窒化物半導体素子
【課題】本発明は窒化物半導体素子に関する。
【解決手段】本発明の一実施形態は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、上記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記p型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と上記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、上記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記p型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と上記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はLEDなどに使われる窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種の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)またはレーザダイオード(Laser Diode:LD)に広く使われている。このような窒化物半導体素子は、電子と正孔の再結合原理を利用する青色及び緑色を含む多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供されることができる。
【0003】
このような窒化物発光素子(LED)が開発された後、多くの技術的発展が成され、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多く研究されている。特に、従来には、窒化物発光素子は主に低電流/低出力のモバイル製品に適用される部品として使われたが、最近は徐々にその活用範囲が高電流/高出力分野に拡大している。
【0004】
図1は、一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。図1を参照すると、一般の窒化物半導体素子10は、基板11、n型窒化物半導体層12、活性層13及びp型窒化物半導体層15を含み、上記活性層13及びp型窒化物半導体層15の間には電子遮断層(EBL)14が形成される。メサエッチングされたp窒化物半導体層15の上面にはp型電極16bが形成され、n型窒化物半導体層12の露出した上面にはn型電極16aが形成される。上記電子遮断層14は正孔に比べて相対的に移動度の高い電子がp型窒化物半導体層15にオーバーフローしないようにして活性層13内でキャリアの再結合効率を向上させるため採用されたものである。しかし、上記電子遮断層14は電子だけでなく正孔に対しても障壁として機能することがあり、これによって、電子遮断層14を超えて活性層13に進入する正孔の濃度が低くなって動作電圧を増加させるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の一目的は、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる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】
【0006】
上記技術的課題を実現すべく、本発明の一実施形態は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、上記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記p型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と上記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【0007】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層はバンドギャップエネルギーが相互同一であることができる。この場合、上記複数の第1窒化物層は、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。このため、上記第1窒化物層はAlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)からなることができ、この場合、上記複数の第1窒化物層は上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことが好ましい。
【0008】
本発明の一実施例において、上記第1窒化物層は、伝導帯域を基準として上記p型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配を有することが好ましい。
【0009】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層は、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くなることができる。この場合にも上記複数の第1窒化物層は上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。
【0010】
本発明の一実施例において、上記第2窒化物層は上記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることができる。
【0011】
本発明の一実施例において、上記第1及び第2窒化物層の交互積層構造は超格子構造であることができる。
【0012】
本発明の一実施例において、上記第2窒化物層はエネルギー準位が相互異なる2つ以上の領域を備えることができる。
【0013】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層はエネルギー準位の勾配が相互同一なものを2つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接して形成されることができる。
【0014】
本発明の実施形態によると、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる窒化物半導体素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において通常の知識を有している者に本発明をより完全に説明すべく提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。
【0016】
図2は本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図で、図3は図2においてAで表示した領域を拡大して表したものである。また、図4は図3で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【0017】
先ず、図2を参照すると、本実施形態による窒化物半導体素子100は、基板101、n型窒化物半導体層102、活性層103、電子遮断層104及びp型窒化物半導体層105を備えて構成される。上記n型窒化物半導体層102の露出面上にはn型電極106aが形成され、上記p型窒化物半導体層105の上面にはp型電極106bが形成されることができる。図示してはいないが、上記p型窒化物半導体層105とp型電極106bの間には透明電極物質などから成るオーミックコンタクト層が形成されることができる。
【0018】
一方、本実施形態ではn型電極106a及びp型電極106bが同一な方向を向くよう配置された水平型窒化物半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、垂直構造の窒化物半導体素子(この場合、サファイア基板は除去されることがある)にも適用することができるということは当業者であれば容易に理解できる。
【0019】
上記基板101は窒化物単結晶の成長のためのもので、一般にサファイア基板が使用されることができる。サファイア基板は六角−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及び4.758Åで、C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面などを有する。この場合、上記C面は比較的に窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使われる。勿論、形態によってはSiC、GaN、ZnO、MgAl2O4、MgO、LiAlO2及びLiGaO2などから成る基板も使用でき、さらに、上記基板101上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質の向上のためのバッファ層、例えば、アンドープGaN層を成長させることもできる。
【0020】
上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105は、AlxInyGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型不純物及びp型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表として、GaN、AlGaN、InGaNがある。また、上記n型不純物としてSi、Ge、Se、Teなどが使用されることができ、上記p型不純物としてはMg、Zn、Beなどが代表的である。上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105は当技術分野において公知されたMOCVD、HVPE工程などで成長されることができる。
【0021】
上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105の間に形成された活性層103は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、インジウム含量によってバンドギャップエネルギーが調節されるようInxGa1−xN(0≦x≦1)からなることができる。この場合、上記活性層103は図3に図示されたように、量子障壁層103aと量子井戸層103bが交互に積層された多重量子井戸(MQW)構造からなることができる。
【0022】
上記電子遮断層(Electron Blocking Layer)104は正孔に比べて移動度が相対的に高い電子が上記活性層103を通ってオーバーフローされることを遮断する機能をする。本実施形態の場合、図3に図示されたように、上記電子遮断層104は第1窒化物層104aと第2窒化物層104bが繰り返し積層された超格子構造からなることができる。
【0023】
上記第1窒化物層104aは上記第2窒化物層104bよりエネルギー準位が高く、上記第2窒化物層104bは、例えば、GaNからなり上記量子障壁層103aと同一なバンドギャップエネルギーを有することができる。上記第1窒化物層104a及び第2窒化物層104bが相互異なる物質からなることによって分極による影響でそれぞれのエネルギー準位は傾くようになる。
【0024】
これをより詳しく説明すると、極性面であるサファイアのC面から成長された窒化物半導体層は、窒化物半導体固有のイオン結合(ionicity)特性と構造的な非対称性(格子定数a≠c)により自発分極(spontaneous polarization)を有することになり、格子定数が異なる窒化物半導体が連続して積層される場合、半導体層に形成された変形(strain)により圧電分極(piezoelectric polarization)が発生する。この場合、2種類の分極の和を正味分極(net polarization)という。
【0025】
このような正味分極により各界面に正味分極電荷(net polarization charge)が形成され、これによりエネルギー準位がベンディング(bending)、すなわち、勾配を有するようになる。このようなベンディング現象により活性層内では電子と正孔の波動関数を空間的に不一致させ、電子遮断層では電子の遮断効率が低下することができる。
【0026】
本実施形態の場合、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配が上記p型窒化物半導体層105方向に行くほど減少する。すなわち、p型窒化物半導体層105に隣接したものであるほど上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配は小さい。上記電子遮断層104全体での分極電荷は上記第1窒化物層104a及び第2窒化物層104bの界面それぞれにおける分極電荷による影響が全て累積して表れ、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配を減少させることにより、上記電子遮断層104の全体でのエネルギー準位の差異が減少して分極による影響を低減することができる。
【0027】
この場合、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位自体を相対的に減少させ分極による影響を緩和することもできるが、漏れ電流が増加して発光効率も減少する問題があるため、本願発明のようにエネルギー準位勾配を調節する方案がより好ましい。
【0028】
エネルギー準位勾配は相互異なるが、上記第1窒化物層104aはそれぞれのエネルギー準位は相互同一であることができる。この場合、勾配を有するエネルギー準位の大きさは中間値または平均値で定義されることができる。上記第1窒化物層104aのエネルギー準位を一定の水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配に変化を与えるためには上記第1窒化物層104aの4元系物質であるAlInGaNで形成し、その組成を適切に調整する必要がある。これを図5を参照に説明する。図5は、AlInGaN4元素半導体においてアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。
【0029】
図5を参照すると、アルミニウム及びインジウムの含量によりAlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)から成る窒化物半導体のバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は調節されることができる。この場合、アルミニウム含量が増加するほどバンドギャップエネルギーは増加し、正味分極電荷量は減少(絶対値は増加)する傾向をみせ、インジウム含量に対してはこれと反対の傾向をみせる。アルミニウム及びインジウム含量の変化に対してバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は相互異なる勾配を有して変化するため、含量を適切に調節すればバンドギャップエネルギーを従来と同一或いは類似な水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配を減少させることができる。
【0030】
具体的に、エネルギー準位の勾配は相互接触する異種の層間に正味分極電荷量の差異が少ないほど低くなることができる。従って、第1窒化物層104aの組成を漸次変化させ、例えば、p型窒化物半導体層105方向に行くほどアルミニウム含量とインジウム含量を増加させることにより、本実施形態のようなエネルギー準位を得ることができる。このように、本実施形態で採用された電子遮断層は、従来の一般のAlGaN電子遮断層と同一な水準のバンドギャップエネルギーを維持しながらGaNとの正味分極電荷量の差異は減るようにすることにより分極による影響を減らすことができる。
【0031】
但し、本発明は本実施形態にのみ制限されず、図6に図示されたように、第1窒化物層104aのエネルギー準位がp型窒化物半導体層105方向に行くほど勾配の減少と共に減少することもある。このような構造は図5に図示されたグラフを参照して第1窒化物層104aのバンドギャップエネルギーが減少するよう組成を選択することによって得ることができる。
【0032】
これとは異なって、上記第1窒化物層104aは3元系元素で形成されることもできる。すなわち、AlGaNで第1窒化物層104aを形成するが、p型窒化物半導体層105方向に行くほどアルミニウム含量が漸次減少するよう成長させることにより得ることができる。
【0033】
図7及び図8は、それぞれ本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流の変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。この場合、実施例1及び実施例2は、それぞれ図4及び図6の実施形態による構造である。比較例1はアルミニウムの含量が23%であるAlGaN/GaN超格子構造の電子遮断層であり、比較例2はバンドギャップエネルギーが比較例1より減少した、アルミニウムの含量が19%であるAlGaN/GaN超格子構造である。
【0034】
図7及び図8に図示されたように、本発明の実施形態による電子遮断層の場合、従来の超格子構造電子遮断層に比べて発光効率は増加し、駆動電圧は低くなることができる。これはエネルギー準位の勾配を漸次に減少させることにより、分極による影響が低減することで電子遮断の効果が増加するためであるとみられる。
【0035】
一方、本発明の電子遮断層は上記実施形態の構造を維持しながら多様に変化することができる。図9乃至11は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。先ず、図9に図示された構造のように第1窒化物層104aは、相互エネルギー準位の勾配が同一なものが隣接して複数ずつ形成されることができ、このような構造を有することによって電子遮断機能をさらに向上させることができる。
【0036】
次に、図10及び図11に図示された構造(エネルギー準位の勾配は図示しない)のように、第2窒化物層204b、304bのエネルギー準位を階段型に形成して第1窒化物層204a、304aとの格子不整合をさらに緩和させることができる。図10の場合、AlInGaN/GaN/InGaNを繰り返し成長させることにより得ることができ、図11の場合、AlInGaN/GaN/AlInGaN(第1窒化物層204a、304a及び第2窒化物層204b、304bに含まれたAlInGaNの組成は相互異なる)を繰り返し成長させることにより得ることができる。
【0037】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるのではなく、添付の請求範囲により限定される。従って、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であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明であり、これも添付の請求範囲に記載された技術的思想に属する。
【0038】
なお、添付の図面から明らかなように、「p窒化物半導体層の上面」とは、p型窒化物半導体層の基板側と逆の面をいう。また、「n型窒化物半導体層12の露出した上面」とは、n型窒化物半導体層の基板側と逆の露出した面をいう。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図3】図2においてAで表示した領域を拡大して表したものである。
【図4】図3で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図5】AlInGaN4元素半導体でアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。
【図6】図2乃至4の実施形態で変形された実施形態による窒化物半導体素子において伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図7】本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。
【図8】本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。
【図9】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図10】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図11】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【符号の説明】
【0040】
101 基板
102 n型窒化物半導体層
103 活性層
104 電子遮断層
105 p型窒化物半導体層
106a、106b n型及びp型電極
103a 量子障壁層
103b 量子井戸層
104a 第1窒化物層
104b 第2窒化物層
【技術分野】
【0001】
本発明はLEDなどに使われる窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種の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)またはレーザダイオード(Laser Diode:LD)に広く使われている。このような窒化物半導体素子は、電子と正孔の再結合原理を利用する青色及び緑色を含む多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供されることができる。
【0003】
このような窒化物発光素子(LED)が開発された後、多くの技術的発展が成され、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多く研究されている。特に、従来には、窒化物発光素子は主に低電流/低出力のモバイル製品に適用される部品として使われたが、最近は徐々にその活用範囲が高電流/高出力分野に拡大している。
【0004】
図1は、一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。図1を参照すると、一般の窒化物半導体素子10は、基板11、n型窒化物半導体層12、活性層13及びp型窒化物半導体層15を含み、上記活性層13及びp型窒化物半導体層15の間には電子遮断層(EBL)14が形成される。メサエッチングされたp窒化物半導体層15の上面にはp型電極16bが形成され、n型窒化物半導体層12の露出した上面にはn型電極16aが形成される。上記電子遮断層14は正孔に比べて相対的に移動度の高い電子がp型窒化物半導体層15にオーバーフローしないようにして活性層13内でキャリアの再結合効率を向上させるため採用されたものである。しかし、上記電子遮断層14は電子だけでなく正孔に対しても障壁として機能することがあり、これによって、電子遮断層14を超えて活性層13に進入する正孔の濃度が低くなって動作電圧を増加させるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の一目的は、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる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】
【0006】
上記技術的課題を実現すべく、本発明の一実施形態は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、上記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、上記活性層及び上記p型窒化物半導体層の間に形成され、上記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と上記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層とを含み、上記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【0007】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層はバンドギャップエネルギーが相互同一であることができる。この場合、上記複数の第1窒化物層は、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。このため、上記第1窒化物層はAlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)からなることができ、この場合、上記複数の第1窒化物層は上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことが好ましい。
【0008】
本発明の一実施例において、上記第1窒化物層は、伝導帯域を基準として上記p型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配を有することが好ましい。
【0009】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層は、上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くなることができる。この場合にも上記複数の第1窒化物層は上記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した上記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することが好ましい。
【0010】
本発明の一実施例において、上記第2窒化物層は上記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることができる。
【0011】
本発明の一実施例において、上記第1及び第2窒化物層の交互積層構造は超格子構造であることができる。
【0012】
本発明の一実施例において、上記第2窒化物層はエネルギー準位が相互異なる2つ以上の領域を備えることができる。
【0013】
本発明の一実施例において、上記複数の第1窒化物層はエネルギー準位の勾配が相互同一なものを2つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接して形成されることができる。
【0014】
本発明の実施形態によると、電子遮断層の全体的なエネルギー準位の差異を最小化して分極による影響を減少させることにより、発光効率が向上し、動作電圧が減少することができる窒化物半導体素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において通常の知識を有している者に本発明をより完全に説明すべく提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。
【0016】
図2は本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図で、図3は図2においてAで表示した領域を拡大して表したものである。また、図4は図3で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【0017】
先ず、図2を参照すると、本実施形態による窒化物半導体素子100は、基板101、n型窒化物半導体層102、活性層103、電子遮断層104及びp型窒化物半導体層105を備えて構成される。上記n型窒化物半導体層102の露出面上にはn型電極106aが形成され、上記p型窒化物半導体層105の上面にはp型電極106bが形成されることができる。図示してはいないが、上記p型窒化物半導体層105とp型電極106bの間には透明電極物質などから成るオーミックコンタクト層が形成されることができる。
【0018】
一方、本実施形態ではn型電極106a及びp型電極106bが同一な方向を向くよう配置された水平型窒化物半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、垂直構造の窒化物半導体素子(この場合、サファイア基板は除去されることがある)にも適用することができるということは当業者であれば容易に理解できる。
【0019】
上記基板101は窒化物単結晶の成長のためのもので、一般にサファイア基板が使用されることができる。サファイア基板は六角−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及び4.758Åで、C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面などを有する。この場合、上記C面は比較的に窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使われる。勿論、形態によってはSiC、GaN、ZnO、MgAl2O4、MgO、LiAlO2及びLiGaO2などから成る基板も使用でき、さらに、上記基板101上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質の向上のためのバッファ層、例えば、アンドープGaN層を成長させることもできる。
【0020】
上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105は、AlxInyGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型不純物及びp型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表として、GaN、AlGaN、InGaNがある。また、上記n型不純物としてSi、Ge、Se、Teなどが使用されることができ、上記p型不純物としてはMg、Zn、Beなどが代表的である。上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105は当技術分野において公知されたMOCVD、HVPE工程などで成長されることができる。
【0021】
上記n型窒化物半導体層102及びp型窒化物半導体層105の間に形成された活性層103は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、インジウム含量によってバンドギャップエネルギーが調節されるようInxGa1−xN(0≦x≦1)からなることができる。この場合、上記活性層103は図3に図示されたように、量子障壁層103aと量子井戸層103bが交互に積層された多重量子井戸(MQW)構造からなることができる。
【0022】
上記電子遮断層(Electron Blocking Layer)104は正孔に比べて移動度が相対的に高い電子が上記活性層103を通ってオーバーフローされることを遮断する機能をする。本実施形態の場合、図3に図示されたように、上記電子遮断層104は第1窒化物層104aと第2窒化物層104bが繰り返し積層された超格子構造からなることができる。
【0023】
上記第1窒化物層104aは上記第2窒化物層104bよりエネルギー準位が高く、上記第2窒化物層104bは、例えば、GaNからなり上記量子障壁層103aと同一なバンドギャップエネルギーを有することができる。上記第1窒化物層104a及び第2窒化物層104bが相互異なる物質からなることによって分極による影響でそれぞれのエネルギー準位は傾くようになる。
【0024】
これをより詳しく説明すると、極性面であるサファイアのC面から成長された窒化物半導体層は、窒化物半導体固有のイオン結合(ionicity)特性と構造的な非対称性(格子定数a≠c)により自発分極(spontaneous polarization)を有することになり、格子定数が異なる窒化物半導体が連続して積層される場合、半導体層に形成された変形(strain)により圧電分極(piezoelectric polarization)が発生する。この場合、2種類の分極の和を正味分極(net polarization)という。
【0025】
このような正味分極により各界面に正味分極電荷(net polarization charge)が形成され、これによりエネルギー準位がベンディング(bending)、すなわち、勾配を有するようになる。このようなベンディング現象により活性層内では電子と正孔の波動関数を空間的に不一致させ、電子遮断層では電子の遮断効率が低下することができる。
【0026】
本実施形態の場合、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配が上記p型窒化物半導体層105方向に行くほど減少する。すなわち、p型窒化物半導体層105に隣接したものであるほど上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配は小さい。上記電子遮断層104全体での分極電荷は上記第1窒化物層104a及び第2窒化物層104bの界面それぞれにおける分極電荷による影響が全て累積して表れ、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位勾配を減少させることにより、上記電子遮断層104の全体でのエネルギー準位の差異が減少して分極による影響を低減することができる。
【0027】
この場合、上記第1窒化物層104aのエネルギー準位自体を相対的に減少させ分極による影響を緩和することもできるが、漏れ電流が増加して発光効率も減少する問題があるため、本願発明のようにエネルギー準位勾配を調節する方案がより好ましい。
【0028】
エネルギー準位勾配は相互異なるが、上記第1窒化物層104aはそれぞれのエネルギー準位は相互同一であることができる。この場合、勾配を有するエネルギー準位の大きさは中間値または平均値で定義されることができる。上記第1窒化物層104aのエネルギー準位を一定の水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配に変化を与えるためには上記第1窒化物層104aの4元系物質であるAlInGaNで形成し、その組成を適切に調整する必要がある。これを図5を参照に説明する。図5は、AlInGaN4元素半導体においてアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。
【0029】
図5を参照すると、アルミニウム及びインジウムの含量によりAlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)から成る窒化物半導体のバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は調節されることができる。この場合、アルミニウム含量が増加するほどバンドギャップエネルギーは増加し、正味分極電荷量は減少(絶対値は増加)する傾向をみせ、インジウム含量に対してはこれと反対の傾向をみせる。アルミニウム及びインジウム含量の変化に対してバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量は相互異なる勾配を有して変化するため、含量を適切に調節すればバンドギャップエネルギーを従来と同一或いは類似な水準に維持しながらもエネルギー準位の勾配を減少させることができる。
【0030】
具体的に、エネルギー準位の勾配は相互接触する異種の層間に正味分極電荷量の差異が少ないほど低くなることができる。従って、第1窒化物層104aの組成を漸次変化させ、例えば、p型窒化物半導体層105方向に行くほどアルミニウム含量とインジウム含量を増加させることにより、本実施形態のようなエネルギー準位を得ることができる。このように、本実施形態で採用された電子遮断層は、従来の一般のAlGaN電子遮断層と同一な水準のバンドギャップエネルギーを維持しながらGaNとの正味分極電荷量の差異は減るようにすることにより分極による影響を減らすことができる。
【0031】
但し、本発明は本実施形態にのみ制限されず、図6に図示されたように、第1窒化物層104aのエネルギー準位がp型窒化物半導体層105方向に行くほど勾配の減少と共に減少することもある。このような構造は図5に図示されたグラフを参照して第1窒化物層104aのバンドギャップエネルギーが減少するよう組成を選択することによって得ることができる。
【0032】
これとは異なって、上記第1窒化物層104aは3元系元素で形成されることもできる。すなわち、AlGaNで第1窒化物層104aを形成するが、p型窒化物半導体層105方向に行くほどアルミニウム含量が漸次減少するよう成長させることにより得ることができる。
【0033】
図7及び図8は、それぞれ本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流の変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。この場合、実施例1及び実施例2は、それぞれ図4及び図6の実施形態による構造である。比較例1はアルミニウムの含量が23%であるAlGaN/GaN超格子構造の電子遮断層であり、比較例2はバンドギャップエネルギーが比較例1より減少した、アルミニウムの含量が19%であるAlGaN/GaN超格子構造である。
【0034】
図7及び図8に図示されたように、本発明の実施形態による電子遮断層の場合、従来の超格子構造電子遮断層に比べて発光効率は増加し、駆動電圧は低くなることができる。これはエネルギー準位の勾配を漸次に減少させることにより、分極による影響が低減することで電子遮断の効果が増加するためであるとみられる。
【0035】
一方、本発明の電子遮断層は上記実施形態の構造を維持しながら多様に変化することができる。図9乃至11は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。先ず、図9に図示された構造のように第1窒化物層104aは、相互エネルギー準位の勾配が同一なものが隣接して複数ずつ形成されることができ、このような構造を有することによって電子遮断機能をさらに向上させることができる。
【0036】
次に、図10及び図11に図示された構造(エネルギー準位の勾配は図示しない)のように、第2窒化物層204b、304bのエネルギー準位を階段型に形成して第1窒化物層204a、304aとの格子不整合をさらに緩和させることができる。図10の場合、AlInGaN/GaN/InGaNを繰り返し成長させることにより得ることができ、図11の場合、AlInGaN/GaN/AlInGaN(第1窒化物層204a、304a及び第2窒化物層204b、304bに含まれたAlInGaNの組成は相互異なる)を繰り返し成長させることにより得ることができる。
【0037】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるのではなく、添付の請求範囲により限定される。従って、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であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明であり、これも添付の請求範囲に記載された技術的思想に属する。
【0038】
なお、添付の図面から明らかなように、「p窒化物半導体層の上面」とは、p型窒化物半導体層の基板側と逆の面をいう。また、「n型窒化物半導体層12の露出した上面」とは、n型窒化物半導体層の基板側と逆の露出した面をいう。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】一般の窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図3】図2においてAで表示した領域を拡大して表したものである。
【図4】図3で表した領域の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図5】AlInGaN4元素半導体でアルミニウムとインジウムの組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。
【図6】図2乃至4の実施形態で変形された実施形態による窒化物半導体素子において伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図7】本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。
【図8】本発明の実施例によって製造された窒化物半導体発光素子の電流変化による発光効率及び駆動電圧をシミュレーションした結果を表したグラフである。
【図9】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図10】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【図11】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子において電子遮断層の伝導帯域エネルギー準位を模式的に表したものである。
【符号の説明】
【0040】
101 基板
102 n型窒化物半導体層
103 活性層
104 電子遮断層
105 p型窒化物半導体層
106a、106b n型及びp型電極
103a 量子障壁層
103b 量子井戸層
104a 第1窒化物層
104b 第2窒化物層
【特許請求の範囲】
【請求項1】
n型窒化物半導体層と、
p型窒化物半導体層と、
前記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、
前記活性層及び前記p型窒化物半導体層の間に形成され、前記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と前記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層と、を含み、
前記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項2】
前記複数の第1窒化物層は、バンドギャップエネルギーが相互同一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3】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した前記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体素子。
【請求項4】
前記第1窒化物層は、AlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)から成ることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体素子。
【請求項5】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体素子。
【請求項6】
前記第1窒化物層は、伝導帯域を基準として前記p型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配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7】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くな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】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほど それぞれに隣接した前記第2窒化物層との正味分極電荷量差異が減少することを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体素子。
【請求項9】
前記第2窒化物層は、前記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項10】
前記第1及び第2窒化物層の交互積層構造は、超格子構造であることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項11】
前記第2窒化物層は、エネルギー準位が相互異なる2つ以上の領域を備えることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項12】
前記複数の第1窒化物層は、エネルギー準位の勾配が相互同一なものを2つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
【請求項1】
n型窒化物半導体層と、
p型窒化物半導体層と、
前記n型及びp型窒化物半導体層の間に形成され、量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と、
前記活性層及び前記p型窒化物半導体層の間に形成され、前記量子障壁層よりバンドギャップエネルギーが高い物質から成る複数の第1窒化物層と前記第1窒化物層よりバンドギャップエネルギーが低い物質から成る複数の第2窒化物層が交互に積層された構造を備える電子遮断層と、を含み、
前記複数の第1窒化物層は所定の勾配を有して傾いたエネルギー準位を備えるが、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位の勾配が小さくなることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項2】
前記複数の第1窒化物層は、バンドギャップエネルギーが相互同一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3】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどそれぞれに隣接した前記第2窒化物層との正味分極電荷量の差異が減少することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体素子。
【請求項4】
前記第1窒化物層は、AlxInyGa(1−x−y)N(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)から成ることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体素子。
【請求項5】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどアルミニウム及びインジウムの含量が高いことを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体素子。
【請求項6】
前記第1窒化物層は、伝導帯域を基準として前記p型窒化物半導体層方向に行くほどエネルギー準位が増加する傾向の勾配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7】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほどエネルギー準位が低くな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】
前記複数の第1窒化物層は、前記p型窒化物半導体層に隣接したものであるほど それぞれに隣接した前記第2窒化物層との正味分極電荷量差異が減少することを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体素子。
【請求項9】
前記第2窒化物層は、前記量子障壁層とバンドギャップエネルギーが同一であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項10】
前記第1及び第2窒化物層の交互積層構造は、超格子構造であることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項11】
前記第2窒化物層は、エネルギー準位が相互異なる2つ以上の領域を備えることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項12】
前記複数の第1窒化物層は、エネルギー準位の勾配が相互同一なものを2つ以上備え、エネルギー準位の勾配が相互同一なもの同士で相互隣接して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2010−114403(P2010−114403A)
【公開日】平成22年5月20日(2010.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−10310(P2009−10310)
【出願日】平成21年1月20日(2009.1.20)
【出願人】(594023722)サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. (1,585)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年5月20日(2010.5.20)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年1月20日(2009.1.20)
【出願人】(594023722)サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. (1,585)
【Fターム(参考)】
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