JP2006210962A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の素子で、動作電圧が低く、発光効率の高い白色発光が可能な発光素子を得ることを目的とする。
【解決手段】少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層４を含む積層構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光層４は面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有する構成とし、それぞれの領域で青色と黄色の光を発光させ、これらの混合により発光層４の全体から白色光を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特に白色発光が可能な発光素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型であることから高い発光効率が期待できる。また、光の三原色の一つである青色の発光が得られるので、可視光発光デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、特に青色発光ダイオード用の発光素子の分野での展開が進んでいる。

青色発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を形成するのが近来では主流である。この方法は、基板を設置した反応管内にIII族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）等）と、Ｖ族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給し、基板温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層とｐ型層（またはｉ型層）とを成長させて、これらを積層形成するというものである。そして、この成長形成の後、ｐ型層（またはｉ型層）の一部の領域をエッチングにより除去してｎ型層を露出させ、露出した部分のｎ型層の表面およびｐ型層（またはｉ型層）の表面のそれぞれに電極を、例えば蒸着法によって接合形成したものとして発光素子を得ることができる。

ところで、このような窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色発光素子と、従来知られている砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系化合物半導体を用いた赤色発光素子とリン化ガリウム（ＧａＰ）系化合物半導体を用いた緑色発光素子とを組み合わせ、各素子からの発光を混合すると、白色の発光が得られることは周知のとおりである。ここで、単一の白色発光素子が実現できれば、白色電球や蛍光ランプなどに換えて用いることにより、小型で消費電力の低い白色光源を作ることができる。しかしながら、青色、赤色、緑色の発光素子を組み合わせて白色発光を得る場合、複数の素子が必要となるため、製造コストが高くなるという問題があった。

一方、青色発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いた白色発光ダイオードが最近になって開発され、非特許文献１で紹介されている。この発光ダイオードは、青色発光素子の素子表面を覆うように蛍光体をコーティングした構成とすることにより、蛍光体の外部に放出された青色光と、蛍光体で吸収され励起されて放出された黄色光とが得られ、これらの青色光と黄色光の混色により人間の目に白色として見えるというものである。

また、従来から、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた白色発光が可能な発光素子として、図４に示すようなＭＩＳ（金属−絶縁層−ｎ型半導体層接合）構造を用いた発光素子が知られている。このような発光素子は、例えば、特許文献１や特許文献２及び特許文献３において開示されている。

図４において、サファイアからなる基板５１の上にＡｌＮからなるバッファ層５２を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる高キャリア濃度ｎ型層５３と、低キャリア濃度ｎ型層５４と、ドーピング元素として亜鉛（Ｚｎ）とシリコン（Ｓｉ）を用いたｉ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｉ型層５５とが形成されている。そして、ｉ型層５５と高キャリア濃度ｎ型層５３のそれぞれに接続された電極５７と電極５８が形成されている。

このような構成によれば、ｉ型層５５において亜鉛に対してシリコンのドーピングの割合を適切に変化させることにより、ｉ型層５５から白色の発光が得られるので、単一の素子で白色の発光が可能となる。
赤崎勇編著、「青色発光デバイスの魅力」、株式会社工業調査会、１９９７年５月発行、１５１頁〜１５４頁 特開平４−１０６６５号公報 特開平４−１０６６６号公報 特開平４−１０６６７号公報

先に例示した青色発光素子と蛍光体との組み合わせを用いた白色発光ダイオードは、青色発光素子からの青色光と、青色光の一部によって蛍光体が励起されて放出された黄色光との混色によって白色の発光を得るというものである。このため、青色発光素子と蛍光体の組み合わせによってのみ、その効果を有するものである。したがって、コーティングなどによって発光素子の表面に蛍光体を設ける必要があり、製造工程が煩雑であり、単一の素子として白色発光を得ることは困難であるという問題がある。

これに対し、上記のＭＩＳ構造を用いた発光素子は、単一の素子で白色の発光が可能である。しかしながら、この発光素子はｉ型層にドープされたＺｎとＳｉの作用により白色を得るものであり、かつＭＩＳ構造を用いたものであるため、白色の発光効率が低く、発光強度を十分高くすることができないという問題がある。また、ＭＩＳ構造を用いた発光素子は動作電圧が１０数Ｖ程度と非常に高いため、消費電力が高くなるという問題もある。

本発明において解決すべき課題は、単一の素子で、消費電力が低く、かつ発光強度の高い白色発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することにある。

本発明は、少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んだ積層構造を持つ窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記発光層は、面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有し、それぞれの領域からの発光の混合により、前記発光層からの発光が白色となるようにしたことを特徴とする。

この構成により、単一の素子で、動作電圧が低く、高効率の白色発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することが可能となる。

少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層から青色と黄色の発光が得られるので、単一の素子で発光効率の高い白色発光が得られる。

また、一層発光効率が向上するとともに、動作電圧が低減されるので、消費電力を削減することが可能となる。

さらに、黄色みや青色みを帯びることなくより一層良好な白色光が得られる。

請求項１に記載の発明は、少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んだ積層構造を気相成長法によって形成した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記発光層は、気相成長時に供給されるＧａの有機金属原料ガスとＩｎの有機金属原料ガスとを含むIII族元素原料ガス中において、Ｉｎの原料ガスのＩｎのモル比を０．６以上とし、面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを形成し、それぞれの領域からの発光の混合により、前記発光層からの発光が白色となるようにしたものであり、ほぼ青色の短波長側の発光とほぼ黄緑色の長波長側の発光とが得られることにより、人間の目で視認される色を白色とすることができ、かつ単一の発光層から高効率の発光が得られるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、前記発光層の気相成長時の基板温度を７００℃以下とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ほぼ青色の短波長側の発光とほぼ黄緑色の長波長側の発光とが得られることにより、人間の目で視認される色を白色とすることができ、かつ単一の発光層から高効率の発光が得られるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、前記発光層からの発光は、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲に第１の発光ピークを有し、５５０ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲に第２の発光ピークを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、黄色みや青色みを帯びることなく良好な白色光が得られるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、前記第１の発光ピークの発光強度Ｉ₁に対する前記第２の発光ピークの発光強度Ｉ₂の比Ｉ₂／Ｉ₁は、０．４≦Ｉ₂／Ｉ₁≦２．２の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、発光色が青または紫の色みを帯びたり、また黄色みを帯びることなく良好な白色光が得られるという作用を有する。

以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図１において、基板１の上にバッファ層２が形成されている。基板１にはサファイアやＳｉＣ等を用いることができ、バッファ層２にはＧａＮやＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等を用いることができる。そして、バッファ層２の上には、順にｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６が順次積層されている。これらの層は、有機金属気相成長法により成長形成されるものである。

発光層４は少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなり、好ましくはＩｎＧａＮである。そして、発光層４は面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有する。

ｎ型クラッド層３は発光層４よりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなり、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。これらはＳｉやＧｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の伝導型とすることが好ましいが、窒化ガリウム系化合物半導体においては、ｎ型不純物をドープせずにアンドープとしてもｎ型の伝導型となる性質があるので、ｎ型クラッド層３はアンドープとすることも可能である。なお、アンドープとは成長形成時にｐ型不純物、ｎ型不純物がドープされていないということである。

ｐ型クラッド層５は発光層４よりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなり、ＡｌＧａＮやＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等を用いることができる。ｐ型コンタクト層６にはＧａＮやＩｎＧａＮ等を用いることができる。また、ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６にドープされるｐ型不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）が用いられる。

さらに、ｐ型コンタクト層６の上にはｐ側電極７を設け、ｎ型クラッド層３の上にはｎ側電極８を設けている。ｐ側電極７にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属を用いることができ、ｎ側電極８にはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。

ここで、従来の白色発光が可能な発光素子は、ＭＩＳ構造を用いた発光素子であり、これは発光層となるｉ型層にドープされたＺｎとＳｉの作用により白色を得るものであり、かつＭＩＳ構造を用いているため、白色の発光強度を十分高くできないことは既に説明した。

これに対して、本発明では、発光層４の面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有する面内構成とし、それぞれの領域で発光させるようにしたことにより、高効率な白色発光を得ることを可能とした。以下、このことを説明する。

図１に示した本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光層４が少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなり、面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有する構成とし、それぞれの領域で発光させるようにしたものである。

ここで、面内でＩｎ比率の異なる領域を有する発光層４の形成は、発光層４の気相成長形成時に供給されるIII族元素原料ガスにおけるＩｎ原料ガスのＩｎのモル比を非常に大きくする操作によって実現される。より具体的には、例えば、発光層４をＩｎＧａＮからなる構成とする場合、気相成長時に供給されるＧａの有機金属原料ガスとＩｎの有機金属原料ガスとを含むIII族元素原料ガス中において、Ｉｎの原料ガスのＩｎのモル比を０．６以上とすればよい。さらに好ましくは、成長形成時の基板温度を７００℃以下とすることが望ましい。このようにすることで、発光層４の面内ではＩｎＧａＮのＩｎ比率が均一となりにくく、Ｉｎ比率の大きい領域とＩｎ比率の小さい領域とが形成されやすくなる。

このようにして発光層４の面内でＩｎ比率の異なる領域を設け、それぞれの領域で発光させることにより、Ｉｎ比率の比較的小さい領域からは黄緑色や黄色等の長波長側の発光が得られ、Ｉｎ比率の比較的大きい領域からは青色や青紫色等の短波長側の発光が得られる。これらのＩｎ比率の異なる領域の大きさは、通常、発光層４の大きさに対して非常に小さく、発光層４の面内で混在しているので、Ｉｎ比率の異なるそれぞれの領域からの発光は十分混色されて、人間の目に白色として認識される。

図２に本発明の一実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。この図からわかるように、発光層４からは４４０ｎｍ付近にピークを有する青色の発光と５６０ｎｍ付近にピークを有する黄緑色の発光とが得られる。ここで、青色の発光は発光層４のＩｎ比率の比較的大きい領域からの発光に、また、黄緑色の発光はＩｎ比率の比較的小さい領域からの発光に相当する。これらの青色と黄緑色の光の混色により、人間の目には白色として認識される。なお、発光スペクトルのｘ−ｙ色度図座標を用いたときの座標は（０．２９，０．２９）である。

本発明の発光素子は、従来のＭＩＳ構造を用いた発光素子とは異なって、ＺｎやＳｉ等の不純物の関与による作用を用いるものではなく、発光層４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体のバンド間遷移による発光を利用したものであるため、高効率の発光が得られる。しかも、長波長側の発光と短波長側の発光が共にバンド間遷移によるものであるため、動作電流による発光色の変化が小さいという利点がある。

さらに、発光層４をこれよりもバンドギャップの大きいｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層５とで挟んだダブルヘテロ構造を含む構成とすることにより、さらに高効率の発光が得られる。また、ｐ型クラッド層５にはｐ型不純物としてＭｇがドープされてｐ型の伝導型とされているので、ｐ型クラッド層５の抵抗率を小さくすることができ、素子の動作電圧を低減することができる。

発光層４のＩｎ比率の比較的小さい領域からの発光の発光ピークは、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲とすることが望ましい。４２０ｎｍよりも短いと人間の目に見える発光の強度が弱くなるとともに白色が黄みを強く帯びるようになり、４８０ｎｍよりも長いとＩｎ比率の比較的大きい領域からの発光とのバランスが悪くなり白色が青みを帯びるようになるからである。

また、発光層４のＩｎ比率の比較的大きい領域からの発光の発光ピークは、５５０ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲とすることが望ましい。５５０ｎｍよりも短いと白色が緑みを強く帯びるようになり、５８０ｎｍよりも長いと白色が黄みを強く帯びるようになるからである。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、短波長側の発光ピークと長波長側の発光ピークを有するため、これらの発光ピークの発光強度の比率やバランスにより、発光色が変化する。図３に本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光色の色度図上の色度座標を示す図である。

図３において、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点及びＤ点は、短波長側の発光ピークの発光強度Ｉ₁に対する長波長側の発光ピークの発光強度Ｉ₂の比Ｉ₂／Ｉ₁を、それぞれ０．４、０．７５、１．５及び２．２とした発光素子の色度座標である。また、破線で囲まれる領域は、一般的に白色とされる色度範囲を示している。

この図からわかるように、発光強度の比Ｉ₂／Ｉ₁を０．４≦Ｉ₂／Ｉ₁≦２．２の範囲としたときに白色の発光が得られる。Ｉ₂／Ｉ₁が０．４よりも小さくなると、発光色は青み又は紫みを強く帯びるようになり、もはや白色とは言えなくなる。また、Ｉ₂／Ｉ₁が２．２よりも大きくなると、発光色は黄みを強く帯びるようになり、もはや白色とは言えなくなる。

本発明のさらに望ましい態様として、発光層４にはＺｎ等の不純物をドープせず、アンドープとすることが好ましい。例えば、不純物としてＺｎをドープすると、Ｚｎは発光層４の中で深い準位を形成しやすいので、不純物準位に関与した発光が顕著になる傾向にあり、純粋な白色を得ることが困難になるからである。なお、バンド間遷移による発光が得られ、かつ不純物が関与した発光が顕著とならない濃度の範囲内であれば、深い不純物準位を形成しにくいＭｇやＳｉ等の不純物を発光層４にドープしてもよい。

また、発光層４の層厚は０．５ｎｍ以上で５０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上で２０ｎｍ以下に調整することが好ましい。層厚を０．５ｎｍよりも薄く形成すると、発光層４の面内でＩｎ比率の異なる領域を形成することが困難になる傾向があり、層厚を５０ｎｍよりも厚く形成すると、発光層４の結晶性が悪くなり、白色の発光強度が低下する傾向があるからである。

（実施例１）
以下、本発明の半導体発光素子の具体的な製造方法に基づいて説明する。

以下の実施例は、有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであり、先に示した図１を参照しながら説明する。

まず、表面を鏡面に仕上げられたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。

次に、基板１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニアを５リットル／分、ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長させる。

次に、ＴＭＡのキャリアガスのみを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で流しながら、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ₄（モノシラン）ガスを２０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型クラッド層３を２μｍの厚さで成長させる。

ｎ型クラッド層３を成長形成後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ₄ガスを止め、基板表面温度を６００℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、ＴＭＩ用のキャリアガスを２００ｃｃ／分で流しながら５０秒間成長させて、アンドープのＩｎＧａＮからなる発光層４を５０ｎｍの厚さで成長させる。発光層４の成長形成時のＧａとＩｎとを含むIII族元素原料ガス中におけるＩｎ原料ガスのＩｎのモル比は０．７であった。

発光層４を成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止め、基板表面温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分、Ｍｇ源であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ₂Ｍｇ」と記す）用のキャリアガスを５０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。

引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させる。

成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。

このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４の一部を約０．２５μｍの深さで除去して、ｎ型クラッド層３の表面を露出させる。更に、フォトリソグラフィーと蒸着法により露出させたｎ型クラッド層３の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成する。そして更に、同様にしてｐ型コンタクト層６の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成する。

この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離して、素子化する。この素子を電極形成面側を上向きにしてステムの接着した後、素子のｎ側電極８とｐ側電極７をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、白色に発光し、このときの発光強度は１８０ｍｃｄで、順方向動作電圧は３．６Ｖであった。

これに対し、比較例として、図４に示すような従来構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。具体的には、実施例１と同様にして、まず、サファイアの基板５１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板５１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。

次に、基板５１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニアを５リットル／分、ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層５２を２５ｎｍの厚さで成長させる。

次に、ＴＭＡのキャリアガスのみを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で流しながら、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ₄（モノシラン）ガスを２０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる高キャリア濃度ｎ型層５３を２μｍの厚さで成長させる。

高キャリア濃度ｎ型層５３を成長形成後、引き続き主キャリアガスとＴＭＧ用のガスとをそのままの流量で流し、ＳｉＨ₄ガスを０．１ｃｃ／分で流しながら４５分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる低キャリア濃度ｎ型層５４を１．５μｍの厚さで成長させる。

低キャリア濃度ｎ型層５４を成長形成後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ_４ガスを止め、基板表面温度を９００℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして水素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ_４ガスを１０ｃｃ／分、ＤＥＺ（ジメチル亜鉛）用のキャリアガスを５００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させて、Ｓｉと亜鉛をドープさせたＧａＮからなるｉ型層５５を０．１μｍの厚さで成長させる。成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ_４ガスとＤＥＺガスとアンモニアを止め、水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。

このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなるＭＩＳ構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｉ型層５５及び低キャリア濃度ｎ型層５４の一部を約１．７μｍの深さで除去して、高キャリア濃度ｎ型層５４の表面を露出させる。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により、ｉ型層５５及び露出させた高キャリア濃度ｎ型層５４の表面に接続するＡｌからなる電極５７及び電極５８を形成する。

この後、本発明によるものと同様にして発光ダイオードを作製した。このようにして作製されたＭＩＳ構造の発光素子を用いた発光ダイオードを順方向電流２０ｍＡで駆動したところ、発光強度は０．３ｍｃｄであり、実施例１の発光ダイオードの約１／６００であった。また、順方向動作電圧は１１．８Ｖであり、実施例の発光ダイオードよりも約８Ｖ高かった。

なお、本実施例において示した基板温度やキャリアガス及び原料ガスの流量等は、これらに限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲内で適宜調整することが望ましい。

発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特に白色発光が可能な発光素子に有用である。

本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の一実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図 本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光色の色度図上の色度座標を示す図 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型クラッド層
４ 発光層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ ｐ側電極
８ ｎ側電極

Claims (4)

1. 少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んだ積層構造を気相成長法によって形成した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記発光層は、気相成長時に供給されるＧａの有機金属原料ガスとＩｎの有機金属原料ガスとを含むIII族元素原料ガス中において、Ｉｎの原料ガスのＩｎのモル比を０．６以上とし、面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを形成し、それぞれの領域からの発光の混合により、前記発光層からの発光が白色となるようにしたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. 前記発光層の気相成長時の基板温度を７００℃以下とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. 前記発光層からの発光は、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲に第１の発光ピークを有し、５５０ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲に第２の発光ピークを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
4. 前記第１の発光ピークの発光強度Ｉ₁に対する前記第２の発光ピークの発光強度Ｉ₂の比Ｉ₂／Ｉ₁は、０．４≦Ｉ₂／Ｉ₁≦２．２の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

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