(57)【要約】【課題】  結晶欠陥によるキャリア捕獲効果を減少させて、実質的に有効キャリアを増加させる窒化物半導体発光素子を提供すること。【解決手段】  第１導電型窒化物半導体層と、第１導電型窒化物半導体層上に形成され、少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層されて成る活性層と、活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを有して成り、活性層の量子井戸層及び量子障壁層の少なくとも一層は、Ａｌが１％未満の含量でドープされたものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型窒化物半導体層と、
前記第１導電型窒化物半導体層上に形成され、少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層されて成る活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層と、
を有して成り、
前記活性層の量子井戸層及び量子障壁層の少なくとも一層は、Ａｌが１％未満の含量でドープされたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子井戸層及び量子障壁層の少なくとも一層のＡｌのドープ量は、０．２〜０．６％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３】
前記量子障壁層は、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）から成り、
前記量子井戸層は、前記量子障壁層より小さいエネルギーバンドギャップを有するＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１）から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、複数個の量子障壁層と複数個の量子井戸層とから成る多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層の全ての量子障壁層は、Ａｌが１％未満でドープされた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】
前記活性層の全ての量子井戸層は、Ａｌが１％未満でドープされたことを特徴とする請求項４または請求項５に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に関し、より詳細には、活性層の結晶性を改善して電気的光学的特性を向上させた窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、青緑色の発光が可能な窒化物半導体の登場により３原色発光及び白色光の具現が可能となった。したがって、こうした窒化物半導体から製造される発光素子の応用範囲も拡大され、キーパッドや液晶表示装置のバックライト光源、信号灯、滑走路ガイド灯のような高い指向性が要求される照明などに広く用いられている。
【０００３】
一般に、窒化物半導体には、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する化合物半導体結晶物質が用いられる。しかし、こうした窒化物半導体には、結晶構造が同一でありながら格子整合を成す商業上利用可能な成長用基板が存在しないので、主に絶縁性基板のサファイア基板が使用される。
【０００４】
したがって、サファイア基板と、サファイア基板上に成長させられる窒化物半導体層との間に、格子定数及び熱膨張係数の差により結晶欠陥ができる。こうした問題を低減させるためにサファイア基板上にバッファ層が形成されて使用されるが、バッファ層のみでは結晶欠陥の問題を完全に解決しきれない。とりわけ、青緑色光を発振させるために活性層とされるＩｎＧａＮ／ＧａＮ層においてこうした結晶欠陥は光利得が大きく減少する問題を引き起こす。
【０００５】
こうしたＩｎＧａＮ／ＧａＮから成る活性層の光利得低下の問題を解決するために、従来の技術においては、活性層にＳｉまたはＧｅを所定の濃度でドープしキャリア濃度を増加させる方法が用いられてきた。一般に、活性層はアンドープされたＡｌＧａＮまたはＧａＮから成る量子障壁層と、アンドープされたＩｎＧａＮから成る量子井戸層とが交互に積層された構造を有する。こうした活性層中の少なくとも一つの層にＳｉまたはＧｅを比較的高濃度、例えば１０17／ｃｍ3濃度以上でドープしキャリア濃度を増加させる。とりわけ、活性層が多重量子井戸構造を有する場合には、単一量子井戸構造に比して相対的に厚いので、直列抵抗が大きくなる。そのため、駆動電圧が増大しながら電気的特性及び光学的特性が低下されかねないので、より高いドープ濃度が要求される。
【０００６】
このように、ＳｉまたはＧｅをドープする方法は、光利得を効果的に増加させるために、不純物の量を過多にドープしなければならず、むしろ結晶性の低下を引き起こす原因になりかねない。また、バンドテール（band-tail）現象により発振光が長波長に移動するので、所望の短波長の発光素子に設計することが困難になる。
【０００７】
したがって、当技術分野においては結晶欠陥を減少させながらもキャリアの増加効果を図れる活性層の改善方案が要求されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みて、結晶欠陥によるキャリア捕獲効果を減少させて、実質的に有効キャリアを増加させる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記技術的課題を成し遂げるために、本発明は、第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層上に形成され、少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層されて成る活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを有して成り、前記活性層の量子井戸層及び量子障壁層中の少なくとも一層は、Ａｌが１％未満の含量でドープされたものであることを特徴とする。好ましくは、前記量子井戸層及び量子障壁層の少なくとも一層のＡｌのドープ量は、０．２〜０．６％である。
【００１０】
本発明の一実施形態において、上記量子障壁層は、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）から成り、上記量子井戸層は、上記量子障壁層より小さいエネルギーバンドギャップを有するＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１）から成る。
【００１１】
本発明の具体的な実施形態において、上記活性層は、複数個の量子障壁層と複数個の量子井戸層から成る多重量子井戸構造であることができる。
【００１２】
本実施形態において、上記活性層の全ての量子障壁層は、Ａｌが１％未満でドープされたものであり、好ましくは、上記活性層の全ての量子井戸層は、Ａｌが０．２〜０．６％でドープされたものである。また、上記活性層全体、即ち全ての量子障壁層及び量子井戸層は、Ａｌでドープされることができる。
【００１３】
本発明においては、活性層と微量のＡｌとが結合してガリウム空格子部位（Gavacancy  sites）にＡｌが置換されることにより補償アクセプタ（compensation  acceptor）密度を低減させる。既に周知のように、ガリウム空格子はディープアクセプタ状態（deep  acceptor  state）なので、ｎ型ＧａＮ物質の自由電子濃度を低下させる補償センタとして作用する。こうして、Ａｌが少量ドープされた活性層は、結晶性が向上することはいうまでもなく、キャリアの濃度も増加することになる。
【発明の効果】
【００１４】
上述したように、本発明によると、ＧａＮ系の活性層（とりわけ、量子井戸層)にＡｌ含量が１％未満となるようドープして結晶性を向上させる同時に、自由キャリアを増加させることにより、電気的特性と光学的特性の優れた窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図に基づいて本発明をより詳しく説明する。
【００１６】
図１−１は、本発明による窒化物半導体発光素子の構造を示す。図１−１には、サファイア基板１１上に形成された第１導電型窒化物半導体層１３、活性層１４及び第２導電型窒化物半導体層１５を有して成る窒化物半導体発光素子１０が形成されている。上記サファイア基板１１上には、窒化物半導体層との格子整合のためのバッファ層１２がさらに形成されている。また、メサエッチングされた第１導電型窒化物半導体層１３の上面には第１電極１６が形成され、上記第２導電型窒化物半導体層１５の上面には第２電極１７が形成されている。
【００１７】
上記活性層１４は、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）から成る量子障壁層１４ａと、上記量子障壁層１４ａより小さいエネルギーバンドギャップを有するＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１）から成る量子井戸層１４ｂとから成るものである。上記活性層１４は、図１−２に示すように、複数個の量子障壁層１４ａと複数個の量子井戸層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造である。
【００１８】
本発明に用いられる活性層１４の少なくとも一部の層は、Ａｌの含量が１％未満となる態様でＡｌをドープすることにより、ＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層に存在するガリウム空格子点をパッシベーションし、転位への成長を抑制して結晶性を向上させ、ひいては捕獲した電子を自由にさせてキャリア濃度を増加させる。好ましくは、再結合が発生する量子井戸層１４ｂの成長時にＡｌを１％未満でドープして結晶性及び光利得を効果的に向上させられるが、上記量子障壁層１４ａにも１％未満のＡｌをドープして同様な効果を得ることができる。１％以上のＡｌをドープする場合には、従来の１４族元素であるＳｉまたはＧｅをドープする場合のように、むしろ結晶性を悪化させかねないので、本発明に提示するＡｌのドープ量は１％未満に限定する。
【００１９】
本発明においてＡｌのドープは、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）行程を利用する場合にはＧａＮまたはＩｎＧａＮ成長トリメチルアルミニウム（TMAl）の量を適切に調節して容易に具現することができる。
【００２０】
図２は、本発明によるＧａＮ中のＡｌ含量の変化に対する電子移動度及びキャリア濃度の変化を示すグラフである。図２によると、Ａｌの含有量が１％まで増加するにつれてキャリア濃度が増加したことがわかる。また、電子移動度（electron  mobility）を見れば、Ａｌの含量が約０．２ないし０．６％において４５０ｃｍ2／Ｖｓの電子移動度を示し、Ａｌ含量が０．４５％である場合には最も高い電子移動度（約６００ｃｍ2／Ｖｓ）を示し、この場合に３×１０17／ｃｍ3のドープ濃度を有することを確認できる。このように、ＧａＮに少量のＡｌをドープする場合に、電子を捕獲するＧａ空格子点のような欠陥を減少させるので、結晶性を向上させると共に自由キャリアも増加させる。これにより、電気的な特性及び光学的な特性を向上させることができる。電子移動度の増加及び自由キャリアの増加に鑑みると、Ａｌのドープ量は約０．２ないし０．６％が好ましく、約０．４５％をドープすることがより好ましい。
【００２１】
図３は、アンドープされたＧａＮと、ＡｌがドープされたＧａＮとにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度の経時変化を示すグラフである。図３には、アンドープされたＧａＮ試料と、Ａｌが０．４５％でドープされたＧａＮ試料とに対して経時によるＰＬ強度変化が示してある。従来の活性層に用いられるアンドープされたＧａＮ試料の場合には、バンドエッジ放出消滅時間（band-edge  emission  decay  time)が２０ｐｓ未満であるが、本発明の活性層に用いられるＡｌがドープされたＧａＮ試料は、５８ｐｓまで増加することがわかる。こうした結果は、ＡｌがＧａＮにドープされることにより再結合中心（recombination  center）が減少することを立証するものである。したがって、本発明によるＡｌがドープされたＧａＮまたはＩｎＧａＮを、活性層中の量子井戸層に用いる場合に光利得を大きく向上させることができる。
【００２２】
図４−１及び図４−２は、それぞれアンドープされたＧａＮ及びＡｌがドープされたＧａＮに対する非対称逆格子空間における散乱強度分布図を示す。より具体的に、図４−１及び図４−２は、Ａｌがドープされたことによる結晶性の向上を確認するために、アンドープされたＧａＮ試料と、Ａｌが０．４５％でドープされたＧａＮ試料とに対して（１０１）結晶方向の非対称逆格子空間の散乱強度分布図であり、上記分布図は熱振動及び欠陥あるいは構造的な無秩序によりあらわれるもので、結晶構造情報を含んでいる。ここで、Ｑｘ軸は実格子のロッキングカーブ（rocking  curve）に係わる軸で、Ｑｚ軸は実空間の面間距離「ｄ」をあらわす軸である。
【００２３】
図４−１と図４−２とを比較すると、ＡｌがドープされたＧａＮ試料は、アンドープされたＧａＮ試料に比してＱｘ軸においてその幅が狭くなっており、アンドープされたＧａＮ試料は、Ｑｚ軸において逆格子中心に環状に拡散していることが分かる。とりわけ、ＡｌがドープされたＧａＮ試料は、アンドープされたＧａＮ試料の薄膜に比して垂直方向のＱｚ軸の散乱分布が対称的に少しだけ拡散していることがわかる。こうした結果は先述したように、ＡｌがドープされたことによってＧａ空格子点をパッシべーションすることにより実質的に欠陥が減少した事実を確認させてくれるものである。
【００２４】
図５−１及び図５−２は、それぞれアンドープされたＧａＮ及びＡｌがドープされたＧａＮを撮影したＴＥＭ写真を示す。図５−１及び図５−２のＴＥＭ写真は、それぞれアンドープされたＧａＮ試料と、Ａｌが０．４５％でドープされたＧａＮ試料とに対する（００２（０００２））方向のＴＥＭ写真である。図５−１及び図５−２によると、アンドープされたＧａＮ試料と、ＡｌがドープされたＧａＮ試料とにできたスクリュースレッディング転位（screw  threading  dislocation）を確認することができる。図５−１と図５−２とを比較すると、アンドープされたＧａＮ試料の転位密度は、約１０11／ｃｍ2であるが、ＡｌがドープされたＧａＮ試料から発生した転位は、約１０9／ｃｍ2とはるかに減少することがわかる。このような結果は、先に説明したように、ＡｌがドープされたＧａＮ試料においてＧａ空格子点をドープされたＡｌがパッシべーションすることにより２次元または３次元の転位に成長することを抑制するからである。この結果から、図４−１及び図４−２において確認したように、ＡｌがドープされたＧａＮ試料の結晶性が大きく向上したことが分かる。
【００２５】
本発明は、上述した実施形態及び添付の図により限定されるわけではなく、添付の請求範囲により限定される。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては明らかであり、それもなお添付の請求範囲に記載された技術的思想に属するものといえる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１−１】本発明による窒化物半導体発光素子の構造を示す側断面図である。
【図１−２】図１に示した窒化物半導体発光素子のＢ部分を拡大して示す部分詳細図である。
【図２】本発明によるＡｌのドープ量の変化に対する電子移動度及びキャリア濃度の変化を示す図表である。
【図３】アンドープされたＧａＮと、ＡｌがドープされたＧａＮとにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度の経時変化を示す図表である。
【図４−１】アンドープされたＧａＮに対する非対称逆格子空間における散乱強度分布図である。
【図４−２】ＡｌがドープされたＧａＮに対する非対称逆格子空間における散乱強度分布図である。
【図５−１】アンドープされたＧａＮを撮影したＴＥＭ写真を示した説明図である。
【図５−２】ＡｌがドープされたＧａＮを撮影したＴＥＭ写真を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１      サファイア基板
１２      バッファ層
１３      第１導電型窒化物半導体層
１４      活性層
１４ａ    量子障壁層
１４ｂ    量子井戸層
１５      第２導電型窒化物半導体層
１６      第１電極
１７      第２電極
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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