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
【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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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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