氮化物系半導體發光元件及其製造方法

2023-06-07 20:25:26

專利名稱：氮化物系半導體發光元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及氮化物系半導體發光元件及其製造方法。本發明特別是涉及從期待在顯示、照明及光信息處理領域等中應用的紫外光到藍色、綠色、橙色及白色等所有可見光區域的波段的發光二極體、雷射二極體等GaN系半導體發光元件。
背景技術：
作為V族元素具有氮(N)的氮化物半導體由於其帶隙的大小，有望被作為短波長發光元件的材料。其中，正在廣泛進行氮化鎵系化合物半導體(GaN系半導體: AlxGayInzN (0彡x、y、ζ彡1，x+y+z = 1))的研究，藍色發光二極體(LED)、綠色LED以及以 GaN系半導體為材料的半導體雷射器也正在被實用化(例如，參照專利文獻1、2)。在使用GaN系半導體製作半導體元件的情況下，作為使GaN系半導體結晶生長的基板，例如，使用藍寶石基板、SiC基板、Si基板等。但是，無論使用哪一種基板，都很難在基板與GaN系半導體結晶之間實現晶格匹配(共格生長)。結果，在GaN系半導體結晶內，大多情況下會產生位錯(刃型位錯、螺旋位錯、混合位錯)，例如，在使用了藍寶石基板或SiC 基板的情況下，會以約IX IO9CnT2程度的密度形成位錯。結果，若是半導體雷射器，則會引起閾值電流的增大或可靠性的降低，若是LED，則會引起功耗的增大或效率或者可靠性的降低。此外，在已知的GaN基板中，位錯密度會降低，但是在結晶中殘留的變形較大，即使在這之上形成GaN系半導體結晶，也無法避免同樣的問題。作為降低GaN系半導體結晶內的位錯密度的方法，提出了選擇橫向生長 (Epitaxial Lateral Overgrowth :EL0)。該方法在晶格失配較大的系中作為降低貫通位錯的方法比較有效。若根據ELO法在上述的各基板上使GaN系半導體結晶生長，則在籽晶的上部會形成具有約1 X IO9CnT2程度的位錯密度的位錯較多的區域，在橫向生長的部分，能夠將位錯密度降低至IX IO7CnT2程度。而且，通過在該位錯少的區域的上部形成活性區域即電子注入區域，能夠提高可靠性。專利文獻1 日本特開2001-308462號公報專利文獻2 日本特開2003-332697號公報本申請的發明人在通過ELO法使結晶生長的GaN系半導體發光元件中發現了新的課題。即，通過X線微束調查根據ELO法使結晶生長的GaN系半導體結晶，發現了在GaN系半導體結晶的面內分布著不均勻的變形。該不均勻的變形的分布會引起面內的不均勻的發光，因此是不優選的。

發明內容
本發明為了解決上述課題而完成，其主要目的在於控制通過ELO法使結晶生長的氮化物系半導體發光元件中的不均勻的變形的產生。本發明的氮化物系半導體發光元件是具有氮化物系半導體層疊結構的氮化物系半導體發光元件，所述氮化物系半導體層疊結構包括包含AlaInbGaeN結晶層(a+b+c = 1，a彡0，b彡0，c彡0)的活性層；AldGaeN溢出抑制層(d+e = l，d > 0，e彡0)；和AlfGagN層 (f+g = 1，f彡0，g彡0，f 0， e彡0)的工序(b)；作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成AlfGagN層(f+g = l，f彡0，g彡0，f 0，e彡0)；和 AlfGagN層(f+g = 1，f彡0，g彡0，f 0，e彡0)的工序(b)；和作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成 (f+g = 1，f彡0，g彡0，f < d)的工序，在所述工序(b)中，在所述AldGaeN溢出抑制層中形成含有濃度在lX1016atmS/Cm3以上且1 X 1019atmS/Cm3以下的In的層，所述氮化物系半導體層疊結構的主面的法線與m面的法線形成的角度在Γ以上且5°以下，所述含有In 的層的厚度在所述AldGa6N溢出抑制層的厚度的一半以下。(發明效果)根據本發明，通過在AldGaeN層中形成含有濃度在IX 1016atms/cm3以上且 lX1019atms/cm3以下的In的層，能夠抑制氮化物系半導體發光元件中的不均勻的變形的產生。結果，能夠在氮化物系半導體發光元件中防止產生面內的不均勻的發光。在本發明中，在使用了將從m面傾斜了 1°以上且5°以下的角度的面作為主面的GaN基板的情況下，也能夠起到與使用了 m面GaN基板(將自m面的傾斜小於1°的面作為主面的GaN基板)時相同的效果。


圖1是示意性表示本發明的第1實施方式的剖視圖。圖2(a)是示意性表示本發明的第2實施方式的剖視圖，(b)是表示第2實施方式中的活性層32、不摻雜GaN層34及AldGaeN層36中的原子濃度的深度方向分布的圖表。圖3(a)是表示溢出抑制層(AldGaeN層)36的厚度與內部量子效率及內部損耗之間的關係的圖表，(b)是表示AldGaeN層36與活性層32之間的距離、即不摻雜GaN層34的厚度與內部損耗之間的關係的圖表。圖4(a)和(b)是分別表示在搖擺曲線測量中使用的樣品IOOa的結構的剖視圖及俯視圖。圖5 (a)和(b)是表示在AldGaeN層36中未形成In含有層35的氮化物系半導體發光元件的搖擺曲線測量結果的圖。圖6 (a)是表示通過陰極射線致發光(cathodeluminescence)評價了代替In含有層35而形成了 GaN層的結構的結果的圖片，(b)是表示通過陰極射線致發光評價了代替In 含有層35而形成了 InGaN層的結構的結果的圖片。圖7是表示通過陰極射線致發光評價了本發明的第2實施方式的結果的圖片。圖8表示本發明的第2實施方式的搖擺曲線測量結果。圖9(a)是表示存在拉伸變形區域80和壓縮變形區域81的半導體層的表面的圖， (b)是用於說明在半導體層的面內產生不均勻的變形的機理的圖，(c)是用於說明使半導體層面內的不均勻變形均勻化的機理的圖。圖10 (a)、(b)表示在現有技術中解決變形課題的方法。圖11 (a)、(b)表示在本實施方式中解決變形課題的方法。圖12(a)和(b)表示以SIMS (二次離子分析法)測量了在AldGaeN層36中摻雜的 In濃度(即In含有層35的In濃度)的結果。圖13(a)是表示比較例的發光強度(任意單位)與延遲時間(ns)的關係的圖表，(b)是表示第2實施方式的發光強度(任意單位)與延遲時間(ns)的關係的圖表。圖14是表示測量的發光效率的結果的表。圖15(a)至(c)是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖16(a)和(b)是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖17(a)和(b)是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖18(a)和(b)是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖19是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖20(a)和(b)是表示本發明的第2實施方式的製造工序的剖視圖。圖21是示意性表示本發明的第3實施方式的剖視圖。圖22是表示纖鋅礦型結晶結構的基本向量&1、￡12、￡13、(3的立體圖。圖23(a)示意性表示表面為c面的氮化物系半導體的剖面(與基板表面垂直的剖面)中的結晶結構，(b)示意性表示表面為m面的氮化物系半導體的剖面(與基板表面垂直的剖面)中的結晶結構。圖24是表示添加了 In的m面AldGa6N層(溢出抑制層)的室溫下的發光光譜的圖表。圖25是表示m面AldGaeN層(溢出抑制層)中的In的添加濃度與室溫下的發光強度之間的關係的表。圖26是表示本發明的第5實施方式的剖視圖。圖27(a)是示意性表示GaN基板的結晶結構(纖鋅礦型結晶結構)的圖，(b)是表示m面的法線、+c軸方向及a軸方向的相互關係的立體圖。圖28(a)和(b)是分別表示GaN基板的主面和m面的關係的剖視圖。圖29(a)和(b)是分別表示GaN基板IOa的主面與其附近區域的結晶結構的示意圖。符號說明10、10a-基板；11_選擇生長層；12-氮化物系半導體層疊結構；13-活性層；H-AldGaeN層；15_In含有層；20-AluGavInwN層；22-凹部區域；23-選擇生長用掩模； 24-籽晶區域；25-空隙；30-AlxGayInzN結晶層；32-InGaN活性層；34-不摻雜GaN層；35_In 含有層；36-p-AlGaN層；38_GaN層；40-接觸層；41_p型電極；42_n型電極；50、50a_半導體層疊結構；60-Ga基板；70-半導體層疊結構；80-拉伸變形區域；81-壓縮變形區域；85-半導體層；86-GaN基板；87-緩衝層；88-半導體層疊結構；89_GaN基板。
具體實施例方式(實施方式1)首先，參照圖1，說明本發明的氮化物系半導體發光元件的第1實施方式。如圖1所示，本實施方式的氮化物系半導體發光元件1具有選擇生長層11、和形成在選擇生長層11上的氮化物系半導體層疊結構12。選擇生長層11具有通過ELO法橫向生長的部分。氮化物系半導體層疊結構12包括包含AlaInbGaeN結晶層(a+b+c = 1，a≥0，
的活性層13 ；和相對於活性層13而言位於選擇生長層11所處的一側的相反側的 AldGaeN 層(d+e = 1，d > 0，e ≥ 0) 14。
AldGaeN層14的一部分包括層(In含有層)15，層15包含濃度在1 X 1016atms/cm3 以上且在lX1019atms/cm3以下的In。在現有技術中，公知作為結晶的構成要素(母體元素)而包含In的GaN系半導體結晶。一般，在將In作為結晶的構成要素的情況下，含有能夠對GaN系半導體結晶的物性產生影響的濃度的In。In濃度例如為IX IO19CnT3時，In的組成比是整體的1%，此時的物性與不包含In時的物性相比幾乎沒有變化。因此，在將In作為結晶的構成要素的情況下， 將In濃度設成比IX IO19CnT3高(例如IXlO20Cm-3以上)。即，本實施方式的In含有層15 中的In濃度比作為結晶的構成要素而包含In時的In濃度低。本申請的發明人發現了在通過ELO法形成的GaN系半導體結晶的面內，分布有不均勻的變形。在本實施方式中，通過在部分AldGaeN層14中形成In含有層15，從而能夠降低不均勻的變形。雖然不是很清楚其理由，但是作為一個推論，認為是以下原因造成的，即 In比Al或Ga都大，因此由於In以摻雜劑程度的濃度存在，所以會產生適當的變形，而該變形的影響降低了不均勻的變形。在作為結晶的構成要素而包含In的GaN系半導體結晶中， 由於In的組成比高，因此晶格常數大，結晶內的變形會過度增大。在圖1中，活性層13與選擇生長層11接觸，但是也可以在活性層13與選擇生長層11之間配置一些層。同樣，也可以在活性層13與AldGa6N層14之間配置一些層。選擇生長層11可以是在基板上形成的AlxGayInzN結晶層(x+y+z = 1)，也可以是 GaN基板。以下，將這些結構及製造方法作為第2和第3實施方式來進行詳細敘述。(實施方式2)以下，參照圖2至圖20來說明本發明的氮化物系半導體發光元件的第2實施方式。本實施方式的氮化物系半導體發光元件100是使用了 GaN系半導體的半導體器件，為了降低位錯密度，通過ELO法來製造。如圖2(a)所示，本實施方式的發光元件100具備基板10 ；形成在基板10上的 AluGavInwN 層(u+v+w = 1，u 彡 0，ν 彡 0，w 彡 0) 20 ；形成在 AluGavInwN 層 20 上且起到選擇生長層的作用的 AlxGayInzN 結晶層(x+y+z = l,x ^ 0,y ^ 0,z ^ 0)30 ；形成在 AlxGayInzN 結晶層30上的半導體層疊結構50。在AluGavInwN層20中形成有溝槽(凹部)22，在溝槽22的底面形成有選擇生長用掩模23。選擇生長用掩模23由電介質膜、非晶質絕緣膜或金屬膜形成。選擇生長用掩模23的厚度比溝槽22的深度小，因此在掩模23上形成有被溝槽22 的側面和AlxGayInzN結晶層30的下表面包圍的空隙25。AlxGayInzN結晶層30含有第1導電型(例如η型)雜質。AlxGayInzN結晶層30以 AluGavInwN層20中的沒有被選擇生長用掩模23覆蓋的區域(籽晶區域)24的至少一部分為籽晶而生長，AlxGayInzN結晶層30中的位於空隙25之上的部分橫向生長。通過設置空隙25，選擇生長用掩模23不會與橫向生長的AlxGayInzN結晶層30接觸，因此可抑制界面壓力，橫向生長的AlxGayInzN結晶層30的結晶軸的傾斜變小。其結果， 在除了 AluGavInwN層20中的與AlxGayInzN結晶層30接觸的區域(籽晶區域)的較寬的區域(橫向生長的區域)內，能夠得到位錯密度低的AlxGayInzN結晶層30。在半導體層疊結構50中，在AlxGayInzN結晶層30上形成有包含AlaInbGaeN結晶層 (a+b+c = 1，a彡0，b彡0，c彡0)的活性層32。這裡，活性層32是氮化物系半導體發光元件100中的電子注入區域。在活性層32上形成有第2導電型(例如ρ型)的AldGaeN層 (d+e = l，d > 0，e彡0)36。在本實施方式的AldGaeN層36中摻雜Mg。由於GaN系材料中的電子的有效質量小，因此若在使用了 GaN系材料的LED或雷射器結構中增加驅動電流，則電子的溢出會增加，由此會產生效率的降低。為了抑制這樣的溢出，在活性層32的ρ型區域側設置AldGaeN層(溢出抑制層)36。AldGaeN層36的厚度優選在IOnm以上且在200nm 以下。在活性層32與AldGaeN層36之間形成有不摻雜的GaN層34。在AldGaeN層36的下部配置有In含有層35。由于越使In含有層35接近活性層 32，則越能夠抑制活性層32中的不均勻變形，因此優選在AldGaeN層36的下層(活性層32 側)形成In含有層35。In含有層35的厚度優選在IOnm以上且在IOOnm以下。並且，在包含In含有層35的AldGaeN層36上，形成有第2導電型(例如ρ型)的 GaN層38。GaN層38具有如下功能作為電傳導層，將空穴從ρ型電極引導至活性層。GaN 層38的材料並不限於GaN，只要是AlfGagN(f+g= l，f彡0，g彡0)即可。其中，需要Al組成比AldGaeN層(溢出抑制層)36中的Al組成低(f < d)。AldGaeN層(溢出抑制層)36設置在活性層32與GaN層38之間。在GaN層38上，形成有由P+-GaN構成的接觸層40。圖2(b)表示本實施方式的發光元件100中的從活性層32到AldGaeN層36為止的區域中的原子濃度的變化。圖2(b)的縱軸表示原子濃度(對數)，橫軸表示深度方向的位置。在圖2(b)中，Al存在的區域是AldGa6N層36，不包含Al和In這兩者的區域是不摻雜的GaN層34，僅包含In的區域是活性層32。活性層32中的Al的濃度實質上是零。在AldGaeN 層 36 中，包含 1 X 1016atms/cm3 以上且 1 X 1019atms/cm3 以下的濃度的 In的區域是In含有層35。在本實施方式的AldGaeN層36中，In含有層35中的In濃度沿著朝向AldGaeN層36的上表面的方向(χ軸的正方向)減少。AldGaeN層(溢出抑制層)36具有接近20 %的高的Al組成比，因此帶隙比與 AldGaeN層36接觸的其他半導體層大。因此，在AldGaeN層36與接觸於AldGaeN層36的其他半導體層之間產生變形，該變形影響活性層32。圖3(a)表示溢出抑制層仏1#&》層36) 的厚度與內部量子效率及內部損耗之間的關係。圖3(a)中的實線表示內部量子效率，虛線表示內部損耗。在圖3(a)中，厚度越大，越能提高內部量子效率。這是因為溢出抑制層變得越厚，越能抑制電子的溢出。但是，若溢出抑制層變厚，則內部損耗也會增大。這是因為若溢出抑制層變厚，則變形會增加。通過這些結果可知，若溢出抑制層變厚，則可抑制電子的溢出，且可提高內部量子效率，但是因為變形的影響，還會增大內部損耗。AldGaeN層36與活性層32之間的距離可通過不摻雜GaN層34的厚度來調整。圖 3 (b)表示AldGaeN層36與活性層32之間的距離，即不摻雜GaN層34的厚度與內部損耗之間的關係。已知使不摻雜GaN層34變薄來縮短AldGaeN層36與活性層32之間的距離會增加內部損耗。其結果，認為越減小AldGaeN層36與活性層32之間的距離，就越能夠更大程度地反映出對活性層32帶來的變形的影響。根據以上的結果，為了抑制溢出，優選使AldGaeN層36變厚，為了降低對活性層32 的變形的影響，優選設置不摻雜GaN層34。接著，參照圖4至圖7，說明本申請的發明人新發現的不均勻的變形、即GaN系半導體結晶的面內的不均勻的變形的分布。本申請的發明人通過在SPring8(Super Photon ring_8GeV :8GeV的超級光子環) 中進行基於X線微束的搖擺曲線測量法，從而進行了不具備In含有層35的氮化物系半導體發光元件的評價。SPringS是在日本兵庫縣的播磨科學公園都市內設置的大型放射光設施，在該設施中，能夠利用用於加速/貯藏電子的加速器組和所發出的放射光。此外，搖擺曲線測量法 (θ掃描法)是如下的測量法通過將布拉格衍射角2 θ固定在(0002)衍射峰位置來輕微掃描樣品的角度ω，從而評價衍射峰的X線強度的變化。圖4(a)和(b)表示在該測量中使用的樣品(氮化物系半導體發光元件)的結構。 如圖4(a)所示，測量用的樣品IOOa具有在AlxGayInzN結晶層30上按順序配置了活性層 32、不摻雜的GaN層34、不具備In含有層的AldGaeN層36a、GaN層38及接觸層40的結構。 樣品IOOa的AlxGayInzN結晶層30是通過以籽晶區域24作為籽晶再生長而形成的。如圖 4(a)和(b)所示，在樣品IOOa中，分別設置多個覆蓋AluGavInwN層20的表面的選擇生長用掩模23和籽晶區域24，它們在方向上以條狀延伸。首先，通過組合波帶板(zone plate)和縫隙來產生聚光成亞微米尺寸的X線微束，並將該X線微束入射到樣品100a。之後，將布拉格衍射角2 θ固定在出現(0002)衍射峰的角度ω，通過輕微掃描樣品的角度ω，從而測量了 X線衍射強度。具體而言，將布拉格衍射角2 θ固定在28. 8°附近，使樣品的角度ω從28. 5°變化到29. 15°，從而測量了各個角度ω的X線衍射強度。之後，以0.5μπι的步幅使樣品IOOa的方向的位置移動，從而反覆進行同樣的測量。圖5(a)和(b)表示該測量結果。圖5(a)和(b)的縱軸表示在樣品IOOa中開始了測量的位置距方向的距離。開始測量的位置在各個測量中是不同的。橫軸表示相對於X線入射的方向的樣品IOOa的角度。在圖5(a)和(b)中，越是衍射強度強的區域， 就用越低的明亮度(接近黑色的灰色)來進行表示。圖5(a)表示從方向向樣品 IOOa入射X線微束而得到的二維圖。另一方面，圖5(b)表示從方向向樣品IOOa 入射X線微束而得到的二維圖。在圖5(a)和(b)中，周期性地觀測了形成籽晶區域24和空隙25的區域(即形成了選擇生長用掩模23的區域)。在籽晶區域24中，用灰色示出的區域比形成了空隙25的區域在橫向上更寬，即使改變樣品的角度ω也能維持很強的衍射強度。根據該結果可知， 在籽晶區域24中搖擺曲線的半值寬度變寬很多。認為這個原因在於高的位錯密度和來自基板的應力。應特別關注的是，如圖5 (a)所示，例如縱軸的值為60 μ m時，明亮度低的區域d出現在ω = 28.65°附近，而相對於此，例如縱軸的值為80μπι時，明亮度低的區域d出現在 ω = 28. 9°附近。由此，明亮度低的區域根據樣品IOOa中的位置(縱軸)而出現在不同的角度ω (出現了移位)。由此可知，根據樣品IOOa中的位置，搖擺曲線的X線衍射峰角度會發生很大的變化。其結果，表現為在空隙25之上的半導體層疊結構中分布不均勻的變形。圖6(a)和(b)分別是表示通過陰極射線致發光評價了半導體層疊結構的結果的圖片。圖6(a)表示代替圖2(a)所示的半導體層疊結構100中的In含有層35而形成了GaN層的結構的評價結果，圖6(b)表示代替半導體層疊結構100中的含有層35而形成了 InGaN層的結構的評價結果。另外，該評價是使用設置了半導體層疊結構100中的接觸層40以外的層的狀態的結構進行的。評價的發光波長是400nm。在圖6(a)和圖6(b)中觀測了發光強度的不均勻，可知在通過ELO法結晶生長的 GaN系半導體結晶中，在面內分布有不均勻的變形。換言之，本申請的發明人發現了在作為降低GaN系半導體結晶的貫通位錯的方法而有效的ELO法中存在新的課題。雖然目前還不知道產生該不均勻的變形的正確的原因，但是推測是因為隨著結晶的橫向生長而結晶結合時所產生的較強的壓縮應力。若想要避免產生該不均勻的變形，可以在不使用ELO法的情況下進行GaN系半導體結晶生長，但是這樣會回到無法減輕貫通位錯的問題上。或許通過從典型的例子中較大程度改變GaN系發光元件100中的層結構，能夠發現即使使用ELO法也不會產生不均勻的變形的條件。但是，此時，由於較大程度改變了層結構，因此很難使GaN系半導體發光元件發揮期望的特性，或者存在GaN系半導體發光元件的壽命或可靠性方面產生問題的可能性。本申請的發明人通過這些考察，發現了如圖2(a)所示，通過有意在AldGaeN層36 中設置^含有層35能夠防止不均勻的變形的產生。圖7是表示通過陰極射線致發光評價了圖2(a)所示的結構的結果的圖片。圖7的圖片中的左側的圖像的亂象是圖像處理的錯誤，並不是變形所引起的。觀察圖7的圖片中的右側可知，在包含含有層35的本實施方式的結構中，發光強度的不均勻比圖6(a)和(b)少。根據該結果可知，在本實施方式中，可防止在圖6(a)和(b)中觀察到的不均勻的變形的產生。圖8表示本實施方式的氮化物系半導體發光元件100的搖擺曲線測量結果。圖8 與圖5(a)相同，表示從方向向樣品入射X線微束而得到的二維圖。在圖8中，縱軸的每一刻度是0. 5 μ m，比圖5 (a)和(b)的每一刻度(5 μ m)小。因此，關於分布的偏離，在圖8中應該比圖5中顯示得大。但在圖8中，與樣品中的位置(縱軸所示的位置)無關地用灰色表示的區域的寬度大致恆定，因此搖擺曲線的半值寬度大致恆定。由此可知，結晶內的原子間距離大致恆定。另外，用灰色表示的區域大致出現在固定的角度ω上，並沒有移位。由此可知，變形的強度的平均值大致恆定。根據該結果可知，在圖8所示的樣品中，由面內的位置所引起的變形偏移較小。根據本實施方式，通過在AldGaeN層36的一部分中形成In含有層35，從而抑制氮化物系半導體發光元件100中的不均勻的變形，進一步降低了由不均勻的變形引起的結晶缺陷。其結果，能夠消除面內的不均勻的發光。接著，說明本實施方式的效果。在本實施方式中，如圖2(a)等所示，由於在空隙25 之上使AlxGiiyInzN結晶層30橫向生長，因此在AlxGiiyInzN結晶層30中存在位錯密度的疏密，在面內存在變形量的分布。如圖9(a)所示，例如在AlxGi^nzN結晶層30中的區域80中，產生了拉伸變形，在除此之外的區域81中產生了壓縮變形。在該AlxGi^nzN結晶層30上使具有InGaN量子阱結構的活性層32和AldGaeN層(溢出抑制層)36生長。如圖9(b)所示，本申請的發明人發現由於活性層32、AldGaeN層36或基底(AlxGiiJnzN結晶層30)的變形的複雜的平衡，會產生面內的變形的不均勻。並且，發現該變形的不均勻引起面內的發光不均勻性，導致量子效率的降低。本申請的發明人關注該變形的平衡，發現了通過在靠近AldGaeN層36內的活性層32的區域內添加In，從而如圖9(c)所示那樣可抑制變形的不均勻，從而可提高量子效率。接著，使用附圖，說明現有技術中針對變形的課題的方法和本實施方式針對變形的方法的不同點。圖10(a)、(b)表示在現有技術中解決變形的課題的方法。在圖10(a)所示的結構中，設置在基板86上的半導體層85具有壓縮變形。為了降低該壓縮變形，在現有技術中，如圖10(b)所示那樣，採用了在基板86上形成緩衝層87之後形成半導體層85的方法。作為緩衝層87，例如，使用具有在基板86的晶格常數與半導體層85的晶格常數之間的晶格常數的層。根據該方法，通過插入緩衝層87，引起半導體層85的晶格的緩和，能夠降低壓縮變形。但是，由於在緩衝層87附近產生錯合位錯等結晶缺陷，因此還會降低形成在緩衝層87上的半導體層85的結晶性。圖11(a)、(b)表示在本實施方式中解決變形的課題的方法。如圖11(a)所示，在本實施方式中，設置在基板89上的半導體層疊結構88具有不均勻的變形。為了對不均勻的變形進行均一化，在本實施方式中，在半導體層疊結構88內的溢出抑制層中添加了圖 11(b))。如以上所述，與在現有技術中將對一方向的變形作為方法的對象的情形相比，在本實施方式中，將不均勻的變形作為方法的對象。此外，與在現有技術中降低變形的情形相比，在本實施方式中，並不是降低變形，而是對不均勻的變形進行均一化。在這一點上，本實施方式的方法不同於現有技術中的方法。圖12(a)、(b)表示通過SIMS (二次離子分析法)測量了在AldGaeN層36中摻雜的 ^濃度(即^含有層35的濃度)的結果。圖表中的縱軸表示原子濃度，橫軸表示自最表面的深度。圖12(a)表示改變濃度來摻雜了 h的例子。在自表面的深度比0.5μπι深的區域中，摻雜濃度ι. ο X IO17原子/cm3的In，在自表面的深度為0. 5 μ m附近的區域中，朝向表面慢慢減少化濃度，最終使h濃度幾乎成為零。摻雜了 ^！的區域中的含有lX1016atmS/cm3 以上且1 X 1019atms/cm3以下的濃度的h的區域為h含有層35。另一方面，圖12 (b)表示在不改變h的濃度的情況下摻雜了 1. OX IO17原子/cm3的h的例子。另外，這些例子中的AldGaeN層36中的鋁的濃度是1. OX IO19原子/cm3以上且1. OX 102°原子/cm3以下。若如圖12(a)所示那樣改變濃度來摻雜In，則變形的緩和變得比較緩慢，因此可進一步抑制缺陷的產生。由此，在本實施方式中，特別優選改變濃度來摻雜^。接著，參照圖13(a)和(b)來說明GaN系半導體發光元件的發光壽命。圖13(a)表示代替圖2(a)所示的半導體層疊結構100中的h含有層35而形成了 GaN層的結構(後述的比較例1)的評價結果。圖13(b)表示包含圖12(b)所示的h含有層35的結構(後述的本實施方式)的評價結果。圖13(a)和(b)的縱軸表示發光強度(任意單位)，橫軸表示延遲時間(ns)。圖13(a)是使用比較例的發光元件測量出的結果，其發光壽命是0. 095ns。 另一方面，圖13 (b)是使用本實施方式的發光元件測量出的結果，其發光壽命是0. 19ns。由此，根據本實施方式可知，還可以延長發光壽命。發光壽命長意味著因缺陷等產生的非發光再結合中心少。根據該結果可以確認，在本實施方式中，降低了不均勻的變形的結果，可抑制由不均勻的變形引起的缺陷的產生，可提高結晶性。
進而，參照圖14，說明GaN系半導體發光元件的發光效率。圖14是表示測量了發光效率的結果。將比較例1的383nm激勵時的效率歸一化成1來表示了表中的發光效率的值。在該測量中，進行波長選擇激勵，383nm激勵的測量結果表示阱層的品質，366nm激勵的測量結果表示界面的品質。比較例1具有如下結構在AldGaeN層36中沒有形成h含有層 35，而是代替h含有層35形成了 GaN層。比較例2具有代替h含有層35形成了 InGaN層的結構。比較例2中的InGaN層的h組成是2%，其組成式是Inaci2Giia98Ntj在Inatl2Giia98N 中至少包含2. 0 X IO19原子/cm3以上的In。本實施方式具有在不改變濃度的情況下摻雜了 In的如圖12(b)所示的h含有層35。如圖14所示，在比較例1中，阱層的品質和界面的品質惡化，在比較例2中，界面的品質稍有改善，但是阱層的品質惡化。另一方面，在本實施方式中可知界面的品質和阱層的品質都很良好。由此，本實施方式在發光效率這一點上很出色。並且，根據本實施方式的氮化物系半導體發光元件可知，與現有技術相比，將動作電壓Vop降低了約IV，因此能夠降低功耗。接著，參照圖15至圖20，說明本實施方式的氮化物系半導體發光元件100的製造方法。首先，如圖15 (a)所示，準備基板10。在本實施方式中，作為基板10，使用藍寶石基板。作為基板10，也可以使用藍寶石基板以外的例如氧化鎵、SiC基板、Si基板、GaN基板等。 在本實施方式中，在基板 10 上通過 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法依次形成結晶層。接著，如圖15 (b)所示，在基板10上形成AluGavInwN層20。作為AluGavInwN層20，例如形成厚度3 μ m的GaN。在形成GaN時，在藍寶石基板10上通過以500 V提供TMG (Ga (CH3) 3) 和NH3來堆積GaN低溫緩衝層之後，升溫至1100°C。接著提供TMG和NH3。接著，如圖15(c)所示，通過蝕刻AluGavInwN層20的表面，在AluGavInwN層20的一部分中形成溝槽(凹部)22。作為該蝕刻，例如，進行氯系幹法蝕刻。溝槽22在例如與 方向平行的方向上延伸，且具有在方向上周期性配置的條形狀。條狀的周期例如是15 μ m。另外，在形成LED時，溝槽22的平面形狀可以是正方形或長方形或六角形等，其間隔優選在2μπι以上。接著，如圖16(a)所示，在溝槽22的表面上形成例如由SiNx構成的選擇生長用掩模23。選擇生長用掩模23的厚度例如是0.2 μ m。接著，如圖16(b)所示，形成AlxGE^nzN結晶層30。作為AlxGE^nzN結晶層30，例如形成厚度5 μ m的η型GaN。此時，一邊將具有被選擇生長用掩模23覆蓋的部分和AluGavInwN 層20露出的部分的基板加熱至1100°C，一邊提供TMG和NH3。由此，將AluGavInwN層20露出的籽晶區域M作為籽晶，η型GaN在橫向上生長。從溝槽22的兩側的籽晶區域M橫向生長的AlxGiiJnzN結晶層30在溝槽22上合併，由此溝槽22成為空隙25。另外，形成空隙25時，在不使AlxGiiJnzN結晶層30和選擇生長用掩模23接觸的情況下完成，因此可抑制界面壓力，AlxGiiy^izN結晶層30的結晶軸的傾斜變小。其結果， 具有AlxGiiJnzN結晶層30的位錯密度降低的優點。但是，不一定要形成空隙25，也可以使 AlxGayInzN結晶層30接觸在選擇生長用掩模23上。接著，如圖17(a)所示，在AlxGiiJnzN結晶層30上形成活性層32。在該例中，活性層32具有交替地層疊了厚度3nm的G^l9InaiN阱層和厚度6nm的GaN屏蔽層的厚度21nm 的fe^nN/GaN多重量子阱(MQW)結構。在形成G^l9InaiN阱層時，為了進行h的引入，優選將生長溫度下降到800°C。接著，如圖17(b)所示，在活性層32上堆積例如厚度30nm的不摻雜GaN層34。接著，如圖18(a)所示，在不摻雜GaN層34上形成h含有層35，作為AldGaeN層 36的一部分。作為h含有層35，例如，提供TMG、NH3、TMA, TMI以及作為ρ型雜質而提供 Cp2Mg( 二茂鎂)，從而形成厚度70nm的h摻雜ρ_Α1α 14(^.86Ν。為了產生抑制不均勻的變形的效果，優選h含有層35的厚度在IOnm以上且IOOnm以下。推測出抑制該不均勻的變形的效果是通過保持內在於活性層32中的晶格變形和內在於h含有層35中的晶格變形的平衡來產生的。因此，為了抑制不均勻的變形，化含有層35需要具有能對活性層32的變形產生影響的變形能量。一般，變形能量是與膜厚一起增加的。若In含有層35的厚度在IOnm以上，則h含有層35的變形能量能對活性層32 產生影響，若h含有層35的厚度在30nm以上，則通過彈性計算得出h含有層35對活性層32帶來的變形能量的影響變得足夠大。但是，若^含有層35的厚度大於lOOnm，則會與作為構成要素而包含h的層同樣產生過度的變形能量，從而會降低效果，因此優選h含有層35的厚度在IOOnm以下。優選使In含有層35的In摻雜p-Al0.14Ga0.86N在低溫(例如805°C以上且910°C 以下)下生長。通過在這樣的低溫下生長，能夠確保小的化的供給摩爾量。並且，通過本申請的發明人的研究發現了若提供^的同時開始AlGaN層的生長，且隨著時間的經過使生長溫度從低溫上升至高溫，則可以提高結晶性。此時，例如，從910°C開始生長，並使溫度上升至940°C即可。在本實施方式中，如圖12(a)所示，可以改變濃度來摻雜h，也可以如圖12(b)所示那樣，在不改變濃度的情況下摻雜In。在改變濃度來摻雜h的情況下，例如，在生長開始時摻雜1. O X IO17原子/cm3 (在圖表中是1E+17)的In，並且若到達自表面的深度為0. 5 μ m 的附近，則緩慢減少^濃度，最終使^濃度幾乎為零。或者，也可以不改變所提供的^ 的量，而是以一致的濃度提供h的同時，使生長溫度從低溫上升至高溫，從而緩慢減少h 引入，由此改變h濃度。在這樣改變濃度的情況下，將h濃度在1 X 1016atmS/Cm3以上且 lX1019atmS/cm3以下的區域稱作h含有層35。另外，從進一步顯著地抑制不均勻的變形的觀點出發，優選In含有層35的In濃度在1 X 1016atms/cm3以上且8X 1018atms/cm3以下。本實施方式的含有層35中的濃度是摻雜程度，該濃度比作為結晶的構成要素而包含In時的In濃度(IXlO2W3以上，例如是1 X l(f2atmS/Cm3)還低。在本實施方式中，作為使各層外延生長的方法而使用了 MOCVD法。此時，作為( 的原料使用了 TMGJtSAl的原料使用了 TMA等有機金屬。對於這些有機金屬，在恆溫槽中進行溫度管理，並向恆溫槽導入氫氣，從而由此時的溫度、蒸汽壓決定的摩爾數的有機金屬溶入氫氣中。通過質量流控制器(mass flow controller)來控制該氫氣的流量，控制在每一單位時間內到達基板的有機金屬的摩爾數(原料供給摩爾量)。例如，在使作為活性層32 的InGaN層生長的情況下，即作為結晶的構成要素而提供h時，需要提供比較多的In (例如1. 0Χ1(^2原子/cm3)，因此例如使用lOOOcc/分的質量流控制器。另一方面，在使本實施方式中的h含有層35生長的情況下，與使活性層32生長的情形相比，所需的h的量少(例如1. 0 X IO17原子/cm3)。因此，若使用lOOOcc/分的質量流控制器，則很難控制h的供給量。為形成^含有層35而需要準確地控制^的供給量，為此使用IOcc/分的質量流控制器，與形成活性層32時相比，優選將恆溫層的溫度設定成更低溫度。由此，為了使含有層35生長，優選在製造裝置中設置1行和質量流控制器，從而進行各層的生長。接著，如圖18 (b)所示，停止h的參雜，繼續進行TMA、TMG、NH3> Cp2Mg的供給，從而在In含有層35上形成P-Al0.14Ga0.86No由此，形成具有In含有層35和p-Al0.14Ga0.86N的 AldGaeN層36。AldGaeN層36的厚度優選在IOnm以上且200nm以下。若AldGaeN層36的厚度小於lOnm，則不能充分抑制電子的溢出，若在200nm以上，則對活性層32等帶來的變形會過大。此外，h含有層35的厚度優選在AldGaeN層36整體厚度的一半以下。由此，能夠維持電子的溢出抑制效果，並且能夠抑制不均勻的變形的產生。接著，如圖19所示，在AldGaeN層36上堆積例如厚度為0. 5 μ m的ρ型GaN層38。 在形成GaN層38時，提供Cp2Mg作為ρ型雜質。之後，在GaN層38上形成由P+-GaN構成的接觸層40。之後，如圖20(a)所示，通過進行氯系幹法蝕刻，除去接觸層40、GaN層38、AldGaeN 層36、In含有層35、不摻雜GaN層34及活性層32的一部分，使AlxGi^nzN結晶層30的η 型電極形成區域30a露出。接著，在η型電極形成區域30a上形成Ti/Pt層，作為η型電極 42。進而，在接觸層40上形成由Pd/Pt構成的ρ型電極41。之後，如圖20(b)所示，也可以使用雷射發射(laser lift-off)、蝕刻、研磨等方法，將基板10、AluGavInwN層20、AlxGayInzN結晶層30的一部分除去。此時，可以僅除去基板10，也可以僅除去基板10和AluGavInwNM 20。當然，也可以不除去基板10、AluGavInwN層 20、AlxGiiJnzN結晶層30，而是保留它們。通過以上的工序，形成本實施方式的氮化物系半導體發光元件100。在本實施方式的氮化物系半導體發光元件100中，若在η型電極42與ρ型電極41 之間施加電壓，則從P型電極41向活性層32注入空穴，從η型電極42向活性層32注入電子，例如產生450nm波長的發光。另外，在本實施方式中，將AldGaeN層36中的Al組成設為14原子％、將^iGaN層中的化組成設為10原子％，但是也可以是其他組成。除此之外，也可以不設置不摻雜GaN 層34，而是在活性層32上直接形成h含有層35和P-AldGaeN層36。(實施方式3)以下，參照圖21，說明本發明的氮化物系半導體發光元件的第3實施方式。如圖21所示，本實施方式的氮化物系半導體發光元件200具有GaN基板60和形成在GaN基板60上的半導體層疊結構70。本實施方式的GaN基板60是通過進行ELO法而形成的。為了獲得GaN基板60，例如，在利用由氧化矽膜等構成的掩模覆蓋藍寶石基板(未圖示)上的一部分而使其他部分露出的狀態下，形成厚的GaN基板用GaN層即可。在該方法中，形成GaN層之後除去藍寶石基板。此外，也可以在形成於藍寶石基板上的GaN層上形成網眼狀的鈦，在鈦上面形成GaN 基板用的GaN層。在該方法中，形成GaN層之後，以鈦為邊界分離基底。在本實施方式中，通過ELO法形成了 GaN基板60，因此在GaN基板60中會產生不均勻的變形。
半導體層疊結構70具有與第2實施方式中的半導體層疊結構50相同的結構。艮口， 在 AlxGiiJnzN 結晶層 30 上形成有包含 AlaInbfei。N 結晶層(a+b+c = l,a ^ 0,b ^ 0,c ^ 0) 的活性層32。這裡，活性層32是氮化物系半導體發光元件200中的電子注入區域。在活性層32上形成有第2導電型(例如ρ型)AldGaeN層(d+e = 1，d > 0，e彡0) 36。在本實施方式的AldGaeN層36中摻雜Mg。在本實施方式中，在活性層32與AldGaeN層36之間形成不摻雜的GaN層34。並且，在AldGaeN層36的至少一部分中形成有h含有層35。在圖21中，在AldGaeN 層36的下部配置有h含有層35，與第1實施方式相同，In含有層35也可以形成在AldGaeN 層36的任一位置。並且，在包含h含有層35的AldGaeN層36上形成有第2導電型(例如ρ型)的 GaN層38。在GaN層38上形成有接觸層40。本實施方式的接觸層40是P+-GaN層。在本實施方式中，通過設置h含有層35，能夠抑制在半導體層疊結構70的面內產生不均勻的變形，而且可降低由不均勻的變形引起的結晶缺陷。其結果，能夠消除面內的不均勻的發光。並且，如前所述，在非極性GaN中更容易產生不均勻的變形，因此本實施方式更具
眉、ο(實施方式4)以下，說明本發明的氮化物系半導體發光元件的第4實施方式。目前正在研究在LED或雷射器中使用表面上具有非極性面、例如稱作與[10-10] 方向垂直的m面的(10-10)面的基板(m面GaN系基板)。如圖22所示，m面是與c軸(基本向量c)平行的面，與c面正交。m面是(10_10) 面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的總稱。另外，在本說明書中，有時將在與六方晶金屬纖鋅礦結構的X面(X = C、m)垂直的方向上產生外延生長表現為「X面生長」。同樣，在X面生長中，有時將X面稱作「生長面」，將通過X面生長形成的半導體的層稱作「X面半導體層」。圖23(a)示意性表示表面為c面的氮化物系半導體的剖面(垂直於基板表面的剖面)中的結晶結構，圖23(b)示意性表示表面為m面的氮化物系半導體的剖面(垂直於基板表面的剖面)中的結晶結構。如圖23(a)所示，在c面中，( 的原子層與氮的原子層的位置在c軸方向上稍微偏離，因此形成了極化。相對於此，如圖23(b)所示，在m面中，由於 ( 原子和氮原子存在於同一原子面上，因此在垂直於m面的方向上不會產生自發極化。其結果，若在垂直於m面的方向上形成半導體層疊結構，則不會在活性層中產生壓電電場。本實施方式的氮化物系半導體發光元件與圖2(a)所示的氮化物系半導體發光元件100相同，具有GaN基板10、和形成在GaN基板10上的半導體層疊結構50。本實施方式的氮化物系半導體發光元件的特徵在於，GaN基板10的表面及半導體層疊結構50的表面不是c面，而是m面。在本實施方式中，與第1實施方式相同，在GaN系基板10上的AldGaeN 層(溢出抑制層)36中的接近活性層32的區域內添加h。可以通過在c面藍寶石基板上較厚地形成GaN結晶之後，在垂直於藍寶石基板的 c面的面上切出GaN結晶，從而形成在表面上具有m面的GaN基板。此外，通過在m面GaN 基板上使氮化物系半導體層外延生長，能夠將氮化物系半導體層的表面設為m面。
在本實施方式中，除了 GaN基板10和半導體層疊結構50的表面為m面、以及不進行選擇生長以外，其他的結構和製造方法與第1實施方式相同，因此在這裡省略詳細的說明。在現狀的m面GaN基板的面內存在位錯密度的分布。在m面GaN系基板的面內， 例如在IO5CnT2到IO6CnT2的範圍內位錯密度存在偏差。由於該位錯密度的偏差，在m面GaN 基板的面內產生不均勻的變形。結果，若在這樣的m面GaN基板上形成半導體層，則即使不進行選擇生長也會在半導體層的面內產生不均勻的變形。其結果，在使用了 m面GaN基板的半導體元件中，產生量子效率的降低。實際上，向m面GaN基板照射X線時，可觀測到X 線衍射峰的分離，並且可以確認該分離的程度比在表面上具有c面的GaN基板(c面GaN基板)還大。根據該結果可知，在m面GaN基板中，會產生比c面GaN基板還複雜的不均勻的變形。因此，可以說在m面GaN基板中能夠降低不均勻的變形的意義特別大。圖M是表示添加了 h的m面AldGaeN層(溢出抑制層)的室溫下的發光光譜的圖表。為了進行比較，還表示了未添加化的111面AldGa6N層的室溫下的發光光譜。添加了 In的m面AldGaeN層的h濃度是7 X IO17CnT3。可知，與未添加h的樣品相比，在添加了 h 的樣品中可以明顯提高發光強度即量子效率。圖25是表示m面AldGaeN層(溢出抑制層)中的h的添加濃度和室溫下的發光強度之間的關係的表。如圖25所示，在3X IO16CnT3至8X IO18CnT3的添加濃度內與未添加 In時相比發光強度變高，量子效率提高。特別是，在5X IO16CnT3至4X 1017cm_3的添加濃度的範圍內可顯著提高量子效率。實際的m面半導體層的表面(主面)無需相對於m面是完全平行的面，也可以以小角度(大於0度且小於士1° )從m面傾斜。從製造技術的觀點來看，很難製造具有表面相對於m面完全平行的表面的基板或半導體層。因此，在通過當前的製造技術形成了 m面基板或m面半導體層的情況下，實際的表面會從理想的m面傾斜。傾斜的角度和方位因製造工序而偏離，因此很難正確控制表面的傾斜角度和傾斜方位。另外，有時故意使基板或半導體的表面(主面)從m面傾斜Γ以上的角度。在以下說明的實施方式中，無論是針對GaN基板還是針對形成在GaN基板上的氮化物半導體層， 都故意使其表面(主面)從m面傾斜1°以上的角度。(實施方式5)圖沈表示本發明的第5實施方式的氮化鎵系化合物半導體發光元件300的剖視圖。如圖沈所示，本實施方式所涉及的氮化鎵系化合物半導體發光元件300具備將從m面傾斜了 1°以上的角度的面作為主面的GaN基板IOa和半導體層疊結構50a。如本實施方式的GaN基板IOa所示，主面從m面傾斜1°以上的角度的基板一般被稱作「傾斜基板(off substrate) 傾斜基板是通過從單結晶塊切出基板並研磨基板的表面的工序，有意將從m面向特定方位傾斜的面作為主面來製造得到的。在現狀中，在主面從m面傾斜了 1°以上且5°以下的角度的基板(傾斜基板)的面內存在位錯密度的偏差(例如IO5CnT2至IO6CnT2的範圍內)。由於該位錯密度的偏差在 GaN基板IOa的面內會產生不均勻的變形。結果，若在這樣的GaN基板IOa上形成半導體層，則即使不進行選擇生長也會在半導體層的面內產生不均勻的變形。此外，若在GaN基板 IOa的主面上層疊半導體層疊結構50a，則這些半導體層的表面(主面)也會從m面傾斜。
除了 GaN基板IOa和半導體層疊結構50a的主面是從m面傾斜的面這一點之外， 本實施方式的結構和製造方法與第4實施方式相同。此外，除了 GaN基板IOa和半導體層疊結構50a的主面是從m面傾斜的面、以及不進行選擇生長之外，本實施方式的結構和製造方法與第1至第3實施方式相同。這裡，省略與第1至第4實施方式相同的結構及製造方法的詳細說明。本實施方式中，在GaN基板IOa上形成半導體層疊結構50a之後，除去GaN 基板IOa的一部分或全部。接著，參照圖27，詳細說明本實施方式中的GaN基板IOa和半導體層疊結構50a的傾斜。圖27(a)是示意性表示GaN基板的結晶結構(纖鋅礦型結晶結構)的圖，表示了使圖22的結晶結構的朝向旋轉90°的結構。在GaN結晶的c面內，存在+c面和-C面。+c 面是( 原子出現在表面的(0001)面，被稱作「 ( 面」。另一方面，-C面是N(氮)原子出現在表面的(000-1)面，被稱作「N面」。+c面和-C面是平行的關係，並且都垂直於m面。c 面具有極性，因此可以這樣將c面分為+c面和-C面，但是沒有必要將非極性面即a面劃分為+a面禾口 -a面。圖27(a)所示的+c軸方向是從_c面向+c面垂直延伸的方向。另一方面，a軸方向對應於圖22的單位向量 ，朝向平行於m面的[-12-10]方向。圖27 (b)是表示m面的法線、+c軸方向及a軸方向的相互關係的立體圖。m面的法線平行於[10-10]方向，如圖 27(b)所示，垂直於+c軸方向和a軸方向這兩個方向。GaN基板的主面從m面傾斜了 1°以上的角度意味著該GaN基板的主面的法線從 m面的法線傾斜了 1°以上的角度。接著，參照圖觀。圖^(a)和(b)是分別表示GaN基板的主面和m面的關係的剖視圖。該圖是垂直於m面和c面這兩個面的剖視圖。圖觀示出表示+c軸方向的箭頭。如圖觀所示，m面平行於+c軸方向。因此，m面的法線向量垂直於+c軸方向。在圖觀⑷和(b)所示的例中，GaN基板的主面的法線向量從m面的法線向量向c 軸方向傾斜。更詳細而言，在圖^(a)的例中，主面的法線向量向+c面側傾斜，在圖觀…) 的例中，主面的法線向量向-C面側傾斜。在本說明書中，將前者情況下主面的法線向量相對於m面的法線向量的傾斜角度(傾斜角度θ )取為正值，將後者情況下的傾斜角度θ取為負值。以上任一情況都稱作「主面向c軸方向傾斜」。在本實施方式中，由於傾斜角度在1°以上且5°以下的範圍內、以及傾斜角度在-5°以上且-1°以下的範圍內，因此能夠起到與傾斜角度大於0°且小於士 1°的情況相同的本發明的效果。以下，參照圖29，說明理由。圖四⑷和(b)分別是與圖^(a)和 (b)對應的剖視圖，表示從m面向c軸方向傾斜的GaN基板IOa的主面的附近區域。傾斜角度θ在5°以下的情況下，如圖29(a)和(b)所示，在GaN基板IOa的主面形成多個臺階。 各臺階具有與單原子層相對應的高度(2.7A)，並且以大致等間隔(30A以上)平行排列。通過這樣的臺階的排列，GaN基板IOa的主面整體從m面傾斜，但微觀上是多個m面區域露出。 主面從m面傾斜的GaN基板IOa的表面採取這樣的結構是由於m面畢竟作為結晶面非常穩定。若在這樣的GaN基板IOa上形成GaN系化合物半導體層，則在GaN系化合物半導體層的主面上也會出現與GaN基板IOa的主面相同的形狀。即，在GaN系化合物半導體層的主面上形成多個臺階，GaN系化合物半導體層的主面整體上從m面傾斜。認為主面的法線向量的傾斜方向朝向+C面及-C面以外的面方位也會產生同樣的現象。認為即使主面的法線向量例如向a軸方向傾斜，只要傾斜角度在1°以上且5°以下的範圍內，則結果是同樣的。因此，即使是具有將從m面向任意的方位傾斜了 Γ以上且5°以下的角度的面作為主面的GaN基板IOa的氮化物系化合物半導體發光元件，也能夠通過在AldGaeN層中形成含有濃度在lX1016atmS/Cm3以上且1 X 1019atmS/Cm3以下的h的層，從而抑制氮化物系半導體發光元件中的不均勻的變形的產生。其結果，能夠防止在氮化物系半導體發光元件中產生面內的不均勻的發光。另外，若傾斜角度θ的絕對值比5°大，則會因為壓電電場而導致內部量子效率降低。因此，若產生顯著的壓電電場，則通過m面生長實現半導體發光元件的意義就會變小。因此，在本發明中將傾斜角度θ的絕對值限制在5°以下。但是，在將傾斜角度θ例如設定為5°的情況下，由於製造偏差，有可能實際的傾斜角度θ會從5°偏離士 1°左右。 這樣的製造偏差是很難完全排除的，而且這一程度的微小的角度偏離並不妨礙本發明的效果。以上，說明了最佳的實施方式，但這樣的記載並不是本發明的限定事項，本發明可以進行各種改變。(產業上的可利用性)根據本發明，能夠提供不均勻的變形少的GaN系半導體發光元件。
權利要求
1.一種氮化物系半導體發光元件，具有氮化物系半導體層疊結構，其中， 所述氮化物系半導體層疊結構包括包含AlaInbGacN結晶層的活性層，其中，a+b+c = 1, a ^ 0, b ^ 0, c ^ 0 ； AldGaeN溢出抑制層，其中，d+e = 1，d > 0，e彡0 ；禾口 AlfGagN 層，其中，f+g = 1，f 彡 0，g 彡 0，f < d ； 所述AldGa6N溢出抑制層設置在所述活性層與所述AlfGagN層之間； 所述AldGaeN溢出抑制層包括含有濃度在1 X 1016atms/cm3以上且8X 1018atms/cm3以下的In的層；所述氮化物系半導體層疊結構的主面的法線和m面的法線形成的角度在Γ以上且 5°以下。
2.根據權利要求1所述的氮化物系半導體發光元件，其中，所述氮化物系半導體層疊結構是向c軸方向或a軸方向傾斜的半導體層。
3.根據權利要求1或2所述的氮化物系半導體發光元件，其中， 所述氮化物系半導體層疊結構設置在GaN基板上；所述GaN基板的主面的法線與m面的法線形成的角度在Γ以上且5°以下。
4.根據權利要求1至3的任一項所述的氮化物系半導體發光元件，其中，所述含有In的層配置在所述AldGa6N溢出抑制層中的最靠近所述活性層的位置。
5.根據權利要求1至4的任一項所述的氮化物系半導體發光元件，其中， 所述含有In的層的厚度在AldGaeN溢出抑制層的厚度的一半以下。
6.根據權利要求1至5的任一項所述的氮化物系半導體發光元件，其中， 所述含有In的層中的In濃度隨著遠離所述活性層而減少。
7.根據權利要求1至6的任一項所述的氮化物系半導體發光元件，其中， 在所述活性層與所述AldGa6N溢出抑制層之間形成有不摻雜的GaN層。
8.一種氮化物系半導體發光元件的製造方法，該氮化物系半導體發光元件具有氮化物系半導體層疊結構，該製造方法包括作為所述氮化物系半導體層疊結構中的一部分而形成包括AlaInbGa。N結晶層的活性層的工序(a)，其中，a+b+c = 1，a彡0，b彡0，c彡0 ；作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成AldGaeN溢出抑制層的工序(b)，其中，d+e = 1，d > 0，e 彡 0 ；和作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成AlfGagN層的工序，其中，f+g = 1， f^0,g^0,f<d；在所述工序(b)中，在所述AldGaeN溢出抑制層中形成含有濃度在lX1016atmS/Cm3以上且8X 1018atms/cm3以下的In的層；所述氮化物系半導體層疊結構的主面的法線與m面的法線形成的角度在Γ以上且 5°以下。
9.根據權利要求8所述的氮化物系半導體發光元件的製造方法，其中， 所述氮化物系半導體層疊結構是向c軸方向或a軸方向傾斜的半導體層。
10.根據權利要求8或9所述的氮化物系半導體發光元件的製造方法，其中，所述含有In的層配置在所述AldGa6N溢出抑制層中的最靠近所述活性層的位置。
11.根據權利要求8至10的任一項所述的氮化物系半導體發光元件的製造方法，其中， 所述含有In的層的厚度在AldGaeN溢出抑制層的厚度的一半以下。
12.—種氮化物系半導體發光元件，具有氮化物系半導體層疊結構，其中， 所述氮化物系半導體層疊結構包括包含AlaInbGacN結晶層的活性層，其中，a+b+c = 1, a ^ 0, b ^ 0, c ^ 0 ； AldGaeN溢出抑制層，其中，d+e = 1，d > 0，e彡0 ；禾口 AlfGagN 層，其中，f+g = 1，f 彡 0，g 彡 0，f < d ； 所述AldGa6N溢出抑制層設置在所述活性層與所述AlfGagN層之間； 所述AldGaeN溢出抑制層包括含有濃度在1 X 1016atms/cm3以上且1 X 1019atms/cm3以下的In的層；所述氮化物系半導體層疊結構的主面的法線與m面的法線形成的角度在Γ以上且 5°以下；所述含有In的層的厚度在所述AldGaeN溢出抑制層的厚度的一半以下。
13.一種氮化物系半導體發光元件的製造方法，該氮化物系半導體發光元件具有氮化物系半導體層疊結構，該製造方法包括作為所述氮化物系半導體層疊結構中的一部分而形成包括AlaInbGa。N結晶層的活性層的工序(a)，其中，a+b+c = 1，a彡0，b彡0，c彡0 ；作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成AldGaeN溢出抑制層的工序(b)，其中，d+e = 1，d > 0，e 彡 0 ；和作為所述氮化物系半導體層疊結構的一部分而形成AlfGagN層的工序，其中，f+g = 1， f^0,g^0,f<d；在所述工序(b)中，在所述AldGaeN溢出抑制層中形成含有濃度在lX1016atmS/Cm3以上且1 X 1019atms/cm3以下的In的層；所述氮化物系半導體層疊結構的主面的法線與m面的法線形成的角度在Γ以上且 5°以下；所述含有In的層的厚度在所述AldGaeN溢出抑制層的厚度的一半以下。
全文摘要
本發明提供一種氮化物系半導體發光元件及其製造方法。本發明的氮化物系半導體發光元件是具有氮化物系半導體層疊結構(50a)的氮化物系半導體發光元件，氮化物系半導體層疊結構(50a)包括包含AlaInbGacN結晶層(a+b+c＝1，a≥0，b≥0，c≥0)的活性層(32)；AldGaeN溢出抑制層(36)(d+e＝1，d＞0，e≥0)；和AlfGagN層(38)(f+g＝1，f≥0，g≥0，f＜d)，AldGaeN溢出抑制層(36)設置在活性層(32)與AlfGagN層(38)之間，AldGaeN溢出抑制層(36)包括含有濃度在1×1016atms/cm3以上且8×1018atms/cm3以下的In的層(35)。氮化物系半導體層疊結構(50a)的主面的法線與m面的法線形成的角度在1°以上且5°以下。
文檔編號H01L21/205GK102326267SQ201080008160
公開日2012年1月18日 申請日期2010年12月7日 優先權日2009年12月8日
發明者加藤亮, 橫川俊哉 申請人:松下電器產業株式會社