(57)【要約】【課題】半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明による半導体発光素子は活性層を含み、該活性層はドーパントがドーピングされない井戸層と、第一の障壁層と、第二の障壁層とを含む。該井戸層は該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に形成され、そのうち、該第一の障壁層は該井戸層に隣接する領域に第一のドーピング領域を有し、該井戸層から離れる領域に第一の非ドーピング領域を有し、該第二の障壁層は該井戸層に隣接する領域に第二の非ドーピング領域を有する。【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て、ドーパントがドーピングされない井戸層と、第一の障壁層と、第二の障壁層と、を含む活性層と、
を有し、
前記井戸層は、前記第一の障壁層と前記第二の障壁層との間に形成され、
前記第一の障壁層は、前記井戸層に隣接するｎ型ドーピング領域を有し、前記井戸層から離れる非ドーピング領域を有し、
前記第二の障壁層は、前記井戸層に隣接する非ドーピング領域を有する、
半導体発光素子。
【請求項２】
前記第二の障壁層は、前記井戸層から離れるｎ型ドーピング領域を有する、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第一の障壁層と同様に前記井戸層の同じ側に位置し、前記井戸層から前記第一の障壁層より遠く離れる第三の障壁層を有し、
前記第三の障壁層は、前記第一の障壁層に隣接するｎ型ドーピング領域と、前記第一の障壁層から離れる非ドーピング領域と、を含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第二の障壁層と同様に前記井戸層の同じ側に位置し、前記井戸層から前記第二の障壁層より遠く離れる第四の障壁層を有し、
前記第四の障壁層は、前記第二の障壁層に隣接する非ドーピング領域と、前記第二の障壁層から離れるn型ドーピング領域と、を含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板と前記活性層との間に形成されて、第一の表面と第二の表面とを有するｎ型半導体層と、
前記活性層上に形成されるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成される第一の電極と、
前記ｎ型半導体層上に形成される第二の電極と、
をさらに有する、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板と前記ｎ型半導体層との間に形成されるバッファ層をさらに含む、
請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型半導体層と前記第一の電極との間に形成される第一の透明導電層をさらに含む、
請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型半導体層と前記第二の電極との間に形成される第二の透明電極層をさらに含む、
請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第一の障壁層のｎ型ドーピング領域の厚みをＢ１とし、第一の障壁層全体の厚みをＢとすれば、Ｂ１／Ｂは、３／４以下である、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第二の障壁層の非ドーピング領域の厚みをＢ２とし、第二の障壁層全体の厚みをＢとし、Ｂ２／Ｂは、１／４より大きい、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第二の障壁層のｎ型ドーピング領域の厚みをＢ１とし、第二の障壁層全体の厚みをＢとし、Ｂ１／Ｂは、３／４以下である、
請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記基板の材料は、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたはガラスを含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記井戸層の材料は、AlaInbGa(1-a-b)N（０≦a≦１、０≦b≦１、０≦a＋b≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＰを含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第一の障壁層の材料は、AlｘInｙGa(1-ｘ-ｙ)N（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＰを含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第二の障壁層の材料は、AlｘInｙGa(1-ｘ-ｙ)N（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＰを含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記ｎ型半導体層の材料は、AlcIndGa(1-c-d)N（０≦c≦１、０≦d≦１、０≦c＋d≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＩｎＧａＰを含む、
請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記ｐ型半導体層の材料は、AleInfGa(1-e-f)N（０≦e≦１、０≦f≦１、０≦e＋f≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＩｎＧａＰを含む、
請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記ｎ型のドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｏ、ＳまたはＣを含む、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記ｎ型ドーパントのドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第一の透明導電層の材料は、金属、酸化インジウムスズ、酸化ゲルマニウムスズ、酸化アンチモンスズ、酸化インジウムジンク、酸化ジンクアルミニウムまたは酸化ジンクスズを含む、
請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第二の透明導電層の材料は、金属、酸化インジウムスズ、酸化ゲルマニウムスズ、酸化アンチモンスズ、酸化インジウムジンク、酸化ジンクアルミニウムまたは酸化ジンクスズを含む、
請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項２２】
前記ｎ型のドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｏ、ＳまたはＣを含む、
請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項２３】
前記第三の障壁層の材料は、AlｘInｙGa(1-ｘ-ｙ)N（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＰを含む、
請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項２４】
前記ｎ型のドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｏ、ＳまたはＣを含む、
請求項２３に記載の半導体発光素子。
【請求項２５】
対向する二つの側にそれぞれ位置する第一の表面と第二の表面を含んで、ドーパントがドーピングされない井戸層を形成する第一の工程と、
第一の障壁層を形成する第二の工程と、
第二の障壁層を形成する第三の工程と、
を含み、
前記第二の工程は、前記第一の表面に隣接する前記第一の障壁層の領域に第一のｎ型ドーピング領域を形成する工程と、前記第一の表面から離れる前記第一の障壁層の領域に非ドーピング領域を形成する工程と、を含み、
前記第三の工程は、前記第二の表面に隣接する前記第二の障壁層の領域に非ドーピング領域を形成する工程を含む、
半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記第二の表面から離れる前記第二の障壁層の領域にドーピング領域を形成する工程をさらに含む、
請求項２５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２７】
前記製造方法は、有機金属化学気相成長法を含む、
請求項２５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２８】
前記製造方法は、分子線エピタキシー法を含む、
請求項２５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２９】
半導体多重量子井戸構造を含む活性層を有する半導体発光素子であって、
ドーパントがドーピングされない井戸層と、
第一の障壁層と、
第二の障壁層と、
を含み、
前記井戸層は、前記第一の障壁層と前記第二の障壁層との間に形成され、
前記第一の障壁層は、前記井戸層に隣接するｎ型ドーピング領域を有し、前記井戸層から離れる非ドーピング領域を有する、
半導体発光素子。
【請求項３０】
前記第二の障壁層は、前記井戸層に隣接する非ドーピング領域を有する、
請求項２９に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関し、特に、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、例えば、光学表示装置、道路標識、データ記憶装置、通信装置、照明装置及び医療装置などの広い範囲に用いられている。今日、如何に発光ダイオードの輝度を向上するかは当業者にとって重要な課題の一つである。
【０００３】
従来の窒化物半導体発光素子には、通常、n型のドーパントをドーピングした多重量子井戸（Multiple  Quantum  Well：MQW）構造が活性層（Active  Layer）として使用される。そのドーパントのドーピング方法は、主に三種類がある。一つは、障壁層にn型のドーパントを均一にドーピングし、量子井戸層にドーパントを故意にドーピングしない方法であり、一つは、量子井戸層にn型のドーパントを均一にドーピングし、障壁層にドーパントを故意にドーピングしない方法であり、もう一つは、障壁層と量子井戸層に共にn型ドーパントを均一にドーピングする方法である。しかし、前述した方法により得られた発光素子は、その発光輝度が依然不足である。そのため、従来技術は、障壁層に隣接する量子層領域にドーパントを局部的にドーピングし、且つ、当該量子層に隣接する当該障壁層領域にもドーパントを局部的にドーピングする方法を採用することによって、レーザーダイオードの発光輝度を向上させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、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】
【０００５】
前述の目的を達成するために、本発明は、半導体発光素子を提供する。当該半導体素子は、ドーパントが故意にドーピングされない井戸層を有する活性層と、第一の障壁層と、第二の障壁層と、を含む。そのうち、井戸層は、第一の障壁層と第二の障壁層との間に形成される。井戸層に隣接する第一の障壁層の領域は、ｎ型のドーパントが故意にドーピングされる第一のn型ドーピング領域を有し、井戸層から離れる第一の障壁層の領域は、ドーパントが故意にドーピングされない第一の非ドーピング領域を有する。井戸層に隣接する第二の障壁層の領域は、ドーパントが故意にドーピングされない第二の非ドーピング領域を有する。本発明による半導体発光素子は、高発光輝度の利点を有し、さらに、低操作電圧も有し、従来の発光素子の電気的特性を改善することができる。
【０００６】
また、本発明は、半導体発光素子の製造方法を提供する。当該製造方法は、互いに対向する第一の表面と第二の表面を有し、ドーパントを故意にドーピングしない井戸層を形成する工程と、前記第一の表面に隣接する領域にn型ドーパントを故意にドーピングするように形成される第一のn型ドーピング領域、及び、前記第一の表面に隣接しない領域にドーパントを故意にドーピングしないように形成される第一の非ドーピング領域を含む第一の障壁層を形成する工程と、前記第二の表面に隣接する領域にドーパントを故意にドーピングしないように形成される第二の非ドーピング領域を含む第二の障壁層を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【０００９】
図１と図２を参照する。本発明の好適な一実施形態に係る半導体発光素子１は、基板１０と、基板１０上に形成されるバッファ層１１と、バッファ層１１上に形成されて第一の表面と第二の表面を有するn型半導体層１２と、当該第一の表面上に形成される活性層１３と、活性層１３上に形成されるp型半導体層１４と、p型半導体層１４上に形成される第一の電極１６と、当該第二の表面上に形成される第二の電極１７と、を含む。そのうち、活性層１３は、多重量子井戸構造であって、複数の井戸層１３１と、複数の井戸層１３１の間に挿入される複数の障壁層１３２と、を含み、井戸層１３１は、ドーパントがドーピングされない本質的な（Intrinsic）半導体からなり、そのドーパントの濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。井戸層１３１は下表面と上表面を有し、当該下表面に接する障壁層１３２は二つの領域を含み、そのうち、前記下表面に隣接する領域はn型のドーパントがドーピングされるn型ドーピング領域を有し、前記下表面から離れる領域はドーパントがドーピングされない非ドーピング領域である。図２aに示すように、井戸層１３１の上表面に接する障壁層１３２にはドーパントがドーピングされない。しかし、発光素子１に好適な輝度を持たせるために、図２ｂに示すように、井戸層１３１の上表面に接する障壁層１３２は二つの領域を含んでもよい。このような二つの領域のうち、井戸層１３１の上表面に隣接する領域はドーパントがドーピングされない非ドーピング領域１３２ｂであり、井戸層１３１の上表面から離れる領域はn型ドーパントがドーピングされるn型ドーピング領域１３２aを有する領域である。
【００１０】
本発明の好適な一実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法は、基板１０を選択し、基板１０上にバッファ層１１を形成し、バッファ層１１上にn型半導体層１２を形成し、n型半導体層１２上に活性層１３を形成する工程を含む。そのうち、活性層１３は、多重量子井戸構造であって、複数の井戸層１３１及び複数の井戸層１３１の間に挿入される複数の障壁層１３２からずれるように形成される。その製造工程は、n型半導体層１２上に活性層を形成する工程を含む。当該活性層の製造工程は、n型半導体層１２上に非ドーピング領域１３２ｂである障壁層を形成し、非ドーピング領域１３２ｂにn型ドーピング領域１３２aを有する障壁層を形成し、n型ドーピング領域１３２aにドーパントがドーピングされない井戸層１３１を形成し、井戸層１３１上に非ドーピング領域１３２ｂである障壁層を形成し、非ドーピング領域１３２ｂにn型ドーピング領域１３２aを有する障壁層を形成する工程を含む。また、活性層１３上にｐ型半導体層１４を形成し、エッチング方法により順序に一部のｐ型半導体層１４及び活性層１３をエッチングしてn型半導体層１２の一部の表面を露出させ、ｐ型半導体層１４上に第一の電極１６を形成し、及び、n型半導体１２の露出表面に第二の電極１７を形成する工程をさらに含む。
【００１１】
図３を参照する。図３は、本発明による半導体発光素子１と従来技術に記載の素子A及びBの発光輝度が電流変化に伴う電気的特性の比較図である。そのうち、素子Aの井戸層にはドーパントがドーピングされないが、障壁層にはすべてn型のドーパントがドーピングされる。素子Bの井戸層と障壁層とが接する界面に隣接する当該井戸層と当該障壁層の領域にはそれぞれn型のドーパントが局部的にドーピングされる。図３によれば、入力電流が同じである場合、半導体発光素子１の発光輝度が発光素子A及びBの発光輝度より高い。図４は、入力電流が同じである場合、半導体発光素子１の操作電圧が発光素子A及びBの操作電圧より低いことを示し、これにより、本発明による半導体発光素子は好適な電気的特性を有することが証明される。
【００１２】
前述した各層は、有機金属化学気相成長（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition：MOCVD）法により前記基板上に成長されて形成される。
【００１３】
分子線エピタキシー（Molecular  Beam  Epitaxy：MBE）法により半導体素子１を形成する場合、図５を参照する。活性層１３の多重量子井戸構造には、井戸層１３２の下表面に接する障壁層１３２が非ドーピング領域であっても良いが、発光素子１に好適な輝度を持たせるために、井戸層１３１の下表面に接する障壁層１３２が二つの領域を含んでも良い。このような二つの領域のうち、井戸層１３１の下表面に隣接する領域は非ドーピング領域１３２ｂであり、井戸層１３１の下表面から離れる領域はn型ドーピング領域１３１aを有する領域である。井戸層１３１の上表面に接する障壁層１３２は二つの領域を含み、そのうち、井戸層１３１の上表面に隣接する領域はn型ドーピング領域１３２aを有する領域であり、井戸層１３１の上表面から離れる領域は非ドーピング領域１３２ｂである。
【００１４】
前述した基板１０はサファイア基板であり、n型半導体層の材料はAlgInhGa(1-g-h)N（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、０≦ｇ＋ｈ≦１）であり、非ドーピング領域１３２ｂの材料はAlｃInｄGa(1-ｃ-ｄ)N（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）であって、そのドーパント濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。各層の非ドーピング領域１３２ｂの材料は、同じまたは異なっても良い。ｎ型ドーピング領域１３２aの材料はAlｘInｙGa(1-ｘ-ｙ)N（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）であり、n型のドーパントは、Si、Ge、Sn、Te、Ｏ、S及びCのうち一つである。n型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であって、好ましくは、５×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３である。各層のドーピング領域１３２aの材料も同じまたは異なっても良い。井戸層１３１の材料は、AlaInbGa(1-a-b)N（０≦a≦１、０≦b≦１、０≦a＋b≦１）であり、各層の井戸層１３１の材料は同じまたは異なっても良い。ｐ型半導体層１４の材料は、AleInfGa(1-e-f)N（０≦e≦１、０≦f≦１、０≦e＋f≦１）である。ｎ型ドーピングがドーピングされる障壁層１３２aの厚みB１及びドーピングがドーピングされない障壁層１３２ｂの厚みB2がそれぞれ障壁層１３２全体の厚みBに対する比は、発光素子の輝度に影響を与える。B1のBに対する比が０〜１（０＜B1/B＜０）で、B2のBに対する比は０〜１（０＜B２/B＜０）である場合、発光素子の輝度はそれによって向上される。本実施形態において、B1/Bが３/４以下であって、B2/Bが１/４より大きい場合、発光素子の輝度は顕著に向上される。各障壁層のドーピング領域１３２aの厚みの障壁層１３２全体の厚みに対する比は、同じまたは異なっても良い。同様に、各障壁層の非ドーピング領域１３２ｂの厚みの障壁層１３２全体の厚みに対する比は、同じまたは異なっても良い。
【００１５】
前述したｐ型半導体層１４と第一の電極１６との間に第一の透明導伝層、または、ｎ型半導体層１２の第二の表面と第二の電極１７との間に第二の透明導伝層が形成されても良い。当該第一の透明導電層及び第二の透明導電層の材料は、金属、酸化インジウムスズ、酸化ゲルマニウムスズ、酸化アンチモンスズ、酸化インジウムジンク、酸化ジンクアルミニウムまたは酸化ジンクスズである。例えば、酸化インジウムスズの場合、その厚みが例えば５０nm〜１μmであり、３００〜７００nmの波長範囲において５０%以上の透過率を有する。透明導電層は、電子ビーム蒸着（Electron  Beam  Evaporation）法、イオンスパッタリング（Ion  Sputtering）法、熱蒸着（Thermal  Evaporation）法またはこれらの方法のうち、二つ以上を組み合わせる方式により形成される。
【００１６】
前述の実施形態において、基板１０の材料はZnO、MgOまたはガラスを含んでも良い。また、基板１０は、その他の導電基板に取り替えられることもできる。この場合、第二の電極は導電基板の下表面に形成されることが可能であるので、エッチング工程は省略することができる。導電基板の材料は、SiC、GaN、AlNまたはSiを含む。
【００１７】
また、前述の実施形態において、ｎ型半導体層１２の材料は、AlGaAs、AlGaInP、AlInPまたはInGaPを含み、障壁層１３２の材料は、AlGaAs、AlInGaP、InGaPまたはAlInPを含み、井戸層１３１の材料は、AlGaAs、AlInGaP、InGaPまたはAlInPを含み、ｐ型半導体層１４の材料は、AlGaAs、AlGaInP、AlInPまたはInGaPを含み、導電基板の材料は、GaAsまたはGaPを含む。
【００１８】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態に係る活性層の構造を示す図である。
【図３】発光輝度と電流との関係を示す図である。
【図４】電流と電圧との関係を示す図である。
【図５】本発明の好適な一実施形態に係る活性層の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  基板
１１  バッファ層
１２  ｎ型半導体
１３  活性層
１３１  井戸層
１３２  障壁層
１３２ａ  ｎ型ドーピング領域
１３２ｂ  非ドーピング領域
１４  ｐ型半導体層
１６  第一の電極
１７  第二の電極
【図１】
2007184585.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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