TWI703741B - 氮化物半導體紫外線發光元件及氮化物半導體紫外線發光元件之製造方法 - Google Patents

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Abstract

氮化物半導體紫外線發光元件，係具備包含由具有藉著對(0001)面傾斜而被形成多階段狀平台的表面的藍寶石所構成的基板、與在基板表面上被形成的氮化鋁層之基底部，與在基底部表面上被形成的、具有AlGaN系半導體層的活性層之發光部。至少，基底部的氮化鋁層、發光部的活性層及其間的各層，係藉著多階段狀平台的側面成長藉由二維成長的階梯流動成長而形成；活性層具有至少包含1個由AlGaN所構成的井層之量子井構造；在活性層的表面，使25μm正方形區域的平均粗糙度成為井層的厚度以上且10nm以下。

Description

氮化物半導體紫外線發光元件及氮化物半導體紫外線發光元件之製造方法
本發明係關於在由藍寶石所構成的基板上側形成AlGaN系活性層而構成的氮化物半導體發光元件，特別是，有關峰值發光波長在紫外區域的氮化物半導體紫外線發光元件。
從前，將氮化鎵系的氮化物半導體使用在活性層之氮化物半導體藍色發光元件廣為普及。但是，將發光波長比此還短的AlGaN系的氮化物半導體使用在活性層之氮化物半導體紫外線發光元件，則依然並未十分普及。
其一原因，主要是可舉出由氮化鋁及氮化鎵的混晶所構成的AlGaN系氮化物半導體，相較於氮化鎵的鎵與氮之結合力，具有氮化鋁的鋁與氮之結合力極大之特殊情形，故而，高品質的結晶成長較難。特別是，作為AlGaN系氮化物半導體之成長方法，即使採用了已經確立的氮化鎵系氮化物半導體之成長方法，也無法作成與氮化 鎵同程度的高品質的結晶，因而成為課題。
緣此，種種用以使AlGaN系氮化物半導體的結晶性改善之方法被提出，例如有專利文獻1~4。具體而言，專利文獻1，係提出一種藉由將藍寶石基板上的緩衝層、由氮化鋁與氮化鎵交互地被層積形成複數個雙層(pair layers)，以抑制氮化鋁所產生的裂縫在上方延伸。此外，專利文獻2，係提出在藍寶石基板上形成由氮化鋁所構成的緩衝層時，藉由設置脈衝供給氮原料氣體NH3之期間，以局部地減低氮化鋁層的成長速度並使貫通差排減少之方法。此外，專利文獻3，係提出藉由將在藍寶石基板上已形成的由AlGaN所構成的島狀的核、用鋁組成比比該核還要大的AlGaN緩衝層徹底覆蓋，使貫通差排減少之方法。又，專利文獻4，係提出藉由將藍寶石基板的OFF角予以最適化，來改善基板上方被形成的AlGaN系氮化物半導體的結晶性之方法。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-66641號公報
[專利文獻2]日本特開2009-54780號公報
[專利文獻3]日本特開2013-222746號公報
[專利文獻4]國際公開第2013/021464號小冊
上述的專利文獻1~4所提出的方法，都是藉由將在基板或基板表面被形成的緩衝層(buffer layer)予以最適化，來謀求其上方被形成的氮化物半導體層結晶性的改善之方法。
確實地，若是將結晶成長的開始地點之基板或緩衝層予以最適化，是可以預料改善其上方的氮化物半導體層的結晶性。但是，以這樣的方法而可以預料改善的，只是裂縫或貫通差排等的從基底被傳播到上方各層之類的、在元件全體所產生的缺陷。因此，即便採用該等方法，發光的活性層也不一定被最適化。從而，藉由採用上述的專利文獻1~4所提出的方法而得到的氮化物半導體紫外線發光元件，光輸出也未必會被改善，因而成為課題。
於是，本發明之目的係在於提供一種具有光輸出良好的活性層之氮化物半導體紫外線發光元件。
為達成上述目的，本發明係提供一種氮化物半導體紫外線發光元件，其特徵係：包含由具有藉由對(0001)面傾斜而被形成多階段狀平台(terrace)的表面的藍寶石所構成的基板、與被形成在前述基板表面上的氮化鋁層之基底部，與被形成在前述基底部表面上之、包含具有AlGaN系半導體層的活性層之發光部；至少，前述基底部的前述氮化鋁層、前述發光部的前述活性層及其間 的各層，是利用藉由以多階段狀平台的側面成長以進行二維成長之階梯流動成長(step-flow growth)法而被形成的；前述活性層，係具有至少包含1個依AlXGa1-XN(0<X<1)被構成的井層之量子井構造；在前述活性層的表面，使25μm正方形區域的平均粗糙度成為前述井層的厚度以上且10nm以下。
根據該氮化物半導體紫外線發光元件，係能夠利用使活性層表面的平均粗糙度成為井層的厚度以上且10nm以下之類的階梯流動成長(step-flow growth)，藉由在活性層(特別是井層)產生鎵偏析，而使活性層的光輸出增大。
此外，在上述特徵的氮化物半導體紫外線發光元件，最好是在前述發光部所包含的前述活性層的表面，使25μm正方形區域的平均粗糙度成為3nm以上。
根據該氮化物半導體紫外線發光元件，會在活性層(特別是井層)充分地產生鎵偏析。因此，能夠使活性層的光輸出充分地增大。
此外，在上述特徵的氮化物半導體紫外線發光元件，最好是在前述發光部所包含的前述活性層的表面，使25μm正方形區域的平均粗糙度成為6nm以下。
根據此氮化物半導體紫外線發光元件，能夠使活性層的光輸出顯著地增大。
此外，在上述特徵的氮化物半導體紫外線發光元件，最好是在前述發光部所包含的、在前述活性層之 前被形成的層的表面，使25μm正方形區域的平均粗糙度成為前述井層的厚度以上且10nm以下。此外，在上述特徵之氮化物半導體紫外線發光元件，最好是使在前述活性層與前述發光部所包含的在前述活性層之前被形成的層之各個的表面之25μm正方形區域的平均粗糙度之差的絕對值，除以前述活性層表面的25μm正方形區域的平均粗糙度之比值，成為10%以下。
根據該等的氮化物半導體紫外線發光元件，由於利用成長表面的平均粗糙度被維持之均勻的成長來形成活性層，而能夠在活性層(特別是井層)確實地產生鎵偏析。從而，能夠使活性層的光輸出增大。
此外，在上述特徵的氮化物半導體紫外線發光元件，在前述基底部所包含的前述氮化鋁層的表面，以上面俯視，前述基板之傾斜方向的平台的平均幅寬最好為0.3μm以上且1μm以下。此外，在上述特徵的氮化物半導體紫外線發光元件，在前述基底部所包含的前述氮化鋁層的表面，平台所形成的階差的平均高度最好為8nm以上且14nm以下。
根據該等的氮化物半導體紫外線發光元件，能夠藉由在具有該氮化鋁層的基底部的表面上形成發光部，由於利用上述之類的階梯流動成長使鎵偏析產生而得到光輸出良好的活性層。
此外，在上述特徵之氮化物半導體紫外線發光元件，最好是在前述發光部所包含的前述活性層的表 面，使25μm正方形區域的高度的次數分佈(Frequency Distribution，亦即統計特定範圍的資料的個數)，隨著高度從0開始增大，而從向下凸的曲線變成向上凸的曲線之同時單調增加而達到極大值後，成為從向上凸的曲線變成向下凸的曲線之同時單調減少之曲線。
根據該氮化物半導體紫外線發光元件，能夠因為突丘(hillock)的影響小且階梯流動成長具支配性而使鎵偏析產生並得到光輸出良好的活性層。
此外，在上述特徵之氮化物半導體紫外線發光元件，峰值發光波長最好是230nm以上且340nm以下。
根據該氮化物半導體紫外線發光元件，能夠在活性層(特別是井層)充分產生鎵偏析使光輸出增大，而且，不易發生發光光譜的形狀崩壞或發光強度降低等之問題。
根據上述特徵之氮化物半導體紫外線發光元件，係能夠利用使活性層表面的平均粗糙度成為井層的厚度以上且10nm以下之類的階梯流動成長(step-flow growth)，藉由在活性層(特別是井層)產生鎵偏析，而使活性層的光輸出增大。從而，可以得到具有光輸出良好的活性層之氮化物半導體紫外線發光元件。
1‧‧‧發光元件(氮化物半導體紫外線發光元件)
10‧‧‧基底部
11‧‧‧基板
12‧‧‧氮化鋁層
20‧‧‧發光部
21‧‧‧n型包覆層
22‧‧‧活性層
22a‧‧‧井層
22b‧‧‧阻障層
22c‧‧‧電子阻擋層
23‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧p型接觸層
30‧‧‧p電極
40‧‧‧n電極
圖1係模式地顯示關於本發明實施型態之發光元件的構造之一例之要部剖面圖。
圖2係模式地顯示放大到原子水準的OFF基板的表面狀態之斜視圖。
圖3係模式地顯示由p電極及n電極側所見到的發光元件之平面圖。
圖4係顯示試料1~5的活性層的表面狀態之AFM像。
圖5係顯示試料1~5的活性層表面的高度的次數分佈之直方圖。
圖6係顯示試料1之n型包覆層及活性層之各自的表面狀態之比較圖。
圖7係顯示試料3之n型包覆層及活性層之各自的表面狀態之比較圖。
圖8係顯示試料4之n型包覆層及活性層之各自的表面狀態之比較圖。
圖9係顯示試料1~5的發光特性(光輸出)之圖表。
圖10係顯示試料1~5的發光特性(峰值發光波長、半值幅)之圖表。
圖11係顯示試料1的基底部的氮化鋁層的表面狀態之AFM像。
圖12係顯示試料A的基底部的氮化鋁層的表面狀態 之AFM像。
圖13係顯示試料2的基底部的氮化鋁層的表面狀態之AFM像。
圖14係顯示試料3的基底部的氮化鋁層的表面狀態之AFM像。
圖15係顯示試料4的基底部的氮化鋁層的表面狀態之AFM像。
圖16係顯示試料5的基底部的氮化鋁層的表面狀態之AFM像。
圖17係顯示井層的氮化鋁莫耳分率(峰值發光波長)不同的複數試料的發光光譜之光譜圖。
圖18係顯示各試料的峰值發光波長與半值幅之關係圖。
針對關於本發明之氮化物半導體紫外線發光元件(以下，簡單略稱為「發光元件」)之實施型態，根據圖面加以說明。以下所說明的實施型態，不過是以關於本發明之發光元件作為發光二極體來實施之場合之一個型態，本發明並不受限於下述的實施型態。例如，關於本發明之發光元件，也可以做成半導體雷射等其他的發光元件來實施，或也可以做成不同於下述的實施型態的構成的發光二極體來實施。
<發光元件之構造例>
首先，針對關於本發明實施型態之發光元件構造之一例，參照圖面加以說明。圖1係模式地顯示關於本發明實施型態之發光元件構造之一例之要部剖面圖。又，圖1，為了容易理解說明，而強調要部並模式地顯示發明內容，故而，各部的尺寸比不一定成為與實際元件相同的尺寸比。
如圖1所示，關於本發明實施型態之發光元件1，係具備：基底部10、在該基底部10表面(圖1中的上側的面。又，圖1中的下側的面係稱為「裏面」。以下相同。)被形成的發光部20、與供對發光元件1(特別是發光部20)供給電力用之p電極30及n電極40。基底部10，係相當於供形成發光部20用的底座的部分。發光部20，係由發光上必要的各種層所構成的部分。
基底部10，係具備由藍寶石所做成的基板11、與在該基板11表面上被形成的由氮化鋁所構成的氮化鋁層12。該氮化鋁層12，係在成為約1150~1300℃的高溫下，對著基板11的表面使氮化鋁進行磊晶生長之層。又，圖1所示的發光元件1，圖示基底部10或是在基板11上僅具備氮化鋁層12，但，因應必要也可以具備氮化鋁層12以外之層。例如，在氮化鋁層12之上(發光部20之下)，也可以追加由AlGaN或n型AlGaN所構成的AlGaN層等。
發光部20，從基底部10側起依序具備：由n 型AlGaN所構成的n型包覆層(cladding layer)21、活性層22、由p型AlGaN所構成的p型包覆層23、由p型氮化鎵所構成的p型接觸層(contact layer)24。在n型包覆層21上側被形成的活性層22、p型包覆層23及p型接觸層24，係藉由各自的一部份利用反應性離子蝕刻等被去除，讓n型包覆層21一部份的表面露出。從而，成為在n型包覆層21上一部份的區域(第1區域R1)的上側，從活性層22起到p型接觸層24被形成。
p電極30，係由例如鎳/金所構成、被形成在p型接觸層24的表面。n電極40，係由例如鈦/鋁/鈦/金所構成、被形成在n型包覆層21第1區域R1以外的區域(第2區域R2)的表面的一部份。
發光元件1，作為基板11，採用表面對藍寶石的(0001)面僅傾斜微小的角度的OFF基板。在此，針對OFF基板表面的狀態，參照圖面並加以說明。圖2係模式地顯示放大到原子水準的OFF基板表面狀態之斜視圖。又，圖2，為了容易理解說明，而強調要部並模式地顯示發明內容，故而，各部的尺寸比不一定成為與實際元件相同的尺寸比。
如圖2所示，OFF基板的基板11的表面係被形成多階段狀平台T。這是由於在將藍寶石的大塊單晶、以對(0001)面微小傾斜的角度(亦即，OFF角θ)切出之場合，沿著切出方向讓(0001)面表露出的緣故。又，OFF角θ的大小、或設定OFF角的方向(具體而言，使 (0001)面傾斜的方向，例如m軸方向或a軸方向等)，以在基板11上的各層實現所期望的成長之限度下，也可以任意決定。
活性層22，係具備至少包含1個由AlXGa1-XN(0<X<1)所構成的井層22a之量子井構造。井層22a的膜厚，係量子尺寸效應(量子侷限效應)所發現的大小，例如10nm以下。此外，典型的量子井構造，井層22a，是由能帶隙(band gap)比該井層22a還大的阻障層22b所挾持。例如，在井層22a是由AlGaN所構成之場合，阻障層22b，則是由氮化鋁莫耳分率比井層22a還大的AlGaN或n型AlGaN所構成。又，活性層22所具備的量子井構造，也可以是僅由1個量子井構造所構成的單一量子井構造，或也可以是重疊複數量子井構造的多重量子井構造。此外，例如，井層22a的膜厚係2nm以上3nm以下，阻障層22b的膜厚為6nm以上8nm以下。
再者，活性層22，在與p型包覆層23接觸的介面(最表面)，具備由氮化鋁莫耳分率比井層22a及阻障層22b還大的p型AlGaN所構成的電子阻擋層22c。電子阻擋層22c，係抑制被注入活性層22的電子進入p型包覆層23之層。例如，電子阻擋層22c的膜厚係15nm以上30nm以下，典型上為20nm。
在活性層22，阻障層22b及電子阻擋層22c並非必須的構成。但是，藉由設置阻障層22b及電子阻擋層22c，由於可以把多數的電子及正孔侷限在井層22a 內，並使電子及正孔有效率地再結合(亦即，使之發光)，所以較佳。
構成上述各層的AlGaN，係利用有機金屬化合物氣相成長法(MOVPE)、或者分子束磊晶法(MBE)等習知的磊晶生長法而被形成。此外，在上述各層，n型的層，作為供體(donor)不純物，添加例如矽。此外，在上述各層，p型的層，作為受體(acceptor)不純物，添加例如鎂。又，在上述各層，未明記導電型的由氮化鋁及AlGaN所構成的層，係未被添加不純物的無摻雜層。此外，構成上述各層的AlGaN、氮化鋁及氮化鎵，以性質不會變動太大為限，其一部份或全部也可以包含其他元素(例如，AlGaN或可以包含微量的銦，氮化鋁或可以包含微量的鎵)。
n型包覆層21、阻障層22b及p型包覆層23之氮化鋁莫耳分率，係例如30%以上80%以下(50%以上80%以下較佳，55%以上80%以下更佳)；井層22a的氮化鋁莫耳分率，係例如5%以上80%以下(5%以上60%以下較佳)。但是，井層22a的氮化鋁莫耳分率，係成為比n型包覆層21、阻障層22b及p型包覆層23之氮化鋁莫耳分率還小(相反地，井層22a的氮化鎵莫耳分率則是成為比該等層還大)。又，在基底部10追加AlGaN層之場合，該AlGaN層的氮化鋁莫耳分率，係做成在與n型包覆層21、阻障層22b及p型包覆層23同樣的範圍內的大小即可。
例如，發光元件1的峰值發光波長係230nm以上350nm以下。此外，例如，發光元件1係來自活性層22的發光從基板11側被取出之裏面射出型發光元件。又，在基底部10追加AlGaN層之場合，該AlGaN層的氮化鋁莫耳分率係被設定成比井層22a的氮化鋁莫耳分率還大。該場合下，該AlGaN層的氮化鋁莫耳分率也可以設定成與n型包覆層21的氮化鋁莫耳分率相同，或也可以設定成比n型包覆層21的氮化鋁莫耳分率還大。
發光部20的構成除了活性層22之外的各層之各AlGaN的膜厚，例如，n型包覆層21為2000nm以上4000nm以下、p型包覆層23為500nm以上600nm以下、p型接觸層24為100nm以上300nm以下。此外，基底部10，例如，氮化鋁層12的膜厚為1500nm以上4000nm以下。此外，在基底部10追加AlGaN層之場合，該AlGaN層的膜厚，為例如200nm以上300nm以下。
其次，針對p電極30及n電極40，參照圖面並加以說明。圖3係模式地顯示由p電極及n電極側所見到的發光元件之平面圖。
如圖3所示，p電極30係在第1區域R1大致全面、n電極40則在第2區域R2大致全面分別被形成。此外，發光元件1的晶片尺寸係縱橫分別800μm，p電極30被形成的第1區域R1的面積約為168000μm2。
p電極30及n電極40，例如，分別係在將成 為電極的反轉圖案(覆蓋電極形成位置以外的表面之圖案)的光阻形成之後，藉由利用電子束蒸鍍法等來蒸鍍構成電極之多層金屬膜，將該光阻及該光阻上的多層金屬膜利用剝離(lift-off)予以除去而被形成。又，也可以在p電極30及n電極40的一方或者雙方形成後，利用RTA(快速加熱回火)等因應必要而進行熱處理。
<用以得到光輸出良好的活性層之條件> [活性層的表面粗糙度]
依照半導體發光元件所屬區域的通常知識，為了得到光輸出良好的活性層22，在活性層22的結晶成長時，應該進行抑制成為妨礙發光的差排或裂縫等缺陷的導入之成長，亦即，維持成長表面平坦性的2維成長(進行一層一層謹慎注意地層積的成長)。特別是，為了將厚度為數個nm左右的極薄的井層22a，一邊抑制缺陷導入一邊使之均一地成長，而應該讓成長表面的粗糙度以成為至少比井層22a的厚度還小之方式加以抑制。
然而，本申請書申請人銳意研究的結果發現，在活性層22(特別是井層22a)的結晶成長時，藉由特意進行維持成長表面粗糙度大的狀態之成長，可得到光輸出良好的活性層22。以下，針對該點參照圖面加以說明。
活性層22的結晶成長時之成長表面粗糙度，係可以用成長後的活性層22表面之平均粗糙度予以表 現。平均粗糙度，例如，可以採用由原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)所計測的高度(被測定物之將測定區域內指定高度設為0之相對高度)，並利用以下數學式(1)加以算出。又，在以下數學式(1)，Z(i)係由AFM所計測的各點的高度，Ze為高度Z(i)的平均值，Ra則為平均粗糙度。
Figure 106145367-A0101-12-0015-1
圖4係顯示試料1~5的活性層的表面狀態之AFM像。又，圖4及其他的圖面所記載的AFM像，愈是明亮的(白色)區域表示高度愈大的區域。此外，在圖4併記所圖示的25μm正方形區域的平均粗糙度(以下，簡稱「平均粗糙度」)。此外，圖5，係顯示試料1~5的活性層表面的高度次數分佈之直方圖，針對各個圖4所示的試料1~5的25μm正方形區域所求出的高度次數分佈。
在此，算出平均粗糙度或次數分佈的25μm正方形區域，係能夠利用AFM來算出平均粗糙度或高度之上限的大小，不隨著晶片內的地點而改變之可得到大概一定數值的程度大小的區域。又，所謂25μm的數值並沒有特別的意義，例如亦可為30μm或20μm等，只要是相同程度大小的區域則亦可採用其他的數值。
在圖4及圖5所示之試料1~5，被形成在OFF基板之基板11的表面之平台(參照圖2)的影響會持續 到活性層22的表面。具體而言，至少，讓基底部10的氮化鋁層12、發光部20的活性層22及其間的各層(本例之場合為n型包覆層21)，是藉由多階段狀平台的側面的成長藉著二維成長之階梯流動成長而形成的。此外，供參考用途，在後述的圖11~圖16，圖示基底部10的氮化鋁層12的表面之狀態。此外，後述的圖6~圖8，係圖示發光部20的n型包覆層21的表面之狀態。
此外，試料1~5，係依試料1、試料2、試料3、試料4、試料5的順序，在平台的側面選擇性成長的難易條件下被製作。亦即，在試料1~5之中，試料1是在平台側面選擇性成長最難的條件下被製作，試料5是在平台側面選擇性成長最容易的條件下被製作。又，平台的側面選擇性成長難易條件，例如，基板11的OFF角在一定的範圍內(例如，從0°到數度程度)的大小、或者成為平台容易伸出表面的狀態的成長速度(具體而言，例如，藉由酌情設定成長溫度、原料或載氣的供給量或流速等諸條件，達成該成長速度)等。
平台的側面容易選擇性成長的條件，係隨著成膜裝置的種類或構造不同而不同。因此，藉由在成膜裝置實際製作若干試料，而特定該條件即可。重要的是，並非因應於成膜裝置而有無數組合得以存在的各種條件，而是讓活性層22以階梯流動成長的方式形成。
試料1~5係以上述方式在不同條件下被製作出的，活性層22表面的狀態，特別是平均粗糙度不同。 具體而言，試料1~5各個的活性層22表面的平均粗糙度，試料1為10.9nm、試料2為5.08nm、試料3為3.66nm、試料4為3.94nm、試料5為5.94nm。
再者，試料1~5，因為是以上述方式繼續地以階梯流動成長來形成從基底部10的氮化鋁層12到發光部20的活性層22為止的各層者，所以，活性層22表面的平均粗糙度會增加。具體而言，試料1~5的活性層22表面的平均粗糙度係井層22a的厚度以上，更好是3nm以上。又，以上述方式，以活性層22表面的平均粗糙度超過井層22a的厚度之方式使活性層22成長，係有悖於半導體發光元件區域之通常知識。
如圖4所示，試料1，與階梯流動成長同時地，在平台上的任意位置所發生的核會成長也會發生六角柱狀突丘(hillock)H被形成的三維成長。再者，如圖5所示，試料1的活性層22表面的高度次數分佈，由於並不成為正規分佈樣(一種隨著高度從0開始增大，從向下凸的曲線變成向上凸的曲線之同時單調增加而達到極大值後，從向上凸的曲線變成向下凸的曲線之同時單調減少之曲線)，所以，高度的變動為不規則性的。從而，試料1，由於高度不規則地變動的因素之於突丘H的影響大、高度規則地變動的因素之於平台的影響小，所以，可以說三維成長會比階梯流動成長還具支配性。
此外，如圖4所示，在試料2的活性層22的表面，也與試料1同樣地混有突丘H。但是，試料2，相 較於試料1，前者突丘H所佔的區域是大幅地減少。再者，如圖5所示，試料2的活性層22表面的高度次數分佈，不同於試料1而是正規分佈樣，因而，高度變動之程度係成為規則性的。從而，試料2，由於高度不規則地變動的因素之於突丘H的影響小、高度規則地變動的因素之於平台的影響大，所以，可以說階梯流動成長會比三維成長還具支配性。
此外，如圖4所示，試料3~5，並未產生大的突丘H，而被認為是全面地階梯流動成長的痕跡(成為多階段狀的三角形狀小平面(facet))。此外，如圖5所示，試料3~5的活性層22表面的高度次數分佈係正規分佈樣，因而，高度的變動是規則性的。從而，試料3~5，由於高度不規則地變動的因素之於突丘H的影響極小、高度規則地變動的因素之於平台的影響極大，所以，可以說階梯流動成長還比三維成長極具支配性。
可是，試料1的活性層22表面的平均粗糙度為10.9nm，與其他的試料2~5相比之下較為突出並變得較大。這是因為試料1三維成長具支配性，突丘H的影響大之緣故。如此，三維成長具支配性的試料，由於在供求出活性層22表面所設定的平均粗糙度用的25μm正方形區域內不可避免地包含突丘H，而讓活性層22表面的平均粗糙度得以變得比10nm還大。
此外，試料2的活性層22表面的平均粗糙度為5.08nm，與試料3及4相比之下變得較大。這是因為 試料2階梯流動成長雖具支配性，卻受到不少突丘H的影響之緣故。
此外，試料5的活性層22表面的平均粗糙度為5.94nm，與試料3及4相比之下變得較大。這並非突丘H的影響，而是試料5平台的階差大，因此造成活性層22表面的平均粗糙度變大之緣故。
圖6~圖8係顯示試料1、試料3及試料4各個的n型包覆層及活性層各自表面的狀態的比較圖。如圖1所示，n型包覆層21係在活性層22之前被形成的層。亦即，圖6~圖8係顯示活性層22的表面及裏面的狀態之比較圖。
圖6(a)~圖8(a)係表示在n型包覆層21及活性層22各自的表面的25μm正方形區域的狀態之AFM像。此外，圖6(b)~圖8(b)，係顯示圖6(a)~圖8(a)所示的n型包覆層21及活性層22各自的表面的高度次數分佈之直方圖。此外，圖6(c)~圖8(c)，係以比圖6(a)~圖8(a)所示的n型包覆層21及活性層22各自的區域還要狹小的區域作為三維鳥瞰圖來表示之AFM像。此外，圖6(a)~圖8(a)，將試料1、試料3及試料4的n型包覆層21及活性層22各自的表面的平均粗糙度一併記載。
如圖6(a)所示，在試料1，n包覆層21表面的平均粗糙度為10.3nm，活性層22表面的平均粗糙度為10.9nm。此外，如圖7(a)所示，在試料3，n包覆層 21表面的平均粗糙度為3.78nm，活性層22表面的平均粗糙度為3.66nm。此外，如圖8(a)所示，在試料4，n包覆層21表面的平均粗糙度為3.83nm，活性層22表面的平均粗糙度為3.94nm。
以此方式，分別在試料1、試料3及試料4，使n包覆層21及活性層22各自的表面的平均粗糙度成為大略相等。特別是，使活性層22及n包覆層21各自表面的平均粗糙度的差的絕對值，除以活性層22表面的平均粗糙度的比值，成為在10%以內。這是因為活性層22是利用表面的平均粗糙度被維持之均勻成長而形成的之緣故。又，在此僅針對試料1、試料3及試料4例示，但試料2及試料5也是同樣的。
此外，如圖7(b)及圖8(b)所示，分別在試料3及4，n包覆層21及活性層22各自的表面的高度次數分佈，均為正規分佈樣。這顯示活性層22是從最初起到最後為止維持階梯流動成長而被形成。又，在此僅針對試料3及試料4例示，但試料2及試料5也是同樣的。相對於此，三維成長具支配性的試料1，則並不被認為有這樣的傾向。
另一，如圖7(c)及圖8(c)所示，分別在試料3及4，活性層22表面的平台(成為多階段狀的三角形狀小平面)，相較於n包覆層21表面的平台，前者的角是帶圓形。又，針對該現象，併同後述的圖9及圖10加以說明。又，在此僅針對試料3及試料4例示，但 試料2及試料5也是同樣的。相對於此，三維成長具支配性的試料1，則並不被認為明確具有這樣的傾向。
圖9及圖10係顯示試料1~5的發光特性之圖表。具體而言，圖9係顯示試料1~5的峰值發光波長及半值幅之圖表，圖10係顯示試料1~5的光輸出之圖表。又，圖9(a)及圖10(a)係將縱軸設為發光特性、橫軸設為試料編號之圖表。此外，圖9(b)及圖10(b)係將縱軸設為發光特性、橫軸設為活性層22表面的平均粗糙度之圖表。
如圖9所示，相較於三維成長具支配性的試料1，階梯流動成長具支配性的試料2~5，峰值發光波長是在長波長側變換，而且半值幅變大。
針對該結果，根據構成活性層22(特別是井層22a)之AlGaN係氮化鋁與氮化鎵的混晶，氮化鎵之發光波長比氮化鋁還長，推測構成活性層22(特別是井層22a)的AlGaN所包含的鎵會偏析，在該偏析進行的區域也會有電流流過並產生發光。亦即，藉由進行讓活性層22表面的平均粗糙度超過井層22a的厚度之類的階梯流動成長，推測在活性層22(特別是井層22a)會產生鎵的偏析。
再者，如上述方式，圖7(c)及圖8(c)所示的活性層22表面的平台會帶有圓弧，暗示著鎵的偏析。具體而言，推測在活性層22(特別是氮化鎵莫耳分率大的井層22a)是以階梯流動成長而形成時，藉著與鋁 相較移動較為容易的鎵會聚集在平台的側面與次一階段平台表面之邊界而使階差平滑化，使平台帶著圓弧。
接著，如圖10所示，相較於三維成長比階梯流動成長還具支配性的(活性層22表面的平均粗糙度比10nm還大)試料1，階梯流動成長較具支配性的試料2~5，其光輸出變大。因此可知，藉由在活性層22(特別是井層22a)使鎵偏析，能夠使活性層22的光輸出增大。
如以上方式，能夠利用使活性層22表面的平均粗糙度成為井層22a的厚度以上且10nm以下之類的階梯流動成長，藉由在活性層22(特別是井層22a)產生鎵偏析，而使活性層22的光輸出增大。從而，可以得到具有光輸出良好的活性層22之發光元件1。
此外，如圖10所示，活性層22表面的平均粗糙度為3nm以上之試料2~5，在活性層22(特別是井層22a)，鎵偏析會充分發生。因此，能夠使活性層22的光輸出充分地增大。
此外，如圖10所示，相較於活性層22表面的平均粗糙度成為約6nm的試料5，活性層22表面的平均粗糙度在此以下之試料2~4，光輸出顯著地(例如，1.5倍以上)變大。從而，藉由將活性層22表面的平均粗糙度形成在6nm以下(最好是5.5nm以下)，能夠使活性層22的光輸出顯著地增大。
此外，如圖7及圖8所示，在發光部20，活 性層22與在此之前被形成的n型包覆層21的各自表面的平均粗糙度，成為大略相等。從而，不只是活性層22，還有n型包覆層21，表面的平均粗糙度成為井層22a的厚度以上(更好是3nm以上)且10nm以下(更好是6nm以下)。此場合，由於藉由成長表面之平均粗糙度被維持均勻之成長來形成活性層22，所以能夠在活性層22(特別是井層22a)確實地產生鎵偏析。從而，能夠使活性層22的光輸出增大。
[基底部的氮化鋁層]
其次，針對基底部10的氮化鋁層12表面的狀態，參照圖面並加以說明。圖11~圖16，係顯示試料1~5及試料A的基底部的氮化鋁層表面的狀態之AFM像。又，試料A係依試料1及試料2的中間條件製作出的試料。
圖11(a)~圖16(a)係表示在氮化鋁層12的表面的25μm正方形區域的狀態之AFM像。此外，圖11(b)~圖16(b)，係表示比圖11(a)~圖16(a)所示的氮化鋁層12區域還狹小的區域之AFM像。此外，圖11(c)~圖16(c)，係表示將圖11(b)~圖16(b)所示的氮化鋁層12區域做成三維鳥瞰圖之AFM像。再者，圖11(a)~圖16(a)，係一併記載俯視之平台的平均幅寬(以下，簡稱「平台幅寬」)相對於基板11的傾斜方向。此外，圖11(b)~圖16(b)，係一併記載平台的平均高度(以下，稱作「平台高度」)。
例如，平台幅寬，係能夠藉由在圖11(a)~圖16(a)分別顯示的區域內，對著基板11的傾斜方向(圖中的左右方向)任意選擇成為指定距離(例如25μm)的範圍而且計測該範圍所包含的平台的階數，將該距離除以計測出的階數而加以算出。又，也可以藉由將該演算反覆進行複數回(例如10回左右)、將得到的數值平均化，來算出平台幅寬。
還有例如，平台高度，係能夠藉由在以AFM測定圖11(b)~圖16(b)分別顯示的區域時，算出在平台先端的位置被計測的高度、與該端部所鄰接的位置的次一階平台的高度兩者的差，將該差分橫跨複數點(例如50點左右)而予以平均化，來算出平台高度。
如圖11(a)~圖16(b)所示，依試料1、試料A、試料2、試料3、試料4、試料5之順序，有平台寬幅變小之傾向。此外，如圖11(b)及圖11(c)~圖16(b)及圖16(c)所示，依試料1、試料A、試料2、試料3、試料4、試料5之順序，有平台高度增加之傾向。
接著，以上述方式讓活性層22的光輸出良好的試料2~5(參照圖10)，相較於試料1及試料A，平台幅寬較小，而且平台高度變大。具體而言，試料2~5，平台幅寬成為0.3μm以上且1μm以下，平台高度則成為8nm以上且14nm以下。
從而，藉由在具有該氮化鋁層12的基底部10的表面上形成發光部20，能夠利用上述之類的階梯流動 成長而得到鎵偏析產生之光輸出良好的活性層22。
[井層之氮化鋁莫耳分率]
在到此為止的說明已例示的試料1~5，如從圖9所示的峰值發光波長接受在265nm±3nm的範圍內可知，井層22a的氮化鋁莫耳分率為同程度的大小。然而，即使是具有與試料1~5的氮化鋁莫耳分率大大不同的井層22a之發光元件1，也與試料1~5同樣地得以使鎵偏析產生。
以下，針對井層22a的氮化鋁莫耳分率(峰值發光波長)與鎵偏析之關係，參照圖面並加以說明。圖17係顯示井層的氮化鋁莫耳分率(峰值發光波長)不同的複數試料的發光光譜之光譜圖。此外，圖18係顯示各試料的峰值發光波長與半值幅之關係圖。又，在圖17及圖18，為了方便比較，即使是井層22a由氮化鎵構成的試料也一併顯示。此外，在圖17，為了發光光譜容易看出概略形狀或是進行比較等的方便，從圖18所示的各試料之中選擇代表性的試料，而且，以使該試料分別的峰值發光波長的強度成為1的方式予以規格化。此外，圖18，也一併顯示對各試料的峰值發光波長及半值幅的測定結果之近似直線。
圖17，係顯示峰值發光波長分別為265nm、285nm、320nm、335nm及354nm的試料之發光光譜。又，峰值發光波長為265nm的試料，係具有與上述的試料1~5同程度的峰值發光波長之試料。又，峰值發光波長 為354nm的試料(圖中的細曲線)，係井層22a由氮化鎵所構成之試料。
井層22a由氮化鎵所構成之試料(峰值發光波長為354nm的試料)，由於井層22a是由單一的氮化鎵的結晶所構成，所以並不會產生鎵偏析。此場合下，由於藉由被侷限在井層22a的電子及正孔各自所具有的能量之差量會變小，使再結合的電子及正孔的能量差之差量變小(亦即，發光波長的差量變小)，所以，成為半值幅較小的發光光譜。以下，將該試料的發光光譜的半值幅，當作鎵偏析不產生之場合下之發光光譜的半值幅，並設為供判斷鎵偏析的有無或程度用之基準(以下，稱作「基準半值幅」)。
另一，井層22a由AlxGa1-xN所構成之各試料(峰值發光波長為265nm、285nm、335nm及320nm之各試料)，因為井層22a是由氮化鋁及氮化鎵的混晶所構成，所以如上述方式得以產生鎵偏析。接著，該等試料的發光光譜，都是半值幅比基準半值幅還大。這是因為，利用鎵偏析，藉著讓被侷限在井層22a的電子及正孔分別所具有的能量的差量變大，使再結合的電子及正孔的能量差的差量變大(亦即，發光波長的差量變大)之緣故。
但是，如圖17及圖18所示，各試料發光光譜的半值幅的大小(亦即，鎵偏析的程度)並非均勻。具體而言，峰值發光波長愈小，半值幅就愈小。這是因為，構成井層22a的AlxGa1-xN的氮化鋁莫耳分率X愈接近1 (亦即，單一的氮化鋁的結晶)，鎵的量會愈少、偏析愈難之緣故。
這點，如圖18所示，若以峰值發光波長成為230nm以上(240nm以上佳、更佳是250nm以上)之方式，讓井層22a由AlxGa1-xN來構成，則可以讓發光光譜的半值幅形成比基準半值幅(圖中的虛線)還充分大(亦即，使鎵偏析產生、使光輸出增大)。
另一，如圖17及圖18所示，峰值發光波長愈大，半值幅愈大。但是，構成井層22a的AlxGa1-xN的氮化鋁莫耳分率X接近0(亦即，單一的氮化鎵的結晶)時，藉由鎵的量變多、過度地偏析，會使發光光譜的形狀崩解(例如，峰值分離可以有2個以上)、且發光強度降低等等之問題發生。
這點，如圖17及圖18所示，若以使峰值發光波長成為340nm以下(最好是335nm以下)之方式，讓井層22a按AlxGa1-xN(0<X<1)來構成，則可以讓上述的問題不易發生。
如此，藉由讓峰值發光波長形成230nm以上且340nm以下，能夠在活性層22(特別是井層22a)使鎵偏析充分產生並使光輸出增大，而且，使發光光譜的形狀崩解、且發光強度降低等等之問題不易發生。
[產業上利用可能性]
本發明係可以對於在由藍寶石所構成的基板 上側形成AlGaN系活性層而構成的氮化物半導體發光元件加以利用，特別是，適宜利用於峰值發光波長在紫外區域的氮化物半導體紫外線發光元件。

Claims (8)

  1. 一種氮化物半導體紫外線發光元件，其特徵係：具備：包含由具有藉由對(0001)面傾斜而被形成多階段狀平台(terrace)的表面的藍寶石所構成的基板、與被形成在前述基板表面上的氮化鋁層之基底部，與發光部，係被形成在前述基底部表面上且包含具有AlGaN系半導體層的活性層；前述活性層，係具有至少包含1個依A1XGa1-XN(0<X<1)被構成的井層之量子井構造；在前述活性層的表面，使25μm×25μm區域的平均粗糙度，比2nm以上3nm以下之前述井層的厚度更大。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之氮化物半導體紫外線發光元件，其中在前述發光部所包含的、在前述活性層之前被形成的層的表面，使25μm×25μm區域的平均粗糙度比10nm更大。
  3. 如申請專利範圍第1或2項記載之氮化物半導體紫外線發光元件，其中將在前述活性層與前述發光部所包含的在前述活性層之前被形成的層之各個的表面的25μm×25μm區域的平均粗糙度之差的絕對值，除以前述活性層表面的25μm×25μm區域的平均粗糙度之比值，係10%以下。
  4. 如申請專利範圍第1或2項記載之氮化物半導體紫外線發光元件，其中 在前述基底部所包含的前述氮化鋁層的表面，以上面俯視，前述基板之傾斜方向的平台的平均幅寬係比1μm更大。
  5. 如申請專利範圍第1或2項記載之氮化物半導體紫外線發光元件，其中在前述基底部所包含的前述氮化鋁層的表面，平台所形成的階差的平均高度為比8nm更小。
  6. 如申請專利範圍第1或2項記載之氮化物半導體紫外線發光元件，其中峰值發光波長係230nm以上且340nm以下。
  7. 一種氮化物半導體紫外線發光元件之製造方法，其特徵係具備：形成包含由具有藉由對(0001)面傾斜而被形成多階段狀平台(terrace)的表面之藍寶石所構成的基板、與被形成在前述基板表面上的氮化鋁層之基底部的步驟，與形成被形成在前述基底部表面上之、包含具有AlGaN系半導體層的活性層之發光部的步驟；以具有至少包含1個依AlXGa1-XN(0<X<1)被構成的井層之量子井構造的前述活性層的表面之25μm×25μm區域的平均粗糙度，比2nm以上3nm以下之前述井層的厚度更大的條件，藉由多階段狀的平台的側面成長以進行二次元成長之階梯流動成長(step-flow growth)法，至少使前述基底部的前述氮化鋁層、前述發光部的前述活性層及其間的各層成長。
  8. 如申請專利範圍第7項記載之氮化物半導體紫外線發光元件之製造方法，其中以突丘(hillock)成長之三次元成長比藉著多階段狀平台之側面成長而進行二次元成長之階梯流動成長(step-flow growth)更具支配性的條件，至少使前述基底部的前述氮化鋁層、前述發光部的前述活性層及其間的各層成長。
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