200929619 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種m族氮化物半導體發光元件，其具 備：基板；以及多重量子井構造的發光層，該多重量子井 構造具備由在該基板之表面上設置的m族氮化物半導體材 料所組成的障壁層以及由含有銦之πι族氮化物半導體所組 成的井層。 〇 【先前技術】 一直以來，氮化鎵·銦混晶（GaXInl-XN : 0<X<1)等的 m族氮化物半導體材料係被利用來構成射出藍色或者綠色 等之短波長光的發光二極體（英文簡稱：LED)或雷射二極 體（英文簡稱：LD)的發光層（例如，參照日本特公昭55-3834 號公報）。 另外，氮化鋁·鎵（組成式AlXGal-XN: 0SXS1)係被 使用爲用以構成近紫外或紫外LED的量子井構造之發光層 〇 的材料（例如，參照日本特開2001-607 1 9號公報）。 以m族氮化物半導體層作爲發光層的ΙΠ族氮化物半導 體LED係被利用來與具備m族氮化物之外的例如由m - V 族化合物半導體層組成之發光層的led組合，而構成多色 發光LED。例如’將以使銦（In)組成（=1-χ)相異之GaxIm.xN 層作爲發光層的藍色及綠色LED、以砷化鋁·鎵混晶 (AlGaAs)作爲發光層的紅色LED集合，來製作R(紅色）G( 綠色）B(藍色）之各顏色或者使該等混色而射出白色光的發 光元件（例如’參照日本特開平07-3 35942號公報）。 200929619 另外，以往的白色LED之其他一種係藉由將放射出具 有補色關係之顏色的光的發光層各自設置在唯一之基板上 的技術手段所產生之2波長發光型LED。例如，在同一個 基板上各自形成由射出藍色光的GaXIn卜XN(0S XS 1)井層 之數量爲5的多重量子井構造所組成的發光層及射出黃色 光的AlInP/AlGalnP的對（pair)數爲10之多層層積構造的發 光層，使從該各個發光層射出之不同的2種波長之2種顏 ❹ 色（例如藍色以及黃色）混色而完成的2波長發光白色LED( 例如，參照日本特開2001-2 5 7379號公報）。 不過，在構成以往射出波長相異之複數道發光（多波長 發光）的°LED時，必須個別設置由適合放射各顏色之ΙΠ -V 族化合物半導體材料所組成的發光層。例如，製作射出RGB 之各顏色的LED時，如同上述，必須由放射出R(紅色）、 G(綠色）或 B(藍色）的發光層相異的m-v族半導體材料所 構成。亦即，並非能夠使用由m族氮化物半導體層所單獨 〇 構成之唯一發光層而簡便地製作呈現多波長發光的LED。 本發明有鑑於上述情況而完成者，其目的在於提供一 種瓜族氮化物半導體發光元件，使用由m族氮化物半導體 層所單獨構成之唯一發光層，在簡單的構成下而能簡便地 射出多波長光。 【發明内容】 爲了達成上述目的，（1)第1發明係一種m族氮化物 半導體發光元件，其具備：基板；以及多重量子井構造之 發光層，其具偷在該基板的表面上設置之由m族氮化物半 200929619 導體組成的障壁層以及由含有銦之瓜族氮化物半導體組成 的井層，該瓜族氮化物半導體發光元件之特徵爲：上述多 重量子井構造的發光層係將複數個具有一個由井層和障壁 層組成的單位疊層部分、或者是層積2個以上之該單位疊 層部分而成的疊層部積層而予以構成，在上述疊層部的單 位疊層部分爲2個以上的情況下，該井層彼此或障壁層彼 此係層厚度和組成分別相同，上述疊層部彼此係單位疊層 φ 部分之障壁層互相具有不同的層厚度。 (2) 第2發明係在上述（1)項記載之發明構成中，在上 述發光層當中，相較於具有層厚度最大之障壁層的單位疊 層部分之層積數，具有較薄之層厚度之障壁層的單位疊層 部分之層積數的總和較多。 (3) 第3發明係在上述（1)項或者（2)項記載之發明構成 中，上述疊層部彼此係單位疊層部分之井層的層厚度或組 成的至少任一項是相互不同的。 〇 (4)第4發明係在上述（1)項至（3)項中任一項記載之發 明構成中，上述發光層係在從基板之表面側朝向取出來自 發光層之發光的方向上，依序排列發出較短之波長的光的 疊層部。 (5)第5發明係在上述（4)項記載之發明構成中，上述 發光層係在從基板之表面側朝向取出來自發光層之發光的 方向上，依序排列具有較薄之層厚度的疊層部。 藉由本發明之第1發明，將複數個層積1個或2個以 上之由井層和障壁層所組成的單位疊層部分而成的疊層部 200929619 進行層積，來構成多重量子井構造的發光層，在疊層部彼 此當中，單位疊層部分的障壁層互相具有不同的層厚度。 從井層射出的光（電子波）係因爲障壁層之層厚度成爲薄到 容易透過，所以藉由使障壁層的層厚度薄化，能夠遍及寬 廣的波長範圍來提升從井層射出之多波長的光強度。因此 ，能夠舉出從一個多重量子井構造之發光層放射的光之波 長作爲更多波長的效果，能以簡單的構成而輕易地獲得白 〇 色光。其結果，也變得不需要個別設置放射出光之三原色 的各顏色或具有補色關係的2種顏色之發光層。 藉由本發明之第2發明，在多重量子井構造的發光層 當中，相較於具有層厚度最大之障壁層的單位疊層部分的 層積數，因爲使具有較薄之層厚度之障壁層的單位疊層部 分之層積數的總和較多，所以從井層射出之多波長的光強 度在寬廣的波長範圍中之提升會更加有效，另外，能進一 步加寬波長範圍。 〇 藉由本發明之第3發明，在疊層部彼此之中，單位疊 層部分之井層會互相使層厚度或組成之至少任一項有所不 同。當井層之層厚度或組成互相不同時，因爲與其對應而 使井層射出波長不同的光，所以能使從一個多重量子井構 造之發光層放射出的光之波長進一步成爲多波長，另外， 更能加寬波長範圍。 藉由本發明的第4、第5發明，發光層係在從基板之 表面側朝向取出來自發光層之發光的方向上，依序排列發 出較短之波長的光的疊層部，例如具有較薄之層厚度的井 200929619 層的疊層部。亦即，在基板之表面側上形成寬廣的井層寬 度且配置獲得量子準位低且包含長波長之發光成分的多波 長之發光的井層，在取出發光的方向上，配置形成狹窄的 井層寬度且獲得量子準位高且包含較短波長之發光成分的 多波長之發光的井層，而構成了多重量子井構造的發光層 。雖然成爲短波長之光會被進行長波長之發光的井層所吸 收，但因爲使短波長之光不會通過進行較長波長的發光之 〇 井層，所以從配置在基板表面側的井層射出之光不會被配 置在取出光之方向上的井層所吸收，而能在外部視野方向 上取出光，有效率地在視野方向上取出從各井層射出的發 光。 ' 【實施方式】 根據圖式來詳細說明本發明的實施形態。 第1圖係表示本發明之疊層部的層積關係之示意圖。 第1圖所例示之本發明的多重量子井構造之發光層10係層 Ο 積疊層部11、12而構成。疊層部11係構成爲具有1個由 井層11a和障壁層lib所組成的單位疊層部分iim。疊層部 12係構成爲層積2個由井層12a和障壁層12b組成的單位 疊層部分12m，構成該2個單位疊層部分12m的井層12a 彼此、或是障壁層12b彼此之層厚度和組成分別是相同的 。然後’疊層部11的障壁層lib之層厚度tl和疊層部12 的障壁層12b之層厚度t2互相不同。 如同這般’本發明的發光層係將複數個具有1個由井 層和障壁層組成的單位疊層部分、或者是層積2個以上之 -10- 200929619 該單位疊層部分而成的疊層部積層而予以構成，在該疊層 部的單位疊層部分爲2個以上的情況下，該井層彼此或障 壁層彼此係層厚度和組成分別相同，疊層部彼此係單位疊 層部分之障壁層互相使層厚度有所不同。 構成疊層部的各單位疊層部分之障壁層係較佳爲由具 有和井層之間的障壁差而能夠接合之材料，例如 AlxGai-xhUOS XS1)等之ΙΠ族氮化物半導體層所構成。該障 φ 壁層和井層係由相同傳導形的m族氮化物半導體層所構成 。障壁層的層厚度係較佳爲在大略3 nm以上、30nm以下的 範圍中，作爲電子波能充分透過的層厚度。 層積疊層部而形成多重量子井構造的發光層時，層積 之疊層部並無數量上的限制，但爲了避免發光層的形成步 驟無謂地變得冗長，所以較佳爲大略50以下甚至是30以 下。在獲得能放射出多波長之光的多重量子井構造的發光 層時，適合構成爲：比起包含層厚度的障壁層的 ❹ 單位疊層部分之數量，使包含比該層厚度（t,)還要薄之層厚 度t2(t,>t2，U尹0)的障壁層的單位疊層部分之數量增加爲更 多。這是因爲使障壁層之層厚度更薄時，更能使電子波透 過，可獲得高強度的多波長發光。 另外，在發光層中，相較於具有層厚度最大之障壁層 的單位疊層部分之層積數，使具有較薄之層厚度的障壁層 的單位疊層部分之層積數的總和變得更多，適合獲得呈現 多波長光之發光層。例如，單位疊層部分的總數是10’其 中’相對於形成爲具有層厚度tl(tl#0)之障壁層的疊層部 -11- 200929619 之單位疊層部分的數量仍爲5’具有較薄之層厚度t2(tl>t 2 ，t2# 0)之障壁層的疊層部之單位疊層部分的數量爲5的範 例，在單位疊層部分的總數爲20的時候’則形成爲具有層 厚度tl(tl尹0)之障壁層的疊層部之單位疊層部分的數量仍 爲5，具有較薄之層厚搜t2(tl>t2，t2夫0)之障壁層的疊層 部之數量爲15。以此方式，相較於具有層厚度最大之障壁 層的單位疊層部分之層積數，一旦使具有較薄之層厚度的 Q 障壁層的單位疊層部分之層積數的總和變得更多’便適合 獲得呈現多波長光之發光層。針對此事，採用第2圖至第 5圖來進行更詳細的說明。 第2圖係表示本發明’之發光層的構成例之截面示意圖 。在第2圖中，基板1上之發光層1〇係由疊層部11和疊 層部1 2所構成，疊層部1 1係由5個單位疊層部分11 m所 組成，疊層部1 2也是由5個單位疊層部分1 2m所組成。 疊層部11的單位疊層部分11m係由層厚度爲1 On m的 Ο 障壁層lib以及接合於該障壁層lib上且層厚度爲2nm的 井層11a所構成。此井層11a的組成是Ga0.75In0.25N。 另外，疊層部12的單位疊層部分12m係由層厚度爲 4nm的障壁層12b以及接合於該障壁層12b上的井層12a 所構成，井層12a的層厚度和組成係設定爲與井層11a相同 〇 第3圖係表示從該第2圖之構成的發光層1〇射出之光 的光照度（PL)頻譜的圖。 第4圖係表示相對於第2圖的發光層’以較多數來構 -12- 200929619 成具有較薄層厚度之障壁層的疊層部中之單位疊層部分數 量時的截面模式圖。第4圖中，層厚度爲10nm的障壁層 lib之疊層部11中的單位疊層部分11m之數量係仍爲5個 ，但層厚度爲4nm的障壁層12b之疊層部12中的單位疊層 部分12m之數量會從5個增加到15個。 第5圖係表示從該第4圖之構成的發光層l〇h射出之 光的光照度（PL)頻譜的圖。 0 在第3圖中，多波長光的出現是在以光子能量計之2.3 電子伏特（eV)以上、3.4eV以下的範圍中。另一方面，在第 5圖中' 藉由使具有較薄之層厚度的障壁層12b的疊層部 12之單位查層部分12m的數量增加，相較於第3圖的頻譜 ，能在廣範圍的波長範圍中提升強度，而且，使多波長光 出現的範圍（以能量計）加寬至1.9eV以上、3.4eV以下。 特別是，將構成發光層全體的單位疊層部分的總數設 爲4以上、30以下，將具有薄之層厚度的障壁層的疊層部 © 中之單位疊層部分的數量設爲2以上、20以下時，不需要 冗長的發光層之形成步驟，就能簡便地形成在寬廣波長範 圍中放射多波長之光的發光層。除此之外，還有適合抑制 因高溫下之冗長成長所引起之井層中所包含的銦之熱擴散 而造成的障壁層之變質、及和障壁層之接面的非平坦化等 方面的優點。 構成上述疊層部之各單位疊層部分的井層係較佳爲由 包含銦（元素符號：In)之m族氮化物半導體層，例如 GaxIni.xN(0SX<l)層所構成。總括來說，是因爲能從含有 -13- 200929619
In的瓜族氮化物半導體中獲得高強度的發光。在本發明的 瓜族氮化物半導體多波長發光元件中，井層之層厚度係較 佳爲lnm以上、20nm以下，更佳爲2nm以上、l〇nm以下 另外，使具有由使層厚度或組成相異之含有銦之瓜族 氮化物半導體層所組成之井層的疊層部層積而形成多重量 子構造的發光層時，就能使從單一發光層放射出之發光的 波長進一步進彳了多波長化。例如，以GaxIni-xN(OSX<l)來 構成一個疊層部的井層，那就是所謂的鎵組成比（ = X)，因 此能舉例表示由銦組成比（ = 1-X)也有所不同的 GavImN ' (〇 - Y<1 , X关Y)來構成其他疊層部之井層的情況。所謂的 層厚度或組成不同，也包含使層厚度和組成兩者不同的情 況。 例如，形成發光層A，其具備：疊層部，係使3個由 層厚度爲2nm且組成爲Gao.soIno.uN之井層以及層厚度爲 © l〇nm的障壁層所組成之單位疊層部分積層而成；以及其他 疊層部，係使三個由同一組成且層厚度爲4nm之井層以及 層厚度爲6nm之障壁.層所組成的單位疊層部分積層而成。 第6圖係表示從由該總數爲6之單位疊層部分所組成的發 光層A射出之多波長的光的光照度（PL)頻譜A的圖（圖中， 以「頻譜A」來表示）。 作爲比較，形成發光層B，其具備：疊層部，係使3 個由層厚度爲2nm且組成爲Gao.80lno.2oN之井層以及層厚度 爲10nm的障壁層所組成之單位疊層部分積層而成；以及其 -14- 200929619 他疊層部，係使3個由與該井層相同層厚度且同一組成之 井層以及層厚度爲6nm之障壁層所組成的單位疊層部分積 層而成。因此，相對於發光層A在疊層部之間的井層和障 壁層兩者之層厚度不同，發光層B係構成爲僅疊層部之間 的障壁層之層厚度不同。第6圖係以虛線表示從由該總數 爲6之單位疊層部分所組成的發光層B射出之多波長的光 的光照度（PL)頻譜B的圖（圖中，以「頻譜B」來表示）。 © 當對照頻譜A和頻譜B時，相較於井層之層厚度爲相 同之情況的發光（頻譜B)，從組合井層之層厚度相異的疊層 部的多重量子井構造之發光層放射的多波長之發光（頻譜 A)係遍及更寬闊的波長範圍，更適合於獲得白色光。 本發明之多重量子井構造的發光層係形成爲接合在例 如於基板之表面上形成的包覆層（cl ad)等之基底層。基板可 利用以極性或無極性的結晶面作爲表面的藍寶石（a -ai2〇3 單結晶）或氧化鋅（ΖηΟ)等之絕緣性或導電性氧化物結晶、 Ο 6Η或4Η或3C型碳化矽（SiC)等之碳化物結晶、GaN、矽（Si) 等的半導體結晶。爲了獲得結晶品質優良的基底層，也可 採用在基板上設置例如用以緩和晶格失配（lattice mismatch) 等之功能層的層積構成之手段。 基板上或者在基板上成長之基底層上，藉由利用例如 有機金屬氣相堆積（簡稱爲M0CVD或MOVPE等）法、分子 束晶晶（MBE)法' 氫化物（hydride)法、鹵化物（halyde)法等 的氣相成長法來形成多重量子井構造的發光層。並不一定 需要以同一個氣相成長法來形成構成多重量子井構造之發 -15- 200929619 光層和其以外之多波長發光元件的功能層。例如，會有在 使用比較厚之包覆層來構成LED的時候，以MOCVD法或 氫化物法來形成該厚膜層，以對於薄膜控制性更佳之MBE 法來成長薄膜超晶格構造之多重量子井構造的手段。 這些氣相成長手段中，能夠採用摻雜手段，其故意添 加用於調整障壁層或井層之傳導形的控制或導電率的雜質 。摻雜雜質的時候，較佳爲以井層或障壁層之載體濃度成 〇 爲5xlOI7cm·3以上、5xl019cm_3以下的範圍的方式來施行。 具有這種載體濃度的導電性之功能層，例如包覆層或接觸 (contact)層上設置歐姆（Ohmic)電極而形成LED等之發光元 件。例如，將歐姆電極設置成接觸於作爲多重量子井構造 發光層之基底層的η形AlxGa^xNKO各XS1)包覆層以及在 同發光層上設置之P形GaN接觸層，以作爲pn接合型的多 波長同時發光LED。 如同以上所述，本發明之實施形態中，將複數個使i © 個或2個以上之由井層及障壁層所構成之單位重疊層部分 積層而成的重疊層進行積層，以構成多重量子井構造的發 光層，在叠層部彼此當中，單位疊層部分的障壁層係互相 使層厚度有所不同。從井層射出的光（電子波）係因爲障壁 層之層厚度變薄到能輕易透過，所以藉由使障壁層的層厚 度薄化，能夠遍及寬廣的波長範圍而提升從井層射出之多 波長的光強度。因此，能夠發揮使從一個多重量子井構造 之發光層放射出的光之波長成爲更多波長的效果，能以簡 單的構成就輕易地獲得白色光。其結果，也變得不需要個 -16- 200929619 別設置會放射出光之三原色的各顏色或具有補色關係之2 種顏色的發光層。 另外，在多重量子井構造的發光層中，相較於具有層 厚度最大之障壁層的單位疊層部分的層積數’因爲使具有 較薄之層厚度的障壁層的單位疊層部分的層積數之總和較 多，所以能夠更有效地使從井層射出之多波長的光強度在 廣闊之波長範圍中提升，進一步加寬波長範圍。 q 此外，在疊層部彼此當中，單位疊層部分的井層係互 相使層厚度或組成之至少一項有所不同。因爲井層的層厚 度或組成互相不同時，與其對應而使從井層放射之光的波 長發生變化，所以能進一步使從一個多重i子井構造之發 光層中放射的光之波長成爲多波長，更能加寬波長範圍。 以下，藉由第1至第4實施例來說明本發明之瓜族氮 化物半導體發光元件。在第1實施例中，參照第7圖至第 9圖來說明具備由使井層之組成及障壁層之層厚度皆相異 〇 的疊層部所組成之多重量子井構造的發光層的m族氮化物 半導體LED。 第1實施例 第7圖係表示具備第1實施例之發光層的m族氮化物 半導體發光元件之構造的截面模式圖。第8圖係表示該發 光層的構成之截面示意圖。又，第9圖係從該發光層放射 之室溫下的光照度（PL)頻譜。 用於製作ΠΙ族氮化物半導體發光元件100A的層積構 造體100Β係使用{111}_ρ形單晶矽（silicon)作爲基板ιοί而 -17- 200929619 形成。在保持真空的分子束磊晶（M BE)裝置內，使基板101 的表面暴露於氮電漿，施行氮化處理，使基板101之極表 面處變質爲氮化矽（SiN)。接著，藉由使用氮電漿的MBE法 (氮電漿MBE法），使基板101的溫度設爲650°C，在已氮化 處理的基板101之表面上形成由氮化鋁（A1N)所組成之第1 緩衝層102(層厚度=60nm)。接著，使基板101的溫度升溫 至850°C，藉由氮電漿MBE法，來形成由A1N組成的第2 © 緩衝層1〇3(層厚度= 30 0nm)。接著，使基板101的溫度降溫 至690°C，藉由氮電漿MBE法，來形成由GaN組成的η形 包覆層1〇4(層厚度=1.5//m)。 形成η形包覆層104以後，使此層積構造體在MBE裝 置內冷卻至室溫附近的溫度。爾後，從MBE裝置取出此層 積構造體，並搬送至一般的MOCVD裝置內。 以後，在氫氣體環境中，已使基板101之溫度成爲7 00 °C的時候，在η形包覆層104上形成以由層厚度爲8nm之 〇 η形GaN組成的障壁層110b、和層厚度爲2nm之井層110a 所構成的單位疊層部分110m。進一步層積而形成2個該單 位疊層部分U〇m，以作爲疊層部110。疊層部11〇的各井 層110a皆是由η形GaO.75InO.25N層所構成。疊層部11〇 係將與η形包覆層104之表面接合的層堆積作爲障壁層 1 1 Ob ° 藉由MOCVD法且以700°C，在疊層部110上堆積以由 層厚度爲6nm之η形GaN層組成的障壁層120b、和層厚度 爲2nm之井層120a所構成的單位疊層部分120m，來構成 -18- 200929619 疊層部120。在上述疊層部110上設置其他疊層部120時’ 如第8圖所示，其他疊層部120之障壁層12 0b係設置爲接 合於構成疊層部110之表層的井層ll〇a。其他疊層部120 的井層120 a係和上述疊層部110的井層ll〇a有所不同’ 皆是由η形GaO.85InO.15N層所構成。層積疊層部110與其 他疊層部120之合計5個單位疊層部分110m、120m來構成 多重量子井構造的發光層1〇〇(參照第8圖）。3個單位疊層 〇 部分120m的各障壁層120b之層厚度係構成爲比2個單位 疊層部分ll〇m的各障壁層110b之層厚度還要薄。 第9圖係表示來自使具有此種較薄之層厚度的障壁層 的單位疊層'部分之層積數總和進一步增多而成之發光層 100在室溫下的光照度頻譜。產生發光的波長範圍達到從 373nm至750nm的寬廣範圍。 如同這般，由於能同時獲得各式各樣之波長的光，所 以從發光層100放射的發光色會因爲混色而在視覺上是白 ® 色的。亦即，例如爲了放射出藍色和黃色之組合等的補色 關係之2種顏色，另外，爲了放射出光之三原色的各顏色 ，即使不從相異的化合物半導體材料來個別地形成與各顔 色對應之發光層，當採用由本發明之構成所組成的多重量 子井構造時，呈現出了數量上雖然是單獨的，但是能從同 種類的m族氮化物半導體材料來形成放射白色光的發光層 〇 在形成發光層100以後，在MOCVD裝置內，冷卻至室 溫附近的溫度。爾後，下次從MOCVD裝置取出已結束形成 -19- 200929619 發光層100的層積構造體100B，然後搬送至氮電漿MBE裝 置內。然後，將基板101的溫度設爲780°C，在構成多重量 子井構造之發光層100的表層的井層120a上堆積了由p形 GaN組成的p形包覆層106。藉此，結束了具備在η形GaN 包覆層104與p形GaN包覆層106之間夾著η形發光層1〇〇 之構造的ρη接合型發光部的發光元件100Α用途之層積構 造體100B的形成。
〇 藉由一般的乾式蝕刻法來除去位於在層積構造體100B 之一端形成η形歐姆電極107的區域上的的P形GaN包覆 層106及發光層100，使作爲發光層100之基底層的η形 GaN包覆層104之表面露出。接著，在此露出之η形GaN 包覆層104的表面上，形成了 η形歐姆電極107。另一方面 ，Ρ形歐姆電極108係形成於ρ形GaN包覆層106之表面 的一部分，爾後，分割成個別元件（晶片），並製作一邊長 度爲350/zm的發光元件100A。 G 將發光元件100A之順向電流設爲20mA時的順向電壓 (Vf)是3.5V。另外，使50mA的電流順向流通時，從晶片（chip) 狀態之發光元件100A的發光層之全面射出視覺上帶有藍 色的白色光。藉此，表示了使用第1實施例所記載之多重 量子井構造的發光層時，因爲能同時放射出不同波長的發 光，所以能簡便地製作即使是數量單一之量子井構造的發 光層也能射出白色光的發光元件。 第2實施例 在第2實施例中，參照第10圖至第12圖來說明具備 -20- 200929619 由使障壁層之層厚度相異的疊層部組成的多重量子井構造 之發光層的本發明之m族氮化物半導體發光元件。 第ίο圖係表示具備第2實施例之發光層的m族氮化物 半導體發光元件之構造的截面模式圖，第π圖係表示該發 光層的構成之截面示意圖，第12圖係從該發光層放射之室 溫下的光照度（PL)頻譜。此外，在第1〇圖以及第11圖中 ，針對與上述第1實施例所記載之相同構成要素，則附加 © 相同符號。 在上述第1實施例記載之已使表面氮化的Si基板101 上，使成長溫度不同而設置的A1N層102、103及由η形 GaN組成的包覆層104上，形成與第1實施例記載之構成 不同的發光層2 00。構成發光層2 00的疊層部210、220、 23 0係與上述第1實施例記載的發光層100之形成方法不同 ，皆是以氮電漿MBE法所形成。 本第2實施例的多重量子井構造之發光層200係使井 G 層 210a、220a、230a 皆爲層厚度是 4nm 的 Ga0.75In0.25N 層而相同。如第11圖所示，在井層210a上，形成由層厚 度爲10nm的η形GaN組成之障壁層210b，來形成單位疊 層部分210m，層積2個該單位疊層部分210m來設置疊層 部 210。 在疊層部210上，在井層220 a上，形成由層厚度爲6nm 的η形GaN組成之障壁層220b，來形成單位疊層部分220m ，層積2個該單位疊層部分220m來設置疊層部220。 在疊層部220上，在井層230a上，形成由層厚度爲4nm -21- 200929619 的η形GaN組成之障壁層230b’來形成單位疊層部分230m ，層積2個該單位疊層部分230m來設置疊層部230。 疊層部210係形成爲使井層210a最初接合於包覆層 104。疊層部220係形成爲使井層220a接合於疊層部210 的障壁層210b。另外，疊層部230係形成爲使井層230a接 合於疊層部220的障壁層220b。 在以此方式形成的發光層200上，堆積了由上述第1 〇 實施例所記載之P形GaN組成的p形包覆層106。藉此， 結束了具備在η形GaN包覆層104與p形GaN包覆層106 之間夾著多重量子并構造之η形發光層200之構造的pn接 合型發光部的發光元件2 00A用途之層積構造體200B的形 成。 相較於上述疊層部210的單位疊層部分210m之層積數 2，在採用比該疊層部210還要薄之障壁層的疊層部220、 230中的單位疊層部分220m、230m之層積數的總和爲4。 G 如同這般，發光層200,係具有較薄之層厚度的障壁層的單 位疊層部分之層積數的總和會變得較多。第1 2圖係表示來 自此發光層20 0之在室溫下的光照度頻譜。產生發光的波 長範圍係遍及從367nm至516nm的寬廣範圍。如同這般， 由於波長相異之多數光的混色，目視之來自發光層200的 發光色是白色。亦即，表示出即使沒有爲了放射如藍色和 黃色之組合的補色關係之2種顏色、或爲了放射光之三原 色的各顏色而個別設置與各發色對應之發光層，只要採用 由本發明之構成所組成的多重量子井構造，即使數量是單 -22- 200929619 一的，還是能獲得放射白色光的發光層。 藉由一般的乾式蝕刻法來除去位於在層積構造體200B 之一端形成η形歐姆電極107的區域上的p形GaN包覆層 106及發光層200，使作爲發光層200之基底層的η形GaN 包覆層104之表面露出。接著，在此露出之η形GaN包覆 層104的表面上，形成η形歐姆電極107。另一方面，p形 歐姆電極108係形成於ρ形GaN包覆層106之表面的一部 〇 分，爾後，分割成個別元件（晶片），並製作一邊長度爲400 的發光元件200A。 將發光元件200A之順向電流設爲20mA時的順向電壓 (Vf)是3.4V。另外，使20mA的電流順向流通時，從晶片（chip) 狀態之發光元件200A的發光層之全面射出視覺上蒂有綠 色的白色光。因此，表示了只要使用本第2實施例所記載 之多重量子井構造的發光層，便可因爲能同時放射出不同 波長的發光，所以能簡便地製作即使是數量單一之量子井 〇 構造的發光層也能發出白色光的發光元件。 第3實施例 在第3實施例中，說明具備由使In組成相異之井層和 層厚度相異之障壁層所構成的疊層部所組成的多重量子井 構造之發光層的本發明之m族氮化物半導體發光元件。 在上述第1實施例記載之已使表面氮化的Si基板上設 置的A1N層及由η形GaN組成的包覆層上，與第2實施例 記載之構成有所不同地形成了由3個疊層部組成的發光層 。構成發光層的3個疊層部係皆以氮電漿Μ BE法所形成。 -23- 200929619 本第3實施例之多重量子井構造的發光層係在從Si基 板側朝向取出發光的方向上，依序層積第1至第3疊層部 而構成。構成第1至第3疊層部的單位疊層部分之井層之 層厚度皆爲4nm，且由使In組成（=1-X)相異的η形GaxIm-xN 層所構成。構成配置爲最接近Si基板之表面的第1疊層部 之單位叠層部分的井層係由GamlnmN層所構成。構成層 疊於第1疊層部的第2疊層部之單位疊層部分的井層係由 〇 GauoInmN層所構成。另外，層疊於第2疊層部且構成取 出發光之方向的最上部的第3疊層部之單位疊層部分的井 層係由Ga〇.85In〇.l5N層所構成。 亦即，在從Si基板之表面側朝向取出發光的方向上， 依序排列放射較短波長之光的第1〜第3疊層部來構成多 重量子井構造的發光層。構成第1疊層部的單位疊層部分 之層積數爲3，構成第2疊層部的單位疊層部分之層積數 爲3,構成第3疊層部的單位疊層部分之層積數爲2。此外 Ο ，第1疊層部係形成爲使該單位疊層部分的Ga〇.72In〇.28N井 層接合於該下部的η形GaN包覆層。第2疊層部係形成爲 使構成第2疊層部的單位叠層部分之Gao.Mlno.uN井層接合 於構成第1疊層部之表面的η形GaN障壁層。另外，第3 疊層部係形成爲使GamlnmN井層接合於構成第2疊層部 之表面的η形GaN障壁層之表面。 另外，構成上述第1至第3疊層部之單位疊層部分的 障壁層係皆由η形GaN層所構成，但此障壁層的層厚度在 各疊層部中有所不同。構成第1疊層部之單位疊層部分的 -24- 200929619 障壁層之層厚度爲8nm。構成層疊於第1疊層部 層部之單位疊層部分的障壁層之層厚度爲6nm° 層積於第2疊層部且構成取出發光之方向的最上 疊層部之單位疊層部分的障1壁層之層厚度爲4nm 相對於具有層厚度爲最大之障壁層的第1疊層部 層部分之層積數如上述爲3’將構成具有層厚度 障壁層的第2以及第3疊層部的單位疊層部分之 0 數（ = 5)增多而形成發光層。 爾後，如上述所構成之多重量子井構造的發 堆積由上述第1實施例記載之P形GaN組成的p ，形成了具備pn接合型之發光部的LED用途的層 。對此層積構造體實行如上述第1以及第2實施 相同的加工，形成η形以及p形雙方的歐姆電極 光元件。 從已製作的上述發光元件中，在波長的範圍 G 從370nm至650nm的寬廣範圍中，發出呈現與第 者類似之頻譜的高強度白色光。 在本第3實施例中，作爲發光層而構成爲從 面側朝向取出來自發光層之發光的方向上，依序 較短波長之光的疊層部，亦即具有In組成小的 井層的疊層部。亦即，在基板之表面側，配置包 子準位低且包含長波長之發光成分的多波長之發 的疊層部，在取出發光的方向上，依序配置包括 準位高且包含短波長之發光成分的多波長之發光 β第2疊 另外，已 部的第3 。亦即， 的單位疊 較其薄之 合計層積 光層上， 形包覆層 積構造體 例所述之 來製作發 方面，於 I 2圖所示 基板之表 排列發出 G a XI η 1 · X Ν 括獲得量 光的井層 獲得量子 的井層的 -25- 200929619 疊層部，而構成了多重量子構成井構造的發光層。因此， 獲得了高強度的白色發光方面，根據考察是因爲：由於構 成爲使短波長的光不會通過包含進行較長波長之發光的井 層的疊層部，所以從配置在基板表面側的疊層部之井層放 射的光不會被配置在取出光之取出方向上的疊層部之井層 所吸收，可在外部視野方向上透過，能夠有效率地在視野 方向上取出從構成疊層部的各井層中放射且遍及寬廣波長 Q 範圍的發光。 第4實施例 在第4實施例中，說明具備由使In組成相同且層厚度 '相異之井層和層厚度相異之障壁層所構成的疊層部所組成 的多重量子井構造之發光層的本發明之Π族氮化物半導體 發光元件。 在上述第丨實施例記載之已使表面氮化的Si基板上設 置的A1N層及由η形GaN組成的包覆層上，形成了由4個 〇 疊層部組成的發光層。構成發光層的4個疊層部（第1至第 4疊層部）係皆以氮電漿MBE法所形成。 本第4實施例之多重量子井構造的發光層係在從Si基 板側朝向取出發光的方向上，依序層積第1至第4疊層部 而構成。構成第1至第4疊層部的單位疊層部分之數量皆 爲lnm。該單位疊層部分的井層係由皆使In組成同樣是 0.18的η形GaO.8 2InO.18N層所構成。構成最接近Si基板 之表面而配置的第1疊層部之單位疊層部分的井層之層厚 度爲8nm。構成層疊於第1疊層部之第2疊層部之單位疊 -26- 200929619 層部分的井層之層厚度爲6nm。構成層疊於第2疊層部之 第3疊層部之單位疊層部分的井層之層厚度爲4ηηι。構成 層疊於第3疊層部且位於取出發光之方向的最上面的第4 個疊層部之單位疊層部分的井層之層厚度爲2nm。 另外，雖然構成上述第1至第4疊層部之單位疊層部 分的障壁層係皆由η形GaN層所構成，但其障壁層的層厚 度在各疊層部中有所不同。構成第1疊層部之單位疊層部 〇 分的障壁層之層厚度爲10nm。構成層疊於第1疊層部的第 2疊層部之單位疊層部分的障壁層之層厚度爲8nm。構成層 疊於第2疊層部的第3疊層部之單位疊層部分的障壁層之 層厚度爲6nm。另外，構成層積於第3疊層部、構成取出 發光之方向的最上部的第4疊層部之單位疊層部分的障壁 層之層厚度爲4nm。亦即，相對於構成具有層厚度爲最大 之障壁層（層厚度l〇nm)的第1疊層部的單位疊層部分係如 上述爲1，使構成具有層厚度較其薄之障壁層的第2至第4 〇 疊層部的單位疊層部分之合計層積數（ = 3)更爲增加’而形 成發光層。
亦即，在從Si基板之表面側朝向取出發光的方向上’ 依序排列放射較短波長之光的疊層部（以從第1疊層部至第 4疊層部的順序來配置）來構成多重量子井構造的發光層。 此外，第1疊層部係形成爲使該單位疊層部分的 Ga〇.82In〇.l8N井層接合於該下部的η形GaN包覆層。第2疊 層部係形成爲使構成第2疊層部分的單位疊層部分之 Garni η。. I8N井層接合於構成第1疊層部之表面的n形GaN -27- 200929619 障壁層。另外，第3疊層部係形成爲使GaO.82InO.18N井層 接合於構成第2疊層部之表面的n形GaN障壁層之表面。 同樣地，第4疊層部係形成爲使GaO.82InO.18N井層接合於 構成第3疊層部之表面的η形GaN障壁層之表面。 爾後’在如上述所構成之多重量子井構造的發光層上 ，堆積由上述第1實施例記載之p形GaN組成的p形包覆 層，形成具備pn接合型之發光部的LED用途的層積構造體 〇 。對此層積構造體實行與上述第1以及第2實施例所述相 同的加工，形成η形以及p形雙方的歐姆電極來製作發光 元件。 從所製作之上述發光元件中，與第3實施例記載的發 光元件相同，發出高強度的白色光。本第4實施例中，作 爲發光層而構成爲從基板之表面側朝向取出來自發光層之 發光的方向上，依序排列發出較短波長之光的疊層部，亦 即具有In組成雖相同但使層厚度較小之GaxIni.xN井層的 G 疊層部。亦即，在基板之表面側，配置包括獲得量子準位 低且包含長波長之發光成分的多波長之發光的井層的曼層 部，在取出發光的方向上，配置包括獲得量子準位高且包 含較短波長之發光成分的多波長之發光的井層的疊層部， 而構成了多重量子構成井構造的發光層。雖然短波長的光 在通過進行長波長之發光的井層時會被吸收，但在此第4 實施例中，因爲是不會使短波長的光通過進行較長波長之 發光的井層的構成，所以從配置在基板表面側的疊層部之 井層所放射的光不會被配置在取出光之方向上的疊層部之 -28- 200929619 井層所吸收，能在外部視野方向上透 層厚度的障壁層之單位疊層部分的疊 而造成之效果相互結合，變得能夠有 取出從構成疊層部的各井層所放射之 發光。因此，能使被放射之多波長的 範圍中增強而獲得高強度的白色發光 產業上的可利用性 © 本發明的m族氮化物半導體發光 1個或2個以上的由井層和障壁層組 成的疊層部進行積層而構成多重量子 疊層部彼此當中，單位疊層部分的障 有所不同。 其結果，從井層射出的光（電子名 厚度越薄就變得越容易透過，所以藉 薄化，能夠在遍及寬廣的波長範圍中 © 波長的光強度。 因此，能發揮使從一個多重量子 出之光的波長成爲較多波長的效果， 便地獲得白色光。其結果，變得不需 光之三原色的各顏色或具有補色關係 〇 另外，在多重量子井構造的發光 厚度最大之障壁層的單位疊層部分的 較薄的層厚度之障壁層的單位疊層部 過，與使包含具有薄 層數之總和更爲增加 效率地在視野方向上 遍及寬廣波長範圍的 光強度在寬廣的波長 〇 元件係將複數個層積 成之單位疊層部分而 井構造的發光層，在 壁層係互彳目使層厚度 芝）係因爲障壁層之層 由使障壁層之層厚度 提升從井層射出之多 井構造之發光層放射 能以簡單的構成而簡 要個別設置會放射出 的2種顏色之發光層 層中，相較於具有層 層積數，因爲使具有 分之層積數的總和變 -29- 200929619 得較多，所以能更加有效地使從井層射出之多波長的光強 度在寬廣波長範圍中提升’能夠進一步加寬波長範圍’能 提供提升產業上之可利用性的m族氮化物半導體發光元件 0 【圖式簡單說明】 第1圖係表示本發明之疊層部的層積關係之示意圖。 第2圖係表示本發明之發光層的構成例之截面示意圖 〇 第3圖係表示從第2圖之構成的發光層射出之光的光 照度（PL)頻譜的圖。 第4圖係表示相對於第2圖的發光層’以多數的較薄 之層厚度的障壁層數量所構成之發光層的截面模式圖。 第5圖係表示從第4圖之構成的發光層射出之光的光 照度（PL)頻譜的圖。 第6圖係表示從發光層A、B射出之光的光照度（PL) 〇 頻譜的圖。 第7圖係表示具備第1實施例之發光層的m族氮化物 半導體發光元件之構造的截面模式圖。 第8圖係表示第1實施例之發光層的構成之截面示意 圖。 第9圖係從第1實施例之發光層放射之室溫下的光照 度（PL)頻譜。 第10圖係表示具備第2實施例之發光層的ΠΙ族氮化物 半導體發光元件之構造的截面模式圖。 -30- 200929619 第11圖係表示第2實施例之發光層的構成之截面示意 圖。 第12圖係從第2實施例之發光層放射之室溫下的光照 度（PL)頻譜。 【主要元件符號說明】
1 基 板 10 發 光 層 10h 發 光 層 11 疊 層 部 11a 井 層 lib 障 壁 層 11m 單 位 叠 層 部 分 12 疊 層 部 12a 井 暦 12b 障 壁 層 12m 單 位 疊 層 部 分 tl 層 厚 度 t2 層 厚 度 100 發 光 層 100A 發 光 元 件 100B 層 積 構 造 體 101 基 板 102 第 1 緩 衝 層 103 第 2 緩 衝 層 -31- 200929619
104 包覆層 106 包覆層 107 n形歐姆電極 108 Ρ形歐姆電極 110 疊層部 1 10a 井層 1 10b 障壁層 110m 單位疊層部分 120 疊層部 120a 井層 120b 障壁層 12 0m 單位疊層部分 200 發光層 200A 發光元件 200B 層積構造體 2 10 疊層部 210a 井層 210b 障壁層 2 10m 單位疊層部分 220 疊層部 220a 井層 220b 障壁層 2 2 0m 單位疊層部分 230 疊層部 -32 200929619 230a 井層 230b 障壁層 230m 單位疊層部分
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