JP4875455B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関することであって、特に内部光子効率と輝度が高いと同時に動作電圧が低い高品質の窒化物半導体発光素子に関する。

最近、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（略して、窒化物半導体とする）材料を用いたＬＥＤ（発光ダイオード）或いはＬＤ（レーザーダイオード）が青色もしくは緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く使用され、電光板、照明装置等の各種製品の光源として応用されている。上記窒化物半導体は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有するＧａＮ系物質から成っている。このような窒化物半導体発光素子の製造のため、サファイア等の成長用基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次に積層して窒化物半導体発光構造物を形成する。

発光構造物内の活性層は多重量子井戸構造を有することが出来る。多数の量子井戸層と量子障壁層が交代で積層され活性層を形成することによって、活性層内には小さい幅の量子井戸が多数個存在することと成る。量子井戸内に電荷キャリア（電子または正孔）が容易に捕獲されることにより、活性層における電子−正孔の再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）確率はさらに高くなる。

図１は、従来の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を概略的に示した図面である。図１は特に活性層を中心とした発光構造物部分におけるエネルギーバンドダイアグラムを示す。図１を参照すると、ｎ型窒化物半導体層上に多重量子井戸構造を有する活性層が形成され、その上にｐ型窒化物半導体層が形成されている。活性層にはｎ型窒化物半導体層に近い順で第１量子井戸（第１ＱＷ）乃至第５量子井戸（第５ＱＷ）が順次に配置され、量子井戸らの間にはバンドギャップが相対的に大きい量子障壁が形成されている。量子井戸層の個数は必要に応じて調節出来る。通常、量子井戸層は量子障壁層よりインジウム（Ｉｎ）の濃度が高く設定されより低いバンドギャップを有する。該量子井戸層のバンドギャップ（或いは量子井戸層のＩｎ組成）は出力光の波長によって異なる。

このような量子構造の活性層を有する発光素子では、量子井戸層のバンドギャップがほぼ一定になるよう設定される。この場合、活性層（特に、量子井戸層）とｎ型窒化物半導体層との間の格子定数の差は非常に大きくなる。このような格子不整合によって、活性層内には相当のストレイン（ｓｔｒａｉｎ）が存在することとなる。活性層内のストレインは、活性層内に圧電フィールドを発生させる。このような圧電フィールドによって、電子波動関数と正孔波動関数との間の距離が遠くなり内部光子効率は低下される。これによって、半導体発光素子の全体輝度が低くなる。

また、活性層内のストレインは各々の量子井戸内のエネルギー準位を不均一にする役目をする。これによって、高電流印加時の電荷キャリアは量子井戸内でより高いエネルギー準位を占める確率が大きくなる。このようなバンドフィリング（ｂａｎｄ−ｆｉｌｉｎｇ）現象は、高電流印加時出力光の波長が短くなる青方偏移を引き起こす一つの原因として作用し、出力光の波長が設計された波長を外れる問題を引き起こす。

本発明は上記の問題点を解決するためのことであって、本発明の目的は内部光子効率と輝度が高く、量子井戸内のエネルギー準位が均一である窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記の技術的課題を解決すべく、本発明による窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層上に形成され、多数の量子井戸層と量子障壁層を有する多重量子井戸構造の活性層と、上記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層を含み、上記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップは上記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップより大きい。このようにｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップをより大きくすることによって、出力光の波長に影響を与えないつつもｎ型半導体層と活性層間の格子不整合によるストレインを減少させることが出来る。

上記のような活性層の非対称的なエネルギーバンドギャップ構造は、インジウム（Ｉｎ）組成の変化によって具現されることが出来る。即ち、上記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のＩｎ組成は、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のＩｎ組成より低く設定することによって、上記の非対称的エネルギーバンドギャップ構造を得ることが出来る。

本発明によると、上記活性層は相互交代で積層された多数のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の量子井戸層とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）の量子障壁層を含むことが出来る。好ましくは、上記量子井戸層はインジウムを含むＩｎＧａＮで形成され、上記量子障壁層はインジウムを含まないＧａＮで形成されることが出来る。

本発明の好ましい実施形態によると、上記量子井戸層のエネルギーバンドギャップは上記ｎ型窒化物半導体層に近いほど大きくなる。このように、ｎ型窒化物半導体層に近いほど上記量子井戸層のバンドギャップを大きくすることによって、活性層内のストレイン発生を大きく抑制することが出来る。このようなバンドギャップ構造は、量子井戸層のＩｎ組成の変化によって具現されることが出来る。即ち、上記ｎ型窒化物半導体層に近いほど上記量子井戸層のＩｎ組成を小さくすることによって、上記ｎ型窒化物半導体層に近いほど上記量子井戸層のバンドギャップを大きくすることが出来る。

本発明の好ましい実施形態によると、上記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層の厚さは、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層の厚さより小さい。特に好ましくは、上記量子井戸層の厚さは上記ｎ型窒化物半導体層に近いほど小さい。好ましくは、上記量子井戸層の厚さは１０乃至１００Åである。

本発明によると、量子井戸層のバンドギャップを調節することによって活性層内に形成されるストレインを低減させる。これによって、窒化物半導体発光素子の内部光子効率と輝度が高くなる。また、ｎ型窒化物半導体層近くの電位障壁が低くなるため、出力光の波長の変化なく電子の注入効率が増加されることとなる。これによって、輝度増加と共に動作電圧の減少効果を得ることが出来る。さらに、量子井戸層内の量子準位が均一になるため、青方偏移の発生を抑えることが可能と成る。

本発明によると、活性層内でのストレイン発生を抑制することによって、発光素子の内部光子効率と輝度が高くなる。また、ｎ型窒化物半導体層近くの電位障壁が低くなるため、出力光の波長の変化無く電子の注入効率が増加することとなる。これによって、輝度増加と共に動作電圧の減少効果を得ることが出来る。さらに、量子井戸層内の量子準位が均一になるため、青方偏移の発生を抑えることが可能となる。

以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が次に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。

図２は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。図２を参照すると、窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型窒化物半導体層１０１と、その上に順次に積層された活性層１０３及びｐ型窒化物半導体層１０４を含む。ｐ型窒化物半導体層１０４上には、ｐ型コンタクト層１０６とｐ側電極１１０が形成されている。該発光素子１００は水平型構造（ｌａｔｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であることもでき、垂直型構造であることも出来る。従って、ｎ側電極（未図示）はｐ側電極と並んで素子上部に配置されることができ、或いはｐ側電極１１０と対向するよう素子下部に配置されることも出来る。上記ｎ型窒化物半導体層１０１はｎ側領域を成し、上記ｐ型窒化物半導体層１０４及びｐ型コンタクト層１０６はｐ側領域を成す。

上記活性層１０３は、多重量子井戸構造を有する。即ち、活性層１０３には相対的にエネルギーバンドギャップが小さい多数の量子井戸層１２０と相対的にエネルギーバンドギャップが大きい多数の量子障壁１２２が交代で積層されている。活性層１０３の量子井戸層と量子障壁層の積層順番は特に制限されない。量子井戸層から始まって量子井戸層で終わるよう積層されることができ、或いは量子井戸層から始まって量子障壁層で終わるよう積層されることも出来る。量子障壁層から始まって量子障壁層で終わるよう積層されることもでき、或いは量子障壁層から始まって量子井戸層で終わるよう積層されることも出来る。

量子井戸層１２０には電荷キャリアを閉じ込めることが出来る量子井戸が形成される。該量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）に捕獲された電子及び正孔は相互再結合することによって、そのバンドギャップに相当するエネルギーを有する（また、そのエネルギーによる波長を有する）光子を放出する。電子の移動度は正孔の移動度と比べ非常に高いため（電子の移動度は正孔の移動度の５倍乃至１０倍或いはそれ以上である）、電子−正孔の再結合による光放出は主にｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した領域から発生する。従って、放出光の波長はｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップによって決定される。

本発明によると、ｎ側領域に隣接した量子井戸層のバンドギャップはｐ側領域に隣接した量子井戸層より大きい。従って、ｎ型半導体層１０１と活性層（特に、ｎ型半導体層１０１に隣接した量子井戸層）との間の格子定数の差が小さくなり、これらの間の格子不整合が非常に減少することとなる。これによって、活性層１０３内に発生されるストレインは従来（図１参照）と比べ低減される。

ｎ側領域に隣接した（即ち、ｎ型窒化物半導体層に隣接した）量子井戸層のバンドギャップが相対的に大きく設定されているとしても、放出光の波長には殆ど影響が無い。これは、光放出のための電子−正孔の再結合は大体ｐ側領域に隣接した領域でのみ発生するからである。結局、出力光の波長には殆ど影響を与えないつつも活性層内のストレインを抑えることが可能となる。本発明による活性層の多重量子井戸構造の一例が図３に概略的に示されている。

図３は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を示す図面である。特に、図３は活性層を中心とした発光構造物の部分におけるエネルギーバンドダイアグラムを示す。ｎ型窒化物半導体層１０１とｐ型窒化物半導体層１０４との間に介在された活性層１０３は非対称的な多重量子井戸構造を有する。

図３を参照すると、活性層１０３にはｎ型窒化物半導体層に近い順で第１量子井戸（第１ＱＷ）、第２量子井戸（第２ＱＷ）、第３量子井戸（第３ＱＷ）、第４量子井戸（第４ＱＷ）及び第５量子井戸（第５ＱＷ）が配置され、量子井戸の間には相対的に大きいバンドギャップを有する量子障壁が介在されている。このような多重量子井戸構造は、相互交代で積層された量子井戸層と量子障壁層によって具現される。図面上には５個の量子井戸が図示されているが、量子井戸の数（量子井戸層の数）はこれより多かったり少なかったりすることが出来る。

図３に図示された通り、ｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸（第１ＱＷ）は、ｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸（第５ＱＷ）のバンドギャップと比べ大きいバンドギャップを有する。ｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸（第５ＱＷ）のバンドギャップは、予定された波長の光を出力出来るよう予め定められる。これは、光放出のための電子−正孔の再結合は主にｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸（第５ＱＷ）で発生するからである。

このようにｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸（第５ＱＷ）と比べてｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸（第１ＱＷ）のバンドギャップをより大きくすると、ｎ型窒化物半導体層１０１とこれに隣接した量子井戸層との間の格子不整合を減少させることが出来る。結局、ｎ型窒化物半導体層１０１と活性層１０３との間の格子不合による活性層内のストレインは減少される。

本実施形態によると、図３に図示された通り、ｎ型窒化物半導体層１０１に近いほど量子井戸層のバンドギャップは大きくなる。このようにすることによって、ｎ型窒化物半導体層１０１上で活性層成長時、成長初期に発生する格子欠陥や格子不整合をかなり抑えることが出来るだけでなく、成長が完了された活性層内でのストレイン発生を大きく抑制することが出来る。このようなストレイン抑制は圧電フィールドの発生を防止し、内部光子効率を向上させる。これによって、発光素子の輝度は増加することとなる。

また、活性層１０３内にストレイン発生が抑制されると、各々の量子井戸内のエネルギー準位は均一に成る。これによって、高電流印加時電荷キャリアが量子井戸内の不均一なエネルギー準位を満たすバンドフィリング効果が減少されることとなる。従って、高電流印加時発生する青方偏移現象を改善することが可能となる。

また、図３に図示された通り、ｎ型窒化物半導体層１０１に隣接したり、その近くの量子井戸層（例えば、第１ＱＷ及び第２ＱＷ）のバンドギャップを相対的に高くすることによって、電子の注入効率はさらに高くなる。即ち、ｎ側領域近くの量子井戸層の量子井戸の高さが低くなることによって、ｎ側領域から注入される電子の電位障壁（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）が低くなる。これによって、電子はｎ側領域（ｎ型窒化物半導体層）から活性層へ容易に注入され、結果的に動作電圧が低くなる効果が得られる。

図３に図示されたような非対称的量子井戸構造は、次のような方式で設計されることが出来る。先ず、所望の波長の光を得るためにｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸（第５ＱＷ）のバンドギャップを予め予定された値に設定する。その後、ｎ型窒化物半導体層１０１へ行くほど量子井戸のバンドギャップが大きくなるよう残りの量子井戸のバンドギャップを設計する。

上記のように設計された活性層１０３のエネルギーバンドギャップ構造は、インジウム（Ｉｎ）組成の変化によって具現されることが出来る。即ち、上記ｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸層のＩｎ組成は、上記ｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸層のＩｎ組成より低く設定することによって、上記の非対称的エネルギーバンドギャップ構造を得ることが出来る。

具体的に説明すると、量子井戸層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で形成され、量子障壁層は上記量子井戸層のＩｎ組成より低いＩｎ組成を有するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）で形成される。例えば、量子井戸層はＩｎ成分を含むＩｎＧａＮで形成され、量子障壁層はＩｎ成分を含まないＧａＮで形成されることが出来る。さらに、ｎ側領域に隣接した量子井戸層（第１ＱＷ）のＩｎ組成をｐ側領域に隣接した量子井戸層（第５ＱＷ）のＩｎ組成より低くする。これによって、ｎ側領域に隣接した量子井戸層（第１ＱＷ）のバンドギャップがｐ側領域に隣接した量子井戸層（第５ＱＷ）に比べ相対的に大きくなる。これは、Ｉｎの組成が高いほどＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ物質はより小さいバンドギャップを有するからである。活性層１０３にはｎ型不純物或いはｐ型不純物をドーピングすることも出来るが、結晶性の良い活性層を得るためにはドーピングしないことが好ましい。

特に図３に図示された通り、ｎ側領域に近いほどバンドギャップが大きくなるようにするため、ｎ側領域に近いほどＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さくすることが出来る。即ち、ｐ側領域に近いほどＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層のＩｎ組成を大きくすることが出来る。これによって、第１ＱＷから第５ＱＷ側へ行くほど量子井戸の深さは大きくなる。このような量子井戸層のＩｎ組成変化は量子井戸層の成長時供給されるＩｎ原料ガス（例えば、ＴＭＩ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｉｎｄｉｕｍ）の流量を調節することによって容易に具現されることが出来る。

図４は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を概略的に示す図面である。本実施形態では、量子井戸層の厚さが一定でなくｎ側領域からの距離によって異なる。本実施形態でも、前述の実施形態と同様にｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸層（第１ＱＷ）は、ｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸層（第５ＱＷ）に比べて低いＩｎ組成と大きいバンドギャップを有する。また、ｎ型窒化物半導体層１０１に近いほど量子井戸層のＩｎ組成は小さくなりバンドギャップは大きくなる。

図４を参照すると、ｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸層（第１ＱＷ）の厚さは、ｐ型窒化物半導体層１０４に隣接した量子井戸層（第５ＱＷ）の厚さより小さい。このようにｎ型窒化物半導体層１０１に隣接した量子井戸層の厚さを相対的に小さくすることによって、活性層１０３とｎ型窒化物半導体層１０１との間の格子定数差によるストレインの発生を抑制することが出来る。特に、ｎ型窒化物半導体層１０１に近いほど量子井戸層の厚さが小さくなると、活性層１０３内での格子定数によるストレインはさらに減少される。これによって、優れた結晶品質を有する活性層が得られ内部光子効率及び輝度はさらに改善される。量子井戸層の厚さは１０乃至１００Åであることが好ましい。量子井戸層の厚さが大き過ぎると、ストレイン緩和と出力向上に不利になることが出来る。

本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲によって限定しようとする。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。

従来の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を概略的に示す図面である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド構造を概略的に示す図面である。

符号の説明

１００ 窒化物半導体発光素子
１０１ ｎ型窒化物半導体層
１０３ 活性層
１０４ ｐ型窒化物半導体層
１０６ ｐ型コンタクト層
１１０ ｐ側電極
１２０ 量子井戸層
１２２ 量子障壁層

Claims (8)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に形成され、３以上の量子井戸層と複数の量子障壁層を有する多重量子井戸構造の活性層と、
   前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、
   前記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップは、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のエネルギーバンドギャップより大きく、
   前記３以上の量子井戸層は前記ｎ型窒化物半導体層に近いものほど厚さが小さく、相互に隣接したもの同士は厚さが相違していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のＩｎ組成は、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層のＩｎ組成より低いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記活性層は、相互交代で積層された多数のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の量子井戸層とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）の量子障壁層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記量子井戸層はインジウムを含むＩｎＧａＮで形成され、前記量子障壁層はインジウムを含まないＧａＮで形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記量子井戸層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型窒化物半導体層に近いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記量子井戸層のＩｎ組成は、前記ｎ型窒化物半導体層に近いほど小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｎ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層の厚さは、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接した量子井戸層の厚さより小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記量子井戸層の厚さは、１０乃至１００Åであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

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