JP2001237456A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
特に発光ピーク波長が530nm以上の発光を行う発光
素子の発光出力を向上することを目的とする。 【解決手段】上記目的を達成するために、本発明の発光
素子は、 n型半導体層、活性層およびp型半導体層か
ら構成される発光素子であって、前記活性層は、下部障
壁層、井戸層、第1の上部障壁層、第2の上部障壁層が
順に積層され、前記下部障壁層、前記第1の上部障壁
層、前記第2の上部障壁層はそれぞれ組成の異なる窒化
物半導体から構成される。さらに、本発明の発光素子
は、前記第1の上部障壁層はInzAl1-zN(0≦z≦
1)である構成とすることによって、井戸層および第2
の上部障壁層のそれぞれの層に対して格子定数不整合を
緩和し、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエネ
ルギー差を得ることができる。
Description
ド)、LD(レーザダイオード)等の発光デバイス、あ
るいはフォトダイオード等の受光デバイスに利用される
窒化物半導体層(たとえばInxAlyGa1-x-yN、0
≦x、0≦y、x+y≦1)を有する素子に関する。
ように窒化物半導体層を有する発光素子が注目を集めて
いる。窒化物半導体から構成される素子はその融点が高
く比較的熱に強いという特徴を有することから温度依存
性が小さいために、発光素子のみならず受光素子等の各
種素子への応用が期待されている。
という極めて優れた特徴を有し、消費電力の節約および
メンテナンスの頻度の低減に効果があることから、信号
機用の発光源としても有望視されており、屋外において
も十分な視認性が得られるよう高輝度なLEDの開発が
望まれている。こういった黄色領域の光は、前述の信号
機以外においても、自動車の方向指示器、道路交通情報
掲示板等、人に対して注意を促す表示に用いられること
が多く、幅広い用途がある。
えばInxAlyGa1-x-yN、0≦x、0≦y、x+y
≦1)を有する発光素子で、たとえば信号機の黄色に相
当するような黄色領域の波長の光を発光させるには、イ
ンジウムInを含む混晶とし、そのインジウムの混晶比
xを大きくしバンドギャップエネルギーを小さくするこ
とによって、発光波長を長波長化できることが知られて
いる。しかしながら、窒化物半導体層を有する発光素子
によって黄色領域の波長の発光を得るために、インジウ
ムInを含む窒化物半導体層のインジウム混晶比を大き
くしていくことによって発光波長を長波長化する場合、
インジウム混晶比を大きくしていくにしたがい発光出力
が低下し、特に発光ピーク波長λdが530nmよりも
長波長となる辺りからその低下が著しいという問題点が
ある。
めになされたものであり、窒化物半導体層を有する発光
素子、特に発光ピーク波長が530nm以上の発光を行
う発光素子の発光出力を向上することを目的とする。
に、本発明の請求項1の発光素子は、n型半導体層、活
性層およびp型半導体層から構成される発光素子であっ
て、前記活性層は、下部障壁層、井戸層、第1の上部障
壁層、第2の上部障壁層が順に積層され、前記下部障壁
層、前記第1の上部障壁層、前記第2の上部障壁層はそ
れぞれ組成の異なる窒化物半導体から構成される。
光素子の発光出力を向上することができる。
上部障壁層はInzAl1-zN(0≦z≦1)である構成
とすることによって、井戸層および第2の上部障壁層の
それぞれの層に対して格子定数不整合を緩和し、かつ井
戸層に対して十分なバンドギャップエネルギー差を得る
ことができる。
はInを必須とするInx2Ga1-x2N(0<x2≦1)
である構成とすることによって、良好な結晶性を得るこ
とができ、かつ他の窒化物層に対して小さいバンドギャ
ップエネルギーとすることができる。
のInの混晶比x2はx2≧0.6である構成とした発
光素子の発光出力の向上に対して、特に効果が大きい。
上部障壁層はAlを必須とするAl y3Ga1-y3N(0<
y3≦1)とすることによって、本発明は窒化物半導体
層を有する発光素子の発光出力を向上に対して効果が大
きい。
子の発光ピーク波長が530nm以上とした発光素子の
発光出力の向上に対して、本発明は特に効果が大きい。
壁層はInx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)である構成と
することによって、その上に形成される井戸層の結晶性
を向上することができる。
壁層はGaNである構成とすることによって、井戸層の
結晶性の向上に対して特に効果が高い。
は前記下部障壁層、前記井戸層、前記第1の上部障壁層
および前記第2の上部障壁層が順に複数層形成された多
重量子井戸構造からなる発光素子の発光出力向上に対し
て、特に効果が大きい。
n型半導体層、活性層およびp型半導体層から構成され
る発光素子であって、前記活性層は、少なくとも、In
を必須とするInx2Ga1-x2N(0<x2≦1)からな
る井戸層と、前記井戸層上にInzAl1-zN(0≦z≦
1)からなる第1の上部障壁層とを有する。
整合させ、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエ
ネルギー差を得ることができ、窒化物半導体層を有する
発光素子の発光出力を向上することができる。
上部障壁層上に、Alを必須とするAly3Ga1-y3N
(0<y3≦1)からからなる第2の上部障壁層をさら
に有する構成とすることによって、窒化物半導体層を有
する発光素子の発光出力を向上に対して効果が大きい。
上部障壁層のAlの混晶比y3はy3≧0.1である構
成とすることによって、窒化物半導体層を有する発光素
子の発光出力を向上に対して効果がより大きい。
上部障壁層のAlの混晶比y3はy3≧0.2である構
成とすることによって、駆動電圧を低減することができ
る。
上部障壁層のInの混晶比zは0.15≦z≦0.65
である構成とすることによって、井戸層および第2の上
部障壁層のそれぞれの層に対して格子定数不整合を緩和
し、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエネルギ
ー差を得ることができる。
は、前記井戸層の下にInx1Ga1- x1N(0≦x1≦
1)からなる下部障壁層上をさらに有する構成とするこ
とによって、その上に形成される井戸層の結晶性を向上
することができる。
障壁層はGaNで構成とすることによって、井戸層の結
晶性の向上に対して特に効果が高い。
発光ダイオードに適用した場合の模式的な構造を示す。
基板101上にバッファ層102、ノンドープGaN層
103、n型コンタクト層104、n型クラッド層10
5、活性層106、p型クラッド層107、p型コンタ
クト層108が順に積層され、n型コンタクト層104
およびp型コンタクト層108にはそれぞれn電極11
1およびp電極112が形成されている。
xAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)を
成長させるためのものであり、適宜選択される。バッフ
ァ層102は、基板101と窒化物半導体(InxAly
Ga1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)との格子
定数の不整合を緩和するために形成される層である。ノ
ンドープGaN層103は、その上に成長させるn型コ
ンタクト層104の結晶性を良好にするための層であ
る。n型コンタクト層104は、n電極111とオーミ
ック接触を実現させるための層である。n型クラッド層
105は、キャリアを活性層106に閉じ込めるための
層である。活性層106は、発光を行う層である。p型
クラッド層107は、n型クラッド層105と同じくキ
ャリアを活性層106に閉じ込めるための層である。p
型コンタクト層108はp電極112とオーミック接触
を実現させるための層である。
02、ノンドープGaN層103はその上の各層が形成
されたのち、発光出力の向上や光の内部吸収の低減等を
目的にエッチング等を用いて選択的に適宜取り除いても
よい。ただし、ここでは説明の便宜上、各層の成長方向
を上とし、本実施形態ではn型半導体層から見てp型半
導体層方向を上とした。
体発光ダイオードの各構成を説明する。
アの他、R面、A面を主面とするサファイア、その他、
スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板101
の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、Z
nO、GaAs、GaN等の半導体基板101を用いる
ことができる。
導体(InxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+
y≦1)との格子定数不正を緩和するために形成される
層であり、たとえばAlN、GaN、AlGaN、In
GaN等を用いることができる。バッファ層102は9
00℃以下の温度で成長させて、膜厚10Å〜500Å
に形成される。
加せずに成長させるGaN層を示す。バッファ層102
上にノンドープGaN層103を成長させるとノンドー
プ層の結晶性が良好となり、さらにそのノンドープ層の
上に成長させるn型コンタクト層104の結晶性も良好
となる。
純物を3×1018/cm2以上、好ましくは5×1018
/cm2以上の濃度で含有する。n型コンタクト層10
4の組成は、Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≦x5、
0≦y5、x5+y5≦1)で構成でき、その組成は特
に問うものではないが、好ましくはGaN、y値0.2
以下のAlyGa1-yNとすると結晶欠陥の少ない窒化物
半導体層が得られやすい。n型コンタクト層104の膜
厚は特に問うものではないが、n電極111を形成する
層であるので0.1〜20μm、好ましくは0.5〜1
0μm、より好ましくは1〜5μmである。
プのn型クラッド第1層、n型不純物ドープのn型クラ
ッド第2層、アンドープのn型クラッド第3層の少なく
とも3層から構成されている。n型クラッド層105に
は上記第1層〜第3層以外のその他の層を有していても
よい。またn型クラッド層105は、活性層106と接
していても、活性層106の間に他の層を有していても
よい。
する窒化物半導体としては、(In xAlyGa
1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)で表される種
々の組成の窒化物半導体を用いることができ、好ましく
はGaNからなる組成のものが挙げられる。またn型ク
ラッド層105の各層は組成が同一でも異なっていても
よい。n型クラッド層105の膜厚は、特に限定されな
いが、175〜12000Åであり、好ましくは100
0〜10000Åであり、より好ましくは2000〜6
000Åである。クラッド層の膜厚が上記範囲であると
Vfの最適化と静電耐圧の向上の点で好ましい。
の調整は、n型クラッド第1層、第2層、及び第3層の
各膜厚を適宜調整して、n型クラッド層105の総膜厚
を上記の範囲とすることが好ましい。上記n型クラッド
層105を構成する各層の組成は、(InxAlyGa
1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)で表される組
成であればよく、各層の組成が同一でも異なっていても
よく、好ましくはIn及びAlの割合が小さい組成であ
り、より好ましくはGaNからなる層が好ましい。
重量子井戸構造の活性層106が形成される。活性層1
06は、井戸層の下に形成される下部障壁層11と、キ
ャリアの結合により発光を行う井戸層12、井戸層12
の上に形成される第2の上部障壁層13とが複数層繰り
返し形成され、最期の第2の上部障壁層13の上にはさ
らにp型クラッド層を結晶性よく成長させるための最上
部層14が形成される。
n、アルミニウムAl、ガリウムGaおよび窒素Nから
なるInx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≦x1、0≦y
1、x1+y1≦0.1)から構成される。この下部障
壁層11は、次に形成される黄色領域の波長の発光を行
うために必要なInの混晶比の大きい窒化物半導体から
なる井戸層12の結晶性を良好とするように、Inある
いはAlの混晶比x1、y1をx1≦0.3、y1≦
0.1でかつx1+y1≦0.3とすることが好まし
い。特に、Inx1Ga1-x1Nの3元混晶あるいはGaN
からなる2元混晶とすることが、下部障壁層11と井戸
層12との格子定数差に起因する結晶欠陥を低減しつつ
かつInの高混晶化に伴う下部障壁11層自体の結晶性
の劣化を抑制することができ、その上に形成される井戸
層12の結晶性をより向上させることができることから
より好ましい。膜厚は10Å以上100Å以下とするこ
とが、井戸層12の結晶性上好ましい。
アルミニウムAl、ガリウムGaおよび窒素Nからなる
Inを必須とするInx2Aly2Ga1-x2-y2N(x2>
0、y2≧0、x2+y2≦1)から構成される。本発
明の発光素子においては、発光ピーク波長530nm以
上の長波長領域において比較例よりも発光出力が優勢と
なる。インジウムInの混晶比x2を、x2≧0.6と
した場合発光ピーク波長530nm以上の発光が得られ
た。
したがい、格子定数が大きくなることから、他の層との
格子不整合が大きくなるため、井戸層12は格子定数差
が比較的小さく、かつ結晶性のよい結晶からなる層上に
形成する必要がある。このような組み合わせで井戸層1
2を形成すると井戸層12上には、格子定数差が大きい
結晶からなる層であっても結晶性よく形成することが可
能になる。また、井戸層12はInx2Ga1-x2Nの3元
混晶として構成することが、結晶性上より好ましい。井
戸層12の膜厚は10Å以上100Å以下とすることが
好ましい。
ウムIn、アルミニウムAl、ガリウムGaおよび窒素
NからなるInx3Aly3Ga1-x3-y3N(x3≧0、y
3>0、x3+y3≦1)から構成される。この第2の
上部障壁層13では、アルミニウムAlを必須の構成要
素とすることで、長波長領域の発光出力向上させること
ができる。また、第2の上部障壁層13の上に形成され
る最上部層14の結晶性を向上することができる。第2
の上部障壁層13はAly3Ga1-y3Nの3元混晶として
構成することが結晶性上好ましい。好ましくはAlの混
晶比y3≧0.1であり、さらに好ましくはy3≧0.
2である。第2の上部障壁層13の膜厚は10Å以上1
00Å以下することが好ましい。
n、アルミニウムAl、ガリウムGaおよび窒素Nから
なるInx4Aly4Ga1-x4-y4N(0≦x4、0≦y
4、x4+y4≦0.1)から構成される。この最上部
層14は、次に形成されるp型クラッド層を結晶性よく
成長させるために、InあるいはAlの混晶比x4、y
4を0≦x4、y4≦0.1でかつx4+y4≦0.1
とすることが好ましい。さらに、Aly4Ga1-y4Nの3
元混晶あるいはGaNからなる2元混晶とすることが、
その上に形成されるp型クラッド層107の結晶性上よ
り好ましい。膜厚は10Å以上100Å以下とすること
が好ましい。また、最上部層14は下部障壁層11と同
じ構成としてもよい。
ンドープ、あるいはSiなどのn型不純物をドープした
n型ドープや、Mgなどのp型不純物をドープしたp型
ドープとして適宜選択して構成できる。
が形成される。p型クラッド層107は、バンドギャッ
プエネルギーの大きなp型クラッド第1層と、p型クラ
ッド第1層よりもバンドギャップエネルギーの小さなp
型クラッド第2層とが積層されて、互いのp型不純物濃
度が異なるかまたは同一の多層膜層で構成されるか、ま
たはp型不純物を含有するAlbGa1-bN(0≦b≦
1)からなる単一層から構成される。
(超格子構造)を有するp型クラッド層の場合について
以下に説明する。
クラッド第1層、p型クラッド第2層の膜厚は、100
Å以下、さらに好ましくは70Å以下、最も好ましくは
10〜40Åの膜厚に調整され、p型クラッド第1層と
p型クラッド第2層との膜厚は、同一でも異なっていて
もよい。多層膜構造の各膜厚が上記範囲であると、窒化
物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる
場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長でき、
また窒化物半導体層の結晶性が良くなるので、p型不純
物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さ
いp層が得られ、素子のVf、閾値が低下し易い傾向に
ある。このような膜厚の2種類の層を1ペアとして複数
回積層して多層膜層を形成する。そして、p型多層膜ク
ラッド層の総膜厚の調整は、このp型クラッド第1層、
p型クラッド第2層の各膜厚を調整し積層回数を調整す
ることにより行う。p型多層膜クラッド層の総膜厚は、
特に限定されないが、2000Å以下、好ましくは10
00Å以下、より好ましくは500Å以下である。
む窒化物半導体、好ましくはAlnGa1-nN(0<n≦
1)を成長させることが望ましく、p型クラッド第2層
は好ましくはAlpGa1-pN(0≦p<1、n>p)、
InrGa1-rN(0≦r≦1)のような2元混晶、3元
混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
層、p型クラッド第2層とのp型不純物濃度は異なり、
一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物
濃度を小さくする。n型クラッド層105と同様に、バ
ンドギャップエネルギーの大きなp型クラッド第1層の
方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネ
ルギーの小さなp型クラッド第2層のp型不純物濃度を
小さくすることが好ましく、より好ましくはアンドープ
とする。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエ
ネルギーの大きなp型クラッド第1層のp型不純物濃度
を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さなp型
クラッド第2層のp型不純物濃度を大きくしても良い。
としては1×1018/cm3〜1×1021/cm3、さらに好
ましくは1×1019/cm3〜5×1020/cm3の範囲に調
整する。1×1018/cm3よりも少ないと、同様に第4
の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリ
ア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×
1021/cm3よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にあ
る。一方、p型クラッド第2層のp型不純物濃度は第3
の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1
/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンド
ープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が
薄いため、第3の窒化物半導体側から拡散してくるp型
不純物があり、その量は1×1020/cm3以下が望まし
い。また、バンドギャップエネルギーが大きいp型クラ
ッド第1層にp型不純物を少なくドープして、バンドギ
ャップエネルギーが小さいp型クラッド第2層にp型不
純物を多くドープする場合も同様である。
e等の周期律表第IIA族、IIB族元素を選択し、好まし
くはMg、Ca等をp型不純物とする。
層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ
方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大き
く、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアン
ドープ)とすることが、抵抗率を低下させるのに望まし
い。
物を含みAlbGa1-bN(0≦b≦1)よりなる単一層
からなる場合、p側クラッド層の膜厚は、2000Å以
下、好ましくは1000Å以下であり、より好ましくは
100〜500Å以下である。
は、前記多層膜構造のp型クラッド層107に比べ、結
晶性はやや劣るものの、前記多層膜構造を有するn型ク
ラッド層105との組み合わせにより、結晶性良く成長
させることができる。更に、このように単一膜としても
その他の層構成と組み合わせることにより素子の性能の
低下を少なくし、しかも単一膜であるので、製造工程の
簡易化が可能となり、量産する場合に好ましい。
は1×1018〜1×1021/cm3、好ましくは5×10
18〜5×1020/cm3、より好ましくは5×1019〜1
×1020/cm3である。不純物濃度が上記範囲である
と、良好なp型膜ができ好ましい。
108は、Mgドープp型GaNコンタクト層は、Mg
ドープとし、その組成をIn、Alを含まない二元混晶
の窒化物半導体GaNとする。仮にIn、Alを含有し
ていると、p電極112とオーミック接触が得られなく
なり、発光効率が低下する。p側コンタクト層の膜厚は
0.001〜0.5μm、 好ましくは0.01〜
0.3μm、より好ましくは0.05〜0.2μmであ
る。膜厚が0.001μmよりも薄いとp型GaAlN
クラッド層と電気的に短絡しやすくなり、コンタクト層
として作用しにくい。また、三元混晶のGaAlNクラ
ッド層の上に、組成の異なる二元混晶のGaNコンタク
ト層を積層するため、逆にその膜厚を0.5μmよりも
厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥がp
側GaNコンタクト層9中に発生しやすく、結晶性が低
下する傾向にある。なお、コンタクト層の膜厚は薄いほ
どVfを低下させ発光効率を向上させることができる。
また、このp型GaNコンタクト層9のp型不純物はM
gであるとp型特性が得られ易く、またオーミック接触
が得られ易くなる。Mgの濃度は、1×1018〜1×1
021/cm3、好ましくは5×1019〜3×1020/cm3、
より好ましくは1×1020/cm3程度である。
ープGaNからなるp型コンタクト第1層とMgドープ
GaNからなるp型コンタクト第2層から形成してもよ
い。
に、p電極112はMgドープp型GaNコンタクト層
9上にそれぞれ形成されている。n電極111及びp電
極112の材料としては特に限定されず、例えばn電極
111としてはW/Al、p電極112としてはNi/
Auなどを用いることができる。 (実施の形態2)次に実施の形態2にかかる発光ダイオ
ードを説明する。実施の形態2では活性層106は以下
のように構成され、その他の構造は実施の形態1と同様
に構成される。実施の形態2にかかる発光ダイオードの
活性層106においては、井戸層12と第2の上部障壁
層13との間に第1の上部障壁層13aを形成する。
105上には図3に示す多重量子井戸構造の活性層10
6が形成される。活性層106は、下部障壁層11、井
戸層12、第1の上部障壁層13aおよび第2の上部障
壁層13が複数層繰り返し形成され、最期の第2の上部
障壁層13の上にはさらにp型クラッド層を結晶性よく
成長させるための最上部層14が形成される。
戸層12、第1の上部障壁層13a、第2の上部障壁層
13が順に積層され、下部障壁層11、第1の上部障壁
層13a、第2の上部障壁層13はそれぞれ組成の異な
る窒化物半導体によって形成されることが好ましい。
4と第2の上部障壁層13との格子定数差を緩和し、か
つ活性層12と第1の上部障壁層13aとのバンドギャ
ップエネルギーを十分に保つために形成される。そのた
め、第1の上部障壁層13aは、InzAl1-zN(0≦
z≦1)から構成する。このように構成することで、た
とえば活性層13をIn0.6Ga0.4Nとして構成した場
合、活性層と同程度の格子定数となるIn0.65Al0.35
Nからなる第1の上部障壁層13aとして形成したとし
ても、GaNと同程度のバンドギャップエネルギー差が
得られることになる。
される半導体のそれぞれの混晶比に対するバンドギャッ
プエネルギーEgと格子定数の関係を図4に示す。図4
の各プロットは混晶比を0.1ずつ変化させた点を示し
ている。図4から、InxGa1-xNからなる活性層上1
2に直接AlyGa1-yNからなる第2の上部障壁層13
を形成した場合、活性層12のInの混晶比x2および
第2の上部障壁層13のAlの混晶比y3を大きくする
にしたがい、格子定数の不整合が大きくなることがわか
る。つまり、発光波長を長波長化するために活性層12
のInの混晶比x2を大きくするにしたがい、格子定数
の不整合が大きくなってしまう。これに対し、InzA
l1-zNは、InxGa1-xNに対し同程度の格子定数を
得ることができ、かつ同程度の格子定数であっても大き
なバンドギャップエネルギーEgが得られる特性を有す
る。このため、第1の上部障壁層13aとしてInzA
l1 -zNを、活性層12と第2の上部障壁層13との間
に形成することによって、実施の形態1のInx2Ga
1-x2Nからなる活性層12とAly3Ga1-y3Nから構成
される第2の上部障壁層13との組み合わせによる効果
を損なうことなくそれぞれの半導体層の結晶性を向上さ
せることができる。
ly3Ga1-y3Nから構成される第2の上部障壁層13と
の組み合わせを、発光ピーク波長λdが530nm以上
となるたとえば活性層12のInの混晶比x2がx2≧
0.6と、駆動電圧の低減に効果が現れる第2の上部障
壁層13のAlの混晶比y3がy3≧0.2とした場
合、第1の上部障壁層13aのInの混晶比zは0.1
5≦z≦0.65とすることが活性層12と第2の上部
障壁層13との格子定数不整合の緩和の点から好まし
い。すなわち、第1の上部障壁層13aの格子定数を、
井戸層12と第2の障壁層13との間に設定できる。ま
た、活性層12と第2の上部障壁層13間のエネルギー
バンドギャップ差を確保しておく点から、第2の上部障
壁層13をAl0.2Ga0.8Nとしたときのバンドギャッ
プエネルギーと同等以上となるよう、第1の上部障壁層
13aのInの混晶比zは0.15≦z≦0.5とする
ことがさらに好ましい。第1の上部障壁層13aの膜厚
は10Å以上100Å以下にすることが好ましい。
の上部障壁層13aとしてInzAl1-zNを、活性層1
2と第2の上部障壁層13との間に形成し、格子定数不
整合を緩和することによって、それぞれの層の結晶性を
向上させることができることから、多重量子井戸構造に
好適である。 (実施の形態3)また、活性層106を図5に示す単一
井戸構造として形成してもよい。多重量子井戸構造の活
性層106は、下部障壁層11、井戸層12、第1の上
部障壁層13aおよび第2の上部障壁層13が形成さ
れ、最上部層14が形成される。下部障壁層11、井戸
層12、第1の上部障壁層13a、第2の上部障壁層お
よび最上部層14は、実施の形態2の多重量子井戸構造
の各層と同様に構成される。また、活性層以外の構成も
実施の形態2と同様に構成される。 (実施の形態4)本発明の実施の形態3の発光素子であ
る窒化物半導体レーザを図6に示す。窒化物半導体レー
ザは基板201上にバッファ層202、n型コンタクト
層203、n型クラッド層204、n型光ガイド層20
5、活性層206、p型光ガイド層207、p型クラッ
ド層208、p型コンタクト層209が順に積層され、
n型コンタクト層204およびp型コンタクト層208
にはそれぞれn電極211およびp電極212が形成さ
れている。
タクト層203およびn型クラッド層は204は、実施
の形態1、2と同様に構成される。ここで、バッファ層
202とn型コンタクト層203の間に、実施の形態1
と同様、ノンドープGaN層を形成してもよい。
ともに光導波路を構成するものである。したがって、n
型光ガイド層205は活性層206と屈折率差が小さ
く、n型クラッド層204と十分屈折率差が設けられる
組成として構成される。
量子井戸構造あるいは実施の形態3の単一井戸構造のい
ずれでも構成できるが、高出力化のためには実施の形態
1乃至2の多重量子井戸構造とすることが好ましい。
205と同様、活性層206とともに光導波路を構成す
るものである。したがって、p型光ガイド層207は活
性層206と屈折率差が小さく、p型クラッド層208
と十分屈折率差が設けられる組成として構成される。
ト層209は、実施の形態1、2と同様に構成される
が、レーザの場合p型クラッド層208およびp型コン
タクト層209はp型光ガイド層207の境界面付近ま
でエッチングを行い、幅1.5μmのストライプ状の導
波路を形成する。このように、活性層206よりも上部
にある層をストライプ状のリッジ形状とすることによっ
て、活性層206の発光がストライプリッジの下に集中
することになって閾値を低下させることができる。特に
p型クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが好ま
しい。
の形態1と同様に構成される。さらに、レーザの外面は
絶縁膜230が形成される。
て説明する。
各層は有機金属気相成長方法(MOCVD法)により成
長が行われ、III族ガス源として、トリメチルガリウム
(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチ
ルインジウム(TMI)およびトリメチルアルミニウム
(TMA)がそれぞれGa,In,Alの原料として用
いられ、V族ガス源として、アンモニア(NH3)がN
の原料として用いられている。n型ドーパント源として
モノシラン(SiH4)が、p型ドーパント源としてビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)が
各々用いられ、キャリアガスおよび副流ガスとしてH2
とN2が用いられる。まず、MOCVD装置内にサファ
イアからなる異種基板101をセットし、基板101を
H2中で基板101温度約1140℃で加熱し、基板1
01の表面処理を行う。
まで下げ、反応ガスにTMG、NH 3を用い、GaNか
らなるバッファ層102を約200Åの膜厚で基板10
1上に形成する。
を約1150℃まで昇温させ、反応ガスにTMG、NH
3を用い、ノンドープGaN層103を約1.5μmの膜
厚でバッファ層102上に形成する。
後、反応ガスにTMG、NH3を、ドーパントのSi源
としてSiH4を用い、Siを5×1018/cm3ドープ
したGaNよりなるn型コンタクト層104を約2μm
の膜厚で形成する。
ラッド層105が形成される。n型クラッド層105
は、n型クラッド第1層、第2層および第3層から構成
される。n型クラッド第1層および第3層はノンドープ
GaN層として、反応ガスにTMG、NH3を用いて形
成される。n型クラッド第2層についてはSiを5×1
018/cm3ドープしたSiドープGaN層として、ド
ーパントのSi源としてSiH4をさらに用いて形成さ
れる。n型クラッド第1層、第2層および第3層の膜厚
は、それぞれ3000Å、300Å、50Åとする。
せ、TMGの代わりに新たにTEG40cc/min、
NH3約3リットル/minを供給する。これにより、
膜厚約50ÅのノンドープGaNからなる下部障壁層1
1がn型コンタクト層104上に成長する。下部障壁層
11をInx3Ga1-x3Nの3元混晶として形成する場合
は、さらにTMAを適宜供給する。
TEG4.5cc/min、NH3約3リットル/mi
n、さらにTMI40cc/minを供給する。これに
より、膜厚約35ÅのIn0.75Ga0.25Nからなる井戸
層12が下部障壁層11上に形成される。
させ、第2の上部障壁層13を成長させる。TEGを1
8cc/min、NH3約3リットル/min、さらに
TMA4.5cc/minを供給する。これにより、膜
厚約30ÅのAl0.3Ga0.7Nからなる第2の上部障壁
層13が井戸層12上に成長する。
2、第2の上部障壁層13の成長工程を4回繰り返した
のち、最期に、基板温度を1000℃まで上昇させ、T
EG40cc/min、NH3約3リットル/minを
供給する。これにより、膜厚約50ÅのノンドープGa
Nからなる最上部層14が最期の第2の上部障壁層13
上に成長する。このようにして、多重量子井戸構造(M
QW)の活性層106を形成する。
反応ガスとしてTEG、NH3、TMA、ドーパント源
としてCp2Mgを用い、MgドープAl0.1Ga0.9N
からなるp型クラッド層107が約200Åの膜厚で活
性層106上に形成される。次に、950℃に温度を下
げて、反応ガスとしてTMG、NH3を用い、ノンドー
プGaNからなるp型コンタクト第1層がクラッド層上
に約1300Åの膜厚で形成させる。
を加え、MgドープGaNからなるp型コンタクト第2
層を約200Åの膜厚でp型コンタクト第1層上に形成
される。そして、反応装置内をN2で置換し約600℃
の温度にて5分間熱アニーリングを行う。熱アニーリン
グによりp型クラッド層107、p型コンタクト層10
8 は高濃度のp型層に変化する。
ンタクト層104が露出するまでエッチングが行われ、
エッチングされたウェハ上にn電極111およびp電極
112がそれぞれ形成される。
イオードは、順方向電流(If)=20mA下で、発光
スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λd590
nm、半値幅45nm、発光出力1.8mW、駆動電圧
3.2Vを示した。 (実施例2)次に実施例2について説明する。
1と同様に行われる。次にn型クラッド層105形成
後、基板温度を1000℃まで低下させ、TMGの代わ
りに新たにTEG40cc/min、NH3約3リット
ル/minを供給する。これにより、膜厚約50Åのノ
ンドープGaNからなる下部障壁層11がn型コンタク
ト層104上に成長する。下部障壁層11をInx3Ga
1-x3Nの3元混晶として形成する場合は、さらにTMI
を適宜供給する。
TEG4.5cc/min、NH3約3リットル/mi
n、さらにTMI40cc/minを供給する。これに
より、膜厚約35ÅのIn0.75Ga0.25Nからなる井戸
層12が下部障壁層11上に形成される。
第1の上部障壁層13aを成長させる。TMAを5cc
/min、TMIを25cc/min、NH3約3リッ
トル/minをそれぞれ供給する。これにより、膜厚約
15ÅのInzAl1-zNからなる第1の上部障壁層13
aが井戸層12上に成長する。この第2の障壁層におけ
るInの混晶比zは、半導体層として形成した状態で
0.15≦z≦0.65とすることが好ましい。
させ、第2の上部障壁層13を成長させる。TEGを1
8cc/min、NH3約3リットル/min、さらに
TMA4.5cc/minを供給する。これにより、膜
厚約30ÅのAl0.3Ga0.7Nからなる第2の上部障壁
層13が第1の上部障壁層13aに成長する。
2、第1の上部障壁層13aおよび第2の上部障壁層1
3の成長工程を4回繰り返したのち、最期に、基板温度
を1000℃まで上昇させ、TEG40cc/min、
NH3約3リットル/minを供給する。これにより、
膜厚約50ÅのノンドープGaNからなる最上部層14
が最期の第2の上部障壁層13上に成長する。このよう
にして、多重量子井戸構造(MQW)の活性層106を
形成する。
成過程は実施例1と同様に行われる。
場合は、第2の上部障壁層11、井戸層12、第1の上
部障壁層13aおよび第2の上部障壁層13の成長工程
ののち、基板温度を1000℃まで上昇させ、TEG4
0cc/min、NH3約3リットル/minを供給
し、膜厚約50ÅのノンドープGaNからなる最上部層
14を第2の上部障壁層13上に成長させればよい。
発光ダイオードは、順方向電流(If)=20mA下
で、発光スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λ
d590nm、半値幅45nm、発光出力2.2mW、
駆動電圧3.3Vを示した。 (比較例)次に比較例について説明する。図7に示すよ
うに、本比較例の活性層106は、図7に示す通り障壁
層11aと井戸層12からなる多重量子井戸構造によっ
て構成される。
1と同様に行われる。次にn型クラッド層105形成
後、基板温度を1000℃まで低下させ、TMGの代わ
りに新たにTEG40cc/min、NH3約3リット
ル/minを供給する。これにより、膜厚約50Åのノ
ンドープGaNからなる障壁層11aがn型コンタクト
層104上に成長する。
TEG4.5cc/min、NH3約3リットル/mi
n、さらにTMI40cc/minを供給する。これに
より、膜厚約35ÅのIn0.75Ga0.25Nからなる井戸
層12が障壁層11a上に形成される。この障壁層11
aおよび井戸層12の成長工程を4回繰り返したのち、
最期に、基板温度を1000℃まで上昇させ、TEG4
0cc/min、NH3約3リットル/minを供給す
る。これにより、膜厚約50ÅのノンドープGaNから
なる障壁層11aが最期の井戸層12上に成長する。こ
のようにして、多重量子井戸構造(MQW)の活性層1
06を形成する。
成過程は実施例1と同様に行われる。
イオードは、順方向電流(If)=20mA下で、発光
スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λd550
nm、半値幅50nm、発光出力0.5mW、駆動電圧
3.6Vを示した。
施例1の発光ダイオードにおける第2の上部障壁層をA
ly3Ga1-y3NとしたときのAlの混晶比y3に対する
駆動電圧Vfとの関係を示した図である。ここでいう閾
値電圧とは、発光ダイオードを順方向電流If=20m
Aで駆動させるために必要な駆動電圧とする。図からわ
かるように発光素子を電流値20mAで駆動させるため
に必要な電圧は、y3<0.2ではy3に対して減少傾
向にあるが、y3≧0.2ではほぼ一定値になることが
わかる。このことから第2の上部障壁層のAl混晶比増
加による駆動電圧の低減への効果は、y3≧0.2では
飽和傾向にあることがわかる。
上記実施例1の発光ダイオードにおける第2の上部障壁
層をAly3Ga1-y3NとしたときのAlの混晶比y3に
対する発光出力の関係を示した図である。図からわかる
ように、y3≧0.1の領域から、発光出力が大きく向
上することがわかる。
半導体系発光素子、たとえばInの混晶比x2が大きい
井戸層12の上にAlの混晶比y3が大きい第2の上部
障壁層13を形成することによって、発光ダイオードの
発光出力が大きく向上するメカニズムは現在のところ定
かではない。そこで、我々は、種々の要因を取り除くこ
とを目的とし、活性層106を下部障壁層11、井戸層
12および第2の上部障壁層13を一層ずつ形成した段
階のp型半導体層のない中間的な素子状態でPL評価を
行った。図10に示す通り、発光ピーク波長580nm
における第2の上部障壁層のAlの混晶比y3に対する
PL発光出力の関係においても、y3の値が0.15付
近から向上が見られた。このことから、本発明の黄色領
域の波長の光を発光する窒化物半導体層を有する発光ダ
イオードの発光出力を向上させるという効果は、井戸層
上にAlの混晶比y3を高く設定した第2の上部障壁層
を形成することによって主に達成されていると考えられ
る。
上部障壁層13aとしてInzAl1 -zNを、活性層12
と第2の上部障壁層13との間に形成し、格子定数不整
合を緩和することによって、それぞれの層の結晶性を向
上させることができ、実施例1と比較して発光出力の向
上が見られた。
InGaNからなる井戸層12から構成される従来の発
光素子と、実施の形態1の発光素子における発光波長と
発光出力との関係を示す。図から実施の形態1の下部障
壁層11、井戸層12および第2の上部障壁層13から
なる多重量子井戸構造の活性層106を有する発光ダイ
オードの方が、比較例の障壁層11aおよび井戸層12
からなる多重量子井戸構造の活性層106を有する発光
ダイオードよりも、530nm以上の長波長領域におい
て発光出力が大きいことがわかる。
によって、窒化物半導体層を有する発光素子、特に発光
ピーク波長が530nm以上の発光を行う発光素子の発
光出力を向上することができる。
模式的な断面図
な断面図
な断面図
のそれぞれの混晶比に対するバンドギャップエネルギー
Egと格子定数の関係を示す図
な断面図
る模式的な断面図
壁層のAl混晶比y3と駆動電圧との相関図
壁層のAl混晶比y3と発光出力との相関図
部障壁層のAl混晶比y3とPL発光出力との相関図
における発光ピーク波長と発光出力との関係を示す図
Claims (16)
- 【請求項1】n型半導体層、活性層およびp型半導体層
から構成される発光素子であって、 前記活性層は、 下部障壁層、井戸層、第1の上部障壁層、第2の上部障
壁層が順に積層され、前記下部障壁層、前記第1の上部
障壁層、前記第2の上部障壁層はそれぞれ組成の異なる
窒化物半導体から構成される発光素子。 - 【請求項2】前記第1の上部障壁層はInzAl1-zN
(0≦z≦1)である請求項1に記載の発光素子。 - 【請求項3】前記井戸層はInを必須とするInx2Ga
1-x2N(0<x2≦1)である請求項1乃至2に記載の
発光素子。 - 【請求項4】前記井戸層のInの混晶比x2はx2≧
0.6である請求項3に記載の発光素子。 - 【請求項5】前記第2の上部障壁層はAlを必須とする
Aly3Ga1-y3N(0<y3≦1)である請求項1乃至
4に記載の発光素子。 - 【請求項6】前記発光素子の発光ピーク波長が530n
m以上である請求項1乃至5に記載の発光素子。 - 【請求項7】前記下部障壁層はInx1Ga1-x1N(0≦
x1≦1)である請求項1乃至6に記載の発光素子。 - 【請求項8】前記下部障壁層はGaNである請求項7に
記載の発光素子。 - 【請求項9】前記活性層は前記下部障壁層、前記井戸
層、前記第1の上部障壁層および前記第2の上部障壁層
が順に複数層形成された多重量子井戸構造からなる請求
項1乃至8に記載の発光素子。 - 【請求項10】n型半導体層、活性層およびp型半導体
層から構成される発光素子であって、 前記活性層は、少なくとも、Inを必須とするInx2G
a1-x2N(0<x2≦1)からなる井戸層と、前記井戸
層上にInzAl1-zN(0≦z≦1)からなる第1の上
部障壁層とを有する発光素子。 - 【請求項11】前記第1の上部障壁層上に、Alを必須
とするAly3Ga1-y3N(0<y3≦1)からからなる
第2の上部障壁層をさらに有する請求項10に記載の発
光素子。 - 【請求項12】前記第2の上部障壁層のAlの混晶比y
3はy3≧0.1である請求項11に記載の発光素子。 - 【請求項13】前記第2の上部障壁層のAlの混晶比y
3はy3≧0.2である請求項11に記載の発光素子。 - 【請求項14】前記第1の上部障壁層のInの混晶比z
は0.15≦z≦0.65である請求項13に記載の発
光素子。 - 【請求項15】前記活性層は、前記井戸層の下にInx1
Ga1-x1N(0≦x1≦1)からなる下部障壁層上をさ
らに有する請求項10乃至14に記載の発光素子。 - 【請求項16】前記第下部障壁層はGaNである請求項
15に記載の発光素子。
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