JP2022172792A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子は、第1半導体層と、第1半導体層の一方側に設けられた活性層と、活性層の第1半導体層と反対側において活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、第2半導体層の活性層と反対側において第2半導体層と接するよう設けられ、活性層から発される光を反射する反射電極と、を備える。第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす。【選択図】図2

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
特許文献1には、活性層において発された深紫外光を基板側から取り出すよう構成された窒化物半導体発光素子が開示されている。当該窒化物半導体発光素子は、基板上に、n型半導体層、活性層、p型AlGaN電子ブロック層、p型コンタクト層、及びp側反射電極を順次備える。
p側反射電極は、深紫外光を反射する性質を有する電極である。窒化物半導体発光素子にp側反射電極を設けることにより、活性層から基板と反対側に向かって発された深紫外光が、p側反射電極において基板側に向けて反射されるため、基板から取り出される光の発光出力が向上する。
特開2020-098908号公報
しかしながら、特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子においては、発光出力をより向上させる観点から改善の余地がある。
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、前記の目的を達成するため、第1半導体層と、前記第1半導体層の一方側に設けられた活性層と、前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす、窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明によれば、発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。
実施の形態における、窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す模式図である。 実施例1における、第2半導体層の光学膜厚と初期発光出力及び残存発光出力との関係を示すグラフである。 実施例2における、第2半導体層の光学膜厚と順方向電圧との関係を示すグラフである。
[実施の形態]
本発明の実施の形態について、図1乃至図3を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。
(窒化物半導体発光素子1)
図1は、本形態における窒化物半導体発光素子1の構成を概略的に示す模式図である。窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)は、例えば発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)又は半導体レーザ(LD:Laser Diode)を構成するものとすることができる。本形態において、発光素子1は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。特に、本形態の発光素子1は、中心波長が200nm以上365nm以下の深紫外光を発する。本形態の発光素子1は、例えば殺菌(例えば空気浄化、浄水等)、医療(例えば光線治療、計測・分析等)、UVキュアリング等の分野において用いることができる。
発光素子1は、基板2上に、第1半導体層3と活性層4と第2半導体層5とを順次備える。また、発光素子1は、第1半導体層3上に設けられたn側電極6と、第2半導体層5上に設けられたp側反射電極7とを備える。以下、便宜上、基板2、第1半導体層3、活性層4及び第2半導体層5の積層方向(図1の上下方向)を上下方向といい、基板2に対して第1半導体層3、活性層4及び第2半導体層5が積層された側(すなわち図1の上側)を上側といい、その反対側(すなわち図1の下側)を下側という。上下の表現は便宜的なものであり、例えば発光素子1の使用時における、鉛直方向に対する発光素子1の姿勢を限定するものではない。本形態において、発光素子1を構成する各層は、上下方向に厚みを有する。
発光素子1を構成する半導体としては、例えば、AlGaIn1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)にて表される2~4元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素(B)、タリウム(Tl)等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置き換えてもよい。以下、発光素子1の各構成要素について説明する。
(基板2)
基板2は、活性層4が発する光(本形態においては深紫外光)を透過する材料からなる。基板2は、例えばサファイア(Al)基板である。基板2の成長面(すなわち基板2の上面)は、c面である。なお、基板2の成長面は、基板2のc面との間にオフ角度を有していてもよい。なお、基板2として、例えば窒化アルミニウム(AlN)基板又は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板等を用いてもよい。ここで、「AlGaN」は、III族元素の組成(すなわちアルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)の合計の組成)と窒素(N)の組成との比が1:1であり、アルミニウムの組成比とガリウムの組成比とを任意とした3元混晶である。
(第1半導体層3)
第1半導体層3は、基板2と活性層4との間に形成された半導体層である。本形態において、第1半導体層3は、バッファ層31とn型クラッド層32とを有する。
バッファ層31は、基板2上に形成されている。本形態において、バッファ層31は、窒化アルミニウムにより形成されている。なお、バッファ層31は、基板2上に形成される窒化アルミニウム層と当該窒化アルミニウム層上に形成されるアンドープの窒化アルミニウムガリウム層とによって構成してもよい。なお、基板2が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層31は必ずしも設けなくてもよい。
n型クラッド層32は、バッファ層31上に形成されている。n型クラッド層32は、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlGa1-qN(0≦q≦1)からなる。組成AlGa1-qNの下付きのqは、Al組成比(AlNモル分率ともいう。)を示している。本形態において、n型クラッド層は、n型のAlGaNからなる(すなわち0<q<1が満たされる。)。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)等を用いてもよい。n型クラッド層32は、1μm以上4μm以下の膜厚を有し、例えば2μm程度の膜厚とすることができる。n型クラッド層32は、単層構造でもよく、複数層構造でもよい。
(活性層4)
活性層4は、n型クラッド層32上に形成されている。活性層4は、障壁層41と井戸層42とが交互に積層され、井戸層42を複数備えた多重量子井戸構造を有する。本形態において、活性層4は、障壁層41と井戸層42とをそれぞれ3つずつ有し、下端に障壁層41が位置し、上端に井戸層42が位置する。各障壁層41は、AlGa1-rN(0<r≦1)からなる。各井戸層42は、AlGa1-sN(0≦s<1)からなる。各障壁層41のAl組成比rは、各井戸層42のAl組成比sよりも大きい(すなわちr>sを満たす)。
活性層4は、多重量子井戸構造内で電子及び正孔を再結合させて所定の波長の光を発生させる。本形態においては、活性層4は、波長365nm以下の深紫外光を出力するために、バンドギャップが3.4eV以上となるよう構成されている。特に本形態において、活性層4は、中心波長が200nm以上365nm以下の深紫外光を発生することができるよう構成されている。活性層4が発する光の中心波長は、240nm以上、365nm以下であることが好ましく、260nm以上365nm以下であることがさらに好ましい。活性層4がAlGaNからなる場合において、発光波長が短波長になる(すなわち活性層4のAl組成比が高くなる)と、c軸方向よりもa軸方向又はm軸方向への発光が強くなり得る。そのため、発光波長がある値よりも長い(すなわち活性層4のAl組成比がある値よりも低い)方が、活性層4からc軸方向に向かう光が強くなる結果、基板2から出力される光の発光出力を向上させやすい。なお、障壁層41及び井戸層42の数は3つずつに限定されるものではなく、それぞれ2つずつ設けられていてもよいし、それぞれ4つ以上ずつ設けられていてもよい。また、活性層4は、1つの井戸層42を有する単一量子井戸構造となるよう構成されていてもよい。
以下において、3つの井戸層42のうち、第2半導体層5に隣接する井戸層42を上端井戸層421という。発光素子1への通電により3つの井戸層42のそれぞれが発光するが、上端井戸層421が最も強く発光しやすい。
(第2半導体層5)
第2半導体層5は、活性層4の上端井戸層421の上側において上端井戸層421に接するよう形成されている。第2半導体層5は、p型半導体層(本形態においては、後述の第2電子ブロック層512、p型クラッド層52、及びp型コンタクト層53)を少なくとも含む層である。第2半導体層5の全体は、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%以上の透過率を有することが好ましい。本形態において、第2半導体層5は、電子ブロック層51、p型クラッド層52及びp型コンタクト層53を下側から順に積層した積層構造を有する。
電子ブロック層51は、電子が活性層4からp型クラッド層52側へリークするオーバーフロー現象の発生を抑制することによって活性層4への電子注入効率を向上させる役割を有する。電子ブロック層51は、下側から順に、第1電子ブロック層511及び第2電子ブロック層512を積層した積層構造を有する。
第1電子ブロック層511は、活性層4の上端井戸層421に接するよう設けられている。第1電子ブロック層511は、例えばアンドープのAlGa1-tN(0<t≦1)からなる。第1電子ブロック層511のAl組成比tは、80%以上とすることが好ましく、本形態においては窒化アルミニウムからなる(すなわちt=1)。Al組成比が大きいほど電子の通過を抑制する電子ブロック効果が高い。そこで、Al組成比の大きい第1電子ブロック層511を活性層4に隣接する位置に形成することにより、活性層4に近い位置において高い電子ブロック効果が得られ、3つの井戸層42における電子の存在確率を確保しやすい。なお、本形態において、第1電子ブロック層511は、アンドープの層としたが、これに限られず、n型不純物を含有する層、p型不純物を含有する層、又はn型不純物及びp型不純物の双方を含有する層であってもよい。これらの場合において、第1電子ブロック層511が含有する不純物は、第1電子ブロック層511の全体に含まれていてもよいし、第1電子ブロック層511の一部に含まれていてもよい。
ここで、Al組成比が高い第1電子ブロック層511の膜厚を大きくし過ぎると、発光素子1の全体の電気抵抗値が過度に大きくなることが懸念される。そのため、第1電子ブロック層511の膜厚は、1nm以上10nm以下とすることが好ましく、1nm以上5nm以下とすることがより好ましい。一方、第1電子ブロック層511の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第1電子ブロック層511を下側から上側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子1においては、第1電子ブロック層511上に第2電子ブロック層512が形成されており、第1電子ブロック層511をすり抜ける電子を第2電子ブロック層512によってブロックしている。
第2電子ブロック層512は、第1電子ブロック層511よりも小さいAl組成比を有する。第2電子ブロック層512は、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされたAlGa1-uN(0<u<1)からなる。第2電子ブロック層512のAl組成比uは、第1電子ブロック層511のAl組成比よりも小さく、例えば40%以上90%以下とすることが好ましい。また、第2電子ブロック層512の膜厚は、電子ブロック効果の確保及び電気抵抗値低減の観点から1nm以上100nm以下とすることが好ましい。また、第2電子ブロック層512の膜厚は、第1電子ブロック層511の膜厚以上であることが好ましい。p型の不純物としては、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、炭素(C)等を用いてもよい。なお、本形態において、第2電子ブロック層512は、p型不純物を含有した層としたが、これに限られず、アンドープの層、n型不純物を含有した層、又はn型不純物及びp型不純物の双方を含有する層であってもよい。第2電子ブロック層512が含有する不純物は、第2電子ブロック層512の全体に含まれていてもよいし、第2電子ブロック層512の一部に含まれていてもよい。また、電子ブロック層51は、単層構造としてもよい。
p型クラッド層52は、第2電子ブロック層512上に形成されている。p型クラッド層52は、下側から順に、第1p型クラッド層521及び第2p型クラッド層522を積層した積層構造を有する。
第1p型クラッド層521は、例えばp型の不純物としてマグネシウムがドープされたAlGa1-vN(0≦v<1)からなる。Al組成比vは、70%以下とすることが好ましい。
第2p型クラッド層522は、上側の位置ほどAl組成比が小さくなるように、上下方向におけるAl組成比の分布が傾斜した組成傾斜層である。第2p型クラッド層522は、例えばp型の不純物としてマグネシウムがドープされた窒化アルミニウムガリウムからなる。第2p型クラッド層522において、その下端部のAl組成比をAl組成比wとし、その上端部のAl組成比をAl組成比xとしたとき、Al組成比w,xと第1p型クラッド層521のAl組成比vとは、x<w≦vの関係を満たす。第2p型クラッド層522の第1p型クラッド層521側の端部のAl組成比であるAl組成比wと、第1p型クラッド層521のAl組成比vとは、略等しいことが好ましい。また、Al組成比w,vのそれぞれは、第2電子ブロック層512のAl組成比u未満であることが好ましい。第2p型クラッド層522の膜厚は、10nm以下であることが好ましい。また、第2p型クラッド層522の膜厚は、第1p型クラッド層521の膜厚以下であることが好ましい。
本形態の発光素子1は、組成傾斜層としての第2p型クラッド層522を設けることにより、第2p型クラッド層522の上下に隣接するp型コンタクト層53と第1p型クラッド層521との間において、Al組成比が急変することを抑制している。これにより、格子不整合に起因する転位の発生を抑制することができる。かかる転位が発生すると、活性層4において電子と正孔との非発光性再結合率が高くなり、活性層4から発される光が減少し得る。そのため、発光出力を確保する観点から、発光素子1においては、組成傾斜層としての第2p型クラッド層522を設けることが好ましい。なお、p型クラッド層52は、単層構造としてもよい。
p型コンタクト層53は、第2p型クラッド層522上に形成されている。p型コンタクト層53は、p側反射電極7とオーミック接触するp型半導体層であり、例えば、マグネシウム等のp型の不純物が高濃度にドープされたp型のAlGa1-yN(0≦y<1)からなる。p型コンタクト層53のAl組成比yは、第2p型クラッド層522のp型コンタクト層53側の端部のAl組成比x以下であり、40%以下とすることが好ましい。本形態においてp型コンタクト層53は、Al組成比yが0%であり、p型のGaNからなる。
p型コンタクト層53の厚みは、200nm以下であることが好ましい。本形態のように、p型コンタクト層53がp型のGaNからなる場合、p型コンタクト層53は深紫外光を吸収する層となる。そのため、本形態においては、p型コンタクト層53における深紫外光の吸収を減らすべく、p型コンタクト層53の厚みを30nm以下とすることがより好ましい。以下、第1電子ブロック層511の膜厚をt1、第2電子ブロック層512の膜厚をt2、第1p型クラッド層521の膜厚をt3、第2p型クラッド層522の膜厚をt4、p型コンタクト層53の膜厚をt5とする。このとき、膜厚t1,t2,t4,t5は、t1≦t4≦t5≦t2の関係を満たすことが好ましい。
また、第2半導体層5の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とする。第2半導体層5の光学膜厚Lは、第2半導体層5の上端から下端までの間の上下方向の光学的距離である。なお、「光学膜厚」ではなく単に「膜厚」といったときは、実際の膜厚(すなわち物理膜厚)を意味するものとする。ある半導体層の光学膜厚は、当該半導体層の膜厚に、当該半導体層の屈折率を乗算することで得られる。本形態において、第1電子ブロック層511の屈折率をn1、第2電子ブロック層512の屈折率をn2、第1p型クラッド層521の屈折率をn3、第2p型クラッド層522の屈折率をn4、p型コンタクト層53の屈折率をn5としたとき、第2半導体層5の光学膜厚Lは、L=(t1×n1)+(t2×n2)+(t3×n3)+(t4×n4)+(t5×n5)にて表される。各層の屈折率は、各相のAl組成比に応じた値となる。なお、半導体層の屈折率は、その半導体層のAl組成比に応じて変動するところ、上下方向においてAl組成比が変動する第2p型クラッド層522の屈折率n4は、第2p型クラッド層522の下側に隣接する第1p型クラッド層521の屈折率n3と、第2p型クラッド層522の上側に隣接するp型コンタクト層53の屈折率n5との平均値(すなわち、(n3+n5)/2)として算出してもよい。また、本形態において、単に屈折率といったときは、特に断らない限り、活性層4が発する深紫外光の中心波長における屈折率を意味するものとする。
活性層4から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、任意の数値を値m(m=1又はm=2)としたとき、光学膜厚L、波長λ、及び値mは、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす。すなわち、m=1の場合は、0.48λ≦L≦0.75λの関係が満たされ、m=2の場合は、0.96λ≦L≦1.20λの関係が満たされる。m=1の場合に光学膜厚Lが採り得る範囲は、0.75λ-0.48λ=0.27λである一方、m=2の場合に光学膜厚Lが採り得る範囲は、1.20λ-0.96=0.24λである。m=1の場合、光学膜厚Lは、0.55λ[nm]以上0.70λ[nm]以下とすることが好ましい。また、m=2の場合、光学膜厚Lは、1.02λ[nm]以上1.15λ[nm]以下とすることが好ましい。これら光学膜厚Lの好ましい範囲については、後述する実験例1にて裏付けられる。
なお、本形態において、第2半導体層5は、電子ブロック層51、p型クラッド層52及びp型コンタクト層53を有するものを示したが、これに限られない。例えば、第2半導体層5は、電子ブロック層及びp型コンタクト層のみによって構成することもできる。また、第2半導体層5は、p型クラッド層及びp型コンタクト層のみによって構成することもできる。さらに、第2半導体層5は、p型コンタクト層のみによって構成することも可能である。
(p側反射電極7)
p側反射電極7は、p型コンタクト層53上に形成されている。p側反射電極7は、活性層4から発される深紫外光を反射する反射電極である。p側反射電極7は、活性層4が発する光の中心波長において50%以上、好ましくは60%以上の反射率を有する。p側反射電極7は、ロジウム(Rh)を含む金属であることが好ましい。ロジウムを含む金属は、深紫外光に対する反射率が高く、かつ、p型コンタクト層53との接合性も高い。本形態においては、p側反射電極7は、ロジウムの単膜からなる。活性層4から上側に発された光は、p側反射電極7と第2半導体層5との界面において反射される。
(n側電極6)
n側電極6は、n型クラッド層32上に形成されている。n側電極6は、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%以上の反射率を有することが好ましい。n側電極6は、例えば、n型クラッド層32の上にチタン(Ti)、アルミニウム、チタン、金(Au)が順に積層された多層膜で形成することができる。n側電極6を、活性層4から発される光を反射しやすい電極によって構成することにより、発光素子1の発光出力を向上させることができる。例えば、上下方向に対して傾斜する方向に進んだ深紫外光は、基板2の下端部と空気層等との間において反射することがあるが、かかる反射光がn側電極6において再度反射されることで、基板2から取り出される光をより多くすることが可能となる。なお、n側電極6はこれに限られず、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%未満の反射率を有していてもよい。
本形態の発光素子1は、p側反射電極7及びn側電極6のそれぞれが金(Au)バンプ等を用いて図示しない実装基板に電気的に接続され、基板2側から光が取り出される、いわゆるフリップチップ実装型の発光素子である。なお、これに限られず、発光素子をいわゆる縦型の発光素子とすることも可能である。縦型の発光素子は、p側電極とn側電極とによって活性層がサンドイッチされた発光素子である。縦型の発光素子の一例として、n側電極が、活性層から発される光を反射し難い材料からなり、活性層から発される光がn側電極側から取り出される構成を採用することができる。また、縦型の発光素子の他の例として、n側電極を、活性層が発する光を反射する反射電極とし、p側電極を、活性層が発する光を反射し難い電極とし、p側電極側から光を取り出す構成を採用することもできる。この例においては、反射電極としてのn側電極と活性層との間に設けられる半導体層である第2半導体層はn型半導体層を含む層となり、活性層における第2半導体層と反対側に設けられる第1半導体層はp型半導体を含む層となる。また、この例においては、n型半導体層を含む第2半導体層の光学膜厚が、前述した数値範囲となるよう設計される。なお、発光素子を縦型とする場合、基板及びバッファ層は、レーザーリフトオフ等により除去することが好ましい。
(直接出射光EL1と反射出射光EL2との干渉について)
活性層4から発せられた光のうち、活性層4から下側に発されて直接的に基板2から取り出される光を直接出射光EL1と呼び、活性層4から上側に発されてp側反射電極7において反射された後に基板2から取り出される光を反射出射光EL2と呼ぶこととする。図1において、直接出射光EL1と反射出射光EL2のそれぞれの一例を、矢印にて模式的に表している。なお、実際、活性層4からは、あらゆる方向に深紫外光が発されるものの、図1においては、活性層4から真下に発された直接出射光EL1と、活性層4から真上に発された反射出射光EL2とを模式的に表している。また、前述のごとく、活性層4の3つの井戸層42のうち、上端井戸層421が最も強く発光するため、図1においては、便宜上、直接出射光EL1及び反射出射光EL2のそれぞれの発生源を上端井戸層421として図示している。
反射出射光EL2は、活性層4から発され、第2半導体層5の下端から上端まで伝搬し、第2半導体層5とp側反射電極7との界面において反射され、第2半導体層5の上端から下端まで伝搬した後に、直接出射光EL1と干渉する。すなわち、第2半導体層5は、反射出射光EL2が直接出射光EL1と干渉するまでに往復する層である。それゆえ、第2半導体層5の光学膜厚は、反射出射光EL2と直接出射光EL1との間の光路差に直接関係し、第2半導体層5の光学膜厚の値によっては、直接出射光EL1と反射出射光EL2とが互いに強め合うよう干渉したり、互いに弱め合うよう干渉したりする。
ここで、前述のごとく、活性層4からは、あらゆる方向に深紫外光が発される。そのため、発光素子1内においては、活性層4から下側にまっすぐ発される直接出射光EL1及び活性層4から上側にまっすぐ発される反射出射光EL2だけではなく、活性層4から斜め下側に発される直接出射光、及び活性層4から斜め上側に発される反射出射光がすべて干渉し合う。
(実験例1)
本実験例は、発光素子1において、第2半導体層5の光学膜厚を種々変更した試料1~試料18につき、初期発光出力及び残存発光出力を実験により評価した例である。
試料1~試料18は、第2半導体層5の光学膜厚L以外については互いに同じ構成を有する。試料1~試料18のそれぞれは、前述の発光素子1と同様の構成を有する。試料1~試料18は、互いに第1p型クラッド層521の膜厚が異なり、これによって互いに光学膜厚Lが異なっている。各試料の第1p型クラッド層521の膜厚及び各試料の光学膜厚Lは、後述の表1に記載している。
そして、本実験例においては、試料1~試料18のそれぞれの初期発光出力と、試料1,試料4,試料9,試料14,試料17のそれぞれの残存発光出力とを測定した。各試料の初期発光出力は、製造直後の各試料に350mAの電流を流したときの発光出力である。また、残存発光出力は、1000時間継続して350mAの電流を流した後の各試料の発光出力である。初期発光出力及び残存発光出力は、試料1~試料18のそれぞれの下側に設置した光検出器によって測定した。下記の表1に、各試料の第2半導体層5を構成する各層(すなわち第1電子ブロック層511、第2電子ブロック層512、第1p型クラッド層521、第2p型クラッド層522、及びp型コンタクト層53)の膜厚、各試料が発した光の中心波長、各試料の第2半導体層5の光学膜厚L、各試料の初期発光出力及び残存発光出力を示す。
Figure 2022172792000002
表1に示した各試料の各層の膜厚は、透過型電子顕微鏡によって測定したものである。また、表1の第2半導体層5の光学膜厚Lは、第1電子ブロック層511、第2電子ブロック層512、第1p型クラッド層521、第2p型クラッド層522及びp型コンタクト層53のそれぞれの膜厚及び屈折率に基づいて算出したものである。発光波長での第2半導体層5の各層の屈折率は、当該各層のAl組成比に基づいて決まるところ、試料1~試料18のそれぞれにおいて、第1電子ブロック層511はAl組成比が略100%であり、第2電子ブロック層512のAl組成比は略80%であり、第1p型クラッド層521のAl組成比は略55%であり、第2p型クラッド層522の上端のAl組成比は第1p型クラッド層521のAl組成比と同等(すなわち略55%)であり、第2p型クラッド層522の下端のAl組成比はp型コンタクト層53のAl組成比と同等(すなわち略0%)であり、p型コンタクト層53のAl組成比は略0%であった。そこで、第1電子ブロック層511の屈折率をAlNの屈折率である2.30とし、第2電子ブロック層512の屈折率をAl0.8Ga0.2Nの屈折率である2.38とし、第1p型クラッド層521の屈折率をAl0.55Ga0.45Nの屈折率である2.44とし、第2p型クラッド層522の屈折率を、第1p型クラッド層521の屈折率とp型コンタクト層53の後述の屈折率との平均値である2.52とし、p型コンタクト層53の屈折率をGaNの屈折率である2.60として、第2半導体層5の光学膜厚Lを算出した。第2半導体層5の各層の屈折率は、波長280nmの光における屈折率である。表1においては、各試料の光学膜厚Lを、各試料から出力された光の中心波長λを用いて表している。これにより、各試料の第2半導体層5の光学膜厚Lが、各試料において出力される光の中心波長λの何倍の厚みであるかを分かりやすくしている。
図2において、第2半導体層5の光学膜厚Lと初期発光出力との関係を丸プロットにて表し、第2半導体層5の光学膜厚Lと残存発光出力との関係を菱形プロットにて表している。また、参考として、丸プロットの近似曲線と菱形プロットの近似曲線とを、それぞれ二点鎖線にて表している。
まず、初期発光出力の結果につき説明する。図2のグラフにおける丸プロットから、第2半導体層5の光学膜厚Lが大きくなるにつれて、初期発光出力の極大値と極小値とが繰り返し現れていることが分かる。ここで、図2のグラフにおいては、初期発光出力のピークが左右2箇所に表れており、左側(すなわち光学膜厚Lが小さい側)に位置するピークの方が、右側(すなわち光学膜厚Lが大きい側)に位置するピークよりも大きいピークとなっていることが分かる。そして、0.48λ以上0.75λ以下の比較的広い光学膜厚Lの範囲である第1膜厚範囲R1と、0.96λ以上1.20λ以下の比較的狭い光学膜厚Lの範囲である第2膜厚範囲R2とにおいて、100mW以上の高い初期発光出力が得られることが分かる。この高い初期発光出力が得られる光学膜厚Lの範囲である第1膜厚範囲R1と第2膜厚範囲R2とは、1及び2のうちの任意の数値を値mとおいたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの不等式にまとめることができる。つまり、光学膜厚Lが0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λを満たすことにより、高い初期発光出力が得られる。また、光学膜厚Lは、0.50mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たすことがより好ましい。
また、図2から、光学膜厚Lを、第1膜厚範囲R1のうちの0.55λ以上0.70λ以下の範囲とすると顕著に高い初期発光出力が得られることが分かる。また、図2から、光学膜厚Lを、第2膜厚範囲R2のうち1.02λ以上1.15λ以下とすると第2膜厚範囲R2内において高い初期発光出力が得られることが分かる。
次に、残存発光出力の結果につき説明する。図2のグラフにおける菱形プロットから、第2半導体層5の光学膜厚Lが大きくなるにつれて、残存発光出力の極大値と極小値とが繰り返し現れていることが分かる。そして、初期発光出力の場合と同様、光学膜厚Lが0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たすとき、高い残存発光出力が得られていることが図2から分かる。さらに、図2から、第2半導体層5の光学膜厚Lが第2膜厚範囲R2にある場合は、光学膜厚Lが第1膜厚範囲R1にある場合よりも高い残存発光出力が得られることが分かる。つまり、光学膜厚Lを第2膜厚範囲R2とすることにより、発光素子1の発光出力が経時的に低下することを抑制しやすくなる。
(実験例2)
本実験例は、実験例1の試料1~試料18のそれぞれについて、順方向電圧を測定した例である。結果を図3に示す。図3から分かるように、第2半導体層5の光学膜厚Lが小さくなるほど、順方向電圧は小さくなることが分かる。本実験例の結果及び実施例1の図2の結果を考慮すると、第2半導体層5の光学膜厚Lを、第1膜厚範囲R1とすることにより、初期発光出力及び残存発光出力を確保しつつ、順方向電圧を低減することができることが分かる。
(実施の形態の作用及び効果)
本形態の窒化物半導体発光素子1においては、第2半導体層5上に接するようp側反射電極7が設けられている。かかる構成において、第2半導体層5の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、活性層4から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす。この不等式は、0.48λ以上0.75λ以下の比較的広い光学膜厚Lの範囲である第1膜厚範囲R1と、0.96λ以上1.20λ以下の比較的狭い光学膜厚Lの範囲である第2膜厚範囲R2とを表す不等式である。この不等式を満たすことにより、図2の丸プロット及び菱形プロットにて示すごとく、高い初期発光出力及び残存発光出力が得られる。これは、第2半導体層5が、前述の不等式の関係を満たすことにより、反射出射光EL2と直接出射光EL1とが互いに強め合うよう干渉するようになるためである。
また、光学膜厚Lが満たす不等式0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λのうち、値mを1とすることができる。すなわち、第2半導体層5の光学膜厚Lを、第1膜厚範囲R1(つまり0.48λ以上0.75λ以下の範囲)の膜厚とすることができる。これにより、図2の丸プロットから分かるように、より高い初期発光出力が得られる。また、第1膜厚範囲R1は、第2膜厚範囲よりも広い範囲であるため、製造時に第2半導体層5の光学膜厚を第1膜厚範囲R1内に収めやすく、製造を容易にしやすい。また、図3から分かるように、順方向電圧を低減することができる。
また、光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下とすることができる。これにより、図2の丸プロットから分かるように、発光素子1において、顕著に高い初期発光出力が得られる。
また、光学膜厚Lが満たす不等式0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λのうち、値mを2とすることができる。すなわち、第2半導体層5の光学膜厚Lを、第2膜厚範囲R2(つまり0.96λ以上1.20λ以下)とすることができる。これにより、図2の菱形プロットから分かるように、第2膜厚範囲R2の光学膜厚Lを有する発光素子1の中でも、顕著に高い初期発光出力が得られる。また、図2から分かるように、第2膜厚範囲R2においては残存発光出力が高い。すなわち、光学膜厚Lを第2膜厚範囲R2とすることにより、発光出力が経時的に劣化することを抑制することができる。
また、光学膜厚Lは、1.02λ以上1.15λ以下とすることができる。これにより、図2の丸プロットから分かるように、光学膜厚Lが第2膜厚範囲R2にある発光素子1の中でも、顕著に高い初期発光出力が得られる。
また、第2半導体層5は、p型のGaNによって形成されるとともにp側反射電極7と接するp型コンタクト層53を含み、p型コンタクト層53の厚みは、30nm以下である。前述のごとく、本形態においては、反射出射光EL2と直接出射光EL1とが互いに強め合うよう第2半導体層5の光学膜厚Lを工夫している。しかしながら、p型のGaNからなるp型コンタクト層53は、深紫外光等の短波長の光を吸収しやすい。そして、本形態においてp型コンタクト層53の厚みが30nmを超えると、反射出射光EL2が第2半導体層5を往復する際に特にp型コンタクト層53に吸収されやすくなり、反射出射光EL2と直接出射光EL1とが互いに強め合うよう第2半導体層5の厚みを工夫した効果が少なくなる。そこで、p型のGaNからなるp型コンタクト層53の厚みを30nm以下とすることにより、第2半導体層5を往復して直接出射光EL1と干渉する反射出射光EL2を増やすことができ、基板2から発される光の発光出力をより高くすることができる。
また、第2半導体層5は、活性層4から発される光の中心波長において、透過率が50%以上である。これによっても、第2半導体層5を往復して直接出射光EL1と干渉する反射出射光EL2を増やすことができ、基板2から発される光の発光出力をより高くすることができる。
また、第2p型クラッド層522は、p型コンタクト層53に近い位置程、Al組成比が高くなるよう構成されている。それゆえ、第2p型クラッド層522の上下に隣接する層、すなわちp型コンタクト層53と第1p型クラッド層521との間でAl組成比が急激に変動し、格子不整合に起因する転位の発生を抑制することができる。第2半導体層5中に転位が生じると、活性層4において電子と正孔との非発光性再結合率が高くなり、活性層4から発される光が減少し得るところ、本形態のように組成傾斜層としての第2p型クラッド層522を設けることにより、発光出力を一層向上させることができる。
以上のごとく、本形態によれば、発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。
(実施の形態のまとめ)
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。
[1]本発明の第1の実施態様は、第1半導体層(3)と、前記第1半導体層(3)の一方側に設けられた活性層(4)と、前記活性層(4)の前記第1半導体層(3)と反対側において前記活性層(4)と接するよう設けられた第2半導体層(5)と、前記第2半導体層(5)の前記活性層と反対側において前記第2半導体層(5)と接するよう設けられ、前記活性層(4)から発される光を反射する反射電極(7)と、を備え、前記第2半導体層(5)の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層(4)から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす、窒化物半導体発光素子(1)である。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
[2]本発明の第2の実施態様は、第1の実施態様において、前記値mが1であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を向上させることができる。また、窒化物半導体発光素子(1)の生産性を向上させることができる。
[3]本発明の第3の実施態様は、第2の実施態様において、前記光学膜厚Lが、0.55λ以上0.70λ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を一層向上させることができる。
[4]本発明の第4の実施態様は、第1の実施態様において、前記値mが2であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力が経時的に劣化することを抑制することができる。
[5]本発明の第5の実施態様は、第4の実施態様において、前記光学膜厚Lが1.02λ以上1.15λ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を向上させることができる。
[6]本発明の第6の実施態様は、第1乃至第5のいずれか1つの実施態様において、前記第2半導体層(5)が、p型のGaNによって形成されるとともに前記反射電極(7)と接するp型コンタクト層(53)を含み、前記p型コンタクト層(53)の厚みが、30nm以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
[7]本発明の第7の実施態様は、第1乃至第6のいずれか1つの実施態様において、前記第2半導体層(5)が、前記中心波長において、透過率が50%以上であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
[8]本発明の第8の実施態様は、第1乃至第7のいずれか1つの実施態様において、前記第2半導体層(5)が、前記活性層(4)側から順に、第1p型クラッド層(521)、第2p型クラッド層(522)、及びp型コンタクト層(53)を有し、前記第2p型クラッド層(522)が、前記p型コンタクト層(53)に近い位置程、Al組成比が高くなるよう構成されていることである。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
(付記)
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
1…発光素子
2…基板
3…第1半導体層
4…活性層
5…第2半導体層
521…第1p型クラッド層
522…第2p型クラッド層
53…p側コンタクト層
7…p側反射電極(反射電極)
本発明は、前記の目的を達成するため、第1半導体層と、前記第1半導体層の一方側に設けられた活性層と、前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]としたとき、前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下、又は、0.96λ以上1.20λ以下を満たす、窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明は、前記の目的を達成するため、第1半導体層と、前記第1半導体層の一方側に設けられ、中心波長が365nm以下の光を発する活性層と、前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]としたとき、前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下、又は、0.96λ以上1.20λ以下を満たす、窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明は、前記の目的を達成するため、成長面がc面である基板と、前記基板の前記成長面に成長された第1半導体層と、前記第1半導体層の一方側に設けられ、中心波長が260nm以上365nm以下の光を発する活性層と、前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、前記反射電極は、ロジウムを含む金属からなり、前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]としたとき、前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下、又は、0.96λ以上1.20λ以下を満たす、窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明は、前記の目的を達成するため、成長面がc面である基板と、前記基板の前記成長面に成長された第1半導体層と、前記第1半導体層の一方側に設けられ、中心波長が260nm以上365nm以下の光を発し、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、前記反射電極は、ロジウムを含む金属からなり、前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]としたとき、前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下、又は、0.96λ以上1.20λ以下を満たし、前記複数の井戸層のうちの最も前記第2半導体層に配された上端井戸層は、前記第2半導体層に隣接しているとともに、前記複数の井戸層の中で最も強く発光する、窒化物半導体発光素子を提供する。

Claims (8)

  1. 第1半導体層と、
    前記第1半導体層の一方側に設けられた活性層と、
    前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、
    前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、
    前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす、
    窒化物半導体発光素子。
  2. 前記値mは、1である、
    請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下である、
    請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記値mは、2である、
    請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記光学膜厚Lは、1.02λ以上1.15λ以下である、
    請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記第2半導体層は、p型のGaNによって形成されるとともに前記反射電極と接するp型コンタクト層を含み、
    前記p型コンタクト層の厚みは、30nm以下である、
    請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 前記第2半導体層は、前記中心波長において、透過率が50%以上である、
    請求項1乃至6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 前記第2半導体層は、前記活性層側から順に、第1p型クラッド層、第2p型クラッド層、及びp型コンタクト層を有し、
    前記第2p型クラッド層は、前記p型コンタクト層に近い位置程、Al組成比が高くなるよう構成されている、
    請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
JP2021079000A 2021-05-07 2021-05-07 窒化物半導体発光素子 Pending JP2022172792A (ja)

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