(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、
前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、
前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、
前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、前記第１の発光領域、前記第３の発光領域、前記第２の発光領域の順で積層された構成を少なくとも１つ含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、
前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、
前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、
前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、前記第１の発光領域、前記第３の発光領域、前記第２の発光領域の順で積層された構成のみから成ることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、
前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、
前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、
前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、前記第１の井戸層、障壁層、前記第３の井戸層、障壁層、前記第２の井戸層、障壁層の順で積層された構成を少なくとも１つ含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、
前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、
前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、
前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、前記第１の井戸層、障壁層、前記第３の井戸層、障壁層、前記第２の井戸層、障壁層の順で積層された構成のみからなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の井戸層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４８０ｎｍで、前記第３の井戸層が発する光の主ピーク波長が５７０乃至８００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の井戸層が発する光の主ピーク波長が４２０乃至４６０ｎｍ、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５２０ｎｍ、前記第３の主ピーク波長が５７０乃至６００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｎ個（ｎ≧４）の井戸層を備えた多重量子井戸構造からなり、第１の井戸層、第２の井戸層、・・・、第ｎの井戸層の順に主ピーク波長が短い窒化物半導体発光素子において、
前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、
前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、
主ピーク波長が最も短い前記第１の井戸層を前記ｐ型窒化物半導体層の最も近くに有し、その次に前記ｐ型窒化物半導体層に近い位置に、主ピーク波長が最も長い前記第ｎの井戸層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記超格子層は、アンドープＧａＮとＳｉドープＧａＮからなることを特徴とする請求項１乃至７のいうずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる窒化物半導体を用いた発光素子に関し、特に、異なる色を発する井戸層を積層し、それらの発光を混色して、所望の演色性を有する光を発する発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年窒化物半導体を用いた発光素子の開発によって、青色、緑色の発光が可能となり、これにより赤色、緑色、青色（いわゆるＲＧＢ）の高輝度タイプの発光素子が量産されるようになった。特に窒化物半導体を用いた発光素子は、その混晶比を変化させることにより紫外域から赤色領域まで発光色を調整することが可能である。
【０００３】
一方、発光素子の高輝度、低消費電力、小型化可能や高信頼性などの優れた特性を生かして、例えば、車載メータの光源、液晶バックライト光源や各種照明などの技術分野で、その利用が急速に広がりつつある。
【０００４】
このような発光素子の利用分野において、特に白色が人間の目には快適で好感を与える色であり、特に需要が高い。これまで白色光を実現するためには、赤色、緑色、青色、あるいは青色および黄色などの異なる発光色を有する複数の発光素子を同一ステム上に配置して、それら発光色の混色により希望の白色光を得るか、あるいは、青色発光する発光素子とその補色関係にある黄色で蛍光発光する蛍光物質とを用いて白色光を得ていた。
【０００５】
さらに特開平１１−２８９１０８では少なくともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んだ積層構造を持つ窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記発光層は、面内でＩｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい領域とを有し、それぞれの領域からの発光の混合により、前記発光層からの発光が白色となる単一の素子構造の窒化物半導体発光素子を開示している。また特開平１０−２２５２５では多重量子井戸構造の各井戸層の混晶比を変化させることで禁制帯幅を変化させることができ、発光のピーク波長を混晶比により変化させている。これにより、活性層は混晶比の違うＡｌＧａＩｎＮからなる２つまたは３つの発光領域を有し、白色発光する窒化物半導体発光素子を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら複数の発光素子を同一のステム上に配置して白色光を得る場合、混色性（光を混合したときに１つの色として一様に見える見え方）を向上させるために複数の発光素子同士を近づける必要はあるが、これには限界がある。同様に蛍光体を利用して白色光を得る場合、発光素子に蛍光体を付着させる必要があり、工程が複雑となる。
【０００７】
また、特開平１１−２８９１０８ではほぼ青色の短波長側の発光とほぼ黄緑色の長波長側の発光との２色により白色発光を実現しているが、２色による発光では高い演色性Ｒａを得ることができず、せいぜいＲａ≦５５である。特開平１０−２２５２５では２つまたは３つの発光領域を光取り出し面に近い側から禁制帯幅が広くなるように設定されている。しかし単一の素子構造内に複数の異なる混晶比を有する発光層がある場合、すべての発光層に同一の電流がかかってしまうので、所望の色の発光色を得るためにはそれぞれの混晶比、膜厚等を制御しなければならず、特に同一膜厚では発光効率が低いという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は演色性の高い、また発光効率の高い所望の演色性を有する光を発する発光素子を得るものであり、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、前記第１の発光領域、前記第３の発光領域、前記第２の発光領域の順で積層された構成を少なくとも１つ含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
この構成により所望の演色性を有する光を発する発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【０００９】
また、本発明は基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、前記第１の発光領域、前記第３の発光領域、前記第２の発光領域の順で積層された構成のみから成ることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
この構成により比較的簡単に所望の演色性を有する光を発する発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００１０】
また、本発明は基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、前記第１の井戸層、障壁層、前記第３の井戸層、障壁層、前記第２の井戸層、障壁層の順で積層された構成を少なくとも１つ含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
この構成により比較的簡単に所望の演色性を有する光を発する発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００１１】
また、本発明は基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備えた多重量子井戸構造から成る窒化物半導体発光素子において、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、前記活性層は前記ｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、前記第１の井戸層、障壁層、前記第３の井戸層、障壁層、前記第２の井戸層、障壁層の順で積層された構成のみからなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
この構成により最も簡単に所望の演色性を有する光を発する発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は前記第１の井戸層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４８０ｎｍで、前記第３の井戸層が発する光の主ピーク波長が５７０乃至８００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
この構成により所望の演色性を有する白色光の発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００１３】
また、本発明は第１の井戸層が発する光の主ピーク波長が４２０乃至４６０ｎｍ、上記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５２０ｎｍ、上記第３の主ピーク波長が５７０乃至６００ｎｍであることを特徴とする。この構成により赤色領域程度の長波長で発光する井戸層を設けることなく所望の演色性を有する白色光の発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に有し、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｎ個（ｎ≧４）の井戸層を備えた多重量子井戸構造からなり、第１の井戸層、第２の井戸層、・・・、第ｎの井戸層の順に主ピーク波長が短い窒化物半導体発光素子において、前記第２の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍであり、前記ｎ型半導体層は超格子層を有しており、主ピーク波長が最も短い前記第１の井戸層を前記ｐ型窒化物半導体層の最も近くに有し、その次に前記ｐ型窒化物半導体層に近い位置に、主ピーク波長が最も長い前記第ｎの井戸層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層に超格子層を有することを特徴とする。また、超格子層は、アンドープＧａＮとＳｉドープＧａＮからなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図を用いて本発明を詳細に説明するが、これらは単に例示的なものであって、本発明を限定するものではない。
単一の素子構造内に複数の異なる混晶比を有する発光層を有する活性層を形成することで、白色発光の窒化物半導体発光素子が得られる。これは同一ステム上にＲＧＢ等の異なる発光色を有する複数の発光素子を配置して、それらの発光色の混色により希望の白色光を得る場合と比べて小型化でき、消費電力も抑えることができるので多岐にわたる応用が考えられる。しかしながら単一の素子構造内に複数の異なる混晶比を有する発光層がある場合、すべての発光層に同一の電流がかかってしまうので、所望の色の発光色を得るためにはそれぞれの混晶比、膜厚等を制御しなければならず、特に同一膜厚では発光効率が低いという問題があった。
【００１５】
そこで我々は鋭意研究を重ね、窒化物半導体発光素子における以下の特徴を踏まえ、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を開発するに至った。窒化物半導体発光素子の特徴の１つとしては、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層はその活性層中ではｐ型窒化物半導体層に近い方が良く光るという点が挙げられる。これは一般の発光ダイオードの特徴でもあり、ｎ型窒化物半導体層から活性層に供給される電子とｐ型窒化物半導体層から供給されるホールとを比較した場合、ホールの方が質量が大きいため、活性層中のｎ型窒化物半導体層側まで達するホールは少なく、活性層中でもｐ型窒化物半導体層側にホールが多く存在してしまう。逆に電子はホールより質量が小さいため、ｐ型窒化物半導体層側にも多く存在する。このことから電子とホールとの再結合は、活性層中でもｐ型窒化物半導体層側で起こりやすい。これが大きな要因となって、ｐ型窒化物半導体層に近い方が良く光ると考えられている。
【００１６】
窒化物半導体発光素子のもう１つの特徴としては、発光層はバンドギャップの小さい層から光り始める点である。これに関しては具体的な要因はわかっていないが、バンドギャップの小さい方から伝導体に電子がたまっていくので、小さい方から光り始めるのではないかと推測できる。
【００１７】
さらに窒化物半導体発光素子のもう１つの特徴としては、長波長での発光ほど出力が小さくなる点である。これに関しても具体的な要因はわかっていないが、窒化物半導体発光素子は発光層の混晶比を変えることで紫外域から赤色領域までの発光が可能であり、窒化物半導体発光素子として代表的な青色発光（４２０ｎｍ程度）は発光層としてはＩｎＧａＮが使われる。さらにこのＩｎＧａＮのＩｎの混晶比を高くすることで、長波長の領域での発光が可能となる。しかしながら基本的に窒化物半導体発光素子はＧａＮで形成されているため、長波長の発光を得るために発光層のＩｎの混晶比を大きくすると、該発光層とその他の層との間の格子歪が大きくなってしまい、該発光層の結晶性が悪くなってしまう。結晶性が悪くなると当然のことながら発光出力も下がってしまう。これが長波長での発光ほど出力が小さくなる要因ではないかと推測できる。
【００１８】
以上をまとめると窒化物半導体発光素子の特徴として、１）活性層中ではｐ型窒化物半導体層に近い方が良く光る、２）発光層はバンドギャップの小さい層から光り始める、３）長波長の発光ほど出力が小さくなる、ことが挙げられる。これらの特徴から、活性層をｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層することで、発光効率の高い窒化物半導体発光素子が得られる。これは、３）の長波長の発光ほど出力が小さくなることから第３の井戸層を有する第３の発光領域は出力が他と比べて小さくなるという特徴を、第３の発光領域を、良く光るｐ型窒化物半導体層側に形成することで補い、出力を高めている。しかしながらｐ型窒化物半導体層に最も近い発光層を第３の井戸層を有する第３の発光領域としてしまうと、２）のバンドギャップが小さい方から光り始めるので、結果的に他の層より出力が高くなってしまう。そこで、最後に光り始める短波長の第１の井戸層を有する第１の発光領域をｐ型窒化物半導体層に最も近い層とすることで、どの発光領域での発光も強く成りすぎないようにしている。すなわち、活性層中で最も短い波長を有する発光領域をｐ型窒化物半導体側に最も近い層とし、活性層中で最も長い波長を有する発光領域をその次にｐ型窒化物半導体側に近い層とすることで、所望の演色性を有する、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を実現した。また、その他の波長を有する発光領域の位置はこだわらないが、その他の中間の波長を有する発光領域は２）、３）それぞれの特徴を少なからず有しているので、１）の良く光るｐ型窒化物半導体層側とは反対のｎ型窒化物半導体側に形成するのが好ましい。
【００１９】
本発明において、ここでは少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る活性層を有する窒化物半導体発光素子について説明したが、例えば上記３つの発光領域にとどまらず、少なくとも１つの第（ｎ−１）の井戸層を有する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、少なくとも第ｎの井戸層を有する第ｎの発光領域を有するような、ｎ種の異なる波長をもつｎ個の発光領域を備えた多重量子井戸構造から成る活性層（４≦ｎ）からなる窒化物半導体発光素子の場合でも、主ピーク波長が最も短い第１の井戸層を有する第１の発光領域をｐ型窒化物半導体側の最も近くに、その次にｐ型不純物半導体に近い層として、主ピーク波長が最も長い第ｎの井戸層を有する第ｎの発光領域を形成することで、４種以上の主ピーク波長の異なる井戸層を有する活性層でも、所望の演色性を有する、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
図１は本発明の一実施例にかかる窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図である。以下この図を元に実施例１について説明する。なお、本発明の発光素子は図１の構造に限定されるものではない。
（実施例１）
図１は、本発明の発光素子１００を示す模式的断面図である。発光素子１００は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層兼クラッド層１０４、超格子層１０５、多重量子井戸構造からなる活性層１０６、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１１、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１２が順に形成されている。また活性層１０６は、障壁層１０７とＩｎＧａＮからなる第２の井戸層１０８、第３の井戸層１０９および第１の井戸層１１０とから構成されている。またすべての井戸層のうち、第１の井戸層のＩｎ含有量が最も少なく、第３の井戸層のＩｎ含有量が最も多い。さらに活性層１０６はｎ型コンタクト層側から順に第２の井戸層１０８、第３の井戸層１０９、第１の井戸層１１０が障壁層１０７に挟まれて形成されている。
【００２１】
またｐ型コンタクト層１１２上にｐ側透明電極１１３、ｐ側パッド電極１１４が、ｎ型コンタクト層１０４上にｎ電極１１５が形成されていることで、混色光が発光可能な発光素子１００を形成することができる。次に、本発明にかかる発光素子の形成方法について説明する。
【００２２】
ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成膜して発光素子を形成する。まず、洗浄した２インチのサファイア（Ｃ面）よりなる基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットする。反応容器を真空化しつつ、Ｈ2を流して容器内をＨ2で十分置換した後、基板温度を１０５０℃まで上昇させて、基板１０１をクリーニングする。尚、半導体基板１０１としては、Ｃ面サファイアの他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、およびＧａＮなどの材料を用いることができる。
【００２３】
次に、成膜温度を５１０℃まで下げＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3を原料ガス、Ｈ2をキャリアガスとして供給し、厚さ約１５０ÅのＧａＮ層をサファイア基板１０１上に成膜して、バッファ層１０２を形成する。なお、バッファ層１０２はＧａＮの他、ＡｌＮやＡｌＧａＮなどの材料を利用することができる。
【００２４】
続いて、原料ガスの流入を一旦止め、キャリアガスを流しながら、基板温度を１０５０℃に上げる。成膜温度が安定した後、ＴＭＧおよびＮＨ3を原料ガスＨ２をキャリアガスとして流し、厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮ層をバッファ層１０２上に積層する。
【００２５】
そして、成膜温度を１０５０℃に維持したまま、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2、不純物ガスとしてＳｉＨ4を流し、５×１０18／ｃｍ3のＳｉ不純物濃度を有するＧａＮ層であるｎ型コンタクト層１０４を厚さ２．２５μｍでアンドープＧａＮ層１０３上に形成する。
【００２６】
さらに、活性層１０６の結晶性を向上させ、均一に全面発光させるために、ｎ型コンタクト層１０４上に超格子層１０５を形成することが好ましい。成膜温度を１０５０℃に維持した状態で、不純物ガスであるＳｉＨ4の供給を制御することにより、厚さ約７５ÅのアンドープＧａＮ層と、厚さ約２５ÅのＳｉドープＧａＮ層とを成膜する。これを１周期として、２５周期繰り返して総膜厚２５００Åの超格子層１０５をｎ型コンタクト層１０４上に成膜する。なお、超格子層１０５を構成するＳｉドープＧａＮ層は、互いに異なる不純物濃度（Ｓｉ）を有し、いわゆる変調ドープされている。
【００２７】
次に、多重量子井戸構造の活性層１０６の構成を詳細に説明する。多重量子井戸構造の活性層１０６は、厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００２８】
さらに、多重量子井戸構造の活性層１０６の具体的な形成方法について説明する。ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜温度１０５０℃で、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2を流すことにより、約２５０Åの厚さの障壁層１０７を超格子層１０５上に成膜する。
【００２９】
続いて原料ガスの流入を一旦止め、成膜温度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＮＨ3、キャリアガスとしてＮ2を流すことにより、約３０Åの厚さのＩｎ0.63Ｇａ0.37Ｎを成膜して第２の井戸層を形成する。
【００３０】
その後、成膜温度を１０５０℃とし原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2を流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０７を第２の井戸層１０８上に成膜する。
【００３１】
続いて原料ガスの流入を一旦止め、成膜温度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＮ2を流すことにより、約３０Åの厚さのＩｎ0.84Ｇａ0.16Ｎを成膜して第３の井戸層１０９を形成する。
【００３２】
その後、成膜温度を１０５０℃とし原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2を流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０７を第３の井戸層１０９上に成膜する。
【００３３】
さらに続いて原料ガスの流入を一旦止め、成膜温度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＮ2を流すことにより、約３０Åの厚さのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎを成膜して第１の井戸層１１０を形成する。
【００３４】
さらに続いて成膜温度を１０５０℃とし原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2を流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０７を第１の井戸層１１０上に成膜する。
【００３５】
活性層１０６を成膜後、超格子構造を有するｐ型クラッド層１１１を形成する。厚さ約４０ÅのＭｇドープのＡｌＧａＮ層と厚さ約２５ÅのＭｇドープＩｎＧａＮとを成膜する。これを１周期として繰り返し５周期成膜することにより、ｐ型クラッド層１１１を形成する。具体的には、ＭＯＣＶＤ法により成膜温度を１０５０℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ3、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、そしてキャリアガスとしてＨ2を流すことにより、厚さが約４０ÅのＡｌＧａＮ層を成膜する。次に、原料ガスの流入を一旦止め、成膜温度を８５０℃に調整した後に、再び原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、およびＮＨ3、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ、そしてキャリアガスとしてＮ2を流すことにより、厚さ約２５ÅのＩｎＧａＮ層を成膜する。これを５周期繰り返し、約３２５Åの厚さを有する超格子構造のｐ型クラッド層１１１を成膜する。なお、ｐ型クラッド層１１１はこのように超格子構造を有していてもよいが、ＡｌＧａＮやＡｌＢＧａＮ等の単層構造を有していてもよい。
【００３６】
そして、成膜温度を１０５０℃とし、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3、キャリアガスとしてＨ2、そして不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを流し、１×１０20／ｃｍ3のＭｇ不純物濃度を有するＧａＮ層であるｐ型コンタクト層１１２を、０．２μｍの膜厚でｐ型クラッド層１１１上に形成する。ｐ型クラッド層１１１形成後、温度を室温まで下げ、窒素雰囲気中でウエハーを７００℃でアニーリング処理し、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００３７】
アニーリング処理後、ウエハーを反応容器から取り出し、所望の形状のマスクを最上層のｐ型コンタクト層１１２の表面に形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層１１２側からエッチング処理を行い、ｐ型およびｎ型半導体表面を露出させる。
【００３８】
エッチング処理後、スパッタリング装置によりｐ型コンタクト層１１２のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含むｐ側透明電極１１３と、ｐ側透明電極１１３の上にボンディング用のＡｕよりなる０．５μｍの膜厚のｐ側パッド電極１１４と、を形成する。他方、エッチング処理により露出したｎ型コンタクト層１０４上に、ＷとＡｌとを含むｎ電極１１５を形成する。最後に、ｐ側透明電極１１３の表面を保護するためにＳｉＯ2よりなる絶縁層（図示せず）を保護膜として形成する。こうして形成された窒化物半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割し、発光素子として３５０μｍ角のＬＥＤチップを完成する。
【００３９】
このように、本発明の発光素子は、一般に、多重量子井戸構造の活性層を有し、この活性層はＩｎを含む窒化物半導体からなる第１の井戸層１１０と第２の井戸層１０８と第３の井戸層１０９を有する。本発明による井戸層は、Ｉｎを含む窒化物半導体として、例えばＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で形成され、好ましくは三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ≦１）で形成される。本発明の多重量子井戸構造の活性層はさらに、第１の井戸層１１０、第２の井戸層１０８、第３の井戸層１０９、もしくはその他の井戸層の計ｎ種（ｎ≧３）からなる井戸層よりバンドギャップの大きな窒化物半導体より成る障壁層１０７を有し、これら井戸層１１０、１０８、１０９とその間に挟まれる障壁層１０７とを積層して形成される。障壁層１０７は特に限定されないが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の材料により、ｎ種の井戸層より厚く、例えば数百Å程度の膜厚を有するように形成される。また、第１の井戸層１１０、第２の井戸層１０８、第３の井戸層１０９、さらにはｎ種のすべての井戸層の膜厚としては特に限定されないが、例えば１００Å以下の膜厚を有することが好ましく、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下の膜厚に調整する。１００Åよりも厚いと、井戸層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、井戸層中の微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい。
【００４０】
また、ｐ型半導体およびｎ型半導体としては、特に限定されないが、例えば窒化物半導体から成るｐ導電型およびｎ導電型の半導体を用いることができる。本発明の窒化物半導体の材料組成は、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）と表され、上述の通り、ｐ型導電性またはｎ型導電性を有するように、ｐ型またはｎ型不純物をドープする。
【００４１】
また、本発明で用いている窒化物半導体素子であるＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ≦１）のＩｎの混晶比はバンドギャップエネルギーＥｇとの関係式、Ｅｇ＝３．４＊（１−Ｙ）＋１．９５＊Ｙ−Ａ＊Ｙ＊（１−Ｙ）において、Ａ＝１としたときに概算された値であり、またＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）のＡｌ混晶比Ｘはバンドギャップエネルギーとの関係式、Ｅｇ＝３．４＊（１−Ｘ）＋６．２＊Ｘ−Ａ＊Ｘ＊（１−Ｘ）において、Ａ＝１としたときに概算された値である。上記２つの関係式の第１項と第２項の係数はそれぞれ、３．４はＧａＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、１．９５はＩｎＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、６．２はＡｌＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を示している。
【００４２】
発光ダイオードランプのリードフレームは、銀メッキした鉄入り銅で形成される。リードフレームの一方は、ＬＥＤチップを配置するためのカップを有するマウント・リードで、他方は、ＬＥＤチップの一方の電極とワイヤを介して電気的に接続するインナー・リードを有する。エポキシ樹脂を用いて、ＬＥＤチップをマウントリード上にダイボンディングした後、ＬＥＤチップのｐ電極およびｎ電極に直径３５μｍの金線ワイヤの一方をボールボンディングし、他方をリードフレームの先端にステッチボンディングする。これにより、ＬＥＤチップの各電極とインナー・リードおよびマウント・リードとをそれぞれ電気的に接続する。
【００４３】
こうして得られた発光ダイオードランプに２０ｍＡ（Ｖf＝３．５Ｖ）の順方向電流を流したところ、図２に示すように、ＣＩＥの色度図上の座標が（Ｘ、Ｙ）＝（０．２７６、０．３０２）で表される発光スペクトルを有する白色光が得られ、演色性はＲａ＝６９であった。このとき、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が確認される。また、図３に示すように第３の井戸層１０９が発する発光スペクトルは、第２の井戸層１０８が発する発光スペクトルに比べて半値幅が広く、演色性に優れており、第２の井戸層１０８が発する発光スペクトルは、第１の井戸層１１０が発する発光スペクトルに比べて半値幅が広く、演色性に優れている。また本発明に係る発光素子は、異なる発光スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものではなく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることができる。これにより、発光素子としてのスペクトル幅を広げることができる。
【００４４】
（比較例１）
実施例１と比較するために、比較例１として活性層の第１の井戸層、第２の井戸層および第３の井戸層の積層順序を入れ替えて形成した。具体的には、ｎ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、第３の井戸層、障壁層、第２の井戸層、障壁層、第１の井戸層、障壁層の順で積層し、光取り出し面（ｐ型窒化物半導体層側）に近い側から禁制帯幅が広く（すなわち波長が短く）なるように形成した。
【００４５】
この発光ダイオードは図２に示すように、ＣＩＥの色度図上の座標が（Ｘ、Ｙ）＝（０．２０５、０．４１７）で表される発光スペクトルを有し、輝度は実施例１の発光ダイオードランプと比べて低く、その発光色は緑がかって見えた。これは、５００ｎｍの波長を有する第２の井戸層の発光スペクトル強度が実施例１と比べて、相対的に他の波長の発光スペクトルより高くなったためである。
【００４６】
（実施例２）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.84Ｇａ0.16Ｎからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００４７】
さらに続けて、厚さ約３０ÅのＩｎ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる第２の井戸層１０８、厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ０．８４Ｇａ０．１６Ｎからなる第３の井戸層１０９、厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００４８】
このようにして得られた発光ダイオードランプに２０ｍＡ（Ｖf＝３．８Ｖ）の順方向電流を流したところ白色光が得られ、演色性はＲａ＝６９であった。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が確認された。このように実施例１の活性層の構成を１ペアとし、このペア数を増やす（一部障壁層を除く）ことで発光ダイオードランプの出力を上げることができる。また、異なる発光スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものではなく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。
【００４９】
（実施例３）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.84Ｇａ0.16Ｎからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００５０】
このようにして得られた発光ダイオードランプに２０ｍＡ（Ｖf＝３．６Ｖ）の順方向電流を流したところ白色光が得られた。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が確認された。このように実施例１の活性層の構成を含み、ｎ型窒化物半導体側にさらに第１の井戸層１１０を１層追加したことで、実施例１より色温度の高い発光ダイオードランプを得ることができる。また、異なる発光スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものではなく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。
【００５１】
（実施例４）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.84Ｇａ0.16Ｎからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.44Ｇａ0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００５２】
このようにして得られた発光ダイオードランプに２０ｍＡ（Ｖf＝３．６Ｖ）の順方向電流を流したところ白色光が得られた。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が確認された。このように実施例１の活性層の構成を含み、ｐ型窒化物半導体側にさらに第１の井戸層１１０を１層追加したことで、実施例１より色温度の高い発光ダイオードランプを得ることができる。また、異なる発光スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものではなく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。
【００５３】
（実施例５）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.70Ｇａ0.30Ｎからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.96Ｇａ0.04Ｎからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００５４】
このようにして得られた発光ダイオードランプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４７０ｎｍ、５２０ｎｍおよび６２０ｎｍの波長を有する発光が確認された。
【００５５】
（実施例６）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.70Ｇａ0.30Ｎからなる第２の井戸層１０８、さらに厚さ約５０ÅのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる中間層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.96Ｇａ0.04Ｎからなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約５０ÅのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる中間層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約５０ÅのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる中間層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。
【００５６】
このようにして得られた発光ダイオードランプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４７０ｎｍ、５２０ｎｍおよび６２０ｎｍの波長を有する発光が確認された。このように、活性層の井戸層と障壁層との間の井戸層上にＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎのような中間層を形成すると、Ｖfが下がる傾向にある。
【００５７】
（実施例７）
実施例１において、活性層１０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオードランプを得た。
多重量子井戸構造の活性層１０６は、まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ0.79Ｇａ0.21Ｎからなる第３の井戸層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚さ約３０ÅのＩｎ0.70Ｇａ0.30Ｎからなる第２の井戸層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚さ約３０ÅのＩｎ0.96Ｇａ0.04Ｎからなる第４の井戸層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚さ約３０ÅのＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎからなる第１の井戸層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層を積層する。
【００５８】
このようにして得られた発光ダイオードランプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。また、第１、第２、第３および第４井戸層は、各々約４７０ｎｍ、５２０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６２０ｎｍの波長を有する発光が確認された。また、実施例５と比較して４７０ｎｍ、５２０ｎｍ、６２０ｎｍの３種の波長に５５０ｎｍの波長を加えて形成することで、実施例５より演色性を上げることができた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明に係る窒化物半導体発光素子の活性層は、ｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層された構成を少なくとも１つ含むことで、所望の演色性を有する白色光の発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図。
【図２】実施例１および比較例１により形成された発光素子が発する光の色度図上の座標を示した図。
【図３】実施例１に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトル図。
【符号の説明】
１０１・・・サファイア基板
１０２・・・バッファ層
１０３・・・アンドープＧａＮ層
１０４・・・ｎコンタクト兼ｎクラッド層
１０５・・・超格子層
１０６・・・活性層
１０７・・・障壁層
１０８・・・第２の井戸層
１０９・・・第３の井戸層
１１０・・・第１の井戸層
１１１・・・ｐクラッド層
１１２・・・ｐコンタクト層
１１３・・・ｐ側透明電極
１１４・・・ｐ側パッド電極
１１５・・・ｎ電極
【図１】
0004501194.tif 000002
【図２】
0004501194.tif 000003
【図３】
0004501194.tif 000004