JP2735057B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子

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JP2735057B2
JP2735057B2 JP32292495A JP32292495A JP2735057B2 JP 2735057 B2 JP2735057 B2 JP 2735057B2 JP 32292495 A JP32292495 A JP 32292495A JP 32292495 A JP32292495 A JP 32292495A JP 2735057 B2 JP2735057 B2 JP 2735057B2
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修二 中村
成人 岩佐
慎一 長濱
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日亜化学工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する分野】本発明は発光ダイオード(LE
D)、レーザダイオード(LD)等に使用される窒化物
半導体(Ina'Alb'Ga1-a'-b' N、0≦a' 、0≦
b' 、a' +b' ≦1)よりなる発光素子に関する。

【0002】

【従来の技術】紫外領域から赤色領域までの波長領域に
発光するLED、LD等の発光素子の材料として窒化物
半導体(Ina'Alb'Ga1-a'-b' N、0≦a' 、0≦
b' 、a' +b' ≦1)が有望視されている。事実、本
出願人は、この半導体材料を用いて、1993年11月
に光度1cdの青色LEDを発表し、1994年4月に
光度2cdの青緑色LEDを発表し、1994年10月
には光度2cdの青色LEDを発表した。これらのLE
Dは全て製品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実
用に供されている。

【0003】現在実用化されている青色、青緑色LED
の発光チップは、基本的には、サファイア基板の上に、
n型GaNよりなるn型コンタクト層と、n型AlGa
Nよりなるn型クラッド層と、n型InGaNよりなる
活性層と、p型AlGaNよりなるp型クラッド層と、
p型GaNよりなるp型コンタクト層とが順に積層され
た構造を有している。サファイア基板とn型コンタクト
層との間にはGaN、AlGaNまたはAlNよりなる
バッファ層が形成されている。活性層のn型InGaN
はSi、Ge等のn型ドーパントおよび/またはZn、
Mg等のp型ドーパントがドープされており、LED素
子の発光波長は、その活性層のInGaNのIn組成比
を変えるか、または活性層にドープする不純物の種類を
変えることにより、紫外から赤色領域まで変化させるこ
とが可能となっている。

【0004】

【発明が解決しようとする課題】従来のLEDは、20
mAにおいて発光出力は3mW近くあり、SiCよりな
るLEDと比較して200倍以上の出力を有している
が、短波長LDの実現、さらに高輝度なLEDを実現す
るためには、さらなる発光出力の向上が望まれている。
従って、本発明は窒化物半導体よりなる発光素子の出力
向上を目的とし、その目的達成のために新規な窒化物半
導体発光素子の構造を提供するものである。

【0005】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化物半
導体で形成されるダブルへテロ構造においてInとGa
を含む窒化物半導体よりなる活性層を挟むクラッド層に
ついて鋭意研究した結果、少なくとも一方の、好ましく
は両方のクラッド層をInとGaとを含む窒化物半導体
で形成することにより、発光素子の出力が飛躍的に向上
することを新たに見い出し、本発明をなすに至った。

【0006】即ち、本発明によれば、インジウムとガリ
ウムとを含む窒化物半導体よりなり、第1の面と第2の
面とを有する活性層を有し、該活性層の第1の面に接し
て活性層よりもバンドギャップが大きく、かつインジウ
ムとガリウムとを含むn型窒化物半導体よりなる第1の
n型クラッド層を備えることを特徴とする窒化物半導体
発光素子が提供される。

【0007】また、本発明によれば、インジウムとガリ
ウムとを含む窒化物半導体よりなり、第1の面と第2の
面とを有する活性層を有し、該活性層の第2の面に接し
て活性層よりもバンドギャップが大きく、かつインジウ
ムとガリウムとを含むp型窒化物半導体よりなる第1の
p型クラッド層を備えることを特徴とする窒化物半導体
発光素子が提供される。

【0008】さらに、本発明によれば、インジウムとガ
リウムとを含む窒化物半導体よりなり、第1の面と第2
の面とを有する活性層を有し、該活性層の第1の面に接
して活性層よりもバンドギャップが大きく、かつインジ
ウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体よりなる第1
のn型クラッド層を備え、該活性層の第2の面に接して
活性層よりもバンドギャップが大きく、かつインジウム
とガリウムとを含むp型窒化物半導体よりなる第1のp
型クラッド層を備えることを特徴とする窒化物半導体発
光素子が提供される。

【0009】上記各発明において、第1のn型クラッド
層上にn型GaNよりなるn型コンタクト層を形成し、
および/または第1のp型クラッド層上にp型GaNよ
りなるp型コンタクト層を形成することができる。

【0010】また、上記各発明において、第1のn型ク
ラッド層に接して第1のn型クラッド層よりもバンドギ
ャップが大きく、かつアルミニウムとガリウムとを含む
n型窒化物半導体よりなる第2のn型クラッド層を形成
し、および/または第1のp型クラッド層に接して第1
のp型クラッド層よりもバンドギャップが大きく、かつ
アルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体より
なる第2のp型クラッド層を形成することができる。こ
の場合、第2のn型クラッド層上にn型GaNよりなる
n型コンタクト層を形成し、および/または第2のp型
クラッド層上にp型コンタクト層を形成することができ
る。本発明の1つのより好ましい態様において、活性層
は、量子井戸構造として形成される。

【0011】

【作用】従来の窒化物半導体発光素子はInGaNより
なる活性層をAlGaNよりなるクラッド層で挟んだ構
造を有していた。一方、本発明では新たにこのInGa
Nよりなる活性層を、その活性層よりもバンドギャップ
の大きいInGaNで挟むことにより発光出力が飛躍的
に向上することを見いだした。これは新たなInGaN
クラッド層がInGaN活性層とAlGaNクラッド層
との間のバッファ層として働いているからである。In
GaNは結晶の性質として柔らかい性質を有しており、
AlGaNクラッド層とInGaNとの格子定数不整と
熱膨張係数差によって生じる結晶欠陥を吸収する働きが
あると考えられる。このため新たに形成したInGaN
クラッド層が、これら結晶欠陥を吸収してInGaN活
性層の結晶欠陥が大幅に減少するので、InGaN活性
層の結晶性が飛躍的に良くなるので発光出力が増大する
のである。

【0012】一方、従来のInGaN活性層をAlGa
Nクラッド層を挟んだ構造では、例えばInGaN活性
層の厚さを200オングストローム未満にすると、Al
GaNクラッド層とInGaN活性層とにクラックが多
数生じる。これはAlGaNクラッド層が結晶の性質
上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のInGa
N活性層のみではAlGaNクラッド層との界面から生
じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をInG
aN活性層で弾性的に緩和できないことを示している。
このためInGaN活性層、AlGaNクラッド層にク
ラックが生じるので発光出力の大幅な向上が望めないの
である。従って従来ではInGaN活性層の膜厚を例え
ば200オングストーム以上にしないとクラックが生じ
素子作製は困難であった。

【0013】

【発明の実施の形態】図1は、本発明の一例に係る窒化
物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。この
発光素子は、基板1を有し、基板1上には、基板1とそ
の上に形成される窒化物半導体層との格子不整合を緩和
するバッファ層2が形成されている。バッファ層2上に
は、負電極を形成するためのn型コンタクト層3が形成
され、このコンタクト層3上には、第2のn型クラッド
層4が形成され、第2のn型クラッド層4上には、第1
のn型クラッド層5が形成されている。第1のn型クラ
ッド層5上には、活性層6が、活性層6の上には、第1
のp型クラッド層7がそれぞれ形成されている。第1の
p型クラッド層7上には、第2のp型クラッド層8が、
その上には正電極を形成するためのp型コンタクト層9
が形成されている。

【0014】本発明において、活性層6は、Inおよび
Gaを含有する窒化物半導体、好ましくは、Inx Ga
1-x N(0<x<1)で形成され、n型、p型いずれで
もよいが、ノンドープ(不純物無添加)とすることによ
り強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くな
り、レーザ素子を実現する上で特に好ましい。活性層6
にn型ドーパントおよび/またはp型ドーパントをドー
プしてもよい。活性層6にn型ドーパントをドープする
とノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに
強くすることができる。活性層6にp型ドーパントをド
ープするとバンド間発光のピーク波長よりも約0.5e
V低エネルギー側にピーク波長をシフトさせることがで
きるが、半値幅は広くなる。活性層6にp型ドーパント
とn型ドーパントとの双方をドープすると、前述したp
型ドーパントのみドープした活性層の発光強度をさらに
大きくすることができる。特にp型ドーパントをドープ
した活性層を形成する場合、活性層の導電型はSi等の
n型ドーパントをもドープして全体をn型とすることが
好ましい。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子
とするには、ノンドープが最も好ましい。

【0015】活性層6の厚さは、全体を単一組成の窒化
物半導体で構成する場合、0.5μm以下、さらに好ま
しくは0.1μm以下、最も好ましくは0.05μm
(500オングストローム)以下の厚さに調整すること
ができる。インジウムを含む窒化物半導体は、単一組成
である場合、厚さが増すほど結晶欠陥が生じやすく、そ
の厚さが薄いほど結晶性が良くなる傾向にあるからであ
る。

【0016】ところで、活性層6を量子井戸構造(単一
量子井戸構造または多重量子井戸構造)とすることによ
り、発光波長の半値幅がより狭くなり、発光出力も向上
することがわかった。

【0017】ここで、量子井戸構造とは、ノンドープの
活性層構成窒化物半導体(好ましくは、Inx Ga1-x
N(0<x<1))による量子準位間の発光が得られる
活性層の構造をいい、単一量子井戸構造とは、井戸層が
単一組成の1層よりなる構造を指す。すなわち、単一量
子井戸構造の活性層は、単一の井戸層のみにより構成さ
れる。また、多重量子井戸構造とは、井戸層と障壁層を
交互に積層した多層膜構造を指す。この多層膜構造にお
いて、両側の2つ最外層は、それぞれ井戸層により構成
される。すなわち、多重量子井戸構造の活性層は、例え
ばInGaN/GaN、InGaN/InGaN(組成
が異なる)等の井戸層/障壁層の組み合わせからなり、
これら井戸層および障壁層を交互に積層した薄膜積層構
造である。このように、活性層6を多重量子井戸構造と
する場合、障壁層は、InGaNばかりでなく、GaN
で形成することもできる。活性層6を多重量子井戸構造
とすると、単一量子井戸構造の活性層よりも発光出力が
向上する。その場合、井戸層は100オングストローム
以下、さらに好ましくは70オングストローム以下の膜
厚が望ましい。この井戸層の膜厚の範囲は単一量子井戸
構造の活性層(単一の井戸層により構成される)につい
ても同様である。一方、多重量子井戸構造における障壁
層は、150オングストローム以下、さらに好ましくは
100オングストローム以下の厚さが望ましい。すなわ
ち、多重量子井戸構造の活性層において、井戸層の厚さ
を数オングストローム〜数十オングストロームとし、障
壁層も同様に数オングストローム〜数十オングストロー
ムの厚さとし、これら井戸層と障壁層を積層して、多重
量子井戸構造とすることができる。

【0018】本発明において、第1のn型クラッド層5
は、InとGaを含有するn型窒化物半導体、好ましく
は、n型Iny Ga1-y N(0<y<1)で形成され
る。また、第1のp型クラッド層7は、InとGaを含
有するp型窒化物半導体、好ましくは、p型Inz Ga
1-z N(0<z<1)で形成される。これらクラッド層
5および7は、いずれか一方のみを形成してもよいが、
特に好ましくは、図1に示すように、両者を形成する。
インジウムを含む第1のn型クラッド層5および第2の
p型クラッド層7は結晶が柔らかいので、これらのクラ
ッド層5、7がクッションのようにバッファ層の作用を
して、これらのクラッド層5、7の外側に、後述する第
2のn型クラッド層4、第2のp型クラッド層8、n型
コンタクト層3、p型コンタクト層9を形成した際に、
これらの層(3、4、8、9)中にクラックが入るのを
防止することができる。InGaNがバッファ層として
作用する膜厚の好ましい範囲は、活性層6と第1のn型
クラッド層5、活性層6と第1のp型クラッド層7、活
性層6と第1のn型クラッド層5と第1のp型クラッド
層7の組み合わせにおいて、その組み合わせたInGa
N層の総膜厚を300オングストローム以上にすること
が好ましい。また、発光素子の場合には第1のn型クラ
ッド層5を省略すれば、後に述べる第2のn型クラッド
層4が第1のn型クラッド層5として作用し、また第1
のp型クラッド層7を省略すれば同じく後に述べる第2
のp型クラッド層8が第1のp型クラッド層7として作
用する。

【0019】以上、InGaNよりなる第1のn型クラ
ッド層5、活性層6、第1のp型クラッド層7について
説明したが、これらのInGaNのIn組成比、つまり
上記各組成式におけるx値、y値、z値は、それぞれ、
0.5以下、好ましくは0.3以下、最も好ましくは
0.2以下に調整することが望ましい。インジウムのモ
ル比が大きくなるに従って、InGaNの結晶性が悪く
なり発光出力が低下する傾向にあるからである。さら
に、前記Inx Ga1-x N、Iny Ga1-y N、Inz
Ga1-z Nとは、その式中においてInGaNの効果を
変化させない範囲でGaの一部を微量のAlで置換した
InAlGaNも前記式中に含まれるものとする。例え
ばIna'Alb'Ga1-a'-b' N式中でb' 値が0.1以
下であれば第1のn型クラッド層、活性層、第2のp型
クラッド層の効果は変わることがない。ただ、Alを含
有させると結晶が硬くなる傾向にあるので四元混晶の窒
化物半導体よりも、Alを含まない三元混晶のInGa
Nのみで活性層6、第1のn型クラッド層5、第1のp
型クラッド層7を構成するのが発光出力が大きくなり最
も良い。

【0020】次に、アルミニウムとガリウムとを含むn
型窒化物半導体、好ましくは、n型Ala Ga1-a
(0<a<1)よりなる第2のn型クラッド層4と、ア
ルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体好まし
くは、p型Alb Ga1-b N(0<b<1)よりなる第
2のp型クラッド層8は、いずれか一方のみを形成する
ことができるが、望ましくは、図1に示すように、第1
のn型クラッド層3に接して第2のn型クラッド層4を
形成すると共に、第1のp型クラッド層7に接して第2
のp型クラッド層8を形成する。第2のn型クラッド層
4、第2のp型クラッド層8は50オングストローム〜
0.5μmの膜厚で形成することが望ましい。また、A
lGaNのAl混晶比、つまり上記各組成式におけるa
値、b値は、それぞれ、0.6以下、さらに好ましくは
0.4以下にすることが望ましい。AlGaNは結晶が
硬く、a値、b値が0.6より大きいとAlGaN層に
クラックが発生しやすいからである。前記InGaNか
らなる半導体層がバッファ層として作用しても、これら
の値がそれぞれ0.6よりも大きいと、クラックが発生
しやすくなる。

【0021】また、前記Ala Ga1-a N、Alb Ga
1-b Nとは、その式中においてAlGaNの効果を変化
させない範囲でGaの一部を微量のInで置換したIn
AlGaNも前記式中に含まれるものとする。例えばI
a'Alb'Ga1-a'-b' N式中でa' 値が0.1以下で
あればAlGaNの効果はほとんど変わることがない。
但し、微量のInを含有させるとバンドギャップが小さ
くなるので、第1のn型クラッド層5、活性層6、第2
のp型クラッド層7よりもバンドギャップを大きくしな
ければならない。また、Inを含有させると結晶性が悪
くなり発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の
窒化物半導体よりも、Inを含まない三元混晶のAlG
aNのみで第2のn型クラッド層4、第2のp型クラッ
ド層8を構成するのが発光出力が大きくなり最も好まし
い。このように、Alを含む層を第2のn型クラッド層
4、および前記第2のp型クラッド層8とすることによ
り、活性層6、第1のn型クラッド層5、第1のp型ク
ラッド層7とのバンドオフセットを大きくできるので発
光効率を上げることができる。

【0022】活性層と第1のクラッド層の好ましい組み
合わせは、第1のn型クラッド層をIny Ga1-y N、
活性層をInx Ga1-x N、第1のp型クラッド層をI
zGa1-z Nで形成するものである。但し、この組み
合わせにおいて、バンドギャップの関係からy<x、z
<xを満たしていることはいうまでもない。活性層は、
n型またはノンドープの方がバンド間発光による半値幅
の狭い発光が得られるので好ましい。

【0023】さらに最も好ましい組み合わせは、第2の
n型クラッド層をAla Ga1-a N、第1のn型クラッ
ド層をIny Ga1-y N、活性層をInx Ga1-x N、
第1のp型クラッド層をInz Ga1-z N、第2のp型
クラッド層をAlb Ga1-bNで形成するものである。
この組み合わせによると、最も結晶性に優れた窒化物半
導体を積層したダブルへテロ構造となり、飛躍的に発光
出力が向上する。

【0024】次に、n型コンタクト層3は、望ましく
は、図1に示すように、第2のn型クラッド層4に接し
てn型コンタクト層3を形成し、第2のp型クラッド層
8に接してp型コンタクト層9を形成することが最も良
い。また、n型コンタクト層3は、第2のn型クラッド
層4、若しくは第1のn型クラッド層5のいずれかに形
成可能であり、p型コンタクト層9は第2のp型クラッ
ド層8、若しくは第1のp型クラッド層7のいずれかに
も形成可能である。つまり、第2のn型クラッド層4を
省略すれば、第1のn型クラッド層5に接して形成する
ことができ、p型コンタクト層9も同様に第2のp型ク
ラッド層8を省略すれば第1のp型クラッド層7に接し
て形成することができる。極端な場合では、第1のn型
クラッド層5と第2のn型クラッド層4とを共に省略し
て、n型コンタクト層9をクラッド層としたり、第1の
p型クラッド層7と第2のp型クラッド層8とを共に省
略して、p型コンタクト層9をクラッド層とすることも
可能であるが、発光出力は省略しないものに比較して極
端に低下する傾向にあるので望ましくない。即ち、本発
明の発光素子では、図1に示す構造のものが最も高出力
が得られる。

【0025】さらにまた、n型コンタクト層3、p型コ
ンタクト層9を構成する窒化物半導体はAl、Inを含
まないGaNとする必要がある。コンタクト層は電極を
形成する層であるので、結晶性が良く、キャリア濃度が
大きい層を形成すれば電極材料とオーミックが得られや
すくなる。そのためにはGaNが最も好ましい。また、
n型コンタクト層3とオーミックが得られやすい電極材
料としてはTiとAlを含む金属材料が好ましく、p型
コンタクト層9とオーミックが得られやすい電極材料に
はNiとAuを含む金属材料が好ましい。このように電
極を形成すべき層としてGaNよりなるコンタクト層を
形成すると、発光素子のVf(順方向電圧)を低下さ
せ、発光効率を向上させることができる。

【0026】次に、図2に本発明の一実施例に係る発光
素子(レーザーダイオード)の構造を示す概略断面図を
示し、図3に図2の発光素子の斜視図を示す。図2にお
いて、図1と同様の部分には同じ符号を付している。こ
の発光素子は、n型コンタクト層3と第2のn型クラッ
ド層5との間に形成されたn型多層膜44を有し、また
p型コンタクト層9と第2のp型クラッド層8との間に
形成されたp型多層膜55を有する。なお、n型多層膜
44およびp型多層膜55は互いに組成の異なる窒化物
半導体、つまり互いに屈折率の異なる2種類の窒化物半
導体が、例えばλ/4n(λ:波長、n:屈折率)で交
互に2層以上積層されて、活性層6の発光波長を多層膜
44、55で反射できるように設計されている。第2の
n型クラッド層4とn型コンタクト層3との間にn型多
層膜44を形成し、さらに第2のp型クラッド層8とp
型コンタクト層9との間にp型多層膜55を形成するこ
とにより、図2、図3に示すように例えば正電極を10
μm以下のストライプ電極としてレーザ発振を試みた
際、活性層6の発光を多層膜反射層で活性層に閉じこめ
可能となるので、容易にレーザ発振できる。なお前記多
層膜44、55にはそれぞれn型ドーパント、p型ドー
パントがドープされて導電型が決定されている。

【0027】また、図2に示すようにサファイアを基板
としてレーザ素子を作製する場合、レーザ素子の構造は
フリップチップ方式となる。つまり同一面側から正電
極、負電極を取り出す構造となる。この場合、図2に示
すようにn型層側に形成するn型多層膜44は、負電極
を形成するコンタクト層3の水平面よりもp層側に形成
することが好ましい。なぜなら、n型多層膜44をコン
タクト層3の水平面よりも基板1側に形成すると、第2
のn型クラッド層4とn型コンタクト層3との屈折率差
が小さいので、活性層6の発光が活性層6よりも下のn
型コンタクト層3中で広がってしまい、光閉じこめがで
きないからである。これはサファイアのような絶縁性基
板を使用した窒化物半導体レーザ特有の効果である。

【0028】図2および図3はレーザ素子を示すもので
あるが、前記n型多層膜44、p型多層膜55は、n型
層、p型層のいずれか一方にのみ形成することもでき
る。いずれか一方に形成すると、例えばLED素子を作
製した場合に、多層膜で活性層の発光を発光観測面側に
全反射できるので、発光素子の発光出力が向上する。ま
たn型多層膜44はn型コンタクト層3の内部にも形成
することができる。つまりn型GaN+n型多層膜44
+n型GaNの積層構造としても、多層膜の作用は変わ
ることがない。但し、上に述べたように、サファイアを
基板とするフリップチップ方式のレーザ素子を実現する
場合には、n型多層膜44の位置を負電極を形成するn
型コンタクト層3の水平面よりも上、つまりp型層側に
することが好ましいことはいうまでもない。また同様に
p型多層膜55もp型コンタクト層9の内部に形成する
ことも可能である。

【0029】前記多層膜を構成する2種類の窒化物半導
体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む
窒化物半導体{例えばInc Ga1-c N(0<c<
1)}またはGaNであることが好ましい。なぜなら、
単一層を積層して多層膜とする場合、その単一層の一方
にInc Ga1-c N、GaNを形成することにより、G
aN、Inc Ga1-c N層がバッファ層のような作用を
して、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止する
ことができるからである。これはInc Ga1-c N層、
GaN層の結晶がAlGaNに比べて柔らかいことによ
るものである。これに対し、多層膜を例えば互いにAl
組成の異なるAlGaN層により、例えば総膜厚0.5
μm以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラ
ックが入り、素子作製が困難となる。

【0030】多層膜を構成する2種類の窒化物半導体の
好ましい組み合わせは、一方が前記のようにInc Ga
1-c N若しくはGaNよりなり、もう一方がアルミニウ
ムとガリウムとを含む窒化物半導体{例えば、Ald
1-d N(0<d<1)}で構成することが最良であ
る。なぜなら、Inc Ga1-c NとAld Ga1-d Nと
は屈折率の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成
することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層
膜の設計が可能であるからである。また、IncGa1-c
Nがバッファ層の作用をしているため、Ald Ga1-d
N層にクラックが入ることなく10層以上積層可能と
なる。なお、InN、GaN、AlNの屈折率はそれぞ
れ、2.9、2.5、2.15である。これらの混晶の
屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例す
るとして求めることができる。

【0031】ここで、Inc Ga1-c Nのc値は上述し
たように0.5以下、好ましくは0.3以下、最も好ま
しくは0.2以下に調整することが望ましい。なぜな
ら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、InG
aNの結晶性が悪くなるからである。またAld Ga
1-d Nのd値は0.6以下、さらに好ましくは0.4以
下にすることが望ましい。0.6より大きいとAlGa
N層にクラックが発生しやすいからである。

【0032】以上、発光素子の構造について説明した
が、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導
体よりなる発光素子を製造するには、例えばMOVPE
(有機金属気相成長法)、MBE(分子線気相成長
法)、HDVPE(ハイドライド気相成長法)等の気相
成長法を用いて、基板上にIna'Alb'Ga1-a'-b'
(0≦a' 、0≦b' 、a' +b' ≦1)をn型、p型
等の導電型でダブルへテロ構造になるように積層するこ
とによって得られる。基板1には例えばサファイア(C
面、A面、R面を含む)、SiC(6H−SiC、4H
−SiCも含む)、スピネル(MgAl24 、特にそ
の(111)面)、ZnO、Si、GaAs等が使用で
き、図2ではサファイア基板を示している。n型の窒化
物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Si、G
e、S等のn型ドーパントを結晶成長中に半導体層中に
導入することによって得られる。またp型の窒化物半導
体層はMg、Zn、Cd、Ca、Be、C等のp型ドー
パントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入するか、
または導入後400℃以上でアニーリングを行うことに
より得られる。バッファ層2は基板1と窒化物半導体と
の格子不整合を緩和するために設けられ、例えばMOV
PE法では500℃前後の低温でGaN、AlN、Ga
AlN等が形成されることが多い。またSiC、ZnO
のような窒化物半導体と格子定数の近い基板を使用する
際にはバッファ層が形成されないこともある。

【0033】

【実施例】以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明
する。以下の実施例はMOVPE法による成長方法を示
している。 実施例1 図1を参照して本実施例を説明する。

【0034】TMG(トリメチルガリウム)とNH3
を用い、反応容器にセットしたサファイア基板1のC面
に500℃でGaNよりなるバッファ層2を500オン
グストロームの膜厚で成長させた。

【0035】次に温度を1050℃まで上げ、TMG、
NH3 に加えSiH4 ガスを用い、Siドープn型Ga
Nよりなるn型コンタクト層3を4μmの膜厚で成長さ
せた。

【0036】続いて原料ガスにTMA(トリメチルアル
ミニウム)を加え、同じく1050℃でSiドープn型
Al0.3 Ga0.7 N層よりなる第2のn型クラッド層4
を0.1μmの膜厚で成長させた。

【0037】次に、温度を800℃に下げ、TMG、T
MI(トリメチルインジウム)、NH3 、SiH4 を用
い、Siドープn型In0.01Ga0.99Nよりなる第1の
n型クラッド層5を500オングストロームの膜厚で成
長させた。

【0038】続いてTMG、TMI、NH3 を用い80
0℃でノンドープIn0.05Ga0.95Nよりなる活性層6
を400オングストロームの膜厚で成長させた。続いて
TMG、TMI、NH3 に加え新たにCp2 Mg(シク
ロペンタジエニルマグネシウム)を用い800℃でMg
ドープp型In0.01Ga0.99Nよりなる第1のp型クラ
ッド層7を500オングストロームの膜厚で成長させ
た。

【0039】次に温度を1050℃に上げ、TMG、T
MA、NH3 、Cp2 Mgを用い、Mgドープp型Al
0.3 Ga0.7 Nよりなる第2のp型クラッド層8を0.
1μmの膜厚で成長させた。

【0040】続いて1050℃でTMG、NH3 、Cp
2 Mgを用い、Mgドープp型GaNよりなるp型コン
タクト層9を0.5μmの膜厚で成長させた。反応終了
後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り
出し、700℃でウェーハのアニーリングを行い、p型
層をさらに低抵抗化した。次に最上層のp型コンタクト
層9の表面に所定の形状のマスクを形成し、n型コンタ
クト層3の表面が露出するまでエッチングした。エッチ
ング後、n型コンタクト層3の表面にTiとAlよりな
る負電極、p型コンタクト層9の表面にNiとAuより
なる正電極を形成した。電極形成後、ウェーハを350
μm角のチップに分離した後、常法に従い半値角15度
の指向特性を持つLED素子とした。このLED素子は
If(順方向電流)20mAでVf3.1V、発光ピー
ク波長390nmの紫色発光を示し、光度は4cdあ
り、発光出力は6mWであった。さらに、発光スペクト
ルの半値幅は20nmであり、非常に色純度の良い発光
を示した。

【0041】実施例2 活性層6をIn0.2 Ga0.8 Nで形成した以外は、実施
例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED
は、If20mAにおいて、Vf3.1V、発光ピーク
波長510nm、半値幅20nmの緑色発光を示し、光
度16cd、発光出力6mWとバンド間発光による高輝
度な緑色LEDが実現できた。

【0042】実施例3 p型ドーパント源としてDEZ(ジエチルジンク)、n
型ドーパントとしてSiH4 を用いて、活性層6として
SiとZnをドープしたn型In0.05Ga0.95N層を1
000オングストロームの膜厚で形成した以外は実施例
1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子
は、If20mAにおいて、発光ピーク波長450n
m、半値幅70nmの青色発光を示し、光度10cd、
発光出力7mWと優れた特性を示した。

【0043】実施例4 第1のp型クラッド層7を形成しなかった以外は実施例
1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子
は、光度が3cd、発光出力が5mWであった以外は実
施例1のLED素子と同等であった。

【0044】実施例5 第1のn型クラッド層5を形成しなかった以外は実施例
1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子
は、光度が3cd、発光出力が5mWであった以外は実
施例1のLEDと同等であった。

【0045】実施例6 活性層をノンドープIn0.2 Ga0.8 Nにより20オン
グストロームの厚さに形成して単一量子井戸構造とした
以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。こ
のLED素子は、If20mAにおいて、Vf3.1
V、発光波長450nmの青色発光を示し、光度が5c
d、発光出力が6mWであり、発光スペクトルの半値幅
は20nmとシャープなバンド間発光であった。

【0046】実施例7 この実施例は図2および図3を参照して説明する。実施
例1の手法に従いn型コンタクト層3までを成長させた
後、温度を800℃に下げ、TMG、TMI、NH3
SiH4 を用い、Siドープn型In0.01Ga0.99Nよ
りなる薄膜を380オングストロームの膜厚で成長させ
た。次に、温度を1050℃に上げTMG、TMA、N
3 、SiH4 を用い、Siドープn型Al0.2 Ga
0.8 Nよりなる薄膜を390オングストロームの膜厚で
成長させた。これらの操作を20回繰り返し、Siドー
プn型In0.01Ga0.99N層とSiドープAl0.2 Ga
0.8 N層を交互に10層づつ積層した第1のn型多層膜
44を形成した。

【0047】次に第2のn型クラッド層4、第1のn型
クラッド層5、活性層6、第1のp型クラッド層7、お
よび第2のp型クラッド層8を実施例1と同様に成長さ
せた。 次に、温度を800℃にしてTMG、TMI、
NH3 、Cp2 Mgを用い、Mgドープp型In0.01
0.99N層を380オングストローム成長させ、続いて
温度を1050℃にして、TMG、TMA、NH3 、C
2 Mgガスを用い、Mgドープp型Al0.2 Ga0.8
N層を390オングストロームの膜厚で成長させ、それ
ぞれ交互に10層づつ積層した第2のp型多層膜55を
形成した。

【0048】p型多層膜55形成後、そのp型多層膜5
5の表面に実施例1と同様にしてp型コンタクト層9を
成長させたウェーハを作製した。次に、実施例1と同様
にして窒化物半導体層をエッチングした後、最上層であ
るp型コンタクト層9の表面に所定の形状のマスクを形
成し、n型コンタクト層3に50μmの幅で負電極、p
型コンタクト層9に10μmの幅で正電極をそれぞれ形
成した。このようにn型コンタクト層の表面にn型多層
膜44を形成すると、自然に負電極を形成する水平面が
n型多層膜44よりも下、つまり図2に示すように基板
側となる。

【0049】次に、窒化物半導体層を形成していない方
のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを90μmに
し、サファイア基板表面のM面(六方晶系において六角
柱の側面に相当する面)をスクライブした。スクライブ
後、ウェーハを700μm角のチップに分割し、図3に
示すようなストライプ型のレーザを作製した。なお図3
は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示しており、ス
トライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面を光共
振面としている。またこのレーザ素子の電極を除いた表
面をSiO2 よりなる絶縁膜で被覆しているが、絶縁膜
は特に図示していない。次に、このチップをヒートシン
クに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンドした後、
常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度
1.5kA/cm2 で発振波長390nmのレーザ発振
が確認された。

【0050】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の発光素子
は、InGaN活性層の両側またはその一方に接してI
nGaNクラッド層を形成することにより、活性層の結
晶性が良化して発光出力が格段に向上する。例えば従来
の青色LEDでは450nmにおいて、光度2cd、発
光出力が3mW程度であったが、本発明では青色LED
でその倍以上の発光出力を達成することができる。ま
た、従来では活性層のインジウム組成比を大きくすると
結晶性が悪くなって、バンド間発光で520nm付近の
緑色発光を得ることは難しかったが、本発明によると活
性層の結晶性が良くなるので、従来では困難であった高
輝度な緑色LEDも実現できた。このように本発明の発
光素子は、従来では実現できなかった高輝度な緑色LE
Dを初めて実現させできたことにより、この効果は非常
に大きく、高輝度のフルカラーLEDディスプレイが初
めて製作可能となり、また照明用光源、読み取り用光源
等、その産業上の利用価値は多大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図1】 本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示
す模式断面図。

【図2】 本発明の他の実施例に係る発光素子の構造を
示す模式断面図。

【図3】 図2の発光素子の構造を示す斜視図。

【符号の説明】

1…サファイア基板 2…バッファ層 3…n型コンタクト層 4…第2のn型クラッド層 5…第1のn型クラッド層 6…活性層 7…第1のp型クラッド層 8…第2のp型クラッド層 9…p型コンタクト層 44…n型多層膜 55…p型多層膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−167735(JP,A) 特開 平6−260682(JP,A) 特開 平2−229475(JP,A)

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インジウムとガリウムとを含む窒化物半
    導体よりなり、第1の面と第2の面とを有する活性層
    と、この活性層の第1の面側に設けられたn型GaNよ
    りなるn型コンタクト層との間に、該活性層よりもバン
    ドギャップエネルギーが大きく、かつインジウムとガリ
    ウムとを含むn型窒化物半導体よりなる第1のn型クラ
    ッド層を備え、該第1のn型クラッド層が活性層の第1
    の面に接して形成されていることを特徴とする窒化物半
    導体発光素子。
  2. 【請求項2】 n型コンタクト層が第1のn型クラッド
    層に接して形成されていることを特徴とする請求項1に
    記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 第1のn型クラッド層に接して、第1の
    n型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大き
    く、かつアルミニウムとガリウムとを含むn型窒化物半
    導体よりなる第2のn型クラッド層が形成されているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素
    子。
  4. 【請求項4】 インジウムとガリウムとを含む窒化物半
    導体よりなり、第1の面と第2の面とを有する活性層
    と、その活性層の第2の面側に設けられたp型GaNよ
    りなるp型コンタクト層との間に、その活性層よりもバ
    ンドギャップエネルギーが大きく、かつインジウムとガ
    リウムとを含むp型窒化物半導体よりなる第1のp型ク
    ラッド層を備え、その第1のp型クラッド層が活性層の
    第2の面に接して形成されていることを特徴とする窒化
    物半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 p型コンタクト層が第1のp型クラッド
    層に接して形成されていることを特徴とする請求項4に
    記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 【請求項6】 第1のp型クラッド層に接して、第1の
    p型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大き
    く、かつアルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半
    導体よりなる第2のp型クラッド層が形成されているこ
    とを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素
    子。
  7. 【請求項7】 インジウムとガリウムとを含む窒化物半
    導体よりなり、第1の面と第2の面とを有する活性層
    と、この活性層の第1の面側に設けられたn型GaNよ
    りなるn型コンタクト層との間に、該活性層よりもバン
    ドギャップエネルギーが大きく、かつインジウムとガリ
    ウムとを含むn型窒化物半導体よりなる第1のn型クラ
    ッド層を備え、該第1のn型クラッド層が活性層の第1
    の面に接して形成されており、さらに前記活性層の第2
    の面側には、その活性層よりもバンドギャップエネルギ
    ーが大きく、かつインジウムとガリウムとを含むp型窒
    化物半導体よりなる第1のp型クラッド層を備え、その
    第1のp型クラッド層が活性層の第2の面に接して形成
    されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  8. 【請求項8】 n型コンタクト層が第1のn型クラッド
    層に接して形成されていることを特徴とする請求項7に
    記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 【請求項9】 p型GaNよりなるp型コンタクト層が
    第1のp型クラッド層に接して形成されていることを特
    徴とする請求項7または8記載の窒化物半導体発光素
    子。
  10. 【請求項10】 第1のn型クラッド層に接して、第1
    のn型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大
    きく、かつアルミニウムとガリウムとを含むn型窒化物
    半導体よりなる第2のn型クラッド層が形成されている
    ことを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素
    子。
  11. 【請求項11】 n型コンタクト層が第2のn型クラッ
    ド層に接して形成されていることを特徴とする請求項1
    0記載の窒化物半導体発光素子。
  12. 【請求項12】 第1のp型クラッド層に接して、第1
    のp型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大
    きく、かつアルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物
    半導体よりなる第2のp型クラッド層が形成されている
    ことを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素
    子。
  13. 【請求項13】 p型GaNよりなるp型コンタクト層
    が第2のp型クラッド層に接して形成されていることを
    特徴とする請求項12記載の窒化物半導体発光素子。
  14. 【請求項14】 インジウムとガリウムとを含む窒化物
    半導体よりなり、第1の面と第2の面とを有する活性層
    を有し、この活性層の第1の面に接して、活性層よりも
    バンドギャップが大きく、かつn型Iny Ga1-y
    (0<y<1)よりなる第1のn型クラッド層を備え、
    該活性層の第2の面に接して、p型Alb Ga1-b
    (0<b<1)よりなるp型クラッド層を備えることを
    特徴とする窒化物半導体発光素子。
  15. 【請求項15】 インジウムとガリウムとを含む窒化物
    半導体よりなり、第1の面と第2の面とを有する活性層
    を有し、その活性層の第2の面に接して、活性層よりも
    バンドギャップエネルギーが大きく、かつp型Inz
    1-z N(0<z<1)よりなる第1のp型クラッド層
    を備え、その活性層の第1の面に接して、n型Ala
    1-a N(0<a<1)よりなるn型クラッド層を備え
    ることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  16. 【請求項16】 活性層が量子井戸構造を有することを
    特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項記載の窒
    化物半導体発光素子。
  17. 【請求項17】 活性層がInx Ga1-x N(0<x<
    1)よりなる井戸層を有することを特徴とする請求項1
    6に記載の窒化物半導体発光素子。
  18. 【請求項18】 活性層がInx Ga1-x N(0<x<
    1)よりなる井戸層と、Iny Ga1-y N(0<y<
    1、 x>y)、 若しくはGaNよりなる障壁層との組み
    合わせからなることを特徴とする請求項16または17
    に記載の窒化物半導体発光素子。
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