TW201011950A - Nitride semiconductor optical device, epitaxial wafer for nitride semiconductor optical device, and method for manufacturing semiconductor light-emitting device - Google Patents

Nitride semiconductor optical device, epitaxial wafer for nitride semiconductor optical device, and method for manufacturing semiconductor light-emitting device Download PDF

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TW201011950A
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based semiconductor
gallium nitride
light
nitride
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TW098103110A
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Masaki Ueno
Yohei Enya
Takashi Kyono
Katsushi Akita
Yusuke Yoshizumi
Takamichi Sumitomo
Takao Nakamura
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries
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Description

201011950 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種氮化物系半導體光元件、氮化物系 半導體光元件用之磊晶晶圓及半導體發光元件之製造方 法。 【先前技術】 專利文獻1中揭示有半導體光元件。半導體光元件中， 在與[0001]方向成大致40度、90度、140度之角度之方向 上’完全不產生應變層内之壓電電場❶因此，於角度3〇度 至50度、80度至1〇〇度、及130度至丨50度之範圍内選擇面 方位。因此’於應變量子井結構内幾乎未產生壓電電場之 基板之面上進行磊晶成長。 專利文獻2中揭示有半導體發光元件。於非極性面上製 作該半導體發光元件。非極性面為{ 11_2〇}面、自{1 面以_5度以上至+5度之範圍傾斜之面、或{1-100}面、自 {1-100}面以-5度以上至+5度之範圍傾斜之面。 非專利文獻1中揭示有，纖鋅礦結構之InGaN/GaN異質 結構中之壓電效果之結晶方位依存性之理論性研究。於自 (0001)偏離39度及90度之偏離角上沿著結晶方位成長之應 變層中’未誘發縱分量之壓電電場。又，非專利文獻2中 揭示有’纖辞礦結構2InGaN/GaN量子井之電氣特性相關 之結晶方位效果。若增加偏離角，則InGaN/GaN量子井結 構之内部電場會於平均每55度之偏離角就改變一次符號。 專利文獻1 :曰本專利特開平11-112029號公報（曰本專利特 138066.doc 201011950 願平 09-263511 號） 專利文獻2:曰本特開平10-135576號公報 非專利文獻 1 : Jpn. J. Appl· Phys. vol. 39(2000) pp.413- 416. Part 1. No. 2A， Feb. 非專利文獻 2 : J_ Appl· Phys., .Vol. 91，No. 12, 15 June 2002 ， pp. 9904-416. 【發明内容】 發明所欲解決之問題 於氮化鎵系半導體之（0001)面上所成長之InGaN井層 中，產生有非常大之壓電電場。該壓電電場於活性層内使 電子與電洞之波動函數在空間上分離。因此，發光元件之 發光效率降低。又，該發光元件中，隨著施加電流之增 加，而注入載子對活性層内之壓電電場進行屏蔽。藉由該 屏蔽，而隨著施加電流之增加產生發光波長之藍位移。 專利文獻2中，為了避免較大之藍位移，而在與（〇〇〇1) 面成90。之角之{11_2〇}面、{11〇〇}面上形成有活性層。 專利文獻1中，為了避免較大的藍位移，而使用活性層 之内部電場為零之角度即40度、140度之偏離角。非專利 文獻1中，内部電場為零之偏離角係藉由理論性的計 估計。 然而，為了製作包含{11_2〇}面及{1〇1〇}面之主面即 非極性之主面之晶圓，自(〇〇〇1)面方向上 曰1 。伙序I結 件上述面方位之主面之方式進行切割而製作結曰日 片I刀割係於結晶塊之縱向上進行，故而所切割之社曰曰 138066.doc 201011950 片之寬度至多也就10 mm左右。 專利文獻1及2中，利用壓電電場為零或接近零之面方 位。與專利文獻1及2之發明不同，根據發明者們之研究， 可藉由利用大小有限之壓電電場而提高半導體發光元件之 特性。 本發明之目的在於提供一種氮化物系半導體光元件，又 其目的在於提供一種該氮化物系半導體光元件用之磊晶晶 圓’該氮化物系半導體光元件包含發光層，且可降低來自 5亥發光層之電子之溢流，其中該發光層包含内包應變之六 方晶系III族氮化物。進而，本發明之目的在於提供一種半 導體發光元件之製造方法，該半導體發光元件包含發光 層，且該發光層包含内包應變之六方晶系m族氮化物。 解決問題之技術手段 本發明之一方面之氮化物系半導體光元件具備：（a)第1 氮化鎵系半導體區域；（b)發光層，其包含井層及障壁層， 該井層包含内包應變之六方晶系氮化鎵系半導體，且該障 壁層包含氮化鎵系半導體；（c)第2氮化鎵系半導體區域。 上述發光層設置於上述第1氮化鎵系半導體區域與上述第2 氮化鎵系半導體區域之間。上述第丨氮化鎵系半導體區域 包含一或複數個!!型氮化鎵系半導體層。上述第2氮化鎵系 半導體區域包含：較上述障壁層之帶隙大之氮化鎵系半導 體層；及一或複數個p型氮化鎵系半導體層；上述井層及 上述障壁層分別沿著如下基準平面延伸，該基準平面係自 與延伸於c軸方向之基準軸正交之面，以59度以上未滿8〇 138066.doc 201011950 度之軌圍及大於150度未滿180度之範圍之傾斜角傾斜，上 述發光層中之壓電電場，具有與自上述第2氮化鎵系半導 體區域朝向上述第1氮化鎵系半導體區域之方向反向之分 量’上述第2氮化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導體 層與上述發光層鄰接’上述第2氮化鎵系半導體區域之上 述氮化鎵系半導體層係電子阻擋層及彼覆層（clad layer)之 任一方。 根據該氮化物系半導體光元件，井層及障壁層沿著以上 述角度範圍之傾斜角傾斜之基準平面而延伸，故而發光層 中之壓電電場具有與自第2氮化鎵系半導體區域朝向第1氮 化鎵系半導體區域之方向反向之分量。另一方面該氮化 鎵系半導體層中之壓電電場含有與自第2氮化鎵系半導體 區域朝向第1氮化鎵系半導體區域之方向相同方向之分 !·。苐2氮化鎵系半導體區域之氮化鎵系半導體層與發光 層鄰接’故而該氮化鎵系半導體層與發光層之界面上，並 非於傳導帶而是於價帶上產生傾斜。因此，於傳導帶上並 無傾斜’故而可減少電子之溢流。 本發明之氮化物系半導體光元件中’上述井層可為 InGaN，上述障壁層可為0&]^或111(3&]^。根據該氮化物系半 導體光元件，InN之a轴及c轴方向之晶格常數大於GaNia 軸及c轴方向之晶格常數，故而In(JaN井層自障壁層受到應 力而内包有應變。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述傾斜角可於 度以上未滿80度之範圍。根據該氮化物系半導體光元件， 138066.doc 201011950 可減小藍位移。或者，本發明之氮化物系半導體光元件 中’上述傾斜角可於大於150度、170度以下之範圍。根據 該氮化物系半導體光元件，可減小藍位移。 本發明之氣化物系半導體光元件，可更具備包含六方晶 系半導體 InsAlTGanTNCOS SS 1，0$ TS 1，OS S+TS 1) 之基板。上述基板之上述主面沿著如下平面延伸，該平面 係自與該六方晶系半導體之c軸正交之平面，以大於59度 未滿80度之範圍及大於ι5〇度未滿ι8〇度之範圍之傾斜角傾 斜上述弟1鼠化嫁系半導體區域、上述發光層、及上述 第2氮化鎵系半導體區域，於上述基板之上述主面上排列 於特定軸之方向。 根據該氮化物系半導體光元件，藉由使用該基板，而使 發光層中之壓電電場具有與自第2氮化鎵系半導體區域朝 向第1氮化鎵系半導體區域之方向反向之分量。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述基板包含：於 c軸方向延伸之穿透位錯之密度大於第1穿透位錯密度的複 數個第1區域；及於C軸方向延伸之穿透位錯之密度小於第 1穿透位錯密度的複數個第2區域；上述第1及第2區域交替 地配置，於上述基板之上述主面上呈現有上述第1及第2區 域。 根據該氮化物系半導體光元件，發光層設置於第2區域 上，故而可降低穿透位錯密度對發光特性帶來之影響。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述第2區域之上 述穿透位錯之密度可未滿lxlO7 cm·2。根據該氮化物系半 138066.doc 201011950 導體光元件，可提供發光特性良好之發光層。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述第1氮化鎵系 半導體區域、上述發光層及上述第2氮化鎵系半導體區 域，構成搭載於上述基板之上述主面上之半導體積層，上 述基板具有導電性。該六方晶系氮化物系半導體光元件可 具備s又置於上述半導體積層上之第1電極，及設置於上述 基板之背面上之第2電極。根據該氮化物系半導體光元 件’未於磊晶積層之上表面配置陽極及陰極此兩個電極。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述發光層可包含 第1及第2導光層與量子井結構之活性層，上述量子井結構 可包含上述井層及上述障壁層，上述活性層可設置於上述 第1導光層與上述第2導光層之間。根據該氮化物系半導體 光元件’可提供半導體雷射。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述基準平面可向 a軸之方向傾斜。根據該氮化物系半導體光元件，傾斜為& 軸之方向，故而可劈開m面。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述基準平面可向 m軸之方向傾斜。根據該氮化物系半導體光元件傾斜為 m軸之方向，故而可劈開&面。 本發明之氮化物系半導體光元件中，上述第2氮化鎵系 半導體區域之上述氮化鎵系半導體層可包含至少含有八丨之 P型 AlxGaYim.x.YNCtXXS 1，〇$ 1 , 〇<x+Yg【）。根據 該氮化物系半導體光元件’可將載子有效地封閉在發光層 内0 138066.doc 201011950 本發明之另一方面之發明係氮化物系半導體光元件用之 蟲晶晶圓。该蟲晶晶圓具備：（a)第1氮化鎵系半導體區 域；（b)發光層，其包含井層及障壁層，該井層包含内包應 變之六方晶系氮化鎵系半導體，且該障壁層包含氮化鎵系 半導體，·（c)第2氮化鎵系半導體區域；以及（d)包含六方晶 系半導體 InsAlTGau.TNCOS 1，〇$ τ客 1，〇$ S+T< j) 之晶圓，·上述發光層於上述晶圓上設置於上述第丨氮化鎵 系半導體區域與上述第2氮化鎵系半導體區域之間，上述 第1氮化鎵系半導體區域包含一或複數個n型氮化鎵系半導 體層，上述第2氮化鎵系半導體區域包含較上述障壁層之 帶隙大之氮化鎵系半導體層，及一或複數·型氮化鎵系 半導體層，上述井層及上述障壁層分別沿著如下基準平面 延伸，該基準平面係自與延伸於e軸方向之基準轴正交之 =’以59度以上未滿8〇度之範圍及大於⑼度未滿⑽度之 轭圍之傾斜角傾斜，上述發光層中之壓電電場，具有與自 f述第2氮化鎵系半導體區域朝向上述第11化鎵系半導體 區域之方向反向之分量’上述第2氮化鎵系半導體區域之 上述氮化鎵系半導體層與上述發光層鄰接，上述第遠化 鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導體層係電子阻擋層及 披覆層之任—方’上述障壁層為GaN或InGaN。 ^根據該蟲晶晶圓’井層及障壁層沿著以上述角度範圍之 斜角傾斜之基準平面而延伸，故而發光層中之壓電電場 二有與自第2氮化鎵系半導體區域朝向第α化鎵系半導體 品 向反向之分量。另一方面，該氮化鎵系半導體層 13B066.doc 201011950 中之壓電電場含有與自第2氮化鎵系半導體區域朝向第1氮 化鎵系半導體區域之方向相同方向之分量。第2氣化鎵系 半導體區域之氮化鎵系半導體層與發光層鄰接，故而於該 氮化鎵系半導體層與發光層之界面上，並非於傳導帶而是 於價帶上產生傾斜。因此，並非於傳導帶而是於價帶上產 生傾斜，故而可減少電子之溢流。 本發明之蠢晶晶圓中’上述晶圓之上述主面可沿著如下 平面延伸，該平面係自與該六方晶系半導體之(：軸正交之 平面’以59度以上未滿80度之範圍及大於15〇度、n〇度以 下之範圍之傾斜角傾斜。根據該磊晶晶圓，藉由使晶圓主 面之傾斜角為上述角度範圍，而以沿著以上述角度範圍之 傾斜角傾斜之基準平面延伸之方式設置井層及障壁層。 本發明之磊晶晶圓中，上述晶圓之邊緣之2點間之距離 的最大值可為45 mm以上。根據該磊晶晶圓，可提供3面或 m面之主面不同、大口徑之晶圓。χ，本發明之磊晶晶圓 中，上述晶圓可包含導電性GaN。 本發明之方法中，上述第丨氮化鎵系半導體區域、上述 發光層、及上述第2氮化鎵系半導體區域，於上述晶圓之 上述主面上排列於特定抽之方向’上述基準軸朝向與上述 特定轴不同之方向。根據該方法，積層之方向為特定轴之 方向’磊晶成長係於基準軸之方向上進行。 本發明之磊晶晶圓中’上述傾斜角可於62度以上未滿 度之範圍。根據該蟲晶晶圓，可提供藍位移較小之氮化物 系半導體光元件用之蟲晶晶圓。或者，本發明之爲晶晶圓 138066.doc •10· 201011950 中，上述傾斜角可於大於150度未滿170度之範圍。根據該 g晶晶圓，同樣可提供藍位移較小之氮化物系半導體光元 件用之磊晶晶圓。 本發明之又一方面係包含發光層之半導體發光元件的製 造方法，該發光層包含内包應變之六方晶系m族氮化物。 该方法包括如下步驟：（a)為了估計上述發光層中之壓電電 %之方向而選擇發光層之面方位；於上述所選擇之面方 位上形成用以估計上述發光層中之壓電電場之方向的量子 井結構，並且成長P型及11型氮化鎵半導體，來準備基板產 。口，（C)面對上述基板產品施加偏壓一面測定光致發光之 偏壓依存性，（d)根據上述所測定出之偏壓依存性，估計上 述發光層中之壓電電場之方向；（e)準備含有可於上述所選 擇之面方位上成長上述發光層之主面之晶圓；以及⑴於上 述晶圓之上述主面上形成上述半導體發光元件用之半導體 積層。上述半導體積層包含第丨氮化鎵系半導體區域、上 述發光層及第2氮化鎵系半導體區域，上述發光層包含含 有氮化鎵系半導體之井層及含有氮化鎵系半導體之障壁 層，上述發光層設置於上述第丨氮化鎵系半導體區域與上 述第2氮化鎵系半導體區域之間，上述第丨氮化鎵系半導體 區域包含一或複數個η型氮化鎵系半導體層，上述第2氮化 鎵系半導體區域包含較上述障壁層之帶隙大之氮化錄系半 導體層，及一或複數個ρ型氮化鎵系半導體層，上述第2氮 化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導體層與上述發光層 鄰接，上述井層及上述障壁層分別沿著自與延伸於e軸、a 138066.doc 201011950 轴及m軸方向之基準軸正交之面傾斜的基準平面而延伸， 上述壓電電場之方向係以自上述第2氮化鎵系半導體區域 朝向上述第1氮化鎵系半導體區域之方向為基準來規定。 根據該方法，一面施加偏壓一面對光致發光（PL，
Phot〇lUminescence)光譜之偏壓依存性進行測定，故而可測 疋小於藉由電致發光（EL，electroluminescence)光譜而產 . 生發光之施加電壓之正及負電壓範圍中的pL光譜。利用 PL光譜之偏壓依存性，可估計發光層内之内部電場之大小 及方向。據此，可製作含有所期望之壓電電場之方向等之 ❹ 發光元件。 發明之效果 如以上所說明般，根據本發明之一方面，可提供包含發 光層且可降低來自該發光層之電子之溢流之氮化物系半導 體光元件，該發光層包含内包應變之六方晶系m族氮化 物。又，根據本發明之另一方面，可提供該氮化物系半導 體光元件用之磊晶晶圓。進而，根據本發明之又一個方 面，可提供包含發光層之半導體發光元件之製造方法，該 發光層包含内包應變之六方晶系ΠΙ族氮化物。 【實施方式】 本發明之知識見解，可藉由參照例示之附圖並考慮以下 之詳細敍述而容易地理解。繼而，參照附圖對本發明之氮 化物系半導體光元件 '氮化物系半導體光元件用之磊晶晶 圓、及半導體發光元件之製造方法的實施形態進行說明。 可能之情形時’對相同部分附上相同符號。 138066.doc •12· 201011950 圖1係概略性地表示本實施形態之氮化物系半導體光元 件之結構之圖式。作為氮化物系半導體光元件，有例如半 導體雷射、發光二極體等。參照圖丨，表示有座標系s。基 板11之主面lla朝向z軸方向，又於χ方向及Y方向上延 伸。X轴朝向a軸方向。接下來之說明中，相對於例如 ' <0001>轴為反向之結晶軸，由<000-1>表示。 - 氮化物系半導體光元件LE1含有適於發光二極體之結 籲 構。氮化物系半導體光元件LE1具備第1氮化鎵系半導體區 域13、發光區域15、第2氮化鎵系半導體區域17。發光層 15包含活性層19，活性層19包含交替地排列之井層21及障 壁層23°發光層15設置於第1氮化鎵系半導體區域13與第2 氣化鎵系半導體區域17之間。第1氮化鎵系半導體區域13 包含一或複數個n型氮化鎵系半導體層（本實施例中，為氮 化鎵系半導體層25、27、29)。第2氮化鎵系半導體區域17 包含較障壁層之帶隙大之氮化鎵系半導體層31，及一或複 • 數個Ρ型氮化鎵系半導體層（本實施例中，為氮化鎵系半導 體層 33、35) » 氮化物系半導體光元件LE1中，井層21沿著如下基準平 面SR1延伸，該基準平面SR1係相對與延伸於c軸方向之基 準軸（由向量VC 1表示）正交之面以傾斜角α傾斜。傾斜角α 可於59度以上未滿80度之範圍。又，傾斜角α可於大於150 度未滿180度之範圍。井層21内包應變，井層21中之壓電 電場具有與自第2氮化鎵系半導體區域17朝向第1氮化鎵系 半導體區域13之方向反向之分量。第2氮化鎵系半導體區 138066.doc •13- 201011950 域17之氮化鎵系半導體層31與發光層15鄰接。井層21包含 六方晶系之氮化鎵系半導體，井層21包含例如InGaN般之 含有銦之氮化鎵系半導體。障壁層23由氮化鎵系半導體形
成’障壁層 23 可為例如 GaN、inGaN、AlGaN、AlGalnN 等。 根據該氮化物系半導體光元件LEI，井層21及障壁層23 沿著以上述角度範圍之傾斜角α傾斜之基準平面sri而延 伸’故而井層21中之壓電電場具有與自第2氮化鎵系半導 體區域17朝向第1氮化鎵系半導體區域13之方向反向之分 量（ζ轴之正方向）。另一方面，第2氮化鎵系半導體區域17 之氮化鎵系半導體層31中之壓電電場含有與自第2氮化鎵 系半導體區域17朝向第丨氮化鎵系半導體區域13之方式相 同方向（ζ轴之負方向）之分量。氮化鎵系半導體層31與發 光層15鄰接，故而於該氮化鎵系半導體層31與發光層15之 界面J1上’並非於傳導帶而是於價帶上產生傾斜。因此， 並非於傳導帶而是於價帶產生傾斜，故而可減少電子之溢 流。 第2氮化鎵系半導體區域1γ内之氮化鎵系半導體層^為 電子阻擋層及披覆層之任一者。電子阻擋層阻擋來自活性 層之電子，披覆層封閉載子及光。第2氮化鎵系半導體區 域17之氮化鎵系半導體層31可包含例如ρ型。
InN之a軸及c軸方向之晶格常數分別大於GaN之&轴及^^軸 方向之SB格常數，故而井層21包含InGaN時，InGaN井層 自障壁層受到應力（壓縮應力）而内包應變。 138066.doc •14· 201011950 傾斜角α可於62度以上未滿80度之範圍。根據該氮化物 系半導體光元件’可減小藍位移。又，傾斜角α可於大於 150度、170度以下之範圍。根據該氮化物系半導體光元 件，可減小藍位移。 圖2係說明内包應變之發光層中之壓電電場之方向的圖 式。圖2之（a)部至圖2之（c)部係說明極性面（c面）上所形成 之發光層中之壓電電場的圖式。圖2之（d)部至圖2之（e)部 係說明非極性面（a面、m面）上所形成之發光層中之壓電電 場的圖式。圖2之（f)部至圖2之（g)部係說明半極性面上所 形成之發光層中之壓電電場的圖式。 參照圖2之（a)部’發光層P包含極性面（c面）上所形成之 障壁層Bl、B2及井層W1。井層wi由障壁層β1、B2夾 持。井層W1中之壓電電場Epz之方向為自p層朝向n層之方 向。井層中，傳導帶之帶底及價電子之帶底自η層向ρ層之 方向下降。記號Ec〇表示傳導帶之帶底與價電子之帶底之 間的能量差》參照圖2之（b)部，對發光層p施加較小之順 向電壓。該發光層P中，傳導帶之帶底及價電子之帶底之 傾斜因施加電壓而變大。記號Eci表示傳導 電子之帶底之間的能量差，能量一能量:E= 照圖2之（c)部，對發光層ρ施加較大之順向電壓。該發光層 P中，傳導帶之帶底及價電子之帶底之傾斜因屏蔽而變 小。記號Ευ表示傳導帶之帶底與價電子之帶底之間的能 置差’能莖差Ευ大於能量差Ec〇e由施加電壓所引起之能 力差之變化導致產生藍位移。 138066.doc -15· 201011950 參照圖2之（d)部，發光層NP包含非極性面（a面、爪面）上 所形成之障壁層B3、B4及井層W2。井層W2由障壁層B3、 B4夾持。井層W2形成於非極性面上，故而壓電電場Epz為 零。井層W2中，傳導帶之帶底及價電子之帶底自p層向n 層之方向下降。記號ΕΝΡ〇表示傳導帶之帶底與價電子之帶 底之間的能量差。參照圖2之（e)部，對發光層ΝΡ施加順向 · 電壓。該發光層NP中’傳導帶之帶底及價電子之帶底之傾 斜因施加電壓而幾乎消失。記號Enpi表示傳導帶之帶底與 價電子之帶底之間的能量差，能量差Enpg小於能量差 〇 Enpi。發光層NP中壓電電場為零，故而即便井層之載子量 增加，亦不會產生屏蔽。因此，不存在因施加電壓所引起 之能量差之變化，故而未觀測到藍位移。 參照圖2之（f)部’發光層SP-包含以特定之偏離角傾斜之 半極性面上所形成之障壁層B5、B6及井層W3。井層W3由 障壁層B5、B6夾持。井層W3形成於半極性面上，故而壓 電電場EPZ於極性面上之值較小。井層W3中，傳導帶之帶 底及價電子之帶底自P層向η層之方向下降。記號ESP〇表示 傳導帶之帶底與價電子之帶底之間的能量差。參照圖2之 (g)部，對發光層SP-施加順向電壓。該發光層SP_中，傳導 · 帶之帶底及價電子之帶底之傾斜因施加電壓而變小。記號 - ENP1表示傳導帶之帶底與價電子之帶底之間的能量差，能 量差espq大於能量差Espi。發光層sp-之壓電電場具有與自 p層向η層之方向反向之分量，故而不會產生屏蔽。因此， 因施加電壓所引起之能量差之變化較小，故而藍位移非常 138066.doc •16- 201011950 小 0 之面方位之井層（發光層SP-)， 所示之方式動作。另一方面， 方位不同之半極性面上之井層 含有本實施形態之傾斜角 以圖2之（f)部及圖2之（g)部 與本實施形態之傾斜角之面
(發光層SP+)，以圖2之（^邱5。A U) 4至圖2之（c)部所示之方式動 作。 繼而對半極面上所形成之發光層作進-步說明。圖 # 3係說明内包應變之發光層中之壓電電場之方向之圖式。 圖3之（a)部及圖3之（Ή立R主i^ s· (卩表不含有正壓電電場之發光層 sp+。發光層sp+包含障壁層B7、B8及井層。井層— 由障壁層B7、B8夾持。表示有與發光層sp+鄰接且帶隙大 於障壁層之帶隙之氮化鎵系半導體層p。氣化蘇系半導體 層P，可為例如p型電子阻擋層或口型披覆層。井層w4中之 壓電電場之方向為自p層向W之方向，氮化鎵系半導體層 P中之壓電電％之方向為自n層向p層之方向。因此，於發 • 光層sp+與氮化鎵系半導體層Ρ之界面上，於傳導帶上形成 有傾斜DIP1。故而，因傾斜Dlpi而氮化鎵系半導體層p之 電子障壁變低。傾斜DIP1之大小為例如〇.2 eV左右。 另一方面，圖3之（c)部及圖3之（句部表示含有負壓電電 場之發光層SP-。表示有與發光層sp_鄰接且帶隙大於障壁 層之帶隙之氮化鎵系半導體層。井層|3中之壓電電場之 方向為自η層向P層之方向，氮化鎵系半導體層p中之壓電 電場之方向為自ρ層向n層之方向。因此，於發光層sp_與 氮化鎵系半導體層P之界面上，並非於傳導帶而是於價帶 138066.doc -17· 201011950 上形成有傾斜。故而，相對於來自發光層之電子之障壁不 會因傳導帶之傾斜DIP2而降低，氮化鎵系半導體層p可充 分阻止來自發光層之電子。傾斜Dip2之大小為例如〇1 eV 左右。 再次參照圖1 ’對半導體發光元件LE1進行說明。第1氮 化鎵系半導體區域13内之n型氮化鎵系半導體層25為8丨摻 雜11型AlGaN緩衝層，其厚度為例如5〇 nm〇 η型氮化鎵系 半導體層27為Si摻雜η型GaN層，其厚度為例如2〇〇〇 nm。η 型氮化鎵系半導體層29為Si摻雜η型inGaN緩衝層，銦組成 像 為例如0.02。η型氮化鎵系半導體層29之厚度為例如1〇〇 nm ° 又，第2氮化鎵系半導體區域17之？型氮化鎵系半導體層 31為例如Mg摻雜p型八吣…層，鋁組成為例如〇〇7。p型氮 化鎵系半導體層31之厚度為例如2〇 nm。p型氮化鎵系半導 體層33為Mg摻雜p型GaN層，其厚度為例如25 nm。p型氮 化鎵系半導體層35為]^§摻雜〆型GaN接觸層，其厚度為例 如 25 nm。 _ 於活性層19上成長非摻雜GaN層37。GaN層”之厚度為 例如15 nm。 ， 於半導體積層（13、15' 17)上形成電極。^電極（例如 · 陽極電極形成於接觸層35上，並且第2電極（例如陰極 電極）川形成於基板背面llb上。當經由該等電極而對活 性層19注入載子時會生成光L。活性層19之壓電電場較 小，故而藍位移較小。X，於發光層19與氮化錄系半導體 138066.doc 201011950 31之界面上，並未於傳導帶上形成有傾斜，故而發光元件 LE1之電子封閉性優良。 氮化物系半導體光元件LE1可更具備基板11。基板11包 含六方晶系半導體 InsAlTGau.TlSKOS SS 1，0$ 1， OS S+TS 1)。作為六方晶系半導體可為例如GaN、 ' InGaN、AlGaN等。基板11之主面na沿著如下平面延伸， - 該平面係自與該六方晶系半導體之c軸（例如由向量VC2表 鲁 示）正交之平面以59度以上未滿8〇度之範圍及大於15〇度未 滿180度的範圍之傾斜角β傾斜，傾斜角p除了因發光層】5 之應變而引起之結晶轴之輕微傾斜以外，實質上等於傾斜 角α。又，向量VC2之方向，除了因發光層15之應變而引 起之結晶軸之輕微傾斜以外，實質上等於向量VC1之方 向。 第1氮化鎵系半導體區域13、發光層、及第2氮化鎵系 半導體區域17，於基板U之主面Ua上排列於特定轴Αχ之 • 方向（例如Ζ軸之方向）。特定軸Αχ之方向與基板軸之 方向不同。 藉由使用該基板11，而可使井層21中之壓電電場以具有 與自第2氮化鎵系半導體區域17朝向第1氮化鎵系半導體區 域13之方向反向之分量的方式朝向發光層。内之井層之 面方位。 圖4係概略性地表示本實施形態之氮化物系半導體光元 件之結構的圖式。作為氮化物系半導體光元件㈤有例如 半導體雷射等。參照圖4，表示有座標仏基板η之主面 138066.doc -19- 201011950 13a朝向Z軸之方向， m軸之方向。 又於X方向及Y方向上延伸 。Y轴朝向 氮化物系半導體光元件LD1含有適於半導體雷射之結 構。氮化物系半導體光元件LD1具備第化鎵系半導體 區域13、發光區域15、及第2氮化鎵系半導體區域17。發 光層15包含活性層19，活性層19含有包含交替地排列之井 層21及障壁層23之量子井結構。發光層15設置於第】氮化 鎵系半導體區域13與第2氮化鎵系半導體區域17之間。第t 氣化鎵系半導體區域13可包含一或複數個η型氮化鎵系半 導體層（本實施例中為氮化鎵系半導體層55、57)。第2氮化 鎵系半導體區域17包含較障壁層之帶隙大之氮化鎵系半導 體層31 ’及一或複數個ρ型氮化鎵系半導體層（本實施例中 為氮化鎵系半導體層51、53)。 氮化物系半導體光元件LD1中，井層21沿著如下基準平 面SR1延伸，該基準平面SR1係相對與延伸於^轴方向之基 準轴（由向量VC1表示）正交之面以傾斜角α傾斜。傾斜角01 可為59度以上未滿80度之範圍。又，傾斜角α可為大於15〇 度未滿180度之範圍。井層21内包應變，井層21中之壓電 電場具有與自第2氮化鎵系半導體區域17朝向第1氮化鎵系 半導體區域13之方向反向之分量。第2氮化鎵系半導體區 域17之氮化鎵系半導體層31與發光層15鄰接。 根據該氮化物系半導體光元件LD1，井層2 1及障壁層23 沿著以上述角度範圍之傾斜角α傾斜之基準平面SR1延伸， 故而井層21中之壓電電場具有與自第2氮化鎵系半導體區 138066.doc •20· 201011950 域17朝向第1氮化嫁系半導體區域i3之方向反向之分量（z 軸之正方向）。另—方面，該氮化嫁系半導體層Η中之壓 電電場含有與自第2氮化鎵系半導體區域17朝向第】氮化嫁 系半導體區域13之方向相同方向（Z軸之負方向）之分量。 第2亂化鎵系半導體區域17之氮化鎵系半導體層η與發光 層15鄰接，故而於該氮化鎵系半導體層31與發光層^之界 面J2上，並非於傳導帶而是於價帶上產生有傾斜。因此， _ 並非於傳導帶而是於價帶產生有傾斜，故而可降低電子之 溢流。 半導體發光元件LD1中，第1氮化鎵系半導體區域13内 之η型氮化鎵系半導體層55為例如Si摻雜11型A1GaN彼覆 層，其厚度為例如2300 nm。其A1組成為例如〇.〇4。n型氮 化鎵系半導體層5 5為例如Si摻雜η型GaN層，其厚度為例如 5〇 nm。發光層15可包含第1及第2導光層59a、59b。活性 層19設置於導光層59a、59b之間。導光層59a、59b，可包 | 含例如非摻雜InGaN，銦組成為例如〇·〇6。導光層59a、 59b之厚度為例如1〇〇 nm。 又，第2氮化鎵系半導體區域17之p型氮化鎵系半導體層 31為例如Mg摻雜p型AlGaN層’鋁組成為例如0.18。p型氮 化鎵系半導體層3 1之厚度為例如20 nm。p型氮化鎵系半導 體層51為Mg掺雜p型AlGaN彼覆層’鋁組成為例如〇.〇6。 Mg摻雜p型氮化鎵系半導體層51之厚度為例如400 nm。p 型氮化鎵系半導體層53為Mg摻雜p+型GaN接觸層，其厚度 為例如50 nm。 13S066.doc • 21· 201011950 於活性層19上成長非摻雜GaN層61。GaN層61之厚度為 :如50 nm。於半導體積層（13、15、17)上形成含有條紋 窗口之絕緣膜63。於絕緣膜63及半導體積層（13、15、17) 上形成有電極。第1電極（例如陽極電極）65形成於接觸層 上，並且第2電極（例如陰極電極）67形成於基板背面Ub 上。響應經由該等電極所進行之載子注入，活性層19生成 雷射光。活性層19之壓電電場較小，故而藍位移較小。 又，於發光層19與氮化鎵系半導體31之界面上，並未於傳 導帶上形成有傾斜，故而發光元件LD1之電子封閉性優 良。 氣化物系半導體光元件LEI、LD1中，基準平面SR1可向 a轴之方向傾斜。傾斜為&軸之方向，故而可劈開瓜面。 又，基準平面SR1可向m軸之方向傾斜。當傾斜為爪軸之方 向時’可劈開a面。 圖5至圖7係表示本實施形態之氮化物系半導體光元件之 製造方法及磊晶晶圓之製造方法中的主要步驟之圖式。如 圖5之（a)部所示，步驟81〇1中，準備用以製造氮化物系半 導體光元件及蟲晶晶圓之基板71。基板71可包含例如六方 晶系半導體InsAlTGanT^OS SS 1，0STS 1，OS S+T^ 1；)。 基板71含有主面71a及背面71b ^參照圖5之部，揭示有 表示基板71之六方晶系半導體之c軸方向之向量VC及主面 7la之法線向量VN，向量VC2表示{0001}面之方向。根據 該基板71，可提供成長用之主面含有傾斜角（偏離角）p之半 極性。基板71之主面71 a之傾斜角，以該六方晶系半導體 138066.doc -22· 201011950 之{0001}面為基準而為大於59度未滿80度之範圍及大於 150度未滿180度之範圍。當主面7U之傾斜角為59度以上 未滿80度時，或大於15〇度未滿ι80度時，基板71之主面上 所形成之氮化物系半導體光元件内之井層中之壓電電場， 具有與自第2氮化鎵系半導體區域朝向第1氮化鎵系半導體 區域之方向反向之分量’並且第2氮化鎵系半導體區域之 . 氮化鎵系半導體層中之壓電電場，含有與自第2氮化鎵系 _ 半導體區域朝向第1氮化鎵系半導體區域之方向相同方向 之分量。因此，可製造電子封閉性優良之氮化物系半導體 光元件。 基板71之邊緣上2點間之距離的最大值Dia可為45 mm以 上。將如此之基板稱作例如晶圓。基板7 i之背面丨丨b，可 與基板71實質上平行。又，當基板71包含GaN時，可實現 良好之結晶品質之蠢晶成長。 接下來之步驟中，於含有以使井層中產生負壓電電場之 9 方式而選擇之偏離角的基板之主面71 a上，半導體結晶 成長為磊晶。上述傾斜角之主面71a之基板71，可以於活 性層内井層自c面以上述角度範圍内傾斜之方式，形成磊 晶半導體區域。 又，關於基板71之主面71a之傾斜方向，當主面7U向基 板71之六方晶系半導體之a軸方向傾斜時，於基板71上所 製作之磊晶基板，可劈開―。又，當基板71之主面7u向 基板71之，、方晶系半導體之m軸方向傾斜時，於基板η上 所製作之磊晶基板可劈開3面。又，主面7U向基板71之六 138066.doc -23- 201011950 方晶系半導體之a轴方向傾斜時之m轴方向的偏離角於_3度 以上且+3度以下之範圍即可。又，主面71a向基板71之六 方晶系半導體之m轴方向傾斜時之a轴方向的偏離角於度 以上且+3度以下之範圍即可。若為該範圍，則因氮化物系 半導體光元件LD1中之雷射腔之端面傾斜所引起之反射率 降低較小，故而可使振盪臨限值變小。 將基板71配置於成長爐10中。如圖5之（b)部所示，步驟 S102中’於成膜之前’ 一面向成長爐10供給氣體g〇 一面對 基板71進行熱處理而形成經改質之主面71c。該熱處理可 _ 於含有氨及氫之氣體環境中進行。熱處理溫度丁❹可為例如 攝氏800度以上且1200度以下。熱處理時間為例如1〇分鐘 左右。根據該步驟，會因主面71a之傾斜而於半極性之主 面上形成與c面主面不同之表面結構。藉由於成膜之前對 基板71之主面71a實施熱處理，而於c面主面上所無法獲得 之半導體主面上產生改質。包含氮化鎵系半導體之磊晶成 長膜沈積於基板71之經改質之主面71c上。 如圖5之（c)部所示，步驟S1〇3中，於熱處理之後，將第 籲 1導電型氮化鎵系半導體區域73磊晶成長於基板71之表面 71c上。為了進行該成長而使用有機金屬氣相成長法。作 _ 為成長用之原料氣體，使用鎵源、銦源、鋁源及氮源。鎵 源、銦源及氮源分別為例如TMG、TMI、TMA& NH3。為 了進行該成長，將原料氣體G1供給至成長爐1〇中。氮化鎵 系半導體區域73之主面73a，自氮化鎵系半導體之c面以59 度以上未滿80度、或大於15〇度未滿18〇度之範圍之角度傾 138066.doc •24· 201011950 斜。第1導電型氮化鎵系半導體區域73a，可包含一或複數 個氮化鎵系半導體層（例如氮化鎵系半導體層25、27、 29)。例如，氮化鎵系半導體層25、27、29可分別為η型 AlGaN層、η型GaN層及η型InGaN層。氮化鎵系半導體層 25、27、29，於基板71之主面71c上依序磊晶成長。η型 • AlGaN層25為覆蓋例如基板71之整個表面之中間層，其以 例如攝氏1100度成長。η型AlGaN層25之厚度為例如50 nm。於η型AlGaN層25上η型GaN層27以攝氏950度成長。η ^ 型GaN層27為用以供給例如η型載子之層，η型GaN層27之 厚度為2000 nm。於η型GaN層27上η型InGaN層29以攝氏 840度成長。η型InGaN層29為例如活性層用之緩衝層，η型 InGaN層29之厚度為100 nm。 下一步驟中，如圖6至圖7所示，製作氮化物系半導體發 光元件之活性層75。活性層75以生成於370 nm以上且650 nm以下之波長區域含有峰值波長之發光光譜之方式而設 ❹ 置。
步驟S1 04中，如圖6之（a)部所示，形成包含氮化鎵系半 導體且用於活性層75之量子井結構之障壁層77。對成長爐 10供給原料氣體G2，障壁層77於缓衝層上以成長溫度TB成 ' 長。該障壁層77包含InYGabYNC銦組成Y : OS YS 0.05，Y 為應變組成）。障壁層77之成長於例如攝氏700度以上且攝 氏1000度以下之溫度範圍内之成長溫度TB進行。本實施例 中，將包含鎵源及氮源之原料氣體G2供給至成長爐10中以 成長溫度TB成長非摻雜GaN。GaN障壁層之厚度為例如15 138066.doc -25- 201011950 nm。障壁層77成長於主面7 承了主面仏之表f 故而障壁層-之表面繼 障壁層77之成長結束後’停止鎵原料之供給而使氮化鎵 系半導體停止沈積。於成長障壁層77之後且成長井層之 别’將成長爐之溫度自成長溫度Tb變更為成長溫度^。於 該變更期間中’將例如氨般之氮源氣體供給至成長爐10 中0 一面將成長爐10之溫 步驟S105中，如圖6之（b)部所示 子井 X ： 度保持為井層成長溫度Tw，一面於障壁層77上成長量 結構用之井層79。井層79包含化…心χΝ(銦組成 ο<χ<ι，X為應變組成）般之含有銦之氮化鎵系半導體。井 層79之帶隙能量小於障壁層77之帶隙能量。井層79之成長 溫度Tw低於成長溫度Τβ。本實施例中，將包含鎵源、銦源 及氮源之原料氣體G3供給至成長爐1〇中成長非摻雜
InGaN。井層79之膜厚可為1 nm以上且1〇 nm以下。又
InxGa〗-XN井層79之銦組成X可大於0.05。井層79iInxGai χΝ 了小於0.5。可實現該範圍之銦組成之InGaN之成長，從而 可獲得波長為370 nm以上且650 nm以下之發光元件。井層 79之成長係於例如攝氏6〇〇度以上且攝氏9〇〇度以下之溫度 範圍内之成長溫度Tw進行。InGaN井層之厚度為例如3 nm。井層79之主面於障壁層77之主面上磊晶成長，故而井 層79之表面繼承了障壁層77之表面結構。又，根據障壁層 77之主面之傾斜角，自氮化鎵系半導體面以特定範圍 之角度傾斜。 138066.doc -26- 201011950 :井層79之成長結束後且成長障壁層之前，將成長爐10 之溫度自成長溫度1^變更為成長溫度Τβ。於該變更期間 中’將例如氨般之氮源氣體供給至成長爐1〇中。於成長爐 10之升溫結束後，如圖6之⑷部所示，步廳中，一面 將成長爐U)之溫度保持為成長溫作，並將原料氣體〇4供 給至成長爐10中，一面成長包含氮化鎵系半導體之障壁層 • 81 °本實施例中，障壁層81包含例如GaN，障壁層81之厚 • 度為例如15⑽。障壁層81之主面係於井層79之主面上蟲 晶成長，故而障壁層81之表面繼承了井層79之表面結構。 v驟S1G7中同樣反覆進行成長，如圖7之⑷部所示成長 量子井、、、。構之活性層75 ^活性層75包含3個井層79及4個障 此後’步驟81()8中’如圖7之⑻部所示，供 、。原料氣體G5成長所需之半導體層*形成發光層83。位於 活性層75與第2導電型氮化嫁系半導體區域85之間的發光 層83内之半導體層之帶隙，小於位於第2導電型氮化録系 • +導體區域85内且與發光層83鄰接之氮化鎵系半導體層之 帶隙。 • 如圖7之⑷部所示，步驟S109中，於發光層83上供給原 肖氣體G6而蟲晶成長第2導電型氮化㈣半導體區域85。 長係使用成長爐1〇來進行。第2導電型氮化鎵系半導 體區域84可包含例如電子阻撐㈣、第&型接觸扣及第 2P型接觸層35。電子阻擋層31可包含例如滿…p型接 觸層33 35可包含p型GaN。第印型接觸層35之播雜劑漢 度Nr大於第lp型接觸層33之摻雜劑濃度川5。本實施例 138066.doc -27- 201011950 中’電子阻擋層3l、p型接觸層33、35之成長溫度為例如 攝氏蘭度。第2導電型氮化鎵系半導體區域31形成之 後το成如圖7之⑷部所示之磊晶晶圓E。於必要之情形 時，可為了引導半導體雷射光而成長一對導光層。一對導 光層夾持活性層。該等導光層可包含例如hGaN或仏N。 ，於;《日日日日圓E中，第！導電型氮化鎵系半導體區域73、發 光層83及第2導電型氮化鎵系半導體層85，可排列於基 板71之主面71a之法線軸之方向上。該六方晶系半導體之c 抽方向與基板71之主面7】3的法始+丄 土®j/ia的法線軸之方向不同。磊晶成 長之成長方向為C抽方向，另一 -4- T- j._i. ,, E ^ ^ ^ 力方面該成長方向與半導體 層73、83、85之積層方向不同。 下步驟中，於磊晶晶圓E上形成電極。第j電極（例如 陽極電極）形成於接觸層35上’並且第2電極（例如陰極電 極）形成於基板背面71b上。 形成電極之後，進行劈㈣可製作成絲n面。可製作 將藉由劈開而形成之端面作為共振器面之半導體雷射。再 者，若基板71之主面71a之傾斜方向為氮化鎵系半導體之a 轴的方向，則可使用m面作為劈開面。又，若基板”之主 面7U之傾斜方向為氮化鎵系半導體之_的方向，則可使 用a面作為劈開面。 圖8係表示實施形態中可使用之㈣基板之—結構之圖 式。基板11可包含：於c轴方向上延伸之穿透位錯密度大 於第i穿透位錯密度之複數個第i區域12a;及於c軸方向上 延伸之穿透位錯密度小於以穿透位錯密度之複數個第2區 138066.doc -28- 201011950 域12b。於基板U之主面Ua上呈現有第又及第2區域、 12b。於基板u之主面lla中，第1及第2區域12a、12b之寬 度為例如500微米、5000微米。第i及第2區域12a、12b於 主面所延伸之特定方向上交替地配置。當基板包含氮化銶 時’特定方向可為該氮化鎵之a轴之方向。 第1區域12a為高位錯密度之缺陷集中區域之半導體部， 第2區域12b為低位錯密度之缺陷降低區域之半導體部。於 基板11之低位錯密度之區域製作氮化物系半導體發光元 件’藉此可提高發光元件之發光效率、可靠性。當第2區 域12b之穿透位錯密度未滿ΐχίο7 cnT2時，可獲得實用上含 有充分可靠性之半導體雷射。 (實施例1) 準備幾個含有偏離角之主面之氮化鎵系半導體晶圓，實 施估計發光層中之壓電電場之方向的方法。圖9係表示估 6十井層之壓電電場之方向及大小之順序的步驟流程之圖 式。 接下來之說明中使用GaN晶圓。步驟S201中，為了估計 發光層中之壓電電場之方向而選擇發光層之面方位。 步驟S202中，以所選擇之面方位形成用以估計發光層中 之壓電電場之方向之量子井結構，並且成長p型及n型氮化 鎵半導體而製作磊晶晶圓。於該等晶圓上，於該成長之後 形成陰極電極及陽極電極而製作出基板產品。 例如’於GaN之c面（裝置名：C)、向m軸方向偏離75度 之面（裝置名：M75_l、M75一2)、向a軸方向偏離58度之面 138066.doc •29- 201011950 (裝置名：A58_l、A58_2、A_583)之GaN晶圓上，成長圖1 所示之結構之發光元件。向m軸方向偏離75度之面為（20-21)面。向a軸方向偏離58度之面為（11-22)面。 所製作出之基板產品之結構例 晶圓：η型GaN單晶
Si 摻雜 Al〇.12GaG.88N : 50 nm，
Si摻雜 GaN層：2000 nm，
Si 摻雜 In〇.〇2Ga〇.98N 層：100 nm， 非掺雜In〇.2〇Ga〇.8〇N井層：3 nm， 非摻雜GaN障壁層：15 nm，
Mg 摻雜 Alo.wGao.84N 層：20 nm，
Mg摻雜 GaN層：25 nm， 高Mg摻雜GaN層：25 nm。 步驟S203中，準備可一面對所製作之裝置施加偏壓一面 測定PL光譜之PL測定裝置。圖10之（a)部係表示PL測定裝 置之一結構例之圖式。PL測定裝置包含：對裝置DEV照射 激發光之激發光源93、對來自裝置DEV之光致發光進行檢 測之PL檢測器95、及對裝置DEV施加可變偏壓之裝置97。 步驟S204中，一面對基板產品施加偏壓一面對光致發光 之偏壓依存性進行測定。對偏壓依存性進行測定之結果成 為例如圖10之（b)部所示之圖表上之特性線。若施加某程度 大小之順向偏壓電壓，則裝置DEV發出電致發光。電致發 光不會於較小之順向偏壓及反向偏壓之電壓下產生。 於含有某範圍之偏離角之半極性面及GaN晶圓之c面上 138066.doc -30- 201011950 所製作出之裝置中，於發光層產生正壓電電場。該裂置之 特性由圖10之（b)部之特性線PLB(+)表示。PL發光之峰值 波長’隨著偏壓增加至EL發光電壓為止而向長波長位移。 若超過EL發光電壓’則隨著偏壓增加而向短波長位移。
GaN晶圓之非極性面上所製作出之裝置中，發光層之壓 電電場為零。該裝置之特性由圖1〇之（b)部之特性線 PLB(NP)表示。PL發光之峰值波長，隨著偏壓輕微增加至 零偏壓電壓為止而向短波長位移。於正偏壓下，幾乎不會 產生峰值波長之位移。 本實施形態之含有特定偏離角範圍之半極性面上所製作 之裝置會於發光層中產生負壓電電場。該裝置之特性由圖 10之（b)部之特性線PLB(-)表示。PL發光之峰值波長，隨著 偏壓增加至EL發光電壓為止而輕微地向短波長位移。 步驟205中，根據所測定出之偏壓依存性來估計發光層 中之壓電電場之方向。發光層中之壓電電場之方向係基於 圖10之（b)部而判定。 步驟206中，準備含有以所選擇之面方位可製作發光層 之主面之晶圓。步驟S207中，於該晶圓主面上形成有半導 體發光元件用之半導體積層。半導體積層如圖1及圖4所 示，可包含第1氮化鎵系半導體區域13、發光層15及第2氮 化鎵系半導體區域17。發光層15包含井層及障壁層。井層 及障壁層分別沿著自與在c軸、a軸及m軸方向上延伸之基 準軸正交之面傾斜的基準平面延伸。發光層15位於第1氮 化鎵系半導體區域13與第2氮化鎵系半導體區域17之間。 I38066.doc -31- 201011950 壓電電場之方向係以自第2氮化鎵系半導體區域17朝向第i 氮化鎵系半導體區域13之方向為基準來規定。一面施加偏 壓一面對PL光譜之偏壓依存性進行測定，故而可測定小於 藉由電致發光而產生發光之施加電壓之正及負電壓範圍中 之光致發光。利用光致發光之偏壓依存性，可估計發光層 内之内部電場之大小及方向。 圖11係表示實施例中所製作之半導體發光元件光譜 之測定結果。參照圖11，GaNc面（裝置名：C)之至120 mA 為止之藍位移量為30 nm左右，向m軸方向偏離75度之面 (裝置名：M75—1、M75_2)之藍位移量為4至7 nm左右。向 a軸方向偏離58度之面（裝置名：A58」、八58_2、A58_3)之 藍位移量為7至16 nm左右。 c面上之裝置表現出非常大之藍位移，相對於此，向m方 向偏離75度之面上或向a方向偏離58度之面上之藍位移量 較小。向m方向偏離75度之面上，尤其可減小藍位移。因 此，於如下兩個方面較為有利，發光二極體之色調不會因 電流而變化，及使雷射二極體之振盪波長長波化。 準備c面、向m軸方向偏離75度之面、向a軸方向偏離58 度之面，製作與上述相同之發光二極體（LED)。一面向 LED通電一面使LED之溫度變化，對EL光譜進行測定。 如圖12所示，積分強度之溫度依存性中，該積分強度於 c面上LED(特性線：c)中在溫度15〇 K以下急遽減小。另一 方面’向m軸方向偏離75度之面上之LED(特性線：m75)與 向a軸方向偏離58度之面上之LED(特性線：a5〇)中，未發 138066.doc •32- 201011950 現低溫中之積分強度之降低。若將EL光譜加以比較，則如 圖13所示，於絕對溫度為300 K時3種類（將圖13中之3個特 性線作為m75(3 00)、a5 8(300)、c(300)來進行參照）均表現 出僅有發光層之發光之單峰值。相對於此，如圖14所示， 即便於絕對溫度10 K，亦表現出3種類（將圖14中之3個特 •性線作為m75(10)、a5 8(10)、c(10)來進行參照），且僅有c •面上LED於3 80 nm附近呈現另一峰值。該峰值表示自發光 層溢流之電子於p型層與電洞再結合而產生發光。亦即，c 面上LED係低溫下受體之活化率下降，故而發光層與p型 層之界面上之傳導體更加傾斜，從而電子之溢流變得明 顯。向m軸方向偏離75度之面上之LED與向a軸方向偏離58 度之面上的LED中，未觀察到如此現象，電子之溢流較 少 〇 (實施例2) 製作含有圖15所示之結構之半導體雷射LD0。準備向m p 軸方向偏離75度之GaN晶圓90。將GaN晶圓90配置於成長 爐中之後，於氨及氫之氣體環境中進行熱處理。熱處理溫 度為攝氏1100度，熱處理時間約為10分鐘。 熱處理之後，將 TMG(98.7 μηιοί/分鐘）、ΤΜΑ(8·2 μπιοί/ 分鐘）、NH3(6 slm)、SiH4供給至成長爐中，於GaN晶圓90 上以攝氏11 50度成長披覆層用之η型AlGaN層91。η型 A1 GaN層91之厚度為2300 nm。η型A1 GaN層91之成長速度 為46.0 nm/分鐘。η型AlGaN層91之A1組成為0.04。 其次，將TMG(98_7 μπιοί/分鐘）、NH3(5 slm)、SiH4 供給 138066.doc -33- 201011950 至成長爐中，於η型AlGaN層91上以攝氏1150度成長η型 GaN層92。η型GaN層92之厚度為50 nm。η型GaN層92之成 長速度為58.0 nm/分鐘。 將 TMG(24.4 μιηοΐ/分鐘）、ΤΜΙ(4_6 μπιοί/分鐘）、NH3(6 slm)供給至成長爐中，於η型GaN層94上以攝氏840度成長 導光層用之非摻雜InGaN層93a。η型InGaN層93a之厚度為 65 nm。η型InGaN層93a之成長速度為6.7 nm/分鐘。非摻 雜InGaN層93a之In組成為0.05。 繼而形成活性層94。將TMG(15_6 μιηοΐ/分鐘）、 ΤΜΙ(29_0 μπιοί/分鐘）、NH3(8 slm)供給至成長爐中，以攝 氏745度成長非摻雜InGaN井層。InGaN層之厚度為3 nm。 InGaN層之成長速度為3.1 nm/分鐘。 其次，一面將成長爐之溫度維持為攝氏745度，一面將 TMG(15.6 μπιοί/分鐘）、ΤΜΙ(0·3 μπιοί/分鐘）、NH3(8 slm) 供給至成長爐中，於InGaN層上以攝氏745度成長非掺雜 GaN層。GaN層之厚度為1 nm。GaN層之成長速度為3.1 nm/分鐘。成長非摻雜GaN層之後，將成長爐之溫度自攝 氏745度變更為攝氏870度。將TMG(24.4 μπιοί/分鐘）、 ΤΜΙ(1·6 μπιοί/分鐘）、NH3(6 slm)供給至成長爐中，於非摻 雜InGaN井層上以攝氏870度成長障壁層用之非摻雜InGaN 層。InGaN層之厚度為1 5 nm。InGaN層之成長速度為6.7 nm/分鐘。非摻雜InGaN層之In組成為0.02。 繼而，將成長爐之溫度自攝氏870度變更為攝氏745度。 此後，將 TMG(15.6 μπιοί/分鐘）、ΤΜΤ(29_0 μπιοί/分鐘）、 138066.doc -34- 201011950 NH3(8 slm)供給至成長爐中，於InGaN層上以攝氏745度成 長非摻雜InGaN井層。InGaN層之厚度為3 nm。InGaN層之 成長速度為3.1 nm/分鐘。非推雜InGaN層之In組成為 0.25。 使井層、保護層及障壁層之成長重複2次，第3次形成保 護層。此後’將 TMG(13_0 μιηοΐ/分鐘）、ΤΜΙ(4·6 μιηοΐ/分 鐘）、NH3(6 slm)供給至成長爐中，於活性層94上以攝氏 840度成長導光層用之非摻雜InGaN層93b。InGaN層93b之 厚度為65 nm。InGaN層93b之成長速度為6.7 nm/分鐘。其 次，將TMG(98.7 μιηοΐ/分鐘）、NH3(5 slm)供給至成長爐 中，於InGaN層93b上以攝氏1100度成長非摻雜GaN層96。 GaN層96之厚度為50 nm。GaN層96之成長速度為58.0 nm/ 分鐘。非摻雜InGaN層93b之In組成為0.05。 繼而，將TMG(16.6 μιηοΐ/分鐘）、ΤΜΑ(2·8 μπιοί/分鐘）、 NH3(6 slm)、Cp2Mg供給至成長爐中，於GaN層96上以攝 氏1100度成長P型AlGaN層97。AlGaN層97之厚度為20 nm。AlGaN層97之成長速度為4.9 nm/分鐘。p型AlGaN層 97之A1組成為0.15。 將 TMG(36.6 μπιοί/分鐘）、ΤΜΑ(3·0 μηιοί/分鐘）、NH3(6 slm)、Cp2Mg供給至成長爐中，於p型AlGaN層97上以攝氏 11 〇〇度成長p型AlGaN層98。AlGaN層98之厚度為400 nm。 A1之組成為0_06。AlGaN層98之成長速度為13.0 nm/分 鐘。又，將TMG(34.1 μπιοί/分鐘）、NH3(5 slm)、Cp2Mg供 給至成長爐中，於p型AlGaN層98上以攝氏1100度成長p型 138066.doc -35- 201011950 nm ° P型GaN層99之成長
GaN層99。GaN層99之厚度為5〇 速度為18.0 nm/分鐘《藉由該等步驟而製作出
驟而製作出磊晶晶圓。 獲得如圖所示之半導體 寬度之條紋窗口之絕緣 含Ti/A丨/Ti/Au。於&面劈開而製作6〇〇微米長之雷射棒。振 盪波長為520 nm，臨限值電流為9〇〇 mA。 較佳實施形態中對本發明之原理進行了圖示並說明，但 是熟悉此技藝者當認識到本發明可於不脫離上述原理之情 況下在酉己置及詳細說明上進行冑更。本發明並非限定於^ 實施形態中所揭示之特定構成者。因&，對根據專利申請 範圍及其精神範圍所作之所有修正及變更請求權利。 【圖式簡單說明】 本發明之上述目的及其它目的、特徵、以及優點，根據 參照附圖所進行之本發明之較佳實施形態之以下詳細敍述 而更容易地明確。 圖1係概略性地表示本實施形態之氮化物系半導體光元 件之結構的圖式。 圖2(a)至（g)係說明内包應變之發光層中之壓電電場之方 向的圖式。 圖3(a)至（d)係說明内包應變之發光層中之壓電電場之方 向的圖式。 圖4係概略性地表示本實施形態之氮化物系半導體光元 件之結構的圖式。 138066.doc -36- 201011950 圖5(a)至（c)係表示本實施形態之氮化物系半導體光元件 之製造方法及磊晶晶圓之製造方法中的主要步驟之圖式。 圖6(a)至（c)係表示本實施形態之氮化物系半導體光元件 之製造方法及磊晶晶圓之製造方法中的主要步驟之圖式。 圖7(a)至（c)係表示本實施形態之氮化物系半導體光元件 之製造方法及蟲晶晶圓之製造方法中的主要步驟之圖式。 圖8係表示實施形態中可使用之GaN基板之一結構之圖 式。 圖9係表示井層之壓電電場之方向及大小之估計順序的 步驟流程之圖式。 圖10(a)、（b)係說明偏壓依存性之PL測定之圖式。 圖11(a)、（b)係表示實施例中製作出之半導體發光元件 之EL光譜之測定結果的圖式。 圖12係表示積分強度之溫度依存性之圖表。 圖13係表示絕對溫度為3〇〇 K時所測定之電致發光（EL， electroluminescence)光譜之圖表。 圖14係表示絕對溫度為1〇 κ時所測定之EL光譜之圖表。 圖1 5係表示實施例中製作之半導體雷射之結構之圖式。 【主要元件符號說明】 13 第1氮化鎵系半導體區域 15 發光區域 17 第2氮化鎵系半導體區域 19 活性層 21 井層 138066.doc -37- 201011950 23 障壁層 25 ' 27 、 29 氮化鎵系半導體層 31 氮化鎵系半導體層 33 ' 35 氮化鎵系半導體層 37 非摻雜GaN層（N2-GaN層） 39 非摻雜GaN層 41 a、4 lb 電極 51 ' 53 氮化鎵系半導體層 55 ' 57 氮化鎵系半導體層 59a、59b 導光層 61 非摻雜GaN層 63 絕緣膜 65 ' 67 電極 B1、B2、B3、B4、B5、B6 障壁層 LEI、LD1 氮化物系半導體光元件 P、NP、SP+、SP- 發光層 SR1 基準平面 VC1、VC2 c軸方向之向量 W1、W2、W3 井層 α、β 傾斜角 138066.doc -38-

Claims (1)

  1. 201011950 七、申請專利範圍： 1 · 一種氮化物系半導體光元件，其特徵在於：其包括·· 第1氮化鎵系半導體區域； 發光層’其包含井層及障壁層，該井層包含内包應變 之六方晶系氮化鎵系半導體，該障壁層包含氮化鎵系半 導體；以及 第2氮化鎵系半導體區域；且 上述發光層設置於上述第1氮化鎵系半導體區域與上 述第2氮化鎵系半導體區域之間； 上述第1亂化鎵系半導體區域包含一或複數個n型氮化 鎵系半導體層； 上述第2氮化鎵系半導體區域包含較上述障壁層之帶 隙大之氮化鎵系半導體層、及一或複數個ρ型氮化鎵系 半導體層； 上述井層及上述障壁層分別沿著下述基準平面延伸： 該基準平面係自與延伸於C軸方向之基準軸正交之面以 59度以上未滿80度之範圍及大於15〇度未滿18〇度之範圍 的傾斜角傾斜者； 上述發光層中之壓電電場，具有與自上述第2氮化鎵 系半導體區域朝向上述第1氮化鎵系半導體區域之方向 反向之分量； 上述第2氮化嫁系半導體區域之上述氮化錄系半導體 層與上述發光層鄰接； 上述第2乳化嫁系半導體區域之上述氣化鎵系半導體 138066.doc 201011950 層係電子阻擂層及彼覆層（clad layer)之任一方。 2. 如請求項丨之氮化物系半導體光元件，其中 上述井層為InGaN， 上述障壁層為GaN或InGaN。 3. 如請求項1或2之氮化物系半導體光元件，其中上述傾斜 角係於62度以上未滿80度之範圍。 4. 如請求項丨或2之氮化物系半導體光元件，其中上述傾斜 角係於大於150度、170度以下之範圍。 5. 如請求項1至4中任一項之氮化物系半導體光元件，其進 而包括含有六方晶系半導體InsAlTGai_s_TN(〇^ !， OS TS 1，OS S+TS 1)之基板； 上述基板之上述主面沿著下述平面延伸：該平面係自 與該六方晶系半導體之C轴正交之平面，以59度以上未 滿80度之範圍及大於150度未滿ι8〇度之範圍之傾斜角傾 斜者； 上述第1氣化鎵系半導體區域、上述發光層及上述第2 氣化錄糸半導體區域’於上述基板之上述主面上排列於 特定轴之方向。 6. 如請求項5之氮化物系半導體光元件，其中 上述基板包含：於c軸方向延伸之穿透位錯之密度大 於第1穿透位錯密度之複數個第1區域、及於c軸方向延 伸之穿透位錯之密度小於第1穿透位錯密度之複數個第2 區域； 上述第1及第2區域交替地配置； 138066.doc 201011950 於上述基板之上述主面上呈現有上述第1及第2區域。 7.如請求項6之氮化物系半導體光元件，其中 上述第2區域之上述穿透位錯之密度未滿lxl07 cm-2。 8·如請求項5至7中任一項之氮化物系半導體光元件，其中 上述第1氮化嫁系半導體區域、上述發光層及上述第2 氮化叙系半導體區域，構成上述基板之上述主面上所搭 載之半導體積層， 上述基板具有導電性， 該六方晶系氮化物系半導體光元件包括： 設置於上述半導體積層之第1電極、及 設置於上述基板之背面上之第2電極。 9. 如請求項1至8中任一項之氮化物系半導體光元件，其中 上述發光層包含第1及第2導光層與量子井結構之活性 層； 上述量子井結構包含上述井層及上述障壁層； 上述活性層設置於上述第1導光層與上述第2導光層之 間。 10. 如請求項1至9中任一項之氮化物系半導體光元件，其中 上述基準平面向&軸之方向傾斜。 11 ·如請求項1至9中任一項之氮化物系半導體光元件，其中 上述基準平面向m軸之方向傾斜。 12.如請求項1至丨丨中任一項之氮化物系半導體光元件，其中 上述第2氮化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導體 層包含至少含有A1之p型AlxGaYIni_X-YN(0<XS 1， 138066.doc 201011950 OS 1，0<Χ+Υ$ 1)。 13. —種磊晶晶圓，其特徵在於：其係用於氮化物系半導體 光元件者， 其包括： 第1氮化鎵系半導體區域； 發光層，其包含井層及障壁層，該井層包含内包應 變之六方晶系氮化鎵系半導體，該障壁層包含氮化鎵 系半導體； 第2氮化鎵系半導體區域；以及 含六方晶系半導體InsAlTGanTN^OSSSl ， OS 1，〇$ S+TS 1)之晶圓； 上述發光層於上述晶圓上設置於上述第1氮化鎵系 半導體區域與上述第2氮化鎵系半導體區域之間； 上述第1氮化鎵系半導體區域包含一或複數個η型氮 化鎵系半導體層； 上述第2氮化鎵系半導體區域包含：較上述障壁層 之帶隙大之氮化鎵系半導體層、及一或複數個ρ型氮 化鎵系半導體層； 上述井層及上述障壁層分別沿著述下基準平面延 伸：該基準平面係自與延伸於£轴方向之基準轴正交 之面’以59度以上未滿80度之範圍及大於ι5〇度未滿 180度之範圍之傾斜角傾斜者； 上述發光層中之壓電電場，具有與自上述第2氮化 鎵系半導體區域朝向上述第丨氮化鎵系半導體區域之 138066.doc 201011950 方向反向之分量； 上述第2氮化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導 體層與上述發光層鄰接； 上述第2氮化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導 體層係電子阻擋層及披覆層之任一方； 上述障壁層為GaN或InGaN。 14. 如明求項丨3之磊晶晶圓，其中上述晶圓之上述主面沿著 _ 下述平面延伸：該平面係自與該六方晶系半導體之c軸 正交之平面，以59度以上末滿80度及大於ι5〇度且17〇度 以下之範圍之傾斜角傾斜者。 15. 如响求項13或14之蟲晶晶圓，其中上述晶圓之邊緣之2 點間之距離最大值為45 mm以上。 16. 如請求項13至15中任一項之磊晶晶圓，其中上述晶圓包 含導電性GaN。 17. 如請求項13至16中任一項之磊晶晶圓，其中 > 上述第1氮化録系半導體區域、上述發光層及上述第2 氮化鎵系半導體區域，於上述晶圓之上述主面上排列於 特定轴之方向， 上述基準軸朝向與上述特定轴不同之方向。 18. 如請求項13至17中任一項之遙晶晶圓，其中上述傾斜角 係於62度以上未滿80度之範圍。 19. 如請求項13至18中任一項之磊晶晶圓，其中上述傾斜角 係於大於150度、170度以下之範圍。 20. —種製造半導體發光元件之方法，其特徵在於：該半導 138066.doc 201011950 ^發光元件包含發光層，該發光層包含内包應變之六方 晶系πι族氮化物；且該方法包括如下步驟： 為了估計上述發光層中壓電電場之方向而選擇發光層 之面方位； 於上述所選擇之面方位形成用以估計上述發光層中壓 電電場之方向的量子井結構，並成長p型及η型氮化鎵半 導體而準備基板產品； 面對上述基板產品施加偏壓，—面測定光致發光之 偏壓依存性； 由上述所測定之偏壓依存性，估計上述發光層中壓電 電場之方向； 準備具有可於上述所選擇之面方位成長上述發光層之 主面之晶圓；以及 於上述晶圓之上述主面上形成上述半導體發光元件用 之半導體積層； 上述半導體積層包含第1氮化鎵系半導體區域、上述 發光層及第2氮化鎵系半導體區域； 上述發光層包含含有氮化鎵系半導體之井層及含有氮 化鎵系半導體之障壁層； 上述發光層設置於上述第1氮化鎵系半導體區域與上 述第2氮化鎵系半導體區域之間； 上述第1氣化嫁系半導體區域包含一或複數個η型氮化 鎵系半導體層； 上述第2氮化鎵系半導體區域包含：較上述障壁層之 138066.doc 201011950 帶隙大之氮化鎵系半導體層、及一或複數個p型氮化鎵 系半導體層； 上述第2氮化鎵系半導體區域之上述氮化鎵系半導體 層與上述發光層鄰接； 上述井層及上述障壁層分別沿著自與延伸於c軸、a軸 及m軸方向之基準軸正交之面傾斜的基準平面延伸； 上述壓電電場之方向係以自上述第2氮化鎵系半導體 區域朝向上述第1氮化鎵系半導體區域之方向為基準而 規定。 138066.doc
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