JP5073819B2 - 化合物半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、化合物半導体発光素子に関するもので、より詳細には、活性層及びクラッド層に引加される歪み（ｓｔｒａｉｎ）を最適化することで、活性層内の圧電場（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）及び自発分極を最小化して発光効率を最大にすることができる化合物半導体発光素子に関するものである。
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光素子またはＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光素子は、青紫色及び青緑の具現が可能で、平板表示装置、光通信など多様な分野に応用されている。
このようなＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光素子またはＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光素子は、活性層、クラッド層を含んだ多層薄膜で構成されている。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光素子の場合、前記活性層とクラッド層の格子定数が相異しているため前記活性層に応力が作用する。そのために、圧電場（ピエゾ電界）及び自発分極が誘発されて発光特性が低下するという短所がある。
圧電場及び自発分極を最小化する方法として、非極性または半極性基板を使用する方法と、クラッド層を４元膜（ｆｏｕｒ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｌａｙｅｒ）で構成してアルミニウム（Ａｌ）の組成比を増加させて電送子（ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ）の拘束効果を高めて発光効率を向上させる方法が提示されている。
前者の方法は、異種結晶の成長方向に対する成長技術が成熟しておらず、素子製作時に多くの欠陥が発生して、素子特性が理論的予想値より落ちるという問題点がある。前者の方法については、Ｐａｒｋ等，Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｂ，１９９９年，第５９巻，４７２５頁；Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ等，Ｎａｔｕｒｅ，２０００年，第４０６巻，８６５頁；Ｐａｒｋ ＆ Ａｈｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００７年，第９０巻，０１３５０５頁などに記載されている。
一方、後者の方法は、圧電場及び自発分極を根本的に除去することができないだけでなく、クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）組成比を向上させるのが現実的に難しいという問題点がある。後者の方法については、Ｚｈａｎｇ等，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０００年，第７７巻，２６６８頁；Ｌａｉ等，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｌｅｔｔ．２００１年，第１３巻，５５９頁などに記載されている。
ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を使用した発光素子における圧電場及び自発分極現象は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子における圧電場及び自発分極現象より小さいとはいえ、圧電場及び自発分極現象を減少させる必要がある。
本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたもので、活性層及びクラッド層に引加される歪みを最適化することで、活性層内の圧電場及び自発分極を最小化して発光効率を最大にすることができる化合物半導体発光素子を提供することにその目的がある。
本発明による化合物半導体発光素子の核心的特徴は、バッファ層、第１クラッド層、活性層及び第２クラッド層が順次に積層された構造において、前記バッファ層と第１クラッド層間にストレイン誘導層及びストレイン制御層を具備させことにある。
前記ストレイン誘導層は、前記活性層に引加された圧縮歪みを前記ストレイン制御層に分散、引加する役割をする。
前記ストレイン制御層に一定の圧縮歪みが作用することによって、前記活性層に引加される圧縮歪みは減少してそれと共に、減少した圧縮歪みの量だけ第１及び第２クラッド層に引加される引張歪みが増加する。
これによって、前記第１クラッド層と活性層間の境界面そして前記第２クラッド層と活性層間の境界面それぞれでの圧電場及び自発分極が互いに反対符号を有するようになり、その結果、前記活性層に引加される圧電場及び自発分極が最小化される。
前記ストレイン誘導層及びストレイン制御層は、一回以上交差（ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｎｇ）して積層される。ストレイン性御層を複数個具備する場合、前記ストレイン誘導層が前記ストレイン制御層間に介在することが好ましい。
また、本発明による化合物半導体発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体またはＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を使用することを特徴とする。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用する場合、図１に示したように前記バッファ層、第１クラッド層、活性層及び第２クラッド層はそれぞれ、Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）の一般式で含まれる物質で構成され、前記ストレイン誘導層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）の一般式に含まれる物質で構成され、前記ストレイン制御層は、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜０．３３）の一般式に含まれる物質（すなわち、同質膜（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｌａｙｅｒ））で構成されるか、またはＩｎｙＧａ１−ｙＮ／ＧａＮ（０＜ｙ＜０．３３）の超格子層が複数個積層した構造で構成される。
また、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を使用する場合、図２に示したように前記活性層はＺｎＯから構成され、前記バッファ層、第１及び第２クラッド層は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜０．３３）の一般式に含まれる物質で構成され、前記ストレイン誘導層は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）の一般式で含まれる物質で構成され、前記ストレイン制御層は、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ／ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ（０＜ｙ＜０．３３、０＜ｚ＜０．３３、ｚ＜ｘ，ｙ）の超格子層が複数個積層した構造で構成される。
一方、前記ストレイン制御層は、単一または複数の層で構成することができ、単一または複数の層を構成する単位ストレイン制御層の厚さは、１０〜３０ｎｍが好ましく、ストレイン制御層全体の厚さは、１０〜１００ｎｍが好ましい。ここで、ストレイン制御層を複数の層で構成する場合、２〜１０個の単位ストレイン制御層で構成することが好ましい。また、前記ストレイン制御層が、複数個の超格子層が積層された構造を有する場合、各超格子層の厚さは、１〜２ｎｍが好ましい。
前記ストレイン誘導層は、前述のように前記ストレイン制御層と交差し、ストレイン制御層上に積層される。前記ストレイン制御層を複数の層で構成する場合、前記ストレイン誘導層も複数の層で構成することができる。ここで、ストレイン制御層を複数の層で構成する場合、前記ストレイン制御層が前記バッファ層と第１クラッド層に接するようにして、前記ストレイン誘導層を前記ストレイン制御層間に具備することが好ましい。一方、単一または複数の層を構成する単位ストレイン誘導層の厚さは、１０〜３０ｎｍが好ましい。
本発明による化合物半導体発光素子は、次のような効果がある。
バッファ層と第１クラッド層間にストレイン制御層を具備することによって、活性層に引加される圧縮歪みは減少し、第１及び第２クラッド層に引加される引張歪みは増加し、その結果、活性層での圧電場及び自発分極を最小化することができる。また、これを通じて発光素子の自発発光特性を向上させることが可能になる。
また、ストレイン制御層は、発光素子を構成する各薄膜層の誘電率差によって、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の役割を遂行することができ、活性層で生成された光を全反射させて発光素子の光効率向上にも寄与することができる。
本発明に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子の構成図である。 本発明に係るＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を使用した発光素子の構成図である。 ストレイン制御層（ＳＣＬ）がない発光素子を示した図である。 ストレイン制御層が１つの発光素子を示した図である。 ストレイン制御層が２つの発光素子を示した図である。 図３〜図５に示された発光素子のストレイン制御層の個数による自発発光特性を示した図である。 ストレイン制御層がない発光素子を示した図である。 単位ストレイン制御層の厚さが１２．５ｎｍの発光素子を示した図である。 単位ストレイン制御層の厚さが２０ｎｍの発光素子を示した図である。 単位ストレイン制御層の厚さが２５ｎｍの発光素子を示した図である。 ストレイン制御層のインジウム（Ｉｎ）含量による自発発光特性を示した図である。 ストレイン制御層がない発光素子を示した図である。 ストレイン制御層を超格子層で構成した発光素子を示した図である。 ストレイン制御層を同質膜で構成した発光素子を示した図である。
本発明は、ストレイン誘導層及びストレイン制御層を発光素子内に具備させることで、発光素子の第１、第２クラッド層と活性層に引加される歪みを最適化させて、結果的に活性層での圧電場及び自発分極を最小化することに特徴があることが分かる。複数の層が積層された構造において各層に引加される歪みと当該歪みによって該当する層に発生する圧電場及び自発分極は、下記の数学的方法によって解釈される。
まず、ｉ個の薄膜層で構成される構造において、各層に引加される歪み及び応力を数学的に詳しくみると次のようになる。参考に、各層に引加される歪み及び応力に対する数学的解釈方法は、Ｎａｋａｊｉｍａが提示した方法（Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９９２年，第７２巻，５２１３頁）に基づく。
ｉ番目の層に引加される応力（ｓｔｒｅｓｓ）をＦｉ、ｉ番目の層のモーメントをＭｉ、ｉ番目の層の厚さをｄｉ、ｉ番目の層の格子定数をａｉ、ｉ番目の層のヤング率をＥｉ、前記ｉ個の薄膜層で構成される構造の曲率をＲと定義すると、ｉ番目の層に引加される応力は、下記の数１になる。
Figure 0005073819
一方、ｉ番目の層と（ｉ＋１）番目の層が、平衡状態を維持するための条件は、次の数２で表わされる。
Figure 0005073819
（ここで、ｌｉは熱膨脹を考慮したｉ番目の層の有効格子定数、Ｔは格子の温度、ｅｉはｉ番目の層に引加される歪みを表している。）
前記数１及び数２を組み合わせて、ｉ番目の層に引加される応力及び歪みを求めると次の数３になる。
Figure 0005073819
（ここで、εｘｘｉはｉ番目の層に引加される有効歪みを表している。）
一方、ｉ個の薄膜層で構成される構造の曲率（Ｒ）は、次の数４で与えられる。
Figure 0005073819
以上の数式において、前記数１に示したように複数の薄膜層で構成される構造に作用する応力の合計は０であり、数２〜数４を使用すると、各薄膜層に歪みが適切に分配されることが分かる。このような原理を本発明に適用すると、特定薄膜層（ストレイン制御層）に圧縮歪みが作用するように誘導する場合、その他の薄膜層（活性層）に作用する圧縮歪みを、相対的に減少させることができる。
一方、前記数１〜数４によって算出された歪みを使用して、各層に引加される圧電場及び自発分極を計算することができる。歪みを使用した圧電場及び自発分極の解釈は、ベルナルジニ（Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ）が提示した方法（Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．１９９９年，第（ｂ）２１６巻，３９２頁）に基づいて、次の数５のように計算される。
Figure 0005073819
（ここで、Ｅｉはｉ番目の層に引加される圧電場及び自発分極による有効電界を表している。）
以下では、本発明の一実施例に係る化合物半導体発光素子を図を参照して説明することにする。
〔ストレイン制御層の個数による歪み及び自発分極特性〕
図３〜図５は、各々、ストレイン制御層（ＳＣＬ）がない発光素子、ストレイン制御層が１つの発光素子、ストレイン制御層が２つの発光素子を示したものである。表１は、図３〜図５に示された発光素子のストレイン制御層の個数による歪み及び自発分極特性を示したものである。図６は、図３〜図５に示された発光素子のストレイン制御層の個数による自発発光特性を示したものである。
Figure 0005073819
図３〜図５に示された発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子である。具体的に、第１、第２クラッド層及びバッファ層はＧａＮからなり、活性層はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝２）からなり、ストレイン誘導層はＧａＮからなり、ストレイン制御層はＩｎｙＧａ１−ｙＮ／ＧａＮ（ｙ＝０．２）からなる超格子層を、複数個積層した構造を有している。また、第１及び第２クラッド層の厚さはそれぞれ１５ｎｍ、活性層の厚さは２．５ｎｍ、バッファ層の厚さは１００ｎｍ、単位ストレイン制御層の厚さは２５ｎｍ、ストレイン誘導層の厚さは１５ｎｍである。
このように構成された発光素子の歪み及び自発分極特性を詳しくみると、下記の表１に示したように、ストレイン制御層の個数が増加するほど、活性層に引加される歪みすなわち、圧縮歪みは減少して、第１及び第２クラッド層に引加される歪みすなわち、引張歪みは増加することが分かる。また、ストレイン制御層の個数が増加するほど、活性層内の自発分極は減少して、第１及び第２クラッド層の自発分極は増加して、第１クラッド層と活性層間の境界面そして第２クラッド層と活性層間の境界面それぞれでの自発分極が減少することが分かる。一方、ストレイン制御層の個数が増加すると、動作電圧が高くなって電子の拡散距離が長くなる短所があり、ストレイン制御層の個数に対する限定が要求される。
一方、図６に示したように、ストレイン制御層の個数が増加するほど、自発発光特性が向上することが分かる。これは、ストレイン制御層によって、活性層及び第１及び第２クラッド層に引加される歪みが変化して、それによって圧電場及び自発分極の有効電界が相殺され、それによって光特性改善の幅が広くなる。
〔ストレイン制御層の厚さによる歪み及び自発分極特性〕
図７〜図１０は、各々、ストレイン制御層がない発光素子、単位ストレイン制御層の厚さが１２．５ｎｍの発光素子、単位ストレイン制御層の厚さが２０ｎｍの発光素子、単位ストレイン制御層の厚さが２５ｎｍの発光素子を示したものである。表２は、図７〜図１０に示された発光素子のストレイン制御層の厚さによる歪み及び自発分極特性を示したものである。図１１は、ストレイン制御層のインジウム（Ｉｎ）含量による自発発光特性を示したものである。前記図７〜図１０において単位ストレイン制御層の数は、２である。
Figure 0005073819
図７〜図１０に示された発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子である。具体的に、第１、第２クラッド層及びバッファ層はＧａＮ、活性層はＩｎＧａＮ、ストレイン誘導層はＧａＮ、ストレイン制御層はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．１）で構成した。また、前記第２クラッド層と活性層間には、１０ｎｍ厚さの電子遮断層すなわち、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（ｘ＝０．０５）を具備している。第１及び第２クラッド層の厚さはそれぞれ１５ｎｍ、活性層の厚さは２．５ｎｍ、バッファ層の厚さは１００ｎｍ、ストレイン誘導層の厚さは１５ｎｍである。ここで、前記電子遮断層は、余剰電子が第２クラッド層に流入することを防止し、ｐ−型電送子（ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ）が活性層に注入される効率を向上させる役割をする。
このように構成された発光素子の歪み及び自発分極特性を詳しくみると、下記の表２に示したように、ストレイン制御層の厚さが増加するほど、活性層に引加される圧縮歪みは減少して、第１及び第２クラッド層に引加される引張歪みは増加することが分かる。また、ストレイン制御層の厚さが増加するほど、活性層内の自発分極は減少して、第１及び第２クラッド層の自発分極は増加して、第１クラッド層と活性層間の境界面そして第２クラッド層と活性層間の境界面それぞれでの自発分極が減少することが分かる。
一方、図１１に示したように、２５ｎｍ厚さの単位ストレイン制御層が２つの場合、当該ストレイン制御層のインジウム（Ｉｎ）含量が増加するほど、自発発光特性が向上することが分かる。すなわち、ストレイン制御層のインジウム含量の増加を通じて、活性層に引加される圧電場及び自発分極の有効電界を相殺させて光特性を向上させることが可能になる。参考に、表１〜表３そして図６及び図１１の光特性分析は、アン（Ａｈｎ）が提示したモデル（Ａｈｎ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９９８年，第３４巻，３４４頁 ＆ Ａｈｎ等，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００５年，第４１巻，１２５３頁）を使用した。
〔ストレイン制御層の薄膜構成による圧電場及び自発分極特性〕
図１２〜図１４は、各々ストレイン制御層がない発光素子、ストレイン制御層を超格子層で構成した発光素子、ストレイン制御層を同質膜で構成した発光素子を示したものである。表３は、図７の発光素子のストレイン制御層の構造による歪み及び自発分極特性を示したものである。前記図１３及び図１４において単位ストレイン制御層の数は、２である。
Figure 0005073819
図１２〜図１４に示された発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子である。具体的に、第１、第２クラッド層及びバッファ層はＧａＮ、活性層はＩｎＧａＮ、ストレイン誘導層はＧａＮ、ストレイン制御層はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．１）で構成されている。また、前記第２クラッド層と活性層間には、１０ｎｍ厚さの電子遮断層すなわち、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（ｘ＝０．０５）を具備している。第１及び第２クラッド層の厚さはそれぞれ１５ｎｍ、活性層の厚さは２．５ｎｍ、バッファ層の厚さは１００ｎｍ、ストレイン誘導層の厚さは１５ｎｍである。
このように構成された発光素子の歪み及び自発分極特性を詳しくみると、上記の表３に示したように、ストレイン制御層の構造に無関系に類似の特性を示すことが分かる。すなわち、ストレイン制御層が超格子層で構成される場合とストレイン制御層が同質（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ）層で構成される場合は両方、活性層に引加される圧縮歪みは減少し、第１及び第２クラッド層に引加される引張歪みは増加することが分かる。また、ストレイン制御層の厚さが増加するほど、活性層内の自発分極は減少し、第１及び第２クラッド層の自発分極は増加して、第１クラッド層と活性層間の境界面そして第２クラッド層と活性層間の境界面それぞれでの自発分極が減少することが分かる。
バッファ層と第１クラッド層間にストレイン制御層を具備することによって、活性層に引加される圧縮歪みは減少し、第１及び第２クラッド層に引加される引張歪みは増加して、結果的に活性層での圧電場及び自発分極を最小化することができる。また、これを通じて発光素子の自発発光特性を向上させることが可能になる。
また、ストレイン制御層は、発光素子を構成する各薄膜層の誘電率差によって、ＤＢＲの役割を遂行することができ、活性層で生成された光を全反射させて発光素子の光効率向上にも寄与することができる。

Claims (9)

  1. バッファ層、第１クラッド層、活性層及び第２クラッド層が順次積層された構造を有し、
    前記バッファ層と前記第１クラッド層との間に積層されたストレイン制御層と、
    該ストレイン制御層と１回以上交差して積層され、前記バッファ層と前記第１クラッド層間に積層され、前記活性層に引加された圧縮歪みを前記ストレイン制御層に分散させて前記活性層に引加された圧縮歪みを減少させる少なくとも１つのストレイン誘導層とを含み、
    ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を使用した発光素子であり、
    前記バッファ層、前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層が各々、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦ｌ、０＜ｙ＜１）の一般式に含まれる物質で構成され、
    前記ストレイン制御層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３３）の一般式に含まれる物質で構成されるか、またはＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（０＜ｙ＜０．３３）の超格子層が複数個積層された構造で構成され、
    前記ストレイン制御層が、２〜１０個の単位ストレイン制御層で構成され、
    前記ストレイン誘導層が、アルミニウムを含まないＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなるとともに、前記ストレイン誘導層と前記単位ストレイン制御層とが交互に配置されることにより２つの隣接する前記単位ストレイン制御層によって挟まれるとともに覆われており、 前記第１クラッド層が、前記活性層に覆われているとともに、アルミニウムを含まないＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなり、
    前記単位ストレイン制御層の各々の厚さが、１０ｎｍを超え３０ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体発光素子。
  2. 前記少なくとも１つのストレイン誘導層の厚さが、１０ｎｍを超え３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光素子。
  3. 前記２〜１０個のストレイン制御層の各々が、Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｎ／ＧａＮ（０＜ｘ＜０．３３）の超格子層からなる請求項１または請求項２に記載の化合物半導体発光素子。
  4. 前記Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｎ／ＧａＮ（０＜ｘ＜０．３３）の超格子層の各層の厚さが、１〜２ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体発光素子。
  5. 前記２〜１０個の単位ストレイン制御層のうち最上位置に位置する単位ストレイン制御層が、前記第１クラッド層と接していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
  6. 前記２〜１０個の単位ストレイン制御層の全厚さが、２０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
  7. 前記少なくとも１つのストレイン誘導層が、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
  8. 前記活性層と前記第２クラッド層間に電子遮断層をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
  9. 前記電子遮断層が、ＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体発光素子。
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