(57)【要約】【課題】窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る窒化物半導体発光素子は、第１窒化物半導体層（Ｓｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層）８と、前記第１窒化物半導体層８の上にＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層からなる単一または多重量子井戸構造の活性層１６と、前記活性層１６の上に形成された第２窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）１８と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2008511153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の上にＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層からなる単一ま  たは多重量子井戸構造の活性層と、
前記活性層の上に形成された第２窒化物半導体層と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層は、
ドーピングされていない、または、ＩｎがドーピングされたＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層の上に形成された第１電極層と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体層の下部に、
基板と、
前記基板の上に形成されたバッファ層と、
を更に含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２窒化物半導体層の上に第２電極層をなす半導体層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１窒化物半導体層の上にＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮとＧａＮとの積層構造、ＩｎＧａＮとＧａＮとの超格子構造（super lattice structure）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＧａＮとの積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）ＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮとＧａＮとの積層構造の中から選択されて形成されたことを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１電極層はシリコンとインジウムが同時ドーピングされたＧａＮ層であることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に複数個のＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ＳｉＮｘクラスタ層は原子尺度（atomic scale）の厚みで形成されたことを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記活性層をなす多層構造障壁層は、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＩｎＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層とＡｌＩｎＮ層との多層構造障壁層で形成され、
前記活性層は、単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記活性層をなすＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層との間にＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記活性層をなすＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層との間にＧａＮキャップ（cap）層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記活性層と第２窒化物半導体層との間にＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第２窒化物半導体層は、ｐ型不純物がドーピングされて形成されたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第２窒化物半導体層の上に形成された第２電極層は、インジウム含量が順次に変化されたスーパーグレーディング（super grading）構造、またはＩｎを含む超格子構造で形成されたことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記スーパーグレーディング構造は、ｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層で形成されたことを特徴とする請求項１５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記超格子構造は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造、またはＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造で形成されたことを特徴とする請求項１５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記第２窒化物半導体の上に形成された第２電極層にはシリコンがドーピングされたことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、前記ＩｎＧａＮ井戸層にドーピングされたインジウム含量に比べてより低いインジウムがドーピングされたｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層であることを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第１窒化物半導体層に含まれた第１電極層及び前記第２窒化物半導体層の上に形成された第２電極層はｎ型窒化物半導体であることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第２窒化物半導体層の上に形成された第２電極層の上に透明電極が更に備えられたことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記透明電極は透過性伝導性酸化物、または透過性抵抗性物質で形成されたことを特徴とする請求項２１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
前記透明電極は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＮｉＯの物質、またはＮｉが含まれたＡｕ合金の中から選択されて形成されたことを特徴とする請求項２１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
基板の上にバッファ層を形成する段階と、
前記バッファ層の上にＧａＮ層を形成する段階と、
前記ＧａＮ層の上に第１電極層を形成する段階と、
前記第１電極層の上にＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成する段階と、
前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上に、ＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層からなって光を放出する活性層を形成する段階と、
前記活性層の上にｐ−ＧａＮ層を形成する段階と、
前記ｐ−ＧａＮ層の上に第２電極層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記第１電極層はシリコンとインジウムが同時ドーピングされたＧａＮ層であることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の形成段階の前後に第１のＳｉＮｘクラスタ層と第２のＳｉＮｘクラスタ層が形成される段階が各々更に備えられることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２７】
前記活性層をなす多層構造障壁層は、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層とＡｌＩｎＮ層の多層構造障壁層で形成され、
前記活性層は、単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２８】
前記活性層は、前記ＩｎＧａＮ井戸層と前記多層構造障壁層が形成される段階の間に、ＳｉＮｘクラスタ層が形成される段階が更に備えられることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２９】
前記活性層は、前記ＩｎＧａＮ井戸層と前記多層構造障壁層が形成される段階の間に、ＧａＮキャップ（cap）層が形成される段階が更に備えられることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３０】
前記活性層とｐ−ＧａＮ層が形成される段階の間に、ＳｉＮｘクラスタ層が形成される段階が更に備えられることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３１】
前記第２電極層は、インジウム含量が順次に変化されるスーパーグレーディング構造のｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、または、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造、または、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造で形成されることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３２】
前記第２電極層はシリコンがドーピングされて形成されることを特徴とする請求項３１記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３３】
前記第２電極層の上に透明電極を形成する段階が更に備えられることを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３４】
基板と、
前記基板の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層の上に形成されたＳｉ及び／またはＩｎドーピングされたＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層の上に形成されたＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上に形成され、Ｉｎが含まれた窒化物半導体井戸層と多層構造障壁層からなる活性層と、
前記活性層の上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成された第２のｎ型窒化物半導体層と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項３５】
前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮとＧａＮ積層構造、ＩｎＧａＮとＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＧａＮ積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）ＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮとＧａＮの積層構造の中から選択されて形成されたことを特徴とする請求項３４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３６】
前記活性層はＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層で形成され、
前記多層構造障壁層は、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＩｎＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、及びＧａＮ層からなる多層構造障壁層、または、ＩｎＧａＮ層とＡｌＩｎＮ層との多層構造障壁層で形成され、
前記活性層は、単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されたことを特徴とする請求項３４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３７】
前記第２ｎ型窒化物半導体層は、インジウム含量が順次に変化されるスーパーグレーディング構造のｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造、またはＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造で形成されたことを特徴とする請求項３４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３８】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と前記ｐ型窒化物半導体層との間には複数個のＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されたことを特徴とする請求項３４記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＧａＮ系窒化物半導体は、その応用分野において、青色／緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の光素子及びＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistors）などの高速スイッチング、高出力素子である電子素子に応用されている。
【０００３】
このようなＧａＮ系窒化物半導体発光素子は、主にサファイア基板またはＳｉＣ基板の上で成長される。そして、低温の成長温度でサファイア基板またはＳｉＣ基板の上にＡｌｙＧａ１−ｙＮの多結晶薄膜をバッファ層（buffer layer）で成長させる。以後、高温で前記バッファ層の上にドーピングされていないＧａＮ層、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ−ＧａＮ層または前記構造の混合された構造で成長させてｎ−ＧａＮ層を形成する。また、上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−ＧａＮ層を形成して窒化物半導体発光素子が製造される。そして、発光層（単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造の活性層）は、前記ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間にサンドウィッチ構造で形成される。
【０００４】
ｐ−ＧａＮ層は、結晶成長の中にＭｇ原子をドーピングして形成するが、結晶成長中にドーピング源として注入されたＭｇ原子がＧａ位置に置換されてｐ−ＧａＮ層として作用しなければならないが、キャリヤガス及びソースで分解された水素ガスと結合してＧａＮ結晶層でＭｇ−Ｈ複合体を形成して１０ＭΩの高低抗体となる。
【０００５】
したがって、ｐｎ接合発光素子を形成した後、Ｍｇ−Ｈ複合体を切ってＭｇ原子をＧａ位置に置換させるための後続の活性化工程が要求される。しかしながら、前記発光素子は、活性化工程で発光に寄与するキャリヤとして作用する量は１０１７／ｃｍ３位で、１０１９／ｃｍ３以上のＭｇ原子濃度（atomic concentration）より非常に低くて、抵抗性接触形成が困難であるという短所がある。
【０００６】
これを改善するために、非常に薄い透過性抵抗性金属物質を使用して接触抵抗を低めて電流注入効率を増加させる方案が利用されている。ところが、接触抵抗を減少させるために使われた薄い透過性抵抗性金属は、一般的に光透過度が７５〜８０％程度であり、その他には損失として作用する。また、内部量子効率を増加させるために発光素子の設計及び発光層とｐ−ＧａＮ層の結晶性を向上させないで、窒化物半導体の結晶成長自体で光出力を向上させることは限界がある。
【０００７】
そして、前記発光層は井戸層と障壁層の一対で構成され、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成される。ここで、発光層をなす各々の井戸層と障壁層はＩｎＧａＮ／ＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの積層構造で構成される。
【０００８】
この際、各々の井戸層と障壁層の物質選択は、ＩｎＧａＮ井戸層に依存して決定されるが、一般的に、希望する波長帯域の光を放出するためにＩｎＧａＮ井戸層のインジウム組成により決定され、これは結晶成長温度及びＶ／III比、キャリヤガスに依存する。一般的にＩｎＧａＮ／ＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ積層構造の多重量子井戸層で構成された発光ダイオードが使われるが、内部量子効率の高い発光層を形成するためにインジウム組成とバンドエンジニアリング概念が適用された多重量子井戸構造の発光ダイオードが使われる。
【０００９】
前記バンドエンジニアリング概念が適用された実施例であって、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造は、相対的に大きいＧａＮ障壁層を用いてＩｎＧａＮ井戸層に落ちたキャリヤを效果的に拘束させるが、低い成長温度によりＧａＮ障壁層自体の結晶性の確保が困難であるという短所がある。そして、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造を一対に多重量子井戸層で構成された発光ダイオード製作時、その周期数が増加するほど、その周期に比例して光効率が増加するのでなく、ＧａＮ障壁層の結晶性によるピット（pit）のような結晶欠陥数が比例して増加する短所がある。結局、発光に寄与する発光層は制限されるという短所を有している。そして、このようなピット形成のために、ｐ−ＧａＮ成長時、Ｍｇドーパントが発光層のピットの内部に拡散されて最終のＧａＮ障壁層とｐ−ＧａＮ窒化物半導体の境界面が崩れる結果をもたらし、光効率及び信頼性に影響を及ぼすことになる。
【００１０】
そして、インジウム組成を用いたＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ積層構造の発光層は、ＩｎＧａＮ障壁層のインジウム組成を５％以下に相対的に低めながら結晶成長温度を増加させて、その結晶性自体は確保が可能であるが、ＩｎＧａＮ井戸層に落ちたキャリヤの拘束力が弱くて発光効率は減少されるが、相対的にピット形成のような結晶欠陥が抑制できるので、良好な信頼性が得られる。
【００１１】
また、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁層を多重量子井戸構造で適用する場合、漏洩電流の面で改善効果が期待できるが、結局、自体の抵抗成分が直列で連結されることによって、動作電圧の増加による影響のためであり、自体の結晶性の向上によるのでなく、このような抵抗成分はそれに従う熱を発生して素子の信頼性に影響を及ぼして、素子の寿命に相当な影響を及ぼすことになる。
【００１２】
したがって、このような従来技術に基づいて、発光層の内部量子効率を向上させるためには井戸層のインジウム組成と障壁層の結晶性の確保及びバンドエンジニアリング概念が確保された新たな成長技術が要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上にＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層からなる単一または多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層の上に形成された第２窒化物半導体層と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、前記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上にバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層の上にＧａＮ層を形成する段階と、前記ＧａＮ層の上に第１電極層を形成する段階と、前記第１電極層の上にＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成する段階と、前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上に、ＩｎＧａＮ井戸層と多層構造障壁層からなって光を放出する活性層を形成する段階と、前記活性層の上にｐ−ＧａＮ層を形成する段階と、前記ｐ−ＧａＮ層の上に第２電極層を形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、前記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層の上に形成されたＳｉ及び／またはＩｎドーピングされたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層の上に形成されたＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上に形成され、Ｉｎが含まれた窒化物半導体井戸層と多層構造障壁層からなる活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成された第２のｎ型窒化物半導体層と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によれば、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上させて、光出力及び信頼性を向上させることができる長所がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、基板２の上にバッファ層４が形成されている。ここで、前記バッファ層４は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの積層構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造の中から選択されて形成されることができる（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）。
【００２０】
そして、前記バッファ層４の上にはＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６が形成されてあり、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６の上にはｎ型の第１電極層が形成されている。ここで、前記ｎ型の第１電極層にはシリコンとインジウムが同時ドーピングされて形成されるＳｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層８が採用できる。
【００２１】
また、前記Ｓｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層８の上にはインジウム含量の低いＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０が形成されてあり、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０の上には光を放出する活性層１６が形成されている。
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子１によれば、前記活性層１６はＩｎＧａＮ井戸層１２と多層構造障壁層１４からなる点にその特徴がある。また、図１では、前記活性層１６が単一量子井戸構造で形成された場合を図示したが、前記活性層１６は多重量子井戸構造で形成されることができることは勿論である。そして、本発明に係る活性層１６によれば、単一量子井戸構造で形成する場合にも充分な光効率が達成できるようになるという長所がある。
【００２３】
一方、図２は本発明に係る窒化物半導体発光素子に形成された活性層の積層構造の一例を示す図である。
【００２４】
本発明に係る活性層１６は、図２に示すように、ＩｎＧａＮ井戸層１２と多層構造障壁層１４で構成される。そして、前記多層構造障壁層１４は、ＩｎＧａＮ障壁層１３／ＡｌＩｎＮ障壁層１５／（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子）障壁層１７で構成される複数の層に形成されるようにすることができる。
【００２５】
このような多層構造障壁層１４を形成することによって、障壁層へのピット（pit）形成が防止できるようになる。前記ＩｎＧａＮ障壁層１３は、ピットの形成を抑制して、前記ＡｌＩｎＮ障壁層１５は、前記ＩｎＧａＮ障壁層１３との良好な界面状態を形成する。そして、前記（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子）障壁層１７は、多重量子井戸構造の適用時、多層構造障壁層の上部に形成されるＩｎＧａＮ井戸層のインジウム組成及び表面状態を制御する役割を遂行する。また、前記（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子）障壁層１７はピット形成をもう一度抑制すると共に、ピット形成の内部にＭｇドーパントが拡散されることを效果的に防止することによって、ｐ−ＧａＮ窒化物半導体との良好な界面を形成させて、内部量子効率を増加させることができることになる。
【００２６】
このような積層構造を有する単一量子井戸構造の活性層１６によれば、ｐ−ＧａＮ窒化物半導体成長時において、前記（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子）障壁層１７とｐ−ＧａＮ窒化物半導体との奇麗な界面構造を形成させることができることになる。また、活性層の内部へのＭｇドーパント（dopant）の拡散が效果的に防止できることによって、単一量子井戸構造だけで形成する場合にも５ｍＷ以上の光出力を有する窒化物半導体発光素子が具現できることになる。
【００２７】
そして、このような積層構造が繰り返される多重量子井戸構造の活性層を形成する場合には、（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子）障壁層の表面形状の制御により、その上部に形成されるＩｎＧａＮ井戸層の成長が制御できる。このような成長制御により内部量子効率を増加させることができる成長条件を探すことができる。
【００２８】
また、図示してはいないが、前記活性層１６はＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＩｎＮ障壁層／ＩｎＧａＮ障壁層の多層構造障壁層からなる単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されるようにすることができる。
【００２９】
また、図示してはいないが、前記活性層１６はＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＩｎＮ障壁層／ＧａＮ障壁層の多層構造障壁層からなる単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されるようにすることができる。
【００３０】
また、図示してはいないが、前記活性層１６はＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＩｎＮ障壁層の多層構造障壁層からなる単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されるようにすることができる。
【００３１】
次に、前記活性層１６の上にはｐ−ＧａＮ層１８が形成されてあり、その時、前記ｐ−ＧａＮ層１８にはマグネシウムがドーピングされて形成されるようにすることができる。
【００３２】
そして、前記ｐ−ＧａＮ層１８の上にはｎ型の第２電極層が形成されている。ここで、前記ｎ型の第２電極層にはインジウム組成を順次に変化させてエネルギーバンドギャップを制御したスーパーグレーディングｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２０が採用されることができる。この際、前記スーパーグレーディング（super grading）ｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２０はその組成範囲が０＜ｘ＜０．２で形成されるようにすることができる。
【００３３】
このように、本発明による窒化物半導体発光素子は、第１電極層８と第２電極層２０が全てｎ型の窒化物で形成され、その間にｐ−ＧａＮ層１８が形成された点を勘案すれば、従来のｐｎ接合発光素子とは異に、ｎｐｎ接合発光素子構造を有することと解釈されることができる。
【００３４】
また、前記第２電極層として使われるｎ型窒化物半導体（例えば、スーパーグレーディングｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２０）は既存のｐ−ＧａＮ接触層より抵抗が低いため、接触抵抗を減少させて電流注入を極大化させることができる。そして、前記第２電極層にバイアス電圧を印加させる透明電極には、光出力を極大化させるために電流広がりを極大化させ、優れる光透過度を有する透過性抵抗性物質、または、透過伝導性酸化物層の使用が可能である。このような物質には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯｘ、ＩｒＯｘ、及びＮｉＯ、またはＮｉを含むＡｕ合金金属が利用されることができる。
【００３５】
本発明によれば、一般的な透過抵抗性伝導金属であるＮｉ／Ａｕを透明電極として使用した単一量子井戸構造において、光出力（３７５μｍ×３３０μｍ）は４６０ｎｍ波長で５ｍＷ／３．０Ｖ（２０ｍＡ）が得られたのであり、透過伝導性酸化物質であるＩＴＯを透明電極として使用した単一量子井戸構造において、光出力は４６０ｎｍの同一波長で６．２ｍＷ／３．０Ｖ（２０ｍＡ）性能が具現できた。
【００３６】
一方、図３は本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【００３７】
図３に図示された窒化物半導体発光素子２１の積層構造は、図１に図示された窒化物半導体発光素子１と比較する時、第２電極層のみに差があるので、ここでは第２電極層に対してのみ説明する。即ち、本発明の第２実施例に係る窒化物半導体発光素子２１は、第２電極層としてＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造（super lattice structure）層２６が形成された場合を示すものである。ここで、前記ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造（super lattice structure）層２６にはシリコンがドーピングされるようにすることができる。
【００３８】
また、図示してはいないが、前記第２電極層としてＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造（super lattice structure）層が形成されることができ、シリコンがドーピングされるようにすることができる。
【００３９】
一方、図４は本発明に係る窒化物半導体発光素子の第３実施例の積層構造を概略的に示す図である。図４に図示された窒化物半導体発光素子３１の積層構造は、図１に図示された窒化物半導体発光素子１と比較する際、活性層３６の積層構造のみに差があるので、ここでは前記活性層３６に対してのみ説明する。即ち、本発明の第３実施例に係る窒化物半導体発光素子３１は、前記活性層３６を形成することにおいて、ＩｎＧａＮ井戸層１２、ＧａＮキャップ（cap）層３２、多層構造障壁層１４からなるようにする。これは、前記活性層３６をなすＩｎＧａＮ井戸層１２と多層構造障壁層１４との間に、前記ＧａＮキャップ（cap）層３２を形成して前記ＩｎＧａＮ井戸層１２のインジウム変動量が制御できるようにするためのものである。
【００４０】
一方、図５は本発明に係る窒化物半導体発光素子の第４実施例の積層構造を概略的に示す図であって、ここでは、活性層５０が多重量子井戸構造で形成された場合を示すものである。本発明の第４実施例に係る窒化物半導体発光素子４１は、図５に示すように、活性層５０が多重量子井戸構造で形成される。即ち、ＩｎＧａＮ井戸層４２と多層構造障壁層４４、・・・、ＩｎＧａＮ井戸層４６、多層構造障壁層４８が積層形成されて多重量子井戸構造の活性層５０をなすようになる。
【００４１】
また、図６は本発明に係る窒化物半導体発光素子の第５実施例の積層構造を概略的に示す図である。図６に図示された積層構造の中で、図１を参照して説明された層（同一符号付与）に対しては説明を省略する。
【００４２】
本発明の第５実施例に係る窒化物半導体発光素子５１には、図６に示すように、内部量子効率（internal quantum efficiency）を増加させるために、活性層のストレイン（strain）を制御するインジウム含量の低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層５２が形成されている。また、インジウム変動（fluctuation）による光出力及び逆方向漏洩電流（reverse leakage current）を改善させるために、前記ｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層５２の下部及び上部に、原子尺度（atomic scale）形態で制御されて成長されたＳｉＮｘクラスタ層５４、５６が各々更に備えられている。
【００４３】
また、光を放出する活性層は、ＩｎＧａＮ井戸層／多層構造障壁層で形成される単一量子井戸構造、または、多重量子井戸構造で形成されることができる。
【００４４】
図６では、活性層として、ＩｎＧａＮ井戸層５８、６４と多層構造障壁層６２、６８との間にＳｉＮｘクラスタ層６０、６６が更に備えられた多重量子井戸構造で形成された発光素子の例を示す。そして、前記インジウム含量の低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層５２との関係を考慮すれば、前記ｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層５２にドーピングされるインジウム含量と前記ＩｎＧａＮ井戸層５８、６４にドーピングされるインジウム含量（ｙ）は、各々０＜ｘ＜０．１、０＜ｙ＜０．３５の値を有するように調節することができる。
【００４５】
そして、単一量子井戸層または多重量子井戸構造で構成された活性層の最後の層を成長させた後、またＳｉＮｘクラスタ層７０を原子尺度（atomic scale）の厚みで成長させて、ｐ−ＧａＮ層１８のＭｇ元素が活性層の内部に広がることが抑制できるようにする。
【００４６】
一方、図６では、第２電極層でスーパーグレーディングｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２０が形成された場合を示すが、前記第２電極層ではＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造（super lattice structure）層、または、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造（super lattice structure）層で形成されることができる。
【００４７】
以上、説明したように、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、従来のｐ／ｎ接合発光素子でｐ型電極層として使われるｐ−ＧａＮ層自体の高い接触抵抗による電流集中現象をｎ／ｐ／ｎ接合発光素子構造を適用して動作電圧を減少させながら電流注入を向上させることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体発光素子に形成された活性層の積層構造の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第３実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第４実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【図６】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第５実施例の積層構造を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
２  基板、４  バッファ層、６  Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、８  Ｓｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、１０  ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、１６  活性層、１８  ｐ−ＧａＮ層。
【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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【国際調査報告】
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