JP7104519B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
近年、紫外光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている(特許文献1参照。)。 In recent years, nitride semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes that output ultraviolet light have been provided, and development of nitride semiconductor light emitting devices with improved light emission intensity is underway (see Patent Document 1). ..
特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に配置された第1のn型窒化物半導体層と、前記第1のn型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたp型窒化物半導体層と、前記p型窒化物半導体層の上面に配置され、前記p型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第2のn型窒化物半導体層と、前記第2のn型窒化物半導体層上に配置され、前記p型窒化物半導体層と電気的に接続されるp側電極と、前記第1のn型窒化物半導体層と電気的に接続されるn側電極とを備える。 The nitride semiconductor light emitting element described in Patent Document 1 includes a substrate, a first n-type nitride semiconductor layer arranged on the substrate, and an activity arranged on the first n-type nitride semiconductor layer. A second connection between the layer, the p-type nitride semiconductor layer arranged on the active layer, and the p-type nitride semiconductor layer arranged on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer is a tunnel junction. An n-type nitride semiconductor layer, a p-side electrode arranged on the second n-type nitride semiconductor layer and electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer, and the first n-type nitride. It includes an n-side electrode that is electrically connected to the semiconductor layer.
ところで、中心波長が例えば360nm以下の波長を有する深紫外線を発光する窒化物半導体発光素子では、p型窒化物半導体層には、p型のAlGaN系の半導体材料が用いられる。このような窒化物半導体発光素子では、活性層へのホールの注入効率を高めるために、p型のAlGaNで形成されたp型窒化物半導体層を薄くすることが好ましい。 By the way, in a nitride semiconductor light emitting device that emits deep ultraviolet rays having a central wavelength of, for example, 360 nm or less, a p-type AlGaN-based semiconductor material is used for the p-type nitride semiconductor layer. In such a nitride semiconductor light emitting device, it is preferable to thin the p-type nitride semiconductor layer formed of p-type AlGaN in order to increase the efficiency of injecting holes into the active layer.
特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子によると、トンネルジャンクションを構成するp型窒化物半導体層から第2のn型窒化物半導体層までの厚さ、すなわち、活性層から電極までの距離を短くすることが好ましいと考えられる。 According to the nitride semiconductor light emitting device described in Patent Document 1, the thickness from the p-type nitride semiconductor layer constituting the tunnel junction to the second n-type nitride semiconductor layer, that is, the distance from the active layer to the electrode is determined. It is considered preferable to shorten it.
一方、窒化物半導体発光素子の通電中に、電極に用いられる金属の原子がp型のAlGaN系半導体中に生じている転位を伝達して活性層側に到達しやすくなり、この結果、窒化物半導体発光素子の発光出力の低下や、寿命の低下を招く虞がある。そして、活性層から電極までの距離が短い場合、通電中の転位の伝達による発光出力の低下や寿命の低下が特に顕著であった。 On the other hand, while the nitride semiconductor light emitting device is energized, the metal atom used for the electrode easily transmits the rearrangement generated in the p-type AlGaN-based semiconductor to reach the active layer side, and as a result, the nitride There is a risk that the light emission output of the semiconductor light emitting device will be reduced and the life of the semiconductor light emitting device will be shortened. When the distance from the active layer to the electrode was short, the decrease in light emission output and the decrease in life due to the transmission of dislocations during energization were particularly remarkable.
そこで、本発明は、通電中の発光出力の低下が小さく寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having a long life with a small decrease in light emission output during energization.
本発明は、上記課題を解決することを目的として、n型のAlGaNによって形成された第1のn型クラッド層と、前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層の上方に位置し、前記p型クラッド層にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層と、前記トンネルジャンクション層の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクション層と前記電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層をさらに含み、前記窒化物半導体発光素子は、フリップ型であり、前記多重量子井戸層は、紫外光を発し、前記電極層は、前記第2のn型クラッド層上に、前記多重量子井戸層から発された光を反射させる反射電極部と、前記第2のn型クラッド層に電流を供給するコンタクト電極部とを交互に備え、前記第2のn型クラッド層は、前記多重量子井戸層が発する紫外光の吸収率が0.1%以下であり、前記トンネルジャンクション層の厚さは、10nm以下であり、前記反射電極部の幅は、前記第2のn型クラッド層の厚さの20倍以下である、窒化物半導体発光素子を提供する。 The present invention has a first n-type clad layer formed of n-type AlGaN, a multiple quantum well layer located above the first n-type clad layer, and a multiple quantum well layer, for the purpose of solving the above problems. A p-type clad layer located above the multiple quantum well layer and formed by p-type AlGaN and a layer containing an n-type semiconductor in the p-type clad layer located above the p-type clad layer are tunneled. A nitride semiconductor light emitting device including a tunnel junction layer to be joined and an electrode layer formed above the tunnel junction layer, which is formed by n-type AlGaN between the tunnel junction layer and the electrode layer. The nitride semiconductor light emitting device further includes a second n-type clad layer, the nitride semiconductor light emitting device is a flip type, the multiple quantum well layer emits ultraviolet light, and the electrode layer is the second n-type clad layer. A reflective electrode portion that reflects light emitted from the multiple quantum well layer and a contact electrode portion that supplies an electric current to the second n-type clad layer are alternately provided on the second n-type clad. The layer has an absorption rate of ultraviolet light emitted by the multiple quantum well layer of 0.1% or less, the thickness of the tunnel junction layer is 10 nm or less, and the width of the reflective electrode portion is the second. Provided is a nitride semiconductor light emitting device having a thickness of 20 times or less the thickness of the n-type clad layer .
本発明によれば、発光出力の低下が小さく寿命が長い窒化物半導体発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device having a small decrease in light emission output and a long life.
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態について、図1から図5を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。なお、以下、本発明を説明するにあたり、「上方」又は「下方」とは、一つの対象物と他の対象物との相対的な位置関係を示すものであり、当該一つの対象物が当該他の対象物に直接的に上側又は下側に配置されているもののみならず、当該一つの対象物が別の第三対象物を介して当該他の対象物に間接的に上側又は下側に配置されているものも含む。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. It should be noted that the embodiments described below are shown as suitable specific examples for carrying out the present invention, and there are some parts that specifically exemplify various technical matters that are technically preferable. , The technical scope of the present invention is not limited to this specific aspect. Further, the dimensional ratio of each component in each drawing does not necessarily match the dimensional ratio of the actual nitride semiconductor light emitting device. In the following description of the present invention, "upper" or "lower" indicates a relative positional relationship between one object and another object, and the one object is the object. Not only those directly above or below the other object, but also the one object indirectly above or below the other object via another third object. Including those placed in.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。本実施の形態では、特に、中心波長が200nm~360nmの深紫外光を発する発光素子1を例に挙げて説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. The nitride semiconductor light emitting device 1 (hereinafter, also simply referred to as “light emitting device 1”) is a light emitting diode (LED) that emits light having a wavelength in the ultraviolet region. In the present embodiment, in particular, the light emitting element 1 that emits deep ultraviolet light having a center wavelength of 200 nm to 360 nm will be described as an example.
図1に示すように、発光素子1は、基板10と、バッファ層20と、第1のn型クラッド層30と、中間層40と、多重量子井戸層を含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、トンネルジャンクション80と、第2のn型クラッド層90と、カソード電極200と、アノード電極100とを含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the light emitting element 1 includes a
発光素子1を構成する半導体には、例えば、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素(B)、タリウム(Tl)等で置き換えても良く、また、Nの一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置き換えても良い。 The semiconductor constituting the light emitting element 1 includes, for example, a binary system represented by Al x Gay In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A ternary or quaternary group III nitride semiconductor can be used. Further, some of these Group III elements may be replaced with boron (B), thallium (Tl), etc., and a part of N may be replaced with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc. It may be replaced with bismuth (Bi) or the like.
基板10は、発光素子1が発する深紫外光に対して透光性を有している。基板10は、例えば、サファイア(Al2O3)を含むサファイア基板である。基板10には、サファイア(Al2O3)基板の他に、例えば、窒化アルミニウム(AlN)基板や、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板を用いてもよい。
The
バッファ層20は、基板10上に形成されている。バッファ層20は、AlN層22と、AlN層22上に形成されるアンドープのu-AlpGa1-pN層24(0≦p≦1)を含んで構成されている。また、基板10及びバッファ層20は、下地構造部2を構成する。なお、u-AlpGa1-pN層24は、必ずしも設けなくてもよい。
The
第1のn型クラッド層30は、下地構造部2上に形成されている。第1のn型クラッド層30は、n型のAlGaN(以下、単に「n型AlGaN」ともいう。)により形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlqGa1-qN層(0≦q≦1)である。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)等を用いてもよい。第1のn型クラッド層30は、1μm~3μm程度の厚さを有し、例えば、2μm程度の厚さを有している。第1のn型クラッド層30は、単層でもよく、多層構造でもよい。
The first n-
中間層40は、第1のn型クラッド層30上に形成されている。中間層40は、少なくともシリコン(Si)、アルミニウム(Al)および窒素(N)を含む層であり、例えば、不純物としてSiがドープされたAlGaN層である。
The
多重量子井戸層を含む活性層50は、中間層40上に形成されている。活性層50は、AlrGa1-rNを含んで構成される多重量子井戸層の中間層40側の障壁層52a、及び後述する電子ブロック層60側の障壁層52cを含む3層の障壁層52a,52b,52cとAlsGa1-sNを含んで構成される3層の井戸層54a,54b,54c(0≦r≦1、0≦s≦1、r>s)とを交互に積層した多重量子井戸層を含む層である。活性層50は、波長360nm以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが3.4eV以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、活性層50に障壁層52及び井戸層54は各3層ずつ設けたが、必ずしも3層に限定されるものではなく、2層でもよく、4層以上でもよい。
The
電子ブロック層60は、活性層50上に形成されている。電子ブロック層60は、p型のAlGaN(以下、単に「p型AlGaN」ともいう。)により形成されている。電子ブロック層60は、1nm~10nm程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層60は、AlNにより形成された層を含んでもよい。また、電子ブロック層60は、必ずしもp型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。
The
p型クラッド層70は、電子ブロック層60上に形成されている。すなわち、p型クラッド層70は、電子ブロック層60を介して多重量子井戸層の上方に位置している。p型クラッド層70は、p型AlGaNにより形成される層であり、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされたAltGa1-tN層(0≦t≦1)である。なお、p型の不純物としては、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いてもよい。
The p-type clad
トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70上に形成されている。トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70と後述するn型半導体層としての第2のn型クラッド層90とをトンネル接合させるものである。すなわち、トンネルジャンクション80は、p型半導体の価電子帯の電子をn型半導体の伝導体にトンネルさせることで、p型半導体の価電子帯に正孔を発生させるものである。
The
トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70側に位置するp型層82と、第2のn型クラッド層90側に位置するn型層84とを含んで構成されている。p型層82は、例えば、Mg等の不純物が高濃度にドープされたp型のGaN(以下、「pGaN」ともいう。)により形成されたpGaN層である。なお、p型層82を形成する半導体材料は、必ずしもpGaNに限定されるものではなく、例えば、p型AlGaNや、p型のInGaN、あるいはp型のAlInGaNでもよい。p型層82にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。p型層82にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、p型層82は、p型のAlaInbGa1-a-bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成された層である。
The
n型層84は、Si等の不純物がドープされたn型のGaNにより形成されたnGaN層である。なお、n型層84を形成する半導体材料は、必ずしもnGaNに限定されるものではなく、例えば、n型AlGaNや、n型のInGaN、あるいはn型のAlInGaNでもよい。n型層84にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。n型層84にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、n型層84は、n型のAlcIndGa1-c-dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成された層である。
The n-
また、pGaN層のp型層82及びnGaN層のn型層84はともに、紫外光の一部を吸収する性質を有している。詳細は、後述する。
Further, both the p-
p型層82の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。また、p型層82と同様にn型層84の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。換言すれば、トンネルジャンクション80の厚さは、好ましくは、20nm以下、より好ましくは、10nm以下である。
The thickness of the p-
トンネルジャンクション80上には、第2のn型クラッド層90が形成されている。すなわち、第2のn型クラッド層90は、トンネルジャンクション80を介してp型クラッド層70の上方に位置している。第2のn型クラッド層90は、後述するコンタクト電極部122から流れる電流を横方向に伝導して拡散する層である。ここで、「横方向」とは、第2のn型クラッド層90の厚さ方向に直行する方向をいう。詳細は、後述する。
A second n-type clad
第2のn型クラッド層90は、n型の半導体を含む層(以下、「n型半導体層」ともいう。)である。具体的には、第2のn型クラッド層90は、n型AlGaNにより形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAluGa1-uN層(0≦u≦1)である。好ましくは、第2のn型クラッド層90を構成するn型AlGaNの組成は、第1のn型クラッド層30を構成するn型AlGaNの組成と略等しい、すなわち、q=uである。また、第2のn型クラッド層90は、上述のpGaN層と比較して、活性層50からの発せられる紫外光の吸収量が非常に少なく、第2のn型クラッド層90の紫外光の吸収量は、0.1%以下である。
The second n-type clad
カソード電極200は、第1のn型クラッド層30の一部の領域上に形成されている。カソード電極200は、例えば、第1のn型クラッド層30の上に順にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成される。
The
アノード電極100は、第2のn型クラッド層90の上に形成されている。アノード電極100は、反射電極部124と、コンタクト電極部122とを含む第1の電極層120と、アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成された第2の電極層140とを含む。第1の電極層120は、電極層の一例である。なお、第2の電極層140は、必ずしもアルミニウム(Al)層を含まなくてもよい。
The
反射電極部124は、多重量子井戸層から発せられた紫外光を第2のn型クラッド層90側の面において反射させる。好ましくは、反射電極部124は、紫外光に対して反射率の高い材料を含んで構成されている。例えば、反射電極部124は、Al等の金属を含んで構成されている。なお、紫外光に対するAlの反射率は、約90%である。
The reflecting
コンタクト電極部122は、第2のn型クラッド層90に電流を供給する電極部である。コンタクト電極部122は、反射電極部124と異なる材料により形成されている。好ましくは、コンタクト電極部122は、第2のn型クラッド層90に対して、反射電極部124の第2のn型クラッド層90に対する接触抵抗よりも小さい接触抵抗を有する材料により形成される。このようにすることにより、アノード電極100の紫外光に対する反射率を高くすることを追求して、反射電極部124に紫外光に対する高い反射率を有する材料を選択したことにより、第2のn型クラッド層90に対する接触抵抗が大きくなったとしても、アノード電極100に電流が流れにくくなることを抑制することが期待できる。具体的には、コンタクト電極部122は、Ti等の金属を含んで構成される。コンタクト電極部122の素材は、Tiに限定されるものではなく、Niやパラジウム(Pd)やITO(Indium Tin Oxide)でもよい。
The
なお、説明の便宜上、反射電極部124及びコンタクト電極部122は、それぞれ3つずつ設けたが、必ずしも3つに限定されるものではなく、2つでもよく、4つ以上でもよい。また、反射電極部124の数とコンタクト電極部122の数とが異なっていてもよい。
For convenience of explanation, three
図2は、第1の電極層120の構成を模式的に示す上面図である。反射電極部124と、コンタクト電極部122とは、空間的に分離して設けられている。ここで、「空間的に分離して設ける」とは、第2のn型クラッド層90の上面において反射電極部124と、コンタクト電極部122とが互いに異なる位置に設けることをいう。「空間的に分離して設ける」には、反射電極部124と、コンタクト電極部122とが所定の間隔をおいて並んでいる構成のみならず、反射電極部124と、コンタクト電極部122とが隙間なく並んでいる構成等も含まれる。具体的には、図1及び図2に示すように、反射電極部124と、コンタクト電極部122とは、第2のn型クラッド層90の上面視において、縞状(ストライプ状)になるように交互に配置されている。
FIG. 2 is a top view schematically showing the configuration of the
好ましくは、反射電極部124の上面の表面積(以下、「反射電極部124の面積」ともいう。)は、コンタクト電極部122の上面の表面積(以下、「コンタクト電極部122の面積」ともいう。)以上である。このようにすることで、多重量子井戸層から発せられた紫外光をより多く反射させ、紫外光の取出し効率が向上することが期待できるからである。
Preferably, the surface area of the upper surface of the reflective electrode portion 124 (hereinafter, also referred to as “area of the
一方で、反射電極部124の真下には電流が拡散しにくくなることから、より効率よく電流を拡散するためには、好ましくは、反射電極部124の面積は所定の値以下である。以上により、具体的には、反射電極部124の面積は、第1の電極層120の面積の50~90%である。第1の電極層120の面積とは、反射電極部124の面積及びコンタクト電極部122の面積の合計値である。なお、ここで、「面積」とは、第1の電極層120を構成する反射電極部124又はコンタクト電極部122の総面積をいう。
On the other hand, since it is difficult for the current to diffuse directly under the reflecting
(面内の発光の均一化)
図3は、図1に示す発光素子から第2のn型クラッド層90及び第1の電極層120を抜き出して示す部分断面図であり、電流の拡散を模式的に示す概念図である。図3内の矢印は、電流の流れを示している。図3に示すように、反射電極部124は、接触抵抗の高いAlを含んで構成されているため、電流が流れにくいのに対して、コンタクト電極部122は、接触抵抗の低いTiを含んで構成されているため、電流が流れやすい。したがって、コンタクト電極部122から流れる電流は、第2のn型クラッド層90内を通る際、縦方向(厚さ方向)のみならず、横方向(厚さ方向と直行する方向)にも流れやすい。以上のようにして、第1の電極層120から流れる電流が第2のn型クラッド層90内で横方向に拡散して均一化する。
(Uniformization of in-plane light emission)
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the second n-type clad
横方向に電流が拡散する長さ(以下、「電流拡散長」ともいう。)は、反射電極部124の幅(「W」参照。)の約1/2倍、すなわち1/2×Wである。換言すれば、横方向の電流拡散長さは、互いに最も近い位置に位置するコンタクト電極部122間の距離の1/2である。また、好ましくは、横方向の電流拡散長は、第2のn型クラッド層90の厚さ(「d」参照。)の10倍以下である。つまり、好ましくは、反射電極部124の幅Wは、第2のn型クラッド層90の厚さの20倍以下である(すなわち、W≦20×d)。より好ましくは、第2のn型クラッド層90の厚さdが0.5μm程度のとき、反射電極部124の幅Wは、4.0μm程度、コンタクト電極部122の幅は、2.0μm程度である。また、この場合、第1の電極層120の面積に対する反射電極部124の比率は、約60%である。
The length at which the current diffuses in the lateral direction (hereinafter, also referred to as “current diffusion length”) is about 1/2 times the width of the reflecting electrode portion 124 (see “W”), that is, 1/2 × W. be. In other words, the lateral current diffusion length is 1/2 of the distance between the
第1の電極層120から流れる電流が第2のn型クラッド層90内で横方向に拡散して均一化することにより、活性層50の多重量子井戸層に空間的に均一にキャリアが注入されるようになり、その結果、面内の発光の不均一性が抑制され、面内で均一に発光させることができる。また、面内で均一に発光する結果、発光素子1の劣化の度合いが発光素子1内において空間的に偏ることが抑制されるため、発光素子の寿命を長くできることが期待できる。
The current flowing from the
(光の取出し効率の向上)
次に、図4及び図5を参照して、発光素子1からの光の取出し効率について説明する。図4は、pGaN層の厚さと紫外光の透過率との関係を模式的に示すグラフである。図5は、発光素子からの光の取出し効率を概略的に示す図である。以下では、説明の便宜上、フリップ型の発光素子1において、反射電極部124の面積とコンタクト電極部122の面積とが略等しい構成を例に挙げて説明する。また、特に記載のない限り、p型層82の厚さ及びn型層84の厚さをともに10nmとして説明する。
(Improvement of light extraction efficiency)
Next, the efficiency of extracting light from the light emitting element 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a graph schematically showing the relationship between the thickness of the pGaN layer and the transmittance of ultraviolet light. FIG. 5 is a diagram schematically showing the efficiency of extracting light from the light emitting element. Hereinafter, for convenience of explanation, a configuration in which the area of the
図4に示すグラフの横軸は、p型層82を構成するpGaN層の厚さ(nm)を示し、縦軸は、このpGaN層に入射した紫外光がpGaN層を透過する透過率(%)を示している。なお、図4は、一例として、波長280nmの紫外光のpGaN層に対する透過率(%)を示している。
The horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 indicates the thickness (nm) of the pGaN layer constituting the p-
pGaN層は、紫外光を一部吸収する。pGaN層に入射された紫外光は、pGaN層に吸収されなかった残りがpGaN層を透過する。図4に示すように、pGaN層に対する紫外光の透過率Pは、pGaN層の厚さt(nm)及び吸収係数α(nm-1)を用いて以下の関係式で示される。
P=exp(-α×t)
ここで、
α=1.7x10-2
なお、このαの値は、波長280nmの紫外光に対する値の一例である。また、expは、自然対数の底である。
The pGaN layer partially absorbs ultraviolet light. The ultraviolet light incident on the pGaN layer is transmitted through the pGaN layer with the rest not absorbed by the pGaN layer. As shown in FIG. 4, the transmittance P of ultraviolet light with respect to the pGaN layer is expressed by the following relational expression using the thickness t (nm) of the pGaN layer and the absorption coefficient α (nm -1 ).
P = exp (-α x t)
here,
α = 1.7x10 -2
The value of α is an example of a value for ultraviolet light having a wavelength of 280 nm. Also, exp is the base of the natural logarithm.
図4に示すように、例えば、pGaN層に対する波長280nmの紫外光の透過率は、pGaN層の厚さが40nmのとき約50%(約50%吸収)であり、pGaN層の厚さが10nmのとき約84%(約16%吸収)である。 As shown in FIG. 4, for example, the transmittance of ultraviolet light having a wavelength of 280 nm with respect to the pGaN layer is about 50% (about 50% absorption) when the thickness of the pGaN layer is 40 nm, and the thickness of the pGaN layer is 10 nm. At that time, it is about 84% (about 16% absorption).
図5に示すように、活性層50の多重量子井戸層から発せられた紫外光は、発光素子1の上下(図1の図示上下方向)に約50%ずつ伝達する。このうち上方に向かう紫外光は、トンネルジャンクション80を通過するとき、トンネルジャンクション80を構成するp型層82(pGaN層)により一部吸収される。上述のように、p型層82の厚さが10nmの場合、約84%の紫外光が透過する。すなわち、多重量子井戸層から発せられ上方に向かう紫外光のうち42%(50%x84%)がトンネルジャンクション80を透過する。
As shown in FIG. 5, the ultraviolet light emitted from the multiple quantum well layer of the
トンネルジャンクション80を透過した紫外光は、第1の電極層120で反射される。反射電極部124の面積が第1の電極層120の50%で、反射電極部124の反射率が90%とすると、多重量子井戸層から発せられ上方に向かう紫外光のうち約19%(42%x50%x90%)が第1の電極層120により反射する。
The ultraviolet light transmitted through the
第1の電極層120により反射された紫外光は、再び下方に向かい、トンネルジャンクション80を通過する。上述のとおり、トンネルジャンクション80の紫外光の透過率は、約84%であるため、上記第1の電極層120により反射した19%の紫外光のうちの84%、すなわち、16%(19%x84%)の紫外光が下側に伝達する。換言すれば、多重量子井戸層から発せられた紫外光のうち16%を取出すことができる。
The ultraviolet light reflected by the
<変形例>
図6各図は、第1の電極層120の構成の変形例を模式的に示す上面図である。例えば、図6(a),(b)に示すように、上面視において円形状のコンタクト電極部122を点状(ドット状)に配置したうえで、反射電極部124をコンタクト電極部122の周囲に配置してもよい。また、図6(a),(b)に示すように、コンタクト電極部122は、回転対称性を有するように配置してもよい(4回対称(図6(a))、6回対称(図6(b)))。なお、図6(a),(b)において、説明の便宜上、反射電極部124とコンタクト電極部122とを視覚的に容易に区別できるようにするために、反射電極部124を白色で示し、コンタクト電極部122を黒色で示した。
<Modification example>
FIG. 6 is a top view schematically showing a modified example of the configuration of the
一例として、図6(b)に示す6回対称の対称性を有する配置において、第2のn型クラッド層90の厚さdを1.0μmとしたとき、コンタクト電極部122の直径を4.0μm程度、コンタクト電極部122の中心間距離を8.0μm程度とすることができる。この場合、第1の電極層120の面積に対する反射電極部124の比率は、約77.3%である。なお、コンタクト電極部122の断面形状は、上述した円形状のものに限られるものではなく、楕円形や多角形でもよい。
As an example, in the arrangement having 6-fold symmetry shown in FIG. 6B, when the thickness d of the second n-type clad
(第1の実施の形態及び変形例の作用及び効果)
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態及び変形例に係る発光素子1では、n型AlGaNにより形成された第1のn型クラッド層30と、この第1のn型クラッド層30の上方に位置する多重量子井戸層と、この多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70上に位置し、p型クラッド層70にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション80と、トンネルジャンクション80上に位置し、第1のn型クラッド層30を形成するAlGaNのAl組成比と略等しいAl組成比を有するAlGaNからなる第2のn型クラッド層90と、第2のn型クラッド層90の上方に位置して、重量子井戸層から発せされた光を反射させる反射電極部124と、反射電極部124と空間的に分離して設けられ、反射電極部124と異なる材料により形成されたコンタクト電極部122とを含む第1の電極層120を備えている。
(Actions and effects of the first embodiment and modifications)
As described above, in the light emitting device 1 according to the first embodiment and the modified example of the present invention, the first n-type clad
このように、多重量子井戸と第1の電極層120との間に、第2のn型クラッド層90を挿入することにより、多重量子井戸と第1の電極層120との間の距離を大きくすることができるので、発光素子の使用中に発生する、第1の電極層120中の金属原子の多重量子井戸への拡散が抑制され、この結果、発光素子1の発光出力の低下を小さくするとともに、その寿命を長くすることができる。
In this way, by inserting the second n-type clad
さらに、第2のn型クラッド層90のAl組成が、第1のn型クラッド層30のAl組成比と略同一であるため、第2のn型クラッド層90の結晶性が良くなり、金属原子の拡散パスとなる転位が少なくなり、金属原子の拡散を抑えられるため、発光素子1の発光出力の低下を小さくするとともに、その寿命を長くすることができる。
Further, since the Al composition of the second n-type clad
さらにまた、上述のような反射電極部124を設けることにより、発光素子1の光の取出し効率を向上させることができるとともに、第2のn型クラッド層90中で電流を横方向に拡散させることにより面内で均一に発光させることが可能となる。
Furthermore, by providing the
[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子発光素子の構成を概略的に示す断面図である。第2の実施の形態に係る発光素子1は、第2のn型クラッド層が電流拡散層を備える点で、第1の実施の形態に係る発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略するとともに、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light emitting element and a light emitting element according to a second embodiment of the present invention. The light emitting element 1 according to the second embodiment is different from the light emitting element 1 according to the first embodiment in that the second n-type clad layer includes a current diffusion layer. Hereinafter, the same components as those of the first embodiment will be described with the same reference numerals, duplicate description will be omitted, and points different from those of the first embodiment will be mainly described.
図7に示すように、第2のn型クラッド層90は、内部に電流拡散層94を備える。電流拡散層94は、第2のn型クラッド層90のSiの添加濃度よりも小さな添加濃度のSiを含む。電流拡散層94の添加濃度は、好ましくは、第2のn型クラッド層90のSiの添加濃度の10%程度、すなわち、1.0×1018cm-3程度である。このため、電流拡散層94の電気抵抗は、第2のn型クラッド層90の電気抵抗よりも高くなっている。
As shown in FIG. 7, the second n-type clad
図8は、図7に示す発光素子1から第2のn型クラッド層90及び第1の電極層120を抜き出して示す部分断面図である。電流拡散層94は、横方向への電流の拡散を促進する層である。図8に示すように、コンタクト電極部122から流れる電流は、電流拡散層94内で横方向にさらに拡散される。また、上述のように、電流拡散層94の電気抵抗は、第2のn型クラッド層90の電気抵抗よりも高いため、この拡散された電流は、電流拡散層94に流入しにくくなる。そのため、第2のn型クラッド層90内での電流の拡散がより促進される。
FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing the second n-type clad
(第2の実施の形態の作用及び効果)
以上、本発明の第2の実施の形態のようにしても、発光出力の低下を小さくするとともに、発光素子を長寿命化することができ、さらに、発光素子1の光の取出し効率を向上しつつ面内で均一に発光させることが可能となる。また、これに加えて、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子1は、高抵抗の第2の電流拡散層94をさらに備えることにより、電流の拡散がさらに促進されるため、より均一に面内で発光させることが可能となる。
(Actions and effects of the second embodiment)
As described above, even in the second embodiment of the present invention, the decrease in the light emitting output can be reduced, the life of the light emitting element can be extended, and the light extraction efficiency of the light emitting element 1 can be improved. At the same time, it is possible to emit light uniformly in the plane. Further, in addition to this, the light emitting element 1 according to the second embodiment of the present invention is further provided with the second
(実施形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
(Summary of Embodiment)
Next, the technical idea grasped from the above-described embodiment will be described with reference to the reference numerals and the like in the embodiment. However, the respective reference numerals and the like in the following description are not limited to the members and the like in which the components in the claims are specifically shown in the embodiment.
[1]n型のAlGaNによって形成された第1のn型クラッド層と、前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層(70)と、前記p型クラッド層(70)の上方に位置し、前記p型クラッド層(70)にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層(80)と、前記トンネルジャンクション層(80)の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子(1)であって、前記トンネルジャンクション層と前記電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層(90)をさらに含む、窒化物半導体発光素子(1)。
[2]前記第2のn型クラッド層(90)を形成するAlGaNのAl組成比は、前記第1のn型クラッド層(30)を形成するAlGaNのAl組成比と略等しい、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記トンネルジャンクション層(90)は、前記p型クラッド層(70)上に位置するp型のAlaInbGa1-a-bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成されたp型層(82)と、前記p型層(82)上に位置するn型のAlcIndGa1-c-dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成されたn型層(84)とを含む、前記[1]又は[2]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記電極層は、前記第2のn型クラッド層(90)上に、前記多重量子井戸層から発せされた光を反射させる反射電極部(124)と、前記第2のn型クラッド層(90)に電流を供給するコンタクト電極部(122)とを備え、前記反射電極部(124)と前記コンタクト電極部122とは、交互に配置されている、前記[1]から[3]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]前記コンタクト電極部(122)は、前記第2のn型クラッド層(90)の上面視において、点状に配置されている、前記[4]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[6]前記コンタクト電極部(122)は、前記第2のn型クラッド層(90)に対して、前記反射電極部(124)の前記第2のn型クラッド層(90)に対する接触抵抗よりも小さい接触抵抗を有する、前記[1]から[5]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[7]前記反射電極部(124)は、アルミニウム(Al)を含んで構成されている、前記[6]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[8]前記コンタクト電極部(122)は、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)のうちのいずれ1つかを含んで構成されている、前記[6]又は[7]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[9]前記反射電極部(124)の表面積は、前記コンタクト電極部(122)の表面積以上である、前記[1]から[8]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[10]前記反射電極部(124)の前記断面積は、前記電極層の横断面の断面積の50~90%である、前記[9]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[11]前記トンネルジャンクション(80)は、20nm以下の厚さを有する、前記[1]から[10]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[12]前記第2のn型クラッド層(90)は、内部に、前記n型クラッド層(90)のSiの添加濃度よりも小さな添加濃度のSiを含む電流拡散層(94)を備える、前記[1]から[11]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[13]前記電流拡散層(94)のSiの添加濃度は、前記第2のn型クラッド層(90)のSiの添加濃度の略10分の1である、前記[12]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[1] A first n-type clad layer formed of n-type AlGaN, a multiple quantum well layer located above the first n-type clad layer, and a multiple quantum well layer located above the multiple quantum well layer. A p-type clad layer (70) formed of p-type AlGaN and a layer located above the p-type clad layer (70) and containing an n-type semiconductor are tunnel-bonded to the p-type clad layer (70). A nitride semiconductor light emitting device (1) including a tunnel junction layer (80) and an electrode layer formed above the tunnel junction layer (80), and between the tunnel junction layer and the electrode layer. A nitride semiconductor light emitting device (1) further comprising a second n-type clad layer (90) formed of n-type AlGaN.
[2] The Al composition ratio of AlGaN forming the second n-type clad layer (90) is substantially equal to the Al composition ratio of AlGaN forming the first n-type clad layer (30). ]. The nitride semiconductor light emitting device (1).
[3] The tunnel junction layer (90) is a p-type Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b) located on the p-type clad layer (70). The p-type layer (82) formed by ≦ 0.2) and the n-type Al c Ind Ga 1-cd N (0 ≦ c ≦ 0.2) located on the p-type layer (82). The nitride semiconductor light emitting device (1) according to the above [1] or [2], which includes an n-type layer (84) formed by (0 ≦ d ≦ 0.2).
[4] The electrode layer includes a reflective electrode portion (124) that reflects light emitted from the multiple quantum well layer on the second n-type clad layer (90), and the second n-type clad. [1] to [3], wherein the layer (90) is provided with a contact electrode portion (122) for supplying an electric current, and the reflective electrode portion (124) and the
[5] The nitride semiconductor light emitting device (1) according to the above [4], wherein the contact electrode portion (122) is arranged in a dot shape in a top view of the second n-type clad layer (90). ).
[6] The contact electrode portion (122) is based on the contact resistance of the reflective electrode portion (124) to the second n-type clad layer (90) with respect to the second n-type clad layer (90). The nitride semiconductor light emitting device (1) according to any one of the above [1] to [5], which also has a small contact resistance.
[7] The nitride semiconductor light emitting device (1) according to the above [6], wherein the reflective electrode portion (124) is configured to include aluminum (Al).
[8] The contact electrode portion (122) is configured to include any one of titanium (Ti), nickel (Ni) and palladium (Pd), according to the above [6] or [7]. Nitride semiconductor light emitting device (1).
[9] The nitride semiconductor light emitting device (1) according to any one of [1] to [8], wherein the surface area of the reflective electrode portion (124) is equal to or larger than the surface area of the contact electrode portion (122). ).
[10] The nitride semiconductor light emitting device (1) according to the above [9], wherein the cross-sectional area of the reflective electrode portion (124) is 50 to 90% of the cross-sectional area of the cross section of the electrode layer.
[11] The nitride semiconductor light emitting device (1) according to any one of [1] to [10], wherein the tunnel junction (80) has a thickness of 20 nm or less.
[12] The second n-type clad layer (90) includes a current diffusion layer (94) containing Si having an addition concentration smaller than the Si addition concentration of the n-type clad layer (90). The nitride semiconductor light emitting device (1) according to any one of the above [1] to [11].
[13] The nitride according to the above [12], wherein the addition concentration of Si in the current diffusion layer (94) is approximately 1/10 of the addition concentration of Si in the second n-type clad layer (90). Material semiconductor light emitting device (1).
1…窒化物半導体発光素子(発光素子)
2…下地構造部
10…基板
20…バッファ層
22…AlN層
24…u-AlpGa1-pN層
30…第1のn型クラッド層
40…中間層
50…活性層
52,52a,52b,52c…障壁層
54,54a,54b,54c…井戸層
60…電子ブロック層
70…p型クラッド層
80…トンネルジャンクション
82…p型層
84…n型層
90…第2のn型クラッド層
94…電流拡散層
100…アノード電極
120…第1の電極層
122…コンタクト電極部
124…反射電極部
140…第2の電極層
200…カソード電極
P…透過率
W…反射電極部の幅
d…第2のn型クラッド層の厚さ
α…吸収係数
1 ... Nitride semiconductor light emitting element (light emitting element)
2 ...
Claims (11)
前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、
前記p型クラッド層の上方に位置し、前記p型クラッド層にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層と、
前記トンネルジャンクション層の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネルジャンクション層と前記電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層をさらに含み、
前記窒化物半導体発光素子は、フリップ型であり、
前記多重量子井戸層は、紫外光を発し、
前記電極層は、前記第2のn型クラッド層上に、前記多重量子井戸層から発された光を反射させる反射電極部と、前記第2のn型クラッド層に電流を供給するコンタクト電極部とを交互に備え、
前記第2のn型クラッド層は、前記多重量子井戸層が発する紫外光の吸収率が0.1%以下であり、
前記トンネルジャンクション層の厚さは、10nm以下であり、
前記反射電極部の幅は、前記第2のn型クラッド層の厚さの20倍以下である、窒化物半導体発光素子。 The first n-type clad layer formed by n-type AlGaN and
The multiple quantum well layer located above the first n-type clad layer and
A p-type clad layer located above the multiple quantum well layer and formed by p-type AlGaN,
A tunnel junction layer located above the p-type clad layer and tunnel-junctioning a layer containing an n-type semiconductor to the p-type clad layer.
A nitride semiconductor light emitting device including an electrode layer formed above the tunnel junction layer.
A second n-type clad layer formed of n-type AlGaN is further included between the tunnel junction layer and the electrode layer.
The nitride semiconductor light emitting device is of a flip type and has a flip type.
The multiple quantum well layer emits ultraviolet light and emits ultraviolet light.
The electrode layer is a reflective electrode portion that reflects light emitted from the multiple quantum well layer on the second n-type clad layer, and a contact electrode portion that supplies a current to the second n-type clad layer. And alternately
The second n-type clad layer has an absorption rate of ultraviolet light emitted by the multiple quantum well layer of 0.1% or less .
The thickness of the tunnel junction layer is 10 nm or less, and the thickness is 10 nm or less.
A nitride semiconductor light emitting device in which the width of the reflective electrode portion is 20 times or less the thickness of the second n-type clad layer .
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 The Al composition ratio of AlGaN forming the second n-type clad layer is substantially equal to the Al composition ratio of AlGaN forming the first n-type clad layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。 The tunnel junction layer was formed by p-type Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.2) located on the p-type clad layer. An n-type formed by a p-type layer and an n-type Al c Ind Ga 1-c-d N (0 ≦ c ≦ 0.2, 0 ≦ d ≦ 0.2) located on the p-type layer. Including layers,
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The contact electrode portions are arranged in dots in the top view of the second n-type clad layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The contact electrode portion has a contact resistance with respect to the second n-type clad layer, which is smaller than the contact resistance of the reflective electrode portion with respect to the second n-type clad layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4 .
請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。 The reflective electrode portion is made of aluminum.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 5 .
請求項5又は6に記載の窒化物半導体発光素子。 The contact electrode portion is configured to contain any one of titanium, nickel, and palladium.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 5 or 6 .
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The surface area of the reflective electrode portion is equal to or larger than the surface area of the contact electrode portion.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 7 .
請求項8に記載の窒化物半導体発光素子。 The surface area of the reflective electrode portion is 50 to 90% of the cross-sectional area of the cross section of the electrode layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 8 .
請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The second n-type clad layer includes a current diffusion layer containing Si having an addition concentration smaller than the addition concentration of Si in the second n-type clad layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 9 .
請求項10に記載の窒化物半導体発光素子。 The addition concentration of Si in the current diffusion layer is approximately 1/10 of the addition concentration of Si in the second n-type clad layer.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 10 .
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