JP2012019068A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、[0001]方向の側に向かって順に積層されたn形半導体層10、第1障壁層32a、第1井戸層31a、Al含有層40及び中間層50を備えた窒化物半導体の半導体発光素子が提供される。Al含有層は、第1井戸層に接し、第1障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、n形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、Alx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1<1、0≦y1<1)の組成を有する。中間層は、Al含有層に接し、第1井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層のn形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、中間層のp形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子110は、n形半導体層10と、p形半導体層20と、第1井戸層31aと、第1障壁層32aと、Al含有層40と、中間層50と、を備える。
p形半導体層20は、n形半導体層10の[0001]方向の側に設けられる。p形半導体層20は、窒化物半導体を含む。
Al含有層40には、例えば、Alx1Ga1−xN(0.001≦x1<0.3)が用いられる。
例えば、中間層50におけるバンドギャップエネルギーは、n形半導体層10の側からp形半導体層20の側に進むに従って増大する。
但し、実施形態はこれに限らず、井戸層31及び障壁層32の組成は、井戸層31のバンドギャップエネルギーが障壁層32バンドギャップエネルギーよりも小さいという関係が満たされていれば、任意である。
ただし、実施形態はこれに限らず、例えば、n形半導体層10の第2主面10bの側にn側電極70が設けられても良い。
以下では、半導体発光素子110がLDである場合として説明する。
すなわち、図2(a)は、半導体発光素子110の構成を例示する模式的断面図であり、図2(b)は、半導体発光素子110におけるIn組成比を例示するグラフ図である。図2(b)の横軸は+Z軸方向における位置であり、縦軸はIn組成比CInである。
本具体例では、Al含有層40には、Al0.05Ga0.95Nが用いられている。すなわち、Al含有層40におけるIn組成比は、実質的に0である。
このように、中間層50の第1部分55におけるIn組成比は、0よりも大きく、井戸層31(第1井戸層31aなど)におけるIn組成比よりも小さい。
すなわち、図3(a)は、本実施形態に係る半導体発光素子110に対応し、図3(b)〜図3(d)は、第1〜第3参考例の半導体発光素子119a〜119cに対応する。これらの図の横軸は、+Z軸方向における位置を表し、縦軸は、バンドギャップエネルギーEbを表す。これらの図には、伝導帯Bcのエネルギーと、価電子帯Bvのエネルギーと、が模式的に表されている。
図4(a)〜図4(c)は、実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図4(a)は、半導体発光素子110の構成を例示する模式的断面図である。図4(b)は、バンドギャップエネルギーのシミュレーション結果を例示する模式図である。図4(c)は、電子の波動関数WF1及びホールの波動関数WF2のシミュレーション結果を例示する模式図である。ホールの波動関数WF2においては、ライトホールの波動関数とヘビーホールの波動関数とがシミュレーションされたが、両者の特性はほぼ一致したため、シミュレーション結果は1つの線で表示されている。図4(b)及び図4(c)における横軸は、+Z軸方向に沿った位置Zdを示している。
図5(a)に表したように、半導体発光素子119aにおいては、Al含有層40及び中間層50が設けられず、p側障壁層32pの厚さが40nmとされた。p側障壁層32pの材料は半導体発光素子110と同じに設定された。第1〜第3井戸層31a〜31c、並びに、第1〜第3障壁層32a〜32cの厚さ及び材料は半導体発光素子110と同じに設定された。
図6(a)に表したように、半導体発光素子119bにおいては、中間障壁層32qの厚さは3nmとされ、逆傾斜層59rの厚さは20nmとされ、p側障壁層32pの厚さは17nmとされた。なお、逆傾斜層59rと中間障壁層32qとを1つの層と見なすこともできる。その場合には、その1つの層の第1井戸層31aの側の厚さが3nmの部分においてバンドギャップエネルギーが一定で、その残りの厚さが20nmの部分でバンドギャップエネルギーが+Z軸方向に沿って減少すると見なされる。
なお、第1〜第3井戸層31a〜31c、並びに、第1〜第3障壁層32a〜32cの厚さ及び材料は半導体発光素子110と同じに設定された。
図7(a)に表したように、半導体発光素子119cにおいては、中間障壁層32qの厚さが15nmとされ、p側障壁層32pの厚さは12nmとされた。p側障壁層32pの材料は、第1〜第3障壁層32a〜32cと同じとされた。中間障壁層32qの材料は、In0.011Ga0.989Nとされた。
第1〜第3井戸層31a〜31c、第1〜第3障壁層32a〜32c、Al含有層40及び中間層50の厚さ及び材料は半導体発光素子110と同じに設定された。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子110、及び、半導体発光素子119a〜119cの特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Jcである。図8(a)の縦軸は内部量子効率IQEである。図8(a)においては、電流密度が小さい領域の特性は省略されている。図8(b)の縦軸は利得Gnである。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子110、及び、半導体発光素子119a〜119cのキャリア濃度(ホールの濃度及び電子の濃度)の特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Jcである。図9(a)の縦軸はホールの濃度Chである。図9(b)の縦軸は電子の濃度Ceである。
同図は、半導体発光素子110、及び、半導体発光素子119a〜119cの動作電圧を示すグラフ図であり、横軸は電流密度Jcであり、縦軸は動作電圧Vfである。
図10に表したように、半導体発光素子110及び半導体発光素子119a〜119cにおいて、動作電圧Vfはほぼ一定である。
以下、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きが発光効率に与える影響がより明確になる場合として、Al含有層40を設けない構成において、バンドギャップエネルギーの傾斜を変えた場合の特性についてシミュレーションした結果について説明する。
図11(a)は、第4参考例の半導体発光素子119dの構成を例示する模式的断面図であり、図11(b)は、バンドギャップエネルギーを例示する模式図であり、図11(c)は、In組成比を示す模式図である。
図11(a)に表したように、半導体発光素子119dにおいては、Al含有層40が設けられず、第1井戸層31aのp形半導体層20の側の面に接して中間層50が設けられている。図11(c)に表したように、中間層50におけるIn組成比は、+Z軸方向に向かって減少し、図11(b)に表したように、中間層50におけるバンドギャップエネルギーは、+Z軸方向に向かって増大する。
図12(a)に表したように、第5比較例の半導体発光素子119eにおいては、Al含有層40が設けられず、第1井戸層31aのp形半導体層20の側の面に接して逆傾斜層59rが設けられている。図12(c)に表したように、逆傾斜層59rにおけるIn組成比は、+Z軸方向に向かって増大し、図12(b)に表したように、逆傾斜層59rにおけるバンドギャップエネルギーは、+Z軸方向に向かって減少する。
同図の横軸は電流密度Jcであり、縦軸は、第1井戸層31aにおける内部量子効率IQE1である。なお、既に説明した図8(a)における内部量子効率IQEは、第1〜第3井戸層31a〜31cを含めた総合的な内部量子効率に対応しているのに対し、図13における内部量子効率IQE1は、第1井戸層31aのみの内部量子効率である。
同図は、実施形態に係る半導体発光素子において、中間層50の厚さを変えたときの特性をシミュレーションした結果を示している。このとき、図4に例示したように、中間層50及びp側障壁層32pの合計の厚さは37nmで一定とした。すなわち、Al含有層40、中間層50及びp側障壁層32pの合計の厚さは40nmで一定である。
Al含有層40におけるAl組成比(Al含有層Al組成比x1)は、0.001以上0.3以下とされる。Al含有層Al組成比x1が、0.001未満の場合には、Al含有層40のバンドギャップエネルギーが障壁層32のバンドギャップエネルギーよりも十分に大きくならず、上記の効率向上の効果が得られ難い。Al含有層Al組成比x1が0.3よりも大きくなると、ホールへの障壁も増しMQWへのホールの注入効率の阻害要因になり得る。また、結晶性が劣化する場合があり、結果として効率が低下する。Al含有層40にはInが含まれる必要はなく、In組成比は0でも良い。
すなわち、図15(a)及び図15(b)は、実施形態に係る別の半導体発光素子112aにおけるバンドギャップエネルギーとIn組成比をそれぞれ例示している。図15(c)及び図15(d)は、実施形態に係る別の半導体発光素子112bにおけるバンドギャップエネルギーとIn組成比をそれぞれ例示している。
図15(c)及び図15(d)に表したように、半導体発光素子112bにおいては、中間層50におけるバンドギャップエネルギー及びIn組成比は3段階で、段階的に変化している。
図16(a)〜図16(d)は、実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図16(a)は、実施形態に係る別の半導体発光素子113aの構成を例示する模式的断面図であり、図16(b)は、半導体発光素子113aのバンドギャップエネルギーを例示している。図16(c)は、実施形態に係る別の半導体発光素子113bの構成を例示する模式的断面図であり、図16(d)は、半導体発光素子113bのバンドギャップエネルギーを例示している。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 窒化物半導体を含むn形半導体層と、
前記n形半導体層の[0001]方向の側に設けられ、窒化物半導体を含むp形半導体層と、
前記n形半導体層と前記p形半導体層との間に設けられ、前記n形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さく前記p形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第1井戸層と、
前記第1井戸層と前記n形半導体層との間に設けられ、前記第1井戸層に接し、前記第1井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第1障壁層と、
前記第1井戸層と前記p形半導体層との間に設けられ、前記第1井戸層に接し、前記第1障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、前記n形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、組成がAlx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1<1、0≦y1<1)のAl含有層と、
前記Al含有層と前記p形半導体層との間に設けられ、前記Al含有層に接し、前記第1井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む中間層と、
を備え、
前記中間層の前記n形半導体層の側の第1部分におけるバンドギャップエネルギーは、前記中間層の前記p形半導体層の側の第2部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記中間層のバンドギャップエネルギーは、前記p形半導体層のバンドギャップエネルギー以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記中間層の前記バンドギャップエネルギーは、前記Al含有層から前記p形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に増大することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記中間層におけるIn組成比は、前記Al含有層から前記p形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に減少することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記中間層の厚さは、5ナノメートル以上100ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記Al含有層におけるAl組成比は、0.001以上0.03以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記Al含有層の厚さは、1ナノメートル以上50ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記Al含有層は、
前記第1井戸層に接する第1層と、
前記第1層と前記中間層との間において前記第1層に接し、前記第1層のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する第2層と、
を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記井戸層から放出される光の波長は、330ナノメートル以上580ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1障壁層と前記n形半導体層との間に設けられ、前記第1障壁層に接し、前記第1障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記Al含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記中間層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第2井戸層と、
前記第2井戸層と前記n形半導体層との間に設けられ、前記第2井戸層に接し、前記第2井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きく、前記Al含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第2障壁層と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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