JP4601950B2 - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
また、半導体層のインジウムの混晶比を下げると、応力に対するその半導体層の柔軟性が低下するので、その半導体層には転位やクラックが生じ易くなる。特に、活性層や量子井戸層に転位やクラックが生じた場合には、内部量子効率や或いは素子の寿命にその悪影響が及ぶ。
即ち、本発明の第1の手段は、III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、n型コンタクト層と、そのn型コンタクト層の上にn型中間層を有し、活性層を構成する量子井戸層を、AlzInyGa1-z-yN(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成し、この量子井戸層にはそれぞれ何れもその直下に斑状または島状に積層された堆積層を備え、堆積層は、量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い周期で、離散的に堆積されており、n型中間層の上に超格子構造のn型クラッド層を設け、n型クラッド層は、超格子構造において、周期的な積層構造を構成する周期構造の1単位を、組成比が相異なるAl x Ga 1-x N(0<x<1)から成る2層とし、この1単位を、20周期以上45周期以下の範囲で、繰り返し積層した超格子構造であることを特徴とする。
上記のインジウム組成比yは、0.03以上であることがより望ましいが、この値としては、発光波長などの素子の各種の仕様、特性などに応じて好適或いは最適な値を選択することができる。
より望ましくは、活性層における量子井戸層の積層数は3層又は4層が良い。
即ち、本発明の第1の手段によれば、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ(キャリアの局在準位)を適度、かつ、確実に得ることができるため、発光素子の出力を大きく向上させることができる。
これは、インジウム(In)やガリウム(Ga)は拡散長(マイグレーション長)がアルミニウム(Al)よりも大幅に長いので、量子井戸層の結晶成長時に、インジウム(In)やガリウム(Ga)がアルミニウム(Al)よりも堆積層の谷部又は孔部に入り込み易くなり、その結果、量子井戸層の内部では、組成の空間的均一性が積極的に乱されて、組成の空間的なゆらぎが良好に形成されるためである。
また、量子井戸層の組成成分にインジウム(In)を含めることにより、量子井戸層の応力に対する柔軟性が向上するので、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
サファイア基板10の上には、窒化シリコンを500℃で100秒間結晶成長させたSiN層21と、同温で結晶成長させた膜厚25nmのGaN層22との2層から成る低温成長バッファ層20が形成されている。その上の下地層30は3層から成り、無添加のGaNを1075℃で約0.7μm結晶成長させたGaN層31と、窒化シリコンを500℃で200秒間結晶成長させた第2SiN層32と、無添加のGaNを1075℃で約3μm結晶成長させたGaN層33とから成る。
また、n型クラッド層52は、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nと膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nとを交互に合計38ペア(38周期)積層した超格子構造を有し、このn型クラッド層52の総膜厚は約100nm、キャリア濃度は1×1019cm-3である。
また、多重層(62,63,64)はそれぞれ何れも、堆積層6aと量子井戸層6bと量子障壁層6cとを順次積層して形成されている。更に、堆積層6aはそれぞれ何れも、SiNから成る層で、堆積時間は12秒とした。量子井戸層6bはそれぞれ何れも、膜厚約2nmのAl0.005In0.045Ga0.95Nから形成されている。量子障壁層6cはそれぞれ何れも、膜厚17.5nmのAl0.12Ga0.88Nから形成されている。
更に、n型クラッド層52の超格子構造における合計ペア数(繰り返し数)を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図2は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)とn型クラッド層52の構造との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、LEDの正負両電極(91,92)間に電圧を印加した時の発光強度(EL)を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ(繰り返し数)である。
p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を上げ過ぎると、超格子構造が明確或いは急峻には維持しにくくなり、応力の緩和効果が下がるものと思われる。また、p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を下げ過ぎると、キャリアの閉じ込め効果が低下する。
10 : サファイア基板
20 : 低温成長バッファ層
30 : 下地層
40 : n型コンタクト層
51 : n型中間層
52 : n型クラッド層(超格子構造)
60 : 活性層
71 : p型ブロック層
72 : p型クラッド層(超格子構造)
80 : p型コンタクト層
Claims (2)
- III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、
n型コンタクト層と、そのn型コンタクト層の上にn型中間層を有し、
前記活性層を構成する量子井戸層は、AlzInyGa1-z-yN(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成されており、
前記量子井戸層はそれぞれ何れも、その直下に斑状または島状に積層された堆積層を有し、
前記堆積層は、前記量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い周期で、離散的に堆積されており、
前記n型中間層の上に超格子構造のn型クラッド層を有し、
前記n型クラッド層は、前記超格子構造において、周期的な積層構造を構成する周期構造の1単位を、組成比が相異なるAl x Ga 1-x N(0<x<1)から成る2層とし、この1単位を、20周期以上45周期以下の範囲で、繰り返し積層した超格子構造であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記活性層における前記量子井戸層の積層数は、3層以上10層以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
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