JP2011066456A - p型活性層を有するIII族窒化物発光装置 - Google Patents

p型活性層を有するIII族窒化物発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】活性領域に少なくとも1つのp型層を有するIII族窒化物発光装置を提供する。
【解決手段】n型層、p型層、及び、p型層とn型層との間で発光することができる活性領域を含むIII族窒化物発光装置。活性領域は、少なくとも1つの付加的なp型層を含む。活性領域のp型層は、量子井戸層又はバリア層とすることができる。いくつかの実施形態では、活性領域の量子井戸層及びバリア層の両方ともp型である。いくつかの実施形態では、活性領域のp型層の平均転位密度は、約5×108cm-2よりも小さい。
【選択図】図3

Description

本発明は、活性領域に少なくとも1つのp型層を有するIII族窒化物発光装置に関する。
半導体発光装置(LED)は、現在入手できる光源の中で最も効率がよいものの1つである。可視スペクトルに亘って作動可能な高輝度LEDの製造分野で最近興味が持たれている材料システムには、III−V族半導体、特に、一般式がAlxInyGazN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)で示され、III族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び、窒素の二元、三元、及び、四元合金が含まれる。一般に、III族窒化物LEDは、組成とドーパント濃度とが異なる半導体層のスタックを、サファイア、炭化珪素、又は、III族窒化物の基板上に金属/有機物化学蒸着(MOCVD)、分子線エピタキシ(MBE)、又は、他のエピタキシャル手法により、エピタキシャル成長させて作られる。スタックには、基板上に形成された例えばSiでドープされた1つ又はそれ以上のn型層、1つ又は複数のn型層上に形成された発光又は活性領域、及び、活性領域上に形成された例えばMgでドープされた1つ又はそれ以上のp型層が含まれることが多い。活性領域は、(一般に、Siドープ又はアンドープ)n型である。
本発明の実施形態によれば、III族窒化物LEDは、n型層、p型層、及び、p型層とn型層との間で発光することができる活性領域を含む。活性領域は、少なくとも1つの付加的なp型層を含む。活性領域のp型層は、量子井戸層又はバリア層としてもよい。いくつかの実施形態では、活性領域の量子井戸層及びバリア層のいずれもp型である。
いくつかの実施形態では、活性領域のp型層の平均転位密度は、約5×108cm-2よりも小さい。低い欠陥密度で活性層にp型層を作るためのいくつかの方法が開示されている。第1に、デバイス層を低い欠陥密度でAlInGaN基板上に作ることができる。第2に、デバイス層を、水素化物気相成長によって形成された厚いAlInGaN層上に作ることができる。第3に、デバイス層を、エピタキシャル側方過成長によって形成されたAlInGaN層上に作ることができる。
n型活性領域を有するLEDの一部分のエネルギバンド図である。 III族窒化物LEDに対する電流を関数とした外部量子効率をプロットした図である。 本発明の実施形態によるLEDを示す図である。 パッケージ型LEDを示す図である。
図1は、順方向バイアスされたIII族窒化物LEDのエネルギバンド図の一部分を示す。図1は、p型GaN層1、p型AlGaN被覆層2、n型活性領域3、及び、n型GaN又はInGaN層4を示す。活性領域3は、バリア層によって分離されてA、B、C、及び、Dでラベル付けされたいくつかの量子井戸を含む。電子Eは、n型層4から活性領域に入り、正孔Hは、p型層1から活性領域に入る。電子及び正孔は、活性領域で再結合して発光する。
高い電流密度(>50A/cm2)では、n型又はアンドープ活性領域を有するIII族窒化物LEDの内部量子効率は低下する。図2は、電流の関数としたIII族窒化物LEDの外部量子効率を示している。図2に示すように、外部量子効率は、非常に低い電流でピークとなり、電流が増加するに従って低下する。1つの可能な説明は、n型III族窒化物材料の正孔の拡散長さが短く、また、量子井戸間のバリアのために、正孔は、図1の量子井戸Aの中には効率よく注入されることになるが、「より深い」量子井戸B、C、及び、Dまで拡散するのは概ね不可能であるということである。その結果、これらの井戸は、概ね正孔が空のままに残されることになる。電子は、III族窒化物材料の正孔よりもかなり動きやすいので、正孔の正の荷電によって引き付けられ、高い正孔濃度の区域に集まることになる。その結果、電流密度が高い時に量子井戸Aの電子の母集団が過度に大きくなり、充填して過度の電子のp型層1及び2内への漏れを引き起こす状態をもたらすことになる。この漏洩電流は、目標とする波長の光を発生させることができないので有害である。すなわち、量子井戸Aの過度の電荷担体、及び、量子井戸B〜Dの電荷担体が比較的不足することが、図2に示す高電流時の外部量子効率が低下する原因とすることができる。
図3は、本発明の実施形態によるLEDを示す。図3の装置は、基板10上に形成されたn型層11を含む。n型層11は、例えば、核生成層、バッファ層、コンタクト層、及び、アンドープ層を有するいくつかの異なる副層を含むことができる。活性領域12は、n型層11上に形成される。活性領域12は、単一の量子井戸か、又は、バリア層13によって分離された多重の量子井戸14とすることができる。p型層15は、活性領域12の上に形成される。n型層11と同様に、p型層15は、多重の副層を含むことができる。半導体層の一部分はエッチングで取り除かれ、n型層11の副層のうちの1つの上に棚部を出現させる。nコンタクト17が、次に、n型層11上に堆積され、pコンタクト16が、p型層15上に堆積される。次に、装置は裏返され、コンタクト16及び17に相互接続18が取り付けられる。相互接続は、例えば半田としてもよく、コンタクト16及び17をサブマウント(図示せず)に接続するために使用される。図3の装置ではn型層が基板に隣接するとして説明したが、p型層が基板に隣接するように層の順序を逆にしてもよい。
本発明の実施形態によれば、活性領域12の少なくとも1つの層は、p型にドープされる。この少なくとも1つのp型層は、量子井戸層か、又は、多重量子井戸活性領域のバリア層とすることができる。いくつかの実施形態では、量子井戸層及びバリア層は、いずれもp型にドープされる。所定の型を有する全ての層のドーピング濃度、組成、又は、厚さが同じである必要はない。例えば、活性領域の少なくとも1つのp型層が量子井戸層の場合、装置の他の量子井戸層のドーピング濃度、組成、及び、厚さは、p型量子井戸層と同じか又は異なっていてもよい。
活性領域のp型層は、それが量子井戸層又はバリア層のいずれであっても、正孔の濃度が約1015cm-3から1019cm-3の範囲とすることができ、通常は約1016cm-3から約1018cm-3の範囲である。ドーパントは、Mg、Zn、Be、Cd、又は、結合エネルギが約300meVよりも小さい任意の他の浅いアクセプタのような任意の適切なp型ドーパントとすることができる。III族窒化物装置では、p型ドーパントとしてMgが使用される場合が多い。Mgがドーパントの場合、活性領域のp型層のMgの濃度は、上述の正孔濃度を達成するために、約1017cm-3から約1021cm-3の範囲とすることができ、通常は約1018cm-3から約1020cm-3の範囲である。上述のように、バリア及び量子井戸の正孔濃度は同じである必要はない。また、異なる量子井戸又は異なるバリア層間の正孔濃度も同じでなくてもよい。
本発明のいくつかの実施形態では、活性領域12の全ての層はp型である。他の実施形態では、活性領域12内にp−n接合が位置することがあり、p−n接合のn側上の活性領域にn型層が存在し得ることを意味する。
活性領域の量子井戸層は、GaN又はInGaNとすることができる。量子井戸層におけるInの配合は、0%から約30%の範囲とすることができ、通常は約5%から約20%の範囲である。活性領域のバリア層は、バンドギャップが量子井戸層のバンドギャップよりも大きいことを条件として、GaN、InGaN、AlGaN、又は、AlInGaNとすることができる。量子井戸層の厚さは、一般に約10オングストロームから約50オングストロームの範囲である。バリア層の厚さは、一般に約10オングストロームから約300オングストロームの範囲である。
いくつかの実施形態では、被覆層は、活性領域の一方の側又は両側に形成することができる。被覆層は、例えば、量子井戸層よりもバンドギャップが広いAlGaN、GaN、又は、AlInGaNとすることができる。これらの被覆層は、n型層11及びp型層15の一部と考えてもよい。
III族窒化物半導体の電子の拡散率は、正孔の拡散率よりも大きい。その結果、p型材料の電子の拡散長さは、n型材料の正孔の拡散長さよりもはるかに長い。それに加えて、正孔は、p型活性領域において容易に利用可能である。すなわち、p型多重量子井戸活性領域において、電子及び正孔は、n型活性領域の場合のようにp−n接合に最も近接した量子井戸に主として濃縮されるよりも、むしろ量子井戸間でより均一に分配されることになる。また、p型活性領域を有する装置において、p−n接合の位置は、n型活性領域を有する装置におけるp−n接合の位置と比べてそれほど重大ではない。n型活性領域では、p−n接合と量子井戸との間の距離がn型活性領域の正孔の拡散長さよりも短くなるように、p−n接合の位置は厳密に制御されなければならない。電子がp型活性領域内で容易に移動することができ、正孔が容易に利用可能であるから、量子井戸に対するp−n接合の配置はそれほど重大ではない。
p型量子井戸は、光学的又は電気的に注入された時に光を殆ど又は全く放射しない傾向があるので、従来のIII族窒化物LEDは、n型活性領域で作られる。n型活性領域は、意図的なSiドーピングから形成されるが、あるいは、浅いドナーとして作用する残留不純物及び自然の欠陥によりn型導電性を本質的に示す、アンドープGaN又はInGaNの成長した結果としてもまた形成することができる。n型III族窒化物の効率的な放射再結合に対する1つの有望な説明としては、n型窒化物材料の正孔の拡散長さが標準的な転位間隔よりもはるかに短いということである。結晶質III族窒化物材料内での転位は、非放射再結合を通じて電荷担体の量子井戸を奪うことにより、量子井戸の内部量子効率を低下させる。いくつかの転位密度に対応する転位間隔は、以下の通りである。
Figure 2011066456
サファイア又はSiC基板上に作られた市販のLEDの転位密度は、約5×108cm-2から約1010cm-2の範囲とすることができる。GaNにおいては、n型材料の正孔の拡散長さは、約0.05μmであると考えられている。すなわち、n型活性領域の転位は、非放射再結合をもたらすことができるが、ほとんどの正孔は、転位まで達するほど十分に遠くまで横方向に拡散できないので、その転移は、装置の内部量子効率に対して目立った影響を与えない。事実、ムカイ他(1998年、日本応用物理学会誌、第37巻、L839〜841ページ)により、アンドープ活性層を有するGaNベースLEDの平均転位密度の1010cm-2から7×106cm-2までの減少は、InGaNのLED効率に何ら影響しないことが報告されている。
p型GaNの電子の拡散長さは、1μmに近いか又はそれを超え、n型GaNの正孔の拡散長さよりもはるかに長い。p型活性層を有し、転位密度が約5×108cm-2から約1010cm-2の範囲の装置では、電子の拡散長さは、平均転位間隔よりもはるかに長く、多くの電子が転位において正孔と非放射再結合するのを可能にするであろう。これが、p型活性層を有する効果的なIII族窒化物LEDが報告されておらず、全ての公知の市販装置がn型(Siドープ、又は、アンドープ)活性層を有する主な理由である。平均転位間隔が活性領域の電子の拡散長さよりも小さくなるように活性領域の転位密度を小さくすると、p型活性領域を有する装置の内部量子効率を増大させることができる。例えば、n型活性領域を有する青色LEDは、20mAの駆動電流、及び、470nmにおいて、10mW又はそれ以上の出力電力を有することができる。p型活性領域を有する装置は、1mWよりも少ない出力電力を示している。本発明の実施形態は、出力が1mWをはるかに超え、図2に示すような高電流密度における効率低下の問題のないp型活性領域装置を可能にすることができる。1μmを超える拡散長さを仮定すると、平均転位密度の約108cm-2又はそれ以下への低減は、p型活性領域を効率的に発光させるのに十分なはずである。平均転位密度の約107cm-2又はそれ以下への更なる低減は、より高い放射効率をもたらすであろう。
いくつかの実施形態では、活性領域に少なくとも1つのp型層を有するLEDは、活性領域の転位密度が約5×108cm-2又はそれ以下になるように作られる。活性領域の転位密度を低くする方法はいくつかある。第1に、装置は、平均転位密度が104cm-2から106cm-2と報告されている大きな単一結晶GaN基板上に作ることができる。第2に、装置は、水素化物気相成長によって形成された厚いGaN層(>5ミクロン)上に作ることができる。第3に、装置は、エピタキシャル横方向過成長(ELOG)、又は、マスク又は隙間上の横方向成長を伴う任意の関連手法によって形成された低欠陥密度GaN層上に作ることができる。ELOG成長の間、GaNのポケットは、サファイアのような従来の基板上に成長する。マスクは、マスクされていない区域にGaNが塔又はピラミッド状に垂直に成長するように、成長の前に基板上に堆積される。GaNは、その後、マスクの上に横方向に成長する。結晶が横方向に成長するので、格子不整合基板上の成長によって引き起こされたマスクされていない区域の欠陥の多くは、横方向成長区域の中に伝播されず、p型活性領域に対する十分に低い欠陥密度(<〜107cm-2)の区域を生じる。
III族燐化物LEDのような他の材料システムで作られたLEDは、p型活性領域を使用するが、これら他の材料システムには、高欠陥密度に関する同様の問題はない。例えば、III族燐化物装置は、半導体デバイス層と密接に整合した基板上に成長させることができ、III族窒化物装置と比較して欠陥密度が非常に低い装置をもたらす。
図4は、パッケージ型LEDの分解図である。ヒートシンクスラグ100は、差込みリードフレーム106の中に入れられる。スラグ100は、任意選択の反射体カップ102を含むことができる。上述の装置のいずれであってもよいLEDダイ104は、直接的又は熱伝導性サブマウント103を通じて間接的にスラグ100に取り付けられる。光学レンズ108を追加してもよい。
本発明が詳細に説明されたが、当業者は、本発明の開示により、本明細書に説明された革新的概念の精神から逸脱することなく本発明に対する変更を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図解及び説明された特定の実施形態に限定されるようには意図されていない。
以下に本発明の実施態様を記載する。
〔態様1〕n型層と、第1のp型層と、前記n型層と前記p型層との間に配置され、少なくとも、約5×108cm-2よりも小さい平均転位密度を有する第2のp型層を有する、光を発することができる活性領域と、を含むことを特徴とするIII族窒化物発光装置。
〔態様2〕前記第2のp型層は、AlxInyGazNを含み、ただし、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1であることを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様3〕前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記第2のp型層は、少なくとも1つの量子井戸を含む、ことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様4〕前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記第2のp型層は、少なくとも1つのバリア層を含む、ことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様5〕前記第2のp型層の平均転位密度は、約108cm-2よりも小さいことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様6〕前記第2のp型層の平均転位密度は、約107cm-2よりも小さいことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様7〕前記第2のp型層の正孔濃度は、約1015cm-3と約1019cm-3との間であることを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様8〕前記第2のp型層の正孔濃度は、約1016cm-3と約1018cm-3との間であることを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様9〕前記第2のp型層は、約1017cm-3と約1021cm-3との間の濃度までMgでドープされることを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様10〕前記第2のp型層は、約1018cm-3と約1020cm-3との間の濃度までMgでドープされることを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様11〕前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記複数の量子井戸層は、0≦y≦0.3のAlxInyGazNであり、前記複数の量子井戸層の厚さは、約10オングストロームから約50オングストロームの範囲である、ことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様12〕前記バリア層のIn組成は、前記量子井戸層のIn組成よりも少なく、
前記バリア層の厚さは、約10オングストロームから約300オングストロームの範囲である、ことを特徴とする態様11に記載の発光装置。
〔態様13〕前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記量子井戸層の各々と前記少なくとも1つのバリア層は、p型である、ことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様14〕GaNを有する成長基板を更に含むことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様15〕前記n型層に接続された第1のコンタクトと、前記p型層に接続された第2のコンタクトと、を更に含むことを特徴とする態様1に記載の発光装置。
〔態様16〕前記第1のコンタクトに電気的に接続された第1のリードと、前記第2のコンタクトに電気的に接続された第2のリードと、前記活性領域の上に重なるレンズと、を更に含むことを特徴とする態様15に記載の発光装置。
〔態様17〕前記第1のコンタクト及び前記第2のコンタクトは、装置の同じ側に形成されることを特徴とする態様15に記載の発光装置。
〔態様18〕前記第1のコンタクト及び前記第2のコンタクトは、装置の各反対側に形成されることを特徴とする態様15に記載の発光装置。
〔態様19〕成長基板を準備する段階と、前記基板の上に重なるn型層を形成する段階と、第1のp型層を含み、欠陥密度が約5×108cm-2よりも小さく、前記n型層の上に重なった、光を発することができる活性領域を形成する段階と、前記活性領域の上に重なるp型層を形成する段階と、を含むことを特徴とする、III族窒化物発光装置を作る方法。
〔態様20〕成長基板を準備する段階は、欠陥密度が約107cm-2よりも小さいGaN基板を準備する段階を含むことを特徴とする態様19に記載の方法。
〔態様21〕前記成長基板と前記n型層との間に、水素化物気相成長により、約107cm-2よりも小さい欠陥密度と、約5ミクロンと約500ミクロンとの間の厚さとを有するGaN層を形成する段階、を更に含むことを特徴とする態様19に記載の方法。
〔態様22〕前記成長基板と前記n型層との間に、エピタキシャル側方過成長により、約107cm-2よりも小さい欠陥密度を有するGaN層を形成する段階、
を更に含むことを特徴とする態様19に記載の方法。
10 基板
11 n型層
12 活性領域
13 バリア層
14 量子井戸
15 p型層

Claims (15)

  1. n型層と、
    第1のp型層と、
    前記n型層と前記第1のp型層との間に配置され、5×108cm-2よりも小さい平均転位密度を有する第2のp型層を有する、光を発することができる活性領域と、を含み、
    前記第2のp型層が量子井戸を含むことを特徴とするIII族窒化物発光装置。
  2. 前記第2のp型層は、AlxInyGazNを含み、ただし、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記第2のp型層の平均転位密度は、108cm-2よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記第2のp型層の正孔濃度は、1015cm-3と1019cm-3との間であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  5. 前記第2のp型層は、1017cm-3と1021cm-3との間の濃度までMgでドープされることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  6. 前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、
    前記複数の量子井戸層は、0≦x≦1,0≦y≦0.3,0≦z≦1,x+y+z=1のAlxInyGazNであり、
    前記複数の量子井戸層の厚さは、10オングストロームから50オングストロームの範囲である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  7. 前記バリア層のIn組成は、前記量子井戸層のIn組成よりも少なく、
    前記バリア層の厚さは、10オングストロームから300オングストロームの範囲である、
    ことを特徴とする請求項6に記載の発光装置。
  8. 前記活性領域は、少なくとも1つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、
    前記量子井戸層の各々と前記少なくとも1つのバリア層は、p型である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  9. 前記n型層に接続された第1のコンタクトと、
    前記p型層に接続された第2のコンタクトと、
    を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  10. 前記第1のコンタクトに電気的に接続された第1のリードと、
    前記第2のコンタクトに電気的に接続された第2のリードと、
    前記活性領域の上に重なるレンズと、
    を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の発光装置。
  11. 前記第1のコンタクト及び前記第2のコンタクトは、装置の同じ側に形成されることを特徴とする請求項9に記載の発光装置。
  12. 前記第1のコンタクト及び前記第2のコンタクトは、装置の各反対側に形成されることを特徴とする請求項9に記載の発光装置。
  13. n型層と、
    第1のp型層と、
    前記n型層と前記第1のp型層との間に配置され、バリア層で分離された多重量子井戸層から成り、5×108cm-2よりも小さい平均転位密度を有する第2のp型層を有する、光を発することができる活性領域と、
    を含み、
    前記第2のp型層は、量子井戸を含み、
    異なる量子井戸間で正孔濃度が異なっていることを特徴とするIII族窒化物発光装置。
  14. 前記活性領域の全ての層がp型であることを特徴とする請求項13に記載の発光装置。
  15. 前記活性領域内に位置するp−n接合を更に含むことを特徴とする請求項13に記載の発光装置。
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