JP2009088562A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光度が高く、また演色性も高いIII族窒化物半導体白色系発光素子を、蛍光体の微妙な組成調整なども不要として簡単な構造で簡易に形成することができるようにする。
【解決手段】本発明は、基板１と、その基板の表面上に設けたIII族窒化物半導体材料からなる障壁層５ａ及び井戸層５ｂを備えた多重量子井戸構造の発光層５とを具備したIII族窒化物半導体発光素子において、井戸層５ｂの各々は、層厚が同一であり、バンド端発光とは別に、波長を相違する複数の光（多波長光）を同時に出射する、マグネシウムを添加したｎ形の窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ）からなる、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板と、その基板の表面上に設けたガリウムを含むIII族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備したIII族窒化物半導体発光素子に関する。

従来から、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）等のIII族窒化物半導体材料は、白色又は青色等の短波長の発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザーダイオード（英略称：ＬＤ）の発光層を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。また、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）は、近紫外ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤの発光層を構成するための材料として用いられている（例えば特許文献２参照）。

従来の白色ＬＥＤの一種は、光の３原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ））の各色光を各々出射する、チップ（ｃｈｉｐ）状又はランプ状の赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを、それらの発光強度の相対的比率に相応した個数をもって、同一の基体上に集積して配列させ、総体として、混色により白色光を発するようにしたものである（例えば特許文献３乃至９参照）。言わば、配列型（モジュール）白色ＬＥＤである。

また、従来の白色ＬＥＤの別の一種は、一基板上に別個に形成された、赤色光又は緑色光又は青色光をそれぞれ出射する、例えばIII族窒化物半導体からなる発光層を利用して構成されている（例えば特許文献１０及び１１参照）。個々の発光層から出射される光の３原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ））に相応する発光を混色させることにより、白色を呈することとした、言わば、ＲＧＢ型白色ＬＥＤである。

また、従来の白色ＬＥＤの他の一種は、補色の関係にある色の光を出射する発光層を、単一の基板上に各々設けて構成した白色ＬＥＤである。例えば、青色光を出射するIII族窒化物半導体発光層と、黄色光を出射する発光層とを、同一基板上に各々形成し、その各々の発光層から出射される異なる２波長の２色（例えば、青色及び黄色）の光を混色させることによる白色ＬＥＤである（例えば特許文献１２参照）。補色関係にある２色（２波長）の光を混色させれば、白色と視認されることを利用した、言わば、補色型白色ＬＥＤである。

また、上記の３種の型のＬＥＤとは別に、III族窒化物半導体発光層から出射される光を利用して、その発光層から出射される光とは異なる波長の蛍光を発する蛍光体を励起させ、発光の波長を変換させるＬＥＤである（例えば特許文献１３参照）。例えば、III族窒化物半導体発光層から出射される青色光又は紫外光を利用して蛍光体を励起し、白色光を発するＬＥＤとした、言わば、蛍光型白色ＬＥＤである（例えば特許文献１４乃至１６参照）。青色光又は紫外光により励起されて白色を呈する蛍光体として、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）などが用いられている（例えば特許文献１７乃至１９参照）。
特公昭５５−３８３４号公報 特開２００１−６０７１９号公報 特開平０６−３１４８２４号公報 特開平０７−７２２３号公報 特開平０７−１５０４４号公報 特開平０７−２３５６２４号公報 特開平０７−２８８３４１号公報 特開平０７−２８３４３８号公報 特開平０７−３３５９４２号公報 特開平０６−５３５４９号公報 特開平０７−１８３５７６号公報 特開２００１−２５７３７９号公報 特開平０７−９９３４５号公報 特許第２９００９２８号公報 特許第３７２４４９０号公報 特許第３７２４４９８号公報 特許第２９２７２７９号公報 特許第３５０３１３９号公報 特許第３７００５０２号公報

しかしながら、上記の配列型白色ＬＥＤにあっては、例えば、赤色又は緑色又は青色ＬＥＤのチップ又はランプを集積して配列するに必要な据え付け平面積に比較して、それらの各色を出射する発光層の平面積は格段に小さい（上記の特許文献３，５乃至９参照）。すなわち、ランプを敷設するために必要とされる平面積に対して、発光をもたらす発光層が占有する平面積が極小であるため、高い光度（ルーメン／面積）の発光素子を得るには不利である。

例えば、一辺を０．３ｍｍとする略正方形のＬＥＤチップを、樹脂で囲繞して、垂直断面を砲弾型とし、水平断面を円形とする一般的な形状のランプとなした場合、そのランプの外径（直径）は、一般的には、３ｍｍから５ｍｍである（上記の特許文献３の段落［０００７］参照）。従って、外径を５ｍｍとするランプの場合を例にすれば、そのランプの平面積（約２０ｍｍ²）に比較して、発光層がチップの平面全体に存在しているとしても、その平面積は０．０９ｍｍ²と格段に小さい。従って、より高光度の発光素子を得るに決して優位とはならない。

また、上記のＲＧＢ型白色ＬＥＤにあっては、赤色（Ｒ）又は緑色（Ｂ）又は青色（Ｂ）を各々出射できる発光層を、個別に設ける必要がある。複数の発光層を設ける必要があることに加えて、発光層に担体（ｃａｒｒｉｅｒ；電子及び正孔）を閉じ込めて、また、それらの放射再結合によりもたらされる発光を閉じ込めるために、発光層に付帯してクラッド（ｃｌａｄ）層等を上記の各発光層につき設けることも必要となる。従って、単一の基板上に複数の発光層と、更に望ましくは、各々の発光層にヘテロ（異種）接合させてクラッド層等を設ける必要があるなど、ＲＧＢ型白色ＬＥＤを形成するための工程は煩雑であり、また冗長である。その場合、異なる色の光を出射する発光層毎にｐ形及びｎ形用の電極を設ける必要があり、対応する電気伝導型のクラッド層等に電極を設けるために発光層が削り取られることとなり、各発光の光度も悪化することになる。

また、上記の補色型白色ＬＥＤにあっては、補色関係にある色の光を出射させるために、やはり２またはそれ以上の複数の発光層が必要とされる。更に、高い強度の発光を得るためには、上記のＲＧＢ型白色ＬＥＤの場合と同様に、各発光層について、クラッド層を接合させ、単一（ｓｉｎｇｌｅ）ヘテロ（英略称：ＳＨ）又は二重（ｄｏｕｂｌｅ）ヘテロ（英略称：ＤＨ）接合構造の発光部を形成する必要がある。従って、補色型白色ＬＥＤの形成には、ＲＧＢ型白色ＬＥＤの場合と同じく、煩雑で冗長な工程を要する。

また、補色の関係にある色、例えば、青色と黄色とを個別に発光するＬＥＤを近接させて配置して、白色ＬＥＤを構成する場合においても（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」（２００６年３月３１日、森北出版（株）発行、第１版第１刷）、１７３〜１７４頁参照）、ＬＥＤを配置するのに必要な平面積に比較して、青色又は黄色の光を出射する発光層の合計の平面積が小さいため、高い光度の発光素子を得るのに必ずしも優位とは成り得ない。

加えて、補色型白色ＬＥＤにあっては、白色光を得るために混色させる補色の関係にある２色の光の波長に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題がある。すなわち、補色型白色ＬＥＤにあって、混色させるのは、通常高々、２波長の光であるため、いずれにしても、高く一定した演色性をもたらす白色ＬＥＤを安定して得るには技術上の困難さを伴うものとなっている。

また、上記の蛍光型白色ＬＥＤにあってもやはり、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、励起光となる発光層からの発光の波長を再現良く一定にしなければならない技術上の困難さが付随する。また、発光層からの発光の波長のばらつきに応じて、蛍光体として用いる希土類（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ）元素を添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂などの組成を人為的に細々と調整する必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で簡易に形成することができ、光度を高めることができ、また演色性も高く一定に安定させることができ、さらに蛍光体の微妙な組成調整も不要となるIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、（ａ）基板と、その基板の表面上に設けたIII族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備したIII族窒化物半導体発光素子において、上記井戸層の各々は、層厚が同一であり、バンド端発光とは別に、波長を相違する複数の光（多波長光）を同時に出射する、マグネシウムを添加したｎ形の窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ）からなる、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。
また、上記目的を達成するために、（１）第１の発明は、基板と、その基板の表面上に設けたガリウムを含むIII族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備したIII族窒化物半導体発光素子において、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、障壁層と同一の伝導形を呈するIII族窒化物半導体層からなり、アクセプター不純物が添加され、互いに層厚を異にしている、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おいて、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々が、基板の表面側より発光層からの発光を取り出す方向に向けて、層厚が順に薄くなっているものである。

（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おいて、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、アクセプター不純物の原子濃度が互いに異なっているものである。

（４）第４の発明は、上記した（１）項乃至（３）項の何れかに１項に記載の発明の構成において、上記基板は珪素単結晶からなり、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、アクセプター不純物としてマグネシウムが故意に添加されているものである。

本発明によれば、発光層が障壁層と井戸層の多重量子井戸構造となるので、簡単な構造で簡易に白色系発光素子を形成することができ、敷設面積も発光層の平面積と略同一となるので光度も高めることができる。また、数的に単一ながら、多波長の発光をもたらせる多重量子井戸構造の発光層を用いることとしたので、その唯一の発光層についてのみｐ形及びｎ形用の電極を設ければよく、従来のＲＧＢ型白色ＬＥＤの場合に比較して、発光層を削り取らなければならない領域を大幅に低減でき、発光効率を改善することができる。

特に、井戸層を、層厚を相違する複数の井戸層から構成することとしたので、多色発光を呈する各井戸層がもたらす複数の発光の波長を重畳することができ、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

また、井戸層の各々にアクセプター不純物を故意に添加したので、単独でも、波長を相違する多色の発光をもたらす井戸層を構成することができ、数的に単一でありながら多色発光を呈する多重量子井戸構造の発光層をもたらせるので、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

さらに、井戸層を、障壁層と同一の伝導形を呈する層から構成することとしたので、障壁層との間でのｐｎ接合の形成を回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層を構成できる。

本発明によれば、基板の表面側より発光層からの発光を取り出す方向に向けて、より層厚の薄いIII族窒化物半導体層からなる井戸層を配置して多重量子井戸構造の発光層を構成することとしたので、多重量子井戸構造を成す各井戸層から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。

短波長の発光は、長波長の発光を行う井戸層に吸収されてしまうが、本発明の構成下では、基板の表面側に井戸層幅が広く形成された、量子準位が低く長波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層を配置し、発光の取り出し方向に、井戸層幅が狭く形成された、量子準位が高くより短波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層を配置して多重量子井戸構造の発光層を構成することとした。すなわち、短波長の発光を、より長波長の発光を行う井戸層を通過させない構成とした。このため、本発明の構成下では、基板表面側に配置された井戸層から出射される発光が、発光の取り出し方向に配置された井戸層に吸収されることなく、外部視野方向に発光を取り出すことができ、各井戸層から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。また演色性を優れたものとすることができ、且つ高輝度の白色ＬＥＤを実現することができる。

本発明によれば、添加されたアクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する、波長を相違する複数の発光を呈する井戸層を複数用いて多重量子井戸構造の発光層を構成することとしたので、数的に単一ながら多波長の発光を呈する発光層が得られ、例えば、補色関係にある二つの異なる波長の光を混色させて白色光とする、所謂、上記の補色型白色ＬＥＤに比較して、より演色性に優れる白色ＬＥＤを提供できる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明のIII族窒化物半導体発光素子の断面構造を概略的に示す模式図である。本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、基板１と、その基板１の表面上に設けたガリウムを含むIII族窒化物半導体材料からなる障壁層５ａ及び井戸層５ｂを備えた多重量子井戸構造からなる発光層５とを具備した白色発光素子であり、多重量子井戸構造をなす井戸層５ｂの各々は、障壁層５ａと同一の伝導形を呈するIII族窒化物半導体層からなり、アクセプター不純物が添加され、互いに層厚を異にして構成されている。

基板１としては、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の絶縁性又は導電性酸化物結晶、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化珪素（ＳｉＣ）等の炭化物結晶、シリコン（Ｓｉ）の半導体結晶からなる基板を例示できる。特に、ｎ形又はｐ形の伝導性を呈し、表面を｛１１１｝結晶面とするシリコン単結晶は、その表面上に本発明に係る多重量子井戸構造を形成するための基板として好適に使用できる。

基板１の表面上に形成する多重量子井戸構造をなす井戸層５ｂは、本発明では、単独で波長を相違する複数の波長の発光を同時に出射できる材料から構成する。ＬＥＤからの発光の演色性を勘案すれば、井戸層５ｂから出射される多数（多波長）の発光は、広い波長範囲に分散していることが望ましい。広い波長範囲にわたり、多波長の発光を得るには、多重量子井戸構造にあって、井戸層５ｂを禁止帯幅エネルギーの大きな半導体材料から形成するのが望ましく、このようなバンドギャップエネルギーの大きな半導体材料として、ガリウム（Ｇａ）を含むIII族窒化物半導体材料を挙げられる。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はそれと窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶であるＧａ_XＩｎ_1-XＮ（０＜ｘ＜１）等のワイドバンドギャップ半導体材料から好ましく構成できる。

井戸層５ｂと共に多重量子井戸構造をなす障壁層５ａは、井戸層５ｂよりも禁止帯幅エネルギーが大きな、例えばIII族窒化物半導体材料から構成する。例えば、Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ混晶からなる井戸層５ｂについて、障壁層５ａをＧａＮから形成する。多重量子井戸構造をなす障壁層５ａと井戸層５ｂとは同一の伝導形を呈する層から構成する。例えば、ｎ形の井戸層５ｂと、同じくｎ形の障壁層５ａとで、全体としてｎ形の多重量子井戸構造を形成する。これにより、井戸層５ｂと障壁層５ａとの間でのｐｎ接合が形成されるのを回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層５を構成できる。

井戸層５ｂと障壁層５ａとを同一の伝導型の層とするために井戸層５ｂに不純物を添加することは必須ではない。例えば、不純物を故意に添加しない、所謂、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の状態で、または井戸層５ｂを形成するための成長環境から意図せず、過失による不純物の汚染に因り、キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲にあれば、本発明に係る井戸層５ｂとして利用できる。

本発明では多重量子井戸構造をなす井戸層５ｂを、特に、アクセプター不純物を添加したＧａを含むIII族窒化物半導体層から構成する。例えば、障壁層５ａと同一のｎ形の伝導形を保持しつつも、アクセプター不純物が添加されたｎ形のＧａ_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ混晶から井戸層５ｂを構成する。障壁層５ａと同一の伝導形を有し、且つ、アクセプター不純物を含む井戸層５ｂは、単独でありながら、混色により、白色光を得るに好都合となる波長を相違する多波長の発光をもたらせる。

アクセプター不純物として亜鉛（Ｚｎ）を添加してＧａＩｎＮからなる発光層５を形成する技術が開示されている（特公昭５５−３８３４号参照）。しかしながら、Ｚｎのみをアクセプター不純物として添加した井戸層５ｂは、抵抗が大きく、充分に導電性のある井戸層５ｂを安定して形成するに至らない。一方で、本発明に係る井戸層５ｂの形成には、III族窒化物半導体についてアクセプターとなり得る第II族不純物の中でも、マグネシウム（Ｍｇ）を好適に使用できる。

本発明に係る多重量子井戸構造の発光層５は、例えば、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥなどと略称される）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｙｄｅ）法などの気相成長法により形成できる。特に、ＭＢＥ法は、上記の他の気相成長法と比較すれば、より低温で障壁層５ａや井戸層５ｂを形成できる。このため、例えば、本発明に係る井戸層５ｂを形成するために用いたＭｇの障壁層５ａへの熱拡散を抑制するのに優位な成長手段となる。

アクセプター不純物としてＭｇを含む井戸層５ｂにあって、その層厚は１ｎｍ以上で２０ｎｍ以下とするのが好適である。１ｎｍ未満の極端に薄い井戸層５ｂは、層（膜）の２次元的な連続性に欠けるため、結果として、発光素子への動作電流の通流、特に水平（横）方向への電流拡散に係る電気抵抗が増大する、或いは発光領域が減少することとなり不都合である。一方、２０ｎｍを超える厚膜を井戸層５ｂとして使用しても、エネルギーレベルを相違する多くの量子準位を充分に形成するに至らず、従って、様々な量子準位間の遷移に基く、波長を互いに異にする発光が多く得られない不都合がある。

また、ＭＢＥ法は、一般に水素を含まない真空環境下でIII族窒化物半導体層を成長できるため、例えば、電気的に活性化した（アクセプター化した）Ｍｇを多量に含む低抵抗のｐ形Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）層等を簡易に形成できる利点がある。例えば、窒素（Ｎ₂）プラズマを窒素源として用いるＭＢＥ法によれば、層内のＭｇ原子の濃度が１．５×１０¹⁹ｃｍ^-3であるところ、キャリア濃度を８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とする低抵抗のｐ形ＧａＮ層を形成できる。従って、Ｍｇの電気的活性化率（便宜上、キャリア濃度をＭｇの原子濃度を除した値（百分率値）で表わす。）は、アズグロン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態で５３％である。本例の如く、ＭＢＥ法によれば、ＭＯＣＶＤ法で成長させたＭｇドープＧａＮ層の如く、同層から脱水素処理を必要とせずに、電気的活性率を５０％以上とするｐ形Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）層等を容易に形成できる利点がある。

Ｍｇなどのアクセプター不純物を含む一井戸層５ｂと、井戸層５ｂと同一の伝導形を呈する一障壁層５ａとの接合構造からなる一対（ｏｎｅ ｐａｉｒ）の構造単位をもって多重量子井戸構造を構成するにあって、その多重量子井戸構造を構成する構造単位の対数は、３対以上で４０対以下とするのが好適である。本発明に係る井戸層５ｂは一層であっても、多波長の発光を放射できるが、より演色性に優れる発光を得るには、対の数を４以上とするのが望ましい。例えば、ＭＢＥ法で成長させたＭｇドープｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ混晶からなる井戸層５ｂと、同じくＭＢＥ法で成長させたＧａＮ障壁層５ａとを３０対（一つの障壁層５ａと一つの井戸層５ｂとの接合体を一対とする）組み合わせて構成した多重量子井戸構造発光層５のフォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）スペクトルの一例を図２に示す。この多重量子井戸構造をなす井戸層５ｂの層厚は４ｎｍであり、障壁層５ａの厚さは１０ｎｍである。

図２に例示したフォトルミネッセンススペクトルに示すように、本発明に係るアクセプター不純物を含む井戸層５ｂを備えた多重量子井戸構造の発光層５からは、４００ｎｍ（４０００オングストローム）以上５００ｎｍ（５０００オングストローム）以下の波長の範囲に波長を相違する３本の発光が出射される（図２に記号λ₂〜λ₄で表わす。）。バンド（ｂａｎｄ）端発光に対応する発光（図２に記号λ_Bで表わす）とは別に、そのバンド端の発光の波長（本例では、３６５ｎｍ）以上で６５０ｎｍ以下の波長範囲において、波長を相違する合計６本の発光（図２に記号λ₁〜λ₆で表わす。）が出射され得る。

また、バンド端発光（λ_B）とは相違する波長の複数の発光（λ₁〜λ₆）にあって、隣接する発光（例えば、λ₁とλ₂、λ₃とλ₄など）の波長の差違は、短波長側での発光間、例えばλ₁とλ₂の発光間では１７．５ｎｍであるが、発光の波長が長波長となるに伴い、発光間の波長の差異は徐々に大となる傾向があり、λ₅とλ₆との発光間では５５．５ｎｍとなっているのが特徴である。この多波長の発光ピークの出現の態様は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成されたＳｉとＭｇを共にドーピングした発光層５からの主たる発光スペクトルの「肩」部に生ずる、通称、ショルダー（肩）ピークとは、発光間の波長の間隔においても明らかに出現の態様を異にするものである。井戸層の層厚が一定であっても多波長の発光となるのは、アクセプターの添加に因って、放射再結合をもたらす種々の準位が形成されるためと推察される。

単独でありながら多波長の発光を同時に発光できる、本発明に係る井戸層５ｂを用いて多重量子井戸構造の発光層５を構成するに際し、基板１の表面側より発光層５からの発光を外部へ取り出す方向に向けて、より層厚の薄いアクセプター不純物を含む井戸層５ｂを配置すると、外部への発光の取り出し効率に優れる白色ＬＥＤを得るに好都合となる。層厚が薄い井戸層５ｂからは、短波長の発光成分を多く含む多波長発光がもたらされる。他方、層厚が厚い井戸層５ｂからは、長波長の発光成分を多く含む多波長発光がもたらされる。短波長の発光は、長波長の発光を帰結する井戸層５ｂに吸収されてしまう。このため、基板１の表面側より発光層５からの発光を外部へ取り出す方向に向けて、より層厚の薄い井戸層５ｂを配置すると、基板１の表面側に位置する井戸層５ｂからの発光が吸収されるのを抑止でき、外部視野方向に向けて透過させるのに好適となるからである。

全て層厚を異にする井戸層５ｂを用いて多重量子井戸構造を作製した場合は、層厚に相応して各井戸層５ｂからは互いに波長を相違する発光が出射され、それらの発光を重畳して外部へ取り出せるため、演色性に優れる白色ＬＥＤを提供できる。例えば、赤色又は緑色又は青色の何れかの帯域の光を主にもたらすのに好適な層厚の多波長発光を呈する井戸層５ｂを配置しても演色性に優れる白色ＬＥＤを構成できる。視感度の低い帯域の光を出射する同一の層厚の井戸層５ｂを複数、配置し、その上方の発光の外部取り出し方向に層厚を順次、薄くした井戸層５ｂを配置して、発光層５をなす多重量子井戸構造を構成する例を挙げられる。

赤色又は緑色又は青色の何れかの帯域の発光を主成分としてもたらす各井戸層５ｂは、例えば、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０＜ｘ＜１）混晶からなる井戸層５ｂにあって、インジウムの組成（１−Ｘ）を相違させて形成することができる。しかし、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ等の成長方法により、Ｉｎ組成を相違する井戸層５ｂを形成するには、成長温度やＧａとＩｎとの原料供給比率を変化させる必要がある。このため、同一の成長温度及び原料供給比率の条件下で、成長時間を単純に調整して井戸層５ｂの層厚を制御する技術手段と比較すれば煩雑な操作を余儀なくされる。

また、アクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する各井戸層５ｂから出射される光の波長は、アクセプター不純物の原子濃度に対応して異なったものとなる。これにより、井戸層５ｂの層厚が一定である場合でも、井戸層５ｂの内部に含まれるアクセプター不純物の原子濃度を変化させることで、多波長の光を出現させる波長範囲を制御するのにより好都合となる。例えば、Ｍｇドープｎ形Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ井戸層５ｂの場合で、その井戸層５ｂの内部のＭｇ原子の濃度を１×１０¹⁹原子／ｃｍ³、８×１０¹⁸原子／ｃｍ³、及び２×１０¹⁸原子／ｃｍ³と相違する井戸層５ｂを用いて多重（３重）の量子井戸構造発光層５を形成したときは、波長４００ｎｍ以上で６００ｎｍ以下の範囲に多波長発光を出現させることができる。

以上述べたように、本発明では、発光層５が障壁層５ａと井戸層５ｂの多重量子井戸構造となるので、多波長を呈する発光層を、簡単な構造で簡易に形成することができ、敷設面積も発光層５の平面積と略同一となるので光度も高めることができる。また、発光層５が単一であるので、その発光層５のみに対応してｐ形及びｎ形の電極を設ければよく、ＲＧＢ型白色ＬＥＤや補色型白色ＬＥＤの場合に比較して、発光層５を削り取る領域を大幅に低減でき、発光効率を改善することができる。

また、井戸層５ｂを、層厚を相違する複数の井戸層５ｂ，５ｂ，…から構成することとしたので、各井戸層５ｂがもたらす複数の発光の波長を互いに異にする多色発光とすることができ、白色発光の演色性を高く一定に安定させられ、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

また、井戸層５ｂの各々にアクセプター不純物を故意に添加したので、数的に単一でありながら、波長を相違する多色の発光をもたらす発光層５を構成することができ、その多色発光特性により、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

さらに、井戸層５ｂを、障壁層５ａと同一の伝導形を呈する層から構成することとしたので、障壁層５ａとの間でのｐｎ接合の形成を回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層５を構成できる。

また、基板１の表面側より発光層５からの発光を取り出す方向に向けて、より層厚の薄いIII族窒化物半導体層からなる井戸層５ｂ，５ｂ，…を配置して多重量子井戸構造の発光層５を構成することとしたので、多重量子井戸構造を成す各井戸層５ｂ，５ｂ，…から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。

すなわち、短波長の光が、長波長の光を発する井戸層に吸収されてしまうのを回避するために、基板１の表面側に井戸層幅を広くして形成した、量子準位が低く長波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層５ｂを配置し、発光の取り出し方向に、井戸層幅を狭くして形成した、量子準位が高くより短波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層５ｂを配置して多重量子井戸構造の発光層５を構成することとした。この構成下では、短波長の発光は、より長波長の発光を行う井戸層５ｂを通過しない。このため、基板表面側に配置された井戸層５ｂから出射される発光が、発光の取り出し方向に配置された井戸層５ｂに吸収されることなく、外部視野方向に発光を取り出すことができ、各井戸層５ｂから出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。また演色性を優れたものとすることができ、且つ高輝度の白色ＬＥＤを実現することができる。

また、本発明によれば、添加されたアクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する、単独でも波長を相違する複数の発光を呈する井戸層５ｂを複数用いて多重量子井戸構造の発光層５を構成することとしたので、各井戸層５ｂからの発光が重畳した多波長の発光を呈する発光層５が得られ、例えば、補色関係にある二つの異なる波長の発光を混色させて白色光とする、所謂、補色型白色ＬＥＤに比較して、より演色性に優れる白色ＬＥＤを提供できる。

以下、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の実施例を図面を参照して説明する。

（第１実施例） 図３は、第１実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えたIII族窒化物半導体発光素子の構造を示す断面模式図である。また、図４は、その多重量子井戸構造の発光層から放射されるフォトルミネッセンススペクトルである。

III族窒化物半導体発光素子１０を作製するための構造体を形成するにあたっては、基板１０１として、｛１１１｝珪素単結晶（シリコン）を用いた。

基板１０１の表面は、無機酸を使用して洗浄後、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しながら、基板１０１の温度を７８０℃に昇温して、基板１０１の表面１０１ａが（７×７）構造の再構成を呈する迄、継続して加熱した。

（７×７）構造の再構成を呈する様に清浄化された基板１０１の表面１０１ａ上には、プラズマ化させた窒素を窒素源とするＭＢＥ成長法（窒素プラズマＭＢＥ法）により、アンドープの窒化アルミニウム(ＡｌＮ)層１０２（層厚＝６０nm）を形成した。ＡｌＮ層１０２上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、アンドープ窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Ａｌ_XＧａ_1-XＮ)層１０３（層厚＝３００ｎｍ）を堆積した。混晶層１０３をなすＡｌ_XＧａ_1-XＮ層のアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）は、下層のＡｌＮ層１０２との接合面から、混晶層１０３の表面に向けて、０．２５から０（零）へと連続的に変化させた。

Ａｌ_XＧａ_1-XＮ層１０３上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、珪素（Ｓｉ）ドープｎ形ＧａＮ層１０４（層厚＝１２００ｎｍ）を堆積した。キャリア濃度は８×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

ｎ形ＧａＮ層１０４上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、基板１０１の温度を５４０℃として、多重量子井戸構造の障壁層とするｎ形ＧａＮ層１０５ａ（層厚＝１０ｎｍ）を堆積した。次に、窒素プラズマＭＢＥ法により、５４０℃で、このｎ形ＧａＮ障壁層１０５ａに接合させて、マグネシウム（Ｍｇ）を含むｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ）からなる井戸層（層厚＝２ｎｍ）１０５ｂを設けた。このｎ形障壁層１０５ａとｎ形井戸層１０５ｂとからなる一対の構造単位を４対（４ペア（ｐａｉｒ））、積層させて、全体としてｎ形の伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層１０５を形成した。井戸層に含まれるＭｇの原子濃度は、一般的な２次イオン質量分析法によれば、４×１０¹⁷原子／ｃｍ³であった。

水素を実質的に含まない１０^-6パスカル（Ｐａ）程度の高真空環境下で成長させた上記の障壁層１０５ａ及び井戸層１０５ｂからなる多重量子井戸構造の発光層１０５から得られる室温でのフォトルミネッセンススペクトルを図４に示す。数的に単一の発光層であっても、波長を相違する多数の発光が出射されていることを明示するために表１に発光ピーク波長とその波長における強度とを纏める。

数的に単一の発光層であっても、バンド（ｂａｎｄ）端の発光波長（波長＝３６６．５ｎｍ）より長波長であり、波長５５０ｎｍのより短波長の範囲に、合計７つの発光が出射されている。隣接する発光ピーク間の波長の差異は、６ｎｍ以上で９０ｎｍ以下であった。発光の波長が長波長である程、隣接する発光ピーク間の間隔（波長差）は広がる傾向を示した。また、井戸層の層厚が一定で、アクセプターの原子濃度が一定であっても多波長の発光がもたらされるのは、水素を全くと云って良い程、含まない高真空環境下で井戸層を形成したため、電気的に活性なＭｇを井戸層内に多量に存在させることができ、この電気的に活性なＭｇにより。多くの放射再結合に寄与できる準位が多く形成できたためと推察された。

多重量子井戸構造の発光層１０５の最終端（最表層）をなすＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ井戸層１０５ｂ上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、Ｍｇドープｐ形ＧａＮ層１０６（層厚＝１００ｎｍ）を設けて、構造体の形成を終了した。ｐ形ＧａＮ層１０６の内部のＭｇの原子濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、同層１０６のキャリア濃度は８×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。すなわち、電気的活性化率は８０％であった。

ｎ形オーミック電極を形成する領域を、一般的なドライエッチング法により除去し、ｎ形オーミック電極１０７を形成した。また、ｐ形ＧａＮ層１０６の表面にはｐ形オーミック電極１０８を形成し、一辺の長さを３５０μｍとする正方形状の発光素子（ＬＥＤ）１０を作製した。

発光素子（ＬＥＤ）１０の順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．５Ｖであった。また、順方向に５０ｍＡの電流を通流した際には、チップ（ｃｈｉｐ）状態のＬＥＤ１０の発光層の全面から目視で緑色を帯びた白色の発光が出射された。５０ｍＡの順方向電流を通流した際の発光の演色性を色度図上の座標値で表わすと、ｘ座標値で０．２６、ｙ座標値で０．３８であり、従って、ｚ座標値で０．３６であった。

（第２実施例） 図５は、第２実施例のIII族窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の多重量子井戸構造の発光層の構成を模式的に示す断面図である。

上記の第１実施例に記載したＳｉ基板上に設けたＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ混晶層及びｎ形ＧａＮ層（図５では符号を「２０４」とする）からなる積層構造体上に、窒素プラズマＭＢＥ法により、図５に示す多重量子井戸構造の発光層２０５を以下に記載の如く形成した。

多重量子井戸構造の発光層２０５を形成するにあって、ｎ形ＧａＮ層２０４には、先ず、窒素プラズマＭＢＥ法により、層厚を１６ｎｍとするｎ形ＧａＮ障壁層２０５ａを設けた。次に、この障壁層２０５ａに接合させて、多重量子井戸構造をなすｎ形井戸層２０５ｂとしてＭｇドープＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ井戸層を設けた。このｎ形障壁層２０５ａとｎ形井戸層２０５ｂとからなる一対の構造単位を１０対（１０ペア）、積層させて、全体としてｎ形の伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層３０５を形成した。

１０対の構造単位を積層して形成した多重量子井戸構造をなす１０の井戸層２０５ｂの層厚は、ｎ形ＧａＮ層２０４側から多重量子井戸構造の表面に向けて積層方向に減少させた。なお、本実施例では積層方向と発光素子（ＬＥＤ）の発光の取り出し方向とは同一方向である。井戸層２０５ｂの層厚は、多重量子井戸構造の最下の井戸層で１２ｎｍとし、その次の井戸層の層厚は１１ｎｍとし、またその次の井戸層の層厚は１０ｎｍとし、すなわち、多重量子井戸構造の最表層側に向けて１ｎｍずつ減少させ、最表層の井戸層の層厚は３ｎｍとした（図５参照）。各井戸層２０５ｂの層厚は変化させたものの、各井戸層２０５ｂ内には、原子濃度にして６×１０¹⁷原子／ｃｍ³と略一定となる様にＭｇをドーピングした。

多重量子井戸構造の発光層２０５の最表層をなすＭｇドープＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ井戸層２０５ｂ（層厚＝３ｎｍ）上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、層厚を１０ｎｍとするＭｇドープｐ形Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層を堆積して、発光素子（ＬＥＤ）用途の積層構造体の形成を終了した。

上記の多重量子井戸構造の発光層２０５を含む積層構造体から得られる室温でのフォトルミネッセンススペクトルを図６に示す。図６に示すのは、上記の層厚を相違する各井戸層２０５ｂからの多波長発光成分が重畳した結果としてのスペクトルである。波長４００ｎｍより８００ｎｍの広い波長範囲に亘り、合計１０の発光が放射された。隣接する発光間の波長の差異は１７．５ｎｍから７８．０ｎｍであり、その波長の間隔は、発光波長が長波長となる程、広がっていた。また、ヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として照射した際に視認される積層構造体からの発光色は白色であった。

第１実施例に記載をしたのと同様に、ｎ形オーミック電極を形成する領域を、一般的なドライエッチング法により除去し、ｎ形オーミック電極を形成した。また、上記のｐ形Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層の表面にはｐ形オーミック電極を形成し、発光素子（ＬＥＤ）を作製した。

発光素子（ＬＥＤ）の順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．４Ｖであった。また、順方向に２０ｍＡの電流を通流した際には、チップ（ｃｈｉｐ）状態のＬＥＤから目視で白色の発光が出射された。

（第３実施例） 図７は、第３実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えたIII族窒化物半導体発光素子の構造を示す断面模式図である。図８は、第３実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えたIII族窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）用途の積層構造体についてのフォトルミネッセンススペクトルである。

上記の第１及び第２実施例に記載したＳｉ基板上に設けたＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ混晶層（図７では符号を「３０３」とする）からなる積層構造体上に、窒素プラズマＭＢＥ法により、多重量子井戸構造の発光層を以下に記載の如く形成した。

多重量子井戸構造の発光層を形成するにあって、第１及び第２実施例に記載したＡｌＧａＮ混晶層３０３には、先ず、窒素プラズマＭＢＥ法により、層厚を１０ｎｍとするｎ形ＧａＮ障壁層３０５ａを設けた。次に、この障壁層３０５ａに接合させて、層厚を３ｎｍとするＭｇドープｎ形Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ井戸層３０５ｂを設けた。このｎ形障壁層３０５ａとｎ形井戸層３０５ｂとからなる一対の構造単位を５対（５ペア）、積層させて、全体としてｎ形の電気伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層３０５を形成した。

５対の構造単位を積層して形成した多重量子井戸構造をなす５つの井戸層３０５ｂ，３０５ｂ，…の内部のＭｇの原子濃度は、ＡｌＧａＮ混晶層３０３側から積層方向（発光の取り出し方向と同一方向）に向けて減少させた。井戸層３０５ｂの内部のＭｇの原子濃度は、多重量子井戸構造の最下の井戸層で１×１０¹⁹原子／ｃｍ³とし、それより上方の井戸層については、８×１０¹⁸原子／ｃｍ³、６×１０¹⁸原子／ｃｍ³、４×１０¹⁸原子／ｃｍ³、及び２×１０¹⁸原子／ｃｍ³と順次、Ｍｇの原子濃度を減少させた。これより、層厚を一定としつつも、Ｍｇの原子濃度を相違する５つの井戸層３０５ｂを備えた多重量子井戸構造の発光層３０５を形成した。

多重量子井戸構造の発光層３０５の最表層をなすＭｇドープＧａＮ井戸層（Ｍｇ原子濃度＝２×１０¹⁸原子／ｃｍ³）上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、層厚を１０ｎｍとするＭｇドープｐ形ＧａＮ層３０６を堆積して、発光素子（ＬＥＤ）用途の積層構造体の形成を終了した。

上記の多重量子井戸構造の発光層３０５を含む積層構造体から得られる室温でのフォトルミネッセンススペクトルを図８に示す。図８に示すのは、上記の層厚一定でＭｇ原子濃度を相違する各井戸層３０５ｂからの多波長発光成分が重畳してなるスペクトルである。波長４００ｎｍより６００ｎｍの波長範囲において、発光ピーク波長を４０２．５ｎｍ、４２９．０ｎｍ、４５８．０ｎｍ、４９３．０ｎｍ、５３８．０ｎｍ、及び５９３．０ｎｍとする計６の発光が確認された。波長４００ｎｍより６００ｎｍの波長範囲に出現した上記の発光にあって、隣接する発光間の波長の差異は２６．５ｎｍから５５．０ｎｍであり、その波長の間隔は、発光波長が長波長となる程、広がっていた。また、ヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として照射した際に視認される積層構造体からの発光色は青白色であった。

図９は図７の積層構造体を用いて作製した発光素子（ＬＥＤ）の平面断面図である。上記の積層構造体の、ｎ形オーミック電極３０７を形成する領域３０７ａに在るｐ形ＧａＮ層３０６及び多重量子井戸構造の発光層３０５を一般的なドライエッチング法により除去し、発光層３０５の下方のｎ形ＡｌＧａＮ混晶層３０３の表面を露出させた。然る後、その領域３０７ａに露出させたｎ形ＡｌＧａＮ混晶層３０３の表面上に、図９に示す如く、ｎ形オーミック電極３０７を形成した。上記のｐ形ＧａＮ層３０６の表面には、一般的なフォトリソグラフ技術を利用してパターニングした平面格子状のｐ形オーミック電極３０８を形成した。格子状に配置した幅４μｍのｐ形オーミック電極３０８は、ｐ形ＧａＮ層３０６にオーミック接触をなす白金（Ｐｔ）系金属から構成した。また、ｐ形ＧａＮ層３０６の表面上の一端には、この格子状ｐ形オーミック電極３０８に電気的に導通させて結線（ボンデング）用の台座（パッド）電極３０９を設けて、発光素子（ＬＥＤ）３０を作製した。

発光素子（ＬＥＤ）の順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．４Ｖであった。また、順方向に２０ｍＡの電流を通流した際には、一辺の長さを３５０μｍとする正方形状のＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）から目視で白色の発光が出射された。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子の断面構造を概略的に示す模式図である。 本発明に係る多重量子井戸構造発光層からの多波長発光スペクトル例である。 第１実施例に係るＬＥＤの断面模式図である。 第１実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスペクトルである。 第２実施例に記載の多重量子井戸構造発光層の断面模式図である。 第２実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスペクトルである。 第３実施例に記載の多重量子井戸構造発光層の断面模式図である。 第３実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスペクトルである。 第３実施例に係るＬＥＤの平面模式図である。

符号の説明

１ 基板
５ 多重量子井戸構造の発光層
５ａ 障壁層
５ｂ 井戸層
１０ III族窒化物半導体発光素子
１０１ 基板
１０１ａ 基板の表面
１０２ 窒化アルミニウム層
１０３ 窒化アルミニウム・ガリウム混晶層
１０４ ｎ形ＧａＮ層
１０５ 発光層
１０５ａ 障壁層
１０５ｂ 井戸層
１０６ ｐ形ＧａＮ層
１０７ ｎ形オーミック電極
１０８ ｐ形オーミック電極
２０４ ｎ形ＧａＮ層
２０５ 発光層
２０５ａ 障壁層
２０５ｂ 井戸層
３０３ 窒化アルミニウム・ガリウム混晶層
３０５ 発光層
３０５ａ 障壁層
３０５ｂ 井戸層
３０６ ｐ形ＧａＮ層
３０７ ｎ形オーミック電極
３０７ａ ｎ形オーミック電極を形成する領域
３０８ ｐ形オーミック電極
３０９ 台座電極

Claims (7)

1. 基板と、その基板の表面上に設けたIII族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備したIII族窒化物半導体発光素子において、
   上記井戸層の各々は、
   層厚が同一であり、
   バンド端発光とは別に、波長を相違する複数の光（多波長光）を同時に出射する、マグネシウムを添加したｎ形の窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ）からなる、
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 上記発光層は、障壁層と井戸層との対の数が３以上４０以下である、請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 上記井戸層の各々は、マグネシウムの原子濃度が互いに相違している、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 上記井戸層の各々は、基板の表面側より発光層からの発光を取り出す方向に向けて、マグネシウムの原子濃度が低くなっている、請求項３に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 上記井戸層は、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の範囲で複数の光を出射する、請求項３または４に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
6. 上記井戸層は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の範囲で複数の光を出射する、請求項５に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
7. 上記井戸層は、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の範囲で複数の光を出射する、請求項５に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

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