JP2000294884A - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井
戸構造を有する光半導体装置において、高い発光効率や
光吸収係数の光学的特性を維持したまま、短波長化を実
現する。 【解決手段】窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量
子井戸構造を有するＬＥＤにおいて、ＡｌＧａＮ多重量
子井戸層５として、障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含
み、障壁層のＡｌ組成が量子井戸層のＡｌ組成よりも大
きい。
戸構造を有する光半導体装置において、高い発光効率や
光吸収係数の光学的特性を維持したまま、短波長化を実
現する。 【解決手段】窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量
子井戸構造を有するＬＥＤにおいて、ＡｌＧａＮ多重量
子井戸層５として、障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含
み、障壁層のＡｌ組成が量子井戸層のＡｌ組成よりも大
きい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体、例
えば、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸
構造を有する光半導体装置に関する。
えば、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸
構造を有する光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、窒化物III−Ｖ族化合物半導体
を用いた量子井戸構造を有する従来の光半導体装置で
は、発光層を形成するために、ＩｎＧａＮ混晶薄膜を量
子井戸層とし、ＩｎＧａＮもしくはＧａＮを主たる障壁
層とする量子井戸構造を使用してきた。
を用いた量子井戸構造を有する従来の光半導体装置で
は、発光層を形成するために、ＩｎＧａＮ混晶薄膜を量
子井戸層とし、ＩｎＧａＮもしくはＧａＮを主たる障壁
層とする量子井戸構造を使用してきた。
【０００３】このような構造により、約４００ｎｍと比
較的発光波長の短い発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ
ーダイオード（ＬＤ）が実現されてきた。
較的発光波長の短い発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ
ーダイオード（ＬＤ）が実現されてきた。
【０００４】前記ＬＥＤやＬＤにおいて、光学的分解能
や化学的な活性度の高い光源を得ることを目的として、
さらに短い波長域を実現しようとする場合、量子井戸
層を１〜２分子層程度と極端に薄くしたり、障壁層と
してＡｌ組成の高い材料を利用することが検討されてき
た。
や化学的な活性度の高い光源を得ることを目的として、
さらに短い波長域を実現しようとする場合、量子井戸
層を１〜２分子層程度と極端に薄くしたり、障壁層と
してＡｌ組成の高い材料を利用することが検討されてき
た。
【０００５】また、前記ＬＥＤやＬＤにおいて、発光層
を挟むｎ型並びにｐ型のキャリアを供給するキャリア供
給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネルギ
ーの大きいＡｌＧａＮ混晶（Jpn. J. Appl. Phys., 35
(1996) L74）やＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造（Appl.
Phys. Lett., 72 (1998) 211）が使用されてきた。さら
に、出願人は、Ａｌを含む発光層（光学的活性層）を有
するＬＥＤによって、従来のＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井
戸構造を発光層とするＬＥＤよりも短波長化が可能であ
ることを示した（Phys. stat. Sol. (a) 176, 45 (199
9)）。
を挟むｎ型並びにｐ型のキャリアを供給するキャリア供
給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネルギ
ーの大きいＡｌＧａＮ混晶（Jpn. J. Appl. Phys., 35
(1996) L74）やＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造（Appl.
Phys. Lett., 72 (1998) 211）が使用されてきた。さら
に、出願人は、Ａｌを含む発光層（光学的活性層）を有
するＬＥＤによって、従来のＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井
戸構造を発光層とするＬＥＤよりも短波長化が可能であ
ることを示した（Phys. stat. Sol. (a) 176, 45 (199
9)）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記の場合、量子井
戸層の膜厚の制御が困難であるという問題があった。
戸層の膜厚の制御が困難であるという問題があった。
【０００７】前記の場合、窒化物量子井戸構造におい
てはピエゾ電界効果が顕著なため、発光効率や光吸収の
光学特性が貧弱で、有効な光半導体装置を実現すること
が不可能であった。
てはピエゾ電界効果が顕著なため、発光効率や光吸収の
光学特性が貧弱で、有効な光半導体装置を実現すること
が不可能であった。
【０００８】図６は、本発明および従来の原理を説明す
る概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する
図である。（ａ）は本発明におけるピエゾ効果が小さい
場合、（ｂ）は従来におけるピエゾ効果が大きい場合を
示す。
る概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する
図である。（ａ）は本発明におけるピエゾ効果が小さい
場合、（ｂ）は従来におけるピエゾ効果が大きい場合を
示す。
【０００９】光学的分解能や化学的な活性度の高い光源
を目的として、さらにより短い波長域を実現しようとす
る場合、Ａｌを含む光学的に活性な発光層が必要となる
が、このような発光層を挟むｎ型並びにｐ型のキャリア
供給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネル
ギーがより大きく、電気抵抗の小さい層が必要となる。
しかしながら、Ａｌ組成を増加させてバンドギャップエ
ネルギーを大きくすると、前記ＡｌＧａＮ混晶において
は、キャリア濃度と移動度が低下し、電気抵抗が高くな
る課題があった。また、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子
構造を用いると、膜厚方向の通電に対して電気的な障壁
が形成され、抵抗となること、および、キャリアの有効
質量が大きく、量子効果によって実効的なバンドギャッ
プエネルギーを大きくすることが困難であることなどの
課題があった。
を目的として、さらにより短い波長域を実現しようとす
る場合、Ａｌを含む光学的に活性な発光層が必要となる
が、このような発光層を挟むｎ型並びにｐ型のキャリア
供給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネル
ギーがより大きく、電気抵抗の小さい層が必要となる。
しかしながら、Ａｌ組成を増加させてバンドギャップエ
ネルギーを大きくすると、前記ＡｌＧａＮ混晶において
は、キャリア濃度と移動度が低下し、電気抵抗が高くな
る課題があった。また、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子
構造を用いると、膜厚方向の通電に対して電気的な障壁
が形成され、抵抗となること、および、キャリアの有効
質量が大きく、量子効果によって実効的なバンドギャッ
プエネルギーを大きくすることが困難であることなどの
課題があった。
【００１０】また、これまで窒化物半導体の研究は、発
光効率が比較的高いとされるＩｎＧａＮ発光層の発光波
長である長い波長領域で検討が進められており、ＧａＮ
のバンド端発光波長である３６０ｎｍよりも短い波長の
発光素子のキャリア供給層に関しては、Ａｌ組成増大に
よる結晶品質の劣化が過大に評価され、系統的な検討は
行われていない。しかしながら、我々は成長技術を向上
することにより、ＧａＮを含まない超格子構造でも、例
えばｐ型導電層を実現できる程度に良好に作製すること
を可能としたことから、このような先入観を排除しうる
ものと結論した。
光効率が比較的高いとされるＩｎＧａＮ発光層の発光波
長である長い波長領域で検討が進められており、ＧａＮ
のバンド端発光波長である３６０ｎｍよりも短い波長の
発光素子のキャリア供給層に関しては、Ａｌ組成増大に
よる結晶品質の劣化が過大に評価され、系統的な検討は
行われていない。しかしながら、我々は成長技術を向上
することにより、ＧａＮを含まない超格子構造でも、例
えばｐ型導電層を実現できる程度に良好に作製すること
を可能としたことから、このような先入観を排除しうる
ものと結論した。
【００１１】従来行われてきたような量子井戸構造で
は、量子井戸層がＧａＮやＩｎＧａＮにより構成される
ため、障壁層と量子井戸層の格子定数の差に起因して両
層の歪みが大きく、図６（ｂ）に示すように、ピエゾ効
果が大きく、ピエゾ電界が増大する。
は、量子井戸層がＧａＮやＩｎＧａＮにより構成される
ため、障壁層と量子井戸層の格子定数の差に起因して両
層の歪みが大きく、図６（ｂ）に示すように、ピエゾ効
果が大きく、ピエゾ電界が増大する。
【００１２】このため、電子と正孔の存在位置の上下方
向への分離が増大し、その結果、光学的遷移確率が減少
し、発光効率や光吸収係数の低下が生じ、良好な光半導
体装置を実現することが困難となる。
向への分離が増大し、その結果、光学的遷移確率が減少
し、発光効率や光吸収係数の低下が生じ、良好な光半導
体装置を実現することが困難となる。
【００１３】本発明は、前述の課題を解決するためにな
されたもので、その目的は、窒化物III−Ｖ族化合物半
導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置におい
て、高い発光効率や光吸収係数の光学的特性を維持した
まま、短波長化を実現することにある。
されたもので、その目的は、窒化物III−Ｖ族化合物半
導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置におい
て、高い発光効率や光吸収係数の光学的特性を維持した
まま、短波長化を実現することにある。
【００１４】また、本発明の別の目的は、窒化物III-Ｖ
族化合物半導体を用いた半導体装置において、光透過効
率の光学的特性を維持したまま、低抵抗化を実現するこ
とにある。
族化合物半導体を用いた半導体装置において、光透過効
率の光学的特性を維持したまま、低抵抗化を実現するこ
とにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明は、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた
量子井戸構造を有する光半導体装置において、量子井戸
構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使用し、つ
まり、障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含み、前記障壁
層のＡｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成よりも大きい
ことを特徴とするもので、これにより、短波長化を実現
するため、障壁層のＡｌ組成を高くしても、量子井戸層
にもＡｌを合ませることにより、格子定数の差を低滅
し、ピエゾ電界を抑制することが可能となる。
に、本発明は、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた
量子井戸構造を有する光半導体装置において、量子井戸
構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使用し、つ
まり、障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含み、前記障壁
層のＡｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成よりも大きい
ことを特徴とするもので、これにより、短波長化を実現
するため、障壁層のＡｌ組成を高くしても、量子井戸層
にもＡｌを合ませることにより、格子定数の差を低滅
し、ピエゾ電界を抑制することが可能となる。
【００１６】特に、障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差
を１５％以下、かつ、量子井戸層のＡｌ組成を２％以上
とする（量子井戸層が２％以上のＡｌを含む）量子井戸
構造をもって光半導体装置を構成するのが好ましい。こ
れにより、短波長化は効果的で、かつ、量子井戸層と障
壁層の格子定数の違いが０．５％以下となり、量子井戸
層中に誘起され、形成されるピエゾ電界をｌＭＶ／ｃｍ
以下程度に抑制することが可能となる。
を１５％以下、かつ、量子井戸層のＡｌ組成を２％以上
とする（量子井戸層が２％以上のＡｌを含む）量子井戸
構造をもって光半導体装置を構成するのが好ましい。こ
れにより、短波長化は効果的で、かつ、量子井戸層と障
壁層の格子定数の違いが０．５％以下となり、量子井戸
層中に誘起され、形成されるピエゾ電界をｌＭＶ／ｃｍ
以下程度に抑制することが可能となる。
【００１７】このため、例えば２ｎｍ程度の量子井戸層
を形成した場合、図６（ａ）に示すように、ビエゾ電界
を小さく保ち、電子と正孔の存在位置の上下方向への分
離を減少させることにより、光学的遷移確率が増加し、
高い発光効率や光吸収係数を有する光半導体装置を実現
することが可能となる。
を形成した場合、図６（ａ）に示すように、ビエゾ電界
を小さく保ち、電子と正孔の存在位置の上下方向への分
離を減少させることにより、光学的遷移確率が増加し、
高い発光効率や光吸収係数を有する光半導体装置を実現
することが可能となる。
【００１８】さらに、本発明は、Ａｌを含む窒化物半導
体からなる発光層を有する光半導体装置において、障壁
層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以上１５％以内、前記
障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井
戸層の厚さが４ｎｍ以下のＡｌＧａＮ超格子構造をキャ
リア供給層とすることを特徴とする。
体からなる発光層を有する光半導体装置において、障壁
層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以上１５％以内、前記
障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井
戸層の厚さが４ｎｍ以下のＡｌＧａＮ超格子構造をキャ
リア供給層とすることを特徴とする。
【００１９】この構造により、窒化物III-Ｖ族化合物半
導体を用いた半導体装置において、光透過効率の光学的
特性を維持したまま、低抵抗化を実現できる。
導体を用いた半導体装置において、光透過効率の光学的
特性を維持したまま、低抵抗化を実現できる。
【００２０】なお、ここに示した、本発明のピエゾ電界
抑制の効果は、ＬＥＤやＬＤ等の発光器だけでなく、フ
ォトダイオード（ＰＤ）等の受光器や光変調器に適用で
きることは言うまでもない。
抑制の効果は、ＬＥＤやＬＤ等の発光器だけでなく、フ
ォトダイオード（ＰＤ）等の受光器や光変調器に適用で
きることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の実施の形態】実施の形態１ 図１は本発明の一実施の形態のＬＥＤ素子の構造を示す
概略断面図である。
概略断面図である。
【００２２】図１において、１は負電極（Ａｕ）、２は
負電極（Ｔｉ）、３はｎ型ＳｉＣ基板、４はｎ型ＡｌＧ
ａＮ層、５はＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層（ＭＱＷ(M
ultiQuantum Well)層）、６はｐ型ＡｌＧａＮ層、７は
ｐ型ＧａＮコンタクト層、８は正電極（Ｎｉ）、９は正
電極（Ａｕ）である。
負電極（Ｔｉ）、３はｎ型ＳｉＣ基板、４はｎ型ＡｌＧ
ａＮ層、５はＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層（ＭＱＷ(M
ultiQuantum Well)層）、６はｐ型ＡｌＧａＮ層、７は
ｐ型ＧａＮコンタクト層、８は正電極（Ｎｉ）、９は正
電極（Ａｕ）である。
【００２３】すなわち、本実施の形態のＬＥＤを形成す
る基板としては、面方位精度±０．２°以内で（０００
１）Ｓｉ面正方位に配向したキャリア濃度１０１８ｃｍ
−３でｎ型の６Ｈ−ＳｉＣ基板３を用いた。
る基板としては、面方位精度±０．２°以内で（０００
１）Ｓｉ面正方位に配向したキャリア濃度１０１８ｃｍ
−３でｎ型の６Ｈ−ＳｉＣ基板３を用いた。
【００２４】結晶成長には縦型のＭＯＶＰＥ（Metal Or
ganic Vapor Phase Epitaxy）炉を用い、成長圧力３０
０Ｔｏｒｒ、結晶成長の原料としてはトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、
シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウ
ム（Ｃｐ２Ｍｇ）を使用し、Ｖ族／III族比は約１００
００で成長を行った。
ganic Vapor Phase Epitaxy）炉を用い、成長圧力３０
０Ｔｏｒｒ、結晶成長の原料としてはトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、
シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウ
ム（Ｃｐ２Ｍｇ）を使用し、Ｖ族／III族比は約１００
００で成長を行った。
【００２５】図１に示すＬＥＤにおいて、ｎ型ＳｉＣ基
板３上への厚さ４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ層４の成長にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｓ
ｉＨ４を用い、ＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５の成長
にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＥＧ、ＮＨ３を用い、厚さ４０
０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層６の成長に
はＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用い、厚さ１
５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７のＧａＮ成長にはＴ
ＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いている。量子井戸部分
であるＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５は、５組の厚さ
２ｎｍでＡｌ組成５％（０．０５）の量子井戸層と、厚
さ５ｎｍでＡｌ組成１５％（０．１５）の障壁層から成
っている。すなわち、本実施の形態では、障壁層と量子
井戸層のＡｌ組成の差は１０％以内であり、量子井戸層
は５％のＡｌを含む。成長温度は１０３０℃である。正
電極（陽極）８、９としてＮｉ層とＡｕ層を積層し、負
電極（陰極）２、１として基板３の裏面にＴｉ層とＡｕ
層を蒸着してＬＥＤ素子を形成した。
板３上への厚さ４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ層４の成長にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｓ
ｉＨ４を用い、ＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５の成長
にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＥＧ、ＮＨ３を用い、厚さ４０
０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層６の成長に
はＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用い、厚さ１
５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７のＧａＮ成長にはＴ
ＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いている。量子井戸部分
であるＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５は、５組の厚さ
２ｎｍでＡｌ組成５％（０．０５）の量子井戸層と、厚
さ５ｎｍでＡｌ組成１５％（０．１５）の障壁層から成
っている。すなわち、本実施の形態では、障壁層と量子
井戸層のＡｌ組成の差は１０％以内であり、量子井戸層
は５％のＡｌを含む。成長温度は１０３０℃である。正
電極（陽極）８、９としてＮｉ層とＡｕ層を積層し、負
電極（陰極）２、１として基板３の裏面にＴｉ層とＡｕ
層を蒸着してＬＥＤ素子を形成した。
【００２６】図２は、上記のように作製したＬＥＤの室
温における発光スペクトルを示す図である。横軸に波長
λ（ｎｍ）、縦軸に発光強度が取ってある。
温における発光スペクトルを示す図である。横軸に波長
λ（ｎｍ）、縦軸に発光強度が取ってある。
【００２７】図２から明らかなように、本実施の形態の
ＬＥＤでは、発光ピーク波長約３４５ｎｍが得られた。
これはこれまで通常報告されているＬＤやＬＥＤの発光
波長（３６０ｎｍ以上）や、最近報告されたＧａＮ／Ａ
ｌＧａＮ系で量子井戸層を薄くしたＬＥＤ（例えば、Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７３，ｐ．１
６６８，１９９８）の発光波長に比較しても最も発光波
長が短く、本発明の効果は明らかである。すなわち、窒
化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有
するＬＥＤにおいて、高い発光効率や光吸収係数の光学
的特性を維持しながら、短波長化を実現することができ
た。
ＬＥＤでは、発光ピーク波長約３４５ｎｍが得られた。
これはこれまで通常報告されているＬＤやＬＥＤの発光
波長（３６０ｎｍ以上）や、最近報告されたＧａＮ／Ａ
ｌＧａＮ系で量子井戸層を薄くしたＬＥＤ（例えば、Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７３，ｐ．１
６６８，１９９８）の発光波長に比較しても最も発光波
長が短く、本発明の効果は明らかである。すなわち、窒
化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有
するＬＥＤにおいて、高い発光効率や光吸収係数の光学
的特性を維持しながら、短波長化を実現することができ
た。
【００２８】実施の形態２ 図１に示した実施の形態１とほぼ同様な素子構造で、量
子井戸層５に１％未満のＩｎを添加したところ、ピーク
発光波長が３５０ｎｍと、実施の形態１の場合の３４５
ｎｍに比較してやや長波長化したものの、実施の形態１
の場合に比較して約１０倍の発光強度を得た。
子井戸層５に１％未満のＩｎを添加したところ、ピーク
発光波長が３５０ｎｍと、実施の形態１の場合の３４５
ｎｍに比較してやや長波長化したものの、実施の形態１
の場合に比較して約１０倍の発光強度を得た。
【００２９】実施の形態３ 図３（ａ）は本発明の別の実施の形態の半導体ヘテロ構
造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断
面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す窒化物半導体発光
ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組
成を示すグラフである。
造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断
面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す窒化物半導体発光
ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組
成を示すグラフである。
【００３０】図に示すように、６Ｈ−ＳｉＣからなり
（０００１）Ｓｉ面に配向したキャリア濃度１０１８ｃ
ｍ−３であるｎ型ＳｉＣ基板１１上に、厚さが３００ｎ
ｍで、Ａｌ組成が１５％の組成一定領域からなるｎ型Ａ
ｌＧａＮ層１２が形成されている。
（０００１）Ｓｉ面に配向したキャリア濃度１０１８ｃ
ｍ−３であるｎ型ＳｉＣ基板１１上に、厚さが３００ｎ
ｍで、Ａｌ組成が１５％の組成一定領域からなるｎ型Ａ
ｌＧａＮ層１２が形成されている。
【００３１】また、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２上に、２種類
のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｎ型超格子
構造（キャリア供給層）１３が形成されている。ｎ型超
格子構造１３を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％（バ
ルクのバンドギャップ波長は３４０ｎｍ以下）、障壁層
のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各障壁層
の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井戸層の
平均Ａｌ組成は１６％である。
のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｎ型超格子
構造（キャリア供給層）１３が形成されている。ｎ型超
格子構造１３を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％（バ
ルクのバンドギャップ波長は３４０ｎｍ以下）、障壁層
のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各障壁層
の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井戸層の
平均Ａｌ組成は１６％である。
【００３２】また、ｎ型超格子構造１３上に、ＡｌＧａ
Ｎからなる多重量子井戸発光層１４が形成されている。
多重量子井戸発光層１４は５組の、厚さが２ｎｍでＡｌ
組成が１０％の量子井戸層、および厚さが２ｎｍでＡｌ
組成が１４％の障壁層からなる。
Ｎからなる多重量子井戸発光層１４が形成されている。
多重量子井戸発光層１４は５組の、厚さが２ｎｍでＡｌ
組成が１０％の量子井戸層、および厚さが２ｎｍでＡｌ
組成が１４％の障壁層からなる。
【００３３】また、多重量子井戸発光層１４上に、２種
類のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｐ型超格
子構造（キャリア供給層）１５が形成されている。ｐ型
超格子構造１５を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％、
障壁層のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各
障壁層の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井
戸層の平均Ａｌ組成は１６％である。
類のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｐ型超格
子構造（キャリア供給層）１５が形成されている。ｐ型
超格子構造１５を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％、
障壁層のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各
障壁層の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井
戸層の平均Ａｌ組成は１６％である。
【００３４】また、ｐ型超格子構造１５上には、ＧａＮ
からなるｐ型のコンタクト層１６が形成され、コンタク
ト層１６上にＮｉからなる正電極１７、Ａｕからなる正
電極１８が積層されている。
からなるｐ型のコンタクト層１６が形成され、コンタク
ト層１６上にＮｉからなる正電極１７、Ａｕからなる正
電極１８が積層されている。
【００３５】また、ｎ型ＳｉＣ基板１１の裏面には、Ｔ
ｉからなる負電極１９、Ａｕからなる負電極２０が積層
されている。
ｉからなる負電極１９、Ａｕからなる負電極２０が積層
されている。
【００３６】ここで、ｎ型ＳｉＣ基板１１に負電極１
９、２０を作製する前に、発光層のフォトルミネッセン
ススペクトルを測定したところ、電導性ｐ型窒化物に特
有な青色発光を示した。
９、２０を作製する前に、発光層のフォトルミネッセン
ススペクトルを測定したところ、電導性ｐ型窒化物に特
有な青色発光を示した。
【００３７】図４は、前記のように作製したＡｌＧａＮ
多重量子井戸ＬＥＤの電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を
示す図である。
多重量子井戸ＬＥＤの電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を
示す図である。
【００３８】バイアス電圧４Ｖにおいて、電流密度２１
Ａ／ｃｍ２、電極単位面積あたりの微分抵抗２２ｍΩ／
ｃｍ２が得られた。
Ａ／ｃｍ２、電極単位面積あたりの微分抵抗２２ｍΩ／
ｃｍ２が得られた。
【００３９】この結果を、同じ装置で作製したＬＥＤ素
子で、キャリア供給層のＡｌ組成の平均値が７％と低
く、発光波長が４００ｎｍと長い波長のＩｎＧａＮ系Ｌ
ＥＤと比較したところ、本実施の形態のＡｌＧａＮ多重
量子井戸ＬＥＤの通電特性はＩｎＧａＮ系ＬＥＤと比較
して遜色無いものであった。
子で、キャリア供給層のＡｌ組成の平均値が７％と低
く、発光波長が４００ｎｍと長い波長のＩｎＧａＮ系Ｌ
ＥＤと比較したところ、本実施の形態のＡｌＧａＮ多重
量子井戸ＬＥＤの通電特性はＩｎＧａＮ系ＬＥＤと比較
して遜色無いものであった。
【００４０】また、図５は上記のＬＥＤの発光スペクト
ルを示す図である。
ルを示す図である。
【００４１】発光主ピークが３４３ｎｍであり、これま
での窒化物ＬＥＤの中で最短波長が可能であった。
での窒化物ＬＥＤの中で最短波長が可能であった。
【００４２】発光層のエネルギーバンド端が発光スペク
トルの主ピークとなって、窒化物ＬＥＤでは最短波長で
ありながら、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤと遜色無い低抵抗性
を示したことから本実施の形態の効果は明らかである。
また、このような効果を得るには、以下の〜の条件
を満たすことが望ましい。分極による内部電界の影響
が少ない４ｎｍ以下の井戸層を用いる。分極の生じに
くい１５％以下の小さい組成差にする。不純物の活性
化が効果的となる２％以上の組成差にする。障壁層と
井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上とする。
トルの主ピークとなって、窒化物ＬＥＤでは最短波長で
ありながら、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤと遜色無い低抵抗性
を示したことから本実施の形態の効果は明らかである。
また、このような効果を得るには、以下の〜の条件
を満たすことが望ましい。分極による内部電界の影響
が少ない４ｎｍ以下の井戸層を用いる。分極の生じに
くい１５％以下の小さい組成差にする。不純物の活性
化が効果的となる２％以上の組成差にする。障壁層と
井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上とする。
【００４３】すなわち、本実施の形態では、キャリア供
給層の構造として、障壁層と井戸層のＡｌ組成の差を２
％以上１５％以内、平均Ａｌ組成を７％以上、井戸層の
厚さを４ｎｍ以下とすることにより、発光層にＡｌを含
む短波長窒化物光半導体素子の動作効率の向上、ここで
はＬＥＤの場合の素子抵抗の低減を可能とした。このよ
うな構造を利用することにより、窒化物III−Ｖ族半導
体の動作波長を従来の３６０ｎｍ程度から大きく短波長
化することが可能となる。
給層の構造として、障壁層と井戸層のＡｌ組成の差を２
％以上１５％以内、平均Ａｌ組成を７％以上、井戸層の
厚さを４ｎｍ以下とすることにより、発光層にＡｌを含
む短波長窒化物光半導体素子の動作効率の向上、ここで
はＬＥＤの場合の素子抵抗の低減を可能とした。このよ
うな構造を利用することにより、窒化物III−Ｖ族半導
体の動作波長を従来の３６０ｎｍ程度から大きく短波長
化することが可能となる。
【００４４】なお、本発明は、特許請求の範囲に記載し
た要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるこ
とは勿論である。すなわち、図１に示した上記実施の形
態の構成はあくまで１つの例示であり、細かな構成は種
々の態様を取り得ることはいうまでもない。さらに、図
１に示したＬＥＤ素子では、障壁層と量子井戸層のＡｌ
組成の差が１５％以内であり、量子井戸層が２％以上の
Ａｌを含むのが好ましいのであり、本発明はこれに限定
されないことはいうまでもない。また、図３に示したＬ
ＥＤ素子では、キャリア供給層であるＡｌＧａＮ超格子
構造を構成する障壁層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以
上１５％以内、障壁層と井戸層の平均Ａｌ組成が７％以
上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下であればよい。
た要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるこ
とは勿論である。すなわち、図１に示した上記実施の形
態の構成はあくまで１つの例示であり、細かな構成は種
々の態様を取り得ることはいうまでもない。さらに、図
１に示したＬＥＤ素子では、障壁層と量子井戸層のＡｌ
組成の差が１５％以内であり、量子井戸層が２％以上の
Ａｌを含むのが好ましいのであり、本発明はこれに限定
されないことはいうまでもない。また、図３に示したＬ
ＥＤ素子では、キャリア供給層であるＡｌＧａＮ超格子
構造を構成する障壁層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以
上１５％以内、障壁層と井戸層の平均Ａｌ組成が７％以
上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下であればよい。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
量子井戸構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使
用し、障壁層のＡｌ組成を量子井戸層のＡｌ組成よりも
大きくすることにより、短波長における窒化物III−Ｖ
族化合物を用いた光半導体素子の動作効率、例えばＬＥ
Ｄの場合の発光効率を向上することを可能とした。この
構造を利用することにより、窒化物光半導体素子の動作
波長を従来の３７０ｎｍ程度から大きく短波長化するこ
とが可能となった。また、障壁層と井戸層のＡｌ組成の
差が２％以上１５％以内、前記障壁層と前記井戸層の平
均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下
のＡｌＧａＮ超格子構造をキャリア供給層とすることに
より、窒化物III-Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置
において、光透過効率の光学的特性を維持したまま、低
抵抗化を実現することができた。
量子井戸構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使
用し、障壁層のＡｌ組成を量子井戸層のＡｌ組成よりも
大きくすることにより、短波長における窒化物III−Ｖ
族化合物を用いた光半導体素子の動作効率、例えばＬＥ
Ｄの場合の発光効率を向上することを可能とした。この
構造を利用することにより、窒化物光半導体素子の動作
波長を従来の３７０ｎｍ程度から大きく短波長化するこ
とが可能となった。また、障壁層と井戸層のＡｌ組成の
差が２％以上１５％以内、前記障壁層と前記井戸層の平
均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下
のＡｌＧａＮ超格子構造をキャリア供給層とすることに
より、窒化物III-Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置
において、光透過効率の光学的特性を維持したまま、低
抵抗化を実現することができた。
【００４６】このような効果は、ＬＥＤやＬＤ等の発光
器に留まらず、ＰＤ等の受光器や光変調器など、広く窒
化物光半導体装置における光学的空間分解能等の特性を
向上でき、さらに、これらの素子を利用して化学物質を
光励起する場合や検出する場合の感度向上にも極めて有
効である。
器に留まらず、ＰＤ等の受光器や光変調器など、広く窒
化物光半導体装置における光学的空間分解能等の特性を
向上でき、さらに、これらの素子を利用して化学物質を
光励起する場合や検出する場合の感度向上にも極めて有
効である。
【図１】本発明の一実施の形態のＬＥＤ素子の構造を示
す概略断面図である。
す概略断面図である。
【図２】図１に示したＬＥＤ素子の発光スペクトルを示
す図である。
す図である。
【図３】（ａ）は本発明の別の実施の形態の半導体ヘテ
ロ構造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）
を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す窒化物半導体発光
ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組
成を示すグラフである。
ロ構造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）
を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す窒化物半導体発光
ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組
成を示すグラフである。
【図４】図３のＡｌＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの電流密
度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を示す図である。
度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を示す図である。
【図５】図３のＬＥＤの発光スペクトルを示す図であ
る。
る。
【図６】（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の原理を説明す
る概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する
図である。
る概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する
図である。
１…負電極（Ａｕ）、２…負電極（Ｔｉ）、３…ｎ型Ｓ
ｉＣ基板、４…ｎ型ＡｌＧａＮ層、５…ＡｌＧａＮ多重
量子井戸発光層、６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、７…ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層、８…正電極（Ｎｉ）、９…正電極（Ａ
ｕ）。
ｉＣ基板、４…ｎ型ＡｌＧａＮ層、５…ＡｌＧａＮ多重
量子井戸発光層、６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、７…ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層、８…正電極（Ｎｉ）、９…正電極（Ａ
ｕ）。
Claims (3)
- 【請求項１】窒化物半導体を用いた量子井戸構造を有す
る光半導体装置において、上記量子井戸構造を構成する
障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含み、前記障壁層のＡ
ｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成よりも大きいことを
特徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】前記障壁層と前記量子井戸層のＡｌ組成の
差が１５％以内であり、かつ、前記量子井戸層のＡｌ組
成が２％以上であることを特徴とする請求項１記載の光
半導体装置。 - 【請求項３】Ａｌを含む窒化物半導体からなる発光層を
有する光半導体装置において、障壁層と井戸層のＡｌ組
成の差が２％以上１５％以内、前記障壁層と前記井戸層
の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ
以下のＡｌＧａＮ超格子構造をキャリア供給層とするこ
とを特徴とする光半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000024660A JP3470074B2 (ja) | 1999-02-05 | 2000-02-02 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2853499 | 1999-02-05 | ||
| JP11-28534 | 1999-02-05 | ||
| JP2000024660A JP3470074B2 (ja) | 1999-02-05 | 2000-02-02 | 光半導体装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003276040A Division JP2004006957A (ja) | 1999-02-05 | 2003-07-17 | 光半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000294884A true JP2000294884A (ja) | 2000-10-20 |
| JP3470074B2 JP3470074B2 (ja) | 2003-11-25 |
Family
ID=26366656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000024660A Expired - Fee Related JP3470074B2 (ja) | 1999-02-05 | 2000-02-02 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3470074B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003115642A (ja) * | 2001-03-28 | 2003-04-18 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| US6864502B2 (en) | 2002-09-18 | 2005-03-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | III group nitride system compound semiconductor light emitting element |
| JP2008277539A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2022058766A (ja) * | 2016-06-24 | 2022-04-12 | スージョウ レキン セミコンダクター カンパニー リミテッド | 半導体素子および半導体素子パッケージ |
-
2000
- 2000-02-02 JP JP2000024660A patent/JP3470074B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003115642A (ja) * | 2001-03-28 | 2003-04-18 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| US6864502B2 (en) | 2002-09-18 | 2005-03-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | III group nitride system compound semiconductor light emitting element |
| JP2008277539A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2022058766A (ja) * | 2016-06-24 | 2022-04-12 | スージョウ レキン セミコンダクター カンパニー リミテッド | 半導体素子および半導体素子パッケージ |
| JP7281231B2 (ja) | 2016-06-24 | 2023-05-25 | スージョウ レキン セミコンダクター カンパニー リミテッド | 半導体素子および半導体素子パッケージ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3470074B2 (ja) | 2003-11-25 |
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