JP2008047859A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】GaNとの格子整合性が優れた良質の電子遮断層を備えることによって、光効率の向上効果を極大化できる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体発光素子は、n型クラッド層120と、前記n型クラッド層上に形成された活性層130と、前記活性層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層140と、前記電子遮断層上に形成されたp型クラッド層150とを含む。前記電子遮断層は好ましくはp型AlYGaNからなる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、さらに詳細には、GaNとの格子整合性が優れた良質の電子遮断層(electron blocking layer:EBL)を成長させることによって、素子の光効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子に関する。
一般に、窒化物半導体発光素子は、青色又は緑色などの短波長光を生成してフルカラー具現を可能にした高出力光素子であって、関連技術分野において大きく注目されつつある。
窒化物半導体発光素子を構成する物質は、AlxInyGa(1-x-y)N(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)組成式を有する半導体単結晶であり、このような半導体単結晶は、有機化学気相蒸着法(MOCVD)などの結晶成長方式を利用して、サファイア、SiCのような基板上で成長させることができる。
従来の窒化物半導体発光素子は、サファイア基板とその上部に順次形成されたn型クラッド層、活性層及びp型クラッド層を含む。また、前記発光素子は、前記n型クラッド層と前記p型クラッド層にそれぞれ接続されたn型及びp型電極を含む。前記活性層は、GaNである量子バリア層とInGaNである量子井戸層を複数回交互に積層した多重量子井戸(Multi−Quantum Well:MQW)構造であり得る。
各電極に所定の電流が印加されると、n型クラッド層から提供される電子とp型クラッド層から提供されている正孔とが多重量子井戸構造の活性層で再結合されて、緑色又は青色に該当する短波長光を放出する。
ここで、前記活性層とp型クラッド層との間には、前記p型クラッド層より大きいエネルギーバンドギャップを有するp型AlGaNのようなAlを含む窒化物半導体からなる電子遮断層(electron blocking layer:EBL)が形成される。
図1は、一般的なp型AlGaNからなる電子遮断層を備えた窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図である。
図1に示すように、p型AlGaNからなる電子遮断層(EBL)は、p型クラッド層より大きいエネルギーバンドギャップを有しているので、n型クラッド層から提供される電子がMQW構造の活性層で再結合されずにオーバーフローされることを効果的に防止できる。したがって、前記電子遮断層は、オーバーフローにより消費される電子を減少させることによって、発光素子の光効率を向上させることができる。
しかしながら、AlGaNの場合、GaNと格子定数が異なるため、成長時にGaNと格子整合をなすことができず、変形が発生し得るので、良質の電子遮断層を得ることが困難であるという問題がある。
これにより、従来では、前記電子遮断層としてAlGaNの代りに、GaNより大きいエネルギーバンドギャップを有し、かつ、GaNと格子定数が同じ層に成長できるAlInGaNを使用することもある。
前記AlInGaN層は、AlGaNとInGaNを使用して成長させることができる。しかし、前記AlGaNは、1000℃以上の温度で成長させることにより良い結晶質を得ることができ、InGaNの場合、InNの結合力が低くいから700℃〜800℃の温度範囲で成長させなければならないため、良質のAlInGaN層を得るのが極めて難しいという問題がある。
したがって、当技術分野では、GaNとの格子整合性が優れた良質の電子遮断層を備えることによって、光効率の向上効果を極大化できる新しい窒化物半導体発光素子が要求されている。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、GaNとの格子整合性に優れた良質の電子遮断層(EBL)を備えることによって、素子の光効率の向上効果を極大化することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
上記の目的を達成すべく、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、n型クラッド層と、前記n型クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、前記電子遮断層上に形成されたp型クラッド層と、を含む。
ここで、本発明の一実施形態によると、前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなる。
そして、上記の目的を達成すべく、本発明の実施の形態に係る他の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたn型クラッド層と、前記n型クラッド層上の一部分に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、前記電子遮断層上に形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に形成されたp型電極と、前記活性層が形成されないn型クラッド層上に形成されたn型電極と、を含む。
ここで、本発明の一実施形態によると、前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなる。
また、上記の目的を達成すべく、本発明の実施の形態に係るさらに他の窒化物半導体発光素子は、構造支持層と、前記構造支持層上に形成されたp型電極と、前記p型電極上に形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、前記電子遮断層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたn型クラッド層と、前記n型クラッド層上に形成されたn型電極と、を含む。
ここで、本発明の一実施形態によると、前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、活性層とp型クラッド層との間に形成される電子遮断層として、既存のAlGaNやAlInGaNの代りにAlYGaNを使用することによって、GaNとの格子整合性が優れており、かつ、結晶質も優れた電子遮断層を具現することができる。
したがって、本発明は、発光素子の光効率をさらに向上させる等、素子の特性を向上させることができるという効果がある。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施の形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。
図面において、複数層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似の部分に対しては、同一の図面符号を付してある。
これから本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子について、図面を参考にして詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図2〜図4を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
まず、図2は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図であって、水平構造の窒化物半導体発光素子を例示したものである。
図2に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、基板110と、前記基板110上に順次形成されたn型クラッド層120、活性層130及びp型クラッド層150を含む。
前記基板110は、好ましくは、サファイアを含む透明な材料を利用して形成され、サファイアの他にもジンクオキサイド(zinc oxide、ZnO)、ガリウムナイトライド(gallium nitride、GaN)、シリコンカーバイド(silicon carbide、SiC)及びアルミニウムナイトライド(AlN)などで形成することができる。
前記基板110と前記n型クラッド層120との間には、これらの間の格子整合を向上させるためのバッファ層(図示せず)が形成されていてもよい。ここで、前記バッファ層は、GaN又はAlN/GaNなどで形成することができる。
前記n型及びp型クラッド層120、150と活性層130は、AlxInyGa(1-x-y)N(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)組成式を有する半導体物質からなることができる。
より具体的に、前記n型クラッド層120は、n型導電型不純物がドーピングされたGaN層などからなることができ、n型導電型不純物には、例えば、Si、Ge及びSnなどを使用し、好ましくは、Siを主に使用する。また、前記p型クラッド層150は、p型導電型不純物がドーピングされたGaN層などからなることができ、p型導電型不純物には、例えば、Mg、Zn及びBeなどを使用し、好ましくは、Mgを主に使用する。そして、前記活性層130は、MQW構造のInGaN/GaN層からなることができる。
前記p型クラッド層150と、前記活性層130の一部は、メサエッチング(mesa etching)により除去され、底面にn型クラッド層120の一部を露出させている。
前記p型クラッド層150上には、p型電極160が形成されている。
そして、前記メーサエッチングにより露出されたn型クラッド層120、すなわち前記活性層130が形成されないn型クラッド層120上には、n型電極170が形成されている。
このような本発明による窒化物半導体発光素子において、前記活性層130とp型クラッド層150との間には、前記p型クラッド層150より大きいエネルギーバンドギャップを有する電子遮断層140が形成されている。
特に、前記電子遮断層140は、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体、例えばp型AlYGaNからなることが好ましい。
図3は、本発明に係るp型AlYGaNからなる電子遮断層を備えた窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図である。
図3に示すように、本発明に係るp型AlYGaNからなる電子遮断層(EBL)は、既存のp型AlGaNからなる電子遮断層と同様に、p型クラッド層より大きいエネルギーバンドギャップを有するため、n型クラッド層から提供される電子がMQW構造の活性層で再結合されずp型クラッド層にオーバーフローされることを効果的に防止する。したがって、前記電子遮断層(EBL)は、オーバーフローにより消費される電子を減少させて、発光素子の光効率を向上させることができる。
ここで、図4は、化合物別バンドギャップエネルギーと格子定数を示したグラフであって、図面において一点鎖線で表示された三角形は、既存の電子遮断層物質であるAlInGaNシステムを示したものであり、点線で表示された三角形は、本発明に係る電子遮断層物質であるAlYGaNシステムを示したものである。
前記電子遮断層140を成長させることにおいて、格子定数(lattice constant)差による発光素子の特性低下を防止するためには、GaNより大きいエネルギーバンドギャップを有し、GaNと格子定数が同じ条件である太い実線(図4の図面符号「A」参照)に示す条件で化合物が作られなければならない。
しかしながら、上述のように、既存のAlInGaNの成長時、優れた結晶質を得るためのAlGaNとInGaNの成長温度は、それぞれ1000℃以上と700℃〜800℃の温度範囲であって、前記AlInGaN層を成長させるために用いられる物質の成長温度が互いに異なるから、良質のAlInGaN層を得るのが困難であった。
したがって、本発明では、InNの低い結合力によりAlGaNの成長温度である1000℃以上の高温での成長が困難なInGaNの代りに、溶融点と結合力が高いから1000℃以上の温度で成長が可能な第3族転移元素、例えばY(yttrium)を含むYGaNを上記のAlGaNと共にp型AlYGaNを電子遮断層140に成長させることによって、良質の電子遮断層を得ることができる。
このように、図4において点線三角形で表示されたAlYGaNシステムの場合、GaNよりバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、GaNと格子定数が同じ条件である太い実線Aで成長できるだけでなく、1000℃以上の高温でAlGaNと共に成長させて良質のAlYGaN層を得ることができるので、これを電子遮断層140として使用する本発明は、素子の光効率の向上効果を極大化できる。
一方、1000℃以上の温度で成長が可能な第3族転移元素には、上記のYの他にもSc(scandium)がある。前記Scが含まれたScGaNを上記のInGaNの代わりに使用して、良質のp型AlScGaN層を成長させることもできるが、AlScGaNシステムの場合には、図4に示したように、AlNとGaN、ScNがほとんど一直線上に位置して、GaNよりバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、GaNと格子定数が同じ領域を探索できないから、電子遮断層として利用するのに適していない。
このように、本発明では、電子遮断層140として、既存のAlGaNやAlInGaNの代りにAlYGaNを使用することによって、GaNとの格子整合性が優れており、かつ、結晶質も優れた電子遮断層を具現できるため、発光素子の光効率をさらに向上させる等、素子の特性を向上させることができる。
[第2の実施の形態]
以下、図5を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図であって、垂直構造の窒化物半導体発光素子を例示したものである。
図5に示すように、本発明の第2の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の最下部には、構造支持層200が形成されている。
前記構造支持層200は、LED素子の支持層及び電極としての機能を行うものであって、シリコン(Si)基板、GaAs基板、Ge基板又は金属層などからなることができる。
前記構造支持層200上には、p型電極160が形成されており、これは、電極の機能及び反射の機能を同時に行うように反射率の高い金属からなることが好ましい。
前記p型電極160上には、p型クラッド層150、電子遮断層140、活性層130及びn型クラッド層120が順に形成されており、前記n型クラッド層120上には、n型電極170が形成されている。
この中で、前記p型クラッド層150は、上述のようにp型導電型不純物がドーピングされたGaN層などからなることができ、前記活性層130は、MQW構造のInGaN/GaN層からなることができ、前記n型クラッド層120は、n型導電型不純物がドーピングされたGaN層などからなることができる。
そして、前記電子遮断層140は、n型クラッド層120から提供される電子がMQW構造の活性層130で再結合されず、p型クラッド層150にオーバーフローされるのを効果的に防止するためのものであって、p型クラッド層150より大きいエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体を使用して形成する。
特に、本発明では、前記電子遮断層140を第3族転移元素を含むp型窒化物半導体、例えばp型AlYGaNを使用して形成する。
前記p型AlYGaNは、溶融点と結合力が高いから、1000℃以上の高温で成長できるY(yttrium)を含むYGaNとAlGaNを成長させて得ることができる。このとき、優れた結晶質を得るための前記YGaNとAlGaNの成長温度が互いに似ているため、良質のAlYGaN層を容易に得ることができるという長所がある。
このような本発明の第2の実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、GaNとの格子整合性が優れたp型AlYGaNを利用して電子遮断層(EBL)を成長させることによって、良質の電子遮断層を具現できるから、第1の実施の形態と同じ作用及び効果を得ることができる。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
一般的なp型AlGaNからなる電子遮断層を備えた窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図である。 本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図である。 本発明に係るp型AlYGaNからなる電子遮断層を備えた窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図である。 化合物別バンドギャップエネルギーと格子定数を示したグラフである。 本発明の第2の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図である。
符号の説明
110 サファイア基板
120 n型クラッド層
130 活性層
140 電子遮断層(EBL)
150 p型クラッド層
160 p型電極
170 n型電極
200 構造支持層

Claims (6)

  1. n型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、
    前記電子遮断層上に形成されたp型クラッド層と、
    を含む窒化物系半導体発光素子。
  2. 前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上の一部分に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、
    前記電子遮断層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記p型クラッド層上に形成されたp型電極と、
    前記活性層が形成されないn型クラッド層上に形成されたn型電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。
  4. 前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなることを特徴とする請求項3に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 構造支持層と、
    前記構造支持層上に形成されたp型電極と、
    前記p型電極上に形成されたp型クラッド層と、
    前記p型クラッド層上に形成され、第3族転移元素を含むp型窒化物半導体からなる電子遮断層と、
    前記電子遮断層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成されたn型電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。
  6. 前記電子遮断層は、p型AlYGaNからなることを特徴とする請求項5に記載の窒化物系半導体発光素子。
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