JP2014045015A - 複数の活性層を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体発光素子、窒化物半導体受光素子、及び、窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
複数の活性層を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体発光素子、窒化物半導体受光素子、及び、窒化物半導体素子の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】n型半導体層2n及びp型半導体層2pを備えた窒化物半導体素子において、窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層がn型半導体層2nとp型半導体層2pとの間に複数配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置されている。前記複数の活性層は、電流と光とを変換するようにされている。前記窒化物半導体素子には、発光層11,12,13を有する窒化物半導体発光素子1A、及び、受光層21,22を有する窒化物半導体受光素子1Bが含まれる。
【選択図】図1
Description
近年、白色光源や太陽電池のように、スペクトル幅の広い発光あるいは受光素子が望まれている。
しかし、単にn型クラッド層とp型クラッド層との間に複数の発光層を配置しても、n型クラッド層側の発光層まで正孔が移動せず、n型クラッド層側の発光層から光が発せられない。これは、窒化物半導体の場合、正孔の有効質量が他の一般的な半導体と比べて非常に大きいためと考えられる。
窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置され、
前記複数の活性層が電流と光とを変換するようにされた、態様を有する。
すなわち、本発明は、n型半導体層及びp型半導体層を備えた窒化物半導体発光素子において、
窒化物半導体により形成された発光層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記発光層同士の間に配置され、
前記複数の発光層が発光するようにされた、態様を有する。
本態様は、n型半導体層側の発光層においても電流注入により光を発する新規な窒化物半導体発光素子を提供することができる。
すなわち、本発明は、n型半導体層及びp型半導体層を備えた窒化物半導体受光素子において、
窒化物半導体により形成された受光層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記受光層同士の間に配置され、
前記複数の受光層が光電変換を行うようにされた、態様を有する。
本態様は、n型半導体層側の受光層においても光が電流に変換される新規な窒化物半導体受光素子を提供することができる。
窒化物半導体である発光又は受光のための複数の活性層に含まれる第一活性層を前記n型半導体層と前記p型半導体層との間となる部分に形成する工程と、
アクセプタ不純物を前記複数の活性層が電流と光とを変換する濃度で添加した窒化物半導体である中間層を前記第一活性層上に形成する工程と、
前記複数の活性層に含まれる第二活性層を前記中間層上に形成する工程とを備えた、態様を有する。
本態様は、n型半導体層側の活性層においても電流注入による発光、又は、受光が行われる新規な窒化物半導体素子の製造方法を提供することができる。
中間層は、単層のみならず、複数の層とされてもよい。
中間層に添加されるアクセプタ不純物は、中間層の一部に偏って存在してもよい。
近年、白色光源や太陽電池のように、スペクトル幅の広い発光あるいは受光素子が望まれている。多くの白色LEDに用いられている黄色蛍光体は白色LEDの寿命を低下させることがあり、発光効率、寿命、及び、コストの面で不利である。従って、窒化物半導体素子において、スペクトル幅の広い発光あるいは受光を半導体のみによる完全固体素子として実現すれば、高効率、長寿命、及び、低コストの新規な窒化物半導体素子を提供することができる。
なお、特開2004-335716号公報に記載の白色LEDは、一度発光した光を半導体に吸収させて、エネルギー的に低い光を発光させているという多数の工程を踏むことから、効率の面で不利である。また、同公報には、各波長における発光強度比(バランス)を所望の値に調整する具体的な手段の開示がない。
なお、化学式で表される組成比は化学量論比を示し、化学式で表される物質には化学量論比から外れたものも含まれる。
図1は、窒化物半導体素子の第一の例である窒化物半導体発光素子1Aの構造を模式的に示している。この窒化物半導体発光素子1Aは、窒化物半導体により形成された発光層(活性層)11,12がn型半導体層2nとp型半導体層2pとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層16が発光層11,12の間に配置されている。これにより、窒化物半導体発光素子1Aは、複数の発光層11,12が発光するようにされている。また、n型半導体層2n上にn−電極3nが形成され、p型半導体層2p上にp−電極3pが形成されている。
隔壁層15には、例えば、窒化ガリウム(GaN)といったIII族窒化物半導体を用いることができる。隔壁層15の厚さは、例えば、6〜15nm程度とすることができる。
まず、中間層にアクセプタ不純物を添加しない場合に生じる現象を図10の比較例を用いて説明する。
正孔は、電子と比べて有効質量が大きく移動度が低い。特に、窒化物半導体の場合、他の一般的な半導体と比べて、正孔の有効質量が非常に大きい。従って、中間層916にアクセプタ不純物を添加しない場合、正孔と電子とがp型半導体層2p側の発光層12で結合して発光層12のみ発光し、n型半導体層2n側の発光層11に正孔が供給されず、発光層11は発光しない。
窒化物半導体に用いるアクセプタ不純物は、通常、Mgが良く用いられる。これは、アクセプタ不純物となるII族元素においては、Mgが最も小さい活性化エネルギーを示し、比較的高い正孔濃度を実現できるからである。本発明者らは、このような技術常識に反し、窒化物半導体中間層にアクセプタ不純物としてZnを添加することにより良好な素子が得られる可能性を見い出している。ZnはMgに比べ、活性化エネルギーが大きいため、アクセプタ不純物としてみれば、正孔濃度の観点で劣る。一方で、Mgは非発光センターを形成して発光効率を低下させるが、Znは発光センターを形成するため、発光効率の低下が生じない。本発明では、活性層付近へのアクセプタ不純物添加が必要であり、Znが、活性層の品質を低下させずにアクセプタ不純物が添加できるという点で期待される。
アクセプタ不純物の添加濃度C1を上述した範囲内にすると、p型半導体層側の発光層12のみならずn型半導体層側の発光層11も発光させることができる。0<C1<C0において、添加濃度C1を大きくするほどn型半導体層側の発光層11の発光量が多くなってp型半導体層側の発光層12の発光量が少なくなる傾向があり、添加濃度C1を小さくするほどn型半導体層側の発光層11の発光量が少なくなってp型半導体層側の発光層12の発光量が多くなる傾向がある。従って、添加濃度C1を調節することにより、各発光層11,12の発光量を調整することができる。例えば、中間層16の両隣の発光層11,12に電子と正孔がバランスよく供給されるように中間層16のアクセプタ不純物の添加濃度を調節すると、発光層11,12をバランスよく発光させることができる。
次に、図2を参照して、窒化物半導体素子の製造方法の例を説明する。
基板41上の各層は、例えば、有機金属化合物気相成長法(MOVPE法)といった気相成長法や、分子線エピタキシー法(MBE法)といった物理的蒸着法、等により形成することができる。
以上により、窒化物半導体発光素子1Aを形成することができる。
以下、窒化物半導体素子の作用及び効果を説明する。
図1,2に示す窒化物半導体発光素子1Aは、図10で示した比較例とは異なり、p型半導体層2p側の発光層12のみならず、n型半導体層2n側の発光層11も電流注入により発光する。これは、添加されたアクセプタ不純物により中間層16がp型になり、n型半導体層側の発光層11に供給される電子と正孔とのバランスが調整されるためと推測される。
これまでLED等の発光素子では一つの発光層からの発光しか得られなかったが、本技術により二つ以上の発光層からの発光を得ることができる。このため、これまでLEDが苦手としてきた広い発光スペクトルを必要とするアプリケーションへの応用が可能になる。
次に、二つの発光層を有する窒化物半導体発光素子の第二の例である白色LEDについて説明する。本白色LEDの基本的な構造は図1,2と同様であるので、図1,2を参照して説明する。また、各層の材料も第一の例で述べた材料を用いることができ、各層の厚さも第一の例で述べた厚さにすることができる。以下、より具体的な例を述べる。
図3は、窒化物半導体素子の第三の例である窒化物半導体受光素子1Bの構造を模式的に示している。この窒化物半導体受光素子1Bは、窒化物半導体により形成された受光層(活性層)21,22がn型半導体層2nとp型半導体層2pとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層26が受光層21,22の間に配置されている。これにより、窒化物半導体受光素子1Bは、複数の受光層21,12が光電変換を行うようにされている。また、n型半導体層2n上にn−電極3nが形成され、p型半導体層2p上にp−電極3pが形成されている。
n型半導体層2n、p型半導体層2p、n−電極3n、及び、p−電極3pは、第一の例と同様であるので、説明を省略する。
アクセプタ不純物の添加濃度C1を上述した範囲内にすると、n型半導体層側の受光層21で光を電流に好ましく変換することができる。添加濃度C1を調節することにより、各受光層21,22の光電変換効率を調整することができる。
図4は、窒化物半導体素子の第四の例である窒化物半導体発光素子1Aの構造を模式的に示している。この窒化物半導体発光素子1Aは、窒化物半導体により形成された発光層11,12,13がn型半導体層2nとp型半導体層2pとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層16,17が発光層同士の間に配置されている。これにより、窒化物半導体発光素子1Aは、複数の発光層11,12,13が発光するようにされている。なお、各層の材料は第一の例で述べた材料を用いることができ、発光層13の材料は発光層11,12に使用可能な材料を用いることができ、中間層17の材料は中間層16に使用可能な材料を用いることができる。また、各層の厚さも第一の例で述べた厚さにすることができ、発光層13の厚さも発光層11,12に適用可能な厚さにすることができ、中間層17の厚さも中間層16に適用可能な厚さにすることができる。以下、より具体的な例を述べる。
本例は、n型半導体層とp型半導体層との間に3層の発光層があるため、発光量をさらに増やすことが可能になる。また、各発光層の発光のピーク波長が互いに異なる場合、発せられる光をさらに広波長域化することができる。
図5は、窒化物半導体素子の第五の例である面発光レーザ(窒化物半導体発光素子)の概念を模式的に示している。面発光レーザは、原理的にはLEDのような発光層を有する発光素子に多層膜反射鏡等で形成する垂直共振器を加えた構造であり、垂直方向にレーザ発振可能な半導体レーザである。垂直方向に光を共振させることから、利得を生じる発光層を垂直方向に多数配置することで、レーザとしての性能が向上する。実際には、図5の概念図に示すように共振器内では光の定在波が存在し、周期的な光の強度分布が生じる。この強度分布のため、発光層をやみくもに多数配置しても、光強度が存在しない領域(定在波の節)に配置された発光層はレーザ発振に寄与しない。よって、共振器内に存在する光強度のピーク(定在波の腹)位置に発光層を配置して光とキャリアの相互作用を高める必要がある。ゆえに、活性層間に光強度分布に応じた適切な厚さの中間層を設ける必要がある。
以下、実施例を示して具体的に本発明を説明するが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
一方、実施例1では、第一発光層と第二発光層の双方で明瞭な発光が観測された。実施例2も、第一発光層と第二発光層の双方で明瞭な発光が観測された。実施例3は、第二発光層の発光が弱いものの、第一発光層と第二発光層の双方で発光が観測された。
以上のことから、中間層のMg濃度が1×1017〜7×1018cm-3程度であれば、素子駆動時に中間層で電子と正孔がバランスよく存在し、両隣の発光層に電子と正孔をバランスよく供給できると考えられる。特に、中間層のMg濃度が2×1018〜5×1018cm-3程度であれば、よりバランスよく電子と正孔を両発光層に供給できる。
次に、具体的に実施するための例をさらに示して本発明を説明するが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
第一発光層のGaInN井戸層のIn組成比を約15%として第一発光層が中心波長460nm(青色)で発光するようにし、第二発光層のGaInN井戸層のIn組成比を約30%として中心波長570nm(黄色)で発光するようにし、中間層にZnを1×1019cm-3程度添加したIn組成比2%のGaInNを用いる以外は、実施例1と同じ条件で窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。すなわち、各発光層は厚さ3nmのGaInN井戸層の3層と厚さ15nmのGaN障壁層の2層で構成し、GaInN中間層の厚さは40nmである。
本素子サンプルは、白色LEDサンプルであり、電極間に電圧を印加することにより、第二発光層からの黄色光と第一発光層からの青色光とを混色した白色光を発する。
図2,3に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、n型GaNコンタクト層、厚さ2μmのn型GaN半導体層2n、厚さ約40nmの第一受光層21、厚さ40nmの中間層26、厚さ約40nmの第二受光層22、及び、厚さ100nmのp型GaN半導体層2pをMOVPE法にて順次結晶成長させる。第一受光層にIn組成比約15%のGaInNを用いて中心波長460nm(青色)のPLスペクトルを持たせ、第二受光層にIn組成比約30%のGaInNを用いて中心波長570nm(黄色)のPLスペクトルを持たせる以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体受光素子サンプルを形成する。
本素子サンプルは、入射する黄色光を第二受光層で電流に変換して外部へ出力可能であるとともに、入射する青色光を第一受光層で電流に変換して外部へ出力可能である。
図2,4に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、n型GaNコンタクト層、厚さ2μmのn型GaN半導体層2n、厚さ約20nmの発光層11、厚さ70nmの中間層16、厚さ約20nmの発光層12、厚さ70nmの中間層17、厚さ約20nmの発光層13、及び、厚さ100nmのp型GaN半導体層2pをMOVPE法にて順次結晶成長させる。発光層11,12,13は、厚さ3nmのGaInN井戸層の2層と厚さ15nmのGaN障壁層の1層で構成し、各層をMOVPE法にて順次結晶成長させる。発光層11の各井戸層のIn組成比を約15%にして発光層11が中心波長460nm(青色)で発光するようにする。発光層12の各井戸層のIn組成比を約20%にして発光層12が中心波長520nm(緑色)で発光するようにする。発光層13の各井戸層のIn組成比を約35%にして発光層13が中心波長600nm(赤色)で発光するようにする。中間層16は、MgをC1=1×1018cm-3を目標に添加したGaNで形成する。中間層17は、MgをC2=7×1018cm-3を目標に添加したGaNで形成する。他は、実施例1と同じ条件で窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。
図2,5に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、n型GaNコンタクト層、厚さ2μmのn型GaN半導体層、厚さ21nmの第一発光層、厚さ59nmの中間層、厚さ21nmの第二発光層、及び、厚さ100nmのp型GaN半導体層をMOVPE法にて順次結晶成長させる。各発光層は、厚さ3nmのGaInN井戸層の3層と厚さ6nmのGaN障壁層の2層で構成し、各層をMOVPE法にて順次結晶成長させる。各発光層の各井戸層のIn組成比を約9%にして発光層が中心波長400nmで発光するようにする。中間層は、MgをC1=5×1018cm-3を目標に添加したGaNで形成する。他は、実施例1と同様にして窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。
本発明は、種々の変形例が考えられる。
例えば、n型半導体層がp型半導体層よりも基板側に配置される以外にも、p型半導体層がn型半導体層よりも基板側に配置されてもよい。従って、例えば、p型半導体層上に第一活性層を形成してもよい。
n型半導体層とp型半導体層との間に配置される活性層は、4層以上でもよい。従って、活性層同士の間に配置される中間層は、3層以上でもよい。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
1B…窒化物半導体受光素子(窒化物半導体素子)、
2n…n型半導体層、2p…p型半導体層、
3n…n−電極、3p…p−電極、
11,12,13…発光層(活性層)、14…井戸層、15…障壁層、
16,17…中間層、
21,22…受光層(活性層)、26…中間層、
41…基板、42…低温堆積緩衝層、
43…アンドープ半導体層、44…p型コンタクト層、
S1…量子井戸構造。
Claims (13)
- n型半導体層及びp型半導体層を備えた窒化物半導体素子において、
窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置され、
前記複数の活性層が電流と光とを変換するようにされた、窒化物半導体素子。 - 前記活性層が量子井戸構造又は量子ドット構造を有する窒化物半導体により形成されている、請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 前記複数の活性層に含まれる第一活性層及び第二活性層の波長に対する発光又は受光の強度スペクトルが互いに異なっている、請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第一活性層及び前記第二活性層の発光又は受光のピーク波長が互いに異なり、
前記第一活性層と前記第二活性層の一方の前記ピーク波長が400〜500nmであり、他方の前記ピーク波長が500〜700nmである、請求項3に記載の窒化物半導体素子。 - 前記中間層のアクセプタ不純物は、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、及び、バリウムの中から選ばれる一種以上の不純物である、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記p型半導体層にアクセプタ不純物が添加され、
前記中間層のアクセプタ不純物の添加濃度が前記p型半導体層のアクセプタ不純物の添加濃度よりも小さい、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記中間層のアクセプタ不純物の添加濃度が7×1018cm-3以下である、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記中間層の厚さが前記活性層の厚さ以上である、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記中間層の厚さが40nm以上である、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記中間層の厚さが70nm以上である、請求項9に記載の窒化物半導体素子。
- n型半導体層及びp型半導体層を備えた窒化物半導体発光素子において、
窒化物半導体により形成された発光層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記発光層同士の間に配置され、
前記複数の発光層が発光するようにされた、窒化物半導体発光素子。 - n型半導体層及びp型半導体層を備えた窒化物半導体受光素子において、
窒化物半導体により形成された受光層が前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記受光層同士の間に配置され、
前記複数の受光層が光電変換を行うようにされた、窒化物半導体受光素子。 - n型半導体層及びp型半導体層を形成する工程を備えた窒化物半導体素子の製造方法において、
窒化物半導体である発光又は受光のための複数の活性層に含まれる第一活性層を前記n型半導体層と前記p型半導体層との間となる部分に形成する工程と、
アクセプタ不純物を前記複数の活性層が電流と光とを変換する濃度で添加した窒化物半導体である中間層を前記第一活性層上に形成する工程と、
前記複数の活性層に含まれる第二活性層を前記中間層上に形成する工程とを備えた、窒化物半導体素子の製造方法。
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