[go: up one dir, main page]

JP6192378B2 - 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
JP6192378B2
JP6192378B2 JP2013127556A JP2013127556A JP6192378B2 JP 6192378 B2 JP6192378 B2 JP 6192378B2 JP 2013127556 A JP2013127556 A JP 2013127556A JP 2013127556 A JP2013127556 A JP 2013127556A JP 6192378 B2 JP6192378 B2 JP 6192378B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
composition
composition gradient
active layer
interface
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.)
Active
Application number
JP2013127556A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2015002324A (ja
Inventor
竹内　哲也
哲也 竹内
素顕 岩谷
素顕 岩谷
赤▲崎▼　勇
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

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/816—Bodies having carrier transport control structures, e.g. highly-doped semiconductor layers or current-blocking structures
    • H10H20/8162—Current-blocking structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3202—Structure 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
    • H01S5/320225—Structure 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure 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
    • H01S5/343—Structure 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
    • H01S5/34333—Structure 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/817—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H10H20/818—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light-emitting regions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3054—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure 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
    • H01S5/3213—Structure 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure 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
    • H01S5/3409—Structure 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)

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+ｃ軸方向に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、前記第１組成傾斜層は、前記第１組成傾斜層と前記活性層との界面のＡｌ組成値より前記第１組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面のＡｌ組成値が大きく、前記第２組成傾斜層は、前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面のＡｌ組成値より前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面のＡｌ組成値が小さいことを特徴とする。
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２組成傾斜層には、前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面の側に、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／ｃｍ２）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+ｃ軸方向に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、前記第１組成傾斜層は、前記第１組成傾斜層と前記活性層との界面のＡｌ組成値より前記第１組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面のＡｌ組成値が大きく、前記第２組成傾斜層は、前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面のＡｌ組成値より前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面のＡｌ組成値が小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第２組成傾斜層には、前記第２組成傾斜層と前記活性層との界面から離れた界面の側に、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 JP2015002324A (ja) 2015-01-05
JP6192378B2 true 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)

Families Citing this family (31)

* 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
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
KR102439708B1 (ko) 2014-05-27 2022-09-02 실라나 유브이 테크놀로지스 피티이 리미티드 광전자 디바이스
KR102427203B1 (ko) 2014-05-27 2022-07-29 실라나 유브이 테크놀로지스 피티이 리미티드 n-형 및 p-형 초격자를 포함하는 전자 디바이스
US11322643B2 (en) 2014-05-27 2022-05-03 Silanna UV Technologies Pte Ltd Optoelectronic device
JP6896708B2 (ja) * 2015-09-17 2021-06-30 クリスタル アイエス, インコーポレーテッドCrystal Is, Inc. ２次元正孔ガスを組み込んだ紫外線発光デバイス
US10505074B2 (en) 2015-09-28 2019-12-10 Nichia Corporation Nitride semiconductor light emitting element including electron blocking structure layer
US10418517B2 (en) 2016-02-23 2019-09-17 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
WO2017145026A1 (en) 2016-02-23 2017-08-31 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
WO2018048275A1 (ko) 2016-09-10 2018-03-15 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자
US10910519B2 (en) 2016-09-13 2021-02-02 Lg Innotek Co., Ltd. Semiconductor device having layers including aluminum and semiconductor device package including same
CN114725264B (zh) * 2016-11-03 2025-03-25 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
US10903395B2 (en) * 2016-11-24 2021-01-26 Lg Innotek Co., Ltd. Semiconductor device having varying concentrations of aluminum
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
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
JP7228176B2 (ja) 2017-11-10 2023-02-24 豊田合成株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
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
CN111937261B (zh) * 2018-03-30 2021-10-08 新唐科技日本株式会社 半导体发光元件
FR3082053B1 (fr) * 2018-05-29 2020-09-11 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d’une diode electroluminescente de type gan
US10622514B1 (en) 2018-10-15 2020-04-14 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
JP7447028B2 (ja) * 2019-01-30 2024-03-11 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
DE112020004592B4 (de) * 2019-09-27 2025-02-06 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Laserdiode mit einer Querleitungsschicht
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
JP7545142B2 (ja) 2021-03-30 2024-09-04 旭化成株式会社 光デバイス
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
JP2024025217A (ja) 2022-08-10 2024-02-26 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

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3909605B2 (ja) 2003-09-25 2007-04-25 松下電器産業株式会社 窒化物半導体素子およびその製造方法
JP2006245165A (ja) 2005-03-02 2006-09-14 Sony Corp 半導体発光素子
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
EP2636076A2 (en) * 2010-11-02 2013-09-11 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

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015002324A (ja) 2015-01-05
US20160149078A1 (en) 2016-05-26
WO2014203856A1 (ja) 2014-12-24
US9437775B2 (en) 2016-09-06

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
US9219189B2 (en) Graded electron blocking layer
JP5737111B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
WO2017057149A1 (ja) 窒化物半導体発光素子
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
JP2011187591A (ja) 窒化物半導体紫外線発光素子
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
US20210083147A1 (en) Nitride-based light-emitting diode device
KR20130141945A (ko) 전자 차단층을 갖는 발광 소자
JP2010045338A (ja) 発光ダイオード
KR20110084683A (ko) 양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자
US9634184B2 (en) Optoelectronic semiconductor device
KR100558455B1 (ko) 질화물 반도체 소자
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
JP2008066555A (ja) 半導体装置と半導体装置の製造法
US8704268B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP2013069795A (ja) 半導体発光素子
JP2014003121A (ja) 窒化物半導体発光素子
KR20110081033A (ko) 스페이서층을 가지는 발광 다이오드
KR101392218B1 (ko) 반도체 발광소자
KR101056754B1 (ko) 3족 질화물 반도체 발광소자

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