JP2002246642A - 窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物系化合物半導体発光素子

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JP2002246642A
JP2002246642A JP2001035170A JP2001035170A JP2002246642A JP 2002246642 A JP2002246642 A JP 2002246642A JP 2001035170 A JP2001035170 A JP 2001035170A JP 2001035170 A JP2001035170 A JP 2001035170A JP 2002246642 A JP2002246642 A JP 2002246642A
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semiconductor layer
semiconductor
emitting device
nitride
based compound
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JP2001035170A
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Masahiro Okuda
昌宏 奥田
Migaku Ezaki
琢 江崎
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えば、InxGa1-xNを発光活性層に持つ
発光素子においても、低いInの混晶比でも、長波長側
に大きく発光波長をシフトさせる事が可能になり、十分
な寿命を有し、且つ青色から赤色など幅広い波長領域に
おいて発光波長を選択することができる窒化物半導体発
光素子を提供すること。 【解決手段】 半導体絶縁性の基板101の上に、格子
緩和が十分生じる膜厚を有する第1の半導体層103が
積層され、103の上に第1の半導体よりもバンドギャ
ップが小さく、かつ、第1の半導体と格子整合しない第
2の半導体層104が積層され、104の上に電子およ
び正孔がトンネルできる十分、薄い第1の半導体と同じ
か、第1の半導体よりもバンドギャップの小さい第3の
半導体層105が積層していて、105の上部にpn接
合を形成する第4の半導体層106、第5の半導体層1
07が順次積層された構造を有する事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、LEDプリンターや、
照明、ディスプレイ等に用いられる発光素子、および、
発光装置に属し、詳しくは、少なくともGaとNを発光
活性層に含むIII−V族化合物半導体を用いた発光素
子および、発光装置に関し、さらに詳しくは、紫外から
赤外の広い波長領域に渡って発光する事の可能な発光素
子、および、発光装置にする。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム系半導体は、その光学遷移
が直接遷移型であるため高効率の発光再結合が可能であ
り、またその遷移エネルギーが2〜6.2eVと広い。
このため、短波長半導体レーザあるいは高輝度可視LE
Dは(light emitting diode)な
どの高効率発光素子あるいは半導体発光装置の材料とし
てその開発が行われている。
【0003】なお、本願において「窒化ガリウム系半導
体」とは、少なくとも発光活性層にGaとNの元素を含
む半導体として定義する。
【0004】ここで、最も良く用いられる窒化ガリウム
系半導体であるInxGal−xNはIn組成xを調節
することにより、バンドギャップエネルギーをGaNの
3.4eVからInNの2eVまで変えることができ
る。
【0005】このため、可視光の全ての波長帯をカバー
する発光素子用の活性層として用いることができる。
【0006】現在のところ、このInGaN混晶を発光
層としたLEDが実現され、また半導体レーザにおいて
も電流注入によるレーザ発振が実現されている。
【0007】しかし、InGaN混晶の問題点として、
結晶成長が困難とされるミスシビリティギャップの存在
がある。
【0008】このため、現在のところ実現されている可
視光LEDは、InGaN混晶発光層を薄膜化して歪み
格子系の接合を形成し、この格子歪エネルギーによって
得られる準安定領域を用いてその結晶成長を可能にして
いる。
【0009】しかしながら、このようにして成長した混
晶は、もともと不安定であるために、電流注入により発
生する熱やデバイスの使用環境条件などの影響を受けや
すく、これらが原因で特性劣化を起こしてしまうという
問題があった。
【0010】特に、緑色や黄色に対応する長波長の発光
素子では、In組成xが高い混晶が必要とされるが、結
晶の安定性はIn組成の増加と共に低下していく。
【0011】従って、従来はこれらの混晶系を用いた半
導体発光素子において、高出力と長寿命とを実現するこ
とが困難であった。
【0012】これに対して、アプライド・フィジクス・
レターズvol.75,No.7,p.962にGaN
の量子ドットを形成して、この量子ドットのサイズを変
える事により、青色から赤色の発光、さらにこれらを組
み合わせることにより、白色の発光を得た実験結果が示
されている。
【0013】この例では、まず、Si(111)基板を
用い、この上に厚く(0.3μm)AlNをエピタキシ
ャル成長する事により、完全に格子の緩和されたAlN
層を形成する。
【0014】この次に、GaNを数モノレイヤー分を堆
積した後に、30秒程度、成長中断して、AlNの上に
GaNの3次元的な島を形成する事により、量子ドット
を形成している。
【0015】さらに、この後、このGaNの3次元的に
成長した島の上に300ÅのAlNを積層している。
【0016】このような構成において、この従来例で
は、GaNの堆積する膜厚を4モノレイヤから12モノ
レイヤに制御して成長する事により、青色から赤色まで
発光する活性層を作る事に成功し、フォトルミネッセン
スによって実験的に、可視光の全領域に渡って発光する
事を確かめている。
【0017】なお、この従来例においては、AlNに挟
まれたGaNのドットから発光する光の波長がバルクの
GaNの発光波長よりも長くなるのは、AlNに挟まれ
たGaNが格子不整合から生じる大きな歪みを受けてい
るため、ピエゾエレクトリック効果により、非常に強い
ビルトイン電界(約5.5MV/cm)を受け、QCS
E(Quantum Confined Stark
Effect)により、発光波長が長波長側にシフトし
たためと説明されている。
【0018】したがって、この場合、このような発光素
子が実現されるための条件としては、l)AlNが完全
に格子緩和している事。2)このAlN上のGaNが3
次元成長して量子ドットを形成している事。3)AlN
上のGaNが格子緩和せずに、歪みを受ける事。が必須
となる。
【0019】このため、この従来例では、2)と3)の
条件を満たすため、GaNの膜厚は格子不整合系の結晶
成長において、レイヤ・バイ・レイヤの成長から、3次
元成長に移る膜厚である4モノレイヤ以上とし、AlN
上のGaNの臨界膜厚である12モノレイヤ以下の膜厚
の間で、GaNの量子ドットのサイズを調整している。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例では、制御された青色から赤色の発光は、フォト
ルミネッセンスのみによって確認されていた。
【0021】これを発光素子として実現するためには、
電流に注入を行って、活性層となる量子ドットに電荷を
注入する必要がある。
【0022】ところがこの従来例の構成では、量子ドッ
トを挟むAlN層のバンドギャップが6.2eVと非常
に大きいため、トンネル効果を使わない限り、室温で
は、電流注入が難しい。
【0023】また、トンネル効果を使うと仮定しても、
そのためには、AlN層の厚さを非常に薄く、たとえ
ば、1nm程度以下にしなければならないが、AlN層
の厚さをこのように薄くすると、臨界膜厚よりも薄くな
るので、AlN層が完全に格子緩和しなくなり、AlN
特有の格子定数を持つ事ができなくなる。このために、
この上に積層するGaNの格子定数は、逆に、本来のG
aNの格子定数の値に近くなり、おおきなピエゾ電界を
生じさせることができなくなってしまう。なお、臨界膜
厚とはある格子定数を持つ基板の上に別の格子定数を持
つ材料をエピタキシャル成長させたとき、前記材料にお
いて、格子緩和が起こらない最大膜厚である。
【0024】つまり、発光波長をバルクのGaNのもの
から大きく変化させる事はできない。したがって、従来
型のLEDの構成では、電流を注入して、かつ、大きな
ピエゾ電界を発光活性層に印加することはできなかっ
た。
【0025】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のである。
【0026】すなわち、その目的は、ピエゾ電界を発光
活性層に印加することによって、発光波長をバルクのバ
ンド端波長から大きく変化させる発光素子において、電
流注入によって発光させる構造を提供する事にある。
【0027】さらにこのような構造を用いる事によっ
て、例えば、InxGal-xNを発光活性層に持つ発光素
子において、低いInの混晶比でも、長波長側に大きく
発光波長をシフトさせる事ができるようになる。
【0028】このため、十分な寿命を有し、且つ青色か
ら赤色など幅広い波長領域において発光波長を選択する
ことができる半導体発光素子および半導体発光装置を提
供することができる。
【0029】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明では、少なくともGa及びNを元素として含
む窒化ガリウム系の化合物半導体発光素子において、半
導体、或は、絶縁性の基板の上に、格子緩和が十分生じ
る程度の厚い膜厚を有する第1の半導体層が積層され、
該第1の半導体層の上に該第1の半導体よりもバンドギ
ャップが小さく、かつ、第1の半導体と格子整合しない
第2の半導体層が積層され、さらに、該第2の半導体層
の上に電子および正孔がトンネルできる十分、薄い第1
の半導体層と同じか、あるいは、第1の半導体よりもバ
ンドギャップの小さい第3の半導体層が積層していて、
さらに、該第3の半導体層の上部に互いにpn接合を形
成する第4の半導体層、第5の半導体層が順次、積層さ
れた構造を用いる事により、上記の課題は解決される。
【0030】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、少なくともGa及びNを元素として含む窒化ガリウ
ム系の化合物半導体発光素子において、半導体、或は、
絶縁性の基板の上に、臨界膜厚以上の膜厚を有する第1
の半導体層が積層され、該第1の半導体層の上に該第1
の半導体よりもバンドギャップが小さく、かつ、第1の
半導体と格子整合しない第2の半導体層が積層され、さ
らに、該第2の半導体層の上に電子および正孔がトンネ
ルできる十分薄い第3の半導体層が積層していている事
を特徴とする。
【0031】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の
製造方法は、Ga及びNを元素として含む窒化ガリウム
系の化合物半導体発光素子の製造方法において、半導
体、或は、絶縁性の基板の上に、臨界膜厚以上の膜厚を
有する第1の半導体層が積層する工程、該第1の半導体
層の上に該第1の半導体よりもバンドギャップが小さ
く、かつ、第1の半導体と格子整合しない第2の半導体
層が積層Rこいていする工程、及び該第2の半導体層の
上に電子および正孔がトンネルできるに十分薄い第3の
半導体層を積層する工程を有することを特徴とする。
【0032】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
説明する。
【0033】図1は本発明の好適な実施の形態としての
発光素子の構造を示す模式的断面図である。この図にお
いて、101は基板、102は結晶性を良好に保つため
のバッファ層、103はバンドギャップ幅の広い第1の
半導体層、104は103と格子整合せず、かつ、第1
の半導体層103よりも狭いバンドギャップ幅をもつ発
光活性層(第2の半導体層)、105は第1の半導体層
とほぼ同じ材料から成る層、106は第1の導電型を持
ち、104と同じか、それよりもバンドギャップの広い
層、107は第2の導電型を持ち、106と同じか、そ
れよりもバンドギャップの広い層、108は第2の導電
型を持つオーミック電極のためのコンタクト層、109
は第1の導電型のオーミック電極、110は第2の導電
型のオーミック電極である。
【0034】本発明において、101は少なくともGa
とNを元素として含む半導体をエピタキシャル成長させ
るための基板であり、絶縁性基板であっても導電性の基
板であっても構わない。
【0035】さらに詳しくは、良質のGaNを結晶成長
させるための基板であり、配向性の良いGaN結晶が成
長できれば、その材質等は、特に問わない。通常のLE
Dを作製できている実績のあるサファイヤや、炭化シリ
コンが望ましい。また、近年、その上に良質のGaN結
晶ができるようになってきたシリコンや、ガリウム砒
素、あるいは、MgAlO4、LiGaO2、LiAlO
2などでも構わない。
【0036】102は基板101上に良質の第1の半導
体層103を積層するためのバッファ層であり、その構
成も特に問わないが、InxAlyGa1-x-yNから成る
層をGaN、あるいはAlNをミクロンオーダーで積層
したり、InxAlyGa1-x- yNにより構成される超格
子バッファ層を積層したりする事により作製される。
【0037】発光活性層104(第2の半導体層)の構
成は、第1の半導体層103と組み合わせて、巨大なピ
エゾ電界が加わる構成であれば、特に限定されるもので
はないが、基本的にInxAlyGal-x-yNをInx〓
y〓Ga1-x〓-y〓N上に積層した構成(ただし、(0
≦x、x′≦1, 0≦y, y′≦1, 0≦x+
y,x′+y′≦1))を持つものである。
【0038】この時の構成Inの混晶比xが大きく、A
lの混晶比y′が大きい程、ピエゾエレクトリック効果
により発光活性層104に印加されるビルトイン電界は
巨大になるが、その代わり、格子不整合の大きさが大き
くなるので、臨界膜厚が小さくなり、広い幅の量子井戸
あるいは、量子箱構造を作ることができなくなる。
【0039】 この結果として、狭い井戸幅の量子構造
を作らざるを得なくなるが、このようにすると、QCS
Eによる発光波長のシフトは小さくなってしまう。
【0040】従って、可視光全領域に渡って、発光する
発光素子を設計する場合、Inの混晶比xとAlの混晶
比には適当な制限が生ずる。
【0041】本発明においては、第1の半導体層103
と発光活性層(第2の半導体層)104の格子不整合の
大きさは、10%以内、好ましくは、5%以内、より、
好ましくは2.5%以内に設定すると良い。
【0042】第1の半導体層103の厚さは格子緩和が
十分生じる程度の厚さであり、第1の半導体と第2の半
導体との格子定数により異なるが、例えばAlNの上に
GaNを積層した場合は、1nm以上が好ましく10nm
以上がより好ましい。上限としては特に無いが、製造コ
スト上からは、1ミクロンより薄くするのが好ましい。
【0043】さて、次に、本発明の発光素子における動
作原理について説明する。ここで、発光活性層104に
GaNの量子箱、バンドギャップ幅の広い第1の半導体
層103にAlNを使用した例について説明する。
【0044】いま、第3の半導体層105がAlN、第
4の半導体層106がp−Al0.1Ga0.9Nであると
し、第5の半導体層107がn−Al0.15Ga0.85Nで
あるとする。
【0045】この時のバンド構造は電極109と電極1
10に順バイアスをかけた状態で、図2のようになる。
【0046】図2において、(a)は量子箱104が存
在しない部分(図1のAA〓断面)のバンド構造であ
り、(b)は量子箱104が存在する部分(図1のBB
〓断面)のバンド構造である。
【0047】この図のように、不図示の電源より電極1
09に正電圧を印加し、電極110に負電圧を印加する
と、第5の半導体層107から電子が第4の半導体層1
06に少数キャリアとして注入される。
【0048】この電子は、層106の厚さHが、薄けれ
ば、拡散によって、層105を形成するAlNとの境界
付近まで移動する。
【0049】ここで、さらに、第3の半導体層105の
厚さを電子及び正孔がトンネルできるだけ充分薄く設計
すれば、この電子は、第5の半導体層105をトンネリ
ングによって通過し、発光活性層となる量子箱104に
注入される事になる。
【0050】ここで、層106と層107を順バイアス
する事により、注入された電子が、効率良く発光活性層
104に到達するための条件は、以上の考察により、以
下のように表される。 H<(Dτl1/2 (1) τt<τl (2)
【0051】ここで、Hは第4の半導体層106の厚
さ、Dは層106での少数キャリアの拡散定数、τl
層106での少数キャリアのライフタイム、τminは層
105を通して発光活性層104に少数キャリアがトン
ネリングする事などによって、発光活性層に移動する時
間である。
【0052】さらに、発光活性層104での発光が、効
率良く行われる為には、以下の条件が加わる事が望まし
い。 Nmin/τmin<Nr/τr (3)
【0053】ここで、Nminは層106中での少数キャ
リアの数、Nrは発光活性層104中での少数キャリア
数、τrは発光活性層中での発光ライフタイムである。
【0054】また、層105は多数キャリアがトンネリ
ングなどによって発光活性層に移動する時間τmajに対
して、以下の条件に設定する事が望ましい。 Nmaj/τmay<Nr/τr (4)
【0055】ここで、Nmajは層106中での多数キャ
リアの数である。以上、説明したように、本発明によれ
ば、層105を電子や正孔がトンネリングできる程度に
薄く設定すれば、どちらのキャリアもこの薄いバリアを
通過させる事ができるので、発光活性層104に歪みを
生じさせたまま、発光活性層に電子と正孔を同時に注入
でき、InxGa1-xNを発光活性層に使う場合において
も、比較的低いInの混晶比、場合によっては、上記の
ようにInを全く含まない場合でも、巨大なピエゾ電界
効果によるQCSEにより、可視光全領域、特に、波長
の長い赤色の発光を電流注入により容易に実現できるよ
うになる。具体的な厚みとしては0.3nm〜10nm
が好ましく1nm〜3nmがより好ましい。
【0056】なお、本説明では、層106をp型、層1
07をn型の半導体として、説明したが、層106をn
型、層107をp型の半導体として、上記とは逆方向に
電圧を印加して、正孔を層106に注入する事にしても
同様に、電流注入型の発光素子が実現される。
【0057】また、上記と、成長する結晶の方位が逆で
も、つまり、窒化ガリウム系の半導体のc軸の方位が
(0001)面でも、(000−1)面でも発光活性層
に印加される電界の向きが逆方向になる以外はほとんど
同一の機構により、可視光前領域にわたる発光が得られ
る。
【0058】また、上記の説明では層105はそのバン
ドギャップが層103と同じであるとして説明したが、
本発明はこれに限るものではなく、このバンドギャップ
の大きさは層106と同じか或は、層104と層103
の中間のバンドギャップを持っている構成としても良
い。
【0059】さらに、上記の説明では、層104は層1
05を介して層106と隣接されていたが、層104が
厚さに揺らぎをもっていて、且つ、層104の一部が層
105を介さずに、直接層106と接している構成にし
ても良い。第2の半導体層104が厚さに揺らぎをもつ
場合、電子及び正孔が膜厚の厚い場所に集中して、量子
ドット構造が形成されるため、発光効率の向上が得られ
るという利点がある。
【0060】
【実施例】(実施例1)本発明の実施例1の発光素子は
図1に示すものと同様の構造を持つので、図1を用いて
説明する。
【0061】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0062】2インチのc面((0001)面)のサフ
ァイア基板をH3SO4:HPO4=3:1の溶液にて、
洗浄を行った後に、この基板の裏面をMoでメタライジ
ングし、MBE(Molecular Beam Ep
itaxy)装置の中にセットした。
【0063】この後、準備室で400℃で加熱した後、
成長室に搬送した。
【0064】成長前に、RF(Radio Frequ
aency)プラズマセルを用いて、純化器により、純
化された窒素ガスを供給して、窒素ラジカルを生成し
た。次に、この窒素ラジカルを基板温度300℃に保っ
たサファイア基板に1sccm供給し、200WのRF
電力をプラズマセルに印加して、30分間窒素ラジカル
を照射した。
【0065】この工程により、サファイア基板の表面を
窒化した。
【0066】次に、基板温度500℃において、この表
面にAlNの層20nmを積層した。なお、Alはクヌ
ードセンセルにより金属アルミニウムを加熱して、アル
ミニウムの分子線を窒素ラジカルと同時に照射する事に
より行った。
【0067】次に、基板温度を820℃に上昇させ、G
aN層102を1μm積層した。なお、Gaは、クヌー
ドセンセルにより金属ガリウムを加熱して、ガリウムの
分子線を窒素ラジカルと同時に照射すする事により行っ
た。以上の工程により、AlN/GaNバッファ層10
2を作製した。
【0068】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection High Energy
Electron Diffractio)のパターン
は、Ga面が得られている事を示す(2X2)構造が確
認され、さらに、平坦面が得られている事を示すストリ
ークなパターンが得られた。
【0069】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0070】さらに、この次に、AlN(第1の半導体
層)103を200nm積層した。
【0071】この時、AlNの成長開始直後のRHEE
Dパターンは、一瞬、スポットライクになった後に、回
折線の間隔が広がって、さらにストリークなパターンに
回復した。
【0072】200nm積層した後は、完全にAlNの
格子間隔を反映した、RHEEDのの回折パターンの間
隔が確認された。
【0073】この次に、GaN層(第2の半導体)を積
層した。本実施例では、まず、GaNを積層する時のR
HEEDパターンの変化の様子を確認した。
【0074】この実験においては、窒素プラズマセルは
窒素流量0.5sccm、RF電力150Wの条件で行
い、0.3ML/sec程度の成長レートを保った。
【0075】この時のRHEEDパターンの変化の様子
を図3に示す。
【0076】GaNを成長して15秒程度の間はRHE
EDパターンはストリークのままで、大きな変化は無か
ったが、その後、スポットパターンに変化し始めた。
【0077】さらにGaNの成長を続けると、RHEE
Dパターンは、スポットライクなままで、GaNが本来
持っている格子定数に対応した回折パターン間の間隔に
なるように変化し始めた。その後、次第に、RHEED
パターンはスポットからストリークパターンに変化し
た。
【0078】次に、同じ工程を用いて、5枚のサファイ
ア基板上に各々、膜厚の異なるGaNの数モノレイヤの
発光活性層104を積層した。
【0079】それぞれのGaNの成長時間を10秒、2
0秒、30秒、40秒、50秒とし、これらのサンプル
を、各々、順にA、B、C、D、Eとした。
【0080】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、AlNを成長した。この時の成長レ
ートもGaNを成長する時の成長レートとほぼ、同程度
に保った。
【0081】この後、p−Al0.1Ga0.9N層106、
n−Al0.15Ga0.85N層107、n型のGaN層10
8を順次、積層した。
【0082】なお、ドーパントには各々、MgとSiを
用いた。
【0083】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、次のような工
程で発光素子を作製した。 1)n型GaN層108の上にフォトレジストで所定の
パターンを作成する。 2)n型GaN層108の一部をp型AlGaN層10
6が露出するまでエッチングする。3)エッチング終了
後レジストを剥離し、再び、フォトレジストを用いて所
定のパターンに露光する事により、電極109、110
のパターンを作成する。 4)n型GaN層108にはAlを蒸着し、p型AlG
aN層106にはNiを蒸着して、それぞれn型オーミ
ック電極110、p型オーミック電極109とする。な
お、本実施例においては、107、108は同心円状に
エッチングし、p型オーミック電極109はこの同心円
を取り囲むようにリング状に形成し、n型オーミック電
極110はこの同心円の頂上にリング状に形成する。同
心円の直径は300μm、電極の幅は100μmとし
た。 5)電極をアニールする事により、オーミック化する。
【0084】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して1nm/cm2
の電流を流したところ、発光が確認された。
【0085】この発光のスペクトルを調べたところ、A
のサンプルはGaNのバンド端からの発光にほぼ等しい
365nmにピークを持つ発光が、Bのサンプルは、4
30nmにピークを持つ発光、Cのサンプルは、510
nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは560nmに
ピークを持つ発光、Eのサンプルは600nmにピーク
を持つ発光が得られた。
【0086】さらに流す電流を増したところ、各々の発
光波長は短波長側にシフトした。
【0087】(実施例2)本発明の実施例2の発光素子
も図1に示すものと同様の構造を持つので、図1を用い
て説明する。
【0088】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0089】2インチの(111)面のシリコン基板
を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%のHF溶液に
ディッピングして、酸化膜の除去を行った後に、MBE
装置の中にセットした。
【0090】この後、準備室で400℃、2時間の加熱
を施した後、成長室に搬送した。
【0091】成長前に、(111)Si基板の温度を9
00℃に上昇させ、その後、基板温度を800℃に下降
させる事により。RHEEDにて、清浄な原子面である
(7X7)のパターンを確認した。
【0092】その後、RF(Radio Frequa
ency)プラズマセルを用いて、純化器により、純化
された窒素ガスを供給して、RF電力を供給する事によ
り、窒素ラジカルを生成した。
【0093】次に、基板温度800℃において、Si表
面にまず、Alを供給し、次にAlと窒素ラジカルを同
時に供給する事により、Si表面にAlNの20nmの
バッファー層を積層した。なお、第1の実施例と同様に
Alはクヌードセンセルにより金属アルミニウムを加熱
して、アルミニウムの分子線を窒素ラジカルと同時に照
射する事により行った。
【0094】次に、同じ基板温度において、GaN層1
02を1μm積層した。なお、Gaも第1の実施例と同
じく、クヌードセンセルにより金属ガリウムを加熱し
て、ガリウムの分子線を窒素ラジカルと同時に照射する
事により、行った。
【0095】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection High Energy
Electron Diffraction)のパター
ンは、(2X2)構造が確認され、さらに、ストリーク
なパターンが得られた。
【0096】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0097】さらに、この次に、AlN層103を20
0nm積層した。
【0098】この時、AlNの成長開始直後のRHEE
Dパターンは、一瞬、スポットライクになった後に、回
折線の間隔が広がって、さらにストリークなパターンに
回復した。
【0099】200nm積層した後は、完全にAlNの
格子間隔を反映した、RHEEDのパターンになった。
【0100】この次に、実施例1と同じく、AlN上の
GaNのRHEEDパターンと膜厚(成長時間)との関
係を調べた、同様の結果を確認した後、同じ工程を用い
て、5枚のSi(111)基板上にGaNのそれぞれ膜
厚の異なる数モノレイヤの発光活性層104を積層し
た。
【0101】それぞれのGaNの成長時間を10秒、2
0秒、30秒、40秒、50秒とし、これらのサンプル
を、各々、順にA、B、C、D、Eとした。
【0102】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、AlNを成長した。この時の成長レ
ートもGaNを成長する時の成長レートとほぼ、同程度
に保った。
【0103】この後、p−Al0.1Ga0.9N層106、
n−Al0.15Ga0.85N層107、n型のGaN層10
8を順次積層した。
【0104】なお、ドーパントには各々、MgとSiを
用いた。
【0105】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、次のような工
程で発光素子を作製した。 1)n型GaN層108の上にフォトレジストで所定の
パターンを作成する。 2)n型GaN層108の一部をp型AlGaN層10
6が露出するまでエッチングする。 3)エッチング終了後レジストを剥離し、再び、フォト
レジストを用いて所定のパターンに露光する事により、
電極109、110のパターンを作成する。 4)n型GaN層108にはAlを蒸着し、p型AlG
aN層106にはNiを蒸着して、それぞれn型オーミ
ック電極110、p型オーミック電極109とする。な
お、本実施例においては、107、108は同心円状に
エッチングし、p型オーミック電極109はこの同心円
を取り囲むようにリング状に形成し、n型オーミック電
極110はこの同心円の頂上にリング状に形成する。同
心円の直径は300μm、電極の幅は100μmとして
いる。 5)電極をアニールする事により、オーミック化する。
【0106】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して電流を流したと
ころ、発光が確認された。
【0107】この発光のスぺクトルを調べたところ、A
のサンプルはGaNのバンド端にからの発光にほぼ等し
い365nmにピークを持つ発光が、Bのサンプルは、
430nmにピークを持つ発光、Cのサンプルは、51
0nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは560nm
にピークを持つ発光、Eのサンプルは600nmにピー
クを持つ発光が得られた。
【0108】(実施例3)本発明の実施例3の発光素子
を図4に示す。
【0109】この図において、401は基板、402は
結晶性を良好に保つためのバッファ層、403はバンド
ギャップ幅の広い第1の半導体層、404は403と格
子整合せず、かつ、403よりも狭いバンドギャップ幅
をもつの発光活性層、405は第1の半導体層とほぼ同
じ材料から成る層、406は第1の導電型を持ち、40
4と同じか、それよりもバンドギャップの広い層、40
7は第2の導電型を持ち、406と同じか、それよりも
バンドギャップの広い層、408は第2の導電型を持つ
オーミック電極のためのコンタクト層、409は第1の
導電型のオーミック電極、410は第2の導電型のオー
ミック電極である。
【0110】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0111】2インチの(111)面のシリコン基板
を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%0のHF溶液
にて、ディッピングして、酸化膜の除去を行った後に、
MBE装置の中にセットした。
【0112】この後、準備室で400℃、2時間の加熱
を施した後、成長室に搬送した。成長前に、(111)
Si基板の温度を900℃に上昇させ、その後、基板温
度を800℃に下降させる事により、RHEEDにて、
清浄な原子面である(7X7)のパターンを確認した。
【0113】次に、基板温度800℃において、Si表
面にまず、Alを供給し、次にAlとNH3を同時に供
給する事により、Si表面にAlNの20nmのバッフ
ァー層を積層した。なお、第1の実施例と同様にAlは
クヌードセンセルにより金属アルミニウムを加熱して、
アルミニウムの分子線を照射する事により行ったが、本
実施例では、窒素の供給源としてアンモニアを用いた。
【0114】次に、同じ基板温度において、GaN層1
02を1μm積層した。なお、Gaも第1の実施例と同
じく、クヌードセンセルにより金属ガリウムを加熱し
て、ガリウムの分子線をアンモニアと同時に照射する事
により、行った。
【0115】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection High Energy
Electron Diffraction)のパター
ンは、(2X2)構造が確認され、さらに、ストリーク
なパターンが得られた。
【0116】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0117】さらに、この次に、AlN層403を20
0nm積層した。
【0118】この時、AlNの成長開始直後のRHEE
Dパターンは、一瞬、スポットライクになった後に、回
折線の間隔が広がって、さらにストリークなパターンに
回復した。
【0119】200nm積層した後は、完全にAlNの
格子間隔を反映した、RHEEDのパターンになった。
【0120】この次に、実施例1と同じく、AlN上の
GaNのRHEEDパターンと膜厚(成長時間)との関
係を調べた、同様の結果を確認した後、同じ工程を用い
て、5枚のSi(111)基板上にそれぞれ膜厚の異な
るGaNの数モノレイヤの発光活性層104を積層し
た。それぞれのGaNの成長時間を10秒、20秒、3
0秒、40秒、50秒とし、これらのサンプルを、各
々、順にA、B、C、D、Eとした。
【0121】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、AlNを成長した。この時の成長レ
ートもGaNを成長する時の成長レートとほぼ、同程度
に保った。
【0122】なお、この時、第1の実施例と異なるの
は、この時のAlNの膜厚を非常に薄くして、発光活性
層104がすべてAlNによって覆われないようにした
事である。
【0123】この後、p−Al0.1Ga0.9N層106、
n−Al0.15Ga0.85N層107、n型のGaN層10
8を順次、積層した。
【0124】なお、ドーパントには各々、MgとSiを
用いた。
【0125】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、実施例1と同
様の方法で発光素子を作製した。
【0126】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して電流を流したと
ころ、発光が確認された。
【0127】この発光のスペクトルを調べたところ、A
のサンプルはGaNのバンド端にからの発光にほぼ等し
い365nmにピークを持つ発光が、Bのサンプルは、
430nmにピークを持つ発光、Cのサンプルは、51
0nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは560nm
にピークを持つ発光、Eのサンプルは600nmにピー
クを持つ発光が得られた。
【0128】(実施例4)本発明の実施例4の発光素子
は図1に示すものと同様の構造を持つので、図1を用い
て説明する。
【0129】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0130】2インチの(111)面のシリコン基板
を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%0のHF溶液
にて、ディッピングして、酸化膜の除去を行った後に、
MOCVD(Metal Organic Chemi
cal Vapor Deposition)装置の中
にセットした。
【0131】次に、成長室を1100℃まで、昇温した
後、水素雰囲気で熱処理を行い、シリコン基板の表面の
酸化膜を完全に除去するとともに、表面を原子層オーダ
ーで平坦化した。
【0132】その後、1100℃に保ったまま、トリメ
チルアルミニウム(TMA)とアンモニア(NH3)を
供給し、AlNを50nm成長した。
【0133】続いて、1080℃まで降温し、TMAと
トリメチルガリウム(TMG)の混合気体とNH3を供
給して、Al0.25Ga0.75Nを200nm結晶成長し
た。
【0134】さらに、基板温度を1080℃に保ったま
ま、GaN層102を1μm積層した。
【0135】さらに、この次に、AlN層103を20
0nm積層した。
【0136】この次に、この上にGaNを積層した。
【0137】これには、同じ工程を用いて、5枚のシリ
コン基板上にGaNの各々膜厚の異なる数モノレイヤの
発光活性層104を積層した。
【0138】それぞれのGaNの膜厚を3モノレイヤ、
5モノレイヤ、8モノレイヤ、11モノレイヤ、4モノ
レイヤとし、これらを、各々、順にA、B、C、D、E
とした。
【0139】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、AlNを成長した。
【0140】この後、p−Al0.1Ga0.9N層106、
n−Al0.15Ga0.85N層107、n型のGaN層10
8を順次、積層した。
【0141】なお、ドーパントには各々、ビスシクロペ
ンタデイエニルマグネシウム(Cp2Mg)によって供
給されたMgとSiH4によって供給されたSiを用い
た。
【0142】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、実施例1と同
様の方法で発光素子を作製した。
【0143】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して電流を流したと
ころ、発光が確認された。
【0144】この発光のスペクトルを調べたところ、A
のサンプルはGaNのバンド端にからの発光にほぼ等し
い365nmにピークを持つ発光が、Bのサンプルは、
430nmにピークを持つ発光、Cのサンプルは、51
0nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは560nm
にピークを持つ発光、Eのサンプルは600nmにピー
クを持つ発光が得られた。
【0145】(実施例5)本発明の実施例5の発光素子
は図1に示すものと同様の構造を持つので、図1を用い
て説明する。
【0146】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0147】2インチの(111)面のシリコン基板
を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%のHF溶液に
て、ディッピングして、酸化膜の除去を行った後に、M
BE装置の中にセットした。
【0148】この後、準備室で400℃、2時間の加熱
を施した後、成長室に搬送した。
【0149】成長前に、(111)Si基板の温度を9
00℃に上昇させ、その後、基板温度を800℃に下降
させる事により、RHEEDにて、清浄な原子面である
(7X7)のパターンを確認した。
【0150】その後、RF(Radio Frequa
ency)プラズマセルを用いて、純化器により、純化
された窒素ガスを供給して、RF電力を供給する事によ
り、窒素ラジカルを生成した。
【0151】次に、基板温度800℃において、Si表
面にまず、Alを供給し、次にAlと窒素ラジカルを同
時に供給する事により、Si表面にAlNの20nmの
バッファー層を積層した。なお、第1の実施例と同様に
Alはクヌードセンセルにより金属アルミニウムを加熱
して、アルミニウムの分子線を窒素ラジカルと同時に照
射する事により行った。
【0152】次に、同じ基板温度において、GaN層1
02を1μm積層した。なお、Gaも第1の実施例と同
じく、クヌードセンセルにより金属ガリウムを加熱し
て、ガリウムの分子線を窒素ラジカルと同時に照射する
事により行った。
【0153】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection High Energy
Electron Dffraction)のパターン
は、(2X2)構造が確認され、さらに、ストリークな
パターンが得られた。
【0154】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0155】さらに、この次に、Al0.15Ga0.85N層
103を200nm積層した。
【0156】この時、Al0.15Ga0.85Nの成長開始直
後のRHEEDパターンは、一瞬、スポットライクにな
った後に、回折線の間隔が広がって、さらにストリーク
なパターンに回復した。
【0157】200nm積層した後は、完全にAl0.15
Ga0.85Nの格子間隔を反映した、RHEEDのパター
ンになった。
【0158】この次に、実施例1と同じく、Al0.15
0.85N上のIn0.2Ga0.8NのRHEEDパターンと
膜厚(成長時間)との関係を調る同様の結果を確認した
後、同じ工程を用いて、5枚のSi(111)基板上に
各々膜厚の異なるIn0.2Ga0.8Nの数モノレイヤの発
光活性層104を積層した。
【0159】それぞれのIn0.2Ga0.8Nの膜厚を3モ
ノレイヤ、5モノレイヤ、8モノレイヤ、11モノレイ
ヤ、14モノレイヤとし。これらを、各々、順にA、
B、C、D、Eとする。
【0160】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、Al0.15Ga0.8 5Nを成長した。こ
の時の成長レートもIn0.2Ga0.8Nを成長する時の成
長レートとほぼ、同程度に保った。
【0161】この後、GaN層106、n−Al0.05
0.95N層107、n型のGaN層108を順次、積層
した。なお、ドーパントには各々、MgとSiを用い
た。
【0162】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、第1の実施例
と同様な工程で発光素子を作製した。
【0163】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して電流を流したと
ころ、発光が確認された。
【0164】この発光のスペクトルを調べたところ、A
のサンプル420nmにピークを持つ発光が、Bのサン
プルは、480nmにピークを持つ発光、Cのサンプル
は、560nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは6
10nmにピークを持つ発光、Eのサンプルは650n
mにピークを持つ発光が得られた。
【0165】(実施例6)本発明の実施例5の発光素子
も図4に示すものと同様の構造を持つので、図4を用い
て説明する。
【0166】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0167】2インチの(111)面のシリコン基板
を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%のHF溶液に
て、ディッピングして、酸化膜の除去を行った後に、M
BE装置の中にセットした。
【0168】この後、準備室で400℃、2時間の加熱
を施した後、成長室に搬送した。
【0169】成長前に、(111)Si基板の温度を9
00℃に上昇させ、その後、基板温度を800℃に下降
させる事により、RHEEDにて、清浄な原子面である
(7X7)のパターンを確認した。
【0170】その後、RF(Radio Frequa
ency)プラズマセルを用いて、純化器により、純化
された窒素ガスを供給して、RF電力を供給する事によ
り、窒素ラジカルを生成した。
【0171】次に、基板温度800℃において、Si表
面にまず、Alを供給し、次にAlと窒素ラジカルを同
時に供給する事により、Si表面にAlNの20nmの
バッファー層を積層した。なお、第1の実施例と同様に
Alはクヌードセンセルにより金属アルミニウムを加熱
して、アルミニウムの分子線を照射する事により行っ
た。
【0172】次に、同じ基板温度において、GaN層1
02を1μm積層した。なお、Gaも第1の実施例と同
じく、クヌードセンセルにより金属ガリウムを加熱し
て、ガリウムの分子線を照射する事により、行った。
【0173】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection Higl Energy
Electron Diffraction)のパター
ンは、(2X2)構造が確認され、さらに、ストリーク
なパターンが得られた。
【0174】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0175】さらに、この次に、GaN層403を20
0nm積層した。
【0176】この次に、実施例1と同じように、GaN
上のIn0.4Ga0.6NのRHEEDパターンと膜厚(成
長時間)との関係を調べた。第1の実施例と同様の結果
を確認した後、同じ工程を用いて、5枚のSi(11
1)基板上にそれぞれ膜厚の異なるIn0.4Ga0.6Nの
数モノレイヤの発光活性層404を積層した。
【0177】それぞれのIn0.4Ga0.6Nの膜厚を3モ
ノレイヤ、5モノレイヤ、8モノレイヤ、11モノレイ
ヤ、14モノレイヤとし。これらを、各々、順にA、
B、C、D、Eとする。
【0178】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、GaNを成長した。この時の成長レ
ートもIn0.4Ga0.6Nを成長する時の成長レートとほ
ぼ、同程度に保った。
【0179】なお、この時、In0.4Ga0.6Nの膜厚を
非常に薄くして、発光活性層404がすべてIn0.4
0.6Nによって覆われないようにした事である。
【0180】この後、In0.05Ga0.95N層406、n
−Al0.05Ga0.95N層407、n型のGaN層408
を順次、積層した。
【0181】なお、ドーパントには各々、MgとSiを
用いた。
【0182】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、第1の実施例
と同様な工程で発光素子を作製した。
【0183】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源により、順方向に電圧を印加して電流を流したと
ころ、発光が確認された。
【0184】この発光のスペクトルを調べたところ、A
のサンプル440nmにピークを持つ発光が、Bのサン
プルは、500nmにピークを持つ発光、Cのサンプル
は、580nmにピークを持つ発光、Dのサンプルは6
30nmにピークを持つ発光、Eのサンプルは670n
mにピークを持つ発光が得られた。
【0185】(実施例7)本発明の実施例7の発光素子
を表す概略構成図を図6に示す。
【0186】この図において、601はn−型の導電型
を有する基板、602はn−型の半導体層、603は真
性導電型で、バンドギャップの広い半導体層、604は
606は603と格子整合せず、かつ、603よりも狭
いバンドギャップ幅の量子箱列から成る発光活性層、6
05は第1の半導体層とほぼ同じ材料から成る層、60
6はp−型の導電型を持ち、604と同じか、それより
もバンドギャップの広い層、607はn−型の導電型を
持ち、606と同じか、それよりもバンドギャップの広
い層、608はn−型の導電型を持つオーミック電極の
ためのコンタクト層、609はp−型の導電型のオーミ
ック電極、610、611はn−型の導電型のオーミッ
ク電極である。
【0187】この発光素子を作製するために、以下のよ
うな工程にしたがった。
【0188】2インチのn−型の(111)面のシリコ
ン基板を、アセトン、アルコールで洗浄後、5%のHF
溶液にて、ディッピングして、酸化膜の除去を行った後
に、MBE装置の中にセットした。
【0189】この後、準備室で400℃、2時間の加熱
を施した後、成長室に搬送した。
【0190】成長前に、(111)Si基板の温度を9
00℃に上昇させ、その後、基板温度を800℃に下降
させる事により、RHEEDにて、清浄な原子面である
(7X7)のパターンを確認した。
【0191】その後、RF(Radio Frequa
ency)プラズマセルを用いて、純化器により、純化
された窒素ガスを供給して、RF電力を供給する事によ
り、窒素ラジカルを生成した。
【0192】次に、基板温度800℃において、Si表
面にまず、Alを供給し、次にAlと窒素ラジカルを同
時に供給する事により、Si表面にAlNの20nmの
バッファー層を積層した。なお、第1の実施例と同様に
Alはクヌードセンセルにより金属アルミニウムを加熱
して、アルミニウムの分子線を照射する事により行っ
た。
【0193】次に、同じ基板温度において、n−GaN
層602を1μm積層した。なお、Gaも第1の実施例
と同じく、クヌードセンセルにより金属ガリウムを加熱
して、ガリウムの分子線を照射する事により、行った。
また、ドーパントはSiを用いた。
【0194】GaN層を1μm成長した後に、RHEE
D(Reflection High Energy
Electron Diffraction)のパター
ンは、ガリウム面が表面を形成している事を示す(2X
2)構造が確認され、さらに、パターンはストリークで
あった。
【0195】この結果、GaNの成長は二次元的に行わ
れている事が示唆された。
【0196】さらに、この次に、ノンドープのAlN層
603を200nm積層した。
【0197】この次に、実施例1と同じように、AlN
上のGaNのRHEEDパターンと膜厚(成長時間)と
の関係を調べた。同様の結果を確認した後、同じ工程を
用いて、5枚のSi(111)基板上にGaNの数モノ
レイヤの発光活性層604を積層した。
【0198】それぞれのGaNの膜厚を3モノレイヤ、
5モノレイヤ、8モノレイヤ、11モノレイヤ、14モ
ノレイヤとし。これらを、各々、順にA、B、C、D、
Eとする。
【0199】次にこれらを積層した後に、成長中断を3
0秒程度行った後、AlNを成長した。この時の成長レ
ートはGaNを成長する時の成長レートとほぼ、同程度
に保った。 この後、p−Al0.10Ga0.90N層60
6、n−Al0.15Ga0.85N層607、n型のGaN層
608を順次、積層した。
【0200】なお、p型のドーパントにはSiを用い
た。
【0201】以上のような、工程で作製された発光素子
のウエハーを結晶成長装置から取り出し、次のような工
程で発光素子を作製した。 1)n型GaN層608の上にフォトレジストで所定の
パターンを作成する。 2)n型GaN層608の一部をp型AlGaN層10
6が露出するまでエッチングする。 3)エッチング終了後レジストを剥離し、再び、フォト
レジストを用いて所定のパターンに露光する事により、
電極609、610のパターンを作成する。 4)n型GaN層608にはAlを蒸着し、p型AlG
aN層606にはNiを蒸着して、それぞれn型オーミ
ック電極610、p型オーミック電極609とする。な
お、本実施例においては、607、608は同心円状に
エッチングし、p型オーミック電極609はこの同心円
を取り囲むようにリング状に形成し、n型オーミック電
極610はこの同心円の頂上にリング状に形成する。同
心円の直径は300μm、電極の幅は100μmとして
いる。 5)Si基板の裏面にn型のオーミック電極611を形
成する。 6)電極をアニールする事により、各々の電極をオーミ
ック化する。
【0202】以上のような工程により、作製した発光素
子をウエハーから1チップづつ切り離した後に、不図示
の電源を609と610に接続し、pn接合に順方向に
電圧を印加して電流を流したところ、発光が確認され
た。
【0203】これと同時に、不図示の電源を電極609
と611に接続し、pn接合逆方向に電圧を印加した。
【0204】このときのバンド図は図7のようになる。
注入された少数キャリア(この図では電子)が、GaN
発光活性層に供給されるのは図5と同じであるが、この
とき電極611に加える電圧によって、AlN層に印加
される電界が変化する。これにより、発光活性層に加え
られる電圧を変調でき、QCSEにより、発光波長を制
御する事ができる。
【0205】この時、電圧を変化させながら、発光波長
を調べたところ、電圧に対する、発光波長のピークは図
8のようになり、発光波長を印加電圧で制御する事が可
能になった。
【0206】なお、本実施例では、結晶成長は、Ga
(III族)面が常に露出するような条件で行ったが、
逆にN面が常に露出するような条件で結晶成長を行って
も良い。
【0207】この場合は、発光活性層604にかかるビ
ルトイン電界の方向が逆になり、電圧の変化に対する波
長の変化の様子は、図8とは逆になる。
【0208】(実施例8)図9は本発明の第8の実施例
の照明装置を示す概略構成図である。
【0209】この図において、901は発光素子90
2、903、904を支持する機体であり、発光素子9
02、903、904は、それぞれ、この発光素子の構
造を実施例1から実施例6に述べたいずれかの構造に
し、かつ、発光活性層の膜厚を変化させる事により、青
(B)、緑(G)、赤(R)の発光が得られるように調
整する。 また、発光素子902、903、904はそ
れぞれ、電源905、906、907に接続されてい
て、それぞれの素子に独立に電流を流す。
【0210】流す電流を調節する事により、白色光が得
られ、ファックス、コピー機、スキャナー等に用いられ
る白色の照明装置が実現できる。
【0211】(実施例9)図10は本発明の第9の実施
例の発光素子アレーを示す概略構成図である。
【0212】この図において、(a)は発光素子アレー
を上面から見た概略構成図であり、(b)は(a)にお
けるAA〓断面を横方向から見た概略構成図である。
【0213】図において、1001は発光素子アレーを
形成する化合物半導体、1002は第一の導電型のオー
ミック電極、1003は第二の導電型のオーミック電
極、1004は第一の導電型のオーミック電極1002
に電気的に接触された電極パッド、1005は第二の導
電型のオーミック電極1003に電気的に接触された電
極パッドを表す。 本発光素子アレーを、LEDプリン
タの光源として用いる場合は、原稿からの反射光や透過
光、あるいは、原稿を読み取り信号化し、この信号によ
り、本発光素子アレイを駆動する事により行われる。
【0214】また、本発光素子アレーを照明装置として
用いる場合は、その一例として、図11のように、導光
板1101の端部に発光素子アレー1102を配置し、
発光素子アレイからの光を、導光板に導き、導光板11
01の光放射面1103から面上に光を放射させる事に
より、照明装置を形成する事ができる。
【0215】(実施例10)図12は本発明の発光素子
を備えた電子写真装置並びにファクシミリの記録装置に
用いられるドラム型感光体を用いた一般的な転写式電子
写真装置の概略構成図である。
【0216】図において、1201は像担持体としての
ドラム型感光体であり矢印方向に所定の周速度で回転駆
動される。
【0217】該感光体1201はその回転過程で帯電手
段1202によりその周面に正または負の所定電位の均
一帯電を受け、次いで露光部1203にて発光素子アレ
ー1204からの光を像露光手段1205により光像露
光を受ける。
【0218】これにより感光体周面に露光像に対応した
静電潜像が順次形成されていく。その静電潜像は、次い
で現像手段1206でトナー現像され、そのトナー現像
像が転写手段1207により不図示の給紙部から感光体
1201と転写手段1207との間に感光体1201の
回転と同期取りされて給送された転写材1208の面に
順次転写されていく。
【0219】像転写を受けた転写材1208は感光体面
から分離されて像定着手段1209へ導入されて像定着
を受けて複写物(コピー)として機外へプリントアウト
される。
【0220】像転写後の感光体1201の表面はクリー
ニング手段1210にて転写残りトナーの除去を受けて
清浄面化され、前露光手段1211により除電処理がさ
れて繰り返して像形成に使用される。
【0221】感光体1201の均一帯電手段1202と
してはコロナ帯電装置が一般に広く使用されている。
【0222】また、転写装置1207もコロナ転写手段
が一般に広く使用されている。
【0223】電子写真装置として、上述の感光体や現像
手段、クリーニング手段などの構成要素のうち、複数の
ものを装置ユニットとして一体に結合して構成し、この
ユニットを装置本体に対して着脱自在に構成しても良
い。
【0224】例えば、感光体1201とクリーニング手
段1210とを一体化してひとつの装置ユニットとし、
装置本体のレールなどの案内手段を用いて着脱自在の構
成にしてもよい。
【0225】このとき、上記の装置ユニットのほうに帯
電手段および/または現像手段を伴って構成してもよ
い。
【0226】また、光像露光は、電子写真装置を複写機
やプリンターとして使用する場合には、原稿からの反射
光や透過光、あるいは、原稿を読み取り信号化し、この
信号により、発光ダイオードアレイを駆動する事により
行われる。
【0227】また、ファクシミリのプリンターとして使
用する場合には、光像露光は受信データをプリントする
ための露光になる。
【0228】
【発明の効果】本発明により、ピエゾ電界を発光活性層
に印加することによって、発光波長をバルクのバンド端
波長から大きく変化させる発光素子において、電流注入
によって発光させる構造を提供する事ができる。
【0229】さらにこのような構造を用いる事によっ
て、例えば、InxGa1-xNを発光活性層に持つ発光素
子においても、低いInの混晶比でも、長波長側に大き
く発光波長をシフトさせる事が可能になった。
【0230】このため、十分な寿命を有し、且つ青色か
ら赤色など幅広い波長領域において発光波長を選択する
ことができる半導体発光素子および半導体発光装置を提
供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1,2,5の実施例を表す概略構成
【図2】本発明の第1の実施例の発光素子の動作原理を
示すバンド図
【図3】本発明の第1の実施例における発光活性層の成
長時間に対するRHEEDパターンの変化の様子を示し
た図
【図4】本発明の第3,4,6の実施例を表す概略構成
【図5】本発明の第3の実施例の発光素子の動作原理を
示すバンド図
【図6】本発明の第7の実施例を表す概略構成図
【図7】本発明の第7の実施例の発光素子の動作原理を
示すバンド図
【図8】本発明の第7の実施例における印加電圧と発光
波長ピークの関係を表す図
【図9】本発明の第8の実施例の照明装置を表す構成図
【図10】本発明の第9の実施例のプリンタ用光源を表
す構成図
【図11】本発明の第9の実施例の発光素子アレーを照
明装置として用いた例を示す斜視図
【図12】本発明の第10の実施例の転写式電子写真装
置の概略構成図
【符号の説明】
101 基板 102 バッファ層 103 バンドギャップ幅の広い第1の半導体層 104 発光活性層(第2の半導体層) 105 第1の半導体層とほぼ同じ材料から成る層(第
3の半導体層) 106 第1の導電型を持ち、104と同じか、それよ
りもバンドギャップの広い層(第4の半導体層) 107 第2の導電型を持ち、106と同じか、それよ
りもバンドギャップの広い層(第5の半導体層) 108 第2の導電型を持つオーミック電極のためのコ
ンタクト層 109 第1の導電型のオーミック電極 110 第2の導電型のオーミック電極 401 基板 402 バッファ層 403 バンドギャップ幅の広い第1の半導体層 404 発光活性層405は第1の半導体層とほぼ同じ
材料から成る層 406 第1の導電型を持ち、404と同じか、それよ
りもバンドギャップの広い層 407 第2の導電型を持ち、406と同じか、それよ
りもバンドギャップの広い層 408 第2の導電型を持つオーミック電極のためのコ
ンタクト層 409 第1の導電型のオーミック電極 410 第2の導電型のオーミック電極 601 n−型の導電型を有する基板 602 n−型の半導体層 603 真性導電型で、バンドギャップの広い半導体層 604 発光活性層 605 第1の半導体層とほぼ同じ材料から成る層 606 p−型の導電型を持ち、604と同じか、それ
よりもバンドギャップの広い層 607 n−型の導電型を持ち、606と同じか、それ
よりもバンドギャップの広い層 608 n−型の導電型を持つオーミック電極のための
コンタクト層 609 p−型の導電型のオーミック電極 610、611 n−型の導電型のオーミック電極
フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA11 CA04 CA05 CA22 CA34 CA49 CA65 CA66 CA74 CB22 FF11 FF13 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AD09 AD12 AD14 AD15 AF02 AF03 AF04 AF09 AF13 CA09 CA10 DA53 DA56 DA63 EB13 EB15 HA01 HA04

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともGa及びNを元素として含む
    窒化ガリウム系の化合物半導体発光素子において、半導
    体、或は、絶縁性の基板の上に、格子緩和が十分生じる
    程度の厚い膜厚を有する第1の半導体層が積層され、該
    第1の半導体層の上に該第1の半導体よりもバンドギャ
    ップが小さく、かつ、第1の半導体と格子整合しない第
    2の半導体層が積層され、さらに、該第2の半導体層の
    上に電子および正孔がトンネルできる十分、薄い第1の
    半導体と同じか、あるいは、第1の半導体よりもバンド
    ギャップの小さい第3の半導体層が積層していて、さら
    に、該第3の半導体層の上部にpn接合を形成する第4
    の半導体層、第5の半導体層が順次、積層された構造を
    有する事を特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記格子緩和が十分生じる程度の厚い膜
    厚とは、臨界膜厚以上の膜厚である請求項1に記載の窒
    化物系化合物半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 該第2の半導体層が臨界膜厚以下の膜厚
    で積層されている事を特徴とする請求項1に記載の窒化
    物系化合物半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 該第4の半導体層および該第5の半導体
    層のバンドギャップが該第2の半導体層のバンドギャッ
    プと同じか、あるいは、該第2の半導体層のバンドギャ
    ップよりも広い事を特徴とする請求項1に記載の窒化物
    系化合物半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 該第1の半導体層がAlxInyGa
    l-x-YN(0≦X≦1,0≦y≦1,0≦+y≦1)で
    ある事を特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半
    導体発光素子。
  6. 【請求項6】 該第2の半導体層がAlxInyGa
    l-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1, 0≦x+y≦
    1)である事を特徴とする請求項1に記載の窒化物系化
    合物半導体発光素子。
  7. 【請求項7】 該第2の半導体層がその厚さに揺らぎを
    持っている事を特徴とする請求項1に記載の窒化物系化
    合物半導体発光素子。
  8. 【請求項8】 該第4の半導体層の膜厚が該第3の半導
    体の上に積層される時の臨界膜厚よりも厚い事を特徴と
    する請求項1に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  9. 【請求項9】 該第4の半導体層と該第5の半導体層を
    各々に配されたオーミック電極を通じて順バイアスする
    ことにより、該第4の半導体層に注入した少数キャリア
    の再結合寿命をτlとし、少数キャリアの拡散定数をD
    として、第4の半導体層の膜厚が(Dτl1/2よりも薄
    い事を特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導
    体発光素子。
  10. 【請求項10】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    にオーミック電極を通じて順バイアスすることにより、
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の
    半導体をトンネリングにより通過して、該第2の半導体
    層に注入される時間をτtとし、該第2の半導体層に電
    子と正孔が注入されて発光する時の発光再結合時間をτ
    lとした時、τt<τlである事を特徴とする請求項1に
    記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  11. 【請求項11】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    にオーミック電極を通じて順バイアスすることにより、
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の
    半導体層をトンネリングして該第2の半導体層に到達す
    る事により該第2の半導体層に存在する少数キャリア数
    をNrとし、該第4の半導体層に注入された少数キャリ
    ア数をNminとし、少数キャリアの再結合寿命をτlとし
    た時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr
    (Nmin×τl)よりも短い事を特徴とする請求項1に記
    載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  12. 【請求項12】 該第4の半導体層の多数キャリア数を
    maj、該多数キャリア数が該第3の半導体層をトンネ
    リングして該第2の半導体層に到達する時間をNmag
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアの再結合寿
    命をτlとした時、少数キャリアのの再結合寿命をτl
    した時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr/
    (Nmay×τmay)よりも短くなるように該第3の半導体
    層の膜厚が設定されている事を特徴とする請求項1に記
    載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  13. 【請求項13】 少なくともGa及びNを元素として含
    む窒化ガリウム系の窒化物系化合物半導体発光素子にお
    いて、半導体、或は、絶縁性の基板の上に、少なくとも
    格子緩和が十分生じた第1の半導体層が積層され、該第
    1の半導体層の上に該第1の半導体よりもバンドギャッ
    プが小さく、かつ、第1の半導体と格子整合しない第2
    の半導体層が積層され、さらに、第1の半導体と第2の
    半導体の中間の格子定数を持つ半導体材料によって構成
    される第3の半導体層が積層していて、さらに、該第3
    の半導体層の上部にpn接合を形成する第4の半導体
    層、第5の半導体層が順次、積層された構造を有する事
    を特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
  14. 【請求項14】 該第2の半導体が膜厚の揺らぎを持っ
    ていて、かつ、該第3の半導体層が前記膜厚の揺らぎを
    減少させるように積層されている事を特徴とする請求項
    1312に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  15. 【請求項15】 該第2の半導体層と該第4の半導体層
    が該第3の半導体層を介せずに接触している部分を持つ
    ように積層されている事を特徴とする請求項14に記載
    の窒化物系化合物半導体発光素子。
  16. 【請求項16】 該第2の半導体層が臨界膜厚以下の膜
    厚で積層されている事を特徴とする請求項13に記載の
    窒化物系化合物半導体発光素子。
  17. 【請求項17】 該第4の半導体層および該第5の半導
    体層のバンドギャップが該第2の半導体層のバンドギャ
    ップと同じか、あるいは、該第2の半導体層のバンドギ
    ャップよりも広い事を特徴とする発明の請求項13に記
    載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  18. 【請求項18】 該第1の半導体層がAlxInyGa
    l-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)
    である事を特徴とする請求項13に記載の窒化物系化合
    物半導体発光素子。
  19. 【請求項19】 該第1の半導体層がAlxInyGa
    l-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)
    である事を特徴とする発明の請求項13に記載の窒化物
    系化合物半導体発光素子。
  20. 【請求項20】 該第2の半導体層がその厚さに揺らぎ
    を持っている事を特徴とする請求項13に記載の窒化物
    系化合物半導体発光素子。
  21. 【請求項21】 該第4の半導体層が該第3の半導体の
    上に積層される時の臨界膜厚よりも厚い膜厚を持ってい
    る事を特徴とする請求項13に記載の窒化物系化合物半
    導体発光素子。
  22. 【請求項22】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    を各々に配されたオーミック電極を通じて順バイアスす
    ることにより、該第4の半導体層に注入した少数キャリ
    アの再結合寿命をτlとし、少数キャリアの拡散定数を
    Dとして、第4の半導体層の膜厚が(Dτl1/2よりも
    薄い事を特徴とする請求項13に記載の窒化物系化合物
    半導体発光素子。
  23. 【請求項23】 第4の半導体層と該第5の半導体層に
    オーミック電極を通じて順バイアスすることにより、該
    第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の半
    導体をトンネリングにより通過して、該第2の半導体層
    に注入される時間をτtとし、該第2の半導体層に電子
    と正孔が注入されて発光する時の発光再結合時間をτl
    とした時、τt<τlである事を特徴とする請求項13に
    記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  24. 【請求項24】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    にオーミック電極を通じて順バイアスすることにより、
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の
    半導体層をトンネリングして該第2の半導体層に到達す
    る事により該第2の半導体層に存在する少数キャリア数
    をNrとし、該第4の半導体層に注入された少数キャリ
    ア数をNminとし、少数キャリアのの再結合寿命をτl
    とした時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr
    /Nmin×τlよりも短い事を特徴とする請求項13に記
    載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  25. 【請求項25】 該第4の半導体層の多数キャリア数を
    maj、該多数キャリア数が該第3の半導体層をトンネ
    リングして該第2の半導体層に到達する時間をNmag
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアの再結合寿
    命をτlとした時、少数キャリアのの再結合寿命をτl
    した時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr
    maj×τmajよりも短い事を特徴とする請求項13に記
    載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  26. 【請求項26】 該第2の半導体層を作製する方法が、
    該第2の半導体層を積層した後、1秒以上10分以下の
    成長中断をするで作製される事を特徴とする請求項7お
    よび20に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  27. 【請求項27】 少なくともGa及びNを元素として含
    む窒化ガリウム系の窒化物系化合物半導体発光素子にお
    いて、導電性の半導体基板の上に、少なくとも格子緩和
    が十分生じた該半導体基板と同一の導電型を有する第1
    の半導体層が積層され、該第1の半導体層の上に該第1
    の半導体よりもバンドギャップが小さく、かつ、第1の
    半導体と格子整合しない第2の半導体層が積層され、さ
    らに、第1の半導体と第2の半導体の中間の格子定数を
    持つ半導体材料によって構成される第3の半導体層が積
    層していて、さらに、該第3の半導体層の上部にpn接
    合を形成する第4の半導体層、第5の半導体層が順次、
    積層された構造を有し、かつ、導電性の半導体基板と第
    4の半導体層の間に印加する電圧を制御する事により、
    発光波長を変化させる構造を有する事を特徴とする窒化
    物系化合物半導体発光素子。
  28. 【請求項28】 請求項27の窒化物系化合物半導体発
    光素子において、該第2の半導体が膜厚の揺らぎを持っ
    ていて、かつ、該第3の半導体層が前記膜厚の揺らぎを
    減少させるように積層されている事を特徴とする窒化物
    系化合物半導体発光素子。
  29. 【請求項29】 該第2の半導体層と該第4の半導体層
    が該第3の半導体層を介せずに接触している部分を持つ
    ように積層されている事を特徴とする請求項27に記載
    の窒化物系化合物半導体発光素子。
  30. 【請求項30】 該第2の半導体層が臨界膜厚以下の膜
    厚で積層されている事を特徴とする請求項27に記載の
    窒化物系化合物半導体発光素子。
  31. 【請求項31】 該第4の半導体層および該第5の半導
    体層のバンドギャップが該第2の半導体層のバンドギャ
    ップと同じか、あるいは、該第2の半導体層のバンドギ
    ャップよりも広い事を特徴とする請求項27に記載の窒
    化物系化合物半導体発光素子。
  32. 【請求項32】 該第1の半導体層がAlxInyGa
    l-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)
    である事を特徴とする請求項27に記載の窒化物系化合
    物半導体発光素子。
  33. 【請求項33】 該第1の半導体層がAlxInyGa
    l-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1, 0≦x+y≦
    1)である事を特徴とする請求項27に記載の窒化物系
    化合物半導体発光素子。
  34. 【請求項34】 請求項27の窒化物系化合物半導体発
    光素子において、該第2の半導体層がその厚さに揺らぎ
    を持っている事を特徴とする窒化物系化合物半導体発光
    素子。
  35. 【請求項35】 請求項27の窒化物系化合物半導体発
    光素子において、該第4の半導体層が該第3の半導体の
    上に積層される時の臨界膜厚よりも厚い膜厚を持ってい
    る事を特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
  36. 【請求項36】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    を各々に配されたオーミック電極を通じて順バイアスす
    ることにより、該第4の半導体層に注入した少数キャリ
    アの再結合寿命をτlとし、少数キャリアの拡散定数を
    Dとして、第4の半導体層の膜厚が(Dτl1/2よりも
    薄い事を特徴とする請求項27に記載の窒化物系化合物
    半導体発光素子。
  37. 【請求項37】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    にオーミック電極を通じて順バイアスすることにより、
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の
    半導体をトンネリングにより通過して、該第2の半導体
    層に注入される時間をτtとし、該第2の半導体層に電
    子と正孔が注入されて発光する時の発光再結合時間をτ
    lとした時、τt<τlである事を特徴とする請求項2
    7に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
  38. 【請求項38】 該第4の半導体層と該第5の半導体層
    にオーミック電極を通じて順バイアスすることにより、
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアが該第3の
    半導体層をトンネリングして該第2の半導体層に到達す
    る事により該第2の半導体層に存在する少数キャリア数
    をNrとし、該第4の半導体層に注入された少数キャリ
    ア数をNminとし、少数キャリアのの再結合寿命をτl
    した時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr
    min×τlよりも短い事を特徴とする請求項27に記載
    の窒化物系化合物半導体発光素子。
  39. 【請求項39】 該第4の半導体層の多数キャリア数を
    maj、該多数キャリア数が該第3の半導体層をトンネ
    リングして該第2の半導体層に到達する時間をNmag
    該第4の半導体層に注入された少数キャリアの再結合寿
    命をτlとした時、少数キャリアのの再結合寿命をτl
    とした時、該第2の半導体層での発光再結合時間がNr
    /Nmaj×τmajよりも短い事を特徴とする請求項27の
    窒化物系化合物半導体発光素子。
  40. 【請求項40】 少なくともGa及びNを元素として含
    む窒化ガリウム系の化合物半導体発光素子において、半
    導体、或は、絶縁性の基板の上に、臨界膜厚以上の膜厚
    を有する第1の半導体層が積層され、該第1の半導体層
    の上に該第1の半導体よりもバンドギャップが小さく、
    かつ、第1の半導体と格子整合しない第2の半導体層が
    積層され、さらに、該第2の半導体層の上に電子および
    正孔がトンネルできる十分薄い第3の半導体層が積層し
    ていている事を特徴とする窒化物系化合物半導体発光素
    子。
  41. 【請求項41】 Ga及びNを元素として含む窒化ガリ
    ウム系の化合物半導体発光素子の製造方法において、半
    導体、或は、絶縁性の基板の上に、臨界膜厚以上の膜厚
    を有する第1の半導体層が積層する工程、該第1の半導
    体層の上に該第1の半導体よりもバンドギャップが小さ
    く、かつ、第1の半導体と格子整合しない第2の半導体
    層が積層Rこいていする工程、及び該第2の半導体層の
    上に電子および正孔がトンネルできるに十分薄い第3の
    半導体層を積層する工程を有することを特徴とする窒化
    物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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