(57)【要約】【課題】偏光した光を発光できる量子井戸構造を有するIII族窒化物発光ダイオードを提供する。【解決手段】発光ダイオード１１では、基板１３の主面１３ａはIII族窒化物のａ軸またはｍ軸の方向に１０度以上６０度以下の角度でｃ面から傾斜している。主面１３ａは半極性面である。障壁層２３はＧａＮ等からなるので、障壁層２３の格子定数ＤＢはＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１の格子定数ＤＷより小さくできる。大きな圧縮歪みをＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１に印加できる。圧縮歪みは偏光度を高めるために有効である。活性層の多重量子井戸構造におけるＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みを調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みが５ｎｍを越えるので、井戸厚に起因して強い量子閉じ込め性が発揮されない。【選択図】図３
2010027924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のピーク波長の偏光した光を生成するIII族窒化物発光ダイオードであって、
六方晶系のIII族窒化物からなり、所定の方向に１０度以上６０度以下の角度でｃ面から傾斜した主面を有する基板と、
前記基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記活性層は、III族元素としてＡｌ元素、Ｇａ元素及びＩｎ元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含むと共に、前記所定のピーク波長を発生するように構成され、
前記障壁層の格子定数は前記井戸層の格子定数より小さく、
前記障壁層は、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一つを含む、ことを特徴とするIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項２】
前記井戸層の厚みは５ｎｍより大きい、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項３】
前記井戸層の厚みは１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項４】
前記障壁層のバンドギャップは、窒化ガリウムのバンドギャップ以下であり、且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層と前記障壁層は、前記活性層からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にあるように設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項６】
前記所定の方向は、該III族窒化物のａ軸またはｍ軸の方向である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項７】
前記基板は導電性ＧａＮ半導体からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項８】
互いに直交するＸ１軸、Ｘ２軸及びＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、前記Ｘ２軸は該III族窒化物のｃ軸の傾斜方向を示しており、
前記障壁層の格子定数は前記基板の前記六方晶系のIII族窒化物の格子定数以下であり、
前記活性層の多重量子井戸構造における前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層と前記障壁層との格子定数差の少なくともいずれか一方は、当該発光ダイオードの発光における偏光度Ｐが０．６以上になるように設けられており、
前記偏光度Ｐは、前記発光ダイオードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項９】
前記障壁層はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項１０】
前記障壁層はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【請求項１１】
前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、偏光度について理論的な計算が示されている。非特許文献２〜４には、半極性面上に作製された発光ダイオードが記載されている。
【非特許文献１】Japanese  Journal  of  Applied  Physics、vol．46、No.33、2007、pp.L789
【非特許文献２】Applied  Physics  Letters、vol.  89、2006、pp.211907
【非特許文献３】Applied  Physics  Letters、vol.  87、2005、pp.231110
【非特許文献４】Electronics  Letters  31st  January  2008  Vol.  44  No.3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１は、半極性及び非極性基板上のＧａＮ系歪み量子井戸構造における偏光性に関係している。オフ角７０°以下のＧａＮ基板上に設けられた窒化ガリウム系歪み量子井戸構造では、量子閉じ込めが強くなると負の偏光度が大きくなる。また、量子井戸構造の歪みが大きくなると正の偏光度が大きくなる。オフ角７０°以上、９０°以下のオフ基板上の窒化ガリウム系歪み量子井戸構造では、量子井戸構造おける量子閉じ込めが強くなると正の偏光度が大きくなり、量子井戸構造おける歪みが大きくなると負の偏光度が大きくなる。
【０００４】
大きな偏光度の光を生成する発光ダイオードが表示装置の分野で求められている。現在、入手可能なＧａＮ系発光ダイオードはｃ面ＧａＮ基板上に作製されており、このＧａＮ系発光ダイオードからの光はランダム偏光を示す。一方、半極性面ＧａＮ基板及び非極性ＧａＮ基板を用いて、ＧａＮ系発光ダイオードを作製することもできる。これらの発光ダイオードは、ランダム偏光の光ではなく偏光した光を生成できる。
【０００５】
非特許文献１には、発光ダイオードに関する具体的な構造は示されていない。一方、非特許文献２〜４では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系発光ダイオードが半極性面ＧａＮ基板上に作製されており、非特許文献２、３には偏光度の測定値が記載されている。
【０００６】
偏光度は量子閉じ込め特性及び量子井戸構造おける歪みに関係しており、量子閉じ込め特性は井戸層と障壁層とのバンドギャップ差に関係すると共に歪みは井戸層と障壁層との格子定数差に関係している。量子閉じ込め性が量子効率に関係するので、量子井戸構造は量子閉じ込め性を高めるように構成され、また井戸層の歪みは信頼度に関わるので量子井戸構造は歪みを大きくすることを避けるように形成される。このため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造では、バンドギャップ差及び格子定数差を偏光度のために調整することと、所望の発光特性を得るように量子井戸構造を作製することを共に満足させることは容易ではない。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、偏光した光を発生できる量子井戸構造を有するIII族窒化物発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によれば、III族窒化物発光ダイオードは、所定のピーク波長の偏光した光を生成するIII族窒化物発光ダイオードであって、（ａ）六方晶系のIII族窒化物からなり、所定の方向に１０度以上６０度以下の角度でｃ面から傾斜した主面を有する基板と、（ｂ）前記基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｃ）前記基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記活性層は、III族構成元素としてＡｌ元素、Ｇａ元素及びＩｎ元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含むと共に、前記所定のピーク波長を発生するように構成され、前記障壁層の格子定数は前記井戸層の格子定数より小さく、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一つを含む。
【０００９】
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、井戸層は、III族構成元素としてＡｌ元素、Ｇａ元素及びＩｎ元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなり、この窒化ガリウム系半導体混晶は所定のピーク波長の光を生成可能な四元混晶である。所定のピーク波長の光をＩｎＧａＮ井戸層を用いて発生する発光素子における該ＩｎＧａＮの格子定数に比べて、この四元混晶の格子定数は大きくなる。故に、該ＩｎＧａＮと障壁層の窒化ガリウム系半導体との格子定数差に比べて、障壁層の窒化ガリウム系半導体と四元混晶との格子定数差が大きくできる。また、障壁層の格子定数が井戸層の格子定数より小さい。したがって、四元混晶の井戸層は比較的大きな圧縮歪みを内包する。圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。一方、四元混晶からなる井戸層及び該ＩｎＧａＮからなる井戸層は、共に、同じ所定のピーク波長の光を生成可能であるので、同じ井戸層厚においては実質的に同じ量子閉じ込め性を示す。つまり、ＩｎＧａＮではなく四元混晶を用いることによって井戸層の量子閉じ込め性を強めること無く大きな圧縮歪みを実現できる。故に、III族窒化物発光ダイオードは、四元混晶の井戸層とＧａＮ又は三元混晶からなる障壁層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成する。
【００１０】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層の厚みは５ｎｍより大きいことが好ましい。活性層の多重量子井戸構造におけるＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みを調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みが５ｎｍを越えるので、量子閉じ込め性が強くない。したがって、III族窒化物発光ダイオードは、弱い量子閉じ込め性及び圧縮歪みの井戸層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成する。
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層の厚みは１０ｎｍ以下であることができる。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、井戸層が１０ｎｍより厚くなると、発光効率が低下する。
【００１２】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記障壁層のバンドギャップは、窒化ガリウムのバンドギャップ以下であり、且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００１３】
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、障壁層のバンドギャップが窒化ガリウムのバンドギャップ以下であるので、活性層の多重量子井戸構造における井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差を調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。
【００１４】
上記のIII族窒化物発光ダイオードでは、井戸層はＩｎＡｌＧａＮからなるので、井戸層に圧縮歪みを加えると共に、これに伴って井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差が大きくなることを避けることができる。したがって、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造は、偏光度を高めるために有効である。本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記障壁層はＧａＮからなることができる。或いは、前記障壁層はＩｎＧａＮからなることができる。格子定数の変化に対するバンドギャップの変化が小さい。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記井戸層と前記障壁層は、前記活性層からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にあるように設けられていることが好ましい。このIII族窒化物発光ダイオードの上記波長範囲は、表示装置のための発光ダイオードに好適である。
【００１６】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、所定の方向は該III族窒化物のａ軸またはｍ軸の方向であることができる。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記基板は窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、発光波長に応じて適切な格子定数の基板材料が提供される。また、本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、前記基板は導電性ＧａＮ半導体からなることができる。このIII族窒化物発光ダイオードによれば、ＧａＮ基板は、低転位の活性層を成長するために好適である。これによって、歪みの緩和が生じること無く、歪み内包の井戸層が提供され、井戸層の歪み量の制御が容易になる。
【００１８】
本発明に係るIII族窒化物発光ダイオードでは、互いに直交するＸ１軸、Ｘ２軸及びＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、前記Ｘ２軸は該III族窒化物のｃ軸の傾斜方向を示しており、前記障壁層の格子定数は前記基板の前記六方晶系のIII族窒化物の格子定数以下であり、前記活性層の多重量子井戸構造における前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層と前記障壁層との格子定数差の少なくともいずれか一方が、当該発光ダイオードの発光における偏光度Ｐが０．６以上になるように設けられており、前記偏光度Ｐは、前記発光ダイオードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定されることができる。
【００１９】
このIII族窒化物発光ダイオードによれば、活性層の多重量子井戸構造におけるバンドギャップエネルギ差を調整することによって、当該発光ダイオードの発光における偏光度Ｐが０．６以上になるように量子井戸構造が形成される。
【００２０】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、偏光した光を発光できる量子井戸構造を有するIII族窒化物発光ダイオードが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物発光ダイオードに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光ダイオードの構造を示す図面である。III族窒化物発光ダイオード１１は、所定のピーク波長の偏光した光を生成する。III族窒化物発光ダイオード１１は、基板１３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７と、活性層１９とを備える。基板１３は、例えば六方晶系のIII族窒化物からなる。基板１３の主面１３ａは、該III族窒化物のａ軸及び／又はｍ軸の方向に１０度以上６０度以下の角度θでｃ面から傾斜している。傾斜角はθは、（θＡ２＋θＭ２）１／２によって規定される。傾斜角θＡ、θＭは、それぞれ、ａ軸方向及びｍ軸方向への傾斜角を示す。またｃ軸の傾斜が例えばａ軸またはｍ軸の方向であることができる。１０度以上の傾斜角では、格子歪みの大きさと、量子閉じ込めの大きさによって、偏光度が大きく変化する角度範囲であり、格子歪みと量子閉じ込め性によって偏光度を制御可能である。発光波長の長波化を意図する際には、井戸層の幅を大きくするほうが有利であり、その場合量子閉じ込め効果は小さくなる。一方、井戸層のＩｎ組成を多くする必要があるので、井戸層と障壁層の格子定数差が大きくなり、井戸層の歪みが増す。６０度以下の傾斜角であると、歪みの増加は正の偏光度を与え、量子効果が偏光度に与える影響は、井戸幅が広い状態では偏光度はゼロに近いか正を与えるので、全体として正の偏光度を持つ。一方、６０度以上の傾斜角であると、歪みの増加は負の偏光度を与え、量子効果が偏光度に与える影響は、井戸幅が広い状態でも比較的大きな正の偏光度を与えるように働く。その結果、互いに相殺して全体の偏光度は小さくなる。これ故に、特に長波長の発光波長を得るためには、６０度以下の傾斜角を持った基板を用いることが望ましい。ベクトルＶＣはｃ軸方向を示し、ベクトルＶＮは基板１３の主面１３ａの法線方向を示す。基板１３のｃ面は、ベクトルＶＣに直交しており、図１には、代表的なｃ面が破線で描かれている。基板１３の主面１３ａは半極性面である。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、基板１３の主面１３ａ上に設けられている。活性層１９は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７との間に設けられており、活性層１９は多重量子井戸構造を有しており、また所定のピーク波長を発生するように構成される。
【００２４】
図１を参照すると、幾何学的な構造を示すための直交座標系Ｓが示されている。本実施例では、発光ダイオード１３の一対の側面がＸ軸方向に延びており、別の一対の側面がＹ軸方向に延びている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７はＺ軸の方向に配列されている。活性層１９は、III族元素としてＡｌ元素、Ｇａ元素及びＩｎ元素を含む窒化ガリウム系半導体混晶からなる井戸層２１と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２３とを含む。また、井戸層２１及び障壁層２３はＺ軸の方向に交互に配列されている。井戸層２１は障壁層２３によって挟まれており、井戸層２１は井戸層２１の格子定数と障壁層２３の格子定数との差に応じた応力を受ける。
【００２５】
発光ダイオード１１では、井戸層２１は、III族構成元素としてアルミニウム（Ａｌ）元素、インジウム（Ｉｎ）元素及びガリウム（Ｇａ）元素を含むと共にＶ族構成元素として窒素（Ｎ）元素を含む混晶からなり、この混晶としてはＩｎＡｌＧａＮがある。井戸層２１は、ＩｎＡｌＧａＮからなる。障壁層２３はIII族元素として少なくともＡｌ元素を含むので、井戸層２１に圧縮歪みを加えるために好適である。障壁層２３は、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一つを含む。
【００２６】
図２は、窒化ガリウム系半導体のバンドラインナップを示す図面である。このIII族窒化物発光ダイオード１１によれば、井戸層２１は、III族構成元素としてＡｌ元素、Ｇａ元素及びＩｎ元素を含むので、窒化ガリウム系半導体混晶は、所定のピーク波長の光を生成可能な四元混晶（例えば、図２における点Ｗ１やＷ２）である。図２を参照すると、所定のピーク波長の光をＩｎＧａＮ井戸層（バンドギャップＥＷ）を用いて発生する発光素子における該ＩｎＧａＮの格子定数ｄＩｎＧａＮに比べて、この四元混晶（例えば、図２における点Ｗ１）の格子定数ｄＩｎＡｌＧａＮは大きくなる。故に、該ＩｎＧａＮの格子定数ｄＩｎＧａＮと障壁層の窒化ガリウム系半導体（例えばＧａＮ）の格子定数ｄＢとの格子定数差に比べて、四元混晶の格子定数ｄＩｎＡｌＧａＮと障壁層の窒化ガリウム系半導体の格子定数ｄＢとの格子定数差が大きくできる。また、障壁層の格子定数ｄＢが井戸層の格子定数ｄＩｎＡｌＧａＮより小さい。したがって、四元混晶の井戸層２１は比較的大きな圧縮歪みを内包する。この圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。一方、四元混晶からなる井戸層２１及び該ＩｎＧａＮからなる井戸層は、共に、同じ所定のピーク波長の光を生成可能であるので、同じ井戸層厚においては実質的に同じ量子閉じ込め性を示す。つまり、ＩｎＧａＮではなく四元混晶を用いることによって井戸層２１の量子閉じ込め性を強めずに圧縮歪みの増大を実現できる。故に、これは偏光度を低下させない。したがって、III族窒化物発光ダイオードは、量子閉じ込め性を強めること無く大きな圧縮歪みの井戸層を有する量子井戸構造により、偏光した光を生成できる。
【００２７】
また、図３は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける活性層構造を示す図面である。既に説明したように、障壁層２３は、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一つを含むことができ、図３にはＧａＮ層が障壁層として示されている。窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２３の格子定数ＤＢは井戸層２１の格子定数ＤＷより小さい。また、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１の格子定数ＤＷは基板１３の六方晶系のIII族窒化物の格子定数より小さい。このため、比較的大きな圧縮歪みが井戸層２１に加わる。この圧縮歪みは、偏光度を高めるために有効である。図３（ｂ）を参照すると、ＩｎＧａＮの格子定数ＤＩｎＧａＮは一点鎖線で示されており、このＩｎＧａＮは、図３（ｃ）に示されたＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１のバンドギャップＥＷと同じバンドギャップを有する。つまり、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１により、バンドギャップを変化させること無く、井戸層２１と障壁層２３との格子定数差を大きくできる。
【００２８】
また、活性層の多重量子井戸構造におけるＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みを調整することによって、量子閉じ込め性を弱めることができる。発光ダイオード１１では、ＩｎＡｌＧａＮからなる井戸層２１の厚みは５ｎｍを越えることが好ましい。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層の厚みが５ｎｍを越えるので、この井戸厚に起因して強い量子閉じ込め性が発揮されることがない。これは、偏光度を高めるために有効である。また、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１の厚みは１０ｎｍ以下であることができる。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１が１０ｎｍより厚くなると、発光効率が低下する可能性がある。
【００２９】
したがって、III族窒化物発光ダイオードは、井戸層への歪みを大きくすると共に量子閉じ込め性を強めない（必要な場合には、弱める）量子井戸構造によって、偏光した光を生成する。
【００３０】
再び図１を参照すると、偏光度を規定するための直交座標系ＳＰが示されている。直交座標系ＳＰは、互いに直交するＸ１軸、Ｘ２軸及びＸ３軸からなる。この直交座標系ＳＰにおいて、Ｘ２軸は該III族窒化物のｃ軸の傾斜方向を示している。Ｘ３軸の方向には、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７が配列されており、図３（ａ）に示されるように、またこの方向に障壁層２３及び井戸層２１が配列されている。
【００３１】
また、以下の説明において、井戸層２１と障壁層２３とのバンドギャップエネルギ差が符号△Ｅ（＝△ＥＥ−△ＥＨ）として参照され、井戸層２１と障壁層２３との格子定数差が符号△ｄ（＝ＤＷ−ＤＢ）として参照される。活性層１９では、バンドギャップエネルギ差△Ｅ及び井戸層２１と障壁層３２との格子定数差△ｄの少なくともいずれか一方が、当該発光ダイオード１３の発光における偏光度Ｐが０．６以上になるように設けられている。この偏光度Ｐは、発光ダイオード１１から出射される光Ｌの該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。
【００３２】
この発光ダイオード１１によれば、図３（ｂ）に示されるように、井戸層２１の格子定数ＤＷが障壁層２３の格子定数ＤＢより大きく、また基板１３の六方晶系のIII族窒化物の格子定数より大きい。このため、比較的大きな圧縮歪みが井戸層２１に印加される。圧縮歪みは、偏光度Ｐを高めるために有効である。また、活性層１９の多重量子井戸構造におけるバンドギャップエネルギ差△Ｅ（例えば障壁層２３のバンドギャップ）を変更することによって、量子閉じ込め性を調整できる。このために、バンドギャップエネルギ差△Ｅが当該発光ダイオード１１の発光Ｌにおける偏光度Ｐが０．６以上になるように設けられる。また、格子定数差△ｄが、偏光度Ｐが０．６以上になるように設けられる。したがって、発光ダイオード１１は、量子閉じ込め性が弱く且つ井戸層２１への歪みが大きい量子井戸構造によって、所望の偏光を有する光を生成する。
【００３３】
発光ダイオード１１では、基板１３は窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。発光波長に応じて適切な格子定数の基板材料が提供される。基板の材料としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を用いることができる。発光ダイオード１１では、基板１３は導電性ＧａＮ半導体からなることができる。ＧａＮ基板は、低転位の活性層を成長するために好適である。これによって、歪みの緩和が生じること無く、歪み内包の井戸層が提供され、井戸層の歪み量の制御が容易になる。
【００３４】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えば一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。このｎ型窒化ガリウム系半導体層としては、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の材料を用いることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、例えば電子ブロック層２５及びｐ型コンタクト層２７を含むことができる。電子ブロック層２５としては、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の材料を用いることができる。また、ｐ型コンタクト層２７としては、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ等の材料を用いることができる。基板１３の主面１３ａ上には、窒化ガリウム系半導体積層２９が搭載されている。窒化ガリウム系半導体積層２９は、基板１３の主面１３ａの半極性の性質を引き継いでいる。基板１３と同じように、窒化ガリウム系半導体積層２９のｃ軸は基板１３の主面１３ａに対して傾斜しており、また活性層１９の結晶におけるｃ軸は井戸層２１と障壁層２３が積層される方向（Ｚ軸の方向）に対して傾斜している。窒化ガリウム系半導体積層２９上には、第１の電極（例えば、アノード）３１が形成されている。第１の電極３１は、活性層１９の全体にわたって電流を供給できるように、窒化ガリウム系半導体積層２９の表面の全面に形成されることができる。活性層１９からの光Ｌは、第１の電極３１を介して出射される。活性層１９からの光Ｌの大部分は、この第１の電極３１を透過する。また、第１の電極３１上には、パッド電極３５が設けられている。基板１３の裏面１３ｂには、第２の電極３３が設けられている。第２の電極３３は、基板１３の裏面１３ｂの全面に形成されることができる。第１の電極３１及び第２の電極３３を介して流れる電流によって、活性層１９において偏光した光が生成されて、この光Ｌは軸Ａｘの方向に出射面から外部に出射される。
【００３５】
発光ダイオード１１では、井戸層２１と障壁層２３は、活性層１９からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にあるように設けられていることが好ましい。上記波長範囲は、可視光の波長範囲とほぼ同じであり、これ故に、発光ダイオード１１は表示装置のための発光ダイオードに好適である。
【００３６】
障壁層２３のバンドギャップＥＢは窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップ以下であることが好ましく、且つ井戸層２１のバンドギャップＥＷよりも大きい。障壁層２３から井戸層２１が圧縮応力を受ける。
【００３７】
図４は、本実施の形態に係る発光ダイオードの活性層の構造を示す図面である。この実施例では、図４（ａ）に示されるように、発光ダイオード１１ａは活性層１９ａを含む。障壁層２３ａはＧａＮからなる。図４（ｂ）に示されるように、障壁層２３ａの格子定数は参照符号ＤＧａＮにより示されており、またＩｎＡｌＧａＮ層２１ａの格子定数ＤＩｎＡｌＧａＮが窒化ガリウムの格子定数ＤＧａＮより大きい。このため、この障壁層２３ａはＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１ａに圧縮歪みを加える。圧縮歪みの大きさは、井戸層２１ａのＡｌ組成によって調整される。図４（ｃ）には、伝導帯ＧＣ及び価電子帯ＧＶが示されている。本実施例では、これらは、ＧａＮの伝導帯ＤＣＧａＮ及び価電子帯ＤＶＧａＮと同じである。符号ＥＢは障壁層のバンドギャップを示し、符号ＥＷは井戸層のバンドギャップを示すとき、バンドギャップ差△ＥＧａＮ（＝ＥＢ−ＥＷ）は、井戸層２１ａのＡｌ組成の増加と共に大きくなり、また井戸層２１ａのバンドギャップを所定の波長に合わせるために井戸層２１ａのＩｎ組成が調整される。偏光度の関して好適な量子閉じ込め性を得るために、バンドギャップ差△ＥＧａＮは、例えば１ｅＶ以下であることができる。また、量子井戸構造による発光効率の向上を得るためには、バンドギャップ差△ＥＧａＮは、例えば０．１ｅＶ以上であることができる。
【００３８】
図５は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける活性層構造を示す図面である。この実施例では、図５（ａ）に示されるように、発光ダイオード１１ｂは活性層１９ｂを含む。障壁層２３ｂはＩｎＧａＮからなることが好ましい。ＩｎＧａＮ障壁層２３ｂは、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１ｂに圧縮歪みを加えると共に、これに伴って上記のバンドギャップエネルギ差が大きくなることを避けることができる。したがって、圧縮歪みは、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１ｂとＩｎＧａＮ障壁層２３ｂとを有する量子井戸構造においては、偏光度を高めるために有効である。図５（ｂ）に示されるように、ＩｎＧａＮ層２３ｂの格子定数ＤＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮ層２１ｂの格子定数ＤＩｎＡｌＧａＮが窒化ガリウムの格子定数ＤＧａＮより大きい。このＩｎＧａＮ層２３ｂはＩｎＡｌＧａＮ井戸層２１ｂに圧縮歪みを加える。圧縮歪みの大きさは、井戸層２１ｂのＡｌ組成の増加と共に大きくなると共に、障壁層２３ｂのＩｎ組成の低下と共に大きくなる。また、圧縮歪みの大きさは、一方、井戸層２１ｂが四元混晶である。故に、III族元素の組成を調整することによって、格子定数とバンドギャップとを独立して変更できる。図５（ｃ）には、伝導帯ＧＣ及び価電子帯ＧＶが示されている。また、比較のために、ＧａＮの伝導帯ＤＣＧａＮ及び価電子帯ＤＶＧａＮが示されている。符号ＥＢは障壁層のバンドギャップを示し、符号ＥＷは井戸層のバンドギャップを示すとき、バンドギャップ差△ＥＩｎＧａＮ（＝ＥＢ−ＥＷ）は、井戸層２１ｂのＡｌ組成が増加してもＩｎ組成を調整することによって、ある程度の範囲でバンドギャップ差△ＥＩｎＧａＮを所望の値に設定できる。このため、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層との格子定数差による歪みは、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層とのバンドギャップ差△ＥＩｎＧａＮによる量子閉じ込め性と別個に設定可能である。偏光度の関して好適な量子閉じ込め性を得るために、バンドギャップ差△ＥＩｎＧａＮは、例えば１ｅＶ以下であることができる。また、量子井戸構造による発光効率の向上を得るためには、バンドギャップ差△ＥＩｎＡｌＧａＮは、例えば０．１ｅＶ以上であることができる。
【００３９】
なお、障壁層２３ａのＧａＮに替えて、ＡｌＧａＮを用いることができ、このとき、圧縮歪みの大きさは、障壁層２３ａのＡｌ組成によって調整される。井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＧａＮであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲Ａ（４００ｎｍ〜５２０ｎｍ）の発光ダイオードに好適である。５２０ｎｍ以上の波長では、障壁層のＧａＮと井戸層のＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギー差が大きくなりすぎ、量子閉じ込め性が高まり、偏光度が小さくなってしまう。また、井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲Ｂ（４８０ｎｍ〜６００ｎｍ）の発光ダイオードに好適である。特に長波長では、障壁層をＩｎＧａＮとすると、障壁層のバンドギャップを小さくすることができ、量子閉じ込め性が高まることによる偏光度の減少を抑制することができる。また長波長では、井戸層の格子定数は比較的容易に大きくすることができ、障壁層にＩｎＧａＮを用いることで障壁層の格子定数が大きくなっても、十分な歪みを井戸層にかけることができる。逆に、４８０ｎｍ以下の短波長領域では、バンドギャップ差が小さくできるというメリットはあるが、井戸に十分な歪みをかけることが難しくなる。さらに、井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲Ｃ（４００ｎｍ〜４５０ｎｍ）の発光ダイオードに好適である。障壁層にＡｌＧａＮを用いることで、比較的短波長な領域でも井戸層に十分な歪みをかけることができ、偏光度を高められる。また短波であれば、バンドギャップエネルギー差は比較的容易に小さくすることができ、障壁層をＡｌＧａＮとすることでバンドギャップエネルギー差が大きくなっても、偏光度を高めることが可能である。
【００４０】
ｃ面基板上に作製された発光ダイオードを液晶デバイス等の表示装置に用いるとき、偏光性の光を発生するために、バックライトの光が偏光板を通して提供される。ｃ面基板上に作製された発光ダイオードからの光は無偏光の光であるので、無偏光の光が偏光板を通過するとき、所望の偏光方向に直交する光成分が失われて、偏光板の通過によって光出力が大きく減少する。
【００４１】
半極性及び非極性基板上に作製された発光ダイオードからの光は、偏光性を有するけれども、その偏光度が十分な大きさになるように活性層が構成されていない。この発光ダイオードからの光が表示装置の偏光板を通過するとき、やはり、偏光板の通過によって光出力が大きく減少する。
【００４２】
一方、以上説明したように、本実施の形態に係る発光ダイオード１１、１１ａ、１１ｂでは、偏光度を高めるように、高歪み井戸層の構造や低い量子閉じ込め性の構造を活性層を設けたので、半極性面上に作製された発光ダイオードからの光の偏光度を大きくできる。
【００４３】
（実施例）
図６に示される工程フローに従って、有機金属気相成長法により発光ダイオード構造を作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、モノメチルシラン（ＭＭＳｉ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。
【００４４】
工程Ｓ１０１では、半極性を示すＧａＮウエハを準備した。このＧａＮウエハは、ｃ軸からａ軸方向にオフ角１８度で傾斜した表面を有する。リアクタ内にＧａＮウエハを設置した後に、工程Ｓ１０２で、ＧａＮウエハの表面の熱処理を行った。熱処理条件として摂氏１１００度の熱処理温度及び２７ｋＰａの炉内圧力を用いて、アンモニア及び水素をリアクタに流しながら、１０分間の熱処理を行った。その後に、工程Ｓ１０３で、例えばＳｉ添加のＧａＮ層を成長した。この成長温度は、例えば摂氏１１００度である。ＧａＮ層の厚さは、例えば５μｍである。続いて、工程Ｓ１０４で活性層を形成する。基板温度を摂氏８４０度に変更して、工程Ｓ１０５でＩｎＧａＮ障壁層を成長した。このために、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３をリアクタに供給した。障壁層の厚みは例えば１５ｎｍである。その後に、基板温度を摂氏７００度に変更して、工程Ｓ１０６で、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層を成長した。この井戸層の厚みは１０ｎｍである。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層のバンドギャップは、Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎと同じバンドギャップに等しい。工程Ｓ１０７で、この障壁層−井戸層からなる構造を３周期成長した後に、その上に同じ組成のＩｎＧａＮ層（１５ｎｍ）を成長して活性層を形成した。活性層を形成した後に、工程Ｓ１０８で、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域を成長した。まず、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＴＭＡ（III族原料）の供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇをリアクタに導入して、工程Ｓ１０９で、電子ブロック層を成長した。この電子ブロック層は、Ｍｇ添加のｐ型ＡｌＧａＮからなり、その厚さは２０ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＮを成長した後に、ＴＭＡの供給を停止して、工程Ｓ１１０で、ｐ型コンタクト層を成長した。ｐ型コンタクト層の厚さは５０ｎｍである。その後、室温まで降温してエピタキシャルウエハをリアクタから取り出した。なお、ＩｎＧａＮ障壁層（小さいＩｎ組成のＩｎＧａＮ）に替えて、ＧａＮ障壁層を形成することもできる。ＧａＮ障壁層は、例えば摂氏８７０度である。
【００４５】
上記のエピタキシャル成長により得られた積層構造は以下のものである。
ＧａＮウエハ：ｎ型ＧａＮ、
ｎ型ＧａＮ層：Ｓｉ添加、厚さ５μｍ、
障壁層：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、１５ｎｍ
井戸層：アンドープＩｎ０．３０Ａｌ０．０５Ｇａ０．６５Ｎ、１０ｎｍ
電子ブロック層：Ｍｇ添加のｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ層、厚さ２０ｎｍ、
コンタクト層：Ｍｇ添加のｐ型ＧａＮ層、厚さ５０ｎｍ。
【００４６】
この方法で成長したウエハをリアクタから取り出し、フォトルミネッセンス光の偏光性の測定を行った。その偏光度は０．８と大きな直線偏光性を有する発光素子を作製できた。
【００４７】
この実施例では、障壁層としてＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いていること、井戸層の幅を広めの１０ｎｍとしていること、井戸層として四元混晶のＩｎＵＡｌＶＧａ１―Ｕ−ＶＮ（０＜Ｕ＜１、０＜Ｖ＜１）を用いた。このため、ｃ軸が７０度以下のオフ角で傾斜したＧａＮウエハでは、量子閉じ込めを弱くするほど、また井戸層の歪みを大きくするほど、大きな偏光度が得られる。前者の目的で井戸幅は広めの１０ｎｍとした。広すぎる井戸幅は量子閉じ込め効果がなくなり発光の内部量子効率が低下するので、井戸幅は１０ｎｍを越えないことが好ましい。一方、歪み増加のために障壁層と井戸層の格子定数差が大きくなるように井戸層に４元混晶ＩｎＡｌＧａＮを用いた。４元混晶を用いることによってＩｎとＡｌの組成を調整して井戸層とのバンドオフセットをほぼ一定に保ちながら、ＩｎＧａＮからなる井戸層に比べて格子定数差を大きくできる。以上説明したように、ＩｎＡｌＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ（或いはＧａＮ）障壁層を含む量子井戸構造においては、歪みを大きくすると共に障壁の高さを維持または低減することができる。
【００４８】
ＩｎＧａＮ井戸層及びＩｎＡｌＧａＮ障壁層の組み合わせでは、圧縮歪みの増加と量子閉じ込めの低減とは両立できない。故に、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層は、偏光度を向上できない。一方、井戸層にＩｎＡｌＧａＮを用いることによって、ＩｎＧａＮを用いる発光素子の発光波長と同じ発光波長を提供すると共に偏光度を高めるために、バンドオフセットの増大を低減しつつ障壁層と井戸層間の歪みを大きくできる。故に、偏光度の大きな発光ダイオードを偏光性が必要なデバイスに用いることで、偏光板によるロスを小さくできる。
【００４９】
井戸層は、障壁層に比べ格子定数が大きく、井戸層と障壁層との２つの界面において界面方向に圧縮歪みを受ける。また、井戸層は、障壁層に比べバンドギャップが小さいので、障壁層のポテンシャル障壁は、井戸層にその両側から量子閉じ込め効果を作用する。圧縮歪み及び量子閉じ込めにより、発光に関わる電子状態を決定する伝導帯と正孔状態を決定する価電子帯とが変更を受ける。特に、この価電子帯の量子準位の再配列が偏光度に大きく関係する。図１に示されるように、井戸層面内でｃ軸のオフ方向に軸Ｘ１を規定し、オフ方向と垂直の方向に軸Ｘ２を規定し、井戸層の積層方向に軸Ｘ３を規定する。量子準位の変更により、これらの３方向にそれぞれ偏光を持つ光が、エネルギＥ１、Ｅ２、Ｅ３の量子準位に存在する正孔と伝導帯の電子との再結合により発生される。このとき、準位エネルギＥ３は常に準位エネルギＥ１、Ｅ２よりも低いので、再結合発光時にエネルギＥ３の準位に正孔が存在することはない。故に、ＬＥＤからの光はＸ３方向の偏光成分は持たない。
【００５０】
また、オフ角がゼロ又は実質的にゼロである、すなわちｃ面ＧａＮ基板上では、エネルギＥ１とＥ２が常に等しく、Ｘ１とＸ２方向の偏光成分が等しいので、偏光度はゼロである。
【００５１】
オフ角が７０度以下では、井戸層の歪みが大きくなるほど、格子の弾性定数と変形ポテンシャルの異方性から、エネルギＥ２がエネルギＥ１よりも高くなる。故に、Ｘ２方向の偏光度が高まる。一方、井戸層の量子閉じ込めが大きくなると、分極ベクトルの異方性から、エネルギＥ１がエネルギＥ２よりも高くなり、Ｘ１方向の偏光度が高まる。
【００５２】
このように歪みと量子閉じ込めの効果は、エネルギＥ１とエネルギＥ２の大小関係に対して逆向きに働くので、特にＸ２方向の偏光度を高めるためには、大きな歪みと弱い量子閉じ込めを持つ量子井戸構造を形成することが有効である。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態におけるオフ角範囲の半極性において、弱い閉じ込め及び大きな歪みにより偏光度の向上が可能にあることが理解される。
【００５４】
発光素子の発光の偏光度が０．６以上であるとき、成分Ｉ１が成分Ｉ２の４倍大きいことになる。理想的には、８０％程度の光が偏光板を透過する。偏光度の下限（０．６）を満たす発光素子は、偏光度を持たない（すなわち５０％程度の光透過である）発光素子に対して大きな利点を有する。
【００５５】
また、本実施の形態では、大きな歪みと弱い閉じ込めにより、Ｘ２方向の偏光度を高める量子井戸構造を用いている。これとは逆に、小さな歪みと強い閉じ込めによってＸ１方向の偏光度を高める量子井戸構造が利用可能である。しかしながら、量子閉じ込めを強くするためには、薄い井戸層を用いると共に、バンドオフセットを大きくする必要がある。特に、井戸層の幅を小さくすることが、量子閉じ込め効果を高めるための有効である。しかし、５００ｎｍ以上の長波長の発光を得るためには、長波化のためにはあまり井戸層の幅を小さくすることができず、量子閉じ込めを十分大きくすることが良い方策ではなくなる。このような波長では、十分な偏光度を持った量子井戸構造が作製できない。
【００５６】
一方、井戸層への大きな歪みと弱い量子閉じ込めによりＸ２方向の偏光度を高めるように方策は、本来的に井戸層の幅を広くする方が偏光度を大きくするために有効であるので、長波長の発光素子を作製することに合致する。これは、正の偏光度を大きくすることになる。
【００５７】
井戸層と障壁層との材料は、それぞれ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮであることができる。この組み合わせにより、発光波長の範囲４００ｎｍ〜４５０ｎｍの発光ダイオードに好適である。この波長範囲では、活性層の格子定数が比較的小さく、障壁層がＧａＮ及びＩｎＧａＮでは、井戸層と障壁層の格子定数差が小さくなり、井戸層に十分な歪みをかけることが出来ない。一方、障壁層にＡｌＧａＮを用いると、この波長範囲でも十分な格子定数差が生まれ、井戸層に十分な歪みをかけることができ、偏光度を高められる。また、上記の波長範囲であれば、井戸層と障壁層のバンドギャップエネルギー差はもともと小さく、障壁層をＡｌＧａＮにすることによってバンドギャップエネルギー差が大きくなっても、偏光度を下げる効果は小さい。
【００５８】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光ダイオードの井戸層及び障壁層のバンドラインナップを示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る発光ダイオードおける活性層構造を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける一例の活性層構造を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る発光ダイオードにおける別の活性層構造を示す図面である。
【図６】図６は、有機金属気相成長法により発光ダイオード構造を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。
【符号の説明】
【００６０】
１３…基板、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１９…活性層、ＶＣ…ｃ軸方向を示すベクトル、ＶＮ…基板主面の法線方向を示すベクトル、２１、２１ａ、２１ｂ…井戸層、２３、２３ａ、２３ｂ…障壁層、△Ｅ…バンドギャップエネルギ差、△ｄ…格子定数差、Ｐ…偏光度、２５…電子ブロック層、２７…ｐ型コンタクト層、３１、３３…電極、３５…パッド電極  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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