(57)【要約】【課題】任意の色の発光が可能な発光素子であって、色ムラを抑制した均一光源を得ることを目的とする。また、均一光の取り出し効率の向上も課題とする。【解決手段】２種類の元素を付活剤を含有したサファイア基板に発光層を有するＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る発光素子を成長させる。この時、基板には凹凸加工している。前記付活剤としてＣｅ又はＦｅからなる第１元素と、イオン半径がＡｌの７０％〜１３０％の第２元素を用いる。前記基板の凹凸形成はテーパー角をつける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子を備えた発光装置であって、
前記基板は窒化物系化合物半導体からなる発光層からの放出光を吸収して、より長波長の光を放出する付活剤としてＣｒ又はＦｅから成る第１元素と、イオン半径がＡｌの７０％以上１３０％以下の範囲にある第２元素とを含有したサファイア基板であることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記第２元素は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇからなる群から選択される少なくとも１つである請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記サファイア基板に含有されるＣｒは、５５０ｎｍの波長における吸光度が１０ｃｍ―１以上である請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記発光層からの第一の放出光と、前記サファイア基板は少なくとも第一の放出光を吸収し、波長変換することによって第一の放出光の主発光ピークよりも長波長側に主発光ピークを持った第二の放出光を発光し、且つ第一及び第二の放出光の混色光によって白色光が発光可能な請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記発光層からの放出光は主発光ピークが３６０ｎｍから４９０ｎｍの範囲内にある請求項１に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近紫外領域から可視光領域までの広範囲での発光可能な発光素子と、この発光素子からの光を波長変換する基板を備えた発光装置に係わり、特に前記発光素子には窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）を用い、また前記基板には放出光の波長が異なる付活剤が添加されることで、可視光の長波長側においても高輝度に発光可能なことにより演色性の高い混色光が発光可能な発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光素子が開発され、近紫外光から可視光の長波長側である赤色光が発光可能となり半導体を用いた照明や液晶、表示装置の需要が高まっている。
【０００３】
このような中、本出願人は可視光の青色光を発光するサファイア基板上に形成された窒化ガリウム半導体からなる発光素子と、この発光素子からの青色光を吸収し、補色となる黄色が発光可能なＣｅで付活されたＹ３Ａｌ５Ｏ１２（以下、ＹＡＧと示す）系蛍光粉末とを備えた発光装置を開発させた。このような組み合わせによって、発光素子から放射された光の一部がＹＡＧ系蛍光粉末の粒子に当たり、発光した黄色光を発光素子からの青色光と混ざり合わせて白色光とするものであるため、信頼性が高く高輝度に発光可能な実用的白色発光装置を実現させた。このような発光ダイオードは、二端子一チップの比較的簡単な構成で実用的な信用性を持った高輝度な白色光を得ることができるために種々の分野に応用され始めている。この白色発光ダイオードは蛍光体を利用しているがゆえに、可視光における赤み成分をも発光し演色性もＲａ＝８５以上とすることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０８８１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７８３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す構成で白色光の均一性を得るのは困難と言える。その理由としては、樹脂に混入させるＹＡＧ系蛍光粉末の粒径を均一にすることが難しいからである。さらには粉末が沈降することが考えられる。これは粉末の重さによるものであり、粒径が不均一であるため粒径の大きい粉末は早く沈降するため、粉末の空間的分布が存在することとなり、白色光の不均一が生じるのである。更に、利用分野の広がりにつれ、より演色性の高い発光装置、例えば発光ダイオードが求められる現在においては更なる改良が求められている。そこで、本発明は比較的簡単な構成でありながら演色性の高い白色系が均一光として発光可能な発光装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決する手段】
本発明は、基板上に窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子を備えた発光装置であって、前記基板は窒化物系化合物半導体からなる発光層からの放出光を吸収して、より長波長の光を放出する付活剤としてＣｒ又はＦｅから成る第１元素と、イオン半径がＡｌの７０％以上１３０％以下の範囲にある第２元素とを含有したサファイア基板であることを特徴とする発光装置である。本発明に用いる前記基板は発光層からの放出光を少なくとも１％以上、好ましくは１０％以上透過させる透明基板であればよいが、付活剤を均一に含有させるにはサファイアが好ましい。サファイア基板にＣｒを含有したものと窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子との組み合わせ技術があるが、実用化するためには演色性をより向上させる必要があった。そこで、本発明はサファイア基板に含有させる付活剤をＣｒ又はＦｅから成る第１元素と、それ以外に第２元素を含有することでサファイア基板からの放出光を５３０〜６８０ｎｍ、好ましくは５５０〜６５０ｎｍの光に波長変換して、発光層からの放出光と合わせることで演色性の高い混色光が発光可能な発光装置とすることができる。付活剤とする元素を２種類以上として双方の含有割合によって基板からの放出光をシャープな光だけでなくブロードな光にもすることができるため、同じイエロー帯であったとしても照明装置や医療機器等の用途に応じて波長帯だけではなく、その半値幅までも調整することができる。また、比較的簡単な構成で信頼性の高い発光ダイオードとすることもできる。
【０００７】
サファイア基板は耐熱性に優れた基板であって、インゴットで得られた後にウェハー加工が出来る等の耐久性も有している。しかしながら、結晶内に付活剤を含有させることは結晶性を著しく低下させることになる。そのため、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）内のＡｌの位置に入る元素を限定しなければならない。そこで、本発明では付活剤として第１元素の他にイオン半径をＡｌの７０％以上１３０％以下とした第２元素を追加することで該付活剤は、サファイアの結晶性を低下させることなくＡｌサイトに入ることを可能とした。上記構成とすることで演色性の高い混色光が発光可能な発光装置とすることができる。また、比較的簡単な構成で信頼性の高い発光装置とすることもできる。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の発光装置は、前記第２元素は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇからなる群から選択される少なくとも１つである。これらの元素は２価〜４価である。これによって、より赤色成分が高輝度に発光可能となると共に、発光素子形成時や発光装置の形成時における基板の割れ等が抑制された歩留まりの高い発光装置とすることができる。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の発光装置は、前記サファイア基板に含有されるＣｒは、５５０ｎｍの波長における吸光度が１０ｃｍ―１以上である。これによって、より赤色成分が高輝度に発光可能となると共に、発光素子形成時におけるサファイア基板のスクライブなどによっても歩留まりの高い発光装置とすることができる。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の発光装置は、前記発光層からの第一の放出光と、前記サファイア基板は少なくとも第一の放出光を吸収し、波長変換することによって第一の放出光の主発光ピークよりも長波長側に主発光ピークを持った第二の放出光を発光し、且つ第一及び第二の放出光の混色光によって白色光が発光可能な発光装置。
【００１１】
これによって、蛍光体を樹脂封止等する場合においても蛍光体及び樹脂が劣化することなく各種インジケータ、バックライト光源、照明用光源などに利用可能な発光装置、例えば発光ダイオードとすることができる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発光装置は、前記発光層からの放出光は主発光ピークが３６０ｎｍから４９０ｎｍの範囲内にある。これによって、発光装置からの放出光を任意色にすることができる。発光層からの光が近紫外領域（３６０ｎｍから４００ｎｍ）であれば、前記サファイア基板を透過する光は無色となり、サファイア基板内で波長変換した光のみが放出光となるため長波長の放出光を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者は以下に示す実施の形態によって変換効率の高い特定の材料を使用して、実用的信頼性と高輝度化及び高演色性を両立できることを見出した。
【００１４】
すなわち、近紫外〜長波長領域までの広範囲で発光可能な窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子と、この発光素子からの光を利用してより長波長に変換可能な付活剤を含有したサファイア基板を備えた発光装置とすることによって、より実用的な白色系が発光可能な発光ダイオード等を形成したものである。
【００１５】
本発明は図１に示すように、第１元素２０１と第２元素２０２が含有されたサファイア基板１０１上に、ＩｎＡｌＧａＮから成るバッファ層１０２、転位低減層１０３を介して、ｎ型不純物がドープされ電極が形成される第一のｎ型窒化物半導体層１０４、第一のｎ型窒化物半導体層上にｎ型不純物がドープされたキャリア供給作用、キャリア閉じ込め作用、光閉じ込め作用等の機能を有する第二のｎ型窒化物半導体層１０５、単一又は多重量子井戸構造を形成するために障壁層と井戸層を備えた発光層１０６、ｐ型不純物がドープされたキャリア供給作用、キャリア閉じ込め作用、光閉じ込め作用等の機能を有する第一のｐ型窒化物半導体層１０７、ｐ型不純物がドープされ電極が形成される第二のｐ型窒化物半導体層１０８からなる発光素子１２０を形成する。前記転位低減層１０３は省略可能である。前記第一のｎ型窒化物半導体層１０４上にはｎ型電極１２１、第二のｐ型窒化物半導体層１０８上にはｐ型電極１２２、パッド電極１２３が形成されている。また、前記電極を形成した後、発光素子には保護膜１３１が形成されている。
【００１６】
［サファイア基板１０１］
前記サファイア基板は、（０００１）面、又は（１１−２０）面を主面とすることが好ましい。基板上に成長させる窒化物系化合物半導体の結晶性がよいからである。以下に付活剤を含有したサファイア基板の製造方法を示す。
【００１７】
サファイア基板はＥＦＧ法、ヘム法、キプロス法等の方法で結晶を育成することができる。その中でもＣＺ法は組成均一であり、添加物の偏積がないため基板の成長法には好ましい。更には任意の角度で引き上げた基板を切り出せることから窒化物半導体の成長面である（０００１）面を容易に形成することができる。ＣＺ法では原料融液に種結晶を基に結晶方位の揃った単結晶を育成する。回転させた種結晶を原料融液に接触させ、先端が溶けるほどの温度に保持した後、種結晶を上昇させて融液との間に温度勾配を作り冷却していく。その後、結晶育成は大きく３つの工程に分けられる。結晶の直径を太くする型作り工程、一定径の結晶を得る直胴部育成工程、融液から結晶を切り離す工程からなる。原料は所望の組成比の割合で秤量して混合すればよい。原料はルツボ中に充填される。ルツボ材にはＩｒ製のものが用いられる。結晶育成炉は、炉内に耐火材で構成された高温部の中に原料を充填Ｉｒルツボを配置する。ここで付活剤は共沈させることにより添加することができる。この付活剤は引き上げられたサファイア内では均等に配置されている。
【００１８】
サファイア基板の製造方法としては、まずＩｒルツボにアルミナ、付活剤に用いる原料の酸化物等を所定量を投入する。ここで、付活剤である第１元素、第２元素の割合はＡｌサイトに置換する量がＡｌ総量の５％以下、好ましくは３％以下とする。次に、高周波炉においてアルゴン雰囲気中で１５００℃以上、好ましくは２０８０℃程度まで昇温し、アルミナ種結晶からＣＺ法により引き上げる。アルミナ種結晶を結晶液面に漬けて、０．１〜１０．０ｍｍ／ｈ、好ましくは０．３〜５ｍｍ／ｈ、より好ましくは０．５〜２．０ｍｍ／ｈで結晶を引き上げる。結晶の引き上げ軸はａ軸方向、ｃ軸方向、その他を特に限定しない。また、回転速度は０．５〜１０ｒｐｍ、好ましくは１〜３ｒｐｍとする。ここで、前記アルミナ種結晶は直径１ｍｍ〜３０ｍｍ、より好ましくは５〜２０ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍとする。
【００１９】
引き上がったサファイア基板をＨ２雰囲気で１０００℃以上、好ましくは１４００℃程度でアニールを行う。これにより半値幅が３０ａｒｃｓｅｃ以下、好ましくは２５ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を得ることができ、結晶欠陥も５×１０２〜５×１０４個／ｃｍ２とすることができる。その後、ワイヤーソーでウェハー状にカッティングをし、ラッピング、ポリッシングにより付活剤を含有したサファイア基板とする。
【００２０】
本実施形態においては、基板の膜厚は光を透過することができる膜厚であれば、特に限定されないが、好ましくは３ｍｍ以下とする。基板の膜厚は３０μｍあれば加工することは可能ではあるが、より好ましくは、５０μｍ以上２ｍｍ以下とする。これは基板のスライス加工、ステップ加工が可能な膜厚である。本発明に示す基板はスライス加工が可能な面は窒化物半導体の成長面とすることができる。
【００２１】
［付活剤２００］
本発明の実施形態において、付活剤２００には第１元素２０１と第２元素２０２とを用いる。ここで、第１元素はＣｒ又はＦｅである。ＣｒはＣｒ３＋又はＣｒ４＋として、ＦｅはＦｅ３＋として含有する。第２元素は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇからなる群から選択される少なくとも１つである。第１元素と第２元素の組み合わせとしては、第１元素：第２元素をＣｒ４＋：Ｆｅ３＋、Ｃｒ４＋：Ｍｇ２＋、Ｆｅ３＋：Ｔｉ３＋とすることがサファイア基板からの放出光を変換効率が高いイエロー光とすることができるため、発光素子１２０からの放出光をブルー光とすれば高輝度の白色光を得ることができる。
【００２２】
［発光素子１２０］
本発明の実施形態において、発光素子１２０は窒化物系化合物半導体から成り、アンドープ、又はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープした窒化物系化合物半導体、またはＭｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープした窒化物系化合物半導体、さらにはｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせた窒化物系化合物半導体を用いることができる。また、窒化物系化合物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の方法を適用できる。以下に発光素子の層構造について詳細を示す。
【００２３】
実施形態１
Ｉｒルツボにアルミナ、付活剤に用いる原料の酸化物等を所定量を投入する。ここで、付活剤である第１元素、第２元素の割合はＡｌサイトに置換する量がＡｌ総量の４％として、それぞれ２％とする。次に、高周波炉においてアルゴン雰囲気中で２０８０℃程度まで昇温し、アルミナ種結晶からＣＺ法により引き上げる。アルミナ種結晶を結晶液面に漬けて、１．５０ｍｍ／ｈで結晶を引き上げる。結晶の引き上げ軸はｃ軸方向とする。また、回転速度は２．０ｒｐｍとする。ここで、前記アルミナ種結晶は直径１０ｍｍとする。
【００２４】
引き上がったサファイア基板をＨ２雰囲気で１４００℃程度でアニールを行う。これにより半値幅が２５ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を得る。結晶欠陥も５×１０２個／ｃｍ２とする。その後、ワイヤーソーでウェハー状にカッティングをし、ラッピング、ポリッシングによりＣｒ３＋とＦｅ３＋を含有したサファイア基板とする。このサファイア基板は２インチで、膜厚２００〜４００μｍとする。
【００２５】
前記サファイア基板１０１上にバッファ層１０２（図示されていない。）を形成する。このバッファ層としては、一般式はＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される。好ましくはＡｌの組成比が０．５以下である。Ａｌの組成比が高ければ結晶性を低下させるが上記範囲でＡｌをバッファ層に含有すれば、後工程において窒化物系化合物半導体の成長時に容易に平坦化することができる。バッファ層の成長温度は３００℃以上１０００℃以下、好ましくは４００℃以上９００℃以下の範囲に調整する。バッファ層が良好な多結晶として形成すると、この多結晶を種結晶としてバッファ層の上に結晶性の良好な窒化物系化合物半導体を形成することができる。バッファ層の膜厚は１０オングストローム以上０．５μｍ以下で成長される。この範囲に調整すれば基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和することができるため、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。バッファ層には基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和する効果があり、転位欠陥を単位面積あたり１×１０９個／ｃｍ２程度まで低減させる点で好ましい。
【００２６】
上記バッファ層の上には、マスクを用いたＥＬＯ法や基板上に成長させた窒化物半導体層に凹凸を形成した後、再び横方向成長させる方法等を利用した転位低減層１０３（省略可能）を介して第一のｎ型窒化物半導体層１０４を成長させる。
【００２７】
（第一のｎ型窒化物半導体層１０４）
第一のｎ型窒化物半導体層１０４は、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層であって、ｎ型不純物を１×１０１７／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０１８／ｃｍ３以上の濃度で含有する。このようにｎ型不純物を多くドープすることで、発光ダイオードを形成する場合にはＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる。ｎ型コンタクト層としての機能を保持しうる限界としては５×１０２１／ｃｍ３以下とすることが望ましい。本発明における不純物濃度の測定は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によるものである。ｎ型コンタクト層は、ＩｎＡｌＧａＮで表され、結晶欠陥を少なくするためにはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）とする。また、ｎ型コンタクト層はｎ型電極１２１を形成するための層であり、抵抗値を低くし発光素子のＶｆを低くするために、ｎ型コンタクト層の膜厚は１〜１０μｍとする。
【００２８】
（第二のｎ型窒化物半導体層１０５）
次に、ｎ型コンタクト層上には第二のｎ型窒化物半導体層１０５としてｎ側第１多層膜層とｎ側第２多層膜層を成長させる。アンドープの下層、ｎ型不純物ドープの中間層、アンドープの上層の３層から成るｎ側第１多層膜層を形成すると、発光出力と共に静電耐圧を向上させることができる。これらの３層を構成する窒化物半導体としては、ＩｎＡｌＧａＮで表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができる。この組成は互いに同一でも異なっていてもよい。ｎ側第１多層膜の膜厚は、Ｖｆを最適化し静電耐圧を向上させるために、１７５〜１２０００Åとする。好ましくは２０００〜６０００Åとする。第１多層膜の膜厚は、各膜厚を適宜調整することにより、総膜厚を上記の範囲とする。これにより、発光出力及び静電耐圧を著しく向上させることができる。アンドープの下層の膜厚は、１００〜１００００Åとする。アンドープの下層は、膜厚を厚くすれば静電耐圧が上昇していくが、１０００Å付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００Å未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、アンドープの下層は、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層の結晶性の低下による影響を改善する機能を有しているため、結晶性を改善する機能を効果的に発揮させる観点からは、５００〜８０００Å程度の膜厚で成長させるのが好ましい。ｎ型不純物ドープの中間層の膜厚はｎ型コンタクト層の膜厚よりも小さいことが好ましく、５０〜１０００Åとする。このｎ型不純物がドープされた中間層は、キャリア濃度を十分高くして発光出力を比較的大きくする機能を有する層であり、この層を有する発光素子は、形成しない発光素子に比べて発光出力が低下する。また、膜厚が１０００Åを超えると逆に発光出力が低下する。一方、静電耐圧のみを考慮すると、中間層の膜厚は５０Åより厚いと静電耐圧は良好にできるが、これよりも薄ければ静電耐圧を低下させてしまう。アンドープの上層の膜厚はアンドープの下層の膜厚よりも小さいことが好ましく、２５〜１０００Åとする。このアンドープの上層は、第１多層膜の中で活性層に接して、あるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与する層であるが、上層の膜厚が２５Å未満ではリーク電流の増加を効果的に防止することができない。また、上層の膜厚が１０００Åを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する。上記の範囲で下層〜上層の各層の膜厚を形成することにより、素子特性のバランスが良好であり、特に発光出力及び静電耐圧が良好とすることができる。
【００２９】
第１の多層膜層を構成する各層の組成は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表され、各層の組成は同一でも異なっていても構わない。また、第１の多層膜層における  ｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０１８／ｃｍ３以上の濃度とする。上限は、５×１０２１／ｃｍ３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。第１多層膜の上に活性層を形成する場合において、その第１の多層膜層のうちの活性層と接する上層５ｃを、例えば、ＧａＮを用いて形成することにより、活性層における障壁層として機能させることができる。第１多層膜層は上記組成式で示される３層内のいずれか２層のみ、又は単一のアンドープ層としてもよい。
【００３０】
次に、第１の多層膜層上にｎ側第２多層膜層を形成する。この層は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とを積層することにより構成する。このｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層することが望ましい。このｎ側第２多層膜層の膜厚は、少なくとも一方の膜厚を１００Å以下とし、好ましくは両方の膜厚を１００Å以下とする。少なくとも一方の膜厚が１００Å以下であれば、その一方の薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶性を良くすることができ、多層膜層全体の結晶性を良くすることができる。両方の膜厚を１００Å以下とすれば、ｎ側第２多層膜層が超格子構造となり、ｎ側第２多層膜層はバッファ層の作用効果を有するため、その多層膜層の結晶性が良くなり、出力をより向上させることができる。ｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物半導体とし、好ましくは３元混晶のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）とし、好ましくはｘ値を０．５以下とする。第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であればよく、２元混晶や３元混晶のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）とする。また、ｎ側第２多層膜層はアンドープ、いずれか一方に不純物がドープされてもよい。この不純物はｎ型不純物であり、変調ドープとすることが好ましい。変調ドープとすれば、出力を高くすることができる。ｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０１８／ｃｍ３以上の濃度とする。上限は、５×１０２１／ｃｍ３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。
【００３１】
（発光層１０６）
次に量子井戸構造の発光層を形成する。発光層（活性層）はアンドープの他に、ｎ型不純物とｐ型不純物のいずれか一方をドープしたものや、双方をドープしたものとする。発光層にｎ型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバンド間発光強度を強くすることができる。発光層にｐ型不純物をドープすればバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低いエネルギー側にピーク波長をシフトさせることができるが、半値幅は広くなる。結晶性のよい発光層を成長させるには、アンドープが最も好ましい。また単一量子井戸構造としてもよいが、多重量子井戸構造とすれば発光出力が高い、静電耐圧の良好な特性が得られる。障壁層と井戸層との積層順は、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わってもよい。このペア数は１〜１５ペア程度であればよい。この範囲の膜厚とすれば出力を向上させることができる。発光層に接している層は発光層における最初の層（井戸層、若しくは障壁層）として機能する場合もある。
【００３２】
井戸層の組成式はＩｎＡｌＧａＮであって、膜厚としては１００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上とする。なお、複数の井戸層を有する場合には、最もｎ側第２多層膜層に近い井戸層をｎ型不純物のドープ層から形成し、他の井戸層をアンドープとすればＶｆを低下させることができる。このｎ型不純物はＳｉが好ましく、５×１０２１／ｃｍ３以下に調整する。一方、障壁層の組成式はＩｎＡｌＧａＮであって、また膜厚は２０００Å以下、好ましくは５００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上に調整する。
【００３３】
（第一のｐ型窒化物半導体層１０７）
発光層上には第一のｐ型窒化物半導体層１０７を成長させる。このｐ側窒化物半導体層４はｐ型クラッド層、ｐ型低濃度ドープ層から成る。ｐ型クラッド層はｐ型不純物をドープした、多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造からなる。ｐ型クラッド層を構成する多層膜としては、少なくとも一方にｐ型不純物を含有したものが挙げられる。一般式はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される。ｐ型多層膜層のＡｌやＩｎの組成比は本発明における他の多層膜と同様に平均値を示すものとする。またｐ型クラッド層を超格子構造とすると、結晶性が良く、抵抗率を低くできるので、Ｖｆを低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択する。次に、ｐ型クラッド層を単一層とする場合は、ｐ型不純物を含有したＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とする。Ａｌを含有することで発光出力が向上し、また静電耐圧についてもＧａＮと同等に良好である。
【００３４】
ｐ型クラッド層を形成後、ｐ型低濃度ドープ層を形成することができる。このｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層よりもｐ型不純物濃度を低くすればよく、多層膜としてもよい。効果としては、発光出力の向上と共に、静電耐圧を良好にすることができる。また、ｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層内のｐ型不純物濃度によっては省略することができる。
【００３５】
（第二のｐ型窒化物半導体層１０８）
次に第二のｐ型窒化物半導体層１０８を成長させる。第二のｐ型窒化物半導体層１０８は、ｐ型クラッド層、又はｐ型低濃度ドープ層上に形成される一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表され、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープしたｐ型コンタクト層である。Ｉｎ、Ａｌを含まないＧａＮからなる窒化物半導体とすることで、ｐ型電極１２２とのオーミック接触をより良好にでき、発光効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層の膜厚は、特に限定されないが１０００Å程度である。以上よりウェハー上に窒化物半導体素子を得ることができる。
【００３６】
また、ｎ型電極１２１はｎ型コンタクト層上に、ｐ型電極１２２はｐ型コンタクト層上に、それぞれ形成される。例えばｎ型電極にはＴｉ／ＡｌやＷ／Ａｌ、ｐ型電極としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。その後、チップ化することで発光素子とする（図５）。さらに前記発光素子は電極上にバンプを形成してフリップチップ型にすることもできる（図２）。
【００３７】
実施形態２
その他の実施形態としては、サファイア基板１０１には発光素子の形成面及び／又は裏面に凹凸を有した構造とする（図３、図４）。凹凸を形成したサファイア基板の平面形状は、矩形状、ストライプ状、格子状、又は島状である。凹凸を形成したサファイア基板上にエアーギャップを形成せずに窒化物半導体を成長させれば該基板への入射効率が向上する。凸部ａと凹部ｂを形成した基板上に窒化物半導体素子を形成し、前記基板に凹凸を形成したディンプル角度αが０°（垂直）〜９０°（平坦な基板）の範囲での取り出し効率は、上記ディンプル角度が０°〜７５°であれば、サファイア基板は基板入射効率は４５％以上を示す。テーパー角を傾けることでサファイア基板１０１への入射光が増大するため波長変換効率が大幅に向上することになり、イエロー帯の発光が強くなる。つまり、前記テーパー角の角度を調整することで発光色を変化させることができる。また、テーパー角が１０°〜３０°であれば容易にエアーギャップを有さずに窒化物半導体を形成することができる。窒化物系化合物半導体の成長時に横方向成長を促進させることで転位を低減させて結晶性を向上させ、基板と窒化物半導体とのトータル膜厚を薄膜化させることもできる。エッチングにより形成された基板凹凸の平面形状は、ストライプ状、格子状、島状や、その他に凸部形状が多角形状、また凹部形状が多角形状に抜き取られたもの等がある。
【００３８】
次にバッファ層１０２は基板１０１の凹凸面上に形成されるが、バッファ層を核として成長する窒化物半導体は凹部側面を核とする場合に比べて凸部上面、凹部底面を核として成長させる方が成長レートが高い。また、凸部上面と凹部底面には高低差があるため、同じ成長レートであっても基板の凸部上面からの成長が縦方向だけでなく横方向にも延びることで隣接する凸部上面から成長した窒化物半導体同士が接合して平坦化する。平坦化後も凹部には空洞が残るため、基板の反り緩和や光取りだし効率の向上を実現できる。前記基板は窒化物半導体を成長させる主面に傾斜を形成してもよい。好ましくは、この基板の表面傾斜は主面となす角が１０°以内である。以上に示すように、基板には凹凸段差を有することで光の発光効率を上げることができる。
【００３９】
前記サファイア基板上に段差を形成する方法としては、基板上に開口部を有する保護膜を形成する。その後、エッチングにより保護膜の開口部から露出している基板表面を除去する。これにより、サファイア基板に凹凸段差が形成される。その後、保護膜を除去することで凹凸段差を有するサファイア基板となる。前記保護膜としては、基板とのエッチング選択性を有するものであればよい。具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜や１２００℃以上の融点を有する金属等である。この保護膜の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ、スパッタリング及び、蒸着法等を用いて成膜させ、パターン状の保護膜を形成する。
【００４０】
前記保護膜の形状としては、例えば、ストライプ形状や格子状、又は島状、円形、又は多角形の開口部を有するものがある。多角形の開口部を有する具体的なパターン形状としては六角抜き型やその逆パターンの六角柱型が挙げられる。ストライプ形状であれば、窒化物半導体の横方向成長領域はストライプ状に低欠陥領域となるため、レーザーダイオードに用いることができる。また、円形や多角形の開口部を形成すれば窒化物半導体はこれらの開口部の中央部一点で接合するため基板全体にかかる応力を均等にでき、窒化物半導体基板の反りを抑制する。さらに円形や多角形のパターンは配列を六回対称や三回対称とすれば平坦化しやすくなる。
【００４１】
保護膜の開口部の幅は、サファイア基板１０１の凹部抜き取り幅に等しい。保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、保護膜のストライプ幅は好ましくは１〜５０μｍ、より好ましくは５〜２０μｍとする。ここで、サファイア基板凹部の深さは、０．１μｍ以上であり、窒化物半導体を成長した後の凹部内に空洞を有するものは、凹部の深さは０．２μｍ以上とするのが好ましい。
【００４２】
基板に凹凸を形成するエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法があるが、好ましくは異方性エッチングであり、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、ＩＣＰプラズマエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することで窒化物半導体をエッチングする。
【００４３】
ここで、実施形態２では前記バッファ層１０２をＡｌの組成比を０．２以下としたＩｎＧａＮ層とする。またＡｌの組成比はゼロであってもよい。Ａｌの組成比をゼロとした場合において、好ましくはＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．２≦ｂ≦０．９）となる。Ｉｎを含むことによって歪み緩和効果を有する。また、ＩｎＮは不安定であるからＧａを含むことが好ましい。
【００４４】
以上の構成の発光素子を銅箔の一対のリード電極となるパターンが形成された硝子エポキシ回路基板上に金バンプを利用して発光素子の電極と電気的に接続させフリップチップ型に配置させる。つぎに、エポキシ樹脂を塗布して硬化させることで発光装置の１実施形態である砲弾型発光ダイオードを形成することができる。
【００４５】
その他には上記発光素子をリードフレーム３０２を備えたヒートシンク３０１に実装した後、導電性ワイヤー３０３をボンディングする。次に透明性ガラスで封止することで他の発光装置を得ることができる（図６）。また、図７に示すような発光装置とすることもできる。リードフレーム３０２を備えたヒートシンク３０１に発光素子を実装し、導電性ワイヤー３０３をボンディングしている。
【００４６】
発光ダイオードのリード電極間に電流を流すと、発光層からの放出光と、サファイア基板からは長波長６００〜６８０ｎｍに主発光ピークを有する光を発光し、それぞれの混色光によって演色性の高い白色光を発光させることができる。この白色発光ダイオードはＩｎ濃度を変化させることによって発光層から放出させることができる第一の波長をある程度調節させることができる。更に、Ｃｒ、Ｆｅ等で付活されたサファイア基板は、Ｃｒの濃度を増減させることによって赤色成分の出力を調節させることができる。膜厚が１５０μｍ以下のサファイア基板を利用する場合は、５５０ｎｍの波長における吸光度が１０ｃｍ―１以上であることが好ましく、より好ましくは吸光度が２５ｃｍ―１以上さらに好ましくは１２５ｃｍ―１以上である。これによって、実用的な赤色成分の高い混色光から演色性の高い白色光まで形成させることができる。以下、本発明の具体的実施例について、詳述するがこれのみに限られない。
【００４７】
【実施例】
発光素子として発光ピークが約４７０ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を井戸層とした発光層を用いた図１の如き発光ダイオードを形成させる。発光素子は、洗浄させた付活剤としてＣｒを２％、Ｆｅを２％含有したα−サファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇと、を切り替えることによってｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体とｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体を形成しｐｎ接合を形成させた。具体的には、前記サファイア基板上に、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎのバッファ層を介して、ＳｉがアンドープのＧａＮ層を１．５μｍ成長させる。次に、その上にＳｉが含有され電極が形成されるＧａＮであるｎ型コンタクト層、アンドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ／アンドープＧａＮよりなる多層膜を成長する。その後、ＧａＮとＩｎＧａＮよりなる超格子層をトータル膜厚６５０Å程度で成長させる。次に、多重量子井戸構造とされるＧａＮ（障壁層）／ＩｎＧａＮ（井戸層）が５層積層された発光層、ＭｇドープのＡｌＧａＮとＭｇドープのＩｎＧａＮかなる超格子構造のクラッド層、ノンドープＡｌＧａＮ層、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を成長させる。さらにｐ型コンタクト層上にはｐ型電極、ｎ型コンタクト層上にはｎ型電極が形成されている。（なお、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
エッチングによりｐｎ各半導体表面を露出させた後、スパッタリングにより各電極をそれぞれ形成させた。こうして出来上がった半導体ウエハーのＣｒ、Ｆｅ含有サファイア基板を約１００μｍの厚みになるまで研磨した後、スクライブラインを引き、外力により分割させ発光素子として形成させる。
【００４８】
次に、銀メッキした銅製リードフレームの先端にカップを有するマウント・リードに発光素子をエポキシ樹脂でダイボンディングした。発光素子１２０の各電極とマウント・リード及びインナー・リードと、をそれぞれ金線からなる導電性ワイヤーでボンディングし電気的導通を取った。
【００４９】
更に、透光性エポシキ樹脂を混入後、１５０℃で５時間にて硬化させた。こうして形成された発光ダイオードは、通常のサファイア基板を利用した白色発光ダイオードに対して演色性が大きく改善された。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の構成の発光装置とすることによって近紫外から可視光を利用した実用的な高輝度かつ高演色性の白色系が発光可能な発光ダイオードとすることができる。特に、Ｃｒ又はＦｅからなる第１元素と、上述した第２元素とを付活剤として含有したサファイア基板から放出された比較的長波長側の赤色成分を含む放出光を均一光として得ることによって高混色性よく信頼性の高い発光装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の白色系が発光可能な発光素子の模式的断面図を示す。
【図２】図２は本発明の白色系が発光可能な発光素子の模式的断面図を示す。
【図３】図３は本発明の白色系が発光可能な発光素子の模式的断面図を示す。
【図４】図４は本発明の白色系が発光可能な発光素子の模式的断面図を示す。
【図５】図５は本発明の白色系が発光可能な発光素子の模式的斜視図を示す。
【図６】図６Ａは本発明の白色系が発光可能な発光素子を実装した発光装置の模式的断面図、図６Ｂは模式的斜視図を示す。
【図７】図７Ａは本発明の白色系が発光可能な発光素子を実装した発光装置の模式的断面図、図７Ｂは模式的斜視図を示す。
【符号の説明】
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０３…転位低減層
１２０…発光素子
１２１…ｎ型電極
１２２…ｐ型電極
１２３…パッド電極
１３１…保護膜
１３２…バンプ
２００…付活剤
３０１…ヒートシンク
３０２…リードフレーム
３０３…導電性ワイヤ
３０４…透光性ガラス
３０５…パッケージ樹脂
３０６…プラスチックレンズ
【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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