JP2003037291A

JP2003037291A - 発光素子

Info

Publication number: JP2003037291A
Application number: JP2001224313A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Yanagimoto; 友弥柳本; Masahiko Sano; 雅彦佐野
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で中間色や混色光が効率よく
発光可能な発光素子を提供することにある。【解決手段】ｎ型層と、ｐ型層に挟まれた活性層と、活
性層からの光の少なくとも一部を吸収し、活性層からの
光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層とを
有する発光素子において、フォトルミネッセンス層は光
閉じ込め層に挟まれている発光素子である。また、活性
層及びフォトルミネッセンス層はＩｎを含む窒化物半導
体層であると共に、フォトルミネセンス層の少なくとも
１部は活性層Ｉｎ混晶比より大きい発光素子であり、光
閉じ込め層で挟まれたフォトルミネッセンス層を複数有
する発光素子でもある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤディスプレイ、バ
ックライト、信号灯や各種照明などに使用可能な発光素
子（主として窒化物半導体（例えば、ＩｎＸＡｌＹＧａ
１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた発光
素子）に関し、色度図における中間色が発光可能な発光
素子に係る。

【０００２】

【従来の技術】１cd以上の高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青
色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤディスプレイ、
交通信号灯、イメージスキャナー光源、バックライト等
の各種光源が実用化されている。ＬＥＤの材料としては
様々なものがあるが窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１
−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）のバンドギャッ
プは、１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまであり、紫外〜赤色
が発光可能な発光素子の材料として注目されている。

【０００３】近年、この窒化物半導体を用いた紫外領域
が発光可能なＬＥＤ、青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤ、緑色
ＬＥＤやＬＤが実用化され、さらに長波長発光のＬＥＤ
や中間色や混色光が発光可能な発光装置の研究も試みら
れている。なかでも白色が発光可能な発光装置はインジ
ケータなどの使用だけでなく固体半導体素子の利点であ
る小型、軽量、低消費電力、超寿命の特性を生かし照明
として利用でき注目されている。

【０００４】このような白色が発光可能な発光装置とし
て、補色となるＲＧＢ（赤色、緑色、青色）などが発光
可能な発光素子を組み合わせてその混色光として得られ
るものがある。白色など混合色を発する発光装置は、単
色性の光を発する発光装置に比べて大きなものとなって
しまい、小型化・軽量化への要求に対し、弊害となる。

【０００５】また、発光素子の発光層が、異なる波長の
光が得られるように、異なるバンドギャップエネルギー
の層を複数設けて、発光素子から発光を得るものなどが
ある。例えば図４に示すように、積層構造４１０に、複
数の波長（ピーク波長）の光を発する発光層４０４、４
０５を形成することになる。具体的には、このような発
光層を形成するには、ｐｎ接合部に多重量子井戸構造
（障壁層４０３）などの複数の発光層（井戸層）４０
４、４０５を有する活性層４１０を設けて、これら複数
の発光層から異なる波長の発光を得るものとなる。これ
によって、高輝度に混色光や中間色が発光可能な発光素
子とすることができる。

【０００６】しかし、このような発光層を用いるには、
Ｉｎ混晶比が高いと良好な結晶成長が困難になり、電流
注入による発光では、活性層の破壊が発生し易くなり、
高い素子信頼性を得ることが困難である。また、電流注
入による活性層では各層を均質に成膜が難しいだけでな
くそのずれが直接発光色に影響を与える。特に、電流値
によって発光スペクトルのシフトが生ずると各特性が均
一でなれば顕著な色ずれとして視認されることになると
いう問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、より高輝
度且つ量産性高く中間色などが発光可能な発光素子とす
るには上記構成の発光素子では十分ではなく、更なる改
良が求められる。従って本発明は量産性に優れ、高輝度
に中間色が発光可能な発光素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はｎ型層と、ｐ型
層に挟まれた活性層と、活性層からの光の少なくとも一
部を吸収し、活性層からの光と異なる波長の光を発する
フォトルミネセンス層とを有する発光素子において、フ
ォトルミネッセンス層は光閉じ込め層に挟まれている発
光素子である。これによって量産性の高い混色発光可能
な発光素子とすることができる。

【０００９】本発明の請求項２に記載の発光素子は活性
層及びフォトルミネッセンス層がＩｎを含む窒化物半導
体層であると共に、フォトルミネセンス層の少なくとも
１部は活性層Ｉｎ混晶比より大きい発光素子である。こ
れによりさらに効率よく混色光が発光可能な発光素子と
することができる。

【００１０】本発明の請求項３に記載の発光素子は、光
閉じ込め層で挟まれたフォトルミネッセンス層を複数有
する発光素子である。光利用効率を高めれるだけでなく
結晶性を維持しつつ色調を調整することもできる。

【００１１】本発明の請求項４に記載の発光素子は、フ
ォトルミネセンス層が第１の窒化物半導体層と、第１の
窒化物半導体層よりはバンドギャップエネルギーが大き
い第２の窒化物半導体層とを有する多層膜層である発光
素子である。

【００１２】本発明の請求項５に記載の発光素子は、第
１の窒化物半導体層がＩｎ_XＧａ₁ _-XＮ（０＜X＜１）で
あると共に、第２の窒化物半導体層はＩｎ_YＧａ_ZＡｌ
_1-Y-ZＮ（０≦Y＜１、０＜Z≦１、Y＜X）である発光素
子である。これにより光利用効率がさらに高くなる。

【００１３】本発明の請求項６に記載の発光素子は、第
１の窒化物半導体層は２層以上あり、且つ活性層から離
れた側の第1の窒化物半導体層は活性層から近い側より
もＩｎの混晶比が高い発光素子である。これにより、活
性層からの光を効率よく全ての第1の窒化物半導体層に
供給することができると共に、変換された第1の窒化物
半導体層からの光をさらにＩｎ含有量の多い第1の窒化
物半導体で再変換することも可能となる。

【００１４】本発明の請求項７に記載の発光素子は、光
閉じ込め層は前記フォトルミネッセンス層の各第1の窒
化物半導体層及び第2の窒化物半導体層よりも厚い発光
素子である。これによりフォトルミネッセンス層内での
光閉じ込めを効率的に行なうことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは種々実験の結果、活
性層とは別に設けられたフォトルミネッセンス層を特定
構造とすることによって、量産性よく高効率に混色光が
発光可能な発光素子としうることを見いだし本発明をな
すにいたった。

【００１６】本発明による特性向上の理由は定かでない
が、以下の理由によると考えられる。即ち、発光素子の
活性層から放出された光を効率よくフォトルミネッセン
ス層で変換させるためには、フォトルミネッセンス層の
吸収・変換の効率を高める必要がある。フォトルミネッ
セス層の吸収はフォトルミネッセンス層の膜厚やバンド
ギャップによって、ある程度制御することができる。し
かしながら、紫外線を吸収して白色を発光させる場合
や、青紫から緑色にかけて吸収し、補色となる黄色から
赤色を発光するフォトルミネッセンス層として窒化物半
導体を利用した場合、バンドギャップの関係からフォト
ルミネッセンス層のＩｎの混晶比が大きくなる。Ｉｎの
混晶比の高いフォトルミネッセンス層はＩｎ混晶比が少
ないものに比べて結晶性が悪く厚膜で制御性よく形成す
ることが難しい。そのため、色調調節や輝度向上等のた
めフォトルミネッセンス層の組成や膜厚を自由に選択す
ることができないという弊害がある。

【００１７】本発明は、制御性よく形成可能なＩｎ混晶
比の高いフォトルミネッセンス層を光閉じ込め層で挟み
込むことによって、フォトルミネッセンス層で変換しき
れなかった活性層からの光を効率よく変換させることが
できるため優れた特性をもつと考えれる。本発明ではフ
ォトルミネッセンス層のＩｎ混晶比を高くさせてもフォ
トルミネッセンス層の厚みを薄くさせることができるた
め結晶性を落とさずに制御性よく形成できる。

【００１８】そのため、フォトルミネッセンス層のみな
らず、フォトルミネッセンス層上に活性層を形成させた
場合、活性層上の効率も低下させることがない。また、
活性層から放出された光がフォトルミネッセンス層まで
到達せず光閉じ込め層で反射される光がある場合には、
効率よく外部にその光を取り出すこともできる。さら
に、フォトルミネッセンス層を多層膜或いは光閉じ込め
層で挟まれたフォトルミネッセンス層を複数形成するこ
とで制御性よく光を効率よく吸収させることができる。

【００１９】特に、一度光閉じ込め層で挟まれたフォト
ルミネッセンス層が吸収されなかった光は光閉じ込め層
によって反射される。反射した光がフォトルミネッセン
ス層で吸収しきれない場合は、再び光閉じ込め層で反射
する。こうして同じ膜厚のフォトルミネッセンス層であ
れば光閉じ込め層を設けていないフォトルミネッセンス
層と比較して活性層からの光を効率よく利用することが
できる。

【００２０】次に、図２の模式的断面図を用いて本発明
の一実施例に係るＬＥＤの構造を説明する。このＬＥＤ
はサファイア基板２０１の上に、ＧａＮよりなる第１の
バッファ層２０２、アンドープＧａＮよりなる第２のバ
ッファ層２０３、ＳｉドープＧａＮよりなる第1の光閉
じ込め層兼ｎ側コンタクト層２０４Ａ、アンドープＧａ
Ｎ層よりなる第３のバッファ層２０５、ＩｎＧａＮ／Ｇ
ａＮ超格子構造よりなるフォトルミネッセンス層として
機能するｎ側多層膜層２０６、ＳｉドープＧａＮよりな
る第2の光閉じ込め層２０４Ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよ
りなる多重量子井戸構造の活性層２０７、ＡｌＧａＮ／
ＧａＮ超格子構造よりなるｐ側多層膜層２０８、Ｍｇド
ープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０９が順に積層
された構造を有する。

【００２１】この窒化物半導体発光素子では、活性層２
０７のｎ側窒化物半導体層に、Ｉｎを含む第１の窒化物
半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を
有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜
層２０６がＳｉドープされたＧａＮ２０４Ａ及び２０４
Ｂで挟まれて配置されている。

【００２２】図２はｐｎ接合部を含む電流注入領域内
に、電流注入により発光する活性層２０７と、その光を
吸収して波長の異なる励起光を得るフォトルミネッセン
ス層とが設けられた発光素子である。すなわち、発光素
子中のｐｎ接合を構成するｐ型層、ｎ型層の少なくとも
一方に、電流注入による発光の一部を吸収して、波長変
換するフォトルミネセンス層を有している発光素子であ
る。フォトルミネッセンス層は上述のように光閉じ込め
層で挟示されている。この時、フォトルミネセンス層
は、ｎ型層に設けることが好ましい。ｐ型層に設けた場
合では、ｎ型層に設ける場合に比べて、励起光が得られ
る効率に極めて劣ったものとなるためである。すなわ
ち、発光素子の発光効率を最大限のものとし、その上
で、フォトルミネセンス層における光の波長変換を効率
的に実現しうる発光素子となるように、発光素子構造内
部にフォトルミネセンス層を設けることが要求されるか
らである。

【００２３】また、本発明のフォトルミネセンス層とし
ては、活性層もしくはそれを構成し電流注入により発光
する層のバンドギャップエネルギーが、フォトルミネセ
ンス層のバンドギャップエネルギーより大きくすること
で、好ましい光の励起が実現される。具体的には、活性
層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、前記フォ
トルミネセンス層が、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）層
である場合に、ｂ＞ａとする構造が挙げられる。例え
ば、活性層から青色の波長の光、フォトルミネセンス層
でその光から青色と補色の関係にある黄色の波長の光、
がそれぞれ得られるように、上記Ｉｎを含む窒化物半導
体の混晶比を選択しフォトルミネッセンス層の積総数な
どによりそれぞれの発光強度を調整すると白色の発光素
子が得られる。

【００２４】それに加えて、本発明の窒化物半導体を用
いた発光素子では、可視光域において、青色系（純青色
を含む）、緑色系（純緑色を含む）の光を多重量子井戸
構造であってＩｎ組成比を変えた複数の井戸層からなる
活性層と、光閉じ込め層で挟まれたフォトルミネセンス
層とを組み合わせることもできる。これによりフォトル
ミネッセンス層からは活性層からの光も長波長の光、例
えば赤色系の光、が得られるような上記窒化物半導体の
Ｉｎ混晶比とすることで、可視光域において、演色性に
優れる発光素子を得ることもできる。これは、上述した
発光素子とフォトルミネセンス層における発光効率、波
長変換効率（光励起効率）との関係を考慮したものであ
り、発光素子として発光効率の良好な波長領域の光を、
活性層から取り出し、フォトルミネセンス層において、
その光を、それよりも長波長の光として取り出すことに
ある。

【００２５】本発明においてフォトルミネセンス層に不
純物を含ませることができる。不純物の含有量として具
体的には、１×１０¹⁶〜１×１０²²／cm³の範囲が好ま
しい。

【００２６】ここで、フォトルミネセンス層に用いるｎ
型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族、VI
族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはＳｉ、Ｓｎ
を用いる。また、これらｎ型不純物に、Ｚｎを加えても
良い。この時、これらｎ型不純物に加えて、Ｚｎを添加
すると、フォトルミネセンス層のバンドギャップエネル
ギーの光とは別に、それより長い波長の光、すなわち長
波長にシフトした光も取り出すことが可能となる。結果
として、フォトルミネセンス層から得られる光の波長域
が広がることとなる。これは、ｎ型不純物に加えて、Ｚ
ｎを含有することで、深い準位が形成され、このことで
フォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギーから
の光と異なり、その光よりも波長の長い光を得ることが
できるものと考えられる。このｎ型不純物を含むフォト
ルミネセンス層は、発光素子のｐｎ接合の積層体におい
て、ｎ型層内に設けることが好ましい。

【００２７】また、フォトルミネセンス層に用いるｐ型
不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表
第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ
等をｐ型不純物とする。このｐ型不純物を含むフォトル
ミネセンス層は、発光素子のｐｎ接合の積層体におい
て、ｐ型層内に設けることで、フォトルミネセンス層か
らの発光が得ることができる。

【００２８】以上のように、本発明の発光素子では、フ
ォトルミネセンス層に各導電型の不純物をドープするこ
とで、良好な光励起、波長変換効率を得ることができ、
また後述するように、フォトルミネセンス層が多層膜層
である場合には、多層膜中に含まれ、主に光励起、波長
変換を担う層に少なくともドープすることである。この
時、上記光励起、波長変換を主に担うＩｎが含有された
窒化物半導体層が複数形成されている場合には、Ｉｎが
含有された窒化物半導体層を挟み込む窒化物半導体層
（光励起、波長変換を主に担う層よりも大きなバンドギ
ャップを有する）に不純物を含有させることが好まし
い。具体的には、第１の窒化物半導体層にｎ型不純物を
意図的にドープしない層、或いは不純物濃度が第2の窒
化物半導体層よりも低い層とし、第２の窒化物半導体層
に不純物をドープするような変調ドープと呼ばれるもの
で、変調ドープすることにより、活性層からの発光出力
が向上しやすい傾向にある。なお拡散により混入される
不純物は第1の窒化物半導体層内において不純物濃度に
勾配がついている場合がある。

【００２９】また、本発明のフォトルミネセンス層をｎ
型層に設ける場合において、特に位置は限定されるもの
ではないが、ｎ型窒化物半導体のクラッド層、ｎ型窒化
物半導体のコンタクト層の内部、もしくはフォトルミネ
センス層がそれらクラッド層、コンタクト層或いは発光
素子の電流通電経路とは別体の位置に配置したものでも
良い。好ましくは、後述する第２多層膜層をフォトルミ
ネセンス層とするように、活性層に近いことであり、光
閉じ込め層を介して活性層と接して設けられていても良
い。クラッド層、コンタクト層として、機能するフォト
ルミネセンス層としては、多層膜で構成し、その多層膜
の少なくとも１層をフォトルミネセンス層とし、別の少
なくとも１層を、発光層からの光で励起光を発しない層
を設ける構成とすることもできる。

【００３０】本発明の発光素子において、ｎ型層に設け
られるｎ側多層膜層（フォトルミネセンス層）として
は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒
化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体
層とが積層されたｎ側多層膜層を有するものである。こ
の時、前記第１の窒化物半導体層、または前記第２の窒
化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が１５０Å以
下であると好ましい。より好ましくは第１の窒化物半導
体層および第２の窒化物半導体層の両方を１００Å以
下、最も好ましくは５０Å以下にすることもできる。こ
のように膜厚を薄くすることにより、多層膜層が超格子
構造となって、多層膜層の結晶性が良くなるので、出力
が向上する傾向にある。なお、活性層は少なくともＩｎ
を含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮよりなる井
戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸
構造とすることが望ましい。この時、第１の窒化物半導
体層は、主にフォトルミネセンス層としての機能である
光励起、波長変換を担う。第１の窒化物半導体層はＩｎ
_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体層
はＩｎ_YＧａ_ZＡｌ_1-Y-ZＮ（０≦Y＜１、０＜Z≦１、Y＜
X）、好ましくはＧａＮ若しくはＡｌＧａＮ、さらに好
ましくは上述のごとくＳｉなどのｎ型不純物がドープさ
れたＧａＮ若しくはＡｌＧａＮとすることが最も好まし
い。なお、第２の窒化物半導体をＡｌＧａＮ上のＧａＮ
若しくはＡｌＧａＮ上のＩｎＧａＮとすることもでき
る。

【００３１】さらに、多層膜層は前記第１の窒化物半導
体層または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも
一方の膜厚が、近接する第１の窒化物半導体層または第
２の窒化物半導体層同士で互いに異なることが好まし
い。即ち、第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半
導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第
２の窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）を挟んだ
第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）の膜厚
が互いに異なることを意味する。

【００３２】光閉じ込め層で挟まれたｎ側多層膜層は活
性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましく
は光閉じ込め層を介して活性層に接して形成されている
ようにする。活性層に接して形成する方がより活性層か
らの発光出力が向上しやすい傾向にある。

【００３３】さらに本発明の好ましい態様として、前記
ｐ側の窒化物半導体層には、Ａｌを含む第３の窒化物半
導体層と、第３の窒化物半導体と異なる組成を有する第
４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側多層膜層を
有し、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒
化物半導体の層の内の少なくとも一方の膜厚が１００Å
以下であることを特徴とする。好ましくは第３の窒化物
半導体層、および第４の窒化物半導体層の両方を１００
Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは
５０Å以下にする。このように膜厚を薄くすることによ
り、多層膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性
が良くなるので、活性層からの発光出力が向上する傾向
にある。

【００３４】第３の窒化物半導体層はＡｌ_aＧａ_1-aＮ
（０＜ａ≦１）とし、前記第４の窒化物半導体層はＩｎ
_bＧａ_1-bＮ（０≦b＜１、b＜a）、好ましくはＧａＮと
する。

【００３５】さらに好ましくは、前記第３の窒化物半導
体層、または前記第４の窒化物半導体層の内の少なくと
も一方の膜厚が、近接する第３の窒化物半導体層または
第４の窒化物半導体層同士で互いに異なることを特徴と
する。

【００３６】さらにまた、前記第３の窒化物半導体層、
または前記第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方
のIII族元素の組成が、近接する第３の窒化物半導体層
または第４の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同
士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第３の窒化
物半導体層または第４の窒化物半導体層を複数層積層し
た多層膜層を形成した場合に、第３の窒化物半導体層
（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体
層（第３の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比が互
いに異なることを意味する。

【００３７】ｐ側多層膜層は、ｎ側多層膜層と同じく活
性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましく
は活性層に接して形成されているようにする。活性層に
接して形成する方がより出力が向上しやすい傾向にあ
る。

【００３８】また第３の窒化物半導体層および第４の窒
化物半導体層の両方にｐ型不純物がドープされていても
よい。ｐ型不純物をドープする場合、不純物濃度は１×
１０ ²²／cm³以下、好ましくは５×１０²⁰／cm³以下に調
整する。１×１０²²／cm³よりも多いと窒化物半導体層
の結晶性が悪くなって、出力が低下する傾向にある。な
おｐ型に形成さるためには不純物としては、Ｍｇ、Ｚ
ｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のII族元素を好ましく選択し、
好ましくは、Ｍｇ、Ｂｅを用いる。

【００３９】図２では本発明の発光素子にさらに別の対
応として蛍光体２２７含有の樹脂２２８を付与したもの
である。この蛍光体は発光素子からの光によって励起さ
れ、発光素子からの光と異なる波長の光を発するもので
ある。すなわち蛍光体の励起波長において青色光付近に
ピークがあり、発光波長において赤色、黄色付近にピー
クがあることが好ましく、特に蛍光体としてはＣｅで付
活された（Ｙ₂Ｏ₃・５／３Ａｌ₂Ｏ₃）ＹＡＧ、Ｅｕ及び
／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ₂Ｏ₃-Ｓｉ
Ｏ₂より選ばれた一種を用いることができる。以下、本
発明の実施例について詳述するがこれのみに限られてな
いことは言うまでもない。

【００４０】

【実施例】［実施例１］図１に基づいて説明する。サフ
ァイア（Ｃ面）よりなる基板１０１をＭＯＶＰＥの反応
容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１
０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基
板１０１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面と
するサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）の
ような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを
含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基
板を用いることができる。（第１のバッファ層１０２）続いて、温度を５２０℃ま
で下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアと
ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１０１上
にＧａＮよりなるバッファ層１０２を約２００Åの膜厚
で成長させる。なおこの低温で成長させる第１のバッフ
ァ層１０２は基板の種類、成長方法等によっては省略で
きる。（第２のバッファ層１０３）バッファ層１０２成長後、
ＴＭＧのみ止めて、温度を１１４０℃まで上昇させる。
１１４０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アン
モニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第２のバ
ッファ層１０３を１μｍの膜厚で成長させる。第２のバ
ッファ層は先に成長させた第１のバッファ層よりも高
温、例えば９００℃〜１１５０℃で成長させ、Ｉｎ_XＡ
ｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成で
き、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧ
ａＮ、X値が０．２以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮとすると結晶
欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。また膜厚
は特に問うものではなく、第１のバッファ層よりも厚膜
で成長させ、通常０．１μｍ以上の膜厚で成長させる。（第１光閉じ込め層１０４）続いて１１４０℃で、同じ
く原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシ
ランガスを用い、Ｓｉを３×１０¹⁹／cm³ドープしたＧ
ａＮよりなる第1の光閉じ込め層を３μｍの膜厚で成長
させる。この第１光閉じ込め層１０４はｎ側コンタクト
層としても機能する。第1光閉じ込め層１０４も第２の
バッファ層１０３と同様に、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ
（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特
に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．
２以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化
物半導体層が得られやすい。膜厚は光を有効に閉じ込
め、且つｎ電極が形成できるもので０．５μｍ以上の膜
厚で成長させることが望ましい。さらにｎ型不純物濃度
は窒化物半導体の結晶性を悪くしない程度に高濃度にド
ープすることが望ましく、１×１０¹⁸／cm³以上、５×
１０²¹／cm³以下の範囲でドープすることが好ましく不
純物ドープでＶｆを低下させることができる。なお、こ
こでは、第１の光閉じこめ層はｎ型コンタクト層と兼用
してあるが別々の層として設けても良いことは言うまで
もない。（フォトルミネセンス層（ｎ側多層膜層）１０５）次
に、１０５０℃の温度でＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄、ア
ンモニアを用い、ＳｉドープＧａＮよりなる第２の窒化
物半導体層を１００Å成長させ、次に温度を６８０℃に
して、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ＩｎＧａＮ
よりなる第１の窒化物半導体層を１５Å成長させる。そ
してこれらの操作を繰り返し、第２＋第１の順で交互に
６層づつ積層させ、最後にＳｉドープされたＧａＮより
なる第２の窒化物半導体層を１００Å成長さた超格子構
造の多層膜よりなるｎ側多層膜層１０５を形成させる。
なお、第２の窒化物半導体層のＩｎの混晶比は第１の光
閉じ込め層側にから徐々に少なくしてある。光閉じこめ
層に挟まれたフォトルミネッセンス層の総膜厚は０．０
５〜０．１５μｍが好ましい。（第２光閉じ込め層１０６）続いて１０００℃で、原料
ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガ
スを用い、Ｓｉを３×１０¹⁹／cm³ドープしたＧａＮよ
りなる光閉じ込め層を１μｍの膜厚で成長させる。この
第２光閉じ込め層１０６の組成は特に問うものではない
が、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌ_XＧａ
_1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得ら
れやすくフォトルミネッセンス層で傷んだ結晶性を回復
させる効果もある。膜厚は光を有効に閉じ込めるもので
０．５μｍ以上の膜厚で成長させることが望ましい。さ
らにｎ型不純物濃度は窒化物半導体の結晶性を悪くしな
い程度に高濃度にドープすることが望ましく、１×１０
¹⁸／cm³以上、５×１０²¹／cm³以下の範囲でドープする
ことが望ましい。（活性層１０７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁
層を２００Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃
にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープ
Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長
させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁
の順で障壁層を５層、井戸層４層交互に積層して、総膜
厚１１２０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層１０７
を成長させる。活性層１０７は障壁層から積層したが、
積層順は井戸層から積層して、井戸層で終わってもよ
く、また井戸層から積層して障壁層で終わる場合、障壁
層から積層して井戸層で終わっても良く積層順は特に問
わない。井戸層の膜厚としては１００Å以下、好ましく
は７０Å以下、さらに好ましくは５０Å以下に調整す
る。１００Åよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向に
ある。一方、障壁層の厚さは３００Å以下、好ましくは
２５０Å以下、最も好ましくは２００Å以下に調整す
る。（ｐ側多層膜層１０８）次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモ
ニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用い、Ｍｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたｐ型Ａ
ｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる窒化物半導体層を１５Åの膜
厚で成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止めアンド
ープＧａＮよりなる窒化物半導体層を１５Åの膜厚で成
長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、交互に１０
層ずつ積層した超格子よりなるｐ側多層膜層１０８を３
００Åの膜厚で成長させる。（ｐ側コンタクト層１０９）続いて１０００℃で、ＴＭ
Ｇ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰
／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層
８を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１
０８もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦
１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、
好ましくはＧａＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導
体層が得られやすく、またｐ電極材料と好ましいオーミ
ック接触が得られやすい。

【００４１】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、６００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。

【００４２】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１０９の表面に所
定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行
い、図１に示すようにｎ側コンタクト層１０４の表面を
露出させる。

【００４３】エッチング後、最上層にあるｐ側コンタク
ト層のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光
性のｐ電極１０と、そのｐ電極１０の上にボンディング
用のＡｕよりなるｐパッド電極１１１を０．５μｍの膜
厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側
コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１２
を形成してＬＥＤを形成させる。

【００４４】以上のようにして得られる発光素子は、図
３に示すようなスペクトルの発光が得られる。図３に示
すように、２０ｍＡで活性層からの発光ピーク波長は、
約４６０ｎｍの青色の発光であり、フォトルミネセンス
層からの発光は、５７０ｎｍ近傍のブロードなピークを
呈している。また、各駆動電流値における発光スペクト
ルは、活性層からの発光ピーク強度と、フォトルミネセ
ンス層からのピーク強度との比に、変化が現れ、電流注
入による発光である活性層からの光強度が大きくなる傾
向が観られる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の発光素子
は、ｎ型層とｐ型層とで、活性層を挟む構造の発光素子
構造中に、その活性層からの発光の少なくとも一部を吸
収して異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層を
光閉じ込め層で挟持して設けることで、可視光域で、演
色性にすぐれ、様々な発光色を発するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示
す模式断面図。

【図２】本発明の発光素子を用いた発光装置を説明す
る模式断面図。

【図３】本発明の一実施例に係る発光素子の発光特性
を示すスペクトル図。

【図４】本発明と比較のための発光素子の構造を示す
模式断面図である。

【符号の説明】

１０１、２０１・・・基板１０２、２０２・・・第１のバッファ層１０３、２０３・・・第２のバッファ層１０４・・・第１の光閉じこめ層１０５・・・フォトルミネッセンス層（ｎ側多層膜層）１０６・・・第２の光閉じこめ層１０７・・・活性層１０８・・・ｐ側多層膜層１０９・・・ｐ側コンタクト層１１０・・・全面電極１１１・・・ｐ型パッド電極１１２・・・ｎ型パッド電極２０４Ａ・・・第１の光閉じこめ層２０４Ｂ・・・第２の光閉じこめ層２０５・・・フォトルミネッセンス層（ｎ側多層膜層）２０６・・・バッファ層２０７・・・活性層２０８・・・ｐ側多層膜層２０９・・・ｐ側コンタクト層２２７・・・蛍光体２２８・・・透光性モールド部材４０１・・・基板４０２・・・ｎ型層４０３・・・障壁層４０４、４０５・・・井戸層４０６・・・ｐ型層４０７・・・ｎ電極。４０８・・・ｐ電極、４１０・・・発光層４１１・・・井戸層から放出された第１の発光スペクト
ル４１２・・・井戸層から放出された第１の発光スペクト
ルとは異なる第２の発光スペクトル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型層と、ｐ型層に挟まれた活性層と、
該活性層からの光の少なくとも一部を吸収し、該活性層
からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス
層とを有する発光素子において、前記フォトルミネッセンス層は光閉じ込め層に挟まれて
いることを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記活性層及びフォトルミネッセンス層
はＩｎを含む窒化物半導体層であると共に、前記フォト
ルミネセンス層の少なくとも１部は活性層Ｉｎ混晶比よ
り大きい請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】前記光閉じ込め層で挟まれたフォトルミ
ネッセンス層を複数有する請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】前記フォトルミネセンス層は第１の窒化
物半導体層と、該第１の窒化物半導体層よりはバンドギ
ャップエネルギーが大きい第２の窒化物半導体層とを有
する多層膜層である請求項１乃至３に記載の発光素子。
【請求項５】前記第１の窒化物半導体層はＩｎ_XＧａ
_1-XＮ（０＜X＜１）であると共に、前記第２の窒化物半
導体層はＩｎ_YＧａ_ZＡｌ_1-Y-ZＮ（０≦Y＜１、０＜Z≦
１、Y＜X）である請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】前記第１の窒化物半導体層は２層以上あ
り、且つ前記活性層から離れた側の第1の窒化物半導体
層は活性層から近い側よりもＩｎの混晶比が高い請求項
４乃至５記載の発光素子。
【請求項７】前記光閉じ込め層は前記フォトルミネッ
センス層の各第1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導
体層よりも厚い請求項４乃至６記載の発光素子。