JP2995187B1 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
子歪みが極めて小さく、短波長から長波長にわたって良
好な発光特性が得られる半導体発光素子を実現すること
にある。 【解決手段】 本発明による半導体発光素子は、絶縁性
の単結晶基板（１）と、この基板（１）の上側に形成さ
れ、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッド層
（３）と、この第１のクラッド層（３）の上側に形成し
た真性半導体材料の活性層（４）と、この活性層（４）
の上側に形成され、ＧａＮから成る第２導電型の第２の
クラッド層（７）と、前記第１及び第２のクラッド層に
それぞれ電気的に結合された第１及び第２の電極（８，
９）とを具え、前記活性層を、一般式Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）で表される半導体材料で構成したこ
とを特徴とするでは、活性層（４）を、一般式Ａｌ1-x
ＩｎxＮ（０＜ｘ＜０．５）で表される半導体材料で構
成する。このように構成することにより、Ｉｎの分率を
変えることにより短波長側から長波長側まで所望の発光
波長の放射を放出することができる。
Description
に同一材料系の半導体材料を用いて紫外領域から赤外領
域までの幅広い波長域にわたる放射を出力できる半導体
発光素子に関するものである。
III−Ｖ族半導体材料を用いた化合物半導体レーザが広
く実用化されている。しかしながら、Ｖ族元素として燐
や砒素を含む原料ガスは毒性が高く人体に極めて有害で
ある。また、その処理や廃棄に関しても有害物質が生成
される問題点が指摘されている。一方、窒素は空気の主
成分であり窒素を含む原料ガス、主としてアンモニアは
燐や砒素を含む原料ガスと比べるとその毒性は極めて低
いものである。さらに、その処理方法に関しても、触媒
を用いた分解などにより毒性のない窒素と酸素に分解す
ることができる。すなわち、III族窒化物半導体材料を
用いた発光素子は、その製造方法を含めて考えると「地
球にやさしい半導体デバイス」と言うことができる。そ
の意味においても、燐や砒素を含まないIII族窒化物半
導体発光素子の開発が強く要請されている。
材料を用いた発光素子として、活性層の材料としてＧａ
1-x Ｉｎx Ｎを用いた発光素子が既知である。この発光
デバイスでは、ＩｎＮの分率を制御することにより波長
制御が行われており、ＩｎＮの分率を高くすることによ
り短波長側の放射を出力させ、ＩｎＮの分率を低くする
ことにより長波長側の放射を出力させている。
バイスは、短波長側では良好な発光動作を行うが、長発
光側ではＩｎＮの分率を高くしなければならず、 隣接
するクラッド層との間の格子不整合が大きくなり過ぎて
しまう不具合がある。すなわち、ＧａＮとＩｎＮとの間
には１１％の格子定数差が存在するため、ＩｎＮの分率
をを高くする程格子不整合の不具合が顕著になり、転位
層や欠陥の発生頻度が高くなり、発光層として必要な高
品質結晶膜の作成が困難になってしまう。
して低いため、これによって引く起こされる熱力学的な
相分離現象により高品質な活性層の作成は困難であっ
た。
料としてＧａＮを用いても格子歪みが極めて小さく、短
波長から長波長にわたって良好な発光特性が得られる半
導体発光素子を実現することにある。
素子は、絶縁性の単結晶基板と、この基板の上側に形成
され、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッド層
と、この第１のクラッド層の上側に形成した真性半導体
材料の活性層と、この活性層の上側に形成され、ＧａＮ
から成る第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１及
び第２のクラッド層にそれぞれ結合された第１及び第２
の電極とを具え、前記活性層を、一般式Ａｌ1-x Ｉｎx
Ｎ（０＜ｘ＜０．５）で表される半導体材料で構成した
ことを特徴とする。
Ｎを用いた発光デバイスについて種々の実験及び解析を
行った結果、活性層の材料としてＡｌＩｎＮが極めて好
適であることを見出した。すなわち、ＧａＮの格子定数
（横方向）は３．１８９であり、ＩｎＮの格子定数は
３．５４である。従って、ＧａＮを基準とするΔａ／ａ
は１３．８％になってしまう。これに対して、ＡｌＮの
格子定数は３．１１であり、ＧａＮの格子定数よりも小
さい値である。このような認識に基づき、本発明では活
性層の材料としてＡｌ1-x Ｉｎx Ｎ（０＜ｘ＜０．５）
を用いる。
ることができる。一方、クラッド層と活性層との間に、
Ｉｎの含有量が活性層のＩｎの含有量よりも低い格子整
合用のバッファ層を設けることにより格子不整の問題を
一層軽減することができる。このような観点に基づき、
本発明による半導体発光素子の好適実施例は、絶縁性の
単結晶基板と、この基板の上側に形成され、ＧａＮから
成る第１導電型の第１のクラッド層と、この第１のクラ
ッド層の上側に形成した第１導電型の第１のバッファ層
と、この第１のバッファ層の上側に形成した真性半導体
材料の活性層と、この活性層の上側に形成した第２導電
型の第２のバッファ層と、この第２のバッファ層の上側
に形成され、ＧａＮから成る第２導電型の第２のクラッ
ド層と、前記第１及び第２のクラッド層にそれぞれ結合
された第１及び第２の電極とを具え、前記活性層を、一
般式Ａｌ1-y Ｉｎy Ｎで表される半導体材料で構成し、
前記第１及び第２のバッファ層を、一般式Ａｌ1-x Ｉｎ
x Ｎで表される半導体材料で構成し、前記ｘ及びｙの値
を、０＜ｘ≦ｙ＜１となるように設定したことを特徴と
する。
適実施例は、第１及び第２のバッファ層のＩｎの含有量
を、それぞれ隣接する第１及び第２ののクラッド層との
界面においてｘ＝０．１７に設定してそれぞれ隣接する
ＧａＮのクラッド層と格子整合させると共に活性層に近
づくにしたがってＩｎの含有量を連続的に増加させ、活
性層との界面において活性層のＩｎの含有量に等しくな
るように構成したことを特徴とする。本発明者が、Ａｌ
1-x Ｉｎx Ｎで表される半導体材料をＧａＮに対して格
子整合させるために必要なＩｎの分率ｘを計算したとこ
ろ、ｘ＝０．１７においてほぼ格子整合することが得ら
れた。従って、格子整合用の第１又は第２のバッファ層
のＩｎの分率を、クラッド層と隣接界面においてｘ＝
０．１７とし、活性層に近づくにしたがってＩｎの含有
量を多くし、活性層との界面において活性層のＩｎの分
率に等しくすることにより、格子不整の問題を大幅に軽
減することができる。
適実施例は、絶縁性の単結晶基板と、この基板の上側に
形成され、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッド
層と、この第１のクラッド層の上側に形成した第１導電
型の第１のバッファ層と、この第１のバッファ層上に形
成した第１導電型の第２のバッファ層と、この第２のバ
ッファ層の上側に形成した真性半導体材料の活性層と、
この活性層の上側に形成した第２導電型の第３のバッフ
ァ層と、この第３のバッファ層上に形成した第４のバッ
ファ層と、第４のバッファ層の上側に形成され、ＧａＮ
から成る第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１及
び第２のクラッド層にそれぞれ結合された第１及び第２
の電極とを具え、前記活性層を、一般式Ａｌ1-z Ｉｎz
Ｎで表される半導体材料で構成し、前記第１及び第３の
バッファ層を、一般式Ａｌ1-y Ｉｎy Ｎで表される半導
体材料で構成し、前記第２及び第４のバッファ層を一般
式Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎで表される半導体材料で構成し、前
記ｘ、ｙ及びｚの値を、０＜ｘ≦ｙ≦ｚ＜１となるよう
に設定したことを特徴とする。このように、クラッド層
と活性層との間にＩｎの分率が相違する２個のバッファ
層を介在させることにより、格子不整の問題をさらに解
消することができる。
は、１及び第４のバッファ層のＩｎの含有量を、ｘ＝
０．１７に設定して隣接するクラッド層との間でそれぞ
れ格子整合させ、第２及び第３のバッファ層のＩｎの含
有量を、それぞれ隣接する第１及び第４のバッファ層と
の界面において第１及び第４のバッファ層のＩｎの含有
量にそれぞれ等しくすると共に、活性層に近づくにした
がってＩｎの含有量を連続的に増加させ、活性層との界
面において活性層のＩｎの含有量に等しくなるように構
成したことを特徴とする。
バイスの一例の構成を示す線図的断面図である。絶縁性
基板としてサファイア基板１を用い、このサファイア基
板１の（０００１）面すなわちｃ面上に半導体層構造体
を形成する。尚、層構造体の形成に際し有機金属気相成
長装置を用い、原料ガスとしてトリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニアを用いる。
がら水素気流中で数分間保持して基板表面を洗浄した
後、サファイア基板とIII族化合物半導体層との間の緩
衝層としてＡｌＮ層２を数１０ｎｍ堆積する。その後、
基板を１０００°Ｃ付近まで昇温させ、第１導電型のす
なわちｎ型の不純物としてＳｉを添加したＧａＮ層３を
３μｍ成長させる。このＧａＮ層３は第１のクラッド層
として機能する。次に、基板温度を降温させ、４００〜
７５０°Ｃの温度域で真性半導体材料のＡｌ1-xＩｎx
Ｎ（０＜ｘ＜０．５）の組成の活性層４形成する。この
活性層の成長工程において基板温度は極めて重要であ
り、４００°Ｃ以下の度では発光効率の低いＡｌＩｎＮ
層しか成長できず、７５０°Ｃ以上の温度ではＡｌＩｎ
Ｎ層を成長形成することができない。従って、活性層の
成長工程は、４００°Ｃ以上７５０°Ｃ以下の温度範囲
で結晶成長させる必要がある。
るためのＧａＮから成る真性半導体材料のキャップ層５
を形成する。このキャップ層５上に、ｐ型不純物として
Ｍｇを添加したｐ型のＡｌＧａＮの光閉じ込め層６を形
成する。従って、キャップ層５と光閉じ込め層６との間
にヘテロ構造のｐｎ接合が形成されることになる。光閉
じ込め層６上に第２のクラッド層として作用するｐ型の
ＧａＮ層７を形成する。
装置の反応管から取り出し、反応性イオンエッチングに
より第２のクラッド層７、光閉じ込め層６、キャップ層
５、活性層４及び厚い第１のクラッド層３の一部分を除
去する。次に、ｎ型用の電極８及びｐ型用の電極９をそ
れぞれ第１のクラッド層３及び第２のクラッド層７に上
に形成する。ｎ型用の電極材料として低仕事関数の金属
材料であるＴｉ、Ａｌを用いることができ、ｐ型用の電
極材料として高仕事関数の金属材料であるＡｕ，Ｐｔ，
Ｎｉを用いることができる。
イスに順方向バイアスを印加して発光状態について実験
を行ったところ、２．５Ｖ付近から発光が観測され、印
加電圧３Ｖ、供給電流２０ｍＡでＰＬと同様な強い発光
が観測された。
（０＜ｘ＜０．５）層についてのＩｎＮの分率とＸ線回
折スペクトル、吸収スペクトル及びフォトルミネッセン
ス（ＰＬ）スペクトルの測定結果について説明する。
ｍのＡｌ1-x Ｉｎx Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層の室温での
Ｘ線回折スペクトルの測定結果を示す。ＩｎＮの分率が
増加するに従って信号のピークが低角度側に移行してい
るのが観測された。
x Ｎ層についてのフォトンエネルギーと吸収係数との関
係を示す。ＩｎＮの分率が増加するに従ってスペクトル
の立ちあがりのエネルギー位置が低エネルギー側に移行
することが観測された。
クトルの測定結果を示す。横軸は波長（ｎｍ）を示し縦
軸はＰＬ強度（任意単位）を示す。図４から明らかなよ
うに、ＩｎＮの分率が増加するに従って青緑色から赤色
にわたる強い強度のＰＬが観測された。
変形例の構成を示す線図的断面図である。本例では、活
性層として真性のＡｌＩｎＮ材料を用いＬＥＤに好適な
実施例を示す。尚、図１で用いた部材と同一の部材には
同一符号を付して説明する。サファイア基板１上に厚さ
３０ｎｍの緩衝層２を形成し、この緩衝層２上に厚さ５
μｍの第１導電型のＧａＮの第１のクラッド層３を形成
する。この第１のクラッド層３の不純物濃度は５×１０
18原子／ｃｍ3 とする。第１のクラッド層３上に第１導
電型の格子整合用の第１のバッファ層１１を形成する。
この第１のバッファ層はクラッド層と活性層との間の格
子整合を良好に行うと共にヘテロ接合を形成するように
作用する。この第１のバッファ層１１の厚さは０．５μ
ｍとし、その不純物濃度（不純物はＳｉとする）は２×
１０18原子／ｃｍ3 とする。第１のバッファ層１１の組
成はＡｌ1-x Ｉｎx Ｎとし、Ｉｎの分率ｘは０．１＜ｘ
＜０．２５の範囲に設定でき、その厚さは０．５μｍと
する。この第１のバッファ層１１上に活性層４を形成す
る。活性層４の組成は、Ａｌ1-y Ｉｎy Ｎとし、その厚
さは０．１μｍとする。
ｎの量の関係については、ｘ＜ｙとなるように設定す
る。このように、クラッド層と活性層との間に格子整合
用のバッファ層を介在させることにより、クラッド層の
材料と活性層の材料との間の格子定数差が比較的大きく
ても、Ｉｎの分率が活性層よりも低いバッファ層が介在
することにより格子不整の問題を緩和することができ
る。この結果、活性層のＩｎの分率が高くなっても格子
不整の問題が解消され、同一の材料系を用いて短波長側
から長波長側までの放射を発生することができる。
ｌ1-x Ｉｎx Ｎにおいてｘ＝０．１７に設定すると第１
のバッファ層は下地のＧａＮの第１のクラッド層とほぼ
完全に格子整合する。従って、第１のバッファ層１１の
Ｉｎの分率をｘ＝０．１７に設定し、活性層のＩｎの分
率ｙを、ｙ＞０．１７に設定することにより、格子歪み
の発生を相当緩和することができる。さらに、第１のバ
ッファ層１１のＩｎの分率をクラッド層３側から活性層
４に近づくに従って連続的に大きくし、活性層４との界
面において活性層のＩｎの分率に等しくなるように設定
することにより格子不整の問題を大幅に解消することが
できる。このように、バッファ層１１のＩｎの分率を連
続的に増加させることは、有機金属気相成長工程中にト
リメチルインジウムの供給量を連続的に制御することに
より達成される。
型の第２のバッファ層１２を形成する。この第２のバッ
ファ層１２も第１のバッファ層１１とほぼ同一の機能を
果たすものであり、第１のバッファ層１１と同様に構成
することができる。従って、第１のバッファ層１１と同
様にＡｌ1-x Ｉｎx Ｎの組成とすることができ、ｘ＝
０．１７に設定すると上側に形成される予定のＧａＮの
第２のクラッド層とほぼ完全に格子整合する。さらに、
第２のバッファ層１２は、Ｉｎの分率をクラッド層側か
ら活性層４に近づくに従って連続的に大きくし、活性層
４との界面において活性層のＩｎの分率に等しくなるよ
うに設定することにより格子不整の問題を大幅に解消す
ることができる。
ａＮの第２のクラッド層７を形成する。第２のクラッド
層の不純物としてＭｇを用い、不純物濃度は５×１０17
原子／ｃｍ3 に設定することができ、その厚さは０．０
５μｍとする。
７上にそれぞれ電極８及び９を形成する。
示す。本例では、ｎ型の第１のクラッド層３と活性層４
との間に格子整合用のｎ型の第１及び第２の２個のバッ
ファ層２１及び２２を介在させ、活性層４と第２のクラ
ッド層７との間にｐ型の第３及び第４の２個のバッファ
層２３及び２４を介在させる。第１及び第４のバッファ
層２１及び２４の組成はＡｌ1-x Ｉｎx Ｎとし、第２及
び第３のバッファ層２２及び２３の組成はＡｌ1-y Ｉｎ
y Ｎに設定する。また、活性層４の組成はＡｌ 1-z Ｉｎ
z Ｎに設定する。そして、各バッファ層のＩｎの分率
は、ｘ＜ｙ＜ｚとなるように設定する。このように、ク
ラッド層と活性層との間にＩｎの含有量が相違する２個
のバッファ層を介在させることにより、クラッド層の材
料と活性層の材料との間に格子定数差があっても、これ
らバッファ層により格子定数差が段階的に緩和され、格
子歪みの少ない発光素子を実現することができる。特
に、活性層４と直接隣接する第２及び第３のバッファ層
は格子定数差を緩和すると共に光閉じ込め層としても機
能することができる。さらに、活性層４と第２及び第３
のバッファ層との間並びに第１のバッファ層と第２のバ
ッファ層との間及び第３のバッファ層と第４のバッファ
層との間にそれぞれヘテロ接合が形成され、キャリァ閉
じ込めの観点からも極めて有益である。
び２３のＩｎの分率は、それぞれクラッド層から活性層
に近づくに従って連続的に増加するように設定すること
ができる。このように、活性層と直接隣接するバッファ
層のＩｎの分率を連続的に変えることにより、格子不整
の問題を一層大幅に解消することができると共に、バッ
ファ層２２及び２３の屈折率が連続的に変化するため光
閉じ込めの観点からも一層有益である。この場合、第１
及び第４のバッファ層２１及び２４のＩｎの分率を０．
１７に設定して隣接するＧａＮのクラッド層とほぼ格子
整合させ、第２及び第３のバッファ層２２及び２３のＩ
ｎの分率を活性層に近づくに従って連続的変化させ、活
性層との界面における分率を活性層のＩｎの分率に等し
くなるように設定すれば、格子不整の問題を一層低減す
ることができる。
示す線図的断面図である。
果を示すグラフである。
ーと吸収係数との測定結果を示すグラフである。
の測定結果を示すグラフである。
線図的断面図である。
示す線図的断面図である。
Claims (9)
- 【請求項１】 絶縁性の単結晶基板と、この基板の上側
に形成され、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッ
ド層と、この第１のクラッド層の上側に形成した真性半
導体材料の活性層と、この活性層の上側に形成され、Ｇ
ａＮから成る第２導電型の第２のクラッド層と、前記第
１及び第２のクラッド層にそれぞれ電気的に結合された
第１及び第２の電極とを具え、 前記活性層を、一般式Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）で表される半導体材料で構成したことを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記活性層の材料の分解を抑制するた
め、活性層と第２のクラッド層との間にＧａＮのキャッ
プ層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体
発光素子。 - 【請求項３】 前記活性層を、４００〜７５０°Ｃの温
度範囲でエピタキシャル成長法により形成したことを特
徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 絶縁性の単結晶基板と、この基板の上側
に形成され、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッ
ド層と、この第１のクラッド層の上側に形成した第１導
電型の第１のバッファ層と、この第１のバッファ層の上
側に形成した真性半導体材料の活性層と、この活性層の
上側に形成した第２導電型の第２のバッファ層と、この
第２のバッファ層の上側に形成され、ＧａＮから成る第
２導電型の第２のクラッド層と、前記第１及び第２のク
ラッド層にそれぞれ結合された第１及び第２の電極とを
具え、 前記活性層を、一般式Ａｌ1-y Ｉｎy Ｎで表される半導
体材料で構成し、前記第１及び第２のバッファ層を、一
般式Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎで表される半導体材料で構成し、
前記ｘ及びｙの値を、０＜ｘ≦ｙ＜１となるように設定
したことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記第１及び第２のバッファ層を、活性
層に近づくに従ってＩｎの含有量が連続して高くなるよ
うに構成したことを特徴とする請求項４に記載の半導体
発光素子。 - 【請求項６】 前記第１及び第２のバッファ層のＩｎの
含有量を、それぞれ隣接する第１及び第２ののクラッド
層との界面においてｘ＝０．１７に設定してそれぞれ隣
接するＧａＮのクラッド層と格子整合させると共に活性
層に近づくにしたがってＩｎの含有量を連続的に増加さ
せ、活性層との界面において活性層のＩｎの含有量に等
しくなるように構成したことを特徴とする請求項５に記
載の半導体発光素子。 - 【請求項７】 絶縁性の単結晶基板と、この基板の上側
に形成され、ＧａＮから成る第１導電型の第１のクラッ
ド層と、この第１のクラッド層の上側に形成した第１導
電型の第１のバッファ層と、この第１のバッファ層上に
形成した第１導電型の第２のバッファ層と、この第２の
バッファ層の上側に形成した真性半導体材料の活性層
と、この活性層の上側に形成した第２導電型の第３のバ
ッファ層と、この第３のバッファ層上に形成した第４の
バッファ層と、第４のバッファ層の上側に形成され、Ｇ
ａＮから成る第２導電型の第２のクラッド層と、前記第
１及び第２のクラッド層にそれぞれ結合された第１及び
第２の電極とを具え、 前記活性層を、一般式Ａｌ1-z Ｉｎz Ｎで表される半導
体材料で構成し、前記第１及び第３のバッファ層を、一
般式Ａｌ1-y Ｉｎy Ｎで表される半導体材料で構成し、
前記第２及び第４のバッファ層を一般式Ａｌ1-x Ｉｎx
Ｎで表される半導体材料で構成し、前記ｘ、ｙ及びｚの
値を、０＜ｘ≦ｙ≦ｚ＜１となるように設定したことを
特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項８】 前記第２及び第３のバッファ層を、活性
層に近づくに従ってＩｎの含有量が連続して高くなるよ
うに構成したことを特徴とする請求項７に記載の半導体
発光素子。 - 【請求項９】 前記第１及び第４のバッファ層のＩｎの
含有量を、ｘ＝０．１７に設定して隣接するクラッド層
との間でそれぞれ格子整合させ、第２及び第３のバッフ
ァ層のＩｎの含有量を、それぞれ隣接する第１及び第４
のバッファ層との界面において第１及び第４のバッファ
層のＩｎの含有量にそれぞれ等しくすると共に、活性層
に近づくにしたがってＩｎの含有量を連続的に増加さ
せ、活性層との界面において活性層のＩｎの含有量に等
しくなるように構成したことを特徴とする請求項８に記
載の半導体発光素子。
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| JP (1) | JP2995187B1 (ja) |
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| CN111354842A (zh) * | 2018-12-24 | 2020-06-30 | 晶元光电股份有限公司 | 半导体元件 |
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| KR20110062128A (ko) * | 2009-12-02 | 2011-06-10 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자, 발광 소자 패키지 및 발광 소자 제조방법 |
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- 1998-12-28 JP JP37346698A patent/JP2995187B1/ja not_active Expired - Lifetime
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