JP2005340231A - Semiconductor light emitting element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものであり、特に、白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor light emitting device that can be suitably used as a white light emitting diode and the like and a method for manufacturing the same.
一般に、白色光照明装置は例えば特許文献1にあるように蛍光体およびこれを励起する発光素子から構成される。具体的には、一般式AlxGa1-xN(但しxは0≦x≦1である)で表される窒化物半導体からなり、1mm角以下に切断された発光素子と、その発光素子から放出された青色光によって励起されて570nm付近に発光ピークを有する波長を発光する蛍光体と、発光素子を保持するメタルステムと、発光素子を包囲し、蛍光体が充填された樹脂モールドとを備えている。照明装置からの光は、発光素子から放出される青色光と蛍光体から放出される黄色光とが混合されたものであるため、観察者は白色光として感知する。
In general, a white light illuminating device includes, for example, a phosphor and a light emitting element that excites the phosphor as disclosed in
さらに、上記とは異なる方法として、特許文献2に記載された方法がある。この方法では、図4に示すように半導体発光素子40の発光層44に隣接するp型クラッド層45に希土類元素がドープされており、希土類元素は発光層44からの発光により励起されて蛍光を生じ、結果的に発光層44からの発光と希土類元素からの蛍光の混合色により、白色光を実現できる。なお、半導体発光素子40の、発光層44およびp型クラッド層45以外の構成要件は、サファイア基板41、n型コンタクト層42、n型クラッド層43、p型コンタクト層46、n側電極47、p側電極48である。
しかしながら、上記の樹脂モールドに蛍光体を充填する従来構造の場合、赤色光成分が弱く演色性が悪いという不具合があった。すなわち、赤色の物質に白色光が当たったときに少しオレンジ色に見えてしまうため、このような白色光をバックライトで使用するには、カラーフィルタに工夫をして対処するしかなかった。 However, in the case of the conventional structure in which the above resin mold is filled with a phosphor, the red light component is weak and the color rendering property is poor. In other words, when white light hits a red substance, it looks a little orange, so in order to use such white light in a backlight, the color filter must be devised.
さらに、蛍光体の厚さによって、白色光の色合いが非常に敏感に変化してしまうという不具合があった。例えば、蛍光体の厚さが薄すぎる場合には、発光ダイオード(以下LEDという)から放出された青色光が所望量以上の量で蛍光体を透過してしまう。その結果、蛍光体の黄色光よりもLEDの青色光が優勢となるために、LEDと蛍光体の合成光出力は青味がかって見える。一方、蛍光体が厚すぎる場合には、LEDから発光された青色光が蛍光体層を透過する量は所望量より少なくなる。その結果、LEDの青色光よりも蛍光体の黄色光が優勢となるために、LEDと蛍光体の合成光出力は黄味がかって見える。このように、蛍光体の厚さはLEDと蛍光体との合成光出力に影響を及ぼす重要な変数であり、蛍光体厚さの変動は白色光照明用途に適さない白色光(青味がかった色や黄色味がかった色)をもたらしてしまう。しかしながら、白色光照明装置を大規模生産する際に蛍光体の厚さを精密に制御するのは困難であるため、製造歩留りは許容し得ないほどに低くなることがあった。 Furthermore, there is a problem that the color of white light changes very sensitively depending on the thickness of the phosphor. For example, when the thickness of the phosphor is too thin, blue light emitted from a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) passes through the phosphor in an amount greater than a desired amount. As a result, the blue light of the LED is more dominant than the yellow light of the phosphor, so that the combined light output of the LED and the phosphor appears bluish. On the other hand, when the phosphor is too thick, the amount of blue light emitted from the LED is transmitted through the phosphor layer is less than the desired amount. As a result, since the yellow light of the phosphor is dominant over the blue light of the LED, the combined light output of the LED and the phosphor appears yellowish. Thus, the thickness of the phosphor is an important variable that affects the combined light output of the LED and the phosphor, and the variation in the phosphor thickness is white light that is not suitable for white light illumination applications (bluish) Color or yellowish color). However, since it is difficult to precisely control the thickness of the phosphor when producing a white light illumination device on a large scale, the manufacturing yield may be unacceptably low.
一方、半導体発光素子の発光層に隣接するクラッド層へ希土類元素をドープする従来構造の場合、発光層からの発光により希土類元素からの蛍光を生じさせるには、クラッド層に電流を流す必要がある。この場合、クラッド層に希土類元素をドープすると結晶性の低下にともない、動作電圧の増加を引き起こすという不具合があった。 On the other hand, in the case of a conventional structure in which a cladding layer adjacent to a light emitting layer of a semiconductor light emitting element is doped with a rare earth element, it is necessary to pass a current through the cladding layer in order to generate fluorescence from the rare earth element by light emission from the light emitting layer. . In this case, if the cladding layer is doped with a rare earth element, there is a problem in that the operating voltage is increased as the crystallinity decreases.
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、簡便な方法で、動作電圧の増加を引き起こさずに発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and in a simple method, semiconductor light emission that realizes light emission of an arbitrary color with a strong light emission intensity without causing an increase in operating voltage, particularly light emission of white light. The object is to provide an element and a method of manufacturing the same.
本発明の半導体発光素子は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられ、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層とを備えている。 The semiconductor light emitting device of the present invention includes a light emitting layer, a cladding layer adjacent to the light emitting layer, and a semiconductor layer provided above the cladding layer and including a rare earth element at least partially.
このような半導体発光素子において、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、その元素に固有の波長の蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択して半導体層に導入することにより、所望の色合いの発光を実現することができる。従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合があったが、本発明では、赤色を発光する希土類元素を選択することにより、赤色成分を補うことができる。また、従来の白色発光素子では蛍光体の厚さに依存して白色光の色合いが変化しやすいという不具合もあったが、本発明では、蛍光体を用いなくてもよいため、安定した白色光を得ることができる。さらに、従来の白色発光素子ではクラッド層に希土類元素を含んでいたため動作電圧の増加を引き起こす不具合もあったが、本発明では電流を流す必要のない半導体層に希土類元素を含ませているために、動作電圧の増加を引き起こすこともない。 In such a semiconductor light emitting device, when a rare earth element contained in the semiconductor layer is excited by light from the light emitting layer, fluorescence having a wavelength unique to the element is emitted. That is, light emission having a desired color can be realized by appropriately selecting a rare earth element and introducing it into the semiconductor layer. The conventional white light emitting device has a disadvantage that the red light component is weak, but in the present invention, the red component can be supplemented by selecting a rare earth element that emits red light. In addition, the conventional white light emitting device has a problem that the hue of white light is likely to change depending on the thickness of the phosphor. However, in the present invention, since the phosphor does not have to be used, stable white light can be obtained. Can be obtained. In addition, the conventional white light emitting device has a defect that causes an increase in operating voltage because the cladding layer contains a rare earth element. In addition, the operating voltage is not increased.
なお、半導体層は発光層の上方に設けられていると上述しているが、この構造には、半導体発光素子が基板を有している場合に、基板の上に設けられた発光層の上に半導体層が設けられている構造だけではなく、基板と発光層との間に半導体層が設けられている構造も含まれるとする。 Note that although it has been described above that the semiconductor layer is provided above the light-emitting layer, this structure has a structure in which, when the semiconductor light-emitting element has a substrate, the top of the light-emitting layer provided on the substrate. In addition to the structure in which the semiconductor layer is provided, the structure in which the semiconductor layer is provided between the substrate and the light emitting layer is also included.
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層は、複数の層を有し、前記複数の層における各層のうち互いに接する層同士の組成は異なっていることが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体層が単層である場合と比較して、キャリアが空間的に閉じ込められやすいという利点があるため、発光強度をさらに強くすることができる。 In the semiconductor element of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer further includes a plurality of layers, and the compositions of the layers in contact with each other among the layers in the plurality of layers are different. According to this preferred configuration, there is an advantage that carriers are easily confined spatially as compared with the case where the semiconductor layer is a single layer, so that the emission intensity can be further increased.
本発明の半導体素子は、さらに前記発光層におけるバンドギャップエネルギーは、前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体層の方が発光層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層からの光が半導体層に吸収されやすくなる。したがって、希土類元素の励起効率を高くすることができる。 In the semiconductor element of the present invention, it is preferable that the band gap energy in the light emitting layer is larger than the band gap energy of the semiconductor layer. According to this preferable configuration, the light from the light emitting layer is more easily absorbed by the semiconductor layer than the case where the semiconductor layer has a larger band gap energy than the light emitting layer. Therefore, the excitation efficiency of rare earth elements can be increased.
本発明の半導体素子は、さらに前記希土類元素は、具体的には、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうち少なくともいずれか1つであることが好ましい。この好ましい構成によれば、本発明の半導体発光素子では、これらの希土類元素のうちから、所望の光の発振波長に対応する元素が選択されて用いられる。例えば、赤色発光を得るためにはEu、Sm、NdまたはYbを、緑色発光を得るためにはTb、Er、NdまたはYbを、青色発光を得るためにはCe、Pr、TmまたはYbを用いることができる。これらの希土類元素を複数ドープして発光を重畳させることにより、所望の色合いの光、特に白色光を容易に実現することができる。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the rare earth element is specifically at least one of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Er, Tm and Yb. According to this preferred configuration, in the semiconductor light emitting device of the present invention, an element corresponding to a desired oscillation wavelength of light is selected from these rare earth elements and used. For example, Eu, Sm, Nd or Yb is used to obtain red light emission, Tb, Er, Nd or Yb is used to obtain green light emission, and Ce, Pr, Tm or Yb is used to obtain blue light emission. be able to. By doping a plurality of these rare earth elements and superimposing light emission, it is possible to easily realize light of a desired color, particularly white light.
本発明の半導体素子は、さらに前記希土類元素の濃度が、1×1018cm-3以上5×1022cm-3以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、希土類元素を含まない場合と比較して発光強度を高くすることができる。 In the semiconductor element of the present invention, the concentration of the rare earth element is preferably 1 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 22 cm −3 or less. According to this preferred configuration, the emission intensity can be increased as compared with the case where no rare earth element is contained.
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がBxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)からなる層を有していることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention has a further said semiconductor layer is made of B x Ga 1-xyz Al y In z N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1) layer It is preferable.
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がAlxGa1-x-yInyP(0≦x≦1、0≦y≦1)からなる層を有していることが好ましい。 In the semiconductor element of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer further includes a layer made of Al x Ga 1 -xy In y P (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がAlxGa1-xAs(0≦x≦1)からなる層を有していることが好ましい。 In the semiconductor element of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer further includes a layer made of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1).
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がZnxCd1-xSySe1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)からなる層を有していることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer further includes a layer made of Zn x Cd 1 -x S y Se 1 -y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記希土類元素を含む半導体層の上にキャップ層を備えることが好ましい。 The method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention preferably further includes a cap layer on the semiconductor layer containing the rare earth element.
本発明の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層の上方に、前記半導体層を形成する工程と、前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程とを備えている。 The method for producing a semiconductor light emitting device of the present invention is a method for producing a semiconductor light emitting device comprising a light emitting layer, a clad layer adjacent to the light emitting layer, and a semiconductor layer provided above the clad layer, A step of forming the semiconductor layer above the cladding layer and a step of selectively adding a rare earth element to at least a part of the semiconductor layer are provided.
この方法により、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作製した半導体発光素子では、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、動作電圧の増加を引き起こすことなく所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。 By this method, a semiconductor light emitting device can be produced on a large scale. In the semiconductor light emitting device manufactured by this method, when a rare earth element contained in the semiconductor layer is excited by light from the light emitting layer, fluorescence having a wavelength unique to the element is emitted. That is, by appropriately selecting a rare earth element, it is possible to realize light emission of a desired color with high light emission intensity without causing an increase in operating voltage.
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程において、イオン注入法によって前記希土類元素を添加することが好ましい。この好ましい構成によれば、複数の膜中の所望の位置に所望量の希土類元素を導入することができるため、歩留まりを向上させることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the rare earth element is added by an ion implantation method in the step of selectively adding the rare earth element to at least a part of the semiconductor layer. According to this preferable configuration, since a desired amount of rare earth element can be introduced at a desired position in a plurality of films, the yield can be improved.
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記イオン注入法によって前記希土類元素を添加するのに、前記希土類元素を1×1013cm-2以上1×1017cm-2以下の注入量で注入することが好ましい。この好ましい構成によれば、希土類元素を注入しない場合と比較して発光強度の強い半導体発光素子を得ることができる。 In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention, the rare earth element is further added at an implantation amount of 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 17 cm −2 or less in order to add the rare earth element by the ion implantation method. It is preferable to inject. According to this preferred configuration, it is possible to obtain a semiconductor light emitting device having a higher emission intensity than that in the case where no rare earth element is implanted.
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記希土類元素としては、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうちのいずれかを用いることが好ましい。 In the method for producing a semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable to use any one of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Er, Tm and Yb as the rare earth element.
本発明の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層と、前記クラッド層を形成する工程と、前記クラッド層の上方に、希土類元素を供給しながら、前記半導体層を形成する工程とを備える。 The method for producing a semiconductor light emitting device of the present invention is a method for producing a semiconductor light emitting device comprising a light emitting layer, a clad layer adjacent to the light emitting layer, and a semiconductor layer provided above the clad layer, A light emitting layer, a step of forming the clad layer, and a step of forming the semiconductor layer while supplying a rare earth element above the clad layer.
この方法により、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作製した半導体発光素子でも、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、動作電圧の増加を引き起こすことなく所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。 By this method, a semiconductor light emitting device can be produced on a large scale. Even in a semiconductor light emitting device manufactured by this method, when a rare earth element contained in the semiconductor layer is excited by light from the light emitting layer, fluorescence having a wavelength unique to the element is emitted. That is, by appropriately selecting a rare earth element, it is possible to realize light emission of a desired color with high light emission intensity without causing an increase in operating voltage.
本発明の半導体発光素子では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の半導体発光素子の長所をそのままに、種々の色、特に白色の光を、強い発光強度で発することができる。 The semiconductor light-emitting device of the present invention can emit various colors, particularly white light, with high emission intensity while maintaining the advantages of the conventional semiconductor light-emitting devices such as small size, light weight, low power consumption, and long life.
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態の半導体発光素子10は、(0001)面方位のサファイア基板11と、サファイア基板11の上に設けられたGaNからなる厚さ200nmの下地層12と、GaN下地層の上に設けられたn型のGaNからなる厚さ300nmのn型コンタクト層13と、n型コンタクト層13の上に設けられたn型のAl0.15Ga0.85Nからなる厚さ500nmのn型クラッド層14と、n型クラッド層14の上に設けられ、厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N井戸層と厚さ6nmのGaN障壁層とが交互に3周期積層された量子井戸構造からなる発光層15と、発光層15の上に設けられたp型Al0.15Ga0.85Nからなる厚さ500nmのp型クラッド層16と、p型クラッド層16の上に設けられたp型のGaNからなる厚さ300nmのp型コンタクト層17と、p型コンタクト層17の上に設けられた厚さ150nmのGaN層からなるEuがドープされた希土類ドープ層18とを有している。希土類ドープ層18、p型コンタクト層17、p型クラッド層16、発光層15、n型クラッド層14およびn型コンタクト層13の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。n型コンタクト層13のうち露出する部分の上にはn側電極19が設けられている。また、p型コンタクト層17の上にはp側電極20が設けられている。また、希土類ドープ層18に注入されているEuの濃度は1×1018cm-3以上5×1022cm-3の範囲である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a semiconductor
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造工程について、図2(a)〜(e)を参照しながら説明する。図2(a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 Next, the manufacturing process of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the semiconductor light emitting device in the first embodiment of the present invention.
まず、図2(a)に示す工程で、サファイア基板11の(0001)面上に、有機金属気相成長法を用いて、GaNからなる厚さ200nmの下地層12を堆積する。その上に、n型不純物(ドナー)としてSiをドープしながら厚さ300nmのGaNを成長させることによりn型コンタクト層13を形成し、その上に、同じくSiをドープしながら厚さ500nmのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりn型クラッド層14を形成する。その後、n型クラッド層14の上に、厚さ2nmのIn0.15Ga0.85Nからなる井戸層と厚さ6nmのGaNからなる障壁層とを交互に3回成長させることにより、合計膜厚24nmの発光層15を形成し、その上に、p型不純物(アクセプタ)としてMgをドープしながら厚さ500nmのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりp型クラッド層16を形成し、さらに、同じくMgをドープしながら厚さ300nmのGaNを成長させることにより、p型コンタクト層17を形成する。その後、p型コンタクト層17の上に厚さ150nmのGaNからなる希土類ドープ層18を形成する。希土類ドープ層18の膜厚は、薄膜中に均一に希土類元素がドープされていると仮定すると、膜厚が厚くなるにしたがって発光強度は増加するが、ある一定量を超えると結晶性の低下を引き起こすため、厚さ100nm以上500nm以下の範囲が望ましい。
First, in the step shown in FIG. 2A, a
なお、本実施形態では発光層15が量子井戸構造である場合について説明しているが、本発明では発光層15としてバルクを用いてもよい。また、発光層15、希土類ドープ層18の導電型は特に指定していないが、p型、n型およびアンドープのいずれであってもよい。また、希土類ドープ層18はGaN単層膜であるが、複数の層を有する多層膜であってもよい。例えば、In0.20Ga0.80N層とGaN層とがそれぞれ3nmの厚さで20周期積層された多層膜を用いた場合、GaN単層膜を用いた場合と比較して発光強度を強くすることができる。
In the present embodiment, the case where the
次に、図2(b)に示す工程で、イオン注入法を用いて、希土類ドープ層18の中にEu21を注入する。Euの注入される量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Euの注入される量がその一定量を超えると発光強度が減少するため、Euの注入量は1×1013〜1×1017cm-2の範囲とする。
Next, in the step shown in FIG. 2B,
次に、図2(c)に示す工程で、希土類ドープ層18の上に開口を有するエッチングマスク(図示せず)を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、希土類ドープ層18を除去する。その後、エッチングマスクを除去する。
Next, in the step shown in FIG. 2C, an etching mask (not shown) having an opening is formed on the rare earth doped
次に、図2(d)に示す工程で、希土類ドープ層18の上に開口を有するエッチングマスク(図示せず)を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、p型コンタクト層17、p型クラッド層16、発光層15およびn型クラッド層14と、n型コンタクト層13の上層部とを除去する。その後、エッチングマスクを除去する。
Next, in the step shown in FIG. 2D, an etching mask (not shown) having an opening is formed on the rare earth doped
次に、図2(e)に示す工程で、n型コンタクト層13の上にTi/Al等からなるn側電極19を形成し、p型コンタクト層17の上にNi/AuやNi/Pt/Au等からなるp側電極20を形成することにより、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子10が完成する。
2E, an n-
本実施形態の窒化物半導体発光素子10のp側電極20とn側電極19との間に3.5Vの電圧を印加して20mAの電流を流したところ、高効率の赤色発光を確認することができた。
When a voltage of 3.5 V is applied between the p-
本実施形態では、発光層15から青色光が発生し、青色光の一部によって希土類ドープ層18に含まれるEuが励起されて、赤色光が発光される。従来の白色発光素子では、発光層に隣接するクラッド層に希土類元素をドープしているために、動作電圧の増加を引き起こしていたが、電流を流す必要のない場所に希土類ドープ層を設けることで、動作電圧の増加を引き起こさない。
In the present embodiment, blue light is generated from the
なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施形態の手段を用いることにより赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはTbやErを、青色発光を得るためにはCe、PrまたはTmを用いることができる。 In addition, in the conventional white light emitting element, the malfunction that the red light component was weak has arisen, but the light containing red light can be obtained by using the means of this embodiment. In addition, although the light color of the conventional white light emitting element was easily changed, white light with a stable color can be obtained by using a rare earth element that generates green or blue light in addition to Eu used in the present embodiment. be able to. For example, Tb or Er can be used to obtain green light emission, and Ce, Pr, or Tm can be used to obtain blue light emission.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図3に示すように、本実施形態の半導体発光素子30は、(0001)面方位のサファイア基板31と、サファイア基板31の上に設けられたAlNからなる厚さ1000nmの下地層32と、下地層32の上に設けられた厚さ500nmのAl0.25Ga0.75N層からなるTm、Er、Euがドープされた積層33と、積層33の上に設けられたn型のAl0.25Ga0.75Nからなるn型クラッド層34と、n型クラッド層34の上に設けられ、厚さ2nmのAl0.30Ga0.70N井戸層と厚さ6nmのAl0.40Ga0.60N障壁層とが交互に3周期積層された量子井戸構造からなる発光層35と、発光層35の上に設けられ、p型のAl0.25Ga0.75N層からなる厚さ300nmのp型クラッド層36と、p型クラッド層36の上に設けられ、p型のGaNからなる厚さ100nmのp型コンタクト層37とを備えている。積層33にドープされているTm、ErおよびEuの合計の濃度は1×1018以上5×1022cm-3以下の範囲である。p型コンタクト層37、p型クラッド層36、発光層35およびn型クラッド層34の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。また、p型コンタクト層37の上にはp側電極39が、n型クラッド層34の上にはn側電極38が設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor light emitting device in the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the semiconductor
本実施形態の半導体発光素子30においては、Tm、ErおよびEuをドーピングしながら積層33を成長させてもよいし、結晶を成長させた後にTm、ErおよびEuをイオン注入してもよい。
In the semiconductor
本実施形態では、Tm、ErおよびEuが含まれる積層33のバンドギャップエネルギー(Egm)より、発光層35のバンドギャップエネルギー(Ega)の方が大きい。この場合には、積層33の方が発光層35よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層35の発光(発光エネルギー)のうち積層33で吸収されるものの割合が高くなる。そのため、希土類元素の励起効率を高くすることができる。ここで、発光層35から発光される光は紫外線であり、この紫外線が積層33に吸収されると、Tmが青色光を発光し、Erが緑色光を発光し、Euが赤色光を発光する。この三色が混合される結果、白色発光が可能となる。事実、積層33をAl0.44Ga0.56N層にした場合(Egm>Egaの関係に相当)と比較して、約3倍の白色発光を確認した。
In the present embodiment, the band gap energy (Ega) of the light emitting layer 35 is larger than the band gap energy (Egm) of the
(第3の実施形態)
図5は、本発明の第3の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device in the third embodiment of the present invention.
図5に示すように、本実施形態の半導体発光素子50は、図1に示す半導体発光素子の、希土類ドープ層18の上にキャップ層51を設けたものである。ここで、キャップ層51はアンドープのGaNよりなり、厚さは64nmである。
As shown in FIG. 5, the semiconductor
ここで、キャップ層51を設けたのは、イオン注入法により希土類元素をドープする際、希土類ドープ層18部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするためである。
Here, the reason why the
本実施形態の半導体発光素子の製造工程については、図2(a)の工程において希土類ドープ層18を形成後、続いてキャップ層51を形成する。その他の工程については第1の実施の形態と同様である。
Regarding the manufacturing process of the semiconductor light emitting device of this embodiment, the
キャップ層51の膜厚は、希土類ドープ層18部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするため、厚さ20nm以上80nm以下の範囲が望ましい。
The film thickness of the
上記実施形態に示す半導体発光素子に関連して、希土類ドープ層18としてAlGaN/InGaNの量子井戸を用いる場合と、GaNを用いる場合とで、希土類ドープ層18の発光強度がどのように違うか検討した。
In relation to the semiconductor light emitting device shown in the above embodiment, examination is made as to how the emission intensity of the rare earth doped
AlGaN/InGaNの量子井戸構造の希土類ドープ層(以下、サンプルAという)と、バルクGaN希土類ドープ層(以下、サンプルBという)とについて当該構造から発光される光の強度を比較した結果を以下に示す。なお、ここでサンプルA、Bに関する構造パラメータを表1に示す。なお、ここで希土類としてはEuを用いた。 The result of comparing the intensity of light emitted from the AlGaN / InGaN quantum well structure rare earth doped layer (hereinafter referred to as sample A) and bulk GaN rare earth doped layer (hereinafter referred to as sample B) is shown below. Show. Here, the structural parameters relating to the samples A and B are shown in Table 1. Here, Eu was used as the rare earth.
図6にサンプルA、Bに関するEuのドープ量と発光強度との関係を、図7にアニール温度と発光強度との関係を示す。 FIG. 6 shows the relationship between the amount of doped Eu and the emission intensity for samples A and B, and FIG. 7 shows the relationship between the annealing temperature and the emission intensity.
図6、図7のいずれからもわかるように、サンプルAのほうがサンプルBよりも発光強度が向上した。これは、サンプルAの希土類ドープ層の各層の膜厚が10nm以下であるために、各層に働く応力は少なく結晶性が低下せず、また、量子効果が起こってキャリアが空間的に閉じ込められやすいためであると考えられる。 As can be seen from both FIG. 6 and FIG. 7, the emission intensity of sample A was improved than that of sample B. This is because the thickness of each layer of the rare earth doped layer of Sample A is 10 nm or less, so that the stress acting on each layer is small and the crystallinity is not lowered, and the quantum effect occurs and carriers are easily confined spatially. This is probably because of this.
また、図6より、発光強度を向上させるEuのドープ量は、1×1014cm-2以上であり、図7より、発光強度を向上させるアニール温度は、900℃以上であることがわかった。 Further, FIG. 6 shows that the doping amount of Eu for improving the emission intensity is 1 × 10 14 cm −2 or more, and FIG. 7 shows that the annealing temperature for improving the emission intensity is 900 ° C. or more. .
なお、Euのドープ量の上限は、1×1017cm-2である。これは、Euのドープされる量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Euのドープされる量がその一定量を超えると発光強度が減少するためである。また、アニール温度の上限は、1500℃である。これは、希土類ドープ層を構成する半導体材料が分解されるためである。 Note that the upper limit of the Eu doping amount is 1 × 10 17 cm −2 . This is because the emission intensity increases as the amount of Eu doped increases until a certain amount is reached, but the emission intensity decreases when the amount of Eu doped exceeds the certain amount. It is. The upper limit of the annealing temperature is 1500 ° C. This is because the semiconductor material constituting the rare earth doped layer is decomposed.
以上より、本実施形態の手段を用いることにより高輝度の赤色光を含む光を得ることができることがわかった。 From the above, it was found that light containing high-intensity red light can be obtained by using the means of this embodiment.
なお、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはTbやErを、青色発光を得るためにはCe、PrまたはTmを用いることができる。 If a rare earth element that generates green or blue light is used in addition to Eu used in the present embodiment, white light with stable hue can be obtained. For example, Tb or Er can be used to obtain green light emission, and Ce, Pr, or Tm can be used to obtain blue light emission.
(変形例)
上記第3の実施の形態の変形例の断面図を図8に示す。
(Modification)
A cross-sectional view of a modification of the third embodiment is shown in FIG.
図8に示すように、本実施形態の半導体発光素子80は、図1に示す半導体発光素子の、希土類ドープ層18の上にキャップ層81を、希土類ドープ層18の下に中間層82を設けたものである。ここで、キャップ層81、中間層82はともにアンドープのGaNよりなり、キャップ層81の厚さは64nm、中間層82の厚さは68nmである。
As shown in FIG. 8, in the semiconductor light emitting device 80 of the present embodiment, a cap layer 81 is provided on the rare earth doped
本変形例の半導体発光素子の製造工程については、図2(a)の工程において希土類ドープ層18を形成する前に中間層82を形成し、続いて希土類ドープ層18、キャップ層81を形成する。また、図2(c)の工程において中間層82を含めて選択的にエッチングする。その他の工程については第1の実施の形態と同様である。
In the manufacturing process of the semiconductor light emitting device of this modification, the
キャップ層81の膜厚は、希土類ドープ層18部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするため、厚さ20nm以上80nm以下の範囲が望ましい。
The film thickness of the cap layer 81 is preferably in the range of 20 nm or more and 80 nm or less so that the rare earth element concentration in the rare earth doped
この変形例においても上記と同様、高輝度の赤色光を含む光を得ることができる。 In this modified example as well, light containing high-intensity red light can be obtained as described above.
以上、第1〜第3の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、素子構造、プロセス、成長方法などを用いてもよい。具体的には、上述の実施形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施形態においては、発明を白色発光素子や赤色発光素子に適用する場合についてのみ説明したが、2色以上を混色する多色発光素子にも適用することができる。 Although the first to third embodiments have been specifically described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values, element structures, substrates, processes, growth methods and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, element structures, processes, growth methods, and the like may be used as necessary. . Specifically, in the above-described embodiment, metal organic vapor phase epitaxy is used, but other epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy may be used. Further, in the above-described embodiment, only the case where the invention is applied to a white light emitting element or a red light emitting element has been described, but the present invention can also be applied to a multicolor light emitting element that mixes two or more colors.
本発明の半導体発光素子およびその製造方法では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の長所をそのままに、種々の色、特に白色の発光を強い発光強度で実現することができる点で、産業上の利用可能性は高い。 The semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the same according to the present invention are capable of realizing various colors, particularly white light emission with strong light emission intensity while maintaining the conventional advantages such as small size, light weight, low power consumption, and long life. Industrial applicability is high.
10 半導体発光素子
11 サファイア基板
12 下地層
13 n型コンタクト層
14 n型クラッド層
15 発光層
16 p型クラッド層
17 p型コンタクト層
18 希土類ドープ層
19 n側電極
20 p側電極
21 Eu
30 半導体発光素子
31 サファイア基板
32 下地層
33 積層
34 n型クラッド層
35 発光層
36 p型クラッド層
37 p型コンタクト層
38 n側電極
39 p側電極
40 半導体発光素子
41 サファイア基板
42 n型コンタクト層
43 n型クラッド層
44 発光層
45 p型クラッド層
46 p型コンタクト層
47 n側電極
48 p側電極
51 キャップ層
81 キャップ層
82 中間層
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DESCRIPTION OF
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JP2008022014A (en) * | 2006-07-13 | 2008-01-31 | Sharp Corp | Treating method of light-emitting device obtained by processing nitride semiconductor |
CN102290508A (en) * | 2011-09-14 | 2011-12-21 | 武汉大学 | Fluorescent-powder-free white light-emitting diode (LED) |
US8409897B2 (en) | 2009-05-07 | 2013-04-02 | Osaka University | Production method of red light emitting semiconductor device |
CN114300946A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 北京工业大学 | Rare earth doped photon cascade edge-emitting semiconductor laser and preparation method thereof |
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