JP2008526014A - 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ｐ−ＧａＮ層の特性を向上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】本発明は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたデルタドープ第２の窒化物半導体層とを含む窒化物半導体発光素子であって、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れば、窒化物半導体発光素子の光出力が向上し、光出力低下現象が改善され、ＥＳＤ（Electro Static Discharge）に対する信頼性が向上する。
【選択図】図６

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し、詳しくは、電極接触層で電気伝導度に寄与するホールキャリア濃度を増加させ、電子との再結合確率を増加させることで、光出力を増加させ、発光素子の信頼性を向上できる窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
一般の窒化物半導体発光素子の概略的な積層構造及びその製造方法について説明する。
図１は、一般の窒化物半導体発光素子の積層構造図である。
図１によれば、一般の窒化物半導体発光素子は、基板１０１、バッファ層１０３、ｎ−ＧａＮ層１０５、活性層１０７及びｐ−ＧａＮ層１０９を含む。ここで、基板１０１は、サファイア基板として例示することができる。
窒化物半導体発光素子の製造方法を説明すれば、まず、基板１０１及びｎ−ＧａＮ層１０５の格子常数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、低温で非晶質の結晶相を持つＧａＮ系又はＡｌＮ系の窒化物をバッファ層１０３として形成する。シリコンが１０１８／ｃｍ３程度のドーピング濃度でドープされたｎ−ＧａＮ層１０５を高温で第１の電極接触層として形成する。その後、成長温度を下げて活性層１０７を形成する。その後、再度成長温度を上げてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた０．１〜０．５μｍの厚さのｐ−ＧａＮ層１０９を第２の電極接触層として形成する。このような積層構造を持つ窒化物半導体発光素子は、第１の電極接触層としてｎ−ＧａＮ層１０５が用いられ、第２の電極接触層としてｐ−ＧａＮ層１０９が用いられるｐ−／ｎ−接合発光素子構造で構成される。
また、第２の電極接触層のドーピング形態に従い、その上部に形成される第２の電極物質が制限される。例えば、第２の電極物質は、高抵抗成分を有するｐ−ＧａＮ層１０９との接触抵抗を減少させ、電流拡張を向上させるために、Ｎｉ／Ａｕ合金形態の薄い透過性抵抗性金属が使用される。
窒化物半導体を用いたｐ−／ｎ−接合発光素子は、第２の電極接触層として使用されるｐ−ＧａＮ層１０９を形成するために、Ｃｐ２Ｍｇ又はＤＭＺｎドーピング源を使用する。ところが、ＤＭＺｎドーピング源を使用する場合、Ｚｎがｐ−ＧａＮ層１０９内に深いエネルギー準位（deep energy level）を持ち活性化エネルギーが非常に高いため、バイアス印加時にキャリアとして作用するホールキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度に制限される。よって、一般に、活性化エネルギーの低いＣｐ２Ｍｇ ＭＯ（metal organic）ソースをドーピング源として使用する。
また、０．１〜０．５μｍの厚さのＭｇドープｐ−ＧａＮ層１０９を、Ｃｐ２Ｍｇドーピング源を使用して同じ流量、又は、Ｃｐ２Ｍｇ流量を順次変化させて成長させる場合には、ドーピング源から分離された水素（Ｈ）ガスとＮＨ３キャリアガスとが結合してｐ−ＧａＮ層１０９内にＭｇ−Ｈ複合体が形成されることで、１０６Ω以上の高抵抗の絶縁体特性を持つ。よって、活性層におけるホールと電子との再結合過程において光を放出するには、Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層自体が高低抗体なので、そのまま使用できず、基本的にはＭｇ−Ｈ複合体結合を破壊するための活性化工程が必要とされる。活性化工程は、Ｎ２、Ｎ２／Ｏ２雰囲気の６００〜８００℃の温度でのアニール工程を介して行われる。しかしながら、ｐ−ＧａＮ層１０９内に存在するＭｇの活性化効率が低いため、活性化が行われても第１の電極接触層として使用されるｎ−ＧａＮ層１０５より相対的に非常に高い抵抗値を有することになる。実際に、活性化の後、ｐ−ＧａＮ層１０９内のＭｇ原子濃度は１０１９／ｃｍ３〜１０２０／ｃｍ３程度であり、純粋キャリア伝導度に寄与するホールキャリア濃度は１０１７／ｃｍ３〜１０１８／ｃｍ３の範囲であり、最大１０３倍程度の差がある。また、ホール移動度も１０ｃｍ２／ｖｓeｃと報告されており、非常に低い値である。図２は、従来のＭｇドープｐ−ＧａＮ層の断面構造及び活性化工程後のＭｇドープｐ−ＧａＮ層内のＭｇ分布特性を説明する図である。図２によれば、Ｍｇ原子濃度及びホールキャリア濃度は、最大１０３倍程度の差があることが分かる。
一方、ｐ−ＧａＮ層１０９内に完全に活性化しないで残存するＭｇ原子濃度により多くの問題点が発生する。例えば、活性層から表面の方に発光する光がトラップ（trap）されて光の出力が低下したり、高電流の印加時に相対的に高い抵抗値により熱を発生させることで、発光素子の寿命を短縮させ、信頼性に致命的な影響を及ぼす。特に、フリップチップ技術を用いた１ｍｍ×１ｍｍの大面積／高出力の発光素子の場合には、既存の２０ｍＡより非常に高い３５０ｍＡの高電流が印加されるため、ｐ−／ｎ−接合面で１００℃以上の接合温度を発生させる。これにより、素子の信頼性に致命的な影響を及ぼし、今後の適用製品に限界が発生する結果を招く。このような高熱を発生させる原因は、第２の電極接触層として使用されるｐ−ＧａＮ層１０９内にキャリアとして活性化しないで残存するＭｇ原子濃度による抵抗成分の増加と、それに伴う粗い表面特性とによる。
また、一般のｐ−／ｎ−接合発光素子において、第１の電極接触層として使用されるｎ−ＧａＮ層１０５は、ＳiＨ４又はＳi２Ｈ６の流量増加に依存するシリコンのドーピング濃度に比例して、結晶性が保証される臨界厚さ内でホール濃度を５〜６×１０１８／ｃｍ３内で容易に制御できるのに対し、第２の電極接触層として使用されるｐ−ＧａＮ層１０９は、Ｃｐ２Ｍｇの流量を増加させて最大１０２０／ｃｍ３以上のＭｇ原子をドーピングしても、キャリアとして実質的に寄与するホール濃度は、１〜９×１０１７／ｃｍ３の範囲内に制限される。このために、従来の発光素子は非対称のドーピング分布を有するｐ−／ｎ−接合構造を持つことになる。以上で説明したように、第２の電極接触層として使用されるｐ−ＧａＮ層１０９の低いキャリア濃度及び高い抵抗成分は、発光効率を減少させる結果を招く。
前述した問題点を解決するための一方法として、透過度がよく、接触抵抗が低いＮｉ／Ａｕ ＴＭ（transparent thin metal）を適用して光出力を増加させる方法が提案されたことがある。しかしながら、この方法は、大面積／高出力の発光素子に適用すると信頼性に悪影響を及ぼす。そのため、この問題は、ＧａＮ系窒化物半導体を用いた発光素子において未解決の課題として残っている。
よって、本発明の目的は、窒化物半導体発光素子をなすｐ−ＧａＮ層の特性を向上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ある。
本発明の他の目的は、窒化物半導体発光素子の光出力及び信頼性を向上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ある。
本発明のさらに他の目的は、第２の電極接触層として使用されるＭｇドープｐ−ＧａＮ層の低いホールキャリア濃度や移動度及びｐ−ＧａＮ層内に完全に活性化しないで残存するＭｇ原子濃度（Ｍｇ−Ｈ複合体を含む）による高い抵抗成分により発生する問題点を克服し、窒化物半導体発光素子の光出力及び信頼性が向上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ある。
本発明による窒化物半導体発光素子は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の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デルタドープ第２の窒化物半導体層とを含む。
他の側面による本発明の窒化物半導体発光素子は、バッファ層と、前記バッファ層上に形成される第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成される第１の電極接触層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、井戸層及び障壁層からなる単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成されたＭｇデルタドープ第２の窒化物半導体層とを含む。
さらに他の側面による本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に第１の窒化物半導体層を形成するステップと、前記第１の窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、前記活性層上にデルタドープ第２の窒化物半導体層を形成するステップとを含む。
本発明によれば、窒化物半導体発光素子をなすｐ−ＧａＮ層の特性が向上し、窒化物半導体発光素子の光出力が向上し、光出力低下現象が改善され、ＥＳＤ（Electro Static Discharge）に対する信頼性が向上する。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明は、窒化物半導体の製造方法において、ｐ−ＧａＮ層を成長するためにＣｐ２Ｍｇデルタドーピング（delta doping）工程が行われる特徴を持つ。以下では、図３〜図５を参照してその工程について詳細に説明する。
図３は、成長時間に応じたＣｐ２Ｍｇデルタドーピングフローレートを説明する図である。
図３によれば、光を発光する活性層が成長された後、活性層の成長時に形成されたＶピット欠陥（pit defect）を保護するために、２００Å未満のドープしないアンドープＧａＮ層を成長し、Ｃｐ２Ｍｇのフローレートを０ｃｃから１０００ｃｃに調整して１０〜２００Åの厚さのデルタドープＧａＮ層を形成する。図３は、アンドープＧａＮ／デルタドープＧａＮ層を一周期として連続的にその周期を繰り返して成長されたＭｇデルタドープＧａＮ層を示すものである。上述の結晶成長方法では、Ｃｐ２Ｍｇフローレートのみを変化させて、成長温度は１０００℃に固定し、他の条件も結晶性を維持するために固定した。
ここで、ＭｇデルタドープＧａＮ層を成長する際、一周期を構成するアンドープＧａＮ／デルタドープＧａＮ層の各厚さに変化を与えてもよい。また、アンドープＧａＮ／デルタドープＧａＮ層からなる周期で繰り返し成長する際、各周期別にドーピング量に変化を与えてもよい。このとき、一周期を形成するアンドープＧａＮ／デルタドープＧａＮ層全体の厚さは、１０〜３００Åの厚さとなるように調節される。
図４は、Ｃｐ２Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層に対する結晶成長後、後続の活性化工程が完了する前後におけるＭｇドーピング分布を示す図である。
図４によれば、後続の活性化工程の前に同量のＣｐ２Ｍｇデルタドーピングが一定周期で繰り返された場合、アンドープＧａＮ層との境界面において、シャープなＭｇドーピング分布を持つデルタドープＧａＮ層が得られる。以後、後続の活性化工程が行われると、アンドープＧａＮ層の両側にＭｇが拡散されて、Ｍｇが広く分布したドーピング分布を持つことになる。このような後続の活性化工程を介して、ｐ−ＧａＮ層が全体的に均一なＭｇドーピング分布を持つことになる。
一般に、アンドープＧａＮ層に順方向バイアスが印加されると、動作電圧が増加する傾向がある。本願発明では、Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングされたｐ−ＧａＮ層とアンドープＧａＮ層との厚さを制御して、効果的に動作電圧を３．５Ｖ以下（２０ｍＡ）に低下させながら、それに従う発光素子の光出力を増加させることができる。
図５は、Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングされたｐ−ＧａＮ層の後続の活性化工程が完了した後の電場分布を示す図である。
図５によれば、周期的に繰り返されるＣｐ２Ｍｇデルタドーピングされた領域内では、ホールキャリア濃度分布は相対的に高いことが分かる。したがって、Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングされた領域では、ポテンシャルが増加して電場を形成させる。これは、エネルギーバンドギャップの差（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ接合）を用いた高速スイッチング素子であるＨＥＭＴ構造の２ＤＥＧ（２次元電子井戸層）のようにポテンシャル井戸が形成されることで、電子の２次元的な流れを効果的に制御すると同様にホールの流れを均一且つ効果的に制御できる。つまり、ポテンシャル井戸によりホール注入効率が増加される。
以上で説明したように、従来技術を適用して成長されたｐ−ＧａＮ層は、自体の高い抵抗成分により、順方向バイアス印加時に電極接触面から表面までの距離に反比例して電流の流れが急減する問題点を持つのに対し、本発明では、均一なポテンシャル井戸層により効果的に電流密度を増加させることで、発光ダイオード素子の光出力を向上できる。
また、Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングによれば、ドーピング成分は相対的に非常に少量が均一に繰り返し周期的にドーピングされ、それからｐ−ＧａＮ層自体に対する活性化工程が最適化されて行われるので、内部に存在するＭｇやＭｇ−Ｈ複合体等の原子濃度を減少させて抵抗成分を最大限抑制できる。換言すれば、本発明では、純粋に電気伝導度に寄与するホールキャリア濃度を増加させて電子との再結合確率を増加させることで、光出力を効果的に増加できる。このように、本発明では、抵抗成分の減少により発光素子の信頼性を向上できるハイレベル結晶成長技術を提供する。
以下では、本発明による窒化物半導体発光素子の具体的な実施形態を説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の積層構造図である。
図６によれば、本実施形態による窒化物半導体発光素子は、基板４０１、バッファ層４０３、ＩｎドープＧａＮ層４０５、ｎ−ＧａＮ層４０７、ローモルＩｎドープＧａＮ層又はローモルＩｎＧａＮ層４０９、活性層４１１及びＭｇデルタドープｐ−ＧａＮ層４１３を含む。Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層４１３については、図３〜図５を介して詳細に説明した。
第１の実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法について詳細に説明する。まず、本実施形態では、サファイア基板４０１上に高温で水素（Ｈ２）キャリアガスのみを供給して、サファイア基板４０１自体を洗浄した。その後、成長温度を５４０℃に減少させる過程において、ＮＨ３ソースガスを注入してサファイア基板４０１自体を一定時間窒化処理する。このとき、一例として窒化処理時間は７分になり得る。
続いて、１ｓｔＡｌＩｎＮ／１ｓｔＧａＮ／２ｎｄＡｌＩｎＮ／２ｎｄＧａＮ構造からなるバッファ層４０３を約５００Åに成長した。ここで、バッファ層４０３は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造及びＡｌｘＩｎｙＧａ１-（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造から選択されて形成される。
それから、成長温度を６分間１０６０℃まで増加させ、更に低温のバッファ層４０３をＮＨ３ソースガス及び水素（Ｈ２）キャリアガスが混合された雰囲気下で２分間再結晶を行い、同一の成長温度で約２μｍの厚さを持つインジウムがドープされたＩｎドープＧａＮ層４０５を単結晶に成長した。
次に、成長温度を１０５０℃に減少させた後、ＩｎドープＧａＮ層４０５上に同一の成長温度でシリコンとインジウムとが同時にドープされた２μｍの厚さを持つｎ−ＧａＮ層４０７を成長した。ｎ−ＧａＮ層４０７は、第１の電極接触層として用いられる。
また、活性層４１１のひずみ（strain）を調節するためのひずみ制御層として、インジウム含量が５％（波長４８０ｎｍ）であるローモルＩｎドープＧａＮ層又はローモルＩｎＧａＮ層４０９を、７５０℃で３００Å程度に成長させた。ここで、インジウム含量は１〜５％内で調節可能である。また、ローモルＩｎドープＧａＮ層又はローモルＩｎＧａＮ層４０９は、均一な分布を持つ螺旋成長モード（spiral growth moded）で人為的に制御した。ここで、ローモル（low mole）ＩｎドープＧａＮ層又はローモルＩｎＧａＮ層４０９は、人為的に制御された螺旋密度（spiral density）が増加するほど、活性層４１１の面積が増加するため、発光効率を増加できる役割も行うことになる。
以後、同じ成長温度でアンドープＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造の単一量子井戸層（single quantum well；ＳＱＷ）の活性層４１１を成長した。ここで、成長した活性層４１１では、障壁層は、５％未満のインジウムを含有し、２５０Å程度の厚さを持つ。このとき、活性層４１１は、多重量子井戸層で形成されるようにすることもできる。
次に、成長温度を再び１０００℃まで増加させ、全体厚さを０．１μｍに固定し、ＴＭＧａ流量も固定し、Ｃｐ２Ｍｇ流量のみをＯＮ／ＯＦＦを切り換えることで０ｃｃ及び１０００ｃｃとしてデルタドーピング工程を行った。Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングを効果的に行うために、光を発光する活性層４１１の成長後、１０〜２００Åの厚さの範囲でドーピングしないアンドープＧａＮ層を先に成長して、活性層４１１の表面に形成されたＶピット結晶にＭｇ原子が内部に拡散されないように完全に保護し、１０〜２００Åの厚さの範囲でＣｐ２Ｍｇデルタドーピング工程を行った。Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピング工程は、アンドープＧａＮ／デルタドープＧａＮ構造を一周期に設定し、その周期を全体厚さが０．１μｍ以内で連続的に繰り返すことで、活性化後のＭｇ原子濃度（Ｍｇ原子及びＭｇ−Ｈ複合体を含む）により抵抗成分が減少し及び均一なホールキャリア濃度が得られるｐ−／ｎ−接合構造を有する発光素子を成長した。
前述した方法により窒化物半導体発光素子が完成された後、IＣＰエッチング装置を用いてメサエッチングを行い、３３０μｍ×２０５μｍの大きさの窒化物半導体発光素子を製造した。製造された窒化物半導体発光素子の電気的特性変化を分析／調査して性能を検証した。その結果、順方向バイアスにおける動作電圧（２０ｍＡ）は３．４Ｖ以下であり、既存のような水準であるが、光出力は５０〜１００％増加した。
このように、光出力が増加する原因は、光を発光する活性層の表面に形成されたＶピット欠陥内へのＭｇの内部拡散が抑制されており、相対的に従来より低いＭｇドーピング分布により、後続の活性化工程の後に層内に残存するＭｇ原子（Ｍｇ−Ｈ複合体を含む）の絶対量が減少する反面、それに従う電気伝導度に寄与するホールキャリア濃度が増加するためである。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の積層構造図である。
図７によれば、第２の実施形態による窒化物半導体発光素子には、基板４０１、バッファ層４０３、ＩｎドープＧａＮ層４０５、ｎ−ＧａＮ層４０７、ローモルＩｎドープＧａＮ層又はローモルＩｎＧａＮ層４０９、活性層４１１、Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層４１３及びｎ−ＩｎＧａＮ層５１５を含む。
本発明による第２の実施形態では、ｎ−ＩｎＧａＮ層５１５がさらに形成されることを除いては、第１の実施形態と同様なので、ｎ−ＩｎＧａＮ層５１５に関する説明のみを追加し、その他は第１の実施形態の説明を援用する。
本発明による第２の実施形態は、第１の実施形態で説明したｐ−／ｎ−接合構造の発光素子に基づき、ｎ−／ｐ−／ｎ−接合構造の発光素子を製造するために、Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層４１３を成長した後、ｎ−ＩｎＧａＮ層５１５を成長して第２の電極接触層として使用した。
ここで、第２の電極接触層として使用されるｎ−ＩｎＧａＮ層５１５は、成長温度を８００℃に減少させて、ＮＨ３ソースガスとＮ２キャリアガスとの混合ガス雰囲気下で、シリコンがドープされた５０Åの厚さを持つように成長した。このとき、ｎ−ＩｎＧａＮ層５１５は、第２の電極接触層として使用され、インジウム含量が全体のエネルギーバンドギャップ（energy band gap；Ｅｇ）分布を制御するように調整されているスーパーグレーディング（super grading；ＳＧ）構造を持つように設計した。前述した方法によりｎ−／ｐ−／ｎ−接合構造の窒化物半導体発光素子が得られる。
上述の実施形態に加えて、同一の思想に基づく多数の他の変更例が提示される。
まず、ｎ−ＩｎＧａＮ層５１５上には透明電極がさらに形成される。例えば、透明電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯの何れか一つで形成されることができる。
また、第２の実施形態では、第２の電極接触層としてｎ−ＩｎＧａＮ層５１５が形成される場合を例示したが、第２の電極接触層としてｎ−ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造で形成されることができる。また、ｎ−ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子層とＭｇデルタドープｐ−ＧａＮ層４１３との間には、ＳｉドープＧａＮ層がさらに形成されることもできる。
また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、デルタドーピング工程によりＭｇがデルタドープされる場合を例示した。しかしながら、類似な方法により、ＭｇだけでなくＭｇ−ＡｌやＭｇ−Ａｌ−Ｉｎ等の物質もデルタドーピング工程によりドープされることができる。このとき、ドーピング源としては、ＴＭＡｌやＴＭＩｎ ＭＯ等が用いられる。
また、デルタドープｐ−ＧａＮ層は、アンドープＡｌＧａＮ／デルタドープｐ−ＧａＮ構造を一周期として形成でき、その周期で複数回繰り返して成長できる。アンドープＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長される。
また、デルタドープｐ−ＧａＮ層は、アンドープＩｎＧａＮ／デルタドープｐ−ＧａＮ構造を一周期として形成でき、その周期で複数回繰り返して成長できる。アンドープＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成が０．０１〜０．１内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長される。
また、デルタドープｐ−ＧａＮ層は、アンドープＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ／デルタドープｐ−ＧａＮ構造を一周期として形成でき、その周期で複数回繰り返して成長できる。アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で、５〜２００Åの厚さの範囲で成長される。
また、デルタドープｐ−ＧａＮ層は、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ／デルタドープｐ−ＧａＮ構造を一周期として形成でき、その周期で複数回繰り返して成長できる。アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で５〜２００Åの厚さの範囲で成長される。
また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、第１の電極接触層であるｎ−ＧａＮ層は、Ｓｉ−Ｉｎ同時ドーピングにより形成されたｎ−ＧａＮ層であることができ、そのドーピング濃度は１〜９×１０１９／ｃｍ３の範囲で形成され、その厚さは１〜４μｍの範囲内で形成されることができる。
また、第１の電極接触層は、アンドープＡｌＧａＮ／ドープＧａＮ超格子構造を一周期として、その周期で複数回繰り返して１〜２μｍの全体厚さで成長され、Ａｌの組成は０．０５〜０．３内で成長される。このとき、アンドープＡｌＧａＮ層は１０〜２００Åの範囲の厚さで形成され、ドープＧａＮ層は２００〜５００Åの範囲の厚さで形成される。
また、活性層は、井戸層／ＳｉＮｘクラスター層／障壁層からなる単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で提供され、ＳｉＮｘクラスター層はＳｉデルタドーピング方法により成長できる。また、ＳｉＮｘクラスター層は、ＳｉＨ4又はＳｉＨ6ドーピング源のみとしてＳｉデルタドーピング方法により成長できる。
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れば、窒化物半導体発光素子の光出力が向上し、光出力低下現象が改善され、ＥＳＤに対する信頼性が向上する。
また、本発明は、高い光出力及び高信頼度が要求される照明機器等のような機器に適用できる。
一般の窒化物半導体発光素子の積層構造図である。 従来のＭｇドープｐ−ＧａＮ層の断面構造及び活性化工程後のＭｇドープｐ−ＧａＮ層内のＭｇ分布特性を説明する図である。 成長時間に応じたＣｐ２Ｍｇデルタドーピングフローレートを説明する図である。 Ｃｐ２Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層に対する結晶成長後、後続の活性化工程が完了する前後におけるＭｇドーピング分布を示す図である。 Ｃｐ２Ｍｇデルタドーピングされたｐ−ＧａＮ層の後続の活性化工程の以後状態における層内の電場分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の積層構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の積層構造図である。
符号の説明
１０１ 基板、 １０３ バッファ層、 １０５ ｎ−ＧａＮ層、 １０７ 活性層、 １０９ ｐ−ＧａＮ層、 ４０１ サファイア基板、 ４０３ バッファ層、 ４０５ ＩｎドープＧａＮ層、 ４０７ ｎ−ＧａＮ層、 ４０９ ローモルＩｎＧａＮ層、 ４１１ 活性層、 ４１３ Ｍｇデルタドープｐ−ＧａＮ層、 ５１５ ｎ−ＩｎＧａＮ層。

Claims (44)

  1. 第１の窒化物半導体層と、
    前記第１の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デルタドープ第２の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. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層上に形成された第３の窒化物半導体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発光素子。
  3. 前記第３の窒化物半導体層は、インジウム含量が順次変化されたスーパーグレーディング構造のｎ−ＩｎＧａＮ層又はｎ−ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造層で形成される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。
  4. 前記第３の窒化物半導体層と前記デルタドープ第２の窒化物半導体層との間にＳｉドープＧａＮ層がさらに形成される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３の窒化物半導体層上には、透明電極がさらに形成される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。
  6. 前記透明電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯの何れか一つで形成され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. 前記第１の窒化物半導体層の下部に具備されるバッファ層と、
    前記バッファ層の下部に具備される基板と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。
  8. 前記バッファ層の上部に具備されるひずみ制御層を含む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. 前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造及びＡｌｘＩｎｙＧａ１-（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造から選択されて形成され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。
  10. 前記第１の窒化物半導体層と前記活性層との間に、インジウム含量が１〜５％であるローモル窒化物半導体層をさらに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。
  11. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長され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. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、アンドープＧａＮ／デルタドープｐ−ＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ／デルタドープｐ−ＧａＮ、アンドープＩｎＧａＮ／デルタドープｐ−ＧａＮ、アンドープＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ／デルタドープｐ−ＧａＮ及びアンドープＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ／デルタドープｐ−ＧａＮの何れか一つで１回以上繰り返して成長され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. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、ドーピング量を変化させたものを一周期として形成され、前記一周期を１回以上繰り返して成長され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. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、ＭｇデルタドープＧａＮ層、Ｍｇ−ＡｌデルタドープＧａＮ層又はＭｇ−Ａｌ−ＩｎデルタドープＧａＮ層の何れか一つ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。
  15. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、アンドープＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＡｌＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層及びアンドープＩｎＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層構造の何れか一周期により、前記一周期の厚さが互いに異なるように２回以上繰り返して成長される、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  16. 前記アンドープＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長され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。
  17. 前記アンドープＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成が０．０１〜０．１内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長され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. 前記アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２の内で、５〜２００Åの厚さの範囲で成長され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。
  19. 前記第１の窒化物半導体層は、Ｓｉ−Ｉｎ同時ドーピングにより形成されたｎ−ＧａＮ層であり、そのドーピング濃度は１〜９×１０１９／ｃｍ３の範囲で形成され、その厚さは１〜４μｍで形成され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。
  20. 前記第１の窒化物半導体層は、アンドープＡｌＧａＮ／ドープＧａＮ超格子構造を一周期として、その周期で複数回繰り返して成長され、全体厚さは２μｍ以下で形成され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。
  21. 前記アンドープＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成が０．０５〜０．３内で、１０〜２００Åの厚さの範囲で形成され、前記ドープＧａＮ層は、２００〜５００Åの厚さの範囲で形成され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. バッファ層と、
    前記バッファ層上に形成される第１の窒化物半導体層と、
    前記第１の窒化物半導体層上に形成される第１の電極接触層と、
    前記第１の窒化物半導体層上に形成され、井戸層及び障壁層からなる単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層と、
    前記活性層上に形成されたＭｇデルタドープ第２の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。
  23. 前記Ｍｇデルタドープ第２の窒化物半導体層は、第２の電極接触層である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Ｍｇデルタドープ第２の窒化物半導体層上に形成されるｎ型第２の電極接触層を含む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。
  25. 前記井戸層と前記障壁層との間には、ＳｉＮｘクラスター層がさらに挿入される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。
  26. 前記ＳｉＮｘクラスター層は、Ｓｉデルタドーピング方法により成長されることを特徴とする請求項２５に記載の窒化物半導体発光素子。
  27. 基板上にバッファ層を形成するステップと、
    前記バッファ層上に第１の窒化物半導体層を形成するステップと、
    前記第１の窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、
    前記活性層上にデルタドープ第２の窒化物半導体層を形成するステップとを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  28. 前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造及びＡｌｘＩｎｙＧａ１-（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造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の製造方法。
  29. 前記活性層の形成前に、インジウム含量が１〜５％であるローモル窒化物半導体層を形成するステップがさらに含ま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の製造方法。
  30. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、ＭｇデルタドープＧａＮ層、Ｍｇ−ＡｌデルタドープＧａＮ層又はＭｇ−Ａｌ−ＩＮデルタドープＧａＮ層の何れか一つを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の製造方法。
  31. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長され、Ｃｐ２ＭＧ又はＤＭＺｎ ＭＯソースを用いて成長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の製造方法。
  32. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、アンドープＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＡｌＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層及びアンドープＩｎＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層構造の何れか一つで１回以上繰り返して成長される、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  33. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、ドーピング量を変化させたものを一周期として形成され、前記一周期を１回以上繰り返して成長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の製造方法。
  34. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層のドーピング源として、Ｃｐ２Ｍｇ及びＤＭＺｎ ＭＯの何れか一つ、又は、Ｃｐ２Ｍｇ及びＤＭＺｎ ＭＯの何れか一つとＴＭＡｌ及びＴＭＩｎＭＯの何れか一つとが共に使用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の製造方法。
  35. 前記デルタドープ第２の窒化物半導体層は、アンドープＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＡｌＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層、アンドープＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層及びアンドープＩｎＧａＮ層／アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層／デルタドープｐ−ＧａＮ層構造の何れか一周期により、前記一周期の厚さが互いに異なるように２回以上繰り返して成長される、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  36. 前記アンドープＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長されることを特徴とする請求項３５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  37. 前記アンドープＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成が０．０１〜０．1内で、１０〜３００Åの厚さの範囲で成長されることを特徴とする請求項３５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  38. 前記アンドープＡｌＧａＮ ｃａｐ層は、Ａｌの組成が０．０１〜０．０２内で、５〜２００Åの厚さの範囲で成長されることを特徴とする請求項３５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  39. 前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層を形成するステップがさらに含ま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の製造方法。
  40. 前記第３の窒化物半導体層は、インジウム含量が順次変化されたスーパーグレーディング構造のｎ−ＩｎＧａＮ層又はｎ−ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造層で形成されることを特徴とする請求項３９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  41. 前記第３の窒化物半導体層と前記デルタドープ第２の窒化物半導体層との間に、ＳｉドープＧａＮ層を形成するステップがさらに含まれることを特徴とする請求項３９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  42. 前記バッファ層の形成後に、インジウムがドープされた窒化物半導体層を形成するステップがさらに含ま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の製造方法。
  43. 前記活性層は、井戸層／ＳｉＮｘクラスター層／障壁層からなる単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で設けられてい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の製造方法。
  44. 前記ＳｉＮｘクラスター層は、ＳiＨ４又はＳiＨ６ドーピング源としてＳｉデルタドーピング方法により成長され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の製造方法。
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