JP2007053291A - Optical semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光半導体素子に関する。特に素子全体で電流分布の片寄りをなくして発光層に不純物の集まりにくい構造とした高出力な光半導体素子に関する。ここで、光半導体素子とはダブルへテロ構造を有する発光ダイオード(以下、LEDという)、半導体レーザ(以下、LDという)等の光を発する半導体素子をいう。 The present invention relates to an optical semiconductor device. In particular, the present invention relates to a high-output optical semiconductor device having a structure in which impurities are not easily collected in a light emitting layer by eliminating the deviation of current distribution in the entire device. Here, the optical semiconductor element refers to a semiconductor element that emits light, such as a light emitting diode (hereinafter referred to as LED), a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD) having a double hetero structure.
近年、GaN,InGaN,AlGaN等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたLED,LD等が量産されるようになった。窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、その混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで発光色を調整することができる。窒化ガリウム系化合物半導体の成長技術は例えば特許文献1に開示されている。 In recent years, LEDs, LDs, and the like using gallium nitride compound semiconductors such as GaN, InGaN, and AlGaN have been mass-produced. A light-emitting element using a gallium nitride-based compound semiconductor can adjust the emission color from the ultraviolet region to the infrared region by changing the mixed crystal ratio. A technique for growing a gallium nitride compound semiconductor is disclosed in, for example, Patent Document 1.
GaNは融点が高く(1,700℃)、窒素の分解蒸気圧が高いためバルク基板の生産が難しく、格子定数や熱膨張係数の似たような基板が存在しないため格子不整合が14%と大きいサファイア(Al2O3)基板が使用されている。
しかし、格子不整合による貫通転位対策としてGaN等のバッファー層を形成しても10^9〜10^10cm−2の貫通転位密度であった。この転位部分には不純物が集まりやすい。その結果、発光層に不純物が進入して光出力が低下する欠点があった。 However, even when a buffer layer of GaN or the like was formed as a countermeasure for threading dislocation due to lattice mismatch, the threading dislocation density was 10 ^ 9 to 10 ^ 10 cm-2. Impurities are likely to collect at this dislocation part. As a result, there is a drawback that the light output is lowered due to the entry of impurities into the light emitting layer.
又、発光層の上下をP型化、N型化するためドーパントの添加を行なうがこのドーパントが発光層に集まり光出力が低下する第2の欠点があった。 Further, a dopant is added to make the upper and lower portions of the light emitting layer P-type and N-type, but there is a second disadvantage that the dopant is collected in the light emitting layer and the light output is lowered.
本発明はこの様な欠点を考慮し、発光部に不純物が集まりにくい光半導体素子を提供することを目的とする。 In consideration of such drawbacks, an object of the present invention is to provide an optical semiconductor element in which impurities are unlikely to collect in a light emitting portion.
上記課題を解決するために、請求項1の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなる。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention of claim 1, one of the two laminated layers is a layer having a lower band gap energy and a higher current density than the other layers.
請求項2の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、2層の内1層が電流層で他層が発光層である。 In the present invention of claim 2, one of the two laminated layers is a layer having a lower band gap energy and a higher current density than the other layers, and one of the two layers is a current layer and the other layer emits light. Is a layer.
請求項3の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は、量子井戸構造よりなる。 In the present invention of claim 3, one of the two laminated layers is a layer having a lower band gap energy and a higher current density than the other layers, and the layer having a higher current density is a quantum dot, a quantum lattice, or It consists of a quantum well structure.
請求項4の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は、量子井戸構造よりなり、2層の内バンドギャップエネルギーが低い層が電流層で他層が発光層である。 In the present invention of claim 4, one of the two laminated layers is a layer having a lower band gap energy and a higher current density than the other layers, and the layer having a higher current density is a quantum dot, a quantum lattice, or A layer having a quantum well structure and having a low inner bandgap energy is a current layer, and the other layer is a light emitting layer.
請求項5の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなる。 In the present invention according to claim 5, one of the two laminated layers is a layer having higher band gap energy and higher current density than the other layers.
請求項6の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、2層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層である。 In the present invention of claim 6, one of the two laminated layers is a layer having a higher band gap energy and a higher current density than the other layers, and the two layers having a higher inner band gap energy are current layers. The other layer is a light emitting layer.
請求項7の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。 In the present invention of claim 7, one of the two laminated layers is a layer having a higher band gap energy and a higher current density than the other layers, and the layer having a higher current density is a quantum dot, a quantum lattice, or a quantum It consists of a well structure.
請求項8の本発明では、積層された2層の内1層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなり、2層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層である。 In the present invention of claim 8, one of the two laminated layers has a band gap energy higher than that of the other layers, and a layer having a high current density is formed of a quantum dot, a quantum lattice, or a quantum well structure. A layer having a high inner band gap energy is a current layer, and the other layer is a light emitting layer.
請求項9の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなる。 In the present invention of claim 9, among the three layers stacked, the layer between the layers is lower in bandgap energy than the other layers, and the layers on both sides are layers with high current density.
請求項10の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。 In the present invention of claim 10, among the three layers stacked, the layer between the layers is lower in bandgap energy than the other layers, the layers on both sides are layers with high current density, and the layers on both sides are between the current layers. This layer is a light emitting layer.
請求項11の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。 In the present invention of claim 11, among the three stacked layers, the layer between the layers has a lower band gap energy than the other layers, and the layers with high current density on both sides are formed of quantum dots, quantum lattices, or quantum well structures. .
請求項12の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなる。 In the present invention of claim 12, among the three laminated layers, the layer between the layers is higher in bandgap energy than the other layers, and the layers on both sides are layers with high current density.
請求項13の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。 In the present invention of claim 13, among the three stacked layers, the layer between the layers has higher bandgap energy than the other layers, the layers on both sides are layers with high current density, and the layers on both sides are between the current layers. This layer is a light emitting layer.
請求項14の本発明では、積層された3層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。 In the present invention of claim 14, the layer between the three layers stacked has higher bandgap energy than the other layers, and the layer with high current density on both sides is formed of a quantum dot, quantum lattice, or quantum well structure. .
求項15の本発明では、積層された3層の内、両側の層が間の他層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなる。 In the present invention according to claim 15, among the three stacked layers, the layers on both sides are composed of a layer having a lower band gap energy and a layer having a higher band gap energy than the other layers therebetween, and the layers on both sides are composed of a layer having a high current density.
請求項16の本発明では、積層された3層の内、両側の層が間の層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。 In the present invention according to claim 16, among the three laminated layers, the layers on both sides are composed of a layer having a lower band gap energy and a layer having a higher band gap energy than the layers in between, the layers on both sides are composed of layers having a high current density, These layers are current layers and the layers between them are light emitting layers.
請求項17の本発明では、積層された3層の内、両側の層が間の層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。 In the present invention according to claim 17, among the three stacked layers, the layers on both sides are composed of a layer having a lower band gap energy and a layer having a higher band gap energy than the layers in between, and the layers having a higher current density on both sides are quantum dots and quantum lattices. Or a quantum well structure.
本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層を電流集中層として利用することができる。 According to the optical semiconductor element of the present invention, the light emitting layer and the current layer are formed in layers, and the light emitting layer and the current layer are in direct contact with each other without providing a barrier layer between the light emitting layer and the current layer. Therefore, a current layer having a band gap energy smaller than that of the light emitting layer can be used as the current concentration layer.
又、本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの大きい電流層を電流拡散層として利用することができる。 In addition, according to the optical semiconductor device of the present invention, the light emitting layer and the current layer are formed in layers, and the light emitting layer and the current layer are in direct contact with each other without providing a barrier layer between the light emitting layer and the current layer. Therefore, a current layer having a band gap energy larger than that of the light emitting layer can be used as the current diffusion layer.
又、本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの大きい電流層を発光層の上に設けることにより発光層の代わりに不純物を捕らえて発光層の出力低下を防止する。発光層の下に発光層よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層を形成することにより駆動電圧を下げ、下層との格子整合を確保して発光層へ不純物が進入しないようにすることにより発光層の光出力が不純物により低下することを防止する。 In addition, according to the optical semiconductor device of the present invention, the light emitting layer and the current layer are formed in layers, and the light emitting layer and the current layer are in direct contact with each other without providing a barrier layer between the light emitting layer and the current layer. Thus, by providing a current layer having a band gap energy larger than that of the light emitting layer on the light emitting layer, impurities are captured instead of the light emitting layer to prevent a decrease in output of the light emitting layer. By forming a current layer with a lower band gap energy than the light emitting layer below the light emitting layer, the driving voltage is lowered, ensuring lattice matching with the lower layer and preventing impurities from entering the light emitting layer. The output is prevented from being reduced by impurities.
以下、図1の断面図に従い、本発明を実施するための最良の形態1に係る青色LED素子100を説明する。図1において、101はAu等により構成された陰極である。102はn型GaN基板でありこのn型基板102の上にn型GaNコンタクト層103、n−Ga0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギーが3.9eVのn型クラッド層104とIn0.49Ga0.51Nからなりバンドギャップエネルギーが2.65eVである電流層1(105)と電流層1(105)の上にIn0.46Ga0.54Nからなりバンドギャップエネルギーが2.7eVで青色光を発光する発光層106が形成されており当該発光層106の上には例えばIn0.49Ga0.51Nからなりバンドギャップエネルギーが2.65eVである電流層2(107)が形成されている。ここで発光層106と電流層1(105),電流層2(107)間にはバリア層が設けられていない。また電流層1(105)と電流層2(107)は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層2(107)の上にGa0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギーが3.9eVのp型クラッド層108、p型GaNコンタクト層109と素子100の表面にAu等による陽極110により構成される。
A
図1において、n型コンタクト層103、n型クラッド層104、電流層1(105)、発光層106、電流層2(107)、p型クラッド層108、p型コンタクト層109は、有機金属化合物気相成長方法(以下、MOCVD法という)等により、n型基板102の上に順次形成されたものである。陽極110、及び陰極101は、各々Auからなる金属膜をスパッタリング法等により、陽極110についてはp型コンタクト層109の上に、陰極101についてはn型基板102の裏面上に各々形成されたものである。
In FIG. 1, an n-
尚、上記構成のうち、n型クラッド層104、p型クラッド層108の屈折率は2.23、電流層1(105)、電流層2(107)の屈折率は2.86、発光層106の屈折率は2.86である。
In the above configuration, the n-
ここで、本実施形態のLEDにおいては、電流層1(105)、電流層2(107)が電流集中層として作用する点に特徴がある。
即ち、図1に示したLEDの構成で、陽極110、陰極101の間に電流層1(105)、電流層2(107)のバンドギャップエネルギー2.65eVまで除々に印加電圧を上げてゆくと、電流層1(105)、電流層2(107)は、バンドギャップエネルギーが最も小さい(2.65eV)ため、n側コンタクト層103からp側に流れる電子は、まず最も小さいバンドギャップエネルギー(2.65eV)を有する電流層1(105)の伝導帯へと流れ込み、p側コンタクト層109からn側に流れる正孔は、電流層2(107)の荷電子帯へと流れ込む。
Here, the LED of this embodiment is characterized in that the current layer 1 (105) and the current layer 2 (107) function as a current concentration layer.
That is, in the configuration of the LED shown in FIG. 1, when the applied voltage is gradually increased up to the band gap energy of 2.65 eV between the current layer 1 (105) and the current layer 2 (107) between the
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、電流層2(107)のバンドギャップエネルギーである2.65eVに相当する電圧が印加されており、発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVに相当する電圧が印加されていないが、電流層2(107)はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極110から注入された電流が電流層2(107)に流れるようになるため、当該電流層2(107)に接して形成されている発光層106の電流密度が増加することになる。従って、しきい値電流が低減されることになり、駆動電圧を、発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVよりも低減することができるようになる。発光層106のバンドギャップエネルギーは2.7eVと電流層2(107)のバンドギャップエネルギーである2.65eVに対して0.05eVしか大きくないため発光層106はキャリア(ここでは正孔)閉じ込め層として作用することができず発光層106の荷電子帯に正孔が流れ込み電流層2(107)には正孔が閉じこめられないことになる。発光層106の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、バンドギャップエネルギーが2.65eVと発光層106より小さい電流層1(105)に流れ込む。更に正孔は陰極101の方へと引っ張られるが、図1より明らかなように、電流層1(105)の下部に形成されたn型クラッド層104のバンドギャップエネルギーは3.9eVであり、発光層106、電流層1(105)のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該n型クラッド層104がキャリア(ここでは正孔)閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層106、及び電流層1(105)の荷電子帯内に閉じ込められることになる。
Here, as described above, in this embodiment, a voltage corresponding to 2.65 eV which is the band gap energy of the current layer 2 (107) is applied, and the band gap energy of the
一方陰極101から電流層1(105)の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが、電流層1(105)の表面上に形成された発光層106のバンドギャップエネルギーは2.7eVであり電流層1(105)のバンドギャップエネルギーである2.65eVよりも0.05eVしか大きくないため発光層106は電流層1(105)のキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用することができず、その結果電子は発光層106の伝導帯に流れ込むため電流層1(105)の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層1(105)に閉じ込められない。発光層106の表面上に形成された電流層2(107)のバンドギャップエネルギーは2.65eVと発光層106のバンドギャップエネルギーよりも小さいため発光層106の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層2(107)の伝導帯に流れ込む。電流層2(107)の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが、電流層2(107)の表面上に形成されたp型クラッド層108のバンドギャップエネルギーは上述のごとく3.9eVであり、発光層106、電流層2(107)のバンドギャップエネルギーよりも大きいため、当該p型クラッド層108がキャリア(ここでは、電子)閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層106、及び電流層2(107)の伝導帯に閉じ込められることになる。
On the other hand, electrons flowing from the
電流層1(105)の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層1(105)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層1(105)においては発光が起こらないが、発光層106の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層106内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層2(107)の荷電子帯には正孔が閉じ込められていないため、電流層2(107)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層2(107)においては発光が起こらない
Since electrons are not confined in the conduction band of the current layer 1 (105), effective recombination of electrons and holes does not occur in the current layer 1 (105), and light emission occurs in the current layer 1 (105). Although it does not occur, electrons are confined in the conduction band of the light-emitting
以上、説明したように、本実施形態によれば、電流層1(105)、電流層2(107)は、バンドギャップエネルギーが最も小さい(2.65eV)ため、陽極110から注入された電流は、発光層106に接する電流層2(107)、電流層1(105)に集中して流れようとする(電流集中作用)。従って、陽極110から注入された電流が電流層2(107)、電流層1(105)に流れるようになるため、当該電流層2(107)、電流層1(105)に接して形成されている発光層106の電流密度が増加することになり、結果として、しきい値電流の低減が実現されることになり駆動電圧を下げることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the current layer 1 (105) and the current layer 2 (107) have the smallest band gap energy (2.65 eV), the current injected from the
又、本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において陰極101側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層1(105)はバンドギャップエネルギーが発光層106より低い層であり、発光層106に代わって陰極101側からのN型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
Further, according to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities are likely to collect at threading dislocations due to lattice mismatch from the
又、発光層106に当接する電流層1(105)はバンドギャップエネルギーが発光層106より低い層であり下層n型クラッド層104との格子整合を確保してn型基板102側からの転位上昇を防止する。
The current layer 1 (105) in contact with the
又、本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはP型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層2(107)はバンドギャップエネルギーが発光層106より低い層であり、発光層106に代わって陽極110側からのP型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
Further, according to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities such as P-type dopants are likely to collect in the light emitting layer portion, but the current layer 2 (107) in contact with the
図2に本発明を実施するための最良の形態2に係る青色LED素子200を示す。図2において101はAu等により構成された陰極、102はn−GaN基板でありこのn型基板102の上にn−GaNコンタクト層103、n−Ga0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギーが3.9eVのクラッド層104とIn0.39Ga0.61Nからなりバンドギャップエネルギーが2.8eVである電流層3(205)と電流層3(205)の上にIn0.46Ga0.54Nからなりバンドギャップエネルギーが2.7eVで青色光を発光する発光層106が形成されており当該発光層106の上には例えばIn0.39Ga0.61Nからなりバンドギャップエネルギーが2.8eVである電流層4(207)が形成されている。ここで発光層106と電流層3(205),電流層4(207)間にはバリア層が設けられていない。また電流層3(205)と電流層4(207)は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層4(207)の上にp−Ga0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギーが3.9eVのp型クラッド層108、p型GaNコンタクト層109と素子200の表面にAu等による陽極110により構成される。
FIG. 2 shows a
図2において、n型コンタクト層103、n型クラッド層104、電流層3(205)、発光層106、電流層4(207)、p型クラッド層108、p型コンタクト層109は、有機金属化合物気相成長方法(以下、MOCVD法という)等により、n型基板102の上に順次形成されたものである。陽極110、及び陰極101は、各々Auからなる金属膜をスパッタリング法等により形成する。
In FIG. 2, an n-
尚、上記構成のうち、n型クラッド層104、p型クラッド層108の屈折率は2.23、電流層3(205)、電流層4(207)の屈折率は2.82、発光層106の屈折率は2.86である。
In the above configuration, the n-
ここで、本実施形態のLEDにおいては、電流層3(205)、電流層4(207)が電流拡散層として作用する点に特徴がある。 Here, the LED of this embodiment is characterized in that the current layer 3 (205) and the current layer 4 (207) function as a current diffusion layer.
即ち、図2に示したLEDの構成で、陽極110、陰極101の間に発光層106のバンドギャップエネルギー2.7eVまで除々に印加電圧を上げてゆくと、発光層106は、バンドギャップエネルギーが最も小さい(2.7eV)ため、n側クラッド層104からp側に流れる電子は、まず最も小さいバンドギャップエネルギー(2.7eV)を有する発光層106の伝導帯へと流れ込み、p側のコンタクト層109からn側に流れる正孔は、発光層106の荷電子帯へと流れ込む。
That is, in the configuration of the LED shown in FIG. 2, when the applied voltage is gradually increased between the
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVに相当する電圧が印加されており、電流層3(205)、電流層4(207)のバンドギャップエネルギーである2.8eVに相当する電圧が印加されていないが、発光層106はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極110から注入された電流が電流層4(207)、発光層106に流れるようになるため、当該発光層106に接して形成されている電流層4(207)の電流密度が増加することになる。発光層106の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、陰極101の方へと引っ張られるが、図2より明らかなように、発光層106の下部に形成された電流層3(205)のバンドギャップエネルギーは2.8eVであり発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVよりも0.1eVしか大きくないため電流層3(205)は発光層106のキャリア(ここでは正孔)閉じ込め層として作用することができず、その結果発光層106の伝導帯に流れ込んだ正孔は、電流層3(205)の荷電子帯に流れ込む。電流層3(205)の下に形成されたn型クラッド層104のバンドギャップエネルギーは3.9eVであり、発光層106、電流層3(205)のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該n型クラッド層104がキャリア(ここでは正孔)閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層106、及び電流層3(205)の荷電子帯内に閉じ込められることになり電流層4(207)の荷電子帯には閉じ込められないことになる。
Here, as described above, in this embodiment, a voltage corresponding to 2.7 eV which is the band gap energy of the
一方、電流層3(205)の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが発光層106に流れ込み、発光層106の上に形成された電流層4(207)のバンドギャップエネルギーは2.8eVであり発光層106のバンドギャップエネルギー2.7eVよりも0.1eVしか大きくないため電流層4(207)は発光層106のキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用することができず、その結果発光層106の伝導帯に流れ込んだ電子は、電流層4(207)の伝導帯に流れ込む。電流層4(207)の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが、図2より明らかなように、電流層4(207)の上部に形成されたp型クラッド層108のバンドギャップエネルギーは3.9eVであり、発光層106、電流層4(207)のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該p型クラッド層108がキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層106、及び電流層4(207)の伝導帯内に閉じ込められることになり電流層3(205)の伝導帯には閉じ込められないことになる。
On the other hand, the electrons flowing into the conduction band of the current layer 3 (205) are pulled toward the
即ち、電流層3(205)の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層3(205)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層3(205)においては発光が起こらないが、発光層106の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層106内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層4(207)の荷電子帯には正孔が閉じ込められていないため、電流層4(207)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層4(207)においては発光が起こらない。
That is, since electrons are not confined in the conduction band of the current layer 3 (205), effective recombination of electrons and holes does not occur in the current layer 3 (205), and in the current layer 3 (205), Although light emission does not occur, electrons are confined in the conduction band of the light-emitting
本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において陰極101側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層3(205)はバンドギャップエネルギーが発光層106より高い層であり、発光層106に代わって陰極101側からのN型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
According to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities are likely to collect in threading dislocations due to lattice mismatch from the
又、本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはP型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層4(207)はバンドギャップエネルギーが発光層106より高い層であり、発光層106に代わって陽極110側からのP型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
Further, according to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities such as P-type dopants tend to collect in the light emitting layer portion, but the current layer 4 (207) in contact with the
図3は、本発明を実施するための最良の形態3に係る青色LED素子300を示す。図3において101はAu等により構成された陰極102はn−GaN基板でありこのn型基板102の上にn−GaNコンタクト層103、n−Ga0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギー3.9eVのn型クラッド層104とIn0.49Ga0.51Nからなりバンドギャップエネルギーが2.65eVである電流層1(105)と電流層1(105)の上にIn0.46Ga0.54Nからなりバンドギャップエネルギーが2.7eVで青色光を発光する発光層106が形成されており当該発光層106の上には例えばIn0.39Ga0.61Nからなりバンドギャップエネルギーが2.8eVである電流層4(207)が形成されている。ここで発光層106と電流層1(105),電流層4(207)間にはバリア層が設けられていない。また電流層1(105)と電流層4(207)は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層4(207)の上にGa0.82Al0.18Nからなりバンドギャップエネルギーが3.9eVのp型クラッド層108、p型GaNコンタクト層109と素子300の表面にAu等による陽極110により構成される。
FIG. 3 shows a
図3において、n型コンタクト層103、n型クラッド層104、電流層1(105)、発光層106、電流層4(207)、p型クラッド層108、p型コンタクト層109は、有機金属化合物気相成長方法(以下、MOCVD法という)等により、n型基板102の上に順次形成されたものである。陽極110、及び陰極101は、各々Auからなる金属膜をスパッタリング法等により形成されている。
In FIG. 3, the n-
尚、上記構成のうち、n型クラッド層104、p型クラッド層108の屈折率は2.23、電流層1(105)、電流層4(207)の屈折率は2.86、2.82、発光層106の屈折率は2.86である。
In the above configuration, the n-
ここで、本実施形態のLEDにおいては、電流層1(105)が電流集中層、電流層4(207)が電流拡散層として作用する点に特徴がある。 Here, the LED of this embodiment is characterized in that the current layer 1 (105) functions as a current concentration layer and the current layer 4 (207) functions as a current diffusion layer.
即ち、図3に示したLEDの構成で、陽極110、陰極101の間に電流層1(105)のバンドギャップエネルギー2.65eVまで除々に印加電圧を上げてゆくと、電流層1(105)は、バンドギャップエネルギーが最も小さい(2.65eV)ため、n側コンタクト層103からp側に流れる電子は、まず、最も小さいバンドギャップエネルギー(2.65eV)を有する電流層1(105)の伝導帯へと流れ込み、p側のコンタクト層109からn側に流れる正孔は、電流層1(105)の荷電子帯へと流れ込む。
That is, in the configuration of the LED shown in FIG. 3, when the applied voltage is gradually increased up to the band gap energy of 2.65 eV between the
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、電流層1(105)のバンドギャップエネルギーである2.65eVに相当する電圧が印加されており、発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVに相当する電圧が印加されていないが、電流層1(105)はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極110から注入された電流が電流層1(105)に流れるようになるため、当該電流層1(105)に接して形成されている発光層106の電流密度が増加することになる。従って、しきい値電流が低減されることになり、駆動電圧を、発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVよりも低減することができるようになる。
Here, as described above, in this embodiment, a voltage corresponding to 2.65 eV which is the band gap energy of the current layer 1 (105) is applied, and 2.7 eV which is the band gap energy of the
電流層1(105)の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが、電流層1(105)の表面上に形成された発光層106のバンドギャップエネルギーは2.7eVであり電流層1(105)のバンドギャップエネルギーである2.65eVよりも0.05eVしか大きくないため発光層106は電流層1(105)のキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用することができずその結果電流層1(105)の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層1(105)に閉じ込められず発光層106の伝導帯に流れ込む。発光層106の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極110の方へと引っ張られるが、図3より明らかなように、発光層106の上部表面上に形成された電流層4(207)のバンドギャップエネルギーは2.8eVであり発光層106のバンドギャップエネルギーである2.7eVよりも0.1eVしか大きくないため電流層4(207)は発光層106のキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用することができず、その結果、発光層106の伝導帯に流れ込んだ電子は、電流層4(207)の伝導帯に流れ込む。電流層4(207)の上に形成されたp型クラッド層108のバンドギャップエネルギーは3.9eVであり、発光層106、電流層4(207)のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該p型クラッド層108がキャリア(ここでは電子)閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層106、及び電流層4(207)の伝導帯内に閉じ込められることになる。
The electrons flowing into the conduction band of the current layer 1 (105) are pulled toward the
一方、バンドギャップエネルギー差により電流層4(207)、発光層106、、電流層1(105)の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、陰極101の方へと引っ張られるが、図3より明らかなように、電流層1(105)の下部に形成されたn型クラッド層104のバンドギャップエネルギーは3.9eVであり、発光層106、電流層1(105)のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該n型クラッド層104がキャリア(ここでは正孔)閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層106、及び電流層1(105)の荷電子帯内に閉じ込められることになり電流層4(207)の荷電子帯内には閉じ込められないことになる。
On the other hand, holes flowing into the valence band of the current layer 4 (207), the
即ち、電流層1(105)の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層1(105)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層1(105)においては発光が起こらないが、発光層106の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層106内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層4(207)の荷電子帯内には正孔が閉じ込められていないため、電流層4(207)内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層4(207)においては発光が起こらない。
That is, since electrons are not confined in the conduction band of the current layer 1 (105), effective recombination of electrons and holes does not occur in the current layer 1 (105), and in the current layer 1 (105), Although light emission does not occur, electrons are confined in the conduction band of the light-emitting
本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において陰極101側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層1(105)はバンドギャップエネルギーが発光層106より低い層であり、発光層106に代わって陰極101側からのN型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
According to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities are likely to collect in threading dislocations due to lattice mismatch from the
又、発光層106に当接する電流層1(105)はバンドギャップエネルギーが発光層106より低い層であり下層nクラッド層104との格子整合を確保してn型基板102側からの転位上昇を防止する。
The current layer 1 (105) in contact with the light-emitting
又、本実施形態によれば、GaN等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはP型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層106に当接する電流層4(207)はバンドギャップエネルギーが発光層106より高い層であり、発光層106に代わって陽極110側からのP型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層106の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
Further, according to the present embodiment, in the nitride compound optical semiconductor such as GaN, impurities such as P-type dopants tend to collect in the light emitting layer portion, but the current layer 4 (207) in contact with the
尚、本発明は、上記最良の形態1、2、3に限定されるものではなく、本発明の趣旨にもとづいて種々の変形をすることが可能であり、それらは本発明の範囲から除外するものではない。 The present invention is not limited to the best modes 1, 2, and 3 described above, and various modifications can be made based on the gist of the present invention, and they are excluded from the scope of the present invention. It is not a thing.
図1、2、3において素子形状が図4に比べ段差構造でないため図4の光半導体素子を組立てる時に2ワイヤー必要なのに対し図1、2、3は1ワイヤーでよく、生産性が良い。 In FIGS. 1, 2, and 3, since the element shape is not a step structure as compared with FIG. 4, two wires are required when assembling the optical semiconductor element of FIG. 4, whereas FIGS.
図1、2、3においてチップ形状が図4のように段差構造でないためチップサイズも小さくできる。 1, 2 and 3, since the chip shape is not a step structure as shown in FIG. 4, the chip size can be reduced.
又、本発明の実施形態では,発光層を単層にて説明を行ったが、発光層は単一量子井戸構造(SQW),多重量子井戸構造(MQW)、量子格子構造、又は量子ドット構造にて構成してもよい。 In the embodiment of the present invention, the light emitting layer is described as a single layer. However, the light emitting layer has a single quantum well structure (SQW), a multiple quantum well structure (MQW), a quantum lattice structure, or a quantum dot structure. You may comprise.
又、本発明の実施形態では,発光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層に位置し、これに結晶層が上方へ積み重ねられる構造とし、下層側をn型、上層側をp型として説明を行ったが、n側を上層側、p型を下層側とした構成としても良い。 Further, in the embodiment of the present invention, in order to explain the structure of the light emitting element, for convenience, the substrate is positioned in the lower layer, and the crystal layer is stacked on the lower layer, the lower layer side is n-type, and the upper layer side is p-type. Although described as a mold, the n-side may be an upper layer side and the p-type may be a lower layer side.
又、本発明の実施形態では,光半導体素子としてLEDを説明したが、例えばpクラッド層やpコンタクト層に電流狭窄層を設けたレーザ構造としても良い。 In the embodiment of the present invention, an LED has been described as an optical semiconductor element. However, for example, a laser structure in which a current confinement layer is provided in a p-cladding layer or a p-contact layer may be used.
又、本発明の実施形態として説明を行った発光層を活性層として、当該活性層の出力を陽極上に出力する面発光型レーザ構成としても良い。 Further, a surface emitting laser configuration in which the light emitting layer described as the embodiment of the present invention is used as an active layer and the output of the active layer is output on the anode may be employed.
又、本発明の実施形態では,基板をn型GaN基板としたが、例えばSi、GaAs、サファイア基板、SiC基板、AlN基板、ZnO基板、InP基板等、格子間の整合性や熱膨張等を考慮して、基板を適宜選択することもできる。 In the embodiment of the present invention, the substrate is an n-type GaN substrate. However, for example, Si, GaAs, sapphire substrate, SiC substrate, AlN substrate, ZnO substrate, InP substrate, etc. In consideration of the substrate, a substrate can be appropriately selected.
又、本発明の実施形態では、陰極をAuにより形成されているとしたがAlにより形成してもよい。 In the embodiment of the present invention, the cathode is formed of Au, but may be formed of Al.
又、本発明の実施形態では、発光層より下にバンドギャップエネルギーの小さい電流層を上に大きい電流層を使用する場合について説明を行なったが逆構成としてもよい。 In the embodiment of the present invention, the case where a current layer having a small band gap energy is used below a light emitting layer and a large current layer is used has been described, but a reverse configuration may be used.
又、本発明の実施形態では、発光層を上下挟む電流層について説明をおこなったが発光層と電流層の2層構造においても同様な効果を出すことができる。 In the embodiment of the present invention, the current layer sandwiching the light emitting layer is described. However, the same effect can be obtained in the two-layer structure of the light emitting layer and the current layer.
100、200、300:素子
101:陰極
102:n型基板
103:n型コンタクト層
104:n型クラッド層
105:電流層1、205:電流層3
106:発光層
107:電流層2、207:電流層4
108:p型クラッド層
109:p型コンタクト層
110:陽極
100, 200, 300: device 101: cathode 102: n-type substrate 103: n-type contact layer 104: n-type cladding layer 105: current layer 1, 205: current layer 3
106: Light emitting layer 107: Current layer 2, 207: Current layer 4
108: p-type cladding layer 109: p-type contact layer 110: anode
Claims (17)
Of the three stacked layers, the layers on both sides are composed of layers with lower band gap energy and higher layers than the other layers in between, and the layers with high current density on both sides are composed of quantum dots, quantum lattices, or quantum well structures. An optical semiconductor element characterized by the above.
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