JP6478685B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間に、窒化物半導体からなる発光層と窒化物半導体からなる障壁層とを交互に積層してなる活性層を有する窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention provides an nitridation having an active layer in which a light emitting layer made of a nitride semiconductor and a barrier layer made of a nitride semiconductor are alternately stacked between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
今日、窒化物半導体は、LED(発光ダイオード)やLD(レーザダイオード)などの発光素子の用途として利用、開発がなされているところである(例えば、特許文献1、2参照)。
Today, nitride semiconductors are being used and developed for applications of light emitting elements such as LEDs (light emitting diodes) and LDs (laser diodes) (see, for example,
本発明者は、同一の材料で半導体発光素子を複数製造し、各素子に対して電流を注入したところ、実際に発光する素子と、全く発光しないか又はほとんど発光しない素子が混在していることに目をつけた。そして、これらの素子の結晶評価を行ったが、両者の間に結晶的には有意な差は存在しなかった。 The present inventor manufactured a plurality of semiconductor light emitting elements using the same material and injected a current into each element. As a result, an element that actually emits light and an element that emits little light or hardly emits light are mixed. Eyes on. Then, these devices were evaluated for crystals, but there was no significant difference in crystallinity between them.
本発明者は、素子によって発光したり発光しなかったりする現象が生じていることに対して更なる鋭意研究を重ねた結果、発光している素子と発光しなかった素子との間には、特定の箇所におけるC濃度に差異が存在することを突き止めた。 As a result of further earnest research on the phenomenon that the device emits light or does not emit light, the present inventor found that between the light emitting device and the device that did not emit light, It was found that there was a difference in the C concentration at a specific location.
本発明は、上記の検討に鑑み、高い発光強度を示す窒化物半導体発光素子を実現することを目的とする。 In view of the above consideration, an object of the present invention is to realize a nitride semiconductor light emitting device exhibiting high light emission intensity.
本発明は、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間に、窒化物半導体からなる発光層と窒化物半導体からなる障壁層とを交互に積層してなる活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記障壁層のうち前記p型窒化物半導体層に最も近い位置に形成される最終障壁層のC濃度が1×1018/cm3以下であることを特徴とする。
The present invention provides an nitridation having an active layer in which a light emitting layer made of a nitride semiconductor and a barrier layer made of a nitride semiconductor are alternately stacked between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. A semiconductor light emitting device,
A C concentration of a final barrier layer formed at a position closest to the p-type nitride semiconductor layer among the barrier layers is 1 × 10 18 / cm 3 or less.
本発明者の鋭意研究により、最終障壁層のC濃度を1×1018/cm3以下として窒化物半導体発光素子を構成することで、発光強度の高い発光素子が実現されることが確認された。特に、最終障壁層のC濃度を5×1017/cm3以下とすることで、より発光強度の高い発光素子が実現される。この結果は、「発明を実施するための形態」の項で実施例を参照して後述される。 As a result of diligent research by the present inventors, it was confirmed that a light-emitting element with high emission intensity can be realized by configuring a nitride semiconductor light-emitting element with the C concentration of the final barrier layer being 1 × 10 18 / cm 3 or less. . In particular, by setting the C concentration of the final barrier layer to 5 × 10 17 / cm 3 or less, a light emitting element with higher emission intensity is realized. This result will be described later with reference to the examples in the section “DETAILED DESCRIPTION”.
本発明者の鋭意研究により、最終障壁層のC濃度が1×1018/cm3より高くなると、当該C濃度が高くなるほど発光強度が低下することが確認された。この理由は現時点では定かではないが、本発明者はこの理由を以下のように推察している。すなわち、最終障壁層のC濃度が高いことで、p型窒化物半導体層から発光層に向かう正孔の移動が妨げられる。正孔は電子と比べて移動度が低いことから、活性層を構成する複数の発光層のうち、p型窒化物半導体層の近くに形成された発光層において電子と正孔が再結合しやすく、当該発光層が最も発光に寄与する。しかし、最終障壁層におけるC濃度が高いことで、この最も発光に寄与する発光層内に正孔を十分移動させることができない。この結果、当該発光層における電子と正孔の再結合確率が低下し、これに伴って発光強度が低下している。 As a result of intensive studies by the present inventors, it has been confirmed that when the C concentration of the final barrier layer is higher than 1 × 10 18 / cm 3, the emission intensity decreases as the C concentration increases. The reason for this is not clear at the present time, but the present inventor presumes this reason as follows. That is, the high C concentration in the final barrier layer prevents the movement of holes from the p-type nitride semiconductor layer toward the light emitting layer. Since holes have a lower mobility than electrons, among the plurality of light-emitting layers constituting the active layer, electrons and holes easily recombine in the light-emitting layer formed near the p-type nitride semiconductor layer. The light emitting layer contributes most to light emission. However, since the C concentration in the final barrier layer is high, holes cannot be sufficiently transferred into the light emitting layer that contributes most to light emission. As a result, the recombination probability of electrons and holes in the light emitting layer is lowered, and the emission intensity is lowered accordingly.
この観点に立てば、p型窒化物半導体層と最終障壁層との間に別の層を有する発光素子においては、当該別の層のC濃度についても1×1018/cm3以下とすることで、最も発光に寄与する発光層に正孔を高効率で注入できる。なお、この場合、当該別の層のC濃度を5×1017/cm3以下として発光素子を構成するのがより好ましい。 From this point of view, in the light emitting device having another layer between the p-type nitride semiconductor layer and the final barrier layer, the C concentration of the other layer is also set to 1 × 10 18 / cm 3 or less. Thus, holes can be injected with high efficiency into the light emitting layer that contributes most to light emission. Note that in this case, it is more preferable that the light-emitting element is formed with the C concentration of the other layer being 5 × 10 17 / cm 3 or less.
なお、窒化物半導体発光素子を構成する各半導体層は、一般的にMOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)によって形成される。最終障壁層に存在するC成分は、原料ガスとして利用されるトリメチルガリウム(TMG)などの有機金属化合物に含まれるC元素に由来するものと考えられる。よって、原料ガス及びキャリアガスの流量や成長温度のプロファイルを適宜変更することで、最終障壁層のC濃度を適宜調整することができる。 Each semiconductor layer constituting the nitride semiconductor light emitting element is generally formed by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). The C component present in the final barrier layer is considered to be derived from the C element contained in the organometallic compound such as trimethylgallium (TMG) used as the source gas. Therefore, the C concentration of the final barrier layer can be appropriately adjusted by appropriately changing the flow rates of the source gas and the carrier gas and the profile of the growth temperature.
本発明によれば、高い発光強度を示す窒化物半導体発光素子が実現される。 According to the present invention, a nitride semiconductor light emitting device exhibiting high light emission intensity is realized.
本発明の窒化物半導体発光素子につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。 The nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the actual dimensional ratio does not necessarily match the dimensional ratio on the drawing.
[構造]
図1は、窒化物半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図1に示される窒化物半導体発光素子1(以下、適宜「発光素子1」と略記する。)は、基板2上に、アンドープ層3、n型窒化物半導体層4、活性層5、及びp型窒化物半導体層6を有して構成されている。
[Construction]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a nitride semiconductor light emitting device. A nitride semiconductor
(基板2)
基板2は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Si、SiC、AlN、AlGaN、GaN、YAGなどで構成しても構わない。
(Substrate 2)
The
(アンドープ層3)
アンドープ層3は、GaNにて形成される。より具体的には、GaNよりなる低温バッファ層と、その上層にGaNよりなる下地層によって形成される。
(Undoped layer 3)
The
(n型窒化物半導体層4)
n型窒化物半導体層4は、AlX1InY1GaZ1N(0≦X1≦1、0≦Y1≦1、0≦Z1≦1、X1+Y1+Z1=1)によって構成される。一例として、n型窒化物半導体層4はn−Al0.06Ga0.94Nによって構成される。なお、ドーパントとしてのn型不純物としてはSiが好適に用いられるが、Ge、S、Se、Sn、Teなどを用いることもできる。
(N-type nitride semiconductor layer 4)
The n-type
なお、n型窒化物半導体層4は、アンドープ層3に接触する領域にn−GaNで構成される層(保護層)を含む構成としても構わない。
The n-type
(活性層5)
活性層5は、AlX3InY3GaZ3N(0≦X3≦1、0≦Y3≦1、0≦Z3≦1、X3+Y3+Z3=1)からなる発光層と、AlX4InY4GaZ4N(0≦X4≦1、0≦Y4≦1、0≦Z4≦1、X4+Y4+Z4=1)からなる障壁層とが複数層繰り返されて構成される。活性層5を構成する発光層は、活性層5を構成する障壁層よりもバンドギャップエネルギーが低ければよい。活性層5は、例えばInGaNからなる発光層とAlGaNからなる障壁層が複数層繰り返されて構成される。これらの層はアンドープでもp型又はn型にドープされていても構わない。なお、ここでいう「InGaN」という表記は、InとGaを含む窒化物半導体層であることを記載しているに過ぎず、InとGaの組成比が1:1であることをいうものではない。「AlGaN」という表記についても同様である。
(Active layer 5)
The
活性層5の構成について、図2を参照して詳述する。図2は、窒化物半導体発光素子1のうち、活性層5及びその近傍の部分を拡大して模式的に示した断面図である。
The configuration of the
活性層5は、窒化物半導体で形成された障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)と、窒化物半導体で形成された発光層(5b,5d,5f,5h,5j)とが交互に積層されている。なお、本実施形態では、活性層5が6層の障壁層と5層の発光層を有する構成としているが、障壁層及び発光層の層数はあくまで一例であり、適宜設定可能である。
The
図2を参照して活性層5を説明すると、活性層5のうち、障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)がAlGaNで構成されており、発光層(5b,5d,5f,5h,5j)がInGaNで構成されている。一例として、本実施形態における窒化物半導体発光素子1が備える活性層は、Al0.08Ga0.92Nよりなる障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)と、In0.03Ga0.97Nよりなる発光層(5b,5d,5f,5h,5j)とで構成されている。
The
そして、発光素子1は、障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)のうち、p型窒化物半導体層6に最も近い位置に形成される障壁層5k、すなわち最終障壁層5kのC濃度を1×1018/cm3以下としている。
The
(p型窒化物半導体層6)
p型窒化物半導体層6は、AlX2InY2GaZ2N(0≦X2≦1、0≦Y2≦1、0≦Z2≦1、X2+Y2+Z2=1)によって構成される。一例として、p型窒化物半導体層6を、p−Al0.3Ga0.7Nとp−Al0.09Ga0.91Nの積層構造とすることができる。ドーパントとしてのp型不純物としてはMgが好適に用いられるが、Be、Znなどを用いることもできる。
(P-type nitride semiconductor layer 6)
The p-type
更に、p型窒化物半導体層6は、AlX2InY2GaZ2N層の上層に、コンタクト用の高濃度p−GaN層を有するものとしても構わない。
Further, the p-type
[製造プロセス]
次に、図1及び図2に示した発光素子1の製造プロセスにつき、説明する。なお、この製造プロセスはあくまで一例であり、ガスの流量、炉内温度、炉内圧力等は適宜調整して構わない。
[Manufacturing process]
Next, a manufacturing process of the
(ステップS1)
まず、基板2の上層にアンドープ層3を形成する。これは、例えば以下の方法により実現される。
(Step S1)
First, the
基板2としてのサファイア基板を準備し、c面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板を配置し、処理炉内に所定流量の水素ガスを流しながら、炉内を所定温度に昇温することで実行される。
A sapphire substrate is prepared as the
次に、c面サファイア基板の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層3に対応する。具体的には、МОCVD装置における炉内の温度及び圧力を所定の値に設定した状態で、当該炉内に、キャリアガスとして所定の流量で窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして所定の流量でトリメチルガリウム(TMG)及びアンモニアを所定時間供給することで実行される。これにより、c面サファイア基板の表面に、所定の厚み(例えば20nm)のGaNよりなる低温バッファ層が形成される。
Next, a low-temperature buffer layer made of GaN is formed on the surface of the c-plane sapphire substrate, and an underlayer made of GaN is further formed thereon. These low-temperature buffer layer and underlayer correspond to the
次に、MOCVD装置の炉内温度を昇温した状態で、前記キャリアガス及び前記原料ガスの流量及び供給時間を適宜調整することで、低温バッファ層の表面に、所定の厚み(例えば1.7μm)のGaNよりなる下地層が形成される。 Next, in a state where the furnace temperature of the MOCVD apparatus is raised, the flow rate and supply time of the carrier gas and the source gas are appropriately adjusted, so that a predetermined thickness (eg, 1.7 μm) is formed on the surface of the low temperature buffer layer. ) Of GaN is formed.
(ステップS2)
次に、アンドープ層3の上層にAlX1InY1GaZ1Nの組成からなるn型窒化物半導体層4を形成する。具体的には、МОCVD装置における炉内の温度及び圧力を所定の値に設定した状態で、当該炉内に、キャリアガスとして所定の流量で窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして所定の流量でTMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア及びn型不純物をドープするためのテトラエチルシランを所定時間供給することで実行される。これにより、例えばAl0.06Ga0.94Nの組成を有し、厚みが1.7μmのn型窒化物半導体層4がアンドープ層3の上層に形成される。
(Step S2)
Next, an n-type
なお、本ステップにおいて、n型窒化物半導体層4をAlX1InY1GaZ1Nで実現する場合には、原料ガスとして所定流量のトリメチルインジウム(TMI)を加えるものとして構わない。
In this step, when the n-type
(ステップS3)
次に、n型窒化物半導体層4の上層に活性層5を形成する。このとき、発光層(5b,5d,5f,5h,5j)を形成するステップと、障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)を形成するステップが交互に実行される。
(Step S3)
Next, the
具体的には、МОCVD装置における炉内の温度及び圧力を所定の値に設定した状態で、当該炉内に、キャリアガスとして所定の流量で窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして所定の流量でTMG、TMA、アンモニア、及びテトラエチルシランを所定時間供給することで障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)が形成される。また、МОCVD装置における炉内の温度及び圧力を所定の値に設定した状態で、当該炉内に、キャリアガスとして所定の流量で窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして所定の流量でTMG、TMI、及びアンモニアを所定時間供給することで発光層(5b,5d,5f,5h,5j)が形成される。原料ガスの供給時間によって各層の厚みを調整することができ、繰り返し回数によって発光層と障壁層の周期数を調整することができる。 Specifically, in a state where the temperature and pressure in the furnace in the МОCVD apparatus are set to predetermined values, while a nitrogen gas and a hydrogen gas are allowed to flow in the furnace at a predetermined flow rate as a carrier gas, Barrier layers (5a, 5c, 5e, 5g, 5i, 5k) are formed by supplying TMG, TMA, ammonia, and tetraethylsilane at a flow rate for a predetermined time. Also, with the temperature and pressure in the furnace in the МОCVD apparatus set to predetermined values, TMG at a predetermined flow rate as a source gas while flowing nitrogen gas and hydrogen gas as a carrier gas at a predetermined flow rate in the furnace. , TMI, and ammonia are supplied for a predetermined time to form the light emitting layers (5b, 5d, 5f, 5h, 5j). The thickness of each layer can be adjusted by the supply time of the source gas, and the number of periods of the light emitting layer and the barrier layer can be adjusted by the number of repetitions.
これにより、例えば厚みが20nmのn型AlGaNよりなる障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)を有する活性層5及び厚みが2nmのInGaNよりなる発光層(5b,5d,5f,5h,5j)が、n型窒化物半導体層4の上面に形成される。
Thereby, for example, the
なお、ここでは、発光層(5b,5d,5f,5h,5j)をアンドープとし、障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)をn型不純物でドープする場合のプロセスを示しているが、これらの層はアンドープでも構わないし、p型又はn型にドープされていても構わない。 Here, a process in the case where the light emitting layers (5b, 5d, 5f, 5h, 5j) are undoped and the barrier layers (5a, 5c, 5e, 5g, 5i, 5k) are doped with n-type impurities is shown. However, these layers may be undoped or may be doped p-type or n-type.
また、発光層(5b,5d,5f,5h,5j)をAlInGaNで構成してもよい。この場合には、原料ガスに所定流量のTMAを含めることで実現できる。同様に、障壁層(5a,5c,5e,5g,5i、5k)をAlInGaNで構成してもよい。この場合には、原料ガスに所定流量のTMIを含めることで実現できる。 Further, the light emitting layers (5b, 5d, 5f, 5h, 5j) may be made of AlInGaN. In this case, it can be realized by including TMA at a predetermined flow rate in the source gas. Similarly, the barrier layers (5a, 5c, 5e, 5g, 5i, 5k) may be made of AlInGaN. In this case, it can be realized by including a predetermined flow rate of TMI in the source gas.
(ステップS4)
次に、活性層5の上層に、AlX2InY2GaZ2Nで構成されるp型窒化物半導体層6を形成する。具体的には、МОCVD装置における炉内の温度及び圧力を所定の値に設定した状態で、当該炉内に、キャリアガスとして所定の流量で窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして所定の流量でTMG、TMA、アンモニア及びp型不純物をドープするためのビスシクロペンタジニエルマグネシウム(Cp2Mg)を所定時間供給することで実行される。これにより、例えば厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nと、厚みが150nmのAl0.09Ga0.91Nとの積層構造で構成されるp型窒化物半導体層6が、活性層5の上層に形成される。なお、本ステップにおいて、p型窒化物半導体層6をAlX2InY2GaZ2Nで実現する場合には、原料ガスとして更に所定流量のTMIを加えるものとして構わない。
(Step S4)
Next, a p-type
なお、この後に、TMAの供給を停止すると共に、Cp2Mgの流量を適宜変更して原料ガスを所定時間供給することで、高濃度p型のGaN層を形成しても構わない。この場合、p型窒化物半導体層6は、AlX2InY2GaZ2Nと高濃度p型GaN層の積層構造で構成される。
After that, the high-concentration p-type GaN layer may be formed by stopping the supply of TMA and changing the flow rate of Cp 2 Mg as appropriate to supply the source gas for a predetermined time. In this case, the p-type
(後の工程)
基板2の同一面側にn側電極とp型電極を配置するいわゆる「横型構造」の発光素子1を実現する場合には、ICPエッチングによりn型窒化物半導体層4の一部上面を露出させ、露出したn型窒化物半導体層4の上層にn側電極を形成し、p型窒化物半導体層6の上層にp側電極を形成する。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、電極に対してワイヤボンディングを行う。
(Later process)
When realizing the so-called “lateral structure” light-emitting
一方、基板の一方の面にn側電極を配置し、他方の面にp側電極を配置してなる、いわゆる「縦型構造」の発光素子1を製造する場合には、以下の手順による。まず、p型窒化物半導体層6の上層にp側電極となる金属電極(反射電極)、ハンダ拡散防止層、及びハンダ層を形成する。そして、ハンダ層を介して、導体又は半導体で構成された支持基板(例えばCuW基板)を貼り合わせた後、上下を反転させて基板2をレーザ照射等の方法により剥離する。その後、n型窒化物半導体層4の上層にn側電極を形成する。以下、横型構造と同様に、素子分離及びワイヤボンディングを行う。
On the other hand, when manufacturing the so-called “vertical structure” light-emitting
[評価]
図1及び図2に示す発光素子1に関し、最終障壁層5kのC濃度を変更させて素子の特性の評価を行った。具体的には、ステップS3の成長条件及びステップS4におけるp型窒化物半導体層6の成長条件を変更することで、最終障壁層5kのC濃度を変更させた。なお、各実施例及び比較例における各層の組成及び厚みは共通である。
[Evaluation]
Regarding the light-emitting
より詳細にいえば、上述したプロセスにおいて、炉内温度の昇温の速度、及び原料ガスの供給開始タイミングを異ならせることで、最終障壁層5kのC濃度のみを変更させた。
More specifically, in the above-described process, only the C concentration of the
なお、本実施形態に係る発光素子1では、最終障壁層5kがp型窒化物半導体層6に接触する構成を採用している。このため、最終障壁層5kを成長させる際の原料ガスだけでなく、p型窒化物半導体層6を成長させる際の原料ガスによっても最終障壁層5kに含まれるC濃度に影響する可能性がある。このため、上述したように、ステップS3とステップS4の両方の成長条件を変更することで、最終障壁層5kのC濃度を変更させている。
Note that the light-emitting
実施例1の発光素子は、最終障壁層5kのC濃度が5×1016/cm3である。なお、この値はほぼ検出限界に相当する。
実施例2の発光素子は、最終障壁層5kのC濃度が5×1017/cm3である。
実施例3の発光素子は、最終障壁層5kのC濃度が1×1018/cm3である。
比較例1の発光素子は、最終障壁層5kのC濃度が2×1018/cm3である。
In the light-emitting element of Example 1, the C concentration of the
In the light-emitting element of Example 2, the C concentration of the
In the light-emitting element of Example 3, the C concentration of the
In the light emitting device of Comparative Example 1, the C concentration of the
なお、上記の各実施例1−3及び比較例1において、最終障壁層5kのC濃度の値は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次イオン質量分析法)を用いて導出されたものである。
In each of the above Examples 1-3 and Comparative Example 1, the value of C concentration in the
図3は、上記実施例1−3、及び比較例1の各素子の発光強度と供給電流の関係を示すグラフである。図3によれば、最終障壁層5kのC濃度が5×1016/cm3である実施例1の素子及び、最終障壁層5kのC濃度が5×1017/cm3である実施例2の素子は、ほぼ同等程度の高い発光強度を示している。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the emission intensity and the supply current of each element of Examples 1-3 and Comparative Example 1. According to FIG. 3, the device of Example 1 in which the C concentration of the
一方、最終障壁層5kのC濃度が2×1018/cm3と最も高い値を示した比較例1の素子は、ほとんど発光が確認されなかった。また、最終障壁層5kのC濃度が実施例2と比較例1の間の1×1018/cm3である実施例3の素子は、実施例2の素子よりも発光強度が低下したものの、比較例1の素子に比べると十分な強度の発光が確認された。
On the other hand, the device of Comparative Example 1 in which the C concentration of the
図3の結果に鑑みると、最終障壁層5kのC濃度が高くなるほど素子の発光強度が低下する傾向を示していることが分かる。この理由は定かではないが、最終障壁層5kのC濃度が高い結果、p型窒化物半導体層6から発光層(5j等)への正孔の注入が妨げられ、当該発光層(5j等)における電子と正孔の再結合確率が低下したことで発光強度が低下したものと推察される。
In view of the result of FIG. 3, it can be seen that the emission intensity of the device tends to decrease as the C concentration of the
正孔は電子と比較して移動度が低いため、活性層5を構成する各発光層(5b,5d,5f,5h,5j)のうち、p型窒化物半導体層6の近くに位置する発光層(例えば発光層5j等)において、最も効率的に電子と正孔が再結合される。つまり、p型窒化物半導体層6の近くに位置する発光層が最も発光に寄与する層となる。しかし、比較例1のように発光層5jとp型窒化物半導体層6との間に位置する最終障壁層5kのC濃度が高い場合、最も発光に寄与する発光層5jに対する正孔の注入量が低下したことで、実施例1や実施例2と比べて発光強度が低下したものと考えられる。
Since holes have a lower mobility than electrons, light emission located near the p-type
この推察に鑑みれば、最終障壁層5kのC濃度がなるべく低くなるように発光素子1を形成することで、高い発光強度を示す発光素子が実現できることが分かる。特に、図3において、素子に対して0.1Aの電流が印加された場合を比較すると、最終障壁層5kのC濃度が1×1018/cm3の実施例3の素子は、最終障壁層5kのC濃度が5×1016/cm3の実施例1の素子に比べて発光強度が6割程度に低下している。そして、最終障壁層5kのC濃度が2×1018/cm3の比較例1の素子は、実施例1の素子の発光強度の5%以下であり、ほとんど発光が認められない。すなわち、少なくとも最終障壁層5kのC濃度を1×1018/cm3以下とすることで、実用に耐える発光強度を示す発光素子が実現され、更に、最終障壁層5kのC濃度を5×1017/cm3以下とすることで、極めて高い発光強度を示す発光素子が実現される。
In view of this inference, it can be seen that a light emitting element exhibiting high light emission intensity can be realized by forming the
なお、活性層5を構成する発光層及び障壁層の積層数を上記実施例と異ならせて同一の実験を行ったが、図3と同様の傾向が得られた。また、障壁層の組成、p型窒化物半導体層6の組成、又は障壁層の膜厚等を上記実施例と異ならせて同一の実験を行ったが、やはり図3と同様の傾向が得られた。このことからも、少なくとも最終障壁層5kのC濃度を1×1018/cm3以下とすることで、実用に耐える発光強度を示す発光素子が実現され、更に、最終障壁層5kのC濃度を5×1017/cm3以下とすることで、極めて高い発光強度を示す発光素子が実現されることが結論付けられる。
The same experiment was performed with the number of stacked light emitting layers and barrier layers constituting the
なお、上記実施形態では、発光層及び障壁層が複数周期繰り返されることで活性層5が形成される場合について説明したが、活性層5は、単一の発光層を有する構成であっても構わない。この場合、活性層5は発光層と当該発光層を挟む2つの障壁層を有し、障壁層と発光層が交互に積層されて実現される。そして、2つの障壁層のうち、p型窒化物半導体層6に最も近い位置の障壁層が最終障壁層に対応し、この最終障壁層のC濃度が1×1018/cm3以下である。
In the above embodiment, the case where the
なお、最終障壁層5kに含まれるCによって、p型窒化物半導体層6からの正孔の移動が妨げられることに鑑みれば、発光素子1が最終障壁層5kとp型窒化物半導体層6との間に別の層を有して構成される場合には、当該別の層についてもC濃度を1×1018/cm3以下とするのが好ましい。図4は、発光素子1の別の構造を模式的に示す断面図であり、図5は、図4に示される発光素子1のうち、活性層5及びその近傍の部分を拡大して模式的に示した断面図である。図4及び図5に示される発光素子1は、最終障壁層5kとp型窒化物半導体層6との間に、アンドープAlGaN層7を備える構成である。このような場合には、最終障壁層5k及びアンドープAlGaN層7に含有されるC濃度が1×1018/cm3以下となるように構成される。これにより、p型窒化物半導体層6に近い発光層(発光層5j等)に対する正孔への注入が高まり、発光強度が改善される。
In view of the fact that C contained in the
図4及び図5を参照して説明した例では、最終障壁層5kとp型窒化物半導体層6との間に形成される層をアンドープAlGaN層7としたが、これはあくまで一例であり、別の層が形成されていても構わない。
In the example described with reference to FIGS. 4 and 5, the layer formed between the
なお、図4及び図5に示す構成において、最終障壁層5kとp型窒化物半導体層6との間に複数の層を介在させるものとしても構わない。この場合は、これらの複数の層に含有されるC濃度が1×1018/cm3以下となるように構成されるのが好ましい。
In the configuration shown in FIGS. 4 and 5, a plurality of layers may be interposed between the
1 : 窒化物半導体発光素子
2 : 基板
3 : アンドープ層
4 : n型窒化物半導体層
5 : 活性層
6 : p型窒化物半導体層
7 : アンドープAlGaN層
5a,5c,5e,5g,5i、5k : 障壁層
5b,5d,5f,5h,5j : 発光層
1: Nitride semiconductor light emitting device 2: Substrate 3: Undoped layer 4: N-type nitride semiconductor layer 5: Active layer 6: P-type nitride semiconductor layer 7: Undoped AlGaN layers 5a, 5c, 5e, 5g, 5i, 5k :
Claims (1)
前記障壁層のうち前記p型窒化物半導体層に接触して形成される最終障壁層は、Alを含む窒化物半導体からなり、当該最終障壁層に含まれるC濃度が5×10 16 /cm 3 以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 Nitride semiconductor light emitting device having active layer in which light emitting layer made of nitride semiconductor and barrier layer made of nitride semiconductor are alternately laminated between n type nitride semiconductor layer and p type nitride semiconductor layer Because
Of the barrier layers, a final barrier layer formed in contact with the p-type nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing Al, and a C concentration contained in the final barrier layer is 5 × 10 16 / cm 3. A nitride semiconductor light emitting device characterized by:
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