[发明专利]氮化物类半导体发光元件

说明书

技术领域

本申请涉及具有偏振特性的氮化物类半导体发光元件。

背景技术

作为VA族元素包含氮（N）的氮化物半导体由于其能带隙的大小，作为短波发光元件的材料被看好。其中，氮化镓类化合物半导体的研究在积极进行，使用了氮化镓类化合物半导体的蓝色发光二极管（LED）、绿色LED和蓝色半导体激光器也在被实用化。

以下将氮化镓类化合物半导体成为氮化物半导体。在氮化物半导体中包括将镓（Ga）的一部分或者全部用铝（Al）和铟（In）中的至少一方置换了的化合物半导体。因此，氮化物半导体用组成式Al_xGa_yIn_zN（0≤x，y，z≤1、x＋y＋z＝1）表示。

通过将Ga用Al或In置换，能够使能带隙比GaN的能带隙大或小。由此，不仅能够发出蓝色、绿色等短波长的光，也能够发出橙色、红色的光。从这样的特征看，氮化物类半导体发光元件也期待应用于图像显示装置和照明装置。

氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1（a）、（b）、（c）用4指数标记（六方晶指数）表示纤锌矿型晶体结构的面。4指数标记中，使用由a1、a2、a3和c表示的基本矢量表示结晶面和方位。基本矢量c在[0001]方向上延伸，该方向称为“c轴”。与c轴垂直的面（plane）称为“c面”或者“（0001）面”。图1（a）中，c面之外图示有a面、m面。c面、a面和m面有相互垂直的关系。另外，图1（b）中图示r面，图1（c）中图示（11-22）面。

图2（a）用球管模型表示氮化物半导体的晶体结构。图2（b）是从与a面垂直的a轴方向即从［11-20］方向观察m面表面附近的原子排列的图。m面与图2（b）的纸面垂直。图2（c）是m轴方向观察＋c面表面的原子排列的图。c面与图2（c）的纸面垂直。从图2（b）可知，N原子和Ga原子位于与m面平行的平面上。与此相对，从图2（c）可知，在c面形成有仅配置Ga原子的层和仅配置N原子的层。

一般而言，在使用氮化物半导体制作半导体元件的情况下，作为使氮化物半导体晶体生长的基板，使用c面基板即在主面具有（0001）面的基板。该情况下，以Ga原子和N原子的配置为起因，在氮化物半导体中在c轴方向形成自发的极化（Electrical Polarization）。因此，“c面”被称为“极性面”。极化的结果是，在氮化物类半导体发光元件的活性层中的InGaN的量子阱中，沿c轴方向产生压电电场。由于该电场，在活性层内的电子和空穴的分布中产生位置偏差，所以由于载流子的量子限制斯塔克效应，活性层的内部量子效率降低。

因此，在研究使用在表面具有被称为非极性面的m面和a面、或者被称为半极性面的-r面和（11-22）面的基板制造发光元件。如图1所示，纤锌矿型晶体结构中的m面与c轴平行，是与c面正交的六个等价的面。例如，图1中与［1-100］方向垂直的（1-100）面相当于m面。与（1-100）面等价的其他的m面中有（-1010）面、（10-10）面、（-1100）面、（01-10）面、（0-110）面。此处，表示密勒指数的括号内的数字左边附加的“-”为“横杠（bar）”的意思。

在m面中，如图2（b）所示，由于Ga原子和N原子存在于同一原子面上，所以在与m面垂直的方向不产生极化。因此，如果使用在m面上形成的半导体层叠结构制作发光元件，则不在活性层产生压电电场，能够解决因载流子的量子限制斯塔克效应而内部量子效率降低的课题。这在作为m面以外的非极性面的a面也同样能够得到类似的效果，另外，在被称为半极性面的-r面和（11-22）面也可得到类似的效果。

而且，具有在m面和a面、或者r面和（11-22）面形成的活性层的氮化物类半导体发光元件具有以其价电子带的结构为由来的偏振特性。从以c面为主面的活性层向c轴方向出射的光不偏振，而从以从c面倾斜的面为主面的活性层能够取出偏振的光。

在专利文献1中，在以非极性面或者半极性面为主面的ⅢA族氮化物类半导体发光元件中，作为在维持偏振的状态下提高光的取出的方法，公开有在氮化物类半导体发光元件的光取出面形成有锯形波状的条纹（stripe）状的槽的结构。条纹状的槽的延伸方向与偏振方向垂直。

另外，在非专利文献1中，公开有在形成有条纹状的凹凸的a面蓝宝石上形成有结晶性良好的m面GaN层的结构。条纹状的凹凸的延伸方向与蓝宝石的m轴方向即GaN的a轴方向对应。