(57)【要約】      （修正有）【課題】活性領域に発生するストレインを緩和させたインジウム窒化物を有する発光ダイオードを提供する。【解決手段】発光ダイオードは、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在された超格子層とを含む。一方、前記超格子層は、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が交互に積層された構造である。ＩｎＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮの超格子層上に活性領域が配置されることによって、活性領域に発生するストレインを緩和させることができ、量子井戸の結晶性を改善することによって再結合率を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在され、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が交互に積層された構造を有する超格子層と、を含む発光ダイオード。
【請求項２】
前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、前記活性領域内のＩｎＧａＮ量子井戸層より少ないＩｎ含有量を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記超格子層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が前記活性領域に接することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記量子井戸構造の活性領域は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ量子障壁層が交互に積層された積層構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記超格子層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が前記活性領域内のＩｎＧａＮ量子障壁層に接することを特徴とする、請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記互いに接する超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層とＩｎＧａＮ量子障壁層は、同一のＩｎ含有量を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記超格子層内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、前記活性領域に近接するほど、より多くのＩｎ含有量を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記超格子層内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、ＩｎＮ層より高い濃度の不純物でドーピングされたことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は不純物でドーピングされ、前記ＩｎＮ層は意図的にドーピングされないことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記超格子層内において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層の厚みはＩｎＮ層より厚いことを特徴とする、請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在され、ＩｎＮ層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層が交互に積層された構造を有する超格子層と、を含む発光ダイオード。
【請求項１２】
前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層が前記活性領域に接することを特徴とする、請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は不純物でドーピングされ、ＩｎＮ層は意図的にドーピングされないことを特徴とする、請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記超格子層内において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は、ＩｎＮ層より高い濃度の不純物でドーピングされたことを特徴とする、請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、
前記ｐ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在され、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が少なくとも２回交互に積層されたｐ型多層膜と、を含む発光ダイオード。
【請求項１６】
前記多層膜は、ｐ型不純物でドーピングされたｐ型ＩｎＮ層を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記ｐ型ＩｎＮ層のｐ型不純物濃度は、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層のｐ型不純物濃度より高いことを特徴とする、請求項１６に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記多層膜は前記活性領域に接することを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記量子井戸構造の活性領域は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ障壁層が交互に積層された積層構造を有することを特徴とする、請求項１８に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記多層膜は前記活性領域内のＩｎＧａＮ障壁層に接することを特徴とする、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記活性領域において、前記多層膜が接する前記ＩｎＧａＮ障壁層は、他の障壁層に比べて相対的に狭いエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする、請求項２０に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記ＩｎＮ層及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、それぞれ５Å以上、２００Å以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
前記多層膜は超格子構造を有することを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記多層膜内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、前記活性領域に近いほど、より多くのＩｎを含有することを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、
前記活性領域の上部及び／又は下部に配置されるＩｎＮ層と、を含む発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するもので、より詳細には、インジウム窒化物を有する発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物系半導体は、フルカラーディスプレイ、交通信号灯、一般照明及び光通信機器等の光源として紫外線、青／緑色発光ダイオード又はレーザーダイオードに広く用いられている。このような窒化物系発光素子は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に位置したＩｎＧａＮ系列の多重量子井戸構造の活性領域を含み、前記活性領域内の量子井戸層で電子と正孔が再結合する原理で光を生成・放出させる。
【０００３】
このような従来の窒化物系化合物半導体においては、ＧａＮとＩｎＮとの間に１１％の格子不整合が存在するので、ＩｎＧａＮ系列多重量子井戸構造では量子井戸と量子障壁との界面に強力なストレイン（ｓｔｒａｉｎ）が発生するようになる。このようなストレインは、量子井戸内の圧電フィールドを誘発し、内部量子効率の低下をもたらす。特に、緑色発光ダイオードの場合、量子井戸に含まれるＩｎの量が増加するので、圧電フィールドによって内部量子効率がさらに減少する。
【０００４】
一方、多重量子井戸構造内に生成されるストレインは、活性層に隣接したｎ型窒化物半導体層によって影響を受ける。ｎ型窒化物半導体層、例えば、ｎ型コンタクト層と量子井戸層の格子定数の不一致が大きいほど、活性領域内により大きいストレインが誘発される。このようなストレインは、量子井戸層内に転位などの格子欠陥を増加させることによって発光効率を低下させ、量子井戸構造内に圧電フィールドをさらに増加させることによって発光ダイオードの発光波長を変更し、順方向電圧を増加させる。
【０００５】
また、このような従来の窒化物系化合物半導体において、電子の移動度がホールの移動度より１０倍以上大きいことが知られている。したがって、電子がホールより速く多重量子井戸構造内に移動してｐ型窒化物半導体層に到達し、これら各電子がホールと再結合せずにｐ型半導体層に流れ込むことがある。これを防止し、電子を多重量子井戸構造内に閉じ込めるために、一般的に電子ブロッキング層（ＥＢＬ）が使用される。
【０００６】
しかしながら、電子ブロッキング層は、相対的に広いエネルギーバンドギャップを有するので、ホールが多重量子井戸構造内に流入することを妨害し、順方向電圧を高める。さらに、電子ブロッキング層は、相対的に高温で成長されるＡｌＧａＮで形成される。したがって、活性領域の上部層に形成されたＩｎＧａＮ層がＡｌＧａＮ成長温度で解離されるという問題が発生する。ＩｎＧａＮ層の解離は、活性領域の品質を低下させ、非発光再結合を促進させる。
【０００７】
一方、ｐ型窒化物半導体層は、通常ＭｇがドーピングされたＧａＮ層からなる。しかしながら、ＧａＮ層にＭｇをドーピングしてホール濃度を増加させるのには限界があり、未だにホール濃度が１０１８オーダーを越えられていない実情である（非特許文献１）。したがって、ｐ型窒化物半導体層は、その比抵抗が相対的に高く、順方向電圧を低下させるのに限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 10A, October, 1991, pp. L 1708-1711
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、活性領域内に誘発されるストレインを緩和させることができる発光ダイオードを提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする他の課題は、ＩｎＧａＮ系列の量子井戸構造に接し、ＩｎＧａＮ系列の量子井戸構造に誘発されるストレインを減少させることができる超格子層を含む発光ダイオードを提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとする更に他の課題は、ホールが活性領域内に円滑に流入する発光ダイオードを提供することである。
【００１２】
本発明が解決しようとする更に他の課題は、活性領域内に流入するホール濃度を増加させることができる発光ダイオードを提供することである。
【００１３】
本発明が解決しようとする更に他の課題は、順方向電圧を低下させることができる発光ダイオードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記各課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードは、ＩｎＮ層を含む。前記発光ダイオードは、前記ＩｎＮ層及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層がそれぞれ２回以上交互に積層された多層膜を含んでもよく、この多層膜構造がｎ型窒化物半導体層と活性領域との間及び／又はｐ型窒化物半導体層と活性領域との間に配置される。前記多層膜構造は、超格子層（又は超格子構造）を含む。
【００１５】
具体的に、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードは、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在された超格子層とを含む。前記超格子層は、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が交互に積層された構造である。量子井戸層の組成と類似したＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子層をｎ型窒化物半導体層と活性領域との間に形成することによって活性領域に発生するストレインを緩和させることができ、量子井戸の結晶性を改善することによってキャリアの再結合率を高めることができる。
【００１６】
特に、本発明は、ＩｎＧａＮ量子井戸層より大きい格子定数を有するＩｎＮ層を用いるので、従来ＩｎＧａＮ量子井戸層に誘発される圧縮ストレインを緩和させることができ、これによって発光効率を改善することができる。
【００１７】
前記多重量子井戸構造は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ量子障壁層が交互に積層された構造であることが望ましい。このような多重量子井戸構造と前記ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子層との組み合わせによって、多重量子井戸構造内のストレインをさらに減少させることができる。
【００１８】
前記超格子層では、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が活性領域に接することが望ましい。前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、前記多重量子井戸構造の量子障壁層に接することが望ましい。この場合、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層及びそれに接する量子障壁層は、同一の組成、例えば、同一のＩｎ含量を有することが望ましい。
【００１９】
前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、活性領域内のＩｎＧａＮ量子井戸層より少ないＩｎ含量を有することが望ましい。これによって、活性領域内に電荷を閉じ込めることができ、電子と正孔との再結合率を向上させることができる。
【００２０】
また、前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ＩｎＮ層より高い不純物濃度でドーピングされる。さらに、前記ＩｎＮ層は、意図的に不純物がドーピングされないことがある。これによって、前記超格子層から前記活性領域内に電子を円滑に注入することができ、かつ、電流分散を促進することができる。
【００２１】
前記超格子層内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩｎ含有量は、いずれも同一であるが、これに限定されることはない。すなわち、前記超格子層内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩｎ含量は、互いに異なることもある。例えば、前記超格子層内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、前記活性領域に近接するほど、より多くのＩｎ含有量を有するようにしてもよい。
【００２２】
本発明の更に他の実施形態によれば、前記発光ダイオードは、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在された超格子層がＩｎＮ層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層が交互に積層された構造を有してもよい。これら層を交互に積層することによって、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を交互に積層した超格子層と同一の効果を達成することができる。
【００２３】
前記活性領域は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造であり、このとき、前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層が前記活性領域に接することが望ましい。
【００２４】
前記超格子層内でＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は不純物でドーピングされ、ＩｎＮ層は意図的にドーピングされず、前記超格子層内でＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は、ＩｎＮ層より高い濃度の不純物でドーピングされる。
【００２５】
本発明の更に他の実施形態に係る発光ダイオードは、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に介在され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性領域と、前記ｐ型窒化物半導体層と前記活性領域との間に介在されたｐ型多層膜とを含む。前記ｐ型多層膜は、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層が少なくとも２回交互に積層された構造である。
【００２６】
前記多層膜構造を採用することによって、その上に形成されるｐ型窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。ｐ型窒化物半導体層の結晶性は、ｐ型窒化物半導体層の比抵抗と関連しており、ｐ型窒化物半導体層の結晶性の向上とともに比抵抗を低下させることができ、かつ、ｐ型窒化物半導体層の厚さを低下させることができる。また、相対的に狭いバンドギャップを有するＩｎＮ層とＩｎＧａＮ層の多層膜を採用することによって、従来のＥＢＬのようなホールに対するエネルギー障壁を除去し、ホールが活性領域内に円滑に流入することができる。これによって、発光ダイオードの順方向電圧を減少させることができる。
【００２７】
一方、前記ｐ型多層膜は、ｐ型不純物がドーピングされたｐ型ＩｎＮ層を含んでもよい。ＩｎＮ層は、バンドギャップが０．７ｅＶでＧａＮ層より相対的に狭いので、ｐ型不純物のイオン化エネルギーを低下させることができ、よって、ＧａＮ層に比べて不純物ドーピングによるホール濃度を相対的に増加させることができる。さらに、ＩｎＮ層の結晶性向上とともに、ＩｎＮ層内のホール濃度を増加させることができる。
【００２８】
したがって、前記ｐ型多層膜内でホール濃度を高めることができ、活性領域内へのホールの流入がより円滑になる。
【００２９】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層には、ｐ型不純物がドーピングされる。ただし、ＩｎＮ層内でホール濃度をさらに高めることができるので、前記ｐ型ＩｎＮ層のｐ型不純物濃度は、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層のｐ型不純物濃度より高いことが望ましい。
【００３０】
前記ｐ型多層膜が前記活性領域に接することにより、従来の電子ブロッキング層は排除される。前記量子井戸構造の活性領域は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ障壁層の積層構造を有してもよい。このとき、前記多層膜は、活性領域内でＩｎＧａＮ量子井戸層又はＩｎＧａＮ障壁層に接してもよい。ＩｎＧａＮ量子井戸層とＩｎＧａＮ障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造と前記ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ多層膜との組み合わせによって、多重量子井戸構造内にホールが円滑に流入するように制御することができる。
【００３１】
一方、電子の移動度による電子ブロッキング層の必要性は、量子井戸構造内の障壁層の厚さ調節、各量子障壁層のバンドギャップ制御、ドーピング技術などを通して除去される。一例として、相対的に厚い障壁層をｎ型窒化物半導体層の近くに配置することによって、電子の移動を緩和させることができる。また、ｐ型不純物がドーピングされた障壁層又は相対的に広いバンドギャップを有する障壁層を量子井戸構造内に配置することによって、電子の移動を緩和させることができる。したがって、電子ブロッキング層を使用しないとしても、各電子の発光再結合率の減少を防止することができる。
【００３２】
一方、前記ｐ型多層膜がＩｎＧａＮ障壁層に接する場合、多層膜が接する前記ＩｎＧａＮ障壁層は、他の障壁層より相対的に狭いエネルギーバンドギャップを有することが望ましい。これによって、前記ＩｎＧａＮ障壁層を通して量子井戸層内にホールを円滑に流入させることができる。
【００３３】
前記ＩｎＮ層及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、５Å以上、２００Å以下の厚さを有することが望ましい。また、前記多層膜は、超格子構造を有することが望ましい。したがって、多層膜の結晶性をさらに向上させることができ、かつ、ｐ型窒化物半導体層の結晶性をさらに向上させることができる。
【００３４】
前記多層膜内の各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層は、いずれも同一のＩｎ含有量を有してもよいが、これに限定されることはなく、前記活性領域に近いほど、より多くのＩｎを含有するようにしてもよい。このようなＩｎ含量の変化は、活性領域側に組成傾斜を形成し、各ホールが活性領域に流入することを促進する。
【００３５】
また、本発明は、ＩｎＧａＮ層を含む多重量子井戸構造の活性領域上にＩｎＮ層を含む。ＩｎＮ層は、ｐ型窒化物半導体として用いられるため、ＧａＮ層に比べてホール濃度が増加する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の一実施形態によれば、ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子層又はＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子層を窒化物半導体層と活性領域との間に形成することによって、ＩｎＧａＮ層を含む活性領域に発生するストレインを緩和させることができ、量子井戸の結晶性を改善することによってキャリアの再結合率を高めることができる。特に、ＩｎＧａＮ量子井戸層より大きい格子定数を有するＩｎＮ層を用いることによって、ＩｎＧａＮ量子井戸層に誘発されていた圧縮ストレインをさらに減少させることができる。その結果、発光効率が向上した発光ダイオードを提供することができる。
【００３７】
さらに、ｐ型ＩｎＮ／ＩｎＧａＮ（ＧａＮ）多層膜を採用することによって、その上に形成されるｐ型窒化物半導体層の結晶性を向上させ、かつ、多層膜内のホール濃度を増加させることができる。また、電子ブロッキング層を排除することによって、ホールに対するエネルギー障壁を除去することができる。これによって、発光ダイオードの順方向電圧を低下させることができ、活性領域内にホールを円滑に流入させることができる。一方、ＩｎＮ層をｐ型窒化物半導体として用いることによって、ホール濃度を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。以下に紹介する実施形態は、当業者に本発明の思想を充分に伝達するための例として提供するものである。したがって、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものでなく、他の形態で具体化することができる。そして、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜上、誇張して表現することがある。明細書全体にわたって同一の参照番号は、同一の構成要素を示している。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。
【００４１】
図１を参照すれば、前記発光ダイオードは、基板２１、ｎ型窒化物半導体層２７、超格子層２８、多重量子井戸構造の活性領域２９、及びｐ型窒化物半導体層３３を含む。また、核層２３及びアンドープＧａＮ層（ｕ―ＧａＮ）２５が前記基板２１とｎ型窒化物半導体層２７との間に介在され、活性領域２９とｐ型窒化物半導体層３３との間にｐ型クラッド層３１が介在される。併せて、前記ｐ型窒化物半導体層３３上に透明電極３５及びｐ―電極３７が形成されてもよく、ｎ型窒化物半導体層２７上にｎ―電極３９が形成されてもよい。
【００４２】
前記基板２１は、窒化ガリウム系半導体層を成長させるための基板であり、サファイア、ＳｉＣ、スピネルなどに特に制限されないが、図１に示したように、パターニングされたサファイア基板（ＰＳＳ）であることが望ましい。
【００４３】
前記核層２３は、基板２１上にｕ―ＧａＮ層２５を成長させるために４００〜６００℃の低温で（Ａｌ，Ｇａ）Ｎで形成され、ＡｌＮで形成されることが望ましい。前記核層は、約２５ｎｍの厚さで形成される。
【００４４】
ｕ―ＧａＮ層２５は、基板２１とｎ型窒化物半導体層２７との間で転位のような欠陥の発生を緩和するための層であり、相対的に高温で成長される。前記ｎ型窒化物半導体層２７は、ｎ―電極３９が形成される層で、Ｓｉ又はＧｅなどのｎ型不純物でドーピングされる。
【００４５】
超格子層２８は、ＩｎＮ層２８ａとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層２８ｂが交互に積層された構造を有する。これら層２８ａ，２８ｂはｎ型不純物でドーピングされ、この場合、ＩｎＧａＮ層２８ｂがＩｎＮ層２８ａより高い不純物濃度でドーピングされることが望ましい。また、ＩｎＮ層２８ａは、意図的に不純物がドーピングされない。これら超格子層は、Ｇａソースの供給及び遮断を反復して形成され、ＩｎＮ層２８ａとＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂの成長温度を互いに異ならせてもよい。
【００４６】
ＩｎＮ／ＩｎＧａＮ超格子層２８にドーピングされる不純物、例えば、Ｓｉは、下層から誘発された転位が上層に伝播されることを防止する。これによって、超格子層２８上に形成される活性領域２９の結晶性を向上させることができる。超格子層２８は、２周期以上積層され、約２０周期で積層されることが望ましい。積層する周期が多くなるほど結晶性を向上させることができるが、工程時間が増加するので望ましくない。
【００４７】
一方、超格子層２８内の各層は１０ｎｍ以下の厚さで形成され、超格子層２８の全体厚さは、特に制限されることはないが、過度に厚いとＶｆが増加しうるので、活性領域全体の厚さ程度、すなわち、約１００ｎｍ以上、１５０ｎｍ以下にすることが望ましい。また、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂをＩｎＮ層より厚く形成してもよい。不純物がドーピングされたＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂを厚くすることによって抵抗を増加させ、電流分散を促進することができる。
【００４８】
ＩｎＮ層に比べてＩｎＧａＮ層のバンドギャップが広いので、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂが活性領域２９に接することが望ましい。また、超格子層２８内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂのＩｎ組成比は、ＩｎＧａＮ量子井戸層内のＩｎ組成比より小さいことが望ましいが、この場合、電荷を活性領域内によく閉じ込めることができ、発光効率を向上させることができる。
【００４９】
一方、各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂは、いずれも同一のＩｎ含有量を有することができるが、これに限定されることはなく、互いに異なるＩｎ含有量を有してもよい。例えば、前記各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２８ｂ内のＩｎ含有量は、活性領域２９に近接するほど増加することが望ましい。
【００５０】
活性領域２９は、量子障壁層と量子井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、量子井戸層はＩｎＧａＮ層を含む。さらに、量子障壁層もＩｎＧａＮ層を含むことが望ましい。ＩｎＧａＮ量子障壁層とＩｎＧａＮ量子井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造をＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子層２８上に形成することによって、活性領域に誘発されるストレインをさらに減少させることができる。特に、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造をとることによって、量子井戸構造の導電性を向上させることができ、よって、発光ダイオードの順方向電圧を低下させることができる。
【００５１】
一方、ＩｎＧａＮ量子障壁層の場合、前記超格子層２８内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩｎ含量は、ＩｎＧａＮ障壁層のＩｎ含有量と同一であるか、又は類似していることが望ましい。例えば、ＩｎＧａＮ量子障壁層のＩｎ含有量が２％である場合、超格子層内のＩｎＧａＮ層のＩｎ含有量は約２％である。この場合、ＩｎＧａＮ量子障壁層と超格子層内のＩｎＧａＮ層との格子定数差が大きくないので、これらが互いに接することが望ましい。
【００５２】
一方、前記ｐ型クラッド層３１は通常のＡｌＧａＮで形成され、ｐ型窒化物半導体層３３はＧａＮで形成される。
【００５３】
また、前記ｐ型窒化物半導体層３３上にＮｉ／Ａｕ又はインジウムスズ酸化膜（ＩＴＯ）のような透明電極３５が形成され、その上にｐ―電極３７が、例えば、リフトオフ工程で形成される。また、前記ｎ型窒化物半導体層２７上にＴｉ／Ａｌなどのｎ―電極３９がリフトオフ工程で形成される。
【００５４】
従来、ＧａＮ層上にＩｎＧａＮ系列の量子井戸層を形成する場合、ＩｎＧａＮ層がＧａＮ層より大きい格子定数を有するので、ＩｎＧａＮ量子井戸層に圧縮ストレインが誘発される。これによって、ＩｎＧａＮ量子井戸層に圧電電界が誘発されることによって発光効率が減少する。その一方、本発明の実施形態によれば、ＩｎＧａＮ層より大きい格子定数を有するＩｎＮ層が超格子層に採用されることによって、ＩｎＧａＮ量子井戸層に誘発される圧縮ストレインを緩和させることができる。さらに、ＩｎＧａＮ量子井戸層より大きい格子定数を有するＩｎＮ層とＩｎＧａＮ量子井戸層より小さい格子定数を有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を交互に積層して超格子層を形成することによって、ＩｎＧａＮ量子井戸層に誘発されるストレインを調節することができる。
【００５５】
一方、本発明の実施形態において、ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）超格子層について説明したが、ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）／ＧａＮ超格子層を採用することも可能である。ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）／ＧａＮ超格子層は、ＩｎＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子層と同様に、ＩｎＧａＮ量子井戸層内に誘発されるストレインを調節することができる。この場合、量子障壁層に接する層はＩｎｘＧａ１−ｘＮ層又はＧａＮ層であり、量子障壁層がＩｎＧａＮ層である場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が量子障壁層に接することが望ましい。
【００５６】
また、前記超格子層内でＩｎＧａＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は不純物でドーピングされ、ＩｎＮ層は意図的にドーピングされず、前記超格子層内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層は、ＩｎＮ層より高い濃度の不純物でドーピングされる。
【００５７】
図２は、本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。
【００５８】
図２を参照すれば、前記発光ダイオードは、基板２１、ｎ型窒化物半導体層２７、多重量子井戸構造の活性領域２９、ｐ型多層膜３２及びｐ型窒化物半導体層３３を含む。また、図１を参照して説明したように、核層２３及びアンドープＧａＮ層（ｕ―ＧａＮ）２５が前記基板２１とｎ型窒化物半導体層２７との間に介在される。併せて、前記ｐ型窒化物半導体層３３上に透明電極３５及びｐ―電極３７を形成してもよく、ｎ型窒化物半導体層２７上にｎ―電極３９を形成してもよい。さらに、図１を参照して説明したように、超格子層２８（図１を参照）がｎ型窒化物半導体層２７と活性領域２９との間に介在される。
【００５９】
前記基板２１、核層２３、ｕ―ＧａＮ層２５、透明電極３５、ｐ―電極３７及びｎ―電極３９は、図１を参照して説明した通りであるので、それに対する具体的な説明は省略する。
【００６０】
活性領域２９は、障壁層と量子井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、量子井戸層はＩｎＧａＮ層を含む。さらに、障壁層もＩｎＧａＮ層を含むことが望ましい。特に、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造をとることによって、量子井戸構造の導電性を向上させることができ、よって、発光ダイオードの順方向電圧を低下させることができる。前記多重量子井戸構造内の各障壁層は、相対的により厚い障壁層、より広いバンドギャップを有する障壁層又はｐ型不純物でドーピングされた障壁層を含んでもよい。
【００６１】
ｐ型多層膜３２は、ＩｎＮ層３２ａとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層３２ｂが２回以上交互に積層された構造を有する。これら層３２ａ，３２ｂはｐ型不純物（例えば、Ｍｇ）でドーピングされ、この場合、ＩｎＮ層３２ａがＩｎＧａＮ層３２ｂより高い不純物濃度でドーピングされることが望ましい。これによって、前記多層膜３２内のホール濃度を増加させることができる。
【００６２】
これら多層膜は、Ｇａソースの供給及び遮断を反復して形成され、ＩｎＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の成長温度を互いに異ならせてもよい。一般的に、ＩｎＮ層又はＩｎＧａＮ層は、ＧａＮ層に比べて相対的に低い温度で成長される。ＩｎＧａＮ層が成長された後、基板の温度を上昇させれば、表面のＩｎＧａＮ層の解離によって厚さが減少し、結晶品質が悪くなる。したがって、量子井戸構造を形成した後、活性領域に接する層は、ＩｎＮ層又はＩｎＧａＮ層であることが望ましい。
【００６３】
前記多層膜３２内の各層は５Å以上、２００Å以下の厚さで形成され、超格子構造で形成される。多層膜３２全体の厚さは、特に制限されないが、過度に厚いとＶｆが増加しうるので、活性領域全体の厚さは、約１００ｎｍ以上、１５０ｎｍ以下にすることが望ましい。また、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層３２ｂをＩｎＮ層３２ａより厚く形成してもよい。狭いバンドギャップを有するＩｎＮ層を薄く形成することによって、電流分散を促進することができる。
【００６４】
ＩｎＮ層３２ａ又はＩｎｘＧａ１−ｘＮ層３２ｂは、活性領域に接しており、特にＩｎＧａＮ障壁層に接することが望ましい。ただし、上述したように、ＧａＮ層３２ｂを使用する場合、ＧａＮ層３２ｂに比べてＩｎＮ層３２ａが活性領域に接することが望ましい。前記多層膜３２が接するＩｎＧａＮ障壁層は、他の障壁層に比べて相対的に狭いバンドギャップを有することが望ましい。
【００６５】
一方、各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層３２ｂは、いずれも同一のＩｎ含有量を有することが望ましいが、これに限定されることはなく、互いに異なるＩｎ含有量を有してもよい。例えば、前記各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層３２ｂ内のＩｎ含有量は、活性領域２９に近接するほど増加することが望ましい。
【００６６】
ｐ型窒化物半導体層３３はＧａＮで形成される。前記ｐ型窒化物半導体層３３は、単一層で形成されるが、これに限定されることはなく、多重層で形成することも可能である。前記ｐ型窒化物半導体層３３上に透明電極３５を形成し、その上にｐ―電極３７を形成し、前記ｎ型窒化物半導体層２７上にｎ―電極３９を形成してもよい。
【００６７】
以上、本発明のいくつかの実施形態について例示的に説明したが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であろう。したがって、上述した各実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものでなく、より理解しやくなるように説明するためのものと理解しなければならない。本発明の権利範囲は、これら各実施形態によって限定されるものでなく、下記の特許請求の範囲によって解釈されなければならず、それと同等の範囲内にある技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。
【符号の説明】
【００６８】
２１：基板、２３：核層、２５：アンドープＧａＮ層、２７：ｎ型窒化物半導体層、２８：超格子、２９：活性領域、３１：ｐ型クラッド層、３３：ｐ型窒化物半導体層、３５：透明電極、３７：ｐ―電極、３９：ｎ―電極
【図１】
2010123965.tif 000003
【図２】
2010123965.tif 000004