CN108140698A - 氮化物半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供发光效率比以往得到了提高的主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件。本发明是主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件，其具备蓝宝石基板和形成于蓝宝石基板的上层的半导体层。半导体层包含第一半导体层、第二半导体层、活性层和第三半导体层，该第一半导体层形成于上述蓝宝石基板的面上，该第二半导体层形成于第一半导体层的上层，掺杂n型或p型的杂质得到，该活性层形成于第二半导体层的上层，该第三半导体层形成于活性层的上层，导电型与第二半导体层不同。蓝宝石基板的厚度X和半导体层的厚度Y满足0.06≤Y/X≤0.12的关系。

Description

氮化物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件，特别涉及主要发射波长显示出520nm以上的氮化物半导体发光器件。
背景技术
近年来，对使用了带有可见光区域的发射波长的半导体发光器件的投影仪、医疗用检查装置或土壤分析装置等进行了开发。作为带有可见光区域的发射波长的半导体发光器件，以往主要使用了GaP系化合物半导体。但是，GaP系化合物半导体是能带结构为间接迁移型半导体(又称为间接带隙型半导体)，由于迁移概率低，因此发光效率难以提升。因此，对使用了作为直接迁移型半导体(又称为直接带隙型半导体)的氮化物半导体系材料的可见光区域的半导体发光器件进行了开发。
但是，目前还没有实现就算在可见光区域中也能够高效率地发出特别是520nm以上的波长域的光的半导体发光器件。图10是表示主要发射波长与内量子效率的关系的图表。图10中，横轴对应于主要发射波长，纵轴对应于内量子效率(IQE)。由图10确认出：当主要发射波长超过520nm时，内量子效率会急剧下降。这样内量子效率下降的波长区域被称为“绿色鸿沟区域(green gap area)”。与GaP系、氮化物半导体系无关，效率在该波长区域都会降低，这成为了问题。因此，一直要求实现在绿色鸿沟区域提高内量子效率的显示高发光效率的半导体发光器件。
特别是发光效率在520nm以上的波长域降低的理由之一可以列举出：由于内部电场(压电场；piezo electric field)，因此活性层内的电子与空穴的复合概率降低。就这一点，以氮化物半导体为例进行说明。
GaN、AlGaN等氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构(六方晶结构)。纤锌矿型晶体结构的面以四指数标定(六方晶指数)，使用由a1、a2、a3和c表示的基本矢量表示晶面、取向。基本矢量c向[0001]方向延伸，将该方向称为“c轴”。与c轴垂直的面被称为“c面”或“(0001)面”。
以往，在使用氮化物半导体来制作半导体发光器件的情况下，作为使氮化物半导体晶体生长的基板，使用以c面为主面的基板。实际上使该基板上在低温下生长作为缓冲层的GaN层，然后使其上层生长各种氮化物半导体层。此外，构成有助于发光的层的活性层通常包含作为GaN与InN的混晶的InGaN。
这里，GaN和InN的晶格常数存在差别。具体来说，对于a轴方向，GaN的晶格常数为约0.319nm，而InN的晶格常数为约0.354nm。因此，当使GaN层的上层生长包含晶格常数比GaN大的InN的InGaN层时，InGaN层在与生长面垂直的方向受到压缩应变。此时，带有正电荷的Ga和In与带有负电荷的N的极化平衡崩溃，产生沿着c轴方向的电场(压电场)。当在活性层产生压电场时，该活性层的能带弯曲而电子与空穴的波动函数的重合程度变小，活性层内的电子与空穴的复合概率降低。该现象被称为“量子限制斯塔克效应”。由此，内量子效率降低。
为了使发射波长为520nm以上，实现对应于该波长的禁带宽度，需要提高活性层(特别是发光层)所含的In组成。但是，当提高In组成时，压缩应变变大，因此压电场变大。其结果是，内量子效率进一步降低。
作为提高内量子效率的方法，例如下述专利文献1研究了一种发光器件，其设置为使用在表面具有非极性面例如与[10-10]方向垂直的被称为m面的(10-10)面的基板来生长活性层而使得活性层不产生压电场。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-230972号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于：提供使发光效率比以往得到了提高的主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件。
用于解决问题的手段
本发明是是主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件，
其具备蓝宝石基板和形成于上述蓝宝石基板的上层的半导体层，
其中，上述半导体层包含第一半导体层、第二半导体层、活性层和第三半导体层，
上述第一半导体层形成于上述蓝宝石基板的面上，由包含Ga的氮化物半导体制成，
上述第二半导体层形成于上述第一半导体层的上层，由包含Ga的以比上述第一半导体层更高浓度掺杂n型杂质得到的氮化物半导体制成，
上述活性层形成于上述第二半导体层的上层，并且是发光层与阻挡层层叠多周期而构成的，上述发光层由包含In和Ga的氮化物半导体制成，上述阻挡层由包含Ga的氮化物半导体制成，
上述第三半导体层形成于上述活性层的上层，由包含Ga的掺杂p型杂质得到的氮化物半导体制成，
上述蓝宝石基板的厚度X和上述半导体层的厚度Y满足下述式(1)的关系。
0.06≤Y/X≤0.12 (1)
如上所述，以往就算通过氮化物半导体实现主要发射波长为520nm以上的发光器件也仅仅显示出低发光效率是基于由存在于活性层的内部应力所引起的压电场。本申请的发明者们通过深入研究发现了：通过使半导体层的厚度相对于蓝宝石基板的厚度的比率比以往所设想的半导体发光器件高，能够在使残余应力降低的方向上使发光器件本身的形状发生应变，由此能够降低活性层内的内部应力。通过该构成，能够实现发光效率比以往得到了提高的氮化物半导体发光器件。详细会在“具体实施方式”的部分后述。
此外，本申请的发明者们发现了以下观点：通过使半导体层以比以往更厚膜堆叠，还具有提高活性层的晶体性的效果。特别是该效果通过使半导体层的厚度为6μm以上会显著显现。由此，能够使发光效率进一步提高。
上述构成中，也可以由未掺杂层构成第一半导体层。
另外，上述的构成中，也可以使上述第二半导体层的厚度比上述第一半导体层的厚度厚。即，也可以通过与现有的构成相比以厚膜形成n型半导体层来制成满足上述(1)式的产品。由此，能够在使内量子效率提高的同时使内部电阻值减少。
另外，上述的构成中，上述第二半导体层可以设定为包含由包含Al和Ga的氮化物半导体制成的层。通过使第二半导体层包含例如由AlGaN等包含Al的半导体制成的层，能够进一步提高使发光器件本身的形状发生应变的效果，并且能够进一步减少内部电阻值。
发明效果
根据本发明，实现发光效率比以往得到了提高的主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件。
附图说明
图1是示意性地表示氮化物半导体发光器件的结构的剖视图。
图2是示意性地表示活性层结构的一部分的剖视图的一个例子。
图3A是对一边使蓝宝石基板的厚度和半导体层的厚度适当变更一边进行了制造的发光器件的发光效率进行对比的表。
图3B是表示比较对象的发光器件的结构的剖视图。
图4是表示半导体层的厚度Y相对于蓝宝石基板的厚度X的比率(Y/X)与发光效率的关系的图表。
图5是示意性地标记使蓝宝石基板的上表面生长半导体层时对各层作用的应力的图。
图6是表示半导体层的厚度与产生于晶元的残余应力的关系、半导体层的厚度与发光效率的关系的图表。
图7是表示蓝宝石基板的厚度与产生于晶元的残余应力的关系、蓝宝石基板的厚度与发光效率的关系的图表。
图8是表示对通过使半导体层的厚度变化制得的发光器件供给电流而使之发光时的发光状态的荧光显微镜照片。
图9是表示对通过使半导体层的厚度变化制得的发光器件供给电流而使之发光时的发光状态的荧光显微镜照片。
图10是表示主要发射波长与内量子效率的关系的图表。
具体实施方式
参照附图对本发明的氮化物半导体发光器件进行说明。此外，以下的各附图中，附图的尺寸比与实际的尺寸比不一定一致。
本说明书中，膜厚、组成和多层结构体涉及的与周期数相关的数值不过为一个例子。本发明并不限于这些数值。
另外，本说明书中，“AlGaN”这一标记与AlmGa1-mN(0＜m＜1)这一记述同义，只不过是省略Al和Ga的组成比的记述来记载的，并不是旨在限定为Al和Ga的组成比为1：1的情况。“InGaN”、“AlInGaN”这些标记也是相同的。
[结构]
图1是示意性地表示本实施方式的氮化物半导体发光器件的结构的剖视图。氮化物半导体发光器件1具有蓝宝石基板2和形成于蓝宝石基板2的上表面的半导体层3。半导体层3具有未掺杂层10、n型半导体层20、活性层30和p型半导体层40。活性层30在与蓝宝石基板2的面正交的方向配置于被n型半导体层20与p型半导体层40夹着的位置。以下，有时将“氮化物半导体发光器件1”简记为“发光器件1”。
未掺杂层10构成为包含未掺杂的GaN层。作为一个例子，未掺杂层10可以设定为厚度为2μm的未掺杂GaN层。本实施方式中的未掺杂层10对应于“第一半导体层”。
n型半导体层20由包含Ga和N的n型半导体构成。例如，n型半导体层20可以设定为包含n型GaN层、n型AlGaN层和n型AlInGaN层中的至少任一种的结构。即，n型半导体层20既可以制成单层结构，也可以制成多层结构。作为一个例子，n型半导体层20可以制成厚度为8μm的n型GaN层、厚度为1μm的n型AlGaN层、厚度为30nm的n型AlInGaN层和厚度为30nm的n型GaN层的层叠结构。本实施方式中的n型半导体层20对应于“第二半导体层”。此外，n型半导体层20优选杂质浓度为1×1018/cm3以上，更优选杂质浓度为1×1019/cm3以上。
活性层30是通过禁带宽度不同的两种以上的氮化物半导体层层叠而构成的。特别是，就氮化物半导体发光器件1来说，以主要发射波长为520nm以上的方式来确定构成活性层30的材料。
图2是示意性地表示活性层30结构的一部分的剖视图的一个例子。活性层30是通过发光层31与禁带宽度比发光层31大的阻挡层32层叠多个周期而构成的。作为一个例子，活性层30通过发光层31与阻挡层32反复层叠三个周期而构成。
此外，就活性层30之中形成于与n型半导体层20接触的位置的层来说，既可以由阻挡层32构成，也可以由发光层31构成。另外，就活性层30之中形成于与p型半导体层40接触的位置的层来说，优选由阻挡层32构成。
本实施方式中，发光层31由InGaN层构成。根据该InGaN层的In组成，发光层31的禁带宽度会变化。例如，通过由InX1Ga1-X1N(0.20≤X1≤0.35)构成发光层31，能够使发光器件1的主要发射波长为520nm～580nm。作为一个例子，发光层31可以设定为厚度为2.5nm的In0.3Ga0.7N层。
本实施方式中，阻挡层32由多个层(33、34、35、36、37)构成。就图2所示的例子来说，阻挡层具备由未掺杂AlGaN制成的第一阻挡层33、由未掺杂GaN制成的第二阻挡层34、由未掺杂AlGaN制成的第三阻挡层35、由n型AlGaN制成的第四阻挡层36以及由未掺杂GaN制成的第五阻挡层37。作为更具体的一个例子，第一阻挡层33由厚度为1.5nm的未掺杂Al0.5Ga0.5N层构成，第二阻挡层34由厚度为9nm的未掺杂GaN层构成，第三阻挡层35由厚度为5nm的未掺杂Al0.05Ga0.95N层构成，第四阻挡层36由厚度为4nm的n型Al0.05Ga0.95N层构成，第五阻挡层37由厚度为5nm的未掺杂GaN层构成。
但是，上述阻挡层32的构成仅仅为一个例子。既可以将阻挡层32例如设定为由GaN层和AlGaN层制成的两层结构，也可以设定为由GaN层或AlGaN层制成的单层结构。另外，对于构成阻挡层32的各层，既可以掺杂n型杂质或p型杂质，也可以使构成阻挡层32的各层全部由未掺杂的层构成。
此外，阻挡层32也不必是遍及各周期具备全部各层(33、34、35、36、37)。例如，阻挡层32可以设定为在与p型半导体层40接近的周期内具备由未掺杂AlGaN制成的第三阻挡层35而在与n型半导体层20接近的周期内不具备第三阻挡层35。
p型半导体层40由包含Ga和N的p型半导体构成。例如，p型半导体层40由厚度为100nm的p型GaN层构成。p型半导体层40还可以设定为在该p型GaN层的上层具备由高浓度p型GaN构成的p型接触层。本实施方式中的p型半导体层40对应于“第三半导体层”。
发光器件1被构成为蓝宝石基板2的厚度X与半导体层3的厚度Y的关系满足下述式(1)。
0.06≤Y/X≤0.12 (1)
这里，半导体层3之中，未掺杂层10和n型半导体层20的厚度为微米数量级，而活性层30和p型半导体层40的厚度为数十～百纳米数量级。因此，半导体层3的厚度实质上由未掺杂层10和n型半导体层20的厚度决定。
本申请的发明者们通过深入研究发现了：通过使相对于蓝宝石基板2的厚度的未掺杂层10和n型半导体层20的总厚度比常规的氮化物半导体发光器件厚，使得在主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件中发光效率得以提高。该一点会在与发光器件1的制造方法相关的说明之后参照实施例进行后述。
另外，在常规的氮化物半导体发光器件的情况下，蓝宝石基板的厚度为120μm～200μm，未掺杂层和n型半导体层的厚度的总计为5μm～7μm。因此，就常规的氮化物半导体发光器件来说，Y/X值为0.025～0.058。
[制造方法]
对图1所示的发光器件1的制造方法的一个例子进行说明。此外，以下的制造条件、膜厚等尺寸仅仅为一个例子，并不限于这些数值。
(步骤S1)
准备蓝宝石基板2，对c面进行清洁。该清洁具体例如是通过下述方式进行的：在MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：金属有机物化学气相沉积)装置的处理炉内配置蓝宝石基板2，一边在处理炉内流动规定流量的氢气一边使炉内温度升温(例如到1150℃)。
(步骤S2)
在蓝宝石基板2的表面形成由GaN制成的低温缓冲层，进而在其的上层形成由GaN制成的基底层，由此形成未掺杂层10。更具体的未掺杂层10的形成方法如下。
首先，将МОCVD装置的炉内压力、炉内温度设定为规定条件。然后，对处理炉内，一边以规定流量流通作为载气的氮气和氢气，一边以规定流量供给作为原料气体的三甲基镓(TMG)和氨。作为一个例子，对被设定成炉内压力为100kPa、炉内温度为480℃的МОCVD装置的处理炉，一边流通流量分别为5slm的氮气和氢气，一边供给68秒钟流量为50μmol/分钟的TMG和流量为250000μmol/分钟的氨。由此，在蓝宝石基板2的表面形成厚度为20nm的由GaN制成的低温缓冲层。
然后，使MOCVD装置的炉内温度升温，并向处理炉内供给相同的气体。例如，对使炉内温度升温到1150℃的МОCVD装置的处理炉内，一边流通流量为20slm的氮气和流量为15slm的氢气，一边供给40分钟流量为100μmol/分钟的TMG和流量为250000μmol/分钟的氨。由此，在低温缓冲层的表面形成厚度为2μm的由GaN制成的基底层。由这些低温缓冲层和基底层形成未掺杂层10。
(步骤S3)
在未掺杂层10的上表面形成n型半导体层20。具体方法的一个例子如下。
在除了与步骤S2相同的载气和原料气体以外，作为用于掺杂n型杂质的原料气体例如以规定流量向处理炉内供给四乙基硅烷规定时间。由此，在未掺杂层10的上表面形成n型GaN层。然后，一边调整处理炉内的温度条件、压力条件，一边进一步适当加入三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)作为原料气体，由此形成n型AlGaN层、n型AlInGaN层。处理炉内的压力条件、温度条件根据所要形成的半导体层的材料来适当设定，气体的供给时间根据所要形成的半导体层的膜厚来适当设定。
作为一个例子，在未掺杂层10的上表面形成膜厚为8μm的n型GaN层、膜厚为1μm的n型AlGaN层、膜厚为30nm的n型AlInGaN层和膜厚为30nm的n型GaN层层叠而成的n型半导体层20。
此外，本实施方式对将n型半导体层20所含的n型杂质设定为Si的情况进行了说明，但也可以使用Ge、S、Se、Sn和Te等作为其他n型杂质。根据成为所含有的对象的n型杂质，选择代替四乙基硅烷的原料气体。
(步骤S4)
在n型半导体层20的上表面形成活性层30。通过多次反复形成发光层31的步骤和形成阻挡层32的步骤，形成活性层30。作为一个例子，对活性层30具有图2所示的结构的情况的工艺进行说明。
此外，可以设定为遍及该步骤S4期间将MOCVD装置的炉内压力设定为100kPa左右并将炉内温度设定为700℃～830℃。另外，可以设定为将作为载气的氮气和氢气的流量和作为原料气体的氨的流量保持为固定值。
(步骤S4a)
以使炉内温度例如为690℃来供给氢气、氮气和氨，在该状态下例如向处理炉内供给54秒钟流量为27.2μmol/分钟的TMI和流量为15.2μmol/分钟的TMG。由此，形成膜厚为2.6nm的由未掺杂In0.3Ga0.7N层制成的发光层31。
此外，如本步骤S4a那样，在使InGaN生长的工序中，从尽量抑制液滴、使迁移进行的观点考虑，优选使生长速率为3nm/分钟左右。
(步骤S4b)
在以上述流量供给氢气、氮气和氨的状态下，向处理炉内供给30秒钟例如流量为15.2μmol/分钟的TMG和流量为17.3μmol/分钟的TMA。由此，形成膜厚为1.5nm的由未掺杂Al0.5Ga0.5N层制成的第一阻挡层33。
(步骤S4c)
使炉内温度升温至830℃，在以上述流量供给氢气、氮气和氨的状态下，例如向处理炉内供给260秒钟流量为15.2μmol/分钟的TMG。由此，形成膜厚为9nm的由未掺杂GaN制成的第二阻挡层34。此外，第二阻挡层34可以由低In组成的InGaN构成，在该情况下只要再追加规定流量的TMI作为原料气体就行。
(步骤S4d)
在以上述流量连续供给氢气、氮气和氨的状态下，向处理炉内供给120秒钟流量为15.2μmol/分钟的TMG和流量为0.8μmol/分钟的TMA。由此，形成厚度为5nm的由未掺杂Al0.05Ga0.95N层制成的第三阻挡层35。此外，在由低In组成的AlInGaN构成第三阻挡层35的情况下，只要追加供给低流量的TMI就行。
(步骤S4e)
在以上述流量连续供给氢气、氮气和氨的状态下，向处理炉内供给96秒钟流量为15.2μmol/分钟的TMG、流量为0.8μmol/分钟的TMA和用于掺杂n型杂质的流量为0.003μmol/分钟的四乙基硅烷。由此，形成厚度为4nm的由n型Al0.05Ga0.95N层制成的第四阻挡层36。此外，在由低In组成的AlInGaN构成第四阻挡层36的情况下，只要追加供给低流量的TMI就行。
(步骤S4f)
在以上述流量连续供给氢气、氮气和氨的状态下，向处理炉内供给130秒钟流量为15.2μmol/分钟的TMG。由此，形成厚度为5nm的由未掺杂GaN层制成的第五阻挡层37。
通过多次反复实行上述步骤S4a～S4f，形成发光层31和阻挡层32层叠多个周期而成的活性层30。
此外，如上所述，活性层30的各周期不必是必须采用相同的构成。即，本步骤S4可以在每个周期采用不同的制造条件。
(步骤S5)
在活性层30的上表面形成p型半导体层40。具体方法的一个例子如下。
将МОCVD装置的炉内压力、炉内温度设定为规定条件。然后，对处理炉内，一边以规定流量流通作为载气的氮气和氢气，一边以规定流量供给作为原料气体的TMG、氨和用于掺杂p型杂质的双环戊二烯镁(Cp2Mg)。作为一个例子，对被设定成炉内压力为100kPa的处理炉内，一边作为载气流通流量为15slm的氮气和流量为25slm的氢气，一边使炉内温度升温到930℃。然后，一边继续向处理炉内流通载气，一边作为原料气体向处理炉内供给360秒钟流量为100μmol/分钟的TMG、流量为250000μmol/分钟的氨和流量为0.1μmol/分钟的Cp2Mg。由此，在活性层30的上表面形成厚度为120nm的由p型GaN制成的p型半导体层40。
进而，可以接着以将Cp2Mg的流量变更为0.3μmol/分钟的方式供给原料气体20秒钟来形成厚度为5nm的由高浓度p型GaN层制成的接触层。此时，p型半导体层40还包含该接触层。
本实施方式对将p型半导体层40所含的p型杂质设定为Mg的情况进行了说明，但除了Mg以外还可以使用Be、Zn和C等。根据所含有的成为对象的p型杂质，选择代替Cp2Mg的原料气体。
(后续工序)
通过ICP蚀刻对一部分区域内的p型半导体层40和活性层30进行蚀刻，由此使n型半导体层20的一部分上表面露出。接着，在露出着的n型半导体层20的上表面形成n侧电极，在p型半导体层40的上表面形成p侧电极。然后，将各器件彼此例如通过激光切割装置分离，对电极进行打线(又称为引线接合；wire bonding)。
[实施例]
以下，参照实施例进行说明。
图3A是一边使蓝宝石基板2的厚度和半导体层3的厚度适当变更一边基于上述工艺来制造发光器件并对发光效率(EQE)进行了比较的表。此外，比较对象的器件的结构如下所示。
图3B是学着图1来表示比较对象的发光器件的结构的剖视图。图3B所示的比较对象的发光器件51在蓝宝石基板52的上表面具有未掺杂层53，并且在未掺杂层53的上表面具有n型半导体层54，在n型半导体层54的上表面具有活性层55，在活性层55的上表面具有p型半导体层56。
蓝宝石基板52的厚度为120μm。未掺杂层53的厚度为3μm。n型半导体层54的厚度为3μm。活性层55的厚度为100nm。p型半导体层56的厚度为100nm。即，就器件51来说，蓝宝石基板52的厚度X＝120μm，半导体层(53、54、55、56)的总厚度Y＝6.2μm，因此Y/X＝0.052。这成为上述常规的氮化物半导体发光器件中的Y/X值的范围即0.025～0.058的值。
此外，实际上在形成本实施方式的发光器件1和比较对象的发光器件51时，都在p型半导体层(40、56)的上层形成由Cr/Ni/Au制成的p侧电极。另外，如上所述，通过蚀刻一部分区域内的p型半导体层(40、56)和活性层(30、55)，使n型半导体层(20、54)露出，在该露出着的n型半导体层(20、54)的上表面形成由Cr/Ni/Au制成的n侧电极。另外，本实施方式的发光器件1和比较对象的发光器件51这两者都在蓝宝石基板(2、52)的背面形成由Al制成的反射层，设定为从p型半导体层(40、56)侧取出光的构成。
图3A中，将发光效率比比较对象的器件得到了提高的器件的评价设定为“A”，将没有确认到发光效率比比较对象的器件得到了改善的器件的评价设定为“B”。另外，图3中标注为评价“C”的是蓝宝石基板2破裂而无法评价发光效率的器件。
根据图3A，例如当使蓝宝石基板2的厚度X为60μm时，发光效率就算使半导体层3的厚度Y为3μm也没有得到改善，并且发光效率就算使半导体层3的厚度Y为9μm也没有得到改善，而当使半导体层3的厚度Y为6μm时，发光效率得到了改善。但是，就算使半导体层3的厚度Y为6μm，在使蓝宝石基板2的厚度X为120μm的情况下，发光效率也没有得到改善。由此可以预料：在蓝宝石基板2的厚度X与半导体层3的厚度Y之间满足某种关系的情况下，发光效率比比较对象的器件得到了改善。
图4是将半导体层3的厚度Y相对于蓝宝石基板2的厚度X的比率(Y/X)与发光效率的关系绘图而得到的。当Y/X值超过0.12时，蓝宝石基板2破裂，无法确认发光。此外，比较对象的器件的发光效率在发射波长为550nm时为0.03。
根据图4可知，通过以使Y/X值为0.06～0.12来构成发光器件1，能够提高发光效率。关于这一点，以下对本申请的发明者们考虑的理由进行说明。
图5是示意性地标记使蓝宝石基板2的上表面生长半导体层3时对各层作用的应力的图。此外，图5中作为半导体层3仅图示了未掺杂层10、n型半导体层20和活性层30。如上所述，当对活性层30和p型半导体层40进行比较时，未掺杂层10和n型半导体层20的厚度为极厚膜，因此半导体层3的厚度可以实质上近似为实质上未掺杂层10和n型半导体层20的厚度的总计。
图5(a)是示意性地标记以以往所设想的厚度实现了蓝宝石基板2和半导体层3的厚度时对各层作用的应力的图。
已知在使蓝宝石基板2的c面上生长GaN(这里为未掺杂层10)的情况下以GaN的a轴来到从蓝宝石的a轴旋转了30°的位置的方式生长。此时，蓝宝石的与GaN的a轴方向平行的方向的晶格常数为约0.279nm，GaN的a轴方向的晶格常数是比约0.319nm小16％左右的值。因此，对GaN由下层的蓝宝石作用试图收缩的力即压缩应力FS2。相反地，对于蓝宝石产生拉伸应力FS1。
另外，活性层30之中，发光层31由高In组成的InGaN构成。这里，InN的a轴方向的晶格常数为约0.354nm，其比GaN的a轴方向的晶格常数大。因此，根据相同的理由，对于发光层31由下层的GaN作用压缩应力FS4，相反地对包含下层的GaN的层(10、20)由活性层30作用拉伸应力FS3。
因此，在使GaN上共格生长InGaN的情况下，由于对活性层30产生的压缩应力FS4而在活性层30内产生压电场，在能带产生应变。InGaN的In组成越高，则与GaN的晶格常数差越大，因此能带的应变的大小越大。其结果是，电子与空穴的复合概率降低。就主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件来说，以往仅能实现低的发光效率的情况就在这一点上。
这里，本实施方式的发光器件1构成使蓝宝石基板2的厚度X与半导体层3的厚度Y的关系为0.06≤Y/X。即，使蓝宝石基板2的厚度X较薄或者使半导体层3的厚度Y即未掺杂层10或n型半导体层20的厚度较厚来构成发光器件1。图5(b)是示意性地标记在该条件下形成蓝宝石基板2和半导体层3的厚度来实现发光器件1时对各层作用的应力的图。
步骤S2如上所述，使蓝宝石基板2的上表面生长低温缓冲层，然后在处理炉内的温度被设定为1000度～1100度左右的状态下外延生长半导体层。
这里，蓝宝石基板2的热膨胀系数为约7.9×10-6/K，而构成未掺杂层10或n型半导体层20的GaN系的半导体层的热膨胀系数为约5.5×10-6/K。即，蓝宝石基板2的热膨胀系数比GaN系的半导体层大2×10-6/K左右。因此，当在外延生长处理结束后将晶元取出到处理炉外使之降温时，与未掺杂层10、n型半导体层20相比，蓝宝石基板2收缩更大。
此时，在蓝宝石基板2的厚度比未掺杂层10、n型半导体层20相对薄的情况下，由于对蓝宝石基板2产生的收缩时的压缩应力而使蓝宝石基板2翘曲成上凸。其结果是，形成于距离蓝宝石基板2最近的位置的由GaN制成的未掺杂层10在蓝宝石基板2的面方向被拉伸，实质上晶格间距离增加。其结果是，由于晶格失配而产生于未掺杂层10的压缩应力FS2减少，同样地对于蓝宝石基板2产生的拉伸应力FS1也减少。
而且，就形成于靠近活性层30的位置的n型半导体层20来说，由于未掺杂层10在面方向被拉伸而造成拉伸应力FS3增大。其结果是，n型半导体层20的晶格间距离被拉伸，接近构成活性层30的InGaN的晶格间距离。由此，产生于活性层30的压缩应力FS4降低，活性层30内的压电场降低。因此，可以认为发光层31的能带的斜率降低而复合概率上升，发光效率上升。
图6是一边将蓝宝石基板2的厚度以100μm固定并使半导体层3的厚度变化一边制作了发光器件1时半导体层3的厚度与产生于外延生长后的晶元的残余应力的关系以及半导体层3的厚度与发光效率的关系绘图而得到的图。图6中，横轴对应于半导体层3的厚度，左纵轴对应于残余应力，右纵轴对应于发光效率。此外，残余应力σ由下述式(2)所述的斯托尼公式来计算。
σ＝E·X2/[6·(1-V)·R·Y] (2)
式(2)中，E对应于蓝宝石基板2的杨氏模量，X对应于蓝宝石基板2的厚度，V对应于蓝宝石基板2的泊松比，R对应于半导体层3的曲率半径，Y对应于半导体层3的厚度。计算时，以E＝345(GPa)、V＝0.25来进行计算。另外，半导体层3的曲率半径R采用了通过对晶元进行X射线衍射测得的值。蓝宝石基板2的厚度X和半导体层3的厚度Y采用了制造各发光器件时的条件。
由图6可知：半导体层3的厚度Y越厚，则残余应力σ越降低，并且发光效率越提高。
图7是一边将半导体层3的厚度以9μm固定并使蓝宝石基板2的厚度变化一边制作了发光器件1时蓝宝石基板2的厚度与产生于外延生长后的晶元的残余应力的关系以及半导体层3的厚度与发光效率的关系绘图而得到的图。残余应力以与图6相同的方法来进行计算。
由图7可知：蓝宝石基板2的厚度X越薄，则残余应力σ越降低，并且发光效率越提高。
图6和图7的结果与上述考察内容相一致。即，当使蓝宝石基板2的厚度X相对于半导体层3的厚度Y相对薄时，外延生长结束后产生使活性层30侧相对于蓝宝石基板2凸起的翘曲，力对于活性层30在使内部应力缓和的方向作用。其结果是，可以认为活性层30内的压电场得到缓和，发光效率也得到了提高。
此外，由本申请的发明者们的深入研究发现了：通过以厚膜形成半导体层3，除了如上所述的发光效率的提高以外还能够实现没有不均的发光。参照图8和图9的照片对这一点进行说明。
图8和图9均是以荧光显微镜对使半导体层3的厚度更详细来说未掺杂层10和n型半导体层20中的一方或双方的厚度变化来制作发光器件并且实际上供给电流使之发光时的发光状态进行了拍摄的照片。图8(a)是半导体层3的厚度为4μm时的照片，图8(b)是半导体层3的厚度为5μm时的照片，图9(b)是半导体层3的厚度为6μm时的照片，图9(b)是半导体层3的厚度为10μm时的照片。图8(a)和图8(b)能够确认在照片中出现白色斑点的情况，这教示亮度高的区域以点状存在。此外，在图9(a)和图9(b)中无法确认在图8(a)和图8(b)中观察到的白色斑点。即，当使以半导体层3的厚度为6μm以上来形成的发光器件1发光时，确认到点状的亮点消光，面整体均匀地发光。
对于当半导体层3的厚度堆叠得较厚时就确认不到这样的点状的亮点的理由没有定论，但本申请的发明者们推测如下。
如上所述，发光层31由包含In的氮化物半导体构成。制造时，用于构成氮化物半导体的有机金属原料气体例如将三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)与载气一起向装置内供给来使晶体生长。这里，包含In的原料气体由于平衡蒸气压与其他气体相比过高，因此必须一边降低生长温度一边进行晶体生长。其结果是，在InGaN层内，气体所含的In容易偏析，晶体的品质容易降低。
本实施方式的发光器件1为蓝宝石基板2的厚度X相对于半导体层3的厚度Y相对薄或者半导体层3的厚度Y相对于蓝宝石基板2的厚度X相对厚的构成。因此，与现有的构成相比，伴随发光层31内的内部应力的变化，In的引进方式发生变化，其结果是推测InGaN层的生长条件发生变化而晶体品质得到了提高。
如图8(a)、图8(b)的照片所示，当产生点状的亮点时，在该位置会产生局部的电流集中。因此，通过局部高温化，导致漏电流的产生，也有可能会使寿命特性降低。
即，通过设定为上述的构成，使发光效率提高，并且实现发光状态的面内均匀性，寿命特性还能够得以提高。
此外，通过作为n型半导体层20设定为构成包含AlGaN层或AlInGaN层的构成，能够使外延生长结束后的蓝宝石基板2的翘曲变大。其结果是，能够使活性层30内的压电场降低的效果进一步提高。
[其他实施方式]
以下，对其他实施方式进行说明。
〈1〉上述实施方式对发光器件1所具备的活性层30周期性地形成有发光层31和多层的阻挡层32的情况进行了说明。然而，发光器件1是通过使半导体层3的厚度Y相对于蓝宝石基板2的厚度X相对厚来使由于在GaN层的上表面具有In组成较高的氮化物半导体层而产生的压电场降低、提高了发光效率的器件。因此，活性层30只要是包含由包含In的氮化物半导体构成的发光层31、能够发出主要波长为520nm以上的光的构成就行，不限于以上述的实施方式进行了说明的构成。
〈2〉本说明书中“未掺杂”当然包括完全不掺杂杂质的情况，还包括微量掺杂杂质得到的状态。更具体来说，当然是指杂质浓度为检测极限以下的情况，还指为检测极限～1×1017/cm3的范围内的情况。
作为一个例子，上述实施方式对在蓝宝石基板2的上表面形成未掺杂层10、在其上表面形成n型半导体层20的情况进行了说明。但是，也可以在蓝宝石基板2的上表面形成微量掺杂杂质得到的半导体层来代替未掺杂层10。
同样地，上述实施方式对第一阻挡层33和第三阻挡层35由未掺杂AlGaN构成、第二阻挡层34和第五阻挡层37由未掺杂GaN构成的情况进行了说明，但这些各阻挡层也可以由微量掺杂杂质得到的半导体层构成。
符号说明
1：氮化物半导体发光器件
2：蓝宝石基板
3：半导体层
10：未掺杂层
20：n型半导体层
30：活性层
31：发光层
32：阻挡层
33：第一阻挡层
34：第二阻挡层
35：第三阻挡层
36：第四阻挡层
37：第五阻挡层
40：p型半导体层
51：比较对象的发光器件
52：蓝宝石基板
53：未掺杂层
54：n型半导体层
55：活性层
56：p型半导体层

Claims (5)

1.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于，其是主要发射波长为520nm以上的氮化物半导体发光器件，
其具备蓝宝石基板和形成于所述蓝宝石基板的上层的半导体层，
其中，所述半导体层包含第一半导体层、第二半导体层、活性层和第三半导体层，
所述第一半导体层形成于所述蓝宝石基板的面上，由包含Ga的氮化物半导体制成，
所述第二半导体层形成于所述第一半导体层的上层，由包含Ga的以比所述第一半导体层更高浓度掺杂n型杂质得到的氮化物半导体制成，
所述活性层形成于所述第二半导体层的上层，并且是发光层与阻挡层层叠多周期而构成的，所述发光层由包含In和Ga的氮化物半导体制成，所述阻挡层由包含Ga的氮化物半导体制成，
所述第三半导体层形成于所述活性层的上层，由包含Ga的掺杂p型杂质得到的氮化物半导体制成，
所述蓝宝石基板的厚度X和所述半导体层的厚度Y满足下述式(1)的关系，
0.06≤Y/X≤0.12 (1)。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述半导体层的厚度为6μm以上。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二半导体层的厚度比所述第一半导体层的厚度厚。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二半导体层包含由包含Al和Ga的氮化物半导体制成的层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体发光器件，其特征在于，所述第二半导体层由未掺杂的氮化物半导体制成。
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