(57)【要約】【課題】  量子閉じ込めシュタルク効果及び／またはキャリアオーバーフローを減少させ、電子‐正孔の再結合率を向上させることができる発光ダイオードを提供すること。【解決手段】  多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードが開示される。この活性領域は、窒化ガリウム系Ｎ型及びＰ型の化合物半導体層間に位置する。一方、前記活性領域内の障壁層の少なくとも１つは、アンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有し、前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記Ｐ型化合物半導体層側の井戸層に接する。これにより、キャリアオーバーフロー及び量子閉じ込めシュタルク効果を減少させ、電子‐正孔の再結合率を向上させることができる。また、相対的に厚い障壁層と相対的に薄い障壁層を有する多重量子井戸構造の活性領域が開示される。【選択図】      図４
2009152552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系のＮ型化合物半導体層と、
窒化ガリウム系のＰ型化合物半導体層と、
前記Ｎ型及びＰ型化合物半導体層間に介在され、ＩｎＧａＮ井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性領域とを有し、
前記活性領域内の障壁層の少なくとも１つが、アンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有し、
前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記アンドープＩｎＧａＮ層よりも、前記Ｐ型化合物半導体層側に隣接することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記アンドープＩｎＧａＮ層よりもさらに薄い厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記障壁層の少なくとも前記井戸層間に位置する障壁層が、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層間に位置する障壁層が、前記井戸層間における最も薄い障壁層の厚さに対して、１．３乃至３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に厚い障壁層と、１乃至１．３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に薄い障壁層とを有することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記相対的に厚い障壁層と相対的に薄い障壁層が、互いに交互に配置されたことを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記障壁層の複数個の障壁層が、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層を有し、
前記アンドープＩｎＧａＮ層が、前記Ｎ型化合物半導体層に近いほどさらに狭いバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記複数個の障壁層の少なくとも井戸層間に位置する障壁層が、それぞれＳｉドープＧａＮ層を有することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
窒化ガリウム系のＮ型化合物半導体層と、
窒化ガリウム系のＰ型化合物半導体層と、
前記Ｎ型及びＰ型化合物半導体層間に介在され、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性領域とを有し、
前記障壁層が、前記井戸層に比べて相対的に厚く、
前記井戸層間に位置する障壁層が、最も薄い障壁層の厚さに対して、１．３乃至３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に厚い障壁層と、１乃至１．３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に薄い障壁層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
前記複数個の相対的に薄い障壁層と前記複数個の相対的に厚い障壁層が、互いに交互に配列されたことを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記複数個の相対的に厚い障壁層が、それぞれ前記Ｐ型化合物半導体層にさらに近い部分に部分的にＳｉがドープされた障壁層であることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記井戸層間に位置する障壁層が、前記Ｐ型化合物半導体層にさらに近い部分に部分的に
Ｓｉがドープされた障壁層を有することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記井戸層間に位置する障壁層の少なくとも１つが、アンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有し、
前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記アンドープＩｎＧａＮ層よりも前記Ｐ型化合物半導体層側に隣接することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関し、特に、多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等のようなＩＩＩ族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有しており、最近、青色及び紫外線領域の発光ダイオード用物質として多くの脚光を浴びている。特に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）化合物半導体は、狭いバンドギャップにより多くの注目を受けている。このような窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光ダイオードは、大規模の天然色フラットパネルディスプレイ、バックライト光源、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、光通信等様々な応用分野に活用されている。
【０００３】
図１及び図２は、従来の多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図及び概略的なバンドダイアグラムである。図２の（ａ）は、各層のバンドダイアグラムを単純に示すものであり、（ｂ）は、平衡状態でのバンドダイアグラムを示すものである。一方、図３は、図２の発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムを示す。
【０００４】
図１及び図２を参照すると、発光ダイオードは、Ｎ型半導体層１７とＰ型半導体層２３を有し、前記Ｎ型及びＰ型半導体層１７、２３間に活性領域１９が介在される。また、電子と正孔の再結合効率を高めるために、Ｐ型半導体層２３と活性領域１９との間に相対的に広いバンドギャップを有するブロッキング層２１が介在されてもよい。
【０００５】
前記Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層は、ＩＩＩ族元素の窒化物半導体層、例えば、ＧａＮで形成される。一方、活性領域１９は、一般に、井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂが交互に積層された多重量子井戸構造で形成される。ＩｎＧａＮ発光ダイオードにおいて、多重量子井戸構造の活性領域は、一般に、ＩｎＧａＮ井戸層１９ａとＩｎＧａＮ障壁層１９ｂが交互に積層されて形成される。前記井戸層１９ａは、Ｎ型及びＰ型半導体層１７、１９及び障壁層１９ｂに比べて、バンドギャップの小さな半導体層で形成され、電子と正孔が再結合される量子井戸を提供する。
【０００６】
ここで、窒化ガリウム系半導体で形成された活性領域は、ピエゾ電場により分極が発生するので、図２の（ｂ）に、分極を考慮して、井戸層１９ａのバンドが障壁層１９ｂのバンドとは異なる方向へ傾斜するものと示されている。ピエゾ電場により発生するこのような分極現象は、一般に、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect
；QCSE）と知られている。量子閉じ込めシュタルク効果により、電子と正孔の再結合率が減少し、発光効率が落ちる。
【０００７】
図３を参照すると、前記発光ダイオードに順方向電圧（Ｖｆ）が印加される場合、Ｎ型半導体層１７のバンドが上方に移動する。順方向電圧が、Ｐ型半導体層２３のバンドギャップ電位に類似し、または、それよりも高い電圧で印加される場合、前記Ｎ型半導体層１７の伝導帯Ecは、前記Ｐ型半導体層２３の伝導帯よりもさらに高く位置するようになる。この際、前記活性領域内の障壁層１９ｂがＮ型半導体層１７に近いほど、障壁層の各伝導帯は、図示のように、高く位置する。このような障壁層１９ｂのバンドの配置は、Ｎ型半導体層１７から注入されたキャリアが、活性領域１９内において、再結合をすることなく
、Ｐ型半導体層２３に流入され得る駆動力を提供し、したがって、点線の矢印で示すようなキャリアオーバーフローを発生させる。このようなキャリアオーバーフローの過多発生は、電子‐正孔の再結合率を落とし、発光効率を減少させる。
【０００８】
一方、前記ブロッキング層２１は、キャリアオーバーフローを減少させるために採用される。前記ブロッキング層２１をバンドギャップがより広い半導体で形成し、キャリアオーバーフローを防止することができるが、バンドギャップがより広い半導体で形成されたブロッキング層２１は、Ｐ型半導体層１２と格子不一致が増加され、ブロッキング層２１上に成長されるＰ型半導体層２３の結晶質を落とす。したがって、ブロッキング層２１を用いて、キャリアオーバーフローを防止するのには、一定の限界がある。
【０００９】
また、一般照明分野等、発光ダイオードの適用分野が拡大するにつれて、発光ダイオードに印加される駆動電圧が、既存の３Ｖ内外に限定されずに増えつつある。このような駆動電圧の増加は、キャリアオーバーフローをさらに増加させ、発光ダイオードの発光効率をさらに減少させる。したがって、高電圧（または高電流）下で動作可能な発光ダイオードにおいて、ブロッキング層２１以外に、キャリアオーバーフローを防止することができる新たな技術が要求され、発光ダイオードの駆動電圧を低くすることができる技術が要求される。
【００１０】
一方、従来の技術による発光ダイオードは、ほぼ同一の厚さの障壁層１９ｂを有する多重量子井戸構造の活性領域を採用する。障壁層１９ｂの厚さは、工程の安定性を図り、一定の電流条件下で、最適の発光特性を示すように選択される。
【００１１】
しかしながら、場合によっては、発光ダイオードが多様な電流条件下で動作することができる。例えば、交流電源により駆動される交流駆動型発光ダイオードの場合、発光ダイオードが連続的に変わる交流電流により駆動され得る。この場合、同一の厚さを有する障壁層１９ｂからなる従来の発光ダイオードは、低電流及び高電流条件下で同時に最適の発光特性を示し難い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、量子閉じ込めシュタルク効果及び／またはキャリアオーバーフローを減少させ、電子‐正孔の再結合率を向上させることができる発光ダイオードを提供することを目的とする。
【００１３】
また、駆動電圧を減少させることができる発光ダイオードを提供することを他の目的とする。
また、交流電流のように動作条件が変わる環境で、効率的な発光特性を示すことができる発光ダイオードを提供することをまた他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明は、多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを提供する。本発明の一実施例による発光ダイオードは、窒化ガリウム系Ｎ型化合物半導体層、窒化ガリウム系Ｐ型化合物半導体層、及び前記Ｎ型及びＰ型化合物半導体層間に介在され、ＩｎＧａＮ井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性領域を有する。一方、前記活性領域内の障壁層の少なくとも１つは、アンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有し、前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記アンドープＩｎＧａＮ層よりも、前記Ｐ型化合物半導体層側に隣接する。
【００１５】
また、前記障壁層の少なくとも前記井戸層間に位置する障壁層は、それぞれアンドープ
ＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有してもよい。
本発明の実施例によると、相対的に狭いバンドギャップを有するＩｎＧａＮ層を障壁層として採用することにより、キャリアオーバーフローを緩和させることができ、ＳｉドープＧａＮ層を採用し、それが接する井戸層の量子閉じ込めシュタルク効果を減少させることができ、電子と正孔の再結合率を向上させることができる。また、ＳｉドープＧａＮ層を採用することにより、障壁層の比抵抗を減少させ、駆動電圧を低くすることができる。
【００１６】
前記ＳｉドープされたＧａＮ層は、前記アンドープＩｎＧａＮ層に比べて相対的に薄い厚さを有してもよい。ＳｉドープされたＧａＮ層が、アンドープＩｎＧａＮ層よりも厚ければ、キャリアオーバーフローを防止し難い。
【００１７】
一方、前記障壁層の複数個の障壁層が、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層を有してもよく、前記アンドープＩｎＧａＮ層は、前記Ｎ型化合物半導体層に近いほどさらに狭いバンドギャップを有してもよい。これにより、障壁層のバンドの配置により、キャリアを移動させる駆動力を除去または減少させ、キャリアオーバーフローをさらに減少させることができる。
【００１８】
これに加えて、前記複数個の障壁層の少なくとも井戸層間に位置する障壁層は、それぞれＳｉドープＧａＮ層を有してもよい。
一方、前記井戸層間に位置する障壁層は、前記井戸層間における最も薄い障壁層の厚さに対して、１．３乃至３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に厚い障壁層と、１乃至１．３倍の範囲内の厚さを有する複数個の相対的に薄い障壁層とを有してもよい。厚さの異なる障壁層を採用することにより、動作条件が変化する環境で、効率的な発光特性を達成することができる。
【００１９】
これに加えて、前記相対的に厚い障壁層と相対的に薄い障壁層は、互いに交互に配置されてもよい。
一方、ブロッキング層が、前記Ｐ型化合物半導体層と前記活性領域との間に介在されてもよい。前記ブロッキング層は、電子の移動を制限し、活性領域内で電子‐正孔の再結合を助ける。前記ブロッキング層は、ＡｌＧａＮで形成されてもよい。
【００２０】
前記課題を解決するために、本発明の他の実施例による発光ダイオードは、窒化ガリウム系Ｎ型化合物半導体層、窒化ガリウム系Ｐ型化合物半導体層、及び前記Ｎ型及びＰ型化合物半導体層間に介在され、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性領域を有する。前記障壁層は、前記井戸層に比べて相対的に厚く、前記井戸層間に位置する障壁層は、最も薄い障壁層と最も厚い障壁層を有する。
【００２１】
ここで、前記障壁層の厚さは、意図的に制御され、例えば、前記最も厚い障壁層の厚さが、前記最も薄い障壁層の厚さの１．３乃至３倍の範囲内にあってもよい。ここで、厚さ差が１．３倍以下である場合、厚さ制御により、発光特性を向上させ難く、また、厚さの差が３倍以上である場合、障壁層が厚くなり過ぎ、駆動電圧を低くすることが困難である。
【００２２】
一方、前記井戸層間に位置する障壁層は、複数個の相対的に薄い障壁層と、複数個の相対的に厚い障壁層とを有してもよい。ここで、相対的に厚い障壁層は、井戸層間に位置する最も薄い障壁層に対して、１．３乃至３倍の範囲内の厚さを有し、相対的に薄い障壁層は、井戸層間に位置する最も薄い障壁層に対して、１乃至１．３倍の範囲内の厚さを有するものと分けられる。
【００２３】
これにより、低電流下では相対的に薄い障壁層により、また、高電流条件下では相対的
に厚い障壁層により、発光ダイオードの効率的な発光を達成することができる。
前記相対的に薄い障壁層と前記相対的に厚い障壁層は、様々な方式で配列されてもよい。例えば、前記複数個の相対的に薄い障壁層が互いに近く配列され、前記複数個の相対的に厚い障壁層が互いに近く配列されてもよい。これとは異なり、前記複数個の相対的に薄い障壁層と前記複数個の相対的に厚い障壁層が、互いに交互に配列されてもよい。
【００２４】
本発明のいくつかの実施例において、前記複数個の相対的に厚い障壁層は、Ｓｉがドープされた障壁層であってもよい。これにより、前記相対的に厚い障壁層の比抵抗を低くし、駆動電圧を低くすることができる。
【００２５】
一般に、障壁層にＳｉをドープする場合、発光ダイオードの駆動電圧を低くすることができるが、Ｓｉドーピングにより、輝度が減少する現象が現われ得る。したがって、前記複数個の相対的に薄い障壁層は、Ｓｉがドープされた障壁層であってもよいが、これに限定されるものではなく、Ｓｉがドープされなかった障壁層または前記複数個の相対的に厚い障壁層に比べて、Ｓｉが低濃度でドープされた障壁層であってもよい。
【００２６】
本発明のまた他の実施例において、前記複数個の相対的に厚い障壁層は、それぞれ前記Ｐ型化合物半導体層にさらに近い部分に部分的にＳｉがドープされた障壁層であってもよい。これに加えて、前記井戸層間に位置する障壁層の少なくとも１つは、アンドープＩｎＧａＮ層及びＳｉドープＧａＮ層を有してもよい。前記ＳｉドープＧａＮ層が、前記アンドープＩｎＧａＮ層よりも前記Ｐ型化合物半導体層側に隣接している。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の実施例によると、アンドープＩｎＧａＮ層とＳｉドープＧａＮ層を有する障壁層を採用し、キャリアオーバーフロー及び量子閉じ込めシュタルク効果を減少させ、発光ダイオードの発光効率を向上させ、発光ダイオードの駆動電圧を減少させることができる。また、相対的に厚い障壁層と相対的に薄い障壁層を有する活性領域を採用し、変わる動作条件下で効率的な発光特性を示す発光ダイオード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、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【００２９】
図４は、本発明の一実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図であり、図５は、本発明の一実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムであり、図６は、本発明の一実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムである。
【００３０】
図４を参照すると、基板５１上にＮ型化合物半導体層５７が位置する。また、基板５１とＮ型化合物半導体層５７との間にバッファ層が介在されてもよく、前記バッファ層は、低温バッファ層５３及び高温バッファ層５５を有してもよい。前記基板５１は、特に限定されず、例えば、サファイア、スピネル、炭化ケイ素基板等であってもよい。一方、低温バッファ層５３は、一般に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で形成されてもよく、前記高温バッファ層５５は、例えば、アンドープＧａＮまたはＮ型不純物がドープされたＮ型ＧａＮであってもよい。
【００３１】
前記Ｎ型化合物半導体層５７の上部にＰ型化合物半導体層６３が位置し、前記Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６３との間に活性領域５９が介在される。前記Ｎ型化合物半導体層及びＰ型化合物半導体層は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系ＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されてもよい。例えば、前記Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６３は、それぞれＮ型及びＰ型のＧａＮ、または、Ｎ型及びＰ型のＡｌＧａＮであってもよい。これに加えて、前記Ｐ型化合物半導体層６３と活性領域５９との間にブロッキング層６１が介在されてもよい。前記ブロッキング層６１も（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系ＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されてもよく、例えば、ＡｌＧａＮで形成されてもよい。また、Ｎ型化合物半導体層５７と活性領域５９との間に他のブロッキング層（図示せず）が介在されてもよい。
【００３２】
一方、前記活性領域５９は、交互に積層された井戸層７１と障壁層７４を有する多重量子井戸構造を有する。前記井戸層７１は、ＩｎＧａＮで形成され、要求される光の波長により、その組成比が選択され得る。一方、前記障壁層７４の少なくとも１つは、アンドープＩｎＧａＮ層７３及びＳｉドープＧａＮ層７５を有する。これに加えて、井戸層７１間に位置する障壁層７４は、全てアンドープＩｎＧａＮ層７３とＳｉドープＧａＮ層７５を有してもよい。図示のように、ＳｉドープＧａＮ層７５がアンドープＩｎＧａＮ層７３よりも、Ｐ型化合物半導体層６３側に隣接している。前記アンドープＩｎＧａＮ層７３は、Ｎ型化合物半導体層５７側の井戸層７１に接してもよい。
【００３３】
一方、前記ＳｉドープＧａＮ層７５は、アンドープＩｎＧａＮ層７３に比べて相対的に薄い。その反対の場合、相対的にバンドギャップの広いＧａＮ層７５のため、キャリアオーバーフローを防止し難い。
【００３４】
前記ブロッキング層６１またはＰ型化合物半導体層６３と最上部井戸層７１との間にＩｎＧａＮ層７３が介在されてもよく、Ｎ型化合物半導体層５７と最下部井戸層５９ａとの間にＩｎＧａＮ層（図示せず）が介在されてもよい。すなわち、前記Ｎ型化合物半導体層５７に井戸層７１が接するものと示されているが、ＩｎＧａＮ層７３が接してもよい。また、前記ブロッキング層６１にＩｎＧａＮ層７３が接するものと示されているが、井戸層７１が接してもよい。
【００３５】
図５を参照すると、多重量子井戸構造の活性領域５９は、Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６３（またはブロッキング層６１）との間に位置する。前記活性領域５９は、相対的に狭いバンドギャップを有する井戸層７１と相対的に広いバンドギャップを有する障壁層７４が、交互に積層されて形成される。
【００３６】
前記障壁層７４の少なくとも１つは、アンドープＩｎＧａＮ層７３及びＳｉドープＧａＮ層７５を有する。前記ＧａＮ層７５が、Ｐ型化合物半導体層側の井戸層７１に接する。このような障壁層７４は、複数個形成されてもよい。
【００３７】
また、前記アンドープＩｎＧａＮ層７３からなる障壁層が、Ｐ型化合物半導体層６３（またはブロッキング層６１）と井戸層７１との間に位置してもよい。
図６を参照すると、発光ダイオードに順方向電圧（Ｖｆ）が印加された場合、Ｎ型半導体層５７のバンドが上方に移動される。順方向電圧がＰ型半導体層６３のバンドギャップ電位に類似し、または、それよりも高い電圧で印加される場合、前記Ｎ型半導体層５７の伝導帯は、前記Ｐ型半導体層６３の伝導帯よりもさらに高く位置するようになる。
【００３８】
同一の物質で形成された従来の障壁層は、高電圧の順方向電圧が印加される場合、障壁層１９ｂの伝導帯が、図３に示すように、Ｎ型半導体層１７に近いほど高く位置する。このような伝導帯のバンド傾斜は、Ｎ型半導体層１７から流入されたキャリア（電子）を、
Ｐ型半導体層２３の方向に移動させる駆動力を提供し、キャリアオーバーフローを発生させ易い。
【００３９】
しかし、本発明の実施例によると、障壁層７４がＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を有するので、ＩｎＧａＮ層７３とＧａＮ層７５との間のバンドギャップ差により、電子移動を制限し、キャリアオーバーフローを防止する。さらに、相対的にバンドギャップの狭いＩｎＧａＮ層７３を、ＧａＮ層７５に比べて厚く形成することにより、活性領域５９内の伝導帯を全体的に低くし、キャリアオーバーフローを効率的に防止することができる。
【００４０】
これに加えて、Ｐ型化合物半導体層６３側の井戸層７１に接するＧａＮ層７５にＳｉをドープすることにより、ＩｎＧａＮ層のストレインを緩和させ、ピエゾ電場の影響を減少させることができる。その結果、量子閉じ込めシュタルク効果が減少され、電子と正孔の再結合率が向上する。さらに、アンドープＩｎＧａＮ障壁層の一部をＳｉドープＧａＮ層に代替することにより、障壁層の全体の比抵抗を低くすることができ、アンドープＩｎＧａＮ障壁層を採用する従来の技術の発光ダイオードに比べて、本発明による発光ダイオードの駆動電圧を低くすることができる。
【００４１】
図７は、本発明の他の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図であり、図８は、本発明の他の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムであり、図９は、本発明の他の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムである。本実施例による発光ダイオードは、活性領域８９以外には、図４を参照して説明した発光ダイオードと同一である。以下では、その差について主に説明する。
【００４２】
図７を参照すると、前記活性領域８９は、交互に積層された井戸層７１と障壁層８４ａ、８４ｂ及び８３ｃを有する多重量子井戸構造を有する。前記障壁層８４ａ、８４ｂ及び８３ｃは、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂ及び８３ｃを有する。また、前記障壁層８４ａ、８４ｂの少なくとも１つは、ＳｉドープＧａＮ層７５を有する。これに加えて、井戸層７１間に位置する障壁層８４ａ、８４ｂは、全てＳｉドープＧａＮ層７５を有してもよい。
【００４３】
図示のように、各障壁層におけるＳｉドープＧａＮ層７５が、アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂまたは８３ｃよりもＰ型化合物半導体層６３側に隣接する。前記アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂ及び８３ｃは、それぞれＮ型化合物半導体層５７側の井戸層７１に接してもよい。一方、前記ＳｉドープＧａＮ層７５は、アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂに比べて相対的に薄い。
【００４４】
図８を参照すると、多重量子井戸構造の活性領域８９は、Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６３（またはブロッキング層６１）との間に位置する。前記活性領域８９は、相対的に狭いバンドギャップを有する井戸層７１と相対的に広いバンドギャップを有する障壁層８４ａ、８４ｂ及び８３ｃが交互に積層されて形成される。一方、前記障壁層８４ａ、８４ｂ及び８３ｃは、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂ及び８３ｃを有し、前記障壁層８４ａ及び８４ｂは、ＳｉドープＧａＮ層７５を有する。
【００４５】
前記アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂ及び８３ｃは、Ｎ型化合物半導体層５７に近いほどさらに狭いバンドギャップを有するように形成される。すなわち、アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ、アンドープＩｎＧａＮ層８３ｂ、及びアンドープＩｎＧａＮ層８３ｃの順にバンドギャップが増加する。一般に、Ｇａの組成比が増加するほど、ＩｎＧａＮ層のバンドギャップが増加し、Ｉｎの組成比が増加するほど、ＩｎＧａＮ層のバンドギャッ
プが減少する。したがって、ＧａとＩｎの組成比を変化させ、前記Ｎ型化合物半導体層に近いほどさらに狭いバンドギャップを有するように、前記ＩｎＧａＮ層が形成されてもよい。
【００４６】
図９を参照すると、発光ダイオードに順方向電圧（Ｖｆ）が印加された場合、Ｎ型半導体層５７のバンドが上方に移動される。順方向電圧がＰ型半導体層６３のバンドギャップ電位に類似し、または、それよりも高い電圧で印加される場合、前記Ｎ型半導体層５７の伝導帯は、前記Ｐ型半導体層２３の伝導帯よりもさらに高く位置するようになる。
【００４７】
同一の物質で形成された従来の障壁層は、高電圧の順方向電圧が印加される場合、活性領域内の障壁層１９ｂの伝導帯は、前記障壁層１９ｂがＮ型半導体層１７に近いほど、図３に示すように、高く位置する。このような伝導帯のバンド傾斜は、Ｎ型半導体層１７から流入されたキャリア（電子）を、Ｐ型半導体層２３の方向に移動させる駆動力を提供し、キャリアオーバーフローを発生させ易い。
【００４８】
しかし、本発明の実施例による発光ダイオードは、Ｎ型半導体層５７に近い障壁層８４ａのＩｎＧａＮ層８３ａが、Ｐ型半導体層６３に近いＩｎＧａＮ層８３ｃに比べてさらに狭いバンドギャップを有するので、高電圧の順方向電圧が印加されても、障壁層のバンド傾斜を減少させることができる。特に、順方向電圧が印加されたとき、前記障壁層の伝導帯が、ほぼ同一のエネルギー準位に位置するように、ＩｎＧａＮ層８３ａ、８３ｂ及び８３ｃのバンドギャップを調節することができる。したがって、ＳｉドープＧａＮ層７５により量子閉じ込めシュタルク効果を減少させることに加えて、活性領域８９内においてキャリアオーバーフローを引き起こす駆動力を除去し、電子‐正孔の再結合率をさらに向上させることができる。
【００４９】
本実施例において、３つの障壁層を図示及び説明したが、これに限定されるものではなく、より多数の障壁層が井戸層と交互に積層されてもよい。また、前記障壁層の複数個の障壁層が、それぞれアンドープＩｎＧａＮ層を有してもよく、このようなＩｎＧａＮ層は、Ｎ型半導体層５７に近いほどさらに狭いバンドギャップを有するように形成されてもよい。
【００５０】
一方、上記した実施例において、前記障壁層は、全て同一の厚さを有するものと図示及び説明されているが、これに限定されるものではなく、障壁層が異なる厚さを有するように形成されてもよい。例えば、障壁層は、相対的に厚い障壁層と相対的に薄い障壁層が、活性領域内において交互に配置されてもよく、このような配置により、動作条件が変わる環境で、効率的な発光特性を有する発光ダイオードを提供することができる。この場合、ＳｉドープＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層を有する障壁層は、ＧａＮ層が一定の厚さで形成され、ＩｎＧａＮ層が異なる厚さを有してもよく、その反対であってもよい。また、ＳｉドープＧａＮ層が異なる厚さを有する場合、厚さが厚いほどＳｉドーピング濃度が高いこともある。以下、障壁層が異なる厚さを有する場合について詳述する。
【００５１】
図１０は、本発明のまた他の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図であり、図１１は、本発明のまた他の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【００５２】
図１０及び図１１を参照すると、上述したように、基板１５１上にＮ型化合物半導体層１５７が位置する。また、基板１５１とＮ型化合物半導体層１５７との間にバッファ層が介在されてもよく、前記バッファ層は、低温バッファ層１５３及び高温バッファ層１５５を有してもよい。また、前記Ｎ型化合物半導体層１５７の上部にＰ型化合物半導体層１６
１が位置し、前記Ｎ型化合物半導体層１５７とＰ型化合物半導体層１６３との間に活性領域１５９が介在される。これに加えて、前記Ｐ型化合物半導体層１６１と活性領域１５９との間にブロッキング層（図示せず）が介在されてもよく、Ｎ型化合物半導体層１５７と活性領域１５９との間に他のブロッキング層（図示せず）が介在されてもよい。
【００５３】
一方、前記活性領域１５９は、交互に積層された井戸層１７１と障壁層１７３、１７５、１７７及び１７９とを有する多重量子井戸構造を有する。前記井戸層１７１は、ＩｎＧａＮで形成されてもよく、要求される光の波長により、その組成比が選択され得る。
【００５４】
一方、前記障壁層１７３、１７５、１７７及び１７９は、それぞれ前記井戸層１７１に比べてバンドギャップの大きな（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系ＩＩＩ族窒化物半導体層で形成され、例えば、ＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層で形成されてもよい。また、前記障壁層は、上述した実施例の説明と同様に、ＳｉドープＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層を有してもよい。
【００５５】
これに加えて、障壁層１７７、１７９は、障壁層１７３、１７５に比べて相対的に厚い。例えば、前記障壁層１７７、１７９は、前記障壁層１７３、１７５に比べて、１．３乃至３倍の厚さを有してもよい。前記障壁層１７７、１７９が、障壁層１７３、１７５に比べて１．３倍未満である場合、厚さ制御による効果が得られ難く、また、３倍以上である場合、障壁層１７７、１７９が厚くなり過ぎ、駆動電圧が高くなり過ぎる。
【００５６】
一方、前記障壁層１７３、１７５、１７７及び１７９は、全てＳｉがドープされてもよく、Ｓｉドーピングにより駆動電圧を低くすることができる。また、前記障壁層が、全て同一の濃度でドープされてもよいが、障壁層１７３、１７５は、障壁層１７７、１７９に比べて低濃度でドープされることが好ましい。これとは異なり、障壁層１７３、１７５は、Ｓｉがドープされなくてもよい。障壁層１７３、１７５が、相対的に薄い厚さを有するので、Ｓｉがドープされなくても、駆動電圧の増加は大きくない。また、Ｓｉドーピングを省略することにより、Ｓｉドーピングにより生じ得る輝度減少を防止することができる。
【００５７】
Ｓｉがドープされる場合、Ｓｉが障壁層１７３、１７５、１７７または１７９の全体厚さにわたってドープされてもよいが、これに限定されるものではなく、部分的にドープされてもよい。この場合、ピエゾ電場を緩和するために、Ｓｉがドープされる障壁層において、その障壁層に対してＰ型化合物半導体層にさらに近い部分にＳｉが部分的にドープされることが好ましい。
【００５８】
本実施例において、相対的に薄い障壁層１７３、１７５が互いに近く配列され、相対的に厚い障壁層１７７、１７９が互いに近く配列されるものと図示及び説明しているが、図１２に示すように、相対的に薄い障壁層１７３、１７５と相対的に厚い障壁層１７７、１７９が、互いに交互に配列されてもよい。
【００５９】
また、本実施例において、４つの障壁層を図示及び説明しているが、障壁層の数はさらに多くてもよい。
図１３は、本発明のまた他の実施例による発光ダイオードを説明するためのバンドダイアグラムである。
【００６０】
図１３を参照すると、図１０及び図１１を参照して説明した発光ダイオードとほぼ同一であり、但し、活性領域１５９内の障壁層の厚さにおいて差がある。
すなわち、本実施例において、井戸層１７１間に位置する障壁層１８３、１８５、１８７及び１８９は、その厚さが一定ではなく、最も薄い障壁層１８３と最も厚い障壁層１８
９との間でその厚さが変わる。ここで、最も厚い障壁層１８９の厚さは、最も薄い障壁層１８３の厚さの１．３乃至３倍の範囲内にある。
【００６１】
これに加えて、前記障壁層は、厚さの順にまたはその逆順に、活性領域１５９内に配列されてもよい。
本実施例によると、動作条件の変化に応じて、障壁層のそれぞれの厚さを調節することにより、可変する動作条件に対して効率的に発光可能な発光ダイオードを提供することができる。
【００６２】
一方、前記障壁層１８３、１８５、１８７及び１８９は、厚さが厚いほど高濃度のＳｉがドープされた障壁層であってもよい。また、厚さが相対的に薄い障壁層には、Ｓｉがドープされず、または低濃度でドープされてもよい。
【００６３】
また、前記障壁層は、前記Ｐ型化合物半導体層にさらに近い部分に、部分的にＳｉがドープされた障壁層を有してもよい。部分的にＳｉをドープすることにより、井戸層のストレインを緩和させ、ピエゾ電場により分極を減少させることができ、また、Ｓｉドーピングにより生じ得る輝度減少を最小化することができる。この場合、前記障壁層は、ＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層を有し、前記ＧａＮ層がＰ型化合物半導体層に近く位置してもよく、前記ＧａＮ層の全体または一部にＳｉがドープされてもよい。
【００６４】
本実施例において、４つの障壁層を図示及び説明しているが、これに限定されるものではなく、さらに多数の障壁層が井戸層と交互に積層されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来の多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図２】従来の多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【図３】従来の多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムである。
【図４】本発明の第１の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【図６】本発明の第１の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムである。
【図７】本発明の第２の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【図９】本発明の第２の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードに順方向電圧が印加されたときの概略的なバンドダイアグラムである。
【図１０】本発明の第３の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【図１２】本発明の第４の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【図１３】本発明の第５の実施例による多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオードを説明するための概略的なバンドダイアグラムである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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