JP2780691B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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）等の半導体発光素子に
係り、特には、窒化物半導体（Ｉｎ_a Ａｌ_b Ｇａ_1-a-b
Ｎ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）から構成される半導
体積層構造を有する窒化物半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体（Ｉｎ_a Ａｌ_b Ｇａ_1-a-b
Ｎ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）は、紫外ないし赤色
に発光するＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子の材料として期待
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ＬＥＤ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】そのような青色、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ＡｌＧａＮ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１１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。活性層を形成するｎ型ＩｎＧ
ａＮには、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／または
Ｚｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされてい
る。このＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧ
ａＮのＩｎ含有量を変えるか、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、紫外領域から赤色
まで変化させることが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｌ
ＥＤ素子は発光波長が長くなるに従って、発光出力が大
きく低下するという問題がある。図４は従来のＬＥＤ素
子のピーク発光波長と発光出力の関係を示す図である。
このＬＥＤでは活性層のＩｎＧａＮにＺｎとＳｉとをド
ープし、Ｚｎの準位を介して発光させることにより発光
波長をＩｎＧａＮのバンド間発光よりも発光エネルギー
で約０．５ｅＶ小さくして発光波長を長くしている。図
４に示すように、従来のＬＥＤは、４５０ｎｍでは３ｍ
Ｗ付近の出力を示すのに対し、発光ピークが長波長に移
行するに従ってその出力は大きく減少し、５５０ｎｍで
は出力が０．１ｍＷ以下にまで低下している。例えば、
４５０ｎｍ発光のＬＥＤにおける活性層はＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎであり、５００ｎｍ発光のＬＥＤにおける活性層
はＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎであり、５５０ｎｍ発光のＬＥＤ
における活性層はＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎであり、さらに各
活性層にはＺｎがドープされている。このように、不純
物がドープされたＩｎＧａＮ活性層、より詳しくは、Ｉ
ｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）活性層は、Ｉｎ含有量が
増えると結晶性が悪くなり発光出力は大きく低下する。
このため実際に使用できるＩｎ含有量すなわちｘ値はお
よそ０．１５以下でしか、高出力のＬＥＤができないの
が現状であるので、青色ＬＥＤしか高出力のものは実現
されていない。しかも、Ｚｎをドープして発光させてい
るので半値幅が約７０ｎｍと広く、青色の色純度に劣
る。

【０００５】ところで、高出力の青色ＬＥＤが実用化さ
れた現在、緑色ＬＥＤだけが色調、発光出力とも他のＬ
ＥＤに比べて劣っている。例えばフルカラーＬＥＤディ
スプレイを赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ各一個
づつで実現する際には、緑色ＬＥＤが最も大きい光度を
有していなければならない。しかし、緑色ＬＥＤの光度
は未だ低く、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤと全くバランスが
とれないのが実状である。

【０００６】窒化物半導体はバンドギャップエネルギー
が１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまであるので、理論的には
赤色から紫外まで広帯域に発光する材料である。窒化物
半導体発光素子の長波長域の出力を向上させることがで
きれば、従来のＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ系の材料に代
わり、窒化物半導体で全ての可視領域の波長での発光が
実現できる可能性がある。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされて
ものであって、その目的とするところは、緑色ＬＥＤの
みならず３６０ｎｍ以上の発光波長で高輝度、高出力の
窒化物半導体発光素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】従来のＬＥＤは、活性層
を不純物をドープしたＩｎＧａＮにより形成している。
前記のようにＩｎＧａＮのＩｎ組成比を大きくするとＩ
ｎＧａＮバンド間発光により、発光波長を長波長側に移
行できる。しかし、窒化物半導体はＩｎのモル比を大き
くするに従い結晶性が悪くなる傾向にあるので、発光出
力が低下する、と推察される。そこで、本発明者らは発
光素子の発光波長を長波長側に移行させるに際し、ダブ
ルへテロ構造の窒化物半導体構造における活性層に引っ
張り応力を与えることにより、発光波長を長波長側にシ
フトさせ、しかも発光出力が高い発光素子を実現できる
ことを新たに見い出した。

【０００９】すなわち、本発明によれば、インジウムお
よびガリウムを含む窒化物半導体よりなり、第１および
第２の面を有する活性層を備え、該活性層の第１の面に
接してＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）よりなるｎ型窒
化物半導体層を備え、該活性層の第２の面に接してＡｌ
_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）よりなるｐ型窒化物半導体
層を備え、該活性層を量子井戸構造とし、活性層を構成
する窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよ
りも低いエネルギーの光を発光す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。

【００１０】また、本発明によれば、ＧａＮよりなるｎ
型窒化物半導体層およびＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層を有し、該ｎ型窒化物半導体層とｐ型コンタクト層と
の間にインジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体よ
りなる活性層を備え、該ｐ型コンタクト層側で該活性層
に接してＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）よりなるｐ型
窒化物半導体を備え、該活性層を量子井戸構造とし、活
性層を構成する窒化物半導体の本来のバンドギャップエ
ネルギーよりも低いエネルギーの光を発光することを特
徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。

【００１１】さらに、本発明によれば、インジウムおよ
びガリウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層を備え、
第１および第２の面を有する活性層を具備し、該活性層
の第２の面側にＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を備
え、該活性層の第１の面に接して該活性層を構成するイ
ンジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体よりもバン
ドギャップエネルギーの大きなＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦
ｘ＜１）よりなるｎ型窒化物半導体層を備え、該活性層
とｐ型コンタクト層との間に該活性層の第２の面に接し
てＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）よりなるｐ型窒化物
半導体層を備え、該活性層を単一量子井戸構造または多
重量子井戸構造とし、活性層を構成する窒化物半導体の
本来のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギー
の光を発光す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。

【００１２】すなわち、本発明においては、活性層を単
一量子井戸構造または多重量子井戸構造として、この活
性層とクラッド層との界面平行方向に、引っ張り応力を
加え、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバンドギ
ャップエネルギーよりも小さいエネルギーを持つ光を発
光させるのである。

【００１３】ところで、ＩｎＮのバンドギャップエネル
ギー（１．９６ｅＶ）をＥｇ₁ で、ＧａＮのバンドギャ
ップエネルギー（３．４０ｅＶ）をＥｇ₂ で表わすと、
窒化物半導体Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎの本来のバンドギャップ
エネルギーＥｇは、式 Ｅｇ＝Ｅｇ₁ ・ｘ ＋ Ｅｇ₂ ・（１−ｘ） − ｘ
（１−ｘ） により算出することができる。活性層の本来の発光波長
λは、λ＝１２４０／Ｅｇに相当する。

【００１４】なお、単一量子井戸構造とは、井戸層が一
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、単一の井戸層だけで構成される。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。

【００１５】

【作用】本発明の素子は、第１のｎ型クラッド層および
第１のｐ型クラッド層よりも熱膨張係数の大きい活性層
を形成して、両クラッド層と活性層の界面に平行な方向
で引っ張り応力を発生させている。引っ張り応力を活性
層に弾性的に作用させるために、活性層を単一量子井戸
構造またはは多重量子井戸構造として、活性層のバンド
ギャップエネルギーを小さくし、活性層の発光波長を長
くする。また、活性層の井戸層、障壁層を臨界膜厚まで
薄くしたことにより、Ｉｎ組成比が大きいＩｎＧａＮで
も結晶性よく成長できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一態様による窒
化物半導体発光素子の構造の一例を示す概略断面図であ
る。図１に示す窒化物半導体素子は、基板１上に、バッ
ファ層２、ｎ型コンタクト層３、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、第２のｐ型クラッド層８、およびｐ型コン
タクト層９が順に積層された構造を有する。

【００１７】活性層６は、Ｉｎを含む窒化物半導体で形
成され、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造のも
のである。Ｉｎを含む活性層６は、他のＡｌＧａＮ、Ｇ
ａＮ等の窒化物半導体に比べて柔らかく、熱膨張係数も
大きいので、例えば単一量子井戸構造の井戸層の膜厚を
薄くすることにより発光波長を変化させることができ
る。量子井戸構造の活性層６はｎ型、ｐ型のいずれでも
よいが、特にノンドープ（不純物無添加）とすることに
よりバンド間発光により発光波長の半値幅が狭くなり、
色純度のよい発光が得られるため好ましい。特に活性層
６の井戸層の組成をＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）と
すると、バンド間発光で波長を紫外から赤色まで発光さ
せることができ、クラッド層との熱膨張係数差の大きい
活性層を実現することが可能である。一方、多重量子井
戸構造の場合、障壁層は特にＩｎＧａＮで形成せずにＧ
ａＮで形成してもよい。

【００１８】第１のｎ型クラッド層５は、活性層６より
もバンドギャップエネルギーが大きく、かつ活性層より
も熱膨張係数が小さい窒化物半導体であればどのような
組成のもので形成してもよいが、特に好ましくはｎ型Ｉ
ｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）により形成する。ＩｎＧ
ａＮ、またはＧａＮよりなるｎ型の第１のクラッド層５
は、Ａｌを含む窒化物半導体に比べて、結晶が柔らかい
ので、この第１のクラッド層５がバッファ層のような作
用をする。つまりこの第１のクラッド層５がバッファ層
として作用しているために、活性層６を量子井戸構造と
しても活性層６にクラックが入らず、また第１のクラッ
ド層５、７の外側に形成される第２のｎ型クラッド層
４、第２のｐ型クラッド層８中にクラックが入るのを防
止することができる。

【００１９】第１のｐ型クラッド層７は、活性層６を構
成する窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが
大きく、かつ活性層６よりも熱膨張係数が小さいｐ型窒
化物半導体であればどのような組成のもので形成しても
よいが、好ましくはｐ型Ａｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０≦ｙ≦
１）で形成する。その中でも、ｐ型ＡｌＧａＮ等のＡｌ
を含む窒化物半導体は、多重量子井戸構造または単一量
子井戸構造よりなる活性層に接して形成することによ
り、発光出力を向上させる。

【００２０】また、第１のｎ型クラッド層５、第１のｐ
型クラッド層７のいずれかを省略することもできる。第
１のｎ型クラッド層５を省略する場合は、第２のｎ型ク
ラッド層４が第１のｎ型クラッド層５となり、また第１
のｐ型クラッド層７を省略する場合は第２のｐ型クラッ
ド層が第１のｐ型クラッド層５となる。但し、活性層に
は、ｎ型ＧａＮもしくはｎ型ＩｎＧａＮよりなる第１の
ｎ型クラッド層５が接して形成されていることが好まし
い。

【００２１】本発明の素子は、前記第１のｎ型クラッド
層５に接して、ｎ型の窒化物半導体よりなる第２のｎ型
クラッド層４を備えることができる。第２のｎ型クラッ
ド層４は、Ａｌ_a Ｇａ_1-a Ｎ（０≦ａ≦１）で形成する
ことが望ましい。但し、第１のｎ型クラッド層５がＩｎ
ＧａＮで形成されている場合は、この第２のｎ型クラッ
ド層４をＧａＮまたはＡｌＧａＮで形成することができ
る。Ａｌを含む窒化物半導体は熱膨張係数が小さく、ま
た結晶自体が硬いので、第２のｎ型クラッド層４を第１
のｎ型クラッド層５に接して形成すると、活性層にさら
に大きな引っ張り応力を加えて、発光波長を長波長側に
シフトさせることが可能である。但し、活性層６に接し
てＡｌを含む第２のｎ型クラッド層４を形成する場合に
は、活性層の反対側の主面には、バッファ層となる第１
のｐ型クラッド層７をＩｎＧａＮ、ＧａＮ等で形成する
ことが望ましい。

【００２２】第２のｎ型クラッド層４は、ｎ型Ａｌ_a Ｇ
ａ_1-a Ｎ（０≦ａ＜１）により、５０オングストローム
ないし１μｍの膜厚で形成することが望ましい。第２の
ｎ型クラッド層をこの範囲内の膜厚で形成することによ
り、活性層６に好ましい引っ張り応力を与えることがで
きる。また、Ａｌ_a Ｇａ_1-a Ｎにおけるａ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。なぜなら、前記のように第１のｎ型クラッド層５に
より、この第２のｎ型クラッド層４にはクラックが入り
にくくなっているが、それでもＡｌＧａＮは結晶が硬
く、ａ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。また、一般にＡｌの混晶比
（ａ値）が多くなるに従って、活性層６の発光波長が長
波長となる傾向にある。

【００２３】また、本発明の素子では、第１のｐ型クラ
ッド層７に接して、ｐ型の窒化物半導体よりなる第２の
ｐ型クラッド層８を備えることもできる。第２のｐ型ク
ラッド層８は、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ（０≦ｂ≦１）で形成
することが望ましい。但し、第１のｐ型クラッド層７が
ＡｌＧａＮで形成されている場合は、この第２のｐ型ク
ラッド層８をコンタクト層としてＧａＮで形成すること
ができる。活性層６に接してＡｌを含む第２のｐ型クラ
ッド層８を形成する場合には、活性層６の反対側の主面
（ｎ層側）には、バッファ層となるＧａＮ、ＩｎＧａＮ
等の第１のｎ型クラッド層５が接して形成されているこ
とが望ましい。

【００２４】この第２のｐ型クラッド層８の作用も前記
第２のｎ型クラッド層４の作用と同じであり、第２のｐ
型クラッド層８は５０オングストロームないし１μｍの
膜厚で形成することが望ましい。また、第２のｐ型クラ
ッド層８を構成するＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎにおけるｂ値は
０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にすることが
望ましく、一般にＡｌの混晶比（ｂ値）が多くなるに従
って活性層の発光波長が長波長となる傾向にある。

【００２５】このようにＡｌを含む窒化物半導体層また
はＧａＮ層を前記第２のｎ型クラッド層４、前記第２の
ｐ型クラッド層８とすることにより、Ｉｎを含む活性層
６、第１のｎ型、ｐ型クラッド層５、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。しかも活性層６との熱膨張係数差を大きくして、活
性層の発光波長を長波長に移行させることが可能とな
る。

【００２６】ここで、活性層とクラッド層の好ましい組
み合わせを述べる。まず、活性層６と第１のクラッド層
５、７の組み合わせは、第１のｎ型クラッド層をＩｎ_x
Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）で形成し、活性層をＩｎ_z Ｇ
ａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）を含む量子井戸構造とし、第１
のｐ型クラッド層をＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）で
形成することである。但し、これらの組み合わせにおい
て、バンドギャップエネルギーの関係からｘ＜ｚの条件
を満たしていることはいうまでもない。活性層６は、単
一量子井戸構造の場合では井戸層を１００オングストロ
ーム以下の厚さに形成し、多重量子井戸構造では井戸層
を１００オングストローム以下の厚さに、および障壁層
を１５０オングストローム以下の厚さに形成する。いず
れの量子井戸構造の活性層でも、ｎ型またはノンドープ
とするとバンド間発光による半値幅の狭い発光が得られ
るので最も好ましい。

【００２７】次に、最も好ましい組み合わせは、第２の
ｎ型クラッド層４をＡｌ_a Ｇａ_1-aＮ（０≦ａ≦１）で
形成し、第１のｎ型クラッド層５をＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ
（０≦ｘ＜１）で形成し、活性層６をＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ
（０＜ｚ＜１）を含む量子井戸構造とし、第１のｐ型ク
ラッド層７をＡｌ_y Ｇａ_{1 -y}Ｎ（０≦ｙ＜１）で形成
し、第２のｐ型クラッド層８をＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ（０≦
ｂ≦１）で形成することである。この組み合わせの場合
は、第１のｎ型クラッド層５、第１のｐ型クラッド層７
のいずれか一方または両方を省略してもよい。省略した
場合、前記のように、第２のｎ型クラッド層４または第
２のｐ型クラッド層８が、それぞれ第１のクラッド層と
して作用する。この組み合わせによると、第１のクラッ
ド層５、７と活性層６だけでは、活性層６に十分な引っ
張り応力が得られない場合に、第１のクラッド層５、７
の外側にさらにＡｌを含む第２のクラッド層を形成し
て、第２のクラッド層４、８の熱膨張係数と活性層６の
熱膨張係数の差を大きくすることができる。従って、活
性層６を膜厚の薄い井戸層と障壁層との多重量子井戸構
造、又は井戸層のみの単一量子井戸構造とすることによ
り、界面に作用する引っ張り応力により、活性層のバン
ドギャップが小さくなり、発光波長が長波長側にシフト
され得る。

【００２８】さらに、本発明の素子の好ましい態様おい
て、インジウムを含むｎ型窒化物半導体またはｎ型Ｇａ
Ｎにより第１のｎ型クラッド層５を形成する場合に、前
記第１のｎ型クラッド層と前記活性層６との総膜厚を３
００オングストローム以上に調整する。この総膜厚を３
００オングストローム以上とすることにより、ＧａＮ、
ＩｎＧａＮがバッファ層の作用をして、活性層を好まし
い量子井戸構造とすることができ、さらに第１のｐ型ク
ラッド層７、第２のｐ型クラッド層８にクラックが入る
のを防止できる。

【００２９】なお、本発明において、前記Ｉｎ_x Ｇａ
_1-x Ｎ、Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ、Ｉｎ_z Ｇａ_1-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またはＩｎの一部を極微量のＡｌで置換したＩｎＡ
ｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。同様にＡｌ
_a Ｇａ_1-a Ｎ、Ａｌ_b Ｇａ_{1 -b}Ｎにおいても、その式中
においてＡｌＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａま
たはＡｌの一部を極微量のＩｎで置換したＩｎＡｌＧａ
Ｎも前記式中に含まれるものとする。

【００３０】さらにまた、活性層６にドナー不純物およ
び／またはアクセプター不純物をドープしてもよい。不
純物をドープした活性層の結晶性がノンドープと同じで
あれば、ドナー不純物をドープすると、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。アクセプター不純物をドープするとバンド間発光
のピーク波長よりも約０．５ｅＶ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。アクセプター不純物とドナー不純物との両者をドー
プすると、アクセプター不純物のみをドープした活性層
の発光強度に比べその発光強度をさらに大きくすること
ができる。特に、アクセプター不純物をドープした活性
層を形成する場合、活性層の導電型はＳｉ等のドナー不
純物をもドープしてｎ型とすることが好ましい。しか
し、本発明では活性層はバンド間発光で強力に発光する
のが理想であるので、活性層をノンドープのＩｎＧａＮ
で形成することが最も好ましい。活性層に不純物をドー
プするとノンドープのものよりも結晶性が悪くなる傾向
にある。また、ノンドープのＩｎＧａＮを活性層とした
発光素子は、不純物をドープした発光素子よりもＶｆ
（順方向電圧）を低くすることができる。

【００３１】多重量子井戸構造の活性層は、例えばＩｎ
ＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（組成が異な
る）等の組み合わせで、それぞれの井戸層＋障壁層を積
層した薄膜積層構造である。活性層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。多重量子井戸構造の活性層において、井戸層
の厚さは、数オングストローム〜数十オングストローム
にし、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、井戸層と障壁層とを積層して、
多重量子井戸構造とする。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。また、井戸層、障壁層にドナー、アクセプター
不純物をドープして多重量子井戸構造を形成してもよ
い。このように膜厚の薄い層を多層に積層することによ
り、結晶内の歪みを活性層で弾性的に吸収することがで
きる。

【００３２】また、図１に示すように、第１のｎ型クラ
ッド層５または第２のｎ型クラッド層４に接して電極を
形成する層としてｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層
３を形成することが好ましく、前記第１のｐ型クラッド
層７または第２のｐ型クラッド層８に接して電極を形成
する層としてｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を
形成することが好ましい。但し、このコンタクト層３、
９は、第２のｎ型クラッド層４、第２のｐ型クラッド層
８がＧａＮで形成されていれば、特に形成する必要はな
く、第２のクラッド層４、８をコンタクト層とすること
も可能である。ＧａＮよりなるコンタクト層３、９を形
成するのは、第１のクラッド層、第２のクラッド層のよ
うな３元以上の混晶は電極とオーミックコンタクトが得
られにくいからである。特に第２のクラッド層のように
Ａｌを含む窒化物半導体は電極とオーミックコンタクト
を得るのが困難である。従って最もオーミックコンタク
トの得られやすいＧａＮを電極とのコンタクト層に形成
することによって、Ｖｆが低く発光効率がよい発光素子
を実現できる。

【００３３】図２は単一量子井戸構造の活性層の厚さ、
つまり井戸層の厚さと、発光素子の発光ピーク波長との
関係を示す図である。なお、図２において線αは活性層
がノンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる発光素子を示
し、線βは活性層がノンドープＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎより
なる発光素子を示している。両方とも発光素子の構造は
第２のクラッド層と、第１のｎ型クラッド層と、活性層
と、第１のｐ型クラッド層と、第２のｐ型クラッド層と
を順に積層したダブルへテロ構造である。第２のｎ型ク
ラッド層は０．１μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎよりなり、第１のｎ型クラッド層は５００オング
ストロームのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなり、第１のｐ型
クラッド層は２０オングストロームのＭｇドープｐ型Ｉ
ｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなり、第２のｐ型クラッド層は
０．１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7 Ｎよりな
るダブルへテロ構造である。図２では前記活性層の膜厚
を変えた際に発光波長が変化することを示している。

【００３４】線αで示すＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ活性層は、
本来のバンドギャップエネルギーでは３８０ｎｍ付近の
紫外発光を示すが、膜厚を薄くすることにより４２０ｎ
ｍ近くまで波長を長して青紫色の発光にできる。また線
βで示すＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ活性層は本来のバンドギャ
ップエネルギーでは４８０ｎｍ付近の青緑色発光である
が、同じく膜厚を薄くすることにより、５２０ｎｍ近く
の純緑色発光が得られる。このように第１のｎ型クラッ
ド層と第１のｐ型クラッド層で挟まれた活性層の膜厚を
薄くすることにより、発光波長を長波長にすることがで
きる。つまり、通常の膜厚の厚い活性層ではその活性層
のバンドギャップエネルギーに相当する発光しか示さな
いが、本発明の単一量子井戸構造の活性層では、井戸層
の膜厚を薄くすることによって、バンドギャップエネル
ギーが小さくなり、元の井戸層のバンドギャップエネル
ギーよりも低エネルギーの光、即ち長波長を発光させる
ことが可能となる。しかもノンドープであるので、不純
物をドープしたものよりも結晶性がよいので出力が高く
なり、さらにバンド間発光で半値幅の狭い色純度に優れ
た発光が得られる。

【００３５】また、従来の膜厚が厚いＩｎＧａＮで活性
層を形成すると、活性層の結晶性が悪く、例えばＩｎ組
成比が０．３〜０．５では結晶性が悪くなって発光出力
が非常に低かったが、薄膜にすることにより、大きなＩ
ｎ組成比でも結晶性良く成長できるようになるという作
用もある。

【００３６】従って、本発明において、井戸層の膜厚は
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となるように形成することが望まし
い。図２は本発明の素子による発光素子の一例を示した
ものであるが、発光波長が長波長側に移行する波長範囲
は、活性層に引っ張り応力を与える第２のクラッド層、
第１のクラッド層の組成によっても異なり、またそれら
の組成によって活性層の好ましい膜厚も多少変化する。

【００３７】窒化物半導体において、ＡｌＮの熱膨張係
数は４．２×１０^-6／Ｋであり、ＧａＮの膨張係数は
５．５９×１０^-6／Ｋであることが知られている。Ｉｎ
Ｎに関しては、完全な結晶が得られていないため熱膨張
係数は不明であるが、仮にＩｎＮの熱膨張係数がいちば
ん大きいと仮定すると、熱膨張係数の順序はＩｎＮ＞Ｇ
ａＮ＞ＡｌＮとなる。一方、窒化物半導体の成長温度を
見てみると、通常ＭＢＥ法では５００℃、ＭＯＶＰＥ法
では時に９００℃以上の高温で成長させる。例えばＭＯ
ＶＰＥ法によるとＩｎＧａＮで７００℃以上、ＡｌＧａ
Ｎであると９００℃以上で成長させる。そこで熱膨張係
数の大きい活性層を、活性層よりも熱膨張係数の小さい
クラッド層で挟んだ素子を高温で形成した後、室温にま
で温度を下げると、熱膨張係数の大きい活性層がクラッ
ド層に引っ張られ、活性層とクラッド層の界面に平行方
向に引っ張り応力が活性層に作用する。このため、活性
層のバンドギャップエネルギーが小さくなり、発光波長
が長波長になるのである。つまり活性層のＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ、Ｉｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ等は第１のクラッド層、お
よび第２のクラッド層よりもＩｎが多い分、熱膨張係数
が大きい。従って活性層とクラッド層の界面に平行方向
に引っ張り応力が作用し、活性層のバンドギャップエネ
ルギーが小さくなるので通常の活性層のバンド間発光よ
りも、発光波長を長くすることができるのである。特に
その引っ張り応力は活性層を薄くするほど大きくなるの
で、発光波長をより長波長にすることが可能となる。

【００３８】本発明の素子において好ましい態様は、イ
ンジウムを含むｎ型窒化物半導体、またはｎ型ＧａＮを
第１のｎ型クラッド層として備え、その第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熱膨張係
数が大きいインジウムを含む窒化物半導体よりなる活性
層を備え、この活性層を単一量子井戸若しくは多重量子
井戸構造とすることによって、本来の活性層のバンドギ
ャップエネルギーよりも低エネルギーの光が発光される
素子であり、この素子において、前記第１のｎ型クラッ
ド層と前記活性層との総膜厚が３００オングストローム
以上あることがさらに好ましい。また他の態様として、
インジウムを含む窒化物半導体よりなる単一量子井戸構
造若しくは多重量子井戸構造の活性層を備え、その活性
層に接して、活性層よりも熱膨張係数が小さいアルミニ
ウムを含むｐ型窒化物半導体を第１のｐ型クラッド層と
して備え、この活性層を単一量子井戸構造若しくは多重
量子井戸構造とすることによって、本来の活性層のバン
ドギャップエネルギーよりも低エネルギーの光が発光さ
れる素子である。

【００３９】従来の窒化物半導体発光素子は、上にも説
明したように、ＩｎＧａＮを主とする活性層をＡｌＧａ
Ｎを主とする２つのクラッド層で挟んだ構造を有してい
る。ＩｎＧａＮ活性層をＡｌＧａＮクラッド層を挟んだ
従来の構造では、活性層の厚さを薄くするに従って、Ｉ
ｎＧａＮ活性層、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックが生
じる傾向にある。例えば、活性層の厚さを２００オング
ストローム未満にするとクラックが多数入ってしまうた
めに素子作製が困難となる。これはＡｌを含むクラッド
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ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮ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、従来ではクラッド層、活性層
中にクラックが入るために、活性層を薄くしようとして
もできなかったのが実状であった。

【００４０】一方、本発明では図１に示すように、Ｉｎ
とＧａとを含む活性層６に接する層として、新たに第１
のｎ型クラッド層５を形成している。この第１のｎ型ク
ラッド層５は、活性層とＡｌを含む第２のｎ型クラッド
層４の間のバッファ層として作用する。つまり第１のｎ
型クラッド層５であるＩｎを含む窒化物半導体またはＧ
ａＮは結晶の性質として柔らかい性質を有しているの
で、Ａｌを含む第２のクラッド層４と活性層６の格子定
数不整と熱膨張係数差によって生じる歪を吸収する働き
がある。従って活性層を薄くしても活性層６、第２のｎ
型クラッド層４にクラックが入りにくいと推察される。
第１のクラッド層５によって歪が吸収されるので、活性
層は膜厚が２００オングストローム以下になると引っ張
り応力が作用して弾性的に変形してバンドギャップエネ
ルギーが小さくなり発光波長が長くなる傾向にある。し
かも活性層の結晶欠陥が少なくなる。従って、活性層の
膜厚が薄い状態においても、活性層の結晶性が良くなる
ので発光出力が増大する。このように第１のｎ型クラッ
ド層５をバッファ層として作用させるためには、結晶が
柔らかい層である活性層６と第１のｎ型クラッド層５と
の膜厚の合計が３００オングストローム以上あることが
好ましい。

【００４１】また、第１のｐ型クラッド層はアルミニウ
ムを含む窒化物半導体で形成すると、出力が向上する。
これはＡｌＧａＮが他の窒化物半導体に比べて、ｐ型化
しやすいか、あるいはＩｎＧａＮよりなる活性層の分解
を、第１のｐ型クラッド層成長時に抑える作用があるた
めと推察されるが、詳しいことは不明である。

【００４２】窒化物半導体よりなる本発明の発光素子を
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Ｉｎ_a Ａｌ_b Ｇａ_1-a-b Ｎ（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。基板には例え
ばサファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６
Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣも含む）、スピネル（ＭｇＡ
ｌ₂ Ｏ₄ 、特にその（１１１）面）、ＺｎＯ、Ｓｉ、Ｇ
ａＡｓ、あるいは他の酸化物単結晶基板（ＮＧＯ等）が
使用できる。また、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、Ｇｅ、Ｓ等のドナー不純物
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等のアクセプター不純物を同じく結晶成
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。

【００４３】

【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法による窒化物半導
体層の成長方法を例示している。 実施例１ 本実施例を図１を参照して記述する。

【００４４】ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ₃ と
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。

【００４５】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。

【００４６】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
Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層よりなる第２のクラッド層４を
０．１μｍの膜厚で成長させた。

【００４７】次に、温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ₃ およびＳｉＨ₄
を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ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。

【００４８】続いてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ₃ を用
い、８００℃でノンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる
活性層６（単一量子井戸構造）を３０オングストローム
の膜厚で成長させた。

【００４９】さらに、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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ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。

【００５０】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 Ｇａ_0.7 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。

【００５１】続いて、１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ₃ およ
びＣｐ₂ 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。以
上の操作終了後、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Ｔ
ｉ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３５０μｍ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．
５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光を示し、発
光出力は５ｍＷであった。さらに、発光スペクトルの半
値幅は２０ｎｍであり、非常に色純度のよい発光を示し
た。

【００５２】実施例２ 活性層をＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎで形成し、その膜厚を１０
オングストロームとした以外は実施例１と同様にしてＬ
ＥＤ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４２５ｎｍの青紫色発光を示
し、発光出力が５ｍＷと非常に優れた特性を示し、発光
スペクトルの半値幅も２０ｎｍと色純度のよい青色発光
を示した。

【００５３】実施例３ 活性層６をノンドープＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 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素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、発光ピーク波長
４６５ｎｍの青色発光を示し、発光出力が５ｍＷと非常
に優れた特性を示し、発光スペクトルの半値幅も２５ｎ
ｍと色純度のよい青色発光を示した。

【００５４】実施例４ 第１のｐ型クラッド層７を形成しない以外は、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でＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４２
５ｎｍの青色発光を示し、同じく発光出力は７ｍＷであ
った。さらに、発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍであ
った。この発光素子は活性層にＡｌＧａＮよりなる第２
のクラッド層８が直接接しているので活性層の引っ張り
応力が大きくなりピーク波長が長波長になると共に、発
光出力が増大した。

【００５５】実施例５ 第１のｎ型クラッド層５としてＳｉドープｎ型Ｉｎ_0.01
Ｇａ_0.99Ｎを３００オングストロームの膜厚で成長さ
せ、次に活性層６としてノンドープＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ
を１０オングストロームの膜厚で成長させ、次に第１の
ｐ型クラッド層７としてＭｇドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ
層を３００オングストロームの膜厚で成長させた以外は
実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。このＬＥ
Ｄ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光
ピーク波長５００ｎｍ、半値幅４０ｎｍの緑色発光を示
し、発光出力３ｍＷと非常に優れた特性を示した。

【００５６】実施例６ 実施例１の手法において、ｎ型コンタクト層３を成長さ
せた後、次に直接膜厚７０オングストロームのＩｎ_0.4
Ｇａ_0.6 Ｎからなる単一量子井戸構造の活性層６を成長
させた。なお、本素子において、ｎ型コンタクト層３が
第１のｎ型クラッド層として作用している。次に活性層
６の上に、第２のｐ型クラッド層８を成長させ、最後に
ｐ型コンタクト層９を成長させた。これ以降は実施例１
と同様にして発光素子を作製した。このＬＥＤ素子は、
Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長
５２５ｎｍ、半値幅４０ｎｍの緑色発光を示し、発光出
力４ｍＷと非常に優れた特性を示した。 実施例７ 第１のｎ型クラッド層５としてＳｉドープｎ型ＧａＮを
３００オングストロームの膜厚で成長させ、次に活性層
６としてノンドープＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎを２０オングス
トロームの膜厚で成長させ、次に第１のｐ型クラッド層
７としてＭｇドープｐ型ＧａＮ層を３００オングストロ
ームの膜厚で成長させた以外は実施例１と同様にしてＬ
ＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡ
において、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長５１５ｎｍ、
半値幅４０ｎｍの緑色発光を示し、発光出力３ｍＷであ
った。

【００５７】実施例８ アクセプター不純物源としてＤＥＺ（ジエチルジン
ク）、ドナー不純物源としてＳｉＨ₄ を用い、活性層６
としてＳｉとＺｎをドープしたｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
層を５０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、このＬＥＤ素子はＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ
３．５Ｖ、発光ピーク波長４８０ｎｍ、半値幅８０ｎｍ
の緑色発光を示し、発光出力２ｍＷであった。

【００５８】実施例９ 活性層をノンドープＩｎ_0.8 Ｇａ_0.2 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Ｌ
ＥＤは、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長
６５０ｎｍの赤色発光を示し、発光出力は０．７ｍＷで
あった。

【００５９】実施例１０ 第１のｎ型クラッド層５としてＳｉドープｎ型Ｉｎ_0.01
Ｇａ_0.99Ｎを５００オングストロームの膜厚で形成し
た。次に活性層６を形成するために、井戸層としてノン
ドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎを１０オングストロームの厚
さに形成し、その上に障壁層としてノンドープＩｎ_0.05
Ｇａ_0.95Ｎを１０オングストロームの厚さに形成し、こ
れを交互に４回づつ繰り返し、最後にノンドープのＩｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層を１０オングストローム形成し
て、総厚９０オングストロームの多重量子井戸構造の活
性層を形成した。次に、活性層の上に第１のｐ型クラッ
ド層として、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎを５０
０オングストロームの膜厚で形成する。その他は実施例
１と同様にしてサファイアの上に所定の窒化物半導体を
積層したウェーハを作製した。

【００６０】しかる後、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２０μｍの幅で負電極、ｐ型コンタクト層
９に２μｍの幅で正電極をそれぞれ形成した。

【００６１】ついで、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）をスクライブする。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。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、
レーザ発振を試みたところ、常温において、しきい値電
流密度１．５ｋＡ／ｃｍ² で発振波長４１５ｎｍのレー
ザ発振が確認された。

【００６２】実施例１１ 第１のｎ型クラッド層５としてＳｉドープｎ型Ｉｎ_0.01
Ｇａ_0.09Ｎを５００オングストロームの厚さに形成した
後、活性層６を形成するために井戸層としてノンドープ
Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに形
成し、その上に障壁層としてノンドープＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎを５０オングストロームの厚さに形成する操作を
交互に１３回づつ繰り返し、最後にノンドープＩｎ_0.15
Ｇａ_0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに形成して合
計膜厚１０００オングストロームの多重量子井戸構造の
活性層を形成した。これ以外は実施例１０と同様にして
レーザー素子を作製した。このレーザー素子は、常温
で、しきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ² で４１５ｎｍ
の発振波長のレーザー発振が確認された。

【００６３】実施例１２ 活性層６を形成するために井戸層としてノンドープＩｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに形成
し、その上に障壁層としてノンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95
Ｎを５０オングストロームの厚さに形成する操作を交互
に２６回づつ繰り返し、最後にノンドープＩｎ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに形成して合計膜
厚１９７５オングストロームの多重量子井戸構造の活性
層を形成した以外は実施例１１と同様にしてレーザー素
子を作製した。このレーザー素子は、常温で、しきい値
電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ² で４１５ｎｍの発振波長の
レーザー発振が確認された。

【００６４】実施例１３ 実施例３で得られた４５０ｎｍの青色ＬＥＤと、実施例
５で得られた５１５ｎｍの緑色ＬＥＤと、従来のＧａＡ
ｓ系材料またはＡｌＩｎＧａＰ系の材料よりなる発光出
力３ｍＷ、６６０ｎｍの赤色ＬＥＤ一個づつを１ドット
とし、このドットを１６×１６で組み合わせてＬＥＤパ
ネルにし、そのＬＥＤパネルを並べて３２０×２４０画
素のフルカラーＬＥＤディスプレイを作製したところ、
白色の発光輝度で一万ニットの面発光を達成した。

【００６５】

【発明の効果】本発明においては、熱膨張係数の小さい
クラッド層で熱膨張係数の大きい活性層を挟むことによ
り、活性層に引っ張り応力がかかるので、活性層のバン
ドギャップエネルギーが本来のそれより小さくなり、発
光波長を長波長にすることができる。しかもＩｎを含む
窒化物半導体よりなる活性層に接して、熱膨張係数の小
さいＩｎを含む窒化物半導体またはＧａＮよりなる第１
のクラッド層をすると、この第１のクラッド層が新たな
バッファ層として作用することにより、活性層が弾性的
に変形して結晶性が良くなり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で半値幅が８０ｎｍ程度
であったが、本発明ではその倍近くの発光出力を達成す
ることができ、半値幅は半分以下と非常に色純度が向上
した。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５２０ｎ
ｍ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
あった色純度のよい高輝度な緑色ＬＥＤも実現できる。

【００６６】また、本発明の素子では活性層の井戸層の
厚さが薄く、また多重量子井戸構造では各層の厚さが臨
界膜厚以下となっているので、クラッド層と活性層との
熱膨張係数差により活性層に引っ張り応力が働いても活
性層は弾性的に変形し、ＩｎＧａＮ活性層中に引っ張り
応力による結晶欠陥、または活性層とクラッド層との間
の格子不整合による結晶欠陥が生じない。また活性層が
弾性的に変形するので、ＩｎＧａＮの価電子帯のエネル
ギー縮退が解けて正孔のエネルギー状態密度が減少し、
電子と正孔がＩｎＧａＮ活性層に注入された場合、反転
分布が起こりやすくなりレーザ発振のしきい値電流が低
減してレーザ発振が起こりやすいという効果もある。

【００６７】一方、従来のＬＥＤ、ＬＤ（レーザダイオ
ード）は同一組成の活性層の厚さが１０００〜２０００
オングストロームあり非常に厚く、活性層が弾性的に変
形する臨界膜厚を超えているので、活性層中に引っ張り
応力による結晶破壊が生じており、多数の結晶欠陥が活
性層中に生じている。このため、従来のＬＥＤでは電流
２０ｍＡでノンドープの活性層ではＩｎ組成比０．０５
で発光出力０．１ｍＷ以下しか発光しなかったが、本発
明では数ｍＷ以上の発光出力を達成することができた。

【００６８】以上説明したように本発明の素子による
と、従来は実現できなかった高輝度の緑色ＬＥＤが初め
て実現し、実用化可能となる。この効果は非常に大き
く、実施例１３に示すように高輝度フルカラーＬＥＤデ
ィスプレイが初めて作製可能となり、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窒化物半導体発光素
子の構造を示す概略断面図。

【図２】 活性層の厚さと発光素子の発光ピーク波長と
の関係を示すグラフ図。

【図３】 本発明の一実施例に係る窒化物半導体レーザ
素子の構造を示す斜視図。

【図４】 従来のＬＥＤ素子のピーク発光波長と発光出
力の関係を示すグラフ図。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平6−305259 (32)優先日 平６(1994)12月９日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−57050 (32)優先日 平７(1995)３月16日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−57051 (32)優先日 平７(1995)３月16日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） 早期審査対象出願 (56)参考文献 特開 平６−177423（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21511（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260683（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インジウムおよびガリウムを含む窒化物
   半導体よりなり、第１および第２の面を有する活性層を
   備え、該活性層の第１の面に接してＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ
   （０≦ｘ＜１）よりなるｎ型窒化物半導体層を備え、該
   活性層の第２の面に接してＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜
   １）よりなるｐ型窒化物半導体層を備え、該活性層を量
   子井戸構造とし、活性層を構成する窒化物半導体の本来
   のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光
   を発光することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 活性層とｎ型窒化物半導体層との総膜厚
   が３００オングストローム以上であることを特徴とする
   請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 【請求項３】 ｐ型窒化物半導体層上に、ＧａＮよりな
   るｐ型コンタクト層を有することを特徴とする請求項１
   または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 【請求項４】 ＧａＮよりなるｎ型窒化物半導体層およ
   びＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を有し、該ｎ型窒化
   物半導体層とｐ型コンタクト層との間にインジウムおよ
   びガリウムを含む窒化物半導体よりなる活性層を備え、
   該ｐ型コンタクト層側で該活性層に接してＡｌ_y Ｇａ
   _1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）よりなるｐ型窒化物半導体を備
   え、該活性層を量子井戸構造とし、活性層を構成する窒
   化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも低
   いエネルギーの光を発光することを特徴とする窒化物半
   導体発光素子。
5. 【請求項５】 インジウムおよびガリウムを含む窒化物
   半導体よりなる井戸層を備え、第１および第２の面を有
   する活性層を具備し、該活性層の第２の面側にＧａＮよ
   りなるｐ型コンタクト層を備え、該活性層の第１の面に
   接して該活性層を構成するインジウムおよびガリウムを
   含む窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーの大
   きなＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）よりなるｎ型窒化
   物半導体層を備え、該活性層とｐ型コンタクト層との間
   に該活性層の第２の面に接してＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜
   ｙ＜１）よりなるｐ型窒化物半導体層を備え、該活性層
   を単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とし、活性
   層を構成する窒化物半導体の本来のバンドギャップエネ
   ルギーよりも低いエネルギーの光を発光することを特徴
   とする窒化物半導体発光素子。
6. 【請求項６】 Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎよりなるｎ型窒化物半
   導体層に接してＡｌ_a Ｇａ_1-a Ｎ（０≦ａ≦１）よりな
   る第２のｎ型窒化物半導体層を備えることを特徴とする
   請求項５記載の窒化物半導体発光素子。
7. 【請求項７】 活性層が、ノンドープのものであること
   を特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の
   窒化物半導体発光素子。
8. 【請求項８】 活性層にドナー不純物および／またはア
   クセプター不純物がドープされていることを特徴とする
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の窒化物半導体
   発光素子。
9. 【請求項９】 活性層が、厚さ１００オングストローム
   以下の井戸層を有することを特徴とする請求項１ないし
   ８のいずれか１項記載の窒化物半導体発光素子。
10. 【請求項１０】 活性層が、厚さ７０オングストローム
    以下の井戸層を有することを特徴とする請求項１ないし
    ８のいずれか１項記載の窒化物半導体発光素子。
11. 【請求項１１】 活性層が、Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ
    ＜１）よりなる井戸層を有することを特徴とする請求項
    １ないし１０のいずれか１項記載の窒化物半導体発光素
    子。
12. 【請求項１２】 活性層が、Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｘ
    ＜１）よりなる井戸層と、Ｉｎz'Ｇａ_1-z'Ｎ（０＜ｚ’
    ＜１、 ただし、ｚ’はｚと異なる）もしくはＧａＮより
    なる障壁層との組み合わせからなる多重量子井戸構造を
    有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか
    １項記載の窒化物半導体発光素子。