JP2004356656A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】転位密度の大小に関係なく、任意の色度の光を生成することのできるＬＥＤ、特に三原色以上の白色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、ＡｌＮ層から構成し、第１のクラッド層３を前記高結晶ＡｌＮ層よりも格子定数の大きいｎ−ＧａＮから構成する。また、発光層５をｉ−ＧａＮ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。そして、基層１７及び島状結晶１２−１〜１２−５の少なくとも一方に、少なくとも一種の希土類元素を含有させる。
【選択図】図２

Description

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。

近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）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。

ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ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ＬＥＤ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、ＬＥＤによる照明が実現されつつある。

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２５１ｍ／Ｗ程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０１ｍ／Ｗには及んでいない。

以上のことから、三原色でより高効率のＬＥＤ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、日本における国家プロジェクトだけではなく、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。

三原色以上の白色ＬＥＤ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、その原理は蛍光灯と基本的には同じであり、蛍光灯における水銀放電による紫外発光を紫外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。

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。

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。

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十分な発光効率を得ることができるものである。

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。

例えば、エピタキシャル成長の途中で、ＳｉＯ₂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。

また、転位密度を低減させるために、ＧａＮ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、ＬＥＤ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。

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。

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。

本発明は、転位密度の大小に関係なく、任意の色度の光を生成することのできるＬＥＤ、特に三原色以上の白色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ことを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の半導体発光素子は、
Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む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、前記窒化物半導体よりも面内格子定数の大きい追加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を具え、
前記基層を構成する前記窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ１）、及び前記島状結晶を構成する前記追加の窒化物半導体のバンドギャップ(ＢＧ２)がＢＧ１＞ＢＧ２の関係を満たし、
前記発光層を構成する前記基層及び前記複数の島状結晶の少なくとも一方は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有し、発光層全体として任意の色度の光を生成するようにしたことを特徴とする。

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。本発明者らは、上記のような島状結晶を有する発光層を具えた半導体発光素子の有する潜在的な性能に着目し、前記半導体発光素子の製造条件などを検討することにより改良を加えた。

しかしながら、島状結晶を有する発光層を具える半導体発光素子を単に形成したのみでは、実用に足る発光強度を有するとともに、所望する色度の光、特に白色光を生成することが困難であった。そこで、本発明者らは、前記発光層を構成する前記島状結晶及びこの島状結晶が存在する基層中の少なくとも一方に、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有させることを想到した。

希土類元素及び遷移金属元素は外部からエネルギーを得て励起されると、その希土類元素及び遷移金属元素に固有の波長を有する光を発する。したがって、希土類元素及び／又は遷移金属元素を前記発光層中に含有させることによって、前記希土類元素及び／又は前記遷移金属元素は前記発光層を構成する前記複数の島状結晶からの発光によって励起されて固有の波長の光を発する。

したがって、前記発光層中に添加する希土類元素及び／又は遷移金属元素の種類を適宜に選択し、これらの元素からの発光を利用することにより、任意の色度の光、特に白色光の生成を簡易に行うことができる。励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、好ましくは希土類元素を用いる。

また、互いに異なる複数の種類の希土類元素、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためのＴｍ、緑色領域の波長の光を生成するためのＥｒ、さらに、赤色領域の波長の光を生成するためのＥｕ又はＰｒを添加した場合は、これら希土類元素からの発光が重畳されるのみで白色光あるいは任意の色度の光を生成することができる。

本発明は上記のような膨大かつ長期に渡る研究開発の結果としてなされたものである。

なお、前記島状結晶は、例えば前記島状結晶の下地層として機能するクラッド層を構成する窒化物半導体の面内格子定数に対して、前記島状結晶を構成する前記第２の窒化物半導体の面内格子定数が大きくなるようにする。この場合、前記クラッド層上に通常の成膜処理を施すことにより、形成すべき膜に対して前記クラッド層から圧縮応力が作用し、前記膜が一様に平坦に形成されることなく、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。

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。

以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、互いに孤立した複数の島状結晶を有する発光層を具えている。そして、前記発光層を構成する前記島状結晶及びこの島状結晶が分布して存在する基層の少なくとも一方に、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の添加元素を含有している。したがって、これら添加元素及び吸着元素の種類を適宜に調節することにより、任意に色度の光、さらには白色光を実用的な発光効率で生成することが可能な半導体発光素子を提供することができる。

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、本発明の第１の半導体発光素子の一例を示す断面図である。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−ＡｌＧａＮからなる第２の導電層７を具えている。

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／Ｎｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。

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。

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。

本発明の半導体発光素子においては、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１２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することが好ましい。例えば、これらの面内格子定数差が、第３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、簡易に島状結晶を形成することができる。

また、発光層５を構成する基層１７及び島状結晶１２−１〜１２−５の少なくとも一方は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の添加元素を含有していることが必要である。前記添加元素の含有量については特に限定されるものではなく、添加元素の種類、基層又は島状結晶を構成する第４の窒化物半導体又は第５の窒化物半導体の材料組成、及び所望する発光強度などによって任意に選択されるものである。

望ましくは、本発明のように第４の窒化物半導体及び第５の窒化物半導体をＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含有してなる窒化物半導体から構成する場合、結晶性を劣化させない範囲内で、できるだけ多く含有させる。具体的には、０．０１〜７原子％の範囲で含有させることが好ましい。これによって、希土類元素や遷移金属元素の種類などによらず、実用に足る８０ ｌｍ／Ｗ程度の発光強度の光を生成することができる。

上述したように、励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、希土類元素を用いることが好ましい。

希土類元素の種類についても特には限定されず、所望する発光波長に応じて任意に選択することができる。上述したように、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。

したがって、これらの希土類元素を基層１７及び島状結晶１２−１〜１２−５の少なくとも一方に含有させることにより、青色領域、緑色領域、赤色領域の光が互いに重畳されて、これら希土類元素からの発光のみで白色光あるいは任意の色度の光を生成することができる。

また、遷移金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＺｎなどを例示することができる。

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。

本発明によれば、多段に形成された島状結晶及びこれら島状結晶を支持する基層１８の少なくとも一方に上述した希土類元素を含有させる。このように多段に形成された島状結晶を有する発光層中に希土類元素を含有させることによって、多種類の希土類元素を適当に分散させて含有させることができ、任意の色度の光、特に白色光の生成を簡易かつ正確に行うことができる。

前記添加元素は、所定の希土類元素源及び／又は遷移金属元素源から、前記基層及び／又は前記島状結晶を作製する間に、ＭＢＥ法に基づいた分子線を照射することによって形成することができる。

なお、本発明において、発光層を構成する基層及び島状結晶はＡｌ、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、Ｂｅ、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。

また、基板としては、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ_２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。

特にサファイア単結晶基板を用いる場合については、下地膜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。

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、その主面上に順次形成される導電層、クラッド層、及び発光層の結晶性が向上し、発光効率などが改善される。

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。

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。

図４は、図２に示す発光層の他の変形例を示す構成図である。図中、図２と類似の部分については同じ符号を用いて表している。なお、図４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。

図４に示す態様においては、ｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、ｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる複数の島状結晶１２−１〜１２−３が形成されている。そして、島状結晶１２−１〜１２−３と基層１７との界面には、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の吸着元素１９が吸着されている。

吸着元素１９の種類については、島状結晶１２〜１〜１２−３を構成する原子のダングリングボンドを消滅させるものであることが好ましい。また、吸着元素１９は島状結晶１２−１〜１２−３の表面に吸着されて発光層５内に存在するため、注入電流によって励起されて所定の蛍光を発することが好ましい。

すなわち、吸着元素１９も所定の蛍光を発し、発光層５の全体から得られる光の成分を構成することが好ましい。このため、吸着元素１９は、発光層５の全体から所望する光が得られるように選択することが好ましい。この際、上述したように、励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、吸着元素は希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素であることが好ましい。

なお、希土類元素及び遷移金属元素については、上述した基層及び/又は島状結晶中に含有させるものと同じものを用いることができる。特に、青色領域の蛍光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。そして、これらを適宜に用いることによって発光層５において白色光を生成することもできる。

そして、吸着元素１９は、所定の希土類元素源及び／又は遷移金属元素源からＭＢＥ法に基づいた分子線を照射することによって形成することができる。

なお、図４に示す態様においては、吸着元素１９の他に、基層１７及び/又は島状結晶１２−１〜１２−３内に、前述した希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含ませる。また、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの他に、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、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。

（実施例１）
２インチ径の厚さ４３０μm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ＮＨ₃系、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ₄が取り付けてある。

最初に、基板を１２００℃まで昇温した後、アンモニアガス（ＮＨ_３）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。

次いで、Ｈ₂を流速１０m／ｓｅｃで流しながら、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１μm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。

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に成長させた。成長終了後、ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。

ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、３ＮのＥｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを用いた。窒素源としては、ＳＶＴＡ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Ｓｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。

まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ₂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３０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−ＧａＮ層を厚さ１μm成長させた。

次いで、このｎ−ＧａＮ層上に、第１のクラッド層として７８０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を厚さ１μｍ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、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから７００℃で厚さ２０Å、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。なお、島状結晶を成長させる際に、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを同時にドープさせた。

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−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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２０００Å成長させた。

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。

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、８０ｌｍ／Ｗの効率の白色発光を確認した。

（実施例２）
実施例１と同様にして厚さ２０Å、平均直径１００Åの、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、及びＥｕをドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ島状結晶を作製した後、この島状結晶の表面に前記固体源からＥｕ、Ｅｒ、及びＴｍの分子線を照射し、前記島状結晶の界面にこれらの希土類元素を吸着させた以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子を作製した。

次いで、前記半導体発光素子の、ｐ−電極及びｎ−電極間に電圧３．５Ｖを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、１００ｌｍ／Ｗの効率の白色発光を確認した。

以上、実施例１及び２より、本発明の半導体発光素子が実用的な白色発光の素子として動作できることが確かめられた。また、島状結晶中にＥｒなどの希土類元素を含有させることに加えて、島状結晶と第１のクラッド層との界面に同じくＥｒなどの希土類元素を吸着させた実施例２の半導体発光素子においては、白色発光の効率が増大していることが分かる。

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。

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。

さらに、上記各層は、量子井戸構造を含む多層構造とすることもできる。また、素子全体の品質を向上させる目的で、バッファ層を、各種結晶欠陥を低減した膜、例えばＥＬＯ成長させた膜から構成することもできる。また、基板と第１のクラッド層との間に、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。

本発明の第１の半導体発光素子の一例を示す断面図である。 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。 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。 本発明の第２の半導体発光素子における発光層を拡大して示す図である。

符号の説明

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
１２−１〜１２−５，１３−１〜１３−５，１４−１〜１４−５，１５−１〜１５−５ 島状結晶
１７，１８ 基層
１９ 吸着元素
２０ 半導体発光素子

Claims (5)

1. Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む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、前記窒化物半導体よりも面内格子定数の大きい追加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を具え、
   前記基層を構成する前記窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ１）、及び前記島状結晶を構成する前記追加の窒化物半導体のバンドギャップ(ＢＧ２)がＢＧ１＞ＢＧ２の関係を満たし、
   前記発光層を構成する前記基層及び前記複数の島状結晶の少なくとも一方は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有し、発光層全体として任意の色度の光を生成するようにしたことを特徴とする、半導体発光素子。
2. 希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を、前記基層及び前記島状結晶間の界面に吸着したことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 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していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記発光層を構成する基層及び島状結晶の少なくとも一方は、青色領域の光を発する第１の希土類元素と、緑色領域の光を発する第２の希土類元素と、赤色領域の光を発する第３の希土類元素とを含み、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１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子。
5. 前記添加元素の含有量が０．０１〜７原子％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体発光素子

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