JP2005056973A

JP2005056973A - 半導体発光素子及びそれを作製するための半導体発光素子用エピタキシャルウェハ

Info

Publication number: JP2005056973A
Application number: JP2003284743A
Authority: JP
Inventors: Tsuneaki Fujikura; 序章藤倉
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】ピエゾ分極による電子・正孔の空間的分離を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子を得ること。
【解決手段】半導体の極性を有する面上に１つあるいは多数の歪入り量子井戸４を活性層に有する半導体発光素子において、上記量子井戸４内の半導体材料のバンドギャップが量子井戸界面と垂直方向に断続的または連続的に変更されていて、これにより、上記量子井戸４内の歪によるバンドの傾きが、価電子帯または伝導帯において弱められているか、打ち消されているか、あるいは、価電子帯または伝導帯において逆方向のバンドの傾きが導入されている構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極性を有する半導体面上に形成した半導体発光素子の高輝度化に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物半導体は、赤色から紫外の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。

通常、窒化物半導体はＣ面サファイア上に成長され、その表面はウルツ鉱構造の（０００１）III族面となっている。例えば、（０００１）III族面上に歪入りＩｎＧａＮ量子井戸を成長した場合、歪によりピエゾ分極が発生し、量子井戸内のバンドは傾く（図４（ｂ）参照）。この結果、電子と正孔が空間的に分離され、その結果発光強度が低下する問題がある。

このような歪によるピエゾ分極による電子・正孔の分離は、（０００１）面窒化物半導体のみならず、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの閃亜鉛鉱構造の半導体においても（１１１）、（２１１）、（３１１）、（４１１）面等の極性を有する面で観測されている。

従来の窒化物半導体発光素子の構造を図５により説明する。Ｃ面サファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法により低温成長バッファ層２を介して、ｎ−ＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層６の順に成長を行い、成長後に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりｎ−ＧａＮクラッド層を表面に露出せしめ、その後ｎ−ＧａＮクラッド層３上およびｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層６上に蒸着により電極７、８を形成している。この場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造４のＩｎ組成プロファイルは図４（ａ）に示すとおり一定であり、また、バンドプロファイルは図４（ｂ）に示す通りであって、量子井戸内のバンドが傾いていると共に、電子および正孔の波動関数の重なりは小さい。

なお、上記ピエゾ分極の問題とは無関係であるが、半導体発光素子において、量子井戸の伝導帯のキャリアの波動関数と価電子帯のキャリアの波動関数との重なりと、光の吸収を考慮し、井戸層及び障壁層の組成と障壁層の膜厚を制御したものとして、特開平８−１８０９８号公報（特許文献１）がある。
特開平８−１８０９８号公報

上記したように、ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の（０００１）面又は閃亜鉛鉱構造の半導体の（１１１）、（２１１）、（３１１）、（４１１）面のいずれかに、歪入りＩｎＧａＮ量子井戸を成長した場合、歪によりピエゾ分極が発生し、量子井戸内のバンドが傾く結果、電子と正孔が空間的に分離され、その結果発光強度が低下する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述のピエゾ分極による電子・正孔の空間的分離を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子及びそれを作製するための半導体発光素子用エピタキシャルウェハを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体発光素子は、半導体の極性を有する面上に１つあるいは多数の歪入り量子井戸を活性層に有する半導体発光素子であり、上記量子井戸内の半導体材料のバンドギャップが量子井戸界面と垂直方向に断続的または連続的に変更されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、上記半導体材料のバンドギャップの変更により、上記量子井戸内の歪によるバンドの傾きが、価電子帯または伝導帯において弱められているか、打ち消されているか、あるいは、価電子帯または伝導帯において逆方向のバンドの傾きが導入されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体発光素子において、上記半導体および活性層を構成する物質がＩｎ_aＡｌ_bＧａ_cＢ_dＡｓ_eＰ_fＮ_gＳｂ_h（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１）であり、上記の極性を有する面がウルツ鉱構造の（０００１）面であるか、閃亜鉛鉱構造の（１１１）、（２１１）、（３１１）、（４１１）面のいずれかであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子において、Ｃ面サファイア基板上またはＧａＮ系単結晶基板上に成長した（０００１）Ｇａ面またはＮ面のＧａＮ結晶の上方に成長したＩｎＧａＮ量子井戸を活性層に有し、そのＩｎＧａＮ量子井戸層内のＩｎ組成比が厚さ方向に断続的または連続的に減少していることを特徴とする。

請求項５の発明に係る半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャル層構造を有することを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明者は、量子井戸を構成する半導体のバンドギャップを断続的または連続的に変化することにより、上述の歪によるピエゾ分極による量子井戸内のバンドの傾きを、伝導帯または価電子帯において、弱めるか、打ち消すか、あるいは、伝導帯または価電子帯においてピエゾ電界によるバンドの傾きとは逆方向の傾きを導入することができることを着想し、本発明に至った。さらに、本発明により、量子井戸内での電子と正孔の空間的分離が抑制され、高効率に発光する半導体発光素子が形成できることを見出した。

本発明の半導体発光素子は、発光波長が、可視光の範囲、赤外領域、又は紫外領域のいずれにおいても、その効果を発揮するものである。

以上説明したように、本発明によれば、量子井戸を構成する半導体のバンドギャップを断続的または連続的に変化することにより、歪によるピエゾ分極による量子井戸内のバンドの傾きを、伝導帯または価電子帯において、弱めるか、打ち消すか、あるいは、伝導帯または価電子帯においてピエゾ電界によるバンドの傾きとは逆方向の傾きを導入するため、極性を有する半導体表面上においても高効率な発光素子を形成することが可能となる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

［実施例１〜３］
図５に試作例で用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す。Ｃ面サファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法により低温成長バッファ層２を介して、ｎ−ＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層６の順に成長を行った。成長後に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりｎ−ＧａＮクラッド層３を表面に露出せしめ、その後ｎ−ＧａＮクラッド層３上およびｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層６上に蒸着により電極７、８を形成している。

本試作例では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸４における井戸の積層数は６とし、ＧａＮ障壁層の厚さは１０nmとして、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層内のＩｎ組成比ｘ、厚さを以下のようにした４種類の素子を形成した。

(1) 厚さ２nmで、Ｉｎ組成比ｘを０．３５一定とした（比較例１：図４参照）。

(2) 厚さ２．５nmで、Ｉｎ組成比ｘを０．４から０．１５にまで厚さ方向に直線的に変化（減少）させた（実施例１：図１参照）。

(3) 厚さ２．５nmで、Ｉｎ組成比ｘを０．４から０．０７５にまで厚さ方向に直線的に変化（減少）させた（実施例２：図２参照）。

(4) 厚さ２．５nmで、Ｉｎ組成比ｘを０．４から０にまで厚さ方向に直線的に変化（減少）させた（実施例３：図３参照）。

上記(2) 〜(4) の実施例１〜３におけるＩｎ組成プロファイルとバンドプロファイルを図１〜図３に、また上記(1)の比較例１におけるＩｎ組成プロファイルと、バンドプロファイルを図４に示す。

形成した発光ダイオードの発光波長は、全て４９０〜５００nmの範囲であった。また、２０mA通電時の発光出力はそれぞれ、比較例１が０．２mW、実施例１が０．４mW、実施例２が１mW、実施例３が３mWとなった。

比較例１及び実施例１〜３のそれぞれの場合に予想される電子および正孔の波動関数を、図１〜図３中に図示してあるが、電子および正孔の波動関数の重なりは、比較例１が最も小さく、実施例１→実施例３の順に大きくなっている。このため、電子・正孔が発光再結合する確率も、比較例１が最も小さく、実施例１→実施例３の順に大きくなり、発光出力が増大しているのである。

上記実施例では、Ｃ面サファイア基板を用いているが、本発明の概念はこれに限定されるものではなく、例えば、ＧａＮ系単結晶基板のＧａ面またはＮ面上へ同様な発光素子構造を形成する場合にも適用できる。

［実施例４〜６］
同様に、近紫外の３８０nm、青色の４６０nm、緑色の５５０ｍおよび赤色の６３０nmのそれぞれの波長で発光する、均一組成型（比較例２〜４）および傾斜組成型（実施例４〜６）の量子井戸を有する２種類の窒化物半導体発光ダイオードを作製し、その２０mA通電時の出力を比較した。その結果、いずれの波長においても傾斜組成型量子井戸を有する発光ダイオード（実施例４〜６）の出力は、均一組成型（比較例２〜４）よりも高くなり、その割合はそれぞれ、３８０nm：２倍、４６０nm：３倍、５５０nm：２０倍、６３０nm：１００倍であった。

［実施例７］
上記実施例と同様に、均一組成型及び傾斜組成型の量子井戸を有する１．３μｍで発光するＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓレーザダイオード（比較例５、実施例７）を、ＧａＡｓの（１１１）Ａ基板上に形成した。ファブリペロー型のレーザ素子を形成し、双方の発振閾値を比較したところ、均一組成型（比較例５）が６０mAであるのに対して、傾斜組成型（実施例７）は４０mAと低減された。この傾斜組成型における発振閾値の低下も、電子・正孔の空間的分離を抑制したことによる発光確率の増大の効果である。

上記実施例では、Ｉｎ組成比ｘを厚さ方向に直線的に連続的に変化（減少）させたが、曲線的に連続的に変化させたり、あるいは断続的に、例えばステップ状に変化させることもできる。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子のＩｎ組成プロファイルとバンドプロファイルを示す図である。本発明の実施例２に係る半導体発光素子のＩｎ組成プロファイルとバンドプロファイルを示す図である。本発明の実施例３に係る半導体発光素子のＩｎ組成プロファイルとバンドプロファイルを示す図である。本発明の比較例１に係る半導体発光素子のＩｎ組成プロファイルとバンドプロファイルを示す図である。試作した窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。

符号の説明

１Ｃ面サファイア基板
２低温成長バッファ層
３ｎ−ＧａＮクラッド層
４ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造
５ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
６ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層

Claims

半導体の極性を有する面上に１つあるいは多数の歪入り量子井戸を活性層に有する半導体発光素子であり、上記量子井戸内の半導体材料のバンドギャップが量子井戸界面と垂直方向に断続的または連続的に変更されていることを特徴とする半導体発光素子。
上記半導体材料のバンドギャップの変更により、上記量子井戸内の歪によるバンドの傾きが、価電子帯または伝導帯において弱められているか、打ち消されているか、あるいは、価電子帯または伝導帯において逆方向のバンドの傾きが導入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
上記半導体および活性層を構成する物質がＩｎ_aＡｌ_bＧａ_cＢ_dＡｓ_eＰ_fＮ_gＳｂ_h（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１ｂ、０≦ｈ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１）であり、上記の極性を有する面がウルツ鉱構造の（０００１）面であるか、閃亜鉛鉱構造の（１１１）、（２１１）、（３１１）、（４１１）面のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
Ｃ面サファイア基板上またはＧａＮ系単結晶基板上に成長した（０００１）Ｇａ面またはＮ面のＧａＮ結晶の上方に成長したＩｎＧａＮ量子井戸を活性層に有し、そのＩｎＧａＮ量子井戸層内のＩｎ組成比が厚さ方向に断続的または連続的に減少してい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。
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャル層構造を有することを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。