(57)【要約】【課題】より広い範囲の発光波長又は受光波長の設定が可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体からなる発光層を備えた発光素子であって、前記発光層は、組成、又は元素配列、若しくはそれらの組み合わせを不規則に変化させることにより不規則構造とした半導体からなり、不規則構造でない同一組成からなる半導体に比較してより長波長の発光を可能とした。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなる発光層を備えた窒化物半導体素子であって、
前記発光層は、組成、又は元素配列、若しくはそれらの組み合わせを不規則に変化させることにより不規則構造とした半導体からなり、不規則構造でない同一組成からなる半導体に比較してより長波長の発光を可能としたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記発光層はＩｎを含み、該発光層により発光される光の波長がＩｎの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定された請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記発光層はＡｌを含み、該発光層により発光される光の波長がＡｌの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定された請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
窒化物半導体からなる受光層を備えた窒化物半導体素子であって、
前記受光層は、組成、又は元素配列、若しくはそれらの組み合わせを不規則に変化させることにより不規則構造とした半導体からなり、不規則構造でない同一組成からなる半導体に比較してより長波長の受光を可能としたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記受光層はＩｎを含み、該受光層により受光される光の波長がＩｎの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定された請求項４記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記受光層はＡｌを含み、該受光層により受光される光の波長がＡｌの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定された請求項１記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体素子、特に発光層又は受光層に窒化物半導体を用いて構成された窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子が開発され、紫外域から青色の波長域の発光素子として実用化されている。窒化物半導体発光素子では、通常、ＧａＮのＧａの一部をＩｎで置換したＩｎＧａＮが発光層として用いられ、Ｉｎの置換量により波長が紫外域から青色の波長域の所望の波長に調整されている。すなわち、Ｉｎの置換量を多くするとバンド幅が狭くなって発光波長は長くなる。また、Ｉｎの置換量を少なくするとバンド幅が広くなって、発光波長は短くなる。
【０００３】
また、最近では、ＩｎＧａＮ結晶を成長させる際、均一に成長させることが困難であることを逆に利用して、組成が不均一のＩｎＧａＮ結晶を発光層に用いて発光効率を向上させることが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の窒化物半導体発光素子は、ＧａＮとＩｎＮの格子不整合度が大きいことや、ＧａＮとＩｎＮの成長温度の差が極めて大きいことなどに起因して、Ｇａに対するＩｎの置換量を大きくすると結晶性が悪化するという問題があった。
そのために、波長が比較的長い光を発光させようとして、Ｉｎの置換量を大きくすると、結晶性が悪化するという問題があり、長波長化には一定の限界があった。
また、発光ダイオードやレーザダイオード等では、発光を効率を良くするために、発光層を量子井戸構造とする場合があるが、量子井戸構造にすると、量子効果の為に、実効的にバンド幅が広くなって、発光波長が短くなる。
従って、発光層を量子井戸構造とすると、長波長化はいっそう困難なものとなる。
さらに、Ｉｎの置換量を大きくすると、結晶性が悪化するので、発光波長を長波長にするほど、発光強度が低下するという問題もあった。
またさらに、Ｉｎを含む発光層に限らず、組成とは別の要素によって発光波長を調整することができれば、設計の自由度が増し便利である。
以上、窒化物半導体を発光層に用いた発光素子について説明したが、窒化物半導体を受光層に用いた受光素子についても事情は同様である。
【０００５】
そこで、本発明は、より広い範囲の発光波長又は受光波長の設定が可能な窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の窒化物半導体発光素子における前記問題点に鑑み、発光層を不規則構造とすることにより発光波長が長波長側にシフトすることに着目して完成したものである。特に、窒化物半導体を用いた発光層では、例えば、ＧａＮとＩｎＮのようにバンド幅差が大きいものを組み合わせて不規則構造を構成できることから、発光層を不規則構造にすることによる長波長化が顕著に現われることが期待できる。本願は、窒化物半導体発光素子において、発光層の組成を変更するだけでは対応できなかった発光波長を、不規則構造を適用することにより実現しようとするものである。
【０００７】
すなわち、本発明に係る第１の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなる発光層を備えた発光素子であって、前記発光層は、組成、又は元素配列、若しくはそれらの組み合わせを不規則に変化させることにより不規則構造とした半導体からなり、不規則構造でない同一組成からなる半導体に比較してより長波長の発光を可能としたことを特徴とする。
以上のように構成された本発明に係る第１の窒化物半導体素子では、不規則構造によって発光波長を長波長にできるので、従来の窒化物半導体からなる発光層では実現が困難であった発光波長を実現することが可能となる。
ここで、不規則構造でない同一組成からなる半導体とは、その組成が不規則構造の半導体の平均組成に等しいものをいう。
また、本発明における不規則構造とは、その構造に起因して電子の波動関数に定在波を生じさせ、電子を局在させるものであれば足り、成長方向（一次元）に不規則構造とした不規則超格子、二次元的に不規則構造とした不規則量子細線構造及び三次元的に不規則構造とした不規則量子ドット構造を包むものである。
ここで、不規則構造は、組成、元素配列の不規則による量子構造の形状、寸法の不規則により実現できる。
【０００８】
また、本発明に係る第１の窒化物半導体素子においては、前記発光層はＩｎを含む窒化物半導体により構成することができ、該発光層により発光される光の波長はＩｎの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定することができる。
これにより比較的少ないＩｎの含有量で発光波長の長波長化が実現できる。
【０００９】
また、本発明に係る第１の窒化物半導体発光素子においては、前記発光層はＡｌを含む窒化物半導体により構成することができ、該発光層により発光される光の波長はＡｌの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定することができる。
【００１０】
本発明は、また、上記発光素子の発光層の構成を、受光層に適用することにより、より長波長の光の受光が可能となる。
すなわち、本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなる受光層を備えた受光素子であって、
前記受光層は、組成、又は元素配列、若しくはそれらの組み合わせを不規則に変化させることにより不規則構造とした半導体からなり、不規則構造でない同一組成からなる半導体に比較してより長波長の受光を可能としたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、前記受光層はＩｎを含む窒化物半導体で構成でき、該受光層により受光される光の波長はＩｎの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定することができる。
【００１２】
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、前記受光層はＡｌを含む窒化物半導体で構成でき、該受光層により受光される光の波長はＡｌの含有量と前記不規則構造とに基づいて設定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子について説明する。
本実施の形態の窒化物半導体素子は、発光層が、電子の波動関数を空間的に局在させるように構成された不規則構造の窒化物半導体からなること以外は、従来の窒化物半導体発光素子と同様に構成される。
この実施の形態の不規則構造の発光層では、その発光波長が、局在する電子の状態、すなわち電子の波動関数の定在波の立ち方と、発光層の組成とによって決定されることになり、この点が、発光層に用いられる半導体材料の組成のみに一義的に対応するバンドギャップエネルギーにより波長が決定される従来の発光素子とは全く異なるものである。
【００１４】
より具体的には、発光層を不規則構造とすると、組成により決定される発光波長よりも長波長の発光が観測される（長波長シフト）。この長波長シフトに関しては数値計算により理論的に証明される。また、物理的な理由については、まだ議論の余地はあるが、以下のように解釈できる。すなわち、組成又は不純物等が不規則に変化している不規則構造では、エネルギ−バンド幅、有効質量等の物理定数が変化していることになる。従って、それらが不規則に存在する空間を走行する電子、正孔は、規則的な空間を走行する電子、正孔に比べて実効的なエネルギ−バンド幅が狭く成り、発光波長が長くなると考えることができる。この考え方に基づくと、この長波長遷移は、間接遷移型、直接遷移型を問わず生じるものであり、間接遷移型の半導体及び直接遷移型の半導体のいずれの半導体においても確認されている事実も説明できる。
【００１５】
このように、長波長遷移が不規則構造における電子の波動関数の定在波の立ち方と密接に関係していることは間違いない。具体的には、電子の波動関数の立ち方により、長波長シフトの度合いは変化する。この電子の波動関数の立ち方は不規則構造の構造的な要因に関係するものであり、言いかえれば、不規則構造の構造要因によって制御することが可能である。
従って、本発明の窒化物半導体発光素子では、電子の波動関数の立ち方、すなわち、不規則構造によって長波長シフトのシフト量を制御することが可能である。
また、窒化物半導体では、個々の材料ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのバンド幅差が他の燐化物半導体、砒化物半導体に比べて大きく、長波長化が顕著に現われる特徴がある。
本発明は、本発明者が得たかかる知見に基づいて完成したものであり、組成の変更だけでは対応しきれなかった発光波長を有する窒化物半導体発光素子を提供しようとするものである。
【００１６】
＜従来の組成不均一発光層との比較＞
本発明は、近年検討されているＩｎを含む組成不均一の窒化物半導体（Ｉｎの多い部分とＩｎの少ない部分とからなる）からなる発光層を有する窒化物半導体発光素子とは、以下の点で異なるものである。
従来の組成不均一発光層は、Ｉｎの少ない層（バンド幅の広い部分）の中にＩｎの含有量の多い部分（バンド幅の狭い部分）が点在するものであり、そのバンド幅の狭いＩｎの含有量の多い部分にバンド幅差に基づいて電子を集めて、その部分で発光させるものである。
すなわち、組成不均一のＩｎの多い部分とＩｎの少ない部分とからなる発光層は、波動関数の局在を利用するものではなく、Ｉｎの少ない部分とのバンド幅差に基づいてＩｎの多い部分に電子を閉じ込めて発光するものである。
従って、基本的にはＩｎの含有量の多い部分におけるＩｎの含有量によりその発光波長が決定されており、構造要因により長波長化が図れるものではない。
【００１７】
これに対して、本実施の形態の窒化物半導体発光素子における窒化物半導体発光層は、不規則構造に基づき、電子の存在確率を表す波動関数の波動が、不規則透過、不規則反射により、規則構造の時の一様の振幅が崩れ、場所によって振幅の大小に大変大きな差が出来るようになる。このことを、本明細書では、不規則により定在波が立つと表現している。その結果、組成の異なりで、単にバンド幅の狭い所に局在される従来のものと異なり、不規則構造の結果生じた波動関数の振幅の大きなところに電子が局在されることになる。この局在により発光波長の長波長化が生じる。また局在により、電子のもつ運動量に幅ができる結果、同一運動量をもつ正孔との再結合確率をも増加させることになる。
従って、本発明において、発光層を不規則構造とする理由は、電子の波動関数に定在波を生じさせるためであり、組成を不規則に変化させることにより不規則構造を構成した場合であっても、その組成のみに一義的に対応して発光波長が決定されるものではない。
【００１８】
本発明の不規則構造は、電子の波動関数に定在波が立つような構造であればよく、一方向、二方向、または三方向に人工的にフラツキをもたせた不規則構造、添加する不純物にその量、添加する位置が一方向、二方向、三方向に不規則に変化する超格子、量子細線、量子ドットにおいて、その寸法、形状を不規則に変化させた不規則構造が含まれる。
以下、成長方向（一次元）に不規則構造とした不規則超格子、二次元的に不規則構造とした不規則量子細線及び三次元的に不規則構造とした不規則量子ドットについてより具体的に説明する。
【００１９】
＜不規則超格子構造＞
不規則超格子構造の具体例として、以下のような構造が挙げられ、エピタキシャル成長により成長させることができる。尚、本発明は以下に例示する不規則構造に限定されるものではない。
（１）２種類の組成の層を交互に積層したものであり、その層厚（原子層の層数）を不規則に変化させた不規則超格子構造（図１（ａ））。
例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＧａＮ層とを交互に積層した層であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の原子層数ａ１とＧａＮ層の原子層数ａ２を不規則（ランダム）に変化させた不規則超格子構造である。
【００２０】
（２）組成を不規則に変化させた超格子（図１（ｂ）（ｃ））
（ｉ）例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＧａＮ層とを交互に積層した層であって、各層の原子層の数は一定とし、Ｉｎ組成ｘを不規則（ランダム）に変化させた不規則超格子構造、
（ｉｉ）例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＩｎｙＧａ１−ｙＮ層とを交互に積層した層であって、各層の原子層の数は一定とし、Ｉｎ組成ｘとｙとを不規則（ランダム）に変化させた不規則超格子構造、
（ｉｉｉ）上記（ｉ）及び（ｉｉ）において、さらに層数を不規則に変化させた不規則超格子構造、
等である。
【００２１】
（３）不純物を局所的に添加（δ−ドーピング）したものであって、ドーピングする位置及び／又は添加量を不規則に変化させた不規則超格子構造。
（４）結晶層の成長方向に直角な面内で、組成、不純物の添加量等を不規則に変化させた不規則超格子構造。
（５）上記（１）〜（４）を適宜組み合わせた不規則超格子構造。
本発明では、以上説明した種々の不規則超格子構造を適用できる。
また、以上の説明では、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＧａＮ層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＩｎｙＧａ１−ｙＮ層の組み合わせに基づいて説明したが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とＧａＮ層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とＡｌｙＧａ１−ｙＮ層と組み合わせることができる。
【００２２】
＜不規則量子細線＞
不規則量子細線構造は、例えば以下のようにして作製できる。
まず、図２（ａ）に示すように、サファイア基板２０１上にＡｌＮ又はＧａＮからなるバッファ層を含む窒化物半導体層２２０を形成し、その上に、ＡｌＧａＮ（ＡｌＮ）層２３０ａとＧａＮ層２３０ｂを交互に積層することにより、発光層を構成する多層膜２３０を形成する。ここで、ＡｌＧａＮ（ＡｌＮ）層２３０ａとＧａＮ層２３０ｂの膜厚は、例えば数Å〜数百Åの範囲で不規則（ランダム）に設定する。
【００２３】
次に、多層膜２３０の上に、例えば、ＳｉＮ層を形成し、パターンニングすることにより、その幅と間隔が不規則に設定された互いに平行な複数のマスク２４０を形成する。
尚、マスク２４０の幅と間隔は、例えば数十Å〜数百Åの範囲で不規則（ランダム）に設定する。
そして、マスク２４０が形成されていない部分の多層膜をエッチングにより除去する（図２（ｂ））。
このようにして、寸法の異なる細線が積層された不規則量子細線構造の発光層２３１を作製することができる。
【００２４】
不規則量子細線構造の発光層を備えた発光素子は、例えば、図３に示すように構成できる。
図３の発光素子では、サファイア基板２０１の上に、バッファ層（図示せず）を介して一部にｎ型電極２２２が形成されたｎ型窒化物半導体層２２１が設けられ、その上に図２を用いて説明した不規則量子細線構造の複数の発光層２３１が形成され、さらにその発光層２３１の上にそれぞれｐ型窒化物半導体層２５１が形成されている。
また、図３の発光素子において、ｐ型電極２５２は、隣接する発光層２３１及びｐ型窒化物半導体層２５１の間にＳｉＯ２２６０を埋め込むように形成した後、各ｐ型窒化物半導体層２５１上とオーミック接触するように形成されている。
以上のようにして、不規則量子細線構造の発光層を備えた窒化物半導体発光素子を構成することができる。
また、以上の例では、ＡｌＧａＮ（ＡｌＮ）／ＧａＮを用いて構成した不規則量子細線構造について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等の他の窒化物半導体を用いてもよい。
【００２５】
＜不規則量子ドット構造＞
また、本発明では、窒化物半導体、特に、ＧａＮ，ＩｎＮのように均一に固溶が困難な材料を利用することにより、少なくとも隣接する領域間において、Ｉｎ組成が異なる複数の領域を持った不規則量子ドット構造を作製することができる。
例えば、図４に模式的に示す各領域の組成を表１の右欄に示すようにした場合、Ｉｎの組成ｘ１〜ｘ４を、少なくとも隣接する領域間では異なるように、すなわち、ｘ１≠ｘ２，ｘ１≠ｘ３，ｘ２≠ｘ３，ｘ２≠ｘ４，ｘ３≠ｘ４を満足するように不規則（ランダム）に設定する。これにより、領域内の電子の波動関数が相互作用をし、その結果、電子の局在が生じる。これにより、発光波長の長波長化をもたらす、不規則量子ドット構造を構成することができる。
尚、上述したように、電子の局在は、電子の波動関数に定在波が立つことにより生じるものであり、電子の局在する領域はＩｎの組成により定義される領域１０１，１０２，１０３，１０４と一致するものではないことを念のために言っておく。
【００２６】
表１
2004071645.tif 000003
ここで、０≦ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４≦１である。
以上の例では、ＩｎＧａＮを用いて構成した不規則量子ドット構造について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等の他の窒化物半導体を用いてもよい。
【００２７】
＜不規則構造の窒化物半導体発光層＞
不規則構造の発光層は、従来は主として間接遷移型の半導体からなる発光層に適用することによって、直接遷移型に近い遷移が得られ発光強度の増大という効果を得ていた。しかしながら、直接遷移型の半導体においても発光強度の増大するという同様の効果が得られること、及び長波長遷移が生じることが見出された。従って、直接遷移型の半導体である窒化物半道体においても間接遷移型の半導体と同様の効果が得られる。
【００２８】
この発光強度の増大は、直接遷移型の窒化物半導体においてもハイゼンベルグの不確定性原理に基づいて説明することができる。すなわち、位置の不確定さをΔｘとし、電子の運動量の不確定さをΔｐとすると、ハイゼンベルグの不確定性原理Δｘ・Δｐ≧ｈ／２より、電子の局在を強めて、位置の不確定さΔｘを限りなく０（ゼロ）に近づけると、運動量の不確定さΔｐを大きくできる。その結果、図５において、“１０”の符号で示すように電子の運動量の取り得る範囲を大きくできる。また、電子の局在を強くすると、ホールの局在も強くなる。従って、ホール（正孔）についても、位置の不確定さをΔｘを０（ゼロ）に近づけると、運動量の不確定さを大きくできる。その結果、図５において、“２０”の符号で示すようにホールの運動量の取り得る範囲を大きくできる。このように、電子の局在を強くすると、電子の運動量の取り得る範囲を大きくできかつホールの運動量の取り得る範囲を大きくできるので、遷移確率を向上させることができ、発光強度を向上させることができる。
【００２９】
また、電子の局在を強くするということは、超格子を不規則構造とすることの効果が顕著に現われるということであり、それはさらに長波長シフト量を大きくすることに繋がる。従って、本発明では、電子の局在を強くすることにより、長波長シフトを大きくすることができ、より広い範囲における波長の調整が可能となる。また、局在によりる発光強度を向上させることができる。
この点、主としてＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮの中から種々選択して構成される窒化物半導体の不規則超格子構造は有利である。すなわち、バンド幅に着目すると、ＧａＮのバンド幅は３．３９ｅＶ，ＩｎＮのバンド幅は０．８５ｅＶ，ＡｌＮのバンド幅は６．２ｅＶであり、ＧａＮとＩｎＮ及びＧａＮとＡｌＮの間のバンド幅差は、表２に示すように例えばＧａＡｓ系などの他の材料に比較して極めて大きい。
【００３０】
表２
2004071645.tif 000004
尚、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮのバンド幅は、その組成比に対応してＧａＮとＩｎＮ及びＧａＮとＡｌＮの中間的なバンド幅を有する。
【００３１】
このように窒化物半導体発光素子では、バンド幅差が大きい材料の選択が可能であることから、不規則にした場合の効果（発光強度の向上及び長波長化）が顕著に表われ、より広い範囲の波長の調整が可能となると共により大きい発光強度の向上が可能となる。
【００３２】
以上のように、本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、発光層が電子の波動関数を空間的に局在させるように構成された不規則構造の窒化物半導体により構成されているので、従来の組成の変更だけでは対応できなかった波長の光を発光させることが可能となり、しかも発光強度を向上させることができる。
【００３３】
以上の実施の形態では、不規則構造の発光層を備えた窒化物半導体素子について説明したが、不規則構造の上記発光層を受光層として用いることができ、その場合、長波長の受光が可能となることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る第１の窒化物半導体素子によれば、発光層を不規則構造とすることにより、長波長化が実現できることから、従来窒化物半導体発光素子では困難であった波長域の光の発光が可能な発光素子を提供できる。また、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、長波長化が実現できるだけではなく、発光効率の向上も図れる。
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子によれば、受光層を不規則構造とすることにより、受光波長の長波長化が実現できることから、従来窒化物半導体受光素子では困難であった波長域の光の受光が可能な受光素子を提供できる。また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、受光波長の長波長化が実現できるだけではなく、受光効率の向上も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る各種の不規則超格子構造のバンド構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る不規則量子細線構造の作製例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る不規則量子細線構造の発光層を用いて構成された発光素子の断面図である。
【図４】本発明に係る不規則量子ドット構造の発光層を示す平面図である。
【図５】本発明に係る不規則構造の発光層において、電子の運動量の取り得る範囲を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，１０２，１０３，１０４…領域、
２０１…サファイア基板、
２２０…窒化物半導体層、
２２１…ｎ型窒化物半導体層、
２２２…ｎ型電極、
２３０…多層膜、
２３０ａ…ＡｌＧａＮ（ＡｌＮ）層
２３０ｂ…ＧａＮ層、
２３１…発光層、
２４０…マスク、
２５１…ｐ型窒化物半導体層、
２５２…ｐ型電極、
２６０…ＳｉＯ２層。
【図１】
2004071645.tif 000005
【図２】
2004071645.tif 000006
【図３】
2004071645.tif 000007
【図４】
2004071645.tif 000008
【図５】
2004071645.tif 000009