JP4277363B2

JP4277363B2 - Group III nitride semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4277363B2
Application number: JP14781699A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: JP2000340839A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に係わり、特に青色〜緑色の波長領域で高輝度で単色性に優れた発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅｂａｎｄ−ｇａｐ）半導体のひとつである一般に窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）等で表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、その禁止帯幅の大きさ故に、紫外光或いは青色〜緑色の短波長可視光を放射する半導体発光素子の材料として利用されている。
特に、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_YＩｎ_1-YＮ：０≦Ｙ≦１）は、青色〜緑色の波長領域の半導体発光素子に好適な材料となっている。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｎ形及びｐ形のクラッド層の間にＧａ_YＩｎ_1-YＮからなる発光層を挟持したダブルヘテロ（ＤＨ）構造を発光部に用いるのが一般的であった。これは、ＤＨ構造によりキャリアを発光層内に閉じ込めることができるため、高輝度の発光を得るのに有利となるためである。
【０００４】
また、従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光部においては、０．１μｍ程度の比較的厚い、量子効果が無視できる層から発光層を構成するのが通常であった。
これに対し最近では、１０ｎｍ以下の厚さの井戸層を発光層とする単一量子井戸（ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ：ＳＱＷ）構造や多重量子井戸（ＭｕｌｔｉＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を用いて発光部を構成する技術が開発されてきた（特開平９−３６４３０）。
【０００５】
半導体発光素子のひとつである発光ダイオード（ＬＥＤ）では、発光部をＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造から構成する利点は、単色性に優れる発光が得られることにある。また、他の半導体発光素子であるレーザダイオード（ＬＤ）にあっては、発光部をＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造から構成する利点は、発振閾値の低下がもたらされることにある。
しかし、ＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造のような量子井戸構造からの発光の波長は、井戸層を成す材料が本来有する禁止帯幅に対応する波長よりも、より短波長になるのが通常であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、Ｇａ_YＩｎ_1-YＮからなる発光層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、発光波長を制御するためにインジウム組成比（＝１−Ｙ）を変化させていた。すなわち、青色〜緑色といったより長波長の発光波長を得るためには、インジウム組成比を比較的大とするＧａ_YＩｎ_1-YＮを発光層として用いていた。これは、インジウム組成比の増大に伴い、Ｇａ_YＩｎ_1-YＮ結晶の禁止帯幅は小さくなり、それに応じて発光波長が長波長となるからである。
【０００７】
しかし、インジウム組成比がおよそ０．４〜０．５と高いＧａ_YＩｎ_1-YＮ結晶層を例えば有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により成長するには、成長温度を５００〜６００℃前後の低温に設定する必要があった。一方、５００℃前後の低温で成長したインジウム組成比の高いＧａ_YＩｎ_1-YＮは、結晶性に劣るものであることが知られていた（「電子情報通信学会誌」、Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．９（１９９３年９月）、９１３〜９１７頁参照）。
発光層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の優劣は、発光素子の発光強度の高低に反映される。従って、上記のように低温で成長した結晶性に劣るＧａ_YＩｎ_1-YＮからなる発光層からは、高輝度の発光が得られない。即ち、従来は発光波長が長波長でかつ高輝度の発光素子が得られない問題点があった。
【０００８】
さらに発光部を量子井戸構造とした場合には、井戸層内に量子準位が発生するため、発光層である井戸層からの発光の波長は、量子井戸構造を用いない発光層の場合と比較して短波長となる。そのため、発光部を量子井戸構造とした場合、同一の発光波長を獲得するためには、量子井戸構造を用いない発光層の場合に比較して、インジウム組成比がより大きいＧａ_YＩｎ_1-YＮから発光層を構成する必要があった。
しかし、前述のようにインジウム組成比を大きくするため低温で成長したＧａ_YＩｎ_1-YＮ結晶は、結晶性が劣るものとなる。すなわち、インジウム組成比の大きいＧａ_YＩｎ_1-YＮ結晶からなる量子井戸構造の井戸層から、高輝度で波長の短い例えば緑色の発光を得ることはさらに困難となるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、結晶性に優れるインジウム組成比の小さいＧａ_YＩｎ_1-YＮ結晶を井戸層に用いて、青色〜緑色のような長波長の高輝度の発光が安定して得られる、量子井戸構造の発光部を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従来、量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、発光層である井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも長波長の発光が得られることがあることが知られていた（特開平８−３１６５２８号）。
しかし、上記のような量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においても、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた発光が得られるための構造は明らかでなかった。
そこで本発明者は、発光層である井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも長波長の発光をもたらす量子井戸構造の発光部の構造を明らかにし、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた発光が得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を発明したものである。
【００１１】
すなわち本願発明は、ｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｐ形クラッド層と、該ｐ型クラッド層と一方の面で接するインジウム（Ｉｎ）を含むｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる井戸層と、該井戸層の他方の面と接するｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｎ形障壁層とからなる量子井戸構造の発光部を少なくとも具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記井戸層が、前記ｐ形クラッド層との接合界面に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端が曲折したエネルギーバンド構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また本願発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記井戸層が、前記ｎ形障壁層との接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造を有することを特徴とする。
【００１３】
本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においては、前記井戸層と前記ｐ形クラッド層との接合界面において、ｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差が、０．２ｅＶ以上であることが好ましい。
また本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、前記井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅よりも、０．１ｅＶ以上小さくなることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、ＭＱＷ構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を例にして、本発明に係わる発光部の量子井戸構造のエネルギーバンド構造を説明する。
図１に、ｎ形クラッド層１０４及びｐ形クラッド層１０５でＭＱＷ構造１００を挟持したｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部の一般的なエネルギーバンド構造を模式的に示す。図１に示したＭＱＷ構造１００は、障壁（バリア：ｂａｒｒｉｅｒ）層１０２と井戸層１０１とからなる積層構造単位１０３を３周期積層させた構造からなる。
【００１５】
ｎ形クラッド層１０４及びｐ形クラッド層１０５は、それぞれｎ形およびｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）等から構成する。井戸層１０１は、障壁層１０２よりも禁止帯幅の小さな、例えばｎ形Ｇａ_1-XＩｎ_XＮ（０＜Ｘ≦１）などのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
井戸層１０１は、窒素に加えて砒素（Ａｓ）やリン（Ｐ）等の第Ｖ族元素も構成元素として含むｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成することも可能である。特に、Ｇａ_1-XＩｎ_XＮ混晶は青色〜緑色の発光に好適な禁止帯幅を有する材料であるため、井戸層１０１に用いることが好ましい。
【００１６】
障壁層１０２は、約１０〜２０ｎｍ程度のトンネル（ｔｕｎｎｅｌ）効果が発揮できる層厚とするのが一般的である。井戸層の層厚は、概ね１０ｎｍ或いはそれ未満とするのが一般的である。
ＭＱＷ構造の発光層を構成する障壁層１０２並びに井戸層１０１の層厚については、本発明の実施の上で特に制限はない。また、障壁層１０２や井戸層１０１の層厚を敢えて同一とする必要はない。
【００１７】
本発明においては、障壁層１０２および井戸層１０１を共にｎ形の伝導性を有するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成する必要がある。
障壁層１０２及び井戸層１０１は、たとえば第ＩＶ族元素の珪素（Ｓｉ）や錫（Ｓｎ）、または第ＶＩ族の硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）等のｎ形不純物をドーピングしたｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成することができる。特に本発明においては、不純物による不用意な準位の形成を回避するため、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）で高純度のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から井戸層１０２を構成するのが好ましい。
【００１８】
本発明は、ｐ型クラッド層１０５と一方の面で接するｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる井戸層１０１のエネルギーバント構造に特徴がある。本発明の特徴を、ｐ型クラッド層１０５、該ｐ型クラッド層１０５と一方の面で接する井戸層１０１、および該井戸層１０１の他方の面と接するｎ形の障壁層１０２のエネルギーバント構造の詳細を示す図２を用いて説明する。
本発明では、図２に示す如く、井戸層１０１内のｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８近傍の領域で、前記井戸層１０１が、接合界面１０８に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端１０６が曲折したエネルギーバンド構造を有することを特徴とする。
【００１９】
井戸層１０１内で、ｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８近傍の領域に限り、正孔について低ポテンシャル側に曲折した価電子帯の上端１０６の曲折部１０９を効率良く作り出すためには、接合界面１０８に於いて、ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１の組成を急峻に変化させる必要がある。即ち、接合界面１０８での組成変化の急峻性を良好とすることが必須となる。
例えば、ｐ形クラッド層がＡｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなり、井戸層がｐ形クラッド層よりも小さな禁止帯幅のｎ形Ｇａ_1-XＩｎ_XＮ（０＜Ｘ≦１）からなる場合、井戸層内でアルミニウムの原子濃度を接合界面でのアルミニウム濃度の１００分の１以下の濃度にするのに必要な遷移領域幅は、２０ｎｍ以下、望ましくは１５ｎｍ以下、更に好ましくは１２ｎｍ以下とすることが必要である。
【００２０】
ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８近傍の領域に局所的に設けた価電子帯の上端の曲折部１０９には、正孔１１１を蓄積することが可能である。正孔を供給するｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８に近接させて曲折部１０９を配置させた本発明の量子井戸構造のエネルギーバンド構造では、電子に比較して拡散長の短い正孔を効率的に曲折部１０９に蓄積することができる。
曲折部１０９の厚さは、井戸層１０１全体の厚さの１／２以下とするのが好ましい。また、曲折部１０９の最上端のエネルギーレベルは、井戸層における価電子帯上端の本来のエネルギーレベルよりも、正孔に対して０．１ｅＶ以上小さいものとするのが好ましい。
【００２１】
さらに上記のようなエネルギーバンド構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、井戸層１０１とｎ形障壁層１０２との接合界面１１２近傍の領域に於ける井戸層１０１の伝導帯の下端１１３のエネルギーバント構造は、図２に示したように、接合界面１１２に向かって電子について低エネルギー側に曲折していることが発光波長をより長波長とするために好ましい。
井戸層１０１内で、ｎ形障壁層１０２との接合界面１１２近傍の領域に限り電子について低ポテンシャル側に曲折した伝導帯の下端１１３の曲折部１１４は、接合界面１１２に於いてｎ形障壁層１０２と井戸層１０１の組成を急峻に変化させることにより作り出すことができる。
曲折部１１４の厚さも同様に、井戸層１０１全体の厚さの１／２以下とするのが好ましい。また、曲折部１１４の最下端のエネルギーレベルは、井戸層における伝導帯下端の本来のエネルギーレベルよりも、電子に対して０．１ｅＶ以上小さいものとするのが好ましい。
【００２２】
伝導帯の下端１１３が電子について低エネルギー側に曲折したエネルギーバンド構造では、伝導帯の下端の曲折部１１４に正孔との放射再結合を果たす電子１１５を有効に蓄積できる。
この伝導帯の下端の曲折部１１４は、伝導帯１１３の井戸層における本来のエネルギーレベルよりも電子について低エネルギーであり、従ってこの領域に蓄積された電子１１５のエネルギーレベルは低くなる。また、上記の様にｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８近傍の価電子帯の上端の曲折部１０９に蓄積された正孔もそのエネルギーレベルは低くなる。
このため、この様なエネルギーバンド構造を有する井戸層１０１における電子と正孔間の遷移エネルギーは、井戸層１０１を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅１１６より小となる。従って、上記の井戸層を有する量子井戸構造の発光部からの発光の波長は、井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅１１６に対応する波長よりも長波長となる。
【００２３】
さらに、井戸層１０１内での価電子帯の上端及び伝導帯の下端の曲折部１０９、１１４は、井戸層１０１内でのポテンシャルの一律な割合での変化により形成されているのではなく、ｐ形クラッド層１０５及びｎ形障壁層１０２との接合界面１０８、１１２近傍の極く限定された狭い領域での急激なエネルギーバンドの曲折により形成される。このため、この狭い領域に局在するキャリア（電子及び正孔）は、低次元キャリアとして挙動できる。このため、低次元であるキャリアの高速走行性を利用して、発光の応答性（ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が俊速な高速応答性を有する発光がもたらされる。
【００２４】
さらに本発明では、井戸層１０１とｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８におけるｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差が０．２ｅＶ以上であると、正孔を井戸層内の価電子帯の上端の曲折部１０９に効率よくに蓄積することができ、特に青色〜緑色の発光をもたらすに都合良く作用する。
井戸層とｐ形クラッド層との接合界面におけるｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差とは、図２の接合界面１０８での価電子帯上端のエネルギーの差１１９を指す。
接合界面１０８での価電子帯上端のエネルギーの差１１９が０．２ｅＶより小さく、例えば０．１ｅＶ程度であると、正孔を井戸層内の価電子帯の上端の曲折部１０９に効率よく蓄積することができない。
【００２５】
ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８における価電子帯の上端１０６の曲折の度合は、前述のように接合界面１０８での組成変化が急峻である場合、井戸層１０１の層厚や井戸層１０１とｐ形クラッド層１０５との格子の不整合度を調節することにより制御できる。
例えば、井戸層１０１の厚さを薄くする程、接合界面１０８近傍における井戸層１０１の価電子帯の上端１０６の曲折の度合は大となる。またｐ形クラッド層１０５を、井戸層１０１に対してより格子の不整合性が大きくなるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成すると、接合界面１０８近傍における井戸層１０１の価電子帯の上端１０６をより大きく曲折させることができる。
【００２６】
また、本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、発光部の井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅よりも、０．１ｅＶ以上小さくなることが好ましい。
本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、発光部の井戸層１０１内の正孔は、価電子帯の上端の曲折部１０９に蓄積するため、価電子帯の本来のエネルギーレベルよりも小さいエネルギーを有している。そのため、井戸層内の正孔と電子は、伝導帯と価電子帯間の本来の遷移エネルギー（＝禁止帯幅１１６）よりも小さなエネルギーの光を放出して再結合できる。このようにして、発光部の井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅１１６よりも、０．１ｅＶ以上小さくなるようにすると、結晶性に劣るインジウム組成比の高い窒化ガリウム・インジウム混晶から井戸層１０１を構成した場合に比較して、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた青色〜緑色の発光が得られる。
さらに発光部の井戸層１０１内に伝導帯の下端の曲折部１１４を形成すると、発光部の井戸層１０１内の電子は伝導帯の下端の曲折部１１４に蓄積するため、伝導帯の本来のエネルギーレベルよりも小さいエネルギーを有することになる。この場合は、井戸層内の正孔と電子は、伝導帯と価電子帯間の本来の遷移エネルギー（＝禁止帯幅１１６）よりもさらに小さなエネルギーの光を放出して再結合することができる。
【００２７】
特に本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、井戸層１０１を窒化ガリウム・インジウムから構成する場合、インジウム組成比が０．３以下の窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_1-XＩｎ_XＮ：０＜Ｘ≦０．３）を用いると、井戸層の結晶性に劣化を来さないため高輝度の青色〜緑色の発光を得るのに有利となる。
【００２８】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に用いるＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶層は、一般に知られたＭＯＣＶＤ法或いは気相エピタキシャル法（ＶＰＥ法）により成長することができる。
【００２９】
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部の井戸層内で、ｐ形クラッド層との接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部に選択的に、低エネルギーの正孔を蓄積させることができる。
【００３０】
また、請求項２に記載の発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部の井戸層内で、ｎ形障壁層との接合界面近傍の伝導帯の下端の曲折部に選択的に、低エネルギーの電子を蓄積できる。
【００３１】
また、請求項３に記載の発明によれば、発光部の井戸層内で正孔を接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部により効率よく蓄積することができる。
【００３２】
また、請求項４に記載した発明によれば、結晶性に劣るインジウム組成比の高い窒化ガリウム・インジウム混晶から井戸層を構成する従来の場合に比較して、再現性良く、高輝度でかつ単色性に優れた青色〜緑色の発光を行うＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例１では、ｐ形クラッド層との接合界面に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端が曲折したエネルギーバンド構造を有する井戸層を含む、量子井戸構造の発光部を具備したＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶層の成長には、ＭＯＣＶＤ法を用いた。
図３は、本実施例１で作製したＬＥＤの断面構造を示す模式図である。本実施例１に係わるＬＥＤは、以下のように作製した。
【００３４】
ＬＥＤを作製するためのエピタキシャルウェーハを作るに当たっては、まずサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）からなる結晶基板４００の（０００１）面（ｃ面）上に、該基板４００との接合界面を主に単結晶としその上層部を多結晶或いは非晶質とするアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる緩衝層４０１を、４５０℃で成長した。緩衝層４０１の層厚は、約１７ｎｍとした。
次に緩衝層４０１上には、キャリア濃度を約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚を約０．５μｍとするアンドープでｎ形のＧａＮ単結晶層４０２を１０５０℃で成長した。
また、ｎ形ＧａＮ単結晶層４０２の上には、珪素（Ｓｉ）をドーピングし、Ｓｉ濃度を層厚の増加方向に漸次増加させたｎ形ＧａＮ層４０３を続いて成長した。ｎ形ＧａＮ層４０３の層厚は約２μｍとし、キャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。このｎ形ＧａＮ層４０３は、ＤＨ構造の発光部のｎ形の下部クラッド層であり、本願発明のｎ形障壁層の機能を有する。
【００３５】
ｎ形ＧａＮ層４０３の上には、井戸層４０４を８９０℃で堆積した。井戸層４０４は、層厚を約７ｎｍとしアンドープでｎ形のＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎから構成した。
井戸層４０４の成長には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）をガリウム原料、結合価を１価とするシクロペンタジエニルインジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）をインジウム原料、アンモニア（ＮＨ₃）を窒素原料として用いた。
ｎ形Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎからなる井戸層４０４の成長は、ガリウム原料およびインジウム原料のＭＯＣＶＤ成長装置への供給を停止して終了した。
【００３６】
井戸層の成長終了後、アンモニアガスのみを正確に５分間ＭＯＣＶＤ成長装置に引き続き流通させて、ＭＯＣＶＤ成長装置の反応炉内にインジウム原料及びガリウム原料が残留しないように掃引、排除した。
その後、井戸層４０４上にマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ形のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層をｐ形クラッド層４０５として１０３０℃で堆積した。
ｐ形クラッド層４０５の層厚はおよそ１５ｎｍとし、キャリア濃度は約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。またｐ形クラッド層４０５を井戸層４０４と格子整合の関係にないＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成して、井戸層４０４の価電子帯をｐ形クラッド層４０５ど井戸層４０４との接合界面４０６近傍で正孔について低ポテンシャル側に曲折させる仕組みとした。さらに、井戸層４０４の成長からｐ形クラッド層４０５の成長に移行する間には、上記のように成長の中断時間を設けて、井戸層４０４とｐ形クラッド層４０５との接合界面４０６における組成変化の急峻化を果たした。
【００３７】
本実施例１では、上記のｎ形ＧａＮ層４０３及びｐ形クラッド層４０５により井戸層４０４を挟持し、量子井戸構造のＳＱＷ構造の発光部４２を構成した。
また、ｐ形クラッド層４０５と井戸層４０４との接合界面４０６での組成変化の急峻性を、Ａｌ濃度が井戸層４０４内でｐ形クラッド層４０５内の平均的濃度より２桁を減するに要する遷移距離により評価するため、一般的なＳＩＭＳ分析手段により井戸層４０４内のＡｌ濃度を測定した。その結果、上記の遷移距離は約１２ｎｍであった。この組成変化の急峻性は、ｐ形クラッド層４０５とｎ形の井戸層４０４との接合界面４０６近傍で井戸層４０４内に価電子帯の上端の曲折を発生させるのに充分なものであった。
【００３８】
さらに、ｐ形クラッド層４０５上には、層厚の増加方向にアルミニウム（Ａｌ）組成比を０．１５から０に略直線的に減少させたｐ形Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（Ｙ＝０．１５→０）層をｐ形コンタクト層４０７として１０３０℃で成長した。ｐ形コンタクト層４０７は、層厚がおよそ０．１μｍでキャリア濃度がおよそ２×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。
以上のようにして、ＬＥＤを作製するためのエピタキシャルウェーハを作製した。
【００３９】
その後、公知のフォトリソグラフィー技術やプラズマエッチング技術等を用いて、ｎ形クラッド層４０３上及びｐ形コンタクト層４０７上に、ｎ形及びｐ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極４０９、４０８をそれぞれ設けて、図１に示すＬＥＤを作製した。
【００４０】
ｎ形およびｐ形のオーミック電極４０９、４０８間に３．５Ｖの直流電圧を印加し、２０ｍＡの順方向電流を流して、上記のＬＥＤを発光させた。発光の中心波長は約４４５ｎｍの青色であった。これは、井戸層４０４を構成するＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ結晶の室温での本来の禁止帯幅（約３．１ｅＶ）よりも、０．３ｅＶ程度低いエネルギーに相当する波長の発光であった。また、発光の半値幅は約１２ｎｍで、積分球を利用して測光される発光強度は約２１マイクロワット（μＷ）であった。このＬＥＤは、上記の方法により再現良く製造できた。
【００４１】
（実施例２）
本実施例２では、上記の実施例１で作製したのと同じ量子井戸構造のＳＱＷ構造の発光部を有するＬＥＤにおいて、井戸層を構成するｎ形のＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ結晶層の層厚を実施例１のＬＥＤより薄くしたＬＥＤを作製した。
すなわち、図１に示す構造のＬＥＤにおいて、井戸層４０４の層厚を４ｎｍとし、その他は実施例１と同様としてＬＥＤを作製した。
【００４２】
本実施例２で作製したＬＥＤのｎ形及びｐ形オーミック電極４０９、４０８間に３．５Ｖの順方向の電圧を印加して、２０ｍＡの順方向電流を流してＬＥＤを発光させた。
発光の中心波長は、実施例１のＬＥＤより長い約４９０ｎｍとなった。この波長は、井戸層４０４を構成するＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ結晶の室温での本来の禁止帯幅（約３．１ｅＶ）よりも、約０．６ｅＶ小さい約２．５ｅＶのエネルギーに相当するものである。すなわち、井戸層を構成する窒化ガリウム・インジウム結晶の組成を変えずとも、単純に量子井戸構造の井戸層の層厚を減少させることによって、ＬＥＤの発光波長を長波長とすることができた。
また、このＬＥＤの発光スペクトルの半値幅は約１２ｎｍとなり、発光強度は約２８μＷであった。このように本実施例２によれば、より長波長の発光が可能なＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供できることができた。
【００４３】
（実施例３）
本実施例３では、実施例１で作製したＬＥＤにおいて、井戸層がｎ形障壁層との接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造をさらに有する、量子井戸構造の発光部を具備したＬＥＤを作製した。
本実施例３で作製したＬＥＤの構造は、図１に示したものと同じとした。また、本実施例３のＬＥＤの作製方法は、以下の点を除き実施例１と同じとした。
【００４４】
本実施例３に係わるＬＥＤの作製では、井戸層４０４とｐ形クラッド層４０５との接合界面のみではなく、井戸層４０４とｎ形障壁層であるｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面でも組成変化の急峻化を達成した。
すなわち、本実施例３に係わるＬＥＤの作製では、ｎ形ＧａＮ層４０３の成長を終了した後、一旦成長を５分間に亘り中断した。この結果、井戸層４０４とｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面における組成変化の急峻性が、井戸層４０４が該接合界面近傍の領域において接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造を有するために、充分なものとなった。
【００４５】
上記のようにして作製したＬＥＤからは、実施例２で作製したＬＥＤよりも、更に長波長である約５２０ｎｍの緑色の発光が得られた。これは、井戸層４０４内で、ｐ形クラッド層４０５との接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部とｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面近傍の伝導帯の下端の曲折部のそれぞれに、正孔と電子が蓄積されるため、正孔と電子との再結合の際の遷移エネルギーがさらに小さくなるためである。
得られた発光波長から、本実施例３のＬＥＤの正孔と電子の遷移エネルギーは、井戸層４０４を構成するＧａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ結晶が有する本来のバンドギャップエネルギーである約３．１ｅＶに比べて約０．７ｅＶ低い、約２．４ｅＶと算出される。
また、本実施例３のＬＥＤの発光強度は約２８μＷであり、発光スペクトルの半値幅は約１２ｎｍとなった。すなわち、本実施例１では、実施例１または２よりさらに長波長で高輝度の発光が得られるＬＥＤが作製できた。
【００４６】
（実施例４）
本実施例４では、実施例１に記載したＬＥＤと同じ構造のＬＥＤを作製するにあたり、ｐ形クラッド層４０５を実施例１のＬＥＤよりもアルミニウム組成比を大とするＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎから構成した。また、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなるｐ形クラッド層４０５を井戸層４０４上に成長する際には、５分間に亘る成長中断時間を設けて、両層間の接合界面の組成変化の急峻性を保つこととした。
【００４７】
本実施例４で作製したＬＥＤは、実施例１のＬＥＤと同様に井戸層とｐ形クラッド層との接合界面における組成変化の急峻性を達成した上に、井戸層との格子不整合度を実施例１のＬＥＤの場合より大とする、アルミニウム組成がより大きなＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなるｐ形クラッド層を井戸層に接合することで、ｐ形クラッド層と井戸層との接合界面近傍の領域において井戸層の価電子帯の上端を正孔について低エネルギー側に確実に曲折させた。これより、井戸層と前記ｐ形クラッド層との接合界面において、ｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差を約０．３ｅＶとした。
【００４８】
本実施例４で作製したＬＥＤは、上記のようなエネルギーバンド構造を有する井戸層を有する量子井戸構造の発光部を具備するため、ＬＥＤから放射される発光の波長は、約４８０ｎｍとなった。この発光波長は、実施例１で作製したＬＥＤの発光波長よりもさらに長波長であった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶性に優れるインジウム組成比の小さいＧａ_YＩｎ_1-YＮ結晶を用いて、青色〜緑色のような長波長の高輝度の発光が得られる量子井戸構造の発光部を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を安定して提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部のエネルギーバンド構造を示す図。
【図２】本発明に係わる発光部のｐ型クラッド層、井戸層、障壁層のエネルギーバント構造を示す図。
【図３】実施例１乃至４に係わる発光ダイオードの断面構造を示す図。
【符号の説明】
１００ＭＱＷ構造
１０１井戸層
１０２ｎ形障壁層
１０３積層構造単位
１０４ｎ形クラッド層
１０５ｐ形クラッド層
１０６価電子帯の上端
１０８ｐ形クラッド層と井戸層との接合界面
１０９価電子帯の上端の曲折部
１１１正孔
１１２井戸層とｎ形障壁層との接合界面
１１３伝導帯の下端
１１４伝導帯の下端の曲折部
１１５電子
１１６井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅
１１９ｐクラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端のエネルギー差
４２発光部
４００結晶基板
４０１緩衝層
４０２ｎ形ＧａＮ単結晶層
４０３ｎ形ＧａＮ層
４０４井戸層
４０５ｐ形クラッド層
４０６ｐ形クラッド層と井戸層との界面
４０７ｐ形コンタクト層
４０８ｐ形オーミック電極
４０９ｎ形オーミック電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting portion of a quantum well structure, and more particularly to a group III nitride semiconductor light emitting device that emits light with high luminance and excellent monochromaticity in a blue to green wavelength region.
[0002]
[Prior art]
One of the wide band-gap semiconductors, generally aluminum nitride, gallium, indium (Al _X Ga _Y In _1-XY N: Group III nitride semiconductors represented by N ≦ 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1), etc., have ultraviolet light or a short wavelength of blue to green due to the size of the band gap. It is used as a material for semiconductor light emitting devices that emit visible light.
In particular, gallium nitride indium (Ga _Y In _1-Y N: 0 ≦ Y ≦ 1) is a material suitable for a semiconductor light emitting device in a blue to green wavelength region.
[0003]
In a conventional group III nitride semiconductor light-emitting device, a Ga layer is interposed between n-type and p-type cladding layers made of a group III nitride semiconductor crystal layer. _Y In _1-Y In general, a double hetero (DH) structure sandwiching a light emitting layer made of N is used for a light emitting portion. This is because carriers can be confined in the light emitting layer by the DH structure, which is advantageous for obtaining light emission with high luminance.
[0004]
Further, in the light emitting part of the conventional group III nitride semiconductor light emitting device, the light emitting layer is usually composed of a relatively thick layer having a thickness of about 0.1 μm and a negligible quantum effect.
On the other hand, recently, a light emitting portion is configured using a single quantum well (SQW) structure or a multi quantum well (MQW) structure in which a well layer having a thickness of 10 nm or less is a light emitting layer. Technology has been developed (Japanese Patent Laid-Open No. 9-36430).
[0005]
In a light emitting diode (LED) which is one of semiconductor light emitting elements, an advantage of configuring a light emitting portion from an SQW structure or an MQW structure is that light emission excellent in monochromaticity can be obtained. In addition, in the laser diode (LD) which is another semiconductor light emitting element, an advantage of configuring the light emitting portion from the SQW structure or the MQW structure is that the oscillation threshold value is lowered.
However, the wavelength of light emitted from a quantum well structure such as the SQW structure or MQW structure is usually shorter than the wavelength corresponding to the forbidden bandwidth inherent in the material forming the well layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, Ga _Y In _1-Y In a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer made of N, the indium composition ratio (= 1−Y) was changed in order to control the emission wavelength. That is, in order to obtain a longer emission wavelength such as blue to green, Ga having a relatively large indium composition ratio is used. _Y In _1-Y N was used as the light emitting layer. This is because Ga increases with increasing indium composition ratio. _Y In _1-Y This is because the forbidden band width of the N crystal is reduced, and the emission wavelength is increased accordingly.
[0007]
However, the indium composition ratio is as high as about 0.4 to 0.5 Ga. _Y In _1-Y In order to grow the N crystal layer by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), it is necessary to set the growth temperature to a low temperature of about 500 to 600 ° C. On the other hand, Ga with a high indium composition ratio grown at a low temperature of around 500 ° C. _Y In _1-Y N was known to be inferior in crystallinity (see “Journal of Electronic Information and Communication Society”, Vol. 76, No. 9 (September 1993), pages 913 to 917).
The superiority or inferiority of the group III nitride semiconductor crystal layer constituting the light emitting layer is reflected in the light emission intensity of the light emitting element. Therefore, as described above, the Ga is inferior in crystallinity grown at a low temperature. _Y In _1-Y Light emission with high luminance cannot be obtained from the light emitting layer made of N. That is, conventionally, there has been a problem that a light emitting element having a long emission wavelength and a high luminance cannot be obtained.
[0008]
In addition, when the light emitting part has a quantum well structure, quantum levels are generated in the well layer, so the wavelength of light emitted from the well layer, which is the light emitting layer, is compared with that of the light emitting layer that does not use the quantum well structure. The wavelength becomes short. Therefore, when the light emitting portion has a quantum well structure, in order to obtain the same light emission wavelength, a Ga indium composition ratio is larger than that of a light emitting layer that does not use a quantum well structure. _Y In _1-Y It was necessary to form a light emitting layer from N.
However, as described above, Ga grown at a low temperature in order to increase the indium composition ratio. _Y In _1-Y N crystal is inferior in crystallinity. That is, Ga with a large indium composition ratio _Y In _1-Y There is a problem that it becomes more difficult to obtain, for example, green light emission having a high luminance and a short wavelength from a well layer having a quantum well structure made of N crystal.
[0009]
Therefore, the present invention provides Ga having a small indium composition ratio and excellent crystallinity. _Y In _1-Y Provided is a group III nitride semiconductor light-emitting device having a light emitting part of a quantum well structure, which can stably obtain high-intensity light emission having a long wavelength such as blue to green by using an N crystal as a well layer. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Conventionally, in a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting portion of a quantum well structure, light emission having a wavelength longer than the original band gap energy of the group III nitride semiconductor constituting the well layer as the light emitting layer can be obtained. It was known (Japanese Patent Laid-Open No. 8-316528).
However, even in the group III nitride semiconductor light emitting device having the light emitting portion having the quantum well structure as described above, the structure for obtaining light emission with high reproducibility and higher luminance and monochromaticity is not clear. It was.
Therefore, the present inventor has clarified the structure of the light emitting portion of the quantum well structure that emits light with a wavelength longer than the original band gap energy of the group III nitride semiconductor constituting the well layer which is the light emitting layer, and has good reproducibility. A group III nitride semiconductor light-emitting device capable of emitting light with higher brightness and excellent monochromaticity than the prior art has been invented.
[0011]
That is, the present invention relates to a p-type cladding layer made of a p-type group III nitride semiconductor crystal layer, and an n-type group III nitride semiconductor crystal layer containing indium (In) in contact with the p-type cladding layer on one surface. Group III nitride semiconductor light-emitting device comprising at least a light emitting part of a quantum well structure comprising a well layer made of n-type and an n-type barrier layer made of an n-type group III nitride semiconductor crystal layer in contact with the other surface of the well layer In the device, the well layer has an energy band structure in which an upper end of a valence band is bent toward a low energy side with respect to a hole toward a junction interface with the p-type cladding layer.
[0012]
Further, the present invention relates to the group III nitride semiconductor light emitting device, wherein the well layer has an energy band structure in which a lower end of a conduction band is bent toward a low energy side with respect to electrons toward a junction interface with the n-type barrier layer. It is characterized by having.
[0013]
In the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the energy difference between the upper end of the valence band of the p-type cladding layer and the upper end of the valence band of the well layer at the junction interface between the well layer and the p-type cladding layer. Is preferably 0.2 eV or more.
In the group III nitride semiconductor light-emitting device according to the present invention, the energy of light emitted from the well layer may be 0.1 eV or more smaller than the original band gap of the material constituting the well layer. preferable.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the energy band structure of the quantum well structure of the light emitting portion according to the present invention will be described by taking a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting portion of MQW structure as an example.
FIG. 1 schematically shows a general energy band structure of a light emitting portion of a pn junction type DH structure in which an MQW structure 100 is sandwiched between an n-type cladding layer 104 and a p-type cladding layer 105. The MQW structure 100 shown in FIG. 1 has a structure in which a laminated structural unit 103 composed of a barrier layer 102 and a well layer 101 is laminated three periods.
[0015]
The n-type clad layer 104 and the p-type clad layer 105 are formed of an n-type and p-type aluminum nitride / gallium mixed crystal (Al _X Ga _Y N: 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, X + Y = 1) and the like. The well layer 101 has a smaller band gap than the barrier layer 102, for example, n-type Ga. _1-X In _X It is composed of an n-type group III nitride semiconductor material such as N (0 <X ≦ 1).
The well layer 101 can also be made of an n-type group III nitride semiconductor material that contains a group V element such as arsenic (As) or phosphorus (P) in addition to nitrogen as a constituent element. In particular, Ga _1-X In _X Since N mixed crystal is a material having a forbidden band width suitable for blue to green light emission, it is preferably used for the well layer 101.
[0016]
In general, the barrier layer 102 has a thickness of about 10 to 20 nm that can exhibit a tunnel effect. The thickness of the well layer is generally about 10 nm or less.
The thicknesses of the barrier layer 102 and the well layer 101 constituting the light emitting layer having the MQW structure are not particularly limited in the practice of the present invention. Further, the thicknesses of the barrier layer 102 and the well layer 101 do not have to be the same.
[0017]
In the present invention, both the barrier layer 102 and the well layer 101 must be composed of a group III nitride semiconductor crystal layer having n-type conductivity.
The barrier layer 102 and the well layer 101 are, for example, n-type III doped with n-type impurities such as Group IV element silicon (Si) or tin (Sn), or Group VI sulfur (S) or selenium (Se). It can be composed of a group nitride semiconductor crystal layer. In particular, in the present invention, in order to avoid inadvertent formation of levels due to impurities, the well layer 102 is preferably composed of an undoped high-purity n-type group III nitride semiconductor crystal layer.
[0018]
The present invention is characterized by the energy band structure of the well layer 101 made of an n-type group III nitride semiconductor crystal layer in contact with the p-type cladding layer 105 on one surface. A feature of the present invention is that an energy band structure of a p-type cladding layer 105, a well layer 101 in contact with the p-type cladding layer 105 on one surface, and an n-type barrier layer 102 in contact with the other surface of the well layer 101. Details will be described with reference to FIG.
In the present invention, as shown in FIG. 2, in the region near the junction interface 108 between the p-type cladding layer 105 and the well layer 101 in the well layer 101, the well layer 101 has a hole (hole) toward the junction interface 108. ) Has an energy band structure in which the upper end 106 of the valence band is bent on the low energy side.
[0019]
In order to efficiently produce the bent portion 109 of the upper end 106 of the valence band bent to the low potential side with respect to the holes only in the region near the junction interface 108 with the p-type cladding layer 105 in the well layer 101, the junction At the interface 108, the composition of the p-type cladding layer 105 and the well layer 101 needs to be sharply changed. That is, it is essential that the steepness of the composition change at the bonding interface 108 is good.
For example, if the p-type cladding layer is Al _X Ga _Y N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, X + Y = 1), and the well layer has a smaller band gap than the p-type cladding layer. _1-X In _X In the case of N (0 <X ≦ 1), the transition region width required for setting the atomic concentration of aluminum in the well layer to be not more than 1/100 of the aluminum concentration at the junction interface is desirably 20 nm or less. Needs to be 15 nm or less, more preferably 12 nm or less.
[0020]
Holes 111 can be accumulated in a bent portion 109 at the upper end of the valence band locally provided in a region near the junction interface 108 between the p-type cladding layer 105 and the well layer 101. In the energy band structure of the quantum well structure of the present invention in which the bent portion 109 is disposed close to the junction interface 108 with the p-type cladding layer 105 that supplies holes, holes having a shorter diffusion length than electrons are used. It can be efficiently stored in the bent portion 109.
The thickness of the bent portion 109 is preferably ½ or less of the total thickness of the well layer 101. Moreover, it is preferable that the energy level at the uppermost end of the bent portion 109 is 0.1 eV or more smaller than the original energy level at the upper end of the valence band in the well layer.
[0021]
Further, in the group III nitride semiconductor light emitting device having the light emitting portion having the energy band structure as described above, the lower end of the conduction band of the well layer 101 in the region in the vicinity of the junction interface 112 between the well layer 101 and the n-type barrier layer 102. As shown in FIG. 2, the energy band structure 113 is preferably bent toward the low energy side of the electrons toward the bonding interface 112 in order to make the emission wavelength longer.
In the well layer 101, the bent portion 114 at the lower end 113 of the conduction band that is bent toward the low potential side with respect to electrons is limited to the region near the junction interface 112 with the n-type barrier layer 102. It can be created by abruptly changing the composition of the well 102 and the well layer 101.
Similarly, the thickness of the bent portion 114 is preferably ½ or less of the total thickness of the well layer 101. Moreover, it is preferable that the lowest energy level of the bent portion 114 is 0.1 eV or less smaller than the original energy level at the lower end of the conduction band in the well layer.
[0022]
In the energy band structure in which the lower end 113 of the conduction band is bent toward the low energy side with respect to the electrons, the electrons 115 that perform radiative recombination with holes can be effectively stored in the bent portion 114 at the lower end of the conduction band.
The bent portion 114 at the lower end of the conduction band is lower in energy for electrons than the original energy level in the well layer of the conduction band 113, and thus the energy level of the electrons 115 accumulated in this region is lower. As described above, the energy level of the holes accumulated in the bent portion 109 at the upper end of the valence band near the junction interface 108 with the p-type cladding layer 105 also decreases.
Therefore, the transition energy between electrons and holes in the well layer 101 having such an energy band structure is smaller than the original forbidden band width 116 of the group III nitride semiconductor material constituting the well layer 101. Accordingly, the wavelength of light emitted from the light emitting portion of the quantum well structure having the well layer is longer than the wavelength corresponding to the original forbidden band width 116 of the group III nitride semiconductor material constituting the well layer.
[0023]
Further, the bent portions 109 and 114 at the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band in the well layer 101 are not formed by a uniform change in potential in the well layer 101, but p It is formed by a sharp bending of the energy band in a very limited narrow region in the vicinity of the junction interfaces 108 and 112 with the n-type cladding layer 105 and the n-type barrier layer 102. For this reason, carriers (electrons and holes) localized in this narrow region can behave as low-dimensional carriers. For this reason, light emission having high-speed response with quick response of light emission is brought about by utilizing the high-speed traveling property of the carrier which is low dimension.
[0024]
Furthermore, in the present invention, when the energy difference between the valence band upper end of the p-type cladding layer and the valence band upper end of the well layer at the junction interface 108 between the well layer 101 and the p-type cladding layer 105 is 0.2 eV or more, Holes can be efficiently accumulated in the bent portion 109 at the upper end of the valence band in the well layer, which is particularly advantageous for producing blue to green light emission.
The energy difference between the top of the valence band of the p-type cladding layer and the top of the valence band of the well layer at the junction interface between the well layer and the p-type cladding layer is the energy at the top of the valence band at the junction interface 108 in FIG. The difference 119 is indicated.
When the energy difference 119 at the upper end of the valence band at the junction interface 108 is smaller than 0.2 eV, for example, about 0.1 eV, holes are efficiently accumulated in the bent portion 109 at the upper end of the valence band in the well layer. Can not do it.
[0025]
The degree of bending of the upper end 106 of the valence band at the junction interface 108 between the p-type cladding layer 105 and the well layer 101 is the thickness of the well layer 101 when the composition change at the junction interface 108 is steep as described above. Further, it can be controlled by adjusting the degree of lattice mismatch between the well layer 101 and the p-type cladding layer 105.
For example, as the thickness of the well layer 101 is reduced, the degree of bending of the upper end 106 of the valence band of the well layer 101 in the vicinity of the junction interface 108 increases. Further, when the p-type cladding layer 105 is made of a group III nitride semiconductor material having a larger lattice mismatch with respect to the well layer 101, the upper end 106 of the valence band of the well layer 101 in the vicinity of the junction interface 108 is further increased. It can be bent greatly.
[0026]
Further, in the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the energy of light emitted from the well layer of the light emitting portion is 0.1 eV or more smaller than the original band gap of the material constituting the well layer. It is preferable to become.
In the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the holes in the well layer 101 of the light emitting portion accumulate in the bent portion 109 at the upper end of the valence band, and thus are lower than the original energy level of the valence band. Have energy. Therefore, the holes and electrons in the well layer can recombine by emitting light having energy smaller than the original transition energy (= forbidden band width 116) between the conduction band and the valence band. In this way, when the energy of light emitted from the well layer of the light emitting portion is made to be 0.1 eV or more smaller than the original forbidden band width 116 of the material constituting the well layer, the crystallinity is inferior. Compared with the case where the well layer 101 is made of a gallium nitride / indium mixed crystal having a high indium composition ratio, blue to green light emission with higher reproducibility and higher monochromaticity can be obtained.
Further, when the bent portion 114 at the lower end of the conduction band is formed in the well layer 101 of the light emitting portion, electrons in the well layer 101 of the light emitting portion are accumulated in the bent portion 114 at the lower end of the conduction band. Will have less energy than the level. In this case, the holes and electrons in the well layer can recombine by emitting light having energy smaller than the original transition energy (= forbidden band width 116) between the conduction band and the valence band. .
[0027]
In particular, in the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, when the well layer 101 is made of gallium nitride / indium, a gallium nitride / indium mixed crystal (Ga) having an indium composition ratio of 0.3 or less. _1-X In _X When N: 0 <X ≦ 0.3), the crystallinity of the well layer is not deteriorated, which is advantageous in obtaining high-luminance blue to green light emission.
[0028]
The crystal layer made of a group III nitride semiconductor used for the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention can be grown by a generally known MOCVD method or vapor phase epitaxial method (VPE method).
[0029]
[Action]
According to the first aspect of the present invention, in the well layer of the light emitting portion of the quantum well structure of the group III nitride semiconductor light emitting device, the bent portion at the upper end of the valence band near the junction interface with the p-type cladding layer. Optionally, low energy holes can be accumulated.
[0030]
According to the second aspect of the present invention, the bent portion at the lower end of the conduction band in the vicinity of the junction interface with the n-type barrier layer in the well layer of the light emitting portion of the quantum well structure of the group III nitride semiconductor light emitting device Can selectively store low-energy electrons.
[0031]
According to the invention described in claim 3, holes can be efficiently accumulated in the bent portion at the upper end of the valence band in the vicinity of the junction interface in the well layer of the light emitting portion.
[0032]
Further, according to the invention described in claim 4, the reproducibility is high and the brightness is high as compared with the conventional case in which the well layer is formed of a gallium nitride / indium mixed crystal having a high indium composition ratio inferior in crystallinity. A group III nitride semiconductor light emitting device that emits blue to green light with excellent monochromaticity can be obtained.
[0033]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described using examples.
(Example 1)
In Example 1, light emission of a quantum well structure including a well layer having an energy band structure in which the upper end of the valence band is bent on the low energy side with respect to the hole toward the junction interface with the p-type cladding layer. The light emitting diode (LED) which consists of a group III nitride semiconductor which comprised the part was produced.
In Example 1, the MOCVD method was used for the growth of the crystal layer made of a group III nitride semiconductor.
FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the LED manufactured in Example 1. The LED according to Example 1 was manufactured as follows.
[0034]
In making an epitaxial wafer for producing an LED, first, sapphire (α-Al ₂ O _Three On a (0001) plane (c-plane) of a crystal substrate 400 made of a single crystal), an undoped gallium nitride (mainly a single crystal is used as a bonding interface with the substrate 400 and its upper layer portion is polycrystalline or amorphous). A buffer layer 401 made of GaN was grown at 450 ° C. The thickness of the buffer layer 401 was about 17 nm.
Next, on the buffer layer 401, the carrier concentration is about 2 × 10. ¹⁷ cm ^-3 Then, an undoped n-type GaN single crystal layer 402 having a layer thickness of about 0.5 μm was grown at 1050 ° C.
On the n-type GaN single crystal layer 402, an n-type GaN layer 403 was subsequently grown by doping silicon (Si) and gradually increasing the Si concentration in the direction of increasing layer thickness. The n-type GaN layer 403 has a thickness of about 2 μm and a carrier concentration of about 2 × 10. ¹⁸ cm ^-3 It was. The n-type GaN layer 403 is an n-type lower cladding layer of the light emitting portion having a DH structure, and has the function of the n-type barrier layer of the present invention.
[0035]
A well layer 404 was deposited at 890 ° C. on the n-type GaN layer 403. The well layer 404 has a thickness of about 7 nm and is undoped n-type Ga. _0.88 In _0.12 N.
For the growth of the well layer 404, cyclopentadienyl indium (CMG) in which trimethyl gallium (TMG) is a gallium source and the valence is monovalent. _Five H _Five In) from indium raw material, ammonia (NH _Three ) Was used as a nitrogen source.
n-type Ga _0.88 In _0.12 The growth of the well layer 404 made of N was terminated by stopping the supply of the gallium material and the indium material to the MOCVD growth apparatus.
[0036]
After the growth of the well layer, only ammonia gas was allowed to continue to flow through the MOCVD growth apparatus for exactly 5 minutes to sweep and eliminate so that no indium and gallium raw materials remained in the reactor of the MOCVD growth apparatus.
After that, p-type Al doped with magnesium (Mg) on the well layer 404 _0.15 Ga _0.85 The N layer was deposited as a p-type cladding layer 405 at 1030 ° C.
The p-type cladding layer 405 has a thickness of about 15 nm and a carrier concentration of about 2 × 10. ¹⁷ cm ^-3 It was. Further, the p-type cladding layer 405 is made of Al which is not in lattice matching relationship with the well layer 404. _0.15 Ga _0.85 A structure in which the valence band of the well layer 404 is bent toward the low potential side with respect to the holes near the junction interface 406 between the p-type cladding layer 405 and the well layer 404 is formed. Further, during the transition from the growth of the well layer 404 to the growth of the p-type cladding layer 405, the growth interruption time is provided as described above, and the composition at the junction interface 406 between the well layer 404 and the p-type cladding layer 405 is provided. The change was sharpened.
[0037]
In the first embodiment, the well layer 404 is sandwiched between the n-type GaN layer 403 and the p-type cladding layer 405, and the light emitting portion 42 having the SQW structure having the quantum well structure is configured.
Further, the steepness of the composition change at the junction interface 406 between the p-type cladding layer 405 and the well layer 404 is reduced by two orders of magnitude compared to the average concentration in the p-type cladding layer 405 in the well layer 404. In order to evaluate the required transition distance, the Al concentration in the well layer 404 was measured by a general SIMS analysis means. As a result, the transition distance was about 12 nm. The steepness of the composition change was sufficient to cause the upper end of the valence band in the well layer 404 in the vicinity of the junction interface 406 between the p-type cladding layer 405 and the n-type well layer 404. .
[0038]
Further, on the p-type cladding layer 405, a p-type Al in which the aluminum (Al) composition ratio is decreased substantially linearly from 0.15 to 0 in the increasing direction of the layer thickness. _Y Ga _1-Y An N (Y = 0.15 → 0) layer was grown as a p-type contact layer 407 at 1030 ° C. The p-type contact layer 407 has a layer thickness of approximately 0.1 μm and a carrier concentration of approximately 2 × 10. ¹⁷ cm ^-3 It was.
As described above, an epitaxial wafer for producing an LED was produced.
[0039]
Thereafter, n-type and p-type ohmic electrodes 409 and 408 are respectively provided on the n-type cladding layer 403 and the p-type contact layer 407 using a known photolithography technique, plasma etching technique, or the like. The LED shown in FIG. 1 was produced.
[0040]
A 3.5 V DC voltage was applied between the n-type and p-type ohmic electrodes 409 and 408, and a forward current of 20 mA was applied to cause the LED to emit light. The central wavelength of light emission was blue at about 445 nm. This is because Ga forming the well layer 404 _0.88 In _0.12 The emission of light having a wavelength corresponding to an energy about 0.3 eV lower than the original band gap (about 3.1 eV) at room temperature of the N crystal. The half-value width of light emission was about 12 nm, and the light emission intensity measured using an integrating sphere was about 21 microwatts (μW). This LED could be manufactured with good reproducibility by the above method.
[0041]
(Example 2)
In this example 2, in the LED having the light emitting part of the SQW structure having the same quantum well structure as that produced in the above example 1, the n-type Ga constituting the well layer is used. _0.88 In _0.12 An LED in which the thickness of the N crystal layer was thinner than that of the LED of Example 1 was produced.
That is, in the LED having the structure shown in FIG. 1, the LED was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the well layer 404 was 4 nm.
[0042]
A forward voltage of 3.5 V was applied between the n-type and p-type ohmic electrodes 409 and 408 of the LED fabricated in Example 2, and a forward current of 20 mA was applied to cause the LED to emit light.
The central wavelength of light emission was about 490 nm, which was longer than that of the LED of Example 1. This wavelength is determined by Ga constituting the well layer 404. _0.88 In _0.12 This corresponds to an energy of about 2.5 eV, which is about 0.6 eV smaller than the original band gap (about 3.1 eV) of N crystal at room temperature. In other words, the light emission wavelength of the LED could be made longer by simply reducing the layer thickness of the well layer of the quantum well structure without changing the composition of the gallium nitride / indium crystal constituting the well layer.
Further, the half width of the emission spectrum of this LED was about 12 nm, and the emission intensity was about 28 μW. As described above, according to Example 2, a group III nitride semiconductor light emitting device capable of emitting light having a longer wavelength could be provided.
[0043]
(Example 3)
In this Example 3, the LED manufactured in Example 1 further has an energy band structure in which the lower layer of the conduction band is bent toward the low energy side of the well layer toward the junction interface with the n-type barrier layer. An LED having a well-structured light emitting portion was produced.
The structure of the LED fabricated in Example 3 was the same as that shown in FIG. Moreover, the manufacturing method of LED of the present Example 3 was made the same as Example 1 except for the following points.
[0044]
In the manufacture of the LED according to Example 3, the composition changes not only at the junction interface between the well layer 404 and the p-type cladding layer 405 but also at the junction interface between the well layer 404 and the n-type GaN layer 403 that is the n-type barrier layer. Achieved steepness.
That is, in the manufacture of the LED according to Example 3, after the growth of the n-type GaN layer 403 was finished, the growth was temporarily interrupted for 5 minutes. As a result, the steepness of the composition change at the junction interface between the well layer 404 and the n-type GaN layer 403 is such that the lower end of the conduction band on the low energy side of electrons toward the junction interface in the region near the junction interface. Is sufficient because it has a bent energy bunt structure.
[0045]
The LED produced as described above emitted green light of about 520 nm, which is a longer wavelength than the LED produced in Example 2. In the well layer 404, each of the bent portion at the upper end of the valence band near the junction interface with the p-type cladding layer 405 and the bent portion at the lower end of the conduction band near the junction interface with the n-type GaN layer 403. This is because holes and electrons are accumulated, and the transition energy upon recombination of holes and electrons is further reduced.
From the obtained emission wavelength, the transition energy of the holes and electrons of the LED of this Example 3 is determined as Ga constituting the well layer 404. _0.88 In _0.12 It is calculated to be about 2.4 eV, which is about 0.7 eV lower than about 3.1 eV which is the original band gap energy of the N crystal.
The emission intensity of the LED of Example 3 was about 28 μW, and the half-value width of the emission spectrum was about 12 nm. That is, in Example 1, an LED capable of emitting light with higher wavelength and longer wavelength than Example 1 or 2 could be produced.
[0046]
(Example 4)
In this example 4, when manufacturing an LED having the same structure as the LED described in example 1, the p-type cladding layer 405 has an aluminum composition ratio larger than that of the LED of example 1. _0.20 Ga _0.80 N. Al _0.20 Ga _0.80 When the p-type cladding layer 405 made of N is grown on the well layer 404, a growth interruption time of 5 minutes is provided to maintain the steepness of the composition change at the junction interface between the two layers.
[0047]
The LED fabricated in this Example 4 achieves steepness of composition change at the junction interface between the well layer and the p-type cladding layer as well as the LED of Example 1, and further exhibits a lattice mismatch with the well layer. Al larger in aluminum composition than in the case of the LED of Example 1 _0.20 Ga _0.80 By joining the p-type cladding layer made of N to the well layer, the upper end of the valence band of the well layer is reliably bent toward the low energy side with respect to the holes in the region near the junction interface between the p-type cladding layer and the well layer. I let you. Thus, the energy difference between the upper end of the valence band of the p-type cladding layer and the upper end of the valence band of the well layer at the junction interface between the well layer and the p-type cladding layer was set to about 0.3 eV.
[0048]
Since the LED manufactured in Example 4 includes the light emitting portion having the quantum well structure having the well layer having the energy band structure as described above, the wavelength of light emitted from the LED is about 480 nm. This emission wavelength was longer than the emission wavelength of the LED produced in Example 1.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, Ga having a small indium composition ratio and excellent crystallinity. _Y In _1-Y By using an N crystal, a group III nitride semiconductor light emitting device including a light emitting portion having a quantum well structure capable of obtaining light emission with a long wavelength such as blue to green can be stably provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an energy band structure of a light emitting portion of a quantum well structure of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an energy band structure of a p-type cladding layer, a well layer, and a barrier layer of a light emitting unit according to the present invention.
3 is a view showing a cross-sectional structure of a light emitting diode according to Examples 1 to 4. FIG.
[Explanation of symbols]
100 MQW structure
101 Well layer
102 n-type barrier layer
103 laminated structural units
104 n-type cladding layer
105 p-type cladding layer
106 Top of valence band
108 Junction interface between p-type cladding layer and well layer
109 Bend at top of valence band
111 holes
112 Junction interface between well layer and n-type barrier layer
113 Bottom of conduction band
114 Bend at the bottom of the conduction band
115 electrons
116 Original band gap of group III nitride semiconductor material constituting well layer
119 Energy difference between top of valence band of p-clad layer and top of valence band of well layer
42 Light emitting part
400 crystal substrate
401 Buffer layer
402 n-type GaN single crystal layer
403 n-type GaN layer
404 well layer
405 p-type cladding layer
406 Interface between p-type cladding layer and well layer
407 p-type contact layer
408 p-type ohmic electrode
409 n-type ohmic electrode

Claims

A p-type cladding layer comprising a p-type group III nitride semiconductor crystal layer containing aluminum (Al), and an n-type group III nitride semiconductor crystal containing indium (In) in contact with the p-type cladding layer on one surface A group III nitride semiconductor comprising at least a light emitting part of a quantum well structure comprising a well layer composed of layers and an n-type barrier layer composed of an n-type group III nitride semiconductor crystal layer in contact with the other surface of the well layer In the light emitting device, the transition region width in which the aluminum concentration decreases to 1/100 from the junction interface between the p-type cladding layer and the well layer into the well layer is 20 nm or less, and the well layer has the p A group III nitride having an energy band structure in which the upper end of the valence band is bent on the low energy side of the hole toward the junction interface with the shaped cladding layer SEMICONDUCTOR light emitting element.

2. The group III nitride according to claim 1, wherein the well layer has an energy band structure in which a lower end of a conduction band is bent toward a low energy side with respect to electrons toward a junction interface with the n-type barrier layer. Semiconductor light emitting device.

The energy difference between the upper end of the valence band of the p-type cladding layer and the upper end of the valence band of the well layer is 0.2 eV or more at a junction interface between the well layer and the p-type cladding layer. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2.

The energy of the light radiated | emitted from the said well layer is 0.1 eV or less smaller than the original forbidden band width of the material which comprises this well layer, The any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. Group III nitride semiconductor light emitting device.