JP3888668B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、詳しくは白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少なく、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用のＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用としてその需要増加が期待されている。
【０００３】
ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化され、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現されたことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも実現できるようになった。
【０００４】
また、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥＤによる照明が実現されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤはそれぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、照明用として実用化するのは困難と見られている。また、二色白色ＬＥＤは、三原色でないため、この白色光のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点がある。また、その輝度についてもまだ２５（ｌｍ／Ｗ）程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０（ｌｍ／Ｗ）には及んでいない。
【０００６】
以上のことから、三原色でより高効率のＬＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用として、全世界で渇望されている。
【０００７】
このような状況に鑑み、紫外ＬＥＤを作製して、この紫外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得る試みがなされている。しかし、この方法の原理は蛍光灯と基本的には同じであり、蛍光灯における水銀放電による紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このため、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的なデメリットがある。
【０００８】
また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤができているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題がある。
【０００９】
したがって、紫外ＬＥＤを用い、蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤについても、高い発光効率が得られる技術的見通しがないという現状である。
【００１０】
本発明は、任意の色度の光を生成することのできるＬＥＤ、特に三原色以上の白色ＬＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の半導体発光素子は、基板と、この基板上に１１００℃以上の温度で直接的に形成された、III族元素の全体に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下である第１の窒化物半導体からなる、厚さ０．５μｍ以上の下地層と、この下地層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含む第４の窒化物半導体からなる発光層と、この発光層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第５の窒化物半導体からなる第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２の導電層とを具え、
前記下地層はＭＯＣＶＤ法によって形成されるとともに、前記第１の導電層、前記第１のクラッド層、前記発光層、前記第２のクラッド層、及び前記第２の導電層はＭＢＥ法によって形成されたことを特徴とする。
【００１２】
この際、第１のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第１の導電層を省略することもできる。同様に、第２のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第２の導電層を省略することもできる。
【００１３】
従来、半導体発光素子の下地層はバッファ層としての役割が重視されていたため、前記下地層の結晶性については重視されていなかった。さらに、前記バッファ層としての効果を十分に発揮するには、ある程度結晶性の劣化した下地層が望まれていた。
【００１４】
しかしながら、半導体発光素子を構成する導電層、クラッド層、及び発光層は、前記下地層上に、ＭＯＣＶＤ法などによってエピタキシャル成長させることによって形成する。したがって、前記発光層などは、下地層の結晶性をそのまま受け継いで成長及び形成されるため、下地層の結晶性が低い場合は前記発光層の結晶性も低いものとなってしまっていた。このため、十分な発光効率を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【００１５】
これに対して本発明者らは、Ａｌを含む窒化物半導体を構成材料とする半導体発光素子においては、上記下地層の結晶性をある程度高くしても、そのバッファ層としての作用が失われないことを見出した。すなわち、従来の常識に反して、前記下地層の結晶性をある程度向上させても、バッファ層としての効果が失われないことを見出した。
【００１６】
したがって、上述したように、本発明の半導体発光素子における下地層の結晶性をＸ線ロッキングカーブにおける半値幅で９０秒以下に高めることによって、上記バッファ層としての機能を失うことなく、前記発光層などの結晶性を高めることができることを見出し、十分な発光効率を有する半導体発光素子を実現した。
【００１７】
しかしながら、上記のような下地層により高結晶性の発光層を具える半導体発光素子を単に形成したのみでは、所望する色度の光、特に白色光を生成することが困難であった。そこで、本発明者らは、前記発光層中に希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有させることを想到した。
【００１８】
希土類元素や遷移金属元素は外部からエネルギーを得て励起されると、これら元素に固有の波長を有する光を発する。したがって、このような希土類元素及び／又は遷移金属元素を添加元素として前記発光層中に含有させることによって、この添加元素は前記発光層からの発光によって励起され、固有の波長の光を発する。
【００１９】
したがって、前記発光層中に添加する添加元素の種類を必要に応じて希土類元素及び遷移金属元素から適宜に選択し、この添加元素からの発光を利用することにより、任意の色度の光の生成を簡易に行うことができる。
【００２０】
また、互いに異なる複数の種類の添加元素、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためのＴｍ、緑色領域の波長の光を生成するためのＥｒ、さらに、赤色領域の波長の光を生成するためのＣｒ、Ｅｕ又はＰｒを添加し、これら添加元素からの発光を重畳させることによって白色光を生成することができる。
【００２１】
本発明のように、発光層がＡｌを含む窒化物半導体からなる場合においては、この半導体中におけるＡｌ含有量が増大するにつれてバンドギャップが増大する。そして、発光層中に添加元素を加えた際においては、前記発光層を構成する半導体のバンドギャップが大きくなるにしたがって、前記希土類元素に起因した発光の効率が増大する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。なお、図１においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のものと異なるように記載している。
【００２３】
図１に示す半導体発光素子１０は、基板１と、この基板１上に形成された、第１の窒化物半導体としてＡｌＮからなる下地層２と、この下地層２上に形成された、第２の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電層３とを含む。
【００２４】
さらに、この第１の導電層３上に形成された、第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成された、第４の窒化物半導体として少なくとも一種の希土類元素を含む、ｉ−ＡｌＧａＮからなる発光層５と、この発光層５上に形成された、第５の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成された、第６の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２の導電層７を具えている。
【００２５】
第１の導電層３の一部は露出しており、この露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
【００２６】
図１に示す半導体発光素子１０における下地層２は、本発明にしたがってＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下であることが必要であり、さらには５０秒以下であることが好ましい。下地層２がこのような高い結晶性を有することにより、下地層２の上方においてエピタキシャル成長された発光層５も高い結晶性を有するようになるため、半導体発光素子１０の発光効率が増大する。
【００２７】
また、下地層２におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の下限については特に限定されるものではないが、下地層２のバッファ層としての役割を考慮すると１０秒であることが好ましい。
【００２８】
このように結晶性の高い下地層を得るには、所定の原料供給ガスを用い、ＭＯＣＶＤ法によって１１００℃以上であることが必要であり、好ましくは１１５０℃以上に加熱することによって形成する。従来の半導体発光素子における下地層の形成温度は５００〜７００℃であり、この形成温度と比較して上記形成温度が極めて高いことが分かる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法において従来と全く異なる条件を採用することによって、本発明の条件を満足する結晶性に優れた下地層を形成することができる。
【００２９】
また、下地層の形成温度の上限については特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。すなわち、前記下地層を構成する窒化物半導体の材料組成によらずに、前記下地層の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する発光層の結晶性の劣化を効果的に防止することができる。なお、本発明における「形成温度」とは、前記III族窒化物下地膜を形成する際の、基板温度を意味するものである。
【００３０】
なお、下地層２の厚さは０．５μｍ以上であることが必要であり、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。下地層上に形成する導電層、クラッド層、及び発光層の結晶性を向上させるには、前記下地層を厚く形成することが好ましい。しかしながら、前記下地層が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じたりする場合がある。したがって、特に、上述した温度範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層を作製する際には、その厚さを上述したような範囲に設定する。
【００３１】
また、発光層５は、上述したように希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含んだｉ−ＡｌＧａＮから構成されている。このような添加元素の含有量については特に限定されるものではなく、添加元素の種類、発光層を５構成する第４の窒化物半導体の材料組成、及び所望する発光強度などによって任意に選択されるものである。
【００３２】
実際的には、前記添加元素から十分な発光強度を得るべく、発光層５の結晶性を劣化させない範囲において、発光層５内に出来る限り多量の添加元素を含有させることが好ましい。具体的な含有量としては、０．０１〜７原子％の範囲内である。
【００３３】
この場合においては、実用に足る８０（ｌｍ／Ｗ）程度の発光強度の光を生成することができる。
【００３４】
添加元素は、上述したように希土類元素及び遷移金属元素から選ばれることが必要であるが、所望する発光波長に応じて任意に選択することができる。上述したように、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｃｒ、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。
【００３５】
したがって、発光層５に対して、これらの添加元素を所定量含有させることにより、青色領域、緑色領域、赤色領域の光が互いに重畳され、発光層５において白色光を生成することができる。
【００３６】
一方、下地層を構成する第１の窒化物半導体は、この半導体を構成するIII族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上含有していることが必要であり、さらには、図１における下地層２において示されているように、ＡｌＮであることが好ましい。
【００３７】
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎを含む窒化物半導体の場合、Ａｌ含有量が増大すると、その格子定数は増大する傾向にある。したがって、特に下地層が比較的厚く形成される場合については、基板との格子定数差が増大して、下地層中にクラックが生じてしまう場合がある。このような場合は、前記基板と前記下地層との間に、別途緩衝層を設けることができる。
【００３８】
そして、この緩衝層はＡｌを含み、Ａｌ含有量は基板側から下地層側に向かって連続的又はステップ状に増大させることができる。緩衝層中のＡｌ含有量がこのような勾配を有することによって、上記格子定数差に対する緩衝効果を増大させることができる。
【００３９】
なお、本発明における窒化物半導体は、Ａｌ、あるいはＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要であるが、必要に応じてＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｓ、Ｏ又はＢなどの元素を含有することもできる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００４０】
また、基板としては、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００４１】
さらに、上述した単結晶から基板上に、ＺｎＯ単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、あるいはこれらの混晶からなるエピタキシャル成長膜を具えるエピタキシャル基板を用いることもできる。
【００４２】
また、半導体発光素子を構成する各層は、通常のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにしたがって製造することができる。
【００４３】
【実施例】
２インチ径の厚さ４３０μmのサファイア基板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。キャリアガスとして、Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、前記サファイア基板上に下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μmまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができることがわかった。
【００４４】
次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するために、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ膜を厚さ１００Åに成長させた。成長終了後、ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。
【００４５】
ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、３ＮのＥｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを用いた。窒素源としては、ＳＶＴＡ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。
【００４６】
まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層を厚さ１μm成長させた。
【００４７】
次いで、このｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層上に、第１のクラッド層としてのＳｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、７８０℃で厚さ１μｍに成長させた。その後、このｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層上に発光層としてのｉ−Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層を７８０℃で、厚さ０．１μｍに成長させた。なお、発光層を成長させる際に、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを同時にドープさせた。
【００４８】
次いで、ｉ−Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層からなる発光層上に、第２のクラッド層としてのＭｇドープｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、７８０℃で厚さ５０Åに成長させ、最後に第２の導電層としてのＭｇドープｐ−ＧａＮ層を、７８０℃で厚さ２０００Åに成長させた。
【００４９】
成長終了後、上記のようにして形成した多層膜の一部を第１の導電層であるｎ−ＧａＮ層が露出するまで除去し、この露出した部分の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成した。また、第２の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ−電極を形成した。
【００５０】
その後、前記ｐ−電極及び前記ｎ−電極間に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、高効率の白色発光を確認した。すなわち、本発明の半導体発光素子が実用的な白色発光の素子として動作できることが確かめられた。
【００５１】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００５２】
例えば、図１に示す半導体発光素子及び実施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としているが、両者を逆転させて形成することもできる。また、上記実施例では、第１の導電層より上層をＭＢＥ法を用いて形成したが、下地層と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて形成することもできる。
【００５３】
さらに、上記実施例では、ＡｌＮ下地層上に第１の導電層としてのＡｌＧａＮ層を直接的に形成したが、さらなる結晶品質の向上を目指して、これら層間に、温度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成膜条件を適宜制御することによって、バッファ層又はひずみ超格子などの多層膜構造を形成することもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、高結晶性の下地層を有し、これに起因して高結晶性の発光層を具えている。そして、前記発光層は希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有している。したがって、この添加元素の種類を適宜に調節することにより、任意に色度の光、さらには白色光を実用的な発光効率で生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 下地層、３ 第１の導電層、４ 第１のクラッド層、５ 発光層、６ 第２のクラッド層、７ 第２の導電層、８，９ 電極、１０ 半導体発光素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、詳しくは白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少なく、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用のＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用としてその需要増加が期待されている。
【０００３】
ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化され、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現されたことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも実現できるようになった。
【０００４】
また、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥＤによる照明が実現されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤはそれぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、照明用として実用化するのは困難と見られている。また、二色白色ＬＥＤは、三原色でないため、この白色光のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点がある。また、その輝度についてもまだ２５（ｌｍ／Ｗ）程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０（ｌｍ／Ｗ）には及んでいない。
【０００６】
以上のことから、三原色でより高効率のＬＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用として、全世界で渇望されている。
【０００７】
このような状況に鑑み、紫外ＬＥＤを作製して、この紫外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得る試みがなされている。しかし、この方法の原理は蛍光灯と基本的には同じであり、蛍光灯における水銀放電による紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このため、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的なデメリットがある。
【０００８】
また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤができているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題がある。
【０００９】
したがって、紫外ＬＥＤを用い、蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤについても、高い発光効率が得られる技術的見通しがないという現状である。
【００１０】
本発明は、任意の色度の光を生成することのできるＬＥＤ、特に三原色以上の白色ＬＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の半導体発光素子は、基板と、この基板上に１１００℃以上の温度で直接的に形成された、III族元素の全体に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下である第１の窒化物半導体からなる、厚さ０．５μｍ以上の下地層と、この下地層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含む第４の窒化物半導体からなる発光層と、この発光層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第５の窒化物半導体からなる第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２の導電層とを具え、
前記下地層はＭＯＣＶＤ法によって形成されるとともに、前記第１の導電層、前記第１のクラッド層、前記発光層、前記第２のクラッド層、及び前記第２の導電層はＭＢＥ法によって形成されたことを特徴とする。
【００１２】
この際、第１のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第１の導電層を省略することもできる。同様に、第２のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第２の導電層を省略することもできる。
【００１３】
従来、半導体発光素子の下地層はバッファ層としての役割が重視されていたため、前記下地層の結晶性については重視されていなかった。さらに、前記バッファ層としての効果を十分に発揮するには、ある程度結晶性の劣化した下地層が望まれていた。
【００１４】
しかしながら、半導体発光素子を構成する導電層、クラッド層、及び発光層は、前記下地層上に、ＭＯＣＶＤ法などによってエピタキシャル成長させることによって形成する。したがって、前記発光層などは、下地層の結晶性をそのまま受け継いで成長及び形成されるため、下地層の結晶性が低い場合は前記発光層の結晶性も低いものとなってしまっていた。このため、十分な発光効率を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【００１５】
これに対して本発明者らは、Ａｌを含む窒化物半導体を構成材料とする半導体発光素子においては、上記下地層の結晶性をある程度高くしても、そのバッファ層としての作用が失われないことを見出した。すなわち、従来の常識に反して、前記下地層の結晶性をある程度向上させても、バッファ層としての効果が失われないことを見出した。
【００１６】
したがって、上述したように、本発明の半導体発光素子における下地層の結晶性をＸ線ロッキングカーブにおける半値幅で９０秒以下に高めることによって、上記バッファ層としての機能を失うことなく、前記発光層などの結晶性を高めることができることを見出し、十分な発光効率を有する半導体発光素子を実現した。
【００１７】
しかしながら、上記のような下地層により高結晶性の発光層を具える半導体発光素子を単に形成したのみでは、所望する色度の光、特に白色光を生成することが困難であった。そこで、本発明者らは、前記発光層中に希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有させることを想到した。
【００１８】
希土類元素や遷移金属元素は外部からエネルギーを得て励起されると、これら元素に固有の波長を有する光を発する。したがって、このような希土類元素及び／又は遷移金属元素を添加元素として前記発光層中に含有させることによって、この添加元素は前記発光層からの発光によって励起され、固有の波長の光を発する。
【００１９】
したがって、前記発光層中に添加する添加元素の種類を必要に応じて希土類元素及び遷移金属元素から適宜に選択し、この添加元素からの発光を利用することにより、任意の色度の光の生成を簡易に行うことができる。
【００２０】
また、互いに異なる複数の種類の添加元素、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためのＴｍ、緑色領域の波長の光を生成するためのＥｒ、さらに、赤色領域の波長の光を生成するためのＣｒ、Ｅｕ又はＰｒを添加し、これら添加元素からの発光を重畳させることによって白色光を生成することができる。
【００２１】
本発明のように、発光層がＡｌを含む窒化物半導体からなる場合においては、この半導体中におけるＡｌ含有量が増大するにつれてバンドギャップが増大する。そして、発光層中に添加元素を加えた際においては、前記発光層を構成する半導体のバンドギャップが大きくなるにしたがって、前記希土類元素に起因した発光の効率が増大する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。なお、図１においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のものと異なるように記載している。
【００２３】
図１に示す半導体発光素子１０は、基板１と、この基板１上に形成された、第１の窒化物半導体としてＡｌＮからなる下地層２と、この下地層２上に形成された、第２の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電層３とを含む。
【００２４】
さらに、この第１の導電層３上に形成された、第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成された、第４の窒化物半導体として少なくとも一種の希土類元素を含む、ｉ−ＡｌＧａＮからなる発光層５と、この発光層５上に形成された、第５の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成された、第６の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２の導電層７を具えている。
【００２５】
第１の導電層３の一部は露出しており、この露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
【００２６】
図１に示す半導体発光素子１０における下地層２は、本発明にしたがってＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下であることが必要であり、さらには５０秒以下であることが好ましい。下地層２がこのような高い結晶性を有することにより、下地層２の上方においてエピタキシャル成長された発光層５も高い結晶性を有するようになるため、半導体発光素子１０の発光効率が増大する。
【００２７】
また、下地層２におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の下限については特に限定されるものではないが、下地層２のバッファ層としての役割を考慮すると１０秒であることが好ましい。
【００２８】
このように結晶性の高い下地層を得るには、所定の原料供給ガスを用い、ＭＯＣＶＤ法によって１１００℃以上であることが必要であり、好ましくは１１５０℃以上に加熱することによって形成する。従来の半導体発光素子における下地層の形成温度は５００〜７００℃であり、この形成温度と比較して上記形成温度が極めて高いことが分かる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法において従来と全く異なる条件を採用することによって、本発明の条件を満足する結晶性に優れた下地層を形成することができる。
【００２９】
また、下地層の形成温度の上限については特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。すなわち、前記下地層を構成する窒化物半導体の材料組成によらずに、前記下地層の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する発光層の結晶性の劣化を効果的に防止することができる。なお、本発明における「形成温度」とは、前記III族窒化物下地膜を形成する際の、基板温度を意味するものである。
【００３０】
なお、下地層２の厚さは０．５μｍ以上であることが必要であり、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。下地層上に形成する導電層、クラッド層、及び発光層の結晶性を向上させるには、前記下地層を厚く形成することが好ましい。しかしながら、前記下地層が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じたりする場合がある。したがって、特に、上述した温度範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層を作製する際には、その厚さを上述したような範囲に設定する。
【００３１】
また、発光層５は、上述したように希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含んだｉ−ＡｌＧａＮから構成されている。このような添加元素の含有量については特に限定されるものではなく、添加元素の種類、発光層を５構成する第４の窒化物半導体の材料組成、及び所望する発光強度などによって任意に選択されるものである。
【００３２】
実際的には、前記添加元素から十分な発光強度を得るべく、発光層５の結晶性を劣化させない範囲において、発光層５内に出来る限り多量の添加元素を含有させることが好ましい。具体的な含有量としては、０．０１〜７原子％の範囲内である。
【００３３】
この場合においては、実用に足る８０（ｌｍ／Ｗ）程度の発光強度の光を生成することができる。
【００３４】
添加元素は、上述したように希土類元素及び遷移金属元素から選ばれることが必要であるが、所望する発光波長に応じて任意に選択することができる。上述したように、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｃｒ、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。
【００３５】
したがって、発光層５に対して、これらの添加元素を所定量含有させることにより、青色領域、緑色領域、赤色領域の光が互いに重畳され、発光層５において白色光を生成することができる。
【００３６】
一方、下地層を構成する第１の窒化物半導体は、この半導体を構成するIII族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上含有していることが必要であり、さらには、図１における下地層２において示されているように、ＡｌＮであることが好ましい。
【００３７】
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎを含む窒化物半導体の場合、Ａｌ含有量が増大すると、その格子定数は増大する傾向にある。したがって、特に下地層が比較的厚く形成される場合については、基板との格子定数差が増大して、下地層中にクラックが生じてしまう場合がある。このような場合は、前記基板と前記下地層との間に、別途緩衝層を設けることができる。
【００３８】
そして、この緩衝層はＡｌを含み、Ａｌ含有量は基板側から下地層側に向かって連続的又はステップ状に増大させることができる。緩衝層中のＡｌ含有量がこのような勾配を有することによって、上記格子定数差に対する緩衝効果を増大させることができる。
【００３９】
なお、本発明における窒化物半導体は、Ａｌ、あるいはＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要であるが、必要に応じてＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｓ、Ｏ又はＢなどの元素を含有することもできる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００４０】
また、基板としては、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００４１】
さらに、上述した単結晶から基板上に、ＺｎＯ単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、あるいはこれらの混晶からなるエピタキシャル成長膜を具えるエピタキシャル基板を用いることもできる。
【００４２】
また、半導体発光素子を構成する各層は、通常のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにしたがって製造することができる。
【００４３】
【実施例】
２インチ径の厚さ４３０μmのサファイア基板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。キャリアガスとして、Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、前記サファイア基板上に下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μmまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができることがわかった。
【００４４】
次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するために、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ膜を厚さ１００Åに成長させた。成長終了後、ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。
【００４５】
ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、３ＮのＥｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを用いた。窒素源としては、ＳＶＴＡ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。
【００４６】
まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層を厚さ１μm成長させた。
【００４７】
次いで、このｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層上に、第１のクラッド層としてのＳｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、７８０℃で厚さ１μｍに成長させた。その後、このｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層上に発光層としてのｉ−Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層を７８０℃で、厚さ０．１μｍに成長させた。なお、発光層を成長させる際に、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを同時にドープさせた。
【００４８】
次いで、ｉ−Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層からなる発光層上に、第２のクラッド層としてのＭｇドープｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、７８０℃で厚さ５０Åに成長させ、最後に第２の導電層としてのＭｇドープｐ−ＧａＮ層を、７８０℃で厚さ２０００Åに成長させた。
【００４９】
成長終了後、上記のようにして形成した多層膜の一部を第１の導電層であるｎ−ＧａＮ層が露出するまで除去し、この露出した部分の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成した。また、第２の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ−電極を形成した。
【００５０】
その後、前記ｐ−電極及び前記ｎ−電極間に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、高効率の白色発光を確認した。すなわち、本発明の半導体発光素子が実用的な白色発光の素子として動作できることが確かめられた。
【００５１】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００５２】
例えば、図１に示す半導体発光素子及び実施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としているが、両者を逆転させて形成することもできる。また、上記実施例では、第１の導電層より上層をＭＢＥ法を用いて形成したが、下地層と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて形成することもできる。
【００５３】
さらに、上記実施例では、ＡｌＮ下地層上に第１の導電層としてのＡｌＧａＮ層を直接的に形成したが、さらなる結晶品質の向上を目指して、これら層間に、温度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成膜条件を適宜制御することによって、バッファ層又はひずみ超格子などの多層膜構造を形成することもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、高結晶性の下地層を有し、これに起因して高結晶性の発光層を具えている。そして、前記発光層は希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有している。したがって、この添加元素の種類を適宜に調節することにより、任意に色度の光、さらには白色光を実用的な発光効率で生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 下地層、３ 第１の導電層、４ 第１のクラッド層、５ 発光層、６ 第２のクラッド層、７ 第２の導電層、８，９ 電極、１０ 半導体発光素子
Claims (5)
- 基板と、この基板上に１１００℃以上の温度で直接的に形成された、III族元素の全体に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下である第１の窒化物半導体からなる、厚さ０．５μｍ以上の下地層と、この下地層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含む第４の窒化物半導体からなる発光層と、この発光層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第５の窒化物半導体からなる第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２の導電層とを具え、
前記下地層はＭＯＣＶＤ法によって形成されるとともに、前記第１の導電層、前記第１のクラッド層、前記発光層、前記第２のクラッド層、及び前記第２の導電層はＭＢＥ法によって形成されたことを特徴とする、半導体発光素子。 - 前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の温度で形成されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記添加元素の含有量が０．０１〜７原子％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層を構成する前記第４の窒化物半導体は、青色領域の光を発する、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を第１の添加元素として含み、緑色領域の光を発する、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を第２の添加元素として含み、赤色領域の光を発する、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を第３の添加元素として含み、発光層全体として白色光を生成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体発光素子。
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