TWI449208B - Semiconductor light emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Kuniyoshi Okamoto
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Description

半導體發光元件及其製造方法
本發明係關於一種發光二極體、雷射二極體等半導體發光元件及其製造方法。
於III－V族半導體中，使用氮作為V族元素之半導體稱為"III族氮化物半導體"，其代表例為氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)。一般而言，可表示為Alx Iny Ga1－x－y N(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x＋y≦1)。
於以c面為主面之氮化鎵基板上，藉由金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD法(metal organic chemical vapor deposition))使III族氮化物半導體成長之氮化物半導體之製造方法為眾所周知。可藉由應用該方法，而形成III族氮化物半導體積層構造並製作利用該積層構造之發光裝置，該III族氮化物半導體積層構造含有n型層、p型層及此等層所夾持之活性層(發光層)。此種發光裝置可用作例如液晶面板用背光之光源。
於以c面為主面之GaN基板上經再成長之III族氮化物半導體之主面為c面。由該c面截取之光成為散亂偏光(無偏光)狀態。因此，入射至液晶面板時，對應於入射側偏光板之特定偏光以外被遮光，不利於出射側之亮度。因此，存在難以實現高亮度顯示(效率最大為50%)的問題。
為了解決該問題，而研究使以c面以外之面，亦即以a 面、m面等無極性(nonpolar)面或半極性(semi－polar)面為主面之III族氮化物半導體成長，以製作發光裝置。若藉由無極性面或半極性面為主面之III族氮化物半導體層製作含有p型層及n型層之發光裝置，則可以強偏光狀態進行發光。因此，藉由使此種發光裝置之偏光方向與液晶面板之入射側偏光板之透射偏光方向一致，便可減少於入射側偏光板之損失。其結果，可實現高亮度之顯示。
[特許文獻1]日本專利特開2007－129042號公報
為了實現450 nm以上之長波長區域之發光，必須增加活性層之In(銦)成分。例如，為使發光波長為450 nm，必須使In成分為15%左右，於此情形時，必須使活性層於750℃左右之低溫下成長。然而，於活性層之後成長之p型層之成長溫度為1000℃左右。因此，由於p型層成長時之溫度會使活性層受到熱損傷，故無法獲得所需之發光效率。
另一方面，本申請案之發明者於先前提出之特願2007－040074號中，提議如下半導體雷射，其係由以m面等非極性面為成長主面之III族氮化物半導體積層構造構成者。藉由此種構造，可實現發光效率佳且低臨限值之半導體雷射。
然而，半導體雷射中，若需要實現450 nm以上之長波長區域內之發光，則亦會碰到與上述情形相同之問題。因此，於長波長區域內實現振盪效率優異之半導體雷射，尚 有課題未解決。
活性層之熱損傷問題存在程度差異，但不足450 nm之波長區域之半導體發光元件之情形時則均為相同。亦即，必須使活性層於低溫下成長以截取In原子，因此，於其後之n型層或p型層之高溫成長時會受到熱損傷。
因而，本發明之目的在於提供一種能夠藉由抑制活性層之熱損傷，而實現優異之發光效率之半導體發光元件及其製造方法。
本發明之半導體發光元件係包含III族氮化物半導體積層構造者，上述III族氮化物半導體積層構造含有包含In之活性層(由AlInGaN構成之活性層)及以夾持該活性層之方式積層之p型層與n型層。該III族氮化物半導體積層構造包含以相對c軸方向之偏離角為負之非極性面為主面之III氮化物半導體。
III族氮化物半導體具有六方晶體之結晶構造，且一個III族原子鍵結有4個氮原子。4個氮原子位於III族原子配置於中央之正四面體之4個頂點。該4個氮原子中，一個氮原子相對於III族原子位於＋c軸方向，其餘三個氮原子相對於III族原子位於－c軸側。若於平行於c面之2個面上劈裂III族氮化物半導體之結晶，則＋c軸側之面(＋c面)成為排列著III族原子之結晶面，－c軸側之面(－c面)成為排列著氮原子之結晶面(氮面)。因而，＋c面與－c面成為不同之結晶面，故顯示出不同物性。具體而言，可知悉＋c面中，耐鹼性較強等 對於化學反應性之耐受性較高，相反，－c面化學性較弱，例如，溶解於鹼。
如此，c面於＋c軸側與－c軸側物性不同。繼而，因該物性不同，故於III族氮化物半導體中，會產生沿c軸方向之極化。因此，c面稱為極性面。
m面及a面垂直於c面，不存在沿m軸及a軸之極化，因此，稱為非極性面。
於本發明中，構成III族氮化物半導體積層構造之III族氮化物半導體之主面為非極性面(m面或a面)，該非極性面之相對c軸方向之偏離角為負。所謂偏離角係自同軸面之傾斜角。即，若以同軸面之法線方向為基準方向(m軸方向或a軸方向)，則III族氮化物半導體主面之法線方向與基準方向所成之角為偏離角。考慮相對c軸方向之偏離角時，考慮包含基準方向與c軸方向之假想平面(平行於a面或m面之平面)，進而，使III族氮化物半導體主面之法線方向投影於該假想平面而考慮該法線方向之正射影。該正射影與基準方向所成之角為相對c軸方向之偏離角。於此情形下，該法線方向之正射影相對於基準方向向＋c軸側傾斜時，則稱"相對c軸方向之偏離角為正"等。相反，該法線方向之正射影相對於基準方向向－c軸側傾斜時，則稱"相對c軸方向之偏離角為負"等。
於含有具備有效偏離角之非極性面之III族氮化物半導體主面產生有原子級之細微階梯。於具有相對－c軸方向之偏離角之非極性面之情形時，階梯中露出的是－c面(氮面)。 因此，III族氮化物半導體之結晶成長時，一面沿－c面方向以膜狀進行結晶成長(二維成長)，一面沿厚度方向(主面之法線方向)進行結晶成長。如上所述，－c面側為化學性不穩定，因此，結晶成長時易於導入雜質。藉此，使III族氮化物半導體進行結晶成長時，易於導入作為雜質之In原子。因而，即便相對難以導入In原子之高溫條件(例如750℃以上)下，亦可使In成分較多之III族氮化物半導體成長。
如此，因可使含In之活性層於高溫條件下成長(若溫度相同，則可使In成分更高之活性層成長)，故此種活性層之抗熱損傷性增強。即，活性層之成長溫度與p型層或n型層之成長溫度之差較小，故可抑制熱影響所造成之活性層特性劣化。其結果，可實現發光效率較高之半導體發光元件。
又，III族氮化物半導體積層構造之主面為無自發極化或壓電極化之非極性面，因此，於以多重量子井層構成之情形時，量子井中之自發壓電極化之載子分離受到抑制。藉此，可使內部量子效率超過使用以c面為主面之III族氮化物半導體之情形，因此，可提昇發光效率。
於上述活性層之發光波長為450 nm以上之情形時，本發明之效果增強。於發光波長為450 nm以上(例如，450 nm以上550 nm以下。更具體而言，例如500 nm)之情形時，必須使活性層之In成分為例如15%以上(例如15%以上25%以下。於發光波長為500 nm之情形時為例如20%)。藉由應用本發明，可使In成分較高之活性層於相對高溫(例如750 ℃以上)條件下如此成長。因而，450 nm以上之波長區域，亦可抑制活性層之熱損傷，實現發光效率較高之半導體發光元件。
構成上述III族氮化物半導體積層構造之III族氮化物半導體，較好的是，相對c軸方向之偏離角θ滿足－1°<θ<0°。可藉由使用此種範圍之偏離角之非極性面，而使III族氮化物半導體積層構造含有缺陷較少之良好結晶構造。其結果，可進一步提昇發光效率。
本發明之半導體元件之製造方法係用以製造如下半導體發光元件之方法，該半導體發光元件含有III族氮化物半導體積層構造者，該III族氮化物半導體積層構造含有包含In之活性層及以夾持該活性層之方式積層之p型層與n型層。該方法具有藉由以相對c軸方向之偏離角為負的非極性面為主面，使III族氮化物半導體成長，來形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟。
可藉由該方法，而於相對高溫之條件下使包含In之活性層成長，因此，可以降低活性層之熱損傷。其結果，可實現發光效率較好之半導體發光元件。
於上述活性層之發光波長為450 nm以上之情形時，本發明之效果增大。為了於450 nm以上之波長區域進行發光，而必須提高活性層之In成分，而於本發明中，In成分較高之活性層之形成亦可於相對高溫之溫度條件下進行。藉此，即便於450 nm以上之波長區域中，亦可實現發光效率較好之半導體發光元件。
較好的是，上述主面為相對c軸方向之偏離角為負的m面。藉由將m面作為結晶成長之主面，可提昇結晶性。藉此，可實現更高性能之半導體發光元件。
較好的是，形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟包含使如下III族氮化物半導體成長之步驟，該III族氮化物半導體係以相對c軸方向之偏離角θ滿足－1°<θ<0°之非極性面為主面者。可藉由使偏離角θ之範圍為－1°<θ<0°，而形成平坦之III族氮化物半導體積層構造。藉此，可進一步提昇半導體發光元件之發光效率。
較好的是，形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟包含使III族氮化物半導體於如下III族氮化物半導體單晶基板上成長之步驟，該III族氮化物半導體單晶基板具有相對c軸方向之偏離角為負的主面。於該方法中，因使III族氮化物半導體積層構造於III族氮化物半導體單晶基板上成長，故可形成缺陷較少之結晶性良好的III族氮化物半導體積層構造。藉此，可獲得發光效率得以進一步提昇之半導體發光元件。
較好的是，上述III族氮化物半導體單晶基板為GaN基板。因使用GaN基板，III族氮化物半導體積層構造可成為缺陷較少之高品質結晶。藉此，可進而實現高性能之半導體發光元件。
本發明之上述或進而其它之目的、特徵及效果參照隨付圖式，並藉由下述實施形態之說明而能夠得以清晰。
圖1係用以說明本發明第1實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖，圖2係沿圖1之II－II線之縱剖面圖，圖3係沿圖1之III－III線之橫剖面圖。
該半導體雷射二極體係法布裏－柏羅型者，其包含基板1；III族氮化物半導體積層構造2，藉由結晶成長形成於基板1上；n側電極3，以接觸方式形成於基板1之背面(與III族氮化物半導體積層構造2相反側之表面)；p側電極4，以接觸方式形成於III族氮化物半導體積層構造2之表面。
於本實施形態中，基板1由GaN單晶基板構成。該基板1係以非極性面之一例之m面作為主面者，藉由該主面上之結晶成長，而形成III族氮化物半導體積層構造2。因而，III族氮化物半導體積層構造2包含以m面為結晶成長主面之III族氮化物半導體。
III族氮化物半導體積層構造2含有發光層(活性層)10、n型半導體層11、p型半導體層12。n型半導體層11相對於發光層10配置於基板1側，p型半導體層12相對於發光層10配置於p側電極4側。如此，發光層10由n型半導體層及p型半導體層夾持，形成雙異質接面。於發光層10中，自n型半導體層11注入電子，並自p型半導體層12注入電洞。藉由此等於發光層10中再鍵結，來產生光。
n型半導體層11係自基板1側依序將n型GaN接觸層13(例如厚度2 μm)、n型AlGaN披覆層14(厚度1.5 μm以下。例如厚度1.0 μm)及n型GaN導光層15(例如厚度0.1 μm)積層而構成者。另一方面，p型半導體層12係於發光層10之上，依 序將p型AlGaN電子阻隔層16(例如厚度20 nm)、p型GaN導光層17(例如厚度0.1 μm)、p型AlGaN披覆層18(厚度1.5 μm以下。例如厚度0.4 μm)及p型GaN接觸層19(例如厚度0.3 μm)積層而構成者。
n型GaN接觸層13係低電阻層。又，p型GaN接觸層19係用以取得與p側電極4之歐姆接觸的低電阻層。n型GaN接觸層13藉由對GaN高濃度摻雜例如作為n型摻雜劑之Si(摻雜濃度為例如3×1018 cm－3 )而製成n型半導體。又，p型GaN接觸層19藉由高濃度摻雜作為p型摻雜劑之Mg(摻雜濃度為例如3×1019 cm－3 )而製成p型半導體層。
n型AlGaN披覆層14及p型AlGaN披覆層18係產生將發光層10發出之光束縛於其等之間之光束縛效應者。n型AlGaN披覆層14係藉由對AlGaN高濃度摻雜例如作為n型摻雜劑之Si(摻雜濃度為例如1×1018 cm－3 )而製成n型半導體。又，p型AlGaN接觸層18係藉由高濃度摻雜作為p型摻雜劑之Mg(摻雜濃度為例如1×1019 cm－3 )而製成p型半導體層。n型AlGaN披覆層14之能帶隙寬於n型GaN導光層15，p型AlGaN披覆層18之能帶隙寬於p型GaN導光層17。藉此，可進行良好之束縛，故可實現低臨限值及高效率之半導體雷射二極體。
n型GaN導光層15及p型GaN導光層17係產生用以於發光層10中束縛載子(電子及電洞)之載子束縛效應的半導體層。藉此，發光層10中之電子及電洞之再鍵結之效率得以提昇。n型GaN導光層15係藉由對GaN高濃度摻雜例如作為 n型摻雜劑之Si(摻雜濃度為例如1×1018 cm－3 )而製成n型半導體，p型GaN導光層17係藉由對GaN高濃度摻雜作為p型摻雜劑之Mg(摻雜濃度為例如5×1018 cm－3 )而製成p型半導體。
p型AlGaN電子阻隔層16係藉由對AlGaN高濃度摻雜作為p型摻雜劑之例如Mg(摻雜濃度為例如5×1018 cm－3 )而形成之p型半導體，且防止由發光層10流出電子，而提昇電子及電洞之再鍵結效率。
發光層10係具有包含例如InGaN之MQW(multiple－quantum well)構造(多重量子井構造)，並藉由電子與電洞再鍵結而產生光，使該經產生之光放大之層。具體而言，發光層10係將InGaN層(例如厚度3 nm)與GaN層(例如厚度9 nm)交替重複多個週期進行積層而構成。於此情形時，InGaN層因使In之成分比為5%以上而使能帶隙變得相對較窄，構成量子井層。另一方面，GaN層起到能帶隙相對較寬之障壁層(障壁層)之功能。例如，InGaN層與GaN層交替重複2~7個週期進行積層，構成MQW構造之發光層10。藉由調整量子井層(InGaN層)中In之成分，使發光波長為400 nm~550 nm。較好的是，上述MQW構造中，包含In之量子井之數量為3以下。例如，使發光波長為450 nm以上時之量子井層之In成分為15%以上。更具體而言，發光波長為500 nm時之In成分為18%~22%。
p型半導體層12藉由去除其一部分，而形成脊狀條紋20。更具體而言，蝕刻去除p型接觸層19、p型AlGaN披覆 層18及p型GaN導光層17之一部分，形成橫剖面觀察大致呈梯形形狀(台形)之脊狀條紋20。該脊狀條紋20沿c軸方向形成。
III族氮化物半導體積層構造2含有一對端面21、22(劈裂面)，該一對端面係藉由脊狀條紋20之長度方向兩端之劈裂而形成者。該一對端面21、22相互平行，且均垂直於c軸。如此，藉由n型GaN導光層15、發光層10及p型GaN導光層17，形成以端面21、22為共振器端面之法布裏一柏羅共振器。即，由發光層10產生之光一面折返於共振器端面21、22之間，一面藉由受激放射而得以放大。繼之，經放大之光之一部分自共振器端面21、22於元件外作為雷射光被截取。
n側電極3及p側電極4含有例如Al金屬，分別歐姆連接於基板1及p型接觸層19。設有覆蓋n型GaN導光層17及p型AlGaN披覆層18之露出面的絕緣層6，以使p側電極4僅接觸脊狀條紋20頂面之p型GaN接觸層19。藉此，可使電流集中於脊狀條紋20，因此，能夠進行高效率雷射振盪。又，脊狀條紋20之表面，由於與p側電極4接觸之接觸部以外之區域由絕緣層6覆蓋而得以保護，故可緩慢進行橫向光束縛且易於進行控制，並且可防止來自側面之洩漏電流。絕緣層6可由折射率大於1之絕緣材料，例如以SiO2 或ZrO2 構成。
進而，脊狀條紋20之頂面為m面，p側電極4形成於該m面上。且，形成著n側電極3之基板1之背面亦為m面。如 此，p側電極4及n側電極3均形成於m面，因此，可實現雷射之高輸出化與充分耐高溫動作之可靠性。
共振器端面21、22分別由絕緣膜23、24(於圖1中省略圖示。)被覆。共振器端面21為＋c軸側端面，共振器端面22為－c軸側端面。即，共振器端面21之結晶面為＋c面，共振器端面22之結晶面為－c面。－c面側之絕緣膜24可起到保護溶於鹼等化學性較弱之－c面之保護膜的功能，故有助於半導體雷射二極體70之可靠性提昇。
如圖4圖解所示，以被覆作為＋c面之共振器端面21之方式形成之絕緣膜23含有例如ZrO2 之單膜。相對於此，作為－c面之共振器端面22上所形成之絕緣膜24由多重反射膜構成，該多重反射膜係例如SiO2 膜與ZrO2 膜經交替重複多次(圖4之例中為5次)積層者。構成絕緣膜23之ZrO2 之單膜，其厚度為λ/2n1 (其中，λ為發光層10之發光波長。n1 為ZrO2 之折射率)。另一方面，構成絕緣膜24之多重反射膜之構造為交替積層著膜厚λ/4n2 (其中，n2 為SiO2 之折射率)之SiO2 膜與膜厚λ/4n1 之ZrO2 膜。
藉由此種構造，＋c軸側端面21之反射率變小，－c軸側端面22之反射率變大。更具體而言，例如，使＋c軸側端面21之反射率為20%左右，－c軸側端面22之反射率為99.5%左右(約100%)。因而，更大之雷射輸出自＋c軸側端面21出射。亦即，該半導體雷射二極體70中，使＋c軸側端面21為雷射出射端面。
根據此種構成，將n側電極3及p側電極4連接於電源，自 n型半導體層11及p型半導體層12將電子及電洞注入發光層10中，藉此，於該發光層10內產生電子及電洞之再鍵結，產生波長400 nm~550 nm之光。該光一面沿導光層15、17折返於共振器端面21、22之間，一面藉由受激發射而得以放大。繼之，自作為雷射出射端面之共振器端面21，更多之雷射輸出被截取至外部。
圖5係表示III族氮化物半導體之結晶構造之單位晶胞的圖解示意圖。III族氮化物半導體之結晶構造可於六方晶系中近似，4個氮原子鍵結於一個III族原子中。4個氮原子位於III族原子配置於中央之正四面體之4個頂點。此等4個氮原子中，一個氮原子相對III族原子位於＋c軸方向，其餘三個氮原子相對III族原子位於－c軸側。由於此種構造，III族氮化物半導體中，極化方向沿著c軸延伸。
c軸沿著六角柱之軸方向，且以該c軸為法線之面(六角柱之頂面)為c面(0001)。若於平行於c面之2個面中劈裂III族氮化物半導體之結晶，則＋c軸側之面(＋c面)成為排列著III族原子之結晶面，－c軸側之面(－c面)成為排列著氮原子之結晶面(氮面)。因此，c面因於＋c軸側與－c軸側表現不同之性質，故稱為極性面(Polar Plane)。
由於＋c面與－c面為不同之結晶面，因此，與此相應，表現出不同物性。具體而言，可知悉＋c面中耐鹼性強等對於化學反應性之耐受性高，相反，－c面中化學性弱，例如溶解於鹼。
另一方面，六角柱之側面分別為m面(10－10)，通過不相 鄰之一對棱線之面為a面(11－20)。其等係相對於c面呈直角之結晶面，因直交於極化方向，故其係無極性之平面，即非極性面(Nonpolar Plane)。
例如，以m面為主面之GaN單晶基板可自以c面為主面之GaN單晶中切割製成。經切割之基板之m面藉由例如化學機械研磨處理進行研磨，使(0001)方向(c軸方向)相關之方位誤差(相對c軸方向之偏離角)為－1°~0°(較好的是－0.3°~0°)，使(11－20)方向(a軸方向)相關之方位誤差為±1°以內(較好的是±0.3°以內)。如此，可獲得以m面為主面，且不存在所謂位錯與積層缺陷之結晶缺陷之GaN單晶基板。於此種GaN單晶基板之表面，僅會產生原子級之階差(階梯)。
特尤其於該實施形態中，以使相對c軸方向之偏離角θ具有－1°<θ<0(較好的是－0.3°<θ<0)範圍之負值之方式，確定GaN單晶基板之主面方位。
於如此獲得之GaN單晶基板上，可藉由有機金屬氣相成長法，使構成半導體雷射二極體構造之III族氮化物半導體積層構造2進行成長。
若於以m面為主面之GaN單晶基板1上，使以m面為成長主面之III族氮化物半導體積層構造2成長，並以電子顯微鏡(STEM(scanning transmission electron microscope)：掃描穿透式電子顯微鏡)觀察沿a面之剖面，則於III族氮化物半導體積層構造2中並未觀察到表現位錯存在的條紋。繼之，若以光學顯微鏡觀察表面狀態，則可知悉c軸方向之 平坦性(最後部與最低部之高度差)為10以下。此意謂著發光層10，尤其是量子井層之相對c軸方向之平坦性為10以下，故可降低發光光譜之半頻寬。如此，由於使用GaN單晶基板作為基板1，III族氮化物半導體積層構造2可具有缺陷較少之高結晶品質。其結果，可實現高性能之雷射二極體。
進而，又，因於實質上無位錯之GaN單晶基板上使III族氮化物半導體積層構造成長，該III族氮化物半導體積層構造2可製成自基板1之再成長面(m面)中並未產生積層缺陷與穿透位錯之良好結晶。藉此，可抑制缺陷引起之發光效率下降等特性劣化。
又，於以m面為主面之GaN單晶基板上進行結晶成長之III族氮化物半導體係以m面為成長主面進行成長。於以c面為主面進行結晶成長之情形時，存在因c軸方向之極化影響，使得發光層10中之發光效率降低之可能性。相對於此，若以m面作為結晶成長主面，則量子井層中之極化會得以抑制，使得發光效率增加。藉此，可實現臨限值下降與斜波效率增加。又，因極化較少，故發光波長之電流依存性得以抑制，可實現穩定之振盪波長。
進而，又，因以m面為主面，使得c軸方向及a軸方向上產生物性之各向異性。此外，於含In之發光層10(活性層)，產生藉由晶格應變之雙軸性應力。其結果，量子帶構造成為與以c面作為主面進行結晶成長之活性層不同者。因而，可獲得與以c面為成長主面之活性層之情形不 同的增益，提昇雷射特性。
又，可藉由以m面作為結晶成長之主面，而極其穩定地使III族氮化物半導體結晶進行成長，與以c面或a面作為結晶成長主面之情形相比，可提昇結晶性。藉此，便能製成高性能之雷射二極體。
發光層10包含以m面作為結晶成長主面進行成長之III族氮化物半導體，因此，由此產生之光朝向a軸方向，即平行於m面之方向偏光，於TE模式之情形時，其行進方向為c軸方向。因而，半導體雷射二極體70之結晶成長主面平行於偏光方向，且，條紋方向，即波導管之方向被設定為與光之行進方向平行。藉此，可易於產生TE模式之振盪，故可降低用以產生雷射振盪之臨限值電流。
圖6係用以說明GaN單晶基板1之相對c軸方向之偏離角θ的圖。GaN單晶基板1之主面為m面，同軸m面之法線方向與m軸方向一致。該m軸方向為基準方向。實際之主面法線方向1A相對於基準方向(m軸方向)具有偏離角。對於該法線方向1A之a面(包含c軸及m軸之平面)的正射投影對基準方向(m軸方向)所成之角為相對c軸方向之偏離角。法線方向1A之上述正射投影相對基準方向傾斜於＋c軸側時，偏離角θ取正值。相反，法線方向1A之上述正射投影相對基準方向傾斜於－c軸側時，偏離角θ取負值。於該實施形態中，如上所述，偏離角θ取負值。
圖7係表示GaN單晶基板上之III族氮化物半導體之結晶成長之情況的圖解示意圖。於該圖7中，圖解表示沿包含c 軸方向與m軸方向之平面(即，a面)之剖面。
GaN單晶基板1之主面中，相對c軸方向之偏離角具有－1°~0°之負值。於該GaN單晶基板1之表面，產生有原子級階梯100。各階梯100成為朝向－c軸方向之表面，即－c面(氮面)。若於此種GaN單晶基板1之主面上使III族氮化物半導體結晶進行成長，則半導體結晶將一面沿－c軸方向呈膜狀進行二維成長，一面朝向厚度方向(m軸方向)不斷進行結晶成長。
如上所述，因－c面為化學性不穩定之表面，故結晶成長時易於摻入雜質。該實施形態中，利用此情況而於相對高溫條件(例如750℃以上)下大量(例如15%以上)摻入作為雜質之In原子，於450 nm以上之長波長區域使含有發光波長之發光層10進行成長。
圖8係用以說明用以使構成III族氮化物半導體積層構造2之各層進行成長之處理裝置之構成的圖解示意圖。處理室30內配置有內置加熱器31之承載器32。承載器32與旋轉軸33結合，該旋轉軸33藉由配置於處理室30外之旋轉驅動機構34進行旋轉。藉此，可藉由使承載器32保持處理對象之晶圓35，而於處理室30內將晶圓35升溫至特定溫度，且使之旋轉。基板35係構成上述GaN單晶基板1之GaN單晶晶圓。
排氣配管36連接於處理室30。排氣配管36連接於旋轉泵等排氣設備。藉此，使處理室30內之壓力為1/10大氣壓~常壓，處理室30內之環境氣體得以始終維持排氣。
另一方面，於處理室30中，朝向由承載器32保持之晶圓35之表面，導入用以供給原料氣體之原料氣體供給路徑40，於該原料氣體供給路徑40中，連接有氮原料配管41，其供給作為氮原料氣體之氨；鎵原料配管42，其供給作為鎵原料氣體之三甲基鎵(TMG，Trimethylgallium)；鋁原料配管43，其供給作為鋁原料氣體之三甲基鋁(TMA1，Trimethyl－aluminum)；銦原料配管44，其供給作為銦原料氣體之三甲基銦(TMIn，Trimethyl－indium)；鎂原料配管45，其供給作為鎂原料氣體之乙基環戊二烯基鎂(EtCp2 Mg)；矽原料配管46，其供給作為矽原料氣體之矽烷(SiH4 )。於此等原料配管41~46中，分別插入安裝著閥門51~56。各原料氣體均與氫、氮或包含此兩者之載氣一併被供給。
例如，將以m面為主面之GaN單晶晶圓作為晶圓35而由承載器32加以保持。於此狀態下，預先關閉閥門52~56，打開氮原料閥門51，對處理室30內供給載氣及氨氣(氮原料氣體)。進而，對加熱器31通電，使晶圓溫度升溫至1000℃~1100℃(例如1050℃)為止。藉此，可使GaN半導體成長而不致使表面粗糙。
待機至晶圓溫度達到1000℃~1100℃為止後，打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52及矽原料閥門56。藉此，自原料氣體供給路徑40供給載氣之同時，一併供給氨、三甲基鎵及矽烷。其結果，包含摻雜有矽之GaN層之n型GaN接觸層13於晶圓35之表面上進行成長。
其次，除了氮原料閥門51、鎵原料閥門52及矽原料閥門56以外，亦打開鋁原料閥門53。藉此，自原料氣體供給路徑40與載氣一併供給氨、三甲基鎵、矽烷及三甲基鋁。其結果，於n型GaN接觸層13使n型AlGaN披覆層14進行磊晶成長。
其次，關閉鋁原料閥門53，開啟氮原料閥門51、鎵原料閥門52及矽原料閥門56。藉此，自原料氣體供給路徑40與載氣一併供給氨、三甲基鎵及矽烷。其結果，於n型AlGaN披覆層14上使n型導光層進行磊晶成長。
其次，關閉矽原料閥門56，使多重量子井構造之發光層10(活性層)進行成長。發光層10之成長可藉由使InGaN層成長之步驟與使無添加之GaN層成長之步驟交替實行來進行，使InGaN層成長之步驟係藉由打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52及銦原料閥門54對晶圓35供給氨、三甲基鎵及三甲基銦來進行的，使無添加之GaN層成長之步驟係藉由關閉銦原料閥門54，打開氮原料閥門51及鎵原料閥門52對晶圓35供給氨及三甲基鎵來進行的。例如，首先形成GaN層，再於其上形成InGaN層。例如，經5次反覆進行。較好的是，發光層10之形成時，使晶圓35之溫度為例如750℃~800℃。較好的是，此時使成長壓力為700 torr以上，藉此，可提昇耐熱性。
如上所述，因結晶成長沿－c軸方向呈膜狀推進，故作為量子井層之InGaN層之成長時，易於摻入作為雜質之In原子。因此，形成InGaN層時，可使其條件為相對高溫之條 件(750℃以上)。於此種高溫條件中，亦可形成In成分較高之InGaN層。例如，為實現450 nm以上(例如500 nm)之發光波長而使In成分為15%以上(例如20%)之情形時，亦可使溫度條件為780℃左右。又，即便使發光波長為450 nm之情形時，亦可於更高溫度下使InGaN進行成長。
如此，形成發光層10後，繼而，形成p型電子阻隔層16。即，打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52、鋁原料閥門53及鎂原料閥門55，並關閉其它閥門54、56。藉此，對晶圓35供給氨、三甲基鎵、三甲基鋁及乙基環戊二烯基鎂，形成包含摻雜有鎂之AlGaN層之p型電子阻隔層16。較好的是，於該p型電子阻隔層16形成時，使晶圓35之溫度為1000℃~1100℃(例如1000℃)。
其次，關閉鋁原料閥門53，打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52及鎂原料閥門55。藉此，對晶圓35供給氨、三甲基鎵及乙基環戊二烯基鎂，形成包含摻雜有鎂之p型GaN層之導光層17。較好的是，於該p型GaN導光層17形成時，使晶圓35之溫度為900℃~1100℃(例如1000℃)。
其次，再次打開鋁原料閥門53。即，打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52、鋁原料閥門53及鎂原料閥門55，關閉其他閥門54、56。藉此，對晶圓35供給氨、三甲基鎵、三甲基鋁及乙基環戊二烯基鎂，形成包含摻雜有鎂而製成p型之AlGaN層之披覆層18。較好的是，於該p型AlGaN披覆層18形成時，使晶圓35之溫度為900℃~1100℃(例如1000℃)。
其次，形成p型接觸層19。即，打開氮原料閥門51、鎵原料閥門52及鎂原料閥門，關閉其他閥門53、54、56。藉此，對晶圓35供給氨、三甲基鎵及乙基環戊二烯基鎂，形成包含摻雜有鎂之GaN層之p型GaN接觸層19。較好的是，於p型GaN接觸層19形成時，使晶圓35之溫度為900℃~1100℃(例如1000℃)。
較好的是，使構成p型半導體層12之各層於1000℃以下之平均成長溫度下進行結晶成長。藉此，可以降低對發光層10之熱損傷。
於晶圓35(GaN單晶基板1)上使III族氮化物半導體積層構造2之構成層10、13~19進行成長時，任何層進行成長時，氮原料(氨)之莫耳分率對於供給至處理室30內之晶圓35之鎵原料(三甲基鎵)之莫耳分率之比率即V/III比均維持於1000以上(較好的是3000以上)之高值。更具體而言，較好的是，於n型披覆層14至最上層之p型接觸層19中，V/III比之平均值為1000以上。藉此，於n型披覆層14、發光層10及p型披覆層18之所有層中，可獲得點缺陷較少之良好結晶。
該實施形態中，使用如上所述之高V/III比，且，於GaN單晶基板1與III族氮化物半導體積層構造2之間未插入緩衝層，以m面等作為主面之III族氮化物半導體積層構造2以無位錯之狀態，且平坦地進行成長。該III族氮化物半導體積層構造2不具有自GaN單晶基板1之主面中產生之積層缺陷與穿透位錯。
如此，若於晶圓35上使III族氮化物半導體積層構造2進行成長，則該晶圓35將被移至蝕刻裝置中，藉由例如電漿蝕刻等幹式蝕刻，去除p型半導體層12之一部分，形成脊狀條紋20。該脊狀條紋20形成為平行於c軸方向。
於脊狀條紋20形成後，再形成絕緣層6。絕緣層6之形成係使用例如剝離步驟進行的。即，形成條紋狀光罩後，以覆蓋所有的p型AlGaN披覆層18及p型GaN接觸層19之方式形成絕緣體薄膜後，可剝離該絕緣體薄膜，使p型GaN接觸層19露出，形成絕緣層6。
其次，形成與p型GaN接觸層19歐姆接觸之p側電極4，再形成與基板1歐姆接觸之n側電極3。此等電極3、4之形成可藉由例如電阻加熱或電子束之金屬蒸鍍裝置進行。
其次之步驟係分割單獨元件。即，將晶圓35沿平行於脊狀條紋20之方向及與其垂直之方向劈裂，切割構成半導體雷射二極體之單個元件。平行於脊狀條紋之方向之相關劈裂係沿a面進行。又，垂直於脊狀條紋20之方向之相關劈裂係沿c面進行。如此，包含＋c面之共振器端面21與包含－c面之共振器端面22得以形成。
其次，於共振器端面21、22分別形成上述絕緣膜23、24。該絕緣膜23、24之形成可藉由例如電子回旋加速器共振(ECR)成膜法進行。
如上所述，根據該實施形態，使用以相對c軸方向之偏離角θ具有－1°<θ<0°範圍負值之m面為主面的GaN單晶基板1，並於該GaN單晶基板1之主面上使III族氮化物半導體積 層構造2進行結晶成長。藉此，於發光層10形成時，可於相對高溫之條件下形成In成分較高之InGaN層。因而，發光層10具有對熱損傷之良好耐受性。因此，可抑制形成發光層10後形成p型半導體層12時之特性劣化。藉此，可獲得發光效率高之氮化物半導體發光元件。尤其於提高發光層10之In成分獲得長波長(450 nm以上)化之情形時，可實現優良之發光效率。
圖9係表示本發明第2實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖，圖10係表示沿圖9之切割線X－X的縱剖面圖。於此等圖9及圖10中，對相當於上述圖1~圖3所示之各部分的部分賦予相同之參考符號進行表示。
該實施形態之半導體雷射二極體80中，脊狀條紋20形成為與a軸方向平行，因而，共振器端面21、22均為a面。此等共振器端面21、22亦係藉由劈裂形成之劈裂面。
使III族氮化物半導體積層構造2進行磊晶成長時產生之積層缺陷係平行於c面產生的。因此，上述第1實施形態之構成中，積層缺陷與波導路徑交叉。相對於此，該實施形態中，使條紋方向平行於a軸，因而，波導路徑平行於a軸。繼而，因a軸與c面平行，故與c面平行產生之積層缺陷不會與波導管交叉。藉此，可避免積層缺陷所導致之光波導影響與洩漏電流增加。
圖11係用以說明本發明第3實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖。於該圖11中，對相當於上述圖1所示之各部分的部分賦予相同之參考符號進行表示。
該實施形態之半導體雷射二極體90中，III族氮化物半導體積層構造2於基板1與n型GaN接觸層13之間，插入著含有具有雙軸性應力之In的層，即n型InGaN層26(例如，厚度0.1 μm。n型雜質濃度為1×1018 cm－3 )。因設置該n型InGaN層26，故可藉由該雙軸性應力，來抑制III族氮化物半導體積層構造2中產生與c面平行之裂縫。
將基板1作為以m面為主面之GaN單晶基板1，並於其上使III族氮化物半導體積層構造2進行成長，則其成長主面為m面，當然，n型InGaN層26亦以m面作為成長主面進行成長。藉此，n型InGaN層26便具有雙軸性應力。
以上就本發明之3個實施形態進行了說明，本發明亦可進而以其它形態實施。
例如，於上述實施形態中，列舉使用以相對c軸方向之偏離角θ具有－1°<θ<0°範圍負值之m面為主面的III族氮化物半導體積層構造2進行了說明，但亦可藉由以其它非極性面即a面作為主面之III族氮化物半導體形成III族氮化物半導體積層構造2。於此情形時，III族氮化物半導體積層構造2由以相對c軸方向之偏離角θ具有－1°<θ<0°範圍負值之a面為主面的III族氮化物半導體構成即可。此種III族氮化物半導體積層構造2可形成於如下GaN半導體單晶基板上，該GaN半導體單晶基板以相對c軸方向之偏離角θ具有－1°<θ<0°範圍負值之a面為主面。
又，構成III族氮化物半導體積層構造2之各層層厚與雜質濃度等均為一例，故可選擇使用適當之值。又，披覆層 14、18不必為AlGaN之單層，亦可藉由AlGaN單層與GaN層所構成之超晶格來構成披覆層。
又，亦可於形成III族氮化物半導體積層構造2之後以雷射剝離等去除基板1，製成無基板1之半導體雷射二極體。
進而，又於上述實施形態中，以半導體雷射二極體為例進行了說明，當然，本發明亦可應用於如發光二極體之其它構造的半導體發光元件，且可提昇其發光效率。
儘管已就本發明之實施形態進行了詳細說明，但此等僅係用以解析本發明之技術內容之具體例，本發明並不應該解釋為受到此等具體例限定，本發明之精神及範圍僅受隨附之申請專利範圍限制。
該申請案對應於2007年6月8日向日本國專利廳提出之特願2007－153045號，且於此藉由引用編入該申請案之所有揭示。
1‧‧‧基板(GaN單晶基板)
1A‧‧‧主面之法線方向
2‧‧‧III族氮化物半導體積層構造
3‧‧‧n側電極
4‧‧‧p側電極
6‧‧‧絕緣層
10‧‧‧發光層
11‧‧‧n型半導體層
12‧‧‧p型半導體層
13‧‧‧n型GaN接觸層
14‧‧‧n型AlGaN披覆層
15‧‧‧n型GaN導光層
16‧‧‧p型AlGaN電子阻隔層
17‧‧‧p型GaN導光層
18‧‧‧p型AlGaN披覆層
19‧‧‧p型GaN接觸層
20‧‧‧脊狀條紋
21‧‧‧端面
22‧‧‧端面
23‧‧‧絕緣膜
24‧‧‧絕緣膜
26‧‧‧n型InGaN層
30‧‧‧處理室
31‧‧‧加熱器
32‧‧‧承載器
33‧‧‧旋轉軸
34‧‧‧旋轉驅動機構
35‧‧‧基板
36‧‧‧排氣配管
40‧‧‧原料氣體導入路徑
41‧‧‧氮原料配管
42‧‧‧鎵原料配管
43‧‧‧鋁原料配管
44‧‧‧銦原料配管
45‧‧‧鎂原料配管
46‧‧‧矽原料配管
51‧‧‧氮原料閥門
52‧‧‧鎵原料閥門
53‧‧‧鋁原料閥門
54‧‧‧銦原料閥門
55‧‧‧鎂原料閥門
56‧‧‧矽原料閥門
70‧‧‧半導體雷射二極體
80‧‧‧半導體雷射二極體
90‧‧‧半導體雷射二極體
100‧‧‧階梯(氮面)
圖1係用以說明本發明第1實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖。
圖2係沿圖1之II－II線之縱剖面圖。
圖3係沿圖1之III－III線之橫剖面圖。
圖4係用以說明形成於共振器端面之絕緣膜(反射膜)之構成的圖解示意圖。
圖5係表示III族氮化物半導體之結晶構造之單位晶胞的圖解示意圖。
圖6係用以說明GaN單晶基板之相對c軸方向之偏離角之 圖。
圖7係表示於GaN單晶基板上之III族氮化物半導體之結晶成長情況的圖解示意圖。
圖8係用以說明用以使構成III族氮化物半導體積層構造之各層成長之處理裝置之構成的圖解示意圖。
圖9係表示本發明第2實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖。
圖10係沿圖9之切割線X－X的縱剖面圖。
圖11係用以說明本發明第3實施形態之半導體雷射二極體之構成的立體圖。
1‧‧‧基板(GaN單晶基板)
2‧‧‧III族氮化物半導體積層構造
3‧‧‧n側電極
4‧‧‧p側電極
6‧‧‧絕緣層
10‧‧‧發光層
11‧‧‧n型半導體層
12‧‧‧p型半導體層
13‧‧‧n型GaN接觸層
14‧‧‧n型AlGaN披覆層
15‧‧‧n型GaN導光層
16‧‧‧p型AlGaN電子阻隔層
17‧‧‧p型GaN導光層
18‧‧‧p型AlGaN披覆層
19‧‧‧p型GaN接觸層
20‧‧‧脊狀條紋
21‧‧‧端面
70‧‧‧半導體雷射二極體

Claims (11)

  1. 一種半導體發光元件，其係包含如下III族氮化物半導體積層構造者，該III族氮化物半導體積層構造含有包含In之活性層及以夾持該活性層之方式積層之p型層與n型層，且上述III族氮化物半導體積層構造包含以相對c軸方向之偏離角為負之非極性面作為主面之III氮化物半導體。
  2. 如請求項1之半導體發光元件，其中上述活性層之發光波長為450 nm以上。
  3. 如請求項1或2之半導體發光元件，其中構成上述III族氮化物半導體積層構造之III族氮化物半導體中，相對c軸方向之偏離角θ滿足－1°<θ<0°。
  4. 一種半導體發光元件之製造方法，其係用以製造包含如下III族氮化物半導體積層構造之半導體發光元件者，該III族氮化物半導體積層構造具有包含In之活性層及以夾持該活性層之方式積層之p型層與n型層，且，上述半導體發光元件之製造方法包含藉由以相對c軸方向之偏離角為負之非極性面作為主面使III族氮化物半導體成長，來形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟。
  5. 如請求項4之半導體發光元件之製造方法，其中上述活性層之發光波長為450 nm以上。
  6. 如請求項4之半導體發光元件之製造方法，其中上述主面係相對c軸方向之偏離角為負之m面。
  7. 如請求項4至6中任一項之半導體發光元件之製造方法， 其中形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟包含使如下III族氮化物半導體成長之步驟，該III族氮化物半導體以相對c軸方向之偏離角θ滿足－1°<θ<0°之非極性面作為主面。
  8. 如請求項4至6中任一項之半導體發光元件之製造方法，其中形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟包含於具有相對c軸方向之偏離角為負之主面的III族氮化物半導體單晶基板上使III族氮化物半導體成長之步驟。
  9. 如請求項7之半導體發光元件之製造方法，其中形成上述III族氮化物半導體積層構造之步驟包含於具有相對c軸方向之偏離角為負之主面的III族氮化物半導體單晶基板上使III族氮化物半導體成長之步驟。
  10. 如請求項8之半導體發光元件之製造方法，其中上述III族氮化物半導體單晶基板為GaN基板。
  11. 如請求項9之半導體發光元件之製造方法，其中上述III族氮化物半導體單晶基板為GaN基板。
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