JP2005209982A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法で、発光強度の強い所望の色合いの発光、特に赤色を含む発光や白色の発光を実現する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子３０は、サファイア基板３１と、GaNからなる下地層３２と、GaNからなるn型コンタクト層３３と、n型のAl0.15Ga0.85Nからなるn型クラッド層３４と、In0.15Ga0.85N井戸層とGaN障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層３５と、p型Al0.15Ga0.85Nからなるp型クラッド層３６と、Al_0.15Ga_0.85N層とIn_0.2Ga_0.8N層とがそれぞれ３ｎｍの厚さで複数周期積層され、希土類元素のEuがドープされたp型コンタクト層３７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものであり、特に、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およびその製造方法に関するものである。

一般に、白色光照明装置は蛍光体およびこれを励起する発光素子から構成され、図８に示すような構造を有している。図８は、従来の白色光照明装置の構成を模式的に示す断面図である。具体的には、一般式AlxGa1-xN（但しxは0≦x≦1である）で表される窒化物半導体からなり、１ｍｍ角以下に切断された発光素子１０１と、その発光素子１０１から放出された青色光によって励起されて５７０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する蛍光体１０２と、発光素子１０１を保持するメタルステム１０３と、発光素子１０１を包囲し、蛍光体１０２が充填された樹脂モールド１０４とを備えている。

発光素子１０１は、メタルステム１０３に接し、サファイアからなる絶縁物基板（図示せず）と、絶縁物基板の上に設けられたｎ型層１０１ａと、ｎ型層１０１ａの上に活性層（図示せず）を挟んで設けられたｐ型層１０１ｂとを有している。発光素子１０１の裏面はサファイアの絶縁物基板（図示せず）であるため、発光素子１０１の裏面から電極を取り出すことはできない。したがって、AlxGa1-xN層からなるｎ型層１０１ａをメタルステム１０３と電気的に接続するために、発光素子１０１のうちの一部のｐ型層１０１ｂを除去してｎ型層１０１ａを露出させ、その部分の上にｎ側電極１０６を設け、ｎ側電極１０６とメタルステム１０３を配線１０５によって接続する方法がとられている。

ところで、樹脂モールド１０４としては、発光素子１０１からの光を空気中に効率よく放出する目的で、屈折率が高く、かつ透明度の高い樹脂が選択される。一般に、蛍光体１０２は短波長の光によって励起され、励起波長よりも長波長の光を発光する。逆に、長波長の光によって励起されて短波長の光を発光する蛍光体もあるが、それはエネルギー効率が非常に悪く微弱にしか発光しない。

照明装置からの光は、発光素子１０１から放出される青色光と蛍光体１０２から放出される黄色光とが混合されたものであるため、観察者は白色光として感知する。
特開平５−１５２６０６号公報 特開２０００−９１７０３号公報 特開２００２−２３１９９５号公報

しかしながら、上記従来の構造では、赤色光成分が弱く演色性が悪いという不具合があった。すなわち、赤色の物質に白色光が当たったときに少しオレンジ色に見えてしまうため、このような白色光をバックライトで使用するには、カラーフィルタに工夫をして対処するしかなかった。

さらに、蛍光体の厚さによって、白色光の色合いが非常に敏感に変化してしまうという不具合があった。例えば、蛍光体の厚さが薄すぎる場合には、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）から放出された青色光が所望量以上の量で蛍光体を透過してしまう。その結果、蛍光体の黄色光よりもＬＥＤの青色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は青味がかって見える。一方、蛍光体が厚すぎる場合には、ＬＥＤから発光された青色光が蛍光体層を透過する量は所望量より少なくなる。その結果、ＬＥＤの青色光よりも蛍光体の黄色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は黄味がかって見える。このように、蛍光体の厚さはＬＥＤと蛍光体との合成光出力に影響を及ぼす重要な変数であり、蛍光体厚さの変動は白色光照明用途に適さない白色光（青味がかった色や黄色味がかった色）をもたらしてしまう。しかしながら、白色光照明装置を大規模生産する際に蛍光体の厚さを精密に制御するのは困難であるため、製造歩留りは許容し得ないほどに低くなることがあった。

本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、簡便な方法で、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、発光層と、前記発光層の上方に設けられ、複数の層を有し、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層とを備えている。

このような半導体発光素子において、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、その元素に固有の波長の蛍光が発せられる。このとき、半導体層が複数の層を有しているため、発光強度が強くなる。つまり、希土類元素を適宜選択して複数の層に導入することにより、所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合があったが、本発明では、赤色を発光する希土類元素を選択することにより、赤色成分を補うことができる。また、従来の白色発光素子では蛍光体の厚さに依存して白色光の色合いが変化しやすいという不具合もあったが、本発明では、蛍光体を用いなくてもよいため、安定した白色光を得ることができる。

なお、半導体層は発光層の上方に設けられていると上述しているが、この構造には、半導体発光素子が基板を有している場合に、基板の上に設けられた発光層の上に半導体層が設けられている構造だけではなく、基板と発光層との間に半導体層が設けられている構造も含まれるとする。

前記複数の層のうち前記希土類元素が含まれる層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、結晶性が低下しにくいことに加えて、量子効果が起こりやすくキャリアが空間的に閉じこめられやすいという利点があるため、発光強度をさらに強くすることができる。

前記複数の層における各層のうち互いに接する層同士の組成は異なっていてもよい。

前記発光層におけるバンドギャップエネルギーは、前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きくてもよい。この場合には、半導体層の方が発光層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層からの光が半導体層に吸収されやすくなる。したがって、希土類元素の励起効率を高くすることができる。

前記希土類元素は、具体的には、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうち少なくともいずれか１つであることが好ましい。本発明の半導体発光素子では、これらの希土類元素のうちから、所望の光の発振波長に対応する元素が選択されて用いられる。例えば、赤色発光を得るためにはEuやSmを、緑色発光を得るためにはTbやErを、青色発光を得るためにはCe、PrまたはTmを用いることができる。これらの希土類元素を複数ドープして発光を重畳させることにより、所望の色合いの光、特に白色光を容易に実現することができる。

前記希土類元素の濃度が、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3以下である場合には希土類元素を含まない場合と比較して発光強度を高くすることができ、さらに、濃度が５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3の場合には、単層の半導体層にEuを注入した場合と比較して発光強度を強くすることができる。

半導体発光素子は、Ｂ_xＧａ_1-x-y-zＡｌ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる層を有していてもよい。

また、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる層を有していてもよい。

また、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる層を有していてもよい。

また、Ｚｎ_xＣｄ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）からなる層を有していてもよい。

本発明の第１の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層の上方に、複数の層を有する前記半導体層を形成する工程（ａ）と、前記複数の層のうちの少なくとも１層に選択的に希土類元素を添加する工程（ｂ）とを備えている。

この方法によると、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作成した半導体発光素子では、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。このとき、半導体層が複数の層を有しているため、発光強度が強くなる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。

前記工程（ｂ）では、イオン注入法によって前記希土類元素を添加することが好ましい。この場合には、複数の膜中の所望の位置に所望量の希土類元素を導入することができるため、歩留まりを向上させることができる。

前記工程（ｂ）では、前記希土類元素を１×１０¹³ｃｍ^-2以上１×１０¹⁷ｃｍ^-2以下の注入量で注入することが好ましい。この場合には、希土類元素を注入しない場合と比較して発光強度の強い半導体発光素子を得ることができる。さらに、注入量が１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2とした場合には、単層の半導体層に希土類元素を注入した場合と比較して発光強度の強い半導体発光素子を得ることができる。

前記希土類元素としては、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうちのいずれかを用いることが好ましい。

本発明の第２の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層を形成する工程（ａ）と、前記発光層の上方に、希土類元素を供給しながら、複数の層を有する前記半導体層を形成する工程（ｂ）とを備える。

この方法によっても、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作成した半導体発光素子でも、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。このとき、半導体層が複数の層を有しているため、発光強度が強くなる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。

本発明の半導体発光素子では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の半導体発光素子の長所をそのままに、種々の色、特に白色の光を、強い発光強度で発することができる。

まず、発明者が行った評価について説明する。発明者は、Al_0.15Ga_0.85NとIn_0.2Ga_0.8Nとが交互に積層された多層膜（Al_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜）に希土類元素としてEuをドープした試料と、GaNの単層にEuをドープした試料との発光特性をフォトルミネッセンス（PL）によって評価した。

評価に用いた試料の作製は次のようにして行った。Al_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜は、まずサファイア基板上に有機金属気相成長法により膜厚１μｍのGaNを成長させ、その上に各層の厚さが３ｎｍのAl_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜を成長させることにより得た。一方、GaNも、サファイア基板上に有機金属気相成長法により膜厚１μｍのGaNを成長させることにより得た。その後、これら２つの試料中に、注入量１×１０¹⁵ｃｍ^-2のEuをイオン注入法により導入した。そして、Euを活性化させるために、１０００度の温度の熱アニールを１分間行った。

図１は、EuをドープしたAl_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜およびGaNの単層におけるPL測定の結果を示すグラフ図である。この測定は室温下で行った。図１からわかるように、波長６２２nmにEuにおける内殻遷移の鋭いピークが観察されている。このピークの発光強度は、Al_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜の方がGaNよりも２倍以上も大きい。この結果から、希土類元素をドープする半導体層として多層膜を用いた場合には、単層を用いた場合よりも発光強度が増加することがわかる。

ここで、測定に用いた多層膜における各層の膜厚が３ｎｍと薄いことが発光強度の増加の原因の１つと考えられる。つまり、多層膜における各層の膜厚が１０ｎｍ以下である場合には、各層に働く応力が少ないため結晶性が低下せず、また、量子効果が起こってキャリアが空間的に閉じ込められやすいため、発光効率がさらに向上すると考えられる。

図２（ａ）, （ｂ）は、Al_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜に注入するEuの量を変化させた場合のＰＬ測定結果を示すグラフ図であり、（ａ）はEuの量を注入量（ｃｍ^-2）で規定した場合を、（ｂ）はEuの量を濃度（ｃｍ^-3）で規定した場合を示している。図２からわかるように、注入量または濃度の増加に伴って発光強度は増加するが、これらの量がある一定量（注入量の場合は１×１０¹⁶ｃｍ^-2、濃度の場合は１×１０²²ｃｍ^-3）を超えた場合には、発光強度は急激に減衰する。これは、多層膜中のEuの量が過剰になったため、結晶性が低下してオーミック特性が劣化したことによると考えられる。これらの結果から、注入量が１×１０¹³〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2の場合または濃度が１×１０¹⁸〜５×１０²²ｃｍ^-3の場合には、Euを注入しない場合と比較して発光強度を強くすることができるといえる。

また、図１に示すように、単層膜を用いた場合には、多層膜を用いた場合の半分以下の強度でしか発光させることができない。図２（ａ）に示すグラフにおいて、強度が最大値の半分以上となるのは注入量が１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2の場合であるので、Euの濃度がこの範囲内にあるときには単層の場合と比較して発光強度を強くすることができる。図２（ｂ）に示すグラフにおいても同様に、濃度が５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3の場合には、単層の場合と比較して発光強度を強くすることができる。

（第１の実施形態）
次に、上述の評価結果を利用した発光素子の具体的な構造について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図３に示すように、本実施形態の半導体発光素子３０は、（０００１）面方位のサファイア基板３１と、サファイア基板３１の上に設けられたGaNからなる厚さ２００ｎｍの下地層３２と、GaN下地層の上に設けられたn型のGaNからなる厚さ３００ｎｍのn型コンタクト層３３と、n型コンタクト層３３の上に設けられたn型のAl0.15Ga0.85Nからなる厚さ５００ｎｍのn型クラッド層３４と、n型クラッド層３４の上に設けられ、厚さ２ｎｍのIn0.15Ga0.85N井戸層と厚さ６ｎｍのGaN障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層３５と、発光層３５の上に設けられたp型Al0.15Ga0.85Nからなる厚さ５００ｎｍのp型クラッド層３６と、p型クラッド層３６の上に設けられ、Al_0.15Ga_0.85N層とIn_0.2Ga_0.8N層とがそれぞれ３ｎｍの厚さで２０周期積層され、Euがドープされたp型コンタクト層３７とを有するダブルへテロ接合を有している。p型コンタクト層３７、p型クラッド層３６、発光層３５、n型クラッド層３４およびn型コンタクト層３３の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。n型コンタクト層３３のうち露出する部分の上にはn側電極３８が設けられている。また、p型コンタクト層３７の上にはp側電極３９が設けられている。また、p型コンタクト層３７に注入されているEuの濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3の範囲であり、さらに好ましくは５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3である。

次に、本実施形態の半導体発光素子の製造工程について、図４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示す工程で、サファイア基板３１の（０００１）面上に、有機金属気相成長法を用いて、GaNからなる厚さ２００ｎｍの下地層３２を堆積する。その上に、n型不純物（ドナー）としてSiをドープしながら厚さ３００ｎｍのGaNを成長させることによりn型コンタクト層３３を形成し、その上に、同じくSiをドープしながら厚さ５００ｎｍのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりn型クラッド層３４を形成する。その後、n型クラッド層３４の上に、厚さ２ｎｍのIn0.15Ga0.85Nからなる井戸層と厚さ６ｎｍのGaNからなる障壁層とを交互に３回成長させることにより、合計膜厚２４ｎｍの発光層３５を形成し、その上に、p型不純物（アクセプタ）としてMgをドープしながら厚さ５００ｎｍのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりp型クラッド層３６を形成し、さらに、同じくMgをドープしながらAl_0.15Ga_0.85N層とIn_0.2Ga_0.8N層とをそれぞれ３ｎｍの厚さで２０回成長させることにより、p型コンタクト層３７を形成する。

なお、本実施形態では発光層３５が量子井戸構造である場合について説明しているが、本発明では発光層３５としてバルクを用いてもよい。また、発光層３５の導電型は特に指定していないが、p型、n型およびアンドープのいずれであってもよい。

次に、図４（ｂ）に示す工程で、イオン注入法を用いて、p型コンタクト層３７の中にEu４０を注入する。図２を用いて説明したように、Euの注入される量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Euの注入される量がその一定量を超えると発光強度が減少するため、Euの注入量は１×１０¹³〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2の範囲とし、さらに好ましくは１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2とする。

次に、図４（ｃ）に示す工程で、p型コンタクト層３７の上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、p型コンタクト層３７、p型クラッド層３６、発光層３５およびn型クラッド層３４と、n型コンタクト層３３の上層部とを除去する。その後、エッチングマスクを除去する。

次に、図４（ｄ）に示す工程で、n型コンタクト層３３の上にTi/Al等からなるn側電極３８を形成し、p型コンタクト層３７の上にNi/AuやNi/Pt/Au等からなるp側電極３９を形成することにより、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子３０が完成する。

本実施形態の窒化物半導体発光素子３０のp側電極３９とn側電極３８との間に３．５Ｖの電圧を印加して２０ｍＡの電流を流したところ、高効率の赤色発光を確認することができた。

本実施形態では、発光層３５から発生した光によってp型コンタクト層３７に含まれるEuが励起されて、赤色光が発光される。

このとき、p型コンタクト層３７は厚さが１０ｎｍ以下の層が複数積層された構造を有するため、結晶性を低下しにくくすることができると共に、量子効果を起こりやすくすることができる。また、p型コンタクト層３７に含まれるEuの濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3の範囲であり、さらに好ましくは５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3（注入量では１×１０¹³〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2、さらに好ましくは１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2）であることにより、結晶性を低下しにくくすることができる。

なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施形態の手段を用いることにより赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の半導体発光素子５０は、（０００１）面方位のサファイア基板５１と、サファイア基板５１の上に設けられたAlNからなる厚さ５００ｎｍの下地層５２と、下地層５２の上に設けられた厚さ５００ｎｍのアンドープAl_0.44Ga_0.56N層５３と、アンドープAl_0.44Ga_0.56N層５３の上に設けられ、厚さ３ｎｍのAl_0.20Ga_0.80Nと厚さ３ｎｍのAl_0.30Ga_0.70Nとが交互に２０周期積層され、Tm、Er、Euがドープされた積層５４と、積層５４の上に設けられたn型のAl_0.44Ga_0.56Nからなるn型クラッド層５５と、n型クラッド層５５の上に設けられ、厚さ２ｎｍのAl_0.30Ga_0.70N井戸層と厚さ６ｎｍのAl_0.40Ga_0.60N障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層５６と、発光層５６の上に設けられ、p型のAl_0.44Ga_0.56Nからなる厚さ３００ｎｍのp型クラッド層５７と、p型クラッド層５７の上に設けられ、p型のGaNからなる厚さ１００ｎｍのp型コンタクト層５８とを備えている。積層５４にドープされているTm、ErおよびEuの合計の濃度は１×１０¹⁸〜５×１０²²ｃｍ^-3の範囲であり、さらに好ましくは５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3である。p型コンタクト層５８、p型クラッド層５７、発光層５６およびn型クラッド層５５の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。また、p型コンタクト層５８の上にはp側電極６０が、n型クラッド層５５の上にはn側電極５９が設けられている。

本実施形態の半導体発光素子５０においては、Tm、ErおよびEuをドーピングしながら積層５４を成長させてもよいし、結晶を成長させた後にTm、ErおよびEuをイオン注入してもよい。

本実施形態では、Tm、ErおよびEuが含まれる積層５４のバンドギャップエネルギー（Egm）より、発光層５６のバンドギャップエネルギー（Ega）の方が大きい。この場合には、積層５４の方が発光層５６よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層５６の発光（発光エネルギー）のうち積層５４で吸収されるものの割合が高くなる。そのため、希土類元素の励起効率を高くすることができる。ここで、発光層５６から発光される光は紫外線であり、この紫外線が積層５４に吸収されると、Tmが青色光を発光し、Erが緑色光を発光し、Euが赤色光を発光する。この三色が混合される結果、白色発光が可能となる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図６に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、（００１）面方位を有するn型GaAs基板６１と、n型GaAs基板６１の上に設けられたn型GaAsからなる厚さ３００ｎｍの下地層６２と、下地層６２の上に設けられたn型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pからなる厚さ５００ｎｍのn型クラッド層６３と、n型クラッド層６３の上に設けられた(Al_0.15Ga_0.85)_0.5In_0.5Pからなる厚さ１０ｎｍの発光層６４と、p型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pからなる厚さ３００ｎｍのp型クラッド層６５と、p型クラッド層６５の上に設けられ、厚さ３ｎｍのp型AlP層と厚さ３ｎｍのGaP層とが交互に１０周期積層されてEuがドープされた電流拡散層６６と、n型GaAs基板６１の下面上に設けられたn側電極６７と、電流拡散層６６の上に設けられたp側電極６８とを備えている。

本実施形態では、発光層６４からの光によって電流拡散層６６に含まれるEuが励起されて、赤色光が発光される。

このとき、電流拡散層６６は厚さが１０ｎｍ以下の層が複数積層された構造を有するため、結晶性を低下しにくくすることができると共に、量子効果を起こりやすくすることができる。また、電流拡散層６６に含まれるEuの濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3の範囲であり、さらに好ましくは５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3（注入量では１×１０¹³〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2、さらに好ましくは１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2）であることにより、結晶性を低下しにくくすることができる。

なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施形態の手段を用いることにより赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図７に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、（００１）面方位を有する型GaAs基板７１と、n型GaAs基板７１の上に設けられたn型ZnSeからなる厚さ３００ｎｍの下地層７２と、下地層７２の上に設けられたn型ZnSSeからなる厚さ５００ｎｍのn型クラッド層７３と、n型クラッド層７３の上に設けられたZnCdSeからなる厚さ１０ｎｍの発光層７４と、発光層７４の上に設けられ、厚さ３ｎｍのp型ZnSSeと厚さ３ｎｍのZnSeとが交互に５０周期積層されてEuがドープされたp型クラッド層７５と、p型クラッド層７５の上に設けられたp型ZnSeからなる厚さ５０ｎｍのp型コンタクト層７６と、n型GaAs基板７１の下面上に設けられたn側電極７７と、p型コンタクト層７６の上に設けられたp側電極７８とを備えている。

本実施形態では、発光層７４からの光によってp型クラッド層７５に含まれるEuが励起されて、赤色光が発光される。

このとき、p型クラッド層７５は厚さが１０ｎｍ以下の層が複数積層された構造を有するため、結晶性を低下しにくくすることができると共に、量子効果を起こりやすくすることができる。また、p型クラッド層７５に含まれるEuの濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3の範囲であり、さらに好ましくは５×１０²⁰〜３×１０²²ｃｍ^-3（注入量では１×１０¹³〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2、さらに好ましくは１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2）であることにより、結晶性を低下しにくくすることができる。

なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施形態の手段を用いることにより赤色光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。

なお、上記実施形態において、サファイア基板の代わりにSiC基板を使用し、AlN下地層の代わりにB_0.10Al_0.90N下地層を用いてもよい。

以上、第１〜第４の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、素子構造、プロセス、成長方法などを用いてもよい。具体的には、上述の実施形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施形態においては、発明を白色発光素子や赤色発光素子に適用する場合についてのみ説明したが、２色以上を混色する多色発光素子にも適用することができる。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の長所をそのままに、種々の色、特に白色の発光を強い発光強度で実現することができる点で、産業上の利用可能性は高い。

EuをドープしたAl_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜およびGaNの単層におけるPL測定の結果を示すグラフ図である。 （ａ）, （ｂ）は、Al_0.15Ga_0.85N/In_0.2Ga_0.8N多層膜に注入するEuの量を変化させた場合のＰＬ測定結果を示すグラフ図であり、（ａ）はEuの量を注入量（ｃｍ^-2）で規定した場合を、（ｂ）はEuの量を濃度（ｃｍ^-3）で規定した場合を示している。 本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 従来の白色光照明装置の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

３０ 半導体発光素子
３１ サファイア基板
３２ 下地層
３３ ｎ型コンタクト層
３４ ｎ型クラッド層
３５ 発光層
３６ ｐ型クラッド層
３７ ｐ型コンタクト層
３８ ｎ側電極
３９ ｐ側電極
４０ Ｅｕ
５０ 半導体発光素子
５１ サファイア基板
５２ 下地層
５３ Al_0.44Ga_0.56N層
５４ 積層
５５ ｎ型クラッド層
５６ 発光層
５７ ｐ型クラッド層
５８ ｐ型コンタクト層
５９ ｎ側電極
６０ ｐ側電極
６１ ｎ型ＧａＡｓ基板
６２ 下地層
６３ ｎ型クラッド層
６４ 発光層
６５ ｐ型クラッド層
６６ 電流拡散層
６７ ｎ側電極
６８ ｐ側電極
７１ ｎ型ＧａＡｓ基板
７２ 下地層
７３ ｎ型クラッド層
７４ 発光層
７５ ｐ型クラッド層
７６ ｐ型コンタクト層
７７ ｎ側電極
７８ ｐ側電極
１０１ 発光素子
１０１ａ ｎ型層
１０１ｂ ｐ型層
１０２ 蛍光体
１０３ メタルステム
１０４ 樹脂モールド
１０５ 配線
１０６ ｎ側電極

Claims (15)

1. 発光層と、
   前記発光層の上方に設けられ、複数の層を有し、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層と
   を備える、半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
   前記複数の層のうち前記希土類元素が含まれる層の厚さは１０ｎｍ以下である、半導体発光素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
   前記複数の層における各層のうち互いに接する層同士の組成は異なる、半導体発光素子。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   前記発光層におけるバンドギャップエネルギーは、前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい、半導体発光素子。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   前記希土類元素は、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうち少なくともいずれか１つである、半導体発光素子。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   前記希土類元素の濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²²ｃｍ^-3以下である、半導体発光素子。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   Ｂ_xＧａ_1-x-y-zＡｌ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる層を有する、半導体発光素子。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる層を有する、半導体発光素子。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
   Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる層を有する、半導体発光素子。
10. 請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
    Ｚｎ_xＣｄ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）からなる層を有する、半導体発光素子。
11. 発光層と、前記発光層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
    前記発光層の上方に、複数の層を有する前記半導体層を形成する工程（ａ）と、
    前記複数の層のうちの少なくとも１層に選択的に希土類元素を添加する工程（ｂ）と
    を備える、半導体発光素子の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記工程（ｂ）では、イオン注入法によって前記希土類元素を添加する、半導体発光素子の製造方法。
13. 請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記工程（ｂ）では、前記希土類元素を１×１０¹³ｃｍ^-2以上１×１０¹⁷ｃｍ^-2以下の注入量で注入する、半導体発光素子の製造方法。
14. 請求項１１〜１３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記希土類元素としてCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうちのいずれかを用いる、半導体発光素子の製造方法。
15. 発光層と、前記発光層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
    前記発光層を形成する工程（ａ）と、
    前記発光層の上方に、希土類元素を供給しながら、複数の層を有する前記半導体層を形成する工程（ｂ）と
    を備える、半導体発光素子の製造方法。

Images