JP3631157B2 - Ultraviolet light emitting diode - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、InGaN混晶を用いた発光ダイオードにおいては、発光波長がGaNのバンドギャップ波長363nm近くになると、著しく発光効率が減少するため、実用的には380nmよりも波長の長いものしか作製できなかった。
【0003】
AlGaN混晶を用いた紫外発光ダイオードでは、これよりも短い波長の紫外発光が得られることから、水銀灯のi線に代替する光源や、約350nmにバンドギャップを有する酸化チタン光触媒の励起光源をはじめ、数多くの応用分野がある。
【0004】
これまで、発光層となる量子井戸構造の量子井戸層にAlGaN混晶を用いることにより、360nmより短い波長でも発光が可能であることや、クラッド層にAlGaN混晶からなる短周期混晶超格子構造を用いることにより、低抵抗クラッド層を実現できることが示されてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような技術で単色性の良い低抵抗紫外発光ダイオードが実現されてきたが、発光効率が低いという課題があった。
【0006】
また、SiC基板上に直接AlGaN混晶を成長する場合に、転位密度を108〜109cm−2程度より減少させることが困難で、無効電流が増加する原因となっていた。
【0007】
さらに、p型不純物ドーピングの困難な窒化物においては、p型コンタクト層をドーピングの容易なGaN層にMgをドーピングすることにより形成していた。このため、GaN層のバンドギャップ波長である360nmよりも短い波長や波長360nmに近い波長(360nm〜380nm)の発光に対しては、コンタクト層における光吸収が増加し、効率的な光の取り出しが妨げられるという課題があった。
【0008】
また、この光吸収を抑制するために、発光波長よりもバンドギャップ波長の長い単純なAlGaN混晶にp型ドーピングしようとすると、アクセプタ準位が170meV以上と極めて大きくなるため正孔濃度が低く、低抵抗なコンタクト抵抗を得ることは大変困難であり、かつ、透明にするのは困難であった。
【0009】
本発明の目的は、発光スペクトルの単色性と低抵抗性を大きく損なうことなく、紫外発光ダイオードの発光効率を向上することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、平均組成がAl x Ga 1−x N(x>0.1)の短周期超格子構造のクラッド層と、Al y Ga 1−y N(x>y>0)からなる量子井戸障壁層と、Al z Ga 1−z N(y>z>0)からなる量子井戸層とを有する紫外発光ダイオードにおいて、n型の前記クラッド層と、前記量子井戸障壁層および前記量子井戸層からなる量子井戸構造との間に、n型Al x’ Ga 1−x’ N(x ' >x+0.1)からなるn型ブロッキング層と、p型の前記クラッド層と前記量子井戸構造との間に、p型Al x’’ Ga 1−x’’ N(x '' >x+0.1)からなるp型ブロッキング層とを有し、前記量子井戸層は唯一であり、該唯一の量子井戸層が前記p型ブロッキング層側に偏在することを特徴とする。このように、AlGaN混晶をベースとする紫外発光ダイオードのクラッド層と量子井戸構造からなる発光層との間にAl組成の高い電流ブロッキング層を設けることにより、キャリアの溢れを抑制し、発光効率を向上させることができる。また、短周期混晶超格子をクラッド層に用いることにより、クラッド層が発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。また、唯一の量子井戸層をp型ブロッキング層側に偏在させることにより、発光スペクトルが長波長に広がらず、単色性の優れた素子が実現できる。
また、前記p型ブロッキング層の前記量子井戸構造と反対側に、2種類のAl組成を有するAlGaN混晶からなる短周期混晶超格子からなるp型コンタクト層をさらに有することを特徴とする。このように短周期混晶超格子をp型コンタクト層に用いることにより、p型コンタクト層が発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。
また、前記紫外発光ダイオードの基板として、GaN基板をさらに有することを特徴とする。このようにGaN基板を用いることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
また、前記紫外発光ダイオードの基板として、SiC基板を用い、該SiC基板の上にGaNバッファ層をさらに有することを特徴とする。このようにGaNバッファ層を用いることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0020】
実施の形態1
図1(A)は本発明の実施の形態1のブロッキング層を有し量子井戸層が単一で量子井戸構造のp側に偏在させた紫外発光ダイオードを示す図、(B)はブロッキング層の無い従来の単一量子井戸構造の紫外発光ダイオードを示す図、(C)は本発明の参考例1のブロッキング層を有し量子井戸層が5層の紫外発光ダイオードを示す図、(D)は本発明の参考例2のブロッキング層を有し単一量子井戸層を量子井戸構造の中央に配置した紫外発光ダイオードを示す図である。
【0021】
1は量子井戸構造、2は量子井戸構造1の量子井戸層、3は量子井戸構造1の障壁層(バリア層)、4はn型クラッド層、5はp型クラッド層、6はn型ブロッキング層、7はp型ブロッキング層である。
【0022】
これらの素子は、SiC基板(0001)のSi面上に有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて窒化物半導体積層構造を形成することにより作製した。まず、成長圧力300Torr(4万Pa)で、n型SiC基板上にn型AlxGa1−xN(x>0.1、x≒0.18)層を厚さ約500nm、周期3nmのn型混晶超格子構造(SPASL:Al0.16Ga0.84N/Al0.2Ga0.8N、平均組成はAl0.18Ga0.82N)を厚さ約250nm成長させてn型クラッド層4を形成し、n型Alx’Ga1−x’N(x’>x+0.1、x’≒0.3)ブロッキング層6を厚さ約20nm、n型AlzGa1−zN(y>z>0、z≒0.06)量子井戸層2とn型AlyGa1−yN(x>y>0、y≒0.12)障壁層3からなる量子井戸構造1、p型Alx’’Ga1−x’’N(x’’>x+0.1、、x’’≒0.3)ブロッキング層7を厚さ約20nm、周期3nmのp型混晶超格子構造(SPASL:Al0.16Ga0.84N/Al0.2Ga0.8N、平均組成はAl0.18Ga0.82N)からなるp型クラッド層5を厚さ約250nm、p型GaNコンタクト層4を厚さ約15nm積層した。
【0023】
次に、基板上面に約200μm×200μm角のp型オーミックとなるPd(上層)/Au(基板側下層)からなる半透明電極を形成し、幅約10μmの配線部と約50μm×50μm角のパッド部からなる厚さ200nmの引き出し電極を形成した。その後、基板裏面にTi(上層)/Au(基板側下層)電極を設け、紫外発光ダイオードを作製した。
【0024】
図2は上記(A)(B)(C)の素子の発光強度の注入電流依存性を測定した結果を示す図である。
【0025】
図2から明らかなように、(B)の素子は、比較的低電流で出力が飽和しているが、これはブロッキング層がないために電子および正孔が量子井戸構造1を通り抜けて、電子がp型クラッド層5へ、正孔がn型クラッド層4へ達し、非発光再結合を主とする再結合電流になっているためと考えられる。
【0026】
また、(C)の素子では、出力の勾配が小さくなっているが、これは量子井戸層数が多いために、注入レベルが低くなって、発光再結合の比率が非発光再結合に比較して減少しているためと考えられる。
【0027】
図3は上記(A)の素子と(D)の素子の発光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【0028】
図3から明らかなように、量子井戸層2が量子井戸構造1の中央部にある(D)の素子では、発光スペクトルが長波長に広がり、単色性が劣っている。これは、正孔の拡散長が短いことや、p型ブロッキング層7と量子井戸構造1の障壁層3のヘテロ界面にバンド端不連続に起因する深い準位、例えば2次元正孔ガスが形成されることが理由として考えられるが詳細は不明である。本発明では、このように、量子井戸層2を配置するには、量子井戸構造1のp側に偏在させる。「量子井戸構造1のp側に偏在させる」とは、量子井戸層2を量子井戸構造1の中央よりもp型ブロッキング層7に近い方に配置させることである。
【0029】
図4は上記(A)の素子の半透明電極として、Pd(厚さ2.5nm)/Au(厚さ2.5nm)層を用いた素子の光出力特性を示す図である。
【0030】
図4から明らかなように、本素子では、注入電流420mAで出力1mWを達成している。測定は、当該素子チップに直接電流を注入して行い、樹脂の封止や反射鏡等を設けない条件で行っている。これは、AlGaN系紫外発光ダイオードとしては極めて高い出力であり、従来の報告例を1桁上回っている。また、微分効率から推定される内部量子効率は概ね10%で、樹脂封止や反射鏡等を施すことによりさらに高出力化が可能である。
【0031】
上記のように、本実施の形態1では、AlxGa1−xN(x>0.1)層をn型クラッド層4、p型クラッド層5、AlyGa1−yN(x>y>0)層を量子井戸構造の障壁層2、AlzGa1−zN(y>z>0)層を量子井戸構造1の量子井戸層とする紫外発光ダイオードにおいて、n型クラッド層4と量子井戸構造1との間にn型ブロッキング層6としてn型Alx’Ga1−x’N(x'>x+0.1)層を、p型クラッド層5と量子井戸構造1との間にp型ブロッキング層7としてp型Alx’’Ga1−x’’N(x''>x+0.1)層を有する。このように、AlGaN混晶をベースとする紫外発光ダイオードのn型、p型クラッド層4、5と量子井戸構造1からなる発光層との間にAl組成の高いn型、p型電流ブロッキング層6、7を設けることにより、キャリアの溢れを抑制し、発光効率を向上させることができる。
【0032】
また、n型、p型のクラッド層4、5は、平均組成がAlxGa1−xN(x>0.1)の超格子である。このように短周期混晶超格子をクラッド層4、5に用いることにより、該クラッド層4、5が発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。
【0033】
また、量子井戸構造1の量子井戸層2を量子井戸構造1のp側に偏在させることにより、発光スペクトルが長波長に広がらず、単色性の優れた素子が実現できる。
【0034】
なお、紫外発光ダイオードの基板としては、厚さ100μm以上1mm以下のn型GaN基板を用いることが望ましい。このようにGaN基板を用いることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0035】
また、p型コンタクト層として、2種類のAl組成を有するAlGaN混晶からなり、周期1nm以上8nm以下の短周期混晶超格子からなる層を形成することも可能である。このように短周期混晶超格子をp型コンタクト層に用いることにより、該p型コンタクト層が発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。
【0036】
また、紫外発光ダイオードの基板として、厚さ30μm以上1mm以下のGaN基板を用いることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0037】
また、紫外発光ダイオードの基板としてSiC基板を用い、厚さ150μm以上1mm以下のGaNバッファ層を設けることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0038】
実施の形態2、3
図5(A)、(B)はそれぞれ本発明の実施の形態2、3の構造を示す概略断面図である。
【0039】
図5(A)、(B)において、10はGaN基板、11はMOVPE法により成長したGaNバッファ層、13はn型混晶AlGaN層、14はn型短周期超格子AlxGa1−xN(x>0.1、Al組成は16%と20%の組み合わせで、周期3nm)層からなるクラッド層、15は図1(A)のブロッキング層6、7と量子井戸構造1を含む構造、16はp型短周期超格子AlxGa1−xN(x>0.1、Al組成は16%と20%の組み合わせで、周期3nm)層からなるクラッド層、17は2種類のAl組成を有するAlGaN混晶からなり、周期1nm以上8nm以下のp型短周期混晶超格子からなるコンタクト層、18はAlとAuからなるn型オーミック電極、19はPdとAuからなる半透明p型オーミック電極、図5(B)において、20はSiC基板(Si面)、21は高温成長させたn型AlGaN濡れ層である。なお、本紫外発光ダイオードの発光波長は200nm以上380nm以下である。
【0040】
これらの素子は、各基板10、20にMOVPE法を用いて上記実施の形態1と同様に窒化物半導体積層構造を形成することにより作製した。
【0041】
図6は、GaN基板10上に作製した図5(A)の素子の発光強度の注入電流依存性を測定した結果を示す図である。
【0042】
図4と比較して明らかなように、発光強度がおよそ1桁向上している。発光層(量子井戸構造)から下側に伝播して基板10に吸収される光、表面側の空気と半導体界面で反射して外部に放出されない光や、電極パッドや電極の針の陰になり、測定装置まで到達できない光を考慮に要れると、内部量子効率は100%に近くなることがわかる。また、400mAという大きな注入電流にもかかわらず、印加電圧が6Vに満たないことから、低転位基板によって非発光再結合が減少して発光効率が向上していること、p型の短周期混晶超格子コンタクト層17の透明度が高く、低抵抗であることが明らかである。
【0043】
また、上記実施の形態1のようなSiC基板に直接AlGaN層を成長した素子では、InGaNやGaNを発光層とするダイオードよりも1桁以上発光効率が低かった。逆にいえば、InGaNやGaNを発光層とするダイオードでは、GaN基板を用いれば、図5(A)の素子よりも優れた発光層の内部量子効率が得られることは明らかである。さらに、図5(A)の構造では、クラッド層14、16やコンタクト層17が波長360nm以上の波長の光に対しても透明であり、また、低抵抗でもあるので、発光層にGaNやIn組成の小さいInGaNを有するダイオードに適用することにより、従来困難であった360nm〜380nmの波長域における発光効率を格段に向上することが可能である。
【0044】
上記のように、本実施の形態2、3では、紫外発光ダイオードの発光波長が200nm以上380nm以下であり、2種類のAl組成を有するAlGaN混晶からなり、周期1nm以上8nm以下の短周期混晶超格子からなるp型コンタクト層17を有する。このように短周期混晶超格子をp型コンタクト層17に用いることにより、p型コンタクト層17が発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。
【0045】
また、量子井戸構造の量子井戸層は少なくともGa、In、およびN、もしくはGa、In、Al、およびNを含む。
【0046】
また、紫外発光ダイオードの基板として、厚さ30μm以上1mm以下のGaN基板を用いることことにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0047】
また、上記紫外発光ダイオードの基板としてSiC基板を用い、厚さ150μm以上1mm以下のGaNバッファ層11を設けることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることができる。
【0048】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、Inを導入したり、Bを導入した紫外発光ダイオードにも適用することが可能である。また、発光ダイオードだけではなく、光ガイド層を有するレーザー構造にも適用可能である。さらに、基板や窒化物の組成など種々変更可能であることは勿論である。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、AlGaN混晶をベースとする紫外発光ダイオードにブロッキング層を設けることにより、発光効率を向上させることが可能となる。また、GaN基板やGaNバッファ層を用いることにより、発光層自体の内部量子効率を向上させることが可能となる。さらに、短周期混晶超格子をp型クラッド層とp型コンタクト層に用いることにより発光層に対して透明かつ低抵抗となり、低電力で高効率な光の取り出しが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の実施の形態1の紫外発光ダイオードを示す図、(B)は従来の紫外発光ダイオードを示す図、(C)は本発明の参考例1の紫外発光ダイオードを示す図、(D)は本発明の参考例2の紫外発光ダイオードを示す図である。
【図2】(A)(B)(C)の素子の発光強度の注入電流依存性を測定した結果を示す図である。
【図3】(A)の素子と(D)の素子の発光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図4】(A)の素子の半透明電極として、Pd/Au層を用いた素子の光出力特性を示す図である。
【図5】(A)、(B)はそれぞれ本発明の実施の形態2、3の構造を示す概略断面図である。
【図6】GaN基板上に作製した図5(A)の素子の発光強度の注入電流依存性を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
1…量子井戸構造、2…量子井戸層、3…障壁層、4…n型クラッド層、5…p型クラッド層、6…n型ブロッキング層、7…p型ブロッキング層、10…GaN基板、11…GaNバッファ層、13…n型混晶AlGaN層、14…n型短周期超格子AlGaNクラッド層、15…ブロッキング層と量子井戸構造を含む構造、16…p型短周期超格子AlGaNクラッド層、17…p型短周期混晶超格子コンタクト層、18…n型Al/Auオーミック電極、19…半透明p型Pd/Auオーミック電極、20…SiC基板、21…n型AlGaN濡れ層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultraviolet light emitting diode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a light emitting diode using an InGaN mixed crystal, when the emission wavelength is close to the band gap wavelength of 363 nm of GaN, the emission efficiency is remarkably reduced. Therefore, only a light having a wavelength longer than 380 nm can be practically produced. .
[0003]
Ultraviolet light-emitting diodes using AlGaN mixed crystals can emit ultraviolet light with wavelengths shorter than this, so we started using a light source that replaces the i-line of mercury lamps and an excitation light source for titanium oxide photocatalysts with a band gap of about 350 nm. There are many application fields.
[0004]
Up to now, by using AlGaN mixed crystal for the quantum well layer of the quantum well structure as the light emitting layer, it is possible to emit light even at a wavelength shorter than 360 nm, and the short period mixed crystal superlattice made of AlGaN mixed crystal in the cladding layer It has been shown that a low resistance cladding layer can be realized by using a structure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Although low-resistance ultraviolet light-emitting diodes with good monochromaticity have been realized with such a technique, there has been a problem that the light emission efficiency is low.
[0006]
Further, when an AlGaN mixed crystal is directly grown on a SiC substrate, it is difficult to reduce the dislocation density from about 10 8 to 10 9 cm −2, which causes an increase in reactive current.
[0007]
Further, in a nitride that is difficult to do p-type impurity doping, a p-type contact layer is formed by doping Mg into a GaN layer that is easily doped. For this reason, the light absorption in the contact layer increases for light emission with a wavelength shorter than 360 nm, which is the band gap wavelength of the GaN layer, or a wavelength close to 360 nm (360 nm to 380 nm), and efficient light extraction is possible. There was a problem of being disturbed.
[0008]
Also, in order to suppress this light absorption, when trying to p-type doping a simple AlGaN mixed crystal having a longer band gap wavelength than the emission wavelength, the acceptor level becomes extremely large at 170 meV or more, so the hole concentration is low, It was very difficult to obtain a low resistance contact resistance, and it was difficult to make it transparent.
[0009]
An object of the present invention is to improve the light emission efficiency of an ultraviolet light emitting diode without significantly impairing the monochromaticity and low resistance of the emission spectrum.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a cladding layer having a short-period superlattice structure having an average composition of Al x Ga 1-x N (x> 0.1), Al y Ga 1-y N (x> In the ultraviolet light emitting diode having a quantum well barrier layer made of y> 0) and a quantum well layer made of Al z Ga 1-z N (y>z> 0), the n-type cladding layer and the quantum well An n-type blocking layer made of n-type Al x ′ Ga 1-x ′ N (x ′ > x + 0.1) and a p-type clad layer between the barrier layer and the quantum well structure made of the quantum well layer And a p-type blocking layer made of p-type Al x ″ Ga 1-x ″ N (x ″ > x + 0.1), the quantum well layer being the only one And the only quantum well layer is unevenly distributed on the p-type blocking layer side. Thus, by providing a current blocking layer having a high Al composition between the cladding layer of the ultraviolet light emitting diode based on AlGaN mixed crystal and the light emitting layer having the quantum well structure, the overflow of carriers is suppressed and the light emission efficiency is improved. Can be improved. In addition, by using a short-period mixed crystal superlattice as a cladding layer, the cladding layer is transparent and low in resistance to the light emitting layer, and light can be extracted with low power and high efficiency. In addition, by making the only quantum well layer unevenly distributed on the p-type blocking layer side, an element having excellent monochromaticity can be realized without the emission spectrum extending to a long wavelength.
The p-type blocking layer may further include a p-type contact layer made of a short-period mixed crystal superlattice made of an AlGaN mixed crystal having two types of Al composition on the opposite side of the quantum well structure. By using the short-period mixed crystal superlattice for the p-type contact layer in this way, the p-type contact layer is transparent and low in resistance to the light emitting layer, and light can be extracted efficiently with low power.
The substrate of the ultraviolet light emitting diode further includes a GaN substrate. By using the GaN substrate in this manner, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved.
Further, a SiC substrate is used as the substrate of the ultraviolet light emitting diode, and a GaN buffer layer is further provided on the SiC substrate. By using the GaN buffer layer in this way, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
[0020]
Embodiment 1
FIG. 1A is a diagram showing an ultraviolet light-emitting diode having the blocking layer of Embodiment 1 of the present invention and having a single quantum well layer that is unevenly distributed on the p side of the quantum well structure, and FIG. The figure which shows the ultraviolet light emitting diode of the conventional single quantum well structure which does not have, (C) is a figure which shows the blocking layer of the reference example 1 of this invention, and has a quantum well layer in five layers, (D) It is a figure which shows the ultraviolet light emitting diode which has the blocking layer of the reference example 2 of this invention, and has arrange | positioned the single quantum well layer in the center of the quantum well structure.
[0021]
1 is a quantum well structure, 2 is a quantum well layer of the
[0022]
These elements were produced by forming a nitride semiconductor multilayer structure on the Si surface of the SiC substrate (0001) by using a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. First, an n-type Al x Ga 1-x N (x> 0.1, x≈0.18) layer is formed on an n-type SiC substrate at a growth pressure of 300 Torr (40,000 Pa) with a thickness of about 500 nm and a period of 3 nm. An n-type mixed crystal superlattice structure (SPANL: Al 0.16 Ga 0.84 N / Al 0.2 Ga 0.8 N, average composition Al 0.18 Ga 0.82 N) is grown to a thickness of about 250 nm. The n-
[0023]
Next, a semitransparent electrode made of Pd (upper layer) / Au (lower layer on the substrate side), which is p-type ohmic of about 200 μm × 200 μm square, is formed on the upper surface of the substrate, and a wiring part having a width of about 10 μm and about 50 μm × 50 μm square A lead electrode having a thickness of 200 nm consisting of a pad portion was formed. Thereafter, a Ti (upper layer) / Au (substrate lower layer) electrode was provided on the back surface of the substrate to produce an ultraviolet light emitting diode.
[0024]
FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the injection current dependence of the emission intensity of the elements (A), (B), and (C).
[0025]
As is clear from FIG. 2, the output of the device (B) is saturated at a relatively low current, but since there is no blocking layer, electrons and holes pass through the quantum well structure 1 and electrons This is considered to be due to the fact that the holes reach the p-
[0026]
In the device (C), the output gradient is small. This is because the number of quantum well layers is large, the injection level is low, and the ratio of radiative recombination is higher than that of non-radiative recombination. This is probably due to the decrease.
[0027]
FIG. 3 is a diagram showing the results of measuring the emission spectra of the device (A) and the device (D).
[0028]
As is clear from FIG. 3, in the element (D) in which the
[0029]
FIG. 4 is a diagram showing light output characteristics of an element using a Pd (thickness 2.5 nm) / Au (thickness 2.5 nm) layer as a semitransparent electrode of the element (A).
[0030]
As is apparent from FIG. 4, this device achieves an output of 1 mW at an injection current of 420 mA. The measurement is performed by directly injecting a current into the element chip under the condition that no resin sealing or a reflecting mirror is provided. This is an extremely high output for an AlGaN-based ultraviolet light-emitting diode, which is an order of magnitude higher than the conventional report example. Further, the internal quantum efficiency estimated from the differential efficiency is approximately 10%, and it is possible to further increase the output by applying resin sealing or a reflecting mirror.
[0031]
As described above, in the first embodiment, Al x Ga 1-x N (x> 0.1) layer n-
[0032]
The n-type and p-
[0033]
Moreover, by making the
[0034]
As the substrate of the ultraviolet light emitting diode, it is desirable to use an n-type GaN substrate having a thickness of 100 μm or more and 1 mm or less. By using the GaN substrate in this manner, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved.
[0035]
Further, as the p-type contact layer, it is possible to form a layer made of an AlGaN mixed crystal having two types of Al compositions and a short-period mixed crystal superlattice having a period of 1 nm or more and 8 nm or less. By using the short-period mixed crystal superlattice for the p-type contact layer in this way, the p-type contact layer becomes transparent and low in resistance to the light emitting layer, and light can be extracted with low power and high efficiency.
[0036]
Further, by using a GaN substrate having a thickness of 30 μm or more and 1 mm or less as the substrate of the ultraviolet light emitting diode, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved.
[0037]
Moreover, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved by using a SiC substrate as the substrate of the ultraviolet light emitting diode and providing a GaN buffer layer having a thickness of 150 μm or more and 1 mm or less.
[0038]
Embodiments 2 and 3
5A and 5B are schematic cross-sectional views showing the structures of
[0039]
5A and 5B, 10 is a GaN substrate, 11 is a GaN buffer layer grown by the MOVPE method, 13 is an n-type mixed crystal AlGaN layer, and 14 is an n-type short-period superlattice Al x Ga 1-x. N (x> 0.1, Al composition in combination with 16% and 20%,
[0040]
These elements were fabricated by forming a nitride semiconductor multilayer structure on each of the
[0041]
FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the injection current dependence of the light emission intensity of the device of FIG. 5A fabricated on the
[0042]
As is apparent from the comparison with FIG. 4, the emission intensity is improved by about one digit. Light that propagates downward from the light-emitting layer (quantum well structure) and is absorbed by the
[0043]
Further, in the device in which the AlGaN layer is directly grown on the SiC substrate as in the first embodiment, the light emission efficiency is lower by one digit or more than the diode using InGaN or GaN as the light emitting layer. Conversely, it is clear that a diode having InGaN or GaN as a light-emitting layer can achieve better internal quantum efficiency of the light-emitting layer than a device shown in FIG. 5A when a GaN substrate is used. Further, in the structure of FIG. 5A, the cladding layers 14 and 16 and the
[0044]
As described above, in the second and third embodiments, the emission wavelength of the ultraviolet light emitting diode is 200 nm or more and 380 nm or less, is composed of an AlGaN mixed crystal having two types of Al compositions, and is mixed with a short period of 1 nm or more and 8 nm or less. A p-
[0045]
The quantum well layer having the quantum well structure contains at least Ga, In, and N, or Ga, In, Al, and N.
[0046]
In addition, by using a GaN substrate having a thickness of 30 μm or more and 1 mm or less as the substrate of the ultraviolet light emitting diode, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved.
[0047]
Further, by using a SiC substrate as the substrate of the ultraviolet light emitting diode and providing the
[0048]
Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the present invention can be applied to an ultraviolet light emitting diode into which In is introduced or B is introduced. Moreover, it is applicable not only to a light emitting diode but also to a laser structure having a light guide layer. Furthermore, it goes without saying that various changes such as the composition of the substrate and nitride can be made.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to improve luminous efficiency by providing a blocking layer in an ultraviolet light emitting diode based on an AlGaN mixed crystal. Further, by using a GaN substrate or a GaN buffer layer, the internal quantum efficiency of the light emitting layer itself can be improved. Furthermore, by using the short period mixed crystal superlattice for the p-type cladding layer and the p-type contact layer, the light emitting layer is transparent and has low resistance, and light can be extracted efficiently with low power.
[Brief description of the drawings]
1A is a diagram showing an ultraviolet light-emitting diode according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1B is a diagram showing a conventional ultraviolet light-emitting diode, and FIG. 1C is an ultraviolet light-emitting diode according to Reference Example 1 of the present invention; (D) is a figure which shows the ultraviolet light emitting diode of the reference example 2 of this invention.
FIGS. 2A and 2B are graphs showing the results of measuring the injection current dependence of the emission intensity of the elements of (A), (B), and (C).
FIG. 3 is a diagram showing the results of measuring the emission spectra of the element (A) and the element (D).
FIG. 4 is a diagram showing light output characteristics of an element using a Pd / Au layer as a translucent electrode of the element of FIG.
5A and 5B are schematic cross-sectional views showing the structures of
6 is a graph showing the result of measuring the dependence of the light emission intensity on the injection current of the device of FIG. 5A fabricated on a GaN substrate. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quantum well structure, 2 ... Quantum well layer, 3 ... Barrier layer, 4 ... n-type cladding layer, 5 ... p-type cladding layer, 6 ... n-type blocking layer, 7 ... p-type blocking layer, 10 ... GaN substrate, DESCRIPTION OF
Claims (4)
AlyGa1−yN(x>y>0)からなる量子井戸障壁層と、
AlzGa1−zN(y>z>0)からなる量子井戸層と
を有する紫外発光ダイオードにおいて、
n型の前記クラッド層と、前記量子井戸障壁層および前記量子井戸層からなる量子井戸構造との間に、n型Alx’Ga1−x’N(x'>x+0.1)からなるn型ブロッキング層と、
p型の前記クラッド層と前記量子井戸構造との間に、p型Alx’’Ga1−x’’N(x''>x+0.1)からなるp型ブロッキング層とを有し、
前記量子井戸層は唯一であり、
該唯一の量子井戸層が前記p型ブロッキング層側に偏在する
ことを特徴とする紫外発光ダイオード。A cladding layer having a short-period superlattice structure having an average composition of Al x Ga 1-x N (x>0.1);
A quantum well barrier layer made of Al y Ga 1-y N (x>y>0);
In an ultraviolet light emitting diode having a quantum well layer made of Al z Ga 1-z N (y>z> 0),
n made of n-type Al x ′ Ga 1-x ′ N (x ′> x + 0.1) between the n-type cladding layer and the quantum well structure composed of the quantum well barrier layer and the quantum well layer A mold blocking layer;
a p-type blocking layer made of p-type Al x ″ Ga 1-x ″ N (x ″> x + 0.1) between the p-type cladding layer and the quantum well structure;
The quantum well layer is unique,
The ultraviolet light-emitting diode, wherein the only quantum well layer is unevenly distributed on the p-type blocking layer side.
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