JP6891865B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子に関する。
発光ダイオードなどの半導体発光素子は様々な用途に利用されている。なお、その用途によって、発光素子の輝度に対する更なる要求が出てきている。輝度を高める最も便利な手段は、駆動電流を高めることであるが、高電流で発光素子を駆動する場合には、ドループ現象が発生して発光効率が低下する現象がある。
ドループ現象を抑制する背景技術として、特開２０１７-０４５７９８号公報（特許文献１）がある。当該公報には、半導体発光素子の半導体層状構造に工夫をして、発光素子の発光効率を高める技術が開示されている。
しかし、近年高電流で駆動させる場合において更に発光効率の高い発光素子が求められている。本発明は、高電流で駆動しながら高い発光効率を示す発光素子を提供することを目的とする。
前記した課題を解決するために、本発明の実施形態にかかる発光素子は、窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、を含む発光素子であって、前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有する。
本発明の実施形態にかかる発光素子は、高電流で駆動するときの発光効率を高めることができる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は一実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。図２は図１におけるＡ領域を拡大表示した断面図である。図３は図２に示したＣ範囲における各半導体層のバンドギャップの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図４は図１におけるＢ領域を拡大表示した断面図である。
図１は一実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。図２は図１におけるＡ領域を拡大表示した断面図である。図３は図２に示したＣ範囲における各半導体層のバンドギャップの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図４は図１におけるＢ領域を拡大表示した断面図である。
図１示すように、発光素子１００は、基板１０２、ｎ側半導体層１０４、活性層１０６、ｐ側半導体層１０８を含む。基板１０２としては、例えば、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などが利用できる。
ｎ側半導体層１０４は基板１０２の上に設けられている。ｎ側半導体層１０４は窒化物半導体である。例えば、ｎ側半導体層１０４として、ｎ型の窒化物半導体が利用できる。その一例として、Ｓｉが添加されたＧａＮ層を形成することができる。ｎ側半導体層１０４と基板１０２との間に、更にバッファ層を設けても良い。バッファ層としては、例えばＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体が利用できる。活性層１０６は、ｎ側半導体層１０４の上に設けられている。活性層１０６の上にはｐ側半導体層１０８が設けられている。ｐ側半導体層１０８は窒化物半導体である。例えば、ｐ側半導体層１０８として、ｐ型の窒化物系半導体が利用できる。その一例として、Ｍｇが添加されたＧａＮ層を形成することができる。
図２と図４に示すように、活性層１０６は、複数の井戸層２０４と複数の障壁層２０２とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。井戸層２０４及び障壁層２０２は窒化物半導体である。障壁層２０２は、Ｇａを含む窒化物半導体であってよい。例えば、障壁層２０２はＧａＮであってよい。障壁層２０２の膜厚は、３．０〜５．０ｎｍであってよい。井戸層２０４は、Ｉｎを含む窒化物半導体であってよい。例えば、井戸層２０４はＩｎＧａＮであってよい。井戸層２０４の膜厚は障壁層２０２の膜厚よりも薄いことが好ましい。
本実施形態においては、各井戸層２０４と当該井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた１つの障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８が設けられている。すなわち、図２と図４に示すように、各井戸層２０４とその上（ｐ側半導体層１０８側）の障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８が設けられている。第１層２０６と第２層２０８は、井戸層２０４側から順次設けられている。
図２に示すように、記述の便宜上、ｎ側半導体層１０４に最も近い井戸層２０４を「最初の井戸層２０４ａ」とし、最初の井戸層２０４ａとその上の障壁層２０２と間に設けられた第１層２０６と第２層２０８をそれぞれ「最初の第１層２０６ａ」と「最初の第２層２０８ａ」とする。なお、図４に示すように、ｐ側半導体層１０８に最も近い井戸層２０４を「最後の井戸層２０４ｂ」とし、最後の井戸層２０４ｂとその上の障壁層２０２と間に設けられた第１層２０６と第２層２０８をそれぞれ「最後の第１層２０６ｂ」と「最後の第２層２０８ｂ」とする。
図３に示すように、第１層２０６のバンドギャップは、いずれの井戸層２０４のバンドギャップより大きい。第２層２０８のバンドギャップは、第１層２０６及びいずれの障壁層２０２のバンドギャップより小さい。本実施形態では、第１層２０６と障壁層２０２は同じバンドギャップを有している。また第２層２０８と井戸層２０４は同じバンドギャップを有している。
第１層２０６の膜厚はいずれの井戸層２０４よりも薄い。第１層２０６は、Ｇａを含む窒化物半導体であってよい。例えば、第1層２０６はＧａＮであってよい。第２層２０８の膜厚はいずれの井戸層２０４より薄い。第２層２０８は、Ｉｎを含む窒化物半導体である。例えば、第２層２０８はＩｎＧａＮであってよい。第２層２０８にＩｎＧａＮを使用する場合、Ｉｎの混晶比は３％以上５０％以下の範囲とすることができ、５％以上３０％以下の範囲とすることが好ましく、１０％以上２０％以下の範囲とすることがより好ましい。
ｐ側半導体層１０８の表面の一部には、ｐ側半導体層１０８と電気的に接続するｐ電極１１４が設けられている。ｐ側半導体層１０８及び活性層１０６の一部領域を除去して露出させたｎ側半導体層１０４の表面には、ｎ側半導体層１０４と電気的に接続するｎ電極１１２が設けられている。
本実施形態において、「各井戸層２０４と当該井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた１つの障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８が設けられている」が、本発明はこのような形態に限定されない。本発明の他の実施形態では、複数の井戸層２０４のうち一部の井戸層２０４だけ、そのｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に第１層２０６と第２層２０８を備えてもよい。例えば、複数の井戸層２０４のうちのいずれか一つの井戸層２０４と、それのｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間にだけ、第１層２０６と第２層２０８が設けられてもよい。
井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側の領域にはｎ側半導体層１０４側の領域よりもキャリアが多く存在する。そのため、その位置に、井戸層２０４よりも、バンドギャップが大きく、かつ薄い第１層２０６と、障壁層２０２よりもバンドギャップが小さく、井戸層２０４よりも薄い第２層２０８を設けることによって、効率よく電子を貯めることができる。これにより、発光素子１００を高電流で駆動しドループ現象が発生しやすい場合であっても、効率よく再結合が行われることで内部量子効率を向上させ、発光素子の発光効率を高めることができると考えられる。
第1層２０６の膜厚は、０．３〜２．０ｎｍであることが好ましい。第１層２０６の膜厚が厚すぎると、内部量子効率が低下して発光効率が下がるためである。第２層２０８の膜厚は、０．３〜２．０ｎｍであることが好ましい。第２層２０８の膜厚が厚すぎると、その部分が発光し、目的の波長以外の光が生じる結果、内部量子効率が低下するためである。なお、第２層２０８のＩｎ含有量は、井戸層２０４のＩｎ含有量より少ないことが好ましい。第２層２０８のバンドギャップを井戸層２０４よりも大きくし、第２層２０８における発光を抑制するためである。
本実施形態の各半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等の公知の技術により形成することができる。ＭＯＣＶＤによって各半導体層を形成する場合には、ガリウムの原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧ）が利用でき、アルミニウムの原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が利用でき、インジウムの原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）が利用でき、窒素の原料としてはＮＨ3が利用できる。なお、ｎ型不純物としてＳｉを添加する場合には、原料としてはシランガスが利用でき、ｐ型不純物としてＭｇを添加する場合には、原料としては、例えばＣｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）が利用できる。
ｎ電極１１２及びｐ電極１１４は、蒸着法又はスパッタリング法などの方法よって形成することができる。具体的には、まずｎ電極１１２又は／及びｐ電極１１４を形成する位置に開口部を有するレジストマスクを形成して、その後蒸着法又はスパッタリング法などの方法よって、ｎ電極１１２又は／及びｐ電極１１４になりうる電極材料層を形成する。その後、リフトオフによって、レジストマスク及びレジストマスクの上に形成された電極材料層を除去することにより、ｎ電極１１２又は／及びｐ電極１１４が形成できる。ｎ電極１１２及びｐ電極１１４の材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗなどの単体金属又はこれらの金属を主成分とする合金を好適に用いることができる。例えば、Ｔｉ及びＡｕを順次積層して電極材料層を形成することができる。
本明細書において、前述した「上」のように、構成要素の方位、位置等を表すときに使う「上」、「下」などの表現は、基本的に断面図における構成要素間の相対的な方位、位置等を表すものであり、特に断らない限り絶対的な位置を示すことを意図したものではない。
＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。本実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第１実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第１実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
図５は第２実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。本実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第１実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第１実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、複数の井戸層２０４のうちｐ側半導体層１０８に最も近い最後の井戸層２０４ｂを除く井戸層２０４と、複数の障壁層２０２のうち最後の井戸層２０４ｂを除く井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に、第１層２０６及び第２層２０８を有することである。すなわち、図５に示すように、最後の井戸層２０４ｂとその上の障壁層２０２との間に、図４に示すような最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂがなく、他の井戸層２０４とその上の障壁層２０２との間には第１層２０６及び第２層２０８が設けられている。
第１実施形態（図４参照）と比較すると、本実施形態の発光素子は、最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂが設けられていないことだけが第１実施形態の発光素子１００と異なり、他の部分は第１実施形態の発光素子１００と同じである。ｐ側半導体層１０８に最も近い最後の井戸層２０４ｂとその上の障壁層２０２との間に最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂを設けると、その最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂの存在により、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。したがって、最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂを設けないことによって、電子及び正孔の移動が阻害されるおそれを低減し、更に発光素子の発光効率を高めることができる。
＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
図６は第３実施形態にかかる発光素子を概略的に示す断面図である。この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、複数の井戸層２０４のうちｎ側半導体層１０４に最も近い最初の井戸層２０４ａを除く井戸層２０４と、複数の障壁層２０２のうち最初の井戸層２０４ａを除く井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に、第１層２０６及び第２層２０８を有することである。すなわち、図６に示すように、最初の井戸層２０４ａとその上の障壁層２０２との間に、図２に示すような最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａがなく、他の井戸層２０４とその上の障壁層２０２との間には第１層２０６及び第２層２０８が設けられている。
本実施形態の発光素子は、最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａが設けられていないことだけが第１実施形態の発光素子１００と異なり、他の部分は第１実施形態の発光素子１００と同じである。ｎ側半導体層１０４に最も近い最初の井戸層２０４ａとその上の障壁層２０２との間に最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａを設けると、その最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａの存在により、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。したがって、最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａを設けないことによって、電子及び正孔の移動が阻害されるおそれを低減し、更に発光素子の発光効率を高めることができる。
＜第４実施形態＞
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、複数の井戸層２０４のうちｎ側半導体層１０４に最も近い最初の井戸層２０４ａ、及びｐ側半導体層１０８に最も近い最後の井戸層２０４ｂを除く井戸層２０４と、複数の障壁層２０２のうち最初の井戸層２０４ａ及び最後の井戸層２０４ｂを除く井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に、第１層２０６及び第２層２０８を有することである。
第１実施形態の図２と図４を参考にして説明すると、本実施形態は、最初の井戸層２０４ａとその上の障壁層２０２との間に最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａが設けられていない。さらに、最後の井戸層２０４ｂとその上の障壁層２０２との間に最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂが設けられていない。そして、最初の井戸層２０４ａ及び最後の井戸層２０４ｂを除く他の井戸層２０４と、その上の障壁層２０２との間には第１層２０６及び第２層２０８がそれぞれ設けられている。
本実施形態の発光素子は、図２及び図４に示すような、最初の第１層２０６ａ、最初の第２層２０８ａ、最後の第１層２０６ｂ及び最後の第２層２０８ｂが設けられていないことだけが第１実施形態の発光素子１００と異なり、他の部分は第１実施形態の発光素子１００と同じである。最初の第１層２０６ａ、最初の第２層２０８ａ、最後の第１層２０６ｂ及び最後の第２層２０８ｂを設けることによって、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。したがって、最初の第１層２０６ａ、最初の第２層２０８ａ、最後の第１層２０６ｂ及び最後の第２層２０８ｂを設けないことによって、電子及び正孔の移動が阻害されるおそれを低減し、更に発光素子の発光効率を高めることができる。
＜第５実施形態＞
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、図４を参照して説明すると、複数の第２層２０８のうちｐ側半導体層１０８に最も近い最後の第２層２０８ｂのＩｎ含有量は、他の第２層２０８のＩｎ含有量より少ないことである。例えば、複数の第２層２０８をＩｎＧａＮで構成し、他の第２層２０８のＩｎの混晶比を１５％とする場合、最後の第２層２０８ｂのＩｎの混晶比を１％以上１０％以下とする。前述したように、ｐ側半導体層１０８に最も近い最後の井戸層２０４ｂとその上の障壁層２０２との間に最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂを設けると、その最後の第１層２０６ｂと最後の第２層２０８ｂの存在により、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。最後の第２層２０８ｂのＩｎ含有量を少なくすることによって、最後の第２層２０８ｂのバンドギャップを他の第２層２０８よりも大きくすることができる。したがって、最後の第２層２０８ｂにより電子及び正孔の移動が阻害するおそれを低減し、発光素子の発光効率を高めることができる。
＜第６実施形態＞
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、図２を参照して説明すると、複数の第２層２０８のうちｎ側半導体層１０４に最も近い最初の第２層２０８ａのＩｎ含有量は、他の第２層２０８のＩｎ含有量より少ないことである。例えば、複数の第２層２０８をＩｎＧａＮで構成し、他の第２層２０８のＩｎの混晶比を１５％とする場合、最初の第２層２０８ａのＩｎの混晶比を１％以上１０％以下とする。前述したように、ｎ側半導体層１０４に最も近い最初の井戸層２０４ａとその上の障壁層２０２との間に最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａを設けると、その最初の第１層２０６ａと最初の第２層２０８ａの存在により、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。最初の第２層２０８ａのＩｎ含有量を少なくすることによって、最初の第２層２０８ａのバンドギャップを他の第２層２０８よりも大きくすることができる。したがって、最初の第２層２０８ａにより電子及び正孔の移動が阻害するおそれを低減し、発光素子の発光効率を高めることができる。
＜第７実施形態＞
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
この実施形態は第１実施形態の変形である。本実施形態において、第1実施形態と同じ機能を有する部品、部材、部分、素子、要素については、第1実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。
本実施形態の特徴は、図２及び図４を参照して説明すると、複数の第２層２０８のうちｎ側半導体層１０４に最も近い最初の第２層２０８ａ、及びｐ側半導体層１０８に最も近い最後の第２層２０８ｂのＩｎ含有量は、他の第２層２０８のＩｎ含有量より少ないことである。例えば、複数の第２層２０８をＩｎＧａＮで構成し、他の第２層２０８のＩｎの混晶比を１５％とする場合、最初の第２層２０８ａ及び最後の第２層２０８ｂのＩｎの混晶比を１％以上１０％以下とする。前述したように、最初の第１層２０６ａ、最初の第２層２０８ａ、最後の第１層２０６ｂ及び最後の第２層２０８ｂを設けることによって、電子及び正孔が移動しにくくなる可能性がある。最初の第２層２０８ａ及び最後の第２層２０８ｂのＩｎ含有量を少なくすることによって、最初の第２層２０８ａと最後の第２層２０８ｂのバンドギャップを他の第２層２０８よりも大きくすることができる。したがって、最初の第２層２０８ａと最後の第２層２０８ｂにより電子及び正孔の移動が阻害するおそれを低減し、発光素子の発光効率を高めることができる。
発光素子１００を以下のように作製した。
基板１０２として、サファイア（Ｃ面）よりなる基板を用いた。ＭＯＣＶＤ反応容器内において、水素雰囲気中、１０５０℃で基板１０２の表面のクリーニングを行った。そして、温度を５５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3を用い、基板上にＡｌＧａＮよりなるバッファ層を約１２ｎｍの膜厚に成長させた。次に、１１５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、モノシランを用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側半導体層１０４を６μｍの膜厚に成長させて形成した。
次に、温度を８４０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる膜厚がＴｂ（３．０〜５．０ｎｍ）の障壁層２０２、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる膜厚がＴｗの井戸層２０４、ＧａＮよりなる膜厚がＴ１の第１層２０６及びＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎよりなる膜厚がＴ２の第２層２０８をこの順に積層した積層構造を１セットとして、計９セット成長させた。そして、最後にＧａＮよりなる障壁層２０２を４ｎｍの厚さに成長させて活性層１０６を形成した。
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇを５×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ側半導体層１０８を２３ｎｍの膜厚に成長させた。成長終了後、窒素雰囲中、ウェハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ側半導体層１０８を低抵抗化した。
アニーリング後、一部の領域のｐ側半導体層１０８及び活性層１０６を除去して、ｎ電極１１２を形成するための表面（電極形成面）を露出させた。最後に、ｐ側半導体層１０８表面の一部及び電極形成面にそれぞれｐ電極１１４及びｎ電極１１２を形成した。
実施例１に係る発光素子１００に、３２．５ｍＡと１２０ｍＡの順方向電流Ｉfで駆動したときの出力を測定した。発光素子の出力は、発光素子を積分球内に配置し所定の電流で駆動させることにより測定した。測定した出力は、基板の中央領域付近における出力である。
図７は実施例１の発光素子と、後述する参考サンプルに係る発光素子を３２．５ｍＡの順方向電流Ｉfで駆動したときの出力を測定した結果である。図７のグラフの縦軸は、発光素子の出力Ｐｏである。
図７において、「Ｔ１＝０．７ｎｍ、Ｔ２＝０．６ｎｍ」と示したサンプルは、上述の方法で作製され、第１層２０６の膜厚Ｔ１が０．７ｎｍ、第２層２０８の膜厚Ｔ２が０．６ｎｍである発光素子１００である。また、発光素子１００における障壁層２０２の膜厚Ｔｂは４．３ｎｍで、井戸層２０４の膜厚Ｔｗは３．２ｎｍである。
図７において、「Ｒｅｆ．」と示したサンプルは、参考サンプルで、第１層２０６と第２層２０８を含まない点を除いて、他の部分については実施例１の発光素子１００と同じ構造を有するサンプルである。
図７の結果から分かるように、順方向電流Ｉfが３２．５ｍＡである場合には、実施例１の発光素子１００は参考サンプルと同等の出力であった。
図８は実施例１の発光素子１００と参考サンプルに１２０ｍＡの順方向電流Ｉfで駆動したときの出力を測定した結果である。なお、図８は、図７の測定時に使用した発光素子と同じ発光素子について、順方向電流Ｉfを１２０ｍＡに変更して出力を測定した結果である。図８の結果によれば、高電流で駆動した場合には、実施例１の発光素子１００の出力が参考サンプルの出力より大きいことが分かる。これは、発光素子１００が、井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に第１層２０６と第２層２０８を有することによって、その部分に電子を効率よく貯めることができるので、発光素子１００を高電流で駆動する場合であっても、効率よく再結合が行われることで内部量子効率を向上させ、発光素子の発光効率を高めることができるためと考えられる。
実施例１に記載した方法によって、障壁層２０２の膜厚Ｔｂが４．０ｎｍ、井戸層２０４の膜厚Ｔｗが３．０ｎｍ、第１層２０６の膜厚Ｔ１と第２層２０８の膜厚Ｔ２が０．５ｎｍである実施例２の発光素子１００を作製した。
図９は実施例２の発光素子１００を３２．５ｍＡの順方向電流で駆動したときの出力を測定した結果である。図９において、「Ｔ１＝Ｔ２＝０．５ｎｍ」は、第１層２０６の膜厚Ｔ１と第２層２０８の膜厚Ｔ２が０．５ｎｍであることを示す。なお、図９における他の符号の意味は、図７と同じである。また、本実施例に使用した参考サンプルは、実施例１の参考サンプルと障壁層２０２及び井戸層２０４の膜厚が異なっていること以外は同じ構造を有する。本実施例の参考サンプルの障壁層２０２の膜厚は４．０ｎｍであり、井戸層２０４の膜厚は３．０ｎｍである。
図９の測定結果によれば、順方向電流Ｉfが３２．５ｍＡであった場合、障壁層２０２の膜厚Ｔｂが４．０ｎｍである実施例２の発光素子１００は、参考サンプルと同等の出力であった。
図１０は、実施例２の発光素子１００を１２０ｍＡの順方向電流で駆動したときの出力を測定した結果である。図１０は、図９の測定時に使用した発光素子と同じ発光素子について、順方向電流Ｉfを１２０ｍＡに変更して測定した結果である。図１０の結果によれば、高電流で駆動した場合には、Ｔｂが４．０ｎｍである発光素子１００の出力が参考サンプルの出力より大きいことが分かる。この結果は、図８に示した実施例１の発光素子１００の傾向と同じである。すなわち、第１層２０６と第２層２０８を設けることによって、高電流で駆動する場合であっても、効率よく再結合が行われることで発光素子１００の発光効率を高めることができる。また、井戸層２０４の膜厚は障壁層２０２の膜厚よりも薄いことが好ましい。
実施例１に記載した方法によって、第１層２０６の膜厚Ｔ１と第２層２０８の膜厚Ｔ２が０．３ｎｍである実施例３の発光素子１００を作製した。実施例３の発光素子１００における障壁層２０２の膜厚Ｔｂは４．３ｎｍで、井戸層２０４の膜厚Ｔｗは３．２ｎｍである。
一方、第１層２０６と第２層２０８の設置位置の影響を調べるために、井戸層２０４と当該井戸層２０４のｎ側半導体層１０４側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８を設けた発光素子のサンプルも作製した。すなわち、図２を参考にして説明すると、各井戸層２０４とその下（ｎ側半導体層１０４側）の障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８を設けたサンプルである。第１層２０６と第２層２０８は、井戸層２０４側から順次設けられている。以下、このサンプルを「比較サンプル」という。
図１１は発光素子の出力に及ぼす第１層２０６及び第２層２０８の設置位置の影響を示す測定結果である。図１１において、「Ｔ１＝０．３ｎｍ、Ｔ２＝０．６ｎｍ」は、第１層２０６の膜厚Ｔ１が０．３ｎｍ、第２層２０８の膜厚Ｔ２が０．６ｎｍであることを示す。図１１において、「ｐ−Ｓｉｄｅ」は実施例３の発光素子１００を示し、「ｎ−Ｓｉｄｅ」は比較サンプルを示す。なお、図１１における他の符号の意味は、図７と同じである。また、本実施例に使用した参考サンプルは、実施例１の参考サンプルと同じ構造を有する。
図１１は、実施例３の発光素子、比較サンプル、及び参考サンプルを２０ｍＡの順方向電流で駆動したときの出力を測定した結果である。この結果から、実施例３の発光素子１００（ｐ−Ｓｉｄｅ）は参考サンプルと同等の出力であったが、比較サンプル（ｎ−Ｓｉｄｅ）の出力は両者より低いことが分かった。
図１２は発光素子の駆動電圧に及ぼす第１層２０６及び第２層２０８の設置位置の影響を示す測定結果である。図１２の縦軸は駆動電圧Ｖfを示す。すなわち、図１２は実施例３の発光素子、比較サンプル、及び参考サンプルを２０ｍＡの順方向電流で駆動したときの駆動電圧Ｖfを測定した結果である。図１２における他の符号の意味は、図１１と同じである。
図１２の測定結果によれば、実施例３の発光素子１００は参考サンプルと同等の駆動電圧を示すが、比較サンプルは両者より高い駆動電圧を示すことが分かった。これは、比較サンプルの発光素子を駆動するとき、実施例３の発光素子１００及び参考サンプルの発光素子より高い駆動電圧が必要であること示す。図１１の結果も合わせて考慮すると、比較サンプルは、実施例３の発光素子１００及び参考サンプルに比べて、必要とする駆動電圧が高く、かつ出力が低い、すなわち、発光効率が極めて低い発光素子であることが分かる。これは、井戸層２０４のｎ側半導体層１０４側の面にはキャリアがあまり存在せず、その部分に第１層２０６と第２層２０８を設けたとしても、電子を貯める層として機能せず、反って不要な内部電界が発生するためであると考えられる。その結果、再結合が起こりにくくなり、内部量子効率が低下するためであると考えられる。また、実施例３の発光素子は実施例１とほぼ同様の構造を有していることから、高電流で駆動する場合であっても発光効率を高めることができる。
以上の実施例の測定結果によれば、井戸層２０４と当該井戸層２０４のｐ側半導体層１０８側に隣り合って設けられた障壁層２０２との間に、第１層２０６と第２層２０８を設けることによって、高電流で駆動するときの発光素子１００の発光効率が高くなることが明らかになった。
以上、実施形態及び実施例を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載の範囲に限定されるものではない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者にとって明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであるが、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。なお、各実施形態の構成の一部について、他の構成によって置換することも可能であり、それを削除することも可能である。
以上、実施形態及び実施例を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載の範囲に限定されるものではない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者にとって明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであるが、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。なお、各実施形態の構成の一部について、他の構成によって置換することも可能であり、それを削除することも可能である。
１００ 発光素子
１０２ 基板
１０４ ｎ側半導体層
１０６ 活性層
１０８ ｐ側半導体層
１１２ ｎ電極
１１４ ｐ電極
２０２ 障壁層
２０４ 井戸層
２０４ａ 最初の井戸層
２０４ｂ 最後の井戸層
２０６ 第１層
２０６ａ 最初の第１層
２０６ｂ 最後の第1層
２０８ 第２層
２０８ａ 最初の第２層
２０８ｂ 最後の第２層
１０２ 基板
１０４ ｎ側半導体層
１０６ 活性層
１０８ ｐ側半導体層
１１２ ｎ電極
１１４ ｐ電極
２０２ 障壁層
２０４ 井戸層
２０４ａ 最初の井戸層
２０４ｂ 最後の井戸層
２０６ 第１層
２０６ａ 最初の第１層
２０６ｂ 最後の第1層
２０８ 第２層
２０８ａ 最初の第２層
２０８ｂ 最後の第２層
Claims (11)
- 窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、
窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、
前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
を含む発光素子であって、
前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有し、
複数の前記井戸層のうち前記ｐ側半導体層に最も近い最後の井戸層を除く井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記最後の井戸層を除く井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた障壁層との間に、前記第１層及び前記第２層を有する
ことを特徴とする発光素子。 - 窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、
窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、
前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
を含む発光素子であって、
前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有し、
複数の前記井戸層のうち前記ｎ側半導体層に最も近い最初の井戸層を除く井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記最初の井戸層を除く井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた障壁層との間に、前記第１層及び前記第２層を有する
ことを特徴とする発光素子。 - 窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、
窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、
前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
を含む発光素子であって、
前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有し、
複数の前記井戸層のうち前記ｎ側半導体層に最も近い最初の井戸層、及び前記ｐ側半導体層に最も近い最後の井戸層を除く井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記最初の井戸層及び前記最後の井戸層を除く井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた障壁層との間に、前記第１層及び前記第２層を有する
ことを特徴とする発光素子。 - 窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、
窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、
前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
を含む発光素子であって、
前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有し、
複数の前記第２層のうち前記ｎ側半導体層に最も近い最初の第２層のＩｎ含有量は、他の前記第２層のＩｎ含有量より少ない
ことを特徴とする発光素子。 - 窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、
窒化物半導体からなるｐ側半導体層と、
前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
を含む発光素子であって、
前記複数の井戸層のうちいずれか１つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記１つの井戸層のｐ側半導体層側に隣り合って設けられた１つの障壁層との間に、前記１つの井戸層側から順に設けられた、いずれの前記井戸層よりバンドギャップが大きくいずれの前記井戸層より薄い第１層と、前記第１層及びいずれの前記障壁層よりバンドギャップが小さくいずれの前記井戸層より薄い第２層と、を有し、
複数の前記第２層のうち前記ｎ側半導体層に最も近い最初の第２層、及び前記ｐ側半導体層に最も近い最後の第２層のＩｎ含有量は、他の前記第２層のＩｎ含有量より少ない
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から５の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記井戸層及び前記第２層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなり、
前記第２層のＩｎ含有量は、前記井戸層のＩｎ含有量より少ない
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から６の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記第1層の膜厚は、０．１〜２．０ｎｍである
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から７の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記第２層の膜厚は、０．１〜２．０ｎｍである
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から８の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記障壁層及び第１層は、Ｇａを含む窒化物半導体からなる
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から９の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記障壁層の膜厚は、３．０〜５．０ｎｍである
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項１から１０の何れか一項に記載の発光素子であって、
前記井戸層の膜厚は、前記障壁層よりも薄い
ことを特徴とする発光素子。
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