JP5165702B2 - 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。

通常、窒化物半導体発光素子に用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのようなIII族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド（band）構造をもち、最近、青色及び紫外線領域の光電素子用物質として大きく脚光を浴びている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた青色及び緑色の発光素子は、大規模の天然色フラットパネルディスプレイ、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、及び光通信などの様々な応用分野に活用されている。

窒化物半導体発光素子は、通常、基板上にバッファ層、Ｐ型半導体層、活性層、Ｎ型半導体層、電極の構造で構成される。ここで、活性層は、電子と正孔（hole）が再結合する領域であって、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の一般式で表される量子井戸層と量子障壁層を含む。この活性層を構成する物質に応じて発光ダイオードから放出される発光波長が決定される。

活性層には、一つの量子井戸層を有する単一量子井戸（single quantum well：ＳＱＷ）構造と約１００Åより小さい複数の量子井戸層を有する多重量子井戸（multi quantum well：ＭＱＷ）構造がある。この中、特に多重量子井戸構造の活性層は、単一量子井戸構造に比べて電流に対する光効率に優れ、高い発光出力を有するため、積極的に活用されている。

このような窒化物半導体素子の光効率は、基本的に活性層内での電子と正孔の再結合確率、すなわち内部量子効率により決まる。このような内部量子効率を向上させる方案として、主に活性層自体の構造を改善するか、キャリアの有効量（effective mass）を増加させる研究が行われている。

一方、ＧａＮ基盤の青色、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤは、白色ＬＥＤの需要増加により様々な研究機関で開発され、数年間に大幅な効率の向上が得られた。これに対して、緑色（green）ＬＥＤはその需要が少なくて開発が相対的に遅れており、今後、多機能ＬＥＤ照明を開発するためには、緑色ＬＥＤの効率改善が必要と見込まれる。

緑色ＬＥＤは青色あるいは紫外線ＬＥＤに比べてインジウム（Ｉｎ）の組成が高く、これにより結晶性が低下し、光出力の低下が危惧される。このような問題を解決するためには、量子井戸層及び量子障壁層の結晶性を改善する必要があるが、結晶性を改善させるために量子障壁層の厚さを増加させると、発光に必要な電子及び正孔の移動に障害が発生することがある。したがって、結晶性を改善させると共に、発光に必要な電子及び正孔（特に正孔）の発光領域への移動性を向上させることができる構造が必要である。

緑色ＬＥＤにおいては、インジウムの組成が青色または紫外線ＬＥＤに比べて高く、この高いインジウム組成は、（Ｉｎ）ＧａＮの成長時に多くの欠陥を発生させることになる。ＧａＮ及びＩｎＧａＮ層の欠陥はＬＥＤ発光効率を低下させる要因となる。

こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、活性層の結晶性を確保し、かつ光効率が向上された窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、ｎ型窒化物層とｐ型窒化物層との間に形成される活性層を含む窒化物半導体発光素子であって、活性層は交互に形成される複数の量子井戸層及び量子障壁層を含み、複数の量子障壁層のうち、ｐ型窒化物層に隣接して形成される量子障壁層は、残りの量子障壁層より薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。

ここで、活性層は緑色波長光を放出することができ、複数の量子井戸層は均一な厚さを有するように形成されることができる。

一方、ｐ型窒化物層に隣接して形成される量子障壁層の厚さは１０ｎｍ未満であり、残りの量子障壁層の厚さは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることができる。

本発明の実施形態によれば、活性層の結晶性を確保でき、かつ光効率を向上させることができる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

窒化物半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の一実施例による窒化物発光素子の活性層構造を説明するためのエネルギーバンドを示す図面である。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。

以下、本発明による窒化物半導体発光素子の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当たって、同一または対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。

図１は、窒化物半導体発光素子を示す断面図であり、図２は、本発明の一実施例による窒化物発光素子の活性層構造を説明するためのエネルギーバンドを示す図面である。図１及び図２を参照すると、基板１０、バッファ層２０、ｎ型窒化物層３０、ｎ型電極３５、活性層４０、量子障壁層４１，４１’、量子井戸層４３、ｐ型窒化物層５０、透明電極５２、ｐ型電極５５が示されている。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子は、基板１０、基板１０上に順次形成されたバッファ層２０、ｎ型窒化物層３０、活性層４０、及びｐ型窒化物層５０を含み、ｐ型窒化物層５０と活性層４０は、その一部の領域がメサエッチング（mesa etching）により除去され、ｎ型窒化物層３０の一部の上面が露出する構造を有する。

露出されたｎ型窒化物層３０上にはｎ型電極３５が形成される。そして、ｐ型窒化物層５０上にはＩＴＯ（Indium-Tin oxide）などからなった透明電極５２が形成され、その上にはｐ型電極５５が形成される。

基板１０は窒化物半導体の単結晶を成長させるのに適した材質で形成すればよい。具体的に、基板１０はサファイアなどの材料で形成してもよく、サファイア以外に、酸化亜鉛（zinc oxide、ＺｎＯ）、窒化ガリウム（gallium nitride、ＧａＮ）、炭化ケイ素（silicon carbide、ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成してもよい。

バッファ層２０は、基板１０と後述するｎ型窒化物層３０との格子定数の差を小さくするためのものであって、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの材質で形成することができる。このようなバッファ層２０は素子の特性及び工程条件に応じて省略することも可能である。

バッファ層２０の上にはｎ型窒化物層３０が形成される。ｎ型窒化物層３０は窒化ガリウム（ＧａＮ）系からなり、駆動電圧を低減する目的でシリコンをドーピングしてもよい。

ｎ型窒化物層３０の上には量子井戸層４３と量子障壁層４１，４１’が交互に形成されて多重量子井戸構造の活性層４０が形成される。ここで、量子井戸層４３はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で形成でき、量子障壁層４１，４１’はＧａＮまたはＡｌＧａＮ層の構造で形成できる。多重量子井戸構造を実現する量子井戸層４３と量子障壁層４１，４１’の個数は、設計上の必要により多様に変更することができる。

本実施例によれば、このような活性層４０は緑色波長光のような単一波長光を放出し、二つ以上の量子井戸層４３及び量子障壁層４１，４１’が交互に形成されて多重量子井戸（multi quantum well：ＭＱＷ）構造を有する。

活性層４０の上にはｐ型窒化物層５０が形成される。ｐ型窒化物層５０は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどのようなｐ型導電型不純物がドーピングされた半導体層である。ｐ型窒化物層５０は発光領域に隣接して電子障壁層（electron blocking layer：ＥＢＬ）の役割をするｐ型ＡｌＧａＮ層（図示せず）とこのｐ型ＡｌＧａＮ層に隣接しているｐ型ＧａＮ層（図示せず）とからなることもできる。

ｐ型窒化物層５０の上には透明電極５２が形成される。透明電極５２は透過性酸化膜であって、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＩｒＯ_ｘなどからなることができる。

電極パッド形成のために透明電極５２からｎ型窒化物層３０まで部分的にエッチングし、露出されたｎ型窒化物層３０にはｎ型電極３５が形成され、透明電極５２の上にはｐ型電極５５が形成される。

このような窒化物半導体素子の光効率は、通常、活性層４０内での電子と正孔の再結合確率、すなわち内部量子効率により決まり、光出力の向上のためには電子と正孔の移動性を確保する必要がある。また、緑色発光素子は、青色あるいは紫外線発光素子に比してインジウム（Ｉｎ）の組成が高いため、活性層の結晶性が低下することがある。活性層４０の結晶性の低下は光出力の低下をもたらし、光出力を向上させるためには活性層４０の結晶性を確保する必要がある。しかし、活性層４０の結晶性を改善するために量子障壁層４１，４１’の厚さを増加させると、発光に必要とされる電子及び正孔の移動が困難になる。

このような点などを考慮して、本実施例では、量子障壁層４１，４１’のうち、ｐ型窒化物層５０に隣接して形成される量子障壁層４１’が残りの量子障壁層４１より薄く形成される構造の窒化物半導体発光素子を提示する。具体的に、図２に示すように、多重量子井戸構造を形成する複数の量子障壁層４１，４１’のうち、ｐ型窒化物層５０から最も近い最側端の量子障壁層４１’の厚さｄ_２を残りの量子障壁層４１の厚さｄ_１より薄く形成することである。例えば、ｐ型窒化物層５０に隣接して形成される量子障壁層４１’の厚さｄ_２を１０ｎｍ未満とし、残りの量子障壁層４１の厚さｄ_１を１０ｎｍ以上に、より詳しくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。

一般的に、量子障壁層が１０ｎｍ未満になると、正孔の移動性は向上するが、結晶性は劣る問題があり、３０ｎｍを超えると、結晶性は向上するが、正孔が円滑に移動できないという短所がある。特に、緑色発光素子は、青色あるいは紫外線発光素子に比して活性層におけるＩｎ含量が非常に高いため、結晶性に劣る短所がある。また、通常正孔は電子に比して移動度が非常に小さくて厚い障壁層を容易に通過できず、キャリア再結合による発光効率が低減する傾向がある。

ここで、量子井戸構造においては、主にｐ型半導体側の１〜２層で発光するということに注目する必要がある。このような点を考慮して、本実施例のようにｐ型窒化物層５０に隣接している量子障壁層４１’の厚さのみ１０ｎｍ未満とし、残りの量子障壁層４１の厚さを１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下に維持すると、結晶性を確保でき、かつ発光のための正孔の移動性も向上できるようになって、発光効率の極大化を期待することができる。

このとき、それぞれの量子井戸層４３は、厚さが変化することなく均一な厚さｄ_３で形成されることができる。このように量子障壁層４１’の厚さを調節するために、当該量子障壁層４１’の成長時間を調節する方法を用いることができる。

上述したように、本実施例による窒化物半導体発光素子はｐ型窒化物層５０側から流入される正孔の移動を妨げる最側端の量子障壁層４１’の厚さを低減することにより、正孔が発光領域に容易に移動することができる。その結果、活性層４０内における電子と正孔の再結合確率を高めることができるようになり、光出力を向上させることができる。

さらに、最側端の量子障壁層４１’の厚さだけを変更し残りの量子障壁層４１の厚さ及び量子井戸層４３の厚さは変更しないため、従来と比較してインジウム（Ｉｎ）組成を追加する必要がなくなって、ＧａＮの成長時に結晶性が低下する問題を解決できるようになり、安定した光出力が得られる。

以上のように、本実施例によれば、活性層４０の結晶性を低下せず、かつ正孔の移動性を向上させることにより、光出力を向上させる効果が得られる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 基板
２０ バッファ層
３０ ｎ型窒化物層
３５ ｎ型電極
４０ 活性層
４１，４１’ 量子障壁層
４３ 量子井戸層
５０ ｐ型窒化物層
５２ 透明電極
５５ ｐ型電極

Claims (2)

1. ｎ型窒化物層とｐ型窒化物層との間に形成される活性層を含み、
   前記活性層は、量子井戸及び量子障壁層が少なくとも２以上交互に形成される多重井戸構造を含み、
   前記ｐ型窒化物層と最も近く形成される量子井戸層と、その次に近く形成される量子戸層との間に介在される量子障壁層は、前記量子障壁層のうち、ｐ型窒化物層に最も近く形成される量子障壁であって、１０ｎｍ未満の厚さであり、残りの量子障壁より薄く形成され、前記残りの量子障壁は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲で均一な厚さで形成され、前記活性層内に介在される全ての量子井戸層の厚さは均一に形成されることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層は緑色光を放出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。

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