JP2013069795A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を改善した半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光層と、電子ブロック層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む。前記電子ブロック層は、前記発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に増加するアルミニウム組成比を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

半導体発光素子、例えば、発光ダイオード（light-emitting diode：ＬＥＤ）は、電子と正孔との再結合により光を発生させるため、フィラメント型の光源と比較して省エネルギー・長寿命の光源である。また、様々な波長の光を発生させることができ、例えば、窒化物半導体を用いた発光素子は、青色系の短波長領域で発光させることもできる。
このような窒化物半導体を用いた発光素子においては、発光効率を高くするために複数の井戸層と障壁層とを積層した多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）構造が用いられる。しかし、ＭＱＷ構造を用いた場合、低電流での効率は良いが、高電流において量子効率が低下する傾向（Efficiency droop）がある。

国際公開第ＷＯ２００５／０３４３０１号

本発明の実施形態は、発光効率を改善した半導体発光素子を提供する。

実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光層と、電子ブロック層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む。前記電子ブロック層は、前記発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に増加するアルミニウム組成比を有する。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 半導体発光素子における発光層を例示する模式的断面図である。 半導体発光素子における電子ブロック層近傍のアルミニウム組成比の分布図である。 半導体発光素子における電子ブロック層近傍のエネルギーバンド図である。 半導体発光素子の内部量子効率と電流密度の関係を例示する特性図である。

以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状や縦横の寸法の関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図２は、半導体発光素子における発光層を例示する模式的断面図である。
半導体発光素子１は、基板２の上に設けられたｎ形半導体層３と、電子と正孔との再結合により発光する発光層４と、発光層４に注入される電子のオーバーフローイング（overflowing）を防ぐ電子ブロック層５と、ｐ形半導体層６と、を備える。また、半導体発光素子１は、ｐ形半導体層６に接続されたｐ側電極７と、ｎ形半導体層３に接続されたｎ側電極８と、を備えている。半導体発光素子１は、ｐ側電極７とｎ側電極８との間に流れる電流により発光する発光ダイオードである。

基板２は、例えばサファイア基板であり、ｎ形半導体層３などの窒化物半導体層の成長のために用いられる。サファイア基板は、六角−ロンボ形（Hexa-Rhombo R3c）対称性を有する結晶体である。ｃ軸及びａ軸方向の格子定数は、それぞれ１３．００１Åと４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。上記Ｃ面は、窒化物薄膜の成長が比較的に容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使用される。なお、基板２は、サファイア基板の代わりにＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮなどからなる基板でもよい。

また、基板２の主面に対して垂直な軸をＺ軸とし、Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とし、Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。以下の説明においては、方向を示すためにＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を用いる。

ｎ形半導体層３は、基板２の上に設けられている。ｎ形半導体層３は、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）の組成式で表される半導体からなり、ｎ形不純物がドーピングされた窒化物半導体を含む。ｎ形半導体層３は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮである。また、ｎ形不純物は、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃである。
ｎ形半導体層３は、例えば有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）及びハイブリッド気相蒸着法（ＨＶＰＥ）などで形成することができる。なお、ｎ形半導体層３は、図示しないバッファ層を介して基板２の上に設けることができる。

発光層４は、ｎ形半導体層３とｐ形半導体層６との間に設けられている。発光層４は、Ｎ＋１層（Ｎは自然数）の障壁層ＱＢｎ（ｎ＝１、・・・、Ｎ＋１）と、障壁層ＱＢｎと障壁層ＱＢｎ＋１との間にそれぞれ設けられたＮ層の井戸層ＱＷｎと、を有している。すなわち、発光層４は、障壁層ＱＢ１と障壁層ＱＢＮ＋１との間に、障壁層ＱＢｎ（ｎ＝２、・・・、Ｎ）と井戸層ＱＷｎとが交互に繰り返して積層された構造を有する。図２に例示したとおり、本実施形態における発光層４は、組数Ｎ＝８、すなわち、障壁層ＱＢ１と障壁層ＱＢ９との間に、障壁層ＱＢｎと井戸層ＱＷｎとが８組積層されている。しかし、組数Ｎは、Ｎ＝８に限定されず、例えばＮ＝５〜１０とすることもできる。

障壁層ＱＢｎは、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）の組成式を有する窒化物半導体を含む。井戸層ＱＷｎは、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）の組成式を有する窒化物半導体を含む。障壁層ＱＢｎは、例えばＧａＮ、井戸層ＱＷｎは、例えばＩｎ_０．２Ｇａ_０．８である。

井戸層ＱＷｎは、障壁層ＱＢｎよりもＩｎの組成比が高く、井戸層ＱＷｎのバンドギャップは、障壁層ＱＢｎのバンドギャップよりも狭い。その結果、各井戸層ＱＷｎは、障壁層ＱＢｎと障壁層ＱＢｎ＋１との間にそれぞれ量子井戸を構成する。そして、障壁層ＱＢｎと井戸層ＱＷｎとがＮ組積層された発光層４は、多重量子井戸（ＭＱＷ）を構成する。

障壁層ＱＢｎ、井戸層ＱＷｎは、ｎ形半導体層３と同様に、例えば、有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）及びハイブリッド気相蒸着法（ＨＶＰＥ）などで形成することができる。

なお、発光層４は、超格子を構成する超格子層（図示せず）を介して、ｎ形半導体層３の上に設けることができる。例えば、発光層４よりもＩｎの比率（ｘ）の小さい（ｘ＜ｚ）、Ｉｎ_ｘＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子層を設けることにより、発光層４における格子歪みを低減して、発光効率の低下を抑制することができる。

電子ブロック層５は、発光層４とｐ形半導体層６との間に設けられている。電子ブロック層５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の組成式を有する窒化物半導体を含む。電子ブロック層５は、発光層４やｐ形半導体層６などの他の層と比較して、バンドギャップＥｂが広く、発光層４からｐ形半導体層６へ流れる電子に対して障壁となる。そのため、ｎ形半導体層３から注入される電子のｐ形半導体層６へのオーバーフローを防いで電子を発光層４に閉じこめることができる。

図３は、半導体発光素子における電子ブロック層の近傍のアルミニウム組成比の分布図である。
図４は、半導体発光素子における電子ブロック層の近傍のエネルギーバンド図である。
図３においては、横軸にＺ軸をとって、電子ブロック層５の近傍における厚さ方向の位置を表し、縦軸に電子ブロック層５近傍のアルミニウム（Ａｌ）組成比を模式的に表している。また、図４においては、横軸にＺ軸をとり、縦軸にエネルギーＥをとって、エネルギーバンドを実線で表している。また、比較のため、アルミニウム（Ａｌ）組成比が均一の場合のエネルギーバンドを一点鎖線で表している。

電子ブロック層５のアルミニウム組成比は、Ｚ軸の正方向、すなわち発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加している。電子ブロック層５のバンドギャップＥｂ＝Ｅｃ−Ｅｖは、発光層４側で狭く、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて広がり、ｐ形半導体層６側で最も広い構造になる（図４の実線）。その結果、電子ブロック層５のアルミニウム（Ａｌ）組成比が一定の場合（図４の一点鎖線）と比較して、電子に対するブロック性を損なうことなく、正孔の発光層４への注入効率を高めることが可能である。なお、Ｅｃは、伝導帯端のエネルギーであり、Ｅｖは、価電子帯端のエネルギーである。

なお、図３に実線で表した具体例においては、電子ブロック層５のアルミニウム組成比が、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて直線的に増加する構成を例示している。しかし、本実施形態はこれには限定されない。すなわち、アルミニウム組成比は、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加していればよく、必ずしも直線的でなくてもよく、例えば階段状に増加してもよく、例えば曲線的に増加してもよい。また、アルミニウム組成比は、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて、単調に増加していなくてもよい。例えば、図３の破線で表したように、電子ブロック層５のアルミニウム組成比は、Ｚ軸の正方向に向けて減少して電子ブロック層５内で最小となり、さらにＺ軸の正方向に向けて増加してもよい。

再度図１に戻ると、ｐ形半導体層６は、電子ブロック層５の上に設けられている。
ｐ形半導体層６は、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）の組成式を有し、ｐ形不純物がドーピングされた窒化物半導体を含む。ｐ形半導体層６は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮである。また、ｐ型不純物は、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅである。
ｐ形半導体層６は、ｎ形半導体層３と同様に、例えば有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）及びハイブリッド気相蒸着法（ＨＶＰＥ）などで形成することができる。

ｐ側電極７は、ｐ形半導体層６の上に設けられ、ｐ形半導体層６と電気的に接続される。なお、ｐ側電極７は、図示しない電流拡散層を介して、ｐ形半導体層６の上に設けることができる。
ｎ側電極８は、ｎ形半導体層３の上に設けられ、ｎ形半導体層３と電気的に接続される。例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、ｎ形半導体層３、発光層４、電子ブロック層５及びｐ形半導体層６にメサ構造が形成され、メサ溝の底面に露出したｎ形半導体層３のエッチング面に、ｎ側電極８が設けられる。

ｐ側電極７とｎ側電極８との間に電流を流すことにより、発光層４の井戸層ＱＷｎには、ｎ形半導体層３から電子が注入され、ｐ形半導体層６から電子ブロック層５を介して正孔が注入される。そして、注入された電子と正孔とが再結合すると、発光層４は発光する。

図５は、半導体発光素子の内部量子効率と電流密度の関係を例示する特性図である。
図５においては、電子ブロック層５の構成が異なる２つの場合の、内部量子効率と電流密度との関係のシミュレーション結果を実線及び一点鎖線でそれぞれ表している。電子ブロック層５のアルミニウム組成比が発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加している構成を実施例として、実線で表している。また、電子ブロック層５のアルミニウム組成比が均一の構成を比較例として、一点鎖線で表している。

上記実施例におけるシミュレーションの条件は、以下のとおりである。
ｎ形半導体層３は、厚さが１００ｎｍであり、Ｓｉをドープしたキャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ形ＧａＮである。井戸層ＱＷｎは、厚さ２．５ｎｍのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎである。障壁層ＱＢｎは、厚さ１０ｎｍのＧａＮである。発光層４は、上記の井戸層ＱＷｎと障壁層ＱＢｎとを５組積層して構成される。ｎ形半導体層３と発光層４との間に、厚さ１ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎと、厚さ１ｎｍのＧａＮと、を２０組積層した超格子層が設けられている。電子ブロック層５は、厚さ１０ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．２）である。ｐ形半導体層６は、厚さが１００ｎｍであり、Ｍｇをドープしたキャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ形ＧａＮである。また、ｐ形半導体層６とｐ側電極７との間に、厚さ１００ｎｍのＩＴＯで構成された電流拡散層が設けられている。

図５に表したように、電子ブロック層５のアルミニウム組成比が発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加している実施例は、アルミニウム組成比が均一の比較例よりも内部量子効率が高くなっている。すなわち、高電流密度において内部量子効率が低下する傾向（Efficiency droop）はあるものの、実施例は、比較例よりも全体的に内部量子効率が高くなっている。

実施例においては、電子ブロック層５のアルミニウム組成比が、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加している。電子ブロック層５のバンドギャップＥｂは、発光層４側で狭く、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて広がり、ｐ形半導体層６側で最も広い構造になる（図５の実線）。その結果、電子ブロック層５のアルミニウム（Ａｌ）組成比が一定の場合（図５の一点鎖線）と比較して、電子に対するブロック性を損なうこと無く、正孔の発光層４への注入効率が向上したと考えられる。

なお、電子ブロック層５のアルミニウム組成比を発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加させたことにより、実効的（電気的な）な電子ブロック層５の膜厚が薄くなることも考えられる。例えば、発光層４に高電圧がかかる場合など、電子ブロック層５に到達する電子のエネルギーが高く、トンネル電流によるオーバーフロー電流が増加する可能性もある。しかし、この場合には、電子ブロック層５の膜厚を増加することで、電子に対するブロック性を確保し、かつ正孔の注入効率も維持することが可能と考えられる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、電子ブロック層５のアルミニウム組成比が、発光層４からｐ形半導体層６の方向に向けて増加している。その結果、電子に対するブロック性を損なうことなく、正孔の発光層４への注入効率を高めて発光効率を改善することが可能である。

また、ＡｌＮは、アクセプターの活性化エネルギーが大きいため、アクセプターが活性化し難く、正孔濃度が低くなる可能性がある。
本実施形態においては、電子ブロック層５としてアルミニウムの濃度が低い層を発光層４側に配置している。その結果、アクセプターを活性化しやすくし、発光層４近傍での正孔濃度を高めることができ、内部量子効率を向上させて発光効率を改善することができる。

またさらに、本実施形態においては、発光層４とｐ形半導体層６との間に、電子ブロック層５を、緩やかに組成を変化させて形成している。その結果、格子ミスマッチに起因した転位などの欠陥が生じにくく、内部量子効率を向上させて発光効率を改善することができる。

なお、本実施形態においては、電子ブロック層５がアルミニウムを含むＡｌＧａＮの構成を例示して説明したが、電子ブロック層５は、他の窒化物半導体やワイドバンドギャップ材料でも良い。

なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１ａ、１ｂ 半導体発光素子、 ２…基板、 ３…ｎ形半導体層、 ４…発光層、 ５…電子ブロック層、 ６…ｐ形半導体層、 ７…ｐ側電極、 ８…ｎ側電極、 ＱＢ１〜ＱＢ８、ＱＢｎ…井戸層、 ＱＷ１〜ＱＷ９、ＱＷｎ…障壁層

Claims (6)

1. ｎ形半導体層と、
   ｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む、発光層と、
   前記発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に増加するアルミニウム組成比を有する電子ブロック層と、
   を備えた半導体発光素子。
2. 前記電子ブロック層の前記発光層の側におけるアルミニウム組成比は、ゼロである請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記電子ブロック層のアルミニウム組成比は、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に直線的に増加する請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記電子ブロック層のアルミニウム組成比は、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に曲線的に増加する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記電子ブロック層のアルミニウム組成比は、前記発光層から前記ｐ形半導体層の方向に階段状に増加する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記電子ブロック層は、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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