JP2010157735A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】輝度を向上することができる半導体素子を提供する。
【解決手段】本発明の半導体素子は、基板と、当該基板の上に形成される第一クラッド層と、当該第一クラッド層の上に形成される活性領域と、当該活性領域の上に形成される第二クラッド層と、を含み、前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層、及び、不純物が添加されていない第二型の障壁層を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の半導体素子は、基板と、当該基板の上に形成される第一クラッド層と、当該第一クラッド層の上に形成される活性領域と、当該活性領域の上に形成される第二クラッド層と、を含み、前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層、及び、不純物が添加されていない第二型の障壁層を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体素子に関し、特に、半導体発光素子に関する。
半導体発光素子、例えば、発光ダイオード及びレーザーダイオードが、ディスプレー、照明及び通信などの分野に幅広く応用されている。その発光原理は、半導体発光素子に電子と正孔のようなキャリアを生成させ、活性領域において結合させることにより光子を生成し、そして、一部の光子が半導体発光素子から離脱することにより光線を出力するものである。輝度が発光素子の特性パラメータのうち一つであり、特定の周期内に発された光子の数に関係する。また、例えば、活性領域において電子と正孔の結合率を増やす方法を用いることにより、半導体発光素子の輝度を増加することができる。
一部の半導体素子の活性領域が量子井戸構造であり、そのうち量子井戸層の厚みが数ナノメートル乃至数十ナノメートルである。従来のエピタキシャル成長法、例えば、有機金属化学気相成長法（MOCVD）又は分子線エピタキシー成長法（MBE）を用いることにより、その厚みを制御する目的を達成できる。量子井戸層の厚みが非常に小さいので、電子と正孔が量子井戸層内においてクラッディング効果を生成することができ、これにより、素子に優れた性能を持たせる。しかし、キャリアが大量に注入されるときは、単一量子井戸が注入された全てのキャリアを捕獲することができないので、半導体発光素子の輝度及び出力パワーに極限値を持たせる。単一量子井戸活性領域の代わりに多重量子井戸活性領域を使用するときは、パワーが高く、輝度が高い半導体発光素子を形成することができる。
多重量子井戸半導体発光素子において、その活性領域が複数対（ペア）の量子井戸層／障壁層の交互スタック層を含む。ｎ型クラッド層が活性領域の一方側に設置され、ｐ型クラッド層が活性領域の他方側に設置され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のそれぞれからの電子と正孔が活性領域に注入される。活性領域において、電子と正孔は、互いに反対する方向に移動し、同一の井戸層に到達したときに結合することができる。よって、ｎ型クラッド層に接近すればするほど、電子の密度が高くなり、且つ、ｎ型クラッド層から離れるにつれて次第に低くなる。同じように、ｐ型クラッド層に接近すればするほど、正孔の密度が高くなり、且つ、ｐ型クラッド層から離れるにつれて次第に低くなる。正孔の遷移率及び拡散係数が電子より小さいので、正孔の密度の下がり速度が電子の密度の下がり速度より速い。ｐ型クラッド層に接近する量子井戸において電子と正孔の結合の数が多く、ｎ型クラッド層に接近する量子井戸において電子と正孔の結合の数が少ない。量子井戸の数が多ければ多いほど、例えば、数十個の量子井戸の場合、そのような、一方側に偏って結合する傾向がさらに明らかになる。よって、ｎ型クラッド層に接近するところにおいて、注入された電子の多くが、正孔と結合して光線を生成するチャンスを有せず、他の結合形式により消耗されてしまう。
ｐ型クラッド層が高濃度不純物添加層であるときは、ｐ型不純物が高い拡散性を有するので、前述の問題を緩和することができる。ｐ型不純物は、ｐ型クラッド層を成長するときにそれと結合されても、活性領域に拡散するチャンスが依然ある。ｐ型不純物が活性層に拡散することにより、素子の操作時に、余分の正孔を提供し、素子の輝度を上げることができる。しかし、前述の問題を徹底的に解決することができない。なぜならば、量子井戸の数が多いときに、ｐ型不純物が活性領域全体に拡散することができず、ｎ型クラッド層に接近する量子井戸層に電子と結合できる正孔が依然少ないので、半導体発光素子の輝度を上げることができないからである。また、ｐ型不純物が活性領域に拡散したときに、障壁層だけでなく量子井戸層にも存在するので、量子井戸層に非放射性結合中心を形成し、これらの非放射性結合中心により、注入されたキャリアの一部を消耗し、素子の輝度の向上に不利になる。
本発明の目的は、輝度を向上することができる半導体素子を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明は半導体素子を提供する。この半導体素子は、基板と、当該基板の上に形成される第一クラッド層と、当該第一クラッド層の上に形成される活性領域と、当該活性領域の上に形成される第二クラッド層と、を含み、前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層、及び、不純物が添加されていない第二型の障壁層を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する。
また、本発明は他の半導体素子を提供する。この半導体基板は、永久基板と、当該永久基板の上に形成される接合層と、当該接合層の上に形成される第二クラッド層と、当該第二クラッド層の上に形成される活性領域と、当該活性領域の上に形成される第一クラッド層と、を含み、前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層、及び、不純物が添加されていない第二型の障壁層を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する。
本発明は、輝度を向上することができる半導体素子を提供する。
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、図中の同じ又は類似する部分については、同じ符号で示す。
本発明の実施例は、活性領域が高放射性結合率のキャリアを有する半導体発光素子を提供するので、素子の輝度を上げることができる。
図１と図２に示すのは、実施例１の半導体発光素子１００の構造である。半導体発光素子１００は、基板１０２の上に形成される複数の半導体スタック層を含み、この半導体スタック層は、従来の成長方法により形成されてもよく、例えば、有機金属化学気相成長法（MOCVD）により半導体材料を成長させることにより形成されてもよい。このとき、基板１０２は、成長基板であり、また、その表面がＭＯＣＶＤシステムにおいて加熱される。異なる元素の前駆物質が基板上に流して互いに反応し、加熱された基板の表面にエピタキシャル成長層を形成する。基板１０２は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板であり、また、その上に、第一導電性の緩衝層１０４が形成される。緩衝層１０４は、基板１０２及びその上のエピタキシャル構造の格子定数の差を補償するためのものであり、また、欠陥の延伸を阻止することもできる（例えば、基板１０２からその上のエピタキシャル構造との間に延伸した転位）。緩衝層１０４は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ緩衝層である。半導体発光素子１００は、さらに、第一導電性の第一クラッド層１０６及び第二導電性の第二クラッド層１１０を含む。第一クラッド層１０６は、緩衝層１０４の上に形成され、例えば、ｎ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層である。第二クラッド層１１０は、例えば、ｐ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層である。多重量子井戸活性領域１０８が第一クラッド層１０６と第二クラッド層１１０の間に形成される。活性領域１０８を形成する材料のエネルギーギャップが第一クラッド層１０６と第二クラッド層１１０のエネルギーギャップより小さいことが要される。第二導電性の多層構造が、第二クラッド層１１０の上に形成される。この多層構造は、例えば、転換層１１２と、転換層１１２の上に形成される電流拡散層１１４と、を含んでもよい。転換層１１２は、例えば、ｐ型ＩｎＧａＰ層である。電流拡散層１１４は、例えば、ｐ型ＧａＰ層である。転換層１１２は、電流拡散層１１４と第二クラッド層１１０の格子定数の差を補償するためのものである。
図２は、図１に示す半導体発光素子１００の部分的な拡大図であり、多重量子井戸活性領域１０８の詳細な構造を示す。多重量子井戸活性領域１０８は、複数の量子井戸層１０８−４と複数の障壁層１０８−２を含み、複数対の量子井戸層／障壁層を形成し、そのうち、障壁層１０８−２は、障壁層１０８−２ａと障壁層１０８ｂを含み、交互スタックにより形成される。多重量子井戸活性領域１０８内は、数対乃至数十対、又は、ひいては１００対を超える量子井戸層／障壁層を有し、多重量子井戸活性領域１０８は、半導体材料、例えば、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又はＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等の他の類似する材料を含んでもよい。多重量子井戸活性領域１０８において、量子井戸層を形成する材料のエネルギーギャップは、障壁層を形成する材料のエネルギーギャップより小さく、これにより、キャリアは、捕獲され、量子井戸層にクラッディング（拘束）されることができる。そのうち、量子井戸層と障壁層は、例えば、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、また、異なるｘとｙの値を選択することにより、需要に応えられるエネルギーギャップを得ることができる。
実施例１において、障壁層１０８−２のうち１０８−２ａで示す障壁層は、例えば、ｐ型の第二導電性の不純物が添加されているものである。その他の１０８−２ｂで示す障壁層は、不純物が添加されていないものである。不純物が添加されている障壁層１０８−２ａは、不純物が添加されていない障壁層１０８−ｂよりも第一クラッド層１０６に接近する。不純物が添加されている障壁層１０８−２ａの数は、障壁層１０８−２の総数の二分の一以下である。不純物が添加されている障壁層１０８−２ａと結合するｐ型不純物は、正孔を提供できる元素からなるグループから選択される一つ又は複数のものであっても良く、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）又は炭素（Ｃ）を含んでもよいが、これらに限ることがない。不純物の添加濃度は、１×１０１６ｃｍ−３乃至１×１０２０ｃｍ−３である。不純物が添加されている障壁層１０８−２ａの不純物の添加濃度は、量子井戸層に接近する充分な正孔を提供できる程度の値を要する。しかし、不純物の添加濃度が高すぎると、結晶の完全性及び半導体発光素子の特性が破壊され、素子の輝度を上げることができなくなる。よって、不純物の添加濃度の選択は、素子が要する特性に達することにより決定されなければならない。素子１００を製造するときに不純物の添加濃度を調整しようとする場合、障壁層１０８−２ａを成長するときに不純物の前駆物質の流量を変えてもよい。実施例１の半導体発光素子１００によれば、不純物が添加されている障壁層１０８−２ａの不純物の適切な添加濃度は、１×１０１６ｃｍ−３乃至１×１０２０ｃｍ−３である。また、添加されるｐ型不純物は、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム又は炭素である。
また、本発明の実施例１によれば、不純物が添加されている障壁層１０８−２ａは、第二クラッド層１１０と同じ導電性を有しても、例えば、両者の導電性が共にｐ型であっても、障壁層１０８−２ａと結合する不純物と、第二クラッド層１１０と結合する不純物とは、異なる種類の元素であってもよい。例えば、障壁層１０８−２ａに添加される不純物は、亜鉛であり、第二クラッド層１１０に添加される不純物は、マグネシウムであってもよい。
半導体発光素子１００が操作するときは、第一クラッド層１０６及び第二クラッド層１１０からの、異なる導電性を有するキャリアがそれぞれ多重量子井戸活性領域１０８に注入される。例えば、電子がｎ型クラッド層１０６からであり、正孔がｐ型クラッド層１１０からである。キャリアが多重量子井戸活性領域に注入されるときに、量子井戸層１０８−４に拘束され、また、ここで結合して光子を生成し、これにより、光線を発する。ｐ型クラッド層１１０に接近する量子井戸層は、ｐ型クラッド層１１０からの充分の正孔を受けることができるので、電子と正孔は、高い結合率を達成することができる。ｎ型クラッド層１０６に接近する量子井戸層は、ｐ型クラッド層１１０からの充分の正孔を受けることができないが、その隣接する障壁層１０８−２ａに添加されているｐ型不純物は、余分の正孔を提供できるので、これらの量子井戸層において電子と結合することができる。よって、実施例１の半導体発光素子１００によれば、多重量子井戸活性領域の全ての量子井戸層は、高い結合率を達成することができるので、素子の輝度を向上することができる。
図３は、それぞれ多重量子井戸活性領域を有する三つの半導体発光素子の輝度と電流のテスト結果を示す図である。水平軸は、順電流（Ｉｆ）であり、単位がｍＡである。垂直軸は、発光強度の値（Ｉｖ）であり、単位がｍｃｄである。正方形マークとダイヤモンドマークで示す二つの曲線は、それぞれ、活性領域の中の一部の障壁層にｐ型不純物が添加されている二つの素子のテスト結果である。即ち、正方形マークで示す曲線は、活性領域の障壁層に第一添加濃度で不純物が添加されている素子のテスト結果を示し、ダイヤモンドマークで示す曲線は、活性領域の障壁層に第二添加濃度で不純物が添加されている素子のテスト結果を示し、そのうち、第一添加濃度は、第二添加濃度より高い。円形マークで示す曲線は、活性領域の障壁層に不純物が添加されていない素子のテスト結果を示す。図３によれば、活性領域の中の一部の障壁層に不純物が添加されている半導体発光素子の出力光線が増えるので、輝度も高くなるとのことが分かった。
実施例２は、輝度が増加した半導体発光素子を提供する。実施例２と実施例１との相違点は、実施例２の半導体発光素子は、厚みが１μｍより大きい第一クラッド層１０６を有し、この第一クラッド層１０６により活性領域に充分の第一導電性のキャリアを提供することができることにある。それ以外に、実施例２の半導体発光素子と実施例１の半導体発光素子の各層の材料及びその他は、全て同じである。
実施例３は、輝度が増加した半導体発光素子を提供する。実施例３と実施例１との相違点は、実施例３の半導体発光素子において多重量子井戸活性領域の全ての障壁層にｐ型不純物が添加されていることにある。それ以外に、実施例３の半導体発光素子と実施例１の半導体発光素子の各層の材料及びその他は、全て同じである。
図４は、実施例４に係る輝度が増加した半導体発光素子４００の構造図である。半導体発光素子４００の構造と実施例１の素子１００の構造の相違点は、素子４００は、接合層４０４を用いることによって永久基板４０６と接合した後に、基板１０２と緩衝層１０４を除去することにある。接合層４０４は、電流拡散層１１４と永久基板４０６との間に位置する。発光素子４００は、さらに、緩衝層１０４と第一クラッド層１０６との間にあるエッチング停止層４０２を含む。接合後、基板１０２と緩衝層１０４が除去され、エッチング停止層４０２は、従来技術、例えば、エッチング方法又は研磨方法により基板１０２と緩衝層１０４を除去するときに第一クラッド層１０６をエッチング又は研磨による傷害から保護することができる。エッチング停止層４０２の材料は、例えば、ｎ型ＩｎＧａＰである。接合層４０４は、主に、永久基板４０６と電流拡散層１１４を接合するためのものであり、その材料は、例えば、透明導電酸化物、半導体、有機材料又は金属である。永久基板４０６は、透明、導熱又は導電的であり、素子の需要に応じて定められる。それ以外に、実施例４の半導体発光素子と実施例１の半導体発光素子とは同じである。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
１００ 半導体発光素子
１０２ 基板
１０４ 緩衝層
１０６ 第一クラッド層
１０８ 多重量子井戸活性領域
１０８−２ 障壁層
１０８−２ａ 不純物添加障壁層
１０８−２ｂ 不純物未添加障壁層
１０８−４ 量子井戸層
１１０ 第二クラッド層
１１２ 転換層
１１４ 電流拡散層
４００ 半導体発光素子
４０２ エッチング停止層
４０４ 接合層
４０６ 永久基板
１０２ 基板
１０４ 緩衝層
１０６ 第一クラッド層
１０８ 多重量子井戸活性領域
１０８−２ 障壁層
１０８−２ａ 不純物添加障壁層
１０８−２ｂ 不純物未添加障壁層
１０８−４ 量子井戸層
１１０ 第二クラッド層
１１２ 転換層
１１４ 電流拡散層
４００ 半導体発光素子
４０２ エッチング停止層
４０４ 接合層
４０６ 永久基板
Claims (16)
- 半導体素子であって、
基板と、
前記基板の上に位置する第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上に位置する活性領域と、
前記活性領域の上に位置する第二クラッド層と、
を含み、
前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層と、不純物が添加されていない第二型の障壁層と、を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する、半導体素子。 - 前記活性領域は、多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造は、複数対の量子井戸層／障壁層を含み、且つ、前記各々の対の量子井戸層／障壁層のうち量子井戸層は、活性層とされ、当該活性層にはキャリアが結合し光子を生成する、
請求項１に記載の半導体素子。 - 前記各々の対の量子井戸層／障壁層のうち障壁層は、前記第一型の障壁層又は前記第二型の障壁層であり、且つ、前記第一型の障壁層の数は、前記第一型の障壁層の数と前記第二型の障壁層の数との総数の二分の一以下である、
請求項２に記載の半導体素子。 - 前記各々の対の量子井戸層／障壁層のうち、前記第一クラッド層に接近する障壁層は、前記第一型の障壁層であり、前記第二クラッド層に接近する障壁層は、前記第二型の障壁層である、
請求項２に記載の半導体素子。 - 前記活性領域は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰのうち一つからなる、
請求項２に記載の半導体素子。 - 前記基板は、ｎ型ＧａＡｓ基板であり、
前記第一クラッド層は、ｎ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層であり、
前記第二クラッド層は、ｐ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層であり、
前記第一型の障壁層は、ｐ型不純物添加層である、
請求項１に記載の半導体素子。 - 前記ｎ型クラッド層の厚みは、１μｍより大きい、
請求項６に記載の半導体素子。 - 前記第一型の障壁層及び前記第二クラッド層に添加されているｐ型不純物は、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）又は炭素（Ｃ）からなるグループより選出された一つ又は一つ以上の、正孔を提供できるｐ型不純物である、
請求項６に記載の半導体素子。 - 前記第一型の障壁層及び前記第二クラッド層にそれぞれ添加されている不純物は、異なる元素である、
請求項８に記載の半導体素子。 - 前記第一型の障壁層に添加されている不純物の添加濃度は、１×１０１６ｃｍ−３乃至１×１０２０ｃｍ−３である
請求項６に記載の半導体素子。 - さらに、前記ｐ型クラッド層の上に位置する転換層と、当該転換層の上に位置する電流拡散層と、を含む、
請求項６に記載の半導体素子。 - 前記転換層は、ｐ型ＩｎＧａＰ層であり、前記電流拡散層は、ｐ型ＧａＰ層である、
請求項１１に記載の半導体素子。 - 半導体素子であって、
永久基板と、
前記永久基板の上に位置する接合層と、
前記接合層の上に位置する第二クラッド層と、
前記第二クラッド層の上の位置する活性領域と、
前記活性領域の上に位置する第一クラッド層と、
を含み、
前記活性領域は、不純物が添加されている第一型の障壁層と、不純物が添加されていない第二型の障壁層と、を含み、且つ、前記第一型の障壁層は、前記第二型の障壁層よりも前記第一クラッド層に接近する、半導体素子。 - 前記第一クラッド層は、ｎ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層であり、
前記第二クラッド層は、ｐ型ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓクラッド層であり、
前記第一型の障壁層は、ｐ型不純物添加層である、
請求項１３に記載の半導体素子。 - さらに、前記接合層の上に位置する電流拡散層と、当該電流拡散層と前記第二クラッド層との間に位置する転換層と、を含む、
請求項１４に記載の半導体素子。 - 前記電流拡散層は、ｐ型ＧａＰ層であり、前記転換層は、ｐ型ＩｎＧａＰ層である、
請求項１５に記載の半導体素子。
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