[发明专利]氮化镓类化合物半导体发光元件及包括该氮化镓类化合物半导体发光元件的光源装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化镓类化合物半导体发光元件及包括该氮化镓类化合物半导体发光元件的光源装置。

背景技术

含有是V族元素的氮(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,氮化镓类化合物半导体(GaN类半导体)的研究非常火热,蓝色发光二极管(LED)元件与绿色LED元件、以及以GaN类半导体为材料的半导体激光元件也已经进入实用阶段。

GaN类半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1示意地示出GaN晶体的单位晶格。一般式为Al_aGa_bIn_cN(其中0≤a、b、c≤1、a＋b＋c＝1)的化合物半导体晶体中，图1所示的Ga的至少一部分能够由Al或者In置换。

图2示出一般采用的、为了用四个指数表记(六方晶系指数)表示的纤锌矿型晶体结构的平面定向(plane orientaton)的四个基本矢量a₁、a₂、a₃及c。基本矢量c沿着［0001］方向延伸，该方向的轴称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或者“(0001)面”。此外，也有用“C轴”及“C面”表记“c轴”及“c面”的时候。

如图3(a)到图3(d)所示，纤锌矿型晶体结构中除了c面以外，还存在具有代表性的晶体平面定向(plane orientation)。图3(a)表示(0001)面，图3(b)表示(10-10)面，图3(c)表示(11-20)面，图3(d)表示(10-12)面。在本申请说明书中，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。(0001)面、(10-10)面、(11-20)面及(10-12)面也分别被表记为c面、m面、a面及r面。m面及a面是与c轴平行的“非极性面”，r面是“半极性面”。此外，m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面及(0-110)面的总称。

在现有技术中，用GaN类半导体形成的半导体发光元件是利用“c面生长(c-plane growth)”制成的。本申请说明书中，“X面生长”意味着在与六方晶纤锌矿型结构的X面(其中X指c、m、a及r等)垂直的方向产生外延生长。在X面生长中有时称X面为“生长面”。而且，也有称利用X面生长形成的半导体层为“X面半导体层”的时候。

如果以利用c面生长形成的半导体叠层结构制成发光元件，就会在c面且-c方向(N面侧)产生由于Ga原子和N原子的位置在c轴方向上错开而引起的自发极化(Spontaneously Polarization)。相对于此，在由发光层使用的InGaN形成的量子阱层，会在＋c方向(Ga面一侧)产生由于变形导致的压电极化，产生载流子的量子限制斯塔克效应。因此，c面被称为“极性面”。发光层内的载流子的发光再结合的几率就会由于该效应而下降，内部量子效率下降。因此会导致半导体激光元件中阈值电流增大。而且，如果是LED元件还会引起功耗增多，发光效率下降等。再就是，因注入载流子密度上升且产生压电电场的屏蔽（screening），故发光波长会发生变化。

因此，近年来，对以m面及a面等非极性面或者以r面、(11-22)面及(20-21)面等半极性面为生长面制造GaN类半导体的方法的研究非常火热。如果能选出非极性面作生长面，就不会在发光层的厚度方向(晶体生长方向)上产生极化，因此也就不会产生量子限制斯塔克效应。因此，能够制造出潜在地具有高效率的发光元件。就是在选出半极性面作生长面的情况下，也能够大幅度地降低对量子限制斯塔克效应做出的贡献。

图4(a)示意示出表面(生长面)是m面的GaN类半导体的剖面(与基板面垂直的剖面)上的晶体结构。Ga原子和N原子存在于与m面平行的同一原子面上。因此，不会在与m面垂直的方向上产生极化。此外，所添加的In及Al位于Ga位点上置换Ga。即使Ga的至少一部分被In或者Al置换，也不会在与m面垂直的方向上产生极化。

为便于参考，在图4(b)中示意地示出表面(生长面)是c面的GaN类半导体的剖面(与基板面垂直的剖面)上的晶体结构。Ga原子和N原子没有存在于与c面平行的同一原子面上。其结果是，会在与c面垂直的方向上产生极化。主面是c面的GaN类基板是一般的用来让GaN类半导体晶体进行生长的基板。因与c面平行的Ga(或In)原子层和氮原子层的位置在c轴方向上稍有错开，故沿着c轴方向产生极化。