JP2005294813A - ｐｎ接合型ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光層を多重量子井戸構造とした場合でも、クラッド層へのキャリアの拡散を抑制し、発光出力を大幅に向上させることができるようにする。
【解決手段】 この発明のｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子１０（１１）は、結晶基板上に形成された、III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１０７との間に、III族窒化物半導体からなる井戸層２２と障壁層２１とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造の発光層２を備え、発光層２は、ｎ型クラッド層１０５に最も近接して対峙する一端層２１ｍ、及びｐ型クラッド層に最も近接して対峙する他端層２１ｎとが共に障壁層であり、その他端層２１ｎは他の障壁層よりも層厚が大である、ことを特徴としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、結晶基板上に形成された、III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に、III族窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造の発光層を備えたｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子に関するものである。

従来から、III族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）等のｐｎ接合型ヘテロ（ｈｅｔｅｒｏ）接合構造のIII族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている（特許文献１参照）。例えば近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈するＬＥＤを構成するのに際し、ｎ形またはｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、クラッド（ｃｌａｄ）層を構成するのに利用されている（特許文献２参照）。また、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、活性層（発光層）を構成するのに利用されている（特許文献３参照）。

従来において、発光層を、数量的に単一のＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）層から構成する技術例が開示されている（特許文献３参照）。また、発光層を量子井戸構造と称する超格子構造から構成する例も公知である（特許文献４参照）。量子井戸構造とは、障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層と井戸（ｗｅｌｌ）層とを交互に積層させた、周期的積層構造を指している（特許文献５参照）。例えば、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎ層を井戸層とし、窒化ガリウム（ＧａＮ）を障壁層として多重量子井戸構造の発光層を構成する実施例が開示されている（特許文献４の［実施例１］参照）。
特開２０００−３３２３６４号公報 特開２００３−２２９６４５号公報 特公昭５５− ３８３４号公報 特開２００１−１０２６２９号公報 特開２０００−１３３８８３号公報

しかし、上記の従来技術例では、発光層の一端側、他端側が必ずしも障壁層に限定されておらず、何れか一方が井戸層の場合は、その井戸層を経由してクラッド層へのキャリア（電子）の拡散が発生しやすく、それだけ発光出力が低下してしまうという問題点を有していた。

また、特にｐ型クラッド層に接する発光層の多端側に障壁層が形成されていても、その障壁層の層厚が十分でなく、ｎ型クラッド層側から注入されたキャリアのｐ型クラッド層側への流入を抑制することができず、その影響で発光出力が低下してしまうという問題点も有していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、発光層を多重量子井戸構造とした場合でも、クラッド層へのキャリアの拡散を抑制し、発光出力を大幅に向上させることができるｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

１）上記目的を達成するために、第１の発明は、結晶基板上に形成された、III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に、III族窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造の発光層を備えたｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子において、上記発光層は、ｎ型クラッド層に最も近接して対峙する一端層、及びｐ型クラッド層に最も近接して対峙する他端層とが共に障壁層であり、その他端層は他の障壁層よりも層厚が大である、ことを特徴としている。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記障壁層の各層厚を、一端層から他端層に向けて漸次大とした、ことを特徴としている。

３）第３の発明は、上記した１）項または２）項に記載の発明の構成に加えて、上記他端層は、不純物濃度が井戸層と接合する側で低く、層の中央部で最も高く、中央部よりｐ型クラッド層に向けて漸次減少する、ことを特徴としている。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記他端層には、不純物が故意に添加されていないアンドープの井戸層が接合されている、ことを特徴としている。

本発明では、多重量子井戸構造の発光層において、その両端をなす層を何れも障壁層としたので、クラッド層へのキャリアの拡散を抑制することができ、井戸層内にキャリアを閉じ込める作用を有するため、発光出力を向上させることができる。

また、多重量子井戸構造の発光層の両端をなす障壁層のうち、ｐ型クラッド層に接する他端層を、他の障壁層より層厚を大としたので、ｎ型クラッド層側から注入されるキャリア（電子）のｐ型クラッド層側への流入を抑制することができ、発光出力を高くすることができる。

さらに、本発明によれば、発光効率を１．５倍程度向上させることができ、したがって、ＬＥＤランプの発光出力及び電光変換効率ともに１．５倍程度向上させることができ、省エネルギーに寄与することができる。

また、本発明では、障壁層の各層厚を、一端層から他端層に向けて漸次大としたので、井戸層へのキャリアの閉じ込めを更に強めることができる。なお、この場合、障壁層の各層厚は、各井戸層からの発光波長が変化しない程度とするのが好ましい。

また、他端層について、不純物濃度が井戸層と接合する側で低く、層の中央部で最も高く、中央部よりｐ型クラッド層に向けて漸次減少するようにしたので、他端層に接する井戸層に与える環境と、多重量子井戸層への正孔の注入効率との両立を図ることができる。

さらに、他端層には、不純物が故意に添加されていないアンドープの井戸層が接合されているようにすることで、井戸層の結晶性を向上させることができ、発光効率を高めることができる。

以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。

本願発明では、結晶基板上、特に、単結晶基板上に形成されたｎ型またはｐ型の導電型のIII族窒化物半導体層を利用して、ｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子を構成する。

すなわち、本発明のｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子は、結晶基板上に形成された、III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に、III族窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造の発光層を備え、その発光層は、ｎ型クラッド層に最も近接して対峙する一端層、及びｐ型クラッド層に最も近接して対峙する他端層とが共に障壁層であり、その他端層は他の障壁層よりも層厚が大となっている。

なお、結晶基板により近い方のクラッド層をｎ型としてもよいし、逆にｐ型としてもよい。

III族窒化物半導体層を形成する際に、基板とする単結晶材料として、融点が比較的高く、耐熱性のあるサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ガリウム・リチウム（組成式ＬｉＧａＯ₂）等の酸化物単結晶材料、また珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）や立方晶、六方晶結晶型の炭化珪素（ＳｉＣ）等のIV族半導体単結晶、さらにはリン化ガリウム（ＧａＰ）等のIII−Ｖ族化合物半導体単結晶材料を利用できる。発光層からの発光を透過できる、光学的に透明な単結晶材料は基板として有効に利用できる。

結晶基板上に設けるｎ型及びｐ型のIII族窒化物半導体層（クラッド層）は、組成式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）から構成する。結晶基板と、その上に形成するIII族窒化物半導体層（クラッド層）とで格子ミスマッチがある場合、そのミスマッチを緩和して、結晶性に優れる上層をもたらす低温緩衝層或いは高温緩衝層を介在させて積層するのが得策である。緩衝層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成できる。

ｎ型及びｐ型のクラッド層を、同一の組成比のIII族窒化物半導体材料から構成する必要は必ずしもない。例えば、ｎ型のクラッド層を窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成し、ｐ型のクラッド層を窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_YＮ）から構成できる。ｎ型及びｐ型のクラッド層は、発光層をなす量子井戸構造を構成する障壁層よりも禁止帯幅を大とするIII族窒化物半導体から構成するのが好ましい。

ｎ型のクラッド層とｐ型のクラッド層との中間に配置する発光層は、III族窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造とし、その両端層（一端層及び他端層）は共に障壁層から構成する。ｎ型及びｐ型クラッド層へのキャリアの拡散をより良く防止する構成とするためである。このように本発明の発光層を構成する各層のうち、ｎ型クラッド層に最も近接して対峙する一端層、及びｐ型クラッド層に最も近接して対峙する他端層は、何れも障壁層として形成する。

井戸層は、障壁層よりも禁止帯幅を小とするIII族窒化物半導体から構成する。例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｙ＋Ｚ＝１）から構成する。Ｇａ_YＩｎ_ZＮのインジウム組成比（ガリウム組成比）は、所望の波長の発光が得られる様に適宣、選択する。近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の短波長の発光を期す発光素子の発光層は、インジウム組成比を、大凡、０．４０（＝４０％）以下、望ましくは０．２５とするＧａ_YＩｎ_ZＮ（０．２５≦Ｚ≦０．４０で且つ、Ｙ＋Ｚ＝１）から構成できる。

多重量子井戸構造の発光層を構成する井戸層は、また、例えば、窒化・リン化ガリウム（ＧａＮ_1-aＰ_a：０≦ａ＜１）等の窒素と窒素以外の第Ｖ族元素を含むIII族窒化物半導体から構成できる。ＧａＮ_1-aＰ_aでは、リン（Ｐ）組成比（＝ａ）に依存して（換言すれば、窒素（Ｎ）組成比（＝１−ａ）に依存して）、禁止帯幅は急激に変化する。このバンドボーイング（ｂａｎｄ ｂｏｗｉｎｇ）性を利用して、ＧａＮ_1-aＰ_aからは、紫外帯から赤色帯に亘る発光を放射できる井戸層を形成できる。

順方向電圧（Ｖｆ）或いは閾値電圧（Ｖｔｈ）が低く、高い発光強度の発光素子を得るのには、多重量子井戸構造をなす井戸層の数を３以上で６以下とするのが好ましい。また、量子井戸構造の発光層からの発光の波長を安定となすため、量子井戸構造の他端層をなす障壁層に接合させる井戸層は、アンドープのIII族窒化物半導体層から構成する。一端層に接合する井戸層等、他の井戸層は不純物をドープしたIII族窒化物半導体層から構成しても構わない。他端層に接合する以外の井戸層は、発光の波長に然して影響を与えない。むしろ、他端層に接合する以外の井戸層を、不純物をドーピングしたIII族窒化物半導体層から構成することに依り、Ｖｆ或いはＶｔｈを低下させるのに効果を上げられる。

量子井戸構造をなす障壁層は、また、井戸層を構成するIII族窒化物半導体の禁止帯幅に比較して、室温での電子の熱運動エネルギー（＝０．０２６ｅＶ）の約１０倍以上、高い禁止帯幅のIII族窒化物半導体層から構成する。好ましくは、Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）やＧａＮ_1-aＰ_a等の複数のＶ族元素を含むIII族窒化物半導体から構成する。

本発明では特に、他端層の障壁層を、他の障壁層よりも層厚を大とするIII族窒化物半導体層から構成する。ｎ型クラッド層側から一端層の障壁層を経由して発光層に流入する電子を、他端層に接合する井戸層内に効率的に閉じ込めるためである。量子井戸構造をなす他端層以外の障壁層の層厚は、１５ｎｍ以上で５０ｎｍ以下であるのが適する。他端層の障壁層の層厚は、他の障壁層の層厚の１．２倍以上で２．５倍以下とする。

量子井戸構造を、一端層から他端層へ向けて、漸次、層厚を大とした障壁層を用いて構成しても、ｎ型クラッド層から注入される電子のｐ型クラッド層側への過剰な流入（電子のオーバーフロー）を抑制するのに効果的である。例えば、一端層の障壁層の層厚を基準として１．０とすれば、その次に他端層側に近接して配置される障壁層の層厚を１．５とし、またその次に他端層側に近接して配置される障壁層の層厚を２．０とし、他端層の障壁層の層厚を２．５として量子井戸構造を構成する。或いはまた、一端層とその近隣の障壁層の層厚を同一とし、量子井戸構造の中央部をなす数層の障壁層を更に厚くし、他端層の近隣の障壁層をまた更に厚くし、他端層を最も厚くした、一端層から他端層に向けて層厚を段階的に増加させた障壁層から多重量子井戸構造を構成する。

他端層をなす障壁層を、不純物濃度が井戸層と接合する側で低く、層の中央部で最も高く、中央部よりｐ型クラッド層に向けて漸次減少させたIII族窒化物半導体層から構成すると、発光層からの発光波長を安定とするのに特に効果が奏される。即ち、層の中央部よりｐ型クラッド層側に向けてドーパントの濃度が減少しているIII族窒化物半導体層から他端層を構成する。量子井戸構造を構成する他の障壁層は、アンドープ層或いは不純物ドーピング層の何れからも構成できる。他端層共々、他の障壁層を、不純物をドーピングしたIII族窒化物半導体層から構成すれば、Ｖｆ或いはＶｔｈを低下させるのに効果を上げられる。障壁層の場合、不純物ドーピング層の内部の不純物の濃度の分布様式には指定はない。他端層の障壁層と同様であっても良く、また、層厚方向に一様に分布されていても構わない。

本発明に係る量子井戸構造を構成するための障壁層及び井戸層は、各種の気相成長手段、例えば有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法またはＯＭＶＰＥ法）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）、ハロゲン気相成長法、ハイドライド（水素化物）気相成長法等に依り形成できる。特に、ＭＯＣＶＤ法は、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の揮発性の高い元素を含むIII族窒化物化合物半導体も成長できるため有用である。III族窒化物半導体発光素子を構成するための各構成層を、異なる気相成長手段で形成することも許容される。例えば、発光層をなす障壁層或いは井戸層を常圧（略大気圧）または減圧ＭＯＣＶＤ法で形成し、ｎ型またはｐ型クラッド層を例えば、ＭＢＥ法で形成する手法もあるが、各構成層を、同一の気相成長手段で形成するのが簡便である。

不純物をドーピングした障壁層、例えば、ｎ型の障壁層を得るのに適する不純物として、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）等のIV族元素、及びセレン（Ｓｅ）やテルル（Ｔｅ）等の第VI族元素を例示できる。ｐ型の障壁層を得るのに適する不純物として、マウネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）等のII族元素がある。障壁層の内部にドーピングされた不純物の濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）、オージェ（Ａｕｇｅｒ）電子分析法等の元素分析手段を利用して定量できる。

これらの不純物を、他端層の障壁層の成長を開始する際には、成長反応系へ供給せず、即ち、アンドープの状態で成膜を続行する。障壁層の層厚が所望の層厚の略半分に達したところで、急激に不純物を多量に添加して、不純物を高濃度に含む領域を、障壁層の中央部に形成する。中央部に所望の厚さで高濃度に不純物を含有する領域を形成した後は、今度は、添加する不純物量を経時的に減少しつつ、所望の全厚に達する迄、障壁層の成長を継続する。この様に成長反応系への不純物を添加する量を経時的に変化させれば、他端層の不純物濃度は、井戸層と接合する側で低く、層の中央部で最も高く、中央部よりｐ型クラッド層に向けて漸次減少する。

他端層をなす障壁層の内部に設ける高い不純物濃度の領域の厚さは、２．５ｎｍ以上で４０ｎｍ以下とするのが好ましい。この高い不純物濃度に於ける具体的に好ましい不純物濃度の範囲は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲である。この領域の厚さが薄ければ薄い程、この領域での不純物濃度を高くすると順方向電圧の増加を防止するのに優位となる。例えば、高い不純物濃度の領域の厚さが２．５ｎｍ〜５．０ｎｍである場合、不純物濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲とすると低い順方向電圧を得るのに好結果が得られる。

他端層なす障壁層にあって、井戸層と接合する側の内部領域は、何もアンドープ領域とする必要はない。他端層の中央部の領域に比較して、添加する不純物の濃度が低ければ良い。この低い不純物濃度に於ける不純物の濃度は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3未満以上で１×１０¹⁸ｃｍ^-3未満とするのが適する。５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁷ｃｍ^-3とするのが更に適する。

他端層をなす障壁層には、不純物が故意に添加されていないアンドープの井戸層を接合させて設けるのが好適である。不純物濃度の少ない高純度の井戸層を接合させれば、不純物により形成される準位の影響に因る副次的な発光も避けられ、単色性に優れる発光が得られる。また、不純物の存在に因り歪が発生する度合いも少なく、従って、所望の波長を有する発光が安定に得られる利点がある。

発光層の一端層に接するｎ型クラッド層は、井戸層の禁止帯幅より大きい禁止帯幅のｎ型のＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１）から構成できる。また、ｎ型のＡｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１）からも構成できる。Ｇａ_YＩｎ_ZＮからｎ型クラッド層を構成すれば、その上には、結晶歪が緩和された発光層を形成することができ、発光効率に優れるIII族窒化物半導体発光素子が得られる。また、発光層の一端層に接するｎ型クラッド層として、Ｉｎ組成比（＝Ｚ₁、Ｚ₂）を各々、異にする窒化ガリウム・インジウム層からなるＧａ_Y1Ｉｎ_Z1Ｎ／Ｇａ_Y2Ｉｎ_Z2Ｎ（０≦Ｙ₁，Ｙ₂，Ｚ₁，Ｚ₂≦１、Ｙ₁≠Ｙ₂、Ｚ₁≠Ｚ₂、Ｙ₁＋Ｚ₁＝１、Ｙ₂＋Ｚ₂＝１）超格子構造を用いることができる。この様な超格子構造を下地層として利用することで、結晶歪が緩和された発光層を形成でき、発光効率が一層向上したIII族窒化物半導体発光素子を得るのに利便となる。

本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子、例えば、ＬＥＤは、本発明の構成からなる障壁層を含む多重量子井戸構造の発光層を備えた積層構造体にオーミック電極を設けて構成する。結晶基板として導電性に優れる、例えば、珪素（Ｓｉ）、或いは立方晶３Ｃ結晶型、六方晶４Ｈまたは６Ｈ結晶型の炭化珪素（ＳｉＣ）である場合、基板をなす結晶材料の導電型に対応させて、ｎ型またはｐ型の一方のオーミック電極を設けられる。他方の導電型に適するオーミック電極は、本発明に係る構成からなる多重量子井戸構造上の、基板の結晶とは反対の導電型を有するクラッド層上に、またはクラッド層上のコンタクト層上に設ける。

基板が高抵抗または電気絶縁性の、例えばサファイアである場合、ｎ型またはｐ型の何れかのオーミック電極を、基板に接触させて設けられない。このため、積層構造体を構成するｎ型またはｐ型の構成層上に各々設ける。例えば、ｎ型（ｐ型）のオーミック電極を、ｎ型（ｐ型）のクラッド層、或いは同クラッド層上のコンタクト層に設ける。また、ｎ型（ｐ型）のクラッド層とｎ型（ｐ型）の導電型の発光層との中間に配置した、発光層との禁止帯幅の差異を緩やかに縮小するための、或いは発光層の結晶性を向上させるため等の、例えばＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）層を含むｎ型（ｐ型）中間層上に設けて構成する。

絶縁性または高抵抗の結晶基板には、電気的に導通するオーミック電極を設けるのは不都合であるが、代替として、光学的に透明である基板では、積層構造体が形成されているのとは対向する基板表面に、例えば、単層の金属膜或いは多層に重層させた多重金属膜からなる、基板を透過して来る発光を外部取り出し方向へ反射する機能を発揮する反射膜を設けられる。発光の反射機能を備えた透明な高抵抗基板を利用すれば、発光強度の高いIII族窒化物半導体ＬＥＤを得られるのに優位である。青色帯や緑色帯の波長の発光を反射させる反射層は、例えば、希有金属類やニッケル（元素記号：Ｎｉ）及びその合金類から構成できる。

接触抵抗の低いｎ型またはｐ型オーミック電極を形成するために設けるｎ型またはｐ型コンタクト層は、ｎ型またはｐ型の低抵抗の、例えばIII−Ｖ族化合物半導体材料から構成する。発光層からの発光を外部へ透過させる方向に設けるコンタクト層は、発光波長に対応する禁止帯幅を超える、発光を透過できる高い禁止帯幅の材料から構成する。例えば、本発明の多重量子井戸構造をなす井戸層の構成材料よりも禁止帯幅を大とするIII族窒化物半導体材料から構成する。例えば、燐化硼素（化学式：ＢＰ）またはそれを素材とした高禁止帯幅の燐化硼素・ガリウム（組成式Ｂ_QＧａ_RＰ：０＜Ｑ，Ｒ＜１，Ｑ＋Ｒ＝１）や燐化硼素・インジウム（組成式Ｂ_QＩｎ_RＰ：０＜Ｑ，Ｒ＜１，Ｑ＋Ｒ＝１）等の混晶から構成できる。単量体のＢＰでは、アンドープ状態でも成長温度等の調整に依り、容易にｎ型及びｐ型の低抵抗層が得られるため、コンタクト層を構成するのに適する材料である。

本発明に係る多重量子井戸構造の発光層から出射される発光を、ＬＥＤの外部へ取り出す方向に設けるｎ型またはｐ型オーミック電極を、開口部を設けた網状電極、或いは電極を升目状に配置した格子状電極等から構成すると、高強度のＬＥＤを得るのに優位となる。オーミック電極を設けるクラッド層或いはコンタクト層の表面を部分的に被覆する形状の電極とすると、電極材料により、発光が吸収される割合が低減され、逆に、開口部を介して吸収されずに透過して来る発光が増量されるからである。従って、高い発光強度のＬＥＤを得るのに寄与できる。

以上述べたように、この発明の実施形態では、多重量子井戸構造の発光層において、その両端をなす層を何れも障壁層としたので、発光層からクラッド層へのキャリアの拡散を抑制することができる。すなわち、井戸層内にキャリアを閉じ込める作用を有するため、発光出力を向上させることができる。

また、多重量子井戸構造の発光層の両端をなす障壁層のうち、ｐ型クラッド層に接する他端層を、他の障壁層より層厚を大としたので、ｎ型クラッド層側から注入されるキャリア（電子）のｐ型クラッド層側への流入を抑制することができ、発光出力を高くすることができる。

ところで従来のように、発光層の一端側、他端側に井戸層が存在していると、その井戸層がクラッド層に直接接合するため、この井戸層のみ異なる結晶性、異なるバンドギャップの層に接合することとなり、他の井戸層に比較して結晶性、歪、発光波長が異なってしまうという問題点を有していた。これに対して、この発明の実施形態では、発光層の両端をなす層を何れも障壁層としたので、井戸層が接する層は必ず障壁層となり、井戸層を取り囲む環境が何れの井戸層にとっても同一となるため、各井戸層の発光作用もより一定化し、したがって、発光波長もより安定したばらつきの少ないものとすることができる。上記したように、クラッド層に接する井戸層が存在すると、その井戸層と、より内側に形成され障壁層に挟まれている井戸層とは接する層が異なるものとなるため、それに起因して発光作用が影響を受け、長波長化するなど、発光ピークの半値幅の増大を招いていた。

また、この発明の実施形態では、井戸層が接する層は必ず障壁層となり、成長させる層の順番も、障壁層→井戸層→障壁層となるため成長条件がどの井戸層でも略同一となり、したがって、井戸層の形成をより安定して行うことができ、点欠陥の発生を抑制して、品質を良好なものとすることができる。この点からも発光出力を改善することができる。従来のようにクラッド層に接する井戸層が存在すると、その井戸層と、より内側に形成され障壁層に挟まれている井戸層とは接する層が異なり、一方、クラッド層と障壁層とは成長条件が異なるため、特にクラッド層に接する井戸層には点欠陥が発生し、発光出力が低下していた。

さらに、本発明によれば、発光効率を１．５倍程度向上させることができ、したがって、ＬＥＤランプの発光出力及び電光変換効率ともに１．５倍程度向上させることができ、省エネルギーに寄与することができる。

（実施例１） 以下、サファイア基板上に形成した本発明に係る構成からなる多重量子井戸構造の発光層を利用して、III族窒化物半導体発光ダイオードを作製する場合を例にして本発明を具体的に説明する。

図１は本実施例１に係るＬＥＤを作製するために用いた積層構造体の断面構造を模式的に示す図、図２は図１の積層構造体の発光層の構成を模式的に示す図、図３は図１の積層構造体から作製したＬＥＤの平面構造を模式的に示す図である。

ＬＥＤ１０を作製するための積層構造体１１を形成するために、先ずサファイア基板１０１を、高周波（ＲＦ）誘導加熱用のＲＦコイルを外周に配置した石英製のＭＯＣＶＤ反応炉内に載置した。窒素ガスを１０分間に亘って流通し、反応炉内をパージした後、１０分を掛けて基板１０１の温度を室温から１１５０℃に昇温した。基板１０１の温度を１１５０℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら１０分間放置して、基板１０１の表面をサーマルクリーニングした。

サファイア基板１０１には、第１の工程として、モル比にして１：２で混合したトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の蒸気とトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の蒸気とを含む気体と、アンモニア（ＮＨ₃）とを吹き付ける表面処理を施した。第１の工程での、所謂、Ｖ／III比（ＮＨ₃／（ＴＭＡｌ＋ＴＭＧａ）濃度比率）は約８５に設定した。１１５０℃で６分間、表面処理を施した後、ＴＭＧａとＴＭＡｌの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。

続いて、第２の工程としてＴＭＧａとアンモニアガスを流通して、（０００１）−サファイア基板１０１上に、アンドープでｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１０２の形成を１時間掛けて行い、膜厚を０．８μｍとした。

アンドープでｎ型のＧａＮ層１０２上には、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３を形成した。同層１０３の形成時には、シランガス（ＳｉＨ₄）をドーピング源として、電子濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3となる様に珪素（Ｓｉ）をドーピングした。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３の層厚は２μｍとした。

次に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３上には、ＴＭＧａとＴＭＡｌ、及びＮＨ₃を原料とし、ＳｉＨ₄をドーピング源として、Ｓｉドープのｎ型窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_0.09Ｇａ_0.91Ｎ）層１０４を形成した。Ａｌ_0.09Ｇａ_0.91Ｎ層のキャリア（正孔）濃度は、７×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は８ｎｍとした。

その後、アンモニアガスを反応炉内に流通させながら、基板１０１の温度を１１５０℃から８３０℃へ低下させた。次に、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム原料として、Ａｌ_0.09Ｇａ_0.91Ｎ層１０４上に、膜厚を５０ｎｍとするＳｉドープの窒化ガリウム・インジウム（Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ）からなるｎ型クラッド層１０５を形成した。

ｎ型クラッド層１０５上には、ＧａＮよりなる障壁層２１と、Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎよりなる井戸層２２で構成される多重量子井戸構造の発光層２を形成した。この多重量子井戸構造の形成にあたっては、ＳｉドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなるｎ型クラッド層１０５上に、始めにＳｉドープＧａＮ障壁層２１ｍを形成し、そのＳｉドープＧａＮ障壁層２１ｍ上にＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ井戸層２２を形成した。井戸層２２の層厚は、全ての井戸層につき、２ｎｍとした。ＳｉドープＧａＮ障壁層２１及びＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ井戸層２２を交互に５回繰り返し積層したのち、表面に在る５番目のＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ井戸層２２上に、改めて、ＳｉドープＧａＮ障壁層２１を接合させて設け、多重量子井戸構造の一端層２１ｍ及びｐ型クラッド層１０７側の他端層２１ｎの両層をＳｉドープＧａＮ障壁層２１とする構造とした。

上記のＳｉドープＧａＮ障壁層２１は全部で６層であるが、他端層２１ｎを除く５層のＳｉドープＧａＮ障壁層２１の層厚は１５ｎｍとした。一方、他端層２１ｎをなすＳｉドープＧａＮ障壁層２１の層厚は他の障壁層より厚い２０ｎｍとした。

多重量子井戸構造の発光層２上には、マグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなるｐ型クラッド層１０７を１１００℃で形成した。ｐ型クラッド層１０７のキャリア（正孔）濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は１０ｎｍとした。

更に、ｐ型クラッド層１０７上には、ＭｇドープＧａＮ層をｐ型コンタクト層１０８として成長させた。ｐ型コンタクト層１０８のキャリア（正孔）濃度は８×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は１００ｎｍとした。

ｐ型コンタクト層１０８の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１０１の温度を室温まで２０分を掛けて降温した。成長温度（１１００℃）から３００℃迄、降温する際には、反応炉内のキャリアガスを窒素とし、併せて容量比率にして１％のＮＨ₃を流通した。その後、基板１０１の温度が３００℃となった時点で、ＮＨ₃の流通を停止し、雰囲気ガスを窒素のみとした。基板１０１の温度が室温まで降温したのを確認して、積層構造体１１を反応炉より外部へ取り出した。

以上の様な降温、冷却操作に依れば、ｐ型コンタクト層１０８は、ｐ型不純物としてドーピングしたＭｇを電気的に活性化するためのアニール処理を行わなくても、ｐ型の伝導性を示した。

上記の如く形成した積層構造体１１に、一般的な選択パターニング技術を応用して選択エッチングを及ぼし、ｎ型オーミック電極１０９を形成する予定の領域に限り、ＳｉドープＧａＮ層１０３の表面を露出させた。露出させたＳｉドープＧａＮ層１０３の表面には、その表面に接触する側をニッケル（Ｎｉ）とした、Ｎｉ／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の４層を順次、重層させたｎ型オーミック電極１０９を設けた。また、積層構造体１１の表面に残置したｐ型コンタクト層１０８上の略全面には、図３に示す如く、金（Ａｕ）のみからなる透光性のｐ型オーミック電極１１０を形成した。ｐ型オーミック電極１１０上には、下面側から順にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び金（Ａｕ）を順次積層した構造のボンディングパッド（台座電極）１１１を接合させて設けた。

その後、サファイア基板１０１の裏面を、当初の３５０μｍから１００μｍ迄、研削し薄板とし、更に、精密に研磨して研削した表面を鏡面状の平坦面に仕上げた。然る後、３５０μｍ角の平面視で正方形の個別のＬＥＤチップに切断した。チップ化したＬＥＤ１０を、ｎ型オーミック電極１０９とｐ型台座電極１１１を介して素子駆動電流をＬＥＤチップ１０に通流できる様にリードフレームへ接合させた。

ｎ型オーミック電極１０９及びｐ型オーミック電極１１０間に順方向に素子駆動電流を流してＬＥＤチップ１０を発光させた。順方向電流を電流２０ｍＡとした際の発光波長は３９５ｎｍであった。また、一般的な積分球を利用して測定される発光の出力は、８．７ｍＷと高値となった。一方で、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．３Ｖと低値であった。これより、順方向電圧が低く、且つ高発光出力の近紫外ＬＥＤがもたらされることが示された。

（比較例） 本比較例では、障壁層の層厚を何れも同一とする多重量子井戸構造の発光層を用いてＬＥＤを構成し、発光特性を比較した。

即ち、上記の実施例１に記載した多重量子井戸構造にあって、他端層（図２の符号２１ｎ）をも、他の障壁層と層厚を同一とするＳｉドープＧａＮ障壁層から構成した。多重量子井戸構造の発光層以外は、実施例１に記載の積層構成、及び電極構成と全く同一とした。

実施例１と同じ方法でマウントしたＬＥＤチップに、リードフレームを介して２０ｍＡの順方向電流を流したところ、波長を３９５ｎｍとする近紫外帯光が出射された。ところが、発光波長は上記の実施例１のＬＥＤチップ１０と同一であるものの、順方向電圧は３．５Ｖとより高くなった。併せて、発光出力値は５．９ｍＷに低下し、実施例１のＬＥＤ１０の特性に及ぶものとは成り得なかった。
（実施例２）

本実施例２では、層厚を互いに異にする障壁層を備えた多重量子井戸構造の発光層を利用してIII族窒化物ＬＥＤを構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。

本実施例２では、上記の実施例１に記載の発光層をなす多重量子井戸構造を形成するのにあたり、一端層（図２の符号２１ｍ）の障壁層の層厚を１５ｎｍとし、２番目の障壁層の層厚を１６ｎｍとし、３番目の障壁層の層厚を１７ｎｍとし、４番目の障壁層の層厚を１８ｎｍとし、５番目の障壁層の層厚を１９ｎｍとした。

即ち、ｎ型クラッド層（図１、図２の符号１０５）からｐ型クラッド層（図１、図２の符号１０７）に向けて、ＳｉドープＧａＮ障壁層の層厚を、順次厚くして、量子井戸構造を構成した。他端層２１ｎをなすＳｉドープＧａＮ障壁層の層厚は２０ｎｍとした。

上記の実施例１と同一の方法で作製したＬＥＤチップに、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を通流させて特性を評価した。発光波長は３９５ｎｍであった。順方向電圧は３．３Ｖと高くなったものの、発光出力は実施例１と同様に８．９ｍＷと高く、高出力の近紫外ＬＥＤがもたらされ、比較例に記載の従来のＬＥＤに比べれば、順方向電圧、及び発光出力に優れるＬＥＤとなった。

（実施例３） 他端層に、不純物濃度に分布を付した障壁層を用いた多重量子井戸構造の発光層を利用してIII族窒化物半導体層を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

本実施例３では、上記の実施例１に記載の多重量子井戸構造をなす他端層２１ｎを、Ｓｉ不純物の濃度を、井戸層と接合する領域側で低くし、層の中央部でより高くし、中央部より層厚の増加方向（ｐ型クラッド層１０７の方向）に向けて漸次減少させたＳｉドープＧａＮ層から構成した。

他端層では、井戸層との接合界面から、層厚の増加方向に５ｎｍに至る内部領域において、Ｓｉ不純物の濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。井戸層との接合界面から層厚方向に５ｎｍを超え、１０ｎｍに至る障壁層の中央の領域でのＳｉ不純物の濃度は、４×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。また、中央の領域からｐ型クラッド層との接合界面に向けた領域では、Ｓｉ不純物の濃度を４×１０¹⁸ｃｍ^-3から、７×１０¹⁷ｃｍ^-3へ直線的に減少させた。各領域のＳｉ不純物濃度は、他端層をなす障壁層の成長時に、反応系へ供給するＳｉＨ₄ガスの流量を経時的に変化させて調整した。

実施例１と同じ方法でＬＥＤチップを作製し、チップに順方向電流を流したところ、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光波長は３９５ｎｍであった。また、順方向電圧は３．２Ｖと低く、発光の出力は８．６ｍＷであり、比較例に記載の従来のＬＥＤに比べれば、順方向電圧、及び発光出力に優れるＬＥＤとなった。

本実施例１に係るＬＥＤを作製するために用いた積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。 図１の積層構造体の発光層の構成を模式的に示す図である。 図１の積層構造体から作製したＬＥＤの平面構造を模式的に示す図である。

符号の説明

２ 発光層
１０ ＬＥＤ
１１ 積層構造体
２１ 障壁層
２１ｍ 一端層（障壁層）
２１ｎ 他端層（障壁層）
２２ 井戸層
１０１ 結晶基板
１０２ アンドープｎ型ＧａＮ層
１０３ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
１０４ Ｓｉドープｎ型窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_0.09Ｇａ_0.91Ｎ）層
１０５ ｎ型クラッド層
１０６ 発光層
１０７ ｐ型クラッド層
１０８ ｐ型コンタクト層
１０９ ｎ型オーミック電極
１１０ ｐ型オーミック電極
１１１ ボンディングパッド（台座電極）

Claims (4)

1. 結晶基板上に形成された、III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に、III族窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを交互に数周期に亘り積層させてなる多重量子井戸構造の発光層を備えたｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子において、
   上記発光層は、ｎ型クラッド層に最も近接して対峙する一端層、及びｐ型クラッド層に最も近接して対峙する他端層とが共に障壁層であり、その他端層は他の障壁層よりも層厚が大である、
   ことを特徴とするｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子。
2. 上記障壁層の各層厚を、一端層から他端層に向けて漸次大とした、請求項１に記載のｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子。
3. 上記他端層は、不純物濃度が井戸層と接合する側で低く、層の中央部で最も高く、中央部よりｐ型クラッド層に向けて漸次減少する、請求項１または２に記載のｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子。
4. 上記他端層には、不純物が故意に添加されていないアンドープの井戸層が接合されている、請求項１から３の何れか１項に記載のｐｎ接合型III族窒化物半導体発光素子。

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