半導体発光装置
【課題】本発明の実施形態は、量子井戸に誘起される分極電界を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、を備える。そして、前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い前記第１の障壁層にｐ形不純物がドープされる。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、を備える。そして、前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い前記第１の障壁層にｐ形不純物がドープされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の低炭素社会を目指す取り組みにおいて、半導体発光装置の発光効率を向上させ低消費電力化を実現することが重要である。例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）は、電球や蛍光灯などフィラメント式の光源に比べて振動や電源のオン／オフに対する耐性が高く長寿命である。そして、低電圧駆動が可能であり、点灯制御が容易であることから、照明分野の用途が急速に広がっている。中でも、蛍光体と組み合わせることにより、様々な色の発光が可能な青色ＬＥＤが脚光を浴びている。
【０００３】
青色ＬＥＤは、ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に設けられた発光層を備えている。そして、発光層に含まれる量子井戸層において電子と正孔を再結合させ、量子井戸層のエネルギーギャップに相当する波長の光を発光する。したがって、青色ＬＥＤの発光効率を向上させるには、電子と正孔の結合効率を向上させることが有効である。
【０００４】
しかしながら、例えば、窒化物半導体を材料とする半導体発光装置では、量子井戸と、それを囲む量子障壁と、の間に生じる格子歪みにより分極電界、所謂ピエゾ電界が生じる。そして、量子井戸に誘起されたピエゾ電界は、電子とホールの再結合を阻害する。そこで、量子井戸に誘起されるピエゾ電界を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、量子井戸に誘起される分極電界を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、を備える。そして、前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い第１の障壁層にｐ形不純物がドープされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光装置における量子井戸のバンドダイアグラムである。
【図３】第１の実施形態に係る半導体発光装置の内部量子効率と、障壁層に含まれるｐ形不純物濃度と、の関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係る半導体発光装置の量子井戸におけるバンドダイアグラム、および、電子、正孔の波動関数のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の変形例に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図６】第１の実施形態の変形例に係る半導体発光装置における量子井戸のバンドダイアグラムである。
【図７】第２の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態に係る半導体発光装置の発光層の断面を示す模式図である。
【図９】比較例に係る量子井戸のバンドダイアグラムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光装置１００の断面を示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）における破線で囲まれた領域Ａの構造を示している。本実施形態に例示する半導体発光装置１００は、窒化物半導体を材料とする所謂青色ＬＥＤである。
【００１１】
半導体発光装置１００は、基板２の上に設けられたｎ形半導体層であるｎ形ＧａＮ層３と、ｐ形半導体層であるｐ形ＧａＮ層５と、ｎ形ＧａＮ層３とｐ形ＧａＮ層５との間に設けられた発光層４を備えている。さらに、発光層４とｐ形ＧａＮ層５との間に、ｐ形ＡｌＧａＮ層６が設けられている。ｐ形ＡｌＧａＮ層６は、発光層４からｐ形ＧａＮ層５への電子の流れを阻止する、所謂ブロック層である。これにより、発光層４の電子密度を高くして電子と正孔の再結合を促進することができる。
【００１２】
ｐ形ＧａＮ層５の表面には、ｐ電極１３が設けられる。そして、ｐ形ＧａＮ層５およびｐ形ＡｌＧａＮ層６、発光層４が、選択的にメサエッチングされ、露出したｎ形ＧａＮ層３の表面にｎ電極１５が設けられる。さらに、ｐ形ＧａＮ層５の表面に、所謂Face-up型のＬＥＤで用いられる透明電極を形成しても良い。
【００１３】
一方、図１（ｂ）に示すように、発光層４は、ｎ形ＧａＮ層３とｐ形ＡｌＧａＮ層６との間に位置し、複数の量子井戸を含む。量子井戸は、２つの障壁層と、その間に設けられた井戸層と、で構成される。発光層４は、井戸層１０ａ〜１０ｄを含み、それぞれ障壁層２０ａ〜２０ｅの間に形成される。例えば、障壁層２０ａ〜２０ｅは、ＧａＮ層であり、井戸層１０ａ〜１０ｄは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＝０．１〜０．１５）である。障壁層２０ａ〜２０ｅの厚さは、それぞれ４〜１０ｎｍ、井戸層１０ａ〜１０ｄの厚さは、２〜５ｎｍとすることができる。これにより、障壁層２０ａ〜２０ｅの間に設けられた井戸層１０ａ〜１０ｄのエネルギー準位が量子化され複数の量子井戸が形成される。
【００１４】
ＩｎｘＧａ１−ｘＮは、ＧａＮおよびＡｌＧａＮよりもバンドギャップが狭く、井戸層１０ａ〜１０ｄから放出される発光光は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのバンド端発光よりも長波長である。そして、その発光光は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層６およびｐ形ＧａＮ層５を透過して外部に放出される。
【００１５】
基板２には、例えば、サファイア基板を用いる。そして、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vaper Deposition）法を用いて、基板２の上に、ｎ形ＧａＮ層３、発光層４、ｐ形ＡｌＧａＮ層６およびｐ形ＧａＮ層５を順に形成する。基板２とｎ形ＧａＮ層３との間には、例えば、ｎ形不純物をドープしないＧａＮバッファ層を設けても良い。
【００１６】
半導体発光装置１００は、電子と正孔が発光層４の量子井戸の内部で再結合することにより発光する。電子および正孔は、ｐ電極１３とｎ電極１５との間に供給される駆動電流により注入される。そして、ｐ形ＧａＮ層５と隣り合う量子井戸（井戸層１０ａを含む量子井戸）における発光が発光層４から放出される発光光に占める割合は、他の量子井戸の発光よりも高い。このため、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合を促進することにより、発光効率を効果的に向上させることができる。
【００１７】
本実施形態では、井戸層１０ａの両側に設けられた第１の障壁層２０ａおよび第２の障壁層２０ｂの内のｐ形ＧａＮ層５に近い障壁層２０ａにｐ形不純物をドープする。つまり、障壁層２０ａは、不純物をドープしないバックグランドレベル（background level）よりも高濃度のｐ形不純物を含む。これにより、井戸層１０ａの内部に誘起される分極電界が低減され、電子と正孔の再結合確率を高くすることが可能となる。
【００１８】
図２（ａ）および（ｂ）は、井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラムを示す。図２（ａ）は、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープしない場合のバンドダイアグラムである。一方、図２（ｂ）は、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープした場合のバンドダイアグラムである。
【００１９】
井戸層１０ａであるＩｎＧａＮ層、障壁層２０ａおよび２０ｂであるＧａＮ層に不純物をドープしない場合、井戸層１０ａにおけるエネルギーバンドは、図２（ａ）に示すように、障壁層２０ｂから障壁層２０ａの方向に低下する構造となる。
【００２０】
例えば、井戸層１０ａの中の任意の位置ｘにおける電子ポテンシャルφ（ｘ）は、式（１）で表される。ここで、電子ポテンシャルとは、コンダクションバンドＥＣのエネルギーレベルを意味する。
【数１】
εｒおよびε０は、それぞれＩｎＧａＮおよび真空の誘電率である。Ｐｔｏｔａｌは、量子井戸内の分極電界であり、自発分極およびピエゾ分極の両方を含む。Ｅは、外部電界である。φ（ｘ１）は、障壁層２０ｂの側における井戸層１０ａの端ｘ１の電子ポテンシャルである。
【００２１】
そして、井戸層１０ａの幅が狭く、外部電界Ｅが均一であるとすれば、ｘ１と井戸層１０ａの障壁層２０ａの側の端ｘ２との間における電子ポテンシャルの変化Δφｂは、式（２）で表される。
【数２】
ここで、Δｘは、井戸層１０ａの幅である。
【００２２】
一方、障壁層２０ａへｐ形不純物をドープした場合の、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶのポテンシャルシフト量Δφｄは、式（３）で表される。
【数３】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。Ｎａ１は、不純物をドープしないバックグランドのイオン化したアクセプタ濃度、Ｎａ２は、ｐ形不純物をドープした場合のイオン化したアクセプタ濃度である。
【００２３】
式（４ａ）および（４ｂ）は、障壁層に含まれる（ドープされた）ｐ形不純物の濃度ＮＡ１と、イオン化したアクセプタ濃度Ｎａ１との関係、および、ＮＡ２と、Ｎａ２との関係をそれぞれ示す。ＮＡ１は、ｐ形不純物のバックグランド濃度であり、ＮＡ２は、障壁層にドープされたｐ形不純物の濃度である。式（３）では、ＮＡ２≫ＮＡ１とした。
【数４】
ここで、ＥＡは、アクセプタ準位からバレンスハンドＥＶへのホールの励起エネルギー、ＥＦ１およびＥＦ２は、フェルミ準位、ｑは、単位電荷、ｇＡは、バレンスバンドの縮退度である。
【００２４】
ＮＡ２≫ＮＡ１とすれば、Δφｄ＝ＥＦ１−ＥＦ２として、式（４ａ）および（４ｂ）より、式（３）を求めることができる。
【００２５】
例えば、図２（ａ）に示すように、障壁層２０ａのＥＣおよびＥＶを上方にシフトさせることにより、井戸層１０ａにおける電子ポテンシャルの変化Δφｂを補償することができる。すなわち、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープすることにより、障壁層２０ａのＥＣおよびＥＶをΔφｄだけ上方にシフトさせてΔφｂを低減し、分極電界の影響を緩和することが可能である。
【００２６】
例えば、井戸層１０ａの幅を２ｎｍとして、分極電界Ｐｔｏｔａｌを８×１０−３Ｃｍ−２、外部電界Ｅを１ｘ１０−３Ｃｍ−２とすれば、式（２）よりΔφｂは、０．２２９ｅＶとなる。
ここで、各定数は、以下の値を用いる。
ε０：８．８５×１０−１２Ｆｍ−１
εｒ：８．９
ｋ：１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ
Ｔ：３００Ｋ
一方、Δφｄは、式（３）を用いて表１のように求まる。ここで、バックグランドのｐ形不純物濃度ＮＡ１を１×１０１５ｃｍ−３とした。
【表１】
【００２７】
コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶは、ｐ形不純物のドーピング量を増加させると、ポテンシャルが高くなる方向にシフトする。このため、表１に示すΔφｄの量だけ、分極電界に起因する電子ポテンシャルの変化Δφｂを補償することができる。例えば、ｐ形不純物のドープ濃度ＮＡ２が１×１０１９ｃｍ−３のとき、Δφｄは０．２３１ｅＶとなり、Δφｂの０．２２９ｅＶとほぼ一致する。
【００２８】
図２（ｂ）は、ΔφｂとΔφｄとが等しい時のエネルギーバンドダイアグラムである。この場合、分極電界Ｐｔｏｔａｌは、ＥＣおよびＥＶのシフトにより生じる電界で相殺される。そして、井戸層１０ａの内部における電子ポテンシャルは、同図に示すように、均一になる。その結果、井戸層１０ａにおける電子の波動関数Ｅ１のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ１のピーク位置と、を一致させることができる。
【００２９】
これに対し、井戸層１０ａの内部において電子ポテンシャルの変化がある場合には、図９に示すように、電子の波動関数Ｅ５のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ５のピーク位置がずれてしまう。このため、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率が低くなり発光効率が低下する。
【００３０】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置１００では、障壁層２０ａにバックグランドレベルよりも高濃度のｐ形不純物を含ませることにより、井戸層１０ａの内部の分極電界を低減し、電子の波動関数Ｅ１のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ１のピーク位置と、を近づけることが可能となる。これにより、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率を高くして発光効率を向上させることができる。
【００３１】
図３は、半導体発光装置１００の内部量子効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。横軸に駆動電流を示し、縦軸に内部量子効率を示している。同図中に示すグラフＢ〜Ｆは、障壁層２０ａに含まれるｐ形不純物濃度をパラメータとして内部量子効率の変化を示している。
【００３２】
シミュレーションは、発光への寄与が高い井戸層１０ａについて実施した。そして、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物をマグネシウム（Ｍｇ）とし、ドープ濃度を１×１０１７から１×１０２０ｃｍ−３まで変化させた。
【００３３】
図３に示すグラフＢ〜Ｄでは、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物を１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１９ｃｍ−３に増やすことにより、内部量子効率が徐々に大きくなりピーク値が約１０％高くなることがわかる。そして、グラフＦが示すように、ｐ形不純物をさらに１×１０２０ｃｍ−３まで増加させると、内部量子効率のピークが高電流側に大きくシフトし、内部量子効率の値が大きくなる。すなわち、半導体発光装置の輝度が大きく向上することを示している。
【００３４】
図４（ａ）および（ｂ）は、井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラム、および、電子、正孔の波動関数のシミュレーション結果を示す模式図である。図４（ａ）は、障壁層２０ａにドープされたｐ形不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３の場合であり、図３のグラフＢに対応する。一方、図４（ｂ）は、ｐ形不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３の場合であり、グラフＦに対応する。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、ｐ形不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３の場合、井戸層１０ａの内部の電子ポテンシャルは、障壁層２０ｂから２０ａの方向に低下しており、電子の波動関数Ｅ２のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ２のピーク位置と、の間にズレが残っている。
【００３６】
一方、図４（ｂ）に示すｐ形不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３の場合には、井戸層１０ａの両端において電子ポテンシャルがほぼ同じレベルになっており、分極電界が相殺されたことがわかる。そして、電子の波動関数Ｅ３のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ３のピーク位置と、がほぼ一致している。
【００３７】
前述した式（２）および式（３）を用いて計算した結果と、上記のシミュレーション結果と、を勘案すれば、ｐ形不純物を１×１０１９〜１×１０２０ｃｍ−３の濃度範囲で障壁層２０ａにドープすることが好ましい。これにより、井戸層１０ａの内部の電子ポテンシャルを平坦化し、発光効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３８】
具体的には、ｎ形ＧａＮ層３の上に発光層４を形成する工程において、井戸層１０ａとなるＩｎＧａＮ層を成長した後、例えば、原料ガスであるＴＭＧ（trimethyl garium）およびアンモニア（ＮＨ３）ガスに加えて、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を加えて、障壁層２０ａとなるＧａＮ層にＭｇをドープする。
【００３９】
この際、ＧａＮ層側からＩｎＧａＮ層へのＭｇの拡散を抑制するために、ドーピングガスの添加のタイミングを遅らせて成長することができる。例えば、Ｍｇの拡散量を勘案して、ＧａＮ層の成長開始から所定の時間が経過した後にドーピングガスを添加する。また、ドーピングガスの添加量を徐々に増加させる制御を行っても良い。
【００４０】
図５（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の変形例に係る半導体発光装置２００の断面を示す模式図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す発光層３４における破線で囲まれた領域Ａを拡大して示す模式図である。
【００４１】
半導体発光装置２００は、発光層３４の構成において、半導体発光装置１００と相違する。すなわち、発光層３４では、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａにｐ形不純物がドープされ、さらに、障壁層２０ｂにｎ形不純物がドープされる。ｎ形不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）をドープすることができる。
【００４２】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、半導体発光装置２００における井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラムである。
【００４３】
図６（ａ）は、障壁層２０ａおよび２０ｂに、それぞれｐ形不純物とｎ形不純物をドープした場合の、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶのシフト方向を示している。前述したように、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープした場合、ＥＣおよびＥＶは、ポテンシャルエネルギーが増加する方向、すなわち、同図中の上方へシフトする。これに対し、ｎ形不純物がドープされる障壁層２０ｂでは、ＥＣおよびＥＶは、ポテンシャルエネルギーが減少する方向、同図中の下方にシフトする。
【００４４】
障壁層２０ａにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ１とし、障壁層２０ｂにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ２とすると、図６（ｂ）に示すように、井戸層１０ａにおける電子ポテンシャルの変化Δφｂと、Δφｄ１とΔφｄ２との和を等しくすることにより、井戸層１０ａの電子ポテンシャルを平坦化することができる。そして、電子の波動関数Ｅ４のピークと、正孔の波動関数Ｈ４のピークと、を一致させ、電子と正孔の再結合確率を高くすることができる。
【００４５】
このように、半導体発光装置２００では、障壁層２０ｂにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量Δφｄ２が寄与するため、障壁層２０ａにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ１を、半導体発光装置１００のシフト量Δφｄよりも小さくすることができる。すなわち、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物の濃度を低くすることが可能となる。これにより、例えば、障壁層２０ａから井戸層１０ａへ拡散するｐ形不純物を少なくすることが可能となる。そして、井戸層１０ａに拡散したｐ形不純物に起因する発光効率の低下を抑制することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置３００の断面を示す模式図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す発光層４４における破線で示した領域Ａを拡大した断面図である。
【００４７】
図７（ｂ）に示すように、半導体発光装置３００は、発光層４４に１つの量子井戸を含む。この場合も、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａにｐ形不純物をドープすることにより、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率を高め、発光効率を向上させることができる。さらに、ｎ形ＧａＮ層３に隣接する障壁層２０ｂにｎ形不純物をドープしても良い。
【００４８】
（第３の実施形態）
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置４００および５００の発光層の断面を示す模式図である。半導体発光装置４００および５００の全体の断面は、発光層を除いて、図１（ａ）に示した半導体発光装置１００と同じ構造を備えている。
【００４９】
図８（ａ）に示す半導体発光装置４００では、障壁層２０ａ〜２０ｄにおいて、各井戸層１０ａ〜１０ｄのｐ形ＡｌＧａＮ層６の側の端に接する部分にｐ形不純物がドープされている。すなわち、ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａでは、ｐ形不純物が全体にドープされる。一方、障壁層２０ｂ〜２０ｄでは、ｐ形不純物がドープされたｐ形障壁部２２と、アンドープもしくはｎ形不純物がドープされたｎ形障壁部２１が設けられる。そして、ｎ形ＧａＮ層３に隣接する障壁層２０ｅは、アンドープ、もしくは、ｎ形不純物がドープされる。
【００５０】
これにより、井戸層１０ａだけでなく、井戸層１０ｂ〜１０ｄにおける分極電界も補償することが可能となり、発光効率を向上させることができる。
【００５１】
一方、図８（ｂ）に示す半導体発光装置５００では、量子井戸を形成する障壁層２０ａ〜２０ｆにおいて、ｐ形不純物をドープした障壁層と、アンドープもしくはｎ形不純物がドープされた障壁層と、が交互に設けられる。
【００５２】
すなわち、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａ、および、障壁層２０ｃ、２０ｅにｐ形不純物をドープし、障壁層２０ｂおよび２０ｄ、２０ｆは、アンドープもしくはｎ形不純物をドープする。
【００５３】
これにより、井戸層１０ａおよび１０ｃ、１０ｅにおける分極電界を補償して、各量子井戸における発光効率を向上させることができる。一方、井戸層１０ｂおよび１０ｄでは、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶが電子ポテンシャルの変化Δφｂを大きくする方向にシフトするので発光効率の向上は望めない。しかしながら、井戸層１０ａ〜１０ｅを含む発光層全体としての発光効率の向上を図ることができる。
【００５４】
上記の第１〜第３の実施形態では、ｎ形半導体層、ｐ形半導体層および障壁層をＧａＮとし、量子井戸となる半導体層をＩｎＧａＮとして説明したが、これらの材料に限られる訳ではなく、例えば、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される所謂ＧａＮ系窒化物半導体を、適宜、組み合わせて構成することができる。さらに、本発明に係る実施形態は、量子井戸に分極電界が誘起される半導体材料を用いた半導体発光装置に適用できることは明らかである。
【００５５】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５７】
２・・・基板、 ３・・・ｎ形ＧａＮ層、 ４、３４、４４・・・発光層、 ５・・・ｐ形ＧａＮ層、 ６・・・ｐ形ＡｌＧａＮ層、 １０ａ〜１０ｅ・・・井戸層、 １３・・・ｐ電極、 １５・・・ｎ電極、 ２０ａ〜２０ｆ・・・障壁層、 ２１・・・ｎ形障壁部、 ２２・・・ｐ形障壁部、 １００〜５００・・・半導体発光装置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の低炭素社会を目指す取り組みにおいて、半導体発光装置の発光効率を向上させ低消費電力化を実現することが重要である。例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）は、電球や蛍光灯などフィラメント式の光源に比べて振動や電源のオン／オフに対する耐性が高く長寿命である。そして、低電圧駆動が可能であり、点灯制御が容易であることから、照明分野の用途が急速に広がっている。中でも、蛍光体と組み合わせることにより、様々な色の発光が可能な青色ＬＥＤが脚光を浴びている。
【０００３】
青色ＬＥＤは、ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に設けられた発光層を備えている。そして、発光層に含まれる量子井戸層において電子と正孔を再結合させ、量子井戸層のエネルギーギャップに相当する波長の光を発光する。したがって、青色ＬＥＤの発光効率を向上させるには、電子と正孔の結合効率を向上させることが有効である。
【０００４】
しかしながら、例えば、窒化物半導体を材料とする半導体発光装置では、量子井戸と、それを囲む量子障壁と、の間に生じる格子歪みにより分極電界、所謂ピエゾ電界が生じる。そして、量子井戸に誘起されたピエゾ電界は、電子とホールの再結合を阻害する。そこで、量子井戸に誘起されるピエゾ電界を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、量子井戸に誘起される分極電界を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、を備える。そして、前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い第１の障壁層にｐ形不純物がドープされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光装置における量子井戸のバンドダイアグラムである。
【図３】第１の実施形態に係る半導体発光装置の内部量子効率と、障壁層に含まれるｐ形不純物濃度と、の関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係る半導体発光装置の量子井戸におけるバンドダイアグラム、および、電子、正孔の波動関数のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の変形例に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図６】第１の実施形態の変形例に係る半導体発光装置における量子井戸のバンドダイアグラムである。
【図７】第２の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態に係る半導体発光装置の発光層の断面を示す模式図である。
【図９】比較例に係る量子井戸のバンドダイアグラムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光装置１００の断面を示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）における破線で囲まれた領域Ａの構造を示している。本実施形態に例示する半導体発光装置１００は、窒化物半導体を材料とする所謂青色ＬＥＤである。
【００１１】
半導体発光装置１００は、基板２の上に設けられたｎ形半導体層であるｎ形ＧａＮ層３と、ｐ形半導体層であるｐ形ＧａＮ層５と、ｎ形ＧａＮ層３とｐ形ＧａＮ層５との間に設けられた発光層４を備えている。さらに、発光層４とｐ形ＧａＮ層５との間に、ｐ形ＡｌＧａＮ層６が設けられている。ｐ形ＡｌＧａＮ層６は、発光層４からｐ形ＧａＮ層５への電子の流れを阻止する、所謂ブロック層である。これにより、発光層４の電子密度を高くして電子と正孔の再結合を促進することができる。
【００１２】
ｐ形ＧａＮ層５の表面には、ｐ電極１３が設けられる。そして、ｐ形ＧａＮ層５およびｐ形ＡｌＧａＮ層６、発光層４が、選択的にメサエッチングされ、露出したｎ形ＧａＮ層３の表面にｎ電極１５が設けられる。さらに、ｐ形ＧａＮ層５の表面に、所謂Face-up型のＬＥＤで用いられる透明電極を形成しても良い。
【００１３】
一方、図１（ｂ）に示すように、発光層４は、ｎ形ＧａＮ層３とｐ形ＡｌＧａＮ層６との間に位置し、複数の量子井戸を含む。量子井戸は、２つの障壁層と、その間に設けられた井戸層と、で構成される。発光層４は、井戸層１０ａ〜１０ｄを含み、それぞれ障壁層２０ａ〜２０ｅの間に形成される。例えば、障壁層２０ａ〜２０ｅは、ＧａＮ層であり、井戸層１０ａ〜１０ｄは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＝０．１〜０．１５）である。障壁層２０ａ〜２０ｅの厚さは、それぞれ４〜１０ｎｍ、井戸層１０ａ〜１０ｄの厚さは、２〜５ｎｍとすることができる。これにより、障壁層２０ａ〜２０ｅの間に設けられた井戸層１０ａ〜１０ｄのエネルギー準位が量子化され複数の量子井戸が形成される。
【００１４】
ＩｎｘＧａ１−ｘＮは、ＧａＮおよびＡｌＧａＮよりもバンドギャップが狭く、井戸層１０ａ〜１０ｄから放出される発光光は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのバンド端発光よりも長波長である。そして、その発光光は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層６およびｐ形ＧａＮ層５を透過して外部に放出される。
【００１５】
基板２には、例えば、サファイア基板を用いる。そして、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vaper Deposition）法を用いて、基板２の上に、ｎ形ＧａＮ層３、発光層４、ｐ形ＡｌＧａＮ層６およびｐ形ＧａＮ層５を順に形成する。基板２とｎ形ＧａＮ層３との間には、例えば、ｎ形不純物をドープしないＧａＮバッファ層を設けても良い。
【００１６】
半導体発光装置１００は、電子と正孔が発光層４の量子井戸の内部で再結合することにより発光する。電子および正孔は、ｐ電極１３とｎ電極１５との間に供給される駆動電流により注入される。そして、ｐ形ＧａＮ層５と隣り合う量子井戸（井戸層１０ａを含む量子井戸）における発光が発光層４から放出される発光光に占める割合は、他の量子井戸の発光よりも高い。このため、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合を促進することにより、発光効率を効果的に向上させることができる。
【００１７】
本実施形態では、井戸層１０ａの両側に設けられた第１の障壁層２０ａおよび第２の障壁層２０ｂの内のｐ形ＧａＮ層５に近い障壁層２０ａにｐ形不純物をドープする。つまり、障壁層２０ａは、不純物をドープしないバックグランドレベル（background level）よりも高濃度のｐ形不純物を含む。これにより、井戸層１０ａの内部に誘起される分極電界が低減され、電子と正孔の再結合確率を高くすることが可能となる。
【００１８】
図２（ａ）および（ｂ）は、井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラムを示す。図２（ａ）は、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープしない場合のバンドダイアグラムである。一方、図２（ｂ）は、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープした場合のバンドダイアグラムである。
【００１９】
井戸層１０ａであるＩｎＧａＮ層、障壁層２０ａおよび２０ｂであるＧａＮ層に不純物をドープしない場合、井戸層１０ａにおけるエネルギーバンドは、図２（ａ）に示すように、障壁層２０ｂから障壁層２０ａの方向に低下する構造となる。
【００２０】
例えば、井戸層１０ａの中の任意の位置ｘにおける電子ポテンシャルφ（ｘ）は、式（１）で表される。ここで、電子ポテンシャルとは、コンダクションバンドＥＣのエネルギーレベルを意味する。
【数１】
εｒおよびε０は、それぞれＩｎＧａＮおよび真空の誘電率である。Ｐｔｏｔａｌは、量子井戸内の分極電界であり、自発分極およびピエゾ分極の両方を含む。Ｅは、外部電界である。φ（ｘ１）は、障壁層２０ｂの側における井戸層１０ａの端ｘ１の電子ポテンシャルである。
【００２１】
そして、井戸層１０ａの幅が狭く、外部電界Ｅが均一であるとすれば、ｘ１と井戸層１０ａの障壁層２０ａの側の端ｘ２との間における電子ポテンシャルの変化Δφｂは、式（２）で表される。
【数２】
ここで、Δｘは、井戸層１０ａの幅である。
【００２２】
一方、障壁層２０ａへｐ形不純物をドープした場合の、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶのポテンシャルシフト量Δφｄは、式（３）で表される。
【数３】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。Ｎａ１は、不純物をドープしないバックグランドのイオン化したアクセプタ濃度、Ｎａ２は、ｐ形不純物をドープした場合のイオン化したアクセプタ濃度である。
【００２３】
式（４ａ）および（４ｂ）は、障壁層に含まれる（ドープされた）ｐ形不純物の濃度ＮＡ１と、イオン化したアクセプタ濃度Ｎａ１との関係、および、ＮＡ２と、Ｎａ２との関係をそれぞれ示す。ＮＡ１は、ｐ形不純物のバックグランド濃度であり、ＮＡ２は、障壁層にドープされたｐ形不純物の濃度である。式（３）では、ＮＡ２≫ＮＡ１とした。
【数４】
ここで、ＥＡは、アクセプタ準位からバレンスハンドＥＶへのホールの励起エネルギー、ＥＦ１およびＥＦ２は、フェルミ準位、ｑは、単位電荷、ｇＡは、バレンスバンドの縮退度である。
【００２４】
ＮＡ２≫ＮＡ１とすれば、Δφｄ＝ＥＦ１−ＥＦ２として、式（４ａ）および（４ｂ）より、式（３）を求めることができる。
【００２５】
例えば、図２（ａ）に示すように、障壁層２０ａのＥＣおよびＥＶを上方にシフトさせることにより、井戸層１０ａにおける電子ポテンシャルの変化Δφｂを補償することができる。すなわち、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープすることにより、障壁層２０ａのＥＣおよびＥＶをΔφｄだけ上方にシフトさせてΔφｂを低減し、分極電界の影響を緩和することが可能である。
【００２６】
例えば、井戸層１０ａの幅を２ｎｍとして、分極電界Ｐｔｏｔａｌを８×１０−３Ｃｍ−２、外部電界Ｅを１ｘ１０−３Ｃｍ−２とすれば、式（２）よりΔφｂは、０．２２９ｅＶとなる。
ここで、各定数は、以下の値を用いる。
ε０：８．８５×１０−１２Ｆｍ−１
εｒ：８．９
ｋ：１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ
Ｔ：３００Ｋ
一方、Δφｄは、式（３）を用いて表１のように求まる。ここで、バックグランドのｐ形不純物濃度ＮＡ１を１×１０１５ｃｍ−３とした。
【表１】
【００２７】
コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶは、ｐ形不純物のドーピング量を増加させると、ポテンシャルが高くなる方向にシフトする。このため、表１に示すΔφｄの量だけ、分極電界に起因する電子ポテンシャルの変化Δφｂを補償することができる。例えば、ｐ形不純物のドープ濃度ＮＡ２が１×１０１９ｃｍ−３のとき、Δφｄは０．２３１ｅＶとなり、Δφｂの０．２２９ｅＶとほぼ一致する。
【００２８】
図２（ｂ）は、ΔφｂとΔφｄとが等しい時のエネルギーバンドダイアグラムである。この場合、分極電界Ｐｔｏｔａｌは、ＥＣおよびＥＶのシフトにより生じる電界で相殺される。そして、井戸層１０ａの内部における電子ポテンシャルは、同図に示すように、均一になる。その結果、井戸層１０ａにおける電子の波動関数Ｅ１のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ１のピーク位置と、を一致させることができる。
【００２９】
これに対し、井戸層１０ａの内部において電子ポテンシャルの変化がある場合には、図９に示すように、電子の波動関数Ｅ５のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ５のピーク位置がずれてしまう。このため、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率が低くなり発光効率が低下する。
【００３０】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置１００では、障壁層２０ａにバックグランドレベルよりも高濃度のｐ形不純物を含ませることにより、井戸層１０ａの内部の分極電界を低減し、電子の波動関数Ｅ１のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ１のピーク位置と、を近づけることが可能となる。これにより、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率を高くして発光効率を向上させることができる。
【００３１】
図３は、半導体発光装置１００の内部量子効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。横軸に駆動電流を示し、縦軸に内部量子効率を示している。同図中に示すグラフＢ〜Ｆは、障壁層２０ａに含まれるｐ形不純物濃度をパラメータとして内部量子効率の変化を示している。
【００３２】
シミュレーションは、発光への寄与が高い井戸層１０ａについて実施した。そして、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物をマグネシウム（Ｍｇ）とし、ドープ濃度を１×１０１７から１×１０２０ｃｍ−３まで変化させた。
【００３３】
図３に示すグラフＢ〜Ｄでは、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物を１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１９ｃｍ−３に増やすことにより、内部量子効率が徐々に大きくなりピーク値が約１０％高くなることがわかる。そして、グラフＦが示すように、ｐ形不純物をさらに１×１０２０ｃｍ−３まで増加させると、内部量子効率のピークが高電流側に大きくシフトし、内部量子効率の値が大きくなる。すなわち、半導体発光装置の輝度が大きく向上することを示している。
【００３４】
図４（ａ）および（ｂ）は、井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラム、および、電子、正孔の波動関数のシミュレーション結果を示す模式図である。図４（ａ）は、障壁層２０ａにドープされたｐ形不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３の場合であり、図３のグラフＢに対応する。一方、図４（ｂ）は、ｐ形不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３の場合であり、グラフＦに対応する。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、ｐ形不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３の場合、井戸層１０ａの内部の電子ポテンシャルは、障壁層２０ｂから２０ａの方向に低下しており、電子の波動関数Ｅ２のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ２のピーク位置と、の間にズレが残っている。
【００３６】
一方、図４（ｂ）に示すｐ形不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３の場合には、井戸層１０ａの両端において電子ポテンシャルがほぼ同じレベルになっており、分極電界が相殺されたことがわかる。そして、電子の波動関数Ｅ３のピーク位置と、正孔の波動関数Ｈ３のピーク位置と、がほぼ一致している。
【００３７】
前述した式（２）および式（３）を用いて計算した結果と、上記のシミュレーション結果と、を勘案すれば、ｐ形不純物を１×１０１９〜１×１０２０ｃｍ−３の濃度範囲で障壁層２０ａにドープすることが好ましい。これにより、井戸層１０ａの内部の電子ポテンシャルを平坦化し、発光効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３８】
具体的には、ｎ形ＧａＮ層３の上に発光層４を形成する工程において、井戸層１０ａとなるＩｎＧａＮ層を成長した後、例えば、原料ガスであるＴＭＧ（trimethyl garium）およびアンモニア（ＮＨ３）ガスに加えて、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を加えて、障壁層２０ａとなるＧａＮ層にＭｇをドープする。
【００３９】
この際、ＧａＮ層側からＩｎＧａＮ層へのＭｇの拡散を抑制するために、ドーピングガスの添加のタイミングを遅らせて成長することができる。例えば、Ｍｇの拡散量を勘案して、ＧａＮ層の成長開始から所定の時間が経過した後にドーピングガスを添加する。また、ドーピングガスの添加量を徐々に増加させる制御を行っても良い。
【００４０】
図５（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の変形例に係る半導体発光装置２００の断面を示す模式図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す発光層３４における破線で囲まれた領域Ａを拡大して示す模式図である。
【００４１】
半導体発光装置２００は、発光層３４の構成において、半導体発光装置１００と相違する。すなわち、発光層３４では、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａにｐ形不純物がドープされ、さらに、障壁層２０ｂにｎ形不純物がドープされる。ｎ形不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）をドープすることができる。
【００４２】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、半導体発光装置２００における井戸層１０ａを含む量子井戸のバンドダイアグラムである。
【００４３】
図６（ａ）は、障壁層２０ａおよび２０ｂに、それぞれｐ形不純物とｎ形不純物をドープした場合の、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶのシフト方向を示している。前述したように、障壁層２０ａにｐ形不純物をドープした場合、ＥＣおよびＥＶは、ポテンシャルエネルギーが増加する方向、すなわち、同図中の上方へシフトする。これに対し、ｎ形不純物がドープされる障壁層２０ｂでは、ＥＣおよびＥＶは、ポテンシャルエネルギーが減少する方向、同図中の下方にシフトする。
【００４４】
障壁層２０ａにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ１とし、障壁層２０ｂにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ２とすると、図６（ｂ）に示すように、井戸層１０ａにおける電子ポテンシャルの変化Δφｂと、Δφｄ１とΔφｄ２との和を等しくすることにより、井戸層１０ａの電子ポテンシャルを平坦化することができる。そして、電子の波動関数Ｅ４のピークと、正孔の波動関数Ｈ４のピークと、を一致させ、電子と正孔の再結合確率を高くすることができる。
【００４５】
このように、半導体発光装置２００では、障壁層２０ｂにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量Δφｄ２が寄与するため、障壁層２０ａにおけるＥＣおよびＥＶのシフト量をΔφｄ１を、半導体発光装置１００のシフト量Δφｄよりも小さくすることができる。すなわち、障壁層２０ａにドープするｐ形不純物の濃度を低くすることが可能となる。これにより、例えば、障壁層２０ａから井戸層１０ａへ拡散するｐ形不純物を少なくすることが可能となる。そして、井戸層１０ａに拡散したｐ形不純物に起因する発光効率の低下を抑制することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置３００の断面を示す模式図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す発光層４４における破線で示した領域Ａを拡大した断面図である。
【００４７】
図７（ｂ）に示すように、半導体発光装置３００は、発光層４４に１つの量子井戸を含む。この場合も、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａにｐ形不純物をドープすることにより、井戸層１０ａにおける電子と正孔の再結合確率を高め、発光効率を向上させることができる。さらに、ｎ形ＧａＮ層３に隣接する障壁層２０ｂにｎ形不純物をドープしても良い。
【００４８】
（第３の実施形態）
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置４００および５００の発光層の断面を示す模式図である。半導体発光装置４００および５００の全体の断面は、発光層を除いて、図１（ａ）に示した半導体発光装置１００と同じ構造を備えている。
【００４９】
図８（ａ）に示す半導体発光装置４００では、障壁層２０ａ〜２０ｄにおいて、各井戸層１０ａ〜１０ｄのｐ形ＡｌＧａＮ層６の側の端に接する部分にｐ形不純物がドープされている。すなわち、ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａでは、ｐ形不純物が全体にドープされる。一方、障壁層２０ｂ〜２０ｄでは、ｐ形不純物がドープされたｐ形障壁部２２と、アンドープもしくはｎ形不純物がドープされたｎ形障壁部２１が設けられる。そして、ｎ形ＧａＮ層３に隣接する障壁層２０ｅは、アンドープ、もしくは、ｎ形不純物がドープされる。
【００５０】
これにより、井戸層１０ａだけでなく、井戸層１０ｂ〜１０ｄにおける分極電界も補償することが可能となり、発光効率を向上させることができる。
【００５１】
一方、図８（ｂ）に示す半導体発光装置５００では、量子井戸を形成する障壁層２０ａ〜２０ｆにおいて、ｐ形不純物をドープした障壁層と、アンドープもしくはｎ形不純物がドープされた障壁層と、が交互に設けられる。
【００５２】
すなわち、ｐ形ＡｌＧａＮ層６に隣接する障壁層２０ａ、および、障壁層２０ｃ、２０ｅにｐ形不純物をドープし、障壁層２０ｂおよび２０ｄ、２０ｆは、アンドープもしくはｎ形不純物をドープする。
【００５３】
これにより、井戸層１０ａおよび１０ｃ、１０ｅにおける分極電界を補償して、各量子井戸における発光効率を向上させることができる。一方、井戸層１０ｂおよび１０ｄでは、コンダクションバンドＥＣおよびバレンスバンドＥＶが電子ポテンシャルの変化Δφｂを大きくする方向にシフトするので発光効率の向上は望めない。しかしながら、井戸層１０ａ〜１０ｅを含む発光層全体としての発光効率の向上を図ることができる。
【００５４】
上記の第１〜第３の実施形態では、ｎ形半導体層、ｐ形半導体層および障壁層をＧａＮとし、量子井戸となる半導体層をＩｎＧａＮとして説明したが、これらの材料に限られる訳ではなく、例えば、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される所謂ＧａＮ系窒化物半導体を、適宜、組み合わせて構成することができる。さらに、本発明に係る実施形態は、量子井戸に分極電界が誘起される半導体材料を用いた半導体発光装置に適用できることは明らかである。
【００５５】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５７】
２・・・基板、 ３・・・ｎ形ＧａＮ層、 ４、３４、４４・・・発光層、 ５・・・ｐ形ＧａＮ層、 ６・・・ｐ形ＡｌＧａＮ層、 １０ａ〜１０ｅ・・・井戸層、 １３・・・ｐ電極、 １５・・・ｎ電極、 ２０ａ〜２０ｆ・・・障壁層、 ２１・・・ｎ形障壁部、 ２２・・・ｐ形障壁部、 １００〜５００・・・半導体発光装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ形半導体層と、
ｐ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、
を備え、
前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い前記第１の障壁層にｐ形不純物がドープされたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第２の障壁層に、ｎ形不純物がドープされたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１の障壁層のｐ形不純物濃度により前記量子井戸に生じる電界が低減されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記発光層は、窒化物半導体を含み、前記ｐ形不純物はマグネシウム（Ｍｇ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記発光層は、窒化物半導体を含み、前記ｎ形不純物はシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項１】
ｎ形半導体層と、
ｐ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体および前記ｐ形半導体層のバンド端発光よりも長波長の光を発光する少なくとも１つ以上の量子井戸を含む発光層と、
を備え、
前記ｐ形半導体層に隣り合う前記量子井戸を構成する第１の障壁層および第２の障壁層のうちの前記ｐ形半導体層に近い前記第１の障壁層にｐ形不純物がドープされたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第２の障壁層に、ｎ形不純物がドープされたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１の障壁層のｐ形不純物濃度により前記量子井戸に生じる電界が低減されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記発光層は、窒化物半導体を含み、前記ｐ形不純物はマグネシウム（Ｍｇ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記発光層は、窒化物半導体を含み、前記ｎ形不純物はシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７４８５１（Ｐ２０１２−１７４８５１Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４５８６（Ｐ２０１１−３４５８６）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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