(57)【要約】【課題】  ｎ型窒化物半導体層間に中間層を挿入し、サファイア基板とＧａＮとの界面で発生する貫通転位を減少させ、耐静電圧の向上等の特性を改善すること。【解決手段】  基板上に、バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層からなる窒化物系発光素子において、前記ｎ型窒化物半導体層内に、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮからなる中間層を有することを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層からなる窒化物系発光素子において、
前記ｎ型窒化物半導体層内に、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮからなる中間層を有することを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記中間層のＳｉ組成比ｘは、０．０２〜０．２の範囲を有す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３】
前記中間層のＳｉ組成比ｘは、０．０２〜０．１２の範囲を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記中間層は、１０〜５００ｎｍの厚さを有す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５】
前記中間層は、８００〜１０００℃で成長されたもの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６】
前記中間層は、前記ｎ型窒化物半導体層の全厚の１／３〜２／３に該当する位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記中間層とｎ型窒化物半導体層は、中間層とｎ型窒化物半導体層が交互に積層された超格子構造で形成され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８】
前記中間層とｎ型窒化物半導体層との厚さ比は、１：１０乃至３：７であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記中間層とｎ型窒化物半導体層の超格子構造は、前記中間層とｎ型窒化物半導体層が２〜１０回交互に積層されて形成されることを特徴とする請求項７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、より詳しくは、ｎ型窒化物半導体層間に中間層を挿入することにより、前記基板と前記ｎ型窒化物系半導体層との間で発生する格子不整合により、ｎ型窒化物系半導体層の成長初期から発生する貫通転位(threading dislocation)を減らすと共に、ｎ型窒化物系半導体層が成長する間、生成する引張ひずみ(tensile strain)を減少させ、耐静電圧特性を改善した高品位窒化物系発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物系半導体は、フルカラーディスプレイ、交通信号灯、一般照明、及び光通信機器の光源として、青・緑色発光ダイオード又はレーザダイオードに広く用いられている。このような窒化物系発光素子は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層間に位置したＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造の活性層を備え、前記活性層において、電子と正孔が再結合する原理で光を生成させて放出させる。
【０００３】
サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板とＧａＮとの間には、約１４％の格子不整合を有している。
このような格子不整合を減らすために、様々なバッファ層が用いられているが、依然として、サファイア基板とＧａＮとの界面には、１０８〜１０１０ｃｍ−２の貫通転位密度を含んでいる。また、成長途中に引張ひずみを受けるため、基板の表面にクラックを形成するようになる。このような現象は、直ちに、耐静電圧の特性低下だけでなく、内部量子効率の減少を引き起こしてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ｎ型窒化物半導体層間に中間層を挿入し、サファイア基板とＧａＮとの界面で発生する貫通転位を減少させ、耐静電圧の向上等の特性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明は、基板上に、バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層からなる窒化物系発光素子において、前記ｎ型窒化物半導体層内に、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮからなる中間層を有することを特徴とする。
【０００６】
前記中間層のＳｉ組成比ｘは、０．０２〜０．２の範囲を有することが好ましく、より好ましくは、０．０２〜０．１２の範囲を有することである。
また、前記中間層は、１０〜５００ｎｍの厚さを有することが好ましく、例えば、８００〜１０００℃で成長されてもよい。
【０００７】
前記中間層は、前記ｎ型窒化物半導体層の全厚の１／３〜２／３に該当する位置に形成されてもよく、前記中間層とｎ型窒化物半導体層は、中間層とｎ型窒化物半導体層が交互に積層された超格子構造で形成されてもよい。この場合、前記中間層とｎ型窒化物半導体層との厚さ比は、１：１０乃至３：７であることが好ましい。前記中間層とｎ型窒化物半導体層の超格子構造は、前記中間層とｎ型窒化物半導体層が２〜１０回交互に積層されて形成されてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、中間層は、前記基板と前記ｎ型窒化物系半導体層との間で発生する格
子不整合により引き起こされるｎ型窒化物系半導体層の成長初期から発生する貫通転位を減らすと共に、ｎ型窒化物系半導体層が成長する間、生成する引張ひずみを減少させ、耐静電圧特性を大いに改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施例について詳述する。
図１は、一般の実施形態による窒化物系発光素子の断面図であり、図２は、本発明の実施形態による窒化物系発光素子の断面図である。
【００１０】
先ず、図２を参照すると、前記窒化物系発光素子は、前記基板２‐１上にバッファ層２‐２を形成した後、順次形成されたｎ型窒化物半導体層２‐３、活性層２‐４、及びｐ型窒化物半導体層２‐５を有する。前記ｎ型窒化物半導体層２‐３の露出した上面には、ｎ層電極２‐６が、前記ｐ型窒化物半導体層２‐５の露出した上面には、ｐ層電極２‐７がそれぞれ設けられる。
【００１１】
本実施形態で用いられたＡｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層２‐ａは、ｎ型窒化物半導体層間に位置し、サファイア基板とＧａＮとの界面で発生する貫通転位を減少させるために、適切な厚さと組成を有するように構成される。
【００１２】
以下、本発明による窒化物系発光素子の第１の実施例について説明する。
窒化物系発光素子の成長方法としては、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、分子線エピタキシー法（MBE；Molecular Beam Epitaxy）、及びハイドライド気相成長法（HVPE；Hydride Vapor Phase Epitaxy）等の様々な方法が用いられ、本実施例では、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD）を用いる。
【００１３】
図２を参照すると、基板２‐１上に、バッファ層２‐２、ｎ型窒化物半導体層２‐３、ｎ型窒化物半導体層間に位置したＡｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層２‐ａ、活性層２‐４、及びｐ型窒化物半導体層２‐５を順次形成する。
【００１４】
前記基板２‐１は、窒化物系発光素子を作製するためのウエハであり、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の異種基板を用い、又は、ＧａＮのような同種基板の少なくとも一つの基板を用いる。本実施例では、サファイアで構成された結晶成長基板を用いる。
【００１５】
前記バッファ層２‐２は、前記基板上に結晶成長の際に、基板と後続層との間の格子不整合を減らすためのものであり、ＩｎＡｌＧａＮ系、ＳｉＣ又はＺｎＯを含めて形成することができる。本実施例では、ＩｎＡｌＧａＮ系で構成されたバッファ層を用いる。
【００１６】
前記ｎ型窒化物半導体層２‐３は、電子が生成される層であり、Ｓｉドープのｎ型窒化物系半導体層を用いる。本実施例は、前記ｎ型窒化物半導体層として、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ４等の不活性ガスを用い、又は、ＤＴＢＳｉのようなＭＯソースを用いて、１×１０１７／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３の不純物濃度を有するｎ型窒化物半導体層を１．０〜５．０ｍの厚さに形成することができる。
【００１７】
前記ｎ型窒化物半導体層間に位置する中間層２‐ａは、耐静電圧を向上させる層であり、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮを用いる。本実施例では、８００〜１０００℃のＮＨ３雰囲気において、Ａｌを得るためのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のＭＯソース、Ｓｉを得るためのＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ４等の不活性ガス、又はＤＴＢＳｉのようなＭＯソースを用いて、３×１０１８／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３の不純物濃度を有するＡｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層を１０〜５００ｎｍの厚さに形成することができる。
【００１８】
また、前記Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ層は、好ましくは、０．０２＜ｘ＜０．２の組成で形成され、より好ましくは、０．０２＜ｘ＜０．１２で形成される。
また、前記Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層は、前記ｎ型窒化物半導体層の全厚の１／３〜２／３に該当する位置に形成される。
【００１９】
また、前記Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層は、前記ｎ型窒化物半導体層間に１回形成され、また、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に超格子構造で形成される。
【００２０】
この場合、前記Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層と前記ｎ型窒化物半導体層との厚さ比は、１：１０〜３：７である。
次に、前記ｎ型窒化物半導体層上に、前記活性層２‐４を形成する。前記活性層２‐４は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１＜ｘ＜１）量子井戸層３‐１と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．５）量子障壁層３‐２とが少なくとも２〜１０回交互に積層された多重量子井戸構造を形成した。より好ましくは、各量子井戸層３‐１は、１〜４ｎｍの厚さ及びＩｎ含量（０．１＜ｘ＜０．４）で形成され、各量子障壁層３‐２は、５〜２０ｎｍの厚さ及びＩｎ含量（０＜ｙ＜０．２）で形成される。
【００２１】
次に、前記活性層２‐４上に、Ｍｇドープのｐ型窒化物半導体層２‐５を形成する。ここで、Ｇａのためのソースガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いてもよく、Ｎのためのソースガスとしては、アンモニア（ＮＨ３）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いてもよく、Ｍｇのためのソースガスとしては、ＣＰ２Ｍｇ又はＤＭＺｎを用いてもよい。これを用いて、３×１０１７／ｃｍ３〜８×１０１７／ｃｍ３のＭｇを有するｐ型窒化物半導体層２‐５が、１〜３μｍの厚さで形成される。以降、適切にメサエッチングした後、前記ｎ型窒化物半導体層２‐３の露出した上面には、ｎ層電極２‐６が、前記ｐ型窒化物半導体層２‐５の露出した上面には、ｐ層電極２‐７がそれぞれ形成される。
（比較例）
本発明で採用したＡｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層を省略したことを除いては、上記実施例と同様な条件で窒化物系発光素子を製造した。これは、図１の形態による。
【００２２】
上記した実施例と比較例で得られた窒化物系発光素子の耐静電圧を−１００Ｖから−１ｋＶまで段階的に加えることによるＥＳＤ結果を、図３の表に示した。
図３に示すように、耐静電圧が−１００Ｖから−１ｋＶまで増加するとき、比較例の場合は、−５００ＥＳＤ水準の耐静電圧を有することが認められる。これに対して、Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層を用いた実施例の場合は、−９００ＥＳＤ水準の耐静電圧の向上を示すことが認められる。
【００２３】
このように、ｎ型窒化物半導体層間にＡｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層を挿入することにより、前記基板と前記ｎ型窒化物系半導体層との間で発生する格子不整合により引き起こされるｎ型窒化物系半導体層の成長初期から発生する貫通転位を減らすと共に、ｎ型窒化物系半導体層が成長する間、生成する引張ひずみを減少させ、耐静電圧特性を大いに改善することができる。
【００２４】
上述した実施例では、窒化物系発光素子を中心として例示して説明しているが、本発明が、半導体レーザ素子のように、類似した構造を有する他の窒化物系光学素子にも有効に適用されることは、当業者にとって自明のことである。
【００２５】
以上、本発明について好適な実施例を挙げて詳述したが、本発明の範囲は、特定の実施
例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲により解釈されなければならない。また、この技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲を外れない範囲内で、様々な修正と変形が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の窒化物系発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明による窒化物系発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の窒化物系発光素子と従来の窒化物系発光素子の耐静電圧に対するＥＳＤ収率を示す表である。
【符号の説明】
【００２７】
２‐１  基板
２‐２  バッファ層
２‐３  ｎ型窒化物半導体層
２‐ａ  Ａｌ１−ｘＳｉｘＮ中間層
２‐４  活性層
２‐５  ｐ型窒化物半導体層
２‐６  ｎ層電極
２‐７  ｐ層電極
【図１】
2009076864.tif 000003
【図２】
2009076864.tif 000004
【図３】
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