(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ｂ値が０．０５以下のｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮからなる電流注入層兼キャリア閉じ込め層と、７ｎｍ以下の膜厚のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層を含む量子井戸構造を有する活性層と、ｙ値が０．０５以上のｐ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるｐ型クラッド層とをこの順に有する積層構造を有する窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮの膜厚が１μｍ以上である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型クラッド層の膜厚が５ｎｍ〜０．５μｍである請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記井戸層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．４０≦ｘ≦０．４３）である請求項１から３のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体における発光ピーク波長が５２０〜５２５ｎｍである請求項１から４のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層が多重量子井戸構造である請求項１から５のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるＬＥＤ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可視ＬＥＤには、従来より赤色ＬＥＤと黄緑色ＬＥＤとが実用化されていたが、最近、窒化物半導体で青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤが開発されたことにより、初めてＢ、Ｇ、Ｒ３色を用いたフルカラーＬＥＤディスプレイが出現した。
【０００３】
しかし、今の緑色ＬＥＤは発光波長が５６０ｎｍ付近の黄緑色領域にあり、５２０ｎｍ付近の純緑色のＬＥＤではないため色再現領域が狭い。しかも青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤの明るさに対して、１／１０以下しかないため、ホワイトバランスを取るためには黄緑色ＬＥＤの数を増やさなければならないという欠点があった。これを解決するには最低でも光度２ｃｄ以上の純緑色ＬＥＤが必要である。
【０００４】
我々はその問題を解決できる純緑色に発光する高輝度なＬＥＤを開発し、既に発表した（Jpn.J.Appl.Phys. Vol.34 (1995) pp.L797-L799）。図２にそのＬＥＤの構造を示す。２１はサファイアよりなる基板、２２は膜厚３０ｎｍのＧａＮよりなるバッファ層、２３は４μｍ厚のＳｉドープｎ型ＧａＮ層、２４は０．１μｍ厚のＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、２５は５０ｎｍ厚のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２６は２ｎｍ厚のノンドープＩｎ0.43Ｇａ0.57Ｎ活性層、２７は０．１μｍ厚のＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、２８は０．５μｍ厚のＭｇドープｐ型ＧａＮ層である。このＬＥＤは単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の活性層を有しており、順方向電流２０ｍＡにおいて、主発光波長５２５ｎｍ、発光出力１ｍＷ、指向角１０゜のレンズ形状を有する樹脂でモールドした際の光度は４ｃｄである。このＬＥＤが開発されたことにより、Ｇ、Ｂ、Ｒ各一個ずつで一画素が構成でき、色再現領域が広いディスプレイが実現できるようになった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記構造のＬＥＤは複雑な積層構造を有しているので、窒化物半導体の成長工程が煩雑である。従って本発明の目的とするところは、最小限の窒化物半導体の積層構造で、高輝度なＬＥＤ等の発光素子を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体ＬＥＤは、基板上に、少なくとも、ｂ値が０．０５以下のｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮからなる電流注入層兼キャリア閉じ込め層と、７ｎｍ以下の膜厚のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層を含む量子井戸構造を有する活性層と、ｙ値が０．０５以上のｐ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるｐ型クラッド層とをこの順に有する積層構造を有することを特徴とする。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等は必ずしも三元混晶のみ、二元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮではＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲で微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲内であることは云うまでもない。
【０００７】
図１に本発明のＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図を示す。この図において、１１は基板、１２はバッファ層、１３はｎ型ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦a、０≦b、a＋b≦１）よりなるクラッド層、兼ｎ型コンタクト層、１６は単一量子井戸若しくは多重量子井戸構造を有するＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）よりなる活性層、１７はｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１）よりなるｐ型クラッド層、１８はｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層である。
【０００８】
基板１１にはサファイア（Ａｌ2Ｏ3、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む）の他、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等窒化物半導体を成長するために提案されている従来の材料が使用できる。
【０００９】
バッファ層１２は例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＳｉＣ等が知られており、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するために、通常およそ５ｎｍ〜１μｍの膜厚で成長される。例えば、特公昭５９−４８７９４号、特公平４−１５２００号公報にはＡｌＮをバッファ層とする方法が記載され、特開昭６０−１７３８２９号、特開平４−２９７０２３号公報にはＧａＮをバッファ層とする方法が記載されている。また特に窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。
【００１０】
次に本発明の特徴である積層構造について述べる。ｎ型クラッド層１３はＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦a、０≦b、a＋b≦１）で表される窒化物半導体であれば、どのような組成としても良いが、特に好ましくはＧａＮ、a値が０．５以下のＩｎaＧａ1-aＮ、またはb値が０．５以下のＡｌbＧａ1-bＮとすることが望ましい。なぜなら、図１に示すように、ｎ型クラッド層１３をｎ電極を形成するためのコンタクト層として兼用する際に、ある程度の膜厚を必要とする。前記窒化物半導体は例えば１μｍ以上の膜厚で成長させても、結晶性の良いものが得られるので、コンタクト層としてもｎ電極と良好なオーミックが得られる。しかも結晶性の良いｎ型クラッド層の上に次の活性層、ｐ型クラッド層等を積層しないと出力の高いＬＥＤ素子を得ることは難しいからである。ｎ型クラッド層の膜厚は特に限定するものではないが、前記のようにコンタクト層として兼用するためには、０．５μｍ〜５μｍ程度の膜厚で成長させることが望ましい。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにキャリア濃度の高い好ましいｎ型とすることができる。
【００１１】
次に、活性層１６は単一量子井戸(ＳＱＷ:Single-Quantum-Well)構造、若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi-Quantum-Well)構造を有するＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）とする必要がある。ＳＱＷ構造若しくはＭＱＷ構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１０ｎｍ以下、さらに好ましくは７ｎｍ以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７ｎｍ以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで構成し、障壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５ｎｍ以下、さらに好ましくは１２ｎｍ以下にすると高出力な発光素子が得られる。
【００１２】
前記のように量子構造の井戸層の厚さとしては７ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以下とすると発光出力の高い素子を実現できる。これはこの膜厚がＩｎＧａＮ活性層の臨界膜厚以下であることを示している。ＩｎＧａＮでは電子のボーア半径が約３ｎｍであり、このためＩｎＧａＮの量子効果が７ｎｍ以下で現れる。多重量子井戸構造の場合も同様に、井戸層の厚さは７ｎｍ以下に調整し、一方、障壁層の厚さは１５ｎｍ以下に調整することが望ましい。
【００１３】
次に活性層１６に接するｐ型クラッド層１７はｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１）とする必要があり、特に好ましくはY値を０．０５以上とすると高出力の素子が得られる。さらに、ＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型が得られやすく、また成長時に分解しにくく、ＩｎＧａＮ活性層１６の分解を抑える作用がある。しかもＩｎＧａＮ活性層１６に対し、バンドオフセットおよび屈折率差を他の窒化物半導体に比べて大きくできるので最も優れている。また第一のｐ型クラッド層をｐ型ＧａＮとすると、ｐ型ＡｌＧａＮに比べて発光出力が約１／３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすいか、あるいはＧａＮ成長時にＩｎＧａＮ活性層が分解していると推察される。従ってｐ型クラッド層としては、Y値が０．０５以上のＭｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮが最も好ましい。
【００１４】
このｐ型クラッド層１７の膜厚は１ｎｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上、０．５μｍ以下にすることが望ましい。１ｎｍよりも薄いとｐ型クラッド層１７が存在しないのに近い状態になり、発光出力が低下する傾向にあり、２μｍより厚いと結晶成長中にｐ型クラッド層自体にクラックが入りやすくなり、クラックの入った層に次の層を積層しても、結晶性の良い半導体層が得られず、出力が低下する傾向にあるからである。なお、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物ドープ後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、４００℃以上でアニーリングすることがより望ましい（特開平５−１８３１８９号公報）。アニーリングを行うことにより、通常ｐ型ＡｌＧａＮで１×１０17〜１×１０19／cm3のキャリア濃度が得られる。またその他、特開平３−２１８６２５号公報に示される電子線照射処理を行ってもよい。
【００１５】
次に、ｐ型コンタクト層１８はｐ型ＧａＮ、特に好ましくはＭｇドープｐ型ＧａＮとする。ｐ型ＧａＮは電極と接する層であるので、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子の場合オーミック接触を得ることが重要である。ｐ型ＧａＮは多くの金属とオーミックが取りやすくコンタクト層として最も好ましい。電極材料としては例えばＮｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ｔｉ等によりオーミックを得ることができる。ｐ型コンタクト層の厚さは特に限定するものではないが、通常５０ｎｍ〜２μｍ程度の厚さで成長することが望ましい。
【００１６】
窒化物半導体は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって成長できる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）等のトリアルキル金属化合物が多く用いられ、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジン等のガスが用いられる。また不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）等のガスが用いられる。ＭＯＶＰＥ法ではこれらのガスを例えば６００℃以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）をエピタキシャル成長させることができる。
【００１７】
【作用】
本発明の発光素子は必要最小限の構造で、発光出力に優れた素子を得ることができる。それは各層それぞれが有効に作用しているからである。まずｎ型クラッド層は電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。ＳＱＷ、ＭＱＷの活性層は結晶性が良いので、発光層として非常に効率の良い層となる。ｐ型クラッド層はキャリア閉じ込め層として濃度が高い層であり、さらにキャリア閉じ込め層としてるので高発光出力が得られる。さらにｐ型コンタクト層も電極材料と好ましいオーミックが得られるのでＬＥＤ素子の順方向電圧を下げて、発光効率を向上させる。
【００１８】
図３は、本発明の発光素子に係る単一量子井戸構造の活性層の膜厚と、発光出力の関係を相対値でもって示す図であり、具体的には実施例１に示すＬＥＤ素子の構造について示したものである。このように本発明の発光素子は井戸層を７ｎｍ以下にすることにより高出力な発光素子が得られる。
【００１９】
【実施例】
以下、図１を元に本発明に係るＬＥＤ素子を詳説する。以下に述べる工程はＭＯＶＰＥ法によるものである。
【００２０】
［実施例１］
よく洗浄したサファイア基板１１を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させサファイア基板のクリーニングを行う。
【００２１】
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１１上にＧａＮよりなるバッファ層１２を２０ｎｍの膜厚で成長させる。
【００２２】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、ｎ型クラッド層１３として、Ｓｉを１×１０20／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ層を４μｍ成長させる。
【００２３】
ｎ型ＧａＮ層成長後、原料ガス、ドーパントガスを止め、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアを用い、単一量子井戸構造の活性層１６としてＩｎ0.43Ｇａ0.57Ｎ層を３ｎｍ成長させる。
【００２４】
次に、原料ガス、ドーパントガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、ドーパントガスにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ型クラッド層１７としてＭｇを２×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５０ｎｍ成長させる。
【００２５】
ＴＭＡガスを止め、続いてｐ型コンタクト層１８として、Ｍｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ層を１μｍ成長させる。
【００２６】
ｐ型ＧａＮ層成長後、基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７００℃で２０分間アニーリングを行い、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化する。
【００２７】
以上のようにして得られたウエハーのｐ型コンタクト層１８、ｐ型クラッド層１７、及び活性層１６の一部をエッチングにより取り除き、ｎ型クラッド層１３を露出させ、ｐ型コンタクト層にＮｉ−Ａｕと、ｐ型ＧａＮ層とＴｉ−Ａｌ−Ａｕよりなるオーミック電極を設け、３５０μｍ角のチップにカットした後、カップ形状を有するリードフレームに設置し、エポキシ樹脂でモールドして、レンズ指向角１０゜のＬＥＤ素子を作成した。
【００２８】
このＬＥＤを順方向電流２０ｍＡで発光させ、そのスペクトルを測定したところ、発光ピーク５２５ｎｍ、半値幅４５ｎｍの純緑色発光を示し、発光出力１．５ｍＷ、量子効率２．５％と、従来のＧａＰよりなる黄緑色ＬＥＤに対して４０倍以上の発光出力を示した。
【００２９】
［実施例２］
活性層１６を成長させる工程において、原料ガスにＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアを用い、８００℃で、井戸層として膜厚３ｎｍのＩｎ0.40Ｇａ0.60Ｎ層を成長させ、その上に障壁層として膜厚６ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.4Ｎ層を成長させ、５層構造（井戸＋障壁＋井戸＋障壁＋井戸）の多重量子井戸構造よりなる活性層１６を成長させる。
【００３０】
後は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子としたところ、発光ピーク波長５２０ｎｍ、発光出力１．９ｍＷ、量子効率３％の優れたＬＥＤを得た。
【００３１】
［実施例３］
実施例１において、単一量子井戸構造よりなる活性層１６の膜厚を７ｎｍとする他は同様にして、緑色ＬＥＤ素子を得たところ、発光出力１．３ｍＷ、量子効率２．１％の緑色ＬＥＤを得た。
【００３２】
［実施例４］
バッファ層成長後、温度を１０３０℃まで上昇させた後、原料ガスにＴＭＧとＴＭＡ、アンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、ｎ型クラッド層１３としてＳｉを１×１０20／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を４μｍ成長させる他は、実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、発光波長、発光出力とも、実施例１と同等の特性を示した。
【００３３】
［実施例５］
ｐ型クラッド層１７の膜厚を２μｍとする他は、実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、発光出力１．０ｍＷ、量子効率１．７％の緑色ＬＥＤを得た。
【００３４】
［実施例６］
実施例１において、活性層１６の組成をノンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を２．５ｎｍと、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５ｎｍの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層を成長させた。後は実施例１と同様にして、ＬＥＤ素子としたところ、５２０ｎｍ、発光出力２．５ｍＷ、量子効率３．２％の優れた緑色ＬＥＤを得た。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＬＥＤは複雑な積層構造としなくとも、必要最小限の構造で非常に発光出力が高い緑色ＬＥＤが得られる。また本発明の思想を逸脱しない範囲で、本発明に開示した他の窒化物半導体層を積層構造の間、または外側に入れても良い。
【００３６】
このように、本発明のＬＥＤを使用することにより、ＬＥＤフルカラーディスプレイにおいては、従来では光度を稼ぐため複数のＧａＰ系ＬＥＤを必要としていたが、Ｂ、Ｇ、Ｒ各一個づつで一画素が形成できるため、高精細度な画面が得られる。またチップＬＥＤとすればさらに小さな画素が実現でき、壁掛けＴＶも実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】  従来のＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】  本発明の発光素子に係る井戸層の膜厚と素子の出力との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１１・・・・基板
１２・・・・バッファ層
１３・・・・ｎ型クラッド層
１６・・・・活性層
１７・・・・ｐ型クラッド層
１８・・・・ｐ型コンタクト層
【図１】
0003809749.tif 000002
【図２】
0003809749.tif 000003
【図３】
0003809749.tif 000004