[发明专利]氮化物半导体发光芯片、氮化物半导体发光装置及氮化物半导体芯片的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体发光芯片及包括它的氮化物半导体发光装置。

背景技术

包括V族元素中的氮(N)的氮化物半导体,因其带隙大,而被看作非常有希望作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非常火热,用氮化镓系化合物半导体制成的蓝色发光二极管(LED)元件及绿色LED元件以及蓝色半导体激光元件也已经进入实用阶段。

氮化镓系化合物半导体包括由铝(Al)和铟(In)中至少一者置换镓(Ga)的一部分而形成的化合物半导体。这样的氮化物半导体可以用一般式Al_xGa_yIn_zN(其中,0≤x、z＜1、0＜y≤1、x+y+z＝1)表示。以下称氮化镓系化合物半导体为GaN系半导体。

通过用Al、In置换GaN系半导体中的Ga，则既能够使带隙比GaN的带隙大，又能够使带隙比GaN的带隙小。这样一来，则不仅能够使其发出蓝色或者绿色等短波长的光，也能够使其发出橙色或者红色等长波长的光。由于上述特征，氮化物半导体发光元件有待于用在图像显示装置和照明装置等中。

氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1(a)、图1(b)和图1(c)中，用4个指数表记(六方晶系晶面指数)纤锌矿型晶体结构的晶面。在4个指数表记中，晶面及其平面定向(plane orientaton)由用a1、a2、a3以及c表示的基本矢量表示。基本矢量c沿着［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”或者“(0001)面”。图1(a)中，除了c面以外，还示出了a面“＝(11-20)面”和m面“＝(1-100)面”。图1(b)中，示出了r面“＝(1-102)面”，图1(c)中示出了(11-22)面。此外，在本说明书中，为方便起见，加在表示米勒指数的括号内的数字左侧的符号“—”表示该指数的倒数，与图中的“横线”相对应。

图2(a)用球棒模型示出了GaN系半导体的晶体结构，图2(b)从a轴方向观察到的m面表面附近的原子排列情况的球棒模型。m面与图2(b)中的纸面垂直。图2(c)是从m轴方向观察到的+c面表面的原子排列的球棒模型。c面与图2(c)的纸面垂直。由图2(a)和图2(b)可知，N原子和Ga原子位于与m面平行的平面上。相对于此，由图2(a)和图2(c)可知，在c面，形成有仅布置有Ga原子的层和仅布置有N原子的层。

迄今为止，在用GaN系半导体制造半导体元件的情况下，作为让氮化物半导体晶体生长的基板使用的是c面基板，也就是以(0001)面为主面的基板。该情况下，氮化物半导体会由于Ga原子和N原子的布置情况而在c轴方向产生自发极化(Electrical Polarization)。因此，“c面”也被称为“极性面”。极化的结果是会在构成氮化物半导体发光元件的发光层的由InGaN形成的量子阱层沿着c轴方向产生压电电场。在所产生的压电电场的作用下，电子和空穴发光层内的分布会产生错位，发光层的内部量子效率由于载流子的量子限制斯塔克效应(quantum-confined Stark effect)而下降，这就是问题。为抑制该发光层的内部量子效率下降所进行的设计是,使形成在(0001)面的发光层的厚度在3nm以下。

近年来正在研究使用以被称为非极性面的m面或a面、或者被称为半极性面的-r面或(11-22)面为主面的基板制造发光元件。如图1所示，纤锌矿型晶体结构的m面是与c轴平行、与c面正交的六个等价面。例如，在图1中，垂直于“1-100”方向的(1-100)面就是m面。与(1-100)面等价的其它m面有(-1010)面、(10-10)面、(-1100)面、(01-10)面以及(0-110)面。

如图2(a)和图2(b)所示，在m面，Ga原子和N原子存在于同一原子面上，故不会在垂直于m面的方向上产生极化。因此，如果用以m面为生长面的半导体叠层构造制作发光元件，就不会在发光层产生压电电场，从而能够解决载流子的量子限制斯塔克效应所导致内部量子效率下降的问题。m面以外的非极性面即a面也一样，也能够解决上述问题。而且，被称为半极性面的-r面或者(11—22)面也能够获得类似的效果。

专利文献1：日本公开特许公报特开2010-177455号公报

专利文献2：日本公开特许公报特开2002-299769号公报

专利文献3：日本公开特许公报特开2002-16312号公报

发明内容

—发明要解决的技术问题—