JP5888133B2 - 半導体発光素子、発光装置 - Google Patents
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Description
また、4層以上の前記井戸層のうち前記p側井戸層は2層であることを特徴とすることができる。
さらに、2層の前記p側井戸層は、それぞれが前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さに設定されるとともに共通の組成を有することを特徴とすることができる。
さらにまた、5層以上の前記障壁層がそれぞれGaNで構成されるとともに、4層以上の前記井戸層がそれぞれGaInNで構成され、前記井戸層の前記p側井戸層におけるInの濃度が、当該井戸層の前記n側井戸層におけるInの濃度よりも低いことを特徴とすることができる。
(半導体発光素子)
この半導体発光素子1は、基板110と、基板110上に積層される中間層120と、中間層120上に積層される下地層130とを備える。また、半導体発光素子1は、下地層130上に積層されるn型半導体層140と、n型半導体層140上に積層される発光層150と、発光層150上に積層されるp型半導体層160とをさらに備える。ここで、n型半導体層140は、下地層130上に積層されるnコンタクト層141と、nコンタクト層141上に積層されるとともに発光層150の積層対象となるnクラッド層142とを有している。一方、p型半導体層160は、発光層150上に積層されるpクラッド層161と、pクラッド層161上に積層されるpコンタクト層162とを有している。なお、以下の説明では、必要に応じて、これら中間層120、下地層130、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160を、まとめて積層半導体層100と呼ぶことがある。
さらにまた、半導体発光素子1は、積層半導体層100のうち、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の一部を切り欠くことによって露出した、n型半導体層140の半導体露出面140a上の一部に積層されるn側電極400を有する。なお、半導体露出面140aにおいては、n型半導体層140におけるnコンタクト層141が露出している。
なお、本実施の形態の半導体発光素子1は、発光層150から出力される光をp側電極300およびn側電極400が形成される側から取り出す、フェイスアップ型の発光ダイオードである。
ここで、図3は、半導体発光素子1における発光層150周辺の拡大断面図である。以下では、図1および図2に加えて図3も参照しつつ、半導体発光素子1の構成について説明を行う。
なお、以下の説明においては、III族窒化物半導体の一例としてのAlGaN、GaN、GaInNに関し、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
基板110としては、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛等からなる基板110を用いることができる。
また、上記基板材料の中でも、特に、C面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。基板110としてサファイア基板を用いる場合は、サファイアのC面上に中間層120(バッファ層)を形成するとよい。
さらに、本発明において使用される基板110としては、例えば特開2009−123717号公報に記載の加工基板(サファイア単結晶のC面からなる平面と、当該平面と非平行な複数の凸部とからなる表面とする基板など)も、好ましく適用することができる。
積層半導体層100は、例えば、III族窒化物半導体からなる層であって、図2に示すように、基板110上に、中間層120、下地層130、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160の各層が、この順で積層されて構成されている。ここで、n型半導体層140は、電子(エレクトロン)をキャリアとするものであり、p型半導体層160は、正孔(ホール)をキャリアとするものである。
以下、積層半導体層100を構成する各層について、順次説明する。
中間層120は、基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和し、特にC面を主面とするサファイアで基板110を構成した場合には、基板110の(0001)面(C面)上にc軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層120の上に単結晶の下地層130を積層すると、より一層結晶性の良い下地層130が積層できる。なお、本発明においては、中間層120の形成を行うことが好ましいが、必ずしも行わなくても良い。
中間層120は、例えば、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる厚さ10nm〜500nmのものとすることができる。中間層120の厚みが10nm未満であると、中間層120により基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層120の厚みが500nmを超えると、中間層120としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層120の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
なお、中間層120は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、MOCVD法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。
下地層130としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlxGa1-xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層130を形成できるため好ましい。
下地層130の厚さは100nm以上が好ましく、より好ましくは500nm以上であり、1000nm(1μm)以上が最も好ましい。この厚さ以上にした方が、結晶性の良好な下地層130を得やすい。
下地層130の結晶性を良くするためには、下地層130には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、下地層130においてp型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物(p型不純物)あるいはドナー不純物(n型不純物)を添加することができる。
電子をキャリアとするn型半導体層140は、上述したように、下地層130上に積層されるnコンタクト層141と、nコンタクト層141上に積層されるとともに発光層150の積層対象となるnクラッド層142とを備えている。なお、前述の下地層130をn型半導体層140に含めてもよい。
より具体的に説明すると、nクラッド層142は、例えば図3に示すように、III族窒化物半導体からなり、10nm以下の膜厚を有するn第1クラッド層1421と、このn第1クラッド層1421とは組成が異なるIII族窒化物半導体からなり、10nm以下の膜厚を有するn第2クラッド層1422とが交互に積層された構造を有している。そして、nクラッド層142は、2つのn第1クラッド層1421で1つのn第2クラッド層1422を挟み込む構造を有しており、nコンタクト層141と接する側および発光層150と接する側は、それぞれ、n第1クラッド層1421となっている。なお、この例において、n第1クラッド層1421の厚さおよびn第2クラッド層1422の厚さは、それぞれ2nmに設定されている。
本実施の形態の発光層150は、障壁層と井戸層とを交互に積層した、所謂多重量子井戸構造を有している。より具体的に説明すると、この発光層150は、図3に示すように、nクラッド層142(n第1クラッド層1421)上に積層される第1障壁層151aと、第1障壁層151a上に積層される第1井戸層152aと、第1井戸層152a上に積層される第2障壁層151bと、第2障壁層151b上に積層される第2井戸層152bと、第2井戸層152b上に積層される第3障壁層151cと、第3障壁層151c上に積層される第3井戸層152cと、第3井戸層152c上に積層される第4障壁層151dと、第4障壁層151d上に積層される第4井戸層152dと、第4井戸層152d上に積層される第5障壁層151eと、第5障壁層151e上に積層される第5井戸層152eと、第5井戸層152e上に積層される第6障壁層151fと、第6障壁層151f上に積層される第6井戸層152fと、第6井戸層152f上に積層される第7障壁層151gと、第7障壁層151g上に積層される第7井戸層152gと、第7井戸層152g上に積層されるとともにpクラッド層161の積層対象となる第8障壁層151hとを備えている。
障壁層151において、第1障壁層151aの厚さを第1障壁厚さt1a、第2障壁層151bの厚さを第2障壁厚さt1b、第3障壁層151cの厚さを第3障壁厚さt1c、第4障壁層151dの厚さを第4障壁厚さt1d、第5障壁層151eの厚さを第5障壁厚さt1e、第6障壁層151fの厚さを第6障壁厚さt1f、第7障壁層151gの厚さを第7障壁厚さt1g、第8障壁層151hの厚さを第8障壁厚さt1hとする。この例では、第1障壁層151a〜第8障壁層151hのうち、最もn型半導体層140に近い側に位置する第1障壁層151aおよび第1障壁層151aに続く第2障壁層151b〜第7障壁層151gが、共通の厚さ(以下では、基準障壁厚さt1stdと呼ぶ)に設定されている(t1a=t1b=t1c=t1d=t1e=t1f=t1g=t1std)。一方、第1障壁層151a〜第8障壁層151hのうち、最もp型半導体層160に近い側に位置する第8障壁層151hは、基準障壁厚さt1sよりも大きい厚さ(以下では、最大障壁厚さt1maxと呼ぶ)に設定されている(t1s<t1h=t1max)。
井戸層152において、第1井戸層152aの厚さを第1井戸厚さt2a、第2井戸層152bの厚さを第2井戸厚さt2b、第3井戸層152cの厚さを第3井戸厚さt2c、第4井戸層152dの厚さを第4井戸厚さt2d、第5井戸層152eの厚さを第5井戸厚さt2e、第6井戸層152fの厚さを第6井戸厚さt2f、第7井戸層152gの厚さを第7井戸厚さt2gとする。この例では、第1井戸層152a〜第7井戸層152gのうち、最もn型半導体層140に近い側に位置する第1井戸層152aおよび第1井戸層152aに続く第2井戸層152b〜第5井戸層152eが、共通の厚さ(以下では、基準井戸厚さt2stdと呼ぶ)に設定されている(t2a=t2b=t2c=t2d=t2e=t2std)。一方、第1井戸層152a〜第7井戸層152gのうち、最もp型半導体層160に近い側に位置する第6井戸層152fおよびこれに続く第5井戸層152eは、基準井戸厚さt2stdよりも大きい厚さ(以下では、最大井戸厚さt2maxと呼ぶ)に設定されている。特に、この例においては、第5井戸層152eの第5井戸厚さt2eと、第6井戸層152fの第6井戸厚さt2fとが、同じ大きさとなっている(t2std<t2e=t2f=t2max)。
障壁層151において、基準障壁厚さt1stdに設定された第1障壁層151a〜第7障壁層151g、そして、最大障壁厚さt1maxに設定された第8障壁層151hは、それぞれ、GaNで構成されている。すなわち、障壁層151を構成する第1障壁層151a〜第8障壁層151hは、その厚さに関わらず(基準厚障壁層であるか最大厚障壁層であるかに関わらず)、共通の組成を有している。
井戸層152において、基準井戸厚さt2stdに設定された第1井戸層152a〜第5井戸層152eは、それぞれ、Ga1−yInyN(0<y<0.4)で構成される。すなわち、基準厚井戸層である第1井戸層152a〜第5井戸層152eは、共通の基準井戸厚さt2stdを有するとともに、共通の組成を有している。
一方、井戸層152において、最大井戸厚さt2maxに設定された第6井戸層152fおよび第7井戸層152gは、Ga1−zInzN(z<y<0.4)で構成される。すなわち、最大厚井戸層である第6井戸層152fおよび第7井戸層152gは、基準厚井戸層である第1井戸層152a〜第5井戸層152eとは、異なる厚さ且つ異なる組成を有している。より具体的に説明すると、第6井戸層152fおよび第7井戸層152gは、それぞれ、第1井戸層152a〜第5井戸層152eにおける共通の基準井戸厚さt2stdよりも大きい最大井戸厚さt2maxを有するとともに、第1井戸層152a〜第5井戸層152eに比べてInの比率が低減された共通の組成を有している。
正孔をキャリアとするp型半導体層160は、発光層150上に積層されるpクラッド層161と、pクラッド層161上に積層されるとともに透明導電層170の積層対象となるpコンタクト層162とを備えている。ただし、pコンタクト層162がpクラッド層161を兼ねることも可能である。
pクラッド層161におけるp型不純物の濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。pクラッド層161におけるp型不純物濃度が上記範囲であると、pクラッド層161およびpクラッド層161の上に積層されるpコンタクト層162の両者における結晶性の低下を抑制できる点で好ましい。
また、pクラッド層161は、上述したnクラッド層142と同様に超格子構造としてもよく、この場合には、組成比が異なるAlGaNと他のAlGaNとの交互構造または組成が異なるAlGaNとGaNとの交互構造であることが好ましい。
pコンタクト層162におけるp型不純物の濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜5×1020/cm3である。pコンタクト層162におけるp型不純物濃度が上記範囲であると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。pクラッド層161およびpコンタクト層162におけるp型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgを用いることができる。
pコンタクト層162の膜厚は、特に限定されないが、10nm〜500nmが好ましく、より好ましくは50nm〜200nmである。pコンタクト層162の膜厚がこの範囲であると、半導体発光素子1における発光出力の低下が抑制される点で好ましい。
図2に示すように、p型半導体層160の上の一部に透明絶縁層190が積層されている。図1に示すように、半導体発光素子1を平面視したときに、延伸部310を含むp側電極300の下方に位置する部分に透明絶縁層190を形成する。これは、不透明なp側電極300の下方に位置する発光層150に電流供給をしにくくし、p側電極300の下方以外の発光層150にも電流を流しやすくすることで、発光効率を高めることを目的とするものである。本実施の形態の発光層150は、電流密度が大きな領域で効果が大きいため、好ましい組み合わせである。ただし、このような形状に限定されるわけでなく、透明導電層170の上に透明絶縁層190を設けてもよい。また、透明絶縁層190の形成位置は、p側電極300の下方に限定されるものではなく、隙間を開けた格子状や樹形状の形状を有していてよい。なお、透明絶縁層190の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
透明絶縁層190の厚さは、絶縁性の確保と界面に於ける反射のための厚さより厚く、作成上、コストアップ、透明導電層170の断線の可能性をなくす厚さ以下にすることが望ましい。具体的には、20nm〜500nm、より望ましくは、50nm〜300nmである。
図2に示すように、p型半導体層160の上には透明導電層170が積層されている。
図1に示すように、半導体発光素子1を平面視したときに、透明導電層170(例えば図1に破線で示す)は、n側電極400を形成するためにエッチング等の手段によって一部が除去されたp型半導体層160の上面のほぼ全面を覆うように形成されている。しかし、このような形状に限定されるわけでなく、透明導電層170を、隙間を開けた格子状や樹形状に形成してもよい。なお、透明導電層170の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
例えば、六方晶構造のIn2O3結晶を含むIZOを透明導電層170として使用する場合、エッチング性に優れたアモルファスのIZO膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのIZO膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。透明導電層170の厚さは、特に制限されないが、例えば10〜500nmの範囲であればよい。
保護層180は、半導体発光素子1の内部への水分等の進入を抑制するために設けられている。また、本実施の形態では、発光層150からの光を、保護層180を介して取り出すことから、保護層180は発光層150から出射される光に対する透過性に優れたものであることが望ましい。そこで、本実施の形態では、保護層180をSiO2で構成している。ただし、保護層180を構成する材料についてはこれに限られるものではなく、SiO2に代えて、TiO2 、Si3N4、SiO2−Al2O3、Al2O3、AlN等を用いることができる。
p側電極300は、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のp側電極300は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。
なお、この例では、図1に示すように平面視したときに、p側電極300が円形状を呈するようになっているが、このような形状に限定されるわけではなく、例えば、多角形状など任意の形状を選択することができる。
また、発光層150に対し均一に電流を供給するために、この例では、p側電極300に、細線形状の延伸部310を設けている。延伸部310は、発光層150の大きさや形状に応じて、長さ、太さ、本数など、好適な形状を設計できる。
n側電極400は、p側電極300と同様に、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のn側電極400は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。
そして、上述したp側電極300と同様の観点からすれば、発光層150に対し均一に電流を供給するために、n側電極400にも細線形状の延伸部を設けることが望ましい。こちら側の延伸部も、発光層150の大きさや形状に応じて、長さ、太さ、本数など、好適な形状を設計できる。
図4は、上述した半導体発光素子1を搭載した発光装置30の構成の一例を示す図である。ここで、図4(a)は発光装置30の上面図を示しており、図4(b)は図4(a)のIVB−IVB断面図である。なお、図4に示す発光装置30は、「発光チップ」あるいは「ランプ」と呼ばれることもある。
発光装置30に設けられたpリード部32およびnリード部33を介して、半導体発光素子1にp側電極300を高電位とし且つn側電極400を低電位とする電圧(順方向電圧VF)をかけると、半導体発光素子1では、p側電極300からp型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140を介してn側電極400に向かう電流(順方向電流IF)が流れ、発光層150から目標波長の光(この例では青色光)が出力される。
まず、p側電極300からp型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140を介してn側電極400に向かう順方向電流IFが流れる。このとき、p型半導体層160から発光層150に向けてキャリアとしての正孔が供給され、n型半導体層140から発光層150に向けてキャリアとしての電子が供給される。
また、正孔に比べて移動度が高い電子の一部は、発光層150(井戸層152)内で正孔と再結合することなく、そのままp型半導体層160まで到達してしまうことがある。このような現象は、「オーバーフロー」と呼ばれる。
本発明者は、発光層150における障壁層151および井戸層152の厚さおよび組成の関係を種々異ならせた半導体発光素子1の作成を行い、以下に説明する各種評価を行った。
図5は、各半導体発光素子1が設置される環境温度(℃)と、各半導体発光素子1に対し順方向電流IFとして50mAを流したときの発光出力Po(図中にはPo50と記す)との関係を示したグラフ図である。ここで、図5における縦軸は、井戸層152を構成する第1井戸層152a〜第7井戸層152gをすべて基準厚井戸層に設定した比較例2において、環境温度が25℃のときの結果を基準とし、他の結果を規格化した規格化発光出力(図中には規格化発光出力Po50/Po50(比較例2−25℃)と記し、以下では『第1規格化発光出力』と称する)となっている。
また、実施例1および実施例2と比較例2とを比較すると、実施例1および実施例2では、環境温度が25℃以上140℃以下となる範囲において、比較例2よりも発光出力が高くなっている。
さらに、実施例1と実施例2とを比較すると、実施例1では、環境温度が80℃以上140℃以下となる範囲において、実施例2よりも発光出力が高くなっている。
Claims (6)
- n型不純物を含有するIII族窒化物半導体で構成されるn型半導体層と、
前記n型半導体層に積層され、III族窒化物半導体で構成されるとともに通電により発光する発光層と、
前記発光層に積層され、p型不純物を含有するIII族窒化物半導体で構成されるp型半導体層と
を含み、
前記発光層は、
III族窒化物半導体で構成された4層以上の井戸層と、
前記井戸層よりもバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体で構成され、4層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記n型半導体層との境界部にて当該n型半導体層と接続され且つ前記p型半導体層との境界部にて当該p型半導体層と接続される5層以上の障壁層とを備え、
4層以上の前記井戸層は、
前記n型半導体層に近い側から順に複数設けられ、それぞれが第1の厚さに設定されることで共通の波長の光を出力する複数のn側井戸層と、
前記p型半導体層に近い側から前記n側井戸層に至るまでの間に複数設けられ、それぞれが前記第1の厚さよりも大きい厚さに設定されるとともに前記n側井戸層とは異なる組成を有することで、それぞれが前記共通の波長の光を出力する複数のp側井戸層と
を有し、
5層以上の前記障壁層は、
前記p型半導体層に最も近い側に設けられる単数のp側障壁層と、
前記n型半導体層に近い側から前記p側障壁層に至るまでの間に設けられる複数のn側障壁層と
を有し、
前記p側障壁層の厚さが、複数の前記n側障壁層のそれぞれの厚さよりも大きく設定されるとともに、複数の前記n側井戸層のそれぞれの厚さよりも大きく且つ複数の前記p側井戸層のそれぞれの厚さよりも小さく設定されること
を特徴とする半導体発光素子。 - 複数の前記n側障壁層のそれぞれの厚さが、複数の前記n側井戸層のそれぞれの厚さよりも小さく設定されることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 4層以上の前記井戸層のうち前記p側井戸層は2層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。
- 2層の前記p側井戸層は、それぞれが前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さに設定されるとともに共通の組成を有することを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
- 5層以上の前記障壁層がそれぞれGaNで構成されるとともに、4層以上の前記井戸層がそれぞれGaInNで構成され、
前記井戸層の前記p側井戸層におけるInの濃度が、当該井戸層の前記n側井戸層におけるInの濃度よりも低いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体発光素子。 - 第1配線および第2配線が形成された基部と、当該基部に取り付けられ且つ当該第1配線および当該第2配線と電気的に接続され、当該第1配線および当該第2配線を介した通電により発光する半導体発光素子とを備え、
前記半導体発光素子は、
n型不純物を含有するIII族窒化物半導体で構成されるn型半導体層と、
前記n型半導体層に積層され、III族窒化物半導体で構成されるとともに通電により発光する発光層と、
前記発光層に積層され、p型不純物を含有するIII族窒化物半導体で構成されるp型半導体層と、
前記p型半導体層と前記第1配線とを電気的に接続するためのp側電極と、
前記n型半導体層と前記第2配線とを電気的に接続するためのn側電極と
を含み、
前記発光層は、
III族窒化物半導体族窒化物半導体で構成された4層以上の井戸層と、
前記井戸層よりもバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体で構成され、4層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記n型半導体層との境界部にて当該n型半導体層と接続され且つ前記p型半導体層との境界部にて当該p型半導体層と接続される5層以上の障壁層とを備え、
4層以上の前記井戸層は、
前記n型半導体層に近い側から順に複数設けられ、それぞれが第1の厚さに設定されることで共通の波長の光を出力する複数のn側井戸層と、
前記p型半導体層に近い側から前記n側井戸層に至るまでの間に複数設けられ、それぞれが前記第1の厚さよりも大きい厚さに設定されるとともに前記n側井戸層とは異なる組成を有することで、それぞれが前記共通の波長の光を出力する複数のp側井戸層と
を有し、
5層以上の前記障壁層は、
前記p型半導体層に最も近い側に設けられる単数のp側障壁層と、
前記n型半導体層に近い側から前記p側障壁層に至るまでの間に設けられる複数のn側障壁層と
を有し、
5層以上の前記障壁層のうち前記p側障壁層の厚さが、複数の前記n側障壁層のそれぞれの厚さよりも大きく設定されるとともに、複数の前記n側井戸層のそれぞれの厚さよりも大きく且つ複数の前記p側井戸層のそれぞれの厚さよりも小さく設定されること
を特徴とする発光装置。
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