JP2003046125A

JP2003046125A - 発光素子

Info

Publication number: JP2003046125A
Application number: JP2001230532A
Authority: JP
Inventors: Yukari Suzuki; 由佳里鈴木; Keizo Yasutomi; 敬三安富
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】特定発光波長を得るために所定の組成を有す
る活性層において、活性層の積層構造を変えることな
く、その結晶品質を低下させないヘテロ構造を形成し、
活性層の特定波長の発光効率を高めることができる半導
体発光素子を提供する。【解決手段】発光層部１は、ｎ型クラッド層２、調整
結晶層３、活性層４及びｐ型クラッド層５が互いに積層
されたダブルヘテロ構造を有する。また、活性層４は、
井戸層７をバリア層６で挟んだ単一量子井戸構造もしく
は多重量子井戸構造とされる。調整結晶層３は、活性層
４が有する井戸層７とバリア層６が形成するヘテロ接合
界面における格子定数差を縮小させる機能を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体を用いた発
光素子、特に青色から緑色の可視波長帯における発光に
適した発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色光領域の短波長発光が可能な半導体
発光素子は、永らく要望されており、最近になり、窒化
ガリウム系半導体を用いた短波長発光が可能な発光素子
が実現されている。窒化ガリウム系半導体は、光学遷移
が直接遷移型であるために、高効率で発光再結合を生じ
させることが可能であり、また、その遷移エネルギー範
囲は、２ｅＶ〜６ｅＶと広く、短波長半導体レーザある
いは高輝度可視ＬＥＤなどの高効率発光素子の材料とし
て開発が進められている。窒化ガリウム系半導体は、窒
化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及
び窒化インジウム（ＩｎＮ）を組み合わせた混晶化合物
として作製することができる。特に活性層に窒化ガリウ
ムインジウムＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１：以下、
ＩｎＧａＮとも記す。）を用いた素子では、ＩｎＧａＮ
混晶比ｘを変化させることにより、そのバンドギャップ
エネルギーＥ_ｇをＧａＮの３．４ｅＶ近辺からＩｎＮの
１．９ｅＶまで発光波長を変化させることができるた
め、広範囲の可視波長帯にわたる発光素子を得ることが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＩｎＮの格子定数（ａ
＝０．３５ｎｍ、ｃ＝０．５７ｎｍ）は、ＧａＮ（ａ＝
０．３２ｎｍ、ｃ＝０．５２ｎｍ）やＡｌＮ（ａ＝０．
３１ｎｍ、ｃ＝０．５０ｎｍ）の格子定数に比べ大きい
ので、上記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）において
は、ＩｎＮ組成が増えるほど（ＩｎＮ混晶比ｘが増える
ほど）格子定数は大きくなる。そのため、ＩｎＧａＮよ
り構成される活性層を、該活性層よりもバンドギャップ
エネルギーの大きなＧａＮ、ＡｌＮ（バンドギャップエ
ネルギーＥ _ｇ＝６．２ｅＶ）及びその混晶で構成された
クラッド層で挟んだダブルへテロ構造において、クラッ
ド層と活性層が形成するヘテロ接合界面の格子不整合
は、活性層のＩｎＮ混晶比ｘの増加に伴い大きくなる。

【０００４】上記クラッド層と活性層が形成するヘテロ
接合界面の格子不整合により、クラッド層上に積層され
る活性層に応力が生じ、活性層を構成するＩｎＧａＮ結
晶に結晶歪もしくは結晶欠陥を誘起する結果となる。こ
のことにより、活性層を構成するＩｎＧａＮの結晶品質
が劣化するとともに、クラッド層とのヘテロ接合界面も
劣化し、ひいては発光効率を低下させる問題が起こる。

【０００５】一方、このような格子不整合を緩和する方
法として、活性層を構成するＩｎＧａＮのＩｎＮ混晶比
ｘを低く抑えることも考えられる。しかし、ＩｎＮ混晶
比ｘは、活性層における発光波長を決定する基本的要素
であり、ＩｎＮ混晶比ｘを変化させることは、発光波長
そのものが変化してしまうという不具合を生じさせる。

【０００６】上記したＩｎＧａＮのような混晶よりなる
活性層において、特定発光波長を得るために必要な混晶
比に調整した場合、クラッド層と活性層が形成するヘテ
ロ接合界面において格子不整合が大きくなり、活性層へ
の結晶歪もしくは結晶欠陥が避けがたくなり発光効率の
向上を妨げるという問題が起こり得る。特定波長の発光
を得るために所定の組成を有する活性層において、該活
性層の組成を変えることなく、活性層への結晶歪もしく
は結晶欠陥の誘起を抑制することは、ダブルヘテロ構造
よりなる発光素子の発光効率向上という観点において重
要な課題である。

【０００７】本発明は、かかる課題を考慮してなされ
たものである。すなわち、本発明は、所定の組成を有す
る活性層において、活性層の積層構造を変えることな
く、その結晶品質の低下を抑制することができるダブル
ヘテロ構造よりなる半導体発光素子を提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために本発明の発光素子は、発光層部が、バ
リア層と井戸層とを交互に積層した量子井戸構造からな
る活性層と、前記活性層にキャリアを注入するためのク
ラッド層とを有し、さらに、前記活性層と前記クラッド
層との間、又は前記クラッド層の内部に、前記クラッド
層に最も近い側に位置するバリア層に対し、該バリア層
に隣接する井戸層との格子定数差を縮小する弾性変位を
与える調整結晶層が介挿されてなることを特徴とする。

【０００９】通常、発光素子では、発光効率を高めるた
め、活性層を該活性層よりもバンドギャップエネルギー
の高いクラッド層で挟み込んだ、ダブルへテロ構造が用
いられる。さらに、活性層を、バリア層と井戸層とを交
互に積層した量子井戸構造にすることで、クラッド層か
ら活性層に注入されたキャリアの活性層内での非発光遷
移となる確率を下げ、発光に寄与するキャリア密度を上
げることができるので発光効率をさらに高めることが可
能となる。このようなダブルへテロ構造において、発光
エネルギーを決定する井戸層のバンドギャップエネルギ
ーを変化させるには、井戸層を構成する化合物半導体の
組成もしくは混晶比を調整する必要がある。しかしなが
ら、組成または混晶比の調整により、井戸層と該井戸層
に隣接するバリア層との格子定数差が変化するので、該
格子定数差による格子不整合が、井戸層および、その上
に積層される積層結晶への結晶歪または結晶欠陥を誘起
する問題が起こる。その結果、量子井戸構造よりなる活
性層において、結晶歪または結晶欠陥によりキャリアの
非発光遷移確率が上がり、発光効率の低下という不具合
が生じる。

【００１０】しかし、本発明においては、クラッド層に
最も近い側に位置するバリア層に対して、これに隣接す
る井戸層との格子定数差を縮小する弾性変位を与えるよ
うに、格子定数が調整された調整結晶層を、活性層とク
ラッド層との間、又はクラッド層の内部に格子整合形態
にて介挿させている。その結果、特定波長を得るために
井戸層の格子定数が変化しても、調整結晶層の格子定数
を調整することにより、井戸層とクラッド層に最も近い
側に位置するバリア層との格子定数差を縮小させること
ができ、該井戸層における特定波長の発光効率を向上さ
せることが可能となる。また、調整結晶層は、活性層に
属さないので、活性層に注入されたキャリアに対する非
発光遷移確率を高めることなく、その機能を果たすこと
ができる。

【００１１】上記した調整結晶層の機能は、調整結晶層
と隣接する層が、調整結晶層とのヘテロ接合界面におい
て応力を受け、その応力による弾性エネルギーが弾性変
位を与えながら層厚方向に伝播することによる。この調
整結晶層がその隣接する層に与える弾性エネルギーが大
きいほど、弾性変位を与える層厚方向への伝播距離が長
くなることになる。そのため、調整結晶層の層厚が、量
子井戸構造をなすバリア層及び井戸層の層厚程度に薄け
れば、調整結晶層が、その隣接する層へ与える弾性エネ
ルギーも小さくなり、十分に調整結晶層の機能を果たす
ことができなくなる。そこで、本発明において、調整結
晶層は、量子井戸構造をなすバリア層及び井戸層のいず
れよりも層厚が大きく設定されてなる。

【００１２】つぎに、本発明の発光素子において、クラ
ッド層は、導電型の異なる２層が活性層を挟む形で配置
され、これらクラッド層及び活性層を有する発光層部が
基板上にエピタキシャル成長されてなり、調整結晶層
は、活性層を挟む２つのクラッド層のうち、基板側に位
置するものに対応して設けられていることを特徴とす
る。このように、調整結晶層を、基板側のクラッド層と
活性層との間、又は基板側のクラッド層の内部に格子整
合形態で介挿させれば、上記調整結晶層の機能により基
板側のクラッド層上に積層されるバリア層とそれに隣接
する井戸層の格子定数差が縮められ、該井戸層の結晶性
を向上させることができ、さらに、その井戸層の上にエ
ピキシャル成長する結晶層の結晶性をも向上させること
ができる。活性層が単一量子井戸構造を周期的に積層さ
せた多重量子井戸構造よりなる場合、結晶歪もしくは結
晶欠陥が抑制された多重量子井戸構造を積層させること
ができ、単一量子井戸構造と同様、井戸層における結晶
欠陥によるキャリアの非発光遷移確率を下げることが可
能となり、ひいては発光効率の向上が可能となる。

【００１３】本発明の発光素子において、クラッド層
は、基板側に位置する第一クラッド層がｎ型であり、前
記活性層の反対側に位置する第二クラッド層がｐ型であ
るように積層されていることを特徴とする。活性層に対
してｎ型クラッド層より注入される電子と、ｐ型クラッ
ド層より注入される正孔が再結合することにより発光が
起こるが、正孔は電子より有効質量が大きいので、正孔
の活性層内における存在確率はｐ型クラッド層に近いほ
ど大きくなる。そこで、基板側からｎ型クラッド層、活
性層、ｐ型クラッド層の順に積層することにより、活性
層からの発光をｐ型クラッド層側から取り出し、発光効
率を向上させることができる。

【００１４】本発明の発光素子において、調整結晶層
は、活性層とクラッド層との間に配置され、かつキャリ
アドーピングがなされていることを特徴とする。調整結
晶層がクラッド層内より、活性層とクラッド層の間に位
置する方が、調整結晶層と上記弾性変位を与えるバリア
層との層間が短くなる。よって、該バリア層は、調整結
晶層より、弾性変位を与えるための弾性エネルギーを強
く受けることができ、調整結晶層の機能を効果的にする
ことができる。また、調整結晶層に適切な量のキャリア
ドーピングを施すことで、活性層への注入効率を落とさ
ないようにすることができる。

【００１５】本発明の発光素子において、井戸層はバリ
ア層よりも格子定数が大きく設定され、調整結晶層はバ
リア層よりも格子定数が大きく設定されてなることを特
徴とする。一般的に、化合物半導体よりなる積層結晶に
おいては、ヘテロ界面を構成する格子定数とそのバンド
ギャップエネルギーの相関は、反比例の関係よりなる。
この関係を用いれば、井戸層はバリア層のバンドギャッ
プエネルギーよりも小さく設定されるので、井戸層の格
子定数はバリア層のものより大きくなる。このように設
定された井戸層とバリア層との格子定数差を縮小させる
ためには、調整結晶層よりバリア層に正の向き（格子定
数を伸ばす向き）の弾性変位を与えればよく、調整結晶
層の格子定数を、バリア層より大きく設定することで、
その調整結晶層の機能を果たすことができる。

【００１６】本発明の発光素子において、調整結晶層は
バリア層と井戸層との中間の格子定数を有するものであ
ることを特徴とする。上記したように、調整結晶層の格
子定数をバリア層より大きくすることで、調整結晶層の
機能は果たされるが、調整結晶層が井戸層の格子定数以
上になると、調整結晶層とバリア層との格子定数差が大
きくなりすぎ、弾性変位を与えるバリア層の結晶性を悪
化させ、ひいては井戸層の結晶性をも悪化させる可能性
がある。そのために、調整結晶層の格子定数は、バリア
層と井戸層の中間に設定することが望ましい。

【００１７】本発明の発光素子において、調整結晶層は
バリア層と井戸層との中間のバンドギャップエネルギー
を有するものであることを特徴とする。調整結晶層が井
戸層のバンドギャップエネルギー以下であれば、キャリ
アが調整結晶層内において局在する可能性が高く、キャ
リアを有効的に井戸層へ注入できなくなる。

【００１８】本発明の発光素子は、量子井戸構造におい
て、井戸層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）にて構
成され、調整結晶層がＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦
１）にて構成され、バリア層が、井戸層及び調整結晶層
のいずれよりもバンドギャップエネルギーが高く、か
つ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮのうち、ＧａＮを必須と
する混晶化合物からなることを特徴とする。このような
組成により、井戸層とバリア層を構成した場合、ＩｎＮ
と、ＡｌＮまたはＧａＮとの格子定数差が大きいため
に、従来、井戸層とバリア層間の格子定数差が大きくな
り、バリア層上に積層される井戸層の結晶性が悪化し、
結果として発光効率を低下させる問題があった。しか
し、該井戸層とバリア層との格子定数差を、本発明にお
いては、上記した調整結晶層の機能により縮小させるこ
とができる。よって、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦
１）より構成された井戸層より、広範囲にわたる可視波
長帯の発光を効率よく得ることが可能となる。

【００１９】さらに、本発明の発光素子は、調整結晶層
を構成するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）のＩｎＮ
混晶比ｙが、井戸層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０
＜ｘ≦１）のＩｎＮ混晶比ｘよりも小さく設定されてい
ることを特徴とする。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦
１）において、ＩｎＮ混晶比ｘが大きくなるに伴い、そ
の格子定数は大きくなり、バンドギャップエネルギーは
小さくなる。調整結晶層のＩｎＮ混晶比ｙを井戸層のＩ
ｎＮ混晶比ｘより小さく設定することで、調整結晶層の
格子定数およびバンドギャップエネルギーが、バリア層
と井戸層の中間に設定されることになるので、上記した
ように、調整結晶層は、その機能を有効に果たし、かつ
キャリアを有効に井戸層に注入させることができる。

【００２０】本発明の発光素子は、バリア層を構成する
化合物半導体がＧａＮであることを特徴とする。ＡｌＮ
の格子定数は、ＧａＮのものより小さいので、ＧａＮと
ＡｌＮの混晶化合物よりも、ＧａＮのみでバリア層を構
成した方が、Ｉｎ_ｘＧａ_１− _ｘＮ（０＜ｘ≦１）よりな
る井戸層との格子定数差を小さくすることができる。バ
リア層と井戸層間の格子定数が大きくなることは、調整
結晶層よりバリア層に与える弾性変位を大きくしなけれ
ばならないので、上記調整結晶層の機能が十分、作用し
なくなる可能性がある。一方、バリア層をＧａＮとＩｎ
Ｎの混晶化合物より構成すると、ＧａＮの場合に比べ、
バリア層と井戸層間の格子定数差を小さくできるが、逆
にバリア層のバンドギャップエネルギーは小さくなり、
井戸層のキャリア閉じ込め効果が弱められることにな
る。これらを考慮し、バリア層をＧａＮで構成すること
で、調整結晶層を有効に機能させ、かつキャリアの井戸
層における閉じ込め効果を抑制することなく、井戸層の
発光効率を向上させることができる。

【００２１】本発明の発光素子は、クラッド層のうち、
基板側に位置する第一クラッド層がＧａＮにて構成され
たｎ型クラッド層とされ、活性層の反対側に位置する第
二クラッド層が、バリア層よりもバンドギャップエネル
ギーが高く、かつ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮのうち、
ＧａＮ及びＡｌＮを必須とする２種以上の混晶化合物か
らなることを特徴とする。このようにｎ型クラッド層と
ｐ型クラッド層を構成することで、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
（０＜ｘ≦１）よりなる井戸層とｐ型クラッド層とのバ
ンドギャップエネルギー差を、ｎ型クラッド層とのもの
より大きくすることができる。上記したように活性層内
において正孔（ｐ型キャリア）は、ｐ型クラッド層に近
いほど存在確率が高くなる。ｐ型クラッド層と井戸層と
のバンドギャップエネルギー差を、ｎ型クラッド層のも
のより大きくすることで、正孔（ｐ型キャリア）のｐ型
クラッド層への逆拡散を抑制し、また電子（ｎ型キャリ
ア）のｐ型クラッド層への順拡散をも抑制するので、活
性層における発光効率をさらに向上させることができ
る。

【００２２】また、ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーが、バリア層よりも大きいことは、ｐ型クラッ
ド層の格子定数が、それに隣接するバリア層よりも小さ
くなることを意味する。そのとき、該バリア層にｐ型ク
ラッド層から、格子定数を縮めるような応力がかかり、
結果、そのバリア層に隣接する井戸層との格子定数差を
大きくすることが考えられる。しかしながら、本発明に
おいては、ｐ型クラッド層内に調整結晶層を介挿するこ
とによりその不具合を抑制することが可能であり、さら
に発光効率を向上させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態を説
明するための発光素子要部の積層構造を模式的に示すも
のである。それぞれ化合物半導体より構成される、ｎ型
クラッド層２、調整結晶層３、活性層４、ｐ型クラッド
層５を順次、格子整合形態をなして接合させることによ
り、ダブルへテロ接合よりなる発光層部１が形成されて
いる。さらに、活性層４は、バリア層６で井戸層７を挟
み込むように格子整合形態をなして接合された量子井戸
構造より形成されている。図１ｂは、単一量子井戸構造
よりなる場合で、図１ｃは多重量子井戸構造よりなる場
合である。上記の積層構造における特徴は、活性層４が
有するｎ型クラッド層に隣接するバリア層６と井戸層７
とのヘテロ接合界面における格子定数差を縮小させるた
めの調整結晶層３が活性層４とｎ型クラッド層２に格子
整合形態をなして接合されている点にある。

【００２４】上記図１の積層構造において、バリア層６
の格子定数Ａと井戸層７の格子定数Ｂが、Ａ＜Ｂという
関係にある場合、格子定数Ｃが、Ａ＜Ｃである化合物半
導体より調整結晶層３を構成してやることにより、それ
に隣接するバリア層６と井戸層７が形成するヘテロ接合
界面の格子定数差を縮小することができる（格子定数
Ａ、ＢおよびＣは、バルク結晶における公知の格子定数
である）。なぜなら、図２の模式図を用いて説明する
と、各々調整結晶層３とバリア層６を構成する化合物半
導体のバルク結晶における、格子定数の関係は、Ａ＜Ｃ
の関係である（図２（ａ））が、図２（ｂ）に示すよう
に、バリア層６を調整結晶層３上に積層させた場合、そ
のヘテロ接合界面において、バリア層６は引っ張り応力
Ｆをうける。該引っ張り応力Ｆの弾性エネルギーによ
り、ヘテロ接合界面上に積層される結晶の格子は伸張す
る方向の弾性変位を起こしながらエピタキシャル成長が
進み、エネルギーが平衡状態になる。該弾性変位した積
層結晶の格子定数Ａ１は、Ａ＜Ａ１＜Ｃの関係になり、
その結果、バリア層６と井戸層７との格子定数差は縮小
され、井戸層７の結晶性を向上させることで、井戸層７
からの発光効率を向上させることができる。また、格子
定数の関係がＢ＜Ａの場合においても、Ｃ＜Ａとなる格
子定数Ｃをもつ化合物半導体より調整結晶層３を構成す
ることで、図２（ｂ）のＦの向きが逆になるだけで、調
整結晶層３はその機能を果たすことができる。

【００２５】つぎに、図３は、本発明の一実施形態を説
明するための化合物半導体発光素子の積層構造の概略断
面図である。まず、図３（ａ）に示すように、サファイ
ア基板８の一方の主表面にｎ型ＧａＮバッファ層９を形
成し、次いでｎ型ＧａＮクラッド層２、Ｉｎ_ｙＧａ
_１−ｙＮ調整結晶層３（０＜ｙ≦1）、Ｉｎ_ｘＧａ
_１−ｘＮ活性層４（０≦ｘ≦１）、ｐ型Ａｌ_ｖＧａ
_１−ｖＮ（０＜ｖ＜１）クラッド層５、さらにｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０をエピタキシャル成長させる。ま
た、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すうように、活性層４
は、ＧａＮバリア層６とＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層７
（０＜ｘ≦１）で構成される単一量子井戸構造（図３
（ｂ））または多重量子井戸構造（図３（ｃ））を形成
するようにエピタキシャル成長させている。上記の層の
形成は公知のＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapo
r Deposition）法あるいはＭＢＥ（Molecular Beam Epi
taxy）法にて行なうことができる。なお、本明細書にお
いてＭＢＥは、金属元素成分源と非金属元素成分源との
両方を固体とする狭義のＭＢＥに加え、金属元素成分源
を有機金属とし非金属元素成分源を固体とするＭＯＭＢ
Ｅ（Metal Organic Molecular Beam Epitaxy）、金属元
素成分源を固体とし非金属元素成分源を気体とするガス
ソースＭＢＥ、金属元素成分源を有機金属とし非金属元
素成分源を気体とする化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ
（Chemical Beam Epitaxy））を概念として含む。

【００２６】図３に示す積層構造をＭＯＣＶＤ法にて形
成する場合、主原料としては次のようなものを用いるこ
とができる。・Ｇａ源：トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチ
ルガリウム（ＴＥＧａ）など。・Ｉｎ源：トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエ
チルインジウム（ＴＥＩｎ）など。・Ａｌ源；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリ
エチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など。Ｎ源：アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）など。

【００２７】調整結晶層３には、ＩＶ族元素であるＳｉ
を添加することによりｎ型ドーピングを、また、ｐ型ク
ラッド層５およびｐ型コンタクト層１０には、ＩＩ族元
素であるＭｇを添加することによりｐ型ドーピングが施
されている。以下にドーパント源を示す。・Ｓｉ源：シランなどのシリコン水素化物など；・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ
ｐ_２Ｍｇ）など。なお、本実施例においては、ドーパント元素としてＳｉ
およびＭｇを採用しているが、ｎ型ドーパントとして
Ｃ、Ｇｅ、ＳｎなどのＩＶ族元素を、ｐ型ドーパントと
してＣａ、Ｓｒ、ＺｎなどのＩＩ族元素を用いてもよ
い。

【００２８】図５は、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＡｌＮバル
ク結晶における格子定数とエネルギーバンドギャップの
関係を模式的に示したものである。縦軸を格子定数、横
軸をエネルギーバンドギャップの値とし、図中の実線
は、バルク混晶化合物における経路を示している。図３
に示した積層構造において、調整結晶層３が積層されて
いない場合、活性層４が有するＧａＮバリア層６とＩｎ
_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層７（０＜ｘ≦１）とが形成するヘ
テロ接合界面での格子定数差は、図５に示すように、井
戸層７のＩｎＮ混晶比ｘの増加に伴い、大きくなる。そ
の結果、井戸層７に、結晶欠陥または結晶歪が生じ、結
晶性が低下することで、ＩｎＮ混晶比ｘが調整された井
戸層７からの特定発光波長のピークはシフトし、かつそ
の発光強度は低下する。そこで、本発明に示すように、
調整結晶層３をｎ型クラッド層２と活性層４との間に積
層されることで、井戸層７のＩｎＮ混晶ｘを変えること
なく、井戸層７とバリア層６との格子定数差を縮小さ
せ、井戸層７より特定発光波長の発光効率を向上させる
ことができる。

【００２９】調整結晶層３の働きについては、図２で述
べたが、図３においてＩｎＧａＮ井戸層７がＧａＮバリ
ア層６より格子定数が大きい場合にあたり、ＩｎＧａＮ
調整結晶層３の格子定数はＧａＮバリア層６より大きい
ので、その機能を果たすことができる。しかし、ＩｎＧ
ａＮ調整結晶層３のＩｎＮ混晶比ｙが、ＩｎＧａＮ井戸
層７のＩｎＮ混晶比ｘ以上なると、ＧａＮバリア層６へ
与えられる弾性変位が大きくなりすぎ、その結晶性を悪
化させ、結果としてＩｎＧａＮ井戸層７の結晶性を悪化
させる可能性がある。また、キャリアがＩｎＧａＮ調整
結晶層３で局在するという不具合も考えられるので、本
実施例においては、ＩｎＧａＮ調整結晶層３および井戸
層７におけるＩｎＮ混晶比は、ｙ＜ｘの関係が満たされ
ている。

【００３０】図４は、図３に示す積層構造を形成した場
合における、伝導電子帯底のエネルギーレベル（E_ｃ）
を模式的に示したものである。図４（ａ）は、活性層４
が単一量子井戸構造の場合で、図４（ｂ）は多重量子井
戸構造の場合である。注目する点は、調整結晶層３と井
戸層７におけるＩｎＮ混晶比を、ｙ＜ｘになるように調
整することで、調整結晶層３におけるＥ_Ａが、井戸層７
のＥ_Ｗとバリア層６のＥ_Ｂの間に位置していることであ
る。Ｅ_Ａ≦Ｅ_ＷもしくはＥ_Ｂ≦Ｅ_Ａの場合、キャリアの
調整結晶層３における局在化や、キャリアに対して調整
結晶層３がポテンシャル障壁として働きキャリア散乱頻
度が上がるなどの不具合が予想できるが、図４に示すよ
うな、積層構造を形成することで、キャリアは、有効的
に活性層に流れ込むことになる。また、井戸層７とｐ型
クラッド層５とのバンドギャップエネルギー差を、ｎ型
クラッド層２のものより大きくすることで、活性層４か
らのｐ型クラッド層へのｐ型キャリアの逆拡散およびｎ
型キャリアの順拡散を抑制し、活性層４内におけるキャ
リア密度の低下を抑えることができる。

【００３１】また、調整結晶層３の層厚は、量子井戸構
造をなすバリア層６および井戸層７の層厚より大きくな
るように調整されている。調整結晶層３の層厚が、量子
井戸構造をなすバリア層６および井戸層７の層厚程度
（２ｎｍ程度）に薄い場合、調整結晶層３からその上に
積層されるバリア層６へ十分な弾性エネルギーが与えら
れず、調整結晶層３の機能が有効に働かない可能性があ
る。一方、調整結晶層３の層厚が大きくなりすぎると、
キャリアの活性層４へ注入される過程における距離が長
くなり、結果として、キャリア散乱頻度が大きくなるこ
とが考えられる。そこで、調整結晶層３の層厚は、１０
０ｎｍ以下にすることが望ましい。調整結晶層３の層厚
を、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下に調整することで、調整
結晶層３の機能が有効に機能し、活性層４に効率よくキ
ャリアを注入させることができる。より望ましくは、調
整結晶層３の厚さを３ｎｍ以上８０ｎｍ以下に調整する
とよい。

【００３２】図３に示した積層構造よりなる発光素子に
おいて、発光強度の測定を行った。図６は、その測定結
果の一例を示すものであり、縦軸は発光強度、横軸は発
光波長を示す。また、図中の点線ａは、活性層４が単一
量子井戸構造で調整結晶層３がない場合で、実線ｂは調
整結晶層３がある場合にあたる。さらに、実線ｃは、活
性層４が多重量子井戸構造よりなり調整結晶層３がある
場合である。図６より、調整結晶層３を積層することに
より、発光波長のピークは鋭くなり（半値全幅が減
少）、発光強度が３〜５倍となっていることがわかる。
このことは、調整結晶層３を積層させることにより、活
性層４の結晶性が向上し、その結果、井戸層７におけ
る、結晶欠陥によるキャリアの非発光遷移確率が下が
り、発光に寄与するキャリア密度が向上したことを示し
ている。また、単一量子井戸構造を周期的に積層させた
多重量子井戸構造においては、単一量子井戸構造の場合
に比べ、さらに発光輝度は向上し発光波長ピークは鋭く
なっていることがわかる。このようにして、調整結晶層
３を積層することで、ＩｎＧａＮ井戸層７より広可視波
長帯の発光を効率よく取り出すことが可能となる。

【００３３】また、調整結晶層３を積層させず、多重量
子井戸構造における、単一量子井戸構造の周期を変化さ
せ、発光強度の測定を行った。その結果、多重量子井戸
構造における該周期が増えるに従い、発光強度は減少
し、発光波長は長波長側へシフトした。活性層４におけ
る発光は、正孔（ｐ型キャリア）の有効質量が電子（ｎ
型キャリア）より大きいので、ｐ型クラッド層に近い位
置の井戸層７からの発光が支配的になる。よって、上記
測定結果は、活性層４の基板側のバリア層６と井戸層７
との間の格子定数差による井戸層７の結晶性の悪化が、
その上に積層される結晶をさらに悪化させ、ひいては、
活性層４の発光効率を低下させることを示している。こ
のことより、活性層４からの発光効率を向上させるに
は、本発明による調整結晶層３を積層させることが有効
であることがわかる。

【００３４】図７は、本実施例以外において調整結晶層
の機能を有する積層構造の変形例を示す。また、図１と
同様に基板側が紙面下側にある発光層部１のみ示す。図
７（ａ）は、発光層部がダブルへテロ接合よりなる場合
で、ｎクラッド層２、活性層４、ｐ型クラッド層５が順
次積層されており、活性層４が量子井戸構造でない単層
である。活性層４とｎ型クラッド層２が形成するヘテロ
接合界面の格子定数差を縮小させるために、調整結晶層
３がｎ型クラッド層２内に積層されている例である。ま
た、活性層４が量子井戸構造においても、図７（ａ）と
同様に、調整結晶層３をｎ型クラッド層２内に積層する
ことにより、量子井戸構造が有するバリア層と井戸層が
形成するヘテロ接合界面の格子定数差を縮小させること
ができる。次に、図７（ｂ）は、調整結晶層３が、ｐ型
クラッド層５内に積層されている場合である。このとに
より、ｐ型クラッド層５と活性層４が形成するヘテロ接
合界面における格子定数差を縮小させることが可能とな
る。

【００３５】また、図１、図３及び図７においては、基
板に対してｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の
順に積層させているが、ｎクラッド層とｐ型クラッド層
の順番を変え、基板に対してｐ型クラッド層、活性層、
ｎ型クラッド層の順に積層させても本発明における効果
が達成されることはいうまでもない。本発明において
は、格子定数の異なる複数の化合物半導体より構成され
る発光層部において、格子定数差によるヘテロ接合界面
の格子不整合を緩和するために、調整結晶層が発光層部
に介挿されていることが特徴である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における一実施形態を説明する為の発光
層部の要部断面図。

【図２】本発明における調整結晶層の機能を説明するた
めの模式図。

【図３】本発明における一実施形態を説明する為の要部
断面図。

【図４】図２における発光層部の伝導電子帯底のエネル
ギーレベル概略図。

【図５】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮバルク結晶およびその
バルク混晶における格子定数とバンドギャップエネルギ
ーの関係模式図。

【図６】本発明における一実施形態の発光素子におけ
る、発光強度の測定結果。

【図７】本発明における一実施形態を示す図１以外の変
形例。

【符号の説明】

１発光層部２ｎ型クラッド層３調整結晶層４活性層５ｐ型クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F073 AA51 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA35 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層部が、バリア層と井戸層とを交互
に積層した量子井戸構造からなる活性層と、前記活性層
にキャリアを注入するためのクラッド層とを有し、さらに、前記活性層と前記クラッド層との間、又は前記
クラッド層の内部に、前記クラッド層に最も近い側に位
置する前記バリア層に対し、該バリア層に隣接する前記
井戸層との格子定数差を縮小する弾性変位を与える調整
結晶層が介挿されてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記調整結晶層は、前記量子井戸構造を
なす前記バリア層及び前記井戸層のいずれよりも層厚が
大きく設定されてなることを特徴とする請求項１記載の
発光素子。
【請求項３】前記クラッド層は、導電型の異なる２層
が前記活性層を挟む形で配置され、これらクラッド層及
び活性層を有する前記発光層部が基板上にエピタキシャ
ル成長されてなり、前記調整結晶層は、前記２つのクラ
ッド層のうち、前記基板側に位置するものに対応して設
けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の
発光素子。
【請求項４】前記クラッド層は、基板側に位置する第
一クラッド層がｎ型であり、前記活性層の反対側に位置
する第二クラッド層がｐ型であることを特徴とする請求
項１又は３に記載の発光素子。
【請求項５】前記調整結晶層は、前記活性層と前記ク
ラッド層との間に配置され、かつキャリアドーピングが
なされていることを特徴とする請求項１又は３に記載の
発光素子。
【請求項６】前記井戸層は前記バリア層よりも格子定
数が大きく設定され、前記調整結晶層は前記バリア層よ
りも格子定数が大きく設定されてなることを特徴とする
請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項７】前記調整結晶層は前記バリア層と前記井
戸層との中間の格子定数を有するものであることを特徴
とする請求項６記載の発光素子。
【請求項８】前記調整結晶層は前記バリア層と前記井
戸層との中間のバンドギャップエネルギーを有するもの
であることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
【請求項９】前記量子井戸構造において、前記井戸層
がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）にて構成され、前
記調整結晶層がＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）にて
構成され、前記バリア層が、前記井戸層及び前記調整結
晶層のいずれよりもバンドギャップエネルギーが高く、
かつ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮのうち、ＧａＮを必須
とする混晶化合物からなることを特徴とする請求項６な
いし８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】前記調整結晶層を構成するＩｎ_ｙＧａ
_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）のＩｎＮ混晶比ｙが、前記井戸
層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＩｎ
Ｎ混晶比ｘよりも小さく設定されていることを特徴とす
る請求項９記載の発光素子。
【請求項１１】前記バリア層を構成する化合物半導体
がＧａＮであることを特徴とする請求項９記載の発光素
子。
【請求項１２】前記クラッド層のうち、基板側に位置
する第一クラッド層がＧａＮにて構成されたｎ型クラッ
ド層とされ、活性層の反対側に位置する第二クラッド層
が、前記バリア層よりもバンドギャップエネルギーが高
く、かつ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮのうち、ＧａＮ及
びＡｌＮを必須とする２種以上の混晶化合物からなるこ
とを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか1項に記
載の発光素子。