JP2016225525A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板と、当該基板上に形成されたn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層とを少なくとも備える窒化物半導体発光素子であって、前記発光層は多重量子井戸層より構成され、前記多重量子井戸層はアンドープであるか、n型またはp型不純物濃度が1×1017cm−3以下であり、前記多重量子井戸層を構成する複数の障壁層はAlx1Iny1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1、0≦y1<1)からなり、平均層厚が4nm以下であり、前記多重量子井戸層を構成する複数の量子井戸層はAlx2Iny2Ga1−x2−y2N(0≦x2<1、0<y2<1)からなり、前記複数の量子井戸層の平均層厚が前記障壁層の平均層厚より大きいかまたは等しい、窒化物半導体発光素子。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図であり、図3に示すI−I線における断面図に相当する。図2(a)は、図1に示す窒化物半導体発光素子1の発光層の拡大図である。図3は、窒化物半導体発光素子1の平面図である。
n型バッファ層11は低温n型窒化物半導体層9と多層構造体10より構成している。n型コンタクト層8までの下部構造は非常に厚いため、一定の結晶性を担保しつつ、できるだけ短時間で成長させる必要上、形成温度は一般に発光層の形成温度に比べ数百℃高くなっている。n型バッファ層11は、前記下部構造の成長から発光層の成長に移行していくためのバッファ層の役割を果たし、その成長温度はn型コンタクト層8と発光層の成長温度の中間的な温度となっている。n型バッファ層11の最初の層は低温n型窒化物半導体層9である。n型コンタクト層8の成長温度から温度を下げることで、Vピット20が発生し始めることが知られている。
低温n型窒化物半導体層9と発光層14との間には多層構造体10が設けられている。多層構造体10の主たる働きは低温n型窒化物半導体層9と発光層14との間に所定の距離を置き、発光層成長開始時の成長表面構造をできる限り平坦で滑らかにすると共に、Vピットを一定以上の大きさに拡大することである。図4に示したAFM像では、ほぼ等間隔の縞模様が大きく湾曲することなく上下方向に走っている。これは基板結晶面の傾斜を反映して、原子レベルのステップがエピタキシャル成長面に形成されていることを示しており、非常に薄い障壁層を成長させる上で、重要な要件となっている。一般に多層構造体の膜厚に応じて、Vピットサイズは拡大する。また、多層構造体の成長過程で、新たなVピットが発生しないようにすることも重要である。
図5は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の中間層を積層した直後の面に対してAFMによる観察を行った結果を示す画像である。発光層14には部分的にVピット20が形成されている。ここで、「部分的にVピット20が形成されている」とは、発光層14の上面をAFMで観察したときに、図5に示すように、Vピット20が発光層14の上面において点状に観察されることを意味する。発光層14の成長前後のAFM像を示す図4と図5との相違点は、Vピットの径である。多重量子井戸層の成長後に、Vピット径が大きくなっている。密度は図4が1.6E8/cm2であるのに対して、図5が1.5E8/cm2であり、両者はバラツキの範囲内で等しい(Vピット密度の測定バラツキは一般に大きく、個別の測定データに対しては、最大±50%程度のバラツキが生じ得る)。これは多重量子井戸層の成長では、新たにVピットが発生せず、n型バッファ層11形成後に存在するVピットが拡大していることを示している。
QB1〜QB7:3.6nm
QW1〜QW7:3.6nm
QW8:5.0nm
とした。表1には、実際に測定された各層の層厚を示す。
中間層15は発光層14とp型窒化物半導体層16を区切る層である。p型ドーパントであるMg(マグネシウム)が量子井戸層に入ると、発光効率が低下するため、発光層14へのMgの拡散を防止する役割を担っている。中間層15の生成はAlcGadIn(1−c−d)N(0≦c<1、0<d≦1)であればよく、好ましくはInを含まないAlcGa(1−e)N(0<e≦1)層である。中間層15の層厚は特に限定されないが、多重量子井戸層を構成する障壁層の層厚と同等かそれ以下であることが好ましい。中間層15の層厚は1nm以上4nm以下であることが好ましく、2nm以上3.5nm以下であることがより好ましい。薄くなりすぎるとMgの拡散を防止できず、厚くなりすぎると、発光層へのホール注入効率が低下し、発光効率が低下する。
図1に示す例の窒化物半導体発光素子1は、p型窒化物半導体層19を、p型AlGaN層16、p型GaN層17および高濃度p型GaN層(p型コンタクト層)18の3層構造としている。しかしながら、この構成はp側窒化物半導体層の一例に過ぎない。p型窒化物半導体層19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プされた層であってもよく、Als4Ga(1−s4)N(0<s4≦0.4、好ましくは0.1≦s4≦0.3)層にp型ドーパントがドープされた層であってもよい。
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は図3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n側電極21またはp側電極25に接続されていてもよい。また、p側電極25よりも下に、電流がp側電極25へ注入されることを防止するための絶縁層が設けられていることが好ましい。これにより、p側電極25に遮蔽される発光の量が減少する。
続いて、窒化物半導体発光素子1の製造方法を説明する。
<実施例1>
[製造工程]
実施例1の窒化物半導体発光素子1(図1参照)の製造工程は以下のとおりである。
量子井戸層の層厚:3.4nm(全層同一)
障壁層の層厚:全層同一で4.5nm、4.0nm、3.6nm、3.2nm、3.0nmまで変更した。
上記製造方法で得た窒化物半導体発光素子1に対して、TO−18型ステムにマウントし、樹脂封止を行なわずに窒化物半導体発光素子1の120mAでの光出力特性を25℃の環境下と80℃環境下において測定した。25℃の環境下における光出力PをP(25)と表記し、80℃の環境下における光出力PをP(80)と表記し、光出力Pに係る温度特性P(80)/P(25)も比較した。測定はウエハ上で125チップについて行なったが、以下では中心値のみを記載する。光出力のバラツキは±3mW程度、温度特性のバラツキは±0.5%程度あったが、サンプル間では大きな相違は無かった。
本実施例は素子構造としては実施例1の窒化物半導体発光素子1(図1参照)に対して第8量子井戸層(QW8)の層厚を変更した。具体的には多重量子井戸層の各層厚を下記のように変更する試料を試作した。
第8量子井戸層(QW8)の層厚を3.4nm、5.1nm、6.8nm、8.5nmと変更した。他の量子井戸層の層厚は3.4nmに固定し、障壁層は全層3.2nmに固定した(B1=A3である)。
本実施例に沿って試作したLEDチップの光出力と温度特性を図7(a)と図7(b)に示す。図7は、実施例2の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、図7(a)において縦軸は120mAでの光出力(mA)、横軸は第8量子井戸層(QW8)の層厚(nm)であり、図7(b)において縦軸は温度特性、横軸は第8量子井戸層(QW8)の層厚(nm)である。光出力はQW8の層厚を大きくするに従い上昇し、6.8nm付近でピークを示した。これより厚い領域では、量子井戸層の結晶性が悪化し、非発光再結合中心が増えたものと推測している。温度特性は量子井戸層の層厚の増加と共に、僅かに減少する傾向を示すが、いずれの条件に置いても96%以上を保っている。
本実施例は素子構造としては実施例2の窒化物半導体発光素子1(B3)に対して、以下の変更を行なった。
第7量子井戸層(QW7)の層厚を5nmに増加した、第8量子井戸層(QW8)の層厚は6.8nm、第1量子井戸層(QW1)から第6量子井戸層(QW6)の層厚は3.4nm、障壁層の層厚は全て3.2nmである。第7量子井戸層(QW7)と第8量子井戸層(QW8)のIn組成は、実施例2において記載したように、層厚の変更に伴いそれぞれ変更した。
第6量子井戸層(QW6)の層厚を4nmへ増加した。第7量子井戸層(QW7)の層厚は5nm、第8量子井戸層(QW8)の層厚は6.8nm、第1量子井戸層(QW1)から第6量子井戸層(QW6)の層厚は3.4nm、障壁層の層厚は全て3.2nmである。第6量子井戸層(QW6)、第7量子井戸層(QW7)と第8量子井戸層(QW8)のIn組成は、実施例2において記載したように、層厚の変更に伴いそれぞれ変更した。
本実施例に沿って試作したLEDチップの光出力と温度特性を図8に示す。光出力は第7量子井戸層(QW7)の層厚を大きくすると上昇し、更に第6量子井戸層(QW6)を増加することによっても、光出力を増加することができた。温度特性は若干低下したが、96%以上を保っている。LEDは用途によって、室温に近い状態で光出力が求められるものと高温で高い出力が求められるものがあり、用途によって条件を使い分けることができる。
本実施例は素子構造としては実施例2の窒化物半導体発光素子1(B3)に対して、第8量子井戸層(QW8)の上に障壁層1層と第9量子井戸層(QW9)を追加した。障壁層は全て3.2nmである。第9量子井戸層(QW9)の層厚は3.4nmとし、第8量子井戸層(QW8)と同じ形成条件にて成長させた。第1量子井戸層(QW1)から第7量子井戸層(QW7)の層厚は実施例2と同じく、3.4nmである。それ以外の条件は一切変更していない。
本実施例に沿って試作したLEDチップの光出力と温度特性はB3構造とほぼ一致した。但し、発光スペクトルの半値幅がB3構造の20.6nmに対して22.4nmへ拡大した。この結果は、最もp層側に近い量子井戸層の層厚が必ずしも最大値である必要が無いことを意味している。
本実施例では、実施例2の窒化物半導体発光素子1(B3)に対して、多層構造体10を通常の超格子構造に変更した。
本実施例に沿って試作したLEDチップの光出力は166mW、温度特性は96.0%と、実施例2のB3より若干劣った。また、比較例の光出力160mWであり、温度特性は97.7%であり、実施例1のA1構造とほぼ同等であった。比較例に対して、障壁層を量子井戸層より薄くすると共に、最上層の量子井戸層を厚くすることで、特性が向上していることが分かる。このことから、多層構造体の詳細な構造に関わらず、AFM測定によって得られるVピット密度や平坦性が同等であれば、発光特性としては同等の物が得られることが分かる。
本実施例は素子構造としては図2に示した構造であり、実施例2の窒化物半導体発光素子1(B3)と類似の構造であるが、以下の変更を行なった。
本実施例に沿って試作したLEDチップの光出力は165mW、温度特性は97.0%と、実施例2のB3よりも特性では劣った。しかし、比較例の光出力162mWであり、温度特性は97.3%であった。多重量子井戸の構造は異なっているが、実施例2と同様に、最上層の量子井戸層を厚くすることで、特性が向上していることが分かる。
Claims (5)
- 基板と、当該基板上に形成されたn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層とを少なくとも備える窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は多重量子井戸層より構成され、前記多重量子井戸層はアンドープであるか、n型またはp型不純物濃度が1×1017cm−3以下であり、
前記多重量子井戸層を構成する複数の障壁層はAlx1Iny1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1、0≦y1<1)からなり、平均層厚が4nm以下であり、
前記多重量子井戸層を構成する複数の量子井戸層はAlx2Iny2Ga1−x2−y2N(0≦x2<1、0<y2<1)からなり、
前記複数の量子井戸層の平均層厚が前記障壁層の平均層厚より大きいかまたは等しい、窒化物半導体発光素子。 - 前記多重量子井戸層の中央の層より前記p型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の最大層厚が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記n型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大き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。
- 前記多重量子井戸層の中央の層より前記p型窒化物半導体層側に位置する複数の量子井戸層の各層が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記n型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きい層厚を有することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記障壁層は、全て略同じ層厚であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記多重量子井戸層を構成する量子井戸層のうち最も層厚が大きい量子井戸層のIn含有率は、前記多重量子井戸層の中央より前記n型窒化物半導体層までの間に存在する量子井戸層のIn含有率の平均値より少ないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
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