氮化物半导体发光元件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种氮化物半导体发光元件，其由n型氮化物半导体层(13)、触发层(14)、V形坑扩大层(15)、发光层(16)、p型氮化物半导体层(17)按照此顺序依次设置而构成。发光层(16)中形成有V形坑(31)。触发层(14)由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层(13)上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层(15)由晶格常数与构成n型氮化物半导体层(13)上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度在5nm以上、5000nm以下。
【专利说明】氮化物半导体发光元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氮化物半导体发光元件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]含氮的II1- V族化合物半导体(以下称为“氮化物半导体”)所具有的带隙能量相当于波长从红外区到紫外区的光的能量，因此，能够用作为发出的光的波长从红外区到紫外区的发光元件的材料、或用作为接收的光的波长在该范围内的光接收元件的材料。
[0003]另外，由于构成氮化物半导体的原子之间的结合牢固，其绝缘破坏电压较高，饱和电子速度较大，因此，氮化物半导体也可以用作为耐高温、高输出、高频率的晶体管等电子器件的材料。
[0004]此外，氮化物半导体对于环境基本无害，是一种容易进行处理的材料而备受关注。
[0005]使用这种氮化物半导体的氮化物半导体发光元件中，发光层通常采用量子阱结构。当施加了电压时，电子与空穴会发生扩散而进入发光层中，在发光层内的阱层中，电子与空穴将再次结合而发光。
[0006]关于InGaN系LED (发光二极管)，提出了在多重量子阱结构(MultiQuantum Wells,以下记为“MQWs”)的正下方插入由InGaN/GaN构成的应变层超晶格(Strained-Layer Superlattice,以下记为“SLS”)结构来提高LED的发光强度。但是这一物理现象的详细情况并不清楚。另外，也不清楚LED的发光强度是否依赖于SLS结构中的
重复周期数。
[0007]另一方面，已知氮化物半导体结构存在被称为V形坑(V pit、V-shaped pit)的形状缺陷。例如专利文献I (日本专利特开2005-277423号公报)中公开了在LED芯片的表面形成有“六棱锥空洞”的结构。
[0008]V形坑是一种缺陷，因此，通常考虑是否通过抑制其产生来提高LED的特性。另一方面，非专利文献 I (A.Hangleiter, F.Hitzel, C.Netzel, D.Fuhrmann, U.Rossow, G.Ade, andP.Hinze, “Suppress1n of Nonradiative Recombinat1n by V-Shaped Pits in GalnN/GaNQuantum Wells Produces a Large Increase in the Light Emiss1n Efficiency，，, PhysicalReview Letters95, 127402 (2005))中发表了 MQWs内V形坑的作用。据此可知，当MQWs内存在V形坑时，量子阱宽度在V形坑的斜面上会变窄，因此，量子能级的能量会变大，基于这些效果，带隙实质上变大，防止量子阱中的电子、空穴到达V形坑内部，其结果能够抑制MQWS内的非发光再结合。
现有技术文献 专利文献
[0009]专利文献1:日本专利特开2005-277423号公报 专利文献
[0010]非专利文献1:A.Hangleiter, F.Hitzel, C.Netzel, D.Fuhrmann, U.Rossow, G.Ade,and P.Hinze, “Suppress1n of Nonradiative Recombinat1n by V-Shaped Pitsin GalnN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light Emiss1nEfficiency”，Physical Review Letters95, 127402 (2005)
【发明内容】
发明所要解决的技术问题[0011 ] 氮化物半导体发光元件需要进一步提高发光效率。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种发光效率优异的氮化物半导体发光兀件。
解决技术问题所采用的技术方案
[0012]本发明在发光层上形成了规定尺寸的V形坑的情况下，能够提高氮化物半导体发光元件的发光效率。具体而言，本发明所涉及的第一氮化物半导体发光元件由η型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、P型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成。发光层中形成有V形坑。触发层由晶格常数不同于构成η型氮化物半导体层上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层由晶格常数与构成η型氮化物半导体层上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度在5nm以上、5000nm以下。
[0013]本发明所涉及的第二氮化物半导体发光元件由η型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、P型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成。发光层中形成有V形坑。触发层由晶格常数不同于构成η型氮化物半导体层上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层由晶格常数与构成η型氮化物半导体层上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度使V形坑在发光层上表面的直径为86nm以上。
[0014]发光层优选由阱层和势垒层层叠构成。这种情况下，触发层优选具有比阱层要大的带隙能量。
[0015]当η型氮化物半导体层的上表面由GaN构成时，讲层由InxGahN(C).01≤χ < I)构成即可，触发层由InyGahyN(0.01 ^ y ^ χ)构成即可。
[0016]当η型氮化物半导体层的上表面由GaN构成时，V形坑扩大层由GaN构成即可。
[0017]触发层优选具有20nm以下的厚度。
在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法中，当触发层由InGaN构成时，优选将触发层的生长温度设置在η型氮化物半导体层的生长温度以下，将V形坑扩大层的生长温度设置在触发层的生长温度以上。
发明效果
[0018]本发明所涉及的氮化物半导体发光元件利用触发层使V形坑开始形成，且利用V形坑扩大层扩大V形坑的直径，因此，会在规定尺寸的V形坑的侧壁上也形成发光层。在该V形坑的侧壁部分，阱层的组成会发生变化，或者阱层的厚度会变薄，量子能级的能量变大，基于这些效果，带隙实质上变大，能够抑制载流子注入到存在于V形坑下部的穿透位错，其结果能够提高发光效率。因而，能够抑制发光层内发生非发光再结合，因此能够提供发光效率优异的氮化物半导体发光元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是用于评价SLS层效果的评价用样品的示意性剖视图。图2是评价用样品的AFM(原子力显微镜)图像的微分图像。
图3是V形坑的示意性立体图。
图4是表示SLS层的重复周期数与V形坑的直径(V形坑直径)之间的关系的曲线图。图5 (a)是没有设置SLS层的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图5(b)是具有SLS层的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图6(a)是本发明一实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图6(b)是图6(a)的主要部分剖视图。
图7(a)是本发明另一实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图7(b)是图7(a)的主要部分剖视图。
【具体实施方式】
[0020]下面，在对本发明所涉及的氮化物半导体发光元件及其制造方法进行说明之前，先对完成本发明之前所进行的实验及其结果进行说明。
[0021]〈SLS层效果的调查实验> 本发明人首先进行如下实验来明确SLS层的效果。
[0022]为了在不通电发光的情况下评价V形坑的尺寸等是否依赖于SLS层中的重复周期数，用MOVPE(金属有机化合物气相外延)法制备了 4种评价用样品。图1是制备好的评价用样品的示意性剖视图。4种评价用样品的SLS层中的重复周期数(这里，用构成SLS层的In。.Aaa9N层的层数来规定SLS层中的重复周期数)分别为O、5、10、20。
[0023]具体而言，在压力为lOOkPa、温度为460°C、V族元素材料与III族元素材料的摩尔比(以下记为“V/III比”)为40677的条件下，在C面蓝宝石基板50上生长25nm的GaN缓冲层51。然后，在温度为1150°C、V/III比为2536的条件下，生长2.4 μ m的无掺杂GaN层52。载气为H2。
[0024]在将生长温度下降到820°C、V /III比为6517的条件下，层叠N个周期(N = 0、5、
10、20)的InxGahN层(x = 0.09，厚度为2.5nm)和GaN层(厚度为2.5nm)。此时，载气使用N2。由此形成SLS层54。
[0025]在生长温度为780 °C、V /III比为6517的条件下，由InxGa1^xN(x = 0.15，厚度为3nm)构成的阱层和由GaN(厚度为12.5nm)构成的势垒层交替地生长4个周期((In。.4?.mN讲层的层数为4))。此时，使用N 2作为载气。由此形成MQWs层56。从而得到图1所示的评价用样品。即，由于不对评价用样品进行通电发光，因此无需形成η型氮化物半导体层、P型氮化物半导体层、η侧电极和P侧电极来制备评价用样品。
[0026]对所得到的评价用样品进行AFM测定，得到其微分图像。图2中示出SLS层中的重复周期数为20的评价用样品的AFM图像的微分图像。如图2所示，可以确认V形坑(纵切面的形状为非理想V字形的V形坑也包括在内)被不同于蓝宝石基板50的c面的刻面包围而形成。
[0027]图3中示出V形坑的示意性立体图。穿透位错TD从氮化物半导体晶体的下方开始沿生长方向(+c轴方向)延伸，而V形坑从起点VS(位于穿透位错TD上方的应变层中)开始形成。V形坑较为理想的是被6个斜面(刻面)包围。由于刻面上出现了晶面指数{1-101}的晶面，因此，V形坑相对于晶体表面即(0001)面倾斜一定角度。而实际上V形坑很多情况下仅仅是图2所示那样不规则地形成的孔或坑，并不具备图3所示的理想形状。
[0028]另外，根据所得到的AFM图像，计算出V形坑在MQWs层56上表面的数密度，并求出V形坑在MQWs层56上表面的直径(这里记为“V形坑直径”)。当V形坑在MQWs层56上表面的外形为不同于圆形的形状时，将V形坑在MQWs层56上表面的外形近似为圆形，并测定其直径。然后，研究SLS层54中的重复周期数与V形坑的数密度及V形坑直径之间的关系。图4和表1中示出其结果。
[0029][表 1]
【权利要求】
1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于， 该氮化物半导体发光元件由η型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、P型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成， 所述发光层中形成有V形坑， 所述触发层由晶格常数不同于构成所述η型氮化物半导体层的上表面的材料的氮化物半导体材料构成， 所述V形坑扩大层由晶格常数与构成所述η型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，且厚度在5nm以上、5000nm以下。
2.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于， 该氮化物半导体发光元件由η型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、P型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成， 所述发光层中形成有V形坑， 所述触发层由晶格常数不同于构成所述η型氮化物半导体层的上表面的材料的氮化物半导体材料构成， 所述V形坑扩大层由晶格常数与构成所述η型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，且厚度使所述V形坑在所述发光层的上表面的直径为86nm以上。
3.如权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述发光层由阱层和势垒层层叠构成， 所述触发层的带隙能量比所述阱层的带隙能量要大。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述η型氮化物半导体层的上表面由GaN构成， 所述讲层由InxGa1^xN(0.01≤χ < I)构成， 所述触发层由InyGahyN (0.01 ^ y < χ)构成。
5.如权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述η型氮化物半导体层的上表面和所述V形坑扩大层由GaN构成。
6.如权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于， 所述触发层的厚度为20nm以下。
7.一种氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 用于制造权利要求1至6的任一项所述的氮化物半导体发光元件， 将所述触发层的生长温度设为所述η型氮化物半导体层的生长温度以下， 将所述V形坑扩大层的生长温度设为所述触发层的生长温度以上。
【文档编号】H01L33/32GK104040737SQ201280059896
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】柏原博之, 冈田成仁, 只友一行, 泷口治久 申请人:夏普株式会社, 国立大学法人山口大学