JP2003078169A

JP2003078169A - 発光素子

Info

Publication number: JP2003078169A
Application number: JP2002224341A
Authority: JP
Inventors: Motokazu Yamada; 元量山田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2003-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】3-5族窒化物化合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
素子を提供する。【解決手段】本発明による活性層は、Ｉｎを含む窒化物
化合物半導体からなる少なくとも１つの第１の井戸層
と、第１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を含む窒化物化合物半導
体からなる少なくとも１つの第２の井戸層と、を備え
る。これにより、例えば第１井戸層が青色光を、第２井
戸層がその補色関係にある黄色光を発光すると、これら
の光が混色することにより、１つの発光素子で白色光源
を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、III−Ｖ族窒化物化合
物半導体（一般に、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０＜X、０
≦Y、X＋Y≦１）で表される）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】これまで、極めて高い輝度で赤色、緑
色、および青色（いわゆるＲＧＢ）を発光する発光素子
が開発されたことにより、高輝度タイプ発光素子が量産
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、その混晶比を変え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できる。

【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活かして、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、緑色および青色、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】

【発明が解決しようとする課題】しかし、複数の発光素
子を同一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
必要があるが、これには限界がある。また、異なる系の
半導体材料を利用した場合、温度特性や駆動電圧が異な
るなど、種々の問題が生じる。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。また、発光素子からの青
色発光と、これにより励起される蛍光発光との組み合わ
せで白色光を得る場合、複数の発光素子で白色光を得る
場合と比較して、理論上発光効率が低くなる。

【０００６】したがって、従来式の各種光源を固体発光
素子に置き換えるためには、現在ある上記構成の発光素
子では十分ではなく、さらに高効率かつ高輝度に白色発
光可能な発光素子を提供することが求められている。本
発明は、上記問題を解決するために、１つの発光素子に
より、高効率かつ高輝度に白色系などの発光色を発光で
きる発光素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的は、
少なくとも２つのＩｎ組成比が異なる含む窒化物化合物
半導体からなる井戸層を有してなる、白色光を得るため
の発光素子を提供することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、第１の井戸層の凹
凸を第２の井戸層よりも大きくして、発光効率の改善さ
れた発光素子を提供することにある。

【０００９】本発明の第３の目的は、各井戸層の上にＡ
ｌを含む第１障壁層、その上にＡｌを含まない第２障壁
層を形成して、順方向電圧を下げ、そして発光効率の改
善された発光素子を提供することにある。

【００１０】本発明の請求項１に記載の発光素子は、Ｉ
ｎを含む窒化物化合物半導体からなる少なくとも１つの
第１の井戸層と、第１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
物化合物半導体からなる少なくとも１つの第２の井戸層
と、を備えた、多重量子井戸構造の活性層を、ｎ型半導
体およびｐ型半導体で挟持することを特徴とするもので
ある。

【００１１】第１井戸層が発する主ピーク波長と、第２
井戸層が発する主ピーク波長とを、互いに補色関係とな
るように設定すると、これら２つの光が混合することで
白色光が得られる。

【００１２】本発明の請求項２に記載の発光素子は、第
２井戸層が、第１井戸層およびｐ型半導体の間に配置さ
れることを特徴とする。

【００１３】一般に、Ｉｎを含む窒化物半導体を形成す
ることは極めて難く、井戸層のＩｎ組成比を増やして発
光波長を長くするほど、その結晶性が悪くなり、その発
光効率も低くなる。この傾向はＩｎの組成比が０．０５
以上のとき顕著となる。特に、窒化物半導体の多重量子
井戸構造においては、ホールの拡散長が短い。ただしｐ
型半導体層側においては電子−正孔の再結合効率が高い
ので、Ｉｎを多く含むために結晶性が比較的悪い第２井
戸層を、このｐ型半導体層側に配置させることにより、
つまり第２井戸層を第１井戸層とｐ型半導体との間に配
置することにより、第２井戸層の発光効率を向上させる
ことができる。

【００１４】本発明の請求項３に記載の発光素子は、第
１および第２井戸層の積層数比を調整して、第１および
第２井戸層が発する光の光度比を制御することにより、
所望の演色性（物体の色の見え方に対する光源の効果）
を有する光源を提供することを特徴とする。

【００１５】これまでの白熱灯及び蛍光灯などの光源
も、その用途によりさまざまな演色性を有する光源とし
て開発されてきた。例えば、異なる色あいで照明する蛍
光灯が数多くある。従来式の光源にとって代わるべき本
発明に係る発光素子の演色性も、比較的簡単に微調整で
きることが望まれていた。

【００１６】すなわち、本発明においては、第１および
第２井戸層の積層数比を調整することにより、各井戸層
が発する光の光度比率を比較的簡単に制御することがで
きる。これ以外の方法として、例えば特開平１０‐２２
５２５が開示するように、井戸層の膜厚を制御すること
により各井戸層が発する光の光度比率を制御することも
できる。しかし、活性層が量子井戸構造を有する場合、
井戸層の厚みを薄くすると、光度をある程度増やすこと
ができるが、量子サイズ効果のため光が短波長側に移動
してしまう。同様に、井戸層の厚みを厚くすると、光度
をある程度下げることができるが、光が長波長側に移動
する。いずれにしても、所望の発光波長を得ることが極
めて難しいという問題が生ずる。

【００１７】本発明の請求項４に記載の発光素子は、さ
らに、活性層が第１および第２井戸層を挟む複数の障壁
層を備え、障壁層の厚みを調整して、第１および第２井
戸層が発する光の光度比を制御することにより、所望の
演色性を有する光源を提供することを特徴とする。

【００１８】第１および第２井戸層の積層数比のみなら
ず、障壁層の厚みを調整することにより、各井戸層が発
する光の光度比率を制御して、同様に所望の演色性を有
する光源を提供することができる。

【００１９】本発明の請求項５に記載の発光素子は、第
１井戸層が第２井戸層よりも多く積層されることを特徴
とする。

【００２０】とりわけ、第２井戸層が第１井戸層よりも
ｐ型半導体に近い位置に積層される場合、第１井戸層が
発する光は、第２井戸層で吸収されて、その光度が低下
する。そこで、第１井戸層を第２井戸層よりも多く積層
することにより、比較的簡単に所望の演色性を有する白
色光を得ることができる。

【００２１】本発明の請求項６に記載の発光素子は、第
１井戸層の発する光のスペクトル半値幅が上記第２井戸
層の発する光のスペクトル半値幅よりも狭いことを特徴
とする。

【００２２】主ピーク波長が青色領域にある第１井戸層
と、主ピーク波長が黄色領域にある第２井戸層と、を有
する発光素子の場合、この発光素子が発する光は、緑色
および赤色領域の波長成分を全くまたは殆ど有さないた
めに、その演色性が良好とならないことがある。したが
って、第２井戸層が発する光の発光スペクトルを、第１
井戸層のそれより広くしておくことが好ましい。この結
果、発光効率を損なうことなく、この発光素子が発する
光の平均演色評価数Ｒａを改善することができ、つまり
高輝度、かつ高演色性の白色光を発光可能な発光素子を
形成することができる。なお、当業者には明らかなよう
に、スペクトル半値幅は、例えば、井戸層の結晶性を調
整したり、不純物を添加したりすることによって、制御
することが可能である。

【００２３】本発明の請求項７に記載の発光素子は、第
１井戸層が２層以上１０層以下の範囲で積層され、上記
第２井戸層が１層以上３層以下の範囲で積層されること
を特徴とする。

【００２４】本発明の請求項８に記載の発光素子は、第
１井戸層が発する光の主ピーク波長が４５０ないし５０
０ｎｍで、第２井戸層が発する光の主ピーク波長が５６
０ないし６７０ｎｍであることを特徴とする。

【００２５】本発明の請求項９に記載の発光素子は、第
１井戸層よりも第２井戸層の凹凸の度合いが大きいこと
を特徴とする。

【００２６】一般に、多重量子井戸構造の井戸層は、障
壁層との界面が平坦で、結晶性が良好であるほど、その
発光効率は高い。しかし、本発明の発光素子のように、
異なる発光ピーク波長を発する井戸層を含む多重量子井
戸構造の活性層においては、井戸層が障壁層を挟んで隣
り合う状態にあるために、何らかの相互作用が働くと考
えられる。すなわち、本発明者は、長波長発光の第２井
戸層の凹凸の度合いを、短波長発光の第１井戸層よりも
大きくするすると、第１井戸層が発する短波長光は、第
２井戸層で吸収されにくくなることを確認した。また、
この条件のもとで、後述するように、第２井戸層の凹凸
の度合いを最適化することにより、第２井戸層の発する
長波長発光の発光効率も上げることができ、発光素子と
しての発光効率を上げることができる。

【００２７】第１および第２井戸層の凹凸の度合いを比
較する手法の一例を示す。まず、発光素子を層厚方向に
垂直な方向に切断して、この断面における井戸層および
障壁層の間の界面が呈する凹凸を走査型電子顕微鏡など
により比較する。両者の凹凸の度合い若しくは粗さの違
いを、顕微鏡確認するだけで明白に確認できることもあ
る。また、その違いが明らかでないような場合には、後
述する凹部領域が占める度合いＲで比較してもよいし、
井戸層の上面または下面の少なくとも一方の面につい
て、ＧＩＸＲ（Grazing Incidence X-Ray Reflection：
斜入射Ｘ線反射率分析法）による薄膜解析によりラフネ
スを比較して凹凸の大小を判断してもよい。尚、第１お
よび第２井戸層が複数の井戸層を有する場合、少なくと
も１つの第２井戸層が、少なくとも１つの第１井戸層よ
りも凹凸の度合いが大きければよい。第２井戸層の全て
が、第１井戸層の全てよりその凹凸の度合いが大きいこ
とが望ましい。ただし上述のように、井戸層の結晶性お
よびその成長形態は、主にＩｎ含有量に依存するため、
第１および第２井戸層が複数あっても、その凹凸はそれ
ぞれほぼ同等なものとなる。

【００２８】また、第２井戸層の凹凸が第１井戸層のそ
れに比べて大きくなるように形成することは、第２井戸
層の結晶性の面からも好ましい。すなわち、第２井戸層
の凹凸の度合いが第１井戸層のそれに比べて大きい場合
（第２井戸層だけに凹凸が設けられている場合を含む）
に比べて、第１井戸層の凹凸の度合いが第２井戸層のそ
れに比べて大きい場合の第２井戸層の結晶性は極めて悪
い。ウェーハの全体または一部領域において、均一な膜
厚を有する第２井戸層を形成するのが困難となり、さら
に第２井戸層の結晶が成長しない領域が生じることもあ
る。これに対して、第２井戸層の凹凸の度合いが第１井
戸層よりも大きい場合には、第２井戸層は比較的一定に
形成される。したがって、第２井戸層の凹凸の度合いを
第１井戸層よりも大きくすることにより、発光素子の特
性向上に寄与しているものと考えられる。更に、このよ
うな場合、第１および第２井戸層は、共に良好な結晶性
を有し、さらに膜厚も一定している。その結果、各井戸
層からの光の光度比も安定し、得られる発光素子間の輝
度むらおよび色調ズレなどの問題も大きく改善される。

【００２９】尚、当業者には明らかなように、第１およ
び第２井戸層は、例えば成膜速度、成膜温度などの成膜
条件を制御することで、その凹凸の度合いを変えること
ができる。上記以外の成膜条件を変えることにより、各
井戸層の凹凸の度合いを変えてもよい。

【００３０】上述のように、第２井戸層の凹凸の度合い
が第１井戸層のそれに比べて大きい場合、発光素子とし
ての発光効率が向上する。第１および第２井戸層の凹凸
の度合いの各々と、その発光効率との厳密な関係は定か
でない。しかし、より短い主ピーク波長の光を発する第
１井戸層と、より長い主ピーク波長の光を発する第２井
戸層とでは、その凹凸の度合いによる発光効率に対する
寄与が異なるものと考えられる。すなわち、多重量子井
戸の活性層に含まれる井戸層におけるＩｎ含有量、積層
数、および第１および第２井戸層の配置関係等が、井戸
層の凹凸の度合いと密接に関係して、素子特性に影響を
与えていると思われる。凹凸の度合いによる発光効率に
対する寄与度に違いがあるので、第１および第２井戸層
の最適な凹凸の度合いにも違いが生じる。さらに、第２
井戸層の凹凸の度合いを第１井戸層のそれより大きくす
ることにより、発光素子の特性を向上させることができ
る。つまり、第１および第２井戸層の凹凸の度合いが同
程度であるか、または第１井戸層の凹凸の度合いが第２
井戸層のそれより大きい場合と比べて、第２井戸層の凹
凸の度合いが第１井戸層のそれより大きい場合の発光素
子の特性は良好でない。これは、発光素子の特性向上
が、各井戸層の凹凸の度合いそのものよりも、各井戸層
の凹凸の度合いの大小関係に主に依存することを示して
いる。加えて、第２井戸層の凹凸の度合いが第１井戸層
のそれより大きい場合、各井戸層からの光の光度比が一
定するため、所望の演色性を有する光源を容易に得るこ
とができる。このことは上述の良質の結晶性が主に関係
しているものと思われる。その上、第１井戸層からの発
光については、第２井戸層に凹凸があることによる光の
取り出し効率の向上だけでなく、光の光度そのものが向
上する傾向があり、また第２井戸層についても僅かなが
らもそのような傾向がある。以上のように、各発光層の
凹凸およびその大小関係は、相乗的な効果により、素子
全体の発光効率を引き上げ、第１井戸層からの発光が効
率よく得られ、結果的に所望の演色性を有する光源を提
供することができる。

【００３１】本発明の請求項１０および１１に記載の発
光素子は、第２井戸層が、その平均膜厚の半分以下の膜
厚を有する部分的に薄い凹部を含み、この凹部の領域が
全体の１０％以上占めることを特徴とする。

【００３２】ここで、全体に対する上記凹部領域の占め
る度合いの計測手法の一例について図６を参照しながら
説明する。まず、発光素子を層厚方向に垂直な方向に切
断して、井戸層断面を走査型電子顕微鏡などにより観察
する。井戸層はその平均膜厚の半分以下の膜厚を有する
部分的に薄い凹部を含むが、この凹部の長さの総和Ｓを
特定の範囲（長さＬ）を測定する。そして特定範囲にお
ける凹部領域が占める度合いＲを、式Ｒ＝Ｓ／Ｌで求め
る。ここで、測定する領域（長さＬ）は、短くとも１μ
ｍ程度あれば充分であるが、１０μｍ以上程度あれば、
さらに再現性よく凹部領域が占める度合いＲを計測で
き、好ましい。また、平均膜厚は、上記測定範囲Ｌにお
ける井戸層の平均膜厚を求めれば足り、これを素子全体
における井戸層の平均膜厚として用いてもよい。さらに
凹部領域の全体に占める度合いＲは、一般に、発光素子
全体で一様と考えられるから、任意の切断面において計
測することができる。

【００３３】本発明の請求項１０および１１に記載の発
光素子は、換言すると、Ｒ≧０．１となるような第２井
戸層を有することを特徴とする。第２井戸層の凹部領域
が占める度合いＲの値が０．１未満となるように形成さ
れる場合、つまり第２井戸層が比較的平坦な形状を有す
る場合には、第１井戸層からの発光光度が第２井戸層か
らのそれに比べて相対的に下がるだけでなく、発光素子
全体の発光効率も低くなる。

【００３４】複数の第２井戸層が積層される場合、上記
条件式Ｒ≧０．１を満たす第２井戸層が、そのうち１層
だけであっても第１井戸層の発光効率が向上するが、全
ての第２井戸層が同条件を満たすことがなお望ましい。

【００３５】なお、第２井戸層の凹部領域が占める度合
いＲが０．５よりも大きくなれば、第２井戸層の上に成
長させるｐ型半導体層の平坦性が損なわれ、結果として
発光素子の発光効率を低下する。したがって、第２井戸
層の凹部領域が占める度合いＲの上限を０．５として発
光素子を形成すると、第１井戸層からの発光を効率よく
取り出し、発光素子全体の発光特性も良好に維持され
る。

【００３６】本発明の請求項１２ないし１４に記載の発
光素子は、第１井戸層よりも凹凸の度合いが大きい、ま
たはＲ≧０．１となるような第２井戸層が、第１井戸層
およびｐ型半導体の間に配置されることを特徴とする。

【００３７】上述の通り、Ｉｎ混晶比が高く結晶性の比
較的悪い第２井戸層を、電子−正孔の再結合確率の高い
ｐ型半導体側に配置することにより、発光効率を向上さ
せることができ、好ましい。

【００３８】また、第１井戸層の凹凸の度合いが、第２
井戸層と同程度である場合、または第２井戸層よりも大
きい場合、ウェーハにおいて井戸層を均一に成膜しにく
く、発光素子間で発光波長のばらつきが大きくなる。発
光波長のばらつきが大きければ、所望の演色性を有する
光源を信頼性よく生産することは難しい。したがって、
この点からも、凹凸の度合いのより大きい第２井戸層
が、第１井戸層およびｐ型半導体の間に配置されること
が好適である。

【００３９】本発明の請求項１５ないし１７に記載の発
光素子は、第１井戸層が第２井戸層よりも多く積層され
ることを特徴とする。

【００４０】とりわけ、第２井戸層が第１井戸層よりも
ｐ型半導体に近い位置に積層される場合、第１井戸層が
発する光は、第２井戸層で吸収されて、その光度が低下
する。そこで、第１井戸層を第２井戸層よりも多く積層
することにより、比較的簡単に所望の演色性を有する白
色光を得ることができる。また、比較的結晶性の悪い第
２井戸層の数が少ないため、その上に続いて積層される
ｐ型半導体の形成にも好ましい。

【００４１】本発明の請求項１８に記載の発光素子は、
第１および第２井戸層の各々の上に、Ａｌを含む窒化物
化合物半導体からなる第１障壁層と、Ａｌを実質的に含
まない窒化物化合物半導体からなる第２障壁層とを有す
ることを特徴とする。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明は以下の詳細な説明および
添付図面により明確に理解されるが、これらは単に例示
的なものであって本発明の範囲を限定するものではな
い。

【００４３】（発明の実施の形態１）Ｉｎ含有量の異な
る少なくとも２つの窒化物化合物半導体からなる井戸層
の発する少なくとも２色の光を、混色させることによ
り、白色などの光を得るようにしたものである。とりわ
け、長波長で発光する井戸層を短波長で発光する井戸層
よりもｐ型層側に設けることにより、発光効率の高い、
所望の演色性を有する光源を提供することができる。

【００４４】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層
は、Ｉｎの含有量に依存するそのバンドギャップエネル
ギーにほぼ比例して短い波長の光を発する。しかしなが
ら、窒化物半導体が含有するＩｎ量が増えるにつれ、そ
の結晶性が劣化して、発光効率が低下する傾向にある。
つまり、第２井戸層は第１井戸層より低い発光効率を有
する。また、窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する
井戸層は、ホールの拡散長が短いので、ｐ層半導体の近
くに設けられた井戸層は、ｎ層半導体の近くに設けられ
た井戸層よりも、電子−正孔の再結合確率が大きい。

【００４５】そこで、本発明の第１の実施例によれば、
Ｉｎ含有量がより多いために結晶性の比較的良好でない
第２井戸層を、Ｉｎ含有量がより少ないために結晶性の
比較的良好な第１井戸層よりもｐ型半導体層に近く配置
する。つまり、第２井戸層を第１井戸層とｐ型半導体層
との間に配置する。こうして、より高輝度かつ優れた発
光効率特性を有する発光素子を形成することができる。

【００４６】（実施例１）ここで添付図面を参照しなが
ら本発明の実施例１の発光素子を説明する。

【００４７】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１１０、ＭｇドープのＧａＮか
らなるｐ型コンタクト層１１１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１の井戸層１０８および第２の井戸層１０９とから
構成されており、ｐ型コンタクト層１１１側にある第２
井戸層１０９は、ｎ型コンタクト層１０４側にある井戸
層１０８よりもＩｎ量を多く含有する。ｎ型およびｐ型
コンタクト層１０３および１１１にｐ側およびｎ側電極
１１３、１１４を形成す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
係る発光素子の形成方法について詳述する。

【００４８】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Ｈ_２で十分置換した後、基板温度を
１０５０℃まで上昇させて、基板１０１をクリーニング
する。なお、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
（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４)のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６
Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、お
よびＧａＮなどの材料を用いることができる。

【００４９】次に、成膜温度を５１０℃まで下げＴＭＧ
（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３を原料ガス、Ｈ_２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、Ａ
ｌＮやＧａＡｌＮなどの材料を利用することができる。

【００５０】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ＮＨ_３を原料
ガス、Ｈ_２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。

【００５１】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ＮＨ_３、キャリアガ
スとしてＨ_２、不純物ガスとしてＳｉＨ_４を流し、５×
１０ ^１８/ｃｍ^３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。

【００５２】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ＳｉＨ_４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。

【００５３】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１の井戸層１
０８とを３周期繰り返して成膜した後、同様の厚さ約２
５０Å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１０９とを成膜するこ
とにより形成される。ｎ型クラッド層１０５側に近い第
１井戸層１０８は青色発光し、ｐ型クラッド層１１０に
近い第２井戸層１０９は黄色発光する。なお、活性層１
０６の両端はＧａＮであることが望ましい。

【００５４】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ＮＨ_３、キャリアガスとしてＨ_２を流すことによ
り、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１０７を超格子層
１０５上に成膜する。

【００５５】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ＮＨ_３、キ
ャリアガスとしてＮ_２を流すことにより、約３０Åの厚
さのＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎを成膜する。

【００５６】その後、成膜温度を１０５０℃とし原料ガ
スとしてＴＭＧおよびＮＨ_３、キャリアガスとしてＨ_２
を流すことにより、約２５０Åの厚さのＧａＮ障壁層１
０７を第１井戸層１０８の上に成膜する。これを１周期
として３周期繰り返し積層する。

【００５７】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ＮＨ_３、キ
ャリアガスとしてＮ_２を流すことにより、約３０Åの厚
さのＩｎ_0.8Ｇａ_0.2Ｎを成膜して第２の井戸層１０９を
形成する。第２井戸層１０９は、ＴＭＩ（トリメチルイ
ンジウム）流量比を第１井戸層１０８を成膜する場合に
比ベて大きくすることにより、第１井戸層１０８よりも
多くＩｎを含有するように形成されている。

【００５８】なお、発光層である井戸層１０８は、ノン
ドープ、あるいはＭｇやＺｎなどのアクセプタ不純物、
Ｓｉなどのドナー不純物を含有してもよい。さらには、
ドナー不純物およびアクセプタ不純物を同時に含有させ
ることもできる。

【００５９】活性層１０６を成膜後、超格子構造を有す
るｐ型クラッド層１１０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層とを成膜する。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１１０を形
成する。具体的には、ＭＯＣＶＤ法により成膜温度を１
０５０℃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ＮＨ_３、不純物ガスとしてＣ
ｐ_２Ｍｇ（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Ｈ_２を流すことにより、厚さが約
４０Å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ＮＨ_３、不純
物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ、そしてキャリアガスとしてＮ
_２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１１０を成膜する。な
お、ｐ型クラッド層１１０は、このように超格子構造を
有していてもよいが、ＡｌＧａＮやＡｌＢＧａＮなどの
単層構造を有していてもよい。

【００６０】そして、成膜温度を１０５０℃とし、原料
ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ_３、キャリアガスとしてＨ
_２、そして不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇを流し、１×１
０^２ ^０/ｃｍ^３のＭｇ不純物濃度を有するＧａＮ層であ
るｐ型コンタクト層１１１を、２．２５μｍの膜厚でｐ
型クラッド層１１０上に形成する。ｐ型クラッド層１１
０形成後、温度を室温まで下げ、窒素雰囲気中でウェー
ハを７００℃でアニーリング処理し、ｐ型層をさらに低
抵抗化する。

【００６１】アニーリング処理後、ウェーハを反応容器
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１１１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１１１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。

【００６２】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１１１のほぼ全面に膜厚２００Å
のＮｉとＡｕを含むｐ型電極１１２と、ｐ型電極１１２
の上にボンディング用のＡｕよりなる０．５μｍの膜厚
のｐ型パッド電極１１３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１０４上に、
ＷとＡｌとを含むｎ型電極１１４を形成する。最後に、
ｐ型電極１１２の表面を保護するためにＳｉＯ_２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ェーハ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３５０
μｍ角のＬＥＤチップを完成する。

【００６３】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井戸層１０８と第２
井戸層１０９を有する。このとき、第２井戸層１０９
は、第１井戸層１０８から放出される主ピーク波長より
も長波長の主ピーク波長を放出するものである。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、Ｉｎ_XＡｌ_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_XＧａ_1-XＮ
（０＜X＜１）で形成される。なぜなら、ＩｎＧａＡｌ
Ｎ等の他の窒化物半導体に比べて、ＩｎＧａＮは成膜表
面に凹部領域、または凹凸を有していても比較的良好な
結晶性を有する井戸層として形成されるためである。本
発明の多重量子井戸構造の活性層はさらに、第１井戸層
１０８、第２井戸層１０９もしくはその他の井戸層より
バンドギャップの大きな窒化物半導体よりなる障壁層１
０７を有し、これら井戸層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、Ａ
ｌＧａＮ等の材料により、井戸層１０８、１０９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井戸層１０８および第２井戸層１０９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７
０Å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、井戸層中に微少なクラック、あるいは結
晶欠陥が入りやすい。

【００６４】また、ｐ型半導体およびｎ型半導体とし
て、特に限定されないが、例えば窒化物半導体からなる
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、Ｉｎ_XＡｌ_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。

【００６５】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、Ｌ
ＥＤ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。

【００６６】こうして得られた発光ダイオードランプに
２０ｍＡ（Ｖｆ＝３．５Ｖ）の順方向電流を流したとこ
ろ、図３に示すように、ＣＩＥの色度図上の座標が
（Ｘ、Ｙ）＝（０．３３３、０．３１４）で表され、色
温度が約６０００Ｋである発光スペクトルを有する白色
光が得られる。このとき、第１および第２井戸層１０
８、１０９から、各々約４７０ｎｍおよび約５７５ｎｍ
の波長を有する発光が確認される。また、第２井戸層１
０９が発する発光スペクトルは、第１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
れている。なお、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２つに限定されるものでは
なく、それ以上の井戸層を設けることもできる。これに
より、発光素子全体としてのスペクトル幅を広げること
ができる。

【００６７】本発明の効果を実証するために、比較実験
を行った。つまり、第１および第２の井戸層１０８、１
０９の積層順序を入れ替えて形成した以外は同様にし
て、発光ダイオードランプを形成した。この発光ダイオ
ードランプの輝度はより暗く、その発光色は青みがかっ
て見えた。これは、Ｉｎ含有量の多い第２発光層１０９
からの光度が減少し、第１井戸層１０８の結晶性が結晶
性のより悪い第２井戸層１０９に引きずられて悪化した
ために第１井戸層１０８の光度も低下したためと考えら
れる。

【００６８】（実施例２）次に、青色発光の第１井戸層
２０８を１層追加して、合計４層とした以外は実施例１
と同様にして、発光素子２００を形成した。こうして得
られた発光素子２００の発光色は、実施例１の発光素子
１００に比べて色温度が上昇し青みがかって見えた。同
様に、青色発光する第１井戸層を２層追加して、合計５
層とした以外は実施例１と同様にして、形成した発光素
子の発光色はさらに青みがかって見えた。実施例１によ
る発光素子１００（第１井戸層１０８が３層、第２井戸
層１０９が１層）および実施例２による発光素子２００
（第１井戸層２０８が４層、第２井戸層２０９が１層）
が発する発光スペクトルの色度図上の座標を図３に示
す。すなわち、第１井戸層１０８および第２井戸層１０
９の積層数比を調整することにより、希望するＣＩＥ色
度図座標および色温度を有する混色光を得ることができ
る。

【００６９】（実施例３）第１井戸層１０８を挟む障壁
層１０７の厚みをそれぞれ約２５０Åから約３００Åと
した以外は実施例１と同様にして、発光素子１００を形
成した。こうして得られた発光素子１００に順方向電流
を流したところ、第２井戸層１０９が発する光の強度は
ほぼ同じであるのに対し、第１井戸層１０８が発する光
の強度は増加した。

【００７０】（実施例４）第２井戸層１０９を挟む障壁
層１０７の厚みをそれぞれ約２５０Åから約２００Åと
した以外は実施例１と同様にして、発光素子１００を形
成する。こうして得られた発光素子１００に順方向電流
を流したところ、第１井戸層１０８が発する発光強度は
ほぼ同じであるのに対し、第２井戸層１０９が発する発
光強度は減少する。実施例３および４により、障壁層１
０７の厚みを制御することにより、各発光色光度比を制
御して、希望の演色性を有する光源を容易に得ることが
できる。

【００７１】（実施例５）第２井戸層１０９の発光スペ
クトルの半値幅を、実施例１の第２井戸層１０９よりも
広くすること以外は実施例１と同様にして、発光素子を
形成する。具体的には、実施例１では８００℃に調整し
た成膜温度を８１０℃に上げると共に、実施例１で用い
たＴＭＩガスをより多く流して、第２井戸層１０９を成
膜する。一般に、成膜温度を上げた場合、主波長ピーク
波長は短波長側に移動し、Ｉｎ材料ガスを多くした場
合、主ピーク波長は反対に短波長側に移動する。さらに
いずれの場合も、こうして成膜された第２井戸層１０９
の発光スペクトル分布は、よりブロードになる。つまり
発光スペクトルの半値幅が広くなる。上記の通り、成膜
温度を８００℃から８１０℃にしたことにより、第２井
戸層１０９の主ピーク波長が短波長側に移動したことを
補完するようにＴＭＩ流量を上げると、主ピーク波長を
変えることなく、発光スペクトルの半値幅だけを広くす
ることができる。図４は本発明の実施例１の発光スペク
トル分布を示し、図５は本実施例５の発光スペクトル分
布を示す。

【００７２】このように成膜温度を上げたり、活性層の
厚くしたり、または不純物を添加したりすることによっ
ても、発光スペクトルの半値幅を広げることができ、必
要に応じて、これらを適宜組み合わせることもできる。

【００７３】（発明の実施の形態２）本発明の実施の形
態２は、本実施の形態１の発光素子において、第２井戸
層の凹凸を第２井戸層のそれよりも大きくするか、また
は第２井戸層の平均膜厚の半分以下の膜厚を有する凹部
領域で占められる度合いを１０％以上とすることによ
り、所望の演色性を有する高効率な発光を可能にするも
のである。

【００７４】実施例１で形成した発光素子の井戸層が有
する凹凸の度合いを評価する手法の一例について説明す
る。

【００７５】まず、実施例１で形成した発光素子１００
の井戸層１０８、１０９につき、層厚方向に垂直な方向
で切断した断面を走査型電子顕微鏡などにより観察す
る。図６に示すように、対象となる井戸層１０７または
１０８は、その平均膜厚の半分以下の膜厚を有する部分
的に薄い凹部Ｄを含む。この凹部Ｄの長さの総和Ｓを特
定の範囲（長さＬ）について測定する。そして特定範囲
における凹部領域が占める度合い（井戸層が有する凹凸
の度合い）Ｒが、式Ｒ＝Ｓ／Ｌで求められる。ここで、
測定する領域（長さＬ）は、短くとも１μｍ程度あれば
充分であるが、１０μｍ以上程度あれば、さらに再現性
よく凹凸の度合いＲを計測でき、好ましい。また、平均
膜厚は、上記測定範囲Ｌにおける井戸層の平均膜厚を求
めれば足り、これを素子全体における井戸層の平均膜厚
として用いてもよい。さらに井戸層が有する凹凸の度合
いＲは、一般に、発光素子全体で一様と考えられるか
ら、任意の切断面において計測することができる。

【００７６】ここで実際に、実施例１で形成した発光素
子の第２井戸層１０８について、凹凸の度合いＲを計測
したところ、０．１５であった。

【００７７】（実施例６）第２井戸層１０８を形成する
際、実施例１よりわずかに成膜速度を上げたところ、そ
の凹凸の度合いＲが０．２となった。つまり、凹凸の度
合いＲが０．２であることを除いて、実施例１と同様の
発光素子を得た。得られた発光素子１００によれば、第
２井戸層１０９が発する黄色光の光度に対する、第１井
戸層１０８が発する青色光の光度の比が、実施例１に比
べてわずかに大きくなっていた。また、得られた発光素
子１００の発光効率については、ほぼ同等なものであっ
た。

【００７８】（実施例７）青色光を発光する第１井戸層
１０８の成膜温度を変えて、実施例１と同様にして発光
素子を形成する。一般に、より高い成膜温度で形成する
と、井戸層の凹凸の度合いは大きくなる傾向がある。第
１井戸層１０８を、成膜温度を８３０℃に設定した後
に、再び原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、およびＮ
Ｈ₃、そしてキャリアガスとして窒素ガスを流して、成
膜速度２Å／ｓｅｃで厚さ約３０ÅのＩｎ _0.5Ｇａ_0.5Ｎ
を成膜する。これを３回繰り返しＩｎの含有量が少ない
第１井戸層１０８を形成する。

【００７９】このとき、第１井戸層１０８は、第２井戸
層１０９と同様に両側表面に凹凸を有し、その凹部領域
の占める割合Ｒが０．１となる。また、このとき発光素
子１００は、実施例１とほぼ同等の良好な発光効率を有
する。しかも、青色光と黄色光との光度比に関し、素子
間のばらつきが少なく、その結果、再現性よく所望の演
色性を有する白色光源を提供することができる。

【００８０】（実施例８）図７で示すように、実施例７
ではＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎからなる第１井戸層３０８が３層
であったものを、２層追加して合計５層とすること以
外、実施例７と同様にして発光素子３００を形成する。
このとき第２井戸層３０９の凹凸は、第１井戸層３０８
よりも大きい。この発光素子３００は、実施例２の第１
井戸層２０７が４層のものに比べて更に青みがかって見
える。本実施例８の発光素子３００の発光効率は、実施
例２に比べて向上しており、また各井戸層３０８、３０
９からの発光の強度も向上しており、特に第１井戸層３
０８からの発光が大きく向上する。加えて、第１および
第２井戸層からの発光の強度比も実施例７に比べて安定
するので、再現性よく所望の演色性を有する白色発光素
子を得ることができる。

【００８１】（実施例９）次に、実施例８とは逆に、第
１井戸層３０８の凹凸が、第２井戸層３０９よりも大き
くなるようにして、実施例８と同様の発光素子を形成す
る。すなわち、凹部領域の占める割合Ｒの値０．２であ
る第１井戸層３０８と、凹部領域の占める割合Ｒの値
０．４である第２井戸層３０９と、を含む発光層を有す
る発光素子３００を形成する。

【００８２】この発光素子３００は、実施例８に比べて
その発光効率が大幅に低下し、また実施例１の発光素子
１００と比較しても低くなる。さらに、第１および第２
井戸層３０８、３０９からの光の光度比が発光素子ごと
で大きくばらつき、再現性よく所望の演色性を有する白
色光を得ることが困難となる。

【００８３】（実施例１０）実施例８と同様にして、凹
部領域の占める割合Ｒの値が０．０５である第１井戸層
３０８と、凹部領域の占める割合Ｒの値が０．０８であ
る第２井戸層３０９と、を含む活性層３０６を有する発
光素子を形成する。このとき、５層からなる第１井戸層
３０８について、各々層厚を測定すると、いずれもＲの
値は約０．０５であって、第１井戸層３０８の間でほぼ
同等となる。またこのとき、この発光素子３００の断面
において、第１井戸層３０８が第２井戸層３０９より凹
凸が明らかに小さいことが容易に観察されるので、必ず
しもＲの値を精確に計測する必要はない。

【００８４】得られた発光素子３００は、実施例８と同
様に良好な発光を示し、発光効率はわずかに劣るが、許
容できるものであり、得られる混色光の演色性も満足で
きるものである。したがって、第１および第２井戸層の
凹凸の大きさよりも、各井戸層間の凹凸の大小関係が、
発光素子の特性により大きい影響を与えることが理解さ
れる。

【００８５】（発明の実施の形態３）本発明の実施の形
態３は、本実施の形態１の発光素子において、第１およ
び第２井戸層上に、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）
からなる第１障壁層と、ＧａＮからなる第２障壁層を形
成することにより、順方向電圧Ｖｆを下げるるとともに
発光効率をあげることを目的とする。

【００８６】（実施例１１）図８を参照しながら説明す
る。

【００８７】実施例１と同様の装置を用いて、本発明に
係る他の実施の形態の発光素子４００を形成する。この
発光素子４００は、概略、活性層４０１と、これを挟む
ｎ型半導体層４０２およびｐ型半導体層４０３から構成
される。

【００８８】ｎ型半導体層４０２は、サファイア基板４
１１、ＧａＮからなるバッファ層４１２、アンドープの
ＧａＮ層４１３ａおよびＳｉドープのＧａＮ層４１３ｂ
を交互に５層繰り返し積層してなるｎ型コンタクト層４
１３、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなるｎ型クラッド層
４１４を順次積層して形成される。なお、ｎ型コンタク
ト層４１３の最上層のＳｉドープのＧａＮ層４１３ｂの
上にｎ型電極４３６を形成する。

【００８９】ｐ型半導体層４０３は、ＭｇドープのＩｎ
ＧａＮからなる第１のｐ型クラッド層４３１、Ｍｇドー
プのＡｌＧａＮからなる第２のｐ型クラッド層４３２、
ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層４３３を
順次積層して構成される。また、ｐコンタクト層４３３
の上にｐ型電極４３４を形成する。

【００９０】活性層４０１は、ｎ型コンタクト層４１４
に近いＩｎＧａＮからなる第１井戸層４１６と、ｐ型コ
ンタクト層に近いＩｎＧａＮからなる第２井戸層４２０
を含む多重量子井戸構造を有する。第２井戸層４２０
は、第１井戸層４１６よりも大きいＩｎ組成を有する。
特に、本実施形態３では、第１井戸層４１６上にＡｌＧ
ａＮからなる第１障壁層４１７およびＧａＮからなる第
２障壁層４１８を形成する。同様に、第２井戸層４２０
上にＡｌＧａＮからなる第１障壁層４２１およびＧａＮ
からなる第２障壁層４２２を形成する。第１障壁層４１
７および４２１は、主として電子を止めるバリア層とし
て機能し、第２障壁層４１８および４２２は、主として
その上に形成させる井戸層の下地層として機能する。こ
のような組成の異なる複数の障壁層を井戸層上に形成す
ることにより、結晶性が向上しＶｆが下がる。このよう
な第１および第２の障壁層は、単一量子井戸構造の活性
層を有する発光素子、あるいは実質的に同じＩｎ量を含
む多重量子井戸構造の発光素子においても有効で、その
結果、高い結晶性、低いＶｆを有し、高出力発光可能な
発光素子を提供することができる。ただし、主ピーク波
長が黄色より長波長側で発光するＩｎを含む窒化物化合
物半導体を結晶性良く形成することが難しいため、例え
ば、青色光が発光可能な第１井戸層４１６と、黄色光が
発光可能な第２井戸層４２０と、を組み合わせた白色発
光素子を形成する上で、第１および第２の障壁層は、顕
著な効果を奏す。なお、Ａｌ組成比が０．３以上である
第１障壁層は、結晶性の点からもより効果が大きい。こ
こでは、Ａｌ組成比を０．５としてある。

【００９１】この活性層４０１は、第１井戸層４１６、
第１障壁層４１７、および第２障壁層４１８を４周期繰
り返して成膜し、その上に第２井戸層４２０、第１障壁
層４２１、および第２障壁層４２２を積層して、形成さ
れる。第１および第２井戸層４１６、４２０は、ＩｎＧ
ａＮからなり、Ｉｎ組成比を制御することにより所望の
波長を有する光を発することができる。例えば、第１井
戸層４１６が約４８０ｎｍの主ピーク波長の青色光を発
し、第２井戸層４２０が約５８０ｎｍの主ピーク波長の
黄色光を発するように各々のＩｎ組成比を制御してもよ
い。第１および第２井戸層４１６、４２０は、約３０Å
の厚さを有し、第１および第２障壁層４１７、４２１、
および４１８、４２２は、約３００Åの厚さを有する。

【００９２】以下、発光素子４００の形成方法について
詳述する。

【００９３】ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成膜し
て発光素子４００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４１１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Ｈ _２で十分置換した後、基板
温度を１０５０℃まで上昇させて、基板４１１をクリー
ニングする。なお、半導体基板４１１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（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４)のような絶縁性基板、ＳｉＣ
（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡ
ｓ、およびＧａＮなどの材料を用いることができる。

【００９４】次に、成膜温度を５１０℃まで下げＴＭＧ
（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３を原料ガス、Ｈ_２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４１１上に成膜して、バッファ層４１２
を形成する。なお、バッファ層４１２はＧａＮの他、Ａ
ｌＮやＧａＡｌＮなどの材料を利用することができる。

【００９５】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、原料ガスとしてＴＭＧおよ
びＮＨ _３、キャリアガスとしてＨ_２を流し、アンドープ
のＧａＮ層４１３ａをバッファ層４１２上に積層する。
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ＮＨ_３、キャリアガスとして
Ｈ_２、不純物ガスとしてＳｉＨ_４を流し、Ｓｉがドープ
されたＧａＮ層４１３ｂをアンドープＧａＮ層４１３ａ
の上に成膜する。アンドープのＧａＮ層４１３ａおよび
ＳｉドープのＧａＮ層４１３ｂを交互に５層積層して約
４μｍのコンタクト層４１３を形成する。

【００９６】続いて、原料ガスの流入を止め、成膜温度
８００℃に下げる。温度が安定した後、原料ガスとして
ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、キャリアガスとしてＨ_２、不
純物ガスとしてＳｉＨ_４を流し、ＳｉをドープしたＩｎ
ＧａＮからなるクラッド層４１４をＳｉドープのｎ型Ｇ
ａＮ層上４１３ｂの上に形成する。

【００９７】次に、多重量子井戸構造の活性層４０１を
ＳｉドープのＩｎＧａＮ層４１４の上に形成する。ＭＯ
ＣＶＤ法を用いて、成膜温度を１０５０℃にし、原料ガ
スとしてＴＭＧおよびＮＨ_３、キャリアガスとして
Ｈ_２、および不純物ガスとしてＳｉＨ_４ガスを流しなが
ら成膜し、ｎ型ＩｎＧａＮのクラッド層４１４上に約２
００Å厚のｎ型ＧａＮ層４１５を成膜させる。

【００９８】次に、原料ガスの流入を一旦止め、成膜温
度を７５０℃に変更した後に、再び原料ガスとしてＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、キャリアガスとしてＮ_２を流し
て、約３０Å厚のＩｎＧａＮからなる第１井戸層４１６
を成膜する。

【００９９】その後、成膜温度を８００℃に設定し、原
料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡおよびＮＨ_３、キャリアガ
スとしてＨ_２を流しながら成膜し、約３０Å厚の第１障
壁層４１７を成膜する。

【０１００】続いて、原料ガスを止め、キャリアガスの
みを流し、成膜温度を１０００℃に上げる。その後、原
料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ_３、キャリアガスとして
Ｈ_２を流しながら、約３００Å厚のＧａＮからなる第２
障壁層４１８を成膜する。

【０１０１】同様にして、第１井戸層４１６、第１障壁
層４１７、および第２障壁層４１８を順に各々４層繰り
返して成膜する。

【０１０２】続いて、同様にして第２井戸層４２０を形
成する。ただし、第１井戸層４１６については４層形成
されるのに対して、第２井戸層４２０については１層し
か形成されない。また、第２井戸層４２０は、５８０ｎ
ｍの主ピーク波長を有する光を発するようにＩｎ組成比
を制御したこと以外は、第１井戸層４１６と同様の層構
成を有する。

【０１０３】活性層４０１を形成した後、ＩｎＧａＮか
らなるｐ型第１のクラッド層４３１を形成する。ｐ型第
１クラッド層４３１は、Ｍｇドープのｐ型ＩｎＧａＮか
らなり、厚さ約２００Åを有する。ＭＯＣＶＤ法を用い
て、成膜温度を１０５０℃に設定し、原料ガスとしてＴ
ＭＧ、ＴＭＩ、およびＮＨ_３、不純物ガスとしてＣｐ _２
Ｍｇ、キャリアガスとしてＨ_２を流して、ＩｎＧａＮか
らなるｐ型第１クラッド層４３１を成膜する。

【０１０４】ｐ型第１クラッド層４３１を形成した後、
ＡｌＧａＮからなるｐ型第２のクラッド層４３２を形成
する。ｐ型第１クラッド層４３２は、Ｍｇドープのｐ型
ＡｌＧａＮからなり、厚さ約２００Åを有する。成膜温
度を１０５０℃に維持し、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭ
Ａ、およびＮＨ_３、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ、キャ
リアガスとしてＨ_２を流して、ＡｌＧａＮからなるｐ型
第１クラッド層を成膜する。

【０１０５】そして、成膜温度をそのまま１０５０℃と
し、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ_３、キャリアガス
としてＨ_２、そして不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇを流
し、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４３３を約３００
０Åの膜厚で第２ｐ型クラッド層４３２上に形成する。
ｐ型コンタクト層４３３形成後、温度を室温まで下げ、
窒素雰囲気中でウェーハを７００℃でアニーリング処理
し、ｐ型層をさらに低抵抗化する。

【０１０６】アニーリング処理後、ウェーハを反応容器
から取り出し、所望の形状のマスクを最上層の第２ｐ型
コンタクト層４３３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４３３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。

【０１０７】エッチング処理後、スパッタリング装置に
より第２ｐ型コンタクト層４３３のほぼ全面に膜厚２０
０ÅのＮｉとＡｕを含むｐ型電極４３４と、ｐ型電極４
３４の上にボンディング用のＡｕよりなる０．５μｍの
膜厚のｐ型パッド電極４３５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４１３ａ
上に、ＷとＡｌとを含むｎ型電極４３６を形成する。最
後に、ｐ型電極４３５の表面を保護するためにＳｉＯ_２
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ェーハをスクライブ
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。

【０１０８】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
ムは、一端部において、カップを有するマウント・リー
ドを有し、他端部において、マウント・リードに配置す
る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、直径３５μｍの金線ワイヤを用いて、Ｌ
ＥＤチップの各電極にワイヤの一方をボールボンディン
グし、リードフレームの先端にワイヤの他方をステッチ
ボンディングする。これにより、ＬＥＤ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。

【０１０９】こうして得られた発光素子に２０ｍＡの順
方向電流を流したところ、従来式の発光素子の順方向電
圧が３．５Ｖであったものが、３．０Ｖまで低下し、実
施例１よりも明るい白色光を得ることができる。

【０１１０】

【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。

【０１１１】本発明に係る発光素子の活性層が、異なる
発光波長を発する第１および第２井戸層を含むことによ
り、１つの発光素子により、高効率かつ高輝度に白色系
などの混光色を発光できる。また、第１および第２井戸
層の積層数比および／または障壁層の厚みを制御するこ
とで、演色性をより高めることができる。

【０１１２】さらに、第２井戸層の凹凸を第１井戸層の
それよりも大きくするか、および／または第２井戸層の
平均膜厚の半分以下の膜厚を有する凹部領域で占められ
る度合いを１０％以上とすることにより、所望の演色性
を有する高効率な発光を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る実施例１の発光素子
の模式断面図を示す。

【図２】実施形態１に係る実施例２の発光素子の模式断
面図を示す。

【図３】実施例１および実施例２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す。

【図４】実施形態１に係る実施例１の発光素子の発光ス
ペクトル図を示す。

【図５】実施形態１に係る実施例５の発光素子の発光ス
ペクトル図を示す。

【図６】本発明の実施形態２に係る井戸層の凹凸を説明
する模式断面図を示す。

【図７】実施形態２に係る実施例８の発光素子の模式断
面図を示す。

【図８】本発明の実施形態３に係る実施例１１の発光素
子の模式断面図を示す。

【符号の説明】

１００，２００，３００・・・発光素子１０１，２０１，３０１・・・サファイア基板１０２，２０２，３０２・・・バッファ層１０３，２０３，３０３・・・アンドープ層１０４，２０４，３０４・・・ｎ型コンタクト層１０５，２０５，３０５・・・ｎ型超格子層１０６，２０６，３０６・・・活性層１０７，２０７，３０７・・・障壁層１０８，２０８，３０８・・・第１井戸層１０９，２０９，３０９・・・第２井戸層１１０，２１０，３１０・・・ｐ型クラッド層１１１，２１１，３１１・・・ｐ型コンタクト層１１２，２１２，３１２・・・ｐ型透光性電極１１３，２１３，３１３・・・ｐ型台座電極１１４，２１４，３１４・・・ｎ型電極４０１・・・活性層４０２・・・ｎ型半導体層４０３・・・ｐ型半導体層４１１・・・基板４１２・・・バッファ層４１３・・・ｎ型コンタクト層４１４・・・ｎ型クラッド層４１６・・・第１井戸層４２０・・・第２井戸層４１７、４２１・・・第１障壁層４１８、４２２・・・第２障壁層４３１・・・ｐ型第１クラッド層４３２・・・ｐ型第２クラッド層４３３・・・ｐ型コンタクト層４３４・・・ｐ型透光性電極４３５・・・ｐ型台座電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｉｎを含む窒化物化合物半導体からなる
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を含む窒化物化合物半導体からなる少なくとも
１つの第２の井戸層と、を備えた、多重量子井戸構造の
活性層を、ｎ型半導体およびｐ型半導体で挟持すること
を特徴とする発光素子。
【請求項２】上記第２井戸層が、上記第１井戸層およ
び上記ｐ型半導体の間に配置されることを特徴とする請
求項１に記載の発光素子。
【請求項３】上記第１および第２井戸層の積層数比を
調整して、上記第１および第２井戸層が発する光の光度
比を制御することにより、所望の演色性を有する光源を
提供することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】さらに、上記活性層が上記第１および第
２井戸層を挟む複数の障壁層を備え、上記障壁層の厚みを調整して、上記第１および第２井戸
層が発する光の光度比を制御することにより、所望の演
色性を有する光源を提供することを特徴とする請求項１
に記載の発光素子。
【請求項５】上記第１井戸層が上記第２井戸層よりも
多く積層されることを特徴とする請求項１に記載の発光
素子。
【請求項６】上記第１井戸層の発する光のスペクトル
半値幅が上記第２井戸層の発する光のスペクトル半値幅
よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の発光素
子。
【請求項７】上記第１井戸層が２層以上１０層以下の
範囲で積層され、上記第２井戸層が１層以上３層以下の
範囲で積層されることを特徴とする請求項５に記載の発
光素子。
【請求項８】上記第１井戸層が発する光の主ピーク波
長が４５０ないし５００ｎｍで、上記第２井戸層が発す
る光の主ピーク波長が５６０ないし６７０ｎｍであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】上記第１井戸層よりも第２井戸層の凹凸
の度合いが大きいことを特徴とする請求項１に記載の発
光素子。
【請求項１０】上記第２井戸層が、その平均膜厚の半
分以下の膜厚を有する部分的に薄い凹部を含み、該凹部
の領域が全体の１０％以上占めることを特徴とする請求
項１に記載の発光素子。
【請求項１１】上記第２井戸層が、その平均膜厚の半
分以下の膜厚を有する部分的に薄い凹部を含み、該凹部
の領域が全体の１０％以上占めることを特徴とする請求
項９に記載の発光素子。
【請求項１２】上記第２井戸層が、上記第１井戸層お
よび上記ｐ型半導体の間に配置されることを特徴とする
請求項９に記載の発光素子。
【請求項１３】上記第２井戸層が、上記第１井戸層お
よび上記ｐ型半導体の間に配置されることを特徴とする
請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１４】上記第２井戸層が、上記第１井戸層お
よび上記ｐ型半導体の間に配置されることを特徴とする
請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１５】上記第１井戸層が上記第２井戸層より
も多く積層されることを特徴とする請求項１２に記載の
発光素子。
【請求項１６】上記第１井戸層が上記第２井戸層より
も多く積層されることを特徴とする請求項１３に記載の
発光素子。
【請求項１７】上記第１井戸層が上記第２井戸層より
も多く積層されることを特徴とする請求項１４に記載の
発光素子。
【請求項１８】上記第１および第２井戸層の各々の上
に、Ａｌを含む窒化物化合物半導体からなる第１障壁層
と、Ａｌを実質的に含まない窒化物化合物半導体からな
る第２障壁層とを有する請求項１に記載の発光素子。