JPH0621511A

JPH0621511A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH0621511A
Application number: JP20308492A
Authority: JP
Inventors: Toru Sasaki; 徹佐々木; Takashi Matsuoka; 隆志松岡; Sakae Maebotoke; 栄前佛
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: JP3243768B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】従来の発光素子に対し、すぐれた特性を有
し、発光波長を２００〜６００ｎｍの範囲で変化しうる
発光素子を提供すること。【構成】発光層６３中に層を少なくとも一層含む半導体発光素子において、発光
層６３と成長基板６１との間に層６２を設けたことを特徴とする半導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可視から紫外で発光す
る化合物半導体発光素子用構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子において効率のよい電流
注入発光を得るためには、ｐ型及びｎ型電流注入層から
注入された電子及び正孔が発光領域内で効率よく発光性
再結合することが重要である。従来の

【化１】を用いた半導体発光素子では、その構造に関し
以下のような問題点があった。従来の

【化１】を用いた半導体発光素子の第１の例として、図
６にＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を示す。図中、
１１はサファイア基板、１２はｎ型ＧａＮ層、１３はｐ
型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１５はｐ側電極である。
ｎ型層１２にはアンドープあるいはＳｉドープＧａＮ
を、ｐ型層１３にはＭｇドーピング後電子線照射あるい
は熱アニールにより低抵抗化したＧａＮを用いることが
一般的である。この構造では、ｐｎ接合界面に形成され
る空乏層が発光領域となり、空乏層内で発光性再結合し
た電子及び正孔のみが発光に寄与する。この構造の第１
の問題点は、空乏層内に注入された電子及び正孔のかな
りの部分が、空乏層内で再結合せずｎ型層１２及びｐ型
層１３へ拡散してしまうことである。この結果、この構
造では発光効率の向上が望めない。この構造の第２の問
題点は、シリーズ抵抗低減のためｎ型層１２及びｐ型層
１３に高濃度ドーピングを行うと、発光スペクトルに深
い準位からの発光が現れ純度の高いスペクトルが得られ
ないことである。この結果、良好な電流対電圧特性と良
好な発光スペクトル特性とを両立させることができな
い。

【０００３】図７には、従来の

【化１】を用いた半導体発光素子の第２の例として、Ｇ
ａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成図を示し
た。図中、２１はサファイア基板、２２はｎ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層、２３はＧａＮ発光層、２４はｐ型ＧａＡ
ｌＮ電流注入層、２５はｎ側電極、２６はｐ側電極であ
る。この構造では、ＧａＮ発光層２３をこれよりバンド
ギャップエネルギの大きいｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２
２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入層２４で挟んだ構造とな
っているため、ＧａＮ発光層２３に注入された電子及び
正孔はｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入層２４へ拡散することなくＧａＮ発光層２３
に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗低減のためｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４に高濃度ドーピングを行っても、ＧａＮ発光層２
３の発光スペクトルに影響を及ぼさないという利点を持
つ。図７の構造を改良した構造として、図７のＧａＮ発
光層２３の代わりにＧａＡｌＮ／ＧａＮ単一量子井戸あ
るいは多重量子井戸を発光層として用い、発光効率の高
効率化を図った構造も公知である。この構造では、ｎ型
ＧａＡｌＮ電流注入層２２及びｐ型ＧａＡｌＮ電流注入
層２４よりＡｌ組成の低いＧａＡｌＮ層をＧａＡｌＮ／
ＧａＮ量子井戸のバリア層として選ぶ。しかし以上述べ
たように、図７の構造及びこれを改良した構造では、発
光層としてＧａＮあるいはＧａＡｌＮ三元混晶を用いて
いるため、発光波長を２００〜３７０ｎｍの範囲内でし
か選択できない。

【０００４】従来の

【化１】を用いた半導体発光素子の第３の例として、Ｉ
ｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードの構成
図を図８に示す。図中、３１はサファイア基板、３２は
ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３３はＩｎＧａＮ発光
層、３４はｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層、３５はｎ側
電極、３６はｐ側電極である。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡ
ｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層
３４の組成は、そのバンドギャップエネルギがＩｎＧａ
Ｎ発光層３３より大きく、かつその格子定数がＩｎＧａ
Ｎ発光層３３に整合するように選ぶ。この構造では、Ｉ
ｎＧａＮ発光層３３をこれよりバンドギャップエネルギ
が大きいｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４で挟んだ構造となっている
ため、ＩｎＧａＮ発光層３３に注入された電子及び正孔
がｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型ＩｎＧａ
ＡｌＮ電流注入層３４へ流出することなくＩｎＧａＮ発
光層３３に閉じ込められる。また、シリーズ抵抗を低減
するためｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３２及びｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＮ電流注入層３４に高濃度ドーピングを行っ
ても、ＩｎＧａＮ発光層３３の発光スペクトルに影響を
及ぼさないという利点を持つ。さらにこの構造では、発
光層としてＩｎＧａＡｌＮ四元混晶を用いているため、
２００〜６００ｎｍの範囲で発光波長を変化できる。さ
らにこの構造では、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３
２、ＩｎＧａＮ発光層３３及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流
注入層３４が互いに格子整合しているため、格子不整合
に起因する非発光再結合中心や結晶欠陥による素子劣化
が起こらない。しかし、Ｉｎを含む多元混晶

【化１】はＧａＮやＧａＡｌＮに比べ結晶性が不十分で
あり、発光スペクトル特性の良好な発光素子の作製が困
難であるという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、可視
から紫外にわたる広い波長域における高効率半導体発光
素子を提供することにある。さらに詳述すれば、本発明
は、発光層内へ電子及び正孔を閉じ込めることが可能で
ある上、発光層に用いた

【化１】層の結晶性が自動的に向上する半導体発光素子
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、発光層中に

【化１】層を少なくとも一層含む半導体発光素子におい
て、発光層と成長基板との間に

【化２】層を設けたことを最も主要な特徴とする。ま
た、本発明の第２の主要な特徴は、前記発光層中の

【化１】層に接してこれと格子定数の異なる

【化３】層を設けたことにある。従来のＧａＮホモ接合
ダイオード及びＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオー
ドとは、発光層中にＩｎを含む層を少なくとも一層含む
点が異なる。さらに、従来のホモ接合ダイオードとは、
発光層中にヘテロ接合界面を有する点が異なる。従来の
ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合ダイオードと
は、格子不整合条件下で素子を作製する点が異なるもの
である。

【０００７】

【作用】本発明においては、発光層と成長基板との間に

【化２】層を設けることによって結晶性が向上し、従来
の発光素子に比べて発光特性の優れた発光素子をうるこ
とができる。

【０００８】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図４
及び図５に本発明にいたる研究において明らかになった
実験結果を示す。図４は、膜厚０．５μｍのＩｎ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎ層のＸ線回折プロファイルを示す図であって、
（ａ）はＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層をサファイア上に直接成
長した場合、（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａ
Ｎを介して成長した場合に対応する。サファイア上に直
接成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のＸ線回折プロファイ
ルの半値全幅は２０分であるのに対し、サファイア上に
ＧａＮを介して成長したＩｎ _0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のＸ線回
折プロファイルの半値全幅は１．５分と大幅に低減す
る。

【０００９】図５は図４と同一の試料のフォトルミネッ
センス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＩｎ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層をサファイア上に直接成長した場合、
（ｂ）はサファイア上に膜厚５μｍのＧａＮを介して成
長した場合に対応する。サファイア上に直接成長したＩ
ｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のフォトルミネッセンス・スペクト
ルには、深い準位からの発光が現れるのに対し、サファ
イア上にＧａＮを介して成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層
のフォトルミネッセンス・スペクトルは、３６０ｎｍを
ピークとするバンド端近傍からの発光のみからなる。以
上の効果はＩｎ_1-xＧａ_xＮの組成ｘによらず、０≦ｘ
≦１のすべてのｘに対して観測された。以上のように、
ＩｎＧａＮ層の膜質は、ＧａＮを介して成長することに
より著しく向上する。また、

【化５】層を介してＩｎＧａＮを成長しても、同様の効果が観測
された。図４及び図５では、基板としてサファイア（０
００１）面を用いた場合の結果を示したが、他の材料基
板あるいは他の面方位基板を用いても、全く同様の結果
が得られた。このことは、Ｉｎを含む多元混晶

【化１】層が本質的に

【化６】層に比べ結晶品質が不十分であることによる。次に、上
記の実験結果に基づいて行った本発明の実施例を説明す
る。なお、実施例は一つの例示であって、本発明の精神
を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得
ることは言うまでもない。

【００１０】〔実施例１〕（格子不整合ダブルヘテロ構
造及び単一量子井戸構造）図１は、本発明の第１の実施例の構造を示す図であっ
て、６１はサファイア（０００１）基板、６２は膜厚５
μｍ及び電子濃度１０¹⁹ｃｍ^-3のＳｉドープｎ型ＧａＮ
電流注入層、６３は膜厚０．５μｍのアンドープＩｎ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ発光層、６４は膜厚２μｍ及びホール濃
度１０¹⁸ｃｍ^-3のＭｇドープｐ型ＧａＮ電流注入層、６
５はｎ側電極、６６はｐ側電極である。電極６５に対し
て正の電圧を６６に加えることにより、電子及び正孔を
発光層６３に注入した。その結果、立ち上がり電圧４Ｖ
の電流対電圧特性が得られ、波長３８０ｎｍ帯にのみ発
光ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は１．６
ｍＷであり、外部量子効率は２％であった。また、Ｉｎ
ＧａＮ発光層６３の組成を変化することによって、発光
波長を６００ｎｍまで長波長化することができた。

【００１１】この構造では、アンドープＩｎ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ発光層６３をこれよりバンドギャップエネルギが
大きいｎ型及びｐ型ＧａＮ電流注入層６２及び６４で挟
む構造となっているため、発光層６３に注入された電子
及び正孔は電流注入層６２または６４に流出することな
く発光層６３内に閉じ込められ、上記のように外部量子
効率の高い発光が得られる。このように発光領域と電流
注入領域とが明確に分離されているため、ｎ型及びｐ型
電流注入層６２及び６４に１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3という
高濃度ドーピングを行っても、発光スペクトルの純度に
影響を及ぼすことなく電流対電圧特性の良好な素子を作
製することができる。また、この構造では発光層として
ＩｎＧａＮ層を用いているため、発光波長を３６０〜６
００ｎｍの範囲で変化することができる。この構造にお
いてＩｎＧａＮを発光層に用いているにも拘らず、上記
のような良好な特性が得られる最大の原因は、ＩｎＧａ
Ｎ発光層６３を結晶性の良好なｎ型ＧａＮ電流注入層６
２上に成長している点にある。特に図１の構成におい
て、発光層６３の膜厚を１０ｎｍ以下にすると、格子不
整合に起因する結晶構造欠陥が発生する臨界膜厚以下と
なり、発光層６３の結晶性が著しく向上する。この結
果、素子特性が向上し、素子寿命も延びる。このように
発光層の膜厚が薄い発光素子では、量子閉じ込め効果が
現れ、発光波長は３７５ｎｍまでシフトした。ここで
は、６２としてＧａＮを用いることを述べたが、

【化６】を用いても良い。また、発光層として、ＩｎＧ
ａＮを用いたが、

【化４】でも良いことは明らかである。

【００１２】〔実施例２〕（分離閉じ込め単一量子井戸
構造）図２は、本発明の第２の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、７１はサファイア（０００１）基板、
７２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、７３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０¹⁹ｃｍ^-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ単一量子井戸発光層、７５
は膜厚２μｍ及びホール濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＭｇドープ
ｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、７６は膜厚２μｍ及び
ホール濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＭｇドープｐ型ＧａＡｌ
Ｎ電流注入及び光閉じ込め層、７７はｎ側電極、７８は
ｐ側電極である。電極７７に対して正の電圧を７８に加
えることにより、電子及び正孔を発光層７４に注入し
た。その結果、立ち上がり電圧４Ｖの電流対電圧特性が
得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光ピークを持つ発光
を観測できた。最大光出力は３ｍＷであり、外部量子効
率は２％であった。また、ＩｎＧａＮ発光層７３の組成
を変化することによって、発光波長を６００ｎｍまで長
波長化することができた。

【００１３】この構造は、実施例１の素子構造におい
て、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層の上
下をｐ型ＧａＡｌＮ層及びｎ型ＧａＡｌＮ層で挟んだ構
造となっており、実施例１の構造で得られたと全く同様
の効果を期待できる。さらに、実施例１の構造におい
て、ＩｎＧａＮ発光層の膜厚を１０ｎｍと薄くすると光
閉じ込めが不十分となるが、図２の構造ではｎ型ＧａＮ
層７３、ＩｎＧａＮ層７４及びｐ型ＧａＮ層７５よりも
屈折率の小さいｎ型及びｐ型ＧａＡｌＮ層７２及び７６
の存在により光閉じ込めの効果が現れ、上記のように大
きな光出力及び高い外部量子効率を得ることができる。
ここでは、素子を構成する各層にＧａＮ，ＧａｌＮを用
いたが、バンドギャップエネルギが図２において７４＜
７３、７５＜７２，７６の関係を保つ限り、

【化４】を用いても良いことは明らかである。

【００１４】〔実施例３〕（分離閉じ込め多重量子井戸
構造）図３は、本発明の第３の実施例の構造を示す図であっ
て、図において、８１はサファイア（０００１）基板、
８２は膜厚５μｍ及び電子濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉ
ドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層、８３
は膜厚２μｍ及び電子濃度１０¹⁹ｃｍ^-3のＳｉドープｎ
型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８４は膜厚１０ｎｍのア
ンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎと膜厚１０ｎｍのアンドー
プＧａＮ層を交互に１０層積層した多重量子井戸層、８
５は膜厚２μｍ及びホール濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＭｇドー
プｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層、８６は膜厚２μｍ及
びホール濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＭｇドープＧａＡｌＮ
電流注入及び光閉じ込め層電流注入層、８７はｎ側電
極、８８はｐ側電極である。電極８７に対して正の電圧
を８８に加えることにより、電子及び正孔を多重量子井
戸層８４に注入した。その結果、立ち上がり電圧６Ｖの
電流対電圧特性が得られ、波長３７５ｎｍ帯にのみ発光
ピークを持つ発光を観測できた。最大光出力は５ｍＷで
あり、外部量子効率は６％であった。また、ＩｎＧａＮ
発光層８３の組成を変化することによって、発光波長を
６００ｎｍまで長波長化することができた。この構造
は、図２の構造のＩｎＧａＮ発光層７４の代わりにＩｎ
ＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を導入した構造となってい
るため、図２の構造で得られたと全く同様の作用が働く
上、実質的な発光層であるＩｎＧａＮ井戸層の層数が増
加しているため上記のように大きな光出力を得ることが
できる。本実施例の各層に、

【化１】を用いても良いことは明らかである。

【００１５】上記のすべての実施例では、基板としてサ
ファイア（０００１）面を用いたが、他の材料基板ある
いは他の面方位基板を用いても、全く同様の効果を得る
ことができる。また、発光層と基板の間に存在するＧａ
_1-xＡｌ_xＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）の結晶性を向上するた
め、基板上にまず低温成長

【化２】を堆積すると一層効果的である。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発
光素子用構造では発光層中に

【化１】層を用いているため、発光波長を２００〜６０
０ｎｍの範囲で変化することができる。また、本発明の
半導体発光素子用構造では発光層と成長基板の間に

【化２】層を有するため、発光層中に用いた

【化１】層の結晶性が向上し、従来の

【化１】層を発光層に用いた発光素子に比べ、発光特性
の優れた発光素子を作製することができる。特に、

【化１】層の膜厚が、格子不整合に起因する結晶構造欠
陥が発生する臨界膜厚より薄ければ、結晶性はさらに著
しく向上し、極めて良好な発光素子を作製できると言う
利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮダブルヘテロ構造を示す。

【図２】本発明の第２の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め単一
量子井戸構造を示す。

【図３】本発明の第３の実施例の構造を示す図であっ
て、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＡｌＮ分離閉じ込め多重
量子井戸構造を示す。

【図４】サファイア上Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9ＮのＸ線回折プ
ロファイルを示す図であって、（ａ）はＧａＮ層を介さ
ない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合に対応する。

【図５】サファイア上Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎのフォトルミ
ネッセンス・スペクトルを示す図であって、（ａ）はＧ
ａＮ層を介さない場合、（ｂ）はＧａＮ層を介した場合
に対応する。

【図６】従来の半導体発光素子用構造の第１の例を説明
する図であって、ＧａＮホモ接合ダイオードの構成図を
示す。

【図７】従来の半導体発光素子用構造の第２の例を説明
する図であって、ＧａＡｌＮ／ＧａＮヘテロ接合ダイオ
ードの構成図を示す。

【図８】従来の半導体発光素子用構造の第３の例を説明
する図であって、ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接
合ダイオードの構成図を示す。

【符号の説明】

１１サファイア基板１２ｎ型ＧａＮ層１３ｐ型ＧａＮ層１４ｎ側電極１５ｐ型電極２１サファイア基板２２ｎ型ＧａＡｌＮ電流注入層２３ＧａＮ発光層２４ｐ型ＧａＡｌＮ電流注入層２５ｎ側電極２６ｐ型電極３１サファイア基板３２ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３３ＩｎＧａＮ発光層３４ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ電流注入層３５ｎ側電極３６ｐ型電極６１サファイア（０００１）基板６２Ｓｉドープｎ型ＧａＮ電流注入層６３アンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ発光層６４Ｍｇドープｐ型ＧａＮ電流注入層６５ｎ側電極６６ｐ型電極７１サファイア（０００１）基板７２Ｓｉドープｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込
め層７３Ｓｉドープｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層７４アンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ単一量子井戸発光
層７５Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層７６Ｍｇドープｐ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込
め層７７ｎ側電極７８ｐ型電極８１サファイア（０００１）基板８２ｎ型ＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層８３ｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層８４アンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ多重量子
井戸層８５Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層８６ＭｇドープＧａＡｌＮ電流注入及び光閉じ込め層
電流注入層８７ｎ側電極８８ｐ型電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層中に【化１】層を少なくとも一層含む半導体発光素子において、発光
層と成長基板との間に【化２】層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記発光層中の【化１】層に接して、これよりバンドギャップエネルギ
が大きい【化３】層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光
素子。