JP5044692B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの窒化物半導体発光素子に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体は広いバンドギャップを有する半導体である。そのため、その特徴を活かし、それらの半導体を用いた高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色〜青色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などが開発されている。

青色ＬＥＤの高効率化を図るためには、ＧａＮ系半導体の結晶性を高めることが重要である。また、青色ＬＥＤの高光出力を実現するためには注入電流を増やせばよいが、量子効率の注入電流依存性を調べると、低電流領域では効率が高いものの、高電流領域では効率が低下してしまうことが知られている。このことから、高光出力かつ高効率なＬＥＤを実現することが困難であった。

ＧａＮ系半導体の結晶性を高めるために、ＩｎＧａＮ量子井戸層におけるＩｎ組成を傾斜させる方法があるが（例えば、特許文献１参照）、この方法を用いても、高光出力かつ高効率なＬＥＤを実現することが困難であった。

特開平１１−２６８１２号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされ、量子効率の注入電流依存性による効率低下を防止し、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明の第２の態様は、基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｙ１−ｘ１}Ａｌ_ｘ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｙ２−ｘ２}Ａｌ_ｘ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎ_ｙ３Ｇａ_{１−ｙ３−ｘ３}Ａｌ_ｘ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、ｙ１＝ｙ３、０＜ｘ１,ｘ２,ｘ３＜１の関係を満たす窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によると、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子が提供される。

図１は、実施例１及び２に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 図２は、実施例１及び２に係る半導体発光素子における活性層のバンドギャップを示す模式図である。 図３は、実施例１及び２に係る青色ＬＥＤと、本発明の範囲外のバリア層を備えた青色ＬＥＤについての、量子効率と注入電流の関係を示すグラフである。 図４は、実施例１及び２に係る青色ＬＥＤにおけるバリア層Ａの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図５は、２層構造のバリア層Ｂの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図６は、本発明とはバンドギャップの広狭が逆の３層構造のバリア層Ｃの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図７は、単層構造のバリア層Ｄの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、量子井戸構造の活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の一対のクラッド層により挟んだ、ダブルヘテロ構造を有する。この場合、量子井戸構造の活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層により挟んだ構造を有し、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、第１のサブバリア層、第２のサブバリア層、及び第３のサブバリア層を含む多層構造を有する。

量子井戸層は、例えばＩｎＧａＮにより形成され、一対のバリア層は、量子井戸層とは組成の異なるＩｎＧａＮの三元系窒化物、又はＩｎＧａＡｌＮの四元系窒化物により形成される。なお、ｎ型クラッド層は、ｎ型ＧａＮにより形成し、ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮにより形成することが出来る。

バリア層が三元系窒化物から形成される場合、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層と、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層と、Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層とを含み、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす。

バリア層が四元系窒化物により形成される場合、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｙ１−ｘ１}Ａｌ_ｘ１Ｎから構成される第１のサブバリア層と、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｙ２−ｘ２}Ａｌ_ｘ２Ｎから構成される第２のサブバリア層と、Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{１−ｙ３−ｘ３}Ａｌ_ｘ３Ｎから構成される第３のサブバリア層とを含み、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、ｙ１＝ｙ３、０＜ｘ１,ｘ２,ｘ３＜１の関係を満たす。

以上のような組成の層構成を有するバリア層を用いることにより、活性層に加わる内部電界を低減することが出来、その結果、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子を得ることが出来る。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、バリア層の膜厚をｂｎｍとした場合、第１及び第３のサブバリア層の膜厚を０．２５ｎｍ以上、（ｂ／２）ｎｍ未満とすることが出来る。バリア層をこのような膜厚の層構成とすることにより、高注入電流密度でも量子効率が優れるという効果が得られる。第１及び第３のサブバリア層の膜厚が０．２５ｎｍ未満ではサブバリア層と量子井戸の界面で欠陥が発生し、量子効率が低下してしまい、（ｂ／２）ｎｍを超えると活性層全体に歪がかかりすぎて逆に量子効率低下の事態となり得る。

また、第１及び第３のサブバリア層の膜厚は、第２のサブバリア層の膜厚よりも小さくすることが出来る。このようにすることにより、高注入電流密度でも量子効率がさらに優れるという効果が得られる。第１及び第３のサブバリア層の膜厚を第２のサブバリア層の膜厚と同一か又はそれ以上とした場合には、量子効率低下となり得る。

また、バリア層には、ｎ型不純物をドープすることが出来る。それによって、量子効率が全体的に向上するという効果が得られる。ドープ量は、１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度がよい。

なお、量子井戸層は、発光効率向上のため、アンドープであるのが望ましい。

以下、本発明の具体的実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す。図１に示す発光ダイオードは、サファイア基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ＧａＮガイド層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５、ｐ型ＧａＡｌＮ層（電子オーバーフロー防止層６）、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層７、及びｐ型ＧａＮコンタクト層８を順次積層した構造を有する。また、ｎ型ＧａＮ層２上にn電極１２が、ｐ型ＧａＮコンタクト層８上にｐ電極１１がそれぞれ形成されている。即ち、活性層４が、ｎ型クラッド層として機能するｎ型ＧａＮガイド層３と、ｐ型クラッド層として機能するｐ型ＧａＮ第１ガイド層５により挟まれたダブルヘテロ構造を有する。

図１に示す発光ダイオードは、以下のようにして製造される。

まず、サファイア基板１上に、約２０ｎｍの膜厚のＧａ_１−ａＡｌ_ａＮ（０≦ａ≦１）からなるバッファ層１ａを形成した後、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層２を約５０００ｎｍの厚さに結晶成長する。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。ＭＯＣＶＤ以外に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により結晶成長を行っても良い。以下の各層の成膜も同様である。

ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＳｉを用いるものとする。Ｓｉのドーピング量は、２×１０^１８ｃｍ^−３程度にすれば良い。

基板１としてサファイアを用いたが、これに限定されることなく、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡs、など様々なものを用いることができる。

次に、ｎ型ＧａＮ層２の上に、ｎ型不純物、例えばＳｉが１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚約０．１μｍのＧａＮからなるｎ型ガイド層３を結晶成長する。ｎ型ＧａＮ層２及びｎ型ガイド層３を成長させる際の成長温度は、いずれも１０００〜１１００℃である。また、ｎ型ガイド層としては、ＧａＮ層ではなく、膜厚０．１μｍ程度のＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層を用いても良い。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層を形成する場合の成長温度は、７００〜８００℃とすることが出来る。

次に、ｎ型ガイド層３の上に、膜厚２．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる量子井戸層４ａと、膜厚１２．５ｎｍ程度のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮからなるバリア層４ｂを交互に積層し、量子井戸層をはさんでその両側にバリア層４ｂ（４ｂ_１,４ｂ_２,４ｂ_３）を配置した、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層４を形成する。この場合の成長温度は７００〜８００℃である。なお、室温におけるフォトルミネッセンスの波長をここでは４５０ｎｍに設計した。

バリア層４ｂは、たとえば、図２に示すように、膜厚２ｎｍからなる、左側の量子井戸層４ａに接しており、Ｉｎ組成が０．０２である第１のサブバリア層４ｂ_１（Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層）と、膜厚８．５ｎｍからなる、量子井戸層４ａに接しておらず、Ｉｎ組成が０．０５である第２のサブバリア層４ｂ_２（Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層）と、膜厚２ｎｍからなる、右側の量子井戸層４ａに接しており、Ｉｎ組成が０．０２である第３のサブバリア層４ｂ_３（Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層）のような積層構造とすればよい。第１〜第３のサブバリア層４ｂ_１、４ｂ_２、４ｂ_３には、ｎ型不純物であるＳｉを１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープしても良いし、アンドープでも良い。一方、量子井戸層４ａは、発光効率向上のため、アンドープであるのが望ましい。

次に、活性層４の上に、ＧａＮからなるｐ型第１ガイド層５を成長させる。ｐ型第１ガイド層５の膜厚は３０ｎｍ程度であれば良い。ＧａＮを成長する温度は、１０００〜１１００℃である。ｐ型不純物としては、ＭｇやＺｎなど種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＭｇを用いるものとする。Ｍｇのドーピング量としては、４×１０^１８ｃｍ^−３程度であれば良い。また、ｐ型第１ガイド層として、膜厚３０ｎｍ程度のＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層を用いても良い。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを形成する場合の成長温度は７００〜８００℃である。

次に、ｐ型第１ガイド層５の上に、ｐ型不純物としてＭｇがドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎを電子オーバーフロー防止層６として成長させる。Ｍｇのドーピング量としては４×１０^１８ｃｍ^−３程度であれば良い。Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎの成長温度は１０００〜１１００℃である。

次に、電子オーバーフロー防止層６の上に、Ｍｇが１×１０^１９ｃｍ^−３程度ドープされたｐ型ＧａＮ第２ガイド層７を成長する。第２ガイド層７の膜厚は、５０ｎｍ程度あれば良い。ＧａＮを成長する温度は１０００〜１１００℃である。

最後に、Ｍｇが１×１０^２０ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚６０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層８を成長する。

以上のように結晶成長を行い、多層膜を成膜した構造に対して、以下のデバイスプロセスを行うことにより、最終的に発光ダイオードが作製される。

即ち、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の上に、例えばパラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｐ型電極１１を形成する。例えば、Ｐｄは膜厚０．０５μｍ、Ｐｔは膜厚０．０５μｍ、Ａｕは膜厚０．０５μｍである。また、ｐ型電極１１には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明電極や、銀（Ａｇ）からなる反射電極を用いてもよい。

ｐ型電極１１の形成後、得られた構造に選択的にドライエッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させ、その上にｎ型電極１２を形成する。ｎ型電極１２は、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなる。この複合膜は、例えば、膜厚０．０５μｍ程度のＴｉ膜、膜厚０．０５μｍ程度のＰｔ膜、および膜厚１．０μｍ程度のＡｕ膜とすることが出来る。

以上のように作製した、本実施例に係る青色ＬＥＤと、他の３種のＬＥＤ（バリア層の層構成又はＩｎ組成が本発明の要件を満たさないもの）について、電流と量子効率との関係を求める試験を行った。その結果を図３に示す。

図３において、曲線Ａは、上述した図２に示すような第１〜第３のサブバリア層からなるバリア層Ａを備えた本実施例に係る青色ＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｂは、膜厚２ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層と膜厚１０．５ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層の２層構造のバリア層Ｂを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｃは、膜厚２ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層、膜厚８．５ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層、及び膜厚２ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層の３層構造であるバリア層Ｃを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｄは、膜厚１２．５ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層の単一層であるバリア層Ｄを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。

バリア層Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの伝導帯のエネルギー準位を、それぞれ図４、５、６、及び７に示す。

図３から、次のことが明らかである。即ち、曲線Ａに示すように、実施例１に係るＬＥＤでは、５０ｍＡ以上の高電流領域においても、量子効率はそれほど低下していない。これは、バリア層４ｂとして、Ｉｎ量の少ないサブバリア層（第１のサブバリア層４ｂ_２）、Ｉｎ量の多いサブバリア層（第２のサブバリア層４ｂ_１）、及びＩｎ量の少ないサブバリア層（第３のサブバリア層４ｂ_３）の３層構造を用い、量子井戸層４ａと第２のサブバリア層４ｂ_１）との間にＩｎ量の少ないサブバリア層（第１のサブバリア層４ｂ_１）を介在させたことにより、ピエゾ分極が小さくなり、活性層にかかる内部電界を低減できたためと考えられる。

これに対し、Ｉｎ量の少ないサブバリア層とＩｎ量の多いサブバリア層の２層構造であるバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｂに示すように、曲線Ａと同様、５０ｍＡ以上の高電流領域においても量子効率はそれほど低下していないが、量子効率は本実施例に係るＬＥＤよりは低い。

また、本発明とは逆に、Ｉｎ量の多いサブバリア層、Ｉｎ量の少ないサブバリア層、及びＩｎ量の多いサブバリア層の順に積層した３層構造のバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｃに示すように、５０ｍＡ以上の高電流領域では、量子効率は大きく低下していることがわかる。また、単層構造のバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｄに示すように、曲線Ｃと同様の傾向であるが、量子効率はそれよりも低い。

実施例１では、バリア層４ｂとして、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる第１のサブバリア層４ｂ_１と、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる第２のサブバリア層４ｂ_２と、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる第３のサブバリア層４ｂ_３（層）の３層構造を用いた。これらの各サブバリア層はいずれも、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）の三元系を用いた。

これに対し、実施例２では、バリア層４ｂとして、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９７Ａｌ_０．０１Ｎからなる第１のサブバリア層４ｂ_１と、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９４Ａｌ_０．０１Ｎからなる第２のサブバリア層４ｂ_２と、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９７Ａｌ_０．０１Ｎからなる第３のサブバリア層４ｂ_３（層）の３層構造を用いた。即ち、各サブバリア層はいずれも、Ｉｎ_ｙＧａ_{１−ｙ−ｘ}Ａｌ_ｘＮ（０＜ｘ,ｙ＜１）の四元系材料からなる。

このように、四元系のＩｎ_ｙＧａ_{１−ｙ−ｘ}Ａｌ_ｘＮからなる上記層構成のバリア層４ｂを用いたことを除いて、実施例１と同様にして、青色ＬＥＤを製造した。この青色ＬＥＤについて、電流と量子効率との関係を求める試験を行った。その結果、この青色ＬＥＤは、実施例１に係る青色ＬＥＤと同様に、図３の曲線Ａに示すような優れた性能を示した。

なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態及び実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。また、上記実施形態及び実施例の中で説明した組成や膜厚なども一例であり、種々の選択が可能である。

産業上の利用分野

本発明の窒化物半導体発光素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子に、好適に用いることが出来る。

Claims (2)

1. ｐ型及びｎ型の一対のＧａＮ層と、これらＧａＮ層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、
   前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、
   前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層のみからなる３層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たし、前記バリア層の膜厚をｂｎｍとした場合、前記第１及び第３のサブバリア層の膜厚はそれぞれ０．２５ｎｍ以上、（ｂ／２）ｎｍ未満であり、かつそれぞれ第２のサブバリア層の膜厚よりも小さい窒化物系半導体発光ダイオード。
2. 前記バリア層には、ｎ型不純物がドープされている請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。

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