[發明專利]氮化物半導體發光芯片、其制造方法以及半導體光學裝置

有效

• 申請號: 201010144053.2
• 申請日: 2010-03-29
• 公開（公告）號: CN101847823A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 神川剛;太田征孝
• 申請（專利權）人: 夏普株式會社
• 主分類號: H01S5/00
• 分類號: H01S5/00;H01S5/02;H01L33/02
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 彭久云

技術領域

本發明涉及氮化物半導體發光芯片，其制造方法以及半導體光學裝置。更具體地，本發明涉及設置有氮化物半導體基板的氮化物半導體發光芯片，其制造方法以及包含該氮化物半導體發光芯片的半導體光學裝置。

背景技術

諸如GaN、AlN、InN及其混合晶體的氮化物半導體的特征在于，具有比AlGaInAs基和AlGaInp基半導體更寬的帶隙Eg，并且是直接帶隙材料。由于這些原因，氮化物半導體受到關注，用作制造諸如發射紫外至綠色的波長范圍的光的半導體激光器芯片以及覆蓋從紫外至紅色的寬發光波長范圍的發光二極管芯片的半導體發光芯片的材料，并預期能在投影儀和全色顯示器中以及在環境、醫學和其他領域中得到廣泛運用。

另一方面，近幾年來，許多研究機構一直在積極努力，試圖通過使用氮化物半導體來拓展半導體發光芯片的發射波長，以實現半導體發光芯片在綠色區域(綠色半導體激光)發光。

通常，在使用氮化物半導體的半導體發光芯片中，使用六方晶系的GaN的基板(氮化物半導體基板)，其c面((0001)面)作為主生長面。通過在c面上堆疊包括有源層的氮化物半導體層，形成氮化物半導體發光芯片。通常，在使用氮化物半導體基板形成氮化物半導體發光芯片的情形，使用含In的有源層，并且通過增加In的組分比來尋求更長的發射波長。

然而，不便的是，GaN基板的c面是在c軸方向存在極性的極性面，因而在c面上堆疊包括有源層的氮化物半導體層會在有源層中導致自發極化。另外不方便的是，在c面上堆疊包括有源層的氮化物半導體層時，隨著In的組分比的增加，晶格畸變加劇，引起壓電極化導致的強內部電場。內部電場減小電子和空穴的波函數之間的交疊，因而減小輻射復合率。因而，試圖實現綠色區域的發光而增加In的組分比會面臨發光波長增長時發光效率顯著降低的問題。

因此，為避免自發極化和壓電極化的影響，當前有人建議的氮化物半導體發光芯片不像常規那樣在c面上，而是在非極化面的m面({1-100}面)上堆疊氮化物半導體層。該氮化物半導體發光芯片例如在JP-A-2008-91488中公開。

上面提到的JP-A-2008-91488中公開的氮化物半導體發光芯片(發光二極管芯片)設置有m面用作主生長面的GaN基板，該m面是非極化面，在該主生長面(m面)上堆疊包括有源層的氮化物半導體層。m面是和c面垂直的晶面，因而在m面上堆疊包括有源層的氮化物半導體層導致作為極化軸的c軸位于有源層的面上。從而避免了自發極化和壓電極化的影響，抑制了發光效率的降低。順便提一下，在JP-A-2008-91488公開的氮化物半導體發光芯片(發光二極管芯片)中，從抑制表面形貌惡化的角度出發，調整GaN基板的m面使其偏角(對準誤差)不超過±1度。

如上所述，通過使用以m面作為主生長面的氮化物半導體基板，所獲得的氮化物半導體發光芯片能抑制自發極化和壓電極化導致的發光效率的降低。

然而，不便的是，關于使用以m面作為主生長面的氮化物半導體基板的氮化物半導體發光芯片，通過測量其發光效率(電流注入引起的發光，即，電致發光，縮寫為EL)，已證實隨著有源層中In的組分比增加，發光效率急劇降低。通過細致研究以尋找該現象的誘因，本發明的發明者發現發光效率的降低是EL發射圖案(由電流注入引起發光時，所觀察到的整個面的光分布)變成亮斑引起的。即，發明者發現，隨著有源層中In的組分比增加，氮化物半導體發光芯片的EL發射圖案變成亮斑。

具體地，在制造使用以m面作為主生長面的氮化物半導體基板的氮化物半導體發光芯片并且通過電流注入使其發光的時候，觀察到了如圖24所示的亮斑EL發射圖案。過去，人們根本不知道是什么條件導致了這種現象。通過詳細的調查來尋找原因，已發現，隨著有源層中In組分比的增加，EL發射圖案加劇變為亮斑。該亮斑EL發射圖案隨有源層中In的組分比增加而變得更加明顯，已觀察到的趨勢是，亮斑EL發射圖案在綠色區域周圍(有源層(阱層)中的In的組分比在0.15以上)開始尤其明顯。隨著In組分的進一步增加，發光亮斑的數量(發光面積)減小。從而，觀測到了亮斑EL發射圖案和In的組分比之間的強相關性，因而，已發現，EL發射圖案變為亮斑的現象導致因有源層中In的組分比增加而引起的發光效率的降低。研究中所使用的氮化物半導體基板是偏角為0度的正基板(just?substrate)(即，沒有偏角的基板)。

上述亮斑EL發射圖案現象在使用以非極性面(尤其是m面)作為主生長面的氮化物半導體基板的氮化物半導體發光芯片中明顯。