JP2013149889A

JP2013149889A - ＧａＮ系半導体発光素子

Info

Publication number: JP2013149889A
Application number: JP2012010809A
Authority: JP
Inventors: Akira Iwayama; 章岩山; Masahiko Mogi; 正彦茂木
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】発光効率向上が図られた新規な構造のＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子は、ｎ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成され、ＧａＮ系半導体で形成され、バリア層とウェル層とが交互に複数層積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、活性層上に形成され、ｐ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｐ型半導体層とを有し、活性層は、最もｎ型半導体層側の第１バリア層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成され、第１バリア層よりもｐ型半導体層側のバリア層がＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で形成され、ウェル層が、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層のバリア層のＩｎＧａＮ層よりもバンドギャップの狭いＩｎＧａＮ層で形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子に関する。

ＧａＮ系半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）は、近年、照明用途等として、大電流で大出力のものが求められている。しかし、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤは、電流密度を増加させると発光効率が低下するＤｒｏｏｐ現象が生じるなど、発光効率を向上させることが容易ではない。

Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ９１, １８３５０７（２００７）Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ９４, ０１１１１３（２００９）Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ９５, ２４１１０９（２００９）特開２００４−８７９０８号公報

本発明の一目的は、発光効率向上が図られた新規な構造のＧａＮ系半導体発光素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、ｎ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成され、ＧａＮ系半導体で形成され、バリア層とウェル層とが交互に複数層積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、ｐ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｐ型半導体層とを有し、前記活性層は、最もｎ型半導体層側の第１バリア層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成され、前記第１バリア層よりもｐ型半導体層側のバリア層がＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で形成され、ウェル層が、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層のバリア層のＩｎＧａＮ層よりもバンドギャップの狭いＩｎＧａＮ層で形成されているＧａＮ系半導体発光素子が提供される。

ＧａＮ系半導体発光素子の多重量子井戸構造の活性層において、最もｎ型半導体層側の第１バリア層をＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成し、第１バリア層よりもｐ型半導体層側のバリア層をＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で形成することにより、発光効率の向上を図ることができる。

図１は、第１シミュレーションで想定した発光素子の構造を示す概略断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、第１比較例及び第１実施例によるＧａＮ系半導体発光素子のコンダクションバンドの概略的なバンド図である。図３は、第１シミュレーションで得られた第１実施例及び第１比較例によるＧａＮ系半導体発光素子のＩＱＥの電流密度依存性を示すグラフである。図４は、活性層のファーストバリア層をＧａＮ／ＡｌＧａＮ層とした場合の影響を示した、コンダクションバンド及びバレンスバンドの概略的なバンド図である。図５は、第１実施例の変形例によるＧａＮ系半導体発光素子のコンダクションバンドの概略的なバンド図である。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、第２シミュレーションで得られた第２比較例及び第３比較例の活性層におけるコンダクションバンドのバンド図及びバレンスバンドのバンド図である。

まず、本発明の第１実施例によるＧａＮ系半導体発光素子、及び、第１比較例によるＧａＮ系半導体発光素子に対し、内部量子効率（ＩＱＥ）の電流密度依存性を調べた第１シミュレーションについて説明する。

なお、ＧａＮ系半導体は、少なくともＧａとＮとを含む。例えばＩｎをＧａＮに添加してＩｎＧａＮとすることにより、Ｉｎ組成に応じてバンドギャップを狭くすることができる。また、例えばＡｌをＧａＮに添加してＡｌＧａＮとすることにより、Ａｌ組成に応じてバンドギャップを広くすることができる。

図１は、第１シミュレーションで想定した発光素子の構造を示す概略断面図である。厚さ５μｍのｎ型ＧａＮ層１上に、多重量子井戸構造の活性層２が形成され、活性層２上に、ｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層による厚さ２０ｎｍのｐ型クラッド層（電子ブロック層）３が形成され、ｐ型クラッド層３上に、厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮ層４が形成されている。第１実施例及び第１比較例によるＧａＮ系半導体発光素子は、それぞれ、活性層２の構造が異なり、残りの構造は共通である。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、第１比較例及び第１実施例によるＧａＮ系半導体発光素子のコンダクションバンドの概略的なバンド図であり、活性層２の積層構造を示す。

積層構造のバリア層、例えば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との積層構造のバリア層を、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層等と表記する。「／」の左方側に、ｎ型半導体層側に配置される層を記す。

第１比較例及び第１実施例の活性層２において共通に、１０層のバリア層ｂ１〜ｂ１０と、９層のウェル層ｗ１〜ｗ９とが、交互に積層されている。最もｎ型半導体層側のバリア層ｂ１をファーストバリア層、最もｐ型半導体層側のバリア層ｂ１０をラストバリア層と呼び、中間のバリア層ｂ２〜ｂ９を、内部バリア層と呼ぶ。

第１比較例による活性層２は、以下のようなものである。

バリア層・・・ファーストバリア：ＧａＮ（厚さ５ｎｍ）
内部バリア：Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ／ＧａＮ（厚さ２ｎｍ／３ｎｍ）
ラストバリア：Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ／ＧａＮ（厚さ２ｎｍ／３ｎｍ）
バリア数：１０
ウェル層・・・Ｉｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ｎ（厚さ３．５ｎｍ）
ウェル数：９
第１実施例による活性層２は、以下のようなものである。

バリア層・・・ファーストバリア：ＧａＮ／Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ（厚さ３ｎｍ／２ｎｍ）
内部バリア：Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ／ＧａＮ（厚さ２ｎｍ／３ｎｍ）
ラストバリア：Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ／ＧａＮ（厚さ２ｎｍ／３ｎｍ）
バリア数：１０
ウェル層・・・Ｉｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ｎ（厚さ３．５ｎｍ）
ウェル数：９
つまり、第１比較例はファーストバリア層ｂ１がＧａＮ層であり、第１実施例はファーストバリア層ｂ１がＧａＮ／ＡｌＧａＮ層である。

なお、ウェル層に用いられるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＩｎ組成ｘは、バリア層に用いられるＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層のＩｎ組成ｙに対し、バンドギャップが狭くなるように選ばれており、例えば０．１０≦ｘ≦０．２５であり、０．０１≦ｙ≦０．０５である。本シミュレーションでは一例として、ｘ＝０．１７、ｙ＝０．０３としている。

シミュレーションには、ＳＴＲ社のバンドギャップモデリングシミュレーションソフトウェアであるＳｉＬＥＮＳｅを用い、歪み、分極、転位欠陥、オージェ効果等を考慮した計算を行った。電子移動度を２００ｃｍ^２／Ｖ．ｓとし、ホール移動度を５ｃｍ^２／Ｖ．ｓとした。

図３は、第１シミュレーションで得られた第１実施例及び第１比較例によるＧａＮ系半導体発光素子のＩＱＥの電流密度依存性を示すグラフである。第１実施例の結果を四角のプロットで示し、第１比較例の結果を菱形のプロットで示す。

どちらのサンプルについても、ＩＱＥは、電流密度が０から増えると急激に大きくなり、最大値を取った後、電流密度増加に伴い緩やかに減少する傾向を示している。ファーストバリア層をＧａＮとした第１比較例に比べ、ファーストバリア層をＧａＮ／ＡｌＧａＮとした第１実施例は、調べた電流密度のほぼ全域に亘ってＩＱＥがやや高くなる傾向が見られる。

第１実施例で第１比較例に比べＩＱＥが向上した理由について考察する。なお、以下の考察は、上述のシミュレーション結果を解釈するための１つの考え方を示すものである。

図４は、活性層のファーストバリア層をＧａＮ／ＡｌＧａＮ層とした場合の影響を示した、コンダクションバンド及びバレンスバンドの概略的なバンド図である。ファーストバリア層ＢＲをＧａＮ単層とした場合、及びファーストバリア層ＢＲをＧａＮ／ＡｌＧａＮ層とした場合のバンド図を、それぞれ、実線及び破線で示す。

ファーストバリア層ＢＲにＡｌＧａＮ層を形成したことにより、バンドギャップが広がり、ファーストバリア層のコンダクションバンドにおける電子に対するポテンシャル、及び、バレンスバンドのホールに対するポテンシャルが増加する。

これにより、ファーストバリア層の電子に対するバリア性が向上し、ｎ型半導体層側から活性層に流入する電子が減少すると考えられる。ＧａＮ系半導体素子では、電子に対しホールの移動度が遅く、電子がｐ型半導体層側にリークしやすい。ｎ型半導体層側から活性層に流入する電子の減少により、電子のｐ型半導体層側へのリークが抑制されて、発光効率が向上するのではないかと推測される。

また、ファーストバリア層のホールに対するバリア性が向上し、活性層からｎ型半導体層側にリークして非発光再結合するホールが減少して、発光効率が向上するのではないかと推測される。

なお、第１実施例の構造において、ラストバリア層側では、バリア層がＩｎＧａＮ／ＧａＮ層のままであり、ホールに対するポテンシャル増加が（ホールに対するバリア性の増加が）抑制されている。これにより、ｐ型半導体層側から活性層に入るホールの流れの低減は抑制されている。

図５は、第１実施例の変形例によるＧａＮ系半導体発光素子のコンダクションバンドの概略的なバンド図である。第１実施例との差は、活性層２の構造であり、本変形例は、ラストバリア層ｂ１０をＩｎＧａＮ層（例えば厚さ５ｎｍのＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層）としている。

ラストバリア層ｂ１０をＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からＩｎＧａＮ層に変えることにより、ラストバリア層ｂ１０のバンドギャップが狭くなり、ホールに対するバリア性が減少する。これにより、ｐ型半導体層側から活性層２に入るホールの流れの増加が図られ、さらなる発光効率向上が期待される。

なお、上述の実施例では、バリア層として、ｎ型半導体層側にＩｎＧａＮ層を形成したＩｎＧａＮ／ＧａＮ層を用いた。以下、ＧａＮ系半導体発光素子の多重量子井戸構造の活性層における、ＧａＮバリア層とＩｎＧａＮ／ＧａＮバリア層との違いについて調べた第２シミュレーションについて説明する。

第２シミュレーションでは、活性層のバリア層をＧａＮ層とした第２比較例のＧａＮ系半導体発光素子と、活性層のバリア層をＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ／ＧａＮ層とした第３比較例のＧａＮ系半導体発光素子とについて、シミュレーションを行った。第２比較例及び第３比較例とも、ウェル層はＩｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ｎ層とした。バリア層やウェル層の厚さや、層数等の条件は、第２比較例及び第３比較例で共通である。

シミュレーションには、ＳＴＲ社のバンドギャップモデリングシミュレーションソフトウェアであるＳｉＬＥＮＳｅを用い、歪み、分極、転位欠陥、オージェ効果等を考慮した計算を行った。

図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、第２シミュレーションで得られた第２比較例及び第３比較例の活性層におけるコンダクションバンドのバンド図及びバレンスバンドのバンド図である。バレンスバンドにおいて、バリア層をＧａＮ層とした第２比較例に比べ、バリア層をＩｎＧａＮ／ＧａＮ層とした第３比較例の方が、バリア層のホールに対するポテンシャルのピークがやや低くなっていることわかる。これにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮバリア層の方が、ＧａＮバリア層に比べて、例えば、ホールを活性層へ注入しやすくなる効果等があるものと期待される。

なお、概略的なバンド図（例えば前述の図２Ａ参照）を考える限りは、ＧａＮ層のバリア層のポテンシャルのピークと、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層のバリア層のポテンシャルのピークとは、どちらもＧａＮ層の部分でピークを取って一致するように思われる。しかし、第２シミュレーションを実施したところ、バレンスバンドにおいて、ＧａＮバリア層よりも、ＩｎＧａＮ／ＧａＮバリア層の方が、ホールに対するポテンシャルのピークがやや低くなることがわかった。

以上説明したように、ＧａＮ系半導体発光素子の多重量子井戸構造の活性層において、最もｎ型半導体層側のファーストバリア層をＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成し、ファーストバリア層よりもｐ型半導体層側のバリア層をＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で形成することにより、発光効率の向上を図ることができる。また、最もｐ型半導体層側のラストバリア層をＩｎＧａＮ層とすることにより、さらなる発光効率向上が期待される。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ｎ型ＧａＮ層
２活性層
３ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４ｐ型ＧａＮ層
ｂ１〜ｂ１０バリア層
ｗ２〜ｗ９ウェル層

Claims

ｎ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、ＧａＮ系半導体で形成され、バリア層とウェル層とが交互に複数層積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、ｐ型導電性を有するＧａＮ系半導体で形成されたｐ型半導体層と
を有し、
前記活性層は、最もｎ型半導体層側の第１バリア層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成され、前記第１バリア層よりもｐ型半導体層側のバリア層がＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で形成され、ウェル層が、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層のバリア層のＩｎＧａＮ層よりもバンドギャップの狭いＩｎＧａＮ層で形成されているＧａＮ系半導体発光素子。
前記活性層は、前記第１バリア層よりも前記ｐ型半導体層側のバリア層のうち、最もｐ型半導体層側のバリア層がＩｎＧａＮ層で形成されている請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。