JP3135041B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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- JP3135041B2 JP3135041B2 JP31784995A JP31784995A JP3135041B2 JP 3135041 B2 JP3135041 B2 JP 3135041B2 JP 31784995 A JP31784995 A JP 31784995A JP 31784995 A JP31784995 A JP 31784995A JP 3135041 B2 JP3135041 B2 JP 3135041B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡ
ｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるＬ
ＥＤ素子に関する。
ｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるＬ
ＥＤ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。
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５６
０ｎｍ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Ｌ
ＥＤの数を増やさなければならないと言う欠点があっ
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。
０ｎｍ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Ｌ
ＥＤの数を増やさなければならないと言う欠点があっ
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.Ap
pl.Phys. Vol.34 (1995) pp.L797-L799}。図２にそのＬ
ＥＤの構造を示す。２１はサファイアよりなる基板、２
２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５０ｎ
ｍ厚のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２６は２
ｎｍ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、２
８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５２
５ｎｍ、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。
する高輝度なＬＥＤを開発し、既に発表した｛Jpn.J.Ap
pl.Phys. Vol.34 (1995) pp.L797-L799}。図２にそのＬ
ＥＤの構造を示す。２１はサファイアよりなる基板、２
２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５０ｎ
ｍ厚のＳｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２６は２
ｎｍ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、２
８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５２
５ｎｍ、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。
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Ｌ
ＥＤは、基板上に、少なくともｎ型ＧａＮからなるコン
タクト層を兼ねたクラッド層と、７ｎｍ以下の膜厚を有
するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層
を含む単一量子井戸構造、または７ｎｍ以下の膜厚を有
するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層
とノンドープのＩｎYＧａ1-YＮ（Ｙ＜Ｘ、Ｙ＝０を含
む）障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層と、膜
厚１ｎｍ以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ
（０＜Ｙ＜１）からなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮ
からなるｐ型コンタクト層との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、Ａｌ
ＧａＮ、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Ａ
ｌ、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。
ＥＤは、基板上に、少なくともｎ型ＧａＮからなるコン
タクト層を兼ねたクラッド層と、７ｎｍ以下の膜厚を有
するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層
を含む単一量子井戸構造、または７ｎｍ以下の膜厚を有
するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）井戸層
とノンドープのＩｎYＧａ1-YＮ（Ｙ＜Ｘ、Ｙ＝０を含
む）障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層と、膜
厚１ｎｍ以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ
（０＜Ｙ＜１）からなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮ
からなるｐ型コンタクト層との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、Ａｌ
ＧａＮ、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Ａ
ｌ、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】
【０００８】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。
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。
【０００９】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（ＭｇＡｌ
2Ｏ4）、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。
面、Ｒ面、Ｃ面を含む）の他、スピネル（ＭｇＡｌ
2Ｏ4）、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。
【００１０】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５ｎ
ｍ〜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６０−１７
３８２９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。
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５ｎ
ｍ〜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６０−１７
３８２９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。
【００１１】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Ｉｎ aＡｌbＧａ1-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。
述べる。ｎ型クラッド層１３はＩｎ aＡｌbＧａ1-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。
【００１２】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（Ｍ
ＱＷ: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７
ｎｍ以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩ
ｎXＧａ1-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。
Single-Quantum-Well)構造、若しくは多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ: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７
ｎｍ以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩ
ｎXＧａ1-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。
【００１３】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Ｉ
ｎＧａＮ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。
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Ｉ
ｎＧａＮ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。
【００１４】次に活性層１６に接するｐ型クラッド層１
７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Ｇ
ａＮ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Ｉｎ
ＧａＮ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。
７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Ｇ
ａＮ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Ｉｎ
ＧａＮ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。
【００１５】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、０．５
μｍ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
×１０ 19／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。
上、２μｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上、０．５
μｍ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
×１０ 19／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。
【００１６】次に、ｐ型コンタクト層１８はｐ型Ｇａ
Ｎ、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。
Ｎ、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。
【００１７】窒化物半導体は有機金属気相成長法（ＭＯ
ＶＰＥ）、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、ＩｎXＡｌYＧ
ａ1-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。
ＶＰＥ）、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、ＩｎXＡｌYＧ
ａ1-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。
【００１８】
【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。
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。
【００１９】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。
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。
【００２０】
【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。
詳説する。以下に述べる工程はＭＯＶＰＥ法によるもの
である。
【００２１】［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。
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。
【００２２】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Ｇａ
Ｎよりなるバッファ層１２を２０ｎｍの膜厚で成長させ
る。
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Ｇａ
Ｎよりなるバッファ層１２を２０ｎｍの膜厚で成長させ
る。
【００２３】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。
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。
【００２４】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ＴＭ
Ｇ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Ｉｎ0.43Ｇａ
0.57Ｎ層を３ｎｍ成長させる。
トガスを止め、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭ
Ｇ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Ｉｎ0.43Ｇａ
0.57Ｎ層を３ｎｍ成長させる。
【００２５】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ＴＭ
Ｇ、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。
再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭ
Ｇ、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。
【００２６】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。
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。
【００２７】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。
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。
【００２８】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１
６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。
コンタクト層１８、ｐ型クラッド層１７、及び活性層１
６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。
【００２９】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５２
５ｎｍ、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。
せ、そのスペクトルを測定したところ、発光ピーク５２
５ｎｍ、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。
【００３０】［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。
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。
【００３１】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１．９
ｍＷ、量子効率３％の優れたＬＥＤを得た。
たところ、発光ピーク波長５２０ｎｍ、発光出力１．９
ｍＷ、量子効率３％の優れたＬＥＤを得た。
【００３２】［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。
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。
【００３３】［実施例４］バッファ層成長後、温度を１
０３０℃まで上昇させた後、原料ガスにＴＭＧとＴＭ
Ａ、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。
０３０℃まで上昇させた後、原料ガスにＴＭＧとＴＭ
Ａ、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。
【００３４】［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。
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。
【００３５】［実施例６］実施例１において、活性層１
６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。
６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。
【００３６】
【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。
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。
【００３７】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。
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。
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。
の出力との関係を示すグラフ図。
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 修二 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜 化学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−268257（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−268259（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．67 （13）1995年９月25日発行 ｐ．1868− 1870 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 基板上に、少なくともｎ型ＧａＮからな
るコンタクト層を兼ねたクラッド層と、７ｎｍ以下の膜
厚を有するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）
井戸層を含む単一量子井戸構造、または７ｎｍ以下の膜
厚を有するノンドープのＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）
井戸層とノンドープのＩｎYＧａ1-YＮ（Ｙ＜Ｘ、Ｙ＝０
を含む）障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層
と、膜厚１ｎｍ以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌYＧａ
1-YＮ（０＜Ｙ＜１）からなるｐ型クラッド層と、ｐ型
ＧａＮからなるｐ型コンタクト層との積層構造を有する
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31784995A JP3135041B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-12-06 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-276820 | 1995-09-29 | ||
| JP27682095 | 1995-09-29 | ||
| JP31784995A JP3135041B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-12-06 | 窒化物半導体発光素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30098399A Division JP3809749B2 (ja) | 1995-09-29 | 1999-10-22 | 窒化物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09153642A JPH09153642A (ja) | 1997-06-10 |
| JP3135041B2 true JP3135041B2 (ja) | 2001-02-13 |
Family
ID=26552127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31784995A Expired - Fee Related JP3135041B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-12-06 | 窒化物半導体発光素子 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3135041B2 (ja) |
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| US8395165B2 (en) | 2011-07-08 | 2013-03-12 | Bridelux, Inc. | Laterally contacted blue LED with superlattice current spreading layer |
| US8525221B2 (en) | 2009-11-25 | 2013-09-03 | Toshiba Techno Center, Inc. | LED with improved injection efficiency |
| US8536601B2 (en) | 2009-06-10 | 2013-09-17 | Toshiba Techno Center, Inc. | Thin-film LED with P and N contacts electrically isolated from the substrate |
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| US8581267B2 (en) | 2011-11-09 | 2013-11-12 | Toshiba Techno Center Inc. | Series connected segmented LED |
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| US9018643B2 (en) | 2011-09-06 | 2015-04-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | GaN LEDs with improved area and method for making the same |
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| US7692182B2 (en) | 2001-05-30 | 2010-04-06 | Cree, Inc. | Group III nitride based quantum well light emitting device structures with an indium containing capping structure |
| US6958497B2 (en) | 2001-05-30 | 2005-10-25 | Cree, Inc. | Group III nitride based light emitting diode structures with a quantum well and superlattice, group III nitride based quantum well structures and group III nitride based superlattice structures |
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-
1995
- 1995-12-06 JP JP31784995A patent/JP3135041B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|
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