KR100998540B1

KR100998540B1 - Ｉｉｉ족 질화물계 반도체 발광 소자

Info

Publication number: KR100998540B1
Application number: KR1020080049130A
Authority: KR
Inventors: 마사키 우에노; 다카시 교노; 유스케 요시즈미
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2010-12-07
Also published as: EP2053668A3; CN101330123A; KR20080112936A; US20080315243A1; JP2009004569A; TW200910651A; JP4341702B2; CN101330123B; US8829545B2; EP2053668A2; TWI380470B

Abstract

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)의 p형 도펀트 농도 N_P19는 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)의 p형 도펀트 농도 N_P15보다 크기 때문에, p형 도펀트가 p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)으로부터 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)에 확산하여, p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)과 활성층(17)과의 계면 근방까지 도달한다. p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)과 활성층(17)과의 계면 근방의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)에서 p형 도펀트의 농도 프로파일(PF1_Mg)은 급준하게 된다. 또한, p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(21)의 p형 도펀트 농도는 p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)의 p형 도펀트 농도 N_P19와 독립적으로 규정된다.

Description

ＩＩＩ족 질화물계 반도체 발광 소자{Ⅲ-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 III족 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

특허 문헌 1(일본 특허 공개 평 제8-330629호 공보)에는, 질화물 반도체 발광 소자가 기재되어 있다. 정(正)전극은 제1의 p형 질화물 반도체층에 접촉하고 있다. 제2의 p형 질화물 반도체층은 활성층 상에서 p형 클래드층과 제1의 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하고 있다. 즉, 활성층 상에 순차적으로 p형 클래드층, 제2의 p형 질화물 반도체층, 제1의 p형 질화물 반도체층이 설치된다. 제2의 p형 질화물 반도체층의 억셉터(acceptor;수용체) 불순물 농도는 정전극이 접촉하는 제1의 p형 질화물 반도체층의 억셉터 불순물 농도보다 낮다.

특허 문헌 2(일본 특허 공개 평 제10-4210호 공보)에는, III족 질화물 화합물 반도체 발광 소자가 기재되어 있다. 발광층 상에는, p형 Al₀ _.08Ga₀ _.92N 클래드층, p형제1 GaN 컨택트층 및 p⁺형 제2 GaN 컨택트층이 순차적으로 설치되고, p⁺형 제2 GaN 컨택트층에 전극이 접촉하고 있다.

특허 문헌 1 및 2에 기재된 발광 소자에서는, 활성층 상에, p형 AlGaN 전자 블록층/p형 GaN 컨택트층으로 이루어지는 적층이 설치된다. p형 GaN 컨택트층은 통상 Mg 농도의 p형 GaN층과, 높은 Mg 농도의 p형 GaN층을 포함한다.

이 구조의 발광 다이오드의 광출력의 향상이 요구된다. 발명자들에 의한 발광 다이오드의 특성 해석에 따르면, p형 반도체층과 양자웰(quantum well) 구조 활성층과의 계면 부근에 도너 준위가 관측되었다. 또한, 저온에서의 발광 스펙트럼에는, 활성층과는 상이한 p형 반도체층에 기인하는 발광으로 추측되는 피크가 관측되었다. 이 발광의 원인은, 양자웰 구조의 활성층과 p형 반도체층과의 계면 부근에 도너성 결함이 형성되어 있고, 그 결함이 전자 블록층의 배리어 높이를 저하시키고 있다. 이 저하에 의해, 활성층으로부터 전자가 p형 반도체 영역으로 누설되고, 이에 따라, 발광 효율이 저하한다고 생각된다.

그래서, 본 발명의 목적은 상기 사항을 감안하여 이루어진 것으로, 활성층으로부터의 p형 반도체 영역에의 전자 누설을 저감할 수 있는 III족 질화물계 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, III족 질화물계 반도체 발광 소자는 (a) n형 질화갈륨계 반도체층과, (b) 제1의 p형 Al_XGa₁ _-XN(0≤X<1)층과, (c) 상기 n형 질화갈륨 계 반도체층과 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층 사이에 설치되고 InGaN층을 포함하는 발광층과, (d) 상기 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층 상에 설치된 제2의 p형 Al_YGa₁ _-YN(0≤Y≤X<1)층과, (e) 상기 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층 상에 설치된 제3의 p형 Al_zGa₁ _- _zN층(0≤Z≤Y≤X<1)과, (f) 상기 제3의 p형 Al_zGa₁ _- _zN층에 접촉하는 p 전극을 구비한다. 상기 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층의 p형 도펀트 농도는, 상기 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층 및 상기 제3의 p형 Al_zGa_1-zN층의 p형 도펀트 농도보다 크다.

이 III족 질화물계 반도체 발광 소자에 따르면, 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트 농도는 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트 농도보다 크기 때문에, 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층으로부터의 p형 도펀트가 상기 소자 제조 시의 열에 의해 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층에 확산하여, 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층과 활성층과의 계면 근방까지 도달한다. 이에 따라, 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층과 활성층과의 계면 근방의 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층에서 p형 도펀트 농도의 프로파일이 급준하게 된다. 이에 따라, 전자 누설이 저감되어, 발광 효율을 증가시킨다. 또한, 제3의 p형 Al_zGa₁ _- _zN층의 p형 도펀트 농도는 적절한 컨택트 저항을 얻기 위한 값으로 설정될 수 있다.

본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3 이상인 것이 바람직하다. p형 도펀트 농도가 1×10²⁰ cm^- ³이상이 되면, 도펀트 확산을 촉진시키는 효과가 높아진다.

본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층의 p형 도펀트 농도가 1×10¹⁹ cm^-3이상인 것이 바람직하다. 이 도펀트 농도에서는, 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층과 전극의 접촉 저항이 작아진다. 또한, 상기 제3의 p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층의 p형 도펀트 농도가 1×10²⁰ cm^-3 이하인 것이 바람직하다. 과도한 p형 도펀트 농도는 순방향 전압(Vf)을 증가시킨다.

본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트 농도가 1×10²⁰ cm^-3 이하인 것이 바람직하다.

과도한 도펀트 농도는 활성화율을 저하시키기 때문에, p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3 이하인 것이 바람직하다. 제1의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층의 역할은 활성층에 정공(正孔)을 제공하는 것이기 때문에, 제1의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층의 캐리어 농도는 높은 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층은 GaN으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층은 GaN으로 이루어지는 것이 바람직하다. GaN의 성장 속도는 AlGaN의 성장 속도보다 빠르게 할 수 있기 때문에, 성장 시간이 단축되고, 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층이 GaN으로 이루어지는 것이 바람직하다. 활성층에서의 발광 파장에 따라, GaN도 전자 배리어로서 사용 가능하다. 또한, GaN의 성장 속도는 AlGaN의 성장 속도보다 빠르게 할 수 있기 때문에, 성장 시간이 단축되고, 비용을 삭감할 수 있다.

본 발명에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트가 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층의 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다. 이 III족 질화물계 반도체 발광 소자에서는, p형 도펀트를 위한 상기의 원소로 우수한 효과가 제공된다.

본 발명은 활성층으로부터의 p형 반도체 영역에의 전자 누설을 저감할 수 있는 III족 질화물계 반도체 발광 소자를 제공한다.

본 발명의 상기 목적과 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이루어지는 본 발명의 적합한 실시형태의 이하의 상세한 기술로부터 더욱 용이하게 밝혀진다.

본 발명의 지견은 예시로서 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술을 고려함으로써 용이하게 이해할 수 있다. 이어서, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 III족 질화물계 반도체 발광 소자에 따르는 실시형태를 설명한다. 가능하다면 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.

(실시형태)

도 1은 본 실시형태에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자를 개략적으로 도시한 도면이다. III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)로서는, 예컨대 면발광의 발광 다이오드가 있다. III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)는 n형 질화갈륨계 반도체층(13)과, 제1의 p형 Al_XGa_1-XN(0≤X<1)층(15)과, InGaN층을 포함하는 활성층(17)과, 제2의 p형 Al_YGa_1-YN(0≤Y≤X<1)층(19)과, 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN(0≤Z≤Y≤X<1)층(21)과, 전극(23)을 구비한다. 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층(이하, p형 Al_XGa_1-XN층이라고 기재함)(15)은 InGaN 활성층(17) 상에 설치된다. 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층(이하, p형 Al_YGa₁ _- _YN층이라고 기재함)(19)은 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15) 상에 설치된다. 제3의 p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(이하, p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층이라고 기재함)(21)은 p형 Al_YGa_1-YN층(19) 상에 설치된다. 전극(23)은 p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)에 접촉하고 있고, 예컨대 애노드 전극이다. 이 접촉은 양호한 옴 접촉인 것이 바람직하다. p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)의 p형 도펀트 농도 N_P19는 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)의 p형 도펀트 농도 N_P15보다 크다. 또한, p형 도펀트 농도 N_P19는 p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)의 p형 도펀트 농도 N_P21보다 크다. p형 Al_XGa_1-XN층(15)은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어질 수 있다. p형 Al_YGa_1-YN층(19)은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어질 수 있다. p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어질 수 있다. p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)은 p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)과 접촉하고 있다. p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(21)은 p형 Al_YGa₁ _- _YN층(19)과 접촉하고 있다.

이 III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에 따르면, p형 도펀트 농도 N_P19는 p형 도펀트 농도 N_P15보다 크기 때문에, p형 Al_YGa_1-YN층(19)으로부터의 p형 도펀트가 반도체 발광 소자(11)의 제조 공정 중에 p형 Al_XGa_1-XN층(15)에 열 확산하여, p형 Al_XGa_1-XN층(15)과 활성층(17)과의 계면 근방까지 도달한다. 이에 따라, p형 Al_XGa_1-XN층(15)과 활성층(17)과의 계면 근방의 p형 Al_XGa_1-XN층(15)에서 p형 도펀트의 농도 프로파일이 급준하게 변한다. 이에 따라, 활성층(17)으로부터의 전자 누설이 저감되어, 발광 효율이 증가한다. 또한, p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)의 p형 도펀트 농도 N_P21는 p형 도펀트 농도 N_P19와 독립적으로 규정되므로, 전극(23)과 p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)의 접촉에 적절한 컨택트 저항을 제공할 수 있다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)는 기판(25)도 포함한다. 기판(25)은, 본 실시예에서는, 예컨대 도전성의 GaN 기판이라고 하는 III족 질화물 기판일 수 있다. 혹은, 기판(25)으로서, 사파이어 기판을 이용할 수도 있다. n형 GaN 기판의 주요면[주요면(25a)에 대응] 상에는, 예컨대 n형 AlGaN층(27)이 설치되고, 또한 n형 GaN 기판의 이면[이면(25b)에 대응] 상에는 전극(29)이 접촉한다. 전극(29)은 예컨대 캐소드 전극이다.

활성층(17)은, 예컨대 양자웰 구조를 가질 수 있고, InGaN웰층(17a) 및 장벽층(17b)을 포함한다. 장벽층(17b)은 질화갈륨계 반도체로 이루어지고, 예컨대 웰층(17a)의 InGaN의 인듐 조성보다 적은 인듐 조성의 InGaN으로 이루어질 수 있다. 장벽층(17b)의 재료로서는, 필요한 경우에는 GaN일 수 있다. 활성층(17)의 구조는 단일 또는 다중의 양자웰 구조에 한정되지 않고, 단일의 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 활성층(17)으로부터의 광(L)은 전극(23)을 통해 출사된다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 Al_YGa_1-YN층(19)을 위한 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다. 상기의 원소를 p형 도펀트로서 사용하여, 우수한 특성이 제공된다. p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(21)을 위한 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다. 저컨택트 저항이 실현된다. 도펀트 농도의 조정은, 예컨대 성장 속도 등의 변경에 의해 실현된다. 또한, p형 Al_XGa_1-XN층(15)을 위한 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나일 수 있다.

(실시예)

발광 다이오드(LED)를 제작하였다. n형 GaN 기판을 준비하였다. 이어지는 결정 성장에서는, 예컨대 유기 금속 기상 성장(OMVPE)법을 이용하였다. OMVPEE의 원 료로서는, 갈륨 원료로서 트리메틸갈륨(TMGa), 인듐 원료로서 트리메틸인듐(TMIn), 알루미늄 원료로서 트리메틸알루미늄(TMAl)을 이용하고, 질소 원료로서 암모니아를 이용하였다. 캐리어 가스로서, 수소, 질소를 이용하였다. p형 도펀트로서 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp₂Mg)을 이용하고, n형 도펀트로서 모노메틸실란(CH₃SiH₃)을 이용하였다.

n형 GaN 기판 상에, n형 Al_0.07Ga_0.93N층(예컨대, 두께 50 nm), n형 GaN층(예컨대, 두께 2 ㎛), In₀ _.14Ga₀ _.86N웰층(예컨대, 두께 3 nm)/In₀ _.003Ga₀ _.997N 장벽층(예컨대, 두께 15 nm)의 활성층(6개의 웰층), p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N(예컨대, 두께 20 nm, Mg 농도 3.0×10¹⁹ cm^-3), Mg 고첨가 GaN층(예컨대, 두께 20 nm, Mg 농도 1.8×10²⁰ cm^-3), Mg 통상 첨가 GaN층(예컨대, 두께 30 nm, Mg 농도 7.6×10¹⁹ cm^-3)을 순차적으로 성장하여, 에피택셜 웨이퍼(A)를 형성하였다.

참고를 위해, Mg 고첨가 GaN층을 성장하지 않고, Mg 통상 첨가 GaN층(예컨대, 두께 50 nm)을 순차적으로 성장하여, 에피택셜 웨이퍼(R1)(비교예 1)를 형성하였다. 또한, Mg 통상 첨가 GaN층을 성장하지 않고, Mg 고첨가 GaN층(예컨대, 두께 50 nm)을 순차적으로 성장하여, 에피택셜 웨이퍼(R2)(비교예 2)를 형성하였다.

도 2는 에피택셜 웨이퍼(A)를 위한 2차 이온 질량 분석(SIMS)의 결과를 나타내는 도면이다. 도 3은 에피택셜 웨이퍼(R)를 위한 SIMS의 결과를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, Mg 고첨가 GaN층(도 2에서의 참조 부호 19)이 p형 Al_0.085Ga_0.915N층(도 2에서의 참조 부호 15)과 Mg 통상 첨가 GaN층(도 2에서의 참조 부호 21)의 사이에 설치되었기 때문에, p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N층에서의 Mg(p형 도펀트)의 프로파일(PF1_Mg)이 Mg 농도 3∼4×10¹⁹ cm^-3을 나타내고 있고, 또한 p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N층과 활성층(도 2에서의 참조 부호 17)과의 계면 근방에서, 프로파일(PF1_Mg)의 변화의 급경사성이 향상하고 있다. 도 3을 참조하면, p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N층(도 3에서의 참조 부호 45)이 활성층(도 3에서의 참조 부호 17)과 Mg 통상 첨가 GaN층(도 3에서의 참조 부호 49)의 사이에 설치된다. p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N층에서의 Mg(p형 도펀트)의 프로파일(PF2_Mg)이 Mg 농도 2∼3×10¹⁹ cm^-3을 나타내고 있고, 또한 p형 Al₀ _.085Ga₀ _.915N층(도 3에서의 참조 부호 45)과 활성층(도 3에서의 참조 부호 17)과의 계면 근방에서의 프로파일(PF2_Mg)의 변화에 관해, 도 2의 프로파일 PF1_Mg에 비해, 프로파일 PF2_Mg의 급경사성이 낮다. 급경사성의 차는 Al 농도를 나타내는 프로파일 PF1_Mg과 프로파일 PF2_Mg를 비교하면 잘 나타나 있다.

성장로(爐)로부터 에피택셜 웨이퍼(A, R1, R2)를 추출한 후에, 진공 증착법과 리소그래피법을 이용하여, GaN 기판의 이면에 n 전극(예컨대 Ti/Al 전극)을 형성하고, 에피택셜 웨이퍼의 표면에 p 전극(예컨대 Ni/Au 전극)을 형성하였다. p 전극의 사이즈는, 예컨대 400 ㎛ 각(角)이다.

또한, p 전극 및 n 전극을 위해 패드 전극을 형성한 후에, 20 mA의 전류를 웨이퍼의 소자에 흘려 발광 파장과 출력을 측정하였다. 또한, 접촉 저항을 TLM(Transmission Line Method)법으로 측정하였다. Mg 농도는 SIMS의 결과에서 어림잡아 산출하였다.

p-GaN층의 구조 광출력 발광 파장 구동 전압 접촉 저항

A 통상Mg농도/고Mg농도

2층 5 mW 468 nm 3.3 V 7E-3Ωcm²

R1 통상 Mg농도 1층 4 mW 470 nm 3.3 V 7E-3Ωcm²

R2 고Mg농도 1층 4.8 mW 465 nm 3.7 V 8E-2Ωcm²

구동 전압은 직류 전류 20 mA를 통전하였을 때의 값으로 측정하였다.

이 결과로부터, 실시예의 LED는 2종의 비교예의 LED에 비해, 높은 광출력과, 낮은 구동 전압 및 낮은 접촉 저항의 양쪽 장점을 갖는 것을 알 수 있다. 비교예 1의 LED에서는 접촉 저항과 구동 전압이 낮다 하더라도, 비교예 1의 광출력은 실시예의 LED의 광출력보다 20％ 낮다. 비교예 2의 LED의 광출력은 실시예의 LED의 광출력과 거의 동등하지만, 비교예 2의 LED의 접촉 저항과 구동 전압은 실시예의 LED에 비해 높다.

LED의 p 전극의 접촉 저항은, Mg 농도가 너무 높거나 지나치게 낮으면 악화하는 경향이 있고, 1×10¹⁹ cm^-3 이상인 것이 바람직하며, 또한 1×10²⁰ cm^-3이하인 것이 바람직하다. 한편, p형 AlGaN층과 활성층과의 계면에서의 Mg 프로파일의 상승 은 SIMS 프로파일에 따르면, p형 AlGaN층에 접하는 p형 GaN층의 Mg 농도가 높을수록 급준하게 되는 경향이 있다. 이러한 이유에서, p형 GaN층의 Mg 농도가 높게 되면, p형 AlGaN층을 통해 활성층에 마그네슘 원자가 확산하기 쉽게 된다고 생각된다.

비교예 1, 2 및 실시예에 대해, 클라이오스탯(Cryostat)을 사용하여 LED를 통전시키면서, 10 절대 온도 10K∼420K의 범위에서, LED의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 도 4의 (a)는 실시예에서의 EL 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 4의 (b)는 비교예 1에서의 EL 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 5는 실시예 및 비교예 1에서의 활성층에 의해 발광 강도와 환경 온도의 관계를 나타낸 도면이다. 실시예의 측정치는 「△」으로 나타내고, 비교예 1의 측정치는 「□」로 나타내고 있다. 비교예 1에서는 저온이고 380 nm 부근에, p형 반도체층에서의 도너 억셉터쌍에 의한 발광의 피크가 나타난다. 따라서, 저온에서는 p형 반도체층에서의 도너 억셉터 대 발광 효율이 상승하기 때문에, 활성층으로부터 p형 반도체층에 누설된 전자가 상기의 발광을 야기하고 있다고 생각된다. 한편, 실시예에서는 저온이라도 활성층으로부터의 460 nm 부근의 발광만이 관측되기 때문에, 활성층으로부터 p형 반도체층에의 전자 누설량은 무시할 수 있을 정도로 작다고 생각된다.

도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 LED 구조에서는 p형 AlGaN과 활성층과의 계면에 도너성 결함(D)이 형성되어 있고, 상기 결함은 p형 AlGaN층의 배리어 높이를 저하시킨다. 이 배리어 높이의 저하에 의해, 전자 누설이 생긴다고 생각된다.

비교예 2의 LED 구조에서는, 결과적으로, 발광 효율이 높더라도, 구동 전압이 크므로, 이 구조는 바람직하지 못하다.

실시예의 LED 구조에서는, p형 AlGaN층에서의 Mg 농도를 고농도 MgGaN층으로부터 Mg 확산에 의해 제어하고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, Mg 프로파일의 급경사성 및 도너성 결함의 보상(C)을 실현하고 있다. 이 결과, 높은 발광 효율이 얻어진다. 또한, Mg 프로파일의 제어와는 독립적으로, 전극과의 양호한 접촉 저항을 위한 p형 GaN층을 제공하고 있다. 실시예의 LED에 따르면, p형 전극과의 양호한 접촉 저항 및 도너성 결함의 보상의 양자가 양립할 수 있다.

이상의 설명으로부터, III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 도펀트 농도가 1×10²⁰ cm^-3 이상이 되면 도펀트 확산을 촉진시키는 효과가 높아지기 때문에, p형 Al_YGa_1-YN층(19)의 p형 도펀트 농도 N_P19는 1×10²⁰ cm^-3이상인 것이 바람직하다. 또한, p형 도펀트 농도 N_P19는 1.O×10²¹ cm^-3이하인 것이 바람직하다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 전극과의 접촉 저항을 작게 하기 위해, p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)의 p형 도펀트 농도 N_P21이 1×10¹⁹ cm^-3이상인 것이 바람직하다. 또한, 순방향 전압(Vf)의 증가를 억제하기 위해, 과도한 p형 도펀트첨가를 피하고, p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(21)의 p형 도펀트 농도 N_P21은 1×10²⁰ cm^-3이하인 것이 바람직하다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, 과도한 도펀트 농도는 활성화율을 저하시키기 때문에, 정공을 활성층에 공급하는 p형 Al_XGa_1-XN층(15)의 p형 도펀트 농도 N_P15는 1×10²⁰ cm^-3이하인 것이 바람직하다. 또한, p형 도펀트 농도 N_P15는 1.0×10¹⁹ cm^-3이상인 것이 바람직하다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 Al_YGa_1-YN층(19)으로서, AlGaN 또는 GaN을 이용할 수 있다. p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(21)으로서, AlGaN 또는 GaN을 이용할 수 있다.

p형 Al_YGa_1-YN층(19) 및 p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)은 모두 GaN으로 이루어지는 것이 바람직하다. GaN에서는 성장 속도를 빠르게 할 수 있기 때문에, 성장 시간을 단축할 수 있고, 비용을 낮출 수 있다. 또한, 억셉터의 활성화율이 높게 되기 때문에, 접촉 저항이나 비저항을 낮게 할 수 있다.

III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 Al_YGa_1-YN층(19)은 AlGaN으로 이루어지고, 또한 p형 Al_ZGa_1-ZN층(21)은 GaN으로 이루어지는 것이 바람직하다. AlGaN 쪽에서 성장 속도를 느리게 할 필요가 있으므로, 공급 원료 중의 Mg의 비율을 용이하게 높게 할 수 있고, AlGaN 중의 Mg 농도를 높게 할 수 있다.

또한, III족 질화물계 반도체 발광 소자(11)에서는, p형 Al_XGa₁ _- _XN층(15)의 재료는 AlGaN에 한정되지 않고, GaN을 이용할 수 있다. 활성층에서의 발광 파장에 따라서, GaN도 전자 블록층으로서 사용할 수 있다.

적합한 실시형태에 있어서 본 발명의 원리를 나타내어 설명하였지만, 본 발명은 그와 같은 원리로부터 일탈하지 않고 배치 및 상세에 있어서 변경되는 것은, 당업자에 의해 인식된다. 본 발명은 본 실시형태에 개시된 특정한 구성에 한정되지 않는다. 따라서, 특허청구의 범위 및 그 사상의 범위 내에 있는 모든 수정 및 변경에도 권리를 청구한다.

도 1은 본 실시형태에 따르는 III족 질화물계 반도체 발광 소자를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 에피택셜 웨이퍼(A)를 위한 2차 이온 질량 분석(SIMS)의 결과를 나타낸 도면.

도 3은 에피택셜 웨이퍼(R)를 위한 SIMS의 결과를 나타낸 도면.

도 4는 실시예 및 비교예 1에서의 EL 스펙트럼을 나타낸 도면.

도 5는 실시예 및 비교예 1에서의 활성층에 의해 발광 강도와 환경 온도의 관계를 나타낸 도면.

도 6은 활성층 및 p형 반도체층의 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : III족 질화물계 반도체 발광 소자

13 : n형 질화갈륨계 반도체층

15 : 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층

17 : 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층

21 : 제3의 p형 Al_ZGa₁ _-Z층

23, 29 : 전극

25 : 기판

27 : n형 AlGaN층

Claims

n형 질화갈륨계 반도체층과,

제1의 p형 Al_XGa_1-XN(0≤X<1)층과,

상기 n형 질화갈륨계 반도체층과 상기 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층의 사이에 설치되며 InGaN층을 포함하는 발광층과,

상기 제1의 p형 Al_XGa₁ _- _XN층 상에 설치된 제2의 p형 Al_YGa₁ _-YN(0≤Y≤X<1)층과,

상기 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층 상에 설치된 제3의 p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층(0≤Z≤Y≤X<1)과,

상기 제3의 p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층에 접촉하는 p 전극

을 구비하고,

상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트 농도는, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층 및 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층의 p형 도펀트 농도보다 큰 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2의 p형 Al_YGa₁ _- _YN층의 p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3이상인 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3의 p형 Al_ZGa₁ _- _ZN층의 p형 도펀트 농도는 1×10¹⁹ cm^-3이상이고 1×10²⁰ cm^-3이하인 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나이고,

상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나이며,

상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층의 p형 도펀트는 Be, Mg, Zn 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2의 p형 Al_YGa_1-YN층의 p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3이상이고, 상기 제3의 p형 Al_ZGa_1-ZN층의 p형 도펀트 농도는 1×10¹⁹ cm^-3이상 1×10²⁰ cm^-3이하이며, 상기 제1의 p형 Al_XGa_1-XN층의 p형 도펀트 농도는 1×10²⁰ cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 III족 질화물계 반도체 발광 소자.