JP3892218B2

JP3892218B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP3892218B2
Application number: JP2000275384A
Authority: JP
Inventors: 士郎酒井; ワンタオ
Original assignee: 士郎酒井; ナイトライド・セミコンダクター株式会社
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002094109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子、特に紫外光を発生する発光素子の発光効率の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外領域で発光する発光ダイオード（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】
図４には、このような紫外領域で発光するＬＥＤの構成の断面図が示される。図４において、サファイア基板１０上にＮ型ＧａＮ層１２が例えば１〜５μｍ程度形成される。Ｎ型ＧａＮ層１２の上にさらにＮ型層１４とＰ型層１６とが積層される。ここで、Ｎ型層１４としては、例えばＧａＮとＡｌＧａＮを積層した多層構造が知られている。これにより、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。また、Ｐ型層１６としては、例えばＰ型ＡｌＧａＮを使用することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のＬＥＤにおいては、構造中に厚いＮ型ＧａＮ層１２があり、これが紫外光に対して不透明であるため、紫外光がこのＮ型ＧａＮ１２に吸収されてしまう。このため、紫外光の発光効率が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、図５に示されるように、紫外光に対して不透明であるＮ型ＧａＮ層１２の代わりに紫外光に対して透明であるＮ型ＡｌＧａＮ層１８を形成することが考えられる。
【０００６】
しかし、この場合にＮ型ＡｌＧａＮ層１８は、その厚さを１〜５μｍ程度とするが、その表面が荒れてしまい、その上に積層されるＮ型層１４及びＰ型層１６によって形成される発光領域の結晶性が低下する。このため、発生する光に紫外光よりも長波長側のスペクトルが含まれてしまい、やはり紫外光の発光効率が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、紫外光の発光効率に優れた発光素子を提供することにある。
【０００８】
【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、サファイア基板上に形成されたＮ型層とＰ型層とによりＰＮ接合が形成され、紫外光を発生する発光素子であって、前記基板とＮ型層との間に、前記紫外光に対して透明である透明層が前記基板上に直接形成されており、前記透明層は、紫外光に対して透明である層と、前記紫外光に対して透明である層の表面を平坦にする層とが周期的に積層されたものであり、前記透明層は、ＡｌＧａＮとＧａＮとが周期的に積層されたものであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、サファイア基板上に形成されたＮ型層とＰ型層とによりＰＮ接合が形成され、紫外光を発生する発光素子であって、前記基板とＮ型層との間に、前記紫外光に対して透明である透明層が前記基板上に直接形成されており、前記透明層は、紫外光に対して透明である層と、前記紫外光に対して透明である層の表面を平坦にする層とが周期的に積層されたものであり、前記透明層は、Ａｌ _ｘＧａ _１−ｘＮとＡｌ _ｙＧａ _１−ｙＮ（ｘ＞ｙ＞０）とが周期的に積層されたものであることを特徴とする。
【００１３】
上記各構成によれば、発生した紫外光の吸収を抑制でき、また、紫外領域より長波長側の光の発生を抑制できる。このため、発光素子の発光効率を向上できる。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１には、本実施形態における発光素子の構成の断面図が示されている。サファイア基板１０上に、紫外光に対して透明である透明層２０が形成され、透明層２０の上にさらにＮ型層１４が形成され、さらにＰ型層１６が積層される。Ｎ型層１４とＰ型層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型層１６からのホールとＮ型層１４からの電子の再結合が起こり紫外光を発生する。前述したように、Ｎ型層１４としては、ＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した超格子構造（ＳＬＳ strained layer superlattice)とすることができる。また、Ｐ型層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型層１６は超格子構造でなくてもよく、Ｐ型ＡｌＧａＮ層とすることもできる。Ｐ型層１６上にはＰ型オーミック層２２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。
【００１６】
上記透明層２０は、ＡｌＧａＮとＧａＮとが周期的に積層された構造となっている。このように、ＡｌＧａＮとＧａＮの薄膜を周期的に積層する際には、その実効バンドギャップが上記ＰＮ接合における発光層のバンドギャップよりも広く設定される。この場合の発光層は、ＰＮ接合の接合面であってもよく、またＮ型層１４としてもよい。このような構成により、発光層で発生した紫外光に対して、透明層２０が透明性を有することができる。したがって、発光層で発生した紫外光の吸収を抑制でき、ＬＥＤの発光効率を向上させることができる。
【００１７】
また、サファイア基板１０上に上記透明層２０を構成するＡｌＧａＮ層を形成すると、上述したようにその表面が荒れ、発光層を形成するＮ型層１４及びＰ型層１６の結晶性を低下させる。しかし、ＡｌＧａＮ層の厚さが充分薄い場合には、その表面の荒れの程度はそれほど大きくはならない。また、ＡｌＧａＮ層の上に形成されるＧａＮ層には、表面を平坦にする効果がある。このため、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との周期構造を形成すると、表面の荒れを抑制することができる。したがって、所定の厚さでＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との周期構造を形成し、その上にＮ型層１４を形成すれば、発光層における結晶性の低下を抑制することができ、紫外領域よりも長波長側での発光を抑制できる。これにより、ＬＥＤの発光効率をさらに向上させることができる。
【００１８】
なお、上記透明層２０の厚さは１〜５μｍ程度となる。この理由は次の通りである。透明層２０の材料であるＧａＮ，ＡｌＧａＮとサファイア基板１０には大きな格子不整合があり、サファイア基板１０の上に成長したＧａＮ，ＡｌＧａＮには、初期段階で島状の３次元核発生がおこる。ところが、透明層２０の成長を続けるとこれらの島が大きくなって合体し、最終的には連続膜になる。良質の連続膜を得るためには１μｍ以上の透明層２０を成長する必要がある。
【００１９】
透明層２０を形成するＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の各々の厚さが２００ｎｍ以下であれば、合計の厚さが２μｍを超えても表面の荒れは発生しない。しかし、各層の厚さを厚くするに従い、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との周期構造の実効バンドギャップがＧａＮのバンドギャップに近づくので、紫外光を発生するＬＥＤへ適用する場合には、発光波長における吸収が増加する。このため、各層の厚さを薄くする必要がある。例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層とＧａＮ層との多層構造とする場合、各層の厚さは３０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ、更に好ましくは５ｎｍ以下がよい。但し、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との周期構造の表面の荒れは、ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成により変化するので、各層の最適な厚さはＡｌの組成に依存する。
【００２０】
本発明は、サファイア基板１０の上にバンドギャップが発光層のバンドギャップよりも広いＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層量子井戸（ＭＱＷ）を直接形成することにより紫外光の吸収を抑制し、ＬＥＤの発光効率を向上したものであり、ＵＶ光センサなどのＧａＮによる光吸収が問題になるデバイス全てに適用可能である。
【００２１】
なお、透明層２０に使用したＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との周期構造の代わりに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層とＡｌ_yＧａ_1-yＮ層とを周期的に積層した多層構造も使用することができる。ここで、ｘ＞ｙ＞０の条件となっている。但し、ｙの増大と共にこの多層構造の表面平坦化の効果が低下してゆくので、ｙとしては０．１以下とするのが好適である。
【００２２】
図２には、本発明に係る発光素子と図５に示された従来の発光素子との注入電流と光出力との関係が示される。図２からわかるように、本発明に係る発光素子の光出力は、従来例の発光素子の光出力のほぼ２倍となっている。
【００２３】
また、図３には、本発明に係る発光素子と図５に示された従来の発光素子とから発生する光のスペクトルが示される。図３に示されるように、従来例においては、Ｎ型ＡｌＧａＮ層の表面が荒れるので、Ｎ型層及びＰ型層によって形成される発光領域の結晶性が低下するため、３８０〜４００ｎｍ及び５５０ｎｍ付近にスペクトルのピークが存在する。このような波長領域は、紫外領域で発光させるＬＥＤにとっては不要な光であり、このようなスペクトルが存在する分ＬＥＤの発光効率は低下してしまう。
【００２４】
これに対して、本発明に係る発光素子では、上述した透明層２０の表面が平坦化されているので、発光領域の結晶性の低下が抑制されるために、発生する光のスペクトルは３６０ｎｍより短波長側の紫外領域のみにピークが存在する。したがって、本発明に係る発光素子では、長波長側の余分なスペクトル成分がないので、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、サファイア基板と発光層との間に、紫外光に対して透明性を有する透明層を形成したので、発生した光が吸収されず、発光効率を向上できる。
【００２６】
また、透明層はその表面が平坦であるので、発光層の結晶性の低下を抑制でき、発光層から長波長側の光が発生することを抑制できるので、この点からも発光素子の発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発光素子の構成の断面図である。
【図２】本発明に係る発光素子と従来の発光素子との注入電流に対する光出力の関係を示す図である。
【図３】本発明に係る発光素子と従来における発光素子との発光スペクトルを示す図である。
【図４】従来における発光素子の構成の断面図である。
【図５】従来における発光素子の他の例の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０サファイア基板、１２Ｎ型ＧａＮ層、１４Ｎ型層、１６Ｐ型層、１８Ｎ型ＡｌＧａＮ層、２０透明層、２２Ｐ型オーミック層。

Claims

サファイア基板上に形成されたＮ型層とＰ型層とによりＰＮ接合が形成され、紫外光を発生する発光素子であって、
前記基板とＮ型層との間に、前記紫外光に対して透明である透明層が前記基板上に直接形成されており、
前記透明層は、紫外光に対して透明である層と、前記紫外光に対して透明である層の表面を平坦にする層とが周期的に積層されたものであり、
前記透明層は、ＡｌＧａＮとＧａＮとが周期的に積層されたものであることを特徴とする発光素子。
サファイア基板上に形成されたＮ型層とＰ型層とによりＰＮ接合が形成され、紫外光を発生する発光素子であって、
前記基板とＮ型層との間に、前記紫外光に対して透明である透明層が前記基板上に直接形成されており、
前記透明層は、紫外光に対して透明である層と、前記紫外光に対して透明である層の表面を平坦にする層とが周期的に積層されたものであり、
前記透明層は、Ａｌ _ｘＧａ _１−ｘＮとＡｌ _ｙＧａ _１−ｙＮ（ｘ＞ｙ＞０）とが周期的に積層されたものであることを特徴とする発光素子。
請求項１、２のいずれかに記載の発光素子であって、
前記透明層における、局所的に積層された各層の厚さは５ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。