JP7288937B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態について、図1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。
図1は、本形態における窒化物半導体発光素子1の構成を概略的に示す模式図である。なお、図1において、窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。
基板2は、活性層6が発する光(本形態においては深紫外光)を透過する材料からなる。基板2は、例えばサファイア(Al2O3)基板である。また、基板2として、例えば窒化アルミニウム(AlN)基板又は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板等を用いてもよい。
バッファ層3は、基板2上に形成されている。本形態において、バッファ層3は、窒化アルミニウムにより形成されている。なお、基板2が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層3は必ずしも設けなくてもよい。
n型クラッド層4は、バッファ層3上に形成されている。n型クラッド層4は、例えば、n型不純物がドープされたAlaGa1-aN(0≦a≦1)からなるn型半導体層である。n型クラッド層4のAl組成比aは、例えば20%以上とすることが好ましく、25%以上70%以下とすることが更に好ましい。なお、Al組成比は、AlNモル分率とも称される。
組成傾斜層5は、n型クラッド層4上に形成されている。組成傾斜層5は、AlbGa1-bN(0<b≦1)からなる。組成傾斜層5の積層方向の各位置におけるAl組成比は、上側の位置程大きくなっている。なお、組成傾斜層5は、積層方向の極一部の領域(例えば組成傾斜層5の積層方向の全体の5%以下の領域)に、上側に向かうにつれてAl組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。
活性層6は、組成傾斜層5上に形成されている。本形態において、活性層6は、複数の井戸層62を有する多重量子井戸構造となるよう形成されている。本形態において、活性層6は、障壁層61と井戸層62とを3つずつ有し、障壁層61と井戸層62とが交互に積層されている。活性層6においては、下端に障壁層61が位置しており、上端に井戸層62が位置している。活性層6は、多重量子井戸構造内で電子及び正孔を再結合させて所定の波長の光を発生させる。本形態において、活性層6は、波長365nm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以上となるよう構成されている。特に本形態において、活性層6は、中心波長が200nm以上365nm以下の深紫外光を発生することができるよう構成されている。
電子ブロック層7は、電子が活性層6からp型半導体層8側へリークするオーバーフロー現象の発生を抑制することによって活性層6への電子注入効率を向上させる役割を有する。本形態において、電子ブロック層7は、AleGa1-eN(0.7<e≦1)からなる。すなわち、本形態において、電子ブロック層7のAl組成比eは、70%以上である。電子ブロック層7は、下側から順に積層された第1層71及び第2層72を有する。
電子ブロック層7とp型半導体層8との境界部13には、n型不純物としてのシリコンが含まれている。境界部13に含有されたシリコンは、p型半導体層8から活性層6へ、マグネシウム及び水素が拡散されることを抑制する目的で設けられている。すなわち、電子ブロック層7とp型半導体層8との境界部13にシリコンを含ませることにより、p型半導体層8中のマグネシウムが、境界部13のシリコンによって堰き止められる。これにより、p型半導体層8中のマグネシウムが、活性層6へ拡散することが抑制される。なお、p型不純物とn型不純物とは、特にマグネシウムとシリコンとが互いに引き付けられやすい。さらに、水素はマグネシウムと結びつきやすいところ、p型半導体層8から活性層6へのマグネシウムの拡散が抑制されることにより、p型半導体層8から活性層6への水素の拡散も併せて抑制される。なお、マグネシウムは、III-V族半導体において、p型不純物としてよく用いられる。
p型半導体層8は、第2層72上に形成されている。本形態において、p型半導体層8のAl組成比は、70%未満である。本形態において、p型半導体層8は、下側から順に積層された第1p型クラッド層81、第2p型クラッド層82、及びp型コンタクト層83を有する。
n側電極11は、n型クラッド層4において上側に露出した面上に形成されている。n側電極11は、例えば、n型クラッド層4の上にチタン(Ti)、アルミニウム、チタン、金(Au)が順に積層された多層膜とすることができる。
p側電極12は、p型コンタクト層83上に形成されている。p側電極12は、活性層6から発される深紫外光を反射する反射電極である。p側電極12は、活性層6が発する光の中心波長において50%以上、好ましくは60%以上の反射率を有する。p側電極12は、ロジウム(Rh)を含む金属であることが好ましい。ロジウムを含む金属は、深紫外光に対する反射率が高く、かつ、p型コンタクト層83との接合性も高い。本形態においては、p側電極12は、ロジウムの単膜からなる。活性層6から上側に発された光は、p側電極12とp型半導体層8との界面において反射される。
前述した、発光素子1の積層方向の各位置における元素濃度(水素濃度、シリコン濃度等)の数値は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて得られた値である。二次イオン質量分析法を用いた場合であっても、元素濃度を同時に測定する元素の数及び元素の種類等によって、測定結果が大きく変わり得るため、元素濃度の測定方法について説明する。
本形態において、電子ブロック層7の膜厚Tは、100nm以下である。電子ブロック層7は、Al組成比が高いため、厚くすると発光素子1全体の電気抵抗値を上昇させる要因となるところ、電子ブロック層7の膜厚Tを100nm以下とすることにより、発光素子1全体の電気抵抗値を低減させることができる。ここで、電子ブロック層7の膜厚Tを100nm以下とした場合において、特に工夫しなければ、p型半導体層8から電子ブロック層7を通って活性層6にp型不純物(マグネシウム)が拡散されやすくなる。さらに、水素は、マグネシウムと結びつきやすいため、p型半導体層8から活性層6側へ拡散されるマグネシウムが活性層6に到達しやすくなると、同時に水素も活性層6へ拡散されやすくなる。マグネシウムが活性層6へ拡散されると、活性層6を構成する母相原子とマグネシウムとの原子半径の違いによって活性層6において転位が発生しやすくなる。そうなると、活性層6中の電子と正孔との再結合が、非発光性の再結合(例えば振動を生じさせる再結合)となりやすく、発光効率が低下するおそれがある。また、水素が活性層6へ拡散されると、活性層6が劣化し、通電時間の経過に伴って発光出力が低下し、発光素子1の寿命が短くなるおそれがある。
本実験例は、マグネシウム濃度と水素濃度とのそれぞれを適宜変更した試料1乃至試料4に係る発光素子において、初期発光出力及び残存発光出力を評価した例である。なお、本実験例にて用いた構成要素の名称のうち、既出の形態において用いた名称と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素を表す。
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。
これにより、水素がp型半導体層から活性層へ拡散することを抑制することができる。
これにより、p型半導体層から活性層側へのp型不純物及び水素の拡散をより抑制することができる。
これにより、p型半導体層から活性層側へのp型不純物及び水素の拡散をより抑制することができる。
これにより、境界部に隣接する電子ブロック層及びp型半導体層の結晶性が低下することを抑制できる。
これにより、p型半導体層から活性層側へのp型不純物及び水素の拡散をより抑制することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
13…境界部
4…n型クラッド層(n型半導体層)
6…活性層
7…電子ブロック層
8…p型半導体層
T…電子ブロック層の膜厚
Claims (5)
- n型半導体層と、
p型の窒化ガリウムからなるp型コンタクト層を有するp型半導体層と、
前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記p型半導体層との間に設けられた電子ブロック層と、を備え、
前記電子ブロック層の膜厚は、100nm以下であり、
前記n型半導体層、前記活性層、前記電子ブロック層、及び前記p型半導体層の積層方向における、前記電子ブロック層の各位置の水素濃度の平均値は、2.0×1018atoms/cm3以下であり、
前記p型半導体層と前記電子ブロック層との境界部に、n型不純物が含まれており、
前記積層方向における、前記電子ブロック層の各位置のマグネシウムの濃度は、5.0×1018atoms/cm3以下であり、
前記p型コンタクト層の膜厚は、10nm以上25nm以下である、
窒化物半導体発光素子。 - 前記積層方向における前記電子ブロック層の各位置の水素濃度の平均値は、1.0×1018atoms/cm3以下をさらに満たす、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記積層方向における前記n型不純物の濃度分布において、前記境界部のピーク値は、1.0×1018atoms/cm3以上である、
請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ピーク値は、1.0×1020atoms/cm3以下をさらに満たす、
請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層における前記積層方向の各位置のn型不純物濃度の平均値、及び、前記電子ブロック層における前記積層方向の各位置のp型不純物濃度の平均値のそれぞれは、5.0×1018atoms/cm3以下である、
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。
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