JP2012060170A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体を含むn形半導体層と、窒化物半導体を含むp形半導体層と、n形半導体層とp形半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む井戸層42及び窒化物半導体を含む障壁層41を有する発光部40と、発光部40とn形半導体層との間に設けられ、Inの組成比が異なる第1層31及び第2層32を含む積層体30と、を備え、障壁層41の層厚が10nm以下であり、積層体30の平均In組成比をp、発光部40の平均In組成比をqとした場合、0.4<p/q≦0.7であり、障壁層の厚さは、10ナノメートル以下であり、積層体において第1層と第2層とが交互に30ペア以上設けられる。
【選択図】図1
Description
このような半導体発光素子において、低駆動電圧と、高発光効率と、を同時に実現することが望まれている。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図2は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、本実施の形態に係る半導体発光素子110は、n形半導体層20と、p形半導体層50と、n形半導体層20とp形半導体層50との間に設けられた発光部40と、発光部40とn形半導体層20との間に設けられた積層体30と、を備える。
発光部40は、例えば活性層である。積層体30は、例えば超格子層である。
このように、本実施形態に係る本具体例の半導体発光素子110は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。
なお、障壁層41及び井戸層42は、微量のAl等を含んでも良い。
さらに、障壁層41におけるIn組成比bと、第1層31におけるIn組成比xと、は、後述する「平均In組成比」が後述する関係を満たせば、任意である。
井戸層42が、InwGa1−wNを含み、層厚tw(ナノメートル)を有し、障壁層41が、InbGa1−bNを含み、層厚tb(ナノメートル)を有するとき、発光部平均In組成比qは、(w×tw+b×tb)/(tw+tb)と定義される。
第1層31が、InxGa1−xNを含み、層厚txナノメートルを有し、第2層32が、InyGa1−yNを含み、層厚tyナノメートルを有するとき、積層体平均In組成比pは、(x×tx+y×ty)/(tx+ty)と定義される。
なお、積層体30の平均In組成比pと、発光部40の発光部平均In組成比qと、が同じ場合は、発光部40で発光した光がn形半導体層20の側に向かう際に、光が積層体30の第1層31及び第2層32において吸収される。このため、本実施の形態においては、平均In組成比pは、平均In組成比qよりも低く設定される。これにより、上記の吸収を抑制でき、発光効率を高くできる。
本発明者は、実験の結果、障壁層41の層厚tbを10nm以下にして駆動電圧の低減を図りつつ、発光効率をも向上できる上記の条件を見いだした。
この実験では、発光部40の構成(障壁層41の厚さやIn組成比、井戸層42の厚さやIn組成比)及び積層体30の構成(第1層31の厚さやIn組成比、第2層32の厚さやIn組成比)を変えて半導体発光素子を作製し、駆動電圧Vf及び光出力Poを評価した。
第1の実験では、以下のようにして、半導体発光素子の試料を作製した。
次に、積層体30の上に、障壁層41と井戸層42とを交互に8周期積層した。
本実験では、障壁層41におけるInの組成比bは0とし、井戸層42におけるInの組成比wを0.15とした。
このようにして、試料x1〜x3が作製された。なお、このようにして作製された試料x1〜x3の半導体発光素子は、450nmの主波長で発光する青色LEDである。
すなわち、図3は、障壁層41の層厚を変化させた試料x1〜x3における駆動電圧Vfの変化を例示している。図3において、横軸は障壁層41の層厚tb(nm)であり、縦軸は半導体発光素子の駆動電圧Vfである。なお、駆動電圧Vfは、障壁層41の層厚tbが10nmのときの駆動電圧を1とした相対値で表示されている。
第2の実験では、積層体30の平均In組成比pと、発光部40の平均In組成比qと、の比率であるp/qを変化させた。
具体的には、第1の実験と同様に、障壁層41におけるInの組成比bは0とし、井戸層42におけるInの組成比wを0.1とした。そして、障壁層41の層厚は5nmとし、井戸層42の厚さは、2.5nmとした。
なお、試料y1、y2及び試料y3は、400nmの主波長で発光する近紫外LEDである。
すなわち、図4は、試料y1、y2及びy3における半導体発光素子の駆動電圧Vfの変化を例示している。図4において、横軸はp/qであり、縦軸は半導体発光素子の駆動電圧Vfである。なお、縦軸は、相対値である。
図5は、試料y1、y2及びy3における半導体発光素子の光出力Poの変化を例示している。図5において、横軸はp/qであり、縦軸は半導体発光素子の光出力Poミリワット(mW)である。なお、縦軸は、相対値である。
第3の実験では、井戸層42におけるIn組成比wを0.15として、積層体30の平均In組成比pと、発光部40の平均In組成比qと、の比率であるp/qを変化させた。
図6は、試料群zにおける半導体発光素子の駆動電圧Vfの変化を例示している。図6において、横軸はp/qであり、縦軸は半導体発光素子の駆動電圧Vfである。なお、縦軸は、相対値である。
図7は、試料群zにおける半導体発光素子の光出力Poの変化を例示している。同図において、横軸はp/q、縦軸は半導体発光素子の光出力Poミリワット(mW)である。なお、縦軸は、相対値である。
この場合は、p/qは0.34である。この場合には、図4〜図7に関して説明したように、p/qが0.4よりも高いときに比べて、駆動電圧Vfの低減と、光出力Poの上昇の効果が、小さい。なお、この条件の場合には、Sall/Tallは、0.45である。
第4の実験では、井戸層42におけるIn組成比wを0.15として、積層体30の厚さSallと、発光部40の厚さTallと、の比率を変化させた。
図8は、試料x11、x12及びx13における半導体発光素子の駆動電圧Vfの変化を例示している。同図において、横軸はSall(nm)/Tall(nm)であり、縦軸は半導体発光素子の駆動電圧Vfである。なお、縦軸は、Sall/Tallが1.1のときの駆動電圧Vfを1にした相対値である。
実施例に係る半導体発光素子は、図1及び図2に例示した半導体発光素子110の構成を有している。
そして、障壁層41におけるInの組成比bを0とし、障壁層41の層厚を5nmとした。一方、井戸層42におけるInの組成比wを0.1とし、井戸層42の厚さを、2.5nmとした。
比較例の半導体発光素子においては、上記の実施例に対して、積層体30の第2層32のIn組成比yを0.04とし、その他を同じにしたものである。比較例の半導体発光素子においては、p/qが0.32である。また、Sall/Tallは、1.6である。比較例の半導体発光素子においては、駆動電圧は3.3Vであり、光出力は14mWであった。そして、ウォールプラグ効率は、21%であった。
発光部40では、例えば、層厚tw(nm)の井戸層42と、層厚tb(nm)の含む障壁層41と、が交互に積層される。
また、積層体30の厚さSall(nm)は、発光部40の厚さTall(nm)以上とされる。
また、近紫外LEDの場合には、発光部平均In組成比qは、例えば、0.023以上、0.038以下程度であり、この発光部平均組成比qの値に対して、積層体平均In組成比pは、0.4倍より高く設定される。
また、第2層32(InyGa1−yN)のIn組成比yは、0よりも大きく、0.2未満(ただし、yはxよりも大きい)の範囲にすることが好ましい。In組成比yのより好ましい例は、0.08以上、0.15未満の範囲である。
また、第2層32の層厚tyは、0nmよりも厚く、2nmよりも薄いことが好ましい。層厚tyのより望ましい例は、1nm以上、1.5nm以下の範囲である。
本実施の形態に係る半導体発光素子では、上記のいずれかによって求めた平均In組成比pが、上記のいずれかによって求めた平均In組成比qの0.4倍よりも高くなっていればよい。
すなわち、このときの積層体30の平均In組成比pは、(xj×txj+yj×tyj)/(txj+tyj)で求められる。このように求められた平均In組成比pを、p(j)と表記することにする。
すなわち、このときの積層体30の平均In組成比pは、Σ(xj×txj+yj×tyj)/Σ(txj+tyj)で求められる。ここで、Σは、j=1〜Mにおける総和を示す。このように求められた平均In組成比pを、p(Σ)と表記することにする。
すなわち、このときの発光部40の平均In組成比qは、(wi×twi+bi×tbi)/(twi+tbi)で求められる。このように求められた平均In組成比qを、q(i)と表記することにする。
すなわち、このときの発光部40の平均In組成比qは、Σ(wi×twi+bi×tbi)/Σ(twi+tbi)で求められる。ここで、Σは、i=1〜Nにおける総和を示す。このように求められた平均In組成比qを、q(Σ)と表記することにする。
第2の実施の形態は、半導体発光素子の製造方法である。
図9は、第2の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャートである。
図9に表したように、本製造方法は、以下の形成工程を備える。
すなわち、本製造方法は、基板10の上に、窒化物半導体を含むn形半導体層20を形成する工程(ステップS110)と、n形半導体層20の上に、第1層31と第2層32と含む積層体30を形成する工程(ステップS120)と、積層体30の上に、障壁層41と井戸層42とを含む発光部40を形成する工程(ステップS130)と、発光部40の上にp形半導体層50を形成する工程(ステップS140)と、を備える。
これにより、発光効率を向上し、駆動電圧を低減した半導体発光素子が製造できる。そして、高いウォールプラグ効率が実現できる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
次に、積層体30の上に、障壁層41と井戸層42とを交互に8周期積層した。
本実験では、障壁層41におけるInの組成比bは0とし、井戸層42におけるInの組成比wを0.15とした。
Claims (8)
- 窒化物半導体を含むn形半導体層と、
窒化物半導体を含むp形半導体層と、
前記n形半導体層と前記p形半導体層との間に設けられ、
InbGa1−bN(0≦b<1)を含み、層厚tb(ナノメートル)を有する障壁層と、
前記障壁層と積層され、InwGa1−wN(0<w<1、b<w)を含み、層厚tw(ナノメートル)を有する井戸層と、
を含む発光部と、
前記発光部と前記n形半導体層との間に設けられ、
InxGa1−xN(0≦x<1)を含み、層厚tx(ナノメートル)を有する第1層と、
前記第1層と積層され、InyGa1−yN(0<y<1、x<y<w)を含み、層厚ty(ナノメートル)を有する第2層と、
を含む積層体と、
を備え、
前記発光部の平均In組成比を(w×tw+b×tb)/(tw+tb)とし、前記積層体の平均In組成比を(x×tx+y×ty)/(tx+ty)としたとき、
前記積層体の前記平均In組成比は、前記発光部の前記平均In組成比の0.4倍よりも高く0.7倍以下であり、
前記障壁層の前記層厚tbは、10ナノメートル以下であり、
前記積層体において前記第1層と前記第2層とが交互に30ペア以上設けられたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記積層体の厚さは、前記発光部の厚さ以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層は複数設けられ、前記複数の障壁層は互いに積層され、
前記井戸層は複数設けられ、前記複数の井戸層のそれぞれは、前記複数の障壁層のそれぞれの間に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1層の厚さは、1ナノメートルよりも厚く3ナノメートルよりも薄く、
前記第2層の厚さは、0ナノメートルよりも厚く2ナノメートルよりも薄いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2層の厚さは、1ナノメートル以上で1.5ナノメートル以下であることを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。
- 基板の上に、窒化物半導体を含むn形半導体層を形成する工程と、
前記n形半導体層の上に、第1層と第2層と含む積層体を形成する工程と、
前記積層体の上に、障壁層と井戸層とを含む発光部を形成する工程と、
前記発光部の上にp形半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記積層体を形成する前記工程は、前記n形半導体層の上に、InxGa1−xN(0≦x<1)を含む前記第1層を層厚txナノメートルの厚さで形成する工程と、前記第1層の上に、InyGa1−yN(0<y<1、x<y)を含む前記第2層を、層厚tyナノメートルの厚さで形成する工程と、を含み、
前記発光部を形成する前記工程は、前記積層体の上に、InbGa1−bN(0≦b<1、b<w)を含む前記障壁層を、10ナノメートル以下の値の層厚tbナノメートルで形成する工程と、前記障壁層の上に、InwGa1−wN(0<w<1、y<w)を含む前記井戸層を層厚twナノメートルの厚さで形成する工程と、を含み、
前記積層体を形成する前記工程及び前記発光部を形成する前記工程の少なくともいずれかは、
前記積層体の平均In組成比を(x×tx+y×ty)/(tx+ty)とし、前記発光部の平均In組成比を(w×tw+b×tb)/(tw+tb)としたとき、
前記積層体の平均In組成比を、前記発光部の平均In組成比の0.4倍よりも高く0.7倍以下になるように実施され、
前記積層体において前記第1層と前記第2層とを交互に30ペア以上設けるように実施されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1層の厚さを、1ナノメートルよりも厚く3ナノメートルよりも薄くなるように実施され、
前記第2層の厚さを、0ナノメートルよりも厚く2ナノメートルよりも薄いなるように実施されることを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第2層の厚さを、1ナノメートル以上で1.5ナノメートル以下になるように実施される請求項7記載の半導体発光素子の製造方法。
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