(57)【要約】【課題】長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に形成され、発光層４を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層４は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドット５を複数個含み、複数の量子ドット５ａ，５ｂ，５ｃの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する。【選択図】        図１
2004207610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドットを複数個含み、
前記複数の量子ドットの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する、白色発光素子。
【請求項２】
発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含み、
前記複数本の量子細線の幅は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子細線はその幅に対応した波長の光を発する、白色発光素子。
【請求項３】
発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する層状半導体である量子井戸層を含み、
前記量子井戸層の厚みは、均一でなく変動範囲内にあり、前記量子井戸は各位置でその厚みに対応した波長の光を発する、白色発光素子。
【請求項４】
基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、
前記小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまたは均一でなく変動範囲内にあり、前記半導体部は、各位置において、その波長対応寸法に対応した波長の光を発する、白色発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、前記発光波長に対応する半導体の部分の寸法の分布が、前記貫通転位の密度の分布と相関している、請求項１〜４のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項６】
前記基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、前記発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、前記基板から継承され延ばされたものである、請求項５に記載の白色発光素子。
【請求項７】
前記基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位を継承し延ばしたものである、請求項５に記載の白色発光素子。
【請求項８】
前記発光波長に対応する半導体の部分の寸法が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項９】
前記発光層はＩｎを含み、前記発光層におけるＩｎの濃度が発光層内で均一でなく位置によって変化している、請求項１〜８のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１０】
前記発光する部分の半導体内におけるＩｎの濃度が、発光波長が対応するその半導体の部分について同一に揃わずまた均一でなく、前記半導体の部分の寸法に応じて変化している、請求項１〜９のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１１】
基板上に形成され、Ｉｎを含む発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、
前記Ｉｎ濃度がその発光層のなかで均一でなく位置によって変化しており、そのＩｎ濃度の分布の変化が、前記下地膜の貫通転位密度の分布と相関している、白色発光素子。
【請求項１２】
前記基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、前記発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、前記基板の貫通転位が継承され延びたものである、請求項１１に記載の白色発光素子。
【請求項１３】
前記基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位が継承され延びたものである、請求項１１に記載の白色発光素子。
【請求項１４】
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、前記小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまた均一にならず変動範囲内で変動している、請求項１１〜１３のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１５】
前記発光層が、ｐ型およびｎ型窒化ガリウム系半導体によってはさまれている、請求項１〜１４のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１６】
前記白色発光素子が形成される基板が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣおよびＺｒＢ2、のうちのいずれかの材料である、請求項１〜１５のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１７】
前記選択成長マスクが、ＳｉＯ2、ＳｉＮおよびＳｉＯＮのいずれかの材料から形成されている、請求項７〜１５のいずれかに記載の白色発光素子。
【請求項１８】
発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、
貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、
前記基板上にエピタキシャル膜を成長させ、発光する半導体の部分を含む発光層を形成する工程とを備える、白色発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記基板は、前記貫通転位密度の基板内での分布を制御して製造されたものである、請求項１８に記載の白色発光素子の製造方法。
【請求項２０】
基板上に形成され、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板上に、複数の開口部が設けられた選択成長マスクを配置する工程と、
前記開口部における前記半導体の表面に第１の半導体膜を成長させて覆い、さらに前記開口部を埋める工程と、
前記第１の半導体膜の上に第２の半導体膜を成長させる工程と、
さらに第２の半導体膜の上に発光層を形成する工程を備え、
前記選択成長マスクの開口部の存在により、前記第２の半導体膜を、その中の貫通転位密度が変化して分布するように形成する、白色発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記発光層の形成工程では、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む窒化ガリウム系半導体膜を形成し、前記小さい禁止帯幅の半導体部における、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法を、同一に揃えずまた均一にせず変動範囲内で変動させるように形成する、請求項１７〜２０のいずれかに記載の白色発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記発光層の形成工程では、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体層を形成し、そのＩｎ濃度がその発光層内で均一にならず位置によって変動するように形成する、請求項１７〜２０のいずれかに記載の白色発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は白色発光素子およびその製造方法に関し、とくに窒化ガリウム系化合物半導体を用いた白色発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ:Light Emitting Diode）の効率は飛躍的に向上しており、とくに発光材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）が実用化されてから、青色や白色の発光が可能となり、ＬＥＤの適用範囲が大きく広がっている。このなかで白色発光素子は、液晶表示装置のバックライトへの適用にとどまらず、白熱電灯や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めており、これまでに多くの提案がなされている。
【０００３】
その一つの類型として、ＩｎＧａＮ ＳＱＷ(Superlattice Quantum Well)を用いた青色ＬＥＤと、黄色を中心に発光する蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）とを組み合わせる白色発光素子が提案されている（特許文献１）。この白色発光素子では、ＹＡＧを青色光で励起して、青色光と黄色光との混合によって白色光を得る。
【０００４】
また、他の例として、ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体内の単一層領域において２つ以上の発光スペクトルピークを発光する発光素子が提案されている（特許文献２）。この発光素子では、単一層内においてＩｎ組成比が異なる２以上の混晶領域を形成し、各混晶領域でバンドギャップが相違すること、すなわち発光波長が変化することを利用する。
【０００５】
また、窒化物半導体の発光層内に２以上のスペクトルピークを含む光を発光する多重構造を備えた発光素子が提案されている（特許文献３）。この多重構造を含む発光層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸からなっている。この２つ以上のスペクトルピークを含む光は混合されて、白色光を提供する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１５２６０９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１９６１４２号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−１７６１９８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の蛍光体を用いた白色発光素子では次のような問題がある。(１)蛍光材料の寿命が約５０００〜１００００時間と短いこと、(２)蛍光体の光変換効率が１００％にならず（Stokes Shift）、発光効率に原理的制約があること、(３)青色光の強度の増加につれて蛍光材料の発光強度が飽和すること、および(４)青色と黄色との演色性に限界があること、などの問題がある。
【００１０】
また、単一層内のＩｎ組成比が異なる混晶を用いて２つ以上の発光ピークを得る発光素子では、Ｉｎの組成不安定領域が形成される成長条件を用いて発光層を形成する。このため、Ｉｎ組成比の異なる混晶領域を安定して再現することができない。
【００１１】
また、多重量子井戸構造により２つ以上の発光ピークを含む光を出す発光素子では、膜厚が厚くなり成膜時間が長くなり、製造費用の低減が制限される。さらに、複数の井戸に電流注入して発光させるため、縦方向の電気抵抗が高くなることが避けられない。
【００１２】
本発明は、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の白色発光素子は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドットを複数個含む。そして、複数の量子ドットの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する。
【００１４】
複数の量子ドットはバンドギャップ（禁止帯幅の大きさ）が周囲の半導体のバンドギャップより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。そして、発光波長は量子ドットの外径に対応する。すなわち、量子ドットにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯は離散化し、その離散化の広がりの程度は外径が小さいほど大きくなる。このため、発光波長も量子ドットの外径サイズに対応して変化する。上記のように、量子ドットの外径は同一ではなく変動範囲内に分布をもつので、発光波長も幅を持つ。たとえば赤色光から青色光にわたる波長域の光を発光させ、これらを混合すれば、所望の白色光を得ることができる。
【００１５】
したがって、高い演色性を確保することができる。量子ドットからの発光は、上述のように、非常に発光効率が高いことが知られており、優れた発光効率を得ることができる。また、蛍光材料のように寿命を制約する因子がないので、長寿命を得ることができる。
【００１６】
上記量子ドットは、成膜条件の調整などにより自発的に自己形成されることが知られており、成膜条件を把握すれば製造は容易である。また、量子ドットの外径は、後に説明するように、たとえば発光層の下地層の貫通転位密度を変動させて分布させることにより、その貫通転位密度と相関をもつように自己形成することができる。また、他の方法で上記の外径を変動させてもよい。なお、上記量子ドットはＴＥＭ(Transmission Electron Microscopy：薄膜透過電子顕微鏡観察）、カソードルミネッセンス観察、ＡＦＭ(Atomic Force Microscopy)などにより容易に観察することができる。また、その他の市販のナノテクノロジ用の観察装置を用いて観察してもよい。この後で説明する量子細線や量子井戸についても同様である。
【００１７】
本発明の別の白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含む。そして、複数本の量子細線の幅は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子細線はその幅に対応した波長の光を発する。
【００１８】
上記量子ドットがキャリアの閉じ込めによる高効率発光のゼロ次元（点）版とすると、上記構成における量子細線は、その１次元（線）版といえる。このため、製造方法を除いて、上記量子ドットで述べた作用効果をそのまま引用することができる。製造方法については、基板を傾斜させるなどして成膜することにより量子細線を得ることができる。その他、これまでに既知の方法を適用することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する層状半導体である量子井戸層を含む。そして、量子井戸層の厚みは、均一でなく変動範囲内にあり、量子井戸は各位置でその厚みに対応した波長の光を発する。
【００２０】
上記量子井戸は多くの半導体装置において用いられており、容易に形成することができる。量子井戸層の厚みの変動は、たとえば、上記のように貫通転位密度の高低を空間的に配置し、エピタキシャル成膜の際の成膜速度の差を利用して形成することができる。
【００２１】
本発明の上記白色発光素子を包含する発明は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む。そして、小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまたは均一でなく変動範囲内にあり、半導体部は、各位置において、その波長対応寸法に対応した波長の光を発する。
【００２２】
上記の構造により、波長対応寸法が単一ではなく幅をもって分布するので、高い発光効率で発光する光の波長も幅を持つ。このためこれら複数の波長の光を適宜混合することにより、優れた演色性を確保して、所望のトーンの白色を得ることができる。上記の波長対応寸法は、量子ドットの場合は外径寸法であり、量子細線の場合は細線の幅寸法であり、量子井戸層の場合は厚み寸法である。
【００２３】
また、上記の発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、発光波長に対応する半導体の部分の寸法の分布が、貫通転位の密度の分布と相関するようにできる。
【００２４】
エピタキシャル成長において、下地膜中の貫通転位はその上に形成されるエピタキシャル膜に継承される。そして、エピタキシャル膜中の貫通転位は、量子ドットの外径などの寸法や、Ｉｎなどの不純物の濃度に大きな影響を及ぼす。このため、下地膜に貫通転位をその密度を調整して分布させることにより、量子ドットなどの寸法やＩｎ濃度を意図するように変化させて分布させることができる。
【００２５】
ここで、上記の基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、基板から継承され延ばされるようにできる。
【００２６】
上記の基板として、たとえば、平均の貫通転位密度５Ｅ７ｃｍ-2以上の閉鎖欠陥集合領域Ｈと、平均の貫通転位密度５Ｅ６ｃｍ-2以下の単結晶低転位余領域Ｙと、平均の貫通転位密度３Ｅ７ｃｍ-2以下の単結晶低転位随伴領域Ｚとを有するＧａＮ基板を用いるのがよい。高密度に貫通転位が分布する閉鎖欠陥集合領域Ｈと、中程度の貫通転位密度の単結晶低転位随伴領域Ｚと、低い貫通転位密度の単結晶低転位余領域Ｙとが適当に分布するように、ＧａＮの単結晶を製造することができる。以後の説明において、このような基板を転位密度分布基板と呼ぶ。
【００２７】
上記基板中の貫通転位は、エピタキシャル成長した半導体層に引き継がれ、発光層を形成する際の下地層に延長される。このため、貫通転位の密度の高低のある下地層の上に発光層を形成することになる。貫通転位密度の高低は、量子ドットなどの形成において外径を変化させる作用を有し、このため、上記下地層上に接して形成される発光層中の量子ドットの径に大小を生起させる。このため、容易に量子ドットの外径や量子井戸の厚みなどの波長対応寸法を変動させることができる。
【００２８】
上記の基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の発光層側へと生じている貫通転位を継承し延ばしたものである。
【００２９】
上記の下地膜中の貫通転位は、成膜途中に選択成長マスクを用いて、基板とは無関係に貫通転位密度の高低を位置によって変化するように形成したものを継承している。開口部を有する選択成長マスクにエピタキシャル膜を形成するとき、平面的に見て開口部の中央付近に結晶配列の食い違いが集積し、貫通転位密度は最も高くなる。また、隣り合う開口部と開口部との中間位置のマスク部（遮蔽部）上において、開口部を埋めた薄膜同士が会合するので、やはり結晶配列の食い違いが集積し、中程度の貫通転位密度となる。その他の部分の貫通転位密度は、上記部分より低くなる。このような、貫通転位密度分布を、上方に形成されるエピタキシャル膜に継承させ延ばすことにより、量子ドットサイズやＩｎ濃度を位置によって変動させることができる。また、上記基板と選択成長マスクとの両方を組み合わせてもよい。
【００３０】
また、上記の発光波長に対応する半導体の部分の寸法を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００３１】
上記半導体の部分の寸法をこの寸法範囲内に分布させることにより、キャリア閉じ込めの量子効果を得ることができ、伝導帯や価電子帯の離散化による高い発光効率と、発光波長の変調を得ることができる。これら寸法は、上述のＴＥＭ、ＡＦＭ、カソードルミネッセンス観察などを用いて測定することができる。
【００３２】
また、発光層はＩｎを含み、発光層におけるＩｎの濃度が発光層内で均一でなく位置によって変化するようにできる。さらに、発光する部分の半導体内におけるＩｎの濃度が、発光波長が対応するその半導体の部分について同一に揃わずまた均一でなく、半導体の部分の寸法に応じて変化するようにできる。
【００３３】
Ｉｎ濃度が高くなると、禁止帯のギャップが小さくなり長波長の発光をする。このため、上記キャリア閉じ込めの量子効果に加えて、Ｉｎ濃度による波長変動を得ることができる。
【００３４】
本発明の上記と相違する白色発光素子は、基板上に形成され、Ｉｎを含む発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長している。そして、Ｉｎ濃度がその発光層のなかで均一でなく位置によって変化しており、そのＩｎ濃度の分布の変化が、前記下地膜の貫通転位密度の分布と相関している。
【００３５】
上記の構成により、貫通転位密度の高低に応じて発光層中のＩｎ濃度が変動する現象を利用して、Ｉｎ濃度が高い領域と、低い領域とを容易に形成することができる。上記の貫通転位密度は、上述のように、基板の貫通転位が継承され延びたものとしてもよいし、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位が継承され延びたものとしてもよい。
【００３６】
このため、たとえば、発光層をＡｌＧａＩｎＮ層とする場合、Ｉｎ濃度が高い領域はＡｌ濃度が低くなり、Ｉｎ濃度の変化よりもバンドギャップの狭小化を促進させることができる。
【００３７】
また、上記Ｉｎ濃度の空間変動とは別に、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまた均一でなく変動範囲内で変動するようにできる。
【００３８】
この構成により、キャリア閉じ込めサイズの変動による多色発光に加えて、Ｉｎ濃度の変動による多色発光を得ることができる。このため、演色性を向上させることができる。上記の発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されてもよい。この場合、Ｉｎ濃度の分布が、基板の貫通転位の密度の分布と相関している。また、上記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する半導体層の上にエピタキシャル成長されており、Ｉｎ濃度の分布が、貫通転位の密度の分布と相関するようにすることもできる。
【００３９】
また、上記の発光層は、ｐ型およびｎ型窒化ガリウム系半導体によってはさまれるように配置するのがよい。
【００４０】
この構成により、発光層にキャリアを注入することができ、外部からの入力により持続的な発光を行なうことができる。
【００４１】
また、白色発光素子が形成される基板として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣおよびＺｒＢ2のうちのいずれかの材料を用いることができる。これらの基板は入手が容易であり、これら基板を用いてエピタキシャル成長した多層構造を形成することができ、白色発光素子を製造することができる。また、貫通転位密度の分布の制御を容易に行なうことができる。
【００４２】
また、選択成長マスクが、ＳｉＯ2、ＳｉＮおよびＳｉＯＮのいずれかの材料から形成されるようにできる。これらの材料は、化学的安定性、熱的安定性、機械強度に優れるために、安定して歩留りよく上記の目的を達成することができる。これらの材料から形成される選択成長マスクを用いて、貫通転位密度が位置によって変化しているエピタキシャル成長膜を得ることができる。
【００４３】
上記の選択成長マスクは絶縁体であるので、ｐ型電極およびｎ型電極の２つの電極の間に、選択成長マスクを介在させないように上記２つの電極を配置する。
【００４４】
本発明の白色発光素子の製造方法は、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、基板上にエピタキシャル膜を成長させ、発光する半導体の部分を含む発光層を形成する工程とを備える。
【００４５】
また、基板は、貫通転位密度の基板内での分布を制御して製造されたものとすることができる。
【００４６】
この構成により、たとえば白色ＬＥＤ１個当り、必ず貫通転位密度の高い領域を含ませ、ウェハに形成する各ＬＥＤに確実に所定の波長域の発光を可能にすることができる。すなわち、歩留りのよい白色ＬＥＤの製造を可能にする。
【００４７】
本発明の上記とは別の白色発光素子の製造方法は、基板上に形成され、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、基板上に、複数の開口部が設けられた選択成長マスクを配置する工程と、開口部における半導体の表面に第１の半導体膜を成長させて覆い、さらに開口部を埋める工程とを備える。また、第１の半導体膜の上に第２の半導体膜を成長させる工程と、さらに第２の半導体膜の上に発光層を形成する工程を備える。そして、選択成長マスクの開口部の存在により、第２の半導体膜を、その中の貫通転位密度が変化して分布するように形成する。
【００４８】
この方法によれば、平面的に見て、（ａ1）開口部の中央部分、および（ａ2）隣り合う開口部を埋めた膜同士の縁が会合する部分において貫通転位密度は高くなる。（ａ1）の方が（ａ2）のそれより貫通転位密度は高くなる。したがって、貫通転位密度の高い部分、中くらいの部分、低い部分のように３レベルの領域を得ることができる。これらの３レベルの領域が１つのＬＥＤに含まれるように選択成長マスクを形成することができる。なお、第１の半導体膜と第２の半導体膜との間に、他の半導体膜が形成されてもよい。
【００４９】
上記発光層の形成工程では、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む窒化ガリウム系半導体膜を形成し、小さい禁止帯幅の半導体部における、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法を、同一に揃えずまた均一にせず変動範囲内で変動させるように形成することができる。また、発光層の形成工程では、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体層を形成し、そのＩｎ濃度がその発光層内で均一にならず位置によって変動するように形成することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）、（ｂ）〜図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態における白色発光素子１０を示す概略断面図である。図１（ａ）では、発光層４の中に外径の異なる量子ドット５ａ，５ｂ，５ｃが形成されている。発光層４はＩｎＧａＮにより形成され、量子ドット５はＩｎＧａＮによって形成されている。外径の寸法は、大きい径の量子ドット５ａ、中サイズの量子ドット５ｂ、小サイズの量子ドット５ｃのように、必ずしも周期的に並んで配置されている必要はない。量子ドット間の間の距離もとくに限定はなく、ランダムであってもよいし、ある部分は間隔がなく密集していてもよい。
【００５１】
図１（ｂ）では発光層４は、隣接層よりバンドギャップが小さい量子井戸２５として形成されている。量子井戸の厚さについても、厚い量子井戸部２５ａ、中くらいの厚さの部分２５ｂおよびそれより薄い厚さの部分２５ｃ、のように周期的に並んでいる必要はない。量子井戸２５として形成されている発光層４は、ＩｎＧａＮにより形成されている。
【００５２】
図２（ａ）は、発光層４の中に、発光層４を形成するＩｎＧａＮのＩｎ濃度の高低の変動が厚み方向にも生じている場合を示す図である。Ｉｎ濃度の高濃度領域３５ａ、中濃度領域３５ｂ、低濃度領域３５ｃが形成されている。図２（ｂ）の場合は、発光層の厚み方向に沿ってＩｎ濃度は一定であるが、平面的に見てＩｎ濃度の変動が生じている。すなわち断面においてパッチ状に一定濃度範囲内のＩｎの分布域が生じている。
【００５３】
図３（ａ）は量子ドット中のＩｎ濃度がその外径に応じて変化していることを示す図である。同図では、外径が大きい量子ドット内のＩｎ濃度が高い場合を示しているが、外径が大きい量子ドットのＩｎ濃度が低い場合もある。図３（ｂ）は、発光層中に厚みが変動する量子井戸が配置され、さらに発光層にＩｎ濃度の変動が生じている場合を示す図である。同図では、量子井戸の厚い部分にＩｎ濃度が高い部分が重畳しているが、量子井戸の薄い部分にＩｎ濃度の低い部分が重畳してもよい。
【００５４】
図４は、量子ドットの発光原理を示す図である。発光層４は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とにはさまれており、外側から順方向電圧を印加され電流を注入されると、発光層内に、それぞれの半導体層における多数キャリアが注入される。これらキャリアは、バンドギャップが小さい量子ドット中に流れ込み、量子ドット中に閉じ込められる。量子ドット内では、伝導帯に位置する電子と価電子帯に位置する正孔とが再結合して光を放出する。量子ドットのバンドギャップは周囲の発光層のバンドギャップより小さいので、キャリアの閉じ込めが生じる。このため、発光効率は非常に高いものが得られる。このようなキャリアの閉じ込めは、量子細線や量子井戸でも生じ、同様に高い発光効率を得ることができる。
【００５５】
量子ドットの外径や量子井戸の厚みを１ｎｍ〜１００ｎｍに設定する理由は次の理由による。すなわち、量子ドットの径を小さくしてゆくと、原子（イオン）が規則配列した固体の範疇を超え、伝導帯および価電子帯という概念が成り立たなくなり、図５に示すように、バンドは個々の原子のエネルギ準位に離散化される。量子ドットの外径や量子井戸の厚みが、１ｎｍより小さい場合、バンド理論は適用できなくなり、個々の原子レベルの準位が形成され、可視光域の光の放出は望めなくなる。また、１００ｎｍより大きい場合には、伝導帯や価電子帯のエネルギ準位の離散化が生じず、量子ドットの外径に応じた波長の発光を得ることが困難になる。１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内において、寸法を変えることにより、発光波長を上記寸法に応じて変化させることができる。このため、量子ドットの外径、量子細線の幅、量子井戸の厚みは、１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。
【００５６】
上記の量子ドット、量子細線、量子井戸は、たとえば後に説明するように、発光層形成の際の下地膜内の貫通転位の密度分布を調整することによりなされる。また、別の方法により形成されてもよい。
【００５７】
図６は、上記量子サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内で発光波長が変化することを示す図である。図５に示すように、離散化はエネルギレベルの上下方向に生じるので、発光スペクトルの半値幅は広くなる。離散化におけるエネルギ準位の変化の仕方から、量子サイズが大きいほうが発光波長が長くなる。しかし、Ｉｎ濃度の効果が追加される場合には、Ｉｎ濃度変動の効果が量子サイズ効果を上回り、量子サイズが大きいほうが発光波長が短くなる場合もある。
【００５８】
図７は、発光波長に及ぼすＩｎ濃度の影響を示す図である。Ｉｎ濃度が高いほうがエネルギギャップが小さくなり、発光波長は長くなる。とくに発光層をＩｎＧａＮで形成した場合、Ｉｎ比率が高くなると、発光波長は長くなる。
【００５９】
上記の発光波長の制御因子である、量子サイズおよび／またはＩｎ濃度を調整することにより、複数の波長の発光を得ることができる。そして、これら複数の発光波長をＲＧＢに対応させ、それぞれの発光強度を調整することにより、優れた演色性の白色光を得ることができる。図８は、上記の複数波長の発光を混合して得た白色光の一例を示す図である。
【００６０】
（実施例１）
図９は、本発明の実施例１の白色発光素子を製造したＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長法)装置を示す図である。フローチャネルＧ１，Ｇ２，Ｇ３からチャンバ内に導入された原料ガスは、基板１上に蒸着される。基板１は、サセプタ５８の上に保持され、下方からヒータ５６によって加熱される。反応が終了したガスは排出チャネルＧ４から排出される。
【００６１】
用いる基板はＧａＮ基板１であり、図１０に示すように、貫通転位の高密度領域１１ａと、中密度領域１１ｂと、低密度領域１１ｃとが、分布している。すなわち、上述の転位密度分布基板を用いた。この貫通転位密度の分布はランダムでもよいし、規則配列していてもよい。ＧａＮ基板１をＭＯＶＰＥ装置内に配置した後、ＮＨ3とＨ2との混合ガス中でＧａＮ基板をクリーニングした後、トリメチルガリウムＴＭＧａ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を炉内に流し、ｎ型ＧａＮ膜を成膜する。
【００６２】
その後、８００℃でＴＭＧａ、トリメチルインジウムＴＭＩｎ、ＮＨ3を炉内に流し、ＩｎＧａＮ発光層を成膜させる。このＩｎＧａＮ発光層の成膜中に、ＩｎＧａＮ量子ドットが自己形成される。量子ドットの外径は、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。また、Ｉｎ組成についても貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。次いで、ＩｎＧａＮ発光層の上にさらにｐ型窒化ガリウム系半導体層を成膜した。
【００６３】
図１１は、Ｉｎ濃度の変動は省略して量子ドットのみを示す図である。また、図１２は、量子ドットの配列は省略してＩｎ濃度の分布３５のみを示す図である。ＧａＮ基板１の貫通転位１１は、エピタキシャル成長したｎ型ＧａＮ層２およびｎ型ＡｌＧａＮ層３に引き継がれて、発光層４に引き継がれる。そして、高密度の貫通転位部分に、大きい外径サイズの量子ドットを形成する。また、Ｉｎ濃度については、高いＩｎ濃度領域が高密度の貫通転位部分に形成される。貫通転位密度と量子サイズとの関係や、貫通転密度とＩｎ濃度との関係は、条件によっては逆転し、貫通転位密度の高い領域において、量子サイズは小さくなり、またＩｎ濃度が低くなる場合もある。発光層および量子ドットは、ノンドープＩｎＧａＮによって構成されている。
【００６４】
発光層４の上にｐ型ＡｌＧａＮ層６を形成し、次いで、ｐ型ＧａＮ層７を形成する。この後、表面にｐ型電極８を、また基板裏面にｎ型電極９を形成した。
【００６５】
上記ｐ型電極８とｎ型電極９との間に電流を流したところ、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて発光波長が変化し、全体として白色の発光が得られた。この白色発光素子の発光層は一層であり、コンパクトに構成されている。上記において、（ｂ1）Ｉｎ濃度の分布と、（ｂ2）量子ドットの外径サイズの変化とによって、複数波長の発光が得られている。上記（ｂ1）および（ｂ2）は、ＧａＮ基板における貫通転位密度の変動の分布に起因してもたらされたものである。上記ＧａＮ基板における貫通転位密度の分布の調整は、ＧａＮ基板の形成時に容易に行なうことができる。この結果、長寿命の白色発光素子を安価に製造することができる。
【００６６】
（実施例２）
本発明の実施例２では、選択成長マスクを用いて発光層の形成の際の下地層に貫通転位密度の分布を形成する点に特徴がある。成膜装置は、図９に示したＭＯＶＰＥ装置を用いた。
【００６７】
まず、ＧａＮ基板上に、図１３に示すような、厚さ０．１μｍ程度のＳｉＯ2膜にドット状の規則的な開口部、たとえば直径１００μｍ程度、ピッチ５００μｍ以下の開口部、を設けた選択成長マスクを形成する。開口部の直径は１〜２００μｍの範囲とするのがよい。ＬＥＤチップのサイズは一辺が３００μｍ程度の四角形となるので、その中に少なくとも１つの開口部が含まれるピッチとする。選択成長マスク２０を形成したＧａＮ基板をＭＯＶＰＥチャンバ内に配置し、ＮＨ3とＨ2との混合ガス中でクリーニングした。
【００６８】
次いで、ＴＭＧａ、ＮＨ3およびＳｉＨ4をチャンバ内に流し、１０５０℃でｎ型ＧａＮ層２を成膜し、その上にｎ型ＡｌＧａＮ層３をエピタキシャル成長させた。その後、８００℃でＴＭＧａ、ＴＭＩｎおよびＮＨ3を炉内に流し、ＩｎＧａＮ量子井戸２５からなる発光層４を成長させた。この発光層の成長において、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みは、選択成長マスクのマスク部（遮蔽部）から離れるにつれて変化した。また、Ｉｎ組成比も、選択成長マスクのマスク部（遮蔽部）から離れるにつれて変化した。図１４に示すように、平面的に見て、開口部の中心付近の貫通転位密度が最も高く、マスクの上に接して形成されるＡｌＧａＮ２が隣り合う同じ膜と会合する部分は、その次に高い貫通転位密度を有する。
【００６９】
図１４では、貫通転位密度の高い個所で、Ｉｎ濃度が高く、量子井戸の厚さが薄くなっている。しかし、貫通転位密度と、これらＩｎ濃度および量子井戸の厚さとの相関があればよく。貫通転位密度が大きく部分でこれらＩｎ濃度および量子井戸の厚さが大きくなる必要はない。
【００７０】
発光層４の上に、さらにｐ型窒化ガリウム系半導体層６を成膜し、エピタキシャル層表面にｐ型電極（図示せず）を形成する。また、ｎ型電極（図示せず）は次のように、ｐ型電極との間に選択成長マスクを電極の間に介在させないように形成する。すなわち、所定のｎ型電極形成領域における、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６、発光層４およびｎ型ＡｌＧａＮ層３をエッチングにより除去し、ｎ型ＧａＮ層２を露出させ、その露出したｎ型ＧａＮ層部分にｎ型電極を形成する（図１５における電極の配置を参照）。このようにｐ型およびｎ型電極を配置することにより、この両電極間の電気抵抗を低く抑えることができる。
【００７１】
これら二つの電極間に電流を流したところ、白色発光を得ることができた。この発光において、選択成長マスクのマスク部から離れるにつれて発光波長が変化する。この場合も実施例１と同様に、単一層から複数波長の発光を得ることができる。また、本実施例によれば、ＧａＮ基板の貫通転位密度分布によらず、成膜時に貫通転位を半導体層中に導入することができるので、素材の制約を受けることがない。
【００７２】
上記の実施例では、基板に貫通転位が形成されていなくても、選択成長マスクを用いることにより、半導体薄膜中に貫通転位の密度を変化させた分布を形成することができる。
【００７３】
上記の選択成長マスクを用いる方法を、量子ドットに用いてもよい。図１５は、選択成長マスクを用いて量子ドットが形成された発光層を有する白色発光素子を示す図である。この白色発光素子のｎ型電極は、上記ｎ型電極形成領域をエッチングによりパターニングして、ｎ型ＧａＮ層２を露出させ、その露出したＧａＮ層２の部分に形成されている。このため、両電極間の電気抵抗を低く保つことができるので、効率よい発光を得ることができる。
【００７４】
（実施の形態に対する付言）
(１)本実施の形態では、Ｉｎ濃度と、量子ドットの外径などの量子サイズとを、ともに変えることにより発振波長を変えているが、いずれか一方、たとえばＩｎ濃度だけを変動させた白色発光素子であってもよい。
(２)高密度の貫通転位部において、成膜条件ＡによりＩｎ濃度の高い領域および／または量子サイズが大きい領域が形成され、かつ成膜条件ＢによりＩｎ濃度の低い領域および／または量子サイズが小さい領域が形成される、という２つの成膜条件がある必要はない。いずれか一方の成膜条件が満たされるだけであってもよい。
(３)ＧａＮ基板に形成された貫通転位密度分布を利用する場合、選択成長マスクを用いなくても発光層の下のエピタキシャル成長膜には貫通転位密度分布が形成される。また、ＧａＮ基板に上記の貫通転位密度分布がない場合またはその他の場合に、選択成長マスクを用いてエピタキシャル成長層に貫通転位密度分布を形成する。上記の実施の形態では、基板における貫通転位密度分布の利用および選択成長マスクの利用のいずれか一方の実施例のみを示した。しかし、貫通転位密度分布を備えたＧａＮ基板を用い、さらに選択成長マスクを用いてもよい。
(４)選択成長マスクを用いる場合、その選択成長マスクを白色発光素子に残したまま、電気抵抗を低く保つ２つの電極の配置構造のみを、上記実施例では示した。しかし、ＧａＮ基板および選択成長マスクを除いて、ｎ型ＧａＮ層の底部を露出させ、そこにｎ型電極を形成する構造であってもよい。この場合、白色発光素子の形状を堅固に保つために、別の基板を用いることが望ましい。
【００７５】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の白色発光素子およびその製造方法を用いることにより、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において、（ａ）は量子ドットを含む白色発光素子を示し、（ｂ）は量子井戸を含む白色発光素子を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の白色発光素子において、（ａ）は発光層の断面でパッチ状にＩｎ濃度一定領域が形成される変動分布を示し、（ｂ）は発光層の厚み方向に一定のＩｎ濃度一定領域が形成される変動分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の白色発光素子において、（ａ）は量子ドットとＩｎ濃度の変化とが重畳される図であり、（ｂ）は量子井戸とＩｎ濃度の変化とが重畳される図である。
【図４】本発明の実施の形態における量子ドットを含む白色発光素子の発光原理を示す図である。
【図５】図４において、量子ドットの外径が小さくなり、発光波長が変化することを示す図である。
【図６】量子サイズと発光波長との関係を示す図である。
【図７】Ｉｎ組成と発光波長との関係を示す図である。
【図８】各発光波長を合成した白色の波長分布を示す図である。
【図９】実施例１および２において白色発光素子を作製するＭＯＶＰＥ装置を示す図である。
【図１０】実施例１のＧａＮ基板における貫通転位密度の分布を示す図である。
【図１１】図１０のＧａＮ基板に形成した白色発光素子において、量子ドットの配置のみを示す図である。
【図１２】図１０のＧａＮ基板に形成した白色発光素子において、Ｉｎ濃度分布の配置のみを示す図である。
【図１３】実施例２における選択成長マスクを示す平面図である。
【図１４】実施例２において量子井戸およびＩｎ濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【図１５】実施例２において量子ドットおよびＩｎ濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【符号の説明】
１  ＧａＮ基板、２  ｎ型ＧａＮ層、３  ｎ型ＡｌＧａＮ層、４  発光層（ノンドープＩｎＧａＮ層）、５，５ａ，５ｂ，５ｃ  量子ドット、６  ｐ型ＡｌＧａＮ層、７  ｐ型ＧａＮ層、８  ｐ型電極、９  ｎ型電極、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  所定密度の貫通転位分布域、２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ  量子井戸、３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ  所定濃度範囲のＩｎ分布域、５６  ヒータ、５８  サセプタ。
【図１】
2004207610.tif 000003
【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】
2004207610.tif 000009
【図８】
2004207610.tif 000010
【図９】
2004207610.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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