本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件(諸如，發(fā)光二極管(led))。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體發(fā)光元件通常通過在生長基板上生長由n型半導(dǎo)體層、有源層和p型半導(dǎo)體層構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層并且形成分別對n型半導(dǎo)體層和p型半導(dǎo)體層施加電壓的n電極和p電極來制造。

專利文獻1公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光元件以及制造該半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，所述半導(dǎo)體發(fā)光元件包括有源層，所述有源層被層壓在基板上并具有包含其傾斜角相對于該基板平滑變化的部分的表面。非專利文獻1公開了一種發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管包括多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，在所述多量子阱結(jié)構(gòu)中，ingan層被層壓在具有高銦組分的納米結(jié)構(gòu)的另一ingan層上。

在先技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利第4984119號

非專利文獻

非專利文獻1：appliedphysicsletters92,261909(2008)

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

當通過電極注入到元件中的電子和空穴在該元件的有源層中發(fā)生結(jié)合(復(fù)合)時，會引發(fā)由半導(dǎo)體發(fā)光元件進行的光發(fā)射。從有源層發(fā)射的光的波長(即，發(fā)光顏色)根據(jù)構(gòu)成該有源層的半導(dǎo)體材料的帶隙而不同。例如，使用氮化物系半導(dǎo)體的發(fā)光元件從其有源層發(fā)射藍光。

對于例如照明應(yīng)用，光源需要具有顯色性。具有高顯色性的光源是一種發(fā)射近自然光的光源。為了實現(xiàn)高顯色性，優(yōu)選的是，從光源發(fā)射的光具有基本上覆蓋可見光區(qū)域的整個波長的波長。例如，從具有高顯色性的光源提取的光被觀察為白光。

就此而言，已經(jīng)提出了使用半導(dǎo)體發(fā)光元件來提取白光的各種方法。在制造發(fā)光裝置的一個示例方法中，將波長轉(zhuǎn)換部件(諸如，熒光體(phosphor))混合到密封樹脂中，以通過密封樹脂密封該元件。例如，在使用發(fā)射藍光的有源層的半導(dǎo)體發(fā)光元件的情況下，來自有源層的藍光的一部分被熒光體轉(zhuǎn)換為黃光，并且將這兩種類型的光混合并發(fā)射到外部。因此，所發(fā)射的光作為整體被觀察為白光。專利文獻1提出了一種通過在有源層生長之前使用諸如蝕刻的處理方法形成凹凸圖案并在有源層上形成傾斜表面而在不使用熒光體的情況下使發(fā)光波長變寬的方法。

然而，使用上述方法制造的發(fā)光裝置具有與該裝置內(nèi)的發(fā)光波長的均勻性、制造過程的復(fù)雜性及發(fā)光強度有關(guān)的問題?？赡艿脑虬ǎ簾晒怏w混合步驟的添加；熒光體的波長轉(zhuǎn)換效率隨時間的變化；半導(dǎo)體層的處理步驟的添加；以及由于半導(dǎo)體層的處理而引起的結(jié)晶度的劣化。

鑒于上述問題進行了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，所述半導(dǎo)體發(fā)光元件不需要波長轉(zhuǎn)換部件(諸如，熒光體)，并且具有在可見光區(qū)域的寬范圍內(nèi)的發(fā)光波長帶(光譜寬度)并具有高顯色性和高發(fā)光強度。

用于解決問題的手段

根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括：第一半導(dǎo)體層，所述第一半導(dǎo)體層具有第一導(dǎo)電類型；第一發(fā)光層，所述第一發(fā)光層形成在所述第一半導(dǎo)體層上；第二發(fā)光層，所述第二發(fā)光層形成在所述第一發(fā)光層上；以及第二半導(dǎo)體層，所述第二半導(dǎo)體層形成在所述第二發(fā)光層上并且具有與所述第一半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型。所述第一發(fā)光層具有：基底層，所述基底層具有從所述第一半導(dǎo)體層受到應(yīng)力應(yīng)變的組分，并且具有被分割成隨機網(wǎng)狀的多個基底區(qū)段；以及第一量子阱結(jié)構(gòu)層，該第一量子阱結(jié)構(gòu)層由至少一個量子阱層和至少一個勢壘層構(gòu)成并且形成在所述基底層上，所述第一量子阱結(jié)構(gòu)層保留了所述多個基底區(qū)段的區(qū)段形狀。所述第二發(fā)光層具有第二量子阱結(jié)構(gòu)層，該第二量子阱結(jié)構(gòu)層由多個勢壘層和至少一個量子阱層構(gòu)成，所述多個勢壘層具有與第一量子阱結(jié)構(gòu)層的至少一個勢壘層的組分不同的組分，并且所述第二發(fā)光層在所述多個勢壘層中最靠近所述第一發(fā)光層的端部勢壘層的表面中具有保留了所述區(qū)段形狀的槽。

附圖說明

圖1的(a)是示出根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖，并且圖1的(b)是第一發(fā)光層的基底層的示意性俯視圖。

圖2是示出根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

圖3是示出根據(jù)第一實施方式的第一修改示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

圖4是示出根據(jù)第一實施方式的第二修改示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

圖5的(a)至(c)是根據(jù)第一實施方式的第二修改示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件以及根據(jù)比較示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光譜圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將在下面詳細描述本發(fā)明的實施方式。在本說明書中，相同的附圖標記被分配給相同的構(gòu)成元件。

第一實施方式

圖1的(a)是示出根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件(在下文中，在某些情況下簡稱為“發(fā)光元件”或“元件”)10的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在半導(dǎo)體發(fā)光元件10的結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl形成在安裝基板(在下文中，在某些情況下簡稱為“基板”)11上。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl包括形成在安裝基板11上的n型半導(dǎo)體層(即，第一半導(dǎo)體層)12、形成在該n型半導(dǎo)體層12上的發(fā)光功能層13、形成在該發(fā)光功能層13上的電子阻擋層14以及形成在該電子阻擋層14上的p型半導(dǎo)體層(其導(dǎo)電類型與所述第一半導(dǎo)體層12的導(dǎo)電類型相反的第二半導(dǎo)體層)15。

根據(jù)該實施方式，安裝基板11由用于生長例如半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl的生長基板構(gòu)成，并且例如由藍寶石制成。另外，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl由氮化物系半導(dǎo)體構(gòu)成。半導(dǎo)體發(fā)光元件10可以通過使用金屬有機化學(xué)汽相沉積(mocvd)法在藍寶石基板(例如，所述藍寶石基板的c面表面用作晶體生長面)上生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl來制造。盡管圖中未示出，但是發(fā)光元件10具有分別向n型半導(dǎo)體層12和p型半導(dǎo)體層15施加電壓的n電極和p電極。

參照發(fā)光元件10的結(jié)構(gòu)示出了實施方式，其中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl形成在用作安裝基板11的生長基板上。然而，實施方式不限于安裝基板11為生長基板的結(jié)構(gòu)。例如，半導(dǎo)體發(fā)光元件10可以具有通過首先在生長基板上生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl、將該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl接合到另一基板并去除該生長基板而獲得的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，由此接合的另一基板形成在p型半導(dǎo)體層15上。上述接合基板可以使用具有高散熱度的材料(諸如，si、aln、mo、w和cuw)。

盡管圖中未示出，但是可以在安裝基板11與n型半導(dǎo)體層12之間設(shè)置緩沖層(下層)。例如，出于減輕在生長基板與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl之間的交界面(interface)上以及在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層sl的層之間的交界面上可能產(chǎn)生的應(yīng)變的目的而設(shè)置緩沖層。在該實施方式中，在藍寶石基板(安裝基板11)上生長gan層作為緩沖層之后，層壓n型半導(dǎo)體層12。

n型半導(dǎo)體層12由例如包含n型摻雜物(例如，si)的gan層構(gòu)成。電子阻擋層14由例如algan層構(gòu)成。p型半導(dǎo)體層15由例如包含p型摻雜物(例如，mg)的gan層構(gòu)成。n型半導(dǎo)體層12可以包括具有不同摻雜濃度的多個n型半導(dǎo)體層。電子阻擋層14可以包含p型摻雜物。

在該實施方式中，第一n型半導(dǎo)體層和第二n型半導(dǎo)體層(未示出)被形成為n型半導(dǎo)體層12。具體地，在基板11上形成第一n型半導(dǎo)體層，并且在該第一n型半導(dǎo)體層上形成第二n型半導(dǎo)體層，所述第二n型半導(dǎo)體層的摻雜濃度小于該第一n型半導(dǎo)體層的摻雜濃度。作為電子阻擋層14，形成包含p型摻雜物的algan層。

發(fā)光功能層13具有第一發(fā)光層13a和第二發(fā)光層13b。第一發(fā)光層13a形成在n型半導(dǎo)體層12上，并且第二發(fā)光層13b相對于第一發(fā)光層13a形成在p型半導(dǎo)體層15側(cè)上(即，在該實施方式中形成在第一發(fā)光層13a上)。電子阻擋層14形成在第二發(fā)光層13b上。第一發(fā)光層13a和第二發(fā)光層13b各具有量子阱(qw)結(jié)構(gòu)。

第一發(fā)光層13a具有與n型半導(dǎo)體層12的組分不同的組分的基底層bl。由于來自n型半導(dǎo)體層12的應(yīng)力應(yīng)變，基底層bl具有形成為具有隨機網(wǎng)狀的槽(下文中稱為“第一槽”)gr1。由于n型半導(dǎo)體層12與基底層bl之間的組分差異，第一槽gr1具有由通過在基底層bl中產(chǎn)生的應(yīng)力(應(yīng)變)創(chuàng)建的多個組合槽形成的網(wǎng)格形狀。在基底層bl中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變是由n型半導(dǎo)體層12與基底層bl之間的晶格常數(shù)差異引起的基底層bl的晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。

第一發(fā)光層13a具有量子阱結(jié)構(gòu)層(下文中稱為“第一量子阱結(jié)構(gòu)層”)qw1，所述量子阱結(jié)構(gòu)層qw1由形成在基底層bl上的第一量子阱層wa和第一勢壘層ba構(gòu)成。第一量子阱層wa形成在基底層bl上，并且第一勢壘層ba形成在所述第一量子阱層wa上?；讓觔l用作用于所述第一量子阱層wa的勢壘層。第一量子阱層wa被形成為應(yīng)變的量子阱層。

現(xiàn)在將參照圖1的(b)對基底層bl進行描述。圖1的(b)是示意性地示出基底層bl的上表面的圖?；讓觔l被第一槽gr1分割，并且具有形成為具有隨機尺寸的許多細小的基底區(qū)段bs。因為基底層bl具有從n型半導(dǎo)體層12受到應(yīng)力應(yīng)變的組分，所以各個基底區(qū)段bs被分割成隨機網(wǎng)狀。

第一槽gr1由具有隨機且不同的長度和形狀的槽部構(gòu)成。第一槽gr1在基底層bl的整個表面上形成為網(wǎng)(網(wǎng)格)狀。各個基底區(qū)段bs是基底層bl內(nèi)的由第一槽gr1隨機分割和形成的部分(區(qū)段)。此外，各個第二基底區(qū)段bs2的上表面可以具有各種形狀(諸如，大致圓形、大致橢圓形以及多邊形)。

第一槽gr1具有例如v形橫截面(圖1的(a))。另外，如圖1的(b)所示，第一槽gr1具有線狀底部bp。在該實施方式中，各個基底區(qū)段bs的端部是第一槽gr1的底部bp。各個基底區(qū)段bs在底部bp處與另一個基底區(qū)段bs相鄰。

此外，基底層bl具有與各個基底區(qū)段bs對應(yīng)的平坦部(下文中稱為“第一平坦部”)fl1。基底層bl的表面由第一平坦部fl1和第一槽gr1的內(nèi)壁表面構(gòu)成。各個第一平坦部fl1被針對各個基底區(qū)段bs的第一槽gr1分割?；讌^(qū)段bs具有由第一平坦部fl1構(gòu)成的上表面以及由第一槽gr1的內(nèi)壁表面構(gòu)成的側(cè)表面。

換句話說，第一平坦部fl1構(gòu)成各個基底區(qū)段bs的上表面，并且第一槽gr1的內(nèi)壁表面構(gòu)成基底區(qū)段bs的側(cè)表面。因此，各個基底區(qū)段bs具有傾斜的側(cè)表面，并且具有例如大致梯形形狀的橫截面。

再次參照圖1的(a)，第一發(fā)光層13a在其表面上具有形成為繼承(即，保留)第一槽gr1的各種形狀并且具有與第一槽gr1的網(wǎng)格形狀相同的網(wǎng)格形狀的槽(下文中稱為“第二槽”)gr2。具體地，如圖1的(a)所示，第一量子阱層wa和第一勢壘層ba形成在基底層bl上，同時保留了基底區(qū)段bs的區(qū)段形狀。因此，第一量子阱層wa和第一勢壘層ba在與基底層bl的第一槽gr1的各個槽部對應(yīng)的位置處具有槽。形成在第一勢壘層ba中的槽是第二槽gr2，所述第一勢壘層ba為最靠近p型半導(dǎo)體層15的層。

第一發(fā)光層13a的表面的部分(即，第一勢壘層ba的除第二槽gr2之外的表面)被形成為平坦部(下文中稱為“第二平坦部”)fl2。各個第二平坦部fl2被形成為使得其位置和形狀與各個第一平坦部fl1的位置和形狀對應(yīng)。

換句話說，第一發(fā)光層13a在其表面上具有第二平坦部fl2和第二槽gr2。第二槽gr2被形成為使得將第一發(fā)光層13a分割成多個島狀發(fā)光區(qū)段es。各個發(fā)光區(qū)段es被形成為使得與各個基底區(qū)段bs對應(yīng)。因此，第一發(fā)光層13a具有被分割成隨機網(wǎng)狀的多個發(fā)光區(qū)段es。發(fā)光區(qū)段es的尺寸和形狀隨機變化和分布并且隨機設(shè)置(布置)在第一發(fā)光層13a的表面上。

第二發(fā)光層13b形成在第一發(fā)光層13a上。第二發(fā)光層13b具有量子阱結(jié)構(gòu)層(下文中稱為“第二量子阱結(jié)構(gòu)層”)qw2，所述量子阱結(jié)構(gòu)層qw2由兩個勢壘層(下文中稱為“第二勢壘層”)bb1和bb2以及量子阱層(下文中稱為“第二量子阱層”)wb構(gòu)成。第二勢壘層bb1和bb2各具有與第一發(fā)光層13a的基底層bl和第一量子阱結(jié)構(gòu)層qw1的第一勢壘層ba的組分不同的組分。在該實施方式中，第二勢壘層bb1和bb2具有與n型半導(dǎo)體層12和p型半導(dǎo)體層15的組分相同的組分。第二量子阱層wb被形成為應(yīng)變的量子阱層。

在第二勢壘層bb1和bb2中，最靠近第一發(fā)光層13a的一端的勢壘層(下文中稱為“第一端部勢壘層”)bb1具有形成為繼承(或保留)第二槽gr2的形狀的槽(下文中稱為“第三槽”)gr3。第三槽gr3的槽部比第一槽gr1和第二槽gr2的槽部更小且更深。換句話說，在第一端部勢壘層bb1的表面上，形成保留了基底區(qū)段bs的區(qū)段形狀的第三槽gr3。第一端部勢壘層bb1具有與各個基底區(qū)段bs對應(yīng)的平坦部(下文中稱為“第三平坦部”)fl3。

第二發(fā)光層13b在其表面上具有形成為繼承第三槽gr3的形狀的槽(下文中稱為“第四槽”)gr4。換句話說，第二發(fā)光層13b的第二勢壘層bb2和第二量子阱層wb被形成為繼承第一端部勢壘層bb1的形狀。第四槽gr4的尺寸比第三槽gr3更小并且比第三槽gr3更淺。第二發(fā)光層13b的表面的部分(即，第二勢壘層bb2的除第四槽gr4之外的表面)被形成為平坦部(下文中稱為“第四平坦部”)fl4。

如上所述，在第一槽gr1至第四槽gr4中的各個的俯視圖(換句話說，垂直于晶體生長面的視圖)中，槽在相同的位置具有它們各自的底部。形成在第一發(fā)光層13a上的發(fā)光區(qū)段es的區(qū)段形狀基本上被第二發(fā)光層13b繼承。因此，在本實施方式中，發(fā)光功能層13被第一槽gr1至第四槽gr4整體分割成多個發(fā)光區(qū)段es。

圖2是示出發(fā)光功能層13的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。參照圖2，將給出發(fā)光功能層13的第一發(fā)光層13a和第二發(fā)光層13b的詳細描述。在第一發(fā)光層13a中，基底層bl和第一勢壘層ba具有aln或algan的組分。在該實施方式中，aln層被形成為基底層bl和第一勢壘層ba。第一發(fā)光層13a的第一量子阱層wa具有ingan的組分?；讓觔l用作第一發(fā)光層13a的勢壘層。

在第二發(fā)光層13b中，第二勢壘層bb1和bb2各具有g(shù)an的組分。第二量子阱層wb具有ingan的組分。換句話說，各自具有量子阱結(jié)構(gòu)的第一發(fā)光層13a和第二發(fā)光層13b具有包含不同組分的勢壘層。因此，第二量子阱層wb的帶隙與第一發(fā)光層wa的帶隙不同。這里，量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙表示量子阱層的量子能級之間的能量。

第一端部勢壘層bb1的層厚度t1小于第二勢壘層bb1和bb2中最靠近p型半導(dǎo)體層15的另一端部勢壘層(下文中稱為“第二端部勢壘層”)bb2的層厚度。具體地，第一端壁勢壘層bb1的層厚度t1小于第二端部勢壘層bb2的層厚度t2。第三槽gr3的尺寸比第一槽gr1和第二槽gr2更小并且比第一槽gr1和第二槽gr2更淺。在相同的發(fā)光區(qū)段es內(nèi)，由此第三平坦部fl3的尺寸比第二平坦部fl2大。

現(xiàn)在將對第一發(fā)光層13a進行描述。在該實施方式中，基底層bl由aln層構(gòu)成。基底層bl的基底區(qū)段bs(即，第一槽gr1)可以例如通過在相對低的溫度下在n型半導(dǎo)體層12上生長用作基底層bl的aln層來形成。

更具體地，當在n型半導(dǎo)體層12上生長在晶體組分方面與n型半導(dǎo)體層12不同的基底層bl時，在基底層bl中產(chǎn)生應(yīng)力(應(yīng)變)。例如，基底層bl具有比n型半導(dǎo)體層12的晶格常數(shù)小的晶格常數(shù)。例如，當在用作n型半導(dǎo)體層12的gan層上形成用作基底層bl的aln層時，由于gan層而導(dǎo)致在aln層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。因此，在其生長期間在aln層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當在gan層上生長aln層時，在其生長開始時或在其生長期間在aln層中形成槽，并且aln層以三維方式生長。因此，aln層以立體方式生長，并且形成多個細小的凸起和凹陷。該槽的形成起點是第一槽gr1的底部bp。

當在低溫下在gan層上生長aln層時，促進了aln層的三維生長。因此，在aln層的表面上形成大量的槽部(形成第一槽gr1)同時它們彼此組合，從而將aln層的表面分割成多個區(qū)段。因此，可以形成具有多個基底區(qū)段bs的基底層bl。在該實施方式中，aln層在780℃的生長溫度下被形成為基底層bl。

當在基底層bl上形成用作第一量子阱層wa的ingan層時，該第一量子阱層wa被形成為應(yīng)變的量子阱層。此外，在第一量子阱層wa內(nèi)產(chǎn)生in含量的某一分布。換句話說，第一量子阱層wa被形成為使得在in組分方面第一平坦部fl1上的區(qū)域與第一槽gr1上的區(qū)域不同。基底區(qū)段bs的上表面上的第一量子阱層wa的層厚度與基底區(qū)段bs的側(cè)表面上的第一量子阱層wa的層厚度不同。因此，帶隙在第一量子阱層wa的層內(nèi)不是恒定的。

通過形成具有第二槽gr2以便保留第一槽gr1的形狀的第一勢壘層ba(aln層)，形成第一發(fā)光層13a。因此，由于其隨機形狀和帶隙結(jié)構(gòu)，在第一發(fā)光層13a中分割的發(fā)光區(qū)段es發(fā)射各種波長的光。在該實施方式中，第一發(fā)光層13a發(fā)射其波長廣泛覆蓋近綠色區(qū)域的光。由于第一發(fā)光層13a具有細小的島狀凸起和凹陷，所以第一發(fā)光層13a發(fā)射各種顏色的光。本發(fā)明人確認根據(jù)該實施方式的第一發(fā)光層13a發(fā)射其光譜帶寬覆蓋約450nm至650nm的寬波長范圍的光。

在該實施方式中，基底層bl具有第一平坦部fl1，并且第一發(fā)光層13a的表面具有第二平坦部fl2。第一發(fā)光層13a在第一平坦部fl1的區(qū)域上具有第二平坦部fl2，由此在第一發(fā)光層13a內(nèi)確保了優(yōu)選(preferable)的結(jié)晶度水平。

在該實施方式中，描述了基底層bl和第一發(fā)光層13a的表面由平坦部和槽構(gòu)成的情況。然而，基底層bl和第一發(fā)光層13a的表面構(gòu)造并不限于上述情況。例如，基底層bl可以在基底區(qū)段bs的上表面上具有彎曲表面部。

隨著基底區(qū)段bs的尺寸減小，引入量子阱層wa的in的量增加，并且發(fā)光波長向較長波長側(cè)偏移。具體地，當在用作基底層bl的aln層上形成用作量子阱層wa的ingan層時，aln層在ingan層上施加壓縮應(yīng)力(壓縮應(yīng)變)。當ingan層受到壓縮應(yīng)變時，in容易被引入第一量子阱層wa。ingan層的帶隙(即，量子能級之間的能量)由此減小。第一量子阱層wa發(fā)射具有在較長波長側(cè)的發(fā)光波長的光。

另外，本發(fā)明人檢查了不是像第一發(fā)光層13a那樣的發(fā)光層的形成而是具有多個量子阱層的多量子阱結(jié)構(gòu)的形成，所述量子阱層具有一個平坦表面，并且在所述量子阱層中，in組分彼此之間不同地變化。然而，可以形成的in組分的范圍是有限的。在具有包含變化的in組分的多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的發(fā)光元件的情況下，具有與該實施方式的發(fā)光元件10的波長帶一樣寬的波長帶的光譜是不可能的。具體地，無法獲得具有寬范圍內(nèi)的恒定波長和一定強度水平的光。

因此，通過簡單地增加in組分，無法獲得具有高顯色性的光。當形成具有過大in組分的量子阱層以在寬范圍內(nèi)改變in組分時，in的偏析顯著，并且in析出并變黑。另外，形成不起到發(fā)光層作用的部分。因此，可以說，基于in組分，同時實現(xiàn)較寬的發(fā)光光譜和較高的發(fā)光強度的努力存在限制。

在另一個示例檢查中，本發(fā)明人通過層壓由不同材料形成并且具有不同帶隙的發(fā)光層來制造發(fā)光元件。簡單地層壓不同類型的材料以產(chǎn)生僅產(chǎn)生其峰值波長與帶隙對應(yīng)的光的發(fā)光層，則峰值之間的光譜強度是小的。由于顏色以不平衡和不穩(wěn)定的方式混合，所以獲得白光是困難的。添加形成包含不同類型的材料的發(fā)光層的步驟，并且所得到的產(chǎn)品不具有優(yōu)選的結(jié)晶度水平。在該實施方式中，另一方面，通過形成具有顯微結(jié)構(gòu)的第一量子阱層wa的發(fā)光功能層13，容易且必定實現(xiàn)具有在可見光區(qū)域的寬范圍內(nèi)的發(fā)光波長帶(半值寬度)的光。

接下來將對第二發(fā)光層13b進行描述。第二發(fā)光層13b形成在第一發(fā)光層13a上，并且繼承第一發(fā)光層13a的形狀。具體地，第一端部勢壘層bb1的層厚度t1比勢壘層的典型層厚度(例如，第二端部勢壘層bb2的層厚度t2)小。因此，與第二槽gr2對應(yīng)的第三槽gr3形成在第一端部勢壘層bb1的表面中。此外，第四槽gr4形成在第二發(fā)光層13b的表面中。

換句話說，第二發(fā)光層13b繼承與基底區(qū)段bs對應(yīng)的發(fā)光區(qū)段es的區(qū)段形狀。因此，第二發(fā)光層13b在表面中具有隨機形成的槽。因此，這種情況下的光譜寬度比簡單地形成平坦的發(fā)光層的情況下的光譜寬度寬。

根據(jù)實施方式，第二勢壘層bb1和bb2具有與n型半導(dǎo)體層12的組分相同的組分，并且具有與第一發(fā)光層13a的第一勢壘層ba的組分不同的組分。從n型半導(dǎo)體層12到第一發(fā)光層13a的拉伸應(yīng)變通過第二發(fā)光層13b來減輕。第二發(fā)光層13b的第一端部勢壘層bb1繼承形成在第一勢壘層ba中的第二槽gr2的形狀，并且被形成為部分地嵌入第二gr2。形成在第一端部勢壘層bb1的表面中的第三槽gr3被形成為比第二槽gr2更淺且更小。通過在第一發(fā)光層13a上形成第二發(fā)光層13b，可以抑制由n型半導(dǎo)體層12施加在整個發(fā)光功能層13上的應(yīng)變的影響。

第二勢壘層bb1和bb2具有與第一發(fā)光層13a的第一勢壘層ba的組分不同的組分。因此，相對于第一發(fā)光層13a和第二發(fā)光層13b，帶隙(即，量子能級之間的能量)在其量子阱層wa與wb之間不同。從而可以發(fā)射具有不同的發(fā)光強度峰值和在該峰值附近的寬光譜寬度的光。例如，根據(jù)該實施方式，第一發(fā)光層13a發(fā)射在綠色區(qū)域中寬波長帶寬范圍內(nèi)的光，并且第二發(fā)光層13b發(fā)射在藍色區(qū)域中寬波長帶寬范圍內(nèi)的光。

根據(jù)實施方式，第二勢壘層bb1和bb2各具有g(shù)an組分，并且第二量子阱層wb具有ingan組分。本發(fā)明人確認，由此構(gòu)造的第二發(fā)光層13b發(fā)射其光譜寬度在420nm至450nm范圍內(nèi)變化的光。另一方面，當簡單地形成平坦的發(fā)光層時，該發(fā)光層發(fā)射具有在藍色區(qū)域(約420nm)內(nèi)的強度峰值的光，并且發(fā)射在上述波長區(qū)域附近具有極小強度的光。

根據(jù)實施方式，描述了在第二發(fā)光層13b的表面中形成第四槽gr4的情況。然而，該實施方式并不限于第二發(fā)光層13b在其表面上具有第四槽gr4的情況。在第二發(fā)光層13的第一端部勢壘層bb1中，希望形成保留基底區(qū)段bs的區(qū)段形狀的槽(第三槽gr3)。例如，第二量子阱層wb和第二端部勢壘層bb2可以具有平坦形狀的表面。例如，可以通過例如增加第二量子阱層wb和第二端部勢壘層bb2的層厚度來形成平坦表面。

作為一個示例實施方式，本發(fā)明人形成具有以下層厚度的發(fā)光功能層13：基底層bl的層厚度為4nm。第一量子阱層wa的厚度為3nm。第一勢壘層ba的層厚度為4nm。第一端部勢壘層bb1的層厚度t1為3nm或6nm。第二量子阱層wb的層厚度為3nm。第二端部勢壘層bb2的層厚度為12nm?；讌^(qū)段bs在內(nèi)面方向上的尺寸(即，發(fā)光區(qū)段es的尺寸)在從幾十nm到幾μm的范圍內(nèi)變化。

在該實施方式中，在1130℃的生長溫度下形成用作n型半導(dǎo)體層12的n-gan層。另外，在780℃的生長溫度下形成第一發(fā)光層13a，并且在780℃的生長溫度下形成第二發(fā)光層13b。此外，在980℃的生長溫度下形成用作電子阻擋層14的algan層，并且在1020℃的生長溫度下形成用作p型半導(dǎo)體層15的p-gan層。

通常，電子和空穴在發(fā)光功能層13的靠近p型半導(dǎo)體層15的區(qū)域中復(fù)合。具體地，由于電子的遷移率高于空穴的遷移率，所以電子和空穴更可能在注入空穴的一側(cè)上(即，在更靠近p型半導(dǎo)體層15的一側(cè)上)復(fù)合。因此，可以從靠近p型半導(dǎo)體層15的第二發(fā)光層13b獲得具有相對高的發(fā)光強度的光。擔憂來自第一發(fā)光層13a的光的較低的發(fā)光強度。

然而，在該實施方式中，可以通過將第一端部勢壘層bb1的層厚度t1減小到相對小的值來解決上述擔憂。具體地，通過減小層厚度t1，通過第一端部勢壘層bb1將空穴注入第一發(fā)光層13a的可能性增加。因此，第一發(fā)光層13a能夠發(fā)射具有高強度的光。

[第一修改示例]

圖3是示出根據(jù)第一實施方式的第一修改示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件30的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。除了發(fā)光功能層33的結(jié)構(gòu)之外，發(fā)光元件30的構(gòu)造與發(fā)光元件10的構(gòu)造相同。發(fā)光元件30的發(fā)光功能層33具有第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b，所述第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b具有多量子阱(mqw)結(jié)構(gòu)。第一發(fā)光層33a具有例如兩個第一量子阱層wa，并且第二發(fā)光層33b具有兩個第二量子阱層wb。

具體地，在基底層bl上，第一發(fā)光層33a具有多量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)層qw1，在所述多量子阱結(jié)構(gòu)中，交替層壓兩個第一量子阱層wa和兩個第一勢壘層ba。第二發(fā)光層33b具有多量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)層qw2，在所述多量子阱結(jié)構(gòu)中，兩個第二量子阱層wb形成為被保持在三個第二勢壘層bb1、bb2和bb3之間。第二勢壘層bb3的構(gòu)造與第二勢壘層bb2的構(gòu)造相同。

在該修改示例中，第二發(fā)光層33b的第二勢壘層bb1至bb3中最靠近n型半導(dǎo)體層12(第一發(fā)光層33a)的第二勢壘層bb1是第一端部勢壘層。最靠近p型半導(dǎo)體層15的第二勢壘層bb3是第二端部勢壘層。

在該修改示例中，第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b具有多量子阱結(jié)構(gòu)。因此，從發(fā)光層33發(fā)射的光的波長帶寬變寬。更具體地，從發(fā)光功能層33發(fā)射的光的波長的光譜峰值的數(shù)量增加。在該修改示例中，可以實現(xiàn)具有四個峰值的光譜。因此，進一步提高了使發(fā)光波長范圍變寬和其強度增加的有利效果。

在該修改示例中，已經(jīng)示出了第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b二者都具有多量子阱結(jié)構(gòu)的情況。然而，第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b二者都不必須具有多量子阱結(jié)構(gòu)。例如，第一發(fā)光層可以如該修改示例的第一發(fā)光層33a的情況具有多量子阱結(jié)構(gòu)，而第二發(fā)光層可以如第一實施方式的第一發(fā)光層13b的情況具有單量子阱結(jié)構(gòu)。此外，各個量子阱層的層數(shù)可以是三層或更多。

換句話說，第一發(fā)光層可以具有至少一個第一量子阱層和至少一個第一勢壘層被層壓在基底層bl上的量子阱結(jié)構(gòu)。另外，第二發(fā)光層可以具有至少一個第二量子阱層被層壓成被保持在多個第二勢壘層之間的量子阱結(jié)構(gòu)。在第二發(fā)光層的多個第二勢壘層中，最靠近n型半導(dǎo)體層12的第一端部勢壘層bb1具有與第一發(fā)光層的第一槽gr1和第二槽gr2對應(yīng)的第三槽gr3。

如圖3所示，在該修改示例中，沒有在第二發(fā)光層33b的表面中形成槽。整個表面被構(gòu)造成平坦部fl4。換句話說，第二發(fā)光層33b通過在其表面中嵌入形成在第一發(fā)光層33a中的第一槽gr1和第二槽gr2來形成。原因在于，在第二發(fā)光層33b的第二勢壘層bb1、bb2、bb3之中，除第一端部勢壘層bb1之外的第二勢壘層bb2、bb3具有相對大的層厚度。

[第二修改示例]

圖4是示出根據(jù)第一實施方式的第二修改示例的半導(dǎo)體發(fā)光元件50的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。除了發(fā)光功能層53的結(jié)構(gòu)之外，發(fā)光元件50的構(gòu)造與發(fā)光元件10或30的構(gòu)造相同。在發(fā)光元件10的n型半導(dǎo)體層12與第一發(fā)光層13a之間，發(fā)光元件50的發(fā)光功能層53具有第三發(fā)光層53a，該第三發(fā)光層53a具有由至少一個第三量子阱層wc和多個第三勢壘層bc構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)的第三量子阱結(jié)構(gòu)層qw3。

在該修改示例中，在第三發(fā)光層53a的結(jié)構(gòu)中，在n型半導(dǎo)體層13上交替層壓兩個第三量子阱層wc和三個第三勢壘層bc。在最靠近p型半導(dǎo)體層15的第三勢壘層bc上形成第一發(fā)光層13a(基底層bl)。各個第三量子阱層wc的組分與第二量子阱層wb的組分相同，例如為ingan組分。各個第三勢壘層bc的組分與第二勢壘層bb1至bb3的組分相同，例如為gan組分。換句話說，第三發(fā)光層53a具有與例如第二發(fā)光層13b或33b的組分相同的組分。

在該修改示例的結(jié)構(gòu)中，將第三量子阱結(jié)構(gòu)層qw3添加到第一實施方式的發(fā)光元件10的發(fā)光功能層13的n型半導(dǎo)體層12的一側(cè)。與第一實施方式相比，可以容易地發(fā)射具有在純藍色區(qū)域中的發(fā)光波長峰值的附加光。根據(jù)該修改示例的構(gòu)造有利于例如增加藍色區(qū)域中的光強度。

圖5的(a)至圖5的(c)示出了從根據(jù)該修改示例的發(fā)光元件50獲得的光譜。圖5的(a)至圖5的(c)示出了從第一實施方式的第二修改示例的元件50獲得的光譜以及比較示例的光譜。對于比較示例，制備發(fā)光元件，使得該發(fā)光元件與發(fā)光元件50不同之處在于前者不具有第二發(fā)光層13b。示意性地說，在該修改示例中，從第二發(fā)光層13b和第三發(fā)光層53a二者發(fā)射藍光。在比較示例中，僅從第三發(fā)光層53a發(fā)射藍光。

圖5的(a)是由所發(fā)射的藍光的強度進行標準化的光譜圖。所述組分在該修改示例中是相同的，但是藍色區(qū)域的光譜向長波長側(cè)偏移。圖5的(b)是由比較示例的元件的發(fā)光強度進行標準化的光譜圖。比較示例與該修改示例的發(fā)光強度的比較表明，該修改示例的藍色成分的強度較高。圖5的(c)是由比較示例的元件的發(fā)光強度進行標準化并且其峰值位置相同的光譜圖。如圖5的(c)所示，該修改示例的半值寬度比比較示例的半值寬度寬?；谏鲜鼋Y(jié)果證實，該修改示例的白色元件的顯色性比比較示例的顯色性大。

該修改示例可以與第一修改示例組合。更具體地，第三發(fā)光層53a可以進一步被添加到具有多量子阱結(jié)構(gòu)的第一發(fā)光層33a和第二發(fā)光層33b的發(fā)光元件30中。通過組合第一修改示例和第二修改示例，可以以高自由度調(diào)整光譜?？梢陨a(chǎn)適用于各種用途的元件。

在該實施方式及其修改示例中，已經(jīng)示出了在發(fā)光功能層13(或33和53)與p型半導(dǎo)體層15之間形成電子阻擋層14的情況。然而，該實施方式及其修改示例并不限于提供電子阻擋層14的情況。例如，可以在發(fā)光功能層13上形成p型半導(dǎo)體層15。另外，電子阻擋層14的帶隙比n型半導(dǎo)體層12、發(fā)光功能層13和p型半導(dǎo)體層15的帶隙大。因此，可以防止電子通過發(fā)光功能層13溢出到p型半導(dǎo)體層15側(cè)。因此，優(yōu)選設(shè)置電子阻擋層14以用于大電流驅(qū)動和高溫操作。

在該實施方式及其修改示例中，第一發(fā)光層13a具有：基底層bl，其具有從n型半導(dǎo)體層12受到應(yīng)力應(yīng)變的組分，并且具有被分割成隨機網(wǎng)狀的多個基底區(qū)段bs；以及第一量子阱結(jié)構(gòu)層qw1，其由形成在基底層bl上的至少一個量子阱層wa和至少一個勢壘層ba構(gòu)成，其中，至少一個量子阱層wa保留了多個基底區(qū)段bs的區(qū)段形狀。第二發(fā)光層13b具有第二量子阱結(jié)構(gòu)層qw2，所述第二量子阱結(jié)構(gòu)層qw2由多個勢壘層bb1、bb2和至少一個量子阱層wb構(gòu)成，所述多個勢壘層bb1、bb2的組分與第一量子阱結(jié)構(gòu)層qw1的勢壘層ba的組分不同。在多個勢壘層bb1和bb2中最靠近第一發(fā)光層13a的端部勢壘層bb1的表面中，第二發(fā)光層13b具有保留了區(qū)段形狀的槽gr3。因此，可以提供能夠發(fā)射在可見光區(qū)域的寬范圍內(nèi)具有高發(fā)光強度的光的發(fā)光元件。

在該實施方式中，描述了第一導(dǎo)電類型是n導(dǎo)電類型并且第二導(dǎo)電類型是p導(dǎo)電類型的情況，所述p導(dǎo)電類型與所述n導(dǎo)電類型相反。然而，第一導(dǎo)電類型可以是p型，并且第二導(dǎo)電類型可以是n型。

符號說明

10、30、50半導(dǎo)體發(fā)光元件

12n型半導(dǎo)體層(第一半導(dǎo)體層)

13、33、53發(fā)光功能層

13a、33a第一發(fā)光層

13b、33b第二發(fā)光層

53a第三發(fā)光層

qw1、qw2、qw3量子阱結(jié)構(gòu)層

14電子阻擋層

15p型半導(dǎo)體層(第二半導(dǎo)體層)

bl基底層

bs基底區(qū)段

es發(fā)光區(qū)段

gr1至gr4第一槽至第四槽