(57)【要約】ＧａＮを用いた発光素子。基板（１０）上に順次ＳｉＮバッファ層（１２）、ＧａＮバッファ層（１４）、アンドープＧａＮ層（１６）、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層（１８）、ＳＬＳ層（２０）、アンドープＧａＮ層（２２）、ＭＱＷ発光層（２４）、ＳＬＳ層（２６）、ｐ−ＧａＮ層（２８）を積層し、ｐ電極（３０）及びｎ電極（３２）を形成する。ＭＱＷ発光層（２４）として、ＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層を交互に積層した構造が用いられる。ＳＬＳ（２０）、（２６）におけるＡｌ組成比は５％以上２５％以下、ＭＱＷ発光層（２４）における井戸層のＩｎ組成比は３％以上２０％以下、バリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下に設定される。各層の組成比及び膜厚を所望の値に調整することで、波長４００ｎｍ以下の発光効率を向上させる。
2003103062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、ｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層を交互に積層してなる第１超格子層と、
前記第１超格子層上に形成された、ＧａＮ系量子井戸層とＧａＮ系量子バリア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に形成された、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を交互に積層してなる第２超格子層と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記基板と前記第１超格子層との間に、
バッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１ＧａＮ系層と、
前記第１ＧａＮ系層上に形成されたｎ型ＧａＮ系層と
を有し、
前記第１超格子層と前記多重量子井戸層との間に、
第２ＧａＮ系層
を有し、
前記第２超格子層上に、
ｐ型ＧａＮ層
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記第１ＧａＮ系層はＧａＮ層内にＳｉＮ層が挿入された構造をなし、
前記第２ＧａＮ系層はＡｌＧａＮ層を有する
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記多重量子井戸層における前記ＧａＮ系量子バリア層のＡｌ組成比は、前記第１超格子層及び前記第２超格子層のＡｌ組成比よりも大きいことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記第１超格子層及び第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は５％以上２５％以下であり、
前記多重量子井戸層におけるＩｎＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成比は３％以上２０％以下で、ＡｌＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子バリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下であり、前記量子井戸層は前記量子バリア層よりもバンドギャップが小さい
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項７】
請求項２記載の装置において、
前記第１ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記第２ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、
前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり
前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上６ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項９】
請求項２記載の装置において、
前記第１ＧａＮ系層の厚さは１５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、
前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、
前記第２ＧａＮ系層の厚さは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上６ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成された、ＧａＮ系量子井戸層とＧａＮ系量子バリア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、
前記基板と前記ｎ型ＡｌＧａＮ層との間に、
バッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１ＧａＮ系層と、
前記第１ＧａＮ系層上に形成されたｎ型ＧａＮ系層と、
を有し、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層と前記多重量子井戸層との間に、
第２ＧａＮ系層と、
を有し、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたｐ型ＧａＮ系層と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の装置において、
前記多重量子井戸層における前記ＧａＮ系量子バリア層のＡｌ組成比は、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比よりも大きいことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の装置において、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は５％以上２５％以下であり、
前記多重量子井戸層におけるＩｎＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成比は３％以上２０％以下で、ＡｌＩｎＧａＮあるいはＡｌＧａＮ量子バリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下であり、前記量子井戸層は前記量子バリア層よりもバンドギャップが小さい
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の装置において、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１５】
請求項１１記載の装置において、
前記第１ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第２ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１６】
請求項１０記載の装置において、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは７０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１７】
請求項１１記載の装置において、
前記第１ＧａＮ系層の厚さは１５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは７０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記第２ＧａＮ系層の厚さは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項１８】
請求項２に記載の装置をＭＯＣＶＤ法で製造する方法であって、
前記基板上に前記バッファ層を４５０℃以上６００℃以下の温度で形成し、
前記バッファ層上に前記第１ＧａＮ系層、前記ｎ型ＧａＮ系層、前記第１超格子層を順次１０５０℃以上１１００℃以下の温度で形成し、
前記第１超格子層上に前記第２ＧａＮ系層、前記多重量子井戸層を順次８００℃以上９００℃以下の温度で形成し、
前記多重量子井戸層上に前記第２超格子層、前記ｐ型ＧａＮ系層を順次９５０℃以上１０２５℃以下の温度で形成する
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１１記載の装置をＭＯＣＶＤ法で製造する方法であって、
前記基板上に前記バッファ層を４５０℃以上６００℃以下の温度で形成し、
前記バッファ層上に前記第１ＧａＮ系層、前記ｎ型ＧａＮ系層、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層を順次１０５０℃以上１１００℃以下の温度で形成し、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に前記第２ＧａＮ系層、前記多重量子井戸層を順次８００℃以上９００℃以下の温度で形成し、
前記多重量子井戸層上に前記ｐ型ＡｌＧａＮ層、前記ｐ型ＧａＮ系層を順次９５０℃以上１０２５℃以下の温度で形成する
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項２あるいは請求項１１のいずれかに記載の装置において、
前記ｎ型ＧａＮ系層に接続されたｎ電極と、
前記ｐ型ＧａＮ系層に接続されたｐ電極と、
前記ｎ電極とｐ電極との間に電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の装置を光源に用い、波長４００ｎｍ以下の光を照射する装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体装置及びその製造方法に関し、特に発光効率の改善に関する。
背景技術
窒化物半導体を用いた波長３７０〜５５０ｎｍ帯の発光素子が実用化されている。これらの発光素子では、主にＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を発光材料として使用している。ＩｎｘＧａ１−ｘＮにおけるＩｎ組成比ｘを変化させることで発光波長が変化し、具体的にはｘが大きくなるほど発光波長も長くなる。また、Ｉｎ組成比ｘを変化させると発光波長とともに発光効率も変化する。具体的には、Ｉｎ組成比ｘがあまりに大きくなると、
（１）ＩｎＧａＮを挟む層であるＧａＮやＡｌＧａＮとの格子定数差が大きくなる
（２）高いＩｎ組成を持つＩｎＧａＮを結晶成長するために結晶成長温度を低くする必要がある
等の理由によりＩｎＧａＮの結晶品質が劣化し、波長が５３０ｎｍより長くなると発光効率が低下してしまう。波長４００〜５３０ｎｍの範囲では一般に発光効率は高くなるが、波長が４００ｎｍ以下になると再び発光効率が低下する。
波長４００ｎｍ以下の短波長側で発光効率が低下するのは、結晶中に存在する転位に起因すると考えられる。適当なＩｎ組成比を有する波長４００〜５３０ｎｍの発光素子（ＬＥＤ等）の効率が転位密度によらず高いのは、ＩｎＧａＮ層中のＩｎ組成の揺らぎによるものである。すなわち、Ｉｎの組成揺らぎが存在すると、Ｉｎ組成が部分的に大きい部位で発光するので注入されたキャリアはその部位で捕獲され、転位に到達できずに効率が低下しない。発光波長を短くするためには上述したようにＩｎ組成比ｘを小さくする必要があり、必然的にＩｎ組成揺らぎも小さくなる。組成揺らぎが小さいとキャリアの捕獲が十分に行われず、キャリアは転位に到達してしまい発光効率が低下することになる。
このように、発光波長が４００ｎｍ以下では、発光効率は転位密度に大きく依存し、転位の存在により発光効率が低下してしまう。
波長４００ｎｍ以下における発光効率の低下を防止するためには転位密度を抑制することが必要である。従来においては、例えばＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法や溝を形成したサファイア基板等の上に発光層を成長させる方法を用いて転位密度を低減しており、これらの手法ではフォトリソグラフィなどの手法を伴うため手間が掛かり、結果として発光素子としてのコストが増大してしまう問題があった。
発明の開示
本発明の目的は、フォトリソグラフィ等の特殊な手法を用いることなく、短波長（特に波長４００ｎｍ以下）における発光効率に優れた装置を得ることにある。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、基板と、前記基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層を交互に積層してなる第１超格子層と、前記第１超格子層上に形成された、ＧａＮ系量子井戸層とＧａＮ系量子バリア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に形成された、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を交互に積層してなる第２超格子層とを有する。
本発明において、前記基板と前記第１超格子装置との間にバッファ層、第１ＧａＮ系層、及びｎ型ＧａＮ系層を有し、前記第１超格子層上に第２ＧａＮ系層を有し、前記第２超格子層上にｐ型ＧａＮ系層を有してもよい。
本発明において、多重量子井戸層内のＧａＮ系量子バリア層のＡｌ組成比は第１超格子層及び第２超格子層のＡｌ組成比より大きくしてもよい。
本発明において、前記第１超格子層及び第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は５％以上２５％以下であり、前記多重量子井戸層におけるＩｎＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成比は３％以上２０％以下で、ＡｌＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子バリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下であり、前記量子井戸層は前記量子バリア層よりもそのバンドギャップを小さくしてもよい。
本発明において、前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下としてもよい。
本発明において、前記第１ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記第２ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下としてもよい。
本発明において、前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上６ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下としてもよい。
本発明において、前記第１ＧａＮ系層の厚さは１５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、前記ｎ型ＧａＮ系層の厚さは１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、前記第１超格子層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記第２ＧａＮ系層の厚さは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下で量子バリア層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記第２超格子層におけるＡｌＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上６ｎｍ以下でＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、前記ｐ型ＧａＮ系層の厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下としてもよい。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法で製造することができる。この製造方法は、前記基板上に前記バッファ層を４５０℃以上６００℃以下の温度で形成し、前記バッファ層上に前記第１ＧａＮ系層、前記ｎ型ＧａＮ系層、前記第１超格子層を順次１０５０℃以上１１００℃以下の温度で形成し、前記第１超格子層上に前記第２ＧａＮ系層、前記多重量子井戸層を順次８００℃以上９００℃以下の温度で形成し、前記多重量子井戸層上に前記第２超格子層、前記ｐ型ＧａＮ系層を順次９５０℃以上１０２５℃以下の温度で形成する、各ステップを含む。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、基板と、前記基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成された、ＧａＮ系量子井戸層とＧａＮ系量子バリア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層とを有する。
本発明において、多重量子井戸層内のＧａＮ系量子バリア層のＡｌ組成比は前記ｎ型ＡｌＧａＮ層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比より大きくしてもよい。
本発明において、前記基板と前記ｎ型ＡｌＧａＮ層との間にバッファ、第１ＧａＮ系層、及びｎ型ＧａＮ系層を有し、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層と前記多重量子井戸層の間に第２ＧａＮ系層を有し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ系層を有してもよい。
本発明において、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は５％以上２５％以下であり、前記多重量子井戸層におけるＩｎＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成比は３％以上２０％以下で、ＡｌＩｎＧａＮあるいはＡｌＧａＮ量子バリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下であり、前記量子井戸層は前記量子バリア層よりもそのバンドギャップを小さくしてもよい。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置も、ＭＯＣＶＤ法により製造することができる。この製造方法は、前記基板上に前記バッファ層を４５０℃以上６００℃以下の温度で形成し、前記バッファ層上に前記第１ＧａＮ系層、前記ｎ型ＧａＮ系層、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層を順次１０５０℃以上１１００℃以下の温度で形成し、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に前記第２ＧａＮ系層、前記多重量子井戸層を順次８００℃以上９００℃以下の温度で形成し、前記多重量子井戸層上に前記ｐ型ＡｌＧａＮ層、前記ｐ型ＧａＮ系層を順次９５０℃以上１０２５℃以下の温度で形成する、各ステップを含む。
本発明の装置において、さらに、前記ｎ型ＧａＮ系層に接続されたｎ電極と、前記ｐ型ＧａＮ系層に接続されたｐ電極と、前記ｎ電極とｐ電極間に電圧を印加する電源とを有することもできる。また、このような装置を光源に用い、波長４００ｎｍ以下の光を照射する装置を得ることもできる。本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置を光源に組み込んだ装置は、短波長（波長４００ｎｍ以下）における発光効率に優れるため、短波長の光源を必要とする用途に適する。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１には、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体装置として発光素子（ＬＥＤ）の構成が示されている。発光素子は基板上に複数の層をＭＯＣＶＤ法（金属有機化学気相成長法）を用いて成長させることで作製される。具体的には、以下のように製造される。なお、ＭＯＣＶＤ装置自体は公知であるが、その装置構成について概説すると、反応管内にサセプタ及びガス導入管を設ける。サセプタに基板を載置し、ヒータで基板を加熱しながら原料ガスを供給して基板上で反応させる。ガス導入部は例えば反応管の２方に設け、一つは基板の側方からトリメチルガリウムやシランガスなどの原料ガスを導入し、他方は基板の上部から通気性を有する微多孔質部材を介して水素と窒素の混合ガス等を供給する。
まず、サファイアｃ面基板１０を用意し、常圧ＭＯＣＶＤ装置のサセプタにセットして基板温度１１００℃にて水素雰囲気中で１０分間熱処理する。その後、基板１０の温度を５００℃まで下げ、モノメチルシランガスとアンモニアガスを１００秒間流すことで基板１０上に不連続的にＳｉＮバッファ膜１２を形成する。なお、この不連続ＳｉＮ膜１２は層中の転位を確実に低減するためのものであるが、本実施形態においては省略することも可能である。次に、温度を５００℃に維持しつつトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してＧａＮバッファ層１４を２５ｎｍ形成する。このＧａＮバッファ層１４は、いわゆる低温バッファ層として機能するものである。次に、温度を１０７５℃まで昇温して、再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してアンドープＧａＮ層１６を２μｍ形成する。さらに、トリメチルガリウム及びアンモニアガスにモノメチルシランガスを加えて、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８を１μｍ形成する。モノメチルシランガスはＧａＮにＳｉをドープしてｎ型にするためであり、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８内のキャリア密度はおよそ５×１０１８ｃｍ−３である。
次に、基板１０の温度を１０７５℃のまま維持してＳｉドープｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２ｎｍ）／Ｓｉドープｎ−ＧａＮ（２ｎｍ）を交互に５０ペア形成してＳＬＳ（Ｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｌａｙｅｒ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ：歪超格子）層２０を形成する。ＡｌＧａＮを形成するには、トリメチルガリウム及びアンモニアガスに加えてトリメチルアルミニウムを供給すればよい（Ｓｉをドープするため、実際にはさらにモノメチルシランガスを供給する）。ＳＬＳ層２０内の平均キャリア密度は５×１０１８ｃｍ−３である。
その後、基板温度を８３０℃まで下げてアンドープＧａＮ層２２を３０ｎｍ形成する。さらに、アンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（１．５ｎｍ）／アンドープＡｌ０．１Ｉｎ０．０２Ｇａ０．８８Ｎ（９．５ｎｍ）を交互に７ペア積層してＭＱＷ（多重量子井戸）発光層２４を形成する。ＩｎＧａＮはトリメチルガリウム、トリメチルインジウム及びアンモニアガスを供給して形成され、ＡｌＩｎＧａＮはさらにトリメチルアルミニウムを供給して形成される。ＭＱＷ発光層２４は、井戸（ウエル）層とバリア層を交互に積層してなり、アンドープＩｎＧａＮが井戸層として機能し、アンドープＡｌＩｎＧａＮがバリア層として機能する。井戸層のバッドギャップはバリア層よりも小さく設定される。本実施形態では、井戸層はＩｎＧａＮ層であるが、ＡｌＩｎＧａＮで井戸層を構成することもできる。井戸層及びバリア層ともにＡｌＩｎＧａＮで構成する場合、Ａｌ組成を調整して井戸層のバンドギャップをバリア層よりも小さくする。井戸層のＡｌ組成比としては、０％〜２０％が好適である。図１におけるＩｎＧａＮ井戸層は、Ａｌ組成比が０％の場合を示したものである。バリア層のＡｌ組成比としては、１％〜３０％が好適である。
ＭＱＷ発光層２４形成後、基板１０の温度を９７５℃まで上昇させてＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）／Ｍｇドープｐ−ＧａＮ（０．８ｎｍ）を交互に５０ペア形成してｐ−ＳＬＳ層２６を形成し、さらに、ｐ−ＧａＮ層２８を１５ｎｍだけ形成する。ｐ−ＳＬＳ層２６及びｐ−ＧａＮ層２８内のキャリア濃度はそれぞれ５×１０１７ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３である。
なお、発光層２４を挟むように形成されるＳＬＳ層２０及びＳＬＳ層２６は、キャリアを閉じ込めるクラッド層として機能する。
以上のようにしてＬＥＤウエハを作製した後、ＬＥＤウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、Ｎｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（１０ｎｍ）を順次、真空蒸着して表面に積層し、５％の酸素を含む窒素ガス雰囲気中５２０℃で熱処理して金属膜をｐ透明電極３０とする。ｐ電極３０を形成した後、表面にフォトレジストを塗布し、エッチングマスクとして用いてｎ−ＧａＮ層１８を露出するようにエッチングし、露出したｎ−ＧａＮ層１８上にＴｉ（５ｎｍ）、Ａｌ（５ｎｍ）を蒸着して窒素ガス中４５０℃で３０分間熱処理してｎ電極３２を形成する。
図１において、ＳＬＳ層２０が第１超格子層に対応し、ＭＱＷ発光層２４が多重量子井戸層に対応し、ＳＬＳ層２６が第２超格子装置に対応する。また、アンドープＧａＮ層１６が第１ＧａＮ系層に対応し、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１８がｎ型ＧａＮ系層に対応し、アンドープＧａＮ層２２が第２ＧａＮ系層に対応し、ｐ−ＧａＮ層２８がｐ型ＧａＮ系層に対応する。
また、図には示していないが、ｐ電極３０及びｎ電極３２の一部にワイヤボンディング用の厚さ５００ｎｍのＡｕパッドを形成し、基板１０の裏面を１００μｍまで研磨してスクラブによりチップを切り出し、マウントして発光素子デバイス（ＬＥＤデバイス）が作製される。
表１に、図１に示された各層の材料と組成の範囲及びキャリア濃度の範囲を示す。
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表１において、ＭＱＷ発光層２４はＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層としているが、前者が井戸層を示し後者がバリア層を示す。表１において着目すべきは、ＳＬＳ層２０、２６におけるＡｌ組成比は５％以上２５％以下、ＭＱＷ発光層２４における井戸層のＡｌ組成比は０％以上２０％以下、Ｉｎ組成比は３％以上２０％以下、バリア層のＡｌ組成比は１％以上２０％以下、Ｉｎ組成比は０％以上１０％以下となることである。ＭＱＷ発光層２４におけるバリア層のＡｌ組成比は１％以上３０％以下としてもよい。バリア層のＡｌ組成とＳＬＳ層２０及びＳＬＳ層２６のＡｌ組成との関係については、バリア層のＡｌ組成比がＳＬＳ層２０，２６のＡｌ組成比よりも大となるのが好適である。キャリアである電子と正孔はＭＱＷ発光層２４の井戸層において再結合して発光する。バリア層のＡｌ組成比を増大させるとバンドギャップが増大し、キャリアを効率的にＭＱＷ発光層２４の井戸層に閉じ込めて発光効率を向上させることができる。バリア層のＡｌ組成比が増大すると、ＭＱＷ発光層２４の井戸層の実効的バンドギャップも増大する。
井戸層のＡｌ組成比が０％を含み、バリア層のＩｎ組成比が０％を含んでいるため、ＭＱＷ発光層２４の材料としては、以下の４種類の組み合わせが存在する。
（ａ）ＩｎＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮバリア層
（ｂ）ＩｎＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮバリア層
（ｃ）ＡｌＩｎＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮバリア層
（ｄ）ＡｌＩｎＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮバリア層
いずれの組み合わせにおいても、井戸層のバンドギャップはバリア層のバンドギャップよりも小さくなるように組成が選択される。図１は（ｂ）の場合である。
また、表２には各層の好ましい膜厚を示す。
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表２において、ＭＱＷ発光層２４としては、ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＩｎＧａＮ）井戸層の膜厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＡｌＧａＮ）バリア層の膜厚は２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。また、ＳＬＳ層２０におけるＡｌＧａＮの膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、ＧａＮの膜厚も１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。ＳＬＳ層２６におけるＡｌＧａＮの膜厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、ＧａＮの膜厚は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
他の層については、ＧａＮバッファ層１４の膜厚は１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、アンドープＧａＮ層１６の膜厚は５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下（好ましくは５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下）であり、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８の膜厚は５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、アンドープＧａＮ層２２の膜厚は５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、ｐ−ＧａＮ層２８の膜厚は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
表３には、各層のより好ましい膜厚を示す。
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表３において、ＭＱＷ発光層２４としては、ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＩｎＧａＮ）井戸層の膜厚は１ｎｍ以上２ｎｍ以下であり、ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＡｌＧａＮ）バリア層の膜厚は６ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。また、ＳＬＳ層２０におけるＡｌＧａＮの膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、ＧａＮの膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。ＳＬＳ層２６におけるＡｌＧａＮの膜厚は１ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、ＧａＮの膜厚は０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。その他の層については、ＧａＮバッファ層１４の膜厚は２５ｎｍ以上３５ｎｍ以下、アンドープＧａＮ層１６の膜厚は１５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下（好ましくは１５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下）、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８の膜厚は１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、アンドープＧａＮ層２２の膜厚は２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、ｐ−ＧａＮ層２８の膜厚は１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
表４には、各層をＭＯＣＶＤ装置で成長する際の成長温度を示す。
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表４において、ＧａＮバッファ層１４は４５０℃以上６００℃以下で成長させ、アンドープＧａＮ層１６は１０５０℃以上１１００℃以下で成長させ、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８は１０５０℃以上１１００℃以下で成長させ、ＳＬＳ層２０あるいはＡｌＧａＮ単層２０は１０５０℃以上１１００℃以下で成長させ、アンドープＧａＮ層２２は８００℃以上９００℃以下で成長させ、ＭＱＷ発光層２４は８００℃以上９００℃以下で成長させ、ＳＬＳ層２６あるいはＡｌＧａＮ単層２６は９５０℃以上１０２５℃以下で成長させ、ｐ−ＧａＮ層２８は９５０℃以上１０２５℃以下で成長させる。
以上のようにして作製された発光素子を積分球の中に入れ、ｐ電極３０及びｎ電極３２に電源を接続し、電流を注入してチップから射出した全光出力を測定したところ、光出力は注入電流２０ｍＡのときにおよそ２ｍＷが得られた。発光波長は、２インチ直径のウエハ面内で多少のバラツキはあるものの、波長３７２ｎｍ±５ｎｍの範囲であることを確認している。外部量子効率は、およそ３％である。
本願出願人は、図１における層の材料や厚さを変化させたウエハを多数形成して同様の評価を行ったところ、発光波長帯により各層の制約条件が異なることを見い出した。すなわち、発光ピーク波長が３８０〜４００ｎｍの場合、各層の厚さが表２に示された好ましい膜厚の範囲内であれば光出力は１ｍＷ以上が得られた。
一方、発光ピーク波長が３６５〜３８０ｎｍの場合は、各層の膜厚が表２に示された好ましい厚さの範囲からずれると光出力は０．１ｍＷ以下に急激に減少し、各層の厚さが表３に示されたより好ましい厚さの範囲からずれると光出力は１ｍＷ以下となった。これらより、表２あるいは表３に示された範囲に設定することで、短波長（波長４００ｎｍ以下）の発光効率を向上できることが確認された。
このように発光効率が改善される原因は、以下のように考えられる。図２には、本実施形態で作製された発光素子の断面電子顕微鏡写真を示す説明図が示されている。この断面電子顕微鏡写真説明図を詳細に観察すると、ｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ  ＳＬＳ層２０とアンドープＧａＮ層２２の界面で転位が低減していることがわかる。ＳＬＳ層２０中に包含される歪みと、この境界面で成長温度を変化させたことが相俟って下地層から伝搬してきた転位が横方向（ラテラル方向）に曲げられ、この真上に形成されたＭＱＷ発光層２４中の転位が低減したと考えれる。すなわち、各層の組成及び厚さを上記の範囲に調整することで、ＭＱＷ発光層２４中の転位を抑制できると考えられる。
さらに、発光効率改善がなされたもう一つの原因として、発光層２４の組成揺らぎが考えられる。ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＩｎＧａＮ）井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ（あるいはＡｌＧａＮ）バリア層を積層したＭＱＷ発光層２４においては、Ｉｎ組成が低くＩｎＧａＮの組成揺らぎは起こり難い。組成揺らぎが生じるとＩｎ組成が部分的に大きい部位で発光するので注入されたキャリアはその部位で捕獲され、転位に到達できずに効率が低下しない。しかしながら、バリア層中にはＡｌが添加されているので、ＩｎとＡｌの組成を同時に増やすことで、発光波長を短く保ちつつＩｎとＡｌの組成を増やし、結果として組成揺らぎが大きくなることが考えられる。図３には、断面電子顕微鏡写真を示す説明図が示されており、この説明図では発光層２４の井戸層が不均一になっていることが確認される。すなわち、ＭＱＷ発光層２４の材料及び組成比を上記の範囲に調整することで、組成揺らぎを増大させて転位による発光効率の低下を抑制できると考えられる。
このように、図１に示された層構造とし、各層の厚さを表２あるいは表３に示された範囲に設定することで高い発光効率が得られる。
なお、本願出願人は、ＳＬＳ層２０の代わりにＡｌＧａＮの単層とし、ＳＬＳ層２６の代わりにＡｌＧａＮの単層としても同様に波長４００ｎｍ以下での発光効率が高いことを見い出している。具体的には、ＳＬＳ層２０の代わりに、Ａｌ組成を５〜２５％としたＡｌＧａＮを５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好適には７０ｎｍ以上３００ｎｍ以下形成し、ＳＬＳ層２６の代わりに、ＡＬ組成を５〜２５％としたＡｌＧａＮを５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好適には７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下形成する。ＡｌＧａＮ単層を用いた場合の全体の構成は以下のようになる。
サファイア基板１０／ＳｉＮ不連続膜１２／ＧａＮバッファ層１４／アンドープＧａＮ層１６／Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層１８／ＡｌＧａＮ層２０／アンドープＧａＮ層２２／ＭＱＷ発光層２４／ＡｌＧａＮ層２６／ｐ−ＧａＮ層２８
この構造においても、ＭＱＷ２４の井戸層のバンドギャップやバリア層のバンドギャップよりも小さくなるようにＡｌ組成比が選択される。また、ＭＱＷ２４のバリア層のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮ層２０、２６のＡｌ組成比よりも大きくなるように選択されるのが好適である。具体的には、ＭＱＷ２４のバリア層のＡｌ組成比は３０％程度とすることができる。
また、本願出願人は、図１においてＳｉＮ膜１２を形成せず、アンドープＧａＮ層１６の代わりに、ＧａＮ層にＳｉＮを挿入したＧａＮ層／ＳｉＮ層／ＧａＮ層の構造を有するＧａＮ系層１６とし、ＳＬＳ層２０としてアンドープＡｌＧａＮ（１．７ｎｍ）／ＳｉドープＧａＮ（１．７ｎｍ）を交互に５０ペア形成してＳＬＳ層２０とし、アンドープＧａＮ層２２の代わりにＡｌＧａＮ層（２６ｎｍ）とし、ＭＱＷ発光層２４としてＩｎＧａＮ井戸層（１．７ｎｍ）／ＡｌＧａＮバリア層（１３ｎｍ）を交互に３ペア形成してＭＱＷ発光層２４とし、ＳＬＳ層２６としてＡｌＧａＮ（１．１ｎｍ）／ＧａＮ（０．５ｎｍ）を交互に５０ペア形成してＳＬＳ層２６とした発光素子も製造し、同様に波長４００ｎｍ以下での発光効率が高いことを見い出している。ＧａＮ層にＳｉＮを挿入することで、ＳｉＮ層上に形成されるＧａＮ層の転位が低減し、これによりＭＱＷ発光層２４の転位が抑制される。
表５に、各層の材料と組成の範囲及びキャリア濃度の範囲を示す。
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ＭＱＷ発光層２４におけるＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は３０％であり、ＳＬＳ層２０のＡｌ組成比である約１８％より大きく、かつ、ＳＬＳ層２６のＡｌ組成比である５％〜２５％よりも大きい。ＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成が大きくなると結晶品質が劣化するので、ＭＱＷ発光層２４のＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成の上限は３０％程度が好適である。
本実施形態における発光素子は、波長４００ｎｍ以下で高い発光効率を有するため、この特性を専ら利用して種々の製品を作製することが可能である。以下では、図１に示された発光素子を光源として用いるいくつかの装置例を示す。
＜第２実施形態＞
市販のブラックペン（蛍光ペン）は可視照明下で文字や図形等を描いても見えないが、そこに紫外線を照射すると描いた文字や図形が現れる。カラーのブラックペン（紫外線を照射するとカラーの図形が現れる）も市販されているが、カラーを再現するためには照射する紫外線の波長が４００ｎｍ以下、より正確には波長３８０ｎｍ以下でなければならない。従来においては、蛍光灯ブラックライトや水銀ランプ等の光源が使用されているが、大型で消費電力も大きく、電源も大掛かりになる欠点がある。
そこで、図形再現用光源として図１に示された発光素子デバイス（ＬＥＤ）を用いると、小型で電池駆動も可能となる。ブラックペンで描いた図形を、ピーク波長４００ｎｍ、３８５ｎｍ、３７２ｎｍのＬＥＤで照射して図形の再現を試みた。照射光強度はおよそ５ｍＷ（４００ｎｍ）、３ｍＷ（３８５ｎｍ）、１ｍＷ（３７２ｎｍ）である。
４００ｎｍＬＥＤの場合、図形が現れるものの色は再現されず、蛍光の強度もかろうじて見える程度の非常に低いレベルであった。３８５ｎｍＬＥＤで照射すると、図形の形ははっきり見える程度に強い蛍光強度は得られたが、色は再現されなかった。特に、赤色の再現性が悪かった。一方、波長３７２ｎｍＬＥＤの場合、照射強度が１ｍＷと弱いにもかかわらず、蛍光は明るい室内でも全く問題なく見える程度に強く、かつ３原色を忠実に再現できた。
これらより、波長３６５〜３８０ｎｍ帯のＬＥＤは、安価に市販されているブラックペン（蛍光ペン）で描いた図形の再現用光源として非常に適していることが確認された。本実施形態のＬＥＤを電池と共にキーホルダやブラックペン、消しゴムその他の製品に組み込んで簡単に再現できる、見えない文字や図形を描画するシステムが得られる。
＜第３実施形態＞
本実施形態におけるＬＥＤからの光を人体の皮膚に短時間照射してその影響を調べた。ピーク波長４００ｎｍ（５ｍＷ）、３８５ｎｍ（３ｍＷ）、３７２ｎｍ（１ｍＷ）のＬＥＤ光をそれぞれ１０分間皮膚に照射して皮膚の変化（いわゆる日焼け）を調べた。その結果、ピーク波長４００ｎｍ（５ｍＷ）の場合はほとんど影響が見られなかったのに対し、３８５ｎｍ（３ｍＷ）の場合は少し変化が見られた。一方、３７２ｎｍ（１ｍＷ）の場合には、はっきりした跡が見られた。このことは、波長３６５〜３８０ｎｍ帯のＬＥＤが人体の日焼けを起こすことを示している。このＬＥＤを光源として用いて日焼け装置を製作した。直径５ｍｍのスポットだけを日焼けする装置及びＬＥＤを長さ３ｃｍの直線上に配置して線条に日焼けする装置を作製し、実験を行った。いずれの装置も１０分間照射することで日焼けが得られた。なお、３０分以上照射すると皮膚の損傷が認められた。
従来、日焼け装置は紫外線のランプを使用しているため、照射面積が大きい用途には適当であったが、小さな領域だけの日焼けを作ることはできず、例えば日焼けしたい部位以外をタオルなどで覆うなどの工夫が必要であるところ、本実施形態の日焼け装置では、点や線などの日焼けを任意に作ることが可能である。
＜第４実施形態＞
市販されているＵＶカット化粧品（ＳＰＦ５０＋ＰＡ＋＋＋）を塗った皮膚に対し、ピーク波長３７２ｎｍ（１ｍＷ）のＬＥＤを光源に組み込んだ第３実施形態の日焼け装置で１０分間照射した。その結果、ＵＶカット化粧品を塗らない場合と比べて日焼けの程度が非常に小さいことを確認した。このように、本実施形態のＬＥＤは、ＵＶカット化粧品の性能を評価する装置として用いることもできる。
従来、この種の検査装置は大型であり、効果を調べるために広い皮膚表面が必要である。本実施形態の検査装置は、上述した実施形態で述べたように点あるいは線等の任意の形状あるいは部位に日焼けを作ることができるので、人体の部位毎の日焼けの程度を調べたり、あるいは携帯して長時間にわたる照射効果を調べることもできる。
＜第５実施形態＞
時計の文字盤や避難誘導等の標識類には蓄光材料が使用されている。これは、蓄光剤に光が当たると、光を消しても蛍光が続くことを利用して暗闇でも字等が読める仕組みを利用したものである。近年、蓄光時間も長くなり３原色も出せるようになっている。例えば、硫化亜鉛に銅を結合させた短残光タイプやストロンチウムアルミネイトに希土類金属を結合させた長残光タイプなどが知られている。このような蓄光剤の感度は一般に波長４００ｎｍ以下にある。したがって、蓄光剤と本実施形態のＬＥＤとを組み合わせることで、短時間のみ光を照射して光を消すという操作を繰り返すことで消費電力の非常に小さい表示装置を作製することができる。また、電源が切れても表示は消えない（不揮発な）非常用表示装置も可能となる。
ピーク波長４００ｎｍ（５ｍＷ）、３８５ｎｍ（３ｍＷ）、３７２ｎｍ（１ｍＷ）のＬＥＤと３原色の蓄光剤を組み合わせて表示装置を作製した。蓄光剤を板状に加工し、その裏面から実施形態のＬＥＤの光を照射して表面からの発光を観測した。１０分間照射し、決められた時間だけ照射を切るサイクルを繰り返した。３０分程度照射を切っても、事務室程度の明るさの部屋で蓄光剤からの発光が確認された。なお、暗闇中では１時間程度切っても蓄光剤からの発光が確認された。全ての波長で同様の効果が得られたが、ピーク波長４００ｎｍ（５ｍＷ）を光源として使用した場合に最も残光が強かった。
このように、波長３６５〜４００ｎｍ帯のＬＥＤと蓄光剤を使用した表示装置により、従来の表示装置と比べて消費電力を著しく低減することができる。
さらに、色の再現性についても観測した。ピーク波長４００ｎｍ（５ｍＷ）、３８５ｎｍ（３ｍＷ）のＬＥＤは、肉眼には青色〜紫色に見えるため、蓄光剤で赤色を出すと両者が混じり合い純粋な赤の再現はできない。緑も同様である。一方、ピーク波長３７２ｎｍ（１ｍＷ）のＬＥＤは肉眼ではほとんど見えないため、３原色を忠実に再現することができる。したがって、波長３６５〜３８０ｎｍ帯のＬＥＤを光源として用い、蓄光剤を使用した表示装置は低消費電力で、かつ、フルカラーを再現することができる。
＜第６実施形態＞
蛾等の昆虫の複眼は、波長３６０ｎｍにピーク感度を有する。その性質を利用して、紫外線ランプを使った昆虫の駆除装置が市販されている。紫外線ランプを街頭に付け、その周辺に昆虫駆除装置を取り付けたものである。紫外線ランプは、可視光も射出するので一般的には明るく見える。また、消費電力が大きいという問題がある。この昆虫収集用の光源として実施形態のＬＥＤを使用した。ピーク波長は３７２ｎｍである。暗闇にＬＥＤを設置し、昆虫の集まり状況を確認した。同時に、２Ｗの水銀ランプも比較のため別の場所に設置した。ＬＥＤの消費電力を節約するため及び発光ピーク強度を増すため、ピーク電流２００ｍＡ、ピーク出力約１０ｍＷ、パルス幅１０ｍＳ、繰り返し周波数１０Ｈｚ（平均出力１ｍＷ）のパルス駆動を行った。光出力は、ＬＥＤの方が小さいにもかかわらずより多くの昆虫がＬＥＤに集まることが観測された。水銀ランプは肉眼には青色〜紫色に見えたが、ＬＥＤはほとんど肉眼では確認できなかった。このことから、昆虫収集用の光源として、波長３６５〜３８０ｎｍ帯のＬＥＤが使えることがわかる。
そこで、市販の昆虫駆除装置のランプをＬＥＤに取り替えて装置を作製した。波長３７２ｎｍのＬＥＤを２００個使用して、上述した実験と同様にパルス駆動して動作させた。その結果、一晩で改造前と同程度の昆虫を駆除することができた。本実施形態のＬＥＤを光源に用いた昆虫駆除装置は、消費電力が小さく、ＬＥＤが小型であるため光源のレイアウトに自由度が増すというメリットがある。さらに、肉眼ではほとんど見えないので、照明を嫌う環境にも用いることが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明のＬＥＤを用いて他の装置も作製可能である。例えば、紙幣の判定や紙幣の真偽を見分けるための装置や酸化チタンを照射することで得られる光触媒反応を利用した空気や水の洗浄にも使用することができる。
また、本実施形態において、ＧａＮ層１６の代わりにＡｌＧａＮ層を用いることができ、ｎ型ＧａＮ層１８の代わりにｎ型ＡｌＧａＮ層を用いることができる。さらに、ＧａＮ層２２の代わりにＩｎＧａＮ層を用いることができ、ｐ型ＧａＮ層２８の代わりにｐ型ＩｎＧａＮ層を用いることもできる。ＧａＮ系層には、ＧａＮ層の他、ＧａＮのＧａをＡｌやＩｎで置換したＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層も含まれる。
【図面の簡単な説明】
図１は、窒化ガリウム系化合物半導体装置の構成図である。
図２は、発光素子の断面電子顕微鏡写真を示す図である。
図３は、発光素子の他の断面電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2003103062.tif 000012
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