TW201306307A - Ｉｉｉ族氮化物半導體發光元件、及ｉｉｉ族氮化物半導體發光元件之製作方法 - Google Patents

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Takashi Kyono
Yohei Enya
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Sumitomo Electric Industries
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Abstract

本發明提供一種順向電壓降低之III族氮化物半導體雷射元件。p型包覆層中，係以p型包覆層中之p型摻雜劑之濃度大於n型雜質之濃度之方式而含有p型摻雜劑及n型雜質。由使用有較p型包覆層之帶隙更大之激發光之測定而獲得的光致發光(PL)光譜具有頻帶端發光及施體受體對發光之波峰。該PL光譜之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該PL光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))係與該III族氮化物半導體雷射元件11之順向驅動電壓(Vf)相關。當該能量差(E(BAND)-E(DAP))為0.42 eV以下時，III族氮化物半導體發光元件之順向電壓施加時之驅動電壓降低。

Description

III族氮化物半導體發光元件、及III族氮化物半導體發光元件之製作方法
本發明係關於III族氮化物半導體發光元件、及III族氮化物半導體發光元件之製作方法。
非專利文獻1中，記載有產生綠色光之氮化鎵系半導體雷射。
先行技術文獻 非專利文獻
[專利文獻1]：Enya Yohei, Yoshizumi Yusuke, Kyono Takashi, Akita Katsushi, UenoMasaki, Adachi Masahiro, Sumitomo Takamichi, Tokuyama Shinji, Ikegami Takatoshi, Katayama Koji, Nakamura Takao, 「531 nm Green Lasing of InGaN Based Laser Diodes on Semi-Polar {20-21} Free-Standing GaN Substrates,」 Applied Physics Express, Volume 2, Issue 8, pp. 082101(2009)
作為決定雷射二極體之性能之一個要因的電性特性係例如以如下方式而進行：對雷射二極體自身之電性特性進行評估；或者對於用於p型包覆層或p型導引層之單層之半導體膜之電性特性進行評估。藉由該等特性之評估而管理雷射二極體之電性特性。
根據發明者等之見解，主要是p型包覆層及p型導引層大 大有助於雷射二極體之電性特性。因此，若可獨立地評估雷射二極體構造中p型包覆層之電性特性，則可更正確地管理雷射二極體之電性特性。亦即，要求單獨評估雷射二極體之p型包覆層之電性特性。
p型包覆層之電性特性之更正確的評估可提供表現出良好的電性特性之雷射二極體或發光二極體。
本發明之目的在於提供一種具有已降低之順向電壓之III族氮化物半導體發光元件，而且目的亦在於提供該III族氮化物半導體發光元件之製作方法。
本發明之III族氮化物半導體發光元件包含：(a)n型包覆層，其設置於基板之主面之上，含有n型III族氮化物半導體；(b)活性層，其設置於上述基板之上述主面之上，含有III族氮化物半導體；及(c)p型包覆層，其設置於上述基板之上述主面之上，含有p型III族氮化物半導體。上述活性層設置於上述n型包覆層與上述p型包覆層之間，上述n型包覆層、上述活性層及上述p型包覆層係沿著上述基板之上述主面之法線軸而配置，於上述p型包覆層中添加有提供受體能級之p型摻雜劑，上述p型包覆層中含有提供施體能級之n型雜質，上述p型摻雜劑之濃度大於上述n型雜質之濃度，上述p型包覆層之光致發光光譜的頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該光致發光光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下，此處，上述頻帶端發光之能量E(BAND)及上述施體受 體對發光之能量E(DAP)係以電子伏之單位而表示，上述n型包覆層之上述n型III族氮化物半導體之c軸相對於上述法線軸而傾斜，上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之c軸相對於上述法線軸而傾斜。
該III族氮化物半導體發光元件中，n型包覆層、活性層及p型包覆層係沿著基板之主面之法線軸而配置，且n型包覆層之n型III族氮化物半導體之c軸及p型包覆層之p型III族氮化物半導體之c軸均相對於法線軸而傾斜，於n型包覆層與p型包覆層之間設置有活性層。於該III族氮化物半導體發光元件中，p型包覆層係以使p型包覆層中之p型摻雜劑之濃度大於n型雜質之濃度之方式，而含有p型摻雜劑及n型雜質。因此，由使用有較p型包覆層之帶隙更大之激發光的測定而獲得的光致發光光譜具有頻帶端發光及施體受體對發光之波峰。根據發明者等之研究可知，該光致發光光譜的頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該光致發光光譜的施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))係與該III族氮化物半導體發光元件之驅動電壓相關。當該能量差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下時，與此前之III族氮化物半導體發光元件相比，順向電壓施加時之驅動電壓降低。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述p型摻雜劑包含鎂，且上述鎂濃度為3×1018 cm-3以上。
根據該III族氮化物半導體發光元件，於p型包覆層中，負責導電之載子係電洞。當鎂濃度為3×1018(3E+18)cm-3以 上時，為了導電而可提供不會使III族氮化物半導體發光元件之電壓特性惡化之能級的載子濃度，從而有利於提供能量差為0.42 eV以下之PL(Photoluminescence，光致發光)光譜。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述n型雜質包含氧，且上述氧濃度為6×1017 cm-3以下。
根據該III族氮化物半導體發光元件，於p型包覆層中，負責導電之載子係電洞，另一方面，氧作為提供電子之施體而起作用。當濃度為6×1017 cm-3以下時，可抑制p型包覆層之載子補償，而使來自已活化之受體的載子負責導電。6×1017 cm-3以下之氧濃度有利於使能量差(E(BAND)-E(DAP))成為0.42電子伏以下之值。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述p型包覆層包含InAlGaN層，且上述InAlGaN層為180 nm以上。
根據該III族氮化物半導體發光元件，為了以良好之精度評估用於p型包覆層之四元InAlGaN之電壓特性，較佳為使光致發光光譜中包含之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上，當p型包覆層之膜厚為0.18 μm以上時，p型包覆層可提供相對於來自其他p型半導體層之信號成分而充分強的光譜。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述n型包覆層包含InAlGaN層。根據該III族氮化物半導體發光元件，當n型包覆層包含InAlGaN層時，可提供良好之光封 閉性能。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之上述c軸與上述法線軸所成之角度可處於10度以上80度以下或100度以上170度以下之範圍。
根據該III族氮化物半導體發光元件，III族氮化物半導體較基於極性c面之性質更表現出基於半極性之性質。因此，半極性面上之III族氮化物半導體發光元件之電性特性與c面上之III族氮化物半導體發光元件為不同。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，上述p型包覆層含有作為III族構成元素之銦及鋁，上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之上述c軸與上述法線軸所成之角度較佳為處於63度以上80度以下或100度以上117度以下之範圍。
根據該III族氮化物半導體發光元件，在相對於c面之傾斜角為63度以上80度以下(或者，100度以上117度以下)之範圍時，p型包覆層之III族氮化物半導體中之銦摻入較為良好，III族氮化物半導體發光元件可包含良好結晶品質之包覆層。又，較之於上述角度範圍以外之p型包覆層，於該角度範圍內提供0.42電子伏以下之能量差(E(BAND)-E(DAP))更為容易。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述活性層之發光光譜於500 nm以上580 nm以下之範圍內具有峰值波長。
根據該III族氮化物半導體發光元件，活性層使用半極性面而提供綠色及於其周邊波長域(500 nm以上580 nm以下之範圍)具有峰值波長之發光。對該發光元件提供已降低之順向電壓。
本發明之III族氮化物半導體發光元件較佳為，可進而包含設置於上述p型包覆層之上的p型接觸層，上述p型接觸層之厚度為0.06微米以下，上述p型接觸層含有p型III族氮化物半導體，上述p型接觸層之上述p型III族氮化物半導體之帶隙小於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之帶隙，上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度大於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度。
根據該III族氮化物半導體發光元件，為了以良好之精度評估用於p型包覆層之III族氮化物半導體之電壓特性，較佳為使光致發光光譜中包含之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上，當p型接觸層之厚度為0.06微米以下時，來自p型接觸層之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大的比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述p型接觸層含有p型GaN，且上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度為1×1019 cm-3以上。根據該III族氮化物半導體發光元件，當p型GaN具有1×1019 cm-3以上之p型摻雜劑濃度時，來自p型接觸層之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大 之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述p型接觸層包含p型之第一III族氮化物半導體層及p型之第二III族氮化物半導體層，上述第二III族氮化物半導體層設置於上述第一III族氮化物半導體層與上述p型包覆層之間，上述第一III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度大於上述第二III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度，且上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度小於上述第二III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度。該III族氮化物半導體發光元件可進而包含與上述第一III族氮化物半導體層形成接觸之陽極電極。
根據該III族氮化物半導體發光元件，p型接觸層並不限定於單一之層，可包含第一III族氮化物半導體層及第二III族氮化物半導體層，且該等III族氮化物半導體層具有互不相同之p型摻雜劑濃度。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述基板之上述主面含有III族氮化物，且上述基板之上述主面之上述法線軸相對於上述基板之上述III族氮化物之c軸而傾斜。根據該III族氮化物半導體發光元件，可提供所謂的沿著半極性面之法線軸而排列之半導體積層。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，上述p型包覆層可含有碳雜質，上述碳濃度可為4×1016 cm-3以下。
根據該III族氮化物半導體發光元件，當碳作為提供電子 之施體而起作用時，6×1017 cm-3以下之碳濃度可抑制p型包覆層中之載子補償，使來自已活化之受體的載子負責導電。於p型包覆層中，6×1017 cm-3以下之碳濃度有利於使能量差(E(BAND)-E(DAP))成為0.42電子伏以下之值。
本發明之III族氮化物半導體發光元件可進而包含與上述p型包覆層相接而設置之監控半導體層。上述監控半導體層之材料與上述p型包覆層之材料為相同，上述監控半導體層之p型摻雜劑濃度小於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度，上述監控半導體層之厚度薄於上述p型包覆層之厚度。
根據該III族氮化物半導體發光元件，光致發光光譜不僅利用施體受體對發光，亦利用頻帶端發光。III族氮化物半導體中，隨著受體濃度變大，頻帶端發光減弱。另一方面，於p型包覆層中，根據其特性而添加有所要求之濃度之p型摻雜劑。於光致發光光譜中為了獲得信號強度良好之頻帶端發光，有效的是使用與p型包覆層相接而設置之監控半導體層。監控半導體層之p型摻雜劑濃度及厚度可與p型包覆層之p型摻雜劑濃度及厚度獨立。因此，使用監控半導體層，可使其p型摻雜劑濃度小於p型包覆層之p型摻雜劑濃度，而且可使監控半導體層之厚度薄於p型包覆層之厚度。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述監控半導體層之厚度係處於5 nm以上40 nm以下之範圍。
根據該III族氮化物半導體發光元件，當監控半導體層之 膜厚薄於5 nm時，該監控半導體層無法充分吸收激發光之能量，從而無法自監控半導體層獲得強度充分之頻帶端發光。另一方面，當監控半導體層之膜厚厚於40 nm時，因追加p型摻雜劑濃度略低之監控半導體層而引起電阻增加，故而有可能導致發光元件之電壓特性降低。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述監控半導體層之p型摻雜劑濃度處於1×1017 cm-3以上且小於1×1018 cm-3之範圍。根據該III族氮化物半導體發光元件，1017 cm-3程度之p型摻雜劑濃度對於監控半導體層而言較佳。
本發明之III族氮化物半導體發光元件中，較佳為上述p型包覆層含有氫，且上述p型包覆層之氫濃度為4×1018 cm-3以下。根據該III族氮化物半導體發光元件，氫與p型摻雜劑結合，而妨礙p型摻雜劑之活化。降低p型包覆層中之氫濃度會使p型包覆層之載子濃度增加，而不會使p型摻雜劑形成較深能階。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法包括以下步驟：(a)於基板之上成長用於n型包覆層之n型III族氮化物半導體層、用於活性層之III族氮化物半導體層、及用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層，而製作用於上述III族氮化物半導體發光元件之磊晶基板；(b)對上述p型III族氮化物半導體層照射激發光，進行包含上述p型III族氮化物半導體層之頻帶端發光及上述p型包覆層之施體受體對發光之光致發光光譜的測定；(c)求出上述光致發光光譜 之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與上述光致發光光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))；(d)使用上述差(E(BAND)-E(DAP))，進行是否對上述磊晶基板應用後續步驟之判斷；及(e)於上述判斷為肯定時，對上述磊晶基板實施用以形成電極之加工。上述激發光之波長短於用於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體層之帶隙波長。
根據該製作方法，於成長磊晶基板之後，且於進入至磊晶成長步驟後之步驟之前，對p型III族氮化物半導體層照射激發光，而進行包含頻帶端發光及施體受體對發光之光致發光光譜的測定。使用該測定中之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)及施體受體對發光峰值之能量E(DAP)，生成差(E(BAND)-E(DAP))，並使用該差(E(BAND)-E(DAP))進行是否對磊晶基板應用後續處理之判斷。差(E(BAND)-E(DAP))表現出與III族氮化物半導體發光元件之電壓特性之關聯。使用該等步驟所製作之III族氮化物半導體發光元件並不表現出由p型包覆層之高電阻所引起之電壓特性。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法中，較佳為上述差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下。根據該製作方法，可提供表現出更佳電壓特性之III族氮化物半導體發光元件。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法中，較佳為上述光致發光光譜之測定係以絕對溫度100度以下之溫度而進行。根據該製作方法，光致發光光譜可包含表現 出明確的波峰之頻帶端發光及施體受體對發光。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法中，進而包括以下步驟：根據上述差(E(BAND)-E(DAP))而重新研究用於上述p型包覆層之成膜的上述磊晶基板之後續製作中之成膜條件。
根據該製作方法，可根據磊晶基板之光致發光光譜測定之結果，進行與製造步驟之成膜條件相關之反饋，而無需等待在製作電極之後獲得之III族氮化物半導體發光元件之評估。該製作方法可進行迅速的步驟管理。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法中，製作上述磊晶基板之上述步驟可進而包括以下步驟：於上述基板之上成長用於p型接觸層之另外的p型III族氮化物半導體層。較佳為，上述另外的p型III族氮化物半導體層設置於用於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體層與用於上述活性層之上述III族氮化物半導體層之間，上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度大於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度，上述p型接觸層之帶隙小於上述p型包覆層之帶隙，上述p型接觸層之厚度為0.06微米以下，且上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度為1×1019 cm-3以上。
根據該製作方法，為了以良好之精度評估用於p型包覆層之III族氮化物半導體之電壓特性，較佳為使光致發光光譜中包含之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上，當p型接觸層之厚度為0.06微米以下時，來自p型接觸層之接觸成分相對於包覆成分並不 佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。又，當p型接觸層具有1×1019 cm-3以上之p型摻雜劑濃度時，來自p型接觸層之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。
本發明之III族氮化物半導體發光元件之製作方法中，較佳為上述p型接觸層含有p型GaN。
根據該製作方法，含有p型GaN之接觸層對於包含表現出明確之波峰之頻帶端發光及施體受體對發光之光致發光光譜的測定而言為較佳。
如以上說明所述，根據本發明，可提供一種具有已降低之順向電壓之III族氮化物半導體發光元件。又，根據本發明，可提供該III族氮化物半導體發光元件之製作方法。
接著，一面參照隨附圖式，一面說明III族氮化物半導體發光元件、磊晶基板、以及磊晶基板與III族氮化物半導體發光元件之製作方法的實施形態。於可能之情形時，對相同之部分標註相同之符號。
圖1係概略表示本實施形態中之III族氮化物半導體發光元件之構造之圖式。作為該III族氮化物半導體發光元件，本實施形態中，對III族氮化物半導體雷射元件11進行說明。又，III族氮化物半導體雷射元件11雖具有增益導引型 之構造，但本發明之實施形態並不限定於增益導引型之構造。III族氮化物半導體雷射元件11包含：陽極電極15、基板17、半導體區域19及陰極電極41。基板17及半導體區域19構成雷射構造體13。基板17含有半極性之主面17a及背面17b。半導體區域19設置於基板17之主面17a上。陽極電極15設置於雷射構造體13之半導體區域19上。陰極電極41與n型包覆層21電性結合。半導體區域19包含n型包覆層21、p型包覆層23、及活性層25，n型包覆層21、活性層25及p型包覆層23係設置於基板17之主面17a上。n型包覆層21含有n型III族氮化物半導體。該n型III族氮化物半導體含有作為III族構成元素之銦及鋁，例如含有n型InAlGaN等。p型包覆層23含有p型III族氮化物半導體。該p型III族氮化物半導體含有作為III族構成元素之銦及鋁，例如含有p型InAlGaN等。活性層25設置於n型包覆層21與p型包覆層23之間。n型包覆層21、活性層25及p型包覆層23配置於基板17之主面17a之法線軸NX之方向(法線向量NV之方向)上。於p型包覆層23中，添加有提供受體能級22之p型摻雜劑22。受體能級22係分散著，大多數位於某能量範圍內。又，p型包覆層23含有提供施體能級24之n型雜質24。施體能級24係分散著，大多數位於某能量範圍內。p型摻雜劑22之濃度大於n型雜質24之濃度。n型包覆層21之n型III族氮化物半導體之c軸(朝向量VC之方向延伸之軸)相對於法線軸NX而傾斜，p型包覆層23之p型III族氮化物半導體之c軸相對於法線軸NX而傾斜。
III族氮化物半導體雷射元件11中，p型包覆層23之光致發光光譜之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該光致發光光譜(記作「PL光譜」)之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下。此處，頻帶端發光之能量E(BAND)及施體受體對發光之能量E(DAP)係以電子伏之單位而表示。
基板17之主面17a含有III族氮化物，基板17之III族氮化物之c軸相對於基板17之主面17a之法線軸NX而傾斜。基板17可含有六方晶系III族氮化物半導體。又，根據III族氮化物半導體雷射元件11，可提供所謂的沿著半極性之主面17a之法線軸NX而排列之半導體層之積層。
該III族氮化物半導體雷射元件11中，n型包覆層21、活性層25及p型包覆層23沿著基板17之主面17a之法線軸而配置，n型包覆層21之n型III族氮化物半導體之c軸及p型包覆層23之p型III族氮化物半導體之c軸均相對於法線軸而傾斜，於n型包覆層21與p型包覆層23之間設置有活性層35。該III族氮化物半導體發光元件11中，p型包覆層23係以p型包覆層23之p型摻雜劑之濃度大於n型雜質之濃度之方式，而含有p型摻雜劑及n型雜質。因此，由使用有較p型包覆層23之帶隙更大之激發光之測定而獲得的光致發光光譜係如圖2之(a)部所示，具有頻帶端發光及施體受體對發光之波峰。根據發明者等之研究可知，該PL光譜之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該PL光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))如圖2之(b)部所示， 與該III族氮化物半導體雷射元件11之順向驅動電壓(Vf)有關。當該能量差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下時，與此前之III族氮化物半導體發光元件相比，順向電壓施加時之驅動電壓降低。圖2之(b)部之順向驅動電壓(Vf)表示於雷射二極體中流動有100毫安之電流時雷射二極體之端子間的驅動電壓。
頻帶端發光係與p型包覆層23之p型III族氮化物半導體之帶隙有關。又，施體受體對發光係經由光子(photon)與聲子(phonon)進行相互作用之複雜的過程而生成，故而PL光譜自身形成複雜的形狀。因此，為了自PL光譜獲得施體受體對發光峰值，較佳為進行光譜形狀之資料處理(例如，平滑化處理)，施體受體對發光之光譜之下緣與頻帶端發光之光譜重疊，故而為了特定波峰位置，較佳為進行光譜形狀之資料處理(例如，平均化處理)。
再次參照圖1，活性層25包含氮化鎵系半導體層，該氮化鎵系半導體層例如為井層25a。活性層25包含含有氮化鎵系半導體之若干障壁層25b。井層25a設置於障壁層25b之間，且其係交替地排列。井層25a含有例如InGaN等，障壁層25b含有例如GaN、InGaN等。活性層25可包含以產生波長360 nm以上600 nm以下之光之方式而設置的量子井構造。又，藉由半極性面之利用，發光光譜之範圍較佳為波長500 nm以上580 nm以下。n型包覆層21、p型包覆層23及活性層25沿著主面17a之法線軸NX而排列。III族氮化物半導體雷射元件11中，雷射構造體13含有藉由六方晶系III族 氮化物半導體之m軸及法線軸NX而規定之與m-n面交叉之第一端面27及第二端面29。
圖1中，描繪有正交座標系S及結晶座標系CR。法線軸NX朝向正交座標系S之Z軸之方向。主面17a與藉由正交座標系S之X軸及Y軸而規定之特定之平面平行地延伸。又，圖1中，描繪有代表性的c面Sc。基板17之六方晶系III族氮化物半導體之c軸朝六方晶系III族氮化物半導體之m軸之方向相對於法線軸NX以大於零之角度ALPHA而傾斜。
III族氮化物半導體雷射元件11進而包含絕緣膜31。絕緣膜31覆蓋雷射構造體13之半導體區域19之表面19a，半導體區域19位於絕緣膜31與基板17之間。基板17包含六方晶系III族氮化物半導體。絕緣膜31含有開口31a，開口31a沿著半導體區域19之表面19a與上述m-n面之交叉線LIX之方向而延伸，形成例如條紋形狀。陽極電極15經由開口31a而與半導體區域19之表面19a(例如p型接觸層33)形成接觸，且沿著上述交叉線LIX之方向而延伸。III族氮化物半導體雷射元件11中，雷射導波路包含n型包覆層21、p型包覆層23及活性層25，而且沿著上述交叉線LIX之方向而延伸。
基板17具有可自立之厚度。基板17可包含GaN、AlN、AlGaN、InGaN及InAlGaN中之任一者。於使用包含該等氮化鎵系半導體之基板時，可獲得能用作共振器之端面27、29。又，III族氮化物半導體雷射元件11中，第一割斷面27及第二割斷面29與藉由六方晶系III族氮化物半導體之m軸 及法線軸NX所規定之m-n面交叉。III族氮化物半導體雷射元件11之雷射共振器包含第一及第二割斷面27、29，雷射導波路自第一割斷面27及第二割斷面29之一方朝另一方延伸。雷射構造體13包含第一面13a及第二面13b，第一面13a為第二面13b之相反側之面。第一及第二割斷面27、29自第一面13a之邊緣13c延伸至第二面13b之邊緣13d。第一及第二割斷面27、29係與c面、m面或a面等此前之解理面不同。
根據該III族氮化物半導體雷射元件11，構成雷射共振器之第一及第二割斷面27、29與m-n面交叉。因此，可設置沿著m-n面與半極性面17a之交叉線之方向而延伸之雷射導波路。因此，III族氮化物半導體雷射元件11具有可形成低臨限值電流之雷射共振器。
III族氮化物半導體雷射元件11包含n側光導層35及p側光導層37。n側光導層35包含第一部分35a及第二部分35b，n側光導層35含有例如GaN、InGaN等。p側光導層37包含第一部分37a及第二部分37b，p側光導層37含有例如GaN、InGaN等。載子阻擋層39設置於例如第一部分37a與第二部分37b之間。於基板17之背面17b上設置有另外的電極41，電極41覆蓋例如基板17之背面17b。
III族氮化物半導體雷射元件11中，法線軸NX與六方晶系III族氮化物半導體之c軸所成之角度ALPHA較佳為10度以上，且較佳為80度以下。又，角度ALPHA較佳為100度以上，且較佳為170度以下。於小於10度之角度時，In摻 入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。於超過80度且小於100度之角度時，In摻入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。於超過170度之角度時，In摻入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。
進而，III族氮化物半導體雷射元件11中，法線軸NX與六方晶系III族氮化物半導體之c軸所成之角度ALPHA較佳為63度以上，且較佳為80度以下。又，角度ALPHA較佳為100度以上，且較佳為117度以下。於小於63度之角度時，In摻入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。於超過80度且小於100度之角度 時，In摻入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。於超過117度之角度時，In摻入變得不均勻，包覆層之結晶性惡化，其結果為，包覆之PL強度減少，包覆之PL強度相對於接觸之PL強度而成為90%以下。進而，頻帶端發光亦變弱，頻帶端發光波長之確認變得困難，其結果為，難以生成作為電壓特性之指標的E(BAND)-E(DAP)。因此，角度ALPHA較佳為處於63度以上80度以下或100度以上117度以下之範圍。
用於雷射共振器之第一及第二端面27、29與c面、m面或a面等此前之解理面不同。然而，第一及第二端面27、29具有用於共振器之、作為平面鏡的平坦性、垂直性。因此，為了與解理面加以區別，將第一及第二端面27、29亦稱為割斷面。使用第一及第二端面27、29及以於該等端面27、29之間延伸之方式設置朝向之雷射導波路，可實現低臨限值之雷射振盪。III族氮化物半導體雷射元件11可進而包含分別設置於第一及第二端面27、29上之介電多層膜43a、43b。對於端面27、29，亦可使用端面塗層，藉由端面塗層而調整反射率。
於PL光譜之測定中，當p型包覆層23之膜厚D23為0.18 μm以上時，p型包覆層23可提供相對於來自其他p型半導體層之信號成分而言充分強的光譜。較佳為，p型包覆層 23包含InAlGaN層，且該InAlGaN層為180 nm以上。為了以良好之精度來評估用於p型包覆層23之四元InAlGaN之電壓特性，較佳為，使光致發光光譜中包含之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上。該比例係藉由使(PL光譜之接觸成分之DAP發光積分強度)/(全體DAP發光積分強度)<0.1而規定。
又，較佳為n型包覆層21包含InAlGaN層。當n型包覆層21包含InAlGaN層時，可提供良好之光封閉性能。
圖3係關於若干III族氮化物半導體雷射元件，而表示III族氮化物半導體雷射元件各自之光致發光光譜之能量差(E(BAND)-E(DAP))之圖式。參照圖3，表示有III族氮化物半導體雷射元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7之能量差(E(BAND)-E(DAP))。發明者等使用二次離子質量分析法檢查p型包覆層中所含之若干元素(Mg、Si、C)之濃度。
˙III族氮化物半導體雷射元件S1： 鎂濃度：1×1018 cm-3
氧濃度：6×1017 cm-3
碳濃度：7×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S2： 鎂濃度：2×1018 cm-3
氧濃度：7×1017 cm-3
碳濃度：6×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S3： 鎂濃度：1×1018 cm-3
氧濃度：9×1017 cm-3
碳濃度：8×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S4： 鎂濃度：6×1018 cm-3
氧濃度：6×1017 cm-3
碳濃度：4×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S5： 鎂濃度：1×1019 cm-3
氧濃度：1×1017 cm-3
碳濃度：1×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S6： 鎂濃度：8×1018 cm-3
氧濃度：2×1017 cm-3
碳濃度：3×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S7： 鎂濃度：1×1019 cm-3
氧濃度：8×1016 cm-3
碳濃度：3×1016 cm-3。
作為該等元素濃度之實驗結果，對於上述元素濃度與能量差(E(BAND)-E(DAP))之關係進行說明。III族氮化物半導體雷射元件S4~S7係由發明者等進行之用於改善、改良之實驗中所獲得的元件，III族氮化物半導體雷射元件S1~S3係於該等實驗之前所獲得之元件。在用於改善、改良之實驗中，目的在於進行例如可實現Mg濃度之上升、 氧濃度之降低、端子濃度之降低的成膜。於亦包含此處未表示之其他實驗中之見解時，將該等2個組以能量差(E(BAND)-E(DAP))0.42電子伏(eV)為界而區分。
根據發明者等之研究，亦根據該等元素濃度之觀點，將III族氮化物半導體雷射元件S1~S7分成一群(III族氮化物半導體雷射元件S1~S3)與另一群(III族氮化物半導體雷射元件S4~S7)。
˙III族氮化物半導體雷射元件S1~S3中之元素濃度之範圍： Mg濃度：小於3×1018 cm-3
O濃度：大於6×1017 cm-3
C濃度：大於4×1016 cm-3
˙III族氮化物半導體雷射元件S4~S7中之元素濃度之範圍： Mg濃度：3×1018 cm-3以上1×1020 cm-3以下
O濃度：6×1017 cm-3以下6×1016 cm-3以上
C濃度：4×1016 cm-3以下4×1015 cm-3以上。
根據基於該等實驗及進一步之實驗所得之見解的研究，p型包覆層23中之氫濃度較佳為4×1018 cm-3以下。該上限係基於防止由Mg-H複合體之生成而引起Mg不活化所導致的電壓特性惡化而定。
根據上述研究，當能量差(E(BAND)-E(DAP))之上限為0.42 eV以下時，可提供一種順向電壓已降低之III族氮化物半導體雷射元件。又，能量差(E(BAND)-E(DAP))較佳 為例如0.3 eV以上。關於該下限，就經驗而言，若使Mg濃度增大則DAP發光波峰位置會朝長波長側(低能量側)偏移。為了使E(BAND)-E(DAP)為0.3 eV以下，即便單純使Mg濃度降低，(使DAP發光波長朝短波長側偏移)，亦會同時導致由Mg濃度降低而引起之電壓特性之惡化，其結果無法成為0.3 eV以下。0.3 eV之值係基於臨限值而定。
p型包覆層23之p型摻雜劑包含鎂，於p型包覆層23中，負責導電之載子係電洞。當鎂濃度為3×1018 cm-3以上時，為了導電而可提供不會使III族氮化物半導體雷射元件11之電壓特性惡化之能級之載子濃度。
p型包覆層23之n型雜質包含氧，於p型包覆層23中，負責導電之載子係電洞，另一方面，氧作為提供電子之施體而起作用。當氧濃度為6×1017 cm-3以下時，可抑制p型包覆層23之載子補償，使來自已活化之受體之載子負責導電。6×1017 cm-3以下之氧濃度有利於使能量差(E(BAND)-E(DAP))成為0.42電子伏以下之值。
p型包覆層23含有碳雜質，當碳作為提供電子之施體而起作用時，6×1017 cm-3以下之碳濃度可抑制p型包覆層之載子補償，使來自活化之受體之載子負責導電。於p型包覆層23中，6×1017 cm-3以下之碳濃度有利於使能量差(E(BAND)-E(DAP))成為0.42電子伏以下之值。
p型包覆層23含有氫，氫與p型摻雜劑之Mg結合，妨礙p型摻雜劑之活化。p型包覆層23之氫濃度較佳為4×1018 cm-3以下。降低p型包覆層23中之氫濃度會使p型包覆層23之載 子濃度增加，而不會使p型摻雜劑形成較深能階。
參照圖1，III族氮化物半導體雷射元件11可進而包含設置於p型包覆層23之上之p型接觸層33。p型接觸層33之p型III族氮化物半導體之帶隙小於p型包覆層23之p型III族氮化物半導體之帶隙。p型接觸層33之p型摻雜劑濃度較佳為大於p型包覆層23之p型摻雜劑濃度。
p型接觸層33之厚度D33較佳為例如0.06微米以下。為了以良好之精度來評估用於p型包覆層23之III族氮化物半導體之電壓特性，較佳為使光致發光光譜中包含之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上，當p型接觸層33之厚度為0.06微米以下時，來自p型接觸層33之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。
p型接觸層33含有p型III族氮化物半導體。p型接觸層33可含有例如p型GaN，且p型接觸層33之p型摻雜劑濃度較佳為1×1019 cm-3以上。當p型GaN具有1×1019 cm-3以上之p型摻雜劑濃度時，來自p型接觸層33之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。
如圖1所示，p型接觸層33並不限定於單一之層，可包含複數個III族氮化物半導體層，該等III族氮化物半導體層具有互不相同之p型摻雜劑濃度。p型接觸層33包含例如p型之第一III族氮化物半導體層34a及p型之第二III族氮化物半 導體層34b。第二III族氮化物半導體層34b設置於第一III族氮化物半導體層34a與p型包覆層23之間。第一III族氮化物半導體層34a之p型摻雜劑濃度較佳為大於第二III族氮化物半導體層34b之p型摻雜劑濃度。p型包覆層23之p型摻雜劑濃度較佳為小於第二III族氮化物半導體層34b之p型摻雜劑濃度。陽極電極15與第一III族氮化物半導體層34a形成接觸。
如圖1所示，III族氮化物半導體雷射元件11可進而包含與p型包覆層23相接而設置之半導體層45。該半導體層45之材料係與p型包覆層23之材料為相同，以使半導體層45之帶隙與p型包覆層23之帶隙相同。半導體層45之p型摻雜劑濃度小於p型包覆層23之p型摻雜劑濃度。半導體層45之厚度D45較佳為薄於p型包覆層23之厚度D23。因此，半導體層45可作為用以獲得清晰之頻帶端發光之監控半導體層而利用。
如已有說明所述，光致發光光譜不僅利用施體受體對發光，亦利用頻帶端發光。根據發明者等之見解，III族氮化物半導體中，隨著受體濃度變大，頻帶端發光減弱。另一方面，於p型包覆層23中，根據其特性而添加有所要求之濃度之p型摻雜劑。於光致發光光譜中為了獲得良好之信號強度之頻帶端發光，有效的是使用與p型包覆層23相接而設置之半導體層45。半導體層45之p型摻雜劑濃度及厚度可與p型包覆層23之p型摻雜劑濃度及厚度獨立。因此，使用半導體層45可使其p型摻雜劑濃度小於p型包覆層23之 p型摻雜劑濃度，而且可使半導體層45之厚度D45薄於p型包覆層23之厚度D23。
半導體層45之厚度D45較佳為40 nm以下。當半導體層45之膜厚D45厚於40 nm時，因追加p型摻雜劑濃度略低之半導體層45而導致電阻增加，故而有可能使發光元件之電壓特性降低。另一方面，半導體層45之厚度D45較佳為5 nm以上。當該半導體層45之膜厚薄於5 nm時，該半導體層45無法充分吸收激發光之能量，從而無法自半導體層45獲得充分強度之頻帶端發光。因此，半導體層45之相應之厚度係處於5 nm以上40 nm以下之範圍。
半導體層45之p型摻雜劑濃度較佳為處於1×1017 cm-3以上且小於1×1018 cm-3之範圍。1017 cm-3程度之p型摻雜劑濃度由於獲得良好之頻帶端發光，故而對於半導體層45而言較佳。
圖4係表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法之主要步驟的圖式。步驟S101中，準備用於製作III族氮化物半導體雷射元件之之基板(基板可參照圖5之(a)部之符號「51」)。基板51之六方晶系III族氮化物半導體之c軸(圖1之向量VC)係朝六方晶系III族氮化物半導體之m軸方向相對於法線軸NX而以有限之角度(圖1所示之角度ALPHA)傾斜。因此，基板51具有包含六方晶系III族氮化物半導體之半極性之主面51a。於圖5之(a)部，磊晶基板係作為大致圓板形之構件而描繪，但基板產物SP之形狀並不限定於此。
步驟S102中，形成用於III族氮化物半導體雷射元件之磊晶基板。步驟S103中，如圖5之(a)部所示，於基板51之主面51a上藉由成長爐10a而成長用於n型包覆層之n型III族氮化物半導體層53及用於發光層之III族氮化物半導體層55。必要之情形時，於n型III族氮化物半導體層53及III族氮化物半導體層55之成長之前，可於基板51之主面51a上藉由成長爐10a而成長緩衝層52。其次，如圖5之(b)部所示，步驟S104中，於基板51之主面51a上藉由成長爐10a而成長用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57。必要之情形時，步驟S105中，於p型III族氮化物半導體層57之成長之後及/或p型III族氮化物半導體層57之成長之前，如圖6之(a)部所示，以與p型III族氮化物半導體層57相接之方式藉由成長爐10a而成長p型III族氮化物半導體層59。步驟S106中，如圖6之(b)部所示，於p型III族氮化物半導體層57之成長之後，於基板51之主面51a上藉由成長爐10a而成長用於p型接觸層之p型III族氮化物半導體層61。
用於III族氮化物半導體發光元件之磊晶基板E包含：設置於基板51之主面51a上且用於n型包覆層之n型III族氮化物半導體層53；設置於基板51之主面51a上且用於活性層之III族氮化物半導體層55；及設置於基板51之主面51a上且用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57。n型III族氮化物半導體層53、III族氮化物半導體層55及p型III族氮化物半導體層57係設置於基板51之主面51a上。p型III族氮化物半導體層57包含提供受體能級之p型摻雜劑與提供施 體能級之n型雜質。p型III族氮化物半導體層57係設置成使得用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57之PL光譜之頻帶端發光峰值的能量E(BAND)與該PL光譜之施體受體對發光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下。
藉由該等步驟而製作磊晶基板E。圖7之(a)部表示磊晶基板E之一例。
˙基板51：具有{20-21}面之GaN晶圓
˙緩衝層52：厚度1.1 μm，Si摻雜GaN
˙n型III族氮化物半導體層53：厚度1.2 μm，Si摻雜InAlGaN，InAlGaN之In組成0.03及Al組成0.14
˙III族氮化物半導體層55之構成層： n側光導層：厚度0.250 μm，摻雜有Si之GaN層；厚度0.115 μm，Si摻雜InGaN層(In組成0.03)
活性層(量子井構造)： 井層：厚度3 nm，非摻雜InGaN(In組成0.03)
障壁層：厚度15 nm，非摻雜GaN
p側光導層：厚度0.075 μm，摻雜有Mg之InGaN層(In組成0.03)；厚度0.050 μnm，摻雜有Mg之InGaN層(In組成0.03)；厚度0.200 μm，摻雜有Mg之GaN層
電子阻擋層：厚度0.020 μm，摻雜有Mg之GaN層
˙p型III族氮化物半導體層57：厚度0.4 μm，摻雜有Mg之InAlGaN
InAlGaN之In組成0.03及Al組成0.14
˙p型III族氮化物半導體層59：厚度0.050 μm，摻雜有Mg之InAlGaN，InAlGaN之In組成0.03及Al組成0.14
˙p型III族氮化物半導體層61：厚度0.050 μm，摻雜有Mg之p+GaN。
步驟S107中，如圖7之(a)部所示，對磊晶基板E照射激發光L(Ex)，進行包含p型III族氮化物半導體層(p型包覆層)57之頻帶端發光及p型包覆層之施體受體對發光之PL光譜L(PL)的測定。測定裝置10b包含：激發光源9a、檢測器9b、溫度控制器9c及框體9d。如圖7之(b)部所示，來自激發光源9a之激發光L(Ex)自磊晶基板E之上表面入射，該光藉由p型III族氮化物半導體層(p型包覆層)57而吸收。該激發包含頻帶間之激發及施體˙受體能級間之激發該兩者。激發光L(Ex)之波長短於用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57之帶隙波長(帶隙Eg)，可使用例如波長244 nm(E=5.0 eV)之Ar-SHG(Second Harmonic Generation，二次諧波產生)雷射光。溫度控制器9c可使PL測定以絕對溫度為100 K以下、較佳為10 K以下、更佳為He溫度進行。藉由低溫下之PL測定而可自p型包覆層獲得明確之信號。於以絕對溫度100度以下之溫度進行PL光譜之測定時，可包含表現出明確之波峰之頻帶端發光及施體受體對發光。
步驟S108中，求出PL光譜之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))。此處，E(BAND)及E(DAP)之單位為例如電子伏。
步驟S109中，使用上述之差(E(BAND)-E(DAP))，進行是否對磊晶基板E應用後續步驟之判斷。判斷可藉由例如將差(E(BAND)-E(DAP))與基準值加以比較而進行。
根據該製作方法，於成長磊晶基板E之後，且於進入至磊晶成長步驟後之步驟之前，對p型III族氮化物半導體層57照射激發光L(Ex)，進行包含頻帶端發光及施體受體對發光之PL光譜之測定。使用該PL測定之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)及施體受體對發光峰值之能量E(DAP)，生成差(E(BAND)-E(DAP))，並使用該差(E(BAND)-E(DAP))進行是否對磊晶基板應用後續處理之判斷。如已有說明所述，差(E(BAND)-E(DAP))表現出與III族氮化物半導體雷射元件之電壓特性(例如Vf)之關聯。於使用該等步驟所製作之III族氮化物半導體雷射元件中，由p型包覆層之較高電阻而引起之電壓特性得以改善。
作為步驟S109中之基準值，於InAlGaN等p型包覆層中，可使用0.42電子伏。當差(E(BAND)-E(DAP))為此前無法達成之0.42電子伏以下時，藉由包含p型InAlGaN包覆層之III族氮化物半導體雷射元件可提供良好之電壓特性。
步驟S110中，於步驟S109之判斷為肯定時，對磊晶基板E實施用以形成用於III族氮化物半導體雷射元件之電極之加工。
於必要之情形時，步驟S111中，亦可根據差(E(BAND)-E(DAP))而重新研究用於改良p型包覆層之成膜的磊晶基板E之後續製作中之成膜條件。根據該製作方法，可根據磊 晶基板E之PL光譜測定之結果而於製造步驟中進行與細密之成膜條件相關之反饋，而無需等待製作電極之後獲得之III族氮化物半導體發光元件之評估。
步驟S112中，於步驟S109之判斷為否定時，決定不對磊晶基板E實施用以形成用於III族氮化物半導體雷射元件之電極之加工。該情形時，於步驟S112中，根據差(E(BAND)-E(DAP))而重新研究用於p型包覆層之成膜的磊晶基板E之後續製作中之成膜條件。根據該製作方法，可根據磊晶基板E之光致發光光譜測定之結果而於製造步驟中進行與成膜條件相關之快速的反饋，而無需等待製作電極之後獲得之III族氮化物半導體發光元件之評估。該製作方法可進行迅速的步驟管理。
如已有說明所述，於製作磊晶基板之步驟S102中，於基板51上成長用於p型接觸層之p型III族氮化物半導體層61。用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57係設置於p型III族氮化物半導體層61與用於發光層之III族氮化物半導體層55之間。p型III族氮化物半導體層61之p型摻雜劑濃度大於p型III族氮化物半導體層57之p型摻雜劑濃度，p型III族氮化物半導體層61之帶隙小於p型III族氮化物半導體層57之帶隙。p型III族氮化物半導體層61之厚度較佳為0.06微米以下，p型III族氮化物半導體層61之p型摻雜劑濃度較佳為1×1019 cm-3以上。
為了以良好之精度來評估用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層57之電壓特性，較佳為使光致發光光譜中包含 之包覆成分(包覆層中之由激發而產生之信號成分)之比例達到90%以上，當用於p型接觸層之p型III族氮化物半導體層61之厚度為0.06微米以下時，來自p型III族氮化物半導體層61之PL成分(接觸成分)相對於來自p型III族氮化物半導體層57之PL成分(包覆成分)並不佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。又，當p型III族氮化物半導體層61具有1×1019 cm-3以上之p型摻雜劑濃度時，來自p型III族氮化物半導體層61之接觸成分相對於包覆成分並不佔有較大之比例，對於使光致發光光譜中包含之接觸成分之比例降低至10%程度以下而言較為有效。較佳為用於p型接觸層之p型III族氮化物半導體層61含有p型GaN。含有p型GaN之接觸層對於包含表現出明確之波峰之頻帶端發光及施體受體對發光之光致發光光譜的測定而言較佳。
(實施例1)
實施例1中，於具有傾斜角度為75度之半極性{20-21}面之GaN基板上，藉由有機金屬氣相成長法而成長圖8之(a)部所示之用於雷射二極體之半導體積層。作為原料，使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)、氨(NH3)、矽烷(SiH4)及雙(環戊二烯基)鎂(Cp2Mg)。n型InAlGaN包覆層係於攝氏870度下成長。光導層係於攝氏840度下成長。InGaN發光層係於攝氏715度下成長。p型InAlGaN包覆層係於攝氏870度下成長。p型GaN接觸層係於攝氏870度下成長。p型GaN接觸層之厚度為 0.05 μm，p型GaN接觸層之Mg濃度為3×1020 cm-3。
實施例1中之III族氮化物半導體雷射二極體之p型包覆InAlGaN層之元素濃度的範圍： Mg濃度：1×1019 cm-3
O濃度：1×1017 cm-3
C濃度：1×1016 cm-3
H濃度：2×1018 cm-3
能量差(E(BAND)-E(DAP))：0.39電子伏(eV)
順向驅動電壓：6.0 V。
(實施例2)
實施例1中，於具有75度之傾斜角度之半極性{20-21}面之GaN基板上，藉由有機金屬氣相成長法而成長圖8之(b)部所示之用於雷射二極體之半導體積層。n型InAlGaN包覆層係於攝氏870度下成長。光導層係於攝氏840度下成長。InGaN發光層係於攝氏725度下成長。p型InAlGaN包覆層係於攝氏870度下成長。p型GaN接觸層係於攝氏870度下成長。p型GaN接觸層具有雙層構造。第一GaN層之厚度為0.010 μm，其Mg濃度為3×1020 cm-3。第二GaN層之厚度為0.04 μm，其Mg濃度為3×1019 cm-3。
實施例2中之III族氮化物半導體雷射二極體之p型包覆InAlGaN層之元素濃度的範圍： Mg濃度：1×1019 cm-3
O濃度：8×1016 cm-3
C濃度：3×1016 cm-3
H濃度：1×1018 cm-3
能量差(E(BAND)-E(DAP))：0.39電子伏(eV)
順向驅動電壓：5.9 V。
(實施例3)
圖9表示使用Ar-SHG雷射光而獲得之PL光譜。圖9中，較短波長區域之尖銳之波峰表示頻帶端發光，較長波長區域之較大之波峰表示施體受體對(DAP)發光。圖9中，表示有3個光譜SPL1、SPL2、SPL3。2個光譜SPL1、SPL2具有相同之p型包覆層之構造，但係由具有不同之接觸層之構造(單層之接觸層、雙層之接觸層)的元件而獲得。剩餘的1個光譜SPL3為雙層之接觸層，具有雙層之p型包覆層之構造。圖9之PL光譜較大地依存於p型包覆層之構造，但並不較大地依存於p型接觸層之構造。此表明，Ar-SHG雷射光之激發能量亦被p型接觸層吸收，但圖9之PL光譜主要良好地表現出p型包覆層(本實施例中為InAlGaN層)之狀態。
參照圖10之(a)部，表示包含頻帶端發光及DAP發光之PL光譜。該PL光譜具有細密之構造，該狀態下，亦即自然之測定光譜不適合波峰之特定。認為自然之測定光譜之細密之構造係由聲子伴線(phonon replica)而引起。
如圖10之(b)部所示，所謂聲子伴線係由以聲子為媒介的間接遷移T(PHONON，聲子)而引起之發光，由此引起之波峰係與價帶Ev及導帶Ec之間之頻帶端連動地變化，而且聲子能階為離散的，故而具有離散地排列之峰值。因此，根據自然之測定光譜中之最大強度之位置來估算DAP 發光峰值波長時，根據發明者等之見解，該估算強烈受到聲子伴線之影響而不容易正確地確認DAP發光峰值波長之位置。因此，較佳為進行去除聲子伴線之影響的分析，因此，可進行平均化處理。
對平均化處理之一例進行說明。圖10之(a)部中，圖示有光譜部分SP1、SP2、SP3、SP4、SP5。於光譜部分SP1、SP2、SP3表現出聲子伴線之影響，光譜部分SP4、SP5未表現出聲子伴線之影響。引出相對於未表現出聲子伴線之影響之光譜部分SP4、SP5的接線L1(TANG)、L2(TANG)(圖11之(a)部之2條虛線)，將該等接線之交點作為波峰位置。圖11之(a)部表現出自然之PL光譜PL0與經軟體處理之平均化處理加工後之PL光譜PL(AVR)。由平均化處理產生之PL光譜PL(AVR)之波峰位置之波長與自然之光譜PL0之接線之交點位置之波長為大致相同，此表示對於任一方法，均可消除由聲子伴線導致之細密構造之影響。
當藉由平均化處理而降低聲子伴線之波峰之影響來確認DAP發光峰值波長時，如已有說明所述，能量差(E(BAND)-E(DAP))明確表現出與驅動電壓(Vf)相關關係。該關聯表示驅動電壓(Vf)與p型包覆層之電壓特性緊密相聯。此表示，相對於帶隙之相對的施體能階及/或相對於帶隙之相對的受體能階之深度與驅動電壓特性有關。
圖11之(b)部係示意性表示改善、改良前之p型包覆層之構造之圖式，圖11之(c)部係示意性表示本實施形態中之p型包覆層之構造之圖式。圖11之(b)部及(c)部中，表現出 導帶Ec、價帶Ev、代表分佈於半導體內某程度之能量範圍內之大量之受體能階的平均受體能階EA(AVR)、及代表分佈於半導體內某程度之能量範圍內之大量之施體能階的平均施體能階ED(AVR)。如圖11之(b)部所示，當平均受體能階較深(亦即，與能量差(E(BAND)-E(DAP))對應之波長差變大)時，電子難以自價帶Ev激發至平均之受體能階EA(AVR)，有助於導電之載子數(電洞數)減少。其結果，認為p型包覆層之電壓特性變差。如圖11之(c)部所示，當平均受體能階為適合之值(亦即，與能量差(E(BAND)-E(DAP))對應之波長差變小)時，電子激發至價帶Ev或平均之受體能階EA(AVR)，有助於導電之載子數(電洞數)增加。其結果，認為p型包覆層之電壓特性變得良好。
如以上說明所述，藉由能量差(E(BAND)-E(DAP))之改善，而可抽取與驅動電壓(Vf)相關之資訊。當III族氮化物半導體雷射元件包含以獲得特定之能量差(E(BAND)-E(DAP))之方式而控制施體及受體的p型包覆層時，具有改善後之驅動電壓(Vf)之特性。又，作為製程前之階段中之p型包覆層之驅動電壓(Vf)之電氣特性的管理指標亦有效。
本發明並不限定於本實施形態中揭示之特定之構成。
產業上之可利用性
根據本實施形態，提供一種具有已降低之順向電壓之III族氮化物半導體雷射元件。又，提供該III族氮化物半導體雷射元件之製作方法。進而，目的在於提供一種用於具有 已降低之順向電壓之III族氮化物半導體發光元件的磊晶基板。
9a‧‧‧激發光源
9b‧‧‧檢測器
9c‧‧‧溫度控制器
9d‧‧‧框體
10a‧‧‧成長爐
10b‧‧‧測定裝置
11‧‧‧III族氮化物半導體雷射元件
13‧‧‧雷射構造體
13a‧‧‧第一面
13b‧‧‧第二面
13c‧‧‧第一面之邊緣
13d‧‧‧第二面之邊緣
15‧‧‧陽極電極
17‧‧‧基板
17a‧‧‧主面
17b‧‧‧背面
19‧‧‧半導體區域
19a‧‧‧半導體區域表面
21‧‧‧n型包覆層
22‧‧‧p型摻雜劑
23‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧n型摻雜劑
25‧‧‧活性層
25a‧‧‧井層
25b‧‧‧障壁層
27、29‧‧‧端面
31‧‧‧絕緣膜
31a‧‧‧絕緣膜開口
33‧‧‧p型接觸層
34a‧‧‧第一III族氮化物半導體層
34b‧‧‧第二III族氮化物半導體層
35‧‧‧n側光導層
35a‧‧‧第一部分
35b‧‧‧第二部分
37‧‧‧p側光導層
37a‧‧‧第一部分
37b‧‧‧第二部分
39‧‧‧電子阻擋層
41‧‧‧陰極電極
43a、43b‧‧‧介電多層膜
45‧‧‧半導體層
51‧‧‧基板
51a‧‧‧主面
52‧‧‧緩衝層
53‧‧‧n型III族氮化物半導體層
55‧‧‧III族氮化物半導體層
57、59、61‧‧‧p型III族氮化物半導體層
ALPHA‧‧‧角度
CR‧‧‧結晶座標系
D23‧‧‧p型包覆層23之膜厚
D33‧‧‧p型接觸層33之厚度
D45‧‧‧半導體層45之厚度
E‧‧‧能量
E(BAND)‧‧‧頻帶端發光峰值之能量
E(DAP)‧‧‧施體受體對發光峰值之能量
Ec‧‧‧導帶
ED(AVR)‧‧‧平均施體能階
Ev‧‧‧價帶
L1(TANG)、L2(TANG)‧‧‧接線
LIX‧‧‧交叉線
NV‧‧‧法線向量
NX‧‧‧法線軸
PL(AVR)‧‧‧平均化處理加工後之PL光譜
PL0‧‧‧自然之光譜
S‧‧‧正交座標系
Sc‧‧‧c面
SP‧‧‧基板產物
SP1、SP2、SP3、 SP4、SP5‧‧‧光譜部分
T‧‧‧間接遷移
VC‧‧‧向量
圖1係概略表示本實施形態中之III族氮化物半導體發光元件之構造之圖式。
圖2(a)、(b)係表示光致發光光譜及相關關係之圖式。
圖3係表示差(E(BAND)-E(DAP))之傾向之圖式。
圖4係表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法的主要步驟之圖式。
圖5(a)、(b)係示意性表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法之步驟之圖式。
圖6(a)、(b)係示意性表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法之步驟之圖式。
圖7(a)、(b)係示意性表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法之步驟之圖式。
圖8(a)、(b)係表示本實施形態中之III族氮化物半導體雷射元件之實施例之圖式。
圖9係表示用於不同的3個構造之雷射二極體的磊晶基板之光致發光光譜之圖式。
圖10(a)、(b)係表示包含聲子伴線之光致發光光譜之圖式。
圖11(a)、(b)、(c)係表示經平均化處理之光致發光光譜之圖式。
11‧‧‧III族氮化物半導體雷射元件
13‧‧‧雷射構造體
13a‧‧‧第一面
13b‧‧‧第二面
13c‧‧‧第一面之邊緣
13d‧‧‧第二面之邊緣
15‧‧‧陽極電極
17‧‧‧基板
17a‧‧‧主面
17b‧‧‧背面
19‧‧‧半導體區域
19a‧‧‧半導體區域表面
21‧‧‧n型包覆層
22‧‧‧p型摻雜劑
23‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧n型摻雜劑
25‧‧‧活性層
25a‧‧‧井層
25b‧‧‧障壁層
27、29‧‧‧端面
31‧‧‧絕緣膜
31a‧‧‧絕緣膜開口
33‧‧‧p型接觸層
34a‧‧‧第一III族氮化物半導體層
34b‧‧‧第二III族氮化物半導體層
35‧‧‧n側光導層
35a‧‧‧第一部分
35b‧‧‧第二部分
37‧‧‧p側光導層
37a‧‧‧第一部分
37b‧‧‧第二部分
39‧‧‧電子阻擋層
41‧‧‧陰極電極
43a、43b‧‧‧介電多層膜
45‧‧‧半導體層
ALPHA‧‧‧角度
CR‧‧‧結晶座標系
D23‧‧‧p型包覆層23之膜厚
D33‧‧‧p型接觸層33之厚度
D45‧‧‧半導體層45之厚度
LIX‧‧‧交叉線
NV‧‧‧法線向量
NX‧‧‧法線軸
S‧‧‧正交座標系
Sc‧‧‧c面
VC‧‧‧向量

Claims (26)

  1. 一種III族氮化物半導體發光元件，其包含：n型包覆層，其設置於基板之主面之上，含有n型III族氮化物半導體；活性層，其設置於上述基板之上述主面之上，含有III族氮化物半導體；及p型包覆層，其設置於上述基板之上述主面之上，含有p型III族氮化物半導體；上述活性層設置於上述n型包覆層與上述p型包覆層之間，上述n型包覆層、上述活性層及上述p型包覆層係沿著上述基板之上述主面之法線軸而配置，於上述p型包覆層中，添加有提供受體能級之p型摻雜劑，上述p型包覆層中含有提供施體能級之n型雜質，上述p型摻雜劑之濃度大於上述n型雜質之濃度，上述p型包覆層之光致發光光譜的頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與該光致發光光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下，此處，上述頻帶端發光之能量E(BAND)及上述施體受體對發光之能量E(DAP)係以電子伏之單位而表示，上述n型包覆層之上述n型III族氮化物半導體之c軸相對於上述法線軸而傾斜，上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之c軸相 對於上述法線軸而傾斜。
  2. 如請求項1之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型摻雜劑包含鎂，上述鎂之濃度為3×1018 cm-3以上。
  3. 如請求項1或2之III族氮化物半導體發光元件，其中上述n型雜質包含氧，上述氧之濃度為6×1017 cm-3以下。
  4. 如請求項1至3中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層包含InAlGaN層，上述InAlGaN層為180 nm以上。
  5. 如請求項1至4中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述n型包覆層包含InAlGaN層。
  6. 如請求項1至5中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之上述c軸與上述法線軸所成之角度係處於10度以上80度以下或100度以上170度以下之範圍。
  7. 如請求項1至6中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之上述c軸與上述法線軸所成之角度係處於63度以上80度以下或100度以上117度以下之範圍。
  8. 如請求項1至7中任一項之III族氮化物半導體發光元件， 其中上述活性層之發光光譜於500 nm以上580 nm以下之範圍內具有峰值波長。
  9. 如請求項1至8中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其進而包含設置於上述p型包覆層之上之p型接觸層，上述p型接觸層之厚度為0.06微米以下，上述p型接觸層含有p型III族氮化物半導體，上述p型接觸層之上述p型III族氮化物半導體之帶隙小於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體之帶隙，上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度大於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度。
  10. 如請求項9之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型接觸層含有p型GaN，上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度為1×1019 cm-3以上。
  11. 如請求項9或10之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型接觸層包含p型之第一III族氮化物半導體層及p型之第二III族氮化物半導體層，上述第二III族氮化物半導體層設置於上述第一III族氮化物半導體層與上述p型包覆層之間，上述第一III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度大於上述第二III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度，上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度小於上述第二III族氮化物半導體層之p型摻雜劑濃度，該III族氮化物半導體發光元件進而包含與上述第一III 族氮化物半導體層形成接觸之陽極電極。
  12. 如請求項1至11中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述基板之上述主面含有III族氮化物，上述基板之上述主面之上述法線軸相對於上述基板之上述III族氮化物之c軸而傾斜。
  13. 如請求項1至12中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層含有碳雜質，上述碳雜質之濃度為4×1016 cm-3以下。
  14. 如請求項1至13中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其進而包含與上述p型包覆層相接而設置之監控半導體層，上述監控半導體層之材料與上述p型包覆層之材料相同，上述監控半導體層之p型摻雜劑濃度小於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度，上述監控半導體層之厚度薄於上述p型包覆層之厚度。
  15. 如請求項14之III族氮化物半導體發光元件，其中上述監控半導體層之厚度係處於5 nm以上40 nm以下之範圍。
  16. 如請求項14或15之III族氮化物半導體發光元件，其中上述監控半導體層之p型摻雜劑濃度係處於1×1017 cm-3以上且小於1×1018 cm-3之範圍。
  17. 如請求項1至16中任一項之III族氮化物半導體發光元件，其中上述p型包覆層含有氫，上述p型包覆層之氫之濃度為4×1018 cm-3以下。
  18. 一種III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其包括以下步驟：於基板上成長用於n型包覆層之n型III族氮化物半導體層、用於活性層之III族氮化物半導體層、及用於p型包覆層之p型III族氮化物半導體層，而製作用於上述III族氮化物半導體發光元件之磊晶基板；對上述p型III族氮化物半導體層照射激發光，進行包含上述p型III族氮化物半導體層之頻帶端發光及上述p型包覆層之施體受體對發光之光致發光光譜的測定；生成上述光致發光光譜之頻帶端發光峰值之能量E(BAND)與上述光致發光光譜之施體受體對發光峰值之能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))；使用上述差(E(BAND)-E(DAP))，進行是否對上述磊晶基板應用後續步驟之判斷；及於上述判斷為肯定時，對上述磊晶基板實施用以形成電極之加工；且上述激發光之波長短於用於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體層之帶隙波長。
  19. 如請求項18之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中 上述差(E(BAND)-E(DAP))為0.42電子伏以下，此處，上述頻帶端發光之能量E(BAND)及上述施體受體對發光之能量E(DAP)係以電子伏之單位而表示。
  20. 如請求項18或19之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中上述光致發光光譜之測定係以絕對溫度100度以下之溫度而進行。
  21. 如請求項18至20中任一項之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其進而包括以下步驟：根據上述差(E(BAND)-E(DAP))而重新研究用於上述p型包覆層之成膜的上述磊晶基板之後續製作中之成膜條件。
  22. 如請求項18至21中任一項之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中製作上述磊晶基板之上述步驟進而包括：於成長用於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體層之後，於上述基板上成長用於p型接觸層之另外的p型III族氮化物半導體層；上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度大於上述p型包覆層之p型摻雜劑濃度，上述p型接觸層之帶隙小於上述p型包覆層之帶隙，上述p型接觸層之厚度為0.06微米以下，上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度為1×1019 cm-3以上。
  23. 如請求項22之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中 上述p型接觸層含有p型GaN。
  24. 如請求項18至23中任一項之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中上述p型摻雜劑包含鎂，上述鎂之濃度為3×1018 cm-3以上。
  25. 如請求項18至24中任一項之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中上述n型雜質包含氧，上述氧之濃度為6×1017 cm-3以下。
  26. 如請求項18至25中任一項之III族氮化物半導體發光元件之製作方法，其中用於上述p型包覆層之上述p型III族氮化物半導體層含有碳雜質，上述碳之濃度為4×1016 cm-3以下。
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