JP2002270896A

JP2002270896A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002270896A
Application number: JP2001071604A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓｉ単結晶基板上に設けるヘテロ接合構造の発
光部を、結晶欠陥密度の少ない良質のＩＩＩ族窒化物半
導体結晶層から構成して高発光強度のＩＩＩ族窒化物半
導体発光素子を得る。【解決手段】Ｓｉ基板上に緩衝層を介して、窒素（Ｎ）
と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物半導体
からなる障壁層と発光層とからなる格子整合系のヘテロ
接合構造の結晶性に優れる発光部を設けることにより、
高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ単結晶を基板
として、近紫外光から短波長の可視光を放射できるヘテ
ロ（異種）接合構造の発光部を擁するＩＩＩ族窒化物半
導体発光素子を構成するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気絶縁性のサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃
単結晶）に代替して、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）
を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）を構成する技術が開示されている（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）、１９８
６〜１９８７頁参照）。導電性を有するＳｉ単結晶を基
板とすれば、基板裏面に電極を敷設でき、簡便にＬＥＤ
を構成できる利点がある。また、Ｓｉ単結晶を基板とす
れば、劈開を利用して簡便に個別の素子（チップ）に分
割できる利点もある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．，７２（４）（１９９８）、４１５〜４１７頁参
照）。

【０００３】Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＩＩＩ族窒
化物半導体発光素子では、Ｓｉ単結晶基板表面上に比較
的低温で成膜した低温緩衝層を設けるのが通例となって
いる（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．参照）。
低温緩衝層は、Ｓｉ単結晶基板との格子ミスマッチ（ｌ
ａｔｔｉｃｅｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和して、結晶性
に優れるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部の構成層を
得るために設置するものである。従来では、低温緩衝層
を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成する例が知れて
いる（特開平１０−２４２５８６号公報）。

【０００４】また、リン化硼素（ＢＰ）から低温緩衝層
を構成する技術が知れている（特開平２−２８８３８８
号公報）。また、リン化硼素からなる低温緩衝層上に同
じくリン化硼素（ＢＰ）からなる高温緩衝層を積層させ
た重層構造から緩衝層を構成する例が知れている（米国
特許６，０２９，０２１号）。Ｓｉ単結晶等の立方晶結
晶基板上にリン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して設けた発
光部を利用してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを構成する
技術も開示されている（特開平２−２８８３７１号公
報）。閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃｂｌｅｎｄ）結晶型のＢＰ単
結晶層からなる緩衝層上に設けた発光部は、立方晶のＩ
ＩＩ族窒化物半導体層から構成されるものとなっている
（上記の特開平２−２８８３７１号公報）。

【０００５】従来のＳｉ単結晶を基板とするＩＩＩ族窒
化物半導体発光素子では、緩衝層上に設けるヘテロ接合
発光部は窒素（Ｎ）を唯一の第Ｖ族構成元素とするＩＩ
Ｉ族窒化物半導体結晶層から構成されるものとなってい
る。例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム
混晶層（Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ
≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成されている（特開平１
０−３２１９１１号公報）。具体的には、ｎ形及びｐ形
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるクラッド層と、ＧａＮからな
る発光層とからｐｎ接合型ＤＨ構造発光部を構成する例
がある（特開平１０−２４２５８６号公報）。この様
に、Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＩＩＩ族窒化物半導
体ＬＥＤには、格子定数を異にするＩＩＩ族窒化物半導
体層から構成される格子不整合構造の発光部が具備され
るものととなっていた（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔ，７２（４）（１９９８）及びＥｌｅｃｔｒ
ｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体発光素子のｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部は、
上記の如く格子不整合系の積層構造となっている。この
ため、下部クラッド層を下地層として積層された発光層
は、格子のミスマッチ（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈ）に起因し
て発生するミスフィット転位等の結晶欠陥を多量に含む
結晶性に劣るものとなり、発光強度の増大に支障を来し
ている問題点あった。発光層から出射される発光の強度
は発光層の結晶性が良好である程、高くなる。従って、
高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得るに
は、格子の不整合性に起因する結晶欠陥の密度の低い結
晶層から発光層を構成する必要がある。

【０００７】また、発光層と上部クラッド層とが格子整
合の関係にない場合、クラッド層の結晶性も乱れたもの
となる。上部クラッド層の内部にミスフィット転位等が
多量に含まれていると、転位を介して、素子駆動電流が
局所的に且つ集中的に発光層に流通してしまう問題点が
ある。下地層となす発光層の結晶性が格子の不整合性に
より上記の如く粗悪であると、上層の上部クラッド層の
品質も尚更、劣悪なものとなる。このため、発光層の全
面の広範囲に亘り、素子動作電流を分配できず、発光面
積の拡張に支障を来している。発光層の広範囲に亘り平
面的に素子駆動電流を分配するには、結晶品質に優れる
発光層上に、これまた結晶性に優れる上部クラッド層を
積層する必要がある。

【０００８】高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素
子を得るには、素子駆動用電流を発光層の広範囲に亘り
拡散できる結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から
発光部を構成する必要がある。また、発光層自体も結晶
性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成するのが肝
要となる。本発明では、発光部を互いに格子整合の関係
にあるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成することによ
り、格子不整合性に起因して発生する結晶欠陥密度の低
い良質のＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成する
手段を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、（１）導
電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基板上に設けられ
た緩衝層と、該緩衝層上に形成された、窒素（Ｎ）と窒
素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物半導体から
なる障壁層と発光層とにより構成されるヘテロ接合構造
の発光部とを備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
である。

【００１０】また本発明は、（１）に記載の発明に加え
て、（２）緩衝層を、次に成長する高温結晶層より低温
で成長した低温結晶層と、該低温結晶層上に低温結晶層
より高温で成長した高温結晶層とからなる重層構造から
構成することが好ましい。

【００１１】また本発明は、（１）または（２）に記載
の発明に加えて、（３）緩衝層を、リン（Ｐ）または砒
素（Ａｓ）と窒素（Ｎ）とを構成元素として含むＩＩＩ
族窒化物半導体から構成することが好ましい。

【００１２】また本発明は、（１）または（２）に記載
の発明に加えて、（４）緩衝層を、リン（Ｐ）または砒
素（Ａｓ）と硼素（Ｂ）とを構成元素として含むＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。

【００１３】また本発明は、（１）乃至（４）に記載の
発明に加えて、（５）障壁層を、窒素（Ｎ）と窒素以外
の第Ｖ族元素とを含み緩衝層に格子整合するＩＩＩ族窒
化物半導体から構成することが好ましい。

【００１４】また本発明は、（１）乃至（５）に記載の
発明に加えて、（６）障壁層を、窒化リン化アルミニウ
ム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０
＜Ｙ＜１）から構成することが好ましい。

【００１５】また本発明は、（１）乃至（６）に記載の
発明に加えて、（７）発光層を、障壁層と格子整合す
る、窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ
族窒化物半導体から構成することが好ましい。

【００１６】また本発明は、（１）乃至（７）に記載の
発明に加えて、（８）発光層を、第ＩＩＩ族構成元素ま
たは第Ｖ族構成元素の組成比（濃度）を異にする複数の
相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の結晶層から構成す
ることが好ましい。

【００１７】また本発明は、（１）乃至（８）に記載の
発明に加えて、（９）発光層を、窒化リン化ガリウム・
インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜
Ｙ＜１）から構成することが好ましい。

【００１８】また本発明は、（１０）導電性の珪素（Ｓ
ｉ）単結晶基板上に緩衝層を設ける工程と、該緩衝層上
に窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族
窒化物半導体からなる障壁層と発光層とにより構成され
るヘテロ接合構造の発光部を設ける工程を具備するＩＩ
Ｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

【００１９】また本発明は、（１０）に記載の発明に加
えて、（１１）緩衝層を、次に成長する高温結晶層より
低温で成長した低温結晶層と、該低温結晶層上に低温結
晶層より高温で成長した高温結晶層とからなる重層構造
から構成することが好ましい。

【００２０】また本発明は、（１０）乃至（１１）に記
載の発明に加えて、（１２）緩衝層を、リン（Ｐ）また
は砒素（Ａｓ）と窒素（Ｎ）とを構成元素として含むＩ
ＩＩ族窒化物半導体から構成することが好ましい。

【００２１】また本発明は、（１０）乃至（１１）に記
載の発明に加えて、（１３）緩衝層を、リン（Ｐ）また
は砒素（Ａｓ）と硼素（Ｂ）とを構成元素として含むＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。

【００２２】また本発明は、（１０）乃至（１３）に記
載の発明に加えて、（１４）障壁層を、窒素（Ｎ）と窒
素以外の第Ｖ族元素とを含み緩衝層に格子整合するＩＩ
Ｉ族窒化物半導体から構成することが好ましい。

【００２３】また本発明は、（１０）乃至（１４）に記
載の発明に加えて、（１５）障壁層を、窒化リン化アル
ミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦
１、０＜Ｙ＜１）から構成することが好ましい。

【００２４】また本発明は、（１０）乃至（１５）に記
載の発明に加えて、（１６）発光層を、障壁層と格子整
合する窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩ
Ｉ族窒化物半導体から構成することが好ましい。

【００２５】また本発明は、（１０）乃至（１６）に記
載の発明に加えて、（１７）発光層を、第ＩＩＩ族構成
元素または第Ｖ族構成元素の組成比（濃度）を異にする
複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の結晶層から
構成することが好ましい。

【００２６】また本発明は、（１０）乃至（１７）に記
載の発明に加えて、（１８）発光層を、窒化リン化ガリ
ウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦
１、０＜Ｙ＜１）から構成することが好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態では、ｎ
形またはｐ形の低抵抗の導電性Ｓｉ単結晶を基板として
ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ用途の積層構造体を構成す
る。比抵抗（抵抗率）にして１０Ωｃｍ以下、好ましく
は１０^-2Ωｃｍ以下の良好な導電性のＳｉ単結晶は基板
として好適に利用できる。Ｓｉ単結晶基板の面方位は
｛１００｝、｛１１０｝または｛１１１｝等から選択で
きる。これら低ミラー指数面より角度に数度から数十度
の範囲で傾斜した面方位を有するＳｉ単結晶も基板とし
て利用できる。｛１１１｝結晶面は、｛１００｝結晶面
に比較してＳｉ原子が稠密に存在している。このため、
緩衝層の構成元素のＳｉ単結晶内への拡散、侵入が有効
に抑制され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層
を成膜するに好都合となる。｛３１１｝や｛５１１｝等
の高次のミラー指数面を有するＳｉ単結晶もチャネリン
グ（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）によるＳｉ単結晶基板への
緩衝層構成元素の侵入を抑制するに効果がある。しか
し、基板表面の面方位を反映して上層の成長方位も高次
なものとなり、個別のＬＥＤへの裁断が複雑となるなど
の不都合を生ずる場合がある。

【００２８】第１の実施形態に係わるＩＩＩ族窒化物半
導体発光素子用途の積層構造体は、上記のＳｉ単結晶基
板の表面上に緩衝層及び発光部の構成層等を順次、積層
して構成する。緩衝層上の発光部は単一ヘテロ接合（Ｓ
Ｈ）構造または二重ヘテロ接合（ＤＨ）構造から構成で
きる。発光部上には、電極形成用途のコンタクト（ｃｏ
ｎｔａｃｔ）層や電流狭窄層等を設置することができ
る。例えば、上部クラッド層またはコンタクト層上に第
１の導電型の電極を設け、Ｓｉ単結晶基板裏面に第２の
導電型の電極を設ければ本発明に係わるＩＩＩ族窒化物
半導体ＬＥＤを構成できる。また、例えば、電流狭窄層
に接するコンタクト層とＳｉ単結晶基板の裏面とに各
々、第１及び第２の電極を設置して、本発明に係わるＩ
ＩＩ族窒化物半導体レーザダイオード（ＬＤ）を構成で
きる。本発明では、Ｓｉ単結晶基板の導電性を利用して
基板裏面に簡便に電極を形成することができる。

【００２９】本発明の第２の実施形態では、緩衝層を、
次に成長する高温結晶層より低温で成長する低温結晶層
と、その上に低温結晶層の成長温度よりも高温で成長さ
せた単結晶の高温結晶層を重層させた重層構造から構成
することが望ましい。この重層構造は、特にＳｉ単結晶
とは格子定数を異にする、例えばリン化硼素（ＢＰ：格
子定数＝４．５３８Å）や砒化硼素（ＢＡｓ：格子定数
＝４．７７７Å）から緩衝層を構成する場合に効果が発
揮される。低温で成長させた低温結晶層は、Ｓｉ単結晶
との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和して、
結晶性に優れる高温結晶層をもたらす作用を有する。即
ち、緩衝層を上記の様な重層構造から構成することに依
り、良好な結晶性の発光部を構成するに有効となる下地
層としての高温結晶層を擁する緩衝層を構成できる。例
えばリン化硼素（ＢＰ）からなる低温結晶層上には、約
１６％に及ぶＳｉ単結晶との格子ミスマッチ（「日本結
晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．２（１９９
７）、１５０頁参照）の悪影響が回避され、ミスフィッ
ト転位等の結晶欠陥密度の少ない良質のＢＰ高温結晶層
がもたらされる。

【００３０】低温結晶層を非晶質体を主体として構成す
ると、Ｓｉ単結晶基板との格子ミスマッチを緩和するに
特に効果が挙げられる。従って、低温結晶層の成長温度
としては、非晶層が得られる低温とするのが好適であ
る。例えば、非晶質を主体とするリン化硼素（ＢＰ）結
晶層を得るには、例えば、約２５０℃〜約７５０℃が適
する。層厚としては、一般に数ナノメータ（ｎｍ）から
数十ｎｍが適する。高温結晶層は単結晶層であるのが最
適であり、従って、成長温度としては単結晶層が得られ
る温度が適する。リン化硼素（ＢＰ）単結晶を得るに
は、７５０℃〜１２００℃が適する（米国特許６，０６
９，０２１号）。高温結晶層を低温結晶層と必ずしも同
一の材料から構成する必要はないが、双方を同一の素材
から構成することにより、良質の単結晶層からなる高温
結晶層が得られる。高温結晶層は、Ｓｉ単結晶基板と同
一の伝導形の導電性の層であるのが適する。薄膜の低温
結晶層にもＳｉ単結晶基板と同一の伝導性が得られる様
に不純物ドーピングを施すと、ＬＥＤにあっては、順方
向電圧（Ｖｆ）の低減に効果が挙げられる。

【００３１】Ｓｉ単結晶基板上に設ける緩衝（ｂｕｆｆ
ｅｒ）層を、Ｓｉ単結晶（格子定数＝５．４３０９Å）
と同一の格子定数とすることができる、Ｓｉ単結晶と格
子整合する半導体材料から構成すると、格子不整合に起
因する結晶欠陥の少ない良質の緩衝層がもたらされる利
点がある。例えば、緩衝層を立方晶の窒化リン化ガリウ
ム混晶（ＧａＮ_0.02Ｐ_0.98）、窒化砒化ガリウム混晶
（ＧａＮ_0.19Ａｓ_0.81）、窒化リン化インジウム混晶
（ＩｎＮ_0.49Ｐ_0.51）及び窒化砒化インジウム混晶（Ｉ
ｎＮ_0.58Ａｓ_0.42）から構成すればよい。即ち、リン
（Ｐ）または砒素（Ａｓ）と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ
族窒化物半導体からはＳｉ単結晶基板と格子整合する緩
衝層を構成できる。従って、本発明の第３の実施形態で
は、緩衝層を、上記の様なリンまたは砒素と窒素とを含
有するＩＩＩ族窒化物半導体から構成するのが好まし
い。緩衝層の伝導形はＳｉ単結晶基板の伝導形に合致さ
せるのが望ましい。

【００３２】緩衝層はまた、例えばリン化硼素（ＢＰ）
または砒化硼素（ＢＡｓ）などから構成できる。更に、
リン化硼素ガリウム混晶（Ｂ_0.02Ｇａ_0.98Ｐ）及び砒化
硼素ガリウム混晶（Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ）等からはＳｉ
単結晶に格子整合する緩衝層を構成できる。Ｓｉ単結晶
に格子整合する緩衝層は、リン化硼素インジウム混晶
（Ｂ_0.33Ｉｎ_0.67Ｐ）及び砒化硼素インジウム混晶等
（Ｂ_0.40Ｉｎ_0.60Ａｓ）からも構成できる。従って、本
発明の第４の実施形態の緩衝層は、上記の様なリン
（Ｐ）または砒素（Ａｓ）と硼素（Ｂ）とを含有するＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成するのが好ましい。緩
衝層の伝導形はＳｉ単結晶基板のそれに合致させるのが
望ましい。

【００３３】Ｓｉ単結晶に格子整合を果たす上記の様な
ＩＩＩ族窒化物半導体或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
から緩衝層を構成する場合にあっても、緩衝層を低温結
晶層および高温結晶層からなる重層構造とすると更に、
結晶性に優れる緩衝層が得られる。この場合、低温結晶
層はＳｉ単結晶と同一の格子定数を与える組成の材料か
ら構成すると格子ミスマッチを解消して、結晶性に優れ
る緩衝層を得るに有効となる。低温結晶層としての望ま
しい結晶形態及び概略の成長温度は上記のとおりであ
る。低温結晶層と高温結晶層とは異なる材料から構成し
ても良いが、同一の材料から構成すると優れた結晶性の
緩衝層を得ることができる。例えば、Ｂ_0.33Ｉｎ_0.67Ｐ
から低温結晶層及び高温結晶層を構成する。高温結晶層
を低温結晶層と格子整合する組成から層厚の増加方向に
勾配を付して、表面で例えば、発光部の構成層に格子整
合する組成とした組成勾配層から構成することもでき
る。

【００３４】本発明では、緩衝層上に設けるｐｎ接合型
ヘテロ接合の発光部を窒素（Ｎ）と窒素（Ｎ）以外の第
Ｖ族元素を含むＩＩＩ族窒化物半導体層（以下、複Ｖ族
混晶層と称す。）から構成する。特に、緩衝層と格子整
合の関係にある複Ｖ族混晶層から構成する。複Ｖ族混晶
層からは、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層に格子整合する下部
クラッド層等の障壁層を構成できる利点がある。即ち、
格子ミスフィットに起因して発生するミスフィット転位
等の結晶欠陥密度が低く、結晶性に優れる障壁層を構成
できる。従って、本発明の第５の実施形態では、緩衝層
に格子整合する窒素（Ｎ）と窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元
素を含むＩＩＩ族窒化物半導体層（複Ｖ族混晶）から障
壁層を構成するのが好ましい。

【００３５】緩衝層を構成する材料の格子定数をＤ₁と
し、障壁層の構成材料の格子定数をＤ₂とすれば、緩衝
層に対する障壁層の格子のミスマッチ度（＝δ）は、関
係式δ（単位：％）＝｛（Ｄ₁−Ｄ₂）／Ｄ₁｝×１００
で与えられる。緩衝層よりも障壁層の構成材料の格子定
数が大である場合、即ち、Ｄ₁＜Ｄ₂の条件下ではδは負
値となる。Ｄ₁＞Ｄ₂の条件では、ミスマッチ度（δ）は
逆に正値を採る。正負何れであってもδが大である程、
格子ミスマッチの度合いは増加する。緩衝層に格子整合
する障壁層とは、上記の関係式で算出されるδ（％）が
±３％以内である複Ｖ族混晶からなる障壁層を云う。格
子ミスマッチ度が±３％以内であれば、障壁作用を発揮
できる結晶欠陥密度の小さな良質の障壁層を構成でき
る。

【００３６】更に、Ｄ₁＝Ｄ₂の条件では、ミスマッチ度
（＝δ）は０となり、格子整合の関係となる。緩衝層と
格子整合の関係にある材料から構成される障壁層は、よ
り結晶性に優れたものとなり、障壁層を構成するに好適
となる。本発明の第６の実施形態では、窒化リン化アル
ミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦
１、０＜Ｙ＜１）からなる複Ｖ族混晶から緩衝層と格子
整合する障壁層を構成するのが好ましい。例えば、ｎ形
またはｐ形のリン化硼素（ＢＰ、格子定数＝４．５３８
Å）からなる緩衝層上には、窒素組成比を０．０３（＝
３％）とする立方晶の窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97
Ｐ_0.03）からなる障壁層を積層する。また、砒化硼素
（ＢＡｓ、格子定数＝４．７７７Å）からなる緩衝層上
には、それと格子整合する窒素組成比を０．７２とする
立方晶のＧａＮ_0.72Ｐ_0.28を障壁層として積層する。障
壁層の伝導形はＳｉ単結晶基板及び緩衝層の伝導形に合
致させるのが通例である。酸素（Ｏ）等の深い準位を形
成する不純物を含む高抵抗のＩＩＩ族窒化物半導体薄層
も障壁層等としても利用できる。

【００３７】本発明の第７の実施形態では、下部クラッ
ド層等の障壁層上には、当該障壁層に格子整合する複Ｖ
族混晶層からなる発光（活性）層を積層するのが好まし
い。障壁層と格子整合の関係にあるＩＩＩ族窒化物半導
体から発光層を構成すれば、ミスフィット転位等の結晶
欠陥密度の低い結晶性に優れる発光層がもたらされる利
点がある。格子整合とは、上記の関係式により算出され
る格子ミスマッチ度（＝δ）が±３％以下であることを
云う。例えば、立方晶のＧａＮ_0.97Ｐ_0.03（格子定数＝
４．５３８Å）からなる障壁層上には、インジウム（Ｉ
ｎ）組成比を０．１０とする窒化リン化ガリウム・イン
ジウム（Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ_0.97Ｐ_0.03：格子定数＝
４．５８５Å）を積層して発光層を構成する。ＧａＮ
_0.97Ｐ_0.03障壁層とＧａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ_0.97Ｐ_0.03発光
層との格子ミスマッチ度は、障壁層の格子定数を基準と
すれば約１．１％となる。

【００３８】発光層は不純物を故意に添加していないア
ンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の複Ｖ族混晶層から構成でき
る。また、ｐ形及びｎ形の不純物をドーピングした複Ｖ
族混晶層から構成できる。ｎ形或いはｐ形緩衝層または
障壁層を得る場合と同様に、ベリリウム（Ｂｅ）、マグ
ネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）がｐ形ドーパントとし
て使用できる。ｎ形ドーパントの例には、Ｓｉや錫（Ｓ
ｎ）等の第ＩＶ族元素或いは硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓ
ｅ）、テルル（Ｔｅ）等の第ＶＩ族元素が使用できる。
炭素（Ｃ）等の両性不純物もドーパントとして利用でき
る。緩衝層並びに障壁層には、例えば、ＬＥＤにあって
順方向電圧（Ｖｆ）の徒な増加を来さない程度のキャリ
ア濃度を顕現する様に不純物が添加されているのが望ま
しい。キャリア濃度としては概ね、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以
上、５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲が適する。この範囲の
キャリア濃度は、不純物を多量にドーピングすることも
なく帰結できる。このため、ドーピング不純物と複Ｖ族
混晶の構成元素との原子半径の差異に因る複Ｖ族混晶の
格子定数の変化を抑制でき、障壁層との格子整合性を乱
すことなく良質の発光層をもたらすことができる。約５
×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高いキャリア濃度を得んがため
に多量に不純物をドーピングすると障壁層を構成する結
晶層との間に歪が発生する場合がある。このため、発光
層と障壁層間で良好な格子整合性が維持できなくなり、
結晶性に優れる発光層を得るに不都合となる。

【００３９】本発明の第８の実施形態では、発光層を多
相構造の複Ｖ族混晶から構成するのが好ましい。多相
（ｍｕｌｔｉ−ｐｈａｓｅ）構造とは、複Ｖ族混晶を構
成する第ＩＩＩ族元素または第Ｖ族元素の組成を互いに
異にする相（ｐｈａｓｅ）または結晶塊（ｄｏｍａｉ
ｎ）の集合体からなる構造を指す。例えば、一般式Ａｌ
_αＧａ_βＩｎ_1- _α _- _βＮ_1-YＭ_Y（０≦α≦１、０≦β≦
１、０≦α＋β≦１、０＜Ｙ＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ
族元素を示す。）で表記される複Ｖ族混晶にあって、ア
ルミニウム（Ａｌ）組成比（＝α）またはガリウム（Ｇ
ａ）組成比（＝β）またはインジウム（Ｉｎ）組成比
（＝１−α−β）を相違する結晶相の集合体からなる発
光層である。または、窒素（Ｎ）組成比（＝Ｙ）或いは
窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素（＝Ｍ）、例えば、リン
（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の組成比（＝１−Ｙ）を相違す
る複数の相からなる発光層である。

【００４０】具体的には、例えば、立方晶の窒化リン化
ガリウム・インジウム（Ｇａ_βＩｎ_1- _βＮ_1-YＰ_Y：０≦
β≦１、０＜Ｙ＜１）にあって、インジウム組成比（＝
１−β）を相違する複数の相からなる発光層である。ま
た、リン組成比（＝Ｙ）を相違する複数の相からなる発
光層である。或いは、立方晶の窒化砒化ガリウム・イン
ジウム（Ｇａ_βＩｎ_1- _βＮ_1-YＡｓ_Y：０≦β≦１、０＜
Ｙ＜１）にあって、ガリウム組成比（＝β）や砒素組成
比（＝Ｙ）を相違する複数の相から構成された発光層で
ある。多相構造発光層の内部は一般には、同層を主体的
に構成する主体相（ｍａｔｒｉｘｐｈａｓｅ）と主体
相内に散在する従属相（ｓｕｂ−ｐｈａｓｅ）とからな
る組織となっている。占有体積が大きい割合をなす主体
相は複Ｖ族混晶の単結晶体が層状に累積した構成となっ
ているのが通例である。一方、従属相は一般にはナノメ
ーター（ｎｍ）サイズの略球状または島状の微結晶体、
或いはミクロンメーター（μｍ）サイズの塊状体として
存在する。従属相では、一般に第ＩＩＩ族構成元素の組
成比が主体相よりも大である。

【００４１】複Ｖ族混晶の発光層は、例えば、第ＩＩＩ
族元素の有機化合物を原料とする有機金属熱分解気相成
長法（ＭＯＣＶＤ法）等の気相成長手段を用いて成長で
きる。多相構造の発光層を得るには第ＩＩＩ族元素源と
して、トリメチル（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ）化合物に比較
して易分解性のトリエチル（ｔｒｉｅｔｈｙｌ）化合物
を用いる成長手法が有効である。また、イソブチル基等
の側鎖基を化合物も有効に利用できる。例えば、トリエ
チル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）は硼素（Ｂ）源として、ト
リエチルガリウム（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ）はガリウム（Ｇ
ａ）源として好適に利用できる。また、トリイソブチル
（ｔｒｉｉｓｏｂｕｔｈｙｌ）アルミニウム（（Ｃ
Ｈ₃）₂ＣＨＣＨ₂）₃Ａｌ）はアルミニウム（Ａｌ）源と
して好適に利用できる。多相構造のインジウムを含むＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得るには、特に、結合価を
１価とするシクロペンタジエニルインジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉ
ｎ）が好適なインジウム源となる（日本国特許第２０９
８３８８号参照）。アンモニア（ＮＨ₃）やホスフィン
（ＰＨ₃）またはアルシン（ＡｓＨ₃）等のルイス（Ｌｅ
ｗｉｓ）塩基性分子との気相ポリマー（ｐｏｌｙｍｅ
ｒ）化反応が回避され（Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗ
ｔｈ、１０７（１９９１）、３６０〜３６４頁参照）、
しかも易分解性であるため効率的にインジウムの液滴を
形成できる利点があるためである。

【００４２】多相構造の発光層は、例えば、上記の様な
易分解性の第ＩＩＩ族構成元素の有機金属原料を第Ｖ族
源よりも時間的に先んじて予め障壁層の表面に供給しつ
つ、その後、第Ｖ族源を成長反応系へ供給する手法でよ
り効率的に形成できる。第Ｖ族源には例えば、アルシン
（ＡｓＨ₃）やホスフィン（ＰＨ₃）等が利用できる。第
Ｖ族源の供給を開始する時期は、障壁層の表面に第ＩＩ
Ｉ族源の熱分解により第ＩＩＩ族構成元素からなる液滴
（ｄｒｏｐｌｅｔ）が構成された後であるのが適する。
発光層の成長温度を高温に設定する程、第Ｖ族源の供給
を遅延する時間は短縮する。高温では第ＩＩＩ族源の熱
分解がより顕著となるため液滴が形成され易くなるから
である。一方で、高温環境下である程、障壁層を構成す
る第Ｖ族元素の揮散が激しくなる。従って、高温での表
面状態の悪化を防止する観点からしても高温成長時に於
ける遅延時間は短縮させる。約１０００℃〜約１１００
℃でのＭＯＣＶＤ法による複Ｖ族混晶層の成長にあっ
て、遅延時間は数秒から約６０秒以内とするのが望まし
い。

【００４３】多相構造の発光層を形成するに際し、成長
温度をより高温とすると、より大きな体積の従属相が得
られ易くなる。高温環境下では、液滴相互の合着や融合
が顕著となり易くなる結果、体積の大きな液滴が形成さ
れ易い。従属相は液滴に第Ｖ族源が溶解してやがて化合
し、固化して形成されると思量され、大きな液滴からは
体積の大きな従属相が帰結される。成長温度を略同一と
した場合、上記の遅延時間を長くする程、大きな液滴、
即ち、大きな従属相がもたらされる傾向がある。例え
ば、１１００℃で成長させた多相構造のＧａＮ_0.92Ｐ
_0.08からなる複Ｖ族混晶内には、数ｎｍから数十ｎｍ程
度の量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔ）様の微結晶
体からなる従属相に加えて、数μｍから約３０μｍの結
晶塊からなる従属相の存在が認知される場合がある。

【００４４】特に、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y（０≦Ｘ≦
１、０＜Ｙ＜１）で表記される複Ｖ族混晶からは、障壁
層との障壁の差を好適とする多相構造の発光層を構成で
きる。障壁層と発光層との障壁差を適度に維持できれ
ば、発光の「閉じ込め」効果を充分に発揮できるヘテロ
接合発光部を好都合に構成できる。例えば、Ａｌ_0.10Ｇ
ａ_0. ₉₀Ｎ_0.95Ｐ_0.05障壁層とＧａＮ_0.95Ｐ_0.05発光層と
からは、禁止帯幅の差異を約０．３ｅＶとする単一或い
は二重ヘテロ接合発光部を構成できる。本発明の第９の
実施形態の発光層は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y（０≦Ｘ≦
１、０＜Ｙ＜１）から構成するのが好ましい。

【００４５】

【作用】本発明に記載の緩衝層は、Ｓｉ単結晶基板との
格子ミスマッチを緩和して、結晶性に優れる障壁層をも
たらす作用を有する。また、結晶性に優れた障壁層は、
結晶性に優れる発光層をもたらす作用を有する。

【００４６】

【実施例】（実施例１）Ｓｉ単結晶上にリン化硼素（Ｂ
Ｐ）緩衝層を介して設けた格子整合系の発光部を具備し
たＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを例にして本発明を具体
的に説明する。本実施例に係わるＬＥＤ１０の断面模式
図を図１に示す。

【００４７】基板１０１には、硼素（Ｂ）ドープでｐ形
の（１１１）面を有するＳｉ単結晶を用いた。基板１０
１上にはリン化硼素（ＢＰ）からなる低温結晶層１０２
−１を堆積した。低温結晶層１０２−１はトリエチル硼
素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ
₂）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で成長させ
た。低温結晶層１０２−１の層厚は約１２ｎｍとした。
低温結晶層１０２−１の表面には、上記のＭＯＣＶＤ気
相成長手段を利用して、１１００℃でマグネシウム（Ｍ
ｇ）をドーピングしたｐ形ＢＰ層を高温結晶層１０２−
２として積層した。マグネシウムのドーピング源にはビ
ス−シクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ
₅Ｈ₄）₂Ｍｇ）を用いた。高温結晶層１０２−２のキャ
リア濃度は約７×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。層厚は５００ｎ
ｍとした。低温結晶１０２−１と高温結晶層１０２−２
との重層構造から緩衝層１０２を構成した。

【００４８】高温結晶層１０２−２上には、リン化硼素
（ＢＰ）と格子整合するアルミニウム組成比を０．１０
（＝１０％）とし、リン（Ｐ）組成比を０．０３（＝３
％）とするマグネシウムドープでｐ形の窒化リン化アル
ミニウム・ガリウム（Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ_0.97Ｐ_0.03）
層を下部クラッド層１０４として積層した。高温結晶層
１０２−２をなすＢＰ（格子定数＝４．５３８Å）と下
部クラッド層１０３のＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ_0.97Ｐ_0.03混
晶層（格子定数＝４．５２６Å）との格子ミスマッチ度
は、高温結晶層１０２−２の格子定数を基準として約
０．３％であった。立方晶Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ_0.97Ｐ
_0.03障壁層１０３は、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ
₃）₃Ａｌ）／トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／
ＰＨ₃／ＮＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により１１００
℃で成長させた。下部クラッド層１０３のキャリア濃度
は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約５００ｎｍとし
た。

【００４９】下部クラッド層１０３上には、層厚を約１
０ｎｍとするｎ形の立方晶窒化リン化ガリウム（ＧａＮ
_0.95Ｐ_0.05）からなる発光層１０４を積層した。発光層
１０４の格子定数は４．５５７Åであり、下部クラッド
層１０３と発光層１０４との格子ミスマッチ度は、下部
クラッド層１０３の格子定数を基準にしてマイナス
（−）約０．７％となった。発光層１０４は、トリメチ
ルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／ＰＨ₃／ＮＨ₃／Ｈ₂系
常圧ＭＯＣＶＤ法により１１００℃で成長させた。

【００５０】発光層１０４の表面上には、（ＣＨ₃）₃Ａ
ｌ／（ＣＨ₃）₃Ｇａ／ＰＨ₃／ＮＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣ
ＶＤ法により１１００℃で上部クラッド層１０５を積層
した。上部クラッド層１０５はＳｉドープでｎ形のＡｌ
_0.10Ｇａ_0.90Ｎ_0.97Ｐ_0.03層（格子定数＝４．５２６
Å）から構成した。上部クラッド層１０５と立方晶Ｇａ
Ｎ _0.95Ｐ_0.05発光層１０４との格子ミスマッチ度は、発
光層１０４を基準として約０．７％となった。上部クラ
ッド層１０６のキャリア濃度は約８×１０¹⁷ｃｍ^-3と
し、層厚は１２５ｎｍとした。下部クラッド１０３と発
光層１０４と上部クラッド層１０５とから格子整合系の
ｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部１０６を構成
した。

【００５１】上部クラッド層１０５上には、ｎ形リン化
硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層１０７を積層させた。
電流拡散層１０７をなすＳｉドープのＢＰ層は、（Ｃ₂
Ｈ₅）₃Ｂ／ＰＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により、１１
００℃で成長させた。電流拡散層１０７の層厚は約５０
ｎｍとし、また、キャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3に
設定した。

【００５２】上記の各層の積層が終了したｐ形Ｓｉ単結
晶基板１０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からな
るｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０９を形成し
た。また、電流拡散層１０７の表面の中央には、金（Ａ
ｕ）からなるｎ形オーミック電極１０８を配置した。ｐ
形オーミック電極１０８の直径は約１３０μｍとした。
然る後、基板１０１としたＳｉ単結晶を［２１１］方向
に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３００μｍ
とするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）１０となした。

【００５３】ｎ形およびｐ形オーミック電極１０８、１
０９間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ
−Ｖ特性）は発光部１０６の良好なｐｎ接合特性に基づ
く正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方
向電圧（Ｖｆ）は約３．１Ｖ（但し、順方向電流を２０
ｍＡとする。）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ
（但し、逆方向電流を１０μＡとする）となった。順方
向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際
には、発光中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射
された。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであっ
た。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態で
の発光強度は約１６マイクロワット（μＷ）となり、高
発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。

【００５４】（実施例２）実施例１に記載の積層構造体
に於いて、高温結晶層１０２−２のみを砒化窒化ガリウ
ム（ＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02）層に変更し、他の構成層は実
施例１と同一としてＬＥＤを構成した。立方晶ＧａＮ
_0.98Ａｓ_0.02層（格子定数＝４．５３３Å）とＡｌ_0.10
Ｇａ_0.90Ｎ_0.97Ｐ_0.03下部クラッド層（格子定数＝４．
５２６Å）との格子ミスマッチ度は高温結晶層の格子定
数を基準として約０．２％の格子整合の関係となった。

【００５５】実施例１に記載の如く形成したｎ型および
ｐ型オーミック電極間に２０ｍＡの順方向電流を通流し
たところ、中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射
された。順方向電圧（Ｖｆ）は約３．１Ｖとなった。チ
ップ状態での発光強度は約１５μＷであり、高発光強度
のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。

【００５６】（実施例３）リン（Ｐ）ドープのｎ形で
（１１１）面を有するＳｉ単結晶基板２０１上に、ジボ
ラン（Ｂ₂Ｈ₆）／（ＣＨ₃）₃Ｇａ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂系減圧
ＭＯＣＶＤ法で４００℃で砒化硼素・ガリウム（Ｂ_XＧ
ａ_1-XＡｓ）から構成した低温結晶層２０２を積層させ
た。硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）はＳｉ単結晶に格子整合
する０．２５とした。低温結晶層２０２−１は約１．３
×１０⁴パスカル（Ｐａ）の減圧下で成長させた。低温
結晶層２０２−１の層厚は約１５ｎｍとした。

【００５７】断面ＴＥＭ法での観察に依れば、成膜時の
アズーグローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態のＢ_0.25Ｇａ
_0.75Ａｓ低温結晶層２０２−１では、Ｓｉ単結晶基板２
０１との接合面から大凡、３ｎｍに至る領域は単結晶と
なっていた。また、Ｂ_0.25Ｇａ _0.75Ａｓ低温結晶層２０
２−１とｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１とには、剥離は認め
られず良好な密着性が保持された。低温結晶層２０２−
１の上部は非晶質体を主体として構成されていた。

【００５８】Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ低温結晶層２０２−１
上には、上記の減圧ＭＯＣＶＤ反応系を利用して、９５
０℃で硼素組成（＝Ｘ）に組成勾配を付与したＳｉドー
プのＢ _XＧａ_1-XＰ高温結晶層２０２−２を積層した。硼
素（Ｂ）の組成比は、高温結晶層２０２−２の層厚の増
加方向に０．０２より１．０に直線的に増加させた。即
ち、組成勾配を付した高温結晶層２０２−２の表面はリ
ン化硼素（ＢＰ）層とした。硼素（Ｂ）の組成勾配は、
ＭＯＣＶＤ反応系へのジボランの供給量を経時的に一律
に増加させ、逆にトリメチルガリウムの供給量を一律に
減少させて付した。層厚は約３７０ｎｍとした。高温結
晶層２０２−２の成長時の反応系の圧力は約１．３×１
０⁴Ｐａに設定した。Ｂ_XＧａ_1-XＰ組成勾配（Ｘ＝０．
０２→１．０）層からなる高温結晶層２０２−２の成長
時には、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）−Ｈ ₂混合ガスを使用し
てＳｉをドーピングした。キャリア濃度は約１×１０¹⁸
ｃｍ^- ³に設定した。Ｘ線回折分析法での解析に依れば、
高温結晶層２０２−２は（１１１）配向性の立方晶のＢ
_XＧａ_1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）結晶層であると認
められた。

【００５９】高温結晶層２０２−２としたＢ_XＧａ_1-XＰ
組成勾配層の成膜を終了した後では、Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａ
ｓ低温緩衝層２０２−１内部の非晶質体の大部分は、ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ状態でＳｉ単結晶基板２０１との境界領
域に存在していた単結晶層を基として単結晶化した。ま
た、Ｂ_XＧａ_1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）高温結晶層
２０２−２は、Ｓｉ単結晶と格子整合する組成のＢ_0.25
Ｇａ_0.75Ａｓ（格子定数＝５．４３１Å）からなる低温
結晶層２０２−１上に設けたため、剥離することのない
連続膜となった。緩衝層２０２は上記の低温結晶層２０
２−１及び高温結晶層２０２−２の重層構造から構成し
た。

【００６０】高温結晶層２０２−２上には、（ＣＨ₃）₃
Ａｌ／（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＰＨ₃／Ｈ₂系減圧
ＭＯＣＶＤ法により１０５０℃でｎ形Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97
Ｎ_0.97Ｐ_0.03からなる下部クラッド層２０３を設けた。
組成勾配を付したＢ_XＧａ_1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．
０）高温結晶層２０２−２の表面をなすＢＰ層（格子定
数＝４．５３８Å）とＡｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ_0.97Ｐ_0.03層
（格子定数＝４．５３４Å）との格子ミスマッチ度はＢ
Ｐ単結晶の格子定数を基準にして約０．０９％であり、
格子整合の関係となった。下部クラッド層２０３の成長
時には、Ｓｉ₂Ｈ₆−Ｈ₂混合ガスを使用してＳｉをドー
ピングした。下部クラッド層２０３のキャリア濃度は約
５×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、また、層厚は約３００ｎｍとし
た。

【００６１】下部クラッド層２０３の上には、（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＮＨ₃／ＰＨ₃／Ｈ₂系減圧Ｍ
ＯＣＶＤ法により９５０℃で立方晶のｎ形Ｇａ_0.90Ｉｎ
_0.10Ｎ_0.97Ｐ_0.03（格子定数＝４．５８５Å）を主体相
とする多相構造の発光層２０４を積層した。多相構造発
光層２０４の成長に際しては、ガリウム源及びインジウ
ム源としたトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）及び
シクロペンタジエニルインジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）を予め
ＭＯＣＶＤ反応系に供給しておき、その供給を開始して
３０秒を経過した後、他のＩＩＩ族源及びＶ族源を供給
する手段を採った。立方晶の発光層２０４の主体相と下
部クラッド層２０３との格子ミスマッチ度は、下部クラ
ッド層２０３の格子定数を基準にして、約＋１．１％の
格子整合の関係となった。多相構造発光層２０４を構成
する従属相は窒素組成比を大凡、０．９０〜０．９５と
するＧａＩｎＮＰから構成されていた。発光層２０４の
層厚は約８０ｎｍとした。

【００６２】多相構造発光層２０４の上には、マグネシ
ウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ
_0.97Ｐ_0.03（格子定数＝４．５３４Å）からなる上部ク
ラッド層２０５を積層した。上部クラッド層２０５は、
（ＣＨ₃）₃Ａｌ／（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＰＨ₃
／Ｈ₂系減圧ＭＯＣＶＤ法により１０５０℃で成長し
た。上部クラッド層２０５のキャリア濃度は７×１０¹⁷
ｃｍ^-3とし、層厚は約１０ｎｍとした。下部クラッド層
２０３、多相構造発光層２０４、及び上部クラッド層２
０５とから格子整合系のｐｎ接合型のＤＨ構造の発光部
２０６を構成した。

【００６３】上部クラッド層２０５上には、ｐ形砒化硼
素（ＢＡｓ）からなるコンタクト層２０７を積層させ
た。コンタクト層２０７をなすＭｇドープＢＡｓ層は、
（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法によ
り、９５０℃で成長させた。コンタクト層２０７の層厚
は約５０ｎｍとし、また、キャリア濃度は約３×１０¹⁸
ｃｍ^-3に設定した。

【００６４】上記の各層の積層が終了したｎ形Ｓｉ単結
晶基板２０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からな
るｎ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極２０９を形成し
た。また、コンタクト層２０７の表面の中央には、金
（Ａｕ）からなるｐ形オーミック電極２０８を配置し
た。ｐ形オーミック電極２０８の直径は約１１０μｍと
した。然る後、基板２０１としたＳｉ単結晶を［２１
１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約２
６０μｍとするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）２０となし
た。

【００６５】ｐ形およびｎ形オーミック電極２０８、２
０９間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ
−Ｖ特性）は発光部２０６の良好なｐｎ接合特性に基づ
く正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方
向電圧（Ｖｆ）は約３．２Ｖ（但し、順方向電流を２０
ｍＡとする。）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ
（但し、逆方向電流を１０μＡとする。）となった。順
方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した
際には、発光中心波長を約４０４ｎｍとする青紫色光が
出射された。発光スペクトルの半値幅は約２２ｎｍであ
った。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態
での発光強度は約１４マイクロワット（μＷ）となり、
高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供され
た。

【００６６】

【発明の効果】本発明に依れば、導電性のＳｉ単結晶基
板表面上に緩衝層を介して、窒素（Ｎ）と窒素以外の第
Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる障壁層
と発光層とからなるヘテロ接合構造からなる発光部を設
ける構成としたので、簡便な電極配置手段をもって、高
発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供でき
る。

【００６７】また、緩衝層を、低温で成長した低温結晶
層と高温で成長した高温結晶層との重層構造から構成す
ると、緩衝層上には結晶性に優れる複Ｖ族混晶からなる
ヘテロ接合発光部を構成することができ、高発光強度の
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供できる。

【００６８】また、緩衝層を窒素（Ｎ）と、リン（Ｐ）
または砒素（Ａｓ）とを構成元素として含むＩＩＩ族窒
化物半導体から構成すると、緩衝層上に特に結晶性に優
れる複Ｖ族混晶からなるヘテロ接合発光部を構成するこ
とができ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
を提供できる。

【００６９】また、緩衝層を硼素（Ｂ）と、リン（Ｐ）
または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体から構成すると、緩衝層上に特に結晶性に
優れる複Ｖ族混晶からなるヘテロ接合発光部を構成する
ことができ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素
子を提供できる。

【００７０】また、障壁層を、緩衝層に格子整合する窒
素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含む複Ｖ族混晶層
から構成すると、結晶性に優れる混晶層から格子整合系
のヘテロ接合発光部を形成することができ、高発光強度
のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供できる。

【００７１】特に、障壁層を窒化リン化アルミニウム・
ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ
＜１）から構成すると、発光層との適度の障壁差を維持
しつつ、良好な結晶性を有する複Ｖ族混晶から発光部を
構成することができるため、高発光強度のＩＩＩ族窒化
物半導体発光素子を提供できる。

【００７２】また、発光層を障壁層と格子ミスマッチ度
にして±３％以下で格子整合する窒素（Ｎ）と窒素以外
の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成す
ると、結晶性に優れる発光層を含む発光部を構成するこ
とができるため、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発
光素子を提供できる。

【００７３】また、発光層を第ＩＩＩ族構成元素または
第Ｖ族構成元素の組成比を異にする複数の相からなる多
相構造の結晶層から構成すると、高強度の発光をもたら
す発光層を構成することができ、従って、高発光強度の
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供できる。

【００７４】特に、発光層を窒化リン化ガリウム・イン
ジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜
１）から構成すると、発光強度の増大を来す発光層を含
み、しかも格子整合系からなる発光部を構成することが
できるため、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素
子を提供できる。

【００７５】また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光
素子の製造方法は、上記のような特有の性能を有するＩ
ＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造することができるＩ
ＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係るＬＥＤの断面模式図である。

【図２】実施例２に係るＬＥＤの断面模式図である。

【符号の説明】

１０、２０ＬＥＤ１０１、２０１Ｓｉ単結晶基板１０２、２０２緩衝層１０２−１、２０２−１低温結晶層１０２−２、２０２−２高温結晶層１０３、２０３下部クラッド層１０４、２０４発光層１０５、２０５上部クラッド層１０６、２０６発光部１０７電流拡散層２０７コンタクト層１０８、２０９ｎ形オーミック電極１０９、２０８ｐ形オーミック電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基
板上に設けられた緩衝層と、該緩衝層上に形成された、
窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒
化物半導体からなる障壁層と発光層とにより構成される
ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなるＩＩＩ族窒化物
半導体発光素子。
【請求項２】緩衝層を、次に成長する高温結晶層より低
温で成長した低温結晶層と、該低温結晶層上に低温結晶
層より高温で成長した高温結晶層とからなる重層構造か
ら構成したことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族
窒化物半導体発光素子。
【請求項３】緩衝層を、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）
と窒素（Ｎ）とを構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半
導体から構成したことを特徴とする請求項１または２に
記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】緩衝層を、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）
と硼素（Ｂ）とを構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体から構成したことを特徴とする請求項１または
２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】障壁層を、窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族
元素とを含み緩衝層に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導
体から構成したことを特徴とする請求項１乃至４に記載
のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】障壁層を、窒化リン化アルミニウム・ガリ
ウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ_1- _YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜
１）から構成したことを特徴とする請求項１乃至５の何
れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】発光層を、障壁層と格子整合する、窒素
（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物
半導体から構成したことを特徴とする請求項１乃至６の
何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】発光層を、第ＩＩＩ族構成元素または第Ｖ
族構成元素の組成比（濃度）を異にする複数の相（ｐｈ
ａｓｅ）からなる多相構造の結晶層から構成したことを
特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＩＩＩ
族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】発光層を、窒化リン化ガリウム・インジウ
ム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）
から構成したことを特徴とする請求項１乃至８の何れか
１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板上に緩
衝層を設ける工程と、該緩衝層上に窒素（Ｎ）と窒素以
外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる
障壁層と発光層とにより構成されるヘテロ接合構造の発
光部を設ける工程を具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光
素子の製造方法。
【請求項１１】緩衝層を、次に成長する高温結晶層より
低温で成長した低温結晶層と、該低温結晶層上に低温結
晶層より高温で成長した高温結晶層とからなる重層構造
から構成したことを特徴とする請求項１０に記載のＩＩ
Ｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】緩衝層を、リン（Ｐ）または砒素（Ａ
ｓ）と窒素（Ｎ）とを構成元素として含むＩＩＩ族窒化
物半導体から構成したことを特徴とする請求項１０また
は１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方
法。
【請求項１３】緩衝層を、リン（Ｐ）または砒素（Ａ
ｓ）と硼素（Ｂ）とを構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体から構成したことを特徴とする請求項１０
または１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製
造方法。
【請求項１４】障壁層を、窒素（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ
族元素とを含み緩衝層に格子整合するＩＩＩ族窒化物半
導体から構成したことを特徴とする請求項１０乃至１３
に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】障壁層を、窒化リン化アルミニウム・ガ
リウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ _1-YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜
１）から構成したことを特徴とする請求項１０乃至１４
の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の
製造方法。
【請求項１６】発光層を、障壁層と格子整合する窒素
（Ｎ）と窒素以外の第Ｖ族元素とを含むＩＩＩ族窒化物
半導体から構成したことを特徴とする請求項１０乃至１
５の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
の製造方法。
【請求項１７】発光層を、第ＩＩＩ族構成元素または第
Ｖ族構成元素の組成比（濃度）を異にする複数の相（ｐ
ｈａｓｅ）からなる多相構造の結晶層から構成したこと
を特徴とする請求項１０乃至１６の何れか１項に記載の
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】発光層を、窒化リン化ガリウム・インジ
ウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ_1- _YＰ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜
１）から構成したことを特徴とする請求項１０乃至１７
の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の
製造方法。