述阱層具有下表面和上表面，并且，沿著該阱層的層厚方向具有In組分根據(jù)自所述下表面的距離而變化的In組分分布， 所述阱層的In組分在自所述下表面的距離為一定的位置呈現(xiàn)出極小，所述阱層中In組分呈現(xiàn)出極小的部分與所述下表面平行地延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述阱層的In組分在自所述下表面的距離不同的多個(gè)位置呈現(xiàn)出極小，在所述多個(gè)位置之間的位置呈現(xiàn)出極大。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述呈現(xiàn)出極小的In組分不足所述呈現(xiàn)出極大的In組分的90%。
4.如權(quán)利要求2或3所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述極大和所述極小以4nm以下的厚度為I周期交替出現(xiàn)。
5.一種氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有活性層， 所述活性層包含阱層和阻擋層，所述阱層和所述阻擋層分別是以m面為生長面的半導(dǎo)體層， 所述阱層具有至少I個(gè)將該阱層分割為多個(gè)部分層的分割層， 所述分割層的In組分不足所述部分層的In組分的90%。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述分割層以所述部分層為3nm以下的厚度的方式分割所述阱層。
7.如權(quán)利要求5或6所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述分割層包括AlaInbGacN (0彡a彡1、0彡b < 1、0 < c彡I)。
8.如權(quán)利要求5、6或I所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述分割層的厚度為0. 3nm以上0. 8nm以下。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述分割層中，與層厚方向平行的任意面的In組分的平均值都為整個(gè)該分割層的In組分的平均值的±10%以內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述阱層包括 AlxInyGazN (0 ^ x < UO < y < UO < z < I)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述講層的厚度為6nm以上20nm以下。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述阻擋層的厚度為7nm以上40nm以下。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于: 所述活性層為多量子阱結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述活性層具有多個(gè)所述阱層和設(shè)置在各阱層之間的所述阻擋層。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于 所述呈現(xiàn)出極小的位置或所述分割層，與在所述阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率為最大的位置不同。
16.—種光源,其特征在于,具有 權(quán)利要求1至15中的任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件；和波長轉(zhuǎn)換部，其包含對從所述氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)出的光的波長進(jìn)行轉(zhuǎn)換的熒光物質(zhì)。
17.一種氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，包括 以m面作為生長面形成In組分沿層厚方向而變化的阱層的工序；和 以m面作為生長面形成所述阻擋層的工序， 所述形成阱層的工序，包括在供給In原料使所述阱層生長的工藝的中途抑制或停止In的供給的工序。
18.如權(quán)利要求17所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于 所述抑制或停止In供給的工序，使所述阱層的In組分在自所述阱層的下表面的距離為一定的位置為極小。
19.如權(quán)利要求17或18所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于 所述抑制或停止In供給的工序，在使所述阱層生長的工藝的中途，反復(fù)多次。
20.如權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于 所述抑制或停止In供給的工序，形成至少I個(gè)將所述阱層分割為多個(gè)部分層的分割層。
21.如權(quán)利要求17至20中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于 所述形成阱層的工序，即使在所述抑制或停止In供給的工序中，也使生長溫度和生長壓力維持為一定。
22.如權(quán)利要求17至21中任一項(xiàng)所述的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于 所述阱層內(nèi)In組分為極小的位置或所述分割層，與所述阱層內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合概率為最大的位置不同。
全文摘要
在具有活性層的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，活性層包括阱層(104)和阻擋層(103)，阱層(104)和阻擋層(103)分別是以m面為生長面的半導(dǎo)體層，阱層(104)具有下表面和上表面，并且沿該阱層(104)的層厚方向具有In組分根據(jù)自下表面的距離而變化的In組分分布，阱層(104)的In組分在自下表面的距離一定的位置呈現(xiàn)出極小，阱層(104)中的In組分呈現(xiàn)出極小的部分與下表面平行地延伸。
文檔編號H01L33/32GK103003964SQ20128000207
公開日2013年3月27日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者加藤亮, 吉田俊治, 橫川俊哉 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社