JP2020202214A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。この窒化物半導体発光素子(以下、単に「発光素子」ともいう)1には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)が含まれる。本実施の形態では、発光素子1として、中心波長が250nm〜360nm(好ましくは、295nm〜360nm)の紫外光を発する発光ダイオード(LED)を例に挙げて説明する。
n側電極90は、n型クラッド層30の一部の領域上に形成されている。n側電極90は、例えば、n型クラッド層30の上に順にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成される。
次に、発光素子1の製造方法について説明する。まず、サファイア基板11上にバッファ層12を高温成長させて最表面がAlNである基板10を作製する。次に、この基板10上にn型クラッド層30、活性層50、電子ブロック層60、及びp型クラッド層70を積層して、所定の直径(例えば、50mm)の円盤状の形状を有する窒化物半導体積層体(「ウエハ」ともいう)を形成する。
次に、第1の実施の形態に係る実施例について説明する。図2は、第1の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)画像図である。画像の倍率は、150万倍、加速電圧は、200kVとした。図2に示すように、発光素子1には、下から順に、n型クラッド層30(相対的に色が薄い部分)、1つの障壁層51A(n型クラッド層30に対して色が濃い部分)、1つの井戸層52A(前記1つの障壁層51Aに対して色が薄い部分)、第1の電子ブロック層61(前記1つの井戸層52Aに対して色が濃い部分)、及び第2の電子ブロック層62(第1の電子ブロック層61に対して色が薄い部分)が形成されている。また、前記1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aは、活性層50(具体的には、単一の量子井戸構造50A)を形成している。
1つの井戸層52AのSi濃度≧n型クラッド層30のSi濃度・・・(1)
n型クラッド層30のSi濃度>1つの障壁層51AのSi濃度・・・(2)
を満たしている。Al組成比が高いほどSiがドープされにくいためである。
次に、図4を参照して、Si濃度と発光素子1の光出力との関係について説明する。図4は、第1の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の光出力を測定した結果を示す図であり、(a)は、光出力とSi濃度との関係をグラフで示した図、(b)は、光出力とSi濃度との関係を示すテーブルである。ここで、図4(a)の横軸は、1つの井戸層52AにおけるSi濃度(例えば、1つの井戸層52A内のピークの値)(個/cm3)を示し、縦軸は、発光素子1の光出力(任意単位、当社比)を示している。発光出力(任意単位)は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本実施例では、一例として、1枚のウエハの中心部と縁部とにそれぞれIn(インジウム)電極を付着し、この電極に所定の電流を流してウエハの中心部を発光させ、所定の位置に設置した光検出器によりこの発光を測定する方法を用いた。なお、測定時に流した電流の大きさは、20mAとした。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子1の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子1は、複数の障壁層51Bを有する点で第1の実施の形態の発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
図5に示すように、第2の実施の形態に係る発光素子1は、基板10と、n型クラッド層30と、複数の障壁層51Bと1つの井戸層52Aとを含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80と、n側電極90と、p側電極92とを含んで構成されている。このうち、基板10、n型クラッド層30、1つの井戸層52A、電子ブロック層60、p型クラッド層70、p型コンタクト層80、n側電極90及びp側電極92は、上述した第1の実施の形態と同一のため詳細な説明は省略する。1つの井戸層52Aは、井戸層の一例である。
次に、上述の第2の実施の形態に係る発光素子1の製造方法について、第1の実施の形態に係る発光素子1の製造方法と異なる点を中心に説明する。第2の実施の形態では、第2の障壁層51bとしてのAlN層、及びSiを所定のドープ量でドープした第3の障壁層51cを形成する。この所定のドープ量は1.0×1018〜1.0×1020個/cm3の範囲であることが好ましい。
次に、上述の第2の実施の形態に係る実施例について説明する。図6は、第2の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM画像図である。撮影の条件は、図2に示したものと同一である。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図8は、本発明の第3の実施の形態に係る発光素子1の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子1は、複数の障壁層51Bと複数の井戸層52Bとを交互に積層した多重量子井戸構造50Bを有する点で第1の実施の形態の発光素子1及び第2の実施の形態の発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態及び第2の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第3の実施の形態に係る発光素子1は、中心波長が250nm〜360nm(好ましくは、250nm〜295nm)の紫外光を発する。
図8に示すように、第3の実施の形態に係る発光素子1は、基板10と、n型クラッド層30と、傾斜組成層である第1の障壁層51aと、複数の障壁層51Bと複数の井戸層52Bとを含む多重量子井戸構造50Bを有する活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80と、n側電極90と、p側電極92とを含んで構成されている。なお、以下では、説明の便宜上、上述した実施の形態と同様に傾斜組成層を第1の障壁層51aともいうが、傾斜組成層は、多重量子井戸構造50Bを構成する複数の障壁層51Bとは異なるのものとして区別して扱う。
次に、上述の第3の実施の形態に係る発光素子1の製造方法について、第1の実施の形態に係る発光素子1の製造方法及び第2の実施の形態に係る発光素子1の製造方法と異なる点を中心に説明する。第3の実施の形態では、第1の井戸層52aに、Siを所定のドープ量でドープする。この所定のドープ量は1.0×1018〜1.0×1020個/cm3の範囲であることが好ましい。
次に、上述の第3の実施の形態に係る実施例について説明する。図9は、第3の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM画像図である。撮影の条件は、図2に示したものと同一である。
以上説明したように、本発明の上述した実施の形態及びその変形例に係る発光素子1では、活性層50内に、n型クラッド層30及び活性層50が積層される方向におけるSiの濃度(以下、単に「Si濃度」ともいう)の分布における局所的なピークが存在する。かかる構成により、発光素子1の光出力を向上させることが確認できる。
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[2]前記活性層(50)は、前記n型クラッド層(30)側に位置する、AlGaNにより形成された1つの障壁層(51A)と、該1つの障壁層(51A)を形成するAlGaNのAl組成比よりも小さいAl組成比を有するAlGaNにより形成された1つの井戸層(52A)と、により構成された単一の量子井戸構造(50A)を有し、前記Siの濃度の分布は、前記1つの井戸層(52A)内に前記ピークを有する、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記活性層(50)は、前記n型クラッド層(30)側から前記活性層(50)側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層(51a)と、前記第1の障壁層(51a)上に設けられた、AlNにより形成された第2の障壁層(51b)と、を含む複数の障壁層(51B)を備え、前記Siの濃度の分布は、前記複数の障壁層(51B)内に前記ピークを有する、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記複数の障壁層(51B)は、前記第2の障壁層(51b)上に形成された第3の障壁層(51c)をさらに備え、前記Siの濃度の分布は、前記第2の障壁層(51b)及び前記第3の障壁層(51c)の境界の付近に前記ピークを有する、前記[3]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]前記活性層(50)は、前記第3の障壁層(51c)上に形成された1つの井戸層(52A)をさらに備え、前記1つの井戸層(52A)は、3.0nm以上の厚さを有している、前記[4]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[6]前記活性層(50)は、複数の障壁層(51B)と複数の井戸層(52B)とを交互に積層した多重量子井戸構造(50B)を有し、前記Siの濃度の分布は、前記複数の井戸層(52B)のうち前記n型クラッド層(30)側に位置する下側井戸層内に前記ピークを有する、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[7]前記n型クラッド層(30)と前記活性層(50)との間に、前記n型クラッド層(30)側から前記活性層(50)側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層(51a)をさらに備え、前記第1の障壁層(51a)の厚さは、前記複数の障壁層(51B)のうちのいずれかの障壁層又は前記複数の井戸層(52B)のうちのいずれかの障壁層の厚さの3〜5倍である、前記[6]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[8]前記複数の井戸層(52B)は、前記下側井戸層と、該下側井戸層よりも前記n型クラッド層(30)と反対側に位置する上側井戸層と、を備え、前記上側井戸層は、3.0nm以上の厚さを有するとともに、前記上側井戸層の厚さの1.5倍〜2.5倍の厚さを有している、前記[6]又は[7]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[9]前記Siの濃度の前記ピークの値は、1.0×1018個/cm3以上1.0×1020個/cm3以下である、前記[1]から[8]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[10]前記n型クラッド層(30)の下に位置して、AlNで形成された表面を有する基板(10)をさらに備える、前記[1]から[9]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[11]中心波長が295nmから360nmの深紫外光を発光する、前記[1]から[5]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[12]中心波長が250nmから295nmの深紫外光を発光する、前記[6]から[10]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(2)。
10…基板
11…サファイア基板
12…バッファ層
30…n型クラッド層
30a…露出面
50…活性層
50A…量子井戸構造
50B…多重量子井戸構造
51A…1つの障壁層
51B…複数の障壁層
51a…第1の障壁層
51b…第2の障壁層
51c…第3の障壁層
51d…第4の障壁層
52A…1つの井戸層
52B…複数の井戸層
52a…第1の井戸層
52b…第2の井戸層
52c…第3の井戸層
60…電子ブロック層
61…第1の電子ブロック層
62…第2の電子ブロック層
70…p型クラッド層
80…p型コンタクト層
90…n側電極
92…p側電極
Claims (12)
- n型AlGaNにより形成されたn型クラッド層と、
前記n型クラッド層上に位置する、AlGaNにより形成された活性層と、
を備え、
前記活性層内に、前記n型クラッド層及び前記活性層が積層される方向におけるSiの濃度の分布の局所的なピークが存在する、
窒化物半導体発光素子。 - 前記活性層は、前記n型クラッド層側に位置する、AlGaNにより形成された1つの障壁層と、該1つの障壁層を形成するAlGaNのAl組成比よりも小さいAl組成比を有するAlGaNにより形成された1つの井戸層と、により構成された単一の量子井戸構造を有し、
前記Siの濃度の分布は、前記1つの井戸層内に前記ピークを有する、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記活性層は、前記n型クラッド層側から前記活性層側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層と、前記第1の障壁層上に設けられた、AlNにより形成された第2の障壁層と、を含む複数の障壁層を備え、
前記Siの濃度の分布は、前記複数の障壁層内に前記ピークを有する、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記複数の障壁層は、前記第2の障壁層上に形成された第3の障壁層をさらに備え、
前記Siの濃度の分布は、前記第2の障壁層及び前記第3の障壁層の境界の付近に前記ピークを有する、
請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記活性層は、前記第3の障壁層上に形成された1つの井戸層をさらに備え、
前記1つの井戸層は、3.0nm以上の厚さを有している、
請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記活性層は、複数の障壁層と複数の井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、
前記Siの濃度の分布は、前記複数の井戸層のうち前記n型クラッド層側に位置する下側井戸層内に前記ピークを有する、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記n型クラッド層と前記活性層との間に、前記n型クラッド層側から前記活性層側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層をさらに備え、
前記第1の障壁層の厚さは、前記複数の障壁層のうちのいずれかの障壁層又は前記複数の井戸層のうちのいずれかの障壁層の厚さの3〜5倍である、
請求項6に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記複数の井戸層は、前記下側井戸層と、該下側井戸層よりも前記n型クラッド層と反対側に位置する上側井戸層と、を備え、
前記下側井戸層は、3.0nm以上の厚さを有するとともに、前記上側井戸層の厚さの1.5倍〜2.5倍の厚さを有している、
請求項6又は7に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記Siの濃度の前記ピークの値は、1.0×1018個/cm3以上1.0×1020個/cm3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。 - 前記n型クラッド層の下に位置して、AlNで形成された表面を有する基板をさらに備える、
請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 中心波長が295nmから360nmの深紫外光を発光する、
請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 中心波長が250nmから295nmの深紫外光を発光する、
請求項6から10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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