[go: up one dir, main page]

JP2015002324A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子 Download PDF

Info

Publication number
JP2015002324A
JP2015002324A JP2013127556A JP2013127556A JP2015002324A JP 2015002324 A JP2015002324 A JP 2015002324A JP 2013127556 A JP2013127556 A JP 2013127556A JP 2013127556 A JP2013127556 A JP 2013127556A JP 2015002324 A JP2015002324 A JP 2015002324A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
composition
layer
nitride semiconductor
layers
active layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013127556A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6192378B2 (ja
Inventor
竹内 哲也
Tetsuya Takeuchi
哲也 竹内
素顕 岩谷
Motoaki Iwatani
素顕 岩谷
赤▲崎▼ 勇
Isamu Akasaki
勇 赤▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meijo University
Original Assignee
Meijo University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meijo University filed Critical Meijo University
Priority to JP2013127556A priority Critical patent/JP6192378B2/ja
Priority to US14/899,364 priority patent/US9437775B2/en
Priority to PCT/JP2014/065893 priority patent/WO2014203856A1/ja
Publication of JP2015002324A publication Critical patent/JP2015002324A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6192378B2 publication Critical patent/JP6192378B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/816Bodies having carrier transport control structures, e.g. highly-doped semiconductor layers or current-blocking structures
    • H10H20/8162Current-blocking structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3202Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth
    • H01S5/320225Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth polar orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/811Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/817Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H10H20/818Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light-emitting regions
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/822Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3054Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H01S5/3213Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities asymmetric clading layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3409Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers special GRINSCH structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

【課題】窒化物半導体発光素子の活性層への正孔注入効率を改善する。
【解決手段】Alを含み、極性面乃至半極性面を成長面とする窒化物半導体結晶を積層してなる窒化物半導体発光素子であり、活性層103と、第1、第2組成傾斜層102、104とを備えており、第1、第2組成傾斜層102、104は、活性層103の両側に配置されており、いずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってAl組成値が減少するように組成傾斜している。
【選択図】図1

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関するものである。
窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物半導体は、高い正孔濃度を得ることが難しく、また、正孔移動度が電子移動度に比べて小さい。よって、電流注入型の高効率発光素子を実現するためには活性層への正孔注入効率を改善する必要がある。この課題に対して、窒化物半導体材料固有の物性である自発分極やピエゾ分極によって結晶界面に発生する分極固定電荷を利用して、正孔を引き寄せることで高い正孔濃度を得る方法が知られている。しかしながら、分極は電気的中性を保ちつつ、正負両方の固定電荷がペアとなって形成される。よって、窒化物半導体発光素子のように多層構造を有している場合には、不要な分極固定電荷を多層構造の本来意図しない界面に発生させてしまうことにも繋がりかねない。これにより、逆に素子に対して電流注入が妨げられるという事態も想定され、素子設計が複雑化するという問題点がある。
特許文献1には、活性層と、活性層よりもバンドギャップの大きい半導体層を備えた窒化物発光素子において、活性層と半導体層との界面における分極場の影響を緩和すべく、膜厚方向にAl組成及びIn組成を変化させた組成傾斜層を半導体層に用いる技術が開示されている。これにより、活性層と半導体層との界面における分極場の影響が緩和され、活性層へのキャリアの注入効率が改善される。
特開2006−245165号公報
しかしながら、発光素子の多層構造の界面および層内において発生する分極固定電荷と、不純物のドーピング濃度を適切に制御することができれば、活性層近傍において正孔濃度を高め、活性層への正孔注入効率を改善できる余地があった。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、活性層への正孔注入効率が改善された窒化物半導体発光素子の実現を目的としている。
本発明の窒化物半導体発光素子は、
Alを含み、極性面乃至半極性面を成長面とする窒化物半導体結晶を積層してなる窒化物半導体発光素子であって、
活性層と、第1、第2組成傾斜層とを備えており、
前記第1、第2組成傾斜層は、前記活性層の両側に配置されており、いずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってAl組成値が減少するように組成傾斜していることを特徴とする。
本発明によれば、第1、第2組成傾斜層の間に活性層が配されている。更に、第1、第2組成傾斜層はいずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってAl組成値が減少するように組成傾斜している。よって、第1、第2組成傾斜層内における分極固定電荷のうち、負の分極固定電荷が平均化されて膜厚方向に分布することになる。負の分極固定電荷は正孔を引き寄せるので、第1、第2組成傾斜層内における正孔濃度が上昇し、実効的に第1、第2組成傾斜層内にはp領域が形成される。活性層はp領域となった第1、第2組成傾斜層に挟まれた状態で配置されているので、活性層内への正孔の注入効率が改善され、その結果、電流注入効率の改善に繋がる。
実施例1に係る紫外レーザダイオード示す模式図である。(a)は紫外レーザダイオードの断面図であり、(b)は紫外レーザダイオードの各層におけるAl組成のプロファイルである。 比較例の紫外レーザダイオードを示す模式図である。(a)は紫外レーザダイオードの断面図であり、(b)は紫外レーザダイオードの各層におけるAl組成のプロファイルである。 実施例1と比較例の紫外レーザダイオードにおける電流注入効率の電流密度依存性の計算結果を示すグラフである。 実施例1に係る紫外レーザダイオードの各層構造とキャリア濃度分布の関係について示す概念図である。(a)Al組成と層厚の関係を示すグラフであり、(b)は分極固定電荷量と層厚の関係を示すグラフであり、(c)は不純物ドーピングによるキャリア濃度と層厚の関係を示すグラフであり、(d)は実効的なキャリア濃度と層厚の関係を示すグラフである。 比較例の紫外レーザダイオードの各層構造とキャリア濃度分布の関係について示す概念図である。(a)Al組成と層厚の関係を示すグラフであり、(b)は分極固定電荷量と層厚の関係を示すグラフであり、(c)は不純物ドーピングによるキャリア濃度と層厚の関係を示すグラフであり、(d)は実効的なキャリア濃度と層厚の関係を示すグラフである。 実施例1と比較例の紫外レーザダイオードの各層構造とキャリア濃度分布の計算結果を示すグラフである。(a)、(b)はそれぞれ、実施例1と比較例の紫外レーザダイオードのキャリア濃度分布を示すグラフである。
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
(1) 本発明の窒化物半導体発光素子は、
前記第1、第2組成傾斜層のうち、Al組成値が減少する側に隣接配置された前記第1又は第2組成傾斜層には、Alを含みつつp型不純物がドーピングされたp型電子ブロック層がさらに隣接配置されており、前記p型電子ブロック層におけるAl組成値は、前記活性層から遠ざかる側に向かってAl組成値が増加するように組成傾斜しており、その最大値は前記第1、第2組成傾斜層のAl組成値よりも大きいことが好ましい。
この構成によれば、第1又は第2組成傾斜層に隣接するp型電子ブロック層内においては分極固定電荷のうち、正の固定電荷が平均化される。ここでp型不純物をドーピングすることにより、p領域が第1又は第2組成傾斜層に連続して形成される。よって、活性層内への正孔の注入効率が更に改善される。また、p型電子ブロック層のAl組成値の最大値は第1、第2組成傾斜層のAl組成値よりも大きいため、活性層からの電子のオーバーフローについても効果的に抑制できる。
(2) 本発明の窒化物半導体発光素子は、
前記活性層との界面における前記第1、第2組成傾斜層のそれぞれのAl組成値は略同じ値であることが好ましい。
この構成によれば、第1、第2組成傾斜層間でのバンドオフセットがなくなるため、各組成傾斜層と活性層との界面において意図しない分極固定電荷の発生を抑制することができる。これに伴い、第1、第2組成傾斜層内における分極固定電荷はより平均化され、発光素子の設計がしやすくなる。
(3) 本発明の窒化物半導体発光素子は、
前記成長面はc面であり、前記窒化物半導体結晶の積層方向は+c軸方向であることが好ましい。
この構成によれば、成長面をc面とし、+c軸方向に窒化物半導体結晶を積層することで成長を制御しやすく、結晶性も良好となる。また、c面は極性面であることから、分極効果を最大限に活用することが可能となる。
(4) 本発明の窒化物半導体発光素子は、
前記第1、第2組成傾斜層がAlGaN層であることが好ましい。
この構成によれば、組成制御が容易で、かつ、結晶性が良好となる。
次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例1について、図面を参照しつつ説明する。
<実施例1>
本発明の実施例1に係る紫外レーザダイオード(窒化物半導体発光素子)の断面構造と、各層におけるAl組成プロファイルをそれぞれ図1(a)、(b)に示す。紫外レーザダイオードはGaN量子井戸層108とAl0.1Ga0.9Nバリア層109で構成される三重量子井戸活性層(活性層)103と、その積層方向両側に第1、第2AlGaN組成傾斜層(第1、第2組成傾斜層)102、104とを備えている。
紫外レーザダイオードは、+c軸方向に配向したc面GaN又はAlN極性基板100上に、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101/第1組成傾斜AlGaN層102/GaN三重量子井戸活性層103/第2組成傾斜AlGaN層104/p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層(p型電子ブロック層)105/p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層106/p型GaNコンタクト層107を順に積層して構成した。
n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101の膜厚は1000nmとし、n型不純物であるSiを7×1018cm−3の濃度でドーピングした。p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層106の膜厚は600nmとし、p型不純物であるMgを3×1019cm−3の濃度でドーピングした。p型コンタクトGaN層107の膜厚は50nmとし、Mgを1×1020cm−3の濃度でドーピングした。
GaN三重量子井戸活性層103は、3nmのGaN量子井戸層108と、8nmのAl0.1Ga0.9Nバリア層109を1ペアとし、これらを2.5ペア積層して構成した。
第1組成傾斜AlGaN層102の膜厚は100nmとし、そのAl組成値は、図1(b)に示すように、積層方向に向かって0.2から0.15へと線形に減少するように組成傾斜させた。n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101と第1組成傾斜AlGaN層102はその界面におけるAl組成値を一致させた。第2組成傾斜AlGaN層104の膜厚は第1組成傾斜AlGaN層102の膜厚と同じく100nmとし、そのAl組成値は、図1(b)に示すように、積層方向に向かって0.15から0.1へと線形に減少するように組成傾斜させた。第1、第2AlGaN組成傾斜層102、104とGaN三重量子井戸活性層103との界面におけるAl組成値は共に0.15と一致させた。また、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104は共に不純物のドーピングは行わなかった(すなわち、アンドープのAlGaNである)。
p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105の膜厚は20nmとし、Mgを5×1019cm−3の濃度でドーピングした。また、そのAl組成値は、図1(b)に示すように、積層方向に向かって0.1から0.5まで線形に増加するように組成傾斜させた。また、第2組成傾斜AlGaN層104とp型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105との界面におけるAl組成値は共に0.1と一致させた。
比較例として、各層の組成が均一な紫外レーザダイオードを以下のように構成した。その断面構造と各層におけるAl組成プロファイルを図2(a)、(b)にそれぞれ示す。実施例1の紫外レーザダイオードとの構造の違いは、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104をAl組成が均一な第1、第2AlGaN層202、204に変更した点である。また、p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105についてもAl組成が均一なp型AlGaN電子ブロック層205に変更している。
第1、第2AlGaN層202、204のAl組成値は0.15である。p型AlGaN電子ブロック層205のAl組成値は0.5とした。これにより、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101と第1AlGaN層202、第2AlGaN層204とp型AlGaN電子ブロック層205との界面には、図2(b)に示すように、新たにAl組成値のオフセット(不連続)が生じることとなる。
次に、実施例1及び比較例の紫外レーザダイオードにおけるGaN三重量子井戸活性層103内への電流注入効率を計算によって求めた結果を図3に示す。図3は縦軸が電流注入効率であり、横軸が注入する電流密度(A/cm)である。図3からわかるように、電流密度の値に関わらず、比較例の紫外レーザダイオードに比べて実施例1の紫外レーザダイオードの方が高い電流注入効率が得られていることがわかる。
本実施例の作用について説明する。
図4には紫外レーザダイオードの各層構造とキャリア濃度の関係についての概念図を示す。素子構造のうち、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101/第1組成傾斜AlGaN層102/GaN三重量子井戸活性層103/第2組成傾斜AlGaN層104/p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105のみを図示している。Al組成が均一なAlGaNの場合、+c軸方向に成長させると、−c軸側の界面(窒素面側)に正の分極固定電荷が発生する。また、+c軸側の界面(III族元素面側)に負の分極固定電荷が発生する。また、Al組成値が積層方向に組成傾斜しているAlGaNの場合、+c軸方向に成長させると、−c軸側の界面に正の分極固定電荷が発生する。また、+c軸方向には、界面のみならず、層内において負の分極固定電荷が平均化されて形成されることになる。更に発生した分極は、符号が逆で大きさが等しい一組の固定電荷となっている。
以上を考慮すると、図4の各層構造における分極電荷の分布は、図4(b)のようになると考えられる。すなわち、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101と積層方向とは反対側の界面に正の分極固定電荷が急峻に形成され、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104の層内には、層方向に均一に分布する負の分極電荷が形成される。更に、p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105内には、同じく層方向に均一に分布する正の分極固定電荷が形成され、負の分極固定電荷が積層方向側の界面に急峻に形成される。そして、正の分極固定電荷量+Q1と、負の分極固定電荷の層内の合算値−Q1は同じ値である(図4(b))。同様に、負の分極固定電荷量−Q2と、正の分極固定電荷の層内の合算値+Q2は同じ値である(図4(b))。
次に、不純物ドーピングによるキャリア濃度については、図4(c)に示すように各層内に分布している。すなわち、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層101には一定量の電子が、p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105には一定量の正孔が層内に分布している。第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104及びGaN三重量子井戸活性層103には不純物ドーピングを行っていないため、キャリア分布は形成されない。
分極電荷は電荷中性条件により逆符号の電荷を有する自由キャリアを引き寄せることになるので、図4(c)に示される不純物起因のキャリア濃度から、図4(b)に示される分極による固定電荷を差し引いたものが各層に形成される実効的なキャリア濃度であると考えられる(図4(d))。図4(d)からわかるように、第1組成傾斜AlGaN層102からp型組成傾斜AlGaN電子ブロック層105までは、正孔が存在するp領域110が形成されることになる。よって、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104の間に設けられたGaN三重量子井戸活性層103の近傍にも正孔が存在することになる。
図5には、比較例の紫外レーザダイオードの各層構造とキャリア濃度の関係についての概念図を示す。比較例の各層構造においては、組成傾斜層を設けていないため、各層の界面にしか分極固定電荷が発生しない(図5(b))。よって、正孔が存在するp領域110がGaN三重量子井戸活性層103の近傍にまで延出形成されない(図5(d))。
窒化物半導体において、正孔は有効質量が大きいため、その移動度は小さい。更に、拡散長についても小さいので、電圧を印加して電流注入を促しても正孔はGaN三重量子井戸活性層103にまで到達しにくい。しかしながら、本実施例1の紫外レーザダイオードは、GaN三重量子井戸活性層103の近傍に一定量の正孔が存在することになるので、比較例のそれに比べてGaN三重量子井戸活性層103への正孔の注入効率が改善され、その結果、図3に示すような電流注入効率の改善に繋がる。
以上は概念図による説明であり、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104とGaN三重量子井戸活性層103との界面における分極電荷の発生などを考慮していない。実際にこれらを考慮して、各層における実効的なキャリア濃度分布を計算した結果を図6に示す。図6(b)からわかるように、比較例の構造では、第1、第2AlGaN層202、204にキャリアが形成されないことがわかる。しかし、本実施例の構造の場合、GaN三重量子井戸活性層103付近及び、第2組成傾斜AlGaN層104内において正孔が生成し、p領域110が形成されることがわかる(図6(a))。このp領域110の形成がGaN三重量子井戸活性層103への電流注入効率の改善に結びついている。
次に本実施例の効果について説明する。
アンドープの第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104の間にGaN三重量子井戸活性層103が配置されている。更に、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104はいずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側(+c軸方向)に向かってAl組成値が線形に減少するように組成傾斜している。よって、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104内における分極固定電荷のうち、負の固定電荷が平均化されて層方向に分布することになる。負の固定電荷は正孔を引き寄せるので、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104内における正孔濃度が上昇し、実効的には第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104内には層方向に広いp領域110が形成される。GaN三重量子井戸活性層103はp領域110となった第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104に挟まれた状態で配置されているので、GaN三重量子井戸活性層103内への正孔の注入効率が改善され、電流注入効率も改善される。
第2組成傾斜AlGaN層104に隣接するp型電子ブロック層105も+c軸方向に向かってAl組成値が線形に増加するように組成傾斜している。よって、p型電子ブロック層105おいても分極固定電荷のうち、正の固定電荷が層方向に平均化される。更にp型不純物をドーピングすることで、p領域110が第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104に続いて形成される。よって、GaN三重量子井戸活性層103内への正孔の注入効率が更に改善される。更に、p型電子ブロック層105のAl組成値の最大値は0.5であり、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104のAl組成値の最大値の0.2よりも大きく設定されているため、活性層103からの電子のオーバーフローについても効果的に抑制できる。
第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104とGaN三重量子井戸活性層103との界面における第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104のそれぞれの前記Al組成値は0.15と同じである。よって、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104間でのバンドオフセットがなくなるため、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104とGaN三重量子井戸活性層103との界面において意図しない分極固定電荷の発生を抑制することができる。これに伴い、第1、第2組成傾斜AlGaN層102、104内における分極固定電荷はより層方向に平均化されるので、発光素子の設計がしやすくなる。
以上、本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、いずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってAl組成値が減少するように組成傾斜した第1、第2組成傾斜層102、104との間に活性層103を配置することで、第1、第2組成傾斜層102、104内の正孔濃度が上昇し、活性層103内への正孔の注入効率が改善され、その結果、電流注入効率の改善に繋がる。
<他の実施例>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上記実施例では、+c軸方向に窒化物半導体結晶を積層させたが、−c軸方向から積層させても良い。
(2)上記実施例では、組成傾斜層のAl組成値を積層方向に線形に減少又は増加させたが、これに限らず、積層方向に上に凸又は下に凸に変化させても良い。
(3)上記実施例では、n型、p型不純物にそれぞれSi、Mgを用いたが、これに限らず、GeやZn、Be等であっても良い。
(4)上記実施例では、活性層にGaN三重量子井戸層を用いたが、これに限らず、発光させたい光の波長に応じて、AlやIn含む窒化物半導体結晶層を用いても良い。また、活性層のペア数には制限はない。
(5)上記実施例では、第1、第2組成傾斜層にAlGaNを用いたが、これに限らず、AlN、AlGaInN、AlInNを用いても良い。
(6)上記実施例では、p型電子ブロック層についてAl組成値を積層方向に組成傾斜させたが、これに限らず、組成傾斜させなくても良い。
(7)上記実施例では、窒化物半導体発光素子として紫外レーザダイオードを例示したが、面発光レーザや発光ダイオードであっても良い。
(8)上記実施例では、成長面をc面としたが、これに限らず、半極性面としても良い。
(9)上記実施例では、第1、第2組成傾斜層をアンドープ層としたが、不純物がドーピングされていても良い。
102…第1組成傾斜AlGaN層(第1組成傾斜層)
103…GaN三重量子井戸活性層(活性層)
104…第2組成傾斜AlGaN層(第2組成傾斜層)
105…p型組成傾斜AlGaN電子ブロック層(p型電子ブロック層)

Claims (5)

  1. Alを含み、極性面乃至半極性面を成長面とする窒化物半導体結晶を積層してなる窒化物半導体発光素子であって、
    活性層と、第1、第2組成傾斜層とを備えており、
    前記第1、第2組成傾斜層は、前記活性層の両側に配置されており、いずれも自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってAl組成値が減少するように組成傾斜していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第1、第2組成傾斜層のうち、Al組成値が減少する側に隣接配置された前記第1又は第2組成傾斜層には、Alを含みつつp型不純物がドーピングされたp型電子ブロック層がさらに隣接配置されており、前記p型電子ブロック層におけるAl組成値は、前記活性層から遠ざかる側に向かってAl組成値が増加するように組成傾斜しており、その最大値は前記第1、第2組成傾斜層のAl組成値よりも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. 前記活性層との界面における前記第1、第2組成傾斜層のそれぞれのAl組成値は略同じ値であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記成長面はc面であり、前記窒化物半導体結晶の積層方向は+c軸方向であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第1、第2組成傾斜層がAlGaN層であることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
JP2013127556A 2013-06-18 2013-06-18 窒化物半導体発光素子 Active JP6192378B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013127556A JP6192378B2 (ja) 2013-06-18 2013-06-18 窒化物半導体発光素子
US14/899,364 US9437775B2 (en) 2013-06-18 2014-06-16 Nitride semiconductor light-emitting device
PCT/JP2014/065893 WO2014203856A1 (ja) 2013-06-18 2014-06-16 窒化物半導体発光素子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013127556A JP6192378B2 (ja) 2013-06-18 2013-06-18 窒化物半導体発光素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015002324A true JP2015002324A (ja) 2015-01-05
JP6192378B2 JP6192378B2 (ja) 2017-09-06

Family

ID=52104589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013127556A Active JP6192378B2 (ja) 2013-06-18 2013-06-18 窒化物半導体発光素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9437775B2 (ja)
JP (1) JP6192378B2 (ja)
WO (1) WO2014203856A1 (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018085514A (ja) * 2016-11-24 2018-05-31 エルジー イノテック カンパニー リミテッド 半導体素子及びこれを含む半導体素子パッケージ
JP2019054023A (ja) * 2017-09-12 2019-04-04 豊田合成株式会社 Iii族窒化物半導体発光素子とその製造方法
JP2019533908A (ja) * 2016-11-03 2019-11-21 エルジー イノテック カンパニー リミテッド 半導体素子およびこれを含む半導体素子パッケージ
US10505074B2 (en) 2015-09-28 2019-12-10 Nichia Corporation Nitride semiconductor light emitting element including electron blocking structure layer
JP2020010019A (ja) * 2018-05-29 2020-01-16 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ GaN系発光ダイオードの製造方法
WO2020158254A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 半導体発光素子
US10833223B2 (en) 2017-11-10 2020-11-10 Toyoda Gosei Co., Ltd. Group III nitride semiconductor light-emitting device and production method therefor
WO2021060538A1 (ja) * 2019-09-27 2021-04-01 旭化成株式会社 レーザーダイオード
JP2022154809A (ja) * 2021-03-30 2022-10-13 旭化成株式会社 光デバイス
WO2024034480A1 (ja) 2022-08-10 2024-02-15 信越半導体株式会社 マイクロled用接合型ウェーハの製造方法

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9412911B2 (en) 2013-07-09 2016-08-09 The Silanna Group Pty Ltd Optical tuning of light emitting semiconductor junctions
US11322643B2 (en) 2014-05-27 2022-05-03 Silanna UV Technologies Pte Ltd Optoelectronic device
JP6986349B2 (ja) 2014-05-27 2021-12-22 シランナ・ユー・ブイ・テクノロジーズ・プライベート・リミテッドSilanna Uv Technologies Pte Ltd n型超格子及びp型超格子を備える電子デバイス
CN106663718B (zh) 2014-05-27 2019-10-01 斯兰纳Uv科技有限公司 光电装置
JP6636459B2 (ja) 2014-05-27 2020-01-29 シランナ・ユー・ブイ・テクノロジーズ・プライベート・リミテッドSilanna Uv Technologies Pte Ltd 半導体構造と超格子とを用いた高度電子デバイス
US9680057B2 (en) * 2015-09-17 2017-06-13 Crystal Is, Inc. Ultraviolet light-emitting devices incorporating two-dimensional hole gases
WO2017145026A1 (en) 2016-02-23 2017-08-31 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
US10418517B2 (en) 2016-02-23 2019-09-17 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
CN109075530B (zh) * 2016-05-13 2021-01-12 松下半导体解决方案株式会社 氮化物类发光元件
WO2017222279A1 (ko) 2016-06-20 2017-12-28 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자
US10340415B2 (en) 2016-09-01 2019-07-02 Lg Innotek Co., Ltd. Semiconductor device and semiconductor device package including the same
KR102524303B1 (ko) 2016-09-10 2023-04-24 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 반도체 소자
CN115498078B (zh) 2016-09-13 2025-04-15 苏州立琻半导体有限公司 半导体器件和包括该半导体器件的半导体器件封装
US10121932B1 (en) * 2016-11-30 2018-11-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Tunable graphene light-emitting device
KR102390828B1 (ko) 2017-08-14 2022-04-26 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 반도체 소자
KR102466006B1 (ko) * 2018-01-24 2022-11-10 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 반도체 소자
WO2019139366A1 (ko) * 2018-01-11 2019-07-18 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자
EP3780302B9 (en) * 2018-03-30 2025-02-26 Nuvoton Technology Corporation Japan Semiconductor light emitting element
US10622514B1 (en) 2018-10-15 2020-04-14 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
CN110993757B (zh) * 2019-12-30 2023-10-27 广东省半导体产业技术研究院 一种发光二极管及其制备方法
CN114497334B (zh) * 2022-02-17 2025-02-14 安徽格恩半导体有限公司 一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件
JP2024058791A (ja) 2022-10-17 2024-04-30 スタンレー電気株式会社 垂直共振器型発光素子

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005034301A1 (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 窒化物半導体素子およびその製造方法
JP2006344689A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Rohm Co Ltd 半導体素子
JP2008244307A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Sharp Corp 半導体発光素子および窒化物半導体発光素子
WO2012059848A2 (en) * 2010-11-02 2012-05-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Iii-nitride light emitting device
JP2012146847A (ja) * 2011-01-13 2012-08-02 Sharp Corp 窒化物半導体発光素子および半導体光学装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245165A (ja) 2005-03-02 2006-09-14 Sony Corp 半導体発光素子

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005034301A1 (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 窒化物半導体素子およびその製造方法
JP2006344689A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Rohm Co Ltd 半導体素子
JP2008244307A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Sharp Corp 半導体発光素子および窒化物半導体発光素子
WO2012059848A2 (en) * 2010-11-02 2012-05-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Iii-nitride light emitting device
JP2012146847A (ja) * 2011-01-13 2012-08-02 Sharp Corp 窒化物半導体発光素子および半導体光学装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHIBIN LI, ET.AL.: "Polarization induced pn-junction without dopant in graded AlGaN coherently strained on GaN", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 101, JPN7014002625, 18 September 2012 (2012-09-18), pages 122103, XP012164607, ISSN: 0003534204, DOI: 10.1063/1.4753993 *

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10505074B2 (en) 2015-09-28 2019-12-10 Nichia Corporation Nitride semiconductor light emitting element including electron blocking structure layer
US10686098B2 (en) 2015-09-28 2020-06-16 Nichia Corporation Nitride semiconductor light emitting element including electron blocking structure layer
JP2019533908A (ja) * 2016-11-03 2019-11-21 エルジー イノテック カンパニー リミテッド 半導体素子およびこれを含む半導体素子パッケージ
JP7099726B2 (ja) 2016-11-03 2022-07-12 スージョウ レキン セミコンダクター カンパニー リミテッド 半導体素子およびこれを含む半導体素子パッケージ
JP7290849B2 (ja) 2016-11-24 2023-06-14 スージョウ レキン セミコンダクター カンパニー リミテッド 半導体素子及びこれを含む半導体素子パッケージ
KR20180058653A (ko) * 2016-11-24 2018-06-01 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지
JP2018085514A (ja) * 2016-11-24 2018-05-31 エルジー イノテック カンパニー リミテッド 半導体素子及びこれを含む半導体素子パッケージ
KR102406803B1 (ko) * 2016-11-24 2022-06-10 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지
JP2019054023A (ja) * 2017-09-12 2019-04-04 豊田合成株式会社 Iii族窒化物半導体発光素子とその製造方法
US10833223B2 (en) 2017-11-10 2020-11-10 Toyoda Gosei Co., Ltd. Group III nitride semiconductor light-emitting device and production method therefor
JP2020010019A (ja) * 2018-05-29 2020-01-16 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ GaN系発光ダイオードの製造方法
JP7382156B2 (ja) 2018-05-29 2023-11-16 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ GaN系発光ダイオードの製造方法
WO2020158254A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 半導体発光素子
JP2024063088A (ja) * 2019-01-30 2024-05-10 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体発光素子
JPWO2021060538A1 (ja) * 2019-09-27 2021-04-01
JP7302832B2 (ja) 2019-09-27 2023-07-04 旭化成株式会社 レーザーダイオード
WO2021060538A1 (ja) * 2019-09-27 2021-04-01 旭化成株式会社 レーザーダイオード
JP2022154809A (ja) * 2021-03-30 2022-10-13 旭化成株式会社 光デバイス
JP7545142B2 (ja) 2021-03-30 2024-09-04 旭化成株式会社 光デバイス
WO2024034480A1 (ja) 2022-08-10 2024-02-15 信越半導体株式会社 マイクロled用接合型ウェーハの製造方法
KR20250048438A (ko) 2022-08-10 2025-04-08 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤 마이크로 led용 접합형 웨이퍼의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP6192378B2 (ja) 2017-09-06
US9437775B2 (en) 2016-09-06
US20160149078A1 (en) 2016-05-26
WO2014203856A1 (ja) 2014-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6192378B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP5852945B2 (ja) 分極誘導電荷を低減させた高効率光エミッタ
JP5737111B2 (ja) Iii族窒化物半導体発光素子
US20150280056A1 (en) Graded electron blocking layer
JP2010532926A (ja) 放射線放出半導体ボディ
JP2009071277A (ja) 窒化物ベースのダイオード内への分極ドーピング
JP2007250991A (ja) 超格子構造を含む半導体構造および該半導体構造を備える半導体デバイス
JP2011187591A (ja) 窒化物半導体紫外線発光素子
JP2012059772A (ja) 半導体発光素子
US20210083147A1 (en) Nitride-based light-emitting diode device
KR20130141945A (ko) 전자 차단층을 갖는 발광 소자
KR20110084683A (ko) 양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자
KR100604406B1 (ko) 질화물 반도체 소자
JP2010045338A (ja) 発光ダイオード
US9634184B2 (en) Optoelectronic semiconductor device
KR100558455B1 (ko) 질화물 반도체 소자
KR20100070250A (ko) 질화물 반도체 발광소자
JP4786481B2 (ja) 半導体装置と半導体装置の製造法
JP2017045798A (ja) 窒化物半導体積層体および半導体発光素子
JP2015115433A (ja) Iii族窒化物半導体素子
KR20140102422A (ko) 질화물계 반도체 발광소자
JP2013069795A (ja) 半導体発光素子
KR101392218B1 (ko) 반도체 발광소자
KR101056754B1 (ko) 3족 질화물 반도체 발광소자
KR20110081033A (ko) 스페이서층을 가지는 발광 다이오드

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160613

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170407

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170523

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170602

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170721

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170728

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170808

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6192378

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250