CN103730551A - 半导体发光元件、发光装置 - Google Patents

半导体发光元件、发光装置 Download PDF

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CN103730551A CN201310469756.6A CN201310469756A CN103730551A CN 103730551 A CN103730551 A CN 103730551A CN 201310469756 A CN201310469756 A CN 201310469756A CN 103730551 A CN103730551 A CN 103730551A
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trap
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楠木克辉
佐藤寿朗
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Toyoda Gosei Co Ltd
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Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

本发明的课题是在采用Ⅲ族氮化物半导体输出呈现绿色的波长的光的半导体发光元件中，降低输出的光的发光波长的分布，使单色性提高。半导体发光元件（1）具备：含有n型杂质（Si）的n型覆盖层（142）、在n型覆盖层（142）上层叠的发光层（150）、包含含有p型杂质（Mg）并且在发光层（150）上层叠的p型覆盖层（161）的p型半导体层（160）。发光层（150）具备第1势垒层（1511）～第5势垒层（1515）、和第1阱层（1521）～第5阱层（1524），具有由2个势垒层夹持1个阱层的多量子阱结构。并且，p型覆盖层（161）的厚度设定为第1阱层（1521）～第4阱层（1524）的每一层的厚度的3倍以下。

Description

半导体发光元件、发光装置
技术领域
本发明涉及采用Ⅲ族氮化物半导体的半导体发光元件、具备半导体发光元件的发光装置。
背景技术
采用Ⅲ族氮化物半导体的半导体发光元件，一般地，是在用于生成作为载流子的电子（electron）的含有n型杂质的n型Ⅲ族氮化物半导体层、和用于生成作为载流子的空穴（hole）的含有p型杂质的p型Ⅲ族氮化物半导体层之间，配置含有Ⅲ族氮化物半导体的发光层而形成的。并且，已知这种半导体发光元件中，利用多个阱层和多个势垒层交替层叠而成的多量子阱结构构成发光层（参照专利文献1）。另外，专利文献1中也记载了，通过调整构成多个阱层的Ⅲ族氮化物半导体的组成，从发光层输出呈现绿色的波长的光。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2009-283620号公报
发明内容
但是，采用Ⅲ族氮化物半导体的半导体发光元件中，在采用输出呈现绿色的波长的光的结构的情况下，与采用输出蓝色光或紫外光的结构的情况相比，发光层内和在发光层上层叠的层中产生大的变形，输出的发光波长的分布容易变为较宽的分布。
本发明的目的是在采用Ⅲ族氮化物半导体输出呈现绿色的波长的光的半导体发光元件中，降低输出的光的发光波长的分布，使单色性提高。
本发明的半导体发光元件，其特征在于，包含：n型半导体层，其由掺杂有n型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；发光层，其在上述n型半导体层上层叠，由Ⅲ族氮化物半导体构成，并且通过通电发出500nm～570nm的波长的光；和p型半导体层，其具有在上述发光层上层叠并且用于该发光层中的载流子的封入的封入层，由掺杂有p型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成，上述发光层具备：由Ⅲ族氮化物半导体构成的4层以上的阱层；和5层以上的势垒层，其由带隙比上述阱层大的Ⅲ族氮化物半导体构成，从两侧夹持4层以上的该阱层的每一层，并且包含与上述n型半导体层连接的n侧势垒层、和在与上述p型半导体层的边界部与该p型半导体层连接的p侧势垒层，上述封入层的厚度是4层以上的上述阱层的每一层的厚度的3倍以下。
在这样的半导体发光元件中，其特征在于，5层以上的上述势垒层分别由GaN构成，并且4层以上的上述阱层分别由GaInN构成，上述封入层由AlxGa1-xN（0＜x≤0.1）构成。
另外，其特征在于，上述封入层含有3×1018～3×1019（原子/cm3）的Mg作为前述p型杂质。
此外，其特征在于，5层以上的上述势垒层中的上述p侧势垒层的厚度是4层以上的上述阱层的每一层的厚度的4倍以下。
此外，其特征在于，上述p侧势垒层的厚度比包含上述n侧势垒层在内的剩余的4层以上的势垒层的厚度薄，并且，上述封入层的厚度比该p侧势垒层薄。
并且，其特征在于，上述封入层的厚度为2.0nm～8.0nm。
另外，从其他的观点着眼，本发明的发光装置，其特征在于，具备：形成有第1配线和第2配线的基部；和半导体发光元件，其安装于该基部，并且与该第1配线和该第2配线电连接，通过经由该第1配线和该第2配线的通电而发光，上述半导体发光元件包含：n型半导体层，其由掺杂有n型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；发光层，其在上述n型半导体层上层叠，由Ⅲ族氮化物半导体构成，并且通过通电发出500nm～570nm的波长的光；p型半导体层，其具有在上述发光层上层叠并且用于该发光层中的载流子的封入的封入层，由掺杂有p型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；用于将上述p型半导体层和上述第1配线电连接的p侧电极；和用于将上述n型半导体层和上述第2配线电连接的n侧电极，上述发光层具备：由Ⅲ族氮化物半导体构成的4层以上的阱层；和5层以上的势垒层，其由带隙比上述阱层大的Ⅲ族氮化物半导体构成，从两侧夹持4层以上的该阱层的每一层，并且包含与上述n型半导体层连接的n侧势垒层、和在与上述p型半导体层的边界部与该p型半导体层连接的p侧势垒层，上述封入层的厚度是4层以上的上述阱层的每一层的厚度的3倍以下。
根据本发明，在采用Ⅲ族氮化物半导体输出呈现绿色的波长的光的半导体发光元件中，能够降低输出的光的发光波长的分布，使单色性提高。
附图说明
图1是本实施方式适用的半导体发光元件的纵截面图。
图2是用于说明构成图1所示的半导体发光元件的各部分的材料等的图。
图3是表示搭载了半导体发光元件的发光装置的构成的一例的图。
图4是用于说明在实施例1～6涉及的半导体发光元件中的、发光层周边的结构的图。
图5是用于说明在比较例1～6涉及的半导体发光元件中的、发光层周边的结构的图。
图6是表示实施例1～6和比较例1～6涉及的半导体发光元件的、光谱半值宽度的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式详细地说明。再者，在以下的说明中参照的附图中的各部分的大小、厚度等，有时与实际的半导体发光元件等的尺寸不同。
图1表示本实施方式适用的半导体发光元件（发光二极管）1的纵截面图。
（半导体发光元件）
该半导体发光元件1，具备基板110、在基板110上层叠的中间层120、和在中间层120上层叠的基底层130。另外，半导体发光元件1，还具备在基底层130上层叠的n型半导体层140、在n型半导体层140上层叠的发光层150、和在发光层150上层叠的p型半导体层160。在此，n型半导体层140，具有在基底层130上层叠的n型接触层141、和在n型接触层141上层叠并且成为发光层150的叠层对象的n型覆盖层142。另一方面，p型半导体层160，具有在发光层150上层叠的p型覆盖层161、和在p型覆盖层161上层叠的p型接触层162。再者，以下的说明中，根据需要，有时将该中间层120、基底层130、n型半导体层140、发光层150和p型半导体层160统称为叠层半导体层100。
此外，半导体发光元件1，具有：在p型半导体层160（更具体是p型接触层162）的一部分上层叠的p侧电极170；和在n型半导体层140的半导体露出面的一部分上层叠的n侧电极180，该n型半导体层140的半导体露出面的一部分是通过切除叠层半导体层100之中的、p型半导体层160、发光层150和n型半导体层140的一部分而露出的。再者，在形成n侧电极180的半导体露出面上，n型半导体层140中的n型接触层141露出。另外，在p型半导体层160和p侧电极170之间，根据需要，有时形成具有对于从发光层150射出的光的透过性和导电性的透明导电层。
在该半导体发光元件1中，以p侧电极170为正极，同时以n侧电极180为负极，通过从p侧电极170向n侧电极180流通电流，使发光层150发光。再者，本实施方式的半导体发光元件1，是将由发光层150输出的光从形成有p侧电极170和n侧电极180的一侧取出的面朝上（face up）型的发光二极管。
接着，对于半导体发光元件1的各构成要素，进行更详细的说明。
在此，图2是用于说明构成图1所示的半导体发光元件1的各部分的材料等的图。以下，在图1以外也参照图2，对半导体发光元件1的构成进行说明。
再者，在以下的说明中，关于作为Ⅲ族氮化物半导体的一例的AlGaN、GaN、GaInN，有时以省略各元素的组成比的形式进行记述。
<基板>
作为基板110，没有特别的限定，可以选择使用各种基板。例如，采用包含蓝宝石、SiC、硅、GaN等的基板110。
该例中，采用以C面为主面的蓝宝石作为基板110。在此例中，基板110的厚度为900μm。在作为基板110采用蓝宝石的情况下，优选在蓝宝石的C面上形成中间层120（缓冲层）。
此外，作为本发明中使用的基板110，也可以优选适用例如日本特开2009-123717号公报中记载的加工基板（由蓝宝石单晶的C面构成的平面、和由与该平面非平行的多个凸部构成的表面的基板等）。在采用这样的加工基板作为基板110的情况下，制造时（层叠时），发光层150中的晶体的变形通过在基板110的表面设置的凹凸形状来降低，因此，由于向凹凸面的晶体生长，通过缺陷的降低效果、和在基板/外延层的凹凸界面中的光的反射所引起的光的取出效率的提高的协同效应，能够使半导体发光元件1的发光输出提高。特别地，在输出变形大的绿色光的发光层150的形成时优选。
在此，加工基板的形状，例如，在将凸部形成为圆锥形状的情况下，凸部的高度为0.3μm～1.5μm，并且，凸部的底面的直径为0.5μm～2.0μm是优选的范围。对于凸部的形状，不限定为圆锥形状，也可以是其他形状。
<叠层半导体层>
叠层半导体层100，例如是由Ⅲ族氮化物半导体构成的层，如图1所示，在基板110上，中间层120、基底层130、n型半导体层140、发光层150和p型半导体层160的各层按顺序层叠而构成。在此，n型半导体层140是以电子（electron）作为载流子的层，p型半导体层160是以空穴（hole）作为载流子的层。
以下，对于构成叠层半导体层100的各层，依次说明。
[中间层]
中间层120，缓和基板110和基底层130的晶格常数的差异，特别是在利用以C面为主面的蓝宝石构成基板110的情况下，有使在基板110的（0001）面（C面）上C轴取向了的单晶层的形成变容易的作用。因此，如果在中间层120之上层叠单晶的基底层130，则能够层叠结晶性更好的基底层130。再者，在本发明中，优选进行中间层120的形成，但也不一定进行。
中间层120优选为由多晶的AlxGa1-xN（0≤x≤0.1）构成的层，更优选为单晶的AlxGa1-xN（0≤x≤0.1）的层。特别是AlN容易得到品质良好的基底层，因此优选。
中间层120，例如，可以是厚度为10nm～500nm的层。如果中间层120的厚度低于10nm，则有时由中间层120缓和基板110与基底层130的晶格常数的差异的效果不能充分得到。另外，如果中间层120的厚度超过500nm，则尽管作为中间层120的功能没有变化，但中间层120的成膜处理时间变长，有生产率降低的顾虑。本实施方式中，采用AlN构成中间层120，并且将中间层120的厚度设为30nm。另外，在此例中，中间层120中没有添加n型杂质和p型杂质。
再者，中间层120采用MOCVD法形成时可得到结晶性良好的层，但即使采用溅射法，通过将条件最佳化，可以形成具有比MOCVD法优异的结晶性的半导体层。
[基底层]
作为基底层130，可以采用AlxGayInzN（0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，x+y+z=1），采用AlxGa1-xN（0≤x＜1）时可以形成结晶性良好的基底层130，因此优选。本实施方式中，作为基底层130采用GaN。
基底层130的厚度优选100nm以上，更优选500nm以上，最优选1000nm（1μm）以上。设为该厚度以上时，容易得到结晶性良好的基底层130。在该例中，作为基板110使用上述的加工基板，因此需要相比于凹凸的高度增厚基底层130，将表面平坦化，因此将基底层130的厚度设为6μm。
为了使基底层130的结晶性良好，希望在基底层130中不掺杂杂质。但是，在为了使半导体发光元件1的正向电压VF降低，而需要n型的导电性的情况下，可以添加施主杂质（n型杂质）。本实施方式中，在基底层130中，没有掺杂杂质。
[n型半导体层]
以电子作为载流子的n型半导体层140，如上所述，具备在基底层130上层叠的n型接触层141、和在n型接触层141上层叠并且成为发光层150的叠层对象的n型覆盖层142。再者，也可以将上述的基底层130包含在n型半导体层140中。
它们之中，n型接触层141是用于设置n侧电极180的层。在本实施方式中，作为n型接触层141采用GaN。
另外，n型接触层141中优选掺杂有n型杂质，如果以1×1017～1×1020原子/cm3（以下有时省略原子）、优选以1×1018～1×1019/cm3的浓度含有n型杂质，则在能够维持与n侧电极180的良好的欧姆接触方面优选。作为n型杂质，没有特别限定，例如可列举Si、Ge和Sn等，优选列举Si。本实施方式中，作为在n型接触层141中掺杂的掺杂材料采用Si，其掺杂浓度设为3.5×1018/cm3。
n型接触层141整体的膜厚优选设为500nm～7000nm（7μm）。如果n型接触层141的膜厚处于上述范围，则Ⅲ族氮化物半导体的结晶性被良好地维持，可得到适当的正向电压。本实施方式中，将n型接触层141的厚度设为5μm。
n型覆盖层142是进行向发光层150的载流子（在此为电子）的注入和载流子的封入的层，在本实施方式中，作为对于变形大的输出绿色光的发光层150的形成合适的、含有超晶格结构的层来构成，特别地，GaInN/GaN结构成为与发光层类似的结构，在降低变形方面优选。
更具体地说明，n型覆盖层142具有：包含Ⅲ族氮化物半导体，并具有10nm以下的膜厚的n型第1覆盖层1421；和包含组成与该n型第1覆盖层1421不同的Ⅲ族氮化物半导体，并具有10nm以下的膜厚的n型第2覆盖层1422交替层叠而成的结构。并且，n型覆盖层142，具有利用2个n型第1覆盖层1421夹持1个n型第2覆盖层1422的结构，与n型接触层141接触的一侧和与发光层150接触的一侧分别为n型第1覆盖层1421。再者，该例中，n型第1覆盖层1421的厚度和n型第2覆盖层1422的厚度分别设定为2.0nm。
在此，本实施方式的n型覆盖层142，由包含31个n型第1覆盖层1421和30个n型第2覆盖层1422的61层（30对，参照图2中的“注”）构成。但是，这终究不过是示例，n型覆盖层142优选设为包含例如11个以上n型第1覆盖层1421和10个以上n型第2覆盖层1422的构成。n型覆盖层142整体的膜厚，没有特别限定，优选为5nm～500nm，更优选为5nm～200nm。
另外，本实施方式中，n型第1覆盖层1421由GaInN构成、n型第2覆盖层1422由GaN构成。在此，在形成含有GaInN的n型覆盖层142的情况下，优选使构成n型第1覆盖层1421的GaInN比发光层150的GaInN的带隙大。并且，构成n型第1覆盖层1421的GaInN中的In组成优选为0.5原子%～3.0原子%的范围。
另外，构成n型覆盖层142的n型第1覆盖层1421和n型第2覆盖层1422中，优选分别掺杂有n型杂质，n型杂质的浓度优选为1.5×1017～1.5×1020/cm3，更优选为1.5×1018～1.5×1019/cm3。如果n型杂质的浓度为该范围，则在维持良好的结晶性和降低半导体发光元件1的工作电压方面优选。作为n型覆盖层142的n型杂质，可以与上述的n型接触层141相同地采用Si、Ge和Sn等，可以优选使用Si和Ge。本实施方式中，作为在构成n型覆盖层142的n型第1覆盖层1421和n型第2覆盖层1422中掺杂的掺杂材料采用Si，其掺杂浓度设为3.5×1018/cm3。
[发光层]
本实施方式的发光层150，具有将势垒层和阱层交替层叠而成的所谓多量子阱结构。更具体地说明，该发光层150，具备在n型覆盖层142（n型第1覆盖层1421）上层叠的第1势垒层1511、在第1势垒层1511上层叠的第1阱层1521、在第1阱层1521上层叠的第2势垒层1512、在第2势垒层1512上层叠的第2阱层1522、在第2阱层1522上层叠的第3势垒层1513、在第3势垒层1513上层叠的第3阱层1523、在第3阱层1523上层叠的第4势垒层1514、在第4势垒层1514上层叠的第4阱层1524、和在第4阱层1524上层叠并且成为p型覆盖层161的叠层对象的第5势垒层1515。
这样，本实施方式的发光层150，由包含5个势垒层（第1势垒层1511～第5势垒层1515）和4个阱层（第1阱层1521～第4阱层1524）的9层构成。另外，该发光层150成为由2个势垒层夹持1个阱层的结构。并且，发光层150之中，第1势垒层1511位于与n型半导体层140（n型覆盖层142）接触的一侧，第5势垒层1515位于与p型半导体层160（p型覆盖层161）接触的一侧。因此，本实施方式中，第1势垒层1511作为n侧势垒层发挥功能，另外，第5势垒层1515作为p侧势垒层发挥功能。
再者，在以下的说明中，有时将发光层150之中的第1势垒层1511、第2势垒层1512、第3势垒层1513、第4势垒层1514和第5势垒层1515统称为势垒层151。另一方面，在以下的说明中，有时将发光层150之中的第1阱层1521、第2阱层1522、第3阱层1523和第4阱层1524统称为阱层152。
那么，首先对构成势垒层151的各层的厚度和层间的厚度的关系进行说明。
在势垒层151中，将第1势垒层1511的厚度设为第1势垒厚度t11、将第2势垒层1512的厚度设为第2势垒厚度t12、将第3势垒层1513的厚度设为第3势垒厚度t13、将第4势垒层1514的厚度设为第4势垒厚度t14、将第5势垒层1515的厚度设为第5势垒厚度t15。此例中，第1势垒层1511～第5势垒层1515之中的、与n型半导体层140（n型覆盖层142）最接近的第1势垒层1511和与第1势垒层1511接续的第2势垒层1512～第4势垒层1514被设定为相同的厚度（以下，称为第1厚度）（t11=t12=t13=t14）。另一方面，第1势垒层1511～第5势垒层1515之中的、与p型半导体层160（p型覆盖层161）最接近的第5势垒层1515被设定为比第1厚度薄的厚度（以下，称为第2厚度）。
作为输出绿色光的发光层150的势垒层151，希望将构成势垒层151的各层的厚度设为3～30nm，更优选为6～16nm。为低于3nm的厚度时，各势垒层的上表面没有充分平坦地形成，引起发光效率的降低和/或老化特性的降低。另外，由于各势垒层的厚度不充分，发光的波长达不到充分的长度。另外，各势垒层的厚度超过30nm时，引起驱动电压的上升和/或发光效率的降低，因此不优选。再者，在该例中，第1厚度设定为10.5nm，另外，第2厚度设定为8.0nm。
接着，对构成阱层152的各层的厚度和层间的厚度的关系进行说明。
在阱层152中，将第1阱层1521的厚度为第1阱厚度t21、将第2阱层1522的厚度设为第2阱厚度t22、将第3阱层1523的厚度设为第3阱厚度t23、将第4阱层1524的厚度设为第4阱厚度t24。此例中，第1阱层1521～第4阱层1524全部设定为相同的厚度（以下，称为基准阱厚度）（t21=t22=t23=t24）。作为构成阱层152的各层的厚度，可以设为可得到量子效应的程度的厚度，例如1～10nm，更优选2～6nm，进而优选2～4nm，这在发光输出方面优选。再者，在该例中，基准阱厚度设定为3.0nm。
在此，所谓「相同的厚度」，是允许制造误差或测定误差等所带来的偏差的，例如，是指对于成为基准的厚度±5%的范围。
现在，对构成势垒层151的各层的组成和层间的组成的关系进行说明。
在势垒层151中，第1势垒层1511～第5势垒层1515分别由GaN构成。但是，在与n型半导体层140（n型覆盖层142）最接近的第1势垒层1511中添加有n型杂质，相对于此在将第1势垒层1511除外的第2势垒层1512～第5势垒层1515中没有添加n型杂质（和p型杂质）方面不同。
在此，在第1势垒层1511中添加n型杂质的浓度优选为5.0×1016～1.5×1019/cm3，更优选为8.0×1016～1.0×1018/cm3。作为第1势垒层1511的n型杂质，可以与上述的n型接触层141和n型覆盖层142相同地采用Si、Ge和Sn等，可以优选使用Si和Ge。本实施方式中，作为在第1势垒层1511中掺杂的掺杂材料采用Si，其掺杂浓度设为1.5×1017/cm3。
再者，本实施方式中，构成势垒层151的第1势垒层1511～第5势垒层1515之中，在第1势垒层1511中掺杂n型杂质（在此为Si），在其他的第2势垒层1512～第5势垒层1515中没有掺杂n型杂质，但根据原料气体的纯度和制造条件等，在第2势垒层1512～第5势垒层1515中也会含有一点点n型杂质。但是，在本发明中，对于第2势垒层1512～第5势垒层1515中由于这样的理由而不可避免的含有的n型杂质，是不包含在「掺杂」的范畴中的。
接着，对构成阱层152的各层的组成和层间的组成的关系进行说明。
在阱层152中，第1阱层1521～第4阱层1524分别由GaInN构成。另外，阱层152（第1阱层1521～第4阱层1524）与势垒层151不同，不具有添加了n型杂质（和p型杂质）的层。
在此，构成第1阱层1521～第4阱层1524的Ga1-yInyN中的y的大小，根据半导体发光元件1的目标发光波长而决定。本实施方式中，根据目标发光波长由呈现绿色的波长区域（500nm～570nm）的范围选择，y的大小优选为0.05＜y＜0.30的范围，进而优选为0.10＜y＜0.20的范围。第1阱层1521～第4阱层1524设定为相同的厚度以及相同的组成，以输出相同波长的光。
并且，本实施方式中，势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15，成为构成阱层152的第1阱层1521～第4阱层1524的第1阱厚度t21～第4阱层厚度t24的4倍以下（t15≤4×t21、t15≤4×t22、t15≤4×t23、t15≤4×t24）。
[p型半导体层]
以空穴作为载流子的p型半导体层160，具备在发光层150上层叠的p型覆盖层161、和在p型覆盖层161上层叠并且成为p侧电极170的叠层对象的p型接触层162。再者，在以下的说明中，将p型覆盖层161的厚度称为p型覆盖厚度t30。
作为封入层的一例的p型覆盖层161，是进行向发光层150的载流子（在此为空穴）的注入和载流子的封入的层。作为p型覆盖层161，如果是大于发光层150的带隙能量的组成，能够进行向发光层150的载流子的封入则没有特别限定，优选为AlxGa1-xN（0＜x≤0.1），更优选采用AlxGa1-xN（0＜x≤0.05）。
p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30的大小，优选为2.0nm～8.0nm，更优选为4.0nm～6.0nm。含有Al的p型覆盖层161的膜厚，由于对发光层150的变形带来影响，因此适合由上述范围选择。在此，p型覆盖厚度t30，设定为构成阱层152的第1阱层1521～第4阱层1524的基准阱厚度（该例中为3.0nm）的3倍以下（t30≤3×基准阱厚度）。另外，p型覆盖厚度t30优选小于作为最终势垒层的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15（该例中为8.0nm）。在该例中，采用Al0.02Ga0.98N构成p型覆盖层161，并且将p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设为4.9nm。因此，本实施方式中，势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15设定得小于剩余的第1势垒层1511～第4势垒层1514的第1势垒厚度t11～第4势垒厚度t14（t15＜t11、t15＜t12、t15＜t13、t15＜t14），并且p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定得小于势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15（t30＜t15）。
p型覆盖层161中的p型杂质的浓度优选为1×1018～1×1021/cm3，更优选为3×1018～3×1019/cm3。p型覆盖层161中的p型杂质浓度为上述范围时，在能够抑制p型覆盖层161和在p型覆盖层161之上层叠的p型接触层162两者的结晶性的降低方面优选。在本实施方式中，作为在p型覆盖层161中掺杂的掺杂材料采用Mg，其掺杂浓度设为1.5×1019/cm3。
另外，p型覆盖层161也可以与上述的n型覆盖层142同样地设为超晶格结构，此情况下，优选为组成比不同的AlGaN和其他AlGaN的交替结构、或者组成不同的AlGaN和GaN的交替结构。
p型接触层162是用于直接或隔着未图示的透明导电层设置p侧电极170的层。在本实施方式中，p型接触层162具备在p型覆盖层161上层叠的p型第1接触层1621、和在p型第1接触层1621上层叠并且成为透明导电层或p侧电极170的叠层对象的p型第2接触层1622。在此，p型第1接触层1621和p型第2接触层1622优选分别由AlxGa1-xN（0≤x≤0.4）构成。Al组成为上述范围时，在能够维持良好的结晶性和维持与透明导电层（或p侧电极170）的良好的欧姆接触方面优选。在该例中，作为构成p型接触层162的p型第1接触层1621和p型第2接触层1622，分别采用GaN。
另外，在构成p型接触层162的p型第1接触层1621和p型第2接触层1622中优选分别掺杂有p型杂质，优选以1×1018～1×1021/cm3的浓度含有p型杂质，更优选以1×1019～5×1020/cm3的浓度含有。p型接触层162中的p型杂质浓度为上述范围时，在维持良好的欧姆接触、防止开裂发生、维持良好的结晶性方面优选。但是，优选p型第1接触层1621中的p型杂质的浓度低于p型第2接触层1622中的p型杂质的浓度。这是为了在取得与透明导电层的接触的区域以外的p型半导体层160中抑制起因于Mg的光吸收。本实施方式中，作为在p型第1接触层1621和p型第2接触层1622中掺杂的掺杂材料采用Mg。另外，p型第1接触层1621中的掺杂浓度设为2.0×1019/cm3，p型第2接触层1622中的掺杂浓度设为1.8×1020/cm3。
p型接触层162整体的膜厚没有特别限定，优选为10nm～500nm，更优选为50nm～200nm。p型接触层162的膜厚为该范围时，在半导体发光元件1中的发光输出的降低被抑制方面优选。在本实施方式中，将p型第1接触层1621的厚度设为135nm，将第2接触层1622的厚度设为25nm。
<p侧电极>
p侧电极170将多种金属层层叠而构成。本实施方式的p侧电极170，兼作为所谓接合焊盘，在露出于外部的面上连接未图示的接合线。另外，由于在p侧电极170和p型接触层162之间形成透明导电层，通过低的欧姆接触电阻和电流扩散效果，可以形成能够供给向发光层150的均匀的电流的电极结构，因此更优选。作为透明导电层的材料，优选低电阻且绿色光的透过率高的、含有铟氧化物的ITO、IZO。
<n侧电极>
n侧电极180与p侧电极170同样地将多种金属层层叠而构成。本实施方式的n侧电极180，兼作为所谓接合焊盘，在露出于外部的面上连接未图示的接合线。
（发光装置）
图3是表示搭载了上述的半导体发光元件1的发光装置30的构成的一例的图。在此，图3（a）表示发光装置30的俯视图，图3（b）是图3（a）的ⅢB-ⅢB截面图。再者，图3所示的发光装置30也有时被称为「发光芯片」、「发光二极管」、「LED」或「灯」。
该发光装置30，具备在一侧形成有凹部31a的作为基部的一例的框体31、在框体31中形成的包含引线框的p引线部32和n引线部33、安装在凹部31a的底面的半导体发光元件1、和设置为覆盖凹部31a的密封部34。再者，在图3（a）中，省略密封部34的记载。
作为基部的一例的框体31，通过在含有作为第1配线的一例的p引线部32和作为第2配线的一例的n引线部33的金属引线部上，将白色的热塑性树脂射出成型来形成。
p引线部32和n引线部33，是具有0.1～0.5mm左右的厚度的金属板，以作为加工性、热传导性优异的金属的例如铁/铜合金为基体，在其上层叠数μm作为镀层的镍、钛、金、银等而构成。并且，本实施方式中，使得p引线部32和n引线部33的一部分在凹部31a的底面露出。另外，p引线部32和n引线部33的一端部一侧露出于框体31的外侧，并且，从框体31的外壁面向背面侧弯曲。
另外，半导体发光元件1，介由基板110（参照图1），在凹部31a的底部的中央部通过粘接等被安装。进而，p引线部32和在半导体发光元件1中的p侧电极170（参照图1），通过未图示的接合线电连接，n引线部33和在半导体发光元件1中的n侧电极180（参照图1），通过未图示的接合线电连接。
并且，密封部34由在可见光区域的波长中光透过率高的透明树脂构成。作为满足构成密封部34的耐热性、耐候性和机械强度高的特性的树脂，例如可以使用环氧树脂或硅树脂。
再者，组装了本实施方式的发光装置30的背光源、信号机、移动电话、显示器、各种面板类、计算机、游戏机、照明等的电子设备、组装了这些电子设备的汽车等的机械装置，成为具备具有优异发光特性的半导体发光元件1的装置。特别地，在背光源、移动电话、显示器、游戏机、照明等的电池驱动的电子设备中，可以提供具备具有优异发光特性的半导体发光元件1的优异的制品，从而优选。另外，具备半导体发光元件1的发光装置30的构成，并不限定于图3所示的构成，也可以采用例如被称为炮弹型的封装构成。
那么，对图3所示的发光装置30的发光动作，一边参照图1～图3一边说明。
通过在发光装置30上设置的p引线部32和n引线部33，对半导体发光元件1施加将p侧电极170设为高电位且将n侧电极180设为低电位的电压（正向电压VF），半导体发光元件1中，流通从p侧电极170介由p型半导体层160、发光层150和n型半导体层140朝向n侧电极180的电流（正向电流IF），从发光层150输出目标发光波长的光（绿色光）。
并且，从发光层150输出的光向半导体发光元件1的外部输出，直接或者在设置于框体31的凹部31a的内壁面反射后，从密封部34的上表面向发光装置30的外部输出。
实施例
以下，基于实施例对本发明更详细地说明。但是，只要不超出其要旨，本发明并不限定于以下的实施例。
本发明者，进行对于发光层150中的势垒层151（更具体是第5势垒层1515）和p型半导体层160中的p型覆盖层161，使厚度、组成以及杂质浓度的关系种种不同的半导体发光元件1的制作，进行了对于输出的发光光谱的半值宽度（光谱半值宽度）的评价。再者，光谱半值宽度，用从半导体发光元件1输出的发光光谱中，具有最大发光强度一半的强度的2个波长的差表示（Full Width at Half Maximum：FWHM）。
在此，表1表示实施例1～6涉及的半导体发光元件1中的各部分的结构，表2表示比较例1～6涉及的半导体发光元件1中的各部分的结构。并且，表1和表2中，表示出在各半导体发光元件1中的基板110、中间层120、基底层130、n型半导体层140（n型接触层141、n型覆盖层142（n型第1覆盖层1421和n型第2覆盖层1422））、发光层150（势垒层151（第1势垒层1511～第5势垒层1515））、阱层152（第1阱层1521～第4阱层1524））、p型半导体层160（p型覆盖层161和p型接触层162（p型第1接触层1621和p型第2接触层1622））的每一层的构成和厚度。另外，对于p型覆盖层161，构成AlGaN的Al的浓度和作为p型杂质的Mg的浓度也一并表示。但是，在各实施例和各比较例的每个中，基板110、中间层120、基底层130、n型半导体层140、发光层150中的阱层152（第1阱层1521～第4阱层1524）、p型半导体层160中的p型接触层162、p侧电极170和n侧电极180的结构是相同的。另外，上述实施方式中说明的半导体发光元件1对应于表1所示的实施例1。再者，在该例中，作为基板110，采用实施了凹凸加工的加工基板，并且，在形成叠层半导体层100后对基板110的背面进行磨削加工，将基板110的厚度设为120μm。
在以下所示的表1和表2中，将未掺杂Si或Mg的GaN记为「un-GaN」，将掺杂有Si的GaN记为「Si-GaN」，将掺杂有Mg的GaN记为「Mg-GaN」。另外，将未掺杂Si或Mg的GaInN记为「GaInN」，将掺杂有Si的GaInN记为「Si-GaInN」。并且，将未掺杂Si或Mg的AlN记为「AlN」，将掺杂有Mg的AlGaN记为「Mg-AlGaN」。
Figure BDA0000393547900000171
Figure BDA0000393547900000181
另外，图4是模式地表示在实施例1～6涉及的半导体发光元件1（参照表1）中的、发光层150周边的结构（厚度的关系）的图，图5是模式地表示在比较例1～6涉及的半导体发光元件1（参照表2）中的、发光层150周边的结构（厚度的关系）的图。
在此，在实施例1的半导体发光元件1中，在5层构成的势垒层151中，第1势垒层1511由Si-GaN构成，第2势垒层1512～第5势垒层1515分别由un-GaN构成。另外，在实施例1的半导体发光元件1中，在5层构成的势垒层151中，第1势垒层1511～第4势垒层1514的第1势垒厚度t11～第4势垒厚度t14分别设定为第1厚度（10.5nm），第5势垒层1515的第5势垒厚度t15设定为第2厚度（8.0nm）。再者，在实施例1的半导体发光元件1中，在4层构成的阱层152中，第1阱层1521～第4阱层1524分别由GaInN构成。另外，在实施例1的半导体发光元件1中，在4层构成的阱层152中，第1阱层1521～第4阱层1524的第1阱厚度t21～第4阱厚度t24分别设定为基准阱厚度（3.0nm）。并且，在实施例1的半导体发光元件1中，p型覆盖层161由Mg-AlGaN构成，同时p型覆盖厚度t30设定为4.9nm。进而，在实施方式1的半导体发光元件1中，在p型覆盖层161中，AlGaN中的Al浓度设定为2.0原子%，Mg浓度设定为1.5×1019原子/cm3。
与此相对，实施例2的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Mg浓度设定为比实施例1高的3.0×1019原子/cm3，这点与实施例1不同。
另外，实施例3的半导体发光元件1，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例1小的2.5nm，这点与实施例1不同。
此外，实施例4的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Al浓度设定为比实施例1高的10.0原子%，这点与实施例1不同。
此外，实施例5的半导体发光元件1，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例1大的8.0nm，这点与实施例1不同。
并且，实施例6的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Mg浓度设定为比实施例1低的3.0×1018原子/cm3，这点与实施例1不同。
另一方面，比较例1的半导体发光元件1，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例5大的10.0nm，这点与实施例5不同。
另外，比较例2的半导体发光元件1与比较例1相同，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例5大的10.0nm，这点与实施例5不同。然后，比较例2的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Al浓度设定为比实施例4高的12.0原子%，这点与实施例4不同。
进而，比较例3的半导体发光元件1与比较例1相同，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例5大的10.0nm，这点与实施例5不同。然后，比较例3的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Mg浓度设定为比实施例2高的4.0×1019原子/cm3，这点与实施例2不同。
此外，比较例4的半导体发光元件1，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比比较例1大的12.0nm，这点与比较例1不同。
并且，比较例5的半导体发光元件1与比较例4相同，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比比较例1大的12.0nm，这点与比较例1不同。然后，比较例5的半导体发光元件1，p型覆盖层161中的Mg浓度设定为比实施例6低的2.5×1018原子/cm3，这点与实施例6不同。
最后，比较例6的半导体发光元件1与比较例1相同，p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设定为比实施例5大的10.0nm，这点与实施例5不同。然后，比较例6的半导体发光元件1，发光层150的势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15设定为比实施例1大的21.0nm，这点与实施例1不同。
在此，实施例1～6和比较例1～6的各半导体发光元件1中，在制造时，进行GaInN中的Ga和In的组成比的调整，使得从各半导体发光元件1输出的光的主发光波长WD变为525nm，在此y=0.12。并且，向得到的各半导体发光元件1供给20mA的正向电流IF，测定此时的光谱半值宽度。
图6是表示上述的实施例1～6和比较例1～6涉及的半导体发光元件1的光谱半值宽度的关系的图。在此，实施例1中为26.0nm，实施例2中为28.0nm，实施例3中为27.0nm，实施例4中为28.5nm，实施例5中为29.0nm，实施例6中为27.5nm，全部可以得到低于30nm的光谱半值宽度。与此相对，比较例1中为31.0nm，比较例2中为33.0nm，比较例3中为32.0nm，比较例4中为33.0nm，比较例5中为34.0nm，比较例6中为35.0nm，全部只能得到成为30nm以上的光谱半值宽度。
由上述结果来看，如实施例1～6那样，通过将p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设为构成阱层152的第1阱层1521～第4阱层1524的第1阱厚度t21～第4阱层厚度t24的3倍以下，与如比较例1～6那样，将p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30设为超过构成阱层152的第1阱层1521～第4阱层1524的第1阱厚度t21～第4阱层厚度t24的3倍的情况相比，可以谋求光谱半值宽度的降低即单色性的提高。
在此，通过将势垒层151中的第1势垒层1511～第5势垒层1515由GaN构成，并且将阱层152中的第1阱层1521～第4阱层1524由GaInN构成，同时将p型覆盖层161由AlxGa1-xN（0＜x≤0.1）构成，由此可以进一步谋求单色性的提高。
另外，通过将p型覆盖层161中的Mg浓度设为3×1018～3×1019（原子/cm3），也可以谋求单色性的提高。
此外，通过将势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15设为构成阱层152的第1阱层1521～第4阱层1524的第1阱厚度t21～第4阱层厚度t24的4倍以下，也可以谋求单色性的提高。
此外，通过使势垒层151中的第5势垒层1515的第5势垒厚度t15小于第1势垒层1511～第4势垒层1514的第1势垒厚度t11～第4势垒厚度t14，同时使p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30小于第5势垒厚度t15，也可以谋求单色性的提高。
并且，通过将p型覆盖层161中的p型覆盖厚度t30设为2.0nm～8.0nm，更优选为5.0nm以下，能够进一步谋求单色性的提高。
作为采用Ⅲ族氮化物半导体的半导体发光元件1，已知发出紫外光的元件、发出蓝色光的元件、以及发出绿色光的元件等。在此，GaN的带隙在室温下约为3.39eV，在将GaN用于阱层152的情况下，可以得到365nm左右的发光波长（紫外光）。并且，在想得到更长波长的发光波长的情况下，对于阱层152，采用在GaN中还加入In的GaInN。因此，与想得到蓝色光的情况相比，在想得到成为更长波长侧的绿色光的情况下，GaInN中的In的比率增加，构成阱层152的晶体的晶格常数变大。
此时，作为与阱层152一同构成发光层150的势垒层151，与发光波长为蓝色光或绿色光无关，多采用GaN。因此，采用Ⅲ族氮化物半导体输出绿色光的半导体发光元件1，与采用Ⅲ族氮化物半导体输出蓝色光的半导体发光元件1相比，发光层150中的势垒层151和阱层152的组成差变大。与此相伴，势垒层151和阱层152的晶格失配变大。另外，在包含势垒层151和阱层152的发光层150之上层叠的p型半导体层160（特别是p型覆盖层161）中，上述晶格失配也变得容易对结晶性带来影响。
与此相对，在实施例1～6中，认为通过使在包含势垒层151（第1势垒层1511～第5势垒层1515）和阱层152（第1阱层1521～第4阱层1524）而构成的发光层150之上层叠的p型覆盖层161的p型覆盖厚度t30，以满足上述条件的厚度层叠，有助于减少在发光层150（特别是接近p型半导体层160的第5势垒层1515和第4阱层1524等）和p型半导体层160中的变形。
再者，在此，发光层150中，以将势垒层151设为5层构成（第1势垒层1511～第5势垒层1515）、将阱层152设为4层构成（第1阱层1521～第4阱层1524）的情况为例进行说明，但并不限定于此，可以适用于将势垒层151设为n（n≥5）层构成，将阱层152设为n-1层构成的情况。
附图标记说明
1...半导体发光元件、110...基板、120...中间层、130...基底层、140...n型半导体层、141...n型接触层、142...n型覆盖层、1421...n型第1覆盖层、1422...n型第2覆盖层、150...发光层、151...势垒层、1511...第1势垒层、1512...第2势垒层、1513...第3势垒层、1514...第4势垒层、1515...第5势垒层、152...阱层、1521...第1阱层、1522...第2阱层、1523...第3阱层、1524...第4阱层、160...p型半导体层、161...p型覆盖层、162...p型接触层、1621...p型第1接触层、1622...p型第2接触层、170...p侧电极、180...n侧电极

Claims (7)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，包含：
n型半导体层，其由掺杂有n型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；
发光层，其在所述n型半导体层上层叠，由Ⅲ族氮化物半导体构成，并且通过通电发出500nm～570nm的波长的光；和
p型半导体层，其具有在所述发光层上层叠并且用于该发光层中的载流子的封入的封入层，由掺杂有p型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成，
所述发光层具备：
由Ⅲ族氮化物半导体构成的4层以上的阱层；和
5层以上的势垒层，其由带隙比所述阱层大的Ⅲ族氮化物半导体构成，从两侧夹持4层以上的该阱层的每一层，并且包含与所述n型半导体层连接的n侧势垒层、和在与所述p型半导体层的边界部与该p型半导体层连接的p侧势垒层，
所述封入层的厚度是4层以上的所述阱层的每一层的厚度的3倍以下。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，5层以上的所述势垒层分别由GaN构成，并且4层以上的所述阱层分别由GaInN构成，所述封入层由AlxGa1-xN构成，其中0＜x≤0.1。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述封入层含有3×1018～3×1019原子/cm3的Mg作为所述p型杂质。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，5层以上的所述势垒层中的所述p侧势垒层的厚度是4层以上的所述阱层的每一层的厚度的4倍以下。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p侧势垒层的厚度比包含所述n侧势垒层在内的剩余的4层以上的势垒层的厚度薄，并且，所述封入层的厚度比该p侧势垒层薄。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述封入层的厚度为2.0nm～8.0nm。
7.一种发光装置，其特征在于，具备：
形成有第1配线和第2配线的基部；和
半导体发光元件，其安装于该基部，并且与该第1配线和该第2配线电连接，通过经由该第1配线和该第2配线的通电而发光，
所述半导体发光元件包含：
n型半导体层，其由掺杂有n型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；
发光层，其在所述n型半导体层上层叠，由Ⅲ族氮化物半导体构成，并且通过通电发出500nm～570nm的波长的光；
p型半导体层，其具有在所述发光层上层叠并且用于该发光层中的载流子的封入的封入层，由掺杂有p型杂质的Ⅲ族氮化物半导体构成；
用于将所述p型半导体层和所述第1配线电连接的p侧电极；和
用于将所述n型半导体层和所述第2配线电连接的n侧电极，
所述发光层具备：
由Ⅲ族氮化物半导体构成的4层以上的阱层；和
5层以上的势垒层，其由带隙比所述阱层大的Ⅲ族氮化物半导体构成，从两侧夹持4层以上的该阱层的每一层，并且包含与所述n型半导体层连接的n侧势垒层、和在与所述p型半导体层的边界部与该p型半导体层连接的p侧势垒层，
所述封入层的厚度是4层以上的所述阱层的每一层的厚度的3倍以下。
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