JP2010532560A - 発光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

発光ダイオードとその製造方法を開示する。３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードは、［０００１］結晶軸方向に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長して、導電性不純物がドーピングされたバッファ層；バッファ層上に形成される発光層；バッファ層の下部に形成される第１電極；及び発光層上部に形成される第２電極；を含み、発光層は、バッファ層上に形成される第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成される活性層と、活性層上に形成される第２クラッド層とを含む。本発明の半導体発光ダイオードは、活性層に引加される応力を相殺させて、自発分極現象を防止することができ、その結果、発光効率を向上することができる。

Description

本発明は、発光素子に関するもので、特に、発光効率を向上させることができる発光素子とその製造方法に関するものである。

発光ダイオード（ＬＥＤｓ）は、１９６０年代初に研究が始まり、６０年代後半から商用化された。ＬＥＤｓは、登場するとすぐに優れた耐震動性、高信頼性、低電力消耗量などの特性によって注目された。しかし、高価であったため、初期に開発されたＬＥＤｓの応用分野は、宇宙船内の表示ランプ等と制限的であった。

１９６０年代に開発されたＬＥＤｓは、単色光を作り出すので、不必要な浪費を無くしエネルギー効率を向上させることができる。

最近まで、ＬＥＤｓの応用分野は、特殊なディスプレイ等に制限的であったが、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって成長させた高効率のＡｌＧａＩｎＰ（赤色、橙色、琥珀色）及びＧａＩｎＮ（青色、緑色）ＬＥＤｓの開発とともに、ＬＥＤｓは自動車の内部照明及びブレーキ灯、交通信号灯、総天然色ディスプレイ屋外電光板、携帯電話／ＰＤＡのバックライト照明、その他、飾り用発光ダイオードなどを含む多様な応用分野に適用された。

ＬＥＤｓは、引加された電気エネルギーを光に変えて、光を放出する発光素子を含む。

すべての物質は、原子で成り立っていて、原子内部には核がある。電子は、円形軌道で核のまわりを回転するが、核と軌道の距離が遠いほど、回っている電子は多くのエネルギーを有する。

低い軌道で回っていた電子が外部からエネルギーを受けると、高い軌道に上がり、高い軌道で回転する電子は、不安定なのでエネルギーを放出しながら低い軌道に下がる。

ＬＥＤｓは、放出されるエネルギーを光に変化させる。

ＬＥＤｓは、ＬＥＤｓの物質によって電子が上がったり下がったりするエネルギー準位が異なるので、ＬＥＤｓの物質によって異なる準位のエネルギーを発生する。

詳細には、光が低い準位のエネルギーで発生する場合、長い波長を有する赤色の光が発生し、一方、光が高い準位のエネルギーで発生する場合、短い波長を有する青色の光が発生する。

このような原理を基に、三種類の色（赤色、緑色、青色）のＬＥＤｓを組み合わせてフルカラーを実現できる。

これらの中で、赤色のＬＥＤｓが初めて商用化された。具体的には、ＧａＡｓＰ系赤色ＬＥＤｓが、１９６２年にゼネラルエレクトリック社によって初めて紹介された。

初期に開発されたＬＥＤｓは、小規模で製作され、低い性能を示した。しかし、ＬＥＤｓが、１９６０年代後半にモンサントとヒューレット・パッカード社によって大量生産された以後、アメリカで集中的に研究され実用化された。

以後、ＧａＡｓ基板の上にＡｌＧａＡｓを成長させた異種接合赤色ＬＥＤｓが開発されて以来、８０年代に日本を中心に研究が進められ、高輝度の赤色ＬＥＤｓが商用化された。

特に、ＡｌＧａＡｓを素材に使用した緑色ＬＥＤｓは、１％に過ぎないエネルギー変換効率を記録した白熱電球より、高い水準のエネルギー変換効率を具現して脚光を浴びた。

以後も新しい半導体物質に対する研究が続けられ、インジウムガリウムアルミニウム−リン（窒素）（ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＮ）のような４元系組成の化合物半導体薄膜成長技術の発達は、白熱電球と比較して高い高輝度を有するＬＥＤｓを可能にした。

化合物半導体というのは、二種以上の元素化合物からなる半導体で、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、硫化鉛（ＰｂＳ）などのＩＶ−ＶＩ族化合物半導体などがある。

このような化合物半導体は、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）など単元素の半導体とは、キャリアの移動度、バンド構造などが異なるので、電気的・光学的性質も大きく異なる。このような多くの種類の化合物半導体の中で、適当な性質を有するものを選び出しシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などでは実現することができないＬＥＤｓが開発されている。

図１は、一般的なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードを示す断面図である。

図１を参照すると、一般的なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード１は、導電性不純物がドーピングされたバッファ層５０と、バッファ層５０上に形成される発光層１０と、バッファ層５０の下部に形成される第１電極６０と、発光層１０上に形成される第２電極７０とで構成される。

発光層１０は、バッファ層５０を経由して引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第１クラッド２０と、第２電極７０から引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第２クラッド４０と、第１クラッド層２０と第２クラッド層４０との間に形成されて光を発生させる活性層３０とで構成される。

発光層１０を構成する活性層３０及び第１クラッド層２０及び第２クラッド層４０は、Ｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、ＡＳのようなＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて形成される半導体層である。

このような構成を有する発光ダイオード１の両電極（６０、７０）に電界が引加されると、電界によるエネルギーが発光層１０で光に変換されて発光する。

青紫色及び青緑色を発光するＬＥＤｓを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造は、本質的な特性の一つである発光層１０に引加される応力によって、図２に示したように、第１及び第２クラッド層（２０、４０）にピエゾ電界（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）が形成されて発光層１０が物理的に変形するピエゾ現象及び自発分極によって、発光特性が他の化合物半導体と比較して顕著に落ちる短所がある。このような現象の理論的なモデルは、［Ｐａｒｋ等，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９９９年，第７５巻，１３５４頁］を根拠とする。

また、最近になって脚光を浴び始めたＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体の場合も、ピエゾ現象による応力発生と自発分極現象が存在している。このような現状の理論的なモデルは、［Ｓ．−Ｈ．Ｐａｒｋ ａｎｄ Ｄ．Ａｈｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００５年，第８７巻，２５３５０９；Ｄ．Ａｈｎ等，Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｌｅｔｔ．２００６年，第１８５巻，３４９頁］を根拠とする。

現在まで、自発分極を無くす方法がいくつか報告されている。例えば、基板上に結晶を成長するときの特異的な方向を変えた非極性基板を使用する方法である。もう１つは、クラッド層（２０、４０）を４元系で形成して、その中のＡｌの組成比を増加させてキャリアの拘束効果を高めて発光効率を向上させる方法である。

ここで、非極性基板を使用する方法の理論的な根拠は、［Ｐａｒｋ ＆ Ｃｈｕａｎｇ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１９９９年，第Ｂ５９巻，４７２５頁；Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ等，Ｎａｔｕｒｅ，２０００年，第４０６巻，８６５頁］に開示されている。

しかし、非極性基板は、結晶の成長方向による成長技術が不完全なため高品質の特性を得にくく、高品質の特性を得るためには数回のエピタキシ工程を必要とする。そのため、製造方法が複雑になって製造効率が低下し、製造費用が高くなる短所がある。このような短所に対する理論的な根拠は、［Ｋ．Ｎｉｓｈｉｚｕｋａ等，ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００５年，第８７巻，２３１９０１頁］に開示されている。

第１クラッド層２０及び第２クラッド層４０をアルミニウム（Ａｌ）を含む４元系化合物半導体で形成し、その中のアルミニウム（Ａｌ）の組成比を増加させてキャリアの拘束効果を高め、それを通じて発光効率を向上させる方法の理論的な根拠は、［Ｚｈａｎｇ等，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０００年，第７７巻，２６６８頁；Ｌａｉ等，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｌｅｔｔ．２００１年，第１３巻，５５９頁］に開示されている。

しかし、このような提案だけでは、ピエゾ電界及び自発分極現象を根本的に除去することができず、発光特性が落ちる短所は相変らず存在するので、発光ダイオードの応力及び自発分極現象を制御して光特性を改善することができる発光ダイオード及びその製造方法が求められている。

本発明の目的は、半導体発光ダイオードの発光層でピエゾ電界及び自発分極を除去して発光効率を向上さることができる発光ダイオードとその製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層はバッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２クラッド層とを含む３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードによって達成することができる。

本発明の他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層が、第１組成比を有する第１物質を含みバッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、第１組成比と異なる第２組成比を有する第１物質と同一な第２物質を含み活性層上に形成された第２クラッド層とを含む、３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層が、第１組成比を有する第１物質及び第２組成比を有する第２物質を含みバッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、第１組成比と異なる第３組成比を有する第１物質と同一な第３物質及び第２組成比と異なる第４組成比を有する第２物質と同一な第４物質を含み活性層上に形成された第２クラッド層とを含む、４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層が、バッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２クラッド層とを含む、３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成される発光層と、バッファ層の下部に形成される第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層が、第１組成比を有する第１物質を含みバッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、第１組成比と異なる第２組成比を有する第１物質と同一な第２物質を含み活性層上に形成された第２クラッド層とを含む、３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に４０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備し、発光層が、第１組成比を有する第１物質及び第２組成比を有する第２物質を含みバッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、第１組成比と異なる第３組成比を有する第１物質と同一な第３物質及び第２組成比と異なる第４組成比を有する第２物質と同一な第４物質を含み活性層上に形成された第２クラッド層とを含む、４元系ＩＩ−ＶＩ−Ｖ族酸化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板で［１１−２２］結晶軸（配向方向）に１５゜結晶軸（配向方向）が変化して成長した導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、バッファ層上に形成された発光層と、バッファ層の下部に形成された第１電極と、発光層上部に形成された第２電極とを具備して、発光層が、バッファ層上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２クラッド層とを含む３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオードを提供する。

本発明のまた他の態様として、［０００１］結晶軸（配向方向）を有する基板上に、基板から［１１−２２］結晶軸（配向方向）に３０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）を変化させた犠牲層を形成する第１工程と、犠牲層上に導電性不純物がドーピングされたバッファ層を形成する第２工程と、バッファ層上に発光層を形成する第３工程と、犠牲層を除去する第４工程と、バッファ層下部に第１電極を形成して、発光層上部に第２電極を形成する第５工程とを含む３元系または４元系化合物半導体発光ダイオードの製造方法を提供する。

本発明の実施例による半導体発光ダイオードにおいて、発光層は、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸方向に４０゜〜７０゜傾斜した方向に基板に形成される。そして、第１、２クラッド層を構成するＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体の組成を制御する。その結果、活性層に引加される応力を除去して、自発分極を防止することができ、向上した発光効率を示す発光ダイオードが得られる。

一般的なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオードを示す断面図である。 ピエゾ電界に係る発光層の変形を示す図である。 本発明の第１実施例に係る４元系窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。 クラッド層にｐ型デルタドーピング層が含まれた４元系化合物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。 ｎ個の層を有する半導体構造で活性層及びクラッド層に引加される応力を示す図である。 本発明の第２実施例に係る３元系窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードの活性層及びクラッド層に形成されるピエゾ電界及び自発分極を示すグラフである。 本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、発光層に引加される内部電界を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、［１０−１０］結晶軸に配向された非極性基板を採用した半導体発光ダイオードと、［１１−２２］結晶軸の方向に５６゜傾斜した４元系窒化物半導体発光ダイオードの光特性を比較したグラフである。 本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、［１０−１０］結晶軸に配向された非極性基板を採用した半導体発光ダイオードと、［１１−２２］結晶軸の方向に５６゜傾斜した４元系窒化物半導体発光ダイオードの光特性を比較したグラフである。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、発光層に引加されるピエゾ電界を示すグラフである。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、発光層に引加される内部電界を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 活性層に拘束された正孔の分布を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 活性層に拘束された正孔の分布を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 活性層に拘束された正孔の分布を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 活性層に拘束された正孔の分布を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、光利得を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、光特性を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、光特性を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。 本発明の第４実施例に係る半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。 図４に示されたクラッド層にｐ型デルタドーピング層を形成する方法を示す工程断面図である。 図４に示されたクラッド層にｐ型デルタドーピング層を形成する方法を示す工程断面図である。

以下、添付した図を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。

図３は、本発明の第１実施例に係る４元系窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。

図３を参照すると、本発明の第１実施例に係る４元系化合物半導体発光ダイオード１００は、［０００１］結晶軸方向に配向した基板（［０００１］−ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向を有するように成長して、導電性不純物がドーピングされたバッファ層１５０と、バッファ層１５０上に形成された発光層１１０と、バッファ層１５０の下部に形成された第１電極１６０と、発光層１１０上部に形成された第２電極１７０とで構成される。

発光層１１０は、バッファ層１５０を経由して引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第１クラッド層１２０と、第２電極１７０から引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第２クラッド層１４０と、第１クラッド層１２０と第２クラッド層１４０間に形成されて光を発生させる活性層１３０とで構成される。

本発明の第１実施例に係る半導体発光ダイオード１００の発光層１１０を構成する活性層１３０、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０は、窒素（Ｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などのＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて形成される窒化化合物半導体層である。

活性層１３０は、ＧａＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮのようにＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて量子井戸層が形成される単結晶の半導体層である。

このような、活性層１３０を構成するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮの３元系の中で、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲内である。

そして、活性層１３０を間に置いて形成される第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎのように、４元系のＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて形成される単結晶の半導体層である。

このような、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０を構成するＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの４元系の中で、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘとアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙを所定の比で組み合わせて、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０が、約４．０ｅＶのエネルギーバンドギャップを有するように形成する。

このような構成を有する発光ダイオード１００の下部に形成された第１電極１６０と、発光ダイオード１００の上部に形成された第２電極１７０に電界が引加されると、両電極（１６０、１７０）を通じて引加される電界によるエネルギーが、発光層１１０で光に変換されて発光する。

ここで、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０は、不完全な異種結晶成長技術のためダイオード製作時に欠点が多い［１０−１０］結晶軸に配向した非極性基板の代わりに、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜６０゜（最も好ましくは、５６゜）傾斜した配向方向を有した基板上に成長する半導体層である。

そして、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０を構成する４元系化合物のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの元素の中で、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ≦０．３の範囲内、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙは、０＜Ｙ≦０．３の範囲内でそれぞれ調節される。その結果、ガリウム（Ｇａ）の組成比は、０．４≦Ｇａ＜１の範囲内で調節される。

また、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の組成比は、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のエネルギーバンドギャップが、４．０ｅＶを有するように調節される。

さらに、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のエネルギーバンドギャップが、４．０ｅＶを維持する条件下で、ピエゾ電界及び自発分極現象による活性層１３０の内部電界が消滅するアルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の組成比を適用して、活性層１３０で発生する光の効率を向上させることができる。

ここで、第１クラッド層１２０のアルミニウム（Ａｌ）とインジウム（Ｉｎ）との組成比と、第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）とインジウム（Ｉｎ）との組成比は、それぞれ予め設定された範囲内で対称に（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ）構成することができる。

具体的に、第１クラッド層１２０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内で第１組成比を有する場合、第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙ’は、０＜Ｙ’≦０．３の範囲内で第１組成比Ｙと異なる第２組成比を有する。例えば、第１組成比Ｙが０．１の場合、第２組成比Ｙ’は０．３である。

第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙ，Ｙ’を対称的に調節して、活性層１３０に引加される応力を相殺させて、自発分極現象を防止することができる。

同様に、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘ，Ｘ’もアルミニウム（Ａｌ）のように対称的に調節して活性層１３０に引加される応力を相殺させて、自発分極現象を防止することができる。

図４に示したように、第２クラッド層１４０にｐ型物質（例えば、マグネシウム）をドーピング（薄膜塗布またはインプラント）してデルタドーピング層１８０を形成することができる。このようなデルタドーピング層１８０は、クラッド層１４０の内部で活性層１３０に近い領域に形成される。このデルタドーピング層１８０によって、減衰させられた分極電界が相殺される。

上記で、デルタドーピング層１８０を第２クラッド層１４０に形成することを説明したが、デルタドーピング層１８０を第２クラッド層１４０だけでなく第１クラッド層１２０にも形成することができ、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０の両方に形成することもできる。

そして、デルタドーピング層１８０は、４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体だけではなく、３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体にも適用が可能であり、３元系及び４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体にも適用することができる。

図５は、ｎ個の層を有する半導体構造で活性層及びクラッド層に引加される応力を示す図である。

図５に示したように、ｎ個の層を有する場合、ｉ番目の層１９０に引加される応力Ｆｉは、次の数１のように計算することができる。これに対する理論的根拠は、［Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９９２年，第７２巻，５２１３頁］に開示されている。

ここで、ｄ_ｉはｎ個の層の中でｉ番目の層の厚さ、ａ_ｉはｉ番目の層の格子定数、Ｅ_ｉはヤング率、そして、Ｌ_ｉは熱膨脹を考慮したｉ番目の層の有効格子定数であり、これら値は数２〜数５によって得られる。

ここで、ヤング率は、１８０７年にＴ．Ｙｏｕｎｇが導入した弾性率を意味し、均一な太さの棒を両端から引っ張ると棒に加えられる変形力Ｔは、単位長さ当りの延伸（または縮み）Ａに弾性限界内で比例し、その比Ｅ＝Ｔ／Ａをヤング率または延伸弾性率という。このような延伸弾性率は、棒の太さや長さとは関系なく材料によって一定な値で現わされる。

ここで、ｅ_ｉは、ｎ個の層の中でｉ番目の層に引加される有効歪みで、Ｒは基板が物理的に撓む程度で、サファイア基板の場合は６ｍから１２ｍの範囲を有する。上記で開示された数式によると、ｎ＝３の場合、先で説明したように、活性層１３０の歪みが効果的に消滅する４元系物質の組成比が存在することが分かる。

一方、インジウム（Ｉｎ）の組成比を増加させると、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０に圧縮応力が引加される。

応力は、変形力ともいって、物体に作用する外力に対する反作用で、物体の形態をそのまま維持しようと物体内にできる内力を意味する。

物体の主軸に対して力が作用する方向によって、応力は、ずり応力、引張応力、圧縮応力に分けられ、物体の同一な位置でも応力の種類と強さは、物体の主軸に対して力が作用する方向によって変化し得る。

均一な断面を有した棒の両端をｐという力で引っ張るとき、棒は力ｐによって伸びて、力ｐが段々増加すると棒は結局折れるようになり、力ｐに対する応答として、棒の中の多数の微小粒子間には多数の作用／反作用（以下、「内力」という。）が発生する。

これら内力は目に見えないが、万一、棒を主軸に垂直の仮想断面ｍ−ｎで切断したとすると、ｍ−ｎの下の部分は下端に外力ｐが作用していて、上端には上部の多くの粒子から下の部分の多くの粒子に内力が作用している。この内力は、断面ｍ−ｎに均一に分布し、その断面積全体に作用する内力の合計がまるで下端に作用する外力ｐと同じ大きさになっている。

したがって、物体内のどの断面を想定しても、その断面には大きさが同じで方向が反対である一対の内力が作用していることになる。この一対の内力を応力（変形力）という。

インジウム（Ｉｎ）の組成比による引張応力と圧縮応力の変化は、インジウム（Ｉｎ）の組成比が約６％の時、遷移が発生する。すなわち、インジウム（Ｉｎ）の組成比が６％以下のときには引張応力が引加され、インジウム（Ｉｎ）の組成比が６％を越えるときには圧縮応力が引加される。

一般的なガリウム（Ｇａ）基板を成長する場合、引張応力が引加されると、自発分極とピエゾ電界はとき互いに同じ方向を有し、一方、圧縮応力が引加されると、自発分極とピエゾ電界は互いに反対の方向を有する。

図６は、本発明の第２実施例による３元系窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。

図６に示された、本発明の第２実施例に係る３元系窒化物半導体発光ダイオード２００は、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０の構成を除き、図３に示された本発明の第１実施例に係る発光ダイオード１００と同一な構成を有するので、その他の構成要素に対する詳細な説明は、本発明の第１実施例の説明に替える。

図６に示したように、本発明の第２実施例に係る３元系窒化物半導体発光ダイオード２００は、発光層２１０を構成する第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０が３元系窒化物で構成され、発光層２１０の自発分極現象及びピエゾ電界を制御することで、発光ダイオード１００の光特性を向上させることができる構造を示す。

本発明の第２実施例に係る半導体発光ダイオード２００の発光層２１０を構成する活性層２３０、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０は、窒素（Ｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などのＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて形成される窒化化合物半導体層である。

発光層２１０を構成する活性層２３０は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮまたはＧａＮのようにＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて量子井戸層が形成される単結晶の半導体層である。

活性層２３０を構成するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮの３元系化合物の中でインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲内である。

そして、活性層２３０を間に置いて形成される第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０は、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮのように、ＩＩＩ−Ｖ族の物質を組み合わせて形成される３元系化合物からなる単結晶の半導体層である。

ここで、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０は、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮのＩＩＩ−Ｖ族の３元系窒化物で形成され、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０がＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮで構成される場合、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙは、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であり、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０のエネルギーバンドギャップが４．０ｅＶを有するようにアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙを調節することができる。

一方、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０がＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮで構成される場合、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０のエネルギーバンドギャップが４．０ｅＶを有するようにインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘを調節することができる。

ここで、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０は、不完全な異種結晶成長技術のためダイオード製作時の欠点が多い［１０−１０］結晶軸に配向した非極性基板の代わりに、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜６０゜（最も好ましくは、５６゜）傾斜した配向方向を有した基板上に成長される半導体層である。

本発明の第２実施例によれば、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０のエネルギーバンドギャップが４．０ｅＶを維持する条件下で、ピエゾ電界及び自発分極現象による活性層２３０の内部電界が消滅するアルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の組成比を適用することにより、活性層２３０で発生する光の効率を向上させることができる。

ここで、第１クラッド層２２０と第２クラッド層２４０のアルミニウム（Ａｌ）とインジウム（Ｉｎ）の組成比は、それぞれの物質（Ａｌ、Ｉｎ）の組成比が対称をなすように形成することができる。すなわち、第１クラッド層２２０のアルミニウム（Ａｌ）が、０＜Ｙ≦０．３の範囲内で第１の組成比を有するとき、第２クラッド層２４０のアルミニウム（Ａｌ）は、０＜Ｙ’≦０．３の範囲内で第１の組成比とは異なる第２の組成比Ｙ’を有する。例えば、第１の組成比Ｙが０．１のとき、第２の組成比は、０．３である。

このように第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙ、Ｙ’を対称的に調節して、活性層２３０に引加される応力を相殺させて、自発分極現象を防止することができる。

また、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２４０のインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘ，Ｘ’もアルミニウム（Ａｌ）のように対称的に調節して活性層２３０に引加される応力を相殺させ、自発分極現象を防止することができる。

図７は、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードの活性層及びクラッド層に形成されるピエゾ電界及び自発分極を示すグラフである。

図７を参照すると、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオード（１００、２００）は、発光層（１１０、２１０）がＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（クラッド層）／ＧａＮ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（活性層）で構成される３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体であって、第１及び第２クラッド層を構成するインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の組成比を調節して発光層（１１０、２１０）に形成されるピエゾ電界及び自発分極を最小化させることができる。

インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の組成比を調節して発光層（１１０、２１０）に形成されるピエゾ電界及び自発分極を最小化させる構成に対する説明は、発光層２１０が、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（クラッド層）／ＧａＮ（活性層）で構成される３元系ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体を例に説明することにする。

クラッド層が、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮで構成される場合には、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調節してピエゾ電界及び自発分極を最小化させる。

第１及び第２クラッド層を構成するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮにおいて、Ｉｎの組成比Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲内であり、これによってガリウム（Ｇａ）は、０＜Ｇａ＜１の組成比を有する。

ここで、第１及び第２クラッド層を構成するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮにおいてＩｎの組成比の最適範囲は、Ｘが０＜Ｘ≦０．３の範囲であり、これによってガリウム（Ｇａ）は、０．７≦Ｇａ＜１の組成比範囲を有する。

図７では、Ｉｎの組成比Ｘは０．１５で、Ｇａの組成比Ｖは０．８５を適用して得られた結果を示した。図７に示された、結果値は、活性層の厚さを３ｎｍ、クラッド層の厚さを７ｎｍに形成したときの値である。理論的なモデルは、［Ａｈｎ等，ＩＥＥＥ Ｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００５年，第４１巻，１２５３頁］を根拠とする。

図７に示したように、３元系窒化化合物半導体でインジウム（Ｉｎ）の組成比を調節し、発光層に形成される自発分極を制御することができる。

図７に示したように、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードは、基板の配向方向が［０００１］結晶軸を基準に４０゜〜７０゜の結晶角（θ）程度［１１−２２］結晶軸の方向に変化させたとき、光特性が向上することが分かる。特に、結晶角（θ）が５６゜のとき、結晶の自発分極が最適になることが分かる。

ここで、発光層に引加されるピエゾ電界及び自発分極の総和は、次の数６によって算出される。

ここで、Ｐは分極の種類、Ｌは活性層及びクラッド層の厚さを示す。

上記の数６に基づいて算出された、発光層に引加される内部電界の変化は、図７に示したとおりである。

図８は、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、発光層に引加される内部電界を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。

図８を参照すると、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードは、基板の配向方向が［０００１］結晶軸を基準に４０゜〜７０゜の結晶角（θ）程度［１１−２２］結晶軸の方向に変化させたとき、内部電界が減少することが分かる。特に、結晶角（θ）が５６゜のとき、内部電界が消滅して最も向上した光特性を示すことが分かる。

また、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体ダイオードは、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘを０．１、０．１５、０．２の３種類の組成比に変化させて、これによってＧａの組成比Ｖを０．９、０．８５、０．８０に変化させたときに、基板の結晶角（θ）が５６゜の結晶構造で内部電界が消滅した。

これを通じて、基板の配向方向を［０００１］結晶軸を基準に４０゜〜７０゜（最適の結晶角（θ）は５６゜）の結晶角（θ）程度［１１−２２］結晶軸の方向に変化させると、結晶角（θ）によって違いはあるが、発光層に形成される内部電界を減少させることができ、特に最適の結晶角（θ）である５６゜付近でインジウム（Ｉｎ）の組成比に大きな影響なしに発光層に形成される内部電界を消滅させることができる。

発光層における内部電界の減少の原理について、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（クラッド層）とＧａＮ（活性層）とからなる３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体を例に挙げて説明した。この例は説明のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。従って、クラッド層がＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ及びＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎのうち１つからなり、活性層がＧａＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体であっても、基板の配向方向を４０°〜７０°（最適な結晶角は約５６°）変化させることによって同一な効果を得ることができる。

図９及び図１０は、本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、［１０−１０］結晶軸に配向した非極性基板を採用したＬＥＤｓと、［１１−２２］結晶軸の方向に５６゜傾斜した４元系窒化物半導体ＬＥＤｓの光特性を比較したグラフである。

本発明の第１及び第２実施例に係る半導体ＬＥＤｓ１００，２００は、それぞれ発光層１１０、２１０を備え、該発光層１１０，１２０はそれぞれ、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮまたはＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎからなるクラッド層と、ＧａＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる活性層とを備える３元系または４元系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体である。図９および図１０は、クラッド層がＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなり、活性層がＧａＮからなるＬＥＤｓの光学特性を示している。

発光層が、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（クラッド層）／ＧａＮ（活性層）で構成される構造を有する本発明の第１及び第２実施例に係るＬＥＤｓは、配向方向が［０００１］の基板を使用したＬＥＤｓと比較して、図９及び図１０に示したように、光学特性が向上した。

また、第１及び第２実施例に係るＬＥＤｓの光学特性は、基板の配向方向が［１０−１０］である非極性基板を使用したＬＥＤｓと比較すると、多少劣るものの十分である。

しかし、基板の配向方向が［１０−１０］である非極性基板は、結晶状態が不安定で製造工程上の短所があるが、基板の配向方向を［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜（最適の結晶角は５６゜）変化させた本発明の第１及び第２実施例に係る半導体発光ダイオードは、基板の結晶状態が非極性基板より安定で製造工程上の利点がある。

それで、まだ結晶成長技術が成熟していない非極性基板を使用するより、本発明の第１及び第２実施例のように、基板の配向方向を［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜（最適の結晶角は５６゜）変化させた基板に３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の組成を活用して半導体ＬＥＤｓを形成することで、高い製造収率及び高い光効率を得ることができる。

ここで、基板の配向方向が［１０−１０］である非極性基板と、配向方向を［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜（最適の結晶角は５６゜）変化させた基板の結晶状態に対する理論的モデルは、［Ｋ．Ｎｉｓｈｉｚｕｋａ等，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，２００５年，第８７巻，２３１９０１頁］を根拠とする。

また、光利得に対する理論的モデルは、［Ｄ．Ａｈｎ，Ｐｒｏｇ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９９７年，第２１巻，２４９；Ｄ．Ａｈｎ，ＩＥＥＥ Ｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９９８年，第３４巻，３４４頁］を根拠とする。

前記で説明した本発明の第１及び第２実施例では、第１及び第２クラッド層（１２０、２２０、１４０、２４０）と活性層（１３０、２３０）が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、窒素（Ｎ）のような物質を使用したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体であるものを説明したが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体だけではなく、ＺｎＯ、ＣｄＭｇＺｎＯのようにＩＩ−ＶＩ族の酸化物半導体も適用することができる。

図１１は、本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。

図１１を参照すると、本発明の第３実施例に係る３元系酸化物半導体発光ダイオード３００は、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜６０゜（最も好ましくは、５６゜）傾斜した配向方向を有した基板上に成長して、導電性不純物がドーピングされたバッファ層３５０と、バッファ層３５０上に形成された発光層３１０と、バッファ層３５０の下部に形成された第１電極３６０と、発光層３１０上部に形成された第２電極３７０とで構成される。

発光層３１０は、バッファ層３５０を経由して引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第１クラッド層３２０と、第２電極３７０から引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第２クラッド層３４０と、第１クラッド層３２０と第２クラッド層３４０間に形成されて光を発生させる活性層３３０とで構成される。

発光層３１０を構成する活性層３３０、第１クラッド層３２０及び第２クラッド層３４０は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレニウム（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、酸素（Ｏ）などのＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて形成される酸化物半導体層である。

活性層３３０は、ＺｎＯのようにＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて量子井戸層が形成される単結晶の半導体層である。

そして、活性層３３０を間に置いて形成される第１クラッド層３２０及び第２クラッド層３４０は、ＭｇＺｎＯのように、３元系のＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて形成される単結晶の半導体層である。

このような構成を有する発光ダイオード３００の下部に形成された第１電極３６０と、発光ダイオード３００の上部に形成された第２電極３７０に電界が引加されると、両電極（３６０、３７０）を通じて引加される電界によるエネルギーが発光層３１０で光に変換されて発光する。

本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤ３００は、第１クラッド層３２０及び第２クラッド層３４０を構成するＭｇ_ＪＺｎ_１−ＪＯの３元系化合物の中で、マグネシウム（Ｍｇ）と亜鉛（Ｚｎ）の組成比を調節して発光層３１０に形成されるピエゾ電界及び内部電界を最小化させる。

ここで、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊは、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内であり、これによって亜鉛（Ｚｎ）は、０．６７≦Ｚｎ＜１範囲の組成比を有する。

このような組成比を有する第１クラッド層３２０及び第２クラッド層３４０は、不完全な異種結晶成長技術の短所のためにダイオード製作時に欠点が多い［１０−１０］配向方向を有する非極性基板の代わりに、［０００１］結晶軸に配向した基板上に［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向を有するように成長させた半導体層である。

本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤ３００は、前記で説明した配向方向条件下でピエゾ電界及び自発分極現象による発光層３１０の内部電界を減らすとともに、マグネシウム（Ｍｇ）と亜鉛（Ｚｎ）の組成比を調節して、発光層３１０で発生する光の効率を向上させることができる。

図１２は、本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオード３００において、発光層に引加されるピエゾ電界を示すグラフである。図１３は、本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオード３００において、発光層３１０に引加される内部電界を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。図１２及び図１３は、発光層３１０が、ＺｎＯ（活性層）／Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（クラッド層）で構成される場合の結果値を示す。

図１２を参照すると、［０００１］配向方向を基準に１５゜配向方向を変化させた基板上にＺｎＯ（活性層）／Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（クラッド層）を成長させたとき、ピエゾ電界、自発分極及び内部電界が消滅（最小値）し、一方、結晶角（θ）を５０゜〜６０゜変化させた基板上にＺｎＯ（活性層）／Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（クラッド層）を成長させたとき、自発分極及び内部電界の絶対値が最大になることが分かる。

図１３を参照すると、本発明の第１及び第２実施例に係るＩＩＩ−Ｖ族半導体ＬＥＤｓは、基板の結晶角（θ）が５６゜のとき、最小のピエゾ電界及び内部電界を有することが分かる。

一方、本発明の第３実施例に係るＩＩ−ＶＩ族半導体ＬＥＤは、基板の結晶角（θ）が１５゜のときに内部電界が最小値を示し、基板の結晶角（θ）が５０゜〜６０゜のときに内部電界の絶対値が最大を示す。

図１４〜図１７は、活性層に拘束された正孔の分布を結晶角（θ）の関数で示したグラフである。

ここで、図１４は基板の結晶角（θ）が０゜のとき、図１５は基板の結晶角（θ）が２０．６゜のとき、図１６は基板の結晶角（θ）が６０゜のとき、図１７は基板の結晶角（θ）が９０゜のとき、それぞれの量子井戸構造を有する活性層に拘束された正孔の分布を示す。

このような、基板の結晶角（θ）による活性層に拘束された正孔の分布の理論的モデルは、［Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ ａｎｄ Ｓ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１９９９年，第Ｂ５９巻，４７２５頁］を根拠とする。

図１８は、本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤにおいて、光利得を結晶角（θ）の関数で示したグラフで、活性層はＺｎＯ、クラッド層はＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏで構成される。

図１８を参照すると、光利得は、結晶角（θ）が約５０゜の時に最大になることが分かる。

このような、光利得の理論的モデルは、［Ｄ．Ａｈｎ，Ｐｒｏｇ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９９７年，第２１巻，２４９；Ｄ．Ａｈｎ，ＩＥＥＥ Ｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９９８年，第３４巻，３４４頁］を根拠とする。

以上の結果から、本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤ３００は、発光層３１０がＺｎＯ（活性層）／Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（クラッド層）で構成されて、基板の配向方向が［０００１］配向方向を基準に５０゜の結晶角（θ）だけ［１１−２２］配向方向の方向に傾斜した配向方向を有するとき、内部電界が消滅せずに光利得が最大値になることが分かる。

これは、酸化物半導体固有の特性で、結晶角（θ）が１５゜のときの内部電界の消滅によって得られる光利得より、結晶角（θ）が５０゜のときの内部電界の消滅で得られる光利得がさらに大きいからである。

図１９及び図２０を参照して、結晶角（θ）が５０゜のとき、光利得が最大になる原理を説明することにする。

正孔の有効質量と光利得を決定する光学行列要素は、結晶角（θ）によって変化する。ここで、光利得は正孔の有効質量に反比例して、行列要素に比例する。

電子構造及び内部電界の結果、基板の配向方向が、［０００１］配向方向を基準に５０゜の結晶角（θ）だけ［１１−２２］配向方向の方向に傾斜したとき、半導体発光ダイオードは最適な光特性を有する。

これは、発光層３１０内部の複雑な電子構造によって現われるＩＩ−ＶＩ族酸化物の半導体ダイオードが有している固有の特性である。

本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤ３００は、不完全な異種結晶成長技術のためにダイオード製作時の欠点が多い非極性基板の代わりに、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に３０゜〜７０゜（最も好ましくは、５０゜）傾斜した配向方向を有した基板上に、ＩＩ−ＶＩ族３元系酸化物発光ダイオードを形成することで、高い製造収率及び向上した光効率を得ることができる。

ここで、基板の配向方向が［１０−１０］である非極性基板と、配向方向を［１１−２２］結晶軸の方向に５０゜変化させた基板の結晶状態に対する理論的モデルは、［Ｋ．Ｎｉｓｈｉｚｕｋａ等，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，２００５年，第８７巻，２３１９０１頁］を根拠とする。

図２１は、本発明の第４実施例に係る半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。

図２１に示された本発明の第４実施例に係る半導体発光ダイオード４００は、図１１に示された本発明の第３実施例に係る半導体発光ダイオード３００とその構成及び効果において、発光層（３１０、４１０）の構成以外の部分は同一な構成を有し、それによって同一な効果を有するので、これに対する詳細な説明は、本発明の第３実施例の説明を参照することとする。

図２１を参照すると、本発明の第４実施例に係る４元系化合物半導体発光ダイオード４００は、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０°傾斜した配向方向を有するように成長して、導電性不純物がドーピングされたバッファ層４５０と、バッファ層４５０上に形成された発光層４１０と、バッファ層４５０の下部に形成された第１電極４６０と、発光層４１０上に形成された第２電極４７０とで構成される。

発光層４１０は、バッファ層４５０を経由して引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第１クラッド層４２０と、第２電極４７０から引加される電界から発光のためのキャリアを発生させる第２クラッド層４４０と、第１クラッド層４２０と第２クラッド層４４０間に形成されて光を発生させる活性層４３０とで構成される。

発光層４１０を構成する活性層４３０、第１クラッド層４２０及び第２クラッド層４４０は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレニウム（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、酸素（Ｏ）などのＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて形成される酸化物半導体層である。

活性層４３０は、ＺｎＯのようにＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて量子井戸層が形成される単結晶の半導体層である。

そして、活性層４３０を間に置いて形成される第１クラッド層４２０及び第２クラッド層４４０は、ＣｄＭｇＺｎＯのように、４元系のＩＩ−ＶＩ族の物質を組み合わせて形成される単結晶の半導体層である。

このような構成を有する発光ダイオード４００の下部に形成された第１電極４６０と、発光ダイオード４００の上部に形成された第２電極４７０に電界が引加されると、両電極（４６０、４７０）を通じて引加される電界によるエネルギーが、発光層４１０で光に変換されて発光する。

第１クラッド層４２０及び第２クラッド層４４０を構成するＣｄ_ＫＭｇ_ＪＺｎ_{１−Ｋ−Ｊ}Ｏの４元系化合物の中でカドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）の組成比を調節して、発光層４１０の光効率を向上させる。

ここで、カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｋは、０＜Ｋ≦０．３の範囲内であり、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊは、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内であり、これによって亜鉛（Ｚｎ）は、０．３７≦Ｚｎ＜１の範囲の組成比を有する。

このような組成比を有する第１クラッド層４２０及び第２クラッド層４４０は、不完全な異種結晶成長技術のためにダイオード製作時に欠点が多い［１０−１０］結晶軸に配向した非極性基板の代わりに、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に３０゜〜７０゜（最も好ましくは、５０゜）傾斜した配向方向を有した基板上に成長する半導体層である。

本発明の第４実施例に係る半導体ＬＥＤ４００は、前述した配向方向条件下でカドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）の組成比を調節することにより、発光層４１０で発生する光の効率を向上することができる。

図１８に示したように、本発明の第３実施例に係る半導体ＬＥＤ４００は、発光層３１０がＺｎＯ（活性層）／Ｃｄ_ＫＭｇ_ＪＺｎ_{１−Ｋ−Ｊ}Ｏ（クラッド層）で構成されて、基板の配向方向が［０００１］配向方向を基準に５０゜の結晶角（θ）だけ［１１−２２］配向方向の方向に傾斜した配向方向を有するとき、内部電界が消滅せずに光利得が最大値になることが分かる。

これは、酸化物半導体固有の特性で、結晶角（θ）が１５゜の時の内部電界の消滅によって得られる光利得より、結晶角（θ）が５０゜の時の内部電界の消滅で得られる光利得がさらに大きいからである。

図２２〜図２８は、本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。

図２２〜図２８を参照して、本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法について説明することにする。

本発明の実施例に係る半導体発光ダイオードの製造方法は、窒化物または酸化物半導体を成長する基板として、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＢ、ＣｒＢなどを使用する。

化合物半導体を基板の上で直接成長させる場合、格子不一致などによって満足な結晶が形成され得ない。このような場合、バッファ層（例：ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ）を先に基板上に成長した後、化合物半導体を追加で成長して高品質の結晶の生成することができる。

図２３を参照すると、［０００１］配向方向を有する半導体基板１０２上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸（例えば、Ｃ軸）の方向に、３０゜〜７０゜結晶軸（配向方向）を変化させて配向するように、半導体基板１０２上にＧａＮ（ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体に適用）またはＺｎＯ（ＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体に適用）で単結晶の犠牲層１０３を形成する。

ここで、結晶軸（配向方向）の最適角度は、発光ダイオードの発光層が本発明の第１及び第２実施例のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体の場合には５６゜で、本発明の第３及び第４実施例のように、ＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体の場合には５０゜である。また、本発明の第３及び第４実施例のように、ＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体の場合に内部電界が消滅する結晶軸（配向方向）は、１５゜である。

このような、犠牲層１０３は、次の二つの方法で形成する。

一番目として、半導体基板１０２上にＧａＮまたはＺｎＯ物質を成長させると、初期に色々な配向方向を有する面が生成される。色々な方向の中で［１１−２２］配向方向を有する面を選択的に成長させて前記で説明したように、１５゜、５０゜及び５６゜に配向方向を変化させて犠牲層１０３を形成する。

二番目として、［０００１］配向方向を有する半導体基板１０２上に、［０００１］配向方向を有する犠牲層を形成する。以後、成長した犠牲層を［１１−２２］配向方向にエッチングするか、［１１−２２］配向方向に傾かせた状態で再成長させて配向方向が１５゜、５０゜、５６゜に変化した犠牲層１０３を形成する。

以後、図２３に示したように、バッファ層１５０は、窒素源としてジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ；Ｎ_２Ｈ_２（ＣＨ_３）_２）を使用して犠牲層１０３上に形成される。

このようなバッファ層１５０は、垂直構造の発光ダイオードを形成させるために導電性不純物をドーピングして形成される。

ここで、バッファ層１５０は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＳｉＣのうちいずれか１つを使用し、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘ、ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｙ、亜鉛（Ｚｎ）の組成比Ｚは、０＜Ｘ＜１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１の範囲を有する。

窒化物または酸化物のバッファ層１５０を形成するときに使用される原料（ｓｏｕｒｃｅ）は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）である。

次に、図２４に示したように、バッファ層１５０上にＡｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮの３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体または、Ｃｄ_ＩＭｇ_ＪＺｎ_{１−Ｉ−Ｊ}Ｏの４元系酸化化合物半導体、または、Ｍｇ_ＪＺｎ_１−ＪＯの３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体を単結晶で成長させて第１クラッド層１２０を形成する。

ここで、第１クラッド層１２０が、ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの４元系化合物で形成される場合に、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘ、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｙ、ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｚを所定比で組み合わせる。ここで、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ≦０．３の範囲内、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｙは、０＜Ｙ≦０．３の範囲内、ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｚは、０．４≦Ｚ＜１の範囲内である。

また、第１クラッド層１２０が、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮの３元系化合物で形成される場合に、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘは、０＜Ｘ≦０．３の範囲内、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｙは、０＜Ｙ≦０．３の範囲内、ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｚは、０．４≦Ｚ＜１の範囲内である。

一方、第１クラッド層１２０が、ＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体Ｃｄ_ＩＭｇ_ＪＺｎ_{１−Ｉ−Ｊ}Ｏの４元系化合物で形成される場合に、カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｉ、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊ、亜鉛（Ｚｎ）の組成比を所定比で組み合わせる。ここで、カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｉは、０＜Ｉ≦０．３の範囲内、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊは、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内であり、これにより亜鉛（Ｚｎ）の組成比は、０．３７≦Ｚｎ＜１の範囲を有する。

また、第１クラッド層１２０が、Ｍｇ_ＪＺｎ_１−ＪＯの３元系化合物で形成される場合に、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊは、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内、亜鉛（Ｚｎ）の組成比は、０．６７≦Ｚｎ＜１の範囲内である。

次に、図２５に示したように、第１クラッド層２２０上にＧａＮのＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体または、ＺｎＯのＩＩ−ＶＩ族酸化化合物半導体を単結晶で成長させて活性層１３０を形成する。

次に、図２６に示したように、活性層１３０上に第２クラッド層１４０を形成する。第２クラッド層１４０は、その内部にデルタドーピング層を形成する以外は、図２４に示された第１クラッド層１２０の構成と同一な構成を有し、同一な方法で形成される。

また、第１クラッド層１２０と第２クラッド層１４０を構成する同一物質の組成比は、許容される範囲中で互いに異なるように構成する。

一方、第２クラッド層１４０は、図４に示したように、ｐ型デルタドーピング層１８０を形成することができる。このようなｐ型デルタドーピング層１８０は、図２９及び３０に示された方法で形成することができる。

Ｐ型デルタドーピング層１８０は、第２クラッド層１４０を形成する過程中に形成される。図２９に示したように、ｐ型デルタドーピング層１８０は、第２クラッド層１４０を構成する４元系または３元系化合物を用いて１つまたは２つの膜を形成した後、該膜にマグネシウム（Ｍｇ）のようなｐ型の物質をスパッタリング、蒸着またはインプラントすることによって形成される。

デルタドーピング層１８０と活性層１３０は互いに近ければ近いほど、半導体ＬＥＤの光学特性は向上する。

次に、図３０に示したように、ｐ型デルタドーピング層１８０上に、第２クラッド層１４０の残りの層を形成して第２クラッド層１４０を形成する。

ここで、第１クラッド層１２０と第２クラッド層１４０を構成するそれぞれの物質の組成比を、許容される範囲の中で互いに対称をなすように形成することができる。

具体的に、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比が一定範囲内である場合、第１クラッド層１２０のアルミニウム（Ａｌ）が第１組成比を有すると、第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）は、第１の組成比と異なる第２組成比を有する。

このように、第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のアルミニウム（Ａｌ）の組成比を対称的に調節して活性層１３０に引加される応力を相殺させ、自発分極現象を防止することができる。

クラッド層に用いられる元素としてアルミニウム（Ａｌ）を例に挙げたが、アルミニウム（Ａｌ）だけでなくインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）も、このように第１クラッド層１２０と第２クラッド層１４０で組成比を対称的に形成することができる。

ＺｎＯ／ＣｄＭｇＺｎＯのＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体でも、このように第１クラッド層１２０及び第２クラッド層１４０のカドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）の組成比を対称的に調節して活性層に引加される応力を相殺させ、自発分極現象を防止することができる。

次に、図２７に示したように、基板１０２とバッファ層１５０間に形成されている犠牲層１０３を化学的に除去して、基板１０２と化合物半導体（１２０、１３０、１４０、１５０）を分離させる。

ここで、犠牲層１０３を除去して基板１０２と化合物半導体（１２０、１３０、１４０、１５０）を分離させる工程は、バッファ層１５０上に第１クラッド層１２０を形成した後に実施することもできる。

このような場合、バッファ層１５０と第１クラッド層１２０を順次形成した後、第１クラッド層１２０上に活性層１３０と第２クラッド層１４０とを順次形成する。

次に、図２８に示したように、バッファ層１５０の下面に導電性物質で第１電極１６０を形成して、第２クラッド層１４０の上面に導電性物質で第２電極１７０を形成して半導体発光ダイオードの製造を完了する。

以上、説明した内容を通じて当業者なら本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが理解できるであろう。したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載した内容に限定されるのではなく、特許請求の範囲によって決定される。

以上で説明した本発明の一実施例に係る半導体発光ダイオードにおいて、発光層は、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸方向に４０゜〜７０゜傾斜した方向に基板に形成される。そして、第１、２クラッド層を構成するＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体の組成が制御される。その結果、活性層に引加される応力を除去して、自発分極を防止することができる。したがって、発光ダイオードは、向上した発光効率を示す。

Claims (49)

1. ［０００１］結晶軸方向に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
   該バッファ層上に形成された発光層と、
   前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
   前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
   前記発光層は、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成される活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含むことを特徴とする３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
2. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
3. 前記活性層が、ＧａＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなることを特徴とする請求項１に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
4. ＧａＮまたはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮにおいてインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
5. 前記第１及び第２クラッド層が、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ及びＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
6. 前記第１及び第２クラッド層がＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる場合、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
7. 前記第１及び第２クラッド層がＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる場合、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
8. 前記第１及び第２クラッド層がＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎからなる場合、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
9. 前記第１及び第２クラッド層のうち少なくとも１つのクラッド層が、ｐ型デルタドーピング層を含むことを特徴とする請求項１に記載の３元系または４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
10. ［０００１］結晶軸方向に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と、
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層の上部に形成された第２クラッド層とを含み、
    前記第１クラッド層が、第１組成比を有する第１物質を含み、前記第２クラッド層が、前記第１物質第２組成比を有する第２物質を含み、前記第１物質と前記第２物質は同じ物質であり、前記第１組成比と前記第２組成比が異なることを特徴とする３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
11. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１０に記載の３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
12. 前記第１及び第２物質が、インジウム（Ｉｎ）およびアルミニウム（Ａｌ）のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項１０に記載の３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
13. 前記第１及び第２物質がインジウム（Ｉｎ）の場合、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、前記第１及び第２物質が、０＜Ｘ≦０．３の範囲内で互いに異なるインジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘを有することを特徴とする請求項１２に記載の３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
14. 前記第１及び第２物質がアルミニウム（Ａｌ）の場合、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であり、前記第１及び第２物質が、０＜Ｙ≦０．３の範囲内で互いに異なるアルミニウム（Ａｌ）組成比Ｙを有することを特徴とする、請求項１２に記載の３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
15. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含み、
    前記第１クラッド層が、第１組成比を有する第１物質および第２組成比を有する第２物質を含み、前記第２クラッド層が、前記第１物質と同じ物質で前記第１組成比と異なる組成比を有する第２物質を含むことを特徴とする４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
16. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１５に記載の４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
17. 前記第１及び第３物質が、インジウム（Ｉｎ）であり、インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、
    前記第２及び第４物質がアルミニウム（Ａｌ）であり、アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であることを特徴とする請求項１５に記載の４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
18. 前記第１物質及び第３物質が、０＜Ｘ≦０．３の範囲内で互いに異なるインジウム（Ｉｎ）組成比Ｘを有し、
    前記第２物質と第４物質が、０＜Ｙ≦０．３の範囲内で互いに異なるアルミニウム（Ａｌ）組成比を有することを特徴とする請求項１７に記載の４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光ダイオード。
19. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と、
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含むことを特徴とする３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
20. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１９に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
21. 前記活性層が、ＺｎＯまたはＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯからなることを特徴とする請求項１９に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
22. 前記活性層においてマグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項２１に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
23. 前記第１及び第２クラッド層が、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ及びＣｄ_ＹＭｇ_ＸＺｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｏのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項１９に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
24. 前記第１及び第２クラッド層がＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯからなる場合、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３３の範囲内であることを特徴とする請求項２３に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
25. 前記第１及び第２クラッド層がＣｄ_ＹＭｇ_ＸＺｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｏからなる場合、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３３の範囲内であり、カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲であることを特徴とする請求項２３に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
26. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と、
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含み、
    前記第１クラッド層が、第１組成比を有する第１物質を含み、前記第２クラッド層が、第２組成比を有する第２物質を含み、前記第１物質と前記第２物質は同じ物質であり、前記第１組成比と前記第２組成比が異なることを特徴とする３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
27. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項２６に記載の３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
28. 前記第１及び第２物質が、マグネシウム（Ｍｇ）及びカドミウム（Ｃｄ）のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項２６に記載の３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
29. 前記第１及び第２物質が、マグネシウム（Ｍｇ）であり、
    前記第１及び第２物質においてマグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３３の範囲内で互いに異なることを特徴とする請求項２８に記載の３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
30. 前記第１及び第２物質が、カドミウム（Ｃｄ）であり、
    前記第１及び第２物質においてカドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３３の範囲内で互いに異なることを特徴とする請求項２８に記載の３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
31. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と、
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上部に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含み、
    前記第１クラッド層が、第１組成比を有する第１物質と、第２組成比を有する第２物質とを含み、
    前記第２クラッド層が、前記第１組成比と異なる第３組成比を有する前記第１物質と同一な第３物質と、前記第２組成比と異なる第４組成比を有する前記第２物質と同一な第４物質とを含むことを特徴とする４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
32. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項３１に記載の４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
33. 前記第１及び第３物質が、マグネシウム（Ｍｇ）であり、
    前記第２及び第４物質が、カドミウム（Ｃｄ）であることを特徴とする請求項３１に記載の４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
34. 前記第１及び第３物質が、マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｘにおいて０＜Ｘ≦０．３３の範囲内で互いに異なることを特徴とする請求項３３に記載の４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
35. 前記第２及び第４物質が、カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｙにおいて０＜Ｙ≦０．３の範囲内で互いに異なることを特徴とする請求項３３に記載の４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
36. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に１５゜の角度で傾斜した配向方向に成長し、導電性不純物がドーピングされたバッファ層と、
    該バッファ層上に形成された発光層と、
    前記バッファ層の下部に形成された第１電極と、
    前記発光層上に形成された第２電極とを含み、
    前記発光層が、前記バッファ層上に形成された第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２クラッド層とを含むことを特徴とする３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
37. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣ中のうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項３６に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
38. 前記第１及び第２クラッド層が、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯまたはＣｄ_ＹＭｇＸＺｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｏからなることを特徴とする請求項３６に記載の３元系または４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体発光ダイオード。
39. ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に４０゜〜７０゜傾斜した配向方向を有する犠牲層を成長する工程と、
    前記犠牲層上に導電性不純物がドーピングされたバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層上に発光層を形成する工程と、
    前記犠牲層を除去する工程と、及び
    前記バッファ層下部に第１電極を形成し、前記発光層上部に第２電極を形成する工程とを含むことを特徴とする３元系または４元系化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
40. 前記犠牲層を形成する工程が、
    基板上にＧａＮまたはＺｎＯを成長して複数の初期配向方向を有する結晶を形成する工程と、
    ［０００１］結晶軸を基準に［１１−２２］結晶軸の方向に１５゜、あるいは、４０゜〜７０゜傾斜した面を有する結晶を選択的に成長させる工程とを含むことを特徴とする請求項３９に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
41. バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項４０に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
42. 前記犠牲層を形成する工程は、
    ［０００１］結晶軸に配向した基板上に、［０００１］結晶軸に配向した犠牲層を成長する工程と、
    ［１１−２２］配向方向に犠牲層をエッチングするかまたは傾けて配置し、［１１−２２］配向方向を有する結晶面を得る工程と、
    ［１１−２２］結晶軸に配向した結晶面を成長して犠牲層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項３９に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
43. 前記バッファ層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ及びＳｉＣのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項４２に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
44. 前記発光層を形成する工程が、
    前記バッファ層上に、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、ＡｌＸＧａ_１−ＸＮまたはＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮの３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、Ｃｄ_ＩＭｇ_ＪＺｎ_{１−Ｉ−Ｊ}Ｏの４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体、または、ＭｇＪＺｎ_１−ＪＯの３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を単結晶で成長して第１クラッド層を形成する工程と、
    前記第１クラッド層上にＧａＮで構成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体またはＺｎＯで構成されたＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体を単結晶で成長して活性層を形成する工程と、
    前記活性層上にＡｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎの４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮまたはＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮの３元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、Ｃｄ_ＩＭｇＪＺｎ_{１−Ｉ−Ｊ}Ｏの４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体、または、Ｍｇ_ＪＺｎ_１−ＪＯの３元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体中を単結晶で成長して第２クラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項３９に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
45. 前記第１及び第２クラッド層が、４元系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体であるＡｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎで構成され、
    アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、 インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であり、 ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｚが、０．４＜Ｚ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項４４に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
46. 前記第１及び第２クラッド層が、３元系化合物であるＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮまたはＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮで構成され、
    アルミニウム（Ａｌ）の組成比Ｘが、０＜Ｘ≦０．３の範囲内であり、
    インジウム（Ｉｎ）の組成比Ｙが、０＜Ｙ≦０．３の範囲内であり、
    ガリウム（Ｇａ）の組成比Ｚが、０．４＜Ｚ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項４４に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
47. 前記第１及び第２クラッド層が、４元系ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体であるＣｄ_ＩＭｇＪＺｎ_{１−Ｉ−Ｊ}Ｏで構成され、
    カドミウム（Ｃｄ）の組成比Ｉが、０＜Ｉ≦０．３の範囲内であり、
    マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊが、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内であり、
    亜鉛（Ｚｎ）の組成比が、０．３７≦Ｚｎ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項４４に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
48. 前記第１及び第２クラッド層が、３元系化合物であるＭｇ_ＪＺｎ_１−ＪＯで構成され、
    マグネシウム（Ｍｇ）の組成比Ｊが、０＜Ｊ≦０．３３の範囲内であり、
    亜鉛（Ｚｎ）の組成比が、０．６７≦Ｚｎ＜１の範囲内であることを特徴とする請求項４４に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
49. 前記第１及び第２クラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層にｐ型デルタドーピング層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４４に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。

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