JP2010027924A - Group iii nitride light-emitting diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物発光ダイオードに関する。 The present invention relates to a group III nitride light emitting diode.
非特許文献1には、偏光度について理論的な計算が示されている。非特許文献2〜4には、半極性面上に作製された発光ダイオードが記載されている。
非特許文献1は、半極性及び非極性基板上のGaN系歪み量子井戸構造における偏光性に関係している。オフ角70°以下のGaN基板上に設けられた窒化ガリウム系歪み量子井戸構造では、量子閉じ込めが強くなると負の偏光度が大きくなる。また、量子井戸構造の歪みが大きくなると正の偏光度が大きくなる。オフ角70°以上、90°以下のオフ基板上の窒化ガリウム系歪み量子井戸構造では、量子井戸構造おける量子閉じ込めが強くなると正の偏光度が大きくなり、量子井戸構造おける歪みが大きくなると負の偏光度が大きくなる。
Non-Patent
大きな偏光度の光を生成する発光ダイオードが表示装置の分野で求められている。現在、入手可能なGaN系発光ダイオードはc面GaN基板上に作製されており、このGaN系発光ダイオードからの光はランダム偏光を示す。一方、半極性面GaN基板及び非極性GaN基板を用いて、GaN系発光ダイオードを作製することもできる。これらの発光ダイオードは、ランダム偏光の光ではなく偏光した光を生成できる。 There is a need in the field of display devices for light emitting diodes that generate light of a large degree of polarization. Currently available GaN-based light emitting diodes are fabricated on c-plane GaN substrates, and light from this GaN-based light emitting diode exhibits random polarization. On the other hand, a GaN-based light emitting diode can also be manufactured using a semipolar plane GaN substrate and a nonpolar GaN substrate. These light emitting diodes can generate polarized light rather than randomly polarized light.
非特許文献1には、発光ダイオードに関する具体的な構造は示されていない。一方、非特許文献2〜4では、InGaN/GaN系発光ダイオードが半極性面GaN基板上に作製されており、非特許文献2、3には偏光度の測定値が記載されている。
Non-Patent
偏光度は量子閉じ込め特性及び量子井戸構造おける歪みに関係しており、量子閉じ込め特性は井戸層と障壁層とのバンドギャップ差に関係すると共に歪みは井戸層と障壁層との格子定数差に関係している。量子閉じ込め性が量子効率に関係するので、量子井戸構造は量子閉じ込め性を高めるように構成され、また井戸層の歪みは信頼度に関わるので量子井戸構造は歪みを大きくすることを避けるように形成される。このため、InGaN/GaN量子井戸構造では、バンドギャップ差及び格子定数差を偏光度のために調整することと、所望の発光特性を得るように量子井戸構造を作製することを共に満足させることは容易ではない。 The degree of polarization is related to the quantum confinement property and the strain in the quantum well structure, the quantum confinement property is related to the band gap difference between the well layer and the barrier layer, and the strain is related to the lattice constant difference between the well layer and the barrier layer. is doing. Since quantum confinement is related to quantum efficiency, quantum well structures are configured to enhance quantum confinement, and well layer strain is related to reliability, so quantum well structures are formed to avoid increasing strain. Is done. For this reason, in the InGaN / GaN quantum well structure, adjusting the band gap difference and the lattice constant difference for the degree of polarization and satisfying both the fabrication of the quantum well structure to obtain the desired light emission characteristics It's not easy.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、偏光した光を発生できる量子井戸構造を有するIII族窒化物発光ダイオードを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a group III nitride light-emitting diode having a quantum well structure capable of generating polarized light.
本発明の一側面によれば、III族窒化物発光ダイオードは、所定のピーク波長の偏光した光を生成するIII族窒化物発光ダイオードであって、(a)六方晶系のIII族窒化物からなり、所定の方向に10度以上60度以下の角度でc面から傾斜した主面を有する基板と、(b)前記基板上に設けられたn型窒化ガリウム系半導体層と、(c)前記基板上に設けられたp型窒化ガリウム系半導体層と、(d)前記n型窒化ガリウム系半導体層と前記p型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記活性層は、III族構成元素としてAl元素、Ga元素及びIn元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含むと共に、前記所定のピーク波長を発生するように構成され、前記障壁層の格子定数は前記井戸層の格子定数より小さく、GaN層、InGaN層及びAlGaN層の少なくともいずれか一つを含む。 According to one aspect of the present invention, a group III nitride light-emitting diode is a group III nitride light-emitting diode that generates polarized light having a predetermined peak wavelength, and comprises (a) a hexagonal group III nitride. And (b) an n-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the substrate, (c) the substrate having a principal surface inclined from the c-plane at an angle of 10 degrees to 60 degrees in a predetermined direction. A p-type gallium nitride semiconductor layer provided on the substrate; and (d) an active layer provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer. The active layer includes a well layer made of a gallium nitride based semiconductor mixed crystal containing Al element, Ga element and In element as a group III constituent element, and a barrier layer made of a gallium nitride based semiconductor, and has the predetermined peak wavelength. The barrier layer has a lattice constant smaller than that of the well layer and includes at least one of a GaN layer, an InGaN layer, and an AlGaN layer.
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、井戸層は、III族構成元素としてAl元素、Ga元素及びIn元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなり、この窒化ガリウム系半導体混晶は所定のピーク波長の光を生成可能な四元混晶である。所定のピーク波長の光をInGaN井戸層を用いて発生する発光素子における該InGaNの格子定数に比べて、この四元混晶の格子定数は大きくなる。故に、該InGaNと障壁層の窒化ガリウム系半導体との格子定数差に比べて、障壁層の窒化ガリウム系半導体と四元混晶との格子定数差が大きくできる。また、障壁層の格子定数が井戸層の格子定数より小さい。したがって、四元混晶の井戸層は比較的大きな圧縮歪みを内包する。圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。一方、四元混晶からなる井戸層及び該InGaNからなる井戸層は、共に、同じ所定のピーク波長の光を生成可能であるので、同じ井戸層厚においては実質的に同じ量子閉じ込め性を示す。つまり、InGaNではなく四元混晶を用いることによって井戸層の量子閉じ込め性を強めること無く大きな圧縮歪みを実現できる。故に、III族窒化物発光ダイオードは、四元混晶の井戸層とGaN又は三元混晶からなる障壁層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成する。 According to this group III nitride light-emitting diode, the well layer is composed of a gallium nitride semiconductor mixed crystal containing Al element, Ga element and In element as group III constituent elements, and the gallium nitride semiconductor mixed crystal has a predetermined peak. It is a quaternary mixed crystal that can generate light of a wavelength. The lattice constant of this quaternary mixed crystal is larger than the lattice constant of InGaN in a light emitting device that generates light having a predetermined peak wavelength using an InGaN well layer. Therefore, the lattice constant difference between the gallium nitride semiconductor of the barrier layer and the quaternary mixed crystal can be made larger than the lattice constant difference between the InGaN and the gallium nitride semiconductor of the barrier layer. The lattice constant of the barrier layer is smaller than that of the well layer. Therefore, the quaternary mixed crystal well layer contains a relatively large compressive strain. Compressive strain is effective for increasing the degree of polarization. On the other hand, a well layer made of a quaternary mixed crystal and a well layer made of InGaN can generate light having the same predetermined peak wavelength, and therefore exhibit substantially the same quantum confinement property at the same well layer thickness. . That is, by using a quaternary mixed crystal instead of InGaN, a large compressive strain can be realized without increasing the quantum confinement property of the well layer. Therefore, the group III nitride light-emitting diode generates polarized light by a quantum well structure having a quaternary mixed crystal well layer and a barrier layer made of GaN or ternary mixed crystal.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層の厚みは5nmより大きいことが好ましい。活性層の多重量子井戸構造におけるInAlGaN井戸層の厚みを調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。InAlGaN井戸層の厚みが5nmを越えるので、量子閉じ込め性が強くない。したがって、III族窒化物発光ダイオードは、弱い量子閉じ込め性及び圧縮歪みの井戸層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成する。 In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the thickness of the well layer is preferably larger than 5 nm. The quantum confinement property can be weakened by adjusting the thickness of the InAlGaN well layer in the multiple quantum well structure of the active layer. Since the thickness of the InAlGaN well layer exceeds 5 nm, the quantum confinement property is not strong. Therefore, the group III nitride light-emitting diode generates polarized light by a quantum well structure having a weak quantum confinement property and a compressive strain well layer.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層の厚みは10nm以下であることができる。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、井戸層が10nmより厚くなると、発光効率が低下する。 In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the thickness of the well layer may be 10 nm or less. According to this group III nitride light-emitting diode, when the well layer is thicker than 10 nm, the light emission efficiency decreases.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記障壁層のバンドギャップは、窒化ガリウムのバンドギャップ以下であり、且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。 In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, it is preferable that the band gap of the barrier layer is equal to or smaller than the band gap of gallium nitride and larger than the band gap of the well layer.
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、障壁層のバンドギャップが窒化ガリウムのバンドギャップ以下であるので、活性層の多重量子井戸構造における井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差を調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。 According to this group III nitride light-emitting diode, since the band gap of the barrier layer is less than or equal to that of gallium nitride, the band gap energy difference between the well layer and the barrier layer in the multiple quantum well structure of the active layer can be adjusted. Can weaken the quantum confinement property.
上記のIII族窒化物発光ダイオードでは、井戸層はInAlGaNからなるので、井戸層に圧縮歪みを加えると共に、これに伴って井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差が大きくなることを避けることができる。したがって、InAlGaN井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造は、偏光度を高めるために有効である。本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記障壁層はGaNからなることができる。或いは、前記障壁層はInGaNからなることができる。格子定数の変化に対するバンドギャップの変化が小さい。 In the group III nitride light-emitting diode, the well layer is made of InAlGaN. Therefore, compressive strain is applied to the well layer, and the accompanying increase in the band gap energy difference between the well layer and the barrier layer can be avoided. it can. Therefore, a quantum well structure having an InAlGaN well layer and a barrier layer is effective for increasing the degree of polarization. In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the barrier layer may be made of GaN. Alternatively, the barrier layer can be made of InGaN. The change of the band gap with respect to the change of the lattice constant is small.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層と前記障壁層は、前記活性層からの光のピーク波長が400nm以上600nm以下の波長範囲にあるように設けられていることが好ましい。このIII族窒化物発光ダイオードの上記波長範囲は、表示装置のための発光ダイオードに好適である。 In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, it is preferable that the well layer and the barrier layer are provided so that a peak wavelength of light from the active layer is in a wavelength range of 400 nm to 600 nm. The above-mentioned wavelength range of this group III nitride light emitting diode is suitable for a light emitting diode for a display device.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、所定の方向は該III族窒化物のa軸またはm軸の方向であることができる。 In the group III nitride light-emitting diode according to the present invention, the predetermined direction may be the direction of the a-axis or m-axis of the group III nitride.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記基板は窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、発光波長に応じて適切な格子定数の基板材料が提供される。また、本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記基板は導電性GaN半導体からなることができる。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、GaN基板は、低転位の活性層を成長するために好適である。これによって、歪みの緩和が生じること無く、歪み内包の井戸層が提供され、井戸層の歪み量の制御が容易になる。 In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the substrate is preferably made of a gallium nitride based semiconductor. According to this group III nitride light-emitting diode, a substrate material having an appropriate lattice constant according to the emission wavelength is provided. In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the substrate may be made of a conductive GaN semiconductor. According to this group III nitride light-emitting diode, the GaN substrate is suitable for growing an active layer having a low dislocation. Accordingly, a strain-encapsulated well layer is provided without causing strain relaxation, and the strain amount of the well layer can be easily controlled.
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、互いに直交するX1軸、X2軸及びX3軸からなる直交座標系において、前記n型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記p型窒化ガリウム系半導体層は、前記X3軸の方向に配列されており、前記X2軸は該III族窒化物のc軸の傾斜方向を示しており、前記障壁層の格子定数は前記基板の前記六方晶系のIII族窒化物の格子定数以下であり、前記活性層の多重量子井戸構造における前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層と前記障壁層との格子定数差の少なくともいずれか一方が、当該発光ダイオードの発光における偏光度Pが0.6以上になるように設けられており、前記偏光度Pは、前記発光ダイオードにおける光の該X1方向の電界成分I1と該X2方向の電界成分I2とを用いて、
P=(I1−I2)/(I1+I2)
によって規定されることができる。
In the group III nitride light emitting diode according to the present invention, the n-type gallium nitride based semiconductor layer, the active layer, and the p-type gallium nitride based semiconductor in an orthogonal coordinate system composed of mutually orthogonal X1, X2, and X3 axes. The layers are arranged in the direction of the X3 axis, the X2 axis indicates the inclination direction of the c-axis of the group III nitride, and the lattice constant of the barrier layer is the hexagonal III of the substrate. A lattice constant less than or equal to the lattice constant of the group nitride, and at least one of a band gap energy difference between the well layer and the barrier layer and a lattice constant difference between the well layer and the barrier layer in the multiple quantum well structure of the active layer However, the degree of polarization P in the light emission of the light emitting diode is 0.6 or more, and the degree of polarization P is equal to the electric field component I1 in the X1 direction of the light in the light emitting diode and the X2 By using the electric field component I2 countercurrent,
P = (I1-I2) / (I1 + I2)
Can be defined by
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、活性層の多重量子井戸構造におけるバンドギャップエネルギ差を調整することによって、当該発光ダイオードの発光における偏光度Pが0.6以上になるように量子井戸構造が形成される。 According to the group III nitride light-emitting diode, the quantum well structure is configured such that the polarization degree P in light emission of the light-emitting diode becomes 0.6 or more by adjusting the band gap energy difference in the multiple quantum well structure of the active layer. Is formed.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、偏光した光を発光できる量子井戸構造を有するIII族窒化物発光ダイオードが提供される。 As described above, according to the present invention, a group III nitride light emitting diode having a quantum well structure capable of emitting polarized light is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物発光ダイオードに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, an embodiment according to the group III nitride light-emitting diode of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光ダイオードの構造を示す図面である。III族窒化物発光ダイオード11は、所定のピーク波長の偏光した光を生成する。III族窒化物発光ダイオード11は、基板13と、n型窒化ガリウム系半導体領域15と、p型窒化ガリウム系半導体領域17と、活性層19とを備える。基板13は、例えば六方晶系のIII族窒化物からなる。基板13の主面13aは、該III族窒化物のa軸及び/又はm軸の方向に10度以上60度以下の角度θでc面から傾斜している。傾斜角はθは、(θA 2+θM 2)1/2によって規定される。傾斜角θA、θMは、それぞれ、a軸方向及びm軸方向への傾斜角を示す。またc軸の傾斜が例えばa軸またはm軸の方向であることができる。10度以上の傾斜角では、格子歪みの大きさと、量子閉じ込めの大きさによって、偏光度が大きく変化する角度範囲であり、格子歪みと量子閉じ込め性によって偏光度を制御可能である。発光波長の長波化を意図する際には、井戸層の幅を大きくするほうが有利であり、その場合量子閉じ込め効果は小さくなる。一方、井戸層のIn組成を多くする必要があるので、井戸層と障壁層の格子定数差が大きくなり、井戸層の歪みが増す。60度以下の傾斜角であると、歪みの増加は正の偏光度を与え、量子効果が偏光度に与える影響は、井戸幅が広い状態では偏光度はゼロに近いか正を与えるので、全体として正の偏光度を持つ。一方、60度以上の傾斜角であると、歪みの増加は負の偏光度を与え、量子効果が偏光度に与える影響は、井戸幅が広い状態でも比較的大きな正の偏光度を与えるように働く。その結果、互いに相殺して全体の偏光度は小さくなる。これ故に、特に長波長の発光波長を得るためには、60度以下の傾斜角を持った基板を用いることが望ましい。ベクトルVCはc軸方向を示し、ベクトルVNは基板13の主面13aの法線方向を示す。基板13のc面は、ベクトルVCに直交しており、図1には、代表的なc面が破線で描かれている。基板13の主面13aは半極性面である。n型窒化ガリウム系半導体領域15及びp型窒化ガリウム系半導体領域17は、基板13の主面13a上に設けられている。活性層19は、n型窒化ガリウム系半導体領域15とp型窒化ガリウム系半導体領域17との間に設けられており、活性層19は多重量子井戸構造を有しており、また所定のピーク波長を発生するように構成される。
FIG. 1 is a drawing showing the structure of a group III nitride light emitting diode according to the present embodiment. The group III nitride light-emitting
図1を参照すると、幾何学的な構造を示すための直交座標系Sが示されている。本実施例では、発光ダイオード13の一対の側面がX軸方向に延びており、別の一対の側面がY軸方向に延びている。n型窒化ガリウム系半導体領域15、活性層19及びp型窒化ガリウム系半導体領域17はZ軸の方向に配列されている。活性層19は、III族元素としてAl元素、Ga元素及びIn元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層21と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層23とを含む。また、井戸層21及び障壁層23はZ軸の方向に交互に配列されている。井戸層21は障壁層23によって挟まれており、井戸層21は井戸層21の格子定数と障壁層23の格子定数との差に応じた応力を受ける。
Referring to FIG. 1, an orthogonal coordinate system S for showing a geometric structure is shown. In the present embodiment, a pair of side surfaces of the
発光ダイオード11では、井戸層21は、III族構成元素としてアルミニウム(Al)元素、インジウム(In)元素及びガリウム(Ga)元素を含むと共にV族構成元素として窒素(N)元素を含む混晶からなり、この混晶としてはInAlGaNがある。井戸層21は、InAlGaNからなる。障壁層23はIII族元素として少なくともAl元素を含むので、井戸層21に圧縮歪みを加えるために好適である。障壁層23は、GaN層、InGaN層及びAlGaN層の少なくともいずれか一つを含む。
In the
図2は、窒化ガリウム系半導体のバンドラインナップを示す図面である。このIII族窒化物発光ダイオード11によれば、井戸層21は、III族構成元素としてAl元素、Ga元素及びIn元素を含むので、窒化ガリウム系半導体混晶は、所定のピーク波長の光を生成可能な四元混晶(例えば、図2における点W1やW2)である。図2を参照すると、所定のピーク波長の光をInGaN井戸層(バンドギャップEW)を用いて発生する発光素子における該InGaNの格子定数dInGaNに比べて、この四元混晶(例えば、図2における点W1)の格子定数dInAlGaNは大きくなる。故に、該InGaNの格子定数dInGaNと障壁層の窒化ガリウム系半導体(例えばGaN)の格子定数dBとの格子定数差に比べて、四元混晶の格子定数dInAlGaNと障壁層の窒化ガリウム系半導体の格子定数dBとの格子定数差が大きくできる。また、障壁層の格子定数dBが井戸層の格子定数dInAlGaNより小さい。したがって、四元混晶の井戸層21は比較的大きな圧縮歪みを内包する。この圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。一方、四元混晶からなる井戸層21及び該InGaNからなる井戸層は、共に、同じ所定のピーク波長の光を生成可能であるので、同じ井戸層厚においては実質的に同じ量子閉じ込め性を示す。つまり、InGaNではなく四元混晶を用いることによって井戸層21の量子閉じ込め性を強めずに圧縮歪みの増大を実現できる。故に、これは偏光度を低下させない。したがって、III族窒化物発光ダイオードは、量子閉じ込め性を強めること無く大きな圧縮歪みの井戸層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成できる。
FIG. 2 is a diagram showing a band lineup of gallium nitride based semiconductors. According to this group III nitride light-emitting
また、図3は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける活性層構造を示す図面である。既に説明したように、障壁層23は、GaN層、InGaN層及びAlGaN層の少なくともいずれか一つを含むことができ、図3にはGaN層が障壁層として示されている。窒化ガリウム系半導体からなる障壁層23の格子定数DBは井戸層21の格子定数DWより小さい。また、InAlGaN井戸層21の格子定数DWは基板13の六方晶系のIII族窒化物の格子定数より小さい。このため、比較的大きな圧縮歪みが井戸層21に加わる。この圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。図3(b)を参照すると、InGaNの格子定数DInGaNは一点鎖線で示されており、このInGaNは、図3(c)に示されたInAlGaN井戸層21のバンドギャップEWと同じバンドギャップを有する。つまり、InAlGaN井戸層21により、バンドギャップを変化させること無く、井戸層21と障壁層23との格子定数差を大きくできる。
FIG. 3 is a view showing an active layer structure in the light emitting diode according to the present embodiment. As already described, the
また、活性層の多重量子井戸構造におけるInAlGaN井戸層の厚みを調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。発光ダイオード11では、InAlGaNからなる井戸層21の厚みは5nmを越えることが好ましい。InAlGaN井戸層の厚みが5nmを越えるので、この井戸厚に起因して強い量子閉じ込め性が発揮されることがない。これは、偏光度を高めるために有効である。また、InAlGaN井戸層21の厚みは10nm以下であることができる。InAlGaN井戸層21が10nmより厚くなると、発光効率が低下する可能性がある。
Further, the quantum confinement property can be weakened by adjusting the thickness of the InAlGaN well layer in the multiple quantum well structure of the active layer. In the
したがって、III族窒化物発光ダイオードは、井戸層への歪みを大きくすると共に量子閉じ込め性を強めない(必要な場合には、弱める)量子井戸構造によって、偏光した光を生成する。 Accordingly, the group III nitride light-emitting diode generates polarized light by a quantum well structure that increases the strain to the well layer and does not enhance (or weaken if necessary) the quantum confinement property.
再び図1を参照すると、偏光度を規定するための直交座標系SPが示されている。直交座標系SPは、互いに直交するX1軸、X2軸及びX3軸からなる。この直交座標系SPにおいて、X2軸は該III族窒化物のc軸の傾斜方向を示している。X3軸の方向には、n型窒化ガリウム系半導体領域15、活性層19及びp型窒化ガリウム系半導体領域17が配列されており、図3(a)に示されるように、またこの方向に障壁層23及び井戸層21が配列されている。
Referring again to FIG. 1, an orthogonal coordinate system SP for defining the degree of polarization is shown. The orthogonal coordinate system SP includes an X1 axis, an X2 axis, and an X3 axis that are orthogonal to each other. In this orthogonal coordinate system SP, the X2 axis indicates the inclination direction of the c-axis of the group III nitride. In the direction of the X3 axis, an n-type gallium nitride based
また、以下の説明において、井戸層21と障壁層23とのバンドギャップエネルギ差が符号△E(=△EE−△EH)として参照され、井戸層21と障壁層23との格子定数差が符号△d(=DW−DB)として参照される。活性層19では、バンドギャップエネルギ差△E及び井戸層21と障壁層32との格子定数差△dの少なくともいずれか一方が、当該発光ダイオード13の発光における偏光度Pが0.6以上になるように設けられている。この偏光度Pは、発光ダイオード11から出射される光Lの該X1方向の電界成分I1と該X2方向の電界成分I2とを用いて、
P=(I1−I2)/(I1+I2)
によって規定される。
In the following description, the bandgap energy difference between the
P = (I1-I2) / (I1 + I2)
It is prescribed by.
この発光ダイオード11によれば、図3(b)に示されるように、井戸層21の格子定数DWが障壁層23の格子定数DBより大きく、また基板13の六方晶系のIII族窒化物の格子定数より大きい。このため、比較的大きな圧縮歪みが井戸層21に印加される。圧縮歪みは、偏光度Pを高めるために有効である。また、活性層19の多重量子井戸構造におけるバンドギャップエネルギ差△E(例えば障壁層23のバンドギャップ)を変更することによって、量子閉じ込め性を調整できる。このために、バンドギャップエネルギ差△Eが当該発光ダイオード11の発光Lにおける偏光度Pが0.6以上になるように設けられる。また、格子定数差△dが、偏光度Pが0.6以上になるように設けられる。したがって、発光ダイオード11は、量子閉じ込め性が弱く且つ井戸層21への歪みが大きい量子井戸構造によって、所望の偏光を有する光を生成する。
According to the
発光ダイオード11では、基板13は窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。発光波長に応じて適切な格子定数の基板材料が提供される。基板の材料としては、例えばGaN、AlGaN等を用いることができる。発光ダイオード11では、基板13は導電性GaN半導体からなることができる。GaN基板は、低転位の活性層を成長するために好適である。これによって、歪みの緩和が生じること無く、歪み内包の井戸層が提供され、井戸層の歪み量の制御が容易になる。
In the
n型窒化ガリウム系半導体領域15は、例えば一又は複数のn型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。このn型窒化ガリウム系半導体層としては、例えばGaN,AlGaN等の材料を用いることができる。また、p型窒化ガリウム系半導体領域17は、例えば電子ブロック層25及びp型コンタクト層27を含むことができる。電子ブロック層25としては、例えばAlGaN、InAlGaN等の材料を用いることができる。また、p型コンタクト層27としては、例えばp型GaN、p型AlGaN等の材料を用いることができる。基板13の主面13a上には、窒化ガリウム系半導体積層29が搭載されている。窒化ガリウム系半導体積層29は、基板13の主面13aの半極性の性質を引き継いでいる。基板13と同じように、窒化ガリウム系半導体積層29のc軸は基板13の主面13aに対して傾斜しており、また活性層19の結晶におけるc軸は井戸層21と障壁層23が積層される方向(Z軸の方向)に対して傾斜している。窒化ガリウム系半導体積層29上には、第1の電極(例えば、アノード)31が形成されている。第1の電極31は、活性層19の全体にわたって電流を供給できるように、窒化ガリウム系半導体積層29の表面の全面に形成されることができる。活性層19からの光Lは、第1の電極31を介して出射される。活性層19からの光Lの大部分は、この第1の電極31を透過する。また、第1の電極31上には、パッド電極35が設けられている。基板13の裏面13bには、第2の電極33が設けられている。第2の電極33は、基板13の裏面13bの全面に形成されることができる。第1の電極31及び第2の電極33を介して流れる電流によって、活性層19において偏光した光が生成されて、この光Lは軸Axの方向に出射面から外部に出射される。
The n-type gallium nitride based
発光ダイオード11では、井戸層21と障壁層23は、活性層19からの光のピーク波長が400nm以上600nm以下の波長範囲にあるように設けられていることが好ましい。上記波長範囲は、可視光の波長範囲とほぼ同じであり、これ故に、発光ダイオード11は表示装置のための発光ダイオードに好適である。
In the
障壁層23のバンドギャップEBは窒化ガリウム(GaN)のバンドギャップ以下であることが好ましく、且つ井戸層21のバンドギャップEWよりも大きい。障壁層23から井戸層21が圧縮応力を受ける。
Preferably the band gap E B of the
図4は、本実施の形態に係る発光ダイオードの活性層の構造を示す図面である。この実施例では、図4(a)に示されるように、発光ダイオード11aは活性層19aを含む。障壁層23aはGaNからなる。図4(b)に示されるように、障壁層23aの格子定数は参照符号DGaNにより示されており、またInAlGaN層21aの格子定数DInAlGaNが窒化ガリウムの格子定数DGaNより大きい。このため、この障壁層23aはInAlGaN井戸層21aに圧縮歪みを加える。圧縮歪みの大きさは、井戸層21aのAl組成によって調整される。図4(c)には、伝導帯GC及び価電子帯GVが示されている。本実施例では、これらは、GaNの伝導帯DCGaN及び価電子帯DVGaNと同じである。符号EBは障壁層のバンドギャップを示し、符号EWは井戸層のバンドギャップを示すとき、バンドギャップ差△EGaN(=EB−EW)は、井戸層21aのAl組成の増加と共に大きくなり、また井戸層21aのバンドギャップを所定の波長に合わせるために井戸層21aのIn組成が調整される。偏光度の関して好適な量子閉じ込め性を得るために、バンドギャップ差△EGaNは、例えば1eV以下であることができる。また、量子井戸構造による発光効率の向上を得るためには、バンドギャップ差△EGaNは、例えば0.1eV以上であることができる。
FIG. 4 is a view showing the structure of the active layer of the light emitting diode according to the present embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 4A, the
図5は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける活性層構造を示す図面である。この実施例では、図5(a)に示されるように、発光ダイオード11bは活性層19bを含む。障壁層23bはInGaNからなることが好ましい。InGaN障壁層23bは、InAlGaN井戸層21bに圧縮歪みを加えると共に、これに伴って上記のバンドギャップエネルギ差が大きくなることを避けることができる。したがって、圧縮歪みは、InAlGaN井戸層21bとInGaN障壁層23bとを有する量子井戸構造においては、偏光度を高めるために有効である。図5(b)に示されるように、InGaN層23bの格子定数DInGaN及びInAlGaN層21bの格子定数DInAlGaNが窒化ガリウムの格子定数DGaNより大きい。このInGaN層23bはInAlGaN井戸層21bに圧縮歪みを加える。圧縮歪みの大きさは、井戸層21bのAl組成の増加と共に大きくなると共に、障壁層23bのIn組成の低下と共に大きくなる。また、圧縮歪みの大きさは、一方、井戸層21bが四元混晶である。故に、III族元素の組成を調整することによって、格子定数とバンドギャップとを独立して変更できる。図5(c)には、伝導帯GC及び価電子帯GVが示されている。また、比較のために、GaNの伝導帯DCGaN及び価電子帯DVGaNが示されている。符号EBは障壁層のバンドギャップを示し、符号EWは井戸層のバンドギャップを示すとき、バンドギャップ差△EInGaN(=EB−EW)は、井戸層21bのAl組成が増加してもIn組成を調整することによって、ある程度の範囲でバンドギャップ差△EInGaNを所望の値に設定できる。このため、InAlGaN井戸層とInGaN障壁層との格子定数差による歪みは、InAlGaN井戸層とInGaN障壁層とのバンドギャップ差△EInGaNによる量子閉じ込め性と別個に設定可能である。偏光度の関して好適な量子閉じ込め性を得るために、バンドギャップ差△EInGaNは、例えば1eV以下であることができる。また、量子井戸構造による発光効率の向上を得るためには、バンドギャップ差△EInAlGaNは、例えば0.1eV以上であることができる。
FIG. 5 is a view showing an active layer structure in the light emitting diode according to the present embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 5A, the
なお、障壁層23aのGaNに替えて、AlGaNを用いることができ、このとき、圧縮歪みの大きさは、障壁層23aのAl組成によって調整される。井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、InAlGaN及びGaNであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲A(400nm〜520nm)の発光ダイオードに好適である。520nm以上の波長では、障壁層のGaNと井戸層のInAlGaNのバンドギャップエネルギー差が大きくなりすぎ、量子閉じ込め性が高まり、偏光度が小さくなってしまう。また、井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、InAlGaN及びInGaNであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲B(480nm〜600nm)の発光ダイオードに好適である。特に長波長では、障壁層をInGaNとすると、障壁層のバンドギャップを小さくすることができ、量子閉じ込め性が高まることによる偏光度の減少を抑制することができる。また長波長では、井戸層の格子定数は比較的容易に大きくすることができ、障壁層にInGaNを用いることで障壁層の格子定数が大きくなっても、十分な歪みを井戸層にかけることができる。逆に、480nm以下の短波長領域では、バンドギャップ差が小さくできるというメリットはあるが、井戸に十分な歪みをかけることが難しくなる。さらに、井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、InAlGaN及びAlGaNであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲C(400nm〜450nm)の発光ダイオードに好適である。障壁層にAlGaNを用いることで、比較的短波長な領域でも井戸層に十分な歪みをかけることができ、偏光度を高められる。また短波であれば、バンドギャップエネルギー差は比較的容易に小さくすることができ、障壁層をAlGaNとすることでバンドギャップエネルギー差が大きくなっても、偏光度を高めることが可能である。
Note that AlGaN can be used instead of GaN of the
c面基板上に作製された発光ダイオードを液晶デバイス等の表示装置に用いるとき、偏光性の光を発生するために、バックライトの光が偏光板を通して提供される。c面基板上に作製された発光ダイオードからの光は無偏光の光であるので、無偏光の光が偏光板を通過するとき、所望の偏光方向に直交する光成分が失われて、偏光板の通過によって光出力が大きく減少する。 When a light-emitting diode manufactured on a c-plane substrate is used in a display device such as a liquid crystal device, backlight light is provided through a polarizing plate in order to generate polarizing light. Since the light from the light-emitting diode fabricated on the c-plane substrate is non-polarized light, when the non-polarized light passes through the polarizing plate, the light component orthogonal to the desired polarization direction is lost, and the polarizing plate The light output is greatly reduced by the passage of.
半極性及び非極性基板上に作製された発光ダイオードからの光は、偏光性を有するけれども、その偏光度が十分な大きさになるように活性層が構成されていない。この発光ダイオードからの光が表示装置の偏光板を通過するとき、やはり、偏光板の通過によって光出力が大きく減少する。 The light from the light emitting diodes produced on the semipolar and nonpolar substrates has a polarization property, but the active layer is not configured so that the degree of polarization is sufficiently large. When the light from the light emitting diode passes through the polarizing plate of the display device, the light output is greatly reduced by the passage of the polarizing plate.
一方、以上説明したように、本実施の形態に係る発光ダイオード11、11a、11bでは、偏光度を高めるように、高歪み井戸層の構造や低い量子閉じ込め性の構造を活性層を設けたので、半極性面上に作製された発光ダイオードからの光の偏光度を大きくできる。
On the other hand, as described above, in the
(実施例)
図6に示される工程フローに従って、有機金属気相成長法により発光ダイオード構造を作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)、モノメチルシラン(MMSi)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を用いた。
(Example)
According to the process flow shown in FIG. 6, a light emitting diode structure was fabricated by metal organic vapor phase epitaxy. Trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), ammonia (NH 3 ), monomethylsilane (MMSi), biscyclopentadienylmagnesium (CP 2 Mg) are used as raw materials for epitaxial growth It was.
工程S101では、半極性を示すGaNウエハを準備した。このGaNウエハは、c軸からa軸方向にオフ角18度で傾斜した表面を有する。リアクタ内にGaNウエハを設置した後に、工程S102で、GaNウエハの表面の熱処理を行った。熱処理条件として摂氏1100度の熱処理温度及び27kPaの炉内圧力を用いて、アンモニア及び水素をリアクタに流しながら、10分間の熱処理を行った。その後に、工程S103で、例えばSi添加のGaN層を成長した。この成長温度は、例えば摂氏1100度である。GaN層の厚さは、例えば5μmである。続いて、工程S104で活性層を形成する。基板温度を摂氏840度に変更して、工程S105でInGaN障壁層を成長した。このために、TMG、TMI及びNH3をリアクタに供給した。障壁層の厚みは例えば15nmである。その後に、基板温度を摂氏700度に変更して、工程S106で、InAlGaN井戸層を成長した。この井戸層の厚みは10nmである。InAlGaN井戸層のバンドギャップは、In0.20Ga0.80Nと同じバンドギャップに等しい。工程S107で、この障壁層−井戸層からなる構造を3周期成長した後に、その上に同じ組成のInGaN層(15nm)を成長して活性層を形成した。活性層を形成した後に、工程S108で、p型窒化ガリウム系半導体領域を成長した。まず、TMG、TMI及びTMA(III族原料)の供給を停止して、基板温度を摂氏1000度に上昇した。この基板温度で、TMG、TMA、NH3、CP2Mgをリアクタに導入して、工程S109で、電子ブロック層を成長した。この電子ブロック層は、Mg添加のp型AlGaNからなり、その厚さは20nmである。p型AlGaNを成長した後に、TMAの供給を停止して、工程S110で、p型コンタクト層を成長した。p型コンタクト層の厚さは50nmである。その後、室温まで降温してエピタキシャルウエハをリアクタから取り出した。なお、InGaN障壁層(小さいIn組成のInGaN)に替えて、GaN障壁層を形成することもできる。GaN障壁層は、例えば摂氏870度である。 In step S101, a GaN wafer showing semipolarity was prepared. This GaN wafer has a surface inclined at an off angle of 18 degrees from the c-axis to the a-axis direction. After installing the GaN wafer in the reactor, the surface of the GaN wafer was heat-treated in step S102. Using a heat treatment temperature of 1100 degrees Celsius and an in-furnace pressure of 27 kPa as heat treatment conditions, heat treatment was performed for 10 minutes while flowing ammonia and hydrogen through the reactor. Thereafter, in step S103, for example, a Si-added GaN layer was grown. This growth temperature is, for example, 1100 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer is 5 μm, for example. Subsequently, an active layer is formed in step S104. The substrate temperature was changed to 840 degrees Celsius, and an InGaN barrier layer was grown in Step S105. For this purpose, TMG, TMI and NH 3 were fed into the reactor. The thickness of the barrier layer is, for example, 15 nm. Thereafter, the substrate temperature was changed to 700 degrees Celsius, and an InAlGaN well layer was grown in Step S106. The thickness of this well layer is 10 nm. The band gap of the InAlGaN well layer is equal to the same band gap as In 0.20 Ga 0.80 N. In step S107, the barrier layer-well layer structure was grown for three cycles, and then an InGaN layer (15 nm) having the same composition was grown thereon to form an active layer. After forming the active layer, a p-type gallium nitride based semiconductor region was grown in step S108. First, the supply of TMG, TMI and TMA (Group III raw material) was stopped, and the substrate temperature was raised to 1000 degrees Celsius. At this substrate temperature, TMG, TMA, NH 3 and CP 2 Mg were introduced into the reactor, and an electron block layer was grown in step S109. This electron block layer is made of Mg-added p-type AlGaN and has a thickness of 20 nm. After growing the p-type AlGaN, the supply of TMA was stopped, and a p-type contact layer was grown in step S110. The thickness of the p-type contact layer is 50 nm. Thereafter, the temperature was lowered to room temperature, and the epitaxial wafer was taken out of the reactor. Note that a GaN barrier layer may be formed instead of the InGaN barrier layer (InGaN having a small In composition). The GaN barrier layer is, for example, 870 degrees Celsius.
上記のエピタキシャル成長により得られた積層構造は以下のものである。
GaNウエハ:n型GaN、
n型GaN層:Si添加、厚さ5μm、
障壁層:アンドープIn0.02Ga0.98N、15nm
井戸層:アンドープIn0.30Al0.05Ga0.65N、10nm
電子ブロック層:Mg添加のp型Al0.12Ga0.88N層、厚さ20nm、
コンタクト層:Mg添加のp型GaN層、厚さ50nm。
The laminated structure obtained by the above epitaxial growth is as follows.
GaN wafer: n-type GaN,
n-type GaN layer: Si added, thickness 5 μm,
Barrier layer: undoped In 0.02 Ga 0.98 N, 15 nm
Well layer: undoped In 0.30 Al 0.05 Ga 0.65 N, 10 nm
Electron blocking layer: Mg-added p-type Al 0.12 Ga 0.88 N layer, thickness 20 nm,
Contact layer: Mg-doped p-type GaN layer, thickness 50 nm.
この方法で成長したウエハをリアクタから取り出し、フォトルミネッセンス光の偏光性の測定を行った。その偏光度は0.8と大きな直線偏光性を有する発光素子を作製できた。 The wafer grown by this method was taken out of the reactor, and the polarization property of the photoluminescence light was measured. A light-emitting element having a linear polarization with a degree of polarization as high as 0.8 could be produced.
この実施例では、障壁層としてGaNまたはInGaNを用いていること、井戸層の幅を広めの10nmとしていること、井戸層として四元混晶のInUAlVGa1―U−VN(0<U<1、0<V<1)を用いた。このため、c軸が70度以下のオフ角で傾斜したGaNウエハでは、量子閉じ込めを弱くするほど、また井戸層の歪みを大きくするほど、大きな偏光度が得られる。前者の目的で井戸幅は広めの10nmとした。広すぎる井戸幅は量子閉じ込め効果がなくなり発光の内部量子効率が低下するので、井戸幅は10nmを越えないことが好ましい。一方、歪み増加のために障壁層と井戸層の格子定数差が大きくなるように井戸層に4元混晶InAlGaNを用いた。4元混晶を用いることによってInとAlの組成を調整して井戸層とのバンドオフセットをほぼ一定に保ちながら、InGaNからなる井戸層に比べて格子定数差を大きくできる。以上説明したように、InAlGaN井戸層とInGaN(或いはGaN)障壁層を含む量子井戸構造においては、歪みを大きくすると共に障壁の高さを維持または低減することができる。 In this embodiment, it is used GaN or InGaN as a barrier layer, it is set to 10nm in spreading width of the well layer, In the quaternary mixed crystal as a well layer U Al V Ga 1-U- V N (0 <U <1, 0 <V <1) was used. For this reason, in a GaN wafer in which the c-axis is inclined at an off angle of 70 degrees or less, the degree of polarization increases as the quantum confinement is weakened and the well layer strain is increased. For the former purpose, the well width was set to a wide 10 nm. A well width that is too wide eliminates the quantum confinement effect and lowers the internal quantum efficiency of light emission. Therefore, the well width preferably does not exceed 10 nm. On the other hand, quaternary mixed crystal InAlGaN was used for the well layer so that the lattice constant difference between the barrier layer and the well layer was increased to increase the strain. By using a quaternary mixed crystal, the composition of In and Al can be adjusted to keep the band offset from the well layer substantially constant, while the lattice constant difference can be made larger than that of a well layer made of InGaN. As described above, in the quantum well structure including the InAlGaN well layer and the InGaN (or GaN) barrier layer, the strain can be increased and the barrier height can be maintained or reduced.
InGaN井戸層及びInAlGaN障壁層の組み合わせでは、圧縮歪みの増加と量子閉じ込めの低減とは両立できない。故に、InAlGaN障壁層は、偏光度を向上できない。一方、井戸層にInAlGaNを用いることによって、InGaNを用いる発光素子の発光波長と同じ発光波長を提供すると共に偏光度を高めるために、バンドオフセットの増大を低減しつつ障壁層と井戸層間の歪みを大きくできる。故に、偏光度の大きな発光ダイオードを偏光性が必要なデバイスに用いることで、偏光板によるロスを小さくできる。 The combination of an InGaN well layer and an InAlGaN barrier layer cannot achieve both an increase in compressive strain and a reduction in quantum confinement. Therefore, the InAlGaN barrier layer cannot improve the degree of polarization. On the other hand, by using InAlGaN for the well layer, in order to provide the same emission wavelength as that of the light-emitting element using InGaN and to increase the degree of polarization, the strain between the barrier layer and the well layer is reduced while increasing the band offset. Can be big. Therefore, the loss due to the polarizing plate can be reduced by using a light-emitting diode having a high degree of polarization for a device that requires polarization.
井戸層は、障壁層に比べ格子定数が大きく、井戸層と障壁層との2つの界面において界面方向に圧縮歪みを受ける。また、井戸層は、障壁層に比べバンドギャップが小さいので、障壁層のポテンシャル障壁は、井戸層にその両側から量子閉じ込め効果を作用する。圧縮歪み及び量子閉じ込めにより、発光に関わる電子状態を決定する伝導帯と正孔状態を決定する価電子帯とが変更を受ける。特に、この価電子帯の量子準位の再配列が偏光度に大きく関係する。図1に示されるように、井戸層面内でc軸のオフ方向に軸X1を規定し、オフ方向と垂直の方向に軸X2を規定し、井戸層の積層方向に軸X3を規定する。量子準位の変更により、これらの3方向にそれぞれ偏光を持つ光が、エネルギE1、E2、E3の量子準位に存在する正孔と伝導帯の電子との再結合により発生される。このとき、準位エネルギE3は常に準位エネルギE1、E2よりも低いので、再結合発光時にエネルギE3の準位に正孔が存在することはない。故に、LEDからの光はX3方向の偏光成分は持たない。 The well layer has a larger lattice constant than the barrier layer, and is subjected to compressive strain in the interface direction at the two interfaces between the well layer and the barrier layer. In addition, since the well layer has a smaller band gap than the barrier layer, the potential barrier of the barrier layer acts on the well layer from both sides thereof. Due to the compressive strain and quantum confinement, the conduction band that determines the electronic state involved in light emission and the valence band that determines the hole state are changed. In particular, the rearrangement of quantum levels in the valence band is greatly related to the degree of polarization. As shown in FIG. 1, an axis X1 is defined in the c-axis off direction within the well layer plane, an axis X2 is defined in a direction perpendicular to the off direction, and an axis X3 is defined in the well layer stacking direction. By changing the quantum level, light having polarization in each of these three directions is generated by recombination of holes existing in the quantum levels of energy E1, E2, and E3 and electrons in the conduction band. At this time, since the level energy E3 is always lower than the level energies E1 and E2, holes do not exist at the level of the energy E3 during recombination light emission. Therefore, the light from the LED has no polarization component in the X3 direction.
また、オフ角がゼロ又は実質的にゼロである、すなわちc面GaN基板上では、エネルギE1とE2が常に等しく、X1とX2方向の偏光成分が等しいので、偏光度はゼロである。 Further, the off-angle is zero or substantially zero, that is, on the c-plane GaN substrate, the energies E1 and E2 are always equal, and the polarization components in the X1 and X2 directions are equal, so the degree of polarization is zero.
オフ角が70度以下では、井戸層の歪みが大きくなるほど、格子の弾性定数と変形ポテンシャルの異方性から、エネルギE2がエネルギE1よりも高くなる。故に、X2方向の偏光度が高まる。一方、井戸層の量子閉じ込めが大きくなると、分極ベクトルの異方性から、エネルギE1がエネルギE2よりも高くなり、X1方向の偏光度が高まる。 When the off angle is 70 degrees or less, as the strain of the well layer increases, the energy E2 becomes higher than the energy E1 due to the elastic constant of the lattice and the anisotropy of the deformation potential. Therefore, the degree of polarization in the X2 direction is increased. On the other hand, when the quantum confinement of the well layer increases, the energy E1 becomes higher than the energy E2 due to the anisotropy of the polarization vector, and the degree of polarization in the X1 direction increases.
このように歪みと量子閉じ込めの効果は、エネルギE1とエネルギE2の大小関係に対して逆向きに働くので、特にX2方向の偏光度を高めるためには、大きな歪みと弱い量子閉じ込めを持つ量子井戸構造を形成することが有効である。 Thus, the effect of strain and quantum confinement works in the opposite direction with respect to the magnitude relationship between energy E1 and energy E2, and in order to increase the degree of polarization in the X2 direction in particular, a quantum well having large strain and weak quantum confinement. It is effective to form a structure.
以上説明したように、本実施の形態におけるオフ角範囲の半極性において、弱い閉じ込め及び大きな歪みにより偏光度の向上が可能にあることが理解される。 As described above, it is understood that the degree of polarization can be improved by weak confinement and large distortion in the semipolarity in the off-angle range in the present embodiment.
発光素子の発光の偏光度が0.6以上であるとき、成分I1が成分I2の4倍大きいことになる。理想的には、80%程度の光が偏光板を透過する。偏光度の下限(0.6)を満たす発光素子は、偏光度を持たない(すなわち50%程度の光透過である)発光素子に対して大きな利点を有する。 When the polarization degree of light emission of the light emitting element is 0.6 or more, the component I1 is four times larger than the component I2. Ideally, about 80% of the light passes through the polarizing plate. A light-emitting element that satisfies the lower limit (0.6) of the degree of polarization has a great advantage over a light-emitting element that does not have a degree of polarization (that is, light transmission of about 50%).
また、本実施の形態では、大きな歪みと弱い閉じ込めにより、X2方向の偏光度を高める量子井戸構造を用いている。これとは逆に、小さな歪みと強い閉じ込めによってX1方向の偏光度を高める量子井戸構造が利用可能である。しかしながら、量子閉じ込めを強くするためには、薄い井戸層を用いると共に、バンドオフセットを大きくする必要がある。特に、井戸層の幅を小さくすることが、量子閉じ込め効果を高めるための有効である。しかし、500nm以上の長波長の発光を得るためには、長波化のためにはあまり井戸層の幅を小さくすることができず、量子閉じ込めを十分大きくすることが良い方策ではなくなる。このような波長では、十分な偏光度を持った量子井戸構造が作製できない。 In this embodiment, a quantum well structure is used that increases the degree of polarization in the X2 direction by large strain and weak confinement. On the contrary, a quantum well structure that increases the degree of polarization in the X1 direction by a small strain and strong confinement can be used. However, in order to strengthen the quantum confinement, it is necessary to use a thin well layer and increase the band offset. In particular, reducing the width of the well layer is effective for enhancing the quantum confinement effect. However, in order to obtain light having a long wavelength of 500 nm or more, the width of the well layer cannot be reduced so as to increase the wave length, and it is not a good measure to sufficiently increase the quantum confinement. At such a wavelength, a quantum well structure having a sufficient degree of polarization cannot be produced.
一方、井戸層への大きな歪みと弱い量子閉じ込めによりX2方向の偏光度を高めるように方策は、本来的に井戸層の幅を広くする方が偏光度を大きくするために有効であるので、長波長の発光素子を作製することに合致する。これは、正の偏光度を大きくすることになる。 On the other hand, the measure to increase the degree of polarization in the X2 direction by large strain in the well layer and weak quantum confinement is effective for increasing the degree of polarization by increasing the width of the well layer. This corresponds to the production of a light emitting device having a wavelength. This increases the positive degree of polarization.
井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、InAlGaN及びAlGaNであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲400nm〜450nmの発光ダイオードに好適である。この波長範囲では、活性層の格子定数が比較的小さく、障壁層がGaN及びInGaNでは、井戸層と障壁層の格子定数差が小さくなり、井戸層に十分な歪みをかけることが出来ない。一方、障壁層にAlGaNを用いると、この波長範囲でも十分な格子定数差が生まれ、井戸層に十分な歪みをかけることができ、偏光度を高められる。また、上記の波長範囲であれば、井戸層と障壁層のバンドギャップエネルギー差はもともと小さく、障壁層をAlGaNにすることによってバンドギャップエネルギー差が大きくなっても、偏光度を下げる効果は小さい。 The material of the well layer and the barrier layer can be InAlGaN and AlGaN, respectively. This combination is suitable for a light emitting diode having an emission wavelength range of 400 nm to 450 nm. In this wavelength range, the lattice constant of the active layer is relatively small, and when the barrier layer is GaN and InGaN, the lattice constant difference between the well layer and the barrier layer is small, and the well layer cannot be sufficiently distorted. On the other hand, when AlGaN is used for the barrier layer, a sufficient difference in lattice constant is produced even in this wavelength range, and the well layer can be sufficiently distorted to increase the degree of polarization. In addition, within the above wavelength range, the difference in band gap energy between the well layer and the barrier layer is originally small, and even if the band gap energy difference is increased by using AlGaN as the barrier layer, the effect of reducing the degree of polarization is small.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
13…基板、15…n型窒化ガリウム系半導体領域、17…p型窒化ガリウム系半導体領域、19…活性層、VC…c軸方向を示すベクトル、VN…基板主面の法線方向を示すベクトル、21、21a、21b…井戸層、23、23a、23b…障壁層、△E…バンドギャップエネルギ差、△d…格子定数差、P…偏光度、25…電子ブロック層、27…p型コンタクト層、31、33…電極、35…パッド電極
13 ... substrate, 15 ... n-type gallium nitride based semiconductor region, 17 ... p-type gallium nitride based semiconductor region, 19 ... active layer, a vector showing the V C ... c-axis direction, the normal direction of the V N ... substrate
Claims (11)
六方晶系のIII族窒化物からなり、所定の方向に10度以上60度以下の角度でc面から傾斜した主面を有する基板と、
前記基板上に設けられたn型窒化ガリウム系半導体層と、
前記基板上に設けられたp型窒化ガリウム系半導体層と、
前記n型窒化ガリウム系半導体層と前記p型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記活性層は、III族元素としてAl元素、Ga元素及びIn元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含むと共に、前記所定のピーク波長を発生するように構成され、
前記障壁層の格子定数は前記井戸層の格子定数より小さく、
前記障壁層は、GaN層、InGaN層及びAlGaN層の少なくともいずれか一つを含む、ことを特徴とするIII族窒化物発光ダイオード。 A group III nitride light emitting diode that generates polarized light of a predetermined peak wavelength,
A substrate comprising a hexagonal group III nitride and having a principal surface inclined from the c-plane at an angle of 10 degrees to 60 degrees in a predetermined direction;
An n-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the substrate;
A p-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the substrate;
An active layer provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer;
The active layer includes a well layer made of a gallium nitride semiconductor mixed crystal containing Al element, Ga element, and In element as a group III element and a barrier layer made of a gallium nitride semiconductor, and generates the predetermined peak wavelength. Configured to
The lattice constant of the barrier layer is smaller than the lattice constant of the well layer,
The group III nitride light-emitting diode, wherein the barrier layer includes at least one of a GaN layer, an InGaN layer, and an AlGaN layer.
前記障壁層の格子定数は前記基板の前記六方晶系のIII族窒化物の格子定数以下であり、
前記活性層の多重量子井戸構造における前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層と前記障壁層との格子定数差の少なくともいずれか一方は、当該発光ダイオードの発光における偏光度Pが0.6以上になるように設けられており、
前記偏光度Pは、前記発光ダイオードにおける光の該X1方向の電界成分I1と該X2方向の電界成分I2とを用いて、
P=(I1−I2)/(I1+I2)
によって規定される、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。 In an orthogonal coordinate system composed of an X1 axis, an X2 axis, and an X3 axis orthogonal to each other, the n-type gallium nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type gallium nitride semiconductor layer are arranged in the X3 axis direction. The X2 axis indicates the direction of inclination of the c-axis of the group III nitride,
The lattice constant of the barrier layer is less than or equal to the lattice constant of the hexagonal group III nitride of the substrate;
At least one of a band gap energy difference between the well layer and the barrier layer and a lattice constant difference between the well layer and the barrier layer in the multiple quantum well structure of the active layer is a degree of polarization in light emission of the light emitting diode. P is set to be 0.6 or more,
The degree of polarization P uses the electric field component I1 in the X1 direction and the electric field component I2 in the X2 direction of light in the light emitting diode,
P = (I1-I2) / (I1 + I2)
The group III nitride light-emitting diode according to any one of claims 1 to 7, characterized by:
The group III nitride light-emitting diode according to claim 1, wherein the barrier layer is made of AlGaN.
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