(57)【要約】  活性層５では、ＩｎＧａＮを材料とする単一の量子井戸層にデルタ層４が埋め込まれており、それにより量子井戸層は、２つの量子井戸層３Ａ及び３Ｂに互いに隔てられている。デルタ層４は、キャリアの移動に影響を与えるように量子井戸層３Ａ及び３Ｂよりはバンドギャップが広く設定されるが、従来周知のマルチ量子井戸（ＭＱＷ）構造に採用される障壁とは異なり、電子及び正孔の移動を実質的に誘起するように、その厚さが例えば１ｎｍ程度に設定される。これにより、光利得が高められ、光出力の向上と閾値電流の低減とが実現される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸層と、
前記量子井戸層に埋め込まれ、前記量子井戸層を複数層に隔てており、前記量子井戸層よりもバンドギャップが広く、且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されているデルタ層と、を備える発光素子。
【請求項２】
前記デルタ層により隔てられて成る前記量子井戸層の各部分の厚さが、正孔及び電子の密度分布が実質的な重複部分を有する範囲に設定されている、請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記量子井戸層の材料がＩｎＧａＮである、請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項４】
前記デルタ層の材料が、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、及び前記量子井戸層よりもインジウム組成が低いＩｎＧａＮから成る群から選択された少なくとも一つである請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記量子井戸層の組成をＩｎｘＧａ１−ｘＮと表現したときのインジウム組成ｘの値が略１０％以上である請求項３又は４記載の発光素子。
【請求項６】
前記デルタ層が、前記量子井戸層の複数箇所に埋め込まれており、前記量子井戸層を３層以上に隔てている請求項１ないし５の何れかに記載の発光素子。
【請求項７】
前記発光素子がレーザダイオードである請求項１ないし６の何れかに記載の発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れかに記載の発光素子を製造する方法であって、
前記量子井戸層の一部を積層する第１工程と、
前記量子井戸層の前記一部の上に前記デルタ層を積層する第２工程と、
前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層する第３工程とを備え、
前記第２工程は、前記第１及び第３工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層するものである発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広いバンドギャップを有する窒化物半導体、すなわちIII属元素−窒素化合物半導体を用いた発光素子は、照明、光記録、医療用器具等を含む様々な応用分野で注目を集めている。窒化物半導体を使った代表的な発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）とレーザダイオード（すなわち半導体レーザ）とが知られている。窒化物半導体を用いたレーザダイオードのうち、発振波長が約４００ｎｍ（紫色に相当）のもの、或いは約４５０ｎｍ（青色に相当）のものは、既に開発されている。窒化物半導体を用いて現在達成されている発振波長の最長の値は、約４８０ｎｍ（青緑色に相当）である。【０００３】
一方、赤色光を出力する発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰを用いることによって古くから実用化されている。すなわち、レーザダイオードについては、三原色のうち、赤色と青色とは、実現されているが、緑色は、未だ達成に至っていないという現状にある。このため、緑色を出力するレーザ装置としては、レーザダイオードを用いることなく、ＹＡＧレーザを用いて赤外領域で発振させ、非線形の光学結晶を用いて波長を半分に変換するタイプのものが用いられている。このタイプのものは、小型化に不向きであるだけでなく、エネルギー効率が悪く、電源電池の電力を短時間で消費するという問題点を有している。発光ダイオードについては、緑色の発光ダイオードは、実現されてはいるが、そのエネルギー効率は、青色の発光ダイオードに比べて、半分程度に止まっている。すなわち、光出力の高い緑色の発光ダイオードの実現が待望されている。【０００４】
窒化物半導体であるＧａＮは、そのバンドギャップが約３６０ｎｍ（紫外線に相当）と広い。このため、窒化物半導体を用いる発光素子では、可視光を得るために、活性層にＩｎｘＧａ１−ｘＮ３元混晶（いわばＩｎＮとＧａＮとを混在させたもの）が用いられる。インジウム組成ｘを高めるほど、バンドギャップが狭くなり、発光波長が長くなる。従って、緑色のレーザダイオード等を実現するためには、インジウム組成ｘを高めればよい。【０００５】
しかし、インジウム原子のサイズがガリウム原子のサイズよりも大きいために、インジウムの組成ｘを高めると、ＩｎＧａＮの結晶格子の不整合により、ＩｎＧａＮの内部歪が大きくなる。その結果、大きなピエゾ電界がＩｎＧａＮ内に誘起されるという問題点があることが知られている。例えば、非特許文献１は、活性層をなすＩｎＧａＮ量子井戸層が厚い場合には、強いピエゾ電界が誘起され、その結果、レーザ発振強度が著しく減少するという事実を報告している。【０００６】
これに対して、ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さを、例えば２ｎｍ〜３ｎｍ程度に小さく設定すると、ピエゾ電界の影響は、弱まるものの、その一方で、量子井戸層へのキャリアの捕獲率が著しく低いものとなり（例えば非特許文献２，３）、その結果、キャリアの再結合率は、低くなる。加えて、ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さがこの程度である場合には、出力光は、量子井戸層に十分に閉じ込められることなく、量子井戸層から漏れ出てその周囲に広く分布することとなる。すなわち、出力光の光強度のうち活性層内に閉じ込められる光強度の割合を示す閉じ込め係数も、著しく低いものとなる。これら双方の効果により、レーザ発振が阻害され、或いはレーザ発振のための閾（しきい）値電流が高くなる。【０００７】
閉じ込め効果を高めるためには、量子井戸層の幅を広くする以外に、障壁を介して狭い量子井戸層を複数箇所に配置する形態、すなわちマルチ量子井戸（ＭＱＷと称される）構造を想定することができる。しかしながら、非特許文献４は、４３５ｎｍを超えて波長の長いレーザダイオードに対しては、単一量子井戸（ＳＱＷと称される）構造が、最も低い閾値電流を与えることを報告している。４５０ｎｍ波長のレーザダイオードにおいて、ＩｎＧａＮ量子井戸層の個数が２又は３であるときには、閾値電流は、非常に高いものとなることが明らかにされている。このように複数の量子井戸層を設けることは、長波長の発光素子に対しては、特性を悪化させるものとなっている。【０００８】
以上のように、従来においては、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層を有する発光素子においては、ＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造の何れを採用しても、キャリアの再結合率を十分に高めることができず、その結果、光出力を十分に高めることができなかった。
【非特許文献１】J. S. Im, H.Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, and A. Hangleiter, “Reduction ofoscillator strength due to piezoelectric fields in ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ quantum wells,” Phys. Rev. B57, pp. R9435-R9438, 1998.
【非特許文献２】S. A.Levetas and M. J. Godfrey, “Calculation of capture of carriers by quantum wells,”Phys. Rev. B59, pp.10202-10207, 1999.
【非特許文献３】P. W. M.Blom, C. Smith, J. E. M. Haverkort, and J. H. Wolter, “Carrier capture into a semiconductor quantumwell,”Phys. Rev.B47, pp.2072-2081, 1993.
【非特許文献４】S. Nakamura,M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Mtsushita,and T. Mukai, “Blue InGaN-basedlaser diodes with an emission wavelength of 450 nm,” Appl. Phys. Lett., vol. 76, pp.22-24, 2000.
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層を有する発光素子に関し、光出力を向上させ得る発光素子を提供することを目的とする。そして、本発明は、かかる発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る発光素子は、結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸層に埋め込まれ、該量子井戸層を複数層に隔てており、該量子井戸層よりもバンドギャップが広く、且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されているデルタ層を備える。そして、本発明の他の一態様に係る、前記発光素子を製造する発光素子の製造方法は、前記量子井戸層の一部を積層する第１工程と、前記量子井戸層の前記一部の上に前記デルタ層を積層する第２工程と、前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層する第３工程とを備え、前記第２工程は、前記第１及び第３工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層する。
【００１１】
このような構成の発光素子は、光出力が向上する。そして、このような構成の発光素子の製造方法は、光出力が向上した発光素子を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による発光素子の構成を示す図である。
【図２】ＳＱＷ構造を有する比較対象素子についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】ＭＱＷ構造を有する比較対象素子についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】図３の比較対象素子について順電圧を変えたときのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】図３と対比すべき本発明の実施の形態１による素子についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】図４と対比すべき本発明の実施の形態１による素子についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態２による発光素子の活性層の構造を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態２による発光素子についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１による発光素子の構成を示す図であり、図１（ａ）は、全体斜視図であり、図１（ｂ）は、一部拡大正面図である。この発光素子１００は、レーザダイオードとして構成されており、ｐ型クラッド層１、バリア層２、活性層５、バリア層６、ｎ型クラッド層７、バッファ層８、基板９、正電極１１及び負電極１２を備えている。各層の材料、組成、及びドーピング濃度（ｐ型及びｎ型の不純物濃度）の一例を表１に示す。表１の左端欄に示す「符号」は、図１で用いられる符号を表している。【００１４】
【表１】
2007026767.tif 000002
【００１５】
基板９の材料としてサファイア又はＧａＮが用いられる。バッファ層８からｐ型クラッド層１に至る各半導体層は、この順に基板９の上に積層されている。積層の方法として、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用い、各半導体層の源となる反応ガスを順次供給することにより、各半導体層を基板９の上に順に堆積させるのが、結晶間の整合性（エピタキシー）、積層の容易さ、層厚及び組成の精度等の観点から望ましい。バッファ層８は、ＡｌＮを材料としている。活性層５の両側に配置されるｎ型クラッド層７及びｐ型クラッド層１は、何れもＧａＮを材料としている。ｎ型クラッド層７及びｐ型クラッド層１の内側にあって活性層５に隣接するバリア層６及び２は、何れもＧａＮ又はＩｎＧａＮを材料としている。【００１６】
活性層５と正電極１１との間に配設されるｐ型クラッド層１及びバリア層２は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）をドープされることにより、ｐ型の導電型となっている。また、活性層５と負電極１２との間に配設されるバリア層６及びｎ型クラッド層７は、例えばシリコン（Ｓｉ）をドープされることにより、ｎ型の導電型となっている。発光素子１００は、従来周知の構造である突起部（リッジ；ridge）をｐ型クラッド層１に有している。突起部の頂部に正電極１１が配設され、ｎ型クラッド層７に形成された段差面に負電極１２が配設されている。【００１７】
発光素子１００は、活性層５の構造において従来にない特徴を有しており、活性層５を除く全体の基本構造は、従来周知のものである。活性層５では、ＩｎＧａＮを材料とする単一の量子井戸層にデルタ層４が埋め込まれており、それにより量子井戸層は、２つの量子井戸層３Ａ及び３Ｂに互いに隔てられている。すなわち、活性層５は、量子井戸層３Ａ及び３Ｂと、デルタ層４とを有している。デルタ層４は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮを材料としている。【００１８】
量子井戸層３Ａ及び３Ｂは、それらの周囲に配設されるｐ型クラッド層１、ｎ型クラッド層７、バリア層２及びバリア層６の何れよりも、インジウム組成ｘが高く設定されている。それにより、量子井戸層３Ａ及び３Ｂは、周囲の半導体層よりもバンドギャップが局所的に狭い量子井戸として機能する。量子井戸層３Ａ及び３Ｂのインジウム組成ｘを高く設定するほど、量子井戸層３Ａ及び３Ｂのバンドギャップが狭くなり、その結果、出力光の波長が長くなる。【００１９】
デルタ層４がＩｎＧａＮを材料とする場合には、そのインジウム組成ｘは、量子井戸層３Ａ及び３Ｂのインジウム組成ｘよりも低く設定される。すなわちデルタ層４は、量子井戸層３Ａ及び３Ｂよりはバンドギャップが広く設定される。但し、デルタ層４は、従来周知の障壁とは異なり、正孔及び電子の移動を実質的に誘起するようにその厚さが設定される。従って、正孔及び電子は、デルタ層４をトンネリング又はジャンプすることにより、量子井戸層３Ａと量子井戸層３Ｂとの間を、実質的に移動することが可能となっている。かかるデルタ層４の厚さは、例えば１ｎｍに設定される。【００２０】
本願発明者らは、このように構成される発光素子１００の従来技術に対する優位性を実証するために、コンピュータを用いたシミュレーションを実行した。従来技術との比較を行うために、従来のＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造を有する発光素子についても同様の計算を実行し、双方を対比することとした。従来構造の発光素子についてのシミュレーションは、従来構造の発光素子における問題点を分析するものでもあり、そのシミュレーション結果は、本願発明者らが本願発明に想到する契機ともなったものである。以下にシミュレーションの方法と結果とについて説明する。【００２１】
［実施の形態１の実証シミュレーション］
本願発明者らは、ピエゾ電界の効果を取り入れ、更にキャリアの移動をも取り入れるべく、ピエゾ電荷を含めたポアッソン方程式、キャリアに対するドリフト−拡散方程式、及び歪効果を考慮した６×６有効質量ハミルトニアンに基づくシュレディンガー波動方程式を自己無撞着的に解くことによって、シミュレーションを実行した。本願発明者らは、まず電位に対するポアッソン方程式を、次の数式（１）で与えた。【００２２】
【数１】
2007026767.tif 000003
【００２３】
ここで、ψは電位、εは誘電率、ｑは電子の電荷、ｎは電子密度、ｈは正孔密度、ＮＤはｎ型不純物（ドナー）濃度、ＮＡはｐ型不純物（アクセプタ）濃度、ρｐｏｌは分極電荷密度である。分極電荷密度ρｐｏｌは、次の数式（２）及び（３）で与えられる。【００２４】
【数２】
2007026767.tif 000004
【００２５】
【数３】
2007026767.tif 000005
【００２６】
数式（３）は、歪の成分を記述するものであり、その第１式（左側の式）は、量子井戸層の主面に平行な成分を与えており、第２式（右側の式）は、垂直な成分を与えている。また、ｅｉｊは歪電テンソル、Ｐｓｐ（ｘ）は自発分極、ａｓｕｂは基板の格子定数、ａ（ｘ）は層を形成する材料の格子定数、Ｃは剛性（スティフネス）定数である。【００２７】
ポアッソン方程式（１）は、差分近似にニュートン・ラプソンの反復計算法を適用することにより解いた。当該計算方法の詳細については、例えば、次の文献（１）及び（２）を参照することができる。【００２８】
（文献１）  G. W. Brown
and B. W. Lindsay, “The Numerical Solution of Poisson’s Equation for Two-Dimensional Semiconductor Devices,” Solid-State Electron.,
vol. 19, pp. 991-992. 1976.
（文献２）  T. Ohtoshi,
K. Yamaguchi, C. Nagaoka, T. Uda, Y. Murayama, and N. Chinone,
“A
Two-Dimensinal Device Simulator of Semiconductor Lasers,” Solid-State Electron.,
vol. 30, pp. 627-638, 1987.【００２９】
本願発明者らは、正孔及び電子に対する連続方程式を、以下の数式（４．ａ）〜（４．ｄ）で与えた。当該数式（４．ａ）〜（４．ｄ）の詳細についても、例えば、文献２を参照することができる。【００３０】
【数４】
2007026767.tif 000006
【００３１】
ここで、μｎは電子の移動度、μｐは正孔の移動度、φｎは電子の擬（クエーザイ）フェルミ準位、φｐは正孔の擬フェルミ準位、Ｇはキャリア発生率、Ｒはキャリア再結合率、ｎｉは真性（イントリンシック）キャリア密度、θは真性（イントリンシック）フェルミ準位、γｎ及びγｐは縮退変数、ＶＴは熱電圧である。微分方程式である数式（４．ａ）〜（４．ｄ）は、箱形（ボックス）積分離散化法を用いて離散化される。当該離散化法の詳細についても、例えば、文献２を参照することができる。【００３２】
本願発明者らは、シュレディンガー波動方程式を、以下の数式（５）〜（９）で与えた。この波動方程式は、有効質量を用いて記述されるものであり、その詳細については、例えば、文献３〜５を参照することができる。数式（５）〜（８）は、価電子帯に対するものであり、数式（９）は、伝導帯に対するものである。【００３３】
【数５】
2007026767.tif 000007
【００３４】
【数６】
2007026767.tif 000008
【００３５】
【数７】
2007026767.tif 000009
【００３６】
【数８】
2007026767.tif 000010
【００３７】
【数９】
2007026767.tif 000011
【００３８】
数式（５）に記述されるＨｉｊは６×６実効質量ハミルトニアンであり、数式（６）で与えられている。数式（６）に記述されるＨＵ及びＨＬは何れも３×３行列であり、ＨＵ＝（ＨＬ）＊の関係にある。ＨＵは数式（７）で与えられている。数式（７）に記述される各変数は数式（８）で与えられている。変数Δはエネルギーパラメータ、ｍｚｅ及びｍｔｅは有効質量、Ａ１〜Ａ６は価電子帯実効質量、Ｄ１〜Ｄ４は変形ポテンシャルである。【００３９】
価電子帯のバンドエッジ形状（Ｅｖ（ｚ））及び伝導帯のバンドエッジ形状（Ｅｃ（ｚ））は、ポアッソン方程式（１）を解くことによって得られる。価電子帯のエネルギー準位（Ｅｖｎ）と伝導帯のエネルギー準位（Ｅｃｎ）、及びこれらに対応する波動関数ｕｍとｕｎを得るために、本願発明者らは、数式（５）〜（９）を、標準的な中心差分法によって空間的に離散化し、逆べき法を用いてｋｔ＝０の下で解いた。この手法の詳細については、例えば、文献６を参照することができる。【００４０】
（文献３）
S.L. Chuang and
C. S. Chang, “k-p method
for strained wurtzite semiconductors,” Phys. Rev. B54, pp. 2491-2504, 1996.
（文献４）
Y. C. Yeo. T.
C. Chong, and M. F. Li, “Uniaxial Strain Effect on the Electronic and Optical Properties of Wurtzite
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ Quantum-Well Lasers,” IEEE. J. Quantum. Electronic., vol. 34, pp.
2224-2232, 1998.
（文献５）
L. H. Peng, Y.
C. Hsu, and C. W. Chuang, “Structure Asymmetry Effects in the Optical Gain of Piezostrained ＩｎＧａＮ Quantum Wells,” IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron., vol 5, pp. 766-764, 1999.
（文献６）
C. Juang, K.
J. Kuhn, and R. B. Darling, “Stark shift and field-induced tunneling in ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓ quantum-well structure,” Phys. Rev. B41, pp. 12047-12053, 1990.【００４１】
正孔の有効質量は、電子の有効質量に比べて大きい。しかも、ＩｎＧａＮ等のＧａＮをベースとする半導体では、他のIII属元素−Ｖ属元素化合物に比べて、正孔の有効質量が約４倍も大きい。シミュレーションを通じて本願発明者らは、ピエゾ電界の存在が重い正孔の移動に大きく影響することを見出した。デルタ層４を有する発光素子１００は、この点に着目することにより、本願発明者らが着想するに至ったものである。【００４２】
以下の図２〜図６に、シミュレーションの結果を示す。図２〜図４は、比較対象としての従来構造の発光素子に対する計算結果を示しており、図５及び図６は、実施の形態１による発光素子１００に対する計算結果を示している。【００４３】
図２は、５ｎｍ厚さのＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層が１０ｎｍ厚さのＧａＮバリア層によって挟まれてなるＳＱＷ構造を有する発光素子について、バンド構造と波動関数とを示すグラフである。図２の横軸は、量子井戸層等の厚さ方向に設定された距離を表している。図２において、ｐ側とはｐ型クラッド層に近い側、言い換えると正電極に近い側を意味し、ｎ側とはｎ型クラッド層に近い側、言い換えると負電極に近い側を意味する。図２（ａ）の縦軸は、伝導帯の下端エネルギーＥｃと、第１伝導サブバンドＣ１のエネルギー準位とを示しており、図２（ｂ）の縦軸は、価電子帯の上端エネルギーＥｖと、第１価電子サブバンドＨＨ１のエネルギー準位とを示している。また、図２（ｃ）の縦軸は、第１伝導サブバンドＣ１及び第１価電子サブバンドＨＨ１の波動関数を示している。図示される波動関数は、振幅の自乗ではなく振幅そのものである。図２の計算においては、インジウム組成ｘとして、１５％、２０％及び２５％の３通りの値が選択されており、それぞれに対応する曲線は、実線、点線、及び破線で表されている。また、図２の計算では、順電圧は０Ｖに設定されている。【００４４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）から、ＩｎＧａＮ量子井戸層では、ピエゾ電界のためにバンド端のエネルギーＥｃ及びＥｖが傾斜していることが分かる。しかも、この傾斜は、インジウム組成ｘが高いほど急峻となっている。その結果、図２（ｃ）が示すように、電子と正孔（ホール）の波動関数は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の内部で、一端と他端とに分離した振幅分布を示す。すなわち、電子の波動関数は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とｐ側（横軸左側）に隣接するＧａＮバリア層との接合境界に偏在し、正孔の波動関数はＩｎＧａＮ量子井戸層とｎ側（横軸右側）に隣接するＧａＮバリア層との接合境界に偏在する。しかも、この波動関数の分離は、インジウム組成ｘが高いほど顕著なものとなっている。更に、電子の波動関数と正孔の波動関数とを比較すると、正孔の波動関数の方が、より強く接合境界に局在することが分かる。【００４５】
電子と正孔の波動関数におけるこのような振舞いから、電子と正孔の統計力学的な密度、すなわちキャリア密度についても、同様の分離が引き起こされていることが容易に理解される。なお、波動関数とキャリア密度との相関性は、後述する図３等に明瞭に示されている。このように、少なくともインジウム組成ｘが１５％程度以上に高い場合には、５ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ量子井戸層では、電子と正孔との密度分布における重複部分が希少となることがシミュレーションによって明瞭に示された。このことは、インジウム組成の高いＩｎＧａＮからなる厚いＳＱＷ構造においては、キャリアの再結合が低く、その結果として高い光利得が得られないことを意味する。【００４６】
一般に、増幅係数Ｓは、ｅｘｐ（Γ・ｇ・Ｌ）に比例する。ここで、ｅｘｐは指数関数を表し、Γは光の閉じ込め係数を示し、ｇは光利得を示し、Ｌはデバイス長を示す。発光素子１００のデバイス長Ｌは、図１（ａ）に示されている。増幅係数Ｓが高いほど、大きい光出力が得られる。特に、レーザダイオードでは、増幅係数Ｓが高いほど低い閾値電流が得られる。図２が対象とする従来構造の発光素子では、上述の通り高い光利得が得られず、その結果、高い増幅係数Ｓを得ることができない。【００４７】
図３は、２ｎｍ厚さの２つのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層が、７ｎｍ厚さのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁（バリア）層により隔てられて成る活性層とその周辺におけるエネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。すなわち、図３は、従来構造のうちＭＱＷ構造を有する発光素子を対象としたシミュレーションの結果を示している。発光素子に印加される順電圧は３．５Ｖに設定されている。従って、発光素子には、発光を引き起こすための順電流が流れている。図３（ａ）において、Ｆｃは電子の擬フェルミ準位を表しており、Ｆｖは正孔の擬フェルミ準位を表している。【００４８】
図３（ａ）から、正孔の擬フェルミ準位Ｆｖが、双方の量子井戸層において不連続となっていることが分かる。このことは、有効質量の大きい正孔の移動を困難にするものである。電子は、有効質量が小さいので、障壁層を通過し或いは越えて移動し易い。しかし、量子井戸層と障壁層との間での伝導帯のバンド端のエネルギーＥｃの差、すなわち伝導帯のバンドオフセットΔＥｃが大きいために、電子の移動もある程度抑制されている。【００４９】
更に、バンド端のエネルギーＥｃ及びＥｖが、量子井戸層と障壁層との間で、交互に逆向きに傾いていることが分かる。その結果、電子に対しては、図中の左側（ｐ側）の量子井戸層と障壁層との間に、ポテンシャルの高い壁が形成され、正孔に対しては、図中の右側（ｎ側）の量子井戸層と障壁層との間に、ポテンシャルの高い壁が形成されている。このことも、電子及び正孔、特に有効質量の大きい正孔に対して、移動を阻害する要因となっている。【００５０】
その結果、図３（ｂ）が示すように、正孔密度は、専らｐ側の量子井戸層にのみ分布し、ｎ側の量子井戸層には殆ど存在しない。また、電子密度は、ｐ側の量子井戸層にもある程度まで分布するものの、主としてｎ側に分布している。このように、ピエゾ電界の存在のために、電子密度と正孔密度とは、障壁層を挟む両側の量子井戸層の一方と他方とに別個に偏在する。その結果、電子と正孔の密度分布は、重複部分が希少となるので、キャリアの再結合率が著しく低いものとなる。【００５１】
図４は、図３と同じ従来構造の発光素子について、順電圧を４．８Ｖにまで引き上げたときのエネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。図４（ｂ）が示すように、順電圧が４．８Ｖにまで高められると、正孔は、ｎ側の量子井戸層にも、ある程度は、移動し得て、その結果、ｎ側の量子井戸層にも僅かながら正孔密度が現れる。しかしながら、それでもなお、正孔密度は、双方の量子井戸層の間で、４桁以上の比率で異なっており、ｎ側の量子井戸層には実質的に分布しない。【００５２】
このように、少なくともインジウム組成ｘが１５％程度に高い場合には、７ｎｍの厚さの障壁層で隔てられた２つのＩｎＧａＮ量子井戸層には、正孔が一方にのみ局在し、電子が主として他方に存在することが明らかとなった。すなわち、電子の密度分布と正孔の密度分布との間に、高い非均質性があることが分かった。このことは、インジウム組成の高いＩｎＧａＮからなり、厚い障壁層で隔てられたＭＱＷ構造においては、キャリアの再結合率が低く、その結果として高い光利得が得られないことを意味する。このことは更に、増幅係数Ｓが低く、高い光出力が得られず、且つ低い閾値電流が得られないことを意味している。【００５３】
以上の通り、図２〜図４に示したシミュレーションの結果は、長波長領域のＩｎＧａＮ量子井戸層を有する発光素子では、厚いＳＱＷ構造を採用した場合には、ピエゾ電界により電子と正孔の密度分布が分離することを示すとともに、ＭＱＷ構造を採用した場合には、ピエゾ電界により障壁層が電子と正孔の移動を阻害するために、電子と正孔の密度分布がＳＱＷとは逆の方向に分離することを示している。そして、そのことが、何れの構造を採っても高い増幅係数Ｓが得られない原因となっていることが明らかになった。また、厚さ２〜３ｎｍ程度の薄いＳＱＷ構造では、既に述べたとおり、キャリア捕獲率が低く、その結果、増幅係数Ｓが低い値に止まることは、周知の事実である。【００５４】
この問題を解決するために、本願発明者らは、ピエゾ電界により正孔の波動関数がＳＱＷの接合境界に強く局在化され、しかも、薄いデルタ層によってもなお、正孔の移動が影響を受けるほどに正孔の有効質量が大きい点に着目することにより、厚い単一のＩｎＧａＮ量子井戸にデルタ層が埋め込まれた量子井戸構造を着想するに至った。以下の図５及び図６に示すシミュレーションの結果は、当該着想に基づく発光素子１００について、従来構造のものに対する優位性を実証するものとなっている。【００５５】
図５は、５ｎｍ厚さの単一のＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層に１ｎｍ厚さのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎデルタ層が埋め込まれて成る活性層とその周辺におけるエネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。言い換えると、この発光素子では、２ｎｍ厚さの２つのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層が、１ｎｍ厚さのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎデルタ層によって隔てられている。すなわち、図５は、図１に示した発光素子１００を対象としたシミュレーションの結果を示すものである。図５が対象とする発光素子１００は、図３が対象とした発光素子とは、２つの量子井戸層を隔てるＡｌＧａＮ層の厚さにおいてのみ、構造上相違する。発光素子１００に印加される順電圧は、図３と同じく３．５Ｖに設定されている。【００５６】
図５（ａ）が示すように、バンドギャップは、量子井戸層よりもデルタ層において広くなっている。しかしながら、デルタ層が１ｎｍの厚さであるために、電子は、トンネリングまたはジャンプによって、デルタ層を容易に通過し又は飛び越えて、ｎ側の量子井戸層からｐ側の量子井戸層へ移動し得る。その結果、図５（ｂ）が示すように、電子の密度分布は、ｎ側の量子井戸層よりも、むしろｐ側の量子井戸層において高い密度を示している。しかしながら、デルタ層の存在により、図２に示したＳＱＷ構造に比べると、電子の密度分布は、活性層全体により均一なものとなっている。【００５７】
これに比べて正孔は、有効質量が大きいために、デルタ層が１ｎｍの厚さであってもその影響を受ける。そのため、正孔の一部は、主としてジャンプすることによりデルタ層を超えてｎ側の量子井戸層へ移動するが、相当部分がｐ側の量子井戸層に止まる。その結果、図５（ｂ）が示すように、正孔の密度分布は、双方の量子井戸層の間で均一なものとなっている。図２に示したＳＱＷ構造に比べると、正孔の密度分布の活性層全体にわたる均一性の改善は、著しい。【００５８】
また、デルタ層は、薄いため、電子及び正孔に対する影響は、図３に示したＭＱＷ構造に比べると遙かに弱い。従って、図３と比較すると分かるように、障壁層がキャリアの移動を阻害することにより正孔及び電子の密度分布の分離を引き起こすＭＱＷ構造に比べても、正孔及び電子の密度分布の活性層全体にわたる均一性は、明瞭である。このように、デルタ層がピエゾ電界によるキャリアの局在化を緩和し、それによりキャリア密度分布の均一性を高めるので、正孔及び電子の密度分布の空間的な重なりが増大する。その結果、キャリアの再結合率が向上するので、光利得が向上し、高い増幅係数Ｓが実現する。【００５９】
図６は、図５と同じ発光素子１００について、順電圧を４．８Ｖにまで引き上げたときのエネルギーバンド構造とキャリア密度とを示すグラフである。図６（ｂ）が示すように、双方の量子井戸層の間で正孔密度は、図５（ｂ）と同様に均一なものとなっている。より詳細には、順電圧が４．８Ｖにまで高められることにより、双方の量子井戸層の間で、電子及び正孔の双方についてキャリア密度の均一性を保持しつつ、正孔密度が引き上げられている。すなわち、より高い光出力が得られる。【００６０】
なお、図５（ａ）と図６（ａ）とを比較すると、量子井戸層におけるバンド端のエネルギーＥｃ及びＥｖの傾きが、図６の方がより緩やかとなっている。これは、図６の方が、量子井戸層における電子及び正孔、特に正孔のキャリア密度が高いために、ピエゾ電界が緩和されるというスクリーニング効果によるものである。かかるスクリーニング効果が計算結果に現れることは、本願発明者らによる自己無撞着的な手法によるシミュレーションの精度の高さを裏付けるものである。【００６１】
このように、インジウム組成ｘが１５％程度に高く、それによりピエゾ電界の効果が強く現れる場合であっても、キャリアの移動を実質的に誘起するデルタ層が埋め込まれたＩｎＧａＮ量子井戸構造では、電子及び正孔の局在現象、特に正孔の局在現象が著しく緩和ないし解消されることがシミュレーションを通じて実証された。その結果、発光素子１００は、従来周知のＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造を有する発光素子とは異なり、高い増幅係数Ｓを示し、光出力の増大と、閾電流の低減とをもたらすものであることが明らかとなった。【００６２】
なお、図２の単一の量子井戸層とは異なり、図５及び図６のデルタ層で隔てられた各量子井戸層の厚さは十分に小さい２ｎｍである。その結果、図５（ｂ）及び図６（ｂ）が示すように、デルタ層で隔てられた各量子井戸層内では、電子と正孔の密度分布は実質的な重複部分を有している。従って、図２（ｃ）と図５（ｂ）及び図６（ｂ）との結果を考慮すると、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層については、デルタ層で隔てられる各量子井戸層内で実質的な電子と正孔との再結合が誘起されるための各量子井戸層の厚さの上限は、２ｎｍよりも高く、５ｎｍよりも低い値であることが予測される。【００６３】
上記の通り、図５及び図６に示したシミュレーションは、ＩｎＧａＮ量子井戸層のインジウム組成ｘが１５％である発光素子１００について行ったものであるが、インジウム組成ｘが略１０％であって青色を発光する発光素子１００であっても、ピエゾ効果が十分に高いことを考慮すると、従来のＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造を有する発光素子に比べて、改善された高い光出力及び改善された低い閾値電流を実現することが十分に推測される。【００６４】
［実施の形態２］
図７は、本発明の実施の形態２による発光素子の活性層の構造を示す正面図である。本実施の形態による発光素子は、単一の量子井戸層に複数のデルタ層が埋め込まれており、単一の量子井戸層がデルタ層により３つ以上の層に隔てられている点において、発光素子１００（図１）とは異なっている。すなわち、図７（ａ）に例示する発光素子２００の活性層５では、２つのデルタ層４Ａ及び４Ｂが、３つの量子井戸層３Ａ〜３Ｃを互いに隔てている。また、図７（ｂ）に例示する発光素子３００の活性層５では、３つのデルタ層４Ａ〜４Ｃが、４つの量子井戸層３Ａ〜３Ｄを互いに隔てている。量子井戸層３Ａ〜３Ｄの組成及び厚さは、例えば図１に例示した量子井戸層３Ａ及び３Ｂの組成及び厚さと同等に設定される。また、デルタ層４Ａ〜４Ｃの組成及び厚さは、例えば図１に例示したデルタ層４の組成及び厚さと同等に設定される。【００６５】
例えば、デルタ層及び量子井戸層の厚さを維持したままで、それらの個数を増加させることにより、量子井戸層全体の厚さを大きくすることができる。それにより、キャリアの密度分布の均一性を保持しつつ、活性層５全体の閉じ込め効果を高めることができる。また、活性層５全体の厚さを変えずに、デルタ層及び量子井戸層の個数を増加させることも可能である。それにより、活性層５全体の閉じ込め効果を一定に保ちつつ、キャリアの密度分布の均一性を高めることができる。このように、キャリアの密度分布の均一性の向上と、量子井戸層全体による光の閉じ込め効果の向上とを、より高いレベルで実現することができ、それにより増幅係数Ｓを更に高めることができる。【００６６】
本願発明者らは、発光素子２００及び３００のかかる優位性を実証するために、実施の形態１で述べた方法に基づいて、シミュレーションを実行した。以下に、当該シミュレーションの結果について述べる。【００６７】
図８は、８ｎｍ厚さの単一のＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層が、１ｎｍ厚さの２つのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎデルタ層によって、３層に隔てられて成る活性層を有する発光素子について、数式１〜数式９を用いたシミュレーションを実行して得られたバンド構造及びキャリア密度を示すグラフである。すなわち、図８は、図７（ａ）に示した発光素子２００を対象としたシミュレーションの結果を示すものである。発光素子２００に印加される順電圧は、図５よりも高く図６よりも低い４．４Ｖに設定されている。【００６８】
図８（ｂ）に示すように、３つの量子井戸層の間で、電子密度及び正孔密度の何れもが、活性層５の全体にわたって良好な均一性を示している。また、各量子井戸層の内部における電子の密度分布及び正孔の密度分布の間の重複性も良好である。図６（ｂ）と比較すると、キャリアの均一性を同等に保ちつつ、活性層５の厚さが増しているため、閉じ込め係数Γが向上することによって、増幅係数Ｓが増大することが期待される。このように、シミュレーションの結果は、発光素子２００及び３００のかかる優位性を裏付けるものとなっている。【００６９】
［その他の実施の形態］
（１）  デルタ層４（又は４Ａ〜４Ｃ）の厚さとして、１ｎｍを例示したが、正孔及び電子の移動を実質的に誘起する厚さであれば、それ以上であっても以下であってもよい。例えば、デルタ層４（又は４Ａ〜４Ｃ）の厚さは、１分子層の厚さ、例えば０．２ｎｍ〜０．３ｎｍであってもよい。この場合においても、デルタ層４は、少なくとも正孔の移動に影響を与える層として機能することが十分に予測される。【００７０】
（２）  既に述べたように、基板９（図１）の上に、各半導体層を形成するには、ＣＶＤ法を用いて、反応ガスを各層毎に変更しつつ、各半導体層を成長させるのが望ましい方法である。そのうちデルタ層４は、キャリアの移動を実質的に誘起する必要から、他の半導体層に比べて薄く形成されるとともに、キャリアへの影響を調節する必要から、その厚さを特に高い精度で制御する必要がある。このため、半導体層の成長過程において、デルタ層４の成長速度は、他の半導体層に比べて遅く設定されるのが望ましい。【００７１】
（３）  発光素子１００、２００、３００は、レーザダイオードとして構成されたが、本発明の発光素子は、レーザダイオードに限らず、例えば発光ダイオードとして構成されても良く、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）として構成されても良い。本発明を発光ダイオード或いはスーパールミネッセントダイオードに適用することにより、高い発光出力が得られる。【００７２】
（４）  上記各実施の形態では、表１に示したように、量子井戸層３Ａ〜３Ｄは、ドーピングされないものとした。しかしながら、本発明の発光素子にける量子井戸層は、ノンドープであることに限定されるものではなく、ドープがなされてもよい。しかし、ドーピングは、通常において結晶性を劣化させる方向に作用するために、活性層５へのドーピングはなされないのが通例である。【００７３】
（５）  上記各実施の形態では、量子井戸層３（又は３Ａ〜３Ｄ）の材料がＩｎＧａＮである例を取り上げた。これに対し、量子井戸層３を他の材料で構成することも可能である。量子井戸層が、結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起するものであれば、同じく本発明を適用し、本発明と同様の効果を得ることができる。【００７４】
本明細書は、上記のように様々な発明を開示しているが、そのうち主な発明を以下に纏める。【００７５】
第１の態様に係るものは、発光素子であって、結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸層と、前記量子井戸層に埋め込まれ、前記量子井戸層を複数層に隔てており、前記量子井戸層よりもバンドギャップが広く、且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されているデルタ層と、を備えるものである。【００７６】
この構成によれば、バンドギャップが量子井戸層よりも広く、且つ厚さが正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定されたデルタ層によって、量子井戸層が複数層に隔てられているので、正孔及び電子のうち、少なくとも有効質量の大きい正孔（ホール）の移動が、デルタ層によりある程度制限を受ける。その結果、正孔及び電子のうちの少なくとも、有効質量が大きいことにより量子井戸層内でピエゾ電界による局在化の傾向のより強い正孔について、量子井戸層内での密度分布の均一性が向上する。それにより、正孔及び電子の密度分布の重複部分が大きくなるので、キャリアの再結合率が向上する。その結果、光利得（発光確率）が向上するので光出力が向上し、特にレーザ素子では閾値電流の低減が実現する。【００７７】
第２の態様に係るものは、第１の態様に係る発光素子であって、前記デルタ層により隔てられて成る前記量子井戸層の各部分の厚さが、正孔及び電子の密度分布が実質的な重複部分を有する範囲に設定されているものである。【００７８】
この構成によれば、デルタ層により隔てられて成る量子井戸層の各部分の厚さが、正孔及び電子の密度分布が実質的な重複部分を有する範囲に設定されているので、各部分において実質的なキャリアの再結合が誘起される。その結果、更に高い光利得が得られるので、より高い光出力が得られ、特にレーザ素子では更に低い閾値電流が実現する。【００７９】
第３の態様に係るものは、第１又は第２の態様に係る発光素子であって、前記量子井戸層の材料がＩｎＧａＮであるものである。【００８０】
この構成によれば、量子井戸層の材料がＩｎＧａＮであるため、インジウムの組成を高めることにより、発光波長が青色から緑色、さらには赤色にまで及ぶ発光素子を実現することができる。【００８１】
第４の態様に係るものは、第３の態様に係る発光素子であって、前記デルタ層の材料が、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、及び前記量子井戸層よりもインジウム組成が低いＩｎＧａＮから成る群から選択された少なくとも一つであるものである。【００８２】
この構成によれば、デルタ層の材料が、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、及び量子井戸層よりもインジウム組成が低いＩｎＧａＮから成る群から選択された少なくとも一つであるので、ＩｎＧａＮを材料とする量子井戸層よりもバンドギャップが広いデルタ層を容易に形成することができる。【００８３】
第５の態様に係るものは、第３又は第４の態様に係る発光素子であって、前記量子井戸層の組成をＩｎｘＧａ１−ｘＮと表現したときのインジウム組成ｘの値が略１０％以上であるものである。【００８４】
この構成によれば、インジウム組成ｘの値が、略１０％以上であるので、青色ないしそれよりも波長の長い光を出力する発光素子が実現する。【００８５】
第６の態様に係るものは、第１ないし第５の何れかの態様に係る発光素子であって、前記デルタ層が、前記量子井戸層の複数箇所に埋め込まれており、前記量子井戸層を３層以上に隔てているものである。【００８６】
この構成によれば、デルタ層が、量子井戸層の複数箇所にデルタ層が埋め込まれており、量子井戸層がデルタ層により３層以上に隔てられているので、例えば、互いに隔てられて成る量子井戸層の各部分の厚さを小さく保ちつつ、量子井戸層全体の厚さを大きくすることができる。すなわち、キャリアの密度分布の均一性の向上と、量子井戸層全体による光の閉じ込め効果の向上とを、より高いレベルで実現することができ、それにより光出力を更に高めることができる。【００８７】
第７の態様に係るものは、第１ないし第６の何れかの態様に係る発光素子であって、前記発光素子がレーザダイオードであるものである。【００８８】
この構成によれば、発光素子がレーザダイオードであるので、低い閾値電流が実現する。【００８９】
第８の態様に係るものは、第１ないし第７の何れかの態様に係る発光素子を製造する方法であって、前記量子井戸層の一部を積層する第１工程と、前記量子井戸層の前記一部の上に前記デルタ層を積層する第２工程と、前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層する第３工程とを備え、前記第２工程は、前記第１及び第３工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層するものである。【００９０】
この構成によれば、量子井戸層に比べてデルタ層がより低い速度で積層されるので、デルタ層の厚さを、正孔及び電子の移動を実質的に誘起する範囲内に設定することが容易となる。すなわち、本発明の発光素子をより容易に製造することが可能となる。【００９１】
本願発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本願発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明によれば、ピエゾ電界を誘起する量子井戸層を有する発光素子に関し、光出力を向上させた発光素子が提供され得る。
【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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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月15日(2007.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶格子の不整合による内部歪により自身にピエゾ電界を誘起している量子井戸層と、
前記量子井戸層に埋め込まれ、前記量子井戸層を複数層に隔てており、前記量子井戸層よりもバンドギャップが広く、且つ厚さが１分子層の厚さに設定されているデルタ層と、を備える発光素子。
【請求項２】
前記デルタ層により隔てられて成る前記量子井戸層の各部分の厚さが、２ｎｍよりも高く５ｎｍよりも低い値の範囲に設定されている、請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記量子井戸層の材料がＩｎＧａＮである、請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項４】
前記デルタ層の材料が、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、及び前記量子井戸層よりもインジウム組成が低いＩｎＧａＮから成る群から選択された少なくとも一つである請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記量子井戸層の組成をＩｎｘＧａ１−ｘＮと表現したときのインジウム組成ｘの値が略１０％以上である請求項３又は４記載の発光素子。
【請求項６】
前記デルタ層が、前記量子井戸層の複数箇所に埋め込まれており、前記量子井戸層を３層以上に隔てている請求項１ないし５の何れかに記載の発光素子。
【請求項７】
前記発光素子がレーザダイオードである請求項１ないし６の何れかに記載の発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れかに記載の発光素子を製造する方法であって、
前記量子井戸層の一部を積層する第１工程と、
前記量子井戸層の前記一部の上に前記デルタ層を積層する第２工程と、
前記デルタ層の上に前記量子井戸層の別の一部を積層する第３工程とを備え、
前記第２工程は、前記第１及び第３工程が前記量子井戸層の前記一部及び前記別の一部を積層する速度よりも低い速度で前記デルタ層を積層するものである発光素子の製造方法。
【国際調査報告】
2007026767.tif 000020
2007026767.tif 000021
2007026767.tif 000022
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