JP2014003121A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型窒化物半導体層9と、下部発光層13と、中間部発光層14と、上部発光層15と、p型窒化物半導体層16とをこの順に備える窒化物半導体発光素子であって、下部発光層13は、複数の下部井戸層と下部井戸層よりバンドギャップの大きい複数の下部バリア層とが交互に積層され、中間部発光層14は、少なくとも一つ以上の中間部井戸層と中間部井戸層よりバンドギャップの大きい少なくとも一つ以上の中間部バリア層とが交互に積層され、上部発光層15は、複数の上部井戸層と上部井戸層よりバンドギャップの大きい複数の上部バリア層とが交互に積層されたものであり、中間部バリア層の厚さは、下部バリア層及び上部バリア層の厚さよりも薄く、中間部井戸層の厚さは、上部井戸層の厚さよりも薄い。
【選択図】図1
Description
なお、以下では、「バリア層」は、井戸層に挟まれた層を指し、井戸層に挟まれていない層は、「最初のバリア層」または「最後のバリア層」という形で井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。本発明においては、井戸層と井戸層との間に形成されたバリア層におけるホールあるいは電子の移動が特に重要だからである。
図1および図2は、それぞれ、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子1の概略断面図および概略平面図である。図2に示すI−I線における断面図が図1に相当する。また、図3は、図1に示された窒化物半導体発光素子1における超格子層11からp型窒化物半導体層16までにおけるバンドギャップEgの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図3の縦軸方向は図1に示す層の上下方向であり、図3の横軸のEgは各組成におけるバンドギャップの大きさを模式的に表している。また、図3では、n型ドーピングを行なう層には斜線を塗っている。
<窒化物半導体発光素子>
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1は、基板3の上面上に、バッファ層5と、下地層7と、n型窒化物半導体層9,10と、超格子層11と、下部発光層13と、中間部発光層14と、上部発光層15と、p型窒化物半導体層16,17,18とがこの順に積層されてメサ部30(図2参照)が構成されている。メサ部30の外側においては、n型窒化物半導体層10の上面の一部分が超格子層11に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、n側電極21が設けられている。p型窒化物半導体層18の上には、透明電極23を介してp側電極25が設けられている。窒化物半導体発光素子1のほぼ上面全体には、p側電極25およびn側電極21が露出するように、透明保護膜27が設けられている。
<基板>
基板3は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であっても良いし、GaN、SiC、またはZnOなどのような導電性基板であっても良い。基板3の厚さは120μmとしたが、特に限定されず、例えば50μm以上500μm以下であれば良い。基板3の上面は、平坦であっても良いし、図1に示すように凸部3Aおよび凹部3Bからなる凹凸形状を有していても良い。
<バッファ層>
バッファ層5は、たとえばAls0GatoN(0≦s0≦1、0≦t0≦1、s0+t0≠0)層であれば良く、好ましくはAlN層である。ただし、Nのごく一部(0.5〜2%)を酸素に置き換えても良い。これにより、基板3の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層5が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層5が得られる。
<下地層>
下地層7は、たとえばAls1Gat1Inu1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、0≦u1≦1、s1+t1+u1≠0)層であれば良く、好ましくはAls1Gat1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、s1+t1≠0)層であり、より好ましくはGaN層である。これにより、バッファ層5中に存在する結晶欠陥(たとえば転位など)がバッファ層5と下地層7との界面付近でループされ易くなり、よって、その結晶欠陥がバッファ層5から下地層7へ引き継がれることを防止できる。
<n型窒化物半導体層>
n型窒化物半導体層9及び10は、たとえばAls2Gat2Inu2N(0≦s2≦1、0≦t2≦1、0≦u2≦1、s2+t2+u2≒1)層にn型不純物がドーピングされた層であれば良く、好ましくはAlS2Ga1−s2N(0≦s2≦1、好ましくは0≦s2≦0.5、より好ましくは0≦s2≦0.1)層にn型不純物がドーピングされた層である。
<超格子層>
本明細書における超格子層とは、非常に薄い結晶層を交互に積層することにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。図3に示すように、超格子層11では、ワイドバンドギャップ層11Aとナローバンドギャップ層11Bとが交互に積層されて超格子構造を構成しており、その周期構造がワイドバンドギャップ層11Aを構成する半導体材料の基本単位格子およびナローバンドギャップ層11Bを構成する半導体材料の基本単位格子よりも長くなっている。なお、超格子層11は、ワイドバンドギャップ層11Aおよびナローバンドギャップ層11Bとは異なる1層以上の半導体層と、ワイドバンドギャップ層11Aと、ナローバンドギャップ層11Bとが順に積層されて超格子構造を構成していても良い。また、超格子層11の一周期の長さ(つまり、ワイドバンドギャップ層11Aの層厚とナローバンドギャップ層11Bの層厚との合計)は、後述の下部発光層13の一周期の長さよりも短く、具体的には1nm以上10nm以下である。
<下部発光層>
下部発光層13は、図3に示すように、下部井戸層13Bと下部バリア層13Aとが交互に積層されることにより下部バリア層13Aが下部井戸層13Bに挟まれて構成されたものであり、最初の下部バリア層13A’を介して超格子層11の上に設けられている。下部バリア層13Aのバンドギャップは、下部井戸層13Bのバンドギャップより大きい。なお、下部発光層13は、超格子層11と同じく、下部バリア層13Aおよび下部井戸層13Bとは異なる1層以上の半導体層と、下部バリア層13Aと、下部井戸層13Bと、が順に積層されていても良い。また、下部発光層13の一周期の長さ(下部バリア層13Aと下部井戸層13Bの合計の厚さ)は、例えば3nm以上100nm以下である。
<中間部発光層>
中間部発光層14を構成する各中間部バリア層14Aの厚さが下部発光層を構成する各下部バリア層13Aの厚さより薄いことを特徴としている。各中間部バリア層14Aの厚さは各下部バリア層13Aの厚さより0.5nm以上薄いことが好ましく、1nm以上薄いことがより好ましく、1.5nm以上薄いことが更に好ましい。
<上部発光層>
上部発光層15は、図3に示すように、上部井戸層15Bと上部バリア層15Aとが交互に積層されることにより上部バリア層15Aが上部井戸層15Bに挟まれて構成されたものであり、上部井戸層15Bのうち最もp型窒化物半導体層16側に位置する上部井戸層15Bの上には、最後の上部バリア層15A’が設けられている。上部井戸層15Bのバンドギャップより、上部バリア層15Aおよび最後の上部バリア層15A’のバンドギャップの方が大きい。なお、上部発光層15は、上部バリア層15Aおよび上部井戸層15Bとは異なる1層以上の半導体層と、上部バリア層15Aと、上部井戸層15Bと、が順に積層されていても良い。また、上部発光層15の一周期(上部バリア層15Aの厚さと上部井戸層15Bの厚さの和)の長さは、例えば3nm以上100nm以下である。
<p型窒化物半導体層>
図1に示した構成では、p型窒化物半導体層をp型AlGaN層16、p型GaN層17、および高濃度p型GaN層18の3層構造としているが、この構成は一例であって、一般にp型窒化物半導体層16,17,18は、たとえばAls4Gat4Inu4N(0≦s4≦1、0≦t4≦1、0≦u4≦1、s4+t4+u4≠0)層にp型ドーパントがドーピングされた層であれば良く、好ましくはAlS4Ga(1−s4)N(0<s4≦0.4、好ましくは0.1≦s4≦0.3)層にp型ドーパントをドーピングした層である。
p型窒化物半導体層17,18におけるキャリア濃度は、1×1017cm−3以上であることが好ましい。ここで、p型ドーパントの活性率は0.01程度であることから、p型窒化物半導体層17,18におけるp型ドーピング濃度(キャリア濃度とは異なる)は1×1019cm−3以上であることが好ましい。ただし上部発光層15に近いp型窒化物半導体層16におけるp型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。
<n側電極、透明電極、p側電極>
n側電極21およびp側電極25は、窒化物半導体発光素子1に駆動電力を供給するための電極である。n側電極21およびp側電極25は平面図である図2ではパッド電極部分のみで構成されているが、電流拡散を目的とする細長い突出部(枝電極)が接続されていてもよい。また、p側電極25の下部において電流の注入を止めるための絶縁層を設けても良く、それによりp側電極25に遮蔽される発光の量が減少する。n側電極21は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると1μm程度の厚さを有していれば良い。p側電極25は、たとえばニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、1μm程度の厚さを有していれば良い。n側電極21とp側電極25は同一の組成であってもよい。透明電極23は、たとえばITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)などの透明導電膜から形成されれば良く、20nm以上200nm以下の厚さを有していれば良い。
3 基板
3A 凸部
3B 凹部
5 バッファ層
7 中間層
9 n型窒化物半導体層
11 超格子層
11A ワイドバンドギャップ層
11B ナローバンドギャップ層
13 下部発光層
13A 下部バリア層
13B 下部井戸層
14 中間部発光層
14A 中間部バリア層
14B 中間部井戸層
15 上部発光層
15A 上部バリア層
15B 上部井戸層
16 p型窒化物半導体層
17 p型窒化物半導体層
18 p型窒化物半導体層
21 n側電極
23 透明電極
25 p側電極
27 透明保護膜
30 メサ部
Claims (7)
- n型窒化物半導体層と、下部発光層と、中間部発光層と、上部発光層と、p型窒化物半導体層とをこの順に備える窒化物半導体発光素子であって、
前記下部発光層は、複数の下部井戸層と該下部井戸層よりバンドギャップの大きい複数の下部バリア層とが交互に積層され、
前記中間部発光層は、少なくとも一つ以上の中間部井戸層と該中間部井戸層よりバンドギャップの大きい少なくとも一つ以上の中間部バリア層とが交互に積層され、
前記上部発光層は、複数の上部井戸層と該上部井戸層よりバンドギャップの大きい複数の上部バリア層とが交互に積層されたものであり、
前記中間部バリア層の厚さは、前記下部バリア層及び前記上部バリア層の厚さよりも薄く、前記中間部井戸層の厚さは、前記上部井戸層の厚さよりも薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記中間部バリア層の厚さは、前記下部バリア層の厚さより0.5nm以上薄いことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記下部バリア層または前記上部バリア層のうち、少なくともいずれか一方の厚さは、p型窒化物半導体層側に近づくにつれて薄くなることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記下部井戸層のn型ドーピング濃度は、3×1017cm−3以上3×1018cm−3以下であることを特徴とする請求項1〜3に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記上部バリア層のn型ドーピング濃度は、8×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項1〜4に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記下部発光層の平均n型ドーピング濃度は、前記上部発光層の平均n型ドーピング濃度より高いことを特徴とする請求項1〜5に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記下部バリア層または前記上部バリア層のうち、少なくともいずれか一方のn型ドーピング濃度は、p型窒化物半導体層側に近づくにつれて低くなることを特徴とする請求項1〜6に記載の窒化物半導体発光素子。
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2012
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