， と

̲  

ー のg 

圃~

，_g  ω み

.

̲   ・

伺4

= 

ω 

6 0  

40  1=20mA 

( b )  

T=‑30仁

T= 25~C

T= 80'C  ]20 

' E ' l o o  

Z 2 

2 h 

、側. 〆

.h ... 

明 白ω 

. 困e 

ω 》

‑ = 

_ω 

E届

80 

60 

40 

20 

︑

hFFLU 

.

/ ︐ ︑

80 

40  20 

∞ 

・ ・

A

( Z

E 2

a‑Z制. ﹄何)盟国ωh

gM

‑ Z ω む と

出

60  の 発 光 ス ペ ク ト ル の

(東芝 TLRH157P)

周 囲温度依存性 AIInGaP赤 色 LED

電 流 依 存 性 (a) 

︑︑﹄ ︐

〆LU 

/'

l︑ 図

5‑ 2 

図 5 ‑ 3 (a)に 示 す よ う に 発 光 ピ ー ク 波 長 380nmの LEDでは、 I_fの 増 加 に 伴 つ (b)周 囲 温 度 依 存 性 を 示 す。

存性、

375nmの LEDで は ス ペ ク ト て 発 光 ス ベ ク ト ル の ブ ル ー シ フ ト が 見 ら れ た が 、

周 囲 温 度 依 存 性 で は 380nmの LEDで は 温 度 上 昇 に よ り ル は 変 化 し な か っ たD

375nmの LEDで は 明 ら か な レ ッ ド シ フ ト が 極 僅 か な レ ッ ド シ フ ト が 見 ら れ 、

120 

紫 外 LEDの 詳 細 は 第 6章 で 述 べ る。 以 上 の 結 果 を 表 5‑ 1に ま と め る口

なお、

確 認 さ れ たD

各 種 LEDの 発 光 ス ペ ク ト ル の 電 流 及 び 周 囲 温 度 依 存 性

リッ

キ ャ リ ア 注 入 に よ る ピ エ ゾ 電 界 を 発 生 さ せ る 応 力 (窒化物 2)サ フ ァ イ ア と エ ピ タ キ シ ヤ ノ レ 層 の 熱 膨 張 係 数 の 違 い

ー ム

円i

ウ ル ツ 鉱 型 結 品 に お け と 格 子 不 整 合 ( エ ピ タ キ シ ャ ル 層 全 体 と 基 板 の 間 の 作 用 ) 、 に よ り 生 じ て い る

1n  こ こ で は 他 の 原 因 に よ り

ピ エ ゾ 電 界 の 見 積 も り を す る 。

1_f増 加 に 対 す る 発 光 :周 囲 温 度 上 昇 に 対 す る ピ ー ク の シ フ ト ₁発 光 ス ベ ク ト ル 変 化

電 流 増 加 に よ る 発 光 ス ペ ク ト ル の 変 化 の 原 因 は InGaN活 性 層 内 の (少)

l)InGaN活 性 層 と そ の 両 仮JIに あ る ク ラ ッ ド 層 の 格 子 定 数 の 違 い 層だけを考慮、)

ト レ ッ ド シ フ ト

ト レ ッ ド シ フ

フ 一 シ一

︑

‑ h卜一

し ツ 一 な レ 一

l i l‑

‑ i  

発 光 ス ベ ク ト ル が 変 化 し て い る こ と も 考 え ら れ る た め 、 チ 領 域 の バ ン ド フ ィ リ ン グ に よ る と 考 え ら れ る が 、

(少)

ピ エ ゾ 電 界 の ス ク リ ー ニ ン グ の 効 果 を 考 え る D

及 び

まず、

る 歪 み と ピ エ ゾ 分 極 は (1)式 で 表 さ れ る。 ブ ル ー シ フ ト ブ ル ー シ フ ト

3 な し

InGaN.LEDの 発 光 特 性 の 考 察 iな し

一 青 及 び 緑 375nm  380nm 

A l  

1nGaP‑赤

と 考 え ら れ る 。 表

5‑ 1 

1nGaN 

InGaN  InGaN 

5‑2 

は、

410 

410 

発 光 ピ ー ク 波 長 375nmの 紫 外 LEDの 発 光 ス ペ ク ト ノ レ の (a)電 流 依 存 性

350 

T=25仁 1=  5mA  I=20mA  I=80mA 

( a )  

I=20mA 

400  400 

370  380  390 

¥ V a v e l e n g t h   ( o m )  

390 

W a v e l e o g t h  ( n m )  

380 

ハυ

門︐e

(b)周 囲 温 度 依 存 性 370  360 

︑ ︐

y

LU  

/ ' 置 ︑

360  350 

80 

60 

40 

20 

。

~ ¹⁰⁰ 

固 2 

..c 

』

、 ‑

側診、

・ ー_切ヨ

ω 回

‑

^z 

ω 

・

診

・

_~ ^a

a :

ω 

 

20 

。

80 

60 

40  120 

~100

g g 

a 』

、側 司d

む

叫E g  4.l 

・

g 4

4.l 

・

~ _a ⁴

Z~ 己

図

5‑4

E XJ 

[~lニ[e~ ^{e 。 。}

³¹ 

^{e o  o} 

³³ 

^e 

^{0 0  0 I 5} 

^e

^{0  0 l5  0 0) 1.1 I} ε ^‑E yュ^== =x ^{1  ‑・・ (1)} E xy 

し か し 、 成 長 後 の 試 料 が エ ピ タ キ シ ャ ル 層 側 が 凸 に 反 っ て い る 事 実 か ら エ ビ タ キ シ ヤ ル 層 全 体 が a軸方向に圧縮されていることは容易に半Ijる。InGaN'LED の 青、緑 及 び 紫 外 (380nm)においては、 I_f増 加 に 伴 う 発 光 ス ヘ ク ト ル の ブ ル ー シ フ ト が 見 ら れ る ロ ピ エ ゾ 電 界 が 印 加 さ れ バ ン ド が 傾 斜 し た 活 性 層 に お い て 、 Ifが小 さ い 場 合 は、注 入 さ れ た キ ャ リ ア は 伝 導 帯 下 端 、 価 電 子 帯 上 端 に 空 間 的に分 離 し て 集 中 し 、 そ れ ら の ト ン ネ ル 効 果 に よ る 再 結 合 に よ り 発 光 す る。

この状態を示すノ〈ンド図を図 5‑5に 示 す。 こ こ で

R

、句、 E'j は そ れ ぞ れ 分 極 、 ピ エ ゾ 定 数、歪 み で あ る。添 え 字 の x及

び yは a軸方向、 zは c軸 方 向 と す る 。 歪 み の 各 要 素 は 次 式 で 表 さ れ る。

E‑ o ‑

f G

一 川

一一 前

d一

α

α

一 伯 一

月 一 一

r t 

x x  一 一

rE  

E yz = E =x = E xy = 0 

‑電子

。正孔

電子、正孔の波動関数の広がりによる 空間的に離れた電子、正孔の再結合

E 二 _{一 一}2C^l3. _一E 

‑xx  C33 

︑ ︑ ︐ ︐ ︐

︐η︐L  〆41︑

Eg 

伝導帯

αdad は 無 歪 み 状 態 の ク ラ ッ ド 層 の 格 子 定 数 、 αac川 は無歪 み 状 態 の InGaN活 性 層の格子定数、 C"は ス テ ィ フ ネ ス 定 数 で あ る D ま ず、1)InGaN活性 層 とその 両 側 に あ る ク ラ ッ ド 層 の 格 子 定 数 の 違 い に よ る ピ エ ゾ 電 界 を 求 め た口 ピエゾ 定 数 、 ス テ ィ フ ネ ス 定 数 は

B y k hovs k i

ら 4)の 報 告 デ ー タ を 用 い た 口 モ デ ル を 簡略 化す る た め に 、ク ラ ッ ド 層 は p側、 n側 ともに GaNとする 、GaNは格子 変 形 せ ず InGaN活 性 層 の み が 歪 ん だ 状態になる (a軸方向に圧縮、 c軸方 向に伸 び た 状 態 ) 、 と い う 前 提 条 件 と し た。活 性 層 が In_o.2GaO. sNの場合、 (1)(2)式 に よ り ピ エ ゾ 電 界 は 1.73x 10⁸ V 1mとなった。InGaN活 性 層 の 厚 み 2.5nmで は O.43V の 電 位 差 と な る ロ こ の 値 は 波 長 換 算 す る と 533nm→450nmの 波 長 シ フ ト が起 こ

り う る こ と を 示 す。 一方、 2)サ フ ァ イ ア と エ ピ タ キ シ ャ ル 層 の 熱 膨 張 係 数 の 違 い と 格 子 不 整 合 に よ る ピ エ ゾ 電 界 は 、 GaN及 び サ フ ァ イ ア の 熱 膨 張 係 数、 及 び 成 長 温 度 と 室 温 の 美 800⁰

C

を 用 い て O.4mVが 得 ら れ た。 こ の 値 は 波 長 換 算 す る と O.1nm以 下 の 波 長 シ フ ト 量 に な る。2)の場合、 GaNとサファ イアの 格 子 不 整 合 に よ る ピ エ ゾ 電 界 の 成 分 を 見 積 も る こ と が で き な か っ た口 な ぜ な ら 格 子 不 整 合 は 貫 通 転 位 の 発 生 に よ り い く ら か が 緩 和 さ れ て い る た め で あ るD

hω く Eg

価電子帯

クラッド層 活性層 クラッド層

図 5‑ 5 ピ エ ゾ 電 界 が 存 在 す る 時 の 活 性 層 ノ く ン ド 図

‑72‑ ‑73‑

図 に 示 さ れ る よ う に 電 界 が 印 加 さ れ た 状 態 の 活 性 層 で は 、 注 入 キ ャ リ ア 密 度 が 小 さ い 場 合 、 バ ン ド ギ ャ ッ プ よ り 小 さ い エ ネ ル ギ ー の 発 光 が 生 じ る 口 逆 に I_fが 大 き い 場 合 、 注 入 さ れ た キ ャ リ ア に よ り ピ エ ゾ 電 界 が ス ク リ ー ニ ン グ さ れ ト ン ネ ル 現 象 を 伴 わ ず に 再 結 合 で き る 口 従 っ て 、 _If増 加 に よ る ピ ー ク 波 長 シ ア ト は ピ エ ゾ 電 界 の 注 入 キ ャ リ ア に よ る ス ク リ ー ニ ン グ の 効 果 に よ る と 考 え る こ と が で き る_D し か し 紫 外 (375nm)LEDに お い て は 、 ブ ル ー シ フ ト は 観 測 さ れ て お ら ず 、 ピ エ ゾ 電 界 の ス ク リ ー ニ ン グ に よ る 波 長 シ フ ト の 説 明 に は 無 理 が あ る。 ま た 、 電 流 一 発 光 出 力 の 直 線 性 を 考 え る と 、 I_f増 加 に よ り ピ エ ゾ 電 界 が ス ク リ ー ニ ン グ さ れ る の で _Ifの 増 加 に 伴 っ て 発 光 出 力 は ス ー パ ー リ ニ ア 的 に 増 加 す る は ず で あ る 。 しかし

3

章 の 図

3‑ 5

を 見 る と 発 光 出 力 は

I

_f の 増 加 に つ れ て む し ろ サ ブ リ ニ ア 的 に 増 加 し て い る 口 こ の こ と か ら も 発 光 特 性 に ピ エ ゾ 電 界 が ほ と ん ど 影 響 し て い な い と 考 え ら れ る 口

表 5‑ 1か ら 電 流 増 加 に 対 す る 発 光 ピ ー ク の ブ ル ー シ フ ト は Inモ ル 分 率 が 大 き く な る に 従 が っ て 顕 著 に な る 傾 向 が 分 か る 。 ま た 周 囲 温 度 上 昇 に 対 す る 発 光 ス ペ ク ト ル の 変 化 で は 、 周 囲 温 度 上 昇 に 伴 い レ ッ ド シ フ ト を 打 ち 消 す 方 向 に 働 く 別 の 作 用 が あ る よ う に 見 え る 口

InGaN層 の Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る Inリ ッ チ 領 域 の 存 在 が ス ペ ク ト ル の 変 化 に 影 響 を 与 え て い る と 仮 定 す る と 、 青 色 及 び 緑 色 LEDに お い て If増 加 に 伴 う 顕 著 な ブ ル ー シ フ ト は In リ ッ チ 領 域 の バ ン ド フ ィ リ ン グ に よ り 発 現 し た と 説 明 で き る 口 紫 外 (375nmと 380nm)においては、 InGaN活 性 層 の Inモ ル 分 率 は 相 対 的 に 青 色 及 び 緑 色 LEDよりも低く、 Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ が 小 さ い と 考 え ら れ る ( ピ ー ク 波 長 か ら InxGat̲xNの xを 計 算 に よ り 求 め る と 380nm で は x=O.056、375nmで は x=O.038となる)。その結果 380nmの 紫 外 LEDでは ブノレーシフト量が少なくなり、 375nmの 紫 外 LEDで は ブ ル ー シ フ ト が 見 ら れ た か っ た と 説 明 で き るロ

次 に 周 囲 温 度 上 昇 に 対 す る 発 光 ス ペ ク ト ノ レ 変 化 に つ い て 考 察 す る 口 半 導 体 の バ ン ド ギ ャ ッ プ は 温 度 上 昇 に 伴 い 一 般 的 に 小 さ く な る の で 発 光 ダ イ オ ー ド の 発 光 ス ペ ク ト ル は 周 囲 温 度 上 昇 に よ り レ ッ ド シ フ ト す る は ず で あ る 。 A1InGaP赤 色 LEDで は レ ッ ド シ フ ト が 確 認 さ れ た 。 InGaN活 性 層 を 有 す る LED で は 青 及 び 緑 色 LEDで は 波 長 シ フ ト が 見 ら れ な か っ た 口 こ の 現 象 に つ い て も

‑74‑

InGaN活 性 層 の Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ で 説 明 で き る白Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ り低ノ〈ンドギャップ部が形成されている場合、 InGaN層 全 体 か ら 見 る と 状 態 密 度 の 小 さ い バ ン ド テ イ ノ レ が 存 在 し て い る と み な せ る。 こ の 状 態 を 図

5‑ 6 

に示す。

E 

Ec 

Eg (InGaN平均組成のEg)

Ev 

状態密度

図

5‑ 6 

Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る InGaNのバンドテイノレ

周 囲 温 度 を 上 昇 さ せ た 時 、 注 入 さ れ た キ ャ リ ア の エ ネ ル ギ 一 分 布 は 高 エ ネ ル ギー側へ広がる。 InGaNで は 状 態 密 度 の 小 さ い バ ン ド テ イ ノ レ が あ る た め キ ャ

リ ア の エ ネ ル ギ 一 分 布 の 広 が り は A1InGaP ( バ ン ド テ イ ル が 無 い ) と 比 べ て よ り 広 く な る と 考 え ら れ る 。 こ の よ う に InGaN.LEDは 温 度 上 昇 に よ り バ ン ド

‑75‑

ギ ャ ッ プ が 狭 く な る こ と と 、 そ れ を 相 殺 す る キ ャ リ ア の 高 エ ネ ル ギ ー 化 に よ って発 光 スペク ト ル の シ フ ト が 観 察 さ れ な い と 考 え る こ と が で き る。 また、

Inモノレ分率が低いため In組 成 不 均 一 の 程 度 が 小 さ い と 考 え ら れ る 紫 外

LED

に お い て は 、 バ ン ド テ イ ル の 形 成 の 度 合 い が 微 少 で あ る た め 、 温 度 上 昇 に よ る キ ャ リ ア 分 布 の 変 化 が 小 さ く 380nmの

LED

で は レ ッ ド シ フ ト ( 少 な し ¥)、ま た 375nmの

LED

で は レ ッ ド シ フ ト を 示 し た と 考 え ら れ る。

5‑3 

結言

InGaN・

LED

の 特 性 と し て 、 Ifの 増 加 に 伴 う 発 光 ス ペ ク ト ル の シ フ ト に つ い て検討し、 InGaN活 性 層 の Inモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ り ブ ル ー シ フ ト 現 象 が 発 現 す る と い う 結 論 を 得 た 。 周 囲 温 度 上 昇 に よ る 発 光 ス ペ ク ト ル の 変 化 に お い ても、 1nモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ が 形 成 す る バ ン ド テ イ ル 部 の キ ャ リ ア が 熱 に よ り 高 エ ネ ル ギ ー 側 へ 広 が る こ と で あ る と 結 論 付 け ら れ た。

前 章 に お い て 貫 通 転 位 が 高 密 度 に 存 在 す る に も か か わ ら ず 高 効 率 な

LED

が 得 ら れ る 理 由 に つ い て 検 討 し 、 1nGaN層 の 1nモ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る 注 入 キ ャ リ ア の 局 在 が そ の キ ー ポ ー イ ン ト で あ る こ と を 述 べ た。本 章 の 結 論 と 前 章 の 結 論 が 示 す よ う に 、 InGaN・

LED

が 高 効 率 で あ る こ と 、 発 光 ス ベ ク ト ル の 1f 依 存 性 、 発 光 ス ペ ク ト ル の 周 囲 温 度 依 存 性 、 等 の 結 果 は す べ て 1nGaN層 の 1n モ ル 分 率 の 揺 ら ぎ に よ る 結 果 で あ り 、 GaN系

LED

に よ り 高 品 質 な

LED

を 作 成 す る た め に は 活 性 層 に InGaNを 用 い る こ と が 必 須 条 件 で あ る こ と が 明 ら か に な っ た。

参 考 文 献

1)  S.  Chichibu， 

T .  

Azuhata， 

T .  

Sota  and  S.  Nakamura:  Appl.  Phys.  Lett.  70(1997) 2822 

2)  T.  Mukai， M. Yamada and S. Nakamura: Jpn. J.  Appl.  Phys. 37(1998) L1358 

‑76‑

3)  T.  Takeuchi， S.  Sota， M. Katsuragawa， M. Komor ，i H. Takeuchi， H. Amano  and 1.  Akasaki: Jpn. J.  Appl.  Phys. 36(1997) L382 

4)  A. D. Bykhovski， V.  V.  Kaminski， M. S.  Sur， Q.  hen andM. A.  Kahn: 

Appl.  Phys. Lett.  68(1996) 818 

‑77‑

第 6章 紫 外 LED

6‑0  緒 言

GaN系 材 料 を 用 い た LEDで は 、 可 視 LEDで な く 紫 外 発 光 の LEDの 可 能 性 が 考 え ら れ る 。 現 在 、 紫 外 光 源 と し て 水 銀 に よ る 発 光 デ バ イ ス が 多 く 用 い ら れ て い る が 、 環 境 汚 染 の 問 題 か ら 水 銀 を 用 い な い 発 光 デ バ イ ス が 求 め ら れ て い る 。 本 章 で は GaN系 LEDで 紫 外 LEDの検討を行う。 6‑1節 で は 活 性 層 に 1n モ ル 分 率 の 非 常 に 低 い 活 性 層 を 用 い た LEDの 作 成 と 評 価 を す る 。 6‑2節 で は 貫 通 転 位 を 少 な く す る こ と に よ り 紫 外 LEDの 発 光 効 率 を 改 善 す る こ と に つ い て述べる。

6 ‑1  紫 外 LEDの 作 成 と 評 価

本 章 で は InGaN活 性 層 を 用 い た 紫 外 LED^ト3)に つ い て 検 討 す る 。 既 に 述 べ た よ う に 、 青 及 び 緑 色 で は SQW構 造 1nGaN.LEDに よ り 高 効 率 な LEDが 得 ら れ た^D 1nGaNを 活 性 層 に 用 い た LEDでは、 1nモ ル 分 率 を 小 さ く す る こ と で 紫 外 発 光 を 得 る こ と が で き る と 考 え ら れ る 。 図 6 ‑ 1に 紫 外 LEDの チ ッ プ 断 面 図 を 示 す。

n、 p両 ク ラ ッ ド 層 は AIGaNで 作 成 し た 。 そ の 理 由 は 、 AIGaNを 用 い な け れ ば 活 性 層 へ 注 入 さ れ た キ ャ リ ア を 活 性 層 に 閉 じ 込 め る こ と が で き な い た め で ある。紫外 LEDの 1nGaN活 性 層 は 1nモ ル 分 率 が 非 常 に 小 さ い の で バ ン ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー は GaNと 同 程 度 で あ る 。 す な わ ち 、 こ れ よ り 大 き い バ ン ド ギ ャ ッ プ を 有 す る AIGaNが ク ラ ッ ド 層 と し て 適 し て い る 。 こ れ ま で に 述 べ た 青 色 及 び 緑 色 1nGaN.LEDで は 1nGaN活 性 層 は n‑GaN層 の 上 に 成 長 さ れ て い た 。 紫 外 LEDで は n‑AIGaN層 の 上 に 1nGaN活 性 層 を 成 長 す る 。 本 実 験 を 進 め る 過 程において、 n‑AIGaN上 に 1nGaNを 成 長 し た 場 合 、 1‑Y特 性 に お い て 漏 れ 電 流 が 流 れ や す い こ と が 判 っ た 。 n‑AIGaN層 は nク ラ ッ ド 層 で あ り 、 pn接 合 を 形

‑78‑

成 す る n層 で は な い 。 し た が っ て 1‑Y特 性 に 影 響 し な い は ず で あ る 。 I‑Y特 性 に 影 響 し た 理 由 は 、 n‑AIGaNの 結 晶 性 の 影 響 を 受 け 、 1nGaN層に欠陥(生成・

再 結 合 中 心 ) が 導 入 さ れ た た め と 考 え ら れ る 口 漏 れ 電 流 は n‑AIGaNの Si ドー ピ ン グ 量 に 対 応 し て お り 、 Si濃 度 を 低 く 抑 え る こ と で 漏 れ 電 流 を 小 さ く す る こ と が で き る 口 し か し 、 Si濃 度 を 低 く す る と 発 光 出 力 が 低 く な り 、 漏 れ 電 流 と 発 光 出 力 は ト レ ー ド オ フ の 関 係 で あ る こ と が 判 っ た 。 本 章 の 紫 外 LEDの 作 成 に お い て は 漏 れ 電 流 が 青 色 及 び 緑 色 LEDと 同 程 度 に な る よ う に Si濃 度 を 設 定した。

p ‑ e l e c t r o d e  

p‑GaN ， 

120nm~ 、、

p ‑ A l o . l S G a O . s s N ，  60nm 

~判

Undoped InGaN ，  50m  _~こ~~二 n ‑ A l o .

₁

Gao .

₉

N ，  300m

^二

undoped GaN ，  200nm ̲ ̲ ̲ ̲ . . . .  

n‑G 

GaN ， 

1.~

GaNBl  pp 

Eト

e l e c t r o d e

ー

図 6‑ 1 紫 外 LEDの チ ッ プ 断 面 図 ( グ レ 一 部 が 活 性 層 )

特 性 の 評 価 は 室 温 、 直 流 で 行 っ た 。 作 成 し た 紫 外 LEDの 特 性 は 20mAの し に お い て 発 光 ピ ー ク 波 長 371nm、 ス ベ ク ト ル 半 値 幅 10nm、 発 光 出 力 5mW (外

‑79‑

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 42-51)