JP2003017741A - ＧａＮ系発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高輝度で発光し、そして紫外から赤外までの
波長領域の光を発光し、更には白色発光も可能であるＧ
ａＮ系発光素子が提供される。 【解決手段】 このＧａＮ系発光素子は、活性層５が、
Ｎと、Ａｓ，Ｐ，Ｓｂの１種または２種以上とを含むＧ
ａＮ系化合物半導体で構成されている。そして、このＧ
ａＮ系化合物半導体としては、組成：ＧａＮ_1-x-yＡｓ_y
Ｐ_x（ただし、ｘ，ｙは同時にゼロではなく、０＜ｘ＋
ｙ＜１を満足する数である）のものが好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ系発光素子に
関し、更に詳しくは、高輝度で発光し、しかも紫外から
赤外までの波長領域で発光可能であり、更には、白色発
光も可能であるＧａＮ系発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】バンドギャップエネルギーが大きいＧａ
Ｎ系化合物半導体を活性層の構成材料として青色発光素
子が開発されており、その一部は実用化されている。そ
の場合、活性層のＧａＮ系化合物半導体としては、例え
ばノンドープのＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどが用い
られている。

【０００３】例えば、特開平９−１５３６４２号公報に
は、サファイア基板の上に、ＧａＮから成るバッファ
層、ノンドープＧａＮから成るクラッド層、ｎ−ＡｌＧ
ａＮから成り、バンドギャップエネルギーが大きい下部
クラッド層、ノンドープＩｎＧａＮから成る活性層を順
次積層し、更にその上に、ｐ−ＡｌＧａＮから成り、バ
ンドギャップエネルギーが大きい上部クラッド層、およ
びｐ−ＧａＮから成るキャップ層を積層し、前記キャッ
プ層の上にｐ型電極を形成し、前記下部クラッド層（ｎ
−ＡｌＧａＮ層）の上にｎ型電極を形成した青色発光素
子が開示されている。

【０００４】上記したような青色発光素子に関しては、
最近、省エネルギーとの関係で、印加電圧が低くても高
輝度で発光する性能が要求されている。その要求を満た
すためには多くの課題を克服することが必要である。そ
の課題の１つとして、活性層を構成するＧａＮ系化合物
半導体の結晶度を高めるということがある。ところで、
従来の活性層の構成材料として前に列記したＧａＮ系化
合物半導体は、いずれも、III−Ｖ族化合物半導体であ
る。その場合、III族元素としては、Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ
の１種または２種以上が使用されている。しかし、Ｖ族
元素としては、Ｎのみが使用されている。そして、例え
ば上記したＩｎＧａＮの場合は、ＧａＮとＩｎＮの２元
混晶形態をとっている。

【０００５】また、他の層の場合も同じであるが、活性
層は、上記したIII族元素の供給源とＮ元素の供給源と
を用い、例えばＭＯＣＶＤ法のようなエピタキシャル結
晶成長法を適用して形成されている。その場合、用いる
供給源の種類によっても異なるが、結晶成長温度は、概
ね、８５０〜１０５０℃に設定されている。

【０００６】しかしながら、上記した温度域にあって
は、Ｖ族元素であるＮの蒸気圧が上に列記したIII族元
素のそれと対比して相対的に高い。そのため、ＧａＮ系
化合物半導体の結晶成長の進行過程で、Ｎは結晶格子点
から離脱する傾向を示す。その結果、得られたエピタキ
シャル結晶は、Ｎが抜けた格子点を有している。このよ
うに、ＧａＮ系化合物半導体は、例えばＧａＡｓ，Ｇａ
Ｐのような同じIII−Ｖ族化合物半導体の場合に比べて
結晶欠陥の発生頻度が高くなる。

【０００７】このようなことから、活性層を上記したＧ
ａＮ系化合物半導体で構成した従来の発光素子の場合、
高輝度発光の実現にまだ成功していない。一方、ＧａＮ
とＧａＡｓの２元混晶であるＧａＮＡｓや、ＧａＮとＧ
ａＰの２元混晶であるＧａＮＰなどで活性層を構成した
発光素子は赤色発光する。例えば、Ａｓ組成比が１０％
程度のＧａＮＡｓを用いると赤色発光し、またＧａＮＰ
の場合、Ｐを１５％程度にすると同じく赤色発光するこ
とが報告されている（文献：K. Iwata, et al., Jpn.
J. Appl. Phys. 35(1996) L 1634）。

【０００８】しかしながら、上記した２元混晶は、Ｇａ
Ｎ単体に比較してその融点や解離度が大きく異なってい
るので、その組成制御は非常に困難である。また、結晶
成長温度が１０００℃以上である場合は、Ａｓ分圧やＰ
分圧を充分に高くしないと、ＡｓやＰがエピタキシャル
結晶の結晶格子点から離脱してしまうという問題もあ
る。

【０００９】そして、これらの２元混晶は、ＡｓやＰの
組成比がわずかに変化しても、そのバンドギャップエネ
ルギは大きく変化する。そのため、発光波長も変化す
る。このように、上記した２元混晶を、設計目的通りの
組成を有し、しかも結晶欠陥の少ないエピタキシャル結
晶として得ることは非常に困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、活性層がＧ
ａＮ系化合物半導体で構成されている発光素子におい
て、従来に比べて高輝度発光が可能であるＧａＮ系発光
素子の提供を目的とする。また、本発明は、紫外から赤
外までの波長領域で発光し、更には白色発光も可能であ
るＧａＮ系発光素子の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、活性層が、２種以上のＶ族
元素を含むＧａＮ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とするＧａＮ系発光素子が提供される。具体的に
は、基板の上に、ＧａＮから成るバッファ層、活性層を
構成するＧａＮ系化合物半導体よりもバンドギャップが
大きい、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮなどのＧａＮ系化合
物半導体から成るクラッド層、ｐ−ＡｌＧａＮから成る
ｐ型クラッド層、ノンドープのＧａＮ系化合物半導体か
ら成る活性層、ｎ−ＡｌＧａＮから成るｎ型クラッド
層、およびｎ−ＧａＮから成るキャップ層がこの順序で
積層された層構造を有し、そして、前記キャップ層の上
にはｎ型電極が形成され、前記ｐ型クラッド層の上には
ｐ型電極が形成されている、ＧａＮ系発光素子が提供さ
れる（以後、素子Ａという）。

【００１２】また、本発明においては、前記活性層が、
ＧａＮ系化合物半導体から成る島状の量子ドット構造を
含んでいるＧａＮ系発光素子が提供される（以後、素子
Ｂという）。更に本発明においては、前記活性層は、Ｇ
ａＮ系化合物半導体から成り、組成と発光層の面積が異
なる発光領域を複数個含んでいるＧａＮ系発光素子が提
供される（以後、素子Ｃという）。

【００１３】そして、上記した各素子は、いずれも、そ
の活性層を構成するＧａＮ系化合物半導体が、次式： ＧａＮ_1-x-yＡｓ_yＰ_x（ただし、ｘ，ｙは同時にゼロで
はなく、０＜ｘ＋ｙ＜１を満足する数である）で示され
るＧａＮ系化合物半導体で構成されていることを好適と
する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の発光素子の１例Ａを図１
に、別の例Ｂを図２に、更に別の例Ｃを図３にそれぞれ
示す。素子Ａは、活性層５が後述するＧａＮ系化合物半
導体の均一な層で形成され、そこが発光領域となる素子
である。素子Ｂは、活性層１５の中に後述する量子ドッ
ト１５Ａが発光センタとして形成された層構造になって
いる素子である。また、素子Ｃは、ＧａＮ系化合物半導
体から成る後述の領域２５Ａ〜２５Ｅが複数個形成され
ていて、それら全体が活性層としての発光領域になる素
子である。

【００１５】これらの素子Ａ，Ｂ，Ｃは、いずれも、活
性層がIII−Ｖ族化合物半導体であるＧａＮ系化合物半
導体で形成されていて、そのＧａＮ系化合物半導体にお
けるＶ族元素が、Ｎを必須とし、更に、Ａｓ，Ｐ，Ｓｂ
の群から選ばれる１種または２種以上であることを最大
の特徴としている。そして、III族元素としては、Ｇａ
単独であってもよいが、従来の場合と同様に、Ｇａの一
部がＩｎ，Ａｌなどの他のIII族元素で置換されていて
もよい。

【００１６】活性層に用いるＧａＮ系化合物半導体の具
体例としては、ＧａＮＰ，ＧａＮＡｓ，ＧａＮＳｂ，Ｇ
ａＮＡｓＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＮＰＳｂ，ＩｎＧａ
ＮＰ，ＩｎＧａＮＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＮＡｓＰ，Ｉｎ
ＡｌＧａＮＰＳｂＡｓ，ＡｌＧａＮＰＡｓ，ＡｌＧａＮ
ＰＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＳｂなどをあげることができ
る。

【００１７】活性層が上記したＧａＮ系化合物半導体で
構成されていることにより、まず、本発明の発光素子は
高輝度で発光する。この理由は明確に解明されているわ
けではないが、以下に説明するように、形成されたＧａ
Ｎ系化合物半導体に結晶欠陥が少ないからであると考え
られる。これらのＧａＮ系化合物半導体は、いずれも、
例えばＭＯＣＶＤ法で作成される混晶である。例えば、
活性層をＧａＮＰで形成する場合、そのＧａＮＰはＧａ
ＮとＧａＰの混晶になっている。

【００１８】そして、ＧａＮには、前記したように結晶
欠陥が生じやすいが、例えばＧａＰの場合には結晶成長
の過程で結晶欠陥は起こりづらい。そのため、ＧａＰに
関しては設計目的の組成を有する結晶を得ることが容易
である。したがって、結晶成長時におけるＰ供給源の量
を、例えば、設計値より若干高濃度にするなどして適切
に調整することにより、このＰ、すなわちＮ以外のＶ族
元素でＮの離脱量を補償することができる。その結果、
得られたＧａＮＰは、ＧａＮ単独の場合に比べれば結晶
欠陥が少ないIII−Ｖ族化合物半導体の混晶になるから
である。

【００１９】上記したＧａＮ系化合物半導体のうち、次
式： ＧａＮ_1-x-yＡｓ_yＰ_x ・・・（１） （ただし、ｘ，ｙは同時にゼロではなく、０＜ｘ＋ｙ＜
１の関係を満たす数）で示されるものは、ｘ，ｙ値を適
宜に選定して活性層を構成すると、紫外から赤外までの
任意波長の光を発光する。

【００２０】例えば、ＧａＮ単結晶のバンドギャップは
３.３〜３.４eVであり、そのピーク発光波長は３６０nm
程度であり、紫外色発光する。またＧａＰ単結晶のバン
ドギャップは約２.２eVであり、そのピーク発光波長は
５６０ｎｍ程度であり、緑色に発光する。そしてＧａＡ
ｓ単結晶のバンドギャップは約１.５eVであって、その
ピーク発光波長は８９０nm程度であり、赤外色発光す
る。

【００２１】（１）式で示した半導体は、ＧａＮとＧａ
ＡｓとＧａＰとの３元混晶であるが、そのとき、ｘ，ｙ
値をそれぞれ独立して設定してそれに対応する混晶にす
ると、その３元混晶は、各結晶のバンドギャップとは異
なるあるバンドギャップを有する（通常、バンドギャッ
プは小さくなる）。そして、それに対応したピーク発光
波長で発光する。

【００２２】例えば、（１）式でｙ＝０であるＧａＮ
_1-xＰ_xにおいて、ｘ値を０.１５にすると、その結晶バ
ンドギャップは約１.８eVになり、ピーク発光波長は６
５０nm程度であり、赤色発光する。素子Ａは、例えば次
のようにして製作することができる。例えば、ガスソー
ス分子線エピタキシャル成長法（ＧＳＭＢＥ法）によ
り、例えばサファイア基板１の上に、ＧａＮから成るバ
ッファ層２、例えばノンドープＧａＮ層３、例えばｐ−
ＡｌＧａＮから成るｐ型クラッド層４、ノンドープＧａ
ＮＰから成る活性層５、例えばｎ−ＡｌＧａＮから成る
ｎ型クラッド層６、例えばｎ−ＧａＮから成るキャップ
層７を順次積層して、図４で示した層構造Ａ₀を製作す
る。

【００２３】ついで、層構造Ａ₀のキャップ層７に例え
ばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂膜を成膜したのちパター
ニングし、そのＳｉＯ₂膜をマスクにして層構造の一部
をｐ型クラッド層４の途中までエッチング除去してｐ型
クラッド層４の一部表面を表出させる。ついで、ＳｉＯ
₂膜を除去したのち、全面に再度ＳｉＯ₂膜を成膜し、そ
こに電極開口部を形成する。そして、キャップ層７の上
にｎ型電極８を形成し、ｐ型クラッド層４の上にｐ型電
極９を形成して素子Ａとする。

【００２４】ｎ型電極８とｐ型電極９を駆動すると、活
性層５は、前記したように、それを構成するＧａＮ系化
合物半導体の種類に応じて、紫外から赤外の波長領域の
光を高輝度で発光する。したがって、組成が異なる
（１）式のＧａＮ系化合物半導体の層を複数積層して、
活性層を多層構造にすると、各活性層が、用いた半導体
材料固有の光で発光するので、素子Ａは多色発光が可能
となる。

【００２５】その場合、ある活性層は青色発光の材料で
構成し、別の活性層は赤色発光の材料で構成し、更に別
の活性層は緑色発光の材料で構成し、これら３種類の活
性層から成る多層構造にすれば、白色発光も可能とな
る。なお、層構造Ａ₀は、ＧＳＭＢＥ法で形成すること
に限定されるものではなく、ＭＯＣＶＤ法で形成しても
よい。その場合、III族元素の供給源としては、例えば
トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチ
ルアルミニウムなどを、Ｎ源としては例えばアンモニア
を、Ｐ源としてはターシャルブチルフォスフィンまたは
ＰＨ₃、Ａｓ源としてはターシャルブチルアルシンまた
はＡｓＨ₃、Ｓｂ源としてはターシャルブチルアンチモ
ンを用いればよい。またｎ型ドーパントとしては例えば
シラン、ｐ型ドーパントとしてはビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウムを用いればよい。

【００２６】また、活性層のＧａＮ系化合物半導体にお
けるIII族元素としてはＧａのみに限定されるものでは
なく、Ｇａの一部がＩｎ，Ａｌなどの他のIII族元素、
とりわけＩｎで置換されていてもよい。その場合の置換
量は組成比で０.５以下程度であることが好ましい。ま
た、図１の素子Ａの場合、活性層５の下にｐ型クラッド
層、活性層の上にｎ型クラッド層が形成された例である
が、活性層５の下にｎ型クラッド層を、活性層５の上に
ｐ型クラッド層を形成しても、同様の効果が得られる。

【００２７】なお、ｎ型電極８としては、Ｔｉ／Ａｌ／
Ａｕ，Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ，Ｗ−Ｓｉを、ｐ型電極として
は、Ｎｉ／Ａｌ，Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｔ
／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｇ／Ｎｉ／Ａｕなどを用いることがで
きる。次に、素子Ｂについて説明する。この素子Ｂは、
ＧａＮ層の上に、既に説明したＧａＮ系化合物半導体の
薄層を成膜すると、当該ＧａＮ系化合物半導体は自己整
合して微細な単一量子井戸構造型の島状の量子ドット構
造に転形し、この量子ドット構造は発光センタとして機
能し得るという知見に基づいて開発されたものである。

【００２８】したがって、この量子ドット構造をＧａＮ
で埋設してＧａＮ層を形成すると、そのＧａＮ層は、量
子ドット構造を形成するＧａＮ系化合物半導体の組成に
対応した発光波長で発光する発光層になる。この素子Ｂ
は例えば次のようにして製作することができる。例えば
ＧＳＭＢＥ法により、サファイア基板１の上にＧａＮか
ら成るバッファ層１２を成膜し、更にその上に、ｐ−Ｇ
ａＮから成るｐ型層１３を形成する（図５）。

【００２９】ついで、ｐ型層１３の上に、図６で示した
ように、例えばノンドープＧａＮＰから成るＧａＮ系化
合物半導体の層１４を成膜する。このときの層１４の厚
みは１０モノレイヤ（ＭＬ）以下となるように制御され
る。好ましくは、１または２ＭＬ程度の厚みに制御す
る。ｐ型層（ｐ−ＧａＮ層）１３の上に堆積した１ＭＬ
また２ＭＬ程度の厚みのＧａＮ系化合物半導体の２次元
的な層１４は、ｐ型層１３の上で自己整合して３次元的
な島状形状に変化し、ｐ型層１３の上に散在する複数個
の量子ドット構造１５Ａに転形する（図７）。

【００３０】なお、この量子ドット構造１５Ａが形成さ
れたか否かは、ＲＨＥＥＤ（高速電子線回折法）などの
方法で判定することができる。ついで、図８で示したよ
うに、例えばノンドープＧａＮで量子ドット構造１５Ａ
を埋設して、例えば厚みが２〜３nm程度のノンドープＧ
ａＮ層１５Ｂを成膜する。

【００３１】このようにして形成された層１５は、例え
ばＧａＮＰ／ＧａＮから成る単一量子井戸型の量子ドッ
ト構造の層になっている。それは、量子ドット構造１５
Ａが発光センタとして機能する発光層（活性層）になっ
ている。この層１５の上に、更に別の量子ドット構造と
ノンドープＧａＮから成る活性層を積層して多層構造と
し、そして最後に最上部に、例えばｎ−ＧａＮから成る
ｎ型層１６を積層する（図９）。

【００３２】そして、得られた層構造に対し、素子Ａの
場合と同様にしてＳｉＯ₂膜の形成、エッチング処理を
行い、ｎ型層１６の上にｎ型電極８，ｐ型層１３の上に
ｐ型電極９をそれぞれ形成して、図２で示した素子Ｂを
製作する。この素子Ｂの場合、活性層１５は、発光セン
タとして機能する島状の量子ドット構造１５Ａを内蔵し
ているので、活性層がノンドープＧａＮ単独で構成され
ている場合（例えば素子Ａの場合）よりも、発光強度は
高くなり、発光効率は高く、高輝度発光を実現すること
ができる。

【００３３】そして、島状の量子ドット構造１５Ａの形
成に用いるＧａＮ系化合物半導体の種類を適宜に選択す
ることにより、活性層１５からの発光を紫外から赤外の
波長領域で任意に変えることができる。また、この活性
層１５を複数積層して多層構造とすることにより、活性
層を全体として多重量子井戸構造型にして、充分に大き
な発光強度の発光素子にすることができる。

【００３４】その場合、ある活性層における量子ドット
構造は青色発光する材料で構成し、別の活性層における
量子ドット構造は赤色発光する材料で構成し、更に別の
活性層における量子ドット構造は緑色発光する材料で構
成し、これら３種類の量子ドット構造を含む多層構造に
すれば、白色発光も可能となる。次に素子Ｃについて説
明する。

【００３５】この素子Ｃは、図３で示したように、例え
ばｐ−ＧａＮから成るｐ型層２３の上に、それぞれ組成
が異なるＧａＮ系化合物半導体から成る複数個（図では
５個）の発光領域２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２
５Ｅが活性層として平面配置され、これら発光領域は例
えばｎ−ＧａＮから成るｎ型層２６で埋設された層構造
を有している。そして、ｎ型層２６の上にｎ型電極８が
形成され、ｐ型層２３の上にｐ型電極が形成されてい
る。

【００３６】この素子Ｃは、ＧａＮ層の上にマスクを用
いてＧａＮ系化合物半導体を選択成長させた場合、マス
ク開口の大きさが変化すると、それに応じて、ＧａＮ系
化合物半導体の結晶成長速度が変化し、しかも、上記し
た結晶成長速度が速くなればなるほど、ＰやＡｓなどの
Ｖ族元素の取り込み量が多くなって、得られたＧａＮ系
化合物半導体におけるそれらの組成比は高くなるという
新たな知見に基づいて開発されたものである。

【００３７】この素子Ｃにおいては、各発光領域２５Ａ
〜２５Ｅは互いに組成が異なっている。そのため、その
バンドギャップも互いに異なっている。したがって、各
発光領域は、それぞれが異なる波長領域で発光する。こ
の素子Ｃは例えば次のようにして製作することができ
る。まず、例えばＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板
１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２２，ｐ−ＧａＮ
から成るｐ型層２３を順次積層して図１０で示した層構
造を製作する。

【００３８】ついで、例えば熱ＣＶＤ法により、上記層
構造のｐ型層２３の上にＳｉＯ₂膜を成膜したのち、こ
のＳｉＯ₂膜にパターニングとエッチングを行って、図
１１で示したように、複数個の開口部２４Ａを有するマ
スク２４を形成する。ついで、この上に再びＭＯＣＶＤ
法で、ＧａＮ系化合物半導体を結晶成長させる。ＧａＮ
系化合物半導体は、マスクの開口部２４Ａから表出する
ｐ型層２３の上に選択成長する。その結果、図１２で示
したように、開口部２４ＡはＧａＮ系化合物半導体で充
填され、発光領域２５Ａ〜２５Ｅが形成される。

【００３９】ついで、マスク２４を除去したのち、表出
したｐ型層２３の上にｎ−ＧａＮを堆積して、上記発光
領域２５Ａ〜２５Ｅを完全に埋設した状態でｎ型層２６
を形成する（図１３）。そして、例えばドライエッチン
グで上記層構造の一部を除去することによりｐ型層２３
の一部を表出させ、その表出面およびｎ型層２６の表面
に、ｐ型電極９とｎ型電極８をそれぞれ形成して図３で
示した素子Ｃが製作される。

【００４０】上記した一連の製作工程において、図１１
で示したマスク２４の製作時に開口部２４Ａの開口面積
を適切に調整して、ここに選択成長させるＧａＮ系化合
物半導体の組成制御が行われる。例えば、ＧａＮ系化合
物半導体がＧａＮＰであり、これをＧａＮの上に選択成
長させる場合、マスク２４の開口部２４Ａの幅（それは
開口面積に相当する）とＧａＮＰの結晶成長速度との関
係は図１４で示したような態様になる。

【００４１】具体的には、開口幅が１μｍであるマスク
２４を用いた場合、ＧａＮＰの結晶成長速度は３０〜５
０μｍ／ｈｒである。また、開口幅が１００μｍである
マスク２４を用いた場合には、ＧａＮＰの結晶成長速度
は１〜２μｍ／ｈｒと大幅に小さくなっている。しかも
ＧａＮＰのＰの取り込み量は、結晶成長速度によって大
きく変化し、図１４に示すように、開口部２４Ａの開口
面積が狭い場合には、Ｐの組成比が大きいＧａＮＰが選
択成長している。逆に開口部の開口面積が広い場合には
Ｐの組成比の小さいＧａＮＰが選択成長する。

【００４２】より具体的にいえば、開口面積が１×５
（＝５）μｍ²以下の開口部の場合は、ＧａＮＰの結晶
成長速度は３０〜５０μｍ／ｈｒと速く、Ｐ組成が１５
％程度のＧａＮＰが形成される。また開口面積が２０×
５０（＝１００００）μｍ²程度の開口部の場合は、Ｇ
ａＮＰの結晶成長速度は１０〜２００μｍ／ｈｒと遅く
なり、Ｐ組成が７〜８％程度のＧａＮＰが形成される。
そして開口面積が２００×３００（＝６００００）μｍ
²以上と大きくした開口部の場合は、ＧａＮＰの結晶成
長速度は１〜２μｍ／ｈｒと大幅に遅くなり、Ｐ組成が
２％程度のＧａＮＰが形成される。

【００４３】したがって、この素子Ｃの場合、マスク２
４における開口部２４の開口面積の大きさや数を適切に
設計することにより、発光領域（活性層）として機能す
るそれぞれのＧａＮ系化合物半導体を変化させることが
でき、そのことにより、それぞれのＧａＮ系化合物半導
体のバンドギャップを変化させることができる。例え
ば、ある発光領域は赤色発光の組成とし、別の発光領域
は青色発光の組成とし、更に別の発光領域は緑色発光の
組成とし、それら領域を適切な割合で分布させておけ
ば、その素子Ｃを白色発光させることができる。

【００４４】実施例１ 次のようにして、図１で示した層構造を有する発光素子
Ａを製作した。まず、ガスソース分子線エピタキシャル
成長法（ＧＳＭＢＥ法）で図４で示した層構造Ａ₀を製
造した。すなわち、サファイア基板１の上に、Ｎ源とし
てジメチルヒドラジン（５×１０^-5Torr）、Ｇａ源とし
て金属Ｇａ（５×１０^-7Torr）を用い、成長温度６４０
℃で厚み５００nmのＧａＮバッファ層２を成膜した。更
にその上に、Ｎ源としてアンモニア（５×１０^-6Tor
r）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０^-7Torr）を用
い、成長温度８５０℃で厚み２μｍのノンドープＧａＮ
層３を成膜した。

【００４５】ついで、上記したＮ源とＧａ源に、Ａｌ
（１×１０^-7Torr）とｐ型ドーパントである金属Ｍｇ
（５×１０^-9Torr）を加え、成長温度８５０℃でＧＳＭ
ＢＥの成長を行い、厚み１０μｍのｐ−ＡｌＧａＮ層４
を成膜したのち、ガス源を切り換え、Ｎ源としてアンモ
ニア（５×１０^-5Torr）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×
１０^-7Torr）、およびＰ源としてフォスフィン（５×１
０^-7Torr）を用い、成長温度７８０℃でノンドープＧａ
Ｎ_0.97Ｐ_0.03から成る厚み５０nmの活性層５を成膜し
た。

【００４６】ついで、ガス源を切り換え、アンモニア
（５×１０^-6Torr）、金属Ｇａ（５×１０^-7Torr）、金
属Ａｌ（１×１０^-7Torr）、およびｎ型ドーパントであ
る金属Ｓｉ（５×１０^-9Torr）を用い、成長温度８５０
℃で厚み１０μｍのｎ−ＡｌＧａＮ層６を成膜した。更
にその上に、アンモニア（５×１０^-6Torr）、金属Ｇａ
（５×１０^-7Torr）、金属Ａｌ（１×１０^-7Torr）、お
よび金属Ｓｉ（１×１０ ^-8Torr）を用い、成長温度８５
０℃でｎ−ＧａＮから成る厚み１０μｍのキャップ層７
を成膜して図２で示した層構造Ａ₀を製造した。

【００４７】ついで、キャップ層７の表面にプラズマＣ
ＶＤ法でＳｉＯ₂膜を成膜したのち、フォトレジストで
パターニングし、このＳｉＯ₂膜をマスクとして湿式エ
ッチングを行って層構造Ａ₀の一部をｐ−ＡｌＧａＮ層
４の途中までエッチング除去して、ｐ−ＡｌＧａＮ層４
の一部表面を表出させた。ＳｉＯ₂膜を除去したのち、
全面に再度ＳｉＯ₂膜を成膜し、そこに電極開口部を形
成し、キャップ層７の上にＴａ−Ｓｉを蒸着してｎ型電
極８を形成し、更にｐ−ＡｌＧａＮ層４の上にＮｉ／Ａ
ｌを順次蒸着してｐ型電極９を形成して、図１で示した
発光素子Ａを製造した。

【００４８】この発光素子につき、ｐ−ｎ接合間に電圧
を印加し、エレクトロルミネッセンス法でその発光ピー
クと輝度を調べた。発光ピークは４２５nm付近に存在
し、強い青紫色発光を示した。比較のために、活性層５
として、アンモニア（５×１０^-5Torr）と金属Ｇａ（５
×１０^-7Torr）のみを用い、成長温度８５０℃で厚み５
０nmのノンドープＧａＮ層を成膜したことを除いては、
実施例１の発光素子と同じ構造の素子を製造した。この
発光素子も、波長３８０nm付近に紫色の発光ピークが現
れたが、その輝度は微弱なものであった。

【００４９】実施例２ 活性層の半導体材料がＧａＮ_0.94Ａｓ_0.02Ｐ_0.04であっ
たことを除いては、実施例１と同様にして発光素子Ａを
製造した。この発光素子の発光ピークは４６０nm付近に
存在し、青色発光を示した。

【００５０】実施例３ 次のようにして図２で示した発光素子Ｂを製作した。ま
ず、図５で示したように、サファイア基板１１の上に、
ＧＳＭＢＥ法で、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０^-7To
rr），Ｎ源としてジメチルヒドラジン（６×１０^-6Tor
r）を用い、成長温度７００℃で厚み５０nmのＧａＮバ
ッファ層１２を成膜した。ついで、Ｎ源としてアンモニ
ア（６×１０^-6Torr），Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１
０^-7Torr），ｐ型ドーパントとして金属Ｍｇ（１×１０
^-8Torr）を用い、成長温度８５０℃で厚み２μｍのｐ−
ＧａＮ層１３を成膜した。

【００５１】ついで、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０
^-7Torr），Ｎ源としてアンモニア（６×１０^-6Torr），
Ｐ源としてターシャルブチルフォスフィン（１×１０^-6
Torr）を用い、成長温度８５０℃でＧａＮ_0.99Ｐ_0.01の
層１４を結晶成長させた（図６）。このとき、ＧａＮ
_1-xＰ_xの厚みが１〜２ＭＬとなるように成長時間を制御
した。

【００５２】なお、層１４の成長に先立ち、ｐ−ＧａＮ
層１３の表面をアンチサーファクタントで表面処理して
おいてもよい。結晶成長操作を停止すると、２次元膜で
ある層１４は、自己整合を開始して、大きさが１〜２Ｍ
Ｌ程度である多数の量子ドット構造１５Ａに変化し、そ
れらが、図７で示したように、ｐ−ＧａＮ層３の上に島
状に散在した。

【００５３】この量子ドット構造１５ＡはＲＨＥＥＤで
観察することができた。ついで、Ｇａ源として金属Ｇａ
（５×１０^-7Torr），Ｎ源としてアンモニア（６×１０
^-6Torr）を用い、成長温度８５０℃で厚み２〜３nmのノ
ンドープＧａＮ層１５Ｂを成膜して、その中に量子ドッ
ト構造１５Ａを埋設し、図８で示したように、ＧａＮＰ
／ＧａＮから成る単一量子井戸型の活性層１５を形成し
た。

【００５４】その後、量子ドット構造１５Ａの形成とそ
れを埋設するノンドープＧａＮ層の形成を反復し、単一
量子井戸型の活性層１５が１０層積層されている多層構
造の活性層にした。ついで、Ｇａ源として金属Ｇａ（５
×１０^-7Torr），Ｎ源としてアンモニア（６×１０^-6To
rr），ｎ型ドーパントとしてシラン（１×１０^-8Torr）
を用い、成長温度８５０℃で厚み１μｍのｎ−ＧａＮ層
１６を形成した（図９）。

【００５５】ついで、ドライエッチングにより、図９で
示した層構造の一部を除去してｐ−ＧａＮ層１３の一部
を表出せしめ、このｐ−ＧａＮ層１３およびｎ−ＧａＮ
層１６にフォトレジストとＳｉＯ₂などのマスクを用い
て、ｐｎ接合形成のために、Ｐｔ／Ａｕから成るｐ型電
極９，Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ型電極８をそれぞれ
形成して、素子Ｂとした。この素子Ｂを、４Ｖ，２０mA
の条件で駆動した。その結果、図１５で示したように、
波長４２０nm付近に高輝度の青色発光が認められた。

【００５６】実施例５ 次のようにして図３で示した発光素子ＣをＭＯＣＶＤ法
で製作した。まず、図１０で示したように、サファイア
基板２１の上に、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（２
５sccm），Ｎ源としてアンモニア（２０００sccm）を用
い、成長温度６５０℃で厚み５０nmのＧａＮバッファ層
２２を成膜し、更にその上に、Ｇａ源としてトリメチル
ガリウム（２５sccm），Ｎ源としてアンモニア（２００
０sccm），ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウム（５sccm）を用い、成長温度１０５０
℃で厚み２μｍのｐ−ＧａＮ層２３を成膜した。

【００５７】ついで、熱ＣＶＤ法でｐ−ＧａＮ層２３の
上に厚み１００nm程度のＳｉＯ₂膜を成膜したのち、こ
のＳｉＯ₂膜にホトレジストでパターニングし、更にフ
ッ酸を用いた湿式エッチングを行い、図１１で示したよ
うに、開口面積が異なる複数の開口部２４Ａを有するマ
スク２４にした。ついで、Ｇａ源としてトリメチルガリ
ウム（２５sccm），Ｎ源としてアンモニア（２０００sc
cm），Ｐ源としてターシャルブチルフォスフィン（１０
sccm）を用い、成長温度９５０℃で選択成長を行って、
図１２で示したように、開口部２４Ａの中をＧａＮＰか
ら成る発光領域２４Ａ〜２５Ｅで充填した。

【００５８】なお、このときの成長時間は、発光領域の
厚みが３〜１００nmとなるように制御した。このような
ＧａＮＰの選択成長により、マスクの各開口部２４Ａに
はその開口面積に応じてｘの値が０.０２〜０.１５から
なる組成のＧａＮ_1-xＰ_xの混晶が形成される。その場
合、混晶がＧａＮ_0.98Ｐ_0.02である場合には、そのＧａ
ＮＰ領域（活性層）２５Ａ〜２５Ｅは青紫色に発光し、
またＧａＮ_0.85Ｐ_0.15の場合には、そのＧａＮＰ領域
（活性層）２５Ａ〜２５Ｅは赤色に発光する。

【００５９】ついで、Ｇａ源としてトリメチルガリウム
（２５sccm），Ｎ源としてアンモニア（２０００scc
m），ｎ型ドーパントとしてシラン（５sccm）を用い、
成長温度１０５０℃で厚み１μｍのｎ−ＧａＮ層２６を
形成した。ついで、ドライエッチングにより上記層構造
の一部を除去してｐ−ＧａＮ層２３の一部を表出させ、
このｐ−ＧａＮ層２３およびｎ−ＧａＮ層２６の上にフ
ォトレジストとＳｉＯ₂などのマスクを用いて、ｐｎ接
合形成のために、Ｐｔ／Ａｕから成るｐ型電極９，Ａｌ
／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ型電極８をそれぞれ形成して素
子Ｃにした。

【００６０】この素子Ｃを駆動して、各発光領域２５Ａ
〜２５Ｅを同時に発光させたところ、白色発光が得られ
た。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
ＧａＮ系発光素子は、まず高輝度で発光する。これは、
結晶成長時のＮ元素の離脱に伴う格子欠陥が、他のＶ族
元素によって補償されるからである。また、本発明のＧ
ａＮ系発光素子は、活性層に用いるＧａＮ系化合物半導
体において、Ｎと他のＶ族元素の組成比を変えることに
より、紫外から赤外までの任意の波長領域の光を発光す
ることができ、更には白色発光も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子の１例Ａを示す断面図であ
る。

【図２】本発明の発光素子の１例Ｂを示す断面図であ
る。

【図３】本発明の発光素子の１例Ｃを示す断面図であ
る。

【図４】発光素子Ａを製造するための層構造の１例を示
す断面図である。

【図５】発光素子Ｂの製造工程において、サファイア基
板の上に、ＧａＮバッファ層とｐ−ＧａＮ層を積層した
層構造を示す断面図である。

【図６】図５の層構造の上にＧａＮ系化合物半導体の層
を形成した状態を示す断面図である。

【図７】島状の量子ドット構造が形成された層構造を示
す断面図である。

【図８】量子ドット構造を埋設する単一量子井戸型の活
性層が形成された層構造を示す断面図である。

【図９】多層構造の活性層の上にｎ−ＧａＮ層を形成し
た層構造を示す断面図である。

【図１０】本発明の発光素子Ｃの製造工程において、サ
ファイア基板の上にＧａＮバッファ層とｐ−ＧａＮ層を
形成した状態を示す断面図である。

【図１１】図１０の層構造の上に開口面積が異なる開口
部を有するマスクを形成した状態を示す断面図である。

【図１２】選択成長で発光領域を形成した状態を示す断
面図である。

【図１３】図１２で示した発光領域を埋設してｎ−Ｇａ
Ｎ層を形成した状態を示す断面図である。

【図１４】マスクを用いてＧａＮ層の上に選択成長され
るＧａＮＰの結晶成長速度、組成と、マスクの開口面積
との関係を示すグラフである。

【図１５】図１５は、実施例５の発光素子Ｃの発光特性
を示すグラフである。

【符号の説明】

１，１１，２１ サファイア基板 ２，１２，２２ バッファ層 ３ ノンドープＧａＮ層 １３，２３ ｐ型層 ４ ｐ型クラッド層 ５，１５ 活性層 １５Ａ 量子ドット構造 １５Ｂ ノンドープＧａＮ層 ６，１６ ｎ型クラッド層 ７ キャップ層 ８ ｎ型電極 ９ ｐ型電極 ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ 発光領域 ２６ ｎ型層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き （出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許 出願（平成13年度新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高効率電光変換化合物半導体開発（21世紀のあかり計 画）エネルギー使用合理化技術開発」委託研究、産業活 力再生特別処置法第30条の適用を受けるもの)

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活性層が、２種以上のＶ族元素を含むＧ
   ａＮ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする
   ＧａＮ系発光素子。
2. 【請求項２】 基板の上に、ＧａＮから成るバッファ
   層、活性層を構成するＧａＮ系化合物半導体よりもバン
   ドギャップが大きいＧａＮ系化合物半導体から成るクラ
   ッド層、ｐ−ＡｌＧａＮから成るｐ型クラッド層、前記
   ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層、ｎ−ＡｌＧａＮ
   から成るｎ型クラッド層、およびｎ−ＧａＮから成るキ
   ャップ層がこの順序で積層された層構造を有し、前記キ
   ャップ層の上にはｎ型電極が形成され、前記ｐ型クラッ
   ド層の上にはｐ型電極が形成されている請求項１のＧａ
   Ｎ系発光素子。
3. 【請求項３】 前記活性層がノンドープＧａＮＰまたは
   ノンドープＧａＮＡｓから成る請求項２のＧａＮ系発光
   素子。
4. 【請求項４】 前記活性層が、ＧａＮ系化合物半導体か
   ら成る島状の量子ドット構造を含んでいる請求項１のＧ
   ａＮ系発光素子。
5. 【請求項５】 前記島状の量子ドット構造が、前記Ｇａ
   Ｎ系化合物半導体の１または２分子層の自己整合によっ
   て形成されるものである請求項４のＧａＮ系発光素子。
6. 【請求項６】 前記活性層は、ＧａＮ系化合物半導体か
   ら成り、組成と発光層の面積が異なる発光領域である請
   求項１のＧａＮ系発光素子。
7. 【請求項７】 前記発光領域は、開口面積が異なる複数
   の開口を有するマスクを用いた選択成長法で形成される
   請求項６のＧａＮ系発光素子。
8. 【請求項８】 前記Ｖ族元素がＮと、Ａｓ，ＰおよびＳ
   ｂの群から選ばれる少なくとも１種である請求項１のＧ
   ａＮ系発光素子。
9. 【請求項９】 前記ＧａＮ系化合物半導体は、次式： ＧａＮ_1-x-yＡｓ_yＰ_x（ただし、ｘ，ｙは同時にゼロで
   はなく、０＜ｘ＋ｙ＜１を満足する数である）で示され
   るＧａＮ系化合物半導体である請求項４，５、または６
   のＧａＮ系発光素子。
10. 【請求項１０】 前記ＧａＮ系化合物半導体におけるＧ
    ａの一部がＩｎで置換されている請求項９のＧａＮ系発
    光素子。
11. 【請求項１１】 前記活性層は多層構造になっている請
    求項１または４のＧａＮ系発光素子。
12. 【請求項１２】 前記ｐ型電極が、Ｐｔ／Ａｕ，Ｎｉ／
    Ａｕ，Ａｇ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｔ／Ｎｉ／Ａ
    ｕ、またはＡｇ／Ｎｉ／Ａｕから成っている請求項２の
    ＧａＮ系発光素子。