(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上にＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下の第１の窒化物半導体となるＡｌＮによる下地層と、この下地層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第４の窒化物半導体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、前記第３の窒化物半導体よりも面格子定数の大きい第５の窒化物半導体からなる、それぞれが孤立した複数の島状結晶を含んでなる発光層と、この発光層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第７の窒化物半導体からなる第２の導電層とを具え、
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の温度で形成されたものであり、当該下地層の厚さは０．５μm以上であって、
前記基板はサファイア単結晶基板からなり、前記下地層は、前記サファイア単結晶基板の主面に対して表面窒化処理が施されることにより形成された表面窒化層を介して、前記サファイア単結晶基板の前記主面上に形成されており、
前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ３）、前記基層を構成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ４）、及び前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ５）が、ＢＧ３＞ＢＧ４＞ＢＧ５のようになっており、
前記複数の島状結晶の底面の直径が５ｎｍ〜３０ｎｍで分布し、前記複数の島状結晶のそれぞれが任意波長の光を発光し、前記発光層全体として白色光を生成することを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の導電層を構成する前記第２の窒化物半導体は、少なくともＡｌを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の導電層を構成する前記第２の窒化物半導体におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の導電層を構成する前記第２の窒化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導体の面内格子定数と、前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体の面内格子定数との差が、前記第３の窒化物半導体の面内格子定数を基準として、０．４〜１４％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記複数の島状結晶は、前記発光層を構成する前記基層中において複数の段状に平均直径５ｎｍ〜３０ｎｍで分布するとともに、前記複数の段のそれぞれに位置する前記複数の島状結晶毎に任意波長の光を発し、前記発光層全体として白色光を生成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、詳しくは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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少なく、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用のＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用としてその需要増加が期待されている。
【０００３】
ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化され、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現されたことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも実現できるようになった。また、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥＤによる照明が実現されつつある。
【０００４】
しかし、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤはそれぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、照明用として実用化するのは困難と見られている。また、二色白色ＬＥＤは、三原色でないため、この白色光のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点がある。また、その輝度についてもまだ２５ ｌｍ／Ｗ程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０ ｌｍ／Ｗには及んでいない。
【０００５】
以上のことから、三原色でより高効率のＬＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用として、全世界で渇望されている。実際、このような白色照明用のＬＥＤを実現するために、日本におけるナショプロだけではなく、米国、欧州でも多くの大手電気メーカーが積極的に開発に乗り出しているところ
である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
三原色以上の白色ＬＥＤを作製するためには、紫外ＬＥＤを作製して、この紫外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得る試みがなされている。しかし、この方法は、蛍光灯と基本的に原理を用いており、蛍光灯における水銀放電の紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このため、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的なデメリットがある。また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤができているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題がある。
【０００７】
この発光効率の激減については、以下のように考えられている。ＧａＮ系のエピタキシャル膜をサファイアなど格子定数が一致しない基板上に成長させると、エピタキシャル膜と基板の界面にミスフィット転位が発生し、これがエピタキシャル膜中、さらにはその上に形成された発光層中に伝播するために、転位密度が著しく増大する。
【０００８】
しかしながら、サファイア基板上に作製したＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは、発光層として用いるＩｎＧａＮ系のエピタキシャル層の中で、Ｉｎが局在化し、そのためにキャリヤが局在化して閉じ込められる。このため、転位が存在する位置までキャリヤが移動することなく再結合するため、十分な発光効率が得られる。
【０００９】
すなわち、転位の存在が発光効率に影響しないのではなく、Ｉｎの局在化に伴いキャリヤが局在化され、非発光中心として作用する転位の位置までキャリヤが移動する前にキャリヤが再結合して発光するため、上記ＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは十分な発光効率を得ることができるものである。
【００１０】
しかしながら、紫外ＬＥＤを作製するためには、発光層中のＩｎの濃度を低減させることが要求される。このため、Ｉｎの局在化が起こらなくなるため、キャリヤの拡散長が長くなり、転位が存在する位置までキャリヤが移動するため再結合しやすくなる。したがって、もともと高転位密度である青色ＬＥＤよりも、紫外ＬＥＤでは発光効率が大幅に低減される。このため、転位密度の低減を図るべく各種の方法が考案されている。
【００１１】
例えば、エピタキシャル成長の途中で、ＳｉＯ2などのストライプのマスクを作製して、エピタキシャル膜／基板界面で発生したミスフィット転位がエピタキシャル膜上に伝播することを防止し、これによって前記マスク上に転位密度が低減された発光層を形成する方法が提案されている。しかしながら、この方法は、プロセスが複雑であり、製造コストが高くなるほか、厚いＧａＮ系膜を成長させるため、基板が反ってしまい、実際、デバイスプロセスに使用すると大半の基板が割れてしまうという決定的な問題点があり、実用化を妨げている。
【００１２】
また、転位密度を低減させるために、ＧａＮ系の格子整合エピタキシャル成長ができるように、バルクのＧａＮ結晶を成長させる試みがなされている。このような方法としては、高圧溶液成長法、気相成長法、フラックス法などがある。しかし、現在のところ、ＬＥＤを工業的に製造できるような大型単結晶の育成にはまだ目処はたっていない。
【００１３】
さらに、転位密度が低いバルクのＧａＮ結晶を得るために、ＨＶＰＥ法を用いて、格子整合する酸化物などの基板上に厚いＧａＮ単結晶を成長させ、その後、もとの基板を除去して、バルクＧａＮ単結晶基板を得る試みもなされているが、未だＬＥＤを工業的に製造できるような高品質の単結晶基板は得られるようになっていない。
【００１４】
このような状況であるため、紫外ＬＥＤを用いて蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤについては、高い発光効率が得られる技術的見通しがないという問題がある。
【００１５】
本発明は、転位密度の大小に関係なく、任意の色度の光を発することのできるＬＥＤ、特に白色ＬＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の半導体発光素子は、基板と、この基板上にＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下の第１の窒化物半導体となるＡｌＮによる下地層と、この下地層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第２の窒化物半導体からなる第１の導電層と、この第１の導電層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第３の窒化物半導体からなる第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第４の窒化物半導体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、前記第３の窒化物半導体よりも面格子定数の大きい第５の窒化物半導体からなる、それぞれが孤立した複数の島状結晶を含んでなる発光層と、この発光層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第６の窒化物半導体からなる第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第７の窒化物半導体からなる第２の導電層とを具え、
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の温度で形成されたものであり、当該下地層の厚さは０．５μm以上であって、
前記基板はサファイア単結晶基板からなり、前記下地層は、前記サファイア単結晶基板の主面に対して表面窒化処理が施されることにより形成された表面窒化層を介して、前記サファイア単結晶基板の前記主面上に形成されており、
前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ３）、前記基層を構成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ４）、及び前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ５）が、ＢＧ３＞ＢＧ４＞ＢＧ５のようになっており、
前記複数の島状結晶の底面の直径が５ｎｍ〜３０ｎｍで分布し、前記複数の島状結晶のそれぞれが任意波長の光を発光し、前記発光層全体として白色光を生成することを特徴とする。
【００１７】
この際、第１のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第１の導電層を省略することもできる。同様に、第２のクラッド層に導電層としての機能を付与せしめ、第２の導電層を省略することもできる。
【００１８】
近年においては、発光層として、格子不整合する系で孤立した小さい島状結晶を形成させ、これを発光させてなるＬＥＤについて研究が盛んになされている。そして、この島状結晶の大きさに所定の分布を持たせることによって、島状結晶のそれぞれから任意波長の光を発光させ、これを合成することによって前記発光層全体として任意の色度の光又は白色光を生成することが考えられている。
【００１９】
しかしながら、発光層に対する下地層の低結晶性に依存して、孤立した小さい島状結晶を作製しても、下地層に存在する転位が島状結晶中にも伝播してしまう。このため発光層の結晶性が劣化して発光効率が減少するため、上述したような半導体発光素子は実現されるには至っていない。
【００２０】
そこで本発明者らは、発光層を構成する島状結晶の結晶性を改善すべく鋭意検討を実施した。そして、前記発光層の結晶性に影響を与える下地層の結晶性を改善することを試みた。
【００２１】
従来、半導体発光素子の下地層はバッファ層としての役割が重視されていたため、前記下地層の結晶性については重視されていなかった。さらに、前記バッファ層としての効果を十分に発揮するには、ある程度結晶性の劣化した下地層が望まれていた。
【００２２】
これに対して本発明者らは、Ａｌを含む窒化物半導体を構成材料とする半導体発光素子においては、上記下地層の結晶性をある程度高くしても、そのバッファ層としての作用が失われないことを見出した。すなわち、従来の常識に反して、前記下地層の結晶性をある程度向上させても、バッファ層としての効果が失われないことを見出した。
【００２３】
したがって、上述したように、本発明の半導体発光素子におけるＡｌを含む下地層の結晶性をＸ線ロッキングカーブにおける半値幅で９０秒以下に高めることによって、上記バッファ層としての機能を失うことなく、前記発光層を構成する前記島状結晶の結晶性を高めることができることを見出したものである。
【００２４】
なお、本発明においては、クラッド層を構成する第３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島状結晶を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が大きくなるようにしている。このように圧縮応力の働く条件下では、窒化物半導体がドット状に形成されて、上記のような島状結晶が形成されるものである。
【００２５】
このため、本発明の半導体発光素子によれば、前記島状結晶のそれぞれの大きさを適宜に調節することにより、各島状結晶から任意波長の光を発光させることができ、特に前記島状結晶の平均直径を５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲に設定することによって発光層全体として実用に足る効率で白色光を生成及び発光させることができるものである。
【００２６】
したがって、ＭＯＣＶＤ法においては、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力の少なくとも１つを制御することにより、前記複数の島状結晶それぞれの大きさを任意に制御できるものである。
【００２７】
また、前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ３）、前記基層を構成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ４）、及び前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ５）の、ＢＧ３＞ＢＧ４＞ＢＧ５なる順列は、前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体をエネルギー的に閉じ込めて、前記島状結晶からの発光を実現させるために要求されるものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【００２９】
図１に示す半導体発光素子２０は、基板１と、この基板１上に第１の窒化物半導体としてＡｌＮからなる下地層２と、この下地層２上に形成された第２の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電層３とを含む。さらに、この第１の導電層３上に形成された第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成された発光層５と、この発光層５上に形成された第６の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成された第７の窒化物半導体としてｐ−ＧａＮからなる第２の導電層７を具えている。
【００３０】
第１の導電層３の一部は露出しており、この露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
【００３１】
図２は、図１に示す半導体発光素子２０における発光層５の部分を拡大して示す図である。図２から明らかなように、発光層５は、第４の窒化物半導体としてｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、第５の窒化物半導体としてｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状結晶１２−１〜１２−５が形成されている。
【００３２】
なお、図１及び２においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のものと異なるように記載している。
【００３３】
図１に示す半導体発光素子２０における下地層２は、本発明にしたがってＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下であることが必要であり、さらには５０秒以下であることが好ましい。これによって、発光層５を構成する島状結晶１２−１〜１２−５中の転位密度が減少して良好な結晶性を有するようになるため、半導体発光素子２０の発光効率が増大する。
【００３４】
また、下地層２におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の下限については特に限定されるものではないが、下地層２のバッファ層としての役割を考慮すると１０秒であることが好ましい。
【００３５】
このようにＡｌを含んだ結晶性の高い下地層を得るには、所定の原料供給ガスを用い、ＭＯＣＶＤ法によって好ましくは下地基板を１１００℃以上、さらに好ましくは１１５０℃以上に加熱することによって形成する。従来の半導体発光素子における下地層の形成温度は５００〜７００℃であり、この形成温度と比較して上記形成温度が極めて高いことが分かる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法において従来と全く異なる条件を採用することによって、本発明の条件を満足する結晶性に優れた下地層を形成することができる。
【００３６】
下地層の形成温度は、１１００℃〜１２５０℃の温度とする。これによって、下地層を構成する窒化物半導体の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。これによって、前記下地層を構成する窒化物半導体の材料組成によらずに、前記下地層の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する発光層の結晶性の劣化を効果的に防止することができる。なお、上記温度は、基板の設定温度である。
【００３７】
また、下地層の厚さは０．５μｍ以上であり、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。下地層上に形成する導電層、クラッド層、及び発光層の結晶性を向上させるには、前記下地層を厚く形成することが好ましい。しかしながら、前記下地層が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じたりする場合がある。したがって、特に、上述した温度範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層を作製する際には、その厚さを上述したような範囲に設定する。
【００３８】
また、本発明の半導体発光素子においては、上述したように、第１のクラッド層４を構成する第３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島状結晶１２を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が大きいことが必要である。具体的には、これらの面内格子定数差が、第１の窒化物半導体の格子定数を基準として０．４〜１４％であることが好ましく、さらには２〜８％であることが好ましい。これによって、通常のＭＯＣＶＤ法によって簡易に島状結晶を形成することができる。
【００３９】
上述したように、本発明の半導体発光素子２０においては、例えば、発光層５を構成する島状結晶１２−１〜１２−５の大きさを任意に制御し、一定の広がりを有するように形成することにより、各島状結晶からの発光波長を任意に制御することができ、発光層５全体として任意の色度の光を生成及び発光させることができる。
【００４０】
具体的には、島状結晶１２−１〜１２−５の底面の直径を５ｎｍ〜３０ｎｍの大きさで分布させることにより、島状結晶のそれぞれが任意の波長の光を発するようになり、発光層５全体として白色光を生成することができる。
【００４１】
前者のような分布を有する島状結晶を形成するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法における、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力などを適宜に調節することによって得ることができる。
【００４２】
図３は、図２に示す発光層の変形例を示す図である。
図３に示す発光層５においては、発光層１８を構成する基層１８中に島状結晶１３−１〜１３−５、１４−１〜１４−５及び１５−１〜１５−５が段状に形成されている。このように、島状結晶を多段に形成することにより、島状結晶の大きさに対する分布幅の自由度が増すため、各島状結晶の大きさ制御の自由度が増大して、広範囲の色度の光を簡易に生成及び発光させることができる。
【００４３】
具体的には、島状結晶１３−１〜１３−５の底面における平均直径と、島状結晶１４−１〜１４−５の底面における平均直径と、島状結晶１５−１〜１５−５の底面における平均直径とを、５ｎｍ〜３０ｎｍの大きさで分布させることにより、各段に位置する複数の島状結晶毎に任意波長の光を発するようになるため、発光層５全体として白色光を生成することができる。
【００４４】
上記のような分布を有する島状結晶を形成するためには、上述したように、ＭＯＣＶＤ法における、温度、Ｖ族供給原料／III族供給原料比、圧力などを適宜に調節することによって得ることができる。
【００４５】
また、図３に示すような発光層５において、各段に位置する島状結晶１３−１〜１３−５などを、それらの大きさが一定の広がりを有するように分布させることによっても、図２において説明したように、任意の色度の光を生成させることができる。
【００４６】
なお、この際においては、図２において説明した方法に準ずることによって、各段毎に白色の光を生成することができ、これによって発光層５全体として白色光を生成及び発光させることができる。
【００４７】
第１の窒化物半導体からなる下地層を比較的厚く形成した場合においては、この下地層に対して第２の窒化物半導体からなる第１の導電層からの引張応力が増大して前記下地層にクラックが発生してしまう場合がある。
【００４８】
このため、特に下地層の厚さがクラックが入る程度まで厚く形成された場合については、本発明の半導体発光素子の下地層を構成する第１の窒化物半導体は、その成分として含まれるＡｌの含有量が、基板側から第１の導電層に向かって連続的又はステップ状に減少していることが好ましい。これによって、下地層の、第１の導電層に対する近傍におけるＡｌ含有量が減少し、この近傍部分と第１の導電層とのＡｌ含有量の差が減少する。
【００４９】
したがって、下地層と第１の導電層との界面における格子定数差が減少するため、上記のように下地層の厚さが増大してもクラックの発生を効果的に防止することができる。なお、上記Ａｌ含有量の変化の度合いは、下地層中におけるクラックの発生を防止すべく任意に設定することができる。
【００５０】
また、本発明における窒化物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。そして、第１の窒化物半導体から第７の窒化物半導体は、各層のバンドギャップなどを考慮して上記要件を満足する範囲内で任意の組成を有することができる。
【００５１】
また、基板は、サファイア単結晶から構成する。
【００５２】
サファイア単結晶基板を用いる際には、前記III族窒化物下地膜などを形成すべき主面に対して表面窒化処理を施す。前記表面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成される窒化層の厚さを制御する。
【００５３】
このようにして表面窒化層が形成されたサファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に直接的に形成される下地層の結晶性をさらに向上させることができる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さの上限値である３μｍまで、特別な成膜条件を設定することなく簡易に厚くすることができるので、厚さ増大に起因した結晶性の向上をも簡易に実現させることができる。
【００５４】
このように、サファイア単結晶基板の主面に表面窒化層を形成することによって、その上に形成する下地層の結晶性が向上するので、導電層、クラッド層、及び発光層を含めた半導体発光素子全体の結晶性をさらに向上させることができる。
【００５５】
また、この場合において、III族窒化物下地膜を形成する際の温度も、上記好ましい温度範囲において１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減しても、本発明の高結晶性のIII族窒化物膜を簡易に形成することができる。
【００５６】
前記表面窒化層は、比較的厚く、例えば、ＥＳＣＡ分析によって、前記主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が５原子％以上となるように厚く形成することが好ましい。
【００５７】
また、図１に示すような本発明の半導体発光素子は、下地層、第１の導電層、及び発光層について上述した要件を満足する限りにおいて、通常の方法にしたがって製造することができる。
【００５８】
【実施例】
２インチ径の厚さ５００μmのサファイア基板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＨ2、Ｎ2、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｃｐ2Ｍｇ、ＮＨ3、ＳｉＨ4が取り付けてある。Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した。
【００５９】
最初に、アンモニアガス（ＮＨ３）を水素キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００６０】
次いで、ＴＭＡとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μmまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができることがわかった。
【００６１】
次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するために、ＴＭＧとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ膜を厚さ１００Å成長させた。成長終了後、ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。
【００６２】
ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、窒素源としては、ＳＶＴＡ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。
【００６３】
まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−ＡｌＧａＮ層を厚さ１μm成長させた。
【００６４】
次いで、このｎ−ＡｌＧａＮ層上に、第１のクラッド層として７６０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１０００Åに成長させた。その後、この上に発光層を構成する島状結晶を、７００℃でＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから厚さ１００Å、平均直径１００Åで成長させた。その後、発光層を構成する基層を、前記孤立した島状結晶を埋め込むように、ＧａＮ層を７５０℃で厚さ２００Åで成長させた。
【００６５】
次いで、ＧａＮ層上に第２のクラッド層として、７８０℃でＭｇをドープしたｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ５０Å成長させ、最後に第２の導電層として７８０℃でＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を厚さ２０００Å成長させた。
【００６６】
成長終了後、上記のようにして形成した多層膜の一部を第１の導電層が露出するまで除去し、第２の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ−電極を形成し、露出した第１の導電層としてのｎ−ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成した。
【００６７】
その後、前記ｐ−電極及び前記ｎ−電極間に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、高効率の青色発光を確認した。すなわち、本発明の半導体発光素子が実用的な素子として動作できることが確かめられた。したがって、上記島状結晶の大きさの分布を適宜調節することにより、白色発光することが可能な半導体発光素子を提供できることが分かる。
【００６８】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００６９】
例えば、図１に示す半導体発光素子及び実施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としているが、両者を逆転させて形成することもできる。また、図３においては、島状結晶を３段に形成しているが、２段あるいは４段以上に形成することもできる。
【００７０】
さらに、上記実施例では、ＡｌＮ下地層とＡｌＧａＮ導電層などとを異なる装置を用いて作製しているが、同一の装置を用い、外部へ取り出すことなく連続的に作製することもできる。また、上記実施例では、ＡｌＮ下地層上に直接ＡｌＧａＮ導電層などを形成したが、さらなる結晶性の向上を目指して、界面近傍に温度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成膜条件を変化させてバッファ層を挿入したり、ひずみ超格子などの多層積層膜を挿入することもできる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、発光層を窒化物半導体からなる互いに孤立した複数の島状結晶から構成するとともに、下地層を高結晶窒化物半導体から構成している。したがって、前記複数の島状結晶の結晶性を向上させることができ、上記のような複数の島状結晶からなる発光層を具える半導体発光素子の発光効率を増大させることができる。
【００７２】
このため、このような発光層を具える実用的な半導体発光素子を提供することができ、前記複数の島状結晶の大きさを適当な分布を持って形成することにより、実用に足る白色発光の半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【図２】  本発明の半導体発光素子における発光層部分を拡大して示す図である。
【図３】  本発明の半導体発光素子における発光層部分の他の例を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１  基板、２  下地層、３  第１の導電層、４  第１のクラッド層、５  発光層、６  第２のクラッド層、７  第２の導電層、８，９  電極、１２−１〜１２−５，１３−１〜１３−５，１４−１〜１４−５，１５−１〜１５−５  島状結晶、１７，１８  基層、２０  半導体発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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