[发明专利]氮化物半导体发光元件和具备该氮化物半导体发光元件的光源

说明书

技术领域

本申请涉及具有非极性面或半极性面半导体层的氮化物半导体发光元件、和具备该氮化物半导体发光元件的光源。

背景技术

V族元素中含有氮(N)的氮化物半导体，根据其带隙的大小，有望被视为短波长发光元件的材料。其中，氮化物半导体的研究盛行，使用了氮化物半导体的蓝色发光二极管(LED)元件和绿色LED元件、及蓝色半导体激光元件也得到实用化。

就氮化物半导体而言，其由通式Al_xGa_yIn_zN(其中，0≤x、z<1、0<y≤1、x+y+z=1。)表示。

氮化物半导体中，通过由Al和In置换Ga，使其带隙比GaN的带隙或大或小都可以。由此，不仅可以发出蓝色或绿色等的短波长的光，而且可以发出橙色或红色等的长波长的光。从这样的特征出发，氮化物半导体发光元件也被期待应用于图像显示装置和照明装置等。

氮化物半导体具有纤维锌矿型结晶构造。图1和图2(a)～(d)，以四指数表示法(六方晶指数)来表示纤维锌矿型结晶构造的面取向。如图1所示，在四指数表示法中，使用由a₁、a₂、a₃和c表示的基本矢量来表达晶面及其面取向。基本矢量c沿[0001]方向延长，这一方向的轴被称为“c轴”。如图2(a)所示，与c轴垂直的面(plane)称为“c面”或“(0001)面”。在图2(b)～(d)中示出，m面“＝(10-10)面”，a面“＝(11-20)面”和r面“＝(10-12)面”。还有，在本说明书中，在表示密勒指数的括号内的数字的左侧所附加的符号“-”，简便地表示该指数的反演。

图3以球棍模型表示氮化物半导体的结晶构造。图4(a)是从a轴方向观察m面表面附近的原子排列的球棍模型。m面与图4(a)的纸面垂直。图4(b)是从m轴方向观察+c面表面的原子排列的球棍模型。c面与图4(b)的纸面垂直。由图3和图4(a)可知，N原子和Ga原子位于与m面平行的平面上。相对于此，在c面中，由图3和图4(b)可知，形成有仅配置了Ga原子的层和仅配置了N原子的层。

一直以来，在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，使用的是c面基板，即，以(0001)面作为主面的基板。这种情况下，由于Ga原子和N原子的配置，导致在氮化物半导体中沿c轴方向形成自发性的极化(Electrical Polarization)。因此，“c面”也称为“极性面”。极化的结果是，在构成氮化物半导体发光元件的发光层的InGaN所形成的量子阱层中，沿着c轴方向发生压电电场。由于所发生的压电电场，导致发光层内的电子和空穴的分布发生位置偏移，在载流子的量子限制斯塔克效应下，发光层的内部量子效率降低这样的问题存在。为了抑制该发光层中的内部量子效率的降低，使形成于(0001)面的发光层的厚度为3nm以下而进行设计。

此外，近年来还得到研究的有，使用以称为非极性面的m面或a面、或者称为半极性面的-r面或(11-22)面作为主面的基板来制作发光元件。如图2所示，纤维锌矿型结晶构造中的m面，是与c轴平行、与c面正交的6个等价的面。例如，在图2中与[10-10]方向垂直的(10-10)面相当于m面。与(10-10)面等价的其他的m面，有(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面和(0-110)面。

如图3和图4(a)所示，在m面中，Ga原子和N原子存在于同一原子面上，因此在与m面垂直的方向上不会发生极化。因此，如果使用以m面为生长面的半导体层叠构造制作发光元件，则不会在发光层发生压电电场，能够解决因载流子的量子限制斯塔克效应造成的内部量子效率的降低这样的问题。这在m面以外的作为非极性面的a面也同样，另外，在被称为半极性面的-r面或(11-22)面，也能够得到类似的效果。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-219376号公报

专利文献2：日本专利第4375497号

非专利文献

非专利文献1：Applied Physical Letters v0l.91191906(2007)

在生长面具有非极性面和半极性面的氮化物半导体发光元件中，要求发光效率的进一步提高。

发明内容

本申请的非限定性例示的某一实施方式，提供发光效率提高了的氮化物半导体发光元件和光源。