‑ ‑ 同

， . ‑ ‑

m‑ele/c trode 

‑ーー

‑

‑ ‑

‑

一

ELOG  Sapphire substrate 

p‑cJcctrode  p‑GaN  p‑Al_o.₂Gao.sN  InGaN  {Indoped GaN  n‑GaN  llndoped GaN 

550  500 

W a v e ) e n g t h  ( n m )  

450  400 

o u

o v  

 

ELOG基 板 上 に 成 長 し た 青 色 SQW・LEDの チ ッ プ 断面図 図 4‑ 3 

20mA (J) 

ELOG上 お よ び サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た 青 色 LEDの に お け る 発 光 ス ベ ク トル

図 4‑ 4

3 ‑ 1節 で 述 べ た 方 法 と 同 様 に チ ッ プ 作 成 と LEDラ ン プ 作 成 を 行 っ た 。 特 直 流 で 行 っ た。

性の測定は室温、

ま ず 発 光 ス ペ ク トル の 評価 を し た口図

4‑ 4

に ELOG上 に 作 成 し た 青色 LED I_fに お け る 発 光 ス ペ ク ト と サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た 青 色 LEDの 20mAの

発 光 ピ ー ク 波 長 お よ び ス ベ ク ト ル 半 値 幅 は 、 ELOG基 板 上 に 成 長 し た LEDで ノレを示す。

LED で は サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た

で あ っ たD

27nm  470nm、

は そ れ ぞ れ

ピ ー ク 波 長 が 少 し 異 な る の は 成 長 毎 の ば ら つ き と 思 で あ っ た。

26nm  464nm 

わ れ る 。 半値 幅に は 殆 ど 違 い は 見 ら れ な か っ た。図 4‑ 5に ELOG上 お よ び サ ファ イア 上 に直接作 成 し た 青 色 LEDの O.1 "‑' 2 0 mAの I_fに お け る 発 光 ピ ー ク 波 長 を 示 す。

‑57‑

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4 8 0  

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^{LED on Sappbire} 

鳴 1 x 10⁰ 

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同

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v 

^、LEDon ELOG  1 x 10^・2

1)()O^・1 1 x 10⁰  1 x 10¹  1 x 10² 

Forward c u r r e n t  (mA) 

LED on Sapphire 

4 6 0

、_1. 

111  111 .n.‑J  . .  ...n.0  . .   ......1   ..  ..^..，.2 

1 x 10‑^ゐ lxl0‑' lxl0^v  lxl0^且 1x 10. 

Forward c u r r e n t  (mA) 

図 4‑5 ELOG上 お よ び サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た 青 色 LEDの O.1 '"'‑'  20 mA 

の I_fに お け る 発 光 ピ ー ク 波 長 図 4‑ 6 青 色 LEDの I_fと 発 光 出 力 の 関 係

発 光 ピ ー ク 波 長 は ど ち ら の 基 板 を 用 い た 場 合 も 電 流 の 増 加 に よ り 短 波 長 側 に シ フ ト し た が 変 化 の 様 子 は 同 様 で あ っ た 。 こ の ブ ル ー シ フ ト 現 象 に つ い

ては次章で検討する。

Ifに 対 す る 発 光 出 力 の 変 化 を 図 4‑6に示す。20mAの Ifに お け る 外 部 量 子 効 率 は 青 色 LEDで 1l.

4 %

、緑色 LEDで

6 . 3

九であった。 ELOG基 板 、 サ フ ァ イ ア 基 板 ど ち ら の 基 板 を 用 い た 場 合 も 効 率 に 違 い は 見 ら れ な か っ た 。 す な わ ち 本 実 験 で の 条 件 下 で は 貫 通 転 位 密 度 の 違 い に よ り 発 光 効 率 の 違 い が 見 ら れ な か

次 に 基 板 の 違 い に よ る 逆 バ イ ア ス 条 件 下 の 電 流 ‑ 電 圧 特 性 を 図 4 ‑ 7に 示す。 20Vの 逆 方 向 バ イ ア ス 時 に お け る 逆 方 向 電 流 は 、 ELOG基 板 上 に 成 長 し た LEDで は O.009μA、 サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た LEDでは 1μAで あ っ た。 同 様 な 特 性 が Sasaokaら ⁶⁾によ り報告されている口l.8Vの 順 方 向 バ イ ア ス 下

に お け る I_fは、 ELOG基 板 上 に 成 長 し た LEDで は O.OOlJ.lA未 満 で あ っ た が サ フ ァ イ ア 上 に 直 接 作 成 し た LEDでは O.OlJ.lAであった。

ったD

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F﹁U

¥ '  o l t a g e   ( v )  

‑ 8 0   ‑ 6 0  

‑40 

‑ 2 0  

4‑4  貫 通 転 位 に 関 す る 考 察

。

ま ず ス ペ ク ト ル 半 値 幅 で あ る が 、 量 子 井 戸 活 性 層 か ら の 発 光 に し て は 半 値

幅 が 広 い と 思 わ れ る 。 こ の 原 因 は 、 InGaN層 は Inモ ル 分 率 が 層 内 で 揺 ら い で お り 、 こ の 広 い 半 値 幅 の 原 因 は Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ で あ る と 考 え ら れ て い る。

7.  8)貫 通 転 位 密 度 の 異 な る 基 板 上 に 作 成 し た

L E D

に お い て 半 値 幅 が 殆 ど 同 じ で あ る こ と か ら 貫 通 転 位 の 存 在 と Inモ ノ レ 分 率 の 揺 ら ぎ の 相 関 は 無 い と 考 え

られる。

次 に I_fを 増 加 さ せ た 時 の 発 光 ス ペ ク ト ル の ブ ル ー シ フ ト 現 象 ( 図 4‑ 5参 照 ) に つ い て 考 察 す る 。 注 入 さ れ た キ ャ リ ア の 再 結 合 は InGaN中の Inモノレ分 率 の 揺 ら ぎ に よ る Inリ ッ チ な 領 域 に 形 成 さ れ る ポ テ ン シ ヤ ノ レ の 谷 ( 狭 バ ン ド ギ ャ ッ プ 部 ) で 生 じ る 。 そ れ ゆ え 、 電 流 増 加 す な わ ち 注 入 キ ャ リ ア を 増 加 す る と 、 ポ テ ン シ ャ ル の 谷 の バ ン ド フ ィ リ ン グ が 生 じ 、 ブ ル ー シ フ ト が 起 き る と考えられる。 7‑9)図 4 ‑ 8に Ifを 増 加 さ せ た 時 の バ ン ド フ ィ リ ン グ 発 生 の

模 式 図 を 示 すD

ミMAU 

‑E EA  

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‑ ‑ ‑ ‑ a  

LED 00 ELOG 

1  x  1 0 .  

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1  x  1 0  

図

4‑ 7

青 色

L E D

の 電 流 ‑ 電 圧 特 性

I n  

リッチ領 域

(低バンド、ギャップ部)

伝導帯 イ 入

キャリア注入が多いため 生じたバンドフィリング 貫 通 転 位 密 度 の 異 な る 基 板 を 用 い て 作 成 し た

L E D

の 特 性 の 比 較 を 表

4‑ 1 

ににまとめる。

表

4‑ 1

貫 通 転 位 密 度 の 違 い に よ る

L E D

の 特 性 の 比 較

価 電子 帯

2OmAの I_fに お け る ス ペ ク ト ル I _fを 増 加 さ せ た 時 の ブ ル ー シ フ ト 発 光 効 率

)

1慎 お よ び 逆 方 向 バ イ ア ス 時 の 電 流 ^{1hv  ︑ ︑ 有 れソ}

し一 し一 し一 違 な一 な一 な一 な 違一 違一 違一 著 差一 差一 差一

顕 図 4‑ 8 I_fを 増 加 さ せ た 時 の バ ン ド フ ィ リ ン グ

(左:低 I_f時 、 右 : 高 I_f時)

ハUFhu  市上ρhv 

ま た 、 図 4‑ 5に 示 さ れ る よ う に 、 貫 通 転 位 密 度 の 違 い に よ る ピ ー ク シ フ ト が 同 様 で あ る こ と か ら Inモ ノ レ 分 率 の 揺 ら ぎ が こ れ ら の 試 料 問 で は 同 等 で あ る と い え る。

発 光 効 率 に つ い て 考 察 す る。単 に 転 位 が 非 発 光 再 結 合 中 心 と し て 働 く と す る と 、 発 光 効 率 に 差 が 無 か っ た こ と は 説 明 が つ か な い 。 前 述 の よ う に InGaN 層内には、 Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る バ ン ド ギ ャ ッ プ の 揺 ら ぎ が 存 在 す る 。

こ れ を 考 慮 す る と 、 n‑InGaN/p‑A1GaNで 形 成 さ れ る pn接 合 に お け る ポ テ ン シ ヤノレ障壁の高さは pn俵 合 面 内 で 揺 ら い で い る こ と に な る 。 す な わ ち 順 方 向 バ イ ア ス に お い て p‑A1GaNから n‑InGaNへ の 正 孔 の 注 入 は Inリ ッ チ な 所 へ の み 選 択 的 に 行 わ れ る o In リ ッ チ な 領 域 は ポ テ ン シ ヤ ル の 谷 に な っ て い る の で 、 注 入 さ れ た キ ャ リ ア は こ の 領 域 に 閉 じ 込 め ら れ る^D そ の 結 果 、 最 近 接 の 転 位 に 捕 ま る こ と 無 く 発 光 再 結 合 で き る と 考 え ら れ る 口 図 4‑ 9に そ の 模 式 図 を 示 す。図 4‑9は 活 性 層 水 平 面 の イ メ ー ジ で あ る 。

こ の よ う な 機 構 に よ り 高 密 度 な 貫 通 転 位 が 存 在 す る に も か か わ ら ず 、 高 い 量 子 効 率 が 得 ら れ た と 考 え ら れ る口 こ の よ う に 青 色 、 緑 色 領 域 に お い て 貫 通 転 位 は 発 光 効 率 に 殆 ど 影 響 し て い な い こ と が 判 っ た。

一 方 、 貫 通 転 位 の 存 在 が

I ‑ V

特 性 へ 与 え る 影 響 で は 、 1)慎 方 向 、 逆 庁 向 バ イ ア ス 下 に お け る 暗 電 流 は 高 転 位 密 度 を 有 す る

LED

に お い て 多 く み と め ら れ た。

こ の 理 由 と し て 、 貫 通 転 位 が 生 成 一 再 結 合 中 心 を 形 成 し て い る と 考 え ら れ る。

言結

Fb  

Aせ

本章では、 GaN/サ フ ァ イ ア 系 ヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ー に お い て 問 題 と な る 格 子 不 整 合 、 特 に 格 子 不 整 合 に 起 因 す る 貫 通 転 位 と

LED

特 性 の 関 係 に つ い て 検 討 を行った。

貫通転位は、 l)InGaNの Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ の 形 成 に は 影 響 を 与 え て い な い、 2)生 成 一 再 結 合 中 心 を 形 成 す る 、 知 見 を 得 た。

高 密 度 に 存 在 す る 貫 通 転 位 は 発 光 効 率 に 殆 ど 影 響 し て い な い 。 そ の 理 由 と して Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ り 注 入 キ ャ リ ア が 局 在 す る た め で あ る と 結 論 イ寸けた。

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︑ ぎ 底 作 合 一 任 谷 が 結 涜 の 位 再

︿ ル 転 光 一引一ヤ通発 ゅ︑グ貫一非 モ テ 一

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。

_{参 考 文 献}

1)  S.  D. Lester， F. A. Ponce， M. G. Craford and D. A. Steigerwald: Appl.  Phys. 

Lett. 66(1995) 1249  キャリアは空間的に

I n

リッチ領域に

閉じ込められ自由に拡散できない

(非発光再結合中心に到達できなし¥) _{2)  S.  Nakamura}， M. Senoh， N. Iwasa， S.  Nagahama， T.  Yamada and T.  Mukai: 

Jpn. J.  Appl.  Phys. 34(1995) L1332 

3)  A.  Usui， H.  Sunakawa， A.  Sakai  and  A.  Yamaguchi:  Jpn.  J.  Appl.  Phys. 

図 4‑ 9 キ ャ リ ア が Inリ ッ チ 領 域 に 閉 じ 込 め ら れ 、 近 接 の 非 発 光 再 結 合 中 心 に 捕 獲 さ れ な い 状 態 を 示 す 概 念 図

36(1997) L899 

4)  A. Usui， H. Sunakawa， N. Kuroda， A. Kimura， A. Sakai and A. Yamaguchi: 

2nd Int.  Symp. on Blue Laser and Light Emitting Diodes， Chiba， 1998， Tu‑3 

n︐

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‑ 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃 圃

5)  T. Mukai， K. Takekawa and S.  Nakamura: Jpn. J.  Appl.  Phys. 37(1998) L839  6)  C.  Sasaoka， H. Sunakawa， A. Kimura， M. Nido， Usui and A. Sakai: J.Cryst. 

Growth 189/190(1998) 61 

7)  S.  Chichibu

， 

T.  Azuhata

， 

T.  Sota  and  S.  Nakamura:  Appl.  Phys.  Lett.  69(1996) 4188 

8)  Y. Narukawa， Y. Kawakami， Sz.  Fujita， Sg.  Fujita  and S.  Nakamura: Phys. 

Rev. B55( 1997) 1938R 

9)  Y.  Narukawa， Y.  Kawakami， M.  Funato， Sz.  Fujita， Sg.  Fujita  and  S.  N akamura: Appl.  Phys. Lett.  70(1997) 981 

第 5章 InGaN'LEDの 発 光 特 性 の 解 析

5‑0  緒 言

本 章 で は InGaN'LEDに 見 ら れ る 発 光 ス ペ ク ト ル の 各 種 条 件 下 で の 変 化 に 関 す る 検 討 を 行 う ロ ま ず

5‑1

節 で 順 方 向 電 流 や 周 囲 温 度 に よ っ て 発 光 ス ベ ク ト ル が ど の よ う な 変 化 を す る か を 調 べ 、

5‑2

で そ の 結 果 に 対 す る 考 察 を 行 う 。

5  ‑1 

1)慎 方 向 電 流 及 び 周 囲 温 度 と 発 光 ス ペ ク ト ル

InGaN.SQW構 造 LEDに お い て は If増 加 に よ り 発 光 ス ベ ク ト ル が ブ ル ー シ フ ト す る 。 こ の シ フ ト が 起 き る 理 由 と し て Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る Inリッ チ 領 域 の バ ン ド フ ィ リ ン グ が 考 え ら れ る 。 1 .2) 

ウノレツ鉱型(六方晶)の GaN系 材 料 は 圧 電 性 を 有 す る 。 立 万 品 で は 対 称 、 の 中 心 が 有 る た め 圧 電 性 を 持 た な い が 、 六 方 晶 で は 対 称 の 中 心 が 無 い た め 圧 電 性 を 示 すD すなわち、 InGaN活 性 層 に は ピ エ ゾ 電 界 が 発 生 し 、 そ の ス ク リ ー

ニ ン グ に よ る ブ ル ー シ フ ト 1 .3)も考えられる。

こ こ で If増 加 に よ る ブ ル ー シ フ ト の 原 因 と 発 光 ス ペ ク 卜 ノ レ の 周 囲 温 度 依 存 性 の 機 構 に つ い て 検 討 す る 。

図 5 ‑ 1に InGaN'SQW構 造 緑 色 LEDの発光スペクトノレの (a)電流依存性、

(b)周 囲 温 度 依 存 性 を 示 す 口 LEDの 層 構 成 は 第 3章 で 作 成 し た も の と 同 じ で あ

る

‑64‑ ^{nhu  u﹁ ﹁}

I_f の 増 加 に 連 れ て 発 光 ス ペ ク ト ル が ブ ル ー シ フ ト し て い る 図 5‑ 1 (a)で

ことがわかる。 (b)で は 周 囲 温 度 の 変 化 に 対 し て ス ベ ク ト ル は 変 化 し て い な い。 120 

半 導 体 の バ ン ド ギ ャ ッ プ は 温 度 上 昇 に よ り 一般 的 に 小 さ く な る の で 発 光 ス ペ T=25‑C 

( a )  

ク ト ル は 長 波 長側 に シ フ ト す る は ず で あ る が そ の よ う な 結 果 に な っ て い な い。 同 様 に InGaN'SQW構 造 青 色 LEDに お い て も If増 加 に よ り 発 光 ス ベ ク ト ル は ブ

図 5‑ 2に AIInGaP赤 色 LED(東芝 TLRH157P)の 発 光 ス ペ ク ト ル の (a)電 流 依 ノ レ ー シ フ ト し 、 周 囲 温 度 変 化 に 対 し て は ス ペ ク ト ル の 変 化 は 見 ら れ な か っ た。

7 ω  

T=25.C 

575  600  625  650  675  WaveJengtb (nm) 

‑67‑

( a )  

I=20m  (b)周 囲 温 度依 存性を示す。

550  120  宕1ω

. . . .  

a 

g 

a 』

ドキュメント内 GaN系発光ダイオードに関する研究 : 紫外から赤色領域で発光するInGaN・LEDの作成および発光特性 (ページ 36-41)