CN101828276B - Iii族氮化物半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种III族氮化物半导体发光元件，其具有基板(1)和设置于该基板的表面上的具有由III族氮化物半导体形成的势垒层(11b、12b)和由含铟的III族氮化物半导体形成的阱层(11a、12a)的多量子阱结构的发光层(10)，其中，该发光层是将多个重层部(11、12)层叠而构成的，所述重层部(11、12)是具有1个由阱层和势垒层构成的单元重层部分(11m)而构成的，或者是使2个以上的该单元重层部分(12m)层叠而构成的，在重层部(12)的单元重层部分(12m)为2个以上的情况下，其阱层彼此以及势垒层彼此的层厚和组成分别相同，重层部(11、12)彼此的单元重层部分的势垒层(11b、12b)的层厚相互不同，由此采用单独构成的唯一的发光层，能够在简单的构成下简便地射出多波长光。
Description
技术领域
本发明涉及具备基板和设置于该基板的表面上的具有由III族氮化物半导体材料形成的势垒层和由含铟的III族氮化物半导体形成的阱层的多量子阱结构的发光层的III族氮化物半导体发光元件。
背景技术
以往，氮化镓铟混晶(GaXIn1-XN：0＜X＜1)等的III族氮化物半导体材料一直被用于构成射出蓝色或绿色等的短波长光的发光二极管(英文简称：LED)和/或激光二极管(英文简称：LD)的发光层(例如参照日本特公昭55-3834号公报)。
另外，氮化铝镓(组成式为AlXGa1-XN：0≤X≤1)被用作为用于构成近紫外或紫外LED的量子阱结构的发光层的材料(例如参照日本特开2001-60719号公报)。
以III族氮化物半导体层为发光层的III族氮化物半导体LED，正被用于与具有由III族氮化物以外的例如III-V族化合物半导体层构成的发光层的LED组合而构成多色发光LED。例如，使以铟(In)组分(＝1-X)不同的GaXIn1-XN层为发光层的蓝色和绿色LED和以砷化铝镓混晶(AlGaAs)为发光层的红色LED集合，制作了射出R(红色)G(绿色)B(蓝色)各色、或使这些色混色而射出白色光的发光元件(例如参照日本特开平07-335942号公报)。
另外，现有的白色LED的另外一种是采用在唯一的基板上分别设置放射存在补色关系的颜色的光的发光层的技术手段的2波长发光型LED。例如是：通过在同一基板上分别形成射出蓝色光的由GaXIn1-XN(0≤X≤1)阱层数为5的多量子阱结构构成的发光层、和射出黄色光的以AlInP/AlGaInP的对数为10的多层叠层结构的发光层，并使从该各个发光层射出的不同的2波长的2色(例如蓝色和黄色)混色，由此形成的2波长发光白色LED(例如参照日本特开2001-257379号公报)。
可是，为构成现有的射出波长不同的多个发光(多波长发光)的LED，必需分别个别地设置适于放射各色的由III-V族化合物半导体材料形成的发光层。例如，为制作射出RGB的各色的LED，如上述那样，必需由不同的III-V族半导体材料构成放射R(红色)、G(绿色)或B(蓝色)的发光层。即，并不是能够采用由III族氮化物半导体层单独构成的唯一的发光层来制作简便地呈现多波长发光的LED。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供采用由III族氮化物半导体层单独构成的唯一的发光层，在简单的构成下能够简便地射出多波长光的III族氮化物半导体发光元件。
发明内容
为了达到上述目的，(1)第1发明涉及一种III族氮化物半导体发光元件，其具有基板和设置于该基板的表面上的具有由III族氮化物半导体形成的势垒层和由含铟的III族氮化物半导体形成的阱层的多量子阱结构的发光层，该发光元件的特征在于，上述多量子阱结构的发光层是层叠多个重层部而构成的，所述重层部是具有1个由阱层和势垒层构成的单元重层部分而构成的，或者是使2个以上的该单元重层部分层叠而构成的，在上述重层部的单元重层部分为2个以上的情况下，其阱层彼此以及势垒层彼此的层厚和组成分别相同，上述重层部彼此的单元重层部分的势垒层的层厚相互不同。
(2)第2发明为：在上述的(1)项所述的发明的构成基础上，在上述发光层之中，相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多。
(3)第3发明为：在上述的(1)项或(2)项所述的发明的构成基础上，上述重层部彼此的单元重层部分的阱层，其层厚或组成的至少任一方相互不同。
(4)第4发明为：在上述的(1)项～(3)项的任一项所述的发明的构成基础上，上述发光层是从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向，依次排列有发出更短的波长的光的重层部的发光层。
(5)第5发明为：在上述的(4)项所述的发明的构成基础上，上述发光层是从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向，依次排列有具有更薄的层厚的阱层的重层部的发光层。
根据本发明的第1发明，将由1个由阱层和势垒层构成的单元重层部分或使2个以上的该单元重层部分层叠而构成的重层部层叠多个，构成多量子阱结构的发光层，在重层部彼此中，单元重层部分的势垒层的层厚相互不同。因为势垒层的层厚越薄，从阱层射出的光(电子波)越容易透射，所以通过使势垒层的层厚较薄，能够在宽的波长范围提高从阱层射出的多波长的光的强度。因此，能够举出使从一个多量子阱结构的发光层放射的光的波长为更多波长的效果，能够在简单的构成下简便地得到白色光。其结果，也不需要分别个别地设置放射光的三原色的各色和/或存在补色关系的2色的发光层。
根据本发明的第2发明，因为在多量子阱结构的发光层之中，相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多，所以可进一步有效地在宽波长范围提高从阱层射出的多波长的光强度，并且能够更进一步扩大波长范围。
根据本发明的第3发明，在重层部彼此中，单元重层部分的阱层使层厚或组成的至少任一方相互不同。因为若阱层的层厚和/或组成相互不同，则相应于此，阱层射出波长不同的光，所以能够使从一个多量子阱结构的发光层放射的光的波长为更多波长，并且能够扩大波长范围。
根据本发明的第4、第5发明，发光层从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向，依次排列有发出更短的波长的光的重层部、例如具有更薄的层厚的阱层的重层部。即，在基板的表面侧配置如下阱层：阱层宽度形成得宽，量子能级低而带来包括长波长的发光成分的多波长的发光；在发光的取出方向配置如下阱层：阱层宽度形成得窄，量子能级高而带来包括更短波长的发光成分的多波长的发光，从而构成多量子阱结构的发光层。因为是下述构成：虽然短波长的光被进行长波长的发光的阱层吸收，但不让短波长的光通过进行更长波长的发光的阱层，所以从配置于基板表面侧的阱层射出的光，不会被配置于光的取出方向的阱层吸收，能够向外部视野方向取出光，能够将从各阱层射出的发光高效地向视野方向取出。
附图说明
第1图是表示本发明涉及的重层部的叠层关系的模式图。
第2图是表示本发明涉及的发光层的构成例的剖面模式图。
第3图是表示从第2图的构成的发光层射出的光的光致发光(PL)光谱的图。
第4图是表示相对于第2图的发光层，增多更薄的层厚的势垒层的数量而构成的发光层的剖面模式图。
第5图是表示从第4图的构成的发光层射出的光的光致发光(PL)光谱的图。
第6图是表示从发光层A、B放射的光的光致发光(PL)光谱的图。
第7图是表示具有第1实施例的发光层的III族氮化物半导体发光元件的结构的剖面模式图。
第8图是表示第1实施例的发光层的构成的剖面模式图。
第9图是从第1实施例的发光层放射的在室温下的光致发光(PL)光谱。
第10图是表示具有第2实施例的发光层的III族氮化物半导体发光元件的结构的剖面模式图。
第11图是表示第2实施例的发光层的构成的剖面模式图。
第12图是从第2实施例的发光层放射的在室温下的光致发光(PL)光谱。
具体实施方式
对本发明的实施方式基于附图详细地进行说明。
第1图是表示本发明涉及的重层部的叠层关系的模式图。例示于第1图的本发明涉及的多量子阱结构的发光层10，是将重层部11、12进行叠层而构成。重层部11具有1个由阱层11a和势垒层11b构成的单元重层部分11m。重层部12是使2个由阱层12a和势垒层12b构成的单元重层部分12m层叠而构成，构成该2个单元重层部分12m的阱层12a彼此、以及势垒层12b彼此，是层厚和组成分别相同的。而且，重层部11的势垒层11b的层厚t1和重层部12的势垒层12b的层厚t2相互不同。
这样，本发明的发光层是具有1个由阱层和势垒层构成的单元重层部分而构成、或使2个以上的该单元重层部分层叠而构成，在该重层部的单元重层部分为2个以上的情况下，该阱层彼此以及势垒层彼此的层厚和组成分别相同，重层部彼此的单元重层部分的势垒层的层厚相互不同。
优选：构成重层部的各单元重层部分的势垒层由具有与阱层的势垒差并能够接合的材料、例如AlXGa1-XN(0≤X≤1)等的III族氮化物半导体层构成。该势垒层和阱层由同一传导类型的III族氮化物半导体层构成。优选：势垒层的层厚大约为3nm～30nm的范围，为电子波能够充分透射的层厚。
当使重层部层叠而形成多量子阱结构的发光层时，虽然并无层叠的重层部的数量的限制，但是为了避免发光层的形成工序徒然地变得冗长而优选大约为50以下，进一步优选为30以下。为了得到能够放射多波长的光的多量子阱结构的发光层，优选的构成为：相比于含有层厚t1(t1≠0)的势垒层的单元重层部分的数量，增多含有比该层厚(t1)薄的层厚t2(t1＞t2，t2≠0)的势垒层的单元重层部分的数量。这是因为若使势垒层的层厚更薄则能够更好地使电子波透射，能够得到高强度的多波长发光的缘故。
另外，为了得到呈现多波长光的发光层，优选：在发光层之中，相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多。例如，对于单元重层部分的总数为10，其中使具有层厚t1(t1≠0)的势垒层的重层部的单元重层部分的数量为5，使具有更薄的层厚t2(t1＞t2，t2≠0)的势垒层的重层部的单元重层部分的数量为5而形成的例子，在单元重层部分的总数为20的情况下，使具有层厚t1(t1≠0)的势垒层的重层部的单元重层部分的数量为5原样不变，使具有更薄的层厚t2(t1＞t2，t2≠0)的势垒层的重层部的数量为15而形成。这样，若相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多，则适合于得到呈现多波长光的发光层。关于此，采用第2图～第5图更详细地进行说明。
第2图是表示本发明涉及的发光层的构成例的剖面模式图。在第2图中，基板1上的发光层10由重层部11和重层部12构成，重层部11由5个单元重层部分11m构成，重层部12也由5个单元重层部分12m构成。
重层部11的单元重层部分11m由层厚为10nm的势垒层11b、和接合于该势垒层11b上的层厚为2nm的阱层11a构成。该阱层11a的组成为Ga0.75In0.25N。
另外，重层部12的单元重层部分12m由层厚为4nm的势垒层12b、和接合于该势垒层12b上的阱层12a构成。阱层12a的层厚和组成与阱层11a相同。
将从该第2图的构成的发光层10射出的光的光致发光(PL)光谱示于第3图。
第4图是表示相对于第2图的发光层更增多在具有更薄的层厚的势垒层的重层部中的单元重层部分的数量而构成的情况的剖面模式图。在第4图中，虽然层厚为10nm的势垒层11b的重层部11中的单元重层部分11m数量为5原样不变，但是层厚为4nm的势垒层12b的重层部12中的单元重层部分12m的数量从5增加为15。
将从该第4图的构成的发光层10h射出的光的光致发光(PL)光谱示于图5。
在第3图中，多波长光出现的是按光子能量在2.3电子伏特(eV)～3.4eV的范围。另一方面，在第5图中，通过使具有更薄的层厚的势垒层12b的重层部12的单元重层部分12m的数量增加，相比较于第3图的光谱强度可在宽范围的波长范围内提高强度，而且，能够使多波长光所出现的范围扩大到按能量为1.9eV～3.4eV。
尤其是，若使形成发光层整体的单元重层部分的总数为4～30，并使具有薄的层厚的势垒层的重层部中的单元重层部分的数量为2～20，则无需冗长的发光层的形成工序而能够简便地形成以宽的波长范围放射多波长的光的发光层。而且，还有下述优点：适合于抑制：在高温下的冗长的生长所致的阱层中含有的铟的热扩散所导致的势垒层变质和/或与势垒层的接合面的非平坦化等等。
优选：形成上述的重层部的各单元重层部分的阱层由含铟(元素符号：In)的III族氮化物半导体层、例如GaXIn1-XN(0≤X＜1)构成。这是因为从含有In的III族氮化物半导体层一般可得到高强度的发光的缘故。在本发明的III族氮化物半导体多波长发光元件中，优选：阱层的层厚为1nm～20nm，进一步优选为2nm～10nm。
若使具有由层厚或组成不同的含铟的III族氮化物半导体层构成的阱层的重层部层叠而形成多重量子结构的发光层，则能够使从单一的发光层放射的发光的波长进一步多波长化。例如，能够例示如下情况：用GaxIn1-XN(0≤X＜1)构成一个重层部的阱层，由与其相比镓组成比(＝X)不同从而铟组成比(＝1-X)也不同的GaYIn1-YN(0≤Y＜1，X≠Y)构成另外的重层部的阱层。所谓层厚或组成不同也包括层厚和组成双方均不同的情况。
例如，形成具有重层部和另一重层部的发光层A，其中，重层部是使3个由层厚为2nm且组成为Ga0.80In0.20N的阱层和层厚为10nm的势垒层构成的单元重层部分层叠而构成，另一重层部是使3个由相同组成且层厚为4nm的阱层和层厚为6nm的势垒层构成的单元重层部分层叠而构成。将表示从该由总数为6的单元重层部分构成的发光层A放射的多波长的光的光致发光(PL)光谱A示于第6图(附图中，以「光谱A」表示)。
作为比较，形成具有重层部和另一重层部的发光层B，其中，重层部是使3个由层厚为2nm且组成为Ga0.80In0.20N的阱层和层厚为10nm的势垒层构成的单元重层部分层叠而构成，另一重层部是使3个由与该阱层层厚(＝2nm)相同且组成相同的阱层和层厚为6nm的势垒层构成的单元重层部分层叠而构成。因此，发光层A的重层部之间的阱层和势垒层双方的层厚不同，发光层B成为仅重层部之间的势垒层的层厚不同的构成。将表示从该由总数为6的单元重层部分构成的发光层B放射的多波长的光的光致发光(PL)光谱B以虚线示于第6图(附图中，以「光谱B」表示)。
如果将光谱A与光谱B进行对照，则从组合了阱层的层厚不同的重层部的多量子阱结构的发光层放射的多波长的发光(光谱A)与阱层的层厚相同的情况下的发光(光谱B)相比较，更适于更宽的波长范围以及得到白色光。
本发明涉及的多量子阱结构的发光层，例如接合于形成于基板的表面上的覆盖(clad)层等的基底层而形成。基板能够使用以极性或无极性的晶面为表面的蓝宝石(α-Al2O3单晶)和氧化锌(ZnO)等的绝缘性或导电性氧化物晶体、6H或4H或3C型碳化硅(SiC)等的碳化物晶体、GaN、硅(Si)等的半导体晶体。为了得到晶体品质优异的基底层，也可采用在基板上设置用于缓和例如晶格错配等的功能层的叠层构成的方法。
在基板上或者生长于基板上的基底层上，利用例如有机金属气相淀积(简称为MOCVD或MOVPE等)法、分子束外延(MBE)法、氢化物(hydride)法、卤化物(halyde)法等的气相生长法而形成多量子阱结构的发光层。未必需要用同一气相生长法形成多量子阱结构的发光层和其以外的构成多波长发光元件的功能层。例如在采用比较厚的覆盖层构成LED时，有下述手段：用MOCVD法和/或氢化物法形成该厚膜层，采用薄膜的控制性更优异的MBE法生长出薄膜超晶格结构的多量子阱结构。
在这些气相生长方法中，能够采用故意添加用于对势垒层或阱层的传导类型进行控制和/或对导电率进行调整的杂质的掺杂手段。当掺杂杂质时，优选进行实施使得阱层或势垒层的载流子浓度变成5×1017cm-3～5×1019cm-3的范围。在具有这样的载流子浓度的导电性的功能层、例如覆盖层和/或接触(contact)层上设置欧姆(Ohmic)电极从而形成LED等的发光元件。例如，使作为多量子阱结构发光层的基底层的n型AlXGa1-XN(0≤X≤1)覆盖层和设置于相同发光层上的p型GaN接触层相接触而设置欧姆电极，制成为pn结型的多波长同时发光LED。
如以上所述，在本发明的实施方式中，将由阱层和势垒层构成的单元重层部分层叠1或2个以上而构成重层部，将该重层部层叠多个，构成多量子阱结构的发光层，并在重层部彼此中，使单元重层部分的势垒层相互层厚不同。因为势垒层的层厚越薄，从阱层射出的光(电子波)越容易透射，所以通过使势垒层的层厚较薄，能够在宽的波长范围提高从阱层射出的多波长的光的强度。因此，能够举出使从一个多量子阱结构的发光层放射的光的波长为更多波长的效果，能够在简单的构成下简便地得到白色光。其结果，也不需要分别个别地设置放射光的三原色的各色和/或存在补色关系的2色的发光层。
另外，因为在多量子阱结构的发光层之中，相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多，所以可进一步有效地在宽的波长范围提高从阱层射出的多波长的光强度，能够进一步扩大波长范围。
进而，在重层部彼此中，单元重层部分的阱层相互使层厚或组成的至少任一方不同。因为若阱层的层厚和/或组成相互不同，则相应于此而使从阱层放射的光的波长变化，所以能够使从一个多量子阱结构的发光层放射的光的波长为更多波长，能够进一步扩大波长范围。
以下通过第1～第4实施例来说明本发明涉及的III族氮化物半导体发光元件。在第1实施例中，关于具有由阱层的组成和势垒层的层厚都不相同的重层部构成的多量子阱结构的发光层的III族氮化物半导体LED，参照第7图～第9图进行说明。
第1实施例
第7图是表示具有第1实施例的发光层的III族氮化物半导体发光元件的结构的剖面模式图。第8图是表示该发光层的构成的剖面模式图。并且，第9图是从该发光层放射的在室温下的光致发光(PL)光谱。
用于制作III族氮化物半导体发光元件100A的叠层结构体100B，是使用{111}-p型硅单晶(硅)作为基板101而形成的。使基板101的表面在保持为真空的分子束外延(MBE)装置内暴露于氮等离子体中，实施氮化处理，使基板101的极表面改性成为氮化硅(SiN)。接着，通过采用氮等离子体的MBE法(氮等离子体MBE法)，使基板101的温度为650℃，在进行了氮化处理的基板101的表面形成由氮化铝(AlN)构成的第1缓冲层102(层厚＝60nm)。接着，使基板101的温度升温为850℃，通过氮等离子体MBE法，形成由AlN构成的第2缓冲层103(层厚＝300nm)。接着，使基板101的温度降温为690℃，通过氮等离子体MBE法形成由GaN构成的n型覆盖层104(层厚＝1.5μm)。
在形成了n型覆盖层104之后，将该叠层结构体在MBE装置内冷却至室温附近的温度。然后，从MBE装置取出该叠层结构体，并输送到一般性的MOCVD装置内。
其后，在氢气氛中，在基板101的温度为700℃的时刻，在n型覆盖层104上形成单元重层部分110m，该单元重层部分110m由层厚为8nm的由n型GaN形成的势垒层110b和层厚为2nm的阱层110a构成。进一步层叠该单元重层部分110m而形成2个，制成为重层部110。重层部110的各阱层110a都由n型Ga0.75In0.25N构成。重层部110是将接合于n型覆盖层104的表面的层作为势垒层110b来沉积的。
在重层部110上，将由由层厚为6nm的n型GaN层构成的势垒层120b和层厚为2nm的阱层120a构成的单元重层部分120m依次通过MOCVD法在700℃沉积3次，制成为重层部120。在上述的重层部110上设置另外的重层部120时，如第8图所示，按以下方式设置：另外的重层部120的势垒层120b接合于构成重层部110的表层的阱层110a。另外的重层部120的阱层120a，与上述的重层部110的阱层110a不同，均由n型Ga0.85In0.15N层构成。使重层部110和另外的重层部120的合计5个单元重层部分110m、120m层叠，从而构成了多量子阱结构的发光层100(参照第8图)。成为3个单元重层部分120m的各势垒层120b的层厚比2个单元重层部分110m的各势垒层110b的层厚薄的构成。
将这样的来自使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多的发光层100的在室温下的光致发光光谱示于第9图。产生发光的波长的范围达到373nm～750nm的宽范围。
这样，通过同时得到各种波长的光，从发光层100放射的发光色通过混色，经目视而为白色。即，例如，为了放射蓝色与黄色的组合等的补色关系的2色，以及为了放射光的三原色的各色，即使不由不同的化合物半导体材料分别地形成对应于各色的发光层，如果采用本发明涉及的构成的多量子阱结构，则虽然数量单独，但是也能够由同种的III族氮化物半导体材料形成放射白色光的发光层。
在形成了发光层100之后，在MOCVD装置内，冷却到室温附近的温度。然后，从MOCVD装置取出完成了发光层100的形成的叠层结构体100B，其后，输送到氮等离子体MBE装置内。然后，使基板101的温度为780℃，在构成多量子阱结构的发光层100的表层的阱层120a上，沉积了由p型GaN构成的p型覆盖层106。由此，完成发光元件100A用途的叠层结构体100B的形成，该叠层结构体100B具有pn结型发光部，该pn结型发光部为将n型发光层100夹置于n型GaN覆盖层104与p型GaN覆盖层106之间的结构。
将位于叠层结构体100B的一端的待形成n型欧姆电极107的区域的p型GaN覆盖层106和发光层100通过一般的干蚀刻法去除，使作为发光层100的基底层的n型GaN覆盖层104的表面露出。接着，在该露出的n型GaN覆盖层104的表面形成了n型欧姆电极107。另一方面，p型欧姆电极108形成于p型GaN覆盖层106的表面的一部分，其后，分割为个别的元件(芯片)，制作成一边的长度为350μm的发光元件100A。
发光元件100A的正向电流为20mA时的正向电压(Vf)为3.5V。并且，在沿正向流通50mA的电流时，从芯片(chip)状态的发光元件100A的发光层的整个面射出目视为带有蓝色的白色光。由此，如果采用本第1实施例所述的多量子阱结构的发光层，则能够同时放射波长不同的发光，所以显示出能够简便地制作即使是数量单一的量子阱结构的发光层也能够射出白色光的发光元件。
第2实施例
在第2实施例中，关于具有由势垒层的层厚不同的重层部构成的多量子阱结构的发光层的本发明涉及的III族氮化物半导体发光元件，参照第10图～第12图进行说明。
第10图是表示具有第2实施例的发光层的III族氮化物半导体发光元件的结构的剖面模式图，第11图是表示该发光层的构成的剖面模式图，第12图是从该发光层放射的在室温下的光致发光(PL)光谱。另外，在第10图和第11图中，关于与记载于上述的第1实施例的构成要素相同的构成要件，附加同一标号。
在上述的第1实施例所述的将表面进行了氮化的Si基板101上，使生长温度不同而设置的AlN层102、103、和由n型GaN构成的覆盖层104上，形成了使构成与记载于第1实施例的发光层不同的发光层200。构成发光层200的重层部210、220、230与记载于上述的第1实施例的发光层100的形成方法不同，都用氮等离子体MBE法形成。
本第2实施例的多量子阱结构的发光层200，使阱层210a、220a、230a都与层厚为4nm的Ga0.75In0.25N层相同。如第11图所示，在阱层210a上形成层厚为10nm的由n型GaN构成的势垒层210b，从而形成单元重层部分210m，并使2个该单元重层部分210m层叠，从而设置了重层部210。
在重层部210上，在阱层220a上形成层厚为6nm的由n型GaN构成的势垒层220b，从而形成单元重层部分220m，使2个该单元重层部分220m层叠，从而设置了重层部220。
在重层部220上，在阱层230a上形成层厚为4nm的由n型GaN构成的势垒层230b，从而形成单元重层部分230m，使2个该单元重层部分230m层叠，从而设置了重层部230。
重层部210是最初使阱层210a接合于覆盖层104而形成。重层部220是使阱层220a接合于重层部210的势垒层210b而形成。并且，重层部230是使阱层230a接合于重层部220的势垒层220b而形成。
在这样形成的发光层200上，沉积了记载于上述的第1实施例的由p型GaN构成的p型覆盖层106。由此，完成了具有pn结型发光部的发光元件200A用途的叠层结构体200B的形成，所述pn结型发光部的结构为：在n型覆盖层104与p型GaN覆盖层106之间夹置了多量子阱结构的n型发光层200。
与在上述重层部210中的单元重层部分210m的叠层数2比较，在相比于该重层部210采用了薄的势垒层的重层部220、230中的单元重层部分220m、230m的叠层数的总和为4。这样，发光层200，具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和变得更多。将来自该发光层200的在室温下的光致发光光谱示于第12图。产生发光的波长的范围达到367nm～516nm的宽范围。这样，通过波长不同的多个光的混色，目视到的来自发光层200的发光色为白色。即，为了放射蓝色与黄色的组合的补色关系的2色，以及为了放射光的三原色的各色，即使不个别地设置对应于各发光色的发光层，若采用本发明涉及的构成的多量子阱结构，则显示出虽然数量单一但是也可得到放射白色光的发光层。
将位于叠层结构体200B的一端的待形成n型欧姆电极107的区域的p型GaN覆盖层106和发光层200通过一般的干蚀刻法去除，使作为发光层200的基底层的n型GaN覆盖层104的表面露出。接着，在该露出的n型GaN覆盖层104的表面形成了n型欧姆电极107。另一方面，p型欧姆电极108形成于p型GaN覆盖层106的表面的一部分，其后，分割为个别的元件(芯片)，制作出一边的长度为400μm的发光元件200A。
发光元件200A的正向电流为20mA时的正向电压(Vf)为3.4V。另外，在沿正向流通20mA的电流时，从芯片(chip)状态的发光元件200A的发光层的整个面射出目视为带有绿色的白色光。由此，如果采用记载于本第2实施例的多量子阱结构的发光层，则能够同时放射波长不同的发光，所以显示出能够简便地制作即使是数量单一的量子阱结构的发光层也能够射出白色光的发光元件。
第3实施例
在第3实施例中，关于具有由重层部构成的多量子阱结构的发光层的本发明涉及的III族氮化物半导体发光元件进行说明，所述重层部由In组成不同的阱层和层厚不同的势垒层构成。
在设置于记载于上述的第1实施例的将表面进行了氮化的Si基板上的AlN层和由n型GaN构成的覆盖层上，形成由使构成与记载于第2实施例的重层部不同的3个重层部构成的发光层200。构成发光层的3个重层部都用氮等离子体MBE法形成。
本第3实施例的多量子阱结构的发光层，从Si基板侧朝向取出发光的方向，依次层叠第1～第3重层部而构成。构成第1～第3重层部的单元重层部分的阱层，均由层厚为4nm、且In组成(＝1-X)不同的n型GaXIn1-XN层构成。最接近于Si基板的表面而配置的第1重层部的单元重层部分的阱层，由Ga0.72In0.28N层构成。构成重叠于第1重层部的第2重层部的单元重层部分的阱层，由Ga0.80In0.20N层构成。并且，构成重叠于第2重层部的构成发光的取出方向的最上部的第3重层部的单元重层部分的阱层，由Ga0.85In0.15N层构成。
即，从Si基板的表面侧朝向发光的取出方向，依次排列放射更短的波长的光的第1～第3重层部，从而构成了多量子阱结构的发光层。构成第1重层部的单元重层部分的叠层数为3，构成第2重层部的单元重层部分的叠层数为3，构成第3重层部的单元重层部分的叠层数为2。另外，第1重层部是使其单元重层部分的Ga0.72In0.28N阱层接合于其下部的n型GaN覆盖层而形成。第2重层部是使构成第2重层部的单元重层部分的Ga0.80In0.20N阱层接合于构成第1重层部的表面的n型GaN势垒层而形成。并且，第3重层部是使Ga0.85In0.15N阱层接合于构成第2重层部的表面的n型GaN势垒的表面而形成。
另外，构成上述的第1～第3重层部的单元重层部分的势垒层都由n型GaN层构成，但是在各重层部中该势垒层的层厚不同。构成第1重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为8nm。构成重叠于第1重层部的第2重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为6nm。另外，构成重叠于第2重层部的构成发光的取出方向的最上部的第3重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为4nm。即，构成具有层厚最大的势垒层的第1重层部的单元重层部分的叠层数如上述那样为3，与此相对，增多了构成具有层厚比其薄的势垒层的第2和第3重层部的单元重层部分的合计的叠层数(＝5)，从而形成了发光层。
然后，在如上述那样构成的多量子阱结构的发光层上，沉积记载于上述的第1实施例的由p型GaN构成的p型覆盖层，形成了具有pn结型的发光部的LED用途的叠层结构体。在该叠层结构体上实施与记载于上述的第1和第2实施例同样的加工，形成n型和p型两方的欧姆电极，从而制作出发光元件。
从制作出的上述的发光元件在波长范围为370nm～650nm的宽范围，发出呈现与第12图所示的光谱类似的光谱的强度高的白色光。
在本第3实施例中，作为发光层构成为：从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向，依次排列发出更短的波长的光的重层部、即具有In组成少的GaXIn1-XN阱层的重层部。即，在基板的表面侧，配置包含量子能级低且带来含有长波长的发光成分的多波长的发光的阱层的重层部，并在发光的取出方向，依次配置包含量子能级高且带来含有更短波长的发光成分的多波长的发光的阱层的重层部，从而构成了多量子阱结构的发光层。因此得到了高强度的白色发光可认为是因为如下缘故：因为成为不让短波长的光通过包含进行更长波长的发光的阱层的重层部的构成，所以从配置于基板表面侧的重层部的阱层放射的光不会被配置于光的取出方向的重层部的阱层吸收，能够向外部视野方向透射，能够使从构成重层部的各阱层放射的宽波长范围的发光高效地向视野方向取出。
第4实施例
在第4实施例中，关于具有由重层部构成的多量子阱结构的发光层的本发明涉及的III族氮化物半导体发光元件进行说明，所述重层部由使In组成相同但是使层厚不同的阱层和使层厚不同的势垒层构成。
在设置于记载于上述的第1实施例的将表面进行了氮化的Si基板上的AlN层、和由n型GaN构成的覆盖层上，形成了由4个重层部构成的发光层200。构成发光层的4个重层部(第1～第4重层部)全部用氮等离子体MBE法形成。
本第4实施例的多量子阱结构的发光层，是从Si基板侧朝向取出发光的方向，使第1～第4重层部依次叠层而构成。构成第1～第4重层部的单元重层部分的数量都为1。该单元重层部分的阱层都由In组成同为0.18的n型Ga0.82In0.18N层构成。构成最接近Si基板的表面而配置的第1重层部的单元重层部分的阱层的层厚为8nm。构成重叠于第1重层部的第2重层部的单元重层部分的阱层的层厚为6nm。构成重叠于第2重层部的第3重层部的单元重层部分的阱层的层厚为4nm。构成重叠于第3重层部的位于发光的取出方向的最上面的第4重层部的单元重层部分的阱层的层厚为2nm。
另外，虽然构成上述的第1～第4重层部的单元重层部分的势垒层都由n型GaN层构成，但是在各重层部中该势垒层的层厚不同。构成第1重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为10nm。构成重叠于第1重层部的第2重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为8nm。构成重叠于第2重层部的第3重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为6nm。另外，构成重叠于第3重层部的构成发光的取出方向的最上部的第4重层部的单元重层部分的势垒层的层厚为4nm。即，构成具有层厚最大的势垒层(层厚10nm)的第1重层部的单元重层部分如上所述为1，与此相对，使构成具有层厚比其薄的势垒层的第2～第4重层部的单元重层部分的合计的叠层数(＝3)更多，从而形成了发光层。
即，从Si基板的表面侧朝向发光的取出方向，依次排列放射更短的波长的光的重层部(从第1重层部向第4重层部依次进行配置)，从而构成了多量子阱结构的发光层。另外，第1重层部是使其单元重层部分的Ga0.82In0.18N阱层接合于其下部的n型GaN覆盖层而形成。第2重层部使构成第2重层部分的单元重层部分的Ga0.82In0.18N阱层接合于构成第1重层部的表面的n型GaN势垒层而形成。并且，第3重层部是使Ga0.82In0.18N阱层接合于构成第2重层部的表面的n型GaN势垒层的表面而形成。同样地，第4重层部是使Ga0.82In0.18N阱层接合于构成第3重层部的表面的n型GaN势垒层的表面而形成。
然后，在如上述那样构成的多量子阱结构的发光层上，沉积记载于上述的第1实施例的由p型GaN构成的p型覆盖层，形成了具有pn结型的发光部的LED用途的叠层结构体。在该叠层结构体上实施与记述于上述的第1和第2实施例同样的加工，形成了n型和p型两方的欧姆电极，从而制作了成发光元件。
从制作出的上述的发光元件与记载于第3实施例的发光元件同样地，发出强度高的白色光。在本第4实施例中，作为发光层构成为：从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向，依次排列发出更短的波长的光的重层部、即具有使In组成相同但是使层厚更小的GaXIn1-XN阱层的重层部。即，在基板的表面侧，配置包含量子能级低且带来含有长波长的发光成分的多波长的发光的阱层的重层部，在发光的取出方向，配置包含量子能级高且带来含有更短波长的发光成分的多波长的发光的阱层的重层部，从而构成多量子阱结构的发光层。虽然短波长的光在通过进行长波长的发光的阱层时被吸收，但是在该第4实施例中，因为是不让短波长的光通过进行更长波长的发光的阱层的构成，所以从配置于基板表面侧的重层部的阱层放射的光不会被配置于光的取出方向的重层部的阱层吸收，能够向外部视野方向透射，与通过使包含具有薄的层厚的势垒层的单元重层部分的重层数的总和更多所产生的效果相辅相成，能够使从构成重层部的各阱层放射的宽波长范围的发光高效地向视野方向取出。因此，能够使放射的多波长的光强度在宽的波长范围提高，得到了高强度的白色发光。
产业上的利用可能性
本发明的III族氮化物半导体发光元件，是将多个重层部层叠而构成多量子阱结构的发光层，所述重层部是1个或2个以上的由阱层和势垒层构成的单元重层部分层叠而成的，在重层部彼此中，单元重层部分的势垒层相互层厚不同。
其结果，因为势垒层的层厚越薄，从阱层射出的光(电子波)越容易透射，所以通过使势垒层的层厚较薄，能够在宽的波长范围提高从阱层射出的多波长光的强度。
因此，能够举出使从一个多量子阱结构的发光层放射的光的波长为更多波长的效果，能够在简单的构成下简便地得到白色光。其结果，不需要分别个别地设置放射光的三原色的各色和/或存在补色关系的2色的发光层。
另外，在多量子阱结构的发光层之中，相比于具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数，使具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多，所以可更有效地在宽波长范围提高从阱层射出的多波长的光强度，能够进一步扩大波长范围，能够提供提高了产业上的可利用性的III族氮化物半导体发光元件。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。
Claims (4)
1.一种III族氮化物半导体发光元件，具有基板和设置于该基板的表面上的具有由III族氮化物半导体形成的势垒层和由含铟的III族氮化物半导体形成的阱层的多量子阱结构的发光层，
该发光元件的特征在于，
所述多量子阱结构的发光层是层叠多个重层部而构成的，所述重层部是具有1个由阱层和势垒层构成的单元重层部分而构成的，或者是使2个以上的该单元重层部分层叠而构成的，
在所述重层部的单元重层部分为2个以上的情况下，其阱层彼此以及势垒层彼此的层厚和组成分别相同，
所述重层部彼此的单元重层部分的势垒层的层厚相互不同；
与具有层厚最大的势垒层的单元重层部分的叠层数相比，具有更薄的层厚的势垒层的单元重层部分的叠层数的总和更多。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述重层部彼此的单元重层部分的阱层的层厚或组成的至少任一方相互不同。
3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述发光层从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向依次排列有发出更短的波长的光的重层部。
4.根据权利要求3所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，所述发光层从基板的表面侧朝向取出来自发光层的发光的方向依次排列有具有更薄的层厚的阱层的重层部。
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