JP2023177714A - 発光素子および発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層の品質を向上させること。【解決手段】第２活性層３１６は、歪緩和層３１６ＡとＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層３１６Ｂを順に積層させた構造である。歪緩和層３１６Ａは、障壁層と井戸層を順に積層させたＳＱＷ構造であり、発光しないように井戸層の厚さを薄く調整した量子井戸構造である。障壁層はＡｌＧａＮ、井戸層はＩｎＧａＮである。歪緩和層３１６Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば４００～４６０ｎｍである。【選択図】図１５

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子に関するものであり、特に異なる発光色の活性層が中間層を介して積層された構造を有する発光素子に関するものである。また、その製造方法に関するものである。

近年、ディスプレイの高精細化が求められており、１ピクセルを１～１００μｍオーダーの微細なＬＥＤとするマイクロＬＥＤディスプレイが注目されている。フルカラーとする方式は各種知られているが、たとえば青、緑、赤の各色を発光する３つの活性層を同一基板上に順に積層する方式が知られている。この場合、各活性層を個別に駆動するために、活性層の間に中間層を形成する必要がある。

特許第５８５４４１９号公報

緑色や赤色の発光の場合、Ｉｎ組成比の高いＩｎＧａＮが必要となる。しかし、格子不整合によって歪が発生し、高品質なＩｎＧａＮを形成することができなかった。

そこで本発明の目的は、活性層の品質を向上させることである。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子において、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、前記ｎ層上に設けられ、所定の発光波長の第１活性層と、前記第１活性層上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられ、前記第１活性層よりも発光波長が長い第２活性層と、前記第２活性層側から前記中間層に達する溝と、前記第２活性層上に設けられ、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１のｐ層と、前記溝底面に露出する前記中間層上に設けられ、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２のｐ層と、前記第１のｐ層上に設けられた第１のｐ電極と、前記第２のｐ層上に設けられた第２のｐ電極と、を有し、前記第２活性層は、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定されている、ことを特徴とする発光素子である。

また本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法において、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、前記ｎ層上に所定の発光波長の第１活性層を形成する工程と、前記第１活性層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層を成長温度８３０～１０００℃で形成する工程と、前記中間層上に、前記第１活性層よりも発光波長が長い第２活性層を形成する工程と、前記第２活性層側から前記中間層に達する溝を形成する工程と、前記第２活性層上と前記溝底面に露出する前記中間層上に、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１のｐ層と第２のｐ層をそれぞれ形成する工程と、前記第１のｐ層上と前記第２のｐ層上に、第１のｐ電極と第２のｐ電極をそれぞれ形成する工程と、を有し、前記第２活性層は、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させて形成し、前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定する、することを特徴とする発光素子の製造方法である。

本発明において、前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記第１活性層の発光波長と等しくなるように設定されていてもよい。

本発明において、前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する発光が前記発光層の発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くなるように設定されていてもよい。

本発明において、前記歪緩和層は、ＳＱＷ構造であってもよい。

本発明において、前記第２活性層の厚さに対する前記第１活性層の厚さの比が３０％以下であってもよい。

本発明によれば、活性層の品質を向上させることができる。

第１実施形態の発光素子の構成を示した図。 変形例の発光素子の構成を示した図。 変形例の発光素子の構成を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第３活性層１８の表面を撮影したＡＦＭ像。 駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフ。 第２実施形態の発光素子の構成を示した図。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 第３実施形態の発光素子の構成を示した図。 第３活性層１８の表面を撮影したＡＦＭ像。 駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフ。 実験例１の発光素子の構成を示した図。 第１実施形態の発光素子の等価回路を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図を参照に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発光素子の構成を示した図である。第１実施形態の発光素子は青、緑、赤のそれぞれを発光可能である。また、第１実施形態の発光素子は、基板の裏面側から光を取り出すフリップチップ型であり、図示しない実装基板にフェイスダウンで実装されている。なお、第１実施形態は１ピクセルが１チップの構造であるが、モノリシック型であってもよい。つまり、第１実施形態の素子構造が同一基板上にマトリクス状に配列されたマイクロＬＥＤディスプレイ素子としてもよい。

第１実施形態の発光素子は、図１に示すように、基板１０と、ｎ層１１と、ＥＳＤ層１２と、下地層１３と、第１活性層１４と、第１中間層１５と、第２活性層１６と、第２中間層１７と、第３活性層１８と、保護層１９と、再成長層２０Ａ～２０Ｃと、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと、ｐ層２２Ａ～２２Ｃと、ｎ電極２３と、ｐ電極２４Ａ～２４Ｃと、を有している。

基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる成長基板である。たとえば、サファイア、Ｓｉ、ＧａＮなどである。

ｎ層１１は、低温バッファ層や高温バッファ層（図示しない）を介して基板１０上に設けられたｎ型の半導体である。ただし、バッファ層は必要に応じて設ければよく、基板がＧａＮである場合などにはバッファ層を設けなくともよい。ｎ層１１は、たとえばｎ－ＧａＮ、ｎ－ＡｌＧａＮなどである。Ｓｉ濃度は、たとえば１×１０^１８～１００×１０^１８ｃｍ^－３である。

ＥＳＤ層１２は、ｎ層１１上に設けられた半導体層であり、静電耐圧向上のために設ける層である。ＥＳＤ層１２は必要に応じて設ければよく、省略してよい。ＥＳＤ層１２は、たとえば、ノンドープまたは低濃度にＳｉがドープされたＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮである。

下地層１３は、ＥＳＤ層１２上に設けられた超格子構造の半導体層であり、下地層１３上に形成される半導体層の格子歪みを緩和するための層である。下地層１３も必要に応じて設ければよく、省略してもよい。下地層１３は、組成比の異なるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜（たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮのうち２つ）を交互に積層させたものであり、ペア数はたとえば３～３０である。ノンドープでもよいし、Ｓｉを１×１０^１７～１００×１０^１７ｃｍ^－３程度ドープしてもよい。また、歪を緩和できるのでれば超格子構造である必要はない。第１活性層１４とのヘテロ界面で格子定数差が小さくなるような材料であればよく、たとえば、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＧａＩｎ層であってもよい。

第１活性層１４は、下地層１３上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は青色であり、４３０～４８０ｎｍである。第１活性層１４はＡｌＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。

第１中間層１５は、第１活性層１４上に設けられた半導体層であり、第１活性層１４と第２活性層１６の間に位置している。第１中間層１５は、第１活性層１４からの発光と第２活性層１６からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第２溝３１を形成する際に第１活性層１４をエッチングダメージから保護する役割も有する。

第１中間層１５の材料は、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体であり、たとえばＩｎＧａＮとするのがよい。Ｉｎによるサーファクタント効果によって第１中間層１５表面の荒れを抑制し、表面平坦性を向上させることができる。また、格子歪みを緩和させることができる。第１中間層１５のＩｎ組成比（ＩＩＩ族窒化物半導体のＩＩＩ族金属全体に占めるＩｎのモル比）は、第１活性層１４および第２活性層１６から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。好ましいＩｎ組成比は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下である。Ｉｎ組成比が１０％よりも大きいと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となる。Ｉｎは０％よりも大きければ任意であり、ドープレベル（混晶を形成しないレベル）でもよい。たとえばＩｎ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下のＧａＮである。

また、第１中間層１５には不純物がドープされていてもよい。好ましくはｎ型不純物である。たとえば、Ｓｉ濃度が１×１０^１７～１０００×１０^１７ｃｍ^－３、好ましくは１０×１０^１７～１００×１０^１７ｃｍ^－３、さらに好ましくは２０×１０^１７～８０×１０^１７ｃｍ^－３であってもよい。

第１中間層１５の厚さは、２０～１５０ｎｍとすることが好ましい。１５０ｎｍよりも厚いと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となり得る。また、２０ｎｍよりも薄いと、後述の第２溝３１を形成する際に第２溝３１の深さを第１中間層１５内とする制御が難しくなる可能性がある。より好ましくは３０～１００ｎｍ、さらに好ましくは５０～８０ｎｍである。

第２活性層１６は、第１中間層１５上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は緑色であり、５１０～５７０ｎｍである。第２活性層１６はＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第１活性層１４のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。

第２中間層１７は、第２活性層１６上に設けられた半導体層であり、第２活性層１６と第３活性層１８の間に位置している。第２中間層１７は、第１中間層１５と同様の理由により設けられたものであり、第２活性層１６からの発光と第３活性層１８からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第３溝３２を形成する際に第２活性層１６をエッチングダメージから保護する役割も有する。

第２中間層１７の材料は、第１中間層１５と同様である。第１中間層１５と第２中間層１７を同一材料としてもよい。また、第２中間層１７にも第１中間層１５と同様に不純物がドープされていてもよい。また、第２中間層１７の厚さも第１中間層１５と同様であり、第１中間層１５と第２中間層１７の厚さを同一としてもよい。ただし、第１中間層１５よりも薄くし、Ｉｎ組成比も第１中間層１５より大きくすることが好ましい。緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３活性層１８は、第２中間層１７上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は赤色であり、５９０～７００ｎｍである。第３活性層１８はＩｎＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第２活性層１６のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。

保護層１９は、第３活性層１８上に設けられた半導体層である。保護層１９は、活性層を保護するとともに、電子ブロック層としても機能する層である。保護層１９は、第３活性層１８の井戸層よりもバンドギャップの広い材料であればよく、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどである。保護層１９の厚さは、２．５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。保護層１９に不純物をドープしてもよく、Ｍｇをドープしてもよい。その場合、Ｍｇ濃度は１×１０^１８～１０００×１０^１８ｃｍ^－３とするのがよい。

保護層１９の一部領域はエッチングされて溝が設けられ、保護層１９から第２中間層１７に達する第３溝３２、第１中間層１５に達する第２溝３１、ｎ層１１に達する第１溝３０が設けられている。

再成長層２０Ａ～２０Ｃは、保護層１９上、第３溝３２底面に露出する第２中間層１７上、第２溝３１底面に露出する第１中間層１５上にそれぞれ設けられている。再成長層２０Ａ～２０Ｃの構成は保護層１９と同様である。

電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃは、再成長層２０Ａ～２０Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、電子が第３活性層１８を超えてしまわないようにブロックする層である。電子ブロック層はＧａＮやＡｌＧａＮの単層でもよいし、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮのうち２以上を積層させた構造や、組成比のみ替えて積層させた構造であってもよい。また、超格子構造としてもよい。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの厚さは、５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。電子ブロック層２１Ａ～２１ＣのＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。

ｐ層２２Ａ～２２Ｃは、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、電子ブロック層２１側から順に第１層、第２層で構成されている。第１層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第１層の厚さは１０～５００ｎｍが好ましく、より好ましくは１０～２００ｎｍ、さらに好ましくは１０～１００ｎｍである。第１層のＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。第２層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第２層の厚さは２～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは４～２０ｎｍ、さらに好ましくは６～１０ｎｍである。第２層のＭｇ濃度は１×１０^２０～１００×１０^２０ｃｍ^－３とするのがよい。

なお、第１実施形態では、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃはそれぞれ分離して設けられているが、一続きにしてもよい（図２参照）。この場合、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面にも再成長層、電子ブロック層、ｐ層が形成されることとなるが、素子の動作にはほとんど影響しない。その理由は次の通りである。ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃがそれぞれ空間的に十分に分離されていれば、ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃの間をつなぐｐ層の抵抗が非常に高いために電流はほとんど流れない。加えて、ホールは移動度が低いため、電極と接触している領域から正孔は横方向に広がらず、電極直下のｐｎジャンクションを縦方向へ支配的に流れる。そのため再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃが一続きであっても素子の動作に影響がないのである。すなわち、ｐ電極２４Ａに電流を流した場合、ｐ電極２４Ａの直下に電流が流れ、その結果ｐ電極２４Ａ直下の活性層が発光し、ｐ電極２４Ｂ、２４Ｃ直下の活性層に電流が流れて発光することはほとんどないのである。

また、図３のように、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面に絶縁膜２７を設けてもよい。この絶縁膜２７は、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを選択成長させる際のマスクを残したものである。

ｎ電極２３は、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上に設けられた電極である。基板１０が導電性材料である場合には、第１溝３０を設けずに基板１０裏面にｎ電極２３を設けてもよい。ｎ電極２３の材料は、たとえばＴｉ／Ａｌである。

ｐ電極２４Ａ～２４Ｃは、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にそれぞれ設けられた電極である。ｐ電極２４Ａ～２４Ｃの材料は、たとえばＡｇ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｏ／Ａｕ、ＩＴＯ、などである。

第１実施形態の発光素子の動作について説明する。第１実施形態の発光素子では、ｐ電極２４Ａとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第３活性層１８から赤色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｂとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第２活性層１６から緑色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第１活性層１４から青色の光を発光させることができる。また、青色、緑色、赤色のうち２以上を同時に発光させることもできる。このように、第１実施形態の発光素子では、電圧を印加する電極の選択によって青、緑、赤の発光を制御することができ、ディスプレイの１ピクセルとして利用することができる。

図１９に第１実施形態の発光素子の等価回路を示す。図１９に示すように、第１実施形態の発光素子は、青色、緑色、赤色のＬＥＤが１素子内に形成された構造であり、１素子でフルカラーの発光を実現することができる。そのため、青色、緑色、赤色のＬＥＤを個別に準備してそれらを同一基板に配列させて１ピクセルのフルカラーの発光素子を作製するよりも、１素子のサイズを非常に小さくすることが可能である。さらに、第１実施形態の構造であれば、青色、緑色、赤色のＬＥＤを個別に準備して配列する工程を省くことができ、製造コストも大幅に低減でき、非常に低コストのフルカラー発光素子、およびそれを応用した発光ディスプレイを実現することができる。

ここで、第１実施形態では、第１中間層１５、第２中間層１７がＩｎを含むため、Ｉｎのサーファクタント効果によって第１中間層１５、第２中間層１７の表面平坦性を向上させることができ、第２活性層１６や第３活性層１８の表面平坦性も向上させることができる。また、下地層１３と第１活性層１４との格子定数差によって生じる格子歪みも緩和させることができる。その結果、第１実施形態の発光素子によれば発光効率を向上させることができる。

次に、第１実施形態の発光素子の製造工程について、図を参照に説明する。

まず、基板１０を用意し、水素や窒素、必要に応じてアンモニアを加えて、基板の熱処理を行う。

次に、基板１０上にバッファ層を形成し、バッファ層上にｎ層１１、ＥＳＤ層１２、下地層１３、第１活性層１４、第１中間層１５、第２活性層１６、第２中間層１７、第３活性層１８、保護層１９を順に形成する（図４参照）。各層の好ましい成長温度は次の通りである。

第１活性層１４の成長温度は、７００～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第１活性層１４は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低いことが好ましい。

第１中間層１５の成長温度は、７００～１０００℃が好ましい。第１活性層１４への熱ダメージを抑制するためである。また、７００℃よりも低いと貫通転位に起因したピットや点欠陥が生じやすくなってしまう。より好ましくは８００～９５０℃、さらに好ましくは８５０～９５０℃である。

第２活性層１６の成長温度は、６５０～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第２活性層１６は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。また、第２活性層１６の成長温度は、第１活性層１４の成長温度よりも低いことが好ましい。

第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度と同様の範囲が好ましい。ただし、第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度よりも低くすることが好ましい。緑色発光の第２活性層１６は、緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３活性層１８の成長温度は、５００～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第３活性層１８は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。また、第３活性層１８の成長温度は、第２活性層１６の成長温度よりも低いことが好ましい。

保護層１９の成長温度は、５００～９５０℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。保護層１９の結晶性向上のためには成長温度が高い方が好ましく、より好ましくは６００～９００℃、さらに好ましくは７００～９００℃である。

次に、保護層１９表面の一部領域を第２中間層１７に達するまでドライエッチングして第３溝３２を形成し、第１中間層１５に達するまでドライエッチングして第２溝３１を形成する（図５参照）。第３溝３２、第２溝３１は、第２中間層１７、第１中間層１５の中間の厚さまでエッチングすることが好ましい。

次に、保護層１９上、第３溝３２によって露出した第２中間層１７上、および第２溝３１によって露出した第１中間層１５上に、再成長層２０Ａ～２０Ｃを形成する。成長温度は保護層１９と同様である。ここで、再成長層２０Ａ～２０Ｃは図２のように一続きとなるように形成してもよい。また、図３のように第３溝３２や第２溝３１の側面に絶縁膜２７を形成し、これをマスクとして再成長層２０Ａ～２０Ｃを選択成長させることで、再成長層２０Ａ～２０Ｃがそれぞれ分離して形成されるようにしてもよい。

次に、再成長層２０Ａ～２０Ｃ上に電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃを形成する。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの成長温度は、７５０～１０００℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。より好ましくは７５０～９５０℃、さらに好ましくは８００～９００℃である。

次に、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ上にｐ層２２Ａ～２２Ｃを形成する（図６参照）。ｐ層２２Ａ～２２Ｃの成長温度は、６５０～１０００℃が好ましい。より好ましくは７００～９５０℃、さらに好ましくは７５０～９００℃である。

次に、ｐ層２２Ｃ表面の一部領域をｎ層１１に達するまでドライエッチングして第１溝３０を形成する（図７参照）。そして、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極２３を形成し、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にｐ電極２４Ａ～２４Ｃを形成する。以上によって第１実施形態の発光素子が製造される。

（第２実施形態）
第２実施形態の発光素子は、図１０に示すように、第１実施形態の発光素子において、第１中間層１５、第２中間層１７を、第１中間層２１５、第２中間層２１７に置き換えたものである。

第１中間層２１５は、第１活性層１４側から順にノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂを積層させた構造である。ノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂは同一材料からなり、ＧａＮまたはＩｎＧａＮである。第１実施形態の第１中間層１５と同様の材料が好ましい。ノンドープ層２１５Ａはノンドープであり、ｎ型層２１５ＢはＳｉドープである。ｎ型層２１５ＢのＳｉ濃度は、１×１０^１７～１０００×１０^１７ｃｍ^－３とすることが好ましい。第１中間層２１５の厚さは、第１中間層１５と同様とすることが好ましい。すなわち、２０～１５０ｎｍとすることが好ましい。また、ノンドープ層２１５Ａの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。エッチング深さの制御性および第１活性層１４へのエッチングダメージを回避するためである。また、ｎ型層２１５Ｂの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。各活性層の発光特性を独立に制御するためである。ｎ型層２１５ＢはＳｉを変調ドープしてもよく、ｎ型層２１５Ｂの一部領域にノンドープの領域があってもよい。

第２中間層２１７は、第２活性層１６側から順にノンドープ層２１７Ａ、ｎ型層２１７Ｂを積層させた構造である。ノンドープ層２１７Ａ、ｎ型層２１７Ｂは、ノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂと同様の構造である。ただし、第１中間層２１５よりも薄くし、Ｉｎ組成比も第１中間層２１５より大きくすることが好ましい。第２中間層１７の場合と同様の理由である。つまり、緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３溝３２は、第２中間層２１７のノンドープ層２１７Ａに達する深さとなっている。このように、ｐ電極２４Ｂ下において第２中間層１７のｎ型層２１７Ｂを除去することで第２活性層１６上にｎ型層が位置しないようにし、第２活性層１６が発光するようにしている。また、第２溝３１は、第１中間層２１５のノンドープ層２１５Ａに達する深さとなっている。これも同様の理由であり、ｐ電極２４Ｃ下において第１中間層１５のｎ型層２１５Ｂを除去することで第１活性層１４上にｎ型層が位置しないようにし、第１活性層１４が発光するようにしている。

ここで、ｐｎ接合間距離について説明する。ｐｎ接合間距離は、ゼロバイアス時に空乏化している膜厚に相当する。ＬＥＤにおいては高濃度のアクセプタ不純物を持つｐ層と、高濃度のドナー不純物を持つｎ層とに挟まれたノンドープもしくは低ドープの活性層の総膜厚に相当する。

第１中間層２１５、第２中間層２１７をノンドープとする場合、ｐｎ接合間距離（空乏層の厚さ）は、ｐ電極２４Ａ下の領域においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ａからドナー不純物を高ドープされたｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８と、第１中間層１５、第２中間層１７を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｂ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｂからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６と、第１中間層１５と、第２中間層１７の一部を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｃ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４と、第１中間層１５の一部を含む膜厚に相当する。

そのため、これら３つの場合でそれぞれｐｎ接合間距離が異なり、駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流が異なってしまう。また、ｐ電極２４Ａに電圧を印加して第３活性層１８を発光させたい場合に、電子と正孔のキャリアがすべての活性層に供給されてしまい、第２活性層１６や第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。同様に、ｐ電極２４Ｂに電圧を印加して第２活性層１６を発光させたい場合に第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。

第２実施形態では、このような問題を中間層の構造で解決している。つまり、第２実施形態では、第１中間層１５をノンドープ層２１５Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層２１５Ｂの２層とし、第２中間層１７をノンドープ層２１７Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層２１７Ｂの２層とし、ｎ型層２１５Ｂ、２１７ＢにＳｉをドープしてｎ型としている。

そのため、ｐｎ接合間距離は、ｐ電極２４Ａ下の領域においては電子ブロック層２１Ａから第２中間層１７のｎ型層２１７Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｂ下の領域においては電子ブロック層２１Ｂから第１中間層１５のｎ型層２１５Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｃ下の領域においては電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離となる。すなわち、すべての電極下におけるｐｎ接合間距離は、複数の活性層を含まず、１つの活性層と中間層のうちノンドープ層とを含む総膜厚に相当することとなる。ここで、第１中間層２１５のノンドープ層２１５Ａ、第２中間層１７のノンドープ層２１７Ａの厚さを適切に制御することで、これら３つの場合でｐｎ接合間距離を等しくすることができる。その結果、これら３つの場合で駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流のばらつきを抑えることができ、均一な制御が可能となる。さらに、これら３つの場合でｐｎ接合間には第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８がそれぞれ１つしか含まれず、中間層のｎ型層が正孔にとって障壁層となるため、正孔が中間層のｎ型層を超えて下部の活性層へ注入され難くなる。その結果、ｐｎ接合間に位置する発光させたい活性層以外が発光してしまうことを抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態の発光素子は、図１５に示すように、第１実施形態の発光素子において、第２活性層１６、第３活性層１８を、第２活性層３１６、第３活性層３１８に置き換えたものである。

第２活性層３１６は、歪緩和層３１６ＡとＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層（発光層）３１６Ｂを順に積層させた構造である。量子井戸構造層３１６Ｂについては第１実施形態の第２活性層１６と同様の構造である。

歪緩和層３１６Ａは、障壁層と井戸層を順に積層させたＳＱＷ構造であり、発光しないように井戸層の厚さを薄く調整した量子井戸構造である。たとえば井戸層の厚さを１ｎｍ以下とすることで発光しないようにすることができる。障壁層はＡｌＧａＮ、井戸層はＩｎＧａＮである。歪緩和層３１６Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば第２活性層１６の発光波長が５００～５６０ｎｍであれば４００～４６０ｎｍである。好ましくは量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くする。この場合、歪緩和層３１６Ａの成長温度は、７００～８００℃である。

歪緩和層３１６Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、第１活性層１４の発光波長と等しくしてもよい。この場合、第１活性層１４と同様の成長温度で成長させてもよい。

歪緩和層３１６Ａの井戸層におけるバンド端エネルギーの制御は、井戸層の厚さで制御することができる。すなわち、歪緩和層３１６Ａの井戸層の厚さを十分に薄くすることで井戸内のサブバンドのエネルギーが上昇しバンド端エネルギーが大きくなる。これにより、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短くしてもよい。成長温度は任意であるが、量子井戸構造層３１６Ｂと同様の成長温度で成長させてもよい。さらに、歪緩和層３１６Ａの井戸層の膜厚を薄くすると、サブバンドがさらに上昇し、障壁層とのエネルギー差が小さくなる。すなわち、障壁層のバンド端エネルギーに近くなる。その結果、歪緩和層３１６Ａの井戸層におけるキャリアの閉じ込めがされ難くなり、発光しにくくなることから、量子井戸構造層３１６Ｂの障壁層の一部として機能するとともに、歪緩和の効果も同時に得られる。このように、量子井戸構造層３１６Ｂの井戸層よりもキャリア閉じ込めの悪い井戸層を持つ歪緩和層３１６Ａを形成することで、発光しない歪緩和層３１６Ａを形成することができる。

要するに、歪緩和層３１６Ａ全体の実効的な格子定数が、第１中間層１５の格子定数と量子井戸構造層３１６Ｂの格子定数の間となるように歪緩和層３１６Ａの材料や層構成が設定され、かつ、歪緩和層３１６Ａが発光しないように井戸層の厚さが設定されていればよい。

歪緩和層３１６Ａは障壁層と井戸層を２ペア以上積層させたＭＱＷ構造としてもよいが、第２活性層３１６が厚くなるのでＳＱＷ構造とすることが好ましい。

以上のように歪緩和層３１６Ａを設けることで、その上に積層される量子井戸構造層３１６Ｂの歪を緩和させることができ、量子井戸構造層３１６Ｂの井戸層の結晶品質を向上させることができる。

第２活性層３１６の厚さに対する第１活性層１４の厚さの比が３０％以下となるように設定することが好ましい。より効率的に量子井戸構造層３１６Ｂの歪を緩和させることができるとともに、ｐｎ接合間距離が各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下で一定となり、各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下でのデバイス特性を均一にできる。

第３活性層３１８は、第１歪緩和層３１８Ａと、第２歪緩和層３１８Ｂと、ＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層３１８Ｃを順に積層させた構造である。量子井戸構造層３１８Ｃについては第１実施形態の第３活性層１８と同様の構造である。

第１歪緩和層３１８Ａは、第２活性層３１６の歪緩和層３１６Ａと同様の構造である。第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば４００～４６０ｎｍである。

第２歪緩和層３１８Ｂは、第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が量子井戸構造層３１８Ｃの発光波長よりも短く、第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長よりも長い。たとえば、５１０～５７０ｎｍである。それ以外は第１歪緩和層３１８Ａと同様である。

第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長と第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長の差、および第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長と量子井戸構造層３１８Ｃの発光波長の差は、４０～１００ｎｍとすることが好ましい。

第３活性層３１８の厚さに対する第１活性層１４の厚さの比や、第３活性層３１８の厚さに対する第２活性層３１６の厚さの比は、３０％以下となるように設定することが好ましい。より効率的に量子井戸構造層３１８Ｃの歪を緩和させることができるとともに、ｐｎ接合間距離が各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下で一定となり、各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下でのデバイス特性を均一にできる。

このように第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂを設けることで、段階的に歪を緩和させることができ、その上に積層される量子井戸構造層３１８Ｃの歪を効果的に緩和させることができる。その結果、量子井戸構造層３１８Ｃの井戸層の品質を向上させることができる。

なお、第３活性層３１８では第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂによって２段階に歪を緩和させているが、歪緩和層を３つ以上設けて３段階以上に歪を緩和させてもよい。また、第２活性層３１６においても、歪緩和層３１６Ａを複数にして段階的に歪を緩和させてもよい。

また、第１活性層１４においても、同様にして歪緩和層を設けてよい。この場合、歪緩和層の成長温度は、たとえば、８００～９００℃である。

（他の変形例）
本実施形態の発光素子は、第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８の３つの活性層を有するものであったが、発光波長が互いに異なる２以上の活性層を有する構造であれば本発明は適用できる。また、発光色も青、緑、赤に限らず、異なる発光波長であれば任意である。

本実施形態の発光素子は、ＰＷＭ回路によりＰＷＭ駆動して発光を制御することが好ましい。パルス幅とパルス周期によって光強度を容易に制御でき、駆動電流の違いによる波長シフトも抑制できる。

（実験結果）
次に、本実施形態に関する実験結果について説明する。

（実験１）
第１実施形態の発光素子から第２中間層１７と第３活性層１８を省き、さらに再成長層２０Ｂ、電子ブロック層２１Ｂ、ｐ層２２Ｂ、ｐ電極２４Ｂを省き、第１中間層１５に替えて第２実施形態の第１中間層２１５とし、第２活性層１６に替えて第３実施形態の第２活性層３１６とした発光素子を作製した（図１８参照、以下実験例１の発光素子とする）。第１中間層２１５はＩｎ組成比が５％のＩｎＧａＮとした。第２活性層３１６の歪緩和層３１６Ａにおける井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、第１活性層１４の発光波長と同様にし、ＳＱＷ構造とした。

図８は、実験例１の発光素子の第２活性層１６の表面を撮影したＡＦＭ像である。図８中、上段は１０μｍ角の範囲、下段は２μｍ角の範囲を示している。比較のため、第１中間層２１５をＧａＮとし、それ以外は実験例２と同様とした場合（実験例２）も示す。図８のように、実験例１では、実験例２に比べてピットの密度が低くかった。また、表面平坦性ＲＭＳは、１０μｍ角の範囲では、実験例２が０．８８ｎｍ、比較例が２．６ｎｍ、２μｍ角の範囲では、実験例１が０．７８ｎｍ、実験例２が３．１ｎｍであり、いずれの場合も実験例１の方が比較例に比べて小さかった。この結果、第１中間層２１５中のＩｎがサーファクタントとして作用し、第１中間層２１５の表面平坦性が改善したことで、その上の第２活性層１６の表面平坦性、結晶品質も向上したことがわかる。

図９は、実験例１と実験例２の発光素子について、駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフである。外部量子効率は、ｐ電極２４Ｂに電圧を印加して第２活性層３１６を発光させた場合である。図９のように、実験例１は実験例２に比べて外部量子効率が高かった。このことから、第２活性層１６の結晶品質が向上したことで外部量子効率が向上したことがわかる。

（実験２）
第１活性層１４の発光波長を４３０ｎｍ、第２活性層１６の発光波長を５２０ｎｍ、第３活性層１８の発光波長を６３０ｎｍとした第１実施形態の発光素子（以下、実験例３の発光素子）について、ｐ電極２４Ａに電流を注入し、その発光スペクトルを測定した。ｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７ＢのＳｉ濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３、２×１０^１８ｃｍ^－３、３×１０^１８ｃｍ^－３の３パターンとした。また、比較のためｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７Ｂをノンドープに替えた場合も発光スペクトルを測定した。

図１１～１４は、発光スペクトルを示したグラフであり、図１１はＳｉ濃度が３×１０^１８ｃｍ^－３、図１２は２×１０^１８ｃｍ^－３、図１３は１×１０^１８ｃｍ^－３、図１４はノンドープである。図１４のように、ノンドープの場合、第３活性層１８の赤色発光だけでなく、第１活性層１４の青色発光も生じており、赤色発光は弱く、青色発光が強いことがわかった。一方、図１１～１３のように、Ｓｉドープの場合、赤色発光も青色発光と同程度かそれ以上に強くなり、Ｓｉ濃度が高いほど青色発光の強度が低下した。第２活性層１６の青色発光の強度が低下する代わりに緑色発光も若干現れているが、図１１のようにＳｉ濃度が十分に高くなれば緑色発光の強度も低下した。この結果、第１中間層１５、第２中間層１７にＳｉドープのｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７Ｂを導入することで、発光させたい活性層である第３活性層１８以外の活性層（第１活性層１４、第２活性層１６）からの発光を抑制できることがわかった。

（実験３）
図１６は、実験例２と実験例４の発光素子の量子井戸構造層３１６Ｃの表面を撮影したＡＦＭ像である。実験例４は、実験例２において第２活性層３１６に歪緩和層３１６Ａを設けなかった場合である。図１６中、上段は１０μｍ角の範囲、下段は２μｍ角の範囲を示している。図１６のように、表面平坦性ＲＭＳは、１０μｍ角の範囲では、実験例２が２．６ｎｍ、実験例４が３．８ｎｍ、２μｍ角の範囲では、実験例２が３．１ｎｍ、実験例４が３．３ｎｍであり、いずれの場合も実験例２の方が実験例４に比べて小さかった。すなわち、表面平坦性が改善していた。この結果、第２活性層３１６に歪緩和層３１６Ａを導入したことで、その上の量子井戸構造層３１６Ｂの歪が緩和し、表面平坦性や結晶品質が向上したことがわかる。

図１７は、実施形態３と比較例の発光素子について、駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフである。外部量子効率は、ｐ電極２４Ａに電圧を印加して第２活性層３１６を発光させた場合である。図１７のように、実験例２は実験例４に比べて外部量子効率が高かった。このことから、第２活性層３１６の歪が緩和し、表面平坦性や結晶品質が向上したことで外部量子効率が向上したことがわかる。

本発明の発光素子は、フルカラーディスプレイなどに適用することができる。

１０：基板
１１：ｎ層
１２：ＥＳＤ層
１３：下地層
１４：第１活性層
１５、２１５：第１中間層
１６、３１６：第２活性層
１７、２１７：第２中間層
１８、３１８：第３活性層
１９：保護層
２０Ａ～２０Ｃ：再成長層
２１Ａ～２１Ｃ：電子ブロック層
２２Ａ～２２Ｃ：ｐ層
２３：ｎ電極
２４Ａ～２４Ｃ：ｐ電極
２１５Ａ、２１７Ａ：ノンドープ層
２１５Ｂ、２１７Ｂ：ｎ型層
３１６Ａ：歪緩和層
３１６Ｂ、３１８Ｃ：量子井戸構造層
３１８Ａ：第１歪緩和層
３１８Ｂ：第２歪緩和層

Claims (10)

1. ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子において、
   ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、
   前記ｎ層上に設けられ、所定の発光波長の第１活性層と、
   前記第１活性層上に設けられた中間層と、
   前記中間層上に設けられ、前記第１活性層よりも発光波長が長い第２活性層と、
   前記第２活性層側から前記中間層に達する溝と、
   前記第２活性層上に設けられ、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１のｐ層と、
   前記溝底面に露出する前記中間層上に設けられ、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２のｐ層と、
   前記第１のｐ層上に設けられた第１のｐ電極と、
   前記第２のｐ層上に設けられた第２のｐ電極と、
   を有し、
   前記第２活性層は、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、
   前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定されている、
   ことを特徴とする発光素子。
2. 前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記第１活性層の発光波長と等しくなるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くなるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記歪緩和層は、ＳＱＷ構造である、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記第２活性層の厚さに対する前記第１活性層の厚さの比が３０％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
6. ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法において、
   ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、
   前記ｎ層上に所定の発光波長の第１活性層を形成する工程と、
   前記第１活性層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層を成長温度７００～１０００℃で形成する工程と、
   前記中間層上に、前記第１活性層よりも発光波長が長い第２活性層を形成する工程と、
   前記第２活性層側から前記中間層に達する溝を形成する工程と、
   前記第２活性層上と前記溝底面に露出する前記中間層上に、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１のｐ層と第２のｐ層をそれぞれ形成する工程と、
   前記第１のｐ層上と前記第２のｐ層上に、第１のｐ電極と第２のｐ電極をそれぞれ形成する工程と、
   を有し、
   前記第２活性層は、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させて形成し、
   前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定する、
   することを特徴とする発光素子の製造方法。
7. 前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記第１活性層の発光波長と等しくなるように設定する、ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
8. 前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が前記発光層の発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くなるように設定する、ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記歪緩和層は、ＳＱＷ構造である、ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
10. 前記第２活性層の厚さに対する前記第１活性層の厚さの比が３０％以下である、ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。