JP2001203384A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光効率が高く寿命特性の良好な窒化物半導
体発光素子を提供する。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子において、発光層
３はＧａＮ基板１上に形成される。発光層３は、ＩｎX
Ｇａ1-XＮ（０．１≦ｘ≦０．６）からなる量子井戸層
を含む。この発光素子は、室温における発光ピークエネ
ルギーがＥ［ｅＶ］であり、該Ｅと該量子井戸層の組成
比ｘとの間には、３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−４．
２ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−
１．３ｘ（１−ｘ）の関係が成立する。
体発光素子を提供する。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子において、発光層
３はＧａＮ基板１上に形成される。発光層３は、ＩｎX
Ｇａ1-XＮ（０．１≦ｘ≦０．６）からなる量子井戸層
を含む。この発光素子は、室温における発光ピークエネ
ルギーがＥ［ｅＶ］であり、該Ｅと該量子井戸層の組成
比ｘとの間には、３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−４．
２ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−
１．３ｘ（１−ｘ）の関係が成立する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体を使
用した発光素子に関し、特に、ＧａＮ基板上に作り込ま
れ、かつＩｎXＧａ1-XＮ半導体層を発光層に有する窒化
物半導体発光素子に関する。
用した発光素子に関し、特に、ＧａＮ基板上に作り込ま
れ、かつＩｎXＧａ1-XＮ半導体層を発光層に有する窒化
物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの
混晶半導体等の窒化物半導体材料を用いてＬＥＤ等の発
光素子が作製されている。これらの素子は、多くの場
合、窒化物半導体結晶の成長に必要な高温に耐えるサフ
ァイア基板上で形成されてきた。しかし、サファイア基
板は絶縁体であるため、サファイア基板に接して電極を
設けることはできず、このため、電極が特定の位置に限
定され、発光素子の構造がある範囲に制限されてしま
う。この問題に関し、特開平７−９４７８４号公報は、
ＧａＮを基板とし、該基板上に複数のＧａＮ系化合物半
導体からなる積層体を形成し、該積層体に電極を設けた
青色発光素子を開示する。同公報に開示される素子の例
を図４に示す。この発光素子では、ｎ−ＧａＮ基板４０
１上に、ｎ−ＧａＮ層４０２、ＩｎＧａＮ発光層（活性
層）４０３、ｐ−ＧａＮ層４０４が順に積層され、さら
に、素子の上下に、それぞれ電極４０５、４０６が配置
される。この発光素子では、基板に導電性のＧａＮ単結
晶を用いたので、素子の上下に電極を設けることができ
る。
混晶半導体等の窒化物半導体材料を用いてＬＥＤ等の発
光素子が作製されている。これらの素子は、多くの場
合、窒化物半導体結晶の成長に必要な高温に耐えるサフ
ァイア基板上で形成されてきた。しかし、サファイア基
板は絶縁体であるため、サファイア基板に接して電極を
設けることはできず、このため、電極が特定の位置に限
定され、発光素子の構造がある範囲に制限されてしま
う。この問題に関し、特開平７−９４７８４号公報は、
ＧａＮを基板とし、該基板上に複数のＧａＮ系化合物半
導体からなる積層体を形成し、該積層体に電極を設けた
青色発光素子を開示する。同公報に開示される素子の例
を図４に示す。この発光素子では、ｎ−ＧａＮ基板４０
１上に、ｎ−ＧａＮ層４０２、ＩｎＧａＮ発光層（活性
層）４０３、ｐ−ＧａＮ層４０４が順に積層され、さら
に、素子の上下に、それぞれ電極４０５、４０６が配置
される。この発光素子では、基板に導電性のＧａＮ単結
晶を用いたので、素子の上下に電極を設けることができ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
において、発光波長とＩｎＧａＮ発光層の組成との関係
は不明である。ＩｎＧａＮ層の組成は、重要であり、特
定の発光波長について、発光出力、発光効率、寿命等の
素子性能を大きく左右し得る。上記従来技術からは、良
好な特性を示し得るＩｎＧａＮ層の組成を知ることはで
きず、したがって、ＧａＮ基板上に十分に発光効率が高
く、寿命特性の良好な発光素子を得ること困難であっ
た。
において、発光波長とＩｎＧａＮ発光層の組成との関係
は不明である。ＩｎＧａＮ層の組成は、重要であり、特
定の発光波長について、発光出力、発光効率、寿命等の
素子性能を大きく左右し得る。上記従来技術からは、良
好な特性を示し得るＩｎＧａＮ層の組成を知ることはで
きず、したがって、ＧａＮ基板上に十分に発光効率が高
く、寿命特性の良好な発光素子を得ること困難であっ
た。
【０００４】本発明の目的は、ＧａＮ基板上に、発光効
率の高い発光素子を得ることである。
率の高い発光素子を得ることである。
【０００５】本発明のさらなる目的は、ＧａＮ基板上
に、寿命の長い発光素子を得ることである。
に、寿命の長い発光素子を得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】Journal of Applied Phy
sics, Vol.46, No.8, August 1975, 3432-3437によれ
ば、ＩｎXＧａ1-XＮ発光層の組成比ｘと、放出される光
のエネルギーＥｇ（室温）との間には、次の関係式が成
立し得た。 Ｅｇ＝３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−１．０ｘ（１−ｘ） （１） しかし、本発明者の詳細な検討によれば、ＩｎXＧａ1-X
Ｎ量子井戸発光層をＧａＮ基板上に形成した場合、Ｉｎ
XＧａ1-XＮの組成と放出される光のエネルギーとの関係
は、必ずしも（１）式に従うものではなく、発光層の形
成条件により種々変更することが可能であった。さら
に、発光層には、それぞれ、所要の発光スベクトルのピ
ークエネルギーに応じて、最適なＩｎXＧａ1-XＮ発光層
の組成比ｘの範囲が存在することも明らかになった。ま
た（１）式の関係を満たすような組成とすると、発光効
率および寿命特性が劣化してしまい、むしろ、発光層の
成長条件を調節することで、故意に（１）式からはずれ
た所定の組成とした場合のほうが良好になることが判明
した。かくして、本発明者は、以下の特徴を有する発光
素子を創出するに至った。
sics, Vol.46, No.8, August 1975, 3432-3437によれ
ば、ＩｎXＧａ1-XＮ発光層の組成比ｘと、放出される光
のエネルギーＥｇ（室温）との間には、次の関係式が成
立し得た。 Ｅｇ＝３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−１．０ｘ（１−ｘ） （１） しかし、本発明者の詳細な検討によれば、ＩｎXＧａ1-X
Ｎ量子井戸発光層をＧａＮ基板上に形成した場合、Ｉｎ
XＧａ1-XＮの組成と放出される光のエネルギーとの関係
は、必ずしも（１）式に従うものではなく、発光層の形
成条件により種々変更することが可能であった。さら
に、発光層には、それぞれ、所要の発光スベクトルのピ
ークエネルギーに応じて、最適なＩｎXＧａ1-XＮ発光層
の組成比ｘの範囲が存在することも明らかになった。ま
た（１）式の関係を満たすような組成とすると、発光効
率および寿命特性が劣化してしまい、むしろ、発光層の
成長条件を調節することで、故意に（１）式からはずれ
た所定の組成とした場合のほうが良好になることが判明
した。かくして、本発明者は、以下の特徴を有する発光
素子を創出するに至った。
【０００７】発光層がＧａＮ基板上に形成され、かつ室
温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である発
光素子において、発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦
ｘ≦０．６）からなる量子井戸層を含み、かつＥと量子
井戸層の組成比ｘとの間に、３．４（１−ｘ）＋１．９
５ｘ−４．２ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋
１．９５ｘ−１．３ｘ（１−ｘ）の関係が成立すること
を特徴とする、窒化物半導体発光素子。
温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である発
光素子において、発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦
ｘ≦０．６）からなる量子井戸層を含み、かつＥと量子
井戸層の組成比ｘとの間に、３．４（１−ｘ）＋１．９
５ｘ−４．２ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋
１．９５ｘ−１．３ｘ（１−ｘ）の関係が成立すること
を特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【０００８】発光層がＧａＮ基板上に形成され、かつ室
温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である発
光素子において、発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦
ｘ≦０．６）からなる量子井戸層を含み、かつＥと量子
井戸層の組成比ｘとの間に、３．４（１−ｘ）＋１．９
５ｘ−３．７４ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋
１．９５ｘ−２．８２ｘ（１−ｘ）の関係が成立するこ
とを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である発
光素子において、発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦
ｘ≦０．６）からなる量子井戸層を含み、かつＥと量子
井戸層の組成比ｘとの間に、３．４（１−ｘ）＋１．９
５ｘ−３．７４ｘ（１−ｘ）≦Ｅ≦３．４（１−ｘ）＋
１．９５ｘ−２．８２ｘ（１−ｘ）の関係が成立するこ
とを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【０００９】なお、本明細書において、発光エネルギー
もしくは発光波長は、特に断わらないかぎり、室温（２
０℃）における値であるものとする。また、単に発光エ
ネルギーもしくは発光波長と記載した場合、自然放出光
の発光スペクトル（ＬＥＤ発光スペクトル）におけるピ
ーク値を表わしているものである。さらに、発光波長λ
（ｎｍ）とＥ［ｅＶ］との間は、λ＝１２３９．８／Ｅ
の式により換算するものとする。
もしくは発光波長は、特に断わらないかぎり、室温（２
０℃）における値であるものとする。また、単に発光エ
ネルギーもしくは発光波長と記載した場合、自然放出光
の発光スペクトル（ＬＥＤ発光スペクトル）におけるピ
ーク値を表わしているものである。さらに、発光波長λ
（ｎｍ）とＥ［ｅＶ］との間は、λ＝１２３９．８／Ｅ
の式により換算するものとする。
【００１０】本発明において、ＩｎXＧａ1-XＮからなる
量子井戸層とは、それよりもエネルギーバンドギャップ
の大きい層に挟まれた、ＩｎXＧａ1-XＮからなる薄層で
あって、量子効果を出現する程度にその膜厚が薄いもの
をいい、具体的には、その膜厚は１０ｎｍ以下であれば
よく、薄層の界面に若干の凹凸が存在する場合には、そ
の平均膜厚が１０ｎｍ以下であればよい。以下、具体例
を示して本発明をさらに説明する。
量子井戸層とは、それよりもエネルギーバンドギャップ
の大きい層に挟まれた、ＩｎXＧａ1-XＮからなる薄層で
あって、量子効果を出現する程度にその膜厚が薄いもの
をいい、具体的には、その膜厚は１０ｎｍ以下であれば
よく、薄層の界面に若干の凹凸が存在する場合には、そ
の平均膜厚が１０ｎｍ以下であればよい。以下、具体例
を示して本発明をさらに説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい態様の一つとし
て、以下に示すような、２０℃において、２．６６６ｅ
Ｖにピーク発光エネルギー（４６５ｎｍにピーク波長）
をもつ青色発光ダイオードが提供される。
て、以下に示すような、２０℃において、２．６６６ｅ
Ｖにピーク発光エネルギー（４６５ｎｍにピーク波長）
をもつ青色発光ダイオードが提供される。
【００１２】図２を参照して、本発明による窒化物半導
体発光素子は、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰ
Ｅ）法を用いて形成されたｎ−ＧａＮ基板１上に、ｎ−
ＧａＮからなる第一のクラツド層２、ＩｎXＧａ1-XＮか
らなる量子井戸層を含む発光層（活性層）３、ｐ−Ａｌ
ＧａＮからなるキャリアブロック層９、ｐ−ＧａＮから
なる第二のクラッド層４が順に積層された構造を有す
る。ＧａＮ基板１の下面（裏面）には電極８が、第二の
クラッド層４の上面には透明電極５が設けられ、透明電
極の上面の一部には、ボンディング電極７が設けられて
いる。
体発光素子は、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰ
Ｅ）法を用いて形成されたｎ−ＧａＮ基板１上に、ｎ−
ＧａＮからなる第一のクラツド層２、ＩｎXＧａ1-XＮか
らなる量子井戸層を含む発光層（活性層）３、ｐ−Ａｌ
ＧａＮからなるキャリアブロック層９、ｐ−ＧａＮから
なる第二のクラッド層４が順に積層された構造を有す
る。ＧａＮ基板１の下面（裏面）には電極８が、第二の
クラッド層４の上面には透明電極５が設けられ、透明電
極の上面の一部には、ボンディング電極７が設けられて
いる。
【００１３】第一のクラッド層２は、ＨＶＰＥ法を用い
て結晶成長したＧａＮ基板上に形成される。発光層３は
ＩｎXＧａ1-XＮからなる量子井戸層を含んで形成され、
単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であればよ
い。量子井戸構造内の井戸層はＩｎXＧａ1-XＮの組成比
ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から
赤色まで発光させることができる。本実施の形態では、
青色で発光する組成が選択されている。マグネシウムが
ドープされｐ伝導型の第二のクラッド層４は抵抗が大き
い。従って、第二のクラッド層４の一端ヘボンディング
電極７のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度
が発光層３の全域において均一とならないおそれがあ
る。そこで、電極７と第二のクラッド層４との間に、第
二のクラッド層４のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極５
が設けられ、この部分より多くの発光を取り出すことが
できる。ｎ伝導型のＧａＮ基板上に接続される電極６に
は金属を用いればよく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、
Ｎｂ、Ｔａのいずれかを含むことが望ましい。ｐ伝導型
のＧａＮからなる第二のクラッド層４に接続される透明
電極５には、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよ
く、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ
のいずれかを含むことが望ましい。
て結晶成長したＧａＮ基板上に形成される。発光層３は
ＩｎXＧａ1-XＮからなる量子井戸層を含んで形成され、
単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であればよ
い。量子井戸構造内の井戸層はＩｎXＧａ1-XＮの組成比
ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から
赤色まで発光させることができる。本実施の形態では、
青色で発光する組成が選択されている。マグネシウムが
ドープされｐ伝導型の第二のクラッド層４は抵抗が大き
い。従って、第二のクラッド層４の一端ヘボンディング
電極７のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度
が発光層３の全域において均一とならないおそれがあ
る。そこで、電極７と第二のクラッド層４との間に、第
二のクラッド層４のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極５
が設けられ、この部分より多くの発光を取り出すことが
できる。ｎ伝導型のＧａＮ基板上に接続される電極６に
は金属を用いればよく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、
Ｎｂ、Ｔａのいずれかを含むことが望ましい。ｐ伝導型
のＧａＮからなる第二のクラッド層４に接続される透明
電極５には、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよ
く、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ
のいずれかを含むことが望ましい。
【００１４】上記発光素子は以下の方法により製造され
る。まず、（０００１）面を有するサファイア基板を洗
浄し、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い
て、以下の手順でノンドープ（不純物を実質的に含まな
い）ＧａＮ膜を下地層として成長させる。洗浄したサフ
ァイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素（Ｈ2）
雰囲気中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行
う。その後、降温して、キャリアガスとしてＨ2を１０
ｌ／ｍｉｎ流しながら、６００℃でＮＨ3とトリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ、２０ｍｏ
ｌ／ｍｉｎ導入して、約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バ
ッファ層を成長させる。その後、一旦ＴＭＧの供給を停
止し、再び約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１０
０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、１時間で約３μｍの厚さのノ
ンドープＧａＮ膜を成長させる。その後、ＴＭＧおよび
ＮＨ3の供給を停止し、室温まで降温し、ノンドープＧ
ａＮ下地層を成長させたサファイア基板を取り出す。低
温バッファ層としてはＧａＮ膜に限らず、トリメチルア
ルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ3を使用して、Ａ
ｌＮ膜やＧａＡｌＮ膜を用いてもよい。
る。まず、（０００１）面を有するサファイア基板を洗
浄し、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い
て、以下の手順でノンドープ（不純物を実質的に含まな
い）ＧａＮ膜を下地層として成長させる。洗浄したサフ
ァイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素（Ｈ2）
雰囲気中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行
う。その後、降温して、キャリアガスとしてＨ2を１０
ｌ／ｍｉｎ流しながら、６００℃でＮＨ3とトリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ、２０ｍｏ
ｌ／ｍｉｎ導入して、約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バ
ッファ層を成長させる。その後、一旦ＴＭＧの供給を停
止し、再び約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１０
０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、１時間で約３μｍの厚さのノ
ンドープＧａＮ膜を成長させる。その後、ＴＭＧおよび
ＮＨ3の供給を停止し、室温まで降温し、ノンドープＧ
ａＮ下地層を成長させたサファイア基板を取り出す。低
温バッファ層としてはＧａＮ膜に限らず、トリメチルア
ルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ3を使用して、Ａ
ｌＮ膜やＧａＡｌＮ膜を用いてもよい。
【００１５】次に、厚膜を成長させる際にクラックが生
じないよう、ノンドープＧａＮ下地層上に、厚さ０．２
μｍ程度で、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状の
成長抑制膜を形成してから、その上にＨＶＰＥ法で選択
成長を行い、平坦なＧａＮ厚膜を成長させる。成長抑制
膜としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、Ｗ等の誘電体もしくは
高融点金属を用いればよく、ここでは、スパッタリング
法により蒸着したＳｉＯ2膜をフォトリソグラフィを用
いてエッチングしたものを使用した。
じないよう、ノンドープＧａＮ下地層上に、厚さ０．２
μｍ程度で、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状の
成長抑制膜を形成してから、その上にＨＶＰＥ法で選択
成長を行い、平坦なＧａＮ厚膜を成長させる。成長抑制
膜としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、Ｗ等の誘電体もしくは
高融点金属を用いればよく、ここでは、スパッタリング
法により蒸着したＳｉＯ2膜をフォトリソグラフィを用
いてエッチングしたものを使用した。
【００１６】以下、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ厚膜の成長
法を記述する。上述した方法で作製したストライプ状の
成長抑制膜およびノンドープＧａＮ下地層を有するサフ
ァイア基板をＨＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリア
ガスとＮＨ3を、それぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら、基
板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、基板上
にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮの厚膜
の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持された
Ｇａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。ま
た、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピング
ラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成
長中に不純物のドーピングを行うことができる。ここで
はＳｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時
に、モノシラン（ＳｉＨ4）を２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ
供給（Ｓｉ不純物濃度約３．８×１０18ｃｍ-3）してＳ
ｉドープＧａＮ膜を成長させた。
法を記述する。上述した方法で作製したストライプ状の
成長抑制膜およびノンドープＧａＮ下地層を有するサフ
ァイア基板をＨＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリア
ガスとＮＨ3を、それぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら、基
板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、基板上
にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮの厚膜
の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持された
Ｇａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。ま
た、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピング
ラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成
長中に不純物のドーピングを行うことができる。ここで
はＳｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時
に、モノシラン（ＳｉＨ4）を２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ
供給（Ｓｉ不純物濃度約３．８×１０18ｃｍ-3）してＳ
ｉドープＧａＮ膜を成長させた。
【００１７】上記方法で、６時間の成長を行い、膜厚の
合計が約７００μｍの厚さのＧａＮを成長させた。成長
後、研磨によりサファイア基板を除去し、ＧａＮ基板１
を得た。以上の様にして得られたＧａＮ基板１上にＭＯ
ＣＶＤ法により発光素子構造を成長させる。
合計が約７００μｍの厚さのＧａＮを成長させた。成長
後、研磨によりサファイア基板を除去し、ＧａＮ基板１
を得た。以上の様にして得られたＧａＮ基板１上にＭＯ
ＣＶＤ法により発光素子構造を成長させる。
【００１８】まず、ＧａＮ基板１をＭＯＣＶＤ装置内に
導入し、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら
約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリア
ガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／
ｍｉｎ、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ｎ−
ＧａＮからなる第１のクラツド層２を約１μｍ成長させ
る。
導入し、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら
約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリア
ガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／
ｍｉｎ、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ｎ−
ＧａＮからなる第１のクラツド層２を約１μｍ成長させ
る。
【００１９】その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリ
アガスをＨ2からＮ2に再び代えて、８５０℃まで降温
し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＧａＮより
なる３ｎｍ厚の障壁層を成長させる。それから、６００
℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジ
ウム（ＴＭＩ）を６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを
２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＩｎO.18ＧａO.82Ｎよ
りなる３ｎｍ厚の井戸層を成長させる。その後再び、８
５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ導入
しＧａＮよりなる障壁層を成長させる。同様に井戸層、
障壁層の成長を繰り返し、井戸層は合計５層、井戸層と
井戸層の聞および下層、上層には合計６層の障壁層が存
在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３
を成長させる。
アガスをＨ2からＮ2に再び代えて、８５０℃まで降温
し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＧａＮより
なる３ｎｍ厚の障壁層を成長させる。それから、６００
℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジ
ウム（ＴＭＩ）を６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを
２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＩｎO.18ＧａO.82Ｎよ
りなる３ｎｍ厚の井戸層を成長させる。その後再び、８
５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ導入
しＧａＮよりなる障壁層を成長させる。同様に井戸層、
障壁層の成長を繰り返し、井戸層は合計５層、井戸層と
井戸層の聞および下層、上層には合計６層の障壁層が存
在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３
を成長させる。
【００２０】なお、井戸層の成長温度は６００℃から６
５０℃の範囲において、また、成長速度は０．５ｎｍ／
ｍｉｎから１．５ｎｍ／ｍｉｎの範囲において、気相中
のＴＭＩの割合（ＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＭＧ））は０．
６８より０．７２の範囲で、発光出力が高かった。この
範囲を超えて、高い温度では、発光が短波長になる傾向
があり、出力の十分な所要の青色の発光波長を得ること
は困難である。この場合、所要の発光波長を得るために
ＴＭＩの供給量を上げると、金属Ｉｎが結晶中に取り込
まれ易くなるためか、良い結晶が得られず、発光出力も
半分程度と暗かった。また、６００℃以下において結晶
成長を行ったところ、この組成での生成温度にふさわし
くなく結晶性が粗悪であるためか、発光出力が低かっ
た。この様な検討を加えた結果の代表的な成長条件とし
て、上記井戸層成長工程を示した。
５０℃の範囲において、また、成長速度は０．５ｎｍ／
ｍｉｎから１．５ｎｍ／ｍｉｎの範囲において、気相中
のＴＭＩの割合（ＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＭＧ））は０．
６８より０．７２の範囲で、発光出力が高かった。この
範囲を超えて、高い温度では、発光が短波長になる傾向
があり、出力の十分な所要の青色の発光波長を得ること
は困難である。この場合、所要の発光波長を得るために
ＴＭＩの供給量を上げると、金属Ｉｎが結晶中に取り込
まれ易くなるためか、良い結晶が得られず、発光出力も
半分程度と暗かった。また、６００℃以下において結晶
成長を行ったところ、この組成での生成温度にふさわし
くなく結晶性が粗悪であるためか、発光出力が低かっ
た。この様な検討を加えた結果の代表的な成長条件とし
て、上記井戸層成長工程を示した。
【００２１】ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＧの供給
を停止して、再び１０００℃まで昇温し、キャリアガス
を再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを２７μｍｏｌ／ｍ
ｉｎ、ＴＭＡを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーピング
原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、３０ｎｍ
厚のｐ型ＡｌO.1ＧａO.9Ｎキャリアブロック層９を成長
させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭ
Ａの供給を停止し、ｐ型ＧａＮ層を８０ｎｍの厚みで成
長させ、その後Ｃｐ2Ｍｇを３０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流
し、２０μｍ厚のｐ型ＧａＮ第二クラッド層の成長を行
い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了する
と、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して降温し、
室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出す。その後、ＧａＮ基
板の厚みを適宜調整したのち、ｐ型ＧａＮ第二クラッド
層の上面に透明電極５を、さらにその上の一部にボンデ
ィング電極７を、ＧａＮ基板下面に電極８を形成し、発
光素子を完成させる。
を停止して、再び１０００℃まで昇温し、キャリアガス
を再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを２７μｍｏｌ／ｍ
ｉｎ、ＴＭＡを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーピング
原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、３０ｎｍ
厚のｐ型ＡｌO.1ＧａO.9Ｎキャリアブロック層９を成長
させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭ
Ａの供給を停止し、ｐ型ＧａＮ層を８０ｎｍの厚みで成
長させ、その後Ｃｐ2Ｍｇを３０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流
し、２０μｍ厚のｐ型ＧａＮ第二クラッド層の成長を行
い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了する
と、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して降温し、
室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出す。その後、ＧａＮ基
板の厚みを適宜調整したのち、ｐ型ＧａＮ第二クラッド
層の上面に透明電極５を、さらにその上の一部にボンデ
ィング電極７を、ＧａＮ基板下面に電極８を形成し、発
光素子を完成させる。
【００２２】得られた発光素子に２０ｍＡの電流を通電
したところ、２．６６６ｅＶにピーク発光エネルギー
（４６５ｎmにピーク波長）を持つ青色発光が得られ、
発光強度は３．２ｍＷであり、極めて高効率の発光が得
られた。さらに、５０℃で、１０００時間上記の通電を
行った後に同様の測定を行ったところ、発光強度は２．
８ｍＷであり、劣化の程度が少ないことが判明した。室
温で１００時間２０ｍＡの通電を行い、発光強度を測定
したところ、発光強度は３．１ｍＷであり、よって初期
劣化率は２％であった。初期劣化率は、発光強度の安定
の点から１０％以下が望ましい。このように良好な結果
は、発光層におけるＩｎXＧａ1-XＮ井戸層の組成を発光
エネルギーに応じて所定の組成比ｘになるように設定し
て結晶成長を行ったことにより得られた。なお、本発明
に関し、組成比（モル比）ｘは、層内の平均的な組成を
表わしており、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、二次イ
オン質量分析法（ＳＩＭＳ）、Ｘ線回折法の様な方法に
より測定できる。以下、本発明者による組成比ｘの検討
結果について記述する。発光素子の製造方法におけるＩ
ｎXＧａ1-XＮ井戸層の形成条件を、成長温度６００〜８
００℃、成長速度０．５ｎｍ／ｍｉｎ〜３．０ｎｍ／ｍ
ｉｎの範囲で種々変更して、Ｉｎ XＧａ1-XＮの平均的組
成および発光エネルギーの異なる発光素子を作製した。
なお、井戸層の厚みは１〜１０ｎｍとした。このとき、
発光エネルギーが１．６〜３．OｅＶ程度、ＩｎXＧａ
1-XＮ井戸層中の平均組成比ｘが０．１〜０．６程度
で、種々の井戸層をもった発光素子が作製できた。図１
は結果を示すグラフであり、グラフ中の各点は、作製で
きた発光素子の井戸層の平均的な組成比ｘ（横軸）に対
するＬＥＤ発光エネルギー（縦軸）を表わしている。発
光エネルギーが同じ発光素子同士で比較しても、ＩｎX
Ｇａ1-XＮ井戸層中の平均組成比ｘは必ずしも同じには
ならず、例えば、発光エネルギーが上述の発光素子とほ
ぼ同じ、２．６６６±０．０６ｅＶ程度の時に、組成比
ｘは、０．２から０．４の範囲にばらついていることが
わかる。このように、ＧａＮ基板上に層厚１ｎｍ以上１
０ｎｍ以下のＩｎXＧａ1-XＮ層を量子井戸層として形成
することにより、所要の発光エネルギーに対して、種々
の平均組成のＩｎXＧａ1-XＮ層を発光層として用いるこ
とができるようになる。しかしながら、これらそれぞれ
組成比ｘが異なる発光素子の発光強度は同じでは無い。
したところ、２．６６６ｅＶにピーク発光エネルギー
（４６５ｎmにピーク波長）を持つ青色発光が得られ、
発光強度は３．２ｍＷであり、極めて高効率の発光が得
られた。さらに、５０℃で、１０００時間上記の通電を
行った後に同様の測定を行ったところ、発光強度は２．
８ｍＷであり、劣化の程度が少ないことが判明した。室
温で１００時間２０ｍＡの通電を行い、発光強度を測定
したところ、発光強度は３．１ｍＷであり、よって初期
劣化率は２％であった。初期劣化率は、発光強度の安定
の点から１０％以下が望ましい。このように良好な結果
は、発光層におけるＩｎXＧａ1-XＮ井戸層の組成を発光
エネルギーに応じて所定の組成比ｘになるように設定し
て結晶成長を行ったことにより得られた。なお、本発明
に関し、組成比（モル比）ｘは、層内の平均的な組成を
表わしており、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、二次イ
オン質量分析法（ＳＩＭＳ）、Ｘ線回折法の様な方法に
より測定できる。以下、本発明者による組成比ｘの検討
結果について記述する。発光素子の製造方法におけるＩ
ｎXＧａ1-XＮ井戸層の形成条件を、成長温度６００〜８
００℃、成長速度０．５ｎｍ／ｍｉｎ〜３．０ｎｍ／ｍ
ｉｎの範囲で種々変更して、Ｉｎ XＧａ1-XＮの平均的組
成および発光エネルギーの異なる発光素子を作製した。
なお、井戸層の厚みは１〜１０ｎｍとした。このとき、
発光エネルギーが１．６〜３．OｅＶ程度、ＩｎXＧａ
1-XＮ井戸層中の平均組成比ｘが０．１〜０．６程度
で、種々の井戸層をもった発光素子が作製できた。図１
は結果を示すグラフであり、グラフ中の各点は、作製で
きた発光素子の井戸層の平均的な組成比ｘ（横軸）に対
するＬＥＤ発光エネルギー（縦軸）を表わしている。発
光エネルギーが同じ発光素子同士で比較しても、ＩｎX
Ｇａ1-XＮ井戸層中の平均組成比ｘは必ずしも同じには
ならず、例えば、発光エネルギーが上述の発光素子とほ
ぼ同じ、２．６６６±０．０６ｅＶ程度の時に、組成比
ｘは、０．２から０．４の範囲にばらついていることが
わかる。このように、ＧａＮ基板上に層厚１ｎｍ以上１
０ｎｍ以下のＩｎXＧａ1-XＮ層を量子井戸層として形成
することにより、所要の発光エネルギーに対して、種々
の平均組成のＩｎXＧａ1-XＮ層を発光層として用いるこ
とができるようになる。しかしながら、これらそれぞれ
組成比ｘが異なる発光素子の発光強度は同じでは無い。
【００２３】図において、黒三角で表わしたのは発光強
度１ｍＷ以上の素子であり、その分布範囲は、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−４．２ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ （２） ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−１．３ｘ（１−ｘ） で近似される。
度１ｍＷ以上の素子であり、その分布範囲は、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−４．２ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ （２） ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−１．３ｘ（１−ｘ） で近似される。
【００２４】さらに、黒四角で表わしたのは、発光強度
１ｍＷ以上の素子のうち、素子に３０ｍＡの電流を１０
０時間通電した後の初期からの発光強度劣化率が１０％
以下のものを示しており、その範囲は、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−３．７４ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ （３） ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−２．８２ｘ（１−ｘ） で近似される。なお、この範囲において作製した活性層
からなる発光素子は、特に発光強度も高く、約２．５ｍ
Ｗ以上が得られた。
１ｍＷ以上の素子のうち、素子に３０ｍＡの電流を１０
０時間通電した後の初期からの発光強度劣化率が１０％
以下のものを示しており、その範囲は、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−３．７４ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ （３） ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−２．８２ｘ（１−ｘ） で近似される。なお、この範囲において作製した活性層
からなる発光素子は、特に発光強度も高く、約２．５ｍ
Ｗ以上が得られた。
【００２５】一方、図中の黒四角で表わしたものは、発
光強度１ｍＷ未満の素子であり、良好な発光素子ではな
かった。
光強度１ｍＷ未満の素子であり、良好な発光素子ではな
かった。
【００２６】なお、図１に示されるように、０．１≦ｘ
≦０．６の範囲において、上記関係を確認した。
≦０．６の範囲において、上記関係を確認した。
【００２７】したがって、所定の発光波長（発光エネル
ギーＥ）を示す発光素子をＧａＮ基板上に形成したい場
合、上記（２）または（３）の関係を満たす組成のＩｎ
XＧａ1-XＮ層を形成すればよい。すなわち、以上によれ
ば、ＧａＮ基板上の発光素子の製造において、発光層
（活性層）を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の組成決定法が
与えられ、該方法は、上記（２）または（３）の関係を
満たすよう組成比ｘを決定することを特徴とする。
ギーＥ）を示す発光素子をＧａＮ基板上に形成したい場
合、上記（２）または（３）の関係を満たす組成のＩｎ
XＧａ1-XＮ層を形成すればよい。すなわち、以上によれ
ば、ＧａＮ基板上の発光素子の製造において、発光層
（活性層）を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の組成決定法が
与えられ、該方法は、上記（２）または（３）の関係を
満たすよう組成比ｘを決定することを特徴とする。
【００２８】より具体的には、各色調の発光を呈する、
上記範囲に限定される井戸層を形成するため、次のよう
な結晶成長条件が可能である。
上記範囲に限定される井戸層を形成するため、次のよう
な結晶成長条件が可能である。
【００２９】発光エネルギー２．５３〜２．７０ｅＶ
（発光波長４６０〜４９０ｎｍ）であるような、高発光
効率の青色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
において成長温度を６００℃から６５０℃の範囲とし、
組成比ｘが、０．１３≦ｘ≦０．３０になるような原料
の供給条件とする。成長温度を６５０℃と高くすると、
ＴＭＩの供給量を増やすこととなり、６００℃と低くす
るとＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さ
らに、組成比ｘを、０．１５≦ｘ≦０．２５の範囲にす
れば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望
ましかった。
（発光波長４６０〜４９０ｎｍ）であるような、高発光
効率の青色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
において成長温度を６００℃から６５０℃の範囲とし、
組成比ｘが、０．１３≦ｘ≦０．３０になるような原料
の供給条件とする。成長温度を６５０℃と高くすると、
ＴＭＩの供給量を増やすこととなり、６００℃と低くす
るとＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さ
らに、組成比ｘを、０．１５≦ｘ≦０．２５の範囲にす
れば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望
ましかった。
【００３０】発光エネルギー２．２１〜２．５１ｅＶ
（発光波長４９５〜５６０ｎｍ）であるような、高発光
効率の緑色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
において成長温度を５００℃から５５０℃の範囲とし、
組成比ｘが、０．１８≦ｘ≦０．６０になるような原料
の供給条件とする。成長温度を５５０℃と高くすると、
ＴＭＩの供給量を増やすこととなり、５００℃と低くす
るとＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さ
らに、組成比ｘを、０．２０≦ｘ≦０．３７の範囲にす
れば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望
ましかった。
（発光波長４９５〜５６０ｎｍ）であるような、高発光
効率の緑色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
において成長温度を５００℃から５５０℃の範囲とし、
組成比ｘが、０．１８≦ｘ≦０．６０になるような原料
の供給条件とする。成長温度を５５０℃と高くすると、
ＴＭＩの供給量を増やすこととなり、５００℃と低くす
るとＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さ
らに、組成比ｘを、０．２０≦ｘ≦０．３７の範囲にす
れば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望
ましかった。
【００３１】発光エネルギー２．１３〜２．２１ｅＶ
（発光波長５６０〜５８０ｎｍ）であるような、高発光
効率の黄緑色発光素子を得るためには、井戸層の形成条
件を成長温度を５００℃から５３０℃の範囲とし、組成
比ｘが、０．２５≦ｘ≦０．６０になるような原料の供
給条件とする。成長温度を５３０℃と高くすると、ＴＭ
Ｉの供給量を増やすこととなり、５００℃と低くすると
ＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さら
に、組成比ｘを、０．２９≦ｘ≦０．４１の範囲にすれ
ば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望ま
しかった。
（発光波長５６０〜５８０ｎｍ）であるような、高発光
効率の黄緑色発光素子を得るためには、井戸層の形成条
件を成長温度を５００℃から５３０℃の範囲とし、組成
比ｘが、０．２５≦ｘ≦０．６０になるような原料の供
給条件とする。成長温度を５３０℃と高くすると、ＴＭ
Ｉの供給量を増やすこととなり、５００℃と低くすると
ＴＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さら
に、組成比ｘを、０．２９≦ｘ≦０．４１の範囲にすれ
ば、初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望ま
しかった。
【００３２】発光エネルギー２．１０〜２．１８ｅＶ
（発光波長５７０〜５９０ｎｍ）であるような、高発光
効率の黄色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
を成長温度を４８０℃から５２０℃の範囲とし、組成比
ｘが、０．２９≦ｘ≦０．６０になるような原料の供給
条件とする。成長温度を５２０℃と高くすると、ＴＭＩ
の供給量を増やすこととなり、４８０℃と低くするとＴ
ＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さらに、
組成比ｘを、０．３０≦ｘ≦０．４２の範囲にすれば、
初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望ましか
った。
（発光波長５７０〜５９０ｎｍ）であるような、高発光
効率の黄色発光素子を得るためには、井戸層の形成条件
を成長温度を４８０℃から５２０℃の範囲とし、組成比
ｘが、０．２９≦ｘ≦０．６０になるような原料の供給
条件とする。成長温度を５２０℃と高くすると、ＴＭＩ
の供給量を増やすこととなり、４８０℃と低くするとＴ
ＭＩの供給量を減らすこととなる傾向がある。さらに、
組成比ｘを、０．３０≦ｘ≦０．４２の範囲にすれば、
初期劣化率１０％以下を示す寿命特性が得られ望ましか
った。
【００３３】なお、上述の関係は、井戸層がいわゆる量
子効果を示すような範囲である、１ｎｍ以上１０ｎｍ以
下である場合について成立した。膜厚が１ｎｍ未満では
井戸層の凹凸界面の非発光準位の影響により、発光効率
が低下してしまうので、発光素子としてふさわしくなか
った。井戸層の厚さが１０ｎｍを超えると、成長条件に
関わらず、発光エネルギーと組成比ｘとの関係が式
（１）で示した一定のものに近づくとともに、発光効率
が低下した。
子効果を示すような範囲である、１ｎｍ以上１０ｎｍ以
下である場合について成立した。膜厚が１ｎｍ未満では
井戸層の凹凸界面の非発光準位の影響により、発光効率
が低下してしまうので、発光素子としてふさわしくなか
った。井戸層の厚さが１０ｎｍを超えると、成長条件に
関わらず、発光エネルギーと組成比ｘとの関係が式
（１）で示した一定のものに近づくとともに、発光効率
が低下した。
【００３４】以上の現象は本発明者による詳細な検討に
より始めて明らかになったものである。組成比ｘに関す
る上記関係の背景には、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの割合が
増すことで、基板結晶との格子定数差が大きくなり、内
部歪みや転移が発生し結晶に影響を与えることが寄与し
ていると推測される。
より始めて明らかになったものである。組成比ｘに関す
る上記関係の背景には、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの割合が
増すことで、基板結晶との格子定数差が大きくなり、内
部歪みや転移が発生し結晶に影響を与えることが寄与し
ていると推測される。
【００３５】また、上述したことは、基板をＧａＮとし
ない場合、例えばサファイア基板を用いた場合には成立
しなかった。これは、サファイア基板のように熱膨張係
数および格子定数が窒化物半導体とは大きく異なる材料
の上にＩｎXＧａ1-XＮ層を形成すると、形成時に大きな
歪を受けつつ結晶成長が行われるので、同一系の材料す
なわちＧａＮを基板として用いた場合とは成長モードが
異なってしまうためであると考えられる。サファイア等
の熱膨張係数および格子定数が窒化物半導体とは大きく
異なる材料を基板として用いた場合、本発明のように長
い寿命を示す素子を得ることは困難であり、特に、５０
℃のような高温での寿命は、その差が顕著である。たと
えば、５０℃において３０ｍＡで１０００時間通電した
時の良品率（通電後、初期出力の１／２以上を示す素子
を良品とする）は、各発光色について、ＧａＮ基板を使
用した方が、４０％以上高かった。
ない場合、例えばサファイア基板を用いた場合には成立
しなかった。これは、サファイア基板のように熱膨張係
数および格子定数が窒化物半導体とは大きく異なる材料
の上にＩｎXＧａ1-XＮ層を形成すると、形成時に大きな
歪を受けつつ結晶成長が行われるので、同一系の材料す
なわちＧａＮを基板として用いた場合とは成長モードが
異なってしまうためであると考えられる。サファイア等
の熱膨張係数および格子定数が窒化物半導体とは大きく
異なる材料を基板として用いた場合、本発明のように長
い寿命を示す素子を得ることは困難であり、特に、５０
℃のような高温での寿命は、その差が顕著である。たと
えば、５０℃において３０ｍＡで１０００時間通電した
時の良品率（通電後、初期出力の１／２以上を示す素子
を良品とする）は、各発光色について、ＧａＮ基板を使
用した方が、４０％以上高かった。
【００３６】実施例１ 本実施例の発光ダイオードは２．６３８ｅＶにピーク発
光エネルギー（４７０ｎｍにピーク波長）をもつ青色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.18ＧａO.82Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は１と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（４７０ｎｍにピーク波長）をもつ青色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.18ＧａO.82Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は１と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００３７】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．６３８ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ青色発光が得られ、発光強度は２ｍＷであり、高
効率の発光が得られた。また、初期劣化率は１５％であ
った。
電したところ、２．６３８ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ青色発光が得られ、発光強度は２ｍＷであり、高
効率の発光が得られた。また、初期劣化率は１５％であ
った。
【００３８】実施例２ 本実施例の発光ダイオードは２．３８４ｅＶにピーク発
光エネルギー（５２５ｎｍにピーク波長）をもつ緑色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.28ＧａO.72Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は３と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（５２５ｎｍにピーク波長）をもつ緑色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.28ＧａO.72Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は３と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００３９】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．３８４ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ緑色発光が得られ、発光強度は４ｍＷであり、極
めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は６％と
低かった。
電したところ、２．３８４ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ緑色発光が得られ、発光強度は４ｍＷであり、極
めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は６％と
低かった。
【００４０】実施例３ 本実施例の発光ダイオードは２．４８０ｅＶにピーク発
光エネルギー（５００ｎｍにピーク波長）をもつ青緑色
発光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、
上述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩ
ｎO.22ＧａO.78Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの
流量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６
とした。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様
である。
光エネルギー（５００ｎｍにピーク波長）をもつ青緑色
発光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、
上述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩ
ｎO.22ＧａO.78Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの
流量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６
とした。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様
である。
【００４１】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．４８０ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ青緑色発光が得られ、発光強度は３ｍＷであり、
極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は６％
と低かった。
電したところ、２．４８０ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ青緑色発光が得られ、発光強度は３ｍＷであり、
極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は６％
と低かった。
【００４２】実施例４ 本実施例の発光ダイオードは２．２５４ｅＶにピーク発
光エネルギー（５５０ｎｍにピーク波長）をもつ緑色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述の発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
0.26Ｇａ0.74Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（５５０ｎｍにピーク波長）をもつ緑色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述の発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
0.26Ｇａ0.74Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００４３】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．２５４ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ緑色発光が得られ、発光強度は１．５ｍＷであ
り、高効率の発光が得られた。
電したところ、２．２５４ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ緑色発光が得られ、発光強度は１．５ｍＷであ
り、高効率の発光が得られた。
【００４４】実施例５ 本実施例の発光ダイオードは２．１１９ｅＶにピーク発
光エネルギー（５８５ｎｍにピーク波長）をもつ黄色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.34ＧａO.66Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は５と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（５８５ｎｍにピーク波長）をもつ黄色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.34ＧａO.66Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は５と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００４５】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．１１９ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ黄色発光が得られ、発光強度は２．５ｍＷであ
り、極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は
８％と低かった。
電したところ、２．１１９ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ黄色発光が得られ、発光強度は２．５ｍＷであ
り、極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は
８％と低かった。
【００４６】実施例６ 本実施例の発光ダイオードは２．１４９ｅＶにピーク発
光エネルギー（５７７ｎｍにピーク波長）をもつ黄色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.50ＧａO.50Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は５と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（５７７ｎｍにピーク波長）をもつ黄色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.50ＧａO.50Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は５と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００４７】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．１４９ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ黄色発光が得られ、発光強度は１ｍＷであり、高
効率の発光が得られた。
電したところ、２．１４９ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ黄色発光が得られ、発光強度は１ｍＷであり、高
効率の発光が得られた。
【００４８】実施例７ 本実施例の発光ダイオードは２．０３３ｅＶにピーク発
光エネルギー（６１０ｎｍにピーク波長）をもつ橙色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.42ＧａO.58Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（６１０ｎｍにピーク波長）をもつ橙色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.42ＧａO.58Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は６と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００４９】実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通電
したところ、２．０３３ｅＶにピーク発光エネルギーを
持つ橙色発光が得られ、発光強度は２．５ｍＷであり、
極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は８％
と低かった。
したところ、２．０３３ｅＶにピーク発光エネルギーを
持つ橙色発光が得られ、発光強度は２．５ｍＷであり、
極めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は８％
と低かった。
【００５０】実施例８ 本実施例の発光ダイオードは１．９５３ｅＶにピーク発
光エネルギー（６３８ｎｍにピーク波長）をもつ赤色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.52ＧａO.48Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は４と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（６３８ｎｍにピーク波長）をもつ赤色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.52ＧａO.48Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は４と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００５１】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、１．９５３ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ赤色発光が得られ、発光強度は２ｍＷであり、高
効率の発光が得られ、また、初期劣化率は１０％と低か
った。
電したところ、１．９５３ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ赤色発光が得られ、発光強度は２ｍＷであり、高
効率の発光が得られ、また、初期劣化率は１０％と低か
った。
【００５２】実施例９ 本実施例の発光ダイオードは２．９５２ｅＶにピーク発
光エネルギー（４２０ｎｍにピーク波長）をもつ紫色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.10ＧａO.90Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は１と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
光エネルギー（４２０ｎｍにピーク波長）をもつ紫色発
光ダイオードである。本実施例の発光ダイオードは、上
述した発光ダイオード構造において井戸層の組成がＩｎ
O.10ＧａO.90Ｎとされており、該井戸層は、ＴＭＩの流
量および成長温度を調節して形成される。井戸数は１と
した。他の層のスペックおよび製造方法は上述と同様で
ある。
【００５３】本実施例の発光素子に２０ｍＡの電流を通
電したところ、２．９５２ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ紫色発光が得られ、発光強度は３ｍＷであり、極
めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は３％と
低かった。
電したところ、２．９５２ｅＶにピーク発光エネルギー
を持つ紫色発光が得られ、発光強度は３ｍＷであり、極
めて高効率の発光が得られ、また、初期劣化率は３％と
低かった。
【００５４】実施例１０ 本実施例の発光ダイオードは２．６６６ｅＶにピーク発
光エネルギー（４６５ｎｍにピーク波長）をもつ青色発
光ダイオードである。図３は本実施例の窒化物半導体素
子を示す断面図である。該素子は、ＨＶＰＥ法を用いて
形成したＧａＮ基板１上に、有機金属気相成長法を用い
て形成したｎ−ＡｌyＧａl-yＮからなる歪み導入層６、
ｎ−ＧａＮからなる第一のクラッド層２、ＩｎXＧａ1-X
Ｎからなる量子井戸層を含む発光層３、Ｍｇがドープさ
れたｐ−ＧａＮからなる第二のクラツド層４が順に積層
された構造を有する。さらに、ＧａＮ基板下面には電極
８が、第二のクラッド層４の上面には透明電極５が設け
られ、透明電極の上面の一部には、ボンディング電極７
が設けられている。また、図２に示した発光素子と同様
に、発光層３と第二のクラッド層４の間に、ｐ−ＡｌＧ
ａＮからなるキャリアブロック層９を介在させてもよ
い。
光エネルギー（４６５ｎｍにピーク波長）をもつ青色発
光ダイオードである。図３は本実施例の窒化物半導体素
子を示す断面図である。該素子は、ＨＶＰＥ法を用いて
形成したＧａＮ基板１上に、有機金属気相成長法を用い
て形成したｎ−ＡｌyＧａl-yＮからなる歪み導入層６、
ｎ−ＧａＮからなる第一のクラッド層２、ＩｎXＧａ1-X
Ｎからなる量子井戸層を含む発光層３、Ｍｇがドープさ
れたｐ−ＧａＮからなる第二のクラツド層４が順に積層
された構造を有する。さらに、ＧａＮ基板下面には電極
８が、第二のクラッド層４の上面には透明電極５が設け
られ、透明電極の上面の一部には、ボンディング電極７
が設けられている。また、図２に示した発光素子と同様
に、発光層３と第二のクラッド層４の間に、ｐ−ＡｌＧ
ａＮからなるキャリアブロック層９を介在させてもよ
い。
【００５５】本実施例におけるｎ−ＡｌyＧａ1-yＮから
なる歪み導入層の厚さは、組成ｙが０．１の時、５０ｎ
ｍ程度とすることができる。本実施例のようにｎ−Ａｌ
yＧａ1-yＮからなる歪み導入層を設けた場合には、井戸
層の組成は、歪み導入層が無い場合に比べ、同一波長を
得るためのＩｎ組成比ｘが少ない傾向にある。図２に示
した発光素子と同一の井戸層成長条件において、組成Ｉ
ｎO.15ＧａO.85Ｎの場合に、２．６６６ｅＶにピーク発
光エネルギーが得られ、この発光素子に２０ｍＡを通電
したときの発光強度は３．７ｍＷであった。
なる歪み導入層の厚さは、組成ｙが０．１の時、５０ｎ
ｍ程度とすることができる。本実施例のようにｎ−Ａｌ
yＧａ1-yＮからなる歪み導入層を設けた場合には、井戸
層の組成は、歪み導入層が無い場合に比べ、同一波長を
得るためのＩｎ組成比ｘが少ない傾向にある。図２に示
した発光素子と同一の井戸層成長条件において、組成Ｉ
ｎO.15ＧａO.85Ｎの場合に、２．６６６ｅＶにピーク発
光エネルギーが得られ、この発光素子に２０ｍＡを通電
したときの発光強度は３．７ｍＷであった。
【００５６】
【発明の効果】上述したとおり、本発明に従い、ＧａＮ
基板の上に、所要の発光エネルギーに応じて所定の組成
範囲に限定されたＩｎXＧａ1-XＮからなる量子井戸発光
層を形成すれば、発光効率が高く、また、寿命特性の良
好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。
基板の上に、所要の発光エネルギーに応じて所定の組成
範囲に限定されたＩｎXＧａ1-XＮからなる量子井戸発光
層を形成すれば、発光効率が高く、また、寿命特性の良
好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【図１】 ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比と放出される
ＬＥＤ発光エネルギーとの関係を示す図である。
ＬＥＤ発光エネルギーとの関係を示す図である。
【図２】 本発明による発光素子の一具体例を示す断面
図である。
図である。
【図３】 本発明による発光素子のもう一つの具体例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】 従来の発光素子を示す断面図である。
１ ｎ−ＧａＮ基板、２ 第一のクラッド層、３ 発光
層、４ 第二のクラッド層、５ 透明電極、６ ｎ−Ａ
ｌＧａＮ歪み導入層、７ ボンディング電極、８ 電
極、９ キャリアブロック層。
層、４ 第二のクラッド層、５ 透明電極、６ ｎ−Ａ
ｌＧａＮ歪み導入層、７ ボンディング電極、８ 電
極、９ キャリアブロック層。
Claims (2)
- 【請求項１】 発光層がＧａＮ基板上に形成され、かつ
室温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である
発光素子において、 前記発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦ｘ≦０．６）
からなる量子井戸層を含み、かつ前記Ｅと前記量子井戸
層の組成比ｘとの間に、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−４．２ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−１．３ｘ（１−ｘ） の関係が成立することを特徴とする、窒化物半導体発光
素子。 - 【請求項２】 発光層がＧａＮ基板上に形成され、かつ
室温における発光ピークエネルギーがＥ［ｅＶ］である
発光素子において、 前記発光層は、ＩｎXＧａ1-XＮ（０．１≦ｘ≦０．６）
からなる量子井戸層を含み、かつ前記Ｅと前記量子井戸
層の組成比ｘとの間に、 ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−３．７４ｘ（１−ｘ） ≦Ｅ≦ ３．４（１−ｘ）＋１．９５ｘ−２．８２ｘ（１−ｘ） の関係が成立することを特徴とする、窒化物半導体発光
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008600A JP2001203384A (ja) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008600A JP2001203384A (ja) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | 窒化物半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001203384A true JP2001203384A (ja) | 2001-07-27 |
Family
ID=18536845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000008600A Withdrawn JP2001203384A (ja) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | 窒化物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001203384A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007059941A (ja) * | 2000-12-28 | 2007-03-08 | Sony Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| WO2009008202A1 (ja) * | 2007-07-11 | 2009-01-15 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法 |
| US7964419B2 (en) | 2000-12-28 | 2011-06-21 | Sony Corporation | Semiconductor light emitting device, its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method |
| US9065004B2 (en) | 2013-07-08 | 2015-06-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor light emitting element |
-
2000
- 2000-01-18 JP JP2000008600A patent/JP2001203384A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007059941A (ja) * | 2000-12-28 | 2007-03-08 | Sony Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| US7964419B2 (en) | 2000-12-28 | 2011-06-21 | Sony Corporation | Semiconductor light emitting device, its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method |
| US8460958B2 (en) | 2000-12-28 | 2013-06-11 | Sony Corporation | Semiconductor light emitting device, its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method |
| US8587004B2 (en) | 2000-12-28 | 2013-11-19 | Sony Corporation | Semiconductor light emitting device, its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method |
| WO2009008202A1 (ja) * | 2007-07-11 | 2009-01-15 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法 |
| US7973322B2 (en) | 2007-07-11 | 2011-07-05 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light emitting device and method for forming the same |
| US9065004B2 (en) | 2013-07-08 | 2015-06-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor light emitting element |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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