JP5440525B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、バイアスの方向によって異なる発光波長とすることができる半導体発光素子に関する。

バイアス方向がいずれであっても発光させることができる半導体発光素子として、特許文献１がある。特許文献１の半導体発光素子は、ｎｐｎ接合構造のｐ層中に発光層を設け、各ｐｎ接合をトンネル接合とし、各ｎ層に電極を設けた構造である。また、発光層を発光波長の異なる２層とし、バイアス方向によって発光波長が異なるようにできることが記載がされている。さらに、２つの発光層の間にｎ層を挿入することで、発光波長の分離性がより高まることが記載されている。

特開２００１−３６１４１

しかし、上記の半導体発光素子では、発光波長の分離性が十分でなく、分離性をより向上させることが課題となっていた。

また、通常のIII 族窒化物半導体発光素子では、電流によって発光波長を変化させることができるが、その変化量は１０ｎｍ以下であり、発光波長を大きく変化させることはできなかった。

そこで本発明の目的は、バイアス方向によって発光波長が異なる半導体発光素子において、発光波長の分離性を向上させることである。

第１の発明は、発光層と、発光層の両側にそれぞれ位置する２つのｐ型層と、ｐ型層の発光層側とは反対側にそれぞれ位置し、ｐ型層とトンネル接合する２つのｎ型層と、ｎ型層にコンタクトする２つの電極と、を有し、いずれのバイアス方向であっても発光可能な半導体発光素子において、発光層は、互いに発光波長の異なる第１発光層と第２発光層の２層であり、第１発光層と第２発光層との間に、バンドギャップが第１発光層および第２発光層のバンドギャップより大きく、厚さが１〜１０ｎｍの波長分離層を有する、ことを特徴とする半導体発光素子である。

波長分離層はノンドープでもよいが、ｎ型であることが望ましい。発光波長の分離性をより向上させることができるためである。波長分離層をｎ型とする場合、不純物濃度は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ とするのが望ましい。波長分離性をより向上させることができる。また、波長分離層の厚さは、１〜１０ｎｍであることが望ましい。同じく発光波長の分離性をより向上させることができる。より望ましくは２〜７ｎｍである。

発光層とｐ型層との間に、ｐ型層よりもバンドギャップの大きな半導体層である電子ブロック層を設けてもよい。

電子ブロック層は、発光層の外側へ電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することで発光効率を向上させることができる。電子ブロック層はノンドープでもよいし、低濃度に、たとえば１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度にｐ型不純物がドープされていてもよい。電子ブロック層の厚さは３〜１００ｎｍであることが望ましい。電子のオーバーフロー抑制効果がより高まり、発光効率をさらに向上させることができる。より望ましくは５〜３０ｎｍである。

第２の発明は、第１の発明において、ｐ型層と発光層との間に、ｐ型層よりもバンドギャップの大きな電子ブロック層をさらに設けたことを特徴とする半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、III 族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする。

第１の発明の半導体発光素子に電圧を印加した場合、電子とホールの移動度の違いから、第１発光層と第２発光層のうち、正極に近い側の発光層が主として発光する。したがって、第１の発明の半導体発光素子ではバイアス方向によって第１発光層と第２発光層のうちのどちらかを選択的に発光させることができ、発光波長を変えることができる。ここで、第１発光層と第２発光層の間に波長分離層を設けているため、第１発光層と第２発光層のうち負極に近い側の発光層へホールが移動してしまうことが抑制され、負極に近い側の発光層での発光が抑制されると共に正極に近い側の発光層での発光効率が向上する。そのため、第１の発明によると、発光波長の分離性を向上させることができる。

また、第２の発明のように、電子ブロック層を設けると発光層の外側へ電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することができるので、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。

また、波長分離層の厚さを１〜１０ｎｍとすると、発光波長の分離性をより向上させることができる。

また、第３の発明のように、本発明はIII 族窒化物半導体材料を用いた場合にも適用可能であり、従来は困難であった発光波長を大きく変化させることが１素子で実現できる。

実施例１の半導体発光素子の構成について示した図。 実施例１の半導体発光素子のバンド構造を示した図。 実施例２の半導体発光素子の構成について示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１の半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上に、ｎ−ＧａＮ層１１、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３、第１発光層１４、第２発光層１５、ｐ⁺ −ＧａＮ層１６、ｎ⁺ −ＧａＮ層１７、ｎ−ＧａＮ層１８が順に積層されている。ｎ−ＧａＮ層１８上には第１電極１９が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ層１８表面の一部領域はｎ−ＧａＮ層１１に達する深さの溝が形成されていて、その溝により露出したｎ−ＧａＮ層１１上に第２電極２０が形成されている。さらに、第１発光層１４と第２発光層１５との間には、波長分離層２１が設けられている。

ｎ⁺ −ＧａＮ層１２とｐ⁺ −ＧａＮ層１３、およびｎ⁺ −ＧａＮ層１７とｐ⁺ −ＧａＮ層１６は、トンネル接合するように構成する。すなわち、逆バイアス時にトンネル電流が生じるように、各層の厚さおよび不純物濃度を設計する。たとえば、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２およびｎ⁺ −ＧａＮ層１７の厚さを２０ｎｍ、Ｓｉ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³ とし、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３およびｐ⁺ −ＧａＮ層１６の厚さを２０ｎｍ、Ｍｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³ とする。これにより、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２とｐ⁺ −ＧａＮ層１３、ｎ⁺ −ＧａＮ層１７とｐ⁺ −ＧａＮ層１６をそれぞれトンネル接合させることができる。また、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３、ｐ⁺ −ＧａＮ層１６の材料をＧａＮからＩｎＧａＮに替えてバンドギャップを下げることで、トンネル接合しやすくするようにしてもよい。

第１発光層１４および第２発光層１５は、井戸層と障壁層とが交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造であり、発光波長が互いに異なっている。たとえば、第１発光層１４は、３ｎｍのＩｎＧａＮと３ｎｍのＧａＮとを１ペアとして、これが３ペア繰り返し積層された発光波長４５０ｎｍのＭＱＷ構造であり、第２発光層１５は、３ｎｍのＩｎＧａＮと３ｎｍのＧａＮとを１ペアとして、これが３ペア繰り返し積層された発光波長４８０ｎｍのＭＱＷ構造である。

波長分離層２１は、第１発光層１４および第２発光層１５よりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮからなる。

第１電極１９および第２電極２０は、従来よりIII 族窒化物半導体発光素子のｎ電極に用いられている材料からなる。たとえば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌなどである。第１電極１９、第２電極２０は同一の材料であることが好ましい。第１電極１９と第２電極２０とを同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができるからである。また、ｎ−ＧａＮ層１８表面のほぼ全面にＩＴＯなどの透明電極を設け、透明電極上に第１電極１９を設ける構成としてもよい。

実施例１の半導体発光素子は、第１電極１９を正極、第２電極２０を負極として電圧印加した場合と、逆に第１電極１９を負極、第２電極２０を正極として電圧印加した場合とで、発光波長を変えることができる。以下、実施例１の半導体発光素子の動作についてより詳しく説明する。

図２は、実施例１の半導体発光素子のバンド構造を示した図である。図２（ａ）は、無バイアス状態でのバンド図、図２（ｂ）は、第１電極１９を負極、第２電極２０を正極として電圧印加した場合のバンド図、図２（ｃ）は、第１電極１９を正極、第２電極２０を負極として電圧印加した場合のバンド図である。

図２（ｂ）のように、第１電極１９を負極、第２電極２０を正極として電圧印加すると、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２とｐ⁺ −ＧａＮ層１３のｐｎ接合については逆バイアス、ｎ⁺ −ＧａＮ層１７とｐ⁺ −ＧａＮ層１６のｐｎ接合については順バイアスとなる。ここで、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２とｐ⁺ −ＧａＮ層１３はトンネル接合となるように設計されているため、逆バイアスでもトンネル電流が生じ、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３にホールが注入され、第１発光層１４へと拡散していく。一方で、ｎ⁺ −ＧａＮ層１７からｐ⁺ −ＧａＮ層１６へ電子が注入され、電子はｐ⁺ −ＧａＮ層１６から第２発光層１５、第１発光層１４へと拡散していく。ホールは電子よりも移動度が低く、さらに波長分離層２１が障壁となるため第２発光層１５への拡散が抑制される。その結果、電子とホールの結合はほとんどが第１発光層１４で生じ、波長４５０ｎｍで発光する。

また、図２（ｃ）のように、第１電極１９を正極、第２電極２０を負極として電圧印加すると、ｎ⁺ −ＧａＮ層１２とｐ⁺ −ＧａＮ層１３のｐｎ接合については順バイアス、ｎ⁺ −ＧａＮ層１７とｐ⁺ −ＧａＮ層１６のｐｎ接合については逆バイアスとなり、図２（ｂ）の場合とは反対の動作になる。つまり、ホールは波長分離層２１が障壁となるため第１発光層１４への拡散が抑制される。そのため、電子とホールの結合はほとんどが第２発光層１５で生じ、波長４８０ｎｍで発光する。

以上のように、実施例１の半導体発光素子では、第１発光層１４と第２発光層１５との間に波長分離層２１を設けたことにより、バイアス方向を変えて発光波長を変化させた際の発光波長の分離性が向上している。

なお、波長分離層２１はノンドープでもｎ型でもよいが、発光波長の分離性をより高めるためにｎ型層であることが望ましい。また、同じく発光波長の分離性をより向上させるために、波長分離層２１の厚さは１〜１０ｎｍとすることが望ましく、さらに望ましくは２〜７ｎｍである。また、同じく発光波長の分離性をより向上させるために、第１発光層１４および第２発光層１５と波長分離層２１とのバンドギャップの差は３０〜１０００ｍｅＶとすることが望ましい。

図３は、実施例２の半導体発光素子の構成を示した図である。実施例２の半導体発光素子は、実施例１の半導体発光素子において、電子ブロック層１００、１０１をさらに設けたものである。電子ブロック層１００、１０１は、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３と第１発光層１４との間、および第２発光層１５とｐ⁺ −ＧａＮ層１６との間にそれぞれ設けられている。電子ブロック層１００、１０１は、それぞれｐ⁺ −ＧａＮ層１３、１６よりもバンドギャップの大きなIII 族窒化物半導体からなる層である。たとえばＡｌＧａＮである。

このように電子ブロック層１００、１０１を設けることで、第１発光層１４からｐ⁺ −ＧａＮ層１３へ、あるいは第２発光層１５からｐ⁺ −ＧａＮ層１６へ電子がオーバーフローしてしまうのを抑制することができる。その結果、発光効率の向上を図ることができる。

電子のオーバーフローをより効果的に抑制するために、電子ブロック層１００、１０１は３〜１００ｎｍとすることが望ましい。さらに望ましくは５〜３０ｎｍである。また、電子ブロック層１００、１０１は低濃度にＭｇがドープされていてもよい。たとえばＭｇ濃度を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度としてもよい。また、ｐ⁺ −ＧａＮ層１３、１６と電子ブロック層１００、１０１とのバンドギャップの差は３０〜１０００ｍｅＶとすることが望ましい。電子のオーバーフローをより効果的に抑制するためである。

なお、実施例１、２では、III 族窒化物半導体を材料とした半導体発光素子を示したが、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などの他のIII-Ｖ族半導体や、ＺｎＯ系などのＩＩ−ＶＩ族半導体などの化合物半導体を材料としても、本発明は実現可能である。また、実施例１、２の半導体発光素子は同一面側に２つの電極を設けた構成としたが、成長基板として導電性の基板を用いたり、レーザーリフトオフにより成長基板を除去するなどして表面側と裏面側にそれぞれ電極を設け、縦方向に導通をとる構成としてもよい。

本発明の半導体発光素子は、表示装置や照明装置、光通信などの光源として利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎ−ＧａＮ層
１２：ｎ⁺ −ＧａＮ層
１３：ｐ⁺ −ＧａＮ層
１４：第１発光層
１５：第２発光層
１６：ｐ⁺ −ＧａＮ層
１７：ｎ⁺ −ＧａＮ層
１８：ｎ−ＧａＮ層
１９：第１電極
２０：第２電極
２１：波長分離層
１００、１０１：電子ブロック層

Claims (3)

1. 発光層と、前記発光層の両側にそれぞれ位置する２つのｐ型層と、前記ｐ型層の前記発光層側とは反対側にそれぞれ位置し、前記ｐ型層とトンネル接合する２つのｎ型層と、各前記ｎ型層にそれぞれコンタクトする２つの電極と、を有し、いずれのバイアス方向であっても発光可能な半導体発光素子において、
   前記発光層は、互いに発光波長の異なる第１発光層と第２発光層の２層であり、
   前記第１発光層と前記第２発光層との間に、バンドギャップが前記第１発光層および前記第２発光層のバンドギャップより大きく、厚さが１〜１０ｎｍの波長分離層を有する、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ｐ型層と前記発光層との間に、前記ｐ型層よりもバンドギャップの大きな電子ブロック層をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. III 族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。

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