JP2012222362A

JP2012222362A - 窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2012222362A
Application number: JP2012089430A
Authority: JP
Inventors: Hyun-Uk Sim; ウクシム、ヒュン; Suk Ho Yoon; ホユン、スク; Sakong Tan; サコン、タン; Je Won Kim; ウォンキム、ジェ; Ki-Sun Kim; スンキム、キ
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2012-11-12
Also published as: US20120261687A1; US8643037B2; KR101781435B1; KR20120116764A

Abstract

【課題】本発明は窒化物半導体発光素子に関する。
【解決手段】本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子は、ｎ型及び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た活性層と、上記ｎ型窒化物半導体層と上記活性層との間に形成された電子注入層と、を含み、上記電子注入層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層が積層された多層構造からなり、上記多層構造は、２回以上繰り返され、上記多層構造を構成する層のうち少なくとも１つの層は、上記活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さく、上記多層構造を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層は、活性層に近いものほど、厚さが厚い構成を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関する。

最近、ＧａＮ等のIII−Ｖ族窒化物半導体は、優れた物理的、化学的特性によって発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子の核心素材として脚光を浴びている。III−Ｖ族窒化物半導体材料を利用したＬＥＤやＬＤは、青色または緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く利用されており、このような発光素子は高電流／高出力を求めるＢＬＵ（ＢａｃｋＬｉｇｈｔＵｎｉｔ）、電光板、照明装置等の各種製品の光源として応用されている。

窒化物半導体発光素子が多様な分野で使用されるにつれ、高出力、大面積の発光素子から活性層への効果的な電流注入方法が重要になってきている。従来は、活性層への電流拡散及び応力緩和のために超格子層を積層し、電流注入のためにＥＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＥｊｅｃｔｉｏｎＬａｙｅｒ）を増加させる方法が使用されてきた。しかしながら、このような複雑な積層構造により、ストレスが増加（ｆｉｌｅ−ｕｐ）して界面において欠陥の発生可能性が増加し、その欠陥が活性層へ拡散され、半導体発光素子の光効率及び信頼性が低下する問題があった。

本発明の一目的は、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）効果を通じて電流拡散が改善され、電流注入効率及び光効率が向上した窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明の他の目的は、電流注入層を形成して窒化物層のストレスを緩和し、欠陥の発生可能性を減らした窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、窒化物半導体の構造を単純化して製造時間を短縮することで、生産性及び再現性に優れた窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明の一側面は、ｎ型及び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た活性層と、上記ｎ型窒化物半導体層と上記活性層との間に形成された電子注入層とを含み、上記電子注入層はバンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層が積層された多層構造からなり、上記多層構造は、２回以上繰り返され、上記多層構造を構成する層のうち少なくとも１つの層は、上記活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

また、上記多層構造はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質からなり、ＡｌとＩｎとの組成比を異にして互いに異なるバンドギャップエネルギーを有することができる。

また、上記多層構造はＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層構造を有することができる。

また、上記多層構造はＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層構造を有することができる。

また、上記多層構造はＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層構造を有することができる。

また、上記多層構造は、第１層と、上記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、上記第１及び第２層の間のバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、上記第１及び第２層は、上記第３層を介して交互に配置された構造であることができる。

また、上記第１及び第２層は、活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。

また、上記第３層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上の層からなり、上記２つの層は、上記第１及び第２層の間でバンドギャップエネルギーが順次増加または減少するように積層されることができる。

また、上記多層構造は、第１層と、上記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、上記第１及び第２層の間のバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、上記第１層、第３層及び第２層が順次積層された構造であることができる。

また、上記多層構造は、第１層と、上記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、上記第１及び第２層の間のバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、上記第２層、第３層及び第１層が順次積層された構造であることができる。

また、上記多層構造を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層は、活性層に近いものほど、厚さが厚いことができる。

本発明の他の側面は、ｎ型及び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た活性層と、上記ｎ型窒化物半導体層と上記活性層との間に形成された電子注入層とを含み、上記電子注入層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層が積層された多層構造からなり、上記多層構造は２回以上繰り返され、上記多層構造を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層は、上記活性層に近いものほど、厚さが厚いことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

また、上記多層構造は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質からなり、ＡｌとＩｎとの組成比を異にして互いに異なるバンドギャップエネルギーを有することができる。

また、上記多層構造は超格子構造を形成することができる。

また、上記第１及び第２層のうち少なくとも１つは、活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。

本発明の一実施形態によると、電流拡散が改善されて電流注入効率が向上した窒化物半導体発光素子を提供することができる。

また、半導体層のストレスを緩和させることにより、欠陥の発生可能性が減少し、これにより、発光素子の光効率及び信頼性が大幅に改善された窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。図１に示される本発明の第１実施形態による多層構造の電子注入層を示す部分断面図である。図２に示される電子注入層のバンドギャッププロファイルの一例を示すグラフである。本発明の第１実施形態に適用できる電子注入層のバンドギャッププロファイルの変形例を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子注入層を示す部分断面図である。図５に示される電子注入層のバンドギャッププロファイルの一例を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルの変形例を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルの他の変形例を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルのさらに他の変形例を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルのさらに他の変形例を示すグラフである。図７に示される実施形態による窒化物半導体発光素子と従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子との光学的及び電気的特性を比較したグラフである。図７に示される実施形態による窒化物半導体発光素子と従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子との生産時間を比較したグラフである。

以下では、本発明の好ましい実施形態について添付の図面を参照して説明する。但し、本発明の実施形態は、他の多様な形態に変形されることができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。従って、図面における要素の形状及びサイズ等は、より明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同一符号で示される要素は同一要素である。

図１は本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示す概略断面図であり、図２は図１に示される本発明の第１実施形態による多層構造の電子注入層を示す部分断面図であり、図３は図２に示される電子注入層のバンドギャッププロファイルの一例を示すグラフである。図１から図３を参照すると、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子１０は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６の間に形成された活性層１５と、上記ｎ型窒化物半導体層１２と上記活性層１５との間に形成された電子注入層１４とを含み、上記電子注入層１４は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層１４ａ、１４ｂ、１４ｃが積層された多層構造１４'からなり、上記多層構造１４'は、２回以上繰り返され、上記多層構造１４'を構成する層のうち少なくとも１つの層は、上記活性層１５に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。

上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有することができ、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の物質がこれに該当することができる。ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６の間に形成された活性層１５は、電子と正孔との再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造が用いられる。一方、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６及び活性層１５は、当該技術分野において公知のＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等の半導体層成長工程を用いて形成されることができる。

図１を参照すると、本実施形態による窒化物半導体発光素子１０は、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６及び活性層１５を含む発光構造物の一面に配置された基板１１をさらに含むことができる。上記基板として１１は、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、ＧａＮ等の物質からなる基板を用いることができる。サファイアは、六角−菱型（Ｈｅｘａ−ＲｈｏｍｂｏＲ３ｃ）の対称性を有する結晶体で、ｃ軸方向及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、上記Ｃ面は窒化物薄膜の成長が比較的容易であり、高温で安定しているため、窒化物成長用基板に主に使用される。バッファ層（図示せず）は、窒化物等からなるアンドープ半導体層として使用され、その上に成長する半導体層の格子欠陥を緩和させることができる。

上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６の上には上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２、１６のそれぞれと電気的に連結されるｎ側及びｐ側電極１８ａ、１８ｂが形成されることができる。図１に示されるように、上記ｎ側電極１８ａは、上記ｐ型窒化物半導体層１６、活性層１５、電子注入層１４及びｎ型窒化物半導体層１２の一部がエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層１２の上に形成され、上記ｐ側電極１８ｂは、上記ｐ型窒化物半導体層１６の上に形成されることができる。この場合、図１には、ｐ型窒化物半導体層１６とｐ側電極１８ｂとのオーミックコンタクト機能を向上させるために、ＩＴＯ、ＺｎＯ等からなる透明電極層１７をさらに備えることができる。図１に示される構造は、ｎ側及びｐ側電極１８ａ、１８ｂが同一方向を向くように形成された構造が示されているが、上記ｎ側及びｐ側電極１８ａ、１８ｂの位置及び連結構造は、必要に応じて、多様に変形されることができる。例えば、上記基板１１が除去されて露出したｎ型窒化物半導体層１２の上に上記ｎ側電極１８ａが形成される場合、電流が流れる領域が拡大して電流分散機能が向上することができる。

電子注入層１４は、ｎ型窒化物半導体層１２と活性層１５との間に位置し、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層１４ａ、１４ｂ、１４ｃが積層された多層構造１４'が２回以上繰り返し積層された形態であり、多層構造１４'を形成する層のうち少なくとも１つの層は、活性層１５に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。図２及び図３を参照すると、本実施形態による電子注入層１４を構成する多層構造１４'は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つの第１、第２及び第３層１４ａ、１４ｂ、１４ｃを含む。具体的には、上記多層構造１４'は、第１層１４ａと、上記第１層１４ａより小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層１４ｂと、上記第１及び第２層１４ａ、１４ｂの間のバンドギャップエネルギーを有する第３層１４ｃとからなり、上記第１及び第２層１４ａ、１４ｂが、上記第３層１４ｃを介して交互に配置され、順番に第１層１４ａ／第３層１４ｃ／第２層１４ｂ／第３層１４ｃに構成された全部で４つの層が１つの多層構造１４'をなすことができる。

上記多層構造は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質からなることができ、上記多層構造を構成する半導体層は、ＡｌとＩｎとの組成比を異にして互いに異なるバンドギャップエネルギーを有するようにすることができる。具体的には、Ｉｎの含量が高いほど、バンドギャップエネルギーが小さくなり、Ａｌの含量が高いほど、バンドギャップエネルギーが大きくなるため、例えば、上記第１、第２及び第３層１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮで構成して上記電子注入層１４が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多層構造１４'が２回以上繰り返し積層された超格子構造を有するようにすることができる。バンドギャップが変調された電子注入層１４が超格子構造を有する場合、結晶欠陥を遮断する効果はさらに増加する。

このように、電子注入層１４にＡｌＧａＮ層が含まれる場合、サファイア基板との格子定数の差が減少して応力を緩和させ、半導体層内の欠陥発生率を減少させることができる。また、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つ以上の層が積層された多層構造１４'を含むことにより、効果的に電位欠陥を遮断して半導体発光素子の結晶品質を向上させることができる。特に、ＩｎＧａＮ層１４ｂは、ＡｌＧａＮ１４ａ及びＧａＮ層１４ｃの成長時、電位欠陥を効果的にベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）させ中断（ｓｔｏｐｐｉｎｇ）させることができ、ＧａＮ層１４ｃは、バンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮ層１４ａから発生した引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ）とバンドギャップエネルギーが小さいＩｎＧａＮ層１４ｂから発生した圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｓｔｒｅｓｓ）とを緩和させることができる。従って、上記電子注入層１４は、応力を緩和させると共に、電位欠陥を遮断させることができる。上記電子注入層１４が有する向上した応力緩和効果は、電子注入層１４の上部に形成された半導体層の結晶品質改善にさらに寄与する。

また、上記多層構造１４'を構成する層のうち少なくとも１つの層は、上記活性層１５に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。図３を参照すると、上記多層構造１４'を構成する第１から第３層１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち少なくとも１つの層、ここでは最も大きいバンドギャップエネルギーを有する第１層１４ａが活性層１５に近いほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。このように、上記多層構造１４'を構成する層のうち少なくとも１つの層のバンドギャップエネルギーが活性層１５に近いほど、低くなる傾斜構造を形成することにより、上記ｎ型窒化物半導体層１２から活性層１５への電子注入を容易にして電流注入効率を向上させることができる。従って、本実施形態によると、ｎ型窒化物半導体層１２と活性層１５との間に電子注入層１４を介在させることによって電流注入効率を改善させると共に、応力を緩和し電位欠陥を遮断して結晶性を向上させる効果が得られる。

図４は本発明の第１実施形態に適用できる電子注入層のバンドギャッププロファイルの変形例を示すグラフである。図３に図示される実施形態とは異なり、多層構造１４'を構成する第１から第３層１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層１４ｂは、活性層１５に近いほど、より小さいバンドギャップエネルギーを有し、第１及び第３層１４ａ、１４ｃは、電子注入層１４の全領域において一定に維持されるバンドギャップエネルギーを有することができる。この場合も、図３の説明と同様に、ｎ型窒化物半導体層１２から活性層１５への電子注入効率を向上させることができる。本実施形態とは異なり、第１から第３層１４ａ、１４ｂ、１４ｃのバンドギャップエネルギーが全て傾斜構造を有するか、または、２つの層のバンドギャップエネルギーが傾斜構造を有し、１つの層のバンドギャップエネルギーが一定に維持される構造を有する等、多様に変形されることができる。

一方、図１から図４には、第１層１４ａ／第３層１４ｃ／第２層１４ｂ／第３層１４ｃからなる１つの多層構造１４'が、２回以上繰り返し積層された形態の電子注入層１４が示されているが、これに制限されず、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つ以上の層からなる多層構造が繰り返し積層される形態の電子注入層であれば、いずれも可能である。例えば、上記電子注入層１４は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの３つの層からなる多層構造が２回以上繰り返し積層される形態であることができる。

図５は本発明の第２実施形態による電子注入層を示す部分断面図であり、図６は図５に示される電子注入層のバンドギャッププロファイルの一例を示すグラフである。本実施形態は、第１実施形態と比較して、電子注入層１４の構成のみが異なっており、他の構成は同一である。本実施形態による電子注入層２４は、ｎ型窒化物半導体層１２と活性層１５との間に形成され、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが積層された多層構造２４'からなり、上記多層構造２４'は２回以上繰り返され、上記多層構造を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層２４ｂは、上記活性層１５に近いものほど、厚さが厚いことができる。

図５及び図６を参照すると、本実施形態による電子注入層２４を構成する多層構造２４'は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つの第１、第２及び第３層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを含む。具体的には、上記多層構造２４'は、第１層２４ａと、上記第１層２４ａより小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層２４ｂと、上記第１及び第２層２４ａ、２４ｂの間のバンドギャップエネルギーを有する第３層２４ｃとからなり、上記第１及び第２層２４ａ、２４ｂは、上記第３層２４ｃを介して交互に配置され、順番に第１層２４ａ／第３層２４ｃ／第２層２４ｂ／第３層２４ｃで構成された全部で４つの層が１つの多層構造２４'をなすことができる。この際、上記多層構造２４'を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層２４ｂは、活性層１５に近いものほど、厚さが厚いことができる。これにより、活性層１５に近い領域により多くの電子が分布されるようにして電流拡散及び電流注入効率を向上させることができる。

例えば、上記第１、第２及び第３層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをそれぞれＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮで構成し、上記電子注入層２４が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多層構造２４'が２回以上繰り返し積層された超格子構造を有するようにすることができる。バンドギャップが変調された電子注入層２４が超格子構造を有する場合、結晶欠陥を遮断する効果はより高くなることができる。従って、本実施形態によると、電子注入層２４が互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する多層構造２４'からなることにより、半導体層の結晶欠陥を遮断すると共に、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層２４ｂが活性層１５に近いものほど、厚さが厚くなることにより、ｎ型窒化物半導体層１２から活性層１５への電子注入効率を向上させることができる。

但し、上記実施形態においては、第１層２４ａ／第３層２４ｃ／第２層２４ｂ／第３層２４ｃからなる多層構造２４'が２回以上繰り返し積層された形態の電子注入層２４を説明しているが、これに制限されず、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つ以上の層からなる積層された多層構造が繰り返し積層される形態の電子注入層であれば、いずれも可能である。例えば、上記電子注入層２４は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの３つの層からなる多層構造が２回以上繰り返し積層され、最も小さいバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＮが活性層１５に近いほど、より厚い厚さを有するように形成されることができる。

図７は本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルの変形例を示すグラフである。本実施形態は、図６に示される実施形態とは異なり、上記電子注入層３４を構成する多層構造３４'のうち少なくとも１つの層が活性層１５に近いほど、バンドギャップエネルギーが小さい構成を有することができる。即ち、活性層１５に近いほど、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層の厚さが厚くなると共に、バンドギャップエネルギーが小さくなる傾斜構造を有することで、ｎ型窒化物半導体層１２から活性層１５への電子注入効率を極大化することができる。

図７を参照すると、本実施形態による電子注入層３４を構成する多層構造３４'は、図６に示される電子注入層２４と同様に、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する３つの第１、第２及び第３層３４ａ、３４ｂ、３４ｃを含み、第１層３４ａ／第３層３４ｃ／第２層３４ｂ／第３層３４ｃで構成された全部で４つの層が１つの多層構造３４'をなす。この際、第１及び第２層３４ａ、３４ｂは、活性層１５に近いほど、より小さいバンドギャップエネルギーを有するため、傾斜構造を形成して電流注入効率を向上させることができる。

図８は本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルの他の変形例を示すグラフである。本実施形態において、上記第３層４４ｃは、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上の層４４ｃ１、４４ｃ２からなる。図８を参照すると、電子注入層４４は、最も高いバンドギャップエネルギーを有する第１層４４ａと、上記第１層４４ａより小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層４４ｂと、上記第１及び第２層の間のバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、上記第３層は２つの層４４ｃ１、４４ｃ２に分かれる。上記第３層は上記第１及び第２層４４ａ、４４ｂを介してバンドギャップエネルギーが順次増加または減少するように積層される。各層のバンドギャップのサイズは各層４４ａ、４４ｂ、４４ｃ１、４４ｃ２のＡｌとＩｎとの組成比を調節して制御されることができる。

本実施形態において最も大きいバンドギャップエネルギーを有する第１層４４ａ及び最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層４４ｂは、活性層１５に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さく、その間のバンドギャップエネルギーを有する上記第３層４４ｃ１、４４ｃ２は、バンドギャップエネルギーが一定であり、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層４４ｂの厚さは、活性層１５に近いほど、厚さが厚いことができる。これとは異なり、上記第３層４４ｃ１、４４ｃ２は、バンドギャップエネルギーが活性層１５に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さいことができる。特に、本実施形態のようにバンドギャップエネルギーが積層方向に沿って順次増加または減少する構造を形成することで、バンドギャップエネルギーの差異による応力（ｓｔｒｅｓｓ）を効果的に緩和させることができる。即ち、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層４４ｂと最も大きいバンドギャップエネルギーを有する層４４ａとの間に配置された第３層４４ｃ１、４４ｃ２は、順次増加または減少するバンドギャップエネルギー構造を有するため、応力を効果的に緩和させる役割を果たす。

図９は本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルのさらに他の変形例を示すグラフである。本実施形態による電子注入層５４は、ｎ型窒化物半導体層１２と活性層１５との間に形成され、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つの層５４ａ、５４ｂ、５４ｃが積層された多層構造５４'からなり、上記多層構造５４'は２回以上繰り返され、上記多層構造を構成する層のうち最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層５４ｂは、上記活性層１５に近いほど、厚さが厚いことができる。具体的には、上記多層構造５４'は、第１層５４ａと、上記第１層５４ａより小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層５４ｂと、上記第１及び第２層５４ａ、５４ｂの間のバンドギャップエネルギーを有する第３層５４ｃからなり、上記第１及び第２層５４ａ、５４ｂは、上記第３層５４ｃを介して交互に積層され、順に第１層５４ａ／第３層５４ｃ／第２層５４ｂで構成された全部で３つの層が１つの多層構造５４'をなすことができる。

本実施形態において、上記電子注入層５４の内部には、例えば、ＡｌＧａＮからなる第１層５４ａとＧａＮからなる第３層５４ｃとのバンドギャップエネルギーの不連続性によってその界面に二次元電子ガス層（２ＤＥＧ、図示せず）が形成される。この場合、上記二次元電子ガス層が形成された領域においては高いキャリア移動度が保障されるため、電流分散効果をより大きく改善させることができる。図１０は本発明の第２実施形態による電子注入層のバンドギャッププロファイルのさらに他の変形例を示すグラフである。図１０を参照すると、電子注入層６４を構成する多層構造６４'は、第２層６４ｂ／第３層６４ｃ／第１層６４ａの積層構造を有し、上記電子注入層６４は超格子構造を有することができる。上記第１及び第２層６４ａ、６４ｂのバンドギャップエネルギーは、活性層１５に近いものほど小さく、上記第３層６４ｃのバンドギャップエネルギーは一定であり、上記第３層６４ｃは活性層に近いほど、その厚さが厚いことができる。

本実施形態において、上記電子注入層６４の内部には、例えば、ＡｌＧａＮからなる第１層６４ａとＩｎＧａＮからなる第２層６４ｂとのバンドギャップエネルギーの不連続性によってその界面に二次元電子ガス層（２ＤＥＧ、図示せず）が形成されることができる。この場合、上記二次元電子ガス層が形成された領域においては高いキャリア移動度が保障されるため、電流分散効果をより大きく改善させることができる。

図１１は図７に示される実施形態による窒化物半導体発光素子と従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子との光学的及び電気的特性を比較したグラフであり、図１２は図７に示される実施形態による窒化物半導体発光素子と従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子との生産時間を比較したグラフである。

本発明者らは、本発明による輝度及び電気的特性の改善効果を確認するため、図７に示される構造の電子注入層３４を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子と電子注入層を有さない従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子に対し、輝度及び電気的特性の評価実験を行った。この実験に用いられたＬＥＤの上記多層構造は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮが積層された構造で、活性層に近いものほど、ＡｌＧａＮ層３４ａとＩｎＧａＮ層３４ｂとのバンドギャップエネルギーが小さく、ＧａＮ層３４ｃのバンドギャップエネルギーは一定の構造を有する。また、最も小さいバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＮ層３４ｂは、活性層１５に近いものほど、厚さが厚いことができる。

こうした輝度及び電気的特性の評価実験の結果、上記の電子注入層３４を有するＬＥＤが従来のＬＥＤに比べ、逆方向降伏電圧（Ｖｒ）の向上効果を有することが確認された。また、上記電子注入層３４を有するＬＥＤは、上記電子注入層３４を有さないＬＥＤに比べ、光パワー（Ｐｏ）向上効果を有することが確認された（図１１）。上記電子注入層３４による光パワーの向上は輝度増加を意味し、これは半導体結晶内の欠陥減少及び電流拡散をもたらす。また、上記電子注入層３４による逆方向降伏電圧の向上は、発光素子の信頼性改善を意味し、これは半導体結晶内の欠陥減少をもたらす。このように、本発明によると、電子注入層３４の挿入によって結晶品質が改善し、その結果、発光輝度及び素子信頼性が高まる。

また、本発明による生産性の向上効果を確認するため、図７に示される実施形態による電子注入層３４を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子と従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子に対し、その製造時間を測定した。この実験に用いられたＬＥＤの上記電子注入層３４は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮが繰り返し積層されて活性層に近いものほど、ＡｌＧａＮ層３４ａとＩｎＧａＮ層３４ｂとのバンドギャップエネルギーが小さく、ＧａＮ層３４ｃのバンドギャップエネルギーは一定の構造を有する。また、最も小さいバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＮ層３４ｂは、活性層に近いものほど、厚さが厚いことができる。こうした輝度及び電気的特性の評価実験の結果、上記の電子注入層３４を有するＬＥＤが従来のＬＥＤに比べ、生産時間が４０％短縮されることが確認された（図１２）。

本発明は、上述した実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の特許請求の範囲により限定される。また、特許請求の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通常の知識を有する者に自明である。

１１基板
１２ｎ型窒化物半導体層
１４、２４、３４、４４、５４、６４電子注入層
１４'、２４'、３４'、４４'、５４'、６４' 多層構造
１５活性層
１６ｐ型窒化物半導体層
１７透明電極層
１８ａｎ側電極
１８ｂｐ側電極

Claims

ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層及び前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された活性層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に形成された電子注入層と
を含み、
前記電子注入層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層が積層された多層構造を複数有し、前記複数の多層構造の各々の、対応する少なくとも１つの層は、前記活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さい、窒化物半導体発光素子。
前記複数の多層構造の各々の、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層は、活性層に近いものほど、厚さが厚い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層及び前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された活性層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に形成された電子注入層と
を含み、
前記電子注入層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる３つ以上の層が積層された多層構造を複数有し、前記複数の多層構造の各々の、最も小さいバンドギャップエネルギーを有する層は、前記活性層に近いものほど、厚さが厚い、窒化物半導体発光素子。
前記多層構造を構成する層の各々は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質からなり、ＡｌとＩｎとの組成比を異にして互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する、請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は超格子構造を形成する、請求項１から４の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層構造を有する、請求項１から５の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層構造を有する、請求項１から５の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層構造を有する、請求項１から５の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、第１層と、前記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、前記第１層より小さく前記第２層より大きいバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、前記第１層及び前記第２層は、前記第３層を介して交互に配置された構造である、請求項１から８の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記複数の多層構造の、対応する前記第１層及び前記第２層のうち少なくとも１つの層の各々は、前記活性層に近いものほど、バンドギャップエネルギーが小さい、請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上の層からなり、前記２つ以上の層は、前記第１層及び前記第２層の間でバンドギャップエネルギーが順次増加または減少するように積層される、請求項９または１０に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、第１層と、前記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、前記第１層より小さく前記第２層より大きいバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、前記第１層、前記第３層及び前記第２層が順次積層された構造である、請求項１から８の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記多層構造は、第１層と、前記第１層より小さいバンドギャップエネルギーを有する第２層と、前記第１層より小さく前記第２層より大きいバンドギャップエネルギーを有する第３層とからなり、前記第２層、前記第３層及び前記第１層が順次積層された構造である、請求項１から８の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。