(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でき、光出力及び信頼性を向上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】本発明による窒化物半導体発光素子は、基板２と、前記基板２上に形成されるバッファ層４と、前記バッファ層４上に形成されるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６と、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６上に形成される第１の電極層８と、前記第１の電極層８上に形成されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０と、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０上に形成される活性層１２と、前記活性層１２上に形成される第１のＰ−ＧａＮ層１４と、前記第１のＰ−ＧａＮ層１４上に形成される第２の電極層１６と、前記第２の電極層１６上に部分的に突出されて形成される第２のＰ−ＧａＮ層１８と、前記第２のＰ−ＧａＮ層１８上に形成される第３の電極層２０とを含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成される第１のＰ−ＧａＮ層と、
前記第１のＰ−ＧａＮ層上に形成される第２の電極層と、
前記第２の電極層上に部分的に突出されて形成される第２のＰ−ＧａＮ層と、
前記第２のＰ−ＧａＮ層上に形成される第３の電極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】
前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、IｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造から選択されて形成され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。
【請求項３】
前記第１の電極層は、シリコンとインジウムとが同時にドープされるＧａＮ層であ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。
【請求項４】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の下部及び上部には、第１のＳｉＮｘクラスター層と第２のＳｉＮｘクラスター層とが各々さらに形成され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。
【請求項５】
第１のＳｉＮｘクラスター層と第２のＳｉＮｘクラスター層とは、原子スケールの厚さで形成されることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で構成され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。
【請求項７】
前記活性層をなす井戸層と障壁層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層との間に、 ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層との間に、ＧａＮキャップ層がさらに形成されることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記活性層と第１のＰ−ＧａＮ層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成され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。
【請求項１１】
前記ＳｉＮｘクラスター層は、原子スケールの厚さで形成されることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ＳｉＮｘクラスター層は、原子スケールの厚さで形成されることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ＳｉＮｘクラスター層は、原子スケールの厚さで形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層にドープされるインジウム含量と、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層にドープされるインジウム含量とは、各々０＜ｘ＜０.１、０＜ｙ＜０.３５、０＜ｚ＜０.１の値を有することを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第１のＰ−ＧａＮ層は、マグネシウムがドープされて形成され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。
【請求項１６】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層は、インジウム含量が順次変化されるスーパーグレーディング構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層であ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。
【請求項１７】
前記スーパーグレーディング構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、０＜ｘ＜０.２の範囲で形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層には、シリコンがドープされ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。
【請求項２０】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、インジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層であ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。
【請求項２１】
前記電極層は、Ｎ型の窒化物半導体であ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。
【請求項２２】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層に電極がさらに具備され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。
【請求項２３】
前記電極は、透過性金属酸化物又は透過性抵抗性金属で形成されることを特徴とする、請求項２２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
前記透過性金属酸化物は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ及びＮｉＯの物質から選択されて形成されることを特徴とする、請求項２３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記透過性抵抗性金属は、Ｎｉ金属を含むＡｕ合金層で形成されることを特徴とする、請求項２３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２６】
前記電極は、前記第２の電極層及び第３の電極層上に形成されることを特徴とする、請求項２２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２７】
基板と、
前記基板上に形成されるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成される第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、
前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成されるＰ−ＧａＮ層と、
前記Ｐ−ＧａＮ層上に形成されるインジウム含量が順次変化されるスーパーグレーディング構造の第２のＮ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ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２８】
前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、IｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造から選択されて形成されることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２９】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、インジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層であることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３０】
前記第１の電極層は、シリコンとインジウムとが同時にドープされるＧａＮ層であることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３１】
前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の下部及び上部には、第１のＳｉＮｘクラスター層と第２のＳｉＮｘクラスター層とが各々さらに形成されることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３２】
前記活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３３】
前記活性層をなす井戸層と障壁層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３４】
前記活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層との間に、ＧａＮキャップ層がさらに形成されることを特徴とする、請求項３２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３５】
前記活性層とＰ−ＧａＮ層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３６】
前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層にドープされるインジウム含量と、前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層にドープされるインジウム含量とは、各々０＜ｘ＜０.１、０＜ｙ＜０.３５、０＜ｚ＜０.１の値を有することを特徴とする、請求項３２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３７】
基板と、
前記基板上に形成されるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されるインジウムがドープされるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成されるＰ−ＧａＮ層と、
前記Ｐ−ＧａＮ層上に形成されるIｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａｎ超格子構造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３８】
前記バッファ層は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、IｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造から選択されて形成されることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３９】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、インジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層であることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４０】
前記第１の電極層は、シリコンとインジウムとが同時にドープされるＧａＮ層であることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４１】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の下部及び上部には、第１のＳｉＮｘクラスター層と第２のＳｉＮｘクラスター層とが各々さらに形成されることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４２】
前記活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４３】
前記活性層をなす井戸層と障壁層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４４】
前記活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層との間に、 ＧａＮキャップ層がさらに形成されることを特徴とする、請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４５】
前記活性層とＰ−ＧａＮ層との間に、ＳｉＮｘクラスター層がさらに形成されることを特徴とする、請求項３７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４６】
前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎＺＧａ１−ＺＮ障壁層にドープされるインジウム含量と、前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層にドープされるインジウム含量とは、各々０＜ｘ＜０.１、０＜ｙ＜０.３５、０＜ｚ＜０.１の値を有することを特徴とする、請求項４２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４７】
基板上にバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層上にＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層を形成するステップと、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に第１の電極層を形成するステップと、
前記第１の電極層上に第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成するステップと、
前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に光を放出する活性層を形成するステップと、
前記活性層上に第１のＰ−ＧａＮ層を形成するステップと、
前記第１のＰ−ＧａＮ層上に第２の電極層を形成するステップと、
前記第２の電極層上に部分的に突出された第２のＰ−ＧａＮ層及び第３の電極層を形成するステップ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４８】
前記第１の電極層は、シリコンとインジウムとが同時にドープされるＧａＮ層であることを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４９】
前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成するステップの前後に、第１のＳｉＮｘクラスター層と第２のＳｉＮｘクラスター層とが形成されるステップを各々さらに含むことを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５０】
前記活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５１】
前記活性層をなす井戸層と障壁層とが形成されるステップ間に、ＳｉＮｘクラスター層が形成されるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５２】
前記活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層とが形成されるステップ間に、ＧａＮキャップ層が形成されるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項５０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５３】
前記活性層とＰ−ＧａＮ層とが形成されるステップ間に、ＳｉＮｘクラスター層が形成されるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５４】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層は、インジウム含量が順次変化されるスーパーグレーディング構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層で形成されることを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５５】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層は、IｎＧａＮ／IｎＧａＮ又はＩｎＧａｎ／ＡｌＩｎＧａｎ超格子構造で形成されることを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５６】
前記第２の電極層及び／又は第３の電極層は、シリコンをドープして形成されることを特徴とする、請求項５５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５７】
前記第２の電極層上に部分的に突出された第２のＰ−ＧａＮ層及び第３の電極層を形成するステップは、
前記第２の電極層上に絶縁膜を部分的に形成し、前記第２の電極層を部分的に露出させるステップと、
前記露出された第２の電極層上にＰ−ＧａＮ層及び第３の電極層を形成するステップと、
前記絶縁膜を除去するステップとを含むことを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５８】
前記部分的に突出された第２のＰ−ＧａＮ層及び第３の電極層を形成するステップの以後に、前記第２の電極層上に電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項４７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５９】
前記電極は、透過性金属酸化物又は透過性抵抗性金属で形成されることを特徴とする、請求項５８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６０】
前記透過性金属酸化物は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ及びＮｉＯの物質から選択されて形成されることを特徴とする、請求項５９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６１】
前記透過性抵抗性金属は、Ｎｉ金属を含むＡｕ合金層で形成されることを特徴とする、請求項５９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６２】
前記電極は、前記第２の電極層及び第３の電極層上に形成されることを特徴とする、請求項５８に記載の窒化物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、窒化物半導体発光素子(Light Emittiｎg Diode;ＬＥＤ)及びその製造方法に関する。
【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の光素子及びＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴ等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。特に、青色／緑色ＬＥＤは、既に量産化が進行された状態であり、全世界的な売上げは指数関数的に増加しつつある。
【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又はＳｉＣ基板上で成長する。また、低温の成長温度でサファイア基板又はＳｉＣ基板上にＡｌｙＧａ１−ｙＮの多結晶薄膜をバッファ層として成長させる。以後、高温で上記バッファ層上にドープしないＧａＮ層、シリコン(Ｓｉ)がドープしたＮ−ＧａＮ層又はこれらの混合構造で成長させてＮ−ＧａＮ層を形成する。また、上部にマグネシウム(Ｍｇ)がドープした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(量子井戸構造の活性層)は、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、結晶成長中にＭｇ原子をドープして形成するが、結晶成長中にドーピング原に注入されたＭｇ原子がＧａ位置に置換されてＰ−ＧａＮ層として作用すべきである。しかしながら、キャリアガス及びソースから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程度の高低抗体となる。
【０００５】
したがって、ＰＮ接合発光素子を形成した後、Ｍｇ−Ｈ複合体を切断してＭｇ原子をＧａの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、発光素子は、活性化工程で発光に寄与するキャリアとして作用する量は１０１７／ｃｍ３程度で、１０１９／ｃｍ３以上のＭｇ原子濃度より非常に低くて抵抗性接触形成が難しいという短所がある。
【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下げ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用さ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ず、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】
また、前述した構造の発光素子は、Ｎ−ＧａＮ層とＰ−ＧａＮ層とにバイアス電圧の印加時、電子及びホールが各々Ｎ型及びＰ型の窒化物半導体層に注入されて発光層で再結合して光を放出する。このとき、発光素子の表面上に放出される光は空気との屈折率差により、Ｐ−ＧａＮ層と接触層との界面で一部が内部に更に逆反射されて光出力を減少させるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本発明の目的は、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上でき、光出力及び信頼性を向上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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成される第１のＰ−ＧａＮ層と、前記第１のＰ−ＧａＮ層上に形成される第２の電極層と、前記第２の電極層上に部分的に突出されて形成される第２のＰ−ＧａＮ層と、前記第２のＰ−ＧａＮ層上に形成される第３の電極層とを含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記第２及び第３の電極層は、インジウム含量が順次変化されるスーパーグレーディング構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、IｎＧａＮ／IｎＧａＮ超格子構造層又はIｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造層で形成されることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第２及び第３の電極層にバイアス電圧が印加される透明電極をさらに具備し、前記透明電極は透過性金属酸化物又は透過性抵抗性金属で形成され、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＮｉＯ又はＮｉ金属を含むＡｕ合金層で形成されることを特徴とする。
【００１２】
また、前記目的を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子の他の実施形態は、基板と、前記基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成される第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成されるＰ−ＧａＮ層と、前記Ｐ−ＧａＮ層上に形成されるインジウム含量が順次変化されるスーパーグレーディング構造の第２のＮ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、前記目的を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子のさらに他の実施形態は、基板と、前記基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるインジウムがドープされるIｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層と、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に形成される第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成されるＰ−ＧａＮ層と、前記Ｐ−ＧａＮ層上に形成されるIｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａｎ超格子構造層とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、前記目的を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上にＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層を形成するステップと、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層上に第１の電極層を形成するステップと、前記第１の電極層上に第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成するステップと、前記第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に活性層を形成するステップと、前記活性層上に第１のＰ−ＧａＮ層を形成するステップと、前記第１のＰ−ＧａＮ層上に第２の電極層を形成するステップと、前記第２の電極層上に部分的に突出された第２のＰ−ＧａＮ層及び第３の電極層を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性を向上でき、光出力及び信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明による窒化物半導体発光素子の第１の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。
【００１８】
本発明による窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、基板２上にバッファ層４が形成される。ここで、バッファ層４は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ層構造、ＩｎｘＧａ１−ＸＮ／ＧａＮ積層構造及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｎ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造から選択されて形成できる。
【００１９】
また、バッファ層４上にはＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６が形成され、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層６上にはＮ型の第１の電極層が形成される。ここで、Ｎ型の第１の電極層としては、シリコンとインジウムとが同時にドープして形成されるＳｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層８が採用され得る。
【００２０】
また、Ｓｉ−Ｉｎ ｃｏ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層８上にはインジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０が形成され、第１のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０上には光を放出する活性層１２が形成される。活性層１２は、ＩｎＧａＮ井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で具備できる。その積層構造の詳細は図３を参照して後述する。
【００２１】
次に、活性層１２上には第１のＰ−ＧａＮ層１４が形成される。このとき、第１のＰ−ＧａＮ層１４にはマグネシウムをドープして形成することができる。
【００２２】
また、第１のＰ−ＧａＮ層１４上にはＮ型の第２の電極層が形成される。ここで、Ｎ型の第２の電極層としては、インジウム造成を順次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１６が採用できる。このとき、スーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６は、その造成範囲が０＜ｘ＜０.２で形成されるようにすることができる。
【００２３】
このように、本発明による窒化物半導体発光素子は、第１の電極層８と第２の電極層１６ともＮ型の窒化物で形成され、その間に第１のＰ−ＧａＮ層１４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なり、ＮＰＮ接合発光素子の構造を持つと解析することができる。
【００２４】
また、スーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６上には、部分的に凹凸構造で突出された第２のＰ−ＧａＮ層１８及び第３の電極層であるＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層２０が形成される。ここで、第２のＰ−ＧａＮ層１８及び第３の電極層２０は、第１のＰ−ＧａＮ層１４及び第２の電極層と同一又は類似な構造を有し、次のような工程を介して形成されることができる。
【００２５】
すなわち、まず、スーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６上に絶縁膜を部分的に形成し、スーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６を部分的に露出させる。露出されたスーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６上に第２のＰ−ＧａＮ層１８及びＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層２０を形成し、絶縁膜を除去する過程を介して遂行されることができる。
【００２６】
このとき、多様な形態で絶縁膜を選択的にマスキングし、第２の電極層１６上にＮ／Ｐ窒化物半導体２０、１８を選択的に多様な形態の大きさ、模様、深さ等で再成長できる。このような本発明によれば、選択的に絶縁膜でマスキングした部分を除去して発光素子の表面に屈曲(凹凸)を形成して外部量子効率を向上できる。
【００２７】
従来にはＰＮ接合発光素子の表面を部分的にエッチングし、屈曲(凹凸)形態を形成した。このようなエッチング工程技術は、Ｐ−ＧａＮ表面の損傷を発生させ、それに従う接触抵抗が増加して電流注入効果を減少させ、光出力を減少させる問題点があった。また、増加された接触抵抗により、高電流の印加時に、高い接触抵抗に従う熱発生により素子の信頼性に深刻な影響を及ぼすという問題点があった。
【００２８】
また、第２及び第３の電極層として使用されるＮ型の窒化物半導体(例えば、スーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１-ｘＮ層１６、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、電流注入を極大化できる。また、第２及び第３の電極層にバイアス電圧が印加される電極としては、透光性電極と非透過性電極とも使用できる。透光性電極としては、光出力を極大化させるために、電流拡張を極大化でき、且つ優れた光透過度を持つ透過抵抗性金属又は透過酸化金属層を使用できる。このような物質としては、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯｘ、ＩｒＯｘ及びＮｉＯ又はＮｉを含むＡｕ合金が利用されることができる。ここで、電極は、第２の電極層１６及び第３の電極層２０上に形成できる。
【００２９】
一方、図２は、本発明による窒化物半導体発光素子の第２の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。
【００３０】
図２に示す窒化物半導体発光素子２１の積層構造は、図１に示す窒化物半導体発光素子１と比較する際、第２及び第３の電極層のみが異なるため、ここでは第２及び第３の電極層のみについて説明する。
【００３１】
すなわち、本発明による窒化物半導体発光素子２１の第２の実施形態では、第２及び第３の電極層として第１及び第２のＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造層２６、３０が形成された場合を示すものである。ここで、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子構造層２６、３０には、シリコンをドープすることができる。
【００３２】
このような積層構造を形成することにより、Ｎ／Ｐ／Ｎ発光素子を形成でき、その表面に絶縁膜を用いて選択的にマスキングしてＮ／Ｐ窒化物半導体のみを再成長した後、更に絶縁層で選択的にマスキングした領域を除去して、凹凸(屈曲)を有する発光素子を製作できる。
【００３３】
また、図には示さないが、第２及び第３の電極層として第１及び第２のＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子構造層を形成でき、シリコンをドープすることもできる。
【００３４】
図３に基づき、本発明による窒化物半導体発光素子３１に採用される活性層の構造について詳細に説明する。図３は、本発明による窒化物半導体発光素子の第３の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。図３に示す積層構造のうちで、図１に基づいて説明した層(同じ符号を付ける)については、説明を省略する。
【００３５】
本発明による窒化物半導体発光素子３１には、図３に示すように、内部量子効率を増加させるために、活性層の歪を制御するインジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０が形成される。また、インジウム変動による光出力及び逆方向漏れ電流を改善させるために、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０の下部及び上部に、原子スケール形態で制御して、第１のＳｉＮｘクラスター層３３と第２のＳｉＮｘクラスター層３５とが各々さらに具備される。
【００３６】
また、光を放出する活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層で形成される単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で形成されることができる。
【００３７】
図３は、活性層として、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層３７、４３と、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層４１、４７との間にＳｉＮｘクラスター層３９、４５がさらに具備さ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。ここで、活性層の発光効率を改善するために、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層(０＜ｙ＜０.３５)／ＳｉＮｘクラスター層／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層(０＜ｚ＜０.１)で造成比を調節することもできる。また、インジウム含量が低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０との関係を考慮すれば、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層３７、４３／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層４１、４７にドープされるインジウム含量と、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１０にドープされるインジウム含量とは、各々０＜ｘ＜０.１、０＜ｙ＜０.３５、０＜ｚ＜０.１の値を有するように調節できる。
【００３８】
また、図には示さないが、活性層をなすＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層とＩｎｚＧａ１−ｚＮ障壁層との間に、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層のインジウム変動量を制御するＧａＮキャップ層が形成されることができる。このとき、光を放出する井戸層及び障壁層のそれぞれのインジウム含量は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ(０＜ｙ＜０.３５)／ＧａＮキャップ／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ(０＜ｚ＜０.1)で構成することができる。
【００３９】
また、単一量子井戸層又は多重量子井戸構造で構成された活性層の最後層を成長させた後、更にＳｉＮｘ層４９を原子スケールの厚さで成長させ、第１の Ｐ−ＧａＮ層１４のＭｇ元素の活性層内の拡散を抑制できる。
【００４０】
一方、図３では、第２の電極層としてスーパーグレーディングＮ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１６が形成された場合を示すが、第２の電極層としては、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａｎ超格子構造層又はIｎＧａＮ／IｎＧａＮ超格子構造層で形成されることもできる。
【００４１】
ここで、前述した実施形態(図１〜図３)には示さないが、第１の電極層の電極(又は電極パッド)は、窒化物半導体の第１の電極層まで部分エッチングして第１の電極層上に形成でき、第２の電極層又は第３の電極層上に形成された透明電極上に電極パッドをさらに形成できる。
【００４２】
以上で説明したように、本発明による窒化物半導体発光素子によれば、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で、従来のＰ／Ｎ接合発光素子においてＰ型の電極層として使用されるｐ−ＧａＮ層自体の高い接触抵抗による電流集中現象を改善できる。また、絶縁膜を用いてＮ／Ｐ接合層のみを選択的に再成長して、発光素子の表面に屈曲(凹凸)を形成させて外部量子効率を増加できる。
【００４３】
また、本発明による窒化物半導体発光素子は、既存のＰ−ＧａＮ表面の部分エッチングにより発生する表面損傷と、それに従う動作電圧とを減少させ、発光素子の外部量子効率を増加させ、再成長を介して優れた結晶性を有する発光素子を作って内部量子効率を根本的に向上させた(Ｎ／Ｐ／)Ｎ／Ｐ／Ｎ接合発光素子である。
【００４４】
また、本発明による窒化物半導体発光素子は、第１の電極層及び第２の電極層がＮ型の窒化物半導体で構成される。特に、第２の電極層の接触抵抗を改善した構造で光出力を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によ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でき、光出力及び信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による窒化物半導体発光素子の第１の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。
【図２】本発明による窒化物半導体発光素子の第２の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。
【図３】本発明による窒化物半導体発光素子の第３の実施形態の積層構造を概略的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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