WO2007026767A1 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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WO2007026767A1
WO2007026767A1 PCT/JP2006/317114 JP2006317114W WO2007026767A1 WO 2007026767 A1 WO2007026767 A1 WO 2007026767A1 JP 2006317114 W JP2006317114 W JP 2006317114W WO 2007026767 A1 WO2007026767 A1 WO 2007026767A1
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well layer
light emitting
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Jongwoon Park
Yoichi Kawakami
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Kyoto University
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
  • LEDs and laser diodes (ie semiconductor lasers) are known.
  • Laser diodes using nitride semiconductors with an oscillation wavelength of about 400 nm (equivalent to purple) or about 450 nm (equivalent to blue) have already been developed.
  • the longest oscillation wavelength currently achieved using nitride semiconductors is about 480 nm (equivalent to blue-green).
  • a light emitting element that outputs red light has been put into practical use for a long time by using AlGalnP.
  • the laser diode among the three primary colors, red and blue are realized, but green has not yet been achieved.
  • a laser device that outputs green a laser device that oscillates in the infrared region using a YAG laser without using a laser diode and converts the wavelength to half using a nonlinear optical crystal is used. It has been.
  • This type has the problem of consuming power from the power battery in a short time, which is not suitable for miniaturization and has poor energy efficiency.
  • As for light-emitting diodes green light-emitting diodes have been realized. Its energy efficiency is about half that of blue light-emitting diodes. That is, realization of a green light emitting diode with high light output is desired.
  • GaN which is a nitride semiconductor
  • GaN has a wide band gap of about 360 nm (equivalent to ultraviolet light).
  • an InGa_N3 ternary mixed crystal in other words, a mixture of InN and GaN
  • Non-Patent Document 1 reports the fact that when the InGaN quantum well layer forming the active layer is thick, a strong piezoelectric field is induced, and as a result, the lasing intensity is significantly reduced.
  • the thickness of the InGaN quantum well layer is set to be small, for example, about 2 nm to 3 nm, the influence of the piezoelectric field is weakened, but on the other hand, the carrier capture rate in the quantum well layer is reduced. As a result, the carrier recombination rate becomes low (for example, Non-Patent Documents 2 and 3).
  • the thickness of the InGaN quantum well layer is about this, the output light leaks from the quantum well layer without being sufficiently confined in the quantum well layer and is widely distributed around it. . That is, the confinement factor indicating the ratio of the light intensity of the output light that is confined in the active layer is also extremely low. Both of these effects hinder laser oscillation or increase the threshold current for laser oscillation.
  • Non-Patent Document 4 reports that a single quantum well (referred to as SQW) structure gives the lowest threshold current for long-wavelength laser diodes beyond 435 nm. is doing. In a 450 nm wavelength laser diode, when the number of InGaN quantum well layers is 2 or 3, the threshold current has been shown to be very high. Providing a plurality of quantum well layers in this way is detrimental to the characteristics of long-wavelength light-emitting elements.
  • the carrier recombination rate can be increased regardless of the SQW structure or the MQW structure. As a result, the light output could not be sufficiently increased.
  • Non-Patent Document 1 JS Im, H. Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, and A. Hangleiter, "Reduction ofoscillator strength due to piezoelectric fields in GaN / AlxGal— xN quantum wells," Phys. Rev. B57, pp. R9435- R9438, 1998.
  • Non-Patent Document 2 S. A ⁇ evetas and M. J. Godfrey, "Calculation of capture of carriers by quantum wells,” Phys. Rev. B59, pp.10202— 10207, 1999.
  • Non-Patent Document 3 PWMBlom, C. Smith, JEM Haverkort, and JH Wolter, "Carrier capture into a semiconductor quant umwell,” Phys. Rev. B47, pp.2072- 2081, 1993.
  • Non-Patent Document 4 S Nakamura.M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Mtsushita.and T. Mukai, "Blue InGaN- basedlaser diodes with an emission wavelength of 450 nm, Ap pi. Phys. Lett., Vol. 76, pp.22-24, 2000.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a light-emitting element that can improve light output, with respect to a light-emitting element having a quantum well layer that induces a piezoelectric field. Then, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light-emitting element.
  • the light-emitting element induces a piezo electric field in itself due to internal strain due to crystal lattice mismatch, and is embedded in the quantum well layer, and the quantum well layer is divided into a plurality of layers. And a delta layer having a wider band gap than the quantum well layer and a thickness set in a range that substantially induces the movement of holes and electrons.
  • a light emitting device manufacturing method for manufacturing the light emitting device the first step of laminating a part of the quantum well layer, and the top of the part of the quantum well layer.
  • a second step of laminating the delta layer, and a third step of laminating another part of the quantum well layer on the delta layer comprises the first and third steps.
  • the step of laminating the delta layer at a rate lower than the rate of laminating the part of the quantum well layer and the other part.
  • the light output of such a light emitting element is improved in light output. And the manufacturing method of the light emitting element of such a structure becomes possible to manufacture the light emitting element with improved light output.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing simulation results for a comparative element having an MQW structure.
  • FIG. 4 is a graph showing a simulation result when the forward voltage is changed for the comparison target element in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing simulation results for the element according to the first embodiment of the present invention to be compared with FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing simulation results for the element according to Embodiment 1 of the present invention to be compared with FIG.
  • FIG. 7 is a front view showing the structure of the active layer of the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing simulation results for the light-emitting element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light emitting element according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1 (a) is an overall perspective view
  • FIG. 1 (b) is a partially enlarged front view.
  • the light emitting device 100 is configured as a laser diode, and includes a p-type cladding layer 1, a barrier layer 2, an active layer 5, a barrier layer 6, an n-type cladding layer 7, a nother layer 8, a substrate 9, and a positive electrode 11 And a negative electrode 12.
  • Table 1 shows an example of the material, composition, and doping concentration (P-type and n-type impurity concentrations) of each layer.
  • the “sign” shown in the leftmost column of Table 1 represents the sign used in FIG.
  • each semiconductor layer from the buffer layer 8 to the p-type cladding layer 1 is laminated on the substrate 9 in this order.
  • a CVD (chemical vapor deposition) method is used, and by sequentially supplying a reaction gas which is a source of each semiconductor layer, each semiconductor layer is deposited on the substrate 9 in order. It is desirable from the viewpoints of consistency (epitaxial), ease of stacking, layer thickness and composition accuracy.
  • the buffer layer 8 is made of A1N.
  • Both the n-type cladding layer 7 and the p-type cladding layer 1 disposed on both sides of the active layer 5 are made of GaN.
  • the barrier layers 6 and 2 adjacent to the active layer 5 inside the n-type cladding layer 7 and the p-type cladding layer 1 are both made of GaN or InGaN.
  • the p-type cladding layer 1 and the barrier layer 2 disposed between the active layer 5 and the positive electrode 11 have p-type conductivity, for example, by being doped with magnesium (Mg). .
  • the noria layer 6 and the n-type cladding layer 7 disposed between the active layer 5 and the negative electrode 12 have an n-type conductivity type by doping, for example, silicon (Si). .
  • the light emitting element 100 has a protrusion (ridge) having a conventional structure in the p-type cladding layer 1.
  • a positive electrode 11 is disposed on the top of the protrusion, and a negative electrode 12 is disposed on the step surface formed on the n-type cladding layer 7.
  • the light emitting device 100 has an unprecedented feature in the structure of the active layer 5, and the entire basic structure excluding the active layer 5 is conventionally known.
  • the delta layer 4 is embedded in a single quantum well layer made of InGaN, and the quantum well layer is separated from each other by two quantum well layers 3A and 3B. That is, the active layer 5 includes quantum well layers 3A and 3B and a delta layer 4.
  • the delta layer 4 is made of GaN, InGaN or A IGaN.
  • the quantum well layers 3A and 3B are set to have an indium composition X higher than any of the p-type cladding layer 1, the n-type cladding layer 7, the noria layer 2 and the barrier layer 6 disposed around them. ing. Thereby, the quantum well layers 3A and 3B have a narrower band gap locally than the surrounding semiconductor layers and function as quantum wells. As the indium composition X of the quantum well layers 3A and 3B is set higher, the band gap of the quantum well layers 3A and 3B becomes narrower, and as a result, the wavelength of the output light becomes longer.
  • the indium composition x is set lower than the indium composition X of the quantum well layers 3A and 3B.
  • the delta layer 4 has a wider band gap than the quantum well layers 3A and 3B.
  • the thickness of the delta layer 4 is set so as to substantially induce the movement of holes and electrons. Therefore, holes and electrons can move substantially between the quantum well layer 3A and the quantum well layer 3B by tunneling or jumping in the delta layer 4.
  • the thickness of the powerful delta layer 4 is set to lnm, for example.
  • the inventors of the present application performed a simulation using a computer in order to demonstrate the superiority of the light emitting element 100 configured as described above over the prior art.
  • the same calculation was performed for the light emitting elements having the conventional SQW structure and MQW structure, and the two were compared.
  • the simulation of the light emitting element having the conventional structure also analyzes the problems in the light emitting element having the conventional structure, and the simulation result serves as an opportunity for the inventors of the present invention to arrive at the present invention. The simulation method and results will be described below.
  • the inventors of the present application incorporate the effect of the piezo electric field and further incorporate the movement of carriers.
  • the simulation was performed by solving the Poisson equation including the veg piezo charge, the drift diffusion equation for carriers, and the Schrödinger wave equation based on the 6 X 6 effective mass Hamiltonian considering the strain effect in a self-consistent manner.
  • the inventors of the present application first gave the Poisson equation with respect to the potential by the following formula (1).
  • V ⁇ ( ⁇ ) -q (p-n + N D -N A ) -P pol (1)
  • ⁇ electric potential, is dielectric constant, q is electron charge, n is electron density, h is hole density, N is n-type impurity (donor) concentration, N is p-type impurity (acceptor) concentration , P is polarization charge
  • the polarization charge density p is given by the following equations (2) and (3).
  • Equation (3) describes the strain component, and its first equation (left equation) gives a component parallel to the principal surface of the subwell layer, and second equation (right The equation () gives the vertical component.
  • E is the strain tensor
  • P (X) is the spontaneous polarization
  • a is the lattice constant of the substrate
  • a (x) is the layer sp sub
  • the lattice constant of the material that forms, c is the stiffness constant.
  • the Poisson equation (1) was solved by applying the -Euton-Raphson iteration method to the difference approximation.
  • the following documents (1) and (2) can be referred to.
  • ⁇ is the electron mobility
  • ⁇ is the hole mobility
  • ⁇ ⁇ is the electron quasi (Quezer) Fermi level
  • ⁇ is the hole pseudo Fermi level
  • G is the carrier generation rate.
  • R is the carrier recombination rate
  • ⁇ is intrinsic carrier density
  • Q is intrinsic Fermi level
  • y and ⁇ are degenerate variables
  • V is thermal voltage.
  • Equation (5) to (9) The inventors of the present application gave the Schrodinger wave equation by the following equations (5) to (9). This wave equation is described using effective mass, and for details, reference can be made to References 3 to 5, for example. Equations (5) to (8) are for the valence band. Equation (9) is for the conduction band.
  • H described in Equation (5) is 6 ⁇ 6 effective mass No., Miltian, and is given by Equation (6).
  • H u is given by Equation (7).
  • Each variable described in Equation (7) is given by Equation (8).
  • the variable ⁇ is the energy parameter, m and is the effective mass, ee
  • a to A are valence band effective masses, and D to D are deformation potentials.
  • the band edge shape (E v ( ⁇ )) of the valence band and the band edge shape (E e (z)) of the conduction band are obtained by solving the Poisson equation (1).
  • reference 6 can be referred to, for example.
  • GaN / AlGaN Quantum- Well Lasers "IEEE. J. Quantum. Electronic, vol. 34, pp. 2224-2232, 1998.
  • the effective mass of holes is larger than the effective mass of electrons.
  • the effective mass of holes is about four times larger than other Group III elements and Group V element compounds.
  • FIGS. 5 and 6 show the calculation results for the light-emitting element 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 shows the simulation results.
  • FIG. 2 is a graph showing a band structure and a wave function for a light emitting device having an SQW structure in which an InGa_N quantum well layer having a thickness of 5 nm is sandwiched between GaN barrier layers having an lOnm thickness. .
  • the horizontal axis in Fig. 2 represents the distance set in the thickness direction of the quantum well layer.
  • the p-side means the side close to the p-type cladding layer, in other words, the side close to the positive electrode
  • the n-side means the side close to the n-type cladding layer, in other words, the side close to the negative electrode.
  • FIG. 2 (a) shows the lower energy Ec of the conduction band and the energy level of the first conduction subband C1
  • the vertical axis in Fig. 2 (b) shows the upper edge of the valence band. It shows the energy Ev and the energy level of the first valence electron subband HH1.
  • the vertical axis of FIG. 2 (c) shows the wave functions of the first conduction subband C1 and the first valence electron subband ⁇ 1.
  • the wave function shown is not the square of the amplitude, but the amplitude itself.
  • three values of 15%, 20%, and 25% are selected as the indium composition X, and the corresponding curves are represented by a solid line, a dotted line, and a broken line. ing.
  • the forward voltage is set to OV.
  • the hole wave function is unevenly distributed at the junction boundary between the adjacent GaN barrier layer and the hole wave function is unevenly distributed at the junction boundary between the InGaN quantum well layer and the n-side (right side of the horizontal axis) adjacent GaN barrier layer. Moreover, the separation of wave functions becomes more pronounced as the indium composition X increases. Furthermore, when comparing the electron wave function and the hole wave function, it is found that the hole wave function is more strongly localized at the junction boundary.
  • the amplification coefficient S is proportional to exp (r-g-L).
  • exp represents an exponential function
  • ⁇ represents a light confinement factor
  • g represents an optical gain
  • L represents a device length.
  • the device length L of the light emitting device 100 is shown in Fig. 1 (a).
  • the light emitting device having the conventional structure shown in FIG. 2 cannot obtain a high optical gain as described above, and as a result, a high amplification coefficient S cannot be obtained.
  • FIG. 3 shows that two InGaN quantum well layers with a thickness of 2 nm are formed of AlGa with a thickness of 7 nm.
  • FIG. 6 is a graph showing an energy band structure and a carrier density in an active layer separated by an N barrier (barrier) layer and its periphery. That is, FIG. 3 shows the results of a simulation targeting a light emitting device having an MQW structure among conventional structures!
  • the forward voltage applied to the light emitting element is set to 3.5V. Therefore, a forward current for causing light emission flows through the light emitting element.
  • Fc represents the quasi-Fermi level of electrons
  • Fv represents the quasi-Fermi level of holes.
  • the energy Ec and Ev at the band edge are alternately inclined in the opposite direction between the quantum well layer and the barrier layer.
  • a high potential wall is formed between the quantum well layer and the barrier layer on the left side ( ⁇ side) in the figure, and for holes, the right side in the figure ( ⁇ A wall with high potential is formed between the quantum well layer and the barrier layer. This is also a factor that hinders the movement of electrons and holes, especially holes having a large effective mass.
  • the hole density is distributed only in the p-side quantum well layer and hardly exists in the n-side quantum well layer.
  • the electron density is distributed mainly to the n side, although it is distributed to some extent in the quantum well layer on the p side.
  • the electron density and hole density are unevenly distributed in one and the other of the quantum well layers on both sides of the barrier layer.
  • the density distribution of electrons and holes becomes extremely low in the carrier recombination rate because the overlapping portion is scarce.
  • FIG. 4 is a graph showing the energy band structure and carrier density when the forward voltage is raised to 4.8 V for the light emitting device having the same conventional structure as FIG. As shown in Fig. 4 (b), when the forward voltage is increased to 4.8V, holes can move to some extent in the n-side quantum well layer. A slight hole density also appears in the well layer. However, the hole density is still different between the two quantum well layers by more than four orders of magnitude, and is not substantially distributed in the n-side quantum well layer!
  • the simulation results shown in FIGS. 2 to 4 show that in a light-emitting device having an InGaN quantum well layer in the long wavelength region, when a thick SQW structure is adopted, electrons and In addition to the separation of the hole density distribution, when the MQW structure is adopted, the barrier layer inhibits the movement of electrons and holes by the piezoelectric field, so the density distribution of electrons and holes is SQW. Indicates separation in the opposite direction. And it became clear that, regardless of the structure of 1S, the amplification factor S could not be obtained. In addition, as already mentioned, in the thin SQW structure with a thickness of about 2 to 3 nm, the carrier capture rate is low, and as a result, the amplification coefficient S remains low.
  • the inventors of the present invention strongly localized the hole wave function at the SQW junction boundary by the piezo electric field, and the hole transfer is still caused by the thin delta layer.
  • the effective mass of holes is large enough to be affected, we came up with a quantum well structure in which a delta layer is embedded in a thick single InGaN quantum well.
  • the simulation results shown in FIGS. 5 and 6 below demonstrate the superiority of the light-emitting element 100 based on the idea over the conventional structure.
  • Figure 5 shows a single InGaN quantum well layer with a thickness of 5nm and an AlGaN thickness of lnm.
  • two 2 nm-thick InGaN quantum well layers are separated by an lnm-thick AlGaN delta layer.
  • FIG. 5 shows the result of a simulation targeting the light emitting element 100 shown in FIG.
  • the light emitting device 100 targeted in FIG. 5 is structurally different from the light emitting device targeted in FIG. 3 only in the thickness of the AlGaN layer separating the two quantum well layers.
  • the forward voltage applied to the light emitting element 100 is set to 3.5 V as in FIG.
  • the band gap is wider in the delta layer than in the quantum well layer.
  • the delta layer is lnm thick, electrons can easily pass or jump through the delta layer by tunneling or jumping, and the n-side quantum well layer.
  • the electron density distribution is higher in the p-side quantum well layer than in the n-side quantum well layer.
  • the electron density distribution is more uniform throughout the active layer than the SQW structure shown in Figure 2.
  • the delta layer Since the delta layer is thin, the influence on electrons and holes is much weaker than that of the MQW structure shown in FIG. Therefore, as compared with Fig. 3, the density distribution of holes and electrons is higher than that of the MQW structure, in which the barrier layer inhibits carrier movement and causes separation of the density distribution of holes and electrons. The uniformity across the active layer is clear. In this way, the delta layer relaxes the localization of carriers due to the piezoelectric field, thereby increasing the uniformity of the carrier density distribution, thus increasing the spatial overlap of the hole and electron density distributions. As a result, since the carrier recombination rate is improved, the optical gain is improved and a high amplification coefficient S is realized.
  • FIG. 6 is a graph showing the energy band structure and carrier density when the forward voltage is raised to 4.8 V for the same light emitting device 100 as FIG.
  • the hole density between the two quantum well layers is uniform as in Fig. 5 (b). More specifically, by increasing the forward voltage to 4.8 V, the hole density is maintained while maintaining the uniformity of carrier density for both electrons and holes between the two quantum well layers. Has been raised. That is, a higher light output can be obtained.
  • FIG. 5 (a) is compared with FIG. 6 (a)
  • the slopes of the energy Ec and Ev at the band edge in the quantum well layer are more gentle in FIG. This is due to the screening effect when the piezoelectric field is relaxed in FIG. 6 because the carrier density of electrons and holes, particularly holes, in the quantum well layer is higher.
  • Such screening effect What appears in the calculation results confirms the high accuracy of the simulation by the present inventors' self-consistent technique.
  • the indium composition X is as high as about 15%, and thus the effect of the piezoelectric field appears strongly, the InGaN quantum layer in which the delta layer that substantially induces carrier movement is embedded is embedded.
  • the light emitting device 100 is different from the light emitting devices having the well-known SQW structure and MQW structure, and exhibits a high amplification coefficient S, which leads to an increase in light output and a decrease in threshold current. It became clear.
  • each quantum well layer separated by the delta layers of FIGS. 5 and 6 is sufficiently small, 2 nm.
  • the density distribution of electrons and holes has a substantial overlap. . Therefore, when considering the results in Fig. 2 (c), Fig. 5 (b) and Fig. 6 (b), the InGaN quantum well layer has each quantum well separated by the delta layer.
  • each quantum well layer for inducing substantial electron-hole recombination in the door layer is higher than 2 nm and lower than 5 nm.
  • the simulations shown in FIGS. 5 and 6 are performed for the light emitting device 100 in which the indium composition X of the InGaN quantum well layer is 15%.
  • the force indium composition X is approximately 10%. Even if the light emitting device 100 emits blue light, the piezo effect is sufficiently high, and the improved light output and improvement compared to the light emitting devices having the conventional SQW structure and MQW structure. It is well estimated that the low threshold current achieved is achieved.
  • FIG. 7 is a front view showing the structure of the active layer of the light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a plurality of delta layers are embedded in a single quantum well layer, and the single quantum well layer is separated into three or more layers by the delta layer. This is different from the light emitting device 100 (FIG. 1). That is, in the active layer 5 of the light emitting device 200 illustrated in FIG. 7A, two delta layers 4A and 4B force three quantum well layers 3A to 3Cs are separated from each other. Further, in the active layer 5 of the light emitting device 300 illustrated in FIG. 7B, three delta layers 4A to 4C separate the four quantum well layers 3A to 3D from each other.
  • composition and thickness of the quantum well layers 3A to 3D are set to be equivalent to the composition and thickness of the quantum well layers 3A and 3B illustrated in FIG. Further, the composition and thickness of the delta layers 4A to 4C are set to be equal to the composition and thickness of the delta layer 4 illustrated in FIG.
  • the thickness of the entire quantum well layer can be increased by increasing the number of the delta layer and the quantum well layer while maintaining the thickness of the delta layer and the quantum well layer.
  • the confinement effect of the entire active layer 5 can be enhanced while maintaining the uniformity of the carrier density distribution.
  • the inventors of the present application performed a simulation based on the method described in Embodiment 1 in order to demonstrate the superiority of the light emitting elements 200 and 300. The results of the simulation will be described below.
  • Figure 8 shows that a single InGaN quantum well layer 8nm thick is composed of two A1
  • a light emitting device having an active layer separated by a Ga N delta layer into three layers
  • FIG. 8 shows the result of a simulation for the light emitting element 200 shown in FIG. 7 (a).
  • the forward voltage applied to the light emitting element 200 is set to 4.4 V, which is higher than that in FIG. 5 and lower than that in FIG.
  • the electron density and the hole density of the three quantum well layers both show good uniformity throughout the force active layer 5.
  • the overlap between the electron density distribution and the hole density distribution in each quantum well layer is also good.
  • the thickness of the active layer 5 is increased while keeping the carrier uniformity equal, and therefore the amplification factor S is expected to increase as the confinement factor ⁇ increases. It is.
  • the simulation results show that the light-emitting elements 200 and 300 are powerful It is what supports.
  • the thickness of the delta layer 4 (or 4A-4C) if it is a thickness that substantially induces the movement of force holes and electrons exemplified by lnm, the thickness is not more than Also good.
  • the thickness of the delta layer 4 (or 4A-4C) may be the thickness of one molecular layer, for example, 0.2 nm to 0.3 nm. Even in this case, the delta layer 4 is sufficiently predicted to function as a layer that affects at least the movement of holes.
  • the CVD method is used to change the reaction gas for each layer while changing each semiconductor layer. It is a desirable way to grow Among them, the delta layer 4 is formed to be thinner than other semiconductor layers because it is necessary to substantially induce carrier movement, and the thickness of the delta layer 4 must be adjusted with particularly high accuracy because it is necessary to adjust the influence on the carrier. Need to control. For this reason, it is desirable to set the growth rate of the delta layer 4 slower than that of other semiconductor layers in the process of growing the semiconductor layer.
  • Light Emitting Elements 100, 200, and 300 are Powers Configured as Laser Diodes
  • the light emitting elements of the present invention are not limited to laser diodes, and may be configured as, for example, light emitting diodes. (SLD) may be configured.
  • SLD light emitting diodes
  • a high light emission output can be obtained.
  • the quantum well layers 3A to 3D are not doped.
  • the quantum well layer in the light-emitting device of the present invention may be doped without being limited to being non-doped.
  • the doping usually acts in the direction of deteriorating the crystallinity, the active layer 5 is generally not doped! /.
  • the example in which the material of the quantum well layer 3 (or 3A to 3D) is InGaN is taken up.
  • the quantum well layer 3 can be composed of other materials. If the quantum well layer induces a piezo electric field due to internal strain due to crystal lattice mismatch, the present invention can be similarly applied to obtain the same effect as the present invention. [0074] This specification summarizes the main inventions of the powers disclosing various inventions as described above.
  • a device is a light-emitting device, and includes a quantum well layer in which a piezoelectric field is induced by an internal strain due to crystal lattice mismatch, and a quantum well layer embedded in the quantum well layer.
  • the quantum well layer is divided into a plurality of layers, the band gap is wider than the quantum well layer, and the thickness is set within a range that substantially induces the movement of holes and electrons.
  • the quantum well layer is formed by the delta layer whose band gap is wider than that of the quantum well layer and whose thickness is set in a range that substantially induces the movement of holes and electrons. Since they are separated by a plurality of layers, movement of holes having a large effective mass among holes and electrons is limited to some extent by the delta layer. As a result, due to the large effective mass of at least one of holes and electrons, the density of holes in the quantum well layer is more likely to be localized due to the piezoelectric field in the quantum well layer. Distribution uniformity is improved. As a result, the overlapping portion of the density distribution of holes and electrons increases, so that the carrier recombination rate is improved. As a result, the optical output (probability of light emission) is improved, so that the optical output is improved. In particular, the threshold current can be reduced in the laser element.
  • the thickness of each part of the quantum well layer separated by the delta layer is such that holes and electrons
  • the density distribution is set to a range having substantial overlap.
  • the thickness of each part of the quantum well layer separated by the delta layer is set in a range in which the density distribution of holes and electrons has a substantial overlapping part. In each part, substantial carrier recombination is induced. As a result, a higher optical gain can be obtained, so that a higher optical output can be obtained. In particular, a lower threshold current can be realized in a laser element.
  • a third aspect is a light emitting device according to the first or second aspect, wherein the material of the quantum well layer is InGaN.
  • the material of the quantum well layer is InGaN, a light emitting element whose emission wavelength ranges from blue to green and further to red is realized by increasing the composition of indium. can do.
  • a fourth aspect is the light emitting device according to the third aspect, wherein the material of the delta layer is made of AlGaN, GaN, and InGaN having a lower indium composition than the quantum well layer.
  • Power is one that is at least one selected.
  • the material strength of the delta layer is lower than that of AlGaN, GaN, and the quantum well layer, and the group power of the InGaN force is selected. Therefore, InGaN is used as the material. Thus, it is possible to easily form a delta layer having a wider band gap than the quantum well layer.
  • a fifth aspect is a light emitting device according to the third or fourth aspect, wherein the value of the indium composition x when the composition of the quantum well layer is expressed as InGaN is about 10. % Or more.
  • the value power of the indium composition X is approximately 10% or more, a light emitting element that emits blue light or longer wavelength light than that is realized.
  • a sixth aspect is a light emitting device according to any one of the first to fifth aspects,
  • the delta layer is embedded in a plurality of locations of the quantum well layer, and the quantum well layer is separated into three or more layers.
  • the delta layer is embedded in a plurality of locations of the quantum well layer, and the quantum well layer is separated into three or more layers by the delta layer, for example, the delta layer is separated from each other.
  • the thickness of the whole quantum well layer can be increased while keeping the thickness of each part of the formed quantum well layer small. That is, improvement in the uniformity of the carrier density distribution and improvement of the light confinement effect by the entire quantum well layer can be realized at a higher level, thereby further increasing the light output.
  • a seventh aspect is a light emitting device according to any one of the first to sixth aspects,
  • the light emitting element is a laser diode.
  • the light emitting element is a laser diode, a low threshold current is realized.
  • a method of manufacturing a light emitting device according to any one of the first to seventh aspects, wherein the first step of laminating a part of the quantum well layer; Of the quantum well layer A second step of laminating the delta layer on the part; and a third step of laminating another part of the quantum well layer on the delta layer.
  • the delta layer is laminated at a speed lower than the speed at which the part of the quantum well layer and the other part are laminated.
  • the thickness of the delta layer is within a range that substantially induces the movement of holes and electrons. It is easy to set. That is, the light emitting device of the present invention can be manufactured more easily.
  • a light emitting device having an improved light output can be provided for a light emitting device having a quantum well layer that induces a piezoelectric field.

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Abstract

　活性層５では、ＩｎＧａＮを材料とする単一の量子井戸層にデルタ層４が埋め込まれており、それにより量子井戸層は、２つの量子井戸層３Ａ及び３Ｂに互いに隔てられている。デルタ層４は、キャリアの移動に影響を与えるように量子井戸層３Ａ及び３Ｂよりはバンドギャップが広く設定されるが、従来周知のマルチ量子井戸（ＭＱＷ）構造に採用される障壁とは異なり、電子及び正孔の移動を実質的に誘起するように、その厚さが例えば１ｎｍ程度に設定される。これにより、光利得が高められ、光出力の向上と閾値電流の低減とが実現される。

Description

明 細 書
発光素子及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 広 、バンドギャップを有する窒化物半導体、すなわち III属元素 窒素化合物半導 体を用いた発光素子は、照明、光記録、医療用器具等を含む様々な応用分野で注 目を集めている。窒化物半導体を使った代表的な発光素子として、発光ダイオード（
LED)とレーザダイオード (すなわち半導体レーザ）とが知られて 、る。窒化物半導体 を用いたレーザダイオードのうち、発振波長が約 400nm (紫色に相当）のもの、或い は約 450nm (青色に相当）のものは、既に開発されている。窒化物半導体を用いて 現在達成されている発振波長の最長の値は、約 480nm (青緑色に相当）である。
[0003] 一方、赤色光を出力する発光素子は、 AlGalnPを用いることによって古くから実用 化されている。すなわち、レーザダイオードについては、三原色のうち、赤色と青色と は、実現されているが、緑色は、未だ達成に至っていないという現状にある。このため 、緑色を出力するレーザ装置としては、レーザダイオードを用いることなぐ YAGレー ザを用いて赤外領域で発振させ、非線形の光学結晶を用いて波長を半分に変換す るタイプのものが用いられている。このタイプのものは、小型化に不向きであるだけで なぐエネルギー効率が悪ぐ電源電池の電力を短時間で消費するという問題点を有 している。発光ダイオードについては、緑色の発光ダイオードは、実現されてはいる 力 そのエネルギー効率は、青色の発光ダイオードに比べて、半分程度に止まって いる。すなわち、光出力の高い緑色の発光ダイオードの実現が待望されている。
[0004] 窒化物半導体である GaNは、そのバンドギャップが約 360nm (紫外線に相当）と広 い。このため、窒化物半導体を用いる発光素子では、可視光を得るために、活性層 に In Ga _ N3元混晶（いわば InNと GaNとを混在させたもの）が用いられる。インジ ゥム組成 Xを高めるほど、バンドギャップが狭くなり、発光波長が長くなる。従って、緑 色のレーザダイオード等を実現するためには、インジウム組成 Xを高めればよ 、。 [0005] しかし、インジウム原子のサイズがガリウム原子のサイズよりも大きいために、インジ ゥムの組成 Xを高めると、 InGaNの結晶格子の不整合により、 InGaNの内部歪が大 きくなる。その結果、大きなピエゾ電界が InGaN内に誘起されるという問題点があるこ とが知られている。例えば、非特許文献 1は、活性層をなす InGaN量子井戸層が厚 い場合には、強いピエゾ電界が誘起され、その結果、レーザ発振強度が著しく減少 すると 、う事実を報告して 、る。
[0006] これに対して、 InGaN量子井戸層の厚さを、例えば 2nm〜3nm程度に小さく設定 すると、ピエゾ電界の影響は、弱まるものの、その一方で、量子井戸層へのキャリアの 捕獲率が著しく低いものとなり（例えば非特許文献 2, 3)、その結果、キャリアの再結 合率は、低くなる。カロえて、 InGaN量子井戸層の厚さがこの程度である場合には、出 力光は、量子井戸層に十分に閉じ込められることなぐ量子井戸層から漏れ出てその 周囲に広く分布することとなる。すなわち、出力光の光強度のうち活性層内に閉じ込 められる光強度の割合を示す閉じ込め係数も、著しく低いものとなる。これら双方の 効果により、レーザ発振が阻害され、或いはレーザ発振のための閾（しきい)値電流 が高くなる。
[0007] 閉じ込め効果を高めるためには、量子井戸層の幅を広くする以外に、障壁を介して 狭 、量子井戸層を複数箇所に配置する形態、すなわちマルチ量子井戸 (MQWと称 される）構造を想定することができる。しカゝしながら、非特許文献 4は、 435nmを超え て波長の長 ヽレーザダイオードに対しては、単一量子井戸（SQWと称される）構造が 、最も低い閾値電流を与えることを報告している。 450nm波長のレーザダイオードに おいて、 InGaN量子井戸層の個数が 2又は 3であるときには、閾値電流は、非常に 高!、ものとなることが明らかにされて 、る。このように複数の量子井戸層を設けること は、長波長の発光素子に対しては、特性を悪ィ匕させるものとなっている。
[0008] 以上のように、従来にお!、ては、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層を有する発光 素子においては、 SQW構造及び MQW構造の何れを採用しても、キャリアの再結合 率を十分に高めることができず、その結果、光出力を十分に高めることができなかつ た。
非特許文献 1 :J. S. Im, H.Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, and A. Hangleiter, "Reduction ofoscillator strength due to piezoelectric fields in GaN/ AlxGal— xN quantum wells," Phys. Rev. B57, pp. R9435- R9438, 1998.
非特許文献 2 : S. A丄 evetas and M. J. Godfrey, "Calculation of capture of carriers b y quantum wells, "Phys. Rev. B59, pp.10202— 10207, 1999.
非特許文献 3 : P. W. M.Blom, C. Smith, J. E. M. Haverkort, and J. H. Wolter, "Carr ier capture into a semiconductor quant umwell , " Phys . Rev.B47, pp.2072- 2081, 1993. 非特許文献 4 : S. Nakamura.M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Mtsushita.and T. Mukai, "Blue InGaN- basedlaser diodes with an emission wavelength of 450 nm, Ap pi. Phys. Lett., vol. 76, pp.22- 24, 2000.
発明の開示
[0009] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層 を有する発光素子に関し、光出力を向上させ得る発光素子を提供することを目的と する。そして、本発明は、力かる発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
[0010] 本発明の一態様に係る発光素子は、結晶格子の不整合による内部歪により自身に ピエゾ電界を誘起して 、る量子井戸層に埋め込まれ、該量子井戸層を複数層に隔 てており、該量子井戸層よりもバンドギャップが広ぐ且つ厚さが正孔及び電子の移 動を実質的に誘起する範囲内に設定されているデルタ層を備える。そして、本発明 の他の一態様に係る、前記発光素子を製造する発光素子の製造方法は、前記量子 井戸層の一部を積層する第 1工程と、前記量子井戸層の前記一部の上に前記デル タ層を積層する第 2工程と、前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層 する第 3工程とを備え、前記第 2工程は、前記第 1及び第 3工程が前記量子井戸層の 前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層 する。
[0011] このような構成の発光素子は、光出力が向上する。そして、このような構成の発光素 子の製造方法は、光出力が向上した発光素子を製造することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0012] [図 1]本発明の実施の形態 1による発光素子の構成を示す図である。
[図 2]SQW構造を有する比較対象素子についてのシミュレーション結果を示すグラフ である。
[図 3]MQW構造を有する比較対象素子についてのシミュレーション結果を示すダラ フである。
[図 4]図 3の比較対象素子について順電圧を変えたときのシミュレーション結果を示 すグラフである。
[図 5]図 3と対比すべき本発明の実施の形態 1による素子についてのシミュレーション 結果を示すグラフである。
[図 6]図 4と対比すべき本発明の実施の形態 1による素子についてのシミュレーション 結果を示すグラフである。
[図 7]本発明の実施の形態 2による発光素子の活性層の構造を示す正面図である。
[図 8]本発明の実施の形態 2による発光素子についてのシミュレーション結果を示す グラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0013] [実施の形態 1]
図 1は、本発明の実施の形態 1による発光素子の構成を示す図であり、図 1 (a)は、 全体斜視図であり、図 1 (b)は、一部拡大正面図である。この発光素子 100は、レー ザダイオードとして構成されており、 p型クラッド層 1、バリア層 2、活性層 5、バリア層 6 、 n型クラッド層 7、ノ ッファ層 8、基板 9、正電極 11及び負電極 12を備えている。各層 の材料、組成、及びドーピング濃度 (P型及び n型の不純物濃度）の一例を表 1に示 す。表 1の左端欄に示す「符号」は、図 1で用いられる符号を表している。
[0014] [表 1]
付"^ 層 材料（厚さ） 組成 ドープ (101 8cm- 3)
1 ρ クラッド層 GaN g : 0.5~5.0
2 バリア層 InxGai_xM x = 0.0— 0.05 Mg: 0.5〜5.0
3A QW ln',Ga卜 XN(1 ~7nmj x = 0.1〜0.5 ドープなし デルタ層 AlxGa xN(0.2〜1.5nm) x = 0.01〜0.8 Mg， Si : 0.5~ 10
4
InxGa1_xN(0.2~ 1.5nm) χ = 0〜0·1
3B QW ln„Ga卜 XN(1 ~7nmj x = 0.1 ~0.5 ドープなし
6 バリア層 InxGai-x x = 0.0〜0.05 Si : 0.5〜1 0
7 η-クラッド層 GaN Si : 0.5- 1 0
8 ゾくッファ層 AIN
9 基板 サファイア， GaN
[0015] 基板 9の材料としてサファイア又は GaNが用いられる。バッファ層 8から p型クラッド 層 1に至る各半導体層は、この順に基板 9の上に積層されている。積層の方法として 、 CVD (化学気相成長)法を用い、各半導体層の源となる反応ガスを順次供給する ことにより、各半導体層を基板 9の上に順に堆積させるのが、結晶間の整合性 (ェピタ キシ一）、積層の容易さ、層厚及び組成の精度等の観点から望ましい。バッファ層 8 は、 A1Nを材料としている。活性層 5の両側に配置される n型クラッド層 7及び p型クラ ッド層 1は、何れも GaNを材料としている。 n型クラッド層 7及び p型クラッド層 1の内側 にあって活性層 5に隣接するバリア層 6及び 2は、何れも GaN又は InGaNを材料とし ている。
[0016] 活性層 5と正電極 11との間に配設される p型クラッド層 1及びバリア層 2は、例えば マグネシウム (Mg)をドープされることにより、 p型の導電型となっている。また、活性 層 5と負電極 12との間に配設されるノ リア層 6及び n型クラッド層 7は、例えばシリコン (Si)をドープされることにより、 n型の導電型となっている。発光素子 100は、従来周 知の構造である突起部（リッジ; ridge)を p型クラッド層 1に有している。突起部の頂部 に正電極 11が配設され、 n型クラッド層 7に形成された段差面に負電極 12が配設さ れている。 [0017] 発光素子 100は、活性層 5の構造において従来にない特徴を有しており、活性層 5 を除く全体の基本構造は、従来周知のものである。活性層 5では、 InGaNを材料とす る単一の量子井戸層にデルタ層 4が埋め込まれており、それにより量子井戸層は、 2 つの量子井戸層 3A及び 3Bに互いに隔てられている。すなわち、活性層 5は、量子 井戸層 3A及び 3Bと、デルタ層 4とを有している。デルタ層 4は、 GaN、 InGaN又は A IGaNを材料としている。
[0018] 量子井戸層 3A及び 3Bは、それらの周囲に配設される p型クラッド層 1、 n型クラッド 層 7、ノリア層 2及びバリア層 6の何れよりも、インジウム組成 Xが高く設定されている。 それにより、量子井戸層 3A及び 3Bは、周囲の半導体層よりもバンドギャップが局所 的に狭 、量子井戸として機能する。量子井戸層 3A及び 3Bのインジウム組成 Xを高く 設定するほど、量子井戸層 3A及び 3Bのバンドギャップが狭くなり、その結果、出力 光の波長が長くなる。
[0019] デルタ層 4が InGaNを材料とする場合には、そのインジウム組成 xは、量子井戸層 3A及び 3Bのインジウム組成 Xよりも低く設定される。すなわちデルタ層 4は、量子井 戸層 3A及び 3Bよりはバンドギャップが広く設定される。但し、デルタ層 4は、従来周 知の障壁とは異なり、正孔及び電子の移動を実質的に誘起するようにその厚さが設 定される。従って、正孔及び電子は、デルタ層 4をトンネリング又はジャンプすることに より、量子井戸層 3Aと量子井戸層 3Bとの間を、実質的に移動することが可能となつ ている。力かるデルタ層 4の厚さは、例えば lnmに設定される。
[0020] 本願発明者らは、このように構成される発光素子 100の従来技術に対する優位性 を実証するために、コンピュータを用いたシミュレーションを実行した。従来技術との 比較を行うために、従来の SQW構造及び MQW構造を有する発光素子にっ ヽても 同様の計算を実行し、双方を対比することとした。従来構造の発光素子についての シミュレーションは、従来構造の発光素子における問題点を分析するものでもあり、そ のシミュレーション結果は、本願発明者らが本願発明に想到する契機ともなつたもの である。以下にシミュレーションの方法と結果とについて説明する。
[0021] [実施の形態 1の実証シミュレーション]
本願発明者らは、ピエゾ電界の効果を取り入れ、更にキャリアの移動をも取り入れる ベぐピエゾ電荷を含めたポアツソン方程式、キャリアに対するドリフト 拡散方程式、 及び歪効果を考慮した 6 X 6有効質量ハミルトニアンに基づくシュレディンガー波動 方程式を自己無撞着的に解くことによって、シミュレーションを実行した。本願発明者 らは、まず電位に対するポアツソン方程式を、次の数式（1)で与えた。
[0022] [数 1]
V ·( ε )= -q (p-n+ND-NA ) - P pol (1)
[0023] ここで、 φは電位、 は誘電率、 qは電子の電荷、 nは電子密度、 hは正孔密度、 N は n型不純物（ドナー)濃度、 N は p型不純物（ァクセプタ)濃度、 P は分極電荷
D A pol
密度である。分極電荷密度 p は、次の数式（2)及び（3)で与えられる。
[0024] [数 2] ol
Figure imgf000009_0001
[0025] [数 3]
ε ij (χ)= sub { 、— and ε丄 (x)=— 2 ε (χ) (3) a(x) 11 c
[0026] 数式（3)は、歪の成分を記述するものであり、その第 1式 (左側の式）は. 子井戸 層の主面に平行な成分を与えており、第 2式 (右側の式）は、垂直な成分を与えてい る。また、 eは歪電テンソル、 P (X)は自発分極、 a は基板の格子定数、 a (x)は層 sp sub
を形成する材料の格子定数、 cは剛性 (スティフネス）定数である。
[0027] ポアツソン方程式（1)は、差分近似に-ユートン'ラプソンの反復計算法を適用する ことにより解いた。当該計算方法の詳細については、例えば、次の文献（1)及び（2) を参照することができる。
[0028] (文献 1) G. W. Brown
ana β. W. Lindsay, ηβ Numerical solution of Poisson s Equation for Two— Dimens ional Semiconductor Devices, Solid— State Electron.,
vol. 19, pp. 991-992. 1976.
(文献 2) T. Ohtoshi, K. Yamaguchi, C. Nagaoka, T. Uda, Y. Murayama, and N. Chinone, "A
Two- Dimensinal Device Simulator of Semiconductor Lasers," Solid- State Electron., vol. 30, pp. 627-638, 1987.
[0029] 本願発明者らは、正孔及び電子に対する連続方程式を、以下の数式 (4. a)〜(4. d)で与えた。当該数式 (4. a)〜(4. d)の詳細についても、例えば、文献 2を参照す ることがでさる。
[0030] [数 4]
Figure imgf000010_0001
=士マ.(1 ) - R (4.b)
Figure imgf000010_0002
ρ=ι¾ θχρ φ ( φ + θ — y D ) τ (4.d)
[0031] ここで、 μ は電子の移動度、 ρは正孔の移動度、 Φ ηは電子の擬 (クエーザィ)フ エルミ準位、 φ は正孔の擬フェルミ準位、 Gはキャリア発生率、 Rはキャリア再結合率
Ρ
、 ηは真性 (イントリンシック）キャリア密度、 Qは真性 (イントリンシック)フェルミ準位、 y 及び γ は縮退変数、 Vは熱電圧である。微分方程式である数式 (4. a)〜(4. d n p T
)は、箱形 (ボックス)積分離散化法を用いて離散化される。当該離散化法の詳細に ついても、例えば、文献 2を参照することができる。
[0032] 本願発明者らは、シュレディンガー波動方程式を、以下の数式 (5)〜（9)で与えた 。この波動方程式は、有効質量を用いて記述されるものであり、その詳細については 、例えば、文献 3〜5を参照することができる。数式（5)〜（8)は、価電子帯に対する ものであり、数式（9)は、伝導帯に対するものである。
[0033] [数 5]
Figure imgf000011_0001
[0034] [数 6]
Figure imgf000011_0002
[0035] [数 7]
Figure imgf000011_0003
[数 8]
Figure imgf000011_0004
[0037] [数 9]
Figure imgf000011_0005
[0038] 数式（5)に記述される Hは 6 X 6実効質量ノ、ミルト二アンであり、数式（6)で与えら れている。数式（6)に記述される Hu及び HLは何れも 3 X 3行列であり、 Hu= (HL) * の関係にある。 Huは数式（7)で与えられている。数式（7)に記述される各変数は数 式（8)で与えられている。変数 Δはエネルギーパラメータ、 m 及び は有効質量、 e e
A 〜Aは価電子帯実効質量、 D 〜Dは変形ポテンシャルである。
1 6 1 4
[0039] 価電子帯のバンドエッジ形状 (Ev (ζ) )及び伝導帯のバンドエッジ形状 (Ee (z) )は、 ポアツソン方程式（1)を解くことによって得られる。価電子帯のエネルギー準位 (Ev ) と伝導帯のエネルギー準位 (Ee )、及びこれらに対応する波動関数 uと uを得るた n m n めに、本願発明者らは、数式 (5)〜（9)を、標準的な中心差分法によって空間的に 離散化し、逆べき法を用いて k =0の下で解いた。この手法の詳細については、例え ば、文献 6を参照することができる。
[0040] (文献 3)
S.L. し huang ana
し. ¾. Chang, k-p method
for strained wurtzite semiconductors, Phys. Rev. B54, pp. 2491—2504, 199り.
(文献 4)
Y. C. Yeo. T.
C. Chong, and M. F. Li, Uniaxial Strain Effect on the Electronic and Optical Prope rties of Wurtzite
GaN/ AlGaN Quantum- Well Lasers," IEEE. J. Quantum. Electronic, vol. 34, pp. 2224-2232, 1998.
(文献 5)
L. H. Peng, Y.
C. Hsu, and C. W. し huang, Structure Asymmetry Effects in the Optical Gain of Pi ezostrained InGaN Quantum Wells," IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron., vol 5, pp. 766-764, 1999.
(文献 6)
C. Juang, K. J. Kuhn, and R. B. Darling, "Stark shift and field-induced tunneling in Al Ga As /GaAs quantum-well structure," Phys. Rev. B41, pp. 12047—12053, 1990.
[0041] 正孔の有効質量は、電子の有効質量に比べて大きい。し力も、 InGaN等の GaNを ベースとする半導体では、他の III属元素 V属元素化合物に比べて、正孔の有効質 量が約 4倍も大きい。シミュレーションを通じて本願発明者らは、ピエゾ電界の存在が 重い正孔の移動に大きく影響することを見出した。デルタ層 4を有する発光素子 100 は、この点に着目することにより、本願発明者らが着想するに至ったものである。
[0042] 以下の図 2〜図 6に、シミュレーションの結果を示す。図 2〜図 4は、比較対象として の従来構造の発光素子に対する計算結果を示しており、図 5及び図 6は、実施の形 態 1による発光素子 100に対する計算結果を示している。
[0043] 図 2は、 5nm厚さの In Ga _ N量子井戸層が lOnm厚さの GaNバリア層によって 挟まれてなる SQW構造を有する発光素子について、バンド構造と波動関数とを示す グラフである。図 2の横軸は、量子井戸層等の厚さ方向に設定された距離を表してい る。図 2において、 p側とは p型クラッド層に近い側、言い換えると正電極に近い側を 意味し、 n側とは n型クラッド層に近い側、言い換えると負電極に近い側を意味する。 図 2 (a)の縦軸は、伝導帯の下端エネルギー Ecと、第 1伝導サブバンド C1のェネル ギー準位とを示しており、図 2 (b)の縦軸は、価電子帯の上端エネルギー Evと、第 1 価電子サブバンド HH1のエネルギー準位とを示している。また、図 2 (c)の縦軸は、 第 1伝導サブバンド C1及び第 1価電子サブバンド ΉΗ1の波動関数を示している。図 示される波動関数は、振幅の自乗ではなく振幅そのものである。図 2の計算において は、インジウム組成 Xとして、 15%、 20%及び 25%の 3通りの値が選択されており、そ れぞれに対応する曲線は、実線、点線、及び破線で表されている。また、図 2の計算 では、順電圧は OVに設定されている。
[0044] 図 2 (a)及び図 2 (b)から、 InGaN量子井戸層では、ピエゾ電界のためにバンド端 のエネルギー Ec及び Evが傾斜していることが分かる。し力も、この傾斜は、インジゥ ム組成 Xが高いほど急峻となっている。その結果、図 2 (c)が示すように、電子と正孔（ ホール)の波動関数は、 InGaN量子井戸層の内部で、一端と他端とに分離した振幅 分布を示す。すなわち、電子の波動関数は、 InGaN量子井戸層と p側 (横軸左側）に 隣接する GaNバリア層との接合境界に偏在し、正孔の波動関数は InGaN量子井戸 層と n側 (横軸右側）に隣接する GaNバリア層との接合境界に偏在する。しかも、この 波動関数の分離は、インジウム組成 Xが高いほど顕著なものとなっている。更に、電 子の波動関数と正孔の波動関数とを比較すると、正孔の波動関数の方が、より強く接 合境界に局在することが分力る。
[0045] 電子と正孔の波動関数におけるこのような振舞いから、電子と正孔の統計力学的な 密度、すなわちキャリア密度についても、同様の分離が引き起こされていることが容 易に理解される。なお、波動関数とキャリア密度との相関性は、後述する図 3等に明 瞭に示されている。このように、少なくともインジウム組成 Xが 15%程度以上に高い場 合には、 5nmの厚さの InGaN量子井戸層では、電子と正孔との密度分布における 重複部分が希少となることがシミュレーションによって明瞭に示された。このことは、ィ ンジゥム組成の高!、InGaNからなる厚!、SQW構造にお!、ては、キャリアの再結合が 低く、その結果として高 、光利得が得られな 、ことを意味する。
[0046] 一般に、増幅係数 Sは、 exp ( r -g-L)に比例する。ここで、 expは指数関数を表し 、 Γは光の閉じ込め係数を示し、 gは光利得を示し、 Lはデバイス長を示す。発光素 子 100のデバイス長 Lは、図 1 (a)に示されている。増幅係数 Sが高いほど、大きい光 出力が得られる。特に、レーザダイオードでは、増幅係数 Sが高いほど低い閾値電流 が得られる。図 2が対象とする従来構造の発光素子では、上述の通り高い光利得が 得られず、その結果、高い増幅係数 Sを得ることができない。
[0047] 図 3は、 2nm厚さの 2つの In Ga N量子井戸層が、 7nm厚さの Al Ga
0. 15 0. 85 0. 05 0. 95
N障壁 (バリア)層により隔てられて成る活性層とその周辺におけるエネルギーバンド 構造とキャリア密度とを示すグラフである。すなわち、図 3は、従来構造のうち MQW 構造を有する発光素子を対象としたシミュレーションの結果を示して!/、る。発光素子 に印加される順電圧は 3. 5Vに設定されている。従って、発光素子には、発光を引き 起こすための順電流が流れている。図 3 (a)において、 Fcは電子の擬フェルミ準位を 表しており、 Fvは正孔の擬フェルミ準位を表している。
[0048] 図 3 (a)から、正孔の擬フェルミ準位 Fv力 双方の量子井戸層にお 、て不連続とな つていることが分かる。このことは、有効質量の大きい正孔の移動を困難にするもの である。電子は、有効質量が小さいので、障壁層を通過し或いは越えて移動し易い。 しかし、量子井戸層と障壁層との間での伝導帯のバンド端のエネルギー Ecの差、す なわち伝導帯のバンドオフセット Δ Ecが大きいために、電子の移動もある程度抑制さ れている。
[0049] 更に、バンド端のエネルギー Ec及び Evが、量子井戸層と障壁層との間で、交互に 逆向きに傾いていることが分かる。その結果、電子に対しては、図中の左側 (ρ側）の 量子井戸層と障壁層との間に、ポテンシャルの高い壁が形成され、正孔に対しては、 図中の右側 (η側）の量子井戸層と障壁層との間に、ポテンシャルの高い壁が形成さ れている。このことも、電子及び正孔、特に有効質量の大きい正孔に対して、移動を 阻害する要因となっている。
[0050] その結果、図 3 (b)が示すように、正孔密度は、専ら p側の量子井戸層にのみ分布し 、 n側の量子井戸層には殆ど存在しない。また、電子密度は、 p側の量子井戸層にも ある程度まで分布するものの、主として n側に分布している。このように、ピエゾ電界の 存在のために、電子密度と正孔密度とは、障壁層を挟む両側の量子井戸層の一方と 他方とに別個に偏在する。その結果、電子と正孔の密度分布は、重複部分が希少と なるので、キャリアの再結合率が著しく低いものとなる。
[0051] 図 4は、図 3と同じ従来構造の発光素子について、順電圧を 4. 8Vにまで引き上げ たときのエネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。図 4 (b)が示すよ うに、順電圧が 4. 8Vにまで高められると、正孔は、 n側の量子井戸層にも、ある程度 は、移動し得て、その結果、 n側の量子井戸層にも僅かながら正孔密度が現れる。し 力しながら、それでもなお、正孔密度は、双方の量子井戸層の間で、 4桁以上の比率 で異なっており、 n側の量子井戸層には実質的に分布しな!、。
[0052] このように、少なくともインジウム組成 Xが 15%程度に高い場合には、 7nmの厚さの 障壁層で隔てられた 2つの InGaN量子井戸層には、正孔がー方にのみ局在し、電 子が主として他方に存在することが明ら力となった。すなわち、電子の密度分布と正 孔の密度分布との間に、高い非均質性があることが分力つた。このことは、インジウム 組成の高い InGaN力 なり、厚い障壁層で隔てられた MQW構造においては、キヤリ ァの再結合率が低ぐその結果として高い光利得が得られないことを意味する。この ことは更に、増幅係数 sが低ぐ高い光出力が得られず、且つ低い閾値電流が得られ ないことを意味している。
[0053] 以上の通り、図 2〜図 4に示したシミュレーションの結果は、長波長領域の InGaN量 子井戸層を有する発光素子では、厚い SQW構造を採用した場合には、ピエゾ電界 により電子と正孔の密度分布が分離することを示すとともに、 MQW構造を採用した 場合には、ピエゾ電界により障壁層が電子と正孔の移動を阻害するために、電子と 正孔の密度分布が SQWとは逆の方向に分離することを示している。そして、そのこと 1S 何れの構造を採っても高 、増幅係数 Sが得られな ヽ原因となって ヽることが明ら 力になった。また、厚さ 2〜3nm程度の薄い SQW構造では、既に述べたとおり、キヤ リア捕獲率が低ぐその結果、増幅係数 Sが低い値に止まることは、周知の事実であ る。
[0054] この問題を解決するために、本願発明者らは、ピエゾ電界により正孔の波動関数が SQWの接合境界に強く局在化され、しかも、薄いデルタ層によってもなお、正孔の 移動が影響を受けるほどに正孔の有効質量が大きい点に着目することにより、厚い 単一の InGaN量子井戸にデルタ層が埋め込まれた量子井戸構造を着想するに至つ た。以下の図 5及び図 6に示すシミュレーションの結果は、当該着想に基づく発光素 子 100について、従来構造のものに対する優位性を実証するものとなっている。
[0055] 図 5は、 5nm厚さの単一の In Ga N量子井戸層に lnm厚さの Al Ga N
0. 15 0. 85 0. 05 0. 95 デルタ層が埋め込まれて成る活性層とその周辺におけるエネルギーバンド構造とキ ャリア密度とを示すグラフである。言い換えると、この発光素子では、 2nm厚さの 2つ の In Ga N量子井戸層が、 lnm厚さの Al Ga Nデルタ層によって隔てら
0. 15 0. 85 0. 05 0. 95
れている。すなわち、図 5は、図 1に示した発光素子 100を対象としたシミュレーション の結果を示すものである。図 5が対象とする発光素子 100は、図 3が対象とした発光 素子とは、 2つの量子井戸層を隔てる AlGaN層の厚さにおいてのみ、構造上相違す る。発光素子 100に印加される順電圧は、図 3と同じく 3. 5Vに設定されている。
[0056] 図 5 (a)が示すように、バンドギャップは、量子井戸層よりもデルタ層において広くな つている。しかしながら、デルタ層が lnmの厚さであるために、電子は、トンネリングま たはジャンプによって、デルタ層を容易に通過し又は飛び越えて、 n側の量子井戸層 から p側の量子井戸層へ移動し得る。その結果、図 5 (b)が示すように、電子の密度 分布は、 n側の量子井戸層よりも、むしろ p側の量子井戸層において高い密度を示し ている。しかしながら、デルタ層の存在により、図 2に示した SQW構造に比べると、電 子の密度分布は、活性層全体により均一なものとなっている。
[0057] これに比べて正孔は、有効質量が大きいために、デルタ層が lnmの厚さであっても その影響を受ける。そのため、正孔の一部は、主としてジャンプすることによりデルタ 層を超えて n側の量子井戸層へ移動するが、相当部分カ¾側の量子井戸層に止まる 。その結果、図 5 (b)が示すように、正孔の密度分布は、双方の量子井戸層の間で均 一なものとなっている。図 2に示した SQW構造に比べると、正孔の密度分布の活性 層全体にわたる均一性の改善は、著しい。
[0058] また、デルタ層は、薄いため、電子及び正孔に対する影響は、図 3に示した MQW 構造に比べると遙かに弱い。従って、図 3と比較すると分力るように、障壁層がキヤリ ァの移動を阻害することにより正孔及び電子の密度分布の分離を引き起こす MQW 構造に比べても、正孔及び電子の密度分布の活性層全体にわたる均一性は、明瞭 である。このように、デルタ層がピエゾ電界によるキャリアの局在化を緩和し、それによ りキャリア密度分布の均一性を高めるので、正孔及び電子の密度分布の空間的な重 なりが増大する。その結果、キャリアの再結合率が向上するので、光利得が向上し、 高い増幅係数 Sが実現する。
[0059] 図 6は、図 5と同じ発光素子 100について、順電圧を 4. 8Vにまで引き上げたときの エネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。図 6 (b)が示すように、双 方の量子井戸層の間で正孔密度は、図 5 (b)と同様に均一なものとなっている。より 詳細には、順電圧が 4. 8Vにまで高められることにより、双方の量子井戸層の間で、 電子及び正孔の双方につ 、てキャリア密度の均一性を保持しつつ、正孔密度が弓 Iき 上げられている。すなわち、より高い光出力が得られる。
[0060] なお、図 5 (a)と図 6 (a)とを比較すると、量子井戸層におけるバンド端のエネルギー Ec及び Evの傾きが、図 6の方がより緩や力となっている。これは、図 6の方が、量子 井戸層における電子及び正孔、特に正孔のキャリア密度が高いために、ピエゾ電界 が緩和されると 、うスクリーニング効果によるものである。かかるスクリーニング効果が 計算結果に現れることは、本願発明者らによる自己無撞着的な手法によるシミュレ一 シヨンの精度の高さを裏付けるものである。
[0061] このように、インジウム組成 Xが 15%程度に高ぐそれによりピエゾ電界の効果が強 く現れる場合であっても、キャリアの移動を実質的に誘起するデルタ層が埋め込まれ た InGaN量子井戸構造では、電子及び正孔の局在現象、特に正孔の局在現象が 著しく緩和ないし解消されることがシミュレーションを通じて実証された。その結果、発 光素子 100は、従来周知の SQW構造及び MQW構造を有する発光素子とは異なり 、高い増幅係数 Sを示し、光出力の増大と、閾電流の低減とをもたらすものであること が明らかとなった。
[0062] なお、図 2の単一の量子井戸層とは異なり、図 5及び図 6のデルタ層で隔てられた 各量子井戸層の厚さは十分に小さい 2nmである。その結果、図 5 (b)及び図 6 (b)が 示すように、デルタ層で隔てられた各量子井戸層内では、電子と正孔の密度分布は 実質的な重複部分を有している。従って、図 2 (c)と図 5 (b)及び図 6 (b)との結果を 考慮すると、 In Ga N量子井戸層については、デルタ層で隔てられる各量子井
0. 15 0. 85
戸層内で実質的な電子と正孔との再結合が誘起されるための各量子井戸層の厚さ の上限は、 2nmよりも高ぐ 5nmよりも低い値であることが予測される。
[0063] 上記の通り、図 5及び図 6に示したシミュレーションは、 InGaN量子井戸層のインジ ゥム組成 Xが 15%である発光素子 100について行ったものである力 インジウム組成 Xが略 10%であって青色を発光する発光素子 100であっても、ピエゾ効果が十分に 高 、ことを考慮すると、従来の SQW構造及び MQW構造を有する発光素子に比べ て、改善された高い光出力及び改善された低い閾値電流を実現することが十分に推 測される。
[0064] [実施の形態 2]
図 7は、本発明の実施の形態 2による発光素子の活性層の構造を示す正面図であ る。本実施の形態による発光素子は、単一の量子井戸層に複数のデルタ層が埋め 込まれており、単一の量子井戸層がデルタ層により 3つ以上の層に隔てられている点 において、発光素子 100 (図 1)とは異なっている。すなわち、図 7 (a)に例示する発 光素子 200の活性層 5では、 2つのデルタ層 4A及び 4B力 3つの量子井戸層 3A〜 3Cを互いに隔てている。また、図 7 (b)に例示する発光素子 300の活性層 5では、 3 つのデルタ層 4A〜4Cが、 4つの量子井戸層 3A〜3Dを互いに隔てている。量子井 戸層 3A〜3Dの組成及び厚さは、例えば図 1に例示した量子井戸層 3A及び 3Bの 組成及び厚さと同等に設定される。また、デルタ層 4A〜4Cの組成及び厚さは、例え ば図 1に例示したデルタ層 4の組成及び厚さと同等に設定される。
[0065] 例えば、デルタ層及び量子井戸層の厚さを維持したままで、それらの個数を増加さ せることにより、量子井戸層全体の厚さを大きくすることができる。それにより、キャリア の密度分布の均一性を保持しつつ、活性層 5全体の閉じ込め効果を高めることがで きる。また、活性層 5全体の厚さを変えずに、デルタ層及び量子井戸層の個数を増加 させることも可能である。それにより、活性層 5全体の閉じ込め効果を一定に保ちつ つ、キャリアの密度分布の均一性を高めることができる。このように、キャリアの密度分 布の均一性の向上と、量子井戸層全体による光の閉じ込め効果の向上とを、より高 いレベルで実現することができ、それにより増幅係数 Sを更に高めることができる。
[0066] 本願発明者らは、発光素子 200及び 300の力かる優位性を実証するために、実施 の形態 1で述べた方法に基づいて、シミュレーションを実行した。以下に、当該シミュ レーシヨンの結果にっ 、て述べる。
[0067] 図 8は、 8nm厚さの単一の In Ga N量子井戸層が、 lnm厚さの 2つの A1
0. 15 0. 85 0. 05
Ga Nデルタ層によって、 3層に隔てられて成る活性層を有する発光素子について
0. 95
、数式 1〜数式 9を用いたシミュレーションを実行して得られたバンド構造及びキヤリ ァ密度を示すグラフである。すなわち、図 8は、図 7 (a)に示した発光素子 200を対象 としたシミュレーションの結果を示すものである。発光素子 200に印加される順電圧 は、図 5よりも高く図 6よりも低い 4. 4Vに設定されている。
[0068] 図 8 (b)に示すように、 3つの量子井戸層の間で、電子密度及び正孔密度の何れも 力 活性層 5の全体にわたって良好な均一性を示している。また、各量子井戸層の内 部における電子の密度分布及び正孔の密度分布の間の重複性も良好である。図 6 ( b)と比較すると、キャリアの均一性を同等に保ちつつ、活性層 5の厚さが増している ため、閉じ込め係数 Γが向上することによって、増幅係数 Sが増大することが期待さ れる。このように、シミュレーションの結果は、発光素子 200及び 300の力かる優位性 を裏付けるものとなっている。
[0069] [その他の実施の形態]
(1) デルタ層 4 (又は 4A〜4C)の厚さとして、 lnmを例示した力 正孔及び電子 の移動を実質的に誘起する厚さであれば、それ以上であっても以下であってもよい。 例えば、デルタ層 4 (又は 4A〜4C)の厚さは、 1分子層の厚さ、例えば 0. 2nm〜0. 3nmであってもよい。この場合においても、デルタ層 4は、少なくとも正孔の移動に影 響を与える層として機能することが十分に予測される。
[0070] (2) 既に述べたように、基板 9 (図 1)の上に、各半導体層を形成するには、 CVD 法を用いて、反応ガスを各層毎に変更しつつ、各半導体層を成長させるのが望まし い方法である。そのうちデルタ層 4は、キャリアの移動を実質的に誘起する必要から、 他の半導体層に比べて薄く形成されるとともに、キャリアへの影響を調節する必要か ら、その厚さを特に高い精度で制御する必要がある。このため、半導体層の成長過 程において、デルタ層 4の成長速度は、他の半導体層に比べて遅く設定されるのが 望ましい。
[0071] (3) 発光素子 100、 200、 300は、レーザダイオードとして構成された力 本発明 の発光素子は、レーザダイオードに限らず、例えば発光ダイオードとして構成されて も良ぐスーパールミネッセントダイオード（SLD)として構成されても良い。本発明を 発光ダイオード或いはスーパールミネッセントダイオードに適用することにより、高い 発光出力が得られる。
[0072] (4) 上記各実施の形態では、表 1に示したように、量子井戸層 3A〜3Dは、ドーピ ングされないものとした。し力しながら、本発明の発光素子にける量子井戸層は、ノン ドープであることに限定されるものではなぐドープがなされてもよい。し力し、ドーピン グは、通常において結晶性を劣化させる方向に作用するために、活性層 5へのドー ビングはなされな!/、のが通例である。
[0073] (5) 上記各実施の形態では、量子井戸層 3 (又は 3A〜3D)の材料が InGaNであ る例を取り上げた。これに対し、量子井戸層 3を他の材料で構成することも可能である 。量子井戸層が、結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起す るものであれば、同じく本発明を適用し、本発明と同様の効果を得ることができる。 [0074] 本明細書は、上記のように様々な発明を開示している力 そのうち主な発明を以下 に纏める。
[0075] 第 1の態様に係るものは、発光素子であって、結晶格子の不整合による内部歪によ り自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸層と、前記量子井戸層に埋め込まれ、 前記量子井戸層を複数層に隔てており、前記量子井戸層よりもバンドギャップが広く 、且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されているデ ルタ層と、を備えるものである。
[0076] この構成によれば、バンドギャップが量子井戸層よりも広ぐ且つ厚さが正孔及び電 子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されたデルタ層によって、量子井戸層 が複数層に隔てられているので、正孔及び電子のうち、少なくとも有効質量の大きい 正孔 (ホール)の移動が、デルタ層によりある程度制限を受ける。その結果、正孔及 び電子のうちの少なくとも、有効質量が大きいことにより量子井戸層内でピエゾ電界 による局在化の傾向のより強 ヽ正孔につ 、て、量子井戸層内での密度分布の均一 性が向上する。それにより、正孔及び電子の密度分布の重複部分が大きくなるので、 キャリアの再結合率が向上する。その結果、光利得 (発光確率）が向上するので光出 力が向上し、特にレーザ素子では閾値電流の低減が実現する。
[0077] 第 2の態様に係るものは、第 1の態様に係る発光素子であって、前記デルタ層によ り隔てられて成る前記量子井戸層の各部分の厚さが、正孔及び電子の密度分布が 実質的な重複部分を有する範囲に設定されているものである。
[0078] この構成によれば、デルタ層により隔てられて成る量子井戸層の各部分の厚さが、 正孔及び電子の密度分布が実質的な重複部分を有する範囲に設定されているので 、各部分において実質的なキャリアの再結合が誘起される。その結果、更に高い光 利得が得られるので、より高い光出力が得られ、特にレーザ素子では更に低い閾値 電流が実現する。
[0079] 第 3の態様に係るものは、第 1又は第 2の態様に係る発光素子であって、前記量子 井戸層の材料が InGaNであるものである。
[0080] この構成によれば、量子井戸層の材料が InGaNであるため、インジウムの組成を高 めることにより、発光波長が青色から緑色、さらには赤色にまで及ぶ発光素子を実現 することができる。
[0081] 第 4の態様に係るものは、第 3の態様に係る発光素子であって、前記デルタ層の材 料力 AlGaN、 GaN、及び前記量子井戸層よりもインジウム組成が低い InGaNから 成る群力 選択された少なくとも一つであるものである。
[0082] この構成によれば、デルタ層の材料力 AlGaN、 GaN、及び量子井戸層よりもイン ジゥム組成が低!、InGaN力 成る群力 選択された少なくとも一つであるので、 InGa Nを材料とする量子井戸層よりもバンドギャップが広 ヽデルタ層を容易に形成するこ とがでさる。
[0083] 第 5の態様に係るものは、第 3又は第 4の態様に係る発光素子であって、前記量子 井戸層の組成を In Ga Nと表現したときのインジウム組成 xの値が略 10%以上で あるものである。
[0084] この構成によれば、インジウム組成 Xの値力 略 10%以上であるので、青色ないし それよりも波長の長!ヽ光を出力する発光素子が実現する。
[0085] 第 6の態様に係るものは、第 1ないし第 5の何れかの態様に係る発光素子であって
、前記デルタ層が、前記量子井戸層の複数箇所に埋め込まれており、前記量子井戸 層を 3層以上に隔てているものである。
[0086] この構成によれば、デルタ層が、量子井戸層の複数箇所にデルタ層が埋め込まれ ており、量子井戸層がデルタ層により 3層以上に隔てられているので、例えば、互い に隔てられて成る量子井戸層の各部分の厚さを小さく保ちつつ、量子井戸層全体の 厚さを大きくすることができる。すなわち、キャリアの密度分布の均一性の向上と、量 子井戸層全体による光の閉じ込め効果の向上とを、より高いレベルで実現することが でき、それにより光出力を更に高めることができる。
[0087] 第 7の態様に係るものは、第 1ないし第 6の何れかの態様に係る発光素子であって
、前記発光素子がレーザダイオードであるものである。
[0088] この構成によれば、発光素子がレーザダイオードであるので、低い閾値電流が実現 する。
[0089] 第 8の態様に係るものは、第 1ないし第 7の何れかの態様に係る発光素子を製造す る方法であって、前記量子井戸層の一部を積層する第 1工程と、前記量子井戸層の 前記一部の上に前記デルタ層を積層する第 2工程と、前記デルタ層の上に前記量 子井戸層の別の一部を積層する第 3工程とを備え、前記第 2工程は、前記第 1及び 第 3工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低 V、速度で前記デルタ層を積層するものである。
[0090] この構成によれば、量子井戸層に比べてデルタ層がより低い速度で積層されるの で、デルタ層の厚さを、正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定する ことが容易となる。すなわち、本発明の発光素子をより容易に製造することが可能とな る。
[0091] 本願発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して 本願発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及 び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業 者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範 囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請 求項の権利範囲に包括されると解釈される。
産業上の利用可能性
[0092] 本発明によれば、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層を有する発光素子に関し、光 出力を向上させた発光素子が提供され得る。

Claims

請求の範囲
[1] 結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸 層と、
前記量子井戸層に埋め込まれ、前記量子井戸層を複数層に隔てており、前記量子 井戸層よりもバンドギャップが広ぐ且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起 する範囲内に設定されて ヽるデルタ層と、を備える発光素子。
[2] 前記デルタ層により隔てられて成る前記量子井戸層の各部分の厚さが、正孔及び 電子の密度分布が実質的な重複部分を有する範囲に設定されている、請求項 1記 載の発光素子。
[3] 前記量子井戸層の材料が InGaNである、請求項 1又は 2記載の発光素子。
[4] 前記デルタ層の材料が、 AlGaN、 GaN、及び前記量子井戸層よりもインジウム組 成が低い InGaN力 成る群力 選択された少なくとも一つである請求項 3記載の発 光素子。
[5] 前記量子井戸層の組成を In Ga _ Nと表現したときのインジウム組成 xの値が略 1
0%以上である請求項 3又は 4記載の発光素子。
[6] 前記デルタ層が、前記量子井戸層の複数箇所に埋め込まれており、前記量子井戸 層を 3層以上に隔てている請求項 1ないし 5の何れかに記載の発光素子。
[7] 前記発光素子がレーザダイオードである請求項 1な 、し 6の何れかに記載の発光 素子。
[8] 請求項 1な 、し 7の何れかに記載の発光素子を製造する方法であって、
前記量子井戸層の一部を積層する第 1工程と、
前記量子井戸層の前記一部の上に前記デルタ層を積層する第 2工程と、 前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層する第 3工程とを備え、 前記第 2工程は、前記第 1及び第 3工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記 別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層するものである発光 素子の製造方法。
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