JP2010114403A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は窒化物半導体素子に関する。
【解決手段】本発明の一実施形態は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第１窒化物層と上記第１窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第２窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第１窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明はＬＥＤなどに使われる窒化物半導体素子に関する。

一般に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種の信号システム及び光通信機器に光源として提供される緑色または青色発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使われている。このような窒化物半導体素子は、電子と正孔の再結合原理を利用する青色及び緑色を含む多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供されることができる。

このような窒化物発光素子（ＬＥＤ）が開発された後、多くの技術的発展が成され、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多く研究されている。特に、従来には、窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として使われたが、最近は徐々にその活用範囲が高電流／高出力分野に拡大している。

図１は、一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。図１を参照すると、一般の窒化物半導体素子１０は、基板１１、ｎ型窒化物半導体層１２、活性層１３及びｐ型窒化物半導体層１５を含み、上記活性層１３及びｐ型窒化物半導体層１５の間には電子遮断層（ＥＢＬ）１４が形成される。メサエッチングされたｐ窒化物半導体層１５の上面にはｐ型電極１６ｂが形成され、ｎ型窒化物半導体層１２の露出した上面にはｎ型電極１６ａが形成される。上記電子遮断層１４は正孔に比べて相対的に移動度の高い電子がｐ型窒化物半導体層１５にオーバーフローしないようにして活性層１３内でキャリアの再結合効率を向上させるため採用されたものである。しかし、上記電子遮断層１４は電子だけでなく正孔に対しても障壁として機能することがあり、これによって、電子遮断層１４を超えて活性層１３に進入する正孔の濃度が低くなって動作電圧を増加させるという問題がある。

本発明の一目的は、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる窒化物半導体素子を提供することにある。

上記技術的課題を実現すべく、本発明の一実施形態は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第１窒化物層と上記第１窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第２窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第１窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。

本発明の一実施例において、上記複数の第１窒化物層はバンドギャップエネルギーが相互同一であることができる。この場合、上記複数の第１窒化物層は、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第２窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。このため、上記第１窒化物層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなることができ、この場合、上記複数の第１窒化物層は上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことが好ましい。

本発明の一実施例において、上記第１窒化物層は、伝導帯域を基準として上記ｐ型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配を有することが好ましい。

本発明の一実施例において、上記複数の第１窒化物層は、上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くなることができる。この場合にも上記複数の第１窒化物層は上記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第２窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。

本発明の一実施例において、上記第２窒化物層は上記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることができる。

本発明の一実施例において、上記第１及び第２窒化物層の交互積層構造は超格子構造であることができる。

本発明の一実施例において、上記第２窒化物層はエネルギー準位が相互異なる２つ以上の領域を備えることができる。

本発明の一実施例において、上記複数の第１窒化物層はエネルギー準位の勾配が相互同一なものを２つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接して形成されることができる。

本発明の実施形態によると、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる窒化物半導体素子を得ることができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。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でき、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において通常の知識を有している者に本発明をより完全に説明すべく提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。

図２は本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図で、図３は図２においてＡで表示した領域を拡大して表したものである。また、図４は図３で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。

先ず、図２を参照すると、本実施形態による窒化物半導体素子１００は、基板１０１、ｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３、電子遮断層１０４及びｐ型窒化物半導体層１０５を備えて構成される。上記ｎ型窒化物半導体層１０２の露出面上にはｎ型電極１０６ａが形成され、上記ｐ型窒化物半導体層１０５の上面にはｐ型電極１０６ｂが形成されることができる。図示してはいないが、上記ｐ型窒化物半導体層１０５とｐ型電極１０６ｂの間には透明電極物質などから成るオーミックコンタクト層が形成されることができる。

一方、本実施形態ではｎ型電極１０６ａ及びｐ型電極１０６ｂが同一な方向を向くよう配置された水平型窒化物半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、垂直構造の窒化物半導体素子（この場合、サファイア基板は除去されることがある）にも適用することができるということは当業者であれば容易に理解できる。

上記基板１０１は窒化物単結晶の成長のためのもので、一般にサファイア基板が使用されることができる。サファイア基板は六角−ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体であって、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åで、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。この場合、上記Ｃ面は比較的に窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使われる。勿論、形態によってはＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２などから成る基板も使用でき、さらに、上記基板１０１上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質の向上のためのバッファ層、例えば、アンドープＧａＮ層を成長させることもできる。

上記ｎ型窒化物半導体層１０２及びｐ型窒化物半導体層１０５は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有するｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用されることができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが代表的である。上記ｎ型窒化物半導体層１０２及びｐ型窒化物半導体層１０５は当技術分野において公知されたＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ工程などで成長されることができる。

上記ｎ型窒化物半導体層１０２及びｐ型窒化物半導体層１０５の間に形成された活性層１０３は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、インジウム含量によってバンドギャップエネルギーが調節されるようＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることができる。この場合、上記活性層１０３は図３に図示されたように、量子障壁層１０３ａと量子井戸層１０３ｂが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなることができる。

上記電子遮断層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）１０４は正孔に比べて移動度が相対的に高い電子が上記活性層１０３を通ってオーバーフローされることを遮断する機能をする。本実施形態の場合、図３に図示されたように、上記電子遮断層１０４は第１窒化物層１０４ａと第２窒化物層１０４ｂが繰り返し積層された超格子構造からなることができる。

上記第１窒化物層１０４ａは上記第２窒化物層１０４ｂよりエネルギー準位が高く、上記第２窒化物層１０４ｂは、例えば、ＧａＮからなり上記量子障壁層１０３ａと同一なバンドギャップエネルギーを有することができる。上記第１窒化物層１０４ａ及び第２窒化物層１０４ｂが相互異なる物質からなることによって分極による影響でそれぞれのエネルギー準位は傾くようになる。

これをより詳しく説明すると、極性面であるサファイアのＣ面から成長された窒化物半導体層は、窒化物半導体固有のイオン結合（ｉｏｎｉｃｉｔｙ）特性と構造的な非対称性（格子定数ａ≠ｃ）により自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有することになり、格子定数が異なる窒化物半導体が連続して積層される場合、半導体層に形成された変形（ｓｔｒａｉｎ）により圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が発生する。この場合、２種類の分極の和を正味分極（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）という。

このような正味分極により各界面に正味分極電荷（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｅ）が形成され、これによりエネルギー準位がベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）、すなわち、勾配を有するようになる。このようなベンディング現象により活性層内では電子と正孔の波動関数を空間的に不一致させ、電子遮断層では電子の遮断効率が低下することができる。

本実施形態の場合、上記第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位勾配が上記ｐ型窒化物半導体層１０５方向に行くほど減少する。すなわち、ｐ型窒化物半導体層１０５に隣接したものであるほど上記第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位勾配は小さい。上記電子遮断層１０４全体での分極電荷は上記第１窒化物層１０４ａ及び第２窒化物層１０４ｂの界面それぞれにおける分極電荷による影響が全て累積して表れ、上記第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位勾配を減少させることにより、上記電子遮断層１０４の全体でのエネルギー準位の差異が減少して分極による影響を低減することができる。

この場合、上記第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位自体を相対的に減少させ分極による影響を緩和することもできるが、漏れ電流が増加して発光効率も減少する問題があるため、本願発明のようにエネルギー準位勾配を調節する方案がより好ましい。

エネルギー準位勾配は相互異なるが、上記第１窒化物層１０４ａはそれぞれのエネルギー準位は相互同一であることができる。この場合、勾配を有するエネルギー準位の大きさは中間値または平均値で定義されることができる。上記第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位を一定の水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配に変化を与えるためには上記第１窒化物層１０４ａの４元系物質であるＡｌＩｎＧａＮで形成し、その組成を適切に調整する必要がある。これを図５を参照に説明する。図５は、ＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体においてアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。

図５を参照すると、アルミニウム及びインジウムの含量によりＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体のバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は調節されることができる。この場合、アルミニウム含量が増加するほどバンドギャップエネルギーは増加し、正味分極電荷量は減少（絶対値は増加）する傾向をみせ、インジウム含量に対してはこれと反対の傾向をみせる。アルミニウム及びインジウム含量の変化に対してバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は相互異なる勾配を有して変化するため、含量を適切に調節すればバンドギャップエネルギーを従来と同一或いは類似な水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配を減少させることができる。

具体的に、エネルギー準位の勾配は相互接触する異種の層間に正味分極電荷量の差異が少ないほど低くなることができる。従って、第１窒化物層１０４ａの組成を漸次変化させ、例えば、ｐ型窒化物半導体層１０５方向に行くほどアルミニウム含量とインジウム含量を増加させることにより、本実施形態のようなエネルギー準位を得ることができる。このように、本実施形態で採用された電子遮断層は、従来の一般のＡｌＧａＮ電子遮断層と同一な水準のバンドギャップエネルギーを維持しながらＧａＮとの正味分極電荷量の差異は減るようにすることにより分極による影響を減らすことができる。

但し、本発明は本実施形態にのみ制限されず、図６に図示されたように、第１窒化物層１０４ａのエネルギー準位がｐ型窒化物半導体層１０５方向に行くほど勾配の減少と共に減少することもある。このような構造は図５に図示されたグラフを参照して第１窒化物層１０４ａのバンドギャップエネルギーが減少するよう組成を選択することによって得ることができる。

これとは異なって、上記第１窒化物層１０４ａは３元系元素で形成されることもできる。すなわち、ＡｌＧａＮで第１窒化物層１０４ａを形成するが、ｐ型窒化物半導体層１０５方向に行くほどアルミニウム含量が漸次減少するよう成長させることにより得ることができる。

図７及び図８は、それぞれ本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流の変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。この場合、実施例１及び実施例２は、それぞれ図４及び図６の実施形態による構造である。比較例１はアルミニウムの含量が２３％であるＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造の電子遮断層であり、比較例２はバンドギャップエネルギーが比較例１より減少した、アルミニウムの含量が１９％であるＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造である。

図７及び図８に図示されたように、本発明の実施形態による電子遮断層の場合、従来の超格子構造電子遮断層に比べて発光効率は増加し、駆動電圧は低くなることができる。これはエネルギー準位の勾配を漸次に減少させることにより、分極による影響が低減することで電子遮断の効果が増加するためであるとみられる。

一方、本発明の電子遮断層は上記実施形態の構造を維持しながら多様に変化することができる。図９乃至１１は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。先ず、図９に図示された構造のように第１窒化物層１０４ａは、相互エネルギー準位の勾配が同一なものが隣接して複数ずつ形成されることができ、このような構造を有することによって電子遮断機能をさらに向上させることができる。

次に、図１０及び図１１に図示された構造（エネルギー準位の勾配は図示しない）のように、第２窒化物層２０４ｂ、３０４ｂのエネルギー準位を階段型に形成して第１窒化物層２０４ａ、３０４ａとの格子不整合をさらに緩和させることができる。図１０の場合、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮを繰り返し成長させることにより得ることができ、図１１の場合、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ（第１窒化物層２０４ａ、３０４ａ及び第２窒化物層２０４ｂ、３０４ｂに含まれたＡｌＩｎＧａＮの組成は相互異なる）を繰り返し成長させることにより得ることができる。

本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるのではなく、添付の請求範囲により限定される。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で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明であり、これも添付の請求範囲に記載された技術的思想に属する。

なお、添付の図面から明らかなように、「ｐ窒化物半導体層の上面」とは、p型窒化物半導体層の基板側と逆の面をいう。また、「ｎ型窒化物半導体層１２の露出した上面」とは、ｎ型窒化物半導体層の基板側と逆の露出した面をいう。

一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図である。 図２においてＡで表示した領域を拡大して表したものである。 図３で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。 ＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体でアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。 図２乃至４の実施形態で変形された実施形態による窒化物半導体素子において伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。 本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。 本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。

１０１ 基板
１０２ ｎ型窒化物半導体層
１０３ 活性層
１０４ 電子遮断層
１０５ ｐ型窒化物半導体層
１０６ａ、１０６ｂ ｎ型及びｐ型電極
１０３ａ 量子障壁層
１０３ｂ 量子井戸層
１０４ａ 第１窒化物層
１０４ｂ 第２窒化物層

Claims (12)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、
   前記活性層及び前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成され、前記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第１窒化物層と前記第１窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第２窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層と、を含み、
   前記複数の第１窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記複数の第１窒化物層は、バンドギャップエネルギーが相互同一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素子。
3. 前記複数の第１窒化物層は、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した前記第２窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第１窒化物層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成ることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記複数の第１窒化物層は、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記第１窒化物層は、伝導帯域を基準として前記ｐ型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配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素子。
7. 前記複数の第１窒化物層は、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記複数の第１窒化物層は、前記ｐ型窒化物半導体層に隣接したものであるほど それぞれに隣接した前記第２窒化物層との正味分極電荷量差異が減少することを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第２窒化物層は、前記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
10. 前記第１及び第２窒化物層の交互積層構造は、超格子構造であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
11. 前記第２窒化物層は、エネルギー準位が相互異なる２つ以上の領域を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
12. 前記複数の第１窒化物層は、エネルギー準位の勾配が相互同一なものを２つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接し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素子。

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