JP5726413B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザーダイオード（ＬＤ）などに用いられる発光素子に関するもので、より詳細には、多重量子井戸構造内の少なくとも一層に少なくとも一つのキャリアトラップ部を含む発光素子に関するものである。

一般的に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などのようなIII族元素の窒化物は、優れた熱的安定性及び直接遷移型のエネルギーバンド構造を有しており、最近、青色及び紫外線領域の発光ダイオード用及びレーザーダイオード用物質として脚光を浴びている。このうち、特に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）化合物半導体は、狭いバンドギャップに起因して多くの注目を受けている。このような窒化ガリウム系列の化合物半導体を用いた発光ダイオードは、大型のフルカラー・フラットパネルディスプレイ、バックライト光源、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム及び光通信などの多様な応用分野に活用されている。

一般的に、発光ダイオードは、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を含み、前記ｎ型及びｐ型半導体層の間に活性領域が介される。前記ｎ型半導体層及びｐ型半導体は、III族元素の窒化物半導体層、例えば、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ系列の化合物半導体層で形成される。一方、活性領域は、一つの井戸層を有する単一の量子井戸構造であるか、複数個の井戸層及びバリア層を含む多重量子井戸構造である。前記多重量子井戸構造は、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリア層とが交互に積層されて形成され、前記ＩｎＧａＮ井戸層がバリア層に比べてバンドギャップの小さいｎ型及びｐ型半導体層で形成されることで、電子と正孔とが再び結合される量子井戸層を形成することができる。

このようなIII族元素の窒化物半導体層は、六方晶系の構造を有するサファイアまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの異種基板上に有機金属気相成長法などの工程を通して成長される。しかしながら、このようにIII族元素の窒化物半導体層が異種基板上に形成される場合、半導体層と基板との間の格子常数及び熱膨張係数の差に起因して半導体層内にクラックまたは反りが発生し、転位が生成される。

この問題を防止するために、基板上にバッファ層を形成した後、半導体層を成長させることで、バッファ層上に成長させた半導体層内の結晶欠陥を相当部分除去することができる。しかしながら、それにもかかわらず、活性領域内の結晶欠陥密度は相変らず高い方であり、これは、III族元素の化合物半導体層を用いるのに大きな障害となる。また、このように活性領域内に形成された転位などの結晶欠陥は、活性領域に流入するキャリアをトラップするが、光を発しないので、非発光中心（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｃｅｎｔｅｒ）として作用するようになり、これは、発光ダイオードの内部量子効率を著しく低下させる原因になる。

本発明が解決しようとする技術的課題は、多重量子井戸構造内の少なくとも一層にキャリアトラップ部を含むことで、活性領域内に形成される転位などの結晶欠陥による内部量子効率が低下する問題を解決することにある。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、多重量子井戸構造内に発生する圧縮応力を相殺可能な引張応力を発生させることで、多重量子井戸構造内の結晶品質を向上させることにある。

上述した本発明の目的を達成するための本発明は、基板と、前記基板上に形成された第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に介された井戸層及びバリア層を含む多重量子井戸構造と、を備え、前記多重量子井戸構造内の少なくとも一層キャリアトラップ部が少なくとも２以上集合したキャリアトラップクラスタを複数含み、キャリアトラップクラスタは、隣接する他のキャリアトラップクラスタと少なくとも２０ｎｍ以上離隔している発光素子を提供することで、転位などの結晶欠陥による内部量子効率低下問題を解決することができる。

本発明の発光素子において、前記キャリアトラップ部は、外周部から中心部に向かって、バンドギャップエネルギが直線状に、階段状に、または曲線状に徐々に減少するようにしてもよい。

本発明の発光素子において、前記キャリアトラップ部は、前記多重量子井戸構造内の井戸層に形成されるか、井戸層内に埋め込まれて形成されてもよい。

また、本発明の発光素子は、前記キャリアトラップ部を含む層は、インジウムを含んでもよく、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体またはＡｌＩｎＧａＰ系化合物半導体から構成されことが好ましい。

また、本発明の発光素子は、前記キャリアトラップ部を含む層は、インジウムの蒸発を防止可能なインジウム蒸発防止層を、前記多重量子井戸構造内に更に含めてもよい。

本発明の発光素子において、前記キャリアトリップ部は、外周部から中心部に向かってインジウムの含有量が徐々に増加してもよく、このとき、前記キャリアトラップ部の最外部のインジウム含有量より、前記キャリアトラップ部の中心部のインジウム含有量が少なくとも２％以上高いことが好ましい。

また、前記キャリアトラップ部を含む層が井戸層である場合、バリア層はアルミニウムを含んで形成され、このとき、前記アルミニウムを含むバリア層のアルミニウム含有量は、前記キャリアトラップ部を含む層に発生する圧縮応力を相殺可能な引張応力を発生させる含有量に調整されることが好ましい。さらに、前記アルミニウムを含むバリア層は、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から構成されることが好ましい。

本発明に係る発光素子において、前記キャリアトラップ部は、層が成長される間に前記キャリアトラップ部を含む層と同時に形成されてもよく、前記キャリアトラップ部は、前記キャリアトラップ部を含む層に形成された転位の密度より高い密度で分布されることが好ましい。

前記キャリアトラップ部は、１〜１０ｎｍの大きさで形成されことが好ましく、２〜５ｎｍの大きさで形成されることがより好ましい。

また、本発明の発光素子は、前記キャリアトラップ部が少なくとも２個集合して形成されたキャリアトラップクラスタを更に含んでもよく、この場合、前記キャリアトラップクラスタは、隣接する他のキャリアトラップクラスタと少なくとも４０〜１２０ｎｍ離隔して形成されることがより好ましい。

本発明の発光素子によると、多重量子井戸構造内の少なくとも一層にキャリアトラップ部を含むことで、活性領域内に形成される転位などの結晶欠陥による内部量子効率が低下する問題を解決することができる。また、多重量子井戸構造内に発生する圧縮応力を相殺可能な引張応力を発生させることで、発光素子の多重量子井戸構造内の結晶品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る発光素子の積層構造を例示する断面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリアトラップ部を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）のＴＥＭ結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係るキャリアトラップ部を有するＭＱＷの模式図である。 （ａ）は、図３のＩ（ａ）−Ｉ（ｂ）及びＩＩ（ａ）−ＩＩ（ｂ）線に沿う厚さ−量子エネルギの関係を示すエネルギバンドダイアグラムであり、（ｂ）及び（ｃ）は、図３のＩ（ａ）−Ｉ（ｂ）線に沿う他の可能な厚さ−量子エネルギの関係を示すエネルギバンドダイアグラムである。 本発明の他の実施形態に係るキャリアトラップクラスタを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）のＴＥＭ結果を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るキャリアトラップクラスタを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）のＡＰＴ結果を示す図である。 キャリアトラップ部に発生する圧縮応力及びこれを相殺するためにバリア層に発生する引張応力を示した模式図である。

以下、添付された各図面を参照して、本発明の各実施形態をより詳細に説明する。次に紹介される各実施形態は、当業者に本発明の思想を充分に伝達させるための例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下で説明される各実施形態に限定されるものでなく、他の形態にも具体化される。そして、各図面において、構成要素の幅、長さ及び厚さなどは、当業者の理解を助けるためにより誇張されて表現される。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子の積層構造を例示する概略図である。

図１を参照すると、基板１１上に第１半導体層１５が配置される。このとき、基板１１と第１半導体層１５との間の格子不一致を緩和させるために、前記基板１１と第１半導体層１５との間にバッファ層１３が形成される。例えば、前記バッファ層１３はＧａＮまたはＡｌＮから構成される。前記基板１１は、特に限定されるものでないが、サファイア、スピネル及び炭化シリコン（ＳｉＣ）により構成されてもよい。また、前記第１半導体層１５は、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ層でもよい。

前記第１半導体層１５の上部に第２半導体層１９が配置され、前記第１半導体層１５と前記第２半導体層１９との間に活性領域１７が介挿される。前記活性領域１７は、少なくとも一つ以上の井戸層１７ｂと少なくとも一つ以上のバリア層１７ａとが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であり、このとき、前記井戸層１７ｂのバンドギャップエネルギは、バリア層１７ａのバンドギャップエネルギより小さくなる。前記井戸層１７ｂとバリア層１７ａは、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から構成されてもよく、例えば、前記井戸層１７ｂは、不純物がドーピングされるか、不純物がドーピングされていないＩｎＧａＮであり、前記バリア層１７ａは、不純物がドーピングされるか、不純物がドーピングされていないＩｎＧａＮまたはＧａＮであってもよい。また、前記第２半導体層１９は、ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮであってもよい。

前記第２半導体層１９上には第２電極２１が形成され、このような第２電極２１は、上部に光を透過可能な透明電極であることが好ましい。前記透明電極２１は、ＩＴＯから構成されることが好ましい。このような透明電極２１上には、外部接続のためのボンディングパッド２３が形成される。このようなボンディングパッド２３としては、特に限定することはないが、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕなどが用いられる。また、前記第２半導体層１９及び多重量子井戸構造１７の少なくとも一部が除去されて露出された第１半導体層１５上には第１電極２５が形成される。このような第１電極２５としては、特に限定することはないが、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕなどが用いられる。

本発明の一実施形態によると、発光素子は、前記多重量子井戸構造１７内の少なくとも一層に少なくとも一つのキャリアトラップ部２７を含み、前記キャリアトラップ部２７は、多重量子井戸構造１７内に形成された転位の代わりにキャリアをトラップする役割をする。このために、本発明のキャリアトラップ部２７は、図３及び図４に示すように、外周部から中心部に向かってバンドギャップエネルギが徐々に減少する構成を有する。図４（ａ）は、図３のＩ（ａ）−Ｉ（ｂ）及びＩＩ（ａ）−ＩＩ（ｂ）線に沿う厚さとエネルギの関係を示すエネルギバンドダイアグラムを示した図である。ＩＩ（ａ）−ＩＩ（ｂ）線に沿うエネルギダイアグラムは、一般的な井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造とほぼ同一の形態のエネルギダイアグラムを有する。しかしながら、Ｉ（ａ）−Ｉ（ｂ）線に沿うエネルギダイアグラムは、井戸層１７ｂ内のキャリアトラップ部２７の中心部に向かってバンドギャップエネルギが徐々に減少する（狭くなる）形状になる。このとき、図４（ａ）では、バンドギャップエネルギが減少する形状が直線的に表わされているが、これは、井戸層１７ｂの成長時のチャンバ内の温度、圧力及びソースガスの流量を制御することで、図４（ｂ）に示すように階段状にバンドギャップエネルギを減少させるか、図４（ｃ）に示すように曲線状にバンドギャップエネルギを減少させることも可能である。例えば、前記キャリアトラップ部２７を含む層がＩｎを含む層からなる場合、前記キャリアトラップ部２７は、外周部から中心部に行くほどＩｎの含有量が徐々に増加するように構成してもよい。このとき、キャリアトラップ部２７の最外部のＩｎ含有量と中心部のＩｎ含有量との差は少なくとも２％以上である。

本発明に係るキャリアトラップ部２７は、転位によってトラップされて消滅されるキャリアを効率的に用いることができる構造であり、このような構造は、必ずしも物理的な形状を限定するものではない。すなわち、本発明に係るキャリアトラップ部２７は、転位によってトラップされて消滅されるキャリアを効率的に用いることができる物理的形状または量子力学的エネルギ状態を全て含むことができる。

上述したように、本発明のキャリアトラップ部２７は、多重量子井戸構造１７に注入されるキャリアをトラップして発光させる発光中心として作用するので、多重量子井戸構造１７内の井戸層１７ｂに形成されることが好ましい。このとき、井戸層１７ｂに形成されるキャリアトラップ部２７の構造は限定するものではなく、図２または図３に示すように、キャリアトラップ部２７が井戸層１７ｂに埋め込まれて形成されることが好ましい。

このように層内にキャリアトラップ部２７を形成する方法として、３次元成長方法を用いるようにしてもよい。このような３次元成長方法は、チャンバ内の圧力、温度及びソースガスの流量を制御し、３次元的に層を成長させる方法をいう。例えば、前記キャリアトラップ部２７を含む層がＩｎＧａＮからなる井戸層１７ｂである場合、初期のＩｎＧａＮ成長時には２次元的な成長が起きるが、一定厚さ以上のＩｎＧａＮが成長されると、３次元的な成長に転換される。また、このような厚さより厚いＩｎＧａＮが成長されると、本発明の実施形態に係るキャリアトラップ部２７を含む層を形成することが可能であり、これは、Ｉｎの相分離特性に起因したものと見なされる。また、Ｉｎの含有量が５％を超える場合と成長温度が６００℃を超える場合にも、層内でＩｎの相分離が起きて、本発明の実施形態に係るキャリアトラップ部２７を形成する傾向が強くなる。このような方法で、本発明に係るキャリアトラップ部２７は、キャリアトラップ部２７を含む層が形成される間に同時に形成可能である。

しかしながら、図６に示すように３次元的に形成されたキャリアトラップ部２７は、井戸層内に圧縮応力を誘発し、これは、多重量子井戸構造１７の結晶品質を低下させる原因として作用する。このとき、バリア層１７ａとしてＡｌを含む層（例えば、ＡｌＧａＩｎＮ系またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる層）を形成することで、このような圧縮応力を相殺することが可能になる引張応力を多重量子井戸構造１７内に発生させると、圧縮応力による結晶品質が低下する問題を解消することができる。バリア層１７ａ内のＡｌの含有量は、ＩｎＧａＮ井戸層１７ｂに発生される圧縮応力と同一の大きさの引張応力を発生可能な含有量に調整することがより好ましい。

また、ＩｎＧａＮ井戸層１７ｂとＧａＮバリア層１７ａを用いる場合、本発明のようにＩｎＧａＮ井戸層１７ｂ内に、Ｉｎの含有量が外周部から中心部に向かって徐々に増加するキャリアトラップ部２７を備えると、Ｇａバリア層１７ａに隣接したＩｎＧａＮ井戸層１７ｂの格子常数がＧａバリア層１７ａの格子常数と同等の値を有するので、ＩｎＧａＮ井戸層１７ｂとＧａＮバリア層１７ａとの間の格子常数の差による問題も解消することができる。

また、上述したように、本発明の実施形態に係る発光素子の目的は、多重量子井戸構造１７内に存在する転位による内部量子効率の低下を抑制することにある。このため、本実施形態に係るキャリアトラップ部２７は、前記キャリアトラップ部２７を含む層に形成された転位の密度より高い密度で分布されることが好ましい。

前記キャリアトラップ部２７は、１〜１０ｎｍの大きさで形成することが好ましく、２〜５ｎｍの大きさで形成されることがより好ましい。

また、本発明の多重量子井戸構造１７がＩｎを含む場合、Ｉｎの特性上、蒸発が発生するという問題点があり、前記キャリアトラップ部２７を含む層からのＩｎの蒸発を防止するために、インジウム蒸発防止層（図示せず）を多重量子井戸構造１７内に更に含めるようにしてもよい。

本発明の他の実施形態によると、前記キャリアトラップ部２７が少なくとも２個以上集合して形成されたキャリアトラップクラスタを更に含むようにしてもよい。この構成は、図５の点線部分または図６から確認することができ、このようなキャリアトラップクラスタは、キャリアトラップ部２７を含む層の３次元成長時のチャンバ内の圧力、温度及びソースガス流量を調整することで形成可能である。これに限定されることはないか、例えば、ＩｎＧａＮからなる井戸層１７ｂを形成する場合、チャンバ内の圧力が３００ｔｏｒｒ以上であると、キャリアトラップ部２７が集合することでキャリアトラップクラスタを形成する傾向が強く表れる。

このとき、前記キャリアトラップクラスタは、隣接する他のキャリアトラップクラスタと少なくとも２０ｎｍ以上離隔して形成することが好ましく、少なくとも４０〜１２０ｎｍ離隔して形成されることがより好ましい。

本発明の各実施形態は、主にＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体を中心に説明したが、このような本発明の技術思想は、ＡｌＩｎＧａＰ系を含む他の化合物半導体にも適用可能であることは当業者にとって自明な事実である。

上述したように、本発明の実施形態によると、発光素子は、転位によってトラップされるキャリアを効率的にトラップして発光することができるキャリアトラップ部２７及び／または多重量子井戸構造１７内にキャリアトラップクラスタを備えることで、発光ダイオードまたはレーザーダイオードの内部量子効率を向上させることができる。

また、本発明の他の実施形態によると、発光素子の多重量子井戸構造１７は、多重量子井戸構造１７内に発生する圧縮応力を相殺可能な引張応力を発生させるように構成することで、多重量子井戸構造１７内の結晶品質を向上させることができる。

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に形成された第２半導体層と、
   前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に介された井戸層及びバリア層を含む多重量子井戸構造と、を備え、
   前記多重量子井戸構造内の少なくとも一層にキャリアトラップ部が２以上集合したキャリアトラップクラスタを複数含み、前記キャリアトラップクラスタは、隣接する他のキャリアトラップクラスタと少なくとも２０ｎｍ以上離隔していることを特徴とする発光素子。
2. 前記キャリアトラップ部は、外周部から中心部に向かって、直線状にバンドギャップエネルギが減少することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記キャリアトラップ部は、外周部から中心部に向かって、階段状にバンドギャップエネルギが減少することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記キャリアトラップ部は、外周部から中心部に向かって、曲線状にバンドギャップエネルギが減少することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記キャリアトラップ部は、外周部から中心部に向かって、バンドギャップエネルギが徐々に減少することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の発光素子。
6. 前記キャリアトラップ部は、前記多重量子井戸構造内の前記井戸層内に形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
7. 前記キャリアトラップ部は、前記井戸層内に埋め込まれて形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
8. 前記キャリアトラップ部を含む層は、インジウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
9. 前記キャリアトラップ部を含む層は、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体またはＡｌＩｎＧａＰ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
10. 前記キャリアトラップ部を含む層からのインジウムの蒸発を防止するインジウム蒸発防止層を、前記多重量子井戸構造内に更に含むことを特徴とする請求項８または９に記載の発光素子。
11. 前記キャリアトラップ部の外周部から中心部に向かって、インジウムの含有量が徐々に増加することを特徴とする請求項８または９に記載の発光素子。
12. 前記キャリアトラップ部の最外部のインジウム含有量より、前記キャリアトラップ部の中心部のインジウム含有量が少なくとも２％以上高いことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
13. 前記キャリアトラップ部を含む層は前記井戸層であり、前記バリア層はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の発光素子。
14. 前記バリア層のＡｌ含有量は、前記キャリアトラップ部を含む層に発生する圧縮応力を相殺可能な引張応力を発生させる含有量に調整されることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
15. 前記バリア層は、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
16. 前記キャリアトラップ部は、前記層が成長される間に前記キャリアトラップ部を含む層と同時に形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
17. 前記キャリアトラップ部は、前記キャリアトラップ部を含む層に形成された転位の密度より高い密度で分布されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
18. 前記キャリアトラップ部は、１〜１０ｎｍの大きさで形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
19. 前記キャリアトラップ部は、２〜５ｎｍの大きさで形成されることを特徴とする請求項１８に記載の発光素子。
20. 前記キャリアトラップクラスタは、隣接する他のキャリアトラップクラスタと少なくとも４０〜１２０ｎｍ離隔して形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
    

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