WO2009041237A1

WO2009041237A1 - Ⅲ族窒化物半導体発光素子

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Publication number: WO2009041237A1
Application number: PCT/JP2008/065914
Authority: WO
Inventors: Tomo Kikuchi; Takashi Udagawa
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Filing date: 2008-08-28
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Abstract

基板（１）と、その基板の表面上に設けたガリウムを含むⅢ族窒化物半導体材料からなる障壁層（５ａ）及び井戸層（５ｂ）を備えた多重量子井戸構造の発光層（５）とを具備したⅢ族窒化物半導体発光素子において、多重量子井戸構造をなす井戸層の各々が、アクセプター不純物が添加され、互いに層厚を異にしている、障壁層と同一の伝導形を呈するⅢ族窒化物半導体層からなり、光度が高く、また演色性も高いⅢ族窒化物半導体白色系発光素子を、蛍光体の微妙な組成調整なども不要として簡単な構造で簡易に形成することができる。

Description

明細書 m族窒化物半導体発光素子技術分野

本発明は、基板と、その基板の表面上に設けたガリウムを含む m族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備した π族窒化物半導体発光素子に関する。背景技術

従来から、窒化ガリウム 'インジウム（Ga I n N) 等の IE族窒化物半導体材料は、白色又は青色等の短波長の発光ダイオード（英略称： LED) やレーザーダイオード（英略称： LD) の発光層を構成するために利用されている（例えば、日本特公昭 55— 3834号公報参照）。また、窒化アルミニウム 'ガリウム（ A I G a N) は、近紫外 L ED又は紫外 LEDの発光層を構成するための材料として用いられている（例えば日本特開 2001 -6071 9号公報参照）。

従来の白色 L EDの一種は、光の 3原色（赤（R) 、緑（G) 及び青（B) ) の各色光を各々出射する、チップ（c h i p) 状又はランプ状の赤色 LED、緑色 L E D及び青色 L E Dを、それらの発光強度の相対的比率に相応した個数をもつて、同一の基体上に集積して配列させ、総体として、混色により白色光を発するようにしたものである（例えば日本特開平 06— 31 4824号公報、日本特開平 07— 7223号公報、日本特開平 07— 1 5044号公報、日本特開平 0 7-235624号公報、日本特開平 07— 288341号公報、日本特開平 0 7-283438号公報、日本特開平 07— 335942号公報参照）。言わば、配列型（モジュール）白色 LEDである。

また、従来の白色 LEDの別の一種は、一基板上に別個に形成された、赤色光又は緑色光又は青色光をそれぞれ出射する、例えば II族窒化物半導体からなる発光層を利用して構成されている（例えば日本特開平 06— 53549号公報及び日本特開平 07— 1 83576号公報参照）。個々の発光層から出射される光の 3原色（赤（R) 、緑（G) 及び青（B) ) に相応する発光を混色させることにより、白色を呈することとした、言わば、 RGB型白色 LEDである。

また、従来の白色 LEDの他の一種は、補色の関係にある色の光を出射する発光層を、単一の基板上に各々設けて構成した白色 LEDである。例えば、青色光を出射する Π族窒化物半導体発光層と、黄色光を出射する発光層とを、同一基板上に各々形成し、その各々の発光層から出射される異なる 2波長の 2色（例えば、青色及び黄色）の光を混色させることによる白色 LEDである（例えば日本特開 2001 -257379号公報参照）。補色関係にある 2色（ 2波長）の光を混色させれば、白色と視認されることを利用した、言わば、補色型白色 LEDである。

また、上記の 3種の型の LEDとは別に、 IB族窒化物半導体発光層から出射される光を利用して、その発光層から出射される光とは異なる波長の蛍光を発する蛍光体を励起させ、発光の波長を変換させる LEDである（例えば日本特開平 0 7— 99345号公報参照）。例えば、 ΙΠ族窒化物半導体発光層から出射される青色光又は紫外光を利用して蛍光体を励起し、白色光を発する LEDとした、言わば、蛍光型白色 LEDである（例えば日本特許第 2900928号公報、日本特許第 3724490号公報、日本特許第 3724498号公報参照）。青色光又は紫外光により励起されて白色を呈する蛍光体として、イットリウム 'アルミニゥム 'ガーネット（Y₃A I ₅0₁₂) などが用いられている（例えば日本特許第 2927279号公報、日本特許第 35031 39号公報、日本特許第 3700 502号公報参照）。

し力、しながら、上記の配列型白色 LEDにあっては、例えば、赤色又は緑色又は青色 L E Dのチップ又はランプを集積して配列するに必要な据え付け平面積に比較して、それらの各色を出射する発光層の平面積は格段に小さい（上記の日本特開平 06— 31 4824号公報，日本特開平 07— 1 5044号公報乃至日本特開平 07— 335942号公報参照）。

すなわち、ランプを敷設するために必要とされる平面積に対して、発光をもたらす発光層が占有する平面積が極小であるため、高い光度（ルーメン Z面積）の発光素子を得るには不利である。例えば、一辺を 0. 3mmとする略正方形の LEDチップを、樹脂で囲繞して、垂直断面を砲弾型とし、水平断面を円形とする一般的な形状のランプとなした場合、そのランプの外径（直径）は、一般的には、 3 mmから 5 mmである（上記の日本特開平 06— 31 4824号公報の段落（0007) 参照）。従って、外径を 5 mmとするランプの場合を例にすれば、そのランプの平面積（約 2 Omm ²) に比較して、発光層がチップの平面全体に存在しているとしても、その平面積は 0. 09mm²と格段に小さし、。従って、より高光度の発光素子を得るに決して優位とはならない。

また、上記の RGB型白色 LEDにあっては、赤色（R) 又は緑色（B) 又は青色（B) を各々出射できる発光層を、個別に設ける必要がある。複数の発光層を設ける必要があることに加えて、発光層に担体（c a r r i e r ;電子及び正孔）を閉じ込めて、また、それらの放射再結合によりもたらされる発光を閉じ込めるために、発光層に付帯してクラッド（c I a d) 層等を上記の各発光層につき設けることも必要となる。従って、単一の基板上に複数の発光層と、更に望ましくは、各々の発光層にヘテロ（異種）接合させてクラッド層等を設ける必要があるなど、 RGB型白色 LEDを形成するための工程は煩雑であり、また冗長である。その場合、異なる色の光を出射する発光層毎に p形及び n形用の電極を設ける必要があり、対応する電気伝導型のクラッド層等に電極を設けるために発光層が削リ取られることとなり、各発光の光度も悪化することになる。

また、上記の補色型白色 LEDにあっては、補色関係にある色の光を出射させるために、やはり 2またはそれ以上の複数の発光層が必要とされる。更に、高い強度の発光を得るためには、上記の RGB型白色 LEDの場合と同様に、各発光層について、クラッド層を接合させ、単一（s i n _g I e) ヘテロ（英略称： S H) 又は二重（d o u b l e) ヘテロ（英略称： DH) 接合構造の発光部を形成する必要がある。従って、補色型白色 LEDの形成には、 RGB型白色 LEDの場合と同じく、煩雑で冗長な工程を要する。

また、補色の関係にある色、例えば、青色と黄色とを個別に発光する LEDを近接させて配置して、白色 LEDを構成する場合においても（「ワイドギャップ半導体光■電子デバイス」（2006年 3月 31日、森北出版（株）発行、第 1 版第 1刷）、 1 73〜1 74頁参照）、 LEDを配置するのに必要な平面積に比較して、青色又は黄色の光を出射する発光層の合計の平面積が小さいため、高い光度の発光素子を得るのに必ずしも優位とは成リ得ない。

加えて、補色型白色 LEDにあっては、白色光を得るために混色させる補色の関係にある 2色の光の波長に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題がある。すなわち、補色型白色 LEDにあって、混色させるのは、通常高々、 2波長の光であるため、いずれにしても、高く一定した演色性をもたらす白色 LEDを安定して得るには技術上の困難さを伴うものとなっている。また、上記の蛍光型白色 LEDにあってもやはり、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、励起光となる発光層からの発光の波長を再現良く一定にしなければならない技術上の困難さが付随する。また、発光層からの発光の波長のばらつきに応じて、蛍光体として用いる希土類（ r a r e— e a r t h) 元素を添加した Y₃A I ₅0₁₂などの組成を人為的に細々と調整する必要があ。

本発明は上記事情に鑑み提案されたもので、簡単な構造で簡易に形成することができ、光度を高めることができ、また演色性も高く一定に安定させることができ、さらに蛍光体の微妙な組成調整も不要となる ΠΙ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的としている。発明の開示

上記目的を達成するために、（1 ) 第 1の発明は、基板と、その基板の表面上に設けたガリウムを含む m族窒化物半導体材料からなる障壁層及び井戸層を備えた多重量子井戸構造の発光層とを具備した m族窒化物半導体発光素子において、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、障壁層と同一の伝導形を呈する m 族窒化物半導体層からなり、ァクセプタ一不純物が添加され、互いに層厚を異にしている、ことを特徴としている。

(2) 第 2の発明は、上記した（1 ) 項に記載の発明の構成において、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々が、基板の表面側よリ発光層からの発光を取リ出す方向に向けて、層厚が順に薄くなっているものである。 ( 3 ) 第 3の発明は、上記した（1 ) 項または（2 ) 項に記載の発明の構成において、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、ァクセプター不純物の原子濃度が互いに異なつているものである。

( 4 ) 第 4の発明は、上記した（1 ) 項乃至（3 ) 項の何れかに 1項に記載の発明の構成において、上記基板は珪素単結晶からなり、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、ァクセプタ一不純物としてマグネシウムが故意に添加されているものである。

本発明の第 1の発明によれば、発光層が障壁層と井戸層の多重量子井戸構造となるので、簡単な構造で簡易に白色系発光素子を形成することができ、敷設面積も発光層の平面積と略同一となるので光度も高めることができる。また、数的に単一ながら、多波長の発光をもたらせる多重量子井戸構造の発光層を用いることとしたので、その唯一の発光層についてのみ p形及び n形用の電極を設ければよく、従来の R G B型白色 L E Dの場合に比較して、発光層を削り取らなければならない領域を大幅に低減でき、発光効率を改善することができる。

特に、井戸層を、層厚を相違する複数の井戸層から構成することとしたので、多色発光を呈する各井戸層がもたらす複数の発光の波長を重畳することができ、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。また、井戸層の各々にァクセプター不純物を故意に添加したので、単独でも、波長を相違する多色の発光をもたらす井戸層を構成することができ、数的に単一でありながら多色発光を呈する多重量子井戸構造の発光層をもたらせるので、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。さらに、井戸層を、障壁層と同一の伝導形を呈する層から構成することとしたので、障壁層との間での p n接合の形成を回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層を構成できる。

本発明の第 2の発明によれば、基板の表面側よリ発光層からの発光を取リ出す方向に向けて、よリ層厚の薄い ΙΠ族窒化物半導体層からなる井戸層を配置して多重量子井戸構造の発光層を構成することとしたので、多重量子井戸構造を成す各井戸層から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。

短波長の発光は、長波長の発光を行う井戸層に吸収されてしまうが、本発明の第 2の発明の構成下では、基板の表面側に井戸層幅が広く形成された、量子準位が低く長波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層を配置し、発光の取り出し方向に、井戸層幅が狭く形成された、量子準位が高くより短波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層を配置して多重量子井戸構造の発光層を構成することとした。即ち、すなわち、短波長の発光を、より長波長の発光を行う井戸層を通過させない構成とした。このため、本発明の第 2の発明の構成下では、基板表面側に配置された井戸層から出射される発光が、発光の取り出し方向に配置された井戸層に吸収されることなく、外部視野方向に発光を取り出すことができ、各井戸層から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。また演色性を優れたものとすることができ、且つ高輝度の白色 L E Dを実現することができる。

本発明の第 3の発明によれば、添加されたァクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する、波長を相違する複数の発光を呈する井戸層を複数用いて多重量子井戸構造の発光層を構成することとしたので、数的に単一ながら多波長の発光を呈する発光層が得られ、例えば、補色関係にある二つの異なる波長の光を混色させて白色光とする、所謂、上記の補色型白色 L E Dに比較して、よリ演色性に優れる白色 L E Dを提供できる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の I [族窒化物半導体発光素子の断面構造を概略的に示す模式図である。

第 2図は、本発明に係る多重量子井戸構造発光層からの多波長発光スぺクトル例である。

第 3図は、第 1実施例に係る L E Dの断面模式図である。

第 4図は、第 1実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスぺクトルである。

第 5図は、第 2実施例に記載の多重量子井戸構造発光層の断面模式図である。第 6図は、第 2実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスぺクトルである。

第 7図は、第 3実施例に記載の多重量子井戸構造発光層の断面模式図である。第 8図は、第 3実施例に記載の積層構造体からの多波長発光のスぺクトルである。

第 9図は、第 3実施例に係る L E Dの平面模式図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

第 1図は本発明の] Π族窒化物半導体発光素子の断面構造を概略的に示す模式図である。本発明の Π族窒化物半導体発光素子は、第 1図に示すように、基板 1と、その基板 1の表面上に設けたガリウムを含む m族窒化物半導体材料からなる障壁層 5 a及び井戸層 5 bを備えた多重量子井戸構造からなる発光層 5とを具備した白色発光素子であり、多重量子井戸構造をなす井戸層 5 bの各々は、障壁層 5 a と同一の伝導形を呈する m族窒化物半導体層からなり、ァクセプター不純物が添加され、互いに層厚を異にして構成されている。

基板 1としては、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（一 A I ₂0₃単結晶）や酸化亜鉛（Z n O) 等の絶縁性又は導電性酸化物結晶、 6 H又は 4 H又は 3 C型炭化珪素（S i C ) 等の炭化物結晶、シリコン（S i ) の半導体結晶からなる基板を例示できる。特に、 n形又は p形の伝導性を呈し、表面を { 1 1 1 } 結晶面とするシリコン単結晶は、その表面上に本発明に係る多重量子井戸構造を形成するための基板として好適に使用できる。

基板 1の表面上に形成する多重量子井戸構造をなす井戸層 5 bは、本発明では、単独で波長を相違する複数の波長の発光を同時に出射できる材料から構成する。

L E Dからの発光の演色性を勘案すれば、井戸層 5 bから出射される多数（多波長）の発光は、広い波長範囲に分散していることが望ましい。広い波長範囲にわたり、多波長の発光を得るには、多重量子井戸構造にあって、井戸層 5 bを禁止帯幅エネルギーの大きな半導体材料から形成するのが望ましく、このようなバンドギャップエネルギーの大きな半導体材料として、ガリウム（G a ) を含む! [[族窒化物半導体材料を挙げられる。例えば、窒化ガリウム（G a N) 又はそれと窒化インジウム（ I n N) の混晶である G a_x I η,— _XN (0< x< 1 ) 等のワイド/くンドギヤップ半導体材料から好ましく構成できる。

井戸層 5 bと共に多重量子井戸構造をなす障壁層 5 aは、井戸層 5 bよりも禁止帯幅エネルギーが大きな、例えば m族窒化物半導体材料から構成する。例えば、 G a ess I n。₁₅N混晶からなる井戸層 5 bについて、障壁層 5 aを G a Nから形成する。多重量子井戸構造をなす障壁層 5 aと井戸層 5 bとは同一の伝導形を呈する層から構成する。例えば、 n形の井戸層 5 bと、同じく n形の障壁層 5 aとで、全体として n形の多重量子井戸構造を形成する。これにより、井戸層 5 と障壁層 5 aとの間での p n接合が形成されるのを回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層 5を構成できる。

井戸層 5 bと障壁層 5 aとを同一の伝導型の層とするために井戸層 5 bに不純物を添加することは必須ではない。例えば、不純物を故意に添加しない、所謂、アンド一プ（u n d o p e) の状態で、または井戸層 5 bを形成するための成長環境から意図せず、過失による不純物の汚染に因り、キャリア濃度が 5 X 1 0¹⁷ cm— ³以上で 5 X I 0¹⁹cm— ³以下の範囲にあれば、本発明に係る井戸層 5 bとして利用できる。

本発明では多重量子井戸構造をなす井戸層 5 bを、特に、ァクセプター不純物を添加した G aを含む 1 [族窒化物半導体層から構成する。例えば、障壁層 5 aと同一の n形の伝導形を保持しつつも、ァクセプター不純物が添加された n形の G a 0.75〖 n₀₂₅N混晶から井戸層 5 bを構成する。障壁層 5 aと同一の伝導形を有し、且つ、ァクセプター不純物を含む井戸層 5 bは、単独でありながら、混色により、白色光を得るに好都合となる波長を相違する多波長の発光をもたらせる。ァクセプター不純物として亜鉛（Z n) を添加して G a I n Nからなる発光層 5を形成する技術が開示されている（日本特公昭 55— 3834号参照）。しかしながら、 Z nのみをァクセプター不純物として添加した井戸層 5 bは、抵抗が大きく、充分に導電性のある井戸層 5 bを安定して形成するに至らない。一方で、本発明に係る井戸層 5 bの形成には、 Π族窒化物半導体についてァクセプターとなり得る第! [族不純物の中でも、マグネシウム（Mg) を好適に使用できる。本発明に係る多重量子井戸構造の発光層 5は、例えば、有機金属気相堆積（M OCVD又は MOVPEなどと略称される）法、分子線ェピタキシャル（MBE ) 法、ハイドライド（h y d r i d e) 法、ノ、ライド（h a I y d e ) 法などの気相成長法により形成できる。特に、 MBE法は、上記の他の気相成長法と比較すれば、より低温で障壁層 5 aや井戸層 5 bを形成できる。このため、例えば、本発明に係る井戸層 5 bを形成するために用いた Mgの障壁層 5 aへの熱拡散を抑制するのに優位な成長手段となる。

ァクセプター不純物として Mgを含む井戸層 5 bにあって、その層厚は 1 nm 以上で 20 nm以下とするのが好適である。 1 n m未満の極端に薄い井戸層 5 b は、層（膜）の 2次元的な連続性に欠けるため、結果として、発光素子への動作電流の通流、特に水平（横）方向への電流拡散に係る電気抵抗が増大する、或いは発光領域が減少することとなり不都合である。一方、 20 nmを超える厚膜を井戸層 5 bとして使用しても、エネルギーレベルを相違する多くの量子準位を充分に形成するに至らず、従って、様々な量子準位間の遷移に基く、波長を互いに異にする発光が多く得られない不都合がある。

また、 MBE法は、一般に水素を含まない真空環境下で ΙΠ族窒化物半導体層を成長できるため、例えば、電気的に活性化した（ァクセプター化した） Mgを多量に含む低抵抗の p形 G a_x I η,-χΝ (0≤Χ≤ 1 ) 層等を簡易に形成できる利点がある。例えば、窒素（Ν₂) プラズマを窒素源として用いる MBE法によれば、層内の Mg原子の濃度が 1. 5 X 1 0¹⁹cm-³であるところ、キャリア濃度を 8. 0 X 1 0¹⁸cm— ³とする低抵抗の p形 G a N層を形成できる。従って、 M gの電気的活性化率（便宜上、キャリア濃度を Mgの原子濃度を除した値（百分率値）で表わす。 ) は、ァズグロン（a s— g r own) 状態で 53%である。本例の如く、 MBE法によれば、 MOCVD法で成長させた Mg ドープ G a N層の如く、同層から脱水素処理を必要とせずに、電気的活性率を 50%以上とする p形 Ga_xI η,—χΝ (0≤Χ≤ 1 ) 層等を容易に形成できる利点がある。

Mgなどのァクセプター不純物を含む一井戸層 5 bと、井戸層 5 bと同一の伝導形を呈する一障壁層 5 aとの接合構造からなる一対（o n e p a i r ) の構造単位をもって多重量子井戸構造を構成するにあって、その多重量子井戸構造を構成する構造単位の対数は、 3対以上で 40対以下とするのが好適である。本発明に係る井戸層 5 bは一層であっても、多波長の発光を放射できるが、よリ演色性に優れる発光を得るには、対の数を 4以上とするのが望ましい。例えば、 MB E法で成長させた Mgドープ n形 G a。.₈₅ I n ₀₁₅N混晶からなる井戸層 5 bと、同じく MB E法で成長させた G a N障壁層 5 aとを 30対（一つの障壁層 5 aと一つの井戸層 5 bとの接合体を一対とする）組み合わせて構成した多重量子井戸構造発光層 5のフォトルミネッセンス（英略称： P L) スぺクトルの一例を第 2 図に示す。この多重量子井戸構造をなす井戸層 5 bの層厚は 4 nmであり、障壁層 5 aの厚さは 1 O nmである。第 2図において、横軸は発光波長（単位： A) を示し、縦軸は、発光強度（単位：任意単位）を示す。

第 2図に例示したフォトルミネッセンススぺクトルに示すように、本発明に係るァクセプタ一不純物を含む井戸層 5 bを備えた多重量子井戸構造の発光層 5からは、 400 nm ( 4000オングストローム）以上 500 n m (5000オングストローム）以下の波長の範囲に波長を相違する 3本の発光が出射される（第 2図に記号 λ₂〜； 1₄で表わす。）。バンド（b a n d) 端発光に対応する発光（第 2図に記号； l_Bで表わす）とは別に、そのバンド端の発光の波長（本例では、 365 nm) 以上で 650 n m以下の波長範囲において、波長を相違する合計 6 本の発光（第 2図に記号 A〜;i₆で表わす。 ) が出射され得る。

また、バンド端発光（ L_B) とは相違する波長の複数の発光（〜 ₆) にあつて、隣接する発光（例えば、と λ₂、 λ₃と λ₄など）の波長の差違は、短波長側での発光間、例えばとス₂の発光間では 1 7. 5 nmであるが、発光の波長が長波長となるに伴い、発光間の波長の差異は徐々に大となる傾向があり、 λ₅と λ₆との発光間では 55. 5 nmとなっているのが特徴である。この多波長の発光ピークの出現の態様は、例えば、 MOCVD法により形成された S iと Mgを共にドーピングした発光層 5からの主たる発光スペクトルの「肩」部に生ずる、通称、ショルダー（肩）ピークとは、発光間の波長の間隔においても明らかに出現の態様を異にするものである。井戸層の層厚が一定であっても多波長の発光となるのは、ァクセプターの添加に因って、放射再結合をもたらす種々の準位が形成されるためと推察される。単独でありながら多波長の発光を同時に発光できる、本発明に係る井戸層 5 b を用いて多重量子井戸構造の発光層 5を構成するに際し、基板 1の表面側より発光層 5からの発光を外部へ取リ出す方向に向けて、よリ層厚の薄いァクセプタ一不純物を含む井戸層 5 bを配置すると、外部への発光の取り出し効率に優れる白色 L E Dを得るに好都合となる。層厚が薄い井戸層 5 bからは、短波長の発光成分を多く含む多波長発光がもたらされる。他方、層厚が厚い井戸層 5 bからは、長波長の発光成分を多く含む多波長発光がもたらされる。短波長の発光は、長波長の発光を帰結する井戸層 5 bに吸収されてしまう。このため、基板 1の表面側よリ発光層 5からの発光を外部へ取り出す方向に向けて、よリ層厚の薄い井戸層 5 bを配置すると、基板 1の表面側に位置する井戸層 5 bからの発光が吸収されるのを抑止でき、外部視野方向に向けて透過させるのに好適となるからである。全て層厚を異にする井戸層 5 bを用いて多重量子井戸構造を作製した場合は、層厚に相応して各井戸層 5 bからは互いに波長を相違する発光が出射され、それらの発光を重畳して外部へ取リ出せるため、演色性に優れる白色 L E Dを提供できる。例えば、赤色又は緑色又は青色の何れかの帯域の光を主にもたらすのに好適な層厚の多波長発光を呈する井戸層 5 bを配置しても演色性に優れる白色 L E Dを構成できる。視感度の低い帯域の光を出射する同一の層厚の井戸層 5 bを複数、配置し、その上方の発光の外部取り出し方向に層厚を順次、薄くした井戸層 5 bを配置して、発光層 5をなす多重量子井戸構造を構成する例を挙げられる。赤色又は緑色又は青色の何れかの帯域の発光を主成分としてもたらす各井戸層 5 bは、例えば、 G a _x I η ,—χ Ν ( 0 < χ < 1 ) 混晶からなる井戸層 5 bにあつて、インジウムの組成（1 — X ) を相違させて形成することができる。しカヽし、 1\/1 8已法ゃ1\ 1 0 0 0等の成長方法にょリ、 I n組成を相違する井戸層 5 bを形成するには、成長温度や G aと I nとの原料供給比率を変化させる必要がある。このため、同一の成長温度及び原料供給比率の条件下で、成長時間を単純に調整して井戸層 5 bの層厚を制御する技術手段と比較すれば煩雑な操作を余儀なくされる。

また、ァクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する各井戸層 5 bから出射される光の波長は、ァクセプタ一不純物の原子濃度に対応して異なったものとなる。これにより、井戸層 5 bの層厚が一定である場合でも、井戸層 5 bの内部に含まれるァクセプター不純物の原子濃度を変化させることで、多波長の光を出現させる波長範囲を制御するのにより好都合となる。例えば、 M g ドープ n形 G a 0. 75 I n _{Q 25} N井戸層 5 bの場合で、その井戸層 5 bの内部の M g原子の濃度を 1 1 0¹⁹原子 0 1^³、 8 X 1 0¹⁸原子 Z c m³、及び 2 X 1 0¹⁸原子 Z c m³と相違する井戸層 5 bを用いて多重（3重）の量子井戸構造発光層 5を形成したときは、波長 4 0 0 n m以上で 6 0 0 n m以下の範囲に多波長発光を出現させることができる。

以上述べたように、本発明では、発光層 5が障壁層 5 aと井戸層 5 bの多重量子井戸構造となるので、多波長を呈する発光層を、簡単な構造で簡易に形成することができ、敷設面積も発光層 5の平面積と略同一となるので光度も高めることができる。また、発光層 5が単一であるので、その発光層 5のみに対応して p形及び n形の電極を設ければよく、 R G B型白色 L E Dや補色型白色 L E Dの場合に比較して、発光層 5を削り取る領域を大幅に低減でき、発光効率を改善することができる。

また、井戸層 5 bを、層厚を相違する複数の井戸層 5 b， 5 b , …から構成することとしたので、各井戸層 5 bがもたらす複数の発光の波長を互いに異にする多色発光とすることができ、白色発光の演色性を高く一定に安定させられ、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

また、井戸層 5 bの各々にァクセプター不純物を故意に添加したので、数的に単一でありながら、波長を相違する多色の発光をもたらす発光層 5を構成することができ、その多色発光特性により、白色発光の演色性を高く一定に安定させることができ、また、蛍光材料を利用しなくても白色光を得ることができるので、蛍光体の微妙な組成調整も不要となる。

さらに、井戸層 5 bを、障壁層 5 aと同一の伝導形を呈する層から構成することとしたので、障壁層 5 aとの間での p n接合の形成を回避でき、従って、導通性に優れる多重量子井戸構造の発光層 5を構成できる。

また、基板 1の表面側より発光層 5からの発光を取り出す方向に向けて、より層厚の薄い]! [族窒化物半導体層からなる井戸層 5 b , 5 b , …を配置して多重量子井戸構造の発光層 5を構成することとしたので、多重量子井戸構造を成す各井戸層 5 b , 5 b , …から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことがでぎる。

すなわち、短波長の光が、長波長の光を発する井戸層に吸収されてしまうのを回避するために、基板 1の表面側に井戸層幅を広くして形成した、量子準位が低く長波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層 5 bを配置し、発光の取り出し方向に、井戸層幅を狭くして形成した、量子準位が高くより短波長の発光成分を含む多波長の発光をもたらす井戸層 5 bを配置して多重量子井戸構造の発光層 5を構成することとした。この構成下では、短波長の発光は、より長波長の発光を行う井戸層 5 bを通過しない。このため、基板表面側に配置された井戸層 5 bから出射される発光力発光の取り出し方向に配置された井戸層 5 bに吸収されることなく、外部視野方向に発光を取り出すことができ、各井戸層 5 から出射される発光を効率的に視野方向に取り出すことができる。また演色性を優れたものとすることができ、且つ高輝度の白色 L E Dを実現することができる。また、本発明によれば、添加されたァクセプター不純物の原子濃度を互いに相違する、単独でも波長を相違する複数の発光を呈する井戸層 5 bを複数用いて多重量子井戸構造の発光層 5を構成することとしたので、各井戸層 5 bからの発光が重畳した多波長の発光を呈する発光層 5が得られ、例えば、補色関係にある二つの異なる波長の発光を混色させて白色光とする、所謂、補色型白色 L E Dに比較して、ょリ演色性に優れる白色 L E Dを提供できる。

以下、本発明の m族窒化物半導体発光素子の実施例を図面を参照して説明する。第 1実施例

第 3図は、第 1実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えた m族窒化物半導体発光素子の構造を示す断面模式図である。また、第 4図は、その多重量子井戸構造の発光層から放射されるフォトルミネッセンススぺクトルである。第 4図におし、て、横軸は発光波長（単位： A) を示し、縦軸は、発光強度（単位：任意単位 ) を示す。

m族窒化物半導体発光素子 1 0を作製するための構造体を形成するにあたっては、基板 101として、 {1 1 1 } 珪素単結晶（シリコン）を用いた。

基板 101の表面は、無機酸を使用して洗浄後、分子線ェピタキシャル（MB E) 成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しながら、基板 1 01の温度を 780°Cに昇温して、基板 101の表面 101 a力《（7 X 7) 構造の再構成を呈する迄、継続して加熱した。

(7 X 7) 構造の再構成を呈する様に清浄化された基板 101の表面 101 a 上には、プラズマ化させた窒素を窒素源とする MB E成長法（窒素プラズマ MB E法）により、アンド一プの窒化アルミニウム（A I N)層 102 (層厚 =60nm ) を形成した。 A I N層 1 02上には、窒素プラズマ MB E法により、アン一プ窒化アルミニウム■ガリウム混晶（A I _xG_ai— _XN)層"！ 03 (層厚 =300 n m) を堆積した。混晶層 1 03をなす A I _XG _{a i}__xN層のアルミニウム（A I ) 組成比（X) は、下層の A I N層 102との接合面から、混晶層 103の表面に向けて、 0. 25から0 (零）へと連続的に変化させた。

A I _XG _ai__xN層 1 03上には、窒素プラズマ M B E法により、珪素（S i ) ドープ n形 G a N層 1 04 (層厚 = 1 200 n m) を堆積した。キャリア濃度は 8 X 1 0¹⁸ cm— ³であった。

n形 Ga N層 1 04上には、窒素プラズマ M B E法により、基板 1 01の温度を 540°Cとして、多重量子井戸構造の障壁層とする n形 Ga N層 1 05 a (層厚 = 1 O nm) を堆積した。次に、窒素プラズマ M B E法により、 540°Cで、この n形 G a N障壁層 1 05 aに接合させて、マグネシウム（Mg) を含む n形窒化ガリウム 'インジウム混晶（GaQ.₉₉I _n。._clN) からなる井戸層（層厚 =2 nm) 1 05 bを設けた。この n形障壁層 1 05 aと n形井戸層 1 05 bとからなる一対の構造単位を 4対（4ペア（p a i r ) ) 、積層させて、全体として n 形の伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層 1 05を形成した。井戸層に含まれる Mgの原子濃度は、一般的な 2次イオン質量分析法によれば、 4 X 1 0¹⁷原子 cm³であった。

水素を実質的に含まない 1 0— ⁶パスカル（P a) 程度の高真空環境下で成長させた上記の障壁層 1 05 a及び井戸層 1 05 bからなる多重量子井戸構造の発光層 1 05から得られる室温でのフォトルミネッセンススぺクトルを第 4図に示す。数的に単一の発光層であっても、波長を相違する多数の発光が出射されていることを明示するために表 1に発光ピーク波長とその波長における強度とを纏める。表 1

数的に単一の発光層であっても、バンド（b a n d) 端の発光波長（波長 =3 66. 5 nm) より長波長であり、波長 550 n mのより短波長の範囲に、合計 7つの発光が出射されている。隣接する発光ピーク間の波長の差異は、 6 nm以上で 90 nm以下であった。発光の波長が長波長である程、隣接する発光ピーク間の間隔（波長差）は広がる傾向を示した。また、井戸層の層厚が一定で、ァクセプターの原子濃度が一定であっても多波長の発光がもたらされるのは、水素を全くと云って良い程、含まない高真空環境下で井戸層を形成したため、電気的に活性な Mgを井戸層内に多量に存在させることができ、この電気的に活性な Mg により。多くの放射再結合に寄与できる準位が多く形成できたためと推察された。多重量子井戸構造の発光層 1 05の最終端（最表層）をなす G a _Q〖 n。.₂₀N 井戸層 1 05 b上には、窒素プラズマ MB E法により、 Mg ドープ p形 G a N層 1 06 (層厚 = 1 00 nm) を設けて、構造体の形成を終了した。 p形 G a N層 1 06の内部の Mgの原子濃度は 1 X 1 0¹⁹ cm— ³であり、同層 1 06のキヤリァ濃度は 8 X I 0¹⁸cm— ³であった。すなわち、電気的活性化率は 80%であつた。

n形ォ一ミック電極を形成する領域を、一般的なドライエツチング法によリ除去し、 n形ォ一ミック電極 1 07を形成した。また、 p形 G a N層 1 06の表面【こは p形ォーミック電極 1 08を形成し、一辺の長さを 35 OjUmとする正方形状の発光素子（LED) 1 0を作製した。

発光素子（LED) 1 0の順方向電流を 2 OmAとした際の順方向電圧（V f ) は 3. 5 Vであった。また、順方向に 5 OmAの電流を通流した際には、チップ（c h ί p) 状態の LED 1 0の発光層の全面から目視で緑色を帯びた白色の発光が出射された。 5 OmAの順方向電流を通流した際の発光の演色性を色度図上の座標値で表わすと、 X座標値で 0. 26、 y座標値で 0. 38であり、従つて、 z座標値で 0. 36であった。

第 2実施例

第 5図は、第 2実施例の ΠΙ族窒化物半導体発光素子（LED) の多重量子井戸構造の発光層の構成を模式的に示す断面図である。

上記の第 1実施例に記載した S i基板上に設けた A I N層、 A I G a N混晶層及び n形 GaN層（第 5図では符号を「204」とする）からなる積層構造体上に、窒素プラズマ MB E法により、第 5図に示す多重量子井戸構造の発光層 20 5を以下に記載の如く形成した。

多重量子井戸構造の発光層 205を形成するにあたって、 n形 Ga N層 204 には、先ず、窒素プラズマ MB E法により、層厚を 1 6 nmとする n形 Ga N障壁層 205 aを設けた。次に、この障壁層 205 aに接合させて、多重量子井戸構造をなす n形井戸層 205 bとして M gドープ G a。.₈。 I η ₂₀Ν井戸層を設けた。この η形障壁層 205 aと η形井戸層 205 bとからなる一対の構造単位を 1 0対（1 0ペア）、積層させて、全体として n形の伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層 305を形成した。

1 0対の構造単位を積層して形成した多重量子井戸構造をなす 1 0の井戸層 2 05 bの層厚は、 n形 G a N層 204側から多重量子井戸構造の表面に向けて積層方向に減少させた。なお、本実施例では積層方向と発光素子（LED) の発光の取り出し方向とは同一方向である。井戸層 205 bの層厚は、多重量子井戸構造の最下の井戸層で 1 2 nmとし、その次の井戸層の層厚は 1 1 nmとし、またその次の井戸層の層厚は 1 O nmとし、すなわち、多重量子井戸構造の最表層側に向けて 1 nmずつ減少させ、最表層の井戸層の層厚は 3 nmとした（第 5図参照）。各井戸層 205 bの層厚は変化させたものの、各井戸層 205 b内には、原子濃度にして 6 X 1 0¹⁷原子 cm³と略一定となる様に Mgをドーピングした。

多重量子井戸構造の発光層 205の最表層をなす Mgドープ G a _Q I η ₂₀Ν 井戸層 205 b (層厚 =3 nm) 上には、窒素プラズマ M B E法により、層厚を 1 0 nmとする Mgドープ p形 A I。_C3G a。₉₇N層を堆積して、発光素子（LE D) 用途の積層構造体の形成を終了した。

上記の多重量子井戸構造の発光層 205を含む積層構造体から得られる室温でのフォトルミネッセンススぺクトルを第 6図に示す。第 6図において、横軸は発光波長（単位： A) を示し、縦軸は、発光強度（単位：任意単位）を示す。第 6 図に示すのは、上記の層厚を相違する各井戸層 205 bからの多波長発光成分が重畳した結果としてのスぺクトルである。波長 400 nmより 800 nmの広い波長範囲に亘リ、合計 1 0の発光が放射された。隣接する発光間の波長の差異は 1 7. 501^から78. 0 nmであり、その波長の間隔は、発光波長が長波長となる程、広がっていた。また、ヘリウム一カドミウム（H e—Cd) レーザ一光 (波長 =325 nm) を励起光として照射した際に視認される積層構造体からの発光色は白色であった。

第 1実施例に記載をしたのと同様【こ、 n形ォーミック電極を形成する領域を、一般的なドライエッチング法により除去し、 n形ォ一ミック電極を形成した。また、上記の p形 A I ₍₎₃G a_{Q 97}N層の表面には p形ォ一ミック電極を形成し、発光素子（LED) を作製した。

発光素子（LED) の順方向電流を 2 OmAとした際の順方向電圧（V f ) は 3. 4Vであった。また、順方向に 2 OmAの電流を通流した際には、チップ（ c h i p) 状態のし EDから目視で白色の発光が出射された。

第 3実施例第 7図は、第 3実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えた m族窒化物半導体発光素子の構造を示す断面模式図である。第 8図は、第 3実施例の多重量子井戸構造の発光層を備えた]! [族窒化物半導体発光素子（L ED) 用途の積層構造体についてのフォ卜ルミネッセンススぺクトルである。

上記の第 1及び第 2実施例に記載した S i基板上に設けた A I N層及び A I G a N混晶層（第 7図では符号を「303」とする）からなる積層構造体上に、窒素プラズマ M B E法によリ、多重量子井戸構造の発光層を以下に記載の如く形成した。

多重量子井戸構造の発光層を形成するにあたって、第 1及び第 2実施例に記載した A I G a N混晶層 303には、先ず、窒素プラズマ M B E法により、層厚を 1 0 nmとする n形 G a N障壁層 305 aを設けた。次に、この障壁層 305 a に接合させて、層厚を 3 nmとする Mgドープ n形 G a₀.₇₅ I n。₂₅N井戸層 30 5 bを設けた。この n形障壁層 305 aと n形井戸層 305 bとからなる一対の構造単位を 5対（5ペア）、積層させて、全体として n形の電気伝導を呈する多重量子井戸構造の発光層 305を形成した。

5対の構造単位を積層して形成した多重量子井戸構造をなす 5つの井戸層 30 5 b, 305 b, …の内部の Mgの原子濃度は、 A I G a N混晶層 303側から積層方向（発光の取り出し方向と同一方向）に向けて減少させた。井戸層 305 bの内部の Mgの原子濃度は、多重量子井戸構造の最下の井戸層で 1 X 1 0¹⁹原子/ cm³とし、それより上方の井戸層については、 8 X 1 0¹⁸原子 Zcm³、 6 X 1 0¹⁸原子 Zcm³、 4 X 1 0¹⁸原子/ cm³、及び 2 X 1 0¹⁸原子 cm³と順次、 Mgの原子濃度を減少させた。これより、層厚を一定としつつも、 Mgの原子濃度を相違する 5つの井戸層 305 bを備えた多重量子井戸構造の発光層 30 5を形成した。

多重量子井戸構造の発光層 305の最表層をなす Mgドープ G a N井戸層（M g原子濃度 =2 X I 0¹⁸原子 Zcm³) 上には、窒素プラズマ MBE法により、層厚を 1 0 nmとする Mg ドープ p形 G a N層 306を堆積して、発光素子（L E D) 用途の積層構造体の形成を終了した。

上記の多重量子井戸構造の発光層 305を含む積層構造体から得られる室温でのフォトルミネッセンススぺクトルを第 8図に示す。第 8図において、横軸は発光波長（単位： A) を示し、縦軸は、発光強度（単位：任意単位）を示す。第 8 図に示すのは、上記の層厚一定で Mg原子濃度を相違する各井戸層 305 bからの多波長発光成分が重畳してなるスぺクトルである。波長 400 nmより 600 nmの波長範囲において、発光ピーク波長を 402. 5 nm, 429. 0 n m、 458. O nm、 493. 0 n m、 538. 0 n m、及び 593. O nmとする計 6の発光が確認された。波長 4 OO nmより 600 n mの波長範囲に出現した上記の発光にあって、隣接する発光間の波長の差異は 26. 5 !^ から55. 0 nmであり、その波長の間隔は、発光波長が長波長となる程、広がっていた。また、ヘリウム一カドミウム（H e— Cd) レーザー光（波長 =325 n m) を励起光として照射した際に視認される積層構造体からの発光色は青白色であった。第 9図は第 7図の積層構造体を用いて作製した発光素子（LED) の平面断面図である。上記の積層構造体の、 n形ォーミック電極 307を形成する領域 30 7 aに在る p形 G a N層 306及び多重量子井戸構造の発光層 305を一般的なドライエッチング法により除去し、発光層 305の下方の n形 A I G a N混晶層 303の表面を露出させた。然る後、その領域 307 aに露出させた n形 A I G a N混晶層 303の表面上に、第 9図に示す如く、 n形ォーミック電極 307を形成した。上記の p形 G a N層 306の表面には、一般的なフォトリソグラフ技術を利用してパターニングした平面格子状の p形ォーミック電極 308を形成した。格子状に配置した幅 4 mの p形ォ一ミック電極 308は、 p形 Ga N層 3 06にォーミック接角をなす白金（P t) 系金属から構成した。また、 p形 Ga N層 306の表面上の一端には、この格子状 p形ォーミック電極 308に電気的に導通させて結線（ボンデング）用の台座（パッド）電極 309を設けて、発光素子（LED) 30を作製した。

発光素子（LED) の順方向電流を 2 OmAとした際の順方向電圧（V f ) は 3. 4 Vであった。また、順方向に 2 OmAの電流を通流した際には、一辺の長さを 35 OjWmとする正方形状の LEDチップ（c h i p) から目視で白色の発光が出射された。産業上の利用可能性

本発明に依る m族窒化物半導体発光素子は、発光層は障壁層と井戸層の多重井戸構造となるので、簡単な構造で簡易に白系発光素子を形成することができ、敷設面積も発光層の平面積と略同一となるので光度を高めることができるので、産業上利用可能性を高めた IE族窒化物半導体発光素子を提供することができる。

Claims

請求の範囲基板（1 ) と、その基板の表面上に設けたガリウムを含む m族窒化物半導体材料からなる障壁層（5 a ) 及び井戸層（5 b ) を備えた多重量子井戸構造の発光層（5 ) とを具備した ΙΠ族窒化物半導体発光素子（1 0 ) において、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、障壁層と同一の伝導形を呈する Π族窒化物半導体層からなり、ァクセプター不純物が添加され、互いに層厚を異にしている、

ことを特徴とする m族窒化物半導体発光素子。

上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、基板の表面側より発光層からの発光を取り出す方向に向けて、層厚が順に薄くなつている、請求項 1に記載の m族窒化物半導体発光素子。

上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、ァクセプター不純物の原子濃度が互いに異なっている、請求項 1または 2に記載の m族窒化物半導体発光素子。

上記基板は珪素単結晶からなり、上記多重量子井戸構造をなす井戸層の各々は、ァクセプター不純物としてマグネシウムが故意に添加されている、請求の範囲第 1項乃至第 3項の何れか 1項に記載の ΙΠ族窒化物半導体発光素子。