[发明专利]氮化物系半导体发光元件、照明装置、液晶显示装置以及照明装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物系半导体发光元件、照明装置以及液晶显示装置。特别是，本发明涉及能够射出从蓝色、绿色、橙色、红色等整个可见光区域中选择出的任意波长的光的发光二极管、激光二极管等GaN系半导体发光元件及照明装置以及使用该GaN系半导体发光元件及照明装置的液晶显示装置。

背景技术

含有作为V族元素的氮(N)的氮化物半导体，根据其能带隙(band gap)的大小，有希望成为短波长发光元件的材料。其中，氮化镓系化合物半导体的研究正积极进行，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、以及以GaN系半导体作为材料的半导体激光器也正在被实用化(例如，参照专利文献1、2)。

以下，将氮化镓系化合物半导体称为GaN系半导体。在GaN系半导体中，包含采用铝(Al)以及铟(In)中的至少一方来置换Ga的一部分或全部后得到的化合物半导体，GaN系半导体由组成式Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)来表示。

通过采用Al或In来置换Ga，可以使能带隙比GaN大也可以使能带隙比GaN小。由此，不仅仅是蓝色或绿色等短波长的光，也可以发出橙色或红色的光。因此，通过使用GaN系半导体，理论上来说，能够实现射出从整个可见光区域中任意选择出的波长的光的发光元件，也期待将GaN系半导体发光元件应用于图像显示装置或照明装置。

GaN系半导体具有纤维锌矿(wurtzite)型结晶构造。图1按照4指数记法(六方晶指数)来表示纤维锌矿型结晶构造的面。在4指数记法中，使用由a1、a2、a3以及c表示的基本向量来表示结晶面和方位。基本向量c在[0001]方向上延伸，将该方向称为“c轴”。将与c轴垂直的面(plane)称为“c面”或“(0001)面”。另外，“c轴”以及“c面”有时也分别记为“C轴”以及“C面”。图2(a)采用棒球模型来表示GaN系半导体的结晶构造，图2(b)表示与c轴垂直的平面中的GaN系半导体结晶的Ga以及N的位置。

以往以来，在使用GaN系半导体来制作半导体元件的情况下，使用c面基板即在表面具有(0001)面的基板作为使GaN系半导体结晶生长的基板。该情况下，如根据图2(a)以及(b)所理解的那样，在c轴方向上形成仅配置Ga原子的层、和仅配置N原子的层。由于这样的Ga原子以及N原子的配置，在GaN系半导体中形成自发的极化(Electrical Polarization)。由此，也将“c面”称为“极性面”。

其结果，在GaN系半导体发光元件的活性层中的InGaN的量子阱中，沿着c轴方向产生压电电场(piezo electric field)，在活性层内的电子以及空穴(hole)的分布中产生位置偏差，所以由于载流子(carrier)的量子约束斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)，活性层的内部量子效率降低。在半导体激光器的情况下，阈值电流增大，在LED的情况下，消耗电力增大，发光效率降低。此外，随着注入载流子密度的上升，引起压电电场的屏蔽(screening)，发光波长也发生变化。

此外，如果为了发出绿色、橙色、以及红色等长波长区域的光，而增加InGaN活性层的In组成，则与In组成一起，压电电场的强度渐渐增加，内部量子效率急剧降低。由此，一般，在使用c面的InGaN活性层的LED中，可以说能发光的光的波长是550nm左右。

为了解决这样的课题，正研讨使用在表面具有作为非极性面的m面的基板(m面GaN系基板)来制造发光元件。如图1所示，纤维锌矿型结晶构造中的m面与c轴平行，是与c面正交的6个等价的面。例如，在图1中，是与由阴影所示的[10-10]方向垂直的(10-10)面。在与(10-10)面等价的其他的m面中，存在(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面。这里，在表示米勒指数(Miller indices)的括号内的数字左边附加的“-”含义是“横(Bar)”。

图2(c)表示与m面垂直的面中的GaN系半导体结晶的Ga以及N的位置。如图2(c)所示，在m面中，由于Ga原子以及氮原子存在于同一原子面上，所以不会在与m面垂直的方向上产生极化。由此，如果使用形成在m面上的半导体层叠构造来制作发光元件，则不会在活性层中产生压电电场，能够解决上述课题。

此外，由于能够增加活性层的In组成，所以能够使用同一材料系来实现不仅能发出蓝色而且能发出绿色、橙色、红色等波长更长的光的LED和激光二极管。