CN101626058A - Ⅲ族氮化物类半导体发光元件及外延晶圆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以降低空穴从活性层的溢出而提高量子效率的III族氮化物类半导体发光元件以及用于该III族氮化物类半导体发光元件的外延晶圆。活性层(19)位于p型GaN类半导体区域(15)和空穴阻挡层(17)之间，因此空穴(H)从p型GaN类半导体区域(15)供给到活性层(19)。空穴阻挡层(17)的厚度(D17)小于GaN类半导体层(13)的厚度(D13)。空穴阻挡层(17)的带隙(G17)大于GaN类半导体区域(23)的带隙的最大值，因此空穴阻挡层(17)对要从活性层(19)溢出的空穴起到障壁(ΔGH)的作用。因此，空穴阻挡层(17)降低了从活性层(19)溢出并到达GaN类半导体区域(23)的空穴的量。
Description
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物类半导体发光元件及外延晶圆。
背景技术
在专利文献1(JP特开平6-260683号公报)中公开了双异质结构的蓝色发光元件。在蓝宝石基板、SiC基板、ZnO基板等异种基板上设置有由GaN构成的低温缓冲层。在该缓冲层上依次生长n型GaN层(第一包覆层)、掺杂Zn的InGaN层(发光层)、掺杂Mg的p型GaN层(第二包覆层)。
专利文献1的蓝色发光元件包括在c面蓝宝石基板上生长的InGaN发光层。此外，蓝色发光元件等III族氮化物类半导体发光元件，可以制作在c面GaN基板上。最近，利用与极性的c面不同的半极性或非极性的GaN基板来制作III族氮化物类半导体发光元件。根据发明人的实验，在半极性面上生长的氮化镓类半导体中的空穴的动作，与在极性面上生长的氮化镓类半导体中的空穴的动作不同。根据发明人的具体研究，半极性面上的氮化镓类半导体中的空穴的扩散长度大于c面上的氮化镓类半导体中的空穴的扩散长度。因此，在制作于半极性基板上的发光元件中，注入到活性层中的空穴从该活性层溢出。因此发光的量子效率差。
发明内容
本发明鉴于该情况，其目的在于提供一种可以降低空穴从活性层的溢出而提高量子效率的III族氮化物类半导体发光元件，此外其目的在于提供一种用于该III族氮化物类半导体发光元件的外延晶圆。
本发明的一个方面的III族氮化物类半导体发光元件包括：(a)n型的氮化镓类半导体区域，具有沿着预定平面延伸的主面；(b)p型氮化镓类半导体区域；(c)由第一氮化镓类半导体构成的空穴阻挡层；和(d)由氮化镓类半导体构成的活性层，设置在上述p型氮化镓类半导体区域和上述空穴阻挡层之间。上述空穴阻挡层及上述活性层配置在上述氮化镓类半导体区域的上述主面和上述p型氮化镓类半导体区域之间，上述氮化镓类半导体区域的c轴相对于上述预定平面的法线倾斜，上述空穴阻挡层的带隙大于上述氮化镓类半导体区域的带隙，上述空穴阻挡层的带隙大于上述活性层中的带隙的最大值，上述空穴阻挡层的厚度小于上述氮化镓类半导体区域的厚度。
根据该III族氮化物类半导体发光元件，活性层设置在p型氮化镓类半导体区域和空穴阻挡层之间，因此p型氮化镓类半导体区域向活性层供给空穴。空穴阻挡层的带隙大于氮化镓类半导体区域的带隙，因此空穴阻挡层对于活性层内的空穴起到障壁的作用。从而空穴阻挡层可以降低从活性层溢出并到达氮化镓类半导体区域的空穴的量。此外，空穴阻挡层的厚度小于氮化镓类半导体区域的厚度，因此空穴阻挡层对于从氮化镓类半导体区域供给到活性层的电子，不呈现较大的电阻。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述氮化镓类半导体区域的c轴和上述预定平面的法线所成的倾斜角为10度以上、80度以下。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层的厚度为5nm以上。通过该III族氮化物类半导体发光元件，不会产生空穴的隧道效应。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层的厚度为50nm以下。通过该III族氮化物类半导体发光元件，对于从n型的氮化镓类半导体区域供给到活性层的电子，空穴阻挡层不呈现较大的电阻。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，在上述空穴阻挡层中添加有n型掺杂剂。通过该III族氮化物类半导体发光元件，通过n型掺杂剂的添加可以降低空穴阻挡层的电阻。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体作为III族元素包括镓、铟及铝。通过该III族氮化物类半导体发光元件，通过使用四元混晶，空穴阻挡层不仅成为相对于空穴的障壁，而且可以提供所需要的晶格常数。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体作为III族包括铟，上述空穴阻挡层的铟组成大于0且在0.3以下。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层包括AlGaN层。作为空穴阻挡层的材料，不仅可以使用InAlGaN，也可以使用AlGaN。通过AlGaN，可以提供具有大的带隙的空穴阻挡层。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体组我诶III族包括铝，上述空穴阻挡层的铝组成大于0且在0.5以下。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，还包括由第二氮化镓类半导体构成的电子阻挡层，该电子阻挡层设置在上述活性层和上述p型氮化镓类半导体区域之间，上述空穴阻挡层的厚度小于上述电子阻挡层的厚度。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，该III族氮化物类半导体发光元件为发光二极管。发光二极管与半导体激光器不同，不含光学的包覆层，因此空穴阻挡层对于空穴的溢出的降低有效。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，还包括由氮化镓类半导体构成的、具有主面的基板，上述主面呈现半极性，上述氮化镓类半导体区域设置在上述基板和上述空穴阻挡层之间。该III族氮化物类半导体发光元件在半极性GaN主面上制作，并且在III族氮化物类半导体发光元件中可以降低半极性所特有的空穴的动作的影响。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述基板由GaN构成。该III族氮化物类半导体发光元件可以使用大口径的GaN晶圆制作，并且在III族氮化物类半导体发光元件中可以降低半极性所特有的空穴的动作的影响。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述活性层具有包括阱层及阻挡层的量子阱结构，上述阱层的数量为4以下。通过该III族氮化物类半导体发光元件，增加阱层的数量反而可能导致阱层的结晶品质下降。另一方面，阱层的数量较少时，容易受到空穴的溢出的影响。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述阱层由作为III族包括In的氮化镓类半导体构成。通过该III族氮化物类半导体发光元件，可以提供宽幅波长范围的发光。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述阱层由InXGa1-XN构成，上述阱层的铟组成X为0.15以上。通过该III族氮化物类半导体发光元件，可以实现长波长的发光。通过与使用了4元混晶的空穴阻挡层组合，可以实现高铟组成且良好结晶品质的阱层。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，还包括氮化镓类半导体层，其设置于上述空穴阻挡层和上述氮化镓类半导体区域之间，且作为III族元素包括铟，上述氮化镓类半导体层的带隙小于上述空穴阻挡层的带隙，上述氮化镓类半导体层的带隙小于上述氮化镓类半导体区域的带隙。通过该III族氮化物类半导体发光元件，可以降低向包括高铟组成的阱层的活性层施加的应力。
在本发明的III族氮化物类半导体发光元件中，优选的是，上述活性层被设置成在450nm以上的波长区域中具有峰值波长。此外，上述活性层被设置成在650nm以下的波长区域中具有峰值波长。
本发明的另一方面为一种外延晶圆，其用于III族氮化物类半导体发光元件。该外延晶圆包括：(a)n型导电性的氮化镓类半导体区域，具有沿着预定平面延伸的主面，设置在基板的主面上；(b)由第一氮化镓类半导体构成的空穴阻挡层，设置在上述氮化镓类半导体区域的上述主面上；(c)活性层，设置在上述空穴阻挡层上；(d)由第二氮化镓类半导体构成的电子阻挡层，设置在上述活性层上；以及(e)p型导电性氮化镓类半导体区域，设置在上述电子阻挡层上。上述活性层配置在上述空穴阻挡层和上述电子阻挡层之间，上述氮化镓类半导体区域的c轴相对于上述预定平面的法线倾斜，上述空穴阻挡层的带隙大于上述氮化镓类半导体区域的带隙，上述空穴阻挡层的带隙大于上述活性层中的带隙的最大值，上述空穴阻挡层的厚度小于上述氮化镓类半导体区域的厚度。
根据该外延晶圆，活性层设置在p型氮化镓类半导体区域和空穴阻挡层之间，因此p型氮化镓类半导体区域向活性层供给空穴。空穴阻挡层的带隙大于氮化镓类半导体区域的带隙，因此空穴阻挡层对于活性层内的空穴起到障壁的作用。从而空穴阻挡层可以降低从活性层溢出并到达氮化镓类半导体区域的空穴的量。此外，空穴阻挡层的厚度小于氮化镓类半导体区域的厚度，因此空穴阻挡层对于从氮化镓类半导体区域供给到活性层的电子，不呈现较大的电阻。
本发明的外延晶圆，优选的是，上述基板由GaN构成，上述基板的GaN的c轴和上述基板的上述主面的法线所成的倾斜角为10度以上、80度以下。
本发明的上述目的及其他目的、特征及优点，根据参照附图的本发明的实施方式的以下详细记载而容易明确。
附图说明
图1是简要表示本实施方式的III族氮化物类半导体发光元件的结构的图。
图2是表示图1所示的III族氮化物类半导体发光元件的能带图的图。
图3是表示制作III族氮化物类半导体发光元件的方法中的主要工序的图。
图4是表示制作III族氮化物类半导体发光元件的方法中的主要工序的图。
图5是表示图3及图4所示的制作方法的主要工序中的生产物的图。
图6是表示基板生产物的结构的图。
图7是表示电致发光谱的图。
具体实施方式
本发明的见解例如通过作为示例示出的附图并考虑到以下详细的记载而可以容易理解。接下来参照附图说明本发明的III族氮化物类半导体发光元件及外延晶圆的实施方式。在可能的情况下对相同部分标以相同标号。
图1是简要表示本实施方式的III族氮化物类半导体发光元件的结构的图。参照图1，为III族氮化物类半导体发光元件(以下称为“发光元件”)11示出了正交坐标系S。图2是发光元件11的能带图。发光元件11例如可以是发光二极管。发光元件11包括六方晶系的n型氮化镓类半导体层(以下称为“GaN类半导体层”)13、六方晶系的p型氮化镓类半导体区域(以下称为“GaN类半导体区域”)15、空穴阻挡层17和活性层19。n型氮化镓类半导体层13具有沿着预定平面延伸的主面13a。空穴阻挡层17由氮化镓类半导体构成，例如可以由InAlGaN、AlGaN等构成。活性层19由氮化镓类半导体构成，设置在p型GaN类半导体区域15和空穴阻挡层17之间。空穴阻挡层17及活性层19配置在n型GaN类半导体层13的主面13a和p型GaN类半导体区域15之间。活性层19包括一个或多个半导体层，设置在空穴阻挡层17上。氮化镓类半导体区域(以下称为“GaN类半导体区域”)23具有n导电性，由六方晶系结晶构成。此外，GaN类半导体区域23可以包括一个或多个半导体层。例如，n型GaN类半导体层13包含在GaN类半导体区域23中。GaN类半导体区域23向活性层19供给电子，并且p型GaN类半导体区域15向活性层19供给空穴。n型GaN类半导体层13(同样地，GaN类半导体区域23)的c轴相对于预定平面的法线倾斜，空穴阻挡层17的带隙G17大于活性层19中的带隙的最大值G19。空穴阻挡层17的厚度D17小于GaN类半导体区域23的厚度D23。p型GaN类半导体区域15例如可以包含接触层。
根据该发光元件11，活性层19设置在p型GaN类半导体区域15和空穴阻挡层17之间，因此空穴H从p型GaN类半导体区域15供给到活性层19。空穴阻挡层17的带隙G17大于GaN类半导体区域23的带隙的最大值，因此空穴阻挡层17对要从活性层19溢出的空穴起到障壁ΔGH的作用。因此，空穴阻挡层17降低了从活性层19溢出并到达GaN类半导体区域23的空穴的量。此外，空穴阻挡层17的厚度D17小于GaN类半导体区域23的厚度D23，因此空穴阻挡层17对于从GaN类半导体区域23供给到活性层的电子E并不呈现较大的电阻。
参照图1，在发光元件11中，GaN类半导体层13的c轴矢量Vc和预定平面(或GaN类半导体区域23的主面)的法线VN所成的倾斜角可以为10度以上。通过该倾斜角，与在c面、a面及m面上相比，载流子、特别是空穴的扩散长度变大，在电流注入时空穴容易从活性层向n型GaN区域溢出。此外，倾斜角可以为80度以下。通过该倾斜角，与c面、a面及m面上相比，载流子特别是空穴的扩散长度变大，在电流注入时空穴容易从活性层向n型GaN区域溢出。
在发光元件11中，为了防止空穴的隧道效应，优选空穴阻挡层17的厚度D17为5nm以上。此外，优选空穴阻挡层17的厚度D17为50nm以下。通过该空穴阻挡层17，对于从GaN类半导体区域23供给到活性层19的电子E，空穴阻挡层17并不呈现较大的电阻，此外可以降低因晶格不匹配而生成的施加到活性层的应力。空穴阻挡层17可以是无掺杂的，但优选将n型掺杂剂添加到空穴阻挡层17中。通过n型掺杂剂的添加可以降低空穴阻挡层17的电阻。作为n型掺杂剂例如可以使用硅(Si)、碳(C)等。
发光元件11可以还包括电子阻挡层25。GaN类半导体区域23、空穴阻挡层17、活性层19、电子阻挡层25及p型GaN类半导体区域15沿着预定的轴Ax配置。电子阻挡层25设置在活性层19和p型GaN类半导体区域15之间。此外，电子阻挡层25由氮化镓类半导体构成，例如可以由AlGaN、InAlGaN等构成。例如可以使空穴阻挡层17的厚度D17小于电子阻挡层25的厚度D25。活性层19设置在空穴阻挡层17和电子阻挡层25之间。电子阻挡层25的厚度D25小于p型导电性GaN类半导体区域15的厚度。p型GaN类半导体区域15设置在电子阻挡层25上。电子阻挡层25的厚度例如可以为5nm以上，可以为30nm以下。
活性层19具有量子阱结构21，量子阱结构21包括交互地排列的阱层21a和阻挡层21b。在量子阱结构21中优选，阱层21a的数量为1以上，阱层21a的数量为4以下。随着增加阱层21a的数量，反而具有降低阱层21a的结晶品质的可能性。该倾向特别是在形成于半极性面上的阱层中较为明显。此外，在阱层数量多的活性层中，空乏层的厚度必然增加，p型区域和n型区域远离，存在载流子溢出的影响降低的倾向。另一方面，阱层21a的数量较少时，活性层19的厚度不大。因此发光特性容易收到空穴的溢出的影响。因此优选为上述范围。阱层21a的厚度例如可以为2nm以上，可以为10nm以下。此外阻挡层21b的厚度例如可以为10nm以上，可以为30nm以下。活性层19的总厚度可以为100nm以下。
为了提供宽幅波长范围的发光，阱层21a优选由作为III族包含In的氮化镓类半导体构成。具体地说，阱层21a由InXGa1-XN构成，阱层21a的铟组成X优选为0.15以上。通过该组成范围，在该发光元件11中可以实现长波长的发光。通过使用利用了4元混晶的空穴阻挡层，可以实现高铟组成且良好的结晶品质的InGaN阱层。此外，阱层21a的铟组成X优选为0.40以下。作为阻挡层21b可以由GaN、InGaN、AlGaN等材料构成。
活性层19被设置成在450nm以上650nm以下的波长区域具有光致发光(PL)谱、电致发光(EL)谱的峰值波长。
发光元件11可以还具有基板27。基板27由氮化镓类半导体构成，具有呈现半极性的主面27a及背面27b。主面27a相对于氮化镓类半导体的c轴倾斜。倾斜角可以为10度以上且80度以下。
GaN类半导体区域23设置在基板27和空穴阻挡层17之间。GaN类半导体区域23具有彼此相对的一对面，GaN类半导体区域23的一个面与基板27的主面27a接触，且另一个面与空穴阻挡层17接触。该发光元件11通过在半极性主面27a上外延生长而制作，并且在发光元件11中可以降低半极性特有的空穴的动作的影响。基板可以由GaN、InGaN构成。基板由GaN构成时，该发光元件11可以利用大口径的半极性GaN晶圆进行制作。
基板主面从c面向m面方向倾斜时，通过阱层和阻挡层的晶格常数的不同，因阱层的应变产生的压电场较小。此外，基板主面从c面向a面方向倾斜时，通过阱层和阻挡层的晶格常数的不同，因阱层的应变产生的压电场较小。
发光元件11可以还包括作为III族元素含有铟的氮化镓类半导体层(以下称为“GaN类半导体层”)29。GaN类半导体层29设置在空穴阻挡层17和GaN类半导体层13之间。GaN类半导体层29例如可以是InGaN。GaN类半导体层29的带隙G29小于空穴阻挡层17的带隙G17。GaN类半导体层29的带隙G29小于GaN类半导体层13的带隙G13。通过该GaN类半导体层29，在制作高铟组成的阱层时可以降低活性层19上的应变。
发光元件11可以还包括设置于GaN类半导体层29和空穴阻挡层17之间的氮化镓类半导体层(以下称为“GaN类半导体层”)31。GaN类半导体层31例如可以由GaN等构成。通过该GaN类半导体层31，可以缓和GaN类半导体层29和空穴阻挡层17的晶格常数差。GaN类半导体层31的厚度小于GaN类半导体层29的厚度以及n型GaN类半导体层13的厚度。
参照图2，空穴阻挡层17的带隙G17比设于空穴阻挡层17和基板27之间的、GaN类半导体区域23所包含的半导体层的带隙的最大值大。
空穴阻挡层17优选由作为III族元素包括镓、铟及铝的氮化镓类半导体构成。通过使用例如四元混晶而不是使用三元混晶，空穴阻挡层17不仅成为对空穴的障壁，而且可以提供能够降低活性层上的应力的晶格常数。例如，空穴阻挡层17由四元混晶构成时，可以降低活性层19上的应力。
由InAlGaN构成的空穴阻挡层17，作为III族元素包含铝。空穴阻挡层17作为构成元素而包含铝时，可以使带隙大于GaN，成为对空穴的障壁。空穴阻挡层17的铝组成为0.5以下时，空穴的障壁效果充分，同时不会使与相邻的层之间的晶格常数差过大，不会产生裂缝等。
由InAlGaN构成的空穴阻挡层17作为III族而包含铟，空穴阻挡层17的铟组成可以大于0且在0.3以下。空穴阻挡层17包含铟元素时，在制作与不含In的情况相同带隙的空穴阻挡层时，可以增大空穴阻挡层的晶格常数，可以减小与阻挡层、阱层之间的晶格常数差，可以缓和整体的应变。空穴阻挡层17的铟组成为0.3以下时，在制作相同带隙的大小的空穴阻挡层时，不需要极端提高Al组成，容易进行生长。
空穴阻挡层17可以包括AlGaN层。作为空穴阻挡层17的材料，不仅可以使用InAlGaN，也可以使用AlGaN。通过AlGaN，可以提供具有大的带隙的空穴阻挡层17。
由AlGaN构成的空穴阻挡层17作为III族可以包括铝。空穴阻挡层17作为构成元素而包含铝时，可以使带隙大于GaN，成为对空穴的障壁。空穴阻挡层17的铝组成为0.5以下时，空穴的障壁效果充分，同时不会使与相邻的层之间的晶格常数差过大，不会产生裂缝等。
在发光元件11、例如发光二极管中，从发光元件11的上面射出光L。发光二极管与半导体激光器不同，不含光学的包覆层，因此空穴阻挡层对空穴溢出的降低有效。
图3及图4是表示制作III族氮化物类半导体发光元件的方法中的主要工序的图。图5是表示图3及图4所示的制作方法的主要工序中的生产物的图。
通过有机金属气相沉积法制作了蓝色发光二极管结构。原料使用了三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨(NH3)。作为掺杂剂气体使用硅烷(SiH4)及二茂基镁(CP2Mg)。
首先参照工序流程100来制作外延晶圆。在工序S 101中，如图5(a)所示，准备了六方晶系半极性氮化镓晶圆。氮化镓晶圆的主面从c面向m面方向及a面方向以10～80度的角度倾斜。氮化镓晶圆的尺寸例如为2英寸以上。在反应炉内设置了GaN晶圆41后，在工序S 102中，在1100摄氏度的温度及27kPa的生长炉内压力下使NH3和H2流动，同时进行10分钟的热处理。
在工序S103中，如图5(b)所示，外延生长n型氮化镓类半导体区域43。具体地说，在工序S103-1中在1150摄氏度的温度下生长了掺杂有Si的GaN层43a。该GaN层43a的厚度例如为2μm。其后，将基板温度下降到780摄氏度后，在工序S103-2中向生长炉供给TMG、TMI、SiH4，外延生长掺杂有Si的In0.04Ga0.96N缓冲层43b。In0.04Ga0.96N缓冲层43b的厚度为100nm。在必要的情况下，将基板温度上升到870摄氏度后，在工序S103-3中，外延生长掺杂有Si的GaN层43c。该GaN层43c的厚度例如为10nm。
在工序S 104中，将基板温度上升到870摄氏度后，如图5(c)所示外延生长空穴阻挡层45。空穴阻挡层45是掺杂有Si的Al0.06Ga0.94N层，其厚度为10nm。
在工序S105中，如图5(d)所示外延生长活性层47。具体地说，在工序S105-1中在870摄氏度的基板温度下生长了厚度10nm的GaN阻挡层47a。在工序S105-2中将基板温度下降到700摄氏度后，生长了厚度4nm的In0.25Ga0.75N阱层47b。其后，将基板温度上升到870摄氏度后，在工序S105-3中在870摄氏度的基板温度下生长了厚度15nm的GaN阻挡层47c。在必要的情况下，在工序S105-4中反复进行阱层的生长及阻挡层的生长。
在工序S106中，停止TMG和TMI的供给并且供给氨，同时将基板温度上升到1100摄氏度。其后，将TMG、TMA、NH3、CP2Mg导入到生长炉中，如图5(e)所示，外延生长厚度20nm的掺杂Mg的p型Al0.12Ga0.88N层49。其后，在工序S107中，停止TMA的供给，如图5(f)所示外延生长厚度50nm的p型GaN层51。在将基板温度降温到室温后，从生长炉取出外延晶圆EPI。为了验证n层侧的空穴阻挡层的效果，制作了不具备作为空穴阻挡层的n型AlGaN层的LED结构。
在工序S108中，在p型氮化镓类半导体区域上形成阳极53，与p型接触层51形成电连接，并且在研磨了基板的背面后在该背面形成阴极53b，制作出图6所示的基板生产物SP。这些电极通过蒸镀制作。
对基板生产物SP注入电流而进行发光测定。图7是表示电致发光谱的图。参照图7(a)示出了无空穴阻挡层的LED结构的与电流10mA、20mA、30mA、40mA、60mA、100mA、140mA、180mA对应的特性线C1～C8，参照图7(b)示出了具有空穴阻挡层的LED结构的与电流10mA、20mA、30mA、40mA、60mA、100mA、140mA、180mA对应的特性线P1～P8。参照图7，在无空穴阻挡层的LED结构中，如图7(a)所示来自基底缓冲层的发光较强地被观测，这表示空穴向n侧的溢出明显。与之相对，如图7(b)所示，在具有由n型AlGaN层构成的空穴阻挡层的LED结构中，没有观测到来自基底缓冲层的发光，来自阱层的发光较强。这表示通过n侧的空穴阻挡层抑制了空穴从阱层向n侧区域溢出，空穴被有效地关闭在阱层中。
AlGaN层的晶格常数较小，与晶格常数大的InGaN活性层之间的晶格常数差较大。通过在活性层和基板之间设置AlGaN层，施加到活性层的应力变大。这可能会引起发光效率的降低。为了避免该问题，优选作为空穴阻挡层使用4元混晶InAlGaN。这样一来，作为空穴阻挡层可以实现足够大的带隙，并且可以实现阱层和空穴阻挡层的晶格常数差小的组成。从而可以获得空穴阻挡层的效果，并且可以降低阱层的应变。使用4元混晶InAlGaN，特别适于InGaN阱层的In组成高、例如射出500nm以上的长波长区域的光的发光二极管结构。
在本实施例中，在倾斜基板(OFF基板，基板主面相对于结晶面倾斜)上生长发光二极管结构时，在n层侧还生长作为空穴阻挡层的n型AlGaN层或n型InAlGaN层。倾斜基板上的外延膜示出较大的空穴扩散长度，因此产生在极性面上生长的发光二极管结构中不会观测到的空穴溢出。
通过在倾斜基板上在n侧设置空穴阻挡层，可以抑制电流注入时空穴从阱层向n层侧的溢出，使载流子有效地注入到阱层，提高内部量子效率并提高发光强度。
如上所述，通过本发明的一个方面，提供可以降低空穴从活性层的溢出而提高量子效率的III族氮化物类半导体发光元件。此外，通过本发明的另一方面，提供用于III族氮化物类半导体发光元件的外延晶圆。
在上述实施方式中图示说明了本发明的原理，本发明只要不脱离该原理，在配置及详细中进行变更对于本领域技术人员来说是可以识别的。本发明不限于本实施方式公开的特定的结构。因此对于权利要求的范围及从其主旨范围得到的全部修正及变更请求权利。
Claims (20)
1.一种III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
包括：n型氮化镓类半导体区域，具有沿着预定平面延伸的主面；
p型氮化镓类半导体区域；
由第一氮化镓类半导体构成的空穴阻挡层；和
由氮化镓类半导体构成的活性层，该活性层设置在上述p型氮化镓类半导体区域和上述空穴阻挡层之间，
上述空穴阻挡层及上述活性层配置在上述n型氮化镓类半导体区域的上述主面和上述p型氮化镓类半导体区域之间，
上述n型氮化镓类半导体区域的c轴相对于上述预定平面的法线倾斜，
上述空穴阻挡层的带隙大于上述n型氮化镓类半导体区域的带隙，
上述空穴阻挡层的带隙大于上述活性层中的带隙的最大值，
上述空穴阻挡层的厚度小于上述n型氮化镓类半导体区域的厚度。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述n型氮化镓类半导体区域的c轴和上述预定平面的法线所成的倾斜角为10度以上、80度以下。
3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述空穴阻挡层的厚度为5nm以上。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述空穴阻挡层的厚度为50nm以下。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，在上述空穴阻挡层中添加有n型掺杂剂。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体作为III族元素包括镓、铟及铝。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体作为III族包括铟，
上述空穴阻挡层的铟组成大于0且在0.3以下。
8.根据权利要求1～5的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述空穴阻挡层包括AlGaN层。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
上述空穴阻挡层的上述第一氮化镓类半导体作为III族包括铝，
上述空穴阻挡层的铝组成大于0且在0.5以下。
10.根据权利要求1～9的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
还包括由第二氮化镓类半导体构成的电子阻挡层，该电子阻挡层设置在上述活性层和上述p型氮化镓类半导体区域之间，上述空穴阻挡层的厚度小于上述电子阻挡层的厚度。
11.根据权利要求1～10的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，该III族氮化物类半导体发光元件为发光二极管。
12.根据权利要求1～11的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
还包括由氮化镓类半导体构成的、具有主面的基板，
上述主面呈现半极性，
上述n型氮化镓类半导体区域设置在上述基板和上述空穴阻挡层之间。
13.根据权利要求1～12的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述基板由GaN构成。
14.根据权利要求1～13的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
上述活性层具有包括阱层及阻挡层的量子阱结构，
上述阱层的数量为4以下。
15.根据权利要求14所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述阱层由作为III族包括In的氮化镓类半导体构成。
16.根据权利要求14或15所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述阱层由InXGa1-XN构成，上述阱层的铟组成X为0.15以上。
17.根据权利要求1～16的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
还包括氮化镓类半导体层，其设置于上述空穴阻挡层和上述n型氮化镓类半导体区域之间，且作为III族元素包括铟，
上述氮化镓类半导体层的带隙小于上述空穴阻挡层的带隙，
上述氮化镓类半导体层的带隙小于上述n型氮化镓类半导体区域的带隙。
18.根据权利要求1～16的任一项所述的III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，上述活性层被设置成在450nm以上的波长区域中具有峰值波长。
19.一种外延晶圆，用于III族氮化物类半导体发光元件，其特征在于，
包括：n型导电性氮化镓类半导体区域，具有沿着预定平面延伸的主面，设置在基板的主面上；
由第一氮化镓类半导体构成的空穴阻挡层，该空穴阻挡层设置在上述n型导电性氮化镓类半导体区域的上述主面上；
活性层，设置在上述空穴阻挡层上；
由第二氮化镓类半导体构成的电子阻挡层，该电子阻挡层设置在上述活性层上；以及
p型导电性氮化镓类半导体区域，设置在上述电子阻挡层上，
上述活性层配置在上述空穴阻挡层和上述电子阻挡层之间，
上述n型导电性氮化镓类半导体区域的c轴相对于上述预定平面的法线倾斜，
上述空穴阻挡层的带隙大于上述n型导电性氮化镓类半导体区域的带隙，
上述空穴阻挡层的带隙大于上述活性层中的带隙的最大值，
上述空穴阻挡层的厚度小于上述n型导电性氮化镓类半导体区域的厚度。
20.根据权利要求19所述的外延晶圆，其特征在于，
上述基板由GaN构成，
上述基板的GaN的c轴和上述基板的上述主面的法线所成的倾斜角为10度以上、80度以下。
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