JPH09232631A - ３−５族化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電極の取り付けは容易で、しかも光取り出し効
率の向上した３−５族化合物半導体を用いた発光素子を
提供する。 【解決手段】一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され
る３−５族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する
発光素子において、少なくとも発光層と基板との間に、
一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、かつ
互いに混晶比の異なる２種類の層の繰り返しからなる積
層を有し、各々の層の厚さがそれぞれλ／４ｎ₁ 、λ／
４ｎ₂ （ただし、λは発光波長、ｎ₁ 、ｎ₂ は発光波長
における２種類の層のそれぞれの屈折率である。）に調
整されている３−５族化合物半導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系３−５族化
合物半導体を用いた発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、青色の発光ダイオード（以下、Ｌ
ＥＤと記すことがある。）、半導体レーザー等の発光素
子として、一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ただし、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で
表される３−５族化合物半導体を用いたものが利用され
ている。該化合物半導体は直接遷移型であることから発
光効率が高いこと、ＩｎＮ混晶比ｘにより赤から黄、
緑、青、紫、紫外線領域までの発光波長で発光可能であ
ることから、特に発光素子用材料として有用である。

【０００３】該化合物半導体を用いたＬＥＤでは、光の
取り出し方として、サファイアからなる基板側から取り
出す方法と半導体側から取り出す方法の２種類がある。
基板側から光を取り出す方法は、透明基板のサファイア
を通して取り出すため高い取り出し効率が得られるが、
サファイアが絶縁性であるため電極の取り付けが難し
く、ＬＥＤの組み立て工程が複雑化し、既存のＬＥＤ製
造設備が利用できないという問題があった。一方、半導
体側から取り出す方法は、電極の取り付けは比較的容易
に行えるものの、電極での反射、吸収により光取り出し
効率が低下する問題があった。これを回避する方法とし
て電極を薄くして熱処理することにより光透過率を高く
する方法が知られている（特開平６−３１４８２２号公
報）。しかしながら、この方法でも、電極での光透過率
は十分高くはなく、さらに発光層から基板側に出た光の
利用が不十分なため取り出し効率は依然として十分では
なかった。

【０００４】また、該化合物半導体を用いたＬＥＤは、
発光層のＩｎＮ混晶比ｘの値を増やすと、紫外線から
青、緑、黄、橙、赤と順次長波長の発光を得ることがで
きるようになるが、このとき同時に発光スペクトルの半
値幅も大きくなるため、色純度が悪くなる問題があっ
た。さらに、発光層のＩｎＮ混晶比ｘの値を増やすと、
結晶性も低下するため、発光効率が急速に低下するとい
う問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、電極の取り付けは容易で、しかも光取り出し効率の
向上した３−５族化合物半導体を用いた発光素子を提供
することにある。さらに、本発明の第２の目的は、Ｉｎ
Ｎ混晶比ｘが大きくなっても、発光スペクトルの半値幅
が小さくて色純度がよく、しかも発光効率の高い３−５
族化合物半導体を用いた発光素子を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な事情をみて鋭意検討した結果、各々の層の厚さが発光
波長の１／４に調整されている２種類の混晶比のＧａ
_1-a Ａｌ_a Ｎからなる積層を基板と発光層の間に設ける
ことにより、発光層から基板側に出た光がこの積層構造
部で有効に反射され、半導体側からの光取り出し効率を
向上させることが可能であることを見出し本発明に至っ
た。さらに、発光層の上下に反射機能を持つ構造を導入
し、かつこの反射機能構造に挟まれた領域に含まれる各
層の屈折率と層厚が発光波長と特定の関係になるように
調整することにより、発光スペクトルの半値幅が従来よ
りもきわめて狭くできるとともに、ＩｎＮ混晶比が大き
くなっても高い発光効率が得られることを見出し本発明
に至った。

【０００７】即ち、本発明は、〔１〕一般式Ｉｎ_x Ｇａ
_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導体を用
い、発光層と基板を有する発光素子において、少なくと
も発光層と基板との間に、一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０
≦ａ≦１）で表され、かつ互いに混晶比の異なる２種類
の層の繰り返しからなる積層を有し、各々の層の厚さが
それぞれλ／４ｎ₁ 、λ／４ｎ₂ （ただし、λは発光波
長、ｎ₁ 、ｎ₂ は発光波長における２種類の層のそれぞ
れの屈折率である。）に調整されている３−５族化合物
半導体発光素子に係るものである。

【０００８】また、本発明は、〔２〕一般式Ｉｎ_x Ｇａ
_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導体を用
い、発光層と基板を有する発光素子において、発光層
が、光の反射機能を持つ２つの層により挟まれ、該２つ
の層のうち少なくとも１つの層が一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a
Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、かつ互いに混晶比の異なる
２種類の層の繰り返しからなる積層であり、かつ該反射
機能を持つ２つの層により挟まれた領域に含まれる層の
屈折率と厚さが、発光波長との間に次の関係が成立する
ように調整されている３−５族化合物半導体発光素子に
係るものである。

【数２】 （ただし、ｄは各層の厚さ、ｎは各層の発光波長におけ
る屈折率、λは発光波長、ｍは１以上の整数、添え字ｉ
は発光層の番号、添え字ｊは上下の反射機能を持つ構造
に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
る。）

【０００９】更に、本発明は、〔３〕一般式Ｇａ_1-a Ａ
ｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、かつ互いに混晶比の異
なる２種類の層の繰り返しからなる積層において、該積
層のすべての層または一部の層が、ｎ型またはｐ型の導
電性を有することを特徴とする〔１〕または〔２〕記載
の３−５族化合物半導体発光素子に係るものである。ま
た、本発明は、〔４〕発光層の厚さが５Å以上９０Å以
下であり、かつ発光層がその両側で発光層よりもバンド
ギャップの大きな層に接して挟まれてなる〔１〕、
〔２〕または〔３〕記載の３−５族化合物半導体発光素
子に係るものである。また、本発明は、〔５〕発光層に
含まれる、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、ＺｎおよびＣｄの各元素
の濃度がいずれも１０¹⁹ｃｍ^-3以下である〔１〕、
〔２〕、〔３〕または〔４〕記載の発光素子に係るもの
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明を詳細に説明する。
本発明における３−５族化合物半導体とは、一般式Ｉｎ
_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合
物半導体であり、その積層を含むものである。特に、ｐ
型およびｎ型の該化合物半導体の間に、発光層があり、
該発光層がその両側で発光層よりもバンドギャップの大
きな層で挟まれた構造の発光素子は、いわゆるダブルヘ
テロ構造と呼ばれ、高い発光効率で発光できるため特に
重要である。

【００１１】該３−５族化合物半導体を成長させる基板
としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｚｎ
Ｏ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ₃ ）、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ
₄ ）、ＧａＮ等を用いることができる。このなかでも、
サファイア、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＧａＮが高品質の３−５族化合物半導体結晶を成長
できるので好ましい。導電性の基板の作製が可能である
という点では、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮがさらに好まし
く、大面積の基板が作製できるという点では、Ｓｉ、Ｓ
ｉＣがさらに好ましい。本発明の化合物半導体発光素子
では、反射層により基板側に出た光を有効に反射して半
導体側に取り出せるので、基板に光吸収の性質が大きい
場合には特に本発明の効果が大きい。このような基板と
しては、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等が挙げられる。

【００１２】本発明における３−５族化合物半導体の成
長方法としては、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰ
Ｅ法と記すことがある。）、分子線エピタキシー法（以
下、ＭＢＥ法と記すことがある。）、ハイドライト気相
成長法（以下、ＶＰＥ法と記すことがある。）が挙げら
れるが、複雑な層構成を精度よく作製できる方法とし
て、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法が好ましく、大面積にわた
って均一な膜を作製しやすいＭＯＶＰＥ法がさらに好ま
しい。

【００１３】ＭＯＶＰＥ法による本発明の３−５族化合
物半導体の製造には、以下のような原料を用いることが
できる。３族原料としては、トリメチルガリウム［（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある。］、トリ
エチルガリウム［（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａ、以下ＴＥＧと記
すことがある。］等の一般式Ｒ₁ Ｒ₂ Ｒ₃ Ｇａ（ここで
Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ は低級アルキル基を示す。）で表され
るトリアルキルガリウム；トリメチルアルミニウム
［（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ
₂ Ｈ₅ ）₃ Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある。］、ト
リイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ₄ Ｈ₉ ） ₃ Ａ
ｌ］、等の一般式Ｒ₁ Ｒ₂ Ｒ₃ Ａｌ（ここでＲ₁ 、
Ｒ₂ 、Ｒ₃ は低級アルキル基を示す。）で表されるトリ
アルキルアルミニウム；トリメチルアミンアラン［（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ Ｎ：ＡｌＨ₃ ］；トリメチルインジウム［（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがある。］、トリ
エチルインジウム［（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｉｎ］等の一般式Ｒ
₁ Ｒ₂ Ｒ₃ Ｉｎ（ここでＲ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ は低級アルキ
ル基を示す。）で表されるトリアルキルインジウム等が
挙げられる。これらは単独または混合して用いられる。

【００１４】次に、５族原料としては、アンモニア、ヒ
ドラジン、メチルヒドラジン、１、１−ジメチルヒドラ
ジン、１、２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミ
ン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独
または混合して用いられる。これらの原料のうち、アン
モニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないた
め、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。

【００１５】本発明における３−５族化合物半導体のｐ
型ドーパントとして、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇ、Ｂｅが
挙げられるが、このなかでは低抵抗のｐ型のものがつく
りやすいＭｇが好ましい。Ｍｇドーパントの原料として
は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスメチ
ルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスエチルシク
ロペンタジエニルマグネシウム、ビス−ｎ−プロピルシ
クロペンタジエニルマグネシウム、ビス−ｉ−プロピル
シクロペンタジエニルマグネシウム等の一般式（ＲＣ₅
Ｈ₄ ）₂ Ｍｇ（ここで、Ｒは水素または炭素数１以上４
以下の低級アルキル基を示す。）で表される有機金属化
合物が、適当な蒸気圧を有するために好適に用いられ
る。

【００１６】本発明における３−５族化合物半導体のｎ
型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏが用いられる。こ
の中で、低抵抗のｎ型がつくりやすく、原料純度の高い
ものが得られるＳｉが好ましい。Ｓｉドーパントの原料
としては、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ
₂ Ｈ₆ ）などが用いられる。

【００１７】本発明における、一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ
（０≦ａ≦１）で表され、かつ互いに混晶比の異なる２
種類の層の繰り返しからなる積層は、各々の層の厚さが
発光波長λの１／４ｎ倍に調整されていることを特徴と
する。このとき、正確に１／４ｎ倍であることが好まし
いが、本発明の効果を損なわない範囲である程度誤差が
あってもよい。発光波長λとしては、発光スペクトル幅
内の波長であれば利用できるが、高い発光効率を得るた
めには、発光ピーク波長を利用することが好ましい。こ
のように層の厚さを調整することにより積層構造部は、
発光層から出た光の反射層として機能させることができ
る。この積層構造部を発光層と基板の間に位置させるこ
とにより、発光層から出た光のうち基板側に行く光を半
導体側に反射させて取り出すことができるので光の取り
出し効率を高くすることが可能になる。

【００１８】一般式Ｇａ_a Ａｌ_1-a Ｎ（０≦ａ≦１）で
表される混晶比の異なる２種類の層の繰り返しからなる
積層の反射率は、２種類の層の屈折率の差と、積層の層
数に依存する。２種類の層の屈折率の差は大きくなるほ
ど、反射率を大きくできるので好ましい。Ｇａ_a Ａｌ
_1-a Ｎの屈折率はＡｌＮ混晶比が大きくなるほど小さく
なる。従って最も大きな屈折率差を得る組み合わせはＡ
ｌＮとＧａＮの積層構造である。

【００１９】また、積層の層数は大きいほど、反射率を
大きくできるので好ましい。ＡｌＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ
（０＜ａ＜１）、ＧａＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０＜ａ＜
１）、Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０＜ａ＜１）とＧａ_1-b Ａｌ
_b Ｎ（０＜ｂ＜１、ｂ≠ａ）の組み合わせでも、２種類
の層の屈折率の差は小さくなるものの、層数を増やすこ
とで反射率を高くできるので利用することが可能であ
る。好ましい積層の層数は、２種類の層を１対として、
２対以上１００対以下である。２対よりも小さい場合に
は十分な反射率が得られず好ましくない。また、１００
対よりも大きい場合には成長に時間がかかりすぎるので
実用的でなく好ましくない。

【００２０】本発明における混晶比の異なる２種類の層
の積層からなる反射層は、不純物をドーピングすること
によって積層構造のすべての層または一部を導電性にす
ることができる。ｎ型またはｐ型の導電性を付与した積
層構造を作製する場合に、Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦
１）のＡｌＮの混晶比ａの好ましい範囲は、０．５以下
であり、さらに好ましい範囲としては０．３以下であ
る。ａが０．５よりも大きいと、バンドギャップが大き
くなり、導電性の制御が非常に困難となるので好ましく
ない。

【００２１】また、本発明の３−５族化合物半導体発光
素子は、一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝
１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される
３−５族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する発
光素子において、発光層が、光の反射機能を持つ２つの
層により挟まれ、該２つの層のうち少なくとも１つの層
が一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、か
つ互いに混晶比の異なる２種類の層の繰り返しからなる
積層であり、かつ該反射機能を持つ２つの層により挟ま
れた領域（以下、この領域を光閉じ込め領域と呼ぶ場合
がある）に含まれる層の屈折率と厚さが、発光波長との
間に次の関係が成立するように調整されていることを特
徴とする。

【数３】 （ただし、ｄは各層の厚さ、ｎは各層の発光波長におけ
る屈折率、λは発光波長、ｍは１以上の整数、添え字ｉ
は発光層の番号、添え字ｊは上下の反射機能を持つ構造
に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
る。）

【００２２】以下、図１および図２に示す本発明の発光
素子の構造例をもとに、本発明を更に説明する。図１お
よび図２に示すように、発光層３の両側に、発光層より
もバンドギャップの大きな層４および６が接するいわゆ
るダブルヘテロ構造は、高い発光効率を得るために有効
な構造である。本発明において、このようなダブルへテ
ロ構造を有する場合には、発光層が、光の反射機能を持
つ２つの層により挟まれるということは、ダブルへテロ
構造が光の反射機能を持つ２つの層により挟まれるとい
うことを意味する。

【００２３】図１および図２の例では、光閉じ込め領域
に含まれる層として、発光層および発光層の上側に２
層、発光層の下側に２層ある場合を示す。発光層の下側
における光反射機能は、混晶比の異なる２種類の層の繰
り返しからなる積層構造により付与されている。以下、
該積層を反射膜と呼ぶ場合がある。一方、発光層の上側
における光反射機能は、金属膜または混晶比の異なる２
種類の層の繰り返しからなる積層構造反射膜を利用する
ことで付与できる。図１の例では、ｐ電極金属１２の光
反射機能を利用している。金属膜は作製が簡単なため好
適に利用できるが、金属の材料の種類、膜の厚さによっ
ては充分な反射率が得られない場合がある。この場合に
は、図２の例のように、発光層の上側にも混晶比の異な
る２種類の層の繰り返しからなる積層構造を用いること
で、高い反射率を得ることができる。以下、該積層を反
射膜と呼ぶ場合がある。

【００２４】発光層の上下に光反射機能を有する構造を
設けることで、発光層で発生した光は、上下に反射され
光閉じ込め領域の中に閉じ込められる。このとき光閉じ
込め領域の中に含まれる各層の屈折率と厚さを（１）式
を満たすように調整することにより、上下の反射層の間
で共振器が形成され、発光層で発生した光と上下反射層
で反射された光との間で共鳴がおこり、発光スペクトル
の半値幅が非常に狭くなるとともに、発光効率を大きく
させることができ、さらに光の出射角度が小さくなり指
向性の優れた発光を得ることができると考えられる。

【００２５】ｍの値は、正の整数であればよいが、好ま
しくは２０以下であり、さらに好ましくは１０以下であ
る。２０よりも大きいと成長に時間がかかり実用的でな
いので好ましくない。

【００２６】図３に光閉じ込め領域中での好ましい発光
層の配置の例を模式的にしめす。発光層は、光の電場が
最大になる位置にあることが、大きな発光効率を得るた
めには好ましい。この位置からずれると本発明の効果が
弱まるので好ましくない。好ましい位置の数は、光閉じ
込め領域の厚さに応じてｍ個だけある。ｍが１の場合に
は、発光層の好ましい位置は光閉じ込め領域の中央の１
つだけであるが、ｍが２以上の場合には複数の好ましい
位置がある。複数の好ましい位置がある場合には、その
すべてまたは一部に発光層を設けることができる。この
好ましい位置に発光層を位置させるためには、発光層の
厚さは発光波長に比べて十分小さいことが必要であり、
先に述べた好ましい厚さの範囲がやはり有効である。

【００２７】光閉じ込め領域の厚さは、（１）式が満足
されるように、発光波長の１／２の正確に整数倍である
ことが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲であ
る程度誤差があってもよい。効果の得られる誤差の範囲
は、好ましくはプラスマイナス０．２以下である。これ
よりも誤差が大きい場合には本発明の効果が弱められる
ので好ましくない。

【００２８】光の取り出し方向は、上下の反射膜の反射
率できまり、反射率の小さい側から光が取り出せる。半
導体側（基板の反対側）から光を取り出す構造の方が、
ＬＥＤ組立工程が簡単となるので好ましい。したがって
下側の反射率が上側の反射率よりも大きくなるようにす
ることが好ましい。

【００２９】本発明の発光素子に用いられる発光層とし
ては、一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−
５族化合物半導体において、ＩｎＮ混晶比（ｘの値）が
１０％以上の該化合物半導体がバンドギャップを可視部
にできるため表示用途に特に有用である。また、ＩｎＮ
混晶比が１０％未満の該化合物半導体は紫外線領域の発
光を得ることができるので紫外線半導体レーザー用途に
特に有用である。Ａｌを含むものはＯ等の不純物を取り
込みやすく、発光層として用いた場合、発光効率が下が
る場合がある。このような場合には、発光層としてはＡ
ｌを含まない一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＝
１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるものを利用す
ることができる。

【００３０】発光層の好ましい厚さの範囲としては、５
Å以上５００Å以下であり、さらに好ましくは５Å以上
９０Å以下である。層の厚さを小さくすることで、電荷
を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、発光
効率を向上させることができる。しかしながら、層の厚
さが５Åより小さい場合、発光効率が充分でなくなるの
で好ましくない。また、５００Åより大きい場合、電荷
を高密度に発光層に閉じ込めることができなくなり効率
が低下するため好ましくない。

【００３１】該化合物半導体の格子定数は、ＩｎＮ混晶
比により大きく変化する。ＩｎＮの格子定数は、ＧａＮ
またはＡｌＮに対して約１２％またはそれ以上大きい。
このため、該化合物半導体の各層のＩｎＮ混晶比によっ
ては、層と層との間の格子定数に大きな差が生じること
がある。大きな格子不整合があると、結晶に欠陥が生じ
結晶品質を低下させる原因となる場合がある。格子不整
合による欠陥の発生を抑えるためには、格子不整合によ
る歪みの大きさに応じてＩｎＮを含む層の厚さを小さく
しなければならない。好ましい厚さの範囲は歪みの大き
さに依存し、格子不整合が大きいほどＩｎＮを含む層の
厚さを薄くする必要がある。Ｇａ_a Ａｌ_1-a Ｎ上にＩｎ
Ｎ混晶比が１０％以上の該化合物半導体を積層する場
合、ＩｎＮを含む層の好ましい厚さは５Å以上５００Å
以下である。ＩｎＮを含む層の厚さが５Åより小さい場
合、発光効率が充分でなくなる。また、５００Åより大
きい場合、欠陥が発生しやはり発光効率が充分でなくな
る。更に好ましい厚みの範囲は５Å以上９０Å以下であ
る。

【００３２】発光層の厚さを上記範囲のように非常に薄
くして、高密度に電荷を閉じ込める構造になると、電子
とホールが発光層で再結合せずに発光層を通過してしま
う、いわゆるキャリアオーバーフロー現象がおこり、発
光効率がかえって低下する場合がある。これを防ぐため
には、発光層とその両側の層のバンドギャップの差を大
きくすることが有効である。好ましいバンドギャップの
差の大きさは０．１ｅＶ以上である。さらに好ましくは
０．３ｅＶ以上である。このような大きなバンドギャッ
プの差をつくるためには、発光層に接する両側の層の組
成はＧａ_1-c Ａｌ_c Ｎ（０≦ｃ≦１）であることが好ま
しい。

【００３３】ＩｎＮを含む発光層は、熱的な安定性がＩ
ｎＮを含まない層に比べて劣る場合がある。このため、
発光層の後に成長する層の成長条件によっては、発光層
の結晶性が低下する場合がある。これを防ぐには、発光
層の次に成長する層にＩｎＮを含まないＧａ_1-d Ａｌ_d
Ｎ（０≦ｄ≦１）を利用することで、発光層を保護する
機能を持たせることが可能である。この保護層は先に述
べた、発光層とのバンドギャップの差を大きくする機能
を併せ持たせることができる。

【００３４】発光層に不純物をドープすることで、発光
層のバンドギャップとは異なる波長で発光させることが
できる。これは不純物からの発光であるため、不純物発
光と呼ばれる。不純物発光の場合、発光波長は発光層の
３族元素の組成と不純物元素により決まる。この場合、
発光層のＩｎＮ混晶比は５％以上が好ましい。ＩｎＮ混
晶比が５％より小さい場合、発光する光はほとんど紫外
線であり、充分な明るさを感じることができない。Ｉｎ
Ｎ混晶比を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波
長を紫から青、緑、黄、赤へと調整できる。

【００３５】不純物発光に適した不純物としては、２族
元素が好ましい。２族元素のなかでは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ
ｄをドープした場合、発光効率が高いので好適である。
とくにＺｎが好ましい。これらの元素の濃度は、１０¹⁸
〜１０²²ｃｍ^-3が好ましい。発光層はこれらの２族元素
とともにＳｉあるいはＧｅを同時にドープしてもよい。
Ｓｉ、Ｇｅの好ましい濃度範囲は１０¹⁸〜１０²²ｃｍ^-3
である。

【００３６】不純物発光の場合、一般に発光スペクトル
がブロードになり、注入電荷量が増すにつれて発光スペ
クトルがシフトしたり、バンド端発光のピークが現われ
てくるなど好ましくない発光特性を有しており、また発
光効率を高くすることが難しい。このため、高い色純度
が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中さ
せることが必要な場合、あるいは高い発光効率の素子が
必要な場合にはバンド間発光を利用する方が有利であ
る。バンド間発光による発光素子を実現するためには、
発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなければならな
い。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、ＣｄおよびＺｎの
各元素について、濃度が１０¹⁹ｃｍ^-3以下が好ましい。
更に好ましくは１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。

【００３７】バンド間発光の場合、発光色は発光層の３
族元素の組成で決まる。可視部で発光させる場合、Ｉｎ
Ｎ混晶比は１０％以上が好ましい。ＩｎＮ混晶比が増え
るにつれて発光波長が長くなり、発光波長を紫から青、
緑、黄色、赤へと調整できる。紫外線半導体レーザー用
途に利用する場合、ＩｎＮ混晶比は１０％以下が好まし
い。

【００３８】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳しく説明する
が本発明はこれらに限定されるものではない。 実施例１ ＭＯＶＰＥ法による気相成長により図２に示す３−５族
化合物半導体を成長し、発光波長４５００ÅのＬＥＤを
作製する。基板１１としては、サファイア（０００１）
面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用いる。成長は低
温成長バッファ層を用いる２段階成長法による。ＴＭＧ
とアンモニアを原料とし、キャリアガスとして水素を用
いて、５５０℃でＧａＮからなるバッファ層１０を５０
０Å成膜した後、１１００℃で、ＴＭＧ、アンモニアお
よびドーパントとしてシラン（ＳｉＨ₄ ）を用いてｎ型
ＧａＮ層９を３μｍ成長する。次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、
アンモニアおよびドーパントとしてシラン（ＳｉＨ₄）
を用いてｎ型の導電性を有する積層８（反射膜）を作製
する。該積層を構成する２種類の層は、ＧａＮとＧａ
_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）である。各々の層の屈折率
は４５００Åにおいて２．４７３、および２．３４７で
あるので、各層の厚さは４５５Å、４７９Åに調整す
る。この２種類の層を１対として３０対の積層からなる
反射膜を、最初にＧａＮ層から成長する。

【００３９】次に、発光層を１層含む光閉じ込め領域２
を成長する。ＴＭＧ、アンモニアおよびドーパントとし
てシラン（ＳｉＨ₄ ）を用いてｎ型の導電性を有するＧ
ａＮ層７を１１００Å成長した後、７８５℃で、キャリ
アガスを窒素とし、ＴＥＧ、ＴＥＡ、アンモニアおよび
ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ₄ ）を用いてｎ型の導
電性を有するＧａ_1-c Ａｌ_c Ｎ（ｃ＝０．２）層６を２
５０Å成長し、次にＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い
て発光層であるＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層３を５０Å成長
し、さらにＴＥＧ、ＴＥＡ、アンモニアを用いてＧａ
_1-d Ａｌ_d Ｎ（ｄ＝０．２）層４を２５０Å成長し、最
後に１１００℃でＴＭＧ、アンモニアおよびｐ型ドーパ
ント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム
（（Ｃ₅ Ｈ₅）₂ Ｍｇ、以下Cｐ₂ Ｍｇと記することがあ
る）を用いてＭｇドープｐ型ＧａＮ層５を１１００Å成
長する。発光層５であるＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層の組成か
らきまる発光ピーク波長は４５００Åであり、光閉じ込
め領域の厚さはこの１／２波長の３倍に調整されてい
る。

【００４０】次にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアおよびｐ
型ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグ
ネシウム（（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ Ｍｇ、以下、Ｃｐ₂ Ｍｇと記
すことがある。）を用いて、ＭｇドープしたＧａＮとＧ
ａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）の積層１からなる反射膜
を成長する。各層の厚さはＧａＮ層は４５５Å、Ｇａ
_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）層は４７９Åに調整する。
この２種類の層を１対として２０対の積層構造反射膜
を、最初にＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）層から成長
する。成長終了後、基板を取り出し、窒素中８００℃で
熱処理を行ない、ＭｇをドープしたＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ
（ａ＝０．２）とＧａＮの積層１からなる反射膜、およ
び光閉じ込め領域内のＭｇをドープしたＧａＮ層を低抵
抗のｐ型ＧａＮ層５とする。

【００４１】以上の方法で成長した３−５族化合物半導
体を用いて、常法に従いｐ電極としてＮｉ−Ａｕ合金、
ｎ電極としてＡｌを用いてＬＥＤを作製する。２０ｍＡ
の順方向電流を流したところ、明瞭な青色発光がおもに
ｐ電極側から認められ、基板側からの発光は非常に弱
い。

【００４２】実施例２ ＭＯＶＰＥ法による気相成長により図１に示す構造の３
−５族化合物半導体を成長し、発光波長５２００ÅのＬ
ＥＤを作製する。発光層３の組成をＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ｎ
とし、これに合わせて、発光層３の下側のＧａＮとＧａ
_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）の積層５からなる反射膜に
おける各層の厚さを各々５３６Å、５６０Åとし、光閉
じ込め領域内のＧａＮ層５および７の層厚を１３４０Å
とし、発光層の上側にはＧａＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ
＝０．２）の積層からなる反射膜を成長しないことを除
いては、実施例１とほぼ同様にして３−５族化合物半導
体を成長する。ただし発光層３および発光層３に接する
上下のＧａ_1-d Ａｌ_d Ｎ層４（ｄ＝０．２）およびＧａ
_1-c Ａｌ_c Ｎ層６（ｃ＝０．２）の成長温度は７５０℃
とする。常法に従いｐ電極としてＮｉ−Ａｕ合金、ｎ電
極としてＡｌを用いてＬＥＤを作製する。ｐ電極は反射
率を大きくとるために通常よりも厚くし、５０００Å堆
積する。２０ｍＡの順方向電流を流したところ、明瞭な
緑色発光がおもにｐ電極側から認められ、基板側からの
発光は非常に弱い。

【００４３】実施例３ ＭＯＶＰＥ法による気相成長により図４に示す構造の３
−５族化合物半導体を成長し、発光波長４０６０Åの紫
色発光レーザーを作製する。サファイア基板の代わりに
ｎ型の導電性を有する６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）Ｓｉ
面基板を用い、ＳｉＣ基板全面にＳｉＯ₂ 膜を真空蒸着
法により３０００Å堆積させる。次に通常のフォトリソ
グラフィーの方法をもちいてフォトレジストパターンを
形成した後、フッ酸処理を行い、ＳｉＯ₂ マスクパター
ンを作製する。ＳｉＯ₂ マスクパターンつき基板上に、
発光層３の組成をＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎとし、これに合わ
せて、発光層３の上側のＧａＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ
＝０．２）との積層１からなる反射膜および下側のＧａ
ＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（ａ＝０．２）との積層８からな
る反射膜におけるＧａＮ層の厚さとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎ層
の厚さをそれぞれ４００Å、４２６Åとし、、光閉じ込
め領域内のＧａＮ層５およびＧａＮ層７の厚さを１３４
０Åとしたことを除いては、実施例１とほぼ同様にして
３−５族化合物半導体を成長する。このとき、ＳｉＯ₂
マスクのない部分のみに選択的に３−５族化合物半導体
が成長する。ただし、発光層３および発光層３に接する
上下のＧａ_1-d Ａｌ_d Ｎ層４（ｄ＝０．２）およびＧａ
_1-c Ａｌ_c Ｎ層６（ｃ＝０．２）の成長温度は８１５℃
とする。

【００４４】次に、Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチン
グによりｎ型層までエッチングし、ストライプ状にｐ型
層部分が残るように加工する。次に、ｐ電極１２として
ストライプ状のＮｉ−Ａｕ合金を形成し、ｎ電極１３と
して基板裏面にＮｉ電極を全面に形成し、さらにｎ型基
板とｎ型層間の電流経路を形成するためにＡｌおよびＮ
ｉを用いて電極１４を形成する。次に、ＳｉＣ基板を、
ダイシングと劈開によりレーザーチップに分割する。劈
開して得られた、サイド面にＡｌを用いて反射膜を形成
して共振器構造をつくる。こうして半導体レーザーを作
製する。順方向パルス電流を流したところ、明瞭な紫色
の誘導放出光が見られる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、発光層と基板との間に
特定の構造の積層からなる反射膜を設けることにより、
発光層から基板側に出た光を、半導体側に有効に反射す
るため、半導体側（基板と反対側）からの光の取り出し
効率を大きくでき、発光効率を向上させることができ
る。さらに、本発明によれば、発光層の上下に光の反射
機能を有する構造を設け、光閉じ込め領域の厚さを発光
波長の１／２の整数倍に調整することにより、発光効率
を向上させ、発光スペクトルを狭くさせることができる
ので、きわめて有用であり、工業的価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化合物半導体発光素子の構造の例を示
す断面図

【図２】本発明の化合物半導体発光素子の構造の別の例
を示す断面図

【図３】本発明の化合物半導体発光素子における、光閉
じ込め領域内での発光層の好ましい配置の例を示す模式
図

【図４】実施例３における化合物半導体発光素子の構造
を示す断面図

【符号の説明】

１・・・・ｐ型ＧａＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎとの積層 １−１・・ｐ型Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ層 １−２・・ｐ型ＧａＮ層 ２・・・・光閉じ込め領域 ３・・・・発光層 ４・・・・Ｇａ_1-d Ａｌ_d Ｎ層 ５・・・・ｐ型ＧａＮ層 ６・・・・Ｇａ_1-c Ａｌ_c Ｎ層 ７・・・・ｎ型ＧａＮ層 ８・・・・ｎ型ＧａＮとＧａ_1-a Ａｌ_a Ｎとの積層 ８−１・・ｎ型ＧａＮ層 ８−２・・ｎ型Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ層 ９・・・・ｎ型ＧａＮ層 １０・・・・バッファ層 １１・・・・基板 １２・・・・ｐ電極 １３・・・・ｎ電極 １４・・・・電流経路を形成するための電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 勝美 茨城県つくば市北原６ 住友化学工業株式 会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ
   ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され
   る３−５族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する
   発光素子において、少なくとも発光層と基板との間に、
   一般式Ｇａ_{1- a} Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、かつ
   互いに混晶比の異なる２種類の層の繰り返しからなる積
   層を有し、各々の層の厚さがそれぞれλ／４ｎ₁ 、λ／
   ４ｎ₂（ただし、λは発光波長、ｎ₁ 、ｎ₂ は発光波長
   における２種類の層のそれぞれの屈折率である。）に調
   整されていることを特徴とする３−５族化合物半導体発
   光素子。
2. 【請求項２】一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ
   ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され
   る３−５族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する
   発光素子において、発光層が、光の反射機能を持つ２つ
   の層により挟まれ、該２つの層のうち少なくとも１つの
   層が一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で表され、
   かつ互いに混晶比の異なる２種類の層の繰り返しからな
   る積層であり、かつ該反射機能を持つ２つの層により挟
   まれた領域に含まれる層の屈折率と厚さが、発光波長と
   の間に次の関係が成立するように調整されていることを
   特徴とする３−５族化合物半導体発光素子。 【数１】 （ただし、ｄは各層の厚さ、ｎは各層の発光波長におけ
   る屈折率、λは発光波長、ｍは１以上の整数、添え字ｉ
   は発光層の番号、添え字ｊは上下の反射機能を持つ構造
   に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
   し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
   る。）
3. 【請求項３】一般式Ｇａ_1-a Ａｌ_a Ｎ（０≦ａ≦１）で
   表され、かつ互いに混晶比の異なる２種類の層の繰り返
   しからなる積層において、該積層のすべての層または一
   部の層が、ｎ型またはｐ型の導電性を有することを特徴
   とする請求項１または２記載の３−５族化合物半導体発
   光素子。
4. 【請求項４】発光層の厚さが５Å以上９０Å以下であ
   り、かつ発光層がその両側で発光層よりもバンドギャッ
   プの大きな層に接して挟まれてなることを特徴とする請
   求項１、２または３記載の３−５族化合物半導体発光素
   子。
5. 【請求項５】発光層に含まれる、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚ
   ｎおよびＣｄの各元素の濃度がいずれも１０¹⁹ｃｍ^-3以
   下であることを特徴とする請求項１、２、３または４記
   載の発光素子