CN104040737B - 氮化物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

氮化物半导体发光元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体发光元件，其由n型氮化物半导体层(13)、触发层(14)、V形坑扩大层(15)、发光层(16)、p型氮化物半导体层(17)按照此顺序依次设置而构成。发光层(16)中形成有V形坑(31)。触发层(14)由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层(13)上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层(15)由晶格常数与构成n型氮化物半导体层(13)上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度在5nm以上、5000nm以下。

Description

氮化物半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
含氮的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体(以下称为“氮化物半导体”)所具有的带隙能量相当于波长从红外区到紫外区的光的能量，因此，能够用作为发出的光的波长从红外区到紫外区的发光元件的材料、或用作为接收的光的波长在该范围内的光接收元件的材料。
另外，由于构成氮化物半导体的原子之间的结合牢固，其绝缘破坏电压较高，饱和电子速度较大，因此，氮化物半导体也可以用作为耐高温、高输出、高频率的晶体管等电子器件的材料。
此外，氮化物半导体对于环境基本无害，是一种容易进行处理的材料而备受关注。
使用这种氮化物半导体的氮化物半导体发光元件中，发光层通常采用量子阱结构。当施加了电压时，电子与空穴会发生扩散而进入发光层中，在发光层内的阱层中，电子与空穴将再次结合而发光。
关于InGaN系LED(发光二极管)，提出了在多重量子阱结构(Multi QuantumWells，以下记为“MQWs”)的正下方插入由InGaN/GaN构成的应变层超晶格(Strained-LayerSuperlattice，以下记为“SLS”)结构来提高LED的发光强度。但是这一物理现象的详细情况并不清楚。另外，也不清楚LED的发光强度是否依赖于SLS结构中的重复周期数。
另一方面，已知氮化物半导体结构存在被称为V形坑(V pit、V-shaped pit)的形状缺陷。例如专利文献1(日本专利特开2005-277423号公报)中公开了在LED芯片的表面形成有“六棱锥空洞”的结构。
V形坑是一种缺陷，因此，通常考虑是否通过抑制其产生来提高LED的特性。另一方面，非专利文献1(A.Hangleiter,F.Hitzel,C.Netzel,D.Fuhrmann,U.Rossow,G.Ade,andP.Hinze,“Suppression of Nonradiative Recombination by V-Shaped Pits in GaInN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light EmissionEfficiency”,Physical Review Letters95,127402(2005))中发表了MQWs内V形坑的作用。据此可知，当MQWs内存在V形坑时，量子阱宽度在V形坑的斜面上会变窄，因此，量子能级的能量会变大，基于这些效果，带隙实质上变大，防止量子阱中的电子、空穴到达V形坑内部，其结果能够抑制MQWS内的非发光再结合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005-277423号公报
专利文献
非专利文献1：A.Hangleiter,F.Hitzel,C.Netzel,D.Fuhrmann,U.Rossow,G.Ade,and P.Hinze,“Suppression of Nonradiative Recombination by V-Shaped Pits inGaInN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light EmissionEfficiency”,Physical Review Letters95,127402(2005)
发明内容
发明所要解决的技术问题
氮化物半导体发光元件需要进一步提高发光效率。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种发光效率优异的氮化物半导体发光元件。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明在发光层上形成了规定尺寸的V形坑的情况下，能够提高氮化物半导体发光元件的发光效率。具体而言，本发明所涉及的第一氮化物半导体发光元件由n型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、p型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成。发光层中形成有V形坑。触发层由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层由晶格常数与构成n型氮化物半导体层上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度在5nm以上、5000nm以下。
本发明所涉及的第二氮化物半导体发光元件由n型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、p型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成。发光层中形成有V形坑。触发层由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层上表面的材料的氮化物半导体材料构成。V形坑扩大层由晶格常数与构成n型氮化物半导体层上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，其厚度使V形坑在发光层上表面的直径为86nm以上。
发光层优选由阱层和势垒层层叠构成。这种情况下，触发层优选具有比阱层要大的带隙能量。
当n型氮化物半导体层的上表面由GaN构成时，阱层由InxGa1-xN(0.01≤x＜1)构成即可，触发层由InyGa1-yN(0.01≤y≤x)构成即可。
当n型氮化物半导体层的上表面由GaN构成时，V形坑扩大层由GaN构成即可。
触发层优选具有20nm以下的厚度。
在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法中，当触发层由InGaN构成时，优选将触发层的生长温度设置在n型氮化物半导体层的生长温度以下，将V形坑扩大层的生长温度设置在触发层的生长温度以上。
发明效果
本发明所涉及的氮化物半导体发光元件利用触发层使V形坑开始形成，且利用V形坑扩大层扩大V形坑的直径，因此，会在规定尺寸的V形坑的侧壁上也形成发光层。在该V形坑的侧壁部分，阱层的组成会发生变化，或者阱层的厚度会变薄，量子能级的能量变大，基于这些效果，带隙实质上变大，能够抑制载流子注入到存在于V形坑下部的穿透位错，其结果能够提高发光效率。因而，能够抑制发光层内发生非发光再结合，因此能够提供发光效率优异的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1是用于评价SLS层效果的评价用样品的示意性剖视图。
图2是评价用样品的AFM(原子力显微镜)图像的微分图像。
图3是V形坑的示意性立体图。
图4是表示SLS层的重复周期数与V形坑的直径(V形坑直径)之间的关系的曲线图。
图5(a)是没有设置SLS层的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图5(b)是具有SLS层的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图6(a)是本发明一实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图6(b)是图6(a)的主要部分剖视图。
图7(a)是本发明另一实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图7(b)是图7(a)的主要部分剖视图。
具体实施方式
下面，在对本发明所涉及的氮化物半导体发光元件及其制造方法进行说明之前，先对完成本发明之前所进行的实验及其结果进行说明。
<SLS层效果的调查实验>
本发明人首先进行如下实验来明确SLS层的效果。
为了在不通电发光的情况下评价V形坑的尺寸等是否依赖于SLS层中的重复周期数，用MOVPE(金属有机化合物气相外延)法制备了4种评价用样品。图1是制备好的评价用样品的示意性剖视图。4种评价用样品的SLS层中的重复周期数(这里，用构成SLS层的In0.1Ga0.9N层的层数来规定SLS层中的重复周期数)分别为0、5、10、20。
具体而言，在压力为100kPa、温度为460℃、Ⅴ族元素材料与Ⅲ族元素材料的摩尔比(以下记为“Ⅴ/Ⅲ比”)为40677的条件下，在c面蓝宝石基板50上生长25nm的GaN缓冲层51。然后，在温度为1150℃、Ⅴ/Ⅲ比为2536的条件下，生长2.4μｍ的无掺杂GaN层52。载气为H2。
在将生长温度下降到820℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，层叠N个周期(N＝0、5、10、20)的InxGa1-xN层(x＝0.09，厚度为2.5nm)和GaN层(厚度为2.5nm)。此时，载气使用N2。由此形成SLS层54。
在生长温度为780℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，由InxGa1-xN(x＝0.15，厚度为3nm)构成的阱层和由GaN(厚度为12.5nm)构成的势垒层交替地生长4个周期((In0.15Ga0.85N阱层的层数为4))。此时，使用Ｎ2作为载气。由此形成MQWs层56。从而得到图1所示的评价用样品。即，由于不对评价用样品进行通电发光，因此无需形成n型氮化物半导体层、p型氮化物半导体层、n侧电极和p侧电极来制备评价用样品。
对所得到的评价用样品进行AFM测定，得到其微分图像。图2中示出SLS层中的重复周期数为20的评价用样品的AFM图像的微分图像。如图2所示，可以确认V形坑(纵切面的形状为非理想V字形的V形坑也包括在内)被不同于蓝宝石基板50的c面的刻面包围而形成。
图3中示出V形坑的示意性立体图。穿透位错TD从氮化物半导体晶体的下方开始沿生长方向(+c轴方向)延伸，而V形坑从起点VS(位于穿透位错TD上方的应变层中)开始形成。V形坑较为理想的是被6个斜面(刻面)包围。由于刻面上出现了晶面指数{1-101}的晶面，因此，V形坑相对于晶体表面即(0001)面倾斜一定角度。而实际上V形坑很多情况下仅仅是图2所示那样不规则地形成的孔或坑，并不具备图3所示的理想形状。
另外，根据所得到的AFM图像，计算出V形坑在MQWs层56上表面的数密度，并求出V形坑在MQWs层56上表面的直径(这里记为“V形坑直径”)。当V形坑在MQWs层56上表面的外形为不同于圆形的形状时，将V形坑在MQWs层56上表面的外形近似为圆形，并测定其直径。然后，研究SLS层54中的重复周期数与V形坑的数密度及V形坑直径之间的关系。图4和表1中示出其结果。
[表1]
由图4和表1可知，随着SLS层54中的重复周期数变多，虽然V形坑的数密度并没有发生那么大的变化，但V形坑直径变大。从而可知，对氮化物半导体发光元件插入SLS结构成为V形坑开始形成的触发条件，且随着SLS层54的厚度增加，V形坑直径逐渐增大。上述情况被认为对于LED的IQE(内部量子效率)和EQE(外部量子效率)的提高有很大的助益。
本发明人基于V形坑的上述观察结果，认为氮化物半导体层内从氮化物半导体层与基板之间的边界附近开始延伸的穿透位错、或在晶体生长过程中产生并向上方延伸的穿透位错会使SLS层内产生V形坑，所产生的V形坑通过低温生长在保持倾斜刻面结构的同时，厚度增大了SLS层的那部分厚度。V形坑保持了面方位与平行于基板表面的面即c面不同的倾斜刻面，因此，SLS层上的MQWs层存在生长于倾斜刻面上的部分。这一部分的InGaN阱层的组成发生变化，或者这一部分的阱层厚度变薄，量子能级的能量变大，基于这些效果，带隙实质上变大，能够抑制载流子注入到MQWs层内存在于V形坑下部的穿透位错，其结果能够提高发光效率。因此，制备具有SLS层的氮化物半导体发光元件，并研究其特性。
<SLS层的层数与LED特性之间的关系>
使用图5(a)～(b)所示的氮化物半导体发光元件来研究LED特性。图5(a)中示出没有设置SLS层的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图5(b)中示出具有SLS层(重复周期数为10)的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。下面，对图5(a)～(b)所示的氮化物半导体发光元件的制备方法进行说明。
在表面平坦的c面蓝宝石基板50上，用MOVPE法生长GaN缓冲层51、无掺杂GaN层52、n型GaN层53、SLS层54、MQWs层56、p-AlGaN层57A、以及p-GaN层57B，由此得到晶片。
具体而言，在压力为100kPa、温度为460℃、Ⅴ/Ⅲ比为40677的条件下，在c面蓝宝石基板50上生长25nm的GaN缓冲层51。然后，在温度为1150℃、Ⅴ/Ⅲ比为2536的条件下，生长2.4μｍ的无掺杂GaN层52。载气为H2。然后，生长2.5μｍ的Si掺杂n型GaN层。n型掺杂浓度为4.41×1018cm-3。
在将生长温度下降到820℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，层叠N个周期(N＝0、10)的Si掺杂InxGa1-xN层(x＝0.09，厚度为2.5nm)和GaN层(厚度为2.5nm)，由此生长出SLS层54。n型掺杂浓度为6×1017cm-3。载气为N2。
在生长温度为780℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，由InxGa1-xN(x＝0.15)构成的阱层(厚度为3nm)和由GaN构成的势垒层(厚度为12.5nm)生长6个周期，得到MQWs层56。载气为N2。
在生长温度为1100℃、Ⅴ/Ⅲ比为4405的条件下，依次生长Mg掺杂p-AlxGa1-xN层(x＝0.2，厚度为20nm)57A、和p-GaN层(厚度为100nm)57B。载气为H2。由此得到晶片。
在氮气气氛和1000℃下对所得到的晶片退火30秒。然后，在晶片的整个上表面上形成ITO(氧化铟锡)膜58。之后，进行刻蚀以使n-GaN层53露出，形成台面部分(未被刻蚀而残留的部分)。
在ITO膜58上形成由Au层和Cr层层叠而成的p侧电极59A。在经刻蚀而露出的n-GaN层53上，依次层叠Cr层和Au层而形成n侧电极59B。p侧电极59A和n侧电极59B的电极直径分别为约86μｍ。
通过使探针分别接触p侧电极59A和n侧电极59B，流过正向电流(电流值为20mA)来测定正向驱动电压VF(V)，流过反向电流(电流值为-10μＡ)来测定反向驱动电压VR(V)，施加反向电压(电压值为-5V)来测定漏电流IR(μＡ)，流过正向电流(电流值为20mA)来测定发光强度VL。另外，流过正向电流(电流值为20mA)来测定发光光谱，从而求出发光峰值波长λp(nm)。表2中示出这些结果。
[表2]
探针测定结束后，将晶片切割成350×350μｍ的尺寸，安装到用于评价特性的TO-18封装中，将p侧电极59A和n侧电极59B分别与TO-18封装的端子之间进行引线连接。经由TO-18封装的端子对p侧电极59A和n侧电极59B进行通电后，利用积分球测定发光峰值波长λp(nm)、正向驱动电压VF(V)、和外部量子效率ηexe。表3中示出这些结果。
[表3]
λp(nm) VF(V) ηexe(％)
图5(a)中所示的结构(N＝0) 458.7 3.87 4.50
图5(b)中所示的结构(N＝10) 449.0 3.68 9.93
如表2所示，图5(b)中所示的氮化物半导体发光元件与图5(a)中所示的氮化物半导体发光元件相比，虽然反向偏置时的漏电流IR有所增加，但SLS层的插入对峰值波长λp造成的变动几乎可以忽略，正向驱动电压VF变低，发光强度增大为1.6倍。
如表3所示，图5(b)中所示的氮化物半导体发光元件与图5(a)中所示的氮化物半导体发光元件相比，虽然峰值波长λp向短波长侧移动了约10nm，但外部量子效率ηexe提高到2.2倍。
另外，本发明人还确认了当例如周期为5nm的SLS层中的重复周期数为5以上时，V形坑直径在86nm以上。
由以上说明可知，若在MQWs层下插入SLS层，则发光强度会提高，EQE会提高，但反向偏置时的漏电流IR会增加。本发明人经过深入研究，提出了反向偏置时的漏电流IR不会增加而同时发光强度和发光效率都能得到提高的氮化物半导体发光元件的结构，从而完成了本发明。下面，参照附图，示出本发明的实施方式。另外，本发明并不限于以下所示的实施方式。
<实施方式1>
<氮化物半导体发光元件的结构>
图6(a)是本发明一实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图6(b)是本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的主要部分的放大剖视图。本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件是在基板10上依次地设置缓冲层11、基底层12、n型氮化物半导体层13、触发层14、V形坑扩大层15、MQWs层16、p型氮化物半导体层17。在p型氮化物半导体层17上隔着透明电极18设有p侧电极19A。n型氮化物半导体层13上表面的一部分通过刻蚀露出，在该露出的部分上设有n侧电极19B。
<基板>
基板10可以是例如由蓝宝石构成的绝缘性基板，也可以是由GaN、SiC或ZnO等构成的导电性基板。生长时基板10的厚度为例如300μｍ～2000μｍ，氮化物半导体发光元件的基板10的厚度为120μｍ，但并不限于此，也可以是例如50μｍ以上、300μｍ以下。基板10的上表面可以是平坦的，也可以具有凹凸形状。另外，也可以用激光剥离法等来去除基板。
<缓冲层>
在使用蓝宝石基板等不同种基板的情况下，缓冲层11例如是Als0GatoN(0≤s0≤1、0≤t0≤1、s0+t0≠0)层，优选为AlN层或GaN层。也可以将一小部分N(0.5～2％)替换为氧。从而，形成的缓冲层11沿着基板10的生长面的法线方向延伸，因此，得到晶粒排列一致的柱状晶体的集合体所构成的缓冲层11。
缓冲层11的厚度没有特别限定，可以是3nm以上、100nm以下，优选是5nm以上、50nm以下。
<基底层>
基底层12可以是例如Als1Gat1Inu1N(0≤s1≤1、0≤t1≤1、0≤u1≤1、s1+t1+u1≠0)层，优选为Als1Gat1N(0≤s1≤1、0≤t1≤1、s1+t1≠0)层，更优选为GaN层。由此，缓冲层11中所存在的晶体缺陷(例如位错等)容易环绕在缓冲层11与基底层12之间的界面附近，从而能够防止该晶体缺陷从缓冲层11持续发展到基底层12。
在使用蓝宝石基板等绝缘性基板的情况下，基底层12也可以含有n型杂质。但是，基底层12不含有n型杂质时，能够维持基底层12良好的结晶性。因此，基底层12优选为不含有n型杂质。
通过增加基底层12的厚度，能够减少基底层12中的缺陷，但基底层12的厚度增加到一定程度以上时，基底层12的缺陷减少的效果将趋于饱和。由此，基底层12的厚度优选为1μm以上、8μm以下。
<n型氮化物半导体层>
n型氮化物半导体层13可以是例如在Als2Gat2Inu2N(0≤s2≤1、0≤t2≤1、0≤u2≤1、s2+t2+u2≈1)层中掺杂了n型杂质的层，优选为Als2Ga1-s2N(0≤s2≤1，优选为0≤s2≤0.5，更优选为0≤s2≤0.1)层中掺杂了n型杂质的层。
n型掺杂物没有特别限定，可以是Si、P、As或Sb等，优选为Si。这一情况在后面所述的各层中也同样适用。
n型氮化物半导体层13中的n型掺杂浓度没有特别限定，只要在1×1019cm-3以下即可。
由于n型氮化物半导体层13的厚度越厚，其电阻越小，因此，优选使n型氮化物半导体层13的厚度较厚。但是，随着n型氮化物半导体层13的厚度增加，成本也会上升。为了兼顾这两个方面，n型氮化物半导体层13的厚度在实际使用中为1μm以上、10μm以下即可，但没有特别限定。
另外，n型氮化物半导体层13也可以具有2层以上的层叠结构。各层可以由相同的组成构成，也可以由不同的组成构成。另外，各层可以具有相同的膜厚，也可以具有不同的膜厚。
<触发层>
触发层14起到引起MQWs层16内形成V形坑31的触发层的功能。这里，V形坑31是一种晶体缺陷。如上述<SLS层效果的调查实验>所述，V形坑31不仅包括了纵切面的形状为理想V字形的情况，还包括了纵切面的形状为非理想V字形的形状的情况。
具体而言，触发层14只要由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层13上表面的材料的氮化物半导体材料构成即可。若n型氮化物半导体层13与触发层14的晶格常数互不相同，则会因晶格常数的差异而在触发层14中发生畸变，认为该畸变将会触发V形坑31的产生。为了实现这一情况，只要使n型氮化物半导体层13的上表面与触发层14采用不同种类的构成元素即可。也就是说，“触发层14由晶格常数不同于构成n型氮化物半导体层13上表面的材料的氮化物半导体材料构成”意味着n型氮化物半导体层13的上表面与触发层14采用不同种类的构成元素。例如，当n型氮化物半导体层13由GaN构成时，触发层14由InyGa1-yN(0.01≤y≤1)或AlzGa1-zN(0.01≤z≤1)等构成即可。
触发层14优选为具有比下述<MQWs层>所记载的阱层16A要大的带隙能量。从而，能够防止阱层16A发出的光被触发层14吸收。这里，若考虑氮化物半导体层的带隙能量随着In组分比减小而变大的情况，则在触发层14由InyGa1-yN构成的情况下，优选使其In组分比y小于阱层16A的In组分比。
触发层14的厚度没有特别限定，但优选为能够连贯(coherent)生长(触发层14中产生的畸变不会缓和)的程度的厚度，从而触发层14自身不会产生晶体缺陷，更优选为20nm以下，进一步优选为10nm以下。然而，本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件也可以包括触发层14的畸变稍有缓和的情况。
<V形坑扩大层>
V形坑扩大层15是为了扩大V形坑直径而设置的，优选将V形坑直径扩大到86nm以上，更优选将V形坑直径扩大到100nm以上。这里，V形坑直径如上述<SLS层效果的调查实验>中所说明的，是V形坑31在MQWs层16上表面的直径，当V形坑31在MQWs层16上表面的外形为不同于正圆的形状时，V形坑直径是将V形坑31在MQWs层16上表面的外形近似为圆形时得到的直径。
如上述<SLS层效果的调查实验>所述，认为V形坑扩大层15的厚度越厚，V形坑直径就越大。因此，V形坑扩大层15只要具有使V形坑直径达到86nm以上的厚度即可。具体而言，V形坑扩大层15的厚度为5nm以上、5000nm以下即可，优选是25nm以上、2500nm以下。如果V形坑扩大层15的厚度小于5nm，V形坑直径有时就难以增大到86nm的程度。另一方面，如果V形坑扩大层15的厚度超过5000nm，V形坑直径就会过大，因此，MQWs层16中实际用于发光的部分的体积就会减少，从而发光效率反而可能会降低。
如上述<SLS层效果的调查实验>所述，V形坑31通过晶体生长在保持倾斜刻面结构的同时厚度增大了V形坑扩大层15的那部分厚度。因此，认为V形坑直径越大，V形坑31的深度就越深。若V形坑直径达到86nm以上，则V形坑31的起点位于MQWs层16的下侧，在V形坑的侧壁上也形成了具有实际带隙较大的阱层的MQWs层16C，从而能够抑制载流子注入到穿透位错TD中，提高了发光效率。
另外，通过使用触发层14与V形坑扩大层15的组合结构，与仅使用SLS层相比，能够减轻畸变，并能抑制新的穿透位错TD的发生。从而，能够防止反向偏置时漏电流增加。而且，能够形成与仅有SLS层的结构同等尺寸的V形坑31，具有同等的抑制非发光再结合的效果。
V形坑扩大层15优选由晶格常数与构成n型氮化物半导体层13上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成。这里，“V形坑扩大层15由晶格常数与构成n型氮化物半导体层13上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成”不仅包括了构成n型氮化物半导体层13上表面的材料与构成V形坑扩大层15的材料的晶格常数相同的情况，而且还包括了构成n型氮化物半导体层13上表面的材料与构成V形坑扩大层15的材料的晶格常数虽然不同，但该晶格常数之差不会导致V形坑扩大层15中形成缺陷的情况。换言之，“V形坑扩大层15由晶格常数与构成n型氮化物半导体层13上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成”包括了n型氮化物半导体层13的上表面与V形坑扩大层15只有在有无掺杂方面不同的情况、以及构成n型氮化物半导体层13上表面的材料与构成V形坑扩大层15的材料使用同种构成元素但构成元素的组分比不同的情况等。例如，当n型氮化物半导体层13为n型GaN层时，V形坑扩大层15可以是无掺杂GaN层，但优选为n型GaN层。由此可知，能够防止新产生因设置V形坑扩大层15而引起的晶体缺陷，并能够消除因设置触发层14而新形成的缺陷。
<MQWs层(发光层)>
MQWs层16中局部形成有V形坑31。即，V形坑31的侧壁上也形成有MQWs层16C，局部形成有V形坑31是指MQWs层16的上表面在AFM下看到V形坑31呈点状，并未完全被V形坑31覆盖。V形坑31的数密度优选为1×108cm-2以上、1×1010cm-2以下。以往也在MQWs层上形成V形坑31，但这种情况下，MQWs层上表面的V形坑31的数密度小于1×108cm-2。
如上述<SLS层效果的调查实验>所述，多数V形坑31由穿透位错TD产生。若在V形坑31的侧壁形成了MQWs层16，则穿透位错TD存在于V形坑31的底部，从而能够抑制载流子注入到穿透位错TD中。由此提高了发光效率。
即，V形坑31的起点VS优选存在于MQWs层16下方的层内。从而，能够抑制MQWs层16内的非发光再结合概率，能够抑制因穿透位错TD而引起的发光效率降低。
MQWs层16如图6(b)所示，阱层16A与势垒层16B交替层叠而使阱层16A被夹在势垒层16B之间。MQWs层16也可以由不同于阱层16A及势垒层16B的一层以上的半导体层、阱层16A、势垒层16B依次层叠而成。另外，MQWs层16的一个周期(阱层16A的厚度与势垒层16B的厚度之和)的长度在没有形成V形坑的区域中为例如5nm以上、100nm以下。
各阱层16A的组成根据本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件所要求的发光长度来进行调整，可以是例如AlcGadIn(1-c-d)N(0≤c＜1、0＜d≤1)，优选为不含Al的InxGa(1-x)N(0.01≤x≤1)层。例如，在发出375nm以下的紫外光的情况下，为了增大带隙，通常要包含适量的Al。各阱层16A的组成优选为相同，从而可以使各阱层16A中电子和空穴再次结合而发出的光的波长相同，由此使得氮化物半导体发光元件的发光光谱宽度变窄，因此是优选的。另外，例如上部侧的各阱层16A优选为尽量不含掺杂物(生长时不导入掺杂原料)，这种情况下，各阱层16A中不易发生非发光再结合，发光效率变高。另一方面，下部侧的各阱层16A也可以包含n型掺杂物，从而能使发光元件的驱动电压趋于降低。
各阱层16A的厚度没有限定，但优选为相同的厚度。当各阱层16A的厚度相同时，量子能级也相同，各阱层中电子和空穴再次结合而在各阱层中发出相同波长的光，从而使得氮化物半导体发光元件的发光光谱宽度变窄，因此是优选的。另一方面，通过有意地使阱层16A的组成或厚度不相同，也可以增大氮化物半导体发光元件的发光光谱宽度，从而对于照明等用途来说是优选的。
各阱层16A的厚度优选为1nm以上、7nm以下。若各阱层16A的厚度在这一范围以外，则发光效率有可能降低。
各势垒层16B的组成优选为带隙能量分别大于各阱层16A的带隙能量，具体而言，可以是AlfGagIn(1-f-g)N(0≤f＜1、0＜g≤1)，优选的是不含Al的InhGa(1-h)N(0＜h≤1)、或者晶格常数与阱层16A基本一致的AlfGagIn(1-f-g)N(0≤f＜1、0＜g≤1)。
各势垒层16B的厚度优选为1nm以上、20nm以下，更优选为3nm以上、15nm以下。各势垒层16B的厚度越薄，驱动电压就越低，但过分的薄会导致发光效率趋于降低。
各势垒层16B中的n型掺杂浓度没有特别限定。另外，多个势垒层16B中，优选为位于下侧的势垒层16B进行n型掺杂，位于上侧的势垒层16B进行浓度比之较低的n型掺杂、或者不进行掺杂。也可以对各势垒层16B有意地进行n型掺杂，或者利用p型氮化物半导体层17生长时的热扩散来使其包含p型掺杂物。
阱层16A的数量没有特别限定，可以是例如2以上、20以下，优选是3以上、15以下，更优选是4以上、12以下。
<p型氮化物半导体层>
P型氮化物半导体层17可以是例如在Als4Gat4Inu4N(0≤s4≤1、0≤t4≤1、0≤u4≤1、s4+t4+u4≠0)层中掺杂了p型掺杂物的层，优选为Als4Ga1-s4N(0＜s4≤0.4，优选为0.1≤s4≤0.3)层中掺杂了p型掺杂物的层。p型掺杂物没有特别限定，例如是镁。
p型氮化物半导体层17中的载流子浓度优选为1×1017cm-3以上。这里，由于p型掺杂物的活性率为0.01左右，因此，p型氮化物半导体层17中的p型掺杂浓度(不同于载流子浓度)优选为1×1019cm-3以上。但接近MQWs层16的p型氮化物半导体层17中的p型掺杂浓度也可以低于这个值。
P型氮化物半导体层17的厚度没有特别限定，只要在50nm以上、300nm以下即可。通过使p型氮化物半导体层17的厚度变薄，能够缩短其生长时的加热时间，并能抑制p型掺杂物向MQW发光层扩散。
p型氮化物半导体层17可以由2层以上的层层叠构成，例如可以由p型AlGaN层、p型GaN层和高浓度p型GaN层层叠构成。
<透明电极、n侧电极、p侧电极>
p侧电极19A和n侧电极19B是用于向氮化物半导体发光元件提供驱动电力的电极。p侧电极19A和n侧电极19B在图6(a)中仅由焊盘电极部分构成，但也可以连接用于使电流扩散的细长突出部(分支电极)。另外，p侧电极19A的下部也可以设置用于阻止电流注入的绝缘层。通过设置该绝缘层，能够抑制p侧电极19A正下方的发光，因此被p侧电极19A遮住的发光量减少。p侧电极19A例如可以由镍层、铝层、钛层和金层依次层叠构成，具有1μｍ左右的厚度即可。n侧电极19B例如可以由钛层、铝层和金层依次层叠构成，在考虑到引线连接时的强度的情况下，具有1μｍ左右的厚度即可。p侧电极19A和n侧电极19B可以是相同的组成。透明电极18可以由例如ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)等透明导电膜构成，具有20nm以上、200nm以下的厚度即可。
<氮化物半导体发光元件的制造方法>
在基板10上依次通过晶体生长而形成缓冲层11、基底层12和n型氮化物半导体层13。各层的晶体生长条件没有特别限定。只要根据各层的材料和厚度等来适当地决定各层的晶体生长条件即可。
在n型氮化物半导体层13上通过晶体生长而形成触发层14。触发层14的晶体生长条件没有特别限定，但将触发层14的生长温度设为n型氮化物半导体层13的生长温度以下。尤其是当触发层14含In时，触发层14的生长温度优选为低于n型氮化物半导体层13的生长温度，更优选为触发层14的生长温度比n型氮化物半导体层13的生长温度要低200℃以上、400℃以下。从而，触发层14的晶格常数比n型氮化物半导体层13的晶格常数要大，因此，能够触发被刻面包围的V形坑31形成。由此，在V形坑31的侧壁(V形坑31的刻面)上形成MQWs层16，因此，能够使触发层14和V形坑扩大层15有效地起到作用。
在触发层14上通过晶体生长而形成V形坑扩大层15。V形坑扩大层15的晶体生长条件没有特别限定，但将V形坑扩大层15的生长温度设为触发层14的生长温度以上，优选的是将V形坑扩大层15的生长温度设为触发层14的生长温度以上，且比触发层14的生长温度要高250℃的温度以下。通过将V形坑扩大层15的生长温度设定得较高，能够形成结晶性优异的V形坑扩大层15。从而，能够防止设置在V形坑扩大层15上的MQWs层16的结晶性降低，因此能够防止发光效率降低。而且，将具有相同程度厚度的触发层14与V形坑扩大层15的组合结构与以往的SLS层进行比较，触发层14与V形坑扩大层15的组合结构新产生的位错等较少，在应用到LED上时能够观测到漏电流降低和发光效率增加。
在V形坑扩大层15上通过晶体生长依次形成MQWs层16和p型氮化物半导体层17。各层的晶体生长条件没有特别限定，只要根据各层的材料和厚度等来适当地决定各层的晶体生长条件即可。
在p型氮化物半导体层17上设置透明电极18后，对p型氮化物半导体层17、MQWs层16、V形坑扩大层15和触发层14进行刻蚀，使n型氮化物半导体层13上表面的一部分露出。在透明电极18上设置p侧电极19A，并在经刻蚀而露出的n型氮化物半导体层13上设置n侧电极19B。由此得到本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件。
<实施方式2>
图7(a)是本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，图7(b)是本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的主要部分的放大剖视图。本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件具有3层触发层，除此以外与上述实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的结构基本相同。下面，主要对与上述实施方式1的不同点进行说明。
如图7(b)所示，本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件具有3层触发层24，且相邻的触发层24之间设有隔层25。像这样设置2层以上的触发层24，V形坑31产生的数量比上述实施方式1要多，因此，发光效率比上述实施方式1更高。
触发层24由上述实施方式1中的<触发层>所记载的材料构成即可。触发层24的厚度为上述实施方式1中的<触发层>所记载的20nm以下即可，更优选为10nm以下。触发层24的层数依赖于触发层的厚度、带隙能量、晶格常数等，因此不能一概而言，但优选为1层以上、50层以下，更优选为1层以上、20层以下。若触发层24的层数超过51层，则触发层24的总厚度过大，发光效率反而可能会降低。
隔层25的材料没有限定，可以是n型GaN层，也可以是无掺杂GaN层。隔层25的厚度没有限定，但优选为1nm以上、100nm以下。通过这样设置隔层25，能够将触发层24各层的厚度抑制在20nm以下(即，防止触发层24自身产生晶体缺陷)，还能增加V形坑31产生的数量。
实施例
下面，列举实施例来对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于此。
<实施例1>
实施例1中，制备上述实施方式1所涉及的氮化物半导体元件并对其进行评价。
在表面平坦的c面蓝宝石基板上，通过MOVPE法，在压力为100kPa、温度为460℃、Ⅴ/Ⅲ比为40677的条件下，生长25nm的GaN缓冲层。接着，在温度为1150℃、Ⅴ/Ⅲ比为2536的条件下，生长2.4μｍ的无掺杂GaN层。载气为H2。接着，生长2.5μｍ的Si掺杂n型GaN层。n型掺杂浓度为4.41×1018cm-3。
在将生长温度下降到820℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，生长由一层Si掺杂InxGa1- xN(x＝0.09)构成的触发层(厚度为2.5nm)。触发层中的n型掺杂浓度为6×1017cm-3，载气为N2。
然后，保持生长温度不变，Ⅴ/Ⅲ比为28630，在此条件下，生长由Si掺杂GaN构成的V形坑扩大层(厚度为45nm)。V形坑扩大层中的n型掺杂浓度为6×1017cm-3，载气为N2。
在生长温度为780℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，生长6个周期的由InxGa1-xN(x＝0.15)构成的阱层(厚度为3nm)和由GaN构成的势垒层(厚度为12.5nm)。载气为N2。由此形成MQWs层。
在生长温度为1100℃、Ⅴ/Ⅲ比为4405的条件下，生长Mg掺杂p-AlxGa1-xN层(x＝0.2，厚度为20nm)和p-GaN层(厚度为100nm)。载气为H2。由此得到晶片。在氮气气氛和1000℃下对所得到的晶片退火30秒。
退火结束后，在晶片的整个上表面上形成ITO膜。对ITO膜、p-GaN层、p-AlxGa1-xN层、MQWs层、V形坑扩大层和触发层进行刻蚀，使n型GaN层露出。由此形成台面部(相当于未被刻蚀而残留的部分)。在ITO膜上依次层叠Cr膜和Au膜来形成p侧焊盘电极。并在经刻蚀而露出的n型GaN层上依次层叠Cr膜和Au膜来形成n侧电极(焊盘电极)。电极直径为约86μｍ。
用晶片探针(opto-system公司制造，商品编号为WPSR3100)分别接触p侧电极和n侧电极，流过正向电流(电流值为20mA)来测定正向驱动电压VF(V)，流过反向电流(电流值为-10μＡ)来测定反向驱动电压VR(V)，施加反向电压(电压值为-5V)来测定漏电流IR(μＡ)，流过正向电流(电流值为20mA)来测定发光强度VL。还施加正向电流(电流值为20mA)来测定发光光谱，求出发光峰值波长λp(nm)。
探针测定结束后，将晶片切割成350×350μｍ的尺寸，安装到用于评价特性的TO-18封装中，将p侧电极和n侧电极分别与TO-18封装的端子进行引线连接。然后，利用积分球测定系统(labsphere公司制造，商品编号为DAS-2100)，测定外部量子效率。
<实施例2>
实施例2中，除了触发层的结构不同之外，利用与上述实施例1相同的方法来制备氮化物半导体发光元件。
具体而言，在生长了由一层Si掺杂InxGa1-xN(x＝0.09)构成的触发层(厚度为2.5nm)后，在生长温度为820℃、Ⅴ/Ⅲ比为2536的条件下，生长2.5nm的由Si掺杂GaN构成的隔层。隔层中的n型掺杂浓度为6×1017cm-3。然后，依次生长上述触发层、上述隔层和上述触发层。之后，按照上述实施例1所记载的方法，生长V形坑扩大层(厚度为35nm)、MQWs层、p-AlxGa1-xN层和p-GaN层，然后形成ITO膜，并进行规定的刻蚀后形成n侧电极和p侧电极。接着，利用上述实施例1记载的方法，对所得到的氮化物半导体元件进行评价。
<比较例1>
比较例1中，除了没有设置触发层和V形坑扩大层之外，利用与上述实施例1相同的方法来制备氮化物半导体发光元件。接着，利用上述实施例1记载的方法，对所得到的氮化物半导体元件进行评价。
<比较例2>
比较例2中，除了设有SLS层以代替触发层和V形坑扩大层之外，利用与上述实施例1相同的方法来制备氮化物半导体发光元件。
具体而言，如上述<SLS层的层数与LED特性之间的关系>所述，在生长了2.5μｍ的Si掺杂n型GaN层之后，在将生长温度下降到820℃、Ⅴ/Ⅲ比为6517的条件下，层叠10个周期的Si掺杂InxGa1-xN层(x＝0.09，厚度为2.5nm)和GaN层(厚度为2.5nm)，由此生长出SLS层。n型掺杂浓度为6×1017cm-3。载气为N2。然后，按照上述实施例1所记载的方法，在生长了MQWs层、p-AlxGa1-xN层和p-GaN层之后，形成ITO膜，并进行规定的刻蚀，然后形成n侧电极和p侧电极。接着，利用上述实施例1记载的方法，对所得到的氮化物半导体元件进行评价。
表4中示出结果。
[表4]
表4中的“SLS”一栏记录了SLS层的有无。表4中的“TL”表示触发层，“EL”表示V形坑扩大层。
如表4所示，实施例1～2与比较例1相比，正向驱动电压VF下降，发光强度增大为5倍以上。由此可知，通过设置触发层和V形坑扩大层，能够提供发光效率优异的氮化物半导体发光元件。
另外，实施例1～2与比较例2相比，反向偏置时的漏电流IR差不多减半。其原因认为是，SLS层虽然也有扩大V形坑的效果，但畸变也较多，因此会导致新的穿透位错产生，而触发层与V形坑扩大层的组合结构中的畸变变少，因此能够抑制穿透位错TD发生。
另外，若对实施例1和实施例2进行比较，实施例2的发光强度要优于实施例1的发光强度。其原因认为是，实施例2中的触发层层数多于实施例1中的触发层层数，因此V形坑产生的数量增加。
另外，实施例1～2和比较例1～2中峰值波长λp基本没有很大的变化。从而，可以说为了提供发光效率优异的氮化物半导体发光元件，设置触发层和V形坑扩大层比较实用。
应当认为，本发明公开的实施方式和实施例中的所有内容仅仅是例示，而不是对本发明的限制。本发明的范围并不是以上所说明的内容，而是由权利要求书来限定，与权利要求书意义相同以及范围内的所有变更都包括在内。
标号说明
10基板、11缓冲层、12基底层、13n型氮化物半导体层、14触发层、15V形坑扩大层、16MQWs层(发光层)、16A阱层、16B势垒层、17p型氮化物半导体层、18透明电极、19A p侧电极、19B n侧电极、24触发层、25隔层、31V形坑。

Claims (6)

1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，
该氮化物半导体发光元件由n型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、p型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成，
所述发光层中形成有V形坑，
所述触发层由晶格常数不同于构成所述n型氮化物半导体层的上表面的材料的氮化物半导体材料构成，
所述V形坑扩大层由晶格常数与构成所述n型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，且厚度在5nm以上、5000nm以下,
所述触发层的厚度为20nm以下，
所述发光层为MQW层，
所述MQW层在V形坑的倾斜刻面上具有一部分。
2.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，
该氮化物半导体发光元件由n型氮化物半导体层、触发层、V形坑扩大层、发光层、p型氮化物半导体层按照此顺序依次设置而构成，
所述发光层中形成有V形坑，
所述触发层由晶格常数不同于构成所述n型氮化物半导体层的上表面的材料的氮化物半导体材料构成，
所述V形坑扩大层由晶格常数与构成所述n型氮化物半导体层的上表面的材料实质上相同的氮化物半导体材料构成，且厚度使所述V形坑在所述发光层的上表面的直径为86nm以上,
所述触发层的厚度为20nm以下，
所述发光层为MQW层，
所述MQW层在V形坑的倾斜刻面上具有一部分。
3.如权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，
所述发光层由阱层和势垒层层叠构成，
所述触发层的带隙能量比所述阱层的带隙能量要大。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，
所述n型氮化物半导体层的上表面由GaN构成，
所述阱层由InxGa1-xN(0.01≤x＜1)构成，
所述触发层由InyGa1-yN(0.01≤y＜x)构成。
5.如权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，
所述n型氮化物半导体层的上表面和所述V形坑扩大层由GaN构成。
6.一种氮化物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
用于制造权利要求1至5的任一项所述的氮化物半导体发光元件，
将所述触发层的生长温度设为所述n型氮化物半导体层的生长温度以下，
将所述V形坑扩大层的生长温度设为所述触发层的生长温度以上。
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