CN101853909A - Ⅲ族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种III族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法，所述发光元件包括：作为III族氮化物化合物半导体的单晶层的第一层，所述第一层在缓冲层上形成并且包括穿透位错；在第一层上形成的III族氮化物化合物半导体的第二层，所述第二层包括凹坑和平坦部，其中所述凹坑从穿透位错延续，并且具有沿所述第二层的生长方向扩展的与衬底平行的截面；发光层，其包括对应于第二层的平坦部和凹坑的平坦部和凹坑。发光层的凹坑中的铟浓度小于发光层的平坦部中的铟浓度。与其中不存在凹坑的情况相比，其发光光谱宽度得到扩展。

Description

Ⅲ族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法
相关申请
本申请要求2009年3月30日提交的日本专利申请2009-081148的优先权，通过引用将其内容并入本文。
技术领域
本发明涉及III族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法。在本申请中，III族氮化物化合物半导体表示由化学式AlxGayIn1-x-yN(0≤x、y、x+y≤1)表示的半导体、通过任意杂质进行p掺杂或者n掺杂的该半导体、以及其中部分III族元素或者V族元素被B或者Ti和P、As、Sb和Bi所替代的该半导体。
背景技术
随着使用III族氮化物化合物半导体元件的发光器件变得普遍，将这种器件应用于普通照明正在得到发展。例如，已经使用III族氮化物化合物半导体发光元件作为白色灯的替代。大量制造的使用III族氮化物化合物半导体元件的这种白色照明器件是RGB多白色型(multi white type)和磷光体组合型。
多白色型发光器件通过将由蓝色、绿色和红色发光元件发出的光混合来发射白光。例如，蓝色发光元件和绿色发光元件是III族氮化物化合物半导体元件，红色发光元件是GaAs系发光元件。作为另一种发光器件，提出整体型发光元件来替代多白色型发光元件中的两个或者三个。在整体型中，多个发光层沿着垂直方向堆叠。
磷光体组合型通过利用黄色磷光体和蓝色发光元件而将黄色光和蓝色光混合来发射白光。蓝色发光元件发射可见的蓝色光和紫外光。黄色磷光体将由蓝色发光元件发出的紫外光转化为黄色光。黄色光与由蓝色发光元件发出的蓝色光混合，从而产生白光。
JP-A-2005-129905和JP-A-2008-218746是本申请的相关技术。
多白色型发光器件由于需要三种发光元件来配置一个白光器件，所以制造成本高，并且具有复杂的堆叠结构以形成整体型器件。另一方面，因为预期环境不友好型元素和化合物的选择对于磷光体而言变得困难，所以磷光体可变得难以选择。
根据相关技术JP-A-2005-129905，在发光层形成期间，需要通过利用掩模来蚀刻从而仅仅在发光层下的表面上形成粗糙结构，以形成发射不同波长的光的区域。与发光元件常规制造方法相比，因为该技术需要在外延生长期间在单独的机器中进行掩模形成和蚀刻，所以该技术需要增加的工作量和高制造成本。
根据相关技术JP-A-2008-218746，配置一种蓝色发光元件。本申请的发明人在大量试验之后发现了重要的事实。
发明内容
本发明的示例性实施方案通过简单容易的方法无需增加工作量和制造成本而提供发射白色光或者其它颜色光的发光元件。
本发明示例性实施方案的第一方面是一种III族氮化物化合物半导体发光元件，其具有由至少包含铟的III族氮化物化合物半导体形成的发光层，包括：衬底；在所述衬底上形成的缓冲层；作为III族氮化物化合物半导体的单晶层的第一层，所述第一层在缓冲层上形成并包括穿透位错(threading dislocation)；在所述第一层上形成的III族氮化物化合物半导体的第二层，所述第二层包括凹坑(pit)和平坦部，其中所述凹坑从所述穿透位错延续，在第二层生长期间形成，并且具有沿第二层的生长方向扩展的与衬底平行的截面；发光层，所述发光层在所述第二层上同时沿着所述第二层的凹坑和所述第二层的平坦部形成，以形成发光层的平坦部和发光层的凹坑，发光层凹坑中的铟浓度小于发光层平坦部中的铟浓度；和在所述发光层上形成的III族氮化物化合物半导体的第三层。
发光层表示基于注入的电子和空穴的复合而发光的层。因此，发光层包括所谓的有源层。本发明示例性实施方案的发光元件包括发光二极管(LED)和激光器。在其中采用多量子阱结构的情况下，对于多量子阱结构每个阱层，发光层厚度的优选范围是等于或者大于1nm以及等于或者小于10nm。
第二层的平坦部是与衬底的主表面平行的第二层的表面部分。换言之，第二层的平坦部是除了凹坑之外的第二层的表面部分。
发光层的平坦部是对应于第二层的平坦部的上侧的平坦部。发光层的凹坑是对应于第二层的凹坑所形成的部分。
其光谱宽度相对于其中不存在凹坑的情况下发光光谱而扩展的发光光谱表示其光谱宽度由于两个发光光谱的交叠而扩展的这种发光光谱：两个发光光谱之一源于平坦部，另一个源于其中铟浓度小的凹坑。与普通单色LED的小于100nm的半值宽度相比，由于半值宽度扩展，本发明示例性实施方案的半值宽度大于120nm，并进一步大于150nm。即，示例性实施方案的半值宽度是仅仅源于平坦部的发光光谱的半值宽度的1.2倍或者1.5倍以上。例如，在相关技术JP-A-2005-129905(第38段)中，随着凹坑的存在发光波长没有改变，并且发光光谱没有扩展。本发明的示例性实施方案深而致密地形成凹坑，从而影响发光光谱。本发明的示例性实施方案的特征在于：穿过第一层并源于缓冲层的穿透位错转变为凹坑，所述凹坑的与衬底平行的截面沿第二层中的生长方向扩展。措辞“凹坑”描述源于微小柱形穿透位错并且具有倾斜表面的任意对象。因此，措辞“凹坑”的含义不限于特定的对象。
其截面扩展的凹坑在第二层的生长期间形成。凹坑不是通过蚀刻同时终止第二层的外延生长而形成。
无机晶体衬底例如蓝宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)、尖晶石(MgAl2O4)、氧化锌(ZnO)和氧化镁(MgO)以及III-V族化合物半导体例如磷酸镓和砷化镓作为衬底。III族化合物半导体层的优选制造方法是金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者金属有机气相外延(MOVPE)。分子束外延(MBE)和各种生长方法可用于III族化合物半导体层的生长。
形成缓冲层以减小衬底和III族化合物半导体层之间的晶格失配。缓冲层不是单晶层而是无定形层、多晶层、以及多晶和微晶的混合物层。在低温下形成的AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)优选作为缓冲层。AlxGa1-xN(0≤x≤1)更优选用于缓冲层。缓冲层可为单层结构并且可为不同组成层的多层结构。缓冲层的制造方法可为在等于或大于380℃以及等于或者小于600℃的低温下实施的方法，并且可为在等于或者大于1000℃以及等于或者小于1180℃的温度范围下的MOCVD。在其中缓冲层在低温范围下形成的情况下，对于AlN缓冲层，温度范围优选等于或大于380℃以及等于或者小于420℃，对于GaN缓冲层，温度范围优选等于或大于500℃以及等于或者小于600℃。
而且，能够利用DC磁控溅射机器以及高纯度铝和氮气作为材料通过反应性溅射形成AlN缓冲层。利用类似的方法，可形成由通式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1，任意组成比例)表示的缓冲层。而且，可使用沉积、离子镀、激光烧蚀和ECR。对于通过物理沉积形成的缓冲层，优选温度范围等于或大于200℃以及等于或者小于600℃。特别地，优选温度范围等于或大于300℃以及等于或者小于600℃，并且更优选温度范围等于或大于350℃以及等于或者小于450℃。在其中采用物理沉积例如溅射的情况下，存在交替形成GaN层和AlxGa1-xN层的方法。存在在不同温度范围中交替形成相同组成的层的其它方法，所述温度之一等于或者小于600℃，另一等于或大于1000℃。当然这些方法可组合并且可堆叠三种以上的AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)以用于多层结构。通常，缓冲层是非晶层，中间层是单晶层。作为一对缓冲层和中间层的一个单元，所述单元可以以任意次数重复地形成。重复次数越增加，则晶体品质改善越大。
也可以在第二缓冲层上生长的第一缓冲层上形成III主族化合物半导体层。在低温下生长第二缓冲层之后，在高温下生长第一缓冲层。
形成缓冲层以控制通过在缓冲层上生长的第一层到达第二层的穿透位错密度。通过第一层到达第二层的穿透位错的密度可通过缓冲层的厚度和生长温度控制。穿透位错密度的可控范围是几乎106～1011/cm2，并且优选108～1010/cm2，缓冲层的厚度等于或者大于
Figure GSA00000053429200041
以及等于或者小于
Figure GSA00000053429200042
优选等于或者大于
Figure GSA00000053429200043
以及等于或者小于
Figure GSA00000053429200044
并更优选等于或者大于
Figure GSA00000053429200045
以及等于或者小于
Figure GSA00000053429200046
在发光层中形成的凹坑的开口的面积可通过第二层的厚度控制。而且，发光层的凹坑中和发光层的平坦部中的铟浓度可通过生长期间铟的供给量和生长温度来控制。用于发光层的优选生长温度范围等于或者大于600℃以及等于或者小于900℃，用于平坦部的III族元素中的铟组成等于或者大于0.05以及等于或者小于0.5，以扩展发光光谱。
本发明示例性实施方案的第二方面是发光光谱具有最少两个峰。换言之，发光光谱具有多个峰。例如，其是两个驼峰形的发光光谱，包括在由发光层的平坦部发出的光的波长处的一个峰以及在由发光层的凹坑发出的光的波长处的另一个峰。在发光光谱中存在两个峰的情况下，如果两个峰之间的差等于或者大于50nm以及等于或者小于150nm，则在可见波长范围内的颜色混合是可能的。在这种情况下，优选两个峰的发光强度基本相同。如果发光强度之一大于另一个，则优选较大的那个为较小的那个的1.5倍以内，优选为较小的那个的1.2倍以内。
本发明示例性实施方案的第三方面是第二层是氮化镓。在第二层和发光层之间，可存在单层或者不同材料的多个其它层例如覆层。在这种情况下，重要的是这种层例如覆层应将凹坑从第二层延长至发光层和其它层之间的界面。
发光层可为单量子阱结构并且可为多层量子阱结构。第三层可为单层或者不同材料的多层例如覆层和接触层。
氮化镓第二层在生长之后容易控制或者处理。相反，包括铟的层不易于控制其组成。因为需要保持晶体品质同时形成凹坑，所以优选氮化镓。
本发明示例性实施方案的第四方面是第二层的平坦部的主表面是C面，形成凹坑的侧表面是以除了法线角之外的角度与C面相交的小平面(facet)。
本发明示例性实施方案的第五方面是小平面是(10-11)面。
在第四和第五方面中，第二层的平坦部的主表面可不为C面，形成凹坑的侧表面可不为显示出低指数面(index surface)的小平面。小平面可不为(10-11)面。
本发明示例性实施方案的第六方面是发光层的平坦部发射绿色光或者红色光，发光层的凹坑发射紫色光或者蓝色光。发光层的平坦部是在第二层的平坦部上的部分。发光层的凹坑是在第二层的凹坑上的部分。
本发明示例性实施方案的第七方面是发光层的发光颜色是白色。
本发明示例性实施方案的第八方面是一种制造III族氮化物化合物半导体发光元件的方法，所述发光元件具有由至少包括铟的III族氮化物化合物半导体形成的发光层，所述方法包括：在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成第一层，所述第一层是III族氮化物化合物半导体的单晶层，并且包括穿透位错；形成包括凹坑和平坦部的III族氮化物化合物半导体的第二层，所述凹坑从所述穿透位错延续，与所述衬底平行的所述凹坑的截面沿第二层的生长方向扩展；在第二层上同时沿着所述第二层的平坦部和所述第二层的凹坑形成发光层，所述发光层包括平坦部和凹坑；与其中不存在凹坑的情况下的发光光谱宽度相比，通过相比于发光层的平坦部中的铟浓度而减小发光层的凹坑中的铟浓度来扩展发光光谱宽度；和在发光层上形成III族氮化物化合物半导体的第三层。
第八方面的制造方法的特征在于：源自缓冲层的穿透位错在第二层中转变为凹坑，使得与表面平行的凹坑的截面沿生长方向扩展。措辞“凹坑”描述源自微小柱形穿透位错并且具有倾斜表面的任意对象。因此，措辞“凹坑”的含义不限于具体对象。截面扩展的凹坑在第二层的生长期间形成。所述凹坑不通过蚀刻同时终止第二层的外延生长来形成。
发光元件的发光光谱的扩展量由第二层中穿透位错的密度和凹坑的平均面积以及发光层(阱层)的厚度的乘积所确定。
第二层中穿透位错的密度可通过缓冲层的厚度以及生长温度控制，凹坑的面积可通过第二层的厚度和生长温度控制。在示例性实施方案的详细说明中对这些进行了解释。
本发明示例性实施方案的第九方面是用于第二层的生长温度等于或者小于1000℃。用于第二层的生长温度优选等于或者大于700℃以及等于或者小于1000℃。如果用于第二层的生长温度小于700℃，则第二层的晶体品质劣化，使得发光元件无法获得足够的功能性并且发光元件的特性变得不均匀。对于第二层的生长，优选温度范围等于或大于800℃以及等于或者小于970℃，对于第二层的生长，更优选温度范围等于或大于850℃以及等于或者小于950℃。
特别地，在其中第二层是GaN的情况下，用于第二层的生长温度等于或者大于800℃以及等于或者小于1000℃，优选等于或者大于850℃以及等于或者小于970℃，更优选等于或者大于870℃以及等于或者小于950℃。
另一方面，在其中第二层包含铟的情况下，用于第二层的生长温度等于或者大于700℃以及等于或者小于900℃，优选等于或者大于750℃以及等于或者小于870℃，更优选等于或者大于770℃以及等于或者小于850℃。
上述生长方法用于沿生长方向扩展与衬底平行的凹坑的截面。除上述生长方法之外，可采用其它生长条件来限制截面的扩展。虽然V/III比例在其中形成平坦C面的所谓垂直生长中相对小，但是本发明示例性实施方案优选具有相对大的V/III比例以增强横向生长。在其中通过MOVPE使得V/III比例相对大的情况下，V/III比例等于或者大于2000以及等于或者小于40000，优选V/III比例等于或者大于5000以及等于或者小于40000，更优选V/III比例等于或者大于5000以及等于或者小于10000。在其中V/III比例设定为常规值的情况下，V/III比例等于或者大于500以及等于或者小于2000。
本发明示例性实施方案的第十方面是第二层是氮化镓。
本发明示例性实施方案的第十一方面是发光层的生长温度等于或者大于600℃以及等于或者小于900℃。因此，与平坦部相比，能够减小凹坑中的铟组成比例，使得发光光谱扩展并且具有两个峰。在其中采用多层量子阱结构情况下，对于发光层的每个阱层，厚度范围优选等于或者大于1nm以及等于或者小于10nm。
当作为至少包含铟的发光层的下层的第二层具有凹坑(其与衬底平行的截面沿生长方向扩展)时，因为平坦部和凹坑中铟浓度的差异，所以发光层的平坦部和凹坑各自发出不同波长的光。换言之，因为发光层的平坦部具有预定铟浓度，发光层的凹坑具有相对低的铟浓度，所以对于发光层的平坦部在特定波长处存在发光峰，对于发光层的凹坑在比发光层的平坦部的波长较短的波长处存在发光峰。
因此，本发明示例性实施方案的发光元件具有发光光谱，该发光光谱的谱带宽度相对于其中不存在凹坑的情况下得到扩展。
如果发光层的平坦部发射例如绿色光或者红色光，发光层的凹坑发射例如紫色光或者蓝色光，由此提供白色发光元件。
为了制造这种发光元件，在缓冲层、第一层和第二层以此顺序在衬底上生长的同时，源自缓冲层的穿透位错通过第一层转化为第二层中的凹坑。因此，因为外延生长速度快，所以发光层的平坦部获得预定的铟浓度。因为外延生长慢，所以发光层的凹坑获得低的铟浓度。
因此，发光层中的铟组成以及凹坑的倾斜表面的总面积和平坦部的面积之间的面积比，能够基于发光层平坦部中铟组成来控制发光波长、发光层的凹坑的发光波长、以及平坦部和凹坑的发光强度之间的比例。因此，例如通过简单容易的制造方法可提供白色发光元件。
如后续所描述的那样，可精确地控制仅仅在发光层下的层中的小平面的形成。换言之，当III族化合物半导体层在等于或者小于1000℃、或者等于或者大于900℃的温度下外延生长时，进行外延生长同时形成多个六角形锥状凹陷，所述凹陷的表面上具有(10-11)面。具有上划线的数字表示负密勒指数。图1显示了示出六方晶的晶胞的(10-11)面的透视图。在图1中，晶胞用虚线描述为六角形柱，al、a2、a3和c是晶轴。(10-11)面例如是包括晶胞正六边形下表面的一个边和与下表面的一个边平行的上表面的对角线的面。
上述小平面源自晶体缺陷，特别是高温单晶层的第一层中的穿透位错。在异质衬底上形成缓冲层之后在高温下外延生长第一层的同时，第一层中的晶体缺陷从缓冲层中的晶体缺陷延续。
为了产生用于第二层中小平面的大量来源，优选将缓冲层制造为多晶，以包含许多晶体缺陷。在此阶段中，优选使得缓冲层较厚。
通过在等于或者小于1000℃以及等于或者大于900℃的温度下外延生长第二层的同时使得第二层的厚度较厚，能够改变第二层中小平面的尺寸。
为了在第二层中形成小平面，在发光层和第二层(第二层在等于或者小于1000℃以及等于或者大于900℃的温度下外延生长)之间可插入其它任意层。在这种情况下，至少在仅仅发光层下的层中存在小平面是必要的。
根据本发明示例性实施方案的方面，能够仅仅通过在外延生长期间的温度控制和厚度控制，来控制第二层中小平面的数目和面积。该优点意味着可实施外延生长而没有由于在外延生长机器的外部实施的工艺例如施加用于掩模形成以及光刻曝光的抗蚀剂所导致的终止(termination)。因此，与JP-A-2005-129905相比，可易于以低的制造成本来制造白色发光元件。
附图说明
图1是显示六方晶的晶胞的(10-11)面的透视图。
图2A是在1100℃下形成的对比例的GaN表面的AFM图像。
图2B是在900℃下形成的一个示例性实施方案的GaN第二表面的AFM图像。
图3是图2B中显示的示例性实施方案的GaN样品的俯视图。
图4A是在
Figure GSA00000053429200091
厚度的缓冲层上形成的GaN第二表面的AFM图像。
图4B是在
Figure GSA00000053429200092
厚度的缓冲层上形成的GaN第二表面的AFM图像。
图5是根据示例性实施方案的III族氮化物化合物半导体元件100的截面图。
图6是III族氮化物化合物半导体元件100的发光光谱图。
具体实施方式
在本发明的示例性实施方案中，可使用任何常规技术来制造所述III族氮化物化合物半导体元件。
通过调节缓冲层的厚度为例如等于或者大于
Figure GSA00000053429200093
以及等于或者小于能够控制作为小平面起源的晶体缺陷的数目。
例如，在其中GaN层形成小平面作为第二层的情况下，通过调节GaN层的厚度为等于或者大于500nm以及等于或者小于6μm，能够控制各小平面的尺寸。
对于发光的单发光层、或者单量子阱结构或者多量子阱结构的阱层，优选设定铟组成为等于或者大于0.05以及等于或者小于0.5。特别地，优选设定铟组成为等于或者大于0.3以及等于或者小于0.5，以获得白色发光元件。
[关于形成小平面]
作为初始的试验，证实通过本发明的示例性实施方案可控制凹坑的数目(密度)和尺寸。在以下全部说明中，使用金属有机气相外延用于晶体生长。
图2A是n型GaN层(第一层)的表面的原子力显微镜(AFM)图像。通过在C面蓝宝石衬底上在400℃下形成厚度为
Figure GSA00000053429200101
的AlN的缓冲层之后，在1100℃下形成硅掺杂的n型GaN层来形成n型GaN层。图2B是未掺杂GaN层(第二层)的原子力显微镜(AFM)图像。通过在C面蓝宝石衬底上在400℃下形成厚度为
Figure GSA00000053429200102
的AlN缓冲层并且在缓冲层上在1100℃下形成硅掺杂的n型GaN层之后，在900℃下形成未掺杂GaN层以形成未掺杂GaN层。图2A和2B显示10μm×10μm的正方形区域。
在图2A中，除了显示为黑色区域的大的波状凹陷之外，仅仅看到可数的凹坑。换言之，因为即使存在穿透位错，利用AFM也不能在这种放大倍数范围观察到穿透位错，所以穿透位错没有转变为凹坑。
另一方面，在图2B中，在相对低温下生长的GaN层(第二层)的表面上可观察到大量凹陷。这种凹陷的密度为1000/100μm2，并且该密度与穿透位错密度的水平相同。换言之，凹坑源自通过第一层到达第二层的穿透位错。因为凹坑的侧表面在倾斜表面上，所以当层厚度增加时各凹坑的开口扩展。
图3是图2B的AFM图像中显示的GaN样品的俯视图。在图2B中观察到的黑色的大凹陷具有倾斜的侧表面，并且可发现该倾斜的侧表面是(10-11)面。
如上所述，通过在小于1000℃优选900℃下，而非在据说是形成高品质单晶的温度范围的1000～1100℃下，外延生长第二层，在第二层的表面上可形成大量凹陷。凹陷具有倒六角锥形的侧表面，并且其侧表面为(10-11)面。因此，易于形成由以除了90度之外的角度与C面相交的小平面所构成的凹坑。
虽然图2A、2B和3显示其中第二层的平坦部是C面并且小平面是(10-11)面的情况，但是可容易地理解，该情况类似于其中第二层的平坦部不是C面的情况、以及其中凹坑不是由除了(10-11)面之外的小平面所构成的情况。
然后，检验缓冲层厚度的影响。
图4A是未掺杂GaN层(第二层)的原子力显微镜(AFM)图像。通过在C面蓝宝石衬底上在400℃下形成厚度为
Figure GSA00000053429200111
的AlN的缓冲层并且在1100℃下形成硅掺杂的N型GaN层(第一层)之后，形成未掺杂的GaN层来形成未掺杂的GaN层。图4B是未掺杂GaN层(第二层)的原子力显微镜(AFM)图像。通过在C面蓝宝石衬底上在400℃下形成厚度为
Figure GSA00000053429200112
的AlN缓冲层并且在缓冲层上形成硅掺杂的GaN层(第一层)之后，在900℃下形成未掺杂的GaN层以形成未掺杂GaN层(第二层)。图4A和4B显示10μm×10μm的正方形区域。
图4A中观察到凹坑的密度为1000/100μm2，图4B中观察到的密度为其两倍。
比较图4A和4B时，可发现当缓冲层变厚时，由作为第二层的GaN层的小平面包围的凹陷的数目增加。其原因是：GaN层下的缓冲层越厚，则在GaN层外延生长作为第二层开始时源自小平面表面的晶体缺陷的数目越多。换言之，随着底部缓冲层厚度增加，晶体的核密度增加。
虽然图4A和4B显示其中第二层的平坦部是C面并且小平面是(10-11)面的情况，但是可容易地理解，该情况类似于其中第二层的平坦部不是C面的情况、以及其中凹坑不是由除了(10-11)面之外的小平面所构成的情况。
在上述说明中，虽然说明了其中使用蓝宝石衬底的C面的情况，但是在其中使用蓝宝石衬底的A面的情况下获得类似结果。
                    第一示例性实施方案
考虑到上述事实，制造了发射白色光的发光元件。该发光元件通过在发光层的C面中发射黄色光并且在发光层的(10-11)小平面中发射蓝色光，来发射白色光。
图5是第一示例性实施方案的III族氮化物化合物半导体发光元件100的截面视图。
III族氮化物化合物半导体发光元件100包括：C面蓝宝石衬底10、AlN缓冲层20、硅掺杂的n型GaN层30(第一层)、未掺杂的GaN层35(第二层)、多量子阱结构的发光层40、以及Mg掺杂的p型GaN层50(第三层)。AlN缓冲层20在400℃下形成为具有
Figure GSA00000053429200121
的厚度。硅掺杂的n型GaN层30(第一层)在1100℃下形成为4μm。未掺杂的GaN层35(第二层)在900℃下形成为300nm。多量子阱结构的发光层40具有在800℃下形成厚度为3nm的未掺杂In0.35Ga0.65N层的阱层。Mg掺杂的p型GaN层50在1100℃下形成为具有200nm的厚度。
根据下述发光光谱，多量子阱结构的发光层40的阱层的组成似乎基本上变为在未掺杂的GaN层35的小平面上的In0.15Ga0.85N。
图6显示III族氮化物化合物半导体发光元件100的发光光谱。该发光光谱是在6个阶段：1mA、5mA、10mA、20mA、30mA和50mA中改变注入电流时绘制的。
III族氮化物化合物半导体发光元件100的发光光谱在465nm波长和570nm波长处显示出峰，以及在可见波长内的足够强的强度和相当宽的范围。该结果表明：发光层40的多量子阱结构的阱层的组成从GaN层35的C面的上部平稳地变化至小平面的上部。而且，色坐标(x，y)是(0.3171，0.3793)。
在图6的发光光谱中，可获得如下半值宽。在其中注入电流是50mA的情况下，其中发光强度是570nm峰的一半的波长范围是440nm至610nm，并且半值宽度是170nm。对于另一注入电流值，半值宽度也基本是170nm。在其中发光元件形成为不具有在900℃下形成为300nm厚度的未掺杂GaN层(第二层)35的情况下，在其发光光谱中在570nm下存在单峰，半值宽度为80nm。
在图6的发光光谱中，两个峰波长是465nm和570nm，其间之差为105nm。而且，在注入电流等于或者大于1mA以及等于或者小于50mA的范围内，465nm波长的发光强度对570nm波长的发光强度的比例是0.9至1.1。
即，第一示例性实施方案的III族氮化物化合物半导体发光元件100是具有高显色性的白色发光元件，其在可见波长相当宽的范围内具有足够发光强度并且发光的白度非常高。
为了获得如上所述的扩展发光光谱，优选使得发光层中的铟组成为0.05至0.5，更优选0.3至0.5。各阱层中发光层的厚度优选为1至10nm。而且，生长温度优选为600至900℃。
虽然上述第一示例性实施方案显示其中第二层的平坦部是C面并且凹坑由(10-11)小平面形成的情况，但是其中第二层的平坦部不是C面的情况以及其中凹坑由除了(10-11)小平面之外的小平面形成的情况是相类似的。换言之，本发明示例性实施方案的本质点是：当顺序形成衬底、缓冲层、第一层和第二层时，源自缓冲层并且通过第一层到达第二层的穿透位错变为其与衬底平行的截面沿第二层中生长方向扩展的凹坑。在这点上，第二层的平坦部不限于C面，凹坑的小平面不限于(10-11)面。
在上述第一示例性实施方案中，虽然描述了其发光光谱分别在蓝色范围和黄色范围处具有峰的白色发光元件，但是本发明的示例性实施方案可应用于其发光光谱相对于其中不存在凹坑的情况的发光光谱具有扩展的谱带宽度的任何颜色的发光元件。例如，通过在发光层形成期间改变铟的供给，可以和上述示例性实施方案相同地形成其发光光谱在绿色范围和红色范围中扩展的发光元件。
通过平坦部对凹坑的面积尺寸的比例，可容易地控制在两个峰中的长波长处对短波长处的发光强度的比例。发光强度的比例的控制是：在形成缓冲层时控制穿透位错的起源的数目以及通过控制第二层的厚度来控制各凹坑的面积尺寸。
虽然本发明已经参考其特定的示例性实施方案进行了描述和说明，但是本领域技术人员应理解可做出各种形式和细节上的变化而没有脱离由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种III族氮化物化合物半导体发光元件，其具有由至少包含铟的III族氮化物化合物半导体形成的发光层，所述III族氮化物化合物半导体发光元件包括：
衬底；
在所述衬底上形成的缓冲层；
作为III族氮化物化合物半导体的单晶层的第一层，所述第一层在所述缓冲层上形成并且包括穿透位错；
在所述第一层上形成的III族氮化物化合物半导体的第二层，所述第二层包括凹坑和平坦部，其中所述凹坑从所述穿透位错延续、在所述第二层生长期间形成、并且具有沿着所述第二层的生长方向扩展的与所述衬底平行的截面；
发光层，所述发光层在所述第二层上同时沿着所述第二层的凹坑和所述第二层的平坦部形成从而形成凹坑和平坦部，所述发光层的凹坑中的铟浓度小于所述发光层的平坦部中的铟浓度；
在所述发光层上形成的III族氮化物化合物半导体的第三层；和
与其中不存在凹坑的情况下相比发光光谱宽度扩展。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述发光光谱具有至少两个峰。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述第二层是氮化镓。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述第二层的所述平坦部的主表面是C面，形成所述凹坑的侧表面是以除了法线角之外的角度与所述C面相交的小平面。
5.根据权利要求4所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述小平面是(10-11)面。
6.根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述发光层的所述平坦部发射绿色光或者红色光，所述发光层的所述凹坑发射紫色光或者蓝色光。
7.根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，其中所述发光层的发光颜色是白色。
8.一种制造III族氮化物化合物半导体发光元件的方法，所述发光元件具有由至少包含铟的III族氮化物化合物半导体形成的发光层，所述方法包括：
在衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成第一层，所述第一层是III族氮化物化合物半导体的单晶层并且包括穿透位错；
形成包括凹坑和平坦部的III族氮化物化合物半导体的第二层，所述凹坑从所述穿透位错延续，所述凹坑的与所述衬底平行的截面沿着所述第二层的生长方向扩展；
在所述第二层上同时沿着所述第二层的所述平坦部和所述第二层的所述凹坑形成发光层，所述发光层包括平坦部和凹坑；
与其中不存在凹坑的情况的发光光谱宽度相比，通过相比于所述发光层的所述平坦部中的铟密度而减小所述发光层的所述凹坑中的铟密度从而扩展发光光谱宽度；和
在所述发光层上形成III族氮化物化合物半导体的第三层。
9.根据权利要求8所述的制造III族氮化物化合物半导体发光元件的方法，其中所述第二层的生长温度等于或者小于1000℃。
10.根据权利要求9所述的制造III族氮化物化合物半导体发光元件的方法，其中所述第二层是氮化镓。
11.根据权利要求10所述的制造III族氮化物化合物半导体发光元件的方法，其中所述发光层的生长温度等于或者大于600℃并且等于或者小于900℃。
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