(57)【要約】  ＧａＮ基板の積層面をＣ面としても、発光効率の低下を抑制することにより高品質が得られる発光ダイオード素子を提供する。発光ダイオード素子（１０）は、Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板（２０）と、ＧａＮ基板（２０）に積層され、第１ｎ型ＧａＮ層（３１）、ｎ型中間層（３２）および第２ｎ型ＧａＮ層（３３）からなるｎ型ＧａＮ層（３０）と、ｎ型ＧａＮ層（３０）に積層されたＡｌＧａＮ歪調整層（４０）とを備える。さらにＡｌＧａＮ歪調整層（４０）に積層され、ＡｌＧａＮ歪調整層（４０）よりａ軸方向の格子定数が大きいＩｎＧａＮにより形成された井戸層（５１）および障壁層（５２）による多重量子井戸構造と、を有する発光層（５０）と、発光層（５０）に積層されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（６０）とを備えている。ＡｌＧａＮ歪調整層（４０）は、層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成され、発光層（５０）は、井戸層（５１）が６層積層されている。
2015146069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板に積層されたｎ型ＧａＮ層と、
前記ｎ型ＧａＮ層に積層されたＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層に積層され、前記ＡｌＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい窒化ガリウム系半導体により形成された井戸層および障壁層による多重量子井戸構造を有する発光層と、
前記発光層に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えた発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮ層は、層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成されている請求項１記載の発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記ｎ型ＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい半導体層により形成されている請求項１または２記載の発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記発光層は、前記ＡｌＧａＮ層に積層された半導体層が、前記井戸層により形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成比が１％〜５％である請求項１から４のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記井戸層および前記障壁層は、ＩｎＧａＮにより形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＮによる前記井戸層は、総層厚が６ｎｍ〜３６ｎｍである請求項１から６のいずれかの項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項８】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層から前記ｎ型ＧａＮ層に流れる最大注入電流が２０００ｍＡまでの電流の範囲において、３５０ｍＡと比較した発光波長のセンター値のシフト量が１ｎｍ以下である請求項１から７のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ層と、窒化ガリウム系半導体による多重井戸量子構造を有する発光層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えた発光ダイオード素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、照明用白色光源として発光ダイオード素子（Light Emitting Diode、ＬＥＤ）が注目されている。ＬＥＤを利用して、その特徴である低消費電力、軽重量、小型化等のメリットを最大限活用する光源開発が進んでいる。その中でも、移動体分野である自動車のエクステリア光源において、個性的なデザインを豊富にすることもあり、ＬＥＤは、車載用デイタイムランニングライト（Daytime Running Light、ＤＲＬ）として、普及が始まっている。今後は、車載用ヘッドランプの光源としても急速に拡大し、車載用照明としてオールＬＥＤ化が加速すると見られている。【０００３】
車載用に搭載されるＬＥＤでは、その長期信頼性が非常に重要である。異種基板（例えば、サファイア基板）上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体層を積層したＬＥＤよりも、ＧａＮ基板上にＧａＮ系半導体層を積層したＬＥＤのほうが結晶欠陥が少ない。このため、ＧａＮ基板上にＧａＮ系半導体層を積層したＬＥＤが注目されている。【０００４】
更に、今後の車載用ヘッドランプの用途としては、長期信頼性に加えて、個性的なデザインが追求される。そのため、車載用ヘッドランプは、より小型化が要求されると同時に、アンペア級の大電流駆動でも高光出力（高光束）が実現できるＧａＮ基板上にＧａＮ系半導体層を積層したＬＥＤの出現が待望されている。【０００５】
ＧａＮ基板に、ｎ型ＧａＮ層と、多重量子井戸（Multi-Quantum Well、ＭＱＷ）構造を有する発光層、ｐ型半導体層が積層された発光ダイオード素子として、特許文献１に記載されたものが知られている。【０００６】
特許文献１に記載の光電子デバイスは、半極性面（２０−２−１）を積層面としたｎ型ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ層と、ＧａＮとＩｎＧａＮとによるｎ型超格子層と、ＩｎＧａＮ層による井戸層およびＧａＮ層による障壁層を積層したＭＱＷ活性領域と、ｐ型超格子層と、ｐ型コンタクト層とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０４９８１７号
【発明の概要】
【０００８】
ＧａＮ系半導体の結晶は、圧電性を有する。すなわち、結晶に応力がかかるとそれに応じた分極による電界（ピエゾ電界）が結晶中に生じる。例えば、結晶的に安定的な（０００１）面、つまり＋Ｃ面（Ｇａ面）を積層面としたｎ型ＧａＮ基板に、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層による井戸層およびＧａＮ層による障壁層により形成されたＭＱＷ活性領域である発光層を積層した場合では、以下の欠点がある。すなわち、発光層は、ｎ型ＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きいため、ａ軸方向、すなわち、Ｃ面に平行な方向に圧縮応力を受け、ｃ軸方向、すなわち、Ｃ面に垂直な方向に引張り応力を受ける。これらの応力により、発光層内、特に井戸層内にピエゾ電界が生じることになる。このピエゾ電界により、井戸層内において電子と正孔が空間的に分離されて、発光効率が低下する。この発光効率低下の現象はドループと呼ばれ、ＬＥＤを大電流密度で駆動しても高光束が得にくいため、大きな課題となっている。
【０００９】
このピエゾ電界を回避および緩和するために、積層用基板の積層面として極性を有するＣ面ではなく、無極性面（Ｍ面、Ａ面）および半極性面とすることが知られている。特許文献１に記載の光電子デバイスでは、半極性面（２０−２−１）を積層面として、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層によるＭＱＷ活性領域との間に、ＧａＮとＩｎＧａＮとによるｎ型超格子層を積層し、障壁層のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を階段状に変化させるなどしている。
【００１０】
しかし、積層用基板の半極性面を積層面としたｎ型ＧａＮ基板の場合では、Ｇａ面とＮ面が積層面に共存するため、ｎ型ＧａＮ基板にＧａＮ層を結晶成長させる際に、安定的に高品質なＧａＮ層が積層しにくいという課題を有している。また、現状、積層面を無極性面および半極性面とした積層用基板は２インチサイズができているものの、積層面をＣ面としたＣ面基板と比較して、結晶品質は劣り且つ非常に高価なため、商業生産には不向きな状況である。従って、特許文献１に記載の光電子デバイスでは、高品質な発光ダイオード素子を生産適用することが大変困難である。
【００１１】
そこで本発明は、ＧａＮ基板の積層面をＣ面としても、発光効率の低下を抑制でき、且つ高品質が得られる発光ダイオード素子を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の発光ダイオード素子は、Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板と、ＧａＮ基板に積層されたｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層に積層されたＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層に積層され、ＡｌＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい窒化ガリウム系半導体により形成された井戸層および障壁層による多重量子井戸構造を有する発光層と、発光層に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、ＧａＮ基板の積層面をＣ面としても、ＡｌＧａＮ層がｎ型ＧａＮ層と発光層との間に積層されることでｎ型ＧａＮ層上の発光層に生じる歪を調整することができるため、ドループ現象、すなわち、発光効率の低下を抑制することができ、且つ高品質の発光ダイオード素子が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光ダイオード素子の層構造を示す図
【図２】図１に示す発光ダイオード素子の積層状態を説明する図
【図３】井戸層の層数に対する電気的リークによる良品歩留を示すグラフ
【図４】ＩｎＧａＮによる障壁層の導入と井戸層の増加による光出力の改善効果を測定したグラフ
【図５】ＩｎＧａＮによる障壁層の導入による発光層の歪の低減効果を測定したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本願の第１の発明は、Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板と、ＧａＮ基板に積層されたｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層に積層されたＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層に積層された発光層と、発光層に積層されたｐ型クラッド層とを備えている。発光層は、ともにＡｌＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい窒化ガリウム系半導体により形成された井戸層および障壁層による多重量子井戸構造を有している。この第１の発明は、発光ダイオード素子である。
【００１６】
第１の発明によれば、ｎ型ＧａＮ層と窒化ガリウム系半導体による発光層との間に、ｎ型ＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が小さいＡｌＧａＮ層を設け、ｎ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及び発光層の積層構造とすることで、発光層に発生する歪を抑制することが可能となる。言い換えると、ＡｌＧａＮ層は、ｎ型ＧａＮ層上に発光層を形成するときに発光層に生じる歪を調整する機能を有する層である。このため、歪調整機能を有するＡｌＧａＮ層に接するように発光層を配置することで、発光層内、特に井戸層に存在するピエゾ電界を制御することができる。以降、歪調整機能を有するＡｌＧａＮ層を「ＡｌＧａＮ歪調整層」と称することがある。
【００１７】
本願の第２の発明は、第１の発明において、ＡｌＧａＮ層は、層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成されていることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００１８】
第２の発明によれば、ＡｌＧａＮ層が２ｎｍより薄ければ、発光層に印加される引張り応力が小さいため歪制御が困難となり、光出力の低下を招くことになる。一方、１０ｎｍより厚ければ、ＡｌＧａＮ層に内在する引張り応力が増えて結晶品質が低下する方向となり、場合によっては結晶中に転位やクラックが発生する。また、ｎ型ＧａＮ層からの電子キャリアの供給の障害による影響も増し、発光層への電子注入の効率低下および駆動電圧の増加を招くことになる。このため、ＡｌＧａＮ層は、層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成されているのが望ましい。
【００１９】
本願の第３の発明は、第１または第２の発明において、発光層は、ｎ型ＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい半導体層により形成されていることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００２０】
第３の発明によれば、発光層がｎ型ＧａＮよりａ軸方向の格子定数が大きい半導体、例えばＩｎＧａＮで構成すると、発光層はＡ面に垂直な方向（Ｃ面に平行な方向）に圧縮応力を受け、Ｃ面に垂直な方向に引張り応力を受ける。これらの応力により、発光層の井戸層であるＩｎＧａＮ層は、ピエゾ電界が生じ、井戸層内の電子と正孔が空間的に分離されて、発光効率が低下する。
【００２１】
ここで、発光層を構成する障壁層をｎ型ＧａＮよりａ軸方向の格子定数が大きい半導体、例えばＩｎＧａＮとすると、井戸層のＩｎＧａＮ層と障壁層との格子定数差が小さくなり、井戸層に生じるピエゾ電界が大きく緩和される。このような作用により、井戸層内の電子と正孔が効率良く再結合することで、発光効率の低下が抑制される。但し、発光層をＩｎＧａＮとした場合に、障壁層に導入するＩｎ量は、井戸層のＩｎ組成比よりも少ないことが望ましい。
【００２２】
本願の第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、発光層は、ＡｌＧａＮ層に積層された半導体層が、井戸層により形成されていることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００２３】
第４の発明によれば、ＡｌＧａＮ層に接する発光層としての半導体層が、井戸層により形成されていることで、高光出力化および電気的リークによる不良の歩留を改善することができる。
【００２４】
本願の第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成比が１％〜５％であることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００２５】
第５の発明によれば、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が１％より小さければ、発光層に印加される引張り応力が小さいため歪制御が困難となり、光出力低下を招くことになる。一方、Ａｌ組成比が５％より大きければＡｌＧａＮ層に内在する引張り応力が増えて結晶品質が低下する方向となり、場合によっては結晶中に転位やクラックが発生する。また、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が大きくなるほどｎ型ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間の伝導帯のバリア高さが大きくなり、ｎ型ＧａＮ層から発光層への電子キャリア供給がしにくくなる。このため、Ａｌ組成比が大きすぎるＡｌＧａＮ層では発光層への電子注入の効率低下および駆動電圧の増加を招くことになる。このため、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１％から５％とするのが望ましい。
【００２６】
本願の第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、井戸層および障壁層は、ＩｎＧａＮにより形成されていることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００２７】
第６の発明によれば、井戸層および障壁層がＩｎＧａＮにより形成されていることで光出力が高い青色発光ダイオード素子とすることができる。
【００２８】
本願の第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、ＩｎＧａＮによる井戸層は、総層厚が６ｎｍ〜３６ｎｍであることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００２９】
第７の発明によれば、井戸層の総層厚が６ｎｍより小さければ、発光体積が不足するため光出力の低下を招くことになる。一方、井戸層の総層厚が３６ｎｍより大きければ、ＡｌＧａＮ層による井戸層の歪制御が困難となり、発光出力の低下を招くことになる。さらに、井戸層の総層厚が３６ｎｍより大きい場合、ＧａＮよりも低温成長が必要なＩｎＧａＮの総層厚過多となり、積層欠陥のような新たな結晶欠陥が発生し、発光層の結晶品質が低下することで、電気的リークの不良増加を招くことになる。従って、井戸層の総層厚が６ｎｍ〜３６ｎｍであるのが望ましい。
【００３０】
本願の第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、ｐ型ＡｌＧａＮ層からｎ型ＧａＮ層に流れる最大注入電流が２０００ｍＡまでの電流の範囲において、３５０ｍＡと比較した発光波長のセンター値のシフト量が１ｎｍ以下であることを特徴とした発光ダイオード素子である。
【００３１】
第８の発明によれば、注入電流の変化に伴う発光波長の変動が抑制された発光ダイオード素子とすることができる。
【００３２】
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る発光ダイオード素子を図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１および図２に示すように、発光ダイオード素子１０は、発光波長のセンター値が４２５ｎｍ〜４６５ｎｍ（好ましくは４４５ｎｍ付近）の青色光を発光するＬＥＤである。発光ダイオード素子１０は、ＧａＮ基板２０と、ｎ型ＧａＮ層３０と、ＡｌＧａＮ歪調整層４０と、発光層５０と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０と、ｎ側電極７０と、ｐ側電極８０とを備えている。
【００３４】
ＧａＮ基板２０は、ｎ型ＧａＮにより形成されている。ＧａＮ基板２０は、厚みを５０μｍから２００μｍとすることができる。ＧａＮ基板２０は、（０００１）面、つまり＋Ｃ面（Ｇａ面）を積層面としている。
【００３５】
このＧａＮ基板２０に、ｎ型ＧａＮ層３０、ＡｌＧａＮ歪調整層４０、発光層５０およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０などの半導体層を積層するときには、有機金属気相成長法（metalorganic vapor phase epitaxy、ＭＯＶＰＥ法）のエピタキシャル成長技術により成膜することができるが、ＭＯＶＰＥ法以外に、例えば、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy、ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（molecular beam epitaxy、ＭＢＥ法）などのエピタキシャル成長技術により積層することも可能である。
【００３６】
ｎ型ＧａＮ層３０は、ＧａＮ基板２０に積層されている。ｎ型ＧａＮ層３０は、ｎ型ドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）を用いたＧａＮにより形成された第１ｎ型ＧａＮ層３１と、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＧａＮにより形成されたｎ型中間層３２と、ＳｉをドープしたＧａＮにより形成された第２ｎ型ＧａＮ層３３とを備えている。
【００３７】
第１ｎ型ＧａＮ層３１は、ｎ側電極を構成するコンタクト層である。第２ｎ型ＧａＮ層３３は、発光層５０に電子を供給する電子供給層である。
【００３８】
ｎ型ＧａＮ層３０は、ｎ型ドーパントとしてＳｉとする以外に、ゲルマニウム（Ｇｅ）とすることもできる。第１ｎ型ＧａＮ層３１は、層厚を５００ｎｍから５０００ｎｍとすることができる。好ましくは、１０００ｎｍから２０００ｎｍである。ｎ型中間層３２は、層厚を５ｎｍから１００ｎｍとすることができる。また、第２ｎ型ＧａＮ層３３は、層厚を１０ｎｍから１０００ｎｍとすることができる。第２ｎ型ＧａＮ層３３の層厚は、第１ｎ型ＧａＮ層３１から供給される電子を発光層５０に効率よく送り込む必要があるため、第１ｎ型ＧａＮ層３１の層厚よりも薄いことが好適である。
【００３９】
ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、ｎ型ＧａＮ層３０の第２ｎ型ＧａＮ層３３に積層されたＡｌＧａＮ層である。ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、ｎ型ＧａＮ層３０よりａ軸方向の格子定数が小さい半導体層であるアンドープのＡｌＧａＮにより形成されている。ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、層厚を２ｎｍから１０ｎｍとすることができる。また、Ａｌ組成比は、１％から５％とすることができる。なお、ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、Ａｌ組成比が高いならば膜厚は薄く、Ａｌ組成比が小さいならば膜厚は厚いという関係が望ましい。
【００４０】
ＡｌＧａＮ歪調整層４０のＡｌ組成比が１％より小さければ、発光層５０に印加される引張り応力が小さいため歪制御が困難となり、光出力低下を招くことになる。一方、Ａｌ組成比が５％より大きければＡｌＧａＮ歪調整層４０に内在する引張り応力が増えて結晶品質が低下する方向となり、場合によっては結晶中に転位やクラックが発生する。また、ＡｌＧａＮ歪調整層４０のＡｌ組成比が大きくなればなるほどＡｌＧａＮ歪調整層４０とｎ型ＧａＮ層３０との間の伝導帯のバリア高さが高くなり、ｎ型ＧａＮ層３０から発光層５０への電子キャリア供給がしにくくなる。このため、Ａｌ組成比が大きすぎるＡｌＧａＮ歪調整層４０では、発光層５０への電子注入の効率低下および駆動電圧の増加を招くことになる。このため、ＡｌＧａＮ歪調整層４０のＡｌ組成比は１％から５％とするのが望ましい。
【００４１】
発光層５０は、ＡｌＧａＮ歪調整層４０に積層され、ｎ型ＧａＮ層３０およびＡｌＧａＮ歪調整層４０よりａ軸方向の格子定数が大きい窒化ガリウム系半導体により形成されている。
【００４２】
発光層５０は、井戸層５１と、障壁層５２と多重量子井戸構造を有している。この井戸層５１は、アンドープのＩｎＧａＮにより形成されている。障壁層５２は、井戸層５１よりＩｎ組成の小さいアンドープのＩｎＧａＮにより形成されている。
【００４３】
本実施の形態に係る発光ダイオード素子１０の発光層５０では、井戸層５１同士の間に、障壁層５２を介在させて、井戸層５１が６層積層された６重量子井戸構造を有するＭＱＷ活性層としている。
【００４４】
ＡｌＧａＮ歪調整層４０に接する発光層５０は、ＡｌＧａＮ歪調整層４０に接する層を井戸層５１としたり、障壁層５２としたりすることができるが、図１および図２に示す発光層５０では、ＡｌＧａＮ歪調整層４０に、井戸層５１が積層されている。
【００４５】
井戸層５１は、層厚を２ｎｍから１２ｎｍとすることができる。ここで、井戸層５１の層厚は、井戸層内の注入キャリアの密度低減によるオージェ非発光再結合の影響を軽微とするために厚い方が好ましく、３ｎｍから８ｎｍであることが望ましい。また、障壁層５２は、層厚を１ｎｍから１２ｎｍとすることができる。なお、障壁層５２の層厚は、有効質量の重い正孔の注入を容易にするために、井戸層５１とは逆に、薄い方が好ましく、１ｎｍから３ｎｍであることが望ましい。
【００４６】
更に、井戸層５１の合計の層厚（総膜厚）は、６ｎｍから３６ｎｍとすることができる。井戸層５１の総層厚が６ｎｍより小さければ、発光体積不足のため光出力低下を招くことになる。一方、井戸層５１の総層厚が３６ｎｍより大きければ、ＡｌＧａＮ歪調整層４０による井戸層歪制御が困難となり、発光出力の低下を招くことになる。更に、井戸層５１の総層厚が３６ｎｍより大きい場合、ＧａＮよりも低温成長が必要なＩｎＧａＮの総層厚過多となり、新たな結晶欠陥が発生し発光層の結晶品質が低下し、電気的リーク不良の増加を招くことになる。
【００４７】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０は、発光層５０に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０は、ｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたＡｌＧａＮにより形成されている。
【００４８】
ｎ側電極７０は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０と、発光層５０と、ＡｌＧａＮ歪調整層４０と、ｎ型ＧａＮ層３０の一部とをエッチングした第１ｎ型ＧａＮ層３１上の領域に設けられている。ｎ側電極７０は、Ａｌ（アルミニウム）層７１と、Ｎｉ（ニッケル）層７２と、Ｔｉ（チタン）層７３と、Ａｕ（金）層７４とが積層されることで形成されている。
【００４９】
ｐ側電極８０は、エッチングされた残余のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０上に設けられている。ｐ側電極８０は、Ｎｉ層８１、Ａｇ（銀）層８２、Ｔｉ層８３、Ａｌ層８４、Ｎｉ層８５、Ｔｉ層８６、およびＡｕ層８７が順次積層されて形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０上のＡｇ層８２は、発光層５０で発光した光を、ＧａＮ基板２０側へ反射して放射する反射電極として機能する。
【００５０】
また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０と、露出した第１ｎ型ＧａＮ層３１との段差境界は二酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成される絶縁膜９０で被覆保護されている。絶縁膜９０は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０の上面端部から側面、発光層５０の側面、および第１ｎ型ＧａＮ層３１の段差部を連続して直接被覆している。
【００５１】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る発光ダイオード素子は、ＧａＮによるｎ型ＧａＮ層３０と、ＩｎＧａＮによる発光層５０との間に、ＡｌＧａＮによるＡｌＧａＮ歪調整層４０を配置している。ＩｎＧａＮによる発光層５０は、ｎ型ＧａＮ層３０に対してａ軸方向の格子定数が大きいため、ｎ型ＧａＮ層３０上に直接接するように積層すると発光層５０の面内に圧縮応力が印加される。ｎ型ＧａＮ層３０よりａ軸方向の格子定数が小さいＡｌＧａＮ歪調整層４０をｎ型ＧａＮ層３０上に直接接するように積層することで、発光層５０の面内に発生する歪を緩和することができる。その結果、発光層５０、に存在する歪およびそれに起因する井戸層内に発生するピエゾ電界を制御することが可能になる。このようにすることで、ドループを抑制した発光ダイオード素子を得ることができる。
【００５２】
また、ＩｎＧａＮによる井戸層５１をＡｌＧａＮ歪調整層４０に接するように積層しているため、高光出力化および電気的リークによる良品歩留を向上させることができる。
【００５３】
サファイア基板を使用した場合にも、その上に成長されたＩｎＧａＮには面内圧縮応力が印加されるが、貫通転位等の結晶欠陥が非常に多く（転位密度〜１×１０９ｃｍ−２）、格子緩和が進むため、その圧縮応力も緩和されている。しかし、本実施の形態に係る発光ダイオード素子１０のように、積層用基板としてＧａＮ基板２０を使用する場合は、結晶欠陥が大幅に少ないため（転位密度〜５×１０６ｃｍ−２）、その上に成長された発光層５０のＩｎＧａＮには格子緩和なく大きな圧縮応力が印加されることになる。このため、ＡｌＧａＮ歪調整層４０による歪制御効果は、サファイア基板を使用した場合よりも顕著である。
【００５４】
また、ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、その層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成されているが、例えば、ＡｌＧａＮ歪調整層４０の層厚が、Ａｌ組成比が同じで、数μｍの厚みで形成されていると、ＡｌＧａＮ歪調整層４０内に、新たな結晶欠陥やクラックが生じるおそれがある。また、ＡｌＧａＮ歪調整層４０の層厚が、発光波長の１／４程度以上つまり１１０ｎｍ程度以上になると、発光層５０と比較してＡｌＧａＮ歪調整層４０の屈折率が小さいために、発光がＡｌＧａＮ歪調整層４０で反射され積層面内方向に導波されるようになる。このため、ＧａＮ基板２０側への放射が妨げられ光出力が低下する。
【００５５】
しかし、ＡｌＧａＮ歪調整層４０が２ｎｍ〜１０ｎｍの層厚に形成されているため、ＡｌＧａＮ歪調整層４０内に新たな結晶欠陥やクラックが生じることはない。
【００５６】
ＡｌＧａＮ歪調整層４０の層厚が２ｎｍより薄いと、発光層に印加される引張り応力が小さいため歪制御が困難となり、光出力低下を招くことになる。また、ＡｌＧａＮ歪調整層４０が１０ｎｍより厚いと、ＡｌＧａＮ歪調整層４０に内在する引張り応力が増えて結晶品質が低下する方向となり、場合によっては結晶中に転位やクラックが発生する。また、ｎ型ＧａＮ層３０からの電子キャリア供給の障害影響も増し、発光層への電子注入効率低下および駆動電圧増加を招くことになる。従って、ＡｌＧａＮ歪調整層４０の層厚は、２ｎｍ〜１０ｎｍであるのが望ましい。
【００５７】
また、絶縁性基板の一例であるサファイア基板を、ＧａＮにより形成されたＧａＮ基板２０の代わりに用いた場合には、ｎ型ＧａＮ層３０との格子不整合、および熱膨張係数の差により、貫通転位等の欠陥の少ないＧａＮ膜を得ることは困難である。
【００５８】
また、サファイア基板は絶縁体であるため、電子を注入するｎ型ＧａＮ層３０の不純物濃度を、例えば１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３のように高く、且つｎ型ＧａＮ層３０の厚みを、例えば、５μｍ〜８μｍのように厚くする必要がある。このため、サファイア基板から発光層５０からの光を取る出す場合には、ｎ型ＧａＮ層３０にて光が吸収されて損失する。
【００５９】
しかし、ＧａＮ基板２０をＧａＮにより形成することで、ＧａＮ基板２０がｎ型ＧａＮ層３０と同一の材料であるため、欠陥の少ない高品質な発光ダイオード素子１０を得ることができる。また、ＧａＮによるＧａＮ基板２０の＋Ｃ面は熱的に安定で、＋Ｃ面を積層面とすることで、高品質の結晶を成長させることができる。更に、ＧａＮ基板２０は導電性であるため、ｎ型ＧａＮ層３０の厚みを、例えば、１〜２μｍのように薄く形成することができるので、発光層５０からの光を、ＧａＮ基板２０側から効率よく取り出すことができる。
【実施例】
【００６０】
図１に示す発光ダイオード素子１０を作製して、光学的特性および電気的特性を評価した。以下に各工程を説明する。【００６１】
（半導体層積層工程）
まず、（０００１）面、つまり＋Ｃ面（Ｇａ面）を主面（積層面）とするウエハ状態のｎ型ＧａＮ基板であるＧａＮ基板２０を準備する。【００６２】
このＧａＮ基板２０を、ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内のサセプターに保持させて、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉を圧力が例えば２０ｋＰａになるように、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）を供給し、温度を成長温度（例えば約１０００℃）まで昇温する。【００６３】
次に、ＧａＮ基板２０の主面上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、ｎ型ドーパントであるシラン（ＳｉＨ４）ガスを同時に供給して、層厚が１５００ｎｍの第１ｎ型ＧａＮ層３１を、成長させた。この際、Ｓｉドープ濃度が５×１０１８ｃｍ−３になるようにシランガス量を制御した。【００６４】
続いて、反応炉を約８５０℃まで降温した後、ＴＭＧとシランガスに加えて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）も供給して、層厚が２５ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＧａＮによるｎ型中間層３２を成長させた。この際、Ｓｉドープ濃度が５×１０１８ｃｍ−３になるようにシランガス量を制御した。【００６５】
次に、再び反応炉を約１０００℃まで昇温した後、ＴＭＧとシランガスを同時に供給して、層厚が１５０ｎｍの第２ｎ型ＧａＮ層３３を成長させた。この際、Ｓｉドープ濃度が５×１０１８ｃｍ−３になるようにシランガス量を制御した。【００６６】
続いて、シランガスの供給を止め、ＴＭＧとＴＭＡを供給して、アンドープのＡｌＧａＮ歪調整層４０を成長させる。ここで、例えば、ＡｌＧａＮ歪調整層４０にＳｉをドープすると、ＡｌＧａＮ歪調整層４０が物性的に強固となりすぎて、新たな結晶欠陥の導入やクラックが発生してしまう。従って、ＡｌＧａＮ歪調整層４０をアンドープとすることで、新たな結晶欠陥の導入やクラックの発生が抑制でき、続いて形成される発光層５０の結晶品質を高く維持することができる。【００６７】
ＡｌＧａＮ歪調整層４０は、層厚を２ｎｍから１０ｎｍとすることができる。また、Ａｌ組成比は、１％から５％とすることができる。本実施例では、ＡｌＧａＮ歪調整層４０の層厚を５ｎｍ、ＡｌＧａＮ歪調整層４０のＡｌ組成比を３％としている。【００６８】
次に、反応炉を約８５０℃まで降温した後、ＴＭＧとＴＭＩを供給して、アンドープＩｎＧａＮによる層厚が４ｎｍの井戸層５１を成長させる。この際、井戸層５１が成長するまで、成長中断し、温度を約１０００℃から約８５０℃まで降温する。なお、蛍光体等により白色光を得るには、発光ダイオード素子１０の発光波長のセンター値を４４５ｎｍ付近に設計する必要があるが、本実施例では井戸層５１のＩｎ組成比を１５％程度とすることで実現した。【００６９】
このとき、井戸層５１の成長表面はＡｌＧａＮ歪調整層４０となっているため、ＧａＮと比較して、ＡｌＧａＮは格子結合が強く、窒素抜けによる窒素空孔を形成しにくく耐熱性に優れている。そのため、上記成長中断においても、ＡｌＧａＮ歪調整層４０の表面は結晶性が高く維持される。このため、ＩｎＧａＮによる発光層５０をＡｌＧａＮ歪調整層４０に直接配置することで、高品質な発光層５０を積層することができる。特に、本実施例では、発光に寄与するＩｎＧａＮによる井戸層５１を、ＡｌＧａＮ歪調整層４０に直接接するように積層しているため、高品質で歩留が良好な井戸層５１を成長させることができる。【００７０】
続いて、ＴＭＩの供給量を調整し、井戸層５１よりも少ないＩｎ組成にてＩｎＧａＮによる層厚が３ｎｍの障壁層５２を成長させた。本実施例では、障壁層５２のＩｎ組成比は井戸層５１のＩｎ組成比１５％の３０〜６５％程度、つまり、Ｉｎ組成比として５〜１０％程度とすることで、井戸層５１の圧縮応力を低減し、ピエゾ電界を緩和することにより、高光出力を得るようにした。【００７１】
障壁層５２のＩｎ組成比が５％よりも小さいと、井戸層５１とのＩｎ組成差が大きくなり、つまり井戸層５１との格子不整合が大きくなり、井戸層５１に印加される圧縮応力が大きくピエゾ電界が緩和されにくい。一方、障壁層５２のＩｎ組成比が１０％より大きくなると、発光層５０全体のＩｎ総量が多くなるため、下地のｎ型ＧａＮ層３０およびＡｌＧａＮ歪調整層４０との格子不整合が過剰となる。このため、発光層５０の品質が低下することで、発光ダイオード素子１０で得られる光出力は低下する。なお、本実施例では障壁層５２のＩｎ組成比は６％とした。そして、井戸層５１と障壁層５２の成長を交互に繰り返して、６重井戸層を成長させた。なお、発光層５０における井戸層５１のＩｎ組成は、発光波長のセンター値が４４５ｎｍ付近になるように制御される。【００７２】
次に、反応炉を約９５０℃まで昇温した後、ＴＭＧとＴＭＡを供給し、同時にｐ型ドーパントであるシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）も供給して、層厚が１２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０を成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０のＡｌ組成比は１％から５％である。なお、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０とＡｌＧａＮ歪調整層４０とのＡｌ組成比が同じである場合、発光層５０の応力がｎ側とｐ側でバランスが取れることになり、特性改善効果が好適となる傾向にある。【００７３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０を成長させた後、反応炉内を、水素、窒素、アンモニアの供給を維持した状態で、室温まで降温させた。そして、真空排気後、パージガスに置換して、反応炉から、ｎ型ＧａＮ層３０と、ＡｌＧａＮ歪調整層４０と、発光層５０と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０とによる半導体層を結晶成長させたＧａＮ基板２０を取り出した。【００７４】
尚、上述したＧａＮ基板２０上の膜はすべてエピタキシャル成長で積層するため、各膜の表面は、ＧａＮ基板の表面と同じＣ面となる。【００７５】
（電極形成工程）
次に、半導体層を結晶成長させたＧａＮ基板２０に電極を形成する電極形成工程を行った。まず、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０の全面に、スパッタ装置により、ＳｉＯ２からなる絶縁膜９０を形成する。その後、フッ酸除去により所望位置のみを残した絶縁膜９０をマスクとして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０の表面から第１ｎ型ＧａＮ層３１が露出するまで、ドライエッチング装置でエッチング除去する。【００７６】
その後、絶縁膜９０についてＣ面に平行となる部分を除去して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０を露出させ、Ｎｉ層、Ａｇ層の各電極層を、蒸着装置で順次積層した。また、露出させた第１ｎ型ＧａＮ層３１に、Ａｌ層、Ｎｉ層、Ｔｉ層、Ａｕ層の各電極層を蒸着装置で順次形成した。【００７７】
また、電極層と、各半導体層との電気コンタクト性および密着性を強化するために、窒素または酸素の雰囲気中、または、窒素および酸素の混合雰囲気中で３５０℃程度の熱処理を実施した。【００７８】
続いて、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０上のＡｇ層上に、Ｔｉ層やＡｌ層、Ｎｉ層、更に、Ｔｉ層、およびＡｕ層を順次蒸着した。バリア層となるＴｉ層は、上部にあるＡｕの拡散を抑制し、発光ダイオード素子１０の長期安定駆動に寄与する。【００７９】
このようにして電極形成工程にて、第１ｎ型ＧａＮ層３１に、Ａｌ層７１、Ｎｉ層７２、Ｔｉ層７３、Ａｕ層７４が積層されてｎ側電極７０が形成された。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０に、Ｎｉ層８１、Ａｇ層８２、Ｔｉ層８３、Ａｌ層８４、Ｎｉ層８５、Ｔｉ層８６およびＡｕ層８７が積層されてｐ側電極８０が形成された。【００８０】
（個片化工程）
個片化工程は、ｎ側電極７０およびｐ側電極８０が形成されたウエハ状態のＧａＮ基板２０を分割して、それぞれの発光ダイオード素子１０に個片化する工程である。【００８１】
まず、ＧａＮ基板２０の積層面と反対側の裏面（−Ｃ面）を研磨して１００μｍ程度まで薄くし、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液でウエットエッチング処理をした。この処理により、ＧａＮ基板２０の裏面に六角錘状の微小な凹凸が自然形成される。微小な凹凸は、発光層５０で生じた光を外部に有効に取り出すことに寄与する。同じＧａＮ基板であっても、Ｍ面を積層面とする場合は、化学的ウエットエッチングでこのような微小凹凸は形成されず、ドライエッチング等の高価な設備使用が必要となる。従って、Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板２０を使用することで、高結晶品質が確保でき、且つ基板裏面からの光取出し加工も容易に製造できるメリットがある。【００８２】
次に、ＧａＮ基板２０を、スクライブラインに沿ってレーザスクライブ装置によりカッティングして、個々の発光ダイオード素子１０を得た。発光ダイオード素子１０は、例えば０．８ｍｍ□程度に個片化されたものとすることができる。【００８３】
（検査工程）
０．８ｍｍ□に個片化された発光ダイオード素子１０をサブマウント素子上にフリップチップ実装し、ＧａＮ基板２０の裏面側から発光層５０からの光を取り出すようにする。この際、サブマウント素子上には電極が配置されており、フリップチップ実装することで、発光ダイオード素子１０のｎ側電極７０およびｐ側電極８０に、電源が導通するようになっている。発光ダイオード素子１０に電源が供給されることで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０からｎ型ＧａＮ層３０へと電流が流れる。【００８４】
なお、サブマウント素子はＳｉ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および銅（Ｃｕ）等の高熱伝導性材料を使用すると放熱性に優れ、大電流による特性評価が可能である。また、発光ダイオード素子１０の基板が高熱伝導性を有するＧａＮ基板であることも放熱性を高めることに寄与している。【００８５】
発光ダイオード素子１０を直流（ＤＣ）電流が通電される特性評価装置に入れ、発光ダイオード素子１０から放射される青色光を全光束で捉える。この際、動作電圧、および主波長（センター波長）も同時にモニターする。【００８６】
井戸層５１が６層の発光ダイオード素子１０を実施例１として作製すると共に、井戸層５１が、３層〜５層、および９層（井戸層５１の総層厚は３６ｎｍ）を実施例２〜５として作製して、電気的リークによる不良歩留を測定した。ここで、電気的リークによる不良は、発光ダイオード素子１０にサージ電圧を印加した後、ｐ側にプラス（＋）およびｎ側にマイナス（−）となるようにｐｎ接合に順バイアスを印加し、１μＡ注入した時の電圧をモニターすることによって判定した。ここでは、１Ｖ以下の素子を不良と判定した。【００８７】
（検討した発光ダイオード素子１０）
ここで、上述および後述の発光ダイオード素子１０について、以下の［表１］にまとめる。【００８８】
【表１】
2015146069.tif 000003
【００８９】
（検討結果）
図３のグラフから、井戸層数が６層から増加すると、急激に電気的リークによる良品歩留が悪化していることが判る。【００９０】
次に、発光ダイオード素子１０では、ＡｌＧａＮ歪調整層４０上に発光層５０の井戸層５１が、直接接するように積層されているが、ＡｌＧａＮ歪調整層４０と井戸層５１との間に、障壁層５２を挿入した発光ダイオード素子を比較例１として作製して歩留測定した。【００９１】
結果、歩留が２６％と、井戸層数が６層であるときと比較して、比較例１は、同じ井戸数であるが、歩留が大きく悪化した。このことから、ＡｌＧａＮ歪調整層４０上に積層される発光層５０は、ＡｌＧａＮ歪調整層４０上に接する層として井戸層５１を積層するのが望ましいことが判る。【００９２】
次に、障壁層５２をＩｎＧａＮとする共に、井戸層５１を６層とした発光ダイオード素子１０（実施例１）に対して、障壁層５２がＩｎＧａＮで、井戸層５１を３層とした実施例２（井戸層５１の総層厚は１２ｎｍ）と、障壁層５２がＧａＮで、井戸層５１を６層とした比較例２と、障壁層５２がＧａＮで、井戸層５１を３層とした比較例３とを作製して、光出力および発光層の歪を測定した。【００９３】
最大注入電流が２０００ｍＡ（電流密度は３１０Ａ／ｃｍ２）までの電流の範囲で、発光ダイオード素子１０から放射される全光出力を測定した結果を図４に示す。図４のグラフに示すように、光出力について、ＩｎＧａＮで６層とした実施例１が最も高く、発光ダイオード素子１０のサイズが０．８ｍｍ□の小型サイズにも関わらす、大電流まで発光効率が低下せず、光出力が線形的に増加し、例えば注入電流が１４００ｍＡ（電流密度は２１０Ａ／ｃｍ２）時に１５５０ｍＷレベルの高光出力まで得ることができた。次に、ＧａＮで６層とした比較例２、次に、ＩｎＧａＮで３層とした実施例２、ＧａＮで３層とした比較例３が最も低かった。【００９４】
従って、井戸層５１は多い方が、光出力が高く、障壁層５２をＧａＮとするよりＩｎＧａＮとする方が、光出力が高く、障壁層５２をＩｎＧａＮとするより井戸層５１の層数を増加させる方が効果的であることが明らかとなった。【００９５】
今までのように、照明用白色ＬＥＤがカメラのストロボまたは車載用ＤＲＬに用いられる場合には、電流が３００ｍＡから５００ｍＡの範囲で使用されるため、光出力の差は問題ではなかった（図４参照）。しかしながら、車載のヘッドランプに用いられる場合には、例えば１４００ｍＡから１６００ｍＡのような１Ａ以上（電流密度は１５０Ａ／ｃｍ２以上）の大電流範囲で使用されるため、この光出力の差は歴然である。【００９６】
積層基板として、広く使用されているサファイア基板に、発光層を含む半導体層が形成された発光ダイオード素子では、高光出力を得るために素子サイズを１ｍｍ□以上に大きくして対応している。これは、１５０Ａ／ｃｍ２以上のような大電流注入密度では、結晶内の高密度欠陥（例えば〜１×１０９ｃｍ−２）により無効電流が多くなるため発熱し、光出力が飽和するためである。一方、発光ダイオード素子１０では、１ｍｍ□よりも小型サイズで高光出力を得ることが可能であるため、車載用ヘッドランプのデザイン個性化を豊富にすることができる。【００９７】
次に、発光層の歪を測定した結果を、図５に示す。図５のグラフは、注入電流が３５０ｍＡのときの発光波長のセンター値を基準に、最大注入電流が２０００ｍＡまでの電流の範囲で変化したときのセンター値のシフト量を相対値として測定したものである。発光層に歪が内在している場合、電流注入と共に、井戸層のピエゾ電界がスクリーニングされ、発光波長が短波長側に変動シフトする。つまり、発光波長の注入電流の依存性を測定することで、井戸層のピエゾ電界強度を推測することができる。従って、発光波長のシフト量が小さいほど、井戸層のピエゾ電界が小さいことになる。【００９８】
図５のグラフに示すように、全体的に、ＩｎＧａＮで６層とした実施例１が最もシフト量が小さく、次に、ＧａＮで６層とした比較例２、次に、ＩｎＧａＮで３層とした実施例２、ＧａＮで３層とした比較例３が最もシフト量が大きかった。発光ダイオード素子の青色域の発光波長のセンター値のシフト量が大きいと、励起される蛍光物質の変換効率に変化が生じて、白色としての出力および色度が変動することになる。特に、車載用ヘッドランプでは１Ａ以上（例えば、１４００ｍＡから１６００ｍＡ）の大電流で使用されるが、低電流駆動でＤＲＬとしても使用する用途があるため、発光波長のシフト量の大きい比較例３のような発光ダイオード素子は好ましくない。一方、実施例１の発光波長のシフト量は極めて小さく、１ｎｍ以下に留まる。従って、本発明によって、結晶品質に優れるＣ面ＧａＮ基板上ＬＥＤにおいて、１Ａ以上の大電流でも、発光波長のシフト量が１ｎｍ程度以下に抑制できる発光ダイオード素子を初めて出現させることができた。【００９９】
従って、井戸層５１は多い方が、発光層５０の歪を低減でき、障壁層５２をＧａＮとするよりＩｎＧａＮとする方が、発光に寄与する井戸層５１の歪を低減でき、井戸層５１の層数を増加させるより、障壁層５２をＩｎＧａＮとする方が効果的であることが判る。【０１００】
次に、ＩｎＧａＮによる井戸層５１の層厚が４ｎｍで６層とした実施例１と同じ井戸層総厚２４ｎｍとし、ＩｎＧａＮによる井戸層５１の層厚６ｎｍで４層とした実施例６を準備した。実施例６においても、同様に、電流注入による光出力測定を実施した結果、実施例１とほぼ同じ高光出力を得ることができた。また、実施例６は、発光波長のシフト量も、実施例１と同程度であることも確認できた。井戸層５１の層厚が４ｎｍの場合と比較し、６ｎｍ程度に厚くなると、ＧａＮによる障壁層では、井戸層に印加されるピエゾ電界により、電子と正孔の空間的分離がより大きくなり、発光波長のシフト量が一段と顕著になる。しかしながら、障壁層５２をＩｎＧａＮとすることで、井戸層５１の層厚を６ｎｍ程度に厚くしても、発光波長のシフト量を１ｎｍ以下に抑制できることが判る。【０１０１】
以上のことから、ＩｎＧａＮによる井戸層５１は、総層厚が６ｎｍ〜３６ｎｍで、障壁層もＩｎＧａＮによるものが望ましいことが判る。更に、好適にはＩｎＧａＮによる井戸層５１の総層厚の範囲は１０〜２５ｎｍである。【０１０２】
また、実施例６ではＩｎＧａＮによる障壁層５２のＩｎ組成比を６％としているが、Ｉｎ組成比を８％に高めると、１４００ｍＡ時の発光出力を４％程度高められた。従って、ＩｎＧａＮによる井戸層５１の層数を減らす場合は、ＩｎＧａＮによる障壁層５２のＩｎ組成比を高めることで、高光出力を得ることができることが明確になった。【０１０３】
なお、実施例１にて、１４００ｍＡのＤＣ通電試験を実施したが、１５００時間経過しても光出力残存率は９７％以上であり、１Ａ以上の大電流通電でも長期安定駆動できることが確認でき、車載用ヘッドランプに好適であることが明らかになった。【０１０４】
更に、実施例１に対して、ＩｎＧａＮによる障壁層５２の層厚を１．８ｎｍに薄くした実施例７を作製した。【０１０５】
実施例１と比較して、実施例７においては、３５０ｍＡ時の光出力は若干低いものの、１４００ｍＡ以上の大電流域ではより高い光出力を示した。つまり、ＩｎＧａＮによる障壁層５２の層厚を１．８ｎｍに薄くすることで、注入電流に対する光出力の増加率が増したことを示唆している。この理由として、ＧａＮ系材料では物性的に電子に対する正孔の有効質量が大きいことが知られており、そのため、ｐ側から発光層５０への正孔注入が困難となるが、障壁層５２の層厚を１〜３ｎｍ程度に薄くすることで、隣接する井戸層５１へ正孔がトンネル現象的に注入されるようになり、ｎ側に近い井戸層５１までの正孔注入効率が改善されるためと考えられる。【０１０６】
サファイア基板上では、ＩｎＧａＮ井戸層の成長時に、貫通転位に起因したＶピットと呼ばれる結晶表面に窪みが多数生じることが知られており、障壁層の層厚を１〜３ｎｍ程度に安定的に薄く制御することは商業生産的に困難である。なお、この傾向はＩｎＧａＮ井戸層を多重化するほど顕著になる。【０１０７】
一方、実施例７のように、Ｃ面ＧａＮ基板上では、Ｖピットは発生しにくいため、障壁層を薄くしても、高品質で安定的に生産することが可能になる。但し、障壁層５２の層厚が１ｎｍよりも薄いと、結晶成長自身の制御性が困難になり、生産歩留が低下するため好ましくない。また、実施例７では、発光波長のシフト量も実施例１と同等であることが確認できた。なお、障壁層５２の層厚を薄くする場合は、実施例６と同様に、障壁層５２のＩｎ組成比を増加させることが、高光出力を得る傾向である。【０１０８】
実施例１は０．８ｍｍ□サイズであったが、更に小型の０．６ｍｍ□サイズの実施例８を作製した。実施例８の発光層５０の構成は実施例１と同じく、ＩｎＧａＮによる井戸層５１の層厚が４ｎｍで６層（井戸層５１の総厚２４ｎｍ）である。実施例８においても、更に小型サイズであるにも関わらず、１４００ｍＡ（電流密度は３８０Ａ／ｃｍ２）で１３００ｍＷの高光出力を得ることができた。また、最大電流として２０００ｍＡ（電流密度は５５０Ａ／ｃｍ２）までの電流の範囲において、発光波長のセンター値のシフト量が１ｎｍ以下に抑制されていることも確認できた。このような非常に大きな注入電流密度においても発光波長のシフト量が１ｎｍ以下に抑えられているＧａＮ基板による発光ダイオード素子は類がなく、本発明による歪制御による効果が顕著であり、車載ヘッドランプとして好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、ＧａＮ基板の積層面をＣ面としても、発光効率の低下を抑制することにより高品質で高光出力が得られるので、ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ層と、窒化ガリウム系半導体による多重井戸量子構造を有する発光層と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とを備えた発光ダイオード素子に好適である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０  発光ダイオード素子
２０  ＧａＮ基板
３０  ｎ型ＧａＮ層
３１  第１ｎ型ＧａＮ層
３２  ｎ型中間層
３３  第２ｎ型ＧａＮ層
４０  ＡｌＧａＮ歪調整層
５０  発光層
５１  井戸層
５２  障壁層
６０  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７０  ｎ側電極
７１  Ａｌ層
７２  Ｎｉ層
７３  Ｔｉ層
７４  Ａｕ層
８０  ｐ側電極
８１  Ｎｉ層
８２  Ａｇ層
８３  Ｔｉ層
８４  Ａｌ層
８５  Ｎｉ層
８６  Ｔｉ層
８７  Ａｕ層
９０  絶縁膜
【図１】
2015146069.tif 000004
【図２】
2015146069.tif 000005
【図３】
2015146069.tif 000006
【図４】
2015146069.tif 000007
【図５】
2015146069.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月5日(2016.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ面を積層面としたＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板に積層されたｎ型ＧａＮ層と、
前記ｎ型ＧａＮ層に積層されたＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層に積層され、前記ＡｌＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい窒化ガリウム系半導体により形成された井戸層および障壁層による多重量子井戸構造を有する発光層と、
前記発光層に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えた発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮ層は、層厚が２ｎｍ〜１０ｎｍに形成されている請求項１記載の発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記ｎ型ＧａＮ層よりａ軸方向の格子定数が大きい半導体層により形成されている請求項１または２記載の発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記発光層は、前記ＡｌＧａＮ層に積層された半導体層が、前記井戸層により形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成比が１％〜５％である請求項１から４のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記井戸層および前記障壁層は、ＩｎＧａＮにより形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＮによる前記井戸層は、総層厚が６ｎｍ〜３６ｎｍである請求項６に記載の発光ダイオード素子。
【請求項８】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層から前記ｎ型ＧａＮ層に流れる最大注入電流が２０００ｍＡまでの電流の範囲において、３５０ｍＡと比較した発光波長のセンター値のシフト量が１ｎｍ以下である請求項１から７のいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
【国際調査報告】
2015146069.tif 000009
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