CN102150288A - 氮化物系半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的氮化物系半导体发光器件(LE1、LD1)的特征在于，具备：氮化镓衬底(11)，其具有主面(11a)，主面(11a)与基准平面(Sc)所成的角度α在40度以上且50度以下以及大于90度且在130度以下的范围内，其中，上述基准平面(Sc)与向c轴方向延伸的基准轴(Cx)正交；n型氮化镓系半导体层(13)；第2氮化镓系半导体区域(17)；及发光层(15)，其包括阱层(21)和势垒层(23)，其中，上述阱层(21)包括多个InGaN，上述势垒层(23)包括多个GaN系半导体；并且，多个阱层(21)的压电极化的方向为从n型氮化镓系半导体层(13)朝向第2氮化镓系半导体区域(17)的方向。

Description

氮化物系半导体发光器件
技术领域
本发明涉及氮化物系半导体发光器件。
背景技术
在下述非专利文献1中记载有：使用具有半极性主面的GaN衬底的LED(发光二极管)。上述文献中记载有以下内容等：该LED在以(11-22)面为主面的GaN衬底上形成，具有由InGaN/GaN构成的单量子阱结构的发光层，且发光波长为600nm。
在下述非专利文献2中记载有：使用具有半极性主面的GaN衬底的LD(激光二极管)。上述文献记载有以下内容等：该LD在以(10-1-1)面为主面的GaN衬底上形成，具有由InGaN/GaN构成的多量子阱结构的发光层，且发光波长为405.9nm(蓝紫色)。
现有技术文献
非专利文献1：Mitsuru FUNATO等，“Blue，Green，and Amber InGaN/GaN Light-Emitting Diodes onSemipolar{11-22}GaN Bulk Substrates”，Japanese Journalof Applied Physics，第45卷，第26期，2006，第L659-L662页
非专利文献2：Anurag TYAGI等，“Semipolar(10-1-1)InGaN/GaN Laser Diodes on Bulk GaN Substrates”，Japanese Journal of Applied Physics，第46卷，第19期，2007，第L444-L445页
发明内容
作为氮化物系半导体发光器件，有在氮化稼(GaN)等氮化物系半导体衬底上形成包括发光层等的半导体层压体的半导体发光器件。在这样的氮化物系半导体发光器件中，在使用以c面为主面的GaN衬底的情况下，在发光层中会产生比较大的应变。因此，产生由压电极化造成的量子斯塔克效应，使电子及空穴空间分离，从而产生发光效率降低的问题。
为了抑制这样的由压电极化所造成的不良影响，已知有如上述非专利文献1及非专利文献2所记载的使用以半极性面为主面的GaN衬底来制作氮化物系半导体发光器件的方法。由此，能够抑制由压电极化所造成的发光效率的降低。
但是，根据发明者的见解，即使使用以半极性面为主面的GaN衬底，在具备具有InGaN阱层和包括GaN系半导体的势垒层的多量子阱结构的发光层的氮化物系半导体发光器件中，若阱层与势垒层的能带隙之差增大，则由于如以下所述的理由，有发光效率降低、驱动电压增高的异常情形。
即，若阱层与势垒层的能带隙之差增大，则阱层与势垒层的传导带的能带偏移增大。因此，若着眼于从n型半导体层向发光层移动的电子，则当电子到达最初的阱层时，移动至相邻的势垒层时必须超越的电位大。结果，电子难以移动至位于p型半导体层一侧的阱层。另一方面，阱层与势垒层的价电子带的能带偏移变得比传导带的能带偏移小。因此，从p型半导体层向发光层移动的电洞比较容易移动至位于n型半导体层一侧的阱层。
因此，在各阱层中，由于电子与电洞的注入密度不均匀，因此发光效率降低且驱动电压升高。
本发明鉴于这样的问题而完成，其目的在于提供一种氮化物系半导体发光器件，其使用以半极性面为主面的GaN衬底，即使阱层与势垒层的能带隙之差大，也能够抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
为了解决上述课题，本发明的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，具备：GaN衬底，其包括六方晶系GaN半导体，并且具有与基准平面成有限角度的主面，其中上述基准平面与沿着该GaN半导体的c轴方向延伸的基准轴正交；n型氮化物系半导体层；p型氮化物系半导体层；和发光层，其包括交替层压的多个阱层及多个势垒层；主面显示半极性；上述有限角度处于40度以上50度以下、及大于90度且130度以下的范围内；发光层设置于n型氮化物系半导体层与p型氮化物系半导体层之间；多个阱层分别包括InGaN  多个势垒层分别包括GaN系半导体；多个阱层各自的带隙能与多个势垒层中与各个阱层相邻的势垒层的带隙能之差为0.7eV以上；多个阱层各自的压电极化的方向是从n型氮化物系半导体层朝向p型氮化物系半导体层的方向。
根据本发明的氮化物系半导体发光器件，由于使用以半极性面为主面的GaN衬底，因此与使用以极性面为主面的GaN衬底的情况相比，可以抑制压电极化引起的发光效率的降低。并且，根据本发明的氮化物系半导体发光器件，由于上述有限角度处于40度以上且50度以下、及大于90度且130度以下的范围，因此，多个阱层各自的压电极化的方向为从n型氮化物系半导体层朝向p型氮化物系半导体层的方向。由此，势垒层的传导带的形状产生变形，以使各势垒层的传导带的n型氮化物系半导体层一侧的能级降低，而p型氮化物系半导体层一侧的能级上升。因此，从n型氮化物系半导体层到达阱层的电子移动至与该阱层的p型氮化物系半导体层一侧相邻的势垒层时必须超越的电位降低。由此，电子易于移动至p型氮化物系半导体层一侧的阱层。因此，即使各个阱层的带隙能与同其相邻的势垒层的带隙能之差为0.7eV以上，电子与电洞也易于再次结合。结果，在使用以半极性面为主面的GaN衬底的氮化物系半导体发光器件中，即使阱层与势垒层的能带隙之差大，也能够抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
另外，在本发明的氮化物系半导体发光器件中，发光层的发光波长可以为460nm以上、且550nm以下。为了获得这样的发光波长，需要加深阱层的传导带的电位，通常易于引起发光效率的降低与驱动电压的升高，但是根据本发明的氮化物系半导体发光器件，能够如上所述地抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
另外，在这种情况下，主面可以设为{10-12}面、{11-2-2}面及{10-1-1}面中的任意一个面。
另外，在本发明的氮化物系半导体发光器件中，上述有限角度可以处于100度以上、且117度以下的范围内。由此，由于能够减小压电极化，因此能够抑制压电极化所引起的发光效率的降低。另外，由于能够容易地增加阱层中的In纳入量，因此特别有利于利用本发明的氮化物系半导体发光器件实现长波长的发光器件的情况。
另外，在该情况下，主面可以设为{20-2-1}面。
另外，本发明的氮化物系半导体发光器件可以还具备包括InGaN的应变缓和层，n型氮化物系半导体层设置于GaN衬底与发光层之间，应变缓和层设置于n型氮化物系半导体层与发光层之间。在各个阱层的带隙能与同其相邻的势垒层的带隙能之差为0.7eV以上的情况下，阱层中的应变有增大的趋势。若产生这样的应变，则在阱层与势垒层的界面产生缺陷，从而发光效率降低。如上所述，通过在发光层下设置使该应变缓和的应变缓和层，能够抑制阱层中的应变，因此能够抑制发光效率的降低。
另外，在该情况下，应变缓和层的位于GaN衬底一侧的界面的缺陷密度可以为1×105cm-1以下。由此，通过应变缓和层能够充分抑制阱层与势垒层的界面所产生的缺陷，因此能够特别抑制发光效率的降低。
另外，在该情况下，在应变缓和层的位于GaN衬底一侧的界面的缺陷密度可以为5×103cm-1以上。由此，与应变缓和层相比，在位于GaN衬底一侧的各层中一定程度地缓和了应变，因此能够通过应变缓和层特别抑制阱层与势垒层的界面所产生的缺陷，从而能够特别抑制发光效率的降低。
另外，在本发明的氮化物系半导体发光器件中，n型氮化物系半导体层可以构成为GaN或InAlGaN占50体积％以上。这些材料与阱层的InGaN的晶格失配小，且在形成于GaN衬底上的情况下，包括这些材料的层中的应变的缓和也小。因此，能够减小阱层中的应变，从而能够特别抑制发光效率的降低。
发明效果
根据本发明，可提供一种氮化物系半导体发光器件，即使阱层与势垒层的能带隙之差大，也能够抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
附图说明
图1是概略表示氮化物系半导体发光器件的结构的图。
图2是表示氮化物系半导体发光器件的发光层附近的剖面结构的图。
图3是概略表示氮化物系半导体发光器件的结构的图。
图4是发光层的能带图。
图5是表示实施例1～实施例3、比较例1～比较例6的LED结构的图。
图6是表示实施例1～实施例3、比较例1～比较例6中的主面的面方位、偏离角(角度α)及发光波长的图。
图7是阱层及势垒层中的能带图。
图8是阱层及势垒层中的能带图。
图9是表示比较例1、实施例1及比较例4的测定结果的图。
图10是表示实施例1～实施例2、比较例1～比较例5的测定结果的图。
图11是表示实施例2与比较例4的电压-电流特性的测定结果的图。
图12是表示实施例3与比较例6的电压-电流特性的测定结果的图。
图13是表示实施例4及实施例5的LD结构的图。
标号说明
11氮化镓衬底
11a主面
13n型氮化镓系半导体区域
17第2氮化镓系半导体区域
21阱层
23势垒层
15发光区域
Cx基准轴
LE1、LD1氮化物系半导体发光器件
Sc基准平面
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明实施方式中的氮化物系半导体发光器件。另外，在各附图中，在可能的情况下对相同的要素使用相同的标号。另外，为了易于观察附图，附图中的构成要素内及构成要素间的尺寸比分别为任意的。
图1是概略表示本实施方式的氮化物系半导体发光器件的结构的图。作为氮化物系半导体发光器件，例如有半导体激光器、发光二极管等。
氮化物系半导体发光器件LE1具有适合于发光二极管的结构。氮化物系半导体发光器件LE1具备：包括六方晶系氮化镓(GaN)半导体的氮化镓衬底11、n型氮化镓系半导体层13、发光层15及p型氮化镓系半导体层17。
氮化镓衬底11具有主面11a及背面11b。氮化镓衬底11的主面11a显示半极性。
图1表示由氮化镓半导体的六方晶系的结晶轴a轴、m轴及c轴构成的结晶坐标系CR。例如，六方晶中的c面标记为“(0001)”，而标记为“(000-1)”的面方位相对于(0001)面朝向相反方向。另外，图1表示由几何学坐标轴X、Y、Z构成的正交坐标系S。在正交坐标系S中，将X轴及Y轴设定为与主面11a平行的方向，将Z轴设定为氮化镓衬底11的厚度方向。
氮化镓衬底11的主面11a相对于与基准轴Cx正交的基准平面Sc、以处于40度以上且50度以下、及大于90度且130度以下的范围内的有限角度α倾斜。在此，基准轴Cx沿着氮化镓半导体的c轴方向延伸。在本实施例中，主面11a相对于基准平面Sc向m轴方向倾斜有限角度α，但也可以向a轴方向倾斜有限角度α，也可以相对于m轴与a轴两者倾斜，由此与基准平面Sc成有限角度α。该有限角度α称为相对于氮化镓衬底11的c面的偏离角。
n型氮化镓系半导体层13、发光层15及p型氮化镓系半导体层17分别为外延层，且沿与Z轴平行的轴Ax排列于主面11a上。
发光层15设置于n型氮化镓系半导体层13与p型氮化镓系半导体层17之间。n型氮化镓系半导体层13可以包括1个或多个n型氮化镓系半导体层(在本实施方式中为氮化镓系半导体层25、27、29)。p型氮化镓系半导体层17包括：具有比发光层15的势垒层的能带隙大的能带隙的氮化镓系半导体层31及1个或多个p型氮化镓系半导体层(在本实施方式中为氮化镓系半导体层33、35)。
发光层15可以包括活性层19和氮化镓半导体层37。氮化镓半导体层37可以设为未掺杂的氮化镓半导体层。
其次，参照图2详细说明活性层19。图2是表示氮化物系半导体发光器件的发光层附近的剖面结构的图。
如图2所示，活性层19具有交替层压的多个阱层21及多个势垒层23。即，活性层19具有多量子阱结构。阱层21包括六方晶系InGaN。势垒层23包括六方晶系的氮化镓系半导体，例如可以为GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN等。另外，各阱层21的带隙能与同该阱层21相邻的势垒层23的带隙能之差为0.7eV以上。
另外，阱层21沿基准平面SR延伸，其中上述基准平面SR相对于与沿c轴方向延伸的基准轴Cx正交的基准平面Sc、以有限角度α21倾斜。即，基准平面Sc与基准平面SR所成的有限角度α21大致等于基准平面Sc与主面11a所成的有限角度α。阱层21内含有应变，阱层21中的压电极化具有从n型氮化镓系半导体层13朝向p型氮化镓系半导体层17的方向(Z轴的正方向)的分量。InGaN的a轴及c轴方向的晶格常数大于GaN的a轴及c轴方向的晶格常数，因此包括InGaN的阱层21从势垒层23受到应力(压缩应变)，从而内部含有应变。因此，上述压电极化的方向可以通过调节主面11a与基准平面Sc所成的有限角度α、即通过适当选择主面11a的结晶面来决定。
另外，如图1所示，n型氮化镓系半导体层13的氮化镓系半导体层25可以作为例如包括掺杂有Si等的n型GaN或InAlGaN的缓冲层。氮化镓系半导体层27为例如用于供给n型载流子的层，且可以作为掺杂有Si等的n型GaN层或InAlGaN层。氮化镓系半导体层29为用于缓和阱层21的应变的应变缓和层。氮化镓系半导体层29可以为例如掺杂有Si等的n型InGaN层。另外，n型氮化镓系半导体层13也可以不具有作为应变缓和层的氮化镓系半导体层29。
p型氮化镓系半导体层17内的氮化镓系半导体层31可以设为电子阻挡层及包覆层中的任意一层。电子阻挡层阻挡来自发光层的电子，包覆层进行载流子的封入及光的封入。氮化镓系半导体层31可以包括例如掺杂有Mg等的p型AlGaN。氮化镓系半导体层33可以包括例如掺杂有Mg等的p型GaN。氮化镓系半导体层35为例如掺杂有Mg的p+型GaN接触层。
另外，在氮化镓系半导体层35上设置有第1电极(例如阳极电极)41a，在背面11b上设置有第2电极(例如阴极电极)41b。若经由这些电极向活性层19注入载流子，则生成光。
其次，说明本实施方式的变形例中的氮化物系半导体发光器件。在本变形例的说明中，对与上述氮化物系半导体发光器件LE1相同的要素标注相同的标号，因此有些部分省略了详细说明。
图3是概略表示本实施方式的氮化物系半导体发光器件的结构的图。作为氮化物系半导体发光器件LD1，例如有半导体激光器等。
氮化物系半导体发光器件LD1具有适于半导体激光器的结构。氮化物系半导体发光器件LD1具备：氮化镓衬底11、n型氮化镓系半导体层13、发光层15及p型氮化镓系半导体层17。发光层15包括活性层19，活性层19具有包括交替排列的多个阱层21及多个势垒层23的量子阱结构。发光层15设置于n型氮化镓系半导体层13与p型氮化镓系半导体层17之间。n型氮化镓系半导体层13可以包括一个或多个n型氮化镓系半导体层(在本实施例中为氮化镓系半导体层55、57)。p型氮化镓系半导体层17包括：能带隙大于势垒层23的能带隙的氮化镓系半导体层31以及一个或多个p型氮化镓系半导体层(在本实施例中为氮化镓系半导体层51、53)。
氮化镓系半导体层55可以设为例如掺杂有Si等的n型AlGaN包覆层。氮化镓系半导体层57为用于缓和阱层21的应变的应变缓和层。氮化镓系半导体层57可以为例如掺杂有Si等的n型InGaN层。发光层15可以包括第1光引导层59a、第2光引导层59b及未掺杂GaN层61。活性层19设置于第1光引导层59a与第2光引导层59b之间。第1光引导层59a及第2光引导层59b可以包括例如未掺杂InGaN。在第2光引导层59b上设置有未掺杂GaN层61。另外，n型氮化镓系半导体层13也可以不具有氮化镓系半导体层57。
氮化镓系半导体层31可以设为例如掺杂有Mg等的p型AlGaN层。氮化镓系半导体层51可以设为例如掺杂有Mg等的p型AlGaN包覆层。氮化镓系半导体层53为例如掺杂有Mg等的p+型GaN接触层。
在p型氮化镓系半导体层17上，设置有具有条状窗的绝缘膜63。在绝缘膜63及p型氮化镓系半导体层17上形成电极。第1电极(例如阳极电极)65设置于氮化镓系半导体层53上，并且第2电极(例如阴极电极)67形成于背面11b上。响应于经由这些电极的载流子的注入，活性层19生成激光。
另外，在本变形例中，氮化镓衬底11的主面11a相对于基准平面Sc向a轴方向倾斜有限角度α。
根据如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1，由于使用以半极性面为主面11a的氮化镓衬底11(参照图1及图3)，因此与使用以极性面为主面的氮化镓衬底的情况相比，其阱层21的压电极化变小。因此，压电极化所引起的量子斯塔克效应受到抑制，因此能够抑制发光效率的降低。
并且，根据如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1，由于上述有限角度α处于40度以上且50度以下、及大于90度且130度以下的范围内(参照图1及图3)，因此多个阱层21各自的压电极化的方向为从n型氮化镓系半导体层13朝向p型氮化镓系半导体层17的方向。由此，在使用以半极性面为主面11a的氮化镓衬底11的氮化物系半导体发光器件中，即使阱层21与势垒层23的能带隙之差大，也可以抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。关于该原理，参照图4进行说明。
图4(a)是阱层的压电极化方向为从p型半导体层朝向n型半导体层的方向时的、发光层的能带图，图4(b)是阱层的压电极化方向为从n型半导体层朝向p型半导体层的方向时的、发光层的能带图。
在图4(a)中，表示包括交替层压的多个包括InGaN的阱层21x及包括GaN的势垒层23x的活性层19x，且与活性层19x内的Z坐标相对应地表示阱层21x及势垒层23x的传导带Ec及价电子带Ev。在图4(b)中，与活性层19内的Z坐标相对应地表示阱层21及势垒层23的传导带Ec及价电子带Ev。
如图4(a)所示，当阱层的压电极化方向为从p型半导体层朝向n型半导体层的方向(Z轴的负方向)时，由于阱层21x的压电极化，势垒层23x的传导带Ec的形状变形，以使势垒层23x的n型半导体层一侧(Z轴的负方向一侧)的能级增高，并使p型半导体层一侧(Z轴的正方向一侧)的能级降低。因此，到达阱层21x的电子e移动至与p型半导体层一侧相邻的势垒层23x时所必须超越的电位P23x增高。因此，电子e难以向p型半导体层一侧移动。另外，已知在阱层包括InGaN、势垒层包括GaN的情况下，在阱层21x与势垒层23x的界面处的价电子带Ev的能带偏移相对缩小。因此，电洞h比较易于从p型半导体层一侧移动至n型半导体层一侧。因此，在各阱层21x中，电子e与电洞h的注入密度不均匀，因此，导致发光效率降低，驱动电压升高。
相对于此，如图4(b)所示，在阱层的压电极化方向为从n型半导体层朝向p型半导体层的方向(Z轴的正方向)的情况下，势垒层23的传导带Ec的形状变形，以使势垒层23的n型氮化物系半导体层一侧的能级降低，并使p型氮化物系半导体层一侧的能级上升。因此，在从n型氮化物系半导体层到达阱层21的电子e移动至与该阱层21的p型氮化物系半导体层一侧相邻的势垒层23时所必须超越的电位P23降低。由此，电子e易于向p型氮化物系半导体层一侧的阱层21移动。结果，即使各个阱层21的带隙能G21与同其相邻的势垒层23的带隙能G23之差为0.7eV以上，电子e与电洞h也易于再次结合，因此可抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
另外，在如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1中，发光层15(活性层19)的发光波长可以为460nm以上、且550nm以下。为获得这样的发光波长，需要加深阱层21的传导带Ec的电位(参照图4)，通常容易引起发光效率的降低和驱动电压的升高。但通过本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1，可如上所述地抑制发光效率的降低与驱动电压的升高。
另外，在如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1中，主面11a可以设为{10-12}面、{11-2-2}面及{10-1-1}面中的任意一个面。
另外，在如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1中，有限角度α可以处于100度以上、且117度以下的范围内。由此，能够减小阱层21的压电极化，因此能够抑制压电极化所引起的发光效率的降低。另外，由于可容易地增加阱层21中的In纳入量，因此特别有利于通过氮化物系半导体发光器件LE1、LD1来实现长波长的发光器件的情况。另外，在有限角度α为100度以上、且117度以下的范围内时，主面11a可以设为{20-2-1}面。
另外，如上所述，本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1，作为包括InGaN的应变缓和层，还具备氮化镓系半导体层29(图1)或氮化镓系半导体层57(图3)。在各阱层21的带隙能G21与同其相邻的势垒层23的带隙能G23之差为0.7eV以上的情况下，阱层21中的应变有增大的趋势。若产生这样的应变，则在阱层21与势垒层23的界面产生缺陷，从而导致发光效率降低。如上所述，通过在活性层19下设置缓和该应变的应变缓和层，可以抑制阱层21中的应变，因此可以抑制发光效率的降低。
另外，如上述实施方式中的情况所述，在氮化物系半导体发光器件LE1、LD1具备应变缓和层(氮化镓系半导体层29或氮化镓系半导体层57)的情况下，应变缓和层的位于氮化镓衬底11一侧的界面的缺陷密度可以为1×105cm-1以下(参照图1及图3)。由此，能够通过应变缓和层充分地抑制在阱层21与势垒层23的界面产生的缺陷(参照图2)，因此能够特别抑制发光效率的降低。
另外，在该情况下，应变缓和层(氮化镓系半导体层29或氮化镓系半导体层57)的位于氮化镓衬底11一侧的界面的缺陷密度可以为5×103cm-1以上(参照图1及图3)。由此，与应变缓和层相比，位于氮化镓衬底11一侧的各层(氮化镓系半导体层27、氮化镓系半导体层25、氮化镓系半导体层55)中更能一定程度地缓和应变，因此，通过应变缓和层能够特别抑制在阱层21与势垒层23的界面产生的缺陷，并能够特别抑制发光效率的降低。
另外，在如上所述的本实施方式的氮化物系半导体发光器件LE1、LD1中，n型氮化镓系半导体层13可以构成为GaN或InAlGaN占50体积％以上(参照图1及图3)。这些材料与阱层21的InGaN的晶格失配较小，且在其形成于氮化镓衬底11上的情况下，包括这些材料的层中的应变的缓和也小。因此，能够减小阱层21中的应变，从而能够特别抑制发光效率的降低。
(实施例)
以下，对实施例及比较例进行说明。
制作LED(发光二极管)，作为实施例1～实施例3、比较例1～比较例6。图5是表示实施例1～实施例3、比较例1～比较例6的LED结构的图。如图5所示，准备GaN衬底71。另外，在各实施例及比较例中，使GaN衬底71的主面71a与和基准轴Cx正交的基准平面Sc所成的有限角度α的值(偏离角)变化。即，使各实施例及比较例中的主面71a的面方位变化。将GaN衬底71配置于生长炉，供给氨气(NH3)及氢气(H2)，在摄氏1050度的氛围下将GaN衬底71保持10分钟。在该预处理(热清洗)后，将原料气体供给至生长炉，如下所示地制作成用于LED的结构。
首先，在摄氏1100度下使n型GaN引导层72生长2μm。在摄氏800度下使n型In0.02Ga0.98N应变缓和层73生长100nm。接着，使发光层74生长。发光层74是将包括15nm的GaN的势垒层与包括3nm的InGaN的阱层交替层压而得到的量子阱结构。根据GaN衬底71的偏离角，阱层的In的纳入容易度不同。因此，以使阱层成为所需的组成、达到所需的发光波长的方式，在各实施例及各比较例中调节阱层与势垒层的生长温度。阱层的数目被设为3层。接着，在摄氏1000度下，依次使20nm的p型Al0.18Ga0.82N电子阻挡层75及50nm的p型GaN接触层76生长。另外，在p型GaN接触层76上，蒸镀包括Ni/Au且具有开口的阳极电极77以及包括Ti/Au且经由阳极电极77的开口与p型GaN接触层76接触的垫电极78。另外，在GaN衬底71的背面，蒸镀包括Ti/Al的阴极电极79。
图6是表示实施例1～实施例3、比较例1～比较例6中的主面的面方位、偏离角(角度α)及大概的发光波长的图。如图6所示，以实施例1、比较例1～5、实施例2、比较例6、实施例3的顺序，面方位分别被设为(10-12)、(0001)、(11-22)、(10-11)、(20-21)、(10-10)、(20-2-1)、(20-21)、(20-2-1)。另外，以实施例1、比较例1～5、实施例2、比较例6、实施例3的顺序，偏离角分别被设为43度(m轴方向)、0度、58度(a轴方向)、62度(m轴方向)、75度(m轴方向)、90度(m轴方向)、105度(m轴方向)、75度(m轴方向)、105度(m轴方向)。发光波长在实施例1～实施例2、比较例1～比较例5中为500nm附近，在实施例3、比较例6中为400nm附近。
其次，对实施例1～实施例2、比较例1～比较例5施加正向偏压的同时，对各LED从阳极电极77上照射激发光，检测PL(光致发光)，由此，确定各个阱层的压电极化的方向。以下参照图7及图8说明这样的偏压施加PL测定的原理。
图7是阱层的压电极化(严密地说，是合并压电极化与自发极化的内部电场)正向强时的、阱层及势垒层中的能带图。图7的横轴将从n型氮化物系半导体层朝向p型氮化物系半导体层的方向作为正向。图7(a)表示施加正向偏压前的状态，图7(b)表示施加正向偏压后的状态。
图8是阱层的压电极化(严密地说，是合并压电极化与自发极化的内部电场)正向弱或为负时的、阱层及势垒层中的能带图。图8的横轴将从n型氮化物系半导体层朝向p型氮化物系半导体层的方向作为正向。图8(a)表示施加正向偏压前的状态，图8(b)表示施加正向偏压后的状态。
如图7所示，当阱层的压电极化正向强时，通过施加正向偏压，阱层的传导带Ec与价电子带Ev的倾斜方向发生变化。由此，通过施加正向偏压，阱层的传导带Ec内的最低能级与价电子带Ev内的最高能级之差Gw变小。结果，通过施加正向偏压，使PL波长红移。
另一方面，如图8所示，当阱层的压电极化正向弱或为负时，通过施加正向偏压，在阱层的传导带Ec与价电子带Ev的倾斜方向相同的状态下，倾斜的程度变小。由此，通过施加正向偏压，阱层的传导带Ec的最低能级与价电子带Ev内的最高能级之差Gw增大。结果，通过施加正向偏压，使PL波长蓝移。对于实施例1～实施例2、比较例1～比较例5，在绝对温度100K下，以各种大小的正向偏压进行这样的测定。
图9(a)、图9(b)及图9(c)是分别表示比较例1、实施例1及比较例4的偏压施加PL测定结果的图，表示多个正向偏压值。图9的曲线图中的横轴表示PL峰值的波长，纵轴表示以EL强度除PL强度并将其标准化的光强度。如图9所示，在比较例1中，当正向偏压值增加时，PL峰值的波长发生红移，而在实施例1中，PL峰值的波长几乎没有变化。由此可知，在比较例1及实施例1中，阱层的压电极化为正。另外，在比较例4中，当正向偏压值增加时，PL峰值的波长蓝移。由此可知，在比较例4中，阱层的压电极化为负。
图10是根据实施例1～实施例2、比较例1～比较例5的偏压施加PL测定结果求出的、PL峰值的波长的位移量的偏离角依存性。将PL峰值的波长的位移量设为偏压为0V时的PL峰值的波长与EL发光开始后的PL峰值的波长之差。在图10中，比较例5(面方位(10-10)、偏离角90度(m轴方向))的主面为m面，因此内部电场为0。因此，波长位移量大于比较例5的实施例或比较例的压电极化为正，波长位移量小于比较例5的实施例或比较例的压电极化为负。如图10所示，阱层的压电极化方向为正的是比较例1与实施例1，阱层的压电极化方向为负的是比较例2～比较例4。在此，在使用以与比较例2～比较例4的GaN衬底背面相当的面为主面的GaN衬底、来制作同样的LED的情况下，阱层的压电极化为正。因此可知，若使用以(11-2-2)面(与比较例2的GaN衬底的背面相当)、(10-1-1)面(与比较例3的GaN衬底的背面相当)及(20-2-1)面(与比较例4的GaN衬底的背面相当、实施例2的GaN衬底的主面)为主面的GaN衬底、来制作同样的LED，则阱层的压电极化为正。另外，在图10中，也表示出在与比较例2相同的条件下制作的其他比较例及在与比较例4相同的条件下制作的其他比较例的、与PL峰值的波长的位移量相对应的曲线图。
然后，对实施例2与比较例4的电压-电流特性进行比较。比较例4的GaN衬底的背面相当于实施例2的GaN衬底的主面。如上所述，实施例2的阱层的压电极化方向为正，比较例4的阱层的压电极化方向为负。图11是表示实施例2与比较例4的电压-电流特性的测定结果的图。如图11所示，实施例2的驱动电压变低。由此可知，通过将阱层的压电极化方向设为正，可使驱动电压降低。
同样地，对实施例3与比较例6的电压-电流特性进行比较。比较例6的GaN衬底的背面相当于实施例3的GaN衬底的主面。如上所述，实施例3的阱层的压电极化方向为正，比较例6的阱层的压电极化方向为负。图12是表示实施例3与比较例6的电压-电流特性的测定结果的图。如图12所示，实施例3的驱动电压变低。由此可知，通过将阱层的压电极化方向设为正，可使驱动电压降低。另外，图12所示的400nm带LED(实施例3与比较例6)中的驱动电压的降低程度，小于图11所示的500nm带LED(实施例2与比较例4)中的驱动电压的降低程度。认为这是由于在实施例3与比较例6中，阱层的传导带的电位浅，因此，即使在阱层的压电极化方向为负的比较例6中，电子比较容易从某个阱层移动至与其相邻的阱层。由此认为，在阱层的传导带的电位较深时，通过将阱层的压电极化方向设为正而使驱动电压降低的效果发挥得更为显著。
然后，制作LD(激光二极管)作为实施例4及实施例5。图13是表示实施例4及实施例5的LD结构的图。如图13所示，准备GaN衬底81。另外，GaN衬底81的主面81a与和基准轴Cx正交的基准平面Sc所成的有限角度α的值(偏离角)为105度。即，将实施例4及实施例5的主面81a的面方位设为(20-1-1)。将GaN衬底81配置于生长炉，供给氨气(NH3)及氢气(H2)，并在摄氏1050度的氛围下将GaN衬底81保持10分钟。该预处理(热清洗)后，将原料气体供给至生长炉，如下所述地制作用于LD的结构。
首先，在摄氏1050度下，使n型GaN层82生长500nm。在摄氏880度下，使n型In0.02Al0.09Ga0.89N包覆层83生长1.2μm。在摄氏840度下使n型InGaN引导层84生长200nm。在此，将实施例4的n型InGaN引导层84的组成设为In0.03Ga0.97N，将实施例5的InGaN引导层84的组成设为In0.01Ga0.99N。n型InGaN引导层84作为应变缓和层而发挥功能。接着，使发光层85生长。发光层85是将包括15nm的GaN的势垒层和包括3nm的In0.30Ga0.70N的阱层交替层压而得到的量子阱结构。阱层的数目设为2层。阱层的生长温度设为摄氏740度，势垒层的生长温度设为840度。
接着，在摄氏840度下，使InGaN引导层86生长200nm。在此，将实施例4的InGaN引导层86的组成设为In0.03Ga0.97N，将实施例5的InGaN引导层86的组成设为In0.01Ga0.99N。在摄氏1000度下，使20nm的p型Al0.12Ga0.88N电子阻挡层87、400nm的p型In0.02Al0.09Ga0.89N包覆层88及50nm的p型GaN接触层89依次生长。另外，在p型GaN接触层89上，经由包括氧化硅(SiO2)的绝缘膜90的宽度为10μm的条状开口，通过蒸镀形成包括Ni/Au的p电极和Ti/Au层的垫电极91，并且在GaN衬底81的背面通过蒸镀形成包括Ti/Al的n电极和Ti/Au层的垫电极92。而且，在与条状开口的延伸方向垂直的面上，以800μm间隔劈开GaN衬底81。在通过劈开而露出的两端面上形成包括SiO2/TiO2的电介质多层膜，制作成增益导引型LD。
对实施例4及实施例5中的剖面进行TEM(透射电镜)观察。在实施例4中，在n型In0.02Al0.09Ga0.89N包覆层83与n型InGaN引导层84的界面，看到有2×104cm-1的密度的失配位错。在发光层85上未看到失配位错。在实施例5中，在n型In0.02Al0.09Ga0.89N包覆层83与n型InGaN引导层84的界面未看到失配位错，但在发光层85中，看到有从阱层与势垒层的界面贯通至发光层85的表面的1×108cm-2的密度的缺陷。在实施例4中，由于n型InGaN引导层84中的应变得到缓和，因此认为即使提高阱层的In组成，也可以抑制在发光层85中产生缺陷。

Claims (11)

1.一种氮化物系半导体发光器件，其特征在于，具备：
GaN衬底，其包括六方晶系GaN半导体，并且具有与基准平面成有限角度的主面，其中上述基准平面与沿着该GaN半导体的c轴方向延伸的基准轴正交；
n型氮化物系半导体层；
p型氮化物系半导体层；和
发光层，其包括交替层压的多个阱层及多个势垒层；
所述主面显示半极性；
所述有限角度处于40度以上且50度以下、及大于90度且130度以下的范围内；
所述发光层设置于所述n型氮化物系半导体层与所述p型氮化物系半导体层之间；
所述多个阱层分别包括InGaN；
所述多个势垒层分别包括GaN系半导体；
所述多个阱层的各自的带隙能与所述多个势垒层中同各个所述阱层相邻的势垒层的带隙能之差为0.7eV以上；
所述多个阱层的各自的压电极化的方向是从所述n型氮化物系半导体层朝向所述p型氮化物系半导体层的方向。
2.如权利要求1所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述发光层的发光波长为460nm以上、且550nm以下。
3.如权利要求1或2所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述主面为{10-12}面。
4.如权利要求1或2所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述主面为{11-2-2}面。
5.如权利要求1或2所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述主面为{10-1-1}面。
6.如权利要求1或2所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述有限角度处于100度以上、且117度以下的范围内。
7.如权利要求6所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，所述主面为{20-2-1}面。
8.如权利要求1至7中任一项所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，
还具备包括InGaN的应变缓和层；
所述n型氮化物系半导体层设置于所述GaN衬底与所述发光层之间；
所述应变缓和层设置于所述n型氮化物系半导体层与所述发光层之间。
9.如权利要求8所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，
所述应变缓和层的位于所述GaN衬底一侧的界面的缺陷密度为1×105cm-1以下。
10.如权利要求8或9所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，
所述应变缓和层的位于所述GaN衬底一侧的界面的缺陷密度为5×103cm-1以上。
11.如权利要求1至10中任一项所述的氮化物系半导体发光器件，其特征在于，
所述n型氮化物系半导体层构成为GaN或InAlGaN占50体积％以上。
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