発光装置
【課題】広い注入電流範囲において、発光効率が改善可能な発光装置を提供する。
【解決手段】第１導電型の半導体からなる第１の層と、第２導電型の半導体からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【解決手段】第１導電型の半導体からなる第１の層と、第２導電型の半導体からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色ＬＥＤの発光効率を上げると、白熱電球及び蛍光灯などを代替可能な照明装置が実現し低消費電力が容易となる。また、青紫色半導体レーザ装置の発光効率を高めると、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)など光ディスク駆動装置の高性能化が容易になる。
【０００３】
これらの発光装置の材料には窒化物系半導体が用いられる。その活性層を多重量子井戸構造とする場合、格子不整合に基づくピエゾ効果を生じ障壁層及び井戸層のエネルギーバンドがそれぞれ傾く。エネルギーバンドが傾くと、電子とホールとは井戸層内において空間的に離れた位置に存在しやすくなる。
【０００４】
また、多重量子井戸へキャリアが注入された場合、多重量子井戸の一方の端部に位置する井戸層には電子がホールよりも多く存在し、他方の端部に位置する井戸層にはホールが電子よりも多く存在しやすくなる。
これらのために、窒化物系半導体からなる多重量子井戸では、キャリアの再結合が抑制され発光効率が低下することが問題である。
【０００５】
圧縮歪が緩和された多重量子井戸構造の発光層を有する窒化物半導体発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、発光層を両側から挟むように設けられた障壁層が、層内全体にわたって不純物を有し、且つ、厚み方向における中央部の不純物の濃度が井戸層に接する部分よりも高濃度となるように設けられている。この結果、高い発光強度を得ることが可能であるとされる。
しかしながら、この技術開示例を用いても、活性層を構成する多重量子井戸層全領域にまたがったエネルギーバンドの曲がりは少なく、キャリアを多重量子井戸層に効率よく閉じ込めるように移動させるには不十分である。特に質量の重いホールは、電子よりも移動が困難である。このために、発光効率を高めることは容易ではない。
【特許文献１】特開２００６−１３４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
広い注入電流範囲において、発光効率が改善可能な発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、第１導電型の半導体からなる第１の層と、第２導電型の半導体からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
広い注入電流範囲において、発光効率が改善可能な発光装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる窒化物系半導体発光装置を表す図である。すなわち、図１（ａ）はその平衡状態のエネルギーバンド図、図１（ｂ）は模式断面図である。
本図に表す実施形態は、白色ＬＥＤ光源に用いられ紫外〜緑色波長範囲の光を放出可能な発光装置を表すものとする。
【００１０】
発光装置の活性層２０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０．０５≦ｘ≦１）からなる井戸層２０ａと、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（但し、０≦ｙ≦１且つｘ＞ｙ）からなる障壁層２０ｂと、からなる。また、ｎ型である第１の層１１は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（但し、０≦ｔ≦１．０）からなり、ｐ型である第２の層２１は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（但し、０≦ｕ≦１．０）からなるものとする。アルミニウムの組成比ｔ及びｕは、それぞれ０以上０．２以下とすることがより好ましい。
【００１１】
図１（ｂ）は、より詳細な構造を表す。すなわち、サファイヤ基板１０上に、第１の層（ｎ型層）１１、活性層２０、第２の層（ｐ型層）２１、及びｐ側電極２６が設けられている。第１の層１１は、ｎ型ＧａＮ層からなる下地層１２と、下地層１２内での電流の拡散を容易にするｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる超格子層１４と、を有している。
【００１２】
また、活性層２０は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる多重量子井戸構造を有しているものとする。さらに、第２の層２１は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるクラッド層２２、及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２４を有している。
【００１３】
このような窒化物系半導体を結晶成長する場合、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いると、良好な結晶性を保ちつつ、量産性を高めることができる。
【００１４】
なお、本明細書において、窒化物系半導体とは、（ＡｌｘＢ１−ｘ）ｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＋ｚ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも窒化物系半導体に包含されるものとする。
【００１５】
ｎ側電極１６は下地層１２の上に選択的に形成され、ｐ側電極２６はコンタクト層２４の上に選択的に形成される。活性層２０からの光は上方、側方、下方にそれぞれ放出される。このうちサファイヤ基板１０の下方に反射層を形成しておけば、下方に向かう光を反射して、上方または側方から取り出し、光取り出し効率を高めることが容易となる。
【００１６】
図１（ａ）のエネルギーバンド図において、横軸Ｘは図１（ｂ）の垂直方向に沿った相対位置を表し、第１の層１１から第２の層２１に向かう方向をプラスとする。伝導帯４０の電子は、第２の層２１へ向かう電子流４６となり活性層２０に注入される。また、価電子帯４２のホールは、第１の層１１へ向かうホール流４８となり活性層２０に注入される。なお、擬フェルミレベルを４４で表す。本図において、井戸数は８つである。
【００１７】
図２は、エネルギーバンドの曲がりを説明する図である。すなわち、図２（ａ）は、図１（ａ）の活性層近傍のエネルギーバンド図、図２（ｂ）は障壁層内の不純物濃度を表す図である。
窒化物系半導体は圧電効果の大きい材料であり、格子不整合により井戸層２０ａの面内には圧縮歪が加わり、活性層２０内においてＸ軸に沿って内部電界を生じる。この内部電界により、井戸層２０ａ及び障壁層２０ｂのエネルギーバンドがそれぞれ傾く。
【００１８】
なお、井戸層２０ａの幅は、例えば２〜８ｎｍの範囲、障壁層２０ｂの幅は、例えば５〜２５ｎｍの範囲とすることができる。障壁層２０ｂの幅をより狭くするとキャリアを閉じ込めることが困難となる。また幅をより厚くすると量子効果が抑制されキャリアの移動が困難となる。
【００１９】
本実施形態では、障壁層２０ｂの不純物濃度を徐々に変化させる。
すなわち、多重量子井戸のそれぞれの障壁層２０ｂ内の第１導電型の不純物濃度は、略平坦な分布であるかまたは第２の層２１に向かって増加する。また、多重量子井戸のそれぞれの井戸層２０ａからみて第２の層２１側の障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値は、第１の層１１側の障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値以上である。さらに、第２の層２１に最も近い障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値は、第１の層１１に最も近い障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値よりも高い。
図２に表した具体例においては、障壁層２０ｂをｎ型としそのドナー濃度を第１の層１１（ｐ型層）に向かうに従って徐々に高くする。すなわち、ｊ番目の障壁層Ｂｉのドナー濃度の平均値Ｎｊと、（ｊ＋１）番目の障壁層Ｂｊ＋１のドナー濃度の平均値Ｎｊ＋１と、の間に次式が成り立つようにする。
【００２０】
Ｎｊ＜Ｎｊ＋１
但し、１≦ｊ≦Ｍ（Ｍ：井戸数）
なお、図２（ｂ）においてドナー濃度は障壁層２０ｂ内でそれぞれ一定値（すなわち平均値に等しい）とする。
【００２１】
例えば、第１の層１１のドナー濃度が１×１０１８ｃｍ−３、且つ第２の層２１のアクセプタ濃度が２×１０１９ｃｍ−３である場合、障壁層Ｂｊのドナー濃度の平均値Ｎｊを、第１の層１１のドナー濃度よりも第２の層２１側に向かって徐々に高くする。このようにすると、多重量子井戸からなる活性層２０において、ドット線で表す伝導帯４０及び価電子帯４２のエネルギーバンドを全体的に徐々に曲げることができ、注入されたキャリアをそれぞれの井戸層Ｗｊ内に分散して効率よく閉じ込めることが容易になる。
【００２２】
特に、質量が重く移動しにくいホールは、このバンド曲がりにより第１の層１１（ｎ型）側への移動がより容易となり、それぞれの井戸層Ｗｊへ効率よく閉じ込めることが容易となる。このために多重量子井戸構造における再結合の効率を高めることが容易となる。
【００２３】
なお、比較のため、障壁層Ｂｊのドナー濃度の平均値Ｎｊがその位置に依存せず略同一である場合の伝導帯１４０及び価電子帯１４２をそれぞれ実線で表している。
【００２４】
また、図２（ａ）において、（ｊ＋１）番目の障壁層Ｂｊ＋１の傾きがｊ番目の障壁層Ｂｊの傾きよりも緩やかになっている。すなわち、障壁が第２の層２１に近づくに従い低くなっており、キャリアの移動を一層容易にしている。
【００２５】
さらに、図２では、第１の層１１及びそれぞれの障壁層Ｂｊをｎ型とし、第２の層２１をｐ型としたが、これとは反対導電型としてもよい。すなわち、第１の層をｐ型、第２の層をｎ型、障壁層２０ｂをｐ型とし、障壁層Ｂｊのアクセプタ濃度を第２の層２１に向かって徐々に高くしてもよい。
【００２６】
他方、図３は比較例にかかる窒化物系半導体発光装置のバンドを説明する図である。すなわち、図３（ａ）はチップ全体のバンド図、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は活性層のバンド図を表す。
図３（ｂ）において、井戸数の多い発光素子（ＬＥＤ）において、障壁層１２０ｂへｎ型不純物（Ｓｉ）がドープされている。このドナー濃度をそれぞれの障壁層１２０ｂ内で略３×１０１８ｃｍ−３の一定値とし、且つ多重量子井戸活性層１２０内における障壁層１２０ｂの位置に依存せずに略同一としている。
【００２７】
この場合、井戸層１２０ａ及び障壁層１２０ｂが傾くので、それぞれの井戸層１２０ａ内において電子１５０とホール１５２とが空間的に分離されやすく、且つ井戸層１２０ａ間でのキャリア移動が困難となる。また、活性層１２０全体としては、伝導帯１４０及び価電子帯１４２のバンド曲がりを生じることはなく、第１の層１１１側の井戸層１２０ａには電子１５０が、第２の層１２１側の井戸層１２０ａにはホール１５２がそれぞれより多く蓄積され、活性層１２０の両端の井戸層１２０ａにキャリアが分離されやすい。
これらのために、キャリアが活性層１２０内で不均一に分布し再結合の効率が低下する。特に、キャリアの注入量が少ない場合、再結合効率の低下が大きく、発光効率の低下が顕著となる。すなわち、図３（ｂ）の比較例においては再結合効率の改善には限界がある。
【００２８】
また、障壁層１２０ａの中央部のドナー濃度を井戸層１２０ｂに接する部分のドナー濃度よりも高くすると、図３（ｃ）にドット線で表すように、第２の層１２１に向かうに従って障壁層１２０ｂの中央部の障壁を低下させ、且つ障壁層１２０ｂと井戸層１２０ａとの界面におけるバンドの傾きを低減する。しかしながら、キャリアの移動が容易となる程にバンド曲がりを生じることはない。
【００２９】
これに対して、図２（ａ）の本実施形態では多重量子井戸層全域にわたってバンド曲がりを生じ、キャリアが活性層２０内を移動しやすくなり、電子５０及びホール５２をＭ個の井戸層Ｗｊ内に効率よく閉じ込め可能である。このために、それぞれの井戸層Ｗｊ内で再結合がより促進されるので、キャリアオーバーフローを抑制しつつ、発光効率の改善が容易となる。
【００３０】
図４は、光出力及び内部（発光）効率のシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、 縦軸は光出力Ｐｏ（Ｗ／ｍ）及び内部効率ηｉｎ、横軸は電流（Ａ／ｍ）をそれぞれ表す。なお、ｍはメートルであり、図１（ｂ）の断面の奥行き方向の単位長さを表している。また、実線は本実施形態、破線は比較例をそれぞれ表す。
【００３１】
例えば電流が２５０Ａ／ｍにおいて、本実施形態の光出力Ｐｏは略５３０Ｗ／ｍであり、略４７５Ｗ／ｍである比較例の光出力Ｐｏの約１．１２倍と高い。また、同じ２５０ｍＡ／ｍの電流において、本実施形態の内部効率ηｉｎは略５１％であり、略４６％である比較例の内部効率ηｉｎの約１．１１倍と高い。さらに、低電流である５０Ａ／ｍにおいて、本実施形態の光出力Ｐｏは略１１０Ｗ／ｍであり、略８５Ｗ／ｍである比較例の光出力Ｐｏの１．２９倍と高い。また、同じ５０ｍＡ／ｍの電流において、本実施形態の内部効率ηｉｎは略５２％であり、略４３％である比較例の内部効率ηｉｎの約１．２１倍と高い。このように、本実施形態では広い電流範囲において、高い光出力Ｐｏ及び内部効率ηｉｎを保つことが容易である。
【００３２】
なお、井戸数と、活性層２０内の不純物濃度分布と、の間には適正な範囲がある。窒化物系半導体では応力歪が大きいため井戸数は通常１５以下とすることが好ましく、発光素子（ＬＥＤ）の場合、６〜１２の範囲がより好ましい。障壁層Ｂｊのドナー濃度を変化してバンドを曲げる場合、バンド曲がりを大きくし過ぎると井戸層２０ａに閉じ込め可能なキャリア数が減少し、活性層２０を通過する量が増加する。このために、再結合に寄与するキャリアが減少し、発光効率が十分には改善されない場合を生じる。井戸層Ｗｊの数を６〜１２とし、ドナー濃度の平均値の範囲を、１×１０１８〜２×１０１９ｃｍ−３とすると、発光効率の改善が容易である。
【００３３】
図５は、障壁層内のドナー濃度分布の変形例を表す図である。すなわち、図５（ａ）は、不純物濃度分布が増加する図、図５（ｂ）は不純物濃度分布の平均値を説明する図である。
不純物濃度が平坦でない場合、それぞれの障壁層２０ｂ内において、不純物濃度ｎ（ｘ）を積分し求めた不純物濃度の平均値Ｎａｖは式（１）のようになる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図２（ｂ）では、障壁層２０ｂ内のドナー濃度は平坦な一定値であったが、本発明はこれに限定されず、障壁層Ｂｉ（１≦ｊ≦Ｍ）内で第２の層２１に向かってそれぞれ増加していてもよい。図５（ａ）では、障壁層Ｂｊ内でドナー濃度Ｎｊが直線状に増加しているが、曲線状に増加していてもよい。
【００３６】
この場合にも、ｊ番目の不純物濃度の平均値Ｎａｖｊと、（ｊ＋１）番目の平均値Ｎａｖｊ＋１と、が式（２）を満たすようにする。
Ｎａｖｊ＜Ｎａｖｊ＋１ 式（２）
但し、１≦ｊ≦Ｍ
【００３７】
このように、それぞれの障壁層Ｂｊ内において不純物濃度を徐々に増加すると、活性層２０全体におけるバンド曲がりの制御が容易となり、キャリア移動がより容易になる。
【００３８】
図６は、障壁層の不純物濃度分布の変形例を表す図である。
それぞれの障壁層Ｂｊ内の不純物濃度分布は平坦であるものとするが、平坦でない場合には、式（１）で表される不純物濃度の平均値ＮＡＶに置き換えればよい。
【００３９】
第２の層２１に最も近い障壁層ＢＭ＋１の平均値ＮａｖＭ＋１が、第１の層１１に最も近い障壁層Ｂ１の平均値Ｎａｖ１よりも大きければよい。すなわち、Ｎａｖｊ＜Ｎａｖｊ＋１となる領域が少なくとも１つあれば、バンド曲がりを生じキャリア移動を容易にできる。
【００４０】
図６において、例えば障壁層Ｂ２の平均値Ｎａｖ２と、障壁層Ｂ３の平均値Ｎａｖ３と、が等しく、かつ障壁層ＢＭ−１の平均値ＮＭ−１と、障壁層ＢＭの平均値ＮＭと、が等しい。この場合においても、第２の層２１に最も近い障壁層ＢＭ＋１の平均値ＮａｖＭ＋１が、第１の層１１に最も近い障壁Ｂ１の平均値Ｎａｖ１よりも高くできるので、活性層２０のバンド曲がりを生じ、キャリア移動を容易にできる。図６に表す不純物濃度分布は、図２（ｂ） に表す不純物濃度分布よりも結晶成長プロセスが簡素である。
【００４１】
多重量子井戸において、例えば井戸層２０ａの幅を２〜８ｎｍの範囲、障壁層２０ｂの幅を５〜１５ｎｍとする場合、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（井戸層）／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（障壁層）からなる多重量子井戸構造をＭＯＣＶＤ法などを用いて逐次的に結晶成長を行うことができる。障壁層２０ｂをｎ型とする場合、例えばＳｉＨ４（シラン）ガスを分解して得られたＳｉをドナーとすることができる。
【００４２】
例えばＭＯＣＶＤ装置を用いて、ドーピングガスであるＳｉＨ４ガスの流量、反応時間、及び反応温度などを自動制御すれば、図２（ｂ）、図５（ａ）、及び図６のように徐々にドナー濃度を増加させることが容易である。本実施形態では、障壁層Ｂｊの不純物濃度の平均値Ｎａｖを徐々に増加するか、または徐々に減少するかであり、多重量子井戸の結晶成長に要する時間は、障壁層Ｂｊが一定濃度である場合と略同一にできる。このために、結晶成長工程の生産性を高めることが容易であり、量産性に富む発光装置が提供される。
【００４３】
以上の実施形態は窒化物系半導体を用いた発光装置であるが、本発明はこれに限定されない。すなわち、圧電効果が小さいＩｎＡｌＧａＰ系材料を用いた可視光波長範囲の光を放出可能な発光装置であってもよい。応力歪が小さいＩｎＡｌＧａＰ系材料では、井戸数を、例えば４０とする。このような場合にも、障壁層の濃度を徐々に変化させバンドを曲げると、キャリアオーバーフローを抑制しつつ多重量子井戸内の再結合を促進し、発光効率の改善ができる。なお、ＩｎＡｌＧａＰ系材料とは、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００４４】
また、本発明はＬＥＤに限定されることはなく、半導体レーザ装置であってもよい。障壁層の不純物濃度を徐々に変化させることによりバンドを曲げ、キャリアの再結合を促進し、発光効率が改善された半導体レーザ装置が可能である。
【００４５】
以上、図面を参照しつつ、本発明に実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、発光装置を構成する活性層、多重量子井戸、井戸層、障壁層、クラッド層、コンタクト層、電流拡散層、下地層、及び基板の材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態にかかる発光装置を表す図
【図２】エネルギーバンドの曲がりを説明する図
【図３】比較例にかかる発光装置のエネルギーバンドを説明する図
【図４】光出力及び内部（発光）効率の特性を表すグラフ図
【図５】障壁層内のドナー濃度分布の変形例を表す図
【図６】障壁層の不純物濃度分布の変形例を表す図
【符号の説明】
【００４７】
１１ 第１の層、２０ 活性層、２０ａ 井戸層（Ｗｊ）、２０ｂ 障壁層（Ｂｊ）、２１ 第２の層、Ｎａｖ （不純物濃度）平均値、ｎ（ｘ） 不純物濃度、４０ 伝導帯、４２ 価電子帯
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色ＬＥＤの発光効率を上げると、白熱電球及び蛍光灯などを代替可能な照明装置が実現し低消費電力が容易となる。また、青紫色半導体レーザ装置の発光効率を高めると、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)など光ディスク駆動装置の高性能化が容易になる。
【０００３】
これらの発光装置の材料には窒化物系半導体が用いられる。その活性層を多重量子井戸構造とする場合、格子不整合に基づくピエゾ効果を生じ障壁層及び井戸層のエネルギーバンドがそれぞれ傾く。エネルギーバンドが傾くと、電子とホールとは井戸層内において空間的に離れた位置に存在しやすくなる。
【０００４】
また、多重量子井戸へキャリアが注入された場合、多重量子井戸の一方の端部に位置する井戸層には電子がホールよりも多く存在し、他方の端部に位置する井戸層にはホールが電子よりも多く存在しやすくなる。
これらのために、窒化物系半導体からなる多重量子井戸では、キャリアの再結合が抑制され発光効率が低下することが問題である。
【０００５】
圧縮歪が緩和された多重量子井戸構造の発光層を有する窒化物半導体発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、発光層を両側から挟むように設けられた障壁層が、層内全体にわたって不純物を有し、且つ、厚み方向における中央部の不純物の濃度が井戸層に接する部分よりも高濃度となるように設けられている。この結果、高い発光強度を得ることが可能であるとされる。
しかしながら、この技術開示例を用いても、活性層を構成する多重量子井戸層全領域にまたがったエネルギーバンドの曲がりは少なく、キャリアを多重量子井戸層に効率よく閉じ込めるように移動させるには不十分である。特に質量の重いホールは、電子よりも移動が困難である。このために、発光効率を高めることは容易ではない。
【特許文献１】特開２００６−１３４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
広い注入電流範囲において、発光効率が改善可能な発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、第１導電型の半導体からなる第１の層と、第２導電型の半導体からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
広い注入電流範囲において、発光効率が改善可能な発光装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる窒化物系半導体発光装置を表す図である。すなわち、図１（ａ）はその平衡状態のエネルギーバンド図、図１（ｂ）は模式断面図である。
本図に表す実施形態は、白色ＬＥＤ光源に用いられ紫外〜緑色波長範囲の光を放出可能な発光装置を表すものとする。
【００１０】
発光装置の活性層２０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０．０５≦ｘ≦１）からなる井戸層２０ａと、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（但し、０≦ｙ≦１且つｘ＞ｙ）からなる障壁層２０ｂと、からなる。また、ｎ型である第１の層１１は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（但し、０≦ｔ≦１．０）からなり、ｐ型である第２の層２１は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（但し、０≦ｕ≦１．０）からなるものとする。アルミニウムの組成比ｔ及びｕは、それぞれ０以上０．２以下とすることがより好ましい。
【００１１】
図１（ｂ）は、より詳細な構造を表す。すなわち、サファイヤ基板１０上に、第１の層（ｎ型層）１１、活性層２０、第２の層（ｐ型層）２１、及びｐ側電極２６が設けられている。第１の層１１は、ｎ型ＧａＮ層からなる下地層１２と、下地層１２内での電流の拡散を容易にするｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる超格子層１４と、を有している。
【００１２】
また、活性層２０は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる多重量子井戸構造を有しているものとする。さらに、第２の層２１は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるクラッド層２２、及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２４を有している。
【００１３】
このような窒化物系半導体を結晶成長する場合、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いると、良好な結晶性を保ちつつ、量産性を高めることができる。
【００１４】
なお、本明細書において、窒化物系半導体とは、（ＡｌｘＢ１−ｘ）ｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＋ｚ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも窒化物系半導体に包含されるものとする。
【００１５】
ｎ側電極１６は下地層１２の上に選択的に形成され、ｐ側電極２６はコンタクト層２４の上に選択的に形成される。活性層２０からの光は上方、側方、下方にそれぞれ放出される。このうちサファイヤ基板１０の下方に反射層を形成しておけば、下方に向かう光を反射して、上方または側方から取り出し、光取り出し効率を高めることが容易となる。
【００１６】
図１（ａ）のエネルギーバンド図において、横軸Ｘは図１（ｂ）の垂直方向に沿った相対位置を表し、第１の層１１から第２の層２１に向かう方向をプラスとする。伝導帯４０の電子は、第２の層２１へ向かう電子流４６となり活性層２０に注入される。また、価電子帯４２のホールは、第１の層１１へ向かうホール流４８となり活性層２０に注入される。なお、擬フェルミレベルを４４で表す。本図において、井戸数は８つである。
【００１７】
図２は、エネルギーバンドの曲がりを説明する図である。すなわち、図２（ａ）は、図１（ａ）の活性層近傍のエネルギーバンド図、図２（ｂ）は障壁層内の不純物濃度を表す図である。
窒化物系半導体は圧電効果の大きい材料であり、格子不整合により井戸層２０ａの面内には圧縮歪が加わり、活性層２０内においてＸ軸に沿って内部電界を生じる。この内部電界により、井戸層２０ａ及び障壁層２０ｂのエネルギーバンドがそれぞれ傾く。
【００１８】
なお、井戸層２０ａの幅は、例えば２〜８ｎｍの範囲、障壁層２０ｂの幅は、例えば５〜２５ｎｍの範囲とすることができる。障壁層２０ｂの幅をより狭くするとキャリアを閉じ込めることが困難となる。また幅をより厚くすると量子効果が抑制されキャリアの移動が困難となる。
【００１９】
本実施形態では、障壁層２０ｂの不純物濃度を徐々に変化させる。
すなわち、多重量子井戸のそれぞれの障壁層２０ｂ内の第１導電型の不純物濃度は、略平坦な分布であるかまたは第２の層２１に向かって増加する。また、多重量子井戸のそれぞれの井戸層２０ａからみて第２の層２１側の障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値は、第１の層１１側の障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値以上である。さらに、第２の層２１に最も近い障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値は、第１の層１１に最も近い障壁層２０ｂの不純物濃度の平均値よりも高い。
図２に表した具体例においては、障壁層２０ｂをｎ型としそのドナー濃度を第１の層１１（ｐ型層）に向かうに従って徐々に高くする。すなわち、ｊ番目の障壁層Ｂｉのドナー濃度の平均値Ｎｊと、（ｊ＋１）番目の障壁層Ｂｊ＋１のドナー濃度の平均値Ｎｊ＋１と、の間に次式が成り立つようにする。
【００２０】
Ｎｊ＜Ｎｊ＋１
但し、１≦ｊ≦Ｍ（Ｍ：井戸数）
なお、図２（ｂ）においてドナー濃度は障壁層２０ｂ内でそれぞれ一定値（すなわち平均値に等しい）とする。
【００２１】
例えば、第１の層１１のドナー濃度が１×１０１８ｃｍ−３、且つ第２の層２１のアクセプタ濃度が２×１０１９ｃｍ−３である場合、障壁層Ｂｊのドナー濃度の平均値Ｎｊを、第１の層１１のドナー濃度よりも第２の層２１側に向かって徐々に高くする。このようにすると、多重量子井戸からなる活性層２０において、ドット線で表す伝導帯４０及び価電子帯４２のエネルギーバンドを全体的に徐々に曲げることができ、注入されたキャリアをそれぞれの井戸層Ｗｊ内に分散して効率よく閉じ込めることが容易になる。
【００２２】
特に、質量が重く移動しにくいホールは、このバンド曲がりにより第１の層１１（ｎ型）側への移動がより容易となり、それぞれの井戸層Ｗｊへ効率よく閉じ込めることが容易となる。このために多重量子井戸構造における再結合の効率を高めることが容易となる。
【００２３】
なお、比較のため、障壁層Ｂｊのドナー濃度の平均値Ｎｊがその位置に依存せず略同一である場合の伝導帯１４０及び価電子帯１４２をそれぞれ実線で表している。
【００２４】
また、図２（ａ）において、（ｊ＋１）番目の障壁層Ｂｊ＋１の傾きがｊ番目の障壁層Ｂｊの傾きよりも緩やかになっている。すなわち、障壁が第２の層２１に近づくに従い低くなっており、キャリアの移動を一層容易にしている。
【００２５】
さらに、図２では、第１の層１１及びそれぞれの障壁層Ｂｊをｎ型とし、第２の層２１をｐ型としたが、これとは反対導電型としてもよい。すなわち、第１の層をｐ型、第２の層をｎ型、障壁層２０ｂをｐ型とし、障壁層Ｂｊのアクセプタ濃度を第２の層２１に向かって徐々に高くしてもよい。
【００２６】
他方、図３は比較例にかかる窒化物系半導体発光装置のバンドを説明する図である。すなわち、図３（ａ）はチップ全体のバンド図、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は活性層のバンド図を表す。
図３（ｂ）において、井戸数の多い発光素子（ＬＥＤ）において、障壁層１２０ｂへｎ型不純物（Ｓｉ）がドープされている。このドナー濃度をそれぞれの障壁層１２０ｂ内で略３×１０１８ｃｍ−３の一定値とし、且つ多重量子井戸活性層１２０内における障壁層１２０ｂの位置に依存せずに略同一としている。
【００２７】
この場合、井戸層１２０ａ及び障壁層１２０ｂが傾くので、それぞれの井戸層１２０ａ内において電子１５０とホール１５２とが空間的に分離されやすく、且つ井戸層１２０ａ間でのキャリア移動が困難となる。また、活性層１２０全体としては、伝導帯１４０及び価電子帯１４２のバンド曲がりを生じることはなく、第１の層１１１側の井戸層１２０ａには電子１５０が、第２の層１２１側の井戸層１２０ａにはホール１５２がそれぞれより多く蓄積され、活性層１２０の両端の井戸層１２０ａにキャリアが分離されやすい。
これらのために、キャリアが活性層１２０内で不均一に分布し再結合の効率が低下する。特に、キャリアの注入量が少ない場合、再結合効率の低下が大きく、発光効率の低下が顕著となる。すなわち、図３（ｂ）の比較例においては再結合効率の改善には限界がある。
【００２８】
また、障壁層１２０ａの中央部のドナー濃度を井戸層１２０ｂに接する部分のドナー濃度よりも高くすると、図３（ｃ）にドット線で表すように、第２の層１２１に向かうに従って障壁層１２０ｂの中央部の障壁を低下させ、且つ障壁層１２０ｂと井戸層１２０ａとの界面におけるバンドの傾きを低減する。しかしながら、キャリアの移動が容易となる程にバンド曲がりを生じることはない。
【００２９】
これに対して、図２（ａ）の本実施形態では多重量子井戸層全域にわたってバンド曲がりを生じ、キャリアが活性層２０内を移動しやすくなり、電子５０及びホール５２をＭ個の井戸層Ｗｊ内に効率よく閉じ込め可能である。このために、それぞれの井戸層Ｗｊ内で再結合がより促進されるので、キャリアオーバーフローを抑制しつつ、発光効率の改善が容易となる。
【００３０】
図４は、光出力及び内部（発光）効率のシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、 縦軸は光出力Ｐｏ（Ｗ／ｍ）及び内部効率ηｉｎ、横軸は電流（Ａ／ｍ）をそれぞれ表す。なお、ｍはメートルであり、図１（ｂ）の断面の奥行き方向の単位長さを表している。また、実線は本実施形態、破線は比較例をそれぞれ表す。
【００３１】
例えば電流が２５０Ａ／ｍにおいて、本実施形態の光出力Ｐｏは略５３０Ｗ／ｍであり、略４７５Ｗ／ｍである比較例の光出力Ｐｏの約１．１２倍と高い。また、同じ２５０ｍＡ／ｍの電流において、本実施形態の内部効率ηｉｎは略５１％であり、略４６％である比較例の内部効率ηｉｎの約１．１１倍と高い。さらに、低電流である５０Ａ／ｍにおいて、本実施形態の光出力Ｐｏは略１１０Ｗ／ｍであり、略８５Ｗ／ｍである比較例の光出力Ｐｏの１．２９倍と高い。また、同じ５０ｍＡ／ｍの電流において、本実施形態の内部効率ηｉｎは略５２％であり、略４３％である比較例の内部効率ηｉｎの約１．２１倍と高い。このように、本実施形態では広い電流範囲において、高い光出力Ｐｏ及び内部効率ηｉｎを保つことが容易である。
【００３２】
なお、井戸数と、活性層２０内の不純物濃度分布と、の間には適正な範囲がある。窒化物系半導体では応力歪が大きいため井戸数は通常１５以下とすることが好ましく、発光素子（ＬＥＤ）の場合、６〜１２の範囲がより好ましい。障壁層Ｂｊのドナー濃度を変化してバンドを曲げる場合、バンド曲がりを大きくし過ぎると井戸層２０ａに閉じ込め可能なキャリア数が減少し、活性層２０を通過する量が増加する。このために、再結合に寄与するキャリアが減少し、発光効率が十分には改善されない場合を生じる。井戸層Ｗｊの数を６〜１２とし、ドナー濃度の平均値の範囲を、１×１０１８〜２×１０１９ｃｍ−３とすると、発光効率の改善が容易である。
【００３３】
図５は、障壁層内のドナー濃度分布の変形例を表す図である。すなわち、図５（ａ）は、不純物濃度分布が増加する図、図５（ｂ）は不純物濃度分布の平均値を説明する図である。
不純物濃度が平坦でない場合、それぞれの障壁層２０ｂ内において、不純物濃度ｎ（ｘ）を積分し求めた不純物濃度の平均値Ｎａｖは式（１）のようになる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図２（ｂ）では、障壁層２０ｂ内のドナー濃度は平坦な一定値であったが、本発明はこれに限定されず、障壁層Ｂｉ（１≦ｊ≦Ｍ）内で第２の層２１に向かってそれぞれ増加していてもよい。図５（ａ）では、障壁層Ｂｊ内でドナー濃度Ｎｊが直線状に増加しているが、曲線状に増加していてもよい。
【００３６】
この場合にも、ｊ番目の不純物濃度の平均値Ｎａｖｊと、（ｊ＋１）番目の平均値Ｎａｖｊ＋１と、が式（２）を満たすようにする。
Ｎａｖｊ＜Ｎａｖｊ＋１ 式（２）
但し、１≦ｊ≦Ｍ
【００３７】
このように、それぞれの障壁層Ｂｊ内において不純物濃度を徐々に増加すると、活性層２０全体におけるバンド曲がりの制御が容易となり、キャリア移動がより容易になる。
【００３８】
図６は、障壁層の不純物濃度分布の変形例を表す図である。
それぞれの障壁層Ｂｊ内の不純物濃度分布は平坦であるものとするが、平坦でない場合には、式（１）で表される不純物濃度の平均値ＮＡＶに置き換えればよい。
【００３９】
第２の層２１に最も近い障壁層ＢＭ＋１の平均値ＮａｖＭ＋１が、第１の層１１に最も近い障壁層Ｂ１の平均値Ｎａｖ１よりも大きければよい。すなわち、Ｎａｖｊ＜Ｎａｖｊ＋１となる領域が少なくとも１つあれば、バンド曲がりを生じキャリア移動を容易にできる。
【００４０】
図６において、例えば障壁層Ｂ２の平均値Ｎａｖ２と、障壁層Ｂ３の平均値Ｎａｖ３と、が等しく、かつ障壁層ＢＭ−１の平均値ＮＭ−１と、障壁層ＢＭの平均値ＮＭと、が等しい。この場合においても、第２の層２１に最も近い障壁層ＢＭ＋１の平均値ＮａｖＭ＋１が、第１の層１１に最も近い障壁Ｂ１の平均値Ｎａｖ１よりも高くできるので、活性層２０のバンド曲がりを生じ、キャリア移動を容易にできる。図６に表す不純物濃度分布は、図２（ｂ） に表す不純物濃度分布よりも結晶成長プロセスが簡素である。
【００４１】
多重量子井戸において、例えば井戸層２０ａの幅を２〜８ｎｍの範囲、障壁層２０ｂの幅を５〜１５ｎｍとする場合、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（井戸層）／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（障壁層）からなる多重量子井戸構造をＭＯＣＶＤ法などを用いて逐次的に結晶成長を行うことができる。障壁層２０ｂをｎ型とする場合、例えばＳｉＨ４（シラン）ガスを分解して得られたＳｉをドナーとすることができる。
【００４２】
例えばＭＯＣＶＤ装置を用いて、ドーピングガスであるＳｉＨ４ガスの流量、反応時間、及び反応温度などを自動制御すれば、図２（ｂ）、図５（ａ）、及び図６のように徐々にドナー濃度を増加させることが容易である。本実施形態では、障壁層Ｂｊの不純物濃度の平均値Ｎａｖを徐々に増加するか、または徐々に減少するかであり、多重量子井戸の結晶成長に要する時間は、障壁層Ｂｊが一定濃度である場合と略同一にできる。このために、結晶成長工程の生産性を高めることが容易であり、量産性に富む発光装置が提供される。
【００４３】
以上の実施形態は窒化物系半導体を用いた発光装置であるが、本発明はこれに限定されない。すなわち、圧電効果が小さいＩｎＡｌＧａＰ系材料を用いた可視光波長範囲の光を放出可能な発光装置であってもよい。応力歪が小さいＩｎＡｌＧａＰ系材料では、井戸数を、例えば４０とする。このような場合にも、障壁層の濃度を徐々に変化させバンドを曲げると、キャリアオーバーフローを抑制しつつ多重量子井戸内の再結合を促進し、発光効率の改善ができる。なお、ＩｎＡｌＧａＰ系材料とは、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００４４】
また、本発明はＬＥＤに限定されることはなく、半導体レーザ装置であってもよい。障壁層の不純物濃度を徐々に変化させることによりバンドを曲げ、キャリアの再結合を促進し、発光効率が改善された半導体レーザ装置が可能である。
【００４５】
以上、図面を参照しつつ、本発明に実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、発光装置を構成する活性層、多重量子井戸、井戸層、障壁層、クラッド層、コンタクト層、電流拡散層、下地層、及び基板の材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態にかかる発光装置を表す図
【図２】エネルギーバンドの曲がりを説明する図
【図３】比較例にかかる発光装置のエネルギーバンドを説明する図
【図４】光出力及び内部（発光）効率の特性を表すグラフ図
【図５】障壁層内のドナー濃度分布の変形例を表す図
【図６】障壁層の不純物濃度分布の変形例を表す図
【符号の説明】
【００４７】
１１ 第１の層、２０ 活性層、２０ａ 井戸層（Ｗｊ）、２０ｂ 障壁層（Ｂｊ）、２１ 第２の層、Ｎａｖ （不純物濃度）平均値、ｎ（ｘ） 不純物濃度、４０ 伝導帯、４２ 価電子帯
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体からなる第１の層と、
第２導電型の半導体からなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０．０５≦ｘ≦１）からなる前記井戸層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（但し、０≦ｙ≦１且つｘ＞ｙ）からなる前記障壁層と、を有し、
前記第１の層は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（但し、０≦ｔ≦１．０）からなり、
前記第２の層は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（但し、０≦ｕ≦１．０）からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１導電型は、ｎ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記障壁層の不純物濃度は、前記第１の層の不純物濃度以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項５】
前記障壁層の幅は、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項１】
第１導電型の半導体からなる第１の層と、
第２導電型の半導体からなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた多重量子井戸を含む活性層であって、前記多重量子井戸のそれぞれの障壁層内の第１導電型の不純物濃度は略平坦な分布であるかまたは前記第２の層に向かって増加し、前記多重量子井戸のそれぞれの井戸層からみて前記第２の層側の障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層側の障壁層の不純物濃度の平均値以上であり、前記第２の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値は前記第１の層に最も近い障壁層の不純物濃度の平均値よりも高い活性層と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０．０５≦ｘ≦１）からなる前記井戸層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（但し、０≦ｙ≦１且つｘ＞ｙ）からなる前記障壁層と、を有し、
前記第１の層は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（但し、０≦ｔ≦１．０）からなり、
前記第２の層は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（但し、０≦ｕ≦１．０）からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１導電型は、ｎ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記障壁層の不純物濃度は、前記第１の層の不純物濃度以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項５】
前記障壁層の幅は、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−４０８３８（Ｐ２０１０−４０８３８Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０３０３９（Ｐ２００８−２０３０３９）
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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