JP2000031533A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JP2000031533A JP19883598A JP19883598A JP2000031533A JP 2000031533 A JP2000031533 A JP 2000031533A JP 19883598 A JP19883598 A JP 19883598A JP 19883598 A JP19883598 A JP 19883598A JP 2000031533 A JP2000031533 A JP 2000031533A
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原 秀 人 菅
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光効率の高い紫外域波長での発光が可能な
半導体発光素子の提供。 【解決手段】 本発明の半導体発光素子は、サファイア
基板1の上面に、バッファ層2、n-GaNコンタクト層
3、n-AlGaN系クラッド層4、GaN活性層5、p-AlGaN
系クラッド層6、およびp-GaNコンタクト層7を順に積
層したものである。n-AlGaN系クラッド層4、GaN活性
層5、p-AlGaN系クラッド層6、およびp-GaNコンタク
ト層7の一部は、エッチング除去されて、n-GaNコンタ
クト層3が露出され、その上面にはn側の電流注入用電
極8が形成される。p-GaNコンタクト層7の上面の一部
には、n-GaN電流ブロック層9が形成され、p-GaNコン
タクト層7とn-GaN電流ブロック層9の上面にはp側の
電流注入用電極10が形成される。GaN活性層5の厚さ
は50nm以上とされ、電流注入用電極10を介して電流を
注入する面積は5×10-4以下とされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性層バンド間遷
移を利用して発光を行う窒化物半導体の素子構造に関す
る。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム系半導体(InAlGaN)は、
その光学遷移が直接遷移であるため、高効率の発光再結
合が可能であり、また、その遷移エネルギーが2〜6.2e
Vと広いため、半導体レーザや高輝度可視LEDなどの高効
率の発光素子材料としてその開発が行われている。さら
に、窒化ガリウム系半導体は、3−5族化合物半導体と
して紫外域波長での発光が可能であることも特徴であ
り、既存の紫外光源に対する置き換えも可能と考えられ
る。
【0003】窒化ガリウム系半導体結晶の一つであるI
xGa1-xNは、Inの組成割合xを変えることにより、
バンドギャップエネルギーをGaNの3.4eVからInNの2e
Vまで変化させることができ、可視の発光素子用の活性
層として用いることができる。
【0004】現在のところ、このInGaN混晶を発光層と
したLEDが実現され、また、半導体レーザについても電
流注入によるレーザ発振が実現されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Inの組
成割合xの小さい(〜0.05以下)結晶を活性層としたLE
Dは、組成割合xの大きいものと発光機構が異なること
から、高効率の発光素子を得ることが難しかった。した
がって、高効率の紫外発光LEDを実現するには、成長方
法の改良や素子構造の改良による特性向上が求められて
いる。
【0006】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、発光効率が高く、紫外域波長
での発光が可能な半導体発光素子を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項1の発明は、活性層を間に挟んだ積層構
造の窒化物半導体に電流を注入することにより、前記活
性層のバンド間遷移を介して発光を行う半導体発光素子
において、前記活性層の厚さを50nm以上で、かつ、電流
を注入する領域の面積を5×10-4以下にしたことを特徴
とする。
【0008】例えば、前記活性層は、InxGa1-x
(ただし、0≦x≦0.1)である。また、例えば、前記
活性層は、AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)であ
る。
【0009】さらに、紫外域波長での発光が行われるよ
うに、前記窒化物半導体を構成する各材料の組成割合を
設定する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体発光素
子の製造方法ついて、図面を参照しながら具体的に説明
する。図1は本発明に係る半導体発光素子の一実施形態
の断面構造を示す図である。図1の半導体発光素子は、
サファイア基板1の上面に、バッファ層2、n-GaNコン
タクト層3、n-AlGaN(n-AlyGa1-yN)系クラッド層
4、GaN活性層5、p-AlGaN(p-AlyGa1-yN)系クラッ
ド層6、およびp-GaNコンタクト層7を順に積層したも
のである。
【0011】n-AlGaN系クラッド層4、GaN活性層5、
p-AlGaN系クラッド層5、およびp-GaNコンタクト層6
の一部は、エッチング除去されてメサ型の構造にされ、
n-GaNコンタクト層3の一部が露出される。この露出さ
れたn-GaNコンタクト層3の上面にはn側の電流注入用
電極8が形成される。
【0012】また、p-GaNコンタクト層7の上面の一部
には、n-GaN電流ブロック層9が形成され、p-GaNコン
タクト層7とn-GaN電流ブロック層9の上面にはp側の
電流注入用電極10が形成される。p側への電流注入
は、n-GaN電流ブロック層9で覆われた部分を除くp-Ga
Nコンタクト層7の上面側から行われる。
【0013】本実施形態では、n-AlGaN系クラッド層4
とp-AlGaN系クラッド層6の膜厚をいずれも0.2μm、Al
混晶比yを0.2、GaN活性層5の膜厚を100nmとした。
【0014】図1の半導体発光素子を製造する際には、
例えば、MOCVD法で各層を形成し、原料ガスとして例え
ばGa源のトリメチルガリウムやトリエチルガリウムを用
い、In源としてトリメチルインジウムやトリエチルイン
ジウムを用い、Al源としてトリメチルアルミニウムやト
リエチルアルミニウムを用い、N源としてアンモニアや
ヒドラジン等を用いることができる。
【0015】以下では、n型不純物としてモノシランを
用い、p型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグ
ネシウムを用いた例について説明する。
【0016】図1の半導体発光素子は、電流注入用電極
8,10を介して電流を注入することにより、活性層内
でバンド間遷移が起こり、紫外域波長での発光が行われ
る。
【0017】図2は図1の半導体発光素子に順方向バイ
アスを印加して動作させた場合の動作電流と光出力との
関係を示す図である。図2からわかるように、動作電流
が100mAに達しても、注入キャリアのオーバーフローや
ジュール熱に起因する光出力の飽和傾向は見られない。
このため、一般的に使用される動作電流20mAでの発光効
率は低く、素子の設計に問題があることがわかる。
【0018】通常、このような場合、GaN活性層5の厚
さ(以下、活性層厚)を薄くするとともに、電流注入領
域を狭くする施策が取られる。ここでの活性層厚の最適
値は注入キャリアの拡散長程度とし、活性層5の膜厚方
向への注入キャリアの分布をなくすように設計するのが
一般的である。
【0019】しかしながら、アンドープGaNの移動度を
700cm2/Vsec、キャリアのライフタイムを1nsecとして
キャリアの拡散長を見積もると約1.3μmとなる。すなわ
ち、キャリアの拡散長は、図1の構造の活性層厚(100n
m)よりも十分に長いことが予想される。
【0020】図3は電流注入面積を変えたときに活性層
厚と光出力とが変化する様子を示す図であり、動作電流
は20mA固定にしている。図3には、電流注入面積がそれ
ぞれ3×10-4、5×10-4、1×10-3の曲線p,q,rが
表示されている。
【0021】図3からわかるように、電流注入面積が大
きいほど光出力が小さくなり、かつ、活性層厚が拡散長
よりも薄い場合には、光出力の低下が著しくなる。これ
は、キャリアが飽和(オーバーフロー)したためと予測
できるが、図3では飽和現象が見られていないため、こ
の特性を簡単には説明できない。
【0022】活性層厚を薄くした場合に光出力の低下が
著しくなる理由として、GaNの結晶品質が成長初期では
よくないことや、活性層5とクラッド層4,6の界面特
性がよくないことが考えられ、格子不整合系での成長が
もたらす結果であることが示唆されるが、現状では確か
な理由はわかっていない。
【0023】一方、電流注入面積の変化に対する光出力
の特性は、予想されたものになる。図4は電流注入面積
と光出力との関係を示す図である。図4では、動作電流
を20mA、活性層厚を100nmに設定した例を示している。
図4からわかるように、電流注入面積が小さいほど光出
力は大きくなるため、電流注入面積は小さい方が望まし
いことがわかる。
【0024】図3と図4の両方の特性を考慮に入れる
と、GaNを活性層5とする紫外発光LEDでは、活性層
厚を50nm以上で電流注入面積を5×10-4cm2以下にする
ことが高効率発光を行うために必要であり、さらに望ま
しくは、活性層厚を100nm以上で電流注入面積を1×10
-4cm2以下にすればよいことがわかる。
【0025】このように、本実施形態では、窒化ガリウ
ム系半導体の活性層厚に対する光出力の特性と、電流注
入面積に対する光出力の特性とに基づいて、活性層厚を
50nm以上で電流注入面積を5×10-4cm2以下に設定した
ため、従来に比べて、発光効率の高い紫外発光LEDを
得ることができる。
【0026】上述した実施形態では、動作電流を一般的
な20mAとする例を説明したが、動作電流には特に制限は
なく、動作電流を変えても、活性層厚を50nm以上で電流
注入面積を5×10-4cm2以下にすれば、発光効率を向上
できる点では変わりはない。
【0027】また、上述した実施形態では、活性層5に
GaNを用いる例を説明したが、InxGa1-xN(xは非
混合領域以外)の混晶や、AlGaNの混晶でも、同様
の効果が得られる。活性層5をInxGa1-xNの混晶で
形成する場合は、紫外域波長で発光を行わせるには、組
成割合xを0≦x≦0.1に設定するのが望ましい。ま
た、活性層5をAlxGa1-xNの混晶で形成する場合に
は、組成割合xを0≦x≦1に設定するのが望ましい。
【0028】さらに、活性層5への不純物ドーピング
や、AlyGa1-yNクラッド層の特性(例えば、Al混
晶比y、膜厚、キャリア濃度など)のキャリアの注入条
件を決めるパラメータが変化した場合には、種々換算し
て適用すればよい。
【0029】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、活性層を間に挟んだ積層構造の窒化物半導体に電
流を注入して発光を行わせる場合に、活性層の厚さを50
nm以上で、電流を注入する領域の面積を5×10-4以下に
したため、従来に比べて、発光効率が高くて紫外域波長
での発光が可能な半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体発光素子の一実施形態の断
面構造を示す図。
【図2】図1の半導体発光素子に順方向バイアスを印加
して動作させた場合の動作電流と光出力との関係を示す
図。
【図3】電流注入面積を変えたときに活性層厚と光出力
とが変化する様子を示す図。
【図4】電流注入面積と光出力との関係を示す図。
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 バッファ層 3 n-GaNコンタクト層 4 n-AlGaN系クラッド層 5 GaN活性層 6 p-AlGaN系クラッド層 7 p-GaNコンタクト層 8,10 電流注入用電極 9 n-GaN電流ブロック層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】活性層を間に挟んだ積層構造の窒化物半導
    体に電流を注入することにより、前記活性層のバンド間
    遷移を介して発光を行う半導体発光素子において、 前記活性層の厚さを50nm以上で、かつ、電流を注入する
    領域の面積を5×10-4以下にしたことを特徴とする半
    導体発光素子。
  2. 【請求項2】前記活性層は、InxGa1-xN(ただし、
    0≦x≦0.1)であることを特徴とする請求項1に記載
    の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】前記活性層は、AlxGa1-xN(ただし、
    0≦x≦1)であることを特徴とする請求項1に記載の
    半導体発光素子。
  4. 【請求項4】紫外域波長での発光が行われるように、前
    記窒化物半導体を構成する各材料の組成割合を設定する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導
    体発光素子。
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