JP3719613B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物系化合物からなる半導体層を有する半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、半導体層の成長温度差を低減でき、紫外から青色または緑色までの波長領域でバンド端発光できる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子の材料に用いられる窒化物系III−Ｖ族化合物としては、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮが検討され、また、これらを組み合わせた３元系、４元系のうちではＡｌＧａＮおよびＧａＩｎＮが検討されている。その中でも、青色あるいは緑色の発光が得られる素子として、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＩｎＮ活性層とを組み合わせたＬＥＤが特開平６−１７７４２３号公報に開示されている。
【０００３】
しかし、上記ＬＥＤを作製する場合、ＡｌＧａＮおよびＧａＩｎＮの成長温度の違いが問題になる。例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法におけるＡｌＧａＮの典型的な成長温度は約１０００℃であり、これに対してＧａＩｎＮの典型的な成長温度は約８００℃であるので、両者の成長温度差は約２００℃に及ぶ。また、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法の場合でも、両者の成長温度差は１００℃以上に及ぶ。実際にＬＥＤを作製する場合には、高温でＡｌＧａＮ障壁層を成長させた後、基板温度を低下させてＧａＩｎＮ活性層の成長を行い、さらにその後、基板温度を上昇させてＡｌＧａＮ障壁層の成長を行っている。このようなプロセスを用いた場合、ＧａＩｎＮ活性層の成長後の昇温によりＧａＩｎＮ活性層の結晶性が低下したり、界面の急峻性の劣化等の問題が生じる。
【０００４】
また、従来のIII−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子においては、ＧａＩｎＮ中の不純物準位による発光を用いることで青色または緑色の発光を実現している。ところが、ＬＥＤにおける高注入状態ではバンド端発光が支配的になっているため、不純物準位を介した発光ではレーザ発振は不可能である。従って、レーザ発振実現のためには不純物準位を介さず、バンド端を介した青色または緑色発光の実現が必要不可欠である。しかし、ＧａＩｎＮ活性層を用いた場合には、Ｉｎの組成０．２以上の領域で良好な結晶を得ることが難しく、バンド端を介した青色または緑色発光の実現は困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、半導体層の成長温度差を低減することができ、良好な結晶状態の半導体層を得ることができると共に、バンドギャップを低減して青色または緑色の波長領域でバンド端発光が可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる半導体層を有する半導体発光素子において、該半導体層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００７】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、該障壁層がＡｌ ｅ Ｇａ ｆ Ｉｎ １−ｅ−ｆ Ｎ（０≦ｅ≦１，０≦ｆ≦１，ｅ＋ｆ≦１）からなり、該活性層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、該障壁層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、該活性層がＡｌｃＧａｄＩｎ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎがウルツ鉱型結晶構造である。
前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている。
前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎは、前記元素Ｘの添加によりバンドギャップが減少している。
前記窒化物系化合物からなる半導体層は、活性層または障壁層である。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎが、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により形成される。
前記元素Ｘの割合ｙがｙ≦０．２である。
【０００９】
【作用】
本発明においては、窒化物系化合物からなる半導体層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つを含むＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１）からなる。
【００１０】
図１２に、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を構成する元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）のイオン半径と、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体（ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ）のａ軸方向の格子定数との関係を示す。この図から理解されるように、両者は１対１の関係を示している。同図に、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕにおける３価イオンのイオン半径も示す。
【００１１】
これらの元素のうち、Ｓｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのイオン半径はＡｌおよびＧａのそれよりも大きい。従って、ＡｌＧａＩｎＮ層のうち、例えばＡｌＮにこれらの元素を添加してＡｌＸＮ（ＸはＳｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの１つ以上からなり、Ａｌに対するＸの添加量は適宜）とすることにより、その格子定数をＧａＮのそれと近付けたり一致させ、さらにバンドギャップを低減することができる。また、これらの元素はＡｌよりも重いので、成長温度を低減してＧａＮの成長温度に近付けることもできる。あるいは、ＧａＮにこれらの元素を添加してＧａＸＮ（ＸはＳｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの１つ以上からなり、Ｇａに対するＸの添加量は適宜）とすることにより、その格子定数をＩｎＮのそれと近付けたり、またはバンドギャップを低減することができる。
【００１２】
同様に、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイオン半径はＩｎのそれよりも大きく、また、ＡｌおよびＧａよりも重い。従って、ＡｌＧａＩｎＮ層のうち、例えばＡｌＮやＧａＮにこれらの元素を添加することにより、Ｉｎを含む場合と同様またはそれ以上に、成長温度を低減したり、バンドギャップを低減することができ、格子定数を大きくすることもできる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施例１）
この実施例では、障壁層４、６としてＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎを、活性層５としてＧａ0.93Ｇｄ0.07Ｎを用いて、緑色発光の半導体発光素子を作製した。
【００１５】
図１は、実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層４、ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層５、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層４からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層４は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層５は層厚５００オングストロームとし、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層６は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００１６】
この実施例において、活性層５および障壁層４、６の成長は、ＭＢＥ法により６００℃で行った。活性層５にはＧｄが添加されているため、成長温度を障壁層４、６と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、ＧａＧｄＮ活性層５の格子定数はＧａＩｎＮ障壁層６とほぼ一致しており、良好な結晶が得られた。
【００１７】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図２に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図３にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１６ｎｍと著しく改善されていた。また、活性層５にＧｄを添加することによりバンドギャップを減少させることができるので、発光波長の長波長化が可能となり、得られる発光色も従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子に比べてより純粋な緑色に近付けることができた。
【００１８】
（実施例２）
この実施例では、障壁層１０、１２としてＧａＮを、活性層１１としてＡｌ0.88Ｌａ0.12Ｎを用いて、青発光の半導体発光素子を作製した。
【００１９】
図４は、実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層（層厚３００オングストローム）２、ｎ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）３、ｎ型ＧａＮ障壁層（層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１０、ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層（層厚５００オングストローム）１１、ｐ型ＧａＮ障壁層（層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層１０からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型ＧａＮ障壁層１０は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層１１は層厚５００オングストロームとし、ｐ型ＧａＮ障壁層１２は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００２０】
この実施例において、活性層１１および障壁層１０、１２の成長は、ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で行った。ＡｌおよびＧａの原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ｌａの原料としてはＤＰＭ（（ＣＨ3）3・Ｃ・ＣＯ・ＣＨ2−ＣＯ・Ｃ（ＣＨ3）3）系ベータジケトン錯体を用いた。活性層１１にはＬａが添加されているため、成長温度を障壁層１０、１２と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、ＡｌＬａＮ活性層とＧａＮ障壁層とはその格子定数がほぼ一致し、格子整合しており、良好な結晶が得られた。
【００２１】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図５に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図６にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、実施例１と同様に結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１５ｎｍと著しく改善されていた。また、活性層１１にＬａを添加することによりバンドギャップを減少させることができるので、発光波長の長波長化が可能となり、得られる発光色も従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子に比べてより純粋な青色に近付けることができた。
【００２２】
（実施例３）
この実施例では、活性層１４としてＧａＮを、障壁層１３、１５としてＡｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎを用いて、紫外発光の半導体発光素子を作製した。
【００２３】
図７は、実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層（層厚３００オングストローム）２、ｎ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）３、ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層（層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１３、ｉ型ＧａＮ活性層（層厚５００オングストローム）１４、ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層（層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層１３からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層１３は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型ＧａＮ活性層１４は層厚５００オングストロームとし、ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層１５は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００２４】
この実施例において、活性層１４および障壁層１３、１５の成長は、ＭＢＥ法により６００℃で行った。障壁層１３、１５にはＣｒが添加されているため、成長温度を活性層１４と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、活性層および障壁層はその格子定数がほぼ一致し、格子整合しており、良好な結晶が得られた。
【００２５】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図８に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図９にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、実施例１と同様に結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１５ｎｍと著しく改善されていた。
【００２６】
（実施例４）
本実施例では、実施例１〜３で作製した積層構造（基板１〜ｐ型コンタクト層７）に対して、図１０に示すような配置で窒素レーザ（波長３３７．１ｎｍ、パルス幅１０ｎｓｅｃ、デューティー１０-7）による光ポンピングを行った。
【００２７】
図１１に、各積層構造に対する励起パワー密度と光出力の関係を示す。（ａ）は実施例１の積層構造、（ｂ）は実施例２の積層構造、（ｃ）は実施例３の積層構造を示す。これらの図から明らかなように、いずれのサンプルも光ポンピングによるレーザ発振を実現できた。
【００２８】
上記実施例１〜４では、ＡｌＧａＩｎＮ層に添加する元素ＸとしてＧａ、Ｌａ、Ｃｒを用いたが、これらの元素に限られず、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちのいずれを用いてもよく、また、２種類以上を用いてもよい。これらの元素（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕ）の窒化物の安定な結晶構造は、岩塩構造であるが、ウルツ鉱型構造が安定なＡｌＧａＩｎＮに少量添加した場合には、ベースとなるＡｌＧａＩｎＮの結晶構造と同じ結晶構造となる。これは、岩塩構造が安定なＭｇＳ、ＭｇＳｅを閃亜鉛鉱構造が安定なＺｎＳ、ＺｎＳｅに添加したＺｎＭｇＳＳｅの場合と同様である。尚、上記元素Ｘの添加量｛（ＡｌＧａＩｎＮ）1ーyＸyＮとした場合のｙ｝は添加される元素のイオン半径にもよるが、結晶構造の安定性の点から２０％以下、より好ましくは１０％以下であるのが望ましい。
【００２９】
また、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ半導体層の組成比ａ、ｂは、上記実施例に示したものに限られず、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびこれらを組み合わせた３元系や４元系の半導体層を用いることができる。
【００３０】
上記実施例１〜４では、ダブルヘテロ構造のＬＥＤとしたが、ホモ接合構造やシングルヘテロ構造としてもよく、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）型やＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Separate Confinement Heterostructure）型等の半導体レーザ素子としてもよい。
【００３１】
また、障壁層および活性層に上記元素を添加したが、両方に添加してもよく、その他のＡｌＧａＩｎＮ層に添加してもよい。その場合にも、成長温度差の低減、格子定数の一致、およびバンドギャップの低減等の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮ３元系化合物を用いた半導体発光素子では困難であった、半導体層の成長温度差を低減でき、結晶性の低下や界面急峻性の劣化を防ぐことができる。また、半導体層の格子定数を近付けることができるので、良好な結晶状態を得ることができる。
【００３３】
さらに、バンドギャップを減少して発光の長波長化を図ることができ、従来の半導体発光素子では困難であった、紫外光から青色または緑色までの波長領域でのバンド端を介した発光を実現することができ、レーザ発振も可能な半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】実施例１の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図３】実施例１の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図４】実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図５】実施例２の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】実施例２の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図７】実施例３の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図８】実施例３の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図９】実施例３の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図１０】実施例４における半導体発光素子（基板１からコンタクト層７までの積層構造）と窒素レーザとの配置を示す斜視図である。
【図１１】実施例１〜３の半導体発光素子（基板１からコンタクト層７までの積層構造）の励起パワー密度と光出力との関係を示すグラフである。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３の積層構造について示す。
【図１２】窒化物半導体のイオン半径とａ軸格子定数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ 低温成長ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層
５ ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層
６ ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層
７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０ ｎ型ＧａＮ障壁層
１１ ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層
１２ ｐ型ＧａＮ障壁層
１３ ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層
１４ ｉ型ＧａＮ活性層
１５ ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物系化合物からなる半導体層を有する半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、半導体層の成長温度差を低減でき、紫外から青色または緑色までの波長領域でバンド端発光できる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子の材料に用いられる窒化物系III−Ｖ族化合物としては、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮが検討され、また、これらを組み合わせた３元系、４元系のうちではＡｌＧａＮおよびＧａＩｎＮが検討されている。その中でも、青色あるいは緑色の発光が得られる素子として、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＩｎＮ活性層とを組み合わせたＬＥＤが特開平６−１７７４２３号公報に開示されている。
【０００３】
しかし、上記ＬＥＤを作製する場合、ＡｌＧａＮおよびＧａＩｎＮの成長温度の違いが問題になる。例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法におけるＡｌＧａＮの典型的な成長温度は約１０００℃であり、これに対してＧａＩｎＮの典型的な成長温度は約８００℃であるので、両者の成長温度差は約２００℃に及ぶ。また、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法の場合でも、両者の成長温度差は１００℃以上に及ぶ。実際にＬＥＤを作製する場合には、高温でＡｌＧａＮ障壁層を成長させた後、基板温度を低下させてＧａＩｎＮ活性層の成長を行い、さらにその後、基板温度を上昇させてＡｌＧａＮ障壁層の成長を行っている。このようなプロセスを用いた場合、ＧａＩｎＮ活性層の成長後の昇温によりＧａＩｎＮ活性層の結晶性が低下したり、界面の急峻性の劣化等の問題が生じる。
【０００４】
また、従来のIII−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子においては、ＧａＩｎＮ中の不純物準位による発光を用いることで青色または緑色の発光を実現している。ところが、ＬＥＤにおける高注入状態ではバンド端発光が支配的になっているため、不純物準位を介した発光ではレーザ発振は不可能である。従って、レーザ発振実現のためには不純物準位を介さず、バンド端を介した青色または緑色発光の実現が必要不可欠である。しかし、ＧａＩｎＮ活性層を用いた場合には、Ｉｎの組成０．２以上の領域で良好な結晶を得ることが難しく、バンド端を介した青色または緑色発光の実現は困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、半導体層の成長温度差を低減することができ、良好な結晶状態の半導体層を得ることができると共に、バンドギャップを低減して青色または緑色の波長領域でバンド端発光が可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる半導体層を有する半導体発光素子において、該半導体層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００７】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、該障壁層がＡｌ ｅ Ｇａ ｆ Ｉｎ １−ｅ−ｆ Ｎ（０≦ｅ≦１，０≦ｆ≦１，ｅ＋ｆ≦１）からなり、該活性層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、該障壁層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、該活性層がＡｌｃＧａｄＩｎ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）からなり、そのことにより上記目的が達成される。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎがウルツ鉱型結晶構造である。
前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている。
前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎは、前記元素Ｘの添加によりバンドギャップが減少している。
前記窒化物系化合物からなる半導体層は、活性層または障壁層である。
前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎが、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により形成される。
前記元素Ｘの割合ｙがｙ≦０．２である。
【０００９】
【作用】
本発明においては、窒化物系化合物からなる半導体層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つを含むＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１）からなる。
【００１０】
図１２に、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を構成する元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）のイオン半径と、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体（ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ）のａ軸方向の格子定数との関係を示す。この図から理解されるように、両者は１対１の関係を示している。同図に、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕにおける３価イオンのイオン半径も示す。
【００１１】
これらの元素のうち、Ｓｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのイオン半径はＡｌおよびＧａのそれよりも大きい。従って、ＡｌＧａＩｎＮ層のうち、例えばＡｌＮにこれらの元素を添加してＡｌＸＮ（ＸはＳｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの１つ以上からなり、Ａｌに対するＸの添加量は適宜）とすることにより、その格子定数をＧａＮのそれと近付けたり一致させ、さらにバンドギャップを低減することができる。また、これらの元素はＡｌよりも重いので、成長温度を低減してＧａＮの成長温度に近付けることもできる。あるいは、ＧａＮにこれらの元素を添加してＧａＸＮ（ＸはＳｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの１つ以上からなり、Ｇａに対するＸの添加量は適宜）とすることにより、その格子定数をＩｎＮのそれと近付けたり、またはバンドギャップを低減することができる。
【００１２】
同様に、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイオン半径はＩｎのそれよりも大きく、また、ＡｌおよびＧａよりも重い。従って、ＡｌＧａＩｎＮ層のうち、例えばＡｌＮやＧａＮにこれらの元素を添加することにより、Ｉｎを含む場合と同様またはそれ以上に、成長温度を低減したり、バンドギャップを低減することができ、格子定数を大きくすることもできる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施例１）
この実施例では、障壁層４、６としてＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎを、活性層５としてＧａ0.93Ｇｄ0.07Ｎを用いて、緑色発光の半導体発光素子を作製した。
【００１５】
図１は、実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層４、ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層５、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層４からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層４は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層５は層厚５００オングストロームとし、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層６は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００１６】
この実施例において、活性層５および障壁層４、６の成長は、ＭＢＥ法により６００℃で行った。活性層５にはＧｄが添加されているため、成長温度を障壁層４、６と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、ＧａＧｄＮ活性層５の格子定数はＧａＩｎＮ障壁層６とほぼ一致しており、良好な結晶が得られた。
【００１７】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図２に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図３にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１６ｎｍと著しく改善されていた。また、活性層５にＧｄを添加することによりバンドギャップを減少させることができるので、発光波長の長波長化が可能となり、得られる発光色も従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子に比べてより純粋な緑色に近付けることができた。
【００１８】
（実施例２）
この実施例では、障壁層１０、１２としてＧａＮを、活性層１１としてＡｌ0.88Ｌａ0.12Ｎを用いて、青発光の半導体発光素子を作製した。
【００１９】
図４は、実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層（層厚３００オングストローム）２、ｎ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）３、ｎ型ＧａＮ障壁層（層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１０、ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層（層厚５００オングストローム）１１、ｐ型ＧａＮ障壁層（層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層１０からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型ＧａＮ障壁層１０は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層１１は層厚５００オングストロームとし、ｐ型ＧａＮ障壁層１２は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００２０】
この実施例において、活性層１１および障壁層１０、１２の成長は、ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で行った。ＡｌおよびＧａの原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ｌａの原料としてはＤＰＭ（（ＣＨ3）3・Ｃ・ＣＯ・ＣＨ2−ＣＯ・Ｃ（ＣＨ3）3）系ベータジケトン錯体を用いた。活性層１１にはＬａが添加されているため、成長温度を障壁層１０、１２と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、ＡｌＬａＮ活性層とＧａＮ障壁層とはその格子定数がほぼ一致し、格子整合しており、良好な結晶が得られた。
【００２１】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図５に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図６にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、実施例１と同様に結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１５ｎｍと著しく改善されていた。また、活性層１１にＬａを添加することによりバンドギャップを減少させることができるので、発光波長の長波長化が可能となり、得られる発光色も従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子に比べてより純粋な青色に近付けることができた。
【００２２】
（実施例３）
この実施例では、活性層１４としてＧａＮを、障壁層１３、１５としてＡｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎを用いて、紫外発光の半導体発光素子を作製した。
【００２３】
図７は、実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層（層厚３００オングストローム）２、ｎ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）３、ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層（層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１３、ｉ型ＧａＮ活性層（層厚５００オングストローム）１４、ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層（層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）７がこの順に積層形成されている。ｎ型障壁層１３からｐ型コンタクト層７までは、ｎ型コンタクト層３の一部が露出するように除去されてその露出部上にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極９が形成されている。なお、上記低温成長ＧａＮバッファ層２は層厚３００オングストロームとし、ｎ型ＧａＮコンタクト層３は層厚０．１μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3とし、ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層１３は層厚３．０μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｉ型ＧａＮ活性層１４は層厚５００オングストロームとし、ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層１５は層厚０．５μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層７は層厚０．２μｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3とした。
【００２４】
この実施例において、活性層１４および障壁層１３、１５の成長は、ＭＢＥ法により６００℃で行った。障壁層１３、１５にはＣｒが添加されているため、成長温度を活性層１４と同程度の低温にすることができ、結晶性の低下や界面急峻性の劣化は見られなかった。また、活性層および障壁層はその格子定数がほぼ一致し、格子整合しており、良好な結晶が得られた。
【００２５】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図８に示す。この半導体発光素子の電流−電圧特性は、従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子と同程度であった。また、図９にＥＬスペクトルを示す。従来のＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＩｎＮ活性層を用いた半導体発光素子では、不純物準位を介しているため発光の半値幅が８０ｎｍと大きな値を示していたが、本実施例の半導体発光素子は、実施例１と同様に結晶状態が良好でバンド端を介した発光が可能であるので、発光の半値幅が１５ｎｍと著しく改善されていた。
【００２６】
（実施例４）
本実施例では、実施例１〜３で作製した積層構造（基板１〜ｐ型コンタクト層７）に対して、図１０に示すような配置で窒素レーザ（波長３３７．１ｎｍ、パルス幅１０ｎｓｅｃ、デューティー１０-7）による光ポンピングを行った。
【００２７】
図１１に、各積層構造に対する励起パワー密度と光出力の関係を示す。（ａ）は実施例１の積層構造、（ｂ）は実施例２の積層構造、（ｃ）は実施例３の積層構造を示す。これらの図から明らかなように、いずれのサンプルも光ポンピングによるレーザ発振を実現できた。
【００２８】
上記実施例１〜４では、ＡｌＧａＩｎＮ層に添加する元素ＸとしてＧａ、Ｌａ、Ｃｒを用いたが、これらの元素に限られず、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちのいずれを用いてもよく、また、２種類以上を用いてもよい。これらの元素（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕ）の窒化物の安定な結晶構造は、岩塩構造であるが、ウルツ鉱型構造が安定なＡｌＧａＩｎＮに少量添加した場合には、ベースとなるＡｌＧａＩｎＮの結晶構造と同じ結晶構造となる。これは、岩塩構造が安定なＭｇＳ、ＭｇＳｅを閃亜鉛鉱構造が安定なＺｎＳ、ＺｎＳｅに添加したＺｎＭｇＳＳｅの場合と同様である。尚、上記元素Ｘの添加量｛（ＡｌＧａＩｎＮ）1ーyＸyＮとした場合のｙ｝は添加される元素のイオン半径にもよるが、結晶構造の安定性の点から２０％以下、より好ましくは１０％以下であるのが望ましい。
【００２９】
また、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ半導体層の組成比ａ、ｂは、上記実施例に示したものに限られず、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびこれらを組み合わせた３元系や４元系の半導体層を用いることができる。
【００３０】
上記実施例１〜４では、ダブルヘテロ構造のＬＥＤとしたが、ホモ接合構造やシングルヘテロ構造としてもよく、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）型やＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Separate Confinement Heterostructure）型等の半導体レーザ素子としてもよい。
【００３１】
また、障壁層および活性層に上記元素を添加したが、両方に添加してもよく、その他のＡｌＧａＩｎＮ層に添加してもよい。その場合にも、成長温度差の低減、格子定数の一致、およびバンドギャップの低減等の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮ３元系化合物を用いた半導体発光素子では困難であった、半導体層の成長温度差を低減でき、結晶性の低下や界面急峻性の劣化を防ぐことができる。また、半導体層の格子定数を近付けることができるので、良好な結晶状態を得ることができる。
【００３３】
さらに、バンドギャップを減少して発光の長波長化を図ることができ、従来の半導体発光素子では困難であった、紫外光から青色または緑色までの波長領域でのバンド端を介した発光を実現することができ、レーザ発振も可能な半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】実施例１の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図３】実施例１の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図４】実施例２の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図５】実施例２の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】実施例２の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図７】実施例３の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図８】実施例３の半導体発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図９】実施例３の半導体発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図１０】実施例４における半導体発光素子（基板１からコンタクト層７までの積層構造）と窒素レーザとの配置を示す斜視図である。
【図１１】実施例１〜３の半導体発光素子（基板１からコンタクト層７までの積層構造）の励起パワー密度と光出力との関係を示すグラフである。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３の積層構造について示す。
【図１２】窒化物半導体のイオン半径とａ軸格子定数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ 低温成長ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層
５ ｉ型Ｇａ0.93Ｇｄ0.07Ｎ活性層
６ ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ障壁層
７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０ ｎ型ＧａＮ障壁層
１１ ｉ型Ａｌ0.88Ｌａ0.12Ｎ活性層
１２ ｐ型ＧａＮ障壁層
１３ ｎ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層
１４ ｉ型ＧａＮ活性層
１５ ｐ型Ａｌ0.9Ｃｒ0.1Ｎ障壁層
Claims (10)
- 窒化物系化合物からなる半導体層を有する半導体発光素子において、
該半導体層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなる半導体発光素子。 - 窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、
該障壁層がＡｌ ｅ Ｇａ ｆ Ｉｎ １−ｅ−ｆ Ｎ（０≦ｅ≦１，０≦ｆ≦１，ｅ＋ｆ≦１）からなり、該活性層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなる半導体発光素子。 - 窒化物系化合物からなる障壁層および活性層を有し、該障壁層上に該活性層が積層された半導体発光素子において、
該障壁層が、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのうちの少なくとも１つの元素Ｘを含む（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１，０＜ｙ＜１）からなり、該活性層がＡｌｃＧａｄＩｎ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）からなる半導体発光素子。 - 前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎがウルツ鉱型結晶構造である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている請求項２に記載の半導体発光素子。
- 前記元素Ｘは、前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎを構成するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素よりもイオン半径の大きい物質であり、前記元素Ｘの添加によって該（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎの格子定数を大きくしている請求項３に記載の半導体発光素子。
- 前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎは、前記元素Ｘの添加によりバンドギャップが減少している請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記窒化物系化合物からなる半導体層は、活性層または障壁層である請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記（Ａｌ ａ Ｇａ ｂ Ｉｎ １ - ａ - ｂ ） １−ｙ Ｘ ｙ Ｎが、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により形成される請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記元素Ｘの割合ｙがｙ≦０．２である請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子。
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