JPWO2011024385A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
図10Aおよび図10Bを参照して、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第1の実施形態を説明する。
次に、図10Dを参照しながら、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第2の実施形態を説明する。
上記実施形態1の発光素子を、種々の条件で作製した試料を分析した結果を表1に示す。
m面成長で形成したp−GaN層107のMg濃度が1.5×1019cm-3の場合において、p−GaN層の成長時間が70分間のとき、Mg原子の進入長は約60nmであった。un−GaNスペーサ層を挿入していないため、Mg原子の一部がGaN/InGaN多重量子井戸活性層105のほぼ全域に分布した。このため、素子の発光効率が顕著に低下した。表1では、このときのPL発光強度を基準値1.0とした。
p−GaN層107のMg濃度が6.5×1018cm-3の場合では、p−GaN層107の成長時間が70分間であっても、Mg原子の進入長は約10nmであった。したがって、un−GaNスペーサ層がなくとも、Mg原子がGaN/InGaN多重量子井戸活性層105まで到達することはなかった。試料2のPL発光強度は、試料1の8〜10倍程度に増大した。また、p−GaN層107のMg濃度が6.5×1018cm-3であるため、抵抗率の増加による動作電圧の上昇も比較的小さかった。表1に示される試料の中で、試料1の動作電圧が最も低かったが、試料2の動作電圧と試料1の動作電圧との差異は0.1V未満であった。
試料3は、試料2におけるp−GaN層107のMg濃度と同じ濃度のp−GaN層をc面成長で作製したものである。試料3では、試料2のm面成長と同様にMg原子の拡散はほとんど起こらなかったが、動作電圧が極めて増大した。これは、図4に示したとおり、c面成長ではp−GaN層107の抵抗率が非常に大きくなったためであると考えられる。
p−GaN層107のMg濃度が2.5×1018cm-3の場合は、p−GaN層107の成長時間が70分間でも、Mg原子の進入長は5nm未満であった。したがって、un−GaNスペーサ層がなくとも、Mg原子はGaN/InGaN多重量子井戸活性層105まで到達することはなかった。PL発光強度は、試料2と同様、試料1の8〜10倍程度に増大した。動作電圧は若干増加した。これは、p−GaN層107の抵抗率が大きくなったためと考えられる。試料4の動作電圧は、発光素子として十分に使用できる大きさに留まっている。
試料5は、試料1にun−GaNスペーサ層を挿入した構成を有している。この場合、Mg原子がGaN/InGaN多重量子井戸活性層105まで到達することはない。したがって、素子の発光効率が低下することはなく、PL発光強度も、試料1の5〜7倍程度に増大した。しかし、un−GaNスペーサ層が存在することにより、動作電圧は4.81Vであった。
試料6は、試料1と同様の構成を有しているが、p−GaN層107の成長時間が試料1の場合の半分である。試料6でも、Mg原子の進入長は約30nmに低減された。したがって、非発光中心となるMg原子の量も低減し、発光効率の低下は抑制された。しかし、試料6のPL発光強度は試料1のPL発光強度の2〜3倍程度にしか増大せず、Mg濃度を6.5×1018cm-3まで低減した試料2に比べると不十分な効果しか得られなかった。
本実施形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、m面から1°以上の角度で傾斜させた面を主面とするp型窒化ガリウム系化合物半導体層を備えている。この点を除けば、本実施形態の構成は、図10Dに示される実施形態2の構成と同一である。
102 n−GaN層
103 GaNバリア層
104 InxGa1-xN(0<x<1)井戸層
105 GaN/InGaN多重量子井戸活性層
106 p−AlGaNオーバーフロー抑制層
107 p−GaN層
108 n型電極
109 p型電極
長の光を吸収する箇所が多くなることになる。このような光吸収が生じると、素子の外部に取り出せる光量が低下し、実効的な発光効率が低下してしまうことになり、好ましくない。本発明によれば、Mg濃度を1.0×1018cm−3から9.0×1018cm−3の範囲に設定しているため、上記の光吸収がほとんど生じず、高い発光効率を実現できる。
[0070]
(実施形態1)
図10Aおよび図10Bを参照して、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第1の実施形態を説明する。
[0071]
本実施形態の発光素子は、図10Aに示すように、n型GaN系化合物半導体層2、p型GaN系化合物半導体層8、n型GaN系化合物半導体層2とp型GaN系化合物半導体層8との間に位置する活性層4、およびp型GaN系化合物半導体層8と活性層4との間に位置するp型オーバーフロー抑制層6を備える。p型GaN系化合物半導体層8およびp型オーバーフロー抑制層6は、m面半導体層であり、これらの層には濃度が1.0×1018cm−3から9.0×1018cm−3の範囲にあるMgがドープされている。
[0072]
本実施形態では、m面のp型層におけるMg濃度が1.0×1018cm−3から9.0×1018cm−3の範囲にあるため、上述したように、充分に高い正孔濃度を達成し、必要な電流−電圧特性を実現するとともに、Mg拡散による発光効率の低下を避けることができる。また、Mg拡散を抑制する目的で活性層にSiをドープする必要もなくなる。
[0073]
p型GaN系化合物半導体層8は、典型的にはGaNから形成され、その厚さは50nm以上800nm以下の範囲に調整されることが好ましい。一方、p型オーバーフロー抑制層6は、AlGaNから形成され、その厚さは10nm以上50nm以下の範囲に調整されることが好ましい。
[0074]
なお、p型オーバーフロー抑制層6は、本発明にとって必須の構成要素ではなく、図10Bに示すように、省略されていても良い。図10Bの例では、p型GaN系化合物半導体層8に濃度が1.0×1018cm−3から9.0×1018cm−3の範囲にあるMgがドープされる。
Claims (17)
- n型窒化ガリウム系化合物半導体層、
p型窒化ガリウム系化合物半導体層、
前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に位置する活性層、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記活性層との間に位置するp型オーバーフロー抑制層、および、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層に接触するp型電極、
を備える窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層はm面半導体層であり、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の活性層側には、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にあるMgがドープされている領域が設けられている、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 前記p型オーバーフロー抑制層には、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018以下cm-3の範囲にあるMgがドープされている、請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層のうちで、前記活性層からの距離が45nm以下の部分におけるMg濃度は、1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にある、請求項1または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記活性層と前記p型オーバーフロー層との間に位置するアンドープスペーサ層を更に備えている、請求項1から3のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記活性層と前記p型オーバーフロー層とが接している、請求項1から3のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層はGaN層である、請求項1から5のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の前記p型電極側には、濃度が9.0×1018cm-3よりも高いMgがドープされている領域が設けられている請求項1から6のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- n型窒化ガリウム系化合物半導体層、
p型窒化ガリウム系化合物半導体層、および
前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に位置する活性層、および、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層に接触するp型電極、を備える窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層はm面半導体層であり、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の活性層側には、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にあるMgがドープされている領域が設けられている、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層のうちで、前記活性層からの距離が45nm以下の部分におけるMg濃度は、2.0×1018cm-3以上8.0×1018cm-3以下の範囲にある、請求項8に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記活性層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に位置するアンドープスペーサ層を更に備えている、請求項8または9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記活性層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層とが接している、請求項8から10のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層はGaN層である、請求項8から11のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の前記p型電極側には、濃度が9.0×1018cm-3よりも高いMgがドープされている領域が設けられている請求項8から12のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- n型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程(A)と、
前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層上に活性層を形成する工程(B)と、
前記活性層上にp型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程(C)と、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層に接するp型電極を形成する工程(D)とを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
工程(C)は、m面成長によって前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させ、前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の活性層側に、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にあるMgをドープする工程を含む、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 - n型窒化ガリウム系化合物半導体層、
p型窒化ガリウム系化合物半導体層、
前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に位置する活性層、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記活性層との間に位置するp型オーバーフロー抑制層、および、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層に接触するp型電極、
を備える窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層は、m面から1°以上の角度で傾斜している半導体層であり、前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層における主面の法線とm面の法線とが形成する角度が1°以上5°以下であり、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の活性層側には、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にあるMgがドープされている領域が設けられている、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層は、c軸方向またはa軸方向に傾斜している半導体層である請求項15に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- n型窒化ガリウム系化合物半導体層、
p型窒化ガリウム系化合物半導体層、および
前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層と前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に位置する活性層、および、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層に接触するp型電極、
を備える窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層は、m面から1°以上の角度で傾斜している半導体層であり、前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層における主面の法線とm面の法線とが形成する角度が1°以上5°以下であり、
前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層の活性層側には、濃度が1.0×1018cm-3以上9.0×1018cm-3以下の範囲にあるMgがドープされている領域が設けられている、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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