JP2003258298A

JP2003258298A - 窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2003258298A
Application number: JP2002052772A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Harada; 佳幸原田; Masaaki Onomura; 正明小野村; Shinya Nunogami; 真也布上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】紫外領域で発光出力が高く、広い発光スペク
トルを有し、生産性に優れた窒化物半導体発光素子を提
供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層１０３と、ｐ型窒化
物半導体層１０５と、これらの間に設けられた発光層１
０４とを備え、発光層１０４が、Ｍｇがドーピングされ
たｐ型導電性のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含んで
なり、４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピークを有するこ
とを特徴とする窒化物半導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体発光
素子に関し、特に紫外域で発光する窒化物半導体発光ダ
イオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】短波長発光ダイオードは、ＩｎＧａＮを
発光層に用いて、青色までの製品が実用化されている。
従来例として、この従来の発光ダイオード装置につい
て、図１１を用いて説明する。図１１は、従来の窒化物
半導体発光ダイオードの概念断面図である。図１１は概
念図であり、説明をしやすくするため、各層の倍率を変
えて示している。

【０００３】図１１は、サファイア基板７０１上に、膜
厚２０ｎｍの低温成長ＧａＮからなるバッファー層７０
２、膜厚５μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型層７０
３、膜厚３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる発光層７０
４、膜厚６０ｎｍのＭｇドープＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎから
なるｐ型クラッド層７０５、膜厚０．１５μｍのＭｇド
ープＧａＮからなるｐ型コンタクト層７０６を積層さ
せ、ｎ型層７０３上に負電極７２０が、p型層７０６上
に正電極７３０が形成されてなる窒化物半導体発光ダイ
オードを示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の発光ダイオード
は、発光層７０４のＩｎＧａＮの組成により発光波長が
調整される。上記の発光ダイオードでは、紫色までは高
い発光出力が得られるが、４００ｎｍ以下の紫外領域で
は発光出力が大幅に低下するというＩｎＧａＮ発光層に
特有の問題があった。また、発光層７０４がＩｎＧａＮ
であるために原理的に３６０ｎｍ以下の紫外領域の発光
が得られないという問題があった。

【０００５】特開２００１−２０３３８５には、ｐ型コ
ンタクト層とｎ型コンタクト層の構造により、コンタク
ト抵抗の増加無しに自己吸収を低減して３７０ｎｍ以下
の紫外領域の発光出力を向上させる方法が記載されてい
る。しかし、この方法においては、自己吸収が低減され
るのであって、前記の４００ｎｍ以下で発光出力が低下
するというＩｎＧａＮ発光層に特有の性質は改善されな
い。

【０００６】上記発光ダイオードは、通常ＭＯＣＶＤ法
により成長される。この場合、他の層であるＡｌＧａＮ
およびＧａＮ層が成長温度１０００℃以上で多量の水素
を含むキャリアガスで成長するのに対し、ＩｎＧａＮの
成長は、成長温度８００℃前後で、窒素のみか少量の水
素と多量の窒素からなるキャリアガスを用いる。このた
め、成長工程が煩雑でスループットが低いという問題が
あった。また、ＩｎＧａＮ層の混晶組成は、成長温度に
強く依存するため、発光波長の調整が難しいという問題
があった。

【０００７】ＩｎＧａＮ発光層による発光ダイオードが
実用化される以前は、ＧａＮのｐｎ接合型の発光ダイオ
ードが研究されていた。ｐ型層にＭｇドープＧａＮを用
いて、４３０ｎｍ前後の青色発光が得られていた。

【０００８】特開２００１−３２００８５には、ｐｎ接
合型の発光ダイオードにおいて、ＡｌＧａＮからなるｐ
型層を、低不純物濃度層（１×１０¹⁷／ｃｍ³以上５×
１０¹ ⁸／ｃｍ³以下）と高不純物濃度層（１×１０¹⁹／
ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下）とを１周期として、
複数周期繰り返して形成して発光出力を向上する方法が
記載されている。しかし、この例にも見られるように、
ＭｇドープＧａＮをｐ型層とするｐｎ接合型発光ダイオ
ードの発光は青色領域であり、紫外域で高出力の発光は
得られていない。

【０００９】以上のように、紫外領域で高い発光出力が
得られる発光ダイオードは実用化されていない。

【００１０】一方、紫外発光素子は、３原色の蛍光体と
組み合わせることにより、照明用の白色光源として期待
されて研究が行われている。３原色の蛍光体は各々、励
起スペクトルのピークが異なるため、紫外発光素子の発
光スペクトル線幅が狭い場合に、紫外発光素子の発光ピ
ーク波長のずれに対して、色度座標が敏感に変化し、色
度調整が難しいという問題があった。

【００１１】本発明は、上述した課題の認識に基づいて
なされたものであり、その目的は、紫外領域で発光出力
が高く、広い発光スペクトルを有し、生産性に優れた窒
化物半導体発光素子を提供する点にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（構成）上述した課題を
解決するために、本発明の第１の窒化物半導体発光素子
は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、こ
れらの間に設けられた発光層とを備え、前記発光層が、
Ｍｇがドーピングされたｐ型導電性のＡｌ_xＧａ_1-xＮ
（０≦ｘ≦１）を含んでなり、４００ｎｍ以下の紫外域
に発光ピークを有することを特徴とする。

【００１３】本発明の第１の窒化物半導体発光素子にお
いて、前記発光層中のＭｇ濃度が、１×１０¹⁹／ｃｍ³
以上５×１０²¹／ｃｍ³以下であることが望ましい。

【００１４】また、前記発光層中のＭｇ濃度が、１×１
０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であることが望
ましい。

【００１５】また、本発明の第２の窒化物半導体発光素
子は、Ｍｇがドーピングされてｐ型導電性を有する第１
のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）層と第１のＡｌ_xＧａ
_1-xＮ層よりもバンドギャップの大きい第２のＡｌ_yＧａ
_1-yＮ層（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）とを有する発光層と、
ｎ型窒化物半導体層とを備え、第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層
と第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層とが交互に１周期以上積層さ
れてなり、４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピークを有す
ることを特徴とする。

【００１６】本発明の第２の窒化物半導体発光素子にお
いて、以下の構成要件を備えることが望ましい。

【００１７】（１）前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭ
ｇ濃度が、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上５×１０²¹／ｃｍ³以
下であること。

【００１８】（２）前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭ
ｇ濃度が、１×１０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以
下であること。

【００１９】（３）前記第２のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭ
ｇ濃度が、前記第１のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層中のＭｇ濃度未
満またはノンドープであること。

【００２０】（４）前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層及び第
２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層の各々の膜厚が１０ｎｍ以下であ
り、交互に積層されて超格子構造層が形成されているこ
と。

【００２１】（５）前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層及び第
２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層の各々の膜厚が５ｎｍ以下であ
り、交互に積層されて超格子構造層が形成されているこ
と。

【００２２】（６）前記超格子構造層の膜厚が０．５μ
ｍ以下であること。

【００２３】（７）前記超格子構造層の膜厚が０．１μ
ｍ以下であること。

【００２４】（８）前記第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層及び第
１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の混晶組成ｘおよびｙが、０．０
５＜ｙ−ｘ＜０．３であること。

【００２５】（９）前記第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層及び第
１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の混晶組成ｘおよびｙが、０．１
＜ｙ−ｘ＜０．２であること。

【００２６】（１０）ｎ型窒化物半導体層にはｎ側電極
が設けられ、前記発光層には当該発光層に接してｐ側電
極が設けられていること。

【００２７】（作用）本発明の窒化物半導体発光素子に
よれば、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含んでなる発
光層に高濃度にＭｇをドーピングすることにより、４０
〜１００ｍｅＶ程度の浅いアクセプタ準位が高密度に形
成され、価電子帯上端に重なり合うようにエネルギー帯
が形成される。この結果、価電子帯上端およびドーピン
グにより形成されるエネルギー帯において正孔濃度が増
大し、紫外領域で発光強度を増大させることができる。
また、発光スペクトルが、バンドギャップエネルギーか
ら低エネルギー側、すなわち長波長側に広がりを持つよ
うにすることが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施形態について詳細に説明する。

【００２９】（第１の実施形態）第１の実施形態に係る
窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体発光ダイオード
である。図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物
半導体発光ダイオードの断面図である。図１は概念図で
あり、説明をしやすくするため、各層の倍率を変えて示
している。

【００３０】図１に示すように、サファイア基板１０１
上に、膜厚２０ｎｍの低温成長ＧａＮからなるバッファ
ー層１０２、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³
のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型層１０３、膜厚０．
１μｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰／ｃｍ³のＧａＮからなる
ｐ型発光層１０４が積層されている。さらに、このｐ型
発光層１０４上には、膜厚２．５ｎｍのＡｌ_0.10Ｇａ
_0.90Ｎ１０５ｂと膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰
／ｃｍ³のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ１０５ａとを交互に１２
０周期積層した超格子構造からなるｐ型層１０５が積層
されている。ｎ型層１０３上には負電極１２０が、p型
層１０５上には正電極１３０が形成されており、窒化物
半導体発光ダイオードが構成されている。図２は、ｐ型
層１０５の構成を、簡略化のため、３周期のみ示してい
る。

【００３１】次に、図１の窒化物半導体発光ダイオード
の製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法
により窒化物半導体層を形成して発光ダイオードを製造
する例について説明する。

【００３２】（１）まず、直径約５ｃｍのサファイア基
板１０１のC面上に、基板温度５００℃で、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）、ＮＨ₃（アンモニア）を用い、低
温成長ＧａＮからなる低温バッファー層１０２を２０nm
の膜厚で成長させる。

【００３３】（２）次に、基板温度を１０８０℃まで上
げ、TMA（トリメチルアルミニウム）、TMG、NH₃を用い
て、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³のＡｌ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型層１０３を成長させる。

【００３４】（３）次に、１０８０℃で、ＴＭＧ、ＮＨ
₃を用いて、膜厚０．１μｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰／ｃ
ｍ³のＧａＮからなるｐ型発光層１０４を成長させる。

【００３５】（４）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭ
Ｇ、ＮＨ₃を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ_0.10Ｇａ
_0.90Ｎ１０５ｂと膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰
／ｃｍ３のＡｌ０_.05Ｇａ_0.95Ｎ１０５ａを交互に１２
０周期積層した超格子構造からなるｐ型層１０５を成長
させる。

【００３６】（５）次に、基板を窒素雰囲気中８００℃
で熱処理し、p型発光層１０４およびｐ型層１０５を低
抵抗化する。続いて、p型層１０５の表面にマスクを形
成し、図１のごとくn型層１０３が露出するようエッチ
ングを行う。その後、n型層１０３の該露出面に負電極
１２０、p型層１０５の表面に正電極１３０を形成す
る。

【００３７】（６）次に、直径約５ｃｍの基板１０１
を、一辺が５００μｍ程度の複数のチップに分離し、図
１の発光ダイオードが完成する。

【００３８】以上説明した製造方法により得られる図１
の窒化物半導体発光ダイオードの特徴の１つは、発光層
１０４として、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上５×１０²¹／ｃ
ｍ³以下、好ましくは１×１０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹
／ｃｍ³以下の高濃度Ｍｇがドーピングされてｐ型導電
性を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いている
ことであり、さらに４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピー
クを有する点である。これにより、バンドギャップエネ
ルギー付近での発光出力が増大するとともに、発光スペ
クトルがバンドギャップエネルギーより長波長側に広が
った。

【００３９】また、図１の発光ダイオードでは、発光層
にＩｎを含まないため、成長中に温度を変化させる工程
およびキャリアガスを変える工程が無く、生産性が向上
した。

【００４０】また、図１の発光ダイオードでは、発光層
にＩｎを含まないため、Ｉｎを含む発光層と比べて、発
光波長すなわち組成の成長温度依存性が小さく、波長の
制御性が向上した。

【００４１】もっとも、このようにＭｇが高濃度にドー
ピングされたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を発光層１
０４に用いることは、通常の技術者にとって思いもよら
ないことである。なぜなら、ＧａＮを例にとれば、Ｍｇ
をドーピングすることにより１６０ｍｅＶ前後の深いア
クセプタ準位が形成されると考えられるからである。こ
のため、ＭｇがドーピングされたＧａＮを発光層に用い
れば、従来のｐｎ接合型ダイオードに見られるように深
いＭｇの準位を介した青色領域の発光が支配的となり、
バンドギャップエネルギー近傍の紫外域の発光強度が低
下すると考えられるからである。

【００４２】本発明者は、Ｍｇドープ量が少ないＧａＮ
を用いたｐｎ接合型発光ダイオードの発光スペクトルを
調べた。その結果を示す模式図が図３である。この図に
示されるように、Ｍｇの濃度が８×１０¹⁸／ｃｍ³の場
合に、結晶品質の劣化によると考えられる青色発光強度
の低下が見られるのみであり、紫外域の発光は得られな
かった。

【００４３】しかし、本発明者の実験によれば、Ｍｇド
ープ量が非常に多いＡｌ_xＧａ_1-xＮを発光層に用いてｐ
ｎ接合型発光ダイオードを形成した場合には、従来の技
術常識に反し、Ｍｇをドーピングしないか或いは少ない
ドープ量の場合に比べてバンドギャップエネルギーでの
発光出力が増大するとともに、発光スペクトルがバンド
ギャップエネルギーより長波長側に広がることが新たに
見出された。これを示すのが図３の特性図である。この
図に示されるように、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³の
場合にバンドギャップエネルギーでの発光出力が増大す
るとともに、発光スペクトルがバンドギャップエネルギ
ーより長波長側に広がっており、１×１０²⁰／ｃｍ³の
場合にはこの傾向がさらに著しくなっている。以上の傾
向はＭｇ濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上の場合に認めら
れた。

【００４４】この理由について、本発明者は、以下のよ
うに考えている。本発明においては、高濃度にＭｇをド
ーピングすることにより、４０〜１００ｍｅＶ程度の浅
いアクセプタ準位が高密度に形成され、価電子帯上端に
重なり合うようにエネルギー帯が形成されると考えられ
る。この様子を説明する模式的な状態密度分布図を図１
０に示す。この結果、価電子帯上端およびドーピングに
より形成されるエネルギー帯において正孔濃度が増大
し、発光強度が増大する。また、発光スペクトルが、バ
ンドギャップエネルギーから低エネルギー側、すなわち
長波長側に広がりを持つ。

【００４５】次に、図１の発光ダイオードを構成する各
層の、ドーピング濃度、膜厚、混晶組成、積層構造につ
いて説明する。

【００４６】まず、図１の発光ダイオードでは、発光層
１０４のＭｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³としたが、本発
明者の実験によれば、この濃度を１×１０¹⁹／ｃｍ³以
上５×１０²¹／ｃｍ³以下にした場合には、発光ダイオ
ードの発光出力が増大し、発光スペクトル幅が広くなっ
た。１×１０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であ
ることがより好ましい。その結果を図４の特性図に示
す。これは、Ｍｇの濃度を低くしすぎると、前述したエ
ネルギー帯が形成される効果と正孔濃度が増大する効果
が減ってしまうからであると解析される。また、Ｍｇの
濃度を高くしすぎると、結晶品質が悪くなるからである
と解析される。

【００４７】次に、図１の発光ダイオードでは、Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＮからなる発光層１０４の混晶組成ｘを０とし
たが、これは、所望の発光波長が得られるように調整さ
れる。また、発光層１０４の膜厚を０．１μｍとした
が、本発明者の実験によれば、厚すぎても薄すぎても発
光出力が低下し、高い発光出力が得られる膜厚範囲が存
在した。好適な膜厚は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下
であった。特に好ましくは０．０５μｍ以上０．２μｍ
以下であった。これは、膜厚を薄くし過ぎると、発光層
で再結合するキャリアの数が減少するためと解析され
る。また、厚くし過ぎると、ｎ型層１０３との格子不整
によって結晶特性が悪くなるためと解析される。

【００４８】次に、図１の発光ダイオードでは、Ａｌ_z
Ｇａ_1-zＮからなるｎ型層１０３の混晶組成ｚを０．０
５としたが、本発明者の実験によれば、ｘ＜ｚとする
と、発光出力および効率が増大した。これは、ｚが小さ
すぎると発光層１０４からの発光をｎ型層１０３が吸収
するためと解析される。

【００４９】次に、図１の発光ダイオードでは、Ａｌ_b
Ｇａ_1-bＮおよびＭｇをドーピングしたＡｌ_aＧａ_1-aＮ
を交互に積層した超格子構造からなるｐ型層１０５にお
いて、一例として混晶組成ｂを０．１０、混晶組成ａを
０．０５としたが、本発明者の実験によれば、ｘ＜ａ，
ｂとすると、発光出力および効率が増大した。これは、
ａおよびｂが小さすぎると発光層１０４からの発光をｐ
型層１０５が吸収するためと解析される。

【００５０】図１の発光ダイオードでは、p型層１０５
は、ＭｇをドーピングしたＡｌ_aＧａ _1-aＮ単層膜として
も良い。本発明者の実験によれば、ｐ型層１０５を、Ａ
ｌ_bＧａ_1-bＮおよびＡｌ_aＧａ_1-aＮを交互に積層した超
格子構造とし、Ａｌ_bＧａ_1-bＮおよびＡｌ_aＧａ_1-aＮの
両方あるいはいずれか片方にＭｇがドーピングされてい
ると、単層膜に比べてｐ型層の抵抗およびｐ電極の接触
抵抗が低減され好ましい。

【００５１】以上のように、本発明者は、各層のドーピ
ング濃度、膜厚、混晶組成、積層構造を適切に設定する
ことにより、発光出力が高く、広い発光スペクトル幅を
有し、生産性に優れた紫外発光ダイオードを提供するこ
とができることを新たに見出した。

【００５２】以上説明した第１の実施の形態では、バッ
ファー層１０２として低温成長ＧａＮを用いたが、Ａｌ
Ｎなどの他のバッファー層を用いることができる。バッ
ファー層が必要ない場合は、これを用いる必要はない。

【００５３】（第２の実施形態）第２の実施形態に係る
窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体発光ダイオード
である。図５は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物
半導体発光ダイオードの断面図である。図５は概念図で
あり、説明をしやすくするため、各層の倍率を変えて示
している。

【００５４】図５は、サファイア基板５０１上に、膜厚
２０ｎｍの低温成長ＧａＮからなるバッファー層５０
２、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³のＡｌ
_0.05Ｇａ₀ _.95Ｎからなるｎ型層５０３が積層されてい
る。さらに、このｎ型層５０３上には、膜厚２．５ｎｍ
のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ５０４ｂと膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ
濃度１×１０²⁰／ｃｍ³のＧａＮ５０４ａとを交互に２
０周期積層した超格子構造からなるｐ型層５０４が積層
されている。このｐ型層５０４は発光層を兼ねたもので
ある。ｎ型層５０３上には負電極５２０が、p型層５０
４上にはこれと接して正電極５３０が形成されている。
図６は、発光層兼p型層５０４の構成を、簡略化のた
め、３周期のみ示している。

【００５５】次に、図５の窒化物半導体発光ダイオード
の製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法
により窒化物半導体層を形成して発光ダイオードを製造
する例について説明する。

【００５６】（１）まず、直径約５ｃｍのサファイア基
板５０１のC面上に、基板温度５００℃で、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）、ＮＨ₃（アンモニア）を用い、低
温成長ＧａＮからなる低温バッファー層５０２を２０nm
の膜厚で成長させる。

【００５７】（２）次に、基板温度を１０８０℃まで上
げ、TMA（トリメチルアルミニウム）、TMG、NH₃を用い
て、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³のＡｌ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型層５０３を成長させる。

【００５８】（３）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭ
Ｇ、ＮＨ₃を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎ５０４ｂと膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰
／ｃｍ ³のＧａＮ５０４ａを交互に２０周期積層した超
格子構造からなる発光層兼ｐ型層５０４を成長させる。

【００５９】以下の製造方法は、第１の実施の形態と同
様に行う。

【００６０】以上説明した製造方法により得られる図５
の窒化物半導体発光ダイオードの特徴の１つは、Ｍｇが
ドーピングされｐ型導電性を有し、４００ｎｍ以下の紫
外域に発光ピーク（強度の最大値）を有する第１のＡｌ
_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）層と、第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ
層よりもバンドギャップの大きい第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ
層（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）と、を交互に１周期以上積層
した構造からなる発光層を有する点である。さらに、前
記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭｇ濃度が、１×１０¹⁹
／ｃｍ³以上５×１０²¹／ｃｍ³以下、好ましくは１×１
０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下である点であ
る。また、前記第２のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭｇ濃度
が、前記第１のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層中のＭｇ濃度未満また
はノンドープである点である。

【００６１】以上の構成により、第１の実施の形態（図
１）と同様に発光出力が増大するとともに、発光スペク
トルがバンドギャップエネルギーより長波長側に広がっ
た。この理由は、基本的に第１の実施の形態について述
べた理由と同じであると考えている。図５の発光ダイオ
ードでは、図１の発光ダイオードに比べて、更に発光出
力が増大した。この理由は、発光層に前記超格子構造を
用いることにより、単層膜に比べて、さらに正孔濃度が
増大する効果が得られるためと考えられる。

【００６２】また、図５の発光ダイオードでは、超格子
構造層を発光層兼ｐ型層として用いているため、構造と
製造過程が簡便になり生産性が向上した。さらに、図５
の発光ダイオードでは、第１の実施形態と同様に、発光
層にＩｎを含まないため、成長中に温度を変化させる工
程およびキャリアガスを変える工程が無く、生産性が向
上した。さらにまた、図５の発光ダイオードでは、第１
の実施の形態と同様に、発光層にＩｎを含まないため、
Ｉｎを含む発光層と比べて、発光波長すなわち混晶組成
の成長温度依存性が小さく、波長の制御性が向上した。

【００６３】次に、図５の発光ダイオードを構成する各
層の、ドーピング濃度、膜厚、混晶組成、積層構造につ
いて説明する。

【００６４】まず、図５の発光ダイオードでは、発光層
兼ｐ型層５０４の超格子構造を構成する第１のＡｌ_xＧ
ａ_1-xＮ５０４ａのＭｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³とした
が、本発明者の実験によれば、この濃度を１×１０¹⁹／
ｃｍ³以上５×１０²¹／ｃｍ³以下、好ましくは１×１０
²⁰／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下にした場合には、
発光ダイオードの発光出力が増大し、発光スペクトル幅
が広くなった。その結果を図７の特性図に示す。これ
は、Ｍｇの濃度を低くしすぎると、前述した不純物帯が
形成される効果と正孔濃度が増大する効果が減ってしま
うからであると解析される。また、Ｍｇの濃度を高くし
すぎると、結晶特性が悪くなるからであると解析され
る。

【００６５】次に、第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ５０４ａの混
晶組成ｘを０としたが、これは、所望の発光波長が得ら
れるように調整される。また、第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ５
０４ｂおよび第２のＡｌ_xＧａ_1-xＮ５０４ａの混晶組成
の組み合わせを０．０５＜ｙ−ｘ＜０．３、好ましくは
０．１＜ｙ−ｘ＜０．２とした場合に発光強度が増大し
た。その結果を図８の特性図に示す。これは、ｙ−ｘが
小さすぎると、超格子による正孔濃度増大の効果が少な
くなるためであり、ｙ−ｘが大きすぎると格子不整合が
大きくなり結晶特性が悪くなるため、および超格子構造
層に垂直に流れる正孔電流に対して障壁が大きくなるた
めと考えられる。

【００６６】また、図５の発光ダイオードでは、発光層
兼ｐ型層５０４の超格子構造を構成する第２のＡｌ_yＧ
ａ_1-yＮ５０４ｂの混晶組成ｙを０．１５、膜厚を２．
５ｎｍ、第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ５０４ａの混晶組成ｘを
０、膜厚を２．５ｎｍとしたが、本発明者の実験によれ
ば、膜厚を１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下にした
場合に発光強度が増大した。その結果を図９の特性図に
示す。これは、膜厚を薄くすることにより、超格子構造
の形成に伴う正孔濃度増大の効果が強くなるためと考え
られる。

【００６７】さらにまた、発光層兼ｐ型層の総膜厚を
０．１μｍとしたが、０．５μｍ以下、好ましくは０．
１μｍ以下とした場合に発光強度が増大した。これは、
膜厚が厚すぎる場合、ｐ型層での吸収が大きくなるため
と考えられる。

【００６８】次に、図５の発光ダイオードでは、Ａｌ_z
Ｇａ_1-zＮからなるｎ型層５０３の混晶組成ｚを０．０
５としたが、本発明者の実験によれば、第１の実施の形
態と同様に、ｘ＜ｚとすると、発光出力および効率が増
大した。

【００６９】以上のように、本発明者は、各層のドーピ
ング濃度、膜厚、混晶組成、積層構造を適切に設定する
ことにより、発光出力が高く、広い発光スペクトル幅を
有し、生産性に優れた紫外発光ダイオードを提供するこ
とができることを新たに見出した。

【００７０】以上説明した第２の実施の形態では、バッ
ファー層５０２として低温成長ＧａＮを用いたが、Ａｌ
Ｎなどの他のバッファー層を用いることができる。バッ
ファー層が必要ない場合は、これを用いる必要はない。

【００７１】なお、本発明は上記した実施形態に限定さ
れることはない。例えば、上記実施形態では、基板とし
てサファイアを用いたが、ＳｉＣ、スピネル、ガラス、
ＺｎＯ、Ｓｉなどの他の基板でも良い。また、窒化物半
導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いたが、分子線エピタ
キシー（ＭＢＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰ
Ｅ）法など他の気相成長法を用いても良い。また、半導
体発光素子として発光ダイオードについて説明したが、
半導体レーザ（面発光型、端面発光型等。）等の他の発
光素子及び受光素子に対しても適用できる。

【００７２】その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することが可能である。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、紫外領域で発光出力が
高く、長波長側に広がりを持ち発光スペクトルが広い、
生産性に優れた窒化物半導体発光素子を提供することが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体
発光ダイオードの断面図。

【図２】図１の窒化物半導体発光ダイオードにおける
超格子構造からなるｐ型層の構成を示す断面図。

【図３】図１の窒化物半導体発光ダイオードにおける
発光波長と発光強度との関係を示す特性図。

【図４】図１の窒化物半導体発光ダイオードにおける
Ｍｇ濃度と発光強度との関係を示す特性図。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体
発光ダイオードの断面図。

【図６】図５における超格子構造からなる発光層兼p
型層の構成を示す断面図。

【図７】図５の窒化物半導体発光ダイオードにおける
Ｍｇ濃度と発光強度との関係を示す特性図。

【図８】図５の窒化物半導体発光ダイオードにおける
混晶組成の差と発光強度との関係を示す特性図。

【図９】図５の窒化物半導体発光ダイオードにおける
超格子構造を構成する膜の膜厚と発光強度との関係を示
す特性図。

【図１０】本発明の効果を説明する状態密度分布の特
性図。

【図１１】従来例の発光ダイオードの断面図。

【符号の説明】

１０１…サファイア基板１０２…バッファー層１０３…ｎ型層１０４…発光層１０５…ｐ型層１０５ａ…ＭｇドープＡｌＧａＮ層１０５ｂ…ＡｌＧａＮ層１２０…負電極１３０…正電極５０１…サファイア基板５０２…バッファー層５０３…ｎ型層５０４…発光層兼ｐ型層５０４ａ…ＭｇドープＧａＮ層５０４ｂ…ＡｌＧａＮ層５２０…負電極５３０…正電極７０１…サファイア基板７０２…バッファー層７０３…ｎ型層７０４…発光層７０５…ｐ型クラッド層７０６…ｐ型コンタクト層７２０…負電極７３０…正電極

フロントページの続き (72)発明者布上真也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5F041 AA11 CA04 CA05 CA34 CA40 CA46 CA49 CA57 CA73

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導
体層と、これらの間に設けられた発光層とを備え、前記
発光層が、Ｍｇがドーピングされたｐ型導電性のＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含んでなり、４００ｎｍ以
下の紫外域に発光ピークを有することを特徴とする窒化
物半導体発光素子。
【請求項２】前記発光層中のＭｇ濃度が、１×１０¹⁹
／ｃｍ³以上５×１０²¹／ｃｍ³以下であることを特徴と
する請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】前記発光層中のＭｇ濃度が、１×１０²⁰
／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であることを特徴と
する請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】Ｍｇがドーピングされてｐ型導電性を有
する第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）層と第１のＡ
ｌ_xＧａ_1-xＮ層よりもバンドギャップの大きい第２のＡ
ｌ_yＧａ_1-yＮ層（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）とを有する発光
層と、ｎ型窒化物半導体層とを備え、第１のＡｌ_xＧａ
_1-xＮ層と第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層とが交互に１周期以
上積層されてなり、４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピー
クを有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭｇ濃
度が、１×１０¹⁹／ｃｍ ³以上５×１０²¹／ｃｍ³以下で
あることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光
素子。
【請求項６】前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭｇ濃
度が、１×１０²⁰／ｃｍ ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下で
あることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光
素子。
【請求項７】前記第２のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層中のＭｇ濃
度が、前記第１のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層中のＭｇ濃度未満ま
たはノンドープであることを特徴とする請求項５又は６
に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】前記第１のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層及び第２の
Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層の各々の膜厚が１０ｎｍ以下であり、
交互に積層されて超格子構造層が形成されていることを
特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の窒化物半
導体発光素子。
【請求項９】前記超格子構造層の膜厚が０．５μｍ以
下であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導
体発光素子。
【請求項１０】前記第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層及び第１
のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の混晶組成ｘおよびｙが、０．０５
＜ｙ−ｘ＜０．３であることを特徴とする請求項４乃至
９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】前記第２のＡｌ_yＧａ_1-yＮ層及び第１
のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の混晶組成ｘおよびｙが、０．１＜
ｙ−ｘ＜０．２であることを特徴とする請求項４乃至９
のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】ｎ型窒化物半導体層にはｎ側電極が設
けられ、前記発光層には当該発光層に接してｐ側電極が
設けられていることを特徴とする請求項４乃至１１のい
ずれかに記載の窒化物半導体発光素子。