TWI379441B

TWI379441B - Group iii nitride semiconductor light emission element

Info

Publication number: TWI379441B
Application number: TW097139651A
Authority: TW
Inventors: Tomo Kikuchi; Takashi Udagawa
Original assignee: Showa Denko Kk
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2012-12-11
Also published as: WO2009050955A1; JP2009099893A; US8227790B2; TW200929619A; CN101828276B; US20100288999A1; CN101828276A; EP2204854A1

Description

1379441 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種瓜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瓜族氮化物半導體材料所組成的障壁層以及由含有銦之m族氮化物半導體所組成的井層。【先前技術】 —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5 5 -3 8 34 號公報）。另外，氮化鋁•鎵（組成式AlXGal-XN: 0各XS1)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的材料（例如，參照日本特開200 1 -607 1 9號公報）。以瓜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瓜-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-X)相異之GaxIni.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0 7 - 3 3 5 9 4 2號公報）。 1379441 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GaXIiU-XN(OSXSl)井層之數量爲5的多重量子并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 φ 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2 0 0 1 - 2 5 7 3 7 9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瓜-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LI-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 # 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ΠΙ族氮化物半導體發光元件，使用由瓜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瓜族氮化物半 1379441 導體組成的障壁層以及由含有銦之ΙΠ族氮化物半導體組成的井層，該ΙΠ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。 # (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 ®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 1379441 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 φ 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。 # 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 1379441 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llm。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- 1379441 該單位疊層部分而成的疊層部積層而予以構成，在部的單位疊層部分爲2個以上的情況下，該井層彼壁層彼此係層厚度和組成分別相同，疊層部彼此係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有和井層之間的障壁差而能夠接合之材料： AlxGai.xmOSXS 1)等之m族氮化物半導體層所構成壁層和井層係由相同傳導形的m族氮化物半導體層。障壁層的層厚度係較佳爲在大略3nm以上、30nm 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之疊層部並無數量上的限制，但爲了避免發光層的驟無謂地變得冗長，所以較佳爲大略50以下甚至是下。在獲得能放射出多波長之光的多重量子井構造層時，適合構成爲：比起包含層厚度的障單位疊層部分之數量，使包含比該層厚度（tl)還要薄度的障壁層的單位疊層部分之數量增多。這是因爲使障壁層之層厚度更薄時，更能使電過’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的單位疊層部分之層積數，使具有較薄之層厚度的的單位疊層部分之層積數的總和變得更多，適合獲多波長光之發光層。例如，單位疊層部分的總數是中’相對於形成爲具有層厚度0)之障壁層的該疊層此或障單位疊爲由具 1例如。該障所構成以下的，層積形成步 k 30以的發光壁層的之層厚加爲更子波透障壁層障壁層得呈現 10，其疊層部 -11- 1379441 之單位疊層部分的數量仍爲5，具有較薄之層厚度t2(tl>t2 ，t2尹〇)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.度t2(tl>t2，t2#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 φ 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10係由疊層部11和疊層部12所構成，疊層部11係由5個單位疊層部分11m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10nm的 # 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GaO.75InO.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10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- 1379441 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里時的截面模式圖。第4圖中，層厚度爲1. 〇nm的障壁層 lib之疊層部11中的單位疊層部分iim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1 〇h射出之光的光照度（PL)頻譜的圖。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之單位疊層部分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 . 9 e V以上、3.4 e V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ΙΠ族氮化物半導體層，例如 GaxInl.xN(〇S χ<ι)層所構成。總括來說，是因爲能從含有 -13- 1379441

In的ffl族氮化物半導體中獲得高強度的發光瓜族氮化物半導體多波長發光元件中，井層佳爲lnm以上、20nm以下，更佳爲2nm以. 〇另外，使具有由使層厚度或組成相異之氮化物半導體層所組成之井層的疊層部層積子構造的發光層時，就能使從單一發光層放 φ 波長進一步進行多波長化。例如，以G a XI n, 構成一個疊層部的井層，那就是所謂的鎵組 . 此能舉例表示由銦組成比（=1 - X)也有所不| (0SY<1，X爹Y)來構成其他疊層部之井層的層厚度或組成不同，也包含使層厚度和組成況。例如，形成發光層A，其具備：疊層部層厚度爲2nm且組成爲Ga〇.8〇In〇.2〇N之井層 > 10nm的障壁層所組成之單位疊層部分積層而疊層部，係使三個由同一組成且層厚度爲4r 層厚度爲6nm之障壁層所組成的單位疊層部第6圖係表示從由該總數爲6之單位疊層部光層A射出之多波長的光的光照度（PL)頻譜以「頻譜A」來表示）。作爲比較，形成發光層B，其具備：疊個由層厚度爲2nm且組成爲Ga〇.8QIn〇.2〇N之井爲10nm的障壁層所組成之單位疊層部分積Λ 。在本發明的之層厚度係較上、1 0 n m以下含有銦之ΙΠ族而形成多重量射出之發光的 -xN(0S X<1)來成比（=x)，因同的 GaYlrn-γΝ 情況。&謂的兩者不同的情，係使3個由以及層厚度爲 i成；以及其他 1 m之井層以及分積層而成。分所組成的發 A的圖（圖中，層部，係使3 層以及層厚度 i而成；以及其 -14- 1379441 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（clad)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（〇： -Al2〇 3 單結晶）或氧化鋅（ZnO)等之絕緣性或導電性氧化物結晶、 6H或4H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M0VPE等）法、分子束嘉晶（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- 1379441 光層和其以外之多波長發光元件的功能層使用比較厚之包覆層來構成LED的時候，氫化物法來形成該厚膜層，以對於薄膜控法來成長薄膜超晶格構造之多重量子井構這些氣相成長手段中，能夠採用摻雜加用於調整障壁層或井層之傳導形的控制。摻雜雜質的時候，較佳爲以井層或障壁爲5xl017cm·3以上、5xl019cnT3以下的範圍具有這種載體濃度的導電性之功能層，例 (contact)層上設置歐姆（Ohmic)電極而形成件。例如，將歐姆電~極設置成接觸於作爲發光層之基底層的η形AlxGalxN(OSXg 同發光層上設置之P形GaN接觸層，以作: 波長同時發光LED。如同以上所述，本發明之實施形態中個或2個以上之由井層及障壁層所構成之積層而成的重疊層進行積層，以構成多重光層，在疊層部彼此當中，單位疊層部分使層厚度有所不同。從井層射出的光（電-層之層厚度變薄到能輕易透過，所以藉由度薄化，能夠遍及寬廣的波長範圍而提升波長的光強度。因此，能夠發揮使從一個之發光層放射出的光之波長成爲更多波長單的構成就輕易地獲得白色光。其結果，。例如，會有在以MOCVD法或制性更佳之Μ B E 造的手段。手段，其故意添或導電率的雜質層之載體濃度成的方式來施行》如包覆層或接觸 LED等之發光元多重量子井構造 1)包覆層以及在奪pn接合型的多，將複數個使1 單位重疊層部分量子井構造的發的障壁層係互相 F波）係因爲障壁使障壁層的層厚從井層射出之多多重量子井構造的效果，能以簡也變得不需要個 -16- 1379441 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 種顔色的發光層。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。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^變化，所以能進一步使從一個多重量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的疊層部所組成之多重量子井構造的發光層的ΙΠ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ΠΙ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ΙΠ族氮化物半導體發光元件100 A的層積構造體100B係使用{111}-ρ形單晶矽（silicon)作爲基板101而 -17- 1379441

形成。在保持真空的分子束磊晶（M BE)裝置內，使基板ιοί 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（Si N)。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65 0°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103(層厚度= 300nm)。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n形包覆層104(層厚度zl.S/zm)·» 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700 °C的時候，在η形包覆層104上形成以由層厚度爲8nm之 η形GaN組成的障壁層110b、和層厚度爲2nm之井層ll〇a 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ll〇m，以作爲疊層部110。疊層部110的各井層ll〇a皆是由η形GaO.75InO.25N層所構成。疊層部110 係將與η形包覆層104之表面接合的層堆積作爲障壁層 110b。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- 1379441 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120b係設置爲接合於構成疊層部110之表層的井層110a。其他疊層部120 的井層120a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100 (參照第8圖）。3個單位疊層 φ 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110m的各障壁層ll〇b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 3 7 3 nm至7 50nm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顏色對應之發光層’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ΠΙ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- 1379441 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12 0a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。

φ 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。 φ 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1 00A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- 1379441 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11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10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 φ 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AIN層102、103及由η形 GaN組成的包覆層104上，形成與第ί實施例記載之構成不同的發光層200。構成發光層200的疊層部210、220、 230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 .層 210a、220a、230a 皆爲層厚度是 4nm 的 GaO.75InO.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2 20 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220 m ，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 - 1379441 的η形GaN組成之障壁層23 0b，來形成單位疊層部分230m ，層積2個該單位疊層部分2 30m來設置疊層部2 30。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2 20 a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 φ 實施例所記載之P形GaN組成的p形包覆層1 〇6 »藉此， • 結束了具備在η形GaN包覆層104與p形GaN包覆層106 . 之間夾著多重量子井構造之η形發光層200之構造的pn接合型發光部的發光元件° 200 A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。 ί 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12圖係表示來自此發光層200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-

1379441 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之一端形成η形歐姆電極107的區域上的p形 106及發光層200，使作爲發光層200之基底層包覆層104之表面露出。接著，在此露出之η 層104的表面上，形成η形歐姆電極107。另一歐姆電極108係形成於ρ形GaN包覆層106之分，爾後，分割成個別元件（晶片），並製作一達 ym的發光元件200A。將發光元件200A之順向電流設爲20mA時 (Vf)是3.4V。另外，使20mA的電流順向流通時，狀態之發光元件200A的發光層之全面射出視色的白色光。因此，表示了只要使用本第2實之多重量子井構造的發光層，便可因爲能同時波長的發光，所以能簡便地製作即使是數量單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

層厚度相異之障壁層所構成的疊層部所組成的構造之發光層的本發明之m族氮化物半導體發在上述第1實施例記載之已使表面氮化的置的A1N層及由η形GaN組成的包覆層上，與記載之構成有所不同地形成了由3個疊層部組。構成發光層的3個疊層部係皆以氮電漿MBE 構造體200B GaN包覆層的η形GaN 形GaN包覆 •方面，P形表面的一部 :長度爲400 的順向電壓從晶片（chip) 覺上帶有綠施例所記載放射出不同一之量子井異之井層和多重量子井光元件。 Si基板上設第2實施例成的發光層法所形成。 -23- 1379441 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基扳之表面的第1疊層部之單位疊層部分的井層係由Ga〇.72InmN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 φ Ga〇.8〇InD.2〇N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Gae.ssIno.isN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 > ’第1疊層部係形成爲使該單位疊層部分的GamlnmN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疊層部的單位疊層部分之GaD.8oIno.2tiN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Gamlru.^N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- 1379441 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6ηιη。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(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 φ 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 > 從370nm至65 0nm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的第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 ί 2圖所示基板之表排列發出 G a XI η ί - X Ν 括獲得量光的井層獲得量子的井層的 -25- 1379441 疊層部，而構成了.多重量子構成井構造的發光層。獲得了高強度的白色發光方面，根據考察是因爲：成爲使短波長的光不會通過包含進行較長波長之發層的疊層部，所以從配置在基板表面側的疊層部之射的光不會被配置在取出光之取出方向上的疊層部所吸收，可在外部視野方向上透過，能夠有效率地方向上取出從構成疊層部的各井層中放射且遍及寬 φ 範圍的發光。第4實施例 . 在第4實施例中，說明具備由使In組成相同且相異之井層和層厚度相異之障壁層所構成的疊層部的多重量子井構造之發光層的本發明之I[族氮化物發光元件。在上述第1實施例記載之已使表面氮化的Si基置的A1N層及由η形GaN組成的包覆層上，形成了 > 疊層部組成的發光層。構成發光層的4個疊層部（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板側朝向取出發光的方向上，依序層積第1至第4 而構成。構成第1至第4疊層部的單位疊層部分之爲lnm。該單位疊層部分的井層係由皆使In組成 0.18的η形GaO.82InO.18N層所構成。構成最接近之表面而配置的第1疊層部之單位疊層部分的井層度爲8nm。構成層疊於第1疊層部之第2疊層部之因此，由於構光的井井層放之井層在視野廣波長層厚度所組k 半導體板上設由4個 1至第從S i基疊層部數量皆同樣是 Si基板之層厚單位疊 -26- 1379441 層部分的井層之層厚度爲6nm。構成層叠於第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4nm。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 φ 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 i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10nm)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 > 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 Ga〇.82In〇.18N井層接合於構成第1疊層部之表面的η形GaN -27- 1379441 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η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 φ 。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^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GaxIm.xN井層的疊層部。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疊層部，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- 1379441 井層所吸收’能在外部視野方向上透過，與使包含具有薄層厚度的障壁層之單位疊層部分的疊層數之總和更爲增加而造成之效果相互結合，變得能夠有效率地在視野方向上取出從構成疊層部的各井層所放射之遍及寬廣波長範圍的發光。因此’能使被放射之多波長的光強度在寬廣的波長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ΠΙ族氮化物半導體發光元件係將複數個層積 1個或2個以上的由井層和障壁層組成之單位疊層部分而成的疊層部進行積層而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係互相使層厚度有所不同。其結果，從井層射出的光（電子波）係因爲障壁層之層厚度越薄就變得越容易透過，所以藉由使障壁層之層厚度薄化，能夠在遍及寬廣的波長範圍中提升從井層射出之多波長的光強度。因此，能發揮使從一個多重量子井構造之發光層放射出之光的波長成爲較多波長的效果，能以簡單的構成而簡便地獲得白色光。其結果，變得不需要個別設置會放射出光之三原色的各顏色或具有補色關係的2種顏色之發光層〇另外，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，因爲使具有較薄的層厚度之障壁層的單位疊層部分之層積數的總和變 -29- 1379441 #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〇【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（P L)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) 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實施例之發光層的瓜族氮化物半導體發光元件之構造的截面模式圖。 -30- 1379441 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1 2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 1 Oh 發光層 11 疊層部 11a 井層 lib 障壁層 11m 單位疊層部分 12 疊層部 12a 井層 12b 障壁層 12m 單位疊層部分 tl 層厚度 t2 層厚度 100 發光層 1 00A 發光元件 100B 層積構造體 10 1 基板 102 第 1 緩衝層 103 第 2 緩衝層 -31 - 包覆層包覆層 n形歐姆電極 Ρ形歐姆電極疊層部井層障壁層單位疊層部分疊層部井層障壁層單位疊層部分發光層發光元件層積構造體疊層部井層障壁層單位疊層部分疊層部井層障壁層單位疊層部分疊層部 -32- 1379441 230a 井層 230b 障壁層 230m 單位疊層部分

-33

Claims

1379441 ，♦岈/日修正替換铲正本 ---—- 第0971 39651號「皿族氮化物半導體發光元件」專利案 (2012年8月1曰修正）十、申請專利範圍： 1. 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’該多重量子井構造具備在該基板的表面上設置之由πι族氮化物半導體組成的障壁層以及由含有銦之m族氮化物半導體組成的井層，該m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由具有一個由井層和障壁層組成的單位疊層部分所構成、或者是將複數個層積2個以上之該單位疊層部分而成的疊層部加以積層所構成，上述疊層部彼此係單位疊層部分之障壁層互相具有不同的層厚度，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。 2. 如申請專利範圍第1項記載之m族氮化物半導體發光元件，其中，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，具有較薄的層厚度之障壁層的單位疊層部分之層積數的總和較多。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之瓜族氮化物半導體 1379441 修正本 W年丨月I日修正替換頁發光元件，其中，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。 4.如申請專利範圍第1項記載之Π族氮化物半導體發光元件，其中，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井層的疊層部。