JP2006303259A - 窒化物半導体発光素子と窒化物半導体の成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子と、この発光素子を形成するための窒化物半導体の成長方法を提供する。
【解決手段】 基板１上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層５、７、９の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層６、８を形成する。複数の活性層５、７、９は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であり、そのバンドギャップエネルギーは基板１に近いものほど小さくなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードやレーザダイオードのような光デバイスに利用される窒化物半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、同一の基板上に高輝度の白色発光が可能な窒化物半導体発光素子とこの発光素子を形成するための窒化物半導体の成長方法に関する。

窒化物半導体を用いて白色光を得る方法としては、窒化物半導体で形成された青色発光ダイオードと蛍光体を組み合わせる方法が知られており、液晶ディスプレイ用のバックライト光源として実用化されている。電気が直接光に変わる現象はエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）というが、光が別の波長の光に変わる現象をフォトルミネッセンス（ＰＬ）という。このＥＬとＰＬを組み合わせて、青色発光ダイオードとＹＡＧ系蛍光体などで白色ＬＥＤを実現することができる。より詳しく説明すると、青色発光ダイオードからの青色光が蛍光体に吸収されると、蛍光体は青色光の波長より短い黄色光を発し、この黄色光と吸収されなかった青色光が混色して白色光となるのである。同様に、紫外発光ダイオードと蛍光体の組み合わせで白色光を得る方法も知られている。

また、下記特許文献１では、ＧａＮを用いたフルカラーＬＥＤチップの構造が提案されている。このＬＥＤチップは、図６に示すように、サファイア基板５１上にｎ型の Al_0.23In_0.66Ga_0.11Nからなるクラッド層５２、n型あるいはp型の In_0.89Ga_0.11Nからなる活性層５３、p型のAl_0.23In_0.66Ga_0.11Nからなるクラッド層５４、n型あるいはp型のIn_0.63Ga_0.37Nからなる活性層５５、p型のAl_0.23In_0.66Ga_0.11Nからなるクラッド層５６、n型あるいはp型のAl_0.13In_0.63Ga_0.24Nからなる活性層５７、p型のAl_0.23In_0.66Ga_0.11Nからなるクラッド層５８を順次形成した発光素子である。この発光素子は各クラッド層に設けられた電極α、β、γ、δに選択的に通電することにより、各活性層５３、５５、５７が発光し、これにより、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、シアン（Ｓ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ホワイト（Ｗ）を発光するようになっている。

特開平０４−１６４８９５号公報

上述した発光ダイオードと蛍光体の組み合わせによる白色光では、自然光に近い演色性の良い白色光を得ることができるが、色の再現性が悪いため、ディスプレイなどの画像表示機器用の白色光としては性能的に不十分であるという問題がある。また、コーティングなどによって発光素子の表面に蛍光体を設ける必要があり、製造工程が煩雑であり、単一の素子として白色発光を得ることは困難であるという問題がある。また、再現性を良くするために、様々な色の蛍光体を増やすという方法もあるが、増やしすぎると蛍光体に光の多くが吸収されてエネルギー効率が下がるという問題もある。

また、特許文献１に開示された従来技術では次のような問題がある。ＩｎＧａＮ系ＬＥＤでは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ中のＩｎのモル分率ｘを変えることにより、その発光波長が変化する。このため、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光することは理論的には可能であるが、このうち赤色（Ｒ）を発光するものでは、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率を約０．３５以上に高める必要がある。ここで図７はＩｎＧａＮのＩｎのモル分率ｘと平行温度との関係図である。この図に示すように、６５０ｎｍ前後の赤色（Ｒ）を発光する赤色ＬＥＤを形成するために、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ中のモル分率ｘを約０．３５以上に高めると、その平行温度は常圧（１ａｔｍ）で約６５０℃となる。そのため、ＩｎＧａＮの半導体被膜を成長させる過程で基板や形成されたＩｎＧａＮを約６５０℃以上に加熱すると、ＩｎＧａＮが熱分解してしまう。

一方、上記特許文献１の発光素子の製造工程では、窒素の前駆体としてアンモニアを用いるが、アンモニアはＮ−Ｈの結合エネルギーが大きいため、基板上で反応させるためには、基板温度をできるだけ上げる必要がある（例えば１０００℃程度）。ところが、赤色を発光するＩｎＧａＮは、Ｉｎのモル分率が高く、上述したように、Ｉｎのモル分率が高くなると、ＩｎＧａＮが熱分解していまい、赤色発光のＩｎＧａＮを成長させることができなかった。すなわち、高濃度のＩｎを含む活性層は、活性層やクラッド層の成長時に熱分解してしまうため、形成することができなかった。このため、上述した特許文献１の発光素子では、赤色発光の活性層を形成することができず、色再現性のよい白色光を得ることができなかった。

また、上記特許文献１の発光素子は、複数の活性層５３、５５、５７をそれぞれｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層で挟む構造であるため、実際は、各活性層５３、５５、５７の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を挟む構造とする必要があり、製造工程数が多くなるという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑み、製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子と、この発光素子を形成するための窒化物半導体の成長方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されている、ことを特徴とするものである。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記活性層は、ＩｎＮからなる井戸層と、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）又は窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ：０≦ｙ≦０．３）からなる障壁層とが交互にそれぞれ積層して構成され、該井戸層と障壁層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以下であり、これにより超格子構造を形成している、ことを特徴とするものである。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記複数の活性層は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層である、ことを特徴とするものである。

第４の発明は、上記第１〜第３の発明において、前記複数の活性層は、そのバンドギャップエネルギーが前記基板に近いものほど小さい、ことを特徴とするものである。

第５の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層を結晶成長させる窒化物半導体の成長方法において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、ＩｎＧａＮからなり互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、前記複数の活性層を成長させる各工程の間に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、最上層の前記活性層を成長させた後に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体と、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｐ型窒化物半導体膜又はｎ型窒化物半導体膜を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、を含む、ことを特徴とするものである。

第６の発明は、上記第５の発明において、前記複数の活性層を形成する工程において、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、前記複数の活性層を形成した後に、急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ：ＲＴＡ）を実施する工程を更に含む、ことを特徴とするものである。

上記第１の発明によれば、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されているので、このキャリア発生層１層で、その上下の活性層にキャリアである電子と正孔を注入することができる。このため、従来技術では、各活性層の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層をそれぞれ形成する必要があったが、本発明によれば、キャリア発生層により両者の機能を兼ね備えているため、ｐ型又はｎ型のクラッド層１層分の形成工程を削減することができ、これにより、発光素子の製造時間を短縮しかつコストを削減することができる。

上記第２の発明によれば、井戸層と障壁層を交互にそれぞれ１０ｎｍ以下の膜厚に成長させるので、原子レベルでも制御された歪みの少ない超格子構造を形成することができる。このため、Ｉｎの比率範囲が広く発光効率の高い活性層を得ることができ、高輝度で発光する窒化物半導体素子を得ることができる。

上記第３の発明によれば、活性層は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であるので、これらの活性層からの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。

上記第４の発明によれば、複数の活性層は、そのバンドギャップエネルギーが基板に近いものほど小さいので、発光の際、短波長の光が長波長の光に吸収されて発光強度が低下するのを防止することができる。

上記第５の発明によれば、活性層、キャリア発生層及びｐ型層又はｎ型層（クラッド層及び低抵抗層）を形成する際に、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射することより、前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができるので、６５０℃以下の温度で窒化物半導体膜を成長させることができる。このため、活性層、キャリア発生層及びｐ型層又はｎ型層（クラッド層及び低抵抗層）を形成する過程で、ＩｎＧａＮの熱分解を防止することができ、これにより、高濃度のＩｎを含む活性層を形成することができ、色再現性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。

上記第６の発明によれば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、かつ、急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ：ＲＴＡ）を実施するので、各活性層の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。

すなわち、本発明によれば、製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる、等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的断面図であり、基板１上に、バッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４、ＩｎＧａＮ活性層５、キャリア発生層６、ＩｎＧａＮ活性層７、キャリア発生層８、ＩｎＧａＮ活性層９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０、ｐ−ＧａＮ層１１が順に積層されている。これらの層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ）により成長形成される。

基板１は、本実施形態ではサファイア基板であるが、他にシリコン、ＳｉＣ等を用いることができる。また、バッファ層２は、本実施形態ではＧａＮであるが、他にＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等で構成することができる。

各ＩｎＧａＮ活性層５、７、９は、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率が異なることにより、互いにバンドギャップエネルギーが異なっており、最下層のＩｎＧａＮ活性層５は赤色（Ｒ）を発光し、中間層のＩｎＧａＮ活性層７は緑色（Ｇ）を発光し、最上層のＩｎＧａＮ活性層９は（Ｂ）を発光するようになっている。このように、活性層５、７、９は、そのバンドギャップエネルギーが基板１に近いものほど小さいのが好ましい。言い換えれば、発光波長の短い活性層ほど、発光観測面側（反基板側）に形成されているのが好ましい。このように活性層を形成することで、発光の際、短波長の光が長波長の光に吸収されて発光強度が低下するのを防止することができる。

キャリア発生層６、８は、上記各活性層５、７、９の間に形成されている。また、キャリア発生層６、８は、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされた窒化物半導体層であり、この例では、ＡｌＧａＮ層である。ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。

また、ｐ−ＧａＮ層１１の上にはｐ−電極１２が設けられ、ｎ−ＧａＮ層３の上にはｎ−電極１３が設けられている。ｐ−電極１２にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属を用いることができ、ｎ−電極１３にはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。

なお、本発明は、図１に示した窒化物半導体発光素子の構造に限られず、図２に示すように、ＧａＮバッファ層２の上に、ｐ−ＧａＮ層１１、ｐ−ＡｌＧａＮ層１０を形成し、最上層の活性層９の上にｎ−ＡｌＧａＮ層４、ｎ−ＧａＮ層３を形成した構造であってもよい。

このような構成の窒化物半導体発光素子によれば、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層５、７、９の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層６、８が形成されているので、このキャリア発生層１層で、その上下の活性層にキャリアである電子と正孔を注入することができる。このため、従来技術では、各活性層の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層をそれぞれ形成する必要があったが、本発明によれば、キャリア発生層により両者の機能を兼ね備えているため、ｐ型又はｎ型のクラッド層１層分の形成工程を削減することができ、これにより、発光素子の製造時間を短縮しかつコストを削減することができる。

また、この窒化物半導体発光素子によれば、活性層５、７、９は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であるので、これらの活性層５、７、９からの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。

図３は、本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程で使用する半導体結晶膜の成長装置の一例を概略的に示す図である。

図３に示すように、この成長装置は、少なくとも、結晶成長用の基板１を収容する反応容器２０と、ガス導入手段３２と、照射手段３０とを備えて構成されている。

反応容器２０は、内部に基板１を収容し、排気装置２４（例えば真空ポンプ）及びガス導入手段３２により内部を所定の圧力及びガス雰囲気に調整できる気密容器である。内部圧力は、成長させる半導体結晶膜に応じて加圧又は減圧するようになっている。

反応容器２０の内部には、基板１を載置するステージ２１が設けられている。このステージ２１は反応容器２０内の外部に設けられたステージコントローラ２２によって二次元的に移動できるようになっている。基板１は、反応容器２０内で図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定温度（例えば６００℃）に保持される。基板１は本実施形態ではサファイアであるが、他にＳｉ、ＳｉＣであっても良い。

ガス導入手段３２は、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体を供給する。ＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｉｎ（インジウム），Ｇａ（ガリウム），Ｎ（窒素）の前駆体である。ＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｇａ、Ｎの前駆体である。ＡｌＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの前駆体である。この場合、Ｉｎの前駆体としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｇａの前駆体としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎの前駆体としてはアンモニア、Ｎ_２Ｈ_２（ヒドラジン）又はＴＭＮＨ_２（トリメチルアミン）を使用することができる。

また、ｐ型又はｎ型の窒化物半導体を成長させる場合には、ガス導入手段３２は、上述した窒化物半導体の前駆体とともに、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの一方又は双方を反応容器内に供給する。上述したように、ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。

照射手段１４は、光を出射する光源１５を有している。本実施形態では、光源１５はレーザである。レーザは、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等の高出力パルスレーザが好適であるが、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させることができるエネルギーに相当する波長のレーザ光を出射できるものであればこれに限定されない。

また、図３に示すように、照射手段３０は、さらに光学系１７と、ビームホモジナイザー１８と、ミラー１９とを備えており、光源１５から出射されたレーザ光１５ａは光学系及びビームホモジナイザー１８を通り、ミラー１９で下向きに反射され、反応容器２０に設けられた図示しないレーザ光透過窓を通して、基板１の上面に照射される。レーザ光１５ａはミラー１９の揺動又は光学系の移動により基板１上を走査する。

この装置では、高出力パルスレーザにより前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができる。このため、６５０℃未満の温度でもその部分にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を成長させることができる。

上記半導体結晶膜の成長装置を用い、上記窒化物半導体発光素子を形成するための窒化物半導体を成長させる工程について、図１を参照して説明する。まず、反応容器２０内に基板１を収容し、基板１を図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定の温度に保持し、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体を供給して、基板１上にＧａＮバッファ層２を、ＭＯＣＶＤ又はＭＯＭＢＥにより結晶成長させる。なお、以降の工程の窒化物半導体の結晶成長についても、ＭＯＣＶＤ又はＭＯＭＢＥにより行う。

次に、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体と、ｎ型ドーパントを供給して、バッファ層２の上に、低抵抗層としてｎ−ＧａＮ層３を成長させる。次に、反応容器２０内にＡｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｎ型ドーパントを供給して、ｎ−ＧａＮ層の上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４を成長させる。

次に、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器２０内に供給し、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を６５０以下の温度で成長させる。このとき、基板１は、上述した温度調整手段によりＩｎＧａＮが熱分解しない温度に保持されている。ＩｎＧａＮが熱分解しない温度は、６５０℃以下であるのがよい。また、５００℃未満ではＩｎＧａＮの結晶が成長しにくくなる。したがって、温度調整手段により基板の温度を５００〜６５０℃に保持することが好ましい。なお、以降の工程においても、成長させたＩｎＧａＮ活性層の熱分解を防止するために、基板１は、上述した温度調整手段によりＩｎＧａＮが熱分解しない温度に保持される。

次に、Ａｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器２０内に供給し、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層６を６５０℃以下の温度で成長させる。

次に、緑色（Ｇ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層７、キャリア発生層８、青色（Ｂ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層９を、上述したのと同様の方法により順次、６５０℃以下の温度で成長させる。

次に、反応容器２０内にＡｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｐ型ドーパントを供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分（ＩｎＧａＮ活性層９の上）に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０を６５０℃以下の温度で成長させる。次に、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体と、ｐ型ドーパントを供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分（ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の上）に、低抵抗層としてｐ−ＧａＮ層１１を６５０℃以下の温度で成長させる。

このような窒化物半導体の成長方法によれば、活性層５、７、９、キャリア発生層６、８、ｐ−ＡｌＧａＮ層１０及びｐ−ＧａＮ層１１を形成する際に、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射することより、前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができるので、６５０℃以下の温度でも窒化物半導体結晶膜を成長させることができる。このため、ＩｎＧａＮのＩｎのモル分率を０．３５以上に高めてもＩｎＧａＮ活性層５が成長する過程でＩｎＧａＮの熱分解を防止することができ、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を形成することができる。

さらに、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を形成した後も、キャリア発生層６、８、他のＩｎＧａＮ活性層７、９及びｐ−ＡｌＧａＮ層１０、ｐ−ＧａＮ層１１をパルスレーザを照射しながらその照射部分に６５０℃以下の温度で成長させるので、先に形成した赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５の熱分解を防止することができる。これにより、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の発光が可能なＩｎＧａＮ活性層のみならず、高濃度のＩｎを含む赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層を形成することができ、これらの発光の混色により色再現性の良い白色光の発光が可能な発光素子を得ることができる。

また、上述した窒化物半導体の成長方法において、活性層５、７、９を形成した後に、さらに、急速熱アニール（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を行っても良い。このように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、かつ、ＲＴＡを行うことにより、各活性層の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的断面図である。

本実施形態により成長させる活性層３は、ＩｎＮからなる井戸層５ａと、井戸層５ａの上下に位置しＩｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）からなる障壁層５ｂとを有する。なおこの場合、ＩｎＮ及び０≦ｘ≦０．３の範囲のＩｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ（ＧａＮを含む）は、欠陥のない薄膜が本発明の方法で容易に形成できるので、同一組成の混晶半導体よりも容易に発光効率の高い活性層を得ることができる。

また、本発明において、井戸層５ａと障壁層５ｂの膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以下に設定され、超格子構造を形成するようになっている。また活性層５は、単一の井戸層５ａに限られず、複数の井戸層５ａと複数の障壁層５ｂを交互に積層した量子井戸構造であってもよい。

また、活性層全体のＩｎ比率を、井戸層と障壁層の膜厚比により制御して発光波長を制御する。例えば、ＩｎＮからなる井戸層５ａとＧａＮからなる障壁層５ｂを膜厚比１：１で積層した場合、活性層５全体のＩｎ比率ｘは０．５となり、Ｉｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ（ｘ＝０．５）の活性層として、波長８３０ｎｍ付近の近赤外光を発光させることができる。同様に、例えばＩｎＮからなる井戸層５ａとＩｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ（ｘ＝０．３）からなる障壁層５ｂを膜厚比２：１で積層した場合、Ｉｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ（ｘ＝０．７７）の活性層を形成できる。

また、活性層５と同様に、活性層７は井戸層７ａと障壁層７ｂから構成され、活性層９は井戸層９ａと障壁層９ｂから構成されている。そして、上述したように、各活性層５、７、９の発光波長を制御することができるので、各活性層５、７、９を基板１側から順に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光するものとすれば、各活性層からの発光の混色により、白色発光可能な発光素子を得ることができる。

また、量子井戸間の相互作用のない超格子における弱励起でのフォトルミネッセンスは、量子井戸内の最低準位にある電子と重い正孔および軽い正孔との再結合によって起こることが知られている。このような再結合過程を仮定した場合、井戸層の幅と発光ピークの関係は図５に示すようになる。この図からわかるように、井戸層の膜厚を、発光波長を制御するように１ｎｍを超えない所定の範囲に設定することによって、井戸幅（井戸層の膜厚）により発光波長を制御することができる。さらに、障壁層をＡｌ_ｙＧａ_１-ｙＮ（０≦ｙ≦０．３）としても同様の効果を得ることができる。

なお、活性層５、７、９以外の構成は、上述した第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造と同様である。

本実施形態における窒化物半導体発光素子の活性層は、図３に示した半導体結晶膜の成長装置を用いて成長させることができる。より詳しく説明すると、反応容器２０内にＩｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を順次又は同時に供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、井戸層５ａと障壁層５ｂを６５０℃以下の温度で交互に１０ｎｍ以下の膜厚となるように成長させて、活性層５を形成する。活性層７、９についても同様に形成する。なお、活性層５、７、９以外のバッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０、ｐ−ＧａＮ層１１は、第１実施形態において説明した窒化物半導体の成長方法と同様の方法により成長させることができる。

このように、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子によれば、井戸層と障壁層を交互にそれぞれ１０ｎｍ以下の膜厚に成長させるので、原子レベルでも制御された歪みの少ない超格子構造を形成することができる。このため、Ｉｎの比率範囲が広く発光効率の高い活性層を得ることができ、高輝度で発光する窒化物半導体発光素子を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、窒化物半導体発光素子の製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる、等の優れた効果が得られる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更の加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の模式的断面図である。 本発明の窒化物半導体の成長方法に用いる半導体結晶膜の成長装置の構成図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の模式的断面図である。 井戸層の幅と発光ピークの関係図である。 特許文献１の「窒化ガリウム系半導体発光素子」の構成図である。 窒化インジウムガリウム中のＩｎのモル分率と平衡温度との関係図である。

符号の説明

１ 基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ−ＧａＮ層
４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５ 活性層
６ キャリア発生層
７ 活性層
８ キャリア発生層
９ 活性層
１０ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１１ ｐ−ＧａＮ層
１２ ｐ−電極
１３ ｎ−電極
１５ 光源
１７ ビームホモジナイザー
１８ 光学系
１９ ミラー
２０ 反応容器
２１ ステージ
２２ ステージコントローラ
２４ 排気装置
３０ 照射手段
３２ ガス導入装置

Claims (6)

1. 基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、
   互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されている、
   ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層は、ＩｎＮからなる井戸層と、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）又は窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ：０≦ｙ≦０．３）からなる障壁層とが交互にそれぞれ積層して構成され、該井戸層と障壁層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以下であり、これにより超格子構造を形成している、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記複数の活性層は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記複数の活性層は、そのバンドギャップエネルギーが前記基板に近いものほど小さい、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層を結晶成長させる窒化物半導体の成長方法において、
   Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、ＩｎＧａＮからなり互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、
   前記複数の活性層を成長させる各工程の間に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、
   最上層の前記活性層を成長させた後に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体と、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｐ型窒化物半導体膜又はｎ型窒化物半導体膜を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、を含む、
   ことを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
6. 前記複数の活性層を形成する工程において、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、
   前記複数の活性層を形成した後に、急速熱アニールを実施する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体の成長方法。