CN102124578A - Ⅲ族氮化物半导体光元件 - Google Patents

Ⅲ族氮化物半导体光元件 Download PDF

Info

Publication number
CN102124578A
CN102124578A CN2010800013406A CN201080001340A CN102124578A CN 102124578 A CN102124578 A CN 102124578A CN 2010800013406 A CN2010800013406 A CN 2010800013406A CN 201080001340 A CN201080001340 A CN 201080001340A CN 102124578 A CN102124578 A CN 102124578A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nitride semiconductor
iii nitride
layer
iii
mentioned
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800013406A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102124578B (zh
Inventor
上野昌纪
善积祐介
盐谷阳平
京野孝史
秋田胜史
住友隆道
足立真宽
德山慎司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of CN102124578A publication Critical patent/CN102124578A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102124578B publication Critical patent/CN102124578B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3202—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth
    • H01S5/320275—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth semi-polar orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen characterised by the doping materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

一种III族氮化物半导体光元件(11a)，包括：III族氮化物半导体基板(13)，具有与基准平面(Sc)成有限的角度的主面(13a)，基准平面(Sc)与c轴方向上延伸的基准轴(Cx)正交；和量子阱结构的活性层(17)，被设置于III族氮化物半导体基板(13)的主面(13a)上，并包含由III族氮化物半导体构成的阱层(28)及由III族氮化物半导体构成的多个势垒层(29)，主面(13a)显示半极性，活性层(17)具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度，多个势垒层(29)在与阱层(28)的III族氮化物半导体基板一侧的下部界面(28Sd)接触的上部界面附近区域(29u)含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。

Description

Ⅲ族氮化物半导体光元件
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物半导体光元件。
背景技术
下述专利文献1～3中，公开了一种含有多量子阱结构的活性层的氮化物半导体元件。上述氮化物半导体元件中，活性层的势垒层含有n型杂质。因此，专利文献1的氮化物半导体元件中，可降低振荡阈值而实现元件的长寿命化，专利文献2的氮化物半导体元件中，可降低正向电压(forward voltage)而不使元件特性恶化，专利文献3的氮化物半导体元件中，可提高逆向耐压特性。
下述专利文献4中，公开了一种包含III族氮化物发光层的发光半导体元件的制造方法。该方法中，为了减少压电电场的大小，使上述III族氮化物发光层等生长在以从c面倾斜的半极性面作为主面的基板上。
专利文献
专利文献1：日本特开平11-298090号公报
专利文献2：日本特开2001-102629号公报
专利文献3：日本特开2002-084038号公报
专利文献4：日本专利第3955367号公报
发明内容
发明所欲解决的问题
作为III族氮化物半导体光元件，有在氮化镓(GaN)等III族氮化物基板上形成包含活性层等的半导体层叠体而成的原件。这种III族氮化物半导体光元件中，使用以c面作为主面的GaN基板时，活性层中会产生相对较大的应变。因此，会产生由压电电场所引起的量子斯塔克效应(quantum stark effect)，电子及空穴被空间分离而产生发光效率降低的问题。
如上述专利文献1～3中所记载，已知若使活性层的势垒层中含有n型杂质，则可屏蔽压电电场。因此，也考虑使用以c面作为主面的GaN基板而在活性层的势垒层中含有n型杂质的方法。
然而，已知在使用以c面作为主面的GaN基板的III族氮化物半导体光元件中，因活性层的阱层的组分波动所引起的定域能级(localized level)发光，元件的发光效率会变高。根据发明人的见解，上述III族氮化物半导体光元件中，若使活性层的势垒层中含有n型杂质，则阱层的组分波动会减少，元件的发光效率会降低。如此，使用以c面作为主面的GaN基板的III族氮化物半导体光元件中，若使活性层的势垒层中含有n型杂质，则因阱层的组分波动的变化而会导致元件特性劣化。由于上述原因，在使用以c面作为主面的GaN基板时，难以抑制压电电场的影响而获得具有充分的特性的III族氮化物半导体光元件。
为了抑制上述压电电场的不良影响，如上述专利文献4中所记载，已知一种使用以半极性面作为主面的GaN基板的III族氮化物半导体光元件。
然而，在以半极性面作为主面的基板上形成半导体层叠体时，半导体层叠体生长时各层的c面容易生长，由此会导致半导体层叠体的各层的形态恶化。由于该形态的恶化而导致半导体层叠体的结晶品质劣化，因此难以获得具有充分的特性的III族氮化物半导体元件。
已知，以半极性面作为主面的基板上形成半导体层叠体时，若如上述专利文献1～3中所记载使活性层的势垒层中含有n型杂质，则也可改善半导体层叠体的各层的形态(使形态平坦化)。然而，若势垒层中的n型杂质过剩，则半导体层叠体的结晶品质会劣化，因此若使势垒层中仅含有n型杂质，则有时难以充分改善半导体层叠体的结晶品质。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制压电电场的影响且具有高结晶品质的III族氮化物半导体光元件。
为了解决上述课题，本发明的一种III族氮化物半导体光元件，其特征在于，包括：III族氮化物半导体基板，由III族氮化物半导体构成，并具有与基准平面成有限的角度的主面，基准平面与该III族氮化物半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交；和量子阱结构的活性层，被设置于III族氮化物半导体基板的主面上，并包含由III族氮化物半导体构成的阱层和由III族氮化物半导体构成的多个的势垒层，主面显示半极性，活性层为外延层，具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度，多个的势垒层在与阱层的III族氮化物半导体基板一侧的界面接触的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。
本发明的III族氮化物半导体光元件中，在具有显示半极性的主面的III族氮化物半导体基板上设置有活性层，因此与在主面为c面的III族氮化物半导体基板上设置有活性层的III族氮化物半导体光元件相比较，可抑制压电电场的影响。
此外，本发明的III族氮化物半导体光元件中，活性层的势垒层在与阱层的III族氮化物半导体基板一侧的界面接触的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上的氧以外的n型杂质。由此可改善势垒层的形态，因此可改善以与该界面附近区域接触的方式在该界面附近区域上外延生长的阱层的形态，从而可提高活性层整体的结晶品质。此外，势垒层含有的n型杂质的浓度为1×1019cm-3以下，因此不会使阱层的形态恶化。此外，根据发明人的见解，通过使活性层中含有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的浓度范围的氧，可改善活性层的各层的形态，提高活性层的结晶品质。
本发明的III族氮化物半导体光元件中，势垒层含有氧以外的n型杂质与氧两者，但氧以外的n型杂质与氧在势垒层内的结合位置不同。具体而言，氧以外的n型杂质在构成势垒层的III族氮化物半导体的III族原子位置被结合，与此相对，氧在构成势垒层的III族氮化物半导体的氮位置被结合。
因此，假设将氧以外的n型杂质与氧分别单独掺杂于势垒层中时，势垒层内的氧以外的n型杂质与氧各自的浓度若在可分别改善活性层中各层的形态的各容许浓度范围内，则可改善活性层中各层的形态，从而可提高活性层的结晶品质。其结果为，与通过在势垒层中仅掺杂氧以外的n型杂质而改善活性层的形态的情形相比，可提高活性层的结晶品质。
此外，本发明的III族氮化物半导体光元件中，由于在势垒层中掺杂有氧以外的n型杂质，因此有可能使阱层的组分波动变小。然而，若在具有显示半极性的主面的III族氮化物半导体基板上设置活性层，则阱层的组分波动会变小。因此，与主面为c面的III族氮化物半导体基板上设置有活性层的III族氮化物半导体光元件的情形不同，原本阱层的组分波动较小，因此因阱层的组分波动变小所导致的元件特性的变化受到抑制。
综上所述，根据本发明的III族氮化物半导体光元件，可抑制压电电场的影响，且结晶品质变高。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，势垒层含有的n型杂质可为硅、锗及锡中的至少1种。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，多个势垒层可在与阱层的界面接触的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。由此，势垒层在与阱层的界面接触的所有的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。其结果可进一步改善势垒层的形态，因此也可进一步改善活性层中各层的形态。其结果为，元件的结晶品质进一步变高。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，多个势垒层可在其整个厚度方向上含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。由此，可进一步改善势垒层的形态，因此也可进一步改善活性层中各层的形态。其结果为，元件的结晶品质进一步变高。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，上述n型杂质的浓度可为5×1017cm-3以上。由此，阱层中的位错的产生特别受到抑制。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，上述n型杂质的浓度可为1×1018cm-3以上。由此，可特别降低III族氮化物半导体光元件的动作电压。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，表示主面的法线方向的法线向量与表示基准轴的方向的基准向量所成的角度可在10度以上且80度以下、及100度以上且170度以下的范围内。该情况下，主面与基准平面所成的角度也为10度以上且80度以下、及100度以上且170度以下的范围。由此，主面成为从III族氮化物半导体的稳定面即m面或a面倾斜的面。其结果，可抑制阱层的组分波动，因此阱层中的位错的产生受到抑制。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，法线向量与基准向量所成的角度可在63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围内。该情况下，主面与基准平面所成的角度也为63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围。由此，主面成为从III族氮化物半导体的稳定面即{10-11}面倾斜的面。其结果，可特别抑制阱层的组分波动，因此阱层中的位错的产生特别受到抑制。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，法线向量与基准向量所成的角度可在71度以上且79度以下、及101度以上且109度以下的范围内。该情况下，主面与基准平面所成的角度也为71度以上且79度以下、及101度以上且109度以下的范围。由此，可进一步抑制阱层中的组分波动，因此阱层中的位错的产生特别受到抑制，且阱层中的III族元素的结合效率变高，因此将本发明的III族氮化物半导体光元件制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时特别有利。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，法线向量可为使基准向量绕III族氮化物半导体的a轴旋转而得到的方向。该情况下，主面成为使基准平面朝III族氮化物半导体的m轴方向倾斜的半极性面。
进而，此时，主面与a面所成的角度可为87度以上且93度以下。该情况下，主面成为使基准平面朝III族氮化物半导体的m轴方向倾斜、进而朝a轴方向倾斜微细的角度即-3度以上+3度以下的范围的有限的角度的半极性面。由此，含有氧以外的n型杂质的势垒层的形态特别得到改善。
此外，本发明的III族氮化物半导体光元件中，法线向量可为使基准向量绕III族氮化物半导体的m轴旋转而得到的方向。该情况下，主面成为使基准平面朝III族氮化物半导体的a轴方向倾斜的半极性面。
进而，此时，主面与m面所成的角度可为87度以上且为93度以下。该情况下，主面成为使基准平面朝III族氮化物半导体的a轴方向倾斜、进而朝m轴方向倾斜微细的角度即-3度以上+3度以下的范围的有限的角度的半极性面。由此，含有氧以外的n型杂质的势垒层的形态特别得到改善。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，主面可为{20-21}面。由此，可进一步抑制阱层的组分波动，因此阱层中的位错的产生特别受到抑制，且阱层中的III族元素的结合效率变高，因此将本发明的III族氮化物半导体光元件制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时特别有利。
此外，本发明的III族氮化物半导体光元件中，主面可为{20-2-1}面。由此，可进一步抑制阱层中的组分波动。而且，在以与{20-21}面的背面相当的{20-2-1}面作为主面时，与以{20-21}面作为主面的情形相比，可进一步提高阱层中的III族元素的结合效率，因此将本发明的III族氮化物半导体光元件制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时会更有利。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，穿透活性层的位错密度可为1×106cm-2以下。由此，在将本发明的III族氮化物半导体光元件制成发光波长为绿色区域的半导体光元件时，也可确保充分的可靠性。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件中，穿透活性层的位错密度可为1×105cm-2以下。由此，在将本发明的III族氮化物半导体光元件制成激光元件时，也可确保充分的可靠性。
进而，本发明的III族氮化物半导体光元件还包括：由III族氮化物半导体构成的第1导电型的第1半导体层；和由III族氮化物半导体构成的第2导电型的第2半导体层，主面的法线与基准轴所成的角度在63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围内，第1半导体层被设置于III族氮化物半导体基板与活性层之间，活性层被设置于第1半导体层与第2半导体层之间，活性层包含多个阱层，多个阱层中的最靠第2半导体层一侧的阱层与第2半导体层之间，存在含有氧以外的n型杂质的半导体层。
当主面的法线与基准轴所成的角度为上述范围内时，活性层的压电电场的方向与III族氮化物半导体基板的压电电场的方向相反。因此，最靠第2半导体层一侧的阱层与第2半导体层之间难以形成价带(valence band)的凹陷(dip)。因此，即便最靠第2半导体层一侧的阱层与第2半导体层之间设置含有氧以外的n型杂质的半导体层，也难以产生电子溢流。并且，在设置这种含有n型杂质的半导体层后，可降低III族氮化物半导体光元件的动作电压。因此，可抑制电子的溢流，且降低动作电压。
发明效果
根据本发明，可提供一种能够抑制压电电场的影响且具有高结晶品质的III族氮化物半导体光元件。
附图说明
图1是概略地表示实施方式的III族氮化物半导体光元件的图。
图2是表示III族氮化物半导体光元件的活性层附近的剖面结构的图。
图3是概略地表示实施方式的变形例的III族氮化物半导体光元件的图。
图4是表示极性面及半极性面上的活性层、光导层及p型III族氮化物半导体层的能带图的图。
图5是表示实施例1、实施例2、比较例1及比较例2的半导体层叠体结构的图。
图6是表示实施例1、实施例2、比较例1及比较例2中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度及表面粗糙度的图。
图7是表示实施例2的诺马尔斯基显微镜(Nomarski microscope)照片的图。
图8是表示实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4的LD结构的图。
图9是表示实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度、LD的驱动电压以及LD的阈值电流的图。
图10是表示实施例6、实施例7及比较例5的LED结构的图。
图11是表示实施例6、实施例7及比较例5中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度、暗点密度以及LED功率的图。
图12是表示比较例5及比较例6的CL像的图。
图13是表示比较例6及比较例7的LED结构的图。
图14是表示比较例6及比较例7中的势垒层中的Si浓度、PL波长及PL强度的图。
图15是表示比较例6及比较例7的由阴极发光法产生的发光图像的图。
标号说明
11a、11b III族氮化物半导体光元件
13 III族氮化物半导体基板
13a III族氮化物半导体基板的主面
17 活性层
28 阱层
28Sd 下部界面
29 势垒层
29u 上部界面附近区域
Cx 基准轴
Sc 基准平面
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式的III族氮化物半导体光元件进行详细说明。另外，各图中，尽可能对相同要素使用相同标号。此外，为了容易观察图式，图中的构成要素内及构成要素间的尺寸比均为任意。
图1是概略地表示实施方式的III族氮化物半导体光元件的图。本实施方式的III族氮化物半导体光元件例如具有可应用于发光二极管的结构。如图1所示，III族氮化物半导体光元件11a包括：III族氮化物半导体基板13、III族氮化物半导体区域15、活性层17、及III族氮化物半导体区域19。III族氮化物半导体基板13例如由GaN、InGaN、AlGaN等III族氮化物半导体构成。III族氮化物半导体基板13含有主面13a及背面13b。III族氮化物半导体基板13的主面13a显示半极性。
图1中表示出III族氮化物半导体的六方晶系的由晶轴a轴、m轴及c轴构成的结晶坐标系CR。例如，六方晶的c面表记为“(0001)”，而表记为“(000-1)”的面方位是与(0001)面的方向相反。此外，图1中表示出由几何学坐标轴X、Y、Z构成的正交坐标系S。正交坐标系S中，在与主面13a平行的方向上设定有X轴及Y轴，并在III族氮化物半导体基板13的厚度方向上设定有Z轴。
III族氮化物半导体基板13含有半极性的主面13a，因此III族氮化物半导体基板13的主面13a相对于与基准轴Cx正交的基准平面Sc而倾斜。此处，基准轴Cx朝III族氮化物半导体的c轴方向延伸。
由于基准平面Sc与基准轴Cx正交，因此基准平面Sc成为与III族氮化物半导体的c面平行的平面。图1中表示出朝向c轴方向的基准向量VC、朝向主面13a的法线方向的法线向量VN。法线向量VN与基准向量VC所成的角度α与主面13a与基准平面Sc所成的角度AOFF相等。该角度AOFF被称作III族氮化物半导体基板13的相对于c面的偏离角。
III族氮化物半导体区域15、活性层17、及III族氮化物半导体区域19分别为外延层，且在主面13a上沿着与Z轴平行的轴Ax而排列。
III族氮化物半导体区域15设置于主面上13a。III族氮化物半导体区域15可包含一或多个III族氮化物半导体层。本实施方式中，III族氮化物半导体区域15包含第1导电型III族氮化物半导体层21(第1半导体层)及III族氮化物半导体层23。第1导电型III族氮化物半导体层21例如为n型半导体层，III族氮化物半导体层23例如可为缓冲层。第1导电型III族氮化物半导体层21例如由n型氮化镓类半导体构成，n型氮化镓类半导体中，例如添加有硅等n型掺杂剂。n型氮化镓类半导体例如可由GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等构成。III族氮化物半导体层23例如由非掺杂氮化镓类半导体构成。氮化镓类半导体例如可由InGaN、InAlGaN、GaN等构成。
此外，III族氮化物半导体区域19可包含一或多个III族氮化物半导体层。本实施方式中，III族氮化物半导体区域19包含III族氮化物半导体层25及第2导电型III族氮化物半导体层27(第2半导体层)。III族氮化物半导体层25例如可由非掺杂或p型氮化镓类半导体构成。第2导电型III族氮化物半导体层27例如由p型氮化镓类半导体构成，p型氮化镓类半导体中例如添加有镁等p型掺杂剂。p型氮化镓类半导体例如可由GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN等构成。III族氮化物半导体层25例如为电子阻挡层，第2导电型III族氮化物半导体层27例如可为p型接触层。在第1导电型III族氮化物半导体层21与第2导电型III族氮化物半导体层27之间设置有活性层17。活性层17设置于III族氮化物半导体区域15上，III族氮化物半导体区域19设置于活性层17上。
III族氮化物半导体区域15、活性层17、及III族氮化物半导体区域19具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度。该氧浓度例如可根据外延生长III族氮化物半导体区域15、活性层17、及III族氮化物半导体区域19时的原料中的水分等杂质浓度、基板的偏离角、生长温度、混晶的组分等进行控制。另外，本实施方式中，III族氮化物半导体区域15、活性层17、及III族氮化物半导体区域19全部具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度，但只要至少活性层17具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度即可。
接着，参照图2对活性层17的详细情形进行说明。图2是表示III族氮化物半导体光元件的活性层附近的剖面结构的图。
III族氮化物半导体光元件11a的活性层17可具有包含交替排列的阱层28及势垒层29的多量子阱结构。最下层的势垒层29与III族氮化物半导体层23接触，最上层的势垒层29与III族氮化物半导体层25接触。阱层28例如可由GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等III族氮化物半导体构成，势垒层29例如可由GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等III族氮化物半导体构成。另外，活性层17也可具有由1个阱层28与2个势垒层29构成的单量子阱结构。此外，最下层的势垒层29与最上层的势垒层29也可省略。该情况下，最下层的阱层28与III族氮化物半导体层23接触，最上层的阱层28与III族氮化物半导体层25接触。
阱层28含有III族氮化物半导体基板13侧的下部界面28Sd、及与III族氮化物半导体基板13侧为相反侧的上部界面28Su。势垒层29含有III族氮化物半导体基板13侧的下部界面附近区域29d、与III族氮化物半导体基板13侧为相反侧的上部界面附近区域29u、及下部界面附近区域29d与上部界面附近区域29u之间的中间区域29n。阱层28的上部界面28Su与势垒层29的下部界面附近区域29d接触，阱层28的下部界面28Sd与势垒层29的上部界面附近区域29u接触。
势垒层29至少在与阱层28的下部界面28Sd接触的上部界面附近区域29u上含有浓度为1×1017cm-3以上且为1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。作为氧以外的n型杂质，例如可使用IV族元素。作为IV族元素，例如可使用硅、锗(Ge)、及锡(Sn)中的至少1种。当n型掺杂剂为硅时，作为掺杂气体，可使用单甲基硅烷(CH3SiH)、单硅烷、乙硅烷、四乙基硅烷等。当n型掺杂剂为锗时，作为掺杂气体，可使用单锗烷、四乙基锗等。当n型掺杂剂为锡时，作为掺杂气体，可使用四乙基锡、四甲基锡等。
接着，对本实施方式的变形例的III族氮化物半导体光元件进行说明。本变形例的说明中，对与上述III族氮化物半导体光元件11a相同的要素标注相同的标号，因而存在省略其详细说明的部分。
图3是概略地表示本实施方式的变形例的III族氮化物半导体光元件的图。本变形例的III族氮化物半导体光元件例如具有可应用于半导体激光器的结构。如图3所示，III族氮化物半导体光元件11b包含III族氮化物半导体基板13、III族氮化物半导体区域15、发光层37、及III族氮化物半导体区域19。本变形例中，发光层37可包含活性层17、第1光导层39、及第2光导层41。活性层17设置于第1光导层39与第2光导层41之间。第1及第2光导层39、41由III族氮化物半导体构成，该III族氮化物半导体例如可为非掺杂。或者第1光导层39可由n型氮化物半导体构成，第2光导层41可由p型氮化物半导体构成。
除III族氮化物半导体层25、第2导电型III族氮化物半导体层27以外，III族氮化物半导体区域19可进而包含另外的第2导电型III族氮化物半导体层43。第2导电型III族氮化物半导体层43例如由p型氮化镓类半导体构成，p型氮化镓类半导体中，例如添加有镁等p型掺杂剂。p型氮化镓类半导体例如可由GaN、AlGaN、InAlGaN等构成。第2导电型III族氮化物半导体层43例如可为p型包层。
III族氮化物半导体区域15可包含III族氮化物半导体层45。III族氮化物半导体层45例如由n型氮化镓类半导体构成，n型氮化镓类半导体中，例如添加有硅等n型掺杂剂。n型氮化镓类半导体例如可由GaN、AlGaN、InAlGaN等构成。III族氮化物半导体层45例如可为n型包层。
III族氮化物半导体层45与第2导电型III族氮化物半导体层43之间，设置有发光层37。III族氮化物半导体层45及第2导电型III族氮化物半导体层43的折射率小于第1光导层39及第2光导层41的折射率。III族氮化物半导体层45及第2导电型III族氮化物半导体层43会将光局限于发光层37中。
此外，III族氮化物半导体光元件11b中，第2导电型III族氮化物半导体层27上，设置有用于保护的绝缘膜47。绝缘膜47具有条状的开口47a。绝缘膜47及开口47a上设置有第1电极(例如阳极)49a。III族氮化物半导体基板13的背面13b上，设置有第2电极(例如阴极)49b。
该III族氮化物半导体光元件11b例如具有增益引导型激光二极管的结构。III族氮化物半导体光元件11b可含有一对端面50a、50b。为了形成共振器，优选端面50a、50b为割断面。III族氮化物半导体光元件11b发出的激光L从端面50a、50b中的一个射出。
如上所述的本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，含有显示半极性的主面13a的III族氮化物半导体基板13上设置有活性层17，因此与主面为c面的III族氮化物半导体基板上设置有活性层17的III族氮化物半导体光元件相比较，可抑制压电电场的影响。
此外，如上所述，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，活性层17的势垒层29至少在与阱层28的III族氮化物半导体基板13侧的下部界面28Sd接触的上部界面附近区域29u上，含有浓度为1×1017cm-3以上的氧以外的n型杂质。由此，可改善势垒层29的形态，因此以与上部界面附近区域29u接触的方式在上部界面附近区域29u上外延生长的阱层28的形态得到改善，从而可提高活性层17整体的结晶品质。若氧以外的n型杂质的浓度小于1×1017cm-3，则无法充分改善阱层28的形态。此外，若势垒层29含有的n型杂质的浓度大于1×1019cm-3，则有如下情形：势垒层29中的n型杂质的浓度过剩，势垒层29的形态相反地会恶化，从而导致阱层28的形态恶化。
此外，根据发明人的见解，使活性层17中含有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的浓度范围的氧，生长活性层17时，可阻碍c面的生成，使非c面的生成稳定化。因此，可改善活性层17的各层(阱层28及势垒层29)的形态，提高活性层17的结晶品质。若氧浓度小于1×1017cm-3，则有无法充分改善活性层17中各层的形态的情形。此外，若氧浓度大于8×1017cm-3，则有如下情形：活性层17中各层的形态相反地会恶化，从而导致活性层17的结晶品质恶化。
此外，如上所述的本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，势垒层29含有氧以外的n型杂质与氧两者，但氧以外的n型杂质与氧在势垒层29内的结合位置不同。具体而言，氧以外的n型杂质在构成势垒层29的III族氮化物半导体的III族原子位置(例如Ga位置)被结合，与此相对，氧在构成势垒层29的III族氮化物半导体的氮位置被结合。
因此，势垒层29内的氧掺杂、与势垒层29内的氧以外的n型杂质的掺杂难以互相干扰。具体而言，假设将氧以外的n型杂质与氧分别单独掺杂于势垒层29中时，势垒层29内的氧以外的n型杂质与氧各自的浓度若在可分别改善活性层17中各层的形态的各容许浓度范围内，则可改善活性层17中各层的形态，从而可提高活性层17的结晶品质。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，由于在势垒层29中掺杂有氧以外的n型杂质，因此有可能导致阱层28的组分波动变小。然而，若含有显示半极性的主面13a的III族氮化物半导体基板13上设置活性层17，则阱层28的组分波动会变小。因此，与主面为c面的III族氮化物半导体基板上设置有活性层的III族氮化物半导体光元件的情形不同，原本阱层28的组分波动较小，因此因阱层28的组分波动变小所导致的元件特性的变化被抑制。
综上所述，根据上述本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b，可抑制压电电场的影响，且可提高结晶品质。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，多个势垒层29除与阱层28的下部界面28Sd接触的上部界面附近区域29u以外，也可在与阱层28的上部界面28Su接触的下部界面附近区域29d上，含有浓度为1×1017cm-3以上且为1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质(参照图2)。因此，势垒层29在与阱层28的界面(下部界面28Sd及上部界面28Su)接触的所有的界面附近区域(上部界面附近区域29u及下部界面附近区域29d)，含有1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的浓度的氧以外的n型杂质。由此，势垒层29的形态得到进一步改善，因此活性层17中各层的形态也得到进一步改善。其结果为，III族氮化物半导体光元件11a、11b的结晶品质进一步变高。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，多个势垒层29可在其整个厚度方向上含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质(参照图2)。由此，势垒层29的形态得到进一步改善，因此活性层17中各层的形态也得到进一步改善。其结果为，III族氮化物半导体光元件11a、11b的结晶品质进一步变高。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，势垒层29含有的氧以外的n型杂质的浓度可为5×1017cm-3以上。由此，阱层28中的位错的产生特别受到抑制。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，势垒层29含有的氧以外的n型杂质的浓度可为1×1018cm-3以上。由此，可特别降低III族氮化物半导体光元件11a、11b的动作电压。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a的法线VN与基准轴Cx所成的角度α可为10度以上且80度以下、及100度以上且170度以下的范围(参照图1及图3)。该情况下，主面13a与基准平面Sc所成的角度AOFF也为10度以上且80度以下、及100度以上且170度以下的范围。由此，主面13a成为自III族氮化物半导体的稳定面即m面或a面倾斜的面。其结果，可抑制阱层28的组分波动，因此阱层28中的位错的产生受到抑制。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a的法线与基准轴Cx所成的角度，即法线向量VN与基准向量VC所成的角度α可在63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围内(参照图1及图3)。该情况下，主面13a与基准平面Sc所成的角度AOFF也为63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围。由此，主面13a成为自III族氮化物半导体的稳定面即{10-11}面倾斜的面。其结果，可特别抑制阱层28的组分波动，因此阱层28中的位错的产生特别受到抑制。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a的法线与基准轴Cx所成的角度，即法线向量VN与基准向量VC所成的角度α可在71度以上且79度以下、及101度以上且109度以下的范围内(参照图1及图3)。该情况下，主面13a与基准平面Sc所成的角度AOFF也为71度以上且79度以下、及101度以上且109度以下的范围。由此，可进一步抑制阱层28的组分波动，因此阱层28中的位错的产生特别受到抑制，且阱层28中的III族元素的结合效率变高，因此将III族氮化物半导体光元件11a、11b制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时特别有利。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a的法线可为使基准轴Cx绕III族氮化物半导体的a轴旋转后的方向，即，法线向量VN可为使基准向量VC绕III族氮化物半导体的a轴旋转后的方向。该情况下，主面13a成为使基准平面Sc朝III族氮化物半导体的m轴方向倾斜的半极性面。
进而，该情况下，主面13a与a面(与a轴正交的面)所成的角度可为87度以上且93度以下。该情况下，主面13a成为使基准平面Sc朝III族氮化物半导体的m轴方向倾斜、进而朝a轴方向倾斜微细的角度即-3度以上+3度以下的范围的有限的角度的半极性面。由此，含有氧以外的n型杂质的势垒层29的形态特别得到改善。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a的法线可为使基准轴Cx绕III族氮化物半导体的m轴旋转后的方向，即，法线向量VN可为使基准向量VC绕III族氮化物半导体的m轴旋转后的方向。该情况下，主面13a成为使基准平面Sc朝III族氮化物半导体的a轴方向倾斜的半极性面。
进而，该情况下，主面13a与m面(与m轴正交的面)所成的角度可为87度以上且93度以下。该情况下，主面13a成为使基准平面Sc朝III族氮化物半导体的a轴方向倾斜、进而朝m轴方向倾斜微细的角度即-3度以上+3度以下的范围的有限的角度的半极性面。由此，含有氧以外的n型杂质的势垒层29的形态特别得到改善。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a可为{20-21}面。{20-21}面是使基准平面Sc朝m轴方向倾斜75度时的主面。由此，可进一步抑制阱层28的组分波动，因此阱层28中的位错的产生特别受到抑制，且阱层28中的III族元素的结合效率变高，因此将III族氮化物半导体光元件11a、11b制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时特别有利。
此外，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，主面13a可为{20-2-1}面。由此，可进一步抑制阱层28的组分波动。而且，在以与{20-21}面的背面相当的{20-2-1}面作为主面13a时，与以{20-21}面作为主面13a的情形相比，可进一步提高阱层28中的III族元素的结合效率，因此将III族氮化物半导体光元件11a、11b制成长波长(蓝色～绿色)的半导体光元件时会更有利。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，穿透活性层17的位错密度可为1×106cm-2以下。由此，在将III族氮化物半导体光元件11a、11b制成发光波长为绿色区域的半导体光元件时，也可确保充分的可靠性。另外，穿透活性层17的位错密度例如可通过适当地选择活性层17所具有的氧浓度、势垒层29所具有的氧以外的n型杂质浓度等而减少。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，穿透活性层17的位错密度可为1×105cm-2以下。由此，在将本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b制成激光元件时，可将发光区域(例如与2μm×600μm的脊部对应的区域)的穿透位错(threading dislocation)密度设为1个以下。其结果可确保充分的可靠性。
进而，本实施方式的III族氮化物半导体光元件11a、11b中，法线向量VN与基准向量VC所成的角度α在63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围内，在阱层28中的最靠第2导电型III族氮化物半导体层27侧的阱层28m(参照图2)、与第2导电型III族氮化物半导体层27之间，可存在含有氧以外的n型杂质的半导体层(参照图1及图3)。其可通过如下方式实现：例如使最靠第2导电型III族氮化物半导体层27侧的势垒层29(最上势垒层)中含有氧以外的n型杂质，或者将III族氮化物半导体层25置换成含有n型杂质的半导体层。该情况下，具有如下优点。
图4是表示极性面及半极性面上的活性层、引导层、及p型III族氮化物半导体层的能带图的图。如图4(a)所示，当主面为极性面的半导体基板上设置有活性层时，阱层中的压电电场成为从第2导电型半导体层朝向第1导电型半导体层的方向(箭头A1的方向)，阻挡层中的压电电场成为其相反方向(箭头A2的方向)，因此在最靠包层侧的阱层与阻挡层之间形成有价带的凹陷。若该状态下最上势垒层或光导层中进一步掺杂n型杂质，则价带的凹陷进一步变大，从而载流子溢流增大。
与此相对，如图4(b)所示，当主面为半极性面的半导体基板上设置有活性层时，阱层中的压电电场成为从第1导电型半导体层朝向第2导电型半导体层的方向(箭头A3的方向)，阻挡层中的压电电场成为其相反方向(箭头A4的方向)，因此在最靠包层(第2导电型III族氮化物半导体层27)侧的阱层28m与阻挡层之间难以形成价带的凹陷。因此，即便在最靠包层侧的阱层28m与阻挡层之间设置有含有氧以外的n型杂质的半导体层，也难以产生电子的溢流。并且，若设置上述含有n型杂质的半导体层，则可降低III族氮化物半导体光元件11a、11b的动作电压。因此，可抑制电子的溢流，且降低III族氮化物半导体光元件11a、11b的动作电压。
(实施例)
以下，对实施例及比较例进行说明。
作为实施例1、实施例2、比较例1、及比较例2，制作半导体层叠体。图5是表示实施例1、实施例2、比较例1、及比较例2的半导体层叠体结构的图。如图5所示，准备GaN基板61，其含有使c面朝m轴方向倾斜75度的半极性主面61a。半极性主面61a与基准平面Sc成75度的角度。基准平面Sc与朝GaN基板61的c轴方向延伸的基准轴Cx正交。半极性主面61a相当于{20-21}面。将GaN基板61配置于生长炉内，供给氨气(NH3)及氢气(H2)，使GaN基板61在摄氏1050度的环境中保持10分钟。该前处理(热清洁)之后，向生长炉内供给原料气体，制作以下的半导体层叠体结构。
首先，在摄氏880度下生长1.2μm的n型In0.03Al0.14Ga0.83N包层63。在摄氏1050度下生长0.25μm的n型GaN引导层65。在摄氏860度下生长0.1μm的n型In0.03Ga0.97N引导层67。接着，生长活性层69。活性层69形成为由15nm的GaN构成的势垒层、及由3nm的In0.30Ga0.70N构成的阱层交替层叠而成的量子阱结构。阱层的数量为3层。阱层的生长温度为摄氏720度，势垒层的生长温度为摄氏860度。
此外，以使活性层69具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度的方式，在n型In0.03Al0.14Ga0.83N包层63、n型GaN引导层65、n型In0.03Ga0.97N引导层67、及活性层69的各层生长时，供给所含水分浓度经适当调节后的氨(NH3)作为氮原料。此外，在势垒层生长时，为了掺杂硅(Si)而供给用氢(H2)稀释后的单甲基硅烷(CH3SiH)气体。对于实施例1、实施例2、比较例1、及比较例2的各例，改变单甲基硅烷(CH3SiH)气体的供给量，使势垒层中的硅浓度变化。硅浓度利用SIMS(Secondary ion mass spectroscopy，二次离子质谱法)进行分析。
图6是表示实施例1、实施例2、比较例1及比较例2中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度、及表面粗糙度的图。如图6所示，势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量(sccm)在比较例1、实施例1、实施例2、比较例2中依次分别为0、0.2、1、10。势垒层中的Si浓度(cm-3)在比较例1、实施例1、实施例2、比较例2中依次分别为检测极限以下、2.5×1017、1.2×1018、1.5×1019。
图7是表示实施例2的活性层69表面的诺马尔斯基显微镜照片的图。如图7所示，以诺马尔斯基显微镜照片可判别的水准下，活性层69的表面为平坦。此外，以AFM(原子力显微镜)测定活性层69的表面粗糙度，将其结果示于图6中。测定范围设为5μm方形，表面粗糙度利用RMS(均方根粗糙度)进行评价。
如图6所示，活性层69的表面粗糙度(nm)在比较例1、实施例1、实施例2、比较例2中依次分别为0.8、0.3、0.4、1.2。由此可知，势垒层中的Si浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的范围内的实施例1及实施例2中，活性层69的表面粗糙度变小。
接着，对实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4进行说明。实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4中，制作LD(激光二极管)。图8是表示实施例3、实施例4、实施例5、比较例3、及比较例4的LD结构的图。如图8所示，准备GaN基板71，其含有使c面朝m轴方向倾斜75度的半极性主面71a。半极性主面71a与基准平面Sc成75度的角度。基准平面Sc与朝GaN基板71的c轴方向延伸的基准轴Cx正交。半极性主面71a相当于{20-21}面。将GaN基板71配置于生长炉内，供给氨(NH3)及氢(H2)，使GaN基板71在摄氏1050度的环境中保持10分钟。该前处理(热清洁)之后，向生长炉内供给原料气体，以如下方式制作用于LD的结构。
首先，在摄氏880度下生长1.2μm的n型In0.03Al0.14Ga0.83N包层72。在摄氏1050度下生长0.25μm的n型GaN引导层73。在摄氏860度下生长0.1μm的n型In0.03Ga0.97N引导层74。接着，生长活性层75。活性层75形成为由15nm的GaN构成的势垒层、及由3nm的In0.30Ga0.70N构成的阱层交替层叠而成的量子阱结构。阱层的数量为2层。阱层的生长温度为摄氏720度，势垒层的生长温度设为摄氏860度。接着，在摄氏860度下生长0.1μm的非掺杂In0.03Ga0.97N引导层76。在摄氏900度下依次生长0.02μm的p型Al0.12Ga0.88N电子阻挡层77、0.25μm的p型GaN引导层78、0.4μm的p型In0.03Al0.14Ga0.83N包层79、及0.05μm的p型GaN接触层80。此外，在p型GaN接触层80上，通过蒸镀，经由包含氧化硅(SiO2)的绝缘膜81的宽度为10μm的条纹状的开口而形成由Ni/Au构成的阳极电极82，并且通过蒸镀在GaN基板71的背面形成由Ti/Al的电极与Ti/Au的焊垫电极构成的阴极电极部83。条纹状的开口的延伸方向是GaN基板71的m轴投影于主面71a上的方向。并且，利用与条纹状的开口的延伸方向垂直的面，将GaN基板71以600μm之间隔割断。在所割断的一个端面上涂布反射率为80％的多层反射膜，另一个端面上涂布反射率为95％的多层反射膜。由此，制作增益引导型的LD。
此外，以使活性层75中的氧浓度为1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的方式，从n型In0.03Al0.14Ga0.83N包层72至p型GaN接触层80的各层生长时，供给所含水分浓度经适当调节后的氨(NH3)作为氮原料。此外，势垒层生长时，为了掺杂硅(Si)，供给以氢(H2)稀释后的单甲基硅烷(CH3SiH)气体。对于实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4的各例，改变单甲基硅烷(CH3SiH)气体的供给量，使势垒层中的硅浓度变化。硅浓度利用SIMS(二次离子质谱法)进行分析。
图9是表示实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度、LD的驱动电压以及LD的阈值电流的图。驱动电压及阈值电流的测定在室温下利用脉冲宽度为0.5秒、占空比为0.1％的脉冲驱动来进行。如图9所示，势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量(sccm)在比较例3、实施例3、实施例4、实施例5、比较例4中依次分别为0、0.2、0.5、1、10。势垒层中的Si浓度(cm-3)在比较例3、实施例3、实施例4、实施例5、比较例4中依次分别为检测极限以下、2.5×1017、6.0×1017、1.2×1018、1.5×1019。功率5mW下的驱动电压(V)在比较例3、实施例3、实施例4、实施例5、比较例4中依次分别为10.8、7.2、6.4、5.7、5.4。阈值电流(mA)在比较例3、实施例3、实施例4、实施例5、比较例4中依次分别为350、280、240、250、480。此外，实施例3、实施例4、实施例5、比较例3及比较例4中的振荡波长全部为520nm～530nm的范围。
由该结果可知，势垒层中的Si浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的范围内的实施例3、实施例4及实施例5中，LD的驱动电压及阈值电流变小。
接着，对实施例6、实施例7、比较例5进行说明。实施例6、实施例7、比较例5中，制作LED(发光二极管)。图10是表示实施例6、实施例7、比较例5的LED结构的图。如图10所示，准备GaN基板91，其含有使c面朝m轴方向倾斜75度的半极性主面91a。半极性主面91a与基准平面Sc成75度的角度。基准平面Sc与朝GaN基板91的c轴方向延伸的基准轴Cx正交。半极性主面91a相当于{20-21}面。将GaN基板91配置于生长炉内，供给氨(NH3)及氢(H2)，使GaN基板91在摄氏1050度的环境中保持10分钟。该前处理(热清洁)之后，向生长炉内供给原料气体，如下制作用于LED的结构。
首先，在摄氏1050度下生长2μm的n型GaN缓冲层92。在摄氏860度下生长100nm的n型In0.03Ga0.97N缓冲层93。接着，生长活性层94。活性层94形成为由15nm的GaN构成的势垒层、及由3nm的In0.30Ga0.70N构成的阱层交替层叠而成的量子阱结构。阱层的数量为3层。阱层的生长温度为摄氏720度，势垒层的生长温度为摄氏860度。接着，在摄氏900度下依次生长20nm的p型Al0.12Ga0.88N电子阻挡层95、50nm的p型GaN接触层96。此外，在p型GaN接触层96上，蒸镀由Ni/Au构成且具有开口的阳极电极97、由Ti/Au构成且经由阳极电极97的开口而与p型GaN接触层96接触的焊垫电极98。
此外，以使活性层94中的氧浓度为1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的方式，从n型GaN缓冲层92至p型GaN接触层96的各层生长时，供给所含水分浓度经适当调节后的氨(NH3)作为氮原料。此外，势垒层生长时，为了掺杂硅(Si)，供给用氢(H2)稀释后的单甲基硅烷(CH3SiH)气体。对于实施例6、实施例7及比较例5的各例，改变单甲基硅烷(CH3SiH)气体的供给量，使势垒层中的硅浓度变化。硅浓度利用SIMS(二次离子质谱法)进行分析。此外，通过阴极发光法(CL)测定与穿透位错密度对应的暗点密度。
图11是表示实施例6、实施例7及比较例5中的势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量、势垒层中的Si浓度、暗点密度及LED功率的图。LED功率的测定在室温下利用脉冲驱动而进行。如图11所示，势垒层生长时的单甲基硅烷气体的流量(sccm)在比较例5、实施例6、实施例7中依次分别为0、1、5。势垒层中的Si浓度(cm-3)在比较例5、实施例6、实施例7中依次分别为检测极限以下、1.2×1018、6.1×1018。暗点密度(cm-2)在比较例5、实施例6、实施例7中依次分别为2.0×106、3.0×105、8.0×104。驱动电流500mA下的LED功率(mW)在比较例5、实施例6、实施例7中依次分别为11、14、15。此外，实施例6、实施例7及比较例5中的振荡波长全部为520nm～530nm的范围。
由图11所示的测定结果可知，势垒层中的Si浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的范围内的实施例6及实施例7中，暗点密度(穿透位错密度)变低，LED功率变大。
此外，图12(a)是表示比较例5的CL像的图，图12(b)是表示实施例6的CL像的图。如图12所示，比较例5与实施例6中，暗点密度存在差异，但CL像中的强度的浓淡程度未见较大的差异。其表示无论有无向势垒层中掺杂Si，对于在半极性主面91a上生长的活性层的阱层而言，In的组分波动均较小。
接着，对比较例6及比较例7进行说明。比较例6及比较例7中制作LED。图13是表示比较例6及比较例7的LED结构的图。如图13所示，准备主面101a为c面的GaN基板101。主面101a成为极性面。显示极性的主面101a与基准平面Sc平行。基准平面Sc与朝GaN基板101的c轴方向延伸的基准轴Cx正交。主面101a为{0001}面。将GaN基板101配置于生长炉内，供给氨(NH3)及氢(H2)，使GaN基板101在摄氏1050度的环境中保持10分钟。该前处理(热清洁)之后，向生长炉内供给原料气体，如下制作用于LED的结构。
首先，在摄氏1100度下生长50nm的n型Al0.12Ga0.88N缓冲层102。在摄氏1180度下生长2μm的n型GaN引导层103。在摄氏880度下生长100nm的n型In0.03Ga0.97N引导层104。接着，生长活性层105。活性层105形成为由15nm的In0.02Ga0.98N构成的势垒层、由5nm的In0.14Ga0.86N构成的阱层交替层叠而成的量子阱结构。阱层的数量设为6层。阱层的生长温度设为摄氏840度，势垒层的生长温度设为摄氏880度。接着，在摄氏1100度下依次生长20nm的p型Al0.12Ga0.88N电子阻挡层106、50nm的p型GaN接触层107。
此外，势垒层生长时，为了掺杂硅(Si)而供给用氢(H2)稀释后的单甲基硅烷(CH3SiH)气体。对于比较例6及比较例7的各例改变单甲基硅烷(CH3SiH)气体的供给量，使势垒层中的硅浓度变化。硅浓度利用SIMS(二次离子质谱法)进行分析。此外，通过阴极发光法(CL)测定发光图像，通过光致发光法(PL)测定发光波长与发光强度。
图14是表示比较例6及比较例7的势垒层中的Si浓度、PL波长及PL强度的图。如图14所示，势垒层中的Si浓度(cm-3)在比较例6及比较例7中依次分别成为背景水准(background level)、1.0×1018。PL波长(nm)在比较例6及比较例7中依次分别成为467、449。PL强度(任意单位)在比较例6及比较例7中依次分别成为950、530。根据图14所示的测定结果可知，使用以极性面(c面)作为主面的GaN基板的LED中，通过向势垒层中掺杂Si而可大幅度降低PL强度。此外，图15(a)是表示比较例6的由阴极发光法产生的发光图像的图，图15(b)是表示比较例7的由阴极发光法产生的发光图像的图。根据图15所示的测定结果可知，使用以极性面(c面)作为主面的GaN基板的LED中，通过向势垒层中掺杂Si而可减少发光不均。根据该结果可知，使用以极性面(c面)作为主面的GaN基板的LED中，在未向势垒层中掺杂Si的情形时，因阱层的In组分波动所引起的定域能级发光而使PL强度变大，但在向势垒层中掺杂Si后，随着阱层的In组分波动减少，定域能级发光降低，PL强度变小。

Claims (18)

1.一种III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
包括：III族氮化物半导体基板，由III族氮化物半导体构成，并具有与基准平面成有限的角度的主面，上述基准平面与该III族氮化物半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交；和
量子阱结构的活性层，被设置于上述III族氮化物半导体基板的上述主面上，并包含由III族氮化物半导体构成的阱层和由III族氮化物半导体构成的多个势垒层，
上述主面显示半极性，
上述活性层为外延层，具有1×1017cm-3以上且8×1017cm-3以下的氧浓度，
上述多个势垒层在与上述阱层的上述III族氮化物半导体基板一侧的界面接触的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的氧以外的n型杂质。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述势垒层含有的上述n型杂质为硅、锗及锡中的至少1种。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述多个势垒层在与上述阱层的界面接触的界面附近区域含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的上述氧以外的n型杂质。
4.如权利要求1至3中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述多个势垒层在其整个厚度方向上含有浓度为1×1017cm-3以上且1×1019cm-3以下的上述氧以外的n型杂质。
5.如权利要求1至4中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述n型杂质的浓度为5×1017cm-3以上。
6.如权利要求1至5中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述n型杂质的浓度为1×1018cm-3以上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
表示上述主面的法线方向的法线向量与表示上述基准轴的方向的基准向量所成的角度在10度以上且80度以下、及100度以上且170度以下的范围内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述法线向量与上述基准向量所成的角度在63度以上且80度以下、及100度以上且117度以下的范围内。
9.如权利要求1至8中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述法线向量与上述基准向量所成的角度在71度以上且79度以下、及101度以上且109度以下的范围内。
10.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述法线向量是使上述基准向量绕上述III族氮化物半导体的a轴旋转而得到的方向。
11.如权利要求10所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述主面与a面所成的角度为87度以上且93度以下。
12.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述法线向量是使上述基准向量绕上述III族氮化物半导体的m轴旋转而得到的方向。
13.如权利要求12所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述主面与m面所成的角度为87度以上且93度以下。
14.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述主面为{20-21}面。
15.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
上述主面为{20-2-1}面。
16.如权利要求1至15中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
穿透上述活性层的位错密度为1×106cm-2以下。
17.如权利要求1至16中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
穿透上述活性层的位错密度为1×105cm-2以下。
18.如权利要求8至17中任一项所述的III族氮化物半导体光元件，其特征在于，
还包括：由III族氮化物半导体构成的第1导电型的第1半导体层；和
由III族氮化物半导体构成的第2导电型的第2半导体层，
上述第1半导体层被设置于上述III族氮化物半导体基板与上述活性层之间，
上述活性层被设置于上述第1半导体层与上述第2半导体层之间，
上述活性层包含多个上述阱层，
上述多个上述阱层中的最靠上述第2半导体层一侧的阱层与上述第2半导体层之间，存在含有氧以外的n型杂质的半导体层。
CN2010800013406A 2009-07-15 2010-02-26 Ⅲ族氮化物半导体光元件 Expired - Fee Related CN102124578B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009167143A JP5381439B2 (ja) 2009-07-15 2009-07-15 Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子
JP2009-167143 2009-07-15
PCT/JP2010/053101 WO2011007594A1 (ja) 2009-07-15 2010-02-26 Iii族窒化物半導体光素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102124578A true CN102124578A (zh) 2011-07-13
CN102124578B CN102124578B (zh) 2013-07-31

Family

ID=43449204

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010800013406A Expired - Fee Related CN102124578B (zh) 2009-07-15 2010-02-26 Ⅲ族氮化物半导体光元件

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8927962B2 (zh)
EP (1) EP2472606A4 (zh)
JP (1) JP5381439B2 (zh)
KR (1) KR101157758B1 (zh)
CN (1) CN102124578B (zh)
TW (1) TW201103167A (zh)
WO (1) WO2011007594A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103999305A (zh) * 2012-01-05 2014-08-20 住友电气工业株式会社 氮化物半导体激光器以及外延基板
CN110191979A (zh) * 2016-12-27 2019-08-30 住友化学株式会社 Iii族氮化物层叠体的制造方法、检查方法、以及iii族氮化物层叠体

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5589380B2 (ja) * 2009-12-28 2014-09-17 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP5139555B2 (ja) * 2011-04-22 2013-02-06 住友電気工業株式会社 窒化物半導体レーザ、及びエピタキシャル基板
JP5556749B2 (ja) * 2011-06-23 2014-07-23 住友電気工業株式会社 レーザダイオード組立体
JP2013033930A (ja) * 2011-06-29 2013-02-14 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、及び、ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法
CN103999245A (zh) 2011-12-14 2014-08-20 首尔伟傲世有限公司 半导体装置及制造半导体装置的方法
WO2013089459A1 (en) * 2011-12-14 2013-06-20 Seoul Opto Device Co., Ltd. Semiconductor device and method of fabricating the same
JP5573856B2 (ja) * 2012-01-26 2014-08-20 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ、及びｉｉｉ族窒化物半導体レーザを作製する方法
JP5468709B2 (ja) * 2012-03-05 2014-04-09 パナソニック株式会社 窒化物半導体発光素子、光源及びその製造方法
JP2013201326A (ja) * 2012-03-26 2013-10-03 Hitachi Cable Ltd 窒化ガリウム基板及びエピタキシャルウェハ
JP2014207328A (ja) * 2013-04-12 2014-10-30 ローム株式会社 半導体発光素子
JP5858246B2 (ja) * 2013-07-23 2016-02-10 ウシオ電機株式会社 窒化物半導体発光素子及びその製造方法
JP6474044B2 (ja) * 2015-09-15 2019-02-27 豊田合成株式会社 発光ユニット
TWI568014B (zh) * 2015-10-07 2017-01-21 財團法人工業技術研究院 三五族氮化物半導體元件

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11112029A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Hewlett Packard Co <Hp> 光半導体素子およびその製造方法
JPH11298090A (ja) * 1998-04-09 1999-10-29 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP2007153664A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Hitachi Cable Ltd 窒化物系半導体基板及び半導体装置
CN101009350A (zh) * 2006-01-27 2007-08-01 日立电线株式会社 Ⅲ－ⅴ族氮化物系半导体衬底、其制造方法及ⅲ－ⅴ族氮化物系发光元件
JP2009043970A (ja) * 2007-08-09 2009-02-26 Panasonic Corp 半導体素子及びその製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000133883A (ja) * 1998-10-22 2000-05-12 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP3719047B2 (ja) * 1999-06-07 2005-11-24 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP3460641B2 (ja) 1999-09-28 2003-10-27 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP3498697B2 (ja) 2000-07-07 2004-02-16 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP2003229645A (ja) * 2002-01-31 2003-08-15 Nec Corp 量子井戸構造およびそれを用いた半導体素子ならびに半導体素子の製造方法
JP2007201195A (ja) * 2006-01-26 2007-08-09 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物半導体発光素子
JP4905125B2 (ja) * 2006-01-26 2012-03-28 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法
US7608526B2 (en) * 2006-07-24 2009-10-27 Asm America, Inc. Strained layers within semiconductor buffer structures
JP2008109066A (ja) * 2006-09-29 2008-05-08 Rohm Co Ltd 発光素子
JP2008140893A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体デバイスおよびその製造方法
WO2009124317A2 (en) * 2008-04-04 2009-10-08 The Regents Of The University Of California Mocvd growth technique for planar semipolar (al, in, ga, b)n based light emitting diodes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11112029A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Hewlett Packard Co <Hp> 光半導体素子およびその製造方法
JPH11298090A (ja) * 1998-04-09 1999-10-29 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP2007153664A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Hitachi Cable Ltd 窒化物系半導体基板及び半導体装置
CN101009350A (zh) * 2006-01-27 2007-08-01 日立电线株式会社 Ⅲ－ⅴ族氮化物系半导体衬底、其制造方法及ⅲ－ⅴ族氮化物系发光元件
JP2009043970A (ja) * 2007-08-09 2009-02-26 Panasonic Corp 半導体素子及びその製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103999305A (zh) * 2012-01-05 2014-08-20 住友电气工业株式会社 氮化物半导体激光器以及外延基板
CN110191979A (zh) * 2016-12-27 2019-08-30 住友化学株式会社 Iii族氮化物层叠体的制造方法、检查方法、以及iii族氮化物层叠体
CN110191979B (zh) * 2016-12-27 2021-07-30 住友化学株式会社 Iii族氮化物层叠体的制造方法、检查方法、以及iii族氮化物层叠体

Also Published As

Publication number Publication date
TW201103167A (en) 2011-01-16
JP2011023539A (ja) 2011-02-03
US20110121265A1 (en) 2011-05-26
EP2472606A1 (en) 2012-07-04
KR20110027643A (ko) 2011-03-16
KR101157758B1 (ko) 2012-06-26
WO2011007594A1 (ja) 2011-01-20
CN102124578B (zh) 2013-07-31
EP2472606A4 (en) 2015-01-07
JP5381439B2 (ja) 2014-01-08
US8927962B2 (en) 2015-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102124578B (zh) Ⅲ族氮化物半导体光元件
CN101919076B (zh) Ⅲ族氮化物半导体器件、外延衬底及ⅲ族氮化物半导体器件的制作方法
US6441393B2 (en) Semiconductor devices with selectively doped III-V nitride layers
US6337493B1 (en) Nitride semiconductor device
KR100902576B1 (ko) Ｎ형 ⅲ족 질화물 반도체 적층구조
US7294867B2 (en) Semiconductor light generating device
EP1598909A2 (en) Semiconductor device having quantum well structure, and method of forming the same
JP5908979B2 (ja) 窒化物半導体発光素子及びその製造方法
KR20120081249A (ko) 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
JP2001077476A (ja) 窒素化合物半導体発光素子およびその製造方法
CN103650263A (zh) Iii族氮化物半导体元件及iii族氮化物半导体元件的制造方法
JP4424680B2 (ja) ３族窒化物半導体の積層構造、及びその製造方法、並びに、半導体発光素子、及びその製造方法
JP2010212651A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びｉｉｉ族窒化物半導体素子を作製する方法
CN102549781A (zh) 制作半导体发光元件的方法
JP2000208874A (ja) 窒化物半導体と、窒化物半導体発光装置と、窒化物半導体の製造方法と、半導体発光装置の製造方法
US9705287B2 (en) Method of fabricating a P type nitride semiconductor layer doped with carbon
JP2007266401A (ja) 窒化物半導体発光素子及びその製造方法
US7115914B2 (en) Nitride semiconductor light-emitting device
JP2006186005A (ja) 窒化物系化合物半導体、その製造方法及びその用途
JP2009065050A (ja) ＺｎＯ系半導体素子

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130731

Termination date: 20160226

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee