JP2008166712A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】超格子構造を有しキャリアの活性層内での捕獲率を高めるよう改善された活性層の構造を有する窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体素子は、ｐ型及びｎ型窒化物半導体層１７,１２とそれらの間に形成され複数の量子障壁層１５ｂ及び量子井戸層１５ａが交代に積層されて成る活性層１５を含み、活性層１５は、量子障壁層１５ｂが、ｐ型及びｎ型窒化物半導体層１７,１２から供給されるキャリアがトンネリングできる厚さを有する超格子構造を有し、少なくとも一つの量子障壁層１５ｂが、それよりもｎ型窒化物半導体層１２側に位置する他の量子障壁層１５ｂより大きいエネルギーバンドギャップを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関するものであって、より詳しくは、超格子構造の活性層を有する窒化物半導体素子に関する。

一般的に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種信号システム及び光通信機器に光源として使用される緑色或いは青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使われている。このような窒化物半導体素子は、電子と正孔の再結合原理を用いる活性層から光を生成して放出する。

上記活性層としては、一つの量子井戸層を有する単一量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）構造と約１００Åより小さい複数個の量子井戸層を有する多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造がある。このうち特に多重量子井戸構造の活性層は、単一量子井戸構造に比べて電流に対する光効率に優れ高い発光出力を有するため、積極的に活用されている。

このような窒化物半導体素子の光効率は、原則的に活性層内での電子と正孔の再結合確率、即ち内部量子効率により決まる。このような内部量子効率を改善する方策としては、主に活性層自体の構造を改善したりキャリアの有効量（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍａｓｓ）を増加させたりする方向で研究が行われている。

しかし、電子及び正孔の移動性が不均一な場合には、一部のキャリアが活性層内で再結合しないため、所望の光を放出するための活性層内部での再結合効率が低下する場合がある。

従って、活性層でのキャリアの有効量を増大させるため、活性層の外部で再結合されるキャリア数を減らすべきである。特に、電子と正孔の捕獲率を最適化するためには、相対的に正孔より大きい移動度を有する電子に対して活性層の内部に拘束できる方策が求められる。

上述の従来技術の問題を解決すべく、本発明の１つの目的は、超格子構造を採用して再結合効率を向上させると同時に、キャリアの活性層内での捕獲率を高めるよう改善された活性層の構造を有する窒化物半導体素子を提供することにある。

上記の技術的課題を解決すべく、本発明は、ｐ型及びｎ型窒化物半導体層と、それらの間に形成され複数の量子障壁層及び量子井戸層が交代に積層されて成る活性層とを含み、上記活性層は上記量子障壁層が上記ｐ型及びｎ型窒化物半導体層から供給されるキャリアがトンネリングできる厚さを有する超格子構造を有し、少なくとも一つの上記量子障壁層が、それよりも上記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の上記量子障壁層より大きいエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体発光素子を提供する。

好ましくは、キャリアのトンネリング効果のための超格子構造の活性層において、上記量子障壁層は２〜１０ｎｍの厚さを有することが出来る。

好ましくは、上記少なくとも一つの量子障壁層は、供給される正孔より電子に対して大きい影響を与えるよう上記ｐ型窒化物半導体層に最も近い量子障壁層であることが出来る。

特定例において、上記複数の量子障壁層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上記少なくとも一つの量子障壁層はＡｌ含量が、それよりも上記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の量子障壁層のＡｌ含量より大きいことが出来る。

また、上記少なくとも一つの量子障壁層は、それよりも上記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の上記量子障壁層と少なくとも一つの元素が異なる化合物半導体からなることが出来る。

この場合に、上記少なくとも一つの量子障壁層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上記少なくとも一つの量子障壁層より上記ｎ型窒化物半導体層側に位置する上記量子障壁層はIｎ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなることが出きる。

本発明による量子障壁層の構成は、全ての量子障壁層にわたって適用することも出来る。即ち、上記複数の量子障壁層は、上記ｐ型窒化物半導体層に近いものほど漸次大きいエネルギーバンドギャップを有するよう形成することが出きる。

特定例において、上記複数の量子障壁層は、少なくとも上記ｎ型窒化物半導体層から上記ｐ型窒化物半導体層に向かう方向の順に配置された第１乃至第３量子障壁層を含むと仮定した場合、上記第１量子障壁層はIｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）で、上記第２量子障壁層はＧａＮで、上記第３量子障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）からなることが出きる。

超格子構造を有する活性層において、ｐ型窒化物半導体層に近い側の量子障壁層のエネルギーバンドギャップを他の量子障壁層のバンドギャップより増加させることにより、ｐ型窒化物半導体層に進入する電子を効果的に遮断することが出来る。これによって、活性層の内部での電子−正孔の再結合効率を向上させ高い発光効率を有する窒化物半導体発光素子を提供することが出来る。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を示した側断面図である。

図１に図示された通り、窒化物半導体素子１０は、基板１１、ｎ型窒化物半導体層１２、活性層１５及びｐ型窒化物半導体層１７を含む。メサエッチングされ露出させられたｎ型窒化物半導体層１２の上面にはｎ型電極１９ａが形成され、上記ｐ型窒化物半導体層１７の上面には透明電極層１８とｐ型電極１９ｂが順番に形成されている。

勿論、本実施形態は、両電極１９ａ，１９ｂが同一面に配置された水平型窒化物半導体発光素子構造を例示しているが、本発明はこれに限定されず垂直構造の窒化物半導体発光素子にも適用できることは当業者には自明である。

本実施形態において、上記活性層１５は量子井戸層１５ａと量子障壁層１５ｂが交代に積層された多重量子井戸構造を有している。また、上記活性層１５は、上記量子障壁層１５ｂが、上記ｐ型及びｎ型窒化物半導体層１７，１２から供給される電子及び正孔ｅ１，ｈがトンネリングできる厚さｔｂを有する超格子構造となっている形態を有する。

このような超格子構造の活性層１５では、量子障壁層１５ｂが薄く形成されるため、電子と正孔がトンネリングによって量子井戸層１５ａへより効果的に供給され再結合効率を高めることが出来る。このように、電子及び正孔ｅ１，ｈのトンネリング効果のための超格子構造の活性層１５において、上記量子障壁層１５ｂの厚さｔｂは２〜１０ｎｍの範囲が好ましく、上記量子井戸層１５ａの厚さｔａは通常の厚さ範囲である２〜４ｎｍの範囲であることが出来る。

図２は、図１に図示された窒化物半導体素子のうち活性層１５のエネルギーバンドダイアグラムを示している。

図２を参照すると、ｐ型窒化物半導体層１７に最も近い量子障壁層１５ｂ’が、それよりも上記ｎ型窒化物半導体層１２に近い他の量子障壁層１５ｂのエネルギーバンドギャップＥｇｂより大きいエネルギーバンドギャップＥｇｂ’を有する。このようなエネルギーバンドギャップの設定は、上記複数の量子障壁層１５ｂ、１５ｂ’をＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）で形成する場合に、上記ｐ型窒化物半導体層１７に最も近い量子障壁層１５ｂ’のＡｌ含量が、それよりも上記ｎ型窒化物半導体層１２に近い他の量子障壁層１５ｂのＡｌ含量より多くなるように形成することによって得られる。

あるいは、一部の組成を変えて、量子障壁層のバンドギャップを調整することも出来る。例えば、大きいバンドギャップを有する量子障壁層１５ｂ’のみをＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）で形成し、上記量子障壁層１５ｂ’より上記ｎ型窒化物半導体層に近い量子障壁層１５ｂをIｎ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）で形成することによりバンドギャップの差を実現することも出来る。

相対的に大きいバンドギャップＥｇｂ’を有する量子障壁層１５ｂ’は、ｎ型窒化物半導体層１２から供給される電子ｅ２が再結合されずにｐ型窒化物半導体層１７へ進入するのを遮断する働きをする。これによって、量子井戸層１５ａ内での再結合の確率を向上させることが出来る。

勿論、電子遮断層の役割をする量子障壁層１５ｂ’は他の位置に設けることも出来るが、本実施形態のように、ｐ型窒化物半導体層１７に近い位置にした方が、高いバンドギャップを有する量子障壁層１５ｂ’を通してｐ型窒化物半導体層１７側から供給される正孔より遠い位置に供給された電子ｅ２に対してより大きい影響を与えることが出来るため、好ましい。即ち、相対的に低い移動度を有する正孔ｈに対する影響を抑制しつつ、ｐ型窒化物半導体層１７に供給される電子ｅ２に対する遮断を効果的に行うことが出来る。

本発明による特定の量子障壁層が他の量子障壁層より高いエネルギーバンドギャップを有するよう構成することによって電子の捕獲率を高める方策は、上述の実施形態に限定されず、量子障壁層のエネルギーバンドギャップの様々な他の設定によっても実現できる。

好ましくは、本発明による量子障壁層の構成は、全ての量子障壁層にわたって適用することも出来る。即ち、上記複数の量子障壁層を、上記ｐ型窒化物半導体層に近いほど漸次大きいエネルギーバンドギャップを有するよう形成することが出きる。このような実施形態は、図３に図示された活性層３５のエネルギーバンドダイアグラムを参照して説明される。

図３に図示されたバンドギャップダイアグラムを有する活性層３５は、図１に図示された実施形態と同様に、ｐ型窒化物半導体層３７とｎ型窒化物半導体層３２との間に介在された形態を有しているのが分かる。

上記活性層３５は、量子井戸層３５ａと量子障壁層３５ｂが交代に積層された多重量子井戸構造からなる。また、上記活性層３５は、上記量子障壁層３５ｂが上記ｐ型及びｎ型窒化物半導体層３７，３２から供給される電子及び正孔ｅ１，ｈ１がトンネリングできる厚さｔｂを有する超格子構造になっている。

本実施形態では、複数の量子障壁層３５ｂがそれぞれ異なるエネルギーバンドギャップを有するよう構成された形態で例示されている。即ち、上記ｎ型窒化物半導体層３２から上記ｐ型窒化物半導体層３７に向かう方向に順に配置された第１乃至第４量子障壁層３５ｂは、この方向に向かうほど徐々に高くなったエネルギーバンドギャップを有する化合物半導体で構成されている。より具体的には、上記ｎ型窒化物半導体層３２から上記ｐ型窒化物半導体層３７に向かう方向の順に、複数の量子障壁層３５ｂは、各々Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３＜Ｅｇ４のエネルギーバンドギャップを有するよう形成されている。

このように、ｐ型窒化物半導体層３７に近いほど高いエネルギーバンドギャップを有するよう構成したのは、電子ｅ２がｐ型窒化物半導体層に進入するのを効果的に遮断すると同時に、上記活性層３５内に進入する正孔ｈ１、ｈ２に対する影響を低減するためである。結果的に、高い移動度を有する電子に対する活性層３５内への捕獲率を高めることにより、発光に寄与する再結合効率を大きく増大させることが出来る。

本実施形態のように、複数の量子障壁層３５ｂを各々異なるバンドギャップを有するよう構成する場合、複数の量子障壁層にわたって適切なバンドギャップの差を確保すべきであるため、これを同一組成における一部組成の含有量で調節することは困難である。従って、本実施形態のような量子障壁層３５ｂは、一部の組成が異なる化合物半導体を用いて構成することが好ましい。例えば、ｎ型窒化物半導体層３２に近い量子障壁層グループはIｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）で形成し、ｐ型窒化物半導体層３７に近い量子障壁層グループはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）で形成することが好ましい。勿論、２つの量子障壁層グループの間の量子障壁層はＧａＮで形成することにより、所望のバンドギャップの差を適切に確保することが出来る。

なお、本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により規定される。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。

本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を示した側断面図である。 図１に図示された窒化物半導体素子のうち活性層のエネルギーバンドダイアグラムである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子に採用可能な活性層の他のエネルギーバンドダイアグラムである。

符号の説明

１０ 窒化物半導体発光素子
１２ ｎ型窒化物半導体層
１５、２５ 超格子構造活性層
１５ａ、２５ａ 量子障壁層
１５ｂ、２５ｂ 量子井戸層
１７ ｐ型窒化物半導体層
１８ 透明電極層
１９ａ ｎ側電極
１９ｂ ｐ側電極

Claims (8)

1. ｐ型及びｎ型窒化物半導体層と、それらの間に形成され複数の量子障壁層及び量子井戸層が交代に積層されて成る活性層とを含み、
   前記活性層は、前記量子障壁層が前記ｐ型及びｎ型窒化物半導体層から供給されるキャリアがトンネリングできる厚さを有する超格子構造を有し、
   少なくとも一つの前記量子障壁層が、それよりも前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の前記量子障壁層より大きいエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体素子。
2. 前記量子障壁層は、２〜１０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記少なくとも一つの量子障壁層は、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い量子障壁層であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記複数の量子障壁層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）からなり、前記少なくとも一つの量子障壁層はＡｌ含量が、それよりも前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の前記量子障壁層のＡｌ含量より大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
5. 前記少なくとも一つの量子障壁層は、それよりも前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する他の前記量子障壁層と少なくとも一つの元素が異なる化合物半導体からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
6. 前記少なくとも一つの量子障壁層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）からなり、前記少なくとも一つの量子障壁層より前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する前記量子障壁層は、Iｎ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記複数の量子障壁層は、前記ｐ型窒化物半導体層に近いものほど漸次大きいエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
8. 前記複数の量子障壁層は、少なくとも前記ｎ型窒化物半導体層から前記ｐ型窒化物半導体層に向かう方向の順に配置された第１乃至第３量子障壁層を含み、
   前記第１量子障壁層はＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）で、前記第２量子障壁層はＧａＮで、前記第３量子障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。

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