(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、光出力及び信頼性を向上させる。【解決手段】本発明は、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造の第１窒化物半導体層２０７と、第１窒化物半導体層２０の上に形成されて光を放出する活性層２１１と、活性層２１１の上に形成された第２窒化物半導体層２１３と、第２窒化物半導体層２１３の上に形成された第３窒化物半導体層２１５が含まれる窒化物半導体発光素子に関するものであって、本発明によれば、窒化物半導体発光素子をなす活性層の結晶性が向上し、光出力及び信頼性が向上する長所がある。【選択図】図２
2008526013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造の第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て光を放出する活性層と、
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２】
前記第１窒化物半導体層は第１電極接触層であり、前記第３窒化物半導体層はｎ−ＩｎＧａＮの第２電極接触層として提供されて、ｎ−／ｐ−／ｎ−型の接合構造をなす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は、
基板と、前記基板の上側に提供されるバッファ層が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４】
前記バッファ層の上にはインジウムドーピングされた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３記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
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の積層構造の中から選択される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６】
前記第１窒化物半導体層は、前記バッファ層より成長温度が高い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窒化物半導体層をなす前記ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造において、ＡｌＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層がなす超格子構造の一周期の厚みは２５０〜５００Å範囲内で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８】
前記第１窒化物半導体層をなすＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造の一周期の厚みは３００〜５５０Å範囲内で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】
前記第１窒化物半導体層の全厚みは１〜２μｍで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１０】
前記第１窒化物半導体層をなすＡｌＧａＮ層は、不純物ドーピングのない層であり、Ａｌ組成は０．０５〜０．３（１基準）で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１１】
前記第１窒化物半導体層をなすＡｌＧａＮ層の厚みは１０〜２００Å範囲内で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１２】
前記第２窒化物半導体層はｐ型窒化物半導体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１窒化物半導体層をなすＧａＮ層は不純物ドーピングのない層であり、厚みは１０〜２００Å範囲内で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１４】
前記第１窒化物半導体層をなす前記ｎ−ＧａＮ層はシリコンまたはシリコン−インジウムが同時ドーピング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１５】
前記第１窒化物半導体層をなす前記ｎ−ＧａＮ層の厚みは２００〜５００Å範囲内で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１６】
前記第１窒化物半導体層をなす前記ｎ−ＧａＮ層のドーピング濃度は１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１８／ｃｍ３範囲内で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１７】
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含有窒化物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１８】
前記ｌｏｗ ｍｏｌｅ Ｉｎ含有窒化物層は螺旋形で、かつ１００〜３００Åの厚みを有することを特徴とする請求項１７記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
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で構成され、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２０】
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１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
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１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
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、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２１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造で第１電極接触層になる第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光を出力する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、
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２４】
前記第２窒化物半導体層の上に第２電極接触層が形成される第３窒化物半導体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】
前記第１窒化物半導体層の全厚みは１〜２μｍ範囲内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１窒化物半導体層をなすＡｌＧａＮ層は、不純物ドーピングのない層であり、Ａｌ組成は０．０５〜０．３（１基準）で形成され、その厚みは１０〜２００Å範囲内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２８】
前記第１窒化物半導体層をなすＧａＮ層は、不純物ドーピングのない層であり、その厚みは１０〜２００Å範囲内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２９】
前記第１窒化物半導体層をなすｎ−ＧａＮ層のドーピング濃度は１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１８／ｃｍ３範囲内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３０】
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含有窒化物層が形成され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３１】
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で構成され、前記井戸層と障壁層との間にはＳｉＮｘクラスタ層が形成され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。
【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、より詳しくは発光素子の内部活性層の結晶性を向上させ、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の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図面を参照して説明すれば次の通りである。
【０００３】
図１は、従来の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】
詳細には、バッファ層１０３は、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って発生する結晶欠陥を最小化させるために提供されるものであって、低温で非晶質の結晶相を有するＧａＮ系、またはＡｌＮ系窒化物で形成される。バッファ層１０３が形成された後には、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電極接触層で形成する。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。
【０００６】
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。
【０００７】
また、前記第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電極物質は制限される。例えば、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る。そして、第１電極接触層として使われるｎ−ＧａＮ層１０５は、非晶質の結晶性を有するバッファ層１０３より一般的に成長温度が高く、その厚みの厚い単結晶構造で構成される。特に、従来のｐ−／ｎ−接合発光素子構造において、第１電極接触層として使われるｎ−ＧａＮ層１０５は、１０１８／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３範囲のシリコンがドーピングされた構造であり、低温の非晶質の結晶性を含む多結晶質のＧａＮまたはＡｌＮ系バッファ層１０３より厚い５μｍ以内の厚みで成長して結晶性を制御している。
【０００８】
第１電極接触層として使われるｎ−ＧａＮ層１０５は、電気伝導性（electrical conductivity）の特性を持っており、シリコンドーピング濃度の増加によって線形的に抵抗が減少されて順方向バイアス印加時、動作電圧が減少される特性がある。しかしながら、これと反対に逆方向バイアス印加時には破壊電圧（breakdown voltage、Ｖｂｒ）が減少されて、つまり漏洩電流が増加されて時間が経過するにつれて光出力が低下して発光素子の寿命（lifetime）に影響を及ぼすことになる短所がある。
【０００９】
また、そのドーピング濃度を調節するにあって、２μｍ、１０１９／ｃｍ３以上にドーピングさせた場合（heavily doping）、極限のストレーン（strain）が形成されて、結局ｎ−ＧａＮ層１０５自体で破れ現象が発生される。そして、シリコンドーピング濃度が増加するほどｎ−ＧａＮ層１０５の表面に点欠陥（point defect）が増加することになる。これによって、続いて成長される光を発光する発光層である活性層１０７にも影響を及ぼすことになり、結局順方向及び逆方向バイアス印加の際、電流流れ通路（current pathway）として作用して漏洩電流を増加させる原因として作用する。このような性能を有する発光素子は、結局信頼性を制限されることになる。
【００１０】
また、従来技術に係る窒化物半導体発光素子は、サファイア基板から発生されて表面まで伝播される‘threading dislocation’と、‘screw dislocation’、‘line dislocation’、‘point defect’、‘mixture’などのような結晶欠陥（crystal defect）を持っている。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、このような伝播過程で光を放出する活性層を透過することになる。これは、今後、漏洩電流などの電流通路（current path）となり、ＥＳＤ（Electro Static Discharge）などのように高電圧が瞬間的に印加される際、活性層の破壊や光出力の低下のような信頼性に莫大な影響を及ぼす根本的な原因を提供することになる問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前述した問題点を改善するために、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、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である。
【００１２】
また、第１電極接触層の構造及びその製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造の第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て光を放出する活性層と、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。
【００１４】
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、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造で第１電極接触層となる第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光を出力する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を含む。
【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させ、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。
【００１６】
また、超格子構造の第１電極接触層により、相対的に低いシリコンドーピング濃度でも均一に安定した動作電圧を得ることができ、特に逆方向バイアス動作で破壊電圧が増加され、それによる漏洩電流が減少して発光素子の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】
【００１７】
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詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図２は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施形態の積層構造の断面図である。
【００１９】
図２を参照すれば、第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、基板２０１、バッファ層２０３、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０５、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２０９、活性層２１１、ｐ−ＧａＮ層２１３、ｎ−Ｉｎ ＧａＮ層２１５が含まれる。
【００２０】
発光素子の構成に対してより詳細に説明すれば、基板２０１、例えばサファイア基板上に５００〜６００℃台の低温成長温度でバッファ層２０３を成長させた。ここで、バッファ層２０３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の積層構造の中から選択されて形成されることができる。
【００２１】
以後、バッファ層２０３を高温の成長温度で再結晶化させ、同一温度でＩｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０５を２μｍ以下に成長させた。次に、第１電極接触層として使われるＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７を全厚み２μｍ以下に成長させて形成した。
【００２２】
ここで、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７は、ドーピングされない状態で１００Å以下に成長され、Ａｌ組成は２０％を有するＡｌＧａＮ層と、シリコンがドーピングされ、３００Å以下の厚みを有するｎ−ＧａＮ層の超格子構造で形成される。また、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７は、ＡｌＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層で構成される一周期を４００Å以下に成長させ、その周期に繰り返して成長させて全厚みが２μｍ以下に形成されるようにする。
【００２３】
また、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７は、相対的に低温で形成されたバッファ層２０３より各々のＡｌＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層の厚みが小さく、ｎ−ＧａＮ層のみにシリコンドーピングを行う構造で形成される。
【００２４】
また、本発明では、活性層２１１の内部量子効率（internal quantum efficiency）を増加させるために、活性層２１１成長前、活性層２１１のストレーン（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２０９を成長させた。ここで、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２０９を成長させるにあって、含まれるインジウムの含量は５％未満になるように調節した。また、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２０９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。そして、希望する波長帯域の光を放出する活性層２１１には、井戸層／障壁層を一周期にするＩｎｘＧａ１−ｘＮ（Ｉｎ含量１５〜３５％）／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（Ｉｎ含量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Ｓｉ−ｄｅｌｔａドーピング方法より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２１１の発光効率を増進させる役割を遂行することになる。
【００２５】
以後、成長温度を増加させて、ｐ−ＧａＮ層２１３を成長させた。次に、第２電極接触層として使われるｎ−ＩｎＧａＮ層２１５を成長させ、この際、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１５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。
【００２６】
前記のような積層構造を有する窒化物半導体発光素子によれば、ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７は、界面上で２次元的な電子井戸層（２ＤＥＧ：2 Dimensional electron gas）を形成し、印加されたバイアス下で均一な電流の流れを有することになる。これによって、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、均一な動作電圧（forward voltage、ＶＦ）を表す。
【００２７】
また、サファイア基板で形成される‘threading dislocation’を抑制して、その結晶性を向上させることができる長所を持っている。
【００２８】
また、本願発明に係る窒化物半導体発光素子は、外部環境で、human body modeのＥＳＤ（electro static discharge）高電圧印加の際、２次元的な電子井戸層により効果的に電流拡散（current spreading）が遂行されることによって、高耐静電圧を有する長所がある。
【００２９】
一方、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ−／ｐ−／ｎ−接合構造の発光素子を形成するが、第２電極接触層として使われるｎ−ＩｎＧａＮ層２１５上に形成される第２電極物質は、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１５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決定される。ところが、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１５は、前述したように電流注入効果（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）構造であるので、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。
【００３０】
このような構成を有する発光素子は、従来の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。
【００３１】
以下、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法に対してより詳細にその実施形態を説明する。
【００３２】
まず、サファイア基板２０１の上に高温で水素（Ｈ２）キャリヤガスのみを供給してサファイア基板自体を洗浄（cleaning）する。以後、成長温度を５４０℃に減少させる過程でＮＨ３ソースガスを注入してサファイア基板自体を窒化処理（nitridation）し、この際、例としてその処理時間は７分にすることができる。
【００３３】
以後、第１ＡｌＩｎN／第１ＧａＮ／第２ＡｌＩｎN／第２ＧａＮ構造で構成されるバッファ層２０３を約５００Å位に成長した。そして、成長温度を６分間１０６０℃まで増加させ、また２分間低温のバッファ層をＮＨ３ソースガス及び水素（Ｈ２）キャリヤガスが混合した雰囲気下で再結晶化（re-crystallization）し、同じ成長温度で約２μｍ厚みを有するインジウム（indium）がドーピングされた単結晶Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０５を成長する。
【００３４】
そして、成長温度を１０３０℃に減少させた後、ドーピングしない５０Åの厚みで、Ａｌ含量を約１０％程度に含むＡｌＧａＮ層と、シリコンが多量ドーピングされた（heavily doped）２５０Å厚みを有するｎ−ＧａＮ層を成長させた。この際、前記Ａｌ含量は０．０５〜０．３（１基準）になるようにすることができ、その厚みは１０〜２００Å範囲内で形成することができる。このように、３００Å厚みの一周期で構成されるＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造２０７を４０周期に積層形成して１μｍでＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層を成長させて第１電極接触層として使用した。
【００３５】
前記ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子構造を有する第１電極接触層のホール（Hall）移動度（mobility）及び濃度は各々４５０μｍ／Ｖｓｅｃ、２×１０１８／ｃｍ３位であって、既存の同一な厚みに同一なシリコンドーピング濃度を有するｎ−ＧａＮ層より１．５〜２倍の高い値を有することと調査された。
【００３６】
以後、活性層２１１のストレーンを調節するためにインジウム（indium）含量が５％（波長４８０ｎｍ）を有するｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２０９を７５０℃で１００〜３００Å位に成長させた。ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層は、２インチサファイア基板の上に均一な分布を有する‘spiral growth mode’で人為的に制御した。そして、同一な成長温度で、シリコンがドーピングされていないＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造の単一量子井戸層（single quantum well、ＳＱＷ）の活性層を成長し、この際、障壁層のインジウム含量は５％未満であり、２００Å位の厚みを有するようにした。
【００３７】
以後、また成長温度を１０００℃まで増加させてＮＨ３ソースガスとＨ２キャリヤガスが混合した雰囲気下でＭｇ−ｄｏｐｅｄ ｐ−ＧａＮ層２１３を１０００Å厚みで成長させた。次に、また成長温度を８００℃に減少させてＮＨ３ソースガスとＮ２キャリヤガス混合雰囲気下でシリコンがドーピングされた５０Åの厚みを有するｎ−ＩｎＧａＮ層２１５を成長した。ｎ−ＩｎＧａＮ層は、第２電極接触層として使われて、インジウム含量を制御して全体としてそれに係るエネルギーバンドギャップ（energy bandgap、Ｅｇ）分布を制御したスーパーグレーディング（super grading、ＳＧ）構造を有するように設計した。
【００３８】
前記ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層２０７で構成される第１電極接触層とｎ−ＩｎＧａＮ層２１５を第２電極接触層として使用するＳＱＷ’ｓ ｎｐｎ−ＳＧ ＬＥＤ素子をＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ（Ｓｉ）超格子構造まで表面を約６０００Åでメサ（ＭＥＳＡ）エッチングを遂行して３３０μｍ×３０５μｍ大きさの発光素子を製作し、その発光素子の電気的特性及びＥＳＤのような信頼性性能分析を遂行して評価した。
【００３９】
図３は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の信頼性テスト結果を説明するための図であって、実際に製作された青色発光素子の信頼性と関連したHuman body modeでＥＳＤ ｌｅｖｅｌを２インチサファイア基板の全体に対してLED chip die状態でないウエハ（wafer）状態で測定した結果を表したものである。
【００４０】
図３を参照すれば、‘human body mode’において、全体的に２インチウエハ（wafer）内にＥＳＤ ｌｅｖｅｌは、サファイア基板上の偏平（Flat）面からラウンドエッジ（Round edge）方向に最小から最大範囲が（−）１０００Ｖ〜（−）４０００Ｖ範囲内で均一で、かつ優れる電気的特性を有するＳＱＷ’ｓ ｎｐｎ−ＳＧ ＬＥＤ素子を具現したことが分かる。
【００４１】
ＥＳＤ ｌｅｖｅｌの信頼性を評価するために、測定段階は（−）１０００Ｖを最小値に設定した後、（−）１０００Ｖ、（−）２０００Ｖ、（−）３０００Ｖ、（−）４０００Ｖ、（−）５０００Ｖで、各（−）１０００Ｖ段階に線形的に増加させて正確度を遂行した。また、最小ＥＳＤ ｌｅｖｅｌを検証するために上記のような段階別電圧増加なしで、直接に（−）１０００Ｖを印加して最小値を検証した。このように、段階別電圧増加、または直接的に電圧印加の際、最小（−）１０００Ｖ位の値を維持する優れる特性を有する青色発光素子が具現されたことを検証した。また、この際、２０ｍＡ順方向バイアス下で、動作電圧（ＶＦ）は３．３Ｖ〜３．４Ｖ範囲内で均一な特性を維持した。そして、光出力は４６０ｎｍ波長帯域で、Ｎｉ／Ａｕ透過電極を適用時に４ｍＷ〜４．５ｍＷ、ＩＴＯ透過酸化物電極適用時に６．２ｍＷ〜６．５ｍＷまで具現可能であることを確認することができた。
【００４２】
本発明は、低温で形成されたバッファ層よりその厚みを薄く成長したＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ（Ｓｉ）超格子層の全厚みを１〜２μｍまで成長して、その自体を第１電極接触層として適用したことを特徴とする。このような本発明により、既存の成長方式と異なり、相対的に低いシリコンドーピング濃度によっても高い２次元的電子井戸層により電子移動度を効果的に増加させることができる長所がある。
【００４３】
また、本願発明に係るＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ（Ｓｉ）超格子層はその自体により、サファイア基板から発光素子の表面まで伝播される‘threading dislocation’のような結晶欠陥を抑制する遮断層（blocking layer）役割も遂行することになる。
【００４４】
（第２実施形態）
図４は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態の断面図である。
【００４５】
図４を参照すれば、本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態は、基板２０１、バッファ層２０３、Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層２０５、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層４０７、ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層２０９、活性層２１１、ｐ−ＧａＮ層２１３、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１５が含まれる。
【００４６】
前述する第２実施形態は、前記第１実施形態に比べてＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層４０７に差があり、他の部分に対しては同一であるので、以下ではこれに対してのみ説明を追加し、他の部分に対しては第１実施形態に提示される説明を援用する。
【００４７】
第２実施形態に適用された第１電極接触層の構造は、シリコンが多量ドーピングされたｎ−ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の界面で不連続的なバンドギャップ差を大きくするために、同一なＡｌ組成と厚みで、ｎ−ＧａＮ層間に１０〜２００Å範囲内の厚みを有するドーピングされていないＧａＮ層（ｕｎｄｏｐｅｄ−ＧａＮ層）を挿入した点にその特徴がある。より好ましくは、ドーピングされていないＧａＮ層の厚みは、１００Å未満に提供されることができるが、このようにすることで、２次元的電子井戸層のポテンシャルがより増加する長所が得られる。
【００４８】
ただし、第１電極接触層に１００Å未満のドーピングされていないＧａＮ層が挿入されることによって、動作電圧が増加される傾向をもたらすことができる。このような原因は、シリコンがドーピングされた固定されたｎ−ＧａＮ層が２５０Å位に薄いため、シリコンのドーピング効率が減少されるためである。このような問題を解決するために、ｎ−ＧａＮ層のシリコンドーピング濃度を増加させたり、その厚みを３００〜５００Å範囲内で増加させる成長方法が提供されることができる。この際、ｎ−ＧａＮ層にドーピングされるシリコンの濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１８／ｃｍ３範囲内で形成されることができる。
【００４９】
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が向上し、光出力及び信頼性が向上する長所がある。
【００５０】
詳細には、従来の窒化物半導体発光素子において、第１電極接触層であるｎ−ＧａＮ層を６μｍ厚み以下に１×１０１９／ｃｍ３以上多量ドーピングする場合（heavily doped）、ＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６のようなドーピング原の注入流量によってシリコンドーピング濃度が線形的に増加する関係を持っている。したがって、２μｍ以上に増加される場合、ドーピングされたシリコンにより莫大な量のストレーン（strain）を受けてｎ−ＧａＮ層自体に対してクラック（crack）が発生する問題点を持っている。また、ｎ−ＧａＮ層のシリコン濃度が増加されるほど、表面自体の粗い（roughness）、形態（shape）及びストレスが異なるために、その上に形成される活性層も影響を受けて、結局光出力が減少する結果をもたらす。
【００５１】
しかしながら、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、第１電極接触層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を形成させることによって、一周期が２５０〜５００Å範囲内でその周期を続けて反復成長して、その全厚みが１〜２μｍ範囲に成長される場合にも信頼性を確保することができる長所がある。
【００５２】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子で採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層は相対的に低いドーピング濃度により２次元的電子井戸層の効果を利用して高い電子移動度及び均一な電流拡散を得ることができ、またＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層自体によって基板から発光素子の表面まで伝播される‘threading dislocation’のような結晶欠陥を中間で相対的に抑制して、その進行方向を変わるようにする遮断層として作用できる長所がある。
【００５３】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、ＩＴＯのような透過性酸化物電極適用時、優れる電流拡散（current spreading）及び透過度特性によって光出力を極大化させることができ、ＩＴＯ透過酸化物より熱的、構造的、電気的特性が優れるＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）などのようなＺｎＯ系列の物質を適用させることができるので、より向上する光出力及び動作信頼性を確保することができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の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第１実施形態の積層構造の断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の信頼性テスト結果を説明するための図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態の積層構造の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
２０１  基板、２０３  バッファ層、２０５  Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、２０７  ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子層、２０９  ｌｏｗ−ｍｏｌｅ Ｉｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層、またはｌｏｗ−ｍｏｌｅ ＩｎＧａＮ層、２１１  活性層、２１３  ｐ−ＧａＮ層、２１５  ｎ−Ｉｎ ＧａＮ層
【図１】
2008526013.tif 000003
【図２】
2008526013.tif 000004
【図３】
2008526013.tif 000005
【図４】
2008526013.tif 000006
【国際調査報告】
2008526013.tif 000007
2008526013.tif 000008