JP5346450B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、活性層を備える窒化物半導体発光素子に係り、特にウェル層と障壁層とを備える多重量子ウェル構造の活性層に関する。

窒化物半導体で構成される素子は、その融点が高く、比較的熱に強いという特徴があり、温度依存性が小さいため、青色／緑色発光ダイオード及びレーザダイオードの発光素子及び高速スイッチング、高出力素子である電子素子に応用されている。

一般的に、半導体発光素子は、電流を光に変換する活性層を備える。青色以上の波長を有する窒化物半導体発光素子の活性層を構成する主要物質はＩｎＧａＮであり、インジウムの組成比の調節により活性層のバンドギャップエネルギーが制御され、これにより発光波長帯域を調節できることが知られている。

半導体発光素子の活性層は、ウェル層と障壁層との一対で構成されて、単一量子ウェル構造または多重量子ウェル構造を有する。

前記多重量子ウェル構造は、複数のミニバンドからなるものであって、少ない電流でも効率的に発光を起こし、単一量子ウェル構造に比べて高い発光出力特性を有する。

ＩｎＧａＮを基盤とする活性層は、ウェル層と障壁層とをそれぞれＩｎＧａＮ／ＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮの積層構造を有しうる。かかるＩｎＧａＮ活性層の欠点は、インジウム組成比が増加するほど、発光出力が低下する点であり、したがって、活性層の内部量子効率を向上させるための新たな成長技術が要求される。
米国特許出願公開第２００５/００８２５４８号明細書

本発明の目的は、青色以上の波長帯域で高い発光効率を有するようにその構造が改善された窒化物半導体発光素子を提供するところにある。

本発明による窒化物半導体発光素子は、活性層と、活性層の一方の側にｎ型半導体層及びその他方の側にｐ型半導体層を備える積層構造物と、を有し、前記活性層は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１）で形成されたウェル層と、前記ウェル層の両側にＩｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０≦ｘ２＜１）で形成される障壁層と、前記ウェル層と障壁層との間に設けられてインジウム拡散を防止する拡散防止層と、を備える。

ここで、前記ウェル層と前記障壁層とのインジウム組成は、ｘ１＞ｘ２で表される不等式の条件を満足せねばならない。

本発明の一実施形態によれば、前記拡散防止層は、Ｉｎ_ｘ３Ｇａ_{（１−ｘ３）}Ｎ（０≦ｘ３＜０．０１）でなりうる。

本発明の他の実施形態によれば、前記ウェル層は、第１面と、その逆の第２面と、を有し、前記拡散防止層は、前記ウェル層の第１面及び第２面のうち少なくともいずれか一つの面に形成され、望ましくは、ウェル層の両面に形成されうる。

本発明によれば、発光素子の活性層内にウェル層とそれに隣接する障壁層との間に拡散防止層を導入して、光転換効率を向上させる。

以下、添付した図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザダイオードの積層構造を示す概略的な断面図である。

図１に示すように、窒化物半導体レーザダイオード１００において、基板２０上にバッファ層２２が形成され、その上にｎ型ＧａＮ層２４、ｎ型電極４６及びｎ型コンタクト層２６が順次に形成される。ｎ型コンタクト層２６は、ｎ型電極４６が形成される部分とｎ型クラッド層２８が形成される部分とを有する。ｎ型コンタクト層２６において、ｎ型電極４６が形成される部分はオーバーエッチされて、ｎ型クラッド層２８が形成される部分に比べて低い。

一方、ｎ型クラッド層２８上には、ｎ型光ガイド層３２、活性層５５、キャリア障壁層３４、ｐ型光ガイド層３６、ｐ型クラッド層３８及びｐ型コンタクト層４２が順次に形成され、ｐ型コンタクト層４２上には、ｐ型電極４４が形成される。

前述した構造の本発明による窒化物半導体レーザダイオード１００において、前記キャリア障壁層３４は、前記活性層５５とｐ型光ガイド層３６との間に設けられて活性層５５を保護すると共に、ｐ型光ガイド層３６からｐ型不純物が活性層５５まで拡散することを防止する。

かかる構造の本発明による前記窒化物半導体レーザダイオード１００の概略的な製造過程は、次の通りである。まず、基板２０上にバッファ層２２を低温成長法により成長させた後、高温で前記バッファ層２２上にｎ型ＧａＮ層２４を成長させる。ｎ型ＧａＮ層２４上には、順次にｎ型電極４６とオーミック接触を実現させるためのｎ型コンタクト層２６、キャリアを活性層５５に閉じ込めるためのｎ型クラッド層２８及びｎ型光ガイド層３２が成長される。

ｎ型光ガイド層３２上には、電流注入により発光する多重量子ウェル構造の活性層５５、活性層を保護し、ｐ型不純物が活性層５５まで拡散することを防止するためのキャリア障壁層３４が形成され、その上にｐ型光ガイド層３６、ｐ型クラッド層３８、ｐ型コンタクト層４２を順次に形成する。

前述した構造において、基板２０、バッファ層２２、ｎ型ＧａＮ層２４は、その上の各層が形成された後、発光出力の向上や光の内部吸収の低減などを目的として、エッチングなどを利用して選択的に除去されうる。

図２は、前述した本発明の第１実施形態によるレーザダイオード１００の活性層５５の積層構造を詳細に示す拡大断面図である。

図２に示すように、活性層５５は、ウェル層１６、前記ウェル層１６の上下に形成される障壁層１２、及びそれらウェル層１６と障壁層１２との間に設けられて、障壁層１２からのインジウム拡散を防止するために形成された拡散防止層１４を備える。

すなわち、前記ウェル層１６は、第１面と、その逆の第２面と、を有し、前記拡散防止層１４は、望ましくは、前記ウェル層１６の第１面と第２面とに形成される。前記ウェル層１６は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１）、より好ましくは、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０．１６≦ｘ１≦０．２０）で形成されルことが望ましい。また、障壁層１２はＩｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０≦ｘ２＜１）、より好ましくは、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０．０１≦ｘ２≦０．０４）で形成されることが望ましい。

前記活性層５５は、ウェル層１６、拡散防止層１４、障壁層１２及び拡散防止層１４が所定周期反復形成された多重量子ウェル構造を有する。

発光素子のうち発光ダイオードは、活性層から自然放出による光は直ちに活用するが、レーザダイオードには、自然放出光により刺激放出を誘導して所望の波長帯域の光を放出する。したがって、刺激発光を利用するレーザダイオードでは、活性層の発光効率が素子特性の向上に及ぼす影響が大きい。

前記活性層５５の発光効率を向上させるために、ＩｎＧａＮのインジウム組成とバンドギャップエンジニアリング概念とが適用された多重量子ウェル構造で活性層を構成する。

前記活性層５５にバンドギャップエンジニアリング概念を適用して、ウェル層１６と障壁層１２とをそれぞれＩｎＧａＮとＧａＮとで積層する場合、ＧａＮがＩｎＧａＮと比較して相対的に大きいエネルギーバンドギャップを有するため、ウェル層１６にキャリアを効果的に閉じ込められる。しかし、インジウム組成の高いＩｎＧａＮ層は、８００℃付近あるいはその以下の温度領域で成長するため、ＧａＮ障壁層１２自体の結晶性を確保し難いという短所がある。

また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造が多数周期形成された多重量子ウェル構造において、周期の数が増加するほど、その周期の数に比例して発光効率が向上せず、かえって多重量子ウェル構造のＧａＮ障壁層に発生するピットのような結晶欠陥の数が比例して増加する。結局、発光に寄与する発光層は、結晶欠陥の数により制限される。そして、かかる結晶欠陥であるピットによるｐ型ＧａＮの成長時、マグネシウム（Ｍｇ）ドーパントが発光層のピットの内部に拡散されて最終のＧａＮ障壁層とｐ型ＧａＮ窒化物半導体のｐ−ｎ接合との境界が不明になり、ピットなどに拡散されたＭｇドーパントがウェル層内に拡散される場合、発光効率が低下する結果をもたらし、光効率及び信頼性が低下する。

他の問題点は、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮ障壁層とをレーザダイオードの活性層に利用する場合、障壁層とウェル層との間の結晶構造が異なってウェル層内にストレインを誘発する。ストレインは、活性層内の光転換効率及びレーザゲインを変化させる。また、結晶内の極性が形成されるｃ−プレーンＧａＮ上に積層された活性層の場合、ストレインによりピエゾ電場が形成される。ピエゾ電場は、自然放出された光の波長と刺激放出される光の波長とを異ならせるため、効果的なレーザ発振を困難にする。

かかる問題点により、活性層のウェル層と障壁層とは、インジウム組成比を異なって調節したＩｎＧａＮ物質で形成される。４００ないし６００ｎｍ範囲の波長帯域の光を発光するレーザ素子の活性層において、障壁層のインジウム組成は、１ないし１０％の範囲で調節されうる。例えば、４５０ないし５３０ｎｍの範囲の波長帯域を有する光を発光するためには、ウェル層のインジウム組成が１６ないし２０％の範囲となることが望ましい。前記のようにウェル層のインジウム組成が１６ないし２０％の範囲となる場合、障壁層のインジウム組成は、ウェル層のインジウム組成に比例して１ないし５％の範囲となることが望ましい。

一方、前記のように、ウェル層と障壁層との間に結晶学的組成が異なる場合、界面でストレインが発生し、前記ストレインは、レーザダイオード動作特性に大きい影響を及ぼす。また、ウェル層のインジウム組成が高くなれば、ＩｎＧａＮ層が結晶学的、化学的に不安定になって、その後の工程温度が高いｐ型半導体層の形成過程でウェル層と障壁層との間のインジウムの相互拡散により、二つの薄膜界面上に意図しない新たな物質層が形成されうる。かかる新たな物質層は、光の刺激放出時に吸収層として作用することもあり、ウェル層と障壁層との構造的な不安定を引き起こして光の放出効率を低下させる。

本発明では、拡散防止層１４が前記ウェル層１６と前記障壁層１２との間に導入されて、インジウムが相互拡散することによるウェル層と障壁層との間の界面特性の悪化を防止できる。

望ましい拡散防止層１４は、ウェル層１６が、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０．１６≦ｘ１≦０．２０）で形成され、ウェル層１６の両側に障壁層１２がＩｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０．０１≦ｘ２≦０．０４）で形成されて、いる場合、光の放出効果を向上させるためにＩｎ_ｘ３Ｇａ_{（１−ｘ３）}Ｎ（０≦ｘ３＜０．０１）で形成されるが、望ましくは、ＧａＮで形成される。

前記拡散防止層１４の厚さは、０．２ないし６ｎｍの範囲が望ましい。また、拡散防止層１４のエネルギーバンドギャップは、前記ウェル層１６のエネルギーバンドギャップより大きく、前記障壁層１２のエネルギーバンドギャップより大きいか、または同じであることが望ましい。

図３は、本発明の第２実施形態によるレーザダイオードの活性層５５´の構造を示す断面図である。本実施形態において、レーザダイオードのほとんどの構造は、前記図１のレーザダイオードと同じであり、活性層の構造にのみ差がある。

図３に示すように、本実施形態では、ウェル層１６の両側に形成された二層の障壁層１２のうち一層にのみ拡散防止層１４を形成する。すなわち、前記ウェル層１６は、第１面と、その逆の第２面と、を有し、前記拡散防止層１４は、望ましくは、前記ウェル層１６の第２面にのみ形成される。

したがって、本実施形態によるレーザダイオードの活性層５５´は、障壁層１２、ウェル層１６、拡散防止層１４、障壁層１２、ウェル層１６、拡散防止層１４、障壁層１２の順序に積層される構造を有する。

本実施形態のように、ウェル層１６の第２面にのみ拡散防止層１４を形成しても、本発明が目的とする効果を達成できる。

また、本実施形態によって、ウェル層１６の第２面ではなく第１面にのみ拡散防止層１４を形成しても、本発明が目的とする効果を達成できる。

図４は、発光素子の中間素子状態における本発明の第１実施形態と比較例とによるＰＬ（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光出力を示すグラフである。

本発明の第１実施形態では、図２に示したように、ウェル層１６、拡散防止層１４、障壁層１２、拡散防止層１４を順次に反復形成した多重量子ウェル構造の活性層からなる。ウェル層１６は、インジウム組成が１６％であるＩｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（ｘ１＝０．１６）を２０ないし２５Åの厚さに形成し、前記ウェル層１６上に障壁層１２をインジウム組成が２％であるＩｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（ｘ２＝０．０２）を１５０Åの厚さに形成する。また、前記ウェル層１６と障壁層１２との間に拡散防止層１４としてＧａＮを１５Åの厚さに形成する。

比較例では、ウェル層と障壁層のみを反復形成した多重量子ウェル構造の活性層からなる。ウェル層と障壁層とは、前記第１実施形態と同じ組成と厚さとに形成する。

図４に示すように、ウェル層と障壁層との間に拡散防止層を導入してなった活性層構造が、従来のウェル層と障壁層のみからなる活性層構造の発光出力と比較して、発光出力が約５０％向上したということが分かる。

前記実施形態の説明では、レーザダイオードを中心に本発明が説明されたが、本発明の発光素子は、レーザダイオードに限定されるものではなく、発光ダイオード及びＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）にも具現されうる。

以上、本発明は、前述した具現例についてのみ詳細に説明されたが、本発明の技術的思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明白なものであり、かかる変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

本発明は、発光素子関連の技術分野に適用可能である。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザダイオードの概略的な断面図である。 図１に示したレーザダイオードの活性層の構造を詳細に示す部分拡大断面図である。 本発明の第２実施形態によるレーザダイオードの活性層の構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による発光素子と比較例による発光素子とのＰＬ発光出力を比較して示すグラフである。

符号の説明

１２ 障壁層、
１４ 拡散防止層、
１６ ウェル層、
２０ 基板、
２２ バッファ層、
２４ ｎ型ＧａＮ層、
２６ ｎ型コンタクト層、
２８ ｎ型クラッド層、
３２ ｎ型光ガイド層、
３４ キャリア障壁層、
３６ ｐ型光ガイド層、
３８ ｐ型クラッド層、
４２ ｐ型コンタクト層、
４４ ｐ型電極、
４６ ｎ型電極、
５５ 活性層、
１００ 窒化物半導体レーザダイオード。

Claims (16)

1. 活性層と、
   活性層の一方の側にｎ型半導体層及びその他方の側にｐ型半導体層を備える積層構造物と、を有し、
   前記活性層は、
   Ｉｎ_x1Ｇａ_(1-x1)Ｎ（０＜ｘ１≦１）で形成されたウェル層と、
   前記ウェル層の両側にＩｎ_x2Ｇａ_(1-x2)Ｎ（０≦ｘ２＜１）で形成される障壁層と、
   前記ウェル層と障壁層との間に設けられてインジウム拡散を防止する拡散防止層と、を備え、ｘ１＞ｘ２であり、
   前記拡散防止層は、Ｉｎ_x3Ｇａ_(1-x3)Ｎ（０≦ｘ３＜０．０１）で形成されることを特徴とする発光素子。
2. 前記拡散防止層の厚さは、０．２ないし６ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記活性層は、前記ウェル層、前記拡散防止層及び前記障壁層が複数層反復して形成された多重量子ウェル構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記発光素子は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 前記拡散防止層は、前記ウェル層の両側面のうち一方の側面に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 前記拡散防止層は、前記ウェル層の両側面に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
7. 活性層と、
   活性層の両側のｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備える積層構造物と、を有し、
   前記活性層は、
   Ｉｎ_x1Ｇａ_(1-x1)Ｎ（０．１６≦ｘ１≦０．２０）で形成されたウェル層と、
   前記ウェル層の両側にＩｎ_x2Ｇａ_(1-x2)Ｎ（０．０１≦ｘ２≦０．０４）で形成された障壁層と、
   前記ウェル層と障壁層との間に形成されるものであって、Ｉｎ_x3Ｇａ_(1-x3)Ｎ（０≦ｘ３＜０．０１）で形成される拡散防止層と、を備えることを特徴とするレーザダイオード。
8. 前記拡散防止層は、ＧａＮで形成されることを特徴とする請求項７に記載のレーザダイオード。
9. 前記拡散防止層の厚さは、０．２ないし６ｎｍであることを特徴とする請求項７または８に記載のレーザダイオード。
10. 前記活性層は、前記ウェル層、前記拡散防止層及び前記障壁層が複数層反復して形成された多重量子ウェル構造であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
11. 前記拡散防止層は、前記ウェル層の両側面のうち一側面に形成されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
12. 前記拡散防止層は、前記ウェル層の両側面に形成されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
13. 前記活性層は、４００ないし６００ｎｍの波長帯域の光を発光することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
14. 前記ウェル層のインジウム組成は、１６ないし２０％の範囲であることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
15. 前記障壁層のインジウム組成は、１ないし５％の範囲であることを特徴とする請求項１４に記載のレーザダイオード。
16. 前記拡散防止層のエネルギーバンドギャップは、前記ウェル層のエネルギーバンドギャップより大きく、前記障壁層のエネルギーバンドギャップより大きいかまたは同じであることを特徴とする請求項７〜１５のいずれか一項に記載のレーザダイオード。

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