(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均組成がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．１）の短周期超格子構造のクラッド層と、
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。
【請求項２】
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請求項１記載の紫外発光ダイオード。
【請求項３】
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請求項１または２記載の紫外発光ダイオード。
【請求項４】
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請求項１または２記載の紫外発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【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ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．１）の短周期超格子構造のクラッド層と、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。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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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