JP4571372B2

JP4571372B2 - Semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4571372B2
Application number: JP2002344536A
Authority: JP
Inventors: 治夫田中; 雅之園部; 孝昭名倉
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP2004179428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。特に、発光効率の向上を図った半導体発光素子に関する。半導体発光素子とは、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、半導体レーザなどの光を発生する半導体素子をいう。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可視光の半導体発光素子は、ＩｎＧａＮからなる活性層をＡｌＧａＮからなるクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体で構成していた。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＮからなる活性層、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層を積層し、ダブルヘテロ構造で発光させていた。
【０００３】
これらの窒化ガリウム化合物には格子整合のよい基板がないため、サファイヤ基板にＧａＮを積層して格子整合を図っていた。また、ＩｎＧａＮからなる活性層の結晶欠陥を改善するために、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を複数積層して、その上層にダブルヘテロ構造を形成していたが（例えば、特許文献１参照。）、十分には活性層の結晶欠陥が改善されているとは言えず、大きな発光出力を得ることができなかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２８４６４５号公報（第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、可視光の半導体発光素子の発光出力を向上させるため、検討を進めた結果、ＩｎＧａＮは結晶性が悪いことから、ＩｎＧａＮが積層されることにより、格子歪が発生し、発光出力の低下につながることを見出した。
【０００６】
発明者は、このような問題を解決するために、発光効率の向上と光出力の増大に向けて各種実験を行った。試作した半導体発光素子のエネルギーバンドを図１に示す。図１において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層である。
【０００７】
井戸層１３への電子や正孔の閉じ込め効果が大きくなるように、井戸層１３のＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮよりもバンドギャップエネルギーの大きいｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２で井戸層をはさんでいる。そこで、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２はｙ≦ｘ／２として、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくし、電子の井戸層１１への注入は低電圧で行え、井戸層からの正孔の漏れを防止できるようにしたものである。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２と井戸層１３との間にはノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けている。
【０００８】
このような構造の半導体発光素子に電流を通電して発光出力を測定したところ、十分な発光出力が得られなかった。このことから、バッファ層だけでは、井戸層の結晶性を十分に改善することができなかったものと推察できる。本発明は、半導体発光素子の井戸層の結晶性を改善すること等により、大きな発光出力を得ることを目的とする
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層とではさまれた層を多重井戸構造、あるいはＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造とする。
【００１０】
具体的には、本願発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、主に、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に近い井戸層で電子と正孔を再結合させて発光させる半導体発光素子である。
【００１１】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、前記障壁層は前記多重井戸層内でｒが一定の半導体発光素子である。
【００１２】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記多重井戸層内でｑが一定で、前記障壁層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子である。
【００１３】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、前記障壁層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子である。
【００１４】
本願発明のこれらの半導体発光素子によれば、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層とＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層であって、隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された多重井戸層とすることにより、多重井戸層での結晶性が改善されると推察される。ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、多重井戸層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００１５】
さらに、本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層との間に、Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮ（０＜ｓ≦１）からなる井戸層と、該井戸層の片側、又は両側に接するＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮ（０≦ｔ＜１、ｔ＜ｓ）からなるＳＣＨ層とを有する半導体発光素子である。
【００１６】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置したことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１７】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、又は、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置した半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層はｔが一定であることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１８】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、又は、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置した半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層は井戸層に向けてｔが漸増することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
ここで、ＳＣＨ層（Separate Confinement Heterostructure）とは、井戸層に接するように配置し、かつ井戸層よりもエネルギーギャップを大きくした層をいう。
【００２０】
本願発明のこれらの半導体発光素子によれば、ＳＣＨ層を設けることによって、電子及び正孔を集中させることが出来る。このため、ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、ＳＣＨ層を有する半導体発光素子の方が電子と正孔を効率的に再結合させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２１】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２２】
本願発明の半導体発光素子によれば、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなる層において、ｚ＞ｘとすることにより、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層よりもバンドギャップエネルギーを大きくして、井戸層からの電子の逃げを少なくすることができる。
【００２３】
本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間に、前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２４】
本願発明の半導体発光素子によれば、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなる層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間に設けることによって、より効率的に井戸層からの電子の逃げを少なくすることができる。
【００２５】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層と前記多重井戸層又はＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２６】
本願発明の半導体発光素子によれば、ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けることによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２７】
本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層又は前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２８】
本願発明の半導体発光素子によれば、ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けることによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２９】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、少なくとも前記多重井戸層又は井戸層をメサ形状にして、レーザ発振が可能なことを特徴とする半導体発光素子である。
メサ形状にすることによって、電流及び発光した光を集中させてレーザ発振を容易にすることができる。
【００３０】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、発光した光を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
本願発明の半導体発光素子によれば、再結合の行われる井戸層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層に近い位置である。前記ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層を基板側にすると、再結合の行われる井戸層の結晶性がより改善される配置となると推察され、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図２、図３、図４、図５に示す。図２、図３、図４、図５において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層、１５は井戸層１３と障壁層１４が交互に積層された多重井戸層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３２はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層である。
【００３２】
図２、図３、図４、図５において、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１を、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３２を設けると、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ層に対して、tensile stress（伸張性の力）が加わり、ＩｎＧａＮ層はＧａＮ層に対して、compressive stress（圧縮性の力）が加わる。ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２やｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３とを直接、接触させるよりも、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１または３２を設けることによって、井戸層１３での結晶性が改善されると推察される。従って、バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３３】
図２、図３、図４、図５において、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層１３に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層された多重井戸層１５を設けている。井戸層１３と井戸層１３に隣接する障壁層１４との間では、ｒ＜ｑの関係になるように設定されている。井戸層１３と障壁層１４とを繰り返して積層することによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。従って、ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、多重井戸層を有する半導体発光素子の方が効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３４】
井戸層１３の厚さは正孔のドブロイ波の波長よりも短い４ｎｍ以下とし、障壁層１４の厚さを電子のドブロイ波の波長よりも長い１０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３５】
図２においては、多重井戸層内での各井戸層１３及び各障壁層１４はそれぞれ同じバンドギャップエネルギーを持たせている。各障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と交互に積層することによって、井戸層での結晶性が改善される。
【００３６】
図２において、井戸層１３の厚さを３ｎｍとし、障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、その厚さを１８ｎｍとして、また、各井戸層のバンドギャップエネルギーＥｇを僅かシフトして発光波長をずらせ、発光波長を検出することによって多重井戸層１５においてどの井戸層が発光しているかを実験で確認したところ、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に最も近い井戸層で発光強度が最も強いことが判明した。これは、電子と正孔の有効質量の差から、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に最も近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こっていると推測される。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２の側を基板側にして、各井戸層を積層するとｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い側の井戸層の結晶性が改善されると推察される。従って、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層での結晶性がよい場合は、これらの井戸層で電子と正孔の再結合が効率的に起こるようにすると、大きな発光出力が得られる。
【００３７】
また、図２の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率が比較的ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１、又はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２に近くなり、面発光型の半導体発光素子に適している。
【００３８】
図３は、井戸層１３が多重井戸層１５内でｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に向けてＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが漸増し、障壁層１４は多重井戸層１５内でＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが一定の半導体発光素子である。特に、各障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と交互に積層することによって、井戸層での結晶性が改善される。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２の側を基板側にして、各井戸層を積層するとｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層でのバンドギャップエネルギーを最も小さくし、その井戸層に正孔を蓄積しやすくして、電子と正孔の再結合が効率的に起こるようにすると、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図３の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率が比較的ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１、又はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２に近くなり、面発光型の半導体発光素子に適している。
【００３９】
図４は、井戸層１３は多重井戸層１５内でＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが一定で、障壁層１４は多重井戸層１５内でｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に向けてＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが漸増する半導体発光素子である。障壁層を徐々に発光する井戸層に近づけて交互に積層することによって、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こるため、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図４の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用できる。
【００４０】
図５は、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層１４との間ではｒ＜ｑの関係を維持しつつ、井戸層１３は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが漸増し、障壁層１４はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが漸増する半導体発光素子である。障壁層と井戸層とを交互に積層することによって、上層となるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こるため、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図５の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用できる。
【００４１】
図２、図３、図４、図５において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２から多重井戸層１５への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、多重井戸層１５からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、多重井戸層１５に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、低電圧で動作させることができると同時に、電子や正孔の閉じ込め効果が高まり、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００４２】
（実施の形態２）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図６から図１０に示す。図６乃至図１０において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、２１はＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層、２２はＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層である。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＳＣＨ層２２との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けてもよい。また、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２とＳＣＨ層２２との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１を設けてもよい。
【００４３】
図６乃至図１０において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２からＳＣＨ層２２への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、ＳＣＨ層２２からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、ＳＣＨ層２２に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００４４】
図６乃至図１０において、井戸層２１に接するように井戸層２１の両側にＳＣＨ層２２を設けている。Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層２１の両側にＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２を設け、ｔ＜ｓとすることによって、ＳＣＨ層に電子と正孔を閉じ込めて、井戸層２１で効率的に再結合させることができる。また、井戸層２１のバンドギャップエネルギーをＳＣＨ層２２よりも小さくして、井戸層２１で電子と正孔の再結合を容易にして、井戸層２１で集中的に発光させることができる。また、ＳＣＨ層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用することができる。
【００４５】
図６乃至図１０において、井戸層２１をＳＣＨ層２２の中で、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層１１に寄せた位置に配置している。電子と正孔の有効質量の違いから、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い位置の井戸層２１で電子と正孔が再結合することが効率的であると考えられる。そこで、井戸層２１をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い位置に配置することによって、井戸層で集中的に電子と正孔の再結合させて、大きな発光出力を得ることができる。
【００４６】
図６は、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを０≦ｔ＜１の範囲内で平坦にしている。ＳＣＨ層２２のバンドギャップエネルギーがｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２よりも小さく、井戸層２１よりも大きければよい。ＳＣＨ層での組成を一定にすると、製造が容易になる。
なお、図６の構成に、井戸層を複数設けて多重量子井戸構造の半導体レーザとすると、発光特性の改善が図れる。
【００４７】
図７は、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを井戸層２１に向けて線形的に漸増させたものである。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２とＳＣＨ層２２の間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層も設けて、バッファ層のバンドギャップエネルギーから井戸層のバンドギャップエネルギーに向けて、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを漸増させてもよい。また、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＳＣＨ層２２の間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層も設けて、バッファ層のバンドギャップエネルギーから井戸層のバンドギャップエネルギーに向けて、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを漸増させてもよい。
【００４８】
ＳＣＨ層を積層するときに、滑らかにエネルギーバンドを変化させることが困難な場合は、図８に示すように、ＩｎとＧａの比率を徐々に変えてＳＣＨ層を積層することで、図７と同じ効果が得られる。
【００４９】
図７又は図８に示すエネルギーバンドとすることにより、半導体発光素子において井戸層に向けて結晶性を改善しつつ、井戸層で電子と正孔の再結合を容易にして、井戸層２１で集中的に発光させることができる。
【００５０】
図９、図１０はＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを井戸層２１に向けて放物的に漸増させたものであり、ＳＣＨ層を積層するときに、滑らかにエネルギーバンドを変化させることが困難な場合は、図１０に示すように、ＩｎとＧａの比率を徐々に変えてＳＣＨ層を積層することで、図９と同じ効果が得られる。
【００５１】
図６乃至図１０において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２からＳＣＨ層２２への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、ＳＣＨ層２２からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、ＳＣＨ層２２に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、低電圧で動作させることができると同時に、電子や正孔の閉じ込め効果が高まり、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００５２】
図１１に、ＳＣＨ層の光集中効果を表す図を示す。図１１において、ＳＣＨ層のない井戸層だけの半導体発光素子（図１１において、「ＳＣＨ層なし」）、図６に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「平坦型ＳＣＨ層」）、図７に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「線形型ＳＣＨ層」）、図９に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「放物型ＳＣＨ層」）の光強度分布である。波長４００ｎｍにおいて、井戸層の幅が４．３ｎｍ、井戸層とｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１− _ｘＮからなる層との距離が５ｎｍ、井戸層とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層との距離が２５ｎｍのときに、井戸層で発光した光の閉じ込め効果をシミュレーションしたものである。
【００５３】
図１１より、ＳＣＨ層の存在によって、井戸層で発光した光を井戸層近辺に集中させることができることが分かる。ＳＣＨ層の屈折率を高くすると、半導体レーザや端面出射型発光ダイオードのように、井戸層に沿って出射させる半導体発光素子にとっては、効率的な光出力が得られることになる。
【００５４】
（実施の形態３）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図１２、図１３に示す。図１２又は図１３において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層、１５は井戸層１３と障壁層１４が交互に積層された多重井戸層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３２はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３３はｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層である。
【００５５】
図２で説明した実施の形態との差はせき止め層３３である。電子の有効質量は正孔よりも小さいことから、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１を超えて電子が逃げてしまう可能性がある。そこで、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層３３をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮに対して、ｚ＞ｘとすることによって、せき止め層３３のバンドギャップエネルギーを大きくして、電子の逃げを防止するものである。図１３に示すように、せき止め層３３をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１と多重井戸層１５との間に配置すると、より効果的に電子をせき止めることができる。さらに、図１３において、せき止め層３３と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けてもよい。実験では、３ｎｍの厚さのｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層であっても、電子の逃げを防止することができ、無効電流を低減することができた。
【００５６】
（実施の形態４）
本願発明の実施の形態である多重井戸層をメサ形状にした半導体発光素子の構造を図１４に示す。図１４において、１は半導体発光素子、１５は多重井戸層、１６はレーザ光の出射端面である。多重井戸層でレーザ発振した光は出射端面１６から出射する。
【００５７】
半導体発光素子１の少なくとも多重井戸層１５の部分を図１４に示すようなメサ形状にすることによって、多重井戸層１５に平行方向であって、レーザ光の出射方向に垂直な方向に対して電流狭窄することができる。電流狭窄によって、半導体発光素子の効率的な発光を可能とする。半導体発光素子がＳＣＨ層と井戸層とを有する場合であっても、少なくとも井戸層の部分を図１４に示すようなメサ形状にすることによって電流狭窄することができる。電流狭窄によって、半導体発光素子の効率的な発光を可能とする。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体発光素子を効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図２】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図３】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図４】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図５】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図６】本発明の平坦型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図７】本発明の線形型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図８】本発明の線形型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図９】本発明の放物型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１０】本発明の放物型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１１】本発明のＳＣＨ層を有する半導体発光素子の光強度分布を説明する図である。
【図１２】本発明のせき止め層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１３】本発明のせき止め層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１４】本発明のメサ形状を有する半導体発光素子の構造を説明する図である。
【符号の説明】
１：半導体発光素子
１１：ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層
１２：ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層
１３：Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層
１４：Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層
１５：井戸層と障壁層が交互に積層された多重井戸層
１６：出射端面
２１：Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層
２２：Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層
３１：ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層
３２：ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層
３３：ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device. In particular, the present invention relates to a semiconductor light emitting device that improves the light emission efficiency. A semiconductor light-emitting element refers to a semiconductor element that generates light, such as a light-emitting diode, a superluminescent diode, or a semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
A conventional visible light semiconductor light emitting element is composed of a gallium nitride compound semiconductor having a double hetero structure in which an active layer made of InGaN is sandwiched by a clad layer made of AlGaN. That is, a clad layer made of n-type AlGaN, an active layer made of InGaN having a bandgap energy smaller than that of the clad layer, and a clad layer made of p-type AlGaN were laminated to emit light with a double heterostructure.
[0003]
Since these gallium nitride compounds do not have a substrate with good lattice matching, GaN is laminated on a sapphire substrate to achieve lattice matching. Further, in order to improve the crystal defects of the active layer made of InGaN, a plurality of AlGaN layers and InGaN layers are stacked to form a double heterostructure on the upper layer (see, for example, Patent Document 1). However, it cannot be said that the crystal defects of the active layer were improved, and a large light output could not be obtained.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-284645 A (FIG. 3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor has studied to improve the light emission output of the semiconductor light emitting device for visible light, and as a result, InGaN has poor crystallinity. We found that it leads to decline.
[0006]
In order to solve such a problem, the inventor conducted various experiments for improving luminous efficiency and increasing light output. The energy band of the prototype semiconductor light emitting device is shown in FIG. In FIG. 1, 11 is p-type Al._xGa_1-xN layer, 12 is n-type Al_yGa_1-yN layer, 13 is In_qGa_1-qA layer made of N, 31 is a buffer layer made of non-doped GaN.
[0007]
In order to increase the confinement effect of electrons and holes in the well layer 13, the In layer of the well layer 13_qGa_1-qP-type Al with larger band gap energy than N_xGa_1-xN layer 11 and n-type Al_yGa_1-yA well layer is sandwiched between layers 12 made of N. Therefore, p-type Al_xGa_1-xFor the layer 11 made of N, n-type Al_yGa_1-yThe layer 12 made of N is n-type Al with y ≦ x / 2._yGa_1-yThe band gap energy of the layer 12 made of N is reduced so that electrons can be injected into the well layer 11 at a low voltage, and hole leakage from the well layer can be prevented. n-type Al_yGa_1-yA buffer layer made of non-doped GaN is provided between the layer 12 made of N and the well layer 13.
[0008]
When a light emission output was measured by passing a current through the semiconductor light emitting device having such a structure, a sufficient light emission output could not be obtained. From this, it can be inferred that the crystallinity of the well layer could not be sufficiently improved only by the buffer layer. An object of the present invention is to obtain a large light output, for example, by improving the crystallinity of a well layer of a semiconductor light emitting device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides p-type Al_xGa_1-xN layer and n-type Al_yGa_1-yA layer sandwiched between layers made of N has a multi-well structure or a SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure.
[0010]
Specifically, the present invention relates to p-type Al._xGa_1-xA layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1) and n-type Al_yGa_1-yA multi-well layer sandwiched between layers made of N (0 ≦ y ≦ 1)_qGa_1-qA well layer made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer_rGa_1-rA barrier layer made of N (0 ≦ r <1), in which a plurality of barrier layers having a relationship of r <q with an adjacent well layer are alternately stacked, and mainly the p-type Al_xGa_1-xIt is a semiconductor light emitting device that emits light by recombining electrons and holes in a well layer close to a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0011]
Other inventions of the present application are p-type Al_xGa_1-xA layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1) and n-type Al_yGa_1-yA multi-well layer sandwiched between layers made of N (0 ≦ y ≦ 1)_qGa_1-qA well layer made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer_rGa_1-rA barrier layer composed of N (0 ≦ r <1), wherein a plurality of barrier layers having an r <q relationship with adjacent well layers are alternately stacked, and the well layer includes the multiple layers P-type Al in the well layer_xGa_1-xQ gradually increases toward a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1), and the barrier layer is a semiconductor light emitting device in which r is constant in the multiple well layer.
[0012]
Other inventions of the present application are p-type Al_xGa_1-xA layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1) and n-type Al_yGa_1-yA multi-well layer sandwiched between layers made of N (0 ≦ y ≦ 1)_qGa_1-qA well layer made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer_rGa_1-rA barrier layer composed of N (0 ≦ r <1), wherein a plurality of barrier layers having an r <q relationship with adjacent well layers are alternately stacked, and the well layer includes the multiple layers Q is constant in the well layer, and the barrier layer is the p-type Al in the multiple well layer._xGa_1-xThis is a semiconductor light emitting device in which r gradually increases toward a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0013]
Other inventions of the present application are p-type Al_xGa_1-xA layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1) and n-type Al_yGa_1-yA multi-well layer sandwiched between layers made of N (0 ≦ y ≦ 1)_qGa_1-qA well layer made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer_rGa_1-rA barrier layer composed of N (0 ≦ r <1), wherein a plurality of barrier layers having a relation of r <q between adjacent well layers are alternately stacked, and the well layer includes the p layer Type Al_xGa_1-xQ gradually increases toward a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1), and the barrier layer is formed of the p-type Al_xGa_1-xThis is a semiconductor light emitting device in which r gradually increases toward a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0014]
According to these semiconductor light emitting devices of the present invention, In_qGa_1-qN well layer and In_rGa_1-rA barrier layer made of N, which is a multiple well layer in which a plurality of barrier layers having an r <q relationship between adjacent well layers is alternately stacked, so that the crystallinity in the multiple well layer is improved. Inferred to be improved. Compared to a semiconductor light emitting device having one well layer, a semiconductor light emitting device having a multiple well layer can obtain a larger light emission output.
[0015]
Furthermore, the invention of this application and others is p-type Al._xGa_1-xA layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1) and n-type Al_yGa_1-yIn between the layers made of N (0 ≦ y ≦ 1)_sGa_1-sA well layer composed of N (0 <s ≦ 1) and In in contact with one side or both sides of the well layer_tGa_1-tThis is a semiconductor light emitting device having an SCH layer made of N (0 ≦ t <1, t <s).
[0016]
According to another invention of the present application, in the semiconductor light emitting device having the SCH layer, the well layer is formed of the p-type Al._xGa_1-xIt is a semiconductor light emitting device characterized in that it is disposed at a position close to a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0017]
In another invention of the present application, in the semiconductor light emitting device having the SCH layer, or the well layer is formed of the p-type Al._xGa_1-xIn the semiconductor light emitting device arranged at a position close to the layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1), the SCH layer is a semiconductor light emitting device characterized in that t is constant.
[0018]
In another invention of the present application, in the semiconductor light emitting device having the SCH layer, or the well layer is formed of the p-type Al._xGa_1-xIn the semiconductor light emitting device arranged at a position close to the layer made of N (0 ≦ x ≦ 1), the SCH layer is a semiconductor light emitting device in which t gradually increases toward the well layer.
[0019]
Here, the SCH layer (Separate Confinement Heterostructure) refers to a layer that is disposed in contact with the well layer and has an energy gap larger than that of the well layer.
[0020]
According to these semiconductor light emitting devices of the present invention, electrons and holes can be concentrated by providing the SCH layer. For this reason, compared with the semiconductor light emitting device having one well layer, the semiconductor light emitting device having the SCH layer can recombine electrons and holes more efficiently, and a large light emission output can be obtained.
[0021]
Furthermore, the invention of this application is the p-type Al in the semiconductor light emitting device._xGa_1-xIn a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1), p-type Al_zGa_1-zA semiconductor light-emitting element having a layer made of N (0 <z ≦ 1, z> x).
[0022]
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, p-type Al_zGa_1-zIn the layer made of N, by setting z> x, p-type Al_xGa_1-xThe band gap energy can be made larger than that of the layer made of N, and the escape of electrons from the well layer can be reduced.
[0023]
Another invention of the present application is the p-type Al of the semiconductor light emitting device._xGa_1-xBetween the layer made of N (0 ≦ x ≦ 1) and the multiple well layer or the SCH layer, the p-type Al_zGa_1-zA semiconductor light-emitting element having a layer made of N (0 <z ≦ 1, z> x).
[0024]
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, p-type Al_zGa_1-zThe layer made of N is made of the p-type Al_xGa_1-xBy providing between the layer made of N (0 ≦ x ≦ 1) and the multiple well layer or the SCH layer, escape of electrons from the well layer can be reduced more efficiently.
[0025]
Furthermore, the invention of this application and others relates to the n-type Al of the semiconductor light emitting device._yGa_1-yA semiconductor light emitting device comprising a buffer layer made of non-doped GaN provided between a layer made of N (0 ≦ y ≦ 1) and the multiple well layer or the SCH layer.
[0026]
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the GaN layer has better crystallinity than the AlGaN layer and InGaN layer, and the provision of the buffer layer made of non-doped GaN improves the crystallinity in the well layer. Inferred. A semiconductor light emitting device having a buffer layer made of non-doped GaN can obtain a larger light output than a semiconductor light emitting device having no buffer layer.
[0027]
Another invention of the present application is the p-type Al of the semiconductor light emitting device._xGa_1-xN (0 ≦ x ≦ 1) layer or the p-type Al_zGa_1-zA semiconductor light emitting device comprising a buffer layer made of non-doped GaN provided between a layer made of N (0 <z ≦ 1, z> x) and the multiple well layer or the SCH layer.
[0028]
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the GaN layer has better crystallinity than the AlGaN layer and InGaN layer, and the provision of the buffer layer made of non-doped GaN improves the crystallinity in the well layer. Inferred. A semiconductor light emitting device having a buffer layer made of non-doped GaN can obtain a larger light output than a semiconductor light emitting device having no buffer layer.
[0029]
Further, another invention of the present application is the semiconductor light emitting device, wherein at least the multiple well layer or the well layer is mesa-shaped and laser oscillation is possible.
By using the mesa shape, the laser oscillation can be facilitated by concentrating the current and the emitted light.
[0030]
Furthermore, the invention of this application and others relates to the p-type Al in the semiconductor light emitting device._xGa_1-xThe semiconductor light emitting device emits light from the layer side made of N (0 ≦ x ≦ 1).
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the well layer to be recombined is the p-type Al._xGa_1-xIt is a position close to the layer made of N. N-type Al_yGa_1-yWhen the layer made of N is on the substrate side, it is assumed that the crystallinity of the well layer where recombination is performed is further improved, and a large light emission output can be obtained.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
The energy band diagrams of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention are shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 2, 3, 4, and 5, 11 is p-type Al._xGa_1-xN layer, 12 is n-type Al_yGa_1-yN layer, 13 is In_qGa_1-qN well layer, 14 is In_rGa_1-rA barrier layer made of N, 15 is a multiple well layer in which the well layers 13 and the barrier layers 14 are alternately stacked, 31 is a buffer layer made of non-doped GaN, and 32 is a buffer layer made of non-doped GaN.
[0032]
2, 3, 4, and 5, n-type Al_yGa_1-yA buffer layer 31 made of non-doped GaN is formed between the layer 12 made of N and the multiple well layer 15 with p-type Al._xGa_1-xWhen the buffer layer 32 made of non-doped GaN is provided between the layer 11 made of N and the multiple well layer 15, the AlGaN layer is subjected to tensile stress (extensible force) to the GaN layer, and the InGaN layer is made of GaN. A compressive stress is applied to the layer. GaN layer has better crystallinity than AlGaN layer and InGaN layer, and n-type Al_yGa_1-yLayer 12 made of N or p-type Al_xGa_1-xN layer 11 and In_qGa_1-qIt is presumed that the crystallinity in the well layer 13 is improved by providing the buffer layer 31 or 32 made of non-doped GaN, rather than directly contacting the well layer 13 made of N. Therefore, compared to a semiconductor light emitting device that does not have a buffer layer, a semiconductor light emitting device that has a buffer layer made of non-doped GaN can emit light more efficiently, and a large light emission output can be obtained.
[0033]
In FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, FIG._qGa_1-qA well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer 13_rGa_1-rA multiple well layer 15 in which a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1) are alternately stacked is provided. The relation of r <q is set between the well layer 13 and the barrier layer 14 adjacent to the well layer 13. It is assumed that the crystallinity in the well layer is improved by repeatedly laminating the well layer 13 and the barrier layer 14. Therefore, the semiconductor light emitting device having a multiple well layer can emit light more efficiently than the semiconductor light emitting device having one well layer, and a large light emission output can be obtained.
[0034]
The thickness of the well layer 13 is preferably 4 nm or less, which is shorter than the wavelength of the hole de Broglie wave, and the thickness of the barrier layer 14 is preferably 10 nm or more, which is longer than the wavelength of the electron de Broglie wave.
[0035]
In FIG. 2, each well layer 13 and each barrier layer 14 in the multiple well layer have the same band gap energy. Each barrier layer 14 is made of GaN (In_rGa_1-rN, r = 0), and In_qGa_1-qBy alternately laminating with the well layers 13 made of N, the crystallinity in the well layers is improved.
[0036]
In FIG. 2, the thickness of the well layer 13 is 3 nm, and the barrier layer 14 is formed of GaN (In_rGa_1-rN = r = 0), the thickness is 18 nm, and the band gap energy Eg of each well layer is slightly shifted to shift the emission wavelength, thereby detecting the emission wavelength. It was confirmed by experiment which well layer was emitting light._xGa_1-xIt has been found that the well layer closest to the N layer 11 has the highest emission intensity. This is because of the difference in effective mass between electrons and holes, p-type Al_xGa_1-xIt is assumed that recombination of electrons and holes occurs in the well layer closest to the layer 11 made of N. n-type Al_yGa_1-yWhen each well layer is stacked with the layer 12 side made of N facing the substrate, p-type Al_xGa_1-xIt is assumed that the crystallinity of the well layer closer to the layer 11 made of N is improved. Therefore, p-type Al_xGa_1-xWhen the crystallinity in the well layer close to the layer 11 made of N is good, a large light emission output can be obtained by recombining electrons and holes efficiently in these well layers.
[0037]
In the configuration of FIG. 2, since the refractive index of the barrier layer becomes dominant, the refractive index is relatively p-type Al._xGa_1-xN layer 11 or n-type Al_yGa_1-yIt is close to the layer 12 made of N, and is suitable for a surface-emitting type semiconductor light emitting device.
[0038]
FIG. 3 shows that the well layer 13 is p-type Al in the multiple well layer 15._xGa_1-xToward the layer 11 made of N_qGa_1-qThe q of the well layer made of N gradually increases, and the barrier layer 14 becomes In_rGa_1-rThis is a semiconductor light emitting device in which r of the barrier layer made of N is constant. In particular, each barrier layer 14 is made of GaN (In_rGa_1-rN, r = 0), and In_qGa_1-qBy alternately laminating with the well layers 13 made of N, the crystallinity in the well layers is improved. n-type Al_yGa_1-yWhen each well layer is stacked with the layer 12 side made of N facing the substrate, p-type Al_xGa_1-xIt is assumed that the crystallinity of the well layer close to the layer 11 made of N is improved. p-type Al_xGa_1-xWhen the band gap energy in the well layer close to the layer 11 made of N is minimized, holes are easily accumulated in the well layer, and recombination of electrons and holes occurs efficiently, large light emission Output is obtained. Therefore, in the semiconductor light emitting device having such an energy band, light can be emitted efficiently and a large light emission output can be obtained.
In the configuration of FIG. 3, since the refractive index of the barrier layer becomes dominant, the refractive index is relatively p-type Al._xGa_1-xN layer 11 or n-type Al_yGa_1-yIt is close to the layer 12 made of N, and is suitable for a surface-emitting type semiconductor light emitting device.
[0039]
In FIG. 4, the well layer 13 is formed in the multi-well layer 15 with In_qGa_1-qThe q of the well layer made of N is constant, and the barrier layer 14 is p-type Al in the multiple well layer 15._xGa_1-xToward the layer 11 made of N_rGa_1-rThis is a semiconductor light emitting device in which r of the barrier layer made of N gradually increases. By alternately stacking the barrier layer close to the well layer that gradually emits light, p-type Al_xGa_1-xIt is assumed that the crystallinity of the well layer close to the layer 11 made of N is improved. p-type Al_xGa_1-xSince a recombination of electrons and holes occurs in the well layer close to the layer 11 made of N, a large light emission output can be obtained. Therefore, in the semiconductor light emitting device having such an energy band, light can be emitted efficiently and a large light emission output can be obtained.
In the configuration of FIG. 4, since the refractive index of the barrier layer is dominant, the refractive index distribution is relatively close to that of the well layer and can be applied to an edge-emitting semiconductor light emitting device.
[0040]
FIG. 5 shows In_qGa_1-qIn adjacent to the well layer 13 made of N_rGa_1-rWhile maintaining the relationship r <q with the barrier layer 14 made of N, the well layer 13 has the p-type Al_xGa_1-xTowards the layer of N (0 ≦ x ≦ 1)_qGa_1-qThe q of the well layer made of N gradually increases, and the barrier layer 14 is made of p-type Al._xGa_1-xTowards the layer of N (0 ≦ x ≦ 1)_rGa_1-rThis is a semiconductor light emitting device in which r of the barrier layer made of N gradually increases. A p-type Al layer is formed as an upper layer by alternately laminating barrier layers and well layers._xGa_1-xIt is assumed that the crystallinity of the well layer close to the layer 11 made of N is improved. p-type Al_xGa_1-xSince a recombination of electrons and holes occurs in the well layer close to the layer 11 made of N, a large light emission output can be obtained. Therefore, in the semiconductor light emitting device having such an energy band, light can be emitted efficiently and a large light emission output can be obtained.
In the configuration of FIG. 5, since the refractive index of the barrier layer is dominant, the refractive index distribution is relatively close to that of the well layer and can be applied to an edge-emitting semiconductor light emitting device.
[0041]
2, 3, 4, and 5, p-type Al_xGa_1-xFor x of the layer 11 made of N, n-type Al_yGa_1-yIf y of the layer 12 made of N is set so that y ≦ x / 2, the p-type Al_xGa_1-xN-type Al from the layer 11 made of N_yGa_1-yThe band gap energy of the layer 12 made of N can be reduced. For electrons, n-type Al_yGa_1-yBy reducing the band gap energy of the layer 12 made of N relatively, n-type Al_yGa_1-yElectrons are injected from the N layer 12 into the multiple well layer 15 at a low voltage. p-type Al_xGa_1-xBy increasing the band gap energy of the layer 11 made of N relatively, the p-type Al_xGa_1-xElectron escape to the layer 11 made of N can be reduced. As for the holes, the effective mass is larger than the electrons, so that the n-type Al of the holes injected into the multiple well layer 15_yGa_1-yThere is little escape to the layer 12 made of N. For this reason, it is possible to operate at a low voltage, and at the same time, the effect of confining electrons and holes is enhanced so that light can be emitted efficiently and a large light emission output can be obtained.
[0042]
(Embodiment 2)
6 to 10 show energy band diagrams of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. 6 to 10, 11 is p-type Al._xGa_1-xN layer, 12 is n-type Al_yGa_1-yN layer, 21 is In_sGa_1-sN well layer, 22 is In_tGa_1-tSCH layer made of N. p-type Al_xGa_1-xA buffer layer made of non-doped GaN may be provided between the layer 11 made of N and the SCH layer 22. N-type Al_yGa_1-yA buffer layer 31 made of non-doped GaN may be provided between the layer 12 made of N and the SCH layer 22.
[0043]
6 to 10, p-type Al_xGa_1-xFor x of the layer 11 made of N, n-type Al_yGa_1-yIf y of the layer 12 made of N is set so that y ≦ x / 2, the p-type Al_xGa_1-xN-type Al from the layer 11 made of N_yGa_1-yThe band gap energy of the layer 12 made of N can be reduced. For electrons, n-type Al_yGa_1-yBy reducing the band gap energy of the layer 12 made of N relatively, n-type Al_yGa_1-yElectrons are injected from the N layer 12 into the SCH layer 22 at a low voltage. p-type Al_xGa_1-xBy relatively increasing the band gap energy of the layer 11 made of N, the p-type Al is removed from the SCH layer 22._xGa_1-xElectron escape to the layer 11 made of N can be reduced. As for the holes, since the effective mass is larger than the electrons, the n-type Al of the holes injected into the SCH layer 22_yGa_1-yThere is little escape to the layer 12 made of N. For this reason, it can be made to emit light efficiently and a big light emission output can be obtained.
[0044]
6 to 10, SCH layers 22 are provided on both sides of the well layer 21 so as to be in contact with the well layer 21. In_sGa_1-sIn on both sides of the well layer 21 made of N_tGa_1-tBy providing the SCH layer 22 made of N and setting t <s, electrons and holes can be confined in the SCH layer and efficiently recombined in the well layer 21. Further, the band gap energy of the well layer 21 can be made smaller than that of the SCH layer 22 to facilitate the recombination of electrons and holes in the well layer 21, and the well layer 21 can emit light intensively. Further, since the refractive index of the SCH layer is dominant, the refractive index distribution is relatively close to that of the well layer, and the present invention can be applied to an edge-emitting semiconductor light emitting device.
[0045]
6 to 10, the well layer 21 is formed in the SCH layer 22 with p-type Al._xGa_1-xIt arrange | positions in the position approached to the layer 11 which consists of N (0 <= x <= 1). From the difference in effective mass between electrons and holes, p-type Al_xGa_1-xIt is considered efficient that electrons and holes are recombined in the well layer 21 located near the layer 11 made of N. Therefore, the well layer 21 is made of p-type Al._xGa_1-xBy disposing at a position close to the layer 11 made of N, electrons and holes are intensively recombined in the well layer, and a large light emission output can be obtained.
[0046]
FIG. 6 shows In_tGa_1-tT of the SCH layer 22 made of N is flattened within a range of 0 ≦ t <1. The band gap energy of the SCH layer 22 is n-type Al._yGa_1-yIt may be smaller than the layer 12 made of N and larger than the well layer 21. If the composition in the SCH layer is constant, the manufacture becomes easy.
If the semiconductor laser having a multiple quantum well structure is provided in the configuration of FIG. 6 by providing a plurality of well layers, the emission characteristics can be improved.
[0047]
FIG. 7 shows In_tGa_1-tT of the SCH layer 22 made of N is linearly increased toward the well layer 21. n-type Al_yGa_1-yA buffer layer made of non-doped GaN is also provided between the layer 12 made of N and the SCH layer 22 so that the band gap energy of the buffer layer is shifted toward the band gap energy of the well layer._tGa_1-tThe t of the SCH layer 22 made of N may be gradually increased. P-type Al_xGa_1-xA buffer layer made of non-doped GaN is also provided between the layer 11 made of N and the SCH layer 22 so that the band gap energy of the buffer layer is shifted to the band gap energy of the well layer._tGa_1-tThe t of the SCH layer 22 made of N may be gradually increased.
[0048]
When it is difficult to smoothly change the energy band when laminating the SCH layer, as shown in FIG. 8, by gradually changing the ratio of In and Ga, laminating the SCH layer, FIG. The same effect can be obtained.
[0049]
By making the energy band shown in FIG. 7 or FIG. 8, the crystallinity is improved toward the well layer in the semiconductor light emitting device, and the recombination of electrons and holes is facilitated in the well layer and concentrated in the well layer 21. Light can be emitted.
[0050]
9 and 10 show In_tGa_1-tWhen the t of the SCH layer 22 made of N is gradually increased parabolically toward the well layer 21 and when it is difficult to smoothly change the energy band when the SCH layer is stacked, FIG. As shown in FIG. 9, the same effect as FIG. 9 can be obtained by gradually changing the ratio of In and Ga and stacking the SCH layer.
[0051]
6 to 10, p-type Al_xGa_1-xFor x of the layer 11 made of N, n-type Al_yGa_1-yIf y of the layer 12 made of N is set so that y ≦ x / 2, the p-type Al_xGa_1-xN-type Al from the layer 11 made of N_yGa_1-yThe band gap energy of the layer 12 made of N can be reduced. For electrons, n-type Al_yGa_1-yBy reducing the band gap energy of the layer 12 made of N relatively, n-type Al_yGa_1-yElectrons are injected from the N layer 12 into the SCH layer 22 at a low voltage. p-type Al_xGa_1-xBy relatively increasing the band gap energy of the layer 11 made of N, the p-type Al is removed from the SCH layer 22._xGa_1-xElectron escape to the layer 11 made of N can be reduced. As for the holes, since the effective mass is larger than the electrons, the n-type Al of the holes injected into the SCH layer 22_yGa_1-yThere is little escape to the layer 12 made of N. For this reason, it is possible to operate at a low voltage, and at the same time, the effect of confining electrons and holes is enhanced so that light can be emitted efficiently and a large light emission output can be obtained.
[0052]
FIG. 11 is a diagram showing the light concentration effect of the SCH layer. In FIG. 11, a semiconductor light emitting device having only a well layer without an SCH layer (in FIG. 11, “no SCH layer”), a semiconductor light emitting device having a band energy corresponding to FIG. 6 (in FIG. 11, “flat SCH layer”) ), A semiconductor light emitting device having a band energy corresponding to FIG. 7 (“linear SCH layer” in FIG. 11), and a semiconductor light emitting device having a band energy corresponding to FIG. 9 (“parabolic SCH layer” in FIG. 11). )). At a wavelength of 400 nm, the width of the well layer is 4.3 nm, the well layer and the p-type Al_xGa_1- _xThe distance from the layer made of N is 5 nm, the well layer and the n-type Al_yGa_1-yThis is a simulation of the confinement effect of the light emitted from the well layer when the distance to the layer made of N is 25 nm.
[0053]
FIG. 11 shows that the light emitted from the well layer can be concentrated in the vicinity of the well layer due to the presence of the SCH layer. When the refractive index of the SCH layer is increased, an efficient light output can be obtained for a semiconductor light emitting device that emits light along a well layer, such as a semiconductor laser or an edge emitting light emitting diode.
[0054]
(Embodiment 3)
12 and 13 show energy band diagrams of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. 12 or 13, 11 is p-type Al._xGa_1-xN layer, 12 is n-type Al_yGa_1-yN layer, 13 is In_qGa_1-qN well layer, 14 is In_rGa_1-rA barrier layer made of N, 15 is a multi-well layer in which well layers 13 and 14 are alternately stacked, 31 is a buffer layer made of non-doped GaN, 32 is a buffer layer made of non-doped GaN, and 33 is p-type Al._zGa_1-zIt is a damping layer made of N.
[0055]
The difference from the embodiment described with reference to FIG. Since the effective mass of electrons is smaller than holes, p-type Al_xGa_1-xThere is a possibility that electrons escape beyond the layer 11 made of N. Therefore, p-type Al_zGa_1-zThe anti-skid layer 33 made of N is made of p-type Al._xGa_1-xBy setting z> x with respect to N, the band gap energy of the damping layer 33 is increased to prevent escape of electrons. As shown in FIG. 13, the damming layer 33 is made of p-type Al._xGa_1-xWhen arranged between the layer 11 made of N and the multiple well layer 15, electrons can be blocked more effectively. Further, in FIG. 13, a buffer layer made of non-doped GaN may be provided between the damping layer 33 and the multiple well layer 15. In the experiment, p-type Al with a thickness of 3 nm_zGa_1-zEven with the damming layer made of N, it was possible to prevent escape of electrons and to reduce the reactive current.
[0056]
(Embodiment 4)
FIG. 14 shows the structure of a semiconductor light emitting device in which a multiwell layer according to an embodiment of the present invention has a mesa shape. In FIG. 14, 1 is a semiconductor light emitting device, 15 is a multi-well layer, and 16 is a laser light emitting end face. The light laser-oscillated in the multiple well layer is emitted from the emission end face 16.
[0057]
By forming at least the portion of the multiple well layer 15 of the semiconductor light emitting device 1 into a mesa shape as shown in FIG. 14, the current is parallel to the multiple well layer 15 and perpendicular to the laser beam emission direction. Can be constricted. The current confinement enables the semiconductor light emitting device to emit light efficiently. Even when the semiconductor light emitting element has an SCH layer and a well layer, current confinement can be achieved by forming at least a portion of the well layer into a mesa shape as shown in FIG. The current confinement enables the semiconductor light emitting device to emit light efficiently.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the semiconductor light emitting device can efficiently emit light, and a large light emission output can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a single well layer.
FIG. 2 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a multiple well layer according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a multiple well layer according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a multiple well layer according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a multiple well layer according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting element having a flat SCH layer according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a linear SCH layer according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a linear SCH layer according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a parabolic SCH layer according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a parabolic SCH layer according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a light intensity distribution of a semiconductor light emitting device having an SCH layer according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating an energy band of a semiconductor light emitting device having a blocking layer according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining an energy band of a semiconductor light emitting device having a barrier layer according to the present invention.
FIG. 14 illustrates a structure of a semiconductor light emitting device having a mesa shape according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Semiconductor light emitting device
11: p-type Al_xGa_1-xN layer
12: n-type Al_yGa_1-yN layer
13: In_qGa_1-qN well layer
14: In_rGa_1-rBarrier layer consisting of N
15: Multiple well layer in which well layers and barrier layers are alternately stacked
16: Output end face
21: In_sGa_1-sN well layer
22: In_tGa_1-tSCH layer consisting of N
31: Buffer layer made of non-doped GaN
32: Buffer layer made of non-doped GaN
33: p-type Al_zGa_1-zDamping layer consisting of N

Claims

Multi-well layer sandwiched between a layer made of p-type Al _x Ga _1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer made of n-type Al _y Ga _1-y N (0 ≦ y ≦ x / 2) But,
A well layer made of In _q Ga _1-q N (0 <q ≦ 1) and a barrier layer made of In _r Ga _1-r N (0 ≦ r <1) adjacent to the well layer and adjacent wells A plurality of barrier layers having a relationship of r <q are alternately stacked between the layers ,
In the well layer , q gradually increases toward the layer made of p-type Al _x Ga _1-x N (0 ≦ x ≦ 1) in the multi-well layer, and the barrier layer is formed in the multi-well layer. R gradually increases toward the layer made of p-type Al _x Ga _1-x N (0 ≦ x ≦ 1),
Before Symbol p-type _{_{Al x Ga 1-x N (}} 0 ≦ x ≦ 1) most recombining electrons and holes in the well layer closest to the layer made of a semiconductor light emitting element to emit light.

2. The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein the p-type Al _x Ga _1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer is formed of p-type Al _z Ga _1-z N (0 <z ≦ 1, z A semiconductor light emitting device comprising a layer of> x).

The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the p-type _{_{Al x Ga 1-x N (}} 0 ≦ x ≦ 1) consists of a layer and between the multi-quantum well layer, p-type _Al z _{Ga 1-z} N A semiconductor light-emitting element comprising a layer of (0 <z ≦ 1, z> x).

The semiconductor light emitting device according to claim 1 to 3, a buffer layer made of non-doped GaN between the n-type _{_{Al y Ga 1-y N (}} 0 ≦ y ≦ 1) consists of a layer and the multi-quantum well layer A semiconductor light emitting element provided.

The semiconductor light emitting device according to claim 1 to 3, wherein the p-type _{_{Al x Ga 1-x N (}} 0 ≦ x ≦ 1) layer or the p-type consisting of _{_{Al z Ga 1-z N (}} 0 <z ≦ 1 , Z> x) and a buffer layer made of non-doped GaN is provided between the multiple well layer.

The semiconductor light emitting device according to claim 1 to 5, at least the multi-quantum well layer or the well layer in the mesa, the semiconductor light emitting device characterized by laser oscillation is possible.

The semiconductor light emitting device according to claim 1 to 5, the semiconductor light emitting device characterized by emit the emitted light from the side of the layer made of the p-type _{_{Al x Ga 1-x N (}} 0 ≦ x ≦ 1) .