JP2002111059A - 光半導体素子及び光半導体装置 - Google Patents
光半導体素子及び光半導体装置Info
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Abstract
層へのオーバーフローと光取り出し効率の低下を防止す
る。 【解決手段】 n型MgxZn1-xOクラッド層5と、そ
の上に形成されたInyGa1-yN活性層11と、その上
に形成されたp型MgzZn1-zOクラッド層15と、n
型MgxZn1-xOクラッド層5に対して電気的にコンタ
クトを形成する第1の電極23と、p型MgzZn1-zO
クラッド層15に対して電気的にコンタクトを形成する
第2の電極25とを含む。
Description
し、特に、MgZnOをクラッド層として用いたGaN
系発光ダイオード及びレーザーダオイオードに関する。
イオード(Light Emitting Diode:
LED)の基本構造を示す。
サファイヤ基板101と、その上に形成されているGa
Nバッファ層103と、n型GaNクラッド層105
と、n型AlxGa1-xNクラッド層107と、InxG
a1-xN活性層111と、p型AlxGa1-xNクラッド
層113と、p型GaNクラッド層115との積層を含
む。
nxGa1-xN活性層111、p型AlxGa1-xNクラッ
ド層113、p型GaNクラッド層115は島状に加工
されて島状の積層構造SSをなし、n型GaN層105
の一部表面が露出している。
1により被覆されている。絶縁膜121には、p型Ga
N層115の表面を露出する開口部122が形成されて
いる。
側)電極123が形成されている。p型GaN層115
上に光を透過する第2(p型)電極125が形成されて
いる。第2電極125は、好ましくは開口部122全面
を覆うように形成されている。
正の電圧を印加すると、p−n接合が順バイアスされ、
n型GaNクラッド層105側から電子が、p型GaN
クラッド層115側から正孔がInxGa1-xN活性層1
11に向けて移動し、活性層111内において電子と正
孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際
に、活性層のバンドギャップのエネルギーに対応する波
長の発光が起こる。発生した光は、第2電極125を透
過して発光ダイオードXの光学面から出射する。
a1-xN層107、113のAl組成xは、0≦x≦
0.2の範囲が一般的であるが、必要に応じて組成xを
変化させることができる。
iode:LD)は、InxGa1-xN活性層111の2
端面でキャビティを形成し、一方、端面(図6の紙面に
垂直な方向)からの光を取り出す点でLEDと異なる
が、構造は図6に示すLEDの構造と同様である。
場合の、GaN系3元混晶系のIn xGa1-xN活性層1
11とAlxGa1-xNクラッド層107との伝導帯の最
小エネルギー値Ecと価電子帯の最大エネルギー値Ev
との、In又はAlの組成xに対する依存性を示す図で
ある。
ら求まる。ここで、Egはバンドギャップである。I
n、Alの組成xに対するバンドギャップEgの値は、
次式より求めた。この式は、GaN系3元混晶で広く認
められている式である。
N) = 1.95(eV)、Eg(AlN)=6.2
(eV)とした。
N、AlGaNともに、約1eVであることが知られて
いる。
ギーバンド構造の例を模式的に示した図である。
−GaN/n−Al 0.2Ga0.8N/n−In0.3Ga
0.7N/p−Al0.2Ga0.8N/p−GaNの構造を有
する。
ギーバンド構造を示す。横軸が基板上の高さを示し、縦
軸がエネルギーを単位eVで示す。
時に、n型クラッド層から活性層へ向けて電子が注入さ
れ、p型クラッド層から活性層へ向けて正孔が注入され
る。
ヘオーバーフローするのを防ぎ、活性層内で、有効に発
光性再結合(radiative recombina
tion)に寄与させる為に、p−AlGaNを設けて
いる。
p型電極として半透明電極を用いる。
極を用いる。
In2O3、SnO2、ZnOなどの高い光透過率を有す
るn型酸化物半導体を用いた透明導電膜を用いることも
できる。
戸(Single Quantum Well:SQW)
や多重量子井戸(Multiple Quantum W
ell:MQW)などの数nmから数10nmの厚さを
有する活性層を備えたLEDやLDの場合に上述の材料
を用いると、n型クラッド層と活性層との接合領域にお
けるΔEvが小さいため(図8参照)、順方向バイアス
時に、活性層からn型クラッド層に正孔がオーバーフロ
ーしてしまい、活性層内で放射再結合に寄与する割合が
低下してしまう。いわゆる、正孔のn型クラッド層への
オーバーフローの問題が生じる。
u(10nm)の半透明積層電極の透過率特性を示す。
発光波長範囲、例えば約380nmから550nmまで
の範囲において、Ni/Auは、50%から60%程度
の透過率しか有していない。活性層内での発光成分のう
ち外部へ取り出すことができるのは約50%程度であ
る。いわゆる、Au系の半透明電極による光取り出し効
率の低下という問題が生じる。
2O3、SnO2、ZnOなどの高い透過率を有するn型
酸化物半導体により形成される透明導電膜をp型電極と
して用いることも考慮される。
Oなどを用いると、透明導電膜がn型であるため、これ
らの透明導電膜とp型クラッド層との間にp−n接合が
形成されてしまう。素子に順バイアスを印加した場合、
p型クラッド層とn型酸化物半導体よりなる透明導電膜
との間には、逆方向バイアスが印加されることになる。
逆方向バイアスが印加されると、p−n接合の界面にお
いて空乏層が拡がり、それに起因する駆動電圧の上昇
や、発熱による発光効率の低下などの問題が生じる。い
わゆる、n型酸化物半導体透明導電膜による素子の高抵
抗化という問題が生じる。
のオーバーフローと光取り出し効率の低下を防止するこ
とである。
ば、n型MgxZn1-xOクラッド層と、前記n型Mgx
Zn1-xOクラッド層上に形成されたInyGa1-yN活
性層と、前記InyGa1- yN活性層上に形成されたp型
MgzZn1-zOクラッド層と、前記n型MgxZn 1-xO
クラッド層に対して電気的にコンタクトを形成する第1
の電極と、前記p型MgzZn1-zOクラッド層に対して
電気的にコンタクトを形成する第2の電極とを含む光半
導体素子が提供される。
光半導体素子について図1から図3までを参照して説明
する。
る。
2)面を主表面とするサファイヤ基板1と、その上に形
成されたバッファ層3と、n−MgxZn1-xOクラッド
層5と、InyGa1-yN活性層11と、p−AlvGa
1-vNクラッド層13と、p−MgzZn1-zOクラッド
層15とを含む。p−MgzZn1-zOクラッド層のz値
は、0≦z≦0.33である。
系のバッファ層(例:Mg0.05Zn 0.95O)が用いられ
る。尚、バッファ層3とn−MgxZn1-xOクラッド層
5との間に、n−ZnOクラッド層(図示せず)を挿入
しても良い。
1までの間の値を取りうる。例えば、y=0.3、x=
0.33、v=0.2などの値をとることができる。も
ちろん、n−MgxZn1-xOクラッド層5とp−Mgz
Zn1-zOクラッド層15との間でx値およびz値と同
じ値(x=z)であっても良いが、必ずしも同じ値であ
る必要はない。
al−Source Molecular Beam E
pitaxy)法を用いて成長した。
明する。
に、Mg0.05Zn0.95Oバッファ層、n−ZnOクラッ
ド層、n−Mg0.33Zn0.67Oクラッド層と、In0.3
Ga0.7N活性層と、p−Al0.2Ga0.8Nクラッド層
と、p−Mg0.33Zn0.67Oクラッド層とを含む結晶構
造の成長方法を示す。
Torr(1.33×10-3Pa)である。
の例を示す。尚、P(原子、分子名)との記載は、基板
位置においたイオンゲージで測定した材料原子(または
分子)の分子線強度を示す。RF(原子、分子名)との
記載は、各材料原子(または分子)のRFラジカル源の
出力を示す。FR(原子、分子名)との記載は、RFラ
ジカル源に流す材料(原子、分子)ガスの流量を示す。
は、成長温度が350℃、膜厚が50nmである。P
(Mg)=5×10-8Torr(6.65×10-6P
a)、P(Zn)=1×10-6Torr(1.33×1
0-4Pa)、RF(O2)=300W、FR(O2)=2
sccmである。
温度が500℃、膜厚が2μmである。P(Zn)=
1.0×10-6Torr(1.33×10-4Pa)、R
F(O 2)=300W、FR(O2)=2sccm、P
(Ga)=1×10-9Torr(1.33×10-7P
a)である。尚、Gaはn型のドーパントである。
クラッド層を形成してはいないが、上記の条件で、Mg
0.05Zn0.95Oバッファ層とn−Mg0.33Zn0.67Oク
ラッド層との間にn−ZnOクラッド層を挿入しておい
ても良い。
条件は、成長温度が500℃、膜厚が100nmであ
る。P(Mg)=5×10-7Torr(6.65×10
-5Pa)、P(Zn)=1×10-6Torr(1.33
×10-4Pa)、RF(O2)=300W、FR(O2)
=2sccm、P(Ga)=1×10-9Torr(1.
33×10-7Pa)である。
は、成長温度が500℃、膜厚が3nmである。P(I
n)=5×10-7Torr(6.65×10-5Pa)、
P(Ga)=1×10-6Torr(1.33×10-4P
a)である。RF(NH3)=300W、FR(NH3)
=2sccmである。
件は、成長温度が600℃、膜厚が100nmである。
P(Al)=5×10-7Torr(6.65×10-5P
a)、P(Ga)=1×10-6Torr(1.33×1
0-4Pa)、RF(NH3)=300W、FR(NH3)
=2sccm、P(Mg)=1×10-9Torr(1.
33×10-7Pa)である。尚、Mgは、p型のドーパ
ントである。
条件は、成長温度が500℃、膜厚が300nm、P
(Mg)=5×10-7Torr(6.65×10-5P
a)、P(Zn)=1×10-6Torr(1.33×1
0-4Pa)である。RF(O2)=300W、FR
(O2)=2sccmである。
Ga:N=1:2になるように、P(Ga)とRF(N
H3)を調節する。
る。
Ga1-vNクラッド層13と、p−MgzZn1-zOクラ
ッド層15とが島状に加工されて島状積層構造SS1を
形成している。これにより、n型MgxZn1-xO層5の
表面の一部が露出する。
により被覆される。絶縁膜21には、上部に開口22が
形成されており、開口22からp−MgxZn1-xOクラ
ッド層15の表面が露出している。
ヘテロ構造(DH構造)、単一量子井戸又は多重量子井
戸構造で形成される。
0.33Zn0.67Oクラッド層とp−Mg 0.33Zn0.67Oク
ラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造を形成する場合
は、例えばInxGa1-xN活性層11の厚さが10nm
から100nmである。GaN層とInN層との単一量
子井戸構造(InNウェル層の両側をGaNバリアで挟
んだ構造)では、例えば、InNウェル層の厚さは1n
mから10nmである。GaN層とInN層との多重量
子井戸構造を形成する場合は、井戸層と障壁層が多数形
成されている。この場合、1井戸層と1障壁層との合計
の膜厚が10nm以下であることが好ましい。但し、1
井戸層の厚さは1障壁層の厚さよりも薄いの方が好まし
い。これらの1井戸層と1障壁層とを1単位として、1
単位を3周期から5周期繰り返して多重量子井戸層を形
成するのが好ましい。
は、第1の電極23が形成されている。p−MgzZn
1-zOクラッド層15上に全面を覆う第2電極25が形
成されている。第2電極25は、例えばZnO透明導電
層により形成される。第2電極用材料としては、光学的
には透明であり、かつ、電気的にはp−MgzZn1-zO
クラッド層15と良好なオーミック接触を得られる材料
が好ましい。
EDの光学面を形成する。
電圧を印加すると、p−n接合が順バイアスされ、n−
MgxZn1-xOクラッド層5から電子がInyGa1-yN
活性層11に向けて移動するとともに、p−MgzZn
1-zOクラッド層15から正孔がInyGa1-yN活性層
11に向けて移動する。活性層11内において電子と正
孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際
に、活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長
の発光が起こる。
Ga1-yN活性層11との間に、n−AluGa1-uNク
ラッド層を挿入しても良い。
レーザー光が発光するレーザーダイオード(Laser
Diode:LD)にも適用可能である。
2電極における光の反射率が高くても良い。
D)のバンド構造の例を示す。
n1-xOクラッド層5のx値は、0.33、InyGa
1-yN活性層11のy値は0.3、p−AlvGa1-vN
クラッド層13のv値は0.2、p−MgzZn1-zOク
ラッド層15のz値は、0.33である。
層11とp−Al0.2Ga0.8Nクラッド層13との間の
価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔEv
は、約0.235eVと小さいが、In0。3Ga0.7N活
性層11とn型Mg0.33Zn 0.67Oクラッド5層との間
の価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔE
vは、約1.999eVと大きい。
n0.67Oクラッド層を用いることにより、In0.3Ga
0.7N活性層11に注入された正孔のn型Mg0.33Zn
0.67Oクラッド層5へのオーバーフローが防止され、I
nGaN活性層11内において有効に放射性再結合を生
じさせることができる。
に形成されているp型電極は、p型のZnO透明導電膜
からなる第2電極25である。
N=1:2の比率の同時ドーピング法を用いて成長す
る。この成方法に関しては、例えば、吉田博らによる文
献、最近の研究「半導体における第一原理計算からの物
質設計」、"まてりあ"、Vol.38、No.2、(1
999)、p134−p143に記載されている方法を
用いることができる。
どの低温での非平衡結晶成長中に、蒸気分圧を制御しな
がらn型ドーパントとp型ドーパントとをある一定の比
を有する濃度で同時にドーピングする方法が記載されて
いる。この方法でドーピングを行うと、アクセプター間
には斥力が働き、アクセプターとドナー間には引力が働
くので、アクセプター・ドナー複合体が形成される。複
合体が形成されると、単独ドーピングの場合と比べて化
学結合が強くなり形成エネルギーが減少するため、ドー
パントの溶解度が大きく上昇する。キャリアの移動度も
上昇する。加えて、ドナーやアクセプターの準位を単独
ドーピングと比べて浅くすることができる。従って、p
型のZnO透明導電膜を作りやすい。
極25の光の透過率の波長依存性を示す。図3における
ZnO透明導電膜の厚さは420nmである。
0nmまでの範囲で、光の透過率はほぼ80%の高い値
が得られている。図9に示すAu系の電極に比べて約2
倍の光透過率を示す。p型ZnO透明導電膜を用いるこ
とにより、通常のAu系半透明電極を用いた場合と比べ
て約2倍の光をInGaN活性層から外部へ取り出すこ
とができる。
nO透明導電膜とは、同じp型の導電体材料により形成
されているため、光半導体素子に対して順方向バイアス
を印加して駆動した場合にp型MgZnOクラッド層と
p型ZnO透明導電膜との間に障壁が形成されない。光
半導体素子の寄生抵抗(コンタクト抵抗)が高くなるこ
とによる駆動電圧の上昇、発熱による発光効率の低下な
どの問題は少ない。
る。
形成した場合にも、同様の効果が得られる。面発光型の
LDを形成する場合には、上部電極(第2電極)の光透
過率は20から30%以下であっても良い。
−100]とサファイヤ[11−20]との間の格子定数
のずれが16%であり、この値とZnO[1−100]と
サファイヤ[11−20]との間の格子定数のずれ18
%は、ほぼ同じである。尚、上記の[ ]内の数字のう
ち"−1"や"−2"などの−の付いている数字は、"
1"、"2"の反転(バー)を示している。
いた場合、従来のInGaN系LEDやLDに比べて、
格子不整合に起因する品質の低下は生じない。
nxGa1-xNのEgは、2.695eVである。発光波
長は460nmであり、青色の発光ダイオードが得られ
る。
ることができる。
のような透明導電層を用いる代わりに、第2電極25
を、反射電極、例えばAgやAlなどを含む高反射率金
属電極で形成しても良い。基板は透明基板を用いる。
子は、フリップチップ構造を有している。InxGa1-x
N活性層11からの発光は、第2電極(高反射率金属電
極)において反射し、活性層を挟んで第2電極とは反対
側に形成されている透明基板側から光を出射させる。こ
のようなフリップチップ構造においても、青色発光素子
を実現することができる。
用例について説明する。図4は、第1の実施の形態にお
いて説明したInGaN系の光半導体素子A(図1:L
ED)を用いたドットマトリックス表示器の構造を示す
斜視図である。
トリックス表示器Bは、プリント基板又はセラミックス
基板31と、その上に形成され一方向に平行に延びる3
本のデータライン33と、データライン33とは電気的
に絶縁されデータライン33と交差する方向に延びる複
数本のコモンライン35と、データライン33とコモン
ライン35との交差部近傍のコモンライン35上に、各
交点に3つずつ搭載されたLED37とを有している。
は、赤色LED37a、緑色LED37b、青色LED
37cである。これら3色のLEDにより1つのドット
を形成している。
よる光半導体素子を用いることができる。発光波長は、
x=0.3において約450nmである。赤色LED3
7aは、例えば活性層にAlGaAsを用いた発光波長
670nmのLEDである。緑色LED37bは、例え
ばGaP系の半導体材料を活性層として用いたLEDで
あり、発光波長は約550nmである。
に独立したデータラインを3本有している。各LED3
7は、光学面とは反対側に設けられた電極が、コモンラ
イン35に共通に接続されている。光学面側の電極は、
赤色LED37a、緑色LED37b、青色LED37
cのそれぞれが独立にデータライン33中の各色ごとの
データラインと電気的に接続されている。
を覆って、基板31上に反射枠41が設けられている。
LEDが設けられている領域上には、光を拡散させるた
めの拡散フィルムが設けられている。
図を示す。
から33−mまでと、コモンラインと交差するデータラ
イン35−1から35−nまでが設けられ、それらの交
点に、3色のLED37a、37b、37cが設けられ
ている。データライン35−1から35−nまでの各々
は、赤色用、緑色用、青色用のそれぞれのデータライン
XnR、XnG、XnBを有している。ここでm、nは、正の
整数である。尚、m、nが等しくても良い。
cで1ドットを構成したマトリックス回路を駆動するた
めには、33−1から33−nのコモンラインに接続さ
れているドライバを順次オンさせ、33−1がオンして
いる間に、35−1から35−nの信号ラインに表示し
たい3色のいずれか、又は、3色中の2色の組み合わ
せ、3色全ての組み合わせのいずれかの信号を入力す
る。次にコモンライン33−2でも同じ動作を行い、3
3−nまで走査すると、33−1に戻る駆動動作を繰り
返し実行する。
用いてフルカラーの表示を行うことができる。
様にp型電極として高透過率のp型ZnO透明導電膜を
用いるのが好ましい。但し、端面発光型のLDの場合に
は、p型電極として高透過率のp型ZnO透明導電膜を
用いなくても良い。
光半導体装置を用いれば、短波長(紫外〜青)LED及び
その応用製品(各インジケーター、LEDディスプレイ
等)、白色LED及びその応用製品(照明器具、各インジ
ケーター、ディスプレイ、各表示器のバック照明等)に
適用することができる。ディスクやバーコード等の読取
光源としても好適である。
本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種
々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自
明であろう。
ることにより、光半導体素子を駆動する際に、活性層内
に注入された正孔がn型クラッド層ヘオーバーフローす
るのを防ぐことができる。低しきい値のLD、高輝度の
LEDの作製が可能となる。
nOをp型クラッド層として用い、p型電極として高透
過率のp型ZnO透明導電膜を用いることができ、光の
取り出し効率が、従来のAu系電極の約2倍に増大す
る。
作製が可能となる。青色LED(LD)と赤色、緑色L
ED(LD)とを組み合わせることにより、フルカラー
の表示を行うことができる。
系LEDの構造断面図である。
系LEDのバンド構造を示す模式的な図面である。
系LEDに用いられるZnO導電性透明電極の光透過率
の波長依存性を示す図である。
を用いたドットマトリックス表示器の構造図である。
を用いたドットマトリックス表示器の回路図である。
る。
バンド端のエネルギー値の組成依存性を示す図である。
す模式的な図面である。
場合の光透過率の波長依存性を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 n型MgxZn1-xOクラッド層と、 前記n型MgxZn1-xOクラッド層上に形成されたIn
yGa1-yN活性層と、 前記InyGa1-yN活性層上に形成されたp型MgzZ
n1-zOクラッド層と、 前記n型MgxZn1-xOクラッド層に対して電気的にコ
ンタクトを形成する第1の電極と、 前記p型MgzZn1-zOクラッド層に対して電気的にコ
ンタクトを形成する第2の電極とを含む光半導体素子。 - 【請求項2】 前記第2の電極は、p型ZnO透明導電
膜である請求項1に記載の光半導体素子 - 【請求項3】 前記第2の電極は、反射電極である請求
項1に記載の光半導体素子 - 【請求項4】 前記xは、0から0.33までの間であ
り、前記yは、0から0.3までの間であり、前記z
は、0から0.33までの間である請求項1から3まで
のいずれか1項に記載の光半導体素子。 - 【請求項5】 さらに、前記InyGa1-yN活性層と前
記p型MgzZn1-zOクラッド層との間にp型AlvG
a1-vNが配置された請求項1から4までのいずれか1
項に記載の光半導体素子。 - 【請求項6】 前記vは、0から0.2までの間である
請求項5に記載の光半導体素子。 - 【請求項7】 基板と、 前記基板表面上において行方向及び列方向に整列して配
置され、光の出射面を前記基板の表面側に有するととも
に、前記出射面とその反対側の面とにそれぞれ電極を有
する赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
発光ダイオードを含む複数の発光ダイオード群と、 列方向に整列配置された前記発光ダイオード群列に対し
て各々設けられ、列方向に延びる複数本のコモンライン
と、 前記コモンラインと交差する方向に延びる複数組のデー
タラインであって、各1組ごとに複数本の配線を含む複
数組のデータラインとを含み、 前記赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
発光ダイオードの前記出射面と反対側に形成された電極
は前記コモンラインと共通に接続され、 前記赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
発光ダイオードの前記出射面側に形成された電極は、前
記複数本の配線各々と接続されており、 前記青色発光ダイオードとして、請求項1から6までの
いずれか1項に記載の光半導体素子を用いる光半導体装
置。
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---|---|---|---|
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