JP2000077714A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同一層内に屈折率（禁止帯）の異なる領域を
有する、埋め込み型レーザダイオードの発光層として好
適な III族窒化物半導体結晶層を簡便に構成できる技術
手段を提供する。 【解決手段】 III−Ｖ族化合物半導体層を素材とし、
それを構成する第Ｖ族元素を窒素で置換して III族窒化
物半導体層を得る方法にあって、選択的な領域に窒素置
換処理を施して、同一素材層内に窒素組成比（屈折率、
禁止帯幅）の異なる領域を内在させた III族窒化物半導
体層を発光層として利用して「埋め込み型」ＬＤを得
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 III−Ｖ族化合物半
導体結晶層、特にＡｌＧａＡｓ成長層の砒素を窒素で置
換してなしたＡｌＧａＡｓＮ結晶層を発光層として備え
る、短波長可視光を出射する「埋め込み」型のレーザー
ダイオードを構成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般式Ａｌ_A Ｇａ_B Ｉｎ_C Ｑ_1-D Ｎ_D
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１、０≦Ａ，Ｂ，Ｃ≦１。記号Ｑは窒素
以外の第Ｖ族元素で、０＜Ｄ≦１）で表記される III族
窒化物系半導体は、短波長可視光を放射する、或いは受
光する III族窒化物半導体光デバイス（ｄｅｖｉｃｅ）
の構成材料として重用されている。

【０００３】発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオ
ード（ＬＤ）などの III族窒化物半導体発光素子では、
窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_B Ｉｎ_C Ｎ）や砒化窒
化ガリウム・インジウム（Ｇａ_B Ｉｎ_C Ａｓ_1-D Ｎ_D ）
などのインジウム（Ｉｎ）を含有する III族窒化物半導
体気相成長層が発光層として利用されている（例えば、
「Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」、
Ｎｏ．２３（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ、１９９７）、１１〜
１８頁参照）。発光層にヘテロ（ｈｅｔｅｒｏ）接合
し、ダブルヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ：Ｄ
Ｈ）構造の発光部を形成するクラッド（ｃｌａｄ）層に
は、窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_A Ｇａ_B Ｎ）気
相成長層が使用されている（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．，６４（１３）（１９９４）、１６８７
〜１６８９頁参照）。

【０００４】発光層並びにクラッド層を構成する III族
窒化物半導体気相成長層の成膜には、従来から有機金属
熱分解法（所謂、ＭＯＣＶＤ法）、ハロゲン（ｈａｌｏ
ｇｅｎ）或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ
法或いは分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などの気相
成長法が利用されている。中でもＭＯＣＶＤ法は、 III
族窒化物半導体層の形成方法として一般的となっている
（例えば、特開平２−２２９４７６号公報明細書参
照）。

【０００５】Ｇａ_B Ｉｎ_C Ｎ発光層と、Ａｌ_A Ｇａ_B Ｎ
クラッド層とのＤＨ構造からなる発光部を備えた、発光
素子用途の積層構造体の一例を図１に例示する。此処で
は、説明を簡単とするために、発光素子（ＬＥＤ）用途
の積層構造体の断面構造を模式的に掲げてある（上記の
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．参照）。

【０００６】ＤＨ構造の発光部を構成する、下部クラッ
ド層（１０３）及び上部クラッド層（１０５）をなす窒
化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_A Ｇａ_B Ｎ：Ａ＋
Ｂ＝１，０≦Ａ，Ｂ≦１）層の気相成膜に適する温度は
大凡約１０００℃から約１１００℃である。一方、発光
層（１０４）とする窒化ガリウム・インジウム混晶層
は、その易昇華性のために一般には約７００〜約８００
℃で成膜される。即ち、発光層と発光層に接合するクラ
ッド層とに適する気相成長温度には約３００℃前後の差
異がある。従って、気相成長法により成膜した III族窒
化物半導体層を逐一積層させて発光部を構成する従来の
技法は、各層毎に数１００℃の幅で成膜温度を変化させ
る必要がある煩雑なものとなっている（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ
ａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１４５（１９９４）、２０９〜２
１３頁参照）。

【０００７】成膜した III族窒化物半導体結晶層を逐一
積層させて構成される従来の発光部は、明瞭な劈開性を
呈しない六方晶で、且つ絶縁性のサファイア（α−Ａｌ
₂ Ｏ₃ 単結晶）からなる基板（１０１）上に配置される
のが通例である（例えば、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏ
ｗｔｈ，１４５（１９９４）、９１１〜９１７頁参
照）。発光部をなす III族窒化物半導体材料と基板のサ
ファイアとは、格子整合を果たす関係にはない。このた
め、従来に於いては、基板（１０１）と発光部との中間
に、双方の格子不整合性を緩和する目的で、Ａｌ_A Ｇａ
_B Ｎ（Ａ＋Ｂ＝１、０≦Ａ，Ｂ≦１）などからなる緩衝
層（１０２）が挿入されるのが通例である（特開平４−
２９７０２３号公報明細書参照）。

【０００８】緩衝層（１０２）は、一般に約４００℃〜
約６００℃の低温で成膜される（特開平２−２２９４７
６号公報明細書参照）。この発光部を形成する際の下地
層ともなる低温緩衝層の成膜温度をも考慮すると、発光
素子用途の積層構造体を得るに必要とされる温度領域の
幅は、約４００℃を越える広範囲に及ぶものとなってい
る（「光学」、第２２巻第１１号（１９９３）、６７０
〜６７５頁参照）。

【０００９】この様に、気相成膜法を利用して、発光部
を構成する III族窒化物半導体層を逐一成膜させる必要
がある従来の発光部の構成技術は工程の冗長さを付随す
る煩雑なものとなっている。

【００１０】発光素子としてのＬＤを都合良く構成する
には、発光層からの誘導放出される発光の位相（ｐｈａ
ｓｅ）を画一化するために、光共振面を正確に且つ精密
に形成することが重要である。通常、光共振面は基板及
び基板上に堆積された結晶層に本来備わっている劈開性
を利用して構成される。しかし、そもそも劈開性に乏し
いサファイアを基板としているが故に、従来の積層構造
体から高い収率をもって優れた平坦性や平滑性を有する
共振面を獲得するのは困難である。

【００１１】よって、サファイア或いは同じく六方晶で
劈開性に乏しい炭化珪素（ＳｉＣ）基板材料表面上に、
気相成長法による III族窒化物半導体結晶層を逐一、積
層させた積層構造体から発光素子を得る従来の技法に
は、次の如くの問題点がある。

【００１２】第１の問題点は、気相成膜法により基板上
に逐一 III族窒化物半導体結晶層を積層して発光素子用
途の積層構造体を獲得するには、各層に対応して成膜温
度を頻繁に変化させる必要があるなど、成膜上の煩雑な
操作を必要とすることにある。

【００１３】第２の問題点は、特にＬＤにとって問題と
なる点であって、劈開性の乏しい結晶材料を基板として
いるため、精度良く光共振面を作製出来ないことにあ
る。これより、位相の揃った誘導放出光、即ちレーザー
（ｌａｓｅｒ）光が定常的に得られないことにある。

【００１４】一方、窒素以外の第Ｖ族元素を構成元素と
する、複数の第Ｖ族元素を含んでなる III族窒化物半導
体結晶層を備えた発光素子も開示されている。従来のＬ
Ｄ用途の積層構造の一例には、導電性のＧａＡｓ単結晶
を基板として、構成元素として窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族
元素として砒素（Ａｓ）を含む III族窒化物半導体結晶
層を発光層として備えた積層構造系がある（上記の「Ｒ
ｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」参
照）。

【００１５】砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジ
ウム（ＩｎＰ）及びリン化ガリウム（ＧａＰ）等の閃亜
鉛鉱結晶（ｚｉｎｃ−ｂｌｅｎｄ）型の等軸立方単結晶
は、［０１１］結晶方向に明瞭な劈開性を呈するのが知
られている（生駒 俊明、生駒 英明共著、「化合物半
導体の基礎物性入門」（１９９１年９月１０日初版、
（株）培風館発行）、３〜４頁参照）。従って、この様
な劈開性を有する半導体結晶を基板とする積層構造体か
らは、表面の平滑性に優れる光共振面を保有するＬＤ
が、効率良く獲得できる利点がある。

【００１６】Ｇａ_B Ｉｎ_C Ａｓ_1-D Ｎ_D （Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝
１、０≦Ａ，Ｂ，Ｃ≦１，０＜Ｄ≦１）結晶層を発光層
とするＬＥＤ或いはＬＤ用途の従来の積層構造体にあっ
て、同発光層とヘテロ接合をなす上・下クラッド層に
は、リン化ガリウム・インジウム混晶（ＧａＩｎＰ）層
が利用されている（上記の「Ｒｉｃｏｈ Ｔｅｃｈｎｉ
ｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」参照）。

【００１７】ＧａＩｎＰ層は、閃亜鉛鉱型の等軸立方晶
の III−Ｖ族化合物半導体結晶である。立方晶系の結晶
には、六方晶ウルツ（ｗｕｒｔｚ）鉱型の III族窒化物
半導体との価電子帯のバンド構成の相違などから（上記
の「化合物半導体の基礎物性入門」、１７頁参照）、低
抵抗のｐ形伝導層が容易に得られる特徴がある（特開平
２−２７５６８２号公報明細書参照）。即ち、ｐｎ接合
型の発光部が簡便に構成できる利点もある。

【００１８】窒素に第Ｖ族構成元素として砒素（Ａｓ）
を含む III族窒化物半導体結晶層は、従来もっぱら気相
成長法に依って成膜されている。しかし、従来の気相成
長技術に依る、この様な複数の第Ｖ族構成元素を含む I
II族窒化物半導体結晶層の成膜には、第Ｖ族構成元素の
組成比に関する重大な問題点が存在する。それは、大き
な非混和性のために窒素の組成比を大とする結晶層の気
相成膜が極めて困難なことにある（上記の「Ｒｉｃｏｈ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」、１２頁参
照）。ＭＢＥ法で成膜したＧａＡｓ_1-D Ｎ_D （０＜Ｄ≦
１）気相成長膜を例にすれば、窒素組成比は最大でも１
０％未満である（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，
１６４（１９９６）、１７５〜１７９頁参照）。

【００１９】例えば、ＧａＡｓＮ混晶の禁止帯幅は、窒
素組成比に対して特異的に変化することが知られている
（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖ
ｏｌ．４４９（１９９７）、２０３〜２０８頁参照）。
それに依れば、２ｅＶの禁止帯幅を有する、波長が約６
２０ｎｍ未満の短波長の発光を得るには、少なくとも約
８０％を越える窒素組成比が必要であることが教示され
ている。ＧａＰＮ混晶の場合も同様で、窒素組成比に対
する禁止帯幅の特異な依存性から、波長を５５０ｎｍ未
満とする青色帯或いは緑色帯域の短波長光を得るには、
窒素組成比が約９０％を越えるものであることが要求さ
れる（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０（２０）
（１９９２）、２５４０〜２５４２頁）。

【００２０】しかし、発光素子の製作上上記の如くの優
位点を有しながらも、従来の気相成膜技法では、この窒
素組成比に関する制限により、短波長可視レーザー光を
放射するＬＤの発光層として好適な、複数の第Ｖ族元素
を構成元素とする III族窒化物半導体結晶層は獲得し難
いのが実状である。

【００２１】また、レーザーダイオード（ＬＤ）にあっ
ては、発光（発振）波長を制御する必要がある上に、発
振のモード（ｍｏｄｅ）の画一化を果たすのが重要であ
る。即ち、例えば、横モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｍｏｄｅ）に発振モードを画一化するための技法は、低
い発振しきい値電圧や固定された発振スポット（発光
点）を有する動作モードが安定したＬＤを得るに肝要な
技術となっている（寺本巌著、「半導体デバイス概論」
（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行）、１２６
〜１２７頁参照）。

【００２２】横モード発振をより安定させるための技術
の例には、発光層の周囲に発光層よりも屈折率を小とす
る半導体材料を敷設する手段がある。所謂、発光部及び
その周辺の構造を、「埋め込み」型とする技術である
（上記の「半導体デバイス概論」、１２６〜１２７頁参
照）。他には、基板の表面に設けた溝部上に発光部を設
置するなどの手段により、横（水平）方向に、発振光の
基板による吸収の度合いに変化をもたせる技術がある
（上記の「半導体デバイス概論」、１２６〜１２７頁参
照）。

【００２３】図２は、ｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を有
する、「埋め込み」型ＬＤの基本的な構造を説明するた
めの断面模式図である。発光部は、導電性のＧａＡｓ単
結晶からなる基板（１０１）上に堆積される。発光部は
ｐ形のＧａＡｓ層からなる発光層（１０４）と、それを
狭持する例えば、ｐ形またはｎ形ＡｌＧａＡｓ層からな
る上、下クラッド層（（１０５）及び（１０３））から
構成されている。発光部上には、動作電流の流路を限定
し、発光層（１０４）へ集中して流入させるための電流
狭窄層（１０７）が積層される。

【００２４】「埋め込み」型のＬＤに於ける構造上の特
徴は、発光部の周囲に横発振モードの安定化を期すため
に、”埋め込み”領域（１０８）が設けられていること
にある。”埋め込み”領域（１０８）は、発光層（１０
４）内の発振スポット光の位置（１０９）を固定するた
めに、発光層よりも屈折率の小さい材料から構成されて
いる。

【００２５】”埋め込み”領域（１０８）は、従来より
以下の技法に依って構成されている。（１）先ず、基板
（１０１）上に一旦、ＬＤ用途の積層構造体を構成する
各構成層（（１０３）〜（１０７））を成膜する。
（２）その後、成膜した積層構造体の各構成層を除去す
る加工を施し、帯状などの特定の形状（領域）に発光部
を残存させる。（３）残存させた発光部等の周囲に、再
び、成膜により、”埋め込み”領域（１０８）を堆積層
で埋め込む。

【００２６】概略を記しただけでも、”埋め込み”領域
を構築するには、少なくとも多段階の成膜操作が必須で
あるなど、冗長で且つ煩雑な工程を伴う欠点があった。

【００２７】III族窒化物半導体結晶層の従来の一成膜
手法には、選択気相エピタキシャル法がある。この従来
法では、先ず積層を所望する表面領域以外の領域を二酸
化珪素（ＳｉＯ₂ ）や窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）などの絶
縁膜被膜で被覆する。次に、III族窒化物半導体層を、
被膜の有無に拘わらず、被堆積物の全面に堆積する操作
を行う。しかし、絶縁性被膜上には、 III族窒化物半導
体結晶層は、成長し難い。従って、絶縁性被膜による非
被覆領域に選択的に III族窒化物半導体結晶層が成長さ
れる。

【００２８】この選択エピタキシャル成長法を利用すれ
ば、屈折率に分布を有する III族窒化物半導体層を備え
た、「埋め込み」型の III族窒化物半導体ＬＤを構成で
きる可能性もある。例えば、発光部を形成する予定の領
域以外を先ず、絶縁膜で被覆し、発光部等の機能部を構
成する。然る後、発光部等の選択成長に供した絶縁膜を
排除する。次に、選択成長させた発光部等の領域表面を
改めて絶縁性被膜で被覆する。この状態で発光層よりも
屈折率を小とする物質からなる結晶層を成長させ、発光
部の周囲に「埋め込み」層を充填する。この選択エピタ
キシャル成長手段を介して、「埋め込み」型の III族窒
化物半導体ＬＤを得ることも考慮される。

【００２９】しかし、選択成長法を利用するとしても、
従来の堆積成膜法に依存する限り、発振モードの安定を
もたらす、「埋め込み」型の構成を備えたＬＤ用途の積
層構造体を得るには、多段階の成膜工程を要する煩雑な
ものとなっていた。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、
（１）成膜工程の煩雑性を回避でき、（２）高い窒素組
成比の結晶層をも簡便に構成できる技術手段をもって、
III族窒化物半導体結晶からなる発光層を構成する発明
を提示することにある。

【００３１】さらに、（３）ＬＤにあって、発振モード
の安定を果たす「埋め込み」型などの構造を得るため要
求される、屈折率に分布を側面方向に内包する III族窒
化物半導体発光層を備えた III族窒化物半導体からなる
発光部を備えた III族窒化物半導体発光素子を提供する
ことにある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明では、屈折
率の異なる結晶を得るために、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-UＮ_U
（０≦Ｘ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１、０＜Ｕ≦１）からなる II
I族窒化物半導体結晶層を備えた III族窒化物半導体発
光素子であって、窒素組成比（Ｕ）を０．６０以上０．
９８以下とする第１の結晶からなる領域と、該第１の結
晶領域に並列して水平方向に隣接する、第１の結晶領域
よりは窒素組成比（Ｕ）が２％以上小さい第２の結晶か
らなる領域とを、同一層内に内在し、該Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａ
ｓ_1-U Ｎ _U 結晶層を発光層として備えてなる III族窒化
物半導体発光素子とする。

【００３３】特に、第２の結晶領域は第１の結晶領域を
構成するＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_Uよりも窒素組成比が
２％以上小であるＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U から構成さ
れていることを特徴とする III族窒化物半導体発光素子
を提供する。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明では、発光層を水平（側
面）方向に互いに接合する第１及び第２の結晶領域とを
同一層内に内在する単一層から構成する。第１の領域は
発光領域からの発光を導波するために、第２の結晶領域
の側面に接合させる接合層として適用する。第２の結晶
領域は発光をもたらすために領域（発光領域）として適
用する。

【００３５】窒素置換処理法に依れば、本発明の第１及
び第２の結晶領域は同一の素材から構成できる。本発明
では、一般式Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ_1-M Ｐ_M （０≦
Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦Ｍ≦１）で表記
される III−Ｖ族化合物半導体成長層にあって、特に、
Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（０≦Ｘ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）成長層を
窒素置換処理を施して最適組成とする。第１に成膜が容
易であること、第２に劈開性を有し、尚且、伝導性の I
II−Ｖ族化合物半導体単結晶を基板として利用できるこ
と、更に、第３にほぼ格子整合系の積層構成が構築でき
ること。また、第４に結晶型が閃亜鉛鉱型の立方晶であ
るなどの理由により、ｐｎ接合構造が安定して構成でき
るなどの利点が付随しているからである。 III−Ｖ族化
合物半導体発光素子、特に、ＬＤにあっては、格子の整
合性に基づく、優れた結晶性の III族窒化物半導体結晶
層からなる発光層及びそれを備えた発光部を如何に得る
かが良好な素子特性を得る上で重要である。

【００３６】上記の利点を幾つかを有する III−Ｖ族化
合物半導体結晶素材には、この他Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓが挙
げられる。例えば、劈開性を有するＩｎＰ単結晶基板上
には、ＩｎＰと格子整合を果たすＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ
層が成膜できる。本発明の窒素置換処理は、 III族元素
の組成比に然したる変化を及ぼさないため、この様な高
いインジウム組成比（Ｚ）のＧａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ成長層を
素材として、従来の気相成長法では成膜が困難とされた
高インジウム組成比のインジウム含有 III族窒化物半導
体結晶層が得られる利点がある。しかし、Ｇａ_Y Ｉｎ_Z
Ａｓにあって、ＩｎＰとの格子整合を果たす III族構成
元素の組成は、上記の如く唯一の値に限定される。これ
は、アルミニウム組成比（Ｘ）の如何に拘わらず、良好
な格子整合性を有するヘテロ接合系が得られるＧａＡｓ
／Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓの優位性に比較すれば、より精密な
組成制御技術が要求され、高度な成膜技術が必須であ
る。

【００３７】インジウム（Ｉｎ）を構成元素として含む
Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓは、Ａｌ_X Ｇａ_YＡｓ（０≦Ｘ≦１、
Ｘ＋Ｙ＝１）に比較すれば禁止帯幅が小さい。本発明
は、窒素置換処理により窒素組成比を増加させて禁止帯
幅を増大させ、短波長可視光を放射するに適する発光層
及びそれを備えた発光部を獲得することを趣旨としてい
る。従って、禁止帯幅が小さい素材を禁止帯幅が大きい
結晶層に変換するには、高い置換効率をもたらす窒素置
換処理が必要とされ、自ずと高温での加熱操作などの過
酷な条件設定が要求される場合があり、工程上簡便性を
欠く場合がある。

【００３８】また、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｐ（０≦Ｘ，
Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）も一例として挙げられ
る。この３元（Ｘ＝０）或いは４元（Ｘ，Ｙ，Ｚ≠０)
多元混晶層は、ＧａＡｓと格子整合する。しかし、この
様なリン（Ｐ）を含有する III−Ｖ族化合物半導体成長
層は、リン（Ｐ）に関する化学量論的な均衡性を維持す
ることの難しさから、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）
法では安定的に成膜しにくいなどの難点がある。即ち、
有用な成膜方法が限定される。それに加え、ＭＯＣＶＤ
（有機金属熱分解気相成長）法でこの多元混晶を成膜す
るに際しても、ＧａＡｓに格子整合する組成比に各構成
比を精密に制御するには、高度の精密制御技術が必要と
される。従って、気相成長或いは液相成長（ＬＰＥ）の
何れの成長手段よっても簡便に格子整合系のヘテロ接合
構成が得られるＧａＡｓ／Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ系に比較す
れば、成膜の容易さから判断しても格別に顕著な優位性
はない。

【００３９】砒素（Ａｓ）を窒素（Ｎ）で置換するに
は、例えば、素材を窒素原子を含む雰囲気中で加熱し
て、第Ｖ族元素の揮散に因る空位を発生させつつ、その
空位を窒素で置換させる熱処理手段（窒素置換処理手
段）によって達成できる。素材とするＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ
に窒素置換処理を施して、短波長可視光を放射するに適
するＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U からなる発光層を得る場
合にあっては、達成すべき窒素原子による置換効率（即
ち、得るべき窒素組成比）は、その処理手段に拘わら
ず、帰結される III族窒化物半導体結晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y
Ａｓ_1-U Ｎ_U ）の禁止帯幅を基に決定する。例えば、窒
素置換処理によりＧａＡｓ成長層から青緑帯域の短波長
可視光を放射するに適するＧａＡｓ_1-U Ｎ_U （０＜Ｕ≦
１）結晶層を獲得するに際しては、目標とする窒素置換
効率（窒素組成比（Ｕ））は、ＧａＮ−ＧａＡｓ混晶系
に於ける禁止帯幅の曲折（ボウイング）を考慮すれば約
８５％（０．８５）となる。

【００４０】Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓにあって、素材の禁止帯
幅がより大きければ、同一の窒素置換効率下でより短波
長の発光が帰結される。即ち、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓにあっ
て、アルミニウム組成比（Ｘ）を大とする素材からは、
同一の窒素置換効率下で、より禁止帯幅を大とするＡｌ
_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U 結晶層を得ることができる。Ａｌ
_X Ｇａ_Y Ａｓ素材にあって、最大の禁止帯幅を有する砒
化アルミニウム（ＡｌＡｓ）では、６０％以上の窒素置
換効率をもってすれば、赤色系から近紫外帯に及ぶ発光
をもたらす発光領域、即ち、第２の結晶領域が構成でき
る。

【００４１】第２の結晶領域を、ＡｌＡｓ素材を構成す
るＡｓの全量を窒素で置換した、即ち窒素置換効率を１
００％とした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成する
ことは避ける。後述する様に、第１の結晶領域は第２の
結晶領域での発光を導波するために、禁止帯幅がより高
く、屈折率のより小さなＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U 結晶
から構成する必要がある。第２の結晶領域をＡｌＮから
構成するものとすると、それに接合する第１の結晶領域
を構成するに見合う物質を、ＡｌＡｓを素材として構成
するのは無理となる。１００％を越える理論上不可能な
窒素置換効率が要求されるからである。従って、ＡｌＡ
ｓを素材として第２の結晶領域を構成する場合は、窒素
置換効率の上限は、第１の結晶領域との屈折率及び禁止
帯幅の関係から約９８％である。第２の結晶領域（発光
領域）を構成するための素材としては、アルミニウムは
必須の構成成分ではなく、アルミニウムを含有しないＧ
ａＡｓを素材としても構成できる。

【００４２】第１並びに第２の結晶領域の構成物質間の
屈折率の差異は、大きくとも数％程度の差異があれば充
分である。この程度の屈折率の差異をもたらすには窒素
置換効率にほぼ比例し、窒素組成比にして約１％程度で
ある。２％以上の窒素組成比の相違があれば、発光を閉
じ込める或いは導波する作用が発揮される。例えば、屈
折率がｎとなる様に窒素置換処理を施した第２の結晶領
域と、それに接合する屈折率をｎより２％以上小とする
第１の結晶領域とを一層内に内在する単一の結晶層は、
発光層として優位に利用できる。第１の領域と第２の領
域とは、急峻な界面をもって接合しているのが望まし
い。接合界面の乱雑な不明瞭さは、界面での屈折率の急
峻な変化を妨げ、光の閉じ込め効率などを低下させる不
具合を招く。

【００４３】加熱処理法に於いて、第１の結晶領域と第
２の結晶領域との屈折率の差異は、各々の領域に対する
窒素置換効率の差異をもって付与することができる。窒
素置換効率を向上させるには、加熱処理温度を高温とす
ることによって達成される。また、含窒素物質を含む雰
囲気内での窒素置換処理を施す以前に、Ａｌ_X Ｇａ_YＡ
ｓ層を、水素などから構成される還元性雰囲気中に暴露
すれば、窒素置換効率を総じて向上させることができ
る。水素分子或いは水素原子を含むフラグメントとＡｌ
_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層との表面反応を介して、表面よりの
砒素（Ａｓ）の脱離が進行し、Ａｓの空孔の濃度を増加
できるからである。

【００４４】例えば、ｐ形ＧａＡｓ気相成長層で、Ａｓ
原子を窒素原子で置換する窒素置換処理を施して、屈折
率（換言すれば禁止帯幅）の相違する第１並びに第２の
結晶領域からなる接合構成を内在する、ｐ形のＧａＮ_U
Ａｓ_V （Ｕ＋Ｖ＝１、０≦Ｕ，Ｖ≦１）発光層を得る場
合を例にして説明する。図３に、同一成長層内の水平方
向に屈折率（禁止帯幅）の分布を内在するｐ形のＧａＮ
_U Ａｓ_V 発光層を提供するための概略の工程例を、断面
模式図をもって示す。

【００４５】先ず、素材としてのマグネシウム（Ｍｇ）
或いは亜鉛（Ｚｎ）をドーピングしたｐ形ＧａＡｓ成長
層（１１０）をＭＯＣＶＤ法等の気相成長法により成長
させる。次に、ｐ形ＧａＡｓ成長層（１１０）の全面
を、二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）からなる被膜（１１１）で
被覆する（図３（ａ））。屈折率の小さな所望の領域、
即ち第１の結晶領域（１１２）に限り、他の屈折率の大
きな領域である第２の結晶領域（１１３）に比し、被膜
の膜厚を薄くしておく（図３（ｂ））。次に、被膜（１
１１）を介して、成長層（１１０）の全面に、質量数を
１４とする１価の窒素イオンからなるビーム（１１４）
を照射して、イオン注入を施す。被膜（１１１）がより
薄いと、窒素イオンが透過する率が高いため、第１の結
晶領域を形成する予定の領域（１１２）に在るＧａＡｓ
層内には窒素原子が他の領域（１１３）よりも多量とな
り、Ａｓ原子が窒素原子で置換される確率が高くなる。
質量数を２８とする窒素分子イオンを利用する際には、
同一の質量数である珪素イオン（²⁸Ｓｉ⁺ ）を質量分離
法より分離しておけば、ｐ形層（１１０）のｎ形層への
変化をより確実に抑制できる（図３（ｃ））。イオン注
入後、被膜（１１１）を除去する（図３（ｄ））。然る
後、窒素イオンの注入により、成長層（１１０）内に発
生した注入損傷の回復を兼ねて、高純度アンモニア気流
中で成長層（１１０）を熱処理する。これより、Ａｓ原
子を窒素で置換してなる III族窒化物半導体結晶層を得
る。

【００４６】上記の一例は、一般にスルー注入と称され
る、注入イオンの侵入を妨げる媒体を介してイオン注入
を施す手段に於いて、被窒素置換処理層に窒素置換処理
の効率を変化させた領域、即ち、屈折率を異にする領域
を内在させる一手段である。

【００４７】より簡便性を勘案すれば、窒素を含む雰囲
気内での単純な熱処理法が、屈折率の相違する第１及び
第２の結晶領域が水平方向で接合する発光層を獲得する
一手段として例示できる。例えば、上例と同じくＧａＡ
ｓに窒素置換処理を施してＧａＮ_U Ａｓ_V （Ｕ＋Ｖ＝
１、０≦Ｕ，Ｖ≦１）混晶発光層を得る場合を例にして
説明する。この場合、屈折率の大きな所望の第２の領域
を二酸化珪素膜等で被覆する。発光領域となすために他
の領域よりも屈折率を小とする必要がある第１の結晶領
域は、被覆せずに表面を露呈しておく。この特定領域へ
の被膜を冠した状態で、アンモニアなどの雰囲気内で熱
処理を施す。被膜を冠した領域（第２の結晶領域）で
は、窒素置換がさほど進行せず、ＧａＡｓ若しくは窒素
組成比が小さいＧａＮ_U Ａｓ_V となる。一方、被覆され
ていない領域（第１の結晶領域）では、窒素置換処理が
進行し、この領域では限定的にＧａＡｓのＧａＮ_U Ａｓ
_V （Ｕ＋Ｖ＝１、０≦Ｕ，Ｖ≦１）混晶への変換が進行
する。これより、同一層内に窒素組成比を異にする、従
って、屈折率を異にする第１及び第２の結晶領域を内在
した発光層を得ることができる。即ち、従来技術では、
選択エピタキシャル成長法に依存せざるをえなかった、
屈折率の分布を一層内に有する結晶層が、選択マスキン
グ（ｍａｓｋｉｎｇ）技術を利用して、選択された領域
に限定して窒素置換処理を及ぼす本発明に依れば簡便に
得られる。

【００４８】例えば、選択マスキング技術を利用して窒
素置換処理を施せば、帯状の第２の結晶領域と、帯状の
第２の結晶領域の側壁に接合して設けた、屈折率が２％
以上小さな第１の結晶領域とからなる、ストライプレー
ザーに適する発光層を得ることができる。

【００４９】窒素置換効率は、例えば、２次イオン質量
分析法（英略称：ＳＩＭＳ）またはオージェ（Ａｕｇｅ
ｒ）電子分光法（英略称：ＡＥＳ）をもって定量的に分
析されるＡｓと窒素原子との信号強度比を基に測り知れ
る。また、フォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）の発
光波長を基に求められる。例えば、ＧａＮＡｓ混晶にあ
っては、発光波長に対応する禁止帯幅と窒素組成比との
既知の対応から、窒素組成比が求められる（Ｍａｔ．Ｒ
ｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４４９
（１９９７）、２０３〜２０８頁参照）。

【００５０】素材に、ｎ形不純物或いはｐ形不純物を多
量に含む環境下で窒素置換処理を施工しない限り、素材
が元来有する伝導形が変換されるのは希有である。例え
ば、ｐ形のＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（Ｘ＋Ｙ＝１、０≦Ｘ≦
１）素材を窒素置換処理する際に、例えば、ｎ形の金属
性不純物に加え、酸素（Ｏ₂ ）や水分（Ｈ₂ Ｏ）などに
ついて精製された高純度のアンモニア中で熱処理を施せ
ば、伝導形に変遷を来すことなく、ｐ形のＡｌ_X Ｇａ_Y
Ｎ_U Ａｓ_V （Ｘ＋Ｙ＝１、０≦Ｘ≦１，Ｕ＋Ｖ＝１、０
≦Ｕ≦１）層を得ることができる。

【００５１】この素材の伝導形が不変である利点を利用
すれば、派生して発光層に限らず、発光層を挟持してｐ
ｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造発光部を構成でき
る。Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（０≦Ｘ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）素材
から、ｐ形或いはｎ形Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U （０＜
Ｕ≦１）クラッド層を形成するには、発光層を構成する
結晶材料に対して望ましくは約０．１エレクトロンボル
ト（ｅＶ）以上、好ましくは約０．３ｅＶ以上に大きな
禁止帯幅を有する様に窒素置換処理を施す。禁止帯幅の
差異が０．３ｅＶとなれば、発光層への「光の閉じ込
め」を果たすに充分となるからである。ＧａＡｓ_1-U Ｎ
_U （０＜Ｕ≦１）では、約０．３ｅＶの禁止帯幅の差異
は、窒素置換効率にして約３％に対応する。例えば、発
光層をＧａＡｓ素材から変換したＧａＡｓ_0.20Ｎ_0.80と
すれば、クラッド層には、窒素置換効率を８３％とした
ＧａＡｓ_0.17Ｎ_0.83を用いる。

【００５２】クラッド層は、ガリウム（Ｇａ）を必須の
構成成分としたＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（Ｙ≠０、Ｘ＋Ｙ＝
１）素材から構成する必要は必ずしも無い。一方、アル
ミニウム組成比（Ｘ）が約０．４５を越えると、Ａｌ_X
Ｇａ_Y Ａｓ混晶は直接遷移型より間接遷移型に移行する
（赤崎 勇編著、「 III−Ｖ族化合物半導体」（１９９
４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、１８６頁参
照）。このバンド構造の変化に伴い、低抵抗のｐ形伝導
層が安定して得難くなる。従って、ｐｎ接合型のＤＨ構
造発光部の構成を意図した場合、アルミニウム組成比を
０．４５未満とするＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ素材をｐ形クラッ
ド層の素材とするのが好ましい。特に、ｎ形及びｐ形不
純物のドーピングが安定して果たせるアルミニウム組成
比（Ｘ）を０．４０以下とするＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓが好ま
しいクラッド層の素材である。

【００５３】クラッド層は、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ素材に均
一な効率をもって窒素置換処理を及ぼしたほぼ単一の窒
素組成比（Ｕ）のＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U から構成で
きる。また、発光層の構成と同じく窒素組成比を相違す
る領域を平面的に内在したＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U か
ら構成できる。例えば、互いに窒素組成比を異にする、
従って禁止帯幅を異にする第１及び第２の結晶領域を内
在する発光層について、各々の結晶領域に対応して、好
ましくは０．３ｅＶを上回る禁止帯幅の領域を内在する
単一のＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U 層からクラッド層を構
成する。また、特に高い効率をもって窒素置換処理を施
したために、高抵抗を呈することとなった結晶領域を内
在するＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U 層は、ＬＤの電流狭窄
層として利用できる。

【００５４】窒素置換処理は、素材を成膜した後に逐
一、施すことができる。また、 III族窒化物半導体発光
部を構成するための素材を順次積層した後、一括して窒
素置換処理を施すこともできる。或いはまた、発光部上
にオーミック電極を形成するためのコンタクト層或いは
電流狭窄層などを形成し、積層構造体の全体を構築した
後に、全般的に窒素置換処理を施すことも出来る。

【００５５】同一層内に設ける屈折率（禁止帯幅）を異
にする領域は２つの領域に限定されるものではない。何
れにしても屈折率（禁止帯幅）を層内に内在する各結晶
層を重層させれば、「埋め込み」構造型ＬＤ用途の積層
構造体が簡便に構成できる。この積層構造体に常套手段
により、動作電流を入・出力を担うオーミック（Ｏｈｍ
ｉｃ）性の正・負両電極を配置すればＬＤ等の発光素子
が構成できる。

【００５６】

【作用】第１の結晶領域は、第２の結晶領域から出射さ
れる発光を導波する作用を有し、第２の結晶領域は発光
作用を呈する。この様に禁止帯幅の異なる結晶材料から
なる領域を平面的に並列して内在し、従って、層内の水
平方向に屈折率の分布を有する単一の III族窒化物半導
体結晶層は、埋め込み型ＬＤの発光層として作用させる
ことができる。

【００５７】特に、第２の結晶領域に対して窒素組成比
を２％以上に小さな結晶材料から構成した第１の結晶領
域は、発光を第２の結晶領域（発光領域）内により確実
に閉じ込める作用を発揮する。

【００５８】

【実施例】以下、本発明の内容を具体例をもって詳細に
説明する。本実施例では、ｐｎ接合型ＤＨ構造発光部を
構成するｐ形ＡｌＧａＡｓ、ｎ形ＧａＡｓ及びｎ形Ａｌ
ＧａＡｓ各素材に窒素置換処理を施した III族窒化物半
導体層からなる発光部を備えた III族窒化物半導体ＬＤ
を例にして説明する。図５にＬＤの平面構造を模式的に
示す。図６に、図５の破線Ａ−Ａ’に沿った断面の模式
図を示す。

【００５９】［０１１］方向に角度にして２゜傾斜（オ
フ）させて切り出した｛００１｝−珪素（Ｓｉ）ドープ
ＧａＡｓ単結晶を基板（１０１）とした。基板には、光
デバイス用途として、特に転位密度（ＥＰＤ）が約１０
³ ｃｍ^-2未満と小さく、且つ低抵抗のｎ形伝導を呈する
ＳｉドープＧａＡｓ単結晶を選択して使用した。

【００６０】基板上には、トリメチルガリウム（（ＣＨ
₃ ）₃ Ｇａ）／アルシン（ＡｓＨ₃：１０％ＡｓＨ₃ −
９０％水素混合ガス）／水素（Ｈ₂ ）反応系を利用し
た、一般的な常圧（大気圧）ＭＯＣＶＤ法により、７０
０℃でＳｉをドープしたｎ形ＧａＡｓ緩衝層を（１０
２）を積層した。ｎ形ＧａＡｓ層のキャリア濃度は、３
×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約２μｍとした。Ｓｉのド
ーピング源としては、体積濃度にして約１０ｐｐｍのジ
シラン（ＳｉＨ₄ ）を含む水素ガスを利用した。

【００６１】緩衝層（１０２）上には、Ｓｉをドープし
たｎ形Ａｌ_0.20Ｇａ_0.20Ａｓ層を下部クラッド層（１０
３）として積層した。成膜温度は、緩衝層の場合と同じ
く７００℃とした。アルミニウム源には、トリメチルア
ルミニウム（（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ）を用いた。キャリア濃
度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約０．３μｍとし
た。Ｓｉのドーピング源には、上記のジシラン−水素混
合ガスを使用した。

【００６２】ｎ形の下部クラッド層（１０３）上には、
キャリア濃度を約２×１０¹⁶ｃｍ^-3とする硫黄（Ｓ）を
ドーピングしてなるｎ形砒化ガリウム（ＧａＡｓ）から
なるｎ形発光層（１０４）を７００℃で積層した。層厚
は、約０．１μｍとした。キャリア濃度は約７×１０¹⁶
ｃｍ^-3 とした。

【００６３】発光層（１０４）の成膜を終了した後、基
板温度を７００℃に維持したままで、キャリア濃度を約
２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚が約０．１μｍの亜鉛（Ｚ
ｎ）をドーピングしたｐ形砒化アルミニウム・ガリウム
混晶（Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ）層を上部クラッド層（１
０５）として積層させた。亜鉛源には、体積濃度にして
約１００ｐｐｍのジエチル亜鉛（（ＣＨ₃ ）₂ Ｚｎ）を
含む水素ガスを利用した。

【００６４】ｐｎ接合型ＤＨ構造発光部は、上記の III
−Ｖ族化合物半導体素材からなるｎ形下部クラッド層
（１０３）、ｎ形発光層（１０４）及びｐ形上部クラッ
ド層（１０５）から構成した。この発光部は、上記の如
く成膜温度を７００℃と一定に保ち構成した。以上の成
膜操作により、本発明の窒素置換処理の対象とする、 I
II−Ｖ族化合物半導体からなるＬＤ用途の積層構造体
（３０）を得た。図４に積層構造体（３０）の構造を断
面図として模式的に示す。

【００６５】III−Ｖ族化合物半導体から構成した積層
構造体（３０）の形成を終了した後、ＭＯＣＶＤ成長炉
内に、キャリアガスとした水素ガスを流通させたまま
で、冷却速度を意識的に調整することなく、また、中
途、一定温度で保持することなく、自然放冷により室温
迄冷却した。降温してＭＯＣＶＤ炉内に流通させるガス
種を水素よりアルゴン（Ａｒ）に変換した後、積層構造
体（３０）をＭＯＣＶＤ成長炉内より取り出した。

【００６６】次に、積層構造体（３０）の最表面の全面
を、通常のプラズマＣＶＤ法により形成した、アンドー
プの二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）被膜（１１５）で被覆し
た。ＳｉＯ₂ 被膜（１１５）の膜厚は約１５０ナノメー
タ（ｎｍ）とした。然る後、一般的なフォトリソグラフ
ィー技術を利用して、ＳｉＯ₂ 被膜にパターン加工を施
した。このパターン加工とそれに続く弗化アンモニウム
（ＮＨ₄ Ｆ）水溶液を用いた湿式エッチング加工によ
り、ＳｉＯ₂ 被膜を幅２μｍの帯状の領域に残存させ
た。これより、幅２μｍのストライプ状の領域以外の領
域では、積層構造体（３０）の最表層のｐ形クラッド層
（１０５）の表面が露呈する状況とした。

【００６７】表面のＳｉＯ₂ 被膜（１１５）を帯状に残
存する加工を施した後、積層構造体（３０）を熱処理用
途の加熱炉内に載置した。炉内に雰囲気構成ガスとして
のアルゴンを流通させながら、積層構造体の温度を室温
より７００℃へ昇温した。７００℃に到達した後、熱処
理炉内へのアルゴンガスの供給を停止し、代わって高純
度水素ガスを毎分１リットルの流量で供給した。その
後、７００℃で２５分間に亘り、上記のＳｉＯ₂ 膜を被
着させたままの状態で積層構造体（３０）を水素気流中
に曝露した。

【００６８】水素雰囲気に曝し始めてから正確に２５分
間を経過した後、熱処理炉内に流通させるガスを水素ガ
スからアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスへバルブ（弁）操作に
より瞬時に切り換えた。温度を７００℃に維持しなが
ら、上記のＳｉＯ₂ 膜（１１５）を被着した積層構造体
（３０）をアンモニア雰囲気内に放置した。これによ
り、幅２μｍの帯状の領域以外の領域（１２０）にあ
る、 III−Ｖ族化合物半導体素材層（（１０２）〜（１
０５））の砒素（Ａｓ）構成元素を窒素原子で置換する
第１の窒素置換処理を施した。この第１の窒素置換処理
により積層構造体（３０）の各構成（素材）層（（１０
２）〜（１０５））の一部領域を選択的に III族窒化物
半導体層に変換して、各素材層（１０２）〜（１０５）
の内部に第１の結晶領域（１０２ａ）〜（１０５ａ）を
構成した。

【００６９】次に、アンモニアの流量を毎分１リットル
に維持したままで、第１の窒素置換処理をもって第１の
結晶領域（（１０２ａ）〜（１０５ａ））を形成した積
層構造体（３０）を７００℃から自然放冷に任せて降温
した。降温中途約５００℃に至る迄アンモニアガスは継
続して流通させた。その後、アンモニアガスの流通を停
止し、代わりにアルゴンガスを流通させた。室温に自然
冷却される迄アルゴンガスの供給を継続した。

【００７０】冷却後、積層構造体（３０）の表面に帯状
に設けた第１の窒素置換処理に於けるマスキング材のＳ
ｉＯ₂ 被膜を、弗化アンモニウム水溶液によりエッチン
グして除去した。その後、再び積層構造体（３０）の最
表面全面を膜厚を１５０ｎｍとするＳｉＯ₂ 被膜（１１
５）で被覆した。然る後に、上記の第１の窒素置換処理
から除外した幅２μｍの帯状の領域に限り、今度はＳｉ
Ｏ₂ 被膜（１１５）をエッチングして除去し、ストライ
プ状の開口部（１１６）を設けた。開口幅を２μｍとす
る帯状の開口部（１１６）のみに於いて、積層構造体
（３０）の最表層である上部クラッド層（１０５）の表
面が露呈する状況とした。

【００７１】表面を帯状のＳｉＯ₂ 膜で被覆した積層構
造体（３０）を熱処理用途の加熱炉内に再び載置した。
炉内に雰囲気構成ガスとしてのアルゴンを流通させなが
ら、積層構造体（３０）の温度を室温より６８０℃へ昇
温した。６８０℃に到達した後、熱処理炉内へのアルゴ
ンガスの供給を停止し、代わりに高純度水素ガスを毎分
１リットルの流量で供給した。その後、６８０℃で１５
分間に亘り、積層構造体（３０）を水素気流中に曝露し
た。

【００７２】正確に１５分間を経過した後、熱処理炉内
に流通させるガスを水素ガスからアンモニア（ＮＨ₃ ）
ガスへバルブ（弁）操作により瞬時に切り換えた。温度
を７００℃に維持しながら、積層構造体（３０）をアン
モニア雰囲気内に放置した。これにより、幅２μｍの帯
状の限定された領域（１２１）について、この領域（１
２１）の III−Ｖ族化合物半導体素材層（（１０３）〜
（１０５））に対し、選択的に構成元素の砒素（Ａｓ）
を窒素原子で置換する第２の窒素置換処理を施した。第
１の窒素置換処理の対象とした領域（１２０）以外の領
域、即ち、第２の窒素置換処理の対象とする領域（１２
１）に在る各層（（１０３）〜（１０５））の内部に第
２の結晶領域（（１０３ｂ）〜（１０５ｂ））を第１の
結晶領域（（１０３ａ）〜（１０５ａ））に並列させて
設けた。

【００７３】次に、アンモニアの流量を毎分１リットル
に維持したままで、第１の窒素置換処理を終了した積層
構造体（３０）を６８０℃から自然放冷に任せて降温し
た。降温中途約６００℃に至る迄アンモニアガスは継続
して流通その後、アンモニアガスの流通を停止し、代わ
りにアルゴンガスを流通させた。室温に自然冷却される
迄、アルゴンガスの供給を継続した。

【００７４】以上の如く、処理温度を相違する第１及び
第２の熱処理により、積層構造体を構成する III−Ｖ族
化合物半導体気相成長層を III族窒化物半導体結晶層に
変換した。第１の熱処理条件は、窒素置換処理が積層構
造体（３０）の最表層であるｐ形クラッド層（１０
５）、発光層（１０４）、下部クラッド層（１０３）、
素材及び緩衝層（１０２）の中途に波及する様に設定し
たものである。一方、第２の熱処理は、最表層（１０
５）から下部クラッド（１０３）の中途に至る迄、窒素
置換処理が及ぶ様に条件を設定した。即ち、第１の熱処
理は、第２のそれに比較すれば最表層（１０５）の表面
からより深部へ窒素置換処理が及ぶ条件で実施した。こ
の第１及び第２の窒素置換処理をもって、同一層内に第
１の結晶領域に並列して存在し、その領域の側壁と接合
をなす第２の結晶領域とを形成した。

【００７５】ＧａＡｓ及びアルミニウム組成比を２０％
（０．２０）とするＡｌ_0.20Ｇａ_{0. 80}Ａｓ気相成長層に
ついて、別途、熱処理による窒素置換処理を施した結果
を基に判断すれば、７００℃では砒素（Ａｓ）原子の総
量に於ける窒素置換効率は、８６％であった。６８０℃
では８３％であった。窒素置換効率は、室温でのフォト
ルミネッセンス発光の中心波長から禁止帯幅を算出し、
求められた禁止帯幅と窒素組成比の既知の対応から決定
した（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏ
ｃ．，Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、２０３〜２０８頁
参照）。

【００７６】これより、第１の窒素置換処理の対象とし
た領域（１２０）にある、ＧａＡｓ素材層（１０４）は
ＧａＡｓ_0.17Ｎ_0.83（１０４ａ）層に、また、Ａｌ_0.20
Ｇａ_0.80Ａｓ層（（１０３）及び（１０５））は、Ａｌ
_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ_0.17Ｎ_0.83層（（１０３ａ）及び（１
０５ａ））に変換されたものとなった。一方、第２の窒
素置換処理の対象とした領域（１２１）にあるＧａＡｓ
層（１０４）は、ＧａＡｓ_0.14Ｎ_0.86（１０４ｂ）層に
変換されたものとなった。また、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ
層（（１０３）及び（１０５））は、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80
Ａｓ_0.14Ｎ_0.86層（（１０３ｂ）及び（１０５ｂ））に
変換されたものとなった。

【００７７】従って、 III−Ｖ族化合物半導体層を素材
として、第１及び第２の窒素置換のための熱処理によっ
て、窒素置換処理の効率（窒素組成比）が３％程相違す
る領域を内在する III族窒化物半導体結晶層を得た。発
光層（１０４）は、第１の熱処理により窒素組成比を８
６％とする第１の結晶領域（１０４ａ）と、第２の熱処
理により窒素組成比を８３％とする第２の結晶領域（１
０４ｂ）とを同一結晶層に内在する III族窒化物半導体
結晶層となした。また、第２の結晶領域（１０４ｂ）
は、第１の結晶領域（１０４ａ）よりも屈折率が約３％
大となる窒素置換処理が施されている。上部及び下部ク
ラッド層素材（（１０５）及び（１０３））についても
同様に、同一結晶層内に窒素組成比を相違する領域
（（１０５ａ）、（１０５ｂ）及び（１０３ａ）、（１
０３ｂ））を内在した III族窒化物半導体結晶層に変換
した。

【００７８】第１の窒素置換処理を対象とした領域（１
２０）、即ち第１の結晶領域を「埋め込み」領域とし
て、また、第２の結晶領域（１２１）を「発光領域」と
してＬＤ２０を作製した。ＬＤへの素子化は第２の窒素
置換処理の対象とする領域を限定するするためのＳｉＯ
₂ 膜（１１５）を上部クラッド層（１０５）表面上に残
存させた状態から開始した。先ず、積層構造体（３０）
の表面に酸化膜（１１５）を冠した状態で、亜鉛（Ｚ
ｎ）を重量にして約５％含む金（Ａｕ）−亜鉛（Ｚｎ）
合金被膜を通常の真空蒸着法により被着した。この約２
μｍの厚さの被膜をｐ形電極（１１７）とした。ｐ形電
極（１１７）を構成するＡｕ−Ｚｎ被膜は、ＳｉＯ₂ 被
膜（１１５）が除去された開口部（１１６）では、上部
クラッド層（１０５ｂ）の表面にオーミック接触し、そ
の他の領域では、ＳｉＯ₂ 被膜（１１５）の表面に付着
するものとなった。即ち、残存させたＳｉＯ₂ 被膜（１
１５）は、発光部に動作電流を集中して流通させるため
の電流狭窄作用を発揮させるための電流阻止層として残
存させて利用した。帯状の開口部（１１６）の上方に相
当する領域には、更にＡｕからなる真空蒸着膜（１１
８）を重層させた。これより開口部（１１６）の上部の
周辺の領域に限り、ストライプ状に膜厚を厚くしたｐ形
電極（１１７）を構成した。

【００７９】ｎ形電極（１１９）は、基板（１０１）に
導電性のｎ形ＧａＡｓ単結晶を利用している優位性か
ら、基板（１０１）の裏面側に設けた。ｎ形電極（１１
９）は、ゲルマニウム（Ｇｅ）を重量にして約５％含む
Ａｕ−Ｇｅ合金を、基板の裏面全面に真空蒸着させて構
成した。

【００８０】ＧａＡｓ基板（１０１）が元来有する劈開
性を利用して、各側面を［０１１］結晶劈開面とする、
長さが２３０μｍで幅を１４０μｍのＬＤチップとなし
た。チップの長手方向に対向する劈開面は光共振面とし
て利用した。

【００８１】試作したＬＤを銅製のヒートシンクに載置
した。ヒートシンクはペルチェ効果素子を利用して約７
０ケルビン（Ｋ）に冷却した。ｐ形、ｎ形両オーミック
電極（（１１７）及び（１１９））間に動作電流を通流
した。１０ミリアンペア（ｍＡ）未満の低電流領域で、
青色系の発光が認められた。約２キロアンペア（ＫＡ）
／ｃｍ² を越える電流密度で、波長を約４７０ｎｍとす
る青（青緑）系色のレーザー光が発振した。また、発振
スポットの顕著な転移も認められず、発振モードも安定
したものとなった。

【００８２】

【発明の効果】本発明では、成膜が容易な III−Ｖ族化
合物半導体結晶層からなる素材に窒素置換処理を施して
III族窒化物半導体層を獲得するものであって、次のよ
うな効果がもたらされる。（１）煩雑な成膜操作を必要
とせずに III族窒化物半導体結晶層が簡便に形成できる
効果がある。（２）窒素置換処理は素材を構成する半導
体層の伝導形に変化を及ぼさない。従ってｐ形の低抵抗
III−Ｖ族化合物半導体成長層を素材としてｐ形の III
族窒化物半導体層が簡便に形成できる効果がある。
（３）よって、これよりｐｎ接合構造が簡便に構成でき
る効果がある。（４）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等の略格
子整合系重層構造体を素材とすれば、格子不整合に基ず
くミスフィット転位などの結晶欠陥密度の少ない接合系
が簡便に構成できる。

【００８３】特に選択的な領域に窒素置換処理を及ぼす
技術手段に依れば、同一層内に屈折率或いは禁止帯幅を
異にする結晶領域を内在する III族窒化物半導体結晶層
を得ることができる。即ち、同一層内に屈折率（換言す
れば、禁止帯幅）の異なる領域を内在する、所謂、屈折
率に分布を有する結晶層が、従来の煩雑な選択エピタキ
シャル成長法に依らずに簡便に構成できる優位性があ
る。

【００８４】また、ちなみに、ＧａＡｓの屈折率は３．
６であり、ＧａＮのそれは２．５である（寺本 巌著、
「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日初版、
（株）培風館発行）、２８頁参照）。即ち、屈折率に
０．４程度の差異しか生じないＡｌＡｓ−ＧａＡｓ接合
系に比し（赤崎 勇編著、「 III−Ｖ族化合物半導体」
（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、１
５０頁、表７．２参照）、ＧａＡｓ−ＧａＮ及びＧａＡ
ｓ−ＡｌＮ混晶系では、窒素組成比によって大凡、倍の
広い範囲で屈折率を制御し、差異を付与できる優位性が
ある。

【００８５】特に、窒素組成比の異なる第１及び第２の
結晶領域を単一層に内在する III族窒化物半導体結晶層
は、発光領域へ光を閉じ込めるに充分な屈折率の分布が
付与されているために、埋め込み型のＬＤの発光層とし
て好都合に用いることができる。この構成からなる III
族窒化物半導体層を発光層とすれば、発振モードが安定
した「埋め込み」型ＬＤが構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＤＨ構造からなる発光部を備えた従来の積層構
造体を例示する断面模式図である。

【図２】ｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を有する、「埋め
込み」型ＬＤの基本的な構造を説明するための断面模式
図である。

【図３】屈折率の分布を内在するｐ形のＧａＮ_U Ａｓ_V
混晶層を提供するための概略の工程例を示す断面模式図
である。

【図４】実施例のＬＤ用途の積層構造体の構造を模式的
に示す断面図である。

【図５】実施例のＬＤの構造を示す平面模式図である。

【図６】実施例のＬＤの断面構造を示す模式図である。

【符号の説明】

（１０） ＤＨ構造発光部 （２０） 「埋め込み」型レーザダイオードの発光部 （３０） 積層構造体 （１０１） 基板 （１０２） 緩衝層 （１０３） 下部クラッド層 （１０４） 発光層 （１０５） 上部クラッド層 （１０６） コンタクト層 （１０７） 電流狭窄層 （１０８） 埋め込み領域 （１０９） 発振スポットの位置 （１１０） ｐ形ＧａＡｓ成長層 （１１１） ＳｉＯ₂ 被膜 （１１２） 屈折率の小さな領域 （１１３） 屈折率の大きな領域 （１１４） 窒素イオンビーム （１１５） ＳｉＯ₂ 被膜 （１１６） 開口部 （１１７） ｐ形オーミック電極 （１１８） Ａｕ真空蒸着膜 （１１９） ｎ形オーミック電極 （１２０） 第１の結晶領域 （１２１） 第２の結晶領域

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Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（０≦Ｘ≦１、Ｘ＋Ｙ
   ＝１）からなる III−Ｖ族化合物半導体成長層の砒素
   （Ａｓ）の一部若しくは全てを窒素で置換してなした、
   Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ_1-U Ｎ_U （０≦Ｘ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１、
   ０＜Ｕ≦１）からなる III族窒化物半導体結晶層を備え
   た III族窒化物半導体発光素子であって、窒素組成比
   （Ｕ）を０．６０以上０．９８以下とする第１の結晶領
   域と、該第１の結晶領域に並列して水平方向に隣接す
   る、第１の結晶領域よりは窒素組成比（Ｕ）が２％以上
   小さい第２の結晶領域とを同一層内に内在し、該Ａｌ_X
   Ｇａ_YＡｓ_1-U Ｎ_U 結晶層を発光層として備えてなる II
   I族窒化物半導体発光素子。