JP3299739B2 - Light emitting element - Google Patents

Light emitting element

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JP3299739B2
JP3299739B2 JP2000213303A JP2000213303A JP3299739B2 JP 3299739 B2 JP3299739 B2 JP 3299739B2 JP 2000213303 A JP2000213303 A JP 2000213303A JP 2000213303 A JP2000213303 A JP 2000213303A JP 3299739 B2 JP3299739 B2 JP 3299739B2
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士郎 酒井
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は発光素子、特にGa
NとAlGaNを積層してなる発光素子の発光効率の改
善に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light-emitting element,
The present invention relates to an improvement in luminous efficiency of a light-emitting element formed by laminating N and AlGaN.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaNを用いた青色(発光波長450n
m)から緑色(発光波長500nm)の発光ダイオード
(LED)は、交通信号機や屋外ディスプレイ等への適
用が考えられている。このLEDの材料は、具体的には
InGaNであるが、発光波長をより短くして例えば紫
外領域での発光を得るためにはInの組成を小さくして
GaNに近づける必要がある。しかしながら、Inの組
成を小さくすると発光効率が著しく劣化することが知ら
れており、波長370nmより短波長で、かつ実用的な
効率を有するLEDは未だ開発されていない。
2. Description of the Related Art Blue (emission wavelength: 450 n) using GaN
m) to green (emission wavelength: 500 nm) light emitting diode (LED) is considered to be applied to traffic signals, outdoor displays, and the like. The material of this LED is specifically InGaN. However, in order to shorten the emission wavelength and obtain light emission in, for example, an ultraviolet region, it is necessary to reduce the In composition and approach GaN. However, it is known that when the composition of In is reduced, the luminous efficiency is significantly deteriorated, and an LED having a wavelength shorter than 370 nm and having practical efficiency has not yet been developed.

【0003】紫外領域で発光するLEDは、多くの分野
に応用されることが期待されており、例えば光記録再生
用の光源として、あるいは光通信用の光源としても有望
視されている。
[0003] An LED that emits light in the ultraviolet region is expected to be applied to many fields, and is expected to be used, for example, as a light source for optical recording and reproduction or as a light source for optical communication.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一方、GaNとAlG
aNを積層した多層構造とすることにより、発光効率を
低下させることなく発光波長を340nmまで短波長化
できることが報告されている。InGaNを発光層とす
る場合には、Inの組成ゆらぎのため、非常に高い転位
密度にもかかわらず発光効率が非常に高くなる。上述し
たように最も短い波長はInの組成が0で得られるが、
GaNでは組成ゆらぎが生じないため転位の影響で発光
効率が著しく低下する。InをAlで置き換えたAlG
aNでは発光波長は短くなるもののAlの組成ゆらぎが
生じないので発光効率が低下する。ところが、非常に薄
い(約2〜3nm)GaNとAlGaNを交互に積層し
て超格子構造とすることにより、各層の膜厚が微妙にゆ
らぐため組成ゆらぎが生じたのと同一の効果が得られ、
単層のAlGaNのように発光効率が劣化しないと考え
られている。
On the other hand, GaN and AlG
It has been reported that the emission wavelength can be shortened to 340 nm without lowering the emission efficiency by employing a multilayer structure in which aN is laminated. In the case where InGaN is used as the light emitting layer, the luminous efficiency is extremely high despite the extremely high dislocation density due to the fluctuation of the composition of In. As described above, the shortest wavelength is obtained when the In composition is 0,
Since the composition fluctuation does not occur in GaN, the luminous efficiency is significantly reduced due to the influence of dislocation. AlG with In replaced with Al
In the case of aN, although the emission wavelength is shortened, the composition efficiency of Al does not fluctuate, so that the emission efficiency is reduced. However, by forming a superlattice structure by alternately laminating very thin (about 2 to 3 nm) GaN and AlGaN, the thickness of each layer slightly fluctuates, so that the same effect as the composition fluctuation is obtained. ,
It is considered that the luminous efficiency does not deteriorate unlike the single-layer AlGaN.

【0005】このように、GaN/AlGaNを積層し
た超格子構造は有望視されているが、上述したように光
通信の光源や記録媒体の読み取り光源などとして実用化
するためには、より一層の発光効率あるいは発光強度の
改善が求められている。
As described above, the superlattice structure in which GaN / AlGaN is stacked is considered promising. However, as described above, in order to be put to practical use as a light source for optical communication or a reading light source for a recording medium, it is necessary to further improve the structure. Improvement in luminous efficiency or luminous intensity is required.

【0006】特に、GaN/AlGaN構造で発光素子
を構成する場合、PN接合を構成する必要があり、発光
効率を高めるような構造あるいは射出した光を効果的に
外部に取り出す構造が求められている。
In particular, when a light-emitting device is configured with a GaN / AlGaN structure, it is necessary to form a PN junction, and a structure that enhances luminous efficiency or a structure that effectively extracts emitted light to the outside is required. .

【0007】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、発光効率に優れた
発光素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a light emitting device having excellent luminous efficiency.

【0008】[0008]

【0009】[0009]

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、N型半導体層は、GaNとAlG
aNを交互に積層して構成されるとともに、前記N型半
導体層とP型半導体層の界面にトンネル効果が生じる程
度の膜厚のAlGaNが形成されることを特徴とする。
N型半導体層とP型半導体層の界面に形成されたAlG
aNは電子に対してエネルギ障壁をなし(AlGaNは
ホールに対しても障壁となるが、その大きさは電子より
も小さい)、N型半導体層からP型半導体層への電子の
移動を抑制してN型半導体での発光を促進できる。
In order to achieve the above object, the present invention relates to a light emitting device comprising a GaN-based compound semiconductor and a PN junction, wherein the N-type semiconductor layer comprises GaN and AlG.
aN are alternately stacked, and a tunnel effect is generated at the interface between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer.
It is characterized in that AlGaN having a moderate thickness is formed.
AlG formed at the interface between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer
aN forms an energy barrier against electrons (AlGaN also functions as a barrier against holes, but its size is smaller than electrons), and suppresses the movement of electrons from the N-type semiconductor layer to the P-type semiconductor layer. As a result, light emission in the N-type semiconductor can be promoted.

【0011】また、本発明は、GaN系化合物半導体を
PN接合してなる発光素子であってP型及びN型半導体
層は、GaNとAlGaNを交互に積層して構成される
とともに、前記GaNとAlGaNの厚さは、前記P型
半導体層に注入された電子に対してブラッグ条件を満た
すように設定され、前記N型半導体に注入されたホール
に対してブラッグ条件を満たさないように設定されるこ
とを特徴とする。P型半導体層に注入された電子は、そ
のエネルギレベルに応じたドブロイ波長を有し、そのド
ブロイ波長に対してGaN/AlGaNの積層構造(具
体的には超格子)それぞれの膜厚がブラッグ条件を満た
す場合には電子は超格子の界面で全反射される。一方、
ホールは電子と異なるエネルギレベルにあるため、ブラ
ッグ条件が成立せず、P型半導体層からN型半導体層内
に移動し、N型半導体層内で電子と再結合して発光す
る。なお、電子のエネルギレベルは発光素子に印加され
るバイアス電圧に応じて変化するから、現象論的には、
発光素子の駆動電圧VにおいてP型半導体層内の電子を
ブラッグ反射し、N型半導体層内において再結合を引き
起こすような膜厚に設定されると言うことができる。あ
るいは、P型半導体層の膜厚を調整して周期的なエネル
ギ障壁を形成し、バイアス電圧を印加した場合にP型半
導体層に注入される電子のエネルギに対してブラッグ反
射を起こさせ、N型半導体層中で支配的に(すなわちP
型半導体層中におけるよりも多くの割合で)再結合を起
こさせると言うこともできる。
Further, the present invention is a light emitting device in which a GaN-based compound semiconductor is PN-junctioned, wherein the P-type and N-type semiconductor layers are formed by alternately stacking GaN and AlGaN. The thickness of AlGaN is set so as to satisfy the Bragg condition with respect to electrons injected into the P-type semiconductor layer, and is set so as not to satisfy the Bragg condition with respect to holes injected into the N-type semiconductor. It is characterized by the following. The electrons injected into the P-type semiconductor layer have a de Broglie wavelength according to the energy level, and the film thickness of each of the GaN / AlGaN laminated structures (specifically, superlattice) is different from the de Broglie wavelength by the Bragg condition. When satisfies, the electrons are totally reflected at the interface of the superlattice. on the other hand,
Since the holes have an energy level different from that of the electrons, the Bragg condition is not satisfied, the holes move from the P-type semiconductor layer into the N-type semiconductor layer, and recombine with the electrons in the N-type semiconductor layer to emit light. Since the energy level of electrons changes according to the bias voltage applied to the light emitting element, phenomenologically,
It can be said that the film thickness is set so as to Bragg-reflect electrons in the P-type semiconductor layer at the driving voltage V of the light-emitting element and cause recombination in the N-type semiconductor layer. Alternatively, a periodic energy barrier is formed by adjusting the thickness of the P-type semiconductor layer, and Bragg reflection is caused on the energy of electrons injected into the P-type semiconductor layer when a bias voltage is applied. Dominantly (ie, P
It can also be said that recombination occurs (at a greater rate than in the type semiconductor layer).

【0012】本発明の発光素子において、さらに、基板
と、前記基板上に形成され、前記N型半導体層に隣接す
るN型AlGaN層と、P型半導体層上に形成されるP
型AlGaNオーミック層とを有することができる。バ
ッファ層及びオーミック層をともにAlGaNで形成す
ることで、N型半導体層から射出した紫外領域の光の吸
収を抑制し、発光効率を向上させることができる。
[0012] In the light emitting device of the present invention, further, a substrate, an N-type AlGaN layer formed on the substrate and adjacent to the N-type semiconductor layer, and a P-type semiconductor layer formed on the P-type semiconductor layer.
Type AlGaN ohmic layer. By forming both the buffer layer and the ohmic layer of AlGaN, absorption of light in the ultraviolet region emitted from the N-type semiconductor layer can be suppressed, and luminous efficiency can be improved.

【0013】また、本発明の発光素子において、さら
に、基板と、前記基板上に形成されたN型GaN層と、
前記N型GaN層上に形成され、前記N型半導体層に隣
接するブラッグ反射層とを有し、前記ブラッグ反射層に
より前記PN接合部から射出される光を反射することが
できる。N型半導体層から射出した紫外領域の光をブラ
ッグ反射層により反射し、GaN層での吸収を抑制する
ことができる。
Further, in the light emitting device of the present invention, further, a substrate, an N-type GaN layer formed on the substrate,
A Bragg reflection layer formed on the N-type GaN layer and adjacent to the N-type semiconductor layer, wherein the Bragg reflection layer can reflect light emitted from the PN junction. Light in the ultraviolet region emitted from the N-type semiconductor layer is reflected by the Bragg reflection layer, and absorption in the GaN layer can be suppressed.

【0014】また、本発明の発光素子において、前記N
型半導体層の前記GaNあるいはAlGaNの少なくと
もいずれかにSiがドープされることが好適である。本
願出願人は、SiのドープによりN型半導体層の発光強
度が増大することを確認しており、これにより発光素子
の発光効率を向上させることができる。
Further, in the light emitting device of the present invention, the N
It is preferable that at least either GaN or AlGaN of the type semiconductor layer is doped with Si. The applicant of the present application has confirmed that the light emission intensity of the N-type semiconductor layer is increased by doping with Si, whereby the light emission efficiency of the light emitting element can be improved.

【0015】また、本発明の発光素子において、前記N
型半導体層の前記GaNにSi及びInがドープされ、
前記AlGaNにInがドープされることが好適であ
る。本願出願人はGaNにSiとInをドープし、Al
GaNにInをドープすることでN型半導体層の発光強
度が増大することを確認しており、これにより発光素子
の発光効率を向上させることができる。
Further, in the light emitting device of the present invention, the N
The GaN of the type semiconductor layer is doped with Si and In,
Preferably, the AlGaN is doped with In. The present applicant has doped GaN with Si and In,
It has been confirmed that doping GaN with In increases the light emission intensity of the N-type semiconductor layer, whereby the light emission efficiency of the light emitting element can be improved.

【0016】また、本発明の発光素子において、前記N
型半導体層の前記GaNとAlGaNの界面にSiが形
成されることが好適である。GaNとAlGaNの界面
に形成されたSiは格子の不整合を生じさせ、GaN/
AlGaNに局所的な膜厚の揺らぎを引き起こす。これ
により、GaN/AlGaNにバンドギャップの揺らぎ
を生じさせ、発光効率を向上させることができる。
Further, in the light emitting device of the present invention, the N
It is preferable that Si is formed at the interface between the GaN and the AlGaN in the semiconductor layer. Si formed at the interface between GaN and AlGaN causes lattice mismatch, and GaN / AlGaN
AlGaN causes local thickness fluctuations. As a result, fluctuation of the band gap is caused in GaN / AlGaN, and the luminous efficiency can be improved.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】図1には、本実施形態に関連する発光素子
の構成が示されている。サファイア基板10上にN型G
aN層12が例えば2μm程度形成される。N型GaN
層12の上にさらにN型半導体層としてN型GaN系層
14が形成され、さらにP型GaN系層16が積層され
る。N型GaN系層14とP型GaN系層16の界面で
PN接合が形成され、所定の電圧を印加することにより
P型GaN系層16からN型GaN系層14にホールが
注入されて発光する。N型GaN系層14はGaNとA
lGaNを交互に積層した超格子構造(SLSstrained
layer superlattice)とすることができる。また、P型
GaN系層16もGaNとAlGaNを交互に積層した
超格子構造とすることができる。もちろん、P型GaN
系層16は超格子構造でなくてもよい。P型GaN系層
16上には図示していないがP型GaNオーミック層が
形成され、オーミックコンタクトにより電極と接続され
る。
FIG. 1 shows a configuration of a light emitting device according to the present embodiment. N-type G on sapphire substrate 10
The aN layer 12 is formed, for example, to about 2 μm. N-type GaN
An N-type GaN-based layer 14 is further formed on the layer 12 as an N-type semiconductor layer, and a P-type GaN-based layer 16 is further laminated. A PN junction is formed at the interface between the N-type GaN-based layer 14 and the P-type GaN-based layer 16, and holes are injected from the P-type GaN-based layer 16 into the N-type GaN-based layer 14 by applying a predetermined voltage to emit light. I do. The N-type GaN-based layer 14 is composed of GaN and A
Superlattice structure (SLS strained
layer superlattice). In addition, the P-type GaN-based layer 16 can also have a superlattice structure in which GaN and AlGaN are alternately stacked. Of course, P-type GaN
The system layer 16 may not have a super lattice structure. Although not shown, a P-type GaN ohmic layer is formed on the P-type GaN-based layer 16 and is connected to an electrode by an ohmic contact.

【0019】図2には、図1におけるN型GaN系層1
4の基本構成が示されている。GaN14aとAlGa
N14bを交互に積層した超格子構造であるが、GaN
14aにはInとSiがドープされ、また、AlGaN
14bにはInがドープされる。ここで、本願明細書に
おける「ドープ」とは、層の成長過程において当該材料
を反応管内に導入することを意味している。具体的な作
成方法は以下の通りである。すなわち、反応管内に基板
を載置し、N型GaN層12を形成した後、反応管内に
TMG、NH3、H2及びInとSiを含むガス、例えば
TMInやSiH4を導入してInとSiがドープされ
たGaN14aをMOCVD法で形成する。そして、G
aN14a上にAlGaN14bを形成する際にも、T
MGとTMAlを反応管内に導入するとともに、Inを
含むガス、例えばTMInを導入してInがドープされ
たAlGaN14bを形成する。InやSiの導入量
は、例えばTMIn=1.8μmol/min、SiH
4=446μmol/minとすることができる。Ga
N14a及びAlGaN14bの厚さはともに約2nm
であり、これらの組は合計250ピッチ程度形成される
(図では簡略化のため3ピッチのみ示している)。超格
子層の膜厚は、注入されるキャリアの拡散長で決定さ
れ、それ以下になると発光効率が低下する。一方、超格
子の厚さが1μmを超えるとクラックが発生するように
なるので、超格子層の厚さとしては1nm以上でクラッ
クが発生しない厚さ、具体的には10nm〜500nm
とすることができる。
FIG. 2 shows the N-type GaN-based layer 1 shown in FIG.
4 are shown. GaN14a and AlGa
Is a superlattice structure of alternately laminated N14b, G aN
14a is doped with In and Si, and AlGaN
14b is doped with In. Here, “doping” in the specification of the present application means that the material is introduced into the reaction tube during the layer growth process. The specific creation method is as follows. That is, after a substrate is placed in a reaction tube and an N-type GaN layer 12 is formed, a gas containing TMG, NH 3 , H 2 and In and Si, for example, TMIn or SiH 4 is introduced into the reaction tube to form an N-type GaN layer. GaN 14a doped with Si is formed by MOCVD. And G
When forming AlGaN 14b on aN 14a, T
MG and TMAl are introduced into the reaction tube, and a gas containing In, for example, TMIn is introduced to form InGaN-doped AlGaN 14b. The amount of In or Si introduced is, for example, TMIn = 1.8 μmol / min, SiH
4 = 446 μmol / min. Ga
The thickness of each of N14a and AlGaN14b is about 2 nm
These sets are formed in a total of about 250 pitches (only three pitches are shown in the figure for simplicity). The thickness of the superlattice layer is determined by the diffusion length of the injected carriers. On the other hand, if the thickness of the superlattice exceeds 1 μm, cracks occur. Therefore, the thickness of the superlattice layer is 1 nm or more and does not cause cracks.
It can be.

【0020】[0020]

【0021】[0021]

【0022】[0022]

【0023】[0023]

【0024】[0024]

【0025】[0025]

【0026】[0026]

【0027】[0027]

【0028】[0028]

【0029】[0029]

【0030】[0030]

【0031】[0031]

【0032】図には、実施形態に係る発光素子の構
成が示されている。図1に示された構成では、N型Ga
N系層14に隣接してP型GaN系層16を形成してい
るが、本実施形態ではN型GaN系層14とP型GaN
系層16の界面にAlGaN層15が形成される。Al
GaN層15は、トンネル効果が生じる程度に十分薄く
形成され、好ましくは1〜50nm、より好ましくは2
〜10nm程度である。N型GaN系層14は図2に示
されたN型GaN系層を用いることができる。このよう
な構成において順方向バイアスを印加すると、N型Ga
N系層14及びP型GaN系層16のバンドギャップは
ドープしていないAlGaN単層よりもバンドギャップ
が狭く、電子にとってAlGaN層15はエネルギ障壁
となる。AlGaN層15は、電子のみならずホールに
とってもエネルギ障壁となるが、図に示されるように
電子に対する障壁がホールに対する障壁よりも大きいの
で、ホールがより多くP型GaN系層16からN型Ga
N系層14に注入される。したがって、発光効率の高い
N型GaN系層14で発光を起こさせることができる。
FIG. 3 shows the structure of the light emitting device according to this embodiment. In the configuration shown in FIG.
Although the P-type GaN-based layer 16 is formed adjacent to the N-type layer 14, in the present embodiment, the N-type GaN-based layer 14 and the P-type GaN
An AlGaN layer 15 is formed at the interface of the system layer 16. Al
The GaN layer 15 is formed thin enough to cause a tunnel effect, preferably 1 to 50 nm, more preferably 2 to 50 nm.
About 10 nm. As the N-type GaN-based layer 14, the N-type GaN-based layer shown in FIG. 2 can be used. When a forward bias is applied in such a configuration, N-type Ga
The band gaps of the N-based layer 14 and the P-type GaN-based layer 16 are narrower than the undoped AlGaN single layer, and the AlGaN layer 15 acts as an energy barrier for electrons. The AlGaN layer 15 acts as an energy barrier not only for electrons but also for holes. However, as shown in FIG. 4 , since the barrier for electrons is larger than the barrier for holes, the AlGaN layer 15 has more holes and the P-type GaN-based layer 16 has an N-type. Ga
It is implanted into the N-based layer 14. Therefore, light can be emitted from the N-type GaN-based layer 14 having high luminous efficiency.

【0033】なお、図においてAlGaN層15の代
わりに、MgあるいはZnをドープしたAlGaNを用
いて高抵抗とすることもできる。
In FIG. 3 , instead of the AlGaN layer 15, AlGaN doped with Mg or Zn may be used to increase the resistance.

【0034】また、図においては、N型GaN系層1
4とP型GaN系層16の界面に、ホールに対してより
も電子に対して大きなエネルギ障壁となる層を形成する
ことでホールの注入を促進しているが、P型GaN系層
16をGaNとAlGaNを交互に積層して超格子構造
とし、かつ、GaNとAlGaNの膜厚を調整すること
で、電子をN型GaN系層14に閉じこめ、ホールの注
入を促進することもできる。
FIG. 3 shows an N-type GaN-based layer 1.
At the interface between the P-type GaN-based layer 4 and the P-type GaN-based layer 16, the injection of holes is promoted by forming a layer having a larger energy barrier for electrons than for holes. By alternately stacking GaN and AlGaN to form a superlattice structure and adjusting the film thickness of GaN and AlGaN, electrons can be confined in the N-type GaN-based layer 14 and the injection of holes can be promoted.

【0035】電子及びホールは波の性質も併せ持つので
(ドブロイ波あるいは物質波)、図に示されるような
周期的なエネルギを有する層内では各界面で反射され
る。そして、エネルギの周期が電子のエネルギレベルで
決まるドブロイ波長に対してブラッグ条件を満たすと全
反射されるようになり、移動できなくなる。電子とホー
ルでは有効質量とエネルギ障壁の高さが異なるので、電
子に対してブラッグ条件を満たすようにP型GaN系層
16のエネルギ障壁と周期を設定すると、P型GaN系
層16に注入された電子は全反射されてP型GaN系層
16内を移動できないがホールはブラッグ条件が満たさ
れないため全反射されずN型GaN系層14内に注入さ
れる。以上により、P型GaN系層16のGaNとAl
GaNの厚さを、注入された電子に対してブラッグ条件
が成立するように設定することで、N型GaN系層14
でホールと電子の再結合を起こさせて発光させることが
できる。具体的な条件は以下の通りである。
[0035] Since electrons and holes are both also the nature of the wave (de Broglie waves or matter wave), is in a layer having a periodic energy, such as shown in FIG. 5 is reflected at each interface. When the Bragg condition is satisfied with respect to the de Broglie wavelength whose energy cycle is determined by the energy level of the electrons, the light is totally reflected and cannot move. Since the effective mass and the height of the energy barrier are different between electrons and holes, if the energy barrier and the period of the P-type GaN-based layer 16 are set so as to satisfy the Bragg condition for electrons, the electrons are injected into the P-type GaN-based layer 16. The electrons are totally reflected and cannot move in the P-type GaN-based layer 16, but holes are injected into the N-type GaN-based layer 14 without being totally reflected because the Bragg condition is not satisfied. As described above, GaN and Al in the P-type GaN-based layer 16 are
By setting the thickness of GaN so that the Bragg condition is satisfied with respect to the injected electrons, the N-type GaN-based layer 14 is formed.
Then, recombination of holes and electrons is caused to emit light. The specific conditions are as follows.

【0036】[0036]

【数1】 (Equation 1)

【数2】 ここで、m*は電子あるいはホールの有効質量であり、
Eは電子あるいはホールのエネルギ、Lは障壁(B)と
井戸(W)の厚さ、U0は障壁のエネルギ高さ、hはプ
ランク定数、m、nは整数である。
(Equation 2) Where m * is the effective mass of an electron or hole,
E is the energy of electrons or holes, L is the thickness of the barrier (B) and well (W), U0 is the energy height of the barrier, h is Planck's constant, and m and n are integers.

【0037】なお、GaNとAlGaNを交互に積層し
てなるP型GaN系層16のGaNが井戸層(添字
w)、AlGaNがバリア層(添字B)として機能す
る。GaNとAlGaNの具体的な厚さはAlGaNの
Al組成xにより変化するが、例えばx=0.15、Δ
Eg=200meV、ΔEc=140meVとすると、
Lw(井戸層であるGaNの厚さ)=1.8±0.5n
m、LB(バリア層であるAlGaNの厚さ)=1±
0.5nm程度となる。
The GaN of the P-type GaN-based layer 16 formed by alternately stacking GaN and AlGaN functions as a well layer (subscript w), and AlGaN functions as a barrier layer (subscript B). The specific thickness of GaN and AlGaN varies depending on the Al composition x of AlGaN. For example, x = 0.15, Δ
If Eg = 200 meV and ΔEc = 140 meV,
Lw (thickness of GaN as a well layer) = 1.8 ± 0.5 n
m, LB (thickness of AlGaN as a barrier layer) = 1 ±
It is about 0.5 nm.

【0038】図には、さらに他の実施形態の発光素子
の構成が示されている。図1に示された構成では、N型
GaN層12の上にPN接合層を形成し、その上にGa
Nオーミック層を形成しているが、GaNは紫外領域の
光(UV)に対して不透明であり、活性層から出た光は
GaNで吸収されてしまい効率が低下するおそれがあ
る。
FIG. 6 shows the structure of a light emitting device according to still another embodiment . In the configuration shown in FIG. 1, a PN junction layer is formed on the N-type GaN layer 12, and a Ga layer is formed thereon.
Although an N-ohmic layer is formed, GaN is opaque to light in the ultraviolet region (UV), and light emitted from the active layer may be absorbed by GaN, resulting in lower efficiency.

【0039】そこで、本実施形態では、活性層での発光
効率を向上させるとともに、活性層に隣接した層におけ
る吸収も防ぐこととしている。具体的には、図に示され
るように、サファイア基板10上にGaN層ではなくN
型AlGaN層13(例えば1.5μm)を形成し、さ
らにPN接合層の上にオーミック層としてP型AlGa
Nオーミック層17を形成する。GaNに比べてAlG
aNはUVに対して比較的透明であるため、活性層から
のUV吸収を抑制することができる。
Therefore, in this embodiment, the luminous efficiency in the active layer is improved, and absorption in a layer adjacent to the active layer is also prevented. Specifically, as shown in FIG.
An AlGaN layer 13 (for example, 1.5 μm) is formed, and a P-type AlGa is formed as an ohmic layer on the PN junction layer.
An N ohmic layer 17 is formed. AlG compared to GaN
Since aN is relatively transparent to UV, it can suppress UV absorption from the active layer.

【0040】図には、さらに他の実施形態の発光素子
の構成が示されている。本実施形態では、図1の構成に
おいてN型GaN層12とN型GaN系層14との界面
に射出した光をブラッグ反射するブラッグ反射層18を
形成し、さらにP型GaN系層16上にUVに対して透
明なP型AlGaNオーミック層17を形成する。ブラ
ッグ反射層18は、活性層からの光(UV)の波長に対
してGaN、AlGaNを1/4波長に調整して積層し
たものであり、入射した光を反射させて下層のN型Ga
N層でUVが吸収されることを防ぐ。また、上部にもG
aNオーミック層ではなくP型AlGaNオーミック層
17を形成しているため、UVの吸収を防ぐことができ
る。
FIG. 7 shows the structure of a light emitting device according to still another embodiment . In the present embodiment, a Bragg reflection layer 18 for Bragg-reflecting light emitted at the interface between the N-type GaN layer 12 and the N-type GaN-based layer 14 in the configuration of FIG. A P-type AlGaN ohmic layer 17 transparent to UV is formed. The Bragg reflection layer 18 is formed by adjusting GaN and AlGaN to a quarter wavelength with respect to the wavelength of light (UV) from the active layer and stacking the layers.
Prevent UV absorption in the N layer. In addition, G
Since the P-type AlGaN ohmic layer 17 is formed instead of the aN ohmic layer, absorption of UV can be prevented.

【0041】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の
変更が可能である。例えば、図1に示されたように、サ
ファイア基板/N型GaN層/N型GaN系層/P型G
aN系層/P型オーミック層構造とし、その後、表面に
別の基板を貼り付けてサファイア基板及びN型GaN層
12を研磨あるいは光照射などで取り去り、N型GaN
層12での吸収を防止してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible. For example, as shown in FIG. 1, a sapphire substrate / N-type GaN layer / N-type GaN-based layer / P-type G
and aN based layer / P-type ohmic So構 granulation, then paste the another substrate on the surface removal of the sapphire substrate and the N-type GaN layer 12 by polishing or the like or light irradiation, N-type GaN
Absorption in layer 12 may be prevented.

【0042】[0042]

【発明の効果】本発明によれば、PN接合においてN型
半導体層において発光を起こさせることで、発光効率を
高めることができる。また、活性層から射出した光の吸
収を抑制し、発光効率を高めることができる。
According to the present invention, light emission efficiency can be increased by causing light emission in the N-type semiconductor layer at the PN junction. Further, absorption of light emitted from the active layer can be suppressed, and luminous efficiency can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施形態に関連する発光素子の全体構成図で
ある。
1 is an overall configuration diagram of a light emitting device related to the embodiment.

【図2】 図1におけるN型GaN系層の基本構成図で
ある。
FIG. 2 is a basic configuration diagram of an N-type GaN-based layer in FIG.

【図3】 実施形態に係る発光素子の全体構成図であ
る。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a light emitting device according to an embodiment.
You.

【図4】 電子とホールのバンド説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of bands of electrons and holes.

【図5】 ドブロイ波と周期的エネルギ障壁との関係を
示す説明図である。
FIG. 5 shows the relationship between de Broglie waves and periodic energy barriers.
FIG.

【図6】 実施形態に係る他の発光素子の全体構成図で
ある。
FIG. 6 is an overall configuration diagram of another light emitting element according to the embodiment.
is there.

【図7】 実施形態に係る他の発光素子の全体説明図で
ある。
FIG. 7 is an overall explanatory diagram of another light emitting element according to the embodiment.
is there.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 サファイア基板、12 N型GaN層、14 N
型GaN系層、16P型GaN系層。
10 sapphire substrate, 12 N-type GaN layer, 14 N
-Type GaN-based layer, 16P-type GaN-based layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−308154(JP,A) 特開 平6−151967(JP,A) 特開 平8−213655(JP,A) 特開 平8−264832(JP,A) 特開 平9−172200(JP,A) 特開 平9−219538(JP,A) 特開 平9−227298(JP,A) 特開 平10−32347(JP,A) 特開 平10−51030(JP,A) 特開 平10−209493(JP,A) 特開 平11−126925(JP,A) 特開 平11−145057(JP,A) 特開 平11−186605(JP,A) 特開 平11−346032(JP,A) 特開 平11−346035(JP,A) 特開2000−82843(JP,A) 特開2000−91633(JP,A) 特開2000−91640(JP,A) 特開2001−168389(JP,A) 特開2001−177188(JP,A) 特開2001−177189(JP,A) 特開2001−177190(JP,A) 特開2001−177191(JP,A) 特開2001−203387(JP,A) 特開2001−24221(JP,A) 特開2001−230500(JP,A) 特開 平10−252585(JP,A) 特開 平10−41549(JP,A) 特開2001−97800(JP,A) 特開2000−91629(JP,A) 特開 平11−168240(JP,A) 特開 平11−186600(JP,A) 特開 平11−186607(JP,A) 特開 平11−168241(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-5-308154 (JP, A) JP-A-6-151967 (JP, A) JP-A-8-213655 (JP, A) JP-A-8-213 264832 (JP, A) JP-A-9-172200 (JP, A) JP-A-9-219538 (JP, A) JP-A-9-227298 (JP, A) JP-A-10-32347 (JP, A) JP-A-10-51030 (JP, A) JP-A-10-209493 (JP, A) JP-A-11-126925 (JP, A) JP-A-11-145057 (JP, A) JP-A-11-186605 JP-A-11-346032 (JP, A) JP-A-11-346035 (JP, A) JP-A-2000-82843 (JP, A) JP-A-2000-91633 (JP, A) JP-A-2000 -91640 (JP, A) JP 2001-168389 (JP, A) JP 2001-177188 (JP, A) JP 2001-177189 (JP, A) 2001-177190 (JP, A) JP 2001-177191 (JP, A) JP 2001-203387 (JP, A) JP 2001-24221 (JP, A) JP 2001-230500 (JP, A) JP-A-10-252585 (JP, A) JP-A-10-41549 (JP, A) JP-A-2001-97800 (JP, A) JP-A-2000-91629 (JP, A) JP-A-11-168240 (JP, A) JP-A-11-186600 (JP, A) JP-A-11-186607 (JP, A) JP-A-11-168241 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 C23C 16/00-16/56 H01L 21/205

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、 N型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に積層して
構成されるとともに、 前記N型半導体層とP型半導体層の界面にトンネル効果
が生じる程度の膜厚のAlGaNが形成されることを特
徴とする発光素子。
1. A light emitting device comprising a GaN-based compound semiconductor and a PN junction, wherein the N-type semiconductor layer is formed by alternately stacking GaN and AlGaN, and wherein the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor Tunnel effect at layer interface
A light-emitting element characterized in that AlGaN is formed in such a thickness as to cause generation of AlGaN.
【請求項2】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、P型及びN型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に
積層して構成されるとともに、前記GaNとAlGaN
の厚さは、前記P型半導体層に注入された電子に対して
ブラッグ条件を満たすように設定され、前記N型半導体
層に注入されたホールに対しては満たさないように設定
される ことを特徴とする発光素子。
2. A light emitting device comprising a GaN-based compound semiconductor and a PN junction, wherein the P-type and N-type semiconductor layers alternately include GaN and AlGaN.
GaN and AlGaN
Of the thickness of the electron injection into the P-type semiconductor layer
The N-type semiconductor is set so as to satisfy the Bragg condition.
Set not to fill holes injected into the layer
Emitting element characterized by being.
【請求項3】 請求項1、2のいずれかに記載の発光素
子において、さらに、 基板と、 前記基板上に形成され、前記N型半導体層に隣接するN
型AlGaN層と、 P型半導体層上に形成されるP型AlGaNオーミック
層と、 を有することを特徴とする発光素子。
3. A device as claimed in any of claims 1, further comprising: a substrate, formed on said substrate, adjacent to the N-type semiconductor layer N
A light emitting device comprising: a p-type AlGaN layer; and a p-type AlGaN ohmic layer formed on the p-type semiconductor layer.
【請求項4】 請求項1、2のいずれかに記載の発光素
子において、さらに、 基板と、 前記基板上に形成されたN型GaN層と、 前記N型GaN層上に形成され、前記N型半導体層に隣
接するブラッグ反射層と、 を有し、前記ブラッグ反射層により前記PN接合部から
射出される光を反射することを特徴とする発光素子。
4. The light emitting device according to claim 1, further comprising: a substrate; an N-type GaN layer formed on the substrate; and an N-type GaN layer formed on the N-type GaN layer. And a Bragg reflection layer adjacent to the mold semiconductor layer, wherein the Bragg reflection layer reflects light emitted from the PN junction.
【請求項5】 請求項1〜のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNあるいはAlGaNの少
なくともいずれかにSiがドープされることを特徴とす
る発光素子。
5. A device as claimed in any of claims 1-4, the light emitting element Si to at least one of the GaN or AlGaN of the N-type semiconductor layer is characterized in that it is doped.
【請求項6】 請求項1〜のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNにSi及びInがドープ
され、前記AlGaNにInがドープされることを特徴
とする発光素子。
6. The device as claimed in any of claims 1-4, emitting said GaN on Si and In of the N-type semiconductor layer is doped, In the AlGaN is characterized in that it is doped element.
【請求項7】 請求項1〜のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNとAlGaNの界面にS
iが形成されることを特徴とする発光素子。
7. A device as claimed in any of claims. 1 to 4, S in the interface of the GaN and AlGaN of the N-type semiconductor layer
A light emitting device, wherein i is formed.
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