JPWO2008155958A1 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

異なる色の光を充分に発光可能な半導体発光素子を提供する。半導体発光素子（１）は、基板（２）と、基板（２）上に形成された半導体層（３）とを備えている。半導体層（３）は、基板（２）側から順に、バッファ層（１１）、ｎ型半導体層（１２）、発光層（１３）、及び、ｐ型半導体層（１４）が積層されている。発光層（１３）は、複数の井戸層（２１ｎ）と、複数のバリア層（２２ｍ）とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有する。ｐ型半導体層（１４）に最も近い井戸層（２１１）は、約４２０ｎｍ〜約４７０ｎｍの波長を有する青色光を発光する。井戸層（２１１）は、ノンドープのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０．０５≦Ｘ１＜０．２）からなる。ｐ型半導体層（１４）に２番目に近い井戸層（２１２）は、約５２０ｎｍ〜約６５０ｎｍの波長を有する緑色光を発光する。井戸層（２１２）は、ノンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（０．２≦Ｘ２≦０．３）からなる。

Description

本発明は、少なくとも異なる２つの色、即ち、２つの異なる波長の光を発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
従来、複数（例えば、２つ）の異なる色の光を発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法が知られている。
例えば、特許文献１には、基板から順にｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層された半導体発光素子が開示されている。更に、半導体発光素子の発光層は、赤色光を発光可能な赤色発光層及び青色光を発光可能な青色発光層を備えている。この発光層では、基板側から順に赤色発光層及び青色発光層が積層されている。赤色発光層及び青色発光層は、ＩｎＧａＮからなる複数の井戸層を含むＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する。更に、青色発光層の井戸層を構成するＩｎＧａＮ内のＩｎの比率は、赤色発光層の井戸層を構成するＩｎＧａＮ内のＩｎの比率よりも小さくなるように構成されている。これにより、各発光層の井戸層のバンドギャップの大きさを変えて、異なる色の光を発光している。
特許文献１に記載の半導体発光素子では、電流が供給されると、ｎ型半導体層を介して各発光層に電子が注入され、ｐ型半導体層を介して正孔が各発光層に注入される。そして、赤色発光層の井戸層では、電子と正孔が再結合して赤色光が発光されるとともに、青色発光層の井戸層では、電子と正孔が再結合して青色光が発光すると考えられている。
特開２００５−２１７３８６号公報
ここで、特許文献１に記載の半導体発光素子では、各発光層が複数の井戸層を備えているので、移動度の高い電子は、ｎ型半導体層を通過した後、各発光層の井戸層へと達することができる。しかしながら、移動度の低い正孔は、ｐ型半導体層を通過した後、ｐ型半導体層側の青色発光層の井戸層にはある程度達することができるが、ｐ型半導体層から遠い赤色発光層の井戸層のほとんど達することができない。従って、ｐ型半導体層に近い青色発光層では電子と正孔が再結合して青色光を発光できるが、ｐ型半導体層から遠い赤色発光層では電子と正孔の再結合がほとんど起こらず、赤色光がほとんど発光できないといった課題がある。
また、特許文献１に記載の半導体発光素子では、各井戸層を構成するＩｎＧａＮ内のＩｎの比率のみを変えることによって、異なる井戸層から異なる色の光を発光しているが、Ｉｎの比率を変えるには、製造段階において、成長温度を変えるか、または、Ｉｎの原料ガスの流量を変えなければならない。しかしながら、成長温度やＩｎの原料ガスの流量の制御は非常に難しいので、これらの制御によって所望のＩｎの比率を有するＩｎＧａＮを形成することは非常に難しい。このため、Ｉｎの比率によってのみ所望の波長の光を発光可能な半導体発光素子を製造することが困難であるといった課題がある。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、異なる色の光を充分に発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、発光させる光の波長の制御が容易にできる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を有する発光層とを備え、前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１と前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２とが異なることを特徴とする半導体発光素子である。
また、請求項２に記載の発明は、前記Ｉｎの比率Ｘ１は、前記Ｉｎの比率Ｘ２よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。
また、請求項３に記載の発明は、前記Ｉｎの比率Ｘ１はＸ１＜０．２であって、前記Ｉｎの比率Ｘ２はＸ２≧０．２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である。
また、請求項４に記載の発明は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層は、前記第２井戸層からの光を透過可能な厚み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である。
また、請求項５に記載の発明は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みは、２０ｎｍ以下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である。
また、請求項６に記載の発明は、前記第１井戸層は、青色光を発光するとともに、前記第２井戸層は、緑色光から黄色光の間にピークを有する光を発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。
また、請求項７に記載の発明は、前記第１井戸層の厚みは、前記第２井戸層の厚みよりも小さく且つ量子サイズ効果を生じさせるよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
また、請求項８に記載の発明は、ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を含む発光層とを備え、前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１は０．０５≦Ｘ１＜０．２であって、前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２は０．２≦Ｘ２≦０．３であり、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが、１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする半導体発光素子である。
また、請求項９に記載の発明は、ｐ型ＧａＮ系半導体からなるｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層を含む発光層とを備え、前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１と前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２とが異なる半導体発光素子の製造方法において、前記第１井戸層及び前記第２井戸層を含む発光層を形成する発光層形成工程と、前記発光層形成工程の後、成長温度８５０℃以下で前記ｐ型半導体層を成長させるｐ型半導体層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
また、請求項１０に記載の発明は、ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたバリア層を有するＭＱＷ（多重量子井戸）構造からなる発光層とを備え、前記発光層は、第１井戸層及び前記第１井戸層よりも厚く且つ前記第１井戸層とは異なる波長の光を発光する第２井戸層を含み、前記第１井戸層は前記第２井戸層よりも前記ｐ型半導体層に近い位置に配置され、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層が前記第２井戸層からの光を透過可能な厚みに構成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
また、請求項１１に記載の発明は、前記第１井戸層は、量子サイズ効果を生じさせる厚みに構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
ここで「量子サイズ効果を生じさせる厚み」とは、電子の波長以下の厚みのことであって、具体的には、約１０ｎｍ以下のことである。
また、請求項１２に記載の発明は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
また、請求項１３に記載の発明は、前記第１井戸層は、井戸層の中で前記ｐ型半導体層に最も近い位置に形成され、前記第２井戸層は、井戸層の中で前記ｐ型半導体層に２番目に近い位置に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
また、請求項１４に記載の発明は、前記第１井戸層は、前記第２井戸層よりも波長の短い光を発光することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
また、請求項１５に記載の発明は、前記第２井戸層は、前記第１井戸層よりもＩｎＧａＮ系半導体内のＩｎの比率が大きいことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
また、請求項１６に記載の発明は、前記第１井戸層は、青色光を発光するとともに、前記第２井戸層は、緑色光から黄色光の間にピーク有する光を発光することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子である。
また、請求項１７に記載の発明は、ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を含む発光層とを備え、前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層の厚みｄ１は、２ｎｍ≦ｄ１＜３ｎｍであって、前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層の厚みｄ２は、３ｎｍ≦ｄ２≦１０ｎｍであって、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが、１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする半導体発光素子である。
また、請求項１８に記載の発明は、ｐ型ＧａＮ系半導体からなるｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる第１井戸層と前記第１井戸層よりも厚い第２井戸層とを含む複数の井戸層と第２井戸層の光を透過可能なバリア層を含む発光層とを備えた半導体発光素子の製造方法において、前記第１井戸層及び前記第２井戸層を含む前記発光層を形成する発光層形成工程と、前記発光層形成工程の後、成長温度８５０℃以下で前記ｐ型半導体層を成長させるｐ型半導体層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
本発明によれば、ＩｎＧａＮ系半導体からなる第１井戸層のＩｎの比率Ｘ１とＩｎＧａＮ系半導体からなる第２井戸層のＩｎの比率Ｘ２とを異ならせている。このように、正孔が容易に到達可能な第１井戸層と第２井戸層とを構成することによって、異なる２つの色の光を充分に発光させることができる。
本発明によれば、第２井戸層を第１井戸層よりも厚く形成しているので、第１井戸層で発光する光の波長を第２井戸層で発光する光の波長よりも短くすることができる。このように、ＩｎＧａＮ内のＩｎの比率のみならず、製造段階で容易に制御可能な井戸層の厚みによっても発光する光の波長を制御しているので、容易に異なる２つ以上の光の波長を制御できる。また、井戸層とバリア層の厚みを変えることにより、比較的容易に色合いを制御することができる。
本発明の第１実施形態による半導体発光素子の断面図である。 半導体発光素子の発光層の断面図である。 発光層近傍のエネルギーバンド図である。 第２実施形態による発光層の断面図である。 バリア層の厚みを変えた時の発光スペクトルを比較したグラフである。 バリア層の厚みを変えた時の相対強度比を示す図である。 ｐ型半導体層を約１０１０℃の成長温度で形成した際のＥＬ強度のスペクトル図である。 ｐ型半導体層を約８５０℃の成長温度で形成した際のＥＬ強度のスペクトル図である。
符号の説明
１ 半導体発光素子
２ 基板
３ 半導体層
４ ｎ側電極
５ ｐ側電極
１１ バッファ層
１２ ｎ型半導体層
１３ 発光層
１４ ｐ型半導体層
２１ｎ 井戸層
２２ｍ バリア層
２１１ 第１井戸層
２１２ 第２井戸層
Ｌｂ 青色光
Ｌｇ 緑色光
Ｘ１ Ｉｎの比率
Ｘ２ Ｉｎの比率
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態による半導体発光素子を説明する。図１は、本発明の実施形態による半導体発光素子の断面図である。図２は、半導体発光素子の発光層の断面図である。
図１に示すように、第１実施形態による半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に形成された半導体層３と、ｎ側電極４と、ｐ側電極５とを備えている。
基板２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板からなる。
半導体層３は、基板２側から順に、バッファ層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、及び、ｐ型半導体層１４が積層されている。
バッファ層１１は、約１０Å〜約５０Åの厚みを有するＡｌＮからなる。
ｎ型半導体層１２は、約４μｍの厚みを有し、約３×１０１８ｃｍ−３の濃度のＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなる。ｎ型半導体層１２の上面の一部が露出するように、発光層１３及びｐ型半導体層１４の一部がエッチングされている。
図２に示すように、発光層１３は、複数の井戸層２１ｎ（ｎ＝１、２・・ｑ−１）と、複数のバリア層２２ｍ（ｍ＝１、２・・・ｑ）とが交互に６ペア〜１１ペア、好ましくは８ペア積層されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）構造を有する。
各井戸層２１ｎは、約２ｎｍ〜約３ｎｍ、好ましくは約２．８ｎｍの同じ厚みを有するノンドープのＩｎＧａＮからなる。
ここで、ｐ型半導体層１４に最も近い井戸層（請求項１の第１井戸層に相当）２１１は、約４２０ｎｍ〜約４７０ｎｍの波長を有する青色光を発光するためのものである。井戸層２１１は、ノンドープのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎからなる。尚、井戸層２１１を構成するＩｎＧａＮ内でのＩｎの比率Ｘ１は、０．０５≦Ｘ１＜０．２となるように構成されている。
ｐ型半導体層１４に２番目に近い井戸層（請求項１の第２井戸層に相当）２１２は、約５２０ｎｍ〜約６５０ｎｍの波長を有する緑色光（または黄色光）を発光するためのものである。井戸層２１２は、ノンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎからなる。井戸層２１２を構成するＩｎＧａＮ内でのＩｎの比率Ｘ２は、０．２≦Ｘ２≦０．３となるように構成されている。その他の井戸層２１ｎ（３≦ｎ≦ｑ−１）は、井戸層２１２と同じ比率及び同じ厚みのＩｎＧａＮからなる。
各バリア層２２ｍは、各井戸層２１ｎの間に形成されている。各バリア層２２ｍは、約２０ｎｍ以下、好ましくは約１６ｎｍ以下の厚みを有するノンドープのＧａＮからなる。
ｐ型半導体層１４は、約２００ｎｍの厚みを有し、約３×１０１９ｃｍ−３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。
ｎ側電極４は、約２５００ｎｍの厚みを有するＡｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。ｎ側電極４は、露出されたｎ型半導体層１２の上面とオーミック接続されている。
ｐ側電極５は、約３０００ｎｍの厚みを有するＴｉ／Ａｕの積層構造からなる。ｐ側電極５は、ｐ型半導体層１４の上面とオーミック接続されている。
次に、上述した半導体発光素子１の動作説明を行う。図３は、発光層近傍のエネルギーバンド図である。
まず、ｎ側電極４とｐ側電極５との間に順方向の電圧が印加されると、ｎ側電極４から半導体層３に電子が注入されるとともに、ｐ側電極５から半導体層３に正孔が注入される。ここで、図３に示すように、ｎ側電極４からｎ型半導体層１２に注入された電子は、移動度が大きいため、ｎ型半導体層１２から最も遠い各井戸層２１１まで達することができる。一方、ｐ側電極５からｐ型半導体層１４に注入された正孔は、移動度が小さい。このため、ほとんどの正孔は、ｐ型半導体層１４に近い井戸層２１１及び井戸層２１２にトラップされる。
これにより、電子及び正孔が充分にトラップされている井戸層２１１では電子と正孔の再結合が充分に行われ、青色光Ｌｂが発光する。井戸層２１１で発光した青色光Ｌｂは、バリア層２２１及びｐ型半導体層１４を透過した後、外部へ照射される。
また、電子及び正孔が充分にトラップされている井戸層２１２では電子と正孔の再結合が充分に行われ、緑色光Ｌｇが発光する。井戸層２１２で発光した緑色光Ｌｇは、厚みが約２０ｎｍ以下の薄いバリア層２２１、２２２を透過する。バリア層２２１、２２２を透過した緑色光Ｌｇは、ｐ型半導体層１４を透過した後、外部へ照射される。
一方、ｐ型半導体層１４から遠い井戸層２１ｎ（３≦ｎ）には正孔がほとんどトラップされないので、あまり緑色光Ｌｇが発光されない。
この結果、半導体発光素子１から青色光Ｌｂと緑色光Ｌｇとが充分に外部へ照射される。
次に、上述した半導体発光素子１の製造方法を説明する。
まず、サファイア基板からなる基板２をＭＯＣＶＤ装置（図示略）に導入する。そして、成長温度を約９００℃〜約１１００℃に設定した状態で、キャリアガスによってトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）ガス及びアンモニアガスを供給してＡｌＮからなるバッファ層１１を基板２上に形成する。
次に、成長温度を約１０５０℃に設定した状態で、キャリアガスによりシランガス、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）ガス及びアンモニアガスを供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層１２をバッファ層１１上に形成する。
次に、成長温度を約６９０℃に設定した状態で、キャリアガスによってＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＧａＮからなるバリア層２２ｑをｎ型半導体層１２上に形成する。その後、成長温度を約６９０℃に保った状態で、キャリアガスによってトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）ガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（０．２≦Ｘ２≦０．３）からなる井戸層２１ｑ−１をバリア層２２ｑ上に形成する。その後、同じ条件でバリア層２２２及び井戸層２１２までバリア層２２ｍ及び井戸層２１ｎを交互に形成する。
次に、ＩｎＧａＮ内のＩｎの比率を高めるために、成長温度を約７６０℃に昇温した状態で、キャリアガスによってＴＭＩガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０．０５≦Ｘ１＜０．２）からなる井戸層２１１を形成する。最後に、成長温度を約７６０℃に設定した状態で、キャリアガスによってＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＧａＮからなるバリア層２２１を形成することによって、発光層１３が完成する。
次に、成長温度を約８５０℃以下に設定した状態で、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、発光層１３上にＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層１４を形成する。ここで、ｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層１４を約８５０℃の低温で成長させるために、アンモニアガスの流量は、一般的な流量（例えば、約４．０ＳＬＭ）よりも多い約１０ＳＬＭ以上に設定されている。
次に、ｎ型半導体層１２の上面の一部が露出するように、ｐ型半導体層１４及び発光層１３の一部をエッチングする。その後、ｎ側電極４及びｐ側電極５を形成する。最後に素子単位に分割することにより半導体発光素子１が完成する。
上述したように、第１実施形態による半導体発光素子１は、ｐ型半導体層１４に最も近い井戸層２１１のＩｎの比率Ｘ１と、ｐ型半導体層１４に２番目に近い井戸層２１２のＩｎの比率Ｘ２とを異ならせている。このように、移動度の小さい正孔でも到達可能な２つの井戸層２１１のＩｎの比率Ｘ１及び井戸層２１２のＩｎの比率Ｘ２を変えることによって、異なる波長の光（青色光と緑色光）を充分に発光することができる。
また、第１実施形態による半導体発光素子１では、Ｉｎの比率Ｘ１が小さくバンドギャップが大きい井戸層２１１を井戸層２１２よりもｐ型半導体層１４側、即ち、正孔が供給される側に形成している。このように正孔がトラップされ難い井戸層２１１をｐ型半導体層１４側に形成することによって、井戸層２１２まで到達する正孔をより増大させることができるので、井戸層２１２での発光強度をより向上させることができる。
また、第１実施形態による半導体発光素子１では、井戸層２１１と井戸層２１２との間のバリア層２２２を井戸層２１２で発光された緑色光が透過可能な約２０ｎｍ以下、好ましくは約１６ｎｍ以下の厚みに構成することによって、緑色光を外部へと照射することができる。
また、第１実施形態による半導体発光素子１では、ｐ型半導体層１４の成長温度を約８５０℃以下にすることによって、ｐ型半導体層１４を形成する際に、井戸層２１ｎ、特に、緑色光を発光する井戸層２１ｎ（ｎ≧２）を構成するＩｎＧａＮの結晶性の劣化を抑制できるので、より多くの緑色光を外部へと照射することができる。
また、第１実施形態による半導体発光素子１では、添加量の制御が難しく且つ劣化しやすい蛍光体を用いることなく２つの異なる色の光を発光することができるので、異なる色の光量を容易に制御して色合いのばらつきを抑制することができるとともに、劣化を抑制して高信頼性を得ることができる。また、蛍光体では表現できない中間色（パステルカラー）も実現可能となる。
（第２実施形態）
次に、上述した第１実施形態を部分的に変更した第２実施形態による半導体発光素子について説明する。尚、第２実施形態の半導体発光素子では、第１実施形態と異なる発光層のみについて説明する。図４は、第２実施形態による発光層の断面図である。
図４に示すように、第２実施形態による半導体発光素子１の発光層１３では、ｐ型半導体層１４に最も近い井戸層（請求項１０の第１井戸層に相当）２１１は、約４２０ｎｍ〜約４７０ｎｍの波長を有する青色光を発光するためのものである。井戸層２１１は、ノンドープのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎからなる。尚、井戸層２１１を構成するＩｎＧａＮ内でのＩｎの比率Ｘ１は、０．０５≦Ｘ１＜０．２となるように構成されている。井戸層２１１の厚みｄ１は、量子サイズ効果を生じさせることが可能な約２ｎｍ〜約３ｎｍに設定されている。
ｐ型半導体層１４に２番目に近い井戸層（請求項１０の第２井戸層に相当）２１２は、約５２０ｎｍ〜約６５０ｎｍの波長を有する緑色光（または黄色光）を発光するためのものである。井戸層２１２を構成するＩｎＧａＮ内でのＩｎの比率Ｘ２は、０．２≦Ｘ２≦０．３となるように構成されている。井戸層２１２の厚みｄ２は、井戸層２１１の厚みｄ１よりも大きい約３ｎｍ〜約１０ｎｍに設定されている。
このように、第２実施形態による半導体発光素子１では、井戸層２１２の厚みｄ２よりも井戸層２１１の厚みｄ１を小さくして、井戸層２１２に生じる量子サイズ効果よりも井戸層２１１に生じる量子サイズ効果を大きくしている。これにより、井戸層２１１から発光される光の波長を井戸層２１２から発光される光の波長よりも短波長側にシフトさせることができる。
その他の井戸層２１ｎ（３≦ｎ≦ｑ−１）は、井戸層２１２と同じ厚みｄ２のＩｎＧａＮからなる。
各バリア層２２ｍは、各井戸層２１ｎの間に形成されている。バリア層２２ｍは、第２井戸層２１２からの緑色光を透過可能な約２０ｎｍ以下、好ましくは約１２ｎｍ〜約１６ｎｍの厚みを有するノンドープのＧａＮからなる。
次に、上述した第２実施形態による半導体発光素子１の動作説明を、図３を参照して行う。
まず、ｎ側電極４とｐ側電極５との間に順方向の電圧が印加されると、ｎ側電極４から半導体層３に電子が注入されるとともに、ｐ側電極５から半導体層３に正孔が注入される。ここで、図３に示すように、ｎ側電極４からｎ型半導体層１２に注入された電子は、移動度が大きいため、ｎ型半導体層１２から最も遠い各井戸層２１１まで達することができる。一方、ｐ側電極５からｐ型半導体層１４に注入された正孔は、移動度が小さい。このため、ほとんどの正孔は、ｐ型半導体層１４に近い井戸層２１１及び井戸層２１２にトラップされる。
これにより、電子及び正孔が充分にトラップされている井戸層２１１では電子と正孔の再結合が充分に行われる。ここで、井戸層２１１は、井戸層２１２よりもＩｎの比率が大きく且つ大きい量子サイズ効果を得ることができるように厚みが小さく形成されているので、青色光Ｌｂを発光する。井戸層２１１で発光した青色光Ｌｂは、バリア層２２１及びｐ型半導体層１４を透過した後、外部へ照射される。
また、電子及び正孔が充分にトラップされている井戸層２１２では電子と正孔の再結合が充分に行われる。ここで、井戸層２１２は、井戸層２１１よりも厚み及びＩｎの比率が大きいので、井戸層２１１よりも量子サイズ効果が小さく、青色光Ｌｂよりも波長の長い緑色光Ｌｇを発光する。井戸層２１２で発光した緑色光Ｌｇは、厚みが約２０ｎｍ以下の薄いバリア層２２１、２２２を透過する。バリア層２２１、２２２を透過した緑色光Ｌｇは、ｐ型半導体層１４を透過した後、外部へ照射される。
一方、ｐ型半導体層１４から遠い井戸層２１ｎ（３≦ｎ）には正孔がほとんどトラップされないので、あまり緑色光Ｌｇが発光されない。
この結果、井戸層２１１及び井戸層２１２により半導体発光素子１から青色光Ｌｂと緑色光Ｌｇとが充分に外部へ照射される。
次に、上述した第２実施形態による半導体発光素子１の製造方法を説明する。尚、第２実施形態の半導体発光素子１の製造方法は、第１実施形態の製造方法と異なる発光層１３の製造方法のみについて説明する。
まず、成長温度を約６９０℃に設定した状態で、キャリアガスによってＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、ノンドープのＧａＮからなるバリア層２２ｑをｎ型半導体層１２上に形成する。その後、成長温度を約６９０℃に保った状態で、キャリアガスによってトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）ガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガスを供給して、パイロメータ（赤外線）により観察しつつ、約３ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有するノンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（０．２≦Ｘ２≦０．３）からなる井戸層２１ｑ−１をバリア層２２ｑ上に形成する。その後、同じ条件でバリア層２２２及び井戸層２１２までバリア層２２ｍ及び井戸層２１ｎを交互に形成する。その後、成長温度を約７６０℃に設定した状態で、成長時間を他の井戸層２１ｎ（ｎ≧２）よりも短くすることにより、他の井戸層２１ｎよりも薄い、約２ｎｍ〜約３ｎｍの厚みを有するノンドープのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０．０５≦Ｘ１＜０．２）からなる井戸層２１１を形成する。最後に、バリア層２２１を形成することによって発光層１３が完成する。
上述したように、第２実施形態による半導体発光素子１では、井戸層２１１と井戸層２１ｎ（ｎ≧２）との厚みを変えることによって、作用する量子サイズ効果の大きさを変えている。これにより、井戸層２１１では青色光を発光させるとともに、それ以外の井戸層２１ｎ（ｎ≧２）では緑色光を発光させている。このように、ＩｎＧａＮ内のＩｎの比率のみならず、製造工程において、パイロメータ等で観察しつつ成長時間等により容易に制御可能な井戸層２１ｎ（ｎ≧１）の厚みによって発光させる光の波長を変えているので、容易に且つ正確に発光させる光の波長を所望の波長に設定することができる。
また、第２実施形態による半導体発光素子１では、ｐ型半導体層１４に近い井戸層２１１の厚みｄ１と井戸層２１２の厚みｄ２とを変えている。このように、移動度の低い正孔でも容易に到達することができる井戸層２１１及び井戸層２１２の厚みを変えることにより、異なる色の光（青色光と緑色光）を充分に発光することができる。
また、第２実施形態による半導体発光素子１では、バンドギャップが大きい井戸層２１１を井戸層２１２よりもｐ型半導体層１４側、即ち、正孔が供給される側に形成している。このように正孔がトラップされ難い井戸層２１１をｐ型半導体層１４側に形成することによって、井戸層２１２まで到達する正孔をより増大させることができるので、井戸層２１２での発光強度をより向上させることができる。
また、第２実施形態による半導体発光素子１では、井戸層２１１と井戸層２１２との間のバリア層２２２を井戸層２１２で発光された緑色光が透過可能な約２０ｎｍ以下、好ましくは約１２ｎｍ〜約１６ｎｍの厚みに構成することによって、緑色光を外部へと照射することができる。
また、第２実施形態による半導体発光素子１では、ｐ型半導体層１４の成長温度を約８５０℃以下にすることによって、ｐ型半導体層１４を形成する際に、井戸層２１ｎ、特に、緑色光を発光する井戸層２１ｎ（ｎ≧２）を構成するＩｎＧａＮの結晶性の劣化を抑制できるので、より多くの緑色光を外部へと照射することができる。
また、第２実施形態による半導体発光素子１では、添加量の制御が難しく且つ劣化しやすい蛍光体を用いることなく２つの異なる色の光を発光することができるので、異なる色の光量を容易に制御して色合いのばらつきを抑制することができるとともに、劣化を抑制して高信頼性を得ることができる。
（実験）
次に、上述した半導体発光素子１の効果を証明するために行った実施例について考察する。
まず、バリア層の厚みと外部に照射される光のエレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬ）強度との関係について、図面を参照して説明する。図５は、バリア層の厚みを変えた時の発光スペクトルを比較したグラフである。図５において、横軸は波長を示し、縦軸はＥＬ強度を示す。尚、各スペクトルの横の添え字は、バリア層２２２の厚みを示す。図６は、バリア層の厚みを変えた時の相対強度比を比較した図である。図６において、横軸はバリア層２２２の厚みを示し、縦軸は相対強度比を示す。尚、相対強度比とは、青色光のＥＬ強度を１００とした場合、緑色光のＥＬ強度の比である。
図５及び図６に示すように、バリア層の厚みを２４．０ｎｍ、１７．５ｎｍ、１３．５ｎｍと薄くしていくと、ｐ型半導体層１４に一番近い井戸層２１１からの発光である青色光ＬｂのＥＬ強度が一定であるのに対し、ｐ型半導体層１４から二番目に近い井戸層２１２からの発光である緑色光ＬｇのＥＬ強度が増加しているのがわかる。そして、バリア層を薄くしていくにつれて、青色光Ｌｂよりも緑色光ＬｇのＥＬ強度が強くなることがわかる。このことから、バリア層２２２の厚みを変えることにより、外部へ照射される緑色光Ｌｇの光量を制御できることがわかる。この結果、バリア層２２２の厚みによって、青色光Ｌｂと緑色光Ｌｇとの中間色（パステルカラー）の色合いを容易に制御できることがわかる。
また、青色光Ｌｂを発光する井戸層２１１よりも緑色光Ｌｇを発光する井戸層２１２の方がｐ型半導体層１４よりも離れた位置に形成され、且つ、エネルギー準位が深くなっていることを考慮すると、バリア層２２ｍを約１４ｎｍよりも薄くすると、井戸層２１２へ注入される正孔が多くなり、緑色光Ｌｇが青色光Ｌｂよりも強くなることは容易に推測できる。
更に、人間の視感度が緑色光Ｌｇに強いことを考慮すると、バリア層２２２の厚みを約１６ｎｍ以下、好ましくは約１４ｎｍ程度にすることによって、半導体発光素子１から照射される光の発光スペクトルのうち、緑色光Ｌｇを含む割り合いが増えるので、人間の眼がその光を白色光と感じることがわかる。
従って、上述した半導体発光素子１を白色半導体発光素子に適用する場合には、バリア層２２ｍ、少なくともバリア層２２２の厚みを約１６ｎｍ以下、好ましくは約１４ｎｍ程度にすればよい。更に、白色光以外の光を望む場合でも、バリア層２２２の厚みを変えることにより井戸層２１２への正孔の注入量を調整することによって、青色と緑色の色合いを調整して、種々の色を照射することができる。
次に、ｐ型半導体層１４を形成する際の成長温度と外部へ照射される光のスペクトルとの関係について、図面を参照して説明する。尚、ｐ型半導体層を約１０１０℃の成長温度で形成した際のＥＬ強度のスペクトルの一例が図７に示すスペクトルであり、ｐ型半導体層を約８５０℃の成長温度で形成した際のＥＬ強度のスペクトルの一例が図８に示すスペクトルである。
図７に示すように、成長温度を約１０１０℃にした状態でｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層１４を成長させた半導体発光素子１のＥＬ強度のスペクトルからわかるように、外部へ照射される光のほとんどは青色光Ｌｂであって、緑色光Ｌｇはほとんど含まれないことがわかる。一方、図８に示すように、成長温度を約８５０℃にした状態でｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層１４を成長させた半導体発光素子１のＥＬ強度のスペクトルからわかるように、青色光ＬｂのＥＬ強度に対して、約１／３程度のＥＬ強度を有する緑色光Ｌｇが外部へ照射されていることがわかる。
これは、発光層１３を成長させた後に、約１０１０℃の成長温度でｐ型半導体層１４を形成することによって井戸層２１ｎ、特に、Ｉｎの比率の多い緑色光Ｌｇを発光する井戸層２１ｎ（ｎ≧２）を構成するＩｎＧａＮの結晶性が劣化したのに対し、約８５０℃の成長温度でｐ型半導体層１４を形成した場合には井戸層２１ｎ（ｎ≧２）の劣化を抑制できたためと考えられる。
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
例えば、上述の実施形態では、青色光と緑色光（または黄色光）とを発光する半導体発光素子に本発明を適用したが、他の赤色光などを含む２つ以上の異なる色の光を発光可能な半導体発光素子に本発明を適用してもよい。
また、上述の実施形態で記載した各層を構成する材料は適宜変更可能である。例えば、井戸層をＡｌＩｎＧａＮなどのＩｎＧａＮ以外のＩｎＧａＮ系半導体により構成してもよい。バリア層をＡｌＧａＮなどのＧａＮ以外のＧａＮ系半導体により構成してもよい。
また、上述の実施形態では、成長温度を変えることによって井戸層を構成するＩｎＧａＮ内のＩｎの比率を変えたが、Ｉｎの原料ガス（ＴＭＩガス）の流量を変えることによって、当該Ｉｎの比率を変えてもよい。
また、上述の実施形態では、波長の短い光（青色光）を発光する井戸層を波長の長い光（緑色光）を発光する井戸層よりもｐ型半導体層側に形成したが、ｐ型半導体層側に波長の長い光を発光する井戸層を形成してもよい。
また、上述の実施形態では、ｐ型半導体層に３番目に近い井戸層から最も遠い井戸層までを第２井戸層と同じ構成で形成したが、異なるバンドギャップを有するように構成してもよい。
また、上述の実施形態では、第１井戸層と第２井戸層とを同じ厚みに形成したが、第１井戸層の厚みを量子サイズ効果を生じさせる程度に小さくするとともに、第２井戸層よりも厚みを小さく形成してもよい。これにより、ＩｎＧａＮ内のＩｎの比率のみならず、井戸層の厚みによっても波長を制御することができる。
また、上述の実施形態で記載した各層の厚みは適宜変更可能である。例えば、井戸層のうち最も薄い井戸層の厚みは、量子サイズ効果が生じる厚み（約１０ｎｍ以下）であればよく、特に限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、成長時間を変えることによって井戸層の厚みを変えたが、原料ガス（ＴＭＩガス、ＴＭＧガス及びアンモニアガス）の流量を変えることによって、厚みを変えてもよい。
また、上述の実施形態では、ｐ型半導体層に３番目に近い井戸層から最も遠い井戸層までを第２井戸層と同じ構成で形成したが、異なるバンドギャップを有するように構成してもよい。一例として、短波長の光（例えば、青色光）を発光可能な井戸層と長波長の光（例えば、緑色光）を発光可能な井戸層とを交互に周期的に形成してもよい。また、別の例として、短波長の光（例えば、青色光）を発光可能な井戸層を複数層形成した後、長波長の光（例えば、緑色光）を発光可能な井戸層を複数層形成してもよい。
本発明によれば、ＩｎＧａＮ系半導体からなる第１井戸層のＩｎの比率Ｘ１とＩｎＧａＮ系半導体からなる第２井戸層のＩｎの比率Ｘ２とを異ならせている。このように、正孔が容易に到達可能な第１井戸層と第２井戸層とを構成することによって、異なる２つの色の光を充分に発光させることができる。
本発明によれば、第２井戸層を第１井戸層よりも厚く形成しているので、第１井戸層で発光する光の波長を第２井戸層で発光する光の波長よりも短くすることができる。このように、ＩｎＧａＮ内のＩｎの比率のみならず、製造段階で容易に制御可能な井戸層の厚みによっても発光する光の波長を制御しているので、容易に異なる２つ以上の光の波長を制御できる。また、井戸層とバリア層の厚みを変えることにより、比較的容易に色合いを制御することができる。

Claims (18)

  1. ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を有する発光層とを備え、
    前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１と前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２とが異なることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記Ｉｎの比率Ｘ１は、前記Ｉｎの比率Ｘ２よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記Ｉｎの比率Ｘ１はＸ１＜０．２であって、前記Ｉｎの比率Ｘ２はＸ２≧０．２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。
  4. 前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層は、前記第２井戸層からの光を透過可能な厚み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。
  5. 前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みは、２０ｎｍ以下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。
  6. 前記第１井戸層は、青色光を発光するとともに、前記第２井戸層は、緑色光から黄色光の間にピークを有する光を発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  7. 前記第１井戸層の厚みは、前記第２井戸層の厚みよりも小さく且つ量子サイズ効果を生じさせるよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  8. ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を含む発光層とを備え、
    前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１は０．０５≦Ｘ１＜０．２であって、
    前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２は０．２≦Ｘ２≦０．３であり、
    前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが、１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする半導体発光素子。
  9. ｐ型ＧａＮ系半導体からなるｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層を含む発光層とを備え、前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層を構成するＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ１と前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層を構成するＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ系半導体内でのＩｎの比率Ｘ２とが異なる半導体発光素子の製造方法において、
    前記第１井戸層及び前記第２井戸層を含む発光層を形成する発光層形成工程と、
    前記発光層形成工程の後、成長温度８５０℃以下で前記ｐ型半導体層を成長させるｐ型半導体層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  10. ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたバリア層を有する発光層とを備え、
    前記発光層は、第１井戸層及び前記第１井戸層よりも厚く且つ前記第１井戸層とは異なる波長の光を発光する第２井戸層を含み、
    前記第１井戸層は前記第２井戸層よりも前記ｐ型半導体層に近い位置に配置され、
    前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層が前記第２井戸層からの光を透過可能な厚みに構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
  11. 前記第１井戸層は、量子サイズ効果を生じさせる厚みに構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  12. 前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  13. 前記第１井戸層は、井戸層の中で前記ｐ型半導体層に最も近い位置に形成され、前記第２井戸層は、井戸層の中で前記ｐ型半導体層に２番目に近い位置に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  14. 前記第１井戸層は、前記第２井戸層よりも波長の短い光を発光することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  15. 前記第２井戸層は、前記第１井戸層よりもＩｎＧａＮ系半導体内のＩｎの比率が大きいことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  16. 前記第１井戸層は、青色光を発光するとともに、前記第２井戸層は、緑色光から黄色光の間にピークを有する光を発光することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
  17. ｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる複数の井戸層及び各井戸層の間に形成されたＧａＮ系半導体からなるバリア層を含む発光層とを備え、
    前記ｐ型半導体層に最も近い第１井戸層の厚みｄ１は、２ｎｍ≦ｄ１＜３ｎｍであって、
    前記ｐ型半導体層に２番目に近い第２井戸層の厚みｄ２は、３ｎｍ≦ｄ２≦１０ｎｍであって、
    前記第１井戸層と前記第２井戸層との間のバリア層の厚みが、１２ｎｍ〜１６ｎｍであることを特徴とする半導体発光素子。
  18. ｐ型ＧａＮ系半導体からなるｐ型半導体層と、ＩｎＧａＮ系半導体からなる第１井戸層と前記第１井戸層よりも厚い第２井戸層とを含む複数の井戸層と第２井戸層の光を透過可能なバリア層を含む発光層とを備えた半導体発光素子の製造方法において、
    前記第１井戸層及び前記第２井戸層を含む前記発光層を形成する発光層形成工程と、
    前記発光層形成工程の後、成長温度８５０℃以下で前記ｐ型半導体層を成長させるｐ型半導体層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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