JP2002232001A - 半導体発光素子 - Google Patents
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-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】転位密度の大小に関係なく、白色ＬＥＤとして
好適に使用することが可能な新規な半導体発光素子を提
供する。 【解決手段】半導体発光素子２０を構成する下地層２
を、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下
の高結晶ＡｌＮ層から構成し、第１のクラッド層４をｎ
−ＡｌＧａＮから構成する。また、発光層５をｉ−Ｇａ
Ｎからなる基層１７と、この基層中に、互いに孤立する
ようにして形成されたｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状
結晶１２−１〜１２−５とから構成する。
好適に使用することが可能な新規な半導体発光素子を提
供する。 【解決手段】半導体発光素子２０を構成する下地層２
を、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下
の高結晶ＡｌＮ層から構成し、第１のクラッド層４をｎ
−ＡｌＧａＮから構成する。また、発光層５をｉ−Ｇａ
Ｎからなる基層１７と、この基層中に、互いに孤立する
ようにして形成されたｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状
結晶１２−１〜１２−５とから構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関し、詳しくは白色発光ダイオードなどとして好適に用
いることのできる半導体発光素子に関する。
関し、詳しくは白色発光ダイオードなどとして好適に用
いることのできる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少な
く、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用の
ＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギ
ー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用として
その需要増加が期待されている。
Ｄ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少な
く、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用の
ＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギ
ー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用として
その需要増加が期待されている。
【０００３】ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、
ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡ
ｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化さ
れ、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近
年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現された
ことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表
示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも
実現できるようになった。また、ＲＧＢを用いた白色Ｌ
ＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色
をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥ
Ｄによる照明が実現されつつある。
ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡ
ｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化さ
れ、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近
年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現された
ことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表
示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも
実現できるようになった。また、ＲＧＢを用いた白色Ｌ
ＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色
をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥ
Ｄによる照明が実現されつつある。
【０００４】しかし、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤはそれ
ぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、
照明用として実用化するのは困難と見られている。ま
た、二色白色ＬＥＤは、三原色でないため、この白色光
のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点が
ある。また、その輝度についてもまだ２５ｌｍ／Ｗ程度
しか実現されておらず、蛍光灯の９０ ｌｍ／Ｗには及
んでいない。
ぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、
照明用として実用化するのは困難と見られている。ま
た、二色白色ＬＥＤは、三原色でないため、この白色光
のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点が
ある。また、その輝度についてもまだ２５ｌｍ／Ｗ程度
しか実現されておらず、蛍光灯の９０ ｌｍ／Ｗには及
んでいない。
【０００５】以上のことから、三原色でより高効率のＬ
ＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用と
して、全世界で渇望されている。実際、このような白色
照明用のＬＥＤを実現するために、日本におけるナショ
プロだけではなく、米国、欧州でも多くの大手電気メー
カーが積極的に開発に乗り出しているところである。
ＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用と
して、全世界で渇望されている。実際、このような白色
照明用のＬＥＤを実現するために、日本におけるナショ
プロだけではなく、米国、欧州でも多くの大手電気メー
カーが積極的に開発に乗り出しているところである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】三原色以上の白色ＬＥ
Ｄを作製するためには、紫外ＬＥＤを作製して、この紫
外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得
る試みがなされている。しかし、この方法は、蛍光灯と
基本的に原理を用いており、蛍光灯における水銀放電の
紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このた
め、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的
なデメリットがある。また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤが
できているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青
色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題があ
る。
Ｄを作製するためには、紫外ＬＥＤを作製して、この紫
外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得
る試みがなされている。しかし、この方法は、蛍光灯と
基本的に原理を用いており、蛍光灯における水銀放電の
紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このた
め、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的
なデメリットがある。また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤが
できているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青
色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題があ
る。
【０００７】この発光効率の激減については、以下のよ
うに考えられている。ＧａＮ系のエピタキシャル膜をサ
ファイアなど格子定数が一致しない基板上に成長させる
と、エピタキシャル膜と基板の界面にミスフィット転位
が発生し、これがエピタキシャル膜中、さらにはその上
に形成された発光層中に伝播するために、転位密度が著
しく増大する。
うに考えられている。ＧａＮ系のエピタキシャル膜をサ
ファイアなど格子定数が一致しない基板上に成長させる
と、エピタキシャル膜と基板の界面にミスフィット転位
が発生し、これがエピタキシャル膜中、さらにはその上
に形成された発光層中に伝播するために、転位密度が著
しく増大する。
【０００８】しかしながら、サファイア基板上に作製し
たＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは、発光層
として用いるＩｎＧａＮ系のエピタキシャル層の中で、
Ｉｎが局在化し、そのためにキャリヤが局在化して閉じ
込められる。このため、転位が存在する位置までキャリ
ヤが移動することなく再結合するため、十分な発光効率
が得られる。
たＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは、発光層
として用いるＩｎＧａＮ系のエピタキシャル層の中で、
Ｉｎが局在化し、そのためにキャリヤが局在化して閉じ
込められる。このため、転位が存在する位置までキャリ
ヤが移動することなく再結合するため、十分な発光効率
が得られる。
【０００９】すなわち、転位の存在が発光効率に影響し
ないのではなく、Ｉｎの局在化に伴いキャリヤが局在化
され、非発光中心として作用する転位の位置までキャリ
ヤが移動する前にキャリヤが再結合して発光するため、
上記ＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは十分な
発光効率を得ることができるものである。
ないのではなく、Ｉｎの局在化に伴いキャリヤが局在化
され、非発光中心として作用する転位の位置までキャリ
ヤが移動する前にキャリヤが再結合して発光するため、
上記ＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは十分な
発光効率を得ることができるものである。
【００１０】しかしながら、紫外ＬＥＤを作製するため
には、発光層中のＩｎの濃度を低減させることが要求さ
れる。このため、Ｉｎの局在化が起こらなくなるため、
キャリヤの拡散長が長くなり、転位が存在する位置まで
キャリヤが移動するため再結合しやすくなる。したがっ
て、もともと高転位密度である青色ＬＥＤよりも、紫外
ＬＥＤでは発光効率が大幅に低減される。このため、転
位密度の低減を図るべく各種の方法が考案されている。
には、発光層中のＩｎの濃度を低減させることが要求さ
れる。このため、Ｉｎの局在化が起こらなくなるため、
キャリヤの拡散長が長くなり、転位が存在する位置まで
キャリヤが移動するため再結合しやすくなる。したがっ
て、もともと高転位密度である青色ＬＥＤよりも、紫外
ＬＥＤでは発光効率が大幅に低減される。このため、転
位密度の低減を図るべく各種の方法が考案されている。
【００１１】例えば、エピタキシャル成長の途中で、Ｓ
ｉＯ2などのストライプのマスクを作製して、エピタキ
シャル膜／基板界面で発生したミスフィット転位がエピ
タキシャル膜上に伝播することを防止し、これによって
前記マスク上に転位密度が低減された発光層を形成する
方法が提案されている。しかしながら、この方法は、プ
ロセスが複雑であり、製造コストが高くなるほか、厚い
ＧａＮ系膜を成長させるため、基板が反ってしまい、実
際、デバイスプロセスに使用すると大半の基板が割れて
しまうという決定的な問題点があり、実用化を妨げてい
る。
ｉＯ2などのストライプのマスクを作製して、エピタキ
シャル膜／基板界面で発生したミスフィット転位がエピ
タキシャル膜上に伝播することを防止し、これによって
前記マスク上に転位密度が低減された発光層を形成する
方法が提案されている。しかしながら、この方法は、プ
ロセスが複雑であり、製造コストが高くなるほか、厚い
ＧａＮ系膜を成長させるため、基板が反ってしまい、実
際、デバイスプロセスに使用すると大半の基板が割れて
しまうという決定的な問題点があり、実用化を妨げてい
る。
【００１２】また、転位密度を低減させるために、Ｇａ
Ｎ系の格子整合エピタキシャル成長ができるように、バ
ルクのＧａＮ結晶を成長させる試みがなされている。こ
のような方法としては、高圧溶液成長法、気相成長法、
フラックス法などがある。しかし、現在のところ、ＬＥ
Ｄを工業的に製造できるような大型単結晶の育成にはま
だ目処はたっていない。
Ｎ系の格子整合エピタキシャル成長ができるように、バ
ルクのＧａＮ結晶を成長させる試みがなされている。こ
のような方法としては、高圧溶液成長法、気相成長法、
フラックス法などがある。しかし、現在のところ、ＬＥ
Ｄを工業的に製造できるような大型単結晶の育成にはま
だ目処はたっていない。
【００１３】さらに、転位密度が低いバルクのＧａＮ結
晶を得るために、ＨＶＰＥ法を用いて、格子整合する酸
化物などの基板上に厚いＧａＮ単結晶を成長させ、その
後、もとの基板を除去して、バルクＧａＮ単結晶基板を
得る試みもなされているが、未だＬＥＤを工業的に製造
できるような高品質の単結晶基板は得られるようになっ
ていない。
晶を得るために、ＨＶＰＥ法を用いて、格子整合する酸
化物などの基板上に厚いＧａＮ単結晶を成長させ、その
後、もとの基板を除去して、バルクＧａＮ単結晶基板を
得る試みもなされているが、未だＬＥＤを工業的に製造
できるような高品質の単結晶基板は得られるようになっ
ていない。
【００１４】このような状況であるため、紫外ＬＥＤを
用いて蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤに
ついては、高い発光効率が得られる技術的見通しがない
という問題がある。
用いて蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤに
ついては、高い発光効率が得られる技術的見通しがない
という問題がある。
【００１５】本発明は、転位密度の大小に関係なく、任
意の色度の光を発することのできるＬＥＤ、特に白色Ｌ
ＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体
発光素子を提供することを目的とする。
意の色度の光を発することのできるＬＥＤ、特に白色Ｌ
ＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体
発光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の半導体発光素子は、基板と、この基板上にＡｌ
を含む、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒
以下の第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地
層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一
つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、
この第１の導電層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎ
の少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第
１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成され
た、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第４
の窒化物半導体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩ
ｎの少なくとも一つを含み、前記第３の窒化物半導体よ
りも面格子定数の大きい第５の窒化物半導体からなる、
それぞれが孤立した複数の島状結晶を含んでなる発光層
と、この発光層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの
少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２
のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された
Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第７の窒
化物半導体からなる第２の導電層とを具える。そして、
前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導
体のバンドギャップ、前記基層を構成する前記第４の窒
化物半導体のバンドギャップ、及び前記島状結晶を構成
する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップが、この
順に大きいことを特徴とする。
本発明の半導体発光素子は、基板と、この基板上にＡｌ
を含む、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒
以下の第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地
層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一
つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、
この第１の導電層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎ
の少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第
１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成され
た、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第４
の窒化物半導体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩ
ｎの少なくとも一つを含み、前記第３の窒化物半導体よ
りも面格子定数の大きい第５の窒化物半導体からなる、
それぞれが孤立した複数の島状結晶を含んでなる発光層
と、この発光層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの
少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２
のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された
Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第７の窒
化物半導体からなる第２の導電層とを具える。そして、
前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導
体のバンドギャップ、前記基層を構成する前記第４の窒
化物半導体のバンドギャップ、及び前記島状結晶を構成
する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップが、この
順に大きいことを特徴とする。
【００１７】この際、第１のクラッド層に導電層として
の機能を付与せしめ、第１の導電層を省略することもで
きる。同様に、第２のクラッド層に導電層としての機能
を付与せしめ、第２の導電層を省略することもできる。
の機能を付与せしめ、第１の導電層を省略することもで
きる。同様に、第２のクラッド層に導電層としての機能
を付与せしめ、第２の導電層を省略することもできる。
【００１８】近年においては、発光層として、格子不整
合する系で孤立した小さい島状結晶を形成させ、これを
発光させてなるＬＥＤについて研究が盛んになされてい
る。そして、この島状結晶の大きさに所定の分布を持た
せることによって、島状結晶のそれぞれから任意波長の
光を発光させ、これを合成することによって前記発光層
全体として任意の色度の光又は白色光を生成することが
考えられている。
合する系で孤立した小さい島状結晶を形成させ、これを
発光させてなるＬＥＤについて研究が盛んになされてい
る。そして、この島状結晶の大きさに所定の分布を持た
せることによって、島状結晶のそれぞれから任意波長の
光を発光させ、これを合成することによって前記発光層
全体として任意の色度の光又は白色光を生成することが
考えられている。
【００１９】しかしながら、発光層に対する下地層の低
結晶性に依存して、孤立した小さい島状結晶を作製して
も、下地層に存在する転位が島状結晶中にも伝播してし
まう。このため発光層の結晶性が劣化して発光効率が減
少するため、上述したような半導体発光素子は実現され
るには至っていない。
結晶性に依存して、孤立した小さい島状結晶を作製して
も、下地層に存在する転位が島状結晶中にも伝播してし
まう。このため発光層の結晶性が劣化して発光効率が減
少するため、上述したような半導体発光素子は実現され
るには至っていない。
【００２０】そこで本発明者らは、発光層を構成する島
状結晶の結晶性を改善すべく鋭意検討を実施した。そし
て、前記発光層の結晶性に影響を与える下地層の結晶性
を改善することを試みた。
状結晶の結晶性を改善すべく鋭意検討を実施した。そし
て、前記発光層の結晶性に影響を与える下地層の結晶性
を改善することを試みた。
【００２１】従来、半導体発光素子の下地層はバッファ
層としての役割が重視されていたため、前記下地層の結
晶性については重視されていなかった。さらに、前記バ
ッファ層としての効果を十分に発揮するには、ある程度
結晶性の劣化した下地層が望まれていた。
層としての役割が重視されていたため、前記下地層の結
晶性については重視されていなかった。さらに、前記バ
ッファ層としての効果を十分に発揮するには、ある程度
結晶性の劣化した下地層が望まれていた。
【００２２】これに対して本発明者らは、Ａｌを含む窒
化物半導体を構成材料とする半導体発光素子において
は、上記下地層の結晶性をある程度高くしても、そのバ
ッファ層としての作用が失われないことを見出した。す
なわち、従来の常識に反して、前記下地層の結晶性をあ
る程度向上させても、バッファ層としての効果が失われ
ないことを見出した。
化物半導体を構成材料とする半導体発光素子において
は、上記下地層の結晶性をある程度高くしても、そのバ
ッファ層としての作用が失われないことを見出した。す
なわち、従来の常識に反して、前記下地層の結晶性をあ
る程度向上させても、バッファ層としての効果が失われ
ないことを見出した。
【００２３】したがって、上述したように、本発明の半
導体発光素子におけるＡｌを含む下地層の結晶性をＸ線
ロッキングカーブにおける半値幅で９０秒以下に高める
ことによって、上記バッファ層としての機能を失うこと
なく、前記発光層を構成する前記島状結晶の結晶性を高
めることができることを見出したものである。
導体発光素子におけるＡｌを含む下地層の結晶性をＸ線
ロッキングカーブにおける半値幅で９０秒以下に高める
ことによって、上記バッファ層としての機能を失うこと
なく、前記発光層を構成する前記島状結晶の結晶性を高
めることができることを見出したものである。
【００２４】なお、本発明においては、クラッド層を構
成する第３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島
状結晶を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が
大きくなるようにしている。このように圧縮応力の働く
条件下では、窒化物半導体がドット状に形成されて、上
記のような島状結晶が形成されるものである。
成する第３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島
状結晶を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が
大きくなるようにしている。このように圧縮応力の働く
条件下では、窒化物半導体がドット状に形成されて、上
記のような島状結晶が形成されるものである。
【００２５】このため、本発明の半導体発光素子によれ
ば、前記島状結晶のそれぞれの大きさを適宜に調節する
ことにより、各島状結晶から任意波長の光を発光させる
ことができ、これによって発光層全体として実用に足る
効率で任意の色度の光あるいは白色光を生成及び発光さ
せることができるものである。
ば、前記島状結晶のそれぞれの大きさを適宜に調節する
ことにより、各島状結晶から任意波長の光を発光させる
ことができ、これによって発光層全体として実用に足る
効率で任意の色度の光あるいは白色光を生成及び発光さ
せることができるものである。
【００２６】したがって、ＭＯＣＶＤ法においては、温
度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力の少なくと
も１つを制御することにより、前記複数の島状結晶それ
ぞれの大きさを任意に制御できるものである。
度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力の少なくと
も１つを制御することにより、前記複数の島状結晶それ
ぞれの大きさを任意に制御できるものである。
【００２７】また、前記第１のクラッド層を構成する前
記第３の窒化物半導体のバンドギャップ、前記基層を構
成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ、及び
前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバン
ドギャップの大きさに対する上記順列は、前記島状結晶
を構成する前記第５の窒化物半導体をエネルギー的に閉
じ込めて、前記島状結晶からの発光を実現させるために
要求されるものである。
記第３の窒化物半導体のバンドギャップ、前記基層を構
成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ、及び
前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバン
ドギャップの大きさに対する上記順列は、前記島状結晶
を構成する前記第５の窒化物半導体をエネルギー的に閉
じ込めて、前記島状結晶からの発光を実現させるために
要求されるものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に即して詳細に説明する。図１は、本発明の半導体発光
素子の一例を示す断面図である。
に即して詳細に説明する。図１は、本発明の半導体発光
素子の一例を示す断面図である。
【００２９】図１に示す半導体発光素子２０は、基板１
と、この基板１上に第１の窒化物半導体としてＡｌＮか
らなる下地層２と、この下地層２上に形成された第２の
窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電
層３とを含む。さらに、この第１の導電層３上に形成さ
れた第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる
第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成され
た発光層５と、この発光層５上に形成された第６の窒化
物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド
層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成
された第７の窒化物半導体としてｐ−ＧａＮからなる第
２の導電層７を具えている。
と、この基板１上に第１の窒化物半導体としてＡｌＮか
らなる下地層２と、この下地層２上に形成された第２の
窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電
層３とを含む。さらに、この第１の導電層３上に形成さ
れた第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる
第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成され
た発光層５と、この発光層５上に形成された第６の窒化
物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド
層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成
された第７の窒化物半導体としてｐ−ＧａＮからなる第
２の導電層７を具えている。
【００３０】第１の導電層３の一部は露出しており、こ
の露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が
形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎ
ｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
の露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が
形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎ
ｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
【００３１】図２は、図１に示す半導体発光素子２０に
おける発光層５の部分を拡大して示す図である。図２か
ら明らかなように、発光層５は、第４の窒化物半導体と
してｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、第５の窒化物半
導体としてｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状結晶１２−
１〜１２−５が形成されている。
おける発光層５の部分を拡大して示す図である。図２か
ら明らかなように、発光層５は、第４の窒化物半導体と
してｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、第５の窒化物半
導体としてｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状結晶１２−
１〜１２−５が形成されている。
【００３２】なお、図１及び２においては、本発明の特
徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のも
のと異なるように記載している。
徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のも
のと異なるように記載している。
【００３３】図１に示す半導体発光素子２０における下
地層２は、本発明にしたがってＸ線ロッキングカーブに
おける半値幅が９０秒以下であることが必要であり、さ
らには５０秒以下であることが好ましい。これによっ
て、発光層５を構成する島状結晶１２−１〜１２−５中
の転位密度が減少して良好な結晶性を有するようになる
ため、半導体発光素子２０の発光効率が増大する。
地層２は、本発明にしたがってＸ線ロッキングカーブに
おける半値幅が９０秒以下であることが必要であり、さ
らには５０秒以下であることが好ましい。これによっ
て、発光層５を構成する島状結晶１２−１〜１２−５中
の転位密度が減少して良好な結晶性を有するようになる
ため、半導体発光素子２０の発光効率が増大する。
【００３４】また、下地層２におけるＸ線ロッキングカ
ーブの半値幅の下限については特に限定されるものでは
ないが、下地層２のバッファ層としての役割を考慮する
と１０秒であることが好ましい。
ーブの半値幅の下限については特に限定されるものでは
ないが、下地層２のバッファ層としての役割を考慮する
と１０秒であることが好ましい。
【００３５】このようにＡｌを含んだ結晶性の高い下地
層を得るには、所定の原料供給ガスを用い、ＭＯＣＶＤ
法によって好ましくは下地基板を１１００℃以上、さら
に好ましくは１１５０℃以上に加熱することによって形
成する。従来の半導体発光素子における下地層の形成温
度は５００〜７００℃であり、この形成温度と比較して
上記形成温度が極めて高いことが分かる。すなわち、Ｍ
ＯＣＶＤ法において従来と全く異なる条件を採用するこ
とによって、本発明の条件を満足する結晶性に優れた下
地層を形成することができる。
層を得るには、所定の原料供給ガスを用い、ＭＯＣＶＤ
法によって好ましくは下地基板を１１００℃以上、さら
に好ましくは１１５０℃以上に加熱することによって形
成する。従来の半導体発光素子における下地層の形成温
度は５００〜７００℃であり、この形成温度と比較して
上記形成温度が極めて高いことが分かる。すなわち、Ｍ
ＯＣＶＤ法において従来と全く異なる条件を採用するこ
とによって、本発明の条件を満足する結晶性に優れた下
地層を形成することができる。
【００３６】また、下地層の形成温度の上限については
特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃
である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体
の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層
内における組成成分の拡散を効果的に抑制することがで
きる。これによって、前記下地層を構成する窒化物半導
体の材料組成によらずに、前記下地層の結晶性を良好な
状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れ
に起因する発光層の結晶性の劣化を効果的に防止するこ
とができる。なお、上記温度は、基板の設定温度であ
る。
特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃
である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体
の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層
内における組成成分の拡散を効果的に抑制することがで
きる。これによって、前記下地層を構成する窒化物半導
体の材料組成によらずに、前記下地層の結晶性を良好な
状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れ
に起因する発光層の結晶性の劣化を効果的に防止するこ
とができる。なお、上記温度は、基板の設定温度であ
る。
【００３７】また、下地層の厚さは０．５μｍ以上であ
ることが好ましく、さらには１μｍ〜３μｍであること
が好ましい。下地層上に形成する導電層、クラッド層、
及び発光層の結晶性を向上させるには、前記下地層を厚
く形成することが好ましい。しかしながら、前記下地層
が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じ
たりする場合がある。したがって、特に、上述した温度
範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層を作製する
際には、その厚さを上述したような範囲に設定する。
ることが好ましく、さらには１μｍ〜３μｍであること
が好ましい。下地層上に形成する導電層、クラッド層、
及び発光層の結晶性を向上させるには、前記下地層を厚
く形成することが好ましい。しかしながら、前記下地層
が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じ
たりする場合がある。したがって、特に、上述した温度
範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層を作製する
際には、その厚さを上述したような範囲に設定する。
【００３８】また、本発明の半導体発光素子において
は、上述したように、第１のクラッド層４を構成する第
３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島状結晶１
２を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が大き
いことが必要である。具体的には、これらの面内格子定
数差が、第１の窒化物半導体の格子定数を基準として
０．４〜１４％であることが好ましく、さらには２〜８
％であることが好ましい。これによって、通常のＭＯＣ
ＶＤ法によって簡易に島状結晶を形成することができ
る。
は、上述したように、第１のクラッド層４を構成する第
３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島状結晶１
２を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が大き
いことが必要である。具体的には、これらの面内格子定
数差が、第１の窒化物半導体の格子定数を基準として
０．４〜１４％であることが好ましく、さらには２〜８
％であることが好ましい。これによって、通常のＭＯＣ
ＶＤ法によって簡易に島状結晶を形成することができ
る。
【００３９】上述したように、本発明の半導体発光素子
２０においては、例えば、発光層５を構成する島状結晶
１２−１〜１２−５の大きさを任意に制御し、一定の広
がりを有するように形成することにより、各島状結晶か
らの発光波長を任意に制御することができ、発光層５全
体として任意の色度の光を生成及び発光させることがで
きる。
２０においては、例えば、発光層５を構成する島状結晶
１２−１〜１２−５の大きさを任意に制御し、一定の広
がりを有するように形成することにより、各島状結晶か
らの発光波長を任意に制御することができ、発光層５全
体として任意の色度の光を生成及び発光させることがで
きる。
【００４０】具体的には、島状結晶１２−１〜１２−５
の底面の直径を５ｎｍ〜３０ｎｍの大きさで分布させる
ことにより、島状結晶のそれぞれが任意の波長の光を発
するようになり、発光層５全体として白色光を生成する
ことができる。
の底面の直径を５ｎｍ〜３０ｎｍの大きさで分布させる
ことにより、島状結晶のそれぞれが任意の波長の光を発
するようになり、発光層５全体として白色光を生成する
ことができる。
【００４１】前者のような分布を有する島状結晶を形成
するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法におけ
る、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力など
を適宜に調節することによって得ることができる。
するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法におけ
る、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力など
を適宜に調節することによって得ることができる。
【００４２】図３は、図２に示す発光層の変形例を示す
図である。図３に示す発光層５においては、発光層１８
を構成する基層１８中に島状結晶１３−１〜１３−５、
１４−１〜１４−５及び１５−１〜１５−５が段状に形
成されている。このように、島状結晶を多段に形成する
ことにより、島状結晶の大きさに対する分布幅の自由度
が増すため、各島状結晶の大きさ制御の自由度が増大し
て、広範囲の色度の光を簡易に生成及び発光させること
ができる。
図である。図３に示す発光層５においては、発光層１８
を構成する基層１８中に島状結晶１３−１〜１３−５、
１４−１〜１４−５及び１５−１〜１５−５が段状に形
成されている。このように、島状結晶を多段に形成する
ことにより、島状結晶の大きさに対する分布幅の自由度
が増すため、各島状結晶の大きさ制御の自由度が増大し
て、広範囲の色度の光を簡易に生成及び発光させること
ができる。
【００４３】具体的には、島状結晶１３−１〜１３−５
の底面における平均直径と、島状結晶１４−１〜１４−
５の底面における平均直径と、島状結晶１５−１〜１５
−５の底面における平均直径とを、５ｎｍ〜３０ｎｍの
大きさで分布させることにより、各段に位置する複数の
島状結晶毎に任意波長の光を発するようになるため、発
光層５全体として白色光を生成することができる。
の底面における平均直径と、島状結晶１４−１〜１４−
５の底面における平均直径と、島状結晶１５−１〜１５
−５の底面における平均直径とを、５ｎｍ〜３０ｎｍの
大きさで分布させることにより、各段に位置する複数の
島状結晶毎に任意波長の光を発するようになるため、発
光層５全体として白色光を生成することができる。
【００４４】上記のような分布を有する島状結晶を形成
するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法におけ
る、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力など
を適宜に調節することによって得ることができる。
するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法におけ
る、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力など
を適宜に調節することによって得ることができる。
【００４５】また、図３に示すような発光層５におい
て、各段に位置する島状結晶１３−１〜１３−５など
を、それらの大きさが一定の広がりを有するように分布
させることによっても、図２において説明したように、
任意の色度の光を生成させることができる。
て、各段に位置する島状結晶１３−１〜１３−５など
を、それらの大きさが一定の広がりを有するように分布
させることによっても、図２において説明したように、
任意の色度の光を生成させることができる。
【００４６】なお、この際においては、図２において説
明した方法に準ずることによって、各段毎に白色の光を
生成することができ、これによって発光層５全体として
白色光を生成及び発光させることができる。
明した方法に準ずることによって、各段毎に白色の光を
生成することができ、これによって発光層５全体として
白色光を生成及び発光させることができる。
【００４７】第１の窒化物半導体からなる下地層を比較
的厚く形成した場合においては、この下地層に対して第
２の窒化物半導体からなる第１の導電層からの引張応力
が増大して前記下地層にクラックが発生してしまう場合
がある。
的厚く形成した場合においては、この下地層に対して第
２の窒化物半導体からなる第１の導電層からの引張応力
が増大して前記下地層にクラックが発生してしまう場合
がある。
【００４８】このため、特に下地層の厚さがクラックが
入る程度まで厚く形成された場合については、本発明の
半導体発光素子の下地層を構成する第１の窒化物半導体
は、その成分として含まれるＡｌの含有量が、基板側か
ら第１の導電層に向かって連続的又はステップ状に減少
していることが好ましい。これによって、下地層の、第
１の導電層に対する近傍におけるＡｌ含有量が減少し、
この近傍部分と第１の導電層とのＡｌ含有量の差が減少
する。
入る程度まで厚く形成された場合については、本発明の
半導体発光素子の下地層を構成する第１の窒化物半導体
は、その成分として含まれるＡｌの含有量が、基板側か
ら第１の導電層に向かって連続的又はステップ状に減少
していることが好ましい。これによって、下地層の、第
１の導電層に対する近傍におけるＡｌ含有量が減少し、
この近傍部分と第１の導電層とのＡｌ含有量の差が減少
する。
【００４９】したがって、下地層と第１の導電層との界
面における格子定数差が減少するため、上記のように下
地層の厚さが増大してもクラックの発生を効果的に防止
することができる。なお、上記Ａｌ含有量の変化の度合
いは、下地層中におけるクラックの発生を防止すべく任
意に設定することができる。
面における格子定数差が減少するため、上記のように下
地層の厚さが増大してもクラックの発生を効果的に防止
することができる。なお、上記Ａｌ含有量の変化の度合
いは、下地層中におけるクラックの発生を防止すべく任
意に設定することができる。
【００５０】また、本発明における窒化物半導体は、Ａ
ｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要
であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ
ｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。ま
た、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、
及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともでき
る。そして、第１の窒化物半導体から第７の窒化物半導
体は、各層のバンドギャップなどを考慮して上記要件を
満足する範囲内で任意の組成を有することができる。
ｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要
であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ
ｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。ま
た、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、
及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともでき
る。そして、第１の窒化物半導体から第７の窒化物半導
体は、各層のバンドギャップなどを考慮して上記要件を
満足する範囲内で任意の組成を有することができる。
【００５１】また、基板としては、サファイア単結晶、
ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結
晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物
単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいは
IV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、Ｇａ
Ｎ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結
晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板
材料から構成することができる。
ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結
晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物
単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいは
IV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、Ｇａ
Ｎ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結
晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板
材料から構成することができる。
【００５２】特にサファイア単結晶基板を用いる場合に
ついては、前記III族窒化物下地膜などを形成すべき主
面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。前記表
面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニア
などの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱するこ
とによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒
化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成
される窒化層の厚さを制御する。
ついては、前記III族窒化物下地膜などを形成すべき主
面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。前記表
面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニア
などの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱するこ
とによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒
化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成
される窒化層の厚さを制御する。
【００５３】このようにして表面窒化層が形成されたサ
ファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に直接的に
形成される下地層の結晶性をさらに向上させることがで
きる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さ
の上限値である３μｍまで、特別な成膜条件を設定する
ことなく簡易に厚くすることができるので、厚さ増大に
起因した結晶性の向上をも簡易に実現させることができ
る。
ファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に直接的に
形成される下地層の結晶性をさらに向上させることがで
きる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さ
の上限値である３μｍまで、特別な成膜条件を設定する
ことなく簡易に厚くすることができるので、厚さ増大に
起因した結晶性の向上をも簡易に実現させることができ
る。
【００５４】このように、サファイア単結晶基板の主面
に表面窒化層を形成することによって、その上に形成す
る下地層の結晶性が向上するので、導電層、クラッド
層、及び発光層を含めた半導体発光素子全体の結晶性を
さらに向上させることができる。
に表面窒化層を形成することによって、その上に形成す
る下地層の結晶性が向上するので、導電層、クラッド
層、及び発光層を含めた半導体発光素子全体の結晶性を
さらに向上させることができる。
【００５５】また、この場合において、III族窒化物下
地膜を形成する際の温度も、上記好ましい温度範囲にお
いて１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減
しても、本発明の高結晶性のIII族窒化物膜を簡易に形
成することができる。
地膜を形成する際の温度も、上記好ましい温度範囲にお
いて１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減
しても、本発明の高結晶性のIII族窒化物膜を簡易に形
成することができる。
【００５６】前記表面窒化層は、比較的厚く、例えば、
ＥＳＣＡ分析によって、前記主面から１ｎｍの深さにお
ける窒素含有量が５原子％以上となるように厚く形成す
ることが好ましい。
ＥＳＣＡ分析によって、前記主面から１ｎｍの深さにお
ける窒素含有量が５原子％以上となるように厚く形成す
ることが好ましい。
【００５７】また、図１に示すような本発明の半導体発
光素子は、下地層、第１の導電層、及び発光層について
上述した要件を満足する限りにおいて、通常の方法にし
たがって製造することができる。
光素子は、下地層、第１の導電層、及び発光層について
上述した要件を満足する限りにおいて、通常の方法にし
たがって製造することができる。
【００５８】
【実施例】２インチ径の厚さ５００μmのサファイア基
板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置
の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＨ
2、Ｎ2、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｃｐ2Ｍｇ、ＮＨ3、
ＳｉＨ4が取り付けてある。Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで
流しながら、基板を１２００℃まで昇温した。
板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置
の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＨ
2、Ｎ2、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｃｐ2Ｍｇ、ＮＨ3、
ＳｉＨ4が取り付けてある。Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで
流しながら、基板を１２００℃まで昇温した。
【００５９】最初に、アンモニアガス（ＮＨ３）を水素
キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒
化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面
窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されてお
り、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原
子％であることが判明した。
キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒
化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面
窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されてお
り、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原
子％であることが判明した。
【００６０】次いで、ＴＭＡとＮＨ3を平均流速１０ｍ
／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μ
mまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキング
カーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができるこ
とがわかった。
／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μ
mまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキング
カーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができるこ
とがわかった。
【００６１】次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するた
めに、ＴＭＧとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流し
て、ＧａＮ膜を厚さ１００Å成長させた。成長終了後、
ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭ
ＢＥ装置の中に設置した。
めに、ＴＭＧとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流し
て、ＧａＮ膜を厚さ１００Å成長させた。成長終了後、
ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭ
ＢＥ装置の中に設置した。
【００６２】ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧ
ａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、窒素源としては、ＳＶＴ
Ａ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を
用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳ
ｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。
ａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、窒素源としては、ＳＶＴ
Ａ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を
用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳ
ｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。
【００６３】まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ
2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜
を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３
０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の
導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層を厚さ１μm成長させた。
2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜
を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３
０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の
導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層を厚さ１μm成長させた。
【００６４】次いで、このｎ−ＡｌＧａＮ層上に、第１
のクラッド層として７６０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１０００Åに成長させた。その
後、この上に発光層を構成する島状結晶を、７００℃で
Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから厚さ１００Å、平均直径１００Å
で成長させた。その後、発光層を構成する基層を、前記
孤立した島状結晶を埋め込むように、ＧａＮ層を７５０
℃で厚さ２００Åで成長させた。
のクラッド層として７６０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１０００Åに成長させた。その
後、この上に発光層を構成する島状結晶を、７００℃で
Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから厚さ１００Å、平均直径１００Å
で成長させた。その後、発光層を構成する基層を、前記
孤立した島状結晶を埋め込むように、ＧａＮ層を７５０
℃で厚さ２００Åで成長させた。
【００６５】次いで、ＧａＮ層上に第２のクラッド層と
して、７８０℃でＭｇをドープしたｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8
Ｎ層を厚さ５０Å成長させ、最後に第２の導電層として
７８０℃でＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を厚さ２００
０Å成長させた。
して、７８０℃でＭｇをドープしたｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8
Ｎ層を厚さ５０Å成長させ、最後に第２の導電層として
７８０℃でＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を厚さ２００
０Å成長させた。
【００６６】成長終了後、上記のようにして形成した多
層膜の一部を第１の導電層が露出するまで除去し、第２
の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなる
ｐ−電極を形成し、露出した第１の導電層としてのｎ−
ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成
した。
層膜の一部を第１の導電層が露出するまで除去し、第２
の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなる
ｐ−電極を形成し、露出した第１の導電層としてのｎ−
ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成
した。
【００６７】その後、前記ｐ−電極及び前記ｎ−電極間
に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したとこ
ろ、高効率の青色発光を確認した。すなわち、本発明の
半導体発光素子が実用的な素子として動作できることが
確かめられた。したがって、上記島状結晶の大きさの分
布を適宜調節することにより、白色発光することが可能
な半導体発光素子を提供できることが分かる。
に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したとこ
ろ、高効率の青色発光を確認した。すなわち、本発明の
半導体発光素子が実用的な素子として動作できることが
確かめられた。したがって、上記島状結晶の大きさの分
布を適宜調節することにより、白色発光することが可能
な半導体発光素子を提供できることが分かる。
【００６８】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明
の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。
の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。
【００６９】例えば、図１に示す半導体発光素子及び実
施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心
として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としている
が、両者を逆転させて形成することもできる。また、図
３においては、島状結晶を３段に形成しているが、２段
あるいは４段以上に形成することもできる。
施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心
として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としている
が、両者を逆転させて形成することもできる。また、図
３においては、島状結晶を３段に形成しているが、２段
あるいは４段以上に形成することもできる。
【００７０】さらに、上記実施例では、ＡｌＮ下地層と
ＡｌＧａＮ導電層などとを異なる装置を用いて作製して
いるが、同一の装置を用い、外部へ取り出すことなく連
続的に作製することもできる。また、上記実施例では、
ＡｌＮ下地層上に直接ＡｌＧａＮ導電層などを形成した
が、さらなる結晶性の向上を目指して、界面近傍に温
度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成
膜条件を変化させてバッファ層を挿入したり、ひずみ超
格子などの多層積層膜を挿入することもできる。
ＡｌＧａＮ導電層などとを異なる装置を用いて作製して
いるが、同一の装置を用い、外部へ取り出すことなく連
続的に作製することもできる。また、上記実施例では、
ＡｌＮ下地層上に直接ＡｌＧａＮ導電層などを形成した
が、さらなる結晶性の向上を目指して、界面近傍に温
度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成
膜条件を変化させてバッファ層を挿入したり、ひずみ超
格子などの多層積層膜を挿入することもできる。
【００７１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発
光素子は、発光層を窒化物半導体からなる互いに孤立し
た複数の島状結晶から構成するとともに、下地層を高結
晶窒化物半導体から構成している。したがって、前記複
数の島状結晶の結晶性を向上させることができ、上記の
ような複数の島状結晶からなる発光層を具える半導体発
光素子の発光効率を増大させることができる。
光素子は、発光層を窒化物半導体からなる互いに孤立し
た複数の島状結晶から構成するとともに、下地層を高結
晶窒化物半導体から構成している。したがって、前記複
数の島状結晶の結晶性を向上させることができ、上記の
ような複数の島状結晶からなる発光層を具える半導体発
光素子の発光効率を増大させることができる。
【００７２】このため、このような発光層を具える実用
的な半導体発光素子を提供することができ、前記複数の
島状結晶の大きさを適当な分布を持って形成することに
より、実用に足る白色発光の半導体発光素子を提供する
ことができる。
的な半導体発光素子を提供することができ、前記複数の
島状結晶の大きさを適当な分布を持って形成することに
より、実用に足る白色発光の半導体発光素子を提供する
ことができる。
【図１】 本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図
である。
である。
【図２】 本発明の半導体発光素子における発光層部分
を拡大して示す図である。
を拡大して示す図である。
【図３】 本発明の半導体発光素子における発光層部分
の他の例を拡大して示す図である。
の他の例を拡大して示す図である。
１ 基板、２ 下地層、３ 第１の導電層、４ 第１の
クラッド層、５ 発光層、６ 第２のクラッド層、７
第２の導電層、８，９ 電極、１２−１〜１２−５，１
３−１〜１３−５，１４−１〜１４−５，１５−１〜１
５−５ 島状結晶、１７，１８ 基層、２０ 半導体発
光素子
クラッド層、５ 発光層、６ 第２のクラッド層、７
第２の導電層、８，９ 電極、１２−１〜１２−５，１
３−１〜１３−５，１４−１〜１４−５，１５−１〜１
５−５ 島状結晶、１７，１８ 基層、２０ 半導体発
光素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 光浩 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 小田 修 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA40 CA05 CA34 CA40 CA65 CA74 CA82 CA92 CB28 CB29 5F045 AA04 AB09 AC08 AC12 AC15 AD16
Claims (17)
- 【請求項１】基板と、この基板上にＡｌを含む、Ｘ線ロ
ッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下の第１の窒
化物半導体からなる下地層と、この下地層上に形成され
たＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の
窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電
層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一
つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層
と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇ
ａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第４の窒化物半導
体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくと
も一つを含み、前記第３の窒化物半導体よりも面格子定
数の大きい第５の窒化物半導体からなる、それぞれが孤
立した複数の島状結晶を含んでなる発光層と、この発光
層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一
つを含む第６の窒化物半導体からなる第２のクラッド層
と、この第２のクラッド層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、
及びＩｎの少なくとも一つを含む第７の窒化物半導体か
らなる第２の導電層とを具え、 前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導
体のバンドギャップ、前記基層を構成する前記第４の窒
化物半導体のバンドギャップ、及び前記島状結晶を構成
する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップが、この
順に大きいことを特徴とする、半導体発光素子。 - 【請求項２】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
導体におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上であること
を特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項２に記
載の半導体発光素子。 - 【請求項４】前記第１の導電層を構成する前記第２の窒
化物半導体は、少なくともＡｌを含むことを特徴とす
る、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素
子。 - 【請求項５】前記第１の導電層を構成する前記第２の窒
化物半導体におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上であ
ることを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素
子。 - 【請求項６】前記第１の導電層を構成する前記第２の窒
化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項
５に記載の半導体発光素子。 - 【請求項７】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
導体は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃以上の温度で形
成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項８】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
導体は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の
温度で形成されたことを特徴とする、請求項７に記載の
半導体発光素子。 - 【請求項９】前記基板はサファイア単結晶基板からな
り、前記下地層は、前記サファイア単結晶基板の主面に
対して表面窒化処理が施されることにより形成された表
面窒化層を介して、前記サファイア単結晶基板の前記主
面上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜８
のいずれか一に記載の半導体発光素子。 - 【請求項１０】前記第１のクラッド層を構成する前記第
３の窒化物半導体の面内格子定数と、前記島状結晶を構
成する前記第５の窒化物半導体の面内格子定数との差
が、前記第３の窒化物半導体の面内格子定数を基準とし
て、０．４〜１４％でることを特徴とする、請求項１〜
９のいずれか一に記載の半導体発光素子。 - 【請求項１１】前記複数の島状結晶の大きさが一定の広
がり持って分布し、前記発光層全体として任意の色度の
光を生成することを特徴とする、請求項１〜１０のいず
れか一に記載の半導体発光素子。 - 【請求項１２】前記複数の島状結晶の底面の直径が５ｎ
ｍ〜３０ｎｍで分布し、前記複数の島状結晶のそれぞれ
が任意波長の光を発光し、前記発光層全体として白色光
を生成することを特徴とする、請求項１１に記載の半導
体発光素子。 - 【請求項１３】前記複数の島状結晶は、前記発光層を構
成する前記基層中において複数の段状に分布するととも
に、前記複数の島状結晶の大きさが一定の広がりを持っ
て分布し、前記発光層全体として任意の色度の光を生成
することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に
記載の半導体発光素子。 - 【請求項１４】前記発光層を構成する前記基層中の、前
記複数の段のそれぞれに位置する前記複数の島状結晶の
平均の大きさが、前記複数の段間において一定の広がり
を持って分布していることを特徴とする、請求項１３に
記載の半導体発光素子。 - 【請求項１５】前記発光層を構成する前記基層中の、前
記複数の段のそれぞれに位置する前記複数の島状結晶の
底面における平均直径が、前記複数の段間において５ｎ
ｍ〜３０ｎｍで分布しており、前記複数の段のそれぞれ
に位置する前記複数の島状結晶毎に任意波長の光を発
し、前記発光層全体として白色光を生成することを特徴
とする、請求項１４に記載の半導体発光素子。 - 【請求項１６】前記発光層を構成する前記基層中の、前
記複数の段のそれぞれに位置する前記複数の島状結晶の
大きさが、前記複数の段のそれぞれにおいて一定の広が
りを持って分布していることを特徴とする、請求項１３
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項１７】前記下地層を構成する前記第１の窒化物
半導体中のＡｌ含有量が、前記基板側から前記第１の導
電層に向かって連続的又はステップ状に減少しているこ
とを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一に記載の
半導体発光素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001321052A JP4063520B2 (ja) | 2000-11-30 | 2001-10-18 | 半導体発光素子 |
| US09/994,370 US6534795B2 (en) | 2000-11-30 | 2001-11-27 | Semiconductor light-emitting element |
| EP01128134A EP1211736A3 (en) | 2000-11-30 | 2001-11-27 | A semiconductor light-emitting element |
| US11/083,331 USRE40163E1 (en) | 2000-11-30 | 2005-03-17 | Semiconductor light-emitting element |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000364268 | 2000-11-30 | ||
| JP2000-364268 | 2000-11-30 | ||
| JP2001321052A JP4063520B2 (ja) | 2000-11-30 | 2001-10-18 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002232001A true JP2002232001A (ja) | 2002-08-16 |
| JP4063520B2 JP4063520B2 (ja) | 2008-03-19 |
Family
ID=26604895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001321052A Expired - Lifetime JP4063520B2 (ja) | 2000-11-30 | 2001-10-18 | 半導体発光素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6534795B2 (ja) |
| EP (1) | EP1211736A3 (ja) |
| JP (1) | JP4063520B2 (ja) |
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| JP2007019455A (ja) * | 2005-07-07 | 2007-01-25 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 白色発光素子 |
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