[發(fā)明專利]氮化物系半導(dǎo)體發(fā)光元件、照明裝置、液晶顯示裝置以及照明裝置的制造方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080042883.2
• 申請日: 2010-12-07
• 公開（公告）號: CN102648535A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 橫川俊哉;井上彰;藤金正樹;大屋滿明;山田篤志;矢野正
• 申請（專利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社
• 主分類號: H01L33/32
• 分類號: H01L33/32;G02F1/13357
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 汪惠民

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氮化物系半導(dǎo)體發(fā)光元件、照明裝置以及液晶顯示裝置。特別是，本發(fā)明涉及能夠射出從藍色、綠色、橙色、紅色等整個可見光區(qū)域中選擇出的任意波長的光的發(fā)光二極管、激光二極管等GaN系半導(dǎo)體發(fā)光元件及照明裝置以及使用該GaN系半導(dǎo)體發(fā)光元件及照明裝置的液晶顯示裝置。

背景技術(shù)

含有作為V族元素的氮(N)的氮化物半導(dǎo)體，根據(jù)其能帶隙(band?gap)的大小，有希望成為短波長發(fā)光元件的材料。其中，氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的研究正積極進行，藍色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED、以及以GaN系半導(dǎo)體作為材料的半導(dǎo)體激光器也正在被實用化(例如，參照專利文獻1、2)。

以下，將氮化鎵系化合物半導(dǎo)體稱為GaN系半導(dǎo)體。在GaN系半導(dǎo)體中，包含采用鋁(Al)以及銦(In)中的至少一方來置換Ga的一部分或全部后得到的化合物半導(dǎo)體，GaN系半導(dǎo)體由組成式Al_xGa_yIn_zN(0≤x、y、z≤1，x+y+z＝1)來表示。

通過采用Al或In來置換Ga，可以使能帶隙比GaN大也可以使能帶隙比GaN小。由此，不僅僅是藍色或綠色等短波長的光，也可以發(fā)出橙色或紅色的光。因此，通過使用GaN系半導(dǎo)體，理論上來說，能夠?qū)崿F(xiàn)射出從整個可見光區(qū)域中任意選擇出的波長的光的發(fā)光元件，也期待將GaN系半導(dǎo)體發(fā)光元件應(yīng)用于圖像顯示裝置或照明裝置。

GaN系半導(dǎo)體具有纖維鋅礦(wurtzite)型結(jié)晶構(gòu)造。圖1按照4指數(shù)記法(六方晶指數(shù))來表示纖維鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造的面。在4指數(shù)記法中，使用由a1、a2、a3以及c表示的基本向量來表示結(jié)晶面和方位。基本向量c在[0001]方向上延伸，將該方向稱為“c軸”。將與c軸垂直的面(plane)稱為“c面”或“(0001)面”。另外，“c軸”以及“c面”有時也分別記為“C軸”以及“C面”。圖2(a)采用棒球模型來表示GaN系半導(dǎo)體的結(jié)晶構(gòu)造，圖2(b)表示與c軸垂直的平面中的GaN系半導(dǎo)體結(jié)晶的Ga以及N的位置。

以往以來，在使用GaN系半導(dǎo)體來制作半導(dǎo)體元件的情況下，使用c面基板即在表面具有(0001)面的基板作為使GaN系半導(dǎo)體結(jié)晶生長的基板。該情況下，如根據(jù)圖2(a)以及(b)所理解的那樣，在c軸方向上形成僅配置Ga原子的層、和僅配置N原子的層。由于這樣的Ga原子以及N原子的配置，在GaN系半導(dǎo)體中形成自發(fā)的極化(Electrical?Polarization)。由此，也將“c面”稱為“極性面”。

其結(jié)果，在GaN系半導(dǎo)體發(fā)光元件的活性層中的InGaN的量子阱中，沿著c軸方向產(chǎn)生壓電電場(piezo?electric?field)，在活性層內(nèi)的電子以及空穴(hole)的分布中產(chǎn)生位置偏差，所以由于載流子(carrier)的量子約束斯塔克效應(yīng)(Quantum?Confined?Stark?Effect)，活性層的內(nèi)部量子效率降低。在半導(dǎo)體激光器的情況下，閾值電流增大，在LED的情況下，消耗電力增大，發(fā)光效率降低。此外，隨著注入載流子密度的上升，引起壓電電場的屏蔽(screening)，發(fā)光波長也發(fā)生變化。

此外，如果為了發(fā)出綠色、橙色、以及紅色等長波長區(qū)域的光，而增加InGaN活性層的In組成，則與In組成一起，壓電電場的強度漸漸增加，內(nèi)部量子效率急劇降低。由此，一般，在使用c面的InGaN活性層的LED中，可以說能發(fā)光的光的波長是550nm左右。

為了解決這樣的課題，正研討使用在表面具有作為非極性面的m面的基板(m面GaN系基板)來制造發(fā)光元件。如圖1所示，纖維鋅礦型結(jié)晶構(gòu)造中的m面與c軸平行，是與c面正交的6個等價的面。例如，在圖1中，是與由陰影所示的[10-10]方向垂直的(10-10)面。在與(10-10)面等價的其他的m面中，存在(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面。這里，在表示米勒指數(shù)(Miller?indices)的括號內(nèi)的數(shù)字左邊附加的“-”含義是“橫(Bar)”。

圖2(c)表示與m面垂直的面中的GaN系半導(dǎo)體結(jié)晶的Ga以及N的位置。如圖2(c)所示，在m面中，由于Ga原子以及氮原子存在于同一原子面上，所以不會在與m面垂直的方向上產(chǎn)生極化。由此，如果使用形成在m面上的半導(dǎo)體層疊構(gòu)造來制作發(fā)光元件，則不會在活性層中產(chǎn)生壓電電場，能夠解決上述課題。

此外，由于能夠增加活性層的In組成，所以能夠使用同一材料系來實現(xiàn)不僅能發(fā)出藍色而且能發(fā)出綠色、橙色、紅色等波長更長的光的LED和激光二極管。