JP2006510234A5 - - Google Patents
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Description
本発明は窒化物系3-5族化合物半導体に関する。より詳しくは、基板上に成長されるGaN系単結晶層と基板の熱膨張係数との格子定数の差により発生する結晶欠陥を低減し、GaN系単結晶層の結晶性を向上することにより、発光素子の高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子及びその製造方法に関する。
一般的に、GaN系半導体は、その応用分野として、青色/緑色LEDのようなフォトダイオード及びMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)、HEMT(high electron mobility transistor)等の高速スイッチング、高出力素子である電子素子に応用されている。特に、青色/緑色LED素子は、既に量産化した状態であり、その需要は全世界的に指数関数的に増加しつつある。
このようなGaN系半導体の発光素子は、主にサファイア基板またはSiC基板上で成長される。そして、サファイア基板またはSiC基板上に、低温の成長温度でAlyGa1-yNの多結晶薄膜をバッファ層(buffer layer)で成長させる。そして、高温でバッファ層上にアンドープGaN層、シリコン(Si)がドープされるGaN層またはその混合構造で成長させ、n型GaN層を第1の電極接触層とする。そして、その上部にマグネシウム(Mg)がドープされるp型GaN層を第2の電極接触層として、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子が製造される。また、発光層(多重量子井戸構造の活性層)は、n型GaN第1の電極接触層と、p型GaN第2の電極接触層との間に介在する構造で形成される。
このようなGaN系半導体の発光素子は、主にサファイア基板またはSiC基板上で成長される。そして、サファイア基板またはSiC基板上に、低温の成長温度でAlyGa1-yNの多結晶薄膜をバッファ層(buffer layer)で成長させる。そして、高温でバッファ層上にアンドープGaN層、シリコン(Si)がドープされるGaN層またはその混合構造で成長させ、n型GaN層を第1の電極接触層とする。そして、その上部にマグネシウム(Mg)がドープされるp型GaN層を第2の電極接触層として、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子が製造される。また、発光層(多重量子井戸構造の活性層)は、n型GaN第1の電極接触層と、p型GaN第2の電極接触層との間に介在する構造で形成される。
しかしながら、このような構造を持つ窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板とバッファ層との界面で発生する結晶欠陥が約108/cm3程度で非常に高い値を持つ。このため、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の電気的な特性、特に、逆バイアス条件下でリーク電流が増加することにより、素子の信頼性が劣化するという問題点がある。
また、このようなバッファ層と基板との界面で発生する結晶欠陥は、発光層の結晶性を低下させるため、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の発光効率が低減するという問題点がある。
また、このようなバッファ層と基板との界面で発生する結晶欠陥は、発光層の結晶性を低下させるため、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の発光効率が低減するという問題点がある。
一方、GaN系半導体の性能を向上させ、高信頼性を確保するために、最近、新たなバッファ層に関するサーチ、及びGaN系半導体の製造方法に関する研究が進行されている。
よって、本発明の目的は、結晶欠陥を低減し、GaN系単結晶層の結晶性を向上させることにより、高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供することにある。
よって、本発明の目的は、結晶欠陥を低減し、GaN系単結晶層の結晶性を向上させることにより、高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、単一量子井戸構造の活性層だけでも実用的な高輝度の性能を具現できる窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第1のInドープGaN層と、前記第1のInドープGaN層上に形成されたInxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層と、前記InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層上に形成された第1の電極接触層と、前記第1の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、第2のInドープGaN層と、前記第2のInドープGaN層上に形成されたGaN層と、前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、を含む。
他の側面に係る本発明の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第1のInドープGaN層と、前記第1のInドープGaN層上に形成された第1の電極接触層と、前記第1の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、前記活性層上に形成されたGaN層と、前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、を含む。
また他の側面に係る本発明の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第1の電極接触層と、前記第1の電極接触層上に形成され、インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層を含む活性層と、前記活性層上に形成されたGaN層と、前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、を含む。
本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に第1のInドープGaN層を形成するステップと、前記第1のInドープGaN層上に第1の電極接触層を形成するステップと、前記第1の電極接触層上に、光を放出する活性層を形成するステップと、前記活性層上にGaN層を形成するステップと、前記GaN層上に第2の電極接触層を形成するステップと、を含む。
他の側面に係る本発明の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第1のInドープGaN層と、前記第1のInドープGaN層上に形成された第1の電極接触層と、前記第1の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、前記活性層上に形成されたGaN層と、前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、を含む。
また他の側面に係る本発明の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第1の電極接触層と、前記第1の電極接触層上に形成され、インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層を含む活性層と、前記活性層上に形成されたGaN層と、前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、を含む。
本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に第1のInドープGaN層を形成するステップと、前記第1のInドープGaN層上に第1の電極接触層を形成するステップと、前記第1の電極接触層上に、光を放出する活性層を形成するステップと、前記活性層上にGaN層を形成するステップと、前記GaN層上に第2の電極接触層を形成するステップと、を含む。
本発明によれば、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の結晶欠陥を低減し、GaN系単結晶層の結晶性を向上できる。これにより、発光素子の高性能かつ高信頼性を確保できるという利点がある。
また、本発明によれば、単一量子井戸構造の活性層だけでも実用的な高輝度の性能を具現できるという利点がある。
また、本発明によれば、単一量子井戸構造の活性層だけでも実用的な高輝度の性能を具現できるという利点がある。
本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子及びその製造方法によれば、多重のバッファ層によってサファイア基板上に成長されるGaN系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制して、高品質のGaN系半導体を成長できる。特に、第1の電極接触層として用いるSi/InコドープGaN層の下側にInxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造が挿入されることにより、結晶欠陥を一層抑制できる。
また、活性層の内部量子効率を高めるために、インジウム含量が低いInxGa1-xN層を挿入して、量子井戸の成長モードを均一に制御できる。そして、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を第2の電極接触層として用いることにより、動作電圧を減少できる。結局、窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の結晶欠陥を低減し、GaN系単結晶層の結晶性を向上させることにより、高性能かつ高信頼性を確保することができる。
以下、添付図面に基づき、本発明に係る実施例を詳細に説明する。
なお、本発明は後述する実施例に限定されるものではなく、構成要素の付加、変更、削除等によって他の実施例を容易に提案できる。
なお、本発明は後述する実施例に限定されるものではなく、構成要素の付加、変更、削除等によって他の実施例を容易に提案できる。
図1は本発明の第1実施例に係る発光素子の積層構造である。
図1は、基板102上にバッファ層(buffer layer)104を成長させ、n型GaN(Si/Inコドープ)層を第1の電極接触層108とし、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造(super lattice structure)を持つ層を第2の電極接触層120として成長させた窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の断面構造である。ここで、第1の電極接触層108及び第2の電極接触層120には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
図1は、基板102上にバッファ層(buffer layer)104を成長させ、n型GaN(Si/Inコドープ)層を第1の電極接触層108とし、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造(super lattice structure)を持つ層を第2の電極接触層120として成長させた窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の断面構造である。ここで、第1の電極接触層108及び第2の電極接触層120には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
また、本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、第1の電極接触層108と第2の電極接触層120との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層116を持つ。活性層116は、インジウム(In)が少量添加されたGaN層110、InxGa1-xN井戸層112及びInzGa1-zN障壁層114を含む。
そして、バッファ層104と第1の電極接触層108との間にはInドープGaN層106がさらに形成され、InzGa1-zN障壁層114と第2の電極接触層120との間にはp型GaN層118がさらに形成される。
本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法を説明する。
まず、サファイア基板102上に低温の成長温度でGaN系バッファ層104薄膜を成長させる。ここで、低温の成長温度でGaN系バッファ層104薄膜を成長させる際、InGaN/GaN超格子構造及びInxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x、yN/InxGa1-xN/GaNの積層構造で成長できる。
まず、サファイア基板102上に低温の成長温度でGaN系バッファ層104薄膜を成長させる。ここで、低温の成長温度でGaN系バッファ層104薄膜を成長させる際、InGaN/GaN超格子構造及びInxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x、yN/InxGa1-xN/GaNの積層構造で成長できる。
このように、基板102上にバッファ層104が形成されることにより、基板102上に成長されるGaN系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制できるため、高品質のGaN系半導体を成長できる。
詳しくは、GaN系バッファ層104を成長させるステップにおいて、成長温度を500℃〜700℃とし、H2、N2キャリアガスを供給しながら、TMGa、TMIn、TMAlソース(source)ガスを流入させ、NH3ガスを流入させて、窒化物系バッファ層を成長させる。
そして、成長されたバッファ層104上に高温の成長温度でInドープGaN層106及びSi/InコドープGaN層108を成長させる。ここで、Si/InコドープGaN層108は第1の電極接触層として用いる。
詳しくは、GaN系単結晶薄膜を成長させるステップは、MOCVD装備を用いて900℃〜1100℃で、TMGa、TMIn、TMAlソースガスを供給して単結晶GaN系半導体薄膜を成長させ、ドーピングソースとしては、SiドーピングソースとしてSiH4ガス、InドーピングソースとしてTMInソースが用いられる。
詳しくは、GaN系単結晶薄膜を成長させるステップは、MOCVD装備を用いて900℃〜1100℃で、TMGa、TMIn、TMAlソースガスを供給して単結晶GaN系半導体薄膜を成長させ、ドーピングソースとしては、SiドーピングソースとしてSiH4ガス、InドーピングソースとしてTMInソースが用いられる。
以後、所望の波長帯域の光を放出する活性層116には、単一量子井戸層(single quantum well)が含まれる。詳しくは、活性層116は、活性層の内部量子効率を向上させるために、まず、インジウム含量が低いInxGa1-XN(0<x≦0.2)層110を10〜500Åの範囲内で成長させる。好ましくは50〜300Åの範囲内で成長させる。そして、インジウム含量が低いInxGa1-XN層110上に、インジウム含量が互いに異なるInyGa1-yN井戸層112とInzGa1-zN障壁層114とからなる一つの量子井戸層が成長されて活性層として用いられる。
このとき、インジウム含量が低いInxGa1-xN層110、InyGa1-yN(0<y≦0.35)井戸層112及びInzGa1-zN(0<z≦0.2)障壁層114で形成される一つの量子井戸構造の活性層116の成長段階において、N2、H2+N2キャリアガス及びNH3雰囲気で、TMGa、TMIn、TMAlソースを流入させて成長させる。また、インジウム含量が低いInxGa1-xN層110の厚さは10〜500Åであり、表面形状は均一な螺旋状(spiral mode)で成長される。また、光を放出するInGaN井戸層112とInGaN障壁層114の厚さは、それぞれ5〜30Å及び50〜500Å程度であり、成長温度は700〜800℃程度である。
また、高輝度の発光ダイオードを具現するには、インジウム含量が低いInxGa1-xN層110の表面に均一に成長された螺旋状がInzGa1-zN障壁層114までその形態を維持しなければならない。このような成長条件を満足させると、多重量子井戸構造の活性層でない単一量子井戸構造の活性層の形成によっても実用的な高輝度の発光素子を製造できる。勿論、他の部分が同じ状態で多重量子井戸構造が適用されることもできる。
一方、インジウム含量が低いInxGa1-xN層110、InyGa1-yN井戸層112及びInzGa1-zN障壁層114にドープされる含量分布は、次のように調節可能である。即ち、インジウム含量が低いInxGa1-xN層110のインジウム含量はInzGa1-zN障壁層114より低く調節し、各ドープされるインジウムの含量は0<x<0.05、0<y<0.3、0<z<0.1に調節できる。
このような過程により光を放出する活性層を成長させた後、温度を増加させてMgがドープされたp型GaN単結晶層118をH2、N2、H2+N2、NH3のガス雰囲気で成長させる。p型GaN層118の厚さは500〜5000Åであり、このとき、成長温度は900〜1020℃範囲で行われる。
次いで、p型GaN層118を成長させた後、その上に、InxGa1-xN(0<x≦0.2)/InyGa1-yN(0<y≦0.2)超格子構造を持つ第2の電極接触層120を成長させる。InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造は、第2の電極接触層120への電流の拡散を效果的に行い、第1の電極接触層108と同じ電極金属を用いて形成できるという長所がある。
本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子によれば、第1の電極接触層108と第2の電極接触層120は、n型/n型の電極接触層で形成される。よって、従来の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子において、第1の電極接触層と第2の電極接触層がn型/p型で形成されることにより、第2の電極接触層として用いるp型GaN層の低いマグネシウム(Mg)ドーピング効率により発生した高い接触抵抗と、それに伴う電流拡散層(current spreading layer)とを除去できる。そして、p型GaN層118との関係を考慮すれば、第1の電極接触層108、p型GaN層118、第2の電極接触層120はn型/p型/n型の接合関係を持つこともできる。
ここで、第2の電極接触層120の厚さは、各々2〜50Åで交互に構成され、最大200Å未満で構成される。また、成長温度は700〜850℃範囲内であり、N2、N2+H2、NH3のガス及びTMGa、TMInのソースを流入して成長させることにより、内部量子効率及び動作電圧の特性が優秀なヘテロ構造の高輝度の発光ダイオードを成長させることができる。
図2は本発明の第2実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子のの積層構造である。
図2に示す窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の基本的な積層構造は、図1に示す第1実施例と類似している。但し、本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板202とInドープGaN単結晶層212との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層210が第1の電極接触層212の下に追加して挿入されたヘテロ構造を持つ。
このような構造は、基板202及び低温のバッファ層204から伝播される電位密度を減少させることにより、発光素子の逆方向破壊電圧(reverse breakdown voltage、Vbr)を改善して発光素子の信頼性を向上できる。
図2に示す窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の基本的な積層構造は、図1に示す第1実施例と類似している。但し、本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、基板202とInドープGaN単結晶層212との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層210が第1の電極接触層212の下に追加して挿入されたヘテロ構造を持つ。
このような構造は、基板202及び低温のバッファ層204から伝播される電位密度を減少させることにより、発光素子の逆方向破壊電圧(reverse breakdown voltage、Vbr)を改善して発光素子の信頼性を向上できる。
本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の第2実施例の構造を、以下に簡略に説明する。
基板202上にバッファ層204を成長させ、n型GaN(Si/Inコドープ)層を第1の電極接触層212とし、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層を第2の電極接触層224として成長させる。ここで、第1の電極接触層212及び第2の電極接触層224には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
基板202上にバッファ層204を成長させ、n型GaN(Si/Inコドープ)層を第1の電極接触層212とし、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層を第2の電極接触層224として成長させる。ここで、第1の電極接触層212及び第2の電極接触層224には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
また、本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、第1の電極接触層212と第2の電極接触層224との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層220を持つ。活性層220は、インジウム(In)が少量添加されたInxGa1-xN層214、InyGa1-yN井戸層216及びInzGa1-zN障壁層218を含む。
そして、バッファ層204と第1の電極接触層212との間には、InドープGaN層206とアンドープGaN層208とが形成される。そして、InzGa1-zN障壁層218と第2の電極接触層224との間には、p型GaN層222がさらに具備される。
以上のような構造を持つ窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法は、第1実施例と類似しているので、ここではその説明は省略する。
本実施例により、基板202及びバッファ層204から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善でき、発光素子の信頼性を向上できる。
本実施例により、基板202及びバッファ層204から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善でき、発光素子の信頼性を向上できる。
一方、図3は本発明の第3実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の積層構造である。
図3を参照すれば、本実施例は殆んど第1実施例と類似している。但し、p型GaN層320とInzGa1-zN障壁層314との間に、InドープGaN層318が追加して挿入されるヘテロ構造を持つ。
このように、InドープGaN層318がさらに形成されることにより、p型GaN層320でドーピングソースとして使用されたマグネシウム(Mg)原子の内部拡散(In-diffusion)現状を抑制させ、特性を向上できる。ここで、InドープGaN層318はその厚さを100Å以下で成長させるようにする。
図3を参照すれば、本実施例は殆んど第1実施例と類似している。但し、p型GaN層320とInzGa1-zN障壁層314との間に、InドープGaN層318が追加して挿入されるヘテロ構造を持つ。
このように、InドープGaN層318がさらに形成されることにより、p型GaN層320でドーピングソースとして使用されたマグネシウム(Mg)原子の内部拡散(In-diffusion)現状を抑制させ、特性を向上できる。ここで、InドープGaN層318はその厚さを100Å以下で成長させるようにする。
第3実施例に係る半導体の発光素子の製造方法を説明する。基板302上にバッファ層304を成長させ、n型GaN(Si/Inコドープ)層を第1の電極接触層308とし、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層を第2の電極接触層322として成長させる。ここで、第1の電極接触層308及び第2の電極接触層322には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
また、本発明に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子は、第1の電極接触層308と第2の電極接触層322との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層316を持つ。活性層316は、インジウム(In)が少量添加されたInxGa1-xN層310、InyGa1-yN井戸層312及びInzGa1-zN障壁層314を含む。
そして、バッファ層304と第1の電極接触層308との間には、InドープGaN層306が含まれ、InzGa1-zN障壁層314と第2の電極接触層322との間には、p型GaN層320とInドープGaN層318とがさらに含まれる。
本実施例のように、InドープGaN層318がさらに形成されることにより、p型GaN層320でドーピングソースとして用いるマグネシウム(Mg)原子の内部拡散現状を抑制できる。よって、発光素子の特性を向上できる。
図4は本発明の第4実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の積層構造である。
第4実施例は殆んど第3実施例と同様であり、但し、基板404とInドープGaN層406との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408と、InドープGaN層412と、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層414をさらに形成させることに特徴がある。また、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408は、基板402及び低温のバッファ層404から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善する効果が得られる。
第4実施例は殆んど第3実施例と同様であり、但し、基板404とInドープGaN層406との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408と、InドープGaN層412と、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層414をさらに形成させることに特徴がある。また、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408は、基板402及び低温のバッファ層404から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善する効果が得られる。
以下では、図4を参照して、本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法を詳細に説明する。
サファイア基板402上に低温の成長温度でGaN系バッファ層404を成長させる。ここで、低温の成長温度でGaN系バッファ層404は、InGaN/GaN超格子構造及びInxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x、yN/InyGa1-yN/GaNの積層構造などで形成させることができる。
このように、基板402上にバッファ層404が形成されることにより、基板402上に成長されるGaN系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制できるため、高品質のGaN系半導体を成長できる。
そして、成長されたバッファ層404上に高温の成長温度でInドープGaN層406を成長させる。そして、基板404との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408をさらに形成させる。
このような構造は、基板402及び低温のバッファ層404から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善し、信頼性を向上できる。
サファイア基板402上に低温の成長温度でGaN系バッファ層404を成長させる。ここで、低温の成長温度でGaN系バッファ層404は、InGaN/GaN超格子構造及びInxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x、yN/InyGa1-yN/GaNの積層構造などで形成させることができる。
このように、基板402上にバッファ層404が形成されることにより、基板402上に成長されるGaN系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制できるため、高品質のGaN系半導体を成長できる。
そして、成長されたバッファ層404上に高温の成長温度でInドープGaN層406を成長させる。そして、基板404との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造を持つ層408をさらに形成させる。
このような構造は、基板402及び低温のバッファ層404から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善し、信頼性を向上できる。
そして、結晶欠陥を最小化するために、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層408上に、InドープGaN層412とInxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層414とをさらに形成させる。
以後、Si/InコドープGaN層416を成長させる。ここで、Si/InコドープGaN層416は第1の電極接触層として用いられる。
以後、所望の波長帯域の光を放出する活性層424には、単一量子井戸層が形成される。詳しくは、活性層424は、活性層の内部量子効率を向上させるために、まず、インジウム含量が低いInxGa1-XN(0<x≦0.2)層418を成長させる。そして、インジウム含量が低いInxGa1-XN層418上に、インジウム含量が互いに異なるInyGa1-yN井戸層420とInzGa1-zN障壁層426とからなる一つの量子井戸層が成長されて活性層として用いられる。
このとき、インジウム含量が低いInxGa1-xN層418、InyGa1-yN(0<y≦0.35)井戸層420及びInzGa1-zN(0<z≦0.2)障壁層422で形成される一つの量子井戸構造の活性層424の成長段階において、N2、H2+N2キャリアガス及びNH3雰囲気で、TMGa、TMIn、TMAlソースを流入させて成長させる。また、インジウム含量が低いInxGa1-xN層418の厚さは10〜500Åであり、表面形状は均一な螺旋状で成長される。
また、光を放出するInGaN井戸層420とInGaN障壁層422の厚さは、それぞれ10〜40Å及び50〜500Å程度であり、成長温度は700〜800℃程度である。また、高輝度の発光ダイオードを具現するには、インジウム含量が低いInxGa1-xN層418の表面に均一に成長された螺旋状がInzGa1-zN障壁層422までその形態を維持しなければならない。このような成長条件を満足させると、多重量子井戸構造の活性層でない単一量子井戸構造の活性層の形成によっても実用的な高輝度の発光素子を製造できる。
そして、光を放出する活性層を成長させた後、InドープGaN層426及びMg原子がドープされたp型GaN単結晶層428を成長させる。ここで、p型GaN層428の厚さは500〜5000Åであり、このとき、成長温度は900〜1020℃範囲で行われる。
次いで、p型GaN層428を成長させた後、その上に、第2の電極接触層430として用いるInxGa1-xN(0<x≦0.2)/InyGa1-yN(0<y≦0.2)超格子構造層を成長させてトンネルリング効果を持つ。InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造は、第2の電極接触層430への電流拡散を效果的に行い、第1の電極接触層416と同じ電極金属を用いて形成できる。
本実施例に係る窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子によれば、第1の電極接触層416と第2の電極接触層430は、n型/n型の電極接触層として形成される。よって、従来の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子において、第1の電極接触層と第2の電極接触層がn型/p型で形成されることにより、第2の電極接触層として用いるp型GaN層の低いMgドーピング効率により発生した高い接触抵抗と、それに伴う電流拡張層とを除去できる。
そして、p型GaN層428との関係を考慮すれば、第1の電極接触層416、p型GaN層428、第2の電極接触層430はn型/p型/n型の接合関係を持つこともできる。ここで、第2の電極接触層430の厚さは、各々2〜50Åで交互に構成され、最大200Å未満で構成される。また、成長温度は700〜850℃範囲内であり、N2、N2+H2、NH3のガス及びTMGa、TMInのソースを流入して成長させることにより、内部量子効率及び動作電圧の特性が優秀なヘテロ構造の高輝度の発光ダイオードを成長させることができる。
Claims (39)
- 基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1のInドープGaN層と、
前記第1のInドープGaN層上に形成されたInxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層と、
前記InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層上に形成された第1の電極接触層と、
前記第1の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、
第2のInドープGaN層と、
前記第2のInドープGaN層上に形成されたGaN層と、
前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、
を含む窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第2の電極接触層はn型である請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。
- 前記バッファ層は、InGaN/GaN超格子構造、InxGa1-xN/GaN構造、及びAlxInyGa1-x、yN/InxGa1-xN/GaN構造の何れか一つで形成される、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第1の電極接触層は、Si/InコドープGaN層である、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記活性層は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成される、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記活性層は、インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成される、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層にドープされるインジウム含量は、前記InzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量よりも小さい値を持つ、
請求項6に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量は、それぞれ0<x<0.05、0<y<0.3、0<z<0.1の値を持つ、
請求項6に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状(spiral mode)で成長される、
請求項6に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長され、その螺旋状は前記InzGa1-zN障壁層の表面まで延長されて成長される、
請求項6に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第2の電極接触層は、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造(super lattice structure)で形成される、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層と、前記InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子層とは、複数で繰り返し積層される、
請求項1に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1のInドープGaN層と、
前記第1のInドープGaN層上に形成された第1の電極接触層と、
前記第1の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、
前記活性層上に形成されたGaN層と、
前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、
を含む窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第2の電極接触層はn型である、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記活性層と前記p型GaN層との間に、第2のInドープGaN層がさらに形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第1のInドープGaN層と前記第1の電極接触層との間に、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層がさらに形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第1のInドープGaN層と前記第1の電極接触層との間に、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層と、アンドープGaN層とがさらに形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記バッファ層は、InGaN/GaN超格子構造、InxGa1-xN/GaN構造、AlxInyGa1-x、yN/InxGa1-xN/GaN構造の何れか一つで形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体発光素子。 - 前記第1の電極接触層はSi/InコドープGaN層である、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記活性層は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記活性層は、インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層にドープされるインジウム含量は、前記InzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量よりも小さい値を持つ、
請求項21に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量は、それぞれ0<x<0.05、0<y<0.3、0<z<0.1の値を持つ、
請求項21に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長される、
請求項21に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長され、その螺旋状は前記InzGa1-zN障壁層の表面まで延長されて成長される、
請求項21に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第2の電極接触層は、InxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造で形成される、
請求項13に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 基板上にバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層上に第1のInドープGaN層を形成するステップと、
前記第1のInドープGaN層上に第1の電極接触層を形成するステップと、
前記第1の電極接触層上に、光を放出する活性層を形成するステップと、
前記活性層上にGaN層を形成するステップと、
前記GaN層上に第2の電極接触層を形成するステップと、
を含む窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記第2の電極接触層はn型である、
請求項27に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記第1の電極接触層はSi/InコドープGaN層を含む、
請求項27に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記第2の電極接触層はInxGa1-xN/InyGa1-yN超格子構造層を含む、
請求項27に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記活性層は、インジウム含量が低いInxGa1-xN層及びInyGa1-yN井戸層を含み、InzGa1-zN障壁層の単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成される、
請求項27に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長される、
請求項31に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長され、その螺旋状は前記InzGa1-zN障壁層の表面まで延長されて成長される、
請求項31に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子の製造方法。 - 基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1の電極接触層と、
前記第1の電極接触層上に形成され、インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層を含む活性層と、
前記活性層上に形成されたGaN層と、
前記GaN層上に形成された第2の電極接触層と、
を含む窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記第2の電極接触層はn型である、
請求項34に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層にドープされるインジウム含量は、前記InzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量よりも小さい値を持つ、
請求項34に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層、InyGa1-yN井戸層及びInzGa1-zN障壁層にドープされるインジウム含量は、それぞれ0<x<0.05、0<y<0.3、0<z<0.1の値を持つ、
請求項34に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長される、
請求項34に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。 - 前記インジウム含量が低いInxGa1-xN層は、その表面形状が螺旋状で成長され、その螺旋状は前記InzGa1-zN障壁層の表面まで延長されて成長される、
請求項34に記載の窒化物系3-5族化合物半導体の発光素子。
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