JP2010034549A - 複合型電子障壁層を備えた発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子が漏れる現象を低減できるうえ、応力解放の欠陥を回避できる発光素子を提案する必要がある。
【解決手段】 活性発光層２１２と、ｎ型窒化ガリウム層２０２と、ｐ型窒化ガリウム層と２２２、エネルギーギャップが異なるとともに、過分の電子が活性発光層２１２に漏れるのを阻止するためのエネルギー障壁が高い電子障壁層２３０として、活性発光層２１２上に周期性をもって繰り返して積層されている二種類の三・五族半導体層２３２，２４２；２３４，２４４とを備えた複合型電子障壁層２３０を備えた発光素子である。
【選択図】 図３

Description

本発明は電子製品に関し、とりわけ発光素子に関する。

発光素子の動作中において、電子が漏れる現象が起きて、素子の発光効率を下げてしまうのみならず、付帯的に温度の上昇を招き、素子の寿命に影響を及ぼす。したがって、発光素子の製造時に、電子の漏れを如何に効果的に低減するかということは、とても重要なポイントになる。

図１には窒化ガリウム系半導体を用いた従来の形態の発光素子の断面概略図を示している。図１を参照されたい。従来の形態の発光素子はｎ型窒化ガリウム層１０２と、活性発光層１１２と、ｐ型窒化ガリウム層１２２とを備えている。

図２には図１に基づく、各層のエネルギーギャップのエネルギー量の概略図を示している。図中、図２上方に示すものは、電子が移動する経路のエネルギー量である。図２下方に示すものは、正孔が移動する経路のエネルギー量である。一般的には、上記した電子の移動率は正孔のそれよりも大きく、濃度も正孔よりも高い。したがって、ｐ型窒化ガリウム層１２２に近づいたとき、過分の電子（ｅ⁻；図２上方）が活性発光層１１２に漏れる現象が生じる。電子が漏れる現象は、放射再結合の確率を引き下げてしまう。

特許文献１および特許文献２には、それぞれ窒化ガリウム系半導体を用いた発光素子が開示されている。これら発光素子は、このエネルギーギャップのエネルギー量がその他の層のエネルギーギャップのエネルギー量よりも高く、電子が漏れる現象を低減するための障壁層を備えている。ただし注意すべきは、これら特許では障壁層として窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を使用しているというところである。窒化アルミニウム・ガリウムと窒化ガリウムとの結晶格子が整合しておらず、電子の漏れを阻止する充分な高さのエネルギー障壁を提供するためには、これら素子のアルミニウム含有量は必然的に高くせざるを得ない。しかしながら、アルミニウム含有量を高めるということは、相対的に発光素子が受ける応力も大きくなるということである。一定の臨界膜厚（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を超えたとき、応力解放（ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌｅａｓｅ）により、素子のクラック（ｃｒａｃｋ）が生じてしまう。また、アルミニウム含有量が高いほど、結晶格子の品質も悪くなり、窒化アルミニウム・ガリウムの正孔濃度を高めるのも相対的に難しくなる。

米国特許第７，０６７，８３８号明細書 米国特許第７，０５８，１０５号明細書

したがって、電子が漏れる現象を低減できるうえ、上記応力解放の欠陥を回避できる発光素子を提案する必要がある。

本発明は、活性発光層と、ｎ型窒化ガリウム層と、ｐ型窒化ガリウム層とを備えた複合型電子障壁層を備えた発光素子を提供するものである。上記した複合型電子障壁層を備えた発光素子は、第１の三・五族半導体層と、第２の三・五族半導体層とを更に備えている。この二種類の三・五族半導体層はエネルギーギャップが異なるとともに、過分の電子が活性発光層に漏れるのを阻止するためのエネルギー障壁が高い電子障壁層として、前記活性発光層上に周期性をもって繰り返して積層されている。

本発明の長所の一つは、この電子障壁層は電子の漏れを阻止して、活性発光層における電子と正孔との再結合の確率を引き上げ、光子を放出できるようにするものである。また、結晶格子の大きさの異なる三・五族半導体層を組み合わせることで、応力補償の効果を持たせ、これと活性発光層との間に応力が蓄積されるのを低減することができる。

窒化ガリウム系半導体を用いた従来の形態の発光素子の断面概略図である。 図１に基づく、各層のエネルギーギャップのエネルギー量の概略図である。 本発明の好ましい実施例に係る、複合型電子障壁層を備えた発光素子の断面概略図である。 図３に基づく、各層のエネルギーギャップのエネルギー量の概略図である。

本発明がここで主題とする方向は発光素子である。本発明が完全に理解できるように、下記にて詳細な構造の素子を開示する。明らかなことは、本発明にて実行されるものは、発光素子の当業者が習熟した特殊な仔細部分に限定されるものではないということである。また一方では、本発明への無用な限定を避けるために、習知の素子は詳細な説明中には記述していない。本発明の好ましい実施例は下記のとおり詳細に説明するが、これら詳細な説明以外にも、本発明はその他実施例中に広く実行できるうえ、本発明の範囲は限定されることなく、別紙の特許請求の範囲が基準とされるものである。

図３には本発明の好ましい実施例に係る、複合型電子障壁層を備えた発光素子の断面概略図を示す。図４には図３に基づく、各層のエネルギーギャップのエネルギー量の概略図を示す。図３および図４を参照されたい。複合型電子障壁層を備えた発光素子は、基板４１０と、前記基板４１０上に配設されているバッファ層４２０と、前記バッファ層４２０上に配設されているｎ型窒化ガリウム層２０２と、活性発光層２１２と、ｐ型窒化ガリウム層２２２とを備えている。活性発光層２１２は内部に複数の電子を有することになり、図４では電子一個（ｅ⁻）を例として示している。

上記した基板の材料としては、サファイヤ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リチウムアルミネイト（ＬｉＡｌＯ_２）、ガリウム酸リチウム（ＬｉＧａＯ_２）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）とすることができる。

上記した複合型電子障壁層を備えた発光素子は、第１の三・五族半導体層２３２、２４２と、第２の三・五族半導体層２３４、２４４とを更に備えている。この二種類の三・五族半導体層はエネルギーギャップが異なるとともに、過分の電子（ｅ−）が活性発光層２１２に漏れるのを阻止するためのエネルギー障壁が高い電子障壁層２３０（エネルギー障壁が活性発光層のエネルギー障壁よりも高い）として、前記活性発光層２１２上に周期性をもって繰り返して積層されている。

図４を参照されたい。前記電子障壁層２３０は、ｐ型窒化ガリウム層２２２と活性発光層２１２との間に配設されている。電子（ｅ⁻）が、エネルギー障壁が充分に高い電子障壁層２３０にぶつかったとき、ちょうど壁にぶつかったように、活性発光層２１２の量子井戸内に弾き戻されて、正孔に再結合して、光子が放出される。したがって、本発明の電子障壁層２３０は電子と正孔との再結合率を高めて、過分の電子が漏れる現象が生じるのを回避することができる。

また、結晶格子の大きさの異なる二層の三・五族半導体層２３２、２３４を組み合わせることで、応力補償の効果を持たせ、活性発光層２１２との間に応力を低減することができることに注意されたい。

前記電子障壁層２３０は、複合型エピタキシャル構造２３０としてもよい。上記した複合型エピタキシャル構造２３０は、第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ｎ）層２３２と、第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{ｌ−ｕ−ｖ}Ｎ）層２３４との組合せからなり、これを少なくとも２回繰り返して積層している。このうち、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ≦１そしてｕ＋ｖ≦１となる。ｘ＝ｕのとき、ｙ≠ｖとなる。前記複合型エピタキシャル構造２３０もまた正孔濃度を効果的に高めることができる。

図３を参照されたい。前記第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３２は第１の厚さを有しており、前記第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３４は第２の厚さを有している。このうち、第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３２が下方にあり、そのエネルギーギャップ３３２（図４）は大きい。第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３４が上方にあり、そのエネルギーギャップ３３４は小さい。この二種類の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３２、２３４の相違点は、その窒素、ガリウム、インジウム、アルミニウムの四種類の元素の割合が異なっているところである。異なる割合に設定する目的の一つは、第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３２のエネルギーギャップ３３２を、第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３４のエネルギーギャップ３３４よりも高くするためである。一般的に言えば、アルミニウム元素の割合を増やせば、エネルギーギャップが上昇し、インジウム元素の割合を増やせば、エネルギーギャップは下降する。

インジウム元素は前記第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３２および前記第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２３４中において、とても重要である。なぜなら、インジウム元素がなければ、アルミニウム元素は活性発光層に対して、格子定数の相違は大きくなってしまい、従来のような応力解放の問題が生じやすいからである。インジウム元素が存在すると、本発明における電子障壁層２３０の格子構造と、活性発光層２１２の格子構造との差が大きくなりすぎることはなく、応力が蓄積されてしまう問題を低減することができる。

前記複合型エピタキシャル構造２３０は、第３の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２４２と、第４の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２４４とを備えなければならない。前記第３の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２４２は第３の厚さを有し、前記第４の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２４４は第４の厚さを有するとともに、このうちの前記第３の厚さに第４の厚さを加えると、前記第１の厚さに前記第２の厚さを加えたものに等しくなる。

前記複合型エピタキシャル構造は、第５の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２５２と、前記第６の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２５４と、第７の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２６２と、前記第８の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２６４とを更に備える。このうち、第５の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２５２と第６の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２５４の厚さの合計値は、前記第１の厚さに前記第２の厚さを加えたものに等しくなるのが望ましい。また、第７の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２６２と第８の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層２６４の厚さの合計値もまた、前記第１の厚さに前記第２の厚さを加えたものに等しくなるのが望ましい。

本発明において上記した窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）は決して本発明を限定するものではない。いわゆる窒化アルミニウム・インジウム・ガリウムは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＮ）といった材料に代えても、本発明の範囲に含まれる。

本発明の長所の一つは、電子障壁層にて電子の漏れを阻止して、電子を活性発光層の量子井戸内に弾き戻して、正孔と再結合させたのちに、光子を放出させるものである。また、結晶格子の大きさの異なる三・五族半導体層を組み合わせることで、応力補償の効果を持たせ、これと活性発光層との間の応力を低減することができる。

本発明の好ましい実施例を上記のように開示したが、これは本発明を限定するためのものではない。当業者であれば、各種の変更または修正を行っても、本発明の技術的思想および範囲を逸脱することはない。本発明の保護範囲は別紙の特許請求の範囲により限定されるものを基準とすべきである。

１０２，２０２ ｎ型窒化ガリウム層
１１２，２１２ 活性発光層
１２２，２２２ ｐ型窒化ガリウム層
２３０ 電子障壁層、複合型エピタキシャル構造
２３２ 第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２３４ 第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２４２ 第３の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２４４ 第４の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２５２ 第５の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２５４ 第６の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２６２ 第７の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
２６４ 第８の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層
３３２ 第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層のエネルギーギャップ
３３４ 第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層のエネルギーギャップ
４１０ 基板
４２０ バッファ層

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配設されているバッファ層と、
   前記バッファ層上に配設されているｎ型窒化ガリウム層と、
   前記ｎ型窒化ガリウム層上に配設されている活性発光層と、
   前記活性発光層上に周期性をもって繰り返して積層されている、エネルギーギャップが異なる二種類の三・五族半導体層と、
   前記複数の三・五族半導体層上に配設されているｐ型窒化ガリウム層と、
   を備えたことを特徴とする複合型電子障壁層を備えた発光素子。
2. 前記複数の三・五族半導体層の材料が、窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）、および窒化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＮ）からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の複合型電子障壁層を備えた発光素子。
3. 活性発光層と、
   第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ｎ）層および第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{ｌ−ｕ−ｖ}Ｎ）層の組合せからなる複合型エピタキシャル構造であって、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ≦１そしてｕ＋ｖ≦１となる複合型エピタキシャル構造と、
   を備えたことを特徴とする複合型電子障壁層を備えた発光素子。
4. ｘ＝ｕのとき、ｙ≠ｖとなることを特徴とする請求項３に記載の複合型電子障壁層を備えた発光素子。
5. 前記第１の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層が第１の厚さを有しており、第２の窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム層が第２の厚さを有していることを特徴とする請求項４に記載の複合型電子障壁層を備えた発光素子。

Images