JP5737096B2 - Group III nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

本発明は、発光スペクトルの幅が広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor light-emitting device having a wide emission spectrum and high emission efficiency.

2011年現在、青色LEDと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光パッケージが一般照明用のLED電球などとして利用され、白熱電球に比べて発光効率が高く長寿命であることなどから急速に普及し始めている。   As of 2011, white light emitting packages combining blue LEDs and yellow phosphors are used as LED bulbs for general lighting, etc., and have begun to spread rapidly due to their higher luminous efficiency and longer life compared to incandescent bulbs. Yes.

この白色発光パッケージにおいて、蛍光体の励起効率を安定させるためには、青色LEDの発光スペクトルが広いことが望まれる。   In this white light emitting package, in order to stabilize the excitation efficiency of the phosphor, it is desired that the emission spectrum of the blue LED is wide.

発光スペクトルの広いIII 族窒化物半導体発光素子として、たとえば特許文献1、2がある。特許文献1には、III 族窒化物半導体層の上面に傾斜角度の異なる複数の傾斜面を設け、その傾斜面に沿って発光層を形成することが示されている。傾斜面の角度が異なると、その上に位置する発光層の領域の発光波長が異なる。その結果、III 族窒化物半導体発光素子は複数の発光波長で発光することとなり、発光スペクトルが広がる。   As group III nitride semiconductor light emitting devices having a wide emission spectrum, for example, there are Patent Documents 1 and 2. Patent Document 1 discloses that a plurality of inclined surfaces having different inclination angles are provided on the upper surface of a group III nitride semiconductor layer, and a light emitting layer is formed along the inclined surfaces. When the angle of the inclined surface is different, the emission wavelength of the region of the light emitting layer located thereon is different. As a result, the group III nitride semiconductor light-emitting device emits light at a plurality of emission wavelengths, and the emission spectrum is broadened.

また、特許文献2には、MQW構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層の各井戸層のバンドギャップがn型層側に向かうにつれて小さくなっていくように構成することが示されている。このような構成の発光層とすれば、各井戸層へキャリア分布が広がり、各井戸層での発光波長が異なるため、発光スペクトルを広くすることができる。   Patent Document 2 discloses a group III nitride semiconductor light-emitting device having a light-emitting layer with an MQW structure so that the band gap of each well layer of the light-emitting layer becomes smaller toward the n-type layer side. It has been shown. With the light emitting layer having such a structure, the carrier distribution spreads to each well layer, and the light emission wavelength in each well layer is different, so that the emission spectrum can be widened.

特開2010−182832JP 2010-182832 A 特開2004−128443JP 2004-128443 A

しかし、特許文献1では、III 族窒化物半導体層上面に傾斜角度の異なる傾斜面を設ける必要があるが、このような構造となるよう結晶成長させたり加工したりすることは技術的に難易度が高く、高コストであり、実用的な方法ではない。   However, in Patent Document 1, it is necessary to provide inclined surfaces with different inclination angles on the upper surface of the group III nitride semiconductor layer. However, it is technically difficult to grow and process crystals so as to have such a structure. Is expensive, expensive and not a practical method.

また、特許文献2の方法では、キャリアの分布が広がることでホールのn型層側へのオーバーフローが発生してしまい、発光層へのキャリア注入効率が低下して発光効率が低下してしまう。   Further, in the method of Patent Document 2, the carrier distribution is widened, so that the holes overflow to the n-type layer side, the carrier injection efficiency into the light emitting layer is lowered, and the light emitting efficiency is lowered.

そこで本発明の目的は、発光スペクトルが広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現することである。   Accordingly, an object of the present invention is to realize a group III nitride semiconductor light-emitting device having a broad emission spectrum and high emission efficiency.

第1の発明は、nコンタクト層と、nコンタクト層上に接して位置し、InGaNからなる井戸層とGaNまたはAlGaNからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたMQW構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、各井戸層のIn組成比は、nコンタクト層に最も近い1番目の井戸層から、nコンタクト層に3〜10番目に近い井戸層までの各井戸層についてはIn組成比が一定の所定値であり、それ以降の各井戸層については、In組成比が所定値よりも小さく、かつ、nコンタクト層側から遠い井戸層ほどIn組成比が小さく、最もIn組成比の高い井戸層のIn組成比と、最もIn組成比の低い井戸層のIn組成比との差が5〜20%である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
本明細書において、以下の他の発明も記載されている。nコンタクト層と、nコンタクト層上部に位置し、InGaNからなる井戸層とGaNまたはAlGaNからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたMQW構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、nコンタクト層と発光層との間に、厚さ5〜100Åのn−AlGaNからなるホールブロック層を有し、各井戸層のIn組成比は、nコンタクト層側から遠い井戸層ほどIn組成比が小さい、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an n-contact layer, a light-emitting layer having an MQW structure, which is positioned in contact with the n-contact layer and in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN or AlGaN are alternately and repeatedly stacked. In the group III nitride semiconductor light emitting device having the above, the In composition ratio of each well layer is from each of the first well layer closest to the n contact layer to the well layer closest to the n contact layer 3 to 10th. For the well layer, the In composition ratio is a predetermined value, and for each of the subsequent well layers, the In composition ratio is smaller than the predetermined value, and the well layer farther from the n contact layer side has a smaller In composition ratio. And the difference between the In composition ratio of the well layer having the highest In composition ratio and the In composition ratio of the well layer having the lowest In composition ratio is 5 to 20%. It is an element.
In the present specification, the following other inventions are also described. Group III nitride having an n contact layer and a light emitting layer having an MQW structure in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN or AlGaN are alternately and repeatedly stacked a plurality of times, located above the n contact layer In a semiconductor light emitting device, a hole blocking layer made of n-AlGaN having a thickness of 5 to 100 mm is provided between an n contact layer and a light emitting layer, and the In composition ratio of each well layer is a well far from the n contact layer side. The group III nitride semiconductor light-emitting device is characterized in that the layer has a smaller In composition ratio.

本発明及び明細書記載の他の発明において、発光層の構造は、InGaNからなる井戸層とGaNまたはAlGaNからなる障壁層が複数回繰り返し積層されたMQW構造であれば従来知られている任意の構造でよい。たとえば、井戸層と障壁層との間に、井戸層と同一温度で成長させるGaNまたはAlGaNからなるキャップ層を設けてもよい。キャップ層を設けることにより、障壁層形成時の昇温において井戸層からのInの蒸発を抑制することができる。 In the present invention and other inventions described in the specification, the structure of the light emitting layer may be any conventionally known MQW structure in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN or AlGaN are repeatedly stacked. Structure may be sufficient. For example, a cap layer made of GaN or AlGaN grown at the same temperature as the well layer may be provided between the well layer and the barrier layer. By providing the cap layer, it is possible to suppress the evaporation of In from the well layer at the temperature rise when forming the barrier layer.

発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、本発明及び明細書記載の他の発明において4〜20回とすることが望ましい。繰り返し回数がこの範囲であれば、発光効率をより効果的に向上させることができる。 The number of repetitions of the well layer and the barrier layer of the light emitting layer is desirably 4 to 20 times in the present invention and other inventions described in the specification . If the number of repetitions is within this range, the light emission efficiency can be more effectively improved.

明細書に記載の他の発明において、ホールブロック層のAl組成比は、10〜30%とすることが望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。より望ましいホールブロック層のAl組成比は20〜30%である。また、ホールブロック層は、Si濃度が5×1017〜1×1019/cm3 となる程度にSiがドープされていることが望ましい。この範囲でSiがドープされていると、素子の抵抗を低減することができ、駆動電圧の低下を図ることができる。また、ホールブロック層は、厚さ5〜50Åとすることがより望ましい。厚さをこの範囲とすれば、より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。 In another invention described in the specification, the Al composition ratio of the hole block layer is desirably 10 to 30%. It is possible to suppress the occurrence of hole overflow more effectively and to improve the efficiency of carrier injection into the light emitting layer without hindering electron tunneling. A more desirable Al composition ratio of the hole block layer is 20 to 30%. The hole blocking layer is preferably doped with Si so that the Si concentration is 5 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3 . When Si is doped in this range, the resistance of the element can be reduced, and the drive voltage can be lowered. The hole block layer is more preferably 5 to 50 mm thick. When the thickness is within this range, the occurrence of hole overflow can be suppressed more effectively, and the efficiency of carrier injection into the light emitting layer can be improved without impeding electron tunneling.

本発明において、In組成比を一定とする井戸層は、nコンタクト層に最も近い1番目の井戸層から、nコンタクト層に3〜8番目に近い井戸層までとすることがより望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。さらに望ましくはnコンタクト層に3〜5番目に近い井戸層までである。 In the onset bright, well layer with constant In composition ratio is nearest the first well layer to the n-contact layer, it is more desirable to be up to the well layer closest to the 3-8-th to the n-contact layer. It is possible to suppress the occurrence of hole overflow more effectively and to improve the efficiency of carrier injection into the light emitting layer without hindering electron tunneling. More preferably, it is up to the third to fifth nearest well layer to the n contact layer.

本発明及び明細書記載の他の発明において、最もnコンタクト層に近い井戸層のIn組成比、すなわち最もIn組成比の高い井戸層のIn組成比(本発明における所定値)は、15〜30%とすることが望ましい。15%よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、30%よりも高いと井戸層の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは20〜30%である。最もnコンタクト層から遠い井戸層のIn組成比、すなわち最もIn組成比の低い井戸層のIn組成比は、5〜20%とすることが望ましい。5%よりも低いと、井戸層にキャリアを閉じ込めることが難しく、20%よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは10〜20%である。また、最もIn組成比の高い井戸層のIn組成比と、最もIn組成比の低い井戸層のIn組成比との差は、5〜20%とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。また、隣接する井戸層間でのIn組成比の差(本発明においてはIn組成比が一定である区間を除く)は、1〜5%とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。 In the present invention and other inventions described in the specification, most n contact layer In composition ratio near the well layer, namely the In composition ratio of the most In composition ratio a high well layer (predetermined value in the present onset bright) is 15 30% is desirable. If it is lower than 15%, the emission spectrum cannot be sufficiently broadened. If it is higher than 30%, the crystallinity of the well layer is deteriorated. More desirably, it is 20 to 30%. The In composition ratio of the well layer farthest from the n contact layer, that is, the In composition ratio of the well layer having the lowest In composition ratio is preferably 5 to 20%. If it is lower than 5%, it is difficult to confine carriers in the well layer, and if it is higher than 20%, the emission spectrum cannot be sufficiently expanded. More desirably, it is 10 to 20%. The difference between the In composition ratio of the well layer having the highest In composition ratio and the In composition ratio of the well layer having the lowest In composition ratio is preferably 5 to 20%. If it is this range, while being able to make a light emission spectrum sufficiently wide, the fall of luminous efficiency can be suppressed. Furthermore, (in this onset bright excluding section is In composition ratio is constant) difference in the In composition ratio of the adjacent well layers is preferably 1 to 5%. This is because the emission spectrum becomes more continuous and smooth.

明細書記載の他の発明においては、ホールブロック層は、Al組成比が10〜30%とすることができる。 In another invention described in the specification, the hole block layer may have an Al composition ratio of 10 to 30% .

明細書記載の他の発明においては、ホールブロック層は、厚さが5〜50Åとすることができる。 In another invention described in the specification, the hole blocking layer may have a thickness of 5 to 50 mm .

明細書記載の他の発明においては、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、4〜20回とすることができる。 In another invention described in the specification, the number of repetitions of the well layer and the barrier layer of the light emitting layer can be 4 to 20 times .

第2の発明は、第1の発明において、In組成比が一定であるのは、nコンタクト層に3〜8番目に近い井戸層までであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 A second invention is a group III nitride semiconductor light-emitting device according to the first invention, characterized in that the In composition ratio is constant up to the third to the eighth closest well layer to the n-contact layer. is there.

第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、4〜20回であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、一定の所定値は、15〜30%であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
第5の発明は、第1の発明から第4の発明において、nコンタクト層から最も遠い井戸層のIn組成比は、5〜20%であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
A third invention is a group III nitride semiconductor light emitting device according to the first invention or the second invention, wherein the number of repetitions of the well layer and the barrier layer of the light emitting layer is 4 to 20 times. . A fourth invention is a group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of the first to third inventions, wherein the certain predetermined value is 15 to 30%.
A fifth invention is a group III nitride semiconductor light emitting device according to the first to fourth inventions, wherein the In composition ratio of the well layer farthest from the n contact layer is 5 to 20%. is there.

本発明及び明細書記載の他の発明のように、各井戸層のIn組成比の分布を、nコンタクト層側から離れるにしたがってIn組成比が減少していく分布とすることでキャリア分布が広がり、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのオーバーフローが発生するため、第1の発明ではnコンタクト層と発光層との間に厚さ10〜100Åのn−AlGaNからなるホールブロック層を設けることにより、第5の発明ではnコンタクト層側の3〜10層の各井戸層のIn組成比を一定とすることにより、オーバーフローを抑制している。この結果、発光層へのキャリアの注入効率が保持され、発光効率の向上を図ることができる。 As in the present invention and other inventions described in the specification, the distribution of the In composition ratio of each well layer is a distribution in which the In composition ratio decreases with increasing distance from the n contact layer side, thereby broadening the carrier distribution. A broad emission spectrum can be obtained. However, as a result of the carrier distribution being widened, hole overflow occurs. Therefore, in the first invention, by providing a hole blocking layer made of n-AlGaN having a thickness of 10 to 100 mm between the n contact layer and the light emitting layer, In the fifth aspect of the invention, overflow is suppressed by keeping the In composition ratio of each of the 3 to 10 well layers on the n contact layer side constant. As a result, the efficiency of carrier injection into the light emitting layer is maintained, and the light emission efficiency can be improved.

実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1. 発光層13の構成を示した図。The figure which showed the structure of the light emitting layer. ホールブロック層12および発光層13のバンド図。The band diagram of the hole block layer 12 and the light emitting layer 13. 実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示した図。The figure which showed the emission spectrum of the group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1. 実施例2のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 2. 発光層23の構成を示した図。The figure which showed the structure of the light emitting layer. 発光層23のバンド図。The band figure of the light emitting layer 23. FIG.

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。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板10を有し、サファイア基板10上にAlNからなるバッファ層(図示しない)を介してnコンタクト層11、ホールブロック層12、発光層13、pクラッド層14、pコンタクト層15が順に積層されている。pコンタクト層15表面の一部領域には、その表面からnコンタクト層11に達する深さの溝が形成されていて、その溝の底面に露出したnコンタクト層11上にはn電極16が設けられている。また、pコンタクト層15上の溝形成部を除くほぼ全面にはITOからなる透明電極17が設けられ、透明電極17上にはp電極18が設けられている。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the group III nitride semiconductor light emitting device of Example 1. The group III nitride semiconductor light emitting device of Example 1 has a sapphire substrate 10, and an n contact layer 11, a hole blocking layer 12, and a light emitting layer 13 via a buffer layer (not shown) made of AlN on the sapphire substrate 10. , A p-cladding layer 14 and a p-contact layer 15 are sequentially stacked. A groove having a depth reaching the n contact layer 11 from the surface is formed in a partial region of the surface of the p contact layer 15, and an n electrode 16 is provided on the n contact layer 11 exposed on the bottom surface of the groove. It has been. A transparent electrode 17 made of ITO is provided on almost the entire surface except the groove forming portion on the p contact layer 15, and a p electrode 18 is provided on the transparent electrode 17.

サファイア基板10のnコンタクト層11側表面にドット状、ストライプ状などの凹凸パターンを設け、光取り出し効率の向上を図るようにしてもよい。成長基板としてサファイア基板以外にも、SiC、Si、ZnO、スピネル、GaN、Ga2 3 などを用いることができる。 An uneven pattern such as a dot shape or a stripe shape may be provided on the surface of the sapphire substrate 10 on the n contact layer 11 side so as to improve the light extraction efficiency. Besides the sapphire substrate, SiC, Si, ZnO, spinel, GaN, Ga 2 O 3 or the like can be used as the growth substrate.

nコンタクト層11は、厚さ4μm、Si濃度2×1018/cm3 のn−GaNからなる。n電極16とのコンタクト抵抗をより低減するために、nコンタクト層11をSi濃度の異なる複数の層で構成してもよい。 The n contact layer 11 is made of n-GaN having a thickness of 4 μm and a Si concentration of 2 × 10 18 / cm 3 . In order to further reduce the contact resistance with the n-electrode 16, the n-contact layer 11 may be composed of a plurality of layers having different Si concentrations.

ホールブロック層12は、厚さ100Å、Si濃度2×1018/cm3 、Al組成比20%のn−AlGaNからなる。 The hole blocking layer 12 is made of n-AlGaN having a thickness of 100 mm, a Si concentration of 2 × 10 18 / cm 3 , and an Al composition ratio of 20%.

なお、ホールブロック層12の厚さおよびAl組成比は、電子をトンネルすることができ、かつホールをブロックすることができる厚さ、Al組成比であればよく、具体的には厚さ5〜100Å、Al組成比10〜30%であればよい。より望ましくは厚さ5〜50Å、Al組成比20〜30%である。また、ホールブロック層12のSi濃度は5×1017〜1×1019/cm3 の範囲であればよい。 The thickness and Al composition ratio of the hole blocking layer 12 may be any thickness and Al composition ratio that can tunnel electrons and block holes. 100% and Al composition ratio may be 10 to 30%. More desirably, the thickness is 5 to 50 mm and the Al composition ratio is 20 to 30%. The Si concentration of the hole blocking layer 12 may be in the range of 5 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3 .

ホールブロック層12とnコンタクト層11との間には、静電耐圧性を高めるためにESD層を設けてもよい。ESD層は、たとえば以下のような構成である。nコンタクト層11側から順に、第1ESD層、第2ESD層、第3ESD層の3層構造とし、第1ESD層は、発光層13側の表面に1×108 /cm2 以下のピットが形成され、厚さが200〜1000nm、Si濃度が1×1016〜5×1017/cm3 のGaNで構成され、第2ESD層は、発光層13側の表面に2×108 /cm2 以上のピットが形成され、厚さが50〜200nm、キャリア濃度が5×1017/cm3 以下のGaNで構成され、第3ESD層は、Si濃度(/cm3 )と膜厚(nm)の積で定義される特性値が0.9×1020〜3.6×1020(nm/cm3 )のGaNで構成する。このようにESD層を構成すれば、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。 An ESD layer may be provided between the hole block layer 12 and the n contact layer 11 in order to increase electrostatic withstand voltage. The ESD layer has the following configuration, for example. In order from the n-contact layer 11 side, a three-layer structure of a first ESD layer, a second ESD layer, and a third ESD layer is formed, and the first ESD layer has pits of 1 × 10 8 / cm 2 or less formed on the surface on the light emitting layer 13 side. , Having a thickness of 200 to 1000 nm and a Si concentration of 1 × 10 16 to 5 × 10 17 / cm 3 , and the second ESD layer has a surface of 2 × 10 8 / cm 2 or more on the light emitting layer 13 side. A pit is formed, the GaN is composed of GaN having a thickness of 50 to 200 nm and a carrier concentration of 5 × 10 17 / cm 3 or less. The third ESD layer is a product of Si concentration (/ cm 3 ) and film thickness (nm). It is composed of GaN having a defined characteristic value of 0.9 × 10 20 to 3.6 × 10 20 (nm / cm 3 ). By configuring the ESD layer in this manner, it is possible to improve the light emission efficiency and reliability while improving the electrostatic withstand voltage characteristics, and to reduce current leakage.

発光層13は、図2のように、InGaNからなる井戸層130と、GaNからなる障壁層131とを1ペアとして、4ペア繰り返し積層したMQW構造である。井戸層130は、nコンタクト層11に近い側から順に井戸層130−1、130−2、130−3、130−4とする。井戸層130−1のIn組成比をx1(単位は%、以下も同様)、井戸層130−2のIn組成比をx2、井戸層130−3のIn組成比をx3、井戸層130−4のIn組成比をx4とすれば、x1>x2>x3>x4となるよう井戸層130−1〜130−4は構成されている。つまり、nコンタクト層11に近いほどIn組成比が高く、離れるほどIn組成比が低くなるように井戸層130が構成されている。   As shown in FIG. 2, the light emitting layer 13 has an MQW structure in which four pairs are repeatedly stacked with a well layer 130 made of InGaN and a barrier layer 131 made of GaN as one pair. The well layer 130 is a well layer 130-1, 130-2, 130-3, 130-4 in order from the side closer to the n contact layer 11. The In composition ratio of the well layer 130-1 is x1 (unit is%, the same applies hereinafter), the In composition ratio of the well layer 130-2 is x2, the In composition ratio of the well layer 130-3 is x3, and the well layer 130-4 If the In composition ratio of x is x4, the well layers 130-1 to 130-4 are configured to satisfy x1> x2> x3> x4. That is, the well layer 130 is configured such that the closer to the n-contact layer 11 the higher the In composition ratio and the lower the distance, the lower the In composition ratio.

x1は15〜30%であることが望ましい。15%よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、30%よりも高いと井戸層130−1の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは20〜30%である。x4は5〜20%であることが望ましい。5%よりも低いと、井戸層130−4にキャリアを閉じ込めることが難しく、20%よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは10〜20%である。また、x1とx4との差は、5〜20%とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。隣接する井戸層130間の差、つまりx1とx2の差、x2とx3の差、およびx3とx4の差は、1〜5%とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。   x1 is preferably 15 to 30%. If it is lower than 15%, the emission spectrum cannot be sufficiently broadened. If it is higher than 30%, the crystallinity of the well layer 130-1 is deteriorated. More desirably, it is 20 to 30%. x4 is preferably 5 to 20%. If it is lower than 5%, it is difficult to confine carriers in the well layer 130-4, and if it is higher than 20%, the emission spectrum cannot be sufficiently expanded. More desirably, it is 10 to 20%. The difference between x1 and x4 is preferably 5 to 20%. If it is this range, while being able to make a light emission spectrum sufficiently wide, the fall of luminous efficiency can be suppressed. The difference between adjacent well layers 130, that is, the difference between x1 and x2, the difference between x2 and x3, and the difference between x3 and x4 is preferably 1 to 5%. This is because the emission spectrum becomes more continuous and smooth.

なお、実施例1の発光層13では、障壁層131としてGaNを用いているが、AlGaNを用いてもよい。AlGaNを用いる場合、Al組成比は5〜10%とすることが望ましい。また、井戸層130と障壁層131との間に、井戸層130と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層131形成時の昇温において井戸層130中のInが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例1では井戸層130と障壁層131の繰り返し回数は4回としたが、4〜20回であれば、発光効率を十分に高めることができる。   In the light emitting layer 13 of Example 1, GaN is used as the barrier layer 131, but AlGaN may be used. When AlGaN is used, the Al composition ratio is desirably 5 to 10%. Further, a cap layer formed at the same temperature as the well layer 130 may be provided between the well layer 130 and the barrier layer 131. It is possible to suppress the evaporation of In in the well layer 130 during the temperature rise when the barrier layer 131 is formed. In Example 1, the number of repetitions of the well layer 130 and the barrier layer 131 is four. However, if the number of repetitions is 4 to 20, the light emission efficiency can be sufficiently increased.

pクラッド層14は、厚さ2nm、Mg濃度5×1019/cm3 のp−AlGaN層と、厚さ2nm、Mg濃度5×1019/cm3 のp−InGaN層とを1単位として、これを7単位繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層13に接する層をp−InGaN層とし、最後に形成する層、すなわち、pコンタクト層15に接する層をp−AlGaN層としている。pクラッド層14は、p−AlGaNからなる単層であってもよい。 p-cladding layer 14 has a thickness of 2 nm, a p-AlGaN layer of Mg concentration 5 × 10 19 / cm 3, a thickness of 2 nm, and a p-InGaN layer of Mg concentration 5 × 10 19 / cm 3 as a unit, This is a superlattice structure in which 7 units are repeatedly laminated. However, the first layer, that is, the layer in contact with the light emitting layer 13 is a p-InGaN layer, and the last layer, that is, the layer in contact with the p contact layer 15 is a p-AlGaN layer. The p-clad layer 14 may be a single layer made of p-AlGaN.

pコンタクト層15は、厚さ10nm、Mg濃度1.0×1021/cm3 のp−GaNからなる。結晶性向上と透明電極17とのコンタクト抵抗低減とを両立させるために、pコンタクト層15をMg濃度の異なる複数の層で構成してもよい。たとえば、pクラッド層14側から順に、Mg濃度1〜3×1019/cm3 で厚さ320ÅのGaNからなる第1pコンタクト層、Mg濃度4〜6×1019/cm3 で厚さ320ÅのGaNからなる第2pコンタクト層、Mg濃度1〜2×1020/cm3 で厚さ80ÅのGaNからなる第3pコンタクト層、の3層構造としてもよい。また、透明電極17と接する第3pコンタクト層は、GaNではなくInGaNとしてもよい。仕事関数が透明電極17に近くなるため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。 The p contact layer 15 is made of p-GaN having a thickness of 10 nm and an Mg concentration of 1.0 × 10 21 / cm 3 . In order to achieve both improvement in crystallinity and reduction in contact resistance with the transparent electrode 17, the p contact layer 15 may be composed of a plurality of layers having different Mg concentrations. For example, in order from the p-cladding layer 14 side, a first p contact layer made of GaN having an Mg concentration of 1 to 3 × 10 19 / cm 3 and a thickness of 320 mm, and a Mg concentration of 4 to 6 × 10 19 / cm 3 and a thickness of 320 mm A three-layer structure of a second p-contact layer made of GaN and a third p-contact layer made of GaN having an Mg concentration of 1 to 2 × 10 20 / cm 3 and a thickness of 80 mm may be adopted. Further, the third p contact layer in contact with the transparent electrode 17 may be InGaN instead of GaN. Since the work function is close to that of the transparent electrode 17, the contact resistance can be further reduced.

透明電極17は、pコンタクト層15表面のほぼ全面に設けられている。透明電極17には、ITO以外にもICO(セリウムドープの酸化インジウム)やIZO(亜鉛ドープの酸化インジウム)などの透明酸化物導電体材料や、Auなどの金属薄膜を用いることができる。   The transparent electrode 17 is provided on almost the entire surface of the p contact layer 15. In addition to ITO, the transparent electrode 17 can be made of a transparent oxide conductor material such as ICO (cerium-doped indium oxide) or IZO (zinc-doped indium oxide), or a metal thin film such as Au.

n電極16、p電極18は、電流拡散性を向上させるために、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状(たとえば格子状、櫛歯状、放射状)に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。   In order to improve current diffusibility, the n electrode 16 and the p electrode 18 are connected to a pad portion to which a wire is bonded and a wiring shape (for example, a lattice shape, a comb tooth shape, a radial shape) in a plane. It is good also as a structure which has a wiring-shaped part to do.

図3は、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層(nコンタクト層11からpコンタクト層15まで順に積層された層)についてのバンド図を示している。図3のように、発光層13の井戸層130のIn組成比がnコンタクト層11から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはnコンタクト層11から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層130のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い(電子の移動度に対してホールの移動度は小さい)に起因して、発光層13中の各井戸層130−1〜130−4にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層130−1〜130−4での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。   FIG. 3 shows a band diagram for the group III nitride semiconductor layer (layer stacked in order from the n contact layer 11 to the p contact layer 15) of the group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1. As shown in FIG. 3, since the In composition ratio of the well layer 130 of the light emitting layer 13 decreases as the distance from the n contact layer 11 increases, the band gap gradually increases as the distance from the n contact layer 11 increases. When the band gap of the well layer 130 has such a distribution, light emission occurs due to the difference in mobility of electrons and holes in the group III nitride semiconductor (the mobility of holes is smaller than the mobility of electrons). Carrier distribution spreads in each of the well layers 130-1 to 130-4 in the layer 13. Since the emission wavelengths of the well layers 130-1 to 130-4 are different, a wide emission spectrum can be obtained.

しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのnコンタクト層11側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子では、厚さ100Å、Al組成比20%のn−AlGaNからなるホールブロック層12を設けることにより、ホールのオーバーフローを抑制している。ホールをブロックする効果は、Al組成比が高いほど、つまりバンドギャップが大きいほど高く、ホールブロック層12が厚いほど高くなる。一方でAl組成比が高すぎたり、ホールブロック層12が厚すぎると、電子が発光層13へ注入される効率が低下する。そのため、ホールブロック層12の厚さを100Å、Al組成比を20%としている。このようにホールブロック層12を設けることにより、発光層13へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。   However, as a result of the carrier distribution spreading, the holes overflow to the n contact layer 11 side. Therefore, in the group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1, hole overflow is suppressed by providing the hole blocking layer 12 made of n-AlGaN having a thickness of 100 mm and an Al composition ratio of 20%. The effect of blocking holes increases as the Al composition ratio increases, that is, as the band gap increases, and increases as the hole blocking layer 12 increases. On the other hand, if the Al composition ratio is too high or the hole blocking layer 12 is too thick, the efficiency with which electrons are injected into the light emitting layer 13 is lowered. Therefore, the thickness of the hole block layer 12 is 100 mm, and the Al composition ratio is 20%. By providing the hole blocking layer 12 in this manner, the efficiency of carrier injection into the light emitting layer 13 is maintained, and as a result, the light emitting efficiency can be improved.

図4は、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。駆動電流をそれぞれ20mA、100mA、200mAとした場合である。いずれの場合にも、半値幅がおよそ40nmという幅広い発光スペクトルであることがわかる。また、発光スペクトルの形状は、連続的でなめらかであり、複数のピークを有するような形状ではないことがわかる。また、駆動電流によってスペクトル形状が変化していることがわかる。これは、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子を黄色蛍光体を混合した樹脂により封止した白色発光パッケージを作成した場合に、駆動電流によって白色発光パッケージの色度を調整可能であることを示している。   4 is a graph showing an emission spectrum of the group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1. FIG. In this case, the drive currents are 20 mA, 100 mA, and 200 mA, respectively. In either case, it can be seen that the emission spectrum is wide with a full width at half maximum of approximately 40 nm. Further, it can be seen that the shape of the emission spectrum is continuous and smooth and is not a shape having a plurality of peaks. It can also be seen that the spectrum shape changes with the drive current. This is because, when a white light emitting package in which the group III nitride semiconductor light emitting device of Example 1 is sealed with a resin mixed with a yellow phosphor is prepared, the chromaticity of the white light emitting package can be adjusted by the drive current. Is shown.

以上のように、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層13の井戸層130−1〜130−4のIn組成比をnコンタクト層11から遠い井戸層130ほどIn組成比が低くなるように構成し、さらにnコンタクト層11と発光層13との間に厚さ100Å、Al組成比20%のホールブロック層12を設けている。これにより、幅の広い発光スペクトルを有し、かつ発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現している。   As described above, in the group III nitride semiconductor light emitting device of Example 1, the In composition ratio of the well layers 130-1 to 130-4 of the light emitting layer 13 is set to be farther from the n contact layer 11 and the In composition ratio is higher. Further, a hole blocking layer 12 having a thickness of 100 mm and an Al composition ratio of 20% is provided between the n contact layer 11 and the light emitting layer 13. As a result, a Group III nitride semiconductor light-emitting device having a wide emission spectrum and high emission efficiency is realized.

図5は、実施例2のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。図5のように、実施例2のIII 族窒化物半導体発光素子は、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子において、ホールブロック層12を省き、発光層13に替えて以下に詳述する発光層23を設けた構成である。   FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the group III nitride semiconductor light emitting device of Example 2. As shown in FIG. 5, the Group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 2 is the same as the Group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1, except that the hole blocking layer 12 is omitted and the light-emitting layer 13 is replaced. The light emitting layer 23 is provided.

発光層23は、図6に示すように、InGaNからなる井戸層230と、GaNからなる障壁層231とを1ペアとして、10ペア繰り返し積層したMQW構造である。井戸層230は、nコンタクト層11に近い側から順に井戸層230−1、230−2、230−3、・・・、230−10とする。井戸層230−i(1≦i≦10)のIn組成比をyi(単位は%)とすれば、y1=y2=y3である。つまり、nコンタクト層11側から1番目〜3番目の井戸層230−1〜230−3は同じIn組成比(発光波長が450nmとなる組成比)である。また、y3>y4>y5>・・・>y9>y10である。y10は発光波長が420nmとなる組成比である。つまり、nコンタクト層11側から4番目以降の井戸層230−4〜230−10については、いずれも井戸層230−3よりもIn組成比が低く、かつnコンタクト層11に近いほどIn組成比が高く、離れるほどIn組成比が低くなるように井戸層230−4〜230−10が構成されている。   As shown in FIG. 6, the light emitting layer 23 has an MQW structure in which a well layer 230 made of InGaN and a barrier layer 231 made of GaN are paired and 10 pairs are repeatedly stacked. The well layer 230 is referred to as well layers 230-1, 230-2, 230-3,..., 230-10 in order from the side closer to the n contact layer 11. If the In composition ratio of the well layer 230-i (1 ≦ i ≦ 10) is yi (unit:%), y1 = y2 = y3. That is, the first to third well layers 230-1 to 230-3 from the n contact layer 11 side have the same In composition ratio (composition ratio at which the emission wavelength is 450 nm). Further, y3> y4> y5>...> Y9> y10. y10 is the composition ratio at which the emission wavelength is 420 nm. In other words, the fourth and subsequent well layers 230-4 to 230-10 from the n contact layer 11 side all have an In composition ratio lower than that of the well layer 230-3 and closer to the n contact layer 11, the In composition ratio. The well layers 230-4 to 230-10 are configured such that the In composition ratio decreases as the distance increases.

なお、実施例2の発光層23では、障壁層231としてGaNを用いているが、AlGaNを用いてもよい。AlGaNを用いる場合、Al組成比は5〜10%とすることが望ましい。また、井戸層230と障壁層231との間に、井戸層230と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層231形成時の昇温において井戸層230中のInが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例2では井戸層230と障壁層231の繰り返し回数を10回としたが、4〜20回であれば、十分に発光効率を向上させることができる。   In the light emitting layer 23 of Example 2, GaN is used as the barrier layer 231, but AlGaN may be used. When AlGaN is used, the Al composition ratio is desirably 5 to 10%. Further, a cap layer formed at the same temperature as the well layer 230 may be provided between the well layer 230 and the barrier layer 231. It is possible to suppress the evaporation of In in the well layer 230 during the temperature rise when the barrier layer 231 is formed. In Example 2, the number of repetitions of the well layer 230 and the barrier layer 231 is 10 times. However, if the number of repetitions is 4 to 20, the light emission efficiency can be sufficiently improved.

図7は、実施例2のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層(nコンタクト層11からpコンタクト層15まで順に積層された層)についてのバンド図を示している。図7のように、井戸層230は、nコンタクト層11側から1番目〜3番目の井戸層230−1〜230−3についてはIn組成比が一定であるため、バンドギャップは一定である。また、nコンタクト層11側から4番目以降の井戸層230−4〜230−10については、In組成比がnコンタクト層11から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはnコンタクト層11から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層230−4〜230−10のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い(電子の移動度に対してホールの移動度は小さい)に起因して、発光層23中の各井戸層230−4〜230−10にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層230−4〜230−10での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。   FIG. 7 shows a band diagram for the group III nitride semiconductor layer (layer stacked in order from the n contact layer 11 to the p contact layer 15) of the group III nitride semiconductor light emitting device of Example 2. As shown in FIG. 7, the well layer 230 has a constant band gap because the In composition ratio is constant for the first to third well layers 230-1 to 230-3 from the n-contact layer 11 side. Further, in the fourth and subsequent well layers 230-4 to 230-10 from the n contact layer 11 side, the In composition ratio decreases as the distance from the n contact layer 11 increases. It gets bigger and bigger as you leave. When the band gap of the well layers 230-4 to 230-10 has such a distribution, the difference between the mobility of electrons and holes in the group III nitride semiconductor (the mobility of holes is smaller than the mobility of electrons). As a result, the carrier distribution spreads in each of the well layers 230-4 to 230-10 in the light emitting layer 23. Since each of the well layers 230-4 to 230-10 has a different emission wavelength, a wide emission spectrum can be obtained.

しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのnコンタクト層11側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例2のIII 族窒化物半導体発光素子では、井戸層230−4よりもIn組成比が高く、かつ一定である井戸層230−1〜230−3をnコンタクト層11側に設けている。この井戸層230−1〜230−3において、オーバーフローしようとするホールを電子と接合させることで、ホールのオーバーフローを抑制している。その結果、発光層23へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。   However, as a result of the carrier distribution spreading, the holes overflow to the n contact layer 11 side. Therefore, in the group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 2, well layers 230-1 to 230-3 having an In composition ratio higher than the well layer 230-4 and constant are provided on the n contact layer 11 side. . In the well layers 230-1 to 230-3, the overflow of holes is suppressed by joining holes to overflow with electrons. As a result, the efficiency of carrier injection into the light emitting layer 23 is maintained, and as a result, the light emission efficiency can be improved.

なお、ホールのオーバーフローを抑制する効果は、nコンタクト層11側のIn組成比を一定とする井戸層230の数が多いほど高くなる。一方でIn組成比を一定とする井戸層230の数が多すぎると、nコンタクト層11から離れた側の井戸層に達する電子が少なくなり、発光層23中のキャリア分布が偏り発光スペクトルの幅が狭くなってしまう。そのため、In組成比を一定とする井戸層230はnコンタクト層11側から数えて1番目から3〜10番目までとするのが望ましい。この範囲であれば、効率的にホールのオーバーフローを抑制して発光効率を向上させつつ、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。より望ましくは3〜8番目、さらに望ましくは3〜5番目までである。   The effect of suppressing the overflow of holes becomes higher as the number of the well layers 230 having a constant In composition ratio on the n contact layer 11 side increases. On the other hand, if the number of the well layers 230 having a constant In composition ratio is too large, the number of electrons reaching the well layer on the side away from the n contact layer 11 decreases, the carrier distribution in the light emitting layer 23 is biased, and the width of the light emission spectrum. Becomes narrower. Therefore, it is desirable that the well layer 230 having a constant In composition ratio is from the first to the third to the tenth from the n-contact layer 11 side. Within this range, it is possible to obtain a broad emission spectrum while efficiently suppressing the hole overflow and improving the emission efficiency. More desirably, it is the third to eighth, and more desirably third to fifth.

実施例1、2のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型の素子であったが、本発明はこれに限定するものではなく、従来知られている任意の構造のIII 族窒化物半導体発光素子に適用することができる。たとえば、フリップチップ型の素子や、導電性基板を用いたり、レーザーリフトオフなどの技術によって基板を除去するなどして縦方向に導通をとる構造とした素子などにも本発明は適用することができる。そして、実施例1、2と同様に、幅広い発光スペクトルを得つつ、発光効率を向上させることができる。なお、フリップチップ型の素子やレーザーリフトオフによる素子の場合、In組成比が高い井戸層側から光を取り出すこととなるが、In組成比が高い井戸層での光の吸収はわずかであり、問題なく光を取り出すことができる。   Although the group III nitride semiconductor light emitting device of Examples 1 and 2 was a face-up type device, the present invention is not limited to this, and the group III nitride semiconductor light emitting device of any conventionally known structure is used. It can be applied to an element. For example, the present invention can also be applied to a flip chip type element, an element using a conductive substrate, or an element having a structure that conducts in the vertical direction by removing the substrate by a technique such as laser lift-off. . And like Example 1, 2, luminous efficiency can be improved, obtaining a wide light emission spectrum. In the case of a flip-chip type element or a laser lift-off element, light is extracted from the well layer side with a high In composition ratio, but light absorption in the well layer with a high In composition ratio is slight, which is a problem. The light can be taken out.

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置への利用に特に有効である。   The group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention is particularly effective for use in lighting devices.

10:サファイア基板
11:nコンタクト層
12:ホールブロック層
13、23:発光層
14:pクラッド層
15:pコンタクト層
16:n電極
17:透明電極
18:p電極
130、230:井戸層
131、231:障壁層
10: sapphire substrate 11: n contact layer 12: hole blocking layer 13, 23: light emitting layer 14: p cladding layer 15: p contact layer 16: n electrode 17: transparent electrode 18: p electrode 130, 230: well layer 131, 231: barrier layer

Claims (5)

nコンタクト層と、nコンタクト層上に接して位置し、InGaNからなる井戸層とGaNまたはAlGaNからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたMQW構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
各前記井戸層のIn組成比は、前記nコンタクト層に最も近い1番目の前記井戸層から、前記nコンタクト層に3〜10番目に近い前記井戸層までの各前記井戸層についてはIn組成比が一定の所定値であり、それ以降の各前記井戸層については、In組成比が前記所定値よりも小さく、かつ、前記nコンタクト層側から遠い井戸層ほどIn組成比が小さく、最もIn組成比の高い井戸層のIn組成比と、最もIn組成比の低い井戸層のIn組成比との差が5〜20%である、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
a group III having an n-contact layer and a light-emitting layer having an MQW structure, which is located in contact with the n-contact layer and in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN or AlGaN are alternately and repeatedly stacked a plurality of times In the nitride semiconductor light emitting device,
The In composition ratio of each well layer is the In composition ratio for each well layer from the first well layer closest to the n contact layer to the well layer closest to the third to tenth to the n contact layer. There is a constant predetermined value, for each of the well layers of the later, smaller than the in composition ratio is the predetermined value, and said n from the contact layer side farther well layer in composition ratio rather small, most in The difference between the In composition ratio of the well layer having a high composition ratio and the In composition ratio of the well layer having the lowest In composition ratio is 5 to 20%.
A group III nitride semiconductor light emitting device characterized by the above.
In組成比が一定であるのは、前記nコンタクト層に3〜8番目に近い前記井戸層までであることを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。 2. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1 , wherein the In composition ratio is constant from the third to the eighth closest well layer to the n-contact layer. 前記発光層の前記井戸層と前記障壁層の繰り返し回数は、4〜20回であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。 3. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein the number of repetitions of the well layer and the barrier layer of the light emitting layer is 4 to 20 times. 前記一定の所定値は、15〜30%であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。The group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the predetermined predetermined value is 15 to 30%. 前記nコンタクト層から最も遠い井戸層のIn組成比は、5〜20%であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。5. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein an In composition ratio of a well layer farthest from the n-contact layer is 5 to 20%.
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