(57)【要約】　【目的】　井戸層にＩｎを含む窒化物半導体発光素子の出力を向上させることを目的とする。　【構成】　本発明は、基板上に活性層を有する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は井戸層と障壁層を有すると共に、基板側から順に配置された井戸層と障壁層との間にさらに中間層を有し、前記井戸層はＩｎを含み、かつ前記中間層は前記障壁層とバンドギャップエネルギーが同じか、若しくはそれよりも大きいことを特徴とする。このように、井戸層と障壁層の間に中間層を設けることにより、障壁層の結晶性が良くなり、発光出力が向上するのである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層を有する窒化物半導体発光素子において、
　前記活性層は、井戸層と障壁層を有すると共に、基板側から順に配置された井戸層と障壁層との間にさらに中間層を有し、
　前記井戸層はＩｎを含み、かつ
　前記中間層は、前記障壁層とバンドギャップエネルギーが同じか、若しくはそれよりも大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等の発光素子及びその発光素子を用いたフルカラーディスプレイ、信号灯のような発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　窒化物半導体は青色ＬＥＤとして１９９３年末より実用化され、続いて緑色ＬＥＤとして９４年中旬に実用化され、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ系赤色ＬＥＤと共に、フルカラーディスプレイとして、既に各所に設置されている。現在の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤはＩｎＧａＮ井戸層１層の単一量子井戸構造、又はＩｎＧａＮ井戸層と、ＧａＮ若しくはＩｎＧａＮ障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなる活性層が、ｎ型とｐ型の窒化物半導体で挟まれたダブルへテロ構造を有する。ＬＥＤの発光波長は井戸層のＩｎ組成を増減することによって決定されている。
【０００３】
　窒化物半導体のようなワイドギャップ半導体では、その活性層の組成の一つであるＩｎ組成を変化させることにより、その発光領域が紫外〜赤色にまで変化することが知られている。異なるＩｎ組成を有する活性層を複数層形成して単一の発光素子で多色発光させる技術が、例えば特開平７−１８３５７６号公報に開示されている。また、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ３種類のＬＥＤ素子を用いたディスプレイ装置が既に各所で設置されている。このディスプレイ装置の青色成分と緑色成分は窒化物半導体から成る。
【０００４】
　また、ＬＥＤの他、我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　このようにＬＥＤでは既に窒化物半導体により、青色と緑色とが実用化されており、例えば２０ｍＡにおける青色ＬＥＤの出力は約５ｍＷ、緑色ＬＥＤでは約３ｍＷである。さらに窒化物半導体の場合、黄緑色、黄色、橙色と順に長波長になるに従って、出力が低下する傾向にある。これは井戸層のＩｎ組成を多くするに伴い井戸層の結晶性が悪くなるためである。
【０００６】
　例えば信号灯では黄色、若しくは黄橙が必要となるが、黄色を窒化物半導体で実現しようとすると、他の緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤの出力に比較して、やや出力が不十分である。またフルカラーディスプレイでは緑色ＬＥＤの出力が向上すればさらに低消費電力が実現できる。本発明のこのような事情を鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、井戸層にＩｎを含む窒化物半導体発光素子の出力を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本発明は、基板上に活性層を有する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は井戸層と障壁層を有すると共に、基板側から順に配置された井戸層と障壁層との間にさらに中間層を有し、前記井戸層はＩｎを含み、かつ前記中間層は前記障壁層とバンドギャップエネルギーが同じか、若しくはそれよりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
　井戸層はＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）で構成することが望ましく、その膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下最も好ましくは５０オングストローム以下にすると量子効果により、高出力な発光素子が得られる。またその他、３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮで構成することもできる。
【０００９】
　障壁層は井戸層よりも膜厚が厚いか、若しくはバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成し、好ましくはＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１、Y＜X）とする。障壁層の好ましい膜厚としては２００オングストローム以下、さらに好ましくは１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オングストローム以下にする。また障壁層を井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮとすることもできる。
【００１０】
　なお、Ｉｎを含む窒化物半導体より成る井戸層を有する活性層において、長波長にする、即ち井戸層のＩｎ組成を多くするに従って、井戸層数を多くする。これは、井戸層の結晶性に関係する。例えばＩｎＧａＮではＩｎ組成が多くなるに従って結晶性が悪くなり、発光素子の出力が低下する傾向にある。しかし、井戸層の上に井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい障壁層を積層すると、その障壁層により井戸層の結晶性が改善される。つまり、障壁層は井戸層よりもＩｎ量が少ないために結晶性がよく、その障壁層を積むことにより活性層全体の結晶性が良くなる。従ってＩｎ組成の大きい井戸層では、井戸層を多くして、同時に障壁層を多くすることにより、井戸層の少ないものに比較して発光出力が向上する。また井戸層のＩｎ組成を増加すると歪みが大きくなりピエゾ効果でも光らなくなる。このため井戸層を増やし、各井戸層に係る歪みを減少させて、ピエゾ効果を緩和することにより、さらに光らせるという作用もある。
【００１１】
　本発明では、さらに、井戸層と障壁層との間に、障壁層とバンドギャップエネルギーが同じか、若しくはそれよりも大きい中間層を挿入することにより、障壁層の結晶性が良くなり、発光出力が向上するのである。
【実施例１】
【００１２】
　図１は本実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００１３】
　１インチ角のＳｉドープＧａＮよりなる窒化物半導体基板１を用意する。この窒化物半導体基板１は、以下のようにして成長させたものである。
（窒化物半導体基板１）
　２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層を４μｍの膜厚で成長させる。
【００１４】
　下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を形成する。保護膜形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を５μｍ成長させ、ＳｉＯ2の表面を覆う。成長後、ウェーハをＭＯＶＰＥ装置からＨＶＰＥ装置に移送しＧａメタルと、アンモニア、ＨＣｌ、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ層を２００μｍの膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板側から研磨して、サファイア基板、バッファ層、下地層、保護膜を除去することにより、総膜厚１７０μｍのＳｉドープＧａＮからなる窒化物半導体基板１を作製する。ＳｉドープＧａＮのＳｉ濃度は５×１０17〜１×１０19／cm3の範囲に調整することが望ましい。
（バッファ層２）
　以上のようにして作製した窒化物半導体基板１をＭＯＶＰＥ装置に移送し、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、AS-GROWN側の窒化物半導体基板面に、１０５０℃でＳｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるバッファ層２を２μｍの膜厚で成長させる。このように窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に、１００μｍ以上の膜厚で基板となるような窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して窒化物半導体基板を作製した場合、その窒化物半導体基板のAS-GROWN面（異種基板除去側と反対側面）に、まずＧａＮを１０μｍ以下の膜厚で成長させてバッファ層とすると、次に成長させる窒化物半導体の結晶性が良くなる傾向にある。
（活性層３）
　次に、８００℃で、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃で、アンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に温度を７５０℃に保持したままＴＭＡを原料ガスに加え、アンドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる中間層を１０オングストローム成長させる。次に温度を８００℃に上昇してＳｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００１５】
　障壁層成長後、温度を７５０℃に下げ、続いてアンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる、続いて７５０℃にて、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる中間層を１０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にしてＳｉドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００１６】
　このようにして障壁＋（井戸＋中間＋障壁）×３とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造（井戸層数３）からなる活性層３を成長させる。
【００１７】
　活性層３では、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、若しくは膜厚が厚い障壁層との間に、３０オングストローム以下で、障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きいＡｌＧａＮ、ＧａＮ（ＡｌXＧａ1-XＮ、０≦X＜１）からなる中間層を成長させることが望ましい。一般に中間層の分解温度は井戸層よりも高い。従って、その分解温度の高い中間層の上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ（この場合、Ｉｎ組成比は井戸層よりも小さい）等からなる障壁層を成長させると、障壁層を厚膜で成長させた場合に結晶性が良くなる。また井戸層と障壁層との間にＡｌを含む窒化物半導体層若しくはＧａＮ層が存在すると、発光開始電圧が低下しやすい傾向にある。従って井戸層＋中間層＋障壁層を繰り返して積層した多重量子井戸構造の活性層を成長させることにより、長波長の素子が得られて、素子の出力が向上する。
（ｐ側クラッド層４）
　続いて、８５０℃でＭｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｐ側クラッド層４を０．１μｍ成長させる。なお、このｐ側クラッド層４は省略可能である。
（ｐ側コンタクト層５）
　最後に、８５０℃でＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層５を５００オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ、ＩｎＧａＮとすれば、ｐ電極６と最も好ましいオーミック接触が得られる。またＭｇ濃度はＶｆを低下させる上でｐ側クラッド層４よりも大きくすることが望ましい。
【００１８】
　成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層５の表面にオーミック用のＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極６を２００オングストロームの膜厚で形成し、その上にＡｕからなるボンディング用のｐパッド電極７を形成する。一方窒化物半導体基板の裏面のほぼ全面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極８を形成する。
【００１９】
　電極形成後、矩形状のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、順方向電圧３．２Ｖ、発光出力４．２ｍＷであった。
【００２０】
　一方比較のため、井戸層の組成を同一組成とし、井戸層１層から成る単一量子井戸構造の活性層を成長させたＬＥＤ素子は、２０ｍＡにおける順方向電圧は３．４Ｖで、発光出力は３．５ｍＷであった。
【００２１】
　また、前述の緑色ＬＥＤ素子とは別に、前述のＬＥＤ素子を作製する工程においてＬＥＤ活性層３を成長させる際、井戸層の組成をＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎとし、井戸層１層のみからなる単一量子井戸構造の青色ＬＥＤを作製する。この青色ＬＥＤは、２０ｍＡにおける順方向電圧は３．４Ｖ、発光出力は７ｍＷであった。このように構造が同じである場合、波長が長くなるに従って井戸層の数を増やすと出力が向上する。
【００２２】
　さらにまた、前述の緑色ＬＥＤ素子とは別に、前述の緑色ＬＥＤ素子を作製する工程においてＬＥＤ活性層３を成長させる工程を次のように行う。つまり、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて７５０℃で、アンドープＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎよりなる井戸層を３０オングストローム成長させる。次に温度を７５０℃に保持したままＴＭＡを原料ガスに加え、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させる。次に温度を８００℃に上昇してＳｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させ、障壁＋（井戸＋第２＋障壁）×５とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造（井戸層数５）からなる活性層３を成長させる。このＬＥＤ素子は６５０ｎｍの赤色発光を示し、２０ｍＡにおいて、順方向電圧３．２Ｖ、発光出力１．５ｍＷであった。
【００２３】
　それに対し、同一組成のＩｎＧａＮ井戸層を有する単一量子井戸構造から成る赤色ＬＥＤは、順方向電圧３．５Ｖで発光出力０．５ｍＷであった。
【００２４】
　以上のようにして得られた井戸層１の青色ＬＥＤと、井戸層３の緑色ＬＥＤと、井戸層５の赤色ＬＥＤとを用いてフルカラーＬＥＤディスプレイを作製したところ、従来の単一量子井戸構造の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤを用いたディスプレイに比較して白色輝度で１．２倍以上向上し、消費電力で１０％以上の削減ができた。
【実施例２】
【００２５】
　実施例１において、緑色ＬＥＤの活性層を成長させる際に次のような工程を行う。つまり、８００℃で、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて７５０℃で、アンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層（第１の窒化物半導体層）を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に温度を７５０℃に保持したまま、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させる。次に温度を８００℃に上昇してＳｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させる。
【００２６】
　その他は実施例１と同様にして緑色ＬＥＤを得たところ、実施例１の緑色ＬＥＤとほぼ同等の特性を有する緑色ＬＥＤが得られた。
【００２７】
　また、この緑色ＬＥＤと、実施例１で得られた青色ＬＥＤと、出力５ｍＷのＡｌＩｎＧａＰ系赤色ＬＥＤ等とを用いて、フルカラーＬＥＤディスプレイを作製したこところ、実施例１のディスプレイに比較して、少ない赤色ＬＥＤの個数で、白色輝度は２倍に向上し、消費電力もさらに少なくなった。
【００２８】
　また、図２は本発明の他の実施例を示す模式断面図である。この図は同一素子内において多色が発光できる窒化物半導体素子であり、基板１０の上にｎ型コンタクト層１１が積層され、そのｎ型コンタクト層１１の上に独立した青色発光部分１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂと、緑色発光部分１２Ｇ、１３Ｇ、１４Ｇと、赤色発光部分１２Ｒ、１３Ｒ、１４Ｒとが形成されている。１２はｎ型クラッド層であり、１３はＩｎＧａＮを含む活性層、１４はｐ型クラッド層であり、それぞれダブルへテロ構造を有している。なお１５はｐ電極、１６はｎ電極である。青色発光部分の活性層１３ＢはＩｎＧａＮ井戸層を２層有する多重量子井戸構造から成り、緑色発光部分の活性層１３ＧはＩｎＧａＮ井戸層を３層有する多重量子井戸構造から成り、赤色発光部分の活性層１３ＲはＩｎＧａＮ井戸層を５層有する多重量子井戸構造から成っている。それぞれの井戸層のＩｎ組成は長波長のものほど多く調整する。本発明では同一素子に活性層を複数有する多色発光素子にも適用できる。
【００２９】
　なお、本明細書では主としてＬＥＤ素子について説明したが、本発明はＬＥＤだけでなく、レーザ素子、ＳＬＤ素子等にも適用可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００３１】
　１・・・窒化物半導体基板
　２・・・バッファ層
　３・・・活性層
　４・・・ｐ側クラッド層
　５・・・ｐ側コンタクト層
　６・・・ｐ電極
　７・・・ｐパッド電極
　８・・・・・・ｎ電極
【図１】
2004015072.tif 000003
【図２】
2004015072.tif 000004