JP2012178477A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイアスの方向によって異なる発光波長とすることができる半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device that can have different emission wavelengths depending on the direction of bias.
バイアス方向がいずれであっても発光させることができる半導体発光素子として、特許文献1がある。特許文献1の半導体発光素子は、npn接合構造のp層中に発光層を設け、各pn接合をトンネル接合とし、各n層に電極を設けた構造である。また、発光層を発光波長の異なる2層とし、バイアス方向によって発光波長が異なるようにできることが記載がされている。さらに、2つの発光層の間にn層を挿入することで、発光波長の分離性がより高まることが記載されている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor light-emitting element that can emit light regardless of the bias direction. The semiconductor light emitting device of Patent Document 1 has a structure in which a light emitting layer is provided in a p layer of an npn junction structure, each pn junction is a tunnel junction, and an electrode is provided in each n layer. Further, it is described that the light emitting layer can be made of two layers having different light emission wavelengths, and the light emission wavelength can be different depending on the bias direction. Furthermore, it is described that the separation of the emission wavelength is further increased by inserting an n layer between the two light emitting layers.
しかし、上記の半導体発光素子では、発光波長の分離性が十分でなく、分離性をより向上させることが課題となっていた。 However, in the semiconductor light emitting device described above, the separation of the emission wavelength is not sufficient, and it has been a problem to further improve the separation.
また、通常のIII 族窒化物半導体発光素子では、電流によって発光波長を変化させることができるが、その変化量は10nm以下であり、発光波長を大きく変化させることはできなかった。 Further, in a normal group III nitride semiconductor light emitting device, the emission wavelength can be changed by current, but the change amount is 10 nm or less, and the emission wavelength cannot be changed greatly.
そこで本発明の目的は、バイアス方向によって発光波長が異なる半導体発光素子において、発光波長の分離性を向上させることである。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the separation of the emission wavelength in a semiconductor light emitting device having a different emission wavelength depending on the bias direction.
第1の発明は、発光層と、発光層の両側にそれぞれ位置する2つのp型層と、p型層の発光層側とは反対側にそれぞれ位置し、p型層とトンネル接合する2つのn型層と、n型層にコンタクトする2つの電極と、を有し、いずれのバイアス方向であっても発光可能な半導体発光素子において、発光層は、互いに発光波長の異なる第1発光層と第2発光層の2層であり、第1発光層と第2発光層との間に、第1発光層および第2発光層よりもバンドギャップの大きな波長分離層を有する、ことを特徴とする半導体発光素子である。 The first invention includes a light emitting layer, two p-type layers positioned on both sides of the light emitting layer, and two p-type layers positioned on opposite sides of the light-emitting layer side and tunneling with the p-type layer. In a semiconductor light emitting device having an n-type layer and two electrodes in contact with the n-type layer and capable of emitting light in any bias direction, the light-emitting layer includes a first light-emitting layer having a different emission wavelength and The second light-emitting layer has two wavelength separation layers having a band gap larger than that of the first light-emitting layer and the second light-emitting layer between the first light-emitting layer and the second light-emitting layer. It is a semiconductor light emitting device.
波長分離層はノンドープでもよいが、n型であることが望ましい。発光波長の分離性をより向上させることができるためである。波長分離層をn型とする場合、不純物濃度は1×1017〜1×1019/cm3 とするのが望ましい。波長分離性をより向上させることができる。また、波長分離層の厚さは、1〜10nmであることが望ましい。同じく発光波長の分離性をより向上させることができる。より望ましくは2〜7nmである。 The wavelength separation layer may be non-doped but is preferably n-type. This is because the separation of the emission wavelength can be further improved. When the wavelength separation layer is n-type, the impurity concentration is desirably 1 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3 . Wavelength separation can be further improved. The thickness of the wavelength separation layer is desirably 1 to 10 nm. Similarly, the separation of the emission wavelength can be further improved. More desirably, it is 2 to 7 nm.
発光層とp型層との間に、p型層よりもバンドギャップの大きな半導体層である電子ブロック層を設けてもよい。 An electron blocking layer that is a semiconductor layer having a larger band gap than the p-type layer may be provided between the light-emitting layer and the p-type layer.
電子ブロック層は、発光層の外側へ電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することで発光効率を向上させることができる。電子ブロック層はノンドープでもよいし、低濃度に、たとえば1×1017〜1×1018/cm3 程度にp型不純物がドープされていてもよい。電子ブロック層の厚さは3〜100nmであることが望ましい。電子のオーバーフロー抑制効果がより高まり、発光効率をさらに向上させることができる。より望ましくは5〜30nmである。 The electron blocking layer can improve the light emission efficiency by suppressing the overflow of electrons to the outside of the light emitting layer. The electron blocking layer may be non-doped or may be doped with a p-type impurity at a low concentration, for example, about 1 × 10 17 to 1 × 10 18 / cm 3 . The thickness of the electron blocking layer is desirably 3 to 100 nm. The effect of suppressing the overflow of electrons is further increased, and the light emission efficiency can be further improved. More desirably, it is 5 to 30 nm.
第2の発明は、第1の発明において、p型層と発光層との間に、p型層よりもバンドギャップの大きな電子ブロック層をさらに設けたことを特徴とする半導体発光素子である。 A second invention is a semiconductor light emitting device according to the first invention, further comprising an electron block layer having a band gap larger than that of the p type layer between the p type layer and the light emitting layer.
第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、波長分離層の厚さは1〜10nmであることを特徴とする半導体発光素子である。 A third invention is the semiconductor light emitting device according to the first invention or the second invention, wherein the wavelength separation layer has a thickness of 1 to 10 nm.
第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、III 族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする。 A fourth invention is a group III nitride semiconductor light emitting device according to the first to third inventions.
第1の発明の半導体発光素子に電圧を印加した場合、電子とホールの移動度の違いから、第1発光層と第2発光層のうち、正極に近い側の発光層が主として発光する。したがって、第1の発明の半導体発光素子ではバイアス方向によって第1発光層と第2発光層のうちのどちらかを選択的に発光させることができ、発光波長を変えることができる。ここで、第1発光層と第2発光層の間に波長分離層を設けているため、第1発光層と第2発光層のうち負極に近い側の発光層へホールが移動してしまうことが抑制され、負極に近い側の発光層での発光が抑制されると共に正極に近い側の発光層での発光効率が向上する。そのため、第1の発明によると、発光波長の分離性を向上させることができる。 When a voltage is applied to the semiconductor light emitting device of the first invention, the light emitting layer closer to the positive electrode of the first light emitting layer and the second light emitting layer mainly emits light due to the difference in mobility between electrons and holes. Therefore, in the semiconductor light emitting device of the first invention, either the first light emitting layer or the second light emitting layer can selectively emit light depending on the bias direction, and the emission wavelength can be changed. Here, since the wavelength separation layer is provided between the first light emitting layer and the second light emitting layer, holes move to the light emitting layer closer to the negative electrode of the first light emitting layer and the second light emitting layer. Is suppressed, the light emission in the light emitting layer near the negative electrode is suppressed, and the light emission efficiency in the light emitting layer near the positive electrode is improved. Therefore, according to the first invention, it is possible to improve the separation of the emission wavelength.
また、第2の発明のように、電子ブロック層を設けると発光層の外側へ電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することができるので、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。 In addition, as in the second invention, when the electron blocking layer is provided, it is possible to prevent the electrons from overflowing to the outside of the light emitting layer, so that the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element can be improved.
また、第3の発明によると、発光波長の分離性をより向上させることができる。 In addition, according to the third invention, it is possible to further improve the light wavelength separation.
また、第4の発明のように、本発明はIII 族窒化物半導体材料を用いた場合にも適用可能であり、従来は困難であった発光波長を大きく変化させることが1素子で実現できる。 In addition, as in the fourth invention, the present invention can be applied to the case where a group III nitride semiconductor material is used, and it is possible to realize a large change in the emission wavelength, which has been difficult in the past, with one element.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の半導体発光素子の構成を示した図である。実施例1の半導体発光素子は、サファイア基板10を有し、サファイア基板10上に、n−GaN層11、n+ −GaN層12、p+ −GaN層13、第1発光層14、第2発光層15、p+ −GaN層16、n+ −GaN層17、n−GaN層18が順に積層されている。n−GaN層18上には第1電極19が形成されている。また、n−GaN層18表面の一部領域はn−GaN層11に達する深さの溝が形成されていて、その溝により露出したn−GaN層11上に第2電極20が形成されている。さらに、第1発光層14と第2発光層15との間には、波長分離層21が設けられている。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the semiconductor light emitting device of Example 1. The semiconductor light emitting device of Example 1 has a
n+ −GaN層12とp+ −GaN層13、およびn+ −GaN層17とp+ −GaN層16は、トンネル接合するように構成する。すなわち、逆バイアス時にトンネル電流が生じるように、各層の厚さおよび不純物濃度を設計する。たとえば、n+ −GaN層12およびn+ −GaN層17の厚さを20nm、Si濃度を1×1020/cm3 とし、p+ −GaN層13およびp+ −GaN層16の厚さを20nm、Mg濃度を1×1020/cm3 とする。これにより、n+ −GaN層12とp+ −GaN層13、n+ −GaN層17とp+ −GaN層16をそれぞれトンネル接合させることができる。また、p+ −GaN層13、p+ −GaN層16の材料をGaNからInGaNに替えてバンドギャップを下げることで、トンネル接合しやすくするようにしてもよい。
The n + -
第1発光層14および第2発光層15は、井戸層と障壁層とが交互に繰り返し積層されたMQW構造であり、発光波長が互いに異なっている。たとえば、第1発光層14は、3nmのInGaNと3nmのGaNとを1ペアとして、これが3ペア繰り返し積層された発光波長450nmのMQW構造であり、第2発光層15は、3nmのInGaNと3nmのGaNとを1ペアとして、これが3ペア繰り返し積層された発光波長480nmのMQW構造である。
The first light-
波長分離層21は、第1発光層14および第2発光層15よりもバンドギャップの大きなAlGaNからなる。
The
第1電極19および第2電極20は、従来よりIII 族窒化物半導体発光素子のn電極に用いられている材料からなる。たとえば、Ni/Au、V/Al、Ti/Alなどである。第1電極19、第2電極20は同一の材料であることが好ましい。第1電極19と第2電極20とを同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができるからである。また、n−GaN層18表面のほぼ全面にITOなどの透明電極を設け、透明電極上に第1電極19を設ける構成としてもよい。
The
実施例1の半導体発光素子は、第1電極19を正極、第2電極20を負極として電圧印加した場合と、逆に第1電極19を負極、第2電極20を正極として電圧印加した場合とで、発光波長を変えることができる。以下、実施例1の半導体発光素子の動作についてより詳しく説明する。
In the semiconductor light emitting device of Example 1, the voltage was applied using the
図2は、実施例1の半導体発光素子のバンド構造を示した図である。図2(a)は、無バイアス状態でのバンド図、図2(b)は、第1電極19を負極、第2電極20を正極として電圧印加した場合のバンド図、図2(c)は、第1電極19を正極、第2電極20を負極として電圧印加した場合のバンド図である。
FIG. 2 is a diagram showing a band structure of the semiconductor light emitting device of Example 1. 2A is a band diagram in a non-bias state, FIG. 2B is a band diagram when voltage is applied with the
図2(b)のように、第1電極19を負極、第2電極20を正極として電圧印加すると、n+ −GaN層12とp+ −GaN層13のpn接合については逆バイアス、n+ −GaN層17とp+ −GaN層16のpn接合については順バイアスとなる。ここで、n+ −GaN層12とp+ −GaN層13はトンネル接合となるように設計されているため、逆バイアスでもトンネル電流が生じ、p+ −GaN層13にホールが注入され、第1発光層14へと拡散していく。一方で、n+ −GaN層17からp+ −GaN層16へ電子が注入され、電子はp+ −GaN層16から第2発光層15、第1発光層14へと拡散していく。ホールは電子よりも移動度が低く、さらに波長分離層21が障壁となるため第2発光層15への拡散が抑制される。その結果、電子とホールの結合はほとんどが第1発光層14で生じ、波長450nmで発光する。
As shown in FIG. 2B, when a voltage is applied with the
また、図2(c)のように、第1電極19を正極、第2電極20を負極として電圧印加すると、n+ −GaN層12とp+ −GaN層13のpn接合については順バイアス、n+ −GaN層17とp+ −GaN層16のpn接合については逆バイアスとなり、図2(b)の場合とは反対の動作になる。つまり、ホールは波長分離層21が障壁となるため第1発光層14への拡散が抑制される。そのため、電子とホールの結合はほとんどが第2発光層15で生じ、波長480nmで発光する。
Further, as shown in FIG. 2C, when a voltage is applied with the
以上のように、実施例1の半導体発光素子では、第1発光層14と第2発光層15との間に波長分離層21を設けたことにより、バイアス方向を変えて発光波長を変化させた際の発光波長の分離性が向上している。
As described above, in the semiconductor light emitting device of Example 1, by providing the
なお、波長分離層21はノンドープでもn型でもよいが、発光波長の分離性をより高めるためにn型層であることが望ましい。また、同じく発光波長の分離性をより向上させるために、波長分離層21の厚さは1〜10nmとすることが望ましく、さらに望ましくは2〜7nmである。また、同じく発光波長の分離性をより向上させるために、第1発光層14および第2発光層15と波長分離層21とのバンドギャップの差は30〜1000meVとすることが望ましい。
The
図3は、実施例2の半導体発光素子の構成を示した図である。実施例2の半導体発光素子は、実施例1の半導体発光素子において、電子ブロック層100、101をさらに設けたものである。電子ブロック層100、101は、p+ −GaN層13と第1発光層14との間、および第2発光層15とp+ −GaN層16との間にそれぞれ設けられている。電子ブロック層100、101は、それぞれp+ −GaN層13、16よりもバンドギャップの大きなIII 族窒化物半導体からなる層である。たとえばAlGaNである。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the semiconductor light emitting device of Example 2. The semiconductor light emitting device of Example 2 is the same as the semiconductor light emitting device of Example 1, except that the
このように電子ブロック層100、101を設けることで、第1発光層14からp+ −GaN層13へ、あるいは第2発光層15からp+ −GaN層16へ電子がオーバーフローしてしまうのを抑制することができる。その結果、発光効率の向上を図ることができる。
By providing the electron block layers 100 and 101 in this way, electrons overflow from the first
電子のオーバーフローをより効果的に抑制するために、電子ブロック層100、101は3〜100nmとすることが望ましい。さらに望ましくは5〜30nmである。また、電子ブロック層100、101は低濃度にMgがドープされていてもよい。たとえばMg濃度を1×1017〜1×1018/cm3 程度としてもよい。また、p+ −GaN層13、16と電子ブロック層100、101とのバンドギャップの差は30〜1000meVとすることが望ましい。電子のオーバーフローをより効果的に抑制するためである。
In order to more effectively suppress the overflow of electrons, the
なお、実施例1、2では、III 族窒化物半導体を材料とした半導体発光素子を示したが、GaAs系、InP系などの他のIII-V族半導体や、ZnO系などのII−VI族半導体などの化合物半導体を材料としても、本発明は実現可能である。また、実施例1、2の半導体発光素子は同一面側に2つの電極を設けた構成としたが、成長基板として導電性の基板を用いたり、レーザーリフトオフにより成長基板を除去するなどして表面側と裏面側にそれぞれ電極を設け、縦方向に導通をとる構成としてもよい。 In Examples 1 and 2, a semiconductor light emitting device made of a group III nitride semiconductor was shown. However, other III-V group semiconductors such as GaAs and InP, and II-VI groups such as ZnO are used. The present invention can be realized even if a compound semiconductor such as a semiconductor is used as a material. In addition, the semiconductor light emitting devices of Examples 1 and 2 have a configuration in which two electrodes are provided on the same surface side. However, the surface is obtained by using a conductive substrate as a growth substrate or removing the growth substrate by laser lift-off. It is good also as a structure which each provides an electrode in the side and a back surface side, and takes continuity in the vertical direction.
本発明の半導体発光素子は、表示装置や照明装置、光通信などの光源として利用することができる。 The semiconductor light emitting device of the present invention can be used as a light source for display devices, lighting devices, optical communications, and the like.
10:サファイア基板
11:n−GaN層
12:n+ −GaN層
13:p+ −GaN層
14:第1発光層
15:第2発光層
16:p+ −GaN層
17:n+ −GaN層
18:n−GaN層
19:第1電極
20:第2電極
21:波長分離層
100、101:電子ブロック層
10: Sapphire substrate 11: n-GaN layer 12: n + -GaN layer 13: p + -GaN layer 14: first light-emitting layer 15: second light-emitting layer 16: p + -GaN layer 17: n + -GaN layer 18: n-GaN layer 19: first electrode 20: second electrode 21:
Claims (4)
前記発光層は、互いに発光波長の異なる第1発光層と第2発光層の2層であり、
前記第1発光層と前記第2発光層との間に、前記第1発光層および前記第2発光層よりもバンドギャップの大きな波長分離層を有する、
ことを特徴とする半導体発光素子。 A light-emitting layer, two p-type layers located on both sides of the light-emitting layer, and two n-types located on opposite sides of the p-type layer from the light-emitting layer side and tunnel-junction with the p-type layer In a semiconductor light emitting device having a layer and two electrodes that are in contact with each of the n-type layers and capable of emitting light in any bias direction,
The light emitting layer is a first light emitting layer and a second light emitting layer having different light emission wavelengths from each other,
Between the first light emitting layer and the second light emitting layer, there is a wavelength separation layer having a larger band gap than the first light emitting layer and the second light emitting layer,
A semiconductor light emitting element characterized by the above.
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