(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に形成されたＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下のＡｌを５０原子％以下含む第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上に形成された、少なくとも一種の希土類元素を添加元素として含有し、ＡｌＧａＮなる組成を有する第２の窒化物半導体からなる発光層と、この発光層上において、ショットキー電極から構成される第１の電極及びショットキー電極又はオーミック電極から構成される第２の電極とを具えることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層を構成する前記第２の窒化物半導体中における前記希土類元素の含有量が、０．０１〜７原子％であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板と前記下地層との間に、前記基板側から前記下地層側に向けてＡｌ含有量が連続的に又はステップ状に増大した緩衝層を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
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℃以上の温度で形成されたことを特徴とする、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ことを特徴とする、請求項５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系のＬＥＤで青色、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。
【発明が解決しようとする課題】
【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２５１ｍ／Ｗ程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０１ｍ／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、日本における国家プロジェクトだけではなく、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】
本発明は、任意の色度の光を発する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。なお、ここでいう「ＬＥＤ」とは、いわゆるＰＮ接合を用いた発光素子だけでなく、総ての半導体発光素子を含む概念である。
【０００７】
【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、この基板上に形成されたＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下のＡｌを５０原子％以下含む第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上に形成された、少なくとも一種の希土類元素を添加元素として含有し、ＡｌＧａＮなる組成を有する第２の窒化物半導体からなる発光層と、この発光層上において、ショットキー電極から構成される第１の電極及びショットキー電極又はオーミック電極から構成される第２の電極とを具えることを特徴とする。
【０００８】
本発明者らは、白色発光の半導体発光素子を得るべく鋭意検討を実施した。その結果、基板、下地層、及び発光層を具え、この発光層の表面にショットキー電極から構成される第１の電極と、ショットキー電極又はオーミック電極から構成される第２の電極とを有し、前記発光層がＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含んでなる窒化物半導体から構成される半導体発光素子において、
前記下地層の結晶性を向上させるとともに、前記発光層内に所定の希土類元素を含有させ、この希土類元素の種類を適宜に変化させることによって、この希土類元素の種類に固有の波長を有する光を発することが可能であることを見出し、上記第１の半導体発光素子を発明するに至ったものである。
【０００９】
上記のような構成の半導体発光素子では、発光層中に希土類元素を含んでいるため、この希土類元素が前記電極から注入される電子によって励起され、この希土類元素の種類に固有の波長の光を発するものである。
【００１０】
そして、この希土類元素の種類を適宜に調節することにより、前記半導体発光素子からの発光波長を任意に制御できる。また、複数の種類の希土類元素を適宜に含有させることにより、これらの希土類元素からの発光波長が重畳され、半導体発光素子全体として白色光を生成できるようになる。
【００１１】
また、上述した半導体発光素子においては、下地層に直接希土類元素を添加することによって、この下地層に発光層としての役割を重畳させることも可能である。この場合においては、上述したような発光層は不要となる。
【００１２】
【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。
図１に示す半導体発光素子６は、基板１と、この基板１上に形成された第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ＡｌＧａＮからなる発光層３とを含む。そして、発光層３上には第１の電極としてのショットキー電極４と、第２の電極としてのオーミック電極５とが形成されている。
【００１３】
本発明において、発光層３は少なくとも一種の希土類元素を含有していることが必要である。希土類元素の含有量については特に限定されるものではなく、希土類元素の種類、発光層２を構成する第２の窒化物半導体の材料組成、及び所望する発光強度などによって任意に選択される。
【００１４】
一般的には発光層の結晶性を劣化させない範囲において、できるだけ多くの希土類元素を含有させることが好ましい。具体的には、０．０１〜７原子％であることが好ましい。これによって、実用に足る３０ｌｍ／Ｗ程度の発光強度を得ることができる。
【００１５】
希土類元素の種類についても特には限定されず、所望する発光波長に応じて任意に選択することができる。例えば、青色領域の波長の光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。
【００１６】
そして、これらの希土類元素を発光層に添加することにより、各色度領域の波長を有する光が互いに重畳されて、半導体発光素子全体として白色光を生成することができる。希土類元素の添加については、ＭＯＣＶＤ法により供給原料として供給することもできるし、イオン注入法などの方法によって成膜後に添加することもできる。
【００１７】
本発明者らはさらなる研究の結果、発光層中に希土類元素を添加した際において、前記発光層を構成する半導体のバンドギャップが大きくなるにしたがって、前記希土類元素に起因した発光の効率が増大することを見出した。さらに、本発明のように、発光層がＡｌを含む窒化物半導体からなる場合においては、この半導体中におけるＡｌ含有量が増大するにつれてバンドギャップが増大する。
【００１８】
したがって、発光層を構成する第２の窒化物半導体中におけるＡｌ含有量については５０原子％以上であることが好ましく、さらには７０原子％以上であることが好ましい。
【００１９】
さらに、十分な量の希土類元素を含有し、実用に足る強度の光を安定的に発するようにするためには、発光層２の結晶性が良好であり、下地層との格子定数などの違いに起因する転位が十分に少ない必要がある。したがって、下地層２は、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下、好ましくは５０秒以下の高結晶性を有することが必要である。
【００２０】
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ないが、一般的には１０秒程度である。
【００２１】
このように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た場合、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。
【００２２】
また、下地層の形成温度の上限については特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃である。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。
【００２３】
また、下地層２を構成する第１の窒化物半導体におけるＡｌ含有量は、５０原子％以上であることが好ましく、さらには図１に示すように、ＡｌＮから構成することが好ましい。
【００２４】
なお、下地層２を構成する第１の窒化物半導体中のＡｌ含有量を上記のように増大させた場合、その格子定数が著しく大きくなるため、下地層２と基板１との間にミスフィットの増大に伴う転位の増加や、下地層２自体の剥離などを生じる場合がある。
【００２５】
したがって、基板１と下地層２との間に、基板１側から下地層２側に向けてＡｌ含有量が連続的又はステップ状に増大した緩衝層を設けることが好ましい。これによって、基板１と下地層２との格子定数差を前記緩衝層によって吸収することができ、上記ミスフィット増大に伴う転位の増加や下地層の剥離を効果的に防止することができる。
【００２６】
なお、本発明における第２の窒化物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要であり、そのバンドギャップなどを考慮して任意の組成を有することができる。
【００２７】
また、ショットキー電極及びオーミック電極は、ＩｎＳｎの酸化物などから構成され、可視光に対して透明であることが好ましい。
【００２８】
また、基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、及びＧａＮ基板などを使用することができる。
【００２９】
また、図１に示すような本発明の半導体発光素子は、下地層や発光層が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。
【００３０】
なお、本発明においては、図１に示すような発光層３を形成することなく、下地層２中に上記希土類元素を含有させることもできる。図２は、このような構成の半導体発光素子の一例を示す断面図である。図２に示すように、このような構成の半導体発光素子においては、ショットキー電極４及びオーミック電極５は、下地層２上に直接的に形成され、下地層２において発光がなされる。したがって、下地層２は発光層としても作用する。
【００３１】
【実施例】
２インチ径の厚さ４３０μm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ＮＨ3、ＴＭＡ、ＴＭＧ、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℃まで昇温した後、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層であることがわかった。
【００３２】
次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するために、ＴＭＧとＮＨ3をそれぞれ流速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。
【００３３】
ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、３ＮのＥｒ、Ｔｍ、Ｅｕを用いた。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。
【００３４】
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１００℃まで加熱して３０分保持することにより前記ＡｌＮ層の表面を平坦化し、発光層としてのＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ層を７００℃で、厚さ１．０μｍに成長させた。この発光層を成長させる際に、Ｅｒ、Ｔｍ、及びＥｕを０．５原子％の割合でドープさせた。
【００３５】
成長終了後、上記のようにして形成したＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ層上に、酸化ＩｎＳｎからなるショットキー接合の透明電極を形成した。
【００３６】
その後、前記電極間に電圧２０Ｖを印加したところ、高効率の白色発光を確認した。すなわち、本発明の半導体発光素子が実用的な白色発光素子として動作できることが確かめられた。
【００３７】
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。
【００３８】
【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によれば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも一つを含む窒化物半導体からなる、高結晶性の発光層に希土類元素を添加し、この希土類元素自体を電極間に流した電流によって励起する。そして、この希土類元素に固有の波長の光を素子全体として高効率で生成するようにしている。
【００３９】
したがって、希土類元素の種類を適宜に選択することにより、所望の波長を有する光を実用に足る効率で生成することができるとともに、互いに異なる複数の種類の希土類元素を含有させることによって、実用に足る効率で白色光を生成することもできる。
【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の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  基板、２  下地層、３  発光層、４  ショットキー電極、５  オーミック電極、６  半導体発光素子
【図１】
0003819713.tif 000002
【図２】
0003819713.tif 000003