JP4884826B2

JP4884826B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP4884826B2
Application number: JP2006125177A
Authority: JP
Inventors: 一陽堤; 範和伊藤; 雅之園部; 裕朗太田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007299848A; US20070278474A1

Description

本発明は、量子井戸構造を有する活性層を備えた半導体発光素子に関する。

半導体発光素子は、発光ダイオードまたは半導体レーザとして構成されることにより、たとえば青色光を発光する素子である。半導体発光素子においては、発光効率を高める構造の一つとして、量子井戸構造を有する活性層が採用されている（たとえば特許文献１）。

図７は、そのような半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Ｘは、ｎ−ＧａＮ層９１、ｐ−ＧａＮ層９２、および活性層９３を備えている。活性層９３は、複数の井戸層９４と複数のバリア層９５とが交互に積層された多重量子井戸（Multiple Quantum Well:以下ＭＱＷ）構造とされている。井戸層９４は、ＩｎＧａＮからなり、バリア層９５は、ＧａＮからなる。ＩｎＧａＮからなる井戸層９４は、そのバンドギャップエネルギが、ｎ−ＧａＮ層９１、ｐ−ＧａＮ層９２、およびバリア層９５よりも小である。比較的バンドギャップエネルギが小である井戸層９４には、キャリアである電子と正孔とが閉じ込められやすい。これにより、井戸層９４において正孔と電子とが効率よく再結合することが可能である。このように、半導体発光素子Ｘにおいては、活性層９３における発光効率を高めることにより、その高出力化が図られている。

しかしながら、この種の半導体発光素子に対しては、高出力化の要請が強くなっている。半導体発光素子Ｘの高出力化を図るためには、順方向電圧Ｖｆを小さくすることが有効である。半導体発光素子Ｘにおいては、ＭＱＷ構造を採用することによってその発光効率がある程度高められている。しかし、ＭＱＷ構造を採用することのみでは、順方向電圧Ｖｆの低減を十分に図ることは困難である。このように、半導体発光素子Ｘにおいては、高出力化を図る上でいまだ改善の余地があった。

特開２００４−１７９４２８号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高出力化を図ることが可能である半導体発光素子を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体発光素子は、ＩｎＧａＮを含む少なくとも１以上の井戸層、およびこの井戸層を挟みかつＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む２以上のバリア層を有する量子井戸構造とされた活性層と、上記活性層を挟むｎ型半導体層およびｐ型半導体層と、を備える半導体発光素子であって、上記井戸層の全体と、上記各バリア層のうち上記ｐ型半導体層寄りの部分とには、ＩＶ族またはＶＩ族元素がドープされており、上記各バリア層のうち上記ｎ型半導体層寄りの部分は、アンドープとされていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記半導体発光素子の順方向電圧を低下させることが可能である。上記半導体発光素子に順方向電圧を印加した際には、上記井戸層と、上記バリア層のうち上記ｐ型半導体層側の端部との界面に界面電荷が生じる。この界面電荷が上記バリア層のうち上記ｐ型半導体層寄りの部分にＩＶ族またはＶＩ族元素がドープされることにより、遮蔽されると考えられる。これにより、上記半導体発光素子の順方向電圧を低下させることが可能であり、上記半導体発光素子の高出力化を図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記ＩＶ族元素は、Ｓｉであり、上記ＶＩ族元素は、Ｏである。このような構成によれば、上記活性層の厚さ方向においてＳｉのドープ濃度を急峻に変化させることが可能である。これは、上記バリア層のうち上記ｐ型半導体層寄りの部分および上記井戸層と、上記バリア層のうち上記ｎ型半導体層寄りの部分とを、互いのドープ濃度が顕著に異なるものとしつつ、交互に積層させるのに適している。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａは、基板１、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４を備えている。半導体発光素子Ａは、たとえば青色光を図中上方へと出射可能な構成とされている。

基板１は、たとえばサファイア製であり、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４を支持するためのものである。本実施形態においては、基板１は、その厚さがたとえば３００〜５００μｍ程度とされている。

ｎ−ＧａＮ層２は、ＧａＮにＳｉがドープされたことによりいわゆるｎ型半導体層とされており、本発明で言うｎ型半導体層の一例である。本発明においては、ｎ型半導体層は、ｎ−ＧａＮ層２のように基板１上に直接形成されたもののほかに、たとえば格子歪を緩和するためのＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなるバッファ層を介して基板１に間接的に支持されたものを含む概念である。本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層２は、その厚さが数μｍ程度とされている。ｎ−ＧａＮ層２は、比較的厚さが厚い厚肉部分と、比較的厚さが薄い薄肉部分とを有している。この薄肉部分には、ｎ側電極２１が形成されている。

ｎ−ＧａＮ層２と活性層３との間には、超格子層、ｎ型クラッド層、およびｎ型ガイド層などを適宜設けてもよい。上記超格子層は、たとえばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが一原子層毎に交互に積層された超格子（Superlattice）構造を有する層である。上記ｎ型クラッド層は、たとえばｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなり、活性層３からの光がｎ−ＧａＮ層２側へと漏れることを防止するためのものである。上記ｎ型ガイド層は、たとえばｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮからなり、キャリアである電子および正孔を活性層３に閉じ込めるためのものである。

活性層３は、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造とされた層であり、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層３は、複数の井戸層３１と複数のバリア層３２とが交互に積層された構造とされている。本実施形態においては、活性層３は、複数の井戸層３１と複数のバリア層３２とがたとえば３〜７層ずつ積層されており、その厚さが５０〜１５０ｎｍ程度とされている。

井戸層３１は、ＩｎＧａＮからなり、Ｉｎの組成が１０〜２０％程度とされている。これにより、井戸層３１は、ｎ−ＧａＮ層２よりもバンドギャップエネルギが小とされている。また、井戸層３１は、その全域にわたってＩＶ族元素またはＶＩ族元素がドープされている。ＩＶ族元素としては、たとえばＳｉがドープされ、ＶＩ族元素としては、たとえばＯがドープされている。後述するように、これらのＩＶ族元素またはＶＩ族元素のドープ濃度は、９×１０¹⁶〜５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることが好ましく、９×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることがさらに好ましい。井戸層３の厚さは、２０〜３５Å程度とされる。

バリア層３２は、井戸層３１よりもＩｎの組成が低いＩｎＧａＮまたはＧａＮからなる。バリア層３２は、ドープ部３２ａとアンドープ部３２ｂとを有している。ドープ部３２ａは、バリア層３２のうちｐ−ＧａＮ層４寄りに位置する部分であり、たとえばその厚さがバリア層３２の厚さの半分程度とされている。ドープ部３２ａには、ＩＶ族元素またはＶＩ族元素がドープされている。ＩＶ族元素としては、たとえばＳｉがドープされ、ＶＩ族元素としては、たとえばＯがドープされている。後述するように、これらのＩＶ族元素またはＶＩ族元素のドープ濃度は、９×１０¹⁶〜５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることが好ましく、９×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることがさらに好ましい。バリア層３２の厚さは、７０〜１８０Å程度とされる。

ｐ−ＧａＮ層４は、ＧａＮにＭｇがドープされたことによりいわゆるｐ型半導体層とされており、本発明で言うｐ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４は、その厚さが０．２μｍ程度とされている。ｐ−ＧａＮ層４には、ｐ側電極４１が形成されている。

〔実施例〕
半導体発光素子Ａについて、実施例１とこれと比較するための比較例１，２とを以下の通り作製した。

まず、基板１をＭＯＣＶＤ法用の成膜室内に導入し、成膜室内の温度である成膜温度を１，１００℃とした。次にＨ₂ガスとＮ₂ガスとを上記成膜室内に流すことにより、基板１を洗浄した。

次に、成膜温度を１，０６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびたとえばトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）ガスのようなＧａ源を上記成膜室内に供給した。この際、ｎ型のドーパントであるＳｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給した。これにより、基板１上にｎ−ＧａＮ層２を形成した。

次に、成膜温度を７００〜８００℃、たとえば７６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびたとえばＴＭＧガスのようなＧａ源（以下、単にＧａ源という）を供給した。これにより、ＧａＮからなるバリア層３２のアンドープ部３２ｂを形成した。アンドープ部３２ｂの厚さは、数十〜百数十Åとした。

次に、成膜温度を７６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＧａ源に加えて、Ｓｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給した。これにより、ＧａＮからなるバリア層３２のドープ部３２ａを形成した。ドープ部３２ａにおけるドープ濃度は、２．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とした。また、ドープ部３２ａの厚さは、アンドープ部３２ｂと同様に６０Åとした。ドープ部３２ａとアンドープ部３２ｂとを積層することにより、その厚さが１２０Åのバリア層３２を形成した。

次に、成膜温度を約７６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、たとえばＴＭＧガスのようなＧａ源、およびたとえばトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスのようなＩｎ源を上記成膜室内に供給した。この際、Ｓｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給した。これにより、Ｉｎの組成比が１５％程度であるＩｎＧａＮからなる井戸層３１を形成した。井戸層３１におけるＳｉのドープ濃度は、ドープ部３２ａと同様に２．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とした。また、井戸層３１の厚さは、３０Åとした。

この後、井戸層３１とバリア層３２との形成を交互に行った。それぞれの層を３〜７層程度形成することにより、ＭＱＷ構造を有する活性層３が得られた。活性層３全体における平均Ｓｉドープ濃度は、上述した井戸層３１およびバリア層３２のドープ濃度から１．２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となった。

次に、成膜温度を１，０１０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびたとえばＴＭＧガスのようなＧａ源を供給した。この際、ｐ型のドーパントであるＭｇのドープを行うために、Ｃｐ₂Ｍｇガスを同時に供給した。これにより、ｐ−ＧａＮ層４を形成した。この後は、ｎ側電極２１およびｐ側電極４１を形成することにより、実施例１の半導体発光素子を製造した。

一方、比較例１においては、井戸層３１およびバリア層３２の双方の全体にドープ濃度２．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でＳｉをドープした。また比較例２においては、井戸層３１と、実施例１のアンドープ部３２ｂにあたる部分にドープ濃度２．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でＳｉをドープした。一方、実施例１のドープ部３２ａにあたる部分には、Ｓｉドープを施さなかった。比較例２における活性層３の平均Ｓｉドープ濃度は、実施例１と同様に１．２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となった。

次に、半導体発光素子Ａの作用について説明する。

図３は、上述した実施例１および比較例１，２において２０ｍＡの電流を生じさせるための順方向電圧Ｖｆを、比較例１の順方向電圧Ｖｆを基準とした相対的な値を用いて示している。井戸層３１とバリア層３２に相当する部分全体にＳｉをドープした比較例１に対し、実施例１においては順方向電圧Ｖｆが０．０５Ｖ程度低下した。また、実施例１と比較例２とは、活性層３の平均Ｓｉドープ濃度は同じであるが、比較例２の順方向電圧Ｖｆは、実施例１に対して０．２Ｖ程度上昇した。また、比較例２の順方向電圧Ｖｆは、実施例１だけでなく比較例１よりも大きい値である。以上の比較結果から、実施例１をはじめ、本発明に係る半導体発光素子Ａによれば、井戸層３１とバリア層３２のうちｐ−ＧａＮ層寄りに位置するドープ部３２ａにＳｉをドープすることにより、順方向電圧Ｖｆを低下させることができることがわかる。

半導体発光素子Ａの構成により順方向電圧Ｖｆが低下する理由としては、以下が考えられる。図４は、活性層３におけるバンドギャップエネルギを模式的に表したものである。井戸層３１においては、バンドギャップエネルギが比較的小となっており、バリア層３２においては、バンドギャップエネルギが比較的大となっている。半導体発光素子Ａに順方向電圧Ｖｆが印加されると、バリア層３２のうちｐ−ＧａＮ層４側の端部と井戸層３１との境界には、界面電荷が生じる。しかし、本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４寄りに位置するドープ部３２ａに、Ｓｉがドープされている。Ｓｉは、ｎ型不純物としても用いられるものであり、上記界面電荷を遮蔽する効果を発揮すると考えられる。これによって、順方向電圧Ｖｆの低下が実現されている。

上述した順方向電圧Ｖｆを低下させる効果は、Ｓｉに限らず、ＩＶ族またはＶＩ族元素を井戸層３１およびドープ部３２ａにドープすることによって発揮可能である。このような効果を発揮させる元素としては、Ｓｉのほかに、たとえばＩＶ族元素であるＣ、あるいはＶＩ族元素であるＯなどがある。なお、Ｓｉをドープする構成とすれば、半導体発光素子Ａを製造する際に、活性層３の厚さ方向においてドープ濃度を急峻に変化させることが可能である。したがって、井戸層３１およびドープ部３２ａを所望のドープ濃度でドープしつつ、アンドープ部３２ｂをまったくドープされていないものとするのに適している。また、このようにＳｉのドープ濃度が顕著に異なる井戸層３１、ドープ部３２ａとアンドープ部３２ｂとを交互に積層させるのに有利である。

図５は、活性層３に一様にＳｉをドープした場合の順方向電圧Ｖｆを測定した結果を示している。本図においては、各濃度における順方向電圧Ｖｆを、ある基準順方向電圧Ｖｆ₀に対する相対的な値を用いて示している。本図によく表れているように、Ｓｉドープ濃度を９×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすれば、順方向電圧Ｖｆを極小値とすることが可能である。したがって、活性層３全体における平均Ｓｉドープ濃度を９×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることが順方向電圧Ｖｆを極小値とするのに好ましいといえる。

また、Ｓｉドープ濃度を９×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも小さくすると、順方向電圧Ｖｆが急峻に大きくなるのに対し、Ｓｉドープ濃度を５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも大きくしても、順方向電圧Ｖｆの変化は比較的緩やかである。発明者らの研究によれば、平均Ｓｉドープ濃度が５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であれば、順方向電圧Ｖｆを半導体発光素子Ａの高出力化を図るのに十分に小さな値とすることが可能であるという知見が得られている。また、Ｓｉドープ濃度を大きくするにつれて、活性層３から発せられる光の輝度が低下してしまうことが判明している。このような観点から、高出力化を図るには、平均Ｓｉドープ濃度を９×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることが好ましい。

本発明に係る半導体発光素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明における活性層は、量子井戸構造を有するものであればよく、ＭＱＷ構造のもの以外に、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造のものであってもよい。ｎ型半導体層およびｐ型半導体層は、それぞれｎ−ＧａＮ層およびｐ−ＧａＮ層とすることが高出力化に好ましいが、量子井戸構造とされた活性層に電子および正孔を適切に注入可能なものであればよい。

基板、ｎ側電極、およびｐ側電極の構成は、上述した実施形態に限定されない。本発明に係る半導体発光素子は、図１における図中上方および図中下方のいずれの方向に発光可能な構成であってもよい。活性層から発せられる光は、青色光に限定されず、緑色光などであってもよい。また、色変換層を備えることにより、白色光を発光可能な構成としてもよい。

本発明に係る半導体発光素子の一例を示す断面図である。図１に示す半導体発光素子の要部拡大断面図である。実施例１および比較例１，２の順方向電圧を示すグラフである。図１に示す半導体発光素子の活性層におけるバンドギャップエネルギを示す図である。Ｓｉドープ濃度と順方向電圧の関係を示すグラフである。従来の半導体発光素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ半導体発光素子
１基板
２ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
３活性層
３１井戸層
３２バリア層
３２ａドープ部
３２ｂアンドープ部
４ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）

Claims

ＩｎＧａＮを含む少なくとも１以上の井戸層、およびこの井戸層を挟みかつＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む２以上のバリア層を有する量子井戸構造とされた活性層と、
上記活性層を挟むｎ型半導体層およびｐ型半導体層と、を備える半導体発光素子であって、
上記井戸層の全体と、上記各バリア層のうち上記ｐ型半導体層寄りの部分とには、ＩＶ族またはＶＩ族元素がドープされており、
上記各バリア層のうち上記ｎ型半導体層寄りの部分は、アンドープとされていることを特徴とする、半導体発光素子。
上記ＩＶ族元素は、Ｓｉであり、上記ＶＩ族元素は、Ｏである、請求項１に記載の半導体発光素子。