(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、ＧａＮ層の上へこれに接して形成された意図的な不純物がドープされていないＩｎXＧａ1-XＮ；Ｘ＝０．１３〜０．１８で形成され、目視青色の光を発生する発光層と、を備えてなる発光素子。
【請求項２】
サファイア基板と、ＧａＮ層の上へこれに接して形成された意図的な不純物がドープされていないＩｎXＧａ1-XＮ；Ｘ＝０．１９〜０．２６で形成され、目視緑色の光を発生する発光層と、を備えてなる発光素子。
【請求項３】
サファイア基板と、ＧａＮ層の上へこれに接して形成された意図的な不純物がドープされていないＩｎXＧａ1-XＮで形成され、波長λの光を発生させる発光層とを備えてなる半導体発光素子であって、前記Ｉｎの組成Ｘと前記光の波長λは以下の条件
λ(nm) = 1239.8/Eg(eV)
Eg = 3.4 * (1-X) + 1.95 * X - 4.26 * X * (1-X)
を満足することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
前記サファイア基板のａ面に前記ＩｎXＧａ1-XＮが形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記サファイア基板のａ面に前記ＩｎXＧａ1-XＮが形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記サファイア基板のａ面に前記ＩｎXＧａ1-XＮが形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関する。この半導体発光素子は例えば発光ダイオードやレーザダイオードとして利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
可視光短波長領域の発光素子として化合物半導体を用いたものが知られている。中でもＩＩＩ族窒化物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高くかつ光の３原色の１つである青色を発光することから、昨今特に注目を集めている。
【０００３】
発光層がＩｎＸＧａ１−ＸＮで形成されている場合、従来、Ｉｎの組成Ｘとフォトンエネルギとの関係は図１の一点鎖線に示すものと考えられていた（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ４６，  Ｎｏ．  ８，  Ａｕｇｕｓｔ  １９７５，  ｐｐ．  ３４３２−３４３７及び  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ，  ２５（１９９４），  ｐｐ．  ６５１−６５９参照）。青色の波長λ＝４７０ｎｍのフォトンエネルギはほぼ２．６４ｅＶであり、緑色の波長λ＝５２０ｎｍのフォトンエネルギはほぼ２．３８ｅＶである。従って、従来より提案されていた関係によれば不純物の添加を考えない場合、青色の発光を得るためにはＩｎの組成Ｘをほぼ０．２６とし、緑色の発光を得るためにはＩｎの組成Ｘをほぼ０．６７とすることとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らはＩｎＸＧａ１−ＸＮで形成された発光層につき研究を重ねてきた結果、これをサファイア基板の上に形成した場合、図１において一点鎖線で示した従来より提案されているＩｎの組成Ｘとフォトンエネルギとの関係がそのまま適用できないことに気が付いた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らはサファイア基板上に形成されたＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる発光層において、Ｉｎの組成Ｘとフォトンエネルギとの関係について鋭意検討をしてきた。その結果、図１に実線で示す関係を見い出した。この関係を波長λとＩｎの組成Ｘとの関係に変換すると、次の様になる。
（１）  λ（ｎｍ）  ＝  １２３９．８／Ｅｇ（ｅＶ）
（２）  Ｅｇ  ＝  ３．４  ＊  （１−Ｘ）  ＋  １．５９  ＊  Ｘ  −  ４．２６  ＊  Ｘ  ＊  （１−Ｘ）
【０００６】
上記（１）、（２）式によれば、波長λ＝４６０〜４８０ｎｍにピーク波長を持つ光はＩｎの組成Ｘをそれぞれ０．１４〜０．１６としたときに生じる。これにより、サファイア基板上においてＩｎＸＧａ１−ＸＮの発光層におけるＩｎの組成Ｘを０．１３〜０．１７としたとき、一般的に人が青色と認識する光、即ち目視青色の光が当該発光層より生じることがわかった。
【０００７】
また、上記（１）、（２）式によれば、波長λ＝５１０〜５３０ｎｍにピーク波長を持つ光はＩｎの組成Ｘをそれぞれ０．２０〜０．２３としたときに生じる。これにより、サファイア基板上においてＩｎＸＧａ１−ＸＮの発光層におけるＩｎの組成Ｘを０．１９〜０．２３としたとき、一般的に人が緑色と認識する光、即ち目視緑色の光が当該発光層より生じることがわかった。
【０００８】
図１において従来より提案されていた関係を示す一点鎖線に比べて今回新たに判明した関係を示す実線ではその傾きが急になっている。これは、発光層を構成する半導体の格子定数とサファイア基板の格子定数とに差があるため、発光層に歪みが加わり、その結果、インジウムの組成が同じであってもファトンエネルギが小さくなる、即ち波長が長波長側にシフトすることによると考えられる。
【０００９】
図１に示す関係は発光層がＩｎＸＧａ１−ＸＮから形成され、そこに意図的な不純物が含まれていない場合を示している。
勿論、発光層を構成する化合物半導体に不純物をドープすることができる。不純物を発光層へドープすると、Ｉｎの組成Ｘが同じであっても、波長が長波長側へシフトする。一方、発光層が量子井戸層を含んでいると、量子効果により、波長は短波長側へシフトする。
【００１０】
なお、図１の実線に示すデータ（■）は以下のようにして求めた。
厚さ１００μｍの円盤形サファイア基板のａ面の上に２μｍ  のＧａＮ層を有機金属化合物気相成長法（以下、「ＭＯＶＰＥ法」と略する。）で形成し、その上に、厚さ２０ｎｍのＩｎＸＧａ１−ＸＮ層を同じくＭＯＶＰＥ法で形成する。
【００１１】
常温下、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層へパルスレーザを照射し（励起強度２００ｋＷ／ｃｍ２）、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層より放出された光の波長λを測定し、そのピーク波長λよりフォトンエネルギＥｇを求めた。なお、波長λ（ｎｍ）とフォトンエネルギＥｇ（ｅＶ）との間にはλ＝１２３９．８／Ｅｇの関係が成立している。
インジウムの組成はＡＵＧＥＲ法により求めた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を実施例に基づき更に詳細に説明する。
【００１３】
第１実施例
この実施例の半導体発光素子は４７０ｎｍにピーク波長をもつ青色発光ダイオードである。図２は実施例の発光ダイオード１０の断面図である。
この発光ダイオード１０はサファイア基板１の上へ順に、ＡｌＮからなるバッファ層２、ｎ−ＧａＮからなる第１のクラッド層３、ＩｎＧａＮからなる発光層４及びマグネシウムがドープされたｐ−ＧａＮからなる第２のクラッド層５を成長させた構成である。第２のクラッド層５の上面には金製の透明電極６が蒸着され、さらに透明電極６の上に電極８が蒸着により設けられている。第１のクラッド層３にも電極パッド７が設けられている。
【００１４】
第１のクラッド層３はＡｌＮのバッファ層２を介してサファイア基板１の上に形成される。この第１のクラッド層３は発光層側の低電子濃度ｎ層とバッファ層側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。
発光層４は図２に示したダブルへテロ型のものに限定されず、シングルへテロ型、超格子構造型のものなどを用いることができる。
発光層４とｐ伝導型の第２のクラッド層５との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｘ＝Ｙ＝０を含む）層を介在させることができる。これは発光層４中に注入された電子が第２のクラッド層５に拡散するのを防止するためである。
第２のクラッド層５を発光層側の低ホール濃度ｐ層と電極側のの高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。
【００１５】
マグネシウムがドープされたｐ伝導型の第２のクラッド層５は抵抗が大きい。従って、第２のクラッド層５の一端へ電極８のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度が活性層４の全域において均一とならないおそれがある。そこで、電極８と第２のクラッド層５との間に、第２のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極６が設けられる。
電極８及び透明電極６の形成材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ又はこれらを含む合金が挙げられる。これらの金属又は合金は蒸着により第２のクラッド層５の上へ形成される。
【００１６】
ｎ伝導型の第１のクラッド層３へ接続される電極７はＡｌ、Ｔｉ又はこれらを含む合金からなる。
次に、実施例の発光ダイオード１０の製造方法と、各層のスペックを説明する。
発光ダイオードの各半導体層はＭＯＶＰＥ法により形成される。この成長法においては、アンモニアガスとＩＩＩ族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
【００１７】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする単結晶サファイア基板１を図示しない気相反応装置内のサセプタに装着する。次に、常圧でＮ２を流速２  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ  で反応装置に流しながら温度１１００℃でサファイア基板を気相エッチングする。
【００１８】
次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｎ２を２０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＮＨ３を１０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１．８  Ｘ  １０ー５  ｍｏｌ／ｍｉｎ  で供給して基板上にＡｌＮのバッファ層２を約５０ｎｍの厚さに形成する。
【００１９】
次にサファイア基板の温度を１１５０℃に保持し、ＴＭＧを１．１２  Ｘ  １０ー４  ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３を１０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ導入し、膜厚約２２００ｎｍ、電子濃度２  Ｘ１０１８／ｃｍ３のシリコンドープトＧａＮからなる第１のクラッド層３を形成する。
【００２０】
続いて、温度を８５０℃に保持し、Ｎ２を２０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＮＨ３を１０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１．５３  Ｘ  １０ー４  ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩを０．０２  Ｘ  １０ー４  ｍｏｌ／ｍｉｎ  導入し、膜厚約５００ｎｍのＩｎ０．１５  Ｇａ０．８５Ｎからなる発光層４を形成する。
【００２１】
次に、温度を８５０℃に保持し、Ｎ２を２０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＮＨ３を１０  ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１．１２  Ｘ  １０ー４  ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＣＰ２Ｍｇを２  Ｘ  １０ー４  ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、膜厚約１０００ｎｍのマグネシウムドープトＧａＮからなる第２のクラッド層５を形成する。この第２のクラッド層５におけるマグネシウムの濃度は１  Ｘ  １０２０／ｃｍ３である。この状態で第２のクラッド層５は高抵抗の半絶縁体である。
【００２２】
その後、電子線照射装置を用いて、第２のクラッド層５へ一様に電子線を照射する。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビーム移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム径６０μｍΦ、真空度５．０  Ｘ  １０ー５Ｔｏｒｒである。このような電子線照射によって第２のクラッド層５は所望のｐ伝導型となる。なお、第２のクラッド層の抵抗値は３０〜７０Ωｃｍである。
【００２３】
このようにして形成された半導体ウエハを周知の方法でエッチングして、図２に示した半導体層構成とする。そして、電極７を第１のクラッド層３の上へ蒸着により形成し、続いて金製の透明電極６を第２のクラッド層５の上に蒸着し、更に金製の電極８を蒸着する。
【００２４】
このようにして形成された半導体ウエハを素子毎に切り分けて、所望の青色発光ダイオードとする。
【００２５】
順方向に３．５Ｖ、２０ｍＡの電流を流したとき、目視青色の発光を示し、この光を分光器にかけたとき波長のピークは４７０ｎｍである。
【００２６】
第２実施例
この実施例の発光ダイオードは５２０ｎｍにピーク波長をもつ緑色発光ダイオードである。
この実施例の発光ダイオードは、上記第１実施例の発光ダイオードにおいて発光層の組成がＩｎ０．２１Ｇａ０．７９Ｎ  とされており、ＴＭＩの流量を調節して実施例１の発光層と同様にして形成される。
他の層のスペック及び製造方法は第１実施例と同一である。
【００２７】
この実施例の発光ダイオードへ順方向に３．５Ｖ、２０ｍＡの電流を流したとき、目視緑色の発光を示し、この光を分光器にかけたとき波長のピークは５２０ｎｍである。
【００２８】
この発明は上記発明の実施の形態及び実施例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で、当業者が想到し得る種々の変形態様を包含する。
この発明がレーザダイオードにも適用できることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、サファイア基板の上に形成されたＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる発光層では、Ｉｎの組成Ｘと放出された光の波長λの間に今回新たに見いだされた以下の関係がある。
λ（ｎｍ）  ＝  １２３９８／Ｅｇ（ｅＶ）
Ｅｇ  ＝  ３．４  ＊  （１−Ｘ）  ＋  １．９５  ＊  Ｘ  −  ４．２６  ＊  Ｘ  ＊  （１−Ｘ）
一方、従来より提案されていた関係では、図１に示すように、第３項の係数ｂ  ＝  −１．０  であった。
従って本発明によれば、同じ波長の光を発生することを目的とするとき、Ｉｎの組成Ｘが従来考えられていたものより少なくてすむこととなる。例えば、波長４７０ｎｍ及び５２０ｎｍの光は、従来ではインジウムの組成Ｘが０．２６及び０．６７と考えられていたのに対し、本願発明によればインジウムの組成Ｘはそれぞれ０．１５及び０．２１となる。一般的にインジウムの組成が大きくなると発光層の結晶性が悪くなってその発光効率が低下する。よって、本発明によれば、発光効率の高い発光層を持つ半導体発光素子を提供できることとなる。
【００３０】
以下、次の事項を開示する。
（１）  サファイア基板と、ＩｎＸＧａ１−ＸＮで形成され、波長λの光を発生させる発光層とを備えてなる半導体発光素子において、前記波長を制御する方法であって、
前記Ｉｎの組成Ｘを以下の関係
λ（ｎｍ）  ＝  １２３９８／Ｅｇ（ｅＶ）
Ｅｇ  ＝  ３．４  ＊  （１−Ｘ）  ＋  １．９５  ＊  Ｘ  −  ４．２６  ＊  Ｘ  ＊  （１−Ｘ）
を満足して変化させることにより前記波長λを制御することを特徴とする半導体発光素子の波長の制御方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＩｎの組成と発光層から放出される光のフォトンエネルギとの関係を示すグラフ図。
【図２】図２は本発明の実施例の発光ダイオードの断面図。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  バッファ層
３  第１のクラッド層
４  発光層
５  第２のクラッド層
１０  発光ダイオード
【図１】
0003548654.tif 000002
【図２】
0003548654.tif 000003