JP2013505574A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体発光素子に係り、半導体発光素子は、基板と；電圧の引加時に電子を提供するｎ型半導体層と；電圧の引加時に正孔を提供するｐ型半導体層と；前記ｎ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｎ型電極と；前記ｐ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｐ型電極と；前記ｎ型電極と前記ｐ型半導体層との間に設けられて、電子と正孔の結合が活性化されるように量子井戸構造を有する活性層と； 前記ｐ型半導体層と前記ｐ型電極との間に設けられて、前記ｐ型電極と前記ｐ型半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入のためｎ型不純物およびｐ型不純物が共にドーピングされた電流拡散および正孔注入層と；を含む。従って、半導体発光素子の電極と半導体層との間の接触抵抗を減り、電流の流れを改善し、電流の拡散をさらに均一にするだけでなく、正孔の注入も共に改善させることによって、素子の効率を極大化することができる。
【選択図】図２
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体発光素子に係り、さらに詳しくは、電極と半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入を向上させることができる半導体発光素子に関する。
ＬＣＤバックライト、照明、ディスプレイなど多様な分野に利用され、”ＬＥＤ”と広く知られた半導体発光素子は、ｐ−ｎ接合半導体に純方向バイアス電圧が引加される時、伝導帯と仮電子帯のエネルギーギャップに該当するだけの波長帯の光を放出する現象を利用して発光する。
このような半導体発光素子は、量子効率、光子追い出し効率、パッケージング、信頼性などの色々な設計指標においてその向上が要求される。このような指標のなかで、特に、電極と、半導体層間の電流の拡散と、正孔の注入は、設計において主要な指標となる。
図１は、従来技術による半導体発光素子の断面を図示する。従来技術による半導体発光素子１は、基板１０１上にバッファー層１０２が設けられ、その上部にｎ型半導体層１０３が積層され、その上部に活性層１０５およびｐ型半導体層１０６が積層される。また、半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１０３とｐ型半導体層１０６に電圧をそれぞれ引加するためのｎ型電極１０４とｐ型電極１０８をさらに備える。
半導体発光素子１は、ｐ型電極１０８とｐ型半導体層１０６との間に透明電極１０７をさらに備える。透明電極１０７は、伝導性を有する透明または半透明の層として、ｐ型不純物またはｎ型不純物の中でいずれか一つが添加されたＺｎＯ系化合物で具現されることができる。さらに詳しくは、電流の拡散を向上させるため、透明電極１０７にｎ型不純物をドーピングし、正孔の注入を向上させるため、透明電極１０７にｐ型不純物をドーピングする方法が利用された。このように、透明電極１０７にｎ型不純物またはｐ型不純物の中でいずれか一つをドーピングすることによって、電流の拡散を円滑にしたり、正孔の注入を向上させて、素子のオーミックコンタクト特性を向上させた。
ところで、従来技術による透明電極１０７には、ｐ型不純物およびｎ型不純物の中でいずれか一つだけがドーピングされる。例えば、図１に示すように、ｐ型半導体層１０６に接触された透明電極１０７には、正孔の注入のためのｐ型不純物がドーピングされる方法が利用された。
しかし、従来の技術のように、ｐ型不純物またはｎ型不純物の中でいずれか一つだけが添加された透明電極１０７は、電流の拡散あるいは正孔の注入の中でいずれか一つに対して改善することはできるが、これら二つに対する改善を期待することはできなかった。例えば、ＧａＮ系半導体層にＺｎＯを利用して、透明電極１０７を具現する場合、ｐ型不純物だけをドーピングすれば、正孔の濃度を高めて正孔の注入をある程度まで向上させることができるが、電流の流れと拡散は、大きく改善するのが困難な問題があった。
従って、本発明の目的は、電極と半導体層との間の電流の流れを改善し、拡散をさらに均一にするだけでなく、正孔の注入も向上させることによって、効率を極大化することができる半導体発光素子を提供することである。
本発明の目的は、半導体発光素子において、基板と；電圧の引加時に電子を提供するｎ型半導体層と；電圧の引加時に正孔を提供するｐ型半導体層と；前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられて、電子と正孔の結合が活性化されるように量子井戸構造を有する活性層と；前記ｎ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｎ型電極と；前記ｐ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｐ型電極と；前記ｐ型半導体層と前記ｐ型電極との間に設けられて、前記ｐ型電極と前記ｐ型半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入のためのｎ型不純物およびｐ型不純物が共にドーピングされた電流拡散および正孔注入層と；を含むことを特徴とする半導体発光素子によって達成される。
前記電流拡散および正孔注入層は、電子および正孔の結合による光の少なくとも一部を透過させることができる。
前記電流拡散および正孔注入層は、ＺｎＯ化合物を含むことができる。
前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の中で少なくとも一つは、ＧａＮ系化合物を含むことができる。
前記電流拡散および正孔注入層は、分子ビーム蒸着法（ＭＢＥ、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ Ｍｅｔｈｏｄ）により形成されることができる。前記基板と前記ｎ型半導体層との間に設けられるバッファー層をさらに含むことができる。
本発明の目的は、半導体発光素子において、基板と；電圧の引加時に電子を提供するｎ型半導体層と；電圧の引加時に正孔を提供するｐ型半導体層と；前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられて、電子と正孔の結合が活性化されるように量子井戸構造を有する活性層と；前記ｎ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｎ型電極と；前記ｐ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｐ型電極と；前記ｎ型電極と前記ｎ型半導体層との間に設けられて、前記ｎ型電極と前記ｎ型半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入のためのｎ型不純物およびｐ型不純物が共にドーピングされた電流拡散および正孔注入層と；を含むことを特徴とする半導体発光素子によっても達成される。
前記のように、本発明によると、電流の流れを改善し、電流の拡散をさらに均一にするだけでなく、正孔の注入も向上させることによって、素子の効率を極大化させることができる。
以下、本発明の一実施形態に対して、詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。図２に示すように、半導体発光素子２は、例えば、”ＬＥＤ”のような発光素子を含む。
本発明の一実施形態による半導体発光素子２は、図２に示すように、半導体発光素子２に純方向のバイアス電圧が引加される場合、光が発光されることができる。本発明の一実施形態による半導体発光素子２の発光方向は、制限されず、その構造や、用途により多様な方向に発光されることができる。
本実施形態による半導体発光素子２は、図２に示すように、基板２０１と、バッファー層２０２と、ｎ型半導体層２０３と、活性層２０５と、ｐ型半導体層２０６と、電流拡散および正孔注入層２０７と、ｎ型電極２０４と、ｐ型電極２０８と、を含むことができる。
本実施形態による基板２０１は、半導体層を成長させるためのこととして、サファイアのような素材で具現することができる。他の実施形態として、本発明の一実施形態による基板は、半導体層との格子常数の一致を考慮してＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯなどで具現されることもできる。
本実施形態のバッファー層２０２は、基板２０１上に積層される。本実施形態のバッファー層２０２は、基板２０１と、ｎ型半導体層２０３の格子常数および熱膨脹係数の不一致による結晶欠陥（ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｆｅｃｔ）を最小化させる。
本実施形態のｎ型半導体層２０３は、バッファー層２０２上に積層されて形成される。ｎ型半導体層２０３は、純方向バイアス電圧が引加される時に電子を提供する。本実施形態のｎ型半導体層２０３は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学蒸着法）方法で化合物半導体を成長させて形成することができる。本実施形態のｎ型半導体層２０３は、例えば、青色あるいは紫外線（ＵＶ）ＬＥＤの場合、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ系化合物で具現されることができる。本実施形態のｎ型不純物は、Ｓｉであることができる。
本実施形態のｎ型半導体層２０３の上には、活性層２０５が積層されて形成されることができる。本実施形態の活性層２０５は、量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造を有し、ｎ型半導体層２０３の電子とｐ型半導体層２０６の正孔の結合をさらに活性化させることができる。
本実施形態の活性層２０５の井戸（ｗｅｌｌ）ではＩｎＧａＮ層を、壁層（ｂａｒｒｉｅｒ ｌａｙｅｒ）では（Ａｌ）ＧａＮ層を成長させることができる。他の実施形態として、青色ＬＥＤの場合には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を、ＵＶ ＬＥＤの場合には、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮなどの多重量子井戸構造を使用することもできる。本実施形態の活性層２０５において、ＩｎまたはＡｌの造成比率を変化させることによって、光の波長を調節したり、活性層２０５内の量子井戸の深さ、活性層の数、厚さなどを変化させることによって、ＬＥＤの内部量子効率を向上させることができる。また、他の実施形態として、活性層２０５を中心として、上下にキャリア拘束効果（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を増加させるために、ｎ型またはｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）を挿入することもできる。
本実施形態のｐ型半導体層２０６は，活性層２０５の上部に積層されて形成される。ｐ型半導体層２０６は，純方向バイアス電圧が引加される時に正孔を提供する。本実施形態のｐ型半導体層２０６もＭＯＣＶＤ方法で化合物半導体を成長させて、形成することができる。本実施形態のｐ型半導体層２０６は、例えば、青色あるいはＵＶ ＬＥＤの場合、ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ系化合物で具現されることができる。本実施形態のｐ型不純物は、Ｍｇ、Ｚｎなどであることができる。
本実施形態のｐ型半導体層２０６の上部には、電流拡散および正孔注入層２０７が形成される。電流拡散および正孔注入層２０７は、ｐ型電極２０８とｐ型半導体層２０６との間の電流の拡散を円滑にする導電性の物質で具現される。また、本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７は、電子と正孔の結合によって、活性層２０５で発生した光の少なくとも一部を透過させることができる透明または半透明の物質でありうる。例えば、本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７は、ＺｎＯでありうる。
本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７には、ｎ型およびｐ型の２種類の不純物が共にドーピングされる。本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７のｎ型不純物は電子を提供し、ｐ型不純物は正孔を提供する。これによって、電流拡散および正孔注入層２０７は、ｐ型電極２０８とｐ型半導体層２０６との間の電流の拡散をさらに円滑にする。本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７にドーピングされるｎ型不純物はＧａのような３族元素、ｐ型不純物はＡｓのような５族元素でありうる。
図３は、本発明の一実施形態による半導体発光素子２の電流拡散および正孔注入層２０７の工程過程を示すフローチャートである。本実施形態による電流拡散および正孔注入層２０７の工程過程は、いわゆる、分子ビーム蒸着法（ＭＢＥ、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ Ｍｅｔｈｏｄ）により具現されることができる。本実施形態で、電流拡散および正孔注入層２０７は、ＺｎＯ層であり、ドーピングされるｎ型およびｐ型の不純物は、それぞれＧａのような３族元素およびＡｓのような５族元素を利用することにする。
図３に示すように、先に、基板２０１を適正の熱処理温度まで上げてから、所定の成長温度まで下げて準備する（３０１）。過程３０１で、本実施形態の基板２０１の熱処理温度は、約５００￣７００℃ 程度でありうる。一方、過程３０１と同時に、電流拡散および正孔注入層２０７の各材料も温度を上げて、成長に備えて、適正温度を維持させる（３０２）。過程３０２で、各材料の温度は、工程過程ごとに少しずつ変ることができるし、成長程度によって変ることもできる。また、各材料が設けられるセル（あるいは、ルツボ）の温度は、セルに含まれた材料の量、セルの構造などにより変わることができる。
例えば、Ｚｎの場合に約３００ないし６００℃でありうるし、Ｇａの場合に約５００ないし８００℃ 程度、Ａｓの場合に約２００ないし３００℃ 程度でありうる。ただし、本明細書に開始された温度は、一つの実施形態に過ぎず、該当温度は、使用装備などによって多様に変わることができる。
過程３０１および３０２のように準備された状態で、基板２０１の温度が決まれば、基板２０１を回転させる（３０３）。次に、回転する基板２０１および各材料が設けられたルツボ（あるいは、セル）のシャッターを開けて（３０４、３０５）、ルツボから各材料の蒸発による分子および原子が基板２０１に至るようにする。過程３０４および３０５のように、基板２０１を回転させながら、基板２０１と、各ルツボのシャッターを開ければ、ルツボから各材料の分子および原子が飛び出して基板２０１にくっつくことになり、これによって電流拡散および正孔注入層２０７の薄膜が形成される（３０６）。
過程３０４ないし３０６で、大部分のＺｎは、酸素Ｏと結合して酸化亜鉛ＺｎＯの単結晶を作り、Ｇａも酸素と合って、電子を発生させる。酸素の場合、一般的に存在する酸素は、分子状態で存在するので、これを分解して原子状態に作るために、例えばＲＦ Ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ装置などを利用することができる。一方、正孔の生成は、ＺｎがＡｓと合って正孔を発生させ、これによって、一つの薄膜内に電子と正孔が共に存在することになる。
次に、電流拡散および正孔注入層２０７の成長がある程度まで進行された場合、各材料のルツボ シャッターを閉じることによって、電流拡散および正孔注入層２０７の成長を完了する（３０７）。
図４は、本発明の一実施形態による半導体発光素子に動作電圧を引加した場合の動作を説明するための図である。図示の便宜のため、基板２０１およびバッファー層２０２の図示は省略する。本実施形態の電流拡散および正孔注入層２０７には、ｎ型およびｐ型の２種類の不純物によって、電子（−）と、正孔（＋）が共に存在する。電流拡散および正孔注入層２０７の電子（−）は、ｐ型電極２０８とｐ型半導体層２０６との間の接触抵抗を減少させて、電流の流れを改善し、電流をさらに均一に拡散させる。一方、電流拡散および正孔注入層２０７の正孔（＋）は、ｐ型半導体層２０６への正孔の流入を助けて、より均一でさらに多い電流が流れるようにする。これによって、本実施形態の半導体発光素子２の動作電圧を減少させ、発光効率を高めて、素子の効率を極大化させる。
本実施形態のｎ型電極２０４とｐ型電極２０８は、各々ｎ型半導体層２０３とｐ型半導体層２０６に電圧が引加されるようにする。本実施形態のｎ型電極２０４は、ｎ型半導体層２０３に接触して設けられ、ｐ型電極２０８は、電流拡散および正孔注入層２０７に接触されるように設けられる。ｎ型電極２０４は、電流拡散および正孔注入層２０７まで積層された後、活性層２０５、ｐ型半導体層２０６および電流拡散および正孔注入層２０７の一部を蝕刻して形成することができる。ｎ型電極２０４と、ｐ型電極２０８は、Ｔｉ、ＡｕまたはＡｌなどの金属素材で具現されることができる。
本実施形態のｎ型電極２０４は、ｐ型電極２０８と同じ方向で水平的に設けられるが、これは一つの実施形態に過ぎず、他の実施形態として、ｎ型電極２０４は、活性層２０５を中心としてｐ型電極２０８と対向するように垂直的に設けられることもできる。
以上、好ましい実施形態を通じて、本発明に対して詳しく説明したが、本発明はこれに限られず、特許請求範囲内で多様に実施されることができる。
例えば、前記実施形態では、電流拡散および正孔注入層２０７がｐ型半導体層２０６に対応して設けられることを説明したが、これは一つの例示に過ぎず、本発明の一実施形態による電流拡散および正孔注入層は、ｎ型半導体層に対応して設けられることもできる。
また、前記と異なる実施形態として、半導体発光素子は、設計上の必要によって、バッファー層２０２を備えないこともできる。
Claims (7)
- 半導体発光素子において、
基板と；
電圧の引加時に電子を提供するｎ型半導体層と；
電圧の引加時に正孔を提供するｐ型半導体層と；
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられて、電子と正孔の結合が活性化されるように量子井戸構造を有する活性層と；
前記ｎ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｎ型電極と；
前記ｐ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｐ型電極と；
前記ｐ型半導体層と前記ｐ型電極との間に設けられて、前記ｐ型電極と前記ｐ型半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入のためのｎ型不純物およびｐ型不純物が共にドーピングされた電流拡散および正孔注入層と；
を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記電流拡散および正孔注入層は、電子および正孔の結合による光の少なくとも一部を透過させることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記電流拡散および正孔注入層は、ＺｎＯ化合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
- 前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の中で少なくとも一つは、ＧａＮ系化合物を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３の中でいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記電流拡散および正孔注入層は、分子ビーム蒸着法（ＭＢＥ、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ Ｍｅｔｈｏｄ）により形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
- 前記基板と前記ｎ型半導体層との間に設けられるバッファー層をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
- 半導体発光素子において、
基板と；
電圧の引加時に電子を提供するｎ型半導体層と；
電圧の引加時に正孔を提供するｐ型半導体層と；
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられて、電子と正孔の結合が活性化されるように量子井戸構造を有する活性層と；
前記ｎ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｎ型電極と；
前記ｐ型半導体層に電圧を引加するための導電性のｐ型電極と；
前記ｎ型電極と前記ｎ型半導体層との間に設けられて、前記ｎ型電極と前記ｎ型半導体層との間の電流の拡散および正孔の注入のためのｎ型不純物およびｐ型不純物が共にドーピングされた電流拡散および正孔注入層と；
を含むことを特徴とする半導体発光素子。
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