JP5728411B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
発光層が、非活性層中に(1+2m)λ/4n(ここでλは発光ピーク波長、nは発光層の屈折率、mは0以上の整数である。)の距離で配置された2つの活性層を1組以上備えてなる構造であることを特徴とする。
本半導体発光素子1は、p型基板10上に、下部分布ブラック反射層12(以下、下部DBR層12とする。)、p型ドープ層13、発光層20、n型ドープ層15、上部分布ブラッグ反射層16(以下、上部DBR16とする。)、コンタクト層17および反射防止層18を備えた面発光型の半導体発光素子である。図中矢印で発光光Lの光路を模式的に示すように、発光層20で生じた光は下部DBR層12および上部DBR層16間で反射され、上部DBR層16を透過して面発光する。
なお、半導体発光素子を作製する場合の各層の成膜工程においては、膜厚に設計値から最大で±10%程度の誤差が生じ得る。したがって、本明細書における膜厚は、それぞれ±10%の厚み誤差を許容するものとする。
また、発光層20全体の膜厚はkλ/2n(ここで、kは1以上の整数であり、nは発光層の屈折率)であることが好ましい。後記シミュレーション1にあるように発光層内での光量分布の疎密をうまく制御することにより、効果を高めることができる。kλ/2nに発光層膜厚を調整することにより、上下DBRにより発光層内に形成される光量分布を中心対称の形状にすることができ、活性層の位置制御との組合せが容易となる。
特に、各活性層を厚みが10nm以下の量子井戸活性層とし、発光層中に多数の量子井戸活性層を備えた構成とすることにより、各活性層の厚みをより均一にすることができること、また、薄い量子井戸としておくことで、活性層が厚いときに想定される界面と中央の発光量が違うというような現象が起こりにくく、活性層内全体で均一な発光が可能となり好ましい(後記シミュレーション5、実施例2参照)。
なお、図1Bに示す設計変更例の下部DBR層を備えた場合であっても、上部DBR層を備えていてもよい。
まず、シミュレーション手法について説明する。
まず、各素子構造から共振器スペクトルRi(λ)を求める(iは素子番号でありi=1,2,3,4,5である。以下において同様とする。)。
共振器スペクトルは、発光層から全ての波長で同じ強度の光が発光した場合に素子から出力される光のスペクトルであり、発光層の発光スペクトルとは無関係に定まるものである。ここでは、共振器スペクトルを、吸収のある多層膜の内部発光計算を用いたシミュレーションにより求めた。具体的には、『光学薄膜の基礎理論』(小檜山光信著、オプトロニクス社)などを参考に外部入射の多層膜計算を行い、発光層内の位相差を別途計算することで内部発光を計算した。なお、同様の計算は、FLUXiM AG社のSETFOSのような内部発光計算ソフトウェアで再現することもできる。
Pi∝∫(S(λ)×Ri(λ))dλ
S'(λ)=S(λ−10nm)
Pi’∝∫(S'(λ)×Ri(λ))dλ
dPi/dT=(Pi'-Pi)/40
2)上記のようにして、5つの素子1〜5について、それぞれ単位温度当たりの光量変化dPi/dT(i=1,2,3,4,5)を求め、そのうちの最大値(Max(dPi/dT))と最小値(Min(dPi/dT))を抽出する。この最大値と最小値との差を温度特性のばらつき(温特ばらつき)δとする。
δ=Max(dPi/dT)−Min(dPi/dT)
DBR層を備えていない場合の発光光強度P0を求め、各素子についての発光倍率Pi/P0を求め、5つの素子についての発光倍率の平均値を平均発光倍率Mとする。なお、以下において、平均発光倍率を単に発光倍率をいうことがある。
P0∝∫(S(λ))dλ
Pi/P0=∫(S(λ)×Ri(λ))dλ/∫(S(λ))dλ
M=[ΣPi/P0]/5
ここでは、図4の表に示す層構成を有するLEDについて検討した。なお図4の表中において、AlxGa1-xAs層についてはAlに続く数値x×1000で示している。例えば、Al900はAl0.9Ga0.1As低屈折率層であり、Al300はAl0.3Ga0.7As高屈折率層を示す。
上層(air側)に4.5層の上部DBR層16、下側(基板10側)に10層の下部DBR層12をそれぞれ有している。発光層(active)20の厚みは108nmであり、自然発光スペクトルの中心波長780nmに対して、λ/2nにあたる厚みとなっている。
上記シミュレーション手法に従い、本構成の素子についての温度特性ばらつきδと平均発光倍率Mを求めた。その結果を表1に示す。
図6に上部活性層(=空気側に近いほうの活性層)のみが発光したときの共振器スペクトル(A)、下部活性層(=基板側)のみが発光したときの共振器スペクトル(B)、上部と下部の平均の発光での共振器スペクトル(C)をそれぞれ示す。
図6の(A)に示すように上部活性層のみのときは長波側の波長が強く増強され、図6の(B)に示すように下部活性層のみのときは短波側の波長が強く増強される。そして、図6の(C)に示すように、それらの平均である全体の共振器スペクトルは波長全体で比較的なだらかなスペクトルを示している。
シミュレーション1の検討により、発光層内の活性層の層間距離を(λ/4n)に保つことが重要であることを明らかにした。次に、図7に示すように層間距離を保ったまま、発光層内での活性層位置をずらした場合についてシミュレーションをおこなった。
LED構造はシミュレーション1とほぼ同一の構造とし、発光層内における活性層の位置を移動させることとした。一方の活性層22の位置を発光層内の基板と反対側から見て0nm〜54nmの間で変化させ、各位置での温特ばらつきδおよび発光倍率Mを上記シミュレーション手法に従い求めた。他方の活性層22は上部活性層位置に54nm足した位置に配置することで、2活性層間の距離dを54nm(=λ/4n)に保ちつつ発光層内での位置を変化させた。
表2および図8に示す通り、上部活性層の位置が変化しても温特ばらつきは0.2%/℃以下に抑えられており、また、発光倍率は1.2倍以上を維持しているという結果が得られた。本シミュレーションにより、2つの活性層を発光層内において平行移動させた場合には、温度特性ばらつき、発光倍率ともに変化は小さく、温度特性ばらつきを抑えた状態を保つことができることを明らかにした。
次に、シミュレーション1で最も特性に優れていた距離λ/4nについて拡張するため、発光層の厚みを108nm(=λ/2n)から216nm(=λ/n)、324nm(=3λ/2n)、432nm(=2λ/n)に増やし、複数の活性層を、発光層の中央位置Aに対して対称となる位置に、かつ、活性層−活性層間の距離(活性層同士の中心間の距離)がλ/4nとなる条件で配置した構成について検討した。
この結果から、発光層の厚みを厚くした条件でも、活性層数と配置を適切な配置をすることで、温特ばらつきを抑えたまま、発光量を増強できる設計があることを明らかにした。
なお、実際の素子作製上は、発光層厚みを増やしていくことは成膜のタクトタイムの増大およびそれに伴うコストアップにつながるため、際限なく厚みを増していくことは望ましくはない。
半導体発光素子、特にLEDにおいては、素子内の活性層が薄すぎるとキャリアが飽和し、LED内の活性層部以外が発光するなど素子の制御が困難になる現象が生じることが知られている。また、AlGaAs系のLEDにおいては、活性層内を光らせ、DBR層その他の層で発光させないようにするために、一般に活性層厚みが108nm(=λ/2n)程度必要であることが知られている。
上記シミュレーション1〜3においては活性層厚みを3nmと薄いものとしたが、活性層厚計が108nmとなる構成についてシミュレーションを行った。
さらに、発光層が多重量子井戸構造を有する場合について検討した。量子井戸構造の利点としては、発光層内の活性層位置の制御が容易であること、活性層が薄いため活性層内の発光ばらつきがおきにくいこと、多重化により活性層全体としての厚みを増やすことができるため、キャリア飽和を防ぐことができることが挙げられる。
このときの平均発光倍率および温度特性のばらつきをそれぞれ上記シミュレーション手法により求めたところ、発光倍率は1.3490倍、温度特性のばらつきが0.1503(%/℃)であった。
シミュレーション4について図12に示したλ/nの発光層中に4つの活性層を備えた構造のLEDを作製した。本実施例1で作製したLEDの具体的な層構成を図14の表に示す。図14の表中に示すように、バンドギャップの関係より活性層をAl0.128Ga0.872Asとし、非活性層をAl0.23Ga0.77Asとして設計した。発光層厚みが216nm(=λ/n)、各活性層が27nm(=λ/8n)である。
これらのサンプル1〜5について、それぞれ発光倍率および温度特性を調べた。その結果を表4に示す。なお、ここでの発光倍率はDBR層を備えなかった場合についてシミュレーションで求めた光量を1とした時の光量である。
なお、シミュレーション4の結果と比較すると、発光倍率はほぼ予測どおりであるのに対して、温度特性のばらつきは大きくなっている。これは、発光層内の活性層が27nmの厚みを持っているため、活性層内で均一でない発光が生じているためであると考えられる。
比較例1として、発光層以外の構造はすべて実施例1と同一とし、発光層内の活性層配置を変化させたLED素子を作製した。詳細な層構成は図15の表に示し、発光層の拡大模式図を併せて示す。実施例1の発光層内の活性層配置と比べ、第一と第二の活性層の距離を大きくし、第二、第三の活性層の距離を小さくした中央対称配置としている。
実施例1と同様にして1枚のウエハから切り出した5つのサンプルについて発光倍率および温度特性を測定した。その結果を表5に示す。
比較例2として、発光層以外の構造はすべて実施例1と同一とし、発光層内の活性層配置を変化させたLED素子を作製した。詳細な層構成は図16の表に示し、発光層の拡大模式図を併せて示す。実施例1の発光層内の活性層配置と比べ、第一と第二の活性層の距離を小さくし、第二、第三の活性層の距離を大きくした中央対称配置としている。
実施例1と同様にして1枚のウエハから切り出した5つのサンプルについて発光倍率および温度特性を測定した。その結果を表6に示す。
一方、比較例1は、実施例1と比較して発光倍率はかなり低く、温度特性ばらつきは大きい。発光層内における活性層の配置が適切でないために、光量増大効果と温度特性ばらつき抑制効果が得られなかったものと考えられる。また、比較例2は、実施例1と比較して平均発光倍率は高いが、温度特性ばらつきが大きい。比較例1の場合と同様に、発光層内における活性層の配置が適切でないために、温度特性のばらつき抑制効果が得られなかったものと考えられる。
参考例として、発光層以外の構造は全て実施例1と同一とし、発光層内の活性層の厚み3nmに薄くした構成のLEDを作製した。詳細な層構成は図17の表に示す。本参考例の発光層は、シミュレーション2において説明した図9の拡大模式図の構造を有する。
シミュレーション5について図13に示した多重量子井戸構造の発光層を備えたLEDを作製した。本実施例2で作製したLEDの具体的な層構成を図18の表に示す。図18の表に示すように、本実施例では9nmの量子井戸活性層が12層、9nmの非活性層を挟んで積層されている。
実施例1と同様にして1枚のウエハから切り出した5つのサンプルについて発光倍率および温度特性を測定した。その結果を表8に示す。
10 基板
12 下部分布ブラッグ反射層
13 p型ドープ層
15 n型ドープ
16 上部分布ブラッグ反射層
17 n型コンタクト層
18 反射防止層
20 発光層
21 非活性層
22 活性層
31 低屈折率層
32 高屈折率層
33 位相変化層
Claims (9)
- 少なくとも基板と、該基板上に設けられた下部分布ブラック反射層と、前記下部分布ブラック反射層上に設けられた発光層とを備え、所定の発光ピーク波長の発光光を出力する半導体発光素子であって、
前記発光層が、非活性層中に(1+2m)λ/4n(ここでλは前記発光ピーク波長、nは前記発光層の屈折率、mは0以上の整数である。)の距離で配置された2つの活性層を1組以上備えてなる構造であり、前記距離は、前記2つの活性層の互いの厚み方向中心間の距離である、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記発光層の厚みがkλ/2n(ここでλは前記発光ピーク波長、nは前記発光層の屈折率、kは1以上の整数である。)であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記整数mが0であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記活性層が、前記発光層の厚み方向中心位置に対して上下方向に対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記活性層の各層の厚みが10nm以下であることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層中に含まれる前記活性層の合計の厚みがλ/4n以上であり、発光ダイオードとして機能するものであることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層上に上部分布ブラッグ反射層を備えていることを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層上に前記発光光に対する反射防止層を備えていることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記下部分布ブラッグ反射層中に、j・λ/2nの厚みを有する位相変化層((ここで、nは該位相変化層の屈折率、jは1以上の整数である。)が少なくとも1層備えられていることを特徴とする請求項1から8いずれか1項記載の半導体発光素子。
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