JP3152902B2

JP3152902B2 - 青色半導体発光素子

Info

Publication number: JP3152902B2
Application number: JP9371998A
Authority: JP
Inventors: 敏英泉谷; 吾紅波多野; 康夫大場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2001-04-03
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JPH10247745A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広バンドギャップ
の化合物半導体材料を用いた短波長の青色半導体発光素
子（ＬＥＤ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速度かつ高密度の情報処理システムの
発展に伴い、短波長のＬＥＤ特に高輝度の青色ＬＥＤの
実現が望まれている。青色ＬＥＤの実現に有望と思われ
る III-V族化合物半導体材料を大きなバンドギャップと
いう観点から見ると、ＢＮ（４または８ｅＶ），ＡｌＮ
（６ｅＶ），ＧａＮ（３．４ｅＶ），ＩｎＰ（２．４ｅ
Ｖ），ＡｌＰ（２．５ｅＶ），ＧａＰ（２．３および
２．８ｅＶ）等の、軽めのIII族元素の窒化物と燐化物
が大きなバンドギャップを有する。

【０００３】しかしながらこれらのうち、ＢＮは、バン
ドギャップが大きいが４配位（ｓｐ３）結合を有する高
圧相（ｃ−ＢＮ）は合成しにくく、しかも３種の多形を
有し、混合物もでき易いので使用できない。不純物ドー
ピングも難しい。ＩｎＮは、バンドギャップが小さめで
あり、熱的安定性に乏しく、また普通多結晶しか得られ
ない。ＡｌＰ，ＧａＰは、いずれもバンドギャップがや
や足りない。

【０００４】残るＡｌＮ，ＧａＮは、バンドギャップが
大きく、また安定性にも優れており、短波長発光用とし
て適していると言える。ただ、ＡｌＮ，ＧａＮは結晶構
造がウルツ鉱型（Ｗｕｒｚｅｉｔｅ型、以下これをＷＺ
型と略称する）であり、しかもイオン性が大きいため格
子欠陥が生じ易く、低抵抗のｐ型半導体を得ることがで
きない。

【０００５】この様な問題を解決するため、従来の半導
体レーザ用に開発された材料であるＢ，Ｎを含まない I
II-V族系の化合物にＢ，Ｎを混合してバンドギャップを
大きくした材料を得る試みがなされている。しかし、従
来用いられている材料とＢ，Ｎを含む材料とでは格子定
数が２０〜４０％と大きく異なり、また結晶構造も異な
るため、安定な結晶は得られていない。例えば、ＧａＰ
にＮを混合した場合、ＮはＧａＰの１％以下しか混合で
きず、十分広いバンドギャップを得ることは不可能であ
った。

【０００６】本発明者らの研究によれば、ＧａＮやＡｌ
Ｎで低抵抗のｐ型結晶が得られないのは、イオン性が大
きいことによる欠陥が生じ易いことの他に、これらが閃
亜鉛鉱型（ＺｉｎｃＢｌｅｎｄｅ型、以下ＺＢ型と略
称する）の結晶構造ではなく、ＷＺ構造を持っているこ
とが本質的な原因であるのが判明している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来、高
輝度青色ＬＥＤを実現するために必要である、バンドギ
ャップが例えば２．７ｅＶ以上と大きく、ｐｎ制御が可
能で、結晶の質も良い、という条件を満たす半導体材料
は存在しなかった。ＡｌＮ，ＧａＮなどの窒化物は大き
いバンドギャップを得る上で有効な材料であるが、低抵
抗のｐ型層を得ることができなかった。

【０００８】本発明はこの様な点に鑑みなされたもの
で、新しい化合物半導体材料を用いた青色半導体発光素
子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を
採用している。

【００１０】即ち本発明は、発光層をクラッド層で挟ん
だダブルへテロ構造部を有する青色半導体発光素子にお
いて、前記ダブルへテロ構造部と下地基板との間に、Ｇ
ａＡｌＮとＢＰの混晶又は超格子構造の反射層が挿入さ
れてなることを特徴とする。ここで、反射層はダブルへ
テロ構造部に対して基板側に配置されているのが望まし
い。

【００１１】（作用）本発明者らの研究によれば、ＧａＡｌＮ系材料であって
も、例えばＢＰとの多層構造に形成したり、或いはＢＰ
との混晶を形成することにより、安定な結晶を作成でき
る場合のあることが判明した。そこで本発明では、Ｇａ
ＡｌＮ系材料からなるダブルへテロ構造部を用いて青色
半導体発光素子を構成し、更にダブルへテロ構造部を挟
む層の少なくとも一方（例えば基板側）とダブルへテロ
構造部との間にＧａＡｌＮとＢＰの混晶又は超格子構造
の反射層を挿入している。これにより、発光層から基板
側に放射される光が表面側に効率良く反射されて外部に
取り出される結果、高い輝度を得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００１３】図１は、一参考例のＬＥＤの断面構造であ
る。Ｓｉドープのｎ型ＧａＰ基板１１上に、バッファ層
としてＳｉドープのｎ型ＧａＰ層１２同じくＳｉドープ
のｎ型ＢＰ層１３が形成され、この上にＳｉドープのｎ
型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層１４、及びＭｇド
ープのｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層１５が順
次形成されてｐｎ接合を構成している。素子の両面には
例えばＩｎからなるオーミック電極１６，１７が形成さ
れている。

【００１４】このＬＥＤは、有機金属気相成長法（ＭＯ
ＣＶＤ法）を用いて製造される。その製造方法につき以
下に詳しく説明する。

【００１５】図２は、その参考例に用いたマルチチャン
バ方式の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置である。
図において、２１，２２および２３は石英製の反応管で
ありそれぞれの上部に位置するガス導入口から必要な原
料ガスが取入れられる。これらの反応管２１，２２及び
２３は一つのチャンバ２４にその上蓋を貫通して垂直に
取付けられている。基板２５はグラファイト製サセプタ
２６上に設置され、各反応管２１，２２，２３の開口に
対向するように配置されて外部の高周波コイル２７によ
り高温に加熱される。

【００１６】サセプタ２６は、石英製ホルダ２８に取付
けられ、磁性流体シールを介した駆動軸により各反応管
２１，２２，２３の下を高速度で移動できるようになっ
ている。駆動は、外部に設置されたコンピュータ制御さ
れたモータにより行われる。サセプタ中央部には熱電対
３０が置かれ、基板直下の温度をモニタして外部に取出
す。そのコード部分は回転によるねじれを防止するため
スリップリングが用いられる。反応ガスは、上部噴出口
３１からの水素ガスのダウンフローの速い流れにより押
出され、互いの混合が極力抑制されながら、排気口３２
からロータリーポンプにより排気される。

【００１７】この様なＭＯＣＶＤ装置により、各反応管
２１，２２，２３を通して所望の原料ガスを流し、基板
２５をコンピュータ制御されたモータで移動させること
により、基板２５上に任意の積層周期、任意組成を持っ
て多層構造を作製することができる。この方式では、ガ
ス切替え方式では得られない鋭い濃度変化が容易に実現
できる。またこの方式では、急峻なヘテロ界面を作製す
るためにガスを高速で切替える必要がないため、原料ガ
スであるＮＨ₃やＰＨ₃の分解速度が遅いという問題を
ガス流速を低く設定することにより解決することができ
る。

【００１８】このＭＯＣＶＤ装置を用いて図１のＬＥＤ
を作製した。原料ガスは、メチル基有機金属のトリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ），トリエチル硼素（ＴＥＢ），アンモニア（Ｎ
Ｈ₃），フォスフィン（ＰＨ₃）である。基板温度は８
５０〜１１５０℃程度、圧力は０．３気圧、原料ガスの
総流量は１ｌ／ｍｉｎであり、成長速度が１μｍ／ｈと
なるようにガス流量を設定した。

【００１９】概略的な各ガス流量は、ＴＭＡ：１×１０
^-6ｍｏｌ／ｍｉｎ，ＴＭＧ：１×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ，ＴＥＢ：１×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉｎ，ＰＨ₃：５×
１０^-4ｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ₃：１×１０^-3ｍｏｌ／ｍ
ｉｎである。ｐ，ｎのドーパントにはＭｇとＳｉを用い
た。これらの不純物ドーピングは、シラン（ＳｉＨ₄）
およびシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍ
ｇ）を原料ガスに混合することにより行った。

【００２０】具体的な素子構造を示すと、ｎ型ＧａＰ基
板１１はＳｉドープでキャリア濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³、ｎ型ＧａＰ層１２はＳｉドープでキャリア濃度５
×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍ、ｎ型ＢＰ層１３は同じ
くＳｉドープでキャリア濃度２×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ
３μｍである。ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１４は、
ＧａＡｌＮ層１．３ｎｍ，ＢＰ層０．７ｎｍの２ｎｍ周
期で、キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍ、
ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１５は、ＧａＡｌＮ層１
ｎｍ，ＢＰ層１ｎｍの２ｎｍ周期で、キャリア濃度２×
１０¹⁶／ｃｍ³，厚さ５μｍである。

【００２１】図３はこの参考例によるＬＥＤチップ３１
をレンズを兼ねた樹脂ケース３２に埋め込んだ状態を示
す。３３は内部リード，３４は外部リードである。

【００２２】この参考例によるＬＥＤは、樹脂ケースに
埋め込んで約５ｍｃｄの青色発光が確認された。

【００２３】図４は、ダブルヘテロ接合（ＤＨ）構造を
持つＬＥＤの参考例の断面図である。ｐ型ＧａＰ基板４
１上にｐ型ＧａＰバッファ層４２，ｐ型ＢＰバッファ層
４３が順次形成され、この上にｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ
／ＢＰ超格子層４４，アンドープのＧａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ
／ＢＰ超格子層４５，ｎ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超
格子層４６が順次形成されている。素子ウェハの両面に
オーミック電極４７，４８が形成されている。

【００２４】このＬＥＤも、図２のＭＯＣＶＤ装置を用
いてほぼ上記参考例と同様の条件で作製される。

【００２５】具体的な素子構成を説明する。ＧａＰ基板
４１はＺｎドープ，キャリア濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³で
ある。この上にキャリア濃度２×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ
３μｍのｐ型ＧａＰバッファ層４２および、キャリア濃
度１×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍのｐ型ＢＰバッファ
層４３が形成されている。ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／Ｂ
Ｐ超格子層４４は、１．３ｎｍ／０．７ｎｍの積層構造
でバンドギャップが３．０ｅＶ、キャリア濃度１×１０
¹⁷／ｃｍ³，厚さ２μｍ、アンドープＧａ_0.5Ａｌ_0.5
Ｎ／ＢＰ超格子層４５は、１ｎｍ／１ｎｍの積層構造で
バンドギャップ２．７ｅＶ、キャリア濃度２×１０¹⁶／
ｃｍ³，厚さ０．５μｍ、ｎ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／Ｂ
Ｐ超格子層４６は、１．３ｎｍ／０．７ｎｍの積層構造
でバンドギャップ３．０ｅＶ、キャリア濃度１×１０¹⁷
／ｃｍ³，厚さ５μｍである。

【００２６】この参考例のＬＥＤチップを先の参考例と
同様に樹脂封止することにより、一層輝度の高い青色発
光が確認された。

【００２７】以上の参考例では、ｐｎ接合を構成する発
光層の各超格子層を積層周期２ｎｍとし、ＧａＡｌＮ層
とＢＰ層の膜厚比は、１：１或いは１３：７に設定した
例を示した。これらの積層周期や膜厚比は必要に応じて
変更することができるが、その場合注意が必要なのは、
積層周期が５ｎｍ以下になると電子の局在が顕著にな
り、その結果高抵抗化すること、またＧａＡｌＮ層をＢ
Ｐ層より薄くするとバンド構造が直接遷移型から間接遷
移型に変化して発光効率が低下することである。

【００２８】またＧａＡｌＮ層としてＧａとＡｌが１：
１の場合を示したが、この組成比もこれに限られない。
さらに図４の参考例では、ＧａとＡｌの組成比を一定に
保ったままＢＰとの膜厚比を変化させることにより超格
子層部分のバンドギャップを変化させたが、ＧａとＡｌ
の組成比を変化させることでバンドギャップを変化させ
ることもできる。

【００２９】次に、ＬＥＤのｐｎ接合を構成する発光層
部分の材料として、ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層に代っ
て、ＺＢ構造を有するＧａ_xＡｌ_yＢ_1-x-yＮ_zＰ_1-z
混晶層（０≦ｘ，ｙ≦１，ｚ〜ｘ＋ｙ）を用いた参考例
を説明する。この様な混晶層は、図２のＭＯＣＶＤ装置
を用いて結晶成長を行うに際し、基板の移動を止めて、
代りに混合した原料ガスを一つの反応管から導入するこ
とにより得られる。ただし原料ガスの相互反応を防止す
るために、ガスは反応管直前で混合するようにする。

【００３０】図５はその様な参考例のシングルヘテロ構
造のＬＥＤの断面図である。ＧａＰ基板５１は、Ｓｉド
ープ，キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³である。この基
板５１上に、厚さ３μｍ，Ｓｉドープのキャリア濃度５
×１０¹⁷／ｃｍ³のｎ型ＧａＰバッファ層５２と、厚さ
３μｍ，Ｓｉドープのキャリア濃度２×１０¹⁷／ｃｍ³
のｎ型ＢＰバッファ層５３が形成されている。このバッ
ファ層上には、ｎ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｎ_0.6Ｂ_0.4Ｐ
_0.4混晶層５４が形成され、さらにｐ型Ｇａ_0.25Ａｌ
_0.25Ｎ_0.5Ｂ_0.5Ｐ_0.5混晶層５５が形成されている。

【００３１】ｎ型混晶層５４は、厚さ３μｍ，Ｓｉドー
プのキャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³であり、ｐ型混晶
層５５は厚さ５μｍ，Ｍｇドープのキャリア濃度２×１
０¹⁶／ｃｍ³である。素子チップ両面には、オーミック
電極５６，５７が形成されている。

【００３２】この様にＧａＮ，ＡｌＮおよびＢＰの混晶
層を用いてｐｎ接合を構成することにより、混晶層の広
いバンドギャップとドーピング制御の容易さから、高輝
度の青色ＬＥＤが得られる。

【００３３】図６は上記参考例と同様の混晶層を用いた
ＤＨ構造のＬＥＤの参考例を示す。ｐ型ＧａＰ基板６１
上にｐ型ＧａＰバッファ層６２，ｐ型ＢＰバッファ層６
３が形成され、この上に、バンドギャップ３ｅＶのｐ型
Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｎ_0.6Ｂ_0.4Ｐ_0.4混晶層６４、アン
ドープでバンドギャップ２．７ｅＶのＧａ_0.25Ａｌ_0.25
Ｎ_0.5Ｂ_0.5Ｐ_0.5混晶層６５、さらにバンドギャップ
３ｅＶのｎ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｎ_0.6Ｂ_0.4Ｐ_0.4混晶
層６６が順次積層形成されている。ｐ型混晶層６３は、
厚さ２μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³、アンド
ープ混晶層６４は、厚さ０．５μｍ、ｎ型混晶層６５は
厚さ５μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³である。

【００３４】この参考例によっても、高輝度の青色発光
が認められた。

【００３５】以上の参考例では、ＧａＰ基板を用いてこ
の上に発光層となるｐｎ接合を形成したが、基板と発光
層の格子不整合が大きい。ＧａＰ層およびＢＰ層をバッ
ファ層として介在させてはいるが、これでも発光層に転
位が発生したり、応力が加わるなど、信頼性の点で問題
がある。また基板側に進んだ光は基板に吸収されて、外
部発光効率が十分に大きくならないという問題もある。
以下にこれらの問題を解決した実施形態を説明する。

【００３６】図７はその様な実施形態のＬＥＤの断面図
である。この実施形態では、ＺＢ型の結晶であり且つ、
格子定数が発光層の半導体に近いＳｉＣ基板７１を用い
ていること、基板７１上にはＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層
からなる光反射層７２を形成してこの上にｐｎ接合を構
成するＧａＡｌＮ／ＢＰ層７３，７４を積層しているこ
と、更にこの上にはＷＺ型のＧａＮコンタクト層７５を
形成していること、などが特徴である。素子両面には、
オーミック電極７６，７７が形成されている。

【００３７】このＬＥＤ構造も、先の参考例と同様に図
２のＭＯＣＶＤ装置を用いて形成することができる。具
体的な素子構成を説明すると、ｐ型ＳｉＣ基板７１はＡ
ｌドープ，キャリア濃度３×１０^１７／ｃｍ³であり、
光反射層７２は、２種類のＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層の
積層構造（積層周期は放射光の波長の約１／２の９０ｎ
ｍ，キャリア濃度２×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ６μｍ）で
ある。

【００３８】この反射層７２上に、ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ
_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層７３（Ｍｇドープ，キャリア濃度
１×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍ，１．３ｎｍ／０．７
ｎｍの積層）、およびｎ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超
格子層７４（Ｓｉドープ，キャリア濃度２×１０¹⁶／ｃ
ｍ³，厚さ３μｍ，１ｎｍ／１ｎｍの積層）が順次形成
されている。コンタクト層７５は５μｍでありその大部
分がＷＺ型でバンドギャップ３．４ｅＶである。

【００３９】この実施形態によれば、ＳｉＣ基板を用い
ていることおよび超格子からなる反射層を用いているこ
とから、発光層での転位発生が少なく、また発光層から
基板側に放射される光が表面側に効率よく反射されて外
部に取り出される結果、高い輝度が得られる。実際この
実施形態の素子チップを図３のように樹脂ケースに封入
して２０ｍｃｄの青色発光が確認された。

【００４０】図８は、図７の実施形態を変形した実施形
態であり、発光層部分にＤＨ構造を導入したものであ
る。すなわち図７と同様に、ＳｉＣ基板７１に超格子層
構造の反射層７２を形成した後、ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ
超格子層８１（バンドギャップ３ｅＶ，キャリア濃度２
×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ２μｍ）、次いでアンドープＧ
ａＡｌＮ／ＢＰ超格子層８２（バンドギャップ２．７ｅ
Ｖ，キャリア濃度２×１０¹⁶／ｃｍ³，厚さ０．５μ
ｍ）、ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層８３（バンドギャ
ップ３ｅＶ，キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ２
μｍ）が順次形成される。

【００４１】ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層８１および
ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層８３は、Ｇａ_0.5Ａｌ
_0.5Ｎ（１．３ｎｍ）／ＢＰ（０．７ｎｍ）であり、ア
ンドープＧａＡｌＮ／ＢＰ多層膜８２は、Ｇａ_0.5Ａｌ
_0.5Ｎ（１ｎｍ）／ＢＰ（１ｎｍ）である。それ以外は
図７と同様である。具体的な製造方法や原料ガスなども
ほぼ先の実施形態と同様である。

【００４２】この実施形態によっても、先の実施形態と
同様に高輝度の青色発光が認められる。

【００４３】図９は、超格子構造の反射層とコンタクト
層を持ち、かつ発光層を構成するｐｎ接合部分に混晶層
を用いた実施形態のＬＥＤを示す断面図である。この実
施形態ではｐ型ＧａＰ基板９１を用い、この上に先の実
施形態と同様にＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層からなる反射
層９２が形成され、この反射層上にｐ型ＧａＡｌＢＮＰ
混晶層９３，ｎ型ＧａＡｌＢＮＰ混晶層９４が順次形成
され、更にＧａＮコンタクト層９５が形成されている。
素子両面にオーミック電極９６，９７が形成されてい
る。

【００４４】ｐ型混晶層９３は、例えば、Ｍｇドープ，
キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍのＧａ
_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ_0.6Ｐ_0.4であり、ｎ型混晶層９
４は、Ｓｉドープ，キャリア濃度２×１０¹⁶／ｃｍ³，
厚さ３μｍのＧａ_0.25Ａｌ_0.25Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5であ
る。

【００４５】この実施形態によっても、ＧａＰ基板を用
いているが超格子構造反射層９２が良好なバッファ層と
して働く結果、良好なｐｎ接合が得られ、また高い光取
出し効率が得られて、高輝度青色発光が認められる。

【００４６】図１０は、混晶を用いた図９の実施形態を
変形してＤＨ構造とした実施形態のＬＥＤである。Ｇａ
Ｐ基板９１上に超格子構造の反射層９２が形成された
後、この上にｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ混晶層１０１，アン
ドープＧａＡｌＮ／ＢＰ混晶層１０２およびｎ型ＧａＡ
ｌＮ／ＢＰ混晶層１０３が順次形成されている。ｐ型混
晶層１０１は、バンドギャップ３ｅＶ，厚さ２μｍ，キ
ャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³のＧａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ
_0.4Ｎ_0.6Ｐ_0.4であり、アンドープ混晶層１０２は、
バンドギャップ２．７ｅＶ，厚さ０．５μｍのＧａ_0.25
Ａｌ_0.25Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5であり、ｎ型混晶層１０３
はバンドギャップ３ｅＶ，厚さ２μｍ，キャリア濃度５
×１０¹⁷／ｃｍ³のＧａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ_0.6Ｐ
_0.4である。

【００４７】このような実施形態によっても、先の実施
形態と同様に高輝度の青色発光が得られる。

【００４８】以上の実施形態において、超格子構造の反
射層の部分に混晶層を用いることもできる。その様な実
施形態を以下に説明する。

【００４９】図１１は、その様な実施形態のＬＥＤであ
る。ｐ型ＧａＰ基板１１上にまず、僅かに組成が異なる
２種の混晶層からなる多層構造の反射層１１２が形成さ
れる。２種の混晶層は、Ｇａ_0.2Ａｌ_0.3Ｂ_0.5Ｎ_0.5
Ｐ_0.5とＧａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ_0.6Ｐ_0.4であり、
積層周期は９０ｎｍで全体で６μｍ形成される。この反
射層１１２上にｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ層１１４、アンド
ープＧａＡｌＮ／ＢＰ層１１４およびｎ型ＧａＡｌＮ／
ＢＰ層１１５が順次形成されてｐｎ接合が構成されてい
る。この発光層上にはｎ型ＧａＮコンタクト層１１６が
形成されている。素子両面にはオーミック電極１１７，
１１８が形成されている。ｐｎ接合を構成する部分は例
えば図８と同様の構成とする。

【００５０】この実施形態によっても、先の各実施形態
と同様に高輝度の青色発光が得られる。ＧａＡｌＮ／Ｂ
Ｐ超格子層の積層構造を成長させる場合に比べてＧａＡ
ｌＢＮＰ混晶層を成長させる場合のほうが成長速度が速
く、したがって厚い反射層を短時間で形成することがで
きるという利点も得られる。

【００５１】図１２は、図１１の実施形態における発光
層部分をシングルヘテロ構造とした実施形態であり、そ
の発光層部分は例えば図９のそれと同じとする。これに
よっても、図１１の実施形態と同様の効果が得られる。

【００５２】図７から図１２までの実施形態では、基板
と発光層の間に反射層を介在させると同時に、光取り出
し側にバンドギャップの大きい透明なＧａＮコンタクト
層を設けた。しかし反射層を設けなくても、透明なコン
タクト層を設けることである程度大きい効果が期待で
き、これでも本発明は有効である。その様な参考例を具
体的に以下に説明する。

【００５３】図１３はその様な参考例のＬＥＤの断面図
である。ｐ型ＧａＰ基板１２１上にｐ型ＧａＰバッファ
層１２２，ｐ型ＢＰバッファ層１２３が順次形成され、
更にこの上にｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２４，ｎ
型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２５が順次形成され、ｐ
ｎ接合を構成している。ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層
１２５上にｎ型ＧａＮコンタクト層１２６が形成されて
いる。素子チップ両面にはオーミック電極１２７，１２
８が形成されている。

【００５４】この素子構造も図２のＭＯＣＶＤ装置を用
いて先に説明した参考例とほぼ同様の条件で製造するこ
とができる。具体的な素子構成を説明すれば、ＧａＰ基
板１２１は、Ｚｎドープ，キャリア濃度５×１０¹⁷／ｃ
ｍ³であり、ｐ型ＧａＰバッファ層１２２およびｐ型Ｂ
Ｐバッファ層１２３は共に、Ｍｇドープ，キャリア濃度
２×１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ３μｍである。

【００５５】ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２４は、
Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１．３ｎｍ）／ＢＰ（０．７ｎ
ｍ）の積層で厚さ３μｍ，キャリア濃度２×１０¹⁷／ｃ
ｍ³とし、ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２５は、Ｇ
ａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１ｎｍ）／ＢＰ（１ｎｍ）の積層で
厚さ３μｍ，キャリア濃度２×１０¹⁶／ｃｍ³とする。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１２６は、大部分がＷＺ型であ
り、厚さ５μｍ，Ｓｉドープのキャリア濃度５×１０¹⁷
／ｃｍ³である。

【００５６】この参考例のＬＥＤチップを図３のように
樹脂封止して、約１０ｍｃｄの青色発光が確認された。

【００５７】図１４は、図１３の参考例を変形してＤＨ
構造とした参考例のＬＥＤである。図１３と異なる点
は、発光層部分のｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２４
とｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２５の膜厚を２μｍ
とし、これらの間に０．５μｍのアンドープＧａＡｌＮ
／ＢＰ超格子層１３１を介在させている点である。ｐ型
ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１２４およびｎ型ＧａＡｌＮ
／ＢＰ超格子層１２５は、Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１．３
ｎｍ）／ＢＰ（０．７ｎｍ）でバンドギャップ３ｅＶ、
アンドープＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１３１は、Ｇａ
_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１ｎｍ）／ＢＰ（１ｎｍ）でバンドギ
ャップ２．７ｅＶである。

【００５８】この参考例によれば、図１３の参考例より
僅かに輝度の高い青色発光が認められた。

【００５９】図１５は、図１３の参考例において、ｐｎ
接合を構成する部分にＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層に代っ
てＧａＡｌＢＮＰ混晶層を用いた参考例のＬＥＤであ
る。この混晶層は先の参考例で説明したように図２のＭ
ＯＣＶＤ装置を用いてその操作を変更することにより容
易に形成することができる。図１５において、図１３と
異なる点は、ｐｎ接合を構成する部分が、ｐ型Ｇａ_0.3
Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ_0.6Ｐ_0.4混晶層１２４′とｎ型Ｇａ
_0.25Ａｌ_0.25Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5混晶層１２５′となっ
ていることである。

【００６０】この参考例によっても、高輝度の青色発光
ＬＥＤが得られる。

【００６１】図１６はさらに図１５の参考例を変形し
て、ＤＨ構造とした参考例のＬＥＤである。すなわち図
１５の構造に対して、ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ
_0.6Ｐ_0. ₄混晶層１２４′とｎ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ
_0.4Ｎ_0.6Ｐ_0.4混晶層１２５′の間に、アンドープの
Ｇａ_0.25Ａｌ_0.25Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5混晶層１４１を介
在させている。ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.4Ｎ_0.6Ｐ
_0.4混晶層１２４′とｎ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.3Ｂ_0.４Ｎ
_0.6Ｐ_0.4混晶層１２５′はそれぞれ２μｍでバンドギ
ャップは３ｅＶ、アンドープのＧａ_0.25Ａｌ_0.25Ｂ_0.5
Ｎ_0.5Ｐ_0.5混晶層１４１は０．５μｍでバンドギャッ
プは２．７ｅＶである。

【００６２】この参考例によっても同様に高輝度の青色
発光が認められる。

【００６３】本発明のＬＥＤにおける発光層に用いる化
合物半導体材料は、ＢＰの低イオン性とＺＢ構造、およ
びＧａＡｌＮの広いバンドギャップの特性を併せ持つも
のであるが、ＧａＡｌＮ層部分にアクセプタ不純物が入
るとＮが抜けるという自己補償効果があり、高濃度のｐ
型ドーピングが難しい。この点を解決するために、Ｇａ
ＡｌＮ／ＢＰ超格子層を形成する際に、ｐ型に関しては
低イオン性のＢＰ層にのみ選択的に不純物をドープする
ことが有効であることが判明した。

【００６４】ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層全体にｐ型不純
物をドープすると、ＧａＡｌＮ層での自己補償効果の
他、欠陥が多く発生して結局全体として高いキャリア濃
度が得られないのに対し、ＢＰ層にのみ選択的にｐ型不
純物をドープすると、自己補償効果の影響を受けず、ま
た欠陥の発生もないため、結果的にドープした不純物の
多くがキャリアとして有効に活性化されるものと思われ
る。

【００６５】図１７（ａ）（ｂ）は、その様なドーピン
グ法を示す概念図である。（ａ）はｐ型ドーピングの場
合であり、（ｂ）はｎ型ドーピングの場合である。いず
れも、ＢＰ層とＧａＡｌＮ層が交互に所定周期で積層さ
れた超格子構造を基本とするが、（ａ）ではＢＰ層にの
みＭｇがドープされ、（ｂ）ではＧａＡｌＮ層にのみＳ
ｉがドープされている。

【００６６】この様な超格子構造半導体層の成長と選択
的な不純物ドープは、図２のＭＯＣＶＤ装置により可能
である。すでに説明した参考例における超格子層形成と
同様の条件でＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層を形成し、ｎ型
に関してはＧａＡｌＮ層にＳｉを、ｐ型に関してはＢＰ
層にＭｇをそれぞれドーピングした。ｎ型の場合はＧａ
ＡｌＮ層とＢＰ層に同時にＳｉをドープしてもよいが、
ＢＰは有効質量が非常に大きくｎ型ドーピングには適さ
ない。この選択ドーピングにより、ｐ型，ｎ型共に１０
¹⁸／ｃｍ³オーダーのキャリア濃度の超格子半導体膜が
得られることが確認された。したがってこの選択ドーピ
ングは本発明のＬＥＤを製造する際にも有効である。

【００６７】なおｐ型ドーピングの際、ＧａＡｌＮ層に
僅かのＭｇが混入することは差支えない。

【００６８】本発明のＬＥＤにおいて、発光層と良好な
格子整合がとれる適当な基板がないこと、また基板によ
る光吸収が大きいことが問題であることは、既に述べ
た。この点を解決する一つの有効な方法として、基板は
あくまでも結晶成長のためにのみ用い、所望の結晶成長
が終了した後に基板をエッチング除去して、その基板除
去面を光取り出し面とすることが考えられる。その際、
必要な発光層を成長させた後、その表面には発光波長に
対して透明な厚いコンタクト層を形成し、このコンタク
ト層側を下にして基台にマウントすることが望ましい。
その様な参考例を以下に説明する。

【００６９】図１８は、その様な参考例のＬＥＤであ
る。図は結晶成長に用いられた基板が既に除去されたＬ
ＥＤチップが基台（ヘッダー）にマウントされている様
子を示している。これを製造工程にしたがって説明する
と、例えばｐ型ＧａＰ基板（図では示されていない）を
用いてまずこの上にｐ型ＢＰバッファ層１７４が１μｍ
程度形成される。このバッファ層１７４上には、ｐ型Ｇ
ａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７３、ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ
超格子層１７４が順次積層形成される。

【００７０】ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７３は、
Ｍｇドープ，キャリア濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³，Ｇａ
_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１．３ｎｍ）／ＢＰ（０．７ｎｍ）の
２ｎｍ積層周期であり、ｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層
１７４は、Ｓｉドープ，キャリア濃度２×１０¹⁶／ｃｍ
³，Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ（１ｎｍ）／ＢＰ（１ｎｍ）の
２ｎｍ積層周期である。こうして形成されたｐｎ接合発
光層上に、大部分がＷＺ型であるＧａＮコンタクト層１
７１が十分厚く、例えば５０μｍ形成される。

【００７１】以上の結晶成長は、先の各参考例で説明し
たと同様に図２のＭＯＣＶＤ装置を用いて行われる。コ
ンタクト層１７１はＷＺ型であって結晶の質は劣るが、
発光層部分は既に形成されているので、発光効率の低下
をもたらすことはない。そして結晶成長後、ＧａＰ基板
は機械研磨され、さらに２％臭素メタノール溶液でエッ
チングされて除去される。そしてＢＰバッファ層１７４
上にオーミック電極１７５が形成される。このオーミッ
ク電極１７５をマスクとしてＢＰバッファ層１７４は一
部コンタクト層として残してエッチング除去される。こ
うして得られたＬＥＤチップは、ＧａＮコンタクト層１
７１側を下にして、基台１７８上にｎ側のオーミック電
極１７６を介して取り付けられる。

【００７２】このＬＥＤを樹脂レンズに埋め込むことに
より、約２０ｍｃｄの青色発光が確認された。

【００７３】図１９は、図１８の参考例を変形してＤＨ
構造とした参考例のＬＥＤである。基本的な構成および
製造方法は、図１８と同様である。異なる点を説明する
と、この参考例では、ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１
７３とｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７２の間にアン
ドープＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１８１を介在させてＤ
Ｈ構造を実現している。

【００７４】具体的には、ｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子
層１７３は、バンドギャップ３ｅＶ，キャリア濃度１×
１０¹⁷／ｃｍ³，厚さ２μｍであり、ｎ型ＧａＡｌＮ／
ＢＰ超格子層１７２はバンドギャップ３ｅＶ，キャリア
濃度２×１０¹⁶／ｃｍ³，厚さ２μｍであり、アンドー
プＧａＡｌＮ／ＢＰ層１８１は、バンドギャップ２．７
ｅＶ，厚さ０．５μｍである。バンドギャップは、先の
各参考例と同様に、超格子層を構成するＧａＡｌＮ層と
ＢＰ層の膜厚比により設定される。

【００７５】この参考例によって、更に高輝度の青色発
光が認められる。

【００７６】図２０は、更に図１９の参考例の変形例で
ある。この参考例では、基板上に形成するＢＰバッファ
層１７４′を光吸収が問題にならない程度に薄く、例え
ば０．１μｍ程度に形成し、これをそのまま残してい
る。この参考例によってもほぼ同様の効果が得られる。

【００７７】図２１および図２２は、それぞれ図１８お
よび図１９の構成において、発光層であるｐｎ接合部分
に混晶層を用いた参考例のＬＥＤである。すなわち図１
８のｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７２およびｐ型Ｇ
ａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７３の部分に、これらと等価
な平均組成を持つＺＢ型のｎ型ＧａＡｌＢＮＰ混晶層１
７２′およびｐ型ＧａＡｌＢＮＰ混晶層１７３′を用い
たものが図２１である。

【００７８】図１９のｎ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１
７２，アンドープＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１８１およ
びｐ型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１７３の部分にそれぞ
れ、これらと等価な平均組成を持つＺＢ型のｎ型ＧａＡ
ｌＢＮＰ混晶層１７２′，アンドープＧａＡｌＢＮＰ混
晶層１８１′およびｐ型ＧａＡｌＢＮＰ混晶層１７３′
を用いたものが図２２である。

【００７９】これらの参考例においても、同様に高輝度
の青色発光が認められる。

【００８０】本発明は、上記した実施形態に限られな
い。例えば混晶を利用した実施形態において、組成はｘ
＋ｙ〜ｚとして、ｘ＝ｙ＝０．２５，０．３の場合を説
明したが、この組成に限られるものではない。この混晶
を用いる場合、ｘとｙの和または比を変化させることに
より、バンドギャップを自由に設定することができる
が、発光層の平均組成が、ｘ＋ｙ≦０．４になるように
すると、バンド構造が直接遷移型から間接遷移型になっ
てしまうので好ましくない。なおこのことは、多層膜を
用いた実施形態についてもいえる。

【００８１】また各実施形態では透明コンタクト層とし
てＧａＮ層を用いたが、一般にＷＺ型を示すＧａ_vＡｌ
_1-vＮ（０≦ｖ≦１）を用いることが可能である。さら
に上述した各実施形態において、ＧａＡｌＮ層とＢＰ層
間の格子整合をより良好なものとするために、III族元
素としてＢ，Ｇａ，Ａｌ他にＩｎなどを少量混合しても
よい。同様にＶ族元素としてＡｓ，Ｓｂを混合すること
ができる。

【００８２】また原料ガスとしては、Ｇａ原料としてト
リエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ原料としてトリエチ
ルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｂ原料としてトリメチルボ
ロン（ＴＭＢ）などを使用することができ、さらにＮ原
料としてヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）のほか、Ｃａ（Ｃ₂Ｈ
₅）₃・ＮＨ₃，Ｇａ（ＣＨ₃）₃・Ｎ・（ＣＨ₃）₃
などの、アダクトと呼ばれる有機金属化合物を用いるこ
とができる。

【００８３】その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲で種々変形して実施することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、広い
バンドギャップを持つ５元系の新しい化合物半導体材料
を用いて、これまでにない高輝度の青色発光ＬＥＤを実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超格子層を用いた本発明の一参考例による青色
ＬＥＤを示す断面図。

【図２】図１のＬＥＤ製造に用いるＭＯＣＶＤ装置を示
す図。

【図３】図１の青色ＬＥＤチップを樹脂ケースに埋め込
んだ状態を示す図。

【図４】超格子層を用いた他の参考例によるＤＨ構造の
青色ＬＥＤを示す断面図。

【図５】混晶層を用いた参考例の青色ＬＥＤを示す断面
図。

【図６】混晶層を用いた参考例のＤＨ構造の青色ＬＥＤ
を示す断面図。

【図７】超格子構造反射層を設けた実施形態の青色ＬＥ
Ｄを示す断面図。

【図８】超格子構造反射層を設けた実施形態のＤＨ構造
の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図９】発光層に混晶層を用いて超格子構造反射層を設
けた実施形態の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１０】発光層に混晶層を用いて超格子構造反射層を
設けた実施形態のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１１】超格子反射層部分に混晶層を用いた実施形態
のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１２】超格子反射層部分に混晶層を用いた他の実施
形態の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１３】発光層上に透明コンタクト層を設けた参考例
の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１４】発光層上に透明コンタクト層を設けた参考例
のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１５】発光層部分に混晶層を用い発光層上に透明コ
ンタクト層を設けた参考例の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図１６】発光層部分に混晶層を用い発光層上に透明コ
ンタクト層を設けた参考例のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示
す断面図。

【図１７】本発明に有用な選択ドーピング法を説明する
ための図。

【図１８】成長基板を除去してマウントする参考例の青
色ＬＥＤを示す断面図。

【図１９】成長基板を除去してマウントする参考例のＤ
Ｈ構造の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図２０】成長基板を除去してマウントする他の参考例
のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図２１】発光層部に混晶層を用い成長基板を除去して
マウントする参考例の青色ＬＥＤを示す断面図。

【図２２】発光層部に混晶層を用い成長基板を除去して
マウントする参考例のＤＨ構造の青色ＬＥＤを示す断面
図。

【符号の説明】

１１，４１，５１，６１，９１，１１１，１２１…Ｇａ
Ｐ基板１２，４２，５２，６２，１２２…ＧａＰバッファ層１３，４３，５３，６３，１２３，１７４，１７４′…
ＢＰバッファ層１４，４６，７４，８３，１１５，１２５，１７２…ｎ
型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１５，４４，７３，８１，１１３，１２４，１７３…ｐ
型ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層１６，１７，４７，４８，５６，５７，６７，６８，７
６，７７，９６，９７，１１７，１１８，１２７，１２
８，１７５，１７６…オーミック電極４５，８２，１１４，１３１，１８１…アンドープＧａ
ＡｌＮ／ＢＰ超格子層５４，６６，９４，１０３，１２５′…ｎ型ＧａＡｌＢ
ＮＰ混晶層５５，６４，９３，１０１，１２４′…ｐ型ＧａＡｌＢ
ＮＰ混晶層６５，１０２，１４１…アンドープＧａＡｌＢＮＰ混晶
層７１…ＳｉＣ基板７２，９２…超格子構造反射層７５，９５，１１６，１２６，１７１…ＧａＮコンタク
ト層１１２…混晶膜反射層１７８…基台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−21991（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−20882（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−7671（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−32690（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層をクラッド層で挟んだダブルへテロ
構造部を有する青色半導体発光素子において、前記ダブルへテロ構造部と下地基板との間に、ＧａＡｌ
ＮとＢＰの混晶又は超格子構造の反射層が挿入されてな
ることを特徴とする青色半導体発光素子。
【請求項２】前記反射層は、前記ダブルへテロ構造部に
対して基板側に配置されていることを特徴とする請求項
１記載の青色半導体発光素子。