JP2017135426A - 窒化物半導体構造及び半導体発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体構造は、n型半導体層2と、該n型半導体層2上に配置され、多重量子井戸(MQW)構造を有する発光層4と、発光層4上に配置され、発光層4に近接する第1のサブレイヤー5と発光層4から離れた第2のサブレイヤー3とを有するp型半導体層とを備える。ここで、第1のサブレイヤー5にドープされている炭素の濃度は、第2のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度よりも高く、第1のサブレイヤー5のバンドギャップエネルギはMQW構造の各井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きく、第1のサブレイヤー5にドープされている炭素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
窒化物LEDは、小体積、無水銀、高発光効率、長寿命などの特長を有し、オプトエレクトロニクス半導体材料の一つとなっており、III族窒化物の発光波長が可視光のほとんどの範囲をカバーすることができるため、大きな可能性を備えた発光ダイオード材料として見られている。
III族窒化物半導体は、発光デバイス上にPN接合として用いられ、さらに詳細にはn型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層を形成しなければならない。一般にSi、Snなどのn型ドーパントをドーピングし、p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体層を形成し、Mgをp型ドーパントとして使用するが、MgはHと容易に反応してMg−H錯体(Mg−H complex)を形成し、上述したp型ドーパントはアクセプタの性質を発揮することができず、供給する電荷ホールの濃度が大幅に下がって発光デバイスは正常な機能を発揮することができなくなる。これにより低抵抗(low−resistance)を有するp型窒化物半導体層を従来技術により形成することは容易でなかった。
水素原子は、上述の半導体層中でアクセプタとして用いるp型ドーパント(例えば、Mg)と反応する。そのため、上述のp型ドーパントはその作用が失われ、ドーパント濃度を効果的に高めることができなかった。
また、GaN中のMgの非常に大きな活性化エネルギにより、電荷ホールの活性化効率が非常に低かったため(10%未満)、p型GaNの電荷ホールの濃度を高めることは困難である。そのため、電荷ホールの濃度を高めるためには、MgとHとの反応を減らしてp型GaNの抵抗を十分に低くし、発光効率を高めなければならなかった。
n型半導体層2とp型半導体層3との間には、発光層(active layer)4が形成される。発光層4とp型半導体層3との間には、電荷ホール供給層5が形成される。電荷ホール供給層5はInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、好適には0<x≦0.1である。
また、電荷ホール供給層5には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素(炭素であることが好ましい)がドーピングされる。本実施形態においてn型半導体層2はn型GaN系半導体層であり、p型半導体層3はp型GaN半導体層である。
本実施形態のp型AlGaNは、電子がp型半導体層3内へ逃げ込むことを防ぎ、電子の移動速度を下げて発光層4に滞在する時間を延ばす。発光層4とn型半導体層2との間にはn型キャリア阻止層7が形成されてもよく、n型キャリア阻止層7は、発光層4より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。本実施形態のn型AlGaNは、電荷ホールがn型半導体層2内へ逃げ入ることを防ぐ。
上述のIV族元素は、C、Si、Ge、Sn、Pbなどでもよいが、Cであることが好ましい。上述のIV族元素がCであることが好ましい理由とは、エピタキシャル工程においてCは、アンモニアガスから分解されて放出された水素と反応して安定した化合物CH4が形成されて窒化物半導体から分離される。このため、Hの含有量が減り、Mg−Hボンドが発生する状況が減り、Mgをイオン形態で活性化させるため、電荷ホール供給層5の電荷密度が高くなり、これにより多くの電荷ホールが発光層4へ入って電子・正孔の結合率が向上する。
また、電荷ホール供給層5には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素(炭素であることが好ましい)がドーピングされる。電荷ホール供給層5は、1〜100nmの厚さを有することが好ましく、1018cm-3より大きな濃度を有するp型ドーパント(例えばマグネシウムである)をドーピングし、電荷ホール供給層5のバンドギャップエネルギは、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きい。
n型キャリア阻止層7及びp型キャリア阻止層6は、それぞれ発光層4より高いバンドギャップエネルギを有する材料で製作され、格子不整合により転位が発生してしまう問題の発生を防ぐために、基板1の表面にバッファ層8を形成してもよい。バッファ層8は、AlGayN1-yであり、ここでyの範囲は0<y<1である。
2 n型半導体層
3 p型半導体層
4 発光層
5 電荷ホール供給層
6 p型キャリア阻止層
7 n型キャリア阻止層
8 バッファ層
21 n型電極
31 p型電極
Claims (13)
- 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置され、多重量子井戸(MQW)構造を有する発光層であって、前記MQW構造は、交互に積層された複数のバリア層と複数の井戸層とを有する、発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、前記第2のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度よりも高く、前記第1のサブレイヤーのバンドギャップエネルギは前記MQW構造の各井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きく、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置された発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、前記第2のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度よりも高く、前記第1のサブレイヤーの水素濃度は前記第2のサブレイヤーの水素濃度よりも低く、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 前記p型半導体層は、前記第1のサブレイヤーと前記第2のサブレイヤーとの間に挿入された第3のサブレイヤーをさらに有し、前記第1のサブレイヤーの材料は、インジウムを含むp型GaN系半導体を含み、前記第3のサブレイヤーの材料は、アルミニウムを含むp型GaN系半導体を含む、請求項1または2に記載の窒化物半導体構造。
- 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置された発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーと前記第1のサブレイヤーと前記第2のサブレイヤーとの間に挿入された第3のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、前記第2のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度よりも高く、前記第1のサブレイヤーはインジウムを含み、前記第3のサブレイヤーはアルミニウムを含み、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置され、多重量子井戸(MQW)構造を有する発光層であって、前記MQW構造は、交互に積層された複数のバリア層と複数の井戸層とを有する、発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーと前記第1のサブレイヤーと前記第2のサブレイヤーとの間に挿入された第3のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーのバンドギャップエネルギは前記MQW構造の各井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きく、前記第1のサブレイヤーはインジウムを含み、前記第3のサブレイヤーはアルミニウムを含み、
前記第1のサブレイヤーにドープされている炭素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置され、多重量子井戸(MQW)構造を有する発光層であって、前記MQW構造は、交互に積層された複数のバリア層と複数の井戸層とを有する、発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーと前記第1のサブレイヤーと前記第2のサブレイヤーとの間に挿入された第3のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーはインジウムを含み、前記第1のサブレイヤーにドープされたIV族元素の濃度は前記第3のサブレイヤーにドープされたIV族元素の濃度よりも高く、
前記第1のサブレイヤーにドープされているIV族元素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 前記第3のサブレイヤーがアルミニウムを含む、請求項6に記載の窒化物半導体構造。
- 窒化物半導体構造であって、
n型半導体層と、
該n型半導体層上に配置され、多重量子井戸(MQW)構造を有する発光層であって、前記MQW構造は、交互に積層された複数のバリア層と複数の井戸層とを有する、発光層と、
前記発光層上に配置され、前記発光層に近接する第1のサブレイヤーと前記発光層から離れた第2のサブレイヤーとを有するp型半導体層と、
を備え、
前記第1のサブレイヤーはインジウムを含み、前記第1のサブレイヤーにドープされているIV族元素の濃度は、1017cm−3〜1020cm−3の範囲にあることを特徴とする窒化物半導体構造。 - 前記p型半導体層は、前記第1のサブレイヤーと前記第2のサブレイヤーとの間に挿入された第3のサブレイヤーをさらに有し、該第3のサブレイヤーはアルミニウムを含む、請求項8に記載の窒化物半導体構造。
- 前記IV族元素は炭素である、請求項6〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体構造。
- 前記第1のサブレイヤーの水素濃度は前記第2のサブレイヤーの水素濃度よりも低い、請求項1、4〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体構造。
- 前記p型半導体層のp型ドーパントはマグネシウムを有し、前記p型ドーパントの濃度は1018cm−3よりも高い、請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体構造。
- 前記n型半導体層はn型キャリア阻止層を有し、前記n型キャリア阻止層の材料は、アルミニウムを含むn型GaN系半導体を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体構造。
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