(57)【要約】【課題】  発光強度を改善することが可能な発光ダイオードを提供する。【解決手段】  活性層６は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮからなるバリア層を交互に積層してなるＭＱＷ構造を有しているが、本実施形態では、ｎ型半導体層２，３と活性層６との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる下部第１クラッド層５が介在している。この下部第１クラッド層５のＩｎ組成（Ｘ）は、活性層６のバリア層におけるＩｎ組成（Ｘ２）に略等しい。下部第１クラッド層５のＩｎ組成（Ｘ）は、井戸層のＩｎ組成（Ｘ１）よりも小さい（Ｘ＜Ｘ１）。【選択図】  図１
2005150627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得る発光ダイオードにおいて、
前記活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮからなるバリア層を交互に積層してなる多重量子井戸構造を有し、
前記ｎ型半導体層と前記活性層との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる下部第１クラッド層が介在し、この下部第１クラッド層のＩｎ組成は、前記バリア層におけるＩｎ組成に略等しいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記下部第１クラッド層と前記ｎ型半導体層との間に、アンドープのＧａＮからなる下部第２クラッド層が介在していることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型のＩｎＧａＮからなる第３クラッド層を備えることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記ｎ型半導体層は、前記第３クラッド層と前記基板との間に、ｎ型のＧａＮからなるエピタキシャル層を備えることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層と前記活性層との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる上部第１クラッド層が介在し、この上部第１クラッド層のＩｎ組成は、前記バリア層におけるＩｎ組成に略等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記上部第１クラッド層上に、前記活性層よりも高温で形成されたアンドープのＡｌＧａＮ又はＧａＮからなるクラッド層を備えることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記ｐ型半導体層は、ｐ型ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層を含み、この上部クラッド層と前記活性層との間に、ｐ型ＧａＮからなる付加クラッド層を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系の発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオードは、基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得ている。発光出力向上を目的としてクラッド層の改善が種々行われており、このような発光ダイオードは、例えば、下記特許文献１〜４に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００４】
特許文献２に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、アンドープＩｎＧａＮ中間層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００５】
特許文献３に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、アンドープＩｎＧａＮ中間層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００６】
特許文献４に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、ｎ型ＩｎＧａＮ中間層、ＡｌＧａＮスペーサ層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【特許文献１】特開平８−２２８０２５号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６４４８号公報
【特許文献３】特開２０００−９１６２９号公報
【特許文献４】米国特許６，４８９，６３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなＧａＮ系の発光ダイオードにおいては、発光強度の改善が求められている。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、発光強度を改善することが可能な発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係る発光ダイオードは、基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得る発光ダイオードにおいて、活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮからなるバリア層を交互に積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、ｎ型半導体層と活性層との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる下部第１クラッド層が介在し、この下部第１クラッド層のＩｎ組成は、前記バリア層におけるＩｎ組成に略等しいことを特徴とする。
【０００９】
本発明による発光ダイオードによれば、少なくともｎ型半導体層とＭＱＷ構造の活性層との間に、活性層におけるバリア層のＩｎ組成に略等しいＩｎ組成のアンドープＩｎＧａＮの下部第１クラッド層が介在しているので、ｎ型半導体層と活性層の格子歪を緩和等して、発光強度を改善することができる。
【００１０】
また、本発明に係る発光ダイオードは、下部第１クラッド層とｎ型半導体層との間に、アンドープのＧａＮからなる下部第２クラッド層が介在していることを特徴とする。第２クラッド層を構成するＧａＮは、ＩｎＧａＮよりも高温で成長するため、その表面モフォロジーを改善し、発光強度を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明に係る発光ダイオードのｎ型半導体層は、ｎ型のＩｎＧａＮからなる第３クラッド層を備えることを特徴とする。第３クラッド層は、下部第１クラッド層やバリア層と同じＩｎＧａＮからなるため、これらの層と下地基板の格子定数差による歪を緩和することができ、したがって、発光強度を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る発光ダイオードのｎ型半導体層は、第３クラッド層と基板との間に、ｎ型のＧａＮからなるエピタキシャル層を備えることを特徴とする。基板表面は、加工による微小な凹凸や、表面準位が成長には好適ではない場合が多いが、エピタキシャル層を成長させると、この上に半導体層を良好に成長させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る発光ダイオードでは、ｐ型半導体層と活性層との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる上部第１クラッド層が介在し、この上部第１クラッド層のＩｎ組成は、バリア層におけるＩｎ組成に略等しいことを特徴とする。この場合、下部第１クラッド層のＩｎＧａＮと同様に、歪を緩和して発光強度を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る発光ダイオードは、上部第１クラッド層上に、活性層よりも高温で形成されたアンドープのＡｌＧａＮ又はＧａＮからなるクラッド層を備えることを特徴とする。すなわち、このクラッド層を構成するＡｌＧａＮや、ＧａＮは、ＩｎＧａＮよりも高温で成長するため、その表面モフォロジーを改善し、発光強度を向上させることができる。また、このクラッド層は、成長時の圧力変動に対する保護膜として機能する。
【００１５】
また、ｐ型半導体層は、ｐ型ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層を含み、本発明の発光ダイオードは、このクラッド層と活性層との間に、ｐ型ＧａＮからなる付加クラッド層を備えることが好ましい。ｐ型ＧａＮはホール注入の面で優れ、ｐ型ＡｌＧａＮは電子の閉じ込め効果が高い。したがって、ｐ型ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層と、活性層との間に、ｐ型ＧａＮからなる付加クラッド層を挿入すれば、ホール注入と電子閉じ込め効果を同時に高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発光ダイオードによれば、発光強度を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、実施の形態にかかる発光ダイオード（ＬＥＤ）について説明する。
【００１８】
図１は発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【００１９】
基板１上に、エピタキシャル層２、下部第３クラッド層３、下部第２クラッド層４、下部第１クラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、上部第１クラッド層７、上部第２クラッド層８、上部第３クラッド層９、コンタクト層１０が順次積層されている。
【００２０】
コンタクト層１０の露出表面上にはｐ側の上部電極１１が設けられ、基板１の裏面側にはｎ側の下部電極１２が設けられている。
【００２１】
上部電極１１と下部電極１２との間に順方向バイアスを印加すると、上部電極１１から下部電極１２に向けて、半導体層の積層方向に沿って電流が流れる。活性層６では、注入された電子と正孔が再結合することで、遷移エネルギーに相当する波長の発光が生じる。
【００２２】
各半導体層の材料、導電型、添加物、組成、厚み、形成温度、各数値の大小関係は、以下に示す通りである。
【表１】
2005150627.tif 000003
【００２３】
なお、活性層６は、Ｉｎ組成の異なるInX1Ga1-X1N（井戸層）とInX2Ga1-X2N（バリア層）を交互に積層してなり、この井戸層の数は５層であり、バリア層の数は４層である。上述の発光ダイオードは、基板１上にｎ型半導体層２，３と、活性層６と、ｐ型半導体層９，１０を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得ている。
【００２４】
活性層６は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮからなるバリア層を交互に積層してなるＭＱＷ構造を有しているが、本実施形態では、ｎ型半導体層２，３と活性層６との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる下部第１クラッド層５が介在している。この下部第１クラッド層５のＩｎ組成（Ｘ）は、活性層６のバリア層におけるＩｎ組成（Ｘ２）に略等しい。下部第１クラッド層５のＩｎ組成（Ｘ）は、井戸層のＩｎ組成（Ｘ１）よりも小さい（Ｘ＜Ｘ１）。
【００２５】
ここで、「略等しい」とは、これらのＩｎ組成誤差であるＸ−Ｘ２が、０．０２以下であることを意味することとする。
【００２６】
この発光ダイオードでは、少なくともｎ型半導体層２，３とＭＱＷ構造の活性層６との間に、活性層６におけるバリア層のＩｎ組成（Ｘ２）に略等しいＩｎ組成のアンドープＩｎＧａＮの下部第１クラッド層５が介在しているので、ｎ型半導体層２，３と活性層６の格子歪を緩和等して、発光強度を改善することができる。
【００２７】
また、この発光ダイオードでは、下部第１クラッド層５とｎ型半導体層２，３との間に、アンドープのＧａＮからなる下部第２クラッド層４が介在しているが、第２クラッド層４を構成するＧａＮは、ＩｎＧａＮよりも高温で成長するため、その表面モフォロジーを改善し、発光強度を向上させることができる。
【００２８】
また、この発光ダイオードのｎ型半導体層２は、ｎ型のＩｎＧａＮからなる第３クラッド層３を備えており、第３クラッド層３は、下部第１クラッド層５やバリア層と同じＩｎＧａＮからなるため、これらの層と下地基板１，２の格子定数差による歪を緩和することができ、したがって、発光強度を向上させることができる。
【００２９】
また、この発光ダイオードのｎ型半導体層２，３は、第３クラッド層３と基板１との間に、ｎ型のＧａＮからなるエピタキシャル層２を備えており、このエピタキシャル層を成長させておくことで、この上に半導体層を良好に成長させることができる。
【００３０】
上部第１クラッド層７について、Ｉｎ組成がバリア層に略等しいので、ｐ型半導体層９，１０と活性層６の格子歪を緩和して発光強度が改善する。すなわち、この発光ダイオードでは、ｐ型半導体層９，１０と活性層６との間に、アンドープのＩｎＧａＮからなる上部第１クラッド層７が介在し、この上部第１クラッド層７のＩｎ組成は、バリア層におけるＩｎ組成に略等しい。この場合、下部第１クラッド層５のＩｎＧａＮと同様に、歪を緩和して発光強度を向上させることができる。
【００３１】
また、上部第1クラッド層７上には、ＩｎＧａＮよりも高温で形成されるＧａＮからなる上部第２クラッド層８を形成すると、表面モフォロジーが改善され、発光効率が改善する。
【００３２】
なお、各半導体層において適用可能な組成と、厚みの範囲について以下の表に記載の通りである。
【００３３】
【表２】
2005150627.tif 000004
次に、上述の発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００３４】
以下の半導体層の成長に用いられるのは、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法であり、基板をＭＯＣＶＤ装置内にいれて形成温度と圧力を設定する。
【００３５】
以下の半導体層の成長においては、Ｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌが用いられるが、Ｎの原料としてはアンモニア、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌの原料としては、それぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いる。ｎ型添加物としては水素ベースのモノシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型添加物としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。キャリアガスとしては、膜の種類により適宜水素又は窒素を用いることができる。
・工程（１）
【００３６】
まず、ＧａＮ基板１を用意する。
・工程（２）
【００３７】
このＧａＮ基板１上に、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるエピタキシャル層２を厚さ２μｍ成長させる。形成温度は１１５０℃、圧力は２７ｋＰａである。
・工程（３）
【００３８】
次に、エピタキシャル層２上に、Ｓｉドープしたｎ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．０８Ｎからなる下部第３クラッド層３を厚さ２５ｎｍ成長させる。形成温度は８８０℃、圧力は８０ｋＰａである。
・工程（４）
【００３９】
更に、下部第３クラッド層３上に、アンドープのＧａＮからなる下部第２クラッド層４を厚さ１０ｎｍ成長させる。形成温度は１１００℃、圧力は８０ｋＰａである。
・工程（５）
【００４０】
次に、下部第２クラッド層４上に、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる下部第１クラッド層５を厚さ１５ｎｍ成長させる。形成温度は８００℃、圧力は８０ｋＰａである。
・工程（６）
【００４１】
次に、下部第１クラッド層５上に、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる厚さ２．２ｎｍの井戸層と、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる厚さ１５ｎｍのバリア層を、交互に成長させ、活性層６を形成する。井戸層の数は５層、バリア層の数は４層である。これらの層の形成温度は８００℃、圧力は８０ｋＰａである。
・工程（７）
【００４２】
活性層６上に、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる上部第１クラッド層７を厚さ１５ｎｍ成長させる。形成温度は８００℃、圧力は８０ｋＰａである。
・工程（８）
【００４３】
上部第１クラッド層７上に、アンドープのＧａＮからなる上部第２クラッド層８を厚さ１０ｎｍ成長させる。形成温度は１１００℃、圧力は８０ｋＰａである。続いて、ｐ型半導体層の成長圧力に併せて、チャンバ内の圧力を１０１ｋＰａにする。ここで、ＡｌＧａＮ又はＧａＮの形成温度は、活性層６の形成温度よりも高温であり、表面モフォロジーが改善し、また、圧力変動による表面ダメージが低減するため、発光効率が改善し、蛍光顕微鏡像が青色発光を呈することとなる。蛍光顕微鏡の励起波長は３６５ｎｍである。
【００４４】
なお、活性層６或いは第１クラッド層７の成長後にチャンバー内の圧力を１０１ｋＰａ（大気圧）にしてから、再び１１００℃に加熱し、以後の工程を実行すると、蛍光顕微鏡像が黄色を呈することとなる。これは、圧力変動中に活性層６或いは第１クラッド層７の表面に欠陥が導入されたためと考えられる。すなわち、第２クラッド層８は、圧力変動による表面性状劣化を抑制するための層として機能している。なお、第２クラッド層８は、アンドープのＧａＮに代えて、アンドープのＡｌＧａＮであってもよい。
・工程（９）
【００４５】
上部第２クラッド層８上に、Ｍｇをドープしたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる上部第３クラッド層９を２０ｎｍ成長させる。形成温度は１１００℃、圧力は１０１ｋＰａである。
・工程（１０）
【００４６】
上部第３クラッド層９上に、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなる厚さ５０ｎｍのコンタクト層１０を成長させる。形成温度は１１００℃、圧力は１０１ｋＰａである。
・工程（１１）
【００４７】
コンタクト層１０上に上部電極１１を形成した後、基板１の裏面上に下部電極１２を形成し、図１に示した発光ダイオードが完成する。上部電極１１にはＮｉ／Ａｕを用い、下部電極１２にはＴｉ／Ａｌを用いる。
【００４８】
以上のように、上記発光ダイオードは、上部第１クラッド層７上に、活性層６よりも高温で形成されたアンドープのＡｌＧａＮ又はＧａＮからなるクラッド層８を備えている。すなわち、このクラッド層を構成するＡｌＧａＮやＧａＮは、ＩｎＧａＮよりも高温で成長するため、その表面モフォロジーを改善し、発光強度を向上させることができる。また、このクラッド層は、成長時の圧力変動に対する保護膜として機能する。
【００４９】
次に、別の実施形態に係る発光ダイオードについて説明する。
【００５０】
図３は、別の実施形態に係る発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【００５１】
この発光ダイオードと、図１に示したものとの相違点は、アンドープの上部第２クラッド層（ＧａＮ層）と、ｐ型の上部第３コンタクト層（ＡｌＧａＮ層）９との間に、ｐ型のクラッド層（ＧａＮ層）８’が介在している点である。なお、他の構成は、上記発光ダイオードと同一である。
【００５２】
このＧａＮ層８’は、ｐ型不純物としてＭｇを含み、厚さ２５ｎｍであり、ＴＭＧとアンモニアを用いたＭＯＣＶＤ法によって、形成温度１１００℃で作製される。
【００５３】
ｐ型ＧａＮは、ｐ型ＡｌＧａＮ層よりも、ホール注入の面で優れている。すなわち、ｐ型ＧａＮは、ｐ型ＡｌＧａＮよりも、高キャリア濃度を得ることが容易であるが、後者の方が電子の閉じ込め効果が高い。
【００５４】
本実施形態の発光ダイオードでは、電子の閉じ込め効果を高めるため、上部第３クラッド層９であるｐ型のＡｌＧａＮ層が活性層６の上に設けられている。また、付加クラッド層８’であるｐ型ＧａＮ層が、活性層６とｐ型ＡｌＧａＮ層９の間に挿入されている。したがって、ホール注入と電子閉じ込め効果を同時に高めることができる。
【実施例１】
【００５５】
実施例Ａとして、上述の発光ダイオードを製造した。製造方法は上述の通りである、各層の厚みや材料は表１に示したものを用いた。また、比較例Ｂとして、実施例のものと比較して第１クラッド層５のみがない発光ダイオードを作製した。
【００５６】
図２は、実施例Ａ及び比較例Ｂの発光ダイオードから得られるＰＬ（フォトルミネッセンス）強度の波長依存性を示すグラフである。
【００５７】
実施例Ａに係るＰＬスペクトルは、比較例ＢのＰＬスペクトルと比較して、ピークが短波長側にシフトすると共に、強度が３．４倍に向上した。
【００５８】
また、別の実施例として、発光ダイオードにおけるｐ型のクラッド層（ＧａＮ層）８’を用いた場合、発光波長４４０ｎｍにおいて、出力が１．５倍に向上した。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、発光ダイオードに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【図２】実施例Ａ及び比較例Ｂの発光ダイオードから得られるＰＬ（フォトルミネッセンス）強度の波長依存性を示すグラフである。
【図３】別の実施形態に係る発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１・・・基板、２・・・エピタキシャル層、３・・・クラッド層、４・・・クラッド層、５・・・クラッド層、６・・・活性層、７・・・クラッド層、８・・・クラッド層、９・・・クラッド層、１０・・・コンタクト層、１１・・・上部電極、１２・・・下部電極。
【図１】
2005150627.tif 000005
【図２】
2005150627.tif 000006
【図３】
2005150627.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月20日(2004.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明による発光ダイオードによれば、少なくともｎ型半導体層とＭＱＷ構造の活性層との間に、活性層におけるバリア層のＩｎ組成に略等しいＩｎ組成のアンドープＩｎＧａＮの下部第１クラッド層が介在しているので、ｎ型半導体層と活性層の格子歪を緩和して、発光強度を改善することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
この発光ダイオードでは、少なくともｎ型半導体層２，３とＭＱＷ構造の活性層６との間に、活性層６におけるバリア層のＩｎ組成（Ｘ２）に略等しいＩｎ組成のアンドープＩｎＧａＮの下部第１クラッド層５が介在しているので、ｎ型半導体層２，３と活性層６の格子歪を緩和して、発光強度を改善することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
この発光ダイオードと、図１に示したものとの相違点は、アンドープの上部第２クラッド層（ＧａＮ層）と、ｐ型の上部第３クラッド層（ＡｌＧａＮ層）９との間に、ｐ型のクラッド層（ＧａＮ層）８’が介在している点である。なお、他の構成は、上記発光ダイオードと同一である。