(57)【要約】【課題】簡便且つ低コストな白色発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、多重量子井戸構造の発光層４０の直下の層であるＧａＮ層３５の表面が、ｃ面と、（１０−１１）面とを有しているため、ＧａＮ層３５のｃ面上の井戸層では長波長の発光が、ＧａＮ層３５の（１０−１１）面上の井戸層では短波長の発光が生じる。発光スペクトルは、波長４６５ｎｍと５７０ｎｍに各々ピークを持ち、且つ可視部の極めて広い領域に十分な強度を持つことがわかる。これは、多重量子井戸構造の発光層４０の井戸層の組成が、ＧａＮ層３５表面のｃ面上部からファセット面上部にかけて、極めて滑らかに変化していることを示している。また、発光の色度座標（ｘ，ｙ）は（０．３１７１，０．３７９３）であった。即ち、演色性が高く、白色度が極めて高い。【選択図】図６
2010232597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともインジウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
基板と、
基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、貫通転位を有し、III族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層である第１層と、
前記第１層の上に形成され、その貫通転位に連続して成長過程で形成された、前記基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットを有するIII族窒化物系化合物半導体から成る第２層と、  
前記第２層の上方に形成された発光層であって、前記第２層の平坦部及び前記ピットに沿って形成され、前記発光層の平坦領域におけるインジウム密度に比べて、前記発光層のピット領域におけるインジウム密度が低い発光層と、
前記発光層上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３層と、
を有し、
前記ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、スペクトル幅が拡大された発光スペクトルを有する
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光スペクトルは、少なくとも２つのピークを有することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２層は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２層の平坦部の主面はｃ面であり、前記ピットを形成する側面は、ｃ面と直角以外の角度で交わるファセット面であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ファセット面は、（１０−１１）面であることを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光層の前記平坦領域では、緑色乃至赤色の発光が生じ、前記発光層の前記ピット領域では、紫色乃至青色の発光が生じることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層の発光色は、白色であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
少なくともインジウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
基板上に、バッファ層を形成し、
前記バッファ層上に、貫通転位を有し、III族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層である第１層を形成し、
前記第１層の貫通転位に連続して、前記基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットが形成される条件で、III族窒化物系化合物半導体から成る第２層を形成し、
前記第２層の上方に、前記第２層の平坦部及び前記ピットに沿って発光層を形成して、その発光層の平坦領域におけるインジウム密度に比べて、前記発光層のピット領域におけるインジウム密度を低減させることで、前記ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、発光スペクトル幅を拡大し、
前記発光層上に、III族窒化物系化合物半導体から成る第３層を形成する
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第２層の成長温度は、１０００℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第２層は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記発光層の成長温度は、６００℃以上９００℃以下であることを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ又はＴｌ、或いは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いた発光装置が汎用されるに従い、一般的な照明器具としての用途が拡大している。例えば白色灯の代替品としてIII族窒化物系化合物半導体発光素子が使用されるようになった。III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いた白色発光装置は、ＲＧＢ３色一体型と、蛍光体を組み合わせたものが量産されている。
ＲＧＢ３色一体型は、例えば青色及び緑色発光素子としてIII族窒化物系化合物半導体発光素子を、赤色発光素子として例えばＧａＡｓ系の発光素子を用いて、３色の発光素子の発光色を混色した際に白色として視認されるものである。別のタイプとしては、それらの発光素子のうちの２色又は３色を、複数の発光層を上下に積層した１体型の発光素子に置き換えることも提案されている。
蛍光体を用いるものは、黄色蛍光体と青色発光素子を組み合わせて、青色発光素子の紫外線領域の光を黄色蛍光体により黄色光に変換し、青色発光素子の可視領域の発光と混色した際に白色として視認されるものである。
先行技術文献としては本願発明に関連するものを２件挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９９０５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＲＧＢ３色一体型は、１個の白色発光装置を構成するために、３個の発光素子（ＬＥＤ）を用いたり、一体構成するために複雑な積層構造を有する素子を用いる必要があるため、コスト高となっていた。また、蛍光体は、環境面から回避される元素及び化合物が今後も増え、選択の幅が狭くなる恐れがある。
【０００５】
特許文献１の技術では、発光層の形成において、異なる発光波長領域を形成するために、マスクを用いたエッチングにより直下の層の表面に凹凸を設ける必要がある。これは通常の発光素子の製造方法に比較すると、エピタキシャル成長の途中で別の装置においてマスク形成及びエッチングをする必要があり、工程数が増え、コストの増加をもたらす。
特許文献２の技術では、青色発光素子を構成しているが、本願発明者らの検討により、非常に重要な事実が発見された。
【０００６】
そこで本発明の目的は、工程数の増加やコスト増にならない簡易方法により、白色その他の発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、少なくともインジウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、基板と、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成され、貫通転位を有し、III族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層である第１層と、第１層の貫通転位に連続して成長過程で形成された、基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットを有するIII族窒化物系化合物半導体から成る第２層と、第２層の上方に形成された発光層であって、第２層の平坦部及びピットに沿って形成され、発光層の平坦領域におけるインジウム密度に比べて、発光層のピット領域におけるインジウム密度が低い発光層と、発光層上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３層とを有し、ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、スペクトル幅が拡大された発光スペクトルを有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。
ここで発光層とは、注入された電子と正孔の再結合により発光する機能を有した層を意味し、いわゆる活性層も含む。本発明の発光素子には発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザも含まれる。発光層の厚さの望ましい範囲は、多重量子井戸構造の場合は各井戸層毎に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
第２層の平坦部とは、基板の主面に平行な表面部分であって、ピットを除く部分を言い、発光層の平坦領域とはその平坦部の上部に該当する領域を言う。発光層のピット領域とは第２層のピットに沿って形成された領域を言う。
ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、スペクトル幅が拡大された発光スペクトルとは、第２層が表面にピットを有さず、平坦部のみから成る場合の発光スペクトルに、発光層のピット領域におけるインジウム密度が低い部分でのより短波長の発光スペクトルが重ねられることにより、発光層全体のスペクトルが広がることを言う。半値幅の拡大としては、例えば単色の発光ダイオードが半値幅が概ね１００ｎｍ以下であるところ、本発明においては１２０ｎｍ以上、更には１５０ｎｍ以上となる。平坦部のみから成る場合の発光スペクトルの半値幅の１．２倍以上、更には１．５倍以上となる。例えば特許文献１ではピットの有無で発光波長に変化が無く、発光スペクトルも拡大していない（段落３８）。本発明は発光スペクトルに影響がでる程、ピットを深く形成し、ピット密度を多くするものである。本発明は、バッファ層を起点とし、第１層を貫く貫通転位が、第２層において、基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットに変化されていることを特徴とするものである。ここでピットとは、例えば微細な筒状の貫通転位が、傾斜面を有するように変化した形状を包括して表現しており、何らかの特定のものに限定する意図は無い。
第２層の成長過程において、断面が拡大するピットが形成されるのであり、当該ピットは、エピタキシャル成長を中断した状態で例えばエッチング等ににより形成したものではない。
【０００８】
基板としてはサファイア、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4)、ＺｎＯ、ＭｇＯその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ）が好ましいが、分子線気相成長法（ＭＢＥ）を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【０００９】
ここで異種基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成する。バッファ層は単結晶層ではなく、アモルファス状、多結晶、微結晶の混在状態、或いは多結晶のものを言う。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAlxGa1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜600℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。低温で形成する場合、AlNバッファ層を用いる場合は380〜420℃で形成すると良く、GaNバッファ層を用いる場合は500〜600℃で形成すると良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜600℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、多重層としては、例えばAlxGa1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。
又、低温バッファ層の上に高温成長バッファ層を形成して、その上に本体のIII族窒化物半導体を形成しても良い。
バッファ層は、その上に成長させる第１層を介して第２層に達する貫通転位密度を制御するためのものである。バッファ層の成長温度や厚さで、第１層を介して第２層に達する貫通転位密度を制御できる。貫通転位密度の制御範囲は概ね１０6〜１０11個／ｃｍ2であり、望ましくは１０8〜１０10個／ｃｍ2である。バッファ層の厚さは、30〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、30〜400Åが望ましく、最も望ましくは、30〜300Åである。
請求項８以下の製造方法により、発光層のピット領域の開口面積は第２層の厚さにより制御できる。また、発光層のピット領域と平坦領域におけるインジウム密度は、発光層の成長温度やインジウムの供給濃度により制御できる。スペクトルを拡大するには発光層の成長温度は６００〜９００℃、III属元素中のインジウムの組成は平坦部で０．０５〜０．５とすると良い。
【００１０】
請求項２に係る発明は、発光スペクトルは、少なくとも２つのピークを有することを特徴とする。即ち発光スペクトルが、複数のピークを有するものである。例えば、発光層の、第２層の平坦領域上からの発光の波長と、第２層のピット領域上からの発光の波長とに分かれる双峰形状である場合である。例えば２つのピークの場合、それらの波長分離の幅としては、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であると、可視領域での混色が可能となる。また、その場合、発光強度はできるだけ等しいことが好ましく、大きい方の発光強度が小さい方の発光強度の１．５倍以内であると好ましく、更に好ましくは１．２倍以内である。
請求項３に係る発明は、第２層は、窒化ガリウムであることを特徴とする。
尚、第２層と発光層との間には、クラッド層など、他の単一、又は材料の異なる複数の層があっても良い。この際、それらクラッド層等は、第２層表面に形成されたピットを発光層との界面まで引き継ぐものであることが重要である。
発光層は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造でも良い。第３層は、クラッド層、コンタクト層など、単一、材料の異なる複数の層であってもよい。
第２層を窒化ガリウム（ＧａＮ）形成すると、制御やその後の処理が極めて容易となる。即ち、インジウムを含む層は組成制御が容易でない。また、ピットを形成しつつ結晶性を良好に保つ必要があるので、この点でも窒化ガリウムが好ましい。
請求項４に係る発明は、第２層の平坦部の主面はｃ面であり、ピットを形成する側面は、ｃ面と直角以外の角度で交わるファセット面であることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、ファセット面は、（１０−１１）面であることを特徴とする。
尚、請求項４、５以外の発明においては、第２層の平坦部の主面のｃ面でなくても良く、ピットを形成する側面は傾斜面のうちの低指数面を指すいわゆるファセット面でなくても良く、ファセット面も（１０−１１）面でなくても良い。
請求項６に係る発明は、発光層の平坦領域では、緑色乃至赤色の発光が生じ、発光層のピット領域では、紫色乃至青色の発光が生じることを特徴とする。ここで発光層の平坦領域とは、第２層の平坦部の上方の領域を意味し、発光層のピット領域とは、第２層のピットの上方の領域を意味する。
請求項７に係る発明は、発光層の発光色は、白色であることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に係る発明は、少なくともインジウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、基板上に、バッファ層を形成し、バッファ層上に、貫通転位を有し、III族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層である第１層を形成し、第１層の貫通転位に連続して、基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットが形成される条件で、III族窒化物系化合物半導体から成る第２層を形成し、第２層の上方に、第２層の平坦部及びピットに沿って発光層を形成して、その発光層の平坦領域におけるインジウム密度に比べて、発光層のピット領域におけるインジウム密度を低減させることで、ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、発光スペクトル幅を拡大し、発光層上に、III族窒化物系化合物半導体から成る第３層を形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
本発明は、バッファ層を起点とする貫通転位を、第２層において、基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットに変化させることを特徴とするものである。ここでピットとは、例えば微細な筒状の貫通転位が、傾斜面を有するように変化した形状を包括して表現しており、何らかの特定のものに限定する意図は無い。
第２層の成長過程において、断面が拡大するピットが形成されるのであり、当該ピットは、エピタキシャル成長を中断した状態で例えばエッチング等ににより形成したものではない。
本発明により得られる発光素子のスペクトルの拡大量は、第２層の貫通転位密度とピットの平均面積との積と、発光層（井戸層）の厚さで決定できる。
第２層の貫通転位密度は、バッファ層の厚さ、成長温度で制御でき、ピットの面積は、第２層の厚さ及び成長温度で制御できる。これらは以下の実施例で示す。
【００１２】
請求項９に係る発明は、第２層の成長温度は、１０００℃以下であることを特徴とする。成長温度は７００℃以上１０００℃以下が好ましい。７００℃を下回ると、第２層の結晶性が非常に悪くなり、発光素子としての機能が不十分となり、また、素子特性がばらつくことになる。第２層の成長温度は８００℃以上９７０℃以下がより好ましく、８５０℃以上９５０℃以下が更に好ましい。
特に第２層がＧａＮの場合は、８００℃以上１０００℃以下が好ましく、８５０℃以上９７０℃以下がより好ましく、８７０℃以上９５０℃以下が更に好ましい。
一方第２層がインジウムを含む場合は、７００℃以上９００℃以下が好ましく、７５０℃以上８７０℃以下がより好ましく、７７０℃以上８５０℃以下が更に好ましい。
これらは、ピットが基板に平行な断面が、成長方向に拡大するための成長方法であるが、ピットが拡大しないように、他の条件を設定することも併用して良い。平坦なｃ面を形成するための、いわゆる縦方向成長においては、Ｖ／III比を比較的小さくするが、本発明の実施においては横方向成長を促進するようにＶ／III比を比較的大きくすると良い。ＭＯＶＰＥを用いて、Ｖ／III比を大きくする場合は、２０００以上４００００以下が好ましく、３０００以上２００００以下より好ましく、５０００以上１００００以下が更に好ましい。尚、Ｖ／III比を通常通りに実施する場合は、５００以上２０００以下とすると良い。
請求項１０に係る発明は、第２層は、窒化ガリウムであることを特徴とする。
請求項１１に係る発明は、発光層の成長温度は、６００℃以上９００℃以下であることを特徴とする。これにより、スペクトルを拡大又は２つのピークを有する程に、インジウムの組成比において、平坦領域よりも、ピット領域の方が低減できる。発光層の厚さの望ましい範囲は、多重量子井戸構造の場合は各井戸層毎に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【発明の効果】
【００１３】
少なくともインジウムを含む発光層の下の層である第２層が、基板に平行な断面が成長方向に拡大するピットを有していると、発光層の平坦領域とピット領域とでインジウム密度が異なることにより、発光時にそれぞれ異なる波長領域の発光が生じる。即ち、発光層の平坦領域では所定のインジウム密度となるが、ピット領域ではインジウム密度が低いので、平坦領域での発光ピークと、ピット領域でのより短波長の発光ピークとなる。
これにより、本発明の発光素子はピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、スペクトル幅が拡大された発光スペクトルを有するものとなる。
発光層の平坦領域で例えば緑色乃至赤色の発光が生じ、ピット領域で紫色乃至青色の発光が生じるならば、白色発光素子とすることもできる。
このような発光素子を製造するためには、基板にバッファ層と第１層と第２層を順に形成する際に、バッファ層を起点とする貫通転位が、第１層を貫通したのち、第２層でピットに変化させれば良い。
これにより、発光層の平坦領域ではエピタキシャル成長が早いので所定のインジウム密度となるが、ピット領域ではエピタキシャル成長が遅いのでインジウム密度が低くなる。
こうして、発光層のＩｎ組成と、ピットの傾斜面の総面積と平坦領域の面積の比で、平坦領域での発光層のＩｎ組成に基づく発光波長と、ピット領域での発光波長と、それらの強度比が制御できるので、例えば白色発光素子を簡易な製造方法で得ることができる。
【００１４】
発光層の直下の層にファセット面を形成することは後述するように極めて制御良くできる。即ち、III族窒化物系化合物半導体層は、例えば１０００℃以下、或いは９００℃以下でエピタキシャル成長させると、ミラー指数の上線つき数字を負の数で示せば、その表面に（１０−１１）面を有する六角錐側面状の凹部が多数形成されたままエピタキシャル成長が進む。図１は六方晶系の単位格子における（１０−１１）面を示す斜視図である。図１では、単位格子を破線の六角柱として、結晶軸ａ1、ａ2、ａ3及びｃと共に示した。（１０−１１）面は、例えば単位格子の下底面の正六角形の一辺と、上底面の対角線のうち当該下底面の一辺と平行な対角線を含む面である。
【００１５】
上記ファセット面は、例えば異種基板にバッファ層を形成したのちに高温で第１層をエピタキシャル成長させる場合において、バッファ層中の結晶欠陥のうち高温単結晶層である第１層に引き継がれてしまう結晶欠陥、特に貫通転位に起因する。
そこで、第２層におけるファセット面の起点を多数とするには、バッファ層の結晶欠陥を多数とするため、多結晶化させると良い。この際、バッファ層はより厚くすると良い。
第２層においてファセット面の大きさを変えるためには、第２層を１０００℃以下、或いは９００℃以下でエピタキシャル成長させる際、その膜厚を大きくすれば良い。
第２層においてファセット面を形成するために１０００℃以下、好ましくは９００℃以下でエピタキシャル成長させた層と、発光層との間には、他の任意の層を挿入しても良いが、少なくとも発光層の直下の層の表面にファセット面が残ることが必要である。
いずれにせよ、本発明によれば、エピタキシャル成長中の温度制御と膜厚制御のみで、第２層におけるファセット面の数及び面積を形成できる。これは、例えばマスク形成のためのレジスト塗布、露光、不要レジスト除去と言った、エピタキシャル成長装置外部での作業無しで、一括してエピタキシャル成長が可能なことを意味するので、例えば特許文献１の技術よりも遥かに簡便且つ低コストな例えば白色発光素子の製造方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】六方晶系の単位格子における（１０−１１）面を示す斜視図。
【図２】２．Ａは比較に係る１１００℃で形成したＧａＮ表面の原子間力顕微鏡画像、２．Ｂは本発明に係る９００℃で形成したＧａＮ（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像。
【図３】２．Ｂの画像と同じ試料の鳥瞰画像。
【図４】４．Ａは厚さ２００Åのバッファ層上に形成したＧａＮ（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像、４．Ｂは厚さ３００Åのバッファ層上に形成したＧａＮ（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像。
【図５】本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図。
【図６】III族窒化物系化合物半導体発光素子１００の発光スペクトルを示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施においては、III族窒化物系化合物半導体発光素子を形成するための公知の任意の技術を用いることができる。
バッファ層厚さを、例えば５０〜５００Åの範囲で調整することにより、起点となる結晶欠陥の数を制御できる。
例えば第２層としてＧａＮ層でファセットを形成する場合には、その厚さを例えば５００ｎｍ〜６μｍの範囲で調整することにより、各ファセット面の大きさを制御することができる。
発光に携わる層である、単層の発光層、又は、単一若しくは多重量子井戸構造の井戸層は、例えばＩｎ組成を０．０５〜０．５の範囲で調整すると良い。この際、白色発光素子を得るためにはＩｎ組成を０．３〜０．５の範囲で調整すると良い。
【００１８】
〔ファセット面の形成について〕
初期実験として、本発明によりピットの数（密度）とその大きさを制御できることを確かめた。以下、全て有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いた。
図２．Ａは、ｃ面サファイア基板に４００℃でＡｌＮから成るバッファ層を２００Å形成したのち、１１００℃でシリコンドープのｎ型ＧａＮ層（第１層）を形成した場合のｎ型ＧａＮ層（第１層）表面の原子間力顕微鏡画像である。また、図２．Ｂは、ｃ面サファイア基板に４００℃でＡｌＮから成るバッファ層を２００Å形成し、１１００℃でシリコンドープのｎ型ＧａＮ層（第１層）を形成した上で９００℃でアンドープのＧａＮ層（第２層）を形成した場合のＧａＮ層（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像である。図２．Ａ及び図２．Ｂのいずれも、１０μｍ四方の画像である。
図２．Ａでは表面の波打つような大きな凹部が黒く表示されているほかは、数えるほどのピットが見出されるに過ぎない。即ち、この倍率では貫通転位が検出できないので、貫通転位があったとしても、ピットに変化せずに貫通転位のままであることを示している。
一方、図２．Ｂでは、比較的低温で成長させた第２層であるＧａＮ層表面に、多数の大きな凹部が見られる。これは１００μｍ2に約１０００個あり、通常の貫通転位密度と同じレベルである。即ち、第１層を介して第２層に達した貫通転位を起因としてピットが形成され、そのピットの側面が傾斜面であることにより、膜厚の増加と共にピットの開口が広がっていることを意味している。
図３は、図２．ＢのＡＦＭ画像を得た試料と同じ試料の鳥瞰画像である。図２．Ｂで見出された黒い大きな凹部は、傾斜した側面を有し、それは（１０−１１）面であることがわかる。
このように、第２層を、結晶性良く単結晶層が形成できるとされる１０００〜１１００℃ではなく、１０００℃以下、好ましくは９００℃以下でエピタキシャル成長させることで、その表面に多数の大きな凹部を形成でき、その凹部は倒立六角錐側面を有し、その側面は（１０−１１）面である。このようにして、ｃ面とは垂直以外の角度で交わるファセット面から成るピットを、容易に形成することが可能である。
図２及び３では、第２層の平坦部がｃ面で、（１０−１１）面であるファセット面から成るピットが形成される場合を示したが、容易に理解できる通り、第２層の平坦部がｃ面でない場合も、ピットが（１０−１１）面であるファセット面以外の面から成る場合も同様である。
【００１９】
次にバッファ層の厚さの影響を確認した。
図４．Ａは、ｃ面サファイア基板に４００℃でＡｌＮから成るバッファ層を２００Å形成し、１１００℃でシリコンドープのｎ型ＧａＮ層（第１層）を形成したのち、９００℃でアンドープのＧａＮ層（第２層）を形成した場合のＧａＮ層（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像である。また、図４．Ｂは、ｃ面サファイア基板に４００℃でＡｌＮから成るバッファ層を３００Å形成し、１１００℃でシリコンドープのｎ型ＧａＮ層（第１層）を形成したのち、９００℃でアンドープのＧａＮ層（第２層）を形成した場合のＧａＮ層（第２層）表面の原子間力顕微鏡画像である。図４．Ａ及び図４．Ｂのいずれも、１０μｍ四方の写真である。
図４．Ａではピットは約１０００個／１００μｍ2検出され、図４．Ｂではピットはその約２倍見出された。
図４．Ａと図４．Ｂを比較すると、バッファ層の厚さを厚くすると、第２層であるＧａＮ層表面のファセット面で囲まれた凹部の数が２倍近く増加していることがわかる。これは、下層のバッファ層の厚さが厚いほど、第２層であるＧａＮ層のエピタキシャル成長開始時にファセット面の起点となる結晶欠陥の数が、多くなるからであると説明できる。即ち、最下層のバッファ層の厚さが厚いほど、結晶の核密度が増加したためである。
図４では、第２層の平坦部がｃ面で、（１０−１１）面であるファセット面から成るピットが形成される場合を示したが、容易に理解できる通り、第２層の平坦部がｃ面でない場合も、ピットが（１０−１１）面であるファセット面以外の面から成る場合も同様である。
以上は、ｃ面サファイア基板を用いた場合を示したが、ａ面サファイア基板を用いた場合も、同様の結果が得られた。
【実施例１】
【００２０】
上記を踏まえて、直下の層のｃ面上で黄色発光し、直下の層のファセット面である（１０−１１）面上で青色発光することで、白色発光となる発光素子を作成した。
図５は、本実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。
III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、ｃ面サファイア基板１０、４００℃で形成した厚さ３００ÅのＡｌＮから成るバッファ層２０、１１００℃で形成した厚さ４μｍのシリコンドープのｎ型ＧａＮ層（第１層）３０、９００℃で形成した厚さ３００ｎｍのアンドープのＧａＮ層（第２層）３５、８００℃で形成した厚さ３ｎｍのアンドープのＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ層を井戸層とする多重量子井戸構造の発光層４０、１１００℃で形成した厚さ２００ｎｍのマグネシウムドープのｐ型ＧａＮ層（第３層）５０から成る。
尚、多重量子井戸構造の発光層４０の井戸層は、後述の発光スペクトルから、アンドープのＧａＮ層（第２層）３５のファセット面上では組成が概略Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎとなったものと考えられる。
【００２１】
このIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の発光スペクトルを図６に示す。注入電流を１ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、５０ｍＡの６段階で切替えて、それぞれ発光スペクトル（ＥＬスペクトル）をプロットした。
III族窒化物系化合物半導体発光素子１００の発光スペクトルは、波長４６５ｎｍと５７０ｎｍに各々ピークを持ち、且つ可視部の極めて広い領域に十分な強度を持つことがわかる。これは、多重量子井戸構造の発光層４０の井戸層の組成が、ＧａＮ層（第２層）３５表面のｃ面上部からファセット面上部にかけて、極めて滑らかに変化していることを示している。また、発光の色度座標（ｘ，ｙ）は（０．３１７１，０．３７９３）であった。
図６の発光スペクトルにおいて、半値幅は次のように読み取れる。電流値が５０ｍＡの場合、５７０ｎｍのピークに対し、発光強度が半分となる範囲は４４０ｎｍ〜６１０ｎｍであり、半値幅は約１７０ｎｍであった。この他の電流値においても、半値幅は約１７０ｎｍであった。上記で９００℃で形成した厚さ３００ｎｍのアンドープのＧａＮ層（第２層）３５を設けずに発光素子を形成した場合は、５７０ｎｍの単一ピークの発光スペクトルとなり、半値幅は８０ｎｍとなった。
また、図６の発光スペクトルおいて、２つのピーク波長は４６５ｎｍと５７０ｎｍであり、それらの間隔は１０５ｎｍであった。また、波長４６５ｎｍでの発光強度に対する波長５７０ｎｍでの発光強度の比は、電流値が１ｍＡから５０ｍＡの範囲において、０．９倍乃至１．１倍程度となっている。
即ち、本実施例によるIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、可視部の極めて広い波長領域に十分な発光強度を有する演色性の高い白色発光素子であり、且つその白色度が極めて高いことがわかった。
上記のような拡大したスペクトルを得るには、発光層のインジウムの組成は０．０５乃至０．５、好ましくは０．３〜０．５とすると良い。厚さは各井戸層ごとに１〜１０ｎｍとすると良い。また、成長温度は６００℃〜９００℃とすると良い。
【００２２】
上記実施例においては、第２層の平坦部がｃ面で、（１０−１１）面であるファセット面から成るピットが形成される場合を示したが、容易に理解できる通り、第２層の平坦部がｃ面でない場合も、ピットが（１０−１１）面であるファセット面以外の面から成る場合も同様である。即ち本発明の本質は、基板と、バッファ層と、第１層と第２層を順に形成する際に、バッファ層を貫通転位の起点とし、第１層を貫いて第２層に達した貫通転位を、第２層において、基板に平行な断面が、成長方向に拡大するピットに変化させることである。この点で、第２層の平坦部はｃ面には限定されず、ピットは（１０−１１）面であるファセット面から形成されるものに限定されない。
また、上記実施例では、発光スペクトルが青色領域と黄色領域にそれぞれピークを有する、白色発光素子を示したが、本発明は、ピット領域が存在しない場合の発光スペクトルに対して、スペクトル幅が拡大された発光スペクトルを有する任意の発光色の発光素子に適用できる。例えば発光スペクトルが緑色領域と赤色領域にある発光素子は、発光層形成時のインジウム供給量を変化させることで全く同様に形成できる。
或いは、２つのピークの、長波長側の発光強度と短波長側の発光強度の比は、図２乃至４に示した通り、第２層の平坦部とピット領域の面積比で容易に制御できる。その手段は、バッファ層形成時の貫通転位の起点の数の制御であり、更に、第２層膜厚の制御による、個々のピット領域の面積の制御である。
【符号の説明】
【００２３】
１００：III族窒化物系化合物半導体発光素子
１０：サファイア基板
２０：バッファ層
３０：ｎ型ＧａＮ層（第１層）
３５：ＧａＮ層（第２層）
４０：発光層
５０：ｐ型ＧａＮ層（第３層）
【図１】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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