特開 2024-83013 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083013

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/08 20100101AFI20240613BHJP

   H01L 33/12 20100101ALI20240613BHJP

   H01L 33/04 20100101ALI20240613BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

H01L33/08

H01L33/12

H01L33/04

H01L33/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197285

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥野 浩司

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA03

5F241CA05

5F241CA12

5F241CA40

5F241CA48

5F241CA57

5F241CA65

5F241CB11

5F241CB27

5F241CB28

(57)【要約】

【課題】赤色発光の第１活性層と第１活性層よりも発光波長の短い第２活性層を有した発光素子において、第１活性層の発光効率を向上させた発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であり、赤色の発光波長である第１活性層１４と、第１活性層１４上に設けられ、ノンドープのＩｎＧａＮからなるノンドープ層１５Ａと、ｎ型のＩｎＧａＮからなるｎ型層１５Ｂを順に積層させた第１中間層１５と、第１中間層１５上に設けられ、前記第１活性層１４よりも発光波長が短い第２活性層１６と、を有する。第１中間層１５は、第１活性層１４から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定され、第１活性層１４における発光材料は、ＥｕドープＧａＮであり、第２活性層１６における発光材料は、ＩｎＧａＮである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、
前記ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、
前記第１活性層上に設けられ、ノンドープのＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ノンドープ層と、ｎ型のＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ｎ型層を順に積層させた第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、
を有し、
前記第１中間層は、前記第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている、発光素子。

【請求項2】

前記第１中間層の厚さは１５０ｎｍ以下であり、前記第１ノンドープ層および前記第１ｎ型層の厚さは１０ｎｍ以上である、請求項１に記載の発光素子。

【請求項3】

前記第２活性層上に設けられ、ノンドープのＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２ノンドープ層と、ｎ型のＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２ｎ型層を順に積層させた第２中間層と、
前記第２中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長であって前記第２活性層とは異なる波長で発光する第３活性層と、
をさらに有し、
前記第２活性層および前記第３活性層のうち一方は青色発光、他方は緑色発光であり、
前記第１中間層および前記第２中間層は、前記第１活性層および前記第２活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定され、
前記第２活性層および前記第３活性層のうち緑色発光の方は、量子井戸構造であって発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、
前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定されている、請求項１に記載の発光素子。

【請求項4】

フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、
前記ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、
前記第１活性層上に設けられ、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記第１活性層側から順に、ｐ型の第１ｐ層と、ｐ型の第１ｐ＋層と、ｎ型の第１ｎ＋層と、ｎ型の第１ｎ層が積層された構造である第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、
を有し、
前記第１ｐ＋層のｐ型不純物濃度は前記第１ｐ層のｐ型不純物濃度よりも高く、前記第１ｎ＋層のｎ型不純物濃度は前記第１ｎ層のｎ型不純物濃度よりも高く、前記第１ｐ＋層と前記第１ｎ＋層はトンネル接合構造を形成しており、
前記第１中間層は、前記第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている、発光素子。

【請求項5】

前記第１ｐ＋層および前記第１ｎ＋層のＩｎ組成は、前記第１ｐ層および前記第１ｎ層のＩｎ組成よりも高い、請求項４に記載の発光素子。

【請求項6】

前記第１ｐ＋層のＩｎ組成は、前記第１ｎ＋層のＩｎ組成よりも高い、請求項４に記載の発光素子。

【請求項7】

前記第２活性層上に設けられ、前記第２活性層側から順に、ｐ型の第２ｐ層と、ｐ型の第２ｐ＋層と、ｎ型の第２ｎ＋層と、ｎ型の第２ｎ層が積層された構造である第２中間層と、
前記第２中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長であって前記第２活性層とは異なる波長で発光する第３活性層と、
をさらに有し、
前記第２ｐ＋層のｐ型不純物濃度は前記第２ｐ層のｐ型不純物濃度よりも高く、前記第２ｎ＋層のｎ型不純物濃度は前記第２ｎ層のｎ型不純物濃度よりも高く、前記第２ｐ＋層と前記第２ｎ＋層はトンネル接合構造を形成しており、
前記第１中間層および前記第２中間層は、前記第１活性層および前記第２活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定され、
前記第２活性層および前記第３活性層のうち一方は青色発光、他方は緑色発光であり、
前記第２活性層および前記第３活性層のうち緑色発光の方は、量子井戸構造であって発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、
前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、前記発光層の発光波長よりも短くなるように設定されている、請求項４に記載の発光素子。

【請求項8】

前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、前記第２活性層および前記第３活性層のうち青色発光の方の発光波長と等しくなるように設定されている、請求項３または請求項７に記載の発光素子。

【請求項9】

前記発光層の発光波長と前記歪緩和層の前記井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長との差が、４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲となるように設定されている、請求項３または請求項７に記載の発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ディスプレイの高精細化が求められており、１ピクセルを１～１００μｍオーダーの微細なＬＥＤとするマイクロＬＥＤディスプレイが注目されている。フルカラーとする方式は各種知られているが、たとえば青、緑、赤の各色を発光する３つの活性層を同一基板上に順に積層する方式が知られている。

【0003】

ＩｎＧａＮ系材料で赤色発光を実現する場合、Ｉｎ組成（ＩＩＩ族窒化物半導体のＩＩＩ族金属全体に占めるＩｎのモル比）を４０％以上とする必要があり、高品質な結晶を作製することが難しい。そこで特許文献１のように、赤色発光にＥｕドープＧａＮを用いることが検討されている。この赤色発光は、Ｅｕ^３＋イオンの４ｆ殻内での遷移によるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－１７５４８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、青、緑、赤の各色を発光する３つの活性層を同一基板上に順に積層する方式において、赤色発光をＥｕドープＧａＮとする場合の素子構成について十分に検討されていなかった。

【0006】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、赤色発光の第１活性層と第１活性層よりも発光波長の短い第２活性層を有した発光素子において、第１活性層の発光効率を向上させた発光素子を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、
フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、
前記ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、
前記第１活性層上に設けられ、ノンドープのＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ノンドープ層と、ｎ型のＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ｎ型層を順に積層させた第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、
を有し、
前記第１中間層は、前記第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている、発光素子にある。

【0008】

本発明の他の態様は、
フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、
前記ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、
前記第１活性層上に設けられ、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記第１活性層側から順に、ｐ型の第１ｐ層と、ｐ型の第１ｐ＋層と、ｎ型の第１ｎ＋層と、ｎ型の第１ｎ層が積層された構造である第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、前記第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、
を有し、
前記第１ｐ＋層のｐ型不純物濃度は前記第１ｐ層のｐ型不純物濃度よりも高く、前記第１ｎ＋層のｎ型不純物濃度は前記第１ｎ層のｎ型不純物濃度よりも高く、前記第１ｐ＋層と前記第１ｎ＋層はトンネル接合構造を形成しており、
前記第１中間層は、前記第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている、発光素子にある。

【発明の効果】

【0009】

本発明の上記態様によれば、赤色発光の第１活性層と第１活性層よりも発光波長の短い第２活性層を有した発光素子において、第１活性層の発光効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１における発光素子の構成を示した図であって基板主面に垂直な断面図。

【図2】実施形態１における発光素子の等価回路を示した図。

【図3】実施形態１における発光素子の製造工程を示した図。

【図4】実施形態１における発光素子の製造工程を示した図。

【図5】実施形態１における発光素子の製造工程を示した図。

【図6】実施形態１における発光素子の製造工程を示した図。

【図7】実施形態１の変形形態における発光素子の構成を示した図であって基板主面に垂直な断面図。

【図8】実施形態１の変形形態における発光素子の構成を示した図であって基板主面に垂直な断面図。

【図9】実施形態２における発光素子の構成を示した図であって基板主面に垂直な断面図。

【図10】実施形態２における発光素子の等価回路を示した図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

発光素子は、フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、基板と、基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、第１活性層上に設けられ、ノンドープのＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ノンドープ層と、ｎ型のＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１ｎ型層を順に積層させた第１中間層と、第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、を有する。第１中間層は、第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている。

【0012】

第１中間層の厚さは１５０ｎｍ以下であり、第１ノンドープ層および第１ｎ型層の厚さは１０ｎｍ以上であってもよい。

【0013】

第２活性層上に設けられ、ノンドープのＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２ノンドープ層と、ｎ型のＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２ｎ型層を順に積層させた第２中間層と、第２中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、第１活性層よりも短い波長であって第２活性層とは異なる波長で発光する第３活性層と、をさらに有していてもよい。第２活性層および第３活性層のうち一方は青色発光、他方は緑色発光であり、第１中間層および第２中間層は、第１活性層および第２活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されていてもよい。第２活性層および第３活性層のうち緑色発光の方は、量子井戸構造であって発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、歪緩和層の井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、発光層の発光波長よりも短くなるように設定されていてもよい。

【0014】

他の発光素子は、フェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であって、基板と、基板上に設けられ、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ層と、ｎ層上に設けられ、発光材料をＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体とし、赤色発光する第１活性層と、第１活性層上に設けられ、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、第１活性層側から順に、ｐ型の第１ｐ層と、ｐ型の第１ｐ＋層と、ｎ型の第１ｎ＋層と、ｎ型の第１ｎ層が積層された構造である第１中間層と、第１中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、第１活性層よりも短い波長で発光する第２活性層と、を有する。第１ｐ＋層のｐ型不純物濃度は第１ｐ層のｐ型不純物濃度よりも高く、第１ｎ＋層のｎ型不純物濃度は第１ｎ層のｎ型不純物濃度よりも高く、第１ｐ＋層と第１ｎ＋層はトンネル接合構造を形成している。第１中間層は、第１活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されている。

【0015】

第１ｐ＋層および第１ｎ＋層のＩｎ組成は、第１ｐ層および第１ｎ層のＩｎ組成よりも高くてもよい。また、第１ｐ＋層のＩｎ組成は、第１ｎ＋層のＩｎ組成よりも高くてもよい。

【0016】

第２活性層上に設けられ、第２活性層側から順に、ｐ型の第２ｐ層と、ｐ型の第２ｐ＋層と、ｎ型の第２ｎ＋層と、ｎ型の第２ｎ層が積層された構造である第２中間層と、第２中間層上に設けられ、発光材料をＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体とし、第１活性層よりも短い波長であって第２活性層とは異なる波長で発光する第３活性層と、をさらに有し。第２ｐ＋層のｐ型不純物濃度は第２ｐ層のｐ型不純物濃度よりも高く、第２ｎ＋層のｎ型不純物濃度は第２ｎ層のｎ型不純物濃度よりも高く、第２ｐ＋層と第２ｎ＋層はトンネル接合構造を形成していてもよい。第１中間層および第２中間層は、第１活性層および第２活性層から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるようにＩｎ組成が設定されていてもよい。第２活性層および第３活性層のうち一方は青色発光、他方は緑色発光であり、第２活性層および第３活性層のうち緑色発光の方は、量子井戸構造であって発光しないように井戸層の厚さが調整されている歪緩和層と、量子井戸構造であって発光する発光層と、を順に積層させた構造であり、歪緩和層の井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、発光層の発光波長よりも短くなるように設定されていてもよい。

【0017】

歪緩和層の井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が、第２活性層および第３活性層のうち青色発光の方の発光波長と等しくなるように設定されていてもよい。また、発光層の発光波長と歪緩和層の井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長との差が、４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲となるように設定されていてもよい。

【0018】

（実施形態１）
図１は、実施形態１における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な断面図である。実施形態１における発光素子は青、緑、赤のそれぞれを発光可能である。また、実施形態１における発光素子は、基板の上面側（電極側）から光を取り出すフェイスアップ型である。上面側の電極は、一般的に発光波長に対して透明な材料を用いる。たとえばＩＴＯ、ＩＺＯなどである。なお、実施形態１は１ピクセルが１チップの構造であるが、モノリシック型であってもよい。つまり、実施形態１における発光素子の素子構造が同一基板上にマトリクス状に配列されたマイクロＬＥＤディスプレイ素子としてもよい。

【0019】

１．発光素子の構成
実施形態１における発光素子は、図１に示すように、基板１０と、ｎ層１１と、第１活性層１４と、第１中間層１５と、第２活性層１６と、第２中間層１７と、第３活性層１８と、保護層１９と、再成長層２０Ａ～２０Ｃと、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと、ｐ層２２Ａ～２２Ｃと、ｎ電極２３と、ｐ電極２４Ａ～２４Ｃと、を有している。

【0020】

基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる成長基板である。たとえば、サファイア、Ｓｉ、ＧａＮなどである。

【0021】

ｎ層１１は、低温バッファ層や高温バッファ層（図示しない）を介して基板１０上に設けられたｎ型の半導体である。ただし、バッファ層は必要に応じて設ければよく、基板がＧａＮである場合などにはバッファ層を設けなくともよい。ｎ層１１は、たとえばｎ－ＧａＮ、ｎ－ＡｌＧａＮなどである。Ｓｉ濃度は、たとえば１×１０^１８～１００×１０^１８ｃｍ^－３である。

【0022】

第１活性層１４は、ｎ層１１上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は赤色であり、波長は６２０～６２３ｎｍである。第１活性層１４はＡｌＧａＮからなる障壁層とＥｕドープＧａＮからなる井戸層を交互に１～２０ペア積層させた構造である。ＥｕドープＧａＮのＥｕイオンにより赤色発光する。

【0023】

井戸層のＥｕドープ量は、１×１０^１７～１×１０^２１ｃｍ^－３とするのがよい。この範囲であれば、効率的に赤色発光させることができる。

【0024】

このように、実施形態１では、第１活性層１４の赤色発光材料として高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮではなく、ＥｕドープＧａＮを用いている。そのため、赤色の発光効率を向上させることができる。詳細には次の通りである。

【0025】

一般にＩｎ組成の高いＩｎＧａＮは結晶品質を向上させることが難しいが、実施形態１ではＥｕドープＧａＮでありＩｎを含まないので結晶品質を向上させることができ、発光効率を向上させることができる。さらに、Ｅｕはサーファクタントとしても機能し、結晶平坦性の向上も期待できる。

【0026】

また、ＩｎＧａＮはＩｎの蒸発を防ぐため低温で成長させる必要があり、結晶品質が低下してしまうが、ＥｕドープＧａＮはＩｎを含まないので成長温度を高くして結晶品質を向上させ、発光効率を向上させることができる。

【0027】

また、ＩｎＧａＮの場合はヘテロ接合になり、歪の解放のために結晶欠陥が生じやすくなっているが、ＥｕドープＧａＮではホモ接合、あるいは格子定数差を小さくすることができるので、結晶欠陥を低減することができ、発光効率を向上させることができる。

【0028】

また、ＩｎＧａＮの場合は歪によって量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が生じ、遷移確率が低下してしまうが、ＥｕドープＧａＮではＱＣＳＥがないため遷移確率の低下がなく、高い発光効率を実現できる。以上が赤色発光材料としてＥｕドープＧａＮを用いる利点である。

【0029】

なお、実施形態１では第１活性層１４の井戸層としてＥｕドープＧａＮを用いているが、これに限らず、ＥｕドープのＩＩＩ族窒化物半導体であればよい。たとえば、ＥｕドープＩｎＧａＮやＥｕドープＡｌＧａＮとすることもできる。ただし、結晶品質の点や、素子構造の歪抑制などの点から実施形態１のようにＥｕドープＧａＮとすることが好ましい。

【0030】

第１活性層１４の井戸層にＥｕ以外の不純物をドープしてもよい。たとえば、Ｓｉ、Ｏ、Ｍｇなどをドープしてもよい。発光効率を向上させることができる。

【0031】

井戸層と障壁層の間に、井戸層中のＥｕが障壁層に拡散することを防止するための緩衝層を設けてもよい。緩衝層は、たとえばノンドープＧａＮである。

【0032】

また、第１活性層１４は量子井戸構造に限らず、ＥｕドープＧａＮ単層であってもよい。厚いＥｕドープＧａＮの単層とすれば、ＥｕドープＧａＮの体積が増加し、注入されたキャリアが結合する割合が高まる。また、ノンドープＧａＮとＥｕドープＧａＮとを交互に繰り返し積層した構造としてもよい。交互積層にすることで、Ｅｕドープによる積層方向の結晶品質の変化を抑制し、均一な発光層を形成できる。

【0033】

また、従来はｎ層１１と第１活性層１４の間に下地層を設けて第１活性層１４の結晶歪を緩和していたが、実施形態１では第１活性層がＥｕドープＧａＮであり、ｎ層１１との格子定数の違いがないか十分に差が小さいため、下地層は設ける必要がなく、ｎ層１１上に直接第１活性層を設けることができる。そのため、素子構造の簡略化、低コスト化を図ることができる。

【0034】

また、ｎ層１１と第１活性層１４の間に、静電耐圧向上のためのＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえばノンドープまたは低濃度にＳｉがドープされたＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮである。

【0035】

第１中間層１５は、第１活性層１４上に設けられた半導体層であり、第１活性層１４と第２活性層１６の間に位置している。第１中間層１５は、第１活性層１４からの発光と第２活性層１６からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第２溝３１を形成する際に第１活性層１４をエッチングダメージから保護する役割も有する。

【0036】

第１中間層１５は、第１活性層１４側から順にノンドープ層１５Ａ、ｎ型層１５Ｂを積層させた構造である。このような２層の構造とすることでｐｎ接合間距離の調整を図り、各活性層を均一に制御可能としている。詳しくは後述する。

【0037】

ノンドープ層１５Ａ、ｎ型層１５Ｂは不純物を除いて同一材料からなる。第１中間層１５の材料は、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体であり、たとえばＩｎＧａＮとするのがよい。Ｉｎによるサーファクタント効果によって第１中間層１５表面の荒れを抑制し、表面平坦性を向上させることができる。また、格子歪みを緩和させることができる。

【0038】

第１中間層１５のＩｎ組成は、第１活性層１４から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。より好ましくは、第１活性層１４、第２活性層１６、および第３活性層１８から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定する。好ましいＩｎ組成は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下である。Ｉｎ組成が１０％よりも大きいと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となる。Ｉｎは０％よりも大きければ任意であり、ドープレベル（混晶を形成しないレベル）でもよい。たとえばＩｎ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下のＧａＮである。

【0039】

ノンドープ層１５Ａはノンドープであり、ｎ型層１５ＢはＳｉドープである。ｎ型層１５ＢのＳｉ濃度は、１×１０^１７～１×１０^２０ｃｍ^－３とすることが好ましい。ｎ型層１５ＢはＳｉを変調ドープしてもよく、ｎ型層１５Ｂの一部領域にノンドープの領域があってもよい。

【0040】

第１中間層１５の厚さは、２０～１５０ｎｍとすることが好ましい。１５０ｎｍよりも厚いと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となり得る。また、２０ｎｍよりも薄いと、後述の第２溝３１を形成する際に第２溝３１の深さを第１中間層１５内とする制御が難しくなる可能性がある。より好ましくは３０～１００ｎｍ、さらに好ましくは５０～８０ｎｍである。

【0041】

また、ノンドープ層１５Ａの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。エッチング深さの制御性および第１活性層１４へのエッチングダメージを回避するためである。また、ｎ型層１５Ｂの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。各活性層の発光特性を独立に制御するためである。

【0042】

第２活性層１６は、第１中間層１５上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は青色であり、４３０～４８０ｎｍである。第１活性層１４はＡｌＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。ＩｎＧａＮのバンド端発光により青色発光する。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。

【0043】

第２中間層１７は、第２活性層１６上に設けられた半導体層であり、第２活性層１６と第３活性層１８の間に位置している。第２中間層１７は、第１中間層１５と同様の理由により設けられたものであり、第２活性層１６からの発光と第３活性層１８からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第３溝３２を形成する際に第２活性層１６をエッチングダメージから保護する役割も有する。

【0044】

第２中間層１７は、第２活性層１６側から順にノンドープ層１７Ａ、ｎ型層１７Ｂを積層させた構造である。このような２層の構造とするのは第１中間層１５と同様の理由であり、詳しくは後述する。ノンドープ層１７Ａ、ｎ型層１７Ｂは、ノンドープ層１５Ａ、ｎ型層１５Ｂと同様の材料、構造である。第２中間層１７のＩｎ組成は、第１活性層１４および第２活性層１６から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。より好ましくは、第１活性層１４、第２活性層１６および第３活性層１８から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定する。ノンドープ層１７Ａとｎ型層１７Ｂは不純物を除いて同一材料である。第１中間層１５と第２中間層１７を同一材料としてもよい。

【0045】

ノンドープ層１７Ａはノンドープ、ｎ型層１７ＢはＳｉドープである。第２中間層１７は第１中間層１５よりも薄くし、第２中間層１７のＩｎ組成も第１中間層１５のＩｎ組成より大きくすることが好ましい。緑色発光の第３活性層１８は、青色発光の第２活性層１６よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

【0046】

第３活性層１８は、第２中間層１７上に設けられた層であり、歪緩和層１８ＡとＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層（発光層）１８Ｂを順に積層させた構造である。

【0047】

歪緩和層１８Ａは、障壁層と井戸層を順に積層させたＳＱＷ構造であり、発光しないように井戸層の厚さを薄く調整した量子井戸構造である。たとえば井戸層の厚さを１ｎｍ以下とすることで発光しないようにすることができる。障壁層はＡｌＧａＮ、井戸層はＩｎＧａＮである。歪緩和層１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層１８Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば量子井戸構造層１８Ｂの発光波長が５００～５６０ｎｍであれば４００～４６０ｎｍである。好ましくは量子井戸構造層１８Ｂの発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くする。

【0048】

歪緩和層１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、第２活性層１６の発光波長と等しくしてもよい。

【0049】

歪緩和層１８Ａの井戸層におけるバンド端エネルギーの制御は、井戸層の厚さで制御することができる。すなわち、歪緩和層１８Ａの井戸層の厚さを十分に薄くすることで井戸内のサブバンドのエネルギーが上昇しバンド端エネルギーが大きくなる。これにより、量子井戸構造層１８Ｂの発光波長よりも短くしてもよい。さらに、歪緩和層１８Ａの井戸層の膜厚を薄くすると、サブバンドがさらに上昇し、障壁層とのエネルギー差が小さくなる。すなわち、障壁層のバンド端エネルギーに近くなる。その結果、歪緩和層１８Ａの井戸層におけるキャリアの閉じ込めがされ難くなり、発光しにくくなることから、量子井戸構造層１８Ｂの障壁層の一部として機能するとともに、歪緩和の効果も同時に得られる。

【0050】

このように、量子井戸構造層１８Ｂの井戸層よりもキャリア閉じ込めの悪い井戸層を持つ歪緩和層１８Ａを形成することで、発光しない歪緩和層１８Ａを形成することができる。

【0051】

要するに、歪緩和層１８Ａ全体の実効的な格子定数が、第２中間層１７の格子定数と量子井戸構造層１８Ｂの格子定数の間となるように歪緩和層１８Ａの材料や層構成が設定され、かつ、歪緩和層１８Ａが発光しないように井戸層の厚さが設定されていればよい。

【0052】

歪緩和層１８Ａは障壁層と井戸層を２ペア以上積層させたＭＱＷ構造としてもよいが、第３活性層１８が厚くなるのでＳＱＷ構造とすることが好ましい。また、歪緩和層１８Ａを複数設け、段階的に歪を緩和させてもよい。

【0053】

以上のように歪緩和層１８Ａを設けることで、その上に積層される量子井戸構造層１８Ｂの歪を緩和させることができ、量子井戸構造層１８Ｂの井戸層の結晶品質を向上させることができる。

【0054】

量子井戸構造層１８Ｂは、歪緩和層１８Ａ上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は緑色であり、５１０～５７０ｎｍである。量子井戸構造層１８ＢはＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。ＩｎＧａＮのバンド端発光により緑色発光する。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第２活性層１６のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。

【0055】

第３活性層１８の厚さに対する第２活性層１６の厚さの比が３０％以下となるように設定することが好ましい。より効果的に量子井戸構造層１８Ｂの歪を緩和させることができるとともに、ｐｎ接合間距離が各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下で一定となり、各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下でのデバイス特性を均一にできる。

【0056】

保護層１９は、第３活性層１８上に設けられた半導体層である。保護層１９は、活性層を保護するとともに、電子ブロック層としても機能する層である。保護層１９は、第３活性層１８の井戸層よりもバンドギャップの広い材料であればよく、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどである。保護層１９の厚さは、２．５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。保護層１９に不純物をドープしてもよく、Ｍｇをドープしてもよい。その場合、Ｍｇ濃度は１×１０^１８～１０００×１０^１８ｃｍ^－３とするのがよい。

【0057】

保護層１９の一部領域はエッチングされて溝が設けられ、保護層１９から第２中間層１７のノンドープ層１７Ａに達する第３溝３２、第１中間層１５のノンドープ層１５Ａに達する第２溝３１、ｎ層１１に達する第１溝３０が設けられている。

【0058】

このように、第３溝３２をノンドープ層１７Ａに達する深さとし、ｐ電極２４Ｂ下において第２中間層１７のｎ型層１７Ｂを除去することで第２活性層１６上にｎ型層が位置しないようにし、第２活性層１６が発光するようにしている。また、第２溝３１を、第１中間層１５のノンドープ層１５Ａに達する深さとしているのも同様の理由であり、ｐ電極２４Ｃ下において第１中間層１５のｎ型層１５Ｂを除去することで第１活性層１４上にｎ型層が位置しないようにし、第１活性層１４が発光するようにしている。

【0059】

再成長層２０Ａ～２０Ｃは、保護層１９上、第３溝３２底面に露出する第２中間層１７上、第２溝３１底面に露出する第１中間層１５上にそれぞれ設けられている。再成長層２０Ａ～２０Ｃの構成は保護層１９と同様である。

【0060】

電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃは、再成長層２０Ａ～２０Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、ｎ層１１から注入された電子を第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８に効率よく閉じ込めるためにブロックする層である。電子ブロック層はＧａＮやＡｌＧａＮの単層でもよいし、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮのうち２以上を積層させた構造や、組成比のみ替えて積層させた構造であってもよい。また、超格子構造としてもよい。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの厚さは、５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。電子ブロック層２１Ａ～２１ＣのＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。

【0061】

ｐ層２２Ａ～２２Ｃは、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、電子ブロック層２１側から順に第１層、第２層で構成されている。第１層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第１層の厚さは１０～５００ｎｍが好ましく、より好ましくは１０～２００ｎｍ、さらに好ましくは１０～１００ｎｍである。第１層のＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。第２層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第２層の厚さは２～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは４～２０ｎｍ、さらに好ましくは６～１０ｎｍである。第２層のＭｇ濃度は１×１０^２０～１００×１０^２０ｃｍ^－３とするのがよい。

【0062】

ｎ電極２３は、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上に設けられた電極である。基板１０が導電性材料である場合には、第１溝３０を設けずに基板１０裏面にｎ電極２３を設けてもよい。ｎ電極２３の材料は、たとえばＴｉ／ＡｌやＶ／Ａｌである。

【0063】

ｐ電極２４Ａ～２４Ｃは、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にそれぞれ設けられた電極である。ｐ電極２４Ａ～２４Ｃの材料は、たとえばＡｇ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｏ／Ａｕ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどである。実施形態１における発光素子はフェイスアップ型であるため、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明電極が好ましい。

【0064】

２．発光素子の動作
実施形態１における発光素子の動作について説明する。実施形態１における発光素子では、ｐ電極２４Ａとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第３活性層１８から緑色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｂとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第２活性層１６から青色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第１活性層１４から赤色の光を発光させることができる。また、青色、緑色、赤色のうち２以上を同時に発光させることもできる。このように、実施形態１における発光素子では、電圧を印加する電極の選択によって青、緑、赤の発光を制御することができ、ディスプレイの１ピクセルとして利用することができる。

【0065】

図２に実施形態１における発光素子の等価回路を示す。図２に示すように、実施形態１にける発光素子は、赤色、青色、緑色のＬＥＤが１素子内に形成された構造であり、１素子でフルカラーの発光を実現することができる。そのため、赤色、青色、緑色のＬＥＤを個別に準備してそれらを同一基板に配列させて１ピクセルのフルカラーの発光素子を作製するよりも、１素子のサイズを非常に小さくすることが可能である。さらに、実施形態１の構造であれば、赤色、青色、緑色のＬＥＤを個別に準備して配列する工程を省くことができ、製造コストも大幅に低減でき、非常に低コストのフルカラー発光素子、およびそれを応用した発光ディスプレイを実現することができる。

【0066】

ここで、実施形態１では、第１中間層１５、第２中間層１７がＩｎを含むため、Ｉｎのサーファクタント効果によって第１中間層１５、第２中間層１７の表面平坦性を向上させることができ、第２活性層１６や第３活性層１８の表面平坦性も向上させることができる。また、下地層１３と第１活性層１４との格子定数差によって生じる格子歪みも緩和させることができる。その結果、実施形態１における発光素子によれば発光効率を向上させることができる。

【0067】

また、実施形態１では、第１中間層１５、第２中間層１７について、ノンドープ層１５Ａ、１７Ａとｎ型層１５Ｂ、１７Ｂの２層構造としており、これによりｐｎ接合間距離の調整を図っている。

【0068】

ここで、ｐｎ接合間距離について説明する。ｐｎ接合間距離は、ゼロバイアス時に空乏化している膜厚に相当する。ＬＥＤにおいては高濃度のアクセプタ不純物を持つｐ層と、高濃度のドナー不純物を持つｎ層とに挟まれたノンドープもしくは低ドープの活性層の総膜厚に相当する。

【0069】

第１中間層１５、第２中間層１７をノンドープとする場合、ｐｎ接合間距離（空乏層の厚さ）は、ｐ電極２４Ａ下の領域においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ａからドナー不純物を高ドープされたｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８と、第１中間層１５、第２中間層１７を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｂ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｂからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６と、第１中間層１５と、第２中間層１７の一部を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｃ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４と、第１中間層１５の一部を含む膜厚に相当する。

【0070】

そのため、これら３つの場合でそれぞれｐｎ接合間距離が異なり、駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流が異なってしまう。また、ｐ電極２４Ａに電圧を印加して第３活性層１８を発光させたい場合に、電子と正孔のキャリアがすべての活性層に供給されてしまい、第２活性層１６や第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。同様に、ｐ電極２４Ｂに電圧を印加して第２活性層１６を発光させたい場合に第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。

【0071】

実施形態１では、このような問題を中間層の構造で解決している。つまり、実施形態１では、第１中間層１５をノンドープ層１５Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層１５Ｂの２層とし、第２中間層１７をノンドープ層１７Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層１７Ｂの２層とし、ｎ型層１５Ｂ、１７ＢにＳｉをドープしてｎ型としている。

【0072】

そのため、ｐｎ接合間距離は、ｐ電極２４Ａ下の領域においては電子ブロック層２１Ａから第２中間層１７のｎ型層１７Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｂ下の領域においては電子ブロック層２１Ｂから第１中間層１５のｎ型層１５Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｃ下の領域においては電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離となる。すなわち、すべての電極下におけるｐｎ接合間距離は、複数の活性層を含まず、１つの活性層と中間層のうちノンドープ層とを含む総膜厚に相当することとなる。

【0073】

ここで、第１中間層１５のノンドープ層１５Ａ、第２中間層１７のノンドープ層１７Ａの厚さ、歪緩和層１８Ａの厚さとペア数、第２活性層１６と量子井戸構造層１８Ｂのペア数を適切に制御することで、これら３つの場合でｐｎ接合間距離を等しくすることができる。その結果、これら３つの場合で駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流のばらつきを抑えることができ、均一な制御が可能となる。さらに、これら３つの場合でｐｎ接合間には第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８がそれぞれ１つしか含まれず、中間層のｎ型層が正孔にとって障壁層となるため、正孔が中間層のｎ型層を超えて下部の活性層へ注入され難くなる。その結果、ｐｎ接合間に位置する発光させたい活性層以外が発光してしまうことを抑制できる。

【0074】

なお、ｐｎ接合間距離の調整のために、ｎ層１１と第１活性層１４の間にｎ－ＧａＮやノンドープＧａＮなどの層を挿入してもよい。

【0075】

また、実施形態１では、赤色発光、緑色発光、青色発光の３つの活性層を、基板１０側から順に、赤色発光の第１活性層１４、青色発光の第２活性層１６、緑色発光の第３活性層１８の順に配置している。

【0076】

赤色発光の第１活性層１４を最も基板１０に近い側としているのは、次の理由による。第１に、実施形態１における発光素子はフェイスアップ型であり、基板１０の上面側に光を取り出すため、第２活性層１６や第３活性層１８の上部に第１活性層１４があると、第２活性層１６や第３活性層１８からの青色光、緑色光が第１活性層１４に一部吸収されてしまう。このような吸収が生じないように、赤色発光の第１活性層１４を第２活性層１６、第３活性層１８よりも基板１０側に配置している。

【0077】

第２に、第１活性層１４の成長温度を高くして結晶品質を向上させるためである。第１活性層１４の赤色発光材料はＥｕドープＧａＮであり、ＩｎＧａＮを含んでいないため、成長温度を高くして結晶品質を向上させることができる。ここで、先に第２活性層１６や第３活性層１８を形成した後に、それらの成長温度よりも高温で第３活性層１８を成長させると、第２活性層１６や第３活性層１８はＩｎＧａＮを含むため熱ダメージを受けてしまう。そこで、赤色発光の第１活性層１４を第２活性層１６、第３活性層１８よりも先に形成することで、第１活性層１４の成長温度を高くして結晶品質を高めつつ、第２活性層１６や第３活性層１８への熱ダメージを防止している。

【0078】

青色発光の第２活性層１６を基板１０側から２番目としているのは、次の理由による。第２活性層１６、第３活性層１８はいずれもＩｎＧａＮを発光材料とするが、青色発光である第２活性層１６の方が、緑色発光である第３活性層１８よりもＩｎ組成が低い。そのため、第２活性層１６は第３活性層１８よりも高温で成長させて結晶品質を向上させることができる。ここで、先に第３活性層１８を形成した後に、その成長温度よりも高温で第２活性層１６を成長させると、第３活性層１８はＩｎＧａＮを含むため熱ダメージを受けてしまう。そこで、青色発光の第２活性層１６を第３活性層１８よりも先に形成することで、第２活性層１６の成長温度を高くして結晶品質を高めつつ、第３活性層１８への熱ダメージを防止している。

【0079】

なお、第２活性層１６の上部に第３活性層１８があるため、第２活性層１６からの青色光が第３活性層１８に一部吸収される。しかし、一般にＩｎＧａＮの青色発光効率は緑色発光効率に比べて十分に高いため、そのような吸収があってもさほど問題とならない。

【0080】

上記のように、成長温度を高めて結晶品質を向上させる観点からは、実施形態１のように、基板１０側から赤色発光の第１活性層１４、青色発光の第２活性層１６、緑色発光の第３活性層１８の順が好ましい。ただし、活性層による光の再吸収防止の観点を重視して、基板１０側から赤色発光の第１活性層１４、緑色発光の第３活性層１８、青色発光の第２活性層１６の順としてもよい。

【0081】

３．発光素子の製造工程
次に、実施形態１における発光素子の製造工程について、図を参照に説明する。

【0082】

まず、基板１０を用意し、水素や窒素、必要に応じてアンモニアを加えて、基板の熱処理を行う。

【0083】

次に、基板１０上にバッファ層を形成し、バッファ層上にｎ層１１、第１活性層１４、第１中間層１５、第２活性層１６、第２中間層１７、第３活性層１８、保護層１９を順にＭＯＣＶＤ法により形成する（図３参照）。ＭＯＣＶＤ法における各種原料ガスはたとえば次の通りである。Ｇａ原料ガスはＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｌ原料ガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ原料ガスはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｓｉ原料ガスはシラン、Ｍｇ原料ガスはＣｐ_２Ｍｇ（ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム）、Ｅｕ原料ガスはＥｕＣｐ^ｐｍ _２（ビス（ノルマルプロピルテトラメチルシクロペンタジエニル）ユーロピウム）、Ｅｕ（ＤＰＭ）_３などである。

【0084】

各層の好ましい成長温度は次の通りである。

【0085】

第１活性層１４の成長温度は、９００～１１００℃が好ましい。第１活性層１４の赤色発光材料がＩｎ組成のＩｎＧａＮではなくＥｕドープＧａＮであるため、このように成長温度を高くすることができる。その結果、結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。より好ましくは９５０～１０５０℃である。第１活性層１４は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。

【0086】

第１中間層１５の成長温度は、７００～１０００℃が好ましい。第１活性層１４への熱ダメージを抑制するためである。また、７００℃よりも低いと貫通転位に起因したピットや点欠陥が生じやすくなってしまう。より好ましくは８００～９５０℃、さらに好ましくは８５０～９５０℃である。

【0087】

第２活性層１６の成長温度は、７００～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第２活性層１６は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。また、第２活性層１６の成長温度は、第１活性層１４の成長温度よりも低くすることが好ましい。

【0088】

第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度と同様の範囲が好ましい。ただし、第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度よりも低くすることが好ましい。青色発光の第２活性層１６は、赤色発光でＥｕドープＧａＮである第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

【0089】

第３活性層１８の歪緩和層１８Ａの成長温度は、７００～８００℃、量子井戸構造層１８Ｂの成長温度は、６００～８００℃が好ましい。この範囲であれば、量子井戸構造層１８Ｂの歪を効果的に緩和させることができる。歪緩和層１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長を、第２活性層１６の発光波長と等しくする場合、歪緩和層１８Ａの成長温度は第２活性層１６と同様の成長温度で成長させてもよい。

【0090】

歪緩和層１８Ａは井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。量子井戸構造層１８Ｂも井戸層と障壁層で構成されるが、同様である。また、量子井戸構造層１８Ｂの成長温度は、第２活性層１６の成長温度よりも低いことが好ましい。

【0091】

保護層１９の成長温度は、５００～９５０℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。保護層１９の結晶品質向上のためには成長温度が高い方が好ましく、より好ましくは６００～９００℃、さらに好ましくは７００～９００℃である。

【0092】

次に、保護層１９表面の一部領域を第２中間層１７に達するまでドライエッチングして第３溝３２を形成し、第１中間層１５に達するまでドライエッチングして第２溝３１を形成する（図４参照）。第３溝３２、第２溝３１は、第２中間層１７、第１中間層１５の中間の厚さまでエッチングすることが好ましい。

【0093】

次に、保護層１９上、第３溝３２によって露出した第２中間層１７上、および第２溝３１によって露出した第１中間層１５上に、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを順に形成する（図５参照）。再成長層２０Ａ～２０Ｃの成長温度は保護層１９と同様である。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの成長温度は、７５０～１０００℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。より好ましくは７５０～９５０℃、さらに好ましくは８００～９００℃である。ｐ層２２Ａ～２２Ｃの成長温度は、６５０～１０００℃が好ましい。より好ましくは７００～９５０℃、さらに好ましくは７５０～９００℃である。

【0094】

次に、ｐ層２２Ｃ表面の一部領域をｎ層１１に達するまでドライエッチングして第１溝３０を形成する（図６参照）。そして、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極２３を形成し、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にｐ電極２４Ａ～２４Ｃを形成する。以上によって実施形態１における発光素子が製造される。

【0095】

（実施形態１の変形形態）
実施形態１では、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃはそれぞれ分離して設けられているが、一続きにしてもよい（図７参照）。この場合、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面にも再成長層、電子ブロック層、ｐ層が形成されることとなるが、素子の動作にはほとんど影響しない。その理由は次の通りである。

【0096】

ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃがそれぞれ空間的に十分に分離されていれば、ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃの間をつなぐｐ層の抵抗が非常に高いために電流はほとんど流れない。加えて、ホールは移動度が低いため、電極と接触している領域から正孔は横方向に広がらず、電極直下のｐｎジャンクションを縦方向へ支配的に流れる。そのため再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃが一続きであっても素子の動作に影響がないのである。すなわち、ｐ電極２４Ａに電流を流した場合、ｐ電極２４Ａの直下に電流が流れ、その結果ｐ電極２４Ａ直下の活性層が発光し、ｐ電極２４Ｂ、２４Ｃ直下の活性層に電流が流れて発光することはほとんどないのである。

【0097】

また、図８のように、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面に絶縁膜２７を設けてもよい。この絶縁膜２７は、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを選択成長させる際のマスクを残したものである。

【0098】

（実施形態２）
図９は、実施形態２における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な断面図である。実施形態２における発光素子は、図９に示すように、実施形態１における発光素子の構成の一部を次のように変更したものである。実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

【0099】

図９に示すように、第１中間層１５、第２中間層１７に替えて、第１中間層４１５、第２中間層４１７を設けている。また、保護層１９、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを省き、第３活性層１８上に電子ブロック層４２１Ａ、ｐ層４２２を設け、ｐ層４２２上にｐ電極２４Ａを設けている。つまり、実施形態２における発光素子には再成長層は存在していない。また、第２溝３１底面に露出する第１中間層４１５上に第１電極４２４Ｂ、第３溝３２底面に露出する第２中間層４１７上に第２電極４２４Ｃを設けている。また、第２活性層１６と第２中間層１７の間、および第１活性層１４と第１中間層１５の間に電子ブロック層４２１Ｂ、４２１Ｃをそれぞれ挿入している。

【0100】

電子ブロック層４２１Ｃは、第１活性層１４上に設けられたｐ型の層であり、第１活性層１４と第１中間層１５の間に位置している。電子ブロック層４２１Ｃは、再成長層ではなく、第１活性層１４上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

【0101】

第１中間層４１５は、第1活性層１４側から順に、第１層４１５Ａ（ｐ層）、第２層４１５Ｂ（ｐ＋層）、第３層４１５Ｃ（ｎ＋層）、第４層４１５Ｄ（ｎ層）を順に積層させた構造であり、第２溝３１の底面に第４層４１５Ｄが露出している。第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃはトンネル接合構造を形成している。このように、第１中間層４１５は、実施形態１の第１中間層１５と同様の機能に加えて、トンネル接合の機能を有している。

【0102】

第１層４１５Ａは、電子ブロック層４２１Ｃ上に設けられた半導体層である。第１活性層１４を効率的に発光させるためには、第１活性層１４をｐ型の層とｎ型の層で挟むことが好ましく、そのｐ型のコンタクト層として第１層４１５Ａを設けている。

【0103】

第１層４１５Ａの材料は、実施形態１における第１中間層１５と不純物を除いて同様である。すなわち、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体であり、たとえばＩｎＧａＮとするのがよい。Ｉｎによるサーファクタント効果によって第１中間層４１５表面の荒れを抑制し、表面平坦性を向上させることができる。また、格子歪みを緩和させることができる。第１中間層４１５のＩｎ組成は、第１活性層１４、第２活性層１６、および第３活性層１８から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。

【0104】

第１層４１５Ａの好ましいＩｎ組成は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下である。Ｉｎ組成が１０％よりも大きいと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となる。Ｉｎは０％よりも大きければ任意であり、ドープレベル（混晶を形成しないレベル）でもよい。たとえばＩｎ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下のＧａＮである。

【0105】

第１層４１５Ａはｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型半導体である。たとえば、Ｍｇ濃度が１×１０^１８～１×１０^２０ｃｍ^－３、好ましくは５×１０^１８～１×１０^２０ｃｍ^－３、さらに好ましくは１×１０^１９～１×１０^２０ｃｍ^－３であってもよい。ノンドープでもよいが、上記のようにＭｇがドープされていることが好ましい。第１層４１５Ａは、厚さ方向においてＩｎ組成に傾斜を設ける分極ドープを用いてもよい。この場合はノンドープでもよい。また、第１層４１５Ａの下層である電子ブロック層４２１ＣからのＭｇ拡散によって第３層４１５ＣにＭｇがドープされてもよい。この場合、電子ブロック層４２１ＣのＭｇ濃度は１×１０^１９～１×１０^２１ｃｍ^－３の範囲がよい。

【0106】

第１層４１５Ａの厚さは、１０～３００ｎｍとすることが好ましい。３００ｎｍよりも厚いと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となり得る。また、１０ｎｍよりも薄いと、第１活性層１４の発光効率を十分に高めることができない可能性がある。より好ましくは２０～２００ｎｍ、さらに好ましくは３０～１００ｎｍである。

【0107】

第２層４１５Ｂは、第１層４１５Ａ上に設けられた半導体層である。第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの積層によりトンネル接合構造を形成する。

【0108】

第２層４１５Ｂの材料は、第１層４１５Ａと不純物を除いて同様である。第２層４１５ＢのＩｎ組成は第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成とは異なっていてもよく、その場合、第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成よりも高い方が好ましい。トンネル接合構造によるトンネル確率をより高めることができる。第２層４１５Ｂの好ましいＩｎ組成の範囲は、第１層４１５Ａと同様である。

【0109】

第２層４１５Ｂはｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型半導体である。Ｍｇ濃度は、１×１０^２０～１×１０^２１ｃｍ^－３である。第２層４１５ＢのＭｇ濃度は第１層４１５ＡのＭｇ濃度よりも高い。

【0110】

第２層４１５Ｂの厚さは、５～５０ｎｍである。この範囲であれば、トンネル接合構造のトンネル確率を十分に高めることができる。より好ましくは５～３５ｎｍ、さらに好ましくは５～２０ｎｍである。また、第２層４１５Ｂの厚さは、第１層４１５Ａよりも薄いことが好ましい。

【0111】

第３層４１５Ｃは、第２層４１５Ｂ上に設けられた半導体層である。第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃとの積層によりトンネル接合構造を形成する。このトンネル接合構造によってｎ型の第３層４１５Ｃからｐ型の第２層４１５Ｂへトンネル効果によって電流が流れるようにし、ホールが第１活性層１４に供給されるようにしている。

【0112】

第３層４１５Ｃの材料は、第１層４１５Ａと不純物を除いて同様である。第３層４１５ＣのＩｎ組成は第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成とは異なっていてもよく、その場合、第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成よりも高い方が好ましい。トンネル接合構造によるトンネル確率をより高めることができる。また、第３層４１５ＣのＩｎ組成は、第２層４１５ＢのＩｎ組成と異なっていてもよい。その場合、第３層４１５ＣのＩｎ組成は、第２層４１５ＢのＩｎ組成よりも低いことが好ましい。第３層４１５Ｃの好ましいＩｎ組成の範囲は、第１層４１５Ａと同様である。

【0113】

第３層４１５Ｃはｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型半導体である。Ｓｉ濃度は、１×１０^２０～１×１０^２１ｃｍ^－３である。

【0114】

第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃとの接合界面付近には、ＳｉとＭｇが共ドープされた層が、意図的、もしくは自然形成的に存在していてもよい。Ｍｇはメモリー効果により炉内に残留しやすいので、第３層４１５Ｃや第４層４１５ＤにＭｇがドープされていてもよい。ただし、第３層４１５Ｃ、第４層４１５ＤのＭｇ濃度はそれぞれのＳｉ濃度よりも低くなるようにする必要がある。

【0115】

第３層４１５Ｃの厚さは、１～３０ｎｍである。この範囲であれば、トンネル接合構造のトンネル確率を十分に高めることができる。より好ましくは２～２５ｎｍ、さらに好ましくは５～２０ｎｍである。また、第３層４１５Ｃの厚さは、第４層４１５Ｄよりも薄いことが好ましい。

【0116】

上述のように、トンネル接合構造を形成する第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃは、Ｉｎを含むのでバンドギャップが小さくなり、トンネル確率が高くなる。なお、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの間でトンネル接合する範囲で、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの間にさらに層を設けてもよい。たとえば、第２層４１５ＢのＭｇが第３層４１５Ｃに拡散するのを抑制するための緩衝層を設けてもよい。

【0117】

第４層４１５Ｄは、第３層４１５Ｃ上に設けられた半導体層である。第２活性層１６を効率的に発光させるためには、第２活性層１６をｐ型の層とｎ型の層で挟むことが好ましく、そのｎ型のコンタクト層として第４層４１５Ｄを設けている。また、第２溝３１を形成する際に第３層４１５Ｃに達して露出してしまわないようにする層である。

【0118】

第４層４１５Ｄの材料は、実施形態１における第１中間層１５と不純物を除いて同様である。Ｉｎ組成は第１層４１５Ａと異なっていてもよい。

【0119】

第４層４１５Ｄはｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型半導体である。たとえば、Ｓｉ濃度が１×１０^１７～１×１０^２０ｃｍ^－３、好ましくは１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^－３、さらに好ましくは２×１０^１８～８×１０^１８ｃｍ^－３であってもよい。第３層４１５ＣのＳｉ濃度は第４層４１５Ｄの不純物濃度よりも高い。

【0120】

第４層４１５Ｄの厚さは、１０～５００ｎｍとすることが好ましい。５００ｎｍよりも厚いと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となり得る。また、１０ｎｍよりも薄いと、第２活性層１６の発光効率を十分に高めることができない可能性がある。また、第２溝３１を形成する際に第２溝３１の深さを第４層４１５Ｄ内とする制御が難しくなる可能性がある。より好ましくは１０～２００ｎｍ、さらに好ましくは１０～１００ｎｍである。第４層４１５Ｄの厚さは、第１層４１５Ａの厚さと異なっていてもよい。

【0121】

電子ブロック層４２１Ｂは、第２活性層１６上に設けられたｐ型の層であり、第２活性層１６と第２中間層１７の間に位置している。電子ブロック層４２１Ｂは、再成長層ではなく、第２活性層１６上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

【0122】

第２中間層４１７は、第２活性層１６側から順に、第１層４１７Ａ、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃ、第４層４１７Ｄを積層させた構造であり、第３溝３２の底面に第４層４１７Ｄが露出している。第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃはトンネル接合構造を形成している。このように、第２中間層４１７は、実施形態１の第２中間層１７と同様の機能に加えて、トンネル接合の機能を有している。

【0123】

第１層４１７Ａ、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃ、第４層４１７Ｄは、それぞれ第１中間層４１５の第１層４１５Ａ、第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃ、第４層４１５Ｄと同様である。第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃの積層によってトンネル接合構造を形成し、ｎ型の第３層４１７Ｃからｐ型の第２層４１７Ｂへトンネル効果によって電流が流れるようにし、ホールが第２活性層１６に供給されるようにしている。

【0124】

第１中間層４１５、第２中間層４１７はすべての層がＩｎＧａＮで構成されているため、実施形態１の第１中間層１５、第２中間層１７と同様の効果が得られる。つまり、表面平坦性を向上させることができ、格子歪みを緩和させることができる。

【0125】

第１中間層４１５の平均Ｉｎ組成と第２中間層４１７の平均Ｉｎ組成は異なっていてもよい。第２中間層４１７の平均Ｉｎ組成は第１中間層４１５の平均Ｉｎ組成よりも高いことが好ましい。

【0126】

電子ブロック層４２１Ａは、第３活性層１８上に設けられたｐ型の層である。電子ブロック層４２１Ａは、再成長層ではなく第３活性層１８上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

【0127】

ｐ層４２２は、電子ブロック層４２１Ａ上に設けられた層である。ｐ層４２２は、再成長層ではなく電子ブロック層４２１Ａ上に連続的に成長させている点を除いて、ｐ層２２Ａと同様である。

【0128】

ｐ層４２２に替えて、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃ、あるいは第２層４１７Ｂと第３層４１７Ｃのようなトンネル接合構造としてもよい。この場合、ｐ電極２４Ａに替えてｎコンタクトの材料を用いた電極とすることができ、第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃと同一材料とすることができる。そのため、同一工程ですべての電極を形成することができる。

【0129】

第１電極４２４Ｂは、第３溝３２の底面に露出する第２中間層４１７の第４層４１７Ｄ上に設けられている。また、第２電極４２４Ｃは、第２溝３１の底面に露出する第１中間層４１５の第４層４１５Ｄ上に設けられている。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃはアノード電極とカソード電極を兼ねている。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃはｎ型のＩｎＧａＮにオーミックコンタクトできる材料であればよく、たとえばＴｉ／Ａｌを用いることができる。ｎ電極２３と同一材料でもよい。

【0130】

実施形態１で述べた各種変形は実施形態２においても適用できる。

【0131】

次に、実施形態２における発光素子の動作について説明する。実施形態２における発光素子では、ｐ電極２４Ａと第１電極４２４Ｂの間に電圧を印加することで第３活性層１８から緑色の光を発光させることができる。また、第１電極４２４Ｂと第２電極４２４Ｃの間に電圧を印加することで第２活性層１６から青色の光を発光させることができる。また、第２電極４２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第１活性層１４から赤色の光を発光させることができる。

【0132】

また、青色、緑色、赤色のうち２以上を同時に発光させることもできる。具体的には以下のように電圧を印加する。青色、緑色、赤色のすべてを発光させる場合には、p電極２４Ａとｎ電極２３の間に電圧を印加する。緑色と赤色を同時に発光させる場合には、ｐ電極２４Ａと第１電極４２４Ｂ、および第２電極４２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加する。青色と緑色を同時に発光させる場合には、ｐ電極２４Ａと第２電極４２４Ｃの間に電圧を印加する。青色と赤色を同時に発光させる場合には、第１電極４２４Ｂとｎ電極２３との間に電圧を印加する。

【0133】

このように、実施形態２における発光素子では、電圧を印加する電極の選択によって青、緑、赤の発光を制御することができ、ディスプレイの１ピクセルとして利用することができる。

【0134】

図１０に実施形態２における発光素子の等価回路を示す。実施形態２における発光素子は、赤色ＬＥＤ、第１のトンネルジャンクション（逆順のトンネルダイオード）、青色ＬＥＤ、第２のトンネルジャンクション、緑色ＬＥＤを縦列接続し、赤色ＬＥＤと第１のトンネルジャンクションの接続部、および青色ＬＥＤと第２のトンネルジャンクションの接続部から電極を引き出した構成と等価である。実施形態２における発光素子もまた、実施形態１における発光素子と同様に、青色、緑色、赤色のＬＥＤが１素子内に形成された構造であり、１素子でフルカラーの発光を実現することができる。

【0135】

次に、実施形態２における発光素子の製造工程について説明する。

【0136】

まず、実施形態１と同様に、基板１０を用意し熱処理を行う。その後、基板１０上に、バッファ層、ｎ層１１、ＥＳＤ層１２、下地層１３、第１活性層１４、電子ブロック層４２１Ｃ、第１中間層４１５、第２活性層１６、電子ブロック層４２１Ｂ、第２中間層４１７、第３活性層１８、電子ブロック層４２１Ａ、ｐ層４２２をＭＯＣＶＤ法によって順に形成する。

【0137】

ここで、第１中間層４１５、第２中間層４１７の成長温度は、実施形態１の第１中間層１５、第２中間層１７と同様の範囲である。第２中間層４１７の成長温度は、第１中間層４１５の成長温度よりも低くすることが好ましい。緑色発光の第３活性層１８は、青色発光の第２活性層１６よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

【0138】

また、第１中間層４１５の形成において、第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃの成長温度は、第１層４１５Ａ、第４層４１５Ｄの成長温度よりも低くすることが好ましい。結晶性を高め、トンネル接合におけるトンネル効果をより高めるためである。また、第２中間層４１７の形成においても、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃの成長温度を第１層４１７Ａ、第４層４１７Ｄの成長温度よりも低くすることが好ましい。

【0139】

次に、ｐ層４２２表面の一部領域を第２中間層４１７の第４層４１７Ｄに達するまでドライエッチングして第３溝３２を形成し、第１中間層４１５の第４層４１５Ｄに達するまでドライエッチングして第２溝３１を形成し、ｎ層１１に達するまでドライエッチングして第１溝３０を形成する。

【0140】

次に、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極２３を形成し、ｐ層４２２上にｐ電極２４Ａ、第３溝３２の底面に第１電極４２４Ｂ、第２溝３１の底面に第２電極４２４Ｃを形成する。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃをｎ電極２３と同一材料とする場合には、ｎ電極２３と同一工程で同時に形成することができる。以上によって実施形態２における発光素子が製造される。

【0141】

以上、実施形態２における発光素子は、第１中間層４１５および第２中間層４１７にトンネル接合構造を設けることで、電子ブロック層やｐ層の再成長層を設ける必要がなくなっている。再成長界面には、エッチングダメージ、大気暴露による不純物汚染、再成長による熱ダメージが生じるため、ｐｎ間に再成長界面が存在すると、デバイス特性を悪化させる可能性がある。しかし実施形態２における発光素子には再成長層がなく、ｐｎ間に再成長界面が存在しないため、このような問題は生じない。

【0142】

さらに、実施形態２では、実施形態１と同様に赤色発光材料としてＥｕドープＧａＮを用いている。そのため、赤色の発光効率を向上させることができる。

【符号の説明】

【0143】

１０：基板 １１：ｎ層 １４：第１活性層 １５：第１中間層 １５Ａ、１７Ａ：ノンドープ層 １５Ｂ、１７Ｂ：ｎ型層 １６：第２活性層 １７：第２中間層 １８：第３活性層 １８Ａ：歪緩和層 １８Ｂ：量子井戸構造層 １９：保護層 ２０Ａ～２０Ｃ：再成長層 ２１Ａ～２１Ｃ：電子ブロック層 ２２Ａ～２２Ｃ：ｐ層 ２３：ｎ電極 ２４Ａ～２４Ｃ：ｐ電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】