JP2002270894A

JP2002270894A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2002270894A
Application number: JP2001065632A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Takashi Tsunekawa; 高志常川
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】発光素子の量子井戸構造（ＭＱＷ構造、ＳＱ
Ｗ構造）における正孔の注入・拡散状態を改善し、発光
効率を改善すること。【解決手段】発光層２がＭＱＷ構造の場合、正孔がｐ
型半導体層３の側からｎ型半導体層１の側へと、該ＭＱ
Ｗ構造中をより遠く移り易いように、該ＭＱＷ構造中の
障壁層２１〜２６のうちの少なくとも２層のバンドギャ
ップが互いに異なるように、好ましくは多層で段階的に
ｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていく部分が存在
するように、該ＭＱＷ構造を構成する。発光層２がＳＱ
Ｗ構造の場合には、ｐ型側の障壁層を組成傾斜させ、バ
ンドギャップがｐ型側からｎ型側に向かって低くなって
いくように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子
（以下、単に「発光素子」ともいう）に関するものであ
り、特にその発光層が、多重量子井戸（multi-quantum
well、以下「ＭＱＷ」とも言う）構造、または単一量子
井戸（single-quantum well、以下「ＳＱＷ」とも言
う）構造として形成されているものに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光素子における発光層の構造の１つと
して、ＳＱＷ構造、ＭＱＷ構造が知られている。図６
は、従来のＧａＮ系ＬＥＤにおけるＭＱＷ構造の一例
を、概略的なバンドダイヤグラムによって示す図であ
る。同図の例に示すように、ｎ型ＧａＮクラッド層４０
とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０とによって発光層５０
が挟まれており、該発光層５０がＭＱＷ構造として形成
されている。ＭＱＷ構造は、ｎ型ＧａＮクラッド層４０
の側から、障壁層（Barrier層）５１／井戸層（Well
層）５２／障壁層／井戸層／・・・・／井戸層／障壁層
というように、井戸層が障壁層によって挟まれた量子井
戸構造が多重に積層された構造となっている。通常、障
壁層／井戸層のペア数は、２〜２０ペア程度である。

【０００３】発光層をＭＱＷ構造とすることによって、
活性層を形成した単純なダブルへテロ構造に比べて、各
層が、臨界膜厚（ミスフィットによる転位の発生がその
値を境に大小著しく変化する膜厚）以下の薄さであるこ
とから、結晶性が格段に向上し、また、キャリアの再結
合確率も向上することにより、発光強度は増大し、発光
スペクトルの色純度も向上する。

【０００４】また、ＳＱＷ構造の場合も同様に、井戸層
の膜厚が臨界膜厚以下の薄さであることから、結晶性が
格段に向上し、発光強度は増大し、発光スペクトルの色
純度も向上する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等が、従来のＭＱＷ構造における発光状態を調べ、キ
ャリアの分布状態を検討したところ、正孔が各井戸層に
均等に拡散・注入されておらず、ｐ型半導体層側の井戸
層では高密度となり、そこからｎ型側へ離れるに従って
低密度となっていることがわかった。そのために、本
来、最適な層構造で設計されたＭＱＷ構造が、キャリア
（正孔）の分布に大きな偏りがあるために、本来の発光
性能、発光効率が充分に得られていないことがわかっ
た。また、電子のオーバーフローも顕著になり、発光効
率低下の要因ともなっている。

【０００６】一方、ＳＱＷ構造においても、正孔が井戸
層に効率良く注入されておらず、電子と再結合する前に
消滅する正孔が多数存在すると考えられ、本来の発光性
能、発光効率が充分に得られていないという問題がある
ことがわかった。

【０００７】また、上記量子井戸構造に関する問題は、
特にＧａＮ系半導体材料において顕著であることがわか
った。この材料系では、例えば、ＤＨ構造の活性層内に
注入された正孔の平均自由工程は数十ｎｍと言われてい
るとおり正孔が拡散し難い。よって、ＭＱＷ構造では、
ｐ型半導体層側から離れるに従って正孔密度は急峻に低
下し、上記の偏りに起因する問題もより顕著に現れる。
また、ＳＱＷ構造においても、発光に寄与する前に消滅
する正孔はより多くなり、上記問題もより顕著に現れ
る。

【０００８】本発明の課題は、上記問題を解決し、発光
素子の多重量子井戸構造、単一量子井戸構造における正
孔の注入・拡散状態を改善し、発光効率を改善すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の特徴を有
するものである。（１）多重量子井戸構造として形成された発光層と、こ
れを挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有し、該多重
量子井戸構造中の障壁層のうちの少なくとも２層が、互
いにバンドギャップが異なるように材料を選択されたも
のであることを特徴とする半導体発光素子。

【００１０】（２）上記障壁層が、多重量子井戸構造の
特定区間において、１層毎にｐ型半導体層から離れるに
従って、バンドギャップが小さくなるように材料を選択
されている上記（１）記載の半導体発光素子。

【００１１】（３）上記障壁層が、多重量子井戸構造の
中央部分でバンドギャップが最小となるように材料を選
択されている上記（１）記載の半導体発光素子。

【００１２】（４）上記障壁層のうちｐ型半導体層に最
も近い障壁層が、該層内部においてｐ型半導体層から離
れるに従ってバンドギャップが小さくなるように、組成
傾斜した構造として形成されている上記（１）〜（３）
のいずれかに記載の半導体発光素子。

【００１３】（５）上記多重量子井戸構造が、ＧａＮ系
半導体からなるものである上記（１）〜（４）のいずれ
かに記載の半導体発光素子。

【００１４】（６）単一量子井戸構造として形成された
発光層と、これを挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層とを
有し、該単一量子井戸構造中の障壁層のうち、ｐ型半導
体層側の障壁層が、該層内部においてｐ型半導体層から
離れるに従ってバンドギャップが小さくなるように、組
成傾斜した構造として形成されていることを特徴とする
半導体発光素子。

【００１５】（７）上記単一量子井戸構造が、ＧａＮ系
半導体からなるものである上記（６）記載の半導体発光
素子。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による発光素子は、発光ダ
イオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）などであっ
てよく材料系も限定されないが、後述のとおり、本発明
の有用性が特に顕著となるＧａＮ系材料を用いた発光素
子（素子としてはＬＥＤを例とする）を例として挙げ、
本発明を説明する。

【００１７】先ず、発光層をＭＱＷ構造とする態様につ
いて説明する。図２に示す例では、サファイアＣ面基板
Ｂ１上に、低温成長されたＧａＮバッファ層Ｂ２、無添
加のＧａＮ層Ｂ３、Ｓｉ添加のｎ-ＧａＮコンタクト層
１、発光層（ＭＱＷ構造）２、Ｍｇ添加のｐ-ＡｌＧａ
Ｎクラッド層３、Ｍｇ添加のｐ-ＧａＮコンタクト層４
が順次結晶成長によって積層され、ｎ-ＧａＮコンタク
ト層１の露出部にはｎ型電極Ｐ１が、ｐ-ＧａＮコンタ
クト層４の表面にはｐ型電極Ｐ２がそれぞれ設けられ
て、ＧａＮ系ＬＥＤとなっている。

【００１８】本発明による発光素子は、発光層２のＭＱ
Ｗ構造に特徴を有しており、図１にその一例をバンドダ
イヤグラムとして示すように、ｐ型側から注入された正
孔がｎ型側にある井戸層へより多く達することができる
よう、障壁層のうちの少なくとも２層が互いに異なるバ
ンドギャップの層として、特に、正孔がｐ型端からｎ型
側へより遠く移り易いように、バンドギャップが段階的
にｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていく部分が存
在するように構成されている。

【００１９】従来のＭＱＷ構造では、障壁層は全て互い
に同じバンドギャップとして構成され、また、井戸層
も、全て互いに同じバンドギャップとされる。即ち、従
来の発光素子におけるＭＱＷ構造では、同じ量子井戸が
多重に繰り返された構造である。これは、各井戸層毎の
キャリアの分布の差異に着目していなかったからであ
り、各井戸層を独立的に扱う発想がなかったからであ
る。

【００２０】これに対して本発明の発光素子では、上記
構成のとおり、ＭＱＷ構造内においてｐ型側で集中的に
高密度となる正孔密度の分布状態が、ｎ型側へと移るよ
うに、障壁層のバンドギャップを変化させた構造として
いる。例えば、ｐ型側の最端部の障壁層から特定の区間
において、各障壁層のバンドギャップを順次小さくして
いく構造である。この構造によって、ｐ型側からＭＱＷ
構造に注入された正孔は、最初の井戸層を超えて次の障
壁層に移り易くなり、そこからさらに次の井戸層を超え
て次の障壁層に移るというように、正孔が、ｎ型側にあ
る井戸層へと達し易くなり、ＭＱＷ構造内における正孔
密度の分布の極端な偏りが改善される。その結果、電子
のオーバーフローも抑制され、より高い発光性能、発光
効率が得られる。

【００２１】本発明におけるＭＱＷ構造の各井戸層の厚
さは、２ｎｍ〜３．５ｎｍの範囲から選ばれる。２ｎｍ
より薄くすると、界面の影響が強く現れるようになり、
３．５ｎｍより厚くするとピエゾ電界の影響でキャリア
の再結合確率が減少し、更に厚くすると臨界膜厚を超え
て結晶性が著しく劣化する。

【００２２】また、本発明におけるＭＱＷ構造の各障壁
層の厚さは、井戸層とほぼ同程度の厚さから、２５ｎｍ
程度、好ましくは４ｎｍ〜１０ｎｍの範囲から選ばれ
る。ただし、最も外側のｐ型の障壁層の厚さは、ＭＱＷ
構造の成長後の昇温過程およびＭｇ添加層の成長中に、
井戸層が受ける熱損傷から、該井戸層を守るために、井
戸層に挟まれる障壁層よりは厚く設定され、５ｎｍ〜２
５ｎｍの範囲で選ばれる。

【００２３】障壁層／井戸層のペア数は発光素子として
機能し得る数であればよく、２〜２０ペア程度、特に３
〜６ペアが好ましいペア数である。

【００２４】障壁層のバンドギャップの変化パターン
は、正孔がより拡散しやすいパターンであればよい。以
下に、変化パターンの代表的な例を挙げる。図１の例
は、特定区間におけるバンドギャップの単調な減少パタ
ーンであって、該区間では、障壁層のバンドギャップ
は、ｐ型半導体層から離れるに従って順次小さくなって
いる。この単調な減少パターンは、ＭＱＷ構造の障壁層
全体のうち、どの区間において形成されていてもよい
が、正孔の偏りを解消する点からは、図１に示すよう
に、最もｐ型側の障壁層２６から順次バンドギャップの
減少が始まり、最もｎ型側の障壁層２１の、１つ前の障
壁層２２まで単調に減少するパターンが好ましい。同図
の例では、最もｎ型側の障壁層２１は、最もｐ型側の障
壁層２６と同じバンドギャップとなっている。これは、
該障壁層２１のＩｎ含有量を１つ前の層よりも増加させ
る等して、そのバンドギャップを各障壁層の中で最小に
した場合、正孔がここに溜まってしまうので、それを解
消するためであり、また、ｎ型側からの電子の拡散を促
進させるためである。

【００２５】上記のような単調な減少パターンは、直線
状でも、曲線状でもよいが、発光効率を最大にする点で
は、ｐ型側から離れるに従ってバンドギャップの減少率
が小さくなっていくような曲線状の方が好ましい。バン
ドギャップの単調な減少パターンを直線状とする場合、
最小のバンドギャップが井戸層のバンドギャップより４
００ｍｅＶより大きくなるように設定し、最も外側の障
壁層の、井戸層と接している部分のバンドギャップか
ら、ほぼ直線的に減少するように設定すればよい。

【００２６】図３の例は、ＭＱＷ構造の中央部分でバン
ドギャップが最小となる変化パターンである。このよう
なパターンとすることによって、電子の拡散と正孔の拡
散とのバランスをとることができる。ここでいう中央部
分とは、例えばＭＱＷ構造が５ペアであった場合の第３
層目だけというような中心の１層だけを意味するのでは
なく、例えばＭＱＷ構造が２０ペアであった場合の両端
の障壁層各１〜３層を除いた中央の残り１４層〜１８層
というように、中央の障壁層が広く同じ最小値のバンド
ギャップであるような態様をも含む概念である。また、
バンドギャップが最小となる層が、ｐ型・ｎ型のどちら
かの側へ偏っていてもよい。

【００２７】ＭＱＷ構造の中央部分でバンドギャップを
最小とする場合、バンドギャップの増減カーブは、図３
のように緩やかなＵ字を描く変化パターン、直線的に減
少・増加するＶ字形のパターン、任意の曲線を描いて減
少・増加する変化パターンであってよい。

【００２８】ＭＱＷ構造の障壁層のうちｐ型半導体層に
最も近い障壁層は、均質な層であってもよいが、図４に
示すように、この１層の内部において、ｐ型半導体層３
から離れるに従ってバンドギャップが小さくなるように
組成傾斜した層であってもよい。この組成傾斜は、図４
（ａ）の障壁層２６に示すような直線・曲線状の連続的
な変化でも、図４（ｂ）の障壁層２６に示すようなステ
ップ状の不連続な変化でもよい。

【００２９】ｐ型半導体層に最も近い障壁層に、上記の
ようなバンドギャップの傾斜を付与することによって、
注入した正孔を効率良く井戸層に届けることができる。
この障壁層１層内でのバンドギャップの傾斜は、後述の
ＳＱＷ構造の場合（図５）も同様に、当該層成長開始の
前後、好ましくは成長開始後に、クラッド層（特にＡｌ
ＧａＮクラッド層）の成長温度に向けて昇温することで
容易に達成できる。例えば、７５０℃で、Ｉｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎを気相成長させるに際し、供給ガス原料はそのま
まに、成長開始から温度だけを１０００℃まで変化させ
ると、実質成長するのはＧａＮであり、Ｉｎの組成変化
はほぼ指数関数的に減少（バンドギャップは増大）す
る。

【００３０】次に、発光層をＳＱＷ構造とする態様につ
いて説明する。この態様では、図５に示すように、該Ｓ
ＱＷ構造２を構成する１対の障壁層２１、２２のうち、
ｐ型半導体層側の障壁層２２に特徴があり、該層２２
が、ｐ型半導体層３から離れるに従ってバンドギャップ
が小さくなるように、組成傾斜した構造として形成され
ていることを特徴とするものである。この組成傾斜は、
上記ＭＱＷ構造の場合と同様、図５（ａ）の障壁層２２
に示すような直線・曲線状の連続的な変化でも、図５
（ｂ）の障壁層２２に示すようなステップ状の不連続な
変化でもよい。

【００３１】ＳＱＷ構造におけるｐ型半導体層側の障壁
層に、上記のようなバンドギャップの傾斜を付与するこ
とによって、上記ＭＱＷ構造の図４の態様で述べた作用
効果と同様、注入した正孔を効率良く井戸層に届けるこ
とができる。

【００３２】ＭＱＷ構造、ＳＱＷ構造を構成する（障壁
層、井戸層）の材料の組み合せは、材料系毎に目的の発
光波長に応じたものを用いればよい。障壁層のバンドギ
ャップの変化は、組成比を変えることで達成すればよ
い。例えば、ＧａＡｓ系では、（障壁層、井戸層）＝
（ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）、（ＡｌＩｎＧａＰ、
ＡｌＩｎＧａＰ）などが挙げられる。また、ＩｎＰ系で
は、（障壁層、井戸層）＝（ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ）などが挙げられる。また、ＧａＮ系では、（障
壁層、井戸層）＝（ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ）、（Ａｌ
ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）などが挙げられる。

【００３３】本発明による発光素子は、ＧａＮ系発光素
子（ＭＱＷ構造、ＳＱＷ構造の材料がＧａＮ系半導体）
である場合において、その作用効果が最も顕著となる。
これは、上記従来技術の説明において問題点として述べ
たとおり、ＧａＮ系半導体材料では正孔が特に拡散し難
い性質を示すので、ＭＱＷ構造において正孔密度の偏り
が顕著となっているからであり、また、ＭＱＷ構造、Ｓ
ＱＷ構造において、正孔が井戸層に効率良く注入されて
いないからである。ＧａＮ系半導体とは、Ｉｎ_XＧａ_YＡ
ｌ_ZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ
＋Ｚ＝１）で示される化合物半導体である。

【００３４】上記ＧａＮ系における（障壁層、井戸層）
の組み合せのなかでも、特に（ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａ
Ｎ）は、井戸層の発光効率が著しく高く、井戸層、障壁
層ともに、ほぼ同じ成長雰囲気で結晶成長が可能であっ
て、本発明における障壁層のバンドギャップ変化の有用
性が特に顕著となる。

【００３５】井戸層の材料は、必ずしも互いに同一であ
る必要はなく、互いに異なる材料として、１つのＭＱＷ
構造内から複数の波長の光が発生し得る構成としてもよ
い。

【００３６】

【実施例】以下の実施例では、図２に示す素子構造のＧ
ａＮ系ＬＥＤを作製し、発光層をＭＱＷ構造とし、その
障壁層の変化パターンを種々変えて、各々の特性を評価
した。

【００３７】実施例１本実施例では、図１に示すように、障壁層の層数を６層
（その間の井戸層は５層）とした。障壁層２１〜２６の
バンドギャップの変化パターンは、最もｐ型側の障壁層
２６の次から順次バンドギャップの減少が始まり、最も
ｎ型側の障壁層２１の、１つ前の障壁層２２まで単調に
直線的に減少するパターンである。

【００３８】５００μｍ厚のサファイアＣ面ウエハ基板
Ｂ１を、常圧ＭＯＶＰＥ装置内に装着し、水素リッチ気
流中で１１００℃まで昇温した。所定時間保持してサー
マルエッチングを行なった後、４５０℃まで降温し、低
温成長ＧａＮバッファ層Ｂ２を約２０ｎｍ成長させた。
続いて１０００℃まで昇温し、１０００ｎｍの無添加Ｇ
ａＮ層Ｂ３を成長させ、さらに３０００ｎｍのｎ-Ｇａ
Ｎ層（Ｓｉ添加）１を成長させた。このｎ-ＧａＮ層１
は、ｎ型コンタクト層であり、かつｎ型クラッド層でも
ある。

【００３９】（発光層におけるＭＱＷ構造の形成）続い
て、成長温度を７６０℃とし、障壁層のバンドギャップ
Ｅの変化パターンが次の仕様となるようにＭＱＷ構造を
形成し、発光層２とした。尚、障壁層の厚さは全て６ｎ
ｍとした。また、井戸層は、全て組成をＩｎ_0.35Ｇａ
_0.65Ｎ（バンドギャップ２．６０ｅＶ）とし、厚さを
２．８ｎｍとした。最もｎ型側の障壁層２１：組成Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ、Ｅ
＝３．２８ｅＶ。障壁層２２：組成Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ、Ｅ＝３．０４ｅ
Ｖ。障壁層２３：組成Ｉｎ_0.125Ｇａ_0.875Ｎ、Ｅ＝３．０９
ｅＶ。障壁層２４：組成Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ、Ｅ＝３．１５ｅ
Ｖ。障壁層２５：組成Ｉｎ_0.075Ｇａ_0.925Ｎ、Ｅ＝３．２１
ｅＶ。最もｐ型側の障壁層２６：組成Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ、Ｅ
＝３．２８ｅＶ。

【００４０】発光層２の成長終了後、再び１０００℃ま
で昇温しＭｇを添加した５０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎク
ラッド層を成長させ、同じくＭｇを添加した１００ｎｍ
のＧａＮコンタクト層を更に成長させた。

【００４１】結晶成長終了後、８５０℃まで温度が下が
った段階でアンモニアガス、水素ガスを全て窒素ガス流
に切り換え、そのまま室温近くまで冷却した。上記プロ
セスで得られた積層体をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、
通常のフォトリソグラフィ技術、電子ビーム蒸着技術、
リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）技術などを使
ってエッチング加工、電極形成等を行い、最終的にＬＥ
Ｄチップに加工・分割し、本発明によるＧａＮ系ＬＥＤ
とした。

【００４２】比較例１上記実施例品と比較するために、ＭＱＷ構造の障壁層を
すべてＩｎ_0.05Ｇａ_0. ₉₅Ｎ（Ｅ＝３．２８ｅＶ）、厚さ
６ｎｍとしたこと以外は、上記実施例品と全く同様の構
造にて、ＧａＮ系ＬＥＤを作製した。

【００４３】上記実施例１、比較例１によって得られた
ベアチップ状態の素子の発光出力（電流２０ｍＡ、波長
４７０ｎｍ）を測定したところ、実施例品が６．２ｍ
Ｗ、比較例品が５．０ｍＷであり、本発明による発光素
子のＭＱＷ構造が発光出力を向上させていることがわか
った。

【００４４】実施例２本実施例では、発光層のＭＱＷ構造における障壁層の層
数を６層とし、障壁層のバンドギャップの変化パターン
を、ＭＱＷ構造の中央付近の部分でバンドギャップが最
小となるパターンとした。より詳しくは、図３に示すよ
うに、最もｐ型側の障壁層２６の次から順次バンドギャ
ップの減少が始まり、中央付近の障壁層２３まで単調に
減少し、次の障壁層２２、最もｎ型側の障壁層２１と順
次増加する変化パターンである。ＭＱＷ構造の仕様以外
は、上記実施例品と全く同様の構造にて、ＧａＮ系ＬＥ
Ｄを作製した。

【００４５】（発光層におけるＭＱＷ構造の形成）障壁
層のバンドギャップの変化パターンは次のとおりであ
る。最もｎ型側の障壁層２１：組成Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ、Ｅ
＝３．２８ｅＶ。障壁層２２：組成Ｉｎ_0.075Ｇａ_0.925Ｎ、Ｅ＝３．２１
ｅＶ。障壁層２３：組成Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ、Ｅ＝３．０４ｅ
Ｖ。障壁層２４：組成Ｉｎ_0.125Ｇａ_0.875Ｎ、Ｅ＝３．０９
ｅＶ。障壁層２５：組成Ｉｎ_0.075Ｇａ_0.925Ｎ、Ｅ＝３．２１
ｅＶ。最もｐ型側の障壁層２６：組成Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ、Ｅ
＝３．２８ｅＶ。

【００４６】本実施例２によって得られたベアチップ状
態の素子の発光出力（電流２０ｍＡ、波長４７０ｎｍ）
を測定したところ、６．１ｍＷであり、上記比較例１の
素子の出力と比べて、発光出力が向上していることがわ
かった。

【００４７】実施例３本実施例では、発光層のＭＱＷ構造における障壁層の総
層数を６層とし、さらに、図４（ｂ）に示すように、ｐ
型半導体層に最も近い障壁層２６をステップ状に組成傾
斜させ、層２６内においてｐ型半導体層から離れるに従
ってバンドギャップが小さくなるように形成した。ＭＱ
Ｗ構造全体としての障壁層のバンドギャップの変化パタ
ーンは、実施例２と同様である。また、ｐ型半導体層に
最も近い障壁層内で減少したバンドギャップよりも、次
の障壁層のバンドギャップの方がより小さくなるように
した。

【００４８】ＭＱＷ構造の仕様は、最もｐ型側の障壁層
２６以外は、上記実施例２と同様である。最もｐ型側の
障壁層２６は、ｎ型側の組成をＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（Ｅ
＝３．２８ｅＶ）とし、ｐ型側に行くにつれて厚さ２ｎ
ｍ毎にバンドギャップが２２ｍｅＶだけ増加するレート
にてステップ状に層内で組成傾斜させ、最もｐ型側の組
成をＧａＮ（Ｅ＝３．３９ｅＶ）とし、この障壁層のト
ータル厚さを約１０ｎｍとした。

【００４９】上記ＭＱＷ構造の仕様以外は、実施例１と
全く同様の構造にて、ＧａＮ系ＬＥＤを作製した。本実
施例３によって得られたベアチップ状態の素子の発光出
力（電流２０ｍＡ、波長４７０ｎｍ）を測定したとこ
ろ、６．５ｍＷであり、上記比較例１の素子、さらには
上記実施例２の素子の出力と比べて、発光出力が向上し
ていることがわかった。

【００５０】実施例４本実施例では、図５（ａ）に示すように、発光層をＳＱ
Ｗ構造とし、ｐ型側の障壁層を、連続的に変化する組成
傾斜層とした。発光層のＳＱＷ構造を除く素子全体の構
造、ベアチップとするまでの製造条件は実施例１と同様
である。

【００５１】（ＳＱＷ構造の形成）ｎ型側の障壁層の組
成Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（Ｅ＝３．２８ｅＶ）、厚さ１０
ｎｍ。井戸層の組成：Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ（Ｅ＝２．６０ｅ
Ｖ）、厚さ２．８ｎｍ。ｐ型側の障壁層は、成長開始時点では井戸層と同じ成長
温度で、ｎ型側障壁層と同じ組成のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
を成長させ、厚さ５ｎｍまで成長させた後、気相の組成
はそのままで、次層であるＭｇ添加ＡｌＧａＮ層の成長
温度（１０００℃）まで昇温した。このときの昇温速度
をコントロールすることによって、温度上昇に伴って障
壁層中のＩｎＮ混晶比を低下させ、トータルで厚さ１０
ｎｍの障壁層を成長させた。組成の変化は、厚さ５ｎｍ
の時点からＩｎ組成が低下し始め、厚さ８ｎｍの時点で
ほぼＧａＮとなる変化である。

【００５２】発光層の成長後、実施例１と同様に、ｐ−
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層
を成長させ、最終的にＬＥＤチップに加工・分割し、本
発明によるＧａＮ系ＬＥＤとした。

【００５３】比較例２上記実施例４によって得られた素子と比較するために、
ＳＱＷ構造のｐ型側の障壁層を、ｎ型側の障壁層と同
様、組成傾斜の無いＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（Ｅ＝３．２８
ｅＶ）、厚さ１０ｎｍ、としたこと以外は、上記実施例
４と全く同様の構造にて、ＧａＮ系ＬＥＤを作製した。

【００５４】上記実施例４、比較例２によって得られた
ベアチップ状態の素子の発光出力（電流２０ｍＡ、波長
４７０ｎｍ）を測定したところ、実施例品が５．４ｍ
Ｗ、比較例品が４．２ｍＷであり、本発明による発光素
子のＳＱＷ構造が発光出力を向上させていることがわか
った。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、ＭＱＷ構造の障壁層のバ
ンドギャップ、そして、ＳＱＷ構造のｐ型側の障壁層の
バンドギャップに変化をもたせることによって、正孔の
拡散状態が改善され、量子井戸構造の発光効率が改善さ
れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子のＭＱＷ構造における、障壁
層のバンドギャップの変化パターンの一例を、バンドダ
イヤグラムとして概略的に示す図である。このバンドダ
イヤグラムは、障壁層のバンドギャップの変化パターン
を視覚的に示して理解を助けるためのものであり、細部
の値は、実際のバンドダイヤグラムとは異なっている
（他の図も同様）。また、同図では、太い一点鎖線によ
って、バンドギャップの変化パターンを強調している。

【図２】本発明の発光素子の一例として、ＧａＮ系ＬＥ
Ｄの素子構造を示す図である。発光層２は一層のように
省略して描かれているが、ＭＱＷ構造である。

【図３】本発明の発光素子のＭＱＷ構造における、障壁
層のバンドギャップの変化パターンの他の例を、バンド
ダイヤグラムとして概略的に示す図である。

【図４】本発明の発光素子のＭＱＷ構造における、障壁
層のバンドギャップの変化パターンの他の例を、バンド
ダイヤグラムとして概略的に示す図である。

【図５】本発明において発光層をＳＱＷ構造とする場合
の、ｐ型側の障壁層のバンドギャップの変化パターンの
例を、バンドダイヤグラムとして概略的に示す図であ
る。

【図６】従来のＧａＮ系ＬＥＤにおけるＭＱＷ構造の一
例を、バンドダイヤグラムによって概略的に示す図であ
る。

【符号の説明】

１ｎ型半導体層２発光層（ＭＱＷ構造）２１〜２６障壁層Ｗ井戸層３ｐ型半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内洋一郎兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者常川高志兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA05 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CA74 5F045 AA04 AB14 AB17 AD11 AD12 AD13 AD14 AF09 BB04 BB16 CA10 CA12 DA55 DA58

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多重量子井戸構造として形成された発光
層と、これを挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有
し、該多重量子井戸構造中の障壁層のうちの少なくとも２層
が、互いにバンドギャップが異なるように材料を選択さ
れたものであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】上記障壁層が、多重量子井戸構造の特定
区間において、１層毎にｐ型半導体層から離れるに従っ
て、バンドギャップが小さくなるように材料を選択され
ている請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】上記障壁層が、多重量子井戸構造の中央
部分でバンドギャップが最小となるように材料を選択さ
れている請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】上記障壁層のうちｐ型半導体層に最も近
い障壁層が、該層内部においてｐ型半導体層から離れる
に従ってバンドギャップが小さくなるように、組成傾斜
した構造として形成されている請求項１〜３のいずれか
に記載の半導体発光素子。
【請求項５】上記多重量子井戸構造が、ＧａＮ系半導
体からなるものである請求項１〜４のいずれかに記載の
半導体発光素子。
【請求項６】単一量子井戸構造として形成された発光
層と、これを挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有
し、該単一量子井戸構造中の障壁層のうち、ｐ型半導体層側
の障壁層が、該層内部においてｐ型半導体層から離れる
に従ってバンドギャップが小さくなるように、組成傾斜
した構造として形成されていることを特徴とする半導体
発光素子。
【請求項７】上記単一量子井戸構造が、ＧａＮ系半導
体からなるものである請求項６記載の半導体発光素子。