(57)【要約】【課題】本発明は窒化物半導体素子に関する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層との間に形成されていて量子井戸層２５ａと量子障壁層２５ｂとを有する活性層２５とを備えた窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体層と活性層との間に、相違する組成の第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"と第２窒化物半導体層２４ｂとが少なくとも２回繰り返されて形成された電子放出層を備え、第１窒化物半導体層２４ａ〜２４ａ"は、量子井戸層２５ａより大きく量子障壁層２５ｂより小さく活性層２５に近づくほど小さいエネルギーバンドギャップを有し、第２窒化物半導体層２４ｂは少なくとも隣接した第１窒化物半導体層２４ａ〜２４ａ"のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップを有し、電子のトンネリングが可能な厚さを有することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。【選択図】          図９
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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ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に形成されていて量子井戸層と量子障壁層とを有する活性層と、を備えた窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に、相違する組成の第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とが少なくとも２回繰り返されて形成された電子放出層を備え、
前記第１窒化物半導体層は、前記量子井戸層より大きく前記量子障壁層より小さく前記活性層に近づくほど小さいエネルギーバンドギャップを有し、
前記第２窒化物半導体層は、少なくとも隣接した前記第１窒化物半導体層のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップを有し、前記第１窒化物半導体層に蓄積された電子が前記活性層に向かってトンネリングが可能な程度の厚さを有すること、
を特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第２窒化物半導体層は、前記量子障壁層のエネルギーバンドギャップとほぼ同一な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１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記電子放出層の前記第１窒化物半導体層は、各々１〜１００ｎｍの厚さを有すること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体層の厚さは、前記活性層に近づくほど大きいこと、
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記電子放出層の前記第２窒化物半導体層は、各々０．５〜１０ｎｍの厚さを有すること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の前記量子井戸層とＧａＮの前記量子障壁層とが少なくとも２回繰り返し形成された多重量子井戸構造であること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記電子放出層は、相違するＩｎ含量を有するＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）の前記第１窒化物半導体層と、ＧａＮの前記第２窒化物半導体層とが少なくとも２回繰り返し形成され、
前記第１窒化物半導体層は、前記量子井戸層のＩｎ含量より小さく前記活性層に近づくほど大きいＩｎ含量を有すること、
を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第１及び前記第２窒化物半導体層のうち、少なくとも一つの層はｎ型不純物でドープされたこと、
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第１及び前記第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、前記活性層に近づくほど高くなるか低くなること、
を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ｎ型窒化物半導体層の不純物濃度は、隣接した前記第１窒化物半導体層の不純物濃度より低い又は高いこと、
を特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関するものであって、より詳しくは、内部量子効率を向上させると同時に動作電圧及び逆電圧特性を改善した、高効率の窒化物半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナ、各種信号システム及び光通信機器に対して光源として提供される、緑色または青色発光ダイオード（light emitting diode:ＬＥＤ）、またはレーザーダイオード（laser diode:ＬＤ）に広く用いられている。こうした窒化物半導体素子は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に配された単一量子井戸（single quantum well:ＳＱＷ）構造、または多重量子井戸（multi quantum well:ＭＱＷ）構造の活性層を有し、上記活性層において電子と正孔とを再結合させる原理により、光を生成して放出する。
【０００３】
上記窒化物半導体素子の光効率は、活性層内における電子と正孔の再結合確率、即ち内部量子効率により決定される。こうした内部量子効率の改善方案は、主に活性層の構造を改善したり、キャリアの有効量（effective mass）を増加させる方向で研究されている。
【０００４】
こうした従来の方案として、非特許文献１には、多重量子井戸構造である活性層の下に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から成る電子非対称共振トンネリング構造（charge asymmetric resonance tunneling structure）を用いる方案が提示されていた。上記文献によると、５０ｎｍのＩｎＧａＮ層と１ｎｍのＧａＮ層を導入して、ＩｎＧａＮ層に蓄積された電子をトンネリング原理により活性層に注入することにより、作動電流及び電圧を減少させ、発光効率を向上させることができるとの記載がある。このように、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層は、一般に、正孔の有効量より低い電子の有効量をトンネリング効果を利用して増加させることにより、活性層におけるキャリア捕獲確率を高める電子放出層（electron emitting layer）として、効果的に作用することができる。
【０００５】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ電子素子論文（ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ）、２００２年３月、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．３、ｐ．１３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記方案は、圧電フィールドによる再結合効率の低下という問題を未だ抱えている。即ち、活性層と隣接したクラッド層の格子定数の差によりストレスが発生し、かかるストレスは活性層に適用され、圧電フィールド（piezoelectric field）を形成する。
【０００７】
図１及び２に示したストレスが適用されない状態における活性層のバンドダイヤグラムを見ると、電子と正孔の波動関数がほぼ対称的に存在する。しかし、図３及び４と図５及び６のような、格子定数の差により圧縮応力または引張応力が作用する場合には、そのため矢印で記したような圧電フィールドが形成され、活性層内で電子と正孔の波動関数同士の距離が遠ざかる現象が発生する。したがって、注入されるキャリアの有効量が増加しても、実質的に再結合確率を大きく増加させず、その結果、光素子の発光効率を低下させる原因となる。また、波動関数同士の距離が増加することにより、電流増加に応じて放出光が短波長で移動するとの問題がある。
【０００８】
したがって、当技術分野においては、圧電フィールドによる発光効率の低下及び波長移動の問題を解決できる新たな方案が要求されてきた。
【０００９】
本発明は上記した技術的課題を解決するためのものとして、その目的は、活性層とｎ型クラッド層との間にトンネリング効果のための多重構造の電子放出層を形成しながら、各層のバンドギャップの大きさを調節して圧電フィールド効果を緩和させた、高効率の窒化物半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記技術的課題を成し遂げるために、本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に形成されていて量子井戸層と量子障壁層とを有する活性層と、を備えた窒化物半導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に、相違する組成の第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とが少なくとも２回繰り返されて形成された電子放出層を備え、前記第１窒化物半導体層は、前記量子井戸層より大きく前記量子障壁層より小さく前記活性層に近づくほど小さいエネルギーバンドギャップを有し、前記第２窒化物半導体層は、少なくとも隣接した前記第１窒化物半導体層のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップを有し、電子のトンネリングが可能な厚さを有することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【００１１】
前記第２窒化物半導体層は、前記量子障壁層のエネルギーバンドギャップとほぼ同一なエネルギーバンドギャップを有することができ、好ましくは前記電子放出層の前記第１窒化物半導体層は、各々１〜１００ｎｍの厚さを有し、前記第２窒化物半導体層は各々０．５〜１０ｎｍの厚さを有する。
【００１２】
本発明の一実施形態において、前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）である前記量子井戸層とＧａＮである前記量子障壁層とが少なくとも２回繰り返し形成された多重量子井戸構造であることができ、本実施形態において好ましくは、前記電子放出層は、相違するＩｎ含量を有するＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）である前記第１窒化物半導体層と、ＧａＮである前記第２窒化物半導体層とが少なくとも２回繰り返し形成され、前記第１窒化物半導体層は、前記量子井戸層のＩｎ含量より小さく前記活性層に近づくほど大きいＩｎ含量を有することができる。
【００１３】
本実施形態においても、前記第１及び前記第２窒化物半導体層のうち、少なくとも一つの層はｎ型不純物でドーピングされることができ、前記第１及び前記第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、漸次変更されるよう構成することができる。即ち、前記活性層に近づくほど増減することができる。
【００１４】
この場合、前記ｎ型窒化物半導体層も、ドーピング濃度の同一な増加または減少傾向を示すことができる。即ち、前記ｎ型窒化物半導体層の不純物濃度は、隣接した前記第１窒化物半導体層の不純物濃度より高かったり低かったりすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上述したように、本発明によれば、活性層とｎ型窒化物半導体層との間に多重構造の電子放出層を提供することにより、トンネリング効果を極大化して電流注入効率を大きく改善できるばかりでなく、圧電フィールドによる影響を低減させることにより発光効率を大きく改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付の図を参照しながら本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
図７は、本発明の一実施形態による窒化物半導体素子の断面図で、図８は、図７の部分Ａを拡大し図示した部分詳細図である。
【００１８】
先ず、図７を見ると、窒化物半導体素子２０は、バッファ層２２が形成された基板２１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層２３、活性層２５、及び、ｐ型窒化物半導体層２７を有する。基板２１は、サファイア及びＳｉＣのような異種基板またはＧａＮのような同種基板であることができる。ｎ型窒化物半導体層２３の露出した上面と、ｐ型窒化物半導体層２７とには、各々ｎ側電極２９ａとｐ側電極２９ｂとが提供されている。
【００１９】
本発明による窒化物半導体素子２０は、ｎ型窒化物半導体層２３と活性層２５との間に、相違する組成の第１窒化物半導体層２４ａと第２窒化物半導体層２４ｂ（以下、「第１窒化物半導体層２４ａ及び第２窒化物半導体層２４ｂ」を、「第１及び第２窒化物半導体層２４ａ、２４ｂ」と略称する）とが少なくとも２回繰り返し形成された電子放出層２４を備える。本実施形態に用いられた電子放出層２４は、各々３回、第１及び第２窒化物半導体層２４ａ、２４ｂが交互に形成された、多重層構造とされることができる。また、電子放出層２４の各層２４ａ、２４ｂは、トンネリング効果を極大化すると同時に、圧電フィールド効果を緩和するために適切なエネルギーバンドギャップを有するよう構成されている。
【００２０】
より具体的に、図８を参照しながら説明すると、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は、活性層２５の量子井戸層２５ａより大きく量子障壁層２５ｂより小さく、第２窒化物半導体層２４ｂは、少なくとも隣接した第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップを有し、量子障壁層２５ｂとほぼ同一なエネルギーバンドギャップを有することができる。
【００２１】
また、本発明による第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は活性層２５に近づくほど小さいバンドギャップを有するよう配列され、ｎ型窒化物半導体層２３から活性層２５までの格子定数の差を緩和させることができる。即ち、中間に配された第１窒化物半導体層２４ａ'は、ｎ型窒化物半導体層２３に隣接して位置する第１窒化物半導体層２４ａより小さいが活性層２５に最も近い第１窒化物半導体層２４ａ"よりは大きいエネルギーバンドギャップを有する。
【００２２】
したがって、圧電フィールド効果による影響を低減させ、電子と正孔の波動関数距離の増加を抑制し、それによる作動電流増加による波長変化の幅を減少させることができる。これに加えて、本発明の電子放出層２４は、複数のトンネリング構造（本実施形態においては３個のトンネリング構造）を採用しているので、活性層２５に注入される電子の有効量を大きく増加させ、発光効率をより向上させることができる。
【００２３】
かかるトンネリング効果のために、第２窒化物半導体層２４ｂは、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"に蓄積された電子が活性層２５に向かってトンネリングが可能な程度の厚さｔ２を有する。好ましい第２窒化物半導体層２４ｂの厚さｔ２は、０．５〜１０ｎｍ範囲である。また、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"の厚さｔ１は、１〜１００ｎｍの範囲を有することが好ましく、圧電フィールドをより効果的に緩和させるために、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は、活性層２５に近づくほど大きい厚さを有することがより好ましい。即ち、中間に配された第１窒化物半導体層２４ａ'はｎ型窒化物半導体層２３に隣接して位置する第１窒化物半導体層２４ａより厚いが、活性層２５に最も近い第１窒化物半導体層２４ａ"よりは薄い厚さを有することができる。
【００２４】
本発明に用いられる第１及び第２窒化物半導体層は、活性層のようにアンドープ層から成ることができるが、これと異なり、少なくとも一つの層または全層がｎ型不純物でドーピングされていてもよい。複数の第１及び第２窒化物半導体層がドーピングされる場合に、上記活性層に近づくほど高い又は低い不純物濃度を有するよう形成することができる。また、上記ｎ型窒化物半導体層を、隣接した第１窒化物半導体層の不純物濃度より低い又は高い（高い又は低い）不純物濃度を有するよう形成して、ドーピング濃度において、同一な増加または減少傾向を示すことができる。
【００２５】
本発明の具体的な実施形態において、活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の量子井戸層とＧａＮの量子障壁層とが少なくとも２回繰り返し設けられた多重量子井戸構造であることができる。この場合に、上記第１窒化物半導体層は、相違するＩｎ含量を有するＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）であることができ、上記第２窒化物半導体層はＧａＮであることができる。
【００２６】
図９は、図７及び図８と類似する構造を有し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する窒化物半導体素子における、電子放出層と活性層部分のエネルギーバンドダイヤグラムを示す。
【００２７】
第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は、互いにＩｎ含量の異なるＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）から形成されていて、活性層２５のＧａＮの量子井戸層２５ａより大きく量子障壁層２５ｂより小さいエネルギーバンドギャップを有するが、各第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"のエネルギーバンドギャップは、活性層２５に近づくほど小さいバンドギャップを有するよう配列されている。即ち、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は、Ｅg1"＜Ｅg1'＜Ｅg1を満足する配列を有する。かかる配列は、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"のＩｎ含量を、量子井戸層２５ａのＩｎ含量より小さく活性層２５に近づくほど大きくなるよう調節することで容易に具現することができる。また、圧電フィールドをより効果的に緩和させるために、第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"は、活性層２５に近づくほど大きい厚さを有することができる。
【００２８】
第２窒化物半導体層２４ｂは、少なくとも隣接した第１窒化物半導体層２４ａ、２４ａ'、２４ａ"のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップＥg2を有し、図９に示すように、量子障壁層２５ｂのエネルギーバンドギャップとほぼ同一であることができる。即ち、第２窒化物半導体層２４ｂは、量子障壁層２５ｂと同一なＧａＮ層から形成されることができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例）
本発明による窒化物半導体素子の圧電フィールドの改善効果を確認するため、本発明により窒化物発光素子（ＬＥＤ）をアンモニア（ＮＨ3）雰囲気の反応機内においてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を利用して、ＭＯＣＶＤ法により製造した。
【００３０】
先ず、サファイア基板にＧａＮ低温核成長層を形成した後、Ｓｉを利用して４×１０18／ｃｍ3の不純物濃度を有するｎ型ＧａＮ層を、１．２μｍの厚さに形成した。
【００３１】
次いで、本発明に提示するように、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）を満足する第１窒化物半導体層とＧａＮである第２窒化物半導体層とを３回交互に繰り返し形成することにより、電子放出層を設けた。この際、第１窒化物半導体層の各々のＩｎのモル比ｙは、活性層から遠ざかる順で（活性層２５に近づくほど大きくなるように）０．０５、０．０８、０．１１となるよう、各厚さは１５ｎｍ、３０ｎｍ、４５ｎｍとなるよう形成し、第２窒化物半導体層は３ｎｍの厚さで同一に形成した。
【００３２】
続いて、上記ｎ型ＧａＮ層上に活性層を形成した。上記活性層は、交互に形成された５対のＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層から成る多重量子井戸構造とした。ここで、各量子井戸層は、３ｎｍ厚さのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎで形成し、各量子障壁層は１０ｎｍ厚さのＧａＮで形成した。
【００３３】
上記活性層上に、約５×１０17／ｃｍ3の不純物濃度と約０．３μｍの厚さとを有するｐ型ＧａＮ層を形成し、適切なメサエッチング後、ｐ側及びｎ側電極を形成した。
【００３４】
（比較例１）
上記実施例と同一な条件により窒化物発光素子を製造するが、本発明に係る電子放出層を形成せず、ｎ型ＧａＮ層上に直接活性層を形成した。
【００３５】
（比較例２）
上記実施例と同一な条件により窒化物発光素子を製造するが、本発明に係る多重電子放出層構造ではなく、従来の単一電子放出層を用いた。従来の電子放出層は、上記非特許文献１に提示されたように、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５０ｎｍ厚さで形成し、その上にＧａＮ層を１ｎｍ厚さで形成した。
【００３６】
上記実施例と比較例１及び２から得た窒化物発光素子において、電流を０から５０ｍＡまで段階的に高めながら放出光の波長変化を確認し、その結果を図１０のグラフに示した。
【００３７】
図１０に示すように、１０ｍＡから５０ｍＡに電流が増加すると、比較例１の場合には放出光の波長が４７７ｎｍから４７０ｎｍまで約７ｎｍほど下がり、比較例２の場合にも４７７ｎｍから４７３ｎｍまで約４ｎｍほど下がることが分かる。これに比して、本発明に係る実施例の場合には、同一な電流増加範囲において４７８ｎｍから４７７ｎｍほどと、約１ｎｍ程度に過ぎない波長変化だけが見られた。
【００３８】
かかる電流増加による波長変化の程度は、圧電フィールドによる電子及び正孔の波動関数の距離差により発生したものとして、比較例１及び比較例２においては波動関数の距離差が大きく存在するが、本発明においては、大変大幅に減少し、圧電フィールドによる影響が大変微弱であるものと解される。
【００３９】
このように、本発明に係る多重電子放出層構造は、圧電フィールドによる影響を大きく緩和することができ、また多重トンネリング構造を通して電子注入効率を大きく改善できるので、電流増加による波長変化を低減させると同時に、発光効率を大きく向上させることができる。
【００４０】
上記実施例においては、窒化物系発光素子を中心に例示し説明したが、本発明が半導体レーザー素子のように類似する構造を有する他窒化物系光素子にも有利に用いられることは、当業者にとって自明な事実である。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ストレスが適用されない状態におけるエネルギーバンドダイヤグラムと電子の波動関数を示す図である。
【図２】ストレスが適用されない状態におけるエネルギーバンドダイヤグラムと正孔の波動関数を示す図である。
【図３】圧縮応力による圧電フィールドによる影響を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムと電子の波動関数を示す図である。
【図４】圧縮応力による圧電フィールドによる影響を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムと正孔の波動関数を示す図である。
【図５】引張応力による圧電フィールドによる影響を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムと電子の波動関数を示す図である。
【図６】引張応力による圧電フィールドによる影響を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムと正孔の波動関数を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による窒化物半導体素子の断面図である。
【図８】図７に示した窒化物半導体素子の部分詳細図である。
【図９】図８におけるエネルギーバンドダイヤグラムを示す概略図である。
【図１０】本発明による窒化物半導体素子と従来の窒化物半導体素子の電流増加による放出光の波長変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２１  基板
２２  バッファ層
２３  ｎ型窒化物半導体層
２４  多重構造の電子放出層
２４ａ、２４ａ'、２４ａ"  第１窒化物半導体層
２４ｂ  第２窒化物半導体層
２５  活性層
２５ａ  量子井戸層
２５ｂ  量子障壁層
２７  ｐ型窒化物半導体層
２９ａ  ｎ側電極
２９ｂ  ｐ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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