JP2018050012A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
n側半導体層と、
p側半導体層と、
井戸層と障壁層とを含み、前記n側半導体層と前記p側半導体層の間に設けられた活性層と、を備え、
前記障壁層が、前記活性層における最もp側半導体層側の層として設けられた最終障壁層を含み、
前記p側半導体層は、活性層側から順に、最も活性層側の層として設けられた第1層と、p型不純物を含み前記最終障壁層よりバンドギャップの大きい第2層と、を含み、
前記第1層は、前記最終障壁層よりバンドギャップが小さく、前記井戸層よりバンドギャップが大きく、前記最終障壁層より膜厚が薄いことを特徴とする。
実施形態の発光素子100は、基板1と、基板1上に設けられた下地層2、n側半導体層10、活性層4及びp側半導体層20とを含む。n側半導体層10は、基板1上に下地層2を介して設けられ、少なくともn型コンタクト層3を含む。活性層4は、n側半導体層上に設けられ、交互に設けられた障壁層4b及び井戸層4wと、活性層4における最もp側半導体層20側の層として設けられた最終障壁層4fbとを含む。p側半導体層20は、活性層4上に設けられ、活性層4側から順に第1層5と第2層6とp型コンタクト層7とを含む。p側半導体層20において、第2層6は、p型不純物を含み、最終障壁層4fbより大きいバンドギャップを有する。また、p側半導体層20において、第1層5は、最終障壁層4fbと第2層6の間に最も活性層4側の層として設けられ、最終障壁層4fbに接して設けられる。また、第1層5は、最終障壁層4fbより小さくかつ井戸層4wより大きいバンドギャップを有し、最終障壁層4fbより膜厚が薄くなるように構成されている。
また、p型コンタクト層7の表面の一部にはp電極8が設けられ、一部の領域のp型コンタクト層7、第2層6、第1層5及び活性層4を除去して露出させたn型コンタクト層3の表面(電極形成面)にはn電極8が設けられている。
これに対して、最終障壁層4fbと第2層6の間に、最終障壁層4fbよりバンドギャップの小さい第1層5を介在させると、第2層6の第1層5側のバンドギャップを小さくできる。これにより、第2層6における第1層5側の活性化率を高くでき、第2層6のキャリア濃度を高くすることができる。したがって、実施形態の発光素子は、駆動電圧を低くできる。
第1層5は、上述したように、最終障壁層4fbと第2層6の間に設けられた、最終障壁層4fbよりバンドギャップの小さい層であり、第2層6の第1層5側のバンドギャップを小さくして、第2層6における第1層5側の活性化率を高くし、さらに活性層4に注入されるホールに対する障壁を低くする機能を有している。したがって、この第1層5の膜厚は、第2層6の第1層5側のバンドギャップを小さくできる限り、薄くすることが好ましく、例えば、井戸層4wの膜厚より小さい0.5nm〜2、5nmの範囲に設定され、好ましくは、1nm〜2nmの範囲に設定される。第1層5の膜厚を厚くした場合、発光素子100の駆動電圧が上昇し、光出力が低下するおそれがある。
さらに第1層5は、GaNにおけるGaの一部がInにより置換されたInGaNからなることが好ましい。
その理由は、第1層5を含まない従来の発光素子であっても、第2層6のバンドギャップより最終障壁層4fbのバンドギャップを小さくして、第2層と最終障壁層とが接触するように構成すると、第2層の最終障壁層側のバンドギャップは小さくなる。しかしながら、発光ピーク波長が短波長である発光素子では、最終障壁層を含む障壁層のバンドギャップを大きくする必要があるために、第2層と最終障壁層との間のバンドギャップ差を大きくすることができない場合がある。このような場合、第2層6と最終障壁層4fbとを直接接するように構成しても、第2層6の最終障壁層4fb側のバンドギャップの低下は小さく、駆動電圧の低減効果は期待できない。
半導体層を形成するための基板1は、例えば、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板を用いることができる。また、基板1として、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Siなどを用いても良い。また、窒化物半導体と格子整合する酸化物基板を用いることもできる。中でも、サファイア基板が好ましい。基板1は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。基板1上には、n側半導体層10、活性層4、及びp側半導体層20以外に、低温成長バッファ層などが下地層2として形成されていてもよい。
窒化物半導体としては、III−V族窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1))が挙げられる。さらに、III族元素の一部又は全部にBを用いたり、V族元素のNの一部をP、As、Sbで置換した混晶であってもよい。これらの窒化物半導体層は、通常、n型、p型のいずれかの不純物がドーピングされている。半導体層は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシャル成長法(MBE)等の公知の技術により形成することができる。
井戸層4w、障壁層4b及び最終障壁層4fbは、Si等のn型不純物及び/又はMg等のp型不純物を含んでいても良いが、アンドープであることが好ましい。
(基板1)
基板1として、サファイア(C面)よりなる基板を用い、MOCVD反応容器内において水素雰囲気中、1050℃で表面のクリーニングを行った。
温度を550℃にして、原料ガスにTMA、TMG、アンモニアを用い、基板上にAlGaNよりなるバッファ層を約12nmの膜厚に成長させた。
(下地層1)
温度を1050℃にして、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、基板上にGaNよりなる下地層1を約1μmの膜厚に成長させた。
(下地層2)
続いて、温度を1150℃にして、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、基板上にGaNよりなる下地層2を約1μmの膜厚に成長させた。
次に、1150℃でTMG、TMA、アンモニア、モノシランを用い、Siを1×1019/cm3ドープしたn型GaNよりなるn型コンタクト層3を6μmの膜厚に成長させて形成した。
次に、温度を860℃にして、原料ガスにTEG、TMI、アンモニアを用い、GaNよりなる膜厚が2nmの層と、In0.07Ga0.93Nよりなる膜厚が1nmの層とを交互に20ペア成長させた。
(活性層4)
次に、温度を840℃にして、原料ガスにTEG、TMI、アンモニアを用い、GaNよりなる膜厚が4.5nmの障壁層4bとIn0.15Ga0.85Nよりなる膜厚が3.5nmの井戸層4wを交互に9ペア成長させ、最後にGaNよりなる最終障壁層4fbを4.5nmの厚さに成長させて活性層4を形成した。
次に、温度を840℃にして、原料ガスにTEG、TMI、アンモニアを用い、最終障壁層4fbの上に、In0.05Ga0.95Nよりなる第1層5を2nmの膜厚に成長させた。
次に、840℃でTEG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.17Ga0.83Nよりなる第2層6を10nmの膜厚に成長させた。
続いて、第2層6上に、アンドープのGaNを100nmの膜厚に成長させ、そのアンドープのGaNの層上に、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用いて、Mgを5×1020/cm3ドープしたGaNよりなるp型コンタクト層7を23nmの膜厚に成長させた。
2 下地層
3 n型コンタクト層
4 活性層
4b 障壁層
4fb 最終障壁層
4w 井戸層
5 第1層
6 第2層
7 p型コンタクト層
10 n側半導体層
20 p側半導体層
100 発光素子
Claims (11)
- n側半導体層と、
p側半導体層と、
井戸層と障壁層とを含み、前記n側半導体層と前記p側半導体層の間に設けられた活性層と、を備え、
前記障壁層が、前記活性層における最もp側半導体層側の層として設けられた最終障壁層を含み、
前記p側半導体層は、活性層側から順に、最も活性層側の層として設けられた第1層と、p型不純物を含み前記最終障壁層よりバンドギャップの大きい第2層と、を含み、
前記第1層は、前記最終障壁層よりバンドギャップが小さく、前記井戸層よりバンドギャップが大きく、前記最終障壁層より膜厚が薄いことを特徴とする発光素子。 - 前記第1層の膜厚は、前記井戸層の膜厚より小さい請求項1記載の発光素子。
- 前記第1層は、アンドープ層である請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記第1層と前記井戸層はそれぞれInを含み、前記第1層のIn含有量は、前記井戸層のIn含有量より小さい請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第1層は、前記最終障壁層に接している請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記最終障壁層は、GaN又はAlGaNからなる請求項1〜5のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記最終障壁層は、アンドープ層である請求項1〜6のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第1層は、InGaNからなる請求項1〜7のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第1層の膜厚は、0.5nm以上、2.5nm以下である請求項1〜8のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記n側半導体、前記p側半導体層、前記第1層、及び前記活性層は、サファイア基板上に設けられている請求項1〜9のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第2層は、p型不純物としてMgを含むAlGaNからなる請求項1〜10のいずれか1つに記載の発光素子。
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