JP2001168384A

JP2001168384A - 窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2001168384A
Application number: JP34917499A
Authority: JP
Inventors: Motokazu Yamada; 元量山田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-06-22
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP4501194B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＡｌＧａＮからなる窒化物半導体を用いた発光
素子に関し、特に、異なる色を発する井戸層を積層し、
それらの色を混色して、所望の演色性を有する光を発す
る発光素子に関する。【解決手段】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の井
戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井戸層が発す
る光の主ピークよりも長い主ピーク波長の光を発する、
第２の井戸層を有する第２の発光領域と、該第２の井戸
層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の
光を発する、第３の井戸層を有する第３の発光領域と、
を備えた多重量子井戸構造からなる活性層を有する窒化
物半導体発光素子において、該活性層はｐ型窒化物半導
体層側から見て、第１、第３、第２の発光領域の順で積
層された構成を少なくとも１つ含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-Y
Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる窒化物半導
体を用いた発光素子に関し、特に、異なる色を発する井
戸層を積層し、それらの発光を混色して、所望の演色性
を有する光を発する発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年窒化物半導体を用いた発光素子の開
発によって、青色、緑色の発光が可能となり、これによ
り赤色、緑色、青色（いわゆるＲＧＢ）の高輝度タイプ
の発光素子が量産されるようになった。特に窒化物半導
体を用いた発光素子は、その混晶比を変化させることに
より紫外域から赤色領域まで発光色を調整することが可
能である。

【０００３】一方、発光素子の高輝度、低消費電力、小
型化可能や高信頼性などの優れた特性を生かして、例え
ば、車載メータの光源、液晶バックライト光源や各種照
明などの技術分野で、その利用が急速に広がりつつあ
る。

【０００４】このような発光素子の利用分野において、
特に白色が人間の目には快適で好感を与える色であり、
特に需要が高い。これまで白色光を実現するためには、
赤色、緑色、青色、あるいは青色および黄色などの異な
る発光色を有する複数の発光素子を同一ステム上に配置
して、それら発光色の混色により希望の白色光を得る
か、あるいは、青色発光する発光素子とその補色関係に
ある黄色で蛍光発光する蛍光物質とを用いて白色光を得
ていた。

【０００５】さらに特開平１１−２８９１０８では少な
くともＩｎとＧａとを含む窒化ガリウム系化合物半導体
からなる発光層を含んだ積層構造を持つ窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子において、前記発光層は、面内で
Ｉｎ比率の比較的小さい領域とＩｎ比率の比較的大きい
領域とを有し、それぞれの領域からの発光の混合によ
り、前記発光層からの発光が白色となる単一の素子構造
の窒化物半導体発光素子を開示している。また特開平１
０−２２５２５では多重量子井戸構造の各井戸層の混晶
比を変化させることで禁制帯幅を変化させることがで
き、発光のピーク波長を混晶比により変化させている。
これにより、活性層は混晶比の違うＡｌＧａＩｎＮから
なる２つまたは３つの発光領域を有し、白色発光する窒
化物半導体発光素子を開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら複数の発
光素子を同一のステム上に配置して白色光を得る場合、
混色性（光を混合したときに１つの色として一様に見え
る見え方）を向上させるために複数の発光素子同士を近
づける必要はあるが、これには限界がある。同様に蛍光
体を利用して白色光を得る場合、発光素子に蛍光体を付
着させる必要があり、工程が複雑となる。

【０００７】また、特開平１１−２８９１０８ではほぼ
青色の短波長側の発光とほぼ黄緑色の長波長側の発光と
の２色により白色発光を実現しているが、２色による発
光では高い演色性Ｒａを得ることができず、せいぜいＲ
ａ≦５５である。特開平１０−２２５２５では２つまた
は３つの発光領域を光取り出し面に近い側から禁制帯幅
が広くなるように設定されている。しかし単一の素子構
造内に複数の異なる混晶比を有する発光層がある場合、
すべての発光層に同一の電流がかかってしまうので、所
望の色の発光色を得るためにはそれぞれの混晶比、膜厚
等を制御しなければならず、特に同一膜厚では発光効率
が低いという問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は演色性の高い、
また発光効率の高い所望の演色性を有する光を発する発
光素子を得るものであり、Ｉｎを含む窒化物半導体から
なる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発光
領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長より
も長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半
導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する第
２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク
波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む
窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層を
有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造か
ら成る活性層を有する窒化物半導体発光素子において、
該活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光
領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層され
た構成を少なくとも１つ含んでなることを特徴とする。
この構成により所望の演色性を有する光を発する発光効
率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。

【０００９】また、本発明はＩｎを含む窒化物半導体か
らなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発
光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よ
りも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物
半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する
第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピー
ク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含
む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層
を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造
から成る活性層を有する窒化物半導体発光素子におい
て、該活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の
発光領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層
された構成のみから成ることを特徴とする。この構成に
より比較的簡単に所望の演色性を有する光を発する発光
効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。

【００１０】また、本発明はＩｎを含む窒化物半導体か
らなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発
光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よ
りも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物
半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する
第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピー
ク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含
む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層
を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造
から成る活性層を有する窒化物半導体発光素子におい
て、活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、
第１の井戸層、障壁層、第３の井戸層、障壁層、第２の
井戸層、障壁層の順で積層された構成を少なくとも１つ
含むことを特徴とする。この構成により比較的簡単に所
望の演色性を有する光を発する発光効率の高い窒化物半
導体発光素子を得ることができる。

【００１１】また、本発明はＩｎを含む窒化物半導体か
らなる少なくとも１つの第１の井戸層を有する第１の発
光領域と、該第１の井戸層が発する光の主ピーク波長よ
りも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物
半導体から成る少なくとも１つの第２の井戸層を有する
第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピー
ク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含
む窒化物半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層
を有する第３の発光領域と、を備えた多重量子井戸構造
から成る活性層を有する窒化物半導体発光素子におい
て、活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、
第１の井戸層、障壁層、第３の井戸層、障壁層、第２の
井戸層、障壁層の順で積層された構成のみからなること
を特徴とする。この構成により最も簡単に所望の演色性
を有する光を発する発光効率の高い窒化物半導体発光素
子を得ることができる。

【００１２】また、本発明は前記第１の井戸層が発する
光の主ピーク波長が４００乃至４８０ｎｍで、上記第２
の井戸層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５７０
ｎｍで、上記第３の井戸層が発する光の主ピーク波長が
５７０乃至８００ｎｍであることを特徴とする。この構
成により所望の演色性を有する白色光の発光効率の高い
窒化物半導体発光素子を得ることができる。

【００１３】また、本発明は第１の井戸層が発する光の
主ピーク波長が４２０乃至４６０ｎｍ、上記第２の井戸
層が発する光の主ピーク波長が４８０乃至５２０ｎｍ、
上記第３の主ピーク波長が５７０乃至６００ｎｍである
ことを特徴とする。この構成により赤色領域程度の長波
長で発光する井戸層を設けることなく所望の演色性を有
する白色光の発光効率の高い窒化物半導体発光素子を得
ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図を用いて本発明を詳細に
説明するが、これらは単に例示的なものであって、本発
明を限定するものではない。単一の素子構造内に複数の
異なる混晶比を有する発光層を有する活性層を形成する
ことで、白色発光の窒化物半導体発光素子が得られる。
これは同一ステム上にＲＧＢ等の異なる発光色を有する
複数の発光素子を配置して、それらの発光色の混色によ
り希望の白色光を得る場合と比べて小型化でき、消費電
力も抑えることができるので多岐にわたる応用が考えら
れる。しかしながら単一の素子構造内に複数の異なる混
晶比を有する発光層がある場合、すべての発光層に同一
の電流がかかってしまうので、所望の色の発光色を得る
ためにはそれぞれの混晶比、膜厚等を制御しなければな
らず、特に同一膜厚では発光効率が低いという問題があ
った。

【００１５】そこで我々は鋭意研究を重ね、窒化物半導
体発光素子における以下の特徴を踏まえ、発光効率の高
い窒化物半導体発光素子を開発するに至った。窒化物半
導体発光素子の特徴の１つとしては、ｎ型窒化物半導体
層とｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層はその活性層
中ではｐ型窒化物半導体層に近い方が良く光るという点
が挙げられる。これは一般の発光ダイオードの特徴でも
あり、ｎ型窒化物半導体層から活性層に供給される電子
とｐ型窒化物半導体層から供給されるホールとを比較し
た場合、ホールの方が質量が大きいため、活性層中のｎ
型窒化物半導体層側まで達するホールは少なく、活性層
中でもｐ型窒化物半導体層側にホールが多く存在してし
まう。逆に電子はホールより質量が小さいため、ｐ型窒
化物半導体層側にも多く存在する。このことから電子と
ホールとの再結合は、活性層中でもｐ型窒化物半導体層
側で起こりやすい。これが大きな要因となって、ｐ型窒
化物半導体層に近い方が良く光ると考えられている。

【００１６】窒化物半導体発光素子のもう１つの特徴と
しては、発光層はバンドギャップの小さい層から光り始
める点である。これに関しては具体的な要因はわかって
いないが、バンドギャップの小さい方から伝導体に電子
がたまっていくので、小さい方から光り始めるのではな
いかと推測できる。

【００１７】さらに窒化物半導体発光素子のもう１つの
特徴としては、長波長での発光ほど出力が小さくなる点
である。これに関しても具体的な要因はわかっていない
が、窒化物半導体発光素子は発光層の混晶比を変えるこ
とで紫外域から赤色領域までの発光が可能であり、窒化
物半導体発光素子として代表的な青色発光（４２０ｎｍ
程度）は発光層としてはＩｎＧａＮが使われる。さらに
このＩｎＧａＮのＩｎの混晶比を高くすることで、長波
長の領域での発光が可能となる。しかしながら基本的に
窒化物半導体発光素子はＧａＮで形成されているため、
長波長の発光を得るために発光層のＩｎの混晶比を大き
くすると、該発光層とその他の層との間の格子歪が大き
くなってしまい、該発光層の結晶性が悪くなってしま
う。結晶性が悪くなると当然のことながら発光出力も下
がってしまう。これが長波長での発光ほど出力が小さく
なる要因ではないかと推測できる。

【００１８】以上をまとめると窒化物半導体発光素子の
特徴として、１）活性層中ではｐ型窒化物半導体層に近
い方が良く光る、２）発光層はバンドギャップの小さい
層から光り始める、３）長波長の発光ほど出力が小さく
なる、ことが挙げられる。これらの特徴から、活性層を
ｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光領域、第３
の発光領域、第２の発光領域の順で積層することで、発
光効率の高い窒化物半導体発光素子が得られる。これ
は、３）の長波長の発光ほど出力が小さくなることから
第３の井戸層を有する第３の発光領域は出力が他と比べ
て小さくなるという特徴を、第３の発光領域を、良く光
るｐ型窒化物半導体層側に形成することで補い、出力を
高めている。しかしながらｐ型窒化物半導体層に最も近
い発光層を第３の井戸層を有する第３の発光領域として
しまうと、２）のバンドギャップが小さい方から光り始
めるので、結果的に他の層より出力が高くなってしま
う。そこで、最後に光り始める短波長の第１の井戸層を
有する第１の発光領域をｐ型窒化物半導体層に最も近い
層とすることで、どの発光領域での発光も強く成りすぎ
ないようにしている。すなわち、活性層中で最も短い波
長を有する発光領域をｐ型窒化物半導体側に最も近い層
とし、活性層中で最も長い波長を有する発光領域をその
次にｐ型窒化物半導体側に近い層とすることで、所望の
演色性を有する、発光効率の高い窒化物半導体発光素子
を実現した。また、その他の波長を有する発光領域の位
置はこだわらないが、その他の中間の波長を有する発光
領域は２）、３）それぞれの特徴を少なからず有してい
るので、１）の良く光るｐ型窒化物半導体層側とは反対
のｎ型窒化物半導体側に形成するのが好ましい。

【００１９】本発明において、ここでは少なくとも１つ
の第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第１の井
戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波長
の光を発する、少なくとも１つの第２の井戸層を有する
第２の発光領域と、該第２の井戸層が発する光の主ピー
ク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、少なくと
も１つの第３の井戸層を有する第３の発光領域と、を備
えた多重量子井戸構造から成る活性層を有する窒化物半
導体発光素子について説明したが、例えば上記３つの発
光領域にとどまらず、少なくとも１つの第（ｎ−１）の
井戸層を有する光の主ピーク波長よりも長い主ピーク波
長の光を発する、少なくとも第ｎの井戸層を有する第ｎ
の発光領域を有するような、ｎ種の異なる波長をもつｎ
個の発光領域を備えた多重量子井戸構造から成る活性層
（４≦ｎ）からなる窒化物半導体発光素子の場合でも、
主ピーク波長が最も短い第１の井戸層を有する第１の発
光領域をｐ型窒化物半導体側の最も近くに、その次にｐ
型不純物半導体に近い層として、主ピーク波長が最も長
い第ｎの井戸層を有する第ｎの発光領域を形成すること
で、４種以上の主ピーク波長の異なる井戸層を有する活
性層でも、所望の演色性を有する、発光効率の高い窒化
物半導体発光素子を得ることができる。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例にかかる窒化物半導
体発光素子の構造を示す模式的な断面図である。以下こ
の図を元に実施例１について説明する。なお、本発明の
発光素子は図１の構造に限定されるものではない。（実施例１）図１は、本発明の発光素子１００を示す模
式的断面図である。発光素子１００は、サファイア基板
１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２、アンドープＧａ
Ｎ層１０３、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタク
ト層兼クラッド層１０４、超格子層１０５、多重量子井
戸構造からなる活性層１０６、ＭｇドープのＡｌＧａＮ
からなるｐ型クラッド層１１１、ＭｇドープのＧａＮか
らなるｐ型コンタクト層１１２が順に形成されている。
また活性層１０６は、障壁層１０７とＩｎＧａＮからな
る第２の井戸層１０８、第３の井戸層１０９および第１
の井戸層１１０とから構成されている。またすべての井
戸層のうち、第１の井戸層のＩｎ含有量が最も少なく、
第３の井戸層のＩｎ含有量が最も多い。さらに活性層１
０６はｎ型コンタクト層側から順に第２の井戸層１０
８、第３の井戸層１０９、第１の井戸層１１０が障壁層
１０７に挟まれて形成されている。

【００２１】またｐ型コンタクト層１１２上にｐ側透明
電極１１３、ｐ側パッド電極１１４が、ｎ型コンタクト
層１０４上にｎ電極１１５が形成されていることで、混
色光が発光可能な発光素子１００を形成することができ
る。次に、本発明にかかる発光素子の形成方法について
説明する。

【００２２】ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成膜し
て発光素子を形成する。まず、洗浄した２インチのサフ
ァイア（Ｃ面）よりなる基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の
反応容器内にセットする。反応容器を真空化しつつ、Ｈ
₂を流して容器内をＨ₂で十分置換した後、基板温度を１
０５０℃まで上昇させて、基板１０１をクリーニングす
る。尚、半導体基板１０１としては、Ｃ面サファイアの
他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（Ｍ
ｇＡｌ₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４
Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、およびＧ
ａＮなどの材料を用いることができる。

【００２３】次に、成膜温度を５１０℃まで下げＴＭＧ
（トリメチルガリウム）、ＮＨ₃を原料ガス、Ｈ₂をキャ
リアガスとして供給し、厚さ約１５０ÅのＧａＮ層をサ
ファイア基板１０１上に成膜して、バッファ層１０２を
形成する。なお、バッファ層１０２はＧａＮの他、Ａｌ
ＮやＡｌＧａＮなどの材料を利用することができる。

【００２４】続いて、原料ガスの流入を一旦止め、キャ
リアガスを流しながら、基板温度を１０５０℃に上げ
る。成膜温度が安定した後、ＴＭＧおよびＮＨ₃を原料
ガスＨ２をキャリアガスとして流し、厚さ１．５μｍの
アンドープＧａＮ層をバッファ層１０２上に積層する。

【００２５】そして、成膜温度を１０５０℃に維持した
まま、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃、キャリアガ
スとしてＨ₂、不純物ガスとしてＳｉＨ₄を流し、５×１
０¹⁸／ｃｍ³のＳｉ不純物濃度を有するＧａＮ層である
ｎ型コンタクト層１０４を厚さ２．２５μｍでアンドー
プＧａＮ層１０３上に形成する。

【００２６】さらに、活性層１０６の結晶性を向上さ
せ、均一に全面発光させるために、ｎ型コンタクト層１
０４上に超格子層１０５を形成することが好ましい。成
膜温度を１０５０℃に維持した状態で、不純物ガスであ
るＳｉＨ₄の供給を制御することにより、厚さ約７５Å
のアンドープＧａＮ層と、厚さ約２５ÅのＳｉドープＧ
ａＮ層とを成膜する。これを１周期として、２５周期繰
り返して総膜厚２５００Åの超格子層１０５をｎ型コン
タクト層１０４上に成膜する。なお、超格子層１０５を
構成するＳｉドープＧａＮ層は、互いに異なる不純物濃
度（Ｓｉ）を有し、いわゆる変調ドープされている。

【００２７】次に、多重量子井戸構造の活性層１０６の
構成を詳細に説明する。多重量子井戸構造の活性層１０
６は、厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と
厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第２の井戸層１０
８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０
７と厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第３の井戸層１
０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１
０７と厚さ約３０ÅのＩｎＧａＮからなる第１の井戸層
１１０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層
１０７を積層する。

【００２８】さらに、多重量子井戸構造の活性層１０６
の具体的な形成方法について説明する。ＭＯＣＶＤ法を
用いて成膜温度１０５０℃で、原料ガスとしてＴＭＧお
よびＮＨ₃、キャリアガスとしてＨ₂を流すことにより、
約２５０Åの厚さの障壁層１０７を超格子層１０５上に
成膜する。

【００２９】続いて原料ガスの流入を一旦止め、成膜温
度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとしてＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＮＨ₃、キ
ャリアガスとしてＮ₂を流すことにより、約３０Åの厚
さのＩｎ_0.63Ｇａ_0.37Ｎを成膜して第２の井戸層を形成
する。

【００３０】その後、成膜温度を１０５０℃とし原料ガ
スとしてＴＭＧおよびＮＨ₃、キャリアガスとしてＨ₂を
流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０
７を第２の井戸層１０８上に成膜する。

【００３１】続いて原料ガスの流入を一旦止め、成膜温
度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとしてＴＭ
Ｇ、ＴＭＩおよびＮＨ₃、キャリアガスとしてＮ₂を流す
ことにより、約３０Åの厚さのＩｎ_0.84Ｇａ_0.16Ｎを成
膜して第３の井戸層１０９を形成する。

【００３２】その後、成膜温度を１０５０℃とし原料ガ
スとしてＴＭＧおよびＮＨ₃、キャリアガスとしてＨ₂を
流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０
７を第３の井戸層１０９上に成膜する。

【００３３】さらに続いて原料ガスの流入を一旦止め、
成膜温度を８００℃に調整した後、再び原料ガスとして
ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ₃、キャリアガスとしてＮ₂を
流すことにより、約３０Åの厚さのＩｎ_0.44Ｇａ_0.56Ｎ
を成膜して第１の井戸層１１０を形成する。

【００３４】さらに続いて成膜温度を１０５０℃とし原
料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃、キャリアガスとして
Ｈ₂を流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁
層１０７を第１の井戸層１１０上に成膜する。

【００３５】活性層１０６を成膜後、超格子構造を有す
るｐ型クラッド層１１１を形成する。厚さ約４０ÅのＭ
ｇドープのＡｌＧａＮ層と厚さ約２５ÅのＭｇドープＩ
ｎＧａＮとを成膜する。これを１周期として繰り返し５
周期成膜することにより、ｐ型クラッド層１１１を形成
する。具体的には、ＭＯＣＶＤ法により成膜温度を１０
５０℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチ
ルアルミニウム）およびＮＨ₃、不純物ガスとしてＣｐ₂
Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、そしてキ
ャリアガスとしてＨ₂を流すことにより、厚さが約４０
ÅのＡｌＧａＮ層を成膜する。次に、原料ガスの流入を
一旦止め、成膜温度を８５０℃に調整した後に、再び原
料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、およびＮＨ₃、不純物ガ
スとしてＣｐ₂Ｍｇ、そしてキャリアガスとしてＮ₂を流
すことにより、厚さ約２５ÅのＩｎＧａＮ層を成膜す
る。これを５周期繰り返し、約３２５Åの厚さを有する
超格子構造のｐ型クラッド層１１１を成膜する。なお、
ｐ型クラッド層１１１はこのように超格子構造を有して
いてもよいが、ＡｌＧａＮやＡｌＢＧａＮ等の単層構造
を有していてもよい。

【００３６】そして、成膜温度を１０５０℃とし、原料
ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃、キャリアガスとして
Ｈ₂、そして不純物ガスとしてＣｐ₂Ｍｇを流し、１×１
０²⁰／ｃｍ³のＭｇ不純物濃度を有するＧａＮ層である
ｐ型コンタクト層１１２を、０．２μｍの膜厚でｐ型ク
ラッド層１１１上に形成する。ｐ型クラッド層１１１形
成後、温度を室温まで下げ、窒素雰囲気中でウエハーを
７００℃でアニーリング処理し、ｐ型層をさらに低抵抗
化する。

【００３７】アニーリング処理後、ウエハーを反応容器
から取り出し、所望の形状のマスクを最上層のｐ型コン
タクト層１１２の表面に形成し、ＲＩＥ（反応性イオン
エッチング）装置でｐ型コンタクト層１１２側からエッ
チング処理を行い、ｐ型およびｎ型半導体表面を露出さ
せる。

【００３８】エッチング処理後、スパッタリング装置に
よりｐ型コンタクト層１１２のほぼ全面に膜厚２００Å
のＮｉとＡｕを含むｐ側透明電極１１３と、ｐ側透明電
極１１３の上にボンディング用のＡｕよりなる０．５μ
ｍの膜厚のｐ側パッド電極１１４と、を形成する。他
方、エッチング処理により露出したｎ型コンタクト層１
０４上に、ＷとＡｌとを含むｎ電極１１５を形成する。
最後に、ｐ側透明電極１１３の表面を保護するためにＳ
ｉＯ₂よりなる絶縁層（図示せず）を保護膜として形成
する。こうして形成された窒化物半導体ウエハーをスク
ライブラインを引いた後、外力により分割し、発光素子
として３５０μｍ角のＬＥＤチップを完成する。

【００３９】このように、本発明の発光素子は、一般
に、多重量子井戸構造の活性層を有し、この活性層はＩ
ｎを含む窒化物半導体からなる第１の井戸層１１０と第
２の井戸層１０８と第３の井戸層１０９を有する。本発
明による井戸層は、Ｉｎを含む窒化物半導体として、例
えばＡｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ
≦１）で形成され、好ましくは三元混晶のＩｎ_YＧａ_1-Y
Ｎ（０≦Ｙ≦１）で形成される。本発明の多重量子井戸
構造の活性層はさらに、第１の井戸層１１０、第２の井
戸層１０８、第３の井戸層１０９、もしくはその他の井
戸層の計ｎ種（ｎ≧３）からなる井戸層よりバンドギャ
ップの大きな窒化物半導体より成る障壁層１０７を有
し、これら井戸層１１０、１０８、１０９とその間に挟
まれる障壁層１０７とを積層して形成される。障壁層１
０７は特に限定されないが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ等の材料により、ｎ種の井戸層より厚く、例えば
数百Å程度の膜厚を有するように形成される。また、第
１の井戸層１１０、第２の井戸層１０８、第３の井戸層
１０９、さらにはｎ種のすべての井戸層の膜厚としては
特に限定されないが、例えば１００Å以下の膜厚を有す
ることが好ましく、さらに好ましくは７０Å以下、最も
好ましくは５０Å以下の膜厚に調整する。１００Åより
も厚いと、井戸層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、井
戸層中の微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやす
い。

【００４０】また、ｐ型半導体およびｎ型半導体として
は、特に限定されないが、例えば窒化物半導体から成る
ｐ導電型およびｎ導電型の半導体を用いることができ
る。本発明の窒化物半導体の材料組成は、Ａｌ_XＩｎ_YＧ
ａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）と表され、
上述の通り、ｐ型導電性またはｎ型導電性を有するよう
に、ｐ型またはｎ型不純物をドープする。

【００４１】また、本発明で用いている窒化物半導体素
子であるＩｎ_YＧａ_1-YＮ（０≦Ｙ≦１）のＩｎの混晶比
はバンドギャップエネルギーＥｇとの関係式、Ｅｇ＝
３．４＊（１−Ｙ）＋１．９５＊Ｙ−Ａ＊Ｙ＊（１−
Ｙ）において、Ａ＝１としたときに概算された値であ
り、またＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）のＡｌ混晶比Ｘ
はバンドギャップエネルギーとの関係式、Ｅｇ＝３．４
＊（１−Ｘ）＋６．２＊Ｘ−Ａ＊Ｘ＊（１−Ｘ）におい
て、Ａ＝１としたときに概算された値である。上記２つ
の関係式の第１項と第２項の係数はそれぞれ、３．４は
ＧａＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、１．９
５はＩｎＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、
６．２はＡｌＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を
示している。

【００４２】発光ダイオードランプのリードフレーム
は、銀メッキした鉄入り銅で形成される。リードフレー
ムの一方は、ＬＥＤチップを配置するためのカップを有
するマウント・リードで、他方は、ＬＥＤチップの一方
の電極とワイヤを介して電気的に接続するインナー・リ
ードを有する。エポキシ樹脂を用いて、ＬＥＤチップを
マウントリード上にダイボンディングした後、ＬＥＤチ
ップのｐ電極およびｎ電極に直径３５μｍの金線ワイヤ
の一方をボールボンディングし、他方をリードフレーム
の先端にステッチボンディングする。これにより、ＬＥ
Ｄチップの各電極とインナー・リードおよびマウント・
リードとをそれぞれ電気的に接続する。

【００４３】こうして得られた発光ダイオードランプに
２０ｍＡ（Ｖ_f＝３．５Ｖ）の順方向電流を流したとこ
ろ、図２に示すように、ＣＩＥの色度図上の座標が
（Ｘ、Ｙ）＝（０．２７６、０．３０２）で表される発
光スペクトルを有する白色光が得られ、演色性はＲａ＝
６９であった。このとき、第１、第２および第３井戸層
１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５０
０ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が確認され
る。また、図３に示すように第３の井戸層１０９が発す
る発光スペクトルは、第２の井戸層１０８が発する発光
スペクトルに比べて半値幅が広く、演色性に優れてお
り、第２の井戸層１０８が発する発光スペクトルは、第
１の井戸層１１０が発する発光スペクトルに比べて半値
幅が広く、演色性に優れている。また本発明に係る発光
素子は、異なる発光スペクトルを発する井戸層が３つに
限定されるものではなく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設
けることができる。これにより、発光素子としてのスペ
クトル幅を広げることができる。

【００４４】（比較例１）実施例１と比較するために、
比較例１として活性層の第１の井戸層、第２の井戸層お
よび第３の井戸層の積層順序を入れ替えて形成した。具
体的には、ｎ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、第
３の井戸層、障壁層、第２の井戸層、障壁層、第１の井
戸層、障壁層の順で積層し、光取り出し面（ｐ型窒化物
半導体層側）に近い側から禁制帯幅が広く（すなわち波
長が短く）なるように形成した。

【００４５】この発光ダイオードは図２に示すように、
ＣＩＥの色度図上の座標が（Ｘ、Ｙ）＝（０．２０５、
０．４１７）で表される発光スペクトルを有し、輝度は
実施例１の発光ダイオードランプと比べて低く、その発
光色は緑がかって見えた。これは、５００ｎｍの波長を
有する第２の井戸層の発光スペクトル強度が実施例１と
比べて、相対的に他の波長の発光スペクトルより高くな
ったためである。

【００４６】（実施例２）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.63Ｇａ_0.37Ｎからなる第２の井戸層
１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層
１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.84Ｇａ_0.16Ｎからなる第
３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮから
なる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.44Ｇａ_0.56Ｎ
からなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０Åの
ＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。

【００４７】さらに続けて、厚さ約３０ÅのＩｎ_0.63Ｇ
ａ_0.37Ｎからなる第２の井戸層１０８、厚さ約２５０Å
のＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ
０．８４Ｇａ０．１６Ｎからなる第３の井戸層１０９、
厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約
３０ÅのＩｎ_0.44Ｇａ_0.56Ｎからなる第１の井戸層１１
０、最後に厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０
７を積層する。

【００４８】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに２０ｍＡ（Ｖ_f＝３．８Ｖ）の順方向電流を流し
たところ白色光が得られ、演色性はＲａ＝６９であっ
た。また、第１、第２および第３井戸層１１０、１０
８、１０９から、各々約４４８ｎｍ、５００ｎｍおよび
５７０ｎｍの波長を有する発光が確認された。このよう
に実施例１の活性層の構成を１ペアとし、このペア数を
増やす（一部障壁層を除く）ことで発光ダイオードラン
プの出力を上げることができる。また、異なる発光スペ
クトルを発する井戸層が３つに限定されるものではな
く、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。

【００４９】（実施例３）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.44Ｇａ_0.56Ｎからなる第１の井戸層
１１０、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層
１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.63Ｇａ_0.37Ｎからなる第
２の井戸層１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮから
なる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.84Ｇａ_0.16Ｎ
からなる第３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０Åの
ＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ _0.44
Ｇａ_0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約
２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。

【００５０】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに２０ｍＡ（Ｖ_f＝３．６Ｖ）の順方向電流を流し
たところ白色光が得られた。また、第１、第２および第
３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎ
ｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が
確認された。このように実施例１の活性層の構成を含
み、ｎ型窒化物半導体側にさらに第１の井戸層１１０を
１層追加したことで、実施例１より色温度の高い発光ダ
イオードランプを得ることができる。また、異なる発光
スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものでは
なく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。

【００５１】（実施例４）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.63Ｇａ_0.37Ｎからなる第２の井戸層
１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層
１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.84Ｇａ_0.16Ｎからなる第
３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮから
なる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.44Ｇａ_0.56Ｎ
からなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０Åの
ＧａＮからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ _0.44
Ｇａ_0.56Ｎからなる第１の井戸層１１０、最後に厚さ約
２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。

【００５２】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに２０ｍＡ（Ｖ_f＝３．６Ｖ）の順方向電流を流し
たところ白色光が得られた。また、第１、第２および第
３井戸層１１０、１０８、１０９から、各々約４４８ｎ
ｍ、５００ｎｍおよび５７０ｎｍの波長を有する発光が
確認された。このように実施例１の活性層の構成を含
み、ｐ型窒化物半導体側にさらに第１の井戸層１１０を
１層追加したことで、実施例１より色温度の高い発光ダ
イオードランプを得ることができる。また、異なる発光
スペクトルを発する井戸層が３つに限定されるものでは
なく、ｎ種（ｎ≧４）の井戸層を設けることもできる。

【００５３】（実施例５）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎからなる第２の井戸層
１０８、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層
１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.96Ｇａ_0.04Ｎからなる第
３の井戸層１０９、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮから
なる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.52Ｇａ_0.48Ｎ
からなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約２５０Åの
ＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。

【００５４】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。ま
た、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０
９から、各々約４７０ｎｍ、５２０ｎｍおよび６２０ｎ
ｍの波長を有する発光が確認された。

【００５５】（実施例６）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎからなる第２の井戸層
１０８、さらに厚さ約５０ÅのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからな
る中間層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁
層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.96Ｇａ_0.04Ｎからなる
第３の井戸層１０９、さらに厚さ約５０ÅのＡｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ｎからなる中間層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａ
Ｎからなる障壁層１０７と厚さ約３０ÅのＩｎ_0.52Ｇａ
_0.48Ｎからなる第１の井戸層１１０、さらに厚さ約５０
ÅのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる中間層、さらに厚さ約２
５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７を積層する。

【００５６】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。ま
た、第１、第２および第３井戸層１１０、１０８、１０
９から、各々約４７０ｎｍ、５２０ｎｍおよび６２０ｎ
ｍの波長を有する発光が確認された。このように、活性
層の井戸層と障壁層との間の井戸層上にＡｌ_0.3Ｇａ₀ _.7
Ｎのような中間層を形成すると、Ｖ_fが下がる傾向にあ
る。

【００５７】（実施例７）実施例１において、活性層１
０６を次のように形成した他は同様にして発光ダイオー
ドランプを得た。多重量子井戸構造の活性層１０６は、
まず厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層１０７と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.79Ｇａ_0.21Ｎからなる第３の井戸
層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎからなる第２の井戸
層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.96Ｇａ_0.04Ｎからなる第４の井戸
層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層と厚
さ約３０ÅのＩｎ_0.52Ｇａ_0.48Ｎからなる第１の井戸
層、さらに厚さ約２５０ÅのＧａＮからなる障壁層を積
層する。

【００５８】このようにして得られた発光ダイオードラ
ンプに順方向電流を流したところ白色光が得られた。ま
た、第１、第２、第３および第４井戸層は、各々約４７
０ｎｍ、５２０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６２０ｎｍの波
長を有する発光が確認された。また、実施例５と比較し
て４７０ｎｍ、５２０ｎｍ、６２０ｎｍの３種の波長に
５５０ｎｍの波長を加えて形成することで、実施例５よ
り演色性を上げることができた。

【００５９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。本発明
に係る窒化物半導体発光素子の活性層は、ｐ型窒化物半
導体層側から見て、第１の発光領域、第３の発光領域、
第２の発光領域の順で積層された構成を少なくとも１つ
含むことで、所望の演色性を有する白色光の発光効率の
高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施に係る窒化物半導体発光素子の
構造を示す模式的な断面図。

【図２】実施例１および比較例１により形成された発光
素子が発する光の色度図上の座標を示した図。

【図３】実施例１に係る窒化物半導体発光素子の発光ス
ペクトル図。

【符号の説明】

１０１・・・サファイア基板１０２・・・バッファ層１０３・・・アンドープＧａＮ層１０４・・・ｎコンタクト兼ｎクラッド層１０５・・・超格子層１０６・・・活性層１０７・・・障壁層１０８・・・第２の井戸層１０９・・・第３の井戸層１１０・・・第１の井戸層１１１・・・ｐクラッド層１１２・・・ｐコンタクト層１１３・・・ｐ側透明電極１１４・・・ｐ側パッド電極１１５・・・ｎ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくと
も１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第
１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピー
ク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る
少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域
と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長
い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体
からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の
発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る活性層
を有する窒化物半導体発光素子において、該活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光
領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層され
た構成を少なくとも１つ含んでなることを特徴とする窒
化物半導体発光素子。
【請求項２】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくと
も１つの第１の井戸層を有する第１の発光領域と、該第
１の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長い主ピー
ク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る
少なくとも１つの第２の井戸層を有する第２の発光領域
と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よりも長
い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物半導体
からなる少なくとも１つの第３の井戸層を有する第３の
発光領域と、を備えた多重量子井戸構造から成る活性層
を有する窒化物半導体発光素子において、該活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、第１の発光
領域、第３の発光領域、第２の発光領域の順で積層され
た構成のみから成ることを特徴とする窒化物半導体発光
素子。
【請求項３】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくと
も１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の
主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉ
ｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の
井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よ
りも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物
半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備
えた多重量子井戸構造から成る活性層を有する窒化物半
導体発光素子において、活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、第１
の井戸層、障壁層、第３の井戸層、障壁層、第２の井戸
層、障壁層の順で積層された構成を少なくとも１つ含む
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項４】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる少なくと
も１つの第１の井戸層と、該第１の井戸層が発する光の
主ピーク波長よりも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉ
ｎを含む窒化物半導体から成る少なくとも１つの第２の
井戸層と、該第２の井戸層が発する光の主ピーク波長よ
りも長い主ピーク波長の光を発する、Ｉｎを含む窒化物
半導体からなる少なくとも１つの第３の井戸層と、を備
えた多重量子井戸構造から成る活性層を有する窒化物半
導体発光素子において、活性層はｐ型窒化物半導体層側から見て、障壁層、第１
の井戸層、障壁層、第３の井戸層、障壁層、第２の井戸
層、障壁層の順で積層された構成のみからなることを特
徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】上記第１の井戸層が発する光の主ピーク波
長が４００乃至４８０ｎｍで、上記第２の井戸層が発す
る光の主ピーク波長が４８０乃至５７０ｎｍで、上記第
３の井戸層が発する光の主ピーク波長が５７０乃至８０
０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の
いずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】上記第１の井戸層が発する光の主ピーク波
長が４２０乃至４６０ｎｍ、上記第２の井戸層が発する
光の主ピーク波長が４８０乃至５２０ｎｍ、上記第３の
主ピーク波長が５７０乃至６００ｎｍであることを特徴
とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の窒
化物半導体発光素子。