JP2017017144A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
0.45≦(λp−λ1)/(λ2−λp)≦1.55・・・式(1)。
0.0001X2−0.1433X+40.943≦T≦0.0002X2−0.2784X+83.414・・・式(2)。
以下では「キャリア濃度」という言葉と「ドーピング濃度」という言葉とを用いているが、その関係については後述する。
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、多層膜11と、第2発光層13と、第1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の上面の一部分が多層膜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300μm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。凸部3Aの間隔は、典型的には2μm以上5μm以下であるが、1μm以上10μm以下であっても良い。
バッファ層5は、たとえばAls0Gat0N(0≦s0≦1、0≦t0≦1、s0+t0≠0)層であれば良く、好ましくはAlN層またはGaN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。
本明細書における多層膜とは、薄い結晶層を交互に積層した層を意味する。図3に示すように、多層膜11では、例えば厚さ10nm以上のワイドバンドギャップ層11Bと厚さ10nm以上のナローバンドギャップ層11Wとが交互に積層されている。ここでワイドバンドギャップ層11Bとナローバンドギャップ層11Wは交互に積層されるが、その始まりの層、および終わりの層として11Wと11Bのどちらが構成されていてもよい。なお、多層膜11の各層厚が薄い場合、例えば10nm以下の場合には超格子層と呼ばれることもあり、多層膜はそのような超格子層であってもよい。また、多層膜を省略あるいは単一組成の膜などに置き換えてもよい。
第2発光層13は、図3に示すように、第2井戸層13Wと第2バリア層13Bとが交互に位置するように構成された積層膜である。積層方向において隣り合う第2井戸層13Wの間には、第2バリア層13Bが配置される。第2発光層13は、複数の第2井戸層13Wと互いに隣り合う該第2井戸層13Wの間に挟まれた第2バリア層13Bとを含む積層膜を備える。
第1発光層15は、図3に示すように、第1井戸層15Wと第1バリア層15Bとが交互に位置するように構成された積層膜である。積層方向において隣り合う第1井戸層15Wの間には、第1バリア層15Bが配置される。第1発光層15は、複数の第1井戸層15Wと隣り合う該第1井戸層15Wの間に挟まれた第1バリア層15Bを含む積層膜を備える。
0.0001X2−0.1433X+40.943≦T≦0.0002X2−0.2784X+83.414・・・式(1)。
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Als4Ga1−S4N(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。ただし第1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。平面図である図2を参照して、n側電極21は、n側パッド電極21Aおよびn側枝電極21Bよりなる。p側電極25は、p側パッド電極25Aおよびp側枝電極25Bよりなる。
まず、凹凸加工が上面に施された150mm径のサファイア基板3からなるウエハを準備し、その上面上に、AlNからなるバッファ層5をスパッタ法により形成した。
第1井戸層15Wは、アンドープInxGa1−xN層(x=0.25)を結晶成長させた。各第1井戸層15Wの厚さを3.08nmとし、各第2井戸層13Wの厚さと設計上同じ厚さとした。また、Inの組成xは、25℃の環境温度にて、駆動電流値120mAを印加した際の第1井戸層15Wの発光波長が470nmとなるようにTMIの流量を調整して設定した。
実施例1の構成に対し、第2発光層13および第1発光層15の井戸層数だけを変更した。つまり、第2バリア層13BとアンドープInGaNからなる第2井戸層13Wとを交互に2層づつ、アンドープGaNからなる第1バリア層15BとアンドープInGaNからなる第1井戸層15Wとを交互に6層づつ形成した。
実施例1の構成に対し、第2発光層及び第1発光層の井戸層数だけを変更した。つまり、第2バリア層13BとアンドープInGaNからなる第2井戸層13Wとを交互に6層づつ、アンドープGaNからなる第1バリア層15BとアンドープInGaNからなる第1井戸層15Wとを交互に2層づつ形成した。
実施例1の構成に対し、第2発光層がなく第1発光層だけからなる構造を作成した。つまり、アンドープGaNからなる第1バリア層15BとアンドープInGaNからなる第1井戸層15Wとを交互に8層づつ形成した。
第2発光層13からの波長450nmの発光を抑えるため、実施例3をベースに、最後の第2バリア層13BL(第1発光層15の第1井戸層15Wに接する第2バリア層13B)の厚さを他の第2バリア層13Bの2倍の厚さである8.0nmとした。
第2発光層13からの波長450nmの発光を抑えるため、実施例3をベースに、最後の第2バリア層13BLにn型ドーパントであるSiを7.0×1017cm−3ドープした。
第2発光層13からの450nmの発光を抑えるため、実施例3をベースに、第2発光層13の各層にn型ドーパントであるSiを7.0×1017cm−3ドープした。
発光波長450nmの第2発光層を設けることにより、発光波長470nmの第1発光層の光出力が増大するという知見に基づき、例えば4つの井戸層を備え、発光波長が430nmの第2発光層と、例えば4つの井戸層を備え、発光波長が450nmの第1発光層とを設けた発光素子とすることができる。また、例えば発光波長405nmの第1発光層と、発光波長385nmの第2発光層とを設ける、あるいは、発光波長520nmの第1発光素子と発光波長500nmの第2発光層とを設けることができる。なお、第1発光層と第2発光層の波長差は20nmに限られるものではなく、駆動電流域において第1発光層からの発光波長が支配的となる範囲内で適宜変更することができる。第1発光層の波長も、窒化物半導体発光素子が実現可能な波長範囲、例えば200nmから600nmの範囲内において、適宜設定可能である。
Claims (9)
- n型窒化物半導体層と、第2発光層と、第1発光層と、p型窒化物半導体層とをこの順に備え、
前記第2発光層は、第2井戸層と当該第2井戸層よりもバンドギャップの大きい第2バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第2井戸層を含み、
前記第1発光層は、第1井戸層と当該第1井戸層よりもバンドギャップの大きい第1バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第1井戸層を含み、
前記第1井戸層のバンドギャップが前記第2井戸層のバンドギャップよりも小さく、
駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と前記第1発光層の発光波長との差が10nm以下である、窒化物半導体発光素子。 - n型窒化物半導体層と、第2発光層と、第1発光層と、p型窒化物半導体層とをこの順に備え、
前記第2発光層は、第2井戸層と当該第2井戸層よりもバンドギャップの大きい第2バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第2井戸層を含み、
前記第1発光層は、第1井戸層と当該第1井戸層よりもバンドギャップの大きい第1バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第1井戸層を含み、
前記第1井戸層のバンドギャップが前記第2井戸層のバンドギャップよりも小さく、
駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と駆動電流値の1/10の電流値における発光スペクトルのピーク波長との差が10nm以下である、窒化物半導体発光素子。 - 前記駆動電流値における発光スペクトルにおいて、
前記ピーク波長をλpとし、
前記ピーク波長よりも短波長側に位置し、前記ピーク波長における発光強度の80%の発光強度を有する波長をλ1とし、
前記ピーク波長よりも長波長側に位置し、前記ピーク波長における発光強度の80%の発光強度を有する波長をλ2とした場合に、
下記式(1)を充足する、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。
0.45≦(λ2−λp)/(λp−λ1)≦1.55・・・式(1) - 前記第2発光層は、前記第1発光層より5nm以上短波長の光を発するように、前記第2井戸層のバンドギャップが設定されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1発光層はアンドープであり、
前記第2発光層はn型ドーパントを含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第1発光層および前記第2発光層のすべてがアンドープである、請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- n型窒化物半導体層は、多層膜構造を備え、
前記多層膜構造を構成する各層の厚さが10nm以上である、請求項1から6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第1発光層のEL発光波長が430nmから550nmの範囲にあり、
前記EL発光波長をXとし、
前記第1井戸層の厚みをTとした場合に、下記式(2)を満たす、請求項1から7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
0.0001X2−0.1433X+40.943≦T≦0.0002X2−0.2784X+83.414・・・式(2) - 前記第1発光層は、前記第1井戸層と前記第1バリア層とが交互に位置する積層膜を含み、
前記第1発光層の井戸層数は3以上6以下である、請求項1から8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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JP2021002595A (ja) * | 2019-06-21 | 2021-01-07 | ローム株式会社 | 半導体発光装置 |
Citations (3)
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JPH11330554A (ja) * | 1998-03-12 | 1999-11-30 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
JP2014187159A (ja) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Rohm Co Ltd | 半導体発光素子 |
WO2015034865A1 (en) * | 2013-09-03 | 2015-03-12 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Optoelectronic device with modulation doping |
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2015
- 2015-06-30 JP JP2015131299A patent/JP2017017144A/ja active Pending
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