(57)【要約】【課題】正孔注入層を利用して活性層への正孔注入を増加させて発光効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体発光素子は、第１導電型にドーピングされた第１半導体層と、第１半導体層上に配置されて傾斜した斜面を有する複数のピットが表面に形成された活性層と、活性層の表面上に配置されて複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成された正孔注入層と、正孔注入層上に配置されて第２導電型にドーピングされた第２半導体層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型にドーピングされて内部に複数の転位を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置されたピット拡張層と、
前記複数の転位から延びる逆ピラミッド状の傾斜した斜面を有する複数のピットを前記ピット拡張層と共に定義して該ピット拡張層上に配置された活性層と、
前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って配置された正孔注入層と、
前記正孔注入層上に配置されて前記第１導電型と異なる第２導電型にドーピングされた第２半導体層と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、交互に配置された複数の障壁層及び複数の量子ウェル層を備える多重量子ウェル構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記正孔注入層は、前記ピットの傾斜した斜面を通じて前記活性層の全ての量子ウェル層に接触することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記正孔注入層の一部は、前記ピット拡張層に接触することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記正孔注入層の厚さは、３〜５ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１及び第２半導体層は、ＧａＮからなり、
前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層の上部表面に配置された正孔注入層のドーピング濃度は、１０２０／ｃｍ３であり、
前記ピットの傾斜した斜面に配置された正孔注入層のドーピング濃度は、７〜８×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２半導体層は、平坦な上部表面を有し、
前記第２半導体層の下部の一部領域は、前記ピットの内部に突出することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記活性層と正孔注入層との間に配置された電子遮断層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記電子遮断層及び正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記電子遮断層は、第２導電型にドーピングされたＡｌＧａＮからなり、
前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記正孔注入層は、第１正孔注入層及び第２正孔注入層を備え、前記第１正孔注入層と第２正孔注入層との間に配置された電子遮断層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記電子遮断層、前記第１正孔注入層、及び第２正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
第１導電型にドーピングされて複数の転位を有する第１半導体層を成長させる段階と、
前記第１半導体層上にピット拡張層を成長させる段階と、
前記複数の転位から延びる逆ピラミッド状の傾斜した斜面を有する複数のピットを前記ピット拡張層と共に定義して該ピット拡張層上に活性層を成長させる段階と、
前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って正孔注入層を成長させる段階と、
前記第１導電型と異なる第２導電型にドーピングされた第２半導体層を前記正孔注入層上に成長させる段階と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記活性層は、交互に配置された複数の障壁層及び複数の量子ウェル層を備える多重量子ウェル構造を有し、
前記正孔注入層は、前記ピットの傾斜した斜面を通じて前記活性層の全ての量子ウェル層と接触し、
前記正孔注入層の一部は、前記ピット拡張層に接触することを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成されることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第１及び第２半導体層は、ＧａＮからなり、
前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記活性層と正孔注入層との間に配置された電子遮断層を形成する段階を更に含み、
前記電子遮断層は、第２導電型にドーピングされたＡｌＧａＮからなり、
前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記正孔注入層上に電子遮断層を形成する段階と、
前記電子遮断層上に追加の正孔注入層を形成する段階と、を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に係り、より詳しくは、正孔注入層を利用して活性層への正孔注入を増加させて発光効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を利用した半導体発光素子（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ：  ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変える効率が白熱灯や蛍光灯に比べてはるかに優れているので、照明及びディスプレイなどの分野において多くの関心を集めている。照明分野においては、通常白色発光素子が要求される。現在、青色発光素子に蛍光体を結合して白色光を形成することが一般的である。
【０００３】
このような白色発光素子の開発において、注入される電気エネルギーに対比した光エネルギーを評価する要素である発光効率が重要である。しかし、一般的に青色発光素子の場合、電流が増加するにつれて発光効率が非常に低下する現象が現われ、それを効率低下（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｄｒｏｏｐ）という。現在、この効率低下現象を改善するために多くの研究が進められている。
【０００４】
青色発光素子の効率低下現象は、多様な原因に起因するが、例えば、ＧａＮと基板の格子不整合による高い欠陥密度、相対的に低い正孔の移動度、電子のオーバーフロー現象などにより、発光効率が低下することが知られている。特に、５〜１０個に至る複数の量子ウェルを含む多重量子ウェル（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：  ＭＱＷ）構造では、低い正孔の移動度により、主にｐ−ＧａＮに近い量子ウェルでしか発光が起こらない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、正孔注入層を利用して活性層への正孔注入を増加させて発光効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子は、第１導電型にドーピングされて内部に複数の転位を有する第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置されたピット拡張層と、前記複数の転位から延びる逆ピラミッド状の傾斜した斜面を有する複数のピットを前記ピット拡張層と共に定義して該ピット拡張層上に配置された活性層と、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って配置された正孔注入層と、前記正孔注入層上に配置されて前記第１導電型と異なる第２導電型にドーピングされた第２半導体層と、を備える。
【０００７】
前記活性層は、交互に配置された複数の障壁層及び複数の量子ウェル層を備える多重量子ウェル構造を有し得る。
前記正孔注入層は、前記ピットの傾斜した斜面を通じて前記活性層の全ての量子ウェル層に接触し得る。
前記正孔注入層の一部は、前記ピット拡張層に接触し得る。
前記正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成され得る。
前記正孔注入層の厚さは、３〜５ｎｍであり得る。
前記第１及び第２半導体層は、ＧａＮからなり、前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなり得る。
前記活性層の上部表面に配置された正孔注入層のドーピング濃度は、１０２０／ｃｍ３であり、前記ピットの傾斜した斜面に配置された正孔注入層のドーピング濃度は、７〜８×１０１９／ｃｍ３であり得る。
前記第２半導体層は、平坦な上部表面を有し、前記第２半導体層の下部の一部領域は、前記ピットの内部に突出し得る。
前記半導体発光素子は、前記活性層と正孔注入層との間に配置された電子遮断層を更に備えることができる。
前記電子遮断層及び正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成され得る。
前記電子遮断層は、第２導電型にドーピングされたＡｌＧａＮからなり、前記正孔注入層は、第２導電型にドーピングされたＩｎＧａＮからなり得る。
前記正孔注入層は、第１正孔注入層及び第２正孔注入層を備え、前記半導体発光素子は、前記第１正孔注入層と第２正孔注入層との間に配置された電子遮断層を更に備えることができる。
前記電子遮断層、前記第１正孔注入層、及び第２正孔注入層は、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成され得る。
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子の製造方法は、複数の転位を有するバッファ層を基板上に成長させる段階と、第１導電型にドーピングされて前記バッファ層の転位から続く複数の転位を有する第１半導体層を前記バッファ層上に成長させる段階と、前記第１半導体層上にピット拡張層を成長させる段階と、前記複数の転位から延びる逆ピラミッド状の傾斜した斜面を有する複数のピットを前記ピット拡張層と共に定義して該ピット拡張層上に活性層を成長させる段階と、前記活性層の上部表面及び前記複数のピットの傾斜した斜面に沿って正孔注入層を成長させる段階と、前記第１導電型と異なる第２導電型にドーピングされた第２半導体層を前記正孔注入層上に成長させる段階と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、多重量子ウェル構造の活性層上に形成された正孔注入層を利用して、活性層への正孔注入を増加させることによって、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。特に、正孔注入層は、活性層の全体断面に亘って傾斜して形成されるため、活性層内の全体の量子ウェルに正孔を効率的に注入することができる。従って、半導体発光素子の発光効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子の動作原理を概略的に示す断面図である。
【図３】図１に示した半導体発光素子の動作原理を示す概略的なエネルギーバンドダイアグラムである。
【図４】他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図４に示した半導体発光素子の性能を示す表である。
【図７Ａ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図７Ｂ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図７Ｃ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図７Ｄ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図７Ｅ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す斜視図である。
【図７Ｆ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図７Ｇ】図１に示した半導体発光素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
【図８】更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の半導体発光素子及びその製造方法を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の図面において、同じ参照符号は同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性と便宜性のために誇張している。また、以下に述べる実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、それらの実施形態から多様な変形が可能である。また、以下に述べる層構造において、“上部”や“上”と記載した表現は、接触して真上にあるものだけでなく、非接触で上にあるものも含む。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による半導体発光素子１０の構造を概略的に示す断面図であり、図２は、図１に示した半導体発光素子の動作原理を概略的に示す断面図であり、図３は、図１に示した半導体発光素子の動作原理を示す概略的なエネルギーバンドダイアグラムである。図１を参照すると、基板１１と、基板１１上に配置されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に配置された第１半導体層１３と、第１半導体層１３上に配置されたピット拡張層１４と、ピット拡張層１４上に配置された活性層１５と、活性層１５上に配置された正孔注入層１６と、正孔注入層１６上に配置された第２半導体層１７とを備える。
【００１３】
本実施形態による半導体発光素子１０は、例えばＩＩＩ−Ｖ化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づいて形成される。その場合、基板１１として、例えば六方晶系の結晶構造を有するサファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用する。バッファ層１２は、基板１１とその上に形成される窒化ガリウム系の半導体層との格子定数差を緩和して、基板１１上に形成される半導体層に生じる欠陥密度と応力とを減らすための層である。バッファ層１２には、例えばＡｌＮ又はＡｌＩｎＧａＮを使用する。通常、基板１１とバッファ層１２との間にも格子定数差があるため、バッファ層１２を基板１１上に成長させる過程において転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）２０が発生する。図１には、便宜上、一つの転位２０のみを示しているが、実際には複数の転位２０が発生する。
【００１４】
バッファ層１２上に配置された第１半導体層１３は、例えばｎ型にドーピングされたｎ−ＧａＮで形成される。ｎ型不純物は、Ｓｉであるが、それに限定されるものではない。第１半導体層１３は、後述する活性層１５に電子を提供し、電子と正孔とを活性層１５内に限定させるクラッド層の役割を行う。バッファ層１２上に第１半導体層１３を成長させる過程において、バッファ層１２内に形成された転位２０が第１半導体層１３まで拡張する。
【００１５】
転位２０は、第１半導体層１３上に形成される活性層１５における欠陥密度と応力とを増加させ、それにより、半導体発光素子１０の逆方向漏れ電流が増加する。ピット拡張層１４は、結晶が形成されない空いた空間であるピット３０を人為的に発生させ、活性層１５における応力を自然に緩和させることによって逆方向漏れ電流を抑制又は減少させる役割を行う。図１には、便宜上、ピット拡張層１４を単に一層として示しているが、実際には、複数のＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に成長させることによってピット拡張層１４を形成する。例えば、ピット拡張層１４は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）とＧａＮ層とを約２０対積層することによって形成される。例えば、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層とＧａＮ層とを約２０対積層することによってピット拡張層１４を形成する。しかし、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）とＧａＮ層の積層回数は、２０回に限定されるものではなく、ｘの値も０．０３ではない他の値として選択され得る。
【００１６】
ピット拡張層１４が成長するにつれて、転位２０は、成長方向である（０００１）方向に対して約６２°上方に開いた形態のピット３０に転換される。図１に示したように、ピット３０の垂直断面形状がＶ字状であることから、通常、ピット３０をＶピットという。ピット３０の実際の形状は、六角形の水平断面を有する逆ピラミッド状である。図１には、便宜上、一つのピット３０のみを示しているが、転位２０と同様に、複数のピット３０がピット拡張層１４内に形成される。
【００１７】
ピット拡張層１４上には、活性層１５が配置される。活性層１５は、電子と正孔とを結合して光を発生させる役割を行う。活性層１５は、例えばＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＜１）からなる複数の量子ウェル層とＧａＮからなる複数の障壁層とを備える多重量子ウェル（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を有する。例えば、活性層１５は、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とＧａＮ層とを５対ほど積層することによって形成される。しかし、ｙの値は、０．１５ではない他の値として選択され得る。ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層におけるｙの値は、ピット拡張層１４のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）におけるｘの値よりも大きい。また、量子ウェル層と障壁層の積層回数は、５回よりも少なくてもよく５回よりも多くてもよい。図１に示したように、ピット拡張層１４から発生したピット３０は、活性層１５にも拡張される。
【００１８】
活性層１５上に配置された正孔注入層１６は、電子に比べて移動度の低い正孔を活性層１５内の全ての量子ウェル層に円滑に提供する役割を行う。そのために、正孔注入層１６は、活性層１５の上部表面に沿って一定の厚さに形成される（例えば、正孔注入層１６の厚さ変化は、約１ｎｍ又は２ｎｍ以内である）。図１に示したように、正孔注入層１６は、活性層１５の上部表面からピット３０の傾斜した斜面に沿って一定の厚さに形成される（例えば、正孔注入層１６の厚さの変化は、約１ｎｍ〜２ｎｍ以内である）。ピット３０がピット拡張層１４から始まるため、正孔注入層１６の一部は、ピット拡張層１４にも接触する。正孔注入層１６がピット３０の傾斜した斜面に沿って形成されることによって、正孔注入層１６は、活性層１５内の全ての量子ウェルとも接触する。この正孔注入層１６は、例えばｐ型にドーピングされたｐ−ＩｎＧａＮで形成される。正孔注入層１６の厚さは、例えば約３〜５ｎｍである。
【００１９】
正孔注入層１６上には、クラッド層の役割を行う第２半導体層１７が形成される。第２半導体層１７は、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋのようなｐ型ドーパントでドーピングされたｐ−ＧａＮで形成される。図１に示したように、第２半導体層１７は平坦な上部表面を有し、第２半導体層１７の下部の一部領域１７ａはピット３０の内部まで下方に突出して延びる。即ち、ピット３０により発生した活性層１５内の空いた空間が、第２半導体層１７の一部領域１７ａにより満たされる。一部領域１７ａは、最下にある表面が頂点であるピラミッド状を有する。
【００２０】
本実施形態によると、ピット３０の傾斜した斜面に沿って高いドーピング濃度を有する正孔注入層１６が形成されるため、活性層１５の全ての量子ウェル層に正孔を容易に注入することができる。正孔注入層１６を形成せずに活性層１５上に第２半導体層１７を直接形成する場合には、ピット３０内に満たされる第２半導体層１７の一部領域１７ａのドーピング濃度が十分に高くないため、活性層１５への正孔注入が円滑にならない。
【００２１】
一般的に、第２半導体層１７であるｐ−ＧａＮの成長方向（０００１）は、ピット３０の斜面方向（１０１＿１）と非常に異なる。一方、ｐ−ＧａＮのドーピングに使われるｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋなど）とＧａＮの結合効率は、結晶面の形態に依存する。それにより、第２半導体層１７の成長方向と差のあるピット３０の内部では、ドーピング濃度が低くなる。即ち、活性層１５の上側に形成される第２半導体層１７の上部領域のドーピング濃度に比べて、ピット３０の内部に満たされる第２半導体層１７の一部領域１７ａのドーピング濃度が低くなる。例えば、活性層１５の上側に形成される第２半導体層１７のドーピング濃度は、約１０２０／ｃｍ３である一方、ピット３０の内部に満たされる第２半導体層１７の一部領域１７ａのドーピング濃度は、１０１９／ｃｍ３よりも低い。従って、正孔注入層１６がない場合には、第２半導体層１７のドーピング濃度が低い一部領域１７ａが活性層１５に接することになるため、活性層１５に十分に正孔を注入することが困難になる。
【００２２】
一方、正孔注入層１６に使われるＩｎＧａＮは、活性化エネルギーがＧａＮに比べて低く、ｐ型ドーパントとの結合効率が高いため、ピット３０の内部でも高いドーピング濃度を具現することができる。また、正孔注入層１６のｐ−ＩｎＧａＮは、ｐ−ＧａＮとは異なり、窒素雰囲気で成長させるため、ｐ型ドーパントとの結合効率を更に高くする。従って、正孔注入層１６のドーピング濃度は、活性層１５の上側とピット３０の内部とで大きな差が現われない。例えば、活性層１５の上側における正孔注入層１６のドーピング濃度は約１０２０／ｃｍ３であり、ピット３０の内部における正孔注入層１６のドーピング濃度は約７〜８×１０１９／ｃｍ３である。従って、正孔注入層１６は、ピット３０の内部でも高いドーピング濃度を維持できるため、活性層１５に容易に正孔を注入することができる。
【００２３】
例えば、図２を参照すると、正孔注入層１６は、活性層１５の上部から活性層１５の内部に正孔を注入するだけでなく、ピット３０の傾斜した斜面に沿って活性層１５内の全ての量子ウェル層１５ｂにも直接正孔を注入する。従って、正孔の低い移動度にも拘らず、第２半導体層１７から遠く離れた最下側の量子ウェル層１５ｂにも効率的に正孔を注入することが可能になる。図２には、活性層１５を四層の障壁層１５ａと三層の量子ウェル層１５ｂとを備える多重量子ウェル構造として示しているが、それは、単に一例に過ぎず、障壁層１５ａと量子ウェル層１５ｂの層数は変更可能である。障壁層１５ａと量子ウェル層１５ｂの層数は、設計によって自由に選択可能である。
【００２４】
また、図３のエネルギーバンドダイアグラムを参照すると、エネルギー準位の低い量子ウェル層１５ｂ（例えば、ＩｎＧａＮ）とエネルギー準位の高い障壁層１５ａ（例えば、ＧａＮ）とが反復的に配置され、最外側には、エネルギー準位の最も高い第２半導体層１７（例えば、ｐ−ＧａＮ）が配置される。そして、障壁層１５ａと第２半導体層１７との間には、正孔注入層１６（例えば、ｐ−ＩｎＧａＮ）が配置される。図３に示したように、正孔注入層１６のエネルギー準位は、障壁層１５ａのエネルギー準位と量子ウェル層１５ｂのエネルギー準位との間にある。従って、第２半導体層１７で発生した正孔は、高いドーピング濃度を有する正孔注入層１６をトンネリングして量子ウェル層１５ｂに注入される。その結果、本実施形態による半導体発光素子１０の発光効率が向上して光出力が増加する。
【００２５】
図４は、他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。図４を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、活性層１５と正孔注入層１６との間に電子遮断層１８を更に備える。例えば、電子遮断層１８は、ｐ−ＡｌＧａＮからなる。図４に示したように、電子遮断層１８は、活性層１５の上部表面とピット３０の傾斜した斜面とに沿って一定の厚さに形成される。例えば、電子遮断層１８の厚さは約１０〜２０ｎｍであり、電子遮断層１８の厚さの変化は１ｎｍ〜２ｎｍ以内である。正孔注入層１６は、電子遮断層１８の上部表面に沿って一定の厚さに形成される。この電子遮断層１８は、電子が活性層１５から外れて第２半導体層１７に移動することを防止し、活性層１５内における電子と正孔の結合効率を向上させる。
【００２６】
図５は、更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。図５を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、二層の正孔注入層１６ａ、１６ｂとその間に介在する電子遮断層１８とを備える。即ち、活性層１５の上部表面とピット３０の傾斜した斜面とに沿って、第１正孔注入層１６ａが一定の厚さに形成されてその上に電子遮断層１８が一定の厚さに形成され、電子遮断層１８上には、再び第２正孔注入層１６ｂが一定の厚さに形成される。例えば、第１正孔注入層１６ａ、電子遮断層１８、及び第２正孔注入層１６ｂの厚さの変化は、１ｎｍ〜２ｎｍ以内である。電子遮断層１８上に第２正孔注入層１６ｂを更に配置することによって、活性層１５への正孔注入効率を更に向上させることができる。
【００２７】
図６は、図４に示した半導体発光素子の性能を示す表であり、上述の実施形態による半導体発光素子の性能を比較例と比較して示す表である。図６において、比較例は、活性層１５上に直接第２半導体層１７を配置した構造を有する半導体発光素子であり、実施形態は、一層の電子遮断層１８と一層の正孔注入層１６とを有する図４に示した半導体発光素子である。また、図６の表において、ＩＲは半導体発光素子に逆方向の電圧を印加した時の漏れ電流であり、ＩＦは半導体発光素子に順方向の電圧を印加した時の漏れ電流であり、ＶＲは半導体発光素子に逆方向の電流を印加した時の両端電圧であり、ＶＦ１は、半導体発光素子に順方向の電流を印加した時の両端電圧であり、ＶＦ２は駆動電圧である。ここで、ＩＲ、ＩＦ、及びＶＦ２は低いほど有利であり、ＶＲ及びＶＦ１は高いほど有利である。図６を参照すると、ＩＲ、ＩＦ、及びＶＦ１において、比較例と実施形態による発光素子との差は大きくない。しかし、ＶＲにおいて、実施形態による発光素子が比較例に比べて非常に向上したということが分かり、駆動電圧も実施形態による発光素子が比較例に比べて若干低い。特に、光出力において、実施形態による発光素子が比較例に比べて約７．７％向上したということが分かる。
【００２８】
図７Ａ〜図７Ｇは、図１に示した半導体発光素子１０の製造方法を概略的に示す断面図及び一部斜視図である。以下、図７Ａ〜図７Ｇを参照して、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。
【００２９】
先ず、図７Ａを参照すると、基板１１上にバッファ層１２を成長させる。基板１１には、例えば六方晶系の結晶構造を有するサファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用する。その他にも、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＰ、ＩｎＰなどを基板として使用できる。バッファ層１２は、例えばＡｌＮやＡｌＩｎＧａＮを使用して約１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに形成する。図７Ａに示したように、基板１１とバッファ層１２との格子定数差によって、バッファ層１２の成長過程において転位２０が発生する。転位２０は、バッファ層１２の上部表面に拡張する。
【００３０】
次いで、図７Ｂを参照すると、バッファ層１２上に第１半導体層１３を成長させる。第１半導体層１３は、ｎ−ＧａＮであり、例えば、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などの方式を利用して約１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに成長させる。図７Ｂに示したように、バッファ層１２で形成された転位２０は、第１半導体層１３まで拡張する。
【００３１】
次いで、図７Ｃを参照すると、転位２０による応力を緩和させるために第１半導体層１３上にピット拡張層１４を成長させる。ピット拡張層１４は、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）とＧａＮ層とを約２０対相互に成長させることによって形成される。例えば、ピット拡張層１４は、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層とＧａＮ層とを約２０対相互に成長させることによって形成される。しかし、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）とＧａＮ層の積層回数は、２０回に限定されるものではなく、ｘの値も０．０３ではない他の値として選択され得る。図７Ｃに示したように、ピット拡張層１４内で、転位２０は、ピット拡張層１４の成長方向（０００１）に対して約６２°上方に開いている形態のピット３０に変わり、ピット拡張層１４が成長するほどピット３０のサイズが大きくなる。ピット拡張層１４の全厚は、約１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
【００３２】
そして、図７Ｄを参照すると、ピット拡張層１４上に活性層１５を成長させる。活性層１５は、相互に配置された複数の障壁層１５ａと複数の量子ウェル層１５ｂとを有する多重量子ウェル構造である。例えば、量子ウェル層１５ｂはＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＜１）で形成され、障壁層１５ａはＧａＮで形成される。例えば、量子ウェル層１５ｂとしてＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを使用し、障壁層１５ａとしてＧａＮを使用する。しかし、ｙの値は、０．１５ではない他の値として選択され得る。ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層におけるｙの値は、ピット拡張層１４のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ＜１）におけるｘの値よりも大きい。図７Ｄには、三層の量子ウェル層１５ｂと四層の障壁層１５ａとを示しているが、更に多くの対の量子ウェル層１５ｂと障壁層１５ａとを積層することも可能である。活性層１５の厚さは、発光波長に応じて、量子ウェル層１５ｂと障壁層１５ａの対の個数によって変わる。図７Ｄに示したように、ピット拡張層１４から発生したピット３０は、活性層１５にも拡張し、活性層１５でピット３０が更に大きくなる。図７Ｄの断面図には、ピット３０を単純なＶ字状で示している。しかし、図７Ｅの斜視図に示すように、ピット３０は、六角形の水平断面を有する逆ピラミッド状であり得る。
【００３３】
図７Ｆを参照すると、活性層１５上に正孔注入層１６を一定の厚さ（例えば、厚さの変化が１ｎｍ〜２ｎｍ以内）に成長させる。正孔注入層１６は、例えばｐ−ＩｎＧａＮからなる。図７Ｆに示したように、正孔注入層１６は、活性層１５の上部表面とピット３０の傾斜した斜面とに沿って一定の厚さに形成される。それによって、正孔注入層１６の一部は、ピット拡張層１４にも接触し、ピット３０の傾斜した斜面に沿って活性層１５内の全ての量子ウェル層１５ｂにも接触する。この正孔注入層１６は、窒素雰囲気下で、約１００Ｔｏｒｒの圧力と約９３０℃の温度とで約３〜５ｎｍの厚さに成長させて形成される。
【００３４】
最後に、図７Ｇを参照すると、正孔注入層１６上に第２半導体層１７を全体的に成長させる。第２半導体層１７は、例えばｐ−ＧａＮからなり、例えば水素及び水素が含まれた雰囲気で、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどの方式を利用して約１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さに成長させて形成される。図７Ｇに示したように、第２半導体層１７は平坦な上部表面を有し、第２半導体層１７の一部領域１７ａはピット３０の内部に満たされる。
【００３５】
図８は、更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。図８を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、図１に示した半導体発光素子１０と同一である。但し、図８に示したように、本実施形態による半導体発光素子は、図１に示した単に一層の正孔注入層１６の代わりに複層の正孔注入層１６ａ〜１６ｃを備える。複層の正孔注入層１６ａ〜１６ｃは、例えばそれぞれｐ型ドーパントでドーピングされたｐ−ＩｎＧａＮで形成される。複層の正孔注入層１６ａ〜１６ｃは、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が異なる。
【００３６】
図９は、更に他の実施形態による半導体発光素子の構造を概略的に示す断面図である。図９を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、図１に示した半導体発光素子１０と同一である。但し、図９に示したように、本実施形態による半導体発光素子は、第１半導体層１３の上部表面に配置された第１電極４０と、第２半導体層１７の上部表面に配置された第２電極５０とを備える。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例えば、発光素子関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    半導体発光素子
１１    基板
１２    バッファ層
１３    第１半導体層
１４    ピット拡張層
１５    活性層
１５ａ    障壁層
１５ｂ    量子ウェル層
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ    正孔注入層
１７    第２半導体層
１７ａ    一部領域
１８    電子遮断層
２０    転位
３０    ピット
４０    第１電極
５０    第２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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８】
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【図９】
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