[发明专利]氮化镓系化合物半导体发光元件

说明书

技术领域

本发明涉及具有掺杂了Mg的p型氮化镓系化合物半导体层的氮化镓系化合物半导体发光元件。

背景技术

具有作为V族元素氮(N)的氮化物半导体，由于其带隙大小的缘故，作为短波长发光元件的材料有发展前景。其中，尤其是氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体：Al_xGa_yIn_zN、0≤x，y，z≤1、x+y+z＝1)的研究广泛进行，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED以及以GaN系半导体为材料的半导体激光也已经被实际应用。

GaN系半导体具有纤锌矿型结晶结构。图1示意性地表示GaN的单位晶格。在Al_xGa_yIn_zN、0≤x，y，z≤1、x+y+z＝1)半导体的结晶中，图1所示的Ga的一部分能够被置换成Al以及/或者In。

图2表示为了用4指数标号(六方晶系指数)表示纤锌矿型结晶结构的面而一般上使用的四个基本矢量a₁、a₂、a₃和c。基本矢量c在[0001]方向上延伸，该方向被称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。另外，“c轴”以及“c面”有时会分别表示为“C轴”以及“C面”。在附图中，为了容易看到而用大写字母来表示。

在使用GaN系半导体制造半导体元件的情况下，作为使GaN系半导体结晶生长的基板，使用在表面具有c面的基板也就是(0001)面的基板。但是，由于在c面上Ga的原子层和氮的原子层的位置会向c轴稍微偏离，因此形成极化(Electrical Polarization)。为此，“c面”也被称为“极性面”。极化的结果是，在活性层的InGaN的量子阱中沿着c轴方向会产生压电电场。如果在活性层中产生这种压电电场，则由于载流子的量子限制斯塔克效应的缘故，活性层内的电子以及空穴的分布会产生位置偏离，所以，内部量子效率降低。因此，如果是半导体激光，则会引起阈值电流的增大。如果是LED，则会引起消耗功率的增大或发光效率的降低。另外，在注入载流子密度上升的同时，会发生压电电场的屏蔽，也会发生发光波长的变化。

因此，为了解决这些技术问题，使用在表面具有与非极性面、例如[10-10]方向垂直的被称为m面的(10-10)面的基板的研究正在进行。在此，表示米勒指数的括号内的数字左边标注的“-”表示“横杠(bar)”。如图2所示，m面是与c轴(基本矢量c)平行的面，并与c面正交。在m面上，由于Ga原子和氮原子存在于同一原子面上，因此，在与m面垂直的方向上不发生极化。其结果是，如果在与m面垂直的方向上形成半导体层叠结构，则在活性层中也不会产生压电电场，因此，能够解决上述技术问题。

m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面和(0-110)面的总称。另外，在本说明书中，“X面生长”是指：在与六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m)垂直的方向上发生外延生长。在X面生长中，有时将X面称为“生长面”。另外，有时会将通过X面生长所形成的半导体的层称为“X面半导体层”。

一般的氮化镓系化合物半导体发光元件是通过在基板上按照顺序生长n型氮化镓系化合物半导体层、活性层和p型氮化镓系化合物半导体层而制成的。这些氮化镓系化合物半导体层是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)这样的气相生长法而形成的。

一直以来，p型氮化镓系半导体层(以下有时会简称为“p型层”)的生长是通过以1×10¹⁹cm^-3以上的浓度含有作为p型掺杂物的镁(Mg)这种对条件进行控制的方式而进行的。在p型层内掺杂的Mg原子，与氢原子易于结合，且与氢原子结合后得到的Mg原子作为p型掺杂物呈惰性。因此，有时进行用于使氢从Mg原子脱离的活化热处理(退火处理)。但是，即使进行这种活化热处理，包含在p型层内的所有Mg原子中也只有百分之几左右被活化。因此，为了获得显示良好的电特性所需要的1×10¹⁷cm^-3左右的空穴(hole)，需要以成为其100倍以上的1×10¹⁹cm^-3以上的浓度掺杂Mg原子。为了获得良好的电特性，优选是达到2～5×10¹⁹cm^-3左右的Mg原子的浓度(以下称为“Mg浓度”)。