(57)【要約】【課題】活性層の下部にストレイン緩衝層を用いて発光効率に優れた窒化物系発光素子を開示する。【解決手段】本発明の実施例に係る窒化物系発光素子は、第１の導電型不純物がドーピングされた第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にＩｎＧａＮを含んで形成されたストレイン緩衝層と、前記ストレイン緩衝層上に形成され、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、前記第１の導電型不純物と反対の第２の導電型不純物がドーピングされた第２の窒化物半導体層とを含み、前記ストレイン緩衝層におけるインジウムの平均組成と前記ストレイン緩衝層の厚さの積をＡと定義し、前記活性層におけるインジウムの平均組成と前記活性層の厚さの積をＢと定義するとき、Ｂ／Ａの比は１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型不純物がドーピングされた第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上にＩｎＧａＮを含んで形成されたストレイン緩衝層と、
前記ストレイン緩衝層上に形成され、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、前記第１の導電型不純物と反対の第２の導電型不純物がドーピングされた第２の窒化物半導体層と、を含み、
前記ストレイン緩衝層におけるインジウムの平均組成と前記ストレイン緩衝層の厚さの積をＡと定義し、前記活性層におけるインジウムの平均組成と前記活性層の厚さの積をＢと定義するとき、Ｂ／Ａの比は１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１であることを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記ストレイン緩衝層は、
前記活性層よりインジウム（Ｉｎ）の平均組成比が低いことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記量子井戸層はＩｎＧａＮを含み、前記量子障壁層はＧａＮを含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記ストレイン緩衝層は、
量子井戸層と量子障壁層が交互に積層されて形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記ストレイン緩衝層の量子井戸層はＩｎＧａＮを含み、前記ストレイン緩衝層の量子障壁層はＧａＮを含むことを特徴とする、請求項４に記載の窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記ストレイン緩衝層は、
第１のストレイン緩衝層と、
前記第１のストレイン緩衝層の下部に形成される第２のストレイン緩衝層と、を含み、
前記第１のストレイン緩衝層に対するＢ／Ａの比は１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１で、
前記第２のストレイン緩衝層においてインジウムの平均組成と前記第２のストレイン緩衝層の厚さの積をＣと定義するとき、
Ａ／Ｃの比は０.３＜Ａ／Ｃ＜１.８であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子
【請求項７】
前記第２のストレイン緩衝層は、
インジウム（Ｉｎ）の平均組成比が前記第１のストレイン緩衝層のインジウム（Ｉｎ）の平均組成比より低いことを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。
【請求項８】
前記第２のストレインの量子井戸層はＩｎＧａＮを含み、前記第２のストレイン緩衝層の量子障壁層はＧａＮを含むことを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記第２のストレイン緩衝層は、
１００〜５０００Åの厚さで形成されることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１０】
前記第１の窒化物半導体層にはｎ型不純物がドーピングされており、
前記第２の窒化物半導体層にはｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系発光素子に関し、より詳細には、活性層に発生するストレイン（Ｓｔｒａｉｎ）を緩和させ、発光効率を向上させることができる窒化物系発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物半導体発光素子は、紫外線、青色及び緑色領域を包括する発光領域を有する。特に、ＧａＮ系窒化物半導体発光素子は、その応用分野において、青色又は緑色の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）の光素子及びＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨFＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）などの高速スイッチング素子、高出力素子に応用されている。
【０００３】
このような窒化物半導体発光素子は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層を備えた多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ―Ｑｕａｎｔｕｍ―Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）構造の活性層が、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に位置するヘテロ（Ｈｅｔｅｒｏ）構造を有する。青色、緑色などの発光波長は、主にＩｎＧａＮ量子井戸層のインジウム（Ｉｎ）の組成比を増減させることによって決定されている。
【０００４】
このとき、ＭＱＷ構造の活性層は、主にＩｎＧａＮ量子井戸層／ＧａＮ量子障壁層を一つのペア（ｐａｉｒ）にして複数のペアで形成される。しかし、ＭＱＷ構造の活性層は、ＩｎＧａＮとＧａＮの格子定数の差により、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層との間に大きなストレインが発生する。このストレインは、活性層に大きな圧電フィールド（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）を発生させ、活性層の内部量子効率を低下させる。
【０００５】
また、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層との間のストレインは、活性層内でＶピット（Ｖ―ｐｉｔｓ）が生成される原因となり、活性層の積層時に井戸層と障壁層との間の界面が粗くなることによって活性層の結晶品質が低下し、高効率の発光素子の製作時に問題を引き起こす。
【０００６】
本発明と関連した先行文献としては、特許文献１（２００９.０１.０９.公開）があり、前記文献には、ｎ型接触層と活性層との間にインジウム成分の高いＩｎＧａＮリリーフ層を形成することによって活性層内で井戸層と障壁層との間のストレインを緩和し、発光効率を向上させた窒化物半導体発光素子について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】大韓民国公開特許第１０―２００９―０００２５６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、活性層で量子井戸層と量子障壁層との間の格子定数差などによって発生するストレインを緩和させることによって発光効率を向上させることができる窒化物系発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するための本発明の実施例に係る窒化物系発光素子は、第１の導電型不純物がドーピングされた第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にＩｎＧａＮを含んで形成されたストレイン緩衝層と、前記ストレイン緩衝層上に形成され、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、前記第１の導電型不純物と反対の第２の導電型不純物がドーピングされた第２の窒化物半導体層とを含み、前記ストレイン緩衝層においてインジウムの平均組成と前記ストレイン緩衝層の厚さの積をＡと定義し、前記活性層においてインジウムの平均組成と前記活性層の厚さの積をＢと定義するとき、Ｂ／Ａの比は１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る窒化物系発光素子は、活性層の下部に一層以上のストレイン緩衝層を形成し、それぞれの層に含まれるインジウム（Ｉｎ）の平均組成及びそれぞれの層の厚さ調節を通してこれらの間に活性層のストレインを最小化できる比率を適用することによって、活性層のストレインを緩和させることができる。
【００１１】
これを通して、本発明に係る窒化物系発光素子は、活性層の内部量子効率を向上させ、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例に係る窒化物系発光素子を示した断面図である。
【図２】図１の活性層及びストレイン緩衝層の一実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【図３】図１の活性層及びストレイン緩衝層の他の実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る窒化物系発光素子を示した断面図である。
【図５】図４の活性層及びストレイン緩衝層の一実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【図６】図４の活性層及びストレイン緩衝層の他の実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る窒化物系発光素子について説明する。本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に説明している実施例を参照すれば明確になるだろう。しかし、本発明は、以下で開示する実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現可能である。ただし、本実施例は、本発明の開示を完全にし、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は、請求項の範疇によって定義されるものに過ぎない。明細書全体にわたる同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。
【００１４】
図１は、本発明の実施例に係る窒化物系発光素子を示した断面図で、図２は、図１の活性層及びストレイン緩衝層の一実施例に係るインジウムプロファイルを示した図で、図３は、図１の活性層及びストレイン緩衝層の他の実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【００１５】
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施例に係る窒化物系発光素子１００は、第１の窒化物半導体層１２０及び第２の窒化物半導体層１５０と、これらの間に介在した活性層１４０と、第１の窒化物半導体層１２０と活性層１４０の間に介在したストレイン緩衝層１３０とを含む。
【００１６】
さらに、窒化物系発光素子１００は、第１の窒化物半導体層１２０に電気的に連結される第１の電極１６０と、第２の窒化物半導体層１５０に電気的に連結される第２の電極１７０とを含むことができる。
【００１７】
また、窒化物系発光素子１００は、第１の窒化物半導体層１２０の下側に基板１１０をさらに含むことができる。また、図面には示していないが、基板１１０と第１の窒化物半導体層１２０との間には、バッファー層、非ドーピング窒化物層などをさらに形成することができる。
【００１８】
図１に示したように、窒化物系発光素子１００は、基板１１０上に順次形成された第１の窒化物半導体層１２０、ストレイン緩衝層１３０、活性層１４０、第２の窒化物半導体層１５０及び第２の電極１７０の積層膜、及び第１の窒化物半導体層１２０の露出面に形成された第１の電極１６０を含む発光構造物である。
【００１９】
このような窒化物系発光素子１００は、半導体のｐ―ｎ接合構造を用いて注入された少数キャリア（電子又は正孔）を作り出し、これらの再結合によって発光する現象を用いる。
【００２０】
ここで、基板１１０は半導体成長用基板であり得る。例えば、基板１１０としては、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮなどの物質で形成された基板を使用することができる。サファイアは、六角―ロンボ型（Ｈｅｘａ―Ｒｈｏｍｂｏ  Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体であって、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３.００１Åと４．７５８Åで、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。この場合、Ｃ面は、比較的窒化物薄膜の成長が容易で、且つ高温で安定しているので、主に窒化物成長用基板として使用される。基板１１０としては、光効率向上のためにＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を用いることができる。
【００２１】
第１の窒化物半導体層１２０は、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表示することができ、例えば、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを含むことができる。第１の窒化物半導体層１２０に含まれる第１の導電型不純物は、例えば、ｎ型不純物であり、ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどを使用することができる。
【００２２】
第２の窒化物半導体層１５０は、第１の窒化物半導体層１２０と同様に、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表示することができ、例えば、ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを含むことができる。第２の窒化物半導体層１５０に含まれる第２の導電型不純物は、例えば、ｐ型不純物であり、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどを使用することができる。
【００２３】
このような第１及び第２の窒化物半導体層１２０、１５０は、当技術分野で公知の有機金属化学気相蒸着（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）法、水素気相蒸着（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）法などで成長することができる。第１の窒化物半導体層１２０がｎ型で、第２の窒化物半導体層１５０がｐ型である場合、電圧印加によって第１の窒化物半導体層１２０は電子を放出し、第２の窒化物半導体層１５０は正孔を放出することができる。
【００２４】
活性層１４０は、第１の窒化物半導体層１２０と第２の窒化物半導体層１５０との間に形成され、電子と正孔の再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出する。活性層１４０は、複数の量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）構造を有することができる。
【００２５】
活性層１４０は、発光させる光の波長によるバンドギャップエネルギーを有する材料で形成され、波長が４６０〜４７０nmの青色発光の場合、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を一周期（又はペア（ｐａｉｒ））にして多重量子井戸構造で形成することができる。ここで、井戸層のＩｎｘＧａ１−ｘＮは０＜ｘ≦１に調節することができる。
【００２６】
例えば、多重量子井戸構造の活性層１４０は、波長が４４０〜４７０nmの青色発光の場合、インジウム（Ｉｎ）の組成比が平均１０〜１５原子（ａｔｏｍｉｃ）％のＩｎＧａＮを使用して形成することができる。
【００２７】
しかし、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を一周期（ｐａｉｒ）とする多重量子井戸構造を有する活性層１４０の場合、ＩｎＧａＮとＧａＮの格子定数の差によってＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層との間に大きなストレインが形成される。
【００２８】
このストレインは、活性層１４０に大きな圧電フィールドを発生させ、活性層１４０の内部量子効率を低下させる。したがって、窒化物系発光素子１００の発光効率向上のために活性層１４０内のストレインを緩和させるための方案が要求される。
【００２９】
本発明の一実施例では、活性層１４０の下部にストレイン緩衝層１３０が形成される。このようなストレイン緩衝層１３０は、ｎ型半導体層１２０と活性層１４０との間に介在する。
【００３０】
本発明の一実施例によると、ストレイン緩衝層１３０は、活性層１４０のストレインを緩和するためのもので、活性層１４０の平均インジウム組成比未満のインジウムを含む層を全て含んで定義する。
【００３１】
具体的に、ストレイン緩衝層１３０はＩｎＧａＮを含む。そして、ストレイン緩衝層１３０は、インジウムの平均組成比が活性層１４０のインジウムの平均組成比より低い。ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＮは０＜ｘ≦１に調節することができる。
【００３２】
活性層１４０のストレインの最小化は、ストレイン緩衝層１３０と活性層１４０での各層の厚さとインジウムの組成を調節することによって達成することができる。ここで、量子障壁層の厚さを狭めるとインジウムの平均組成が高くなる原理が適用される。しかし、ストレイン緩衝層１３０でインジウムの組成が過度に高くなると、活性層１４０のストレイン特性が低下し得る。
【００３３】
特に、本発明の一実施例は、下記の表１を基準にして活性層１４０のストレインを最小化し、１００％に近い発光効率を達成する条件を提示する。これは、ストレイン緩衝層１３０においてインジウム（Ｉｎ）の平均組成とストレイン緩衝層１３０の厚さの積をＡと定義し、活性層１４０においてインジウム（Ｉｎ）の平均組成と活性層１４０の厚さの積をＢと定義したとき、Ｂ／Ａの比が１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１を満足することを特徴とする。
【００３４】
実験の結果、前記１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲で光出力が高く、前記範囲を逸脱する場合に相対的に光出力が低かった。
【００３５】
以下では、本発明の一実施例に係るストレイン緩衝層１３０の一例を説明し、ストレイン緩衝層１３０と活性層１４０との間インジウムのプロファイルの一例を示すが、前記の１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲を満足する限り、本発明は下記の内容に限定されない。
【００３６】
ストレイン緩衝層１３０は、活性層１４０のストレイン緩和のために活性層１４０よりインジウム（Ｉｎ）の組成比が低いＩｎＧａＮを使用して形成される。ここで、井戸層のＩｎｘＧａ１−ｘＮは０＜ｘ≦１に調節することができる。
【００３７】
ストレイン緩衝層１３０は、活性層１４０と同一に、複数の量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することができる。この場合、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を一周期にして多重量子井戸構造で形成することができる。
【００３８】
図２に示したように、一例として、本発明の一実施例に係る窒化物発光素子は、ａでは、インジウムの組成比が０原子％である１００Å厚のＧａＮからなる量子障壁層と、インジウムの組成比が１０原子％である３０Å厚のＩｎＧａＮからなる量子井戸層とが交互に積層された３ペアで形成されたストレイン緩衝層を含むことができる。また、ｂでは、インジウムの組成比が０原子％である１００Å厚のＧａＮからなる量子障壁層と、インジウムの組成比が１２原子％である３０Å厚のＩｎＧａＮからなる量子井戸層とが交互に積層された６ペアで形成された活性層を含むことができる。
【００３９】
この場合、ペアの数は多様に変形して適用することができる。特に、ａでストレイン緩衝層のインジウムの平均組成比が２．７原子％を満足し、ｂで活性層のインジウムの平均組成比が３．５〜５．７原子％を満足する限り、図３に示したように、ａ及びｂのそれぞれにおいてストレイン緩衝層及び活性層のインジウムの組成比をランダムに変形しても構わない。これは、図面には示していないが、ａで相対的にいずれか一つのインジウムの組成比が非常に低い場合にもストレイン緩衝層の平均組成比が２．７原子％を満足することを含み得ることは当然である。
【００４０】
第１の電極１６０及び第２の電極１７０は、それぞれ外部電源装置（図示せず）と電気的に連結され、第１の窒化物半導体層１２０及び第２の窒化物半導体層１５０に電圧を印加するためのものである。ここでは、第１の電極１６０と第２の電極１７０が水平に配置された水平構造の発光素子を示している。
【００４１】
第１の電極１６０は第１の窒化物半導体層１２０に電気的に接触する。より具体的に、第１の電極１６０は、第２の窒化物半導体層１５０を形成した後、エッチングを通して第１の窒化物半導体層１２０を露出させた後、露出した第１の窒化物半導体層１２０上にパターニングして形成することができる。
【００４２】
第２の電極１７０は第２の窒化物半導体層１５０に電気的に接触する。第２の電極１７０は、第２の窒化物半導体層１５０上にパターニングして形成することができる。
【００４３】
第１の電極１６０及び第２の電極１７０は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属或いはこれらの合金を用いて形成することができる。
【００４４】
このように、本発明の一実施例に係る窒化物系発光素子１００は、活性層１４０の下部にストレイン緩衝層１３０を形成し、ストレイン緩衝層１３０と活性層１４０との間に活性層１４０のストレインを最小化できる前記の１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲を適用し、活性層１４０のストレインを緩和させることができる。
【００４５】
これによって、活性層１４０の圧電フィールドが減少し、活性層１４０の結晶品質が改善されることによって、活性層１４０内での正孔と電子の再結合効率を高め、活性層１４０の発光効率を向上させることができる。
【００４６】
一方、本発明では、第１の窒化物半導体層１２０がｎ型窒化物半導体層で形成され、第２の窒化物半導体層１５０がｐ型窒化物半導体層で形成される場合を説明したが、これに限定されることはなく、これらが反対に形成されることも可能であることは当然である。
【００４７】
図４は、本発明の他の実施例に係る窒化物系発光素子を示した断面図で、図５は、図４の活性層及びストレイン緩衝層の一実施例に係るインジウムプロファイルを示した図で、図６は、図４の活性層及びストレイン緩衝層の他の実施例に係るインジウムプロファイルを示した図である。
【００４８】
図４〜図６を参照すると、本発明の他の実施例に係る窒化物系発光素子１００'は、第１の窒化物半導体層１２０及び第２の窒化物半導体層１５０と、これらの間に介在した活性層１４０と、第１の窒化物半導体層１２０と活性層１４０との間に介在した多層構造のストレイン緩衝層１３０とを含む。
【００４９】
さらに、窒化物系発光素子１００'は、第１の窒化物半導体層１２０に電気的に連結される第１の電極１６０と、第２の窒化物半導体層１５０に電気的に連結される第２の電極１７０とを含むことができる。
【００５０】
また、窒化物系発光素子１００'は、第１の窒化物半導体層１２０の下側に基板１１０をさらに含むことができる。また、図面には示していないが、基板１１０と第１の窒化物半導体層１２０との間には、バッファー層、非ドーピング窒化物層などをさらに形成することができる。
【００５１】
前記窒化物系発光素子１００'の第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂは、活性層１４０の段階的なストレイン緩和のためのもので、活性層１４０の平均インジウム組成比未満のインジウムを含む層を全て含んで定義する。
【００５２】
本発明の他の実施例に係る窒化物系発光素子１００'は、ストレイン緩衝層１３０が多層構造で形成される点を除いては、本発明の一実施例に係る窒化物系発光素子１００と同一であり得るので、重複する内容は省略し、ここでは、多層構造のストレイン緩衝層１３０についてのみ説明する。
【００５３】
前記窒化物系発光素子１００'のストレイン緩衝層１３０は、下側から第１のストレイン緩衝層１３０ａと第２のストレイン緩衝層１３０ｂが順次積層されて形成される。
【００５４】
実質的に、第２のストレイン緩衝層１３０ｂは、本発明の一実施例に係る窒化物系発光素子１００のストレイン緩衝層１３０と同一であり得るので、これについての説明は省略する。
【００５５】
窒化物系発光素子１００'は、段階的に活性層１４０のストレイン緩和のために、第１のストレイン緩衝層１３０ａ、第２のストレイン緩衝層１３０ｂ及び活性層１４０に行くほどインジウム（Ｉｎ）の平均組成比が漸次増加するＩｎＧａＮを含む。
【００５６】
すなわち、第１のストレイン緩衝層１３０ａは、ＩｎＧａＮを含む１００〜５０００Å厚のバルク層であり、活性層１４０の段階的なストレイン緩和のためにインジウムの平均組成比が第２のストレイン緩衝層１３０ｂのインジウムの平均組成比より低いＩｎＧａＮを含む。ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＮは、０＜ｘ≦１に調節することができる。
【００５７】
第１のストレイン緩衝層１３０ａは、ＩｎＧａＮを含む１００〜５０００Å厚のバルク層の単一層又は多層で形成されたり、複数の量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することができる。この場合、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を一周期にして多重量子井戸構造で形成することができる。
【００５８】
これによって、第２のストレイン緩衝層１３０ｂは、インジウムの平均組成比が第１のストレイン緩衝層１３０ａのインジウムの平均組成比より高く、活性層１４０のインジウムの平均組成比より低くなる。
【００５９】
活性層１４０のストレインの最小化は、第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂと活性層１４０の各層の厚さとインジウムの組成を調節することによって達成することができる。ここで、量子障壁層の厚さを狭めるとインジウムの平均組成が高くなる原理が適用される。しかし、第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂのそれぞれにおいてインジウムの組成が過度に高くなると、ストレイン特性が低下し得る。
【００６０】
特に、本発明の他の実施例は、下記の表１を基準にして活性層１４０のストレインを最小化し、１００％に近い発光効率を達成する条件を提示する。これは、第１のストレイン緩衝層１３０ａにおいてインジウムの平均組成と第１のストレイン緩衝層１３０ａの厚さの積をＣと定義し、第２のストレイン緩衝層１３０ｂにおいてインジウムの平均組成と第２のストレイン緩衝層１３０ｂ の厚さの積をそれぞれＡと定義し、活性層１４０においてインジウムの平均組成と活性層１４０の厚さの積をＢと定義するとき、Ａ／Ｃの比は０．３＜Ａ／Ｃ＜１．８を満足し、Ｂ／Ａの比は１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１を満足することを特徴とする。
【００６１】
実験の結果、第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂを含んだストレイン緩衝層１３０が形成されるとき、前記の０．３＜Ａ／Ｃ＜１．８の範囲と前記の１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲を満足する場合に光出力が高く、前記範囲を逸脱する場合に相対的に光出力が低かった。
【００６２】
以下では、本発明の他の実施例に係る第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂを含むストレイン緩衝層１３０の一例を説明し、第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂと活性層１４０との間のインジウムのプロファイルの一例を示すが、前記の０．３＜Ａ／Ｃ＜１．８の範囲及び１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲を満足する限り、本発明は下記の内容に限定されない。
【００６３】
図５に示したように、一例として、本発明の他の実施例に係る窒化物発光素子は、ａでは、インジウムの組成比が１原子％以下のＩｎＧａＮを使用して３０００Å厚で形成された第１のストレイン緩衝層を含むことができる。また、ｂでは、インジウムの組成比が０原子％である１００Å厚のＧａＮからなる量子障壁層とインジウムの組成比が１０原子％である３０Å厚のＩｎＧａＮからなる量子井戸層とが交互に積層された３ペアで形成された第２のストレイン緩衝層を含むことができる。そして、ｃでは、インジウムの組成比が０原子％である１００Å厚のＧａＮからなる量子障壁層と、インジウムの組成比が１２原子％である３０Å厚のＩｎＧａＮからなる量子井戸層とが交互に積層された６ペアで形成された活性層を含むことができる。
【００６４】
この場合も、ペアの数は多様に変形して適用することができる。特に、ａで第１のストレイン緩衝層のインジウムの平均組成比が０．２〜１．２原子％を満足し、ｂで第２のストレイン緩衝層のインジウムの平均組成比が２．７原子％を満足し、ｃで活性層のインジウムの平均組成比が３．５〜５．７原子％を満足する限り、図６に示したように、ａ、ｂ及びｃのそれぞれにおいて第１及び第２のストレイン緩衝層及び活性層のインジウムの組成比をランダムに変形しても構わない。これは、図面には示していないが、ｂで相対的にいずれか一つのインジウムの組成比が非常に低い場合にも第２のストレイン緩衝層の平均組成比が２．７原子％を満足することを含み得ることは当然である。
【００６５】
このように、本発明の他の実施例に係る窒化物系発光素子１００'は、活性層１４０の下部に第１及び第２のストレイン緩衝層１３０ａ、１３０ｂを含む多層のストレイン緩衝層１３０を形成し、それぞれにおけるインジウムの平均組成及び層の厚さ調節を通してこれらの間に活性層１４０のストレインを最小化できる比率、すなわち、前記の０．３＜Ａ／Ｃ＜１．８の範囲及び１．４＜Ｂ／Ａ＜６．１の範囲を適用し、活性層１４０のストレインを段階的に緩和させることができる。
【００６６】
これによって、活性層１４０の圧電フィールドが減少し、活性層１４０の結晶質が改善されることによって、活性層１４０内での正孔と電子の再結合効率を高め、活性層１４０の発光効率を向上させることができる。
【００６７】
以下、本発明に係る第１及び第２のストレイン緩衝層及び活性層のそれぞれにおいてインジウムの平均組成と各層の厚さを変更して光出力を評価し、これを下記の表１に示した。このとき、第２のストレイン緩衝層は、本発明の一実施例に係るストレイン緩衝層と実質的に同一である。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
ここで、Ｉｎ組成は、インジウムとガリウム全体原子中のインジウムの平均組成（原子％）を意味し、ｒｅｆ.は、第１のストレイン緩衝層の平均組成／厚さを０.４原子％／３００nmにし、第２のストレイン緩衝層としてＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＳＬｓ(Ｓupper Lattice) を使用（Ｉｎ組成１０原子％、１ペアの厚さを１３５Åにして６ペア形成）し、活性層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮを使用し、Ｉｎ組成１２原子％で１ペアの厚さを１３５Åにして６ペアで形成したことを意味する。
【００７０】
表１を参照すると、Ａ／Ｃの比が０.６や０.９であるときは光出力がそれぞれ１００％と９９％と高かったが、０.３と１.８であるときは、光出力がそれぞれ９５％と９４％と相対的に低下することを確認することができた。
【００７１】
また、Ａ／Ｃの比が０.６〜０.７であるとき、Ｂ／Ａの比が１.４であるときの光出力と６.１であるときの光出力はそれぞれ８７％と９２％であって、Ｂ／Ａの比が２.５、３.５、４.３、５.２であるときの光出力９９〜１００％に比べて相対的に低下することを確認することができた。
【００７２】
実験の結果を通して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造の活性層を含む窒化物系発光素子は、光出力効率を高めるために、第２のストレイン層と活性層が形成される場合はＢ／Ａの比が１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１の範囲を満足するようにすることが望ましい。また、第１及び第２のストレイン層と活性層が形成される場合はＡ／Ｃの比が０.３＜Ａ／Ｃ＜１.８の範囲を満足し、Ｂ／Ａの比が１.４＜Ｂ／Ａ＜６.１の範囲を満足するようにすることが望ましい。前記の範囲を満足するとき、発光素子における活性層のストレインが緩和され、活性層の内部量子効率が向上することによって光出力が向上し得る。
【００７３】
以上では、本発明の実施例を中心に説明したが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する技術者の水準で多様な変更や変形が可能である。このような変更と変形は、本発明が提供する技術思想の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものと言える。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載する特許請求の範囲によって判断しなければならない。
【符号の説明】
【００７４】
１００、１００'：窒化物系半導体素子、１１０：基板、１２０：第１の窒化物半導体層、１３０：ストレイン緩衝層、１３０ａ：第１のストレイン緩衝層、１３０ｂ：第２のストレイン緩衝層、１４０：活性層、１５０：第２の窒化物半導体層、１６０：第１の電極、１７０：第２の電極
【図１】
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【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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