JP2007180499A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、輝度と信頼性の改善された窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明による窒化物半導体発光素子は、基板上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層の一部上面に設けられたｎ側電極と、上記基板とｎ型窒化物半導体層の間に形成された少なくとも一つの中間層を含み、上記中間層はバンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造を有し、上記中間層は上記ｎ側電極より下に位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、より具体的には結晶欠陥が減少し、かつ輝度と信頼性を改善した窒化物半導体発光素子に関する。

近年、ＧａＮなどのIII−Ｖ族窒化物半導体（ｇｒｏｕｐ III−Ｖ ｎｉｔｒｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、優れた物理的、化学的特性により発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）などの発光素子の核心素材として脚光を浴びている。III−Ｖ族窒化物半導体（略して、「窒化物半導体」ともいう）は、通常Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質から成っている。窒化物半導体材料を用いたＬＥＤ、或はＬＤは青色または緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く用いられており、携帯電話のキーパッド発光部、電光板、照明装置など各種製品の光源として応用されている。

窒化物半導体発光素子に対する需要が増加することにより、より大きい輝度と高い信頼性に対する要求が増加している。しかし、通常的にサファイア基板などの異種基板上に成長されるＧａＮなどの窒化物半導体は、異種基板との格子不整合によって結晶欠陥を有している。このような欠陥は発光素子の信頼性（例えば、静電気放電（ＥＳＤ）に対する耐性）に悪影響を与えるばかりでなく、光を吸収することで発光素子の輝度を減少させる。窒化物半導体層の結晶欠陥を減少させるために選択的エピタキシャル成長を利用するなど多様な努力が成されてきているが、このような試みはＳｉＯ_２マスクの蒸着のような複雑な工程と高いコストを要するなどの短所を有している。

図１は、従来の窒化物半導体発光素子の側断面図であって、特に窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を示す。図１を参照すると、発光素子１０は、サファイア基板１１の上にバッファ層１３、ｎ型ＧａＮ系クラッド層１４、活性層１６、及びｐ型ＧａＮ系クラッド層１８が順次積層された構造を有する。メサ蝕刻によって露出されたｎ型ＧａＮ系クラッド層１４の上面には、ｎ側電極２４が設けられており、ｐ型ＧａＮ系クラッド層１８の上にはＩＴＯなどから成る透明電極層２０とｐ側電極２２が形成されている。上記バッファ層はサファイア基板とｎ型ＧａＮ系クラッド層１４の間の格子不整合を緩和する役目を果たし、低温ＡｌＮまたは低温ＧａＮで作製することができる。特許文献１には、発行効率の向上のためにアンドープＧａＮの障壁層とアンドープＩｎＧａＮの井戸層の多重量子井戸構造を有する活性層を開示している。

しかし、バッファ層１３を使用しても、発光素子１０内の結晶欠陥問題は十分解消されない。依然として窒化物半導体結晶、特に活性層内には相当な密度の欠陥が存在する。このような欠陥は光を吸収し活性層での発光現象を邪魔するだけでなく、逆方向降伏電圧（Ｖｒ）または逆方向静電気放電（ＥＳＤ）耐性電圧を低める。したがって、結晶欠陥によって発光素子の輝度と信頼性が劣化する。
特開平１０−１３５５１４号公報

本発明は、上記した問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は窒化物半導体結晶、特に活性層内に低い結晶欠陥密度を有する高品質の窒化物半導体発光素子を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、高い輝度と優れた信頼性を現す窒化物半導体発光素子を提供することである。

上述した技術的課題を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子は、基板上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層の一部上面に設けられたｎ側電極と、上記基板と上記ｎ型窒化物半導体層の間に形成された少なくとも一つの中間層を含み、上記中間層はバンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造を有し、上記中間層は上記ｎ側電極より下に位置する。

上記中間層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質から成り、上記中間層の多層構造はＡｌとＩｎの組成比を異にして互いに異なるエネルギーバンドを有する。

好ましくは、上記中間層を構成する各層の厚さは１０乃至３００Åの厚さを有する。好ましくは、上記中間層は超格子構造を形成する。

本発明の一実施形態によると、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層物を含む。また、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの上記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することができる。

本発明の他の実施形態によると、上記中間層は順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を含む。さらに、上記中間層は順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの上記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することができる。

本発明のさらに他の実施形態によると、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮの積層物を１周期として上記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することができる。ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の間に介在したＧａＮ層は、上記ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層において発生する応力（ｓｔｒｅｓｓ）を緩和させる役目を果たすことによって、結晶欠陥をより効果的に遮断する。

上記中間層の少なくとも一部は、Ｓｉなどのｎ型不純物またはＭｇなどのｐ型不純物でドーピングされ得る。これと異なって、上記中間層はドーピングされていないアンドープ層であり得る。また、上記中間層の少なくとも一部にはＩｎが不純物として添加され得る。このように（組成成分としてではなく）不純物として添加されたＩｎは、界面活性剤の役目を果たして転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）欠陥を固定（ｐｉｎｎｉｎｇ）させる。

本発明のさらに他の実施形態によると、上記中間層はバンドギャップの互いに異なる４層以上が積層された多層構造を有することができる。この場合、上記中間層を構成する層のうちバンドギャップの最も大きい第１層と最も小さい第２層の間には、バンドギャップが積層方向に沿って順次に増加または減少するように上記第１及び第２層以外の他層が積層され得る。

本発明によると、上記基板はサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＧａＮで構成された群より選択された物質から成ることができる。好ましくは、上記基板と上記中間層の間はアンドープ（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＧａＮ層をさらに含むことができる。また、上記基板と上記アンドープＧａＮ層の間はバッファ層をさらに含むことができる。さらに、上記ｎ型窒化物半導体層と活性層の間に形成された電流拡散層をさらに含むことができる。

また、本発明は窒化物半導体発光ダイオード素子を提供しており、上記窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板上に順次形成された第１ｎ型窒化物半導体層、中間層、第２ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層と、上記第２窒化物半導体層の一部上面に設けられたｎ側電極を含み、上記中間層は、バンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造を有し、上記中間層は上記ｎ側電極より下に位置する。好ましくは、上記中間層は順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が繰り返し積層された超格子構造を有することができる。さらに、好ましくは、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層物が繰り返し積層された超格子構造を有することができる。

本発明によれば、バンドギャップが互いに異なる３層の多層構造を有する中間層を基板とｎ型半導体層との間に、そしてｎ側電極の下に配置することで、電流経路を提供する半導体層の結晶欠陥密度を減少させる。これにより、発光素子の輝度と信頼性は大きく改善される。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることが可能であり、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有する者にとって本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面での要素等の形状および大きさなどはより明確に説明するために誇張され得、図面上の同一な符号で示す要素は同一な要素である。

図２は、本発明の実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。図２は特に、窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を示す。図２を参照すると、窒化物半導体発光素子１００はサファイア基板１０１の上に順次形成されたアンドープＧａＮ層１０２、第１ｎ型窒化物半導体層１０３、多層構造の中間層１５０、第２ｎ型窒化物半導体層１０５、電流拡散層１０６、活性層１０７及びｐ型窒化物半導体層１０９とを含む。上記第１ｎ型窒化物半導体層１０３と第２ｎ型窒化物半導体層１０５は、例えば、ｎ−ドープＧａＮ層で形成され得る。上記ｐ型窒化物半導体層１０９は、例えば、ｐ−ドープＧａＮ層及び／またはｐ−ドープＡｌＧａＮ層で形成され得る。上記活性層１０７は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸または単一量子井戸構造で形成され得る。電流拡散層１０６は、側方向への電流拡散を促進させる役目を果たし、例えば、互いに異なるドーピング濃度を有する多層構造で形成され得る。

ｐ型窒化物半導体層１０９の上には、ＩＴＯなどから成る透明電極層１１０とｐ側電極１２０が形成されることができ、メサ蝕刻によって露出された第２ｎ型窒化物半導体層１０５の一部上面にはｎ側電極１３０が形成されることができる。図示されてはいないが、サファイア基板１０１とアンドープＧａＮ層１０２の間には低温ＡｌＮ層などのようなバッファ層が形成され得る。

上記中間層１５０は、ｎ側電極１３０より下に位置し、（特に、第２窒化物半導体層１０５の下に位置する）、バンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造から成る。互いに異なるバンドギャップを有する３層以上の積層物を具備することによって、中間層１５０は効果的に転位欠陥をベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）させたり、中断（Ｓｔｏｐｐｉｎｇ）させたりする。即ち、中間層１５０のエネルギーバンドダイヤグラム上において互いに異なる３つ以上のバンドギャップが連続的に連結される場合、中間層１５０の下で発生された転位が中間層１５０の上に進行されることが効果的に抑制される。これにより、中間層１５０は第１ｎ型窒化物半導体層１０３において生じた結晶欠陥を遮断する役目を果たす。したがって、第２ｎ型窒化物半導体層１０５と活性層１０７は減少された結晶欠陥を有し、良質の結晶品質を現すようになる。

上記中間層１５０は窒化物半導体物質、即ちＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質から成る。中間層１５０を構成する窒化物半導体層らはバンドギャップ変調された多層膜構造を形成するようにＡｌとＩｎの組成比を異にする。例えば、中間層はＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層物を含むか、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を含むことができる（図４乃至図９参照）。Ａｌの組成が高いほどバンドギャップは大きくなり、Ｉｎの組成が高いほどバンドギャップが小さくなる。

好ましくは、上記中間層１５０を構成する各層の厚さは１０乃至３００Åの厚さを有する。このような厚さを有する薄膜層が周期的に積層されることによって、上記中間層１５０は超格子構造を形成することができる。バンドギャップ変調された多層構造の中間層１５０が超格子構造を有する場合、結晶欠陥を遮断する効果はさらに大きくなる。

上述したように、バンドギャップ変調された多層構造の中間層１５０は 第１ｎ型窒化物半導体層１０３と第２ｎ型窒化物半導体層１０５の間に形成され、ｎ側電極１３０の下に配置される。従って、中間層１５０は活性層１０７への転位欠陥の進行または電波を効果的に遮断する。また、ｎ側電極１３０の下に配置されることによって、中間層１５０の下に存在する相当量の欠陥は、発光素子１００の電流経路に影響を及ぼさなくなる。その理由は、電流はｐ型半導体層１０９から活性層１０７と第２窒化物半導体層１０５を経由してｎ側電極１３０に流れるからである。結局、ｎ側電極１３０の下に配置された中間層１５０により、電流経路にある半導体層１０９、１０７、１０６、１０５の結晶品質が向上し、これにより発光素子１００の輝度と信頼性が高くなる。

上記中間層１５０の少なくとも一部は、Ｓｉなどのｎ型不純物またはＭｇなどのｐ型不純物でドーピングされることができる。これと異なって、上記中間層１５０はドーピングされていないアンドープ層であり得る。また、上記中間層１５０の少なくとも一部にはＩｎが不純物として添加され得る。不純物として添加されたＩｎは、純粋なＩｎＧａＮ物質内のＩｎと異なって組成成分として存在しない。このように（組成成分ではなく）不純物として添加されたＩｎは窒化物半導体層内で界面活性剤の役目を果たす。これにより、上記Ｉｎ不純物はＳｉなどのｎ型不純物またはＭｇなどのｐ型不純物の活性化エネルギーを低めることで、実際キャリア（電子または正孔）生成させるＳｉまたはＭｇドーパントの割合が高くなる。また、不純物として添加されたＩｎは転位欠陥を固定（ｐｉｎｎｉｎｇ）させる。従って、中間層１５０に不純物として添加されたＩｎにより、中間層１５０の上に成長された層等の結晶欠陥密度はさらに減少することができる。

本実施形態では、窒化物半導体結晶成長のための基板１０１としてサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を使用しているが、サファイア基板の代りにＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＭｇＯ基板、ＧａＮ基板など窒化物半導体層の成長に用いられるあるゆる基板も使用可能である。

前述した実施形態では、発光素子１００が一つのみの中間層１５０を含んでいるが、２以上の中間層を含むこともできる。このような例が図３に示されている。図３は他の実施形態による発光素子２００を示す断面図である。図３を参照すると、ｎ側電極１３０と基板１０１の間に２つの中間層１５０が形成されている。この２つの中間層１５０の間には、さらに他のｎ型窒化物層１０４が配置されている。このように、２以上の中間層１５０を具備することで活性層１０７への転位欠陥電波をさらに抑制することができる。図３に示した発光素子２００の他の構成要素等は図２で説明した通りである。

以下、図４乃至図１０を参照して多様な実施形態による中間層１５０の積層構造とバンドギャップ構造について説明する。

図４は、本発明の第１実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図であり、図５は図４の多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。

図４及び図５を参照すると、多層構造の中間層１５０は第１窒化物半導体層１０３の上に順次積層されたＡｌＧａＮ層１５０ａ、ＧａＮ層１５０ｂ及びＩｎＧａＮ層１５０ｃの積層物を含む。特に、上記ＡｌＧａＮ１５０ａ／ＧａＮ１５０ｂ／ＩｎＧａＮ１５０ｃの積層物が繰り返し積層されている。本実施形態では、ＡｌＧａＮ１５０ａ／ＧａＮ１５０ｂ／ＩｎＧａＮ１５０ｃが多層構造の１週期を形成する。好ましくは、中間層１５０は超格子構造を形成する。中間層１５０を構成する窒化物半導体層１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃのうちＡｌＧａＮ層１５０ａのバンドギャップが最も大きく、ＩｎＧａＮ層１５０ｃのバンドギャップが最も小さい。ＡｌＧａＮ層１５０ａとＩｎＧａＮ層１５０ｃの間に介在されたＧａＮ層１５０ｂのバンドギャップは、ＡｌＧａＮ層１５０ａのバンドギャップよりは小さく、ＩｎＧａＮ層１５０ｃのバンドギャップよりは大きい。

このように互いに異なるバンドギャップを有する３層（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ）の多層構造は、前述したように効果的に転位欠陥を遮断する役目を果たす。特に、ＩｎＧａＮ層１５０ｃはＡｌＧａＮ１５０ａとＧａＮ層１５０ｂの成長時、転位欠陥を効果的にベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）させ中断（ｓｔｏｐｐｉｎｇ）させる。また、ＧａＮ層１５０ｂはバンドギャップの大きいＡｌＧａＮ層１５０ａにおいて発生した引長応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）とバンドギャップの小さいＩｎＧａＮ層１５０ｃにおいて発生した圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｓｔｒｅｓｓ）を緩和（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）させる役目を果たす。従って、上記中間層１５０は応力を緩和させながら転位欠陥を遮断することができる。

このような転位欠陥遮断効果をさらに高めるために、中間層の少なくとも一部に（例えば、ＩｎＧａＮ層１５０ｃに）Ｉｎを（組成成分ではなく）不純物として添加することができる。中間層１５０の中に不純物として添加されたＩｎは、界面活性剤として作用し転位欠陥として固定させることによって、中間層１５０の上部に形成された第２ｎ型窒化物半導体層１０５、電流拡散層１０６、活性層１０７及びｐ型窒化物半導体層１０９の転位欠陥の数をさらに減少させることが可能である。

第１実施形態による多層構造中間層を具備することによって、電流経路を提供するｎ型窒化物半導体層１０５、活性層１０７及びｐ型窒化物半導体層１０９の結晶欠陥密度は減少される。従って、活性層１０７において非発光型再結合（ｎｏｎ−ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）は減る一方、発光型再結合（ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）は増加するようになる。これにより、発光素子１００の輝度が増加する。また、電流経路を提供する半導体層等の欠陥品質が向上するため、動作電圧は低くなり素子の信頼性（例えば、逆方向降伏電圧または静電気放電耐圧）は高くなる。

図６は、本発明の第２実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図であり、図７は図６の多層構造中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。中間層を構成する層の積層順序の面で、第２実施形態の中間層は第１実施形態の中間層と異なる。

図６及び図７を参照すると、第１ｎ型窒化物半導体層１０３の上には順次積層されたＩｎＧａＮ１５０ｃ／ＧａＮ１５０ｂ／ＡｌＧａＮ１５０ａの積層物が繰り返し積層されている。本実施形態では、ＩｎＧａＮ１５０ｃ／ＧａＮ１５０ｂ／ＡｌＧａＮ１５０ａが多層構造の１週期を形成する。好ましくは、中間層１５０は超格子構造を形成する。図７に示しているように、中間層１５０を構成する窒化物半導体層はＩｎＧａＮ１５０ｃ／ＧａＮ１５０ｂ／ＡｌＧａＮ１５０ａの順に繰り返し積層されている（積層の順が図５に示された第１実施形態とは反対である）。

互いに異なるバンドギャップを有する３層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）の多層構造も、第１実施形態と同様に、効果的に転位欠陥を遮断させる役目を果たす。即ち、ＩｎＧａＮ層１５０ｃはＡｌＧａＮ１５０ａとＧａＮ層１５０ｂの成長時、転位欠陥を効果的にベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）させ中断（ｓｔｏｐｐｉｎｇ）させる。また、中間層１５０の一部に不純物として添加されたＩｎは転位欠陥として固定させることによって、中間層１５０の上部に形成された半導体層１０５、１０６、１０７、１０９の転位欠陥の数をさらに減少させることが可能である。

第１実施形態の説明と同様に、第２実施形態による中間層１５０はその下層で発生した結晶欠陥進行を遮断させることによって、電流経路を提供する半導体層１０５、１０７、１０９の結晶欠陥密度を減少させ、かつ輝度を増加させ、さらに素子信頼性を高める。

図８は、本発明の第３実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図であり、図９は図８の多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。第３実施形態による中間層では、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面を形成しないようにＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の間にＧａＮ層が挿入されている。

図８及び図９を参照すると、第１ｎ型窒化物半導体層１０３の上には順次積層されたＡｌＧａＮ１５０ａ／ＧａＮ１５０ｂ／ＩｎＧａＮ１５０ｃ／ＧａＮ１５０ｂの積層物が周期的に繰り返し積層されている。即ち、ＡｌＧａＮ１５０ａ／ＧａＮ１５０ｂ／ＩｎＧａＮ１５０ｃ／ＧａＮ１５０ｂが多層構造の１週期を形成する。好ましくは、中間層１５０は超格子構造を形成する。図９に示しているように、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ層１５０ａとバンドギャップの小さいＩｎＧａＮ層１５０ｃの間にはＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面を形成しないようにＧａＮ層１５０ｂが挿入されている。前述したように、第３実施形態の中間層１５０も、バンドギャップが互いに異なる３層以上の多層構造を具備することで、結晶欠陥遮断効果を有する。

このように周期的な多層構造内のＡｌＧａＮ層１５０ａとＩｎＧａＮ層１５０ｃの間にＧａＮ層１５０ｂを挿入することによって、ＡｌＧａＮ層１５０ａの引長応力とＩｎＧａＮ層１５０ｃの圧縮応力がさらに効果的に緩和される。従って、中間層１５０自体内の応力はさらに減少し、中間層１５０はより低い結晶欠陥を有するようになる。中間層１５０の有する向上した応力緩和効果は、中間層１５０の上部に形成された半導体層１０５、１０６、１０７、１０９の結晶品質改善にさらに寄与するようになる。

図１０は、本発明の第４実施形態による多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルを表すグラフである。本実施形態では、中間層はバンドギャップが互いに異なる４つ以上の層１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄを含む（便宜上、中間層を示す部分断面図の図示は省略する）。

図１０を参照すると、中間層を構成する層のうちバンドギャップの最も小さい層（Ａｌ組成比が最も小さくて、Ｉｎ組成比が最も大きいＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層）１５２ａからバンドギャップの最も大きい層（Ａｌ組成比が最も大きくて、Ｉｎ組成比が最も小さいＩｎ_ｍＡｌ_ｎＧａ_{１−ｍ−ｎ}Ｎ層）１５２ｄまで、総４つの層１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄは互いにバンドギャップが異なる。このような４つの層１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄは１回以上繰り返し積層されることで、好ましくは超格子構造を形成する。このように３層以上のバンドギャップ変調された多層構造を具備することにより中間層が結晶欠陥を効果的に遮断することが可能であることは、前述したことに照らして明らかである。各層のバンドギャップの大きさは、各層１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄのＡｌ及びＩｎ組成比を調節することにより制御することができる。

特に、本実施形態では最も大きいバンドギャップを有する層１５２ｄと最も小さいバンドギャップを有する層１５２ａの間でエネルギーバンドギャップが積層方向に沿って順次に増加または減少するように他層１５２ｂ、１５２ｃが積層されている。このようにバンドギャップが積層方向に沿って順次に増加または減少するように中間層の多層構造を形成することで、バンドギャップの差によって招かれる応力（ｓｔｒｅｓｓ）を効果的に緩和させることが可能である。即ち、小さいバンドギャップ層１５２ａと大きいバンドギャップ層１５２ｄの間に配置された層１５２ｂ、１５２ｃは、順次に増加または減少するバンドギャップを具備することによって、応力を効果的に緩和させる役目を果たす。

本発明者らは、本発明による輝度及び電気的特性の改善効果を確認するために、中間層を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子と中間層のない従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子に対して輝度及び電気的特性の評価実験を実施した。この実験に使用されたＬＥＤの中間層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮが繰り返し積層された積層構造を有している。このような輝度及び電気的特性の評価実験結果、中間層を有するＬＥＤが中間層のない従来のＬＥＤに比べて約３０％の逆方向降伏電圧（Ｖｒ）向上効果を奏することを確認した。また、中間層を有するＬＥＤは中間層のないＬＥＤに比べて約２５％の光パワー（Ｐｏ）向上効果を奏した。中間層による光パワー（Ｐｏ）向上は輝度増加を意味するが、これは半導体結晶内の欠陥減少と電流拡散に起因する。また、中間層による逆方向降伏電圧向上は発光素子の信頼性改善を意味するが、これは半導体結晶内の欠陥減少に起因する。このように、本発明によると、中間層の挿入によって結晶品質が改善され、これにより、発光輝度と素子信頼性が高くなる。

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、添付された請求範囲により限定しようとする。従って、請求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、変形及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自明である。

従来の窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の第１実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図である。 図４の多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。 本発明の第２実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図である。 図６の多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。 本発明の第３実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面である。 図８の多層構造中間層のバンドギャッププロファイルの一例を表すグラフである。 本発明の第４実施形態による多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルを表すグラフである。

符号の説明

１０１ サファイア基板
１０２ アンドープＧａＮ層
１０３ 第１ｎ型窒化物半導体層
１０５ 第２ｎ型窒化物半導体層
１０６ 電流拡散層
１０７ 活性層
１０９ ｐ型窒化物半導体層
１１０ 透明電極層
１２０ ｐ側電極
１３０ ｎ側電極
１５０ 多層構造中間層

Claims (22)

1. 基板上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の一部上面に設けられたｎ側電極と、
   前記基板と前記ｎ型窒化物半導体層の間に形成された少なくとも一つの中間層とを含み、
   前記中間層はバンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造を有し、前記中間層は前記ｎ側電極より下に位置することを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
2. 前記中間層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０ ≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質から成り、前記中間層の多層構造はＡｌとＩｎの組成比を異にして互いに異なるエネルギーバンドを有することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記中間層を構成する各層の厚さは、１０乃至３００Åの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記中間層は、超格子構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記中間層は、順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層物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発光素子。
6. 前記中間層は、順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの前記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記中間層は、順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物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発光素子。
8. 前記中間層は、順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの前記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記中間層は、順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮの積層物を１周期として前記積層物が繰り返し積層された多層構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記中間層の少なくとも一部は、ｎ型不純物でドーピングされていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記中間層の少なくとも一部は、ｐ型不純物でドーピングされていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記中間層は、ドーピングされていないアンドープ層であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記中間層の少なくとも一部には、Ｉｎが不純物として添加されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記中間層は、バンドギャップの互いに異なる４層以上が積層された多層構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
15. 前記中間層を構成する層のうちバンドギャップの最も大きい第１層と最も小さい第２層の間には、バンドギャップが積層方向に沿って順次に増加または減少するように前記第１及び第２層以外の他層が積層されていることを特徴とする、請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
16. 前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＧａＮで構成された群より選択された物質から成ることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
17. 前記基板と前記中間層の間に形成されたアンドープＧａＮ層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
18. 前記基板と前記アンドープＧａＮ層の間に形成されたバッファ層をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の窒化物半導体発光素子。
19. 前記ｎ型窒化物半導体層と活性層の間に形成された電流拡散層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
20. サファイア基板上に順次形成された第１ｎ型窒化物半導体層、中間層、第２ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層と、
    前記第２窒化物半導体層の一部上面に設けられたｎ側電極とを含み、
    前記中間層は、バンドギャップの互いに異なる３層以上が積層された多層構造を有し、前記中間層は前記ｎ側電極より下に位置することを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
21. 前記中間層は、順次積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が繰り返し積層された超格子構造を有することを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子。
22. 前記中間層は、順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層物が繰り返し積層された超格子構造を有することを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子。

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