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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層とを含み、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、第１量子井戸層と、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、上記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、上記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層とを具備す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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層とを含み、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、第１量子井戸層と、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、上記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、上記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層とを具備す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、窒化物半導体素子に関する。さらに詳細には最適化された量子障壁層及び量子井戸層構造を有する活性層により、特に、高電流作動時に発光効率が向上された窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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、各種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）またはレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使用されている。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が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）が開発された後に、多くの技術的発展を成し、その活用範囲が拡大され一般照明及び電装用光源として多くの研究がされている。特に、従来の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用されたが、最近は次第にその活用範囲が高電流／高出力分野に拡大している。これにより高電流で高効率を有するＬＥＤ構造の開発が急を要する実情である。
【０００４】
図１は、一般的な窒化物半導体素子を表す断面図である。
【０００５】
図１を参照すると、窒化物半導体素子１０はサファイア基板１１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層１２、多重量子井戸構造を有する活性層１５、ｐ型窒化物半導体層１７及び透明電極層１８を有する。上記ｎ型窒化物半導体層１２の一部領域は、エッチングされてｎ側電極１９ａの形成のための領域として提供され、上記透明電極層１８上にはｐ側電極１９ｂが形成される。ここで、上記活性層１５は複数の量子井戸層１５ａと量子障壁層１５ｂが交互に積層された多重量子井戸構造から成る。
【０００６】
このような窒化物半導体素子の発光効率は、普通活性層内での電子と正孔の再結合確率、すなわち内部量子効率により決定される。このような内部量子効率の改善方案は主に活性層自体の構造を改善して発光に関わる有効キャリア（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃａｒｒｉｅｒ）の数を増加させる方向で研究されている。すなわち、活性層において有効キャリアの数を増大させるために、活性層の外部にオーバーフローされるキャリアの数を減少させる必要がある。
【０００７】
また、活性層内の特定局部領域へのキャリア注入が制限され全体の活性層における有効発光領域が減少することがあり、このような有効発光領域の減少は発光効率の低下と直結するため、全体の活性層の領域において再結合が保障されることができる方案が求められる。これを図２を参照してより具体的に説明する。
【０００８】
図２ａ及び図２ｂは、夫々従来の技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリアの波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーションの結果である。
【０００９】
先ず、図２ａに図示された波動関数（点線：電子、実線：正孔）によると、相対的に正孔は電子に比べて移動度が低いため、ペア（ｐａｉｒ）数が増加するに従って正孔の存在確率は急激に減少するようになる。電子と正孔は夫々ｎ型及びｐ型窒化物半導体層から遠くなるほどその分布が減少するが、正孔が相対的にさらに急速に減少するため、図２ｂに表われたように、有効な再結合確率はｐ型窒化物半導体層と近い領域（II）に位置した量子井戸層において高い傾向を示す。
【００１０】
このような活性層の有効活性領域が低下する問題は、特に高電流を要求する照明装置等に使用される場合により深刻になるため（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｒｏｏｐ）、当技術分野では高電流作動時の発光効率を向上させることができる多重量子井戸構造が必要であるという実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の一目的は、最適化された多重量子井戸構造を有する活性層により、高電流の駆動時に発光効率が大きく向上された窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層とを含み、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、第１量子井戸層と、上記ｐ型窒化物半導体層方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成され、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、上記第１及び第２量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、上記ｐ型窒化物半導体層方向に上記第２量子井戸層に隣接して形成され、上記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、上記第１及び第２量子井戸層と隣接して形成され、上記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【００１３】
本発明の一実施例において、上記活性層内で、上記単位積層構造は２回以上反復して積層されることができる。この場合、上記単位積層構造の反復回数は２〜３０回であることができる。また、上記厚膜量子井戸層は、上記単位積層構造の間に配置されて上記単位積層構造に含まれた結晶品質改善層と界面を形成することができる。
【００１４】
本発明の一実施例において、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造のうち一部は超格子構造を成すことができる。この場合、上記超格子構造は上記活性層内において上記単位積層構造に比べて上記ｎ型窒化物半導体層により隣接して形成されることができる。
【００１５】
また、上記超格子構造に含まれた複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００１６】
また、上記超格子構造は量子井戸層及び量子障壁層を夫々５〜１５個ずつ具備することができる。
【００１７】
また、上記活性層は上記単位積層構造を１〜５個具備することができる。
【００１８】
また、上記厚膜量子井戸層は上記超格子構造と上記単位積層構造の間に形成されることができる。この場合、上記厚膜量子井戸層は、上記活性層内において上記ｎ型窒化物半導体層より上記ｐ型窒化物半導体層に近く形成されることができる。
【００１９】
また、上記厚膜量子井戸層及びこれと隣接した上記単位積層構造に含まれた第１量子井戸層の間に形成された量子障壁層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００２０】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層は上記第１量子井戸層より厚さが薄いことができる。
【００２１】
本発明の一実施例において、上記第１量子井戸層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００２２】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることができる。
【００２３】
本発明の一実施例において、上記トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることができる。
【００２４】
本発明の一実施例において、上記結晶品質改善層の厚さは３０〜２００Åであることができる。
【００２５】
本発明の一実施例において、上記厚膜量子井戸層の厚さは５０〜１００Åであることができる。
【００２６】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層の上記量子準位はドーピングによる量子準位であることができる。
【００２７】
本発明の一実施例において、上記単位積層構造は、上記ｎ型窒化物半導体層の方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成され、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第３量子井戸層と、上記第１及び第３量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層とをさらに有することができる。この場合、上記第３量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることができる。また、上記第２トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、最適化された多重量子井戸構造を有する活性層により高電流作動時に発光効率が大きく向上された窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一般的な窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図２ａ】従来技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリア波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーション結果である。
【図２ｂ】従来技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリア波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーション結果である。
【図３】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４】図３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５】図４に図示された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図６】本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図８】本発明の一実施例と比較例により製造された窒化物半導体素子においてエネルギー変換効率を注入電流に沿って表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００３１】
但し、本発明の実施形態は様々な異なる形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために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等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上の同一の符号で表示される要素は同一の要素である。
【００３２】
図３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４は図３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。
【００３３】
先ず、図３を参照すると、窒化物半導体素子３０は、基板３１、ｎ型窒化物半導体層３２、活性層３００及びｐ型窒化物半導体層３７を含む。上記ｎ型窒化物半導体層３２の露出面上にはｎ型電極３９ａが形成されることができる。また、上記ｐ型窒化物半導体層３７の上面には透明電極層３８とｐ型電極３９ｂが順番に形成されることができる。この場合、上記透明電極層３８は実施形態により除外されることができる。また、本実施形態ではｎ型及びｐ型電極３９ａ、３９ｂが同一の方向を向かうように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にも適用され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することができる。
【００３４】
上記基板３１は、窒化物単結晶成長用基板として提供され、一般的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−菱形（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体としてｃ軸及びａ軸方向の格子定数が夫々１３．００１Å及び４．７５８Åで、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、上記Ｃ面は比較的窒化物の薄膜の成長が容易であり、高温で安定しているため窒化物成長用基板として主に使用される。勿論、形態によってはＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２及びＬｉＧａＯ２等からなる基板も使用することができ、更に、上記基板３１上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質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。
【００３５】
上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３７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成ることができ、代表的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、IｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等が使用されることができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢe等が代表的である。
【００３６】
上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３７の間に形成される活性層３００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、図３に図示されたように、複数の量子井戸層と複数の量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造から成る。特に、本実施形態の場合、上記複数の量子井戸層及び量子障壁層は、夫々２個ずつで総４個の層がひとつの単位積層構造３５となり、１回以上反復された構造を有し、上記単位積層構造３５は活性層内においてキャリアの移動を円滑にするために提供されるものである。また、上記単位積層構造３５と隣接すると電子と正孔の非発光性再結合（Ａｕｇｅｒ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を減らすために提供される厚膜量子井戸層３６が形成される。上記単位積層構造３５及び厚膜量子井戸層３６をさらに詳細に説明するために図３においてＡで表示した領域を図４に拡大して図示した。
【００３７】
図４に図示されたように、本実施形態において採用された多重量子井戸構造は、２個の量子井戸層３５ａ、３５ｃと２個の量子障壁層３５ｂ、３５ｄで構成された４層の単位積層構造３５が反復された構造とこれらの間に形成された厚膜量子井戸層３６を具備する。以下、上記単位積層構造３５に含まれた量子井戸層及び量子障壁層３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの機能を考慮して、夫々を第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ、第２量子井戸層３５ｃ及び結晶品質改善層３５ｄと称することにする。上記第１量子井戸層３５ａは、ｎ型窒化物半導体層３２に隣接する層で上記ｎ型窒化物半導体層３２から電子が最も優先的に注入され、単位積層構造３５において主となる発光層として機能する。上記トンネリング量子障壁層３５ｂは、上記第１量子井戸層３５ａまたは第２量子井戸層３５ｃからのキャリアがトンネリングされることができる厚さｄ２を有し、これにより、キャリアが隣接した量子井戸層に円滑に移動されることができるようにする。
【００３８】
上記第２量子井戸層３５ｃは、上記第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。このために、本実施形態では、上記第１量子井戸層３５ａより上記第２量子井戸層３５ｃが薄い厚さのｄ３を有するようにした。後述するように、上記第２量子井戸層３５ｃは高い量子準位によりキャリアが隣接した量子井戸層に容易に移動されるように階段の役割を主に行い、発光機能は第１量子井戸層３５ａに比べてわずかであることを特徴とする。
【００３９】
上記結晶品質改善層３５ｄは、それ以前に積層される上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの厚さが数十Å単位でその結晶品質が低下することができるという問題を解決するために提供される量子障壁層である。すなわち、本実施形態による多重量子井戸構造では、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの構造的特性により活性層内においてキャリアの移動が増進されることができ、これにより、隣接した量子障壁層である上記結晶品質改善層３５ｄを相対的に厚く成長させることができる。従って、上記結晶品質改善層３５ｄは上記トンネリング量子障壁層３５ｂよりその厚さｄ４が厚く採用される。但し、上記結晶品質改善層３５ｄの適切な厚さに関する限定事項は、本発明において必須のものではなく、活性層３００の厚さ及び後述する青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象等を考慮して、適切にその厚さを調節することができる。
【００４０】
上記厚膜量子井戸層３６は、上記単位積層構造３５と隣接して形成され、上記単位積層構造３５に含まれた第１及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｃより厚さｄ５が厚い。上述したように上記第１及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｃは厚さが相対的に薄くその中でキャリアの密度は相対的に高くなり、これによって、非発光性再結合が増加することができる。本実施形態では、このような非発光性再結合による発光効率の低下を防ぐために、上記厚膜量子井戸層３６の厚さｄ５を相対的に厚くしてキャリアの密度を低めることによって非発光性再結合を抑制することができる。
【００４１】
以下、図５を参照して上記単位積層構造３５及び厚膜量子井戸層３６の機能をより詳細に説明する。図５は図４に図示された多重量子井戸構造の伝導帯域のエネルギーレベルを図示したものである。説明の便宜をはかるために、キャリアとして電子の移動の様子のみを図示した。先ず、第１量子井戸層３５ａに注入された電子ｅ−のうちの一部は、正孔との発光性再結合により所定の波長の光を放出する。大量の電子が注入されると、上記第１量子井戸層３５ａのエネルギー準位Ｅ０、Ｅ１は全て電子で満たされ、残りの電子は隣接したトンネリング量子障壁層３５ｂをトンネリングして第２量子井戸層３５ｃに注入される。この場合、後述するように、上記第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有し、これにより、第１量子井戸層３５ａの高次量子準位から第２量子井戸層３５ｃの０次量子準位Ｅ'０へより容易に電子がトンネリングされることができる。このようなトンネリング機能を行うために上記トンネリング量子障壁層３５ｂの厚さｄ２は約１０〜８０Åの値を有する。また、上記第１量子井戸層３５ａは量子効果により高い内部量子効率を有するために厚さｄ１が約２０〜６０Åの値を有する。
【００４２】
トンネリングにより第２量子井戸層３５ｃに注入された電子は上記第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。これは上述したように、隣接した他の量子井戸層、具体的には上記厚膜量子井戸層３６や他の第１量子井戸層へ電子が容易に移動することができるように、階段のような役割をするものと理解されることができる。このような高い量子準位を得るために上記第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａより厚さが薄いことが好ましい。具体的に、上記第２量子井戸層３５ｃの厚さｄ３は、約１０〜５０Å程度の値を有する。このように、上記第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位により隣接した量子井戸層への注入効率は向上されることができ、これにより、活性層の全体的な有効発光領域が拡大される。一方、第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位は、厚さを相対的に薄くすることによってのみ達成することができるというものではなく、適切な物質のドーピングやインジウムまたはアルミニウムの含量を調節する方法等を通しても得ることができる。
【００４３】
上記結晶品質改善層３５ｄは、その厚さが薄いもの、例えば、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの厚さと似た水準を有するものが隣接した量子井戸層への電子注入に有利であることができるが、本実施形態の場合は結晶品質改善により焦点を合わせるようにした。すなわち、その機能を行うために相対的に厚さが薄く形成された上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの結晶品質は優れたものにならず、このような薄い層が続けて反復積層される場合にはキャリア注入効率が向上されるにも関わらず結晶品質の低下により全体的な発光効率向上の効果は大きくなることができない。従って、上記の結晶品質改善層３５ｄは以前に積層された上記層３５ａ、３５ｂ、３５ｃに比べて厚いことが好ましい。但し、厚すぎる場合、注入される電流が増加するに従って放出される光の波長の青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象が深化することがあるため、これを勘案すると、上記結晶品質改善層３５ｄの厚さｄ４は約３０〜２００Å程度の値を有することが好ましい。
【００４４】
これと共に、本実施形態において採用された多重量子井戸構造は、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層、第２量子井戸層及び結晶品質改善層３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄをひとつの単位積層構造３５としてこのような単位積層構造３５が複数回反復されたことを特徴とする。これにより、量子井戸層の間のキャリアの移動性と半導体結晶の品質が全て改善されることができ、特に、高電流作動時に優れた発光効率の向上効果を得ることができる。この場合、上記単位積層構造３５は上記活性層３００内に１個だけ含まれることができ、複数回反復されることもできる。単位積層構造３５の最適反復回数は素子が駆動される電流密度により異なり、一般的には電流密度が高いほど最適な反復回数は増加する。複数回反復される場合は、反復回数が３０回以下、すなわち、夫々量子井戸層と量子障壁層が６０個以下であることが好ましい。但し、図７に図示された実施形態において説明するように、活性層内において単位積層構造と超格子構造が互いに共存する場合には、単位積層構造の反復回数はこれより減っても差し支えない。
【００４５】
一方、上述したように、非発光性再結合を抑制して発光効率の向上に寄与する上記厚膜量子井戸層３６は、キャリアの密度を低めるためにその厚さが十分に保障される必要があり、具体的に、その厚さｄ５は、約５０〜１００Å程度の値を有することが好ましい。
【００４６】
図６は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域のエネルギーレベルを図示したものである。本実施形態の場合、多重量子井戸構造を構成する単位積層構造は以前の実施形態に比べて２個の層が追加されたことに該当する。すなわち、図６に図示されたように、本実施形態の多重量子井戸構造を成す単位積層構造４５は、図５に図示された単位構造と同じものとみなすことができる第１量子井戸層４５ｃ、第１トンネリング量子障壁層４５ｄ、第２量子井戸層４５ｅ及び結晶品質改善層４５ｆを含み、さらに、第３量子井戸層４５ａと第２トンネリング量子障壁層４５ｂをさらに含む。また、上記単位積層構造４５と隣接すると厚膜量子井戸層４６が形成される。
【００４７】
本実施形態は電子の移動の問題以外に正孔の移動まで考慮したもので正孔の移動経路上に量子準位が高い第３量子井戸層４５ａをさらに配置し、正孔が隣接した量子井戸層に容易に注入されるようにし、第２トンネリング量子障壁層４５ｂは第１トンネリング量子障壁層４５ｄと同一の目的で採用されたものである。すなわち、注入効率の向上の対象となるキャリアが互いに異なるだけで、上記第３量子井戸層４５ａと第２トンネリング量子障壁層４５ｂは夫々第２量子井戸層４５ｅと第１トンネリング量子障壁層４５ｄに夫々対応するものと理解されることができる。従って、図６の場合も全体的なキャリアの流れは図５の場合と類似し、但し、第３量子井戸層４５ａに注入された電子ｅ−はトンネリングにより第１量子井戸層４５ｃに注入される。従って、図５の場合と同様に本実施形態でも主となる発光層は第１量子井戸層４５ｃとなる。第１量子井戸層４５ｃ以後のキャリアの移動及び各層の機能と関連する説明は以前の実施形態に対する説明で概ね可能であるため省略する。
【００４８】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体素子で採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。本実施形態の場合、活性層は単位積層構造と共に超格子構造（Ｓｕｐｅｒ−Ｌａｔｔｉｃｅ）を具備する。すなわち、図７に図示されたように、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮと表記）に隣接して複数の量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂが交互に積層された超格子構造（ＳＬ）が形成される。上記超格子構造（ＳＬ）は量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂの交互積層構造が５〜１５回程度反復され、上記量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂ夫々の厚さは約２０〜６０Å程度である。これにより、活性層全体の構造において、厚膜量子井戸層５６ａはｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮ）に比べてｐ型半導体（ｐ−ＧａＮと表記）側により隣接して配置されることができる。
【００４９】
上記の単位積層構造５５は、ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ）に隣接して形成され、第１量子井戸層５５ａ、トンネリング量子障壁層５５ｂ、第２量子井戸層５５ｃ及び結晶品質改善層５５ｄを具備する。ここで上記単位積層構造５５は以前の実施形態において説明したものと同一の構造に該当し、図７で１個のみを図示したが、１〜５回程度反復されることができる。上記超格子構造（ＳＬ）と上記単位積層構造５５の間には厚膜量子井戸層５６ａが形成される。この場合、上記厚膜量子井戸層５６ａと上記単位積層構造５５に含まれた第１量子井戸層５５ａの間に形成された量子障壁層５６ｂは、上記第１量子井戸層５５ａと類似した厚さ、すなわち、２０〜６０Åの厚さを有する。本実施形態のように、単位積層構造５５と共に超格子構造（ＳＬ）を採用し、その間に厚膜量子井戸層５６ａを配置（特に、ｐ型窒化物半導体層に隣接するように配置）することによってキャリアの移動をより円滑にし、非発光性再結合を低めることができる。
【００５０】
図８は、本発明の一実施例と比較例により製造された窒化物半導体素子においてエネルギー変換の効率を注入電流に沿って表したものである。エネルギー変換効率はエネルギーの入力（Ｐiｎ）と出力（Ｐｏ）の比率で定義され、発光効率を表す尺度として使用されることができる。図８において実施例（三角形で表記）の場合、活性層の多重量子井戸構造が図７に図示された構造を有し、超格子構造は量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Åとして９回積層した。すなわち、｛３０Å／３０Å｝×９構造に該当する。また、単位積層構造は、｛３０Å／３０Å／２０Å／５０Å｝×２構造で、上記超格子構造及び単位電極構造に形成された厚膜量子井戸層と量子障壁層は５０Å／３０Å構造とした。図８において比較例（丸で表記）の場合、実施例の単位積層構造に該当する｛３０Å／３０Å／２０Å／５０Å｝構造を７回積層した。
【００５１】
図８を参照すると、高電流になるほど比較例に比べて実施例の場合がエネルギー変換効率が高く、これは高電流の注入による発光効率の低下が緩和されることを表す。この場合、比較例で提示した構造も従来の３０Å／１８０Å構造または単純超格子構造に比べて高電流で発光効率の低下（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｒｏｏｐ）が緩和されることができるが、上記実施例ではこれよりさらに発光効率の低下の緩和の効果を見せている。このように、本発明で提示した実施例による活性層は４層の単位積層構造と共に非発光性再結合を抑制する厚膜量子井戸層を使用することによって高電流下で相対的に高い発光効率を提供することができる。
【００５２】
本発明は上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定する。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において、当技術分野の通常の知識を有する者によって多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これはまた本発明の範囲に属すると言える。
【符号の説明】
【００５３】
３１ 基板
３２ ｎ型窒化物半導体層
３００ 活性層
３５ 単位積層構造
３６ 厚膜量子井戸層
３７ ｐ型窒化物半導体層
３８ 透明電極層
３９ａ、３９ｂ ｎ型及びｐ型電極
３５ａ 第１量子井戸層
３５ｂ トンネリング量子障壁層
３５ｃ 第２量子井戸層
３５ｄ 結晶品質改善層
４５ａ 第３量子井戸層
４５ｂ 第２トンネリング量子障壁層
ＳＬ 超格子構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関する。さらに詳細には最適化された量子障壁層及び量子井戸層構造を有する活性層により、特に、高電流作動時に発光効率が向上された窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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、各種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）またはレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使用されている。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が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）が開発された後に、多くの技術的発展を成し、その活用範囲が拡大され一般照明及び電装用光源として多くの研究がされている。特に、従来の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用されたが、最近は次第にその活用範囲が高電流／高出力分野に拡大している。これにより高電流で高効率を有するＬＥＤ構造の開発が急を要する実情である。
【０００４】
図１は、一般的な窒化物半導体素子を表す断面図である。
【０００５】
図１を参照すると、窒化物半導体素子１０はサファイア基板１１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層１２、多重量子井戸構造を有する活性層１５、ｐ型窒化物半導体層１７及び透明電極層１８を有する。上記ｎ型窒化物半導体層１２の一部領域は、エッチングされてｎ側電極１９ａの形成のための領域として提供され、上記透明電極層１８上にはｐ側電極１９ｂが形成される。ここで、上記活性層１５は複数の量子井戸層１５ａと量子障壁層１５ｂが交互に積層された多重量子井戸構造から成る。
【０００６】
このような窒化物半導体素子の発光効率は、普通活性層内での電子と正孔の再結合確率、すなわち内部量子効率により決定される。このような内部量子効率の改善方案は主に活性層自体の構造を改善して発光に関わる有効キャリア（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃａｒｒｉｅｒ）の数を増加させる方向で研究されている。すなわち、活性層において有効キャリアの数を増大させるために、活性層の外部にオーバーフローされるキャリアの数を減少させる必要がある。
【０００７】
また、活性層内の特定局部領域へのキャリア注入が制限され全体の活性層における有効発光領域が減少することがあり、このような有効発光領域の減少は発光効率の低下と直結するため、全体の活性層の領域において再結合が保障されることができる方案が求められる。これを図２を参照してより具体的に説明する。
【０００８】
図２ａ及び図２ｂは、夫々従来の技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリアの波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーションの結果である。
【０００９】
先ず、図２ａに図示された波動関数（点線：電子、実線：正孔）によると、相対的に正孔は電子に比べて移動度が低いため、ペア（ｐａｉｒ）数が増加するに従って正孔の存在確率は急激に減少するようになる。電子と正孔は夫々ｎ型及びｐ型窒化物半導体層から遠くなるほどその分布が減少するが、正孔が相対的にさらに急速に減少するため、図２ｂに表われたように、有効な再結合確率はｐ型窒化物半導体層と近い領域（II）に位置した量子井戸層において高い傾向を示す。
【００１０】
このような活性層の有効活性領域が低下する問題は、特に高電流を要求する照明装置等に使用される場合により深刻になるため（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｒｏｏｐ）、当技術分野では高電流作動時の発光効率を向上させることができる多重量子井戸構造が必要であるという実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の一目的は、最適化された多重量子井戸構造を有する活性層により、高電流の駆動時に発光効率が大きく向上された窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層とを含み、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、第１量子井戸層と、上記ｐ型窒化物半導体層方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成され、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、上記第１及び第２量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、上記ｐ型窒化物半導体層方向に上記第２量子井戸層に隣接して形成され、上記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、上記第１及び第２量子井戸層と隣接して形成され、上記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【００１３】
本発明の一実施例において、上記活性層内で、上記単位積層構造は２回以上反復して積層されることができる。この場合、上記単位積層構造の反復回数は２〜３０回であることができる。また、上記厚膜量子井戸層は、上記単位積層構造の間に配置されて上記単位積層構造に含まれた結晶品質改善層と界面を形成することができる。
【００１４】
本発明の一実施例において、上記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造のうち一部は超格子構造を成すことができる。この場合、上記超格子構造は上記活性層内において上記単位積層構造に比べて上記ｎ型窒化物半導体層により隣接して形成されることができる。
【００１５】
また、上記超格子構造に含まれた複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００１６】
また、上記超格子構造は量子井戸層及び量子障壁層を夫々５〜１５個ずつ具備することができる。
【００１７】
また、上記活性層は上記単位積層構造を１〜５個具備することができる。
【００１８】
また、上記厚膜量子井戸層は上記超格子構造と上記単位積層構造の間に形成されることができる。この場合、上記厚膜量子井戸層は、上記活性層内において上記ｎ型窒化物半導体層より上記ｐ型窒化物半導体層に近く形成されることができる。
【００１９】
また、上記厚膜量子井戸層及びこれと隣接した上記単位積層構造に含まれた第１量子井戸層の間に形成された量子障壁層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００２０】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層は上記第１量子井戸層より厚さが薄いことができる。
【００２１】
本発明の一実施例において、上記第１量子井戸層の厚さは２０〜６０Åであることができる。
【００２２】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることができる。
【００２３】
本発明の一実施例において、上記トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることができる。
【００２４】
本発明の一実施例において、上記結晶品質改善層の厚さは３０〜２００Åであることができる。
【００２５】
本発明の一実施例において、上記厚膜量子井戸層の厚さは５０〜１００Åであることができる。
【００２６】
本発明の一実施例において、上記第２量子井戸層の上記量子準位はドーピングによる量子準位であることができる。
【００２７】
本発明の一実施例において、上記単位積層構造は、上記ｎ型窒化物半導体層の方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成され、上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第３量子井戸層と、上記第１及び第３量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層とをさらに有することができる。この場合、上記第３量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることができる。また、上記第２トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、最適化された多重量子井戸構造を有する活性層により高電流作動時に発光効率が大きく向上された窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一般的な窒化物半導体素子を表す断面図である。
【図２ａ】従来技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリア波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーション結果である。
【図２ｂ】従来技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７個のペアで形成した活性層に対するキャリア波動関数と有効活性領域の分布を表すシミュレーション結果である。
【図３】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４】図３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５】図４に図示された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図６】本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。
【図８】本発明の一実施例と比較例により製造された窒化物半導体素子においてエネルギー変換効率を注入電流に沿って表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００３１】
但し、本発明の実施形態は様々な異なる形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために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等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上の同一の符号で表示される要素は同一の要素である。
【００３２】
図３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４は図３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。
【００３３】
先ず、図３を参照すると、窒化物半導体素子３０は、基板３１、ｎ型窒化物半導体層３２、活性層３００及びｐ型窒化物半導体層３７を含む。上記ｎ型窒化物半導体層３２の露出面上にはｎ型電極３９ａが形成されることができる。また、上記ｐ型窒化物半導体層３７の上面には透明電極層３８とｐ型電極３９ｂが順番に形成されることができる。この場合、上記透明電極層３８は実施形態により除外されることができる。また、本実施形態ではｎ型及びｐ型電極３９ａ、３９ｂが同一の方向を向かうように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にも適用され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することができる。
【００３４】
上記基板３１は、窒化物単結晶成長用基板として提供され、一般的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−菱形（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体としてｃ軸及びａ軸方向の格子定数が夫々１３．００１Å及び４．７５８Åで、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、上記Ｃ面は比較的窒化物の薄膜の成長が容易であり、高温で安定しているため窒化物成長用基板として主に使用される。勿論、形態によってはＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２及びＬｉＧａＯ２等からなる基板も使用することができ、更に、上記基板３１上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質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。
【００３５】
上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３７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成ることができ、代表的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、IｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等が使用されることができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢe等が代表的である。
【００３６】
上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３７の間に形成される活性層３００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、図３に図示されたように、複数の量子井戸層と複数の量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造から成る。特に、本実施形態の場合、上記複数の量子井戸層及び量子障壁層は、夫々２個ずつで総４個の層がひとつの単位積層構造３５となり、１回以上反復された構造を有し、上記単位積層構造３５は活性層内においてキャリアの移動を円滑にするために提供されるものである。また、上記単位積層構造３５と隣接すると電子と正孔の非発光性再結合（Ａｕｇｅｒ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を減らすために提供される厚膜量子井戸層３６が形成される。上記単位積層構造３５及び厚膜量子井戸層３６をさらに詳細に説明するために図３においてＡで表示した領域を図４に拡大して図示した。
【００３７】
図４に図示されたように、本実施形態において採用された多重量子井戸構造は、２個の量子井戸層３５ａ、３５ｃと２個の量子障壁層３５ｂ、３５ｄで構成された４層の単位積層構造３５が反復された構造とこれらの間に形成された厚膜量子井戸層３６を具備する。以下、上記単位積層構造３５に含まれた量子井戸層及び量子障壁層３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの機能を考慮して、夫々を第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ、第２量子井戸層３５ｃ及び結晶品質改善層３５ｄと称することにする。上記第１量子井戸層３５ａは、ｎ型窒化物半導体層３２に隣接する層で上記ｎ型窒化物半導体層３２から電子が最も優先的に注入され、単位積層構造３５において主となる発光層として機能する。上記トンネリング量子障壁層３５ｂは、上記第１量子井戸層３５ａまたは第２量子井戸層３５ｃからのキャリアがトンネリングされることができる厚さｄ２を有し、これにより、キャリアが隣接した量子井戸層に円滑に移動されることができるようにする。
【００３８】
上記第２量子井戸層３５ｃは、上記第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。このために、本実施形態では、上記第１量子井戸層３５ａより上記第２量子井戸層３５ｃが薄い厚さのｄ３を有するようにした。後述するように、上記第２量子井戸層３５ｃは高い量子準位によりキャリアが隣接した量子井戸層に容易に移動されるように階段の役割を主に行い、発光機能は第１量子井戸層３５ａに比べてわずかであることを特徴とする。
【００３９】
上記結晶品質改善層３５ｄは、それ以前に積層される上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの厚さが数十Å単位でその結晶品質が低下することができるという問題を解決するために提供される量子障壁層である。すなわち、本実施形態による多重量子井戸構造では、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの構造的特性により活性層内においてキャリアの移動が増進されることができ、これにより、隣接した量子障壁層である上記結晶品質改善層３５ｄを相対的に厚く成長させることができる。従って、上記結晶品質改善層３５ｄは上記トンネリング量子障壁層３５ｂよりその厚さｄ４が厚く採用される。但し、上記結晶品質改善層３５ｄの適切な厚さに関する限定事項は、本発明において必須のものではなく、活性層３００の厚さ及び後述する青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象等を考慮して、適切にその厚さを調節することができる。
【００４０】
上記厚膜量子井戸層３６は、上記単位積層構造３５と隣接して形成され、上記単位積層構造３５に含まれた第１及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｃより厚さｄ５が厚い。上述したように上記第１及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｃは厚さが相対的に薄くその中でキャリアの密度は相対的に高くなり、これによって、非発光性再結合が増加することができる。本実施形態では、このような非発光性再結合による発光効率の低下を防ぐために、上記厚膜量子井戸層３６の厚さｄ５を相対的に厚くしてキャリアの密度を低めることによって非発光性再結合を抑制することができる。
【００４１】
以下、図５を参照して上記単位積層構造３５及び厚膜量子井戸層３６の機能をより詳細に説明する。図５は図４に図示された多重量子井戸構造の伝導帯域のエネルギーレベルを図示したものである。説明の便宜をはかるために、キャリアとして電子の移動の様子のみを図示した。先ず、第１量子井戸層３５ａに注入された電子ｅ−のうちの一部は、正孔との発光性再結合により所定の波長の光を放出する。大量の電子が注入されると、上記第１量子井戸層３５ａのエネルギー準位Ｅ０、Ｅ１は全て電子で満たされ、残りの電子は隣接したトンネリング量子障壁層３５ｂをトンネリングして第２量子井戸層３５ｃに注入される。この場合、後述するように、上記第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有し、これにより、第１量子井戸層３５ａの高次量子準位から第２量子井戸層３５ｃの０次量子準位Ｅ'０へより容易に電子がトンネリングされることができる。このようなトンネリング機能を行うために上記トンネリング量子障壁層３５ｂの厚さｄ２は約１０〜８０Åの値を有する。また、上記第１量子井戸層３５ａは量子効果により高い内部量子効率を有するために厚さｄ１が約２０〜６０Åの値を有する。
【００４２】
トンネリングにより第２量子井戸層３５ｃに注入された電子は上記第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。これは上述したように、隣接した他の量子井戸層、具体的には上記厚膜量子井戸層３６や他の第１量子井戸層へ電子が容易に移動することができるように、階段のような役割をするものと理解されることができる。このような高い量子準位を得るために上記第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａより厚さが薄いことが好ましい。具体的に、上記第２量子井戸層３５ｃの厚さｄ３は、約１０〜５０Å程度の値を有する。このように、上記第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位により隣接した量子井戸層への注入効率は向上されることができ、これにより、活性層の全体的な有効発光領域が拡大される。一方、第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位は、厚さを相対的に薄くすることによってのみ達成することができるというものではなく、適切な物質のドーピングやインジウムまたはアルミニウムの含量を調節する方法等を通しても得ることができる。
【００４３】
上記結晶品質改善層３５ｄは、その厚さが薄いもの、例えば、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの厚さと似た水準を有するものが隣接した量子井戸層への電子注入に有利であることができるが、本実施形態の場合は結晶品質改善により焦点を合わせるようにした。すなわち、その機能を行うために相対的に厚さが薄く形成された上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層及び第２量子井戸層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの結晶品質は優れたものにならず、このような薄い層が続けて反復積層される場合にはキャリア注入効率が向上されるにも関わらず結晶品質の低下により全体的な発光効率向上の効果は大きくなることができない。従って、上記の結晶品質改善層３５ｄは以前に積層された上記層３５ａ、３５ｂ、３５ｃに比べて厚いことが好ましい。但し、厚すぎる場合、注入される電流が増加するに従って放出される光の波長の青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象が深化することがあるため、これを勘案すると、上記結晶品質改善層３５ｄの厚さｄ４は約３０〜２００Å程度の値を有することが好ましい。
【００４４】
これと共に、本実施形態において採用された多重量子井戸構造は、上記第１量子井戸層、トンネリング量子障壁層、第２量子井戸層及び結晶品質改善層３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄをひとつの単位積層構造３５としてこのような単位積層構造３５が複数回反復されたことを特徴とする。これにより、量子井戸層の間のキャリアの移動性と半導体結晶の品質が全て改善されることができ、特に、高電流作動時に優れた発光効率の向上効果を得ることができる。この場合、上記単位積層構造３５は上記活性層３００内に１個だけ含まれることができ、複数回反復されることもできる。単位積層構造３５の最適反復回数は素子が駆動される電流密度により異なり、一般的には電流密度が高いほど最適な反復回数は増加する。複数回反復される場合は、反復回数が３０回以下、すなわち、夫々量子井戸層と量子障壁層が６０個以下であることが好ましい。但し、図７に図示された実施形態において説明するように、活性層内において単位積層構造と超格子構造が互いに共存する場合には、単位積層構造の反復回数はこれより減っても差し支えない。
【００４５】
一方、上述したように、非発光性再結合を抑制して発光効率の向上に寄与する上記厚膜量子井戸層３６は、キャリアの密度を低めるためにその厚さが十分に保障される必要があり、具体的に、その厚さｄ５は、約５０〜１００Å程度の値を有することが好ましい。
【００４６】
図６は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子において採用された多重量子井戸構造の伝導帯域のエネルギーレベルを図示したものである。本実施形態の場合、多重量子井戸構造を構成する単位積層構造は以前の実施形態に比べて２個の層が追加されたことに該当する。すなわち、図６に図示されたように、本実施形態の多重量子井戸構造を成す単位積層構造４５は、図５に図示された単位構造と同じものとみなすことができる第１量子井戸層４５ｃ、第１トンネリング量子障壁層４５ｄ、第２量子井戸層４５ｅ及び結晶品質改善層４５ｆを含み、さらに、第３量子井戸層４５ａと第２トンネリング量子障壁層４５ｂをさらに含む。また、上記単位積層構造４５と隣接すると厚膜量子井戸層４６が形成される。
【００４７】
本実施形態は電子の移動の問題以外に正孔の移動まで考慮したもので正孔の移動経路上に量子準位が高い第３量子井戸層４５ａをさらに配置し、正孔が隣接した量子井戸層に容易に注入されるようにし、第２トンネリング量子障壁層４５ｂは第１トンネリング量子障壁層４５ｄと同一の目的で採用されたものである。すなわち、注入効率の向上の対象となるキャリアが互いに異なるだけで、上記第３量子井戸層４５ａと第２トンネリング量子障壁層４５ｂは夫々第２量子井戸層４５ｅと第１トンネリング量子障壁層４５ｄに夫々対応するものと理解されることができる。従って、図６の場合も全体的なキャリアの流れは図５の場合と類似し、但し、第３量子井戸層４５ａに注入された電子ｅ−はトンネリングにより第１量子井戸層４５ｃに注入される。従って、図５の場合と同様に本実施形態でも主となる発光層は第１量子井戸層４５ｃとなる。第１量子井戸層４５ｃ以後のキャリアの移動及び各層の機能と関連する説明は以前の実施形態に対する説明で概ね可能であるため省略する。
【００４８】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体素子で採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーレベルを図示したものである。本実施形態の場合、活性層は単位積層構造と共に超格子構造（Ｓｕｐｅｒ−Ｌａｔｔｉｃｅ）を具備する。すなわち、図７に図示されたように、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮと表記）に隣接して複数の量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂが交互に積層された超格子構造（ＳＬ）が形成される。上記超格子構造（ＳＬ）は量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂの交互積層構造が５〜１５回程度反復され、上記量子井戸層５７ａ及び量子障壁層５７ｂ夫々の厚さは約２０〜６０Å程度である。これにより、活性層全体の構造において、厚膜量子井戸層５６ａはｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮ）に比べてｐ型半導体（ｐ−ＧａＮと表記）側により隣接して配置されることができる。
【００４９】
上記の単位積層構造５５は、ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ）に隣接して形成され、第１量子井戸層５５ａ、トンネリング量子障壁層５５ｂ、第２量子井戸層５５ｃ及び結晶品質改善層５５ｄを具備する。ここで上記単位積層構造５５は以前の実施形態において説明したものと同一の構造に該当し、図７で１個のみを図示したが、１〜５回程度反復されることができる。上記超格子構造（ＳＬ）と上記単位積層構造５５の間には厚膜量子井戸層５６ａが形成される。この場合、上記厚膜量子井戸層５６ａと上記単位積層構造５５に含まれた第１量子井戸層５５ａの間に形成された量子障壁層５６ｂは、上記第１量子井戸層５５ａと類似した厚さ、すなわち、２０〜６０Åの厚さを有する。本実施形態のように、単位積層構造５５と共に超格子構造（ＳＬ）を採用し、その間に厚膜量子井戸層５６ａを配置（特に、ｐ型窒化物半導体層に隣接するように配置）することによってキャリアの移動をより円滑にし、非発光性再結合を低めることができる。
【００５０】
図８は、本発明の一実施例と比較例により製造された窒化物半導体素子においてエネルギー変換の効率を注入電流に沿って表したものである。エネルギー変換効率はエネルギーの入力（Ｐiｎ）と出力（Ｐｏ）の比率で定義され、発光効率を表す尺度として使用されることができる。図８において実施例（三角形で表記）の場合、活性層の多重量子井戸構造が図７に図示された構造を有し、超格子構造は量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Åとして９回積層した。すなわち、｛３０Å／３０Å｝×９構造に該当する。また、単位積層構造は、｛３０Å／３０Å／２０Å／５０Å｝×２構造で、上記超格子構造及び単位電極構造に形成された厚膜量子井戸層と量子障壁層は５０Å／３０Å構造とした。図８において比較例（丸で表記）の場合、実施例の単位積層構造に該当する｛３０Å／３０Å／２０Å／５０Å｝構造を７回積層した。
【００５１】
図８を参照すると、高電流になるほど比較例に比べて実施例の場合がエネルギー変換効率が高く、これは高電流の注入による発光効率の低下が緩和されることを表す。この場合、比較例で提示した構造も従来の３０Å／１８０Å構造または単純超格子構造に比べて高電流で発光効率の低下（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｒｏｏｐ）が緩和されることができるが、上記実施例ではこれよりさらに発光効率の低下の緩和の効果を見せている。このように、本発明で提示した実施例による活性層は４層の単位積層構造と共に非発光性再結合を抑制する厚膜量子井戸層を使用することによって高電流下で相対的に高い発光効率を提供することができる。
【００５２】
本発明は上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定する。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において、当技術分野の通常の知識を有する者によって多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これはまた本発明の範囲に属すると言える。
【符号の説明】
【００５３】
３１ 基板
３２ ｎ型窒化物半導体層
３００ 活性層
３５ 単位積層構造
３６ 厚膜量子井戸層
３７ ｐ型窒化物半導体層
３８ 透明電極層
３９ａ、３９ｂ ｎ型及びｐ型電極
３５ａ 第１量子井戸層
３５ｂ トンネリング量子障壁層
３５ｃ 第２量子井戸層
３５ｄ 結晶品質改善層
４５ａ 第３量子井戸層
４５ｂ 第２トンネリング量子障壁層
ＳＬ 超格子構造
【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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と
を含み、
前記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、
第１量子井戸層と、前記ｐ型窒化物半導体層方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成され、前記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、前記第１及び第２量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、前記ｐ型窒化物半導体層方向に前記第２量子井戸層に隣接して形成され、前記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、
前記第１及び第２量子井戸層と隣接して形成され、前記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層と
を具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記活性層内において、前記単位積層構造は、２回以上反復して積層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３】
前記単位積層構造の反復回数は、２〜３０回であ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】
前記厚膜量子井戸層は、前記単位積層構造の間に配置されて前記単位積層構造に含まれたトンネリング量子障壁層と界面を形成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５】
前記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造のうちの一部は、超格子構造を成す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６】
前記超格子構造は、前記活性層内において前記単位積層構造に比べて前記ｎ型窒化物半導体層により隣接して形成されたことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記超格子構造に含まれた複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の厚さは、２０〜６０Åであることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記超格子構造は、量子井戸層及び量子障壁層を夫々５〜１５個ずつ具備することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記活性層は、前記単位積層構造を１〜５個具備することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記厚膜量子井戸層は、前記超格子構造と前記単位積層構造の間に形成されたことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記厚膜量子井戸層は、前記活性層内において前記ｎ型窒化物半導体層より前記ｐ型窒化物半導体層に近く形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記厚膜量子井戸層及びこれと隣接した前記単位積層構造に含まれた第１量子井戸層の間に形成された量子障壁層の厚さは、２０〜６０Åであることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層より厚さが薄い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１４】
前記第１量子井戸層の厚さは２０〜６０Å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１５】
前記第２量子井戸層の厚さは１０〜５０Å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１６】
前記トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Å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１７】
前記結晶品質改善層の厚さは３０〜２００Å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１８】
前記厚膜量子井戸層の厚さは５０〜１００Å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１９】
前記第２量子井戸層の前記量子準位は、ドーピングによる量子準位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２０】
前記単位積層構造は、
前記ｎ型窒化物半導体層方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成され、前記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第３量子井戸層と、
前記第１及び第３量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層と
をさらに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２１】
前記第３量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記第２トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることを特徴とする請求項２０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、複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層が交互に積層されて成る活性層と
を含み、
前記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造は、
第１量子井戸層と、前記ｐ型窒化物半導体層方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成され、前記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、前記第１及び第２量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さのトンネリング量子障壁層と、前記ｐ型窒化物半導体層方向に前記第２量子井戸層に隣接して形成され、前記トンネリング量子障壁層より厚い量子障壁層である結晶品質改善層とを有する単位積層構造と、
前記第１及び第２量子井戸層と隣接して形成され、前記第１及び第２量子井戸層より厚い厚膜量子井戸層と
を具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記活性層内において、前記単位積層構造は、２回以上反復して積層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３】
前記単位積層構造の反復回数は、２〜３０回であ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】
前記厚膜量子井戸層は、前記単位積層構造の間に配置されて前記単位積層構造に含まれたトンネリング量子障壁層と界面を形成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５】
前記複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の交互積層構造のうちの一部は、超格子構造を成す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６】
前記超格子構造は、前記活性層内において前記単位積層構造に比べて前記ｎ型窒化物半導体層により隣接して形成されたことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記超格子構造に含まれた複数の量子井戸層及び複数の量子障壁層の厚さは、２０〜６０Åであることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記超格子構造は、量子井戸層及び量子障壁層を夫々５〜１５個ずつ具備することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記活性層は、前記単位積層構造を１〜５個具備することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記厚膜量子井戸層は、前記超格子構造と前記単位積層構造の間に形成されたことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記厚膜量子井戸層は、前記活性層内において前記ｎ型窒化物半導体層より前記ｐ型窒化物半導体層に近く形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記厚膜量子井戸層及びこれと隣接した前記単位積層構造に含まれた第１量子井戸層の間に形成された量子障壁層の厚さは、２０〜６０Åであることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層より厚さが薄い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１４】
前記第１量子井戸層の厚さは２０〜６０Å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１５】
前記第２量子井戸層の厚さは１０〜５０Å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１６】
前記トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Å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１７】
前記結晶品質改善層の厚さは３０〜２００Å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１８】
前記厚膜量子井戸層の厚さは５０〜１００Å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１９】
前記第２量子井戸層の前記量子準位は、ドーピングによる量子準位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２０】
前記単位積層構造は、
前記ｎ型窒化物半導体層方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成され、前記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第３量子井戸層と、
前記第１及び第３量子井戸層の間に形成され、キャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層と
をさらに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２１】
前記第３量子井戸層の厚さは１０〜５０Åであることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記第２トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åであることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−８７４６３（Ｐ２０１０−８７４６３Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２０２９（Ｐ２００９−７２０２９）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（５９１００３７７０）三星電機株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（５９１００３７７０）三星電機株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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