JP2013004920A - Iii族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】pn接合型のIII族窒化物半導体発光素子であって、第1の導電型を有する第1の半導体層、発光層及び第1の導電型とは逆の導電性を示す第2の半導体層が積層された積層半導体層を備え、積層半導体層の発光層は、発光層からの発光の取り出し方向と反対側に配置され第1のインジウム組成を有する第1の窒化ガリウム・インジウム層と、第1の窒化ガリウム・インジウム層より発光の取り出し方向側に配置され第1のインジウム組成より小さい組成の第2のインジウム組成を有する第2の窒化ガリウム・インジウム層と、第1の窒化ガリウム・インジウム層と第2の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、第1の窒化ガリウム・インジウム層及び第2の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む。
【選択図】図3
Description
また、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いてMQW構造の様な超格子構造の発光層を構成する場合も、窒化ガリウム・インジウム層の中間に単純に設けられた障壁(バリア)層では、インジウムの拡散を充分に抑制できない。このため、インジウム組成の大小に対応したピーク(peak)波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する光が予め企図した様には得られない問題がある。
[1]請求項1に係る発明は、pn接合型のIII族窒化物半導体発光素子であって、第1の導電型を有する第1の半導体層、発光層及び当該第1の導電型とは逆の導電性を示す第2の導電型を有する第2の半導体層が積層された積層半導体層と、前記第1の半導体層と接続する第1の電極と、前記第2の半導体層の表面に設けた第2の電極と、を備え、前記積層半導体層の前記発光層は、当該発光層からの発光の取り出し方向と反対側に配置され、第1のインジウム組成を有する第1の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第1の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光の取り出し方向側に配置され、前記第1のインジウム組成より小さい組成の第2のインジウム組成を有する第2の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第1の窒化ガリウム・インジウム層と前記第2の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第1の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第2の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。
[2]請求項2に係る発明は、前記発光層における前記第1のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第1の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[3]請求項3に係る発明は、前記発光層における前記第2のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第2の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[4]請求項4に係る発明は、前記構造単位における前記中間層は、当該構造単位を構成する前記第1の窒化ガリウム・インジウム層の前記第1のインジウム組成(X1)と前記第2の窒化ガリウム・インジウム層の前記第2のインジウム組成(X2)との濃度差(ΔIn)に応じて、当該中間層の厚さが増大することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[5]請求項5に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、III族−V族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[6]請求項6に係る発明は、前記III族−V族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[7]請求項7に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、III族元素又はV族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
[8]請求項8に係る発明は、前記中間層は、当該中間層の厚さに応じて前記ドナー不純物の濃度が増大することを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。
すなわち、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を配置して発光層を構成することにより、1個の窒化ガリウム・インジウム層から他の窒化ガリウム・インジウム層へインジウムが侵入することによるインジウム組成の変動が抑制される。かかる発光層は、ピーク波長が異なる複数の光を同時に出射できる多波長発光素子に適用できる。
図1は、本実施の形態が適用されるIII族窒化物半導体発光素子としてのLEDチップ10の一例を示す断面模式図である。
ここでは、III族窒化物半導体発光素子の一例としてLEDチップ10を用いて説明する。図1に示すように、LEDチップ10は、基板101と、基板101上に積層される窒化アルミニウム(AlN)層102とを備える。さらに、LEDチップ10は、窒化アルミニウム層102上に積層される積層半導体層100と、積層半導体層100上に成膜された透明導電膜108とを備えている。
窒化アルミニウム層102は、例えば、アルミニウム(Al)単体金属をアルミニウム源として、基体温度を780℃としてアンドープ(undope)の高抵抗の半導体層として成膜される。
上部クラッド層106は、例えば、マグネシウム(元素記号:Mg)をドーピングしたp型窒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlXGa1−XN)等を用いて成膜される。
透明導電膜108は、例えば、インジウム・錫複合酸化物(英略称:ITO)、インジウム・亜鉛(元素記号:Zn)・錫複合酸化物(英略称:IZTO)等を用いて成膜される。
図2は、LEDチップ10の発光層104の一例を示す断面模式図である。図2(a)は、複数の中間層を設けた発光層104の一例である。図2(a)中のIは、発光層104から出射される光の取り出し方向(発光の取り出し方向I)であり、発光は下部クラッド層103とは反対側の発光層104の表面104A側から取り出す様式である。
図2(b)は、他の実施の形態の一例である。図2(b)中のIIは、発光層204から出射される光の取り出し方向(発光の取り出し方向II)であり、発光は発光層204の表面204Aとは反対側の下部クラッド層203側から取り出す様式である。
図2(a)に示すように、発光層104は、下部クラッド層103上面に順に成膜された、インジウム組成が相違する複数のn型窒化ガリウム・インジウム層(組成式Ga1−XInXN:0<X≦1)と、n型窒化ガリウム・インジウム層の間に設けられた拡散バリア層である窒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlαGa1−αN:0≦α<1)からなる中間層と、を含む構成単位を有している。
すなわち、本実施の形態(図2(a))では、III族窒化物半導体等の広い禁止帯幅の半導体材料から構成する下部クラッド層103及び上部クラッド層106の中間の位置に配置する発光層104において、下部クラッド層103に最も近接させて、最も大きいインジウム組成(X1)を有する第1の窒化ガリウム・インジウム層104aを配置している。
原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことにより結晶の格子が縮む様にすると、原子半径が大きいインジウム(原子半径=1.66オングストローム(単位:Å)、1Å=0.1nm)の通過を妨げるに効力を奏する。
シリコン(Si)を含む中間層(105a,105b)は、有機金属気相堆積(MOCVD又はMOVPE等と略称される)法、MBE法、ハイドライド(hydride)法、ハライド(halyde)法等の気相成長法により形成できる。
図2(b)に示す発光層204は、n型窒化ガリウムからなる下部クラッド層203上に形成されており、発光は下部クラッド層203側から取り出す様式(発光の取り出し方向II)となっている(アップサイドダウン型或いはフェースダウン型と呼称される発光の取り出し様式である)。発光層204は、第1のインジウム組成(A)である第1の窒化ガリウム・インジウム層204aと、第2のインジウム組成(B:但し、B<A)である第2の窒化ガリウム・インジウム層204b及び第2のインジウム組成である第3の窒化ガリウム・インジウム層204cを有している。さらに、第1の窒化ガリウム・インジウム層204aと第2の窒化ガリウム・インジウム層204bとの間に、窒化アルミニウム・ガリウムからなる中間層205aが形成されている。
本実施例では、図2に示した構造の発光層104を有し、図1に示す構造のIII族窒化物半導体からなるLEDチップ10を作製し、発光素子としての性能を測定した。
(111)結晶面を表面とするアンチモン(元素記号:Sb)ドープn型(111)−シリコン(Si)からなる基板101の表面上に、分子線エピタキシャル(MBE)法により、後記のIII族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波(13.56MHz)で励起した(励起電力=330ワット(電力単位:W))窒素プラズマを用いた。基板101と対向する窒素プラズマを発生させるためのセル(cell)の開口部には、直径を0.5mmとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、250nm以上で370nm以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を745nmとする原子状窒素の発光ピークの強度の1/10以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した。
900×ΔIn≦t(nm)≦1100×ΔIn・・・(関係式(1))
また、一般的なSIMS分析によれば、第1の中間層105aの内部でのシリコンの原子濃度は略一定で、1.7×1018原子/cm3であった。
0.8×1020×ΔIn≦Nsi≦1.2×1020×ΔIn・・・(関係式(2))
関係式(2)の式中に記載の記号ΔInは、中間層の両側に配置された2個の窒化ガリウム・インジウム層(第2の窒化物ガリウム・インジウム層104b,第3の窒化物ガリウム・インジウム層104c)のインジウム組成の濃度差である。
図3は、本実施例で作製した発光層104からのフォトルミネッセンス(英略称:PL)スペクトルである。図3に示すように、第1の窒化ガリウム・インジウム層104a〜第3の窒化ガリウム・インジウム層104cのインジウム組成に対応し、ピーク(peak)波長が365nm、386nm及び395nmとする発光が測定された。
本比較例では、上記の実施例1で作製したLEDチップ10において、第1の中間層105a〜第2の中間層105bを有しない構造の発光層104を形成した。すなわち、実施例1において作製した窒化ガリウムからなる下部クラッド層103上に、インジウム組成が相違する第1の窒化ガリウム・インジウム層104a〜第3の窒化ガリウム・インジウム層104cを連続的に形成した。ここで、連続的とは、第1の窒化ガリウム・インジウム層104a〜第3の窒化ガリウム・インジウム層104cの中間に中間層を一切配置せず、これら各層を順次積層させたことを意味する。
次に、このような操作を経て作製したLEDチップについて、実施例1と同様に発光素子としての性能を測定した。
Claims (8)
- pn接合型のIII族窒化物半導体発光素子であって、
第1の導電型を有する第1の半導体層、発光層及び当該第1の導電型とは逆の導電性を示す第2の導電型を有する第2の半導体層が積層された積層半導体層と、
前記第1の半導体層と接続する第1の電極と、
前記第2の半導体層の表面に設けた第2の電極と、を備え、
前記積層半導体層の前記発光層は、
当該発光層からの発光の取り出し方向と反対側に配置され、第1のインジウム組成を有する第1の窒化ガリウム・インジウム層と、
前記第1の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光の取り出し方向側に配置され、前記第1のインジウム組成より小さい組成の第2のインジウム組成を有する第2の窒化ガリウム・インジウム層と、
前記第1の窒化ガリウム・インジウム層と前記第2の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第1の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第2の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記発光層における前記第1のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第1の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層における前記第2のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第2の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層は、当該構造単位を構成する前記第1の窒化ガリウム・インジウム層の前記第1のインジウム組成(X1)と前記第2の窒化ガリウム・インジウム層の前記第2のインジウム組成(X2)との濃度差(ΔIn)に応じて、当該中間層の厚さが増大することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層が、III族−V族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記III族−V族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層が、III族元素又はV族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記中間層は、当該中間層の厚さに応じて前記ドナー不純物の濃度が増大することを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
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