JP6846913B2 - 広波長域発光素子および広波長域発光素子の作製方法 - Google Patents
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Description
図1は、後述する本発明の実施の形態に係る発光素子10(図4参照)および発光素子20(図5参照)に用いる多結晶GaN基板1の構成を模式的に示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態に係る発光素子10および発光素子20の発光スペクトルの形状を特徴付ける「80%強度波長範囲」なるパラメータについて説明する。
<発光素子の概要>
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子10の構成を模式的に示す断面図である。発光素子10は、概略、多結晶GaN基板1の一方主面上に、いずれもが13族窒化物半導体からなるn型導電層2と、活性層3と、p型導電層4とが積層された構成を有する。以下においては、係るn型導電層2と、活性層3と、p型導電層4との積層部分を、発光構造とも称する。
次に、発光素子10の作製方法を、多結晶GaN基板1上への各層の形成にMOCVD法を用い、n型ドーパントをSiとし、p型ドーパントをMgとする場合を例として説明する。
形成温度:1050℃〜1200℃;
形成圧力:30kPa〜100kPa;
キャリアガス:窒素および水素;
原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:1000〜2000;
ドーパント源:シランガス。
形成温度:750℃〜800℃;
形成圧力:30kPa〜100kPa;
キャリアガス:窒素;
第1単位層3aの原料ガス:TMG、TMI、およびアンモニアガス;
第2単位層3bの原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:5000〜30000。
形成温度:1050℃〜1200℃;
形成圧力:30kPa〜100kPa;
キャリアガス:窒素および水素;
原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:1000〜2000;
ドーパント源:Cp2Mg。
続いて、発光素子10における発光を特徴付ける活性層3について、より詳細に説明する。
上述した第1の実施の形態に係る発光素子10は、第1単位層3aのInモル比xがx≦x0なる範囲で分布を有することによって広波長域発光素子となってはいる。しかしながら、最大値x0には形成温度との関係から制限があり、仮に活性層3の形成温度を低めることによって、係る最大値x0を、単色光を発光させる場合であれば橙色光〜赤色光が得られるような0.45〜0.55程度の値に定めたとしても、結晶品質が劣化し発光強度が低下するのみであり、白色光の発光は実現されない。
形成圧力:30kPa〜100kPa;
キャリアガス:窒素;
第1単位層7aの原料ガス:TMG、TMI、およびアンモニアガス;
第2単位層7bの原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:5000〜30000。
本実施例では、第1の実施の形態に係る発光素子10を作製し、発光プロファイルの評価を行った。なお、発光素子10の作製は、母基板(ウェハー)の上に各層および電極のパターンを形成することによって得られた積層体を切断することで多数の発光素子10を同時に得る、いわゆる多数個取りの手法によって行った。
形成温度:1150℃;
形成圧力:100kPa;
キャリアガス:窒素および水素;
原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:1500;
ドーパント源:シランガス。
形成温度:750℃;
形成圧力:100kPa;
キャリアガス:窒素;
第1単位層3aの原料ガス:TMG、TMI、およびアンモニアガス;
第2単位層3bの原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:15000。
形成温度:950℃;
形成圧力:100kPa;
キャリアガス:窒素および水素;
原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:1500;
ドーパント源:Cp2Mg。
活性層3の形成温度を720℃とした他は、実施例1と同様な手順で発光素子を作製した。得られた発光素子を実施例1と同様にフェイスダウンでリードフレームに実装し、アノード電極とカソード電極との間に500mAで通電し、発光スペクトルを得た。その結果、ピーク波長λpが510nmで80%強度波長範囲が87nmの広波長域発光が得られた。すなわち、80%強度波長範囲は実施例1と同程度である一方、ピーク波長λpが長波長側にシフトしていた。しかしながら、その発光強度は実施例1に係る発光素子10の0.2倍であった。
本実施例では、傾斜角頻度分布が相異なる複数の多結晶GaN基板1を用意し、それぞれを用いて、第2の実施の形態に係る発光素子20と同様に応力緩和層7を有する発光素子を作製した。
形成圧力:100kPa;
キャリアガス:窒素;
第1単位層7aの原料ガス:TMG、TMI、およびアンモニアガス;
第2単位層7bの原料ガス:TMGおよびアンモニアガス;
15族/13族ガス比:15000。
1a、1b、1c、1d GaN単結晶
2 n型導電層
3 活性層
3a (活性層の)第1単位層
3b (活性層の)第2単位層
4 p型導電層
5 アノード電極
6 カソード電極
7 応力緩和層
7a (応力緩和層の)第1単位層
7b (応力緩和層の)第2単位層
10、20 発光素子
S (多結晶GaN基板の)主面
Claims (6)
- 複数のGaN単結晶粒子からなり、前記複数のGaN単結晶粒子についてのc軸方向の基板法線に対する傾斜角の頻度分布において傾斜角が0°のときの頻度値から順次に積算した累積頻度値が全体の80%となる傾斜角である累積80%傾斜角が12°以上20°以下である多結晶GaN基板と、
13族窒化物半導体からなる発光構造と、
を備え、
前記発光構造が、
前記多結晶GaN基板の上に設けられた、GaNに所定のn型ドーパントがドープされてなるn型導電層と、
前記n型導電層の上に設けられた、In x Ga 1−x N(0<x<1)なる組成の第1単位層とGaNからなる第2単位層とが繰り返し交互に積層されることにより多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上に設けられた、GaNに所定のp型ドーパントがドープされてなるp型導電層と、
を備え、
発光スペクトルにおいてピーク波長における発光強度値の80%以上の発光強度値である波長範囲が40nm以上である、
ことを特徴とする広波長域発光素子。 - 請求項1に記載の広波長域発光素子であって、
前記n型導電層の上に設けられた、InyGa1−yN(0<y<1)なる組成の第1単位層とGaNからなる第2単位層とが繰り返し交互に積層されることにより超格子構造を有する応力緩和層、
をさらに備え、
前記活性層が前記応力緩和層の上に設けられてなる、
ことを特徴とする広波長域発光素子。 - 請求項2に記載の広波長域発光素子であって、
前記多結晶GaN基板の累積80%傾斜角が15°以上20°以下であり、
前記活性層の第1単位層におけるInモル比xの値の最大値が0.4〜0.55である、
ことを特徴とする広波長域発光素子。 - 発光スペクトルにおいてピーク波長における発光強度値の80%以上の発光強度値である波長範囲が40nm以上である、広波長域発光素子を作製する方法であって、
複数のGaN単結晶粒子からなり、前記複数のGaN単結晶粒子についてのc軸方向の基板法線に対する傾斜角の頻度分布において傾斜角が0°のときの頻度値から順次に積算した累積頻度値が全体の80%となる傾斜角である累積80%傾斜角が12°以上20°以下である多結晶GaN基板を準備する、準備工程と、
前記多結晶GaN基板の上に、GaNに所定のn型ドーパントがドープされてなるn型導電層を形成するn型導電層形成工程と、
前記n型導電層の上に、InxGa1−xN(0<x<1)なる組成の第1単位層とGaNからなる第2単位層とを繰り返し交互に積層することにより多重量子井戸構造を有する活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層の上に、GaNに所定のp型ドーパントがドープされてなるp型導電層を形成するp型導電層形成工程と、
を備えることを特徴とする広波長域発光素子の作製方法。 - 請求項4に記載の広波長域発光素子の作製方法であって、
前記n型導電層の上に、InyGa1−yN(0<y<1)なる組成の第1単位層とGaNからなる第2単位層とが繰り返し交互に積層されることにより超格子構造を有する応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程、
をさらに備え、
前記活性層形成工程においては、前記応力緩和層の上に前記活性層を形成する、
ことを特徴とする広波長域発光素子の作製方法。 - 請求項5に記載の広波長域発光素子の作製方法であって、
前記多結晶GaN基板の累積80%傾斜角が15°以上20°以下であり、
前記活性層の形成温度が680℃〜750℃である、
ことを特徴とする広波長域発光素子の作製方法。
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