JP5014671B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するものであって、より詳しくは新たな異種接合構造を導入して電流分散効果を向上させた高輝度窒化物系半導体発光素子に関するものである。

一般的に、窒化物半導体はＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶として、短波長光（紫外線ないし緑色光）、特に青色光を出すことのできる発光素子に広く用いられる。このような窒化物半導体発光素子は結晶成長のための格子整合条件を満たすサファイア基板やＳｉＣ基板などの絶縁性基板を利用して製造されるため、通常的にｐ及びｎ窒化物半導体層に連結された２つの電極が発光構造の上面にほぼ水平に配列されるプレーナ（ｐｌａｎａｒ；平面状）構造を有する。このようなプレーナ構造発光素子を図１を参照して説明する。

図１は従来の窒化物半導体発光素子１０の一形態を例示する。図１に示した窒化物半導体発光素子１０はサファイア基板１１と、サファイア基板１１上に順次に形成されたバッファー層１２、ｎ型窒化物半導体層１４、活性層１７及びｐ型窒化物半導体層１８を含んだ構造を有する。ｐ側電極１９ｂはｐ型窒化物半導体層１８上に形成され、ｎ側電極１９ａは一般的にメサエッチングによりｐ型窒化物半導体層１８と活性層１７の一部を除去した後、上記ｎ型窒化物半導体層１４の露出された上面領域に形成される。

図１に示すプレーナ構造の窒化物発光素子は、発光効率に制限がある。すなわち、２つの電極が発光構造物の上下面にそれぞれ配置されたバーチカル（ｖｅｒｔｉｃａｌ；垂直）構造発光素子に比して、電流の流れが全体発光領域に均一に分布できないので、発光に係わる有效面積が大きくなく、発光面積当たり発光効率も低いという問題がある。

このようなプレーナ構造の半導体発光素子１０において、２つの電極の間の電流の流れは、図１に示すように、最短距離の経路をとるため、電流密度が集中される領域（Ａ）が発生し、また、水平方向の電流の流れが存在するため大きな直列抵抗により、素子１０は比較的高い駆動電圧を有する。これらのことから、プレーナ構造の半導体発光素子１０では実質的に発光に係わる面積が小さくなり、発光効率の制限性という問題を生じるのである。

また、電流密度の集中現象（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｗｄｉｎｇ）は、瞬間的なスパークや過負荷の際に多量の電流を印可しその熱のため素子が破壊されやすいので、静電気放電（ＥＳＤ）の耐性が脆弱であるという問題がある。特に、ｎ型窒化物層領域はＳｉのような不純物が比較的高濃度でドーピングされるので、結晶性が低いばかりでなく、電流の集中される領域（Ａ）中のｎ型窒化物層領域はＥＳＤ 耐性が極めて脆弱である。

本発明は上述した従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、ｎ型窒化物層領域に適切な２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を形成することによってシートキャリア（ｓｈｅｅｔ ｃａｒｒｉｅｒ）濃度を高めて電子移動度を向上させ、電流分散の優れた高効率窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記した技術的課題を達成するために、本発明は、基板上に形成されたｎ型及びｐ型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を含んだ窒化物発光素子において、前記ｎ型窒化物半導体層は、前記活性層から遠い順に位置した第１及び第２のｎ型ＧａＮ層と、前記第１及び第の２ｎ型ＧａＮ層の間に位置して各界面において２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層を形成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層と、前記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層と前記第１または第２のｎ型ＧａＮ層との間のＡｌＮ層をさらに含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

これによって、Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層の両面に２ＤＥＧが分化されて、高い電子移動度を基盤とする均一な電流分散効果をもたらすことが可能である。

所望の２次元電子ガス層を形成するために、上記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層は適切な厚さとＡｌ含量を有するように設計される必要がある。上記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層は約１００〜５００Åの厚さを有するものが好ましく、上記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層のｘの範囲は約０．０５〜０．５であるものが好ましい。このようなＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層は故意的に不純物がドープされていないアンドープ層であり得る。

本発明で採用される、上記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層と上記第１または第２のｎ型ＧａＮ層との間のＡｌＮ層は、２ＤＥＧの電子濃度を増加させることが可能である有益な圧電効果を引き起こし、絶縁層として電位を遮蔽させるとともに電流分散効果をより強化させることが可能である。このような効果を適切に得るために、上記ＡｌＮ層は約５〜３０Åの厚さを有するものが好ましい。

上記基板と上記第１のｎ型ＧａＮ層の間にＡｌが１％未満にドープされたＧａＮ層をさらに含むことができる。

本発明は電流分散効果が低下するプレーナ構造の発光素子に有益に採用することが可能である。このようなプレーナ構造の発光素子は、上記窒化物半導体発光素子が上記ｎ形窒化物層の一部領域が露出されるようにメサエッチングされた構造を有する。

この場合に、上記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面は上記２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が形成される上記第１のｎ型ＧａＮ層の界面とほぼ同一な平面を成すように形成され得る。または、上記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面は上記２次元電子ガス層が形成される上記第１のｎ型 ＧａＮ層の界面より低く位置するように形成することも可能である。

本発明の特定の実施形態では、上記第１のｎ型ＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層との間に形成され、故意的に不純物がドープされていない高抵抗ＧａＮ層をさらに含み、一方の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層は上記高抵抗ＧａＮ層界面において形成することが可能である。この場合に、高抵抗ＧａＮ層により電流分散効果がさらに増大し得る。本発明に採用される高抵抗ＧａＮ層は８０〜２００Åの厚さを有するものが好ましい。

本実施形態をプレーナ構造発光素子に適用する際には、上記高抵抗ＧａＮ層は上記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面として提供されるようにメサエッチングを行うことが好ましい。

本発明は垂直構造窒化物発光素子にも有益に適用することが可能である。このような垂直構造発光素子の場合、上記基板は伝導性基板であり、上記窒化物半導体発光素子は対向する両面に電極が備えられる。

本発明によれば、ｎ型窒化物層領域の間にＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層を導入して両界面に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を形成することによってシートキャリア濃度を高め電子移動度を向上させて、電流分散の優れた高効率の窒化物半導体発光素子を提供することができる。とりわけ、ＡｌＧａＮ層とともに所定の厚さを有する絶縁性のＡｌＮ層を採用することによって２ＤＥＧを強化するとともに、結晶性及び更なる電流分散効果の向上を期待することが可能である。

以下に、本発明にかかる窒化物半導体発光素子の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

図２は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。先ず、図２を参照すれば、本実施形態による窒化物半導体発光素子２０は図１と類似するように上面にバッファー層２２が設けられたサファイア基板２１と、ｎ型窒化物半導体層２４ａ、２４ｂ、活性層２７、及びｐ型窒化物半導体層２８とを含む。上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層に接続されるようにｎ側電極２９ａ及びｐ側電極２９ｂが提供される。

上記ｎ型窒化物半導体層は、活性層２７から遠い順に、第１のｎ型ＧａＮ層２４ａと第２のｎ型ＧａＮ層２４ｂを含む。第１及び第２のｎ型ＧａＮ層２４ａ、２４ｂの間にはＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層（２６、以下、“ＡｌＧａＮ層”という）が設けられる。ＡｌＧａＮ層２６は、第１及び第２のｎ型ＧａＮ層２４ａ、２４ｂの界面において、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層を形成する。

一般的に、ＧａＮ上に成長されるＡｌＧａＮは格子不整合により引張応力を受けるようになり、その結果、比較的強い圧電効果による分極が発生する。自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって電界の助けで接合界面に高い２次元電子ガスを有する。このような２次元電子ガス層は、高い電子移動度と飽和電子速度を示すため、ｎ型窒化物層において結晶性に悪影響を与えるＳｉのような不純物のドーピング濃度を減少させても、シートキャリア濃度を高めることで十分な電流分散効果を期待することができる。また、本発明は、ＡｌＧａＮ層２６の両側にｎ型ＧａＮ層２４ａ、２４ｂを配置して有益な２ＤＥＧを分化させることで、より向上された電流分散効果を得ることができる。

このように、電流分散効果を改善するためのＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造を形成させるために、ＡｌＧａＮ層２６の厚さ（ｔ１）と、ＡｌＧａＮ層２６と第１及び第２のｎ型ＧａＮ層２４ａ、２４ｂのバンドギャップの差異が重要な決定因子となる。ここで、バンドギャップの差はＡｌＧａＮ層２６のＡｌ含量で調節することができる。２ＤＥＧを形成するための二つの主要決定因子は反比例する相関関係を有する。本発明では好ましい範囲として、ＡｌＧａＮ層２６の厚さ（ｔ１）の場合に１００〜５００Åの範囲であり、上記ＡｌＧａＮ層２６のＡｌ含量をＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）組成式でｘが約０．０５〜０．５であるようにすることができる。ここで、ＡｌＧａＮ層２６は故意的に不純物がドープされていないアンドープ層であってもよい。

また、上記第１及び第２のｎ型ＧａＮ層２４ａ、２４ｂは約８０Å厚さ以上に形成すると２ＤＥＧ形成条件を満たすので、一般的なｎ型窒化物層の厚さを考慮して適切な厚さに形成することが可能である。

本実施形態のように、ＡｌＧａＮ層２６と第１のｎ型ＧａＮ層２４ａとの間にＡｌＮ層２５を設けることがより好ましい。本発明で採用されるＡｌＮ層２５は追加的な圧電効果を通じて２ＤＥＧの電子濃度を大きく増加させることが可能である（図３参照）。また、ＡｌＮ層２５は絶縁性を有するため、薄膜で形成する場合に、電位を遮蔽させるとともに電流分散効果をより強化させることが可能である。上記ＡｌＮ層２５の厚さ（ｔ２）が５Å未満の場合には十分な効果を奏しにくく、３０Åを超える場合には絶縁性結晶層としてむしろ素子に悪影響を与える恐れがある。したがって、このような電位遮蔽効果及び電流分散効果を適切に得るために、上記ＡｌＮ層２５は約５〜３０Åの厚さを有するものが好ましく、約１０Åが最も好ましい。本実施形態ではＡｌＮ層２５がＡｌＧａＮ層２６と第１のｎ型ＧａＮ層２４ａとの間にあると例示しているが、これと異なって、ＡｌＧａＮ層２６と第２のｎ型ＧａＮ層２４ｂとの間に位置していてもよい。

また、基板２１（本実施形態ではバッファー層２２）と第１のｎ型ＧａＮ層２４との間にＡｌが１％未満にドープされたＧａＮ層（ＡｌドープＧａＮ層）２３をさらに含むことができる。ＩＩＩ族元素であるＡｌを少量ドーピングして活性層に欠陥として存在するガリウム空格子（Ｇａ ｖａｃａｎｃｙ）を不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）することによって、２次元または３次元の電位としての成長を抑制させるばかりでなく、捕獲された電子を移動可能にする。これによって、Ａｌが少量ドーピングされたＧａＮ層２３はその結晶性が向上し、電子濃度が増加し得る。このようなＡｌの微量ドーピング方法及びその効果については本出願人により出願された大韓民国特許出願第２００４−０３９１０１号を参照することができる。

本実施形態のようにメサエッチングしたプレーナ構造の発光素子では、メサエッチング深さを２ＤＥＧが形成される界面に関して適切な値に設定することが電流分散効果の改善を増大させるために好ましい。２次元電子ガス層が形成される第１のｎ型ＧａＮ層２４ａの界面がメサエッチングされたｎ型窒化物層の露出面、すなわちｎ側電極２９ａが形成される面と同一であるか、又は若干高くなるように形成されるのが好ましい。

より好ましくは、図２に示した形態のように、メサエッチングしたｎ型窒化物層の露出面が、上記２次元電子ガス層が形成される第１のｎ型ＧａＮ層２４ａの界面とほぼ同一な平面を有するように形成される場合に、２ＤＥＧがより効果的に活用され、電流分散効果をより向上させることが可能である。

図３は、本発明で好ましく採用することができる、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ異種接合構造を示すバンドダイヤグラムである。図３のバンドダイヤグラムは、図２に例示されたように、ｎ型ＧａＮ層とｎ型 ＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層を介在させた形態に対するものであると理解することができる。

ＡｌＧａＮ層両側にｎ型ＧａＮが配置されるため、両界面には格子不整合により圧電効果が生じる。このようなＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造の圧電効果はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓに比べて３倍以上強く、自発分極によって接合界面に約２〜５×１０¹³／ｃｍ²の高い２次元電子ガス層が形成される。このような２次元電子分布は常温で１９００ｃｍ² ／Ｖ・ｓの高い電子移動度と２．２×１０⁷ｃｍ／ｓの飽和電子速度を有することができる。

また、ＡｌＮ層の追加により圧電効果を向上させ両界面に分化される２ＤＥＧ濃度を向上させることが可能である。また、ＡｌＮ層は絶縁物質であるが、厚さを適切に調節することで成長方向に電波される電位を遮断して結晶性を向上させるとともに、電流遮断層として更なる電流分散効果を期待することができる。そのために、ＡｌＮ層の適切な厚さは約５〜３０Åの範囲である。

図４は本発明の他の実施形態に窒化物半導体発光素子を示す断面図である。本実施形態は、故意的にドープされていないアンドープされた高抵抗ＧａＮ層を電流分散効果改善のために導入した形態である。

図４を参照すれば、上記窒化物半導体発光素子４０は上面にバッファー層４２が設けられたサファイア基板４１とｎ型窒化物半導体層４４ａ、４４ｂ、活性層４７及びｐ型窒化物半導体層４８を含む。上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層に接続されるようにｎ側電極４９ａ及びｐ側電極４９ｂが提供される。

上記ｎ型窒化物半導体層は図２と類似するように、活性層４７から遠い順に第１のｎ型ＧａＮ層４４ａと第２のｎ型ＧａＮ層４４ｂとを含む。第１及び第２のｎ型ＧａＮ層４４ａ、４４ｂ間にはＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）組成式を有するＡｌＧａＮ層４６とＡｌＮ層４５とが形成される。ＡｌＧａＮ層４６によって第１及び第２のｎ型ＧａＮ層４４ａ、４４ｂの界面において２次元電子ガス層が形成され、ＡｌＮ層４５によって２ＤＥＧ濃度が増加される。

図４に示すように、電流分散効果を極大化するために、高抵抗ＧａＮ層５５をＡｌＮ層４５と第１のｎ型ＧａＮ層４４ａとの間に追加してもよい。本発明で採用される高抵抗ＧａＮ層５５は故意的に不純物がドープされていないアンドープされたＧａＮである。この場合に、ＡｌＮ層４５と隣接した界面で発生する２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層は高抵抗ＧａＮ層５５の界面で形成され得る。本実施形態に採用される高抵抗ＧａＮ層５５はその厚さ（ｔ０）が８０〜２００Åであるものが好ましい。

また、本実施形態のように、電流分散効果を極大化するために、ｎ側電極４９ａが形成される露出面として提供されるのが好ましい。すなわち、図示したように高抵抗ＧａＮ層５５は上記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面として提供されることが好ましい。これは適切な深さのメサエッチングにより具現され得る。

上述された実施形態ではプレーナ構造発光素子を特定して本発明を説明したが、本発明は電流分散効果が求められる通常の垂直構造の窒化物半導体発光素子にも同様に適用することができる。この場合でも、２ＤＥＧ提供により電流分散効果を著しく向上させることができると考えられる。

このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定される。したがって、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において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明なことである。

以上のように、本発明にかかる窒化物半導体発光素子は、短波長光光用発光素子に有用であり、特に青色光用発光素子に適している。

従来の窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明で採用されるＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ異種接合構造を示すバンドダイヤグラムである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を示す断面図である。

符号の説明

２１ サファイア基板
２２ バッファー層
２３ ＡｌドープされたＧａＮ層 （ＡｌドープＧａＮ層）
２４ａ、２４ｂ ｎ型ＧａＮ層
２５ ＡｌＮ層
２６ ＡｌＧａＮ層
２７ 活性層
２８ ｐ型ＧａＮ層
２９ａ ｎ側電極
２９ｂ ｐ側電極

Claims (12)

1. 基板上に形成されたｎ型及びｐ型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を含む窒化物発光素子において、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、前記活性層から遠い順に位置した第１及び第２のｎ型ＧａＮ層を含み、
   前記第１及び第２のｎ型ＧａＮ層との間に位置して各界面において２次元電子ガス層を形成し、約１００〜５００Åの厚さを有するＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層と、
   前記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層と前記第１または第２のｎ型ＧａＮ層との間に配置され、前記Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層より大きいバンドギャップエネルギーを有するＡｌＮ層をさらに含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層のｘの範囲は、約０.０５〜０.５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発光素子。
3. 前記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層は、故意的に不純物がドープされていないアンドープ層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ＡｌＮ層は、約５〜３０Åの厚さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記基板と前記第１のｎ型ＧａＮ層との間にＡｌが１％未満にドープされたＧａＮ層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ型窒化物層の一部領域が露出されるようにメサエッチングされたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面は、前記２次元電子ガス層が設けられる前記第１のｎ型ＧａＮ層の界面とほぼ同一な平面を成すように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. 前記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面は、前記２次元電子ガス層が設けられる前記第１のｎ型ＧａＮ層の界面より低く位置するように形成されたことを特徴とする請求項６又は７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層との間に形成され、故意的に不純物がドープされていない高抵抗ＧａＮ層をさらに含み、２次元電子ガス層が前記高抵抗ＧａＮ層界面で形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ型窒化物層の一部領域が露出されるようメサエッチングされ、前記高抵抗ＧａＮ層は、前記メサエッチングされたｎ型窒化物半導体層の露出面として提供されることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記高抵抗ＧａＮ層は、８０〜２００Åの厚さを有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記基板は、伝導性基板であり、前記窒化物半導体発光素子は、対向する両面に電極が備えられる垂直構造であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。

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