(57)【要約】【課題】簡便な方法で、動作電圧の増加を引き起こすことなく、発光強度の強い所望の色合いの発光、特に赤色を含む発光や白色の発光を実現する半導体発光素子を提供する。【解決手段】本発明の半導体発光素子１０は、サファイア基板１１と、ＧａＮからなる下地層１２と、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３と、ｎ型のAl0.15Ga0.85Nからなるｎ型クラッド層１４と、In0.15Ga0.85N井戸層とＧａＮ障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層１５と、ｐ型Al0.15Ga0.85Nからなるｐ型クラッド層１６と、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７と、希土類元素のＥｕがドープされたＧａＮからなる希土類ドープ層１８とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられ、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層とを備える、半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体層は、複数の層を有し、前記複数の層における各層のうち互いに接する層同士の組成は異なる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層におけるバンドギャップエネルギーは、前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記希土類元素は、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうち少なくともいずれか１つである請求項１または３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記希土類元素の濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上５×１０22ｃｍ-3以下である請求項１、３、４のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体層は、ＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる層を有する請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体層は、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる層を有する請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記半導体層は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる層を有する請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記半導体層は、ＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）からなる層を有する、半導体発光素子。
【請求項１０】
前記希土類元素を含む半導体層の上にキャップ層を備える請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層の上方に、前記半導体層を形成する工程と、前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程において、イオン注入法によって前記希土類元素を添加する、請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記イオン注入法によって前記希土類元素を添加するのに、前記希土類元素を１×１０13ｃｍ-2以上１×１０17ｃｍ-2以下の注入量で注入する、請求項１２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記希土類元素としてCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうちのいずれかを用いる、請求項１１〜１３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層と、前記クラッド層を形成する工程と、前記クラッド層の上方に、希土類元素を供給しながら、前記半導体層を形成する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものであり、特に、白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、白色光照明装置は例えば特許文献１にあるように蛍光体およびこれを励起する発光素子から構成される。具体的には、一般式AlxGa1-xN（但しxは0≦x≦1である）で表される窒化物半導体からなり、１ｍｍ角以下に切断された発光素子と、その発光素子から放出された青色光によって励起されて５７０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する蛍光体と、発光素子を保持するメタルステムと、発光素子を包囲し、蛍光体が充填された樹脂モールドとを備えている。照明装置からの光は、発光素子から放出される青色光と蛍光体から放出される黄色光とが混合されたものであるため、観察者は白色光として感知する。
【０００３】
さらに、上記とは異なる方法として、特許文献２に記載された方法がある。この方法では、図４に示すように半導体発光素子４０の発光層４４に隣接するｐ型クラッド層４５に希土類元素がドープされており、希土類元素は発光層４４からの発光により励起されて蛍光を生じ、結果的に発光層４４からの発光と希土類元素からの蛍光の混合色により、白色光を実現できる。なお、半導体発光素子４０の、発光層４４およびｐ型クラッド層４５以外の構成要件は、サファイア基板４１、ｎ型コンタクト層４２、ｎ型クラッド層４３、ｐ型コンタクト層４６、ｎ側電極４７、ｐ側電極４８である。
【特許文献１】特開平５−１５２６０６号公報
【特許文献２】特開２００２−２３１９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の樹脂モールドに蛍光体を充填する従来構造の場合、赤色光成分が弱く演色性が悪いという不具合があった。すなわち、赤色の物質に白色光が当たったときに少しオレンジ色に見えてしまうため、このような白色光をバックライトで使用するには、カラーフィルタに工夫をして対処するしかなかった。
【０００５】
さらに、蛍光体の厚さによって、白色光の色合いが非常に敏感に変化してしまうという不具合があった。例えば、蛍光体の厚さが薄すぎる場合には、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）から放出された青色光が所望量以上の量で蛍光体を透過してしまう。その結果、蛍光体の黄色光よりもＬＥＤの青色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は青味がかって見える。一方、蛍光体が厚すぎる場合には、ＬＥＤから発光された青色光が蛍光体層を透過する量は所望量より少なくなる。その結果、ＬＥＤの青色光よりも蛍光体の黄色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は黄味がかって見える。このように、蛍光体の厚さはＬＥＤと蛍光体との合成光出力に影響を及ぼす重要な変数であり、蛍光体厚さの変動は白色光照明用途に適さない白色光（青味がかった色や黄色味がかった色）をもたらしてしまう。しかしながら、白色光照明装置を大規模生産する際に蛍光体の厚さを精密に制御するのは困難であるため、製造歩留りは許容し得ないほどに低くなることがあった。
【０００６】
一方、半導体発光素子の発光層に隣接するクラッド層へ希土類元素をドープする従来構造の場合、発光層からの発光により希土類元素からの蛍光を生じさせるには、クラッド層に電流を流す必要がある。この場合、クラッド層に希土類元素をドープすると結晶性の低下にともない、動作電圧の増加を引き起こすという不具合があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、簡便な方法で、動作電圧の増加を引き起こさずに発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられ、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層とを備えている。
【０００９】
このような半導体発光素子において、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、その元素に固有の波長の蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択して半導体層に導入することにより、所望の色合いの発光を実現することができる。従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合があったが、本発明では、赤色を発光する希土類元素を選択することにより、赤色成分を補うことができる。また、従来の白色発光素子では蛍光体の厚さに依存して白色光の色合いが変化しやすいという不具合もあったが、本発明では、蛍光体を用いなくてもよいため、安定した白色光を得ることができる。さらに、従来の白色発光素子ではクラッド層に希土類元素を含んでいたため動作電圧の増加を引き起こす不具合もあったが、本発明では電流を流す必要のない半導体層に希土類元素を含ませているために、動作電圧の増加を引き起こすこともない。
【００１０】
なお、半導体層は発光層の上方に設けられていると上述しているが、この構造には、半導体発光素子が基板を有している場合に、基板の上に設けられた発光層の上に半導体層が設けられている構造だけではなく、基板と発光層との間に半導体層が設けられている構造も含まれるとする。
【００１１】
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層は、複数の層を有し、前記複数の層における各層のうち互いに接する層同士の組成は異なっていることが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体層が単層である場合と比較して、キャリアが空間的に閉じ込められやすいという利点があるため、発光強度をさらに強くすることができる。
【００１２】
本発明の半導体素子は、さらに前記発光層におけるバンドギャップエネルギーは、前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体層の方が発光層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層からの光が半導体層に吸収されやすくなる。したがって、希土類元素の励起効率を高くすることができる。
【００１３】
本発明の半導体素子は、さらに前記希土類元素は、具体的には、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうち少なくともいずれか１つであることが好ましい。この好ましい構成によれば、本発明の半導体発光素子では、これらの希土類元素のうちから、所望の光の発振波長に対応する元素が選択されて用いられる。例えば、赤色発光を得るためにはEu、Sm、NdまたはYbを、緑色発光を得るためにはTb、Er、NdまたはYbを、青色発光を得るためにはCe、Pr、TmまたはYbを用いることができる。これらの希土類元素を複数ドープして発光を重畳させることにより、所望の色合いの光、特に白色光を容易に実現することができる。
【００１４】
本発明の半導体素子は、さらに前記希土類元素の濃度が、１×１０18ｃｍ-3以上５×１０22ｃｍ-3以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、希土類元素を含まない場合と比較して発光強度を高くすることができる。
【００１５】
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる層を有していることが好ましい。
【００１６】
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる層を有していることが好ましい。
【００１７】
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる層を有していることが好ましい。
【００１８】
本発明の半導体素子は、さらに前記半導体層がＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）からなる層を有していることが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記希土類元素を含む半導体層の上にキャップ層を備えることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層の上方に、前記半導体層を形成する工程と、前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程とを備えている。
【００２１】
この方法により、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作製した半導体発光素子では、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、動作電圧の増加を引き起こすことなく所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。
【００２２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記半導体層の少なくとも一部に選択的に希土類元素を添加する工程において、イオン注入法によって前記希土類元素を添加することが好ましい。この好ましい構成によれば、複数の膜中の所望の位置に所望量の希土類元素を導入することができるため、歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記イオン注入法によって前記希土類元素を添加するのに、前記希土類元素を１×１０13ｃｍ-2以上１×１０17ｃｍ-2以下の注入量で注入することが好ましい。この好ましい構成によれば、希土類元素を注入しない場合と比較して発光強度の強い半導体発光素子を得ることができる。
【００２４】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに前記希土類元素としては、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Er、TmおよびYbのうちのいずれかを用いることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、発光層と、前記発光層に隣接するクラッド層と、前記クラッド層の上方に設けられた半導体層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層と、前記クラッド層を形成する工程と、前記クラッド層の上方に、希土類元素を供給しながら、前記半導体層を形成する工程とを備える。
【００２６】
この方法により、半導体発光素子を大規模生産することができる。そして、この方法により作製した半導体発光素子でも、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、元素に固有の波長を有する蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択することにより、動作電圧の増加を引き起こすことなく所望の色合いの発光を強い発光強度で実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の半導体発光素子では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の半導体発光素子の長所をそのままに、種々の色、特に白色の光を、強い発光強度で発することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の半導体発光素子１０は、（０００１）面方位のサファイア基板１１と、サファイア基板１１の上に設けられたGaNからなる厚さ２００ｎｍの下地層１２と、GaN下地層の上に設けられたn型のGaNからなる厚さ３００ｎｍのn型コンタクト層１３と、n型コンタクト層１３の上に設けられたn型のAl0.15Ga0.85Nからなる厚さ５００ｎｍのn型クラッド層１４と、n型クラッド層１４の上に設けられ、厚さ２ｎｍのIn0.15Ga0.85N井戸層と厚さ６ｎｍのGaN障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層１５と、発光層１５の上に設けられたp型Al0.15Ga0.85Nからなる厚さ５００ｎｍのp型クラッド層１６と、p型クラッド層１６の上に設けられたp型のGaNからなる厚さ３００ｎｍのp型コンタクト層１７と、p型コンタクト層１７の上に設けられた厚さ１５０ｎｍのGaN層からなるEuがドープされた希土類ドープ層１８とを有している。希土類ドープ層１８、p型コンタクト層１７、p型クラッド層１６、発光層１５、n型クラッド層１４およびn型コンタクト層１３の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。n型コンタクト層１３のうち露出する部分の上にはn側電極１９が設けられている。また、p型コンタクト層１７の上にはp側電極２０が設けられている。また、希土類ドープ層１８に注入されているEuの濃度は１×１０18ｃｍ-3以上５×１０22ｃｍ-3の範囲である。
【００３０】
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造工程について、図２（ａ）〜（e）を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（e）は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示す工程で、サファイア基板１１の（０００１）面上に、有機金属気相成長法を用いて、GaNからなる厚さ２００ｎｍの下地層１２を堆積する。その上に、n型不純物（ドナー）としてSiをドープしながら厚さ３００ｎｍのGaNを成長させることによりn型コンタクト層１３を形成し、その上に、同じくSiをドープしながら厚さ５００ｎｍのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりn型クラッド層１４を形成する。その後、n型クラッド層１４の上に、厚さ２ｎｍのIn0.15Ga0.85Nからなる井戸層と厚さ６ｎｍのGaNからなる障壁層とを交互に３回成長させることにより、合計膜厚２４ｎｍの発光層１５を形成し、その上に、p型不純物（アクセプタ）としてMgをドープしながら厚さ５００ｎｍのAl0.15Ga0.85Nを成長させることによりp型クラッド層１６を形成し、さらに、同じくMgをドープしながら厚さ３００ｎｍのGaNを成長させることにより、p型コンタクト層１７を形成する。その後、p型コンタクト層１７の上に厚さ１５０ｎｍのGaNからなる希土類ドープ層１８を形成する。希土類ドープ層１８の膜厚は、薄膜中に均一に希土類元素がドープされていると仮定すると、膜厚が厚くなるにしたがって発光強度は増加するが、ある一定量を超えると結晶性の低下を引き起こすため、厚さ１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲が望ましい。
【００３２】
なお、本実施形態では発光層１５が量子井戸構造である場合について説明しているが、本発明では発光層１５としてバルクを用いてもよい。また、発光層１５、希土類ドープ層１８の導電型は特に指定していないが、p型、n型およびアンドープのいずれであってもよい。また、希土類ドープ層１８はGaN単層膜であるが、複数の層を有する多層膜であってもよい。例えば、In0.20Ga0.80N層とGaN層とがそれぞれ３ｎｍの厚さで２０周期積層された多層膜を用いた場合、GaN単層膜を用いた場合と比較して発光強度を強くすることができる。
【００３３】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、イオン注入法を用いて、希土類ドープ層１８の中にEu２１を注入する。Euの注入される量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Euの注入される量がその一定量を超えると発光強度が減少するため、Euの注入量は１×１０13〜１×１０17ｃｍ-2の範囲とする。
【００３４】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、希土類ドープ層１８の上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、希土類ドープ層１８を除去する。その後、エッチングマスクを除去する。
【００３５】
次に、図２（d）に示す工程で、希土類ドープ層１８の上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、p型コンタクト層１７、p型クラッド層１６、発光層１５およびn型クラッド層１４と、n型コンタクト層１３の上層部とを除去する。その後、エッチングマスクを除去する。
【００３６】
次に、図２（e）に示す工程で、n型コンタクト層１３の上にTi/Al等からなるn側電極１９を形成し、p型コンタクト層１７の上にNi/AuやNi/Pt/Au等からなるp側電極２０を形成することにより、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子１０が完成する。
【００３７】
本実施形態の窒化物半導体発光素子１０のp側電極２０とn側電極１９との間に３．５Ｖの電圧を印加して２０ｍＡの電流を流したところ、高効率の赤色発光を確認することができた。
【００３８】
本実施形態では、発光層１５から青色光が発生し、青色光の一部によって希土類ドープ層１８に含まれるEuが励起されて、赤色光が発光される。従来の白色発光素子では、発光層に隣接するクラッド層に希土類元素をドープしているために、動作電圧の増加を引き起こしていたが、電流を流す必要のない場所に希土類ドープ層を設けることで、動作電圧の増加を引き起こさない。
【００３９】
なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施形態の手段を用いることにより赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはTbやErを、青色発光を得るためにはCe、PrまたはTmを用いることができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の半導体発光素子３０は、（０００１）面方位のサファイア基板３１と、サファイア基板３１の上に設けられたAlNからなる厚さ１０００ｎｍの下地層３２と、下地層３２の上に設けられた厚さ５００ｎｍのAl0.25Ga0.75N層からなるTm、Er、Euがドープされた積層３３と、積層３３の上に設けられたn型のAl0.25Ga0.75Nからなるn型クラッド層３４と、n型クラッド層３４の上に設けられ、厚さ２ｎｍのAl0.30Ga0.70N井戸層と厚さ６ｎｍのAl0.40Ga0.60N障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層３５と、発光層３５の上に設けられ、p型のAl0.25Ga0.75N層からなる厚さ３００ｎｍのp型クラッド層３６と、p型クラッド層３６の上に設けられ、p型のGaNからなる厚さ１００ｎｍのp型コンタクト層３７とを備えている。積層３３にドープされているTm、ErおよびEuの合計の濃度は１×１０18以上５×１０22ｃｍ-3以下の範囲である。p型コンタクト層３７、p型クラッド層３６、発光層３５およびn型クラッド層３４の上層部はエッチングにより除去されて、エッチング部となっている。また、p型コンタクト層３７の上にはp側電極３９が、n型クラッド層３４の上にはn側電極３８が設けられている。
【００４１】
本実施形態の半導体発光素子３０においては、Tm、ErおよびEuをドーピングしながら積層３３を成長させてもよいし、結晶を成長させた後にTm、ErおよびEuをイオン注入してもよい。
【００４２】
本実施形態では、Tm、ErおよびEuが含まれる積層３３のバンドギャップエネルギー（Egm）より、発光層３５のバンドギャップエネルギー（Ega）の方が大きい。この場合には、積層３３の方が発光層３５よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層３５の発光（発光エネルギー）のうち積層３３で吸収されるものの割合が高くなる。そのため、希土類元素の励起効率を高くすることができる。ここで、発光層３５から発光される光は紫外線であり、この紫外線が積層３３に吸収されると、Tmが青色光を発光し、Erが緑色光を発光し、Euが赤色光を発光する。この三色が混合される結果、白色発光が可能となる。事実、積層３３をAl0.44Ga0.56N層にした場合（Egm＞Egaの関係に相当）と比較して、約３倍の白色発光を確認した。
【００４３】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態の半導体発光素子５０は、図１に示す半導体発光素子の、希土類ドープ層１８の上にキャップ層５１を設けたものである。ここで、キャップ層５１はアンドープのＧａＮよりなり、厚さは６４ｎｍである。
【００４５】
ここで、キャップ層５１を設けたのは、イオン注入法により希土類元素をドープする際、希土類ドープ層１８部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするためである。
【００４６】
本実施形態の半導体発光素子の製造工程については、図２（ａ）の工程において希土類ドープ層１８を形成後、続いてキャップ層５１を形成する。その他の工程については第１の実施の形態と同様である。
【００４７】
キャップ層５１の膜厚は、希土類ドープ層１８部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするため、厚さ２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲が望ましい。
【００４８】
上記実施形態に示す半導体発光素子に関連して、希土類ドープ層１８としてＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸を用いる場合と、ＧａＮを用いる場合とで、希土類ドープ層１８の発光強度がどのように違うか検討した。
【００４９】
ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸構造の希土類ドープ層（以下、サンプルＡという）と、バルクＧａＮ希土類ドープ層（以下、サンプルＢという）とについて当該構造から発光される光の強度を比較した結果を以下に示す。なお、ここでサンプルＡ、Ｂに関する構造パラメータを表１に示す。なお、ここで希土類としてはＥｕを用いた。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
図６にサンプルＡ、Ｂに関するＥｕのドープ量と発光強度との関係を、図７にアニール温度と発光強度との関係を示す。
【００５２】
図６、図７のいずれからもわかるように、サンプルＡのほうがサンプルＢよりも発光強度が向上した。これは、サンプルＡの希土類ドープ層の各層の膜厚が１０ｎｍ以下であるために、各層に働く応力は少なく結晶性が低下せず、また、量子効果が起こってキャリアが空間的に閉じ込められやすいためであると考えられる。
【００５３】
また、図６より、発光強度を向上させるＥｕのドープ量は、１×１０14ｃｍ-2以上であり、図７より、発光強度を向上させるアニール温度は、９００℃以上であることがわかった。
【００５４】
なお、Ｅｕのドープ量の上限は、１×１０17ｃｍ-2である。これは、Euのドープされる量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Euのドープされる量がその一定量を超えると発光強度が減少するためである。また、アニール温度の上限は、１５００℃である。これは、希土類ドープ層を構成する半導体材料が分解されるためである。
【００５５】
以上より、本実施形態の手段を用いることにより高輝度の赤色光を含む光を得ることができることがわかった。
【００５６】
なお、本実施形態で用いたEuに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはTbやErを、青色発光を得るためにはCe、PrまたはTmを用いることができる。
【００５７】
（変形例）
上記第３の実施の形態の変形例の断面図を図８に示す。
【００５８】
図８に示すように、本実施形態の半導体発光素子８０は、図１に示す半導体発光素子の、希土類ドープ層１８の上にキャップ層８１を、希土類ドープ層１８の下に中間層８２を設けたものである。ここで、キャップ層８１、中間層８２はともにアンドープのＧａＮよりなり、キャップ層８１の厚さは６４ｎｍ、中間層８２の厚さは６８ｎｍである。
【００５９】
本変形例の半導体発光素子の製造工程については、図２（ａ）の工程において希土類ドープ層１８を形成する前に中間層８２を形成し、続いて希土類ドープ層１８、キャップ層８１を形成する。また、図２（ｃ）の工程において中間層８２を含めて選択的にエッチングする。その他の工程については第１の実施の形態と同様である。
【００６０】
キャップ層８１の膜厚は、希土類ドープ層１８部分の希土類元素濃度が最も大きくなるようにするため、厚さ２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲が望ましい。
【００６１】
この変形例においても上記と同様、高輝度の赤色光を含む光を得ることができる。
【００６２】
以上、第１〜第３の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、素子構造、プロセス、成長方法などを用いてもよい。具体的には、上述の実施形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施形態においては、発明を白色発光素子や赤色発光素子に適用する場合についてのみ説明したが、２色以上を混色する多色発光素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法では、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の長所をそのままに、種々の色、特に白色の発光を強い発光強度で実現することができる点で、産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図
【図４】従来の白色光照明装置の構成を模式的に示す断面図
【図５】本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す断面図
【図６】本発明の第３の実施形態におけるＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸構造(サンプルＡ)およびバルクＧａＮ（サンプルＢ）のＥｕのドープ量と発光強度との関係を示すグラフ
【図７】本発明の第３の実施形態におけるＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸構造(サンプルＡ)およびバルクＧａＮ（サンプルＢ）のアニール温度と発光強度との関係を示すグラフ
【図８】本発明の第３の実施形態の変形例における半導体発光素子の構造を示す断面図
【符号の説明】
【００６５】
１０  半導体発光素子
１１  サファイア基板
１２  下地層
１３  ｎ型コンタクト層
１４  ｎ型クラッド層
１５  発光層
１６  ｐ型クラッド層
１７  ｐ型コンタクト層
１８  希土類ドープ層
１９  ｎ側電極
２０  ｐ側電極
２１  Ｅｕ
３０  半導体発光素子
３１  サファイア基板
３２  下地層
３３  積層
３４  ｎ型クラッド層
３５  発光層
３６  ｐ型クラッド層
３７  ｐ型コンタクト層
３８  ｎ側電極
３９  ｐ側電極
４０  半導体発光素子
４１  サファイア基板
４２  ｎ型コンタクト層
４３  ｎ型クラッド層
４４  発光層
４５  ｐ型クラッド層
４６  ｐ型コンタクト層
４７  ｎ側電極
４８  ｐ側電極
５１  キャップ層
８１  キャップ層
８２  中間層
【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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【図８】
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