JP3394678B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光
素子に係り、特に、発光効率が高く、長寿命、波長の安
定なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導体発
光素子に関する。
（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光
素子に係り、特に、発光効率が高く、長寿命、波長の安
定なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導体発
光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、特にインジ
ウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体（ＩｎAＡｌBＧａ
1-A-BＮ、０≦Ａ、０≦Ｂ、Ａ＋Ｂ≦１）を発光層とす
る半導体発光素子は、紫外色から赤色に発光するＬＥ
Ｄ、ＬＤ等の発光素子の材料として期待され、開発が進
められている。
ウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体（ＩｎAＡｌBＧａ
1-A-BＮ、０≦Ａ、０≦Ｂ、Ａ＋Ｂ≦１）を発光層とす
る半導体発光素子は、紫外色から赤色に発光するＬＥ
Ｄ、ＬＤ等の発光素子の材料として期待され、開発が進
められている。
【０００３】図９は窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子の従来例の略断面図であり、特開平８―３１６
５２８号公報、発明の名称：窒化物半導体発光素子、出
願人：日亜化学工業株式会社である。図９において、サ
ファイア基板等の絶縁性基板６０の上にｎ型窒化ガリウ
ム系化合物半導体層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
層とが積層されており、バッファ層６１、ｎ型コンタク
ト層６２、第２のｎ型クラッド層６３、第１のｎ型クラ
ッド層６４、活性層６５、第１のｐ型クラクド層６６、
第２のｐ型クラッド層６７、およびｐ型コンタクト層６
８が順に積層された構造であり、ｎ型コンタクト層６２
には負電極６９が形成され、ｐ型コンタクト層６８には
正電極７０が形成されている。
発光素子の従来例の略断面図であり、特開平８―３１６
５２８号公報、発明の名称：窒化物半導体発光素子、出
願人：日亜化学工業株式会社である。図９において、サ
ファイア基板等の絶縁性基板６０の上にｎ型窒化ガリウ
ム系化合物半導体層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
層とが積層されており、バッファ層６１、ｎ型コンタク
ト層６２、第２のｎ型クラッド層６３、第１のｎ型クラ
ッド層６４、活性層６５、第１のｐ型クラクド層６６、
第２のｐ型クラッド層６７、およびｐ型コンタクト層６
８が順に積層された構造であり、ｎ型コンタクト層６２
には負電極６９が形成され、ｐ型コンタクト層６８には
正電極７０が形成されている。
【０００４】そして、活性層６５及びその両側に配設さ
れるｎ型またはｐ型クラクド層の材料設定に特色があ
り、第１のｎ型クラッド層６４は、活性層６５よりも小
さい熱膨張係数を持ち、第１のｐ型クラッド層６６は、
活性層６５よりも小さい熱膨張係数を持ち、且つ活性層
６５を単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とする
ことにより、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバ
ンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発
光させるようにしたことを特色とする窒化物半導体発光
素子である。
れるｎ型またはｐ型クラクド層の材料設定に特色があ
り、第１のｎ型クラッド層６４は、活性層６５よりも小
さい熱膨張係数を持ち、第１のｐ型クラッド層６６は、
活性層６５よりも小さい熱膨張係数を持ち、且つ活性層
６５を単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とする
ことにより、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバ
ンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発
光させるようにしたことを特色とする窒化物半導体発光
素子である。
【０００５】図１０は、上記の従来例の活性層６５と発
光ピーク波長との関係を示したものであり、詳しくは単
―量子井戸構造の活性層の厚さ、つまり量子井戸層の厚
さと、発光素子の発光ピーク波長との関係を示す図であ
る。図１０において、線αは活性層がノンドープＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる発光素子を示し、線βは活性層
がノンドープＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる発光素子を示し
ている。両方とも発光素子の構造は第２のクラッド層
と、第１のｎ型クラッド層と、活性層と、第１のｐ型ク
ラッド層と、第２のｐ型クラッド層とを順に積層したダ
プルヘテロ構造である。第２のｎ型クラッド層は０．１
μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなり、第１
のｎ型クラッド層は５００オングストロームのＩｎ0.01
Ｇａ0.99Ｎよりなり、第１のｐ型クラッド層は２０オン
グストロームのＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎより
なり、第２のｐ型クラッド層は０．１μｍのＭｇドープ
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるダブルへテロ構造であ
る。このように、活性層の膜厚を変えると、発光波長が
変化することを示している。
光ピーク波長との関係を示したものであり、詳しくは単
―量子井戸構造の活性層の厚さ、つまり量子井戸層の厚
さと、発光素子の発光ピーク波長との関係を示す図であ
る。図１０において、線αは活性層がノンドープＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる発光素子を示し、線βは活性層
がノンドープＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる発光素子を示し
ている。両方とも発光素子の構造は第２のクラッド層
と、第１のｎ型クラッド層と、活性層と、第１のｐ型ク
ラッド層と、第２のｐ型クラッド層とを順に積層したダ
プルヘテロ構造である。第２のｎ型クラッド層は０．１
μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなり、第１
のｎ型クラッド層は５００オングストロームのＩｎ0.01
Ｇａ0.99Ｎよりなり、第１のｐ型クラッド層は２０オン
グストロームのＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎより
なり、第２のｐ型クラッド層は０．１μｍのＭｇドープ
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるダブルへテロ構造であ
る。このように、活性層の膜厚を変えると、発光波長が
変化することを示している。
【０００６】線αで示すＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層は、
本来のバンドギャップエネルギーでは３８０ｎｍ付近の
紫外発光を示すが、膜厚を薄くすることにより４２０ｎ
ｍ近くまで波長を長して青紫色の発光にできる。また線
βで示すＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層は本来のバンドギャッ
プエネルギーでは４８０ｎｍ付近の青緑色発光である
が、同じく膜厚を薄くすることにより、５２０ｎｍ近く
の純緑色発光が得られている。
本来のバンドギャップエネルギーでは３８０ｎｍ付近の
紫外発光を示すが、膜厚を薄くすることにより４２０ｎ
ｍ近くまで波長を長して青紫色の発光にできる。また線
βで示すＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層は本来のバンドギャッ
プエネルギーでは４８０ｎｍ付近の青緑色発光である
が、同じく膜厚を薄くすることにより、５２０ｎｍ近く
の純緑色発光が得られている。
【０００７】このように第１のｎ型クラッド層と第１の
ｐ型クラッド層で挟まれた活性層の膜厚を薄くすること
により、発光波長を長波長にすることができる。つま
り、通常の膜厚の厚い活性層ではその活性層のバンドギ
ャップエネルギーに相当する発光しか示さないが、この
従来例の単―量子井戸構造の活性層では、井戸層の膜厚
を薄くすることによって、バンドギヤップエネルギーが
小さくなり、元の井戸層のバンドギャップエネルギーよ
りも低エネルギーの光、即ち長波長を発光させることが
可能となる。しかもノンドープであるので、不純物をド
ープしたものよりも結晶性がよいので出力が高くなり、
さらにバンド間発光で半値幅の狭い色純度の良い発光が
得られている。
ｐ型クラッド層で挟まれた活性層の膜厚を薄くすること
により、発光波長を長波長にすることができる。つま
り、通常の膜厚の厚い活性層ではその活性層のバンドギ
ャップエネルギーに相当する発光しか示さないが、この
従来例の単―量子井戸構造の活性層では、井戸層の膜厚
を薄くすることによって、バンドギヤップエネルギーが
小さくなり、元の井戸層のバンドギャップエネルギーよ
りも低エネルギーの光、即ち長波長を発光させることが
可能となる。しかもノンドープであるので、不純物をド
ープしたものよりも結晶性がよいので出力が高くなり、
さらにバンド間発光で半値幅の狭い色純度の良い発光が
得られている。
【０００８】また、膜厚が厚いＩｎＧａＮで活性層を形
成すると、活性層の結晶性が悪く、例えばＩｎ組成比が
０．３〜０．５では結晶性が悪くなって発光出力が非常
に低かったが、薄膜にすることにより、大きなＩｎ組成
比でも結晶性良く成長できるようになるという作用もあ
る。そして、この上記の従来例では、量子井戸層の膜厚
は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０
オングストローム以下となるように形成することが好ま
しい、としている。
成すると、活性層の結晶性が悪く、例えばＩｎ組成比が
０．３〜０．５では結晶性が悪くなって発光出力が非常
に低かったが、薄膜にすることにより、大きなＩｎ組成
比でも結晶性良く成長できるようになるという作用もあ
る。そして、この上記の従来例では、量子井戸層の膜厚
は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０
オングストローム以下となるように形成することが好ま
しい、としている。
【０００９】また、上記の従来例では、ノンドープのＩ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝
２０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピー
ク波長λｐ＝４１０ｎｍ（青色発光）、発光出力Ｗｐ＝
５ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝２０ｎｍ、であ
った。
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝
２０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピー
ク波長λｐ＝４１０ｎｍ（青色発光）、発光出力Ｗｐ＝
５ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝２０ｎｍ、であ
った。
【００１０】また、上記の従来例では、ノンドープのＩ
ｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２
０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク
波長λｐ＝４６５ｎｍ（青色発光）、発光出力Ｗｐ＝５
ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝２５ｎｍ、であっ
た。
ｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２
０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク
波長λｐ＝４６５ｎｍ（青色発光）、発光出力Ｗｐ＝５
ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝２５ｎｍ、であっ
た。
【００１１】また、上記の従来例では、ノンドープのＩ
ｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２
０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク
波長λｐ＝５００ｎｍ（緑色発光）、発光出力Ｗｐ＝３
ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝４０ｎｍ、であっ
た。
ｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２
０ｍＡで、Ｖｆ（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク
波長λｐ＝５００ｎｍ（緑色発光）、発光出力Ｗｐ＝３
ｍＷ、発光スペクトルの半値幅△λ＝４０ｎｍ、であっ
た。
【００１２】また、上記の従来例では、７０オングスト
ロームのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる単一量子井戸構造の
活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２０ｍＡで、Ｖｆ
（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク波長λｐ＝５２
５ｎｍ（緑色発光）、発光出力Ｗｐ＝４ｍＷ、発光スペ
クトルの半値幅△λ＝４０ｎｍ、であった。
ロームのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる単一量子井戸構造の
活性層を用い、Ｉｆ（順方向電流）＝２０ｍＡで、Ｖｆ
（順方向電圧）＝３．５Ｖ、発光ピーク波長λｐ＝５２
５ｎｍ（緑色発光）、発光出力Ｗｐ＝４ｍＷ、発光スペ
クトルの半値幅△λ＝４０ｎｍ、であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従来例の窒化物系発光
素子においては、青緑色、緑色、黄緑色の発光素子を得
るためには、Ｉｎの組成比を大きくしなければならな
い。しかしながら、ＩｎＧａＮ混晶系またはＩｎＧａＡ
ｌＮ混晶系材料から成る発光層を使う場合、上述のよう
に、Ｉｎの組成比が大きくなると、例えばＩｎＧａＮの
三元混晶は相分離を起こし易く、発光層の量子井戸中の
ＩｎＧａＮ層中に設定したＩｎ組成よりも大きな領域と
なる所の量子ドットが自然形成されること、そしてＩｎ
ＧａＮの量子井戸構造の発光層からの発光は、この量子
ドットに局在した励起子発光と考えられるため、ウエハ
面内で均一な発光波長を持つ半導体発光素子を得ること
が困難な状況にある。また、量子ドットの発生による発
光層内の格子不整合による歪み緩和が発生し、且つＩｎ
ＧａＮ層と他半導体層との格子不整合による歪みの緩和
が発生し、それらに起因する非発光再結合が多くなり、
発光効率が低く、寿命の短い発光素子しか得られていな
いのが現状である。また、発光波長の注入電流依存性が
大きく、発光波長の安定した発光素子が得にくい現状に
ある。
素子においては、青緑色、緑色、黄緑色の発光素子を得
るためには、Ｉｎの組成比を大きくしなければならな
い。しかしながら、ＩｎＧａＮ混晶系またはＩｎＧａＡ
ｌＮ混晶系材料から成る発光層を使う場合、上述のよう
に、Ｉｎの組成比が大きくなると、例えばＩｎＧａＮの
三元混晶は相分離を起こし易く、発光層の量子井戸中の
ＩｎＧａＮ層中に設定したＩｎ組成よりも大きな領域と
なる所の量子ドットが自然形成されること、そしてＩｎ
ＧａＮの量子井戸構造の発光層からの発光は、この量子
ドットに局在した励起子発光と考えられるため、ウエハ
面内で均一な発光波長を持つ半導体発光素子を得ること
が困難な状況にある。また、量子ドットの発生による発
光層内の格子不整合による歪み緩和が発生し、且つＩｎ
ＧａＮ層と他半導体層との格子不整合による歪みの緩和
が発生し、それらに起因する非発光再結合が多くなり、
発光効率が低く、寿命の短い発光素子しか得られていな
いのが現状である。また、発光波長の注入電流依存性が
大きく、発光波長の安定した発光素子が得にくい現状に
ある。
【００１４】また、説明した従来例の特開平８―３１６
５２８号公報においては、活性層（発光層）の膜厚は７
０オングストローム以下が望ましいと記載してはいるも
のの、実施の形態よりなる値は膜厚７０オングストロー
ムの活性層についての記載であり、上記の説明から、こ
の膜厚は量子ドットが発生している膜厚であると推測で
きる。
５２８号公報においては、活性層（発光層）の膜厚は７
０オングストローム以下が望ましいと記載してはいるも
のの、実施の形態よりなる値は膜厚７０オングストロー
ムの活性層についての記載であり、上記の説明から、こ
の膜厚は量子ドットが発生している膜厚であると推測で
きる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
半導体発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層
とする半導体発光素子であって、発光層が多重量子井戸
構造であり、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸
層が３原子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量
子井戸層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５
％以上かつ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成
する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦Ｘ≦０．６
５）であることを特徴とするものである。
半導体発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層
とする半導体発光素子であって、発光層が多重量子井戸
構造であり、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸
層が３原子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量
子井戸層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５
％以上かつ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成
する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦Ｘ≦０．６
５）であることを特徴とするものである。
【００１６】また、本発明の請求項２記載の半導体発光
素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（Ｘ≦０．３５）であることを特徴
とするものである。
素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（Ｘ≦０．３５）であることを特徴
とするものである。
【００１７】また、本発明の請求項３記載の半導体発光
素子は、発光層がＩｎXＧａ1-XＮ（０．３５≦Ｘ≦０．
６５）であることを特徴とするものである。
素子は、発光層がＩｎXＧａ1-XＮ（０．３５≦Ｘ≦０．
６５）であることを特徴とするものである。
【００１８】また、本発明の請求項４記載の半導体発光
素子は、発光層がＩｎX（ＡｌYＧａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ
≦１．０、０．３５≦Ｘ≦０．６５）であることを特徴
とするものである。
素子は、発光層がＩｎX（ＡｌYＧａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ
≦１．０、０．３５≦Ｘ≦０．６５）であることを特徴
とするものである。
【００１９】また、本発明の請求項５記載の半導体発光
素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が単一半導体層構造、単一
量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一半導
体層構造を構成する単一半導体層または単一量子井戸構
造もしくは多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層
が３原子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単一半導
体層または単位量子井戸層がＩｎ X （Ａｌ Y Ｇａ 1-Y ） 1-X
Ｎ（０＜Ｙ≦１．０、０．３５≦Ｘ≦０．６５）である
ことを特徴とするものである。
素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が単一半導体層構造、単一
量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一半導
体層構造を構成する単一半導体層または単一量子井戸構
造もしくは多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層
が３原子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単一半導
体層または単位量子井戸層がＩｎ X （Ａｌ Y Ｇａ 1-Y ） 1-X
Ｎ（０＜Ｙ≦１．０、０．３５≦Ｘ≦０．６５）である
ことを特徴とするものである。
【００２０】また、本発明の請求項６記載の半導体発光
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦
Ｘ≦０．６５）であることを特徴とするものである。
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦
Ｘ≦０．６５）であることを特徴とするものである。
【００２１】また、本発明の請求項７記載の半導体発光
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎ
の組成比が３５％以下であることを特徴とするものであ
る。
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎ
の組成比が３５％以下であることを特徴とするものであ
る。
【００２２】また、本発明の請求項８記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎXＧ
ａ1-XＮ（Ｘ≦０．３５）であることを特徴とするもの
である。
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎXＧ
ａ1-XＮ（Ｘ≦０．３５）であることを特徴とするもの
である。
【００２３】さらに、本発明の請求項９記載の半導体発
光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半
導体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がＩｎX（ＡｌYＧａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ≦１．０、
０．３５≦Ｘ≦０．６５）である、または、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎ
の組成比が３５％以下であることを特徴とするものであ
る（ただし、単位量子井戸層がＩｎ 0.35 Ｇａ 0.65 Ｎであ
るものを除く）。また、本発明の請求項１０記載の半導
体発光素子は、発光層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦Ｘ
≦０．６５）であることを特徴とするものである。
光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半
導体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がＩｎX（ＡｌYＧａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ≦１．０、
０．３５≦Ｘ≦０．６５）である、または、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎ
の組成比が３５％以下であることを特徴とするものであ
る（ただし、単位量子井戸層がＩｎ 0.35 Ｇａ 0.65 Ｎであ
るものを除く）。また、本発明の請求項１０記載の半導
体発光素子は、発光層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦Ｘ
≦０．６５）であることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１乃至図８は、本発明の一実施
の形態よりなる半導体発光素子に関する図である。以下
に、本発明の実施の形態について説明する。
の形態よりなる半導体発光素子に関する図である。以下
に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】［実施の形態１］図１は、本発明の第１の
実施の形態よりなる半導体発光素子の構造を示す断面図
である。半導体発光素子の成長は、ＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）等を使用
し、Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を
使用する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4
（シラン）を、使用し、またｐ型ドーパントの輸送ガス
としてＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエチルマグネシュウ
ム）またはエチルＣｐ2 Ｍｇを使用する。
実施の形態よりなる半導体発光素子の構造を示す断面図
である。半導体発光素子の成長は、ＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）等を使用
し、Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を
使用する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4
（シラン）を、使用し、またｐ型ドーパントの輸送ガス
としてＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエチルマグネシュウ
ム）またはエチルＣｐ2 Ｍｇを使用する。
【００２６】サファイアＣ面基板１を水素雰囲気で１１
００℃で熱クリーニングした後、基板温度を５５０℃に
下げ、層厚５０ｎｍのノンドープのＡｌＮのバッファ層
２を成長させる。次に基板温度を１０５０℃まで上げて
層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
次に基板温度を８００℃に下げ、６原子層数（算定値約
１．６ｎｍ、即ち、１６オングストローム）のノンドー
プＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの発光層（単―半導体層）４、層厚
５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａ
Ｎ蒸発防止層５を順次成長させる。次に基板温度を１０
５０℃まで上げて、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮ層６を成長させる。続いて、成長層の一部をＳｉド
ープｎ型ＧａＮ層３が露出するまでエッチングを行い、
その表面にｎ型電極７を形成する。また、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮ層６の表面にｐ型電極８を蒸着する。次に、ウ
エハーをチップに分割（チップサイズ約４００μｍ角）
し、ステムにマウント後樹脂モールドを行い、半導体発
光素子（ＬＥＤ素子）とする。
００℃で熱クリーニングした後、基板温度を５５０℃に
下げ、層厚５０ｎｍのノンドープのＡｌＮのバッファ層
２を成長させる。次に基板温度を１０５０℃まで上げて
層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
次に基板温度を８００℃に下げ、６原子層数（算定値約
１．６ｎｍ、即ち、１６オングストローム）のノンドー
プＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの発光層（単―半導体層）４、層厚
５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａ
Ｎ蒸発防止層５を順次成長させる。次に基板温度を１０
５０℃まで上げて、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮ層６を成長させる。続いて、成長層の一部をＳｉド
ープｎ型ＧａＮ層３が露出するまでエッチングを行い、
その表面にｎ型電極７を形成する。また、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮ層６の表面にｐ型電極８を蒸着する。次に、ウ
エハーをチップに分割（チップサイズ約４００μｍ角）
し、ステムにマウント後樹脂モールドを行い、半導体発
光素子（ＬＥＤ素子）とする。
【００２７】図１に示した略断面図と同様の層構造を持
つ半導体発光素子において、Ｉｎの組成と発光面積の比
率を測定した結果を図６に示す。図６において、発光層
として膜厚約５ｎｍ（５０オングストローム）のノンド
ープＩｎXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１．０）の半導体層を用
い、発光層のＩｎ組成を変化させた時、低電流駆動（１
ｍＡ以下）における発光領域の全面積に対する発光して
いる面積の比率を図６に示す。図６において、ノンドー
プＩｎXＧａ1-XＮの発光層のＩｎ組成ＸがＸ＝０．０〜
０．２及びＸ＝０．８〜１．０においては、発光面積の
比率が０．９２とほぼ一定であるのに対し、Ｘ＝０．２
〜０．８においては、発光面積の比率が大きく減少し、
Ｘ＝０．４〜０．６においては、発光面積の比率が０．
６７程度の低い値となることを示している。
つ半導体発光素子において、Ｉｎの組成と発光面積の比
率を測定した結果を図６に示す。図６において、発光層
として膜厚約５ｎｍ（５０オングストローム）のノンド
ープＩｎXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１．０）の半導体層を用
い、発光層のＩｎ組成を変化させた時、低電流駆動（１
ｍＡ以下）における発光領域の全面積に対する発光して
いる面積の比率を図６に示す。図６において、ノンドー
プＩｎXＧａ1-XＮの発光層のＩｎ組成ＸがＸ＝０．０〜
０．２及びＸ＝０．８〜１．０においては、発光面積の
比率が０．９２とほぼ一定であるのに対し、Ｘ＝０．２
〜０．８においては、発光面積の比率が大きく減少し、
Ｘ＝０．４〜０．６においては、発光面積の比率が０．
６７程度の低い値となることを示している。
【００２８】その原因として、ＴＥＭ（透過電子顕微
鏡）観察から、発光層のＩｎ組成が０．３５〜０．６５
の領域で発光層の相分離による量子ドットの密度が増大
すること、発光層のＩｎ組成が０〜０．３５及び０．６
５〜１．０の領域ではＧａまたはＩｎ組成が支配的とな
り、量子ドットの密度が逆に減少すること、を見い出だ
した。
鏡）観察から、発光層のＩｎ組成が０．３５〜０．６５
の領域で発光層の相分離による量子ドットの密度が増大
すること、発光層のＩｎ組成が０〜０．３５及び０．６
５〜１．０の領域ではＧａまたはＩｎ組成が支配的とな
り、量子ドットの密度が逆に減少すること、を見い出だ
した。
【００２９】即ち、発光層のＩｎ組成が０．３５〜０．
６５の領域においては、量子ドットの密度が増加するこ
とが、発光層内で結晶の組成の違いによるミスフィット
転位を増加させる原因となっている。この発光層内のミ
スフィット転位は、非発光再結合の中心となるため、素
子の発光強度の減少及び発光素子の寿命を短くする原因
となっている。
６５の領域においては、量子ドットの密度が増加するこ
とが、発光層内で結晶の組成の違いによるミスフィット
転位を増加させる原因となっている。この発光層内のミ
スフィット転位は、非発光再結合の中心となるため、素
子の発光強度の減少及び発光素子の寿命を短くする原因
となっている。
【００３０】また、上述の発光層の量子ドットは、結晶
成長時に自然発生的に形成されるため、その組成及び大
きさの制御は不可能である。このため、１枚のウエハか
ら取り出される発光素子の特性の分布が大きくなり、例
えば発光波長の分布が著しく大きくなる、といった現象
が起こる。このような量子ドットの発生は、ＩｎＧａＡ
ｌＮを発光層とする場合も、図６で示したと同様のＩｎ
組成に対する発光面積の比率の減少（依存性）が観測さ
れた。
成長時に自然発生的に形成されるため、その組成及び大
きさの制御は不可能である。このため、１枚のウエハか
ら取り出される発光素子の特性の分布が大きくなり、例
えば発光波長の分布が著しく大きくなる、といった現象
が起こる。このような量子ドットの発生は、ＩｎＧａＡ
ｌＮを発光層とする場合も、図６で示したと同様のＩｎ
組成に対する発光面積の比率の減少（依存性）が観測さ
れた。
【００３１】更に、この量子ドットは、個々の量子ドッ
トごとに、その形状、Ｉｎの組成が異なっているため、
発光させるために注入されたキャリアは、発光層全体で
は広いエネルギー範囲に分布することとなる。しかも、
ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮ結晶中のキャリアの
移動度が低く、かつ、キャリアの緩和時間が長いため、
発光は注入されたキャリアが低エネルギーにまで緩和す
る前に高エネルギー状態で発光が起きる。この原因によ
りＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮ発光層を量子井戸
構造とする発光素子においては、その発光波長の注入電
流依存性が大きいことを見い出だした。なお、この現象
は発光層のＩｎ組成が大きくなる程（即ち、発光波長が
長波長になる程）顕著となる。例えば、ＩｎＧａＮの量
子井戸構造の緑色発光ダイオード（Ｉｎの組成比０．４
５、発光波長５２０ｎｍ）では、駆動電流を１０ｍＡ変
化させるとその発光ピーク波長は約１０ｎｍ短波長側へ
シフトし、色が変化するという問題や、フルカラーディ
スプレーへの応用では、その色調整を難しくする、とい
った問題があった。
トごとに、その形状、Ｉｎの組成が異なっているため、
発光させるために注入されたキャリアは、発光層全体で
は広いエネルギー範囲に分布することとなる。しかも、
ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮ結晶中のキャリアの
移動度が低く、かつ、キャリアの緩和時間が長いため、
発光は注入されたキャリアが低エネルギーにまで緩和す
る前に高エネルギー状態で発光が起きる。この原因によ
りＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮ発光層を量子井戸
構造とする発光素子においては、その発光波長の注入電
流依存性が大きいことを見い出だした。なお、この現象
は発光層のＩｎ組成が大きくなる程（即ち、発光波長が
長波長になる程）顕著となる。例えば、ＩｎＧａＮの量
子井戸構造の緑色発光ダイオード（Ｉｎの組成比０．４
５、発光波長５２０ｎｍ）では、駆動電流を１０ｍＡ変
化させるとその発光ピーク波長は約１０ｎｍ短波長側へ
シフトし、色が変化するという問題や、フルカラーディ
スプレーへの応用では、その色調整を難しくする、とい
った問題があった。
【００３２】また、上述の問題は、発光層として、単―
半導体層または単位井戸層または多重量子井戸構造にお
いてもみられる。ここに、単―量子井戸構造とは、量子
井戸層が一層よりなる構造を指す。すなわち、単―量子
井戸構造の発光層（活性層）は、単―の井戸層だけで構
成される。また、単―半導体層とは単―半導体層より構
成された発光層のことであり、量子井戸構造を形成しな
い発光層の場合も包含している。また、多重量子井戸構
造とは、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多層膜構
造である。この多層膜構造において、両側の２つ最外層
は、それぞれ井戸層により構成される。多重量子井戸構
造の尤も単純な構造は、量子井戸層／障壁層／量子井戸
層の場合である。
半導体層または単位井戸層または多重量子井戸構造にお
いてもみられる。ここに、単―量子井戸構造とは、量子
井戸層が一層よりなる構造を指す。すなわち、単―量子
井戸構造の発光層（活性層）は、単―の井戸層だけで構
成される。また、単―半導体層とは単―半導体層より構
成された発光層のことであり、量子井戸構造を形成しな
い発光層の場合も包含している。また、多重量子井戸構
造とは、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多層膜構
造である。この多層膜構造において、両側の２つ最外層
は、それぞれ井戸層により構成される。多重量子井戸構
造の尤も単純な構造は、量子井戸層／障壁層／量子井戸
層の場合である。
【００３３】図７に、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌ
Ｎ発光層の厚さを変化させた時、発光層の原子層数（層
厚）に対する発光面積の減少比率を示す。図７におい
て、発光層の原子層数が１〜５原子層数では、発光面積
の減少比率が０．０８であり、発光層の原子層数が６〜
９原子層数では、発光面積の減少比率が大きく増加し、
０．０８〜０．２４となり、発光層の原子層数が１０〜
１５原子層数では、発光面積の減少比率が増加したまま
で、０．２４となった。この結果、発光層の厚さが９原
子層数以下の領域では、発光面積の減少比率が小さくな
ることを示している。言い換えると、発光層の層厚を薄
くすることにより量子ドットの発生が抑制され、非発光
再結合の少なく、明るい半導体発光素子を得ることがで
きることを示している。従って、実用的な半導体発光素
子を得るための発光層の層厚は１原子層数乃至１５原子
層数、好ましくは３原子層数乃至１０原子層数、である
と言える。
Ｎ発光層の厚さを変化させた時、発光層の原子層数（層
厚）に対する発光面積の減少比率を示す。図７におい
て、発光層の原子層数が１〜５原子層数では、発光面積
の減少比率が０．０８であり、発光層の原子層数が６〜
９原子層数では、発光面積の減少比率が大きく増加し、
０．０８〜０．２４となり、発光層の原子層数が１０〜
１５原子層数では、発光面積の減少比率が増加したまま
で、０．２４となった。この結果、発光層の厚さが９原
子層数以下の領域では、発光面積の減少比率が小さくな
ることを示している。言い換えると、発光層の層厚を薄
くすることにより量子ドットの発生が抑制され、非発光
再結合の少なく、明るい半導体発光素子を得ることがで
きることを示している。従って、実用的な半導体発光素
子を得るための発光層の層厚は１原子層数乃至１５原子
層数、好ましくは３原子層数乃至１０原子層数、である
と言える。
【００３４】図８に、本発明の一実施の形態よりなる半
導体発光素子であるＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮを
発光層を持つ発光素子のＩｎの組成比をパラメータとし
て、発光層の層厚（原子層数）と半導体発光素子の発光
強度との関係を示す。半導体発光素子の構造は図１に示
した略断面図と同様である。ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇ
ａ0.98）1-XＮ発光層の組成比Ｘ＝０．３５の場合、素
子の発光強度は７原子層数及び８原子層数で最大とな
り、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮ発光層の組成比Ｘ
＝０．５２の場合、素子の発光強度は５原子層数で最大
となり、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮ発光層の組成
比Ｘ＝０．６５の場合、素子の発光強度は４原子層数で
最大となる結果が得られた。
導体発光素子であるＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮを
発光層を持つ発光素子のＩｎの組成比をパラメータとし
て、発光層の層厚（原子層数）と半導体発光素子の発光
強度との関係を示す。半導体発光素子の構造は図１に示
した略断面図と同様である。ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇ
ａ0.98）1-XＮ発光層の組成比Ｘ＝０．３５の場合、素
子の発光強度は７原子層数及び８原子層数で最大とな
り、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮ発光層の組成比Ｘ
＝０．５２の場合、素子の発光強度は５原子層数で最大
となり、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮ発光層の組成
比Ｘ＝０．６５の場合、素子の発光強度は４原子層数で
最大となる結果が得られた。
【００３５】図８に示されるように、発光層の膜厚が１
原子層数より厚くなるにしたがって発光強度が増大し、
ある膜厚の層数において発光強度はピークを持ち、更に
層数を厚くすると逆に発光強度が低下してゆく。これ
は、発光層の厚さが薄い領域では層厚が増すにつれ、発
光層中のキャリア濃度が増大し発光強度が増加し、ある
厚さを越えると、発光層の上下の結晶との格子不整合が
原因で発生している発光層中の歪みが緩和され、ミスフ
ィット転位が生じ、このミスフィット転位が非発光再結
合の中心となって発光強度は急激に低下する。発光強度
がピークを示す層厚は発光層のＩｎ組成（発光層中の歪
み）によって決まり、Ｉｎ組成が増えるとともに発光強
度が最大となる層厚（原子層数）は薄くなる。
原子層数より厚くなるにしたがって発光強度が増大し、
ある膜厚の層数において発光強度はピークを持ち、更に
層数を厚くすると逆に発光強度が低下してゆく。これ
は、発光層の厚さが薄い領域では層厚が増すにつれ、発
光層中のキャリア濃度が増大し発光強度が増加し、ある
厚さを越えると、発光層の上下の結晶との格子不整合が
原因で発生している発光層中の歪みが緩和され、ミスフ
ィット転位が生じ、このミスフィット転位が非発光再結
合の中心となって発光強度は急激に低下する。発光強度
がピークを示す層厚は発光層のＩｎ組成（発光層中の歪
み）によって決まり、Ｉｎ組成が増えるとともに発光強
度が最大となる層厚（原子層数）は薄くなる。
【００３６】この現象を量子ドットの発生の有無の立場
から説明すると、発光強度がピークを持つまでの発光層
の膜厚は量子ドットが発生しない膜厚の領域であり、発
光強度がピークを過ぎて減少する発光層の膜厚は量子ド
ットの発生が始まっている膜厚の領域であると説明でき
る。また、量子ドットの発生は、単―量子井戸構造や多
重量子井戸構造の単位井戸層についてのみ観測されるこ
とである。
から説明すると、発光強度がピークを持つまでの発光層
の膜厚は量子ドットが発生しない膜厚の領域であり、発
光強度がピークを過ぎて減少する発光層の膜厚は量子ド
ットの発生が始まっている膜厚の領域であると説明でき
る。また、量子ドットの発生は、単―量子井戸構造や多
重量子井戸構造の単位井戸層についてのみ観測されるこ
とである。
【００３７】言い換えれば、図８に示されるように、本
発明はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導体
発光素子において、発光層は単―半導体層構造または単
一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、且つ単
―半導体層または単位量子井戸層の層厚が１原子層数乃
至１５原子層数で構成されることを特徴とする半導体発
光素子である。重ねて言えば、単―半導体層または単位
量子井戸層の層厚が１原子層数乃至１５原子層数で構成
されることを特徴とするものであると並列記載している
のは、１原子層数乃至１５原子層数という非常に薄い半
導体層では、量子井戸層を形成しない場合も存在するか
らである。
発明はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とする半導体
発光素子において、発光層は単―半導体層構造または単
一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、且つ単
―半導体層または単位量子井戸層の層厚が１原子層数乃
至１５原子層数で構成されることを特徴とする半導体発
光素子である。重ねて言えば、単―半導体層または単位
量子井戸層の層厚が１原子層数乃至１５原子層数で構成
されることを特徴とするものであると並列記載している
のは、１原子層数乃至１５原子層数という非常に薄い半
導体層では、量子井戸層を形成しない場合も存在するか
らである。
【００３８】前記の図８では、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ
0.98）1-XＮ発光層を一例として説明したが、この現象
はＩｎXＧａ1-XＮ発光層やＩｎXＧａYＡｌ1-X-YＮ発光
層についても同様の結果が得られる。
0.98）1-XＮ発光層を一例として説明したが、この現象
はＩｎXＧａ1-XＮ発光層やＩｎXＧａYＡｌ1-X-YＮ発光
層についても同様の結果が得られる。
【００３９】また、上述の発光層（１原子層数以上１５
原子層数以下の層厚）を単位量子井戸層とする多重量子
井戸構造のとする場合においても、Ｉｎ組成が３５％か
ら６５％までのＩｎXＧａ1-XＮ、またはＩｎXＧａYＡｌ
1-X-YＮにおいて、明るい半導体発光素子が得られると
共に、ウエハ内の素子特性分布を小さくすることができ
る。
原子層数以下の層厚）を単位量子井戸層とする多重量子
井戸構造のとする場合においても、Ｉｎ組成が３５％か
ら６５％までのＩｎXＧａ1-XＮ、またはＩｎXＧａYＡｌ
1-X-YＮにおいて、明るい半導体発光素子が得られると
共に、ウエハ内の素子特性分布を小さくすることができ
る。
【００４０】図１に示したＬＥＤ素子は、前記の図６、
図７、図８の知見に基づく結果であり、この場合発光層
は単―半導体層（６原子層数）のノンドープＩｎ0.4Ｇ
ａ０．６Ｎの井戸層４を選択して用いた場合の結果であ
る。ＬＥＤ素子は順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡで、順方向
電圧Ｖｆ＝３．５Ｖ、発光ピーク波長λｐ＝４８５ｎｍ
（青緑色）、発光出力Ｗｐ＝６ｍＷであった。順方向電
流Ｉｆを５ｍＡから１５ｍＡまで変化させた時の発光ピ
ーク波長λｐのシフト（変化量）は３ｎｍ以下であり、
同一ウエハ内（２インチφ）における発光ピーク波長の
分布は５ｎｍ以下であった。室温連続２０ｍＡの通電テ
ストの寿命は２０００時間以上であった。
図７、図８の知見に基づく結果であり、この場合発光層
は単―半導体層（６原子層数）のノンドープＩｎ0.4Ｇ
ａ０．６Ｎの井戸層４を選択して用いた場合の結果であ
る。ＬＥＤ素子は順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡで、順方向
電圧Ｖｆ＝３．５Ｖ、発光ピーク波長λｐ＝４８５ｎｍ
（青緑色）、発光出力Ｗｐ＝６ｍＷであった。順方向電
流Ｉｆを５ｍＡから１５ｍＡまで変化させた時の発光ピ
ーク波長λｐのシフト（変化量）は３ｎｍ以下であり、
同一ウエハ内（２インチφ）における発光ピーク波長の
分布は５ｎｍ以下であった。室温連続２０ｍＡの通電テ
ストの寿命は２０００時間以上であった。
【００４１】一方、従来例では、発光出力は４ｍＷでピ
ーク波長シフトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎ
ｍ、寿命は１０００時間であった。本発明により出力で
１．５倍、ピーク波長シフトは３／５、ピーク波長の分
布は１／２に低減され、寿命は２倍以上に改善された。
ーク波長シフトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎ
ｍ、寿命は１０００時間であった。本発明により出力で
１．５倍、ピーク波長シフトは３／５、ピーク波長の分
布は１／２に低減され、寿命は２倍以上に改善された。
【００４２】［実施の形態２］本発明の第２の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図２に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースＭＢＥ法
（分子線エピタキシー法）を使用する。ＩＩＩ族分子線
源としてＧａ金属、Ｉｎ金属、Ａｌ金属を使用し、Ｖ族
分子線源としてＮＨ３または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、ＲＦ（Ｒａｄｉ
ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。ｎ型ド
ーパントとしてＳｉをｐ型ドーパントとしてＭｇを使用
する。
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図２に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースＭＢＥ法
（分子線エピタキシー法）を使用する。ＩＩＩ族分子線
源としてＧａ金属、Ｉｎ金属、Ａｌ金属を使用し、Ｖ族
分子線源としてＮＨ３または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、ＲＦ（Ｒａｄｉ
ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。ｎ型ド
ーパントとしてＳｉをｐ型ドーパントとしてＭｇを使用
する。
【００４３】サファイアＡ面基板９を窒素ラジカルの雰
囲気で８５０℃で熱クリーニングした後、基板温度を５
００℃に下げ、層厚３０ｎｍのノンドープＧａＮのバッ
ファ層１０を成長させる。次に基板温度を７００℃まで
上げて層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１１、２原
子層数のノンドープＩｎ0.6（Ｇａ0.97Ａｌ0.03）0.4Ｎ
の量子井戸層１２と、３原子層数のノンドープＩｎ0.4
Ｇａ0.6Ｎの障壁層１３とで、周期数４（量子井戸層×
４、障壁層×３）の多重量子井戸構造の発光層１４、層
厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層１５を順次成長
させる。次に成長層の一部をＳｉドープｎ型ＧａＮ層１
１が露出するまでエッチングを行い、その表面にｎ型電
極１６を形成し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層１５の表面に
ｐ型電極１７を蒸着する。次に、ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、ＬＥＤ素子とする。
囲気で８５０℃で熱クリーニングした後、基板温度を５
００℃に下げ、層厚３０ｎｍのノンドープＧａＮのバッ
ファ層１０を成長させる。次に基板温度を７００℃まで
上げて層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１１、２原
子層数のノンドープＩｎ0.6（Ｇａ0.97Ａｌ0.03）0.4Ｎ
の量子井戸層１２と、３原子層数のノンドープＩｎ0.4
Ｇａ0.6Ｎの障壁層１３とで、周期数４（量子井戸層×
４、障壁層×３）の多重量子井戸構造の発光層１４、層
厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層１５を順次成長
させる。次に成長層の一部をＳｉドープｎ型ＧａＮ層１
１が露出するまでエッチングを行い、その表面にｎ型電
極１６を形成し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層１５の表面に
ｐ型電極１７を蒸着する。次に、ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、ＬＥＤ素子とする。
【００４４】このＬＥＤ素子は順方向電流Ｉｆ＝２０ｍ
Ａで、順方向電圧Ｖｆ＝４．０Ｖ、発光ピーク波長λｐ
＝５５０ｎｍ（黄緑色）、発光出力Ｗｐ＝４ｍＷであっ
た。順方向電流Ｉｆを１０ｍＡから２０ｍＡまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λｐのシフト（変化量）は４ｎ
ｍ以下であり、同一ウエハ内（２インチφ）における発
光ピーク波長の分布は７ｎｍ以下であった。室温連続２
０ｍＡの通電テストの寿命は１０００時間以上であっ
た。従来例では、発光出力は３ｍＷでピーク波長シフト
は１０ｎｍ、ピーク波長の分布は２０ｎｍ、寿命は５０
０時間であった。本発明により出力で１．３倍、ピーク
波長シフトは２／５、ピーク波長の分布は１／３に低減
され、寿命は倍以上に改善された。
Ａで、順方向電圧Ｖｆ＝４．０Ｖ、発光ピーク波長λｐ
＝５５０ｎｍ（黄緑色）、発光出力Ｗｐ＝４ｍＷであっ
た。順方向電流Ｉｆを１０ｍＡから２０ｍＡまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λｐのシフト（変化量）は４ｎ
ｍ以下であり、同一ウエハ内（２インチφ）における発
光ピーク波長の分布は７ｎｍ以下であった。室温連続２
０ｍＡの通電テストの寿命は１０００時間以上であっ
た。従来例では、発光出力は３ｍＷでピーク波長シフト
は１０ｎｍ、ピーク波長の分布は２０ｎｍ、寿命は５０
０時間であった。本発明により出力で１．３倍、ピーク
波長シフトは２／５、ピーク波長の分布は１／３に低減
され、寿命は倍以上に改善された。
【００４５】［実施の形態３］本発明の第３の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図３に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルガリュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を使用し、
Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4 （シラ
ン）をｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（シ
クロペンタジエチルマグネシュウム）または、エチルＣ
ｐ2 Ｍｇを使用する。
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図３に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルガリュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を使用し、
Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4 （シラ
ン）をｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（シ
クロペンタジエチルマグネシュウム）または、エチルＣ
ｐ2 Ｍｇを使用する。
【００４６】ｎ型ＳｉＣ基板１８を水素雰囲気で１１５
０℃で熱クリーニングした後、基板温度を６００℃に下
げ、層厚４０ｎｍのノンドープＡｌＮのバッファ層１９
を成長させる。次に基板温度を１１００℃まで上げて層
厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層２０、層厚５０ｎｍ
のＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２１を順
次成長させる。次に基板温度を７５０℃に下げ、４原子
層数のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.65Ｇａ0.35Ｎの発光層（単
―量子井戸構造）２２、層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２３を順次成長させる。
０℃で熱クリーニングした後、基板温度を６００℃に下
げ、層厚４０ｎｍのノンドープＡｌＮのバッファ層１９
を成長させる。次に基板温度を１１００℃まで上げて層
厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層２０、層厚５０ｎｍ
のＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２１を順
次成長させる。次に基板温度を７５０℃に下げ、４原子
層数のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.65Ｇａ0.35Ｎの発光層（単
―量子井戸構造）２２、層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２３を順次成長させる。
【００４７】次に基板温度を１０５０℃まで上げて層厚
０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層２４を成長させ
る。次に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２０が露出するまで
エッチングを行い、その一部をさらに、ＡｌＮのバッフ
ァ層１９のエッチングを行い、ｎ型ＳｉＣ基板１８が露
出するまでエッチングを行う。ｎ型ＳｉＣ基板１８の裏
面及びエッチングで露出したｎ型ＳｉＣ基板１８とＳｉ
ドープｎ型ＧａＮ層２０とを電気的に接続するようにｎ
型電極２５を蒸着し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２４の表
面にｐ型電極２６を蒸着する。次に、ウエハーをチップ
に分割して樹脂モールドを行い、ＬＥＤ素子とする。
０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層２４を成長させ
る。次に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２０が露出するまで
エッチングを行い、その一部をさらに、ＡｌＮのバッフ
ァ層１９のエッチングを行い、ｎ型ＳｉＣ基板１８が露
出するまでエッチングを行う。ｎ型ＳｉＣ基板１８の裏
面及びエッチングで露出したｎ型ＳｉＣ基板１８とＳｉ
ドープｎ型ＧａＮ層２０とを電気的に接続するようにｎ
型電極２５を蒸着し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２４の表
面にｐ型電極２６を蒸着する。次に、ウエハーをチップ
に分割して樹脂モールドを行い、ＬＥＤ素子とする。
【００４８】このＬＥＤ素子は順方向電流Ｉｆ＝２０ｍ
Ａで、順方向電圧Ｖｆ＝４．０Ｖ、発光ピーク波長λｐ
＝５７０ｎｍ（黄色）、発光出力Ｗｐ＝２ｍＷであっ
た。順方向電流Ｉｆを１０ｍＡから２０ｍＡまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λｐのシフト（変化量）は５ｎ
ｍ以下であり、同一ウエハ内におけるピーク波長の分布
は１０ｎｍ以下であった。室温連続２０ｍＡの通電テス
トの寿命は１０００時間以上であった。従来例では、発
光出力は１ｍＷでピーク波長シフトは２０ｎｍ、ピーク
波長の分布は３０ｎｍ、寿命は５００時間であった。本
発明により出力で２倍、ピーク波長シフトは１／４、ピ
ーク波長の分布は１／３に低減され、寿命は２倍以上に
改善された。
Ａで、順方向電圧Ｖｆ＝４．０Ｖ、発光ピーク波長λｐ
＝５７０ｎｍ（黄色）、発光出力Ｗｐ＝２ｍＷであっ
た。順方向電流Ｉｆを１０ｍＡから２０ｍＡまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λｐのシフト（変化量）は５ｎ
ｍ以下であり、同一ウエハ内におけるピーク波長の分布
は１０ｎｍ以下であった。室温連続２０ｍＡの通電テス
トの寿命は１０００時間以上であった。従来例では、発
光出力は１ｍＷでピーク波長シフトは２０ｎｍ、ピーク
波長の分布は３０ｎｍ、寿命は５００時間であった。本
発明により出力で２倍、ピーク波長シフトは１／４、ピ
ーク波長の分布は１／３に低減され、寿命は２倍以上に
改善された。
【００４９】［実施の形態４］本発明の第４の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図４に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を使用し、
Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4 （シラ
ン）をｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（シ
クロペンタジエチルマグネシュウム）または、エチルＣ
ｐ2 Ｍｇを使用する。
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図４に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法（有機
金属気相成長法）を使用する。ＩＩＩ族元素の輸送ガス
としてＴＭＧ（トリメチルガリュウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリュウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジュウ
ム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を使用し、
Ｖ族元素の輸送ガスとしてＮＨ3 （アンモニア）を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4 （シラ
ン）をｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（シ
クロペンタジエチルマグネシュウム）または、エチルＣ
ｐ2 Ｍｇを使用する。
【００５０】ｎ型ＳｉＣ基板２８を水素雰囲気で８００
℃で熱クリーニングした後、基板温度を５５０℃に下
げ、層厚２５ｎｍのＧａＮのバッファ層２９を成長させ
る。次に基板温度を１０５０℃まで上げて層厚４μｍの
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０、層厚０．５μｍのＳｉド
ープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３１、層厚０．１
μｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層３２を順次成長させ
る。次に基板温度を８５０℃に下げ、７原子層数のノン
ドープＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎの量子井戸層３３と、層厚３
ｎｍのノンドープＩｎ0.15（Ｇａ0.95Ａｌ0.05）0.85Ｎ
の障壁層３４とで、周期数３（量子井戸層×３、障壁層
×２）の多重量子井戸構造の発光層３５、層厚５０ｎｍ
のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａＮ蒸発防
止層３６を順次成長させる。次に基板温度を１０５０℃
まで上げて層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド
層３７、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎクラッド層３８、０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮ層３９を成長させる。次に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
層３０及びＧａＮのバッファ層２９及びｎ型ＳｉＣ基板
２８が露出するまでエッチングを行い、その表面にｎ型
電極４０を蒸着し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ３９の表面に
ｐ型電極４１を蒸着する。次に、劈開にて長さ１ｍｍの
共振器を作製し、チップに分割し半導体レーザ素子とし
た。この半導体レーザ素子は閾値電流１００ｍＡで室温
パルス発振（最大出力５ｍＷ）し、発振波長は５２０ｎ
ｍの緑色であった。
℃で熱クリーニングした後、基板温度を５５０℃に下
げ、層厚２５ｎｍのＧａＮのバッファ層２９を成長させ
る。次に基板温度を１０５０℃まで上げて層厚４μｍの
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０、層厚０．５μｍのＳｉド
ープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３１、層厚０．１
μｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層３２を順次成長させ
る。次に基板温度を８５０℃に下げ、７原子層数のノン
ドープＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎの量子井戸層３３と、層厚３
ｎｍのノンドープＩｎ0.15（Ｇａ0.95Ａｌ0.05）0.85Ｎ
の障壁層３４とで、周期数３（量子井戸層×３、障壁層
×２）の多重量子井戸構造の発光層３５、層厚５０ｎｍ
のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａＮ蒸発防
止層３６を順次成長させる。次に基板温度を１０５０℃
まで上げて層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド
層３７、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎクラッド層３８、０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮ層３９を成長させる。次に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
層３０及びＧａＮのバッファ層２９及びｎ型ＳｉＣ基板
２８が露出するまでエッチングを行い、その表面にｎ型
電極４０を蒸着し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ３９の表面に
ｐ型電極４１を蒸着する。次に、劈開にて長さ１ｍｍの
共振器を作製し、チップに分割し半導体レーザ素子とし
た。この半導体レーザ素子は閾値電流１００ｍＡで室温
パルス発振（最大出力５ｍＷ）し、発振波長は５２０ｎ
ｍの緑色であった。
【００５１】［実施の形態５］本発明の第５の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図５に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースＭＢＥ法
（分子線エピタキシー法）を使用する。ＩＩＩ族分子線
源としてＧａ金属、Ｉｎ金属、Ａｌ金属を使用し、Ｖ族
分子線源としてＮＨ3 または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、ＲＦ（Ｒａｄｉ
ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。ｎ型ド
ーパントとしてＳｉをｐ型ドーパントとしてＭｇを使用
する。
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図５に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースＭＢＥ法
（分子線エピタキシー法）を使用する。ＩＩＩ族分子線
源としてＧａ金属、Ｉｎ金属、Ａｌ金属を使用し、Ｖ族
分子線源としてＮＨ3 または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、ＲＦ（Ｒａｄｉ
ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。ｎ型ド
ーパントとしてＳｉをｐ型ドーパントとしてＭｇを使用
する。
【００５２】ｎ型ＧａＮ基板４２を窒素ラジカル雰囲気
で９００℃で熱クリーニングした後、基板温度を７００
℃まで下げて層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層４
３、層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層４４、層厚５０ｎｍのＳｉドープＧａＮ光ガ
イド層４５、５原子層数のノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65
Ｎの発光層（単―量子井戸構造）４６を順次成長させ
る。次に層厚５０ｎｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層４
７、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層４８、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇａ
Ｎ層４９を成長させる。次に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層
４９及びＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４
８の一部をエッチングし、幅５μｍのリッヂ導波路を形
成する。次に、窒化シリコン膜（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜５
０を形成する。リッヂストライプ部上の窒化シリコン膜
（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜５０を除去する。ｎ型ＧａＮ基板
４２の裏面の研磨を行う。次に、ｎ型ＧａＮ層４２裏面
にｎ型電極５１を蒸着し、リッヂストライプ部のＭｇド
ープｐ型ＧａＮ層４９の表面にｐ型電極５２を蒸着す
る。次に、劈開にて１ｍｍの共振器を作製し、チップに
分割し半導体レーザ素子とする。
で９００℃で熱クリーニングした後、基板温度を７００
℃まで下げて層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層４
３、層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層４４、層厚５０ｎｍのＳｉドープＧａＮ光ガ
イド層４５、５原子層数のノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65
Ｎの発光層（単―量子井戸構造）４６を順次成長させ
る。次に層厚５０ｎｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層４
７、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層４８、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ｇａ
Ｎ層４９を成長させる。次に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層
４９及びＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４
８の一部をエッチングし、幅５μｍのリッヂ導波路を形
成する。次に、窒化シリコン膜（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜５
０を形成する。リッヂストライプ部上の窒化シリコン膜
（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜５０を除去する。ｎ型ＧａＮ基板
４２の裏面の研磨を行う。次に、ｎ型ＧａＮ層４２裏面
にｎ型電極５１を蒸着し、リッヂストライプ部のＭｇド
ープｐ型ＧａＮ層４９の表面にｐ型電極５２を蒸着す
る。次に、劈開にて１ｍｍの共振器を作製し、チップに
分割し半導体レーザ素子とする。
【００５３】この半導体レーザ素子は閾値電流５０ｍ
Ａ、発振波長４７０ｎｍで室温連続発振し、室温におけ
る出力１．５ｍＷの寿命は５０時間であった。駆動電流
を５０ｍＡから１００ｍＡに変化させた場合の発振波長
のシフトは０．５ｎｍ以下、同一ウエハにおける発振波
長の分布は５ｎｍ以下であった。従来例では、閾値電流
８０ｍＡ、寿命は２７時間、発振波長のピークシフトは
５ｎｍであった。本発明により駆動電流の低減がはか
れ、長寿命で発振波長の安定な素子が実現できた。
Ａ、発振波長４７０ｎｍで室温連続発振し、室温におけ
る出力１．５ｍＷの寿命は５０時間であった。駆動電流
を５０ｍＡから１００ｍＡに変化させた場合の発振波長
のシフトは０．５ｎｍ以下、同一ウエハにおける発振波
長の分布は５ｎｍ以下であった。従来例では、閾値電流
８０ｍＡ、寿命は２７時間、発振波長のピークシフトは
５ｎｍであった。本発明により駆動電流の低減がはか
れ、長寿命で発振波長の安定な素子が実現できた。
【００５４】
【発明の効果】以上のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導
体を発光層とする半導体発光素子において、本発明のよ
うに、発光層のうちの光を生じさせる層を３原子層数乃
至１０原子層数の層厚とすると、量子ドットの発生が低
減され、非発光再結合が低減できる。さらに、発光層の
薄層化により他の層及び基板との格子定数差による歪み
緩和が発生せず、非発光再結合が低減できる。その結
果、ウエハ面内で均一な発光波長を持ち、且つ発光波長
の注入電流依存性が小さく、発光効率が高く、寿命の長
い青色、青緑色、緑色、黄緑色の半導体発光素子を得る
ことができる。
体を発光層とする半導体発光素子において、本発明のよ
うに、発光層のうちの光を生じさせる層を３原子層数乃
至１０原子層数の層厚とすると、量子ドットの発生が低
減され、非発光再結合が低減できる。さらに、発光層の
薄層化により他の層及び基板との格子定数差による歪み
緩和が発生せず、非発光再結合が低減できる。その結
果、ウエハ面内で均一な発光波長を持ち、且つ発光波長
の注入電流依存性が小さく、発光効率が高く、寿命の長
い青色、青緑色、緑色、黄緑色の半導体発光素子を得る
ことができる。
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
子の略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
子の略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
子の略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
子の略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
子の略断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、膜厚約５ｎｍのノンドープＩｎXＧａ1-XＮの発光
層を用い、発光層のＩｎ組成を変化させたときの発光層
全面積に対する低電流駆動時における発光面積の比率を
示す図である。
関し、膜厚約５ｎｍのノンドープＩｎXＧａ1-XＮの発光
層を用い、発光層のＩｎ組成を変化させたときの発光層
全面積に対する低電流駆動時における発光面積の比率を
示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、発光層ＩｎXＧａ1-XＮの原子層数に対する発光面
積の減少比率の変化を示す図である。
関し、発光層ＩｎXＧａ1-XＮの原子層数に対する発光面
積の減少比率の変化を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮを発光層を持つ
発光素子のＩｎの組成比をパラメータとして、発光層の
原子層数と素子の発光強度との関係を示す。
関し、ＩｎX（Ａｌ0.02Ｇａ0.98）1-XＮを発光層を持つ
発光素子のＩｎの組成比をパラメータとして、発光層の
原子層数と素子の発光強度との関係を示す。
【図９】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体発
光素子の略断面図である。
光素子の略断面図である。
【図１０】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子において、活性層の厚さと発光ピーク波長との
関係を示し図である。
発光素子において、活性層の厚さと発光ピーク波長との
関係を示し図である。
１ サファイアＣ面基板
２ 層厚５０ｎｍのノンドープＡｌＮのバッファ層
３ 層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層
４ ６原子層ノンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの単―半導体
層（発光層） ５ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの
ＩｎＧａＮ蒸発防止層 ６ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ７ ｎ型電極 ８ ｐ型電極 ９ サファイアＡ面基板 １０ 層厚３０ｎｍのＧａＮのバッファ層 １１ 層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 １２ ２原子層のノンドープＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎの量子井
戸層 １３ ３原子層のノンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの障壁層 １４ 周期数４（井戸層×４、障壁層×３）の多重量子
井戸構造の発光層 １５ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 １６ ｎ型電極 １７ ｐ型電極 １８ ｎ型ＳｉＣ基板 １９ 層厚４０ｎｍのノンドープＡｌＮのバッファ層 ２０ 層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ２１ 層厚５０ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層 ２２ ４原子層のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.65Ｇａ0.35Ｎの
量子井戸層（単―半導体層） ２３ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層 ２４ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ２５ ｎ型電極 ２６ ｐ型電極 ２８ ｎ型ＳｉＣ基板 ２９ 層厚３０ｎｍのＧａＮのバッファ層 ３０ 層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ３１ 層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ３２ 層厚０．１μｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層 ３３ ７原子層のノンドープＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎの量子
井戸層 ３４ 層厚３ｎｍのノンドープＩｎ0.15（Ｇａ0.95Ａｌ
0.05）0.85Ｎの障壁層 ３５ 周期数３（量子井戸層×３、バリア層×２）の多
重量子井戸構造の発光層 ３６ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
のＩｎＧａＮ蒸発防止層 ３７ 層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層 ３８ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ３９ ０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ４０ ｎ型電極 ４１ ｐ型電極 ４２ ｎ型ＧａＮ基板 ４３ 層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ４４ 層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ４５ 層厚５０ｎｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層 ４６ ５原子層のノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎの発光
層（単―量子井戸層） ４７ 層厚５０ｎｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層 ４８ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ４８ Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ４９ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ５０ 窒化シリコン膜（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜 ５１ ｎ型電極 ５２ ｐ型電極
層（発光層） ５ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの
ＩｎＧａＮ蒸発防止層 ６ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ７ ｎ型電極 ８ ｐ型電極 ９ サファイアＡ面基板 １０ 層厚３０ｎｍのＧａＮのバッファ層 １１ 層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 １２ ２原子層のノンドープＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎの量子井
戸層 １３ ３原子層のノンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの障壁層 １４ 周期数４（井戸層×４、障壁層×３）の多重量子
井戸構造の発光層 １５ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 １６ ｎ型電極 １７ ｐ型電極 １８ ｎ型ＳｉＣ基板 １９ 層厚４０ｎｍのノンドープＡｌＮのバッファ層 ２０ 層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ２１ 層厚５０ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層 ２２ ４原子層のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.65Ｇａ0.35Ｎの
量子井戸層（単―半導体層） ２３ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層 ２４ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ２５ ｎ型電極 ２６ ｐ型電極 ２８ ｎ型ＳｉＣ基板 ２９ 層厚３０ｎｍのＧａＮのバッファ層 ３０ 層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ３１ 層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ３２ 層厚０．１μｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層 ３３ ７原子層のノンドープＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｎの量子
井戸層 ３４ 層厚３ｎｍのノンドープＩｎ0.15（Ｇａ0.95Ａｌ
0.05）0.85Ｎの障壁層 ３５ 周期数３（量子井戸層×３、バリア層×２）の多
重量子井戸構造の発光層 ３６ 層厚５０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
のＩｎＧａＮ蒸発防止層 ３７ 層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層 ３８ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ３９ ０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ４０ ｎ型電極 ４１ ｐ型電極 ４２ ｎ型ＧａＮ基板 ４３ 層厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層 ４４ 層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ４５ 層厚５０ｎｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層 ４６ ５原子層のノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎの発光
層（単―量子井戸層） ４７ 層厚５０ｎｍのＭｇドープＧａＮ光ガイド層 ４８ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層 ４８ Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ４９ 層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層 ５０ 窒化シリコン膜（Ｓｉ3Ｎ4）の絶縁膜 ５１ ｎ型電極 ５２ ｐ型電極
─────────────────────────────────────────────────────
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(72)発明者 奥村 敏之
大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号
シャープ株式会社内
(56)参考文献 特開 平９−36430（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−65271（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−32348（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−307188（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−162444（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−129922（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
H01S 5/00 - 5/50
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、前記 発光層が多重量子井戸構造であり、前記多重量子井戸構造を構成する 単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、 前記多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X
Ｎ（０．３５≦Ｘ≦０．６５）である ことを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項２】 ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、 単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、 前記多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X
Ｎ（Ｘ≦０．３５） であることを特徴とする半導体発光
素子。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の半導体発
光素子において、前記 発光層がＩｎXＧａ1-XＮ（０．３５≦Ｘ≦０．６
５）であることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項４】 請求項１または請求項２記載の半導体発
光素子において、前記 発光層がＩｎX（ＡｌYＧａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ≦
１．０、０．３５≦Ｘ≦０．６５）であることを特徴と
する半導体発光素子。 - 【請求項５】 ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、前記発光層が単一半導体層構造、単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造であり、 前記単一半導体層構造を構成する単一半導体層または前
記単一量子井戸構造もしくは多重量子井戸構造を構成す
る単位量子井戸層が３原子層数乃至１０原子層数の層厚
であり、単一半導体層または単位量子井戸層がＩｎ
X （Ａｌ Y Ｇａ 1-Y ） 1-X Ｎ（０＜Ｙ≦１．０、０．３５≦
Ｘ≦０．６５） であることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項６】 請求項５記載の半導体発光素子におい
て、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎ X Ｇａ 1-X
Ｎ（０．３５≦Ｘ≦０．６５）であることを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項７】 請求項５記載の半導体発光素子におい
て、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層に含まれるＩＩ
Ｉ族元素のＩｎの組成比が３５％以下であることを特徴
とする半導体発光素子。 - 【請求項８】 請求項７記載の半導体発光素子におい
て、前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎXＧａ1-X
Ｎ（Ｘ≦０．３５）であることを特徴とする半導体発光
素子。 - 【請求項９】 ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が３原
子層数乃至１０原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５％以上か
つ６５％以下であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がＩｎX（ＡｌY
Ｇａ1-Y）1-XＮ（０＜Ｙ≦１．０、０．３５≦Ｘ≦０．
６５）である、または、前記多重量子井戸構造を構成す
る障壁層に含まれるＩＩＩ族元素のＩｎの組成比が３５
％以下であることを特徴とする半導体発光素子（ただ
し、単位量子井戸層がＩｎ 0.35 Ｇａ 0.65 Ｎであるものを
除く）。 - 【請求項１０】 請求項９記載の半導体発光素子におい
て、 前記発光層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０．３５≦Ｘ≦０．６
５）であることを特徴と する半導体発光素子。
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