JP5165449B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、より具体的には結晶の欠陥が減少し、輝度とＥＳＤ内圧が改善された窒化物半導体発光素子に関するものである。
最近、ＧａＮ等のIII−V族窒化物半導体（簡単に、'窒化物半導体'ともいう）は、優れた物理的、化学的特性により発光ダイオード（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族窒化物半導体は通常ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（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っている。このような窒化物半導体発光素子は携帯電話のキーパッドの発光部、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。特に、ＬＥＤやＬＤを使用するデジタル製品が進化するにつれ、より大きい輝度と高い信頼性を有する窒化物半導体発光素子に対する要求が増加している。例えば、携帯電話のバックライト（ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）に使用されるサイドビューＬＥＤ（ｓｉｄｅ ｖｉｅｗ ＬＥＤ）においては、携帯電話のスリム化傾向によりさらに明るく薄いＬＥＤが必要になっている。
しかし、通常サファイア基板等の異種基板上に成長されるＧａＮ等の窒化物半導体は、異種基板との格子不整合により多くの結晶欠陥を有している。このような欠陥は発光素子の信頼性（例えば、静電気放電（ＥＳＤ）に対する耐性）に悪影響を与える上、光を吸収することにより発光素子の輝度を減少させる。窒化物半導体層の結晶欠陥を減少させるために、選択的エピタキシャル成長を利用する等、多様な努力が注がれてきたが、このような試しはＳｉＯ２マスクの蒸着のような複雑な工程と高い費用を要する等の短所がある。
図１は従来の窒化物半導体発光素子の側断面図で、特に窒化物半導体ＬＥＤを示す。図１を参照すると、発光素子１０は、サファイア基板１１上にバッファ層１３、ｎ型ＧａＮ系クラッド層１４、活性層１６及びｐ型ＧａＮ系クラッド層１８が順次積層された構造を有する。メサ蝕刻により露出したｎ型ＧａＮ系クラッド層１４の上面にはｎ側電極２４が形成されており、ｐ型ＧａＮ系クラッド層１８上にはＩＴＯ等からなる透明電極層２０とｐ側電極２２が形成されている。上記バッファ層はサファイア基板とｎ型ＧａＮ系クラッド層１４間の格子不整合を緩和する役割をし、低温ＡｌＮ又は低温ＧａＮにより作られることができる。特許文献１は発光効率を向上させるためにアンドープＧａＮの障壁層とアンドープＩｎＧａＮの井戸層の多重量子井戸構造を有する活性層を開示している。
しかし、バッファ層１３を使用しても、発光素子１０内の結晶欠陥問題は充分に解消されない。依然として窒化物半導体結晶、特に活性層内には相当な密度の欠陥が存在する。このような欠陥は光を吸収し活性層における発光現象を妨害する上、逆方向降伏電圧（Ｖｒ）または逆方向静電気放電（ＥＳＤ）の耐性電圧を低める。従って、結晶欠陥により発光素子の輝度と信頼性が劣化する。
本発明は上記の問題点を解決するためもので、本発明の目的は窒化物半導体結晶内に低い結晶欠陥密度を有する高品質の窒化物半導体発光素子を提供することである。また、本発明の目的は、高い輝度と優れたＥＳＤ耐性を示す窒化物半導体発光素子を提供することである。
上述の課題を解決するために、本発明による窒化物半導体発光素子は、電流拡散層を含むｎ側半導体領域と、ｎ側半導体領域上に形成された活性層と、活性層上に形成されたｐ側半導体領域と、ｎ側半導体領域に接続されるように配置されたｎ側電極と、ｐ側半導体領域上に形成されたｐ側電極と、ｎ側半導体領域とｐ側半導体領域のうち、少なくとも一つの領域内に形成され、ｎ側電極より上に配置された少なくとも一つの中間層と、を含み、電流拡散層はＩｎＧａＮからなる層を含み、中間層は電流拡散層と活性層の間に形成され、中間層はバンドギャップが相互異なる３層以上が積層された多層構造で、多層構造は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を含み、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮのうち少なくとも１つはｎ型でドープされており、かつ、少なくとももう１つはｐ型導電型でドープされる。
上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された多層構造を有することができる。好ましくは、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された超格子構造を有する。好ましくは、上記中間層を構成する各層の厚さは１０乃至３００Åである。
本発明のさらに他の実施形態によると、上記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮの積層物を１周期とし、その積層物が反復積層された多層構造を有することができる。
上記中間層は移動度変調のために変調ドーピングされた多層構造を有することができる。上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、上記積層物内の各層によりドーピング水準が異なるか、ドーピングタイプが異なることができる。例えば、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物においてＡｌＧａＮは第１導電型（ｎ型またはｐ型のうち一つ）でドーピングされＧａＮはアンドープされＩｎＧａＮは第２導電型（ｎ型またはｐ型のうち、他の一つ）でドーピングされることができる。他の例として、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの反復積層物においてＡｌＧａＮは順次積層されたｐ型層／アンドープ層になりＧａＮはｎ型でドーピングされＩｎＧａＮはアンドープされることができる。
また、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのうち少なくとも一つの内部が変調ドーピングされることができる。例えば、上記積層物をなすＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのうち少なくとも一つ（例えば、ＡｌＧａＮ）は順次積層されたｐ型層／ｎ型層／ｐ型層またはｎ型層／ｐ型層／ｎ型層の変調ドーピングされた構造を有することができる。
また、上記中間層の少なくとも一部にはＩｎが不純物として添加されることができる。このように（組成成分としてではなく）不純物として添加されたＩｎは界面活性剤の役割をし転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）欠陥をピンニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）させる。
本発明の一実施形態によると、上記窒化物半導体発光素子は、上記ｎ側電極とｐ側電極が同じ側を向かう水平構造の発光ダイオードである。この場合、上記窒化物半導体発光素子は上記ｎ側半導体領域の下に配置された基板をさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態によると、上記窒化物半導体発光素子は、上記ｎ側電極とｐ側電極が反対側を向かう垂直構造の発光ダイオードである。この場合、上記窒化物半導体発光素子は上記ｎ側半導体領域を介して上記活性層の反対側に配置された導電性基板をさらに含むことができる。これとは異なり、上記窒化物半導体発光素子は上記ｐ側半導体領域を介して上記活性層の反対側に配置された導電性基板をさらに含むことができる。
上記基板は基板の上面で非極性ＧａＮ（ｎｏｎ−ｐｏｌａｒ ＧａＮ）成長が可能な結晶面を有することができる。例えば、上記水平構造の発光ダイオードにおいて、上記基板はａ−面サファイア、ｒ−面サファイア、ｍ−面サファイア、ＳｉＣ、ＬｉＡｌＯ２、ＺｎＯ及びｍ−面ＧａＮ基板のうち一つであることができる。また、上記垂直構造の発光ダイオードにおいて、上記導電性基板はＳｉＣ、ＺｎＯ及びｍ−面ＧａＮ基板のうち一つであることができる。
以上で説明したように本発明によると、上述の多層構造の中間層を使用することにより窒化物半導体の結晶欠陥密度を減少させ、ＥＳＤ耐性を改善する。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物に移動度変調のための変調ドーピングを適用することにより、ＥＳＤ耐性をさらに強化させることができる。これにより、発光素子の輝度と信頼性が向上される。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変更されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態で限定されるものではない。本発明の実施形態は当業界において平均の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等はより明確な説明のために誇張されることができ、図面上に同じ符号で表示される要素は同じ要素である。
図２は本発明の実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。図２は特に、窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を示す。図２を参照すると、窒化物半導体発光素子１００はサファイア基板上に順次形成されたアンドープＧａＮ層１０２、第１ｎ型窒化物半導体層１０３、第２ｎ型窒化物半導体層１０５、電流拡散層(ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ：ＣＳＬ）１０６、多層構造の中間層１１０、活性層１０７、電子遮断層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ：ＥＢＬ）１０８及びｐ型コンタクト層１０９を含む。
上記第１ｎ型窒化物半導体層１０３は例えば、ｎドープＧａＮにより形成され、第２ｎ型窒化物半導体層１０５はｎ型コンタクト層で、例えば高濃度のｎ＋ドープＧａＮにより形成されることができる。ＣＳＬ層１０６は側方向への電流拡散を促進させる役割をし、例えば、相対的に厚いＩｎＧａＮ層を備えることができる。ＥＢＬ層１０８は相対的に大きいバンドギャップを有するｐ型ＡｌＧａＮにより形成されることができる。ｐ型コンタクト層１０９は例えば、ｐ−ドープＧａＮ層及び／またはｐ−ドープＡｌＧａＮ層により形成されることができる。活性層１０７はＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸または単一量子井戸構造で形成されることができる。
ｐ型コンタクト層１０９上にはｐ側電極１１９が形成され、メサ蝕刻により露出された第２ｎ型窒化物半導体層１０５の一部上面にはｎ側電極１１５が形成されている。図示されてはいないが、サファイア基板１０１とアンドープＧａＮ層１０２の間には低温ＡｌＮ層等のようなバッファ層が形成されることができる。このように、ｎ側電極１１５とｐ側電極１１９は素子の同じ側に向い、発光素子１００は水平構造の発光ダイオードをなす。
発光素子１００の半導体領域は活性層位置を基準に大きく３部分に分けることができるが、ｎ側半導体領域１４０及びｐ側半導体領域１５０と、その間に配置された活性層１０７領域に分けることができる。上記アンドープＧａＮ層１０２、第１及び第２ｎ型窒化物半導体層１０３、１０５、ＣＳＬ１０６及び中間層１１０は発光素子１００のｎ側半導体領域１４０をなす。また、ＥＢＬ層１０８、ｐ型コンタクト層１０９がｐ側半導体領域１５０に該当する。本実施形態では、多層構造の中間層１１０がｎ側半導体領域１４０内に配置されており、特に活性層１０７に隣接してその下に配置されている。
中間層１１０はｎ側電極１１５より上に位置し、バンドギャップが相互異なる３層以上が積層された多層構造で、特に順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を含む。ここで、ＡｌＧａＮはＡｌ組成を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で、ＩｎＧａＮはＩｎ組成を有するＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）である。このようにバンドギャップ変調された多層構造であるＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を備えることにより、結晶内の圧力を効果的に緩和（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）させながら結晶欠陥を遮断するようになる。
より具体的に説明すると、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮのうちバンドギャップが最も大きいＡｌＧａＮとバンドギャップが小さいＩｎＧａＮの間にＧａＮ層を挿入することによりＡｌＧａＮとＩｎＧａＮ層における格子定数の差による圧力−特に、ＡｌＧａＮにおける引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）とＩｎＧａＮにおける圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）−をＧａＮ層が効果的に緩和させるようになる。これにより中間層１１０は結晶欠陥を効果的に遮断し、中間層１１０上に成長する窒化物半導体は向上された結晶性を有するようになる。またＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を有する中間層１１０を通じ、転位欠陥のベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）効果とピンニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）効果を得るようになる。このようなバンドギャップ変調構造を通じた結晶性または膜質の改善は発光素子のＥＳＤ耐性度向上にも寄与する。
中間層１１０が提供する圧力緩和と結晶欠陥のベンディング及びピンニング効果をさらに高めるために、中間層１１０はＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された多層構造を有することができる。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造を有することにより、中間層１１０は転位欠陥をより効果的にベンディング及びピンニングさせ、転位の欠陥をより確実に遮断することができる。このような超格子構造の形成のため、上記中間層１５０を構成する各層は、好ましくは、１０乃至３００Åの厚さを有する。
本実施形態では、多層構造の中間層１１０は活性層１０７のすぐ下に配置され、ＣＳＬ層１０６における厚いＩｎＧａＮ層の圧力により発生され結晶欠陥を効果的に抑制するか、ベンディングさせることができる。バンドギャップ変調された３層以上の多層構造を反復することにより、自然に電流の横方向拡散効果を齎すことができる。特に、活性層１０７のすぐ下に中間層１１０を挿入する場合、ＣＳＬ層１０６に加えさらに優れた電流拡散効果を得るようになる。このような電流拡散効果は電流集中を緩和させることによりＥＳＤ耐性の向上に寄与する。しかし、中間層１１０が必ず活性層の下に配置されなければならないということでははく、例えば、ｐ側半導体領域１５０内に挿入または配置されることもできる（図３等参照）。
中間層１１０の少なくとも一部はＳｉ等のｎ型不純物またはＭｇ等のｐ型不純物によりドーピングされることができる。これとは異なり、上記中間層１１０はドーピングされていないアンドープ層であることができる。特に、中間層１１０は移動度変調のために変調ドーピングされた多層構造を有することができる。多層構造の中間層１１０で変調ドーピングを通じた移動度変調は電流拡散を極大化させ、ＥＳＤ耐性をさらに向上させる。具体的には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、この積層物内の各層（ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層）によりドーピング水準が異なるか、ドーピングタイプが異なることができる。変調ドーピングのドーピングプロファイルは階段型でも、傾斜型でも具現されることができる。
移動度変調のための変調ドーピングの一実施例として、中間層１１０内のＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、ＡｌＧａＮは第１導電型（ｎ型またはｐ型のうち一つ）でドーピングされＧａＮはアンドープされＩｎＧａＮは第２導電型（ｎ型またはｐ型のうち他の一つ）でドーピングされることができる。このような変調ドーピングを通じ、ｎ型層及びアンドープ層のみではなく移動度がさらに低いｐ型層を上記積層物に追加することにより移動度変調を通じた電流拡散を極大化させることができるようになり、これにより発光素子のＥＳＤ内圧を大きく向上させることができるようになる。またＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層間の中間に挿入されたＧａＮ層をアンドープ層で形成することによりＧａＮ層がｎ型層とｐ型層の緩衝役割をしながら、同時にバンドギャップ変調による圧力の緩衝役割もする。
移動度変調のための変調ドーピングの他の実施例として、中間層１１０内のＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの反復積層物において、ＡｌＧａＮは順次積層されたｐ型層／アンドープ層になりＧａＮはｎ型でドーピングされＩｎＧａＮはアンドープされることができる。このような変調ドーピングを通じ最も低いバンドギャップを有するＩｎＧａＮにおけるキャリア移動度を良くし、その次のＡｌＧａＮでバンドギャップを大きくしながらＩｎＧａＮとの隣接部位で移動度を低めることができ、これによりＩｎＧａＮでさらに効果的な電流拡散が起きる。このような電流拡散効果は発光素子のＥＳＤ向上に寄与するようになる。
また、中間層１１０にあるＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのうち、少なくとも一つの内部（例えば、ＡｌＧａＮの内部）が相互異なるドーピング水準またはドーピングタイプにより変調ドーピングされることができる。例えば、ＡｌＧａＮは順次積層されたｐ型層／ｎ型層／ｐ型層またはｎ型層／ｐ型層／ｎ型層の変調ドーピングされた構造を有することができる（図１５参照）。このような個別バンドギャップの層内における変調ドーピングも横方向への電流拡散に寄与する。
上記中間層１１０の少なくとも一部にはＩｎが不純物として添加されることができる。不純物として添加されたＩｎは、純水なＩｎＧａＮ物質内のＩｎとは異なり組成成分として存在しない。このように（組成成分ではない）不純物として添加されたＩｎは窒化物半導体層内で界面活性剤の役割をする。これにより、上記Ｉｎ不純物はＳｉ等のｎ型不純物またはＭｇ等のｐ型不純物の活性化エネルギーを低めることによりキャリアを生成させるＳｉまたはＭｇドーパントの比率が高くなる。また、不純物として添加されたＩｎは転位欠陥をピンニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）させる特性を有する。従って、中間層１１０に不純物として添加されたＩｎにより中間層１１０の上に成長された層の転位欠陥密度はさらに減少されることができる。
本実施形態では、窒化物半導体結晶の成長のための基板１０１としてサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を使用しているが、サファイア基板の代わりにＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＭｇＯ基板、ＧａＮ基板等の窒化物半導体層の成長に使用されることができる如何なる基板も使用可能である。特に、基板１０１は非極性ＧａＮ（ｎｏｎ−ｐｏｌａｒ ＧａＮ）成長が可能な結晶面（上面）を有することができる。例えば、基板１０１として、ａ−面サファイア、ｒ−面サファイア、ｍ−面サファイア、ＳｉＣ、ＬｉＡｌＯ２、ＺｎＯ、及びｍ−面ＧａＮ基板のうち一つを使用することができる。このような非極性ＧａＮ成長用結晶面を基盤にして成長した窒化物半導体結晶は、極性による圧力の減少を通じ発光素子の光効率の向上に寄与する。
上記実施形態では発光素子１００が一つのみの中間層１１０を含んでいるが、ｎ側領域１４０で２以上の中間層を含むこともできた。例えば、活性層１０７とＣＳＬ層１０６の間の中間層１１０に加え、更なる中間層がＣＳＬ層１０６と第２ｎ型窒化物半導体層１０５の間または／及び第２ｎ型窒化物半導体層１０５の下に挿入されることもできる。
図３は本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。図３の発光素子２００では、上述のようにバンドギャップ変調された多層構造の中間層１１０がｐ側半導体領域１５０に配置されている。特に、中間層１１０は活性層１０７の上に、そしてＥＢＬ層１０８及びｐ型コンタクト層１０９の下に配置されている。図３の実施形態でも、中間層１１０がＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物、その反復積層物または反復積層された超格子構造を備えることにより、転位欠陥の減少及びＥＳＤ耐性向上の効果を得ることができる。本実施形態でも、中間層１１０が上述したように移動度変調のために変調ドーピングされるか、単位層内で変調ドーピングされることは無論、中間層１１０内にＩｎ不純物を添加することもできる。
特に、図３の実施形態では中間層１１０が活性層１０７の上部に位置することにより活性層１０７における圧力による結晶欠陥の発生を防ぐ役割をし、上部で成長したＥＢＬ層１０８及びｐ型コンタクト層１０９の膜質を良くすることができる。これにより漏れ電流が減少しＥＳＤ耐性が増大する効果が表れる。図３の実施形態では 中間層１１０がＥＢＬ層１０８の下に配置されているが、これと異なりＥＢＬ層１０８の上に、そしてｐ型コンタクト層１０９の下に配置されることもできる。ｐ側領域内で２箇所以上に中間層を配置することもできる。
図４は本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体発光素子３００の断面図である。図４の実施形態では、多層構造の中間層１１０-１、１１０-２がｎ側領域１４０のみではなく、ｐ側領域１５０にも配置されている。いわば、ｎ側半導体領域１４０でＣＳＬ層１０６と活性層１０７の間に第１中間層１１０-１が挿入され配置され、ｐ側半導体領域１５０ではＥＢＬ層１０８と活性層１０７の間に第２中間層１１０-２が挿入され配置されている。第１及び第２中間層１１０-１、１１０-２の内部構成（バンドギャップ変調、変調ドーピング、Ｉｎ添加等）は上述の中間層１１０と同じである。
このように、活性層１０７の下のｎ側領域１４０及び活性層１０７の上のｐ側領域１５０両方に中間層を挿入し配置することにより、活性層１０７の上の半導体層１０８、１０９の結晶質の改善のみではなく、活性層１０７における結晶質の改善効果を効果的に確保することができる。更なる中間層がｐ型コンタクト層１０９とＥＢＬ層１０８の間に、ＣＳＬ層１０６と第２ｎ型窒化物半導体層１０５の間に、または第２ｎ型窒化物半導体層１０５の下に付加的に挿入されることができる。
図５乃至図８は本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。図５乃至図８の実施形態では、ｎ側電極とｐ側電極が発光構造（ｎ側領域、活性層及びｐ側領域の積層構造）の反対側（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｓｉｄｅｓ）を向うように配置され、発光素子は垂直構造または垂直型（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）発光ダイオードをなす。
図５を参照すると、発光素子４００はＳｉＣ等の導電性基板４０１上に順次積層された第１ｎ型窒化物半導体層４０３、第２ｎ型窒化物半導体層４０５、電流拡散（ＣＳＬ）層４０６、多層構造の中間層１１０、活性層４０７及び電子遮断（ＥＢＬ）層４０８、ｐ型コンタクト層４０９を含む。ｎ型窒化物半導体層４０３、４０５、ＣＳＬ層及び中間層１１０はｎ側半導体領域４４０に該当し、ＥＢＬ層４０８とｐ型コンタクト層４０９はｐ側半導体領域４５０に該当する。ｐ型コンタクト層４０９上にはｐ側電極４１９が配置され、導電性基板４０１下面にはｎ側電極４１５が配置されている。このように、多層構造の中間層１１０は垂直構造ＬＥＤにも適用されることができる。
本実施形態でも、中間層１１０は上述したようにバンドギャップ変調されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物（反復積層物または超格子構造も可能）を備えることにより、結晶質の向上及びＥＳＤ耐性向上の効果を得る。また中間層１１０内の積層による、または単位層内における移動度変調のための変調ドーピング、Ｉｎ不純物の添加等が適用されることができる。中間層１１０はｎ側領域４４０内で２箇所以上に配置されることもできる。
導電性基板４０１としては、極性（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）による圧力を減少させるために、非極性ＧａＮ成長用結晶面（上面）を有する基板を使用することができる。例えば、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びｍ−面ＧａＮ基板のうち、いずれかを導電性基板４０１に使用することができる。また、導電性基板４０１を省略して薄膜のＬＥＤ構造を利用することもできる。この場合、ｎ側電極４１５は導電性基板なしで直接ｎ型半導体層４０３とコンタクトされることができる。
図６は、さらに他の実施形態による垂直構造発光素子５００の 断面図である。図６を参照すると、中間層１１０はｐ側半導体領域４５０に配置されている。その他の異なる要素や特性、または中間層１１０自体のバンドギャップ変調構成、変調ドーピング構成は上述のようである。中間層４４０はｐ側領域の２箇所以上に配置されることもできる。
図７はさらに他の実施形態による垂直構造発光素子６００の断面図で、この発光素子６００は、ｎ側領域４４０とｐ側領域４５０の両方に中間層１１０-１、１１０-２が挿入されている。図７に図示された中間層１１０-１、１１０-２の他にも、ＥＢＬ層４０８とｐ型コンタクト層４０９の間、またはＣＳＬ層４０６の下に中間層がさらに挿入配置されることができる。
図８は本発明のさらに他の実施形態による垂直構造発光素子７００の断面図である。図８を参照すると、発光素子７００は上述の実施形態とは異なり、導電性基板７０７上にｐ側領域７５０、活性層７０７及びｎ側領域７４０の順序に積層されている。即ち、導電性基板７０７上には、導電性接着層７０２、ｐ型コンタクト層７０９、ＥＢＬ層７０８、活性層７０７、多層構造の中間層１１０、ＣＳＬ層７０６、第２ｎ型窒化物半導体層７０５及び第１ｎ型窒化物半導体層７０３が順次的に積層されている。導電性基板７０１下面にはｐ側電極７１９が配置され、第１ｎ型窒化物半導体層７０３上にはｎ側電極７１５が配置される。
このような垂直構造の発光素子７００は導電性基板のボンディングと成長用基板の除去により得ることができる。例えば、サファイア基板（不図示）上で第１及び２ｎ型窒化物半導体層７０３、７０５、ＣＳＬ層７０６、中間層１１０、活性層７０７、ＥＢＬ層７０８及びｐ型コンタクト層７０９を順次的に成長させた後、Ａｕ等の導電性接着層７０２を使用して導電性基板７０１をｐ型コンタクト層７０９に接合させることができる。その後、レーザーリフト−オフ（ｌａｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）等の基板除去技術を利用してサファイア基板を除去または分離し、サファイア基板が除去された面にｎ側電極７１５を形成することができる。導電性基板４０１としては、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の導電性基板及びその他Ａｌ、Ｃｕ等の金属基板を使用することができる。
図８で、ｎ側領域７４０が素子の下部を向くように発光素子７００の上下をひっくり返すと（下からｎ側領域／活性層／ｐ側領域の順序に積層される）、中間層１１０は上述の実施形態と同様にｎ側電極７１５より上に配置される。この実施形態では、中間層１１０がｎ側領域７４０に配置されているが、ｐ側領域７５０に配置されることもできる。また、ｎ側領域７４０とｐ側領域７５０の両方に中間層１１０が挿入されることもできる。
以下、図９乃至図１５を参照して多用な実施形態による中間層１１０の積層構造とバンドギャップ構造に対して説明する。
図９は本発明の第１実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図で、図１０は図９の多層構造の中間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９で、基板は下側に配置されることとする。
図９及び図１０を参照すると、多層構造の中間層１１０は順次積層されたＡｌＧａＮ層１１０ａ、ＧａＮ層１１０ｂ及びＩｎＧａＮ層１１０ｃの積層物を含む。特に、上記ＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃの積層物が反復され積層されている。本実施形態ではＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃが多層構造の１周期を形成する。好ましくは中間層１１０は超格子構造を形成する。中間層１１０を構成する窒化物半導体層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃのうち、ＡｌＧａＮ層１１０ａのバンドギャップが最も大きく、ＩｎＧａＮ層１１０ｃのバンドギャップが最も小さい。ＡｌＧａＮ層１１０ａとＩｎＧａＮ層１１０ｃの間に介在されたＧａＮ層１１０ｂのバンドギャップはＡｌＧａＮ層１１０ａのバンドギャップよりは小さくＩｎＧａＮ層１１０ｃのバンドギャップよりは大きい。
このように相互異なるバンドギャップを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの多層構造は、上述したように効果的に転位欠陥を遮断させる役割をする。特に、ＩｎＧａＮ層１１０ｃはＡｌＧａＮ層１１０ａとＧａＮ層１１０ｂの成長時に転位欠陥を効果的にベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）させて中断（ｓｔｏｐｐｉｎｇ）させる。また、ＧａＮ層１１０ｂはバンドギャップが大きいＡｌＧａＮ層１１０ａで発生された引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）とバンドギャップが小さいＩｎＧａＮ層１１０ｃで発生した圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｓｔｒｅｓｓ）を緩和（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）させる役割をする。従って、上記中間層１５０は応力を緩和させながら転位欠陥を遮断することができる。
このような転位欠陥遮断効果をさらに高めるために、中間層の少なくとも一部に（例えば、ＡｌＧａＮ層１１０ａに）Ｉｎを（組成成分ではない）不純物として添加することができる。中間層１１０内に不純物として添加されたＩｎは界面活性剤として作用し転位欠陥として固定されることにより、中間層１１０の上に成長される窒化物半導体層の転位欠陥の数をさらに減少させることができる。活性層１０７、４０７、７０７が中間層上に配置された場合、上述の転位欠陥の減少により、活性層１０７、４０７、７０７で非発光性再結合（ｎｏｎ−ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）は減り、発光性再結合（ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）は増加され、これにより発光素子の輝度が増加する。また、電流経路を提供する半導体層の結晶品質が向上されるために、動作電圧は低くなり、ＥＳＤ内圧は高くなる。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層構造が反復されることにより、自然にバンドギャップ変調を通じ電流の横方向拡散効果を齎す。これによりＥＳＤ内圧はさらに高くなる。
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層構造が移動度変調のために変調ドーピングされる場合、移動度が相対的に高い層で電流の拡散特性はさらに強化される。例えば、中間層１１０がｎ−ＡｌＧａＮ／u-ＧａＮ／p-ＩｎＧａＮの積層物を備えることにより、真ん中のアンドープＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）を使用した移動度変調を通じ電流拡散をより増大させることができる。また中間層１１０が（ｐ−ＡｌＧａＮ／u-ＡｌＧａＮ）／n-ＧａＮ／u-ＩｎＧａＮの反復積層物を備えることにより、最も低いバンドギャップを有するｕ−ＩｎＧａＮで移動度を良くし、次の層であるｐ−ＡｌＧａＮでバンドギャップを大きくし移動度を低めることができる。これによりｕ−ＩｎＧａＮでさらに効果的な電流拡散が起きるようになる。このような電流拡散特性の更なる改善はＥＳＤ耐性特性の更なる向上に寄与する。変調ドーピングのドーピングプロファイルは階段型でも、傾斜型でも具現されることができる。
図１１は本発明の第２実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図で、図１２は図１１の多層構造の中間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。中間層１１０を構成する層の積層順序の側面で、第２実施形態の中間層は第１実施形態と異なる。
図１１及び図１２を参照すると、ＩｎＧａＮ１１０ｃ／ＧａＮ１１０ｂ／ＡｌＧａＮ１１０ａの積層物が順次的に反復され積層されている（積層順序が図５に図示された第１実施形態とは反対である）。本実施形態ではＩｎＧａＮ１１０ｃ／ＧａＮ１１０ｂ／ＡｌＧａＮ１１０ａが多層構造の１周期を形成する。好ましくは中間層１１０は超格子構造を形成する。
相互異なるバンドギャップを有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層構造も、第１実施形態と同様に、効果的に転位欠陥を遮断させる役割をすることにより中間層１１０の上に配置された半導体層の結晶欠陥密度を減少させ、輝度を増加させ、ＥＳＤ耐性を高める。
図１３は本発明の第３実施形態による多層構造の中間層を示す部分断面図で、図１４は図１３の多層構造の中間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。この実施形態では、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面を形成しないようにＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の間にＧａＮ層が挿入されている。
図１３及び図１４を参照すると、ＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃ／ＧａＮ１１０ｂの積層物が周期的に反復され積層されている。即ち、ＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃ／ＧａＮ１１０ｂが多層構造の１周期を形成する。好ましくは中間層１１０は超格子構造を形成する。図１４に図示されたように、バンドギャップが大きいＡｌＧａＮ層１１０ａとバンドギャップが小さいＩｎＧａＮ層１１０ｃの間にはＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面を形成しないようにＧａＮ層１１０ｂが挿入されている。上述のように、第３実施形態の中間層１１０も、結晶欠陥遮断効果及びＥＳＤ耐性増大効果を得ることができる。特に、ＡｌＧａＮ層１１０ａとＩｎＧａＮ層１１０ｃの間にＧａＮ層１１０ｂを常に配置することにより、ＡｌＧａＮ層１１０ａとＩｎＧａＮ層１１０ｃ間の格子定数の差による応力をさらに効果的に緩和させることができる。上述の移動度変調のための変調ドーピングとＩｎ不純物添加を適用することもできる。
図１５は本発明の第４実施形態による多層構造の中間層のバンドギャッププロファイルを示すグラフである。本実施形態では、ＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃの積層物の要素を成す個別単位層（例えば、ＡｌＧａＮ１１０ａ）内部が変調ドーピングされている。図１５に図示されたように、ＡｌＧａＮ１１０ａはｐ−ＡｌＧａＮ１１０ａ−１、ｎ−ＡｌＧａＮ１１０ａ-２及びｐ−ＡｌＧａＮ１１０ａ−３により変調ドーピングされている。このような層内の変調ドーピングも横方向への電流拡散を齎しＥＳＤ耐性向上に寄与する。他の個別単位層（例えば、ＧａＮ１１０ｂまたはＩｎＧａＮ１１０ｃの内部が変調ドーピングされることもできる。個別単位層内部における変調ドーピングとともに、ＡｌＧａＮ１１０ａ／ＧａＮ１１０ｂ／ＩｎＧａＮ１１０ｃ積層物における各層により積層方向に変調ドーピングが適用されることができる。
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ものではなく、添付の請求範囲により限定し、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から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ということは当技術分野において通常の知識を有する者には自明である。
１０１ 基板
１０２ アンドープＧａＮ層
１０３ 第１ｎ型窒化物半導体層
１０５ 第２ｎ型窒化物半導体層
１０６ 電流拡散層
１０７ 活性層
１０８ 電子遮断層
１０９ ｐ型コンタクト層
１１０ 中間層
１１５ ｎ側電極
１１９ ｐ側電極
１４０ ｎ側領域
１５０ ｐ側領域
１０２ アンドープＧａＮ層
１０３ 第１ｎ型窒化物半導体層
１０５ 第２ｎ型窒化物半導体層
１０６ 電流拡散層
１０７ 活性層
１０８ 電子遮断層
１０９ ｐ型コンタクト層
１１０ 中間層
１１５ ｎ側電極
１１９ ｐ側電極
１４０ ｎ側領域
１５０ ｐ側領域
Claims (16)
- 電流拡散層を含むｎ側半導体領域と、
前記ｎ側半導体領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ側半導体領域と、
前記ｎ側半導体領域に接続されるように配置されたｎ側電極と、
前記ｐ側半導体領域上に形成されたｐ側電極と、
前記ｎ側半導体領域とｐ側半導体領域のうち、少なくとも一つの領域内に形成され、前記ｎ側電極より上に配置された少なくとも一つの中間層と、を含み、
前記電流拡散層はＩｎＧａＮからなる層を含み、前記中間層は前記電流拡散層と前記活性層の間に形成され、前記中間層はバンドギャップが相互異なる３層以上が積層された多層構造で、前記多層構造は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物を含み、
前記ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮのうち少なくとも１つはｎ型でドープされており、かつ、少なくとももう１つはｐ型導電型でドープされることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された多層構造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発光素子。
- 前記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物が反復積層された超格子構造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発光素子。
- 前記中間層を構成する各層の厚さは１０から３００Å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。
- 前記中間層は順次積層されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮの積層物を１周期とし、その積層物が反復積層された多層構造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発光素子。
- 前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの積層物において、ＡｌＧａＮは第１導電型でドーピングされＧａＮはアンドープされＩｎＧａＮは第２導電型でドーピング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発光素子。
- 前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの反復積層物において、ＡｌＧａＮは順次積層されたｐ型層／アンドープ層になりＧａＮはｎ型でドーピングされＩｎＧａＮはアンドープ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発光素子。
- 前記中間層の少なくとも一部にはＩｎが不純物として添加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発光素子。
- 前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ側電極とｐ側電極が同じ側を向かう水平構造の発光ダイオード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。
- 前記ｎ側半導体領域の下に配置された基板をさらに含む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。
- 前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ側電極とｐ側電極が反対側を向かう垂直構造の発光ダイオード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。
- 前記ｎ側半導体領域を介して前記活性層の反対側に配置された導電性基板をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ｐ側半導体領域を介して前記活性層の反対側に配置された導電性基板をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記基板は基板の上面で非極性ＧａＮ成長が可能な結晶面を有することを特徴とする請求項１０、請求項１２および請求項１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記基板はａ−面サファイア、ｒ−面サファイア、ｍ−面サファイア、ＳｉＣ、ＬｉＡｌＯ２、ＺｎＯ及びｍ−面ＧａＮ基板のうち一つであることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記導電性基板はＳｉＣ、ＺｎＯ及びｍ−面ＧａＮ基板のうち一つあることを特徴とする請求項１２または請求項１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
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