JP2002033513A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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Abstract
光効率を向上させる。 【解決手段】 サファイア基板10上に順次N型GaN
層12、N型GaN系層14、P型GaN系層16を形
成し、PN接合型発光素子を形成する。N型GaN系層
14はGaNとAlGaNを交互に積層した超格子構造
とし、GaNにSiとInをドープし、AlGaNにI
nをドープして発光効率を向上させる。さらに、GaN
とAlGaNとの界面にSiNを形成し、N型GaN系
層14の抵抗値を高め、ホールを注入してこの層で発光
を生じさせる。P型GaN系層16の膜厚を調整して注
入された電子をブラッグ反射させてもよい。
Description
NとAlGaNを積層してなる発光素子の発光効率の改
善に関する。
m)から緑色(発光波長500nm)の発光ダイオード
(LED)は、交通信号機や屋外ディスプレイ等への適
用が考えられている。このLEDの材料は、具体的には
InGaNであるが、発光波長をより短くして例えば紫
外領域での発光を得るためにはInの組成を小さくして
GaNに近づける必要がある。しかしながら、Inの組
成を小さくすると発光効率が著しく劣化することが知ら
れており、波長370nmより短波長で、かつ実用的な
効率を有するLEDは未だ開発されていない。
に応用されることが期待されており、例えば光記録再生
用の光源として、あるいは光通信用の光源としても有望
視されている。
aNを積層した多層構造とすることにより、発光効率を
低下させることなく発光波長を340nmまで短波長化
できることが報告されている。InGaNを発光層とす
る場合には、Inの組成ゆらぎのため、非常に高い転位
密度にもかかわらず発光効率が非常に高くなる。上述し
たように最も短い波長はInの組成が0で得られるが、
GaNでは組成ゆらぎが生じないため転位の影響で発光
効率が著しく低下する。InをAlで置き換えたAlG
aNでは発光波長は短くなるもののAlの組成ゆらぎが
生じないので発光効率が低下する。ところが、非常に薄
い(約2〜3nm)GaNとAlGaNを交互に積層し
て超格子構造とすることにより、各層の膜厚が微妙にゆ
らぐため組成ゆらぎが生じたのと同一の効果が得られ、
単層のAlGaNのように発光効率が劣化しないと考え
られている。
た超格子構造は有望視されているが、上述したように光
通信の光源や記録媒体の読み取り光源などとして実用化
するためには、より一層の発光効率あるいは発光強度の
改善が求められている。
を構成する場合、PN接合を構成する必要があり、発光
効率を高めるような構造あるいは射出した光を効果的に
外部に取り出す構造が求められている。
みなされたものであり、その目的は、発光効率に優れた
発光素子を提供することにある。
に、本発明は、GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、N型半導体層は、GaNとAlG
aNを交互に積層して構成されるとともに、前記GaN
とAlGaNの界面に離散的にSiNが形成されること
を特徴とする。GaNとAlGaNを交互に積層してな
るN型半導体層は発光効率が高いため、PN接合とした
ときのこの層にホールを注入してこの層内で発光を生じ
させることが好ましい。GaNとAlGaNとの界面に
絶縁体であるSiNを形成することで、N型半導体層の
抵抗値を増大させ、電子とホールを取り込んでこの層内
で再結合させ発光させることができる。なお、GaNと
AlGaNの界面に離散的に形成されたSiNは、その
上に形成されるGaNあるいはAlGaNにバンドギャ
ップの揺らぎを生じさせ、それ自体でN型半導体層の発
光効率を向上させ得る。
PN接合してなる発光素子であって、N型半導体層は、
GaNとAlGaNを交互に積層して構成されるととも
に、前記GaNとAlGaNの界面にMgがドープされ
たAlGaNが形成されることを特徴とする。Mgがド
ープされたAlGaNはN型半導体層の抵抗値を増大さ
せ、これによりN型半導体層内の印加電圧を増大させて
ホールと電子を取り込み、N型半導体層で発光させるこ
とができる。
PN接合してなる発光素子であって、N型半導体層は、
GaNとAlGaNを交互に積層して構成されるととも
に、前記N型半導体層とP型半導体層の界面にAlGa
Nが形成されることを特徴とする。N型半導体層とP型
半導体層の界面に形成されたAlGaNは電子に対して
エネルギ障壁をなし(AlGaNはホールに対しても障
壁となるが、その大きさは電子よりも小さい)、N型半
導体層からP型半導体層への電子の移動を抑制してN型
半導体層での発光を促進できる。
PN接合してなる発光素子であってP型及びN型半導体
層は、GaNとAlGaNを交互に積層して構成される
とともに、前記GaNとAlGaNの厚さは、前記P型
半導体層に注入された電子に対してブラッグ条件を満た
すように設定され、前記N型半導体に注入されたホール
に対してブラッグ条件を満たさないように設定されるこ
とを特徴とする。P型半導体層に注入された電子は、そ
のエネルギレベルに応じたドブロイ波長を有し、そのド
ブロイ波長に対してGaN/AlGaNの積層構造(具
体的には超格子)それぞれの膜厚がブラッグ条件を満た
す場合には電子は超格子の界面で全反射される。一方、
ホールは電子と異なるエネルギレベルにあるため、ブラ
ッグ条件が成立せず、P型半導体層からN型半導体層内
に移動し、N型半導体層内で電子と再結合して発光す
る。なお、電子のエネルギレベルは発光素子に印加され
るバイアス電圧に応じて変化するから、現象論的には、
発光素子の駆動電圧VにおいてP型半導体層内の電子を
ブラッグ反射し、N型半導体層内において再結合を引き
起こすような膜厚に設定されると言うことができる。あ
るいは、P型半導体層の膜厚を調整して周期的なエネル
ギ障壁を形成し、バイアス電圧を印加した場合にP型半
導体層に注入される電子のエネルギに対してブラッグ反
射を起こさせ、N型半導体層中で支配的に(すなわちP
型半導体層中におけるよりも多くの割合で)再結合を起
こさせると言うこともできる。
と、前記基板上に形成され、前記N型半導体層に隣接す
るN型AlGaN層と、P型半導体層上に形成されるP
型AlGaNオーミック層とを有することができる。バ
ッファ層及びオーミック層をともにAlGaNで形成す
ることで、N型半導体層から射出した紫外領域の光の吸
収を抑制し、発光効率を向上させることができる。
に、基板と、前記基板上に形成されたN型GaN層と、
前記N型GaN層上に形成され、前記N型半導体層に隣
接する反射層とを有し、前記ブラッグ反射層により前記
PN接合部から射出される光を反射することができる。
N型半導体層から射出した紫外領域の光をブラッグ反射
層により反射し、GaN層での吸収を抑制することがで
きる。
型半導体層の前記GaNあるいはAlGaNの少なくと
もいずれかにSiがドープされることが好適である。本
願出願人は、SiのドープによりN型半導体層の発光強
度が増大することを確認しており、これにより発光素子
の発光効率を向上させることができる。
型半導体層の前記GaNにSi及びInがドープされ、
前記AlGaNにInがドープされることが好適であ
る。本願出願人はGaNにSiとInをドープし、Al
GaNにInをドープすることでN型半導体層の発光強
度が増大することを確認しており、これにより発光素子
の発光効率を向上させることができる。
型半導体層の前記GaNとAlGaNの界面にSiが形
成されることが好適である。GaNとAlGaNの界面
に形成されたSiは格子の不整合を生じさせ、GaN/
AlGaNに局所的な膜厚の揺らぎを引き起こす。これ
により、GaN/AlGaNにバンドギャップの揺らぎ
を生じさせ、発光効率を向上させることができる。
形態について説明する。
構成が示されている。サファイア基板10上にN型Ga
N層12が例えば2μm程度形成される。N型GaN層
12の上にさらにN型半導体層としてN型GaN系層1
4が形成され、さらにP型GaN系層16が積層され
る。N型GaN系層14とP型GaN系層16の界面で
PN接合が形成され、所定の電圧を印加することにより
P型GaN系層16からN型GaN系層14にホールが
注入されて発光する。N型GaN系層14はGaNとA
lGaNを交互に積層した超格子構造(SLSstrained
layer superlattice)とすることができる。また、P型
GaN系層16もGaNとAlGaNを交互に積層した
超格子構造とすることができる。もちろん、P型GaN
系層16は超格子構造でなくてもよい。P型GaN系層
16上には図示していないがP型GaNオーミック層が
形成され、オーミックコンタクトにより電極と接続され
る。
4の基本構成が示されている。GaN14aとAlGa
N14bを交互に積層した超格子構造であるが、本実施
形態ではGaN14aにはInとSiがドープされ、ま
た、AlGaN14bにはInがドープされる。ここ
で、本願明細書における「ドープ」とは、層の成長過程
において当該材料を反応管内に導入することを意味して
いる。具体的な作成方法は以下の通りである。すなわ
ち、反応管内に基板を載置し、N型GaN層12を形成
した後、反応管内にTMG、NH3、H2及びInとSi
を含むガス、例えばTMInやSiH4を導入してIn
とSiがドープされたGaN14aをMOCVD法で形
成する。そして、GaN14a上にAlGaN14bを
形成する際にも、TMGとTMAlを反応管内に導入す
るとともに、Inを含むガス、例えばTMInを導入し
てInがドープされたAlGaN14bを形成する。I
nやSiの導入量は、例えばTMIn=1.8μmol
/min、SiH4=446μmol/minとするこ
とができる。GaN14a及びAlGaN14bの厚さ
はともに約2nmであり、これらの組は合計250ピッ
チ程度形成される(図では簡略化のため3ピッチのみ示
している)。超格子層の膜厚は、注入されるキャリアの
拡散長で決定され、それ以下になると発光効率が低下す
る。一方、超格子の厚さが1μmを超えるとクラックが
発生するようになるので、超格子層の厚さとしては1n
m以上でクラックが発生しない厚さ、具体的には10n
m〜500nmとすることができる。
のN型GaN系層14はGaNにInとSiをドープ
し、AlGaNにInをドープして構成されるが、Ga
NとAlGaNに何もドープしない場合に比べて発光強
度が著しく増大する(具体的には20倍程度)ことを本
願出願人は確認している。
め、N型GaN系層14はN+型となっており、N+と
P−接合に対して順方向にバイアスしたときに、N+中
に電子が多く存在するためN+層14からP−層16に
注入される電子の方が、P−層16からN+層14に注
入されるホールより圧倒的に多くなり、その結果、発光
がN+層14ではなく発光効率の比較的低いP−層16
で生じるおそれがある。発光効率に優れるN+層14で
発光させるためには、ホール濃度の高いP型層との接合
を形成してN+/P++とすればよいが、GaN系で高
いホール濃度を有するP型層を形成することは困難であ
る。
たN型GaN系層14を採用するとともに、このN型G
aN系層14で発光させるために、以下のような構成を
採用している。
系層14の構成が示されている。基本構成は図2に示さ
れた構成と同様に、InとSiをドープしたGaN14
aとInをドープしたAlGaN14bを交互に積層し
た構成であるが、GaN14aとAlGaN14bとの
界面に、さらにSiN14cが形成されている。すなわ
ち、GaN(InとSiドープ)/SiN/AlGaN
(Inドープ)の構成である。SiN14cは、GaN
14aとAlGaN14bの界面に一様に形成されるの
ではなく、離散的に形成される。具体的な形成方法は、
InとSiをドープしたGaN14aを形成した後に、
GaN14aの成長温度(例えば1050度)にて反応
管内にNH3とSiH4を数秒程度導入する。数秒程度だ
け供給することで、SiN14cはGaN14a上に一
様には形成されず、離散的に形成される。
4cを形成しない場合に比べて発光効率が増大すること
を出願人は確認しており、さらに、SiN14cは絶縁
体として機能するからN型GaN系層14全体の抵抗値
が増大する。N型GaN系層14の抵抗値が増大する
と、PN接合に順方向バイアスを印加した場合に比較的
大きな電圧がこのN型GaN系層14に印加され、この
層の両側から電子とホールが引き込まれてこの層の中で
発光が生じることになる。すなわち、図1の構成におい
て、図3に示されたN型GaN系層14を用いること
で、確実にN型GaN系層14で発光を生じさせ、発光
効率を向上させることができる。
が示されている。図3では、GaN14aとAlGaN
14bとの間にSiN14cを形成しているが、図4で
はGaN14aとAlGaN14bとの間だけでなく、
AlGaN14bとその上に形成されるGaN14aと
の間にもSiN14cが形成される。すなわち、GaN
14aとAlGaN14bの全ての界面にSiN14c
が形成されている。この構成によっても、N型GaN系
層14の抵抗値を増大させ、電子とホールを引き込んで
N型GaN系層14で発光させることができる。
プ)/AlGaN(Inドープ)/SiNという構成を
複数ピッチ積層して超格子構造を形成することもでき
る。
が示されている。図3及び図4においては、GaN14
aとAlGaN14bの界面にSiN14cを形成する
ことで発光効率の改善と抵抗値の増大を図っているが、
本実施形態ではSiNではなくMgを用いて抵抗値の増
大を得ている。すなわち、AlGaNにMgをドープす
ると抵抗値が増大することが知られており、そこでGa
N14aとAlGaN14bの界面にMgをドープした
AlGaN14dを形成する。すなわち、GaN(I
n、Siドープ)14a/AlGaN(Mgドープ)1
4d/AlGaN(Inドープ)14bの構成である。
なお、Mgの代わりにZnをドープすることもできる。
が示されている。図5においてはGaN14aとAlG
aN14bとの間にMgをドープしたAlGaN14d
を形成しているが、図6ではGaN14aとAlGaN
14bとの間だけでなく、AlGaN14bとその上に
形成されるGaN14aとの間にもMgをドープしたA
lGaN14dが形成される。すなわち、GaN14a
とAlGaN14bの全ての界面にMgをドープしたA
lGaN14dが形成されている。この構成によって
も、N型GaN系層14の抵抗値を増大させ、電子とホ
ールを引き込んでN型GaN系層14で発光させること
ができる。
N系層14の抵抗値を増大させることが可能であるが、
活性層であるN型GaN系層14の抵抗値が高いとPN
接合面内での電流が均一になり易く、光取出し効率も高
くなる。
にIn及びSiをドープし、AlGaNにInをドープ
しているが、GaN及びAlGaNのいずれにもSiを
ドープしてもよく、また、GaNのみ、あるいはAlG
aNのみにSiをドープしてもよい。GaNとAlGa
NのいずれにもSiとInをドープすることもできる。
GaNとAlGaNのいずれにもSiをドープした場
合、何もドープしない場合に比べて発光強度が約17倍
増大し、GaNのみにSiをドープした場合には約13
倍増大し、AlGaNのみにSiをドープした場合には
約16倍増大することを本願出願人は確認している。
aN系層14としてGaNとAlGaNを交互に積層し
てなる超格子(SLS:ひずみ層超格子)構造において
GaNとAlGaNの界面に離散的にSiを形成したも
のを用いることもできる。離散的に形成されたSiは格
子不整合が大きく、超格子の界面に格子不整合部分が存
在すると、表面に微小な荒れが発生してこの荒れの部分
における膜厚が変化する。膜厚が不均一になると量子効
果に基づく量子準位が空間的に変化するため、バンドギ
ャップが空間的にゆらぎ、転位密度以上とすることで発
光効率を上げることができる(特願2000−1643
49号を適宜参照されたい)。この場合にも、SiNや
MgをドープしたAlGaNを界面に形成することで抵
抗値を増大させ、N型GaN系層14で発光させること
ができる。
構成が示されている。図1に示された構成では、N型G
aN系層14に隣接してP型GaN系層16を形成して
いるが、本実施形態ではN型GaN系層14とP型Ga
N系層16の界面にAlGaN層15が形成される。A
lGaN層15は、トンネル効果が生じる程度に十分薄
く形成され、好ましくは1〜50nm、より好ましくは
2〜10nm程度である。N型GaN系層14は図2に
示されたN型GaN系層を用いることができる。このよ
うな構成において順方向バイアスを印加すると、N型G
aN系層14及びP型GaN系層16のバンドギャップ
はドープしていないAlGaN単層よりもバンドギャッ
プが狭く、電子にとってAlGaN層15はエネルギ障
壁となる。AlGaN層15は、電子のみならずホール
にとってもエネルギ障壁となるが、図8に示されるよう
に電子に対する障壁がホールに対する障壁よりも大きい
ので、ホールがより多くP型GaN系層16からN型G
aN系層14に注入される。したがって、発光効率の高
いN型GaN系層14で発光を起こさせることができ
る。
わりに、MgあるいはZnをドープしたAlGaNを用
いて高抵抗とすることもできる。
4とP型GaN系層16の界面に、ホールに対してより
も電子に対して大きなエネルギ障壁となる層を形成する
ことでホールの注入を促進しているが、P型GaN系層
16をGaNとAlGaNを交互に積層して超格子構造
とし、かつ、GaNとAlGaNの膜厚を調整すること
で、電子をN型GaN系層14に閉じこめ、ホールの注
入を促進することもできる。
(ドブロイ波あるいは物質波)、図9に示されるような
周期的なエネルギを有する層内では各界面で反射され
る。そして、エネルギの周期が電子のエネルギレベルで
決まるドブロイ波長に対してブラッグ条件を満たすと全
反射されるようになり、移動できなくなる。電子とホー
ルでは有効質量とエネルギ障壁の高さが異なるので、電
子に対してブラッグ条件を満たすようにP型GaN系層
16のエネルギ障壁と周期を設定すると、P型GaN系
層16に注入された電子は全反射されてP型GaN系層
16内を移動できないがホールはブラッグ条件が満たさ
れないため全反射されずN型GaN系層14内に注入さ
れる。以上により、P型GaN系層16のGaNとAl
GaNの厚さを、注入された電子に対してブラッグ条件
が成立するように設定することで、N型GaN系層14
でホールと電子の再結合を起こさせて発光させることが
できる。具体的な条件は以下の通りである。
Eは電子あるいはホールのエネルギ、Lは障壁(B)と
井戸(W)の厚さ、U0は障壁のエネルギ高さ、hはプ
ランク定数、m、nは整数である。
てなるP型GaN系層16のGaNが井戸層(添字
w)、AlGaNがバリア層(添字B)として機能す
る。GaNとAlGaNの具体的な厚さはAlGaNの
Al組成xにより変化するが、例えばx=0.15、Δ
Eg=200meV、ΔEc=140meVとすると、
Lw(井戸層であるGaNの厚さ)=1.8±0.5n
m、LB(バリア層であるAlGaNの厚さ)=1±
0.5nm程度となる。
子の構成が示されている。N型GaN系層14として
は、図3〜6に示されたものを用いることができる。図
1に示された構成では、N型GaN層12の上にPN接
合層を形成し、その上にGaNオーミック層を形成して
いるが、GaNは紫外領域の光(UV)に対して不透明
であり、活性層から出た光はGaNで吸収されてしまい
効率が低下するおそれがある。
効率を向上させるとともに、活性層に隣接した層におけ
る吸収も防ぐこととしている。具体的には、図に示され
るように、サファイア基板10上にGaN層ではなくN
型AlGaN層13(例えば1.5μm)を形成し、さ
らにPN接合層の上にオーミック層としてP型AlGa
Nオーミック層17を形成する。GaNに比べてAlG
aNはUVに対して比較的透明であるため、活性層から
のUV吸収を抑制することができる。
子の構成が示されている。N型GaN系層14として
は、図3〜図6に示されたものを用いることができる。
本実施形態では、図1の構成においてN型GaN層12
とN型GaN系層14との界面に射出した光をブラッグ
反射するブラッグ反射層18を形成し、さらにP型Ga
N系層16上にUVに対して透明なP型AlGaNオー
ミック層17を形成する。ブラッグ反射層18は、活性
層からの光(UV)の波長に対してGaN、AlGaN
を1/4波長に調整して積層したものであり、入射した
光を反射させて下層のN型GaN層でUVが吸収される
ことを防ぐ。また、上部にもGaNオーミック層ではな
くP型AlGaNオーミック層17を形成しているた
め、UVの吸収を防ぐことができる。
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の
変更が可能である。例えば、図1に示されたように、サ
ファイア基板/N型GaN層/N型GaN系層/P型G
aN系層/P型オーミック層(N型GaN系層14とし
ては、図3〜図6に示されたものを用いることができ
る)構造とし、その後、表面に別の基板を貼り付けてサ
ファイア基板及びN型GaN層12を研磨あるいは光照
射などで取り去り、N型GaN層12での吸収を防止し
てもよい。
半導体層において発光を起こさせることで、発光効率を
高めることができる。また、活性層から射出した光の吸
収を抑制し、発光効率を高めることができる。
る。
ある。
る。
である。
である。
である。
ある。
示す説明図である。
である。
である。
型GaN系層、16P型GaN系層。
Claims (9)
- 【請求項1】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、 N型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に積層して
構成されるとともに、前記GaNとAlGaNの界面に
離散的にSiNが形成されることを特徴とする発光素
子。 - 【請求項2】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、 N型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に積層して
構成されるとともに、前記GaNとAlGaNの界面に
MgがドープされたAlGaNが形成されることを特徴
とする発光素子。 - 【請求項3】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、 N型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に積層して
構成されるとともに、前記N型半導体層とP型半導体層
の界面にAlGaNが形成されることを特徴とする発光
素子。 - 【請求項4】 GaN系化合物半導体をPN接合してな
る発光素子であって、 P型及びN型半導体層は、GaNとAlGaNを交互に
積層して構成されるとともに、前記GaNとAlGaN
の厚さは、前記P型半導体層に注入された電子に対して
ブラッグ条件を満たすように設定され、前記N型半導体
層に注入されたホールに対しては満たさないように設定
されることを特徴とする発光素子。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の発光素
子において、さらに、 基板と、 前記基板上に形成され、前記N型半導体層に隣接するN
型AlGaN層と、 P型半導体層上に形成されるP型AlGaNオーミック
層と、 を有することを特徴とする発光素子。 - 【請求項6】 請求項1〜4のいずれかに記載の発光素
子において、さらに、 基板と、 前記基板上に形成されたN型GaN層と、 前記N型GaN層上に形成され、前記N型半導体層に隣
接する反射層と、 を有し、前記ブラッグ反射層により前記PN接合部から
射出される光を反射することを特徴とする発光素子。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNあるいはAlGaNの少
なくともいずれかにSiがドープされることを特徴とす
る発光素子。 - 【請求項8】 請求項1〜6のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNにSi及びInがドープ
され、前記AlGaNにInがドープされることを特徴
とする発光素子。 - 【請求項9】 請求項1〜6のいずれかに記載の発光素
子において、 前記N型半導体層の前記GaNとAlGaNの界面にS
iが形成されることを特徴とする発光素子。
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---|---|---|---|
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