JP5836338B2 - 窒化物半導体構造及び半導体発光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスに関し、特に、付加的な電荷ホールを供給して発光効率を向上させる電荷ホール供給層を有する窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスに関する。
近年、発光ダイオードは、広く利用され、日常生活において重要で必要不可欠なものとなっている。発光ダイオードは、従来の照明設備を代替する次世代の固体点灯素子であり、より良い省エネルギ性、高効率、高パワーが得られるように開発が進められている。
窒化物LEDは、小体積、無水銀、高発光効率、長寿命などの特長を有し、オプトエレクトロニクス半導体材料の一つとなっており、III族窒化物の発光波長が可視光のほとんどの範囲をカバーすることができるため、大きな可能性を備えた発光ダイオード材料として見られている。
InN、GaN、AlNなどのIII族窒化物の材料は、ワイドバンドギャップを有し、オプトエレクトロニクス半導体材料において非常に重要な役割を担っている。エネルギギャップの範囲は、ダイレクトバンドギャップが0.7eVのInNから3.4eVのGaNまで、さらには6.2eVのAlNまでであり、出射される光波長範囲は、紅、緑、青から深紫外域までである。
III族窒化物半導体は、発光デバイス上にPN接合として用いられ、さらに詳細にはn型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層を形成しなければならない。一般にSi、Snなどのn型ドーパントをドーピングし、p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体層を形成し、Mgをp型ドーパントとして使用するが、MgはHと容易に反応してMg−H錯体(Mg−H complex)を形成し、上述したp型ドーパントはアクセプタの性質を発揮することができず、供給する電荷ホールの濃度が大幅に下がって発光デバイスは正常な機能を発揮することができなくなる。これにより低抵抗(low−resistance)を有するp型窒化物半導体層を従来技術により形成することは容易でなかった。
例えば、p型窒化物からなる半導体層(例えば、GaN)を形成する際、一般にNH3ガスを窒素源として使用し、エピタキシャル工程(例えば、気相成長など)の高温によりNH3を窒素原子及び水素原子に分解する。
水素原子は、上述の半導体層中でアクセプタとして用いるp型ドーパント(例えば、Mg)と反応する。そのため、上述のp型ドーパントはその作用が失われ、ドーパント濃度を効果的に高めることができなかった。
また、GaN中のMgの非常に大きな活性化エネルギにより、電荷ホールの活性化効率が非常に低かったため(10%未満)、p型GaNの電荷ホールの濃度を高めることは困難である。そのため、電荷ホールの濃度を高めるためには、MgとHとの反応を減らしてp型GaNの抵抗を十分に低くし、発光効率を高めなければならなかった。
本発明の目的は、電荷ホール供給層にIV族元素をドーピングして電荷ホールの密度を高め、Mg−Hボンドによる不活性化現象を減らし、Mgの活性化によりアクセプタの有効作用を得て、電荷ホール供給層の電荷密度を高め、これにより多くの電荷ホールが発光層へ入って電子・正孔の結合率を向上させて発光効率を高める窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態によれば、n型半導体層及びp型半導体層を含む窒化物半導体構造であって、前記n型半導体層と前記p型半導体層との間には、発光層が形成され、前記発光層と前記p型半導体層との間には、電荷ホール供給層が形成され、前記電荷ホール供給層はInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、前記電荷ホール供給層には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素がドーピングされることを特徴とする窒化物半導体構造が提供される。
前記IV族元素は炭素であることが好ましい。
前記電荷ホール供給層には、濃度が1018cm-3より大きなp型ドーパントがドーピングされることが好ましい。
前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記電荷ホール供給層のバンドギャップエネルギは、前記多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きいことが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明の第2の形態によれば、基板、n型半導体層、発光層、電荷ホール供給層、p型半導体層、n型電極及びp型電極を備えた半導体発光デバイスであって、前記n型半導体層は、前記基板上に形成され、前記発光層は、前記n型半導体層上に形成され、前記電荷ホール供給層は、前記発光層上に形成されたInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、前記電荷ホール供給層には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素がドーピングされ、前記p型半導体層は、前記電荷ホール供給層上に形成され、前記n型電極は、前記n型半導体層上にオーミックコンタクトされ、前記p型電極は、前記p型半導体層上にオーミックコンタクトされることを特徴とする半導体発光デバイスが提供される。
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光デバイスを示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
図1を参照する。図1は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造を示す断面図である。図1に示すように、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造は、n型半導体層2及びp型半導体層3を含む。
n型半導体層2とp型半導体層3との間には、発光層(active layer)4が形成される。発光層4とp型半導体層3との間には、電荷ホール供給層5が形成される。電荷ホール供給層5はInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、好適には0<x≦0.1である。
また、電荷ホール供給層5には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素(炭素であることが好ましい)がドーピングされる。本実施形態においてn型半導体層2はn型GaN系半導体層であり、p型半導体層3はp型GaN半導体層である。
上述の電荷ホール供給層5には、濃度が1018cm-3より大きなp型ドーパント(例えば、マグネシウム)がドーピングされ、1〜100nmの厚さを有することが好ましい。
また、上述の発光層4は、多重量子井戸構造(Multiple Quantum Well:MQW)を有する。多重量子井戸構造は、InGaN井戸層(well)とGaNバリア層とが交互に積層されて形成されている。電荷ホール供給層5のバンドギャップエネルギ(band gap energy)は、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きく、多重量子井戸構造の井戸層中へ電荷ホールが入って電子と電荷ホールとの結合率を高めて発光効率を向上させる。
また、電荷ホール供給層5とp型半導体層3との間には、p型キャリア阻止層6を形成してもよい。p型キャリア阻止層6は、発光層4より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。
本実施形態のp型AlGaNは、電子がp型半導体層3内へ逃げ込むことを防ぎ、電子の移動速度を下げて発光層4に滞在する時間を延ばす。発光層4とn型半導体層2との間にはn型キャリア阻止層7が形成されてもよく、n型キャリア阻止層7は、発光層4より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。本実施形態のn型AlGaNは、電荷ホールがn型半導体層2内へ逃げ入ることを防ぐ。
上述した本実施形態の窒化物半導体構造を実際に使用する際、電荷ホール供給層5は、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素をドーピングし、IV族元素により5価窒素元素を代替し、これにより正に帯電した電荷ホールを1つ増やして電荷ホール供給層の電荷ホール密度を高める。
上述のIV族元素は、C、Si、Ge、Sn、Pbなどでもよいが、Cであることが好ましい。上述のIV族元素がCであることが好ましい理由とは、エピタキシャル工程においてCは、アンモニアガスから分解されて放出された水素と反応して安定した化合物CH4が形成されて窒化物半導体から分離される。このため、Hの含有量が減り、Mg−Hボンドが発生する状況が減り、Mgをイオン形態で活性化させるため、電荷ホール供給層5の電荷密度が高くなり、これにより多くの電荷ホールが発光層4へ入って電子・正孔の結合率が向上する。
図2を参照する。図2は、本発明の一実施形態に係る半導体発光デバイスを示す断面図である。図2に示すように、上述の窒化物半導体構造は半導体発光デバイスへ利用することができる。半導体発光デバイスは、少なくとも基板1、n型半導体層2、発光層4、電荷ホール供給層5、p型半導体層3、n型電極21及びp型電極31から構成される。
n型半導体層2は、基板1上に形成される。
発光層4は、n型半導体層2上に形成され、多重量子井戸構造を有する。
電荷ホール供給層5は、発光層4上に形成され、InxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、好適には0<x≦0.1である。
また、電荷ホール供給層5には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素(炭素であることが好ましい)がドーピングされる。電荷ホール供給層5は、1〜100nmの厚さを有することが好ましく、1018cm-3より大きな濃度を有するp型ドーパント(例えばマグネシウムである)をドーピングし、電荷ホール供給層5のバンドギャップエネルギは、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きい。
p型半導体層3は、電荷ホール供給層5上に形成される。
n型電極21は、n型半導体層2上にオーミックコンタクトされる。
p型電極31は、p型半導体層3上にオーミックコンタクトされる。
n型電極21とp型電極31とは、組み合わせて電気エネルギを供給し、チタン、アルミニウム、金、クロム、ニッケル、白金又はこれらの合金を含む材料により製造されるが、勿論これらだけに限定されるわけではなく、その製造方法は本発明の特徴でない上、当業者であれば分かるため、ここでは詳説しない。
電荷ホール供給層5とp型半導体層3との間にはp型キャリア阻止層6を形成してもよく、発光層4とn型半導体層2との間にはn型キャリア阻止層7を形成してもよい。
n型キャリア阻止層7及びp型キャリア阻止層6は、それぞれ発光層4より高いバンドギャップエネルギを有する材料で製作され、格子不整合により転位が発生してしまう問題の発生を防ぐために、基板1の表面にバッファ層8を形成してもよい。バッファ層8は、AlGay1-yであり、ここでyの範囲は0<y<1である。
上述したことから分かるように、本発明の窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスは、電荷ホール供給層にIV族元素をドーピングして電荷ホールの密度を高め、Mg−Hボンドによる不活性化現象を減らし、Mgの活性化によりアクセプタの有効作用を得て、電荷ホール供給層の電荷密度を高め、これにより多くの電荷ホールが発光層へ入って電子・正孔の結合率が向上して発光効率が高くなる。
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
1 基板
2 n型半導体層
3 p型半導体層
4 発光層
5 電荷ホール供給層
6 p型キャリア阻止層
7 n型キャリア阻止層
8 バッファ層
21 n型電極
31 p型電極

Claims (4)

  1. n型半導体層及びp型半導体層を含む窒化物半導体構造であって、
    前記n型半導体層と前記p型半導体層との間には、発光層が形成され、
    前記発光層と前記p型半導体層との間には、電荷ホール供給層が形成され、
    前記電荷ホール供給層はInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、
    前記電荷ホール供給層には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素がドーピングされ
    前記IV族元素は炭素であることを特徴とする、
    窒化物半導体構造。
  2. 前記電荷ホール供給層には、濃度が1018cm-3より大きなp型ドーパントがドーピングされることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体構造。
  3. 前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記電荷ホール供給層のバンドギャップエネルギは、前記多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きいことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体構造。
  4. 基板、n型半導体層、発光層、電荷ホール供給層、p型半導体層、n型電極及びp型電極を備えた半導体発光デバイスであって、
    前記n型半導体層は、前記基板上に形成され、
    前記発光層は、前記n型半導体層上に形成され、
    前記電荷ホール供給層は、前記発光層上に形成されたInxGa1-xNであり、ここでxの範囲は0<x<1であり、前記電荷ホール供給層には、濃度1017〜1020cm-3のIV族元素がドーピングされ、
    前記IV族元素は炭素であり、
    前記p型半導体層は、前記電荷ホール供給層上に形成され、
    前記n型電極は、前記n型半導体層上にオーミックコンタクトされ、
    前記p型電極は、前記p型半導体層上にオーミックコンタクトされることを特徴とする、
    半導体発光デバイス。
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