[发明专利]氮化物系半导体发光元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在以m面为主面的n型GaN基板(或GaN层)上所制作的氮化物系半导体发光元件及其制造方法。本发明特别是涉及从紫外到蓝色、绿色、橙色和白色等整个可视区域的波长范围的发光二极管、激光二极管等的GaN系半导体发光元件。

背景技术

具有作为V族元素的氮(N)的氮化物半导体，根据其带隙的大小，有望作为短波长发光元件的材料。其中，含有作为III族元素的Ga的氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体：Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)的研究盛行，以蓝色发光二级管(LED)、绿色LED和GaN系半导体为材料的半导体激光器也得到实用化。

GaN系半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1模式化地表示GaN的单位晶格。在Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)半导体的结晶中，图1所示的Ga的一部分能够被置换成Al和/或In。

图2表示的是，为了以四指数表示法(六方晶指数)表示纤锌矿型晶体结构的面所通常使用的4个基本矢量a₁、a₂、a₃和c。基本矢量c在[0001]方向延长，该方向称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。此外，由Ga等III族元素结尾的面被称为“+c面”或“(0001)面”，由氮等V族元素结尾的面称为“-c面”或“(000-1)面”而加以区别。还有，“c轴”和“c面”也有分别表述为“C轴”和“C面”的情况。

在使用GaN系半导体制作半导体元件时，作为使GaN系半导体结晶生长的基板，使用的是c面基板，即在表面具有(0001)面的基板。但是，在c面中，因为Ga原子和氮原子不存在于同一原子面上，所以形成极化(Electrical Polarization)。因此，“c面”也称为“极性面”。极化的结果是，在活性层的InGaN的量子阱中，沿c轴向发生压电电场。若这样的压电电场在活性层发生，则活性层内的电子和空穴的分布发生位置偏移，因此在载流子的量子限制斯塔克效应下，内部的量子效率降低，如果是半导体激光器，则引起阈值电流的增大；如果是LED，则引起消耗功率的增大和发光效率的降低。另外，随着注入载流子密度的上升，还发生压电电场的屏蔽，也会产生发光波长的变化。

为了解决这样的课题，在表面具有作为非极性面、例如与[10-10]方向垂直的被称为m面的(10-10)面的基板(m面GaN系基板)的使用得到研究。在此，在表示密勒指数的括号内的数字的左侧附加的“-”意思是横线(bar)。m面如图2所示，是与c轴(基本矢量c)平行的面，与c面正交。在m面中，因为Ga原子和氮原子存在于同一原子面上，所以在与m面垂直的方向不发生自发极化。其结果是，如果在与m面垂直的方向上形成半导体层叠结构，则在活性层也不会发生压电电场，从而能够解决上述的课题。还有，m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)的统称。

还有，在本说明书中，在与六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m)垂直的方向上发生外延生长的情形被表示为“X面生长”。在X面生长中，将X面称为“生长面”，将通过X面生长所形成的半导体的层称为“X面半导体层”。

使用了氮化物半导体的发光元件，无论在将c面和m面哪一面用于主面的情况下，都能够分成如下两类：在同一结晶生长面侧配置p侧电极和n侧电极的类型(扁平型)；和嵌入氮化物半导体层而上下配置p侧电极和n侧电极的类型(狭长型)。扁平型还可进一步分类为：从p型氮化物半导体层侧引出光的偏平电极面朝上型，和从n型氮化物半导体层侧引出光的扁平电极面朝下型。

扁平型的情况下，因为p侧电极和n侧电极在横向上远离，所以电流在p侧电极和n侧电极最接近的部分集中，难以向活性层注入均匀的电流。由于该电场集中，发光元件的耐压降低这样的问题也存在。