JP2010171272A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、AlGaInPからなるp型クラッド層及びn型クラッド層と、前記p型クラッド層及び前記n型クラッド層に挟まれたAlGaInPからなる少なくとも2層以上の活性層と、該活性層よりAl組成が高いAlGaInPからなる障壁層とを有する構造の化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであって、前記活性層と前記障壁層の界面に、該活性層よりAl組成が高く、かつ該障壁層の最大Al組成より低い、厚さ0.5〜1.7nmの領域を有する発光素子。
【選択図】図1
Description
例えばGaP基板を直接接合する方法では、例えば特許文献1に示されているようにGaPとの接合界面での障壁層が生じる問題があり、これを回避するために、長時間かつ高温の熱処理が必要となる。
この場合、他方の窓層は、貼り合わせ、若しくは結晶成長によって形成されるが、GaAs基板は光吸収層として機能するため、他方の窓層形成前に基板を除去する必要がある。
そこで、GaAs基板除去前に機械的強度を保つための強度保持板(あるいはウエハ)を、AlGaInP成長面側に貼り付けてから除去する方法も考えられる。この場合、除去されたGaAs基板面側にGaP基板を貼り付けるわけだが、GaP基板を貼り付けた後、強度保持板(あるいはウエハ)は剥離(除去)しなければならず、剥離に伴って洗浄が必要であったり、汚染などの懸念もあり、工業的にはコストが上がるばかりであまりメリットがない。
GaP厚膜層を結晶成長で形成する際、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるために必要な厚さは20μm以上である。ここで、20μm以上の膜厚のGaP層を結晶成長するためには数〜十数時間が必要である。GaP層は厚膜になるほどGaP側面からの光取り出し増大効果が望めるため、外部量子効率が増すことになる。
p型クラッド層にはMgやZnなどのp型不純物がドーピングされており、加熱されることによって、熱力学に従って拡散し、活性層中にも拡散することが知られている。活性層中に拡散したp型不純物は欠陥を形成しやすいため、通電などによる素子寿命試験時に欠陥を形成し、その結果、キャリア注入効率の低下、光吸収の増大等を引き起こし、寿命試験時や実際の通電時に光出力の低下現象を引き起こす。
例えば、活性層はAl組成xが少ないため、活性層中の不純物拡散速度は、Al組成xの高いクラッド層より相対的に早く、不純物が滞在しにくい。不純物濃度は隣接する層の不純物濃度によって変わるが、活性層に隣接する層にはキャリア閉じ込めのためのクラッド層が必要であり、一般にクラッド層はドーピングされている。
このようにMQW構造をとることにより、量子井戸への閉じ込め効果によって発光効率を高めることができる。しかしながら、MQWの各層の厚さは数〜十数nmと半導体内の電子のド・ブロイ波長程度であるため、バルク型の活性層の場合と比べると大幅に各層の厚さは薄く、前述したように活性層に与える不純物拡散の影響が大きくなる。MQWにおける活性層の総厚をバルク型程度に増やせば解決できる可能性もあるが、大幅に層数を増やす必要があり、活性層の自己吸収で内部量子効率は低下する。
また障壁層の厚さを10〜20nm程度まで減らしても、直列抵抗成分はバルク活性層の1〜2割程度高い水準に留まると共に、障壁層の厚さを減らすことで閉じ込め効果が弱まり、発光出力も低下する。前述の膜厚よりも薄くすると、活性層の厚さは変わらなくなるため、活性層における量子効果を利用することができず、直列抵抗成分の高いだけのバルク型活性層と同様の特性を示すにとどまる。
従って、n型またはp型、あるいはp側とn側両者に30μm以上の厚い膜厚を有するGaP窓層を有するAlGaInP系発光素子において、高い内部量子効率と低い直列抵抗成分と、長寿命を有する発光素子を実現することは現状の技術では困難であった。
また、活性層よりAl組成が高く、障壁層の最大Al組成より低い領域の厚さを0.5nm以上とすることで、p型不純物が活性層に直接接触することを確実に防止することができる。そして1.7nm以下とすることで、Vfが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合の発生を防止することができる。すなわち、低抵抗且つ高発光強度の発光素子とすることができる。
このように、活性層の厚さを15nm以上とすることで、より確実にp型クラッド層から拡散して障壁層に滞留するMg等のp型不純物の拡散により活性層で発生する欠陥の影響を低減することができるため、素子寿命試験時や実際の通電時に光出力が低下することもなく従来のバルク型と同等の寿命特性が得られるとともに多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を発揮させることができる。また、50nm以下とすることで、Vfが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合を防止できる。
このように、障壁層のうち、n型クラッド層に近い側の障壁層がp型クラッド層に近い側の障壁層に比べてAl組成が同じか高くすること、即ちp型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップをn型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップより同じか小さくすることで、n型キャリアをp型クラッド層近傍まで拡散できるようにすることができる。
また、p型キャリアはn型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がn型キャリアより低かったが、上述のように障壁を下げることで、p型クラッド層側での障壁のホッピング確率を増加させることができ、活性層中での滞在確率を増加させることができる。そしてその結果、バンドギャップが均一の障壁層を有する場合に比べ、活性層中にn型、p型両者のキャリアを均一に分布させることができる。これらの効果によって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができる。
このように、p型クラッド層からの距離がn型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のAlの組成比xを0.6≦x≦1とすることで、より直列抵抗の低い障壁層とすることができる。
このように、障壁層の厚さを5nm以上とすることで、トンネル効果によるキャリアの透過を抑制してキャリアの閉じ込め効果をより増加させることができ、更に発光効率を高めることができる。また、50nm以下とすることで、キャリアホッピング確率が低下することを抑制できる。
このように、p型クラッド層に最も近い側の活性層の厚さを最も薄い層の2倍以上の厚さとすることで、p型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が高いn型キャリアが、障壁層を越えた場合でもp型クラッド層に近い側の活性層に滞在する確率を増加させることができる。またp型クラッド層に近い側の活性層の方が厚いため、n型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が低いp型キャリアを活性層に多く滞在させることができる。これによって活性層中にn型、p型両者のキャリアが均一に分布するようになる。従って、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、低抵抗且つ高発光効率の発光素子とすることができる。
前述のように、GaP厚膜の成長を伴う発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、多重活性層型発光素子の持つ高い発光効率(特に内部量子効率)を両立させた発光素子の開発が待たれていた。
また、活性層よりAl組成が高く、障壁層の最大Al組成より低い領域の厚さを0.5nm以上とすることで、活性層にp型不純物が直接接触することを確実に防止することができる。そしてその厚さを1.7nm以下とすることで、Vfが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合の発生を確実に防止することができ、これらによって低抵抗且つ高発光強度の発光素子とすることができる。
このように、p型クラッド層に近い側の障壁層のAl組成xを0.6≦x≦1とすることで、従来に比べて直列抵抗の低い障壁層とすることができ、よって直列抵抗が従来より小さい発光素子とすることができる。
このように領域107を設けることに加えて活性層の厚さを15nm以上とすることで、より確実にp型クラッド層から拡散して障壁層に滞留するMg等のp型不純物の拡散によって活性層で発生する欠陥の影響を無くすことができる。そして光出力が低下することを抑制することができ、また従来のバルク型と同等の寿命特性を得ることができるとともに、多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を得ることができる。
更に、50nm以下とすることで、Vfが増加して消費電力が大きくなってしまう不具合が発生することを確実に防止することができる。
このように、障壁層の厚さを5nm以上とすることによって、トンネル効果によるキャリアの透過を抑制することができる。そのため、キャリアの閉じ込め効果をより増加させることができ、更に発光効率を高めることができる。
また、障壁層の厚さを50nm以下とすることで、キャリアホッピング確率が低下するのを抑制することができる。
そして、領域207のAl組成が、障壁層のAl組成まで連続的に変化した構造となっている。
そして、障壁層のバンドギャップがn型クラッド層404に最も近い障壁層からp型クラッド層408側に最も近い障壁層にかけて順次Al組成が低くなる構造であり、このような構造とすることでVfを下げることができる。ただし、n型キャリアである電子の閉じ込め効果が若干弱くなるため、第一、第二、第三の形態と比べて内部量子効率はやや低くなる(従来よりは高い)が、Vfを低くすることができる。そのため、低Vfの発光素子を求める場合、この第四の形態のような構造の化合物半導体基板を用いた発光素子が好適である。
これによって、n型キャリアをp型クラッド層近傍まで拡散させることができるようになる。また、p型キャリアはn型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がn型キャリアより低かったが、このように障壁を下げることによって、p型クラッド層側での障壁へのホッピング確率が増して活性層中での滞在確率が増し、結果としてバンドギャップが均一の障壁層を有する場合より、活性層中にn型、p型両者のキャリアを均一に分布させることができる。そして、更に直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、より高輝度且つ長寿命の発光素子とすることができる。
このような構造とすることで更にVf値を下げることができる。ただし、第四の形態の場合と異なり、n型キャリアである電子の閉じ込め効果を弱くする影響を少なくできるため、第四の形態と比べて内部量子効率をやや高くすることができ、内部量子効率を優先させた発光素子を所望する場合、この第五の形態の発光素子が好適である。
このように、p型クラッド層に最も近い側の活性層の厚さを最も薄い層より2倍以上厚くすることによって、p型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が高いn型キャリアが、障壁層を越えた場合でもp型クラッド層に近い側の活性層に滞在する確率を増加させることができる。
またp型クラッド層に近い側の活性層の方が厚いため、n型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が低いp型キャリアを活性層に多く滞在させることができる。これによって活性層中にn型、p型両者のキャリアを均一に分布させることができる。よって、直列抵抗を更に減少させることができるとともに、更なる内部量子効率の向上を図ることができ、更なる低抵抗且つ高発光効率の発光素子とすることができる。
そして、先に導入したGaAs基板上に、n型InGaP緩衝層、更にn型AlGaInP(拡散抑止)層をエピタキシャル成長させる。
更に、n型AlGaInP層の表面上に、MOVPE法により、n型クラッド層をエピタキシャル成長させる。
ここで、活性層と障壁層の界面に、厚さ0.5〜1.7nmの範囲で、該活性層よりAl組成が高く、かつ該障壁層の最大Al組成より低い領域を必ず形成する。
また、障壁層のバンドギャップは活性層より大きく、且つn型クラッド層及びp型クラッド層より同じか小さくなるようにする。
そして、活性層は少なくとも2層以上、障壁層は少なくとも1層以上とし、活性層と障壁層は交互に積層させる。
更に、n型クラッド層、p型クラッド層には必ず活性層が隣接するような構造とする。
次に、p型GaP窓層を形成する。
この窓層の形成では、先に得たMOエピタキシャル基板をMOVPEのリアクターから取り出し、HVPE法のリアクター内に入れる。そして、Znをドープし、p型GaP窓層をエピタキシャル成長させる。
そして、GaAs基板を除去することで露出したn型InGaP緩衝層の表面に、n型GaP基板を貼り付けるか、またはHVPE法を用いエピタキシャル成長によりn型GaP層を形成することで、化合物半導体基板を得ることができる。
上記MOVPE法やHVPE法によって気相成長させる際には一般的な条件を用いればよい。
上述の第一の形態(図1)のような発光素子において、障壁層の厚さを15nm、層数を9層とし、活性層の厚さを15nm、層数を10層とし、活性層と障壁層の界面の領域(活性層より高Al組成、障壁層より低Al組成)の厚さを0〜2.2nmまで変化させて発光素子を作製し、その発光素子の出力上昇率、20mAの電流を流すのに必要な電圧(Vf)を評価した。その評価結果を表1に示す。表1中の出力上昇率[%]はバルク型活性層の発光素子の発光出力からの出力上昇分で表記している。
上述の第一の形態(図1)のような発光素子において、障壁層を9層とし、厚さを15nm、領域を設けない場合(従来技術)と領域の厚さを1nm(本発明)とした場合に、活性層の厚さを15〜60nmまで変えて作製した発光素子の発光出力の結果を図6に、寿命特性の結果を図7示す。ここで発光出力は積分球輝度であり、寿命特性は50mA通電し環境温度を85℃とした加速試験にて100時間後の初期出力に対する劣化特性である。
一方、領域を設けた本発明の場合、25nmより活性層厚が減じても発光効率が低下することはなく、一様に発光強度が増加する。従って、領域を設ける効果によって、内部量子効率が上昇したことがわかる。一方、活性層の厚さが60nmでは、発光出力に関しては顕著な効果は認められない。このことは、障壁層の不純物による影響が60nm以上の膜厚では顕著ではないことを示している。従って、活性層の厚さが50nm以下の時に本発明の効果は顕著であると言える。
(実施例1)
図1に示される第一の形態のような発光素子において、障壁層(x=0.9)の厚さを15nm、層数を9層とし、活性層(x=0.1)の厚さを25nm、層数を10層とし、それらの界面に厚さ1nmの領域(x=0.7)を設け、発光出力及び寿命特性を評価した。ここで発光出力は積分球輝度であり、寿命特性は50mA通電し環境温度を85℃とした加速試験にて100時間後の初期出力に対する劣化特性とした。
図2に示すようなバンドギャップを有する発光素子において、障壁層(x=0.9)の厚さを15nm、層数を9層とし、活性層(x=0.1)の厚さを25nm、層数を10層とし、活性層から障壁層にかけて厚さ1nmの範囲でAl組成xをx=0.4〜0.9まで連続的に変化させた領域を設けた発光素子を製造し、実施例1と同様の評価を行って各特性を調べた。
図3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)に示すようなバンドギャップの発光素子において、障壁層の厚さを15nm、層数を9層とし、活性層(x=0.1)の厚さを25nm、層数を10層とし、活性層と障壁層の界面に厚さ1nmの領域(x=0.6)を設け、障壁層のAl組成xをn型クラッド層に近い4層についてはx=0.9とし、5層目から9層目については以下のように変化させた発光素子を各1ヶずつ計5種類製造し、実施例1と同様の評価を行って各特性を調べた。
図3(b)の場合は、障壁層の中央部からp型クラッド層側にかけてAl組成が最大値(x=0.9)から領域307bと同じ(x=0.6)になるように連続的に変化させた。
図3(c)の場合は、障壁層の中央部はx=0.9とし、両側1/3ずつはx=0.9から領域307cと同じ(x=0.6)になるように連続的に変化させた。
図3(d)の場合は障壁層の中央部はx=0.9とし両側1/2ずつはx=0.9から領域307dと同じ(x=0.6)になるように連続的に変化させた。
図3(e)の場合はp型クラッド層方向にx=0.8からx=0.72まで0.02ずつ減少させた発光素子を製造した。
図4に示すようなバンドギャップの発光素子において、障壁層の厚さを15nm、層数を9層とし、活性層(x=0.1)の厚さを25nm、層数を10層とし、障壁層のAl組成xをn型クラッド層に最も近い層(x=0.9)からp型クラッド層に最も近い層(x=0.73)まで0.03ずつ順次低下させた発光素子を製造し、実施例1と同様に各特性を調べた。
図5に示すようなバンドギャップの発光素子において、障壁層(x=0.9)の厚さを15nm、層数を8層とし、活性層(x=0.1)の層数を9層とし、その厚さはp型クラッド層に隣接する活性層のみ50nmとし、その他は25nmとした発光素子を製造し、実施例1と同様に各特性を調べた。
実施例1において、厚さ1nmの領域(x=0.6)を設けなかった以外は実施例1と同様の条件で発光素子を作製し、同様の評価を行って各特性を調べた。
実施例1と実施例2の比較では得られた素子特性に大きな差異はない。この事は傾斜組成か均一組成かにかかわらず、本発明の領域を設ける効果は有効であることを示している。
また、実施例3の各結果は、実施例1及び2よりVf低減と出力の低下が起こっている。ただし、この傾向はキャリアの閉じ込めを弱めたことに起因するものであり、領域の効果が減じられたことを示しているわけではない。
また実施例4及び5も同様の傾向にあるが、キャリア閉じ込め効果とのトレードオフであり、領域の効果を減じているものではない。
11…電極、
100…化合物半導体基板、
101…n型GaP層、
102…n型InGaP緩衝層、
103…n型AlGaInP(拡散抑止)層、
104,204,304a,304b,304c,304d,304e,404,504…n型クラッド層、
105…活性層、
106…障壁層、
107,207,307a,307b,307c,307d,307e,407,507…領域、
108,208,308a,308b,308c,308d,308e,408,508…p型クラッド層、
109…p型AlGaInP(拡散抑止)層、
110…p型InGaP緩衝層、
111…p型GaP窓層、
112…発光層。
Claims (6)
- 少なくとも、(AlxGa1−x)yIn1−yP(0<x<1、0.4≦y≦0.6)からなるp型クラッド層及びn型クラッド層と、前記p型クラッド層及び前記n型クラッド層に挟まれた(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦0.6、0.4≦y≦0.6)からなる少なくとも2層以上の活性層と、該活性層よりAl組成が高い(AlxGa1−x)yIn1−yP(0<x≦1、0.4≦y≦0.6)からなる障壁層とを有する構造の化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、
前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであって、
前記活性層と前記障壁層の界面に、該活性層よりAl組成が高く、かつ該障壁層の最大Al組成より低い、厚さ0.5〜1.7nmの領域を有するものであることを特徴とする発光素子。 - 前記活性層の厚さが、15nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記障壁層は、前記n型クラッド層に近い側の障壁層が前記p型クラッド層に近い側の障壁層に比べてAl組成が同じか高いものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光素子。
- 前記p型クラッド層からの距離が前記n型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のAlの組成比xが0.6≦x≦1であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記障壁層の厚さが、5nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記活性層は、前記p型クラッド層に最も近い活性層の厚さが、最も厚さの薄い活性層の2倍以上の厚さであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光素子。
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