1 ユ

(b) 

UV  InGaN LED o n  s a p p h i r e  

D E S F

ゐ

a A 3 ' A n u n u n u n u  

(明Z

E‑

‑﹄﹄mH)と

z a s g

︻ω乙宮古出

0.0  Q 

330  10  100 

F o r w a r d  C u r r e n t  ( m A )  

1  0.1 

4.30  410 

390 

W a v e l e D g t h  ( n m )  

370  350 

サ フ ァ イ ア 基 板 上 に 成 長 し た GaN及 び 1nGaN紫 外 LED

ELOG基板、

図

6‑ 8 

10GaN活 性 層 紫 外 LEDの 発 光 ス ベ ク ト ル

図

6‑ 7 

の 外 部 量 子 効 率 と 1fの関係 (a) ELOG基 板 上 に 作 成

(b)サ フ ァ イ ア 基 板 上 に 作 成 。

サ 1nGaN活 GaN活 性 層 紫 外 LEDで は ELOG基 板 を 用 い た 場 合 、 フ ァ イ ア 基 板 を 用 い た 場 合 よ り 約 2倍 の 外 部 量 子 効 率 が 得 ら れ た 。

1_fにおいて、

20mAの 図 6 ‑ 7に (a)ELOG基板上、 (b)サ フ ァ イ ア 基 板 上 に 作 成 し た 1nGaN活 性 層

門da

no  

円h

u

no  

性層の場合、 ELOG基 板 使 用 に よ る 発 光 効 率 改 善 は 20%程 度 で あ っ た 。 380nm の 発 光 ピ ー ク の InGaN紫 外 LEDで は InGaN層 の lnモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ が 有 り 、 注 入 キ ャ リ ア の 局 在 が 有 る た め 20%程 度 の 効 率 改 善 と な っ た と 考 え ら れ る 。

こ の よ う に ELOG基 板 を 用 い て 紫 外 LEDを 作 成 す る こ と で 発 光 効 率 が 約 2 害Ij改善された。発光スペクトルには影響しないことが判った。

4)  M. Mayer， A. Pelzmann， C. Kirchner， M. Schauler， F.  Eberhard， M. Kamp， P.  Unger and K. J.  Ebeling: J.  Cryst.  Growth 1891190(1998) 782 

6‑3 

結 言

本 章 で GaN系 材 料 に よ る 紫 外 LEDの 検 討 を し た 。 前 章 ま で で 得 た 結 論 に 矛 盾 す る こ と 無 く 、 活 性 層 に InGaNを 用 い る こ と に よ り 高 い 発 光 出 力 が 得 ら れ る こ と が 示 さ れ た 。 得 ら れ た 紫 外 LEDの 発 光 波 長 と 発 光 出 力 は そ れ ぞ れ 372nm 及 び 5mWであった。 InGaN活 性 層 の Inモノレ分率が小さい時には、 InGaN層 の 組 成 不 均 一 の 程 度 が 小 さ い た め 注 入 キ ャ リ ア の 局 在 効 果 が 薄 い た め で あ る 。 Inモ ノ レ 分 率 が 小 さ い 時 の 発 光 効 率 改 善 の 方 法 と し て 貫 通 転 位 密 度 が 小 さ い ELOG基 板 が 有 効 で あ る こ と が 示 さ れ た^D特 に 活 性 層 に Inを 全 く 含 ま な い GaN 活 性 層 に お い て は

2

倍 の 改 善 が 見 ら れ たD

紫 外 LEDの 作 成 の 動 機 で あ っ た 水 銀 の 発 光 ピ ー ク 波 長 (365nm) で は 高 効 率 が 得 ら れ な か っ た 。 365nmや さ ら に 短 波 長 の 紫 外 LEDを 作 成 す る た め の 必 要 条 件 と し て 、 1)貫 通 転 位 を で き る 限 り 低 密 度 に す る こ と 、 2)活 性 層 材 料 を GaNあ る い は AIGaNにすること、 3)コ ン タ ク ト 層 を 含 め GaN層 を 用 い な い こ と 、 が 考 え ら れ る ^D し か し 、 本 研 究 で は こ れ ら の 解 決 す べ き 問 題 点 が 明 ら か に さ れ た が 、 そ の 実 現 に は 至 ら な か っ た 。 こ れ ら は 今 後 の 課 題 で あ る 。

参 考 文 献

1)  T. Mukai、D.Morita and S.  Nakamura: J. Cryst.  Growth 1891190(1998) 778  2)  T. Mukai、M.Yamada and S. Nakamura: Jpn. J.  Appl.  Phys. 38(1999) 3976  3)  T. Mukai and S.  Nakamura: Jpn. J. Appl.  Phys. 38(1999) 5735 

‑88^ー n o   ^ny 

第 7章 GaN系 LEDの 長 波 長 化

7‑0  緒 言

n‑GaNと InGaN活 性 層 の 聞 に 有 る ア ン ド ープ GaNは 電 流 拡 散 層 と し て 設 け た。ま た GaNコ ン タ ク ト 層 の Si ドープ 量 を こ れ ま で 述 べ て き た LEDよ り 多 く

し て 抵 抗 率 を お よ そ 6̲5

A2 

crnと し た 。 コ ン タ ク ト 層 の 抵 抗 率 を 小 さ く す る こ

λIO‑J 

とは GaN系 LEDの 順 方 向 電 圧 を 低 く す る た め に 有 効 で あ る。 GaN系 LEDで は 絶 縁 物 で あ る サ フ ァ イ ア を 基 板 と し て 用 い る た め 、 p及 びn電 極 の 両 方 を 上 倶IJ ( エ ピ タ キ シ ャ ル 層 側 ) に 設 置 す る 必 要 が あ る。 そ の た め 電 流 は

n

電 極 か ら 横 方 向 に 流 れ る 部 分 ( 図 7‑2の Aの 部 分 ) が あ るロ こ の部 分 の 電 圧 降 下 成 分 が 無 視 で き な い ほ ど 大 き い た め で あ る。図 7‑ 2に

n

電 極 付 近 の 拡 大 図

を 示 す。 本 章 で は InGaN'LEDの 長 波 長 領 域 の LEDに つ い て 検 討 す る 。 緑 色 よ り 長 波

側 で は 応 用 に お い て 二 つ の 重 要 な 色 が 有 る 。 一 つ は 交 通 信 号 に お け る 黄 色 "

( 本 研 究 で は こ の 色 を こ は く 色 と 表 現 し て い る ) と 、 も う 一 つ は 光 の 三 原 色 と し て の 赤 " で あ るD ま た 将 来 に お い て は 、 光 通 信 分 野 に お い て 、プ ラ ス チ ッ ク 光 フ ァ イ バ ー (POF)を 用 い た 近 距 離 通 信 に InGaN'LEDを 用 い ら れ る こ と が 考 え ら れ る 口 そ の 背 景 と し て 、 POFの 材 料 の 一 つ に ポ リ メ チ ノ レ メ タ ク リ レート (PMMA) が 有 り 、 こ の 材 料 で は 光 減 衰 率 の 極 小 が 570nrn付近に有る。

し か し 従 来 の AIInGaPや GaP材 料 で は 570nrnの 波 長 の 高 出 力 LEDが 無 い た め InGaN・LEDが POF通 信 の 光 源 と し て 有 望 と 考 え ら れ る o 7 ‑1節 で は こ は く 色 InGaN‑LED、 7‑2節 で は 赤 色 InGaN・LEDについて述べる。

D‑GaN 

、 ¥

血‑ele/eh

・

^de

一 一 一

p

電極

7 ‑1  こ は く 色 InGaN'LEDの 作 成 と 評 価

図 7‑ 1に こ は く 色 InGaN'LEDの チ ッ プ 断 面 図 を 示 す。

45μm 

p ‑ e

l民trode

p ‑

GaN 

p-~Gao..N

InGaN  Undoped GaN 

Undoped GaN  GaN bufTer layer 

図 7‑ 2 n電 極 付 近 の 拡 大 図

Sapphire substrate 

図 7‑ 1 こ は く 色 InGaN'LEDの チ ッ プ 断 面 図

本 図 に お い て 、 斜 線 部 が エ ッ チ ン グ に よ り n‑GaNが 露 出 し た 部 分 で あ る 。 n‑GaNが 露 出 し た 領 域 の う ち 、 A の 部 分 が 横 方 向 に 電 流 が 流 れ る 部 分 で あ る 。

‑90‑ ^nud 

こ は く 色 AIInGap.LEDの 発 光 ス ペ ク ト ル を 図 中 に 示 し で あ る 。 比較のため、

n電 極 と 非 エ ッ チ n電 極 の 左 上 円 弧 部 の 長 さ 160].lm、

抵 抗 率 6.5X10³Qcm、

ス ペ ク ト ル 半 発 光 ピ ー ク 波 長 は InGaNが 594nm、AIInGaPが 591nmであった。

ン グ 部 の 距 隊 45].l

m

、 エ ッ チ ン グ 後 の n‑GaNの 残 り の 厚 み 3pmか ら 、 横 方 向 に

InGaN.LEDの ス ベ ク トル半 値 幅 は InGaNが 50nm、AIInGaPが 17nmであった。

こ の 部 分 の 6Qと 見 積 も ら れ る 。 従って、

電 流 が 流 れ る 部 分 の 抵 抗 値 は 約

目 視 に お い て は 色 相 の 違 い を 判 別 で き 値 幅 が AIInGaPの 半 値 幅 よ り 広 い が 、

n p両 電 極 を 上 面 か この様に、

I_f^ニ20mAに お け る 電 圧 降 下 は O.12Vである。

なかった。

こ の 部 分 の 抵 抗 率 を 低 く す る こ と は 、 )1慎 方 向 電 圧 ら取る GaN系 LEDの場合、

結発 光 出 力 の 温 度 依 存 性 を 周 囲 温 度 を‑35⁰Cから +80⁰Cま で 変 え て 調 べ た 白 を 低 く す る こ と に 大 き な 効 果 が あ る こ と が 判 る 。

発 光 出 力 は 25⁰Cで lに正規化した。

果 を 図 7‑4に示す。

特 性 の ラ ン プ 作 成 を 行 っ た 。

3 ‑ 1節 で 述 べ た 方 法 と 同 様 に チ ッ プ 作 成 、

LED  材 料 の こ は く 色

AIInGaP  評 価 は 同 一 波 長 に お い て 実 用 化 さ れ て い る

20mA  直 流

室温、

と 比 較 し な が ら 行 っ た 。 Packard ネ土 :HLMP^一DL32)

(Hewlet 

︒

_u

o o f o a

骨 骨

︐

h a u e o r o a

‑

守

︑ ︐

H

・ 且 咽 且 哩 且

‑E

・且

h o n H V O O (防 相宮 田

. a t M a )

﹄

ω

除︒ 色宮 内

22︒

ω k

︐

z a

Z

出

の 1fに お い て 発 光 出 力 は 1 .4mW、V_fは 3.3Vであった。AIInGap.LEDで は O.7mW  作 成 し た こ は く 色 InGaN.LEDの 発 光 ス ペ 1.95Vの V_fであった。

の発光出力、

ク ト ル を 図 7‑ 3に示す白

80 

こ は く 色 LEDの 発 光 出 力 と 周 囲 温 度 の 関 係 60 

Ambient temperature (oC)  40  20 

‑20 

。

‑40 

図 7‑4  1.0 

e o r o a

‑

‑

今 ︐a

a o h o a v n o  

( 閣 制

S百2・

﹄偲)診窃固

ω苫 Z K _︐ z a

時間出

ω

o u  

oリ

800  600  700 

500  400 

周 囲 温 度 を 25⁰

C

から 80⁰

C

ま で 上 昇 さ せ た 時 InGaN.LEDは 25⁰

C

の 時 の 90弘 Wavelength (nm) 

こは:

く色 AIInGap.LEDの 発 光 出 力 が 周 囲 温 度 上 昇 に 伴 い 大 き く 低 下 す る 原 因 は 、 一 方 AIInGap.LEDで は 50略の発光出力であった。

の 発 光 出 力 で あ っ た 。 こ は く 色 InGaN.LED及 び AIInGap.LEDの 発 光 ス ベ ク ト ル

図

7‑ 3 

円べ

U

AUd 

9h

 

A吋U

の バ ン ド ギ ャ ッ プ は InN 

を 作 成 で き る と 考 え ら れ る。 LED 

赤 色 領 域 の InN) 

活 性 層 と ク ラ ッ ド 層 の バ ン ド オ フ セ ッ ト が 小 さ い た め キ ャ リ ア が 活 性層から

l. 8geV³)で あ る の で 波 長 換 算 す れ ば 656nmで あ る。InGaN'LEDの 長 波 長 化 と し ク ラ ッ ド 層 へ オ ー バ ー フ ロ ー し て い る た め と 考 え ら れ る 。 ²⁾こ れ は、AIlnGaP^・

て 赤 色 LED⁴)の 作 成 を 検 討 し た 。 バ ン ド ギ ャ ッ プ が最 大に

LEDの ク ラ ッ ド 層 が (AlxGal̲) o.  5Ino 5Pで あ る た め 、

と同じで、

InGaN'LED  エ ピ タ キ シ ャ ル 層 の 構 成 は 前 節 で 作 成 し た こ は く 色

なる

X=l

の 場 合 に お い て も 充 分 な キ ャ リ ア 閉 じ 込 め が で き な い ということで、

InGaN活 性 層 の Inモ ノ レ 分 率 の み を 高 く し た 。 特 性 の 測 定 は 室 温 、 直 流 で 行 っ

I_f に お い て InNの バ ン ド ギ ャ ッ プ

InGaN  こ の よ う に Inモ ル 分 率 を 連 続 的 に

図

7‑ 6

に 細 線 で 示 さ れ の

これらは、

(太線) 800 

20mA 

のもので、

20mAの I_fに お け る 発 光 ス ペ ク ト ル を 図 7‑6に 示 す。

赤 色 InGaN'L印 の 発 光 ス ペ ク ト ノ レ

lOmAの I_fに お い て 680nm(l. 82eV)と の 発 光 ピ ー ク 波 長 は

700 

エネルギー(l.8geV)と 同 程 度 以 下 の値が得られた。

Wavelength (nm) 

InGaN'LED 

600 

活 性 層 の Inモノレ分率が長波長ほど高い。

にυハud

緑 及 び こ は く 色 500 

1 nGaN . LED 

0.0  400  8 6 4 2  

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 51-55)