(57)【要約】【課題】  本発明は窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】  本発明は、n型不純物でドープされた第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層上に形成され、複数個の量子井戸層と複数個の量子障壁層が積層されて成り、前記量子障壁層中少なくとも1層がn型不純物でドープされた活性層と、前記活性層上に形成され、p型不純物でドープされた窒化物半導体層とを含み、前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層は前記量子井戸層と接する界面に前記量子障壁層のドープされた他の内部領域の濃度より低いn型不純物濃度を有する拡散防止膜を具備した窒化物半導体素子を提供する。【選択図】図1
2005109425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
n型不純物でドープされた第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成され、複数個の量子井戸層と複数個の量子障壁層が積層されて成り、前記量子障壁層中少なくとも1層がn型不純物でドープされた活性層と、
前記活性層上に形成され、p型不純物でドープされた窒化物半導体層とを含み、 
前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層は前記量子井戸層と接する界面に前記量子障壁層のドープされた他の内部領域の濃度より低いn型不純物濃度を有する拡散防止膜を具備する窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記量子障壁層はAlx1Iny1Ga1-x1-y1N(x1+y1=1、0≦x1≦1、0≦y1≦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Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1、0≦x2≦1、0≦y2≦1)から成ることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。 
【請求項３】
前記n型不純物はSi、Ge及びSnで成るグループから選ばれた少なくとも1種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素子。
【請求項４】
前記拡散防止膜のn型不純物濃度は、前記量子障壁層の他の内部ドーピング領域のn型不純物濃度の0.5倍以下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素子。
【請求項５】
前記少なくとも1層の量子障壁層の内部領域のn型不純物濃度は約3×1016〜約3×1019/ｃｍ３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素子。
【請求項６】
前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層の拡散防止膜は意図的にドープされないことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層は前記第1及び/または第2窒化物半導体層に接する量子障壁層であり、前記量子障壁層の拡散防止膜は前記量子井戸層に接する一界面にのみ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素子。
【請求項８】
前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層は両側に全て量子井戸層が配置される量子障壁層であり、前記量子障壁層の拡散防止膜は前記量子井戸層と接する両界面とも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素子。
【請求項９】
前記少なくとも1層の量子障壁層のn型不純物拡散防止膜の厚さは該量子障壁層の厚さの約0.1倍ないし約0.4倍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素子。
【請求項１０】
前記少なくとも1層の量子障壁層の厚さは約3ｎｍ〜約30ｎｍであり、前記n型不純物拡散防止膜の厚さは約0.3ｎｍ〜約10ｎｍであることを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記n型不純物でドープされた量子障壁層は複数個であり、前記n型不純物でドープされた量子障壁層中少なくとも1層の量子障壁層は他の量子障壁層と異なるn型不純物濃度を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記n型不純物でドープされた複数層の量子障壁層は、前記第1窒化物半導体層に接した量子障壁層のn型不純物濃度が最も高く、前記第2窒化物半導体層側に近づくほどその不純物濃度が低くなることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記n型不純物がドープされた複数層の量子障壁層の拡散防止膜は、該量子障壁層の濃度及び/または厚さに比例するn型不純物濃度を有することを特徴とする請求項11または12に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記n型不純物がドープされた複数層の量子障壁層の拡散防止膜は、該量子障壁層の濃度及び/または厚さに比例する厚さを有することを特徴とする請求項11または12に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体素子に関するもので、とりわけ発光ダイオード、レーザーダイオードなどに用いる窒化物系半導体素の活性層構造を改善して動作電圧を下げることにより出力効率が向上した窒化物半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物半導体はフルカラーディスプレー、イメージスキャナ、各種信号システム及び光通信機器に光源として提供される緑色または青色発光ダイオード(light emitting diode：LED)に広く用いられる。こうしたLEDは電子と正孔の再結合原理を利用する活性層において光を生成し放出する。
【０００３】
前記LEDの活性層には、1つの量子井戸層を有する単一量子井戸(single quantum well: SQW)構造と約100Åより小さい複数個の量子井戸層を有する多重量子井戸(multi quantum well：MQW)構造とがある。このうち、とりわけ多重量子井戸構造の活性層は単一量子井戸構造に比して電流対比光効率が優れ高い発光出力を出すので積極活用されている。
【０００４】
図4は従来のGaN系半導体発光ダイオード構造を示した側断面図である。
【０００５】
図4のように、GaN系半導体発光ダイオード(10)はサファイア基板(11)、n型GaNから成る第1窒化物半導体層(13)、多重量子井戸構造の活性層(15)、及びp型AlGaNまたはp型GaNから成る第2窒化物半導体層(17)を含む。メサエッチングされた第2窒化物半導体層(17)の上面にはn型電極(19a)が形成され、前記第1窒化物半導体層(13)の上面には透明電極層(18)とp型電極(19b)が順次に形成される。
【０００６】
ここで、多重量子井戸構造から成る活性層(15)は一般的に、アンドープGaN障壁層(15a)とアンドープInGaN量子井戸層(15b)が交互に積層された構造となっている。これを図5のように、エネルギーバンドギャップ(Eg)の分布で示すと、前記活性層(15)はバンドギャップの大きいGaN障壁層が両面に形成された複数個のInGaN量子井戸層を有する構造として説明することができる。こうした多重量子井戸構造から成る活性層は直列配列された複数個の量子井戸層(15b)を用いて発光するので、単一量子井戸構造に比して電流対比光効率が優れ高い発光出力を出すことができる。
【０００７】
しかし、多重量子井戸構造を有する活性層(15)は複数個の層から成るのでその全体厚さは単一量子井戸構造から成る活性層に比して相対的に厚くなるしかない。したがって、多重量子井戸構造を有する場合には、層厚の増加により縦方向の直列抵抗が大きくなり、結果として順方向電圧(Vf)が上がる問題が起こりかねない。
【０００８】
こうした問題を解決するための方案として、量子障壁層にSiのようなn型不純物をドープする方案が提案された。図6(a)及び図6(b)はこうした従来の方案により順方向電圧を向上させるべく改善した活性層構造を例示した概略エネルギーバンドダイアグラムである。
【０００９】
図6(a)の構造は図5のような半導体発光ダイオード構造の一部であることができる。図6(a)に示した部分は、n型GaN半導体層(23)とp型AlGaN半導体層(27)との間に4つの量子井戸層(25b)とその量子井戸層(25b)より大きいバンドギャップを有する5個の量子障壁層(25a')とで成る活性層(25)を示している。本発明においては、量子井戸層(25b)に電子と正孔の再結合確率を高めるべく、量子障壁層(25a')にn型不純物をドープして半導体発光ダイオードに電圧がかかる際量子障壁層(25a')から発生する抵抗を下げる原理を利用する。従って、本発明により順方向電圧(Vf)を下げる効果が図れる。
【００１０】
これと類似した他の構造が図6(b)に示してある。図6(b)を参照に説明する従来の方案は図6(a)に示した構造を改良したもので、大韓民国特許公開公報2002-21121号に開示のものである。
【００１１】
図6(b)によると、前記発光ダイオードの構造は図6(a)と類似に、n型GaN半導体層(33)とp型AlGaN半導体層(37)との間に4個の量子井戸層(35b)とその量子井戸層(35b)より大きいバンドギャップを有する5個の量子障壁層(35a、35a')とで成る活性層(35)を有する。ここで、5個の量子障壁層(35a、35a')中一部の3個の量子障壁層(35a')にのみn型不純物がドープされた形態を示した。前記n型不純物がドープされた3個の量子障壁層(35a')はn型GaN半導体層(33)と隣接した量子障壁層で、とりわけn型GaN半導体層(33)に近づくほど高濃度となる。こうした選択的ドープ方式を用いる理由は、電子より正孔の移動度が相対的に低い為、p型AlGaN半導体層(37)側よりn型半導体層(33)側が電子と正孔の再結合確率が低いとの事実に基づいている。
【００１２】
このように、n型不純物ドープを用いて順方向電圧(Vf)を下げることにより効率を高め光出力を向上させる方案は再結合確率の低い部分の量子障壁層(35a')を選択的にドープする方式で用いられることもできる。
【００１３】
しかし、前述した従来の方案は量子障壁層にドープされたn型不純物が量子井戸層に拡散して発光効率を低下させる問題を引き起こしかねない。また、日本応用物理会誌論文(Japanese Journal of Applied Physics Vol. 37, 1998, pp.L431-L434)によれば、InGaNから成る量子井戸層が成長されるGaNから成る量子障壁層にSi不純物の量を変化させるにつれて前記量子井戸層の成長モードが異なり、その結果表面モポロジーが異なる為、むしろ光特性が低下することが指摘されている。このように実際、量子障壁層にn型不純物をドープする方案は発光効率及び光特性に不利な影響を与えかねない。
【００１４】
したがって、当技術分野においては発光ダイオードと同じ窒化物半導体素子において量子障壁層の抵抗を下げることにより順方向電圧特性を向上させながらも、それによる活性層の光特性の低下及び工程条件の変化を起こさない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】
【００１５】
本発明は前述した技術的課題を解決するためのもので、その目的は、量子井戸層と接した量子障壁層の界面にn型不純物が量子井戸層に拡散するのを防止すべく拡散防止膜を形成することにより、量子井戸層の光特性を低下させずに光出力及び光効率性の向上した窒化物半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、n型不純物でドープされた第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層上に形成され、複数個の量子井戸層と複数個の量子障壁層が積層されて成り、前記量子障壁層中少なくとも1層がn型不純物でドープされた活性層と、前記活性層上に形成され、p型不純物でドープされた窒化物半導体層とを含み、前記少なくとも1層のn型不純物でドープされた量子障壁層には前記量子井戸層と接する界面に前記量子障壁層のドープされた他の内部領域の濃度より低いn型不純物濃度を有する拡散防止膜を具備した窒化物半導体素子を提供する。
【００１７】
好ましくは、前記拡散防止膜の不純物濃度は前記量子障壁層の他の内部ドーピング領域の濃度の0.5倍以下であることができる。
【００１８】
本発明の一実施形態において、前記量子障壁層はAlx1Iny1Ga1-x1-y1N(x1+y1=1、0≦x1≦1、0≦y1≦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Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1、0≦x2≦1、0≦y2≦1)から成る。また、前記少なくとも1層の量子障壁層の内部領域は前記第1窒化物半導体のn型不純物濃度以下であるn型不純物濃度を有し、好ましくは約3×1016〜約3×1019/ｃｍ３であることができる。
【００１９】
また、前記n型不純物はSi、Ge及びSnで成るグループから選ばれた少なくとも1種であることができる。
【００２０】
好ましくは、前記少なくとも1つのn型不純物でドープされた量子障壁層の拡散防止膜は意図的にn型不純物がドープされない膜(undoped-film)であることができ、不可避な不純物の濃度が例えば、1013〜1016/ｃｍ３または2以下であることができる。
【００２１】
また、前記少なくとも1つのn型不純物でドープされた量子障壁層は前記第1及び/または第2窒化物半導体層に接する量子障壁層であり、前記量子障壁層の拡散防止膜は前記量子井戸層に接する一界面にのみ形成されることができ、これと異なって、前記少なくとも1つのn型不純物でドープされた量子障壁層は両側とも量子井戸層が配置された量子障壁層であり、前記量子障壁層の拡散防止膜は前記量子井戸層と接する両界面全てに形成されることもできる。
【００２２】
好ましくは、前記少なくとも1層の量子障壁層は前記第1窒化物半導体層側に位置した量子障壁層であることができる。
【００２３】
また、前記n型不純物でドープされた量子障壁層は複数個であり、前記n型不純物でドープされた量子障壁層中少なくとも1層の量子障壁層は他の量子障壁層と異なるn型不純物濃度を有することができる。
【００２４】
この場合、前記n型不純物でドープされた複数個の量子障壁層は、前記第1窒化物半導体層に接した量子障壁層のn型不純物濃度が最も高く、前記第2窒化物半導体層側に近くなるほど不純物濃度が低くなるよう形成されることが好ましい。
【００２５】
好ましくは、前記少なくとも1層の量子障壁層のn型不純物拡散防止膜の厚さは該量子障壁層の厚さの約0.1倍ないし約0.4倍であることができる。前記少なくとも1層の量子障壁層の厚さは約3ｎｍ〜約30ｎｍであることができ、この際前記n型不純物拡散防止膜の厚さは約0.3ｎｍ〜約10ｎｍであることが好ましい。
【００２６】
本発明による拡散防止膜の不純物ドープ濃度と厚さは該量子障壁層の濃度及び/または厚さに応じて変更されることができる。
【発明の効果】
【００２７】
上述の如く本発明によると、多重量子井戸構造を有する窒化物系半導体素子において、量子障壁層による直列抵抗を下げるべく量子障壁層にn型不純物をドープし、量子井戸層と接した量子障壁層界面にはn型不純物が量子井戸層に拡散されるのを防止すべく拡散防止膜を形成することにより、n型不純物による順方向電圧特性を向上させるばかりでなく、願わない不純物の拡散による量子井戸層の光特性低下も防止することができる。したがって、優れた光出力及び光効率を有する半導体発光ダイオードなどの窒化物系半導体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】
【００２８】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を詳しく説明する。
【００２９】
図1は本発明の一実施形態による半導体発光ダイオードを示した側断面図である。
【００３０】
図1のように、GaN系半導体発光ダイオード(110)はサファイア基板(111)、n型GaNから成る第1窒化物半導体層(113)、多重量子井戸構造の活性層(115)、及びp型AlGaNまたはp型GaNから成る第2窒化物半導体層(117)を含む。メサエッチングされた第2窒化物半導体層(117)の上面にはn型電極(119a)が形成され、前記第1窒化物半導体層(113)の上面には透明電極層(118)とp型電極(119b)が順次に形成される。
【００３１】
ここで、多重量子井戸構造から成る活性層(115)は4個のアンドープGaN障壁層(115a)と5個のn型不純物がドープされたInGaN量子井戸層(115b)が積層されたもので示してある。しかし、量子障壁層(115a)及び量子井戸層(115b)は前記物質やその数に限られはしない。例えば、窒化物半導体素子において、前記量子障壁層(115a)は Alx1Iny1Ga1-x1-y1N(x1+y1=1、0≦x1≦1、0≦y1≦1)から適切に選択して使用することができ、前記量子井戸層(115a)は前記量子障壁層(115b)より小さいエネルギーバンドギャップを有する物質として、Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1、0≦x2≦1、0≦y2≦1)から適切に選択して使用することができる。
【００３２】
また、本実施形態に量子障壁層(115a)は直列抵抗を下げるためにn型不純物でドープされた内部領域(115a')を有する。前記量子障壁層(115a)の内部領域(115a')は前記第1窒化物半導体のn型不純物濃度以下であることができ、好ましくは前記量子障壁層の内部領域(115a")は約3×1016〜約3×1019/ｃｍ３のn型不純物濃度を有する。
【００３３】
本発明に用いる量子障壁層(115a)は前記量子井戸層(115b)と接する界面にはドープされない拡散防止膜(115a")を具備することを特徴とする。この際、前記第1及び第2窒化物半導体層(113、115)に夫々接した量子障壁層(115a)は前記量子井戸層(115b)に接する一界面にのみ拡散防止膜(115a")を具備し、両側に全て量子井戸層(115b)が配置された量子障壁層(115a)は前記量子井戸層(115b)と接する両界面全てに拡散防止膜(115a")を具備することができる。
【００３４】
本実施形態において用いる拡散防止膜(115a")は意図的にドープされない領域から成るが、ドープされた量子障壁層(115a)の他の領域(115a')の濃度より低い不純物濃度、好ましくは、その約0.5倍以下のn型不純物濃度を有するようドープされても、量子井戸層(115b)に浸透する不純物の量を画期的に低減させることができる。
【００３５】
しかも、前記拡散防止膜(115a")を本実施形態のように意図的にドープされない領域に形成したり、他の内部領域濃度の50%以下で一定の不純物濃度を有するよう構成する場合には、該量子障壁層(115a)上に量子井戸層(115b)を成長させる際に工程条件及び表面モポロジーが変化することを防止できる追加的な利点を得られる。
【００３６】
こうした拡散防止膜(115a")の厚さ(ta)は量子障壁層の全体厚さ(t)の0.1倍ないし0.4倍の大きさに形成する。拡散防止膜(115a")の厚さ(ta)が量子障壁層の全体厚さ(t)の0.1倍より小さいと量子井戸層(115b)への不純物拡散を防止する機能が微々であり、0.4倍より大きいと不純物がドープされた量子障壁層(115a)の内部領域(115a)が小さくなりすぎて順方向電圧を下げる役目を効果的に果たし難い。少なくとも1層の量子障壁層(115a)の厚さ(t)が約3ｎｍ〜約30ｎｍの場合、前記n型不純物拡散防止膜(115a")の厚さ(ta)は約0.3ｎｍ〜約10ｎｍであることが好ましい。
【００３７】
図2(a)及び図2(b)は本発明の実施形態により改善された活性層の構造を示した概略エネルギーバンドダイアグラムである。ここで、縦軸はエネルギーバンドギャップの絶対値(eV)で、横軸はn型窒化物半導体層からp型窒化物半導体層への垂直方向の距離を意味する。
【００３８】
図2(a)に示したダイアグラムは図1に示した発光ダイオード構造の一部であることができる。図2(a)に示したダイアグラムを参照すると、n型GaN半導体層(123)とp型AlGaN半導体層(127)との間に4個の量子井戸層(125b)と該量子井戸層(125b)より大きいバンドギャップを有する5個の量子障壁層(125a)とで成る活性層(125)がエネルギーバンドギャップで示してある。
【００３９】
前記量子障壁層(125a)は、前記量子井戸層(125b)の電子と正孔の再結合確率を高めるべく、n型不純物でドープされた内部領域(125a')と量子井戸層と接する両界面に形成された拡散防止膜(125a")とで成る。前記拡散防止膜(125a")は他の量子障壁層領域、即ち内部領域(125a')より低いn型不純物濃度を有し、好ましくは該不純物濃度の0.5倍以下の不純物濃度を有する領域、より好ましくは意図的にドープされない領域に形成されることができる。
【００４０】
したがって、図2(a)のように具現された半導体発光ダイオードに電圧がかかる際、量子障壁層(125a)から発生する抵抗を下げられる同時に、低ドープもしくはアンドープ拡散防止膜(125a")により量子井戸層(125b)に進入する不純物の拡散を低減させたり防止することができる。
【００４１】
これと異なって、本発明は前記n型不純物でドープされた複数個の量子障壁層が相互異なるn型不純物濃度を有したり、一部の量子障壁層にのみn型不純物がドープされた構造にも適用することができる。一般に、順方向電圧を改善するためには電子と正孔の再結合確率が低いn型窒化物半導体層側に位置した量子障壁層のみ選択してドープすることができる。図2(b)はこうした実施形態による半導体発光ダイオードのエネルギーバンドギャップを示している。
【００４２】
図2(b)のダイアグラムによると、n型GaN半導体層(133)とp型AlGaN半導体層(137)との間に4個の量子井戸層(135b)とその量子井戸層(135b)より大きいバンドギャップを有する5個の量子障壁層(135a)とで成る活性層(135)がある。ここで、5個の量子障壁層(135a)中一部である3個の量子障壁層のみがn型不純物がドープされた内部領域(135a')を有する。前記n型不純物がドープされた3個の量子障壁層の内部領域(135a')はn型GaN半導体層(133)側に隣接するほど高い不純物濃度を有するよう形成される。これは先に説明したように、p型AlGaN半導体層(137)側よりn型半導体層(133)側が電子と正孔の再結合確率が低いためである。前記n型不純物がドープされた3個の量子障壁層(135a)のみが、その内部領域(135a')の不純物が隣接した量子井戸層(135b)に進入するのを防止すべく拡散防止膜(135a")を具備する。本実施形態において、n型不純物でドープされた量子障壁層(135a)は相異する不純物濃度を有する内部領域(135a')を有する。一般に不純物濃度が高くなるほど拡散距離が大きくなるので、その濃度に応じて拡散防止膜(135a")の厚さを異ならせることができる。
【００４３】
即ち、図2(b)に示したように、n型窒化物半導体層(133)と接した量子障壁層(135a)の不純物濃度が最も高いので最も大きい厚さ(t1)の拡散防止膜(135a")を形成し、最も濃度の低い中央の量子障壁層(135a)は最も薄い厚さ(t3)の拡散防止膜(135a")を形成する(t1>t2>t3)。 
この原理と類似して、前記拡散防止膜(135a")を低濃度(内部領域の不純物濃度の0.1倍以下)で形成する場合に、量子障壁層(135a)の内部領域(135a')の不純物濃度に応じて拡散防止膜(135a")の濃度を調整することもできる。即ち、量子障壁層の内部領域(135a')が高い不純物濃度を有する場合に、その拡散防止膜(135a")の不純物濃度は例えば0.03倍以下のレベルでより低く形成し、量子障壁層内部領域(135a')が低い不純物濃度を有する場合には、それ以上、例えば0.05倍ないし0.5倍のレベルで不純物濃度を有する拡散防止膜(135a")を形成することができる。 
このように拡散防止膜の濃度または厚さを不純物拡散を効果的に防止できるよう異なって構成するにあたって、量子障壁層(厳しく言えば、内部領域)の不純物濃度ばかりでなく、量子障壁層の厚さに対しても同様な方式で考慮することができる。
【００４４】
以下、本発明の実施例と従来の構造による比較例とを対比しながら、本発明による半導体発光ダイオードの向上した特性を考察する。
【００４５】
(実施例1)
本実施例においてはMOCVD法を用いて同一な蒸着条件でサファイア基板上にn型GaN半導体層、多重量子井戸構造の活性層、及びp型GaN半導体層を順次に蒸着して発光ダイオードを製造した。前記多重量子井戸構造の活性層は5個の量子井戸層と6個の量子障壁層を交互に積層した構造となるよう形成し、夫々の量子井戸層及び量子障壁層は3ｎｍ厚のInGaN半導体層と18ｎｍ厚のGaN半導体層で形成した。
【００４６】
また、前記量子障壁層は図1の構造と類似して量子井戸層と接する界面から3ｎｍ厚で意図的にドープされない拡散防止膜を含むよう形成し、残りの内部領域にはSiドープ量を0.96nmolにして不純物濃度が1×1017/ｃｍ３を有するよう形成した。
【００４７】
(実施例2)
本実施例においては、実施例1と同一条件と構造で発光ダイオードを製造した。但し、活性層を構成する量子障壁層を前記実施例1と同一な拡散防止膜を含むようにしながら、残りの内部領域にはSiドープ量を0.48nmolにして不純物濃度が5×1016/ｃｍ３を有するよう形成した。
【００４８】
(比較例1)
本比較例においては、前記実施例と同様、MOCVD法を用いて同一な蒸着条件でサファイア基板上にn型GaN半導体層、多重量子井戸構造の活性層、及びp型GaN半導体層を順次に蒸着して発光ダイオードを製造した。また、前記多重量子井戸構造の活性層は5個の量子井戸層と6個の量子障壁層を交互に積層した構造となるよう形成し、夫々の量子井戸層及び量子障壁層は3ｎｍ厚のInGaN半導体層と18ｎｍ厚のGaN半導体層で形成した。
【００４９】
但し、前記量子障壁層は前記実施例1及び2と異なって本発明による拡散防止膜を含まないよう形成し、量子障壁層の全体領域がSiドープ量を0.96nmolにして不純物濃度が1×1017/ｃｍ３を有するよう形成した。
【００５０】
(比較例2)
本比較例においては、比較例1と同一な条件と構造で発光ダイオードを製造した。但し、活性層を成す量子障壁層を前記実施例1と同一な拡散防止膜を含むようにしながら、残りの内部領域にはSiドープ量を0.48nmolにして不純物濃度が5×1016/ｃｍ３を有するよう形成した。
【００５１】
前記実施例1及び2による半導体発光ダイオードと比較例1及び比較例2による半導体発光ダイオードに対する特性を対比すべく、動作電圧と輝度に対する性能実験を行った。その結果を図3のグラフに示した。
【００５２】
図3に示したように、実施例1及び実施例2による発光ダイオードの動作電圧は夫々2.84Vと2.86Vで、比較例1及び比較例2による発光ダイオードの動作電圧(2.88V、2.86V)と比較すると誤差範囲内でほぼ同じレベルであったが、発光ダイオードの出力レベルを決定する輝度特性の面においては、実施例1及び実施例2による発光ダイオードの輝度は13.49mcdと12.52mcdで、比較例1及び比較例2による発光ダイオードの輝度(8.81mcd、10.6mcd)より大きく向上されていた。
【００５３】
図3に示したように、本発明による発光ダイオードは、量子障壁層にn型不純物をドープして順方向電圧を低下させることにより動作電圧を下げる同時に、n型不純物の拡散による量子井戸層に対する影響を低減させることにより輝度特性は大きく向上させることがわかる。
【００５４】
本発明の上述した実施形態と添付の図面は半導体発光ダイオードに限定され説明されたが、量子井戸構造、とりわけ多重量子井戸構造の活性層を用いる半導体レーザー素子のような他の窒化物半導体素子においても、順方向電圧特性を向上させるべく量子障壁層にn型不純物をドープし、そのドープされた不純物の拡散による量子井戸層の特性低下を防止すべく低濃度ドープもしくは意図的にドープされない拡散防止膜を用いることができ、こうした形態も本願発明に含まれるものといえる。
【００５５】
このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図面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もので、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で多様な形態の置換、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は自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態による半導体発光ダイオードを示した側断面図である。
【図２】本発明の実施形態により改善された活性層の構造を示した概略エネルギーバンドダイアグラムである。
【図３】従来の半導体発光ダイオードと本発明による半導体発光ダイオードの動作電圧及び輝度特性を比較したグラフである。
【図４】従来の半導体発光ダイオードを示した側断面図である。
【図５】従来の半導体発光ダイオードの活性層の例を示した概略エネルギーバンドダイアグラムである。
【図６】従来の半導体発光ダイオードにおいて順方向電圧(Vf)を向上させるべく改善した活性層の例を示した概略エネルギーバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
【００５７】
111 サファイア基板
113 n型窒化物半導体層
115 活性層
115a 量子障壁層
115a' 量子障壁層の内部領域
115a" 量子障壁層の拡散防止膜
115b 量子井戸層
117 p型窒化物半導体層
118 透明電極層
119a、119b n側及びp側電極
【図１】
2005109425.tif 000003
【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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