超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を有する発光ダイオード
【課題】活性領域内のウェル層とバリア層の格子不整合による結晶欠陥の発生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。
【解決手段】Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域が超格子構造のウェル層及び／又はバリア層を有する。超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【解決手段】Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域が超格子構造のウェル層及び／又はバリア層を有する。超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【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、より詳しくは、超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を有する発光ダイオードに関する。
【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、多くの注目を集めている。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、及び光通信等の様々な応用分野に活用されている。また、近紫外線を放出する発光ダイオードは、偽金鑑識、樹脂硬化及び紫外線治療等に用いられており、また、蛍光体と組み合わせられ、様々な色相の可視光線を具現することができる。
【０００３】
図１は、従来の発光ダイオードを説明するための断面図である。
図１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２１を有し、前記Ｎ型及びＰ型半導体層１７、２１間に活性領域１９が介在される。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、すなわち、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系化合物半導体層で形成される。一方、活性領域１９は、一つのウェル層を有する単一量子井戸構造であり、又は、図示のように、複数個のウェル層を有する多重量子井戸構造で形成される。多重量子井戸構造の活性領域は、ＩｎＧａＮウェル層１９ａとＧａＮ又はＡｌＧａＮバリア層１９ｂが交互に積層され形成される。前記ウェル層１９ａは、Ｎ型及びＰ型半導体層１７、２１及びバリア層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。
【０００４】
このようなIII族元素の窒化物半導体層は、六方晶系構造を有するサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の異種基板１１にて、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）等の工程を通じて成長される。しかしながら、III族元素の窒化物半導体層が異種基板１１上に形成される場合、半導体層と基板との間の格子定数及び熱膨張係数の差により、半導体層内にクラックまたは反りが発生し、転位が生成してしまう。
【０００５】
これを防ぐために、基板１１上にバッファ層が形成され、一般に、低温バッファ層１３と高温バッファ層１５が形成される。低温バッファ層１３は、一般に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であり、ＭＯＣＶＤ工程等を用いて４００〜８００℃の温度で形成される。次いで、低温バッファ層１３上に高温バッファ層１５が形成される。高温バッファ層１５は、９００〜１２００℃の温度でＧａＮ層で形成される。これにより、Ｎ型ＧａＮ層１７、活性領域１９、及びＰ型ＧａＮ層２１の結晶欠陥を相当除去することができる。
【０００６】
しかしながら、バッファ層１３、１５の採用にもかかわらず、活性領域１９内の結晶欠陥密度は依然として高い方である。特に、活性領域１９は、電子と正孔の結合効率を高くするために、Ｎ型ＧａＮ層１７及びＰ型ＧａＮ層２１に比べて、バンドギャップの小さな半導体層で形成され、また、ウェル層１９ａは、バリア層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、一般に、Ｉｎを多く含有する。Ｉｎは、Ｇａ及びＡｌに比べて相当大きいため、ウェル層の格子定数がバリア層の格子定数に比べて相対的に大きい。これにより、ウェル層１９ａとバリア層１９ｂとの間に、また、ウェル層１９ａとＮ型半導体層１７との間に、格子不整合が生じ、このような層間の格子不整合は、ピンホール、表面粗さ等を発生させ、ウェル層の結晶質を減少させ、光効率を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、活性領域内のウェル層とバリア層の格子不整合による結晶欠陥の発生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目的とする。
【０００８】
また、本発明は、活性領域内の結晶欠陥の発生を減少させると共に、活性領域の表面粗さを改善した近紫外線発光ダイオードを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様によると、超格子構造のウェル層を有する発光ダイオードを提供する。本発明の一態様による発光ダイオードは、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域内に超格子構造のウェル層とバリア層を有する。超格子構造のウェル層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【００１０】
前記超格子構造のウェル層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよく、前記バリア層は、ＧａＮで形成されてもよい。前記ウェル層のＩｎ組成を調節し、紫外線または可視光線領域の光を具現することができる。
【００１１】
前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮが交互に積層された超格子構造であってもよく、ここで、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙである。
一方、前記バリア層も超格子構造であってもよい。これにより、前記ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生をさらに減少させることができる。
【００１２】
前記超格子構造のバリア層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。また、前記超格子構造のバリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であってもよく、ここで、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖである。
【００１３】
前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、前記超格子構造のウェル層に比べて、相対的にバンドギャップが大きい。例えば、前記ウェル層のＩｎｘＧａ１−ｘＮと比べて、前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、Ｉｎを少なく含有する。
【００１４】
本発明の他の態様によると、超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを提供する。本発明の他の態様による近紫外線発光ダイオードは、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域が、ウェル層と超格子構造のバリア層を有し、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の近紫外線を放出することを特徴とする。超格子構造のバリア層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【００１５】
前記ウェル層は、ＩｎＧａＮ層で形成され、前記バリア層は、ＩｎＧａＮ及びＧａＮが交互に積層された超格子構造であってもよい。この際、前記ウェル層のＩｎＧａＮは、バリア層のＩｎＧａＮに比べて、Ｉｎをさらに多く含有する。これにより、前記ウェル層のＩｎ組成を変化させて、近紫外線領域から多様な波長の光を放出する近紫外線発光ダイオードを提供することができる。
【００１６】
一方、前記バリア層内のＩｎＧａＮがＩｎを多く含有するほど、ピンホールは減少するものの、ヒルロックが発生し得る。これは、Ｉｎがピンホールを充填してピンホールの発生を防止するが、Ｉｎが過度に増加する場合、余分のＩｎによりヒルロックが生成するものと考えられる。したがって、バリア層内のＩｎＧａＮのＩｎ含量を適合に選択することにより、ピンホール及びヒルロックが発生することを防ぐことができる。
【００１７】
いくつかの実施例において、前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎであり、前記バリア層は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された下部超格子と、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された上部超格子と、前記下部超格子と上部超格子との間に介在され、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された中部超格子と、を有してもよい。ここで、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．０５、０＜ｚ＜０．１、及びｙ＜ｚ＜ｘであってもよい。本実施例によると、Ｉｎ含量の多い超格子が、Ｉｎ含量の少ない超格子間に配置される。これにより、Ｉｎ含量の異なる超格子を積層して、ピンホール及びヒルロックの発生を抑えることができる。
【００１８】
他の実施例において、前記ウェル層及び超格子構造のバリア層内のＩｎＧａＮの組成比は、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．１、０＜ｚ＜０．０５、及びｚ＜ｙ＜ｘであってもよい。すなわち、上記の実施例とは異なり、Ｉｎ含量の多い超格子構造間に、Ｉｎ含量の少ない超格子構造を配置させて、ピンホール及びヒルロックの発生を抑えることができる。
【００１９】
超格子構造内の各層は、一般に、３０Å以下の厚さを有する。本実施例において、前記バリア層内のＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、ＧａＮ、及びＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎは、それぞれ２．５Å〜２０Åの範囲の厚さを有してもよい。また、前記バリア層内の各層は、略同一の厚さを有して形成されてもよい。
【００２０】
また、前記下部超格子は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが４〜１０回交互に積層され、前記中部超格子は、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが６〜２０回交互に積層され、前記上部超格子は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが４〜１０回交互に積層されてもよい。ＩｎＧａＮ及びＧａＮの積層数は、前記バリア層の厚さを過度に増加させないながら、ピンホール及びヒルロックを抑えるように設定される。
【００２１】
一方、前記活性領域は、単一量子井戸または多重量子井戸であってもよく、多重量子井戸の場合、前記ウェル層と前記超格子構造のバリア層が交互に積層された多重量子井戸であってもよい。
【００２２】
これに加えて、前記ウェル層は、超格子構造のバリア層間に介在されてもよい。これにより、前記Ｎ型化合物半導体層またはＰ型化合物半導体層と前記ウェル層との間の格子不整合によるストレインを緩和することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を採用することにより、活性領域内での格子不整合による転位又はピンホール等の結晶欠陥の発生を減少させ、表面粗さを改善することができ、光効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ができる。また、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された超格子構造のバリア層を採用することにより、バリア層とウェル層との間の格子不整合を緩和することができる近紫外線発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図２】本発明の一実施例による超格子構造のウェル層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３】本発明の実施例による超格子構造のウェル層を説明するための断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図５】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図６】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を説明するために、図５の活性領域を拡大して示した断面図である。
【図７】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図２は、本発明の一実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図２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又はｎ型不純物ドープｎ型ＧａＮであってもよい。
【００２７】
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６１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６１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及びＰ型化合物半導体層６１は、それぞれＮ型及びＰ型ＧａＮ、又はＮ型及びＰ型ＡｌＧａＮであってもよい。
【００２８】
一方、前記活性領域５９は、超格子構造のウェル層５９ａとバリア層５９ｂを有する。前記活性領域５９は、単一のウェル層５９ａを有する単一量子井戸構造であってもよく、図示のように、超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂが交互に積層された多重量子井戸構造であってもよい。すなわち、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上に超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂが交互に積層される。前記バリア層は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮで形成されてもよい。
【００２９】
前記ウェル層５９ａを超格子構造で形成することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合により転位及びピンホール等の結晶欠陥が発生することを防ぐことができる。
図３は、本発明の実施例による超格子構造のウェル層を説明するために、図２の活性領域を拡大して示した断面図である。
【００３０】
図３を参照すると、前記ウェル層５９ａは、ＩｎＮとＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。例えば、ＭＯＣＶＤ工程を用いて、チェンバ内にＩｎソースとＮソースを流入し、ＩｎＮを成長させ、次いで、Ｉｎソースの流入を中断し、Ｇａソースを流入し、ＧａＮを成長させ、再度、Ｇａソースの流入を中断し、Ｉｎソースを流入し、ＩｎＮを成長させることを繰り返すことにより、超格子構造のウェル層５９ａが成長される。
【００３１】
この際、前記ＩｎＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＧａソースがＩｎソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａが形成されてもよく、また、ＧａＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＩｎソースがＧａソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂが形成されてもよい。ここで、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙである。前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂは、８００〜９００℃で、ＭＯＣＶＤ技術を用いて、例えば、２．５〜２０Å範囲の厚さで繰り返し形成されてもよく、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａ内のＩｎの組成を調節することにより、近紫外線や可視光線領域の光を具現することができる。
【００３２】
本実施例において、前記ウェル層５９ａを超格子構造で形成することにより、ウェル層５９ａとバリア層５９ｂとの間の格子不整合による結晶欠陥の発生を防ぐことができる。
一方、本実施例において、前記Ｎ型化合物半導体層５７上にウェル層５９ａを先に形成するものと図示しているが、Ｎ型化合物半導体層５７上にバリア層５９ｂを先に形成し、次いで、ウェル層５９ａを形成してもよい。また、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａを先に形成し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂを形成するものと図示及び説明しているが、その順序は入れ替えてもよい。
【００３３】
図４は、本発明の他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図４を参照すると、図２及び図３を参照して説明したように、基板５１上にバッファ層、Ｎ型化合物半導体層５７、Ｐ型化合物半導体層６１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６１との間に活性領域５９が介在される。また、前記活性領域５９は、超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂを含む。但し、本実施例において、前記バリア層５９ｂも超格子構造を有する。
【００３４】
前記超格子構造のバリア層５９ｂは、図３を参照して説明したように、ＩｎＮとＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。例えば、ＭＯＣＶＤ工程を用いて、チェンバ内にＩｎソースとＮソースを流入し、ＩｎＮを成長させ、次いで、Ｉｎソースの流入を中断し、Ｇａソースを流入し、ＧａＮを成長させ、再度、Ｇａソースの流入を中断し、Ｉｎソースを流入し、ＩｎＮを成長させることを繰り返すことにより、超格子構造のバリア層５９ｂが成長される。
【００３５】
この際、前記ＩｎＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＧａソースがＩｎソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａが形成されてもよく、また、ＧａＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＩｎソースがＧａソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂが形成されてもよい。ここで、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖである。前記ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂは、８００〜９００℃で、ＭＯＣＶＤ技術を用いて、例えば、２．５〜２０Å範囲の厚さで繰り返し形成されてもよい。
【００３６】
一方、前記バリア層５９ｂは、ウェル層５９ａに比べて広いバンドギャップを有する。一般的に、ＩｎＧａＮ層において、Ｉｎ組成比が小さいほどＩｎＧａＮ層のバンドギャップが大きくなる傾向にあり、したがって、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂのＩｎ組成比ｖが、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（図３の７１ａ）のＩｎ組成比ｘに比べて、相対的に小さな値を有するようにＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂが成長される。
【００３７】
本実施例において、前記バリア層５９ｂを超格子構造で形成することにより、ウェル層５９ａとバリア層５９ｂとの間の格子不整合による結晶欠陥の発生をさらに防ぐことができる。
【００３８】
一方、本実施例において、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａを先に形成し、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂを形成するものと図示及び説明しているが、その順序は入れ替えてもよい。
また、本発明の実施例において、Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６１は、互いに位置を入れ替えてもよい。
【００３９】
図５は、本発明のまた他の実施例による近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
図５を参照すると、図２を参照して説明したように、基板１５１上にＮ型化合物半導体層１５７が位置し、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い。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１６１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１６１との間に活性領域１５９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１５７及びＰ型化合物半導体層１６１は、それぞれＮ型及びＰ型ＧａＮ、又はＮ型及びＰ型ＡｌＧａＮであってもよい。
【００４０】
一方、前記活性領域１５９は、ウェル層１５９ａと超格子構造のバリア層１５９ｂを有する。前記活性領域１５９は、単一のウェル層１５９ａを有する単一量子井戸構造であってもよく、この際、前記超格子構造のバリア層１５９ｂは、前記ウェル層１５９ａの下部及び／又は上部に位置する。また、前記活性領域１５９は、図示のように、ウェル層１５９ａ及び超格子構造のバリア層１５９ｂが交互に積層された多情量子井戸構造であってもよい。すなわち、Ｎ型化合物半導体層１５７上にＩｎＧａＮウェル層１５９ａ及びバリア層１５９ｂが交互に積層され、前記バリア層１５９ｂは、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された超格子構造を有する。ウェル層１５９ａのＩｎＧａＮは、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の光を放出するようにＩｎ含量が選択され、バリア層１５９ｂ内のＩｎＧａＮに比べてより多くのＩｎを含み、量子井戸を形成する。
【００４１】
バリア層１５９ｂを超格子構造で形成することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合により、転位及びピンホール等の結晶欠陥が発生することを防ぐことができる。これに加えて、バリア層１５９ｂをＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造で形成することにより、従来、ＩｎＧａＮウェル層とＡｌＧａＮバリア層との間に発生する格子不整合をさらに緩和することができる。一方、バリア層１５９ｂのＩｎＧａＮのＩｎ含量を増加させると、ピンホールの生成は防ぐことができるが、ヒルロックが生じてしまう。ヒルロックは、余分のＩｎがＩｎＧａＮ層上に残って形成されるものと考えられる。したがって、バリア層１５９ｂのＩｎ含量を適宜調節して、ピンホールとヒルロックを抑えることができ、Ｉｎは、０．０１〜０．１の範囲内で調節され得る。
【００４２】
一方、本発明のいくつかの実施例において、ピンホールとヒルロックを抑えるための超格子構造のバリア層は、異なるＩｎ含量を有するＩｎＧａＮを有してもよく、以下にて詳細に説明する。
【００４３】
図６は、本発明の一実施例によるＩｎ含量の異なるＩｎＧａＮを有する超格子構造のバリア層を説明するために、図５の活性領域を拡大して示した断面図である。
図６を参照すると、前記ウェル層１５９ａは、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎと表され、ここで、０＜ｘ＜０．５である。前記Ｉｎの組成は、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の近紫外線を放出するように選択される。一方、前記超構造のバリア層１５９ｂは、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７１ａ及びＧａＮ層１７１ｂが交互に積層された下部超格子１７１と、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７５ａ及びＧａＮ層１７５ｂが交互に積層された上部超格子１７５と、前記下部超格子と上部超格子との間に介在された中部超格子１７３と、を有する。前記中部超格子１７３は、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層されて形成される。ここで、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．０５、０＜ｚ＜０．１、及びｙ＜ｚ＜ｘであってもよい。
【００４４】
前記下部超格子及び上部超格子のＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７１ａ、１７５ａは、中部超格子のＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ層１７３ａに比べて、少ない含量のＩｎ組成を有する。したがって、下部超格子１７１を形成した段階で、微細なピンホールが形成され得る。しかしながら、その後に形成される中部超格子１７３は、余分のＩｎを含有し、前記ピンホールを充填してピンホールを除去する。一方、中部超格子１７３の余分のＩｎは、ヒルロックを生成させ得、このような余分のＩｎは、上部超格子１７５により除去される。本実施例によると、Ｉｎ含量の少ないＩｎＧａＮを含む超格子構造と、Ｉｎ含量の多いＩｎＧａＮを含む超格子構造を採用して、ピンホールとヒルロックを抑えることができる。
【００４５】
前記下部、中部及び上部超格子１７１、１７３、１７５内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、交互に積層され、ＩｎＧａＮとＧａＮが対をなしてそれぞれ４〜１０回、６〜２０回、及び４〜１０回繰り返し積層されてもよい。このような積層数は、ＩｎＧａＮ及びＧａＮの厚さ、ＩｎＧａＮ内のＩｎの含量により変更され得、ピンホールとヒルロックの発生を制御するように設定される。
【００４６】
本実施例において、下部及び上部超格子１７１、１７５内のＩｎＧａＮ層が、中部超格子１７３内のＩｎＧａＮ層に比べて、Ｉｎ含量が少ないものと説明しているが、下部及び上部超格子１７１、１７５内のＩｎＧａＮ層が、中部超格子１７３内のＩｎＧａＮ層に比べて、Ｉｎ含量が多くてもよい。すなわち、前記ウェル層及びバリア層内のＩｎ組成比は、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．１、０＜ｚ＜０．０５、及びｚ＜ｙ＜ｘを満たしてもよい。
【００４７】
前記下部超格子１７１、中部超格子１７３及び上部超格子１７５内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、それぞれ８００〜９００℃でＭＯＣＶＤ技術を用いて形成されてもよく、前記バリア層１５９ｂ内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、それぞれ２．５Å〜２０Åの厚さに形成してもよく、略同一の厚さを有して形成されてもよい。
【００４８】
一方、図６において、Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａが接触するものと図示されているが、図７に示すように、前記Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間に、図６を参照して説明したような超格子構造のバリア層１５９ｂが介在されてもよい。Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間に介在されたバリア層１５９ｂは、Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間の格子不整合によるストレインを減少させ、ウェル層の結晶欠陥の発生を防ぐ。
【００４９】
本発明の実施例において、Ｎ型化合物半導体層１５７とＰ型化合物半導体層１６１は、互いに位置を入れ替えてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
５１，１５１…基板、５３，１５３…低温バッファ層、５５，１５５…高温バッファ層、５７，１５７…Ｎ型化合物半導体層、５９，１５９…活性領域、５９ａ，１５９ａ…ウェル層、５９ｂ，１５９ｂ…バリア層、６１，１６１…Ｐ型化合物半導体層、７１ａ…ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、７１ｂ…ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層、７３ａ…ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層、７３ｂ…ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層、１７１…下部超格子、１７１ａ…ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、１７１ｂ…ＧａＮ、１７３…中部超格子、１７３ａ…ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ、１７３ｂ…ＧａＮ、１７５…上部超格子、１７５ａ…ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、１７５ｂ…ＧａＮ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関し、より詳しくは、超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を有する発光ダイオードに関する。
【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、多くの注目を集めている。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、及び光通信等の様々な応用分野に活用されている。また、近紫外線を放出する発光ダイオードは、偽金鑑識、樹脂硬化及び紫外線治療等に用いられており、また、蛍光体と組み合わせられ、様々な色相の可視光線を具現することができる。
【０００３】
図１は、従来の発光ダイオードを説明するための断面図である。
図１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２１を有し、前記Ｎ型及びＰ型半導体層１７、２１間に活性領域１９が介在される。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、すなわち、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系化合物半導体層で形成される。一方、活性領域１９は、一つのウェル層を有する単一量子井戸構造であり、又は、図示のように、複数個のウェル層を有する多重量子井戸構造で形成される。多重量子井戸構造の活性領域は、ＩｎＧａＮウェル層１９ａとＧａＮ又はＡｌＧａＮバリア層１９ｂが交互に積層され形成される。前記ウェル層１９ａは、Ｎ型及びＰ型半導体層１７、２１及びバリア層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。
【０００４】
このようなIII族元素の窒化物半導体層は、六方晶系構造を有するサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の異種基板１１にて、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）等の工程を通じて成長される。しかしながら、III族元素の窒化物半導体層が異種基板１１上に形成される場合、半導体層と基板との間の格子定数及び熱膨張係数の差により、半導体層内にクラックまたは反りが発生し、転位が生成してしまう。
【０００５】
これを防ぐために、基板１１上にバッファ層が形成され、一般に、低温バッファ層１３と高温バッファ層１５が形成される。低温バッファ層１３は、一般に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であり、ＭＯＣＶＤ工程等を用いて４００〜８００℃の温度で形成される。次いで、低温バッファ層１３上に高温バッファ層１５が形成される。高温バッファ層１５は、９００〜１２００℃の温度でＧａＮ層で形成される。これにより、Ｎ型ＧａＮ層１７、活性領域１９、及びＰ型ＧａＮ層２１の結晶欠陥を相当除去することができる。
【０００６】
しかしながら、バッファ層１３、１５の採用にもかかわらず、活性領域１９内の結晶欠陥密度は依然として高い方である。特に、活性領域１９は、電子と正孔の結合効率を高くするために、Ｎ型ＧａＮ層１７及びＰ型ＧａＮ層２１に比べて、バンドギャップの小さな半導体層で形成され、また、ウェル層１９ａは、バリア層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、一般に、Ｉｎを多く含有する。Ｉｎは、Ｇａ及びＡｌに比べて相当大きいため、ウェル層の格子定数がバリア層の格子定数に比べて相対的に大きい。これにより、ウェル層１９ａとバリア層１９ｂとの間に、また、ウェル層１９ａとＮ型半導体層１７との間に、格子不整合が生じ、このような層間の格子不整合は、ピンホール、表面粗さ等を発生させ、ウェル層の結晶質を減少させ、光効率を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、活性領域内のウェル層とバリア層の格子不整合による結晶欠陥の発生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目的とする。
【０００８】
また、本発明は、活性領域内の結晶欠陥の発生を減少させると共に、活性領域の表面粗さを改善した近紫外線発光ダイオードを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様によると、超格子構造のウェル層を有する発光ダイオードを提供する。本発明の一態様による発光ダイオードは、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域内に超格子構造のウェル層とバリア層を有する。超格子構造のウェル層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【００１０】
前記超格子構造のウェル層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよく、前記バリア層は、ＧａＮで形成されてもよい。前記ウェル層のＩｎ組成を調節し、紫外線または可視光線領域の光を具現することができる。
【００１１】
前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮが交互に積層された超格子構造であってもよく、ここで、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙである。
一方、前記バリア層も超格子構造であってもよい。これにより、前記ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生をさらに減少させることができる。
【００１２】
前記超格子構造のバリア層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。また、前記超格子構造のバリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であってもよく、ここで、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖである。
【００１３】
前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、前記超格子構造のウェル層に比べて、相対的にバンドギャップが大きい。例えば、前記ウェル層のＩｎｘＧａ１−ｘＮと比べて、前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、Ｉｎを少なく含有する。
【００１４】
本発明の他の態様によると、超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを提供する。本発明の他の態様による近紫外線発光ダイオードは、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、前記活性領域が、ウェル層と超格子構造のバリア層を有し、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の近紫外線を放出することを特徴とする。超格子構造のバリア層を採用することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合による欠陥の発生を減少させることができる。
【００１５】
前記ウェル層は、ＩｎＧａＮ層で形成され、前記バリア層は、ＩｎＧａＮ及びＧａＮが交互に積層された超格子構造であってもよい。この際、前記ウェル層のＩｎＧａＮは、バリア層のＩｎＧａＮに比べて、Ｉｎをさらに多く含有する。これにより、前記ウェル層のＩｎ組成を変化させて、近紫外線領域から多様な波長の光を放出する近紫外線発光ダイオードを提供することができる。
【００１６】
一方、前記バリア層内のＩｎＧａＮがＩｎを多く含有するほど、ピンホールは減少するものの、ヒルロックが発生し得る。これは、Ｉｎがピンホールを充填してピンホールの発生を防止するが、Ｉｎが過度に増加する場合、余分のＩｎによりヒルロックが生成するものと考えられる。したがって、バリア層内のＩｎＧａＮのＩｎ含量を適合に選択することにより、ピンホール及びヒルロックが発生することを防ぐことができる。
【００１７】
いくつかの実施例において、前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎであり、前記バリア層は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された下部超格子と、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された上部超格子と、前記下部超格子と上部超格子との間に介在され、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層された中部超格子と、を有してもよい。ここで、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．０５、０＜ｚ＜０．１、及びｙ＜ｚ＜ｘであってもよい。本実施例によると、Ｉｎ含量の多い超格子が、Ｉｎ含量の少ない超格子間に配置される。これにより、Ｉｎ含量の異なる超格子を積層して、ピンホール及びヒルロックの発生を抑えることができる。
【００１８】
他の実施例において、前記ウェル層及び超格子構造のバリア層内のＩｎＧａＮの組成比は、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．１、０＜ｚ＜０．０５、及びｚ＜ｙ＜ｘであってもよい。すなわち、上記の実施例とは異なり、Ｉｎ含量の多い超格子構造間に、Ｉｎ含量の少ない超格子構造を配置させて、ピンホール及びヒルロックの発生を抑えることができる。
【００１９】
超格子構造内の各層は、一般に、３０Å以下の厚さを有する。本実施例において、前記バリア層内のＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、ＧａＮ、及びＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎは、それぞれ２．５Å〜２０Åの範囲の厚さを有してもよい。また、前記バリア層内の各層は、略同一の厚さを有して形成されてもよい。
【００２０】
また、前記下部超格子は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが４〜１０回交互に積層され、前記中部超格子は、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが６〜２０回交互に積層され、前記上部超格子は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ及びＧａＮが４〜１０回交互に積層されてもよい。ＩｎＧａＮ及びＧａＮの積層数は、前記バリア層の厚さを過度に増加させないながら、ピンホール及びヒルロックを抑えるように設定される。
【００２１】
一方、前記活性領域は、単一量子井戸または多重量子井戸であってもよく、多重量子井戸の場合、前記ウェル層と前記超格子構造のバリア層が交互に積層された多重量子井戸であってもよい。
【００２２】
これに加えて、前記ウェル層は、超格子構造のバリア層間に介在されてもよい。これにより、前記Ｎ型化合物半導体層またはＰ型化合物半導体層と前記ウェル層との間の格子不整合によるストレインを緩和することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、超格子構造のウェル層及び／又は超格子構造のバリア層を採用することにより、活性領域内での格子不整合による転位又はピンホール等の結晶欠陥の発生を減少させ、表面粗さを改善することができ、光効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ができる。また、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された超格子構造のバリア層を採用することにより、バリア層とウェル層との間の格子不整合を緩和することができる近紫外線発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図２】本発明の一実施例による超格子構造のウェル層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３】本発明の実施例による超格子構造のウェル層を説明するための断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図５】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図６】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を説明するために、図５の活性領域を拡大して示した断面図である。
【図７】本発明のまた他の実施例による超格子構造のバリア層を有する近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図２は、本発明の一実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図２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又はｎ型不純物ドープｎ型ＧａＮであってもよい。
【００２７】
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６１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６１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及びＰ型化合物半導体層６１は、それぞれＮ型及びＰ型ＧａＮ、又はＮ型及びＰ型ＡｌＧａＮであってもよい。
【００２８】
一方、前記活性領域５９は、超格子構造のウェル層５９ａとバリア層５９ｂを有する。前記活性領域５９は、単一のウェル層５９ａを有する単一量子井戸構造であってもよく、図示のように、超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂが交互に積層された多重量子井戸構造であってもよい。すなわち、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上に超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂが交互に積層される。前記バリア層は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮで形成されてもよい。
【００２９】
前記ウェル層５９ａを超格子構造で形成することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合により転位及びピンホール等の結晶欠陥が発生することを防ぐことができる。
図３は、本発明の実施例による超格子構造のウェル層を説明するために、図２の活性領域を拡大して示した断面図である。
【００３０】
図３を参照すると、前記ウェル層５９ａは、ＩｎＮとＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。例えば、ＭＯＣＶＤ工程を用いて、チェンバ内にＩｎソースとＮソースを流入し、ＩｎＮを成長させ、次いで、Ｉｎソースの流入を中断し、Ｇａソースを流入し、ＧａＮを成長させ、再度、Ｇａソースの流入を中断し、Ｉｎソースを流入し、ＩｎＮを成長させることを繰り返すことにより、超格子構造のウェル層５９ａが成長される。
【００３１】
この際、前記ＩｎＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＧａソースがＩｎソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａが形成されてもよく、また、ＧａＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＩｎソースがＧａソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂが形成されてもよい。ここで、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙである。前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂは、８００〜９００℃で、ＭＯＣＶＤ技術を用いて、例えば、２．５〜２０Å範囲の厚さで繰り返し形成されてもよく、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａ内のＩｎの組成を調節することにより、近紫外線や可視光線領域の光を具現することができる。
【００３２】
本実施例において、前記ウェル層５９ａを超格子構造で形成することにより、ウェル層５９ａとバリア層５９ｂとの間の格子不整合による結晶欠陥の発生を防ぐことができる。
一方、本実施例において、前記Ｎ型化合物半導体層５７上にウェル層５９ａを先に形成するものと図示しているが、Ｎ型化合物半導体層５７上にバリア層５９ｂを先に形成し、次いで、ウェル層５９ａを形成してもよい。また、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層７１ａを先に形成し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層７１ｂを形成するものと図示及び説明しているが、その順序は入れ替えてもよい。
【００３３】
図４は、本発明の他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図４を参照すると、図２及び図３を参照して説明したように、基板５１上にバッファ層、Ｎ型化合物半導体層５７、Ｐ型化合物半導体層６１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６１との間に活性領域５９が介在される。また、前記活性領域５９は、超格子構造のウェル層５９ａ及びバリア層５９ｂを含む。但し、本実施例において、前記バリア層５９ｂも超格子構造を有する。
【００３４】
前記超格子構造のバリア層５９ｂは、図３を参照して説明したように、ＩｎＮとＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であってもよい。例えば、ＭＯＣＶＤ工程を用いて、チェンバ内にＩｎソースとＮソースを流入し、ＩｎＮを成長させ、次いで、Ｉｎソースの流入を中断し、Ｇａソースを流入し、ＧａＮを成長させ、再度、Ｇａソースの流入を中断し、Ｉｎソースを流入し、ＩｎＮを成長させることを繰り返すことにより、超格子構造のバリア層５９ｂが成長される。
【００３５】
この際、前記ＩｎＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＧａソースがＩｎソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａが形成されてもよく、また、ＧａＮを成長させる間、チェンバ内に残留するＩｎソースがＧａソース及びＮソースと一緒に反応し、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂが形成されてもよい。ここで、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖである。前記ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂは、８００〜９００℃で、ＭＯＣＶＤ技術を用いて、例えば、２．５〜２０Å範囲の厚さで繰り返し形成されてもよい。
【００３６】
一方、前記バリア層５９ｂは、ウェル層５９ａに比べて広いバンドギャップを有する。一般的に、ＩｎＧａＮ層において、Ｉｎ組成比が小さいほどＩｎＧａＮ層のバンドギャップが大きくなる傾向にあり、したがって、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂのＩｎ組成比ｖが、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（図３の７１ａ）のＩｎ組成比ｘに比べて、相対的に小さな値を有するようにＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂが成長される。
【００３７】
本実施例において、前記バリア層５９ｂを超格子構造で形成することにより、ウェル層５９ａとバリア層５９ｂとの間の格子不整合による結晶欠陥の発生をさらに防ぐことができる。
【００３８】
一方、本実施例において、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層７３ａを先に形成し、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層７３ｂを形成するものと図示及び説明しているが、その順序は入れ替えてもよい。
また、本発明の実施例において、Ｎ型化合物半導体層５７とＰ型化合物半導体層６１は、互いに位置を入れ替えてもよい。
【００３９】
図５は、本発明のまた他の実施例による近紫外線発光ダイオードを説明するための断面図である。
図５を参照すると、図２を参照して説明したように、基板１５１上にＮ型化合物半導体層１５７が位置し、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い。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１６１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１６１との間に活性領域１５９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１５７及びＰ型化合物半導体層１６１は、それぞれＮ型及びＰ型ＧａＮ、又はＮ型及びＰ型ＡｌＧａＮであってもよい。
【００４０】
一方、前記活性領域１５９は、ウェル層１５９ａと超格子構造のバリア層１５９ｂを有する。前記活性領域１５９は、単一のウェル層１５９ａを有する単一量子井戸構造であってもよく、この際、前記超格子構造のバリア層１５９ｂは、前記ウェル層１５９ａの下部及び／又は上部に位置する。また、前記活性領域１５９は、図示のように、ウェル層１５９ａ及び超格子構造のバリア層１５９ｂが交互に積層された多情量子井戸構造であってもよい。すなわち、Ｎ型化合物半導体層１５７上にＩｎＧａＮウェル層１５９ａ及びバリア層１５９ｂが交互に積層され、前記バリア層１５９ｂは、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された超格子構造を有する。ウェル層１５９ａのＩｎＧａＮは、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の光を放出するようにＩｎ含量が選択され、バリア層１５９ｂ内のＩｎＧａＮに比べてより多くのＩｎを含み、量子井戸を形成する。
【００４１】
バリア層１５９ｂを超格子構造で形成することにより、ウェル層とバリア層との間の格子不整合により、転位及びピンホール等の結晶欠陥が発生することを防ぐことができる。これに加えて、バリア層１５９ｂをＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造で形成することにより、従来、ＩｎＧａＮウェル層とＡｌＧａＮバリア層との間に発生する格子不整合をさらに緩和することができる。一方、バリア層１５９ｂのＩｎＧａＮのＩｎ含量を増加させると、ピンホールの生成は防ぐことができるが、ヒルロックが生じてしまう。ヒルロックは、余分のＩｎがＩｎＧａＮ層上に残って形成されるものと考えられる。したがって、バリア層１５９ｂのＩｎ含量を適宜調節して、ピンホールとヒルロックを抑えることができ、Ｉｎは、０．０１〜０．１の範囲内で調節され得る。
【００４２】
一方、本発明のいくつかの実施例において、ピンホールとヒルロックを抑えるための超格子構造のバリア層は、異なるＩｎ含量を有するＩｎＧａＮを有してもよく、以下にて詳細に説明する。
【００４３】
図６は、本発明の一実施例によるＩｎ含量の異なるＩｎＧａＮを有する超格子構造のバリア層を説明するために、図５の活性領域を拡大して示した断面図である。
図６を参照すると、前記ウェル層１５９ａは、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎと表され、ここで、０＜ｘ＜０．５である。前記Ｉｎの組成は、３６０〜４１０ｎｍの波長範囲の近紫外線を放出するように選択される。一方、前記超構造のバリア層１５９ｂは、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７１ａ及びＧａＮ層１７１ｂが交互に積層された下部超格子１７１と、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７５ａ及びＧａＮ層１７５ｂが交互に積層された上部超格子１７５と、前記下部超格子と上部超格子との間に介在された中部超格子１７３と、を有する。前記中部超格子１７３は、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ及びＧａＮが交互に積層されて形成される。ここで、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．０５、０＜ｚ＜０．１、及びｙ＜ｚ＜ｘであってもよい。
【００４４】
前記下部超格子及び上部超格子のＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層１７１ａ、１７５ａは、中部超格子のＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ層１７３ａに比べて、少ない含量のＩｎ組成を有する。したがって、下部超格子１７１を形成した段階で、微細なピンホールが形成され得る。しかしながら、その後に形成される中部超格子１７３は、余分のＩｎを含有し、前記ピンホールを充填してピンホールを除去する。一方、中部超格子１７３の余分のＩｎは、ヒルロックを生成させ得、このような余分のＩｎは、上部超格子１７５により除去される。本実施例によると、Ｉｎ含量の少ないＩｎＧａＮを含む超格子構造と、Ｉｎ含量の多いＩｎＧａＮを含む超格子構造を採用して、ピンホールとヒルロックを抑えることができる。
【００４５】
前記下部、中部及び上部超格子１７１、１７３、１７５内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、交互に積層され、ＩｎＧａＮとＧａＮが対をなしてそれぞれ４〜１０回、６〜２０回、及び４〜１０回繰り返し積層されてもよい。このような積層数は、ＩｎＧａＮ及びＧａＮの厚さ、ＩｎＧａＮ内のＩｎの含量により変更され得、ピンホールとヒルロックの発生を制御するように設定される。
【００４６】
本実施例において、下部及び上部超格子１７１、１７５内のＩｎＧａＮ層が、中部超格子１７３内のＩｎＧａＮ層に比べて、Ｉｎ含量が少ないものと説明しているが、下部及び上部超格子１７１、１７５内のＩｎＧａＮ層が、中部超格子１７３内のＩｎＧａＮ層に比べて、Ｉｎ含量が多くてもよい。すなわち、前記ウェル層及びバリア層内のＩｎ組成比は、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．１、０＜ｚ＜０．０５、及びｚ＜ｙ＜ｘを満たしてもよい。
【００４７】
前記下部超格子１７１、中部超格子１７３及び上部超格子１７５内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、それぞれ８００〜９００℃でＭＯＣＶＤ技術を用いて形成されてもよく、前記バリア層１５９ｂ内のＩｎＧａＮ及びＧａＮは、それぞれ２．５Å〜２０Åの厚さに形成してもよく、略同一の厚さを有して形成されてもよい。
【００４８】
一方、図６において、Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａが接触するものと図示されているが、図７に示すように、前記Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間に、図６を参照して説明したような超格子構造のバリア層１５９ｂが介在されてもよい。Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間に介在されたバリア層１５９ｂは、Ｎ型化合物半導体層１５７とウェル層１５９ａとの間の格子不整合によるストレインを減少させ、ウェル層の結晶欠陥の発生を防ぐ。
【００４９】
本発明の実施例において、Ｎ型化合物半導体層１５７とＰ型化合物半導体層１６１は、互いに位置を入れ替えてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
５１，１５１…基板、５３，１５３…低温バッファ層、５５，１５５…高温バッファ層、５７，１５７…Ｎ型化合物半導体層、５９，１５９…活性領域、５９ａ，１５９ａ…ウェル層、５９ｂ，１５９ｂ…バリア層、６１，１６１…Ｐ型化合物半導体層、７１ａ…ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、７１ｂ…ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層、７３ａ…ＩｎｕＧａ１−ｕＮ層、７３ｂ…ＩｎｖＧａ１−ｖＮ層、１７１…下部超格子、１７１ａ…ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、１７１ｂ…ＧａＮ、１７３…中部超格子、１７３ａ…ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ、１７３ｂ…ＧａＮ、１７５…上部超格子、１７５ａ…ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ、１７５ｂ…ＧａＮ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、
前記活性領域は、超格子構造のウェル層と、超格子構造のバリア層とが交互に積層される構造を有し、
前記ウェル層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であり、
前記バリア層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙであ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】
前記バリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖであり、ｖ＜ｘであ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】
前記バリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖであり、
前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、前記超格子構造のウェル層に比べて、相対的にバンドギャップが大きい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１】
Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＰ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に活性領域を有する発光ダイオードにおいて、
前記活性領域は、超格子構造のウェル層と、超格子構造のバリア層とが交互に積層される構造を有し、
前記ウェル層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であり、
前記バリア層は、ＩｎＮ及びＧａＮを交互に成長させて形成された超格子構造であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｘ、ｙ≦１であり、ｘ＞ｙであ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】
前記バリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖであり、ｖ＜ｘであ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】
前記バリア層は、ＩｎｕＧａ１−ｕＮ及びＩｎｖＧａ１−ｖＮが交互に積層された超格子構造であり、０≦ｕ、ｖ≦１であり、ｕ＞ｖであり、
前記ＩｎｖＧａ１−ｖＮは、前記超格子構造のウェル層に比べて、相対的にバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−４２１８４（Ｐ２０１３−４２１８４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５７９９０（Ｐ２０１２−２５７９９０）
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００８−８６９４５（Ｐ２００８−８６９４５）の分割
【原出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０６０２９００４）ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００８−８６９４５（Ｐ２００８−８６９４５）の分割
【原出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０６０２９００４）ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
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