JP2008511154A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２窒化物半導体層と、該第２窒化物半導体層上に形成されてAlInを具備する第３窒化物半導体層と、を含むことにその特徴がある。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
一般的にGaN系窒化物半導体はその応用分野において青色/緑ＬＥＤ(Light Emitting Diode)の光素子及びＭＥＳＦＥＴ(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistors)など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。
このようなGaN系窒化物半導体発光素子は主にサファイア基板またはSiC基板の上で成長される。そして、低温の成長温度でサファイア基板またはSiC基板の上にAlyGa１-yNの多結晶薄膜をバッファー層(buffer layer)で成長させる。以後、高温で前記バッファー層上にドーピングされなかったGaN層、シリコーン(Si)がドーピングされたn-GaN層または前記構造の混合した構造で成長させてn-GaN層を形成する。また、上部にマグネシウム(Mg)がドーピングされたp-GaN層を形成して窒化物半導体発光素子が製造される。そして、発光層(多重量子井戸構造活性層)は前記n-GaN層とp-GaN層との間にサンドイッチ構造で形成される。
従来のp-GaN層は結晶成長中にMg原子をドーピングして形成される。結晶成長中にドーピング源に注入されたMg原子がGa位置に置き換えされてp-GaN層として作用する必要がある。Mg原子は、キャリアガス及びソースで分解された水素ガスと結合してGaN結晶層でMg-H複合体を形成し、約１０MΩ程度の高低抗体となる。
したがって、pn接合発光素子を形成した後、Mg-H複合体を切ってMg原子をGaの席に置き換えるための後続の活性化工程が要求される。しかし、前記発光素子は活性化工程で発光に寄与するキャリアと作用する量は１０１７/ｃｍ３程度に、１０１９/ｃｍ３以上のMg原子濃度(atomic concentration)より非常に低くて抵抗性接触形成の難しいという短所がある。
また、キャリアで活性化されないでp-GaN窒化物半導体内に残っているMg原子らは活性層との界面で放出される光をトラップ(trap)する中心(center)で作用して急激に光出力を減少させる。これを改善するために非常に薄い透過性抵抗性金属物質を使用して接触抵抗を低めて電流注入效率を増加させる方案が利用されている。
ところが、接触抵抗を減少させるために使用された薄い透過性抵抗性金属は一般的に光透過度が７５〜８０％程度であり、残りの光透過度は損失として作用する。特に高い接触抵抗によって動作電圧を減少させることに限界がある。
本発明は窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することに目的がある。
前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子の第１実施例は、第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２窒化物半導体層と、該第２窒化物半導体層上に形成されてAlInを具備する第３窒化物半導体層と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子の第２実施例は、基板と、該基板の上に形成されたバッファー層と、該バッファー層上に形成されてInがドーピングされた第１GaN層と、該第１GaN層の上に形成されてSi、Inがドーピングされた第２GaN層と、該第２GaN層の上に形成されたInxGa１-xN層と、該InxGa１-xN層の上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたp-GaN層と、該p-GaN層の上に形成されたn-AlInN層またはp-AlInN層と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子の第３実施例は、第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層上に形成されたn-AlInNクラッド層と、該n-AlInNクラッド層の上に形成されたn-InGaN層と、該n-InGaN層の上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたp-InGaN層と、該p-InGaN層の上に形成されたp-AlInNクラッド層と、該p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子の第４実施例は、第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層上に形成されたn-AlInNクラッド層と、該n-AlInNクラッド層の上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたp-AlInNクラッド層と、該p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子の第５実施例は、第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたp-InGaN層と、該p-InGaN層の上に形成されたp-AlInNクラッド層と、該p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子製造方法の第１実施例は、基板の上にバッファー層を形成する段階と、前記バッファー層上にGaN層を形成する段階と、前記GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、前記第１電極層上にInxGa１-xN層を形成する段階と、前記InxGa１-xN層の上に活性層を形成する段階と、前記活性層上にp-GaN層を形成する段階と、前記p-GaN層の上にn-AlInN層またはp-AlInN層を形成する段階と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子製造方法の第２実施例は、基板の上にバッファー層を形成する段階と、前記バッファー層上にインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層を形成する段階と、前記In-doped GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、前記第１電極層上にn-AlInNクラッド層を形成する段階と、前記n-AlInNクラッド層の上に活性層を形成する段階と、前記活性層上にp-AlInNクラッド層を形成する段階と、前記p-AlInNクラッド層の上にp-GaN層を形成する段階と、前記p-GaN層の上に第２電極層を形成する段階と、を含むことにその特徴がある。
また前記目的を達成するために本発明による窒化物半導体発光素子製造方法の第３実施例は、基板の上にバッファー層を形成する段階と、前記バッファー層上にインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層を形成する段階と、前記In-doped GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、前記第１電極層上に、光を放出する活性層を形成する段階と、前記活性層上にp-InGaN層を形成する段階と、前記p-InGaN層の上にp-AlInNクラッド層を形成する段階と、前記p-AlInNクラッド層の上にp-GaN層を形成する段階と、前記p-GaN層の上に第２電極層を形成する段階と、を含むことにその特徴がある。
本発明によると、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させられる長所がある。
以下、添付された図面を参照して本発明による実施例を詳しく説明する。
図１は本発明による窒化物半導体発光素子の第１実施例の積層構造を概略的に示す図面である。
本発明による窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、基板２上にバッファー層４が形成されている。ここで、前記バッファー層４はAlInN/GaN積層構造、InGaN/GaN超格子構造、InxGa１-xN/GaN積層構造、AlxInyGa１-(x+y)N/InxGa１-xN/GaNの積層構造のうちから選択されて形成されることができる(０≦x≦１、０≦y≦１、x+y≦１)。
そして、前記バッファー層４上にはインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層６が形成されており、前記In-doped GaN層６上にはn型の第１電極層が形成されている。ここで、前記n型の第１電極層としてはシリコーンとインジウムが同時ドーピングされて形成されるSi-In co-doped GaN層８が採用されることができる。
また、前記Si-In co-doped GaN層８上にはインジウム含量が低いInxGa１-xN層１０が形成されていて、前記InxGa１-xN層１０上には光を放出する活性層１２が形成されている。前記活性層１２はInGaN井戸層/InGaN障壁層に形成される単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で備えられることができ、その積層構造の例に対しては図３を参照して後からより詳しく説明する。
さらに前記活性層１２上にはp-GaN層１４が形成されており、この時前記p-GaN層１４はマグネシウムがドーピングされて形成されてもよい。
そして、前記p-GaN層１４上にはn型の第２電極層が形成されている。ここで、前記n型の第２電極層としてはn-AlInN層１６が採用されることができる。この時、前記n-AlInN層１６はシリコーンがドーピングされて形成されてもよい。
このように本発明による窒化物半導体発光素子は、第１電極層であるSi-In co-doped GaN層８と第２電極層であるn-AlInN層１６がすべてn型の窒化物に形成されて、その間にp-GaN層１４が形成された点を勘案すると、従来のp/n接合発光素子とは異なり、n/p/n接合発光素子の構造を有すると考えられる。
上述したように、本発明によると、従来のp/n接合発光素子の構造的及びp-GaN窒化物半導体自体の低いMgドーピング效率によって発生される低いキャリア濃度、それによる接触抵抗の増加による電流集中(current crowding)問題を乗り越えることができる方案が提供されうる。
特に、上部にn-AlInN窒化物半導体を適用することで、９５％以上の光透過度を有するＩＴＯのような透過性伝導性酸化物を透明電極として使用することができる。すなわち、前記n-AlInN層にバイアス電圧を印加する透明電極としては、光出力を極大化させるために電流広がりを極大化させて、優秀な光透過度を有する透過性抵抗性物質または透過性伝導性酸化物の使用が可能である。このような物質としては、ＩＴＯ、ZnO、RuOx、IrOx及びNiOまたはNiを含むAu合金金属が利用されることができる。このような透明電極の使用によって従来p/n接合の場合に対比して５０％以上の高い光出力を具現することができる。
また本発明によると、低い接触抵抗によって動作電圧を低めることができるし、それによる素子の信頼性を向上させることができる。特に、フリップチップ(flip chip)方式を適用した大面積高出力の発光素子は３００mA以上の高い電流の印加時に、必然的に低い動作電圧を要求している。同一な電流を印加するために発光素子自体の接触抵抗が相対的に高い場合に動作電圧が増加する。これにより、発光素子自体の内部で１００℃以上の熱が発生する。内部的に発生する熱によって信頼性に決定的な影響が及ぶ。
したがって、本発明によるn/p/n接合発光素子によると、低い接触抵抗によって等しい電流が印加されたときに、相対的に低い動作電圧で駆動が可能であり、素子内部の熱発生が低い。このため、高い信頼性を有する発光素子が提供されうる。
一方、図２は本発明による窒化物半導体発光素子の第２実施例の積層構造を概略的に示す図面である。
本発明の第２実施例による窒化物半導体発光素子２１の積層構造は、図１に示す窒化物半導体発光素子１と比べる時、前記n-AlInN層１６上部にインジウム組成を順次に変化させてエネルギーバンドギャップを制御したスーパーグレーディングn-InxGa１-xN層２４がさらに形成された場合を示すものである。この時、前記スーパーグレーディング(super grading)n-InxGa１-xN層２４は、その組成範囲が０<x<０．２で形成されるようにすることができる。この時、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層２４にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子２１はn/n/p/n接合発光素子として解釈されうる。そして、このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子２１において、バイアス電圧を印加する透明電極は前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層２４に形成されるようにできる。
また、図面に示しなかったが、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層２４の代りに、前記n-AlInN層１６の上部にInGaN/AlInGaN超格子構造(super lattice structure)層またはInGaN/InGaN超格子構造層を形成することもできる。ここで、前記InGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
それでは、図３を参照して本発明による窒化物半導体発光素子３１に採用される活性層の構造に対してより詳細に説明する。図３は本発明による窒化物半導体発光素子の第３実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図３に示す積層構造のうちから図１を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第３実施例による窒化物半導体発光素子３１には、図３に示すように、内部量子效率(internal quantum efficiency)を増加させるため、活性層の歪み(strain)を制御するインジウム含量が低いlow-mole InxGa１-xN層１０が形成されている。また、インジウム変動(fluctuation)による光出力及び逆方向漏洩電流(reverse leakage current)を改善させるために前記low-mole InxGa１-xN層１０の下部及び上部に、原子尺度(atomic scale)形態で制御されたSiNxクラスタ層３３、３５がそれぞれさらに具備されている。
また、光を放出する活性層はInyGa１-yN井戸層/InzGa１-zN障壁層で形成される単一量子井戸構造または多重量子井戸構造に形成されることができる。
図３では活性層として、InyGa１-yN井戸層３７、４３とInzGa１-zN障壁層４１、４７との間にSiNxクラスタ層３９、４５がさらに具備された多重量子井戸構造で形成された発光素子の例を示す。ここで、前記活性層の発光效率を改善するためにInyGa１-yN井戸層(０<y<０．３５)/SiNxクラスタ層/InzGa１-zN障壁層(０<z<０．１)で組成比を調節することもできる。そして、前記インジウム含量が低いlow-mole InxGa１-xN層１０との関係を考慮すると、前記InyGa１-yN井戸層３７、４３/InzGa１-zN障壁層４１、４７にドーピングされるインジウム含量と前記low-mole InxGa１-xN層１０にドーピングされるインジウム含量は、それぞれ０<x<０．１、０<y<０．３５、０<z<０．１の値を有するように調節することができる。
また、図面に示しなかったが、前記活性層をなすInyGa１-yN井戸層とInzGa１-zN障壁層との間に、前記InyGa１-yN井戸層のインジウム変動量を制御するGaNキャップ(cap)層が形成されるようにすることもできる。この時、光を放出する井戸層と障壁層それぞれのインジウム含量はInyGa１-yN(０<y<０．３５)/GaNキャップ/InzGa１-zN(０<z<０．１)で構成されるようにできる。
そして、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成された活性層の最後の層を成長させた後、再びSiNxクラスタ層４９を原子尺度の厚さで成長させてp-GaN層１４のMg元素の活性層の内部拡散を抑制するようにする。
一方、図４は本発明による窒化物半導体発光素子の第４実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図４に示す積層構造のうちから図１を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第４実施例による窒化物半導体発光素子５１は、p-GaN層１４上にインジウム組成を順次に変化させてエネルギーバンドギャップを制御したスーパーグレーディングn-InxGa１-xN層５２がさらに形成されている。また、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層５２上にはn-AlInN層５４がさらに形成された場合を示すものである。
このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子５１はn/n/p/n接合発光素子で解釈されることもできる。そして、このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子５１において、バイアス電圧を印加する透明電極は前記n-AlInN層５４に形成されるようにできる。
一方、図４では前記p-GaN層１５の上部にスーパーグレーディングn-InxGa１-xN層５２が形成された場合を示すが、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層５２の代りにInGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層が形成されるように具現することもできる。
また、図５は本発明による窒化物半導体発光素子の第５実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図５に示す積層構造のうちから図１を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第５実施例による窒化物半導体発光素子６１は、p-GaN層１６上にp-AlInN層６６が形成されたことにその特徴がある。ここで、前記p-AlInN層６６はマグネシウムがドーピングされて形成されるようにできる。
このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子６１はp/n接合の発光素子として解釈されうるが、前記p-AlInN層６６の物理的特性によって前記他の実施例と類似の発光效率を提供することができる。そして、このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子６１において、バイアス電圧を印加する透明電極は前記p-AlInN層６６に形成されるようにできる。
そして、図６は本発明による窒化物半導体発光素子の第６実施例の積層構造を概略的に示す図面である。
本発明の第６実施例による窒化物半導体発光素子７１の積層構造は、図５に示す窒化物半導体発光素子６１と比べる時、前記p-AlInN層６６上部にインジウム組成を順次に変化させてエネルギーバンドギャップを制御したスーパーグレーディングn-InxGa１-xN層７４がさらに形成された場合を示すものである。この時、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層７４はその組成範囲が０<x<０．２で形成されるようにできる。この時、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層７４にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子７１はn/p/p/n接合発光素子として解釈されうる。そして、このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子７１において、バイアス電圧を印加する透明電極は前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層７４に形成されるようにできる。
また、図面に示しなかったが、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層７４の代りに、前記p-AlInN層６６の上部にInGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層を形成することもできる。ここで、前記InGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
一方、図７は本発明による窒化物半導体発光素子の第７実施例の積層構造を概略的に示す図面である。
本発明による窒化物半導体発光素子８１は、図７に示すように、基板８２上にバッファー層８４が形成されている。ここで、前記バッファー層８４はAlInN/GaN積層構造、InGaN/GaN超格子構造、InxGa１-xN/GaN積層構造、AlxInyGa１-(x+y)N/InxGa１-xN/GaNの積層構造のうちから選択されて形成されることができる。
そして、前記バッファー層８４上にはインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層８６が形成されているし、前記In-doped GaN層８６上にはn型の第１電極層が形成されている。ここで、前記n型の第１電極層としてはシリコーンとインジウムが同時ドーピングされて形成されるSi-In co-doped GaN層８８が採用されることができる。
また、前記Si-In co-doped GaN層８８上にはn-AlInNクラッド層９０が形成されていて、前記n-AlInNクラッド層９０上にはn-InGaN層９２が形成されている。そして、前記n-InGaN層９２上には光を放出する活性層９４が形成されている。前記活性層９４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ことができる。前記活性層９４をなす積層構造の例に対しては図９を参照して後でより詳しく説明する。そして、本発明による活性層９４によれば単一量子井戸構造で形成する場合にも十分な光效率を達成することができるという長所がある。
さらに、前記活性層９４上にはp-InGaN層９６が形成されていて、前記p-InGaN層９６上にはp-AlInNクラッド層９８が形成されている。また、前記p-AlInNクラッド層９８上にはp-GaN層１００が形成されているし、この時前記p-GaN層１００にはマグネシウム(Mg)がドーピングされて形成されるようにできる。
そして、前記p-GaN層１００上にはn型の第２電極層が形成されている。ここで、前記n型の第２電極層としてはインジウム組成を順次に変化させてエネルギーバンドギャップを制御したスーパーグレーディングn-InxGa１-xN層１０２が採用されることができる。この時、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層１０２はその組成範囲が０<x<０．２で形成されるようにできる。そして、前記スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層１０２にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
このように本発明による窒化物半導体発光素子は、第１電極層８８と第２電極層１０２がすべてn型の窒化物半導体で形成されて、その間にp-GaN層１００が形成された点を勘案すると、従来のpn接合発光素子とは異なり、npn接合発光素子構造を有すると考えられる。
また、前記第２電極層で使用されるn型窒化物半導体(例えば、スーパーグレーディングn-InxGa１-xN層１０２)は既存のp-GaN接触層より抵抗が低いから、接触抵抗を減少させて電流注入を極大化させることができる。そして、前記第２電極層にバイアス電圧を印加させる透明電極としては、光出力を極大化させるために電流広がりを極大化させて、優秀な光透過度を有する透過性抵抗性物質または透過性伝導性酸化物の使用が可能である。このような物質としては、ＩＴＯ、ZnO、RuOx、IrOx及びNiOまたはNiを含むAu合金金属が利用されることができる。
ここで、図面に示しなかったが、前記第２電極層としてInGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層が形成されるようにすることもできる。そして、前記InGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層にはシリコーンがドーピングされるようにすることもできる。
また、図面に示しなかったが、前記第２電極層としてn-AlInN層が形成されるようにすることもできる。
このような構成を有する本発明による窒化物半導体発光素子８１によると、活性層９４を中心にn-AlInNクラッド層９０とp-AlInNクラッド層９８を挿入して、前記活性層９４内部のキャリア注入效率と電流のあふれ(overflow)現象を抑制して内部量子效率を改善することができる。
そして、図８は本発明による窒化物半導体発光素子の第８実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図８に示す積層構造のうちから図７を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第８実施例による窒化物半導体発光素子１１１は、図７に図す第７実施例による窒化物半導体発光素子８１と比べる時、インジウム含量が低いInxGa１-xN層１１４がさらに形成されているという点にその差がある。
すなわち本発明の第８実施例による窒化物半導体発光素子１１１によると、n-InGaN層９２と活性層９４との間にインジウム含量が低いInxGa１-xN層１１４がさらに形成されるようにした。これは内部量子效率をより増加させるために、前記活性層９４の成長前に、前記活性層９４の歪み(strain)を制御するようにインジウム含量が低いInxGa１-xN層１１４を追加で成長させたものである。
それでは、図９を参照して本発明による窒化物半導体発光素子１２１に採用される活性層の構造に対してより詳細に説明する。図９は本発明による窒化物半導体発光素子の第９実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図９に示す積層構造のうちから図７を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第９実施例による窒化物半導体発光素子１２１には、図９に示すように、内部量子效率(internal quantum efficiency)を増加させるため、活性層の歪み(strain)を制御するインジウム含量が低いlow-mole InxGa１-xN層１２２が形成されている。また、インジウム変動(fluctuation)による光出力及び逆方向漏洩電流(reverse leakage current)を改善させるために前記low-mole InxGa１-xN層１２２の下部及び上部に、原子尺度の形態で制御されたSiNxクラスタ層１３２、１３４がそれぞれさらに具備されている。
また、光を放出する活性層はInyGa１-yN井戸層/InzGa１-zN障壁層に形成される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ことができる。
図９では活性層として、InyGa１-yN井戸層１２４、１２８とInzGa１-zN障壁層１２６、１３０との間にSiNxクラスタ層１３６、１３８がさらに具備された多重量子井戸構造で形成された発光素子の例を示す。ここで、前記活性層の発光效率を改善するためにInyGa１-yN井戸層(０<y<０．３５)/SiNxクラスタ層/InzGa１-zN障壁層(０<z<０．１)で組成比を調節することもできる。そして、前記インジウム含量が低いlow-mole InxGa１-xN層１２２との関係を考慮すると、前記InyGa１-yN井戸層１２４、１２８/InzGa１-zN障壁層１２６、１３０にドーピングされるインジウム含量と前記low-mole InxGa１-xN層１２２にドーピングされるインジウム含量は、それぞれ０<x<０．１、０<y<０．３５、０<z<０．１の値を有するように調節することができる。
また、図面に示しなかったが、前記活性層をなすInyGa１-yN井戸層とInzGa１-zN障壁層との間に、前記InyGa１-yN井戸層のインジウム変動量を制御するGaNキャップ層が形成されるようにすることもできる。この時、光を放出する井戸層と障壁層それぞれのインジウム含量はInyGa１-yN(０<y<０．３５)/GaNキャップ/InzGa１-zN(０<z<０．１)で構成されるようにできる。
そして、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成された活性層の最後の層を成長させた後、再びSiNxクラスタ層１４０を原子尺度の厚さで成長させてp-GaN層１００のMg元素の活性層内部拡散を抑制するようにする。
一方、図１０は本発明による窒化物半導体発光素子の第１０実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図１０に示す積層構造のうちから図７を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第１０実施例による窒化物半導体発光素子１４１は、n-AlInNクラッド層９０上に活性層９４が形成されているし、前記活性層９４上にp-AlInNクラッド層９８が形成されたことにその特徴がある。
すなわち、本発明の第１０実施例による窒化物半導体発光素子１４１は、図７に示す第７実施例による窒化物半導体発光素子８１と比べる時、n-InGaN層９２とp-InGaN層９６が形成されなかった変形された積層構造を有する。
そして、図１１は本発明による窒化物半導体発光素子の第１１実施例の積層構造を概略的に示す図面である。図１１に示す積層構造のうちから図７を参照して説明された層(同一符号付与)に対しては説明を省略する。
本発明の第１１実施例による窒化物半導体発光素子１５１は、第１電極層であるSi-In co-doped GaN層８８上に活性層９４が形成されているし、前記活性層９４上にp-InGaN層９６及びp-AlInNクラッド層９８が形成されたことにその特徴がある。
すなわち、本発明の第１１実施例による窒化物半導体発光素子１５１は、図７に示す第７実施例による窒化物半導体発光素子８１と比べる時、n-AlInNクラッド層９０とn-InGaN層９２が形成されなかった変形された積層構造を有する。
本発明による窒化物半導体発光素子及びその製造方法によると、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる長所がある。
図１は本発明による窒化物半導体発光素子の第１実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図２は本発明による窒化物半導体発光素子の第２実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図３は本発明による窒化物半導体発光素子の第３実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図４は本発明による窒化物半導体発光素子の第４実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図５は本発明による窒化物半導体発光素子の第５実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図６は本発明による窒化物半導体発光素子の第６実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図７は本発明による窒化物半導体発光素子の第７実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図８は本発明による窒化物半導体発光素子の第８実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図９は本発明による窒化物半導体発光素子の第９実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図１０は本発明による窒化物半導体発光素子の第１０実施例の積層構造を概略的に示す図面である。 図１１は本発明による窒化物半導体発光素子の第１１実施例の積層構造を概略的に示す図面である。
符号の説明
１ 窒化物半導体発光素子、２ 基板、４ バッファー層、６ In-doped GaN層、８ Si-In co-doped GaN層、１０ InxGa１-xN層、１２ 活性層、１４ p-GaN層、１６ n-AlInN層。

Claims (94)

  1. 第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第２窒化物半導体層と、
    前記第２窒化物半導体層上に形成されてAlInを具備する第３窒化物半導体層と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第１窒化物半導体層の下部には、
    基板と、
    前記基板の上に形成されたバッファー層と、
    がさらに形成された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. 前記第１窒化物半導体層は、
    Inがドーピングされた、またはドーピングされなかったGaN層と、
    前記GaN層の上に形成された第１電極層と、
    前記第１電極層上に形成されたInxGa１-xN層と、
    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。
  4. 前記バッファー層は、AlInN/GaN積層構造、InGaN/GaN超格子構造、InxGa１-xN/GaN積層構造、AlxInyGa１-(x+y)N/InxGa１-xN/GaNの積層構造のうちから選択されて形成されたことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記第１窒化物半導体層に含まれたInxGa１-xN層の下部と上部には第１SiNxクラスタ層と第２SiNxクラスタ層がそれぞれさらに形成された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。
  7. 前記第１SiNxクラスタ層と前記第２SiNxクラスタ層は原子尺度(atomic scale)の厚さで形成されたことを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 前記活性層は、InyGa１-yN井戸層/InzGa１-zN障壁層で構成される単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成された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。
  9. 前記活性層をなすInyGa１-yN井戸層とInzGa１-zN障壁層との間に形成されたSiNxクラスタ層をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 前記活性層をなすInyGa１-yN井戸層とInzGa１-zN障壁層との間に形成されたGaNキャップ(cap)層をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
  11. 前記活性層と第２窒化物半導体層との間に形成されたSiNxクラスタ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。
  12. 前記InyGa１-yN井戸層/InzGa１-zN障壁層にドーピングされるインジウム含量と前記InxGa１-xN層にドーピングされるインジウム含量は、それぞれ０<x<０．１、０<y<０．３５、０<z<０．１の値を有することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. 前記第２窒化物半導体層はマグネシウムがドーピングされて形成された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. 前記第３窒化物半導体層はシリコーンまたはマグネシウムがドーピングされて形成された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. 前記第３窒化物半導体層上部に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング(super grading)構造、またはInまたはAlを含む超格子構造の第４窒化物半導体層がさらに形成された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。
  16. 前記スーパーグレーディング構造はInxGa１-xN層で形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
  17. 前記超格子構造は、InGaN/AlInGaN超格子構造(super lattice structure)層またはInGaN/InGaN超格子構造層であることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
  18. 前記第４窒化物半導体層にはシリコーンがドーピングされたことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
  19. 前記第３窒化物半導体層の下部に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造、またはInまたはAlを含む超格子構造の第４窒化物半導体層がさらに形成された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. 前記スーパーグレーディング構造はInxGa１-xN層(０<x<０．２)であることを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体発光素子。
  21. 前記超格子構造は、InGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層であることを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体発光素子。
  22. 前記第３窒化物半導体層上に形成された透明電極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。
  23. 前記透明電極は透過性伝導性酸化物または透過性抵抗性物質で形成されたことを特徴とする請求項２２に記載の窒化物半導体発光素子。
  24. 前記透過性伝導性酸化物はＩＴＯ、ZnO、IrOx、RuOx、NiOの物質のうちから選択されて形成されたことを特徴とする請求項２３に記載の窒化物半導体発光素子。
  25. 前記透過性抵抗性物質はNi金属を含むAu合金層で形成されたことを特徴とする請求項２３に記載の窒化物半導体発光素子。
  26. 前記第４窒化物半導体層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
  27. 基板の上にバッファー層を形成する段階と、
    前記バッファー層上にGaN層を形成する段階と、
    前記GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、
    前記第１電極層上にInxGa１-xN層を形成する段階と、
    前記InxGa１-xN層の上に活性層を形成する段階と、
    前記活性層上にp-GaN層を形成する段階と、
    前記p-GaN層の上にn-AlInN層またはp-AlInN層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
  28. 前記p-GaN層上に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造のn-InxGa１-xN層またはInGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  29. 前記バッファー層は、AlInN/GaN積層構造、InGaN/GaN超格子構造、InxGa１-xN/GaN積層構造、AlxInyGa１-(x+y)N/InxGa１-xN/GaNの積層構造のうちから選択されて形成されることを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  30. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。。
  31. 前記InxGa１-xN層の形成段階前後に第１SiNxクラスタ層と第２SiNxクラスタ層をそれぞれ形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  32. 前記活性層とp-GaN層との間に、SiNxクラスタ層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  33. 前記n-AlInN層またはp-AlInN層上部に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造のn-InxGa１-xN層またはInGaN/AlInGaN超格子構造層またはInGaN/InGaN超格子構造層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  34. 前記n-AlInN層またはp-AlInN層の上に透明電極が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  35. 前記スーパーグレーディング構造層または超格子構造層上に透明電極が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  36. 基板と、
    前記基板の上に形成されたバッファー層と、
    前記バッファー層上に形成されてInがドーピングされた第１GaN層と、
    前記第１GaN層の上に形成されてSi、Inがドーピングされた第２GaN層と、
    前記第２GaN層の上に形成されたInxGa１-xN層と、
    前記InxGa１-xN層の上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたp-GaN層と、
    前記p-GaN層の上に形成されたn-AlInN層またはp-AlInN層と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  37. 前記n-AlInN層またはp-AlInN層下部に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造、またはInまたはAlを含む超格子構造の窒化物半導体層がさらに形成されたことを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子。
  38. 前記n-AlInN層またはp-AlInN層上部に、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造、またはInまたはAlを含む超格子構造の窒化物半導体層がさらに形成されたことを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子。
  39. 前記第２GaN層と前記p-GaN層との間に形成された複数個のSiNxクラスタ層をさらに含むことを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子。
  40. 前記n-AlInN層またはp-AlInN層の上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子。
  41. 前記スーパーグレーディング構造または超格子構造の窒化物半導体層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の窒化物半導体発光素子。
  42. 第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層上に形成されたn-AlInNクラッド層と、
    前記n-AlInNクラッド層の上に形成されたn-InGaN層と、
    前記n-InGaN層の上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたp-InGaN層と、
    前記p-InGaN層の上に形成されたp-AlInNクラッド層と、
    前記p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  43. 前記第２窒化物半導体層上に形成された第２電極層をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  44. 前記第１窒化物半導体層の下部に、
    基板と、
    前記基板の上に形成されたバッファー層と、
    がさらに形成されたことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  45. 前記第１窒化物半導体層は、
    InがドーピングされたIn-doped GaN層と、
    前記In-doped GaN層の上に形成された第１電極層と、
    を含むことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  46. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項４５に記載の窒化物半導体発光素子。
  47. 前記n-InGaN層と前記活性層との間に形成されたInxGa１-xN層をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  48. 前記第１窒化物半導体層と前記p-AlInNクラッド層との間に形成された複数個のSiNxクラスタ層をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  49. 前記第２電極層はインジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造またはInが含まれた超格子構造であることを特徴とする請求項４３に記載の窒化物半導体発光素子。
  50. 前記第２電極層はn-AlInN層に形成されたことを特徴とする請求項４３に記載の窒化物半導体発光素子。
  51. 前記第２電極層にはシリコーンがドーピングされたことを特徴とする請求項４３に記載の窒化物半導体発光素子。
  52. 前記第２窒化物半導体層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
  53. 前記第２電極層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項４３に記載の窒化物半導体発光素子。
  54. 第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層上に形成されたn-AlInNクラッド層と、
    前記n-AlInNクラッド層の上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたp-AlInNクラッド層と、
    前記p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  55. 前記第２窒化物半導体層上に形成された第２電極層をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  56. 前記第１窒化物半導体層の下部に、
    基板と、
    前記基板の上に形成されたバッファー層と、
    がさらに形成されたことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  57. 前記第１窒化物半導体層は、
    InがドーピングされたIn-doped GaN層と、
    前記In-doped GaN層の上に形成された第１電極層と、
    を含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  58. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項５７に記載の窒化物半導体発光素子。
  59. 前記n-AlInNクラッド層と前記活性層との間に形成されたInxGa１-xN層をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  60. 前記第１窒化物半導体層と前記p-AlInNクラッド層との間に形成された複数個のSiNxクラスタ層をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  61. 前記第２電極層はインジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造またはInが含まれた超格子構造であることを特徴とする請求項５５に記載の窒化物半導体発光素子。
  62. 前記第２電極層はn-AlInN層に形成されたことを特徴とする請求項５５に記載の窒化物半導体発光素子。
  63. 前記第２電極層にはシリコーンがドーピングされたことを特徴とする請求項５５に記載の窒化物半導体発光素子。
  64. 前記第２窒化物半導体層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  65. 前記第２電極層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項５５に記載の窒化物半導体発光素子。
  66. 前記活性層と前記p-AlInNクラッド層との間に形成されたp-InGaN層をさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の窒化物半導体発光素子。
  67. 第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたp-InGaN層と、
    前記p-InGaN層の上に形成されたp-AlInNクラッド層と、
    前記p-AlInNクラッド層の上に形成された第２窒化物半導体層と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  68. 前記第２窒化物半導体層上に形成された第２電極層をさらに含むことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  69. 前記第１窒化物半導体層の下部に、
    基板と、
    前記基板の上に形成されたバッファー層と、
    がさらに形成されたことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  70. 前記第１窒化物半導体層は、
    InがドーピングされたIn-doped GaN層と、
    前記In-doped GaN層の上に形成された第１電極層と、
    を含むことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  71. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項７０に記載の窒化物半導体発光素子。
  72. 前記第１電極層と前記活性層との間に形成されたInxGa１-xN層をさらに含むことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  73. 前記第１窒化物半導体層と前記p-AlInNクラッド層との間に形成された複数個のSiNxクラスタ層をさらに含むことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  74. 前記第２電極層はインジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造またはInが含まれた超格子構造であることを特徴とする請求項６８に記載の窒化物半導体発光素子。
  75. 前記第２電極層はn-AlInN層に形成されたことを特徴とする請求項６８に記載の窒化物半導体発光素子。
  76. 前記第２電極層にはシリコーンがドーピングされたことを特徴とする請求項６８に記載の窒化物半導体発光素子。
  77. 前記第２窒化物半導体層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項６７に記載の窒化物半導体発光素子。
  78. 前記第２電極層上に形成された透明電極をさらに含むことを特徴とする請求項６８に記載の窒化物半導体発光素子。
  79. 基板の上にバッファー層を形成する段階と、
    前記バッファー層上にインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層を形成する段階と、
    前記In-doped GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、
    前記第１電極層上にn-AlInNクラッド層を形成する段階と、
    前記n-AlInNクラッド層の上に活性層を形成する段階と、
    前記活性層上にp-AlInNクラッド層を形成する段階と、
    前記p-AlInNクラッド層の上にp-GaN層を形成する段階と、
    前記p-GaN層の上に第２電極層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
  80. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  81. 前記n-AlInNクラッド層と前記活性層との間にn-InGaN層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  82. 前記n-InGaN層と前記活性層との間にInxGa１-xN層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項８１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  83. 前記n-AlInNクラッド層と前記活性層との間にInxGa１-xN層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  84. 前記InxGa１-xN層の下部と、前記InxGa１-xN層と前記p-AlInNクラッド層との間に複数個のSiNxクラスタ層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  85. 前記第２電極層はインジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造のn-InxGa１-xN層またはInGaN/InGaN超格子構造層またはInGaN/AlInGaN超格子構造層またはn-AlInN層であることを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  86. 前記活性層と前記p-AlInNクラッド層との間にp-InGaN層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  87. 前記第２電極層に透明電極が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  88. 基板の上にバッファー層を形成する段階と、
    前記バッファー層上にインジウムがドーピングされたIn-doped GaN層を形成する段階と、
    前記In-doped GaN層の上に第１電極層を形成する段階と、
    前記第１電極層上に、光を放出する活性層を形成する段階と、
    前記活性層上にp-InGaN層を形成する段階と、
    前記p-InGaN層の上にp-AlInNクラッド層を形成する段階と、
    前記p-AlInNクラッド層の上にp-GaN層を形成する段階と、
    前記p-GaN層の上に第２電極層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
  89. 前記第１電極層はシリコーンとインジウムが同時ドーピングされたGaN層であることを特徴とする請求項８８に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  90. 前記第１電極層と前記活性層との間にInxGa１-xN層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項８８に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  91. 前記InxGa１-xN層の下部と、前記InxGa１-xN層と前記p-AlInNクラッド層との間に複数個のSiNxクラスタ層が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項９０に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  92. 前記第２電極層はインジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング構造のn-InxGa１-xN層またはInGaN/InGaN超格子構造層またはInGaN/AlInGaN超格子構造層またはn-AlInN層であることを特徴とする請求項８８に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  93. 前記活性層と前記p-AlInNクラッド層との間にp-InGaN層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８８に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  94. 前記第２電極層に透明電極が形成される段階をさらに含むことを特徴とする請求項８８に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
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