JP2007088481A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の流れを活性層の全体面積に均一に分散させ発光効率を向上させることが可能である新たな構造の窒化物半導体素子窒化物系半導体素子を提供する。
【解決手段】ｐ型及びｎ型窒化物半導体層２７、２４と、上記ｐ型及びｎ型窒化物半導体層の間に形成され、少なくとも一つの量子障壁層２６ｂと量子井戸層２６ａとから成る活性層２６を有する窒化物半導体素子２０において、上記ｐ型窒化物半導体層２７ｂと上記活性層２６の間に、少なくとも上記活性層の量子井戸層２６ａに含有されたインジウムの組成より多いインジウムを含んだ電流分散層２５を配置する。
【選択図】 図２ａ

Description

本発明は、窒化物界半導体素子に関し、より詳しくは内部量子効率を向上させると共に動作電圧及び逆電圧特性を改善した高効率の窒化物系半導体素子に関する。

一般的に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種信号システム及び光通信器機に光源として提供される緑色または青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使用されている。

このような窒化物半導体素子の効率は活性層内における電子と正孔の再結合確率、即ち、内部量子効率によって定められる。このような内部量子効率の改善方策は主に活性層の構造を改善したり、キャリアの有効量（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍａｓｓ）を増加させたりする方向で研究されている。また、活性層にキャリアが均一に注入されない電流クラウディング（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｗｄｉｎｇ）現象は窒化物半導体素子の効率を低下させる主要原因となる。

特に、電流クラウディング現象は窒化物半導体素子の不可避な電極の配列によってより深刻となる。即ち、窒化物半導体素子がサファイア基板のような絶縁性基板を含む場合に、２個の電極は素子の上下面が各々配置されず、エピタキシャル層にメサエッチング工程を適用して２個の電極を同じ上面に向かうように配置される。これをプレイナー（ｐｌａｎａｒ）構造の窒化物発光素子とも言う。

このようなプレイナー構造の窒化物発光素子は、２個の電極が発光構造物の上下面に各々配置されたバーティカル（ｖｅｒｔｉｃａｌ）構造の発光素子に比べて電流の流れが全体発光領域に均一に分布することができないので、発光に加わる有効面積が大きくなく、発光面積当たり発光効率も低いという問題がある。

このように、当技術分野においては高効率の窒化物半導体素子を製造するために、電流の流れを活性層の全体面積に均一に分散させ発光効率を向上させることが可能である新たな構造の窒化物半導体素子が要求されてきた。

上記した技術的問題を解決するために、本発明は高いキャリア（特に、電子）移動度が確保される、比較的高いインジウム含量を有する層を活性層とクラッド層の間に導入することで横方向の電流の流れを強化し、それにより均一な電流分散を期待することが可能である新たな窒化物半導体素子を提供することである。

上記した技術的課題を解決するために、本発明は、第１導電型及び第２導電型窒化物層と、上記第１導電型及び第２導電型窒化物層との間に形成され、少なくとも一つの量子障壁層と量子井戸層とから成る活性層を有する窒化物半導体素子であって、上記第１導電型窒化物層と上記活性層の間に配置され、少なくとも上記活性層の量子井戸層に含有されたインジウムの組成より多いインジウムを含んだ電流分散層を含む、窒化物半導体素子を提供する。

上記活性層は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ₁＜１）である量子障壁層と、Ｉｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ₁＜ｘ₂＜１）である量子井戸層とから成る形態では、上記電流分散層がＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｘ₂＜ｙ≦１）層を含む構造であることができる。

横方向の電流の流れを十分に向上させるために、高いキャリア移動度が確保されなければならないので、上記電流分散層のインジウム（Ｉｎ）含量は相対的に活性層より高いキャリア移動度を得るために、上記量子井戸層のインジウム含有量より５ｍｏｌ％程度多いことが好ましい。

好ましい実施形態において、上記電流分散層は相互異なる組成を有する少なくとも一対の第１層及び第２層を含み、上記第１層はＩｎ_yＧａ_1-yＮ層であり、上記第２層はＧａＮ層であることができる。より好ましくは、上記電流分散層は上記第１層及び第２層が交互に２乃至１２週期に形成され得る。少なくとも２周期で十分な効果を期待することが可能であり、１２周期超の場合には全体的な層の厚さの増加により抵抗が増加しむしろ発光効率が低下する恐れがある。

これに限定されないが、上記第１層の厚さは１０〜１００Åであることが好ましく、上記第２層の厚さは１００〜２５０Åであることが好ましい。

本発明で提案される高インジウム含量の電流分散層は電流クラウディング現象が深刻なｎ型窒化物層と活性層の間に導入されることによって、発光効率のより大きな向上を期待することができる。

本発明によれば、高いキャリア（特に、電子）移動度が保障される比較的高いインジウム含量を有する層を活性層とクラッド層の間に導入することで横方向の電流の流れを強化して全体面積にわたって電流をより均一に分散させることができ、その結果、高効率の窒化物半導体素子を製造することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を詳しく説明する。

図１は本発明の一実施形態による窒化物半導体素子１０の側断面図である。図１を参照すると、上記窒化物半導体素子１０はバッファ層１２が形成された基板１１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層１４と、活性層１６と、ｐ型窒化物半導体層１７とを含む。

上記基板１１はサファイア及びＳｉＣのような異種基板またはＧａＮのような同種基板であることができる。上記活性層１６は量子井戸層１６ａと量子障壁層１６ｂとで構成された多重量子井戸構造であることができる。また、ｐ型窒化物半導体層１７は電子オーバーフローイングを防止するためのｐ型ＡｌＧａＮ層１７ａと、コンタクト領域を提供するｐ型ＧａＮ層１７ｂとで構成され得る。

本実施形態による窒化物半導体素子１０は上記ｎ型窒化物半導体層１４と活性層１６との間にＩｎＧａＮ電流分散層１５を含む。上記電流分散層１５は少なくとも量子井戸層１６ａに含有されたインジウム含量より多い量のインジウムを含む。一般的に、Ｉｎ含量の多い窒化物層は他の組成の窒化物層に比べて高いキャリア移動度を確保することが知られている。

例えば、ＩｎＮ層における電子移動度（約３２００ｃｍ²／Ｖ・ｓ）はＡｌＮ層及びＧａＮ層（各々約３００ｃｍ²／Ｖ・ｓ、１０００〜１３５０ｃｍ²／Ｖ・ｓ）における電子移動度に比べて非常に高い。

従って、ＩｎＧａＮ電流分散層１５では注入される電子が非常に高い移動度が確保されるので、横方向の電流成分が強化され電流の均一な分散を図ることができる。このような横方向の電流の流れを十分に向上させるために、上記電流分散層１５のインジウム含量は十分な電流分散効果を得るために、上記量子井戸層のインジウム含量より少なくとも５ｍｏｌ％程度多いことが好ましい。

好ましくは、上記量子障壁層１６ｂがＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ₁＜１）を満足する窒化物層であり、上記量子井戸層１６ａがＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ₁＜ｘ₂＜１）の場合には、上記電流分散層１５はＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｘ₂＜ｙ≦１）層であることができる。

図２ａは、本発明の好ましき実施形態による窒化物半導体素子の側断面図である。

上記窒化物半導体素子２０は、図１に示した形態と類似しており、バッファ層２２が形成された基板２１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層としてのＧａＮ層２４と、多重量子井戸構造である活性層２６と、ｐ型窒化物半導体層２７とを含み、ｐ型窒化物半導体層は電子オーバーフローイングを防止するためのｐ型ＡｌＧａＮ２７ａ及びコンタクト領域を提供するＧａＮ層２７ｂとを含む。

本実施形態による窒化物半導体素子２０は上記ｎ型ＧａＮ層２４と活性層２６の間に電流分散層２５を含む。

本実施形態に採用された電流分散層２５はＩｎＧａＮである第１層２５ａと、ＧａＮである第２層２５ｂとで構成することができ、好ましくは複数回交互に繰り返し積層された構造を有する。

従来には、ｎ型窒化物半導体層と活性層にＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を採用する場合があったが、これは結晶性を向上させるためのものとして格子整合を考慮してＩｎＧａＮ層のＩｎ含量は量子井戸層のＩｎ含量より低い条件が求められる反面、本発明で採用される第１層２５ａはむしろ少なくとも量子井戸層２６ａに含有されたインジウム含量より多いインジウム含量を有することが求められる。これは前述したように、インジウム含量を増加させることにより電子移動度を高め電流のより均一な分布を図るためである。好ましくは、上記第１層２５ａのＩｎ含量は少なくとも１５ｍｏｌ％である。

上記第１層２５ａは、図１に示すＩｎＧａＮ電流分散層１５に対応する要素として、その層２５ａ内において高い電子の移動度を確保することで、横方向の電流成分を強化することが可能であり、その結果、電流の均一な分散を図ることができる。上記量子障壁層２６ｂがＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ₁＜１）を満足する窒化物層であり、上記量子井戸層２６ａがＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ₁＜ｘ₂＜１）の場合には、上記電流分散層２５の第１層２５ａはＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｘ₂＜ｙ≦１）層であることができる。このような電流分散層２５の構成は図２ｂに示すようにエネルギーバンドダイアグラムに示すことができる。

また、本実施形態では電流分散層２５が単一層構造で提供される実施形態（図１参照）に比べて、ＧａＮである第２層２５ｂを間において反復的にＩｎＧａＮである第１層２５ａが提供されるので、電流分散効果をより向上させることができる。このような効果は図３に示した電流分散層２５における概略的な電流の流れ図を通してより容易に理解され得る。

電流分散層２５に注入される電流が矢印のように一部領域（例えば、中央領域）に集中されても、ＧａＮである第２層２５ｂに比べて高い電子移動度を有する第１層２５ａでは横方向に電流分散効果が現われ、他の第２層２５ｂを介して他の第１層２５ａに注入される過程において漸次的にその電流分散効果が増加する。このように、ＩｎＧａＮである第１層２５ａとＧａＮである第２層２５ｂを交互に積層することによって、横方向により均一な電流を分散させることが可能であり、その結果として発光効率を大きく向上させることができる。

上記電流分散層２５を構成する第１層２５ａ及び第２層２５ｂの積層周期は２乃至１２週期の範囲にすることが好ましい。少なくとも２週期で十分な効果を期待することができ、１２週期を超えた場合には全体的な電流分散層２５の厚さの増加によって抵抗が増加し、むしろ発光効率が低下される恐れがある。

これに限定されないが、上記第１層２５ａの厚さは１０〜１００Åであることが好ましい。１０Å未満の場合には電流分散効果を期待し難く、１００Åを超える場合には格子不整合によって結晶性が低下される恐れがある。また、上記第２層２５ｂの厚さは１００〜２５０Åであることが好ましい。１００Å未満の場合にはトンネリング現象によって所望の効果を期待し難く、２５０Åを超える場合には全体層の厚さが大きくなりすぎるため、それによる直列抵抗が増加される問題があり得る。

以下、本発明による具体的な実施例を通じて本発明の作用及び効果をより詳しく説明する。

本発明による窒化物半導体素子の発光効率改善効果を確認するために、本発明により窒化物発光素子（ＬＥＤ）をアンモニア（ＮＨ₃）雰囲気の反応器内でＭＯＣＶＤ法を利用して作製した。

先ず、サファイア基板にＧａＮ低温核成長層を形成した後、Ｓｉを利用して ２×１０¹⁸／ｃｍ³の不純物濃度を有するｎ型ＧａＮ層を３μｍの厚さに形成した。

その後、本発明で提示したように、Ｉｎ_0.28Ｇａ_0.72Ｎである第１層とＧａＮである第２層を４回交互に繰り返し形成することで電流分散層を用意した。この際、第１層の厚さは３０〜４０Åに形成し、第２層は１３０〜１４０Åの厚さに形成した。

次に、上記電流分散層上に単一量子井戸構造の活性層を形成した。上記活性層には約４５０ｎｍの波長光を得るために、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層とで形成した。

上記活性層上に約２〜５×１０¹⁷/ｃｍ³の不純物濃度を有する３０ｎｍのＡｌＧａＮ層と約１２０ｎｍの厚さを有するｐ型ＧａＮ層を形成し、適切にメサエッチングした後にｐ側及びｎ側電極を形成した。

（比較例）
上記した実施例と同一な条件で窒化物発光素子を作製し、本発明による電子遮断層を形成する代りに、従来結晶性向上のために採用される超格子構造を形成した。即ち、量子井戸層と同一なインジウム含量を有するＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Nである第１層とＧａＮである第２層を４回交互に繰り返し形成し、この際に第１層及び第２層の厚さは前述した実施例と同じく各々３０〜４０Å、１３０〜１４０Åの厚さに形成した。

このように、得られた２つの窒化物発光素子に対して電界発光（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）スペクトラムを測定した。その結果を図４に示した。

図４に示すように、発光効率は、従来の単純な超格子構造を採用した発光素子の場合（ｂ）に、所望の波長帯域（４５０ｎｍ）において１２００程度に現れたが、本発明の実施例によって製造された発光素子の場合（ａ）に１４００程度に現われた。このような結果により、本発明による電流分散層を採用した発光素子が単に結晶性が向上した従来の発光素子に比べて約１７％程度向上した発光効率を有することを確認することができる。

本発明で提案した電流分散層は、単一層またはＧａＮ層とともに交互に積層された構造を有することができる。また、インジウム含量を量子井戸層のインジウムより高く含んだ本発明の電流分散層においては電子移動度のみならず、正孔移動度も向上するので、ｐ型窒化物層と活性層の間に配置する場合にも類似した効果を期待することができる。

また、本明細書に添付された図面では多重量子井戸構造を有する発光素子構造を例示したが、本実施例のように単一量子井戸構造でも類似して適用され得、さらに発光ダイオード（ＬＥＤ）の外にもレーザーダイオード（ＬＤ）のような他の種類の窒化物半導体素子に有益に適用され得る。

このように本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によって限定される。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは、当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。

本発明の一実施形態による窒化物半導体素子の側断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体素子の側断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体素子のエネルギーバンドダイアグラムである。 図２ａの実施形態による窒化物半導体素子に採用された電流分散層による効果を説明するための概略図である。 従来例による発光素子と本発明の一実施例による発光素子の発光効率を比較するためのＥＬスペクトラムである。

符号の説明

１０、２０ 窒化物半導体素子
１１、２１ 基板
１２、２２ バッファ層
１４、２４ ｎ型窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）
１５ ＩｎＧａＮ電流分散層
１６、２６ 活性層
１６ａ、２６ａ 量子井戸層
１６ｂ、２６ｂ 量子障壁層
１７、２７ ｐ型窒化物半導体層
１７ａ、２７ａ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７ｂ、２７ｂ ｐ型ＧａＮ層
２５ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ電流分散層
２５ａ ＩｎＧａＮ層（第１層）
２５ｂ ＧａＮ層 （第２層）

Claims (8)

1. 第１導電型及び第２導電型窒化物層と、前記第１導電型及び第２導電型窒化物層との間に形成され、少なくとも一つの量子障壁層と量子井戸層とから成る活性層を有する窒化物半導体素子であって、
   前記第１導電型窒化物層と前記活性層の間に配置され、少なくとも前記活性層の量子井戸層に含有されたインジウムの組成より多いインジウムを含んだ電流分散層を含む、窒化物半導体素子。
2. 前記活性層は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ₁＜１）である量子障壁層と、Ｉｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ₁＜ｘ₂＜１）である量子井戸層とから成り、前記電流分散層はＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｘ₂＜ｙ≦１）層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記電流分散層のＩｎ含量は、前記量子井戸層のインジウム含有量より少なくとも５ｍｏｌ％程度多いことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記電流分散層は、交互に積層された互いに異なる組成を有する少なくとも一対の第１層及び第２層を含み、前記第１層はＩｎ_yＧａ_1-yＮ層であり、前記第２層はＧａＮ層であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記電流分散層は、前記第１層及び第２層が交互に２乃至１２週期に繰り返し形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記第１層の厚さは、１０〜１００Åであることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記第２層の厚さは、１００〜２５０Åであることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記第１導電型窒化物層はｎ型窒化物層であり、前記第２導電型窒化物層はｐ型窒化物層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。

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