JP3257976B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
を互いに異にする主体相と従属相とから成る多相構造の
インジウム含有III 族窒化物半導体層を発光層とする窒
化物半導体発光素子に関する。
+z=1、0≦x,y<1、0<z≦1、0<a≦1、
M:窒素以外の第V族元素)で表記されるインジウム
(In)含有III 族窒化物半導体は、短波長光を放射す
る窒化物半導体発光素子の発光層として利用されてい
る。特に、窒化ガリウム・インジウム混晶(GabIn
1-bN:0≦b<1)は、その発光層の代表的な構成材
料である(特公昭55−3834号公報明細書参照)。
一従来例を挙げれば、In組成比を0.20(20%)
とする窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.80In
0.20N)が、発光波長を約450ナノメータ(nm)と
する青色発光ダイオード(LED)の発光層として利用
されている。In組成比を0.45とする窒化ガリウム
・インジウム混晶は、発光波長を約525nmとする緑
色LEDの発光層として利用されている。
を成す単一或いは多重量子井戸構造の井戸層としても利
用されている(特開平9−36430号公報明細書参
照)。従来より発光層として多用される窒化ガリウム・
インジウム混晶は、In組成的に均一な均質組織である
のが望ましいとされてきた(特開平9−36430号公
報明細書参照)。しかし、最近ではむしろIn組成が不
均一な窒化ガリウム・インジウム層が、発光層として都
合良く利用できることが判明している(特願平8−26
1044号明細書参照)。所謂、In組成比を互いに異
にする相(phase)の集合体から成る多相構造の窒
化ガリウム・インジウム層である。
成に”揺らぎ”を有する多相構造の窒化ガリウム・イン
ジウム層から高い出力の発光が帰結されるのは、量子ド
ット(dot)などの量子化された発光体に因るものと
される。多相構造の窒化ガリウム・インジウム層は体積
的に多くを占める主体相(母相)と、従属相とから一般
に構成される(特願平8−208486号明細書参
照)。従属相は通常は、主体相とはIn組成比を異にす
る。従属相の相互においてもIn組成比は異なる場合が
専らである。従属相は概ね、略球状或いは島状の微結晶
体の体をなし、主体相中に散在している。
それを囲繞する主体相との境界で形成される量子化され
た準位の発光への関与が指摘されている(特願平8−2
61044号明細書参照)。そして、一般に微結晶体の
大きさは直径にして数〜数十nmであり、量子ドットと
して作用するに足るサイズを擁しており、この量子ドッ
トとしての従属相が、In含有III 族窒化物半導体から
成る発光層からの発光に関与するとされている。
n含有III 族窒化物半導体から成る発光層からの発光に
従属相(量子ドット)が関与するとしても、その発光層
から放射される発光により帰結される、発光強度や発光
波長に代表される発光特性を、必ずしも安定して獲得す
る技術は未知であるのが現状であり、得られる発光特性
は不安定なものとなっている。
安定である主たる理由は、従属相を量子化された発光体
として作用させるに必要な要件が充分に明確となってい
ないからである。発光特性、特に高い発光強度を安定し
て得るには、従属相たる微結晶体を効率良く量子ドット
として作用させるための構成要件を明確とする必要があ
る。
従属相を効率良く量子ドットとして作用させるに必要な
構成要件を明確とすることにより、発光層から得られる
発光特性を、安定した優れたものとすることができる窒
化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
に、本発明は、従属相を構成する微結晶体を、量子化さ
れた発光媒体として作用させるべく、従属相とその周囲
を囲繞する主体相との境界近傍領域の構成を規定するも
のである。すなわち、本発明では、インジウム組成を互
いに異にする主体相と従属相とから成る多相構造のイン
ジウム含有III族窒化物半導体層を発光層とする窒化物
半導体発光素子において、上記従属相を、周囲の主体相
との境界に歪層を有する結晶体から主に構成する、こと
を特徴としている。
細に説明する。以下の説明では、In組成比(濃度)を
略一定とする空間的に或る領域を占有する結晶相を単純
に相(phase)として表現する。空間的に多くの領
域を占める相を主体相と称し、主体相内に略均一に散在
し或いは他層との接合界面近傍の領域に偏在する、主体
相に比較すれば空間的な占有率の小さい相を従属相と称
する。主体相と従属相はIn組成比の大小で区別するの
ではなく、空間的に占有する体積の大小から判別する。
晶体から構成される場合がほとんどであるが、部分的に
多結晶領域或いは非晶質体を含む場合がある。結晶形態
に拘わらず、多くの領域を占めるのが主体相である。従
属相は、微小な結晶体(微結晶体)の体を成すのがほと
んどである。微結晶体は単結晶、多結晶或いは非晶質若
しくはこれらの結晶粒の混合体である。一般に微結晶体
の外形は略球状或いは多角形の島状である。従属相の大
きさは、直径或いは島状体にあっては横幅にして概ね、
数〜数十nmである。他層との接合界面に蓄積したイン
ジウムを核として、数〜数十μmの比較的大きなIn析
出体が発生する場合があるが、本発明では、数〜数十n
m程度の大きさの結晶体を従属相として取り扱う。
構造のIn含有III 族窒化物半導体から発光層を構成す
る。主体相を構成する層状体の平均的な層厚が、発光層
の層厚となる。約1nm未満の極薄膜層では膜の連続性
は欠如する。不連続膜から成る発光層は発光素子の順方
向電圧の低減に支障を来すなどの不都合をもたらす。逆
に、約300nmを越えた厚膜層では表面状態は損なわ
れるため、発光強度の増大に寄与する発光層として都合
良く利用できない。従って、発光層の層厚は概ね、約1
nmから約300nmの範囲であるのが望ましい。
ング)したIn含有III 族窒化物半導体から構成でき
る。不純物を故意に添加しないアンドープのIn含有II
I 族窒化物半導体からも構成できる。また、アンドープ
層と不純物ドープ層を重層構成からも構成できる。発光
強度の観点からすれば、不純物ドープ発光層の層厚は、
ある程度厚くするのが望ましい。約10nmから約30
0nmが好ましい。アンドープ発光層の場合は、反対に
薄くするのが望ましい。約10nm以下で約1nm以上
が好ましい範囲である。
好ましい。主体相と従属相間での担体(キャリア)、特
に電子の遷移が主に発光強度の大小を担うと考慮される
からである。従って、発光層は電子をマジョリティ(m
ajority)キャリアとする、即ち、n形とするの
が最も好ましい。発光層のキャリア濃度は、大凡10 16
cm-3以上で約1×1019cm-3以下とするのが好都合
である。主体相と従属相とのキャリア濃度を略同一とす
る必要は必ずしもない。一例を挙げれば、主体相のキャ
リア濃度が約1018cm-3程度で、従属相のそれは約1
017cm-3程度である場合も起こり得る。主体相及び従
属相とのキャリア濃度の差異は程度はともあれ、発光層
全体としては上記の範囲とするのが好ましい。
ある。例えば、主体相の内部に潜在する歪領域或いは結
晶欠陥の密集領域に凝集した、主体相内部に含まれてい
るInを核として発生する。主体相内の従属相の密度が
極端に大となると、主体相(発光層)からの発光は単色
性を欠くものとなる。従属相の密度が2×1018cm -3
を越えると発光の単色性は急激に悪化する。従って、従
属相の密度は2×10 18cm-3以下とするのが好まし
い。特に、層厚を20nm以下とするアンドープ発光層
にあっては、従属相の密度を5.0×1023×t(ここ
で、t:層厚(cm))以下とすると好都合である。従
属相の密度を上記の範囲とすれば、半値幅を15nm以
下とする単色性に優れる発光を獲得できる。
度範囲でMOCVD成長法等により気相成長されるIn
含有III 族窒化物半導体から成る発光層は、成長時のア
ズグローン(as−grown)状態で多相に分離して
いる場合もある。しかし、as−grown状態での多
相構造では、従属相の大きさは不均一を極める。as−
grownのIn含有III 族窒化物半導体層に加熱処理
を施せば、主体相を母体として安定して従属相を発生さ
せられ、多相構造となすことができる。発光層となす多
相構造のIn含有III 族窒化物半導体層を安定して形成
する加熱処理方法に於いて、(イ)発光層の成長温度か
ら加熱処理温度への昇温速度、(ロ)加熱処理温度に於
ける保持時間の他に、特に(ハ)加熱処理温度から降温
する際の冷却速度の最適化により、従属相の大きさを均
一化できる。従属相の大きさの画一化は、従属相内のI
n濃度(組成比)の均一化と共に発光波長及び発光の単
色性の均一性の向上に特に効果を奏するものである。
相との境界領域の構成に規定を加える。即ち、本発明の
従属相は、それを囲繞する主体相との境界に歪領域(歪
層)を保有することを特徴とする。そして、この歪層を
付帯する従属相の数量は、全従属相の数量の50%以上
を占めるようにする。
の多相構造を安定して形成するための発光層の加熱処理
において、特に加熱処理温度からの冷却速度を適宣、調
節することをもって形成することができる。950℃を
越え1200℃以下の温度を望ましい処理温度とする加
熱処理温度から、速度を変更して降温するのは最も好ま
しい冷却方法である。特に、加熱処理温度から950℃
へ毎分20℃以上の速度で降温し、950℃から650
℃へは毎分20℃以下の速度で降温する過程を備えた冷
却方法は、外周囲に歪層を保有する従属相を安定して形
成できる方法である。加熱処理温度から950℃へ20
℃/分以下の速度で降温すると、そもそも発光層の表面
状態を良好に保持できなくなり、平坦性に欠ける発光層
が帰結される。950℃から650℃への毎分20℃を
越える急激な冷却は、従属相の周囲に適量を越える歪層
を残存させるため不都合である。
理は別個に特別に施工する必要はない。加熱処理は一例
を挙げれば、In含有III 族窒化物半導体層から成る発
光層の上部に、例えば窒化ガリウム系層或いは窒化アル
ミニウム・ガリウム系混晶層を成長させるときの成長操
作をもって代用できる。発光層上にこれらの層を成長さ
せる際の成長温度は、上記の好ましい加熱温度の範囲に
あるからである。
であるか否かは、透過型電子顕微鏡(TEM)を利用す
る通常の断面TEM技法により確認することができる。
多相構造から成る窒化ガリウム・インジウム混晶につい
ての明視野断面TEM像には、断面を略円形台形或いは
多角形状等の黒色のコントラストをもって従属相が撮像
される。黒色コントラストは転位等の結晶欠陥に起因す
る場合もある。転位等に因るコントラストは概ね、線状
である。コントラストの形状から従属相であるか否か、
また従属相の形状を知ることができる。従属相に起因す
るコントラストの密度から主体相中の従属相の密度を計
測できる。エレクトロンプローブマイクロアナライザ
(EPMA)等の組成分析機能を備えた、所謂分析用電
子顕微鏡に依れば、主体相と従属相との各々につきIn
組成比を分析できる。主体相と従属相とのIn組成の差
異(”揺らぎ”)は、4結晶法と簡略して呼称されるX
線精密回折法からも解析できる。
倍率での断面TEM像から観測できる。観測には、数百
万倍の高倍率が適する。図1はこの発明の窒化物半導体
発光素子に係る発光層を透過型電子顕微鏡(TEM)で
撮像したときの結晶格子像の一例である。この結晶格子
像は、2百万倍の明視野断面TEM技法で撮像したもの
である。以下、この図を用いて説明を進める。
n)組成を互いに異にする主体相21と従属相22とか
ら成る多相構造を有しており、発光層2の母体となる主
体相21内に存在する従属相22の周囲には、歪層23
が付帯している。即ち、従属相22は、周囲の主体相2
1との境界に歪層23を有する結晶体となっており、中
心側を成す本体部分(以下、「従属相本体部分」とい
う)22aと、その従属相本体部分22aの外周囲に形
成された歪層23とから成っている。歪層23の層厚d
は、周囲に略均一に保たれるとは限らず、従属相本体部
分22aに対してゆがんだ状態で、例えば一方向にのみ
厚く発達したものもある。
1、従属相本体部分22a及び歪層23の内部では格子
の間隔が相互に異なるのが識別される。即ち、歪層23
は格子像上、主体相21や従属相本体部分22aとは異
なる格子面(格子像)間隔と格子の配列方向を有する領
域であると認められる。歪層23の格子像の間隔は、主
体相21と従属相本体部分22aとの中間的なものとな
り、格子(像)の配列が乱雑である場合もある。
は、多相構造の発光層2から出射される発光の強度に影
響を与える。歪層23が極端に厚くなると、発光強度の
向上には然したる効果をもたらさない。高強度の発光を
得るには、歪層23には適する厚さdが存在する。歪層
23の層厚(領域幅)dを求めると、高強度の発光に適
する歪層23の厚さdは、従属相本体部分22aの大き
さDに対して0.5×D以下である。従属相22が略球
状であるときは、その大きさDは直径で表せる。島状の
従属相22にあっては、その大きさDは横幅で表せる。
一例を挙げれば、直径が20nmの球状従属相について
は歪層23の厚さを10(=0.5×20)nm以下と
する。
略均一ではないが、歪層23の平均的な厚さdが0.5
×D以下であれば効果が損なわれることはない。歪層2
3が極端に薄い場合も、発光強度の向上には然したる効
果を上げることができない。主体相21と従属相本体部
分22a間に或る程度の歪層23が存在しないと、高強
度の発光を帰結する量子化されたキャリアを発生するた
めのバンド(band)構成が充分に創出できないため
と思料される。歪層23の厚さdとして最低でも約5Å
程度は必要であり、好ましくは10Å(=1nm)以上
である。
m以下とするのが好ましい。発光層2として極く一般的
に利用されるIn含有III 族窒化物半導体層のIn混晶
比が約0.05から約0.5程度であることに鑑みた歪
層の好ましい厚さである。従って、歪層23の厚さd
は、約10Å以上で10nm以下の範囲とするのが好ま
しい。
光層2とするIn含有III 族窒化物半導体層の成長を終
了した後の、多相構造化のための発光層2の加熱処理に
付帯する冷却工程における降温速度の調節をもって制御
でき、特に、950℃から650℃の温度範囲における
降温(冷却)速度が、歪層23の厚さdを決定する支配
的な因子となる。同温度範囲における降温速度は、上記
のように、毎分20℃以下とするのが望ましいが、歪層
23の厚さdを10Å以上で10nm以下の範囲とする
には、降温速度を5℃/分〜20℃/分の範囲に設定す
ると好結果が得られ、さらに好ましい降温速度は7℃/
分〜15℃/分である。20℃/分を越える速度で降温
すると、歪層23の厚さdは増加し、安定して0.5×
D以下とするのは困難となる。逆に降温速度を毎分3℃
未満とすると歪層23の厚さdは減少し、約5Å程度の
最低の歪層の厚さを確保することすらできなくなる。
は、多様な降温パターンをとることができる。例えば、
950℃から650℃へは、一定の降温速度をもって一
律に冷却しても構わないし、種々降温速度を変化させて
冷却しても差し支えはない。具体例を上げると、950
℃より800℃へ毎分15℃の速度で降温し、引き続き
800℃から600℃へ毎分10℃の速度で降温しても
よい。また、950℃より一定の速度で冷却を開始し、
950℃〜650℃間の或る温度で所定の待機時間だけ
保持してた後、650℃へ再び冷却を開始するようにし
てもよい。このように、降温処理時に所定の待機時間だ
け略一定の温度に保持することの利点は、従属相22の
周囲の歪層23の厚さdの均一化が果たせることであ
る。従って、本発明の提示する降温速度と待機時間を設
ける降温処理法とを併用すれば、歪層23の厚さdを制
御できると共に、歪層23の厚さdの均一化を達成する
に効果がある。制御された且つ均一な厚さを有する歪層
23の存在は、量子準位の画一化を介して発光強度の向
上及び発光の単色性の向上に寄与するものである。
ンジウム組成を互いに異にする主体相21と従属相22
とから成る多相構造のインジウム含有III 族窒化物半導
体で形成した発光層2にあって、従属相22を、その周
囲の主体相21との境界に歪層23を有する結晶体から
主に構成するようにしたので、従属相22の周囲に存在
する歪層23は、発光強度の増大に寄与するキャリアを
安定して発生させるようになり、従って、従属相22を
構成する結晶体を量子化された発光媒体として有効に作
用させることが可能となり、この発光層2を含む窒化物
半導体発光素子から出力される短波長可視光を、安定し
て高発光強度で且つ単色性に優れたものとすることがで
きる。
を、より具体的な実施例を以て説明する。
ED)に適用した場合について説明する。LED用途の
積層構造体を構成する各構成層は一般的な常圧(大気
圧)方式のMOCVD成長炉を利用して、基板上に次の
手順により順次形成した。
体を示す図である。図において、積層構造体11は、基
板100上に積層して構成されている。基板100とし
て、直径2インチ(直径50mm)で厚さが約90μm
の両面研磨した(0001)(c面)−サファイア(α
−Al2 O3 単結晶)を使用した。その基板100上
に、トリメチルガリウム((CH3 )3 Ga)、トリメ
チルアルミニウム((CH3)3Al)及びアンモニア
(NH3 )を原料として通常の常圧MOCVD法により
窒化アルミニウム・ガリウム(Al0.8Ga0.2N)から
成る低温緩衝層100aを成膜した。成膜は水素気流中
で430℃で正確に3分間に亘り実施した。水素の流量
は毎分8リットルとし、アンモニアガスの流量は毎分1
リットルとした。低温緩衝層100aの層厚は15nm
であった。
にして約3ppmのジシラン(Si 2H6)を含む水素ガ
スを、MOCVD反応系に添加し、水素−アルゴン(A
r)気流中1100℃で、n形窒化ガリウム(GaN)
層101を90分間に亘り成膜した。ジシラン−水素混
合ガスの系内への添加量は、毎分10ccとなるように
電子式質量流量計(MFC)で精密に制御した。この珪
素(Si)ドープのn形窒化ガリウム層101のキャリ
ア濃度は約3×1018cm-3で、層厚は約3μmであっ
た。
℃に低下させた後、n形窒化ガリウム層101上に、イ
ンジウム(In)の平均的な組成比を0.18とする窒
化ガリウム・インジウム(Ga0.82In0.18N)から成
る発光層102を堆積した。発光層102の成長はアル
ゴン気流中で実施した。発光層102の層厚は5nmと
した。ガリウム源にはトリメチルガリウムを、インジウ
ム源にはトリメチルインジウムを、それぞれ用いた。ト
リメチルガリウムは0℃の恒温に保持し、それを発泡す
る(バブリング)する水素の流量は、MFCで毎分1c
cに精密に制御した。トリメチルインジウムは50℃の
恒温に保持した。昇華したトリメチルインジウムの蒸気
を随伴する水素ガスの流量は、MFCにより毎分13c
cに設定した。発光層102の成長時のV/III 比率は
約3×104 となる様に、窒素源であるアンモニアガス
の流量を設定した。ここで、V/III 比率とは、成長反
応系に供給されたガリウム源及びインジウム源の合計濃
度に対する窒素源の濃度の比率を表す。発光層102の
成長速度はn形窒化ガリウム層101の場合より低下さ
せ約2nm/分とした。
温度をアルゴン気流中で800℃から100℃/分の昇
温速度で1100℃へ3分間で急激に加熱した。同温度
に1分間待機する間に、MOCVD反応系の雰囲気の構
成をアルゴンと水素の混合気体に変更し、マグネシウム
(Mg)をドーピングした窒化アルミニウム・ガリウム
混晶層(Al0.15Ga0.85N)層103を発光層102
上に堆積した。成長速度は発光層102の場合の約1.
5倍に相当する約3nm/分とした。10分間に亘り成
長を継続して約30nmの厚さの混晶層を得た。マグネ
シウムのドーピング源にはビスシクロペンタマグネシウ
ム(bis−(C5 H5 )2 Mg)を利用した。マグネ
シウムドーピング源のMOCVD反応系への供給量は毎
分8×10-6モルに設定した。Mgドープ窒化アルミニ
ウム・ガリウム層103内のマグネシウム原子の濃度
は、一般的なSIMS分析により約6×1019atom
s/cm3と定量された。
00℃で、Mgドープ窒化ガリウム層103aをMgド
ープ窒化アルミニウム・ガリウム層103上に20分間
に亘り堆積した。ガリウム源はトリメチルガリウムと
し、マグネシウム源はMgドープ窒化アルミニウム・ガ
リウム層103の成長時と同様の有機Mg化合物を利用
した。マグネシウムのドーピング効率は成長速度を小と
するに従い上昇する傾向が認められたため、約3nm/
分とした。Mgドープ窒化ガリウム層103aの層厚は
約60nmとなった。
a,101,102,103,103aの成長終了後、
アルゴンと水素の等体積混合気流にアンモニアガスを添
加した状態で基板100の温度を1100℃から950
℃に直ちに降温した。1100℃から950℃へは、雰
囲気を構成する熱伝導率の大きい水素ガスの流量のみを
毎分4リットルから毎分8リットルに増加させ、1分を
掛けずに半ば強制的に冷却した。950℃に基板100
の温度が降下した後は、MOCVD反応炉内に流通する
ガス種をアルゴンのみとした。950℃から650℃へ
は、毎分10℃の速度で30分間で降温した。650℃
から室温へはMOCVD反応炉内の雰囲気をアルゴン−
水素雰囲気として冷却した。約30℃に至る迄約45分
を要した。
して通常の断面TEM技法により、発光層102の内部
構造を加速電圧200KV下で観察した。図3は第1実
施例での発光層を透過型電子顕微鏡(TEM)で撮像し
たときの結晶格子像である。観察倍率は2×106 であ
る。図において、第1実施例での発光層102は、主体
相201と、略球状及び島状の従属相202とから構成
される多相構造から成ると判明した。島状の従属相20
2はn形窒化ガリウム層101と発光層102との界面
により多く存在する様に観察された。撮像範囲での従属
相202の数から求めた従属相202の密度は約2×1
017cm-3であった。主体相201と従属相202とで
はインジウム組成を異にし、もっぱら従属相202は主
体相201よりインジウム濃度を大とする傾向があるの
が認められた。インジウム組成比が約0.3程度の従属
相も認められた。
境界に歪層203を有しているのが認められ、中心側を
成す従属相本体部分202aと、その外周の歪層203
とから構成されていた。略球状の従属相本体部分202
aの直径は概ね、約25〜35Å(2.5〜3.5n
m)程度であった。島状の従属相本体部分202aの大
きさは横幅にして概ね、35Å程度であった。従属相本
体部分202aと歪層203とにおける格子面の配列方
向の角度差は、約60度となっている場合もあった。歪
層203は従属相本体部分202aの外周に必ずしも一
様の厚さをもって存在するのではなかったが、平均すれ
ば10Å程度であった。直径或いは幅にして25〜35
Åを有する従属相本体部分202aに付随する歪層20
3の厚さ(幅)dは8〜13Åであった。約10〜15
Åの比較的小さな従属相本体部分202aに付随する歪
層203の厚さdは約5Å弱から約7Å程度であった。
EDを作製した。図4は第1実施例におけるLEDの断
面構造を模式的に示す図で図5のA−A断面であり、図
5はそのLEDの平面模式図である。これらの図におい
て、LED50は、上記の積層構造体11に電極を設け
た構成となっている。
めの領域をメタン/アルゴン/水素混合ガスを利用して
プラズマエッチングにより形成した。エッチングにより
露出させたn形窒化ガリウム層101の表層部に、通常
の真空蒸着法によりアルミニウム(Al)単体から成る
直径が100μmのn形パッド電極109を形成した。
層厚は約2μmとした。メサ(mesa)として残存さ
せた部位の最表層のMgドープ窒化ガリウム層103a
上には、Mgドープ窒化ガリウム層103aに接触する
側を金・ベリリウム(Au・Be)合金とし、その上層
部を金(Au)単体とするp形パッド電極105を、通
常の真空蒸着法により形成し、層厚は合計で約2μmと
した。p形パッド電極105はn形パッド電極109に
対向するチップの端面側の隅部に設けた。Mgドープ窒
化ガリウム層103aの表面上には、厚さを約20nm
とする透光性の金薄膜電極104をp形パッド電極10
5に電気的に導通させて設けた。更に、金薄膜電極10
4の表面に限り、厚さを約10nmとする透光性であり
絶縁度の高いニッケル(Ni)酸化物薄膜104aを、
金薄膜電極104及びMgドープ窒化ガリウム層103
aの露出面の略全面の保護膜として形成した。
ド電極109及びp形パッド電極105間に直流電圧を
印加し、発光させた。そのときの発光諸特性の測定結果
を図6に示す。この図6の説明は後述する。
造体11を形成した後、第1実施例とは一部異なる降温
条件で冷却した。即ち、第1実施例と同一の条件で11
00℃から950℃に冷却した後、950℃から800
℃に毎分7.5℃の速度で20分間で降温した。その
後、800℃で15分間保持した。然る後、800℃か
ら650℃に毎分10℃の速度で降温した。650℃に
降温した後はMOCVD反応炉に供給する雰囲気構成ガ
スを水素のみとし室温迄冷却した。約30℃に冷却する
のに約45分間を要した。
部構造を同定した。この第2実施例での発光層は、上記
第1実施例の発光層102と同様に、主体相と従属相と
から構成される多相構造であった。従属相は、周囲の主
体相との境界に歪層を有しているのが認められた。従属
相内のインジウム濃度は主体相のそれよりも概して高
く、また主体相のインジウム組成比は、大凡0.15と
見積もられた。従属相の中心側を成す従属相本体部分は
主に略球状体であり、その大きさは直径にして約30Å
とほぼ画一化されていた。且つ従属相本体部分周囲の歪
層の厚さも約10Åと均一となっていた。このように、
この第2実施例では、800℃で15分間という待機時
間を含む上記の冷却パターンで降温したことで、従属相
本体部分の形状を略球状でほぼ画一化でき、また歪層の
厚さもより均一に制御することができた。
を形成した後、1100℃から室温に自然に放冷させ
た。約30℃に降下するのに約90分を要した。従っ
て、平均的な冷却速度は約12℃/分となった。従来技
術(特開平9−40490号公報明細書参照)に倣い、
1000℃以下の温度帯域では、不活性ガス雰囲気をア
ルゴンから構成した。第1実施例及び第2実施例の如
く、650℃以下の温度域で雰囲気ガスを水素のみから
構成する操作は施さなかった。
光層の内部構造を断面TEM技法で観察した。断面TE
M像上には、転位に主に起因すると考慮される線状の黒
色コントラストは認められるものの、インジウムの凝集
に主に起因する従属相の存在を表す球状或いは島状のコ
ントラストは顕著に認められなかった。撮像範囲の略球
状或いは島状のコントラストの数から、従属相の密度は
1×1012cm-3以下であると求められた。即ち、発光
層は多相構造から構成されているとは明確に認知され難
かった。
した各積層構造体を、上記第1実施例と同様に加工して
LEDを作製し、各々のLEDの電極間に直流電圧を印
加して発光させた。そのときの発光諸特性の測定結果を
図6に示す。
び比較例におけるLEDの発光特性を比較すると、各L
ED間で、発光波長に然したる差異はなく、430〜4
50nmとなった。その他、順方向電圧を20mAとし
た際の順方向電圧、及び逆方向電流が5μA時の逆方向
電圧に顕著な差異は認められなかった。一方、一般的な
積分球を利用して通常に測定した発光出力の比較からす
れば、ほぼ画一化された歪層を付帯する従属相を有する
発光層を備えた第2実施例におけるLEDが最も高い
2.1mWを呈した。比較例におけるLEDの発光出力
は最も低く0.4mWであった。主たる発光スペクトル
の半値幅(FWHM)は更に顕著な差異が生じた。半値
幅の最小値は第2実施例のLEDであり、7nmであっ
た。第1実施例のLEDの半値幅は9nmであり、比較
例のLEDは18nmと最も大きく、単色性に欠ける発
光を呈するものとなった。
ード(LED)に適用した場合について説明したが、本
発明は、他の発光素子、例えばレーザダイオード(L
D)にも同様に適用することができる。
半導体発光素子によれば、インジウム組成を互いに異に
する主体相と従属相とから成る多相構造のインジウム含
有III族窒化物半導体で形成した発光層にあって、従属
相を、その周囲の主体相との境界に歪層を有する結晶体
から主に構成するようにしたので、従属相の周囲に存在
する歪層は、発光強度の増大に寄与するキャリアを安定
して発生させるようになり、従って、従属相を構成する
結晶体を量子化された発光媒体として有効に作用させる
ことが可能となり、この発光層を含む窒化物半導体発光
素子から出力される短波長可視光を、安定して高発光強
度で且つ単色性に優れたものとすることができる。
を透過型電子顕微鏡(TEM)で撮像したときの結晶格
子像の一例である。
である。
EM)で撮像したときの結晶格子像である。
す図で図5のA−A断面である。LEDの平面模式図で
ある。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 インジウム組成を互いに異にする主体相
と従属相とから成る多相構造のインジウム含有III 族窒
化物半導体層を発光層とする窒化物半導体発光素子にお
いて、 上記従属相を、その周囲の主体相との境界に歪層を有す
る結晶体から主に構成する、 ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項2】 上記従属相を、その全体の大きさ(D)
に対して0.5×D以下の幅の歪層を有する結晶体から
主に構成する、 ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項3】 上記歪層を有する従属相の数量が、全従
属相の数量の50%以上を占める、 ことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導
体発光素子。
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