JP2016219547A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、各バリア層にn型不純物がドーピングされている場合、正孔と電子とがバリア層中で再結合(発光を伴わない非発光再結合を含む。以下、バリア層中での再結合を「非発光再結合」という。)して、量子井戸層に到達する前段階で正孔が徐々に消耗されることがある。そのため、量子井戸層での発光再結合が不十分になる結果、十分な輝度を得られないだけでなく、所望のピーク発光波長が発現しないおそれもある。
前記半導体発光素子において、前記量子井戸層は、InxGa1−xNを含むことが好ましい。この場合、前記p型層から数えて所定の第β層目(βは自然数)までに配置された前記量子井戸層のIn組成比率xは、前記p型層から数えて第β+1層目に配置された前記量子井戸層のIn組成比率xよりも大きいことが好ましい。
しかしながら、発光層は、格子定数が異なる(比較的に小さい)n型層上に形成される。そのため、比較的に大きい値のIn組成比率xのみからなる複数の量子井戸層を含む発光層をn型層上に形成すると、格子定数差の増大に伴い、発光層中での格子の歪みが増大する。その結果、発光層中のある地点で格子緩和して格子欠陥が発生する。発光層に格子欠陥が発生すると、目的とする輝度およびピーク発光波長が良好に発現されない場合がある。
この構成によれば、第1層目から第β層目に配置された複数の量子井戸層のIn組成比率xが等しく設定されているので、第1層目から第β層目で発現されるピーク発光波長を等しくできる。これにより、比較的高輝度を実現できる第1層目から第α層目までの範囲と、等しいピーク発光波長が発現される第1層目から第β層目までの範囲とが重複する部分において、輝度およびピーク発光波長を高めることができる。
前記半導体発光素子において、前記p型層から数えて任意の第γ(γは2以上の自然数)層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xは、前記p型層から数えて第γ−1層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xよりも小さくてもよい。
前記半導体発光素子において、前記p型層から数えて任意の第δ(δは2以上の自然数)層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度は、前記p型層から数えて第δ−1層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度よりも大きくてもよい。
前記半導体発光素子において、前記発光層と前記n型層との間に介在し、InyGa1−yNを含む第1層とGaNを含む第2層とが複数周期に亘って交互に積層された積層構造を有する中間層をさらに含んでいてもよい。
前記半導体発光素子において、前記量子井戸層は、2.5nm以上3.5nm以下の厚さを有していてもよい。前記半導体発光素子において、前記バリア層は、1nm以上20nm以下の厚さを有していてもよい。前記半導体発光素子において、前記バリア層のn型不純物濃度は、0cm−3以上3×1018cm−3以下であってもよい。バリア層のn型不純物濃度が0cm−3とは、具体的には、アンドープ(不純物無添加)を意味している。
本発明の他の局面に係る半導体発光素子は、n型層と、p型層と、前記n型層と前記p型層との間に介在する発光層とを含む。前記発光層は、n型不純物濃度が0cm−3以上7×1017cm−3未満のバリア層と、InxGa1−xNを含む量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有している。この構成において、前記p型層から前記n型層に近づくにつれてIn組成比率xが段階的に小さくなる順序で複数の前記量子井戸層が配置されていることが好ましい。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、前記n型層および前記p型層に順方向電圧が印加された場合、前記多重量子井戸構造の最下層に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xに対応したピーク発光波長を有する光を発現させるものであってもよい。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子1の構造を説明するための模式的な断面図である。
半導体発光素子1は、たとえば発光ダイオードである。半導体発光素子1は、基板2と、基板2上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造を成すIII族窒化物半導体層3とを含む。基板2は、たとえば、極性面(本実施形態ではc面)を主面2aとするサファイア単結晶基板である。以下では、基板2の主面2aを「表面2a」といい、その反対側の主面を「裏面2b」という。
n型電極19は、n型GaNコンタクト層8の引き出し部18上に配置されている。より具体的には、n型電極19は、引き出し部18上に形成された第1透明電極19aと、第1透明電極19a上に形成された第1上部電極19bとを含む。第1透明電極19aは、引き出し部18のほぼ全域に形成されていてもよい。
本実施形態では、第1透明電極19aおよび第2透明電極20aは、同一の厚さで、かつ、同一の金属材料により形成されている。第1透明電極19aおよび第2透明電極20aは、たとえばZnO、ITO、Niを含む群から選択される1つまたは複数の金属材料を含んでいてもよい。また、本実施形態では、第1上部電極19bおよび第2上部電極20bは、同一の厚さで、かつ、同一の金属材料で形成されている。第1上部電極19bおよび第2上部電極20bは、たとえばTiN、Cr、Pt、Ti、Al、Au、AuSn合金を含む群から選択される1つまたは複数の金属材料を含んでいてもよい。第1上部電極19bおよび第2上部電極20bは、たとえばCr膜と、Cr膜上に形成されたAu膜とを含む積層膜であってもよい。
発光層6は、n型不純物としてのシリコンがドーピングされたバリア層11を含む。各バリア層11のn型不純物濃度は、たとえば0cm−3以上3×1018cm−3以下であってもよい。バリア層11のn型不純物濃度が0cm−3とは、具体的には、アンドープ(不純物無添加)を意味している。各バリア層11は、たとえば1nm以上20nm以下(より具体的には3.5nm以上20nm以下)の厚さを有していてもよい。なお、バリア層11は、量子井戸層12のIn組成比率xよりも小さい範囲で、若干のInを含んでいてもよい。つまり、バリア層11は、InzGa1−zNにおいてIn組成比率z≒0であるとも見なせる。
図3(a)は、発光層6を示す図である。図3(b)は、バリア層11のシリコン濃度を示す図である。図3(c)は、発光層6の正孔濃度を示す図である。図3(d)は、量子井戸層12のIn組成比率xを示す図である。図3(c)では、正孔濃度を折れ線Aで示している。図3(d)では、In組成比率xのグラフに加えて、p型層5からn型層4に向かう発光層6の深さ方向の量子井戸層12のIn組成比率xを、二点鎖線の折れ線Bで示している。
図3(b)に示されるように、第1グループG1には、p型層5から数えて第1層から第4層目に位置する4つのバリア層11が属している。一方、第2グループG2には、p型層5から数えて第5層目から第8層目に位置する4つのバリア層11が属している。第1グループG1に属する4つのバリア層11のn型不純物濃度は、いずれも1×1017cm−3であり、第2グループG2に属する4つのバリア層11のn型不純物濃度は、いずれも7×1017cm−3である。
第5層目から第8層目に配置された複数の量子井戸層12のIn組成比率xは、n型層4に近づくにつれて段階的に小さくなる順序で設定されている。第5層目から第8層目に配置された複数の量子井戸層12のIn組成比率xは、0.08(8%)以上0.19(19%)未満、より好ましくは、0.1(10%)以上0.18(18%)以下である。第5層目から第8層目に配置された複数の量子井戸層12のIn組成比率xは、本実施形態では、第5層目から順に、0.17(17%),0.14(14%),0.11(11%),0.08(8%)である。つまり、第5層目以降の量子井戸層12のIn組成比率xは、第4層目のIn組成比率x(=0.20)から0.03(3%)ずつ小さくなるように設定されている。第5層目以降の量子井戸層12のIn組成比率xは、第4層目までに配置された量子井戸層12のIn組成比率xに対して、少なくとも0.03(3%)以上の差が設けられている。
本実施形態では、半導体発光素子1が透明樹脂によって封止されたダイオードパッケージを用いてEL強度を測定した。ダイオードパッケージにおいて、半導体発光素子1は、支持基板21上に配置されている。半導体発光素子1のn型電極19は、ボンディングワイヤ24を介して第1配線22に電気的に接続されている。半導体発光素子1のp型電極20は、ボンディングワイヤ24を介して第2配線23に電気的に接続されている。EL強度は、n型電極19(第2配線23)およびp型電極20(第1配線22)に所定の順方向電圧Vfを印加し、ダイオードパッケージのEL測定を行ってスペクトル分布を算出し、350nm以上650nm以下までのスペクトルの発光波長を積分した積分値である。
<第2実施形態>
図5は、本発明の第2実施形態に係る半導体発光素子31の構造を説明するための模式的な断面図である。半導体発光素子31は、III族窒化物半導体層3が発光層6に代えて発光層32を含む点で、前述の半導体発光素子1と異なるが、その他の構成は半導体発光素子1と同一である。図5において、前述の図1に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
図7に示されるように、500nm以上550nm以下の範囲に第1ピーク発光波長λ1が発現している。また、470nm以上500nm未満の範囲に第2ピーク発光波長λ2が発現している。また、450nm以上470nm未満の範囲に第3ピーク発光波長λ3が発現している。また、400nm以上450nm未満の範囲に第4ピーク発光波長λ4が発現している。また、380nm以上400nm未満の範囲に第5ピーク発光波長λ5が発現している。380nm未満の波形は、ノイズである。これら第1〜第5ピーク発光波長λ1〜λ5において、第1ピーク発光波長λ1が最も大きい値を示している。
たとえば、前述の各実施形態では、極性面であるc面を成長主面とするIII族窒化物半導体層3を有する半導体発光素子1を例に取ったが、非極性面であるm面やa面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。極性面や非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体層3でダイオード構造を形成した場合にも、発光効率を向上させることができる。
図8は、第1変形例に係る半導体発光素子33の構造を説明するための模式的な断面図である。図8において、前述の図1に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
また、前述の各実施形態では、III族窒化物半導体層3の最表面3aが光取り出し面である例について説明したが、基板2の裏面2bが光取り出し面とされてもよい。この場合、図9に示す構成を採用してもよい。
また、前述の各実施形態において、基板2の裏面2bに接するミラー層がさらに設けられていてもよい。つまり、基板2と支持基板21との間にミラー層が介在していてもよい。ミラー層は、たとえば屈折率が互いに異なる層が4分の1波長の長さで複数周期に亘って積層されたDBR(Distributed Bragg Reflector)層を含んでいてもよい。また、ミラー層は、DBR層に代えてまたはこれに加えてAl層またはAu層を含んでいてもよい。
また、前述の実施形態では、中間バッファ層14が形成された例について説明したが、中間バッファ層14を除いて、発光層6を直接n型GaNコンタクト層8上に形成してもよい。
また、前述の各実施形態では、半導体発光素子1が発光ダイオードである例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
4 n型層
5 p型層
6 発光層
11 バリア層
12 量子井戸層
14 中間バッファ層(中間層)
15 中間バッファ層の第1層
16 中間バッファ層の第2層
31 半導体発光素子
32 発光層
Claims (24)
- n型層と、
p型層と、
前記n型層と前記p型層との間に介在し、バリア層と量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層とを含み、
前記p型層から数えて所定の第α層目(αは自然数)までに配置された前記バリア層のn型不純物濃度は、前記p型層から数えて第α+1層目に配置された前記バリア層のn型不純物濃度よりも小さい、半導体発光素子。 - 前記αは2以上の自然数であり、
前記p型層から数えて第1層目から前記第α層目に配置された複数の前記バリア層のn型不純物濃度は、等しく設定されている、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記量子井戸層は、InxGa1−xNを含み、
前記p型層から数えて所定の第β層目(βは自然数)までに配置された前記量子井戸層のIn組成比率xは、前記p型層から数えて第β+1層目に配置された前記量子井戸層のIn組成比率xよりも大きい、請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記βは2以上の自然数であり、
前記p型層から数えて第1層目から前記第β層目までに配置された複数の前記量子井戸層のIn組成比率xは、等しく設定されている、請求項3に記載の半導体発光素子。 - 前記βは、前記αである、請求項3または4に記載の半導体発光素子。
- 前記p型層から数えて任意の第γ(γは2以上の自然数)層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xは、前記p型層から数えて第γ−1層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xと等しい、請求項3〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型層から数えて任意の第γ(γは2以上の自然数)層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xは、前記p型層から数えて第γ−1層目に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xよりも小さい、請求項3〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型層から数えて任意の第δ(δは2以上の自然数)層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度は、前記p型層から数えて第δ−1層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度と等しい、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型層から数えて任意の第δ(δは2以上の自然数)層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度は、前記p型層から数えて第δ−1層目に位置する前記バリア層のn型不純物濃度よりも大きい、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記バリア層は、GaNまたはInGaNを含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記バリア層には、n型不純物としてのシリコンがドーピングされている、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層と前記n型層との間に介在し、InyGa1−yNを含む第1層とGaNを含む第2層とが複数周期に亘って交互に積層された積層構造を有する中間層をさらに含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1層のIn組成比率yは、0.005以上0.1以下である、請求項12に記載の半導体発光素子。
- 前記第1層は、0.5nm以上10nm以下の厚さを有している、請求項12または13に記載の半導体発光素子。
- 前記第2層は、3nm以上50nm以下の厚さを有している、請求項12〜14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記量子井戸層は、2.5nm以上3.5nm以下の厚さを有している、請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記バリア層は、1nm以上20nm以下の厚さを有している、請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記バリア層のn型不純物濃度は、0cm−3以上3×1018cm−3以下である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記量子井戸層のIn組成比率xは、0.05以上0.25以下である、請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、420nm以上560nm以下の範囲にピーク発光波長を有する光を発現させる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- n型層と、
p型層と、
前記n型層と前記p型層との間に介在し、n型不純物濃度が0cm−3以上7×1017cm−3未満のバリア層と、InxGa1−xNを含む量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層とを含み、
前記p型層から前記n型層に近づくにつれてIn組成比率xが段階的に小さくなる順序で複数の前記量子井戸層が配置されている、半導体発光素子。 - 複数の前記バリア層は、等しいn型不純物濃度に設定されている、請求項21に記載の半導体発光素子。
- 複数の前記バリア層は、前記p型層から前記n型層に近づくにつれてn型不純物濃度が段階的に大きくなる順序で配置されている、請求項21に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、前記n型層および前記p型層に順方向電圧が印加された場合、前記多重量子井戸構造の最下層に位置する前記量子井戸層のIn組成比率xに対応したピーク発光波長を有する光を発現させる、請求項21〜23のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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