KR100458145B1 - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

제 1 반도체층을 형성하고, 상기 제 1 반도체층 상에 InY1 Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어진 배리어층, InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 초격자 구조의 발광층을 형성하고, 상기 발광층 상에 제 2 반도체층을 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 발광층의 최상층이 되는 최상 배리어층을 다른 배리어층보다도 두껍게 형성한다. 그리고, 제 2 반도체층을 형성할 때, 최상 배리어층의 상면을 손실시켜 그 두께를 다른 배리어층의 두께와 실질적으로 동일하게 한다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
본 발명은 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 반도체 발광 소자는 예를 들면 발광 다이오드나 레이저 다이오드로서 이용할 수 있다.
가시광 단파장 영역의 발광 소자로서 화합물 반도체를 사용한 것이 공지되어 있다. 그 중에서도 Ⅲ족 질화물 반도체는 직접 전이형이기 때문에 발광 효율이 높고 동시에 빛의 3 원색의 하나인 청색을 발광하기 때문에 오늘날 특히 주목되고 있다.
이러한 발광 소자의 하나로서, 사파이어 기판 위에, AlN제의 버퍼층, 제 1클래드층, 발광층 및 제 2 클래드층을 순서대로 적층하여 형성된 것이 있다. 여기에, 제 1 및 제 2 클래드층은 AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함한다)으로 이루어진다. 발광층은 예를 들면 InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층, InY2 Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어지는 양자 우물층(量子井戶層)을 반복하여 적층시켜 형성한 초격자 구조이다.
이들 반도체층은 유기 금속 화합물 기상 성장법(이하, 「MOVPE법」)에 의해, 일정 방법에 따라 형성된다.
이러한 초격자 구조의 발광층은, 배리어층과 양자 우물층과의 사이에서 조성의 차이에 급준성(急峻性)이 요구되기 때문에, 비교적 낮은 성장 온도에서 형성된다. 또한, 일반적으로, 배리어층은 각각 동일한 두께가 되도록 형성되고, 마찬가지로 각 양자 우물층도 각각이 동일한 두께가 되도록 형성된다. 이것은, 각 층의 두께에 차이가 있으면, 양자 효과에 의해, 양자 우물층으로부터 발생하는 빛이 파장의 점에서 미묘하게 변화할 우려가 있기 때문이다.
한편, 발광층의 위에 형성되는 제 2 클래드층은 그 두께(배리어층이나 양자 우물층보다 두껍다)나 조성의 관계로부터, 발광층보다도 높은 온도에서 형성된다.
본 발명자 등은 이와 같이 하여 반도체 발광 소자를 제조할 때, 이하의 과제에 주목했다.
초격자 구조의 발광층에 있어서, 각 클래드층에 접하는 층이 양자 우물층이라면, 이하의 과제가 생긴다. 클래드층이 p 전도형의 경우 이것에 양자 우물층이 연속하여 있으면, 클래드층과 배리어층에서는 에너지 순위가 다르기 때문에, 해당 양자 우물층의 소위 우물(井戶)의 깊이가 다른 양자 우물층의 그것에 비하여 다르게 된다. 따라서, 빛의 파장이 시프트할 우려가 있다. 또한, 클래드층이 n 전도형의 경우 이것에 양자 우물층이 연속하여 있으면, 클래드층의 에너지 순위는 양자 우물층의 그것보다 낮기 때문에, 해당 양자 우물층에 있어서 소위 우물이 형성되지 않게 되어, 그곳에서의 발광을 기대할 수 없게 된다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 1 관점에서는,
n전도형의 GaN으로 이루어지는 제 1 반도체층과,
상기 제 1 반도체층 상에 형성되고, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층과,
InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 이루어지는 초격자 구조의 발광층과,
상기 발광층 상에 형성되고, p전도형의 AlXGa1-XN (0.05
상기 발광층에서 상기 제 1 반도체층 및 상기 제 2 반도체층과 접하는 층이 상기 배리어층으로 하는 것으로 했다. 즉, 발광층의 구성을, 배리어층-양자 우물층- ... -양자 우물층-배리어층으로 했다.
또한, 이하의 기재에 있어서 제 1 반도체층 및 제 2 반도체층에는 클래드층 또는 광가이드층이 해당한다. 또한, 배리어층 및 양자 우물층 등의 반도체층을 성장시키는 때의 백그라운드에 기인하는 불순물은 의도적인 불순물에 해당하지 않는다.
그러나, 본원 발명자가 또한 검토를 거듭한 바, 이하의 과제가 또한 발견되었다.
즉, 초격자 구조의 발광층 위에 제 2 클래드층을 형성하면, 발광층의 최상층에 오는 배리어층(이하, 「최상 배리어층」이라 한다)이 얇게 되는 것이다. 이것은, 제 2 클래드층의 형성 온도가 최상 배리어층의 형성 온도보다도 높기 때문에, 제 2 클래드층 형성 시에 최상 배리어층의 재료가 그 상면으로부터 날려 버리기 때문이라고 생각된다.
최상 배리어층이 얇게 되면 양자 효과에 의해 빛의 파장이 단파장측으로 시프트하기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 배리어층이 얇게(예를 들면 두께 수 nm) 설계되어 있는 경우, 최상 배리어층이 실질적으로 존재하지 않게 될 우려도 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 2 관점에서는,
AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0를 포함)으로 이루어지는 제 1 반도체층을 형성하는 단계와,
상기 제 1 반도체층 상에, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층, InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 초격자 구조의 발광층을 형성하는 단계와,
상기 발광층 상에 AlAInBGa1-A-BN (A=0, B=0, A=B=0을 포함)으로 이루어지는 제 2 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고 있는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
상기 발광층의 최상부로 되는 최상 배리어층을 다른 배리어층보다도 두껍게 형성하고,
상기 제 2 반도체층을 형성하는 스텝 전에 있어서, 상기 최상 배리어층의 상면을 소실시켜, 상기 최상 배리어층의 두께를 다른 배리어층의 두께와 실질적으로 동일하게 했다.
또한, 본 발명은, 인가 전류가 변화하여도 발광하는 빛의 피크 파장이 실질적으로 변화하지 않는 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 파장의 분포가 좁고, 즉 이상적인 단색광에 가까운 빛을 발광하는 반도체 발광 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 발광 효율이 높고, 강한 발광을 나타내는 초격자 구조의 활성층을 가지는 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기 제 1 의 관점에 의한 반도체 발광 소자에 있어서는, 발광층에 있어서 제 1 반도체층 및 제 2 반도체층과 접하는 층이 배리어층으로 되기 때문에, 각 반도체층에 가장 가까운 양자 우물층에 있어서도 소위 양자 우물의 형, 즉 포텐셜의 패인 정도가 다른 양자 우물층과 실질적으로 동일하게 된다. 따라서, 각 양자 우물로부터 방출되는 빛의 파장은 실질적으로 동등하게 된다.
또한, n 전도형의 GaN으로 이루어지는 제 1 반도체층 위에 발광층의 InY1Ga1-Y1N 으로 이루어지는 배리어층이 결정 성장된다. 배리어층에 있어서의 In의 조성비는 0 또는 양자 우물층에 비하여 비교적 작기 때문에, 그 조성은 GaN으로 이루어지는 제 1 반도체층에 가깝고, 따라서 발광층의 결정에 왜곡이 생기기 어렵게 된다.
상기 제 2 관점에 의한 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서는, 최상 배리어층이 다른 배리어층보다도 두껍게 형성되기 때문에, 제 2 반도체층을 형성하는 때 상기 최상 배리어층의 표면의 재료가 소실하여도, 그 전체가 실질적으로 존재하지 않게 되는 일은 없다. 이를 위해서는, 물론, 제 2 반도체층의 형성 시에 소실하는 두께를 예상하여 최상 배리어층의 두께가 설계된다.
그리고, 제 2 반도체층 형성후, 최상 배리어층의 두께가 다른 배리어층의 두께와 동일하게 되도록, 제 2 반도체층의 형성시에 소실하는 두께를 예상하여 최상 배리어층의 두께가 설계된다. 이것에 의해, 초격자 구조의 발광층에 있어서 각 배리어층의 두께가 실질적으로 동일하게 되고, 양자 효과에 의한 파장의 시프트를 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 1 실시 형태에 의하면, 인가 전류가 변화하여도 반도체 발광 소자로부터 방출되는 빛의 피크 파장이 실질적으로 변화하지 않는다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 반도체 발광 소자로부터 방출되는 빛에 있어서 파장의 분포가 좁게 된다. 즉, 이상적인 단색광에 근사한 빛이 반도체 발광 소자로부터 발광된다.
또한, 본 발명의 또다른 실시 형태에 의하면, 초격자 구조의 발광층에 있어서의 발광 효율이 높고, 발광 강도가 크게 된다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 실시예에 근거하여 더욱 상세하게 설명한다.
<제 1 실시예>
본 실시예의 반도체 발광 소자는 청색 발광 다이오드이다. 도 1에 실시예의 발광 다이오드(20)의 단면도를 도시하고 있다.
두께 100㎛의 사파이어 기판(1)의 a면 위에 두께 20nm의 AlN으로 이루어지는 버퍼층(2)이 형성되어 있다. 이 버퍼층(2)의 막두께는 20 내지 50nm로 할 수 있고, 막의 성장 온도는 400℃이다.
버퍼층(2)의 위에는 n 전도형의 반도체층(3)이 2 층으로 형성되어 있다. 이 n층(3)은, 아래로부터, 두께 2.5㎛의 실리콘이 고농도로 도프된 n+-GaN층(3a)(캐리어 밀도: 2×1018/㎤,)과 두께 0.5㎛의 실리콘이 도프된 n-GaN층(3b)(제 1 클래드층(제 1 반도체층), 캐리어 밀도: 2×1017/㎤)로 구성된다.
이 n층(3)에는 AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함)으로 이루어진 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이 n층(3)을 한 층으로 구성할 수 있다.
n 층(3)의 위에는 초격자 구조의 발광층(5)이 형성되어 있다. 발광층(5)은 두께 3.5nm의 의도적인 불순물이 도프되어 있지 않은 GaN으로 이루어지는 배리어층(5a)과 두께 3.5nm의 의도적인 불순물이 도프되어 있지 않은 In0.16Ga0.84N으로 이루어진 양자 우물층(5b)을 반복하여 적층한 구성이다. 본 실시예에서는 반복 수를 5로 했다. 그리고, 가장 위에 형성되는 배리어층(5c)은 두께가 3.5nm의 의도적인 불순물이 도프되어 있지 않은 GaN으로 이루어진다.
상기에 있어서, 배리어층(5a)과 양자 우물층(5b)의 반복 수는 특정하게 한정되는 것이 아니다. 배리어층(5a, 5c)은 InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 화합물 반도체, 양자 우물층(5b)은 InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어지는 화합물 반도체로 각각 형성될 수 있다. 최상 배리어층(5c)의 두께를 다른 배리어층(5a)의 두께와 실질적으로 동등하게 하는 것이, 양자 효과의 영향을 배제할 수 있기 때문에 바람직하다.
배리어층(5a, 5c) 및 양자 우물층(5b)에는 불순물을 도핑할 수 있다.
본 발명자의 검토에 의하면, 양자 우물층(5b)의 막두께를 3 내지 5nm로 할때, 발광층으로부터 강한 발광이 얻어지는 것을 알았다. 해당 검토를 이하에 설명한다.
실시예의 소자에 있어서, 양자 우물층의 막두께를 10nm, 7nm, 5nm 및 3nm로 변화시키고, 이들의 발광 강도를 측정한다. 또한, 배리어층의 막두께도 양자 우물층의 막두께와 동일하게 되도록 변화시킨다. 발광 강도는 전해 발광(electroluminescence, 단위; a.u.)의 강도이다. 본 발명자 등의 검토에 의하면, 양자 우물층의 막두께가 10nm인 때의 발광 강도에 대하여, 양자 우물층의 막두께를 7nm로 하면 약 10배의 발광 강도가 얻어지며, 동일한 막두께를 5nm로 하면 약 60배, 막두께를 3nm로 하면 약 150배의 발광 강도가 각각 얻어진다.
이상의 결과로부터, 배리어층을 논도프트 GaN으로 하고, 양자 우물층을 논도프트 InGaN으로 한 때, 양자 우물층의 막두께를 3 내지 5 nm로 하는 것이 바람직한 것을 알았다. 배리어층의 두께는 3 nm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 발광층(5)에 있어서 제 1 클래드층(3b)과 접하는 층이 배리어층(5a)이고, p 전도형의 제 2 클래드층(7)과 접하는 층이 최상 배리어층(5c)으로 된다. 따라서, 각 클래드층에 가장 근사한 양자 우물층(5b)에 있어서도 소위 양자 우물층의 형, 즉 포텐셜의 패인 정도가 다른 양자 우물층과 실질적으로 동일하게 된다. 따라서, 각 양자 우물층으로부터 발생하는 빛의 파장은 실질적으로 동등하게 된다.
발광층(5)의 위에는 배리어층(5a)보다도 넓은 밴드갭을 가지는 제 2 클래드 층(제 2 반도체층)(7)이 2 층으로 형성되어 있다. 이 제 2 클래드층(7)은, 아래로 부터, 두께 30.0nm의 마그네슘이 도프된 p-Al0.15Ga0.85N층(7a)(캐리어 밀도: 1 내지 2 ×1017/㎤)과 두께 75.5nm의 마그네슘이 도프된 p-GaN층(7b)(캐리어 밀도: 2×1017/㎤)로 구성되고, 7a 층이 전자의 닫아 넣기 효과의 주된 역할을 담당한다.
Al을 포함하는 클래드층(7a)은 그 막두께를 20nm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 20nm 미만에서는 헤테로배리어에 의한 전자의 닫아 넣기 효과가 약하게 된다. 이 클래드층(7a)을 100nm를 넘어서 두껍게 할 필요는 없다. 또한 7a는 Al0.15Ga0.85N에 한정되지 않고, AlXGa1-XN (0.05<X<0.2)의 범위 내에 있어도 좋다.
이 제 2 클래드층(7)은 AlAInBGa1-A-BN (A=0,B=0,A=B=0을 포함한다)로 이루어지는 화합물 반도체로 형성할 수 있다. 이 제 2 클래드층(7)을 1 층으로부터 구성하는 것도 가능하다.
제 2 클래드층(7)의 위에는 두께 25.0nm의 마그네슘이 p-GaN층(7b)으로부터 고농도로 도프된 GaN층(8)(캐리어 농도: 1×1017/㎤)이 형성되어 있다. 이 층은 전극에 대한 콘택트 저항을 낮추기 위하여 설치된다. 이 GaN층(8)의 막두께는 20 내지 50nm로 하는 것이 바람직하다. 이 막두께가 20nm에 만족하지 않으면 컨택트층의 효과가 약하게 되어 저항이 높게 된다. 또한, 이 막두께를 50nm를 넘게 두껍게 할 필요는 없다.
전극 패드(9)는 Al, Ti 또는 이들을 포함하는 합금으로 이루어진다.
부호 10은 투명 전극이고 GaN층(8) 위에 그 대략 전체면에 걸쳐서 형성된다. 투명 전극(10)의 위에 전극 패드(11)가 형성된다. 투명 전극(10) 및 전극 패드(11)의 형성 재료로서, Au, Pt, Pd, Ni 또는 이들을 포함하는 합금이 열거된다.
다음에, 실시예의 발광 다이오드(20)의 제조 방법을 설명한다.
발광 다이오드의 각 반도체층은 MOVPE법에 의해 형성된다. 이 성장법에 있어서는, 암모니아 가스와 III족 원소의 알킬 화합물 가스, 예를 들면 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA)나 트리메틸인듐(TMI)를 적당한 온도로 가열된 기판 상에 공급하여 열분해 반응시키고, 따라서 원하는 결정을 기판의 위에 성장시킨다.
또한, 캐리어 가스, 암모니아 가스 및 III족 원소의 알킬 화합물 가스의 유량, 반응 시간은 목적으로 하는 결정에 따라서 적절하게 조절한다.
우선, 유기 세정 및 열처리에 의해 세정한 a면을 주면으로 하는 단결정 사파이어 기판(1)을 도시하지 않은 기상 반응 장치 내의 서셉터에 장착한다. 다음에 상압에서 N2를 해당 반응 장치로 흘리면서 온도 1100℃로 사파이어 기판(1)을 기상 에칭한다.
다음에 온도를 400℃까지 저하시키고, N2, NH3 및 TMA를 공급하여 기판 위에 AlN의 버퍼층(2)을 약 20nm의 두께로 형성한다.
다음에 온도를 올려서, N2, 실란, TMG, NH3를 도입하고, n 전도형의 반도체층에 있어서 하측의 층(3a)을 형성하고, 또한 실란의 유량을 내려서 상측의 층(3b)을 형성한다.
계속해서, 온도를 900℃로 유지하고, N2, TMC, NH3를 도입하여 두께 3.5nm의 GaN으로부터 배리어층(5a)을 형성한다. 다음에 온도를 750℃로 유지하고, N2, NH3, TMG 및 TMI를 도입하여 두께 3.5nm의 In0.16Ga0.84N으로 이루어진 양자 우물층(5b)을 형성한다.
이것을 반복하여, 도면에 나타내는 대로, 각각 5 층의 배리어층(5a)과 양자 우물층(5b)을 얻는다.
반응 시간을 조정하여 배리어층(5a) 및 양자 우물층(5b)의 막두께가 조절된다.
온도를 900℃로 유지하고, N2, TMG, NH3를 도입하여 두께 14.0nm의 GaN으로 이루어진 최상 배리어층(5c)을 5단째의 양자 우물층(5b) 위에 형성한다. 기술한 대로, 제 2 클래드층(7)을 형성할 때 이 최상 배리어층(5c)은 그 상면이 소실된다. 본 실시예에서는, 당초 14.0nm였던 최상 배리어층(5c)이, 제 2 클래드층 형성후, 3.5 nm로 되었다.
최상 배리어층(5c)은, 제 2 클래드층 형성후, 다른 배리어층(5a)과 동일한 두께, 즉 3.5nm로 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 온도를 1000℃로 유지하고, N2, NH3, TMG, TMA, CP2Mg를 도입하고, 막두께 30nm의 마그네슘이 도프된 p-Al0.15Ga0.85N으로 이루어지는 층(7a)을 형성한다. 다음에, 온도를 1000℃로 유지하고, N2, NH3, TMG, CP2Mg를 도입하여 두께 75.0nm의 마그네슘이 도프된 p-GaN층(7b)을 형성하고, 따라서 제 2 클래드층(7)으로 한다.
층(7b)의 형성에 계속하여, 온도를 1000℃로 유지한 채, CP2Mg의 유량을 바꾸어 최상층(8)을 형성한다.
이 상태에서 제 2 클래드층(7)과 최상층(8)은 반절연성을 나타낸다. 그래서, 전자선 조사 장치를 사용하여, 제 2 클래드층(7) 및 최상층(8)으로 일정하게 전자선을 조사한다. 전자선의 조사 조건은, 예를 들면, 가속 전압 약 10kV, 시료 전류 1μA, 빔 이동 속도 0.2mm/sec, 빔 직경 600㎛, 진공도 5.0×10-5Torr이다. 이러한 전자선 조사에 의하여 제 2 클래드층(7) 및 최상층(8)은 원하는 p 전도형으로 된다.
이와 같이 하여 형성된 반도체 웨이퍼를 주지의 방법으로 에칭하여, 도 1에 나타낸 반도체층 구성으로 한다. 그리고, 전극 패드(9)를 반도체층(3a)의 위로 증착에 의해 형성하고, 계속해서 금제의 투명 전극(10)을 최상층(8)의 위에 증착하고, 또한 금제의 전극 패드(11)를 증착한다.
이와 같이 하여 형성된 반도체 웨이퍼를 소자마다 잘라 나누어, 원하는 청색 발광 다이오드(20)로 한다.
본 발명자 등의 검토에 의하면, 상기 구성의 실시예의 소자에는 하기의 특성이 확인됐다.
도 2는 소자에 인가하는 순방향 전류를 변화시킨 때의 발광 스펙트럼의 변화를 나타낸다. 도 3은 도 2의 발광 스펙트럼을 해석한 것으로써, 소자에 인가하는 순방향 전류를 변화시킨 때의 피크 파장 및 반치폭의 변화를 나타낸다. 도 3에서, A는 전류를 증가시킨 경우, B는 전류를 감소시킨 경우를 나타낸다.
이들의 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소자에 인가하는 전류를 변화시켜도 피크 파장은 실질적으로 변화하지 않는다. 즉, 전류를 5 내지 100mA의 범위에서 변화시켜도 피크 파장은 대략 445 내지 450nm의 범위로 받아 드려지고 있다. 소자에 대한 실용적인 인가 전류를 고려하면, 순방향으로 인가되는 전류는 5 내지 50mA의 범위에 있고, 이 범위에서 전류를 변화시켰을 때의 피크 파장의 변화는 10nm 이하, 더욱 상세하게는 거의 5nm이하이다. 특히, 전류가 20 내지 50mA의 범위에서 피크 파장은 거의 변하지 않는다.
한편, 일반적인 발광 소자에서는 인가되는 전류가 커지면, 즉 인가되는 전압이 높게 되면, 피크 파장은 단파장측으로 시프트한다. 그 이유는 다음과 같이 고려된다.
헤테로 구조의 발광층을 구성하는 반도체층에는 불순물이 포함되어 있다. 상기와 같은 반도체 소자에서는 인가되는 전압이 커지면, 반도체층의 최저의 에너지 준위에 있던 캐리어가 발광층에 포함되는 불순물의 형성하는 에너지 준위로 상승된다. 이 불순물의 형성하는 준위는 반도체층의 최저의 에너지 준위보다도 높기 때문에, 이 캐리어가 재결합함으로써 방출되는 광의 파장은 단파장측으로 시프트한다.
마찬가지로, 단일의 양자 우물층을 갖는 발광층에서는, 인가하는 전압을 높게 하면, 양자 우물의 최저의 에너지 준위에 있던 캐리어가 양자 우물에서보다 상위의 에너지 준위로 상승된다. 따라서, 이 캐리어가 재결합함으로써 방출되는 광의 파장은 단파장측으로 시프트한다.
한편, 이 실시예의 반도체 발광 소자에 의하면, 발광층에 불순물이 도프되지 않는다. 또한, 양자 우물층이 복수(실시예에서는 5층) 있기 때문에 양자 우물의 최저 준위에 있는 캐리어는, 높은 전압이 걸리게 되었을 때, 양자 우물내에서보다 상위의 에너지 준위로 상승하게되는 대신에, 전후에(도면에서는 상하로) 연속하는 다른 양자 우물 내에서 비어 있는 최저 에너지 준위 또는 비교적 낮은 에너지 준위로 우선적으로 터널링한다. 이것에 의해 단파장측으로의 파장 시프트가 방지된다고 추정된다.
또한, 파장 시프트를 방지하는 견지에서, 양자 우물층의 수를 3 내지 7로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 전류의 크기를 변화시켜도 피크 파장이 실질적으로 일정하다면, 발광 소자의 특성상 바람직하다.
발광 스펙트럼의 반치폭도 인가되는 전류(5 내지 100mA)에 무관하게 실질적으로 일정하고, 60nm 이하이다. 실용적인 인가 전류의 범위(5 내지 50mA)에서는 반치폭의 변화가 더욱 작고, 인가 전류의 범위를 20 내지 50mA로 하면 반치폭의 변화는 보다 한층 더 작게 된다.
반치폭이 일정하기 때문에, 각 양자 우물층에 있어서 같은 에너지 준위에 있는 캐리어의 재결합이 발광에 기여하고 있다고 생각된다.
이와 같이, 인가 전류의 변화에 관계없이, 발광 스펙트럼의 반치폭이 60nm이하로 유지되는 것은, 발광되는 광의 파장의 분포가 좁고, 발광이 이상적인 단색광에 보다 가까이 가고 있는 것을 의미한다. 이것에 의해 색순도가 높은 발광 소자를 얻을 수 있게 된다.
<제 2 실시예>
이 실시예의 반도체 발광 소자는 녹색 발광 다이오드이다.
이 실시예의 발광 다이오드는 상기 제 1 실시예의 발광 다이오드에 있어서 양자 우물층의 조성이 In0.23Ga0.77N으로 되어 있다 즉, 제 1 실시예에 비해 In의 조성이 크게 되어 있다. 상기와 같은 양자 우물층은 TMI의 유량을 크게 하는 것 등에 의해, 제 1 실시예와 마찬가지로 하여 형성된다.
본 발명자들의 검토에 의하면, 상기 구성의 실시예의 소자에는 하기의 특성이 인정되었다.
도 4는 소자에 인가되는 순방향 전류를 변화시켰을 때의 발광 스펙트럼의 변화를 도시한다. 도 5는 도 4의 발광 스펙트럼을 해석한 것에 있어서, 소자에 인가되는 순방향 전류를 변화시켰을 때의 피크 파장 및 반치폭의 변화를 도시한다.
이들의 도면에서 알 수 있듯이, 소자에 인가되는 전류를 변화시켜도 피크 파장은 실질적으로 변화되지 않는다. 즉, 전류를 5 내지 100mA의 범위에서 변화시켜도 피크 파장은 거의 515 내지 520nm의 범위에 포함되어 있다. 소자에 대한 실용적인 인가 전류를 고려하면, 순방향으로 인가되는 전류는 5 내지 50mA의 범위에 있고, 이 범위에서 전류를 변화시켰을 때의 피크 파장의 변화는 10nm이하, 더욱 상세하게는 거의 5nm이하이다. 전류의 범위가 20 내지 50mA, 또한 20 내지 100mA일때, 피크 파장은 거의 515nm에서 거의 변화되지 않는다.
발광 스펙트럼의 반치폭도 인가하는 전류(5 내지 100mA)에 무관하게 60nm이하, 더욱 상세하게는 35nm 이하이다. 실용적인 인가 전류의 범위(5 내지 50mA)에서는 반치폭은 거의 변화하지 않고, 인가 전류의 범위를 20 내지 50mA로 하면 반치 폭의 변화는 보다 한층 더 작게 된다.
본 발명은 상기 발명의 실시의 변형 및 실시예의 기재에 한정되지 않고, 특허청구의 범위를 이탈하지 않는 범위에서, 당업자가 상상하여 도달할 수 있는 여러가지의 변형 양태를 포함한다.
본 발명이 레이저 다이오드에도 적용할 수 있음은 물론이다.
이하에 다음의 사항을 개시한다.
AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함한다)으로 이루어지는 제 1 반도체층과,
상기 제 1 반도체 상에, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층, InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 이루어지는 초격자 구조의 발광층과,
상기 발광층 상에 AlAInBGa1-A-BN (A=0, B=0, A=B=0을 포함한다)으로 이루어지는 제 2 반도체층을 포함하고 있는 반도체 발광 소자에 있어서,
상기 발광층에 있어서 상기 제 1 반도체층 및 상기 제 2 반도체층과 접하는 층이 상기 배리어층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
상기 제 2 반도체층에 접하는 배리어층은 그 두께가 다른 배리어층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 상기 기재의 반도체 발광 소자.
도 1은 본 발명의 실시예의 발광 다이오드의 단면도.
도 2는 본 발명의 한 실시예의 발광 다이오드에 있어서 전류를 변화시킬 때의 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면.
도 3은 동일한 전류를 변화시킨 때의 피크 파장의 변화 및 반치폭의 변화를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 발광 다이오드에 있어서 전류를 변화시킨 때의 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면.
도 5는 동일한 전류를 변화시킨 때의 피크 파장의 변화 및 반치폭의 변화를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
2 : 버퍼층 5 : 발광층
7 : 클래드층 20 : 발광 다이오드

Claims (5)

  1. n전도형의 GaN으로 이루어지는 제 1 반도체층과,
    상기 제 1 반도체층 상에 형성되고, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층과,
    InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 이루어지는 초격자 구조의 발광층과,
    상기 발광층 상에 형성되고, p전도형의 AlXGa1-XN (0.05<x<0.2
    상기 발광층에서 상기 제 1 반도체층 및 상기 제 2 반도체층과 접하는 층이 상기 배리어층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함)으로 이루어지는 제 1 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 반도체층 상에, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층, InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어진 양자 우물층을 적층하여 초격자 구조의 발광층을 형성하는 단계와,
    상기 발광층 상에 AlAInBGa1-A-BN (A=0, B=0, A=B=0을 포함)으로 이루어지는 제 2 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고 있는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
    상기 발광층의 최상부로 되는 최상 배리어층을 다른 배리어층보다도 두껍게 형성하고,
    상기 제 2 반도체층을 형성하는 스텝 전에 있어서, 상기 최상 배리어층의 상면을 소실시켜, 상기 최상 배리어층의 두께를 다른 배리어층의 두께와 실질적으로 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자 우물층의 막두께가 3∼5nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. n전도형의 AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함)으로 이루어지는 제 1 반도체층과,
    상기 제 1 반도체층 상에 형성되어, InY1Ga1-Y1N (Y1≥0)으로 이루어지는 배리어층과,
    InY2Ga1-Y2N (Y2>Y1 또한 Y2>0)으로 이루어지는 양자 우물층을 적층하여 이루어지는 초격자 구조의 발광층과,
    상기 발광층 상에 형성되어, p전도형의 AlXInYGa1-X-YN (X=0, Y=0, X=Y=0을 포함)으로 이루어지는 제 2 반도체층을 포함하고,
    상기 발광층에 있어서 상기 제 1 반도체층 및 상기 제 2 반도체층과 접하는 층이 상기 배리어층이고,
    상기 발광층의 양자 우물층의 막 두께가 3∼5nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양자 우물층은 InGaN으로 이루어지고, 상기 배리어층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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