CN111373552A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
氮化物半导体发光元件具备发光元件结构部，该发光元件结构部具有至少包含n型层、活性层及p型层的多个氮化物半导体层。活性层具有量子阱结构，该量子阱结构包含至少1个由GaN系半导体构成的阱层，阱层中，n型层侧的第1面与p型层侧的第2面之间的最短距离在相对于所述氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内变动，从发光元件结构部射出的光的峰值发光波长短于354nm。
Description
技术领域
本发明涉及具有由GaN系半导体构成的发光层的氮化物半导体发光元件。
背景技术
以往，通过载流子(电子及空穴)的再结合而产生发光的发光层由InGaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件广泛普及。
然而，发光层由GaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件、或者发光层由AlGaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件存在发光效率低的问题，而成为普及的障碍。需要说明的是，半导体发光元件的发光效率以所注入的电子转换成光子的比例的量子效率的形式体现，将着眼于在发光元件的内部所产生的光子的比例称为内部量子效率，将着眼于放出至发光元件的外部的光子的比例称为外部量子效率。
具体地说明上述问题。图8是表示氮化物半导体发光元件的峰值发光波长与外部量子效率的关系的曲线图。需要说明的是，图8是非专利文献1中所记载的曲线图，汇总了各个企业、研究机构在学术论文等中所报告的数据。另外，图8的曲线图的横轴为峰值发光波长，纵轴为外部量子效率。另外，在图8中，为了方便附图的说明，对于非专利文献1中记载的曲线图，添加示出了表示点整体的倾向的曲线，其并非是严格的近似曲线。
如图8所示，峰值发光波长为300nm以上且350nm以下的氮化物半导体发光元件与周围的峰值发光波长相比，外部量子效率局部地变低。另外，峰值发光波长为285nm以下的氮化物半导体发光元件，随着峰值发光波长变短而外部量子效率急剧地变低。一般而言，峰值发光波长为300nm以上且350nm以下的氮化物半导体发光元件是发光层由AlGaN系半导体或由GaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件，峰值发光波长为285nm以下的氮化物半导体发光元件是发光层由AlGaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件。
关于发光层由AlGaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件，根据本申请发明人等的潜心研究得知，可通过利用Ga的偏析来提高发光强度而提高外部量子效率(参照专利文献1)。该Ga的偏析是指，在III-V族半导体的AlGaN中，Al与Ga一起进入结晶结构中的III族位点而被配置时，在相对于半导体层的成长方向垂直的平面内，局部地形成Ga的比例大(Al的比例少)的区域。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6194138号公报
非专利文献
非专利文献1：Michael Kneissl，″A Brief Review of III-Nitride UV EmitterTechnologies and Their Applications″，III-Nitride Ultraviolet Emitters，Chapter1，2016
发明内容
发明所要解决的课题
然而，发光层由GaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件与发光层由AlGaN系半导体构成的氮化物半导体发光元件不同，由于在III族位点只配置Ga，因此不会发生偏析，无法利用与专利文献1同样的原理来提高外部量子效率，因此成为问题。
因此，本发明提供一种外部量子效率升高了的氮化物半导体发光元件，其具有由GaN系半导体构成的发光层。
用于解决课题的手段
提供一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备发光元件结构部，该发光元件结构部具有至少包含n型层、活性层及p型层的多个氮化物半导体层，在所述n型层与所述p型层之间所配置的所述活性层具有量子阱结构，该量子阱结构包含至少1个由GaN系半导体构成的阱层，所述阱层中，所述n型层侧的第1面与所述p型层侧的第2面之间的最短距离在相对于所述氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内变动，从所述发光元件结构部射出的光的峰值发光波长短于354nm。
根据该氮化物半导体发光元件，在阱层中，在相对于氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内会产生能够高效率地发光的部分，可利用该部分使其发光。
需要说明的是，所谓的354nm是指，由GaN系半导体构成量子阱结构的阱层，在相对于氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内，不使阱层的厚度(上述最短距离)变动的情况下的峰值发光波长。若峰值发光波长短于354nm(若位移至短波长侧)，则可以说，在相对于氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内，因使阱层的厚度变动所致的量子限域效应的变动有效地发挥作用。
例如，在上述特征的氮化物半导体发光元件中，从所述发光元件结构部射出的光的发光光谱可具有将339nm以上且小于343nm的第1峰、343nm以上且小于349nm的第2峰、和349nm以上且353nm以下的第3峰中的至少2个一体化而成的合成峰。
尤其是，在上述特征的氮化物半导体发光元件中，所述合成峰的半峰宽可为10nm以下。另外，在上述特征的氮化物半导体发光元件中，所述发光光谱可具有将所述第1峰及所述第2峰一体化而成的所述合成峰，峰值发光波长可为343nm以上且小于349nm。
根据这些氮化物半导体发光元件，可提高峰值发光波长的发光强度。
另外，在上述特征的氮化物半导体发光元件中，所述发光光谱、即从所述发光元件结构部射出的光的发光光谱可具有339nm以上且小于343nm的第1峰、343nm以上且小于349nm的第2峰、和349nm以上且353nm以下的第3峰中的至少2个。
另外，在上述特征的氮化物半导体发光元件中，可还具备包含蓝宝石基板的基底部，所述蓝宝石基板具有相对于(0001)面倾斜规定角度的主面，在该主面的上方形成有所述发光元件结构部，至少从所述蓝宝石基板的所述主面到所述活性层的表面为止的各层可以为外延成长层，该外延成长层具有形成有多阶段状的平台的表面。
根据该氮化物半导体发光元件，使用具有偏离角的蓝宝石基板，仅以在从蓝宝石基板的主面到活性层的表面为止的各层的表面上以多阶段状的平台表露出的方式进行外延成长，可容易地使阱层的水平面内的厚度变动。此外，由于能以与载流子扩散长相同程度或比其更短的数nm～数十nm的周期，使阱层的厚度在相对于氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内变动，因此能够可靠地将载流子送入至阱层内能够高效率地发光的部分。
发明效果
根据上述特征的氮化物半导体发光元件，在阱层中，在相对于氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内，可产生能够高效率地发光的部分，可利用该部分使其发光，因此可提高外部量子效率。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件的结构的一例的主要部分剖面图。
图2是示意性地示出从图1的上侧来观察图1中所示的氮化物半导体发光元件时的结构的一例的俯视图。
图3是示意性地示出放大到原子水平的倾斜基板(off substrate)的表面的状态的斜视图。
图4是示意性地示出活性层的结构的一例的主要部分剖面图。
图5是示出具有图4中所示的活性层的氮化物半导体发光元件的发光光谱的光谱图。
图6是放大图5的发光强度大的波长附近的光谱图。
图7是选择性地示出图6中的主要发光光谱的光谱图。
图8是表示氮化物半导体发光元件的峰值发光波长与外部量子效率的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式，例示一种作为发光二极管的氮化物半导体发光元件，其具备：包含蓝宝石基板的基底部、和在该基底部上层叠的具有多个氮化物半导体层的发光元件结构部。
需要说明的是，在本申请中，所谓的AlGaN系半导体是指，AlGaN、AlN或GaN、或者在它们中包含微量的杂质(例如，Si或Mg、In等)的半导体，根据需要对于Al及Ga使用下标而表示Al及Ga的相对的组成比(例如，AlXGa1-XN)。另外，在本申请中，所谓的GaN系半导体是指，GaN或在GaN中包含微量的杂质(例如，Si或Mg、In等)的半导体，原则上不含Al，但当Al以杂质水平包含于GaN时，也当作包括于GaN系半导体中。另外，在本申请中，未记载p型及n型二者的半导体层代表无掺杂的半导体层，但即使为无掺杂的半导体层，也可能包含不可避免地混入的程度的微量杂质。
<氮化物半导体发光元件>
首先，说明本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件的结构的一例，参照附图进行说明。图1是示意性地示出本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件的结构的一例的主要部分剖面图。图2是示意性地示出从图1的上侧来观察图1中所示的氮化物半导体发光元件时的结构的一例的俯视图。需要说明的是，在图1中，为了方便图示，示意性地示出基板、氮化物半导体层及电极的厚度(图中的上下方向的长度)，因此未必与实际的尺寸比一致。
如图1及图2中所示，本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1具备：包含蓝宝石基板11的基底部10、和包含多个氮化物半导体层21～24及电极25、26的发光元件结构部20。该氮化物半导体发光元件1是相对于安装用的基台，朝向发光元件结构部20侧(图1中的图中上侧)安装(倒装芯片安装)的，光的取出方向为基底部10侧(图1中的图中下侧)。
基底部10具备：以相对于(0001)面倾斜规定角度(偏离角)的面作为主面的蓝宝石基板11、和直接形成在蓝宝石基板11的主面11a上的AlN层12。
此处，对于蓝宝石基板11的主面11a的状态，参照附图进行说明。图3是示意性地示出放大到原子水平的蓝宝石基板的主面的状态的斜视图。需要说明的是，在图3中，为了使说明容易理解，强调主要部分而示意性地示出发明内容，因此各部分的尺寸比未必是与实际元件相同的尺寸比。
如图3所示，在蓝宝石基板11的主面上形成多阶段状的平台T。这是因为在将蓝宝石的块体单晶以相对于(0001)面微小倾斜的角度(即，偏离角θ)切出时，沿着切出方向而(0001)面表露出。需要说明的是，偏离角θ的大小，或设置偏离角的方向(具体而言，倾斜(0001)面的方向，例如m轴方向或a轴方向等)，只要能在蓝宝石基板11上的各层中实现期望的成长，则可任意地决定。
AlN层12由从蓝宝石基板11的主面所外延成长的AlN结晶构成，该AlN结晶相对于蓝宝石基板11的主面11a具有外延的结晶方位关系。具体而言，例如以蓝宝石基板11的C轴方向(<0001>方向)与AlN结晶的C轴方向一致的方式，AlN结晶进行成长。需要说明的是，构成AlN层12的AlN结晶也可包含微量的Ga或其他杂质。另外，在AlN层12的上面，也可进一步形成以由AlαG1-αN(1＞α＞0)系半导体构成的层。
发光元件结构部20具有从基底部10侧起依次使n型包覆层21(n型层)、活性层22、电子阻挡层23(p型层)及p型接触层(p型层)24依序外延成长而层叠的结构。
n型包覆层21由n型的AlXGa1-XN(1≥X＞0)系半导体构成。活性层22是将由GaN系半导体构成的阱层22b(发光层)与以AlYGaYN(X≥Y＞0)系半导体构成的势垒层22a分别交替进行层叠1层以上的单一或多重量子阱结构。电子阻挡层23由p型的AlZGa1-ZN(1≥Z＞Y)系半导体构成。p型接触层24由p型的AlQGa1-QN(Z＞Q≥0)系半导体构成。
此外，发光元件结构部20例如具备：由Ni/Au构成且形成于p型接触层24的上面的p电极25、和例如由Ti/Al/Ti/Au构成且在n型包覆层21露出的一部分区域中形成于n型包覆层21的上面的n电极26。若按照从该p电极25供给空穴，并且从n电极26供给电子的方式进行通电，则所供给的空穴及电子的分别到达活性层22，进行再结合而发光。
接着，对图1中所例示的氮化物半导体紫外线发光装置1的制造方法的一例进行说明。
首先，通过有机金属化合物气相成长(MOVPE)法或分子束外延(MBE)法等公知的外延成长法，使基底部10中所包含的AlN层11及发光元件结构部20中所包含的氮化物半导体层21～24，在蓝宝石基板11上依次外延成长而层叠。此时，在n型的层中作为施主杂质，例如掺杂Si，在p型的层中作为受主杂质，例如掺杂Mg。
其中，至少从蓝宝石基板11的主面11a到活性层22的表面为止的各层(AlN层11及氮化物半导体层21、22)以来自蓝宝石基板11的主面11a的多阶段状的平台表露出的方式(以不会成为平台被填满而表面变平坦的方式)进行外延成长。例如，在AlN层11及氮化物半导体层21、22的表面上，以产生高度的平均值为1nm以上且20nm以下的高低差的方式进行外延成长。另外，例如以活性层22的表面的算术平均粗糙度Ra成为3nm以上且10nm以下的方式，进行外延成长。
作为这样的外延成长的条件，例如可举出蓝宝石基板11的偏离角在一定范围内(例如，从0°到数度左右为止)的大小、平台容易表露出的成长速度(具体而言，例如通过适当设定成长温度、原料或载气的供给量、流速等诸条件，实现该成长速度)等。需要说明的是，这些条件随着成膜装置的种类或结构而不同，因此可在成膜装置实际制作若干试料，规定这些条件。
接着，通过反应性离子蚀刻等公知的蚀刻法，按照上述那样选择性蚀刻所层叠的半导体层的一部分区域，使该区域的n型包覆层21露出。然后，通过电子束蒸镀法等公知的成膜法，在未经蚀刻的区域内的p型接触层24上形成p电极25，并且在经蚀刻的区域内的n型包覆层21上形成n电极26。需要说明的是，在p电极25及n电极26的一者或两者形成后，还可通过RTA(瞬间热退火)等公知的热处理方法进行热处理。
需要说明的是，氮化物半导体发光元件1可以按照在基座上倒装芯片安装后，被有机硅树脂或非晶质氟树脂等规定的树脂(例如，透镜形状的树脂)密封的状态使用。
<活性层的结构及发光光谱>
接着，对于上述的活性层22，参照附图进行说明。图4是示意性地示出活性层的结构的一例的主要部分剖面图。
如图4所示，对于本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1所具备的活性层而言，势垒层22a及阱层22b各自的表面成为多阶段状。需要说明的是，如上所述，若以来自蓝宝石基板11的主面11a的多阶段状的平台表露出的方式，使至少AlN层11及氮化物半导体层21、22进行外延成长，则平台的侧面优先地成长。这样一来，在阱层22b中，n型包覆层21侧的第1面22b1与其相反侧的p型接触层24侧的第2面22b2之间的最短距离在相对于氮化物半导体层21、22的层叠方向垂直的平面内(以下，称为“水平面内”)变动。换言之，阱层22b的厚度在水平面内变动。具体而言，平台的侧面部分的最短距离(厚度)L1比平台部分的最短距离(厚度)L2大。
在如图4所示的结构的阱层22b的情况下，根据水平面内的厚度的变动，量子限域效应会发生变动。因此，在阱层22b中，在水平面内产生可高效率地发光的部分，可利用该部分使其发光，可提高外部量子效率。例如，在本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1中，可以树脂密封前的状态，使外部量子效率提高为3％以上。
此处，对于具有图4所示的活性层的氮化物半导体发光元件的发光光谱，参照附图进行说明。图5是示出具有图4中所示的活性层的氮化物半导体发光元件的发光光谱的光谱图。另外，图6是放大图5的发光强度大的波长附近的光谱图。另外，图7是选择性地示出图6中的主要发光光谱的光谱图。需要说明的是，图5～图7所示的光谱图是将由1个晶圆所得的多个氮化物半导体发光元件的发光光谱重叠表示的图，1条线表示1个氮化物半导体发光元件的发光光谱。另外，图5～图7所示的发光光谱是树脂密封前的状态的氮化物半导体发光元件1的发光光谱。
如图5～图7所示，在具有图4所示的活性层的氮化物半导体发光元件的发光光谱中，包含对应于量子限域效应的大小的多个峰。这些峰分离而并存或一体化而构成合成峰。所谓的合成峰，从表观上可见1个峰，例如除了发光强度成为最大的波长(峰值发光波长)以外不具有明确的极大值的峰。
图5～图7所示的发光光谱可大致分为具有经分离的多个峰的图型(例如图7的发光光谱S1)、和具有1个合成峰的图型(例如图7的发光光谱S2～S4)。其中，在具有经分离的多个峰的图型的多数中，包含350nm～352nm附近的峰和340nm～342nm附近的峰。另外，在具有1个合成峰的图型中，有在340nm～342nm附近具有最大的峰并且在344nm附近可见峰的残留即肩部的情况(例如图7的发光光谱S3)、在344nm～348nm附近具有最大的峰并且在342nm附近可见峰的残留即肩部的情况(例如图7的发光光谱S2、S4)。
因此，图5～图7所示的发光光谱中所包含的峰可大致分类为339nm以上且小于343nm的第1波长范围A1中所包含的第1峰、343nm以上且小于349nm的第2波长范围A2中所包含的第2峰、和349nm以上且353nm以下的第3波长范围A3中所包含的第3峰。
具有经分离的多个峰的图型的发光光谱，由于发光波长分散，因此与具有合成峰的发光光谱相比，有发光强度的最大值变小的倾向。因此，在通过使阱层22b的厚度在水平面内变动而实现外部量子效率的升高的氮化物半导体发光元件1中，通过以射出的光的发光光谱具有合成峰的方式构成，可提高峰值发光波长的发光强度。其中，即使是将具有经分离的多个峰的发光光谱的光射出的氮化物半导体发光元件1，高效率地发光本身也是有可能的，因此可根据用途而使用。
另外，在具有合成峰的发光光谱中，通过提高形成该合成峰的多个峰的一体性，可提高发光强度。尤其是，通过提高多个峰的一体性而使合成峰的半峰宽(FWHM：Full Widthat Half Maximum)成为10nm以下，可提高峰值发光波长的发光强度。
例如，图7中所示的发光光谱S2、S4都具有将第1峰及第2峰一体化而成的合成峰。发光光谱S2中来自第1峰的肩部大，半峰宽为11.8nm。发光光谱S4的肩部比发光光谱S2小，半峰宽为9.1nm。此发光光谱S4所具有的合成峰的半峰宽为10nm以下，与发光光谱S2的合成峰相比，一体性高，峰值发光波长的发光强度大。
另外，在具有合成峰的发光光谱中，具有将第1峰及第2峰一体化而成的合成峰，通过使峰值发光波长包含于第2波长范围A2(343nm以上且小于349nm)中，可提高峰值发光波长的发光强度。
例如，图7中所示的发光光谱S3、S4都具有将第1峰及第2峰一体化而成的合成峰，但发光光谱S3的峰值发光波长包含于第1波长范围A1(339nm以上且小于343nm)中，发光光谱S4的峰值发光波长包含于第2波长范围A2(343nm以上且小于349nm)中。该发光光谱S4所具有的合成峰与发光光谱S2的合成峰相比，峰值发光波长的发光强度大。
需要说明的是，氮化物半导体发光元件1射出的光的发光光谱是否具有合成峰，取决于量子限域效应的偏差方式。即，取决于活性层22的表面状态(高低差的数量、密度、高度等)。因此，适当设定所使用的成膜装置的外延成长的条件而控制活性层22的表面状态，可选择性地制造射出的光的发光光谱具有合成峰的氮化物半导体发光元件1。另外，可从1片晶圆尽可能多地得到射出的光的发光光谱具有合成峰的氮化物半导体发光元件1。
但是，如专利文献1所提出的氮化物半导体发光元件那样，在由AlGaN系半导体构成的发光层中发生Ga的偏析时，Ga的偏析程度越大，峰值发光波长越会位移至长波长侧。与此相对，本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1由于阱层22b由GaN系半导体构成，因此不会发生Ga的偏析。此外，由GaN系半导体构成量子阱结构的阱层而不使水平面内的厚度变动时，虽然峰值发光波长成为354nm左右(参照专利文献1的图17)，但是如图5～图7所示，本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1的峰值发光波长短于354nm，位移至短波长侧。
如此一来，本发明的实施方式的氮化物半导体发光元件1中的外部量子效率提高的原理(量子限域效应的水平面内的变动)明确地不同于如专利文献1所提出的氮化物半导体发光元件中的原理(Ga的偏析)。而且，若由GaN系半导体构成阱层22b且峰值发光波长短于354nm(若位移至短波长侧)，则可以说通过使阱层22b的厚度在水平面内变动所致的量子限域效应的变动有效地发挥作用。
<变形等>
在上述的实施方式中，例示了利用来自蓝宝石基板11的主面11a的多阶段状的平台，使阱层22b的水平面内的厚度变动的情况，但也可用其他的方法使阱层22b的水平面内的厚度变动。
例如，在蓝宝石基板的主面或从蓝宝石基板的主面到即将至活性层的层为止的任一层的表面上即使形成凹凸，也可使阱层的水平面内的厚度变动。作为形成该凹凸的方法，例如考虑通过纳米压印、干涉条纹曝光、电子束曝光、基于步进式光刻机等的图型化而形成SiO2等的掩膜、或通过反应性离子蚀刻等公知的蚀刻法进行蚀刻。
另一方面，如上述的实施方式，只要是利用来自蓝宝石基板11的主面11a的多阶段状的平台的方法，则使用具有偏离角的蓝宝石基板11，仅以在AlN层11及氮化物半导体层21、22的表面上多阶段状的平台表露出的方式进行外延成长，可容易地使阱层22b的水平面内的厚度变动。另外，由于能以与载流子扩散长相同程度或比其短的数nm～数十nm的周期，使阱层22b的水平面内的厚度变动，因此能够可靠地将载流子送入至阱层22b内的能够高效率地发光的部分。
在上述的实施方式中，例示有一种具备包含蓝宝石基板11的基底部10的氮化物半导体发光元件1，但是也可掀离(lift-off)蓝宝石基板11(进而为基底部10中所包含的一部分或全部的层)。
另外，在上述的实施方式中，在例示氮化物半导体发光元件1作为未树脂密封的状态(裸芯片)之上，示出该状态的发光光谱(图5～图7)，但是经不对于发光光谱的形状造成大的影响(例如，不使峰消失或不创造出新的峰)树脂所密封的状态，也可被包含于本发明的氮化物半导体发光元件中。
产业上的可利用性
本发明可利用于具有由GaN系半导体构成的发光层的氮化物半导体发光元件。
附图标记说明
1 氮化物半导体发光元件
10 基底部
11 蓝宝石基板
11a 主面
12 AlN层
20 发光元件结构部
21 n型包覆层(n型层)
22 活性层
22a 势垒层
22b 阱层
22b1 第1面
22b2 第2面
23 电子阻挡层(p型层)
24 p型接触层(p型层)
25 p电极
26 n电极
A1～A3 第1～第3波长范围
S1～S4 发光光谱
T 平台
Claims (6)
1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，具备发光元件结构部，该发光元件结构部具有至少包含n型层、活性层及p型层的多个氮化物半导体层，
在所述n型层与所述p型层之间所配置的所述活性层具有量子阱结构，该量子阱结构包含至少1个由GaN系半导体构成的阱层，
所述阱层中，所述n型层侧的第1面与所述p型层侧的第2面之间的最短距离在相对于所述氮化物半导体层的层叠方向垂直的平面内变动，
从所述发光元件结构部射出的光的峰值发光波长短于354nm。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，从所述发光元件结构部射出的光的发光光谱具有将339nm以上且小于343nm的第1峰、343nm以上且小于349nm的第2峰、和349nm以上且353nm以下的第3峰中的至少2个一体化而成的合成峰。
3.如权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述合成峰的半峰宽为10nm以下。
4.如权利要求2或3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述发光光谱具有将所述第1峰及所述第2峰一体化而成的所述合成峰，峰值发光波长为343nm以上且小于349nm。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述发光光谱、即从所述发光元件结构部射出的光的发光光谱具有339nm以上且小于343nm的第1峰、343nm以上且小于349nm的第2峰、和349nm以上且353nm以下的第3峰中的至少2个。
6.如权利要求1～5中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，还具备包含蓝宝石基板的基底部，
所述蓝宝石基板具有相对于(0001)面倾斜规定角度的主面，在该主面的上方形成有所述发光元件结构部，
至少从所述蓝宝石基板的所述主面到所述活性层的表面为止的各层为外延成长层，该外延成长层具有形成有多阶段状的平台的表面。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002033513A (ja) * | 2000-07-13 | 2002-01-31 | Shiro Sakai | 発光素子 |
| JP2003086840A (ja) * | 2001-09-10 | 2003-03-20 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | ＧａＮ系半導体発光ダイオード |
| JP2006060164A (ja) * | 2004-08-24 | 2006-03-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 窒化物半導体デバイスおよび窒化物半導体結晶成長方法 |
| JP2006253670A (ja) * | 2005-02-14 | 2006-09-21 | Showa Denko Kk | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP2007281140A (ja) * | 2006-04-05 | 2007-10-25 | Hamamatsu Photonics Kk | 化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイス |
| WO2013021464A1 (ja) * | 2011-08-09 | 2013-02-14 | 創光科学株式会社 | 窒化物半導体紫外線発光素子 |
| WO2017013729A1 (ja) * | 2015-07-21 | 2017-01-26 | 創光科学株式会社 | 窒化物半導体紫外線発光素子 |
| JP2017154964A (ja) * | 2016-02-26 | 2017-09-07 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 結晶基板、紫外発光素子およびそれらの製造方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| JP5400001B2 (ja) | 2010-08-23 | 2014-01-29 | 日本電信電話株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造 |
| JP5995302B2 (ja) * | 2011-07-05 | 2016-09-21 | パナソニック株式会社 | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
| US9000415B2 (en) | 2012-09-12 | 2015-04-07 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device |
| KR102191213B1 (ko) * | 2013-04-12 | 2020-12-15 | 서울바이오시스 주식회사 | 자외선 발광 소자 |
| WO2017145026A1 (en) | 2016-02-23 | 2017-08-31 | Silanna UV Technologies Pte Ltd | Resonant optical cavity light emitting device |
| KR102297503B1 (ko) * | 2017-05-23 | 2021-09-03 | 인터매틱스 코포레이션 | 컬러 액정 디스플레이 및 디스플레이 백라이트 |
| EP3432369A4 (en) * | 2017-05-26 | 2019-08-28 | Soko Kagaku Co., Ltd. | MODEL, ULTRAVIOLET SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT, AND METHOD FOR PRODUCING THE MODEL |
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002033513A (ja) * | 2000-07-13 | 2002-01-31 | Shiro Sakai | 発光素子 |
| JP2003086840A (ja) * | 2001-09-10 | 2003-03-20 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | ＧａＮ系半導体発光ダイオード |
| JP2006060164A (ja) * | 2004-08-24 | 2006-03-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 窒化物半導体デバイスおよび窒化物半導体結晶成長方法 |
| JP2006253670A (ja) * | 2005-02-14 | 2006-09-21 | Showa Denko Kk | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP2007281140A (ja) * | 2006-04-05 | 2007-10-25 | Hamamatsu Photonics Kk | 化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイス |
| WO2013021464A1 (ja) * | 2011-08-09 | 2013-02-14 | 創光科学株式会社 | 窒化物半導体紫外線発光素子 |
| WO2017013729A1 (ja) * | 2015-07-21 | 2017-01-26 | 創光科学株式会社 | 窒化物半導体紫外線発光素子 |
| JP2017154964A (ja) * | 2016-02-26 | 2017-09-07 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 結晶基板、紫外発光素子およびそれらの製造方法 |
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