(57)【要約】【課題】窒化物半導体発光素子をなす結晶欠陥を減少させ、活性層の結晶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案する。【解決手段】本発明は、基板２０１と、基板２０１の上に形成された第１バッファ層２０３と、第１バッファ層２０３の上に形成されたＩｎ含有第２バッファ層２０５と、第２バッファ層２０５の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層２０９と、第３バッファ層２０９の上に形成された第１窒化物半導体層２１１と、第１窒化物半導体層２１１の上に形成された活性層２１５と、活性層２１５の上に形成された第２窒化物半導体層２１７とが含まれる窒化物半導体発光素子を提示するものであって、本発明によれば、窒化物半導体発光素子をなす結晶欠陥がより抑制されて活性層の結晶性が向上し、全体として発光素子の光出力及び動作信頼性が向上する長所がある。【選択図】図２
2008526012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、
前記第３バッファ層の上に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の上に形成された活性層と、
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３バッファ層の上に形成されたＩｎ−ｄｏｐｅｄ窒化物半導体層が更に含まれる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、及びＡｌＩｎＮ／ＡｌＮの積層構造中から選択される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バッファ層は単結晶で成長される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３バッファ層は単結晶で成長され、含まれるインジウム含量が順次に減少される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】
前記第１窒化物半導体層は、シリコン／インジウム、またはシリコン／アルミニウムがドーピングされたｎ−ＧａＮ層である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７】
前記第１窒化物半導体層は、デルタドーピングされたｎ−ＧａＮ層である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８】
前記第１窒化物半導体層と前記活性層との間にインジウム含量が１〜５％であるlow mole窒化物半導体層が更に形成される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】
前記活性層は、井戸層と障壁層構造の単一量子井戸層または多重量子井戸層から構成され、前記井戸層と障壁層との間にはＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されるされる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１０】
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層より高い温度で成長される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】
前記第２バッファ層は、インジウム含量が１０％未満である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】
前記第３バッファ層は、前記第２バッファ層より成長温度の高い単結晶ＩｎＧａＮ層である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】
前記第３バッファ層は、成長温度が線形的に増加することを特徴とする請求項１２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、周期的にドーピングされた物質の濃度が異なるようにドーピングされたデルタドーピングで形成され、マグネシウム及び／またはアルミニウムがデルタドーピングされたｐ−ＧａＮ層である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１窒化物半導体層はｎ型の第１電極接触層であり、前記第２窒化物半導体層はｐ型の第２電極接触層である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１６】
基板と、
前記基板の上に形成された第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、
前記第３バッファ層の上に形成されたＩｎ−ｄｏｐｅｄ窒化物半導体層と、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ窒化物半導体層の上に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層の上に形成された第３窒化物半導体層が含まれることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記第３窒化物半導体層はｎ−ＩｎＧａＮ層で形成され、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、ＳＧ）構造で形成されることを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記第３窒化物半導体層の上には透明電極が更に形成されることを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記透明電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、どれか１つで形成されることを特徴とする請求項１８記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第１バッファ層の成長温度より前記第２バッファ層の成長温度が高いことを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第３バッファ層の成長温度は、前記第２バッファ層の成長温度より高くて、成長温度が線形的に増加することを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記第１窒化物半導体層はｎ型の第１電極接触層であり、前記第３窒化物半導体層はｎ型の第２電極接触層であることを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
基板の上に第１バッファ層を形成する段階と、
前記第１バッファ層の上にＩｎ含有第２バッファ層を形成する段階と、
前記第２バッファ層の上にＩｎ含有第３バッファ層を形成する段階と、
前記第３バッファ層の上にＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層を形成する段階と、
前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層の上に第１窒化物半導体層を形成する段階と、
前記第１窒化物半導体層の上に活性層を形成する段階と、
前記活性層の上に第２窒化物半導体層を形成する段階と、
が含まれる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２４】
前記第２窒化物半導体層の上に第３窒化物半導体層を形成する段階が更に含まれることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記第２バッファ層は単結晶で成長され、前記第１バッファ層の成長温度より高い温度で成長されることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記第１バッファ層が成長される温度は５００〜６００℃であり、前記第２バッファ層が成長される温度は７５０〜８５０℃であることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２７】
前記第２バッファ層に含まれるインジウム含量は１０％より少ないことを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２８】
前記第３バッファ層は単結晶で成長され、含まれるインジウム含量が順次に減少するように形成されることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２９】
前記第３バッファ層の成長温度は、前記第２バッファ層の成長温度より高くて、前記Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層の成長温度まで線形的に上昇されることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３０】
前記第１バッファ層を形成させた後、前記第１バッファ層が形成された成長温度より温度を更に上昇させた温度で、前記第１バッファ層を再結晶化させる段階を更に含むことを特徴とする請求項２３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１窒化物半導体層は、周期的にドーピングされた物質の濃度が異なるようにドーピングされたデルタドーピングで形成され、シリコン／インジウム、またはシリコン／アルミニウムがデルタドーピングされるｎ−ＧａＮ層であることを特徴とする請求項２３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１窒化物半導体層と前記活性層との間にインジウム含量が１〜５％であるｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２３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窒化物半導体層は、周期的にドーピングされた物質の濃度が異なるようにドーピングされたデルタドーピングで形成され、マグネシウム、またはアルミニウム、またはマグネシウム／アルミニウムがデルタドーピングされたｐ−ＧａＮ層で形成されることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３４】
前記第３窒化物半導体層は、ｎ−ＩｎＧａＮ層で形成され、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構造で形成されることを特徴とする請求項２３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３５】
基板と、
前記基板の上に形成された第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に、前記第１バッファ層の成長温度より高い温度で形成された  第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、
前記第３バッファ層の上に形成される第１電極接触層と、
前記第１電極接触層の上に形成される活性層と、
前記活性層の上に形成される第２電極接触層と、
が含まれることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項３６】
前記第１バッファ層は高温で再結晶化されることを特徴とする請求項３５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３７】
前記第３バッファ層は、Ｉｎ含量が順次に変化されるように成長温度が線形的に増加されることを特徴とする請求項３５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し、より詳しくは、光出力と動作信頼性が向上する窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な窒化物半導体発光素子の概略的な積層構造及びその製造方法に対して説明する。
【０００３】
図１は、一般的な窒化物半導体発光素子の断面図である。
【０００４】
図１を参照すれば、従来の窒化物半導体発光素子には、基板１０１、バッファ層１０３、ｎ−ＧａＮ層１０５、活性層１０７、及びｐ−ＧａＮ層１０９が含まれる。
【０００５】
ここで、基板１０１、例えばサファイア基板とｎ−ＧａＮ層１０５の格子定数、及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、低温で非晶質の結晶相を有するＧａＮ系、またはＡｌＮ系窒化物がバッファ層１０３として形成される。
【０００６】
そして、シリコンが１０１８／ｃｍ３位のドーピング濃度でドーピングされたｎ−ＧａＮ層１０５を高温で第１電極接触層として形成する。以後、また成長温度を低めて活性層１０７を形成し、成長温度をまた増加させてマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−ＧａＮ層１０９を形成する。
【０００７】
このような積層構造を有する窒化物半導体発光素子は、第１電極接触層としてｎ−ＧａＮ層１０５が利用され、第２電極接触層としてｐ−ＧａＮ層１０９が利用されるｐ−／ｎ−接合発光素子構造で構成される。そして、第２電極接触層のドーピング形態によって、その上部に形成される第２電極物質が制限されるが、従来には第２電極物質は高い抵抗成分を有するｐ−ＧａＮ層１０９との接触抵抗を減少させ、電流拡散（current spreading）を向上させるためにＮｉ／Ａｕ合金形態の薄い透過性抵抗性金属が使われた。
【０００８】
このような従来のｐ−／ｎ−接合発光素子の製作技術は、サファイア基板とＧａＮ窒化物半導体との格子定数及び熱膨張係数の差により発生される結晶欠陥を抑制させるために、低温のＧａＮ系またはＡｌＮ系のバッファ層を適用して〜１０８／ｃｍ３位の結晶欠陥密度を有するＧａＮ窒化物半導体が得られた。しかしながら、発光素子の発光出力を高めて、ＥＳＤ（electro-static discharge）などに対する発光素子の信頼性を向上させるために、より低い結晶欠陥を有するＧａＮ窒化物半導体の成長が要求されている。
【０００９】
このような問題を解決するために、絶縁膜または高融点の金属を利用した‘lateral overgrowth’または‘pendeo-growth’方法など、種々の成長方法が適用されて、最小〜１０７／ｃｍ３まで結晶欠陥密度を減少させることができた。
【００１０】
しかしながら、このような成長方法は製造技術で要求される複雑性の問題を有しており、またＧａＮ基板の適用により効果的に結晶欠陥を抑制させることができるが、まだ技術や価格の点で大量生産に適用されるまでは継続的な研究開発が要求されている。
【００１１】
前述したような結晶欠陥の発生原因及びそれによる問題点をより詳細に説明する。まず、低温で非晶質のＧａＮ系、またはＡｌＮ系バッファ層を適用した場合、高温で再結晶化させれば‘poly-like’結晶相を形成することになる。これによって、初期ＧａＮ系窒化物半導体の表面状態が非常に粗くて、平坦度もよくないが、成長が続くほど垂直的成長が優先してから、２次元的成長が優先しながら良質の窒化物半導体が得られることになる。この際、成長初期の垂直的成長過程において、即ちＧａＮ島（island）との融合の境界面で結晶欠陥が形成される。結晶欠陥の形態は、発光素子の表面まで伝播される‘threading dislocation’と‘screw dislocation’、‘line dislocation’、‘point defect’、または‘mixture’など、多様な形態で形成されて素子の信頼性に相当な影響を及ぼすことになる。
【００１２】
特に、‘threading dislocation’は、サファイア基板から発光素子の表面まで伝播されるが、この過程で光を放出する活性層を透過することによって、今後、漏洩電流などの電流通路（current path）となる。例として、ＥＳＤなどのような高電圧が瞬間的に印加される際、活性層が破壊されたり光出力の低下などのような問題点が発生することによって、信頼性に莫大な影響を及ぼす根本的な原因を提供する。
【００１３】
前述した原因により、発光素子の光出力及び信頼性を効果的に向上させるためには、根本的にサファイア基板から伝播される結晶欠陥を最小化する結晶成長方法が必ず要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述した問題点を解消するために、本発明は窒化物半導体発光素子をなす結晶欠陥を減少させ、活性層の結晶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案する。
【００１５】
また、発光素子の光出力及び動作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案する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された第１バッファ層と、第１バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第２バッファ層と、第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、第３バッファ層の上に形成された第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第２窒化物半導体層とが含まれる。
【００１７】
更に他の側面による本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された第１バッファ層と、第１バッファ層の上に、第１バッファ層の成長温度より高い温度で形成された第２バッファ層と、第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、第３バッファ層の上に形成される第１電極接触層と、第１電極接触層の上に形成される活性層と、活性層の上に形成される第２電極接触層と、が含まれる。
【００１８】
他の側面による本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された第１バッファ層と、第１バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第２バッファ層と、第２バッファ層の上に形成されたＩｎ含有第３バッファ層と、第３バッファ層の上に形成されたＩｎ−ｄｏｐｅｄ窒化物半導体層と、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ窒化物半導体層の上に形成された第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第２窒化物半導体層と、第２窒化物半導体層の上に形成された第３窒化物半導体層が含まれる。
【００１９】
更に他の側面による本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上に第１バッファ層を形成する段階と、第１バッファ層の上にＩｎ含有第２バッファ層を形成する段階と、第２バッファ層の上にＩｎ含有第３バッファ層を形成する段階と、第３バッファ層の上にＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層を形成する段階と、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層の上に第１窒化物半導体層を形成する段階と、第１窒化物半導体層の上に活性層を形成する段階と、活性層の上に第２窒化物半導体層を形成する段階と、が含まれる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子の結晶欠陥が低減し、活性層の結晶性が向上し、発光素子の光出力及び信頼性が向上する長所が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付した図面を参照しつつ本発明に係る実施形態をより詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。
【００２３】
図２を参照すれば、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板２０１、第１バッファ層２０３、第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５、第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０９、ｎ−ＧａＮ層２１１、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２１３、活性層２１５、ｐ−ＧａＮ層２１７、及びｎ−ＩｎＧａＮ層２１９を含んで構成される。
【００２４】
前述した各層に対してより詳細に説明すれば、まず、基板２０１は、例えばサファイア基板の上に５００~６００℃に達する低温の成長温度で第１バッファ層２０３を成長させた。ここで、第１バッファ層２０３は、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ積層構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮ積層構造、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ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。そして、第１バッファ層２０３を高温の成長温度で再結晶化させる工程を遂行した。
【００２５】
次に、前記第１バッファ層２０３の成長温度より高い成長温度で、例えば、７５０〜８５０℃の温度範囲でインジウム含量が１０％未満である第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５を成長させた。そして、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０９を成長させるための成長温度に温度を線形的に変化させる間、第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５と同一なインジウム含量の第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７を成長させた。言い換えると、第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７は、第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５の成長温度でＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０９の成長温度に温度が上昇する中に成長される。
【００２６】
以後、高温の成長温度で、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０９を成長させ、第１電極接触層として使われるシリコン−インジウム（Ｓｉ−Ｉｎ）元素が同時ドーピングされたｎ−ＧａＮ層２１１を成長させた。この際、ｎ−ＧａＮ層２１１を成長させるにあって、シリコン−アルミニウム元素が同時ドーピングされるように形成することができる。また、ｎ−ＧａＮ層２１１を形成するにあって、シリコン−インジウム元素、またはシリコン−アルミニウム元素をデルタドーピング（delta doping）して形成することができる。ここで、デルタドーピングとは、周期的にドーピングされた物質の濃度が異なるようにドーピングされた状態を意味する。デルタドーピングは、ｎ−ＧａＮ層を成長させるために投入されるシリコン−インジウム元素、またはシリコン−アルミニウム元素で例示される投入物質の流量を調節する方法を通じて容易に具現することができる。
【００２７】
また、本発明では、活性層２１５の内部量子効率（internal quantum efficiency）を増加させるために活性層２１５の成長前に、活性層２１５の応力（strain）を制御できるようにインジウム含量の低いｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２１３を成長させた。ここで、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２１３を成長させるにあって、含まれるインジウムの含量は５％未満になるようにしたし、より具体的には１〜５％範囲内で調節するようにした。また、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２１３を成長させるにあって、その厚みは１００〜３００Å範囲内で形成されるようにした。
【００２８】
以後、希望する波長帯域の光を放出する活性層２１５に、井戸層／障壁層を一周期にするＩｎｘＧａ１−ｘＮ（１５〜３５％）／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（５％未満）構造の単一量子井戸層（single quantum well）、または多重量子井戸層（multi quantum well）を成長させた。ここで、図示してはいないが、井戸層と障壁層との間にはＳｉＮｘクラスタ層が更に形成されるようにすることができ、これは原子尺度で形成され、活性層２１５の発光効率を増進させる役割を遂行することになる。
【００２９】
以後、成長温度を増加させてｐ−ＧａＮ層２１７を成長させた。ｐ−ＧａＮ層２１７は周期的にドーピングされた物質の濃度が異なるようにドーピングされたデルタドーピングで形成され、マグネシウム、またはアルミニウム、またはマグネシウム／アルミニウムがドーピング物質として例示されることができる。次に、第２電極接触層として使われるｎ−ＩｎＧａＮ層２１９を成長させ、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１９はインジウム含量を順次に制御したスーパーグレーディング（super grading）構造で成長させることができる。
【００３０】
前記のように本発明ではバッファ層２０３、２０５、２０７の構造及びその成長方法に関して、その特徴があり、以下にこれを詳細に説明する。
【００３１】
まず、バッファ層２０３、２０５、２０７の成長過程は、低温で成長された第１バッファ層２０３、例えば、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多重バッファ層で形成される結晶欠陥を抑制するために、第１バッファ層２０３を高温で再結晶化させ、第１バッファ層２０３より高い成長温度で結晶性を有する５００Å未満の薄い第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５を成長させた。そして、またＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０９を成長させるために高温で成長温度を線形的に変化させる過程で結晶性を有する第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７を線形的に成長させた。
【００３２】
このようなバッファ層の構造によれば、第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５及び第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７の成長を通じて、基板２０１、例えばサファイア基板で形成される‘threading dislocation’などのような結晶欠陥が発光素子の表面まで伝播されることを防止できることになる。即ち、第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５及び第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７の格子定数及びエネルギーバンドギャップ（energy bandgap）の調節により、応力（strain）発生が抑制できることになる。
【００３３】
そして、以後に成長されるｎ−ＧａＮ層２１１と活性層２１５の結晶欠陥を効果的に抑制して発光素子の性能を向上させることができる。
【００３４】
前述のような本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法において、バッファ層の結晶成長過程をより詳細に説明する。
【００３５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子に適用される第１バッファ層２０３は、ＧａＮ系窒化物半導体を成長させるために高温の成長温度で再結晶化を遂行することになり、再結晶化過程で非晶質の結晶相からポリ（poly）結晶相に相変移がなされる。このような相変移が進行された第１バッファ層２０３の上に成長されるＧａＮ系窒化物半導体は、島（island）間の融合過程を通じて結晶成長がなされるが、この際、第１バッファ層２０３の成長温度による厚みによって高温の再結晶化過程で相変移形態が変化されて表面の応力（strain）及び平坦度の差によってＧａＮ系窒化物半導体の初期成長モード（mode）を結晶することになる。
【００３６】
ここで、ＧａＮ系窒化物半導体の初期成長モード（mode）での島（island）間の融合過程において、垂直的成長モード（mode）で厚みが増加するほど全体的に水平的成長モードが優先することになる。この際、島（island）間の融合過程で垂直的成長モード（mode）形態が優先することになるが、この際、融合過程の境界（boundary）で‘threading dislocation’のような結晶欠陥が形成されて活性層を透過して発光素子の表面まで進行される。
【００３７】
このような初期結晶欠陥を効果的に抑制及び減少させるために、本発明では、第１バッファ層２０３を高温で再結晶化させた後、第１バッファ層２０３より高い成長温度で第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５を成長させ、次に、成長温度の変化を線形的に変化させながら第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７を成長させた。これによって、平坦度及び粗い多結晶（poly）の結晶相を有するバッファ層の表面を改善し、膨脹応力（tensile strain）を受けるＧａＮ系窒化物半導体の応力（stress）を抑制して良質の結晶相を有するＧａＮ系窒化物半導体を成長させて光出力及び信頼性の優れる性能を有する発光素子が得られることになる。
【００３８】
一方、本発明による窒化物半導体発光素子は、ｎ−／ｐ−／ｎ−接合構造を形成することになる。そして、このような発光素子の第２電極物質は、形成されるＧａＮ系窒化物半導体のドーピング上、またはエネルギーバンドギャップ差により結晶される。本発明に係る発光素子の第２電極接触層であるｎ−ＩｎＧａＮ層２１９は、電流注入効果（current spreading effect）を増加させるためにインジウム含量を線形的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（super grading）構造である。これによって、第２電極物質は透過性酸化物と透過性抵抗性金属が使われることができる。その具体的な例としては、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯなどのような物質が使われることができる。
【００３９】
このような構成を有する発光素子は、従来技術による発光素子に比べて光出力を３０〜５０％以上向上させることができ、信頼性も向上させることができる長所を持っている。
【００４０】
以下、図３および図４はバッファ層の形成過程を説明する図であって、同図面を参照しつつ本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法の特徴に対してより詳細に説明する。
【００４１】
図３は従来の窒化物半導体発光素子の製造方法による段階別温度変化を説明するための図であり、図４は本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法による段階別温度変化を説明するための図である。
【００４２】
一般に、ＧａＮ系窒化物半導体を利用した発光素子のバイアス印加の時、順方向領域で、光出力、寿命、そして逆方向領域で、特に、低電流で、漏洩電流、高電圧による静電気（electro static discharge、ESD-human body mode）などのような要素が信頼性評価資料として活用される。このような信頼性評価時、否定的な結果に影響を及ぼす根本的な原因として結晶欠陥が指摘されている。例えば、サファイア基板との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する‘threading dislocation’のような結晶欠陥が発光素子の表面まで伝播されて〜１０８／ｃｍ３以上の結晶欠陥を有することになることで、発光素子の信頼性に悪い影響を及ぼすことになる。本発明では、このような結晶欠陥が伝播されることを防止するバッファ層を提示することを特徴としている。
【００４３】
図３を参照すれば、従来にはサファイア基板の上に低温の成長温度で非晶質のＧａＮバッファ層を成長させる段階（（１）参照）と、単結晶のＧａＮ系窒化物半導体を成長させるために成長温度を線形的に増加させる段階（（２）参照）、以後ＧａＮ系窒化物半導体を成長させる段階（（３）参照）とに区分される。
【００４４】
このような従来方式は、高温の成長温度で線形的に増加（ramp-up）させる過程（（２）参照）でバッファ層の再結晶化が進行され、非晶質結晶相を含む多結晶質の結晶相で相変移がなされた表面上にＧａＮ核生成がなされる。そして、島（island）が生成され、このような島（island）の３次元成長モード（mode）が優先しながら融合過程を通して全体的に‘C-axis’が優先する２次元成長モード（mode）で成長がなされる。特に、島（island）間の融合過程で３次元成長モード（mode）が優勢な場合、その境界面上で‘threading dislocation’のような結晶結合が形成され、２次元成長が優勢な臨界厚み（critical thickness）以上で表面に点欠陥密度（point defect density）により単結晶ＧａＮ系窒化物半導体の結晶性が決定される。
【００４５】
また、結晶性に大きい影響を及ぼす成長因子の中で、低温のＧａＮバッファ層の成長条件に依存すれば、そのグレーン大きさ（grain size）及び平坦度（roughness）の差によって結晶性を有するＧａＮ系窒化物半導体の応力（strain）差を発生させる。このような背景下で、サファイアの格子定数がＧａＮ系窒化物半導体の格子定数より大きいため、初期ＧａＮ系窒化物半導体は、圧縮応力（compressive strain）を直接的に受けることになり、つまり、形成される結晶欠陥の密度を抑制させることができなくなる。
【００４６】
これに反して、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、図４に示すように、既存のＧａＮ系窒化物半導体が受ける圧縮応力を制御するための特定の製造方法が提示されている。
【００４７】
詳細には、図４を参照すれば、第１バッファ層を成長させた後（（１）参照）、第１バッファ層を高温で再結晶化させて（（２）参照）、サファイア基板により発生する圧縮応力を制御するために第１バッファ層より成長温度の高い温度で第２のＩｎＧａＮバッファ層を成長させて相対的にサファイア基板のように膨脹応力（tensile strain）を有するように制御する（（３）参照）。そして、成長温度が線形的に増加（ramp-up）する過程で第２のＩｎＧａＮバッファ層が受ける膨脹応力を弛緩（relaxation）させるために第３のＩｎＧａＮバッファ層を線形的に成長させる（（４）参照）。前述したように、４つの段階を経ながら本発明の発光素子の多重バッファ層が成長される。
【００４８】
以後、ＧａＮ系窒化物半導体を引続き成長させる段階が遂行される（（５）参照）。
【００４９】
本発明によれば、第３のＩｎＧａＮバッファ層２０７の初期成長時に第２のＩｎＧａＮバッファ層２０５のインジウム含量が５％未満であるので、成長温度の増加によってインジウム含量は線形的に減少する。つまり、ＧａＮ系窒化物半導体のような結晶相を有し、それによる応力（strain）程度も自然と制御される。即ち、第３のＩｎＧａＮバッファ層は、成長温度によってエネルギーバンドギャップを制御する方法であって、第２及び第３のＩｎＧａＮバッファ層は既に単結晶の結晶相を含むことになる。
【００５０】
説明するように、多重バッファ層によって結晶欠陥がより抑制され、活性層の光出力がより増大する長所が得られる。
【００５１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子として活性層の下部に第１電極接触層としてｎ−ＧａＮ層を形成し、活性層の上部にｐ−ＧａＮ層を形成し、最上層に第２電極層としてｎ−ＩｎＧａＮ層を形成することによって、ｎ−／ｐ−／ｎ−接合構造を有する場合に対して説明した。しかしながら、図示してはいないが、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法上の特徴である第１、第２、及び第３バッファ層を形成させる工程を適用して、活性層の下部に第１電極接触層としてｎ−ＧａＮ層を形成し、活性層の上部に第２電極接触層としてｐ−ＧａＮ層を形成することによって、ｐ−／ｎ−接合構造を有する窒化物半導体発光素子も容易に具現することができる。
【００５２】
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結晶欠陥がより抑制されて活性層の結晶性が向上し、全体的に発光素子の光出力及び動作信頼性が向上する長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一般的な窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図３】バッファ層の形成過程を説明する図であって、図３は従来の窒化物半導体発光素子の製造方法による段階別温度変化を説明するための図である。
【図４】バッファ層の形成過程を説明する図であって、図４は本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法による段階別温度変化を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５４】
２０１  基板、２０３  第１バッファ層、２０５  第２のＩｎＧａＮバッファ層、２０７  第３のＩｎＧａＮバッファ層、２０９  Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、２１１  ｎ−ＧａＮ層、２１３  ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層、２１５  活性層、２１７  ｐ−ＧａＮ層、２１９  ｎ−ＩｎＧａＮ層２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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