JP2014209549A - Led素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 LED素子1は、支持基板11上に窒化物半導体層をc軸成長させてなる素子であり、n型窒化物半導体で構成される第1半導体層15と、Siドープ濃度が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下のn−Alx1Gax2Inx3N(0<x1<1,0<x2<1,0≦x3≦0.05,x1+x2+x3=1)で構成される第2半導体層3及び膜厚が10nm以上、25nm以下のInyGa1−yNで構成される第3半導体層4の積層構造で形成されたヘテロ構造体2と、p型窒化物半導体で構成される第4半導体層19を有し、ピーク発光波長が362nm以上、395nm以下である。
【選択図】 図1
Description
前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
前記アンドープ層の上層に形成され、n型窒化物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層の上層に、Siドープ濃度が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下のn−Alx1Gax2Inx3N(0<x1<1,0<x2<1,0≦x3≦0.05,x1+x2+x3=1)で構成される第2半導体層と、膜厚が10nm以上、25nm以下のInyGa1−yNで構成される第3半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
前記ヘテロ構造体の上層に形成され、p型窒化物半導体で構成される第4半導体層を備え、
ピーク発光波長が362nm以上、395nm以下であることを特徴とする。
前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に、前記第4半導体層が形成される構成としても構わない。
図1は、本発明のLED素子1の構造を示す概略断面図である。なお、図14に示すLED素子90と同一の構成要素については、同一の符号を付している。また、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
支持基板11は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Si,SiC,GaN,YAGなどで構成しても構わない。
アンドープ層13は、GaNにて形成される。より具体的には、GaNよりなる低温バッファ層と、その上層にGaNよりなる下地層によって形成される。
n型クラッド層15は、n−AlnGa1−nN(0≦n≦1)で構成される。なお、アンドープ層13に接触する領域にn−GaNで構成される層(保護層)を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Si,Ge,S,Se,Sn,Teなどのn型不純物がドープされており、特にSiがドープされているのが好ましい。
p型クラッド層19は、例えばp−AlcGa1−cN(0≦c≦1)で構成され、Mg,Be,Zn,Cなどのp型不純物がドープされている。本実施形態では、一例としてp型クラッド層19をp−Al0.3Ga0.7Nとp−Al0.07Ga0.93Nの積層構造で形成している。なお、p型コンタクト層21に接触する領域にGaNで構成される層(保護層)を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Mg,Be,Zn,Cなどのp型不純物がドープされている。
p型コンタクト層21は、例えばp−GaNで構成される。特にMg,Be,Zn,Cなどのp型不純物が高濃度にドープされてp+−GaN層で構成される。
上述したように、ヘテロ構造体2は、n−Alx1Gax2Inx3N層3とInyGa1−yN層4の積層構造によって形成される。
図2に示すように、LED素子1は、ヘテロ構造体2を複数周期繰り返してなる多層構造部2Aを備えた構成としても構わない。このとき、LED素子1は、多層構造部2Aの最上層に位置するInyGa1−yN層4の上層に、p型クラッド層19及びp型コンタクト層21を備える構成である。また、この場合においても、多層構造部2Aの最上層に位置するInyGa1−yN層4とp型クラッド層19の間に、必要に応じてラストバリア層を有するものとして構わない(不図示)。
以下、上記構成のヘテロ構造体2を備えたことで、LED素子1が従来のLED素子90よりも発光効率が向上することにつき、実施例を参照して説明する。なお、以下の説明では、第2半導体層に含まれるIn組成を0%であるものとして(x3=0)説明するが、Inを5%以内の範囲で含む第2半導体層であっても同様の議論が可能である。このとき、第2半導体層を適宜、「n−AlxGa1−xN層3」と記載するが、これは、第2半導体層がn−Alx1Gax2Inx3N(0<x1<1,0<x2<1,0≦x3≦0.05,x1+x2+x3=1)で構成される場合におけるx3=0のときと等価である。
図4は、ヘテロ構造体2を構成するInyGa1−yN層4のIn組成、すなわちy値を変化させたときの、LED素子1のピーク発光波長と光出力の関係を示すグラフである。ここでは、LED素子1として、n型クラッド層15の上層に膜厚15nmのInyGa1−yN層4を形成し、InyGa1−yN層4の上層に膜厚20nmのn−AlxGa1−xN層3を形成してなるヘテロ構造体2を5周期繰り返した構成を採用した(図3参照)。また、比較のため、ヘテロ構造体2を設けていない従来のLED素子90のデータも載せている。上述したように、このLED素子90としては、膜厚2nmのInGaNと膜厚5nmのAlGaNが交互に5周期積層されてなる活性層17を有する構成とした。
上述したように、InGaN層4がほぼ平坦なバンド領域42を形成することから、電子を蓄積する能力を高める意味において、InGaN層4の膜厚を大きくするのが好ましいといえる。しかし、GaNとInGaNの格子定数の差に起因して、InGaN層4の膜厚をあまりに大きくすると、格子緩和が生じ、バンドベンディング領域41及びほぼ平坦なバンド領域42に電子を十分に蓄積させることができなくなる。
図9は、ヘテロ構造体2を構成するAlGaN層3のSiドープ濃度を変化させたときの、LED素子1を流れる電流と、LED素子1から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、InGaN層4としては、ピーク発光波長が365nm(362nm以上395nm以下の範囲内の値)となるようにIn比率を設定し、膜厚を15nm(10nm以上25nm以下の範囲内の値)とした。
次に、本発明のLED素子1の製造方法の一例につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。また、以下に示す製造法例は、図1に示すLED素子に関するものである。
まず、支持基板11上に、アンドープ層13を形成する。例えば、以下の工程により行われる。
支持基板11としてサファイア基板を用いる場合、c面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
次に、支持基板11(c面サファイア基板)の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層13に対応する。
次に、アンドープ層13の上層に、n−AlnGa1−nN(0<n≦1)で構成されるn型クラッド層15を形成する。
次に、n型クラッド層15の上層に、n−AlxGa1−xN層3とInyGa1−yN層4からなるヘテロ構造体2を形成する。
次に、ヘテロ構造体2(ヘテロ構造体2を複数周期有する場合は、最上層に位置するヘテロ構造体2)の上層に、p−AlcGa1−cN(0≦c≦1)で構成されるp型クラッド層19を形成し、更にその上層に高濃度のp型コンタクト層21を形成する。
次に、ステップS1〜S4を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
上述した実施形態では、第2半導体層としてIn組成0%のn−AlxGa1−xN層3で構成されるものとして説明したが、5%以下の範囲内の組成でInが添加されてなるn−Alx1Gax2Inx3N(0<x1<1,0<x2<1,0≦x3≦0.05,x1+x2+x3=1)で構成されていても構わない。図13は、第2半導体層に含まれるIn組成を異ならせて作製したLED素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。図13の縦軸が示す光出力の値は、Inを含まないn−AlxGa1−xN層によって第2半導体層を形成したLED素子に対して0.1Aを供給したときの光出力に対する相対値で規定している。
2 : ヘテロ構造体
2A : 多層構造部
3 : n−AlxGa1−xN層(n−Alx1Gax2Inx3N層)
4 : InyGa1−yN層
11 : 支持基板
13 : アンドープ層
15 : n型クラッド層
17 : 活性層
19 : p型クラッド層
21 : p型コンタクト層
30 : 伝導帯
31 : 価電子帯
32 : InGaNのフェルミ準位
33 : AlGaNのフェルミ準位
41 : AlGaNとInGaNの界面に形成されるバンドベンディング領域
42 : InGaNが形成するほぼ平坦なバンド領域
81 : 引張応力
90 : LED素子
Claims (2)
- 支持基板上に窒化物半導体層をc軸成長させてなるLED素子であって、
前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
前記アンドープ層の上層に形成され、n型窒化物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層の上層に、Siドープ濃度が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下のn−Alx1Gax2Inx3N(0<x1<1,0<x2<1,0≦x3≦0.05,x1+x2+x3=1)で構成される第2半導体層と、膜厚が10nm以上、25nm以下のInyGa1−yNで構成される第3半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
前記ヘテロ構造体の上層に形成され、p型窒化物半導体で構成される第4半導体層を備え、
ピーク発光波長が362nm以上、395nm以下であることを特徴とするLED素子。 - 前記ヘテロ構造体を複数周期繰り返してなる多層構造部を有し、
前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に前記第4半導体層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のLED素子。
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