JP3243768B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可視から紫外で発光す
る化合物半導体発光素子用構造に関する。
る化合物半導体発光素子用構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体発光素子において効率のよい電流
注入発光を得るためには、ｐ型及びｎ型電流注入層から
注入された電子及び正孔が発光領域内で効率よく発光性
再結合することが重要である。従来の
注入発光を得るためには、ｐ型及びｎ型電流注入層から
注入された電子及び正孔が発光領域内で効率よく発光性
再結合することが重要である。従来の
【化１】を用いた半導体発光素子では、その構造に関し
以下のような問題点があった。従来の
以下のような問題点があった。従来の
【化１】を用いた半導体発光素子の第１の例として、図
６にＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を示す。図中、
１１はサファイア基板、１２はｎ型ＧａＮ層、１３はｐ
型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１５はｐ側電極である。
ｎ型層１２にはアンドープあるいはＳｉドープＧａＮ
を、ｐ型層１３にはＭｇドーピング後電子線照射あるい
は熱アニールにより低抵抗化したＧａＮを用いることが
一般的である。この構造では、ｐｎ接合界面に形成され
る空乏層が発光領域となり、空乏層内で発光性再結合し
た電子及び正孔のみが発光に寄与する。この構造の第１
の問題点は、空乏層内に注入された電子及び正孔のかな
りの部分が、空乏層内で再結合せずｎ型層１２及びｐ型
層１３へ拡散してしまうことである。この結果、この構
造では発光効率の向上が望めない。この構造の第２の問
題点は、シリーズ抵抗低減のためｎ型層１２及びｐ型層
１３に高濃度ドーピングを行うと、発光スペクトルに深
い準位からの発光が現れ純度の高いスペクトルが得られ
ないことである。この結果、良好な電流対電圧特性と良
好な発光スペクトル特性とを両立させることができな
い。
６にＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を示す。図中、
１１はサファイア基板、１２はｎ型ＧａＮ層、１３はｐ
型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１５はｐ側電極である。
ｎ型層１２にはアンドープあるいはＳｉドープＧａＮ
を、ｐ型層１３にはＭｇドーピング後電子線照射あるい
は熱アニールにより低抵抗化したＧａＮを用いることが
一般的である。この構造では、ｐｎ接合界面に形成され
る空乏層が発光領域となり、空乏層内で発光性再結合し
た電子及び正孔のみが発光に寄与する。この構造の第１
の問題点は、空乏層内に注入された電子及び正孔のかな
りの部分が、空乏層内で再結合せずｎ型層１２及びｐ型
層１３へ拡散してしまうことである。この結果、この構
造では発光効率の向上が望めない。この構造の第２の問
題点は、シリーズ抵抗低減のためｎ型層１２及びｐ型層
１３に高濃度ドーピングを行うと、発光スペクトルに深
い準位からの発光が現れ純度の高いスペクトルが得られ
ないことである。この結果、良好な電流対電圧特性と良
好な発光スペクトル特性とを両立させることができな
い。
【０００３】図７には、従来の
【化１】を用いた半導体発光素子の第２の例として、Ｇ
ａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成図を示し
た。図中、２１はサファイア基板、２２はｎ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層、２３はＧａＮ発光層、２４はｐ型ＧａＡ
ｌＮ電流注入層、２５はｎ側電極、２６はｐ側電極であ
る。この構造では、ＧａＮ発光層２３をこれよりバンド
ギャップエネルギの大きいｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２
２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入層２４で挟んだ構造とな
っているため、ＧａＮ発光層２３に注入された電子及び
正孔はｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層２４へ拡散することなくＧａＮ発光層２３
に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗低減のためｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４に高濃度ドーピングを行っても、ＧａＮ発光層２
３の発光スペクトルに影響を及ぼさないという利点を持
つ。図７の構造を改良した構造として、図７のＧａＮ発
光層２３の代わりにＧａＡｌＮ／ＧａＮ単一量子井戸あ
るいは多重量子井戸を発光層として用い、発光効率の高
効率化を図った構造も公知である。この構造では、ｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４よりＡｌ組成の低いＧａＡｌＮ層をＧａＡｌＮ／
ＧａＮ量子井戸のバリア層として選ぶ。しかし以上述べ
たように、図７の構造及びこれを改良した構造では、発
光層としてＧａＮあるいはＧａＡｌＮ三元混晶を用いて
いるため、発光波長を２００〜３７０ｎｍの範囲内でし
か選択できない。
ａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成図を示し
た。図中、２１はサファイア基板、２２はｎ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層、２３はＧａＮ発光層、２４はｐ型ＧａＡ
ｌＮ電流注入層、２５はｎ側電極、２６はｐ側電極であ
る。この構造では、ＧａＮ発光層２３をこれよりバンド
ギャップエネルギの大きいｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２
２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入層２４で挟んだ構造とな
っているため、ＧａＮ発光層２３に注入された電子及び
正孔はｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層２４へ拡散することなくＧａＮ発光層２３
に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗低減のためｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４に高濃度ドーピングを行っても、ＧａＮ発光層２
３の発光スペクトルに影響を及ぼさないという利点を持
つ。図７の構造を改良した構造として、図７のＧａＮ発
光層２３の代わりにＧａＡｌＮ／ＧａＮ単一量子井戸あ
るいは多重量子井戸を発光層として用い、発光効率の高
効率化を図った構造も公知である。この構造では、ｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４よりＡｌ組成の低いＧａＡｌＮ層をＧａＡｌＮ／
ＧａＮ量子井戸のバリア層として選ぶ。しかし以上述べ
たように、図７の構造及びこれを改良した構造では、発
光層としてＧａＮあるいはＧａＡｌＮ三元混晶を用いて
いるため、発光波長を２００〜３７０ｎｍの範囲内でし
か選択できない。
【０００４】従来の
【化１】を用いた半導体発光素子の第３の例として、Ｉ
ｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成
図を図８に示す。図中、３１はサファイア基板、３２は
ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３３はＩｎＧａＮ発光
層、３４はｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３５はｎ側
電極、３６はｐ側電極である。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡ
ｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層
３４の組成は、そのバンドギャップエネルギがＩｎＧａ
Ｎ発光層３３より大きく、かつその格子定数がＩｎＧａ
Ｎ発光層３３に整合するように選ぶ。この構造では、Ｉ
ｎＧａＮ発光層３３をこれよりバンドギャップエネルギ
が大きいｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４で挟んだ構造となっている
ため、ＩｎＧａＮ発光層３３に注入された電子及び正孔
がｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａ
ＡｌＮ電流注入層３４へ流出することなくＩｎＧａＮ発
光層３３に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗を低減
するためｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４に高濃度ドーピングを行っ
ても、ＩｎＧａＮ発光層３３の発光スペクトルに影響を
及ぼさないという利点を持つ。さらにこの構造では、発
光層としてＩｎＧａＡｌＮ四元混晶を用いているため、
２００〜６００ｎｍの範囲で発光波長を変化できる。さ
らにこの構造では、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３
２、ＩｎＧａＮ発光層３３及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流
注入層３４が互いに格子整合しているため、格子不整合
に起因する非発光再結合中心や結晶欠陥による素子劣化
が起こらない。しかし、Ｉｎを含む多元混晶
ｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成
図を図８に示す。図中、３１はサファイア基板、３２は
ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３３はＩｎＧａＮ発光
層、３４はｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３５はｎ側
電極、３６はｐ側電極である。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡ
ｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層
３４の組成は、そのバンドギャップエネルギがＩｎＧａ
Ｎ発光層３３より大きく、かつその格子定数がＩｎＧａ
Ｎ発光層３３に整合するように選ぶ。この構造では、Ｉ
ｎＧａＮ発光層３３をこれよりバンドギャップエネルギ
が大きいｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４で挟んだ構造となっている
ため、ＩｎＧａＮ発光層３３に注入された電子及び正孔
がｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａ
ＡｌＮ電流注入層３４へ流出することなくＩｎＧａＮ発
光層３３に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗を低減
するためｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４に高濃度ドーピングを行っ
ても、ＩｎＧａＮ発光層３３の発光スペクトルに影響を
及ぼさないという利点を持つ。さらにこの構造では、発
光層としてＩｎＧａＡｌＮ四元混晶を用いているため、
２００〜６００ｎｍの範囲で発光波長を変化できる。さ
らにこの構造では、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３
２、ＩｎＧａＮ発光層３３及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流
注入層３４が互いに格子整合しているため、格子不整合
に起因する非発光再結合中心や結晶欠陥による素子劣化
が起こらない。しかし、Ｉｎを含む多元混晶
【化１】はＧａＮやＧａＡｌＮに比べ結晶性が不十分で
あり、発光スペクトル特性の良好な発光素子の作製が困
難であるという問題があった。
あり、発光スペクトル特性の良好な発光素子の作製が困
難であるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、可視
から紫外にわたる広い波長域における高効率半導体発光
素子を提供することにある。さらに詳述すれば、本発明
は、発光層内へ電子及び正孔を閉じ込めることが可能で
ある上、発光層に用いた
を解決するために提案されたもので、その目的は、可視
から紫外にわたる広い波長域における高効率半導体発光
素子を提供することにある。さらに詳述すれば、本発明
は、発光層内へ電子及び正孔を閉じ込めることが可能で
ある上、発光層に用いた
【化１】層の結晶性が自動的に向上する半導体発光素子
を提供することにある。
を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板上に作製された半導体発光素子であって、発光
層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ型
は、基板上に作製された半導体発光素子であって、発光
層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ型
【化２】Ｇａ１−ｘ’Ａｌ ｘ’Ｎ（０≦ｘ’≦１）電
流注入層、
流注入層、
【化１】Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙ Ｎ （ｘ＋ｙ＜
１，０≦ｘ，ｙ≦１）で表される三元混晶または四元混
晶の層を少なくとも一層含む発光層、発光層よりバンド
ギャップエネルギーの大きいｐ型
１，０≦ｘ，ｙ≦１）で表される三元混晶または四元混
晶の層を少なくとも一層含む発光層、発光層よりバンド
ギャップエネルギーの大きいｐ型
【化２】Ｇａ１−ｘ’Ａｌ ｘ’Ｎ（０≦ｘ’≦１）電
流注入層を有し、前記発光層と前記Ｇａ １−ｘ’ Ａｌ
ｘ’ Ｎ層との界面は、格子不整合なヘテロ接合界面で
あることを特徴とする。従来のＧａＮホモ接合ダイオー
ド及びＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオードとは、
発光層中にＩｎを含む層を少なくとも一層含む点が異な
る。さらに、従来のホモ接合ダイオードとは、発光層に
ヘテロ接合界面を有する点が異なる。従来のＩｎＧａＡ
ｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードとは、格子不整
合条件下で素子を作製する点が異なるものである。
流注入層を有し、前記発光層と前記Ｇａ １−ｘ’ Ａｌ
ｘ’ Ｎ層との界面は、格子不整合なヘテロ接合界面で
あることを特徴とする。従来のＧａＮホモ接合ダイオー
ド及びＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオードとは、
発光層中にＩｎを含む層を少なくとも一層含む点が異な
る。さらに、従来のホモ接合ダイオードとは、発光層に
ヘテロ接合界面を有する点が異なる。従来のＩｎＧａＡ
ｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードとは、格子不整
合条件下で素子を作製する点が異なるものである。
【０００７】
【作用】本発明においては、発光層と成長基板との間に
【化２】層を設けることによって結晶性が向上し、従来
の発光素子に比べて発光特性の優れた発光素子をうるこ
とができる。
の発光素子に比べて発光特性の優れた発光素子をうるこ
とができる。
【０００８】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図４
及び図５に本発明にいたる研究において明らかになった
実験結果を示す。図４は、膜厚０．５μｍのＩｎ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎ層のＸ線回折プロファイルを示す図であって、
（ａ）はＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層をサファイア上に直接成
長した場合、（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａ
Ｎを介して成長した場合に対応する。サファイア上に直
接成長したＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層のＸ線回折プロファイ
ルの半値全幅は２０分であるのに対し、サファイア上に
ＧａＮを介して成長したＩｎ 0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層のＸ線回
折プロファイルの半値全幅は１．５分と大幅に低減す
る。
及び図５に本発明にいたる研究において明らかになった
実験結果を示す。図４は、膜厚０．５μｍのＩｎ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎ層のＸ線回折プロファイルを示す図であって、
（ａ）はＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層をサファイア上に直接成
長した場合、（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａ
Ｎを介して成長した場合に対応する。サファイア上に直
接成長したＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層のＸ線回折プロファイ
ルの半値全幅は２０分であるのに対し、サファイア上に
ＧａＮを介して成長したＩｎ 0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層のＸ線回
折プロファイルの半値全幅は１．５分と大幅に低減す
る。
【０００９】図５は図４と同一の試料のフォトルミネッ
センス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＩｎ
０．１Ｇａ０．９Ｎ層をサファイア上に直接成長した場
合、（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａＮを介し
て成長した場合に対応する。サファイア上に直接成長し
たＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層のフォトルミネッセンス・
スペクトルには、深い準位からの発光が現れるのに対
し、サファイア上にＧａＮを介して成長したＩｎ０．１
Ｇａ０．９Ｎ層のフォトルミネッセンス・スペクトル
は、３８０ｎｍをピークとするバンド端近傍からの発光
のみからなる。以上の効果はＩｎ１−ｘＧａｘＮの組成
ｘによらず、０≦ｘ≦１のすべてのｘに対して観測され
た。以上のように、ＩｎＧａＮ層の膜質は、ＧａＮを介
して成長することにより著しく向上する。また、
センス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＩｎ
０．１Ｇａ０．９Ｎ層をサファイア上に直接成長した場
合、（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａＮを介し
て成長した場合に対応する。サファイア上に直接成長し
たＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層のフォトルミネッセンス・
スペクトルには、深い準位からの発光が現れるのに対
し、サファイア上にＧａＮを介して成長したＩｎ０．１
Ｇａ０．９Ｎ層のフォトルミネッセンス・スペクトル
は、３８０ｎｍをピークとするバンド端近傍からの発光
のみからなる。以上の効果はＩｎ１−ｘＧａｘＮの組成
ｘによらず、０≦ｘ≦１のすべてのｘに対して観測され
た。以上のように、ＩｎＧａＮ層の膜質は、ＧａＮを介
して成長することにより著しく向上する。また、
【化５】層を介してＩｎＧａＮを成長しても、同様の効
果が観測された。図４及び図５では、基板としてサファ
イア（０００１）面を用いた場合の結果を示したが、他
の材料基板あるいは他の面方位基板を用いても、全く同
様の結果が得られた。このことは、Ｉｎを含む多元混晶
果が観測された。図４及び図５では、基板としてサファ
イア（０００１）面を用いた場合の結果を示したが、他
の材料基板あるいは他の面方位基板を用いても、全く同
様の結果が得られた。このことは、Ｉｎを含む多元混晶
【化１】層が本質的に
【化６】層に比べ結晶品質が不充分であることによる。
次に、上記の実験結果に基づいて行った本発明の実施例
を説明する。なお、実施例は一つの例示であって、本発
明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良
を行い得ることは言うまでもない。
次に、上記の実験結果に基づいて行った本発明の実施例
を説明する。なお、実施例は一つの例示であって、本発
明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良
を行い得ることは言うまでもない。
【００１０】〔実施例１〕（格子不整合ダブルヘテロ構
造及び単一量子井戸構造） 図１は、本発明の第１の実施例の構造を示す図であっ
て、６１はサファイア（０００１）基板、６２は膜厚５
μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ型ＧａＮ
電流注入層、６３は膜厚０．５μｍのアンドープＩｎ
0.1 Ｇａ0.9 Ｎ発光層、６４は膜厚２μｍ及びホール濃
度１０18ｃｍ-3のＭｇドープｐ型ＧａＮ電流注入層、６
５はｎ側電極、６６はｐ側電極である。電極６５に対し
て正の電圧を６６に加えることにより、電子及び正孔を
発光層６３に注入した。その結果、立ち上がり電圧４Ｖ
の電流対電圧特性が得られ、波長３８０ｎｍ帯にのみ発
光ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は１．６
ｍＷであり、外部量子効率は２％であった。また、Ｉｎ
ＧａＮ発光層６３の組成を変化することによって、発光
波長を６００ｎｍまで長波長化することができた。
造及び単一量子井戸構造） 図１は、本発明の第１の実施例の構造を示す図であっ
て、６１はサファイア（０００１）基板、６２は膜厚５
μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ型ＧａＮ
電流注入層、６３は膜厚０．５μｍのアンドープＩｎ
0.1 Ｇａ0.9 Ｎ発光層、６４は膜厚２μｍ及びホール濃
度１０18ｃｍ-3のＭｇドープｐ型ＧａＮ電流注入層、６
５はｎ側電極、６６はｐ側電極である。電極６５に対し
て正の電圧を６６に加えることにより、電子及び正孔を
発光層６３に注入した。その結果、立ち上がり電圧４Ｖ
の電流対電圧特性が得られ、波長３８０ｎｍ帯にのみ発
光ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は１．６
ｍＷであり、外部量子効率は２％であった。また、Ｉｎ
ＧａＮ発光層６３の組成を変化することによって、発光
波長を６００ｎｍまで長波長化することができた。
【００１１】この構造では、アンドープＩｎ0.1 Ｇａ
0.9 Ｎ発光層６３をこれよりバンドギャップエネルギが
大きいｎ型及びｐ型ＧａＮ電流注入層６２及び６４で挟
む構造となっているため、発光層６３に注入された電子
及び正孔は電流注入層６２または６４に流出することな
く発光層６３内に閉じ込められ、上記のように外部量子
効率の高い発光が得られる。このように発光領域と電流
注入領域とが明確に分離されているため、ｎ型及びｐ型
電流注入層６２及び６４に１０18〜１０19ｃｍ-3という
高濃度ドーピングを行っても、発光スペクトルの純度に
影響を及ぼすことなく電流対電圧特性の良好な素子を作
製することができる。また、この構造では発光層として
ＩｎＧａＮ層を用いているため、発光波長を３６０〜６
００ｎｍの範囲で変化することができる。この構造にお
いてＩｎＧａＮを発光層に用いているにも拘らず、上記
のような良好な特性が得られる最大の原因は、ＩｎＧａ
Ｎ発光層６３を結晶性の良好なｎ型ＧａＮ電流注入層６
２上に成長している点にある。特に図１の構成におい
て、発光層６３の膜厚を１０ｎｍ以下にすると、格子不
整合に起因する結晶構造欠陥が発生する臨界膜厚以下と
なり、発光層６３の結晶性が著しく向上する。この結
果、素子特性が向上し、素子寿命も延びる。このように
発光層の膜厚が薄い発光素子では、量子閉じ込め効果が
現れ、発光波長は３７５ｎｍまでシフトした。ここで
は、６２としてＧａＮを用いることを述べたが、
0.9 Ｎ発光層６３をこれよりバンドギャップエネルギが
大きいｎ型及びｐ型ＧａＮ電流注入層６２及び６４で挟
む構造となっているため、発光層６３に注入された電子
及び正孔は電流注入層６２または６４に流出することな
く発光層６３内に閉じ込められ、上記のように外部量子
効率の高い発光が得られる。このように発光領域と電流
注入領域とが明確に分離されているため、ｎ型及びｐ型
電流注入層６２及び６４に１０18〜１０19ｃｍ-3という
高濃度ドーピングを行っても、発光スペクトルの純度に
影響を及ぼすことなく電流対電圧特性の良好な素子を作
製することができる。また、この構造では発光層として
ＩｎＧａＮ層を用いているため、発光波長を３６０〜６
００ｎｍの範囲で変化することができる。この構造にお
いてＩｎＧａＮを発光層に用いているにも拘らず、上記
のような良好な特性が得られる最大の原因は、ＩｎＧａ
Ｎ発光層６３を結晶性の良好なｎ型ＧａＮ電流注入層６
２上に成長している点にある。特に図１の構成におい
て、発光層６３の膜厚を１０ｎｍ以下にすると、格子不
整合に起因する結晶構造欠陥が発生する臨界膜厚以下と
なり、発光層６３の結晶性が著しく向上する。この結
果、素子特性が向上し、素子寿命も延びる。このように
発光層の膜厚が薄い発光素子では、量子閉じ込め効果が
現れ、発光波長は３７５ｎｍまでシフトした。ここで
は、６２としてＧａＮを用いることを述べたが、
【化６】を用いても良い。また、発光層として、ＩｎＧ
ａＮを用いたが、
ａＮを用いたが、
【化４】 でも良いことは明らかである。
【００１２】〔実施例２〕（分離閉じ込め単一量子井戸
構造） 図２は、本発明の第２の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、７１はサファイア（０００１）基板、
７２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０18ｃｍ-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、７３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ単一量子井戸発光層、７５
は膜厚２μｍ及びホール濃度１０18ｃｍ-3のＭｇドープ
ｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７６は膜厚２μｍ及び
ホール濃度５×１０17ｃｍ-3のＭｇドープｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入及び光閉じ込め層、７７はｎ側電極、７８は
ｐ側電極である。電極７７に対して正の電圧を７８に加
えることにより、電子及び正孔を発光層７４に注入し
た。その結果、立ち上がり電圧４Ｖの電流対電圧特性が
得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光ピークを持つ発光
を観測できた。最大光出力は３ｍＷであり、外部量子効
率は２％であった。また、ＩｎＧａＮ発光層７３の組成
を変化することによって、発光波長を６００ｎｍまで長
波長化することができた。
構造） 図２は、本発明の第２の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、７１はサファイア（０００１）基板、
７２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０18ｃｍ-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、７３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ単一量子井戸発光層、７５
は膜厚２μｍ及びホール濃度１０18ｃｍ-3のＭｇドープ
ｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７６は膜厚２μｍ及び
ホール濃度５×１０17ｃｍ-3のＭｇドープｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入及び光閉じ込め層、７７はｎ側電極、７８は
ｐ側電極である。電極７７に対して正の電圧を７８に加
えることにより、電子及び正孔を発光層７４に注入し
た。その結果、立ち上がり電圧４Ｖの電流対電圧特性が
得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光ピークを持つ発光
を観測できた。最大光出力は３ｍＷであり、外部量子効
率は２％であった。また、ＩｎＧａＮ発光層７３の組成
を変化することによって、発光波長を６００ｎｍまで長
波長化することができた。
【００１３】この構造は、実施例１の素子構造におい
て、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層の上
下をｐ型ＧａＡｌＮ層及びｎ型ＧａＡｌＮ層で挟んだ構
造となっており、実施例１の構造で得られたと全く同様
の効果を期待できる。さらに、実施例１の構造におい
て、ＩｎＧａＮ発光層の膜厚を１０ｎｍと薄くすると光
閉じ込めが不十分となるが、図２の構造ではｎ型ＧａＮ
層７３、ＩｎＧａＮ層７４及びｐ型ＧａＮ層７５よりも
屈折率の小さいｎ型及びｐ型ＧａＡｌＮ層７２及び７６
の存在により光閉じ込めの効果が現れ、上記のように大
きな光出力及び高い外部量子効率を得ることができる。
ここでは、素子を構成する各層にＧａＮ，ＧａｌＮを用
いたが、バンドギャップエネルギが図２において７４＜
７３、７５＜７２，７６の関係を保つ限り、
て、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層の上
下をｐ型ＧａＡｌＮ層及びｎ型ＧａＡｌＮ層で挟んだ構
造となっており、実施例１の構造で得られたと全く同様
の効果を期待できる。さらに、実施例１の構造におい
て、ＩｎＧａＮ発光層の膜厚を１０ｎｍと薄くすると光
閉じ込めが不十分となるが、図２の構造ではｎ型ＧａＮ
層７３、ＩｎＧａＮ層７４及びｐ型ＧａＮ層７５よりも
屈折率の小さいｎ型及びｐ型ＧａＡｌＮ層７２及び７６
の存在により光閉じ込めの効果が現れ、上記のように大
きな光出力及び高い外部量子効率を得ることができる。
ここでは、素子を構成する各層にＧａＮ，ＧａｌＮを用
いたが、バンドギャップエネルギが図２において７４＜
７３、７５＜７２，７６の関係を保つ限り、
【化４】を用いても良いことは明らかである。
【００１４】〔実施例３〕（分離閉じ込め多重量子井戸
構造） 図３は、本発明の第３の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、８１はサファイア（０００１）基板、
８２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０18ｃｍ-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、８３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎと膜厚１０ｎｍのアンドー
プＧａＮ層を交互に１０層積層した多重量子井戸層、８
５は膜厚２μｍ及びホール濃度１０18ｃｍ-3のＭｇドー
プｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８６は膜厚２μｍ及
びホール濃度５×１０17ｃｍ-3のＭｇドープＧａＡｌＮ
電流注入及び光閉じ込め層電流注入層、８７はｎ側電
極、８８はｐ側電極である。電極８７に対して正の電圧
を８８に加えることにより、電子及び正孔を多重量子井
戸層８４に注入した。その結果、立ち上がり電圧６Ｖの
電流対電圧特性が得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光
ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は５ｍＷで
あり、外部量子効率は６％であった。また、ＩｎＧａＮ
発光層８３の組成を変化することによって、発光波長を
６００ｎｍまで長波長化することができた。この構造
は、図２の構造のＩｎＧａＮ発光層７４の代わりにＩｎ
ＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を導入した構造となってい
るため、図２の構造で得られたと全く同様の作用が働く
上、実質的な発光層であるＩｎＧａＮ井戸層の層数が増
加しているため上記のように大きな光出力を得ることが
できる。本実施例の各層に、
構造） 図３は、本発明の第３の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、８１はサファイア（０００１）基板、
８２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０18ｃｍ-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、８３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０19ｃｍ-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎと膜厚１０ｎｍのアンドー
プＧａＮ層を交互に１０層積層した多重量子井戸層、８
５は膜厚２μｍ及びホール濃度１０18ｃｍ-3のＭｇドー
プｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８６は膜厚２μｍ及
びホール濃度５×１０17ｃｍ-3のＭｇドープＧａＡｌＮ
電流注入及び光閉じ込め層電流注入層、８７はｎ側電
極、８８はｐ側電極である。電極８７に対して正の電圧
を８８に加えることにより、電子及び正孔を多重量子井
戸層８４に注入した。その結果、立ち上がり電圧６Ｖの
電流対電圧特性が得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光
ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は５ｍＷで
あり、外部量子効率は６％であった。また、ＩｎＧａＮ
発光層８３の組成を変化することによって、発光波長を
６００ｎｍまで長波長化することができた。この構造
は、図２の構造のＩｎＧａＮ発光層７４の代わりにＩｎ
ＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を導入した構造となってい
るため、図２の構造で得られたと全く同様の作用が働く
上、実質的な発光層であるＩｎＧａＮ井戸層の層数が増
加しているため上記のように大きな光出力を得ることが
できる。本実施例の各層に、
【化１】を用いても良いことは明らかである。
【００１５】上記のすべての実施例では、基板としてサ
ファイア（０００１）面を用いたが、他の材料基板ある
いは他の面方位基板を用いても、全く同様の効果を得る
ことができる。また、発光層と基板の間に存在するＧａ
1-x Ａｌx Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１）の結晶性を向上するた
め、基板上にまず低温成長
ファイア（０００１）面を用いたが、他の材料基板ある
いは他の面方位基板を用いても、全く同様の効果を得る
ことができる。また、発光層と基板の間に存在するＧａ
1-x Ａｌx Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１）の結晶性を向上するた
め、基板上にまず低温成長
【化２】を堆積すると一層効果的である。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発
光素子用構造では発光層中に
光素子用構造では発光層中に
【化１】層を用いているため、発光波長を２００〜６０
０ｎｍの範囲で変化することができる。また、本発明の
半導体発光素子用構造では発光層と成長基板の間に
０ｎｍの範囲で変化することができる。また、本発明の
半導体発光素子用構造では発光層と成長基板の間に
【化２】層を有するため、発光層中に用いた
【化１】層の結晶性が向上し、従来の
【化１】層を発光層に用いた発光素子に比べ、発光特性
の優れた発光素子を作製することができる。特に、
の優れた発光素子を作製することができる。特に、
【化１】層の膜厚が、格子不整合に起因する結晶構造欠
陥が発生する臨界膜厚より薄ければ、結晶性はさらに著
しく向上し、極めて良好な発光素子を作製できると言う
利点を持つ。
陥が発生する臨界膜厚より薄ければ、結晶性はさらに著
しく向上し、極めて良好な発光素子を作製できると言う
利点を持つ。
【図１】本発明の第１の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮダブルヘテロ構造を示す。
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮダブルヘテロ構造を示す。
【図２】本発明の第２の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め単一
量子井戸構造を示す。
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め単一
量子井戸構造を示す。
【図３】本発明の第３の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め多重
量子井戸構造を示す。
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め多重
量子井戸構造を示す。
【図４】サファイア上Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 ＮのＸ線回折プ
ロファイルを示す図であって、（ａ）はＧａＮ層を介さ
ない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合に対応する。
ロファイルを示す図であって、（ａ）はＧａＮ層を介さ
ない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合に対応する。
【図５】サファイア上Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎのフォトルミ
ネッセンス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＧ
ａＮ層を介さない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合
に対応する。
ネッセンス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＧ
ａＮ層を介さない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合
に対応する。
【図６】従来の半導体発光素子用構造の第１の例を説明
する図であって、ＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を
示す。
する図であって、ＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を
示す。
【図７】従来の半導体発光素子用構造の第２の例を説明
する図であって、ＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオ
ードの構成図を示す。
する図であって、ＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオ
ードの構成図を示す。
【図８】従来の半導体発光素子用構造の第３の例を説明
する図であって、ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接
合ダイオードの構成図を示す。
する図であって、ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接
合ダイオードの構成図を示す。
１１ サファイア基板 １２ ｎ型ＧａＮ層 １３ ｐ型ＧａＮ層 １４ ｎ側電極 １５ ｐ型電極 ２１ サファイア基板 ２２ ｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層 ２３ ＧａＮ発光層 ２４ ｐ型ＧａＡｌＮ電流注入層 ２５ ｎ側電極 ２６ ｐ型電極 ３１ サファイア基板 ３２ ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層 ３３ ＩｎＧａＮ発光層 ３４ ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層 ３５ ｎ側電極 ３６ ｐ型電極 ６１ サファイア（０００１）基板 ６２ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ電流注入層 ６３ アンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ発光層 ６４ Ｍｇドープｐ型ＧａＮ電流注入層 ６５ ｎ側電極 ６６ ｐ型電極 ７１ サファイア（０００１）基板 ７２ Ｓｉドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込
め層 ７３ Ｓｉドープｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ７４ アンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ単一量子井戸発光
層 ７５ Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ７６ Ｍｇドープｐ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込
め層 ７７ ｎ側電極 ７８ ｐ型電極 ８１ サファイア（０００１）基板 ８２ ｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層 ８３ ｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ８４ アンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子
井戸層 ８５ Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ８６ ＭｇドープＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層
電流注入層 ８７ ｎ側電極 ８８ ｐ型電極
め層 ７３ Ｓｉドープｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ７４ アンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ単一量子井戸発光
層 ７５ Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ７６ Ｍｇドープｐ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込
め層 ７７ ｎ側電極 ７８ ｐ型電極 ８１ サファイア（０００１）基板 ８２ ｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層 ８３ ｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ８４ アンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子
井戸層 ８５ Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層 ８６ ＭｇドープＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層
電流注入層 ８７ ｎ側電極 ８８ ｐ型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−203388（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−68579（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−343737（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−343741（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−206513（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏ ｌ．60，Ｎｏ．61，ｐ．33−38 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50
Claims (1)
- 【請求項１】 基板上に作製された半導体発光素子であ
って、 発光層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ型 【化２】Ｇａ１−ｘ’Ａｌｘ’Ｎ（０≦ｘ’≦１）電流
注入層、 【化１】Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙ Ｎ（ｘ＋ｙ＜
１，０≦ｘ，ｙ≦１）で表される三元混晶または四元混
晶の層を少なくとも一層含む発光層、 発光層よりバンドギャップエネルギーの大きいｐ型 【化２】Ｇａ１−ｘ’Ａｌｘ’Ｎ（０≦ｘ’≦１）電流
注入層を有し、前記発光層と前記Ｇａ １−ｘ’ Ａｌ ｘ’ Ｎ層との界面
は、格子不整合なヘテロ接合界面である ことを特徴とす
る半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20308492A JP3243768B2 (ja) | 1992-07-06 | 1992-07-06 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20308492A JP3243768B2 (ja) | 1992-07-06 | 1992-07-06 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0621511A JPH0621511A (ja) | 1994-01-28 |
| JP3243768B2 true JP3243768B2 (ja) | 2002-01-07 |
Family
ID=16468101
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20308492A Expired - Lifetime JP3243768B2 (ja) | 1992-07-06 | 1992-07-06 | 半導体発光素子 |
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| WO1996003776A1 (fr) * | 1994-07-21 | 1996-02-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif a semi-conducteur emettant de la lumiere et procede de production de celui-ci |
| JPH0897500A (ja) * | 1994-09-28 | 1996-04-12 | Sony Corp | 発光素子およびそれを用いたレーザｃｒｔ |
| US5804834A (en) * | 1994-10-28 | 1998-09-08 | Mitsubishi Chemical Corporation | Semiconductor device having contact resistance reducing layer |
| US6900465B2 (en) | 1994-12-02 | 2005-05-31 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor light-emitting device |
| US5777350A (en) * | 1994-12-02 | 1998-07-07 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting device |
| JP2780691B2 (ja) * | 1994-12-02 | 1998-07-30 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体発光素子 |
| JP3593952B2 (ja) * | 1994-12-22 | 2004-11-24 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
| JP3992027B2 (ja) * | 1994-12-22 | 2007-10-17 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
| JP4120698B2 (ja) * | 1994-12-22 | 2008-07-16 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
| US6346720B1 (en) | 1995-02-03 | 2002-02-12 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Layered group III-V compound semiconductor, method of manufacturing the same, and light emitting element |
| JPH0936424A (ja) * | 1995-07-25 | 1997-02-07 | Toyoda Gosei Co Ltd | ３族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| EP0772249B1 (en) | 1995-11-06 | 2006-05-03 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| TW425722B (en) * | 1995-11-27 | 2001-03-11 | Sumitomo Chemical Co | Group III-V compound semiconductor and light-emitting device |
| JPH09153645A (ja) * | 1995-11-30 | 1997-06-10 | Toyoda Gosei Co Ltd | ３族窒化物半導体発光素子 |
| JPH09153644A (ja) * | 1995-11-30 | 1997-06-10 | Toyoda Gosei Co Ltd | ３族窒化物半導体表示装置 |
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| JPH1032348A (ja) * | 1996-07-12 | 1998-02-03 | Toyoda Gosei Co Ltd | ３族窒化物半導体発光素子の製造方法及びその装置 |
| US6677619B1 (en) | 1997-01-09 | 2004-01-13 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| CA2276335C (en) | 1997-01-09 | 2006-04-11 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| TW385493B (en) | 1997-08-04 | 2000-03-21 | Sumitomo Chemical Co | Method for manufacturing group III-V compound semiconductor |
| JP3719047B2 (ja) | 1999-06-07 | 2005-11-24 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| JP3726252B2 (ja) * | 2000-02-23 | 2005-12-14 | 独立行政法人理化学研究所 | 紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法 |
| JP3636976B2 (ja) * | 2000-03-17 | 2005-04-06 | 日本電気株式会社 | 窒化物半導体素子およびその製造方法 |
| US6586762B2 (en) | 2000-07-07 | 2003-07-01 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device with improved lifetime and high output power |
| JP4867064B2 (ja) | 2000-11-17 | 2012-02-01 | 住友化学株式会社 | 発光素子用３−５族化合物半導体およびその製造方法 |
| TWI275220B (en) | 2001-11-05 | 2007-03-01 | Nichia Corp | Nitride semiconductor device |
| US6881983B2 (en) | 2002-02-25 | 2005-04-19 | Kopin Corporation | Efficient light emitting diodes and lasers |
| US6911079B2 (en) | 2002-04-19 | 2005-06-28 | Kopin Corporation | Method for reducing the resistivity of p-type II-VI and III-V semiconductors |
| US6734091B2 (en) | 2002-06-28 | 2004-05-11 | Kopin Corporation | Electrode for p-type gallium nitride-based semiconductors |
| JP4188750B2 (ja) * | 2003-05-12 | 2008-11-26 | 豊田合成株式会社 | 発光素子 |
| JP2004356141A (ja) * | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Stanley Electric Co Ltd | 半導体光学素子 |
| WO2018003551A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム |
-
1992
- 1992-07-06 JP JP20308492A patent/JP3243768B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．６１，ｐ．３３−３８ |
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|---|---|
| JPH0621511A (ja) | 1994-01-28 |
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