TWI518943B - 氮化物系半導體發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種主要使用氮化物系半導體(例如，通式InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)之半導體發光元件及使用其之發光裝置暨其製造方法。
作為夾持發光層而積層有p型半導體層與n型半導體層之半導體發光元件，發光二極體(LED，Light Emitting Diode)或半導體雷射(LD，Laser Diode)、暨使用該等之照明等發光裝置正在實用化。尤其，使用氮化物系材料(以下，有時總稱為「GaN」)之半導體發光元件可獲得藍色或綠色等之發光，故而亦正積極地進行其之研究開發。
作為製造該等半導體發光元件之方法，眾所周知於異質基板上使GaN成長之方法。於該方法中，對異質基板進行熱清洗(thermal cleaning)之後，於其上表面成長低溫緩衝層，其後，於高溫下使GaN層成長。此處使GaN層成長之目的係為了實現基板表面之平坦化或又消除來自異質基板之貫通凹坑等。其後，使n接觸層成長，而作為成為與n型歐姆電極之歐姆接合面且摻雜有n型雜質之層。進而其後，積層成為活性層之基底層之超晶格層並連接至活性層。
於此類製造方法中，因於異質基板上使GaN成長，故而存在於GaN層之無數個錯位自n接觸層、活性層轉移至p型半導體層。尤其，於活性層含有In之情形時存在結晶缺陷，該結晶缺陷依存於來自基底之錯位量。亦即，錯位越多，結晶缺陷亦越多，其結果較大地影響到非發光再結合概率。
另一方面，為了獲得高亮度且高效率之發光元件，增加井層之厚度或活性層之積層數(例如專利文獻1~5)。例如，於專利文獻1中，於構成活性層之半導體量子井構造之阻障層及井層內，改變井層之膜厚而可發出不同波長之光，並且使阻障層及井層之配對數於p側半導體層側多於n側半導體層側。又，於專利文獻2中，作為降低接近活性層之p型半導體層之p型雜質之摻雜量或者非摻雜，藉由將最接近p型半導體層之阻障層設為薄膜而改善電洞注入效率。
[專利文獻1]日本專利特開2009-99893號公報
[專利文獻2[日本專利特開2006-108585號公報
[專利文獻3[日本專利特開2008-109066號公報
[專利文獻4[日本專利特開2003-218396號公報
[專利文獻5[日本專利特開2002-223042號公報
然而，錯位或缺陷一旦產生則無法容易減少，尤其存在使活性層中之井層厚膜化或者增加積層數會導致錯位或缺陷進而增加之傾向。其結果，成為錯位或結晶缺陷較多之發光層而無法獲得較高之發光效率。於該情形時，即便使活性層中之井層厚膜化或者增加積層數，亦會僅增加串聯電阻成分，其結果，存在順向電壓Vf上升而妨礙高效率化之問題。
本發明係為解決先前之此類問題而完成者。本發明之主要目的在於提供一種抑制錯位或結晶缺陷所引起之發光效率之下降，減少串聯電阻成分，藉此實現更高效率化之發光元件。
為達成上述目的，本發明之半導體發光元件係一種氮化物系半導體發光元件，其係包括基板、夾持活性區域而積層於上述基板上之n型半導體層及p型半導體層者，上述活性區域包括：阻障層，其構成多重量子井構造；以及最終阻障層，其具有較上述阻障層之膜厚更厚之膜厚，且設置於最接近上述p型半導體層之側；於構成上述多重量子井構造之阻障層內，可使與上述最終阻障層相鄰接之2層阻障層之平均膜厚薄於其他阻障層之平均膜厚。藉此，減少p型半導體層側之電阻而可降低順向電壓，從而可獲得高效率之氮化物系半導體發光元件。
又，本發明之半導體發光元件係一種氮化物系半導體發光元件，其係包括基板、夾持活性區域而積層於上述基板上之n型半導體層及p型半導體層者，上述活性區域包括構成多重量子井構造之阻障層，上述阻障層至少包括：第一阻障層；以及第二阻障層，其設置於較上述第一阻障層而更靠上述p型半導體層側，且具有較上述第一阻障層之膜厚更薄之膜厚；可使上述第一阻障層之總數多於上述第二阻障層之總數。藉此，可獲得改善結晶性且提高發光效率之氮化物系半導體發光元件。
進而，上述活性區域包括設置於最接近上述p型半導體層之側之最終阻障層，可使上述最終阻障層之膜厚厚於上述第一阻障層及上述第二阻障層之各自之膜厚。藉此，可效率佳地填埋阻障層中產生之結晶缺陷，從而可獲得作為半導體元件而較高之可靠性。
進而又，於上述活性區域所含之阻障層之膜厚內，除上述最終阻障層以外，可使位於上述p型半導體層側之阻障層之膜厚形成得薄於位於上述n型半導體層側之阻障層之膜厚。藉此，改變阻障層之膜厚而減少電阻成分，由此可實現高效率化。
進而又，上述第一阻障層係與組成不同於上述第一阻障層之井層一起作為一個週期而重複積層複數個週期而成，可使上述第一阻障層之膜厚為上述井層之膜厚之2倍以上。藉此，改善發光再結合效率較高之n型半導體層側之結晶性，進而可提高發光效率。
進而又，上述阻障層係與組成不同於上述阻障層之井層一起作為一個週期而重複積層複數個週期而成，上述井層可包含InGaN，上述阻障層可包含GaN、或In之混晶比低於上述井層之InGaN、AlGaN。藉此，可以阻障層填埋井層中之結晶缺陷，從而可獲得高效率之發光元件。
進而又，可於構成上述活性區域之一個週期之井層與阻障層之間，分別設置有組成與上述井層1及阻障層1不同之上覆層。
進而又，上述上覆層可包含AlGaN層。藉此，可以AlGaN上覆層有效地阻止InGaN井層之In逃逸之事態，從而可維持較高之發光效率。
進而又，氮化物半導體發光元件亦可於活性區域內之阻障層內具有最薄膜厚之阻障層上積層p型半導體層。
以下，基於圖式對本發明之實施例進行說明。但以下所示之實施例係用以將本發明之技術思想加以具體化之例示氮化物系半導體發光元件者，本發明並未將氮化物系半導體發光元件特定為以下者。並非規定將申請專利範圍所示之構件特定為實施例之構件。尤其實施例所揭示之構成零件之尺寸、材質、形狀、其相對配置等只要無特別特定之記載則只不過為說明例，而非將本發明之範圍僅限定於此之宗旨。
再者，各圖式所示之構件之大小或位置關係等有時為明確說明而加以誇大。進而，於以下說明中，相同之名稱、符號表示相同或同質之構件，適當省略詳細說明。進而，構成本發明之各要素亦可設為由相同之構件構成複數個要素而由一個構件兼用複數個要素之態樣，相反亦可由複數個構件分擔實現一個構件之功能。又，一部分實施例、實施形態中說明之內容亦可利用於其他實施例、實施形態等。進而，於本說明書中，所謂層上等中所述之「上」，並不必須限定於與上表面接觸而形成之情形，亦可以如下意義使用，即，亦包括相隔而形成於上方之情形，亦包括層與層之間存在介插層之情形。
圖1中模式性地表示本發明之實施形態1之氮化物系半導體發光元件，具體而言模式性地表示發光裝置之元件構造。圖1之發光元件100係包括基板4、及積層於該基板4上之半導體構造10之氮化物系半導體發光元件。半導體構造10包括夾持活性區域13所積層之n型半導體層11及p型半導體層12。亦即，發光元件100係於基板4上依序積層n型半導體層11、活性區域13、p型半導體層12而構成。進而，發光元件100於去除p型半導體層12之一部分所露出之n型半導體層11上形成有n型電極21，並且於p型半導體層13之主面具有p型電極22。當經由該n型電極21及p型電極22分別對n型半導體層11及p型半導體層12供給電力時，自活性區域13射出光，以位於半導體構造10之上方之p型半導體層12側為主發光面側，亦即，主要自圖1之上方射出光。
活性區域13包括構成多重量子井構造之阻障層2。圖1之活性區域13係以包括井層1及組成與該井層1不同之阻障層2之複數層為一個週期而重複積層複數個週期而成之多重量子井構造。阻障層2至少包括：複數個第一阻障層1312；以及複數個第二阻障層1322，設置於較該第一阻障層1312更靠p型半導體層12側，且具有較第一阻障層1312之膜厚更薄之膜厚；第一阻障層1312之總數多於第二阻障層1322之總數。
又，活性區域13係與第一阻障層1312及第二阻障層1322之各個相對應而構成第一活性區域131及第二活性區域132。具體而言包括：(1)以包含第一井層1311及組成與該第一井層不同之第一阻障層1312之複數層為一個週期而積層複數個週期之多重量子井構造之第一活性區域131；以及(2)以包含第二井層1321及第二阻障層1322的複數層為一個週期而積層複數個週期之多重量子井構造之第二活性區域132，該第二井層1321設置於較第一活性區域131更靠p型半導體層12側且具有與第一井層1311大致相等之組成及膜厚，且該第二阻障層1322具有與該第一阻障層1312大致相等之組成且其膜厚薄於第一阻障層1312。又，第一活性區域之一個週期重複數多於第二活性區域之一個週期重複數。
於圖2之剖面圖表示半導體構造10之詳細內容。如該圖所示，半導體構造10係於n型半導體層11上積層有活性區域13、p型半導體層12而構成。進而，活性區域13係自n型半導體層11側朝向p型半導體層12側依序積層有第一活性區域131、第二活性區域132、最終阻障層15。亦即，最終阻障層15介於多重量子井構造與p型半導體層12之間，並位於最接近p型半導體層12之側。該最終阻障層15之膜厚厚於其他阻障層、亦即第一阻障層1312及第二阻障層1322之各自之膜厚。
第一活性區域131及第二活性區域132係分別以包含井層1311、1321及阻障層1312、1322之組(配對)為一個週期而重複積層複數個週期而成之多重量子井構造。圖2之第一活性區域131係將包含第一井層1311及第一阻障層1312之配對p1-1、p1-2、p1-3、p1-4積層4組，進而於該第一活性區域131上配置有第二活性區域132。第二活性區域132係同樣由包含第二井層1321及第二阻障層1322之配對p2-1、p2-2構成，於圖2之例中重複兩個週期而形成。構成第一活性區域131之各配對p1-1、p1-2、p1-3、p1-4之厚度分別大致相等，進而構成各配對之第一井層1311彼此之厚度、又第一阻障層1312彼此之厚度亦分別大致相等。同樣地，構成第二活性區域132之各配對p2-1、p2-2之厚度相等，第二井層1321彼此、又第二阻障層1322彼此之厚度亦大致相等。又，於圖之例中，將接近n型半導體層11之側設為第1井層1311，於該井層1311上積層有第1阻障層1312而構成配對，但接近n型半導體層11側之層並不限定於井層，亦可設為阻障層。
井層係組成中含有銦之半導體層，較佳為設為InGaN層。又，阻障層係組成與井層不同之半導體層，例如可列舉GaN層或In之混晶比低於井層之InGaN層、AlGaN層等，較佳為設為組成中不含銦之層。較佳為設為GaN層。
第二活性區域132之各第二井層1321之膜厚係與第一活性區域131之各第一井層1311之膜厚相等。使活性區域所含之各井層之膜厚大致相等之發光元件係可將輸出光之波長或色純度維持為恆定，並且改變阻障層之膜厚而可實現高效率化。另一方面，使面向p型半導體層12側之第二活性區域132之第二阻障層1322之膜厚薄於面向n型半導體層11側之第一活性區域131之第一阻障層1312。亦即，於活性區域13所含之阻障層之膜厚內，除最終阻障層15以外，位於p型半導體層12側之阻障層之膜厚形成為薄於位於n型半導體層11側之阻障層之膜厚。進而，於構成多重量子井構造之阻障層2內，與最終阻障層15相鄰接之2層阻障層1322之平均膜厚薄於其他阻障層1312之平均膜厚。因此，以第一阻障層1312之膜厚厚於第二阻障層1322之程度，構成第一活性區域131之各配對p1-1、...係構成為膜厚厚於構成第二活性區域132之各配對p2-1、...。換言之，於構成多重量子井構造之阻障層內，面向最終阻障層15之阻障層及於與面向該阻障層及最終阻障層15之側相反側相對向之阻障層之2層之平均膜厚薄於多重量子井構造所含之其他阻障層之平均膜厚。
阻障層發揮量子井效果，除此以外，亦具有填補井層中產生之結晶缺陷之作用。例如，如圖4所示，於InGaN層之井層中，In之混晶比越高，結晶缺陷或錯位越增加。尤其，於如綠色系之發光波長成為長波之情形時，有必要提高InGaN井層之In之混晶比。當In之混晶比上升時，結晶性變差而缺陷增加，該現象會隨著越重複進行層成長、亦即越朝向p型半導體層側(圖3中為上，圖4中為右)而變得越嚴重。於n型半導體層11上積層有p型半導體層12之圖4之構造中，自左越朝向右，缺陷或錯位越增加。為了改善此現象，進行如下處理，即，於InGaN井層上較厚地積層GaN阻障層且填埋結晶缺陷，並且阻止p型半導體層12之雜質擴散至活性區域側而混入井層之事態，因此改善活性區域之結晶性。然而，若阻障層變厚，則存在電阻成分增大而使ON時之順向電壓上升之問題。為解決該問題，本發明者積極研究之結果成功實現如下情形，即，維持n型半導體層11側之阻障層之厚度，並且削薄p型半導體層12側之阻障層，藉此降低順向電壓。
以使第一阻障層1312之膜厚較佳為第二阻障層1322之1.1倍~2.0倍、更佳為1.2~1.5倍左右之厚度之方式設定阻障層之膜厚。藉由如此設定，可充分發揮作為活性層之功能，另一方面可抑制串聯電阻成分變得太大，從而可避免活性區域之發光效率之下降。又，第一阻障層1312之膜厚較佳為井層1311、1321之膜厚之2倍以上。藉由加厚阻障層，可高效率獲得長波長之發光光譜。其原因在於：較厚之阻障層可填補因提高銦混晶比而產生之缺陷部位，故而可獲得良好之井層。尤其，於有助於發光再結合效率之n型半導體層11側加厚阻障層1312，藉此可更顯著地獲得發光效率之提高效果。
進而較佳為，使第二活性區域132之對積層數(積層之週期數)少於第一活性區域131之對積層數。具體而言，相對於第二活性區域132，將第一活性區域131之對積層數設為2倍以上、較佳為3倍以上之對積層數。藉由如此構成，充分發揮作為活性區域之功能，並且不會多餘增加串聯電阻成分，且發揮作為活性區域之基底層之作用，可避免降低發光效率之事態。
進而，如圖3所示，較佳為於井層與阻障層之間設置有組成與該等井層及阻障層不同之上覆層1313。上覆層1313係用以阻止組成中之銦自井層逃逸之層。作為上覆層，例如相對於InGaN井層而以AlGaN層構成。將此類上覆層1313積層於井層之上表面而封閉，藉此阻止銦之分解，從而可改善發光效率。
使積層於最接近p型半導體層12之位置之最終阻障層15之膜厚厚於第一阻障層1312或第二阻障層1322。尤其，將最終阻障層15之膜厚設為第二阻障層1322之膜厚以上，藉此可效率佳地填埋第二活性區域132中產生之結晶缺陷，可獲得作為半導體元件較高之可靠性。再者，於除最終阻障層15以外之阻障層充分填補活性區域13內之結晶缺陷，尤其高效率地確保n型半導體層11附近之發光再結合效率之情形時，將最終阻障層15之厚度設為最接近之其他阻障層(依據圖2之例，為第二活性區域132之配對p2-2的第二阻障層1322)之厚度同等程度即可。或者，省略最終阻障層15，於構成活性區域內之多重量子井構造之阻障層內，亦可於位於最上部之阻障層、亦即具有最薄之膜厚之阻障層上積層有p型半導體層。
於以上例中，對將半導體層之活性區域13分割成第一活性區域131與第二活性區域132之2個組之例進行了說明，但並不限定於該構成，當然亦可分割成3個以上之活性區域。圖5中，作為變形例，例示將活性區域13自n型半導體層11側朝向p型半導體層12側依序分割成第一活性區域131、第二活性區域132、第三活性區域133之三個組。亦於該構成中，於第一活性區域131、第二活性區域132、第三活性區域133中，將井層之厚度維持為恆定，並且將阻障層之厚度設定為第一活性區域131>第二活性區域132>第三活性區域133。藉此，與上述相同之方式減少電阻成分而實現順向電壓之下降。又，藉由增加井層與阻障層之配對數，可降低順向電壓Vf，可改善發光效率(流明/瓦特(Lumen Per Watt))。此時，將配對數設為第一活性區域131>第二活性區域132>第三活性區域133，藉此可將載子均勻地注入到全部發光區域，故而可進一步改善發光效率。
具體而言，圖5之活性區域13係除圖2中所示之第一活性區域131及第二活性區域132以外，進而於上方積層有第三活性區域133，該第三活性區域133包含一組由第三井層1331及第三阻障層1332構成之配對p3-1。進而，於上述變形例中，將第一活性區域131、第二活性區域132、第三活性區域133各個之阻障層之厚度設為恆定且階段性地改變膜厚，但亦可以使阻障層之厚度自n型半導體層11側朝向p型半導體層12側慢慢變薄之方式，連續改變膜厚。
作為使半導體層成長之基板，可使用能夠於上表面使氮化物系半導體成長之基板且組成與氮化物系半導體不同之基板。作為構成此類異質基板之材料，例如為以C面、R面及A面之任一面為主面之藍寶石、尖晶石(如MgAl12O4之絕緣性基板)、與SiC(包含6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si及氮化物系半導體進行晶格匹配之氧化物基板等。作為較佳之異質基板，可列舉藍寶石、尖晶石。
又，亦可對異質基板進行倒角(off angle)。於該情形時，使用倒角成階梯狀之基板，藉此使包含氮化鎵之基底層結晶性良好地成長，故而較佳。進而使用異質基板之情形時，亦可於異質基板上使成為元件構造形成前之基底層之氮化物系半導體成長後，藉由研磨等方法去除異質基板，作為氮化物系半導體之單體基板而形成元件構造。又，於元件構造形成後，亦可去除異質基板。
於本實施例中，使用藍寶石基板作為成長基板，但亦可使用其他異質基板，例如除氮化物系半導體以外之基板。進而，亦可使用GaN基板來代替異質基板。
於使用異質基板之情形時，介隔作為低溫成長層之緩衝層及包含氮化物系半導體(例如GaN)之基底層而形成半導體層之元件構造。藉由如此插入緩衝層與基底層而使氮化物系半導體之成長變得良好。再者，將緩衝層或基底層設為僅一層，此外亦可包含複數層。又，亦可僅以緩衝層兼用基底層之功能。
若對本實施形態之氮化物系半導體發光元件之製造方法進行說明，則首先將包含3英吋Φ、以C面為主面之藍寶石之異質基板安放於MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy，有機金屬氣相磊晶法)反應容器內，並將溫度設為500℃，使用三甲基鎵(TMG，trimethyl gallium)、TMA(trimethyl aluminium三甲基鋁)、氨(NH3)，以250埃之膜厚使包含Al0.05Ga0.95N之緩衝層成長。其後，提昇溫度，以15000埃之膜厚使非摻雜之GaN成長而形成基底層。於該基底層上，依序積層成為元件構造10之n型半導體層11、活性區域13、p型半導體層12。
首先，於所獲得之基底層上，使用TMG、氨、作為雜質氣體之矽烷氣體，並於1150℃下以40000埃之膜厚使包含摻雜有Si之GaN之n型接觸層成長。
其次，將溫度設為900℃，原料氣體使用TMI、TMG及氨及且使用矽烷氣體作為雜質氣體，以22埃之膜厚使包含摻雜有Si之In0.05Ga0.95N之第一層成長，繼而，停止TMI，以11埃之膜厚使包含GaN之第二層成長。然後，將該操作分別重複30次而積層第一層與第二層，使包含總膜厚660之多層膜(超晶格構造)之介插層成長。此時，作為InGaN之In混晶比，只要為0.05以上且0.3以下之範圍，便可充分發揮作為緩衝層之功能。
如此，半導體發光元件可於n型半導體層與活性區域之間包含含有銦之介插層。於結晶性良好之n型半導體層與活性區域之間，設置有具有緩衝層之作用且含有銦之介插層(SLB層)，藉此可緩和對活性層之應力，可避免施加不必要之應力。再者，作為此類介插層，即便以溫度1000℃形成含有銦之非摻雜單層，亦可充分發揮作為緩衝層之功能。此外，亦可於介插層中摻雜n型雜質。藉此，可增加載子之注入效率或載子量，其結果，可獲得提高發光效率並且可降低Vf之效果。於該情形時，若進而摻雜有Si，則可降低電阻率，故而可設為低電阻之緩衝層。
進而，於下述活性區域之一個週期具備以含有銦之井層、組成與該井層不同之阻障層及組成與該等兩個層不同之上覆層之共計3層以上為一個週期之活性區域構造之情形時，亦可省略介插層。
其次，將溫度設為900℃，原料氣體使用TMG，以膜厚40形成摻雜有Si之GaN層，並於其上以膜厚20形成非摻雜之GaN層。
藉由以上步驟形成有n型半導體層11，繼而作為活性區域13，例如構成包括組成中含有銦之井層及組成中不含銦之阻障層之半導體層。具體而言，以包含非摻雜之In0.57Ga0.43N之井層及包含GaN之阻障層為1週期，以成為阻障層/井層/阻障層/井層/阻障層...之方式重複複數個週期而依序積層。此時，以p型半導體層側之阻障層(第二活性區域之第二阻障層)之膜厚薄於n型半導體層側之阻障層(第一活性區域之第一阻障層)之膜厚之方式形成。又，亦可於井層與阻障層之間，導入組成與該兩者不同之阻障層。如此構成多重量子井構造(MQW，Multiple Quantum Well)。進而，可於最接近p型半導體層之側形成有包含GaN之最終阻障層15。
其次，形成p型半導體層12。p型半導體層12亦可包括組成與阻障層相同之層。尤其，將p型半導體層設為AlGaN組成，藉此可使與InGaN井層之帶隙差大於GaN阻障層。其結果，抑制載子溢流而效率佳地封閉載子，從而可提高發光再結合效率。具體而言，首先，將溫度設為1050℃，原料氣體使用TMA、TMG及氨，並使用作為雜質氣體之Cp2Mg(環戊二烯基鎂(cyclopentadienyl magnesium))，以150埃之膜厚使包含摻雜有1×1019/cm3之Mg之Al0.3Ga0.7N之p型電子封閉層成長。藉由設置該電子封閉層，發揮成為載子之電子之封閉功能，從而有助於高輸出化。但亦可省略電子封閉層。
進而，於活性區域之構造為以含有銦之井層、組成與該井層不同之阻障層及組成與該等兩者不同之上覆層之共計3層以上為一個週期之構造之情形時，藉由設置摻雜有Mg之GaN層，亦可有助於高輸出。
其次，以相同之溫度，原料氣體使用TMG及氨，以2000埃之膜厚使非摻雜之GaN層成長。
進而，以相同之溫度，於非摻雜GaN層上，以1000埃之膜厚使包含摻雜有1×1020/cm3之Mg之GaN之p型低摻雜接觸層成長。作為此類p型低摻雜接觸層，可包含InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)。較佳為若設為摻雜有Mg之GaN，則可獲得低電阻之層。
最後，以相同之溫度，於p型低摻雜接觸層上，以150埃之膜厚使包含摻雜有1×1020/cm3之Mg之GaN之p型接觸層成長。p型接觸層可包含InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)。較佳為，若將p型接觸層設為摻雜有Mg之GaN層，則可獲得與p電極最佳之歐姆接觸。接觸層係形成電極之層，因此較理想的是設為1×1017/cm3以上之高載子濃度。若低於1×1017/cm3，則存在難以獲得與電極較佳之歐姆之傾向。進而，若將接觸層之組成設為GaN，則容易獲得與電極材料較佳之歐姆。如此結束反應後，於反應容器內，於氮環境氣體中，以700℃對晶圓進行退火，從而使p型半導體層更低電阻化。
又，半導體發光元件100係可射出具有與井層相對應之發光光譜之峰值之光。藉由上述製造方法，若為實施例之氮化物半導體發光元件100，則可將輸出光之波長設為530 nm以上。藉此，於綠色系或棕土系等長波長系之氮化物系半導體發光元件中，即便處於井層中之混晶比較高而結晶性變差之傾向，亦可較佳地改善發光效率。
使用如上所述製造之氮化物系半導體發光元件，進行確認利用本申請案發明之構成之有用性之試驗。具體而言，將具有圖2之半導體層構造之氮化物系半導體發光元件安裝於Φ5類型之炮彈型燈，測定其發光強度(Φe)與發光效率(W/Φe)。具體之半導體層構造中，將活性區域之對積層數設為12對，改變第一阻障層1312、第二阻障層1322之膜厚，進而改變第一阻障層1312、第二阻障層1322之對積層數之比率。此處，將井層之膜厚設為約30埃，將包含上覆層之第一阻障層1312之膜厚設為約150埃，將包含上覆層之第二阻障層1322之膜厚設為約100埃。再者，此處不含有螢光體，作為測定條件，將電流值設為20 mA，又，於各條件下將標本數設為5個，並將測定環境設為常溫之積分球。將該試驗結果示於圖6之圖表。如該圖表所示，使p型半導體層12側之第二阻障層1322薄於n型半導體層11側之第一阻障層1312時，發光強度及發光效率較高。進而，可確認如下情形，即，即便總對積層數相同，使p型半導體層12側之第二阻障層1322之對積層數小於n型半導體層11側之第一阻障層1312之對積層數時，發光強度及發光效率亦較高。尤其可確認如下情形，即，積層對數之比率(第一阻障層1312：第二阻障層1322)為9：3而非7：5時，表示發光強度及發光效率均優異之結果，加大積層對數之差時，效果較大。
進而，為確認第二阻障層1322之對積層數與順向電壓Vf之下降程度，進行改變對積層數之試驗。將該試驗結果示於圖7之圖表。如該圖表所示，自0起越增加第二阻障層1322之積層對數，越會發現順向電壓經過之傾向，尤其積層對數為3以上時會發現順向電壓顯著下降。
如上所述，藉由採用本發明之構成可確認出降低順向電壓而改善發光效率，從而可確認本發明之有用性。
本發明之氮化物系半導體發光元件及使用其之發光裝置暨其製造方法係可較佳地利用於照明用光源、發光元件、以發光元件為光源配置成點矩陣狀之LED顯示器、背光光源、信號機、照明式開關、影像掃描器等各種感測器及各種指示器等中。
1．．．井層
2．．．阻障層
4．．．基板
10．．．半導體構造
11．．．n型半導體層
12．．．p型半導體層
13．．．活性區域
15．．．最終阻障層
21．．．n型電極
22．．．p型電極
100．．．發光元件(氮化物系半導體發光元件)
131．．．第一活性區域
132．．．第二活性區域
133．．．第三活性區域
1311．．．第一井層
1312．．．第一阻障層
1312a．．．高溫成長阻障層
1312b．．．低溫成長阻障層
1313．．．上覆層
1321．．．第二井層
1322．．．第二阻障層
1331．．．第三井層
1332．．．第三阻障層
p1-1、p1-2、p1-3、p1-4．．．第一活性區域內之配對
p2-1、p2-2．．．第二活性區域內之配對
p3-1．．．第三活性區域內之配對
圖1係表示使用本發明之實施形態1之氮化物系半導體發光元件的發光裝置之元件構造之模式剖面圖。
圖2係表示圖1之氮化物系半導體發光元件之半導體構造之模式剖面圖。
圖3係表示阻障層之例之模式剖面圖。
圖4係表示電子及電洞在包含井層及阻障層之多重量子井構造之活性區域移動之情況之模式圖。
圖5係表示將變形例之活性區域分割成三個組之構成之模式剖面圖。
圖6係表示比較試驗1之結果之圖表。
圖7係表示比較試驗2之結果之圖表。
13．．．活性區域
15．．．最終阻障層
131．．．第一活性區域
132．．．第二活性區域
Claims (8)
- 一種氮化物系半導體發光元件，其特徵在於：其係包括基板、夾持活性區域而積層於上述基板上之n型半導體層及p型半導體層者，上述活性區域包括構成多重量子井構造之複數個井層與阻障層，上述阻障層至少包括：各層之厚度大致相等之第一阻障層；以及各層之厚度大致相等之第二阻障層，其設置於較上述第一阻障層更靠上述p型半導體層側，且具有較上述第一阻障層之膜厚更薄之膜厚；上述第一阻障層之總數多於上述第二阻障層之總數。
- 如請求項1之氮化物系半導體發光元件，其中上述活性區域進而包括設置於最接近上述p型半導體層之側之最終阻障層，上述最終阻障層之膜厚厚於上述第一阻障層及上述第二阻障層之各自之膜厚。
- 如請求項2之氮化物系半導體發光元件，其中於上述活性區域所含之阻障層之膜厚內，除上述最終阻障層以外，位於上述p型半導體層側之阻障層之膜厚形成為薄於位於上述n型半導體層側之阻障層之膜厚。
- 如請求項1至3中任一項之氮化物系半導體發光元件，其中上述第一阻障層係與組成不同於上述第一阻障層之井層一起作為一個週期而重複積層複數個週期而構成上述多重量子井構造， 上述第一阻障層之膜厚為上述井層之膜厚之2倍以上。
- 如請求項1至3中任一項之氮化物系半導體發光元件，其中上述阻障層係與組成不同於上述阻障層之井層一起作為一個週期而重複積層複數個週期而構成上述多重量子井構造，上述井層包含InGaN，上述阻障層包含GaN、或In之混晶比低於上述井層之InGaN、AlGaN。
- 如請求項5之氮化物系半導體發光元件，其中進而於構成上述活性區域之一個週期之井層與阻障層之間，分別設置有組成與上述井層及阻障層不同之上覆層。
- 如請求項6之氮化物系半導體發光元件，其中上述上覆層包含AlGaN層。
- 如請求項1之氮化物系半導體發光元件，其中於上述活性區域內之阻障層內，在具有最薄膜厚之阻障層上積層有上述p型半導體層。
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