(57)【要約】 【課題】電気抵抗を低減できると共に、高電界印加時の電子のオーバーフローおよび結晶歪みによる劣化のいずれも抑制できる新規な窒化物半導体発光素子の提供。【解決手段】所定の基板１０上に、ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層３０を有し、その上に窒化物半導体の量子井戸で構成される活性層４０を有し、その上にＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型のクラッド層５０を有する。これによって、従来構造に比べてｐ型のクラッド層５０の電気抵抗を低減できると共に、高電界印加時の電子のオーバーフローおよび結晶歪みによる劣化のいずれも効果的に抑制できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層を有し、その上に窒化物半導体の量子井戸で構成される活性層を有し、その上にＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型のクラッド層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型のクラッド層の上に、ＧａＩｎＮからなるｐ型のコンタクト層を有する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。
【請求項３】
前記活性層の量子井戸を構成する障壁層および井戸層は、いずれもＡｌＧａＩｎＮからなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型のクラッド層の価電子帯ポテンシャルは、前記ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層より低く、且つ前記活性層よりも高くなっていると共に、前記活性層の伝導帯ポテンシャルは、前記ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層よりも高くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に、ｎ型クラッド層と、量子井戸で構成される活性層と、ｐ型クラッド層とを順に積層した窒化物半導体発光素子であって、
前記ｐ型クラッド層の価電子帯ポテンシャルが、前記ｎ型クラッド層より低く、且つ前記活性層よりも高くなっていると共に、前記活性層の伝導帯ポテンシャルが、前記ｎ型クラッド層よりも高くなっていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体レーザや発光ダイオードなどの発光デバイスを構成する窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体Ａｌ１−ａ−ｂＧａａＩｎｂＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）は、直接遷移であり、バンドギャップが０．８ｅＶから６．２ｅＶと大きく、また、発光効率が高いため、半導体レーザや発光ダイオードなどの短波長の発光素子に用いられている。
【０００３】
従来用いられている窒化物半導体発光ダイオード、例えば青色近傍の発光帯を有する発光ダイオードの半導体は、所定の基板に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型のクラッド層を有し、その上にＩｎｙＧａ１−ｙＮ／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ量子井戸で構成される活性層を有し、その上に同じくＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｐ型のクラッド層を有する基本層構成を有している。
【０００４】
また、例えば以下の非特許文献１に示すように紫外域用の発光ダイオードの半導体は、所定の基板に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型のクラッド層を有し、その上にＡｌｙＧａ１−ｙＮ／ＡｌｚＧａ１−ｚＮ量子井戸で構成される活性層を有し、その上に同じくＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｐ型のクラッド層を有する基本層構成を有している。いずれもいわゆるダブルへテロ型の構造を有する。
【０００５】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の特性向上のためには、発光効率の向上および信頼性の向上が必須である。
【０００６】
発光効率向上のためには、まず内部量子効率を向上する必要がある。そのためには結晶中の欠陥密度の低減、量子井戸中の分極による内部電界の抑制等が必要となる。
【０００７】
さらに、外部量子効率を向上する必要がある。そのために、電極の接触抵抗の低減、クラッド層の抵抗の低減、活性層においてのキャリアの閉じ込めの向上、光取り出し効率の向上等が必要となる。
【０００８】
従来の構造において、ダブルへテロ型の層構成を有するのは、キャリアの閉じ込め効率の向上のためである。またデバイス寿命の向上のために、結晶品質の向上等が必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｖ．Ａｄｉｖａｒａｈａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２００４）２１７５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の発光ダイオードの特性向上として、以下の３つの課題を克服することがとりわけ重要である。
【００１１】
１つ目の課題は、ｐ型クラッド層の抵抗の低減である。
【００１２】
上記に挙げた青色より短波長の発光ダイオードにおいては、クラッド層としてＡｌＧａＮが用いられる。ＡｌＧａＮはＧａＮに対し価電子帯の底が深く、それに伴い、例えばＭｇドープによるアクセプター準位が深くなるため、正孔の活性化率が低く、正孔を高濃度に生成することが困難である。
【００１３】
２つ目の課題は、電子のオーバーフローの抑制である。
【００１４】
発光ダイオードを高輝度に光らせるためには、高電界の印加により高密度のキャリアを注入する必要がある。高電界下においては、正孔の有効質量に対し、電子の有効質量が小さいため、電子の高速化が顕著となる。その際、電子が活性層の再結合に寄与せず、オーバーフローしてしまう現象が生じる。
【００１５】
３つ目の課題は、結晶歪みによる劣化の抑制である。
【００１６】
従来構造のＡｌＧａＮクラッド層および活性層は、格子不整合のため、内部応力が掛かっている。デバイスの駆動時、その内部応力のためミスフィット転位が生成し、デバイスの特性の劣化が促されデバイスの寿命が短くなる。
【００１７】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、
電気抵抗を低減できると共に、高電界印加時の電子のオーバーフローおよび結晶歪みによる劣化のいずれも抑制できる新規な窒化物半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決するために第１の発明は、
基板上に、ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層を有し、その上に窒化物半導体の量子井戸で構成される活性層を有し、その上にＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型のクラッド層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【００１９】
また、第２の発明は、
前記ｐ型のクラッド層の上に、ＧａＩｎＮからなるｐ型のコンタクト層を有する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である。
第３の発明は、
前記活性層の量子井戸を構成する障壁層および井戸層は、いずれもＡｌＧａＩｎＮからなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子である。
第４の発明は、
前記ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層の価電子帯ポテンシャルは、前記ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型のクラッド層より低く、且つ前記活性層よりも高くなっていると共に、前記活性層の伝導帯ポテンシャルは、前記ＡｌＧａＮからなるｎ型のクラッド層よりも高くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。
【００２０】
第５の発明は、
基板上に、ｎ型クラッド層と、量子井戸で構成される活性層と、ｐ型クラッド層とを順に有する窒化物半導体発光素子であって、前記ｐ型クラッド層の価電子帯ポテンシャルが、前記ｎ型クラッド層より低く、且つ前記活性層よりも高くなっていると共に、前記活性層の伝導帯ポテンシャルが、前記ｎ型クラッド層よりも高くなっていることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＡｌＧａＮなどからなるｎ型のクラッド層の上に窒化物半導体などからなる量子井戸で構成される活性層を有し、その上にＡｌＧａＩｎＮなどからなるｐ型のクラッド層を形成したため、ｎ型クラッド層の価電子帯ポテンシャルをｐ型クラッド層より低く、且つ活性層よりも高くできると共に、前記活性層の伝導帯ポテンシャルをｎ型クラッド層よりも高くできる。
【００２２】
この結果、従来のｐ型クラッド層よりも価電子帯ポテンシャルを低くできるため、アクセプターの活性化率が向上し、ｐ型クラッド層の電気抵抗を従来構造より低減できる。
【００２３】
また、従来のｎ型クラッド層よりも価電子帯ポテンシャルを高くできるため、高電界印加時の電子のオーバーフローを抑制できる。
【００２４】
さらに、格子不整合が従来構造よりも低くなるため、内部応力によるデバイスの劣化を抑制できる。
【００２５】
これらの効果により、ＬＥＤなどの発送素子としての発光効率が向上すると共に、信頼性が大幅に向上し、長寿命化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る窒化物半導体素子の実施の一形態を示す図である。
【図２】従来構造の窒化物半導体素子のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体素子のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体素子の有効な範囲の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体素子の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード（発光素子）１００の層構造を示す概略図である。
【００２９】
図示するようにこの窒化物半導体発光ダイオード１００は、所定の基板１０上に、緩衝層（バッファ層）２０と、ｎ型クラッド層３０と、活性層４０と、ｐ型クラッド層５０と、ｐ型コンタクト層６０とを順次堆積し、これら基板１０とｐ型コンタクト層６０に電極７０ａ、７０ｂを備えた構造となっている。
【００３０】
そして、電源８０から供給される電気によって活性層４０に注入されたキャリア（電子・ホール）が再結合し、この層の物性であるバンドギャップエネルギーに応じた波長の光を発光するようになっている。
【００３１】
この活性層４０は、障壁層および井戸層からなる量子井戸構造となっており、発光波長により、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸、もしくはＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸、もしくはＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、もしくはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸、もしくはＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸から構成されている。
【００３２】
また、ｐ型コンタクト層６０は、ｐ型の電極７０ｂとの接触抵抗の低減のために、少なくともｐ型クラッド層５０よりもバンドギャップが小さいＡｌＧａＮ、ＧａＮもしくはＧａＩｎＮで構成されている。
【００３３】
従来の構造においては、この活性層４０の上下に位置するｐ型クラッド層５０およびｎ型クラッド層３０は、いずれもこの活性層４０の量子井戸よりもバンドギャップの大きな同じ組成のＡｌＧａＮで構成されている。
【００３４】
一方、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード１００においては、ｎ型クラッド層３０は、従来構造と同様のＡｌＧａＮからなっているが、ｐ型クラッド層５０は、インジウム（Ｉｎ）を含むＡｌＧａＩｎＮからなっている。
【００３５】
そして、このＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型クラッド層５０の価電子帯ポテンシャルがＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０より低く、且つ、活性層４０よりも高くなっており（価電子帯ポテンシャル：ｎ型クラッド層３０＞ｐ型クラッド層５０＞活性層４０）、また、活性層４０の伝導帯ポテンシャルが前記ｎ型クラッド層３０よりも高いという関係になっている（伝導帯ポテンシャル：活性層４０＞ｎ型クラッド層３０）。
【００３６】
なお、従来構造と同様にｐ型のドーパントとしてはＭｇを、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを用いているが、ドーパント材料の種別は本発明の効果になんら影響を与えるものではない。
【００３７】
また、基板１０および他層の結晶性を高めるための緩衝層２０も従来構造と同様に、サファイアやＧａＮなどを用いることができるが、その材料の種別は本発明の効果になんら影響を与えるものではない。
【００３８】
また、ｐ型コンタクト層６０は、ｐ型クラッド層５０と電極７０ｂとを繋ぐための層であり、ＧａＩｎＮなどの窒化物半導体から構成されているが、このｐ型コンタクト層６０の有無は本発明の効果に直接影響を与えるものではない。
【００３９】
また、このｐ型コンタクト層６０を備える場合は、ｐ型クラッド層５０よりも価電子帯ポテンシャルが低い窒化物半導体であれば、いかなる組成をとろうとも本発明の効果になんら影響を与えるものではない。
【００４０】
また、活性層４０の種別も、クラッド層３０，５０よりも価電子帯ポテンシャルが低い条件を満たす範囲の構造であれば、本発明の効果になんら影響を与えるものではない。
図２は、従来の窒化物半導体発光ダイオードのポテンシャルプロファイル、図３は、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード１００のポテンシャルプロファイルである。
【００４１】
これら図２および図３に示すポテンシャルプロファイルより、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード１００においては、ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型クラッド層５０の価電子帯ポテンシャルが、従来構造のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層よりも低いことに伴い、Ｍｇアクセプター準位は浅くなることが分かる。その結果、アクセプターの活性化率を向上することが可能である。
【００４２】
さらに、活性層４０との伝導帯オフセットが大きいことから、高電界印加時において、電子のオーバーフローを抑制されることが分かる。
【００４３】
さらに、ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型クラッド層５０の格子不整合は、従来構造でのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層よりも小さいため、内部応力によるデバイスの劣化を抑制できる。その結果、デバイスの信頼性および長寿命化に有効である。
【００４４】
図４は、窒化物半導体のａ軸格子定数（ａ−ａｘｉｓ  ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）とポテンシャル（Ｂａｎｄ  ｅｄｇｅ）との関係を示したものである。
【００４５】
例えば、ｎ型クラッド層３０がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ、活性層４０の井戸がＧａＮであるとき、斜線で示した領域の価電子帯ポテンシャルをとる組成のＡｌＧａＩｎＮ層が、本発明の有効な範囲となる。
【００４６】
横線Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、ｎ型クラッド層（Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ）３０の伝導帯ポテンシャル（Ａ）、活性層（ＧａＮ）４０の価電子帯ポテンシャル（Ｂ）、ｎ型クラッド層（Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ）３０の価電子帯ポテンシャル（Ｃ）を示す。
【００４７】
縦線α、β、γは、それぞれ、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎのａ軸格子定数（α）、活性層ＧａＮと等しい価電子帯ポテンシャルを有するＡｌＩｎＮのａ軸格子定数（β）、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎと等しい伝導帯ポテンシャルを有するＡｌＩｎＮのａ軸格子定数（γ）である。
【００４８】
この場合、本発明に係るｐ型クラッド層５０は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層より価電子帯ポテンシャルが低い、すなわち価電子帯において横線Ｃが境界となる。斜線領域のａ−ｂがその伝導帯側に対応する。
【００４９】
また、本発明に係るｐ型クラッド層５０は、伝導帯ポテンシャルがクラッド層Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎより高く、且つ価電子帯ポテンシャルが活性層ＧａＮより低い必要がある。斜線領域のａ−ｃがその伝導帯側に対応する。
【００５０】
同一のａ軸格子定数で価電子帯および伝導帯ポテンシャルが最も高いＩｎＡｌＮで上記の範囲を満たす斜線領域のｂ−ｃで囲まれた領域が本発明の効果が有効な範囲となる。
【００５１】
なお、他の組成のクラッド層、活性層を有した場合においても、上記と同様の条件を満たす領域が本発明の効果が有効な範囲である。
【００５２】
また、本実施の形態における発光ダイオード（発光素子）１００は、基板１０とｐ型コンタクト層６０とにそれぞれ電極７０ａ、７０ｂを設けた構成となっているが、基板１０および緩衝層２０が絶縁体である場合は、図５に示すように一方の電極７０ａをｎ型クラッド層３０に設ける構成となる。
【符号の説明】
【００５３】
１００…窒化物半導体発光素子（発光ダイオード）
１０…基板
２０…緩衝層
３０…ｎ型クラッド層（ＡｌＧａＮ）
４０…活性層（量子井戸：ＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎＮ）
５０…ｐ型クラッド層（ＡｌＧａＩｎＮ）
６０…ｐ型コンタクト層
７０ａ、７０ｂ…電極
８０…電源
【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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