JP2005317823A

JP2005317823A - 窒化ガリウム系発光装置

Info

Publication number: JP2005317823A
Application number: JP2004135162A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Sato; 壽朗佐藤; Naoki Wada; 直樹和田; Shiro Sakai; 士郎酒井
Original assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd
Current assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】窒化ガリウム系発光装置において、発光スペクトルの狭帯化をはかる。
【解決手段】窒化ガリウム系発光装置は、サファイア基板１０上に低温バッファ層１２、高温バッファ層（ＧａＮ系層）１４を下地層として形成し、その上にｎ型コンタクト層１６、ｎ型クラッド層１８、発光層２０、ｐ型クラッド層２２及びｐ型コンタクト層２４を積層して構成される。ｎ型コンタクト層１６をＩｎＧａＮとし、そのバンドギャップエネルギを発光層２０のバンドギャップよりも十分小さくし、かつ、その膜厚も２００ｎｍ以上とすることで発光層２０から下方に射出される光を吸収し、発光スペクトルの半値幅を狭くする。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化ガリウム系発光装置に関し、特に発光スペクトルの制御に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた発光装置が開発され、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）として種々の分野に応用されている。

図６には、従来のＧａＮ系発光装置の構成が示されている。発光装置（ＬＥＤ）は、サファイア基板１０上に低温バッファ層１２及び高温ＧａＮ系バッファ層１４を形成して下地層とし、これら下地層の上にＬＥＤやＬＤ等のデバイス構造を作製して構成される。

下地層の上に積層されるデバイス構造として、ｎ型コンタクト層１６、ｎ型クラッド層１８、発光層（活性層）２０、ｐ型クラッド層２２、ｐ型コンタクト層２４が順次形成される。ｐ型コンタクト層２４上にはｐ型透明電極２６が形成され、ｎ型コンタクト層１６上にはｎ電極２８が形成される。

ｎ型クラッド層１８及びｐ型クラッド層２２としては、ＡｌＩｎＧａＮなどを用いた超格子構造とし、発光層（活性層）２０としては、ＡｌＩｎＧａＮの井戸層と障壁層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として発光強度を増大させている。

ＷＯ２００４／００８５５１Ａ１特開２００２−３６８２６５号公報

低温バッファ層１２や高温ＧａＮ系バッファ層１４は、クラックやピットのない高品質膜を積層するために必要な下地層であるが、バッファ層としてＧａＮ半導体層を用いると、ＧａＮは３６５ｎｍに光の吸収端を有するため発光層２０からの波長３５５ｎｍ〜３７５ｎｍの光を吸収してしまい、発光装置としての発光強度が減じてしまうとともに、光の吸収に起因して発光スペクトルが拡がる問題があった。

図７には、ＬＥＤチップの真上、斜め及び真横から射出される光の発光スペクトルが示されている。真横から射出される光は、ＧａＮバッファ層による短波長成分の吸収により長波長成分のみとなり、真上あるいは斜めから射出される光は、本来の短波長成分にＧａＮバッファ層により吸収された後の未吸収の成分とＧａＮバッファ層のフォトルミネセンス発光とが重なったスペクトルとなる。したがって、ＬＥＤチップから全方向に射出される光のスペクトルは、これらのスペクトルの重ね合わせとして図８に示されるようにメインピークの他に長波長側にサブピークを有するブロードなスペクトルとなってしまう。

ＧａＮ系発光装置を例えばセンサなどの用途に用いる場合、励起媒体を励起する波長以外はノイズとなるため、図８に示されるようなブロードな発光スペクトルを有する発光装置は望ましくなく、センサ性能の低下を生じ得る。

本発明の目的は、発光スペクトルの拡がりを抑制できる発光装置を得ることにある。

本発明は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層とを有する窒化ガリウム系発光装置であって、前記第１導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギは、前記窒化ガリウム系発光層のバンドギャップエネルギよりも６０ｍｅＶ以上小さく、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層とを有する窒化ガリウム系発光装置であって、前記第１導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギの換算波長（バンドギャップエネルギを波長に換算した値）は、前記窒化ガリウム系発光層の換算波長よりも６ｎｍ以上長く、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層とを有する窒化ガリウム系発光装置であって、前記第１導電型コンタクト層と前記第１導電型クラッド層の間、あるいは前記バッファ層と前記第１導電型コンタクト層との間に光吸収層を設け、前記光吸収層のバンドギャップエネルギは、前記窒化ガリウム系発光層のバンドギャップエネルギよりも６０ｍｅＶ以上小さく、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層とを有する窒化ガリウム系発光装置であって、前記第１導電型コンタクト層と前記第１導電型クラッド層の間、あるいは前記バッファ層と前記第１導電型コンタクト層との間に光吸収層を設け、前記光吸収層のバンドギャップエネルギの換算波長は、前記窒化ガリウム系発光層の波長よりも６ｎｍ以上長く、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上であることを特徴とする。

本発明においては、第１導電型コンタクト層、あるいは第１導電型コンタクト層と第１クラッド層との間の層、あるいは前記バッファ層と前記第１導電型コンタクト層との間を光吸収層として機能させ、発光層からの光（例えば波長３４０ｎｍ〜３７５ｎｍ）のうち下方（基板方向）に射出される光のほとんどを吸収する。また、第１導電型コンタクト層あるいは光吸収層の材料やキャリア密度を調整することで、吸収した光によるフォトルミネセンス光の発光強度を抑制し、結果として発光層のうち上方に射出される光のみを外部に射出させ、発光スペクトルの半値幅の狭いシャープな発光スペクトルが得られる。

発光層からの光を第１導電型コンタクト層あるいは光吸収層で吸収するための条件は、第１導電型層あるいは光吸収層のバンドギャップエネルギを発光層のバンドギャップエネルギよりも十分小さくし、かつ、その膜厚を十分大きくすることであり、具体的には

発光層のバンドギャップエネルギ−第１導電型コンタクト層（あるいは光吸収層）のバンドギャップエネルギ≧６０ｍｅＶ
あるいは、バンドギャップエネルギを波長に換算した場合に、

第１導電型コンタクト層（あるいは光吸収層）の波長−発光層の波長≧６ｎｍ
とし、第１導電型コンタクト層（あるいは光吸収層）の膜厚は２００ｎｍ以上とすることが好適である。

一方、発光層からの光を吸収して生じるフォトルミネセンス成分による発光スペクトルの拡大を抑制するためには、フォトルミネセンス強度を抑制し、具体的には発光層からの光のピーク強度の約１／５以下とすることが好適である。フォトルミネセンス強度は、光を吸収して励起される電子密度に依存して決定されるため、フォトルミネセンス強度を１／５以下とするためにはキャリア密度を十分小さくする必要がある。例えば、第１導電型コンタクト層をＳｉドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎで構成した場合、そのキャリア密度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることで、そのフォトルミネセンス強度を１／５以下に抑制できる。

本発明によれば、発光層から下方（基板方向）に向けて射出される光を第１導電型コンタクト層あるいは光吸収層で吸収し、しかも当該層のフォトルミネセンス強度を抑制しているので、発光スペクトルの半値幅を小さくすることができる。これにより、半値幅の狭いシャープな発光スペクトル特性を要求する光デバイスに適用することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係る発光装置（ＬＥＤ）の構成が示されている。サファイア基板１０上に低温ＧａＮバッファ層１２及び高温ＧａＮ系バッファ層１４を積層して下地層とし、これら下地層の上にｎ型コンタクト層１６、ｎ型クラッド層１８、発光層（活性層）２０、ｐ型クラッド層２２及びｐ型コンタクト層２４を積層する構成である。低温バッファ層１２は４００℃以上７５０℃以下で形成され、高温ＧａＮ系バッファ層１４は８００℃以上１１００℃以下で形成される。ｐ型コンタクト層２４上にｐ型透明電極２６が形成され、ｎ型コンタクト層１６上にｎ電極２８が形成される。図６に示された従来装置と異なる点は、ｎ型コンタクト層１６の組成や膜厚、及びキャリア密度を調整し、ｎ型コンタクト層１６のバンドギャップエネルギを発光層２０のバンドギャップエネルギよりも十分小さくして発光層２０から下方に射出された光のほとんどをｎ型コンタクト層１６で吸収する構成とした点である。発光層２０からの光のうち、下部に向けて射出される光をｎ型コンタクト層１６で吸収することで、発光層２０から直接上方に向けて射出された光の成分のみとする。ｎ型コンタクト層１６で光を吸収することで、本来の発光層２０からの発光スペクトルに、発光層２０の光により励起されたｎ型コンタクト層１６のフォトルミネセンス光が重畳されたスペクトルとなるが、フォトルミネセンス光は一般に一桁程度以下で弱く、かつ、ｎ型コンタクト層１６のキャリア密度（さらには結晶性）を調整することでその影響が出ないように抑制できる。フォトルミネセンス光強度を弱くする方法は、上記以外にも一般的に知られている非発光再結合を増加させるためにバンドギャップ内に深いエネルギ準位を形成するための不純物をドープしたり、欠陥を形成する方法等が考えられる。

図１における各層の材料及びその厚さは以下の通りである。
低温バッファ層１２：ＧａＮ
高温ＧａＮ系バッファ層１４：アンドープＧａＮ（２μｍ）
ｎ型コンタクト層１６：ＳｉドープＩｎ_0.035Ｇａ_0.965Ｎ（２．０μｍ）
ｎ型クラッド層１８：アンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ障壁層（２ｎｍ）／ＳｉドープＧａＮ井戸層（２ｎｍ）を５０層
発光層（活性層）２０：Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ井戸層（２ｎｍ）／Ａｌ_0.28Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.71Ｎ障壁層（１０ｎｍ）を３層
ｐ型クラッド層２２：ＭｇドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ障壁層（２ｎｍ）／ＭｇドープＧａＮ井戸層（２ｎｍ）を５０層
ｐ型コンタクト層２４：ＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（２０ｎｍ）

なお、発光層（活性層）２０とｎ型クラッド層１８との境界にホールを閉じ込めるためのキャリア閉じ込め層を形成してもよく、キャリア閉じ込め層は例えばＡｌ_0.28Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.71Ｎ（２６ｎｍ）を形成する。同様に、発光層２０とｐ型クラッド層２２との境界に電子を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め層を形成してもよい。

また、低温バッファ層１２として、低温ＳｉＮバッファ層と低温ＧａＮバッファ層の積層構造としてもよい。

また、本実施形態では、高温ＧａＮ系バッファ層１４を設けているが、この層を省略して、低温バッファ層１２上に直接ｎ型コンタクト層１６を形成してもよい。これについてはさらに後述する。

図１に示される発光装置は以下のプロセスを経て作製される。すなわち、
（１）ＭＯＣＶＤ装置のサセプタにサファイアＣ面基板１０を載置し、１１５０℃で１０分間水素雰囲気中にて熱処理する。
（２）次に、５００℃まで降温し、アンモニアガスとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を原料ガスとして供給し、低温ＧａＮバッファ層１２を成長させる。
（３）次に、１０７５℃まで昇温し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアガスを原料ガスとして供給し、高温ＧａＮ系バッファ層１４としてアンドープｎ型ＧａＮ層を成長させる。
（４）次に、９００℃にてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム、アンモニアガス、シランガスを原料ガスとして供給し、ｎ型コンタクト層１６としてＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層を成長させる。
（５）次に、１０７５℃でｎ型クラッド層１８としてアンドープＡｌＧａＮ障壁層とＳｉドープＧａＮ井戸層を交互に合計５０層堆積させた超格子構造を成長させる。
（６）次に、８４０℃まで降温して発光層（活性層）２０としてＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＩｎＧａＮ障壁層を交互に合計３層堆積させる。
（７）次に、１０２５℃まで昇温してｐ型クラッド層２２としてＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ障壁層とＭｇドープｐ型ＧａＮ井戸層を交互に５０層堆積させた超格子構造を成長させる。
（８）次に、１０２５℃でｐ型コンタクト層２４としてＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。

以上のようにして各層を成長させた後、ＭＯＣＶＤ装置からウエハーを取り出し、ｐ型透明電極２６を形成する。すなわち、Ｎｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（１０ｎｍ）をウエハー表面に順次真空蒸着し、５％の酸素を含む窒素雰囲気中５２０℃で熱処理してｐ型透明電極２６を形成する。つぎに、全面にフォトレジストを塗布しエッチングマスクとして用いてｎ型コンタクト層１６の一部が表面に露出するまでエッチングし、露出したｎ型コンタクト層１６上にｎ電極２８を形成する。すなわち、Ｔｉ（５ｎｍ）、Ａｌ（５ｎｍ）を順次真空蒸着し、窒素ガス中４５０℃で３０分熱処理してｎ電極２８を形成する。ｐ型透明電極２６及びｎ型電極２８の一部にワイヤボンディング用の金パッドを５００ｎｍ形成し、基板裏面を１００μｍまで研磨してスクライブによりＬＥＤチップを切り出し、マウントしてＬＥＤデバイスが得られる。

ｎ型Ｉｎ_0.035Ｇａ_0.965Ｎコンタクト層１６のバンドギャップに対応する発光波長（実際に発光する波長ではなく、この組成のコンタクト層１６のバンドギャップエネルギを波長に換算した値）は約３７４ｎｍであり、発光層２０からの発光波長３６５ｎｍよりも約９ｎｍ長い。この程度に長い（すなわちこの程度だけｎ型コンタクト層１６のバンドギャップエネルギは発光層２０のバンドギャップエネルギよりも小さい）と、発光層２０からの光を十分吸収することができる。さらに、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の膜厚は２μｍに設定されているため、発光層２０から下方に射出される光はｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６でほぼ完全に吸収され、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の下層に存在するＧａＮ層で吸収されることはない。

ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の膜厚が満たすべき条件は以下の通りである。発光層２０からの光の波長３６５ｎｍにおけるアンドープＧａＮの吸収係数は、約１×１０⁴ｃｍ^-1程度であることが知られている（例えば、G.Y.Zhao et al.,Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38(1999）pp. L993-L995)。したがって、アンドープＧａＮ界面での反射がないと仮定すると、発光波長３６５ｎｍではＧａＮの膜厚が７０ｎｍあれば５０％の光を吸収することができ、２３０ｎｍでは９０％、３００ｎｍでは９５％、４６０ｎｍでは９９％の光を吸収することができる。このことから、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の膜厚としては、約２００ｎｍ以上あれば９０％以上の光を吸収でき、本実施形態のように２μｍあればほぼ１００％の光を吸収できることになる。

上記したようにｎ型ＩｎＧａＮコンタクト１６は、高温ＧａＮ系バッファ層１４を形成することなく、図２（ａ）に示されるように低温ＧａＮ系バッファ層１２上に直接形成することも可能である。しかしながら、ＩｎＧａＮを低温バッファ層１２上に直接形成した、基板／低温バッファ層１２／ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の構成では、例えばＩｎＧａＮコンタクト層１６の膜厚を０．５μｍ程度とすると、図２（ｂ）のＳＥＭ写真に示されるようにその表面に多数のピットが存在し、平坦な膜が得られない。このように多数のピットが存在すると、ピット部分では光の吸収量が低減するため、発光層２０からの光を十分吸収することができなくなる。さらに、ピットが多数存在するため、その上に良好なデバイス構造を作製できないという問題も生じる。本願出願人は、低温バッファ層１２上に形成されるＩｎＧａＮ層の膜厚が０．８μｍ程度ではほとんどピットがなくなり、さらに１μｍ以上となるとピットが存在しなくなることを確認しており、したがって低温バッファ層１２上にｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６を形成する場合にはその膜厚を１μｍ以上とする必要がある。なお、ＩｎＧａＮのＩｎ組成が０〜１０％まではピットの減少傾向は同じであり、上記した様になる。

次に、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６での光吸収によるエレクトロルミネセンス（ＥＬ）について説明する。

図３には、ｎ型コンタクト層１６としてＧａＮを用いた場合と本実施形態のようにＩｎＧａＮを用いた場合の発光スペクトルが示されている。図において、横軸は発光波長（ｎｍ）であり、縦軸はピーク強度を１とした相対発光強度（ａｕ）である。ＧａＮは破線、ＩｎＧａＮは実線で示されており、ＧａＮでは光吸収に伴うピーク（フォトルミネセンスピーク）がメインピークの近傍にあり、「肩」を持つスペクトルとなってその半値幅が拡がってしまう。一方、ＩｎＧａＮでは光吸収に伴うピーク（フォトルミネセンスピーク）は３７４ｎｍ近傍にあるがその強度は小さく、スペクトルの半値幅はほとんど拡大していない。このように、ｎ型コンタクト層１６としてＩｎＧａＮを用いることで、発光層２０から下方へ射出される光を吸収し、かつ、光吸収によるフォトルミネセンスの成分を抑制して半値幅の狭いシャープなスペクトルを得ることができる。

図４には、発光層２０を基準とした場合のｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長（そのバンドギャップエネルギを波長に換算した値）と、発光スペクトルの半値幅との関係が示されている。図において、横軸は発光層２０を基準としたｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６（図ではその機能に着目して「吸収層」と記している）の波長であり、（ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長）−（発光層２０の波長）である。例えば、０は発光層２０と同一値（同一のバンドギャップエネルギ）であり、＋２は発光層２０よりも２ｎｍだけ長い（発光層２０よりも２ｎｍに対応するエネルギだけバンドギャップエネルギが小さい）ことを示し、−２は発光層２０よりも２ｎｍだけ短い（発光層２０よりも２ｎｍに対応するエネルギだけバンドギャップエネルギが大きい）ことを示す。ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長は、Ｉｎの含有量を増減させることで変化させることができ、Ｉｎ含有量が多いほど波長は長くなる。図から分かるように、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長が−４〜＋４ｎｍまではほとんど変化がないが、＋４ｎｍ以上、特に＋６ｎｍ（バンドギャップエネルギが小さくなる）となると、スペクトルの半値幅が狭くなる。従って、半値幅狭小の観点からは、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長は、発光層２０に対して４ｎｍ以上長いのが好適であり、６ｎｍ以上長いのが特に好適である。

一方、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６で発光層２０からの下方への光を吸収する結果、ＬＥＤチップからの発光強度は低下することになる。この低下量はＬＥＤチップ形状や構造により異なるが、一例ではｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長が−２〜＋２ｎｍ程度ではＬＥＤチップからの発光強度はほとんど変化しないが、＋４ｎｍを超えると発光強度は基準値に対して約１５％低下し、＋７ｎｍを超えると発光強度は約２５％低下した。

このように、発光強度が低下するデメリットがあるが、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長を発光層２０に対して６ｎｍ程度長くすることで半値幅を狭めることができるので、発光強度はそれほど要求されず必要波長のみでの使用が要求されるセンサ等の用途に用いることができる。もちろん、発光強度と半値幅とはトレードオフの関係にあるため、両者のバランスを考慮してｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長を選択してもよく、例えばｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長を４〜５ｎｍ程度に設定する等である。

図５には、図４におけるｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長をバンドギャップエネルギに換算したグラフが示されている。周知の如く、バンドギャップエネルギと波長とは反比例の関係にある（Ｅｇ＝ｋ／λ：ｋは定数、λは波長）ので、波長が大きくなるほどバンドギャップエネルギは小さくなる。図５の横軸は、（発光層２０のバンドギャップエネルギ）−（ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギ）を示す。例えば、図５における−２０ｍｅＶは、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギが発光層２０のバンドギャップエネルギよりも２０ｍｅＶだけ大きいことを示す。また、図５における＋４０ｍｅＶは、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギが発光層２０のバンドギャップエネルギよりも４０ｍｅＶだけ小さいことを示す。ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップはＩｎ含有量により増減し、Ｉｎ含有量が多いほどバンドギャップは小さくなる。

図から分かるように、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギを小さくし、バンドギャップエネルギ差が４０ｍｅＶ以上で半値幅が小さくなり、特に６０ｍｅＶ以上になると半値幅がより小さくなる。このことから、（発光層２０のバンドギャップエネルギ）−（ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギ）≧４０ｍｅＶが好適であり、（発光層２０のバンドギャップエネルギ）−（ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のバンドギャップエネルギ）≧６０ｍｅＶがより好適である。

次に、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のフォトルミネセンスについて説明する。

ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６の波長を発光層２０の波長よりも９ｎｍだけ長く設定し、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６のキャリア密度（Ｓｉドープ量）を変化させてフォトルミネセンス強度を変化させた複数のＬＥＤチップの発光スペクトルの半値幅を測定したところ、以下のような結果が得られた。

すなわち、ＬＥＤチップの発光スペクトルにおいて、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６からのフォトルミネセンスピーク強度が発光層２０からの光のピーク強度に対して約１／２、約１／３、約１／５の場合を比較すると、ピーク強度が１／５の場合には半値幅は約１０ｎｍと狭いが、ピーク強度が１／３以上の場合には半値幅が１２ｎｍ以上となった。
このことから、発光スペクトルの半値幅を狭くするには、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層１６からのフォトルミネセンスピーク強度を発光層２０からの光のピーク強度の１／５以下とするのが好適である。なお、ピーク強度を１／５以下とするためのキャリア密度は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。

以上説明したように、本実施形態では、ｎ型コンタクト層１６をＳｉドープのＩｎＧａＮ層とし、そのバンドギャップエネルギを発光層２０のバンドギャップよりも十分小さく（６０ｍｅＶ以上小さく）し、かつ、その膜厚を２００ｎｍ以上として光を十分吸収するとともに、そのフォトルミネセンスピーク強度を発光層２０からの光のピーク強度よりも１／５以下とすべくキャリア密度を調整することで、半値幅の狭いシャープな発光スペクトルを有するＬＥＤチップを得ることができる。

なお、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１６としてＩｎＧａＮとしているが、図１においてｎ型コンタクト層１６をＧａＮとし、ｎ型コンタクト層１６とｎ型クラッド層１８との間、あるいはバッファ層１４とｎ型コンタクト層１６との間に上記の条件を満たす光吸収層を挿入してもよい。この場合、バンドギャップエネルギの大小関係は、発光層２０＞光吸収層となる。

また、ｎ型コンタクト層１６の材料、あるいはｎ型コンタクト層１６とｎ型クラッド層１８との間、あるいはバッファ層１４とｎ型コンタクト層１６との間に挿入される光吸収層の材料としては、ＩｎＧａＮの他に、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子構造、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの超格子構造、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子構造等を用いることができる。

実施形態のＬＥＤ構成図である。実施形態の他の構成図、及びＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す図である。ＧａＮとＩｎＧａＮを吸収層に用いた場合のＬＥＤの発光スペクトル説明図である。発光層を基準としたｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層（吸収層）の波長と半値幅との関係を示す図である。発光層を基準としたｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層（吸収層）のバンドギャップエネルギと半値幅との関係を示す図である。従来のＬＥＤ構成図である。ＬＥＤチップの射出方向と発光スペクトルとの関係を示すグラフ図である。従来のＬＥＤチップの発光スペクトルを示すグラフ図である。

符号の説明

１０基板、１２低温バッファ層、１４高温バッファ層（ＧａＮ系層）、１６ｎ型コンタクト層、１８ｎ型クラッド層、２０発光層（活性層）、２２ｐ型クラッド層、２４ｐ型コンタクト層、２６ｐ電極、２８ｎ電極。

Claims

基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、
前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
を有する窒化ガリウム系発光装置であって、
前記第１導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギは、前記窒化ガリウム系発光層のバンドギャップエネルギよりも６０ｍｅＶ以上小さく、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上である
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、
前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
を有する窒化ガリウム系発光装置であって、
前記第１導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギの換算波長は、前記窒化ガリウム系発光層の換算波長よりも６ｎｍ以上長く、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上である
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、
前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
を有する窒化ガリウム系発光装置であって、
前記第１導電型コンタクト層と前記第１導電型クラッド層の間、あるいは前記バッファ層と前記第１導電型コンタクト層との間に光吸収層を設け、前記光吸収層のバンドギャップエネルギは、前記窒化ガリウム系発光層のバンドギャップエネルギよりも６０ｍｅＶ以上小さく、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上である
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された窒化ガリウム系発光層と、
前記窒化ガリウム系発光層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
を有する窒化ガリウム系発光装置であって、
前記第１導電型コンタクト層と前記第１導電型クラッド層の間、あるいは前記バッファ層と前記第１導電型コンタクト層との間に光吸収層を設け、前記光吸収層のバンドギャップエネルギの換算波長は、前記窒化ガリウム系発光層の換算波長よりも６ｎｍ以上長く、かつ、その膜厚は２００ｎｍ以上である
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記バッファ層は低温バッファ層であり、
前記第１導電型コンタクト層の膜厚は１μｍ以上である
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記第１導電型コンタクト層のキャリア密度は、そのフォトルミネセンスピーク強度が前記窒化ガリウム系発光層からの光のピーク強度の１／５以下となる値に設定される
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項３、４のいずれかに記載の装置において、
前記光吸収層のキャリア密度は、そのフォトルミネセンスピーク強度が前記窒化ガリウム系発光層からの光のピーク強度の１／５以下となる値に設定される
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記第１導電型コンタクト層は、ＡｌＩｎＧａＮ（０≦Ａｌ≦０．１、０≦Ｉｎ≦０．１）の単層あるいは超格子層を含み、そのキャリア密度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項８記載の装置において、
前記第１導電型コンタクト層は、ＩｎＧａＮ（０≦Ｉｎ≦０．１）から構成され、そのキャリア密度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項３、４のいずれかに記載の装置において、
前記光吸収層は、ＡｌＩｎＧａＮ（０≦Ａｌ≦０．１、０≦Ｉｎ≦０．１）の単層あるいは超格子層を含み、そのキャリア密度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。
請求項１０記載の装置において、
前記光吸収層は、ＩｎＧａＮ（０≦Ｉｎ≦０．１）から構成され、そのキャリア密度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする窒化ガリウム系発光装置。