(57)【要約】【課題】高輝度の青色から緑色の発光を得ると共に３族窒化物半導体だけで、各種の色の発光を得るようにすること。【解決手段】発光ダイオード５００はサファイア基板１、バッファ層２、高キャリア濃度ｎ+ 層３、SiドープのAl0.3Ga0.7N から成るｎ層４、発光層５、MgドープのAl0.3Ga0.7N から成るｐ層６１、MgドープのGaN から成るコンタクト層６２、Niから成る電極７、電極８で構成されている。発光層５は、膜厚約100 ÅのAl0.25Ga0.75N から成る６層のバリア層５１と膜厚約100 ÅのAl0.2Ga0.8N から成る５層の井戸層５２とが交互に積層された多重量子井戸構造である。井戸層５２には、亜鉛とシリコンが、それぞれ、5 ×1018/cm3の濃度に添加されている。このような紫外線を発光する発光層５と、発光層５の放射する紫外線を受光して、電極７の上に可視光に変換する蛍光体層２０８とを設けた。【選択図】  図１１
2004260219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層に３族窒化物半導体を用いた発光素子において、
紫外線を発光するAlGaN から成る層を有する発光層と、
前記発光層の放射する前記紫外線を受光して、可視光に変換する蛍光体層とを設けたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光層は、組成比の異なるAlGaN から多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体層は、蛍光体の混合体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光色を任意に設定できる３族窒化物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色発光の得られるInGaN を用いた半導体発光素子が知られている。さらに、この発光素子でより長波長の緑色発光を得るために、発光層の禁制帯幅を狭くするためにInの組成比を大きくすることが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、Inの組成比を大きくすると、発光層の結晶性が悪化し発光効率が低下する。従って、発光波長を長くするに連れて発光輝度が低くなり、未だ、高輝度の青色から緑色の発光が得られていない。
又、各種の発光色を得る場合には、その発光色の波長に相当した禁制帯幅の半導体材料が用いられていた。
【０００４】
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、その目的は、高輝度の青色から緑色の発光を得ると共に、３族窒化物半導体だけで、各種の色の発光を得るようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、発光層に３族窒化物半導体を用いた発光素子において、紫外線を発光するAlGaN から成る層を有する発光層と、発光層の放射する紫外線を受光して、可視光に変換する蛍光体層とを設けたことを特徴とした発光素子である。
【０００６】
請求項２の発明は、発光層は、組成比の異なるAlGaN から多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子である。
請求項３の発明は、蛍光体層は、蛍光体の混合体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子である。
【０００７】
以上の構成において、以下の構成を採用しても良い。
発光層のAlのモル組成比は１５％以上とし、井戸層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望ましい。５０Å以下だと不純物拡散が起こり、２００Å以上だと量子効果が発生しなくなるので望ましくない。又、バリア層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望ましい。５０Å以下だと井戸層にキャリアを閉じ込める効率が下がるため望ましくなく、２００Å以上だと量子効果が発生しなくなるので望ましくない。２００Å以上だとノンドープの場合には抵抗が大きくなり、又、ドープした場合には転位によるクラックが入るので望ましくない。
【０００８】
ｎ層とｐ層との間に発光層が設けられ、ｎ層は発光層と格子定数が略等しくなるように、ｎ層の組成Alx3GaY3In1-X3-Y3Nの組成比X3,Y3 が決定され、ｐ層は発光層に対してｎ層から注入された電子を十分に閉じ込めれるだけ、禁制帯幅が大きくなるように、ｐ層の組成Alx4GaY4In1-X4-Y4Nの組成比X4,Y4 が決定されるのが望ましい。このようにｎ層を決定する場合には、ｎ層と発光層との格子定数の相違によるミスフィットが少なく、発光層の結晶性を向上させることができる。
【０００９】
ｎ層と発光層との接合による障壁は、ｐ層から発光層に注入された正孔を閉じ込める作用をする。ところが、正孔の拡散長は数1000Åであるので、発光層の厚さをその拡散長よりも厚く構成した場合には、ｎ層と発光層との接合による障壁は、正孔の発光層内での閉じ込めに有効に寄与しない。したがって、ｎ層と発光層間の障壁は小さくても良いので、ｎ層は発光層に対して格子定数が略等しくなるように、Alx3GaY3In1-X3-Y3Nの組成比X3,Y3 を決定することで、ｎ層と発光層との間の格子不整合を極力小さくすることができ、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この結果、紫外線の発光効率が向上する。
【００１０】
又、上記の発光ダイオードはサファイア基板上に、バッファ層を形成し、その上にｎ層に対する電流のリードとして機能する高濃度にシリコンが添加されたGaN から成るｎ+ 層を形成することもできる。この場合には、ｎ層をGaN で構成することで、ｎ+ 層とｎ層との格子定数は完全に一致し、ミスフィット転位は発生しない。よって、発光層の結晶性がより向上する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、蛍光体は可視光よりも短い波長の紫外線により励起されるため、蛍光体の材質や種類を変化させるだけで、各種の色の可視光を得る、又は、発光色を変化させることができる。特に、発光層にInGaN よりも結晶性の良いAlGaN を用い、発光層を量子井戸構造の歪超格子とすることで、格子定数のミスフィットの伝搬を防止して井戸層の結晶性を向上させ、これにより発光効率を向上させることができた。
【００１２】
請求項２、３の発明も、蛍光体層の蛍光体の種類を変化させるだけで、発光色を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
紫外線を発光する発光ダイオードの構造について説明する。
図１において、発光ダイオード１０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500 ÅのAlN のバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約2.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約1.0 μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのAl0.3Ga0.7N から成るｎ層４、全膜厚約0.11μｍの発光層５、膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×1017/cm3、濃度1 ×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.3Ga0.7N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度 7×1017/cm3、マグネシウム濃度 2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaN から成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にコンタクト層６２に接合するNiから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+ 層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiから成る電極８が形成されている。
【００１４】
発光層５の詳細な構成は、図２に示すように、膜厚約100 ÅのAl0.25Ga0.75N から成る６層のバリア層５１と膜厚約100 ÅのAl0.2Ga0.8N から成る５層の井戸層５２とが交互に積層された多重量子井戸構造で、全膜厚約0.11μｍである。又、井戸層５２には、亜鉛とシリコンが、それぞれ、5 ×1018/cm3の濃度に添加されている。
【００１５】
次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０は、有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3 とキャリアガスH2又はＮ2 とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)とジエチル亜鉛( 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。
【００１６】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100 〜400 μｍの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/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１７】
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／分で供給してAlN のバッファ層２が約 500Åの厚さに形成された。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ル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを200ml/分で３０分供給して、膜厚約2.2 μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１８】
次に、サファイア基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1 μｍ、濃度1 ×1018/cm3のシリコンドープのAl0.3Ga0.7N から成るｎ層４を形成した。
【００１９】
その後、サファイア基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1×10-5モル／分、TMA を0.39×10-4モル／分で３分間導入してAl0.25Ga0.75N から成る厚さ１００Åのバリア層５１を形成した。次に、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1×10-5モル／分、TMA を0.31×10-4モル／分で、且つ、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9mol/分、DEZ を 2×10-4モル／分で、３分間導入してAl0.2Ga0.8N から成る厚さ１００Åのシリコンと亜鉛が、それぞれ、 5×1018/cm3の濃度に添加された井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バリア層５１と井戸層５２とを交互に５層だけ積層たし多重量子井戸構造で、全体の厚さ0.11μｍの発光層５を形成した。
【００２０】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を 10liter／分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.3Ga0.7N から成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は1 ×1020/cm3である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２１】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を 10liter／分、TMG を1.12×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-4モル／分の割合で 4分間導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は 2×1020/cm3である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２２】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。次に、このウエハを、４５０℃で４５分間、熱処理した。この熱処理により、コンタクト層６２、ｐ層６１は、それぞれ、ホール濃度 7×1017/cm3， 5×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm，0.8 Ωcm  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。
【００２３】
次に、図３に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極形成部位Ａ' のフォトレジスト１０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００２４】
次に、フォトレジスト１０及びSiO2層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の割合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、図５に示すように、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。
【００２５】
次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００２６】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 380nm、発光強度２mWであった。この発光効率は３％であり、従来の構成のものに比べて１０倍に向上した。
【００２７】
上記の実施例では、発光層５のバリア層５１のバンドギャップが両側に存在するｐ層６１とｎ層４のバンドギャップよりも小さくなるようなダブルヘテロ接合に形成されている。
上記実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても良い。さらに、ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、電子線照射によってｐ型化しても良い。
【００２８】
上記の発光ダイオード１０は、各井戸層５２に亜鉛とシリコンとを同時に添加しているが、各井戸層５２と各バリア層５１共に亜鉛等のアクセプタ不純物とシリコン等のドナー不純物とを添加しても良い。又、図６に示すように、発光ダイオード１００の発光層５は、複数の井戸層５２０に、順に交互に、シリコンと亜鉛を添加しても良い。
この構造において、アクセプタ準位とドナー準位による対発光が可能となり、紫外線の発光効率が向上する。
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 380nm、発光強度５mWであった。この発光効率は７％であり、従来の構成のものに比べて２５倍に向上した。
【００２９】
又、図７に示すように、発光ダイオード２００は、全ての井戸層５２１に亜鉛を添加し、全てのバリア層５１１にシリコンを添加したものでも良い。
この構造において、アクセプタ準位とドナー準位による対発光が可能となり、紫外線の発光効率が向上する。
尚、逆に、全ての井戸層５２１にシリコンを添加し、全てのバリア層５１１に亜鉛を添加するようにしても良い。
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 370nm、発光強度５mWであった。この発光効率は７％であり、従来の構成のものに比べて２５倍に向上した。
【００３０】
さらに、上記の全ての発光ダイオードは、バリア層５１、５１０、５１１にはマグネシウムが添加されていないが、マグネシウムを添加した後の、熱処理、又は、電子線照射処理によりｐ型化しても良い。
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 380nm、発光強度１０mWであった。この発光効率は１５％であり、従来の構成のものに比べて５０倍に向上した。
【００３１】
さらに、発光ダイオード３００を図８に示すような構成としても良い。即ち、発光ダイオード３００を膜厚約5.0 μｍ、濃度 5×1018/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３０、膜厚約0.5 μｍ、濃度 5×1017/cm3のシリコンドープのGaN から成るｎ層４０、全膜厚約0.41μｍの発光層５０、膜厚約0.5 μｍ、ホール濃度5 ×1017/cm3、濃度 5×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92N から成るｐ層６１０、膜厚約1 μｍ、ホール濃度 7×1018/cm3、マグネシウム濃度 5×1021/cm3のマグネシウムドープのGaN から成るコンタクト層６２０で構成しても良い。
【００３２】
但し、発光層５０の詳細な構成は、膜厚約100 ÅのGaN から成る２１層のバリア層５１２と膜厚約100 ÅのIn0.07Ga0.93N から成る２０層の井戸層５２２とが交互に積層された多重量子井戸構造で、全膜厚約0.41μｍである。又、井戸層５２２には、シリコンが5 ×1018/cm3の濃度に添加されている。
【００３３】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長３８０nm、発光強度２ｍＷであった。この発光効率は３％であり、従来の構成のものに比べて１０倍に向上した。
【００３４】
尚、発光層５０の井戸層５２２にIn0.07Ga0.93N を用いたが、Al0.03Ga0.89In0.08N 等の４元系の３族窒化物半導体を用いてもよい。又、バリア層５１２にGaN を用いたが、井戸層５２２の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するAlx2GaY2In1-X2-Y2N 半導体を用いても良い。又、発光層５０の多重量子井戸の繰り返し層数は１〜２０程度を用いることができる。さらに、バリア層５１２と井戸層５２２は略格子定数を一致させるように組成比を選択するのが良い。
【００３５】
又、上記の全ての発光ダイオードの発光層は多重量子井戸構造としたが、他の発光ダイオード４００として、図９に示すように、発光層５０１を、膜厚約0.5 μｍのIn0.07Ga0.93N で構成しても良い。この場合の発光ダイオードは、駆動電流20mAで、発光ピーク波長380 nm、発光強度１mWであった。この発光効率は1.5%であり、従来の構成のものに比べて５倍に向上した。この発光層５０１は不純物を添加していないが、シリコン等のドナー不純物や亜鉛等のアクセプタ不純物を添加しても良い。発光層５０１は厚さ0.5 μｍにしているので、正孔の拡散長よりも厚くなり、ｎ層４０と発光層５０１との間の障壁が小さくても、発光効率を低下させることはない。
【００３６】
又、図８と図９に示す発光ダイオードは、ｎ+ 層３０とｎ層４０とは共にGaN であるので、これらの層間での格子不整合は存在しない。よって、この格子不整合によるミスフィット転位が発光層５０、５０１に発生することはない。又、GaN とIn0.07Ga0.93N との間の格子不整合は小さく、ｎ層４０と発光層５０との格子不整合に伴う発光層５０、５０１のミスフィット転位は少ない。よって、発光層の結晶性が良くなった。
【００３７】
上記実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても良い。さらに、ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、電子線照射によってｐ型化しても良い。発光ダイオードの例を示したが、レーザダイオードであっても同様に構成可能である。
【００３８】
このようにして形成された発光ダイオード１０、１００、２００、３００、４００は、図１０に示すように（図では発光ダイオードは代表して１０で示されている）、リード２０１の上部の平坦部２０３に取り付けられ、電極８とリード２０１がワイヤ２０４で接続され、電極７とリード２０２がワイヤ２０５で接続された後、レンズ２０６を形成するために樹脂成形される。このレンズ２０６の上面に蛍光塗料が塗布されて、蛍光体層２０７が形成されている。蛍光体層２０７には蛍光顔料、蛍光染料、その他の蛍光物質を用いることができる。この蛍光体層２０７を任意の色、例えば、赤、緑、青とすれば、発光ダイオードの材質や構造を変化させることなく、蛍光体層２０７の物質だけ変化させることで、任意の発光色を得ることができる。蛍光体としては、Zn0.2Cd0.8S:Ag、Zn0.6Cd0.4S:Ag、(Sr,Ca)10(PO4)6CL2:Eu 等を用いることができる。又、緑色発光の蛍光体としてZnS:Cu,Al 蛍光体とY2Al5O12:Tb 蛍光体との混合体、赤色発光の蛍光体としてY2O3:Eu 蛍光体とY2O3S:Eu蛍光体との混合体、青色発光の蛍光体としてZnS:Ag,Al 蛍光体を用いることもできる。
【００３９】
又、図１１に示すように、発光ダイオード５００の最上層である電極７の上に蛍光体層２０８を形成しても良い。さらに、図１２に示すように、フリップチップ型の発光ダイオード６００の場合には、サファイア基板１の発光層５が形成されていない側の面１ａ上に蛍光体層２０９を形成しても良い。さらに、図１３に示すように、発光ダイオード７００の側面に発光層７０１からの紫外線を入射する蛍光体層２１０を形成して良い。
【００４０】
原出願には、紫外線を発光する発光層と、発光層の放射する前記紫外線を受光して、可視光に変換する蛍光体層とを有する発光素子において、以下の特徴を有する発光素子も開示されている。
（１）蛍光体層は光を外部に放射するためのレンズ体に形成されていることを特徴とする発光素子。
（２）発光層に給電するための電極層を有し、前記蛍光体層はその電極層上に形成されていることを特徴とする発光素子。
（３）発光層を形成するためのサファイア基板を有し、前記蛍光体層はそのサファイア基板の前記発光層の形成側とは反対側の面に形成されていることを特徴とする発光素子。
（４）蛍光体層は、前記発光層の側面に形成されていることを特徴とする発光素子。
（５）発光層は、Alx1GaY1In1-X1-Y1Nから成る井戸層とこの井戸層よりも禁制帯幅の広いAlx2GaY2In1-X2-Y2N から成るバリア層とを少なくとも１層以上交互に積層させた量子井戸で構成されたことを特徴とする発光素子。
（６）前記バリア層はGaN から成ることを特徴とする（５）に記載の発光素子。
（７）前記井戸層と前記バリア層は格子定数が一致していることを特徴とする請求項（５）に記載の発光素子。
（８）前記井戸層はGaY1In1-Y1N (0.92≦Y1≦1)で構成されていることを特徴とする（５）記載の発光素子。
（９）前記発光層は、ｐ伝導型のｐ層とｎ伝導型のｎ層とで挟まれ、前記ｎ層を、前記発光層と格子定数が略等しくなるドナー不純物が添加されたAlx3GaY3In1-X3-Y3N 半導体で構成し、
前記ｐ層を、前記発光層に注入された電子を閉じ込めるのに十分なだけ、前記発光層よりも禁制帯幅が大きいアクセプタ不純物が添加されたAlx4GaY4In1-X4-Y4N半導体で構成したことを特徴とする発光素子。
（１０）前記発光層はGaY5In1-Y5N (0.92≦Y5≦1)で構成され、前記ｎ層はドナー不純物が添加されたGaNで構成されていることを特徴とする（９）に記載の発光素子。
（１１）前記発光層は、正孔の拡散長よりも厚く構成したことを特徴とする（９）に記載の発光素子。
（１２）前記発光層にアクセプタ不純物とドナー不純物とを添加したことを特徴とする（５）に記載の発光素子。
（１３）前記発光層の隣接する井戸層に、前記アクセプタ不純物と前記ドナー不純物とが交互に添加されていることを特徴とする（５）に記載の発光素子。
（１４）前記発光層の前記井戸層には前記アクセプタ不純物が、前記発光層の前記バリア層には前記ドナー不純物が、逆に、前記井戸層には前記ドナー不純物が、前記バリア層には前記アクセプタ不純物が、それぞれ、添加されていることを特徴とする（５）に記載の発光素子。
【００４１】
発光層をAlGaInN の少なくとも１層以上積層させた量子井戸構造とし、発光層にドナー不純物又はアクセプタ不純物を添加した場合には、ドナー準位、又は、アクセプタ準位が形成されるため、発光に寄与する電子とホールの再結合確率が増大するため、再結合による発光効率が向上する。又、インジウムの組成比と不純物濃度は、希望する発光ピーク波長と発光強度との関係で決定される。特に、発光層にInGaN よりも結晶性の良いAlGaN を用い、発光層を量子井戸構造の歪超格子とすることで、格子定数のミスフィットの伝搬を防止して井戸層の結晶性を向上させ、これにより発光効率を向上させることができた。特に、結晶性の良い井戸層にアクセプタ不純物とドナー不純物とを共に添加して、アクセプタ準位とドナー準位とによる対発光により、紫外線の発光効率を大きく向上させることができた。尚、発光層のAlのモル組成比は１５％以上とすることが望ましい。バリア層の厚さは２００Å以上だとノンドープの場合には抵抗が大きくなり、又、ドープした場合には転位によるクラックが入るので望ましくない。又、発光層に添加するアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度は１×１０17／cm3 〜１×１０20／cm3 の範囲が望ましい。１×１０17／cm3 以下であると、発光中心不足により発光効率が低下し、１×１０20／cm3 以上となると、結晶性が悪くなり、又、オージェ効果が発生するので望ましくない。
ｎ層と発光層との接合による障壁は、ｐ層から発光層に注入された正孔を閉じ込める作用をする。ところが、正孔の拡散長は数1000Åであり、発光層はその拡散長よりも厚く構成されている。よって、ｎ層と発光層との接合による障壁は、正孔の発光層内での閉じ込めに有効に寄与しない。したがって、ｎ層と発光層間の障壁は小さくても良いので、ｎ層は発光層に対して格子定数が略等しくなるように、Alx3GaY3In1-X3-Y3Nの組成比X3,Y3 を決定することで、ｎ層と発光層との間の格子不整合を極力小さくすることができ、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この結果、紫外線の発光効率が向上する。
紫外線を発光するために、発光層をGaY5In1-Y5N(0.92≦Y5≦1)で構成した場合には、ｎ層をGaN とすることで、格子不整合を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の具体的な実施例にかかる発光素子に用いられ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製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】他の例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図７】他の例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図８】他の例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図９】他の例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図１０】発光ダイオードを有した発光素子の構成を示した構成図。
【図１１】発光素子の他の構成を示した構成図。
【図１２】発光素子の他の構成を示した構成図。
【図１３】発光素子の他の構成を示した構成図。
【符号の説明】
【００４３】
１０，１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００：発光ダイオード
１：サファイア基板
２：バッファ層
３，３０：高キャリア濃度ｎ+ 層
４，４０：ｎ層
５，５０，５０１，７０１：発光層
５１，５１０，５１１，５１２：バリア層
５２，５２０，５２１，５２２：井戸層
６１，６１０：ｐ層
６２，６２０：コンタクト層
７，８：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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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