JP2013084817A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、窒化物半導体を含むn形半導体層と、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た発光層と、を備える。前記発光層は、III族元素を含む障壁層と、前記n形半導体層から前記p形半導体層に向けた方向に前記障壁層と積層されIII族元素を含む井戸層と、を有する。前記障壁層を、前記n形半導体層側の第1部分と、前記p形半導体層側の第2部分と、に分けた場合、前記第2部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第1部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも低い。前記井戸層を、前記n形半導体層側の第3部分と、前記p形半導体層側の第4部分と、に分けた場合、前記第4部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第3部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも高い。
【選択図】図1
Description
このような半導体発光素子において、高い発光効率を実現することが望まれている。
前記発光層は、III族元素を含む障壁層と、前記n形半導体層から前記p形半導体層に向かう方向に前記障壁層と積層されIII族元素を含む井戸層と、を有する。
前記障壁層を、前記n形半導体層側の第1部分と、前記p形半導体層側の第2部分と、に分けた場合、前記第2部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第1部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも低い。
前記井戸層を、前記n形半導体層側の第3部分と、前記p形半導体層側の第4部分と、に分けた場合、前記第4部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第3部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも高い。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図2は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図2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20と、p形半導体層50と、n形半導体層20とp形半導体層50との間に設けられた発光層40と、を備える。半導体発光素子110においては、発光層40と、n形半導体層20と、の間に積層体30が設けられていてもよい。
発光層40は、例えば活性層である。積層体30は、例えば超格子層である。
このように、本実施形態に係る本具体例の半導体発光素子110は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。
まず、有機洗浄、酸洗浄した例えばc面サファイヤの基板10を、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置の反応炉に導入し、反応炉のサセプタ上で約1100℃に加熱する。これにより、基板10の表面の酸化膜が除去される。
さらに、最も上の障壁層41の上に、Alの組成比が0.003で5nmの厚さのAlGaN層を成長させ、この後、Alの組成比が0.1で10nmの厚さのMgドープAlGaN層51と、80nmの厚さのMgドープp形GaN層52(Mg濃度は2×1019/cm3)、及び、10nm程度の厚さの高濃度MgドープGaN層53(Mg濃度は1×1021/cm3)をそれぞれ積層させる。この後、上記の結晶が成長した基板10を、MOCVD装置の反応炉から取り出す。
図1に表したように、発光層40の多重量子井戸構造は、複数の障壁層41(1)〜41(n)と、複数の井戸層42(1)〜42(n)と、を有する。なお、符号に含まれる”n”は層の番号に対応した2以上の整数である。
井戸層42には、例えばInを含む窒化物半導体が用いられる。障壁層41のバンドギャップエネルギは、井戸層42のバンドギャップエネルギよりも大きい。
井戸層42は、InwGa1−wN(0<w<1)を含む。井戸層42の厚さは、厚さtw(ナノメートル)である。井戸層42の厚さtwは、例えば2.5nm以上6nm以下である。
図3(a)〜(b)において、横軸は発光層40の位置(厚さ方向の位置)を表し、縦軸はIn組成比を表している。
図3(a)には、実施形態に係る半導体発光素子110での発光層40のIn組成比のプロファイル110Pの一部が示されている。
図3(b)には、参考例に係る半導体発光素子190での発光層のIn組成比のプロファイル190Pの一部が示されている。
いずれの図でも、説明を分かりやすくするため、2つの井戸層42と、これら2つの井戸層42の間に設けられた1つの障壁層41と、のIn組成比を表している。
ここで、層の厚さで平均したInの組成比を、平均In組成比ということにする。
参考例に係る半導体発光素子190では、上記のピエゾ電界によるバンド構造の変調により、発光効率が低下する。
なお、発光層40は、複数の障壁層41と、複数の井戸層42と、を有するが、説明を簡単にするために、複数の障壁層41のそれぞれにおける平均In組成比は互いに同じであり、複数の障壁層41の厚さも互いに同じである場合として説明する。また、同様に、複数の井戸層42のそれぞれにおける平均In組成比は互いに同じであり、複数の井戸層42の厚さも互いに同じであるとして説明する。
また、In組成比bnとIn組成比bpとの差の絶対値(Δb)は、例えば0.02よりも大きく、0.06よりも小さいことが好ましく、より好ましくは0.04程度である。
また、In組成比wnとIn組成比wpとの差の絶対値(Δw)は、例えば0.04よりも大きく0.12よりも小さいことが望ましく、より好ましく0.06以上、さらに好ましくは0.10程度である。
図4(a)〜(d)のいずれの図においても、横軸は位置(厚さ方向の位置)を表している。図4(a)〜(d)の横軸では、p形半導体層50側の3つの井戸層42(n)、42(n−1)及び42(n−2)と、これらの間の2つの障壁層41(n)及び41(n−1)を含む一部の位置が示されている。
また、図4(a)は伝導体のエネルギーバンド図、図4(b)は価電子帯のエネルギーバンド図、図4(c)は電子の濃度、図4(d)はホールの濃度を示している。
図4(a)〜(d)においては、それぞれ、図3(a)に表した本実施形態に係る半導体発光素子110のIn組成比のプロファイル110Pの場合と、図3(b)に表した参考例に係る半導体発光素子190のIn組成のプロファイル190Pの場合と、を示している。
特に、図4(b)に表した価電子帯のエネルギーバンド図に大きな変化が現れている。本実施形態に係るIn組成のプロファイル110Pを適用することにより、内部電界による発光層40での価電子帯の変調が抑制される。すなわち、障壁層41及び井戸層42のIn組成比の互いの増減によって価電子帯のエネルギーバンド図が矩形状になる。
この検討では、発光層40の構成(障壁層41の厚さやIn組成比の変調のさせ方、井戸層42の厚さやIn組成比の変調のさせ方)を変えて半導体発光素子を構成し、その各場合の内部量子効率を比較する。
実施例に係る半導体発光素子111において、障壁層41と井戸層42との数は8周期である。
半導体発光素子111において、障壁層41のn形半導体層20側の界面のInの組成比bnは0.04であり、p形半導体層50側の界面のIn組成比bpは0.00であり、層内のIn組成比は線形に変化する。
図5では、横軸に電流I(アンペア:A)、縦軸に内部量子効率QEを表している。
図5には、実施形態に係る半導体発光素子111の内部量子効率と、参考例に係る半導体発光素子191の内部量子効率が表示されている。
なお、図5において、内部量子効率は、参考例に係る半導体発光素子191での内部量子効率のピークトップの値を1とした相対値で表示されている。
図6(a)〜(b)に示す横軸は位置、縦軸はIn組成比である。
図6(a)〜(b)には、第n番目の井戸層42(n)、第n番目の障壁層41(n)及び第(n−1)番目の井戸層42(n−1)のIn組成比が表されている。
この場合には、図4(c)に表したように、価電子帯のエネルギーバンド図は矩形状になる。
上記の結果から、井戸層42のIn組成比の差Δwは、0.04よりも大きく、0.12よりも小さいことが望ましいことが分かる。
本実施形態に係る半導体発光素子110では、障壁層41のIn組成比は第1方向D1に減少し、井戸層42のIn組成比は第1方向D1に増加する。
図9(a)〜(d)では、このIn組成比の増減の例を模式的に表している。
図9(b)に表したIn組成比の増減のプロファイルでは、障壁層41のIn組成比が第1方向D1に階段状に減少し、井戸層42のIn組成比が第1方向D1に階段状に増加する例である。
図9(d)に表したIn組成比の増減のプロファイルでは、障壁層41及び井戸層42の境界位置において、In組成比の変化に鈍りが生じている例である。
なお、In組成比の増減のプロファイルは上記以外であってもよい。また、図9(a)〜(d)のプロファイルを適宜組み合わせたものであってもよい。
図10(a)〜(h)では、縦軸にIn組成比、横軸に位置を表している。なお、これらの図では、説明を分かりやすくするために、障壁層41及び井戸層42のそれぞれ1つずつのIn組成比のプロファイルを表している。
プロファイルP(f)は、本実施形態に係る半導体発光素子110のIn組成比のプロファイルである。
図11では、図10(a)〜(h)に表したIn組成比のプロファイルP(a)〜P(h)に対応した内部量子効率IQEをシミュレーション計算した結果を表している。
いずれも、8層の障壁層41及び井戸層42を積層し、8層全ての障壁層41及び井戸層42について、図10(a)〜(h)に表したIn組成比のプロファイルとした。
したがって、内部量子効率及び結晶性ともに良好な本実施形態に係る半導体発光素子110のIn組成比のプロファイルであるプロファイルP(f)が最適である。
なお、いずれの図においても、8層の障壁層41のうち最もp形半導体層50に近い8層目の障壁層41のみIn組成比を傾斜させた場合のシミュレーション結果である。また、内部量子効率IQEは、発光層40に電流量170A/cm2の電流を流した場合のシミュレーション結果である。
図12(a)に表したシミュレーション結果によれば、障壁層41のIn組成比の差Δbに最適値があることが分かる。また、障壁層41の厚さによって最適値が異なることも分かる。
図12(b)に表したシミュレーション結果によれば、障壁層41の厚さにかかわらず、障壁層41のIn組成比の勾配(Δb/tb)に最適値があることが分かる。
図13(a)に表したシミュレーション結果によれば、障壁層41の厚さが厚いほど、内部量子効率上昇率IQE_AVが高いことが分かる。
図13(b)に表したシミュレーション結果によれば、比率Rに最適値があることが分かる。また、障壁層41の厚さが厚いほど、内部量子効率上昇率IQE_AVが高いことが分かる。
また、実施形態及び実施例では、発光層40にMQW構造を有する例を説明したが、SQW(Single Quantum Well)構造を有する発光層40に上記説明した障壁層41及び井戸層42のIn組成比のプロファイルを適用してもよい。
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。
前記発光層は、III族元素を含む障壁層と、前記n形半導体層から前記p形半導体層に向かう方向に前記障壁層と積層されIII族元素を含む井戸層と、を有する。
前記障壁層を、前記n形半導体層側の第1部分と、前記p形半導体層側の第2部分と、に分けた場合、前記第2部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第1部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも低い。
前記井戸層を、前記n形半導体層側の第3部分と、前記p形半導体層側の第4部分と、に分けた場合、前記第4部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第3部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも高い。
前記障壁層のIII族元素中におけるIn組成比は、前記方向に減少し、前記井戸層のIII族元素中におけるIn組成比は、前記方向に増加する。
前記障壁層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、前記井戸層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、の比率は、0.1以上0.4以下である。
前記障壁層における前記n形半導体層側のIn組成比と前記p形半導体層側のIn組成比との差は、0.02よりも大きく0.06よりも小さい。
前記井戸層における前記n形半導体層側のIn組成比と前記p形半導体層側のIn組成比との差は、0.04よりも大きく0.12よりも小さい。
前記障壁層の厚さは、10ナノメートル以下であり、前記井戸層の厚さは、2.5ナノメートル以上6ナノメートル以下である。
前記発光層は、In b Ga 1−b N(b≧0)を含む障壁層と、前記n形半導体層から前記p形半導体層に向かう方向に前記障壁層と積層されIn w Ga 1−w N(w>b)を含む井戸層と、を有する。
前記障壁層を、前記n形半導体層側の第1部分と、前記p形半導体層側の第2部分と、に分けた場合、前記第2部分のIn組成比は、前記第1部分のIn組成比よりも低い。
前記井戸層を、前記n形半導体層側の第3部分と、前記p形半導体層側の第4部分と、に分けた場合、前記第4部分のIn組成比は、前記第3部分のIn組成比よりも高い。
前記障壁層のIn組成比は、前記方向に減少し、前記井戸層のIn組成比は、前記方向に増加する。
前記障壁層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、前記井戸層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、の比率は、0.1以上0.4以下である。
前記障壁層における前記n形半導体層側のIn組成比をbn、前記障壁層における前記p形半導体層側のIn組成比をbp、前記bnと前記bpとの差の絶対値をΔbとした場合、前記bnは前記bpよりも大きく、前記bnは0.02以上であり、前記Δbは0.02よりも大きく0.06よりも小さい。
前記井戸層における前記n形半導体層側のIn組成比をwn、前記井戸層における前記p形半導体層側のIn組成比をwp、前記wnと前記wpとの差の絶対値をΔwとした場合、前記wpは前記wnよりも大きく、前記wnは0.1以下であり、前記Δwは0.04よりも大きく0.12よりも小さい。
前記障壁層の厚さは、10ナノメートル以下であり、前記井戸層の厚さは、2.5ナノメートル以上6ナノメートル以下である。
Claims (13)
- 窒化物半導体を含むn形半導体層と、
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た発光層と、
を備え、
前記発光層は、III族元素を含む障壁層と、前記n形半導体層から前記p形半導体層に向かう方向に前記障壁層と積層されIII族元素を含む井戸層と、を有し、
前記障壁層を、前記n形半導体層側の第1部分と、前記p形半導体層側の第2部分と、に分けた場合、前記第2部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第1部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも低く、
前記井戸層を、前記n形半導体層側の第3部分と、前記p形半導体層側の第4部分と、に分けた場合、前記第4部分のIII族元素中におけるIn組成比は、前記第3部分のIII族元素中におけるIn組成比よりも高い半導体発光素子。 - 前記障壁層のIII族元素中におけるIn組成比は、前記方向に減少し、
前記井戸層のIII族元素中におけるIn組成比は、前記方向に増加する請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記障壁層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、前記井戸層の単位厚さ当たりのIn組成比の差と、の比率は、0.1以上0.4以下である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層における前記n形半導体層側のIn組成比と前記p形半導体層側のIn組成比との差は、0.02よりも大きく0.06よりも小さい請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記井戸層における前記n形半導体層側のIn組成比と前記p形半導体層側のIn組成比との差は、0.04よりも大きく0.12よりも小さい請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層の厚さは、10ナノメートル以下であり、
前記井戸層の厚さは、2.5ナノメートル以上6ナノメートル以下である請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 複数の前記障壁層が設けられ、
複数の前記井戸層が設けられ、
前記複数の障壁層と、前記複数の井戸層とは、交互に積層される請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記複数の障壁層のすべてにおいて、III族元素中におけるIn組成比が、前記方向に減少し、
前記複数の井戸層のすべてにおいて、III族元素中におけるIn組成比が、前記方向に増加する請求項7記載の半導体発光素子。 - 前記複数の障壁層の一部において、III族元素中におけるInの組成比が、前記方向に減少し、
前記複数の井戸層の一部において、III族元素中におけるInの組成比が、前記方向に増加する請求項7記載の半導体発光素子。 - 前記障壁層は、InbGa1−bN(b≧0)を含み、
前記井戸層は、InwGa1−wN(w>b)を含み、
前記障壁層におけるInの組成比は、前記方向に減少し、
前記井戸層におけるInの組成比は、前記方向に増加する請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記障壁層におけるIn組成比及び前記井戸層におけるIn組成比は、線形状に変化する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層におけるIn組成比及び前記井戸層におけるIn組成比は、階段状に変化する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層におけるIn組成比及び前記井戸層におけるIn組成比は、曲線状に変化する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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