JP6521750B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置は、低消費電力、小型化、高輝度、さらには広範囲な色再現性が期待される次世代の発光装置として注目され、活発に研究、開発が行われている。発光素子から発せられる一次光は、通常、長波長の紫外線から青色の範囲、すなわち380〜480nmのものが用いられる。そして、これらの発光素子と様々な蛍光体を用いた波長変換部とを組合せた発光装置が実現している。 Light emitting devices combining semiconductor light emitting elements and phosphors are attracting attention as next-generation light emitting devices that are expected to have low power consumption, small size, high brightness, and broad color reproducibility, and are actively researched and developed. It has been done. The primary light emitted from the light emitting element is generally in the range of long wavelength ultraviolet light to blue, that is, 380 to 480 nm. Then, a light emitting device is realized in which these light emitting elements are combined with wavelength conversion units using various phosphors.
特に、450nm前後に発光ピークを有する青色発光素子と蛍光体とを組合せた白色発光装置は、一般照明用途や液晶ディスプレイ(以下、LCD(Liquid Crystal Display))用バックライトなどに広く用いられている。 In particular, a white light emitting device in which a blue light emitting element having a light emission peak at around 450 nm and a phosphor are combined is widely used for general illumination applications and backlights for liquid crystal displays (LCDs (Liquid Crystal Display)). .
これらの白色LED発光装置には、より色再現性が良好でより変換効率(明るさ)の高いものや温度特性の良好なものが求められており、たとえば、EuaSibAlcOdNeなどのβ型SiAlONである2価のユーロピウム付活酸窒化物緑色系発光蛍光体と、(Ca,Eu)AlSiN3などの2価のユーロピウム付活窒化物赤色系発光蛍光体やK2(Si,Mn)F6などのマンガン付活フッ化物赤色系蛍光体とを組合せた白色発光装置を用いることにより、従来よりも色再現性が良好で変換効率(明るさ)が高く温度特性の良好な白色発光装置が実現されてきている(たとえば、特開2007−180483号公報(特許文献1)、国際公開第2009/110285号(特許文献2)など)。 These white LED light emitting devices are required to have better color reproducibility, higher conversion efficiency (brightness), and better temperature characteristics, for example, Eu a Si b Al c O d N divalent and europium-activated oxynitride green light emitting phosphor is a β-type SiAlON, such as e, (Ca, Eu) AlSiN 3 2 divalent europium activated nitride such as red light emitting phosphor and K 2 ( By using a white light emitting device combined with a manganese-activated fluoride red phosphor such as Si, Mn) F 6 etc., color reproducibility is better than before, conversion efficiency (brightness) is high and temperature characteristics are good White light emitting devices have been realized (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-180483 (Patent Document 1), International Publication No. 2009/110285 (Patent Document 2), etc.).
一方、上記蛍光体と組み合わせる発光素子としては、窒素を含むIII−V族化合物半導体材料からなる窒化物半導体発光素子が一般的に用いられる。窒素を含むIII−V族化合物半導体材料(以下、「窒化物半導体材料」と呼ぶ)は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有している。そのため、窒化物半導体材料は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子の材料や、その領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料などに有用である。 On the other hand, as a light emitting element to be combined with the above-mentioned phosphor, a nitride semiconductor light emitting element formed of a III-V group compound semiconductor material containing nitrogen is generally used. A nitrogen-containing III-V compound semiconductor material (hereinafter, referred to as "nitride semiconductor material") has a band gap corresponding to the energy of light having a wavelength in the infrared region to the ultraviolet region. Therefore, the nitride semiconductor material is useful as a material of a light emitting element that emits light having a wavelength in the infrared region to an ultraviolet region, a material of a light receiving element that receives light having a wavelength of that region, and the like.
上記の特性を有する窒化物半導体材料を用いた窒化物半導体発光素子においては、発光層に量子井戸構造が採用されることが一般的である。発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子に電圧が印加されると、発光層の量子井戸層において、電子とホールとが再結合されて光が発生する。量子井戸構造を有する発光層としては、単一量子井戸(Single Quantum Well:SQW)構造であってもよいが、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸(Multiple Quantum Well:MQW)構造とする場合が多い。 In a nitride semiconductor light emitting device using a nitride semiconductor material having the above characteristics, a quantum well structure is generally employed in the light emitting layer. When a voltage is applied to a nitride semiconductor light emitting device having a quantum well structure in the light emitting layer, electrons and holes are recombined in the quantum well layer of the light emitting layer to generate light. The light emitting layer having a quantum well structure may be a single quantum well (SQW) structure, but multiple quantum wells (quantum quantum well) in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked. MQW) In many cases.
発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子については、発光層のMQW構造を工夫することによって、所望の特性を得ようとする試みがいくつかなされている。たとえば、特開2007−142426号公報(特許文献3)には、互いに異なる波長光を放出する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子から発生される色分布のバラツキを活性層の配置と数で解決することを目的とした窒化物半導体発光素子が開示されている。特許文献3には、複数の活性層のうち短波長である活性層をp型窒化物層側に隣接するように配置し、さらにその量子井戸層数を長波長である活性層の数より少なくすることによって、互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができ、モノリシック白色発光素子を実現可能であると記載されている。
For nitride semiconductor light emitting devices in which a quantum well structure is adopted for the light emitting layer, several attempts have been made to obtain desired characteristics by devising the MQW structure of the light emitting layer. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-142426 (Patent Document 3) describes variations in color distribution generated from a nitride semiconductor light emitting device having a plurality of active layers emitting light of different wavelengths with respect to the arrangement and number of active layers. A nitride semiconductor light emitting device aimed at solving the problem is disclosed. In
従来の青色発光素子と緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体とを組合せた白色発光装置では、改善はされてきてはいるものの、さらなる色再現性や変換効率(明るさ)の向上が求められている。 In the white light emitting device combining the conventional blue light emitting element and the green light emitting phosphor / red light emitting phosphor, although improvement has been made, further improvement of color reproducibility and conversion efficiency (brightness) is required. It is done.
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、従来の緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体との組合せでも色再現性や変換効率(明るさ)を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is a nitride semiconductor capable of improving color reproducibility and conversion efficiency (brightness) even with a combination of conventional green light emitting phosphor / red light emitting phosphor It is providing a light emitting element.
本発明者らは、上記青色発光素子と緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体との組合せに、さらに該青色発光素子よりも発光波長が短く、紫外光または青紫色光を放射する発光素子を使用することで、発光装置への入力エネルギーを高くしなくても高い変換効率(明るさ)が得られることを見出した。 The inventors of the present invention have a combination of the blue light emitting element and the green light emitting phosphor / red light emitting phosphor, and a light emitting element which emits ultraviolet light or blue violet light with a shorter emission wavelength than the blue light emitting element. It has been found that, by using the above, high conversion efficiency (brightness) can be obtained without increasing the input energy to the light emitting device.
本発明の窒化物半導体発光素子は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、前記n型窒化物半導体層と前記p型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、前記多重量子井戸発光層は、前記p型窒化物半導体層に近い側から、第2発光層と、中間の井戸層と、第1発光層とを備え、前記第1発光層は、複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の間に設けられた第1バリア層とを備え、前記第2発光層は、複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の間に設けられた第2バリア層とを備え、前記第2量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、前記第1量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする。 The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention comprises an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a multiple quantum provided between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer. A well light emitting layer, wherein the multiple quantum well light emitting layer comprises a second light emitting layer, an intermediate well layer, and a first light emitting layer from the side close to the p-type nitride semiconductor layer; One light emitting layer includes a plurality of first quantum well layers, and a first barrier layer provided between the plurality of first quantum well layers, and the second light emitting layer includes a plurality of second quantum well layers. And a second barrier layer provided between the plurality of second quantum well layers, wherein the band gap energy of the second quantum well layer is larger than the band gap energy of the first quantum well layer. It is characterized by
本発明の窒化物半導体発光素子において、前記中間の井戸層のバンドギャップエネルギーは、前記第1量子井戸層のバンドギャップエネルギーと前記第2量子井戸層のバンドギャップエネルギーの間の値であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the band gap energy of the intermediate well layer is a value between the band gap energy of the first quantum well layer and the band gap energy of the second quantum well layer. preferable.
本発明の窒化物半導体発光素子において、前記中間の井戸層の層厚は、前記第1量子井戸層または前記第2量子井戸層の層厚より大きいことが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the layer thickness of the intermediate well layer is preferably larger than the layer thickness of the first quantum well layer or the second quantum well layer.
本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第2量子井戸層の層数は前記第1量子井戸層の層数より少ない、または、前記第2量子井戸層の層数は前記第1量子井戸層の層数より多いことが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the number of layers of the second quantum well layer is smaller than the number of layers of the first quantum well layer, or the number of layers of the second quantum well layer is the first quantum well layer. It is preferable that the number of layers is larger than the number of layers.
本発明の窒化物半導体発光素子において、発光スペクトルは、前記第1量子井戸層から発光される波長からの発光ピークと、前記第2量子井戸層から発光される波長からの発光ピークとを有することが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the emission spectrum has an emission peak from a wavelength emitted from the first quantum well layer and an emission peak from a wavelength emitted from the second quantum well layer. Is preferred.
本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第2量子井戸層の層厚は前記第1量子井戸層の層厚より小さいことが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the layer thickness of the second quantum well layer is preferably smaller than the layer thickness of the first quantum well layer.
本発明は、青色光を放射する第1発光層と、(近)紫外光を放射する第2発光層をモノリシックに備えた窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、色再現性や変換効率(明るさ)を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、本発明によれば、青色光を放射する第1発光層と、(近)紫外光を放射する第2発光層の間に中間の井戸層を備えることで、大電流駆動領域での光出力の落ち込みを低減することが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。 The present invention is a nitride semiconductor light emitting device monolithically provided with a first light emitting layer that emits blue light and a second light emitting layer that emits (near) ultraviolet light. With such a configuration, it is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of improving color reproducibility and conversion efficiency (brightness). Further, according to the present invention, the light in the large current drive region is provided by providing the intermediate well layer between the first light emitting layer that emits blue light and the second light emitting layer that emits (near) ultraviolet light. It is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of reducing the drop in output.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
また、本明細書中において、「バリア層」は量子井戸層に挟まれた層を指す。量子井戸層に挟まれていない層は「最初のバリア層」または「最後のバリア層」と表記し、量子井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。 Also, in the present specification, “barrier layer” refers to a layer sandwiched between quantum well layers. The layer not sandwiched by the quantum well layers is referred to as the “first barrier layer” or the “last barrier layer”, and the notation is changed to a layer sandwiched by the quantum well layers.
また、本明細書中において、「ドーパント濃度」という用語と、n型ドーパントまたはp型ドーパントのドープに伴い発生する電子およびホールの濃度である「キャリア濃度」という用語とを用いているが、その関係については後述する。 Further, in the present specification, the term "dopant concentration" and the term "carrier concentration" which is the concentration of electrons and holes generated with the doping of n-type dopant or p-type dopant are used. The relationship will be described later.
また、本明細書中において、「キャリアガス」とは、III族原料ガス、V族原料ガスおよびドーパント原料ガス以外のガスである。キャリアガスを構成する原子は窒化物半導体層などには取り込まれない。 Furthermore, in the present specification, the “carrier gas” is a gas other than the group III source gas, the group V source gas, and the dopant source gas. The atoms that constitute the carrier gas are not taken into the nitride semiconductor layer or the like.
また本明細書中において、「n型窒化物半導体層」は、その中に電子の流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のn型窒化物半導体層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。 Further, in the present specification, the “n-type nitride semiconductor layer” includes therein a low carrier concentration n-type nitride semiconductor layer or an undoped layer having a thickness that does not hinder the flow of electrons practically. It is also good.
また、本明細書中において、「p型窒化物半導体層」についても、ホールの流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のp型窒化物半導体層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。「実用上妨げない」とは窒化物半導体発光素子の動作電圧が実用的なレベルであることをいう。 In the present specification, the “p-type nitride semiconductor layer” also includes a low carrier concentration p-type nitride semiconductor layer or an undoped layer having a thickness that does not hinder the flow of holes in practice. Good. The phrase "does not hinder in practical use" means that the operating voltage of the nitride semiconductor light emitting device is at a practical level.
[窒化物半導体発光素子の構成]
図1に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光素子1の模式的な断面図を示す。図1に示す例の窒化物半導体発光素子1は、基板3と、基板3上に、順次設けられた、バッファ層5と、窒化物半導体下地層7と、n型コンタクト層8と、低温n型窒化物半導体層10(vピット発生層)と、窒化物半導体多層構造体120と、多重量子井戸発光層14と、3層のp型窒化物半導体層16,17,18とを備えている。
[Configuration of nitride semiconductor light emitting device]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor
p型窒化物半導体層18上には透明電極層23が設けられており、透明電極層23上にはp電極25が設けられている。また、エッチングにより露出したn型コンタクト層8の上面にAuなどからなるn電極21が備わり、n電極21の表面の一部およびp電極25の表面の一部を露出させるように、窒化物半導体発光素子の表面は透明絶縁保護膜27で覆われている。
A
[基板]
基板3としては、たとえば、サファイアなどの絶縁性基板、またはGaN、SiC若しくはZnOなどの導電性基板を用いることができる。基板3の厚さは特に限定されないが、窒化物半導体層の成長時における基板の厚さは、900μm以上1200μmであることが好ましく、窒化物半導体発光素子の使用時の基板の厚さは、50μm以上300μm以下であることが好ましい。
[substrate]
For example, an insulating substrate such as sapphire or a conductive substrate such as GaN, SiC or ZnO can be used as the
基板3の上面には、凸部3aおよび凹部3bが形成されてもよい。凸部および凹部の形状は特に限定されないが、凸部は、平面視において、略正三角形の頂点に配された略円形であることが好ましく隣り合う凸部の頂点の間隔は1μm以上5μm以下であることが好ましい。また、凸部の断面形状は台形状であってもよく、台形の頂点部が丸みを帯びた形状であることがより好ましい。
The
なお、基板3は、基板上への窒化物半導体層の成長後に除去されることによって、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板を有していない窒化物半導体発光素子としてもよい。
The nitride semiconductor light emitting device of the present invention may be a nitride semiconductor light emitting device having no substrate by removing the
[バッファ層]
バッファ層5としては、たとえばAls0Gat0Ou0N1−u0(0≦s0≦1、0≦t0≦1、0≦u0<1、s0+t0=1)からなる式で表わされる窒化物半導体層を用いることが好ましく、AlN層またはAlON層であることがより好ましい。
[Buffer layer]
The
ここで、バッファ層5を構成するAlON層としては、Nのごく一部(0.5原子%以上2原子%以下)が酸素に置き換えられていることが好ましい。この場合には、基板の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層が形成されるため、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層5を得ることができる。
Here, as the AlON layer constituting the
バッファ層5の厚さは、特に限定されないが、3nm以上100nm以下であることが好ましく、5nm以上50nm以下であることがより好ましい。
The thickness of the
後述する窒化物半導体下地層は公知のスパッタ法により形成されたAlON層を用いることにより結晶性が向上する。窒化物半導体下地層の結晶性は、X線ロッキングカーブの半値幅で確認できる。 The crystallinity of the nitride semiconductor base layer described later is improved by using an AlON layer formed by a known sputtering method. The crystallinity of the nitride semiconductor underlayer can be confirmed by the half width of the X-ray rocking curve.
[窒化物半導体下地層]
窒化物半導体下地層7は、たとえば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、バッファ層5の表面上に形成することができる。
[Nitride semiconductor underlayer]
The nitride
窒化物半導体下地層7としては、たとえば、Alx0Gay0Inz0N(0≦x0≦1、0≦y0≦1、0≦z0≦1、x0+y0+z0=1)の式で表わされるIII族窒化物半導体からなる層を用いることができる。
As the nitride semiconductor
窒化物半導体下地層7としては、柱状結晶の集合体からなるバッファ層中の転位などの結晶欠陥を引き継がないようにするために、III族元素としてGaを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。
As the
窒化物半導体下地層7としては、たとえば、n型ドーパントが1×1017個/cm3以上1×1019個/cm3以下の範囲でドーピングされていてもよい。しかしながら、良好な結晶性を維持する観点からは、窒化物半導体下地層7はアンドープであることが好ましい。
As nitride
窒化物半導体下地層7にドープされるn型ドーパントとしては、たとえば、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも1種などを用いることができる。中でも、n型ドーパントとしては、Siを用いることが好ましい。窒化物半導体下地層にドープされるn型ドーパントにSiを用いた場合には、n型ドーピングガスとしては、シランまたはジシランを用いることが好ましい。
For example, at least one selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn can be used as the n-type dopant doped into the nitride
窒化物半導体下地層7の層厚をできるだけ大きくすることによって、窒化物半導体下地層中の欠陥は減少するが、窒化物半導体下地層7の層厚をある程度以上大きくしたとしても窒化物半導体下地層における欠陥減少効果が飽和する。これにより、窒化物半導体下地層7の層厚は、1μm以上8μm以下であることが好ましく、3μm以上5μm以下であることがより好ましい。
By making the layer thickness of the nitride
[n型コンタクト層]
n型コンタクト層8としては、たとえば、Alx1Gay1Inz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦z1≦1、x1+y1+z1=1)の式で表わされるIII族窒化物半導体からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用いることができる。中でも、n型コンタクト層8としては、Alx2Ga1−x2N(0≦x2≦1、好ましくは0≦x2≦0.5、より好ましくは0≦x2≦0.1)層にn型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。
[N-type contact layer]
The n-type contact layer 8 is, for example, a group III nitride semiconductor represented by the formula Al x 1 Ga y 1 In z 1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 ≦ z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1). A layer doped with an n-type dopant can be used as the layer consisting of Among them, as the n-type contact layer 8, an n-type dopant may be used in the Al x 2 Ga 1-x 2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, preferably 0 ≦ x2 ≦ 0.5, more preferably 0 ≦ x2 ≦ 0.1) layer. It is more preferable to use a layer doped with
n型コンタクト層8にドープされるn型ドーパントは特に限定されないが、たとえば、Si、P、AsおよびSbからなる群から選択された少なくとも1種などを用いることができる。中でも、n型ドーパントとしては、Siを用いることが好ましい。同様のことが、後述する層にもいえる。n型コンタクト層のn型ドーパント濃度は、特に限定されないが、1×1019個/cm3以下であることが好ましい。 The n-type dopant to be doped into the n-type contact layer 8 is not particularly limited, and, for example, at least one selected from the group consisting of Si, P, As and Sb can be used. Among them, it is preferable to use Si as the n-type dopant. The same is true for the layers described below. The n-type dopant concentration of the n-type contact layer is not particularly limited, but is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or less.
n型コンタクト層8の層厚はできるだけ大きい方がn型コンタクト層の抵抗は減少する。一方、n型コンタクト層8の層厚を大きくした場合には窒化物半導体発光素子の製造コストの上昇を招く。両者の兼ね合いから、n型コンタクト層8の層厚は、1μm以上10μm以下であることが好ましいが、特に限定されない。 When the layer thickness of the n-type contact layer 8 is as large as possible, the resistance of the n-type contact layer decreases. On the other hand, when the layer thickness of the n-type contact layer 8 is increased, the manufacturing cost of the nitride semiconductor light emitting device is increased. Although it is preferable that the layer thickness of the n-type contact layer 8 is 1 micrometer or more and 10 micrometers or less from balance of both, it is not specifically limited.
なお、後述する実施例では、n型GaN層の成長を一旦中断させてから、同一のn型GaN層を再び成長させるという2つの成長工程によって、n型コンタクト層8を形成している。しかしながら、n型コンタクト層の形成方法およびその構成はこれに限定されるものではない。 In the embodiment to be described later, the n-type contact layer 8 is formed by two growth steps of temporarily interrupting the growth of the n-type GaN layer and then re-growing the same n-type GaN layer. However, the method of forming the n-type contact layer and the configuration thereof are not limited to this.
たとえば、n型コンタクト層8は、単層であってもよく、2層以上の複数層であってもよい。n型コンタクト層が複数層である場合には、それぞれの層が同一の組成からなっていてもよく、少なくとも1層が異なる組成であってもよい。n型コンタクト層が複数層である場合には、それぞれの層が同一の層厚であってもよく、少なくとも1層が異なる層厚であってもよい。 For example, the n-type contact layer 8 may be a single layer or a plurality of two or more layers. When the n-type contact layer is a plurality of layers, each layer may have the same composition, or at least one layer may have a different composition. When the n-type contact layer is a plurality of layers, each layer may have the same layer thickness, or at least one layer may have a different layer thickness.
[低温n型窒化物半導体層(Vピット発生層)]
低温n型窒化物半導体層10としては、たとえば、一般式Alx2Gay2Inz2N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)で表わされる窒化物半導体材料からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用いることができる。好ましくは、一般式Alx2Ga1−x2N(0≦x2≦1、好ましくは0≦x2≦0.3、より好ましくは0≦x2≦0.1)で表される窒化物半導体材料からなる層または一般式Inz2Ga1−z2N(0≦z2≦1、好ましくは0≦z2≦0.3、より好ましくは0≦z2≦0.1)で表される窒化物半導体材料からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用いる。
[Low temperature n-type nitride semiconductor layer (V pit generation layer)]
For example, a nitride represented by the general formula Al x 2 Ga y 2 In z 2 N (0 ≦ x 2 ≦ 1, 0 ≦
低温n型窒化物半導体層10のn型ドーパント濃度は、好ましくはn型コンタクト層のn型ドーパント濃度よりも低く、より好ましくは1×1019/cm3以下である。なお、低温n型窒化物半導体層はアンドープ層であっても良い。
The n-type dopant concentration of the low temperature n-type
低温n型窒化物半導体層10の層厚は特に限定されないが、50nm以上500nm以下であることが好ましい。
The layer thickness of the low temperature n-type
低温n型窒化物半導体層10は積層構造を有していてもよく、この場合、低温n型窒化物半導体層10のn型ドーパント濃度は、低温n型窒化物半導体層を構成する層のそれぞれに含まれるn型ドーパント量の合計を低温n型窒化物半導体層の体積で除することにより求められる。
The low temperature n-type
また、低温n型窒化物半導体層10はVピット構造の発生の開始点となる機能を有する。ここで「Vピット構造」とは、貫通転位に起因して発生し、低温n型窒化物半導体層の内部から発光層の上面(p型窒化物半導体層側に位置する発光層の面)へ向かって拡径する形状を有する結晶欠陥を意味する。このVピット構造は、低温n型窒化物半導体層と窒化物半導体多層構造体と、多重量子井戸層とに部分的に形成されている。
In addition, the low temperature n-type
[窒化物半導体多層構造体]
窒化物半導体多層構造体120は、たとえば一般式Alx4Gay4Inz4N(0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1、x4+y4+z4=1)とAlx5Gay5Inz5N(0≦x5≦1、0≦y5≦1、0≦z5≦1、x5+y5+z5=1)からなるバンドギャップエネルギーの異なる2つの層を繰り返し積層することで形成される。窒化物半導体多層構造の組成は多重量子井戸発光層14からの発光を吸収しない、つまり、多重量子井戸発光層14より高いバンドギャップエネルギーを取りうる材料ならいかなる組み合わせも許されるが、SiドープGaNからなるワイドバンドギャップ層とSiドープInGaNからなるナローバンドギャップ層を繰り返し積層した構造が多重量子井戸発光層14の結晶性が向上し、より好ましい。
[Nitride semiconductor multilayer structure]
Nitride
[多重量子井戸発光層]
図2に、本発明の窒化物半導体発光素子に好適に用いられる多重量子井戸発光層14のバンドギャップエネルギー図の一例を示す。図2の横軸は積層方向の層厚を示しており、左方向がp型窒化物半導体層に近い側を意味している。また、図の縦軸はバンドギャップエネルギーの大きさを示しており、上方向にバンドギャップエネルギーが大きいことを意味している。
[Multi-quantum well light emitting layer]
FIG. 2 shows an example of a band gap energy diagram of the multiple quantum well light emitting
図2に示す例では、多重量子井戸発光層14は、p型窒化物半導体層に近い側から、第2波長の発光層(第2発光層)142と、中間の井戸層14Mと、第1波長の発光層(第1発光層)141とを備えている。
In the example shown in FIG. 2, the multiple quantum well light emitting
第1発光層141は、複数の第1量子井戸層14W(14W1,14W2,14W3,14W4)と、複数の第1バリア層14A(14A1,14A2,14A3,14A4)が交互に積層されている。
In the first
第2発光層142は、複数の第2量子井戸層14V(14V1,14V2,14V3)と、複数の第2バリア層14B(14B1,14B2,14B3)が交互に積層される。
In the second
図2に示す例において、中間の井戸層14Mは第1バリア層14A4と第2バリア層14B1の間に積層される。
In the example shown in FIG. 2, the
窒化物半導体多層構造体120の直上、つまり第1量子井戸層14W1に接する層には、最初のバリア層14AZが設けられている。最もp型窒化物半導体層16側に位置する第2量子井戸層14V3の直上には最後のバリア層14B0が設けられている。
The first barrier layer 14AZ is provided immediately above the nitride
第1発光層141、第2発光層142、中間の井戸層14M、最初のバリア層14AZ、最後のバリア層14B0の材料は任意に設定できるが、たとえば、一般式AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で示される窒化物半導体からなる。各層のバンドギャップエネルギーはx、y、zの値を変えることで調整が可能で、たとえばGaNに対しIn濃度を高くすることでバンドギャップエネルギーは小さくなり、GaNに対しAl濃度を高くすることでバンドギャップエネルギーは大きくなる。
The material of the first
第2量子井戸層14V(14V1,14V2,14V3)と第1量子井戸層14W(14W1,14W2,14W3,14W4)のバンドギャップエネルギーについては、第2量子井戸層14Vのバンドギャップエネルギーが第1量子井戸層14Wのバンドギャップエネルギーより大きいことを条件に任意に設定できる。本発明の窒化物半導体発光素子1は、第2量子井戸層14Vのバンドギャップエネルギーが第1量子井戸層14Wのバンドギャップエネルギーよりも大きいことによって、第1量子井戸層14Wの発光波長より第2量子井戸層14Vの発光波長が短波長となり、第1量子井戸層14Wからの発光のうち、チップ上面、すなわちp型窒化物半導体層側への発光が第2量子井戸層で吸収されにくくなり、発光効率が向上する。また、p型窒化物半導体層に近い第2量子井戸層のエネルギーバンドギャップが大きいため、ホールがトラップされにくく、発光効率が向上する。
With regard to the band gap energies of the second quantum well layer 14V (14V1, 14V2, 14V3) and the first quantum well layer 14W (14W1, 14W2, 14W3, 14W4), the band gap energy of the second quantum well layer 14V is the first quantum. It can be arbitrarily set on condition that it is larger than the band gap energy of the well layer 14W. In the nitride semiconductor
本発明の窒化物半導体発光素子1において、中間の井戸層14Mのバンドギャップエネルギーについては任意に設定できるが、第2量子井戸層14Vのバンドギャップエネルギーと第1量子井戸層14Wのバンドギャップエネルギーとの間の値であることが好ましい。ここで、「間の値」とは、第2量子井戸層14Vと第1量子井戸層14Wのバンドギャップエネルギーの中間値であってもよいし、第2量子井戸層14V寄りの値であってもよいし、第1量子井戸層14Wの値であってもよい。本発明の窒化物半導体発光素子1においては、中間の井戸層14Mのバンドギャップエネルギーを第2量子井戸層14Vのバンドギャップエネルギーと第1量子井戸層14Wのバンドギャップエネルギー間の値とすることで、p型窒化物半導体層側から供給されるホールが第2量子井戸層14Vと第1量子井戸層14Wとの間にある中間の井戸層14Mでいったんトラップされ、このため中間の井戸層14Mからn型窒化物半導体層に近い側の井戸層に再びホールが拡散し易く、n型窒化物半導体層に近い側の井戸層での発光再結合が容易になり発光効率が向上する。
In the nitride semiconductor
本発明の窒化物半導体発光素子1において、中間の井戸層14Mの層厚は任意に設定できるが、第2量子井戸層14Vの層厚(総厚み(各層の厚みの総計)ではなく、第2量子井戸層の各層の厚み)より大きいことがより好ましい。この場合、複数の第2量子井戸層14V同士で層厚が異なる場合には、中間の井戸層14Mの層厚は、第2量子井戸層14Vの層厚のうちの最大値よりも大きいことが好ましい。中間の井戸層14Mの層厚を第2量子井戸層14Vより大くすることで、p型窒化物半導体層側から供給されるホールが第2量子井戸層14Vと第1量子井戸層14Wとの間にある層厚の大きな中間の井戸層14Mでいったんトラップされ、このため中間の井戸層14Mからn型窒化物半導体層に近い側の井戸層に再びホールが拡散し易く、n型窒化物半導体層に近い側の井戸層での発光再結合が容易になり発光効率が向上する。
In the nitride semiconductor
なお、図2に示す例では、第1量子井戸層14Wの層数を4つ(すなわち、第1量子井戸層14W1,14W2,14W3,14W4)、第2量子井戸層14Vの層数を3つ(すなわち、第2量子井戸層14V1,14V2,14V3)としているが、どちらの井戸層の層数も任意で設定でき、第1量子井戸層14Wの層数と第2量子井戸層14Vの層数とは同一であっても勿論よい。 In the example shown in FIG. 2, the number of first quantum well layers 14W is four (ie, the number of first quantum well layers 14W1, 14W2, 14W3, 14W4) and the number of second quantum well layers 14V are three. (Ie, the second quantum well layers 14V1, 14V2 and 14V3), but the number of layers in either well layer can be set arbitrarily, and the number of layers of the first quantum well layer 14W and the number of layers of the second quantum well layer 14V And may be identical.
第2量子井戸層14Vの層数が第1量子井戸層14Wの層数より少ない場合には、大電流駆動時において外部量子効率が向上するという利点がある。 When the number of layers of the second quantum well layer 14V is smaller than the number of layers of the first quantum well layer 14W, there is an advantage that the external quantum efficiency is improved at the time of large current driving.
一方、第2量子井戸層14Vの層数が第1量子井戸層14Wの層数より多い場合には、大電流駆動時において外部量子効率が期待できないが、第2波長の発光強度を向上できるという利点がある。 On the other hand, when the number of layers of the second quantum well layer 14V is larger than the number of layers of the first quantum well layer 14W, the external quantum efficiency can not be expected during large current driving, but the emission intensity of the second wavelength can be improved. There is an advantage.
また、第1量子井戸層14Wおよび第2量子井戸層14Vの層厚は任意で設定できるが、第2量子井戸層14Vの層厚(総厚み(各層の厚みの総計)ではなく、第2量子井戸層14Wの各層の厚み)は第1量子井戸層14Wの層厚(総厚み(各層の厚みの総計)ではなく、第1量子井戸層14Wの各層の厚み)より小さいほうがより好ましい。この場合、複数の第1量子井戸層14W同士、複数の第2量子井戸層14V同士で層厚が異なる場合には、第2量子井戸層14Vの層厚のうちの最大値が、第1量子井戸層14Wの層厚のうちの最小値よりも小さいことが好ましい。第2量子井戸層14Vより第1量子井戸層14WはIn濃度が大きいため、非発光再結合であるオージェ再結合の割合が高いことから、第1量子井戸層14Wの層厚を大きくすることでホールの注入効率が上がり好ましい。対して第2量子井戸層14VはIn濃度が低いため、オージェ再結合の割合が低く、層厚は小さくてもよい。第2量子井戸層14Vの層厚をさらに小さくすることで、電子とホールの波動関数のオーバーラップが向上し、発光再結合レートを向上させる効果も有する。 Although the layer thicknesses of the first quantum well layer 14W and the second quantum well layer 14V can be set arbitrarily, the layer thickness of the second quantum well layer 14V (not the total thickness (total thickness of layers) but the second quantum It is more preferable that the thickness of each layer of the well layer 14W be smaller than the layer thickness of the first quantum well layer 14W (not the total thickness (total of the thicknesses of the layers) but the thickness of each layer of the first quantum well layer 14W). In this case, when the layer thicknesses of the plurality of first quantum well layers 14W are different from each other and the plurality of second quantum well layers 14V are different from each other, the maximum value among the layer thicknesses of the second quantum well layers 14V is the first quantum It is preferable to be smaller than the minimum value of the layer thickness of the well layer 14W. Since the first quantum well layer 14W has a larger In concentration than the second quantum well layer 14V, the ratio of Auger recombination which is non-radiative recombination is high, so the layer thickness of the first quantum well layer 14W is increased. Hole injection efficiency is preferably high. On the other hand, since the second quantum well layer 14V has a low In concentration, the rate of Auger recombination may be low and the layer thickness may be small. By further reducing the layer thickness of the second quantum well layer 14V, the overlap of the wave function of electrons and holes is improved, and the light emission recombination rate is also improved.
中間の井戸層14Mでトラップされたホールは、主にn型窒化物半導体層に近い側の井戸層に再びホールが拡散し、第1発光層の第1量子井戸層で電子と発光再結合するため、本発明の窒化物半導体発光素子は、発光スペクトルが第1量子井戸層から発光される波長と、第2量子井戸層から発光される波長からの2つの発光ピークを有する。
The holes trapped in the
また中間の井戸層14Mでトラップされたホールの一部は中間の井戸層14Mで電子と発光再結合に至る場合もあるが、主たる発光とはならず、発光スペクトルをよりブロードにするか、第1量子井戸層14Wまたは第2量子井戸層14Vのうちエネルギーバンドギャップの近いどちらか一方または両方の発光強度を強くするので、発光スペクトルは第1量子井戸層14Wから発光される波長と、第2量子井戸層14Vから発光される波長からの2つの発光ピークを有する。
Although some of the holes trapped in the
[p型窒化物半導体層]
p型窒化物半導体層16,17,18としては、それぞれ独立に、たとえばAls4Gat4Inu4N(0≦s4≦1、0≦t4≦1、0≦u4≦1、s4+t4+u4=1)層にp型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましく、Als4Ga(1−s4)N(0<s4≦0.4、好ましくは0.1≦s4≦0.3)層にp型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。
[P-type nitride semiconductor layer]
The p-type
p型ドーパントとしては特に限定されないが、たとえばマグネシウムを用いることが好ましい。p型窒化物半導体層16,17,18におけるキャリア濃度は1×1017個/cm3以上であることが好ましい。p型ドーパントの活性率は、0.01程度であることから、p型窒化物半導体層16,17,18におけるp型ドーパント濃度(キャリア濃度とは異なる)は1×1019個/cm3以上であることが好ましい。ただし、p型窒化物半導体層16,17,18のうち、多重量子井戸発光層14側に位置するp型窒化物半導体層16におけるp型ドーパント濃度は1×1019個/cm3未満であることが好ましい。
The p-type dopant is not particularly limited, but it is preferable to use, for example, magnesium. The carrier concentration in the p-type nitride semiconductor layers 16, 17, 18 is preferably 1 × 10 17 / cm 3 or more. Since the activation rate of the p-type dopant is about 0.01, the p-type dopant concentration (different from the carrier concentration) in the p-type nitride semiconductor layers 16, 17, 18 is 1 × 10 19 / cm 3 or more Is preferred. However, the p-type dopant concentration in the p-type
p型窒化物半導体層16,17,18全体の層厚(各層厚の総計)は、特に限定されないが、50nm以上300nm以下であることが好ましい。p型窒化物半導体層16,17,18全体の層厚を小さくすることにより、p型窒化物半導体層16,17,18の成長時における加熱時間を短くすることができる。これにより、p型窒化物半導体層16,17,18におけるp型ドーパントの拡散を抑制することができる。
The layer thickness of the entire p-type
[n電極、透明電極、p電極]
n電極21およびp電極25は、窒化物半導体発光素子に駆動電力を供給するための電極である。図に示すように、n電極21およびp電極25は、パッド電極部分のみで構成されているが、たとえば電流拡散を目的とする細長い突出部(枝電極)などがn電極21および/またはp電極25に接続されていてもよい。
[N electrode, transparent electrode, p electrode]
The
また、p電極25よりも下に、電流がp電極25に注入されることを防止するための絶縁層が設けられていることが好ましい。これにより、p電極25に遮蔽される発光量が減少する。
In addition, an insulating layer for preventing current from being injected into the
n電極21は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましい。n電極21に、ワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、n電極21の厚さは1μm以上であることが好ましい。
For example, it is preferable that the n-
p電極25は、たとえば、ニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましく、n電極21と同一の材料から構成されていてもよい。p電極25にワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、p電極25の厚さは1μm以上であることが好ましい。
The
透明電極層23は、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)またはIZO(Indium Zinc Oxide)などの透明導電膜からなることが好ましく、20nm以上200nm以下の厚さを有していることが好ましい。
The
[キャリア濃度とドーパント濃度について]
キャリア濃度は電子またはホールの濃度を意味し、n型ドーパントの量またはp型ドーパントの量だけでは決定されない。このようなキャリア濃度は窒化物半導体発光素子の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥およびアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。
[About carrier concentration and dopant concentration]
The carrier concentration means the concentration of electrons or holes, and is not determined only by the amount of n-type dopant or the amount of p-type dopant. Such carrier concentration is calculated based on the result of voltage vs. capacitance characteristics of the nitride semiconductor light emitting device, and refers to the carrier concentration in the state where current is not injected, and ionized impurities, donors It is the sum of carriers generated from the crystallized crystal defects and the acceptor-crystal defects.
しかしながら、n型キャリア濃度は、n型ドーパントであるSiなどの活性化率が高いことから、n型ドーパント濃度とほぼ同じと考えることができる。また、n型ドーパント濃度はSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析計)にて深さ方向の濃度分布を測定することにより容易に求めることができる。さらに、ドーパント濃度の相対関係(比率)は、キャリア濃度の相対関係(比率)とほぼ同じである。これらのことから、本明細書中では、実際に測定の容易なドーパント濃度で定義している。そして、測定により得られたn型ドーパント濃度を厚さ方向に平均すれば、平均n型ドーパント濃度を得ることができる。 However, the n-type carrier concentration can be considered to be approximately the same as the n-type dopant concentration because the activation rate of Si or the like which is an n-type dopant is high. The n-type dopant concentration can be easily determined by measuring the concentration distribution in the depth direction with SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). Furthermore, the relative relationship (ratio) of the dopant concentration is substantially the same as the relative relationship (ratio) of the carrier concentration. From these facts, in the present specification, the dopant concentration which is actually easy to measure is defined. The average n-type dopant concentration can be obtained by averaging the n-type dopant concentrations obtained by the measurement in the thickness direction.
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail by way of the following examples, but the present invention is not limited thereto.
<実施例1>
まず、凸部と凹部とからなる凹凸形状が上面に形成されたサファイア基板3(直径が150mm)を準備した。凸部は、図1に示す凸部3aの断面形状を有しており、高さが0.6μm程度の円錐形の先端部を有し(円錐形の底部における円の直径は1.2μm)、各凸部は平面視において略三角形の頂点となる位置に設けられ、隣り合う頂点間隔は2μmであった。また、凹部は、図1に示す凹部3bの断面形状を有していた。
Example 1
First, a sapphire substrate 3 (with a diameter of 150 mm) was prepared, in which a concavo-convex shape including a convex portion and a concave portion was formed on the upper surface. The protrusion has a cross-sectional shape of the
凸部と凹部とが形成されたサファイア基板3の上面に対してRCA洗浄を行った。RCA洗浄後のサファイア基板3を、チャンバーに設置して加熱した。窒素を含むアルゴン雰囲気下でのAlターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、基板の上面に、AlN結晶からなるバッファ層5(厚さが25nm)を形成した。
RCA cleaning was performed on the upper surface of the
バッファ層5が形成されたサファイア基板3をMOCVD装置に入れ、サファイア基板3の温度を1000℃とした。MOCVD法により、バッファ層5の上面に、アンドープGaNからなる窒化物半導体下地層7を成長させ、その後、窒化物半導体下地層7の上面に、SiドープGaNからなるn型コンタクト層8を成長させた。窒化物半導体下地層7の層厚T1(図1参照、窒化物半導体下地層7の上面とサファイア基板3上面の凹部3b間の直線距離)は6μmであり、n型コンタクト層8の層厚T2(図1参照)は3μmであった。また、n型コンタクト層のn型ドーパント濃度は1×1019/cm3であった。
The
サファイア基板の温度を801℃に下げた後、n型コンタクト層8の上面に、SiドープGaNからなる低温n型窒化物半導体層10(Vピット発生層)(厚さが30nm)を成長させた。低温n型窒化物半導体層10(Vピット発生層)のn型不純物の濃度は9×1019/cm3であった。 After the temperature of the sapphire substrate was lowered to 801 ° C., a low temperature n-type nitride semiconductor layer 10 (V pit generation layer) (30 nm thick) made of Si-doped GaN was grown on the upper surface of the n-type contact layer 8 . The concentration of the n-type impurity in the low temperature n-type nitride semiconductor layer 10 (V pit generation layer) was 9 × 10 19 / cm 3 .
サファイア基板の温度を801℃に保持した状態で、窒化物半導体多層構造体120を成長させた。具体的には、SiドープGaNからなるワイドバンドギャップ層(厚さが1.55nm)とSiドープInGaNからなるナローバンドギャップ層(厚さが1.55nm)とを交互に20組、成長させた。窒化物半導体多層構造体120を構成するいずれの層においてもn型不純物の濃度は7×1018/cm3であった。ナローバンドギャップ層の組成はいずれにおいてもInyGa1−yN(y=0.04)であった。
The nitride
次に、サファイア基板の温度を769℃に下げ、図2に示したような構造を備える多重量子井戸発光層14を形成した。
Next, the temperature of the sapphire substrate was lowered to 769 ° C. to form a multiple quantum well light emitting
具体的には、まず、アンドープのInxGa(1−x)N(x=0.2)からなる井戸層(第1量子井戸層14W)を3.4nm積層し、アンドープのGaNからなるバリア層(第1バリア層14A)を4nm積層し、これを4回繰り返し積層することで、第1波長(450nm)の多重量子井戸構造(第1発光層141)とした。 Specifically, first, the well layer of undoped In x Ga (1-x) N (x = 0.2) (first quantum well layer 14W) was 3.4nm laminate, a barrier made of undoped GaN A layer (first barrier layer 14A) was stacked 4 nm, and this was repeated four times to form a multiple quantum well structure (first light emitting layer 141) of a first wavelength (450 nm).
次に、基板温度を781℃に上げ、アンドープのInzGa(1−z)Nからなる中間の井戸層14Mを5nm積層した。中間の井戸層14MのIn組成zは、第1波長(450nm)の多重量子井戸のPL発光波長が448nmとなるようにTMIの流量を調整して設定した。
Next, the substrate temperature was raised to 781 ° C., and an
次に基板温度を794℃まで昇温し、アンドープのInyGa(1−y)N(y=0.09)からなる井戸層(第2量子井戸層14V)を3.4nm積層し、アンドープのGaNからなるバリア層(第2バリア層14B)を4nm積層し、これを3回繰り返し積層することで、第2波長(405nm)の多重量子井戸構造(第2発光層142)とした。 Next, the substrate temperature is raised to 794 ° C., and a well layer (second quantum well layer 14 V) composed of undoped In y Ga (1-y) N (y = 0.09) is stacked to a thickness of 3.4 nm, and undoped The barrier layer (second barrier layer 14B) made of GaN is stacked 4 nm, and this is repeated three times to form a multiple quantum well structure (second light emitting layer 142) of the second wavelength (405 nm).
次に、発光層の上面(具体的には最上層の井戸層の上面)に、アンドープGaNからなるバリア層(最後のバリア層14B0)(厚さ7nm)を成長させた。サファイア基板の温度を1000℃に上げた後、最後のバリア層14B0の上面に、p型Al0.18Ga0.82N層(p型窒化物半導体層)16、p型GaN層(p型窒化物半導体層)17およびp型コンタクト層(p型窒化物半導体層)18を順に成長させた。
Next, a barrier layer (final barrier layer 14B0) (7 nm thick) made of undoped GaN was grown on the top surface of the light emitting layer (specifically, the top surface of the topmost well layer). After raising the temperature of the sapphire substrate to 1000 ° C., a p-type Al 0.18 Ga 0.82 N layer (p-type nitride semiconductor layer) 16 and a p-type GaN layer (p-type GaN layer) are formed on the top surface of the last barrier layer 14B0. A
n型コンタクト層の一部分が露出するように、p型コンタクト層18、p型GaN層17、p型Al0.18Ga0.82N層16、多重量子井戸発光層14、窒化物半導体多層構造体120、低温n型窒化物半導体層(Vピット発生層)10およびn型コンタクト層8をエッチングした。このエッチングにより露出したn型コンタクト層8の上面にAuなどからなるn電極21を形成した。また、p型コンタクト層18の上面に、ITOからなる透明電極層23とAuなどからなるp電極25とを順に形成した。透明電極層23と上記エッチングによって露出した各層の側面とを主に覆うように、SiO2からなる透明絶縁保護膜27を形成した。
The p-
次に、基板を190μm×990μmサイズのチップに分割した。これにより、実施例1の窒化物半導体発光素子1が得られた。
Next, the substrate was divided into chips of 190 μm × 990 μm in size. Thereby, the nitride semiconductor
(評価)
以上の方法により得られた窒化物半導体発光素子をTO−18型ステムにマウントし、樹脂による封止を行なうことなく窒化物半導体発光素子の発光スペクトルおよび光出力を測定した。図3に実施例1で作製された窒化物半導体発光素子のIF=20mA駆動時の発光スペクトルを示す。405nmと450nmの2波長での発光ピークが確認された。また、405nmと450nmのピーク強度比が16:84となった。
(Evaluation)
The nitride semiconductor light emitting device obtained by the above method was mounted on a TO-18 stem, and the emission spectrum and light output of the nitride semiconductor light emitting device were measured without sealing with a resin. FIG. 3 shows an emission spectrum of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1 when driven at IF = 20 mA. Emission peaks at two wavelengths of 405 nm and 450 nm were confirmed. Moreover, the peak intensity ratio of 405 nm and 450 nm became 16:84.
図4は、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子の外部量子効率(External quantum efficiency:EQE)と印加電流密度依存性を、比較例1と比較して示すグラフであり、縦軸はEQE、横軸は電流密度J(A/cm2)である。比較のため、第2波長を有しないアンドープのInxGa(1−x)N(x=0.2)井戸層と、アンドープのGaNからなるバリア層を8回繰り返し積層した比較例1のサンプルも作製した。 FIG. 4 is a graph showing the external quantum efficiency (EQE) and the applied current density dependency of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1 in comparison with Comparative Example 1, and the vertical axis represents EQE, horizontal axis is current density J (A / cm 2 ). For comparison, a sample of Comparative Example 1 in which an undoped In x Ga (1-x) N (x = 0.2) well layer having no second wavelength and a barrier layer composed of undoped GaN are repeatedly laminated eight times. Also made.
その結果、比較例1のサンプルと比較して10A/cm2未満におけるEQEは比較例1のサンプルより低くなるが、実用領域である10A/cm2以上におけるEQEが高くなり、大電流駆動領域での発光強度の落ち込み、いわゆるドループ現象が改善された。その詳細な原因は不明であるが、従来構造である比較例1のサンプルは大電流駆動時にp型窒化物半導体層側から供給されるホールがp型窒化物半導体層に近い井戸層では電子と発光再結合するものの、n型窒化物半導体層に近い井戸層にはホールが拡散されず発光に至らなかったと考えられる。これに対し、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子の構造は、p型窒化物半導体層に近い井戸層のエネルギーバンドギャップが大きいため、ホールがトラップされにくい。さらに、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子では、p型窒化物半導体層側から供給されるホールが第2波長(405nm)の多重量子井戸構造と第1波長(450nm)の多重量子井戸構造の間にある層厚の大きな中間の井戸層でいったんトラップされる構造となっている。このため中間の井戸層からn型窒化物半導体層に近い側の井戸層に再びホールが拡散し易く、n型窒化物半導体層に近い側の井戸層での発光再結合が容易になり発光効率が向上すると考えられる。 As a result, although the EQE at less than 10 A / cm 2 is lower than the sample of Comparative Example 1 compared to the sample of Comparative Example 1, the EQE at 10 A / cm 2 or more, which is a practical area, becomes high, and a large current drive area The so-called droop phenomenon has been improved. Although the detailed cause is unknown, in the sample of Comparative Example 1 which is the conventional structure, the holes supplied from the p-type nitride semiconductor layer side at the time of large current driving are electrons and electrons in the well layer near the p-type nitride semiconductor layer. It is considered that although light emission is recombined, holes are not diffused in the well layer near the n-type nitride semiconductor layer and light emission does not occur. On the other hand, in the structure of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1, since the energy band gap of the well layer close to the p-type nitride semiconductor layer is large, holes are hardly trapped. Furthermore, in the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1, the holes supplied from the p-type nitride semiconductor layer side have a multiple quantum well structure of the second wavelength (405 nm) and a multiple quantum of the first wavelength (450 nm). The structure is to be trapped once in the middle well layer with a large layer thickness between the well structures. Therefore, holes are easily diffused again from the intermediate well layer to the well layer on the side closer to the n-type nitride semiconductor layer, and the light emission recombination in the well layer on the side closer to the n-type nitride semiconductor layer is facilitated, and the light emission efficiency is increased. Is considered to improve.
また、多重量子井戸発光層を、p型窒化物半導体層に近い側から、第1量子井戸層(450nm)が1層、第2量子井戸層(405nm)が7回繰り返された井戸構造とし、その他は実施例1と同じ構造となる比較例2のサンプルを作製し(比較例2のサンプルにおける多重量子井戸発光層におけるバンドギャップエネルギー図は図5を参照)、同様に発光効率を確認した。図6は、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子の外部量子効率と印加電流密度依存性を比較例2と比較して示すグラフであり、縦軸はEQE、横軸は電流密度J(A/cm2)である。図6に示されるように、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子において、比較例2のサンプルと比較して、低電流密度の領域および大電流密度の領域の両方でEQEの向上が確認できた。 The multiple quantum well light emitting layer has a well structure in which the first quantum well layer (450 nm) is one layer and the second quantum well layer (405 nm) is repeated seven times from the side close to the p-type nitride semiconductor layer, A sample of Comparative Example 2 having the same structure as that of Example 1 was produced (the band gap energy diagram of the multiple quantum well light emitting layer in the sample of Comparative Example 2 is as shown in FIG. 5), and the light emission efficiency was similarly confirmed. FIG. 6 is a graph showing the external quantum efficiency and applied current density dependency of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1 in comparison with Comparative Example 2, and the vertical axis is EQE and the horizontal axis is current density J. (A / cm 2 ). As shown in FIG. 6, in the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1, compared to the sample of Comparative Example 2, EQE improvement is improved in both the low current density region and the high current density region. It could be confirmed.
また図7は、実施例1で作製された窒化物半導体発光素子の電流密度13.4A/cm2での発光スペクトルであり、縦軸は光出力(a.u.)、横軸は波長(nm)である。実施例1で作製された窒化物半導体発光素子では、電流密度=13.4A/cm2において、発光スペクトルを確認すると405nmと450nmのピーク強度比が3:7となり(近)紫外光の強度が強くなることで緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体との組合せても、さらに高い変換効率(明るさ)が得られることを確認した。 FIG. 7 is an emission spectrum at a current density of 13.4 A / cm 2 of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1. The vertical axis represents light output (au), and the horizontal axis represents wavelength (A) nm). In the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1, the peak intensity ratio of 405 nm to 450 nm is 3: 7 when the emission spectrum is confirmed at a current density of 13.4 A / cm 2 , and the intensity of (near) ultraviolet light is It was confirmed that even when combined with a green light emitting phosphor / red light emitting phosphor, a higher conversion efficiency (brightness) could be obtained.
<実施例2>
図8は、実施例2で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。実施例2では、第2波長(405nm)の多重量子井戸構造中の井戸層(第2量子井戸層)の層厚が2nmとなっている以外は実施例1と同様とした。
Example 2
FIG. 8 is a band gap energy diagram showing a multiple quantum well structure in the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 2. Example 2 was the same as Example 1 except that the layer thickness of the well layer (second quantum well layer) in the multiple quantum well structure of the second wavelength (405 nm) was 2 nm.
(評価)
実施例2で作製された窒化物半導体発光素子について、実施例1で行なったのと同様にして、発光スペクトルと光出力を評価した。図9は、実施例2で作製した窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図であり、縦軸は強度(a.u.)、横軸は波長(nm)である。結果、実施例1で作製した窒化物半導体発光素子と比較して、電流密度=13.4A/cm2における405nmのピーク強度が増加し、405nmと450nmのピーク強度比が4:6となり、(近)紫外光の強度が強くなることで緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体との組合せても、さらに高い変換効率(明るさ)が得られることを確認した。また図10は、実施例2で作製した窒化物半導体発光素子の外部量子効率と印加電流密度依存性を比較例2と比較して示すグラフであり、縦軸はEQE、横軸は電流密度J(A/cm2)である。実施例2で作製した窒化物半導体発光素子は、比較例2のサンプルと比較して、また、実施例1で作製した窒化物半導体発光素子と比較しても、全ての電流密度領域でEQEが改善された。
(Evaluation)
The emission spectrum and light output of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 2 were evaluated in the same manner as in Example 1. FIG. 9 is a diagram showing the emission spectrum of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 2, where the vertical axis is intensity (au) and the horizontal axis is wavelength (nm). As a result, compared to the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1, the peak intensity at 405 nm at current density = 13.4 A / cm 2 increases, and the peak intensity ratio between 405 nm and 450 nm becomes 4: 6 ( It was confirmed that, even when the combination of the green light emitting phosphor and the red light emitting phosphor is obtained, the higher conversion efficiency (brightness) can be obtained because the intensity of the near ultraviolet light is increased. FIG. 10 is a graph showing the external quantum efficiency and applied current density dependency of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 2 in comparison with Comparative Example 2, and the vertical axis is EQE and the horizontal axis is current density J. (A / cm 2 ). The nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 2 has EQE in all current density regions as compared with the sample of Comparative Example 2 and in comparison with the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 1. Improved.
<実施例3>
図11は、実施例3で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。実施例3では、第2波長(405nm)の多重量子井戸構造中の井戸層(第2量子井戸層)の層数を5層とし、第1波長(450nm)の多重量子井戸構造中の井戸層(第1量子井戸層)の層数を2層とした以外は実施例1と同様とした。
Example 3
FIG. 11 is a band gap energy diagram showing a multiple quantum well structure in the nitride semiconductor light emitting device produced in Example 3. In the third embodiment, the number of well layers (second quantum well layer) in the multiple quantum well structure of the second wavelength (405 nm) is five, and the well layer in the multiple quantum well structure of the first wavelength (450 nm). The same as Example 1 except that the number of layers (first quantum well layer) was changed to two.
(評価)
実施例3で作製された窒化物半導体発光素子について、実施例1で行なったのと同様にして、発光スペクトルと光出力を評価した。図12は、実施例3で作製した窒化物半導体発光素子の外部量子効率と印加電流密度依存性を比較例2と比較して示すグラフであり、縦軸はEQE、横軸は電流密度J(A/cm2)である。また図13は、実施例3で作製した窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図であり、縦軸は強度(a.u.)、横軸は波長(nm)である。実施例1において確認されたEQEの改善が得られなかったものの、電流密度=13.4A/cm2における405nmのピーク強度が増加し、405nmと450nmのピーク強度比が3:7となり、第2量子井戸層の層数が第1量子井戸層の層数より多くても第2波長のピーク強度比が大きくなり、(近)紫外光の強度が強くなることで緑色系発光蛍光体/赤色系発光蛍光体との組合せても、さらに高い変換効率(明るさ)が得られることを確認できた。
(Evaluation)
The emission spectrum and the light output of the nitride semiconductor light emitting device produced in Example 3 were evaluated in the same manner as in Example 1. FIG. 12 is a graph showing the external quantum efficiency and applied current density dependency of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 3 in comparison with Comparative Example 2, and the vertical axis is EQE and the horizontal axis is current density J ( A / cm 2 ). FIG. 13 is a diagram showing the emission spectrum of the nitride semiconductor light emitting device manufactured in Example 3, where the vertical axis is intensity (au) and the horizontal axis is wavelength (nm). Although the improvement of EQE confirmed in Example 1 was not obtained, the peak intensity of 405 nm at current density = 13.4 A / cm 2 is increased, and the peak intensity ratio of 405 nm and 450 nm is 3: 7. Even if the number of layers in the quantum well layer is larger than the number of layers in the first quantum well layer, the peak intensity ratio of the second wavelength becomes large, and the intensity of (near) ultraviolet light becomes strong. It has been confirmed that even higher conversion efficiency (brightness) can be obtained even in combination with the light emitting phosphor.
1 窒化物半導体発光素子、3 基板、5 バッファ層、7 窒化物半導体下地層、8 n型コンタクト層、10 低温n型窒化物半導体層、14 多重量子井戸発光層、16 p型窒化物半導体層、17 p型窒化物半導体層、18 p型窒化物半導体層、23 透明電極層、25 p電極、27 透明絶縁保護膜、120 窒化物半導体多層構造体。
Claims (7)
p型窒化物半導体層と、
前記n型窒化物半導体層と前記p型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、
前記多重量子井戸発光層は、前記p型窒化物半導体層に近い側から、第2発光層と、中間の井戸層と、第1発光層とを備え、
前記第1発光層は、複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の間に設けられた第1バリア層とを備え、
前記第2発光層は、複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の間に設けられた第2バリア層とを備え、
第1発光層と第2発光層の間に中間の井戸層があり、そのバンドギャップエネルギーは第2量子井戸層のバンドギャップエネルギーと第1量子井戸層のバンドギャップエネルギーとの間の値をとり、
前記第2量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、前記第1量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きい、窒化物半導体発光素子。 an n-type nitride semiconductor layer,
a p-type nitride semiconductor layer,
A multiple quantum well light emitting layer provided between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer,
The multiple quantum well light emitting layer includes a second light emitting layer, an intermediate well layer, and a first light emitting layer from the side close to the p-type nitride semiconductor layer,
The first light emitting layer includes a plurality of first quantum well layers, and a first barrier layer provided between the plurality of first quantum well layers.
The second light emitting layer includes a plurality of second quantum well layers, and a second barrier layer provided between the plurality of second quantum well layers.
There is an intermediate well layer between the first light emitting layer and the second light emitting layer, and the band gap energy takes a value between the band gap energy of the second quantum well layer and the band gap energy of the first quantum well layer. ,
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the band gap energy of the second quantum well layer is larger than the band gap energy of the first quantum well layer.
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