JP2009049416A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型２０２及びｐ型窒化物半導体層２０５と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層２０３ａと一つ以上の量子井戸層２０３ｂが交互に積層された構造を有する活性層２０３と、上記活性層と上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層２０４とを含み、上記電子遮断層は上記複数の量子障壁層のうち隣接する量子障壁層と比較してバンドギャップエネルギーは大きく、正味分極電荷量は小さいか同じであることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。量子障壁層と電子遮断層の正味分極電荷量の差を最少化することにより、全ての電流領域で高い効率が得られる窒化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、より詳しくは、高電流印加時の発光効率の減少を最少化した窒化物半導体発光素子に関する。

半導体発光素子（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は電流が加わるとｐ、ｎ型半導体の接合部分で電子と正孔の再結合により、様々な色の光を発生させることが出来る半導体装置である。このようなＬＥＤはフィラメントに基づいた発光素子に比べて長い寿命、低い電源、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗及び反復的な電源断続に対する高い公差などの種々の長所を有するため、その需要が増加し続けている。特に、最近は、青色系列の短波長領域の光を発光することが出来るＩＩＩ族窒化物半導体が脚光を浴びている。

このようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、正孔に比べて移動度が高い電子が、正孔と結合せずｐ型半導体層に進行する場合が発生し、これによって、図１に図示された通り、注入される電流の大きさが増加するほど漏れる電流の量が増える、いわゆる、電子のオーバーフローイングの問題がある。図１は従来の技術による窒化物半導体発光素子において注入電流による漏れ電流の変化を表したものである。

このような漏れ電流の発生は量子効率の低下をもたらし、最近の照明装置のように高電流でＬＥＤを使用しようとする試みが増加する傾向にあるためさらに問題となっているが、これを解決するための完全な方案はまだ提示されていない。従って、当技術分野では全ての電流領域、特に、高電流でも量子効率が高く照明装置などに使用できる高効率の窒化物半導体発光素子が求められる。

本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の一目的は量子障壁層と電子遮断層の正味分極電荷量の差を最少化することにより、高い効率を得ることが出来る窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明の一実施形態は、
ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層と、上記活性層と上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層とを含み、上記電子遮断層は上記複数の量子障壁層のうち隣接した量子障壁層と比較してバンドギャップエネルギーは大きく、正味分極電荷量は小さいか同じであることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

この場合、上記電子遮断層の正味分極電荷量はＧａＮより小さいか同じで、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）より大きいことが出来る。さらに、上記電子遮断層はＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）と同じ大きさのバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。

好ましくは、上記電子遮断層は、上記複数の量子障壁層のうち隣接した量子障壁層と正味分極電荷量が同じであることが出来る。

また、上記電子遮断層と上記電子遮断層に隣接した上記量子障壁層との界面で正味分極電荷量の差はＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）の正味分極電荷量の差より小さいことができ、さらに、上記電子遮断層と上記電子遮断層に隣接した上記量子障壁層との界面で正味分極電荷量の差はＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことが出来る。

一方、上記ｎ型窒化物半導体層に接して形成された成長用基板をさらに含み、上記ｎ型窒化物半導体層は上記基板の極性面上に形成されることが好ましい。具体的に、上記ｎ型窒化物半導体層はサファイア基板のＣ（０００１）面上に形成されることが出来る。

本発明の他の実施形態の場合、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層と、上記活性層と上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層とを含み、上記電子遮断層は伝導帯域のエネルギー準位が一定であることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によると、量子障壁層と電子遮断層の正味分極電荷量の差を最少化することにより、高い効率が得られる窒化物半導体発光素子を得ることが出来る。また、電子遮断層のエネルギー準位がベンディングされる程度を低減 させることにより、高効率の窒化物半導体発光素子を得ることも出来る。

以下、添付の図面を参照に本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態により限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同じ符号で表される要素は同じ要素である。

図２（ａ）は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）において活性層の領域を拡大して表したものである。図２を参照すると、本実施形態による窒化物半導体発光素子２００は、基板２０１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、電子遮断層２０４及びｐ型窒化物半導体層２０５を備えて構成され、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２、２０３の所定の領域にはそれぞれｎ型及びｐ型電極２０６ａ、２０６ｂが形成されている。

上記基板２０１は窒化物半導体層の成長のため提供されるもので、サファイア基板を使用することが出来る。サファイア基板は六角−ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体で、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åで、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。この場合、上記Ｃ面は比較的窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使われる。

但し、上記Ｃ面は、極性面として上記Ｃ面で成長された窒化物半導体層は窒化物半導体固有のイオン結合（ｉｏｎｉｃｉｔｙ）特性と構造的非対称性（格子定数ａ≠ｃ）により自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有することとなり、格子定数が異なる窒化物半導体が連続して積層される場合、半導体層に形成された変形（ｓｔｒａｉｎ）により圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が発生する。この場合、２種類の分極の和を正味分極（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）という。このような正味分極により各界面に正味分極電荷（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｅ）が形成され、これによりエネルギー準位がベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）される。このような分極電荷による影響を減らし発光効率を向上させる技術は下に詳しく説明する。窒化物半導体成長用基板２００としてサファイア基板の代わりにＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮなどからなる基板も使用できる。

一方、本実施形態では窒化物半導体成長用基板２０１が含まれた水平構造の窒化物半導体発光素子を基準として説明したが、本発明は上記基板２０１が除去され電極が窒化物半導体層の積層方向に相互向い合うよう配置された垂直構造窒化物半導体発光素子にも適用できる。

上記ｎ型窒化物半導体層２０２及びｐ型窒化物半導体層２０５は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し、それぞれｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質からなり、代表的に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅまたはＣなどが使用でき、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢｅなどが代表的である。上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２、２０５は窒化物半導体層の成長に関して公知の工程を利用することができ、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）などがこれに該当する。

上記活性層２０３は図２（ｂ）に図示された通り、電子と正孔が再結合して発光するよう量子障壁層２０３ａと量子井戸層２０３ｂが交互に繰り返し積層された構造を有する。この場合、上記量子障壁層２０３ａはＧａＮからなり、上記量子井戸層２０３ｂはＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなることが出来る。上記電子遮断層２０４は上記活性層２０３と上記ｐ型窒化物半導体層２０５の間に形成され、量子障壁層２０３ａに比べて高いバンドギャップエネルギーを有する。これにより、上記電子遮断層２０４は電子が上記ｐ型窒化物半導体層２０５にオーバーフローイングされないようにする。

本実施形態の場合、上記電子遮断層２０４は、隣接した上記量子障壁層２０３ａとの正味分極電荷量の差が一般の量子障壁層／電子遮断層の構造に比べて小さいことを特徴とする。

従って、従来の構造、例えば、ＧａＮ量子障壁層とＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ電子遮断層の構造より界面での正味分極電荷量の差を小さくすると、電子漏れ電流が減少し、これにより電子遮断層のエネルギー準位の傾斜が減少して後述のように、駆動電圧及び電子漏れ電流は低下する反面、発光効率は向上することが出来る。

以下、本実施形態により量子障壁層と電子遮断層の正味分極電荷量の差を減らす方法と、これによる効果を説明する。図３はＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体でＡｌ（ｘ）とＩｎ（ｙ）の組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。この場合、バンドギャップエネルギーが同じ組成は点線で、正味分極電荷量が同じ組成は実線で表示されている。図５のグラフは、３００Ｋ温度でＧａＮ層上に成長されたＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量を決定した後、各元素の格子定数及びボーイングパラメータ（ｂｏｗｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を考えた計算により導き出されたものである。

図３を参照すると、ＡｌＩｎＧａＮ半導体はＡｌ含量が多くなるほどバンドギャップエネルギーは大きくなり正味分極電荷量は小さくなり、Ｉｎ含量が多くなるほどバンドギャップエネルギーは小さくなり正味分極電荷量は大きくなる傾向をみせる。しかし、Ａｌ、Ｉｎ含量の変化に応じてバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量が変わる程度は相互異なるため、Ａｌ、Ｉｎ含量を適切に調節するとバンドギャップエネルギーを一定に維持しながらも正味分極電荷量を減らすことが出来ることが分かる。

より具体的に、図３に図示された通り、ＧａＮ量子障壁層の場合、バンドギャップエネルギーは３．４２００ｅＶで正味分極電荷量は−０．０３３９Ｃ／ｍ^２である。この場合、正味分極電荷量がマイナスなのは下部に位置したＧａＮ層に向かって（＋）電荷を帯び、その向こうの側面で（−）電荷を帯びることと理解できる。また、従来構造のＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ電子遮断層の場合、バンドギャップエネルギーは３．６５８８ｅＶで正味分極電荷量は−０．０４２３Ｃ／ｍ^２である。本実施形態で、バンドギャップエネルギーはＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎと類似するようにして電子遮断機能は維持するが、隣接した量子障壁層との正味分極電荷量の差は減少するよう２個の組成を決めて電子遮断層（実施例１、２）を形成した。即ち、本実施形態で採用できる電子遮断層の条件で、隣接した量子障壁層と比較してバンドギャップエネルギーは大きく、正味分極電荷量は小さいか同じである範囲を基準とした。

下記に提示した表において、上記実施例１、２のバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の計算結果を提示し、これを従来のＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ電子遮断層及びＧａＮ量子障壁層のように表した。この場合、実施例１の電子遮断層（Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．１３Ｇａ_０．５７Ｎ）はＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎと同じバンドギャップエネルギーを有しながらＧａＮ量子障壁層と正味分極電荷量が同一である。また、実施例２の電子遮断層（Ａｌ_０．２５Ｉｎ_０．０８Ｇａ_０．６７Ｎ）はＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎと同じバンドギャップエネルギーを有しながらＧａＮ量子障壁層との正味分極電荷量の差がＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎに比べて半分になるよう設定されたものである。

図４は、表１のように選択された実施例１及び２と比較例（Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ電子遮断層）に対して駆動電圧の変化による電流変化をシミュレーションして表したものである。この場合、発光波長は４５０ｎｍで温度条件は３００Ｋに設定した。但し、半導体層の結晶性などによる影響は考えていない。図４を参照すると、実施例１及び２が比較例に比べて駆動電圧が減少することが確認でき、特に、量子障壁層と正味分極電荷量が同一であるよう形成した実施例１の場合が最も優れることがみられる。比較例の場合、電子遮断層の正味分極電荷量の絶対値が隣接した量子障壁層に比べて大きく、これにより、電子遮断層と量子障壁層の界面で電子遮断層の（＋）電荷の大きさがより大きい。従って、上記界面は（＋）電荷を帯び、これは電子を電子遮断層方向に誘導することとなり電子遮断効果を低減させる。実施例１及び実施例２の場合は、電子遮断層と量子障壁層の界面で正味分極電荷量の差がないようにするか、その差を比較例に比べて減らすことにより、電子のオーバーフローイングが減るようにした。

一方、図５及び図６は、実施例１（実線）と比較例（点線）において、それぞれ電流変化による電子漏れ電流及び内部量子効率の変化をシミュレーションして表したものである。先ず、図５を参照すると、実施例１が比較例に比べて電子漏れ電流の量が著しく小さいことがみられ、これは電子遮断層で正味分極電荷量によるエネルギー準位の形態が電子遮断機能に影響を及ぼすことを意味する。即ち、本実施形態のように、電子遮断層のエネルギー準位のベンディングが最少化する場合、電子遮断機能が向上することが出来る。

次に、図６を参照すると、高電流で内部量子効率の場合、比較例では最大量子効率に比べて３５０ｍＡでの量子効率が約２５％程度減少し、実施例１では約２２％減少することがみられる。特に、比較例に比べて実施例１の内部量子効率が著しく高く、３５０ｍＡで約４９．５％の効率向上をもたらす。

一方、本実施形態ではＡｌ、Ｉｎの組成を調節する方法を例として挙げたが、これは量子障壁層と電子遮断層との正味分極電荷量の差を減らしたり、電子遮断層のエネルギー準位がベンディングされた程度を減らすことの出来る一つの方案であって、本発明はこれに制限されるものではない。また、正味分極電荷量の差を減らす方案は量子障壁層と電子遮断層間のみに適用するのではなく、電子遮断層とｐ型窒化物半導体層の間にも適用することが出来る。また、活性層と電子遮断層の間に介在された窒化物スペーサ層と電子遮断層の間にも適用できるなど、電子遮断層と隣接した全ての層との界面で正味分極電荷量の差を減らす方案が適用できる。

図７は、図２の実施形態で変形された実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図である。本実施形態による窒化物半導体発光素子３００は、基板３０１、ｎ型窒化物半導体層３０２、活性層３０３、電子遮断層３０４及びｐ型窒化物半導体層３０５を備え、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３０２、３０５にはｎ型及びｐ型電極３０６ａ、３０６ｂが形成される。以前の実施形態と異なる構造として、上記電子遮断層３０４は第１及び第２層３０５ａ、３０５ｂが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。この場合、上記第１層３０５ａは実施例１のＡｌ_０．３Ｉｎ_０．１３Ｇａ_０．５７Ｎが使用され、上記第２層３０５ｂは比較例のＧａＮを使用することが出来る。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有している者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属する。

従来の技術による窒化物半導体発光素子において、注入電流による漏れ電流の変化を表したものである。 図２（ａ）は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）において活性層領域を拡大して表したものである。 ＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体において、Ａｌ（ｘ）とＩｎ（ｙ）の組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。 表１のように選択された実施例１及び２と比較例（Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ電子遮断層）に対して駆動電圧の変化による電流変化をシミュレーションして表したものである。 実施例１（実線）と比較例（点線）でそれぞれ電流変化による電子漏れ電流及び内部量子効率の変化をシミュレーションして表したものである。 実施例１（実線）と比較例（点線）でそれぞれ電流変化による電子漏れ電流及び内部量子効率の変化をシミュレーションして表したものである。 図２の実施形態で変形された実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図である。

符号の説明

２０１ 基板
２０２ ｎ型窒化物半導体層
２０３ 活性層
２０４ 電子遮断層
２０５ ｐ型窒化物半導体層
２０６ａ、２０６ｂ ｎ型及びｐ型電極

Claims (9)

1. ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層とを含み、
   前記電子遮断層は前記複数の量子障壁層のうち隣接した量子障壁層と比較してバンドギャップエネルギーは大きく、正味分極電荷量は小さいか同じであることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記電子遮断層の正味分極電荷量は、ＧａＮより小さいか同じで、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）より大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記電子遮断層は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）と同じ大きさのバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記電子遮断層は、前記複数の量子障壁層のうち隣接した量子障壁層と正味分極電荷量が同じであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記電子遮断層と前記電子遮断層に隣接した前記量子障壁層との界面で正味分極電荷量の差はＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）の正味分極電荷量の差より小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記電子遮断層と前記電子遮断層に隣接した前記量子障壁層との界面で正味分極電荷量の差はＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１≦ｘ≦０．２）の正味分極電荷量の差の半分に該当する値を有することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｎ型窒化物半導体層に接して形成された成長用基板をさらに含み、前記ｎ型窒化物半導体層は前記基板の極性面上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記ｎ型窒化物半導体層は、サファイア基板のＣ（０００１）面上に形成されたことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層とを含み、
   前記電子遮断層は伝導帯域のエネルギー準位が一定であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。

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