JP4899632B2 - 窒化物半導体発光ダイオード - Google Patents
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本発明の第1の態様は、InGaN量子井戸を含み発光ピーク波長が440nm以上である発光層を備えた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、基板上に少なくとも、n型GaN層と、上記n型GaN層上に形成される、シリコン単原子層の0.01〜3倍の量のシリコン原子を含むシリコン層あるいは窒化シリコン層からなる歪緩和層と、上記歪緩和層上に形成される、厚さが50nm以上、In組成が0.05以上であり、且つ、そのバンドギャップエネルギーが上記発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きいInGaNバッファ層とを備え、上記発光層は、上記InGaNバッファ層上に擬似格子整合するように形成されることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオードである。
窒化物半導体発光ダイオードの製作手順を説明する。実施例1では、図1に示すように、2インチ径のC面サファイア基板1上にMOVPE法により青色(ピーク波長460nm)あるいは緑色(ピーク波長525nm)で発光するLED構造を形成した。
これは、歪緩和層11及びInbGa1−bNバッファ層12が設けられたため、発光層5における歪が減少して、ピエゾ電界が減少したことによる動作電圧の低下と、それに伴った発熱の減少により、出力が増加し、更には劣化が遅くなったものと考えられる。
実施例1において、InbGa1−bNバッファ層12およびInbGa1−bNバリア層のIn組成bを0.05とし、n型GaN層4とInbGa1−bNバッファ層(b=0.05)12との間の歪緩和層11形成時におけるSiH4ガスの供給量を変えて発光ダイオードを製作した。その結果を図4に示す。
これに対して、SiH4ガスの供給量が、0.01〜3原子層のシリコンで成長表面を被覆する量の場合には、比較例の発光ダイオードと比べて電圧の大幅な低下(≦2.9V)、出力の向上、寿命の増大が見られた。
また、SiH4ガスの供給量が、3原子層のシリコンで成長表面を被覆する量よりも多い場合には、逆に電圧の上昇、出力の低下、寿命の減少が見られた。
これに対して、歪緩和層11形成時のSiH4ガスの供給量が、0.01〜3原子層のシリコンで成長表面を被覆する量の場合には、InbGa1−bNバッファ層12のGaN層に対する緩和度(=(InGaNバッファ層のa軸長の測定値−GaN層に格子整合するInGaNバッファ層のa軸長)/(InGaNバッファ層が完全に緩和した場合のa軸長−GaN層に格子整合するInGaNバッファ層のa軸長))が80%以上となり、ほぼ完全に歪の無い状態で成長していた。その上の発光層については、InbGa1−bNバッファ層12に擬似格子整合するように成長しており、このためn型GaN層4に擬似格子整合した比較例の発光ダイオードと比べて、格段に歪の量が少なく、ピエゾ電界が大幅に低減され、駆動電圧が低減される。また、駆動電圧が低減された結果、発熱が抑えられ、発光出力が向上し、寿命も伸ものびたのである。
歪緩和層11形成時のSiH4ガスの供給量が3原子層のシリコンで成長表面を被覆する量よりも多い場合には、電圧が大幅に増大している。また、これに伴い発光出力が低下し、寿命が減少している。この原因は、現在のところ明らかではないが、供給したシリコンの量が多いため、歪緩和層11が絶縁体である窒化シリコンとしての物性を発現しはじめた結果、駆動電圧が上昇したものと考えられる。
実施例1と同様な実験を、歪緩和層として600℃以下の温度で成長させたGaN層を用いて行った。この場合、低温成長GaN層である歪緩和層の厚さが5〜100nmの範囲で、かつ、InGaNバッファ層12の厚さが50nm以上の場合に、実施例1と同様な結果が得られた。InGaNバッファ層12の厚さが50nmよりも薄い場合には、その上に成長した量子井戸層の結晶性が劣化し、出力が低下した。
歪緩和層として、上記低温成長GaN層の換わりに、同様に600℃以下の温度で成長させたAlGaN層あるいはバンドギャップエネルギーが発光層5より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きなInGaN層またはInAlGaN層を用いた場合にも、上記と同様な結果が得られた。
実施例1〜3と同様な実験を、基板をSiC、GaN、AlNの単結晶基板に換えてそれぞれ行ったところ、実施例1とほぼ同じ結果が得られた。
実施例1と同様な実験を、低温成長GaNバッファ層2、アンドープGaN層3およびn型GaN層4を、AlxGa1−xN(0<x<0.5)層に換えて行ったところ、実施例1とほぼ同じ結果を得た。
実施例1と同様な実験を、低温成長GaNバッファ層2、アンドープGaN層3およびn型GaN層4を、InAlGaN層に換えて行った。ここでInAlGaN層は、発光層からの発光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ組成とした。この場合にも、実施例1とほぼ同じ結果を得た。
実施例1のInbGa1−bNバッファ層12およびInbGa1−bNバリア層のIn組成bを0.1とすると共に、最上層のp型GaN層7をp型IndGa1−dNに換えた発光ダイオードを製作した。
その結果、0≦d<0.05の範囲では実施例1とほぼ同じ結果が得られたが、In組成dが0.05≦d<aの範囲の場合には、20A/cm2通電時の駆動電圧が平均して0.02V低減され、発光出力が約8%向上し、更に寿命も約10%延びた。InGaN層ではGaN層よりも高い正孔濃度が得られることが知られているが、本実施例においてもp型層の電極を形成する面をp型InGaN層とした結果、p型GaN層を用いた場合よりも正孔濃度が増加し、その結果電極との接触抵抗が低減できた結果である。
上述のように、本実施例の構造においてはInGaN層におけるピエゾ電界が弱められるため、p型InGaN層における高い正孔濃度の効果を有効に利用できたのである。
2 低温成長GaNバッファ層
3 アンドープGaN層
4 n型GaN層
5 発光層
6 p型Al0.1Ga0.9N層
7 p型GaN層
8 透明導電膜
9 n電極
10 p電極
11 歪緩和層
12 InbGa1−bNバッファ層
Claims (6)
- InGaN量子井戸を含み発光ピーク波長が440nm以上である発光層を備えた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、
基板上に少なくとも、n型GaN層と、
上記n型GaN層上に形成される、シリコン単原子層の0.01〜3倍の量のシリコン原子を含むシリコン層あるいは窒化シリコン層からなる歪緩和層と、
上記歪緩和層上に形成される、厚さが50nm以上、In組成が0.05以上であり、且つ、そのバンドギャップエネルギーが上記発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きいInGaNバッファ層とを備え、
上記発光層は、上記InGaNバッファ層上に擬似格子整合するように形成されることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。 - InGaN量子井戸を含み発光ピーク波長が440nm以上である発光層を備えた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、
基板上に少なくとも、n型GaN層と、
上記n型GaN層上に格子整合又は擬似格子整合せずに形成される、600℃以下の温度で成長されたバンドギャップエネルギーが上記発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きなGaN層、InGaN層、AlGaN層、InAlGaN層のいずれかであり、その厚さが5〜100nmである歪緩和層と、
上記歪緩和層上に形成される、厚さが50nm以上、In組成が0.05以上であり、且つ、そのバンドギャップエネルギーが上記発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きいInGaNバッファ層とを備え、
上記発光層は、上記InGaNバッファ層上に擬似格子整合するように形成されることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。 - 上記InGaNバッファ層の上記n型GaN層に対する緩和度が80%以上であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 上記発光層が、単層あるいは多層のInGaN量子井戸層と、In組成が0.05以上でありかつバンドギャップエネルギーが発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きなInGaNバリア層とからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 上記発光層上にp型層を備え、上記p型層の少なくとも上記発光層に接していない側が、In組成が0.05以上でありかつバンドギャップエネルギーが上記発光層より発生する光のピーク波長に対応するエネルギーよりも大きなInGaN層からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 上記基板が、サファイア、SiC、GaN、AlNのいずれかからなる単結晶基板であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード。
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