[发明专利]氮化物半导体发光元件和LED系统

说明书

技术领域

本申请涉及氮化物半导体发光元件和具备多个氮化物半导体发光元件的LED系统。

背景技术

作为V族元素含有氮（N）的氮化物半导体，基于其带隙的大小，作为短波长发光元件的材料被寄予厚望。其中，氮化镓类化合物半导体的研究正在广泛进行，使用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得以实用化。

在氮化物半导体中，包括将镓（Ga）的一部分或全部置换为铝（Al）和铟（In）中的至少一种而得的化合物半导体。这样的氮化物半导体，以组成式Al_xGa_yIn_zN（0≤x、y、z≤1，x+y+z=1）表示。以下，将氮化镓类化合物半导体称为氮化物半导体。

通过将Ga置换为Al、In，能够使带隙比GaN的带隙大或小。由此，不仅能够发出蓝色或绿色等短波长的光，而且能够发出橙色或红色的光。基于这样的特征，氮化物半导体发光元件在图像显示装置和照明装置中的应用也受到期待。

氮化物半导体具有纤锌矿型结晶构造。图1（a）、（b）、（c）以四指数标记（六方晶指数）表示纤锌矿型结晶构造的面。四指数标记中，使用以a1、a2、a3和c表示的基本向量来表现结晶面、方位。基本矢量c沿[0001]方向延伸，该方向的轴被称为“c轴”。与c轴垂直的面（plane）被称为“c面”或“（0001）面”。在图1（a）中，除c面之外，还图示有a面、m面。另外，在图1（b）中图示有r面，在图1（c）中图示有（11-22）面。

图2（a）以棒球模型表示氮化物半导体的结晶构造。图2（b）是从a轴方向观察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）是从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。由图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，由图2（c）可知，在c面形成有仅配置有Ga原子的层和仅配置有N原子的层。

在现有技术中，使用氮化物半导体制作半导体元件时，作为使氮化物半导体结晶生长的基板，使用c面基板即在主面具有（0001）面的基板。此时，由于Ga原子和N原子的配置，在氮化物半导体中在c轴方向形成自发的分极（Electrical Polarization：电极化）。因此“c面”有时也被称为“极性面”。分极的结果是，在氮化物半导体发光元件的发光层的InGaN的量子阱，沿c轴方向产生压电场（Piezo electric field）。由于该电场，发光层内的电子和空穴的分布发生位置偏移，因此由于载流子的量子限制斯塔克效应，发光层的内部量子效率降低，这成为技术问题。为了抑制发光层的内部量子效率的降低，形成于（0001）面的发光层的厚度设计为3nm以下。

近年来，对使用在表面具有被称为非极性面的m面、a面、或者被称为半极性面的-r面、（11-22）面的基板，制造发光元件的方案进行了研究。如图1所示，纤锌矿型结晶构造的m面是与c轴平行，与c面正交的6个等效的面。例如，图1中，与[1-100]方向垂直的（1-100）面相当于m面。与（1-100）等效的其他m面有（-1010）面、（10-10）面、（-1100）面、（01-10）面、（0-110）面。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“反（bar）”。

在m面，如图2（b）所示，Ga原子和N原子存在于同一原子面上，因此在与m面垂直的方向不发生分极。因此，如果使用形成于m面上的半导体层叠构造制作发光元件，则在发光层不产生压电场，能够解决载流子的量子限制斯塔克效应引起的内部量子效率降低的技术问题。这对于作为m面以外的非极性面的a面也是同样的，另外，被称为半极性面的-r面、（11-22）面也能够得到类似的效果。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-253164号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

半导体的带隙随着温度上升而减小（Varshni Effect）的情况是已知的。氮化物半导体发光元件的温度上升时，氮化物半导体发光元件内的发光层的带隙变小，因此在发光层发出的光的波长变长。

根据本发明的实施方式，能够提供抑制温度发生变化时的波长的变化的m面氮化物半导体发光元件，和温度上升时光短波长化的m面氮化物半导体发光元件。

根据本发明的其他的实施方式，在具有m面氮化物半导体发光元件的系统中，能够抑制温度发生变化时的波长的变化。

用于解决技术问题的技术手段