JP2007150075A - Nitride semiconductor light emitting element - Google Patents
Nitride semiconductor light emitting element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007150075A JP2007150075A JP2005344169A JP2005344169A JP2007150075A JP 2007150075 A JP2007150075 A JP 2007150075A JP 2005344169 A JP2005344169 A JP 2005344169A JP 2005344169 A JP2005344169 A JP 2005344169A JP 2007150075 A JP2007150075 A JP 2007150075A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- refractive index
- light emitting
- nitride semiconductor
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体を用いた発光素子に関する。さらに詳しくは、基板にSiCからなる半導体基板を用い、基板の裏面に一方の電極を設けながら、活性層で発光する光を有効に取り出すことができ、外部量子効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting device using a nitride semiconductor. More specifically, a nitride that can improve the external quantum efficiency by using a semiconductor substrate made of SiC as the substrate and effectively taking out light emitted from the active layer while providing one electrode on the back surface of the substrate. The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
従来の窒化物半導体を用いた発光素子は、たとえばサファイア基板上に、バッファ層および発光層形成部を含む窒化物半導体積層部を成長し、その半導体積層部の一部をエッチングして半導体積層部の下層側の導電形層を露出させ、その露出させた下層側導電形層表面に下部電極を、半導体積層部の上面側に上部電極をそれぞれ設けることにより形成されている。このようなサファイアが基板として用いられると、サファイア基板は絶縁体であるため、半導体積層部の下層側の導電形層と接続する電極を基板の裏面に形成することができず、上述のように半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させなければならない。そのため非常に製造工程が複雑になると共に、エッチングによるコンタミネーションが発光面や電極形成面などに付着して、発光出力の低下や電極接続部の電気抵抗の増大など電気的特性への問題も生じている。 In a conventional light emitting device using a nitride semiconductor, for example, a nitride semiconductor laminated portion including a buffer layer and a light emitting layer forming portion is grown on a sapphire substrate, and a part of the semiconductor laminated portion is etched to form a semiconductor laminated portion. The lower conductive layer is exposed, a lower electrode is provided on the exposed lower conductive layer surface, and an upper electrode is provided on the upper surface side of the semiconductor stack. When such sapphire is used as a substrate, the sapphire substrate is an insulator, and therefore, an electrode connected to the conductive type layer on the lower layer side of the semiconductor stacked portion cannot be formed on the back surface of the substrate, as described above. A part of the semiconductor laminated portion must be removed by etching to expose the lower conductive type layer. Therefore, the manufacturing process becomes very complicated, and contamination due to etching adheres to the light emitting surface and the electrode forming surface, resulting in problems with electrical characteristics such as a decrease in light output and an increase in the electrical resistance of the electrode connection part. ing.
このような問題を解決するため、基板としてSiCからなる半導体基板を用い、その上に窒化物半導体を用いて、バッファ層を介してダブルヘテロ接合の発光層形成部を成長する構造の半導体発光素子も考えられている。すなわち、図7に示されるように、SiC基板101上にバッファ層102が設けられ、その上に活性層104を下層半導体層103と上層半導体層105とでサンドイッチ構造にしたダブルヘテロ接合からなる発光層形成部106を積層し、その表面に上部電極107を、SiC基板101の裏面に下部電極108を形成することにより、発光層形成部106などの半導体積層部の一部をエッチングすることなく、半導体積層部の下層導電形層に接続する下部電極108を半導体基板101裏面に形成するものである(たとえば特許文献1参照)。
前述のように、SiCを基板として用いることにより、半導体積層部をエッチングしなくても基板の裏面に一方の電極を形成することができて好ましい。しかしながら、発光部で発光する光は、四方に均等に放射され、光を取り出す半導体積層部の上面側と同程度の強さの光がSiC基板側にも進むが、SiCは窒化物半導体で発光する光を吸収する。そのため、たとえばサファイア基板であれば基板側に進む光でも基板の側面から出る光や、基板の裏面側で反射する光を利用することができるが、SiC基板を用いると、基板側に進む光を殆ど利用することができず、理論上発光する光の半分は無駄になるという問題がある。 As described above, it is preferable to use SiC as a substrate because one electrode can be formed on the back surface of the substrate without etching the semiconductor stacked portion. However, the light emitted from the light emitting part is emitted uniformly in all directions, and the light having the same intensity as that of the upper surface side of the semiconductor laminated part from which the light is extracted proceeds to the SiC substrate side, but SiC is emitted from the nitride semiconductor. Absorbs light Therefore, for example, in the case of a sapphire substrate, even the light traveling toward the substrate side can use the light emitted from the side surface of the substrate or the light reflected on the back surface side of the substrate. Almost no light can be used, and theoretically half of the emitted light is wasted.
一方、活性層はバルク層や量子井戸構造で形成されるが、量子井戸構造で活性層を形成してもすべての井戸層では発光しないで、p形層に近い一部の井戸層のみで発光し、他の量子井戸構造部分では発光していないことが知られている。この場合、どこまで発光するかは製造上の問題とも絡む上、活性層の厚さそのものを薄くすると発光特性が低下するため、活性層としてはある程度の厚さを必要とする。 On the other hand, the active layer is formed with a bulk layer or a quantum well structure, but even if the active layer is formed with a quantum well structure, light is not emitted from all well layers, but light is emitted only from a part of the well layers close to the p-type layer. It is known that no light is emitted from other quantum well structures. In this case, how much light is emitted is related to manufacturing problems, and if the thickness of the active layer itself is reduced, the light emission characteristics are deteriorated. Therefore, the active layer needs to have a certain thickness.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、SiC基板を用いることにより、基板の裏面に一方の電極を形成し、垂直型の発光素子としながら、基板側に進む光も有効に利用することにより、外部量子効率を向上させることができる構造の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation. By using a SiC substrate, one electrode is formed on the back surface of the substrate, and the light traveling toward the substrate side is effectively produced while forming a vertical light emitting element. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having a structure capable of improving the external quantum efficiency.
本発明の他の目的は、格子整合を完全に採ることができない窒化物半導体層を、超格子構造を挟むことにより、できるだけ格子歪みの少ない半導体層として成長し、活性層で発光する光を効果的に表面側に出射し得る構造の窒化半導体発光素子を提供することにある。 Another object of the present invention is to grow a nitride semiconductor layer that cannot achieve perfect lattice matching as a semiconductor layer with as little lattice distortion as possible by sandwiching the superlattice structure, and to effect light emitted from the active layer. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having a structure capable of emitting light to the surface side.
本発明による窒化物半導体発光素子は、SiC基板と、該SiC基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部と、前記SiC基板の裏面および前記半導体積層部の表面側にそれぞれ設けられる一対の電極とを有し、前記活性層が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をnとして、高屈折率層と低屈折率層とがそれぞれλ/(4n)の厚さで交互に積層される構造を有している。 A nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes a SiC substrate, a nitride semiconductor multilayer portion including an active layer provided on the SiC substrate and having at least a light emitting portion formed thereon, a back surface of the SiC substrate, and the semiconductor multilayer portion. A pair of electrodes respectively provided on the surface side of the active layer, wherein the active layer has an emission wavelength of λ and a refractive index of the semiconductor layer is n, and a high refractive index layer and a low refractive index layer have λ / (4n ) With a thickness of 1).
ここに窒化物半導体とは、III族元素のGaとV族元素のNとの化合物またはIII族元素のGaの一部または全部がAl、Inなどの他のIII族元素と置換したもの、および/またはV族元素のNの一部がP、Asなどの他のV族元素と置換した窒化物を意味する。また、低屈折率と高屈折率とは、両層間の相対的な屈折率の関係を意味し、屈折率の絶対値を問わない。さらに、超格子などの多層構造で層が形成されている場合の屈折率は、その平均的な屈折率を意味する。 Here, the nitride semiconductor means a compound of a group III element Ga and a group V element N or a group III element Ga partially or entirely substituted with other group III elements such as Al and In, and It means a nitride in which a part of N of the group V element is substituted with another group V element such as P or As. Moreover, the low refractive index and the high refractive index mean the relationship of the relative refractive index between both layers, and the absolute value of a refractive index is not ask | required. Furthermore, the refractive index when the layer is formed in a multilayer structure such as a superlattice means an average refractive index.
前記活性層の少なくとも高屈折率層の一部が、高屈折率の薄層(ウェル層)と低屈折率の薄層(バリア層)との積層構造により、前記λ/(4n)の厚さに形成されることにより、一部のλ/(4n)層を量子井戸構造にすることもできる。 At least a part of the high refractive index layer of the active layer has a thickness of λ / (4n) due to a laminated structure of a thin layer (well layer) having a high refractive index and a thin layer (barrier layer) having a low refractive index. As a result, a part of the λ / (4n) layers can be formed into a quantum well structure.
前記SiC基板表面に窒化物半導体により形成されるバッファ層が設けられ、該バッファ層と前記活性層との間に、低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、反射層の組成を自由に選定しながら、SiC基板との格子不整合などをバッファ層により緩和することができる。 A buffer layer formed of a nitride semiconductor is provided on the surface of the SiC substrate, and a light reflecting layer having a laminated structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer is provided between the buffer layer and the active layer. This makes it possible to relax the lattice mismatch with the SiC substrate by the buffer layer while freely selecting the composition of the reflective layer.
前記SiC基板と前記活性層との間で、前記SiC基板と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、光反射層は薄い層の積層構造であるためキャリア濃度を上げやすく、その低屈折率層としてAlの混晶比率の多いAlGaN系化合物(AlとGaとの混晶比率が一義的でなく、種々取り得る化合物であることを意味する、以下の「系」も同じ意味で使用する)を用いることができ、バッファ層を設けるよりもむしろSiC基板と窒化物半導体層との整合性をよくすることができる。 Between the SiC substrate and the active layer, a light reflecting layer having a laminated structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer is provided in contact with the SiC substrate, so that the light reflecting layer is a laminated structure of a thin layer. Therefore, it is easy to increase the carrier concentration, and as a low refractive index layer, an AlGaN-based compound having a large Al mixed crystal ratio (the mixed crystal ratio of Al and Ga is not unambiguous, meaning that the compound can be variously taken. The following “system” is also used in the same meaning), and the matching between the SiC substrate and the nitride semiconductor layer can be improved rather than providing a buffer layer.
前記活性層と前記SiC基板との間で、前記活性層と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、活性層の積層構造によっても反射しきれない光を、発光部と非常に近い所で反射させることができ、無駄なく発光した光を表面側に出射させることができる。この場合、光反射層として平均的組成がAlGaN系化合物のようにバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることにより、従来のクラッド層のように、キャリアの閉込め機能を充分に発揮する。 Between the active layer and the SiC substrate, a light reflecting layer having a laminated structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer is provided in contact with the active layer, so that it is also reflected by the laminated structure of the active layer. Light that cannot be reflected can be reflected at a position very close to the light emitting portion, and the emitted light can be emitted to the surface side without waste. In this case, by using a material having a large band gap energy, such as an AlGaN-based compound, as the light reflecting layer, the carrier confinement function is sufficiently exerted as in the conventional cladding layer.
前記光反射層を構成する積層構造の少なくとも一部の層が超格子構造により形成されてもよい。また、前記光反射層の低屈折率層がAlxGa1-xN(0<x<1)を有する層からなり、前記高屈折率層がAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x)またはInzGa1-zN(0<z≦1)を有する層からなる構成でもよい。 At least a part of the laminated structure constituting the light reflecting layer may be formed of a superlattice structure. The low refractive index layer of the light reflecting layer is made of Al x Ga 1-x N (0 <x <1), and the high refractive index layer is Al y Ga 1-y N (0 ≦ y < 1, y <x) or In z Ga 1-z N (0 <z ≦ 1).
さらに、前記活性層の発光部側における平均的屈折率より非発光部側における平均的屈折率を小さくするように前記活性層が形成されることにより、活性層の発光に寄与しない領域でバンドギャップを大きくすることができ、キャリア閉込め効果を発揮する。ここに平均的屈折率とは、低屈折率層と高屈折率層の積層構造の全体として作用するときの屈折率を意味する。 Furthermore, the active layer is formed so as to make the average refractive index on the non-light emitting portion side smaller than the average refractive index on the light emitting portion side of the active layer, thereby forming a band gap in a region that does not contribute to light emission of the active layer. Can be increased, and the carrier confinement effect is exhibited. Here, the average refractive index means a refractive index when acting as a whole of a laminated structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer.
前記活性層を該活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいn形層およびp形層により挟持したダブルヘテロ接合構造で形成されることにより、光反射層の位置や組成に限定されることなくキャリアを充分に閉じ込めることができ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子が得られる。 By forming the active layer with a double heterojunction structure in which the active layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer having a band gap energy larger than that of the active layer, carriers are not limited to the position and composition of the light reflecting layer. Thus, a nitride semiconductor light emitting device with excellent luminous efficiency can be obtained.
本発明によれば、活性層が屈折率の異なる層をλ/(4n)の厚さで交互に積層する構造で形成されているため、積層構造の一部で発光して他の部分で発光しなくても、その発行しない積層構造部は反射層として寄与する。すなわち、窒化物半導体では、正孔のライフタイムが短いため、p形層から注入された正孔は、活性層全てに到達せずp形層に近い活性層部分で電子と再結合し、発光する。したがって、基板に近い側では発光しない領域が形成される。この発光しない領域が前述の積層構造になっているため分布型ブラッグ反射層となり、発光部で発光した光はその発光部のすぐ基板側で反射される構造になる。そのため、発光する光を無駄なく表面側に出射させることができる。この活性層のうち、発光部となる部分(正孔の到達している部分)の高屈折率層のλ/(4n)の部分をさらに高屈折率層と低屈折率層との多層構造にすることにより、ウェルとバリアの量子井戸構造にすることもでき、多重量子井戸構造の高効率の発光部とすることができる。 According to the present invention, since the active layer is formed with a structure in which layers having different refractive indexes are alternately laminated with a thickness of λ / (4n), light is emitted from a part of the laminated structure and emitted from another part. Even if it does not, the laminated structure part which is not issued contributes as a reflective layer. That is, in the nitride semiconductor, the lifetime of holes is short, so holes injected from the p-type layer do not reach the entire active layer, but recombine with electrons in the active layer portion close to the p-type layer to emit light. To do. Therefore, a region that does not emit light is formed on the side close to the substrate. Since this non-light emitting region has the above-mentioned laminated structure, it becomes a distributed Bragg reflection layer, and light emitted from the light emitting part is reflected immediately on the substrate side of the light emitting part. Therefore, the emitted light can be emitted to the surface side without waste. Of this active layer, the part of λ / (4n) of the high refractive index layer of the part that becomes the light emitting part (the part where holes reach) has a multilayer structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer. By doing so, a quantum well structure of a well and a barrier can be obtained, and a highly efficient light emitting portion having a multiple quantum well structure can be obtained.
なお、活性層を前述の多層構造にする場合、活性層は発光部を形成するため、窒化物半導体の組成は所望の発光波長により制限を受け、自由に設定することはできないこと、さらに、活性層はキャリアが閉じ込められる層であるためその厚さに制限があり、積層構造のペアの数も制限されること、などの理由により、反射率を充分に上げることができない。しかし、たとえばIn0.1Ga0.9NとGaNとがそれぞれλ/(4n)の厚さで交互に積層されているため従来よりは遙かに反射率を上げることができ、発光して基板側に向かう光の半分以上を表面側に向けることができる。その結果、基板による吸収を抑制して、非常に外部量子効率を向上させることができ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子となる。 When the active layer has the multilayer structure described above, since the active layer forms a light emitting portion, the composition of the nitride semiconductor is limited by a desired emission wavelength and cannot be set freely. Since the layer is a layer in which carriers are confined, its thickness is limited, and the number of pairs in the laminated structure is also limited, so that the reflectivity cannot be sufficiently increased. However, since, for example, In 0.1 Ga 0.9 N and GaN are alternately stacked with a thickness of λ / (4n), the reflectance can be increased more than before, and light is emitted toward the substrate. More than half of the light can be directed to the surface side. As a result, absorption by the substrate can be suppressed, the external quantum efficiency can be greatly improved, and a nitride semiconductor light emitting device having excellent light emission efficiency can be obtained.
また、前述のように、活性層の多層構造では充分に高い反射率にすることができない場合もあり、その場合には、発光した光の一部は基板側に進んで、SiCからなる基板により、活性層で発光する光が吸収されて無駄になる。しかし、活性層と基板との間に光反射層が形成されることにより、一部の漏れた光も完全に表面側に反射させ、有効に利用することができる。この光反射層は、活性層と基板との間のどこに設けられても、その間に発光する光を吸収する層が設けられない限り光の損失はなく、どこに設けられてもよいため、電子バリア層(クラッド層)の機能と兼ねる場合には活性層と接して設けられ、SiC基板と窒化物半導体層との緩和層を兼ねる場合にはSiC基板と接するように設けられることにより、これらの機能を果たしながら、活性層で反射しきれない光も光反射層で反射して表面側から効率よく出射することができる。その結果、SiC基板を用いて基板裏面に一方の電極を形成しながら、基板に発光した光を吸収されることなく、外部量子効率の優れた窒化物半導体発光素子が得られる。 In addition, as described above, the active layer multilayer structure may not be able to achieve a sufficiently high reflectance. In that case, part of the emitted light travels to the substrate side and is made by the substrate made of SiC. The light emitted from the active layer is absorbed and wasted. However, by forming a light reflection layer between the active layer and the substrate, part of the leaked light can also be completely reflected on the surface side and used effectively. Since this light reflecting layer is provided anywhere between the active layer and the substrate, there is no loss of light unless a layer that absorbs light emitted between them is provided. When serving as a layer (cladding layer), the layer is provided in contact with the active layer. When serving as a relaxation layer of the SiC substrate and the nitride semiconductor layer, the layer is provided in contact with the SiC substrate. The light that cannot be reflected by the active layer is also reflected by the light reflecting layer and can be efficiently emitted from the surface side. As a result, a nitride semiconductor light emitting device having excellent external quantum efficiency can be obtained without absorbing light emitted from the substrate while forming one electrode on the back surface of the substrate using the SiC substrate.
さらに、光反射層の少なくとも一部を超格子構造で形成することにより、低屈折率層と高屈折率層との格子不整合や熱膨張係数の相違に基づく歪みを防止することができ、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。さらに、活性層の発光部側における低屈折率層の屈折率より非発光部側における低屈折率層の屈折率を小さくすることにより、発光領域のみにキャリアを閉じ込めることができ、より一層発光効率を高くすることができる。 Furthermore, by forming at least a part of the light reflecting layer with a superlattice structure, it is possible to prevent distortion due to lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer. A good nitride semiconductor layer can be obtained. Furthermore, by making the refractive index of the low refractive index layer on the non-light emitting portion side smaller than the refractive index of the low refractive index layer on the light emitting portion side of the active layer, it is possible to confine carriers only in the light emitting region, and further increase the luminous efficiency. Can be high.
つぎに、本発明による窒化物半導体発光素子について、図面を参照しながら説明をする。本発明による窒化物半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図および主要半導体層のバンド図が図1に示されるように、SiC基板1上に、少なくとも発光部が形成される活性層5を含む窒化物半導体積層部9が設けられ、SiC基板1の裏面および半導体積層部9の表面側に、一対の上部電極11および下部電極12がそれぞれ設けられている。そして、この活性層5が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をn(高屈折率層51の屈折率がn1、低屈折率層52の屈折率がn2)として、高屈折率層51と低屈折率層52とがそれぞれλ/(4n)の厚さで交互に積層される構造になっている。
Next, a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The nitride semiconductor light-emitting device according to the present invention has an
図1に示される例では、活性層5が、活性層5よりバンドギャップの大きいn形GaN層4とp形GaN層6とで挟持されたダブルヘテロ接合の発光層形成部7とされた構造で、さらにSiC基板1上にバッファ層2、バッファ層2と発光層形成部7との間に光反射層(n形DBR層)3、発光層形成部7上にGaNからなるp形コンタクト層8が設けられることにより半導体積層部9が形成されている。しかし、このような構造に限定されるものではなく、後述する例のように、バッファ層2やn形層4などはなくてもよく、少なくとも発光部を形成するような活性層5を有すればよい。
In the example shown in FIG. 1, the
活性層5は、図1(b)にバンド図で層構造が示されているように、たとえばInrGa1-rN(0<r≦1、たとえばr=0.1)からなる高屈折率層51がその屈折率をn1、発光する光の波長をλとして、λ/(4n1)の厚さで形成され、その上に、たとえばInsGa1-sN(0≦s≦0.5、s<r、たとえばs=0)からなる低誘電率屈折率層52がその屈折率をn2としてλ/(4n2)の厚さで形成され、この高誘電率層51と低誘電率層52とが交互に1〜10組程度積層されて、全体で0.08〜0.8μm程度の厚さに形成されている。この活性層5のうち、実際に発光する部分は、p形層6側の数層の高屈折率層で、それよりn形層4側の活性層5では発光していないことが実験で確認されている。この発光する高屈折率層51の組成は、発光させる光の波長に応じて定まり、たとえば450nmの波長の光を発光させる場合に前述の組成が用いられるが、他の波長の光を発光させる場合には、この組成は変る。本発明では、この発光しない部分も屈折率の異なる層がλ/(4n)の厚さで積層されているため、分布型ブラッグ反射層(distributed Bragg reflector)となり、発光して基板側に進もうとした光をp形層6側に反射する。なお、活性層はノンドープまたはn形もしくはp形で形成されてもよいが、発光部(pn接合)が上面側になるように形成されることが望ましい。
As shown in the band diagram of FIG. 1B, the
この高屈折率層51および低屈折率層52は、それぞれλ/(4n)の厚さで形成されているため、たとえば前述の組成で、波長が450nmの青色光を発光させる場合、高屈折率層51の厚さは46nmとなり、バルク構造と量子井戸構造との中間の層構造になる。そのため、両者の特性を備えた発光をするが、高屈折率層52を量子井戸構造で形成することもできる。その例が、バンド図で図2に示されている。すなわち、図2に示される例は、発光部を構成する部分のみを多重量子井戸構造(MQW)にし、それよりn形層4側は図1に示される構造と同じ構造にした例で、多重量子井戸構造でない高屈折率層51および低屈折率層52は図1に示される例と同じ組成で、同様に形成されている。多重量子井戸構造の部分は、たとえばIn0.1Ga0.9Nからなるウェル層511が3nmと、GaNからなるバリア層512が6nmの周期で、5組程度形成されている。この全体がλ/(4n)の厚さになっている。
Since the high
前述の例では、発光部と非発光部との組成をほぼ同じ組成で形成したが、非発光部では発光波長の制約を受けないため、たとえば図6に示されるように、非発光部でのバンドギャップを大きくすることができる。すなわち、図6において、(a)は活性層部分の図1(b)に対応した図で、(b)が図2に対応した図を示している。なお、各図においては、層構造を示すことを目的としており、層数はいずれの図においても概念的に示されているだけで正確な層数ではなく、図1、図2および図6で層数の相違は意味がない。このように、非発光部での屈折率を発光部での屈折率より小さくすることにより、非発光部でのバンドギャップを大きくすることができ、キャリアの閉込め効果を発揮し、発光部のみにキャリアを閉じ込めることができる。 In the above example, the light emitting portion and the non-light emitting portion are formed with substantially the same composition. However, since the light emitting wavelength is not limited in the non-light emitting portion, for example, as shown in FIG. The band gap can be increased. 6A is a diagram corresponding to FIG. 1B of the active layer portion, and FIG. 6B is a diagram corresponding to FIG. In each figure, the purpose is to show the layer structure, and the number of layers is conceptually shown in any figure, and is not the exact number of layers, but in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. The difference in the number of layers is meaningless. In this way, by making the refractive index in the non-light emitting portion smaller than the refractive index in the light emitting portion, the band gap in the non-light emitting portion can be increased, and the carrier confinement effect is exhibited, and only the light emitting portion is exhibited. You can confine your carrier.
したがって、この非発光部を厚くして、高屈折率層51と低屈折率層52との屈折率差を大きくし、またはその組数を多くして、充分に反射率を高くすれば、発光部で発光した光を直ちに活性層で完全に表面側に反射させることができると共に、この非発光部のバンドギャップを大きくすることにより、キャリア閉込め効果を有し、従来のクラッド層も不要となる。
Therefore, if the non-light-emitting portion is made thick to increase the difference in refractive index between the high
基板としては単結晶のSiC基板1が用いられ、図1に示される例ではn形に形成されている。そのSiC基板1上に、たとえばAl0.2Ga0.8Nからなるバッファ層2が形成されている。このバッファ層2は、SiCと窒化物半導体層との格子不整合を緩和して、結晶性のよい窒化物半導体層を成長するためのもので、SiCと格子定数の近いものが好ましい。その点からは、AlNが最もSiCと格子定数が近いが、AlNは絶縁物で、基板の裏面に一方の電極を設けるためには、導電性の大きいものにする必要がある。そこでAlGaN系化合物が用いられるが、Alの混晶比率を大きくすると格子定数はSiC基板1に近づいて好ましいが、Alの混晶比率を上げるほどキャリア濃度を上げることができず、キャリア濃度と格子定数との両方から上述の組成でバッファ層2が設けられている。
As the substrate, a single
図1に示される例では、バッファ層2上に光反射層(DBR層)3が形成されている。光反射層3は、基板1と同じ導電形で、たとえばn形のAlxGa1-xN(0<x<1、たとえばx=0.3)からなるDBR低屈折率層(活性層の低屈折率層と区別するためDBRを付している)31とn形のAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x、たとえばy=0)またはInzGa1-zN(0<z≦1)からなるDBR高屈折率層32とが、それぞれλ/(4n3)、λ/(4n4)(n3、n4はDBR低屈折率層およびDBR高屈折率層のそれぞれの屈折率)の厚さで交互に積層され、10〜50組程度積層されて形成されている。このように、屈折率の異なる2つの層を交互に積層することにより、分布型ブラッグ反射層(DBR)が形成され、とくに各層がλ/(4n)の厚さに形成されることにより、最もよく反射する。
In the example shown in FIG. 1, a light reflection layer (DBR layer) 3 is formed on the
この光反射層2は、たとえばAlxGa1-xN(0<x<1、たとえばx=0.3)からなるDBR低屈折率層31とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x、たとえばy=0)からなるDBR高屈折率層32との積層構造により形成されることにより、共に700〜1200℃程度の高温で成長することができ、高温で結晶性のよい窒化物半導体層を積層することができると共に、両層を交互に積層する場合でも温度を変化させることなく成長することができるため好ましい。この場合、両層間の屈折率差を大きくし難いため、反射率を上げるためには層数を多くするか、DBR低屈折率層31のAlの混晶比率を大きくする必要がある。Alの混晶比率を大きくしても、バッファ層のようにバルクで厚い層を形成するのではなく、GaN層との積層構造にするため、キャリア濃度を上げることができ、SiC基板との格子定数も近づき良質の膜を形成しやすい。
The
しかし、余りAlの混晶比率を上げないで、またはDBR低屈折率層31のAl混晶比を大きくしながら、なおも屈折率差を大きくする場合には、DBR高屈折率層32としてInzGa1-zN(0<z≦1、たとえばz=0.02)を用いることもできる。この場合、AlGaN系化合物は前述の高温で、InGaN系化合物は400〜1000℃程度の低温で成長する。
However, if the refractive index difference is still increased while the Al mixed crystal ratio is not increased or the Al mixed crystal ratio of the DBR low
また、前述のDBR低屈折率層31やDBR高屈折率層32は、そのいずれかの層または両層共に、上述のバルク層ではなく、たとえば図5にバンド図で示されるように、さらに屈折率の異なる薄い層、たとえばInvGa1-vN(0<v<1、たとえばv=0.01からなる調整層321を0.5〜2nm程度と、たとえばAlwGa1-wN(0≦w<1、たとえばw=0からなる緩和層322を1〜3nm程度の超格子構造に形成されても、それぞれの超格子構造の平均的な屈折率が低い層と高い層とになるように交互に積層されれば、同様に光反射層として寄与しながら、超格子構造による格子定数などの相違に基づく結晶欠陥の発生を抑制することができる。なお、DBR低屈折率層31およびDBR高屈折率層32共に、前述の例に限定されるものではなく、屈折率の異なる層で光を反射しやすいように積層されていればよい。
In addition, the DBR low
図1に示される例では、活性層5をそれよりバンドギャップの大きいn形層4およびp形層6によりサンドイッチ構造にしたダブルヘテロ接合構造の発光層形成部7が形成されている。この発光層形成部7は、図1に示される例では、AlaGabIn1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)の一般式で表される窒化物材料により、活性層5を挟むように、たとえば0.5μm程度のn形GaNなどにより形成されるn形層4と0.5μm程度のp形GaNなどにより形成されるp形層6が設けられたダブルヘテロ構造からなっている。n形層4とp形層6とは活性層5にキャリアを閉じ込める意味からも、活性層5よりもバンドギャップの大きい材料が好ましく、前述のGaNの代りにAlGaN系化合物でもよいし、他の組成の層との複層でそれぞれ設けられてもよいし、さらにはn形層4とp形層6とが異なる組成で形成されてもよく、必ずしもこれらには限定はされない。
In the example shown in FIG. 1, a light emitting
この発光層形成部7を、たとえば面発光レーザのように、垂直方向の共振器として使用する場合には、全体の厚さがλ/nになるように調整されていることが共振器になりやすくて好ましい。この場合、n形層4およびp形層6の厚さで調整される。また、垂直方向の共振器とする場合には、図示されていないが、この発光層形成部7の上に、第2の光反射層が形成される。この意味から、n形層4およびp形層6はスペーサ層として機能したり、電子バリア層や正孔バリア層などとして機能したりするように、それらの組成や膜厚も適宜調整される。
When this light emitting
前述の図6に示されるように、活性層5の非発光部のバンドギャップを大きくすることにより、たとえば図1に示される構造では、n形層4およびDBR層3の機能を有し、これらの層はなくても構わない。さらに、非発光部の低屈折率層52のAlの混晶比率を大きくすれば、SiC基板1との格子不整合もある程度緩和され、バッファ層2もなくても構わない。すなわち、SiC基板1上に直接図6に示されるような構造の活性層5を積層してもよい。この場合、導電形をSiC基板1と同じ導電形、すなわち図1に示される例ではn形にしたりすることもできる。
As shown in FIG. 6 described above, by increasing the band gap of the non-light emitting portion of the
p形層6上に、たとえばp形GaNからなるコンタクト層8が設けられることにより、前述のバッファ層2、DBR層3、発光層形成部7と共に半導体積層部9が構成されている。しかし、半導体積層部9としては、前述のようにこれらすべての層を必要とするものではなく、少なくとも活性層5を有していればよい。コンタクト層8は、その上部に設けられる電極(透光性導電層)とのオーミックコンタクトを良好にすると共に、上部電極11からの電流を発光素子チップの全体に拡散させるために設けられるが、p形層6の表面に直接透光性導電層が設けられてもよい。とくに、p形層6としてGaN層が用いられれば、同じ層になり共用できるが、活性層の近傍はあまり不純物濃度を上げない方がよい反面、上部電極11側はできるだけキャリア濃度が高い方がオーミックコンタクトや電流拡散の点から好ましく、キャリア濃度を変えて別層で設けるか、キャリア濃度を順次変更して勾配をもたせることが好ましい。p形層6としてAlGaNが用いられる場合には、GaNの方がキャリア濃度をあげやすいため、p形層6とは別にGaNによりコンタクト層8を設けることが好ましい。しかし、AlGaN系化合物層またはInGaN系化合物層で形成されてもよい。
By providing the contact layer 8 made of, for example, p-type GaN on the p-
このコンタクト層8上に透光性導電層10が、たとえばNi-Au層で2〜100nm程度の厚さに形成されたり、ZnO層またはITO層で0.1〜2μm程度の厚さに設けられたりすることにより形成されている。ZnO層またはITO層は厚くしても透光性があるが、Ni-Au層は厚くすると透光性がなくなるので、薄く形成される。図1に示される例では、ZnO層が0.3μm程度の厚さに形成されている。この透光性導電層10は、窒化物半導体層、とくにp形窒化物半導体層はキャリア濃度を大きくし難く、電流をチップの全面に拡散し難いこと、および電極パッドとする金属膜からなる上部電極11とのオーミックコンタクトを取り難いこと、という問題を改良するために設けられるもので、これらの問題を解消できればなくても構わない。
On this contact layer 8, a translucent
上部電極11は、図1に示される例では半導体積層部9の上面側がp形からなる層であるため、p側電極として形成されており、たとえばTi/Au、Pd/AuまたはNi-Auなどの積層構造で、全体として0.1〜1μm程度の厚さに形成されている。また、SiC基板1の裏面に下部電極(n側電極)12が、たとえばTi-Al合金またはTi/Auの積層構造などで、全体と0.1〜1μm程度の厚さに形成される。
In the example shown in FIG. 1, the
前述の半導体積層部9をn形に形成するためには、Se、Si、Ge、TeをH2Se、SiH4、GeH4、TeH4などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られ、p形にするためには、MgやZnをシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)やジメチル亜鉛(DMZn)の有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしn形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にNが蒸発しやすく自然にn形になりやすいため、その性質を利用することもできる。
In order to form the semiconductor laminated
つぎに、具体例で本発明の窒化物半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、SiC基板1を、たとえばMOCVD(有機金属化学気相成長)装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニアガス、n形ドーパントガスとしてのH2Se、SiH4、GeH4、TeH4のいずれか、また、p形ドーパントガスとしてDMZnもしくはしくCp2Mgのうちの必要なガスをキャリアガスのH2ガスまたはN2ガスと共に導入し、たとえば700〜1200℃程度温度で、n形のAl0.2Ga0.8Nバッファ層2、Al0.3Ga0.7NからなるDBR低屈折率層31とGaNからなる高屈折率層32をそれぞれλ/(4n)の厚さで、交互に20組程度積層し、光反射層3を形成する。
Next, a method for producing the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be briefly described with specific examples. First, the
ついで、たとえばGaNからなり0.5μm程度厚のn形層4、たとえばIn0.1Ga0.9Nからなる高屈折率層51とGaNからなる低屈折率層52を、それぞれλ/(4n)の厚さで、交互に2組程度積層した活性層5、たとえばGaNからなり0.5μm程度厚のp形層6、p形GaNからなり0.05〜2μm程度厚のp形コンタクト層8をそれぞれ順次エピタキシャル成長して、半導体積層部9を形成する。
Next, an n-
そののちSiO2保護膜をコンタクト層8の表面全面に設け、400〜800℃、20〜60分間程度のアニールを行って、コンタクト層8およびp形層6の活性化を行う。アニールが完了すると、ウェハをスパッタリング装置または真空蒸着装置に入れてコンタクト層8表面に、ZnOからなる透光性導電層10を0.3μm程度形成し、さらにTi、Alなど成膜して上部電極11を形成する。その後、SiC基板1の裏面側をラッピングすることにより、SiC基板1を薄くして、基板1の裏面に、Ti、Auなどの金属膜を同様に成膜することにより、下部電極12を形成する。最後に、スクライブしチップ化することにより、窒化物半導体発光素子のチップが得られる。
After that, a SiO 2 protective film is provided on the entire surface of the contact layer 8 and annealed at 400 to 800 ° C. for about 20 to 60 minutes to activate the contact layer 8 and the p-
本発明によれば、窒化物半導体層を積層するのに、SiC基板を用いながら、活性層に屈折率が相互に異なる2種類の窒化物半導体層が、それぞれλ/(4n)の厚さで交互に積層されているため、発光する光を吸収しやすいSiC基板に吸収されることなく、発光した光を効率よく表面側から取り出すことができる。すなわち、活性層のうち、実際に発光するのはpn接合に近い部分で、活性層をノンドープまたはn形で形成すればp形層側で発光し、p形層から離れた部分では活性層であっても発光しないが、本発明では、この活性層が、屈折率の異なる2層が交互に積層される構造になっているため、発光しない部分は反射層として機能し、発光して基板側に進もうとする光を活性層で表面側に反射させる。その結果、基板にSiC基板を用いても、発光した光を非常に効率よく表面側から取り出すことができ、外部量子効率が大幅に向上し、非常に高輝度の窒化物半導体発光素子が得られる。 According to the present invention, two types of nitride semiconductor layers having different refractive indexes are used as active layers, each having a thickness of λ / (4n), while using a SiC substrate to laminate the nitride semiconductor layers. Since the layers are alternately stacked, the emitted light can be efficiently extracted from the surface side without being absorbed by the SiC substrate that easily absorbs the emitted light. That is, in the active layer, light is actually emitted near the pn junction, and if the active layer is formed non-doped or n-type, light is emitted on the p-type layer side, and in the portion away from the p-type layer, the active layer emits light. In the present invention, since the active layer has a structure in which two layers having different refractive indexes are alternately laminated, the portion that does not emit light functions as a reflective layer and emits light to the substrate side. The light which is going to travel to the surface side is reflected by the active layer. As a result, even if a SiC substrate is used as the substrate, the emitted light can be extracted from the surface side very efficiently, the external quantum efficiency can be greatly improved, and a very bright nitride semiconductor light emitting device can be obtained. .
この場合、活性層だけで充分に光を反射させる反射層としにくい場合には、活性層の非発光部分を厚くして低屈折率層と高屈折率層との積層構造を増やしたり、さらに活性層とヘテロ接合構造を構成する半導体層(n形層)またはさらにその基板側に光反射層が設けられたりすることにより、発光して基板側に進む光の殆どすべての光を表面側に反射させて利用することができる。さらに、活性層の非発光部分にバンドギャップの大きい窒化物半導体を用いることにより、キャリア閉じ込め効果を発揮し、この部分でダブルヘテロ接合構造が形成されて別途n形層またはp形層を設ける必要がなくなったり、光反射層を構成する層にAlの混晶比率の大きい窒化物半導体を用いることにより、バッファ層も不要となったりし、光反射層を直接SiC基板上に成長したり、活性層を直接SiC基板上に成長したりすることができる。 In this case, if it is difficult to make a reflective layer that reflects light sufficiently with only the active layer, the non-light-emitting portion of the active layer is thickened to increase the laminated structure of the low-refractive index layer and the high-refractive index layer. Reflects almost all of the light that is emitted and travels to the substrate side by providing a semiconductor layer (n-type layer) that forms a heterojunction structure with the layer or a light reflecting layer on the substrate side. Can be used. Further, by using a nitride semiconductor having a large band gap in the non-light emitting portion of the active layer, a carrier confinement effect is exhibited, and a double heterojunction structure is formed in this portion, and it is necessary to provide an n-type layer or a p-type layer separately. The use of a nitride semiconductor with a high Al mixed crystal ratio in the layer that constitutes the light reflection layer eliminates the need for a buffer layer, grows the light reflection layer directly on the SiC substrate, The layer can be grown directly on the SiC substrate.
その結果、積層される半導体層の下層の導電形層と接続する下部電極を基板の裏面に形成することができ、積層した半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させる必要がなく、半導体積層部の一部をエッチングすることによるコンタミネーションの悪影響もなく、簡単に電極を形成することができる。そして、基板の裏面に一方の電極を形成した垂直型の窒化物半導体発光素子が得られ、製造工程が容易で、しかも使用勝手のよい高特性の窒化物半導体発光素子が得られる。 As a result, the lower electrode connected to the lower conductive type layer of the stacked semiconductor layer can be formed on the back surface of the substrate, and a part of the stacked semiconductor stacked portion is removed by etching to form the lower conductive type layer. There is no need to expose, and there is no adverse effect of contamination caused by etching a part of the semiconductor stacked portion, so that an electrode can be easily formed. Thus, a vertical nitride semiconductor light emitting device having one electrode formed on the back surface of the substrate is obtained, and a high-performance nitride semiconductor light emitting device that is easy to manufacture and easy to use is obtained.
前述の例では、基板をn形にして下層の半導体層をn形にしたが、基板をp形にしてp形層を下層にすることも可能である。また、発光層形成部を、活性層をn形層とp形層とで挟持するサンドイッチ構造のダブルヘテロ構造にしたが、さらに他の半導体層がいずれかの層間に挿入されたり、シングルへテロ接合構造やホモpn接合の一方の層にλ/(4n)の積層構造が形成される構造にされたりすることもできる。 In the above example, the substrate is n-type and the lower semiconductor layer is n-type. However, the substrate may be p-type and the p-type layer may be lower. In addition, the light emitting layer forming portion has a double hetero structure having a sandwich structure in which an active layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer, but another semiconductor layer is inserted between any of the layers, or a single heterostructure. A structure in which a laminated structure of λ / (4n) is formed in one layer of the junction structure or the homo pn junction may be employed.
1 SiC基板
2 バッファ層
3 光反射層
4 n形層
5 活性層
6 p形層
9 半導体積層部
11 上部電極
12 下部電極
31 DBR低屈折率層
32 DBR高屈折率層
51 高屈折率層
52 低屈折率層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005344169A JP2007150075A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Nitride semiconductor light emitting element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005344169A JP2007150075A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Nitride semiconductor light emitting element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007150075A true JP2007150075A (en) | 2007-06-14 |
Family
ID=38211091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005344169A Pending JP2007150075A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Nitride semiconductor light emitting element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007150075A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009111342A (en) * | 2007-10-29 | 2009-05-21 | Seoul Opto Devices Co Ltd | Light-emitting diode |
JP2013123057A (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | Lg Innotek Co Ltd | Light emitting element package |
KR101377397B1 (en) | 2009-10-16 | 2014-03-25 | 서울대학교산학협력단 | Ⅲ-nitride surface grating reflector |
-
2005
- 2005-11-29 JP JP2005344169A patent/JP2007150075A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009111342A (en) * | 2007-10-29 | 2009-05-21 | Seoul Opto Devices Co Ltd | Light-emitting diode |
KR101377397B1 (en) | 2009-10-16 | 2014-03-25 | 서울대학교산학협력단 | Ⅲ-nitride surface grating reflector |
JP2013123057A (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | Lg Innotek Co Ltd | Light emitting element package |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4954536B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
JP2006332205A (en) | Nitride semiconductor light emitting element | |
JP5044692B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
US7071490B2 (en) | Group III nitride LED with silicon carbide substrate | |
JP2007150074A (en) | Nitride semiconductor light-emitting element | |
JP3839799B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
JP2008288248A (en) | Semiconductor light-emitting element | |
JP2008211164A (en) | Nitride semiconductor light-emitting device and method for fabricating the same | |
JP2003347584A (en) | Semiconductor light emitting element | |
JP2007096152A (en) | Semiconductor light-emitting device with transparent conductive film | |
JP2012109436A (en) | Light-emitting diode | |
JPH11274558A (en) | Semiconductor light emitting element and semiconductor light emitting device | |
JP2011513954A (en) | Optoelectronic device and method of manufacturing optoelectronic device | |
TWI515984B (en) | Vertical resonant surface luminous lasers | |
JP2009129941A (en) | Light-emitting device | |
JP2005268601A (en) | Compound semiconductor light-emitting device | |
JPH0888441A (en) | Gan series compound semiconductor laser element and its manufacturing method | |
JP2006040998A (en) | Semiconductor light emitting device and epitaxial wafer therefor | |
JP5538006B2 (en) | Light emitting diode | |
JP2007150075A (en) | Nitride semiconductor light emitting element | |
JP2009158807A (en) | Semiconductor laser diode | |
JP6159642B2 (en) | Light emitting element | |
JP5380516B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
JP2006270073A (en) | Light-emitting diode and method of manufacturing it | |
JP2007142345A (en) | Nitride semiconductor light-emitting element |