(57)【要約】【課題】ＧａＮ系半導体装置において、発光効率を向上させる。【解決手段】基板１０上に順次ｎ−ＳＬＳ層２０、活性層２２、ｐ−ブロック層２４、ｐ−ＳＬＳ層２６を積層する。活性層２２としてＡｌＧａＮバリア層／ＩｎＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮバリア層を用い、バリア層のＡｌ組成の差を３％以下にしてバリアを対称とする。また、バリア層のＡｌ組成を５％以上、好ましくは１０％以上とする。バリアを対称とすることで低注入電流時の発光効率を向上させ、Ａｌ組成を所定値以上とすることで高注入電流時の発光効率を向上させる。【選択図】        図１
2004186509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、
前記窒化ガリウム系活性層は、
第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層と、
前記第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層上に形成されたＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層と、
前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層上に形成された第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層と、
を有し、
前記組成比ｘと組成比ｚの差｜ｘ−ｚ｜は３％以下に設定され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、
前記組成比ｘは５％≦ｘ≦２５％の範囲であり、組成比ｙは０％＜ｙ≦１５％の範囲であり、組成比ｚは５％≦ｚ≦２５％の範囲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３】
請求項１記載の装置において、
前記組成比ｘは１０％≦ｘ≦１５％の範囲であり、組成比ｙは０％＜ｙ≦１５％の範囲であり、組成比ｚは１０％≦ｚ≦１５％の範囲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４】
請求項１記載の装置において、
前記第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層の厚さｔ１は５ｎｍ≦ｔ１≦２０ｎｍの範囲であり、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層の厚さｔ２は１ｎｍ≦ｔ２≦２．５ｎｍの範囲であり、前記第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層の厚さｔ３は５ｎｍ≦ｔ３≦２０ｎｍの範囲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５】
請求項１記載の装置において、さらに、
前記第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層下に形成されたｎ型ＳＬＳ層
を有し、前記ｎ型ＳＬＳ層はＡｌαＧａ１−αＮ層とＧａＮ層とを交互に積層して構成され、組成比αは５％≦α≦３０％の範囲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６】
請求項１、５のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層上に形成されたｐ型ＳＬＳ層
を有し、前記ｐ型ＳＬＳ層はＡｌβＧａ１−βＮ層とＧａＮ層とを交互に積層して構成され、組成比βは５％≦β≦３０％の範囲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６記載の装置において、さらに、
前記第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層と前記ｐ型ＳＬＳ層の間に形成されたｐ型ＡｌγＧａ１−γＮブロック層
を有し、組成比γはｚ＋５％≦γの範囲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６記載の装置において、さらに、
前記第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層と前記ｐ型ＳＬＳ層の間に形成されたｐ型ＡｌγＧａ１−γＮブロック層
を有し、組成比γは１０％≦γ≦３０％の範囲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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体装置に関し、特に発光効率の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２８９５９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００７】
本発明の目的は、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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に窒化ガリウム系活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、前記窒化ガリウム系活性層は、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層と、前記第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層上に形成されたＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層と、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層上に形成された第２のＡｌｚＧａ１−ｚＮバリア層とを有し、前記組成比ｘと組成比ｚの差、すなわち｜ｘ−ｚ｜は３％以下に設定される。井戸層を挟むバリア層のＡｌ組成比の差を３％以下、言い換えれば、井戸層を挟むバリア層のＡｌ組成比を実質的に同一とすることで、井戸層中の歪みを緩和して発光効率を向上させる。
【０００９】
具体的には、第１バリア層の組成比ｘは５％≦ｘ≦２５％の範囲であり、井戸層の組成比ｙは０％＜ｙ≦１５％の範囲であり、第２バリア層の組成比ｚは５％≦ｚ≦２５％の範囲とすることが好適である。第１バリア層と第２バリア層のＡｌ組成比の差は３％以内に維持される。井戸層の組成比は発光波長から規定される。第１バリア層及び第２バリア層の組成比は井戸層よりもバンドギャップが大きくなるように規定され、かつ、その下限はキャリア閉じ込め効果から規定され、その上限は結晶性等から規定される。より限定的には、第１バリア層の組成比ｘは１０％≦ｘ≦１５％の範囲であり、井戸層の組成比ｙは０％＜ｙ≦１５％の範囲であり、第２バリア層の組成比ｚは１０％≦ｚ≦１５％の範囲とすることが好適である。
【００１０】
活性層の各層の厚さについては、例えば第１バリア層の厚さｔ１は５ｎｍ≦ｔ１≦２０ｎｍの範囲であり、井戸層の厚さｔ２は１ｎｍ≦ｔ２≦２．５ｎｍの範囲であり、第２バリア層の厚さｔ３は５ｎｍ≦ｔ３≦２０ｎｍの範囲とすることが好適である。
【００１１】
本発明の半導体装置において、さらに第１バリア層下にｎ型ＳＬＳ層を有し、前記ｎ型ＳＬＳ層はＡｌαＧａ１−αＮ層とＧａＮ層とを交互に積層して構成され、組成比αは５％≦α≦３０％の範囲とすることができる。ｎ型ＳＬＳ層はクラッド層として機能し、キャリアを活性層に注入して閉じ込める。ｎ型ＳＬＳ層のバンドギャップは活性層のバンドギャップより大きくなるように設定される。
【００１２】
本発明の半導体装置において、さらに第２バリア層上にｐ型ＳＬＳ層を有し、前記ｐ型ＳＬＳ層はＡｌβＧａ１−βＮ層とＧａＮ層とを交互に積層して構成され、組成比βは５％≦β≦３０％の範囲とすることができる。ｐ型ＳＬＳ層もクラッド層として機能し、キャリアを活性層に注入して閉じ込める。ｐ型ＳＬＳ層のバンドギャップは活性層にバンドギャップより大きくなるように設定される。
【００１３】
本発明の半導体装置において、さらに第２バリア層と前記ｐ型ＳＬＳ層の間にｐ型ＡｌγＧａ１−γＮブロック層を有し、組成比γはｚ＋５％≦γの範囲とすることができる。ｐ型ブロック層は電子がｐ型層中に注入されて再結合することを抑制して発光効率の低下を抑制する。ｐ型ブロック層は、活性層のうちｐ型ブロック層と接する第２バリア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するように設定され、具体的には第２バリア層のＡｌ組成比よりも５％程度大きいＡｌ組成を有することでその機能が達成される。ｐ型ブロック層のＡｌ組成は第２バリア層のＡｌ組成に応じて設定され、一般的には１０％≦γ≦３０％の範囲に設定される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
＜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。
【００１６】
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（ＴＭＧ）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（ＴＭＧ）及びアンモニアガスを流してアンドープＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層１６を２μｍ形成する。さらに、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）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ドープの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ドープのｎ−ＧａＮ層１８内のキャリア密度はおよそ５×１０１８ｃｍ−３である。
【００１７】
次に、基板１０の温度を１０７５℃のまま維持してＳｉドープのｎ−ＡｌαＧａ１−ａＮ（２．５ｎｍ）／Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ（２．５ｎｍ）を交互に５０ペア形成してｎ−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（ＴＭＧ）及びアンモニアガスに加えてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）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）。ｎ−ＳＬＳ層２０はクラッド層として機能する。
【００１８】
その後、基板温度を８００℃程度まで下げて、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ／アンドープＡｌｚＧａ１−ｚＮを積層してＳＱＷ（単層量子井戸）活性層（発光層）２２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る。アンドープＩｎｙＧａ１−ｙＮが井戸層として機能し、この井戸層を挟むアンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｚＧａ１−ｚＮがそれぞれｎ型バリア層及びｐ型バリア層として機能する。
【００１９】
ＳＱＷ活性層２２形成後、温度を９７５℃まで上昇させて１２ｎｍ厚のＭｇドープのｐ−ＡｌγＧａ１−γＮブロック層２４を形成する。このｐ−ブロック層２４は、電子がｐ型層中に注入されて再結合することにより発光効率が低下することを確実に抑制するための層である。
【００２０】
ｐ−ブロック層２４を形成した後、Ｍｇドープのｐ−ＡｌβＧａ１−βＮ（２．５ｎｍ）／Ｍｇドープのｐ−ＧａＮ（２．５ｎｍ）を交互に２０ペア形成してｐ−ＳＬＳ層２６を形成し、さらに、ｐ−ＧａＮ層２８を３０ｎｍだけ形成する。ｐ−ＳＬＳ層２６もクラッド層として機能する。
【００２１】
以上の構成を要約すると、活性層２２をｎ型クラッド層２０とｐ型クラッド層２６で挟んだｐｎ接合構造であり、活性層２２はＩｎＧａＮ井戸層をＡｌＧａＮ層で挟んだ量子井戸構造である。
【００２２】
以上のようにしてＬＥＤウエハを作成した後、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型透明電極３０とする。ｐ型透明電極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（３０ｎｍ）、Ａｌ（３００ｎｍ）を蒸着して窒素ガス中４５０℃で３０分間熱処理してｎ型電極３２を形成する。
【００２３】
その後、図示していないが、ｐ型電極３０及びｎ型電極３２の一部にワイヤボンディング用の厚さ５００ｎｍの金パッドを形成し、基板裏面を１００μｍまで研磨してスクライブによりチップを切り出し、マウントしてＬＥＤデバイスが作製される。
【００２４】
活性層２２における各層のＡｌ組成比（ｘ、ｙ、ｚ）、膜厚、ｎ−ＳＬＳ層２０におけるＡｌ組成比α、ｐ−ＳＬＳ層２６におけるＡｌ組成比β、ｐ−ブロック層２４におけるＡｌ組成比γを種々変化させてチップを作製し、作製したチップを積分球の中に入れ、電流を注入してチップから射出した全光出力及び発光波長を測定した。その結果、発光ピーク波長が４００ｎｍ以下、特に３４０ｎｍ〜３８０ｎｍ帯の場合には、以下の表１に示される組成比及び膜厚のときに１ｍＷ以上の光出力が得られることを見いだした。
【００２５】
【表１】
2004186509.tif 000003
【００２６】
図２には、図１において活性層２２のみを抜き出した構成が示されている。活性層２２は、既述したようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｎ側バリア層２２ａ）、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（井戸層２２ｂ）、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（ｐ側バリア層２２ｃ）から構成されており、表１に示すように組成比ｘ、ｙ、ｚは、
５％≦ｘ≦２５％
０％＜ｙ≦１５％
５％≦ｚ≦２５％          ・・・・（１）
を満たす場合に１ｍＷ以上の発光出力が得られる。井戸層２２ｂを挟むバリア層２２ａ、２２ｃに関しては、その組成比ｘとｚは実質的に等しいことが好適であり、具体的には
｜ｘ−ｚ｜≦３％            ・・・・（２）
であることが望ましい。
【００２７】
表２には、井戸層２２ｂのＡｌ組成比ｙを固定し、ｎ側バリア層２２ａ及びｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成比ｘ、ｚを変化させたときの発光強度が示されている。
【００２８】
【表２】
2004186509.tif 000004
【００２９】
表２において、サンプル（ａ）はｎ側バリア層２２ａ及びｐ側バリア層２２ｃがともに７％と対称の場合、サンプル（ｂ）はｎ側バリア層２２ａが７％、ｐ側バリア層２２ｃが１２％と非対称な場合、サンプル（ｃ）はｎ側バリア層２２ａ及びｐ側バリア層２２ｃがともに１２％と対称な場合である。光出力は、２０ｍＡ及び１００ｍＡを注入したときのサンプル（ｃ）の光出力を基準値１とする相対値である。また、図３には、注入電流を変化させたときのサンプル（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の光出力が示されており、図４にはサンプルの発光スペクトルが示されている。各サンプルの発光波長は、ウエハ面内で多少のばらつきはあるものの３７０ｎｍ±５ｎｍの範囲内である。
【００３０】
表２及び図３から分かるように、ｎ側バリア層２２ａ及びｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成比を変化させることで発光出力は大きく変化する。そして、ｎ側バリア層２２ａとｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成比ｘ、ｚをほぼ同一とし、これらの組成比をある値以上に設定することが有効である。
【００３１】
すなわち、サンプル（ａ）とサンプル（ｂ）とを比較すると、サンプル（ａ）はサンプル（ｂ）よりもｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成比が小さいにもかかわらず、注入電流が小さい場合に高い光出力が得られる。一般に、Ａｌ組成比を大きくするとバンドギャップが増大してキャリアの閉じ込め効果が増大すると考えられるが、本実施形態の結果はこの考えでは説明できない。一方、Ａｌ組成比がサンプル（ａ）より大きいサンプル（ｃ）では光出力が増大していることから、Ａｌ組成比の増大による結晶の劣化が原因とは考えられない。したがって、表２及び図３の結果は、結晶歪みによるものと考えられる。バリア層の材料であるＡｌＧａＮと井戸層の材料であるＩｎＧａＮは格子定数が異なるためこれらのヘテロ接合をＧａＮ層の上に形成すると両者に結晶歪みが生じる。特に、これらの層が薄い場合には結晶は弾性的に歪むため転位は生じない。また、ｃ軸が基板面に対して垂直となるように結晶成長されたＡｌＧａＮとＩｎＧａＮに面内歪みが加わった場合、これらの材料が有する圧電性により基板面に垂直に電界が発生する。この垂直電界は活性層２２のバンド構造に傾きを形成し、活性層２２に注入された電子・正孔対を分離させて発光効率を低下させる。
【００３２】
図５及び図６には、活性層２２のバンド図が示されている。図５はサンプル（ａ）、（ｃ）のようにＡｌ組成比がｎ側バリア層２２ａとｐ側バリア層２２ｃで対称（実質的に同一）の場合のバンド図であり、図６はサンプル（ｂ）のようにＡｌ組成比がｎ側バリア層２２ａとｐ側バリア層２２ｃで非対称（実質的に非同一）の場合のバンド図である。また、両図において、（Ａ）は伝導帯の予想バンド図、（Ｂ）は価電子帯のバンド図である。
【００３３】
図６に示される様に、非対称バリアに挟まれたＩｎＧａＮ井戸層２２ｂの中には図５で示される対称バリアの場合よりも大きな歪みがかかり、その結果、より大きな電界が印加されて電子・正孔対を空間的に分離し発光効率の低下を招く。電流を増加させると井戸層２２ｂの中に注入されたキャリア密度が増加し、その電荷により歪み電界が打ち消される（クーロンスクリーニング効果）。従って、サンプル（ｂ）のように非対称構造の場合、電流を増加させると発光効率が急激に増大し、５０ｍＡを超えるとｐ側バリア層２２ｃのより高いキャリア閉じ込め効果により発光効率はサンプル（ａ）を上回るようになると考えられる。一方、サンプル（ｃ）においては対称バリアと高い閉じ込め効果により発光効率はサンプル（ａ）、（ｂ）よりも大きくなる。
【００３４】
このように、ｎ側バリア層２２ａとｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成を実質的に同一として対称バリアを形成することで井戸層２２ｂ中の歪みを抑制し、低注入電流時の発光効率を向上させることができる。また、ｎ側バリア層２２ａ及びｐ側バリア層２２ｃのＡｌ組成比は高注入電流時のキャリア閉じ込め効果に影響を与え、Ａｌ組成比が小さすぎると高注入電流時の発光効率が低下してしまう。以上より、（１）の条件と（２）の条件が発光効率向上に有効であることがわかる。
【００３５】
活性層２２のより好ましい組成比を示すと以下のようになる。
【００３６】
１０％≦ｘ≦１５％
０％＜ｙ≦１５％
１０％≦ｚ≦１５％                    ・・・・（３）
ｘ及びｙの下限は高注入電流時のキャリア閉じ込め効果を考慮したものであり、上限は結晶劣化を考慮したものである。
【００３７】
なお、活性層２２の各層の膜厚に関しては、表１に示されるように、ｎ側バリア層２２ａは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、井戸層２２ｂは１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下、ｐ側バリア層２２ｃは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であれば所望の発光出力が得られることを確認している。
【００３８】
また、ｎ−ＳＬＳ層２０及びｐ−ＳＬＳ層２６に関しては、活性層２２よりもバンドギャップが大きく活性層２２にキャリアを注入するクラッド層として機能することからＡｌ組成比が決定される。活性層２２が上記の（１）、（２）の条件を満たす場合、ｎ−ＳＬＳ層２０及びｐ−ＳＬＳ層２６が満たすべき条件は以下の通りである。
【００３９】
５％≦α≦３０％
５％≦β≦３０％                    ・・・・（４）
また、ｐ−ブロック層２４に関しては、電子がｐ型層中に注入されて再結合することにより発光効率が低下することを抑制するため、活性層２２の井戸層２２ｂ及びｐ側バリア層２２ｃよりもバンドギャップが大きくなるように設定される。すなわち、ｐ−ブロック層２４が満たすべき条件は
ｚ＋５％≦γ                        ・・・・（５）
であり、具体的に示すと
１０％≦γ≦３０％                  ・・・・（６）
である。
【００４０】
本実施形態において、最良と考えられる組成比を示すと以下の通りである。
【００４１】
ｎ−ＳＬＳ層２０：
ｎ−Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ／ｎ−ＧａＮ
活性層（発光層）２２：
Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ／Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ
ｐ−ブロック層２４：
Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ
ｐ−ＳＬＳ層２６
ｐ−Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ／ｐ−ＧａＮ
もちろん、これらの組成は例示であり、当業者であれば上記の範囲内において任意の組成を選択することが可能である。また、本実施形態では、基本的にｎ型クラッド層２０／活性層２２／ｐ型ブロック層２４／ｐ型クラッド層２６の構成であるが、例えばｐ型ブロック層２４を省く、あるいは活性層２２とクラッド層との間にさらに機能層を追加することも可能であり、これらはいずれも本発明の変形例である。
【００４２】
本実施形態では、活性層２２として井戸層２２ｂをバリア層２２ａ、２２ｃで挟んだＳＱＷ構造を用いているが、ｎ側バリア層２２ａ／井戸層２２ｂ／ｐ側バリア層２２ｃの構成を複数周期積層したＭＱＷ（多層量子井戸）構造を用いることも可能である。ＭＱＷを用いた場合にも、井戸層を挟むバリア層のＡｌ組成比の差を３％以下に抑えることで、特に低注入電流における発光効率を向上させることができる。
【００４３】
このように、本実施形態におけるＬＥＤ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ＬＥＤあるいは発光素子を光源として用いるいくつかの装置例を示す。
【００４４】
＜第２実施形態＞
市販のブラックペン（蛍光ペン）（シンロイヒ製）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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
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。
【００５０】
＜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。
【００５１】
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。
【００５２】
＜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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
＜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。
【００５７】
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。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波長４００ｎｍ以下、特に３４０ｎｍ〜３８０ｎｍ帯における発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のＬＥＤの構成図である。
【図２】図１における活性層の構成図である。
【図３】各サンプルの注入電流と光出力（相対値）との関係を示すグラフ図である。
【図４】各サンプルの発光スペクトル説明図である。
【図５】対称バリアのバンド図である。
【図６】非対称バリアのバンド図である。
【符号の説明】
１０  基板  １２  ＳｉＮ膜、１４  ＧａＮ層、１６  ｕ−ＧａＮ層、１８  ｎ−ＧａＮ層、２０  ｎ−ＳＬＳ層、２２  活性層、２４  ｐ−ブロック層、２６  ｐ−ＳＬＳ層、２８  ｐ−ＧａＮ層、３０  ｐ型電極、３２  ｎ型電極。
【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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