(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３族窒化物半導体を用いた発光素子において、
単一画素における発光層を構成する層のうち同一層から、色度図上において、互いに、補色関係にある光を発光する発光層を設け、光取り出し面から放射される光を白色光とし、
前記補色関係にある光は、前記発光層のバンド端発光に基づく発光と、アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光とで構成され、
前記発光層におけるアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度は、バンド端発光に基づく発光強度と、前記アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光強度とが、略等しくなる濃度である
ことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度は、１×1017〜１×1021/cm3であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層の厚さは、バンド端発光に基づく発光強度と、前記アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光強度とが、略等しくなる厚さであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記３族窒化物半導体は(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記補色関係にある光は、ｘｙ色度図上において、各光の各色度座標の明度に重み付けられた平均値が、略、等エネルギー白色光の座標（1/3,1/3)となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、白色発光が可能な３族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、サファイア基板上に３族窒化物半導体を形成した発光素子が知られている。その発光素子は光の３原色の１つである青色を発光することから、フルカラーディスプレイ等への応用が期待されている。
【０００３】
一方、白色は人間の色感覚上、好感を持てる色であり、白色発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の発光ダイオードにおいて、白色の発光を得るには、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤの３つのチップを同一ステム上に配置して、各チップから発光する光の混合により白色発光を得ていた。このため、白色を得るためのチップ数が多くなり、製造が複雑になり、製造に時間がかかると共にコストが高くなるという問題が存在した。又、一般に、任意の混色発光のＬＥＤにおいても、３原色の各色を発光するＬＥＤを同一面に配列しなければならず、同様な問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、単一画素で白色光を発光するようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、３族窒化物半導体を用いた発光素子において、単一画素における発光層を構成する層のうち同一層から、色度図上において、互いに、補色関係にある光を発光する発光層を設け、光取り出し面から放射される光を白色光とした。これにより、単一画素から白色光を発光させることができる。よって、従来のように、複数チップ、又は、複数画素からの光の混合により任意の色度を得るものではないので、製造が簡単となり、製造コストを削減することができる。
【０００７】
更に請求項１の発明では、補色関係にある光は、発光層のバンド端発光に基づく発光と、アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光とで構成したことで、単一発光層にて、白色光を得ることができる。更に請求項１の発明では、発光層におけるアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度は、バンド端発光に基づく発光強度と、アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光強度とが、略等しくなる濃度とした結果、単一発光層により、白色光を得ることができる。
【０００８】
請求項２の発明では、アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度を、１×1017〜１×1021/cm3とした結果、バンド端発光に等しい強度の発光を得ることができる。さらに、請求項３の発明では、発光層の厚さを、バンド端発光に基づく発光強度と、アクセプタ準位とドナー準位との間のキャリアの遷移に基づく発光強度とが、略等しくなる厚さとした結果、単一発光層により、白色光を得ることができる。さらに、請求項４の発明では、３族窒化物半導体を(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)としたことで、広い範囲の補色関係にある２つの光を発光させることができる。特に、発光層に、InGaN 系の３族窒化物半導体とした場合には、補色関係にある一方の光を420nm の青紫色、他方の色を570nm の黄緑色とすることができる。又、請求項５の発明では、補色関係にある光は、ｘｙ色度図上において、各光の各色度座標の明度に重み付けられた平均値が、略、等エネルギー白色光の座標（1/3,1/3)となるようにしたので、純粋な白色を発光を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は本願実施例の発光素子100 全体図を示す。発光素子100 は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN バッファ層２が形成されている。
【００１０】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍの電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのGaN から成るｎ層４、膜厚約10ｎｍのIn0.08Ga0.92N から成るｎ層４１、膜厚約10ｎｍのIn0.13Ga0.87N から成るｎ層４２、膜厚約10ｎｍで、亜鉛(Zn)と、シリコン(Si)とが、それぞれ、1 ×1020/cm3に添加されたIn0.2Ga0.8N から成る発光層５、膜厚約10ｎｍのIn0.08Ga0.92N から成るホール濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のｐ層７０、膜厚100 ｎｍで、ホール濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ伝導型のクラッド層７１、膜厚約200 ｎｍ，ホール濃度 3×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２、膜厚約50ｎｍ，ホール濃度 6×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第２コンタクト層７３の上面全体にNi/Au の２重層からなる透明電極９が形成されその透明電極９の隅の部分にNi/Auの２重層からなるボンディングのためのパッド１０が形成されている。又、ｎ+層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
【００１１】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子100 は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)、ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2) （以下、「DEZ 」と記す）とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記す）である。
【００１２】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１３】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入し、膜厚約4.0 μｍ、 電子濃度 1×1018/cm3、シリコン濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１４】
上記の高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した後、続いて温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 0.5×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル／分で30分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×1017/cm3、シリコン濃度 1×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成るｎ層４を形成した。
【００１５】
その後、サファイア基板１の温度を900 ℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMI を0.70×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを 3×10-9モル／分で３分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10ｎｍのIn0.08Ga0.92N から成るｎ層４１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を860 ℃に保持して、N2又はH2、NH3、シランの供給量を一定として、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMI を1.4 ×10-4モル／分で３分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10ｎｍのIn0.13Ga0.87N から成るｎ層４２を形成した。さらに、サファイア基板１の温度を750 ℃に保持して、N2又はH2、NH3 の供給量を一定として、TMG を2.0 ×10-5モル／分、TMI を0.92×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを0.3 ×10-8モル／分、DEZ を2 ×10-7モル／分で1.4 分導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10ｎｍのIn0.20Ga0.80N から成る発光層５を形成した。次に、サファイア基板１の温度を900 ℃に保持し、N2又はH2、NH3 の供給量を変化させることなく、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMI を0.7 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×10-7モル／分で３分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10ｎｍのIn0.08Ga0.92N から成るｐ層７０を形成した。
【００１６】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMA を0.47×10-5モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-7モル／分で20分間導入し、膜厚約100 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラッド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層７１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００１７】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-9モル／分で23分間導入し、膜厚約200 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタクト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００１８】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-9モル／分で10分間導入し、膜厚約50ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3である。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００１９】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１は、それぞれ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００２０】
次に、第２コンタクト層７３の上に、フォトリソグラフにより、金属マスク層を形成し、金属マスク層によって覆われていない部位の第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２、クラッド層７１、発光層５、ｎ層４２、ｎ層４１、ｎ層４をBCl3ガスで供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。その後、金属マスク層１１を除去した。
【００２１】
次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au の２層を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ+ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。
【００２２】
この構造の発光ダイオード100 の発光層５からの光のスペクトルは図２に示すようになり、420 ｎｍと570 ｎｍにピークを有する波形となった。これにより、図３に示すような色度図上において、互いに、補色関係にある光が放出されているのが分かる。420 ｎｍの発光は、発光層５のIn0.20Ga0.80N 半導体のバンド端発光に当たり、570 ｎｍの発光は、発光層５のIn0.20Ga0.80N 半導体に添加されたシリコンによるドナーレベルと亜鉛によるアクセプタレベル間のキャリアの遷移による発光に相当する。
【００２３】
尚、より精密な白色発光を得るためには、図３に示すように、Ｖ点発光の明度とＵ点発光の明度とで重み付けして、Ｖ点の色度座標とＵ点の色度座標とを平均した値が座標（1/3,1/3)になるように、設計すれば良い。
【００２４】
即ち、
【数１】
｛( ｘV,ｙV ) ・ＭV ＋( ｘU,ｙU ) ・ＭU ｝／( ＭV ＋ＭU )=（1/3,1/3)
但し、( ｘV,ｙV ) はＶ点の色度座標、( ｘU,ｙU ) はＵ点の色度座標、ＭV , ＭU は、それぞれ、Ｖ点, Ｕ点の発光の明度である。又、Ｖ点, Ｕ点の発光輝度をＩV , ＩU とする時に、ＭV ＝ＩV ／ｙV , ＭU ＝ＩU ／ｙU でもある。
【００２５】
発光層５の厚さにより、バンド端発光の強度を制御でき、ドナー不純物とアクセプタ不純物の濃度により、不純物レベル間の発光強度を制御できる。
【００２６】
上記の実施例では、発光波長を420nm と570nm に設定したが、上記の数１式の関係が満たされるならば、他の波長との組み合わせでも、純粋な白色光を得ることができる。
【００２７】
尚、上記実施例では、発光層５の厚さを10ｎｍとしているが、発光層５の厚さは、1 〜100nm の範囲でバンド端発光と不純物レベル間発光との強度を純粋な白色が得られる強度とすることができた。又、発光層５は単層としているが、単一又は多重の量子井戸構造としても良い。又、亜鉛とシリコンとの添加量は、1 ×1017〜1 ×1020/cm3範囲で不純物レベル間の遷移による発光が得られる。
【００２８】
上記実施例では、サファイア基板を用いたがSiC 、MgAl2O4 等を用いることができる。又、バッファ層にはAlN を用いたがAlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。さらに、ｎ層４には、GaN を用いているが、InxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。同様に、クラッド層７１、第１コンタクト層７２、第２コンタクト層７３も、任意混晶比のInxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。又、アクセプタ不純物元素には亜鉛の他、２族元素又は、４族元素が、ドナー不純物元素にはシリコンの他、４族元素、６族元素を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】  同実施例の発光ダイオードの発光層から光のスペクトルを表した測定図。
【図３】  同実施例の発光ダイオードの色度の合成を示した説明図。
【符号の説明】
１００…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４，４１，４２…ｎ層
５…発光層
７１…クラッド層
７２…第１コンタクト層
７２…第２コンタクト層
９…透明電極
【図１】
0003675044.tif 000002
【図２】
0003675044.tif 000003
【図３】
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