JP6062966B2 - 窒化ガリウム系発光ダイオード - Google Patents
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Description
加えて、高電流でLEDを駆動させる場合、電流が転位を通して集中し、低電流で駆動させた場合と比較して、更に発光効率が悪化する。
また、本発明の別の課題は、高電流においても駆動し得る発光ダイオードを提供することである。
さらに、本発明の別の課題は、順電圧を低減できる発光ダイオードを提供することである。
ある実施形態では、多層構造を有する超格子層は、InGaN層、AlGaN層及びGaN層が複数サイクル繰り返し積層された構造を有してもよい。多層構造を有する超格子層は、それぞれのサイクルにおいてInGaN層とAlGaN層との間にさらにGaN層を有してもよい。
配置される(n−1)個の障壁層を有してもよく、該(n−1)個の障壁層間において、(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも厚い膜厚を有する障壁層が、第1井戸層に近接して配置されてもよく、(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも薄い膜厚を有する障壁層が、第n井戸層に近接して配置されてもよい。加えて、平均膜厚よりも厚い膜厚を有する障壁層の数が、平均膜厚よりも薄い膜厚を有する障壁層の数よりも多くてもよい。
ある実施形態では、LEDは更に、基板とn型コンタクト層との間に配置された下部GaN層、及びn型コンタクト層と下部GaN層との間に配置された中間層を有してもよい。ここで、中間層はAlInN層又はAlGaN層から形成されてもよい。
図1において、LEDは窒化ガリウム基板11、n型コンタクト層19、超格子層20、活性層30、及びp型コンタクト層43を含む。加えて、LEDは中温バッファ層13、下部GaN層15、中間層17、p型クラッド層41、透明電極層45、第1電極層4
7、及び第2電極層49を含む。
い。第1電極47は、n型コンタクト層とオーミック接合している。
22/GaN層23の3層構造が複数サイクル(例えば約10〜20サイクル)繰り返し積層された構造であってもよい。AlGaN層22とInGaN層21の順番は置き換わってもよい。ここで、InGaN層21は、活性層30中の井戸層と比較して広いバンドギャップを有する。また好ましくは、AlGaN層22は、活性層30中の障壁層と比較して広いバンドギャップを有する。加えて、InGaN層21とAlGaN層22は不純物を意図的にドープしないアンドープ層として形成されてもよく、GaN層23はSiドープ層として形成されてもよい。好ましくは、超格子層20の最上層は、不純物ドープGaN層23である。
が得られる。加えて、障壁層31b間に配置される井戸層33の厚みは、障壁層31a間に配置される井戸層33と比較して薄くてもよく、その場合、結晶欠陥の発生を防ぐことができる。例えば、井戸層33n、33及び33pの膜厚さは10Å以上30Å以下であってよく、障壁層31aの膜厚は50Å以上70Å以下であってよく、障壁層31bの膜厚は30Å以上50Å以下であってよい。
aN、又はAlInGaNから形成されてもよい。特に、障壁層31a及び31bは、バンドギャップを更に大きくするために、アルミニウム(Al)を含む窒化ガリウム系層として形成されてもよい。好ましくは、障壁層31a及び31bにおけるアルミニウム(Al)の組成比は、0より大きく0.1未満である。特に、0.02以上0.05以下であってもよい。アルミニウム(Al)の組成比を上記範囲に限定することで、光パワーが増大する。
図6は、中温バッファ層13を使用したことによる、エピタキシャル層の表面モルフォロジーを説明するための光学写真である。図6において、(a)は中温バッファ層13なしで、窒化ガリウム基板11から成長させたn型GaN層の表面モルフォロジーであり、(b)は窒化ガリウム基板11上に中温バッファ層13を形成した後に、中温バッファ層13から成長させたn型GaN層の表面モルフォロジーである。
ここで、窒化ガリウム基板11としてm面成長面を有する基板を用い、中温バッファ層13は約750℃で5nmの膜厚で形成した。
それと比較して図6(b)では、中温バッファ層13を使用することで、滑らかな表面を有するn型GaN層が成長したことが理解される。要するに、中温バッファ層13が成長基板11の表面欠陥を低減させるため、その上に形成されたエピタキシャル層の結晶性が改善されると思われる。
それゆえ、700℃〜800℃の温度で中温バッファ層13を成長させることで、中温バッファ層13から900℃以上の高い温度で成長させたエピタキシャル層の結晶性が改善すると理解される。
図7は、中間層を使用したことによるエピタキシャル層の表面モルフォロジーを説明するための光学写真である。図7において(a)は、窒化ガリウム基板11から、中間層なしで、n型コンタクト層19、超格子層20、活性層30、p型クラッド層41、及びp型コンタクト層43を順に成長させた後、光学顕微鏡で撮像されたp型コンタクト層43の表面写真であり、(b)は、下部GaN層15とn型コンタクト層19の間に、10nm未満の膜厚のAl0.8In0.2N中間層17を形成し、その後n型コンタクト層19から超格子層20、活性層30、p型クラッド層41、及びp型コンタクト層43を順に成長させた後、光学顕微鏡で撮像されたp型コンタクト層43の表面写真である。窒化ガリウム基板11としてc面成長基板が使用されることで、ここでは基板11は平行に形成された転位欠陥線Ldを有した。下部GaN層15及びn型コンタクト層19は、約1050℃〜1100℃の温度範囲で同じ成長条件で形成させ、中間層17は830℃の温度で成長させた。
また、分離したLEDは、窒化ガリウム基板11上に組立られ、中間層17の有無によりウエハーレベルで順電圧を比較した。結果、中間層17を有するLEDの順電圧は、中間層17を有さないLEDの順電圧よりも約0.13V小さかった。
図8は、窒化ガリウム基板を使用したことによる光パワーの増加を説明するグラフである。ここで、本発明の実施態様では、c面窒化ガリウム基板を成長基板として使用し、エピタキシャル層は窒化ガリウム基板c面に成長させ、LEDを形成した。ここで、超格子20はInGaN及びGaNを交互に20サイクル積層させて形成し、井戸層は近紫外線を放射するInGaN層として形成し、障壁層はGaNで形成した。一方で、比較例では成長基板としてサファイア基板を用い、近紫外線を放射するLEDはサファイア基板上に形成した。ここで、成長基板の違いによる光パワーの変化を確認するために、障壁層と井戸層の膜厚は同じ厚さで形成した。
図9は、障壁層におけるAlの組成比による、光パワーと順電圧の変化を説明するためのグラフである。ここで、窒化ガリウム基板が成長基板として用いられ、障壁層はAlGaNから形成され、Alの組成比による光パワーと順電圧は、Al組成比を変化させることで測定し、光パワーと順電圧の相対値は、GaN障壁層を用いたLEDに基づくパーセンテージにより示した。
それゆえ、LEDの光パワーは、障壁層におけるAl組成比を0.02〜0.05の範囲にすることで改善されたと理解される。
また、中温バッファ層及び/又は中間層を使用することで、結晶欠陥をさらに低減できる。
Claims (12)
- m面成長面を有する窒化ガリウム基板と、
前記窒化ガリウム基板上に配置された窒化ガリウム系第1n型コンタクト層と、
前記第1n型コンタクト層の上方に配置された窒化ガリウム系第2p型コンタクト層と、
前記第1n型コンタクト層と第2p型コンタクト層の間に配置され、多重量子井戸構造と
を有する活性層と、
前記第1n型コンタクトと活性層の間に配置され、多層構造を有する超格子層と、
前記基板と第1n型コンタクト層との間に配置された中温バッファ層と、
を含み、
前記窒化ガリウム基板と前記中温バッファ層が同一の材料で構成される、
発光ダイオード(LED)。 - 前記多層構造を有する超格子層は、InGaN層、AlGaN層、及びGaN層が複数サイクル繰り返し積層された構造を有する、請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記多層構造を有する超格子構造は、それぞれのサイクルにおいてInGaN層とAlGaN層の間にGaN層を含む、請求項2に記載の発光ダイオード。
- 前記多重量子井戸構造を有する活性層は、前記第1n型コンタクト層に最も近接した第1井戸層と、前記第2p型コンタクト層に最も近接した第nの井戸層との間に配置された(n−1)個の障壁層を有し、
該(n−1)個の障壁層間において、(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも厚い膜厚を有する障壁層が前記第1井戸層により近接して配置され、(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも薄い膜厚を有する障壁層が第n井戸層により近接して配置された、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光ダイオード。 - 前記(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも厚い膜厚を有する障壁層の数が、前記(n−1)個の障壁層の平均膜厚よりも薄い膜厚を有する障壁層の数よりも多い、請求項4に記載の発光ダイオード。
- 前記n個の井戸層の膜厚がいずれも前記(n−1)個の障壁層の障壁層の膜厚よりも薄く、該障壁層の膜厚は平均膜厚よりも薄い、請求項4又は5に記載の発光ダイオード。
- 平均膜厚よりも厚い膜厚の障壁層間に配置される井戸層の膜厚は、平均膜厚よりも薄い膜厚の障壁層間に配置される井戸層の膜厚以上である、請求項4〜6のいずれか1項に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層中の障壁層はAlGaNまたはAlInGaNから形成される、請求項4〜7のいずれか1項に記載の発光ダイオード。
- 前記障壁層におけるアルミニウム(Al)の組成比が0より大きく、0.1より小さい、請求項8に記載の発光ダイオード。
- 前記障壁層におけるアルミニウム(Al)の組成比が0.02〜0.05の範囲である、請求項9に記載の発光ダイオード。
- 前記中温バッファ層はGaN層から形成される、請求項1に記載の発光ダイオード。
- さらに、前記基板と第1n型コンタクト層との間に配置された下部GaN層、及び前記第1n型コンタクト層と該下部GaN層との間に形成された中間層、を有し、該中間層はAlInN層又はAlGaN層から形成される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の発光ダイオード。
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