JP3636970B2 - Iii族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は発光装置に関する。詳しくは、本発明はIII族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置(Unipolar Light Emitting Device:ULED)に関する。
【0002】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】
III族窒化物半導体分野における最近の発展は、可視スペクトル領域用の発光ダイオードやレーザの新しい世代を切り開いた。III族窒化物半導体のおもな利点として、このIII族窒化物半導体を光学装置に用いた場合、劣化が他のワイドバンドギャップ半導体(wide-band-gap semiconductor)と比較して少ない点が挙げられる。
【0003】
しかし、これらの材料を用いて半導体を形成した場合、優れたp型導電性を得ることが難しいことがある。このことが、可視領域用の高出力レーザや発光ダイオードの開発の障害となる場合がある。
【0004】
本発明は、超格子間に、発光用として効果的な発光装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に示す種々の態様をとることができる。
【0007】
本発明の単極発光装置は、
真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる第1および第2の超格子と、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層と、を含むことができる。
【0008】
本発明の単極白色光発光装置は、
真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる少なくとも3対の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【0009】
本発明の単極白色光発光装置は、
真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる少なくとも4階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【0010】
本発明の単極発光装置は、
真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる第1および第2の超格子と、
前記第1および第2の超格子間に形成され、かつ前記第1および第2の超格子の伝導帯不連続域とは異なる伝導帯不連続域(different conduction band discontinuities)を有するIII−V族またはII−VI族半導体からなる活性層と、を含むことができる。
【0012】
本発明の単極発光装置は、400〜4000nmのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第1のn−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされた複数の超格子と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第2のn−クラッドコンタクト層と、
前記第2のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第1のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、2層以上の障壁と、2層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
【0013】
本発明の単極発光装置は、III族窒化物半導体超格子をベースとし、かつ400〜4000nmのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する構造物を含む単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
n型ドープされたガリウム−窒素(GaN)、アルミニウム−窒素(AlN)、インジウム−窒素(InN)、またはこれらの合金からなる第1のn−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされた複数の超格子と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第2のn−クラッドコンタクト層と、
前記第2のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第1のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、2層以上の障壁と、2層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
【0014】
本発明の単極白色光発光装置は、III族窒化物半導体超格子をベースとする構造物を含む単極白色光発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第1のn−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされた少なくとも4層の超格子と、
赤色光、緑色光、および青色光の発光のために形成された少なくとも3層の活性層と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第2のn−クラッドコンタクト層と、
前記第2のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第1のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、複数の障壁と、複数の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記活性層は、希土類金属、遷移金属、または浅い電子供与体もしくはその他の不純物と前記金属との複合体でドープされたか、あるいはδ−ドープされた半導体から形成される。
【0016】
本発明の単極発光装置(ULED)の基本的な構造を図1に示す。
【0017】
また、ULEDの動作の物理的メカニズムを図2(a)および図2(b)に示す。ULEDにおいては、放射は通常の発光ダイオードで起きるような電子と正孔の再結合により起きるのではなく、浅いサブバンド超格子(第1の超格子)から深いサブバンド超格子(第2の超格子)への電子の転移が原因により起きる。この電子の転移は、フォトンの放出による電子エネルギー緩和(energy relaxation)に伴って起きる。III族窒化物超格子をベースとしたULEDの量子化効率(quantum efficiency)は、光の周波数の増加とともに増大する。本発明者らの計算結果によれば、このようなULEDの効率は、非放射エネルギー緩和プロセスにより制限されることが示されており、以下の式で与えられる:
【0018】
【数1】
可視領域におけるスペクトル範囲にて、10%以上のULEDの効率を達成することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0020】
図1は、実施例1のULEDの構造を示す図で、2つのIII族窒化物超格子をベースとした構造を含むULEDを示す。
【0021】
図2(a)は、図1に示すULEDの動作を説明するための図であり、該ULEDにバイアスを印加していない場合における、該ULEDの構造に沿って等位置のエネルギー(E)のエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【0022】
図2(b)は、図1に示すULEDの動作を説明するための図であり、該ULEDにバイアスを印加した場合における、該ULEDのエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【0023】
図3は、実施例2にかかるULEDの構造を示す図である。図3に示すULEDは、2つのIII族窒化物超格子をベースとする。この2つのIII族窒化物超格子は、光学的に活性な不純物または量子ドットを含む活性層を有する。
【0024】
図4は、実施例3にかかるULEDの構造を示す図である。図3に示すULEDは、白色光発光用に形成された4階層のIII族窒化物超格子(超格子20,24,28,32)を有する。
【0025】
以下、本実施の形態にかかる実施例について説明する。
【0026】
(実施例1)
図1は、実施例1に基づくULEDの構造を示す。これはサファイア(Al2O3)基板11を有し、その上に厚さ20nmの窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層10が形成される。その上に、厚さ3μmのn−AlNからなるn−クラッドコンタクト層5を積層する。n−クラッドコンタクト層5は、ドーピングレベルが1018−1020cm−3でシリコン(Si)がドープされている。このn−クラッドコンタクト層5の上でエピタキシャル成長させて、Ga0.05Al0.95N/AlNからなる浅いサブバンド超格子(第1の超格子)3を形成する。このサブバンド超格子3は、ドープされていない4層のGa0.05Al0.95Nからなる量子井戸8と、4層のAlNからなる障壁9とで構成される。量子井戸8を構成する4層の各層の厚さは2nmであり、障壁9を構成する4層の各層の厚さは1nmである。
【0027】
次に、GaN/AlNからなる深いサブバンド超格子(第2の超格子)1をエピタキシャル成長させる。このサブバンド超格子1は、ドープされていない3層のGaNからなる量子井戸7と、4層のAlNからなる障壁6とで構成される。量子井戸7を構成する3層の各層の厚さは0.5nmであり、障壁6を構成する4層の各層の厚さは1nmである。このサブバンド超格子1の上に、厚さが1μmのn−Ga0.95Al0.05Nからなるコンタクト層13を形成する。このコンタクト層13は、ドーピングレベルが1018−1020cm−3である。つづいて、コンタクト層13の上面に、チタン/アルミニウム(Ti/Al)からなる透明な金属コンタクト12を形成する。次いで、エッチング後に、n−クラッドコンタクト層5上であって構造体の隅にあたる部分に、もう一方のコンタクト4を形成する。
【0028】
順バイアスを印加する場合、すなわち、負の電位をコンタクト12に与え、正の電位をコンタクト4に与えた場合、この構造体(図1に示すULED)の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子3と深いサブバンド超格子1の間の界面2に赤色光が発生する。
【0029】
図2(a)および図2(b)は、実施例1において、バイアスが印加されたULED、およびバイアスが印加されていないULEDそれぞれにおける伝導帯エッジの位置依存性を示し、あわせてULEDの動作原理を示す図である。
【0030】
バイアスが印加されていない場合、コンタクト4,12それぞれにおけるフェルミ準位14,15は等しい。浅いサブバンド超格子3と深いサブバンド超格子1との間の界面2上には、空乏領域とバンド屈折が生ずる。界面2、およびコンタクト層5,13には電子16,17の流れは生じない。
【0031】
順バイアスが印加された場合、すなわち、正電位をコンタクト4に与え、かつ負電位をコンタクト12に与えた場合、この構造体(図1に示すULED)の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子3と深いサブバンド超格子1の間の界面2で光18が発生する。
【0032】
(実施例2)
図3は、実施例2に基づくULEDの構造を示す。図3に示すULEDは、超格子1と超格子3との間の界面に活性層19が形成されている点を除き、実施例1にかかるULED(図1参照)と同じ構造を有する。この活性層19は、光学的に活性な不純物、またはGaxAl1-xNからなる量子ドットを含む。また、活性層19は、量子ドットまたは不純物に関連する寄生的な量子化(lateral quantization:LQ)によって、電子に対するフォノンエネルギー緩和チャネル(phonon energy relaxation channel)を抑制させることができる。LQを用いることにより、量子井戸平面に沿って自由運動がなくなる。これによって電子エネルギースペクトルが区分され、レベル間のすべてのギャップが光学的なフォノンエネルギーよりも高い場合には、1つのフォノン転位がエネルギー保存の法則により制限されることになる。
【0033】
活性層19を設けることによる第2番目の利点は、超格子内におけるサブバンドエネルギーの位置を、活性層中の不純物または量子ドットの光学的に活性な遷移にあわせて調整することができることである。これにより、超格子のサブバンドから直接流れる電流により、活性層中での光学的遷移を励起させることができる。
【0034】
(実施例3)
図4は、実施例3に基づく白色光発生用のULEDの構造を示す図である。図4に示すULEDはサファイア(Al2O3)基板11を含み、その上に厚さ20nmの窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層10が形成される。次に、厚さ3μmのn−AlNからなるn−クラッドコンタクト層5が積層される。n−クラッドコンタクト層5は、ドーピングレベルが1018−1020cm−3でシリコン(Si)がドープされている。このn−クラッドコンタクト層5の上でエピタキシャル成長させて、GaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる1階層の超格子20が形成される。この超格子20は、ドープされていない3層のGaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる量子井戸21と、4層のAlNからなる障壁22とで構成される。量子井戸21を構成する3層の各層の厚さは0.5〜2.0nmであり、障壁22を構成する4層の各層の厚さは1nmである。なお、この場合において、xおよびyは0.05〜1.0の間の値をとる。
【0035】
つづいて、この上に活性層23を積層する。活性層23は光学的に活性な不純物、またはGaxIn yAl1−x−yNからなる量子ドットを含む。
【0036】
この活性層23の上に、GaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる1階層の超格子24がエピタキシャル成長によって形成される。超格子24は、ドープされていない3層のGaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる量子井戸25と、4層のAlNからなる障壁26とで構成される。量子井戸25を構成する3層の各層の厚さは0.5〜2.0nmであり、障壁26を構成する4層の各層の厚さは1nmである。なお、この場合において、xおよびyは0.05〜1.0の間の値をとる。
【0037】
次に、この上に活性層27を積層する。活性層27は光学的に活性な不純物、またはGaxIn yAl1−x−yNからなる量子ドットを含む。
【0038】
この活性層27の上に、GaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる1階層の超格子28がエピタキシャル成長によって形成される。超格子28は、ドープされていない3層のGaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる量子井戸29と、4層のAlNからなる障壁30とで構成される。量子井戸29を構成する3層の各層の厚さは0.5〜2.0nmであり、障壁30を構成する4層の各層の厚さは1nmである。なお、この場合において、xおよびyは0.05〜1.0の間の値をとる。
【0039】
次に、この上に活性層31を積層する。活性層31は光学的に活性な不純物、またはGaxIn yAl1−x−yNからなる量子ドットを含む。
【0040】
この活性層31の上に、GaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる1階層の超格子32がエピタキシャル成長によって形成される。超格子32は、ドープされていない3層のGaxIn yAl1−x−yN/AlNからなる量子井戸33と、4層のAlNからなる障壁34とで構成される。量子井戸33を構成する3層の各層の厚さは0.5〜2.0nmであり、障壁34を構成する4層の各層の厚さは1nmである。なお、この場合において、xおよびyは0.05〜1.0の間の値をとる。
【0041】
超格子32の上面に、厚さが1μmのn−Ga0.95Al0.05Nからなるコンタクト層13を形成する。つづいて、ドーピングレベルが1018−1020cm-3のコンタクト層13の上面に、チタン/アルミニウム(Ti/Al)からなる透明な金属コンタクト12を形成する。次いで、エッチング後、n−クラッドコンタクト層5上であって構造体の隅にあたる部分に、もう1つのコンタクト4を形成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のULEDの構造を示す図で、2つのIII族窒化物超格子をベースとしたものである。
【図2】図2(a)は、図1に示すULEDの動作を説明するための図であり、該ULEDにバイアスを印加していない場合における、該ULEDの構造に沿って等位置のエネルギー(E)のエネルギーバンドを概略的に示す図である。図2(b)は、図1に示すULEDの動作を説明するための図であり、該ULEDにバイアスを印加した場合における、該ULEDのエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【図3】実施例2にかかるULEDの構造を示す図である。
【図4】実施例3にかかるULEDの構造を示す図で、白色光発光用に形成された4階層のIII族窒化物超格子を有するULEDを示す。
Claims (6)
- 真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる第1の超格子と、
真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなり、前記第1の超格子より深いサブバンドを有する第2の超格子と、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層と、を含む、単極発光装置。 - 真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる少なくとも3階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、単極白色光発光装置。 - 真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる少なくとも4階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、単極白色光発光装置。 - 真性半導体、n型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなる第1の超格子と、
真性半導体、n型のI II族窒化物半導体、および合金のうちいずれか1つからなり、前記第1の超格子より深いサブバンドを有する第2の超格子と、
前記第1および第2の超格子間に形成され、かつ前記第1および第2の超格子の伝導帯不連続域とは異なる伝導帯不連続域を有するIII−V族またはII−VI族半導体からなる活性層と、を含む、単極発光装置。 - 400〜4000nmのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第1のn−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされた第1の超格子と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされており、前記第1の超格子より深いサブバンドを有する第2の超格子と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第2のn−クラッドコンタクト層と、
前記第2のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第1のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記第1の超格子および前記第2の超格子は、2層以上の障壁と、2層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。 - III族窒化物半導体超格子をベースとし、かつ400〜4000nmのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する構造物を含む単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第1のn−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされた第1の超格子と、
ドープされていないか、あるいはn型ドープされており、前記第1の超格子より深いサブバンドを有する第2の超格子と、
n型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第2のn−クラッドコンタクト層と、
前記第2のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第1のn−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、2層以上の障壁と、2層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ0.3〜3nmであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。
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