Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент
Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент содержит подслойную часть, включающую подложку, которая состоит из сапфира и имеет поверхность, наклоненную к поверхности (0001) так, что образуется многоступенчатая терраса, слой AlN, образованный на поверхности этой подложки, и светоизлучающую часть, которая образована на поверхности подслойной части и включает активный слой, имеющий полупроводниковый слой на основе AlGaN. По меньшей мере, AlN-слой подслойной части, активный слой светоизлучающей части и каждый слой между AlN-слоем и активным слоем образованы ступенчато-слоевым ростом, при котором боковая поверхность многоступенчатой террасы растет так, что достигается двумерный рост. Активный слой имеет структуру квантовой ямы, включающую, по меньшей мере, ямный слой, состоящий из AlGaN. Средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя составляет толщину от толщины ямного слоя или более и до 10 нм или менее. Изобретение обеспечивает возможность создания излучающего ультрафиолетовый свет нитридного полупроводникового элемента, который включает активный слой с высоким световым выходом. 8 з.п. ф-лы, 18 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому светоизлучающему элементу, полученному при образовании активного слоя на основе AlGaN поверх состоящей из сапфира подложке, и более конкретно, к излучающему ультрафиолетовый свет нитридному полупроводниковому элементу, имеющему длину волны максимума излучения в ультрафиолетовой области.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Традиционно широкое применение нашли излучающие синий свет нитридные полупроводниковые элементы, использующие для активного слоя нитридный полупроводник на основе GaN. Однако, излучающие ультрафиолетовый свет нитридные полупроводниковые элементы, использующие нитридный полупроводник на основе AlGaN, имеющие более короткую длину волны излучения, чем нитридный полупроводник на основе GaN для активного слоя, все еще не применялись широко.
[0003] Это обусловливается тем, что нитридные полупроводники на основе AlGaN, состоящие из смешанных кристаллов главным образом AlN и GaN, имеют такое особое свойство, что прочность связи Al и N в AlN является гораздо более высокой, чем прочность связи Ga и N в GaN, так что затруднительно вырастить высококачественные кристаллы. В частности, даже если в качестве способа выращивания нитридного полупроводника на основе AlGaN используется способ выращивания нитридного полупроводника на основе GaN, который уже был общепризнан, невозможно сформировать кристаллы, которые имеют столь же высокое качество, как GaN, что и составляет проблему.
[0004] Для разрешения такой проблемы предлагаются разнообразные способы улучшения кристалличности нитридного полупроводника на основе AlGaN, например, в Патентных Документах 1-4. Более конкретно, Патентный Документ 1 предлагает способ предотвращения распространения трещины в AlN образованием буферного слоя на сапфировой подложке с использованием множества спаренных слоев, каждый из которых получают при попеременном наслоении AlN и GaN. Патентный Документ 2 предлагает способ укорачивания прорастающей дислокации локальным снижением скорости роста AlN-слоя при подаче NH3, который является газообразным материалом N, в импульсном режиме в течение определенного периода времени в ходе формирования состоящего из AlN буферного слоя на сапфировой подложке. Патентный Документ 3 предлагает способ укорачивания прорастающей дислокации при полном покрытии состоящих из AlGaN островковых зародышей, образованных на сапфировой подложке, буферным слоем из AlGaN, имеющим большую долю Al в составе, чем зародыши. Патентный Документ 4 предлагает способ улучшения кристалличности образованного поверх подложки нитридного полупроводника на основе AlGaN при оптимизации угла наклона сапфировой подложки.
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0005]
Патентный Документ 1: Публикация Японской Патентной Заявки № 2006-66641
Патентный Документ 2: Публикация Японской Патентной Заявки № 2009-54780
Патентный Документ 3: Публикация Японской Патентной Заявки № 2013-222746
Патентный Документ 4: WO 2013/021464
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0006] Способы, предложенные в Патентных Документах 1-4, улучшают кристалличность нитридного полупроводникового слоя, образованного поверх подложки или буферного слоя, при оптимизации подложки или буферного слоя, образованного на поверхности подложки.
[0007] Действительно, если подложка или буферный слой, которые являются исходной точкой роста кристалла, оптимизированы, то ожидается, что улучшается кристалличность нитридного полупроводникового слоя поверх подложки или буферного слоя. Однако, такие способы только устраняют дефекты во всем элементе, которые распространяются от нижележащего слоя в вышележащие слои, такие как трещины и прорастающие дислокации. По этой причине, если применяются эти способы, не обязательно оптимизируется активный слой, где происходит излучение света. Таким образом, световой выход не обязательно улучшается в излучающих ультрафиолетовый свет нитридных полупроводниковых элементах, полученных способами, предложенными в Патентных Документах 1-4, что и составляет проблему.
[0008] Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении излучающего ультрафиолетовый свет нитридного полупроводникового элемента, который включает активный слой с высоким световым выходом.
СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0009] Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение представляет излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент, который содержит подслойную часть, которая включает подложку, которая состоит из сапфира и имеет поверхность, наклоненную к поверхности (0001) так, что образуется многоступенчатая терраса, и слой AlN, образованный на поверхности подложки, и светоизлучающую часть, которая образована на поверхности подслойной части и включает активный слой, имеющий полупроводниковый слой на основе AlGaN. По меньшей мере AlN-слой подслойной части, активный слой светоизлучающей части и каждый слой между AlN-слоем и активным слоем образованы ступенчато-слоевым ростом, при котором боковая поверхность многоступенчатой террасы растет так, что достигается двумерный рост. Активный слой имеет структуру квантовой ямы, включающую по меньшей мере ямный слой, состоящий из AlXGa1-XN (0<X<1). Средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее.
[0010] В излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе, когда происходит сегрегация Ga в активном слое (в частности, в ямном слое) при ступенчато-слоевом росте, в котором средняя шероховатость поверхности активного слоя составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее, можно увеличить световой выход активного слоя.
[0011] В дополнение, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, включенного в состав светоизлучающей части, предпочтительно больше или равна 3 нм.
[0012] В излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе происходит достаточная сегрегация Ga в активном слое (в частности, в ямном слое). Тем самым можно в достаточной степени увеличить световой выход активного слоя.
[0013] Кроме того, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, включенного в светоизлучающую часть, предпочтительно меньше или равна 6 нм.
[0014] Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент может значительно повышать световой выход активного слоя.
[0015] В дополнение, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности слоя, который включен в светоизлучающую часть и образован непосредственно перед активным слоем, предпочтительно составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее. Более того, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе величина, полученная при делении абсолютного значения разности между средней шероховатостью области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя и средней шероховатостью области 25 мкм на 25 мкм на поверхности слоя, который включен в светоизлучающую часть и образован непосредственно перед активным слоем, на среднюю шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, предпочтительно меньше или равна 10%.
[0016] В этих излучающих ультрафиолетовый свет нитридных полупроводниковых элементах активный слой образован при равномерном росте, в котором сохраняется средняя шероховатость поверхности роста, и тем самым надежно происходит сегрегация Ga в активном слое (в частности, ямном слое). Таким образом, можно увеличить световой выход активного слоя.
[0017] Кроме того, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе на поверхности AlN-слоя, включенного в подслойную часть, средняя ширина террасы в направлении наклона подложки, если смотреть сверху, предпочтительно составляет 0,3 мкм или более и 1 мкм или менее. В дополнение, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе на поверхности AlN-слоя, включенного в подслойную часть, средняя высота ступеньки, образованной террасой, предпочтительно составляет 8 нм или более и 14 нм или менее.
[0018] В этих излучающих ультрафиолетовый свет нитридных полупроводниковых элементах, когда светоизлучающая часть образована на поверхности подслойной части, включающей AlN-слой, при вышеописанном ступенчато-слоевом росте происходит сегрегация Ga, и тем самым можно получить активный слой с высоким световым выходом.
[0019] В дополнение, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе на поверхности активного слоя, включенного в светоизлучающую часть, частотное распределение высоты области 25 мкм на 25 мкм предпочтительно имеет форму кривой, в которой, по мере того как высота возрастает от 0, высота просто увеличивается при изменении от ее выгнутого вниз изгиба до ее выгнутого вверх изгиба, до достижения максимального значения, и затем высота просто уменьшается при изменении от ее выгнутого вверх изгиба до ее выгнутого вниз изгиба.
[0020] В излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе, поскольку влияние возвышения невелико и преобладает ступенчато-слоевой рост, происходит сегрегация Ga и тем самым можно получить активный слой с высоким световым выходом.
[0021] Более того, в вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе длина волны максимума излучения предпочтительно составляет 230 нм или более и 340 нм или менее.
[0022] В излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе происходит достаточная сегрегация Ga в активном слое (в частности, ямном слое), и тем самым повышается световой выход. Дополнительно, едва ли возникают проблемы с тем, что искажается спектр излучения и уменьшается интенсивность излучения.
РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] В вышеописанном излучающем ультрафиолетовый свет нитридном полупроводниковом элементе, когда происходит сегрегация Ga в активном слое (в частности, ямном слое) при ступенчато-слоевом росте, в котором средняя шероховатость поверхности активного слоя составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее, можно увеличить световой выход активного слоя. Следовательно, можно получить излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент, который включает активный слой с высоким световым выходом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0024]
Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе, показывающий основную часть, схематически иллюстрирующую пример конфигурации светоизлучающего элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой перспективный вид, схематически показывающий состояние поверхности уступчатой подложки, которая увеличена до атомного уровня.
Фиг. 3 представляет собой вид сверху, схематически показывающий светоизлучающий элемент, если смотреть со стороны p-электрода и n-электрода.
Фиг. 4 показывает полученные с помощью атомно-силового микроскопа (AFM) изображения, иллюстрирующие состояние поверхностей активных слоев в образцах 1-5.
Фиг. 5 показывает гистограммы, представляющие частотное распределение высоты поверхностей активных слоев в образцах 1-5.
Фигуры 6А-6С показывают состояние поверхности покрывающего слоя n-типа в образце 1 и состояние поверхности активного слоя в образце 1 в сравнении.
Фигуры 7А-7С показывают состояние поверхности покрывающего слоя n-типа в образце 3 и состояние поверхности активного слоя в образце 3 в сравнении.
Фигуры 8А-8С показывают состояние поверхности покрывающего слоя n-типа в образце 4 и состояние поверхности активного слоя в образце 4 в сравнении.
Фигуры 9А и 9В представляют собой графики, показывающие характеристики светового излучения (световые выходы) образцов 1-5.
Фигуры 10А и 10В представляют собой графики, показывающие характеристики светового излучения (длину волны максимума излучения и полуширину) образцов 1-5.
Фигуры 11А-11С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца 1.
Фигуры 12А-12С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца А.
Фигуры 13А-13С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца 2.
Фигуры 14А-14С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца 3.
Фигуры 15А-15С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца 4.
Фигуры 16А-16С представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние поверхности AlN-слоя в подслойной части образца 5.
Фиг. 17 представляет собой спектральную диаграмму, показывающую спектры излучения множества образцов, имеющих различные мольные доли AlN (длины волн максимума излучения) в ямных слоях.
Фиг. 18 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между длиной волны максимума излучения и полушириной спектра излучения каждого образца.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Вариант осуществления излучающего ультрафиолетовый свет нитридного полупроводникового элемента согласно настоящему изобретению (здесь далее называется «светоизлучающим элементом») описывается на основе чертежей. Описываемый ниже вариант осуществления представляет собой только способ, выполняемый при допущении того, что светоизлучающий элемент согласно настоящему изобретению представляет собой светоизлучающий диод, и настоящее изобретение не ограничивается нижеследующим вариантом осуществления. Например, светоизлучающий элемент согласно настоящему изобретению может быть выполнен в качестве других светоизлучающих элементов, в том числе полупроводникового лазера, или может быть выполнен в качестве светоизлучающего диода, имеющего конфигурацию, отличную от нижеследующего варианта осуществления.
[0026]
<Пример конфигурации светоизлучающего элемента>
Сначала описывается пример конфигурации светоизлучающего элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе, показывающий основную часть, схематически иллюстрирующий пример конфигурации светоизлучающего элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На Фиг. 1 основные части увеличены, и содержание изобретения показано схематически, чтобы упростить понимание описания. По этой причине соотношение размеров каждой части не всегда равно соотношению размеров фактического элемента.
[0027] Как показано на Фиг. 1, светоизлучающий элемент 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает подслойную часть 10, светоизлучающую часть 20, образованную на поверхности подслойной части 10 (то есть верхней поверхности подслойной части 10 на Фиг. 1; причем нижняя поверхность подслойной части 10 на Фиг. 1 называется «задней поверхностью»; это применимо к последующему описанию), и p-электрод 30 и n-электрод 40 для подачи питания на светоизлучающий элемент 1 (в частности, светоизлучающую часть 20). Подслойная часть 10 соответствует основанию для формирования светоизлучающей части 20. Светоизлучающая часть 20 состоит из разнообразных слоев, необходимых для излучения света.
[0028] Подслойная часть 10 включает состоящую из сапфира подложку 11 и AlN-слой 12, который образован на поверхности подложки 11 и состоит из AlN. AlN-слой 12 получают эпитаксиальным ростом AlN на поверхности подложки 11 при высокой температуре приблизительно от 1150 до 1300°С. В то время как представляется, что подслойная часть 10 в светоизлучающем элементе 1, показанном на Фиг. 1, включает только AlN-слой 12 на подложке 11, подслойная часть 10, если необходимо, может включать другие слои в дополнение к AlN-слою 12. Например, на AlN-слой 12 (под светоизлучающей частью 20) может быть добавлен AlGaN-слой, состоящий из AlGaN или AlGaN n-типа.
[0029] Светоизлучающая часть 20 включает покрывающий слой 21 n-типа, состоящий из AlGaN n-типа, активный слой 22, покрывающий слой 23 p-типа, состоящий из AlGaN p-типа, и контактный слой 24 p-типа, состоящий из GaN p-типа, в порядке от стороны подслойной части 10. Части активного слоя 22, покрывающего слоя 23 p-типа и контактного слоя 24 p-типа, образованных поверх покрывающего слоя 21 n-типа, удаляются реактивным ионным травлением или тому подобным так, чтобы открыть часть поверхности покрывающего слоя 21 n-типа. Тем самым в подобласти (первой области R1) на покрывающем слое 21 n-типа образуются слои от активного слоя 22 до контактного слоя 24 p-типа.
[0030] p-электрод 30 состоит, например, из Ni/Au и образован на поверхности контактного слоя 24 p-типа. n-электрод 40 состоит, например, из Ti/Al/Ti/Au и образован на части поверхности покрывающего слоя 21 n-типа, иной, нежели первая область R1 (вторая область R2).
[0031] В качестве подложки 11 в светоизлучающем элементе 1 используется уступчатая подложка, поверхность которой наклонена к поверхности (0001) сапфира на небольшой угол. Состояние поверхности уступчатой подложки описывается со ссылкой на чертежи. Фиг. 2 представляет собой перспективный вид, схематически показывающий форму поверхности уступчатой подложки, увеличенной до атомного уровня. На Фиг. 2 основные части увеличены, и содержание изобретения показано схематически, чтобы упростить понимание описания. По этой причине соотношение размеров каждой части не всегда равно соотношению размеров фактического элемента.
[0032] Как показано на Фиг. 2, на поверхности подложки 11, которая является уступчатой подложкой, образованы многоступенчатые террасы Т. Это обусловливается тем, что, когда объемный монокристалл сапфира вырезают под углом (то есть углом θ наклона), при котором объемный монокристалл слегка наклонен к поверхности (0001), поверхность (0001) открывается вдоль направления разреза. Величина угла θ уступа и направление, в котором образован угол уступа (более конкретно, направление наклона поверхности (0001), например, направление m-оси, направление а-оси или тому подобное), могут свободно определяться, если в каждом слое на подложке 11 достигается желательный рост.
[0033] Активный слой 22 имеет структуру квантовой ямы, включающую по меньшей мере один ямный слой 22а, состоящий из AlXGa1-XN (0<X<1). Толщина пленки ямного слоя 22а определяется так, что проявляется квантовый размерный эффект (эффект квантовой локализации), и, например, меньше или равна 10 нм. В типичной структуре квантовой ямы ямный слой 22а находится между барьерными слоями 22b, имеющими более широкую запрещенную зону, чем ямный слой 22а. Например, когда ямный слой 22а состоит из AlGaN, барьерный слой 22b состоит из AlGaN или AlGaN n-типа, имеющих большую мольную долю AlN, чем ямный слой 22а. Структура квантовой ямы, входящая в состав активного слоя 22, может представлять собой однослойную структуру квантовой ямы, составленную только структурой квантовой ямы, или может быть многослойной структурой квантовой ямы, полученной наслоением множества структур квантовой ямы. Например, толщина пленки ямного слоя 22а составляет 2 нм или более и 3 нм или менее. Например, толщина пленки барьерного слоя 22b составляет 6 нм или более и 8 нм или менее.
[0034] В дополнение, активный слой 22 включает блокирующий электроны слой 22с, состоящий из AlGaN p-типа, имеющего большую мольную долю AlN, чем ямный слой 22а и барьерный слой 22b, на поверхности раздела (наружной поверхности), контактирующей с покрывающим слоем 23 p-типа. Блокирующий электроны слой 22с предотвращает поступление в покрывающий слой 23 p-типа электронов, инжектированных в активный слой 22. Например, толщина пленки блокирующего электроны слоя 22с составляет 15 нм или более и 30 нм или менее и обычно составляет 20 нм.
[0035] Барьерный слой 22b и блокирующий электроны слой 22с не являются обязательными в активном слое 22. Однако предпочтительно предусматривать барьерный слой 22b и блокирующий электроны слой 22с, поскольку этим можно заключать большое число электронов и дырок в ямном слое 22а и эффективно рекомбинировать электроны и дырки (то есть излучать свет).
[0036] Составляющий вышеописанные слои AlGaN формируют с использованием широко известного способа эпитаксиального роста, такого как способ эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) или способ молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). В вышеописанных слоях в слой n-типа добавляют донорную примесь, например, Si. Кроме того, в вышеописанных слоях в слой p-типа добавляют акцепторную примесь, например, Mg. В вышеописанных слоях, состоящий из AlN или AlGaN слой, который не задает тип проводимости, представляет собой нелегированный слой, не имеющий добавленные в него примеси. AlGaN, AlN и GaN, составляющие вышеописанные слои, могут частично или полностью содержать другие элементы при условии, что характеристики существенно не изменяются (например, AlGaN может содержать небольшое количество In или AlN может содержать небольшое количество Ga).
[0037] Мольная доля AlN в покрывающем слое 21 n-типа, барьерном слое 22b и покрывающем слое 23 p-типа составляет, например, 30% или более и 80% или менее (предпочтительно 50% или более и 80% или менее, а более предпочтительно 55% или более и 80% или менее), и мольная доля AlN в ямном слое 22а составляет, например, 5% или более и 80% или менее (предпочтительно 5% или более и 60% или менее). Здесь мольная доля AlN в ямном слое 22а меньше, чем мольная доля AlN в покрывающем слое 21 n-типа, барьерном слое 22b и покрывающем слое 23 p-типа (напротив, мольная доля GaN в ямном слое 22а больше, чем мольная доля GaN в покрывающем слое 21 n-типа, барьерном слое 22b и покрывающем слое 23 p-типа). Когда в подслойную часть 10 добавлен AlGaN-слой, мольная доля AlN в AlGaN-слое может быть в том же диапазоне, как для покрывающего слоя 21 n-типа, барьерного слоя 22b и покрывающего слоя 23 p-типа.
[0038] Например, длина волны максимума излучения светоизлучающего элемента 1 составляет 230 нм или более и 350 или менее. Светоизлучающий элемент 1 представляет собой, например, светоизлучающий элемент излучающего с задней стороны элемента типа, в котором излучение света из активного слоя 22 выводится со стороны подложки 11. Когда в подслойную часть 10 добавляют AlGaN-слой, мольную долю AlN в AlGaN-слое задают большей, чем мольная доля AlN в ямном слое 22а. В этом случае мольная доля AlN в AlGaN-слое может быть задана равной мольной доле AlN в покрывающем слое 21 n-типа или может быть задана большей, чем мольная доля AlN в покрывающем слое 21 n-типа.
[0039] В отношении толщины пленки AlGaN, составляющей иные слои светоизлучающей части 20, нежели активный слой 22, например, толщина пленки AlGaN в покрывающем слое 21 n-типа составляет 2000 нм или более и 4000 нм или менее, толщина пленки AlGaN в покрывающем слое 23 p-типа составляет 500 нм или более и 600 нм или менее, а толщина пленки AlGaN в контактном слое 24 p-типа составляет 100 нм или более и 300 нм или менее. В подслойной части 10 толщина пленки AlN-слоя 12 составляет, например, 1500 нм или более и 4000 нм или менее. Когда в подслойную часть 10 добавляют AlGaN-слой, толщина пленки AlGaN составляет, например, 200 нм или более и 300 нм или менее.
[0040] Далее со ссылкой на чертежи описываются p-электрод 30 и n-электрод 40. Фиг. 3 представляет собой вид сверху, схематически показывающий светоизлучающий элемент, если смотреть со стороны p-электрода и n-электрода.
[0041] Как показано на Фиг. 3, p-электрод 30 образован на по существу всей первой области R1, и n-электрод 40 образован на по существу всей второй области R2. Размер кристалла светоизлучающего элемента 1 составляет 800 мкм на 800 мкм, и площадь первой области R1, на которой образован p-электрод 30, составляет приблизительно 168000 мкм2.
[0042] p-электрод 30 и n-электрод 40 формируют следующим образом. Например, образуют фоторезист, действующий как инверсионный рисунок электрода (рисунок, который покрывает иную поверхность, нежели положение формирования электрода), затем на фоторезист способом электронно-лучевого нанесения или тому подобным осаждают составляющую электрод многослойную металлическую пленку, а фоторезист и многослойную металлическую пленку на фоторезисте удаляют отслаиванием. После того, как образованы один или оба из p-электрода 30 и n-электрода 40, если необходимо, может быть проведен процесс термической обработки способом RTA (быстрого термического отжига) или тому подобным.
[0043]
<Условия для получения активного слоя, имеющего высокий световой выход>
[Шероховатость поверхности активного слоя]
Согласно общепринятым представлениям в области полупроводниковых светоизлучающих элементов, для получения активного слоя 22, имеющего высокий световой выход, кристаллический рост активного слоя 22 должен представлять собой такой рост, который предотвращает образование препятствующих излучение света дефектов, таких как дислокации и трещины, то есть двумерный рост, который сохраняет плоскостность поверхности роста (роста, обеспечивающего точное наслаивание каждого слоя). В частности, для равномерного роста ямного слоя 22а, который является чрезвычайно тонким, например, имеет толщину несколько нм, при этом предотвращая образование дефектов, шероховатость поверхности роста должна быть по меньшей мере меньше, чем толщина ямного слоя 22а.
[0044] Однако заявители настоящей заявки провели обстоятельные исследования и обнаружили, что активный слой 22 с высоким световым выходом получается при выполнении роста, при котором преднамеренно сохраняется высокая шероховатость поверхности роста во время кристаллического роста активного слоя 22 (в частности, ямного слоя 22а). Это описывается ниже со ссылкой на чертежи.
[0045] Шероховатость поверхности роста во время кристаллического роста активного слоя 22 может быть представлена с использованием средней шероховатости поверхности активного слоя 22 после выращивания. Например, средняя шероховатость может быть рассчитана по следующей формуле (1) с использованием высоты (относительной высоты, когда заданная высота в пределах области измерения исследуемого объекта составляет 0), измеренной атомно-силовым микроскопом (AFM). В следующей формуле (1) Z(i) обозначает высоту каждой измеренной с помощью AFM точки, Ze обозначает среднее значение высоты Z(i), и Ra обозначает среднюю шероховатость.
[0046]
[0047] Фиг. 4 представляет AFM-изображения, показывающие состояние поверхностей активных слоев в образцах 1-5. В AFM-изображениях, показанных на Фиг. 4 и других рисунках, более яркий (более белый) участок представляет более высокую область. Фиг. 4 также показывает среднее отклонение профиля (среднюю шероховатость) области 25 мкм на 25 мкм (далее называемую просто «средней шероховатостью»). Фиг. 5 показывает гистограммы, изображающие частотное распределение высоты поверхностей активных слоев в образцах 1-5. Фиг. 5 показывает частотное распределение высоты каждой из областей 25 мкм на 25 мкм в образцах 1-5, показанных на Фиг. 4.
[0048] Область 25 мкм на 25 мкм для расчета средней шероховатости и частотного распределения имеет максимальный размер для расчета средней шероховатости и высоты с использованием AFM. Кроме того, область 25 мкм на 25 мкм является достаточно большой для получения по существу постоянного значения, независимо от места внутри кристалла. Численная величина 25 мкм не имеет конкретного значения, и могут быть использованы другие области, такие же по размерам, как область 25 мкм на 25 мкм, например, область 30 мкм на 30 мкм и область 20 мкм на 20 мкм.
[0049] В образцах 1-5, показанных на Фигурах 4 и 5, влияние террасы Т (смотри Фиг. 2), образованной на поверхности подложки 11, которая представляет собой уступчатую подложку, проявляется на поверхности активного слоя 22. Более конкретно, по меньшей мере AlN-слой 12 подслойной части 10, активный слой 22 светоизлучающей части 20 и слои между AlN-слоем 12 и активным слоем 22 (в этом примере покрывающий слой 21 n-типа) образованы ступенчато-слоевым ростом, при котором боковые поверхности многоступенчатых террас растут для достижения двумерного роста. Для справки, описываемые позже Фигуры 11А-16С показывают состояние поверхности AlN-слоя 12 в подслойной части 10. В дополнение описываемые позже Фигуры 6А-8С показывают состояние поверхности покрывающего слоя 21 n-типа в светоизлучающей части 20.
[0050] Образцы 1-5 получены в условиях, при которых селективный рост боковой поверхности террасы является более легким в порядке от образца 1, образца 2, образца 3, образца 4 и до образца 5. То есть среди образцов 1-5 образец 1 получен в условиях, при которых селективный рост боковой поверхности террасы является затрудненным, тогда как образец 5 получен в условиях, при которых селективный рост боковой поверхности террасы является наиболее легким. Условия, при которых селективный рост боковой поверхности террасы является легким, включают, например, большой угол уступа подложки 11 в определенном диапазоне (например, в диапазоне от 0 градусов до нескольких градусов), скорость роста, при которой легко появляется терраса (более конкретно, скорость роста достигается надлежащим заданием условий, включающих, например, температуру роста, подаваемое количество материала или газа-носителя и расход), и тому подобное.
[0051] Условия, при которых селективный рост боковой поверхности террасы является легким, могут различаться в зависимости от типа или конфигурации формирующего пленку устройства. Следовательно, такие условия могут быть выявлены при фактическом получении нескольких образцов формирующими пленку устройствами. И важным является не выявление условий для обеспечения возможности бесконечного числа комбинаций, достигаемых в зависимости от формирующих пленку устройств, а идентификация условий надежного формирования активного слоя 22 с помощью ступенчато-слоевого роста.
[0052] Образцы 1-5 получены при различных условиях, как описано выше, и состояние поверхности активного слоя 22, в частности, средняя шероховатость поверхности активного слоя 22, различается от образца к образцу. Более конкретно, в отношении средней шероховатости поверхности активных слоев 22 в образцах 1-5, средняя шероховатость образца 1 составляет 10,9 нм, средняя шероховатость образца 2 составляет 5,08 нм, средняя шероховатость образца 3 составляет 3,66 нм, средняя шероховатость образца 4 составляет 3,94 нм и средняя шероховатость образца 5 составляет 5,94 нм.
[0053] В образцах 1-5 слои от AlN-слоя 12 подслойной части 10 до активного слоя 22 светоизлучающей части 20 неизменно образованы ступенчато-слоевым ростом, и тем самым средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 возрастает. Более конкретно, средняя шероховатость поверхностей активных слоев 22 в образцах 1-5 больше или равна толщине ямного слоя 22а и больше или равна 3 нм. Как описано выше, выращивание активного слоя 22 так, что средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 превышает толщину ямного слоя 22а, опять же является общеизвестным фактом в области полупроводниковых светоизлучающих элементов.
[0054] Как показано на Фиг. 4, в образце 1 одновременно со ступенчато-слоевым ростом также происходит трехмерный рост. При трехмерном росте зародыш в произвольном положении на террасе вырастает в шестиугольный холмик Н. В дополнение, как показано на Фиг. 5, частотное распределение высоты поверхности активного слоя 22 в образце 1 не является нормальным распределением (по мере того как высота возрастает от 0, высота просто увеличивается при изменении от ее выгнутого вниз изгиба до ее выгнутого вверх изгиба до достижения максимального значения. Затем высота просто уменьшается, в то же время изменяясь от его выгнутого вверх изгиба до его выгнутого вниз изгиба), и тем самым высота изменяется нерегулярно. Таким образом, в образце 1 обнаружено, что холмик Н, который является показателем нерегулярных изменений высоты, оказывает большое влияние, тогда как терраса, которая является показателем регулярных изменений высоты, оказывает небольшое влияние, и тем самым трехмерный рост преобладает над ступенчато-слоевым ростом.
[0055] Кроме того, как показано на Фиг. 4, холмик Н также присутствует на поверхности активного слоя 22 в образце 2, подобно образцу 1. Однако, по сравнению с образцом 1, область, занятая холмиком Н в образце 2, значительно уменьшена. Как показано на Фиг. 5, частотное распределение высоты поверхности активного слоя 22 в образце 2 представляет собой нормальное распределение, в отличие от образца 1, и тем самым высота изменяется до определенной степени регулярно. Таким образом, в образце 2 обнаружено, что холмик Н, который является показателем нерегулярных изменений высоты, оказывает небольшое влияние, тогда как терраса, которая является показателем регулярных изменений высоты, оказывает большое влияние, и тем самым ступенчато-слоевой рост преобладает над трехмерным ростом.
[0056] Как показано на Фиг. 4, большой холмик Н не образуется, и признаки ступенчато-слоевого роста (многоступенчатые и треугольные грани) обнаруживаются везде в образцах 3-5. В дополнение, как показано на Фиг. 5, частотное распределение поверхностей активных слоев 22 в образцах 3-5 имеет нормальное распределение, и тем самым высота изменяется регулярно. Таким образом, в образцах 3-5 обнаружено, что холмик Н, который является показателем нерегулярных изменений высоты, оказывает очень небольшое влияние, тогда как терраса, которая является показателем регулярных изменений высоты, оказывает очень большое влияние, и тем самым ступенчато-слоевой рост еще больше преобладает над трехмерным ростом.
[0057] Между тем средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 в образце 1 составляет 10,9 нм, что гораздо больше, чем средняя шероховатость в других образцах 2-5. Это обусловлено тем, что преобладает трехмерный рост и велико влияние возвышения Н в образце 1. Как описано выше, в образце, в котором преобладает трехмерный рост, холмик Н неизбежно включается в область 25 мкм на 25 мкм для расчета средней шероховатости, которая определяется на поверхности активного слоя 22, и тем самым средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 могла бы превышать 10 нм.
[0058] Средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 в образце 2 составляет 5,08 нм, что превышает среднюю шероховатость в образцах 3 и 4. Это обусловлено тем, что в образце 2 преобладает ступенчато-слоевой рост, но образец 2 также испытывает немалое влияние возвышения Н.
[0059] Средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 в образце 5 составляет 5,94 нм, которое превышает среднюю шероховатость в образцах 3 и 4. Это не обусловлено влиянием возвышения Н. В образце 5 ступенька террасы является большой, и тем самым средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 также большая.
[0060] Фигуры 6А-8С показывают состояние поверхностей покрывающих слоев n-типа в образцах 1, 3 и 4, и состояние поверхностей активных слоев в образцах 1, 3 и 4 в сравнении. Как показано на Фиг. 1, покрывающий слой 21 n-типа образован непосредственно перед активным слоем 22. То есть Фигуры 6А-8С показывают состояние поверхности активного слоя 22 и состояние задней поверхности активного слоя 22 в сравнении.
[0061] Фигуры 6А, 7А и 8А представляют AFM-изображения, показывающие состояние области 25 мкм на 25 мкм на поверхности покрывающего слоя 21 n-типа и состояние области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя 22. Фигуры 6В, 7В и 8В представляют гистограммы, показывающие частотное распределение высоты поверхностей покрывающих слоев 21 n-типа и активных слоев 22, показанных на Фигурах 6А, 7А и 8А, соответственно. Фигуры 6С, 7С и 8С представляют AFM-изображения, показывающие более узкие области, чем области на покрывающих слоях 21 n-типа и активных слоях 22, показанных на Фигурах 6А, 7А и 8А, соответственно, как трехмерные виды сверху. Фигуры 6А, 7А и 8А также показывают среднюю шероховатость поверхностей покрывающих слоев 21 n-типа и активных слоев 22 в образцах 1, 3 и 4, соответственно.
[0062] Как показано на Фиг. 6А, в образце 1 средняя шероховатость поверхности покрывающего n-слоя 21 составляет 10,3 нм, и средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 составляет 10,9 нм. Как показано на Фиг. 7А, в образце 3 средняя шероховатость поверхности покрывающего n-слоя 21 составляет 3,78 нм, и средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 составляет 3,66 нм. Как показано на Фиг. 8А, в образце 4 средняя шероховатость поверхности покрывающего n-слоя 21 составляет 3,83 нм, и средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 составляет 3,94 нм.
[0063] Как описано выше, в каждом из образцов 1, 3 и 4 средняя шероховатость поверхности покрывающего n-слоя 21 по существу равна средней шероховатости поверхности активного слоя 22. В частности, величина, полученная при делении абсолютного значения разности между средней шероховатостью поверхности активного слоя 22 и средней шероховатостью поверхности покрывающего n-слоя 21 на среднюю шероховатость поверхности активного слоя 22, находится в пределах 10%. Это обусловлено тем, что активный слой 22 образован равномерным ростом, при котором сохраняется средняя шероховатость поверхности. В то время как в качестве примера приведены только образцы 1, 3 и 4, то же самое справедливо для образцов 2 и 5.
[0064] Как показано на Фигурах 7В и 8В, в образцах 3 и 4 частотное распределение высоты поверхности каждого из упомянутых покрывающего n-слоя 21 и активного слоя 22 представляет собой нормальное распределение. Это значит, что активный слой 22 образован при поддержании ступенчато-слоевого роста от начала до конца. В то время как в качестве примера приведены только образцы 3 и 4, то же самое справедливо для образцов 2 и 5. Напротив, эта тенденция не проявляется в образце 1, в котором преобладает трехмерный рост.
[0065] Между тем, как показано на Фигурах 7С и 8С, в образцах 3 и 4 углы террас на поверхности активного слоя 22 (многоступенчатые и треугольные грани) являются более скругленными, чем углы террас на поверхности покрывающего n-слоя 21. Это явление описывается со ссылкой на описываемые позже Фигуры 9А, 9В, 10А и 10В. В то время как в качестве примера приведены только образцы 3 и 4, то же самое справедливо для образцов 2 и 5. Напротив, эта тенденция не проявляется явно в образце 1, в котором преобладает трехмерный рост.
[0066] Фигуры 9А, 9В, 10А и 10В представляют графики, показывающие характеристики излучения света образцов 1-5. Более конкретно, Фигуры 9А и 9В представляют графики, показывающие длину волны максимума излучения и полуширину у образцов 1-5, тогда как Фигуры 10А и 10В представляют графики, показывающие световой выход образцов 1-5. Фигуры 9А и 10А представляют графики, в которых вертикальная ось представляет характеристики излучения света, а горизонтальная ось представляет номер образца. Фигуры 9В и 10В представляют собой графики, в которых вертикальная ось представляет характеристики излучения света, а горизонтальная ось представляет среднюю шероховатость поверхности активного слоя 22.
[0067] Как показано на Фигурах 9А и 9В, по сравнению с образцом 1, в котором преобладает трехмерный рост, длина волны максимума излучения сдвигается в сторону длинноволновой области, а полуширина больше в образцах 2-5, в которых преобладает ступенчато-слоевой рост.
[0068] При изучении такого результата на основе того факта, что AlGaN, составляющий активный слой 22 (в частности, ямный слой 22а), представляет собой смешанный кристалл из AlN и GaN, а длина волны излучения GaN больше, чем у AlN, предполагается, что происходит сегрегация Ga, содержащегося в AlGaN, составляющем активный слой 22 (в частности, ямный слой 22а), и ток также протекает в области сегрегации, и тем самым излучается свет. То есть предполагается, что сегрегация Ga происходит в активном слое 22 (в частности, ямном слое 22а) при ступенчато-слоевом росте, при котором средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 превышает толщину ямного слоя 22а.
[0069] В дополнение, как описано выше, округленные террасы на поверхностях активных слоев 22, показанные на Фигурах 7С и 8С, также предполагают сегрегацию Ga. Более конкретно, предполагается, что, когда активный слой 22 (в частности, ямный слой 22а, имеющий большую мольную долю GaN) образован ступенчато-слоевым ростом, Ga, который легко мигрирует сравнительно с Al, концентрируется на границе раздела между боковой поверхностью террасы и поверхностью террасы на следующей ступеньке, сглаживая ступеньки так, что террасы скругляются.
[0070] Как показано на Фигурах 10А и 10В, по сравнению с образцом 1, в котором трехмерный рост преобладает над ступенчато-слоевым ростом (средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 превышает 10 нм), световые выходы образцов 2-5, в которых преобладает ступенчато-слоевой рост, больше. Таким образом, обнаружено, что световой выход активного слоя 22 может быть повышен при сегрегации Ga в активном слое 22 (в частности, ямном слое 22а).
[0071] Как описано выше, можно увеличить световой выход активного слоя 22 сегрегацией Ga в активном слое 22 (в частности, ямном слое 22а) при ступенчато-слоевом росте, в котором средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 составляет толщину ямного слоя 22а или более и 10 нм или менее. Таким образом, можно получить светоизлучающий элемент 1, который включает активный слой 22 с высоким световым выходом.
[0072] В дополнение, как показано на Фигурах 10А и 10В, достаточная сегрегация Ga происходит в активном слое 22 (в частности, ямном слое 22а) в образцах 2-5, в которых средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 больше или равна 3 нм. Тем самым можно увеличить световой выход активного слоя 22.
[0073] Как показано на Фигурах 10А и 10В, по сравнению с образцом 5, в котором средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 составляет приблизительно 6 нм, световые выходы образцов 2-4, в которых средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 меньше или равно 6 нм, гораздо больше (например, в 1,5 раза или более). Таким образом, если средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 меньше или равна 6 нм (предпочтительно меньше или равна 5,5 нм), можно значительно увеличить световой выход активного слоя 22.
[0074] Как показано на Фигурах 7А-8С, в светоизлучающей части 20 средняя шероховатость поверхности активного слоя 22 по существу равна средней шероховатости поверхности покрывающего слоя 21 n-типа, образованного непосредственно перед активным слоем 22. Не только средняя шероховатость поверхности активного слоя 22, но также средняя шероховатость поверхности покрывающего слоя 21 n-типа, составляет толщину ямного слоя 22а или более (в частности, 3 нм или более) и 10 нм или менее (в частности, 6 нм или менее). В этом случае активный слой 22 образуется равномерным ростом, при котором сохраняется средняя шероховатость поверхности роста, и тем самым Ga безусловно сегрегирует в активном слое 22 (в частности, ямном слое 22а). Таким образом, можно увеличить световой выход активного слоя 22.
[0075]
[AlN-слой подслойной части]
Далее со ссылкой на чертежи описывается состояние поверхности AlN-слоя 12 в подслойной части 10. Фигуры 11А-16С представляют AFM-изображения, показывающие состояние поверхностей AlN-слоев в подслойных частях образцов 1-5 и образца А. Образец А получен при условиях, промежуточных с условиями для образца 1 и условиями для образца 2.
[0076] Фигуры 11А, 12А, 13А, 14А, 15А и 16А представляют собой AFM-изображения, показывающие состояние области 25 мкм на 25 мкм на поверхности AlN-слоя 12. Фигуры 11В, 12В, 13В, 14В, 15В и 16В представляют собой AFM-изображения, показывающие более узкие области, нежели области на AlN-слоях 12, изображенные на Фигурах 11А, 12А, 13А, 14А, 15А и 16А. Фигуры 11С, 12С, 13С, 14С, 15С и 16С представляют собой AFM-изображения, показывающие области на AlN-слоях 12, изображенные на Фигурах 11В, 12В, 13В, 14В, 15В и 16В, как трехмерные виды сверху. Фигуры 11А, 12А, 13А, 14А, 15А и 16А также показывают среднюю ширину террасы (здесь далее называемую просто «шириной террасы») в направлении наклона подложки 11, если смотреть сверху. Фигуры 11В, 12В, 13В, 14В, 15В и 16В также показывают среднюю высоту террасы (здесь далее называемую также «высотой террасы»).
[0077] Например, ширина террасы рассчитывается при произвольном выборе определенного диапазона с заданным расстоянием (например, 25 мкм) в направлении наклона подложки 11 (левое и правое направление на чертеже) в пределах области, показанной на каждой из Фигур 11А, 12А, 13А, 14А, 15А и 16А, подсчете числа террас, включенных в диапазон, и делении расстояния на подсчитанное число террас. В альтернативном варианте, ширину террасы можно рассчитать при многократном повторении такого расчета (например, приблизительно 10 раз) и усреднении полученных значений.
[0078] Кроме того, высота террасы может быть рассчитана, например, во время измерения области, показанной на каждой из Фигур 11В, 12В, 13В, 14В, 15В и 16В, с помощью AFM, расчетом разности между высотой, измеренной на дальнем конце террасы и высоты террасы на следующей ступеньке, соседней с дальним концом, и усреднением разности по множеству точек (например, приблизительно 50 точкам).
[0079] Как показано на Фигурах 11А, 12А, 13А, 14А, 15А и 16В, ширина террасы проявляет тенденцию к уменьшению в порядке от образца 1, образца А, образца 2, образца 3, образца 4 и до образца 5. Как показано на Фигурах 11В, 11С, 12В, 12С, 13В, 13С, 14В, 14С, 15В, 15С, 16В и 16С, высота террасы проявляет тенденцию к повышению в порядке от образца 1, образца А, образца 2, образца 3, образца 4 и до образца 5.
[0080] Как описано выше, по сравнению с образцом 1 и образцом А, ширина террасы уже, а высота террасы больше в образцах 2-5, включающих активный слой 22 с высоким световым выходом (смотри Фигуры 10А и 10В). Более конкретно, в образцах 2-5 ширина террасы составляет 0,3 мкм или более и 1 мкм или менее, а высота террасы составляет 8 нм или более и 14 нм или менее.
[0081] Поскольку светоизлучающая часть 20 образована на поверхности подслойной части 10, включающей такой AlN-слой 12, можно получить активный слой 22 с высоким световым выходом, в котором при ступенчато-слоевом росте происходит сегрегация Ga, как описано выше.
[0082]
[Мольная доля AlN в ямном слое]
Как можно видеть по тому факту, что длины волны максимума излучения образцов 1-5, показанных в качестве примера в вышеприведенном описании, находятся в пределах диапазона 265 нм±3 нм, как показано на Фигурах 9А и 9В, образцы 1-5 имеют по существу одинаковую долю AlN в ямном слое 22а. Однако, даже в светоизлучающем элементе 1, имеющем ямный слой 22а, мольная доля AlN в котором весьма отличается от доли в образцах 1-5, сегрегация Ga может происходить подобно образцам 1-5.
[0083] Ниже со ссылкой на чертежи описывается взаимосвязь между сегрегацией Ga и мольной долей AlN (длина волны максимума излучения) в ямном слое 22а. Фиг. 17 представляет собой спектральную диаграмму, показывающую спектры излучения множества образцов, имеющих различные мольные доли AlN (длины волны максимума излучения) в ямных слоях. Фиг. 18 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между длиной волны максимума излучения и полушириной спектра излучения каждого образца. Фигуры 17 и 18 также показывают для сравнения образец, имеющий ямный слой 22а, состоящий из GaN. На Фиг. 17 с целью упрощения понимания и сравнения контуров спектров излучения, из показанных на Фиг. 18 образцов выбраны репрезентативные образцы, и интенсивность длины волны максимума излучения каждого выбранного образца нормализована до 1. Фиг. 18 также показывает аппроксимированную прямую линию результатов измерений длины волны максимума излучения и полуширины спектра излучения каждого образца.
[0084] Фиг. 17 показывает спектры излучения образцов, имеющих длину волны максимума излучения 265 нм, длину волны максимума излучения 285 нм, длину волны максимума излучения 320 нм, длину волны максимума излучения 335 нм и длину волны максимума излучения 354 нм. Образец, имеющий длину волны максимума излучения 265 нм, представляет собой образец, имеющий длину волны максимума излучения, по существу равную таковой для вышеописанных образцов 1-5. Образец, имеющий длину волны максимума излучения 354 нм (тонкая кривая на Фиг. 17), представляет собой образец, имеющий состоящий из GaN ямный слой 22а.
[0085] В образце, имеющем состоящий из GaN ямный слой 22а (образец, имеющий длину волны максимума излучения 354 нм), ямный слой 22а образован из монокристалла GaN, и тем самым сегрегация Ga не происходит. В этом случае имеются небольшие вариации энергии электронов и дырок, заключенных в ямном слое 22а, приводя к небольшим вариациям разности энергий между рекомбинированными электронами и дырками (то есть небольшим вариациям длины волны излучения). Таким образом, получается спектр излучения (линии спектра), имеющий узкую полуширину спектра излучения. Эта полуширина спектра излучения образца представляет собой полуширину спектра излучения, когда сегрегация Ga не происходит, и используется в качестве эталона (здесь далее называемую «эталонной полушириной спектра излучения») для определения наличия или степени сегрегации Ga.
[0086] С другой стороны, в образцах, имеющих ямный слой 22а, состоящий из AlXGa1-XN (образцах, имеющих длину волны максимума излучения 265 нм, длину волны максимума излучения 285 нм, длину волны максимума излучения 335 нм и длину волны максимума излучения 320 нм), ямный слой 22а состоит из смешанного кристалла AlN и GaN, и тем самым может происходить сегрегация Ga, как описано выше. Полуширины спектров излучения этих образцов шире, чем эталонная полуширина. Это происходит из-за того, что сегрегация Ga приводит к большим вариациям энергии электронов и дырок, заключенных в ямном слое 22а, и тем самым в больших вариациях разности энергий между рекомбинированными электронами и дырками (то есть больших вариациях длины волны излучения).
[0087] Однако значения полуширины спектров излучения образцов различаются (то есть степень сегрегации Ga различается от образца к образцу), как показано на Фигурах 17 и 18. Более конкретно, по мере того как длина волны максимума излучения уменьшается, также уменьшается полуширина спектра излучения. Это обусловливается тем, что, по мере того как величина Х мольной доли AlN в AlXGa1-XN, составляющем ямный слой 22а, приближается к 1 (то есть монокристаллу AlN), количество Ga уменьшается, и тем самым сегрегация Ga почти не происходит.
[0088] В этом случае, если ямный слой 22а состоит из AlXGa1-XN так, что длина волны максимума излучения больше или равна 230 нм (предпочтительно больше или равна 240 нм, а более предпочтительно больше или равна 250 нм), как показано на Фиг. 18, полуширина спектра излучения может быть существенно шире, чем эталонная полуширина (пунктирная линия на Фиг. 18) (то есть можно увеличить световой выход за счет сегрегации Ga).
[0089] С другой стороны, как показано на Фигурах 17 и 18, по мере того как длина волны максимума излучения возрастает, также увеличивается полуширина спектра излучения. Однако, по мере того как величина Х мольной доли AlN в AlXGa1-XN, составляющем ямный слой 22а, приближается к 0 (то есть к монокристаллу GaN), количество Ga возрастает и происходит чрезмерная сегрегация Ga. Таким образом, существуют проблемы того, что искажается спектр излучения (например, пик разделяется на два или более пиков) и уменьшается интенсивность излучения.
[0090] В этом случае, если ямный слой 22а состоит из AlXGa1-XN (0<X<1) так, что длина волны максимума излучения короче или равна 340 нм (предпочтительно короче или равна 335 нм), как показано на Фигурах 17 и 18, эти проблемы едва ли возникают.
[0091] Таким образом, когда длина волны максимума излучения задана на 230 нм или длиннее и 340 нм или короче, в активном слое 22 (в частности, в ямном слое 22а) происходит достаточная сегрегация Ga, повышая тем самым световой выход. В дополнение, едва ли возникают проблемы с тем, что искажается спектр излучения и уменьшается интенсивность излучения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0092] Настоящее изобретение может быть применимым к нитридному полупроводниковому светоизлучающему элементу, полученному при формировании активного слоя на основе AlGaN поверх подложки, состоящей из сапфира. В частности, предпочтительно применять настоящее изобретение к излучающему ультрафиолетовый свет нитридному полупроводниковому элементу, имеющему длину волны максимума излучения в ультрафиолетовой области.
ОПИСАНИЕ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0093]
1 светоизлучающий элемент (излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент)
10 подслойная часть
11 подложка
12 AlN-слой
20 светоизлучающая часть
21 покрывающий слой n-типа
22 активный слой
22а ямный слой
22b барьерный слой
22с блокирующий электроны слой
23 покрывающий слой p-типа
24 контактный слой p-типа
30 p-электрод
40 n-электрод
1. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент, содержащий:
подслойную часть, включающую подложку, которая состоит из сапфира и имеет поверхность, наклоненную к поверхности (0001) так, что образуется многоступенчатая терраса, и AlN-слой, образованный на поверхности этой подложки; и
светоизлучающую часть, которая образована на поверхности подслойной части и включает активный слой, имеющий полупроводниковый слой на основе AlGaN, причем,
по меньшей мере, AlN-слой подслойной части, активный слой светоизлучающей части и каждый слой между AlN-слоем и активным слоем образованы ступенчато-слоевым ростом, при котором боковая поверхность многоступенчатой террасы растет так, что достигается двумерный рост,
активный слой имеет структуру квантовой ямы, включающую, по меньшей мере, ямный слой, состоящий из AlXGa1-XN (0<X<1), и причем
средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее.
2. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по п.1, в котором средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, включенного в светоизлучающую часть, больше или равна 3 нм.
3. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по п. 1 или 2, в котором средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, включенного в светоизлучающую часть, меньше или равна 6 нм.
4. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-3, в котором средняя шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности слоя, который включен в светоизлучающую часть и образован непосредственно перед активным слоем, составляет толщину ямного слоя или более и 10 нм или менее.
5. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-4, в котором величина, полученная при делении абсолютного значения разности между средней шероховатостью области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя и средней шероховатостью области 25 мкм на 25 мкм на поверхности слоя, который включен в светоизлучающую часть и образован непосредственно перед активным слоем, на среднюю шероховатость области 25 мкм на 25 мкм на поверхности активного слоя, меньше или равна 10%.
6. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-5, в котором на поверхности AlN-слоя, включенного в подслойную часть, средняя ширина террасы в направлении наклона подложки, если смотреть сверху, составляет 0,3 мкм или более и 1 мкм или менее.
7. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-6, в котором на поверхности AlN-слоя, включенного в подслойную часть, средняя высота ступеньки, образованной террасой, составляет 8 нм или более и 14 нм или менее.
8. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-7, в котором на поверхности активного слоя, включенного в светоизлучающую часть, частотное распределение высоты области 25 мкм на 25 мкм имеет форму кривой, в которой по мере того как высота возрастает от 0, высота просто увеличивается, изменяясь от ее выгнутого вниз изгиба до ее выгнутого вверх изгиба, до достижения максимального значения, а затем высота просто уменьшается, изменяясь от ее выгнутого вверх изгиба до ее выгнутого вниз изгиба.
9. Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-8, в котором длина волны максимума излучения составляет 230 нм или более и 340 нм или менее.
