JP2004134812A - Nitride compound semiconductor element - Google Patents

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宇田川 隆
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a nitride compound semiconductor element which has an excellent light emitting intensity. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor light emitting element which includes an active layer consists of a group III nitride semiconductor including gallium and indium, a first clad layer consists of a first conduction form nitride semiconductor including gallium, and a second clad layer consists of a second conduction type nitride semiconductor layer including gallium on a single crystal substrate, has a structure, in which a junction layer consists of a nitride compound semiconductor doped with indium is provided between a light emitting layer and the clad layer adjoinig the light emitting layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

格子不整合系窒化物化合物半導体層からなる活性層を備えた窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体素子に係わり、特に、発光強度の増大をもたらされる活性層(発光層)を備えた窒化物化合物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor device having an active layer composed of a lattice-mismatched nitride compound semiconductor layer, and more particularly to a nitride compound semiconductor having an active layer (light-emitting layer) capable of increasing light emission intensity. It relates to a light emitting element.

青色、青緑色或いは緑色等の短波長光の発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)等の窒化物化合物半導体発光素子は、一般式AlxGayIn1-x-yN(x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)からなる活性層が具備された積層体から構成されている。第III族元素としてホウ素(B)を含む、例えば3元系或いは4元系のIII族窒化物化合物半導体混晶も活性層となり得る。LEDやLD等の発光素子にあっては、活性層は発光層である。その他、窒素(N)以外と窒素以外の第V族元素を構成元素として含む、例えばヒ化窒化ガリウム(GaAsN)等や複数の第III族元素と複数の第V族元素を含む窒化物化合物半導体も活性層となり得る材料である。 Blue, nitride compound semiconductor light-emitting elements such as blue-green or green, etc. short-wavelength light emitting diodes (LED) and laser diodes (LD) has the general formula Al x Ga y In 1-xy N (x + y = 1,0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1). For example, a ternary or quaternary group III nitride compound semiconductor mixed crystal containing boron (B) as a group III element can also be an active layer. In a light emitting element such as an LED or an LD, the active layer is a light emitting layer. In addition, a nitride compound semiconductor containing, for example, gallium arsenide nitride (GaAsN) or a plurality of Group III elements and a plurality of Group V elements, such as gallium arsenide nitride (GaAsN), as a constituent element other than nitrogen (N). Is also a material that can be an active layer.

 図1に窒化ガリウム・インジウム(GaxIn1-xN:x≠1、0≦x<1)混晶を発光層とする青色LEDの構造を例示する。従来の青色LEDはサファイア基板(101)上に窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN:0≦x≦1)緩衝層(102)、珪素(Si)或いはアンド−プ(無添加)のn形の窒化ガリウム(GaN)層からなる下部クラッド層(103)、インジウム組成比(x)を約0.05〜0.06とするn形の窒化ガリウム・インジウム(Ga1-xInxN;0<x≦1)混晶層からなる活性層(104)、成膜時にドーピングされたマグネシウムをアニール(熱処理)によって電気的に活性化されたp形の窒化アルミニウム・ガリウム(AlyGa1-yN;0<y<1)混晶からあなる上部クラッド層(105)及びp形窒化ガリウム(GaN)からなるコンタクト層(106)が順次堆積された、窒化物化合物半導体からなる積層体から構成さされている。上記の積層構造にあって、n形とした窒化ガリウム・インジウム混晶は青色の発光を担う発光層として利用されている。この発光層にはまた、発光の機構(メカニズム)並びに原理に及ぼす影響は未だ明確に解明されてはいないものの、亜鉛(Zn)等のアクセプター不純物と珪素等のドナー不純物が同時にドーピングされるのが常である(例えば、特許文献1参照。)。窒化ガリウムに多量のインジウムを含有させて混晶化させる必要のある窒化ガリウム・インジウム混晶層を敢えて発光層として採用するのは、この混晶化に依って亜鉛不純物が関与するとされる発光を視感度の高い波長帯の青色発光帯へと移行できるからである(例えば、特許文献2参照。)。 FIG. 1 illustrates the structure of a blue LED using a gallium indium nitride (Ga x In 1 -xN: x ≠ 1, 0 ≦ x <1) mixed crystal as a light emitting layer. The conventional blue LED has a buffer layer (102) of aluminum / gallium nitride (Al x Ga 1-x N: 0 ≦ x ≦ 1), silicon (Si) or undoped (no addition) on a sapphire substrate (101). a lower cladding layer made of n-type gallium nitride (GaN) layer (103), indium composition ratio (x) of about 0.05 to 0.06 to n-type gallium indium nitride (Ga 1-x in x n ; 0 <x ≦ 1) active layer composed of a mixed crystal layer (104), annealing the magnesium doped during deposition (heat treatment) by an electrically activated p-type aluminum gallium nitride (Al y Ga 1 -y N; 0 <y <1) A laminate made of a nitride compound semiconductor in which an upper clad layer (105) made of a mixed crystal and a contact layer (106) made of p-type gallium nitride (GaN) are sequentially deposited. Or It has been constructed. In the above laminated structure, the n-type gallium-indium nitride mixed crystal is used as a light-emitting layer that emits blue light. The light emitting layer is also doped with an acceptor impurity such as zinc (Zn) and a donor impurity such as silicon at the same time, though the mechanism of the light emission and its influence on the principle have not been elucidated yet. This is always the case (for example, see Patent Document 1). A gallium nitride-indium mixed crystal layer, which needs to contain a large amount of indium in gallium nitride to form a mixed crystal, is intentionally adopted as a light emitting layer because light emission that is considered to involve zinc impurities due to this mixed crystal formation is considered. This is because it is possible to shift to a blue light emission band in a wavelength band having high visibility (for example, see Patent Document 2).

 青色LEDに限らず、最近では図2に掲示する窒化物化合物半導体積層体からなる発光中心波長を約510ナノメータ(nm)とする緑色LEDが実用化されるに至っている(例えば、非特許文献1参照。)。窒化物化合物半導体積層体から構成される緑色発光LEDは、旧来の窒素をアイソエレクトノニック(等電子)トラップとして含む擬間接遷移型のホモ接合型リン化ガリウム(GaP)LED(例えば、非特許文献2参照。)と発光輝度を比較すれば、約60倍と著しい発光輝度の向上が達成されている。この旧来に無い高強度の緑色発光を呈する緑色LEDの発光層として使用されているのは、やはり窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga1-xInxN:0<x≦1)である。しかも、上記の青色LEDの場合よりもインジウム混晶比(x)を約0.20と大とする窒化ガリウム・インジウム混晶である。このため、上記の青色、緑色LEDに限らず、青緑或いは黄色LED等の短波長LEDや青色若しくは緑色などの短波長LDにも窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga1-xInxN:0<x≦1)は高発光出力をもたらす発光層として利用されているに至っている。 Not only blue LEDs but also green LEDs having a light emission center wavelength of about 510 nanometers (nm) made of the nitride compound semiconductor laminate shown in FIG. 2 have recently been put into practical use (for example, Non-Patent Document 1). reference.). A green light-emitting LED composed of a nitride compound semiconductor laminated body is a pseudo-indirect transition type homojunction gallium phosphide (GaP) LED that includes conventional nitrogen as an isoelectric electron (isoelectronic) trap (for example, Non-Patent Comparing the light emission luminance with reference 2), a remarkable improvement of the light emission luminance of about 60 times has been achieved. A gallium-indium nitride mixed crystal (Ga 1-x In x N: 0 <x ≦ 1) is also used as a light-emitting layer of a green LED that emits unprecedented high-intensity green light. In addition, it is a gallium nitride-indium mixed crystal whose indium mixed crystal ratio (x) is increased to about 0.20 as compared with the case of the blue LED. Therefore, the above blue, not only the green LED, blue-green or yellow LED etc. short-wavelength LED and a blue or green short wavelength LD also gallium indium nitride mixed crystal such as the (Ga 1-x In x N : 0 <X ≦ 1) has been used as a light emitting layer that provides a high light emission output.

 しかし、窒化ガリウム・インジウム混晶層を形成するには、結晶成長上多大な技術的困難を伴うのは周知である。窒化ガリウム・インジウム混晶層の成長に一般的に利用される有機金属熱分解気相成長法(一般にMOCVD、MOVPE、OMCVD法などと略称される)の場合を例にすれば、結晶性に優れる窒化ガリウム・インジウム混晶層が安定的に得られるとされる成長温度の領域が約750℃〜約800℃近傍の極めて狭い範囲に限定されている。また、インジウムの取り込まれ率も極端に低い上に、インジウム組成比は成長反応系に添加したインジウム原料の濃度に応じて一様に変化しない。取り込まれ率とは、MOCVD成長方法にあっては、一般に成長反応系に添加される第III族気体原料の総量(通常はモル(mol)数で表される)に占めるインジウム気体原料の割合(インジウム原料のモル比率)と窒化ガリウム・インジウム混晶中のインジウム組成比との比率である。所謂、インジウムの気相組成比に対するインジウム固相比(=インジウムの組成比)の比率であって、取り込まれ率が高い程、インジウムが効率良く気相から固相(混晶)中に取り込まれることを意味している。例えば、成長温度を800℃とした場合、インジウムの取り込まれ率は原料モル比率が約0.9以上で急激に増加し始める(例えば、非特許文献3参照。)。更に、混晶成長上の不安定さを増長しているのは、±10℃程度の僅かな成長温度の変化によって層内へのインジウムの取り込まれ率が極端に変動することである。尚一層、安定成長に支障を及ぼすのは、成長温度の高温化に付随して適正なインジウム組成比が必然的に低下をすることである。発光素子の活性層(発光層)としての適否は、通常はフォトルミネッセンス(PL)発光の強度をもって判断される。ここで云う「適正」なインジウム組成比とは、フォトルミネッセンス発光をもたらす組成比である。この「適正」なインジウム組成比は成長温度に関してほぼ一義的に決定される数値であって、この数値以下或いはそれ以上でもフォトルミネッセンス発光は得られないか、消衰したものとなる。要約すれば、設定された成長温度に対して一義的に決まる適正なインジウム組成比を得るために極めて精密なインジウム組成比の制御が要求されると云う混晶成長上の問題点があった。 However, it is well known that forming a gallium-indium nitride mixed crystal layer involves great technical difficulties in crystal growth. In the case of a metal organic pyrolysis vapor deposition method generally used for growing a gallium indium / indium mixed crystal layer (generally abbreviated as MOCVD, MOVPE, OMCVD, etc.), excellent crystallinity is obtained. The range of the growth temperature at which a gallium-indium nitride mixed crystal layer can be obtained stably is limited to an extremely narrow range of about 750 ° C. to about 800 ° C. In addition, the incorporation rate of indium is extremely low, and the indium composition ratio does not change uniformly according to the concentration of the indium raw material added to the growth reaction system. In the MOCVD growth method, the incorporation rate is a ratio of the indium gas source to the total amount of the group III gas source generally added to the growth reaction system (usually expressed by moles). (Molar ratio of indium raw material) and the indium composition ratio in the gallium nitride-indium mixed crystal. This is the so-called ratio of the indium solid phase ratio (= indium composition ratio) to the indium gas phase composition ratio. The higher the rate of incorporation, the more efficiently indium is incorporated from the gas phase into the solid phase (mixed crystal). Means that. For example, when the growth temperature is 800 ° C., the incorporation rate of indium starts to increase sharply when the raw material molar ratio is about 0.9 or more (for example, see Non-Patent Document 3). Further, the instability in the mixed crystal growth is enhanced by the fact that the incorporation rate of indium into the layer fluctuates extremely due to a slight change in the growth temperature of about ± 10 ° C. What further hinders stable growth is that an appropriate indium composition ratio necessarily decreases with an increase in growth temperature. Suitability of a light-emitting element as an active layer (light-emitting layer) is usually determined by the intensity of photoluminescence (PL) light emission. The “appropriate” indium composition ratio referred to here is a composition ratio that causes photoluminescence emission. This “proper” indium composition ratio is a value that is almost uniquely determined with respect to the growth temperature, and even if the value is less than or greater than this value, no photoluminescence emission is obtained or the light is attenuated. In summary, there has been a problem in mixed crystal growth that extremely precise control of the indium composition ratio is required to obtain an appropriate indium composition ratio uniquely determined for a set growth temperature.

 窒化ガリウム・インジウム混晶の一般的な成長方法として知られているMOCVD法にあって、この混晶はトリメチルインジウム((CH33In:略称TMI)などをインジウム供給源として、また、窒素供給源としてアンモニアを用いて成長されるのが通例である。しかし、TMI等の様なトリアルキルインジウム化合物はルイス(Lewis)酸性を呈し(例えば、非特許文献4参照。)、一方のアンモニアはアルシン(AsH3)等の他の第V族元素の水素化物と同様にのルイス塩基性物質である。この様に、一方の原料化合物は外殻電子を他分子に供給する性質(電子供与性)を有し、他方はその電子を受容する性質(電子受容性)の原料化合物の組み合わせからなる原料構成系にあっては、原料化合物の分子が相互に引き合う力が強いため容易に結合する。その結果、難解離性のポリマー(polymer)状物質が形成される(例えば、非特許文献5参照。)。この様な気相でのポリマー化反応はトリアルキル化合物と第V族の水素化物を用いるインジウム系化合物のMOCVD成長で、特に顕著に起こることが知られている(例えば、非特許文献6、10参照。)。或るインジウム組成比の混晶を得るべく成長反応系内に供給されるインジウム原料がこの様な複合体の形成に消費されれば、当然の事ながら、所望するインジウム組成比を有するインジウム系混晶が得られなくなる不具合を招く。この様なインジウム系混晶の成長を実施する上で原料相互の複雑な気相反応も従来技術に付随する上記の問題点、特にインジウム混晶比の不安定性の解決をより困難にしている。 In the MOCVD method which is known as a general method for growing gallium-indium nitride mixed crystal, this mixed crystal uses trimethyl indium ((CH 3 ) 3 In: TMI) or the like as an indium supply source and nitrogen. It is customary to grow using ammonia as a source. However, a trialkylindium compound such as TMI exhibits Lewis acidity (see, for example, Non-Patent Document 4), and ammonia is a hydride of another group V element such as arsine (AsH 3 ). It is the same Lewis basic substance as described above. As described above, one raw material compound has a property of supplying outer electrons to other molecules (electron donating property), and the other has a raw material composition composed of a combination of raw material compounds having the property of accepting the electron (electron accepting property). In the system, the molecules of the raw material compounds are easily bonded due to their strong attraction to each other. As a result, a polymer material that is difficult to dissociate is formed (for example, see Non-Patent Document 5). It is known that such a polymerization reaction in the gas phase occurs particularly remarkably in MOCVD growth of an indium-based compound using a trialkyl compound and a hydride of Group V (for example, Non-Patent Documents 6 and 10). reference.). If the indium raw material supplied into the growth reaction system to obtain a mixed crystal having a certain indium composition ratio is consumed to form such a composite, naturally, an indium-based mixed material having a desired indium composition ratio is used. This causes a problem that crystals cannot be obtained. In performing such growth of an indium-based mixed crystal, a complicated gas-phase reaction between raw materials also makes it more difficult to solve the above-mentioned problems associated with the prior art, particularly, instability of the indium mixed crystal ratio.

 インジウム等の構成元素以外の第III族元素を原子濃度にして1×1017cm-3から7×1022cm-3の広い濃度範囲に亘りドーピングされた窒化物化合物半導体層の成長方法も開示されている(例えば、特許文献3参照。)。前記の様に、例えば従来の発光素子用途の窒化物化合物半導体積層体に発光層として備えられている窒化ガリウム・インジウム(Ga1-xInxN;0<x≦1)混晶はインジウムの組成比(x)を約0.05〜約0.15とするものである(例えば、特許文献4参照。)。例えば、インジウム組成比を0.15とするIn0.15Ga0.85N混晶のインジウム原子の濃度(原子濃度)は6.6×1021cm-3と計算される。この計算値は上記の従来例(例えば、特許文献5参照。)のインジウム原子等のドーピング濃度範囲内にある。即ち、従来例に提示される範囲のインジウムのドーピング濃度はインジウム含有窒化物混晶を形成するに充分に足るものである。例えば、窒化ガリウム層に許容される最高の濃度の7×1022cm-3のインジウムをドーピングすると仮定すると、その量は計算上、窒化ガリウム・インジウム混晶を形成するに充分な量どころか、窒化インジウム(InN)に変換するに足る量である。インジウムを含む混晶が形成される得るインジウムの高濃度ドーピングに付随するのは、やはり前記した如くのインジウム組成比の不安定性を招く成長技術上の問題である。インジウムの高濃度ドーピングを施してもインジウムが格子間位置に配置して混晶とはならない状況となっても残存する問題は類似であり、トリアルキルインジウム原料と窒素の水素化物原料との気相複合体化反応に基づくインジウム固溶濃度の不安定性である。従来技術(例えば、特許文献6参照。)には、インジウムの高濃度ドーピングに付帯するこれら不具合を解決する方法は提示されていない。 Also disclosed is a method for growing a nitride compound semiconductor layer doped with a group III element other than a constituent element such as indium in an atomic concentration range of 1 × 10 17 cm −3 to 7 × 10 22 cm −3. (See, for example, Patent Document 3). As described above, for example, a gallium-indium nitride (Ga 1-x In x N; 0 <x ≦ 1) mixed crystal provided as a light-emitting layer in a conventional nitride compound semiconductor laminate for a light-emitting element is composed of indium. The composition ratio (x) is set to about 0.05 to about 0.15 (for example, see Patent Document 4). For example, the concentration (atomic concentration) of indium atoms in an In 0.15 Ga 0.85 N mixed crystal having an indium composition ratio of 0.15 is calculated to be 6.6 × 10 21 cm −3 . This calculated value falls within the doping concentration range of indium atoms and the like in the above-described conventional example (for example, see Patent Document 5). That is, the doping concentration of indium in the range shown in the conventional example is sufficient to form an indium-containing nitride mixed crystal. For example, assuming that the gallium nitride layer is doped with the highest concentration of indium of 7 × 10 22 cm −3 , the amount calculated is not sufficient to form a gallium nitride-indium mixed crystal, It is an amount sufficient to be converted into indium (InN). Accompanying the high doping of indium, which can form a mixed crystal containing indium, is a problem in the growth technique which also causes instability of the indium composition ratio as described above. Even if the indium is doped at a high concentration, the problem that the indium is located at the interstitial position and does not form a mixed crystal remains similar, and the vapor phase of the trialkylindium raw material and the nitrogen hydride raw material is similar. It is the instability of the indium solid solution concentration based on the complexation reaction. The prior art (see, for example, Patent Document 6) does not disclose a method for solving these problems associated with high-concentration indium doping.

 インジウム系窒化物化合物半導体混晶層の結晶成長上の困難さを迂回せんとして、低濃度のインジウムドーピングを施す場合にも、発光素子に於いて発光強度の増大を安定してもたらす発光層を作製するに有効なインジウムのドーピング濃度範囲やドーピング濃度の分布の態様などは依然として解明されていない状況にある。従来は、インジウムの最適なドーピングの濃度範囲は成長層内の自由電子濃度の減少或いは反対にアクセプター濃度の増大に基づく電気的な特性の観点からのみ規定されているからである(例えば、特許文献6参照。)。そこでは、インジウムが1×1021cm-3の濃度に添加された際に自由電子濃度は1×1016cm-3と最も低くなるとされる。一方、やはりインジウムが1×1021cm-3の濃度に添加された際に、最大のアクセプター濃度が得られるとされる(例えば、特許文献6参照)。これより、インジウムを1×1021cm-3の原子濃度となる様にドーピングするのが最も効果的であることが示唆されているに過ぎない。 A light-emitting layer that can stably increase the light-emitting intensity in light-emitting devices even when low-concentration indium doping is performed, bypassing the difficulty of crystal growth of the indium-based nitride compound semiconductor mixed crystal layer. However, the effective range of the doping concentration of indium and the manner of distribution of the doping concentration have not yet been elucidated. Conventionally, the optimum doping concentration range of indium is defined only from the viewpoint of electrical characteristics based on a decrease in the free electron concentration in the growth layer or, conversely, an increase in the acceptor concentration. 6). It is said that when indium is added to a concentration of 1 × 10 21 cm −3 , the free electron concentration becomes the lowest at 1 × 10 16 cm −3 . On the other hand, it is said that the maximum acceptor concentration is obtained when indium is added to a concentration of 1 × 10 21 cm −3 (for example, see Patent Document 6). This only suggests that it is most effective to dope indium with an atomic concentration of 1 × 10 21 cm −3 .

 ましてや、従来から採用されている窒化ガリウム・インジウム混晶発光層には亜鉛や珪素等の組み合わせからなる複数の不純物がドーピングされている(例えば、特許文献1、特許文献7参照。)。また、最近では、第II族元素と第VI族元素を同時にドーピングした窒化物化合物半導体層を発光層として備える窒化物化合物半導体発光素子も開示されている(例えば、特許文献8参照。)。これはもとはと云えば窒化ガリウム層内にドーピングされた亜鉛不純物に関与した青色フォトルミネッセンス発光の強度が珪素(Si)の共存の下で増大するという公知の現象(例えば、非特許文献7参照。)を、単にインジウムを含有する窒化ガリウム層に応用したに過ぎないものである。この発光強度の増大現象は亜鉛と珪素を共にドーピングした窒化ガリウム層を発光層とするMIS(金属−絶縁体−半導体)構造型LEDに既に応用されていた(例えば、特許文献9,10,11参照。)。翻れば、発光の増大をもたらすために具備すべきインジウム原子のドーピング濃度の分布態様に鑑みて、これらのドーピングされた不純物元素の分布態様をインジウムの原子濃度分布に関連させて改めて最適化する必要がある。 Furthermore, the gallium / indium mixed crystal light emitting layer that has been conventionally employed is doped with a plurality of impurities composed of a combination of zinc, silicon, and the like (for example, see Patent Documents 1 and 7). Recently, a nitride compound semiconductor light-emitting device including, as a light-emitting layer, a nitride compound semiconductor layer doped with a group II element and a group VI element simultaneously has also been disclosed (for example, see Patent Document 8). This is because of the known phenomenon that the intensity of blue photoluminescence emission associated with zinc impurities doped in the gallium nitride layer increases in the coexistence of silicon (Si) (for example, Non-Patent Document 7). Is simply applied to a gallium nitride layer containing indium. This phenomenon of increasing the light emission intensity has already been applied to a MIS (metal-insulator-semiconductor) structure type LED using a gallium nitride layer doped with zinc and silicon as a light-emitting layer (for example, Patent Documents 9, 10, 11). reference.). In other words, in view of the distribution of the doping concentration of indium atoms to be provided to increase light emission, the distribution of these doped impurity elements is again optimized in relation to the distribution of indium atomic concentration. There is a need.

 発光強度の大小は発光層の結晶性にも強く依存する。上記した青色或いは緑色LEDには基板としてサファイアが利用されている(図1及び2参照)。窒化ガリウム・インジウム混晶(InxGa1-xN;0<x≦1)はそもそもサファイアとは格子整合しない。この様な実用的な基板材料であるサファイアとは格子整合しない窒化物化合物半導体材料から発光層を構成する際に派生する問題点は、基板材料との格子不整合性に起因する転位や欠陥等の発光層への伝搬である。この様な結晶欠陥の伝搬は発光層とする窒化ガリウム・インジウム混晶の結晶品質を低下させる。上記の如く、従来のダブルヘテロ(DH)接合構造の発光素子の発光層或いは単一量子井戸構造からなる発光部もサファイア基板に格子整合しない。即ち、格子不整合性に基づく結晶欠陥の発光層への伝搬を充分に抑制するに足る構造となっていない。発光層をなす窒化物化合物半導体層の結晶性の低下を抑制するに不充分な構成は当然の事ながら、発光特性の改善等に支障となる。 The magnitude of the light emission intensity strongly depends on the crystallinity of the light emitting layer. The blue or green LED uses sapphire as a substrate (see FIGS. 1 and 2). Gallium-indium nitride mixed crystal (In x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) does not lattice match with sapphire in the first place. The problems that arise when constructing a light emitting layer from a nitride compound semiconductor material that does not lattice match with sapphire, which is a practical substrate material, are dislocations and defects caused by lattice mismatch with the substrate material. To the light emitting layer. The propagation of such crystal defects lowers the crystal quality of the gallium-indium nitride mixed crystal used as the light emitting layer. As described above, the light emitting layer of the light emitting element having the conventional double hetero (DH) junction structure or the light emitting portion having the single quantum well structure does not lattice match with the sapphire substrate. In other words, the structure is not sufficient to sufficiently suppress the propagation of crystal defects due to lattice mismatch to the light emitting layer. A structure that is insufficient to suppress a decrease in crystallinity of the nitride compound semiconductor layer forming the light-emitting layer naturally impairs the improvement of light-emitting characteristics and the like.

 格子不整合に起因する結晶欠陥が発光層の結晶品質の劣化をもたらす原因であるならば、発光層と格子整合する材料を基板として利用するのが発光層の結晶品質の低下を防止し得る一方法と想到される。この構成の例には、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶(AlxGayInzN(x+y+z=1、0≦x,y,z≦1)から発光層を構成するに際し、基板結晶を発光層材質と格子整合する酸化マンガン(MnO)、酸化亜鉛(ZnO)や酸化カルシウム(CaO)等とする発光素子がある(例えば、特許文献12参照。)。しかし、これらの酸化物系基板材料は、概ね約600℃を越える高温では昇華し熱分解する。このため、成膜方式により成膜温度に多少の相違は有るものの、約700〜1150℃と高い成膜温度が要求される窒化物化合物半導体層の成長用基板としては、その熱的不安定性から充分に実用に耐えない。特に、窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN;0<x≦1)混晶の窒化物化合物半導体の成膜法として一般的である有機金属熱分解気相成長(MOCVD)法では、その成膜温度は概ね約1000℃〜1150℃である。この様な高温では尚更のこと上記の基板材料としての実用性は失われる。これは、上記の如く格子不整合構成をもたらす基板材料が開示されているにも拘らず、もっぱらサファイア(α−Al23単結晶)が利用されている現実をもってして傍証される事である。即ち、発光強度の増大等の発光特性は、基板と格子整合する窒化物化合物半導体層を発光層として利用することをもってすれば改善されると期待されるものの、格子整合系の積層構成を得るために選択される基板材料上の耐熱性等の制約から、現実には発光特性の改善を安定的に顕現化するに至っていない。 If a crystal defect caused by lattice mismatch causes deterioration of the crystal quality of the light emitting layer, using a material lattice-matched with the light emitting layer as the substrate can prevent the deterioration of the crystal quality of the light emitting layer. The way is conceived. Upon this example configuration, forming the light emitting layer of aluminum nitride gallium indium mixed crystal (Al x Ga y In z N (x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1), emitting a substrate crystal There is a light emitting element such as manganese oxide (MnO), zinc oxide (ZnO), or calcium oxide (CaO) that lattice-matches with the layer material (for example, see Patent Document 12). Sublimates and thermally decomposes at a high temperature generally exceeding about 600 ° C. Therefore, although there is some difference in the film forming temperature depending on the film forming method, a nitride compound requiring a high film forming temperature of about 700 to 1150 ° C. As a substrate for growing a semiconductor layer, it is not practically usable due to its thermal instability, especially a nitride compound semiconductor of aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) mixed crystal. of In the case of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), which is generally used as a film method, the film formation temperature is generally about 1000 ° C. to 1150 ° C. At such a high temperature, it is even more practical to use the above-mentioned substrate material. This is due to the fact that sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) is used exclusively, despite the disclosure of a substrate material that results in a lattice mismatched configuration as described above. In other words, although the emission characteristics such as an increase in emission intensity are expected to be improved by using a nitride compound semiconductor layer lattice-matched to the substrate as the light-emitting layer, the lattice matching is expected to be improved. Due to restrictions such as heat resistance on a substrate material selected to obtain a system laminate structure, in reality, improvement in light emission characteristics has not yet been stably realized.

 実用上、熱的耐性に問題を有する基板材料を利用して積層体を基板と格子整合する窒化物化合物半導体層から構成する方策の代替として、積層体の或る部位、例えば発光部を格子整合系から構成する例もある。格子不整合性に起因する転位等の結晶欠陥の発光層への伝搬を少しでも緩和することを意図して、AlxGayInzN(x+y+z=1、0≦x,y,z≦1)発光層と格子整合する組成比を有し、且つ発光層より禁止帯幅(バンドギャップ)が大となるAlxGayInzN(x+y+z=1、0≦x,y,z≦1)混晶層を上部クラッド及び下部クラッド層としてダブルヘテロ接合させて発光部を構成する例がこれに当る(例えば、特許文献12参照。)。しかし、この格子整合系発光部の形成は、上記の酸化亜鉛等の熱的に変性を来す酸化物系基板上に形成することを前提としたものであって、実用性に欠けるものである。 As a practical alternative to using a substrate material having a problem with thermal resistance to form a laminate from a nitride compound semiconductor layer that lattice-matches with the substrate, a certain part of the laminate, for example, a light-emitting portion is lattice-matched. In some cases, it is composed of systems. The propagation of the light-emitting layer of crystal defects such as dislocation due to lattice mismatch with the intention to mitigate even slightly, Al x Ga y In z N (x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1 ) has a light-emitting layer and the composition ratio of lattice matching, and prohibited from emitting layer band width (band gap) is large Al x Ga y In z N ( x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1) This corresponds to an example in which a light-emitting portion is formed by forming a hetero-junction with a mixed crystal layer as an upper clad layer and a lower clad layer (for example, see Patent Document 12). However, the formation of the lattice-matched light-emitting portion is based on the premise that it is formed on a thermally-modified oxide-based substrate such as the above-described zinc oxide or the like, and is not practical. .

 また、発光層を発光層と格子整合する窒化物化合物半導体層上に接合させた構成例もある。この例は窒化ガリウムのホモ(homo)接合を含むMIS(金属−絶縁体−半導体)構造のLEDに見ることができる。また、窒化ガリウム・インジウム(InxGa1-xN;0≦x≦1)層上にInxGa1-xN(0≦x≦1)層を堆積するホモ接合構成を備えたLEDも提示されている(例えば、特許文献13参照。)。この構成にあって、窒化ガリウム・インジウム(InxGa1-xN;0≦x≦1)層双方のインジウム組成比(x)を同一とすれば、発光層を発光層と格子整合する窒化物化合物半導体層上に形成したホモ接合構成とすることができる。しかし、発光強度に優れるLEDを得る場合に、ホモ接合様式はヘテロ(hetero)接合様式に比べれば原理的に不利であるのは周知の事実である。高発光強度のLED等の発光素子を得るにはヘテロ接合構造の採用が必須である。 There is also a configuration example in which a light emitting layer is bonded on a nitride compound semiconductor layer lattice-matched with the light emitting layer. This example can be seen in an LED with a MIS (metal-insulator-semiconductor) structure that includes a gallium nitride homo junction. Further, an LED having a homojunction configuration in which an In x Ga 1 -xN (0 ≦ x ≦ 1) layer is deposited on a gallium indium nitride (In x Ga 1 -xN; 0 ≦ x ≦ 1) layer is also available. (For example, see Patent Document 13). In this configuration, if the indium composition ratio (x) of both the gallium-indium nitride (In x Ga 1 -xN; 0 ≦ x ≦ 1) layers is the same, the nitride layer that lattice-matches the light-emitting layer is formed. And a homojunction structure formed on the compound semiconductor layer. However, it is a well-known fact that the homojunction mode is disadvantageous in principle as compared with the hetero junction mode in obtaining an LED having excellent emission intensity. In order to obtain a light emitting element such as an LED having a high light emission intensity, it is essential to employ a hetero junction structure.

 発光部をダブルヘテロ接合型とすれば高発光強度の発光素子を得るに有利であることは周知である。発光層を構成する窒化物化合物半導体層の結晶性の向上を期すのみでなく、発光層との接合を形成する半導体層が結晶性に優れた層であれば尚更のこと良好な結晶性を有する発光層の得るに効果がある。ダブルヘテロ接合構造にあって、発光層並びに発光層と接合する接合層とからなる発光部を結晶性に優れる窒化物化合物層から構成することは、高発光強度の発光素子をもたらすに有益となる。構成元素よりも原子半径を大とする構成元素以外の第III族元素を添加して結晶性の向上を達成するとする前記の従来技術(例えば、特許文献6参照。)には、例えばインジウムを窒化ガリウム系層に含有させることにより結晶性が向上させられることが記載されている。実際に窒化ガリウム・インジウム混晶層を発光素子用途の積層体の一部に配置した例がある(例えば、非特許文献8参照。)。具体的には、この発光素子はインジウム混晶比を0.2とする窒化ガリウム・インジウム(Ga0.8In0.2N)混晶をウェル(well)層(井戸層)とし、インジウム組成比を0.05とする窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.95In0.05N)をバリア(barrier)層(障壁層)とする、ヘテロ接合の多重量子井戸構造(英略称MQW)からなる発光部を備えたレーザダイオードである。此処に於いて、インジウム組成比を0.1とする窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.9In0.1N)がn形窒化ガリウム層とダブルヘテロ接合を備えたMQW発光部との中間に配置されている(例えば、非特許文献8参照。)。この窒化ガリウム・インジウム混晶層(Ga0.9In0.1N)は、同層より上に堆積される窒化物化合物半導体からなる積層体の結晶性を向上させることを意図して配置されている(例えば、非特許文献9参照。)。しかし、この結晶性の向上をもたらすとされる窒化ガリウム・インジウム(Ga0.9In0.1N)混晶層が、ダブルヘテロ接合から構成される発光部にあって発光層と接合する接合層として配置されているのではない。このGa0.9In0.1N混晶層と発光部の中間には、アルミニウムの組成比を0.15とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(Al0.15Ga0.85N)とn形窒化ガリウム層とが挿入されている。挿入されているこれらの窒化物化合物半導体層は、下地となる窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.9In0.1N)層とも発光部のMQWを構成する窒化ガリウム・インジウム層とも格子整合の関係にない。従って、Ga0.9In0.1N混晶層を敷設することにより、同層上に堆積される窒化物化合物半導体層の結晶性が向上すると云えども、Ga0.9In0.1N混晶層と堆積層とが格子不整合の関係にあれば、それによって発生した転位は発光部まで伝搬するのが実態である。この様に従来の格子不整合系からなる発光素子用途の積層体にあって、インジウムを含有させることに依って結晶性の向上が図られたインジウム含有混晶層は、ダブルヘテロ接合からなる発光部で発光層との接合層として利用されてはいない。即ち、従来例に見られるこの様なインジウム添加層の配置は、発光層或いはダブルヘテロ接合発光部を構成する窒化物化合物半導体層の結晶性の向上に直接的に波及する接合構成は提示されるに至っていない。
特開平6−260680号公報 特公昭55−3834号公報 S.Nakamura他、Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.34、Part.2、No.10B(1995)、L1332〜L1335. 深海登世司監修、「半導体工学」(東京電機大学出版局、1993年3月20日7刷発行)、195頁 Appl.Phys.Lett.,59(18)(1991)、2251. G.E.COATES、J.Chem.Soc.,[1951](1951)、2003. J.Stienstra他、Surf.Sci.,279(1992)、272.など参照 R.DIDCHENKO他、J.Inorg.Nucl.Chem.,Vol.14(1960)、35〜37. 特開平5−243614参照 特開平6−209121号公報 特開平5−243614号公報 特開平5−243614号公報 特開平6−260681号公報 特開平7−249796号公報 SolidStateCommun.、57(6)(1991)、405〜409. 特開平3−10665号公報 特開平3−10666号公報 特開平3−10667号公報 特公平6−14564号公報 特開平3−203388号公報 Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.35、Part2、No.1B(1996年1月15日)、L74〜L76. NIKKEI ELECTRONICS1996.1.15.no.653、1996年1月15日号日経BP社発行、13〜15頁 ElectronLett.,Vol.16、No.6(1980)、228.
It is well known that a light emitting section of a double hetero junction type is advantageous for obtaining a light emitting element with high light emission intensity. In addition to improving the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer constituting the light emitting layer, the semiconductor layer forming the junction with the light emitting layer has good crystallinity if the semiconductor layer is a layer with excellent crystallinity. It is effective in obtaining a light emitting layer. In the double heterojunction structure, the light-emitting portion including the light-emitting layer and the bonding layer to be bonded to the light-emitting layer is formed of a nitride compound layer having excellent crystallinity, which is useful for providing a light-emitting element with high light-emission intensity. . In the above-mentioned conventional technique (for example, see Patent Document 6) in which improvement in crystallinity is achieved by adding a Group III element other than the constituent element having an atomic radius larger than that of the constituent element, for example, indium is nitrided. It is described that the crystallinity can be improved by including the gallium-based layer. There is an example in which a gallium nitride-indium mixed crystal layer is actually arranged in a part of a laminate for a light emitting element (for example, see Non-Patent Document 8). Specifically, in this light emitting device, a gallium-indium (Ga 0.8 In 0.2 N) mixed crystal having an indium mixed crystal ratio of 0.2 is used as a well layer, and the indium composition ratio is set to 0.1 . A laser diode having a light-emitting portion composed of a heterojunction multiple quantum well structure (abbreviated as MQW) using a gallium-indium nitride mixed crystal (Ga 0.95 In 0.05 N) as a barrier layer (barrier layer), which is referred to as “05”. It is. Here, a gallium nitride-indium mixed crystal (Ga 0.9 In 0.1 N) having an indium composition ratio of 0.1 is disposed between the n-type gallium nitride layer and the MQW light emitting portion having the double hetero junction. (For example, see Non-Patent Document 8). The gallium-indium nitride mixed crystal layer (Ga 0.9 In 0.1 N) is arranged with the intention of improving the crystallinity of a laminate composed of a nitride compound semiconductor deposited above the same layer (for example, , Non-Patent Document 9.). However, a gallium-indium nitride (Ga 0.9 In 0.1 N) mixed crystal layer, which is believed to bring about the improvement in crystallinity, is arranged as a bonding layer to be bonded to the light emitting layer in the light emitting section composed of a double hetero junction. It is not. Between the Ga 0.9 In 0.1 N mixed crystal layer and the light emitting portion, an aluminum gallium nitride mixed crystal layer (Al 0.15 Ga 0.85 N) having an aluminum composition ratio of 0.15 and an n-type gallium nitride layer are inserted. Have been. These inserted nitride compound semiconductor layers have no lattice matching with the underlying gallium nitride-indium mixed crystal (Ga 0.9 In 0.1 N) layer and the gallium nitride-indium layer constituting the MQW of the light emitting portion. . Therefore, by laying the Ga 0.9 In 0.1 N mixed crystal layer, the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer deposited on the Ga 0.9 In 0.1 N mixed crystal layer is improved. If there is a lattice mismatch, the dislocation generated by the lattice mismatch actually propagates to the light emitting portion. As described above, in the conventional laminated body for a light-emitting element using a lattice-mismatched system, the indium-containing mixed crystal layer whose crystallinity has been improved by containing indium has a double heterojunction light emitting structure. In some parts, it is not used as a bonding layer with the light emitting layer. That is, such an arrangement of the indium-added layer found in the conventional example has a junction structure that directly affects the crystallinity of the light emitting layer or the nitride compound semiconductor layer constituting the double hetero junction light emitting portion. Has not been reached.
JP-A-6-260680 JP-B-55-3834 S. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys. , Vol. 34, Part. 2, No. 10B (1995), L1332 to L1335. Supervised by Toshiji Fukami, "Semiconductor Engineering" (Tokyo Denki University Press, March 20, 1993, 7th edition), 195 pages Appl. Phys. Lett. , 59 (18) (1991), 2251. G. FIG. E. FIG. COATES, J.A. Chem. Soc. , [1951] (1951), 2003. J. Stensen et al., Surf. Sci. , 279 (1992), 272. Etc. reference R. DICHENKO et al. Inorg. Nucl. Chem. , Vol. 14 (1960), 35-37. See JP-A-5-243614 JP-A-6-209121 JP-A-5-243614 JP-A-5-243614 JP-A-6-260681 JP-A-7-249796 SolidStateCommun. , 57 (6) (1991), 405-409. JP-A-3-10665 JP-A-3-10666 JP-A-3-10667 Japanese Patent Publication No. 6-14564 JP-A-3-203388 Jpn. J. Appl. Phys. , Vol. 35, Part 2, No. 1B (Jan. 15, 1996), L74-L76. NIKKEI ELECTRONICS 1996.1.15. no. 653, January 15, 1996, published by Nikkei BP, pages 13-15 ElectronLett. , Vol. 16, no. 6 (1980), 228.

 活性層はその半導体素子の機能、特性の発現を担っている。例えば、発光強度に優れる発光素子を得るに有効な手段は、端的に発光強度の増大をもたらす発光層或いは発光部の構成を採用することである。上記の如く、発光強度の改善を図った従来の措置には共通点が認められる。それは、インジウムが添加された窒化物化合物半導体混晶を発光層として、或いは積層体構成層の結晶性の向上をもたらす中間挿入層として利用することである。 (4) The active layer is responsible for the functions and characteristics of the semiconductor device. For example, an effective means for obtaining a light-emitting element having excellent light-emitting intensity is to employ a structure of a light-emitting layer or a light-emitting portion that directly increases light-emitting intensity. As described above, the conventional measures for improving the emission intensity have common points. That is, a nitride compound semiconductor mixed crystal to which indium is added is used as a light emitting layer or as an intermediate insertion layer which improves the crystallinity of a layer constituting a laminate.

 青色発光層として利用される従来のインジウム含有窒化ガリウム層は、一般にインジウム組成比を10%前後とする混晶層である。品質に優れる窒化ガリウム・インジウム混晶層を形成するには結晶成長上の問題点があることは前記したとおりである。青色帯よりも更に長波長の緑色帯の発光を得ようとすれば、インジウム組成比を更に大とする必要がある。インジウム組成比が高い混晶層の成膜を意図する程、インジウムの取り込まれ率の関係から成長温度を低下させる必要がある。低温で成長させればさせる程、InxGa1-xN混晶の結晶性が損なわれる問題がある(日本学術振興会光電相互変換第125委員会第148会研究会資料(平成6年5月27日)、1〜6頁)。 A conventional indium-containing gallium nitride layer used as a blue light emitting layer is generally a mixed crystal layer having an indium composition ratio of about 10%. As described above, there is a problem in crystal growth in forming a gallium-indium nitride mixed crystal layer having excellent quality. In order to obtain emission in a green band having a longer wavelength than in a blue band, it is necessary to further increase the indium composition ratio. It is necessary to lower the growth temperature from the relation of the incorporation rate of indium so as to form a mixed crystal layer having a high indium composition ratio. There is a problem that the crystallinity of the In x Ga 1 -xN mixed crystal is impaired as the crystal is grown at a lower temperature. 27), pages 1-6).

 転じて、インジウムの添加に依り結晶性を向上させる窒化物化合物半導体層の結晶成長方法(特開平5−243614号公報参照)を利用したところで事態は同じで、インジウム含有混晶を形成するに足る程のインジウムが添加された半導体層の形成を意図する限り、得られる混晶のインジウム組成比の再現性の低さが問題となる。従来例(特開平5−243614号公報参照)に許容されているインジウムの添加量の範囲内に於いて、成長温度に変更を要しないと推察される大凡、1017cm-3〜1019cm-3程度の低原子濃度にインジウムをドーピングしたところで、発光強度に格別顕著な増大を来すことがないことは、本発明者が鋭意検討した結果から明らかになっている。これは、従来技術(特開平5−243614号公報参照)の開示内容を見るに、それはあくまでもインジウム添加窒化物化合物半導体層の成長方法であって、発光強度の増大等の発光素子の特性を向上させる観点から、それに効力を有するインジウムの最適なドーピング方法が提示されていないからである。 In other words, the situation is the same when a crystal growth method of a nitride compound semiconductor layer that improves crystallinity by adding indium (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614) is the same, and it is sufficient to form an indium-containing mixed crystal. As long as it is intended to form a semiconductor layer to which indium is added to such a degree, low reproducibility of the indium composition ratio of the obtained mixed crystal is a problem. Within the range of the amount of indium allowed in the conventional example (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614), it is estimated that there is no need to change the growth temperature, which is approximately 10 17 cm -3 to 10 19 cm. It has been clarified by the present inventors that the inventors of the present invention have conducted intensive studies that doping of indium with a low atomic concentration of about -3 does not cause a remarkable increase in emission intensity. This is a method of growing an indium-doped nitride compound semiconductor layer, as disclosed in the prior art (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614), which improves the characteristics of a light emitting device such as an increase in light emission intensity. This is because an optimal method of doping with indium having an effect on the above is not proposed.

 窒化ガリウム系の半導体材料からなるLEDにあっては、発光層に第II族、第IV族或いは第VI族等の不純物をドーピングするのが通例となっているのは上記の如くである。しかし、ドナー或いはアクセプター性不純物の量的均衡の制御が不充分であると、必ずしも窒化物化合物半導体層からの発光の増大を達成できない不安定性が付随している(特開平4−10666号及び特開平4−10667号公報参照)。特に、アクセプタ不純物の濃度を遥かに上回るドナー不純物がドーピングされた高キャリア濃度の、所謂電子濃度過多のn+形の発光層は微弱な発光をもたらすのみである。インジウムのドーピングにより結晶性に優れる発光層を形成するには、ドナー及びアクセプター不純物の量的均衡性を勘案した上で発光強度の増大に寄与できる最適なインジウムのドーピング濃度範囲及び濃度分布の最適化が必要である。また、インジウムドーピングの最適化と併せて、格子の不整合性に起因する発光層の結晶性の低下を防止するための、インジウム添加窒化物化合物半導体層と発光部との接合系を提供するのも本発明の解決すべき課題である。 As described above, in an LED made of a gallium nitride-based semiconductor material, the light emitting layer is generally doped with an impurity of Group II, Group IV, Group VI, or the like. However, insufficient control of the quantitative balance of the donor or acceptor impurity is accompanied by instability in which it is not always possible to increase the light emission from the nitride compound semiconductor layer (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-10666 and Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-6666). See JP-A-4-10667). In particular, a so-called electron-rich n + -type light-emitting layer with a high carrier concentration doped with a donor impurity far exceeding the concentration of an acceptor impurity only causes weak light emission. In order to form a light-emitting layer with excellent crystallinity by doping with indium, optimization of the optimum doping concentration range and concentration distribution of indium that can contribute to an increase in light emission intensity in consideration of the quantitative balance of donor and acceptor impurities is necessary. Further, in addition to optimizing the indium doping, a bonding system between the indium-doped nitride compound semiconductor layer and the light-emitting portion is provided to prevent a decrease in crystallinity of the light-emitting layer due to lattice mismatch. Is also a problem to be solved by the present invention.

即ち、本発明は、結晶基板上にガリウム(Ga)系III族窒化物化合物半導体からなる活性層と、第1の伝導形の第1の窒化物化合物半導体層と、第2の伝導形の第2の窒化物化合物半導体層とから構成される接合構造を備えた窒化物化合物半導体素子に於いて、活性層を原子濃度を8×1017cm-3以上4×1020cm-3以下の範囲内とし、層厚の一方向に濃度分布を付してインジウム(In)がドーピングされたガリウム(Ga)系III族窒化物化合物半導体とする窒化物化合物半導体素子を提供するものである。特に、活性層として(イ)格子定数をより小とする第1または第2の窒化物化合物半導体との接合界面に向けて、インジウムの原子濃度を大とする濃度分布を有するガリウム系III族窒化物化合物半導体層、(ロ)ドナー或いはアクセプター不純物が共にドーピングされた活性層にあって、ドナー或いはアクセプターの何れか一方の不純物が層厚方向に略一定の原子濃度にドーピングされ、他方の不純物がインジウムの原子濃度に略反比例する濃度分布をもって層厚方向にドーピングされてなる、ガリウム系III族窒化物化合物半導体層を具備した窒化物化合物半導体素子を提供するものである。また、接合様式から見れば、活性層と活性層と接合する上記の第1及び第2の窒化物化合物半導体層の一方が、インジウムがドーピングされた活性層と同一の窒化物化合物半導体材料からなることを特徴とする窒化物化合物半導体素子を提供するものである。また、インジウムが略一様にドーピングされた上記の第1若しくは第2の窒化物化合物半導体層は、インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層と接合していることを特徴とする窒化物化合物半導体素子を提供するものである。 That is, the present invention provides an active layer made of a gallium (Ga) -based group III nitride compound semiconductor on a crystal substrate, a first nitride compound semiconductor layer of a first conductivity type, and an active layer of a second conductivity type. In a nitride compound semiconductor device having a junction structure composed of the second nitride compound semiconductor layer and the second nitride compound semiconductor layer, the active layer has an atomic concentration in the range of 8 × 10 17 cm −3 to 4 × 10 20 cm −3. It is intended to provide a nitride compound semiconductor element which is a gallium (Ga) -based group III nitride compound semiconductor doped with indium (In) with a concentration distribution in one direction of the layer thickness. In particular, (a) a gallium-based group III nitride having a concentration distribution in which the atomic concentration of indium is increased toward a junction interface with the first or second nitride compound semiconductor having a smaller lattice constant as the active layer. Compound semiconductor layer, (ii) active layer doped with donor or acceptor impurities, one of the donor and acceptor impurities is doped to a substantially constant atomic concentration in the layer thickness direction, and the other impurity is doped. An object of the present invention is to provide a nitride compound semiconductor device provided with a gallium-based group III nitride compound semiconductor layer which is doped in a layer thickness direction with a concentration distribution substantially inversely proportional to the atomic concentration of indium. In addition, from the viewpoint of the junction mode, one of the first and second nitride compound semiconductor layers that joins the active layer and the active layer is made of the same nitride compound semiconductor material as the active layer doped with indium. A nitride compound semiconductor device is provided. In addition, the first or second nitride compound semiconductor layer doped with indium substantially uniformly is bonded to the nitride compound semiconductor layer doped with indium. An element is provided.

窒化物化合物半導体からなる発光素子にあって、発光強度の増大させる効果がある。 In a light emitting device made of a nitride compound semiconductor, there is an effect of increasing light emission intensity.

 本発明に於いては、活性層を構成する窒化物化合物半導体とは格子整合の関係にないが、従来通り耐熱性に優れるサファイア(α−Al23単結晶)等を基板結晶として利用できる。炭化珪素(SiC)及びシリコン(Si)等の六方晶系や立方晶系の結晶材料も従来通り利用できる。これらの基板結晶の面方位、オフアングルや基板の厚さ等の仕様については特に制限はない。本発明にあって、格子不整合度は被堆積層を構成する結晶材料の格子定数に対する、堆積層と被堆積層を構成する結晶層の格子定数の差の比率で表す。例えば、基板(基準結晶)及び発光層や電子チャネル層等の活性層を構成する結晶材料(比較対象結晶)の格子定数を各々、a0及びaとすれば、基準結晶の格子定数(a0)に対する基準結晶と比較対象結晶間の格子定数の差の絶対値が占める割合が格子不整合度(δ;単位%)を表わし、次式(1)で与えられる。
δ(%)={|a−a0|/a0}×100・・・・・式(1)
このδはa軸等の結晶の基本軸の格子定数を用いて算出する。基板と活性層との配向関係(オリエンテーション)を勘案して求めた格子面間隔はδの算出には利用しない。また、このδの算出に利用する格子定数は公表されているそのらの物質の本来の格子定数であって、例えば格子不整合系の接合界面に於いて何らかの機械的変形を被った歪んだ状態下にある際の格子定数ではない。本発明では、基板結晶と活性層間のδがおおよそ0.2%を超える場合をもって格子不整合系活性層とする。例えば、図1に掲示したサファイア基板とは全て格子不整合の関係にある窒化物化合物半導体からなる積層体は、本発明では格子不整合系活性層からなる典型的な積層体である。
In the present invention, sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) or the like which has no lattice matching with the nitride compound semiconductor forming the active layer but has excellent heat resistance can be used as a substrate crystal. . Hexagonal and cubic crystal materials such as silicon carbide (SiC) and silicon (Si) can also be used as before. There are no particular restrictions on the specifications such as the plane orientation, off angle, and substrate thickness of these substrate crystals. In the present invention, the degree of lattice mismatch is represented by the ratio of the difference between the lattice constant of the deposited layer and the lattice constant of the crystal layer constituting the deposited layer to the lattice constant of the crystalline material constituting the deposited layer. For example, if the lattice constants of the substrate (reference crystal) and the crystal material (comparative crystal) constituting the active layer such as the light emitting layer and the electron channel layer are a 0 and a, respectively, the lattice constant of the reference crystal (a 0 The ratio of the absolute value of the difference between the lattice constants of the reference crystal and the comparison target crystal to the reference crystal represents the degree of lattice mismatch (δ; unit%), and is given by the following equation (1).
δ (%) = {| a−a 0 | / a 0 } × 100 (1)
This δ is calculated using the lattice constant of the basic axis of the crystal such as the a-axis. The lattice spacing determined in consideration of the orientation relationship (orientation) between the substrate and the active layer is not used for calculating δ. The lattice constant used for the calculation of δ is the original lattice constant of those materials that have been published, for example, in a distorted state that has undergone some mechanical deformation at the junction interface of a lattice-mismatched system. It is not the lattice constant when it is below. In the present invention, the case where δ between the substrate crystal and the active layer exceeds approximately 0.2% is defined as a lattice mismatched active layer. For example, a laminate made of a nitride compound semiconductor which has a lattice mismatch with the sapphire substrate shown in FIG. 1 is a typical laminate made of a lattice mismatch active layer in the present invention.

 上記に於いて活性層等をなす堆積層とは、本発明ではガリウム系窒化物化合物半導体層を指す。ガリウム系窒化物化合物半導体とはガリウム、アルミニウム等のインジウム以外の第III族元素を構成元素として含む窒化物化合物半導体を云う。例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN;0<x≦1)混晶などが該当する。また、インジウムをドーピングする窒化物化合物半導体種は窒化ガリウム系や窒化アルミニウム系半導体に限定されることはない。砒化窒化ガリウム(GaNAs)、砒化窒化アルミニウム(AlNAs)や窒化リン化ガリウム(GaNP)等の窒素以外の第V族元素を含む窒化物化合物半導体材料にあっても、本発明に係わるインジウムドーピングの効果は顕現される。従って、本発明に係わる窒化物化合物半導体素子は、例えばインジウムがドーピングされた窒化ガリウム、窒化アルミニウム、砒化窒化ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム混晶等を活性層として備えた積層体から構成する。活性層を構成するインジウムドープ窒化物化合物半導体層の伝導形はn形或いは絶縁形が好ましい。ここでは、単一或いは多重量子井戸構造にあってはウェル層即ち井戸層を活性層であると見なす。 In the above description, the deposited layer forming the active layer or the like refers to a gallium-based nitride compound semiconductor layer in the present invention. The gallium-based nitride compound semiconductor refers to a nitride compound semiconductor containing a group III element other than indium such as gallium and aluminum as a constituent element. For example, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) mixed crystal, and the like are applicable. Further, the kind of nitride compound semiconductor doped with indium is not limited to gallium nitride-based or aluminum nitride-based semiconductor. The effect of indium doping according to the present invention also applies to a nitride compound semiconductor material containing a Group V element other than nitrogen, such as gallium arsenide nitride (GaNAs), aluminum arsenide nitride (AlNAs), and gallium phosphide nitride (GaNP). Is revealed. Therefore, the nitride compound semiconductor device according to the present invention is formed of a stacked body including, for example, indium-doped gallium nitride, aluminum nitride, gallium arsenide nitride, aluminum-gallium nitride mixed crystal, or the like as an active layer. The conduction type of the indium-doped nitride compound semiconductor layer forming the active layer is preferably an n-type or an insulation type. Here, in a single or multiple quantum well structure, a well layer, that is, a well layer is regarded as an active layer.

 本発明は基板と格子不整合の関係にあるガリウム系III族窒化物化合物半導体層にあっても、適度な濃度のインジウムのドーピングを施せば、敢えて混晶を形成せずとも同層からの発光強度は増大できることを利用したものである。一例として、図3はインジウムをドーピングした亜鉛添加窒化ガリウム(GaN)層に於けるフォトルミネッセンス(PL)強度のインジウムドーピング濃度依存性を示す。インジウムのドーピング源としては、窒化ガリウム層成長時の窒素供給源であるアンモニアガスとの複合体化反応を回避できる、ルイス塩基性的な性質を示す結合価を1価とするシクロペンタジエニルインジウム(C55In)が利用できる(J.ofCryst.Growth.,106(1990)、260.や特公平8−17160号公報参照)。ドーピングされたインジウムの原子濃度の定量法としては、オージェ電子分光法(英略称AES)などの種々の物理分析法等が考えられるがドーピングしたインジウム濃度が低濃度の範囲にあることから、特性X線の検出強度を基に分析するEPMA(lectronrobeicro−nalysis)等の分析手法ではなく、此処では低濃度の原子の検出能力により優れる2次イオン質量分析法(英略称SIMS)で定量している。図3に掲示した如く、波長を325nmとする発光ヘリウム(He)−カドミウム(Cd)レーザ光によって励起される窒化ガリウム層からの亜鉛不純物に関連した波長が約430nmのする青(青紫)色発光の室温でのルミネッセンス強度は、インジウムのドーピング濃度に強く依存するものである。ドーピングされたインジウムの原子濃度が大凡、5×1017cm-3近傍では、インジウムのドーピングに依る発光強度の増大の効果は不安定である。換言すれば、インジウムのドーピングに依ってルミネッセンス発光強度は必ずしも増大するとは限らない。インジウムのドーピング濃度が8×1017cm-3に到達すると、ルミネッセンス強度の安定した増大が認められる。例えば、亜鉛を約6×1019cm-3の濃度に添加した窒化ガリウム層からの亜鉛不純物に関連した青色(青紫色)の発光強度は、インジウムを約5×1018cm-3の濃度にドーピングすると約60倍に増加する。一方、この亜鉛添加層にジシラン(Si26)ガスを利用して珪素(Si)をドーピングして旧来のドナーとアクセプターとが共存する発光層を形成した場合、ルミネッセンス強度は高々約5倍となるに過ぎない。即ち、適正な濃度範囲のインジウムドーピングが窒化ガリウム層からのルミネッセンス強度の増加に及ぼす効果は、従来のドナーとアクセプター不純物を共にドーピングする措置に比較すれば、桁違いに大である。しかし、インジウムを過度にドーピングするとルミネッセンス強度は逆に減少する(図3参照)。ルミネッセンス強度はインジウムのドーピング濃度が4×1020cm-3を越えると急激に低下する。従って、発光強度の増大を意図する場合の最適なインジウムのドーピング濃度範囲は8×1017cm-3以上4×1020cm-3以下の範囲である。この最適な濃度範囲は従来例の範囲に比して極めて限定された範囲となっている。インジウムは第III族元素であり、III族窒化物化合物半導体にドーピングされた同族元素としてのインジウムは、云わば等電子トラップとして作用し得る可能性がある。インジウムのドーピング濃度が低濃度である場合は、結晶性の向上が顕著に顕現するに足るインジウムがドーピングされていないとも考慮されるが、発光強度の増大をもたらす等電子トラップの密度も小さいためとも推定される。一方、インジウムのドーピング濃度の上限はむしろ、インジウムドーピングによる層内の電子濃度の減少と密接な関係があると推察される。インジウムのドーピング量を増加させれば、等電子トラップの密度は増加するものの、従来例(特開平5−243614号公報参照)に見られる如く逆に層内の電子濃度は減少する。即ち、インジウムのドーピング濃度の上限は結晶性の向上の観点からよりも、むしろ残留電子濃度をもって決定されるものと考えられる。 According to the present invention, even in a gallium-based group III nitride compound semiconductor layer having a lattice mismatch with a substrate, light emission from the same layer can be performed without intentionally forming a mixed crystal by doping an appropriate concentration of indium. This is based on the fact that the strength can be increased. As an example, FIG. 3 shows the dependence of photoluminescence (PL) intensity on the indium doping concentration in a zinc-doped gallium nitride (GaN) layer doped with indium. As a doping source of indium, cyclopentadienylindium having a monovalent valence having a Lewis basic property capable of avoiding a complexing reaction with ammonia gas which is a nitrogen supply source during growth of a gallium nitride layer is used. (C 5 H 5 In) are available (J.ofCryst.Growth., 106 (1990) , see 260. and KOKOKU No. 8-17160 Publication). As a method for quantifying the atomic concentration of doped indium, various physical analysis methods such as Auger electron spectroscopy (AES) can be considered. However, since the concentration of doped indium is in a low concentration range, the characteristic X EPMA analyzing based on the detected intensity of the line (E lectron P robe M icro- a nalysis) rather than analytical techniques such as secondary ion mass spectrometry excellent in capability of detecting low concentrations of atoms here (abbr SIMS) Quantified by As shown in FIG. 3, blue (blue-violet) emission having a wavelength of about 430 nm related to zinc impurities from a gallium nitride layer excited by a helium (He) -cadmium (Cd) laser beam having a wavelength of 325 nm. The luminescence intensity at room temperature strongly depends on the doping concentration of indium. When the atomic concentration of the doped indium is approximately 5 × 10 17 cm −3 , the effect of increasing the emission intensity due to the indium doping is unstable. In other words, the luminescence intensity does not always increase due to indium doping. When the indium doping concentration reaches 8 × 10 17 cm −3 , a stable increase in luminescence intensity is observed. For example, the blue (blue-violet) emission intensity associated with zinc impurities from a gallium nitride layer doped with zinc at a concentration of about 6 × 10 19 cm -3 can be obtained by converting indium to a concentration of about 5 × 10 18 cm -3 . Doping increases about 60 times. On the other hand, when the zinc-added layer is doped with silicon (Si) using disilane (Si 2 H 6 ) gas to form a light-emitting layer in which a conventional donor and acceptor coexist, the luminescence intensity is about 5 times at most. It just becomes. That is, the effect of indium doping in an appropriate concentration range on the increase in luminescence intensity from the gallium nitride layer is orders of magnitude greater than conventional doping of both donor and acceptor impurities. However, if the indium is excessively doped, the luminescence intensity is reduced (see FIG. 3). The luminescence intensity sharply decreases when the indium doping concentration exceeds 4 × 10 20 cm −3 . Therefore, the optimum range of the doping concentration of indium when the emission intensity is intended to be increased is 8 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 20 cm −3 or less. This optimum concentration range is extremely limited as compared with the range of the conventional example. Indium is a Group III element, and indium doped as a homologous element in a Group III nitride compound semiconductor may possibly act as an isoelectronic trap. When the doping concentration of indium is low, it is considered that indium is not doped enough to remarkably improve the crystallinity, but it is also considered that the density of electron traps is small, such as an increase in emission intensity. Presumed. On the other hand, it is presumed that the upper limit of the indium doping concentration is rather closely related to the reduction of the electron concentration in the layer due to the indium doping. When the doping amount of indium is increased, the density of the isoelectronic trap is increased, but the electron concentration in the layer is reduced as seen in the conventional example (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614). That is, it is considered that the upper limit of the indium doping concentration is determined by the residual electron concentration rather than from the viewpoint of improving the crystallinity.

 本発明が掲示するインジウムの原子濃度範囲(ドーピング濃度範囲)では、窒化物化合物半導体本来のバンド端の発光波長(半導体材料に固有の禁止帯幅(エネルギーギャップ)に相当する)には変化を与えない。例えば、本発明に係わるインジウムのドーピングを施した窒化ガリウム層のバンド端発光が出現する波長(約365nm)は、インジウムがドーピングされていな窒化ガリウム層からのそれと一致する。混晶化する程、すなわち多量にインジウムが添加されていれば、約380〜約390nmの近紫外領域に特有のスペクトルが出現する(1996年第43回春季応用物理学関係連合講演会、講演番号28a−ZB−1(講演予稿集No.1、292頁)及び講演番号28a−ZB−2(講演予稿集No.1、293頁)。この近紫外スペクトルは亜鉛等のアクセプター不純物が添加されていると殆ど出現せず、珪素等のドナーが添加されている状態或いはアンドープでも比較的高キャリア濃度となっている場合に出現し易いものである。しかし、本発明に係わるインジウムのドーピングを施した高キャリア濃度のn+形窒化ガリウム層からも、近紫外領域のルミネッセンス発光は認められなかった。また、珪素等のドナー不純物を高濃度に含む窒化ガリウム・インジウムでは、インジウムの含有量の増加に伴い、この近紫外スペクトルの発光波長が長波長側に移行するのが明瞭に認められる。しかし、本発明の濃度範囲で種々の濃度にインジウムが添加された窒化ガリウム層では、近紫外スペクトルが出現しないが故にインジウムの濃度に依存する近紫外スペクトルの長波長側への移行も観測出来なかった。即ち、本発明に記す濃度範囲のインジウムのドーピングによっても禁止帯幅に変化を来たしていないことから、窒化ガリウムが窒化ガリウム・インジウム混晶に変化しているとは認め難い。これより、本発明に規定される程度の濃度のインジウムのドーピングでは、被ドーピング層のインジウムとの混晶化がもたらされないと考慮するのが妥当である。換言すれば、本発明は前記の如くの結晶成長上困難さが付随するインジウム系混晶の形成上の問題を回避した上で、尚且、発光強度の増大を簡便に達成する技術を提供しているのであって、これが本発明の利点の一つである。 In the atomic concentration range (doping concentration range) of indium disclosed in the present invention, the emission wavelength at the band edge inherent to the nitride compound semiconductor (corresponding to the band gap (energy gap) inherent to the semiconductor material) is changed. Absent. For example, the wavelength (approximately 365 nm) at which the band edge emission of the indium-doped gallium nitride layer according to the present invention appears coincides with that of the indium-doped gallium nitride layer. The more the mixed crystal is formed, that is, if a large amount of indium is added, a spectrum peculiar to the near ultraviolet region of about 380 to about 390 nm appears. 28a-ZB-1 (Lecture Proceedings No. 1, p. 292) and Lecture No. 28a-ZB-2 (Lecture Proceedings No. 1, p. 293) The near-ultraviolet spectrum of the near-ultraviolet spectrum was determined by adding acceptor impurities such as zinc. Hardly appear when the carrier is present, and easily appear when a donor such as silicon is added or when the carrier concentration is relatively high even when undoped, but the indium doping according to the present invention is applied. from the n + -type GaN layer of high carrier concentration, the luminescence emission in the near ultraviolet region were observed. in addition, including a donor impurity such as silicon at a high concentration In gallium indium nitride, it is clearly observed that the emission wavelength of this near-ultraviolet spectrum shifts to the longer wavelength side as the content of indium increases, however, indium in various concentrations within the concentration range of the present invention. In the added gallium nitride layer, since the near-ultraviolet spectrum did not appear, the shift to the longer wavelength side of the near-ultraviolet spectrum depending on the indium concentration was not observed, that is, doping of indium in the concentration range described in the present invention. Gallium nitride has not changed to gallium nitride-indium mixed crystal since it has not changed the forbidden band width. It is reasonable to consider that the mixed layer with indium does not occur in the doped layer. While avoiding the problem of forming an indium-based mixed crystal accompanied by difficulties in crystal growth as described above, the present invention also provides a technique for easily achieving an increase in emission intensity. This is one of the advantages of the invention.

 本発明では、上記の濃度範囲内に於いてインジウムを層厚方向に一様にドーピングしたガリウム系窒化物化合物半導体層を活性層とするのではない。発光強度の増大をもたらすインジウムの濃度範囲に限定を加えると共に、インジウムの濃度分布に特異性をもたせたガリウム系窒化物化合物半導体層を活性層とする。インジウムのドーピング濃度分布に非一様性を付与することをもって、活性層の内部に電子的性質等に分布を創生する。特に、インジウムは活性層との接合を形成するガリウム系窒化物化合物半導体層にあって、格子定数をより小とする窒化物化合物半導体層との界面に向けてインジウムのドーピング濃度を増加させる。インジウムのドーピング濃度を層厚方向に増加させるのは、活性層の成膜時に成長反応系に供給するインジウム源の量を成膜時間の対して増加させれば達成される。インジウム源供給量の成膜時間に対する変化の態様に依って様々な濃度プロファイルを創出することができる。図4に本発明に係わるインジウムのドーピング濃度分布を例示する。深さ方向の原子濃度プロファイル(111)は、活性層(104)内のインジウム濃度を活性層(104)と接合する接合層((108)及び(109))にあって、より格子不整合度を大とする接合層(109)との界面(110)に向けて単調に増加させる分布例を示している。この様な濃度プロファイルは活性層の膜厚の増大と共に成長反応系へ供給するインジウム源の供給量を単調に増加させれば出来る。原子濃度プロファイル(112)は別のインジウム原子の濃度分布を示すもので、接合層(109)との界面(110)に向けてインジウムのドーピング濃度を活性層(104)の成長開始時より段階的に増加させたものである。また、原子濃度プロファイル(113)はインジウムのドーピング量を活性層(104)の中途迄一定とし、その後ドーピング量を段階的増加させることにより得られるインジウムの原子濃度の分布を示している。段階的ではなく、単調にインジウムドーピング量を増加させれば、界面(110)に向けてインジウムの原子濃度が滑らかに増加するプロファイル(114)が得られる。何れにしても、発光強度に優れる発光層を得るには、発光層と接合する接合層にあって格子定数をより小とする接合層との界面に向けてインジウムの原子濃度を漸次大とすることに変わりはない。このドーピング濃度に分布を付与するのは、格子の不整合度(上記のδ(%))をより大とする接合層との界面近傍に存在する格子歪領域により多量の歪を導入するためである。また、as−grown状態で上記の界面近傍の領域を電子濃度のより低い領域とすることを図ったものである。 In the present invention, the gallium-based nitride compound semiconductor layer doped with indium uniformly in the thickness direction within the above concentration range is not used as the active layer. A gallium-based nitride compound semiconductor layer having a specific indium concentration distribution while limiting the indium concentration range that causes an increase in emission intensity is used as the active layer. By imparting non-uniformity to the indium doping concentration distribution, a distribution is created in the electronic properties and the like inside the active layer. In particular, indium is present in the gallium-based nitride compound semiconductor layer that forms a junction with the active layer, and increases the doping concentration of indium toward the interface with the nitride compound semiconductor layer having a smaller lattice constant. Increasing the indium doping concentration in the layer thickness direction can be achieved by increasing the amount of the indium source supplied to the growth reaction system during the formation of the active layer with respect to the film formation time. Various concentration profiles can be created depending on how the indium source supply changes with respect to the film formation time. FIG. 4 illustrates an indium doping concentration distribution according to the present invention. The atomic concentration profile (111) in the depth direction indicates that the indium concentration in the active layer (104) is higher in the bonding layers ((108) and (109)) that are bonded to the active layer (104). 3 shows an example of a distribution in which the density monotonically increases toward the interface (110) with the bonding layer (109). Such a concentration profile can be obtained by monotonically increasing the supply amount of the indium source supplied to the growth reaction system as the thickness of the active layer increases. The atomic concentration profile (112) shows another concentration distribution of indium atoms, and the doping concentration of indium is gradually increased toward the interface (110) with the bonding layer (109) from the start of the growth of the active layer (104). It is increased. The atomic concentration profile (113) shows the distribution of the atomic concentration of indium obtained by keeping the doping amount of indium constant in the middle of the active layer (104) and thereafter increasing the doping amount stepwise. If the indium doping amount is monotonically increased rather than stepwise, a profile (114) in which the atomic concentration of indium smoothly increases toward the interface (110) is obtained. In any case, in order to obtain a light emitting layer having excellent light emission intensity, the atomic concentration of indium is gradually increased toward the interface with the bonding layer having a smaller lattice constant in the bonding layer bonded to the light emitting layer. That is no different. The reason why the distribution is given to the doping concentration is to introduce a large amount of strain into the lattice strain region existing near the interface with the bonding layer, which increases the degree of lattice mismatch (the above δ (%)). is there. Further, in the as-grown state, the region near the interface is set as a region having a lower electron concentration.

 インジウムのドーピング濃度の変化範囲は8×1017cm-3以上4×1020cm-3以下の範囲内とする。この範囲内に於けるインジウムのドーピング濃度の変化率は所望する発光波長と活性層の層厚に鑑みて適宣決定する。変化率とは、次の式(2)により、インジウムの初期のドーピング濃度(N0;単位cm-3)に対する最終のインジウム濃度(N;単位cm-3)の比率(Δ)で表す。
Δ=N/N0・・・・・式(2)
図5をもって具体的に説明すれば、活性層(104)と接合する接合層((108)及び(109))にあって、活性層と格子定数の差異を小とする接合層(108)との界面(124)に於けるドーピングされたインジウムの原子濃度が初期濃度(N0)である。他方、活性層との格子不整合度をより大とする接合層(109)との界面(110)に於ける濃度がNである。本発明では、インジウムのドーピング濃度を両界面((110)及び(124))の内、界面(110)に向けて増加させるのであるから常にN>N0の関係にあり、従って、Δは正の値を採る。活性層の層厚を一定とする場合、青色等の短波長の発光を得るにはこの変化率を比較的小とする。緑色等の長波長側の発光を図るならば変化率は大とする。逆に変化率を一定とするならば、緑色、黄色と長波長側の発光を意図する程、発光層の層厚を薄くする。即ち、インジウムのドーピング濃度を変化させる領域を狭めることにより、層厚の変化に対するインジウムの原子濃度の変化の度合いを大とする。例えば、インジウムのドーピング初期濃度(N0)を1×1018cm-3とし最終濃度(N)を4×1020cm-3として変化率(Δ)を400とする場合を考える。この場合、波長を430nm〜450nmとする青色発光を得るには発光層の層厚を概ね、40〜70nmとし、波長を約500〜550nmとする緑色帯発光を意図するならば発光層の層厚を少なくとも約10nm以下、望ましくは5nm前後とする。
The change range of the indium doping concentration is in the range of 8 × 10 17 cm −3 to 4 × 10 20 cm −3 . The rate of change of the indium doping concentration within this range is appropriately determined in consideration of the desired emission wavelength and the thickness of the active layer. The rate of change, by the following equation (2), the initial doping concentration of indium represented by a ratio of; (unit cm -3 N) (delta) final indium concentration on (N 0 units cm -3).
Δ = N / N 0 Equation (2)
Specifically, referring to FIG. 5, the bonding layers ((108) and (109)) that are bonded to the active layer (104), and the bonding layer (108) that reduces the difference in lattice constant from the active layer. The atomic concentration of the doped indium at the interface (124) is the initial concentration (N 0 ). On the other hand, the concentration at the interface (110) with the bonding layer (109) that increases the degree of lattice mismatch with the active layer is N. In the present invention, since the doping concentration of indium is increased toward the interface (110) of the two interfaces ((110) and (124)), there is always a relationship of N> N 0 , and thus Δ is positive. Take the value of. When the thickness of the active layer is constant, the rate of change is relatively small in order to obtain emission of a short wavelength such as blue. If light emission on the long wavelength side such as green is intended, the rate of change is large. Conversely, if the rate of change is constant, the thickness of the light-emitting layer is reduced to such an extent that light emission on the long wavelength side is green and yellow. That is, the degree of change in the atomic concentration of indium with respect to the change in the layer thickness is increased by narrowing the region where the indium doping concentration is changed. For example, consider the case where the initial doping concentration (N 0 ) of indium is 1 × 10 18 cm −3 , the final concentration (N) is 4 × 10 20 cm −3 , and the rate of change (Δ) is 400. In this case, in order to obtain blue light emission having a wavelength of 430 nm to 450 nm, the thickness of the light emitting layer is generally set to 40 to 70 nm, and to achieve green band light emission having a wavelength of about 500 to 550 nm, the layer thickness of the light emitting layer is intended. Is at least about 10 nm or less, preferably about 5 nm.

 活性層内のインジウムのドーピング濃度に分布を付与することによってもたらされる一つの利点は発光部の構成が簡略化出来ることにある。例えば、従来の緑色LEDの構造を省みるに、その発光部は単一量子井戸構造となっている。発光層である井戸層はインジウム組成比を0.20とする窒化ガリウム・インジウム混晶層(図2の(104))である。窒化ガリウム・インジウム混晶発光層(図2の(104))の下部には、下地層としてインジウム組成比を0.05とする窒化ガリウム・インジウム混晶層(図2の(107))が配置されている。云わば発光部にインジウムの組成比を異にする窒化ガリウム・インジウム混晶層の重層構造が具備されている。本発明に依るインジウムのドーピング、即ち、緑色発光に適する層厚を有し、且つ層厚方向に順次インジウム原子濃度を増加させるドーピングしてなるガリウム系III族窒化物半導体層を唯一発光層として利用すれば事足りる。この様にインジウムのドーピング濃度に変化を付した窒化物層にあっては、一層のみでインジウムの濃度に比較的低い領域が従来の窒化ガリウム・インジウム下地層の、また、インジウム原子濃度が比較的高い領域は従来の窒化ガリウム・インジウム発光層を各々、担えるものである。従って、結晶成長が困難な窒化ガリウム・インジウム混晶を発光層の下地層を敢えて配置せずとも簡便に同様の発光強度の増大が果たせる。即ち、量子井戸構造の一障壁層としての、或いはまた、窒化ガリウム・インジウム混晶発光層とn形窒化ガリウム層とを直接接合した際に接合界面で発生が予想される、量子準位の形成による極端なキャリアの蓄積を低減するためにの格子歪の緩和層としの窒化ガリウム・インジウム下地層を敢えて設ける必要も無くなる。 (1) One advantage brought about by giving a distribution to the doping concentration of indium in the active layer is that the configuration of the light emitting section can be simplified. For example, omitting the structure of a conventional green LED, the light emitting portion has a single quantum well structure. The well layer serving as the light emitting layer is a gallium nitride / indium mixed crystal layer ((104) in FIG. 2) having an indium composition ratio of 0.20. Below the gallium nitride / indium mixed crystal light emitting layer ((104) in FIG. 2), a gallium / indium nitride mixed crystal layer ((107) in FIG. 2) having an indium composition ratio of 0.05 is disposed as a base layer. Have been. In other words, the light emitting portion has a multilayer structure of gallium nitride / indium mixed crystal layers having different indium composition ratios. Indium doping according to the present invention, that is, a gallium-based group III nitride semiconductor layer having a layer thickness suitable for green light emission and doped to increase the indium atom concentration sequentially in the layer thickness direction is used as the only light emitting layer. That's enough. As described above, in the nitride layer in which the indium doping concentration is changed, only one region having a relatively low indium concentration is formed in a conventional gallium nitride / indium underlayer, and the indium atom concentration is relatively low. The high region can carry each of the conventional gallium-indium nitride light-emitting layers. Therefore, even if gallium-indium nitride mixed crystal, in which crystal growth is difficult, is not intentionally arranged as the underlayer of the light emitting layer, the same increase in light emission intensity can be easily achieved. That is, the formation of a quantum level, which is expected to occur at a junction interface as a barrier layer of a quantum well structure or when a gallium nitride-indium mixed crystal light emitting layer and an n-type gallium nitride layer are directly joined. It is not necessary to provide a gallium / indium nitride underlayer as a layer for alleviating lattice distortion in order to reduce extreme accumulation of carriers.

 本発明では、活性層はドナー或いはアクセプターの何れか一方の不純物が層厚方向に略一定の原子濃度にドーピングされ、他方の不純物がインジウムの原子濃度に略反比例する濃度分布をもって層厚方向にドーピングされているものとする。これは、活性層として例えば亜鉛等のアクセプター不純物が層厚方向の略一様の原子濃度をもってドーピングされ、珪素等のドナー不純物がインジウム原子濃度にほぼ反比例した濃度をもってドーピングされた、ガリウム系窒化物化合物半導体層を利用することを意味する。即ち、インジウムの原子濃度を活性層の層厚方向に漸次増加させる本発明にあって、珪素、ゲルマニウム(Ge)や錫(Sn)等の第IV族元素或いは第VI族元素の硫黄(S)、セレン(Se)及びテルリウム(Te)等のドナー不純物の原子濃度は逆に層厚の増加方向に減少させる。この様な相反する原子濃度分布を付与するのは、活性層内にキャリア(carrier:担体)、即ち電子(electron)若しくは正孔(hole)の濃度分布を創生するためである。しかし、互いに略反比例の関係に保つ濃度とはドーパントの原子濃度であって、電子濃度等のキャリア濃度ではない。活性層の層厚方向にドナー不純物の原子濃度を漸次減じたところで、電子濃度は反対に層厚の増加方向に増加する。特に活性層上に接合する格子不整合系の接合層との界面で急激に増加するドナー不純物の分布とは反対の分布を呈する場合も有り得る。活性層の層厚の増加に伴うインジウムの原子濃度の増加に反して、ドーピングするドナー不純物の原子濃度を減ずるのは、活性層上に堆積される接合層との界面近傍の格子歪が完全に除去されたいない領域に蓄積される、電子等のキャリア密度の増加を目的としているからである。as−grown状態で既に、その界面近傍でキャリア密度の増加が認められる場合もあれば、活性層に窒化アルミニウム・ガリウム混晶等の圧電結晶体を接合させた際により顕著に界面近傍でのキャリアの蓄積が顕現される場合もある。この様に云わば活性層との界面近傍に担体(キャリア)が閉じ込められた、所謂キャリアが局在した領域の形成を意図することをもって、発光素子にあっては発光強度の増大を、電子機能デバイスにあっては担体移動度の増加を達成するものである。 According to the present invention, the active layer is doped with one of the donor and acceptor impurities at a substantially constant atomic concentration in the layer thickness direction, and the other impurity is doped in the layer thickness direction with a concentration distribution substantially inversely proportional to the indium atomic concentration. It is assumed that This is a gallium nitride in which an acceptor impurity such as zinc is doped as an active layer with a substantially uniform atomic concentration in a layer thickness direction, and a donor impurity such as silicon is doped with a concentration almost inversely proportional to an indium atomic concentration. This means that a compound semiconductor layer is used. That is, in the present invention in which the atomic concentration of indium is gradually increased in the thickness direction of the active layer, sulfur (S) of a Group IV element or a Group VI element such as silicon, germanium (Ge) or tin (Sn) is used. Conversely, the atomic concentration of donor impurities such as selenium (Se) and tellurium (Te) decreases in the direction of increasing the layer thickness. The reason for providing such a contradictory atomic concentration distribution is to create a concentration distribution of carriers, that is, electrons or holes in the active layer. However, the concentrations that are kept in a substantially inverse proportion to each other are the atomic concentrations of the dopant, not the carrier concentrations such as the electron concentration. When the atomic concentration of the donor impurity gradually decreases in the layer thickness direction of the active layer, the electron concentration increases in the direction of increasing the layer thickness. In particular, the distribution may be opposite to the distribution of the donor impurity which rapidly increases at the interface with the lattice mismatched bonding layer bonded to the active layer. Contrary to the increase in the atomic concentration of indium accompanying the increase in the thickness of the active layer, the decrease in the atomic concentration of the donor impurity to be doped is caused by the fact that the lattice strain near the interface with the bonding layer deposited on the active layer is completely reduced. This is because the purpose is to increase the carrier density of electrons and the like accumulated in the region that has not been removed. In the as-grown state, the carrier density may be increased near the interface in some cases. In the case where a piezoelectric crystal such as an aluminum nitride-gallium mixed crystal is bonded to the active layer, the carrier density in the vicinity of the interface is more remarkable. In some cases. In this way, the intention is to form a so-called carrier-localized region in which carriers are confined in the vicinity of the interface with the active layer. The device achieves an increase in carrier mobility.

 本発明では、発光部の接合構成に創意を加える。発光部とは、クラッド(clad)層を含むヘテロ接合構成にあっては発光層とクラッド層から構成される部位を云う。量子井戸構造にあっては井戸層と障壁層とからなる多重構造と、これに接合するクラッド層とからなる部位を指す。発光素子に限って言及すれば、本発明では更にインジウムがドーピングされたガリウム系窒化物化合物半導体層発光層を、同じくインジウムがドーピングされたガリウム系窒化物化合物半導体層に接合させることをもって発光部を形成する。インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層相互の接合からなる構成は勿論、他の素子、例えば耐熱性のホール(Hall)素子、ショットキー(Schottky)接合型電界効果トランジスタ(英略称MESFET)や紫外領域或いは青色帯領域の受光素子等の活性領域として活用できる。インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体接合層を活性層に接合する理由は、この接合が活性層を構成するガリウム系窒化物化合物半導体層の結晶性の向上をもたらす下地層(被堆積層)として寄与するため、結晶性が格段に向上した活性層が得られるからである。活性層の結晶性の改善の程度や品質的な優劣は、X線回折スペクトルの半値幅やフォトルミネッセンス(PL)スペクトルのバンド端発光強度の調査などから判定できる。本発明では被ドーピング体の混晶化を果たす程高濃度にインジウムをドーピングしないため、被ドーピング体元来の禁止帯幅(バンドギャップ)に対応したバンド端発光波長に移動(所謂、波長シフト)が発生しないため、バンド端発光の強度や半値幅がそのまま結晶品質の良否を判定する指標となり得る。図6に一例として、インジウムを原子濃度にして約8×1015cm-3に添加したn形窒化ガリウム(GaN)接合層上に堆積された窒化ガリウム層の室温フォトルミネッセンススペクトル(115)を示す。一方、インジウムのドーピングを施していないアンドープのn形窒化ガリウム層上に堆積した窒化ガリウム層からの室温スペクトルをスペクトル(116)に示す。両スペクトルの対比から明白な如く、インジウムがドーピングされた窒化ガリウム接合層上の窒化ガリウム層からのバンド端発光(図6に記号BDで示す)の発光強度は、インジウム無添加の場合に比較して明らかに増大している。この様に、インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層に接合された窒化物化合物半導体層の結晶性は格段に改善される。 In the present invention, the joint structure of the light emitting unit is creatively added. The light emitting portion refers to a portion composed of a light emitting layer and a clad layer in a heterojunction configuration including a clad layer. In the quantum well structure, it refers to a portion composed of a multi-layered structure composed of a well layer and a barrier layer and a clad layer joined thereto. If only the light emitting element is mentioned, in the present invention, the gallium nitride compound semiconductor layer doped with indium is further joined to the gallium nitride compound semiconductor layer doped with indium to form the light emitting portion. Form. Other elements, such as a heat-resistant Hall element, a Schottky junction field effect transistor (abbreviated as MESFET), and an ultraviolet element, as well as a configuration including a junction between nitride compound semiconductor layers doped with indium. It can be used as an active region of a light receiving element or the like in a region or a blue band region. The reason why the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer is bonded to the active layer is that the bonding serves as an underlayer (deposited layer) that improves the crystallinity of the gallium-based nitride compound semiconductor layer that forms the active layer. This is because an active layer having significantly improved crystallinity can be obtained. The degree of improvement in the crystallinity of the active layer and the quality of the active layer can be determined by examining the half-width of the X-ray diffraction spectrum and the emission intensity at the band edge of the photoluminescence (PL) spectrum. In the present invention, since indium is not doped at such a high concentration as to achieve the mixed crystal of the material to be doped, the wavelength shifts to a band edge emission wavelength corresponding to the band gap inherent to the material to be doped (so-called wavelength shift). Does not occur, the intensity and the half-value width of the band edge emission can be directly used as an index for determining the quality of the crystal quality. FIG. 6 shows, as an example, a room-temperature photoluminescence spectrum (115) of a gallium nitride layer deposited on an n-type gallium nitride (GaN) junction layer doped with indium at an atomic concentration of about 8 × 10 15 cm −3. . On the other hand, the spectrum (116) shows the room temperature spectrum from the gallium nitride layer deposited on the undoped n-type gallium nitride layer not doped with indium. As is evident from the comparison of the two spectra, the emission intensity of the band edge emission (indicated by the symbol BD in FIG. 6) from the gallium nitride layer on the indium-doped gallium nitride junction layer is higher than that without indium. Is clearly increasing. As described above, the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer bonded to the nitride compound semiconductor layer doped with indium is remarkably improved.

 活性層と接合させるガリウム系III族窒化物化合物半導体層にあって、最適なインジウムのドーピング濃度範囲は、8×1017cm-3以上で4×1020cm-3以下である。インジウムの原子濃度が約8×1017cm-3未満であると被ドーピング層のバンド端の室温フォトルミネッセンス強度に増加は見られない。ドーピングされたインジウム原子の濃度が8×1017cm-3近傍であると、時としてバンド端発光強度の増大が認められる場合があるが、その効果は不安定である。結晶性に優れるガリウム系III族窒化物化合物半導体層を安定して得るには、インジウムのドーピング濃度を8×1017cm-3以上とする必要がある。逆に、原子濃度が4×1020cm-3を越えるインジウムドーピングを施すと、ハードニング(hardning)効果に起因するためか、窒化物化合物半導体膜に亀裂が発生する確率が高くなる。この亀裂の発生により膜の表面状態の劣化を招くと共に、膜の連続性が損なわれる。発光強度に影響を与える因子には窒化物化合物半導体膜の連続性も挙げられ、連続性に欠ける膜は、発光素子にあっては発光面積の減少等に加えて電極間抵抗の増大を招くため、発光強度に優れる化合物半導体発光素子を得るに不都合となる。従って、本発明では活性層と接合する接合層のインジウムの原子濃度の上限を4×1020cm-3とする。 In the gallium-based group III nitride compound semiconductor layer to be joined to the active layer, the optimum indium doping concentration range is 8 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 20 cm −3 or less. If the atomic concentration of indium is less than about 8 × 10 17 cm −3 , no increase is observed in the room-temperature photoluminescence intensity at the band edge of the layer to be doped. When the concentration of the doped indium atom is around 8 × 10 17 cm −3 , an increase in band edge emission intensity may be sometimes observed, but the effect is unstable. In order to stably obtain a gallium-based group III nitride compound semiconductor layer having excellent crystallinity, the indium doping concentration needs to be 8 × 10 17 cm −3 or more. Conversely, when indium doping with an atomic concentration exceeding 4 × 10 20 cm −3 is performed, the probability of cracks occurring in the nitride compound semiconductor film is increased, possibly due to the hardening effect. The generation of the cracks causes deterioration of the surface state of the film, and also impairs the continuity of the film. Factors affecting the light emission intensity include the continuity of the nitride compound semiconductor film. A film lacking continuity causes an increase in inter-electrode resistance in addition to a decrease in the light emitting area in a light emitting element. This is inconvenient for obtaining a compound semiconductor light emitting device having excellent light emission intensity. Therefore, in the present invention, the upper limit of the atomic concentration of indium in the bonding layer bonded to the active layer is set to 4 × 10 20 cm −3 .

 ドーピングされたインジウム原子の濃度分布については特に制限はない。何故ならば活性層と接合するインジウムドープ窒化物半導体層は発光層として利用するのではないからである。従って、上記の様な発光強度の増大をもたらすためのインジウム原子濃度の分布を付与する必要はない。インジウムは一様にドーピングされていても構わない。また、接合層の層厚方向に濃度勾配を付してドーピングされていても差し支えはない。しかし、接合層と活性層との界面における原子濃度は、上記の如く活性層内のインジウム原子の初期濃度(N0)に略同等となる様にドーピングされているのが好ましい。活性層と接合層との接合界面近傍で、インジウムの原子濃度差に起因する歪や結晶欠陥等の発生を抑制するためである。 There is no particular limitation on the concentration distribution of the doped indium atoms. This is because the indium-doped nitride semiconductor layer bonded to the active layer is not used as a light emitting layer. Therefore, it is not necessary to provide the distribution of the indium atom concentration for increasing the emission intensity as described above. Indium may be uniformly doped. Further, the doping may be performed with a concentration gradient in the thickness direction of the bonding layer. However, it is preferable that the doping is performed so that the atomic concentration at the interface between the bonding layer and the active layer is substantially equal to the initial concentration of indium atoms (N 0 ) in the active layer as described above. This is in order to suppress the occurrence of distortion, crystal defects, and the like due to the difference in the atomic concentration of indium near the bonding interface between the active layer and the bonding layer.

 ダブルヘテロ接合型の窒化ガリウム系青色LEDにあっては、活性層と接合するサファイア基板側の接合層をn形とし、活性層の上部にp形層を配置する構成が採られている。単一量子井戸構造型とされる緑色LEDにあっても、伝導形から観た接合構成は同一である。一方、サファイア等の絶縁性結晶を基板とするのではなく、p形の導電性を呈する材料を基板として利用する際には、活性層と接合する基板側に配置される半導体層はp形層とするのが妥当な構成となる。従って、活性層と接合させるところのインジウムドープ窒化物半導体層の伝導形はn形或いはp形の何れでも構わない。本発明に規定される原子濃度範囲でインジウムがドーピングされ、結晶性の向上した窒化物化合物半導体層であることが本質的に重要である。但し、インジウムドープn形ガリウム系窒化物半導体層上に、インジウムが原子濃度に勾配をもってドーピングされたガリウム系窒化物半導体活性層を配置する場合は、活性層とn形接合層との界面近傍に蓄積するキャリアの密度を、対向する活性層とp形接合層との接合界面に於けるそれよりも小とするために、活性層とn形接合層との界面に於けるインジウム原子濃度を略同等とすることが重要となる。 A double heterojunction type gallium nitride blue LED adopts a configuration in which the bonding layer on the sapphire substrate side to be bonded to the active layer is n-type, and a p-type layer is disposed above the active layer. Even in a green LED having a single quantum well structure, the junction configuration is the same as viewed from the conduction type. On the other hand, when a material exhibiting p-type conductivity is used as the substrate instead of using an insulating crystal such as sapphire as the substrate, the semiconductor layer disposed on the substrate side to be bonded to the active layer is a p-type layer. Is a reasonable configuration. Therefore, the conduction type of the indium-doped nitride semiconductor layer to be joined to the active layer may be either n-type or p-type. It is essentially important that the nitride compound semiconductor layer is doped with indium in the atomic concentration range defined in the present invention and has improved crystallinity. However, when a gallium-based nitride semiconductor active layer in which indium is doped with a gradient in the atomic concentration is arranged on the indium-doped n-type gallium-based nitride semiconductor layer, the vicinity of the interface between the active layer and the n-type junction layer is provided. In order to make the density of accumulated carriers smaller than that at the junction interface between the opposing active layer and the p-type junction layer, the concentration of indium atoms at the interface between the active layer and the n-type junction layer is substantially reduced. It is important to make them equal.

 これらのインジウムドープ窒化物化合物半導体接合層と活性層との接合面数は単面(1面)若しくは2面の何れでも構わない。換言すれば、本発明の云う接合層は活性層の直下側、直上側或いは活性層の直上及び直下側の双方に配置するのを許容するものであるが、活性層の直下の格子不整合系基板側にインジウムのドーピングによって結晶性が改善された窒化物化合物半導体接合層を配置すれば、基板との格子不整合性に基づき、接合層側に伝搬してくる転位等の結晶欠陥の活性層への浸透が抑制できる効果が挙げられる。この様な接合構造を備えた積層体から構成される窒化物化合物半導体発光素子は、格子不整合性に基づく結晶欠陥の導入を低減する措置がなされていない構成層からなる積層体より構成される従来のLEDに比べれば格段の発光特性の向上が果たされる。後述の実施例に関する記述に於いて、比較例をもって具体的に特性を比較する。 接合 The number of bonding surfaces between the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer and the active layer may be either a single surface (one surface) or two surfaces. In other words, the bonding layer according to the present invention is allowed to be disposed immediately below, directly above, or both directly above and immediately below the active layer. If a nitride compound semiconductor bonding layer whose crystallinity is improved by doping with indium is arranged on the substrate side, the active layer of crystal defects such as dislocations that propagate to the bonding layer side due to lattice mismatch with the substrate. The effect which can suppress penetration into the water is mentioned. A nitride compound semiconductor light emitting device composed of a laminate having such a junction structure is composed of a laminate composed of constituent layers in which no measures are taken to reduce the introduction of crystal defects based on lattice mismatch. The light emission characteristics are remarkably improved as compared with the conventional LED. In the following description of the embodiments, the characteristics will be specifically compared with a comparative example.

 接合面数が2である場合は活性層の両側にインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層が接合していることとなる。本発明に係わるインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層と活性層とのダブルヘテロ接合の構成例には、n形若しくはp形インジウムドープ窒化ガリウム層/n形、p形若しくは絶縁形(高抵抗)窒化ガリウム・インジウム(GazIn1-z;0≦z≦1)活性層/p形若しくはn形インジウムドープ窒化アルミニウム・ガリウム層接合構造が挙げられる。活性層の直上にもインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体接合層を配置させる主たる理由は、活性層とその直上に配置した接合層との格子不整合に起因して発生し、活性層の直上の接合層に伝搬してくる結晶欠陥の多くを同接合層の内部に包含するためである。これにより、活性層上部の接合層上に配置される電流拡散層やコンタクト層への結晶欠陥の伝搬を抑制するに効果が得られる。しいては、結晶欠陥の少ない結晶層は結晶欠陥の周辺への電流集中や局所的な漏洩電流の発生を希有となすなどの素子の安定動作を可能とする利点をもたらすからである。 When the number of bonding surfaces is 2, it means that indium-doped nitride compound semiconductor layers are bonded to both sides of the active layer. Examples of the configuration of the double heterojunction between the indium-doped nitride compound semiconductor layer and the active layer according to the present invention include an n-type or p-type indium-doped gallium nitride layer / n-type, p-type or insulating (high resistance). ) gallium indium nitride (Ga z In 1-z; 0 ≦ z ≦ 1) active layer / p-type or n-type indium-doped aluminum gallium nitride layer junction structure. The main reason for disposing the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer also directly above the active layer is that it occurs due to lattice mismatch between the active layer and the bonding layer disposed immediately above the active layer. Most of the crystal defects that propagate to the bonding layer are included in the bonding layer. Thereby, the effect of suppressing the propagation of crystal defects to the current diffusion layer and the contact layer disposed on the bonding layer above the active layer can be obtained. This is because a crystal layer having few crystal defects provides an advantage of enabling a stable operation of the element, such as making the current concentration around the crystal defect or the generation of local leakage current rare.

 活性層と同一の物質から構成される、インジウムドープ窒化物化合物半導体接合層上にインジウムドープ活性層を接合させる構成とすると、更に活性層の結晶性は向上する。接合層と活性層とを同一の物質(マトリックス)から構成すれば、接合層と活性層との格子整合性に依って接合層上の活性層の結晶性は一段と向上する。この様な構成からなる例には、本発明に規定される濃度範囲にインジウムがドーピングされたn形、p形或いは絶縁形の窒化ガリウム接合層上に、同じくインジウムがドーピングされたn形、p形或いは絶縁形の窒化ガリウムから成る活性層を形成する構成がある。前述した如く本発明のインジウムのドーピングは窒化ガリウム本来の禁止帯幅の変化を来たすに至らない。従って、上記の構成例に於ける窒化ガリウム接合層なり活性層は、窒化ガリウム・インジウム(Ga1-xInxN;x≠0、0<x≦1)混晶となるには至らない。このため、接合層と活性層とは同一の物質、即ち、窒化ガリウムから構成されていることとなる。従って、例えば、サファイア基板上に上記の構成の接合系を設けた場合、基板と活性層とは格子不整合の関係にあるが、活性層と接合層とは格子整合関係にある。他には、インジウムがドーピングされたn形、p形或いは絶縁形窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)混晶層/インジウムドープのn形、p形或いは絶縁形窒化アルミニウム・ガリウム混晶活性層から成る接合構成や、インジウムドープ砒化窒化ガリウム(GaNAs)層/インジウムドーププ砒化窒化ガリウム活性層からなる接合構成が例示できる。 When the indium-doped active layer is bonded to the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer made of the same material as the active layer, the crystallinity of the active layer is further improved. When the bonding layer and the active layer are made of the same substance (matrix), the crystallinity of the active layer on the bonding layer is further improved due to the lattice matching between the bonding layer and the active layer. Examples of such a configuration include an indium-doped n-type, p-type or an insulated gallium nitride junction layer doped with indium in the concentration range specified in the present invention. There is a configuration in which an active layer made of a gallium nitride of an insulated or insulated type is formed. As described above, the indium doping of the present invention does not cause a change in the band gap inherent to gallium nitride. Accordingly, the gallium nitride bonding layer or the active layer in the above configuration example does not become a gallium indium nitride (Ga 1 -x In x N; x ≠ 0, 0 <x ≦ 1) mixed crystal. Therefore, the bonding layer and the active layer are made of the same material, that is, gallium nitride. Therefore, for example, when a bonding system having the above configuration is provided on a sapphire substrate, the substrate and the active layer have a lattice mismatching relationship, but the active layer and the bonding layer have a lattice matching relationship. Another example is a junction comprising an n-type, p-type or insulated aluminum / gallium nitride (AlGaN) mixed crystal layer doped with indium / an indium-doped n-type, p-type or insulated aluminum / gallium nitride mixed crystal active layer. A structure and a junction structure composed of an indium-doped gallium arsenide nitride (GaNAs) layer / an indium-doped gallium arsenide nitride active layer can be exemplified.

 活性層の結晶性の改善をもたらす接合層と結晶性が改善された活性層との接合系に、発光素子にあっては更に発光強度の向上をもたらすバンド構造が備えられた積層構成も提供できる。例えば、活性層の一方にインジウムがドーピングされたアルミニウム(Al)を含む窒化物化合物半導体混晶層を接合させる。他方には、インジウムがドーピングされた活性層と同一の材料からなるインジウムドープ窒化物化合物半導体層を接合させて、非対称型のヘテロ接合構造を得る。活性層により禁止帯幅が大きいアルミニウムを含む窒化物化合物半導体層を接合させれば、発光強度の増大に寄与する「発光の閉じ込め効果」が得られる。従って、この様な接合構造を備えた積層体からは、発光強度に優れる化合物半導体発光素子がもたらされることとなる。 In a light-emitting element, a stacked structure provided with a band structure that further improves the emission intensity can be provided in a bonding system between the bonding layer that improves the crystallinity of the active layer and the active layer with improved crystallinity. . For example, a nitride compound semiconductor mixed crystal layer containing aluminum (Al) doped with indium is bonded to one of the active layers. On the other hand, an indium-doped nitride compound semiconductor layer made of the same material as the active layer doped with indium is joined to obtain an asymmetric heterojunction structure. When a nitride compound semiconductor layer containing aluminum having a large band gap is bonded to the active layer, a "light emission confinement effect" that contributes to an increase in light emission intensity can be obtained. Therefore, a compound semiconductor light emitting device having excellent emission intensity is provided from the laminate having such a bonding structure.

 また本発明では、活性層との接合を成すインジウム添加窒化物化合物半導体層とインジウム添加窒化物化合物半導体層との接合構造を含む積層体からなる窒化物化合物半導体素子を提供する。積層体を構成する層には、窒化物化合物半導体発光素子にあっては、低温緩衝層、緩衝層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流拡散層及びコンタクト層等がある。本発明では、活性層との接合を成すインジウム添加窒化物化合物半導体が、下部クラッド層である場合、この下部クラッド層をインジウムがドーピングされた緩衝層と成す窒化物化合物半導体層に接合させるものである。何故ならば、この接合方式により基板と積層体構成層との格子不整合系に起因する結晶欠陥の活性層と接合をなす窒化物化合物半導体層への伝搬をより尚一層確実に防止できる。これにより、しいてはこの接合層に接合する窒化物化合物半導体活性層の結晶性をより向上させる波及効果がもたらされるからである。 According to the present invention, there is also provided a nitride compound semiconductor element comprising a stacked body including a junction structure between an indium-doped nitride compound semiconductor layer and an indium-doped nitride compound semiconductor layer forming a junction with an active layer. The layers constituting the laminated body include a low-temperature buffer layer, a buffer layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, a current diffusion layer, a contact layer, and the like in a nitride compound semiconductor light emitting device. In the present invention, when the indium-doped nitride compound semiconductor that forms a bond with the active layer is a lower cladding layer, the lower cladding layer is bonded to a nitride compound semiconductor layer that forms a buffer layer doped with indium. is there. This is because, by this bonding method, the propagation of crystal defects caused by the lattice mismatch between the substrate and the layer constituting the laminated body to the nitride compound semiconductor layer that is bonded to the active layer can be more reliably prevented. Thereby, a ripple effect of further improving the crystallinity of the nitride compound semiconductor active layer bonded to this bonding layer is brought about.

 基板結晶直上の低温緩衝層をインジウムをドーピングした層とする必要性は必ずしもないが、インジウムをドーピングした低温緩衝層上により高温で順次、成膜される緩衝層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層やコンタクト層をインジウムがドーピングされた層とした積層体構成も考えられる。この構成に依ればインジウムのドーピングによってもたらされる結晶性の向上の効果を積層構成層全般に亘り波及させることができる。具体的には、サファイア基板上に次の窒化物化合物半導体層を順次堆積してなる発光素子用途の積層体を挙げることができる。
(1)AlxGa1-xN(0≦x≦1)低温緩衝層。
(2)インジウムがドーピングされたn形窒化ガリウム層からなる緩衝層あるいは下部クラッド層。
(3)インジウムに加え第II族元素と第IV族元素、或いはインジウムと第II族元素と第VI族元素とが共に添加されたn形窒化ガリウム活性層。例えば、インジウム、亜鉛及びゲルマニウムが添加されたn形窒化ガリウム活性層。
(4)インジウムが添加されたp形窒化アルミニウム・ガリウム混晶層からなる上部クラッド層。
(5)インジウムがドーピングされたp形窒化ガリウムコンタクト層。
発光素子は、(2)の層へn形電極(負極)と(5)へp形電極(正極)の形成する工程等を経て形成される。この積層構造は、活性層とインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層との接合と、接合層と同一の材料(マトリックス)から構成されたインジウムドープ窒化物化合物半導体活性層と、加えて低温緩衝層上の積層体構成層を全てインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層とした積層構造例である。
It is not necessary that the low-temperature buffer layer immediately above the substrate crystal be an indium-doped layer. A laminate structure in which the clad layer and the contact layer are layers doped with indium is also conceivable. According to this configuration, the effect of improving the crystallinity brought about by the doping of indium can be spread over the whole of the stacked constituent layers. Specifically, there may be mentioned a laminate for a light-emitting element obtained by sequentially depositing the following nitride compound semiconductor layers on a sapphire substrate.
(1) Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) low temperature buffer layer.
(2) A buffer layer or lower cladding layer made of an n-type gallium nitride layer doped with indium.
(3) An n-type gallium nitride active layer to which a group II element and a group IV element, or an indium, a group II element, and a group VI element are added in addition to indium. For example, an n-type gallium nitride active layer to which indium, zinc and germanium are added.
(4) An upper cladding layer made of a p-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer to which indium is added.
(5) A p-type gallium nitride contact layer doped with indium.
The light emitting element is formed through a process of forming an n-type electrode (negative electrode) on the layer (2) and a p-type electrode (positive electrode) on the layer (5). This laminated structure includes a junction between the active layer and the nitride compound semiconductor layer doped with indium, an indium doped nitride compound semiconductor active layer composed of the same material (matrix) as the junction layer, and a low-temperature buffer. This is an example of a laminated structure in which all of the laminated body constituent layers on the layers are nitride compound semiconductor layers doped with indium.

 本発明に係わる他の窒化物化合物半導体素子の例には、導電性或いは絶縁性炭化珪素(SiC)或いは酸化亜鉛(ZnO)等の六方晶系或いは立方晶系等の結晶構造を有する結晶基板上に、次の各層が順次積層された構造を備えた積層体からなる発光素子が挙げられる。
(1)膜厚を2〜50nmとする窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN;0≦x≦1)低温緩衝層。
(2)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を1016cm-3以上1019cm-3以下とし層厚を約0.01〜5μmとするn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlxGa1-xN;0<x≦1)からなる下部クラッド層。
(3)膜厚を2〜10nmとする、インジウムと、カドミウム(Cd)と珪素(Si)とが共にドーピングされた、キャリア濃度を概ね1015cm-3以上5×18cm-3以下とするn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN;0≦x≦1)活性層。
(4)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を1016cm-3以上1019cm-3以下とし、層厚を約0.01〜5μmとするn形若しくはn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlxGa1-xN;0<x≦1)からなる上部クラッド層。
(5)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を概ね1016cm-3以上とし、層厚を約0.01μm以上とするn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウム(AlxGa1-xN;0≦x≦1)コンタクト層。
(6)透明導電膜或いは透光性薄膜電極。
例記される本発明に係わる発光素子用途の積層構造の一構成層である低温緩衝層には、インジウムをドーピングしても構わない。インジウムがドーピングされた低温緩衝層を採用すれば、基板上に全てインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体からなる積層体となる。
Examples of other nitride compound semiconductor devices according to the present invention include a crystal substrate having a hexagonal or cubic crystal structure such as conductive or insulating silicon carbide (SiC) or zinc oxide (ZnO). A light-emitting element having a structure in which the following layers are sequentially stacked is exemplified.
(1) An aluminum gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 ≦ x ≦ 1) low-temperature buffer layer having a thickness of 2 to 50 nm.
(2) An n-type or p-type aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al x Ga) having an indium-doped carrier concentration of 10 16 cm −3 to 10 19 cm −3 and a layer thickness of about 0.01 to 5 μm. 1-xN ; lower cladding layer composed of 0 <x ≦ 1).
(3) A film thickness of 2 to 10 nm, indium, cadmium (Cd) and silicon (Si) doped together, and a carrier concentration of approximately 10 15 cm −3 to 5 × 18 cm −3 . n-type or p-type aluminum gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 ≦ x ≦ 1) active layer.
(4) An n-type or n-type or p-type aluminum-gallium nitride / gallium mixed crystal having a carrier concentration doped with indium of 10 16 cm −3 or more and 10 19 cm −3 or less and a layer thickness of about 0.01 to 5 μm. (Al x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) An upper cladding layer.
(5) n-type or p-type aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 ≦) in which the concentration of indium-doped carrier is about 10 16 cm −3 or more and the layer thickness is about 0.01 μm or more. x ≦ 1) Contact layer.
(6) Transparent conductive film or translucent thin film electrode.
The low-temperature buffer layer, which is a constituent layer of the laminated structure for use in the light emitting device according to the present invention, which is exemplified, may be doped with indium. If a low-temperature buffer layer doped with indium is adopted, a laminate composed of a nitride compound semiconductor doped entirely with indium is formed on the substrate.

 本発明に係わる他の窒化物化合物半導体素子の例には、リン化ガリウム(GaP)、砒化ガリウム(GaAs)、窒化ホウ素(BN)、砒化ホウ素(BAs)、リン化ホウ素(BP)等のIII−V族化合物半導体、またはシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族元素半導体からなる基板上に、順次次の各層を積層させた構造からなる発光素子がある。
(1)窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlxGayIn1-x-yN;x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)単層若しくはそれらの重層からなる低温緩衝層。
(2)第IV族元素或いは第VI族元素またはその双方が添加されたn形AlxGayIn1-x-yN(x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)単層若しくはそれらの重層からなる緩衝層。
(3)Inが添加されたn形若しくはp形AlxGa1-xy1-y(0≦x≦1、0≦y<1)或いはn形若しくはp形AlxGa1-xyAs1-y(0≦x≦1、0≦y<1)等の窒素以外の第V族元素を含む、キャリア濃度を約1016cm-3以上約1019cm-3以下とし、層厚が0.01〜5μm程度の窒化物化合物半導体からなる下部クラッド層(4)インジウムと亜鉛とゲルマニウムとが同時にドーピングされたAlxGa1-xy1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)或いはAlxGa1-xyAs1-y(0≦x≦1、0≦y<1)等の窒素以外の第V族元素からなり、キャリア濃度を約1015cm-3以上1018cm-3以下とし、層厚を0.01〜2μm程度とする発光層。
(5)下部クラッド層とは伝導形を異にする、AlxGayIn1-x-yN(x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)若しくはInが添加されたAlxGa1-xN(0≦x≦1)或いは窒素以外の第V族元素を含みキャリア濃度を約1016cm-3以上約1019cm-3以下とする、層厚が0.01〜5μm程度の窒化物化合物半導体からなる上部クラッド層。
(6)上部クラッド層と伝導形を同じくする、AlxGayIn1-x-yN(x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)若しくはInが添加されたAlxGa1-xN(0≦x≦1)或いは窒素以外の第V族元素を含む窒化物化合物半導体であって、キャリア濃度を約1016cm-3以上とし、層厚を約0.05μm以上約3μm以下とするコンタクト層。
(7)金属窒化物、金属材料からなる透光性薄膜電極層若しくは透明導電膜層。
Examples of other nitride compound semiconductor devices according to the present invention include III such as gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), boron nitride (BN), boron arsenide (BAs), and boron phosphide (BP). There is a light-emitting element having a structure in which the following layers are sequentially stacked on a substrate made of a group V compound semiconductor or a group IV element semiconductor such as silicon (Si) or germanium (Ge).
(1) Aluminum nitride gallium indium (Al x Ga y In 1- xy N; x + y = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) single layer or low-temperature buffer layer consisting of layer.
(2) Group IV elements or the n-type Group VI elements or both is added Al x Ga y In 1-xy N (x + y = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) single-layer or A buffer layer consisting of those layers.
(3) n-type or p-type Al x Ga 1-x N y P 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1) doped with In or n-type or p-type Al x Ga 1-x A carrier concentration containing a Group V element other than nitrogen, such as N y As 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1), is set to be about 10 16 cm −3 or more and about 10 19 cm −3 or less; lower clad layer thickness is made of a nitride compound semiconductor on the order of 0.01 to 5 [mu] m (4) Al indium and zinc and the germanium is doped simultaneously x Ga 1-x N y P 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) or a group V element other than nitrogen, such as Al x Ga 1−x N y As 1−y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1). A light-emitting layer having a thickness of about 10 15 cm −3 to 10 18 cm −3 and a thickness of about 0.01 to 2 μm;
(5) Al x Ga y In 1-xy N (x + y = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) having a different conductivity type from the lower cladding layer or Al x Ga to which In is added. 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) or a group V element other than nitrogen and a carrier concentration of about 10 16 cm −3 to about 10 19 cm −3, and a layer thickness of about 0.01 to 5 μm Upper cladding layer made of a nitride compound semiconductor.
(6) similarly to the conduction type upper cladding layer, Al x Ga y In 1- xy N (x + y = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) or Al an In is added x Ga 1- xN (0 ≦ x ≦ 1) or a nitride compound semiconductor containing a Group V element other than nitrogen, having a carrier concentration of about 10 16 cm −3 or more and a layer thickness of about 0.05 μm or more and about 3 μm or less Contact layer.
(7) A light-transmitting thin-film electrode layer or a transparent conductive film layer made of a metal nitride or a metal material.

 上記積層体はいずれも活性層(発光層)としてインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層を備えた例であって、従来の如く高いインジウム組成比の窒化ガリウム・インジウム(GaInN)混晶を活性層としているのではない。即ち、本発明に係わるインジウムをドーピングした窒化物化合物半導体層を活性層とするにあっては、活性層の成長のために敢えて成長温度の変更は要しない。例えば、上記の構造の積層体を得るに際し、下部クラッド層と同一の成長温度を維持しながら、インジウム添加窒化物化合物半導体層からなる発光層を成長させ、引き続き同一の成長温度で更に、その上部の窒化物化合物半導体層を成長させることができる。何故ならば、本発明ではインジウム系混晶が創生される程、インジウムを高濃度に添加しているのではないからである。 Each of the above laminates is an example in which a nitride compound semiconductor layer doped with indium is provided as an active layer (light emitting layer), and a gallium indium nitride (GaInN) mixed crystal having a high indium composition ratio is conventionally activated. It is not a layer. That is, when the indium-doped nitride compound semiconductor layer according to the present invention is used as the active layer, it is not necessary to change the growth temperature for the purpose of growing the active layer. For example, in obtaining a laminate having the above structure, a light-emitting layer made of an indium-doped nitride compound semiconductor layer is grown while maintaining the same growth temperature as the lower clad layer, and then further at the same growth temperature, Can be grown. This is because in the present invention, indium is not added at a high concentration so that an indium-based mixed crystal is created.

 上述の積層構造の構成層は、有機金属熱分解気相成長方法(MOCVD法、MOVPE法などと呼称される。)、分子線エピタキシャル成長法(MBE)、化学ビーム蒸着法(CBE法)などの気相成長法で成長できる。MOCVD法にあっては、常圧でも減圧方式でも構わない。即ち、成膜時の圧力は問わない。アルミニウムを含まない窒化物化合物半導体層を、ハロゲン或いはハイドライド気相成長法で成長させ、アルミニウムを含む窒化物半導体層は他の成長方法を利用して積層構造を得ることもできる。高周波スパッタリング法等の物理的堆積法も一つの成膜法として利用できる。成長原料には特に制限は加わらず、例えば、ガリウム源には従来からの金属ガリウム、トリメチルガリウム((CH33Ga)、トリエチルガリウム((C253Ga)等の有機ガリウム化合物やこれらのハロゲン付加物が利用できる。アルミニウム源には金属アルミニウム、トリメチルアルミニウム((CH33Al)、トリエチルアルミニウム((C253Al)やトリイソブチルアルミニウム((i−C493Al)等のトリアルキルアルミニウム化合物やアルミニウムと窒素原子を含む付加物なども利用できる。インジウムドープ窒化物化合物半導体は金属インジウム、トリアルキルIn化合物等の脂肪族炭化水素基を有する有機インジウム化合物やシクロペンタジエニルI合n(C55In)等の脂環式インジウム化合物などを添加源として、窒化物化物半導体層にインジウムを添加すれば得られる。本発明に係わる積層構成層を得るために特殊な原材料は要しない。インジウムの添加方法には、窒化物化合物半導体層にインジウムイオンを注入する方法もある。 The constituent layers of the above-described laminated structure are formed by vapor deposition such as metalorganic thermal decomposition vapor deposition (MOCVD, MOVPE, etc.), molecular beam epitaxy (MBE), and chemical beam evaporation (CBE). It can be grown by the phase growth method. In the MOCVD method, a normal pressure or a reduced pressure method may be used. That is, the pressure during film formation does not matter. A nitride compound semiconductor layer containing no aluminum may be grown by a halogen or hydride vapor phase epitaxy method, and a nitride semiconductor layer containing aluminum may be obtained by using another growth method. A physical deposition method such as a high frequency sputtering method can also be used as one film forming method. The growth raw material is not particularly limited. For example, a conventional gallium source is an organic gallium compound such as metal gallium, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga), or triethylgallium ((C 2 H 5 ) 3 Ga). And their halogen adducts can be used. Aluminum sources include trialkyls such as metallic aluminum, trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al), triethyl aluminum ((C 2 H 5 ) 3 Al) and triisobutyl aluminum ((i-C 4 H 9 ) 3 Al) Aluminum compounds and adducts containing aluminum and a nitrogen atom can also be used. The indium-doped nitride compound semiconductor includes an organic indium compound having an aliphatic hydrocarbon group such as metal indium and a trialkyl In compound, and an alicyclic indium compound such as cyclopentadienyl I n (C 5 H 5 In). It can be obtained by adding indium to the nitride semiconductor layer as an addition source. No special raw materials are required to obtain the laminated constituent layers according to the present invention. As a method of adding indium, there is a method of injecting indium ions into the nitride compound semiconductor layer.

 本発明にかかわるガリウム系III族窒化物化合物半導体活性層にインジウムをドーピングする様式及び同活性層とインジウムドープガリウム系III族窒化物化合物半導体接合層との接合方式は、発光素子にあって発光強度の増大をもたらす。 The gallium-based group III nitride compound semiconductor active layer according to the present invention is doped with indium, and the bonding method between the active layer and the indium-doped gallium group III nitride compound semiconductor bonding layer is based on the light emitting element. Increase.

(実施例1)
 本発明に係わる窒化物化合物半導体素子を青色LEDを例にして図を基に詳細に説明する。図7は本実施例に係わるLEDの平面模式図である。図8は図7の破線A−A’に沿った断面模式図である。本実施例では、CZ(チョクラルスキー)法で育成されたインゴットから切断(スライス)され、ケミカルメカニカル研磨法により表裏両面を鏡面研磨されたサファイアを基板とした。サファイア基板は直径を50mmとする円形で、基板の周囲は面取り加工が施され、仕上がり厚さは約100μmであった。面方位は(0001)であって、基板表面は所謂C面であった。この基板を図8に掲示する積層体の構成層を形成するための常圧の有機金属熱分解気相成長反応炉(MOCVD反応炉)内に搬入する直前に、市販の半導体工業用のイソプロピルアルコールで脱脂処理し、比抵抗を約18メガオーム(MΩ)とする超純水で洗浄した。然る後、市販のフッ化アンモニウム水溶液で基板の表面を処理し、再度超純水で表面を洗浄を施した後、赤外線ランプを利用して水分を蒸発させ乾燥させた。
(Example 1)
The nitride compound semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking a blue LED as an example. FIG. 7 is a schematic plan view of the LED according to the present embodiment. FIG. 8 is a schematic sectional view taken along a broken line AA ′ in FIG. In the present embodiment, a sapphire substrate, which was cut (sliced) from an ingot grown by the CZ (Czochralski) method and whose both surfaces were mirror-polished by a chemical mechanical polishing method, was used. The sapphire substrate was circular with a diameter of 50 mm, the periphery of the substrate was chamfered, and the finished thickness was about 100 μm. The plane orientation was (0001), and the substrate surface was a so-called C plane. Immediately before loading this substrate into an atmospheric pressure organometallic pyrolysis vapor deposition reactor (MOCVD reactor) for forming the constituent layers of the laminate shown in FIG. , And washed with ultrapure water having a specific resistance of about 18 megaohms (MΩ). After that, the surface of the substrate was treated with a commercially available aqueous solution of ammonium fluoride, and the surface was again washed with ultrapure water. Then, the water was evaporated using an infrared lamp and dried.

 充分に乾燥させた基板(101)を極く一般的な真空排気機構を備えたインターロック方式の基板搬送系を利用してMOCVD反応炉内に外気を侵入させることなく、反応炉及び基板搬送系内部を10-3トール(Torr)程度の真空度を維持した状態で、高純度グラファイトからなる円筒形の支持台(サセプター)の表面上に搬送した。次に、内面の粗度をRmax.にして0.5μm未満となる様に精密に複合電解研磨が施された、外形1/4インチのJIS:316Lのステンレス鋼製パイプを介して反応炉内に高純度アルゴン(Ar)ガスをパージ(purge)ガスとして流入させた。アルゴンガスは分子篩(モレキュラーシーブ)吸着方式により露点をマイナス90℃程度に精製したものであって、パージガスとしての流量は電子式質量流量計(英略称MFC)で毎分5リットルに調節、制御した。反応炉内へのアルゴンパージガスの流通を20分間継続した後、反応炉内に流通するガスをアルゴンガスから流量を毎分8リットルとする高純度水素(H2)ガスに変換した。 The reaction furnace and the substrate transfer system can be used for the sufficiently dried substrate (101) by using an interlock type substrate transfer system equipped with an extremely general vacuum exhaust mechanism without allowing outside air to enter the MOCVD reactor. With the inside maintained at a degree of vacuum of about 10 −3 Torr, the wafer was transferred onto the surface of a cylindrical support (susceptor) made of high-purity graphite. Next, a JIS: 316L stainless steel pipe with a 1/4 inch outer diameter, which has been precisely subjected to complex electrolytic polishing so that the inner surface has a roughness of less than 0.5 μm with Rmax. , High-purity argon (Ar) gas was introduced as a purge gas. Argon gas was purified by a molecular sieve (molecular sieve) adsorption method to a dew point of about minus 90 ° C., and the flow rate as a purge gas was adjusted and controlled to 5 liters per minute by an electronic mass flowmeter (abbreviated MFC). . After continuing the flow of the argon purge gas into the reaction furnace for 20 minutes, the gas flowing through the reaction furnace was converted from argon gas to high-purity hydrogen (H 2 ) gas at a flow rate of 8 liters per minute.

 次に、上記の流量の水素をキャリア(原料搬送)ガスとして反応炉へ流通しながら、上記の高純度グラファイト製サセプターの載置台としての作用兼ねる外周をモリブデン(Mo)材から構成した円筒形の準密閉型の抵抗加熱型ヒーターに電源を投じ、サファイア基板の温度を室温より15分間を掛けて低温緩衝層を成長するための450℃に加熱した。サファイア基板の温度は抵抗加熱ヒーターの中心、即ち、円形の窒化ボロン(BN)基体上に化学的堆積(英略称CVD)法で被着した、炭素素材を加熱素(エレメント)とする通称セラミックヒーターエレメントの中心を貫通し、ヒーターの上面を構成するモリブデン製円板のくり貫き部に到達させた熱電対を利用して測温した。熱電対は白金/白金・ロジウム合金系熱電対(JIS:R熱電対)を使用したが、この熱電対の溶接された先端とヒーター上面表面との間隔は鉛直方向に1mmであった。サファイア基板は厚さを2mmとし、直径を120mmとするグラファイト製円形サセプターの中心部に載置されている。更に同サセプターはヒーターの上面を構成するモリブデン製円板上に配置されている。従って、サファイア基板と熱電対の間隔は略3mmとなり、この間隔の存在により当然ながら熱電対による測温値とサファイア基板の、特に同基板の表面の実際の温度は相違する。例えば、600℃〜700℃の温度範囲内では熱電対の熱起電力が686℃の温度指示値を与えた際の、サファイア基板の表面に接触したJIS−R熱電対から基板の表面温度として測温されたのは660℃であり、大凡、26℃の差異が認められた。この様に実際には上記のヒーター内に配置された熱電対による温度指示値と、サセプターを介して主に伝熱により加熱されるサファイア基板の表面温度とには差異があるが、本実施例では便宜上、ヒーター内に配置された熱電対で測温される温度を成長温度と称した。 Next, while flowing the hydrogen at the above flow rate as a carrier (raw material transporting) gas into the reaction furnace, a cylindrical outer periphery made of molybdenum (Mo) material is also used as a mounting table of the high-purity graphite susceptor. The sapphire substrate was heated to 450 ° C. for growing a low-temperature buffer layer by raising the temperature of the sapphire substrate for 15 minutes from room temperature by supplying power to the semi-enclosed resistance heating heater. The temperature of the sapphire substrate is the center of the resistance heater, that is, a so-called ceramic heater which is made of a carbon material as a heating element by chemical deposition (abbreviated as CVD) on a circular boron nitride (BN) substrate. The temperature was measured using a thermocouple that penetrated the center of the element and reached a cut-out portion of a molybdenum disk constituting the upper surface of the heater. The thermocouple used was a platinum / platinum-rhodium alloy-based thermocouple (JIS: R thermocouple), and the distance between the welded tip of the thermocouple and the upper surface of the heater was 1 mm in the vertical direction. The sapphire substrate is placed at the center of a graphite circular susceptor having a thickness of 2 mm and a diameter of 120 mm. Further, the susceptor is disposed on a molybdenum disk constituting the upper surface of the heater. Accordingly, the distance between the sapphire substrate and the thermocouple is approximately 3 mm, and the existence of this distance naturally causes a difference between the temperature measured by the thermocouple and the actual temperature of the sapphire substrate, particularly the surface of the substrate. For example, when the thermoelectromotive force of the thermocouple gives a temperature indication value of 686 ° C. within the temperature range of 600 ° C. to 700 ° C., it is measured as the substrate surface temperature from the JIS-R thermocouple in contact with the sapphire substrate surface. The temperature was 660 ° C., and a difference of about 26 ° C. was observed. As described above, although there is actually a difference between the temperature indication value of the thermocouple disposed in the heater and the surface temperature of the sapphire substrate heated mainly by heat transfer via the susceptor, the present embodiment For convenience, the temperature measured by a thermocouple disposed in the heater is referred to as a growth temperature.

 サファイア基板の温度が450℃に到達した後、JIS:R熱電対の熱起電力信号を変換した温度指示値を監視して、加熱に伴う基板温度の過渡応答(オーバーシュート)状態が解消し、温度指示値が安定する迄暫時待機した。サファイア基板を同温度に維持して約10間経過した後、接ガス部(ガスと接触する部位)等に在るシール(seal)材を商品名カルレッツなどのフッ素樹脂系の樹脂製o−リング等に変換したアンモニア(NH3)ガス専用の電子式質量流量計(MFC)により流量を毎分1リットルに精密に制御されたアンモニアガスを反応炉に至る以前に上記の水素キャリアに混合した。アンモニアガスを随伴する水素キャリアガスは、上記の精密研磨ステンレスパイプを通じてサファイア基板表面の略鉛直上方から反応炉内に導入された。アンモニアガスは内面が鏡面研磨されたアルミニウム(Al)合金製の内容積をほぼ10リットルの耐圧ボンベ内に収納した液化アンモニアを減圧し気化させることにより供給した。アンモニアガスの水素キャリアガスへの添加を開始して正確に5分後に、ガリウム(Ga)原料源としたトリメチルガリウム((CH33Ga)の液体をバブリング(発泡)して、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素ガスを水素キャリアガスに反応炉の直前で混合し反応炉内のサファイア基板表面に供給した。トリメチルガリウムは内面が鏡面研磨されたJIS:304及び316Lステンレス鋼で構成される内容積を約150ミリリットル(ml)とするバブラー(発泡容器)に、当初約50グラム(g)充填されてあって、その容器の温度、即ち、トリメチルガリウムの温度はペルチエ(Peltier)効果を利用した電子式恒温層で0℃の恒温に保持された。トリメチルガリウムは温度0℃では液体であって、この液体内に電子式質量流量計(MFC)により流量を毎分5ミリリットルとした高純度水素ガスをバブリングガスとして流通させた。トリメチルガリウムを随伴する水素バブリングガスの成長炉内への添加をもって、窒化ガリウム(GaN)からなる低温緩衝(バッファ)層(102)の成長の開始とし、上記流量の窒素(N)供給源としてのアンモニアガス及びトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの反応炉内への供給を正確に15分間継続した。これより、層厚を約7ナノメーター(nm)とするアンドープ窒化ガリウム低温緩衝層(102)を形成した。正確に15分間が経過した後、原料供給源系統の配管系に設置されたバルブの開閉操作により、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの水素キャリアガスへの混合を瞬時に停止した。
 併せて、配管系に設けたバルブの開閉操作により、反応炉内の圧力の変動の抑制を期して、キャリアガスを構成するガス種を水素から先ず同流量のアルゴンガスに瞬時に切り換えた。然る後、約2分間アルゴンガスの流量を電子式質量流量計(MFC)により毎分8リットルより毎分5リットルに緩やかに減少させた。アンモニアガスの流量は毎分1リットルとして変更を加えなかった。キャリアガスをアルゴンに変更し、その流量を調整した後、上記の抵抗加熱型ヒーターに投入する電力量をサイリスタ(thyristor)方式の電気回路を介して制御して、サファイア基板の温度を窒化ガリウム成長層の成長温度である1100℃に上昇させた。1100℃に到達してから、温度指示値から観て温度の過渡が減衰したと判断された5分後に、アルゴンガスの流量を毎分5リットルから毎分3リットルに減ずると同時に、水素ガスを毎分3リットルの流量をもって再び反応炉内に供給し始めた。即ち、流量を等しくする水素及びアルゴンからキャリアガスを構成した。併せて、アンモニアガスの流量を毎分1リットルより毎分4リットルに増加させた。これらのガスの流量変更は時間にして約2分間以内に全て併行して完了した。また、これらの流量の変更を加えた時間帯域には、高純度水素ガスにより体積濃度にして約1.2ppmに希釈されたジシラン(Si26)ガスを毎分5ミリリットルの流量をもって、次記のガリウム源を供給する以前に珪素(Si)のドーピングガス(ドーピング源)として予め反応炉内に供給しておいた。この流量の変更から正確に3分間経過後、上記組成のキャリアガスにトリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスを混合させることをもって窒化アルミニウム・ガリウム成長層の成長を開始した。この際、トリメチルガリウムを収納する前記のステンレス鋼製バブラー容器の温度は前記の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として13℃とした。また、液体トリメチルガリウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。また、トリメチルアルミニウムを収納する内面を鏡面研磨されたステンレス鋼製バブラー容器の温度は、前記と同様の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として20℃とした。液化したトリメチルアルミニウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。これら各種ガスの流量条件を保持した状態で上記組成のキャリアガスへのトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの混合を90分間に亘り継続して、層厚を約3.5μmとする珪素(Si)ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(117)を成長させた。正確に、90分経過後、トリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス及びの珪素のドーピングガスであるジシランガスの水素・アルゴン混合キャリアガスへの添加を遮断して珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム層の成長を終了した。前記と同一の条件下で成長させた窒化ガリウム緩衝層上に堆積された珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶層のキャリア濃度は層厚方向に略一定ではなかった。通常のステッピング(stepping)ホール(Hall)測定法に依れば、窒化ガリウム緩衝層との界面近傍より厚さ約1μmに至る領域のキャリア濃度は約3×1018cm-3であり、層の略中央部より表面に向けてキャリア濃度は層厚の増加に伴い、やや減少する傾向を呈し、表面でのキャリア濃度は約9×1017cm-3と層深部(基板側)より減少していた。アンモニアガスの流量をそのままとし、キャリアガスを構成していた水素ガスの成長反応系への供給を遮断して、成長反応系に導入されるガスをアルゴンとアンモニアの2種とした。このガスの切り換えは、上記のトリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス等の成長反応系への供給を遮断した後、約2分間以内に実施した。然る後、基板温度を1100℃より850℃に25℃/分の速度で低下させた。850℃に迄降下させ、約3分間で温度のハンチングが解消された後、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス及びインジウム(In)及び亜鉛(Zn)のドーピング源の供給を開始することをもってインジウムと亜鉛とをドーピングした窒化ガリウム(GaN)層からなる活性層(118)を形成した。トリメチルガリウムを収納する上記のスレンレス鋼製バブラーの容器を電子式恒温槽により0℃に保持した。液体トリメチルガリウムをバブリングするための高純度水素ガスの流量は電子式質量流量計(MFC)により毎分5ミリリットルとした。インジウム源としては電子供与性のアンモニアガスとの複合体化反応を回避するために、結合価を1価とするシクロペンタジエニルインジウム(cyclopentadienylindium:C55In)を用いた(特開平1−94613及びJ.CrystalGrowth,107(1991)、360〜364頁参照)。このインジウム源は内面を鏡面研磨した316L−ステンレス鋼などから構成される円筒状ボトルに収納し、同ボトルは前記と同様の電子式恒温槽により60℃に保温した。インジウム源を収納するステンレス鋼製ボトルの内部には、昇華したインジウム源を成長反応系内に随伴するための高純度水素ガスを電子式質量流量計(MFC)を介して当初、毎分20ミリリットルの流量で流通した。亜鉛は、ジエチル亜鉛((C252Zn)を体積濃度にして約100ppm含む高純度水素ガスを成長反応系に添加することをもってドーピングした。このジエチル亜鉛/高純度水素混合ガスの成長反応系への供給量は電子式質量流量計により毎分40ミリリットルと、インジウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の成長が終了する迄一定とした。一方、昇華したインジウム源を随伴する高純度水素ガスの成長反応系への供給量は同層の成長開始時には20ミリリットルとし、成長時間の経過、即ち、同層の層厚の増加に伴い、順次線形的に増加させて同層の終了時には220ミリリットとした。インジウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の成長には5分間を要したことから、インジウム源の供給量の時間的増加量は40ミリリットル/分となった。また、5分間の成長で得られたインジウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の層厚が60nmであったことから、単位層厚(1nm)に対するインジウム源の供給量の増加量は約3.3ミリリットルとなった。ガリウム源の蒸気並びに昇華したインジウム源を随伴する水素ガス及びジエチル亜鉛/高純度水素ガスの成長反応系への供給を停止して、インジウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の成長を終了させた。原料系ガス及びドーピング系ガスの供給を停止すると同時に、アルゴンキャリアガスの供給量を毎分3リットルから毎分1リットルに減少させ、アンモニアガス(毎分4リットル)に対するアルゴンガスの流量比率(アンモニア/アルゴン流量比)を相対的に低下させた。
After the temperature of the sapphire substrate reaches 450 ° C., the temperature indication value obtained by converting the thermoelectromotive force signal of the JIS: R thermocouple is monitored, and the transient response (overshoot) state of the substrate temperature due to the heating is eliminated. It waited for a while until the temperature reading stabilized. After the sapphire substrate is maintained at the same temperature for about 10 hours, a seal material in a gas contact portion (a portion that comes into contact with gas) or the like is replaced with a fluororesin-based resin o-ring such as Kalrez. The ammonia gas whose flow rate was precisely controlled to 1 liter per minute by an electronic mass flowmeter (MFC) dedicated to ammonia (NH 3 ) gas, which was converted into the above, was mixed with the above hydrogen carrier before reaching the reaction furnace. The hydrogen carrier gas accompanying the ammonia gas was introduced into the reaction furnace from above the sapphire substrate surface almost vertically above the precision-polished stainless steel pipe. Ammonia gas was supplied by decompressing and vaporizing liquefied ammonia contained in a pressure-resistant cylinder having an internal volume of approximately 10 liters made of an aluminum (Al) alloy whose inner surface was mirror-polished. Exactly 5 minutes after the start of the addition of the ammonia gas to the hydrogen carrier gas, a liquid of trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) as a gallium (Ga) raw material source is bubbled (foamed) to produce trimethylgallium. Hydrogen gas accompanying steam was mixed with a hydrogen carrier gas immediately before the reactor and supplied to the surface of the sapphire substrate in the reactor. Trimethylgallium is initially filled in a bubbler (foaming container) made of JIS: 304 and 316L stainless steel whose inner surface is mirror-polished and having an inner volume of about 150 milliliters (ml). The temperature of the container, that is, the temperature of trimethylgallium, was maintained at 0 ° C. in an electronic thermostat using the Peltier effect. Trimethylgallium is a liquid at a temperature of 0 ° C., and high-purity hydrogen gas having a flow rate of 5 ml / min by an electronic mass flow meter (MFC) was passed through the liquid as a bubbling gas. Addition of a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium into the growth furnace was used to start the growth of a low-temperature buffer (buffer) layer (102) made of gallium nitride (GaN). The supply of the hydrogen bubbling gas accompanying the ammonia gas and the vapor of trimethylgallium into the reactor was continued for exactly 15 minutes. Thus, an undoped gallium nitride low-temperature buffer layer (102) having a layer thickness of about 7 nanometers (nm) was formed. After exactly 15 minutes had elapsed, the mixing of the hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium into the hydrogen carrier gas was instantaneously stopped by opening and closing a valve provided in the piping system of the raw material supply system.
At the same time, the gas type constituting the carrier gas was first switched instantaneously from hydrogen to argon gas at the same flow rate in order to suppress fluctuations in the pressure in the reactor by opening and closing a valve provided in the piping system. Thereafter, the flow rate of the argon gas was gradually reduced from 8 liters per minute to 5 liters per minute by an electronic mass flow meter (MFC) for about 2 minutes. The ammonia gas flow rate was 1 liter per minute and was not changed. After changing the carrier gas to argon and adjusting its flow rate, the amount of electric power supplied to the above-mentioned resistance heating type heater is controlled through a thyristor-type electric circuit to increase the temperature of the sapphire substrate to gallium nitride growth. The temperature was increased to 1100 ° C., the growth temperature of the layer. After reaching 1100 ° C., 5 minutes after it is determined from the temperature reading that the temperature transient has attenuated, the flow rate of the argon gas is reduced from 5 liters per minute to 3 liters per minute, and at the same time, the hydrogen gas is discharged. Feeding into the reactor was started again at a flow rate of 3 liters per minute. That is, the carrier gas was composed of hydrogen and argon having the same flow rate. At the same time, the flow rate of ammonia gas was increased from 1 liter per minute to 4 liters per minute. The changes in the flow rates of these gases were all completed concurrently within about 2 minutes. In the time zone where these flow rates were changed, disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to a volume concentration of about 1.2 ppm with high-purity hydrogen gas at a flow rate of 5 ml / min was used. Before supplying the gallium source described above, it was previously supplied into the reaction furnace as a doping gas (doping source) of silicon (Si). Exactly three minutes after the change of the flow rate, the growth of the aluminum / gallium nitride growth layer was started by mixing trimethylgallium and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum vapor in the carrier gas having the above composition. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was set to 13 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum and having an inner surface mirror-polished was set to 20 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the same electronic thermostat as described above. The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min. While maintaining the flow rate conditions of these various gases, mixing of a hydrogen bubbling gas accompanied by a vapor of trimethylgallium into a carrier gas having the above composition is continued for 90 minutes to form a silicon (thickness of about 3.5 μm) layer. A Si) -doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer (117) was grown. Exactly 90 minutes later, the addition of hydrogen bubbling gas accompanied by the vapors of trimethylgallium and trimethylaluminum and disilane gas, which is a silicon doping gas, to the hydrogen / argon mixed carrier gas is interrupted to prevent silicon-doped n-type aluminum nitride. -Gallium layer growth is completed. The carrier concentration of the silicon-doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer deposited on the gallium nitride buffer layer grown under the same conditions as above was not substantially constant in the layer thickness direction. According to the usual stepping hole (Hall) measurement method, the carrier concentration in the region from the vicinity of the interface with the gallium nitride buffer layer to a thickness of about 1 μm is about 3 × 10 18 cm −3 , The carrier concentration tends to decrease slightly as the layer thickness increases from the substantially central portion toward the surface, and the carrier concentration at the surface decreases to about 9 × 10 17 cm −3 from the layer depth (substrate side). Was. While the flow rate of the ammonia gas was kept as it was, the supply of the hydrogen gas, which constituted the carrier gas, to the growth reaction system was cut off, and two types of gas, argon and ammonia, were introduced into the growth reaction system. This gas switching was performed within about 2 minutes after shutting off the supply of the above-described hydrogen bubbling gas accompanied by the vapors of trimethylgallium and trimethylaluminum to the growth reaction system. Thereafter, the substrate temperature was decreased from 1100 ° C. to 850 ° C. at a rate of 25 ° C./min. After the temperature hunting is eliminated in about 3 minutes, the supply of hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium and the supply of doping sources of indium (In) and zinc (Zn) are started. An active layer (118) consisting of a gallium nitride (GaN) layer doped with indium and zinc was formed. The above stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was kept at 0 ° C. by an electronic thermostat. The flow rate of high-purity hydrogen gas for bubbling liquid trimethylgallium was set to 5 ml / min by an electronic mass flow meter (MFC). For the indium source to avoid conjugation reactions with electron donating ammonia gas, cyclopentadienyl indium to monovalent valencies (cyclopentadienylindium: C 5 H 5 In ) was used (JP-A-1 -94613 and J. Crystal Growth, 107 (1991), pages 360-364). This indium source was housed in a cylindrical bottle made of 316L-stainless steel or the like whose inner surface was mirror-polished, and the bottle was kept at 60 ° C. in the same electronic thermostat as above. At the beginning of the stainless steel bottle containing the indium source, high-purity hydrogen gas for entraining the sublimated indium source into the growth reaction system was initially supplied via an electronic mass flow meter (MFC) at 20 ml / min. It circulated at the flow rate. Zinc was doped by adding high-purity hydrogen gas containing about 100 ppm by volume of diethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn) to the growth reaction system. The supply amount of the diethyl zinc / high-purity hydrogen mixed gas to the growth reaction system was set at 40 ml / min by an electronic mass flow meter and kept constant until the growth of the indium and zinc-doped gallium nitride layers was completed. On the other hand, the supply amount of the high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source to the growth reaction system was set to 20 ml at the start of the growth of the same layer, and as the growth time elapsed, that is, as the layer thickness of the same layer increased, It was increased linearly to 220 millilitres at the end of the same layer. Since it took 5 minutes to grow the indium and zinc doped gallium nitride layers, the amount of supply of the indium source over time was 40 ml / min. Further, since the layer thickness of the indium and zinc-doped gallium nitride layer obtained by the growth for 5 minutes was 60 nm, the increase in the supply amount of the indium source per unit layer thickness (1 nm) was about 3.3 ml. became. The supply of the vapor of the gallium source and the hydrogen gas and the diethylzinc / high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source to the growth reaction system were stopped to terminate the growth of the indium and zinc-doped gallium nitride layers. At the same time as the supply of the raw material gas and the doping gas is stopped, the supply amount of the argon carrier gas is reduced from 3 liters per minute to 1 liter per minute, and the flow ratio of the argon gas to the ammonia gas (4 liters per minute) / Argon flow ratio) was relatively reduced.

 係る状態で基板の温度を850℃から1150℃へと60℃/分の速度をもって5分間で昇温した。1150℃に到達する間にアンモニアに流量を毎分4リットルから毎分6リットルに増加させた。1150℃に到達してから5分間経過後、直ちにアルゴンガスの流量を毎分1リットルから毎分3リットルに増加させると同時に水素ガスの供給を再開した。アルゴンと共にキャリアガスを構成する水素の流量は、電子式質量流量計(MFC)により毎分3リットルに調整した。流量を調節して正確に1分後、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス並びにトリメチルアルミニウム((CH33Al)の蒸気を随伴する水素バブリングガスをアルゴン・水素混合キャリアガスに添加した。これらIII族側の原料系ガスの成長反応系への添加と時期を同じくして、上記の亜鉛とマグネシウム(Mg)のドーピングガスを添加した。これにより、第II族のアクセプター性不純物である亜鉛とマグネシウムが共にドーピングされた、層厚を120nmとする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlxGa1-xN;xはAl組成比を表し、0<x<1である)からなる上部クラッド層(119)を成長させた。マグネシウムのドーピング源にはビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム(bis-methylcyclopentadienylmagnesium:(CH3552Mg)を使用した。同マグネシウム源は50℃に保持し上記のインジウム源と同様に、昇華したマグネシウム源を高純度水素ガスで成長反応系に随伴した。10分間に亘り窒化アルミニウム・ガリウム混晶を成膜したる間の、同層の層厚が約60nmに到達する間は(成長時間にして約5分間)、マグネシウム源の供給量は毎分40ミリリットルと一定に保持した。同層の成長の後半(成長時間にして同層の成長開始から約5分以降10分に到達する迄)に於いては、マグネシウム源の供給量を毎分40ミリリットルから毎分20ミリリットルへと漸次減少させた。一方、ジエチル亜鉛/水素混合ガスの成長形内への供給量は成長時間に対して一定の毎分40ミリリットルの流量を保持した。 In this state, the temperature of the substrate was raised from 850 ° C. to 1150 ° C. at a rate of 60 ° C./min for 5 minutes. The ammonia flow rate was increased from 4 liters per minute to 6 liters per minute while reaching 1150 ° C. Five minutes after reaching 1150 ° C., the flow rate of the argon gas was immediately increased from 1 liter per minute to 3 liters per minute, and the supply of hydrogen gas was restarted. The flow rate of hydrogen constituting the carrier gas together with argon was adjusted to 3 liters per minute by an electronic mass flow meter (MFC). After exactly one minute by adjusting the flow rate, a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium vapor and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) vapor were added to the argon / hydrogen mixed carrier gas. . The doping gas of zinc and magnesium (Mg) was added at the same time as the addition of the group III side material system gas to the growth reaction system. As a result, aluminum and gallium nitride mixed crystal (Al x Ga 1 -xN; x is an Al composition ratio having a layer thickness of 120 nm, doped with both group II acceptor impurities, zinc and magnesium, represents an Al composition ratio, An upper cladding layer (119) consisting of 0 <x <1) was grown. As a doping source of magnesium, bis-methylcyclopentadienylmagnesium (bis-methylcyclopentadienylmagnesium: (CH 3 C 5 H 5 ) 2 Mg) was used. The magnesium source was kept at 50 ° C., and the sublimated magnesium source was accompanied by a high-purity hydrogen gas to the growth reaction system in the same manner as the indium source described above. During the formation of the aluminum nitride-gallium mixed crystal for 10 minutes, while the thickness of the layer reaches about 60 nm (about 5 minutes in growth time), the supply rate of the magnesium source is 40 minutes per minute. It was kept constant at milliliters. In the latter half of the growth of the same layer (in the growth time, from about 5 minutes after the start of the growth of the same layer until reaching 10 minutes), the supply amount of the magnesium source was increased from 40 ml / min to 20 ml / min. Gradually reduced. On the other hand, the supply amount of the diethyl zinc / hydrogen mixed gas into the growth chamber was maintained at a constant flow rate of 40 ml / min with respect to the growth time.

 然る後、アルミニウム源に限り反応系への供給を遮断して、亜鉛及びマグネシウムが共にドーピングされた窒化ガリウムからなるコンタクト層(106)の成膜へと移行した。マグネシウム源の供給量は成長開始当初は、毎分20ミリリットルとしたが、層厚の増加に伴い漸次、毎分40ミリリットル迄線形的に増加させた。5分間を掛けて層厚10nmを意図した亜鉛及びマグネシウムドープ窒化ガリウムコンタクト層の成長を終了した。図9に本実施例に記載する積層体を得る過程での基板温度の変化を、図10から図12に、基板温度の変化に追従させたアルゴン、水素キャリアガス及び窒素源としたアンモニアの流量の変化を纏める。また、図13及び14にこの基板温度の変化に対応したIII族原料系の流量の変化を掲示する。尚、III族原料の供給源の温度は成長過程毎に変化させている場合もある(図13及び14中の括弧内の温度が原料の保持温度である。)。従って、図13及び14に掲げるのはあくまでも成長過程毎の流量の変化であって、分子濃度(モル濃度)の絶対値を示すものではない。流量からモル濃度へは保持温度に於けるIII族元素原料の蒸気圧或いは昇華圧値をもって換算することができる。ちなみに、0℃及び13℃に於けるトリメチルガリウムの蒸気圧は各々、64.4トール(Torr)及び128.2Torrである。65℃に於けるシクロペンタジエニルインジウムの昇華圧は1.8Torrである。トリメチルアルミニウムの保持温度25℃に於ける蒸気圧は11.9Torrである。これらのIII族原料を収納する容器内に流通させた水素ガスの圧力は、接ガス部に鏡面研磨を施した半導体工業用の低圧減圧弁により正確にゲージ圧で1気圧に調整されている。 Thereafter, the supply of the aluminum source to the reaction system was cut off, and the process shifted to the formation of a contact layer (106) made of gallium nitride doped with zinc and magnesium. The supply amount of the magnesium source was 20 ml / min at the beginning of the growth, but was gradually increased linearly to 40 ml / min as the layer thickness increased. The growth of the zinc and magnesium doped gallium nitride contact layer intended to have a layer thickness of 10 nm was completed over 5 minutes. FIG. 9 shows the change in the substrate temperature in the process of obtaining the laminated body described in the present embodiment. FIGS. 10 to 12 show the flow rates of argon, hydrogen carrier gas, and ammonia used as a nitrogen source that follow the change in the substrate temperature. Summarize the changes. FIGS. 13 and 14 show the change in the flow rate of the group III raw material system corresponding to the change in the substrate temperature. In some cases, the temperature of the supply source of the group III raw material is changed in each growth process (the temperature in parentheses in FIGS. 13 and 14 is the raw material holding temperature). Therefore, what is shown in FIGS. 13 and 14 is a change in the flow rate in each growth process, and does not indicate the absolute value of the molecular concentration (molar concentration). The flow rate to the molar concentration can be converted by the vapor pressure or sublimation pressure value of the group III element raw material at the holding temperature. Incidentally, the vapor pressures of trimethylgallium at 0 ° C. and 13 ° C. are 64.4 Torr (Torr) and 128.2 Torr, respectively. The sublimation pressure of cyclopentadienyl indium at 65 ° C. is 1.8 Torr. The vapor pressure of trimethylaluminum at a holding temperature of 25 ° C. is 11.9 Torr. The pressure of the hydrogen gas circulated in the container for storing the group III raw material is accurately adjusted to 1 atm by a gauge pressure by a low pressure reducing valve for semiconductor industry in which a gas contact portion is mirror-polished.

 亜鉛及びマグネシウムが共にドーピングされた窒化ガリウム層の成長が終了した段階で、全てのIII族元素原料の成長反応系への供給を停止した。III族元素原料の供給を停止した後、直ちに抵抗加熱ヒーターへの電源を停止して基板の冷却を開始した。特に、基板を強制的に冷却する措置は施さなかったが1150℃より750℃近傍の温度迄は約30℃/分の速度で基板温度が低下するのが認められた。750℃近傍から450℃近辺の温度へは毎分約20℃から約25℃の速度で冷却するのが観測された。基板温度が450℃近傍に低下したところで、成長反応系へのアンモニアガスの供給を打ち切った。450℃近傍から室温に低下するには約40分を要した。 (4) At the stage when the growth of the gallium nitride layer doped with both zinc and magnesium was completed, supply of all the group III element raw materials to the growth reaction system was stopped. Immediately after the supply of the group III element raw material was stopped, the power supply to the resistance heater was stopped to start cooling the substrate. In particular, no measures were taken to forcibly cool the substrate, but it was observed that the substrate temperature dropped at a rate of about 30 ° C./min from 1150 ° C. to a temperature near 750 ° C. Cooling was observed at a rate of about 20 ° C. to about 25 ° C. per minute from near 750 ° C. to near 450 ° C. When the substrate temperature dropped to around 450 ° C., the supply of ammonia gas to the growth reaction system was stopped. It took about 40 minutes to decrease from around 450 ° C. to room temperature.

 反応炉への水素ガスの供給を停止して、替わりにアルゴンを供給した。暫時、アルゴンの反応炉への供給を継続した後、今度はアルゴンの供給を停止して反応炉内を通常のロータリー式ベーンポンプで約2×10-3Torrに到達する迄排気した。炉内の真空脱気及びアルゴンガスによるパージ(purge)を数回反復して、最後はアルゴンガスのパージにより反応炉内の圧力をほぼ大気圧に復帰させておいた。しかして、反応炉内よりウェハを炉外へ取り出した後、この時点でウェハ表面に間隔を約1mmにして2本のタングステン製プローブ(探針)を接触させ、探針間で導通の有無を調査したが導通性は認められなかった。次に、ウエハを最大加速電圧を200キロボルト(KV)とするイオン注入装置の注入ステーション内の金属製サセプターに載置した。イオン注入開始前の真空排気操作を実施した後、加速電圧を180KVとし、ドーズ量を7×1012cm-2として質量数24のマグネシウムイオンを、固体ソース法で注入した。マグネシウムイオンは基板として用いた(0001)面に垂直に入射させ、特に面心立方格子型結晶へのイオン注入に於ける面チャネリング(chaneling)及び軸チャネリングには特に注意を払わなかった。本実施例で使用した基板の面方位加工精度は(0001)±0.5゜程度の範囲内であり、従って、入射イオンビームの入射角度のサファイアC面に対する(六方晶系結晶のc軸方向に対する)ずれも、最大でも±0.5゜の範囲である。マグネシウムイオンの注入を施したウェハをイソプロピルアルコール等の有機溶剤、高純度の塩酸(HCl)で表面処理を施した後、超純水で洗浄して乾燥させた。その後、ウェハに窒素雰囲気内でハロゲンランプによるランプ加熱を施した。ウェハは室温より1050℃に約30秒で昇温され、1050℃で10分間保持された後、水冷による強制冷却及び自然放冷を併用して室温迄約20分間で冷却された。冷却後、2本のプローブを表面に1mmの間隔をもって接触させ導通性を計測したところ、ブローブ間に印荷した電圧に略比例して電流が直線的に増加する傾向が認められた。一例として挙げれば、プローブ間の印荷電圧が10ボルト(V)であると流通する電流は約300ミリアンペア(mA)に達した。単にプローブ間の電流−電圧特性であって、プローブ周囲への電界の拡散などの理由によりこれらの数値から直ちに正確な抵抗率等は求められないが、電気的特性の予備的な評価データの一例として図16に上記したウェハ成長直後の曲線(120)及びイオン注入後のアニールを施した後の曲線(121)として電流−電圧特性を比較して掲げる。 The supply of hydrogen gas to the reactor was stopped, and argon was supplied instead. After the supply of argon to the reaction furnace was continued for a while, the supply of argon was stopped, and the inside of the reaction furnace was evacuated with a usual rotary vane pump until the pressure reached about 2 × 10 −3 Torr. Vacuum degassing in the furnace and purging with argon gas were repeated several times, and finally the pressure in the reactor was returned to almost atmospheric pressure by purging with argon gas. Then, after the wafer is taken out of the reactor, the tungsten surface is brought into contact with two tungsten probes (probes) at an interval of about 1 mm at this time to determine whether there is continuity between the probes. Inspection revealed no conductivity. Next, the wafer was placed on a metal susceptor in an implantation station of an ion implantation apparatus having a maximum acceleration voltage of 200 kilovolts (KV). After performing a vacuum evacuation operation before the start of ion implantation, magnesium ions having a mass number of 24 and an acceleration voltage of 180 KV and a dose of 7 × 10 12 cm −2 were implanted by a solid source method. Magnesium ions were perpendicularly incident on the (0001) plane used as the substrate, and no particular attention was paid to plane channeling and axial channeling in ion implantation into the face-centered cubic crystal. The plane orientation processing accuracy of the substrate used in this embodiment is within the range of (0001) ± 0.5 °, and therefore, the incident angle of the incident ion beam with respect to the sapphire C plane (the c-axis direction of the hexagonal crystal) ) Is in the range of ± 0.5 ° at the maximum. The wafer into which magnesium ions had been implanted was subjected to a surface treatment with an organic solvent such as isopropyl alcohol or high-purity hydrochloric acid (HCl), and then washed with ultrapure water and dried. Thereafter, the wafer was subjected to lamp heating by a halogen lamp in a nitrogen atmosphere. The wafer was heated from room temperature to 1050 ° C. in about 30 seconds, held at 1050 ° C. for 10 minutes, and then cooled to room temperature in about 20 minutes using both forced cooling by water cooling and natural cooling. After cooling, two probes were brought into contact with the surface at an interval of 1 mm, and the conductivity was measured. As a result, a tendency was found that the current increased linearly substantially in proportion to the voltage applied between the probes. As an example, when the imprint voltage between the probes is 10 volts (V), the flowing current reaches about 300 milliamps (mA). It is simply a current-voltage characteristic between the probes, and an accurate resistivity or the like cannot be immediately obtained from these values due to diffusion of an electric field around the probe. FIG. 16 compares current-voltage characteristics as a curve (120) immediately after wafer growth and a curve (121) after annealing after ion implantation.

 一般的な微分干渉顕微鏡によるウェハの表面の観察では、50倍程度の低倍下では極く緩やかな表面の”うねり”が在る様に見受けられた。倍率を5×103或いは104倍とした走査型電子顕微鏡(英略称SEM)による表面観察では、高倍率のため観測対象が微小の領域に限定されるため、上記のマクロ的な“うねり”はもはや明瞭に観測されず、また、開孔部を略六角形とするピット(細孔)もウェハの周縁部以外の領域には殆ど認められなかった。ウェハの周縁部、特に直径2インチ基板の縁からウェハの中心部に向かって内側に入った約3〜6mm程度の輪帯領域には、一辺の長さを1μm未満とする略正六角形の細孔が密度にして5×103cm-2と多数存在した。このため、ウェハの中央部は自然光に対しても透明であると視認されたが、周縁の輪帯領域は高輝度の白色光を敢えて照射する迄もなく、細孔による光散乱のために白濁するものとなった。 Observation of the surface of the wafer with a general differential interference microscope showed that there was an extremely gentle "swell" of the surface under a low magnification of about 50 times. In the surface observation using a scanning electron microscope (English abbreviation: SEM) with a magnification of 5 × 10 3 or 10 4, the observation target is limited to a small area due to the high magnification. Was no longer clearly observed, and pits (pores) having a substantially hexagonal opening were hardly observed in regions other than the peripheral portion of the wafer. A substantially regular hexagonal thin portion having a side length of less than 1 μm is formed in a peripheral portion of the wafer, particularly, in an annular zone of about 3 to 6 mm inward from the edge of the 2-inch diameter substrate toward the center of the wafer. A large number of pores existed at a density of 5 × 10 3 cm −2 . For this reason, the central portion of the wafer was recognized as being transparent to natural light, but the peripheral annular zone did not need to dare to irradiate high-intensity white light, and was turbid due to light scattering by pores. It became something to do.

 セシウム(Cs)若しくは酸素イオンを1次イオンビーム(入射イオンビーム)とする2次イオン質量分析法(英略称SIMS)により解析された、ウェハの表面より深さ方向の構成元素及びドーパントの濃度分布を図17に示す。先ず構成元素及びドーパントの濃度分布からウェハの積層構成を同定すると、最表面は成膜時に亜鉛及びマグネシウムがドープされ、成長終了後マグネシウムのイオン注入が施された窒化ガリウムからなるコンタクト層(106)であり、それより順次、深さ方向に積層構成を辿れば、亜鉛及びマグネシウムが成膜時ドープされ、且つ成長終了後にマグネシウムイオンが注入された層厚を約110nmとする窒化アルミニウムガリウム混晶からなる上部クラッド層(119)、インジウム及び亜鉛がドープされた層厚を約60nmとする窒化ガリウム発光層(118)及び珪素がドープされた窒化アルミニウム・ガリウム下部クラッド層(117)から構成されているのが判別された。しかし、珪素ドープ窒化アルミニウム・ガリウム層と窒化ガリウムからなる低温緩衝層との界面の存在は、SIMS分析による元素プロファイルからは明瞭に認められなかった。最表面近傍でガリウム及び窒素の濃度が急激に増加しており、表面にこれらの構成元素があたかも蓄積したが如く見受けられるが、これはSIMS分析上の化学的干渉(chemicalinterference)などによるものと推察された。最表層の窒化ガリウムコンタクト層(106)の層厚は意図した層厚が100nmであるのに対して、SIMSによるガリウムのデプスプロファイル(depth−profile)から求めた層厚は約97nm程度であった。また、窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層(105)を構成するアルミニウムとガリウムの原子濃度比から換算されるアルミニウム組成比(x)は大凡、0.12であった。 Concentration distribution of constituent elements and dopants in the depth direction from the surface of the wafer analyzed by secondary ion mass spectrometry (abbreviated to SIMS) using cesium (Cs) or oxygen ions as primary ion beams (incident ion beams) Is shown in FIG. First, when the laminated structure of the wafer is identified from the concentration distributions of the constituent elements and the dopants, a contact layer (106) made of gallium nitride doped with zinc and magnesium at the outermost surface and ion-implanted with magnesium after the growth is completed. From there on, if the layered structure is traced sequentially in the depth direction, zinc and magnesium are doped at the time of film formation, and after the growth is completed, magnesium ion is implanted. An upper clad layer (119), a gallium nitride light emitting layer (118) doped with indium and zinc and having a thickness of about 60 nm, and an aluminum-gallium nitride lower clad layer (117) doped with silicon. Was determined. However, the existence of the interface between the silicon-doped aluminum gallium nitride layer and the low-temperature buffer layer made of gallium nitride was not clearly recognized from the elemental profile by SIMS analysis. The concentrations of gallium and nitrogen are rapidly increasing near the outermost surface, and it appears that these constituent elements have accumulated on the surface. This is presumed to be due to chemical interference in SIMS analysis. Was done. The intended thickness of the gallium nitride contact layer (106) as the outermost layer is 100 nm, whereas the thickness obtained from the depth-profile of gallium by SIMS is about 97 nm. . The aluminum composition ratio (x) calculated from the atomic concentration ratio of aluminum and gallium constituting the upper cladding layer (105) made of aluminum nitride / gallium mixed crystal was approximately 0.12.

 同様にSIMSによる分析結果から各層内のドーパントの濃度並びにその分布は次の如くであることが示された。最表層の窒化ガリウムコンタクト層(106)の表面側近傍に上記のマトリックス(matrix)元素の場合と同様に亜鉛並びにマグネシウムのドーピング不純物があたかも蓄積している態様を示しているが、これはやはり上記の化学的干渉に起因するものであると推定された。表面状態が微妙に2次イオンの検出感度に影響を与えるこの表面近傍の領域でのデータを割愛すれば、窒化ガリウムコンタクト層(106)内の亜鉛の濃度分布は略一定の9×1018-3であった。一方、同層(106)内のマグネシウム原子の濃度は表面近傍で約8×1018cm-3と高く、深さ方向に一旦原子濃度を6×1018cm-3に減じた後、再びイオン注入時に於ける注入原子の分布として一般的な正規分布曲線状に分布し、同層(106)とその下層(119)との界面近傍では2×1019cm-3と増加していた。アルミニウム組成比(x)を12%とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.12Ga0.88N)からなる活性層(118)内では、マグネシウムの原子濃度は窒化ガリウムコンタクト層(106)側から深さ方向にやはり正規分布曲線状に増加し、層厚の約半分より深部の領域で段階的に急激に約5×1019cm-3の濃度に増加していた。特に、活性層(118)との界面近傍でマグネシウムの原子濃度に増加が認められるのは、上記した上部クラッド層(119)の成長時にマグネシウム源の成長反応系への添加量の増減に因るものと判断された。即ち、マグネシウムイオンの注入では、注入原子の濃度分布が原理的に正規分布(ガウス分布)曲線状となり、表面側よりも特に深部の界面側での注入原子の濃度を急峻に変化させられないために、予めその界面近傍の領域に成長時にマグネシウムがドーピングされた領域(本実施例では活性層(118)との界面より約60nmの領域)を配置したことが投影飛程(projectionrange)を越えたより深部の領域でのマグネシウム原子の濃度の低下を回避するのに効を奏していると解釈された。ここでも亜鉛は深さ方向に略一様に分布しており、その濃度は8×1018cm-3であった。 Similarly, the analysis result by SIMS showed that the concentration and distribution of the dopant in each layer were as follows. As in the case of the above matrix element, doping impurities of zinc and magnesium accumulate near the surface side of the gallium nitride contact layer (106) as the outermost layer, as shown in FIG. It was presumed to be due to chemical interference. If the data in the area near the surface where the surface condition slightly affects the detection sensitivity of the secondary ions is omitted, the concentration distribution of zinc in the gallium nitride contact layer (106) is substantially constant at 9 × 10 18 c Was -3 . On the other hand, the concentration of magnesium atoms in the same layer (106) is as high as about 8 × 10 18 cm −3 near the surface, and once the atomic concentration is reduced to 6 × 10 18 cm −3 in the depth direction, ion The distribution of implanted atoms at the time of implantation was distributed in the form of a general normal distribution curve, and increased to 2 × 10 19 cm −3 near the interface between the same layer (106) and the lower layer (119). In the active layer (118) made of an aluminum gallium nitride mixed crystal (Al 0.12 Ga 0.88 N) having an aluminum composition ratio (x) of 12%, the atomic concentration of magnesium is increased from the gallium nitride contact layer (106) side to the depth. The density also increased in the direction of a normal distribution curve, and the density rapidly increased stepwise in a region deeper than about half of the layer thickness to about 5 × 10 19 cm −3 . In particular, the increase in the atomic concentration of magnesium near the interface with the active layer (118) is due to the increase or decrease in the amount of the magnesium source added to the growth reaction system during the growth of the upper clad layer (119). Was determined to be. That is, in the implantation of magnesium ions, the concentration distribution of the implanted atoms becomes a normal distribution (Gaussian distribution) curve in principle, and the concentration of the implanted atoms cannot be changed steeply particularly at the interface side deeper than the surface side. In addition, the fact that a region doped with magnesium at the time of growth (in this embodiment, a region of about 60 nm from the interface with the active layer (118)) is arranged in a region near the interface in advance, because the region exceeds the projection range. It was interpreted to be effective in avoiding a decrease in the concentration of magnesium atoms in the deep region. Here, zinc was distributed almost uniformly in the depth direction, and its concentration was 8 × 10 18 cm −3 .

 窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層(119)直下のインジウムをドーピングした窒化ガリウム活性層(118)にあっては、SIMS分析結果はインジウム原子の濃度が同層(118)の下層である珪素ドープ窒化アルミニウム・ガリウム下部クラッド層(117)との界面(下方界面)から上部クラッド層(119)の窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との界面(上方界面)に向けて、インジウム源供給量の増加に応じて線形的に確実に増加していることを示した。インジウム原子の濃度は下方界面に於いて9×1017cm-3であり、上方界面で3×1020cm-3であった。一方、活性層(118)内の亜鉛原子の濃度は成膜時に供給するジエチル亜鉛/高純度水素混合ガスの流量を一定に保持したことに対応して略一定の8×1018cm-3となった。また、このインジウムドープ窒化ガリウム活性層(118)には、インジウムと亜鉛以外の元素は故意に添加していないが、珪素(Si)が約4×1017cm-3の濃度で検出された。この珪素の原子濃度は濃度的には亜鉛からのルミネッセンス発光の強度を増加させるに足るものであると判断された(SolidStateCommun.、57(6)(1991)、405〜409頁参照の408頁の図5.参照)。 In the indium-doped gallium nitride active layer (118) immediately below the upper cladding layer (119) made of aluminum nitride / gallium mixed crystal, SIMS analysis results show that the concentration of indium atoms is lower than the same layer (118). From the interface (lower interface) with the silicon-doped aluminum nitride gallium lower cladding layer (117) to the interface (upper interface) with the aluminum cladding layer (119) on the aluminum nitride / gallium mixed crystal layer, the indium source supply amount is reduced. It was shown that it increased steadily linearly with the increase. The concentration of indium atoms was 9 × 10 17 cm -3 at the lower interface and 3 × 10 20 cm -3 at the upper interface. On the other hand, the concentration of zinc atoms in the active layer (118) was approximately constant 8 × 10 18 cm −3 corresponding to the fact that the flow rate of the diethyl zinc / high-purity hydrogen mixed gas supplied during film formation was kept constant. became. Further, elements other than indium and zinc were not intentionally added to the indium-doped gallium nitride active layer (118), but silicon (Si) was detected at a concentration of about 4 × 10 17 cm −3 . The atomic concentration of silicon was determined to be sufficient to increase the intensity of luminescence emission from zinc (SolidStateCommun., 57 (6) (1991), pp. 405-409). See FIG.

 一般的なイオンスパッタリング法を利用してウェハの表面からエッチングを施し、上記のインジウムと亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム層の表層部を露呈させた別の試料を作製した。104倍程度の高倍率下でのSEMによる表面観察では、高倍率ほど視野が狭まるためにマクロ的なモフォロジーは明瞭に観察されなかったが、50倍程度の低倍率での微分干渉型光学顕微鏡による表面観察では、インジウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の表面には略円形或いは楕円形の突起が観察された。波長325nmのヘリウム(He)−カドミウム(Cd)レーザー光を入射ビームとする室温でのPL測定では、窒化ガリウム・インジウム混晶が形成されていれば出現するとされる波長を380nm前後とする近紫外帯のスペクトルは認められず、単に波長365nm前後に窒化ガリウムのバンド端発光が認められるに過ぎなかった。即ち、本例に於けるインジウムのドーピングでは窒化ガリウム・インジウム混晶が形成されていることを証す結果は得られなかった。 Another sample in which the surface layer of the gallium nitride layer doped with indium and zinc was exposed was manufactured by etching the surface of the wafer using a general ion sputtering method. In the surface observation by SEM at a high magnification of about 10 4 times, the macroscopic morphology was not clearly observed because the visual field became narrower at a higher magnification, but the differential interference optical microscope at a low magnification of about 50 times. According to the surface observation by, substantially circular or elliptical protrusions were observed on the surface of the indium and zinc doped gallium nitride layers. In a PL measurement at room temperature using a helium (He) -cadmium (Cd) laser beam having a wavelength of 325 nm as an incident beam, a near-ultraviolet light whose wavelength is considered to be about 380 nm when a gallium nitride-indium mixed crystal is formed is formed. No band spectrum was observed, and only band edge emission of gallium nitride was observed around a wavelength of 365 nm. That is, in the doping of indium in this example, no result was proved that gallium nitride-indium mixed crystal was formed.

 この亜鉛とインジウムがドーピングされた窒化ガリウム活性層(118)の下層はSIMSによる分析結果からアルミニウム混晶比(x)を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる下部クラッド層(117)であると判断された。同下部クラッド層(117)内の珪素の原子濃度は同じくSIMS分析から4×1018cm-3と定量された。従って、活性層(発光層)となるインジウムと亜鉛とが共にドーピングされた窒化ガリウム層(118)には、上面でx=0.12のAl0.12Ga0.88N混晶層が接合し、下面でx=0.01のn形Al0.01Ga0.99N混晶層が接合する構成となった。双方の窒化アルミニウム・ガリウム混晶の格子定数の大小を想定するに、窒化アルミニウムの格子定数は3.111オングストローム(A)であり、窒化ガリウムの格子定数は3.180(A)である(何れの格子定数も、赤崎勇編著、「III−V族化合物半導体」((株)培風館、1994年5月20日発行)、148頁の表7.1.に依る。)。ベガード(Vegard)則の成立を仮定して(特開昭59−228776号公報明細書の第1図及び特開平4−192585号公報明細書の第(2)頁上段左欄下から8〜3行目)、両混晶の格子定数を算出するとAl0.12Ga0.88N混晶の格子定数は3.172(A)、Al0.01Ga0.99N混晶層の格子定数は3.179(A)と算出される。発光層を構成するインジウム及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウムを基準として、発光層と発光層へ接合する層との間の格子の不整合度をδ(本文参照)で表せば、Al0.12Ga0.88N混晶についてのδは0.264%、Al0.01Ga0.99N混晶層のδは2.2×10-2%となる。発光層との格子の不整合度(δ)の大小と活性層内の上述のインジウム原子濃度との対応の観ると、図17に示す如くインジウム原子は発光層との格子不整合度(δ)をより大とするAl0.12Ga0.88N混晶層との接合界面に向けて原子濃度が増加する様に分布している。電子線の照射により誘起される電流の発生の有無を確認してpn接合の存在を確認できるEBIC(lectroneamnducedurrent)法による評価では、pn接合がAl0.12Ga0.88N混晶層と上記発光層との界面近傍に存在するのが確認された。従って、発光層内のインジウムは格子不整合度(δ)をより大とし、且つp形である接合層との界面に向けて原子濃度が増加する様に分布していると換言される。即ち、本実施例のウェハはインジウムが層厚方向に分布をもってドーピングされ、尚且、インジウムが格子整合度をより大とする活性層との接合界面に向けて濃度が増加する様に分布をもってドーピングされた活性(発光)層を備えたものとなった。
(実施例2)
 本実施例では、層内のインジウム原子の濃度分布に対応する、ドナー不純物の濃度分布を有する窒化ガリウムを発光層としたウェハを例にして本発明を説明する。基板には上記の実施例1と機械的な仕様を同一とする(0001)(c面)サファイアを使用した。本実施例で使用したサファイアは予め水素気流中で1200℃前後の温度で表面処理されたものであったが、実施例1に記載した窒化ガリウム緩衝層並びに珪素のみがドーピングされた窒化ガリウム層を実施例1に記すと同一の条件下で形成する以前に、MOCVD反応炉内で毎分約8リットルの高純度水素が流通させた状態で1100℃で40分間に亘り基板表面の清浄化を意図した熱処理を施した。
The lower layer of the gallium nitride active layer (118) doped with zinc and indium is a lower clad layer (117) made of aluminum nitride / gallium mixed crystal having an aluminum mixed crystal ratio (x) of 0.01 based on the analysis result by SIMS. Was determined to be. The atomic concentration of silicon in the lower cladding layer (117) was determined to be 4 × 10 18 cm −3 by SIMS analysis. Therefore, an Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer of x = 0.12 is joined on the upper surface to the gallium nitride layer (118) doped with both indium and zinc to be the active layer (light emitting layer), and the lower surface is joined on the lower surface. The structure was such that an n-type Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer of x = 0.01 was joined. Assuming the magnitudes of the lattice constants of both aluminum nitride and gallium mixed crystals, the lattice constant of aluminum nitride is 3.111 angstroms (A) and the lattice constant of gallium nitride is 3.180 (A). Is also based on Table 7.1 on page 148 of "III-V Group Compound Semiconductor" (published May 20, 1994), edited by Isamu Akasaki. Assuming that the Vegard's rule is satisfied (see FIG. 1 of JP-A-59-228776 and FIG. 8 of JP-A-4-192585, from the lower left column in the upper left column of page (2)). Line), the lattice constants of both mixed crystals were calculated to be 3.172 (A) for the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal and 3.179 (A) for the Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer. Is calculated. Based on gallium nitride doped with indium and zinc, which constitutes the light emitting layer, the degree of lattice mismatch between the light emitting layer and the layer joined to the light emitting layer is represented by δ (see the text), and Al 0.12 Ga 0.88 Δ for the N mixed crystal is 0.264%, and δ for the Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer is 2.2 × 10 −2 %. Looking at the correspondence between the degree of lattice mismatch (δ) with the light emitting layer and the above-mentioned indium atom concentration in the active layer, as shown in FIG. 17, the degree of lattice mismatch (δ) between indium atoms and the light emitting layer is shown. Are distributed so that the atomic concentration increases toward the junction interface with the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer in which the ratio is increased. In the evaluation by electron beam EBIC (E lectron B eam I nduced C urrent) method to check the presence or absence of the occurrence of current induced can confirm the presence of the pn junction by irradiation, pn junction Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal It was confirmed that it existed near the interface between the layer and the light emitting layer. Therefore, it can be said that indium in the light emitting layer is distributed so as to increase the degree of lattice mismatch (δ) and increase the atomic concentration toward the interface with the p-type bonding layer. That is, in the wafer of this embodiment, indium is doped with distribution in the layer thickness direction, and indium is doped with distribution such that the concentration of indium increases toward the junction interface with the active layer having a higher degree of lattice matching. The active (light emitting) layer was provided.
(Example 2)
In the present embodiment, the present invention will be described by taking as an example a wafer in which gallium nitride having a donor impurity concentration distribution corresponding to the indium atom concentration distribution in the layer is used as a light emitting layer. As the substrate, (0001) (c-plane) sapphire having the same mechanical specifications as in the first embodiment was used. The sapphire used in this example had been previously surface-treated at a temperature of about 1200 ° C. in a hydrogen stream, but the gallium nitride buffer layer described in Example 1 and the gallium nitride layer doped only with silicon were used. Before forming under the same conditions as described in Example 1, the substrate surface was cleaned at 1100 ° C. for 40 minutes in a MOCVD reactor with approximately 8 liters of high-purity hydrogen flowing per minute. Heat treatment.

 サファイア基板の熱処理が終了した後、瞬時にMOCVD炉内に流通するガス種並びに流量を、実施例1に記す窒化ガリウム緩衝層を成長させる際のそれに設定し直した。この切り換えに伴うガスの流量変動が収拾した後、実施例1と全く同一の条件で順次窒化ガリウム低温緩衝層並びに珪素をドープした窒化ガリウム層をサファイア基板上に堆積した。 After the heat treatment of the sapphire substrate was completed, the kind and flow rate of the gas flowing in the MOCVD furnace were instantaneously reset to those used when growing the gallium nitride buffer layer described in Example 1. After the change in the gas flow rate caused by the switching was recovered, a gallium nitride low-temperature buffer layer and a silicon-doped gallium nitride layer were sequentially deposited on the sapphire substrate under exactly the same conditions as in Example 1.

 実施例1と同様の層厚を有し、表面側に向かってキャリア濃度をやや減じた上記の珪素ドープ窒化ガリウム層上には、基本的には実施例1と同一の層厚を有するインジウムと亜鉛とをドープした窒化ガリウム層を発光層として堆積した。インジウムは発光層の層厚の増加方向に実施例1と同じく増加する分布を有するのを意図して、条件を発光層の成長時間の経過に伴って徐々に変化させた。即ち実施例1では、インジウム源としたシクロペンタジエニルインジウムの蒸気を随伴する水素ガスの流量を、成長時間の増加に伴い線形的に増加させることをもって原子濃度の分布を創出したが、本実施例に於いては、発光層の成長開始時より終了時に至る間に基板温度を時間的に変化させることをもってインジウムの原子濃度に分布を付した。基板温度は850℃から770℃に至るまでの5分間に16℃/分の割合で低下させた。基板温度の降温を開始する初期温度を850℃に、降下到達温度を770℃としたのは、上記の昇華したインジウム源を随伴する高純度水素ガスの供給量を毎分20ミリリットルに設定した場合、これらの基板温度で窒化ガリウム層にドーピングされるインジウムの原子濃度が約9〜10×1017cm-3及び約2〜3×1020cm-3であるのが、予め本発明者による実験から知れていたためである。成長時間に対する基板温度の変化(低下)量は、PID方式のプログラマブル温度調節器で精密に制御した。更に、実施例1と異なるのは故意にドナー不純物である珪素(Si)を発光層にドーピングしたことである。この珪素のドーピングは、体積濃度にして1.2ppm(百万分率)のジシラン(Si26)を含む高純度水素ガスを、内面が研磨処理された内容積を10リットルとするマンガン(Mn)鋼製高圧ボンベから供給することをもって果たした。このジシラン・高純度水素混合ガスの成長反応系内への添加量(流量)は、発光層の成長開始時に毎分8ミリリットルとし、正確に5分後には毎分1ミリリットルに迄線形的に減少させた。即ち、インジウム原子の濃度分布は相対する珪素元素の層厚方向の分布の付与を意図して毎分1.4ミリリットルの割合で流量を減じた。一方、ジエチル亜鉛(体積濃度100ppm)・高純度水素混合ガスの成長反応系内への供給流量は一定に保持し、実施例1と同じく発光層内の亜鉛原子の濃度分布をほぼ一定とすることを意図した。図18から図20に発光層の成長時の基板温度、原料系及びドーピングガスの流量の時間的変化を模式的に示す。図19及び図20に示すのは流量の変化であって、実際の分子濃度(モル濃度)の絶対値の変化を示すのではない。成長反応系に供給されるドーパントのモル濃度は、上記した混合ガス中のドーパントの体積濃度とドーピングガスの供給系の温度に於けるモル(mol)体積から算出できる。 On the silicon-doped gallium nitride layer having the same layer thickness as in Example 1 and slightly reducing the carrier concentration toward the surface side, indium having basically the same layer thickness as in Example 1 is provided. A gallium nitride layer doped with zinc was deposited as a light emitting layer. The conditions were gradually changed with the elapse of the growth time of the light emitting layer, with the intention that indium had a distribution increasing in the direction of increasing the layer thickness of the light emitting layer as in Example 1. That is, in the first embodiment, the distribution of the atomic concentration was created by linearly increasing the flow rate of the hydrogen gas accompanied by the vapor of cyclopentadienylindium used as the indium source as the growth time increased. In the example, the distribution of the indium atomic concentration was given by changing the substrate temperature with time from the start to the end of the growth of the light emitting layer. The substrate temperature was reduced at a rate of 16 ° C./min for 5 minutes from 850 ° C. to 770 ° C. The initial temperature at which the temperature of the substrate is started to fall is set to 850 ° C., and the temperature at which the temperature reaches the drop is set to 770 ° C. when the supply amount of the high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source is set to 20 ml / min. The atomic concentration of indium doped in the gallium nitride layer at these substrate temperatures is about 9 to 10 × 10 17 cm -3 and about 2 to 3 × 10 20 cm -3 , which has been previously determined by the present inventor. Because it was known from The amount of change (decrease) in the substrate temperature with respect to the growth time was precisely controlled by a PID type programmable temperature controller. Furthermore, the difference from the first embodiment is that the light emitting layer is intentionally doped with silicon (Si) as a donor impurity. This silicon doping is performed by using high-purity hydrogen gas containing 1.2 ppm (parts per million) of disilane (Si 2 H 6 ) in volume concentration and manganese (in which the inner volume is polished to 10 liters). Mn) Fulfilled by feeding from a steel high pressure cylinder. The addition amount (flow rate) of the disilane / high purity hydrogen mixed gas into the growth reaction system was 8 ml / min at the start of the growth of the light emitting layer, and linearly decreased to 1 ml / min after exactly 5 minutes. I let it. That is, as for the concentration distribution of indium atoms, the flow rate was reduced at a rate of 1.4 ml / min for the purpose of providing the distribution of the silicon element in the layer thickness direction. On the other hand, the supply flow rate of the mixed gas of diethyl zinc (volume concentration: 100 ppm) / high-purity hydrogen into the growth reaction system is kept constant, and the concentration distribution of zinc atoms in the light emitting layer is made almost constant as in Example 1. Intended. FIGS. 18 to 20 schematically show changes over time in the substrate temperature, the raw material system, and the flow rate of the doping gas during the growth of the light emitting layer. FIGS. 19 and 20 show changes in the flow rate, but not changes in the absolute value of the actual molecular concentration (molar concentration). The molar concentration of the dopant supplied to the growth reaction system can be calculated from the volume concentration of the dopant in the mixed gas and the molar (mol) volume at the temperature of the supply system of the doping gas.

 発光層の上部には実施例1に記載の方法に従い、アルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層を順次堆積した。両層には実施例1に記した如く成長時に亜鉛及びマグネシウムのドーピングを施した。更に、両層には成長後、実施例1の条件に従いマグネシウムのイオン注入を施した。かかるイオン注入の実施後に、流量を毎分2リットルとするアンモニアガスと流量を同じく毎分2リットルとするアルゴンガスとから構成されるアンモニア・アルゴン混合気流中で、1050℃で40分間のいわゆるイオン注入アニールを実施した。タングステン(W)製プローブ(探針)間での電流の流通の程度により導通性の有無を簡便に評価する探針法では、このイオン注入後のアニールの実施後、初めて導通性が確認された。ウェハ成長後のアズグローン(as−grown)状態ではプローブ間に明瞭な導通性は得られず、電流−電圧特性からはむしろ高抵抗であると判断された。 ア ル ミ ニ ウ ム An aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.12 and a gallium nitride layer were sequentially deposited on the light-emitting layer according to the method described in Example 1. Both layers were doped with zinc and magnesium during growth as described in Example 1. Further, after growing both layers, magnesium ions were implanted under the conditions of Example 1. After performing the ion implantation, a so-called ion at 1050 ° C. for 40 minutes in an ammonia-argon mixed gas stream composed of an ammonia gas having a flow rate of 2 liters per minute and an argon gas having a flow rate of 2 liters per minute. Implant annealing was performed. In the probe method in which the presence or absence of conductivity is easily evaluated based on the degree of current flow between tungsten (W) probes (probes), the conductivity was confirmed only after the annealing after the ion implantation. . In the as-grown state after the wafer was grown, no clear conductivity was obtained between the probes, and it was determined from the current-voltage characteristics that the resistance was rather high.

 セシウムイオン(Cs+)或いは酸素イオン(O2 +)を一次ビームとする飛行型(imelight:TOF)SIMSにより、特に発光層部のインジウム、珪素及び亜鉛の濃度分布を測定した。図21は発光層部に於けるこれらドーパントの発光層の層厚方向についての濃度分布を示す。発光層の層厚をドーパントのデプス(depth)プロファイルから求めると57nmとなった。インジウム原子濃度は活性層(118)の下層(基板側)のアルミニウム組成比(x)を1%とするn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.01Ga0.99N)からなる下部クラッド層(117)との界面では1×1018cm-3となった。一方、活性層(118)の上方で接合するp形Al0.12Ga0.88N混晶からなる上部クラッド層(119)との界面では2×1020cm-3に単調に増加していた。これより、発光層内に層厚の増加方向にインジウムの原子濃度に分布を付与するのは、実施例1に記載のインジウム源の供給量(流量)を変化させる手段に限らず、基板温度を経時的に変化さる手段によっても達成され得るのが判明した。ただ、基板の成長温度を経時的に変化させる手段に依って帰結されるインジウムの原子濃度の分布は、インジウムの原子濃度が層厚が増加する方向に単調に増加する傾向を示すと云えども、インジウム原子の濃度分布は実施例1の如くインジウム源の供給流量を経時的に増加させる手段に依る場合に比較し、若干下方に凸の分布曲線(プロファイル)を描くが如く増加している様に認められる(図17及び21を比較参照)。これが基板温度を経時的に変化させる手段に依ってもたらされる特有の分布であるのか、或いはMOCVD炉の構造等の機械的な要因に依存ずるのかは現時点では定かではない。 Cesium ions (Cs +) or oxygen ions (O 2 +) flight type to the primary beam: by (T ime o f F light TOF ) SIMS, was measured in particular indium emitting layer portion, the concentration distribution of silicon and zinc . FIG. 21 shows the concentration distribution of these dopants in the light emitting layer portion in the thickness direction of the light emitting layer. The layer thickness of the light emitting layer was 57 nm when determined from the depth profile of the dopant. The lower cladding layer (117) made of an n-type aluminum nitride-gallium mixed crystal (Al 0.01 Ga 0.99 N) having an aluminum composition ratio (x) of 1% in the lower layer (substrate side) of the active layer (118) is indium atom concentration. At the interface with, it was 1 × 10 18 cm −3 . On the other hand, at the interface between the upper clad layer made of p-type Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal to be joined above the active layer (118) (119) was monotonically increased to 2 × 10 20 cm -3. Thus, the distribution of the indium atomic concentration in the light emitting layer in the increasing direction of the layer thickness is not limited to the means for changing the supply amount (flow rate) of the indium source described in the first embodiment. It has been found that this can also be achieved by means that change over time. However, it can be said that the distribution of the atomic concentration of indium resulting from the means for changing the growth temperature of the substrate over time tends to monotonously increase in the atomic concentration of indium in the direction of increasing the layer thickness. The concentration distribution of indium atoms is increased as shown by a slightly downwardly convex distribution curve (profile) as compared with the case of using the means for increasing the supply flow rate of the indium source over time as in the first embodiment. (See FIGS. 17 and 21 for comparison). It is not known at this time whether this is a unique distribution caused by the means for changing the substrate temperature over time, or whether it depends on mechanical factors such as the structure of the MOCVD furnace.

 活性層(118)内部の珪素は、その原子の濃度分布(プロファイル)に明示される様にインジウム原子の場合とは逆の傾向を呈した。即ち、活性層(118)の下方に接合するn形Al0.01Ga0.99N)からなる下部クラッド層(117)との界面での濃度1×1018cm-3から、活性層(118)の上部のp形Al0.12Ga0.88N混晶からなる上部クラッド層(119)との界面に向けて1×1018cm-3まで単調に減少していた(図21参照)。一方、亜鉛はインジウム及び珪素の原子濃度分布の態様に関係なく、ほぼ発光層の層厚方向に一様に8×1018cm-3の濃度で分布していた。 The silicon inside the active layer (118) exhibited a tendency opposite to that of indium atoms, as evident in the concentration distribution (profile) of the atoms. That is, from the concentration of 1 × 10 18 cm −3 at the interface with the lower cladding layer (117) made of n-type Al 0.01 Ga 0.99 N) bonded below the active layer (118), the upper part of the active layer (118) Of the p-type Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal monocrystallinely decreased to 1 × 10 18 cm −3 toward the interface with the upper cladding layer (119) (see FIG. 21). On the other hand, zinc was uniformly distributed at a concentration of 8 × 10 18 cm −3 substantially in the thickness direction of the light emitting layer regardless of the mode of atomic concentration distribution of indium and silicon.

 SIMS分析時のイオンスパッタリング法と同様のエッチング作用をもたらすアルゴン(Ar)を用いるスパッタリング法で、発光層の上部に在る成膜時に亜鉛とマグネシウムが共にドーピングされ、成膜後マグネシウムのイオン注入が施されてなるp形の窒化ガリウム層及びp形Al0.12Ga0.88N混晶層をエッチングにより除去して、インジウム、珪素及び亜鉛ドープの窒化ガリウム発光層の表面を露出させた。露呈した発光層の表面は極く僅かではあるがやや黄色に帯色している様に見受けられた。更に表面を低倍率の微分干渉型光学顕微鏡で偏光を付与して観察したところ、円形或いは楕円形の丘状の突起(起伏)が観察された。室温に於けるフォトルミネッセンス(PL)測定では、窒化ガリウムのバンド端が365nm近傍に、また亜鉛に関連した準位に起因すると推定される430nm近傍のスペクトルが観測されるのみであった。珪素を故意にドーピングした際に出現し易いとされる窒化ガリウム・インジウム混晶に特有の約380〜390nm近傍の近紫外領域のPL発光は認められなかった。 In a sputtering method using argon (Ar) that provides an etching effect similar to the ion sputtering method in SIMS analysis, zinc and magnesium are doped together during film formation above the light emitting layer, and ion implantation of magnesium is performed after film formation. The p-type gallium nitride layer and the p-type Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer thus formed were removed by etching to expose the surface of the indium, silicon and zinc-doped gallium nitride light emitting layer. The surface of the exposed light-emitting layer was very slightly, but slightly yellowish. Furthermore, when the surface was polarized and observed with a low-power differential interference optical microscope, circular or elliptical hill-like projections (undulations) were observed. In photoluminescence (PL) measurement at room temperature, only a band edge of gallium nitride near 365 nm and a spectrum near 430 nm estimated to be caused by a level related to zinc were observed. No PL emission in the near ultraviolet region near 380 to 390 nm, which is peculiar to the gallium-indium nitride mixed crystal, which is considered to easily appear when silicon is intentionally doped, was not observed.

 以上要約すれば、本実施例では窒化ガリウム・インジウム混晶の形成を果たすに至らない濃度でインジウムがドーピングされ、且つ実施例1とは異なる手段をもってインジウム原子の濃度分布が付与された、窒化ガリウム層を発光層として具備したウェハが形成された。
(実施例3)
 本実施例では、実施例1に記載と同一の基板、発光層及び発光層より上部の層構成を有しながら、発光層の下方に接合する層としてインジウムがドープされた窒化ガリウム層を具備したウェハの構成例を示す。先ず、実施例1に記載のサファイア基板上に、実施例1の条件で窒化ガリウムからなる緩衝層を堆積した。正確に15分間緩衝層の成長を実施した後、III族原料供給源系統の配管系に設置されたバルブの開閉操作により、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの水素キャリアガスへの混合を瞬時に停止した。
In summary, in the present embodiment, gallium nitride doped with indium at a concentration that does not achieve formation of a gallium nitride-indium mixed crystal, and provided with a concentration distribution of indium atoms by means different from that of the first embodiment, A wafer having the layer as a light emitting layer was formed.
(Example 3)
In the present embodiment, the same substrate, the light emitting layer and the layer structure above the light emitting layer as in Example 1 were provided, but the indium-doped gallium nitride layer was provided as a layer to be bonded below the light emitting layer. 2 shows a configuration example of a wafer. First, a buffer layer made of gallium nitride was deposited on the sapphire substrate described in Example 1 under the conditions of Example 1. After the growth of the buffer layer for exactly 15 minutes, mixing of the hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of trimethylgallium into the hydrogen carrier gas is performed by opening and closing a valve installed in the piping system of the group III source supply system. Stopped instantly.

 次に、反応炉内の圧力の変動の抑制を期して、配管系に設けたバルブの開閉操作によりキャリアガスを構成するガス種を、先ず水素から同流量のアルゴンガスに瞬時に切り換えた。然る後、約2分間でアルゴンガスの流量を電子式質量流量計(MFC)により毎分8リットルより毎分5リットルに緩やかに減少させた。アンモニアガスの流量は毎分1リットルとして変更を加えなかった。キャリアガスをアルゴンに変更し、その流量を調整した後、上記の抵抗加熱型ヒーターに投入する電力量をサイリスタ(thyristor)方式の電気回路を介し制御して、サファイア基板の温度を珪素ドープ窒化ガリウム成長層の成長温度である1100℃に上昇させた。1100℃に到達した後、温度指示値からみて温度の過渡が減衰したと判断してから、約5分後にアルゴンガスの流量を毎分5リットルから毎分3リットルに減ずると同時に、水素ガスを毎分3リットルの流量をもって再び反応炉内に供給し始めた。即ち、流量を等しくする水素及びアルゴンからキャリアガスを構成した。併せて、アンモニアガスの流量を毎分1リットルより毎分4リットルに増加させた。これらのガスの流量変更は時間にして約2分間以内に全て並行して完了した。また、これらの流量の変更を加えた時間帯域には、高純度水素ガスにより体積濃度にして約1.2ppmに希釈されたジシラン(Si26)ガスを毎分5ミリリットルの流量をもって、次のガリウム源を供給する以前に珪素(Si)のドーピングガス(ドーピング源)として予め反応炉内に供給しておいた。この流量の変更から正確に3分間経過後、上記組成のキャリアガスにトリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスを混合させることをもって窒化ガリウム成長層の成長を開始した。この際、トリメチルガリウムを収納する前記のステンレス鋼製バブラー容器の温度は、前記の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として13℃とした。また、液体トリメチルガリウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。また、トリメチルアルミニウムを収納する内面を鏡面研磨されたステンレス鋼製バブラー容器の温度は、前記と同様の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として25℃とした。液化したトリメチルアルミニウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。これら各種ガスの流量条件を保持した状態で、上記組成のキャリアガスへのトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの混合を90分間に亘り継続して、層厚を約3.5μmとする珪素(Si)ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を成長させた。正確に90分経過後、トリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス及びの珪素のドーピングガスであるジシランガスの水素・アルゴン混合キャリアガスへの添加を遮断して、珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム層の成長を終了した。これと同一の条件下に於いて、上記の窒化ガリウム緩衝層層上に堆積された珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶層のキャリア濃度は約3×1018cm-3と一定であった。 Next, in order to suppress fluctuations in the pressure in the reactor, the gas type constituting the carrier gas was first instantaneously switched from hydrogen to argon gas at the same flow rate by opening and closing a valve provided in the piping system. Thereafter, in about 2 minutes, the flow rate of the argon gas was gradually reduced from 8 liters per minute to 5 liters per minute by an electronic mass flow meter (MFC). The ammonia gas flow rate was 1 liter per minute and was not changed. After changing the carrier gas to argon and adjusting its flow rate, the amount of electric power supplied to the above-mentioned resistance heating type heater is controlled through a thyristor type electric circuit to control the temperature of the sapphire substrate to silicon-doped gallium nitride. The temperature was raised to 1100 ° C., which is the growth temperature of the growth layer. After reaching 1100 ° C., it is determined from the temperature reading that the transient of the temperature has attenuated. After about 5 minutes, the flow rate of the argon gas is reduced from 5 liters per minute to 3 liters per minute, and at the same time hydrogen gas is removed. The reactor was again fed into the reactor at a flow rate of 3 liters per minute. That is, the carrier gas was composed of hydrogen and argon having the same flow rate. At the same time, the flow rate of ammonia gas was increased from 1 liter per minute to 4 liters per minute. Changes in the flow rates of these gases were all completed in parallel within about 2 minutes. In the time zone in which these flow rates were changed, disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to a volume concentration of about 1.2 ppm with high-purity hydrogen gas at a flow rate of 5 ml / min. Before the gallium source was supplied, the doping gas (doping source) of silicon (Si) was previously supplied into the reactor. Exactly 3 minutes after the change of the flow rate, the growth of the gallium nitride growth layer was started by mixing trimethylgallium and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum vapor in the carrier gas having the above composition. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was 13 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum and having an inner surface mirror-polished was set to 25 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the same electronic thermostat as described above. The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min. While maintaining the flow conditions of these various gases, the mixing of the hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium into the carrier gas having the above composition is continued for 90 minutes to obtain a silicon gas having a layer thickness of about 3.5 μm. A (Si) -doped n-type aluminum nitride / gallium nitride mixed crystal layer was grown. After exactly 90 minutes, the addition of hydrogen bubbling gas accompanied by vapors of trimethylgallium and trimethylaluminum and disilane gas, which is a silicon doping gas, to the hydrogen / argon mixed carrier gas is stopped, and silicon-doped n-type aluminum nitride is removed. -Gallium layer growth is completed. Under the same conditions, the carrier concentration of the silicon-doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer deposited on the above-mentioned gallium nitride buffer layer was constant at about 3 × 10 18 cm −3 . .

 アンモニアガスの流量をそのままとし、キャリアガスを構成していた水素ガスの成長反応系への供給を遮断して、成長反応系に導入されるガスをアルゴンとアンモニアの2種とした。このガスの切り換えは、上記のトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス等の成長反応系への供給を遮断した後、約2分間以内に実施した。然る後、基板温度を1100℃より850℃に20℃/分の速度で降下させた。850℃に降下した後、約3分間で温度のハンチングが解消され基板温度が安定した後、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス、インジウム源及び珪素ドーピング源の供給を開始することをもってインジウムと珪素とをドーピングした窒化ガリウム層を形成した。この際、トリメチルガリウムを収納する上記のスレンレス鋼製バブラーの容器を電子式恒温槽により0℃に保持した。液体トリメチルガリウムをバブリングするための高純度水素ガスの流量は電子式質量流量計(MFC)により毎分3.2ミリリットルとした。インジウム源としては電子供与性のアンモニアと気相反応を起こし難いシクロペンタジエニルインジウムを利用した。同インジウム源は実施例1乃至2の場合と同様に内面が鏡面研磨されたステンレス鋼製ボトル内に収納されている。同ボトルは電子制御式恒温槽により60℃に保持した。インジウム源を収納するボトル内に昇華したインジウム源を随伴して成長反応系に供給するための高純度水素ガスを毎分20の流量をもって供給した。インジウム及び珪素がドープされたn形の窒化ガリウム層の成長は時間にして60分間行った。珪素のドーピング条件は上記の珪素ドープn形窒化ガリウムの成長時と同一とした。これにより、珪素がドーピングされたn形窒化ガリウム層上にインジウムと珪素が共にドーピングされたn形の窒化ガリウム層を発光層の下側(基板側)で接合する接合層として堆積した。 (4) While the flow rate of the ammonia gas was kept as it was, the supply of the hydrogen gas, which constituted the carrier gas, to the growth reaction system was cut off, and two types of gas, argon and ammonia, were introduced into the growth reaction system. This gas switching was performed within about 2 minutes after the supply of the above-described hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of trimethylgallium to the growth reaction system was cut off. Thereafter, the substrate temperature was lowered from 1100 ° C. to 850 ° C. at a rate of 20 ° C./min. After the temperature dropped to 850 ° C., the hunting of the temperature was eliminated in about 3 minutes and the substrate temperature was stabilized. After that, the supply of hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium, the indium source and the silicon doping source was started to supply indium and indium. A gallium nitride layer doped with silicon was formed. At this time, the container of the above-mentioned stainless steel bubbler containing trimethylgallium was kept at 0 ° C. by an electronic thermostat. The flow rate of the high-purity hydrogen gas for bubbling the liquid trimethylgallium was 3.2 ml / min by an electronic mass flow meter (MFC). As the indium source, cyclopentadienyl indium, which hardly causes a gas-phase reaction with electron-donating ammonia, was used. The indium source is housed in a stainless steel bottle whose inner surface is mirror-polished as in the case of the first and second embodiments. The bottle was kept at 60 ° C. by an electronically controlled thermostat. A high-purity hydrogen gas was supplied at a flow rate of 20 per minute to supply the sublimated indium source to the growth reaction system along with the sublimated indium source in the bottle containing the indium source. The n-type gallium nitride layer doped with indium and silicon was grown for 60 minutes. The silicon doping conditions were the same as those for the growth of the silicon-doped n-type gallium nitride. Thus, an n-type gallium nitride layer doped with both indium and silicon was deposited on the silicon-doped n-type gallium nitride layer as a bonding layer to be bonded below the light emitting layer (substrate side).

 然る後、実施例1に記載のキャリアガスの流量及び基板温度等の条件をそのまま踏襲して、インジウム、珪素及び亜鉛をドーピングした窒化ガリウム発光層、亜鉛及びマグネシウムをドーピングした窒化アルミニウム・ガリウム混晶層及び亜鉛及びマグネシウムをドーピングした窒化ガリウム層を、順次上記のインジウム及び珪素がドーピングされた窒化ガリウム接合層上に形成した。亜鉛及びマグネシウムをドーピングした窒化アルミニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層については、質量数24のマグネシウムのイオンを実施例1と同一の条件をもって注入した。イオン注入を完了したウェハには実施例1に記載の条件下でイオン注入アニールを施した。 Thereafter, the gallium nitride light emitting layer doped with indium, silicon, and zinc, and the aluminum-gallium nitride doped with zinc and magnesium are mixed with the conditions of the flow rate of the carrier gas and the substrate temperature described in Example 1 as they are. A crystal layer and a gallium nitride layer doped with zinc and magnesium were sequentially formed on the gallium nitride junction layer doped with indium and silicon. For the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer and the gallium nitride layer doped with zinc and magnesium, magnesium ions having a mass number of 24 were implanted under the same conditions as in Example 1. The wafer subjected to the ion implantation was subjected to ion implantation annealing under the conditions described in Example 1.

 イオン注入アニール後、構成元素並びにドーパントのウェハの表面より基板側の深部に至る深さ方向の濃度分布をSIMS法で測定した。SIMS分析により判別された積層構成は次の如くであった。即ち、ウェハの表面側から先ず、層厚を約100nmとする窒化ガリウム層、層厚を約113nmとし、アルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層、インジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた層厚を約60nmとする窒化ガリウム層、インジウム及び珪素がドーピングされた層厚を約200nmとする窒化ガリウム層、及び珪素のみがドーピングされた窒化ガリウム層からなる構成であった。窒化ガリウム低温緩衝層の存在はSIMS分析からは明瞭に認められなかった。一方、ドーパントは実施例1に記載の分布形態と際たる相違は確認されなかった。特に、発光層として成長させたインジウム、亜鉛及び珪素をドーピングした窒化ガリウム層内のインジウム、珪素及び亜鉛の層厚の増加方向についての分布はほぼ同様であると認められた。発光層の下層側に配置され、発光層と接合するインジウム及び珪素がドーピングされた窒化ガリウム層接合内のインジウム及び珪素原子はそれらの深さ方向の分布態様(濃度プロファイル)から、層内でほぼ一様に分布しているのが認められた。接合層内のインジウムの原子濃度は約6×1019cm-3であると計測された。接合層内で珪素は同層の層厚方向の略一様にほぼ一定の濃度(約6×1019cm-3)で分布していた。接合層内部に於けるこの珪素の原子濃度は接合層の下部に配置した珪素ドープn形窒化ガリウム層の珪素原子の濃度(約3×1019cm-3)に比較すれば大であるが、接合層のキャリア濃度は、接合層の下部に配置した珪素ドープn形窒化ガリウム層のそれに(9×1017cm-3)比較すれば、逆に10〜15%程度、低濃度に測定された。この比較は上記の窒化ガリウム緩衝層上に本実施例に記載の条件下で別途、成長させた珪素ドープn形窒化ガリウム層並びに同層上にインジウム及び珪素をドーピングした窒化ガリウム層を個別に作製し、各々について、一般的な電解C−V法により零(0)バイアス下で測定され、いわばドナー濃度上での比較である。 After the ion implantation annealing, the concentration distribution of the constituent elements and the dopant in the depth direction from the surface of the wafer to the deep portion on the substrate side was measured by SIMS. The lamination structure determined by SIMS analysis was as follows. That is, first, a gallium nitride layer having a layer thickness of about 100 nm, an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.12, indium, silicon, and zinc are formed from the front side of the wafer. The structure was composed of a gallium nitride layer having a doped layer thickness of about 60 nm, a gallium nitride layer having a layer thickness of about 200 nm doped with indium and silicon, and a gallium nitride layer doped only with silicon. The presence of the gallium nitride low temperature buffer layer was not clearly recognized from the SIMS analysis. On the other hand, no difference was observed between the dopant and the distribution form described in Example 1. In particular, it was recognized that the distribution of indium, silicon and zinc in the gallium nitride layer doped with indium, zinc and silicon grown as the light emitting layer was almost the same in the direction of increasing the layer thickness. The indium and silicon atoms in the indium and silicon-doped gallium nitride layer junction, which is disposed below the light emitting layer and is in contact with the light emitting layer, are substantially distributed within the layer due to their distribution in the depth direction (concentration profile). Uniform distribution was observed. The atomic concentration of indium in the bonding layer was measured to be about 6 × 10 19 cm −3 . In the bonding layer, silicon was distributed almost uniformly in the thickness direction of the same layer at a substantially constant concentration (about 6 × 10 19 cm −3 ). Although the atomic concentration of silicon in the bonding layer is larger than the concentration of silicon atoms (about 3 × 10 19 cm −3 ) in the silicon-doped n-type gallium nitride layer disposed below the bonding layer, The carrier concentration of the bonding layer was measured to be about 10 to 15% lower than that of the silicon-doped n-type gallium nitride layer (9 × 10 17 cm −3 ) disposed below the bonding layer. . In this comparison, a silicon-doped n-type gallium nitride layer and a gallium nitride layer doped with indium and silicon were separately formed on the above-mentioned gallium nitride buffer layer separately under the conditions described in this example. However, each was measured under a zero (0) bias by a general electrolytic CV method, that is, a comparison on a donor concentration.

 別途、上記の条件下で作製し、同一の積層構成とほぼ同様のドーパント分布を有するものとSIMS分析により確認されたウェハを、アルゴンイオン(Ar+)スパッタリング法により表層部からエッチングした。一試料はスパッタエッチングによりインジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム発光層の表面が露呈するまでエッチングした。他の試料は更にエッチングを進行させて発光層の下部に接合するインジウム及び珪素ドープ窒化ガリウム層の表面を露出させたものとした。発光層の表面が露出された試料に波長を325nmとするHe−Cdレーザ光を照射してPLスペクトルを観測した。室温でのPLスペクトルには波長約365nmに窒化ガリウム結晶のバンド端発光と約430nm近傍に亜鉛に起因すると推定される発光が認められた。これとは別のアンドープ窒化ガリウム結晶から得られるバンド端発光の波長位置はやはり約365nmであった。この発光層とほぼ同一の層厚の亜鉛と珪素のみがドーピングされたn形窒化ガリウム層に認められる波長約430nm近傍の青色発光の強度は本実施例の場合と比較し、約50分の1程度であった。これより、本実施例が記す如く波長430nm帯に高強度の青色ルミネッセンス発光が得られるのはインジウムのドーピングによる効果であると解釈された。一方、発光層の下方に配置したインジウムドープ接合層からの室温PLにも、発光層の場合に比べれば発光強度的に微弱とはなっているものの、波長を約365nmとする窒化ガリウム結晶のバンド端発光が出現するのみであった。発光層表面からのPLスペクトルと同様に珪素のドーピングにより出現し易くなるとされる波長約380〜390nm近傍の近紫外帯域に発光は認められなかった。また、この接合層には亜鉛のドーピングを施してはいないため、波長430nm近傍の青色ルミネッセンス発光は出現しなかった。従って、窒化ガリウム発光層及び発光層に接合する窒化ガリウム層には、双方共にインジウムがドーピングされているものの、バンド端発光が出現する位置(波長)が窒化ガリウム結晶のそれと一致することから混晶化した窒化ガリウム・インジウムではなく、紛れもなく単にインジウムがドーピングされた窒化ガリウムであると判断された。また、バンド端発光の出現する波長が双方で一致することは双方の層が同一のバンドギャップ(禁止帯幅)を保有していることを意味する。即ち、接合構造の観点からすれば、発光層との接合を形成する計2層の窒化物化合物半導体層にあって、その一方の窒化物半導体層は発光層と同一の材料、即ち、窒化ガリウムから構成される接合層となった。 Separately, a wafer produced under the above-described conditions and confirmed by SIMS analysis to have the same lamination structure and substantially the same dopant distribution was etched from the surface layer by an argon ion (Ar + ) sputtering method. One sample was etched by sputter etching until the surface of the gallium nitride light emitting layer doped with indium, silicon and zinc was exposed. In other samples, the surface of the indium- and silicon-doped gallium nitride layer bonded to the lower part of the light emitting layer was exposed by further etching. The sample whose surface of the light emitting layer was exposed was irradiated with He-Cd laser light having a wavelength of 325 nm to observe a PL spectrum. In the PL spectrum at room temperature, band edge emission of the gallium nitride crystal was observed at a wavelength of about 365 nm, and light emission presumed to be caused by zinc was observed at about 430 nm. The wavelength position of band edge emission obtained from another undoped gallium nitride crystal was also about 365 nm. The intensity of blue light emission near a wavelength of about 430 nm observed in an n-type gallium nitride layer doped only with zinc and silicon having substantially the same thickness as that of the light emitting layer is about 1/50 of that of the present embodiment. It was about. From this, it was interpreted that the effect of indium doping is that high-intensity blue luminescence emission in a 430 nm wavelength band was obtained as described in this example. On the other hand, even at room temperature PL from the indium-doped junction layer disposed below the light-emitting layer, the band of the gallium nitride crystal whose wavelength is about 365 nm is slightly weaker in light emission intensity than that of the light-emitting layer. Only edge emission appeared. As in the PL spectrum from the surface of the light-emitting layer, no light was observed in the near-ultraviolet band near the wavelength of about 380 to 390 nm, which is likely to appear due to silicon doping. In addition, since the bonding layer was not doped with zinc, no blue luminescence light having a wavelength of about 430 nm appeared. Therefore, although the gallium nitride light-emitting layer and the gallium nitride layer bonded to the light-emitting layer are both doped with indium, the position (wavelength) at which the band edge emission appears coincides with that of the gallium nitride crystal. It was determined that it was not gallium indium nitride converted, but rather gallium nitride doped with indium. In addition, the coincidence of the wavelengths at which the band edge emission appears in both layers means that both layers have the same band gap (forbidden band width). That is, from the viewpoint of the junction structure, there are a total of two nitride compound semiconductor layers forming a junction with the light emitting layer, and one of the nitride semiconductor layers is made of the same material as the light emitting layer, that is, gallium nitride. Was formed.

 本実施例で得られたウェハの一部を垂直方向に切断して短冊状の薄片を作製した。薄片作製後、アルゴン(Ar)イオンエッチングにより薄片の断面の一部を更に薄層化させて、断面TEM(透過電子顕微鏡)観察に供した。元素分析であるSIMS法では不明瞭であった窒化ガリウム緩衝層は、断面TEM法によればその存在が明瞭に判別された。撮像された明視野像から測長して求めた窒化ガリウム緩衝層の層厚は約6.5nmであった。明視野法で撮像された窒化ガリウム緩衝層に相当する領域には、転位の存在に起因すると想像される暗線像(コントラスト像)が100オングストローム(A)の幅に少なくとも1本以上、単純に面積密度にして1012cm-2程度と多量に存在した。しかし、サファイアc面基板と窒化ガリウム緩衝層との界面の格子像が確認できる程度の高倍率下での観察では、サファイア基板表面上には少なくとも数層の格子像が配列しているのが認められた。窒化ガリウム緩衝層を直線的に上方に突き抜けた暗線、即ち、転位は窒化ガリウム緩衝層上の層厚3.5μmの窒化アルミニウム・ガリウム混晶層のほぼ中央部で、積層欠陥等の介入によって鉛直上方に伝搬するのが抑制されている様な兆候が認められた。窒化アルミニウム・ガリウム混晶層の層厚のほぼ中途より上方の、インジウムドープ窒化ガリウム接合層及び発光層へと伝搬する転位はその密度を明らかに減じていた。これに加え、インジウムドープ窒化ガリウム接合層と同じくインジウムドープ発光層との界面には、ミスフィット転位に因ると思われる暗コントラストの新たな発生は殆ど認められなかった。このため、インジウムドープ発光層の明視野断面TEM像には、暗線像が観測されない領域が拡大しているのが確認された。これは、発光層と接合層とは格子整合の関係にあり、両層の接合部で発生する転位や結晶欠陥の発生が密度が抑制されるためであると解釈された。観測領域幅が累計にして約1μmに到達した場合、暗線が発光層及び接合層内部の1乃至2箇所の極く限られた領域に集中して観測されたが、これらは主にサファイア基板と窒化ガリウム緩衝層との界面若しくはその近傍を起源とする貫通転位に因る暗コントラストであった。一部領域に於いては、これらの貫通転位は発光層上部の上記した窒化アルミニウム・ガリウム混晶及び最表層の窒化ガリウム層の表面迄到達していた。貫通転位が突き抜ける位置に相当する窒化ガリウム層の表面にはピットが存在した。
(実施例4)
 本実施例では上記の発光層との接合をなす第一の接合層に加え、更に第一接合層と接合する第二の接合層をインジウムがドーピングされたIII族窒化物半導体から構成する例を示す。端的に云えば、上記の実施例3に記載のインジウムがドーピングされた窒化ガリウム接合層(第一の接合層)を、同じくインジウムがドープされた窒化ガリウム層(第二の接合層)に設けた構成からなるウェハを例示する。
A portion of the wafer obtained in this example was cut in the vertical direction to produce a strip-shaped thin piece. After the preparation of the thin section, a part of the cross section of the thin section was further thinned by argon (Ar) ion etching, and was subjected to cross-sectional TEM (transmission electron microscope) observation. The presence of the gallium nitride buffer layer, which was unclear by the SIMS method as the elemental analysis, was clearly determined by the cross-sectional TEM method. The thickness of the gallium nitride buffer layer determined by measuring the length from the captured bright-field image was about 6.5 nm. In a region corresponding to the gallium nitride buffer layer imaged by the bright field method, at least one dark line image (contrast image) supposed to be caused by the existence of dislocations has a width of 100 angstroms (A). It was present in a large amount at a density of about 10 12 cm -2 . However, observation under a high magnification such that a lattice image of the interface between the sapphire c-plane substrate and the gallium nitride buffer layer can be confirmed shows that at least several layers of lattice images are arranged on the sapphire substrate surface. Was done. The dark line that linearly penetrates upward through the gallium nitride buffer layer, that is, the dislocation is substantially at the center of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having a thickness of 3.5 μm on the gallium nitride buffer layer, and is vertical due to stacking faults and the like. There were signs that propagation upwards was suppressed. The dislocation propagating to the indium-doped gallium nitride junction layer and the light emitting layer, which is almost halfway up the thickness of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer, clearly reduced its density. In addition, almost no new occurrence of dark contrast due to misfit dislocation was observed at the interface between the indium-doped gallium nitride bonding layer and the indium-doped light-emitting layer. Therefore, in the bright-field cross-sectional TEM image of the indium-doped light-emitting layer, it was confirmed that a region where a dark line image was not observed was enlarged. It was interpreted that this was because the light emitting layer and the bonding layer had a lattice matching relationship, and the density of dislocations and crystal defects generated at the bonding portion between the two layers was suppressed. When the observation region width reached about 1 μm in total, dark lines were observed concentrated in one or two extremely limited regions inside the light emitting layer and the bonding layer. The dark contrast was due to threading dislocations originating at or near the interface with the gallium nitride buffer layer. In some regions, these threading dislocations reached the surface of the above-described aluminum-gallium nitride mixed crystal and the outermost gallium nitride layer above the light-emitting layer. Pits were present on the surface of the gallium nitride layer corresponding to positions where threading dislocations penetrated.
(Example 4)
In this embodiment, in addition to the first bonding layer that forms a bond with the above-described light emitting layer, an example in which the second bonding layer that further bonds to the first bonding layer is formed of a group III nitride semiconductor doped with indium. Show. In short, the indium-doped gallium nitride bonding layer (first bonding layer) described in Example 3 above was provided on the indium-doped gallium nitride layer (second bonding layer) as well. An example of a wafer having a configuration will be described.

 上記実施例3に記載の窒化ガリウム緩衝層上に、インジウムと珪素を共にドーピングしたn形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を成長させた。同混晶層の成長は毎分3リットルに流量を設定されたアルゴンガス及び水素ガス並びに毎分4リットルに流量を設定されたアンモニアガスとからなる混合気流(キャリアガス)中で1100℃で実施した。混晶の成長開始時以前には予め、高純度水素ガスにより体積濃度にして約1.2ppmに希釈されたジシラン(Si26)ガスを毎分5ミリリットルの流量をもって添加した。次に、上記組成のキャリアガスにトリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスを混合させることをもって窒化ガリウム成長層の成長を開始した。この際、トリメチルガリウムを収納する前記のステンレス鋼製バブラー容器の温度は前記の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として13℃とした。また、液体トリメチルガリウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。また、トリメチルアルミニウムを収納する内面を鏡面研磨されたステンレス鋼製バブラー容器の温度は前記と同様の電子式恒温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として25℃とした。液化したトリメチルアルミニウムをバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。 An n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer doped with both indium and silicon was grown on the gallium nitride buffer layer described in Example 3 above. The mixed crystal layer was grown at 1100 ° C. in a mixed gas flow (carrier gas) composed of argon gas and hydrogen gas set at a flow rate of 3 liters per minute and ammonia gas set at a flow rate of 4 liters per minute. did. Before the start of mixed crystal growth, disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to a volume concentration of about 1.2 ppm with high-purity hydrogen gas was added at a flow rate of 5 ml / min. Next, the growth of the gallium nitride growth layer was started by mixing the carrier gas having the above composition with a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium and trimethylaluminum vapor. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was set to 13 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum and having an inner surface mirror-polished was set to 25 ° C. using a commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the same electronic thermostat as described above. The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min.

 本実施例では、トリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウムを各々随伴する水素バブリングガスを、キャリアガスへの添加を開始すると同時にインジウム源を随伴する高純度水素ガスの添加を開始した。インジウムがドーピングされた窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を得るためである。インジウム源としてはルイス(Lewis)塩基性のアンモニアと気相反応を起こし難いルイス酸性的なシクロペンタジエニルインジウムを利用した。同インジウム源は実施例1乃至3の場合と同様に内面が鏡面研磨されたステンレス鋼製ボトル内に収納した。同ボトルは電子制御式恒温槽により60℃に保持した。インジウム源を収納するボトル内に昇華したインジウム源を随伴して成長反応系に供給するための高純度水素ガスを毎分20ミリリットルの流量をもって供給した。インジウム及び珪素がドープされたn形の窒化ガリウム層の成長は、約3.5μmの層厚を意図して時間にして90分間継続した。珪素はジシラン(Si26)を体積濃度にして約1.2ppm含む高純度水素−ジシラン(Si26)混合ガスを毎分5ミリリットルの流量で上記のキャリアガス中に添加することをもってドーピングした。これにより、窒化ガリウム緩衝層上にインジウムと珪素が共にドーピングされたn形の窒化ガリウム層を第二の接合層として堆積した。 In this example, the addition of the hydrogen bubbling gas accompanying trimethylgallium and trimethylaluminum to the carrier gas was started, and at the same time, the addition of the high-purity hydrogen gas accompanying the indium source was started. This is for obtaining an aluminum-gallium nitride mixed crystal layer doped with indium. As the indium source, Lewis acidic cyclopentadienyl indium which hardly causes a gas phase reaction with Lewis basic ammonia was used. The indium source was housed in a stainless steel bottle whose inner surface was mirror-polished as in Examples 1 to 3. The bottle was kept at 60 ° C. by an electronically controlled thermostat. A high-purity hydrogen gas was supplied at a flow rate of 20 ml / min to supply the growth reaction system with the sublimated indium source in the bottle containing the indium source. The growth of the n-type gallium nitride layer doped with indium and silicon continued for 90 minutes with a time intended for a layer thickness of about 3.5 μm. Silicon is obtained by adding a high-purity hydrogen-disilane (Si 2 H 6 ) mixed gas containing disilane (Si 2 H 6 ) in a volume concentration of about 1.2 ppm to the above carrier gas at a flow rate of 5 ml / min. Doped. Thus, an n-type gallium nitride layer doped with both indium and silicon was deposited as a second bonding layer on the gallium nitride buffer layer.

 第二の接合層上には、実施例3に記載の条件に従いインジウムと珪素がドーピングされた第一の接合層となるn形の窒化ガリウム層、インジウムと珪素と亜鉛とがドーピングされた発光層となる窒化ガリウム層、亜鉛とマグネシウムがドーピングされた窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(上部クラッド層)及び亜鉛とマグネシウムがドーピングされた窒化ガリウム層(コンタクト層)を順次、堆積した。亜鉛とマグネシウムがドーピングされた窒化アルミニウム・ガリウム層並びに窒化ガリウム層には成膜後、実施例3に記載した注入条件下でマグネシウムのイオン注入を施した。これより、発光層、発光層と接合する第一の接合層及び第一の接合層に接合する第二の接合層の何れをもインジウムがドーピングされた窒化ガリウム系半導体層とする接合構成を備えたウェハを作製した。 On the second bonding layer, an n-type gallium nitride layer serving as a first bonding layer doped with indium and silicon according to the conditions described in Example 3, and a light emitting layer doped with indium, silicon, and zinc Gallium nitride layer, an aluminum / gallium mixed crystal layer doped with zinc and magnesium (upper cladding layer), and a gallium nitride layer doped with zinc and magnesium (contact layer). On the aluminum-gallium nitride layer and the gallium nitride layer doped with zinc and magnesium, magnesium ions were implanted under the implantation conditions described in Example 3 after film formation. Accordingly, a light emitting layer, a first bonding layer bonded to the light emitting layer, and a second bonding layer bonded to the first bonding layer are each provided with a bonding structure in which a gallium nitride based semiconductor layer doped with indium is used. A wafer was prepared.

 得られたウェハをイオンシニング(ionthinning)法で薄片となした。次に、断面TEM法により撮像した明視野像を基に第一と第二の接合層界面及び第一の接合層と発光層との界面近傍の転位の発生状況を中心に観察した。窒化アルミニウム・ガリウム層内での線条の暗コントラストの本数は、実施例3の場合に比較すれば15%程度減少していた。また、第一と第二の接合層との界面近傍には極く希に新たな転位の発生が認められたものの、第一の接合層と発光層との接合界面では転位の発生は実施例3の場合に比べれば明らかに減少していた。発光層の転位密度は概して5〜10×104cm-2と見積もられた。要約すれば、窒化ガリウム緩衝層からほぼ直線的に発光層を貫通して最表層の窒化ガリウムコンタクト層表面に到達する転位は依然として存在するものの、第一及び第二の接合層を共にインジウムドープ層とする構成は発光層の転位密度の減少に効果があるものと認められた。
(比較例1)
 実施例1と同一のアルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(Al0.01Ga0.99N)上に、実施例1に記載と同一のインジウム源、珪素源及び亜鉛源を利用して発光層としてインジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム層を積層した。但し、本比較例に於ける発光層にあっては珪素及び亜鉛の各原子濃度の分布は実施例1と同一としたが、インジウムの原子濃度については発光層の層厚方向に分布を付与せずに一定とした。即ち、本比較例に於ける発光層は実施例1と同じく窒化ガリウムから構成されるものの、インジウムの原子濃度分布に関して実施例1とは相違するものである。
The obtained wafer was sliced by an ion thinning method. Next, based on the bright-field image taken by the cross-sectional TEM method, observation was made mainly on the state of generation of dislocations near the interface between the first and second bonding layers and the interface between the first bonding layer and the light emitting layer. The number of dark contrast lines in the aluminum gallium nitride layer was reduced by about 15% as compared with the case of Example 3. Although a new dislocation was rarely found near the interface between the first and second bonding layers, the occurrence of dislocations was observed at the bonding interface between the first bonding layer and the light emitting layer. The number was clearly lower than in the case of No. 3. The dislocation density of the light emitting layer was generally estimated to be 5 to 10 × 10 4 cm −2 . In summary, although dislocations penetrating the light emitting layer almost linearly from the gallium nitride buffer layer to reach the surface of the outermost gallium nitride contact layer still exist, both the first and second bonding layers are indium doped layers. Was found to be effective in reducing the dislocation density of the light emitting layer.
(Comparative Example 1)
The same indium source, silicon source and zinc source as described in Example 1 were used on an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer (Al 0.01 Ga 0.99 N) having the same aluminum composition ratio as that of Example 1 as 0.01. Then, a gallium nitride layer doped with indium, silicon, and zinc was stacked as a light emitting layer. However, in the light emitting layer in this comparative example, the distribution of the atomic concentrations of silicon and zinc was the same as in Example 1, but the distribution of the atomic concentration of indium was given in the thickness direction of the light emitting layer. And constant. That is, the light emitting layer in this comparative example is composed of gallium nitride as in Example 1, but differs from Example 1 in the atomic concentration distribution of indium.

 発光層成長時には、発光層の層厚の増加方向に略一定のインジウム原子の濃度分布を付すために、成長反応系内へのインジウム源(シクロペンタジエニルインジウム(I))の供給量(昇華したインジウム源を随伴する水素ガスの流量)を毎分20ミリリットルに一定に保持した。同インジウム源を収納するステンレス鋼製の収納容器の保持温度は60℃の恒温とした。層厚方向に略一定のインジウム原子の濃度分布を付した発光層上には、実施例1に記載と全く同一の条件及び操作で窒化アルミニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層を形成し、ウェハとなした。
(比較例2)
 比較例1と同様にインジウム原子濃度の分布をほぼ一定とする窒化ガリウム層を発光層とした。本比較例2に於いては窒化ガリウム発光層内のインジウム原子の濃度分布を略一定とすると共に、珪素(Si)の原子濃度も発光層内の層厚の増加方向に一定となる様にドーピングした。
During the growth of the light emitting layer, the amount of supply of indium source (cyclopentadienyl indium (I)) into the growth reaction system (sublimation) in order to provide a substantially constant concentration distribution of indium atoms in the increasing direction of the thickness of the light emitting layer. The flow rate of hydrogen gas accompanying the indium source was kept constant at 20 ml / min. The holding temperature of the stainless steel storage container that stores the indium source was a constant temperature of 60 ° C. An aluminum nitride-gallium mixed crystal layer and a gallium nitride layer were formed on the light-emitting layer having a substantially constant indium concentration distribution in the layer thickness direction under the same conditions and operations as described in Example 1, And
(Comparative Example 2)
As in Comparative Example 1, a gallium nitride layer having a substantially constant distribution of indium atom concentration was used as the light emitting layer. In Comparative Example 2, doping was performed so that the concentration distribution of indium atoms in the gallium nitride light emitting layer was substantially constant, and the atomic concentration of silicon (Si) was also constant in the direction of increasing the layer thickness in the light emitting layer. did.

 窒化ガリウム発光層内のインジウム原子濃度を発光層の層厚方向に略一定とするため、成長系内へのインジウム源の供給量を経時的に変化させずに一定とした。インジウム源としては一貫して、結合価を1価とするシクロペンタジエニルインジウム(C55In)を利用した。発光層となすインジウム、珪素及び亜鉛をドーピングした窒化ガリウム層をアルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層上に成長させるに際し、昇華した上記のインジウム源を随伴する水素ガスの成長反応系への供給量を毎分20ミリリットルに固定した。正確に5分後にインジウム源を随伴する水素ガスの成長反応系内への添加を停止した。亜鉛のドーピングは実施例1記載の方法及び条件に従った。この発光層上には実施例1に記載と同様の窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層並びに窒化ガリウムコンタクト層を積層させた。 In order to keep the indium atom concentration in the gallium nitride light emitting layer substantially constant in the thickness direction of the light emitting layer, the supply amount of the indium source into the growth system was kept constant without changing over time. The indium source consistently, using a cyclopentadienyl indium to monovalent valencies (C 5 H 5 In). In growing a gallium nitride layer doped with indium, silicon, and zinc as a light-emitting layer on an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.01, hydrogen gas accompanying the sublimated indium source was used. The supply rate to the growth reaction system was fixed at 20 ml / min. Exactly 5 minutes later, the addition of hydrogen gas accompanying the indium source into the growth reaction system was stopped. Zinc doping followed the method and conditions described in Example 1. On this light emitting layer, an upper clad layer made of aluminum nitride-gallium mixed crystal and a gallium nitride contact layer similar to those described in Example 1 were laminated.

 SIMS法により発光層内の層厚方向のドーパントの濃度の分布を分析し、比較例1に於ける濃度分布と対比した。その結果、当比較例2に於けるインジウムは比較例1のそれとほぼ同様に発光層の層厚方向に分布していた。インジウム等がドーピングされた窒化ガリウム発光層と、その下層のアルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との接合界面でのインジウム原子濃度は約9×1017cm-3であった。他方、アルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(上部クラッド層)との接合界面でのインジウム濃度も約1×1018cm-3であった。即ち、インジウム原子濃度は比較例1と同様にほぼ一定であった。珪素及び亜鉛の原子濃度も発光層の層厚方向にほぼ一定となった。SIMS分析により得られた濃度プロファイルから求めた発光層の層厚は約56nmであった。要約すれば本比較例2で得られた窒化ガリウム発光層はインジウム、珪素及び亜鉛のドーパントが層厚の増加方向にほぼ一定となる様にドーピングされてなるものであった。また、本比較例2の窒化ガリウム発光層内では、ドナー不純物(珪素)及び亜鉛(アクセプター不純物)は何れもインジウムの原子の濃度分布に対して略反比例となる様に分布してはおらず、インジウム原子とほぼ同様の濃度分布となった。
(比較例3)
 窒化ガリウム発光層を除いて実施例1と同一の構成とした。即ち、窒化ガリウム発光層の基板側の下部にアルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を、発光層の上部にアルミニウム組成比を0.12とする窒化アルモニウム・ガリウム混晶層を接合させた構成とした。従って、窒化ガリウム発光層と接合する双方の窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を発光層を構成する窒化ガリウムとの格子不整合度(本文にδで定義する)で比較すれば、窒化ガリウム発光層と格子不整合度(δ)を小とするのはアルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム接合層となる。
The concentration distribution of the dopant in the layer thickness direction in the light emitting layer was analyzed by the SIMS method, and compared with the concentration distribution in Comparative Example 1. As a result, indium in Comparative Example 2 was distributed in the thickness direction of the light emitting layer almost in the same manner as in Comparative Example 1. The indium atom concentration at the junction interface between the gallium nitride light-emitting layer doped with indium and the like and the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer with the aluminum composition ratio of the lower layer being 0.01 is about 9 × 10 17 cm −3 . there were. On the other hand, the indium concentration at the joint interface with the aluminum nitride-gallium mixed crystal (upper cladding layer) having an aluminum composition ratio of 0.12 was also about 1 × 10 18 cm −3 . That is, the indium atom concentration was almost constant as in Comparative Example 1. The atomic concentrations of silicon and zinc were also substantially constant in the thickness direction of the light emitting layer. The thickness of the light emitting layer determined from the concentration profile obtained by SIMS analysis was about 56 nm. In summary, the gallium nitride light emitting layer obtained in Comparative Example 2 was doped with dopants of indium, silicon, and zinc so as to be substantially constant in the direction of increasing the layer thickness. In the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 2, neither the donor impurity (silicon) nor the zinc (acceptor impurity) was distributed so as to be substantially in inverse proportion to the concentration distribution of indium atoms. The concentration distribution was almost the same as that of atoms.
(Comparative Example 3)
Except for the gallium nitride light emitting layer, the configuration was the same as that of Example 1. That is, an aluminum nitride / gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.01 is provided below the gallium nitride light emitting layer on the substrate side, and an aluminum monium nitride / gallium mixed crystal having an aluminum composition ratio of 0.12 is provided above the light emitting layer. The layers were joined. Therefore, comparing the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer bonded to the gallium nitride light emitting layer with the degree of lattice mismatch (defined by δ in the text) with the gallium nitride forming the light emitting layer, The smaller the degree of lattice mismatch (δ) is the aluminum-gallium nitride bonding layer having an aluminum composition ratio of 0.01.

 本比本比較例3では、インジウムに関して上記実施例1乃至4及び比較例1乃至2とは相違した原子濃度分布を保有する窒化ガリウム層を発光層とした。本比較例3の窒化ガリウム発光層はインジウムの原子濃度を発光層と接合する窒化ガリウム系接合層にあって、より格子不整合度を小とする接合層、即ち、発光層の下部に接合するアルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との界面の方向に大として分布させたものである。珪素のドーピング実施例2の条件に、亜鉛のドーピング条件は実施例1に記載の手法に準じた。従って、本比較例3の窒化ガリウム発光層は発光層の層厚方向にインジウム原子濃度を漸次、減じ、珪素及び亜鉛がほぼ一定の原子濃度となる様にドーピングされたものである。 In this Comparative Example 3, a gallium nitride layer having an atomic concentration distribution different from that of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 with respect to indium was used as the light emitting layer. The gallium nitride light-emitting layer of Comparative Example 3 is a gallium nitride-based bonding layer in which the indium atomic concentration is bonded to the light-emitting layer, and is bonded to a bonding layer having a smaller degree of lattice mismatch, that is, a lower portion of the light-emitting layer. It is distributed largely in the direction of the interface with the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer where the aluminum composition ratio is 0.12. The doping condition of silicon was the same as that in Example 2, and the doping condition of zinc was in accordance with the method described in Example 1. Therefore, the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 3 is one in which the indium atom concentration is gradually reduced in the thickness direction of the light emitting layer, and silicon and zinc are doped so as to have a substantially constant atomic concentration.

 インジウムの原子濃度の分布は窒化ガリウム発光層の成長時に経時的に成長温度を変化させることをもって調整した。即ち、珪素をドーピングした窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(Al0.01Ga0.99N)を1100℃で成長させたる後、基板温度を直ちに770℃に低下させた。基板温度が安定したる後、発光層の成長時に於けるインジウム源としたシクロペンタジエニルインジウム(I)(C55In(I))の成長反応系へ供給する量(流量)を毎分220ミリリットルと一定に固定した状態で発光層の成長を開始した。成長開始時より成長温度を成長時間の経過と共に線形的に成長温度まで上昇させた。正確に5分後の発光層の成長が終了した時点では成長温度は850℃迄に変化させた。従って、単位時間の成長温度変化率は16℃/分となった。インジウム、珪素及び亜鉛をドーピングした発光層の成長を終えた後は、再び成長温度を1100℃に瞬時に上昇させ、実施例1に記載の成長方法及び条件に従いアルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(上部クラッド層)及び窒化ガリウムコンタクト層を順次積層した。 The distribution of the atomic concentration of indium was adjusted by changing the growth temperature over time during the growth of the gallium nitride light emitting layer. That is, after growing an aluminum-gallium nitride mixed crystal layer (Al 0.01 Ga 0.99 N) doped with silicon at 1100 ° C., the substrate temperature was immediately lowered to 770 ° C. After the substrate temperature was stabilized, the amount (flow rate) of cyclopentadienyl indium (I) (C 5 H 5 In (I)) supplied to the growth reaction system as an indium source during the growth of the light-emitting layer was changed every time. The growth of the light emitting layer was started in a state where the light emitting layer was fixed at a constant value of 220 ml. From the start of the growth, the growth temperature was linearly increased to the growth temperature with the elapse of the growth time. The growth temperature was changed to 850 ° C. when the growth of the light emitting layer was completed exactly 5 minutes later. Therefore, the growth temperature change rate per unit time was 16 ° C./min. After the growth of the light emitting layer doped with indium, silicon, and zinc is completed, the growth temperature is instantaneously increased to 1100 ° C. again, and the aluminum composition ratio is adjusted to 0.12 according to the growth method and conditions described in Example 1. An aluminum nitride-gallium mixed crystal (upper cladding layer) and a gallium nitride contact layer were sequentially laminated.

 図22にSISM分析により得られた窒化ガリウム発光層インジウム、珪素及び亜鉛の各ドーパントの原子濃度分布を掲示する。インジウム原子の濃度(図22中に記号(In)で示す)は発光層内に於いてAl0.01Ga0.99N層との接合面近傍からAl0.12Ga0.88Nとの接合界面の方向に漸次減少するものであった。インジウム原子の濃度は約2×1020cm-3から1×1018cm-3へとほぼ直線的に減少していた。一方、珪素及び亜鉛原子の濃度分布(各々、記号(Si)及び(Zn)で図22に示す)らの伝導形を左右するドーパントの濃度は発光層内部で層厚方向にほぼ一定となっていた。ドーパントの分布様態から観た本比較例3の窒化ガリウム発光層の特徴は、インジウムの原子濃度は実施例1とは反対に格子不整合度を小とする方向に大となる、即ち、層厚を大とする方向に漸次原子濃度を小とする様に分布しているものである。要約すれば上記実施例1に記載の発光層とは層厚方向のインジウム原子の濃度分布を逆とするものである。 FIG. 22 shows the atomic concentration distributions of the indium, silicon, and zinc dopants in the gallium nitride light emitting layer obtained by the SISM analysis. The concentration of indium atoms (indicated by (In) in FIG. 22) gradually decreases in the light emitting layer from the vicinity of the interface with the Al 0.01 Ga 0.99 N layer in the direction of the interface with Al 0.12 Ga 0.88 N. Was something. The concentration of indium atoms decreased almost linearly from about 2 × 10 20 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . On the other hand, the concentration of the dopant which affects the conductivity type of the concentration distribution of silicon and zinc atoms (indicated by (Si) and (Zn) in FIG. 22 respectively) is almost constant in the layer thickness direction inside the light emitting layer. Was. The characteristic of the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 3 from the viewpoint of the distribution state of the dopant is that the atomic concentration of indium increases in the direction of reducing the degree of lattice mismatch as opposed to Example 1, ie, the layer thickness Are distributed so that the atomic concentration gradually becomes smaller in the direction of increasing. In summary, the concentration distribution of indium atoms in the layer thickness direction is reversed from that of the light emitting layer described in the first embodiment.

 実施例1乃至4及び比較例1乃至2に記載の方法により形成したウェハに同一の条件下でプロセス加工を施し、青色の発光ダイオード(LED)を作製した。先ず、各ウェハの表面全面に一般的な高周波スパッタリング法により膜厚約100nmの窒化チタン(TiN)被膜を形成した。窒化チタン被膜上には、プラズマCVD法によりシランガス(SiH4)及びアンモニアガス(NH3)を原料として膜厚を約150nmとする窒化珪素(SiN)膜を被着させた。次に、窒化珪素被膜上にポジ型の商品名AZ−1350フォトレジストを回転塗布した。然る後、公知の紫外線フォトリソグラフィー技術を駆使して上記レジスト材にパターニングを施した。パターニングにより描画するLEDのチップ形状は各ウェハに共通とし、一辺を約350μmとする正方形とした。 The wafers formed by the methods described in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were processed under the same conditions to produce blue light emitting diodes (LEDs). First, a titanium nitride (TiN) film having a thickness of about 100 nm was formed on the entire surface of each wafer by a general high frequency sputtering method. A silicon nitride (SiN) film having a thickness of about 150 nm was deposited on the titanium nitride film by plasma CVD using silane gas (SiH 4 ) and ammonia gas (NH 3 ) as raw materials. Next, a positive type AZ-1350 photoresist was spin-coated on the silicon nitride film. Thereafter, the resist material was patterned using a known ultraviolet photolithography technique. The chip shape of the LED drawn by patterning was common to each wafer, and was a square having a side of about 350 μm.

 正方形のチップの外周部のスクライブラインとn形電極(正電極)を配置する予定の領域のレジスト材のみを、芳香族化合物を主体とする剥離材で除去した後、その領域に露出した窒化珪素膜を緩衝(バッファード)弗酸(HF)で溶解し除去した。これにより、スクライブランとn形電極の形成予定領域に限り、ウェハの最表層である亜鉛及びマグネシウムがドーピングされ、更にマグネシウムがイオン注入された窒化ガリウムコンタクト層の表面上の窒化チタン被膜を露呈させた。次に、アルゴン/メタン/水素の混合ガス等を使用する一般的なプラズマエッチング法で露呈した窒化チタン膜並びにウェハの構成層をn形電極及びスクライブラインの形成予定領域に限りエッチングにより除去した。プラズマエッチングは実施例1乃至2並びに比較例1乃至2に記載の4ウェハにあっては、窒化ガリウム低温緩衝層上に堆積したn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶の表層部が露呈する迄進行させた。実施例3乃至4に記載のウェハについては、n形窒化ガリウム層の表層部が露呈する迄、このプラズマエッチングを施した。このエッチングによって、n形電極並びにスクライブライン形成予定領域の露出した表面とエッチングを被らない最表層の窒化ガリウム層表面とには段差が生じた。エッチング終了後、窒化珪素膜上のフォトレジスト材を有機溶剤混合液により剥離して、窒化珪素膜のみを残置させた。再び、ウェハ全面上に上記のフォトレジスト材を回転塗布した後、形成する予定のn形及びp形電極(負電極)の形状に合わせてレジスト材を露光し現像してパターニングを施した。このパターニング後、p形電極の形状にレジスト材が剥離された領域には上記の窒化チタン膜が露出した。一方、n形電極の形状にレジスト材が剥離された領域にはn形の窒化ガリウム層若しくはn形の窒化アルミニウム・ガリウム層の表層部が露出することとなった。然る後に、公称純度6N(99.9999%)の棒状の高純度アルミニウム(Al)を真空蒸着法によりウェハ全面に被着した。真空蒸着装置からウェハを取り出した後、アルミニウムを蒸着したウェハをレジスト剥離液に浸して、通常のリフトオフ(lift−off)法によりレジスト材上に被着したアルミニウム蒸着膜をレジスト材より剥離した。このリフトオフ工程に依って横幅を約100μm長さを約300μmとする長方形の互いに対向したn形及びp形電極を形成した。 After removing only the resist material in the area where the scribe line and the n-type electrode (positive electrode) on the outer periphery of the square chip are to be arranged with a peeling material mainly composed of an aromatic compound, the silicon nitride exposed in the area is removed. The membrane was dissolved and removed with buffered hydrofluoric acid (HF). As a result, zinc and magnesium, which are the outermost layers of the wafer, are doped only in the area where the scribe line and the n-type electrode are to be formed, and the titanium nitride film on the surface of the gallium nitride contact layer into which magnesium is ion-implanted is exposed. Was. Next, the titanium nitride film exposed by a general plasma etching method using a mixed gas of argon / methane / hydrogen or the like and the constituent layers of the wafer were removed by etching only in regions where the n-type electrodes and scribe lines were to be formed. In the four wafers described in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the plasma etching was allowed to proceed until the surface portion of the n-type aluminum nitride / gallium mixed crystal deposited on the gallium nitride low temperature buffer layer was exposed. Was. The plasma etching was performed on the wafers described in Examples 3 and 4 until the surface portion of the n-type gallium nitride layer was exposed. Due to this etching, a step was formed between the exposed surface of the region where the n-type electrode and the scribe line were to be formed and the surface of the outermost gallium nitride layer not to be etched. After completion of the etching, the photoresist material on the silicon nitride film was peeled off with an organic solvent mixed solution, leaving only the silicon nitride film. Again, after the above photoresist material was spin-coated on the entire surface of the wafer, the resist material was exposed and developed according to the shapes of the n-type and p-type electrodes (negative electrodes) to be formed and patterned. After this patterning, the titanium nitride film was exposed in a region where the resist material was stripped in the shape of the p-type electrode. On the other hand, the surface of the n-type gallium nitride layer or the n-type aluminum / gallium nitride layer was exposed in the region where the resist material was stripped in the shape of the n-type electrode. Thereafter, rod-shaped high-purity aluminum (Al) having a nominal purity of 6N (99.9999%) was applied to the entire surface of the wafer by vacuum evaporation. After taking out the wafer from the vacuum deposition apparatus, the aluminum-deposited wafer was immersed in a resist stripping solution, and the aluminum-deposited film deposited on the resist material was peeled off from the resist material by a normal lift-off method. By this lift-off step, rectangular opposing n-type and p-type electrodes each having a width of about 100 μm and a length of about 300 μm were formed.

 チップの各外周に格子状に交差する様に設けたスクライブラインに沿って、ダイヤモンドブレード(切削刃)を走行させ、各LEDチップ間のアイソレーション(絶縁化)を図った。各チップ間での絶縁性(isolation)が保持されているのが確認した後、一般的なプローバーを利用してLEDチップの主要な光学的並びに電気的特性を抜き取り検査した。測定結果を各実施例並びに各比較例毎に表1に纏める。発光強度はエポキシ樹脂によるモールドを施さずにチップ状態でフォトデテクター(英略称PD)を利用して測光されたものである。順方向或いは逆方向電圧は何れも電流値10マイクロアンペア(μA)に於けるボルト(V)単位の電圧値である。 (4) A diamond blade (cutting blade) was run along a scribe line provided so as to intersect the outer periphery of each chip in a grid pattern, thereby achieving isolation (insulation) between the LED chips. After confirming that the insulation between the chips was maintained, the main optical and electrical characteristics of the LED chips were sampled and inspected using a general prober. Table 1 summarizes the measurement results for each example and each comparative example. The light emission intensity was measured using a photodetector (abbreviated as PD) in a chip state without applying a mold made of epoxy resin. Both the forward and reverse voltages are voltage values in volts (V) at a current value of 10 microamps (μA).

 表1に総括する如く発光中心波長にはさしたる相違は生じていない。発光中心波長の微妙な相違は亜鉛のドーピング濃度の成長回毎の微妙な変動に依るものと推定される。特性上、特に顕著な差異が生じたのは発光強度であった。実施例1と比較例2との対比から珪素及び亜鉛の原子濃度分布が同様である場合、インジウム原子濃度に分布を付すと明らかに発光強度は増大した。窒化ガリウム発光層内のインジウム原子の濃度を発光層との格子不整合度をより大とする窒化ガリウム系接合層との接合界面に向けて漸次増加させた場合にあって、珪素の原子濃度をインジウム原子濃度の増減傾向とは略反対とすることにより発光強度は増大した(実施例1及び2との対比による)。一方、珪素の原子濃度分布を同一とした場合、発光強度はインジウム原子濃度に分布を付すことをもって発光強度の増大が達成された(実施例2と比較例1との対比による)。インジウム原子濃度が同様であっても、得られる発光強度はインジウムを格子不整合度(本文中のδ)をより大とする窒化ガリウム系接合層との界面に向けて増加させると発光強度の増大が達成された(実施例1と比較例3との対比による)。 く As summarized in Table 1, there is no significant difference in the emission center wavelength. It is presumed that the subtle difference in the emission center wavelength is due to the subtle variation in the doping concentration of zinc for each growth. It was the emission intensity that caused a particularly significant difference in characteristics. From the comparison between Example 1 and Comparative Example 2, when the atomic concentration distributions of silicon and zinc were similar, the emission intensity was clearly increased when the distribution of indium atomic concentration was given. In the case where the concentration of indium atoms in the gallium nitride light emitting layer is gradually increased toward the bonding interface with the gallium nitride based bonding layer, which increases the degree of lattice mismatch with the light emitting layer, the atomic concentration of silicon is reduced. The emission intensity was increased by making the opposite to the increasing / decreasing tendency of the indium atom concentration (as compared with Examples 1 and 2). On the other hand, when the atomic concentration distribution of silicon was the same, the emission intensity was increased by assigning the distribution to the indium atom concentration (by comparing Example 2 with Comparative Example 1). Even if the indium atom concentration is the same, the obtained emission intensity increases when indium is increased toward the interface with the gallium nitride-based bonding layer, which has a higher degree of lattice mismatch (δ in the text). Was achieved (by comparison between Example 1 and Comparative Example 3).

 実施例1〜4に記載のウェハから作製されたLEDチップをスクライブラインに沿ってダイヤモンドスクライバーで単一チップに裁断した。その後、n形及びp形電極にワイヤボンデングを施しリードワイヤー(leadwire)を介して両電極間の電流が測定される状態とした。この状態で通常の電子線誘導励起電流法、所謂略称EBIC(lectronaamnducedurrennt)法でLEDチップ断面を観察した。その結果、亜鉛とマグネシウムが添加された窒化アルミニウム・ガリウム混晶とn形のインジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム発光層との界面近傍の領域に於いて帯状のコントラストが観測された。これより、上記両層間でのpn接合の形成が明かとなった。このEBIC測定は一般のSEM(走査型電子顕微鏡)を利用したため、層厚が概ね50〜60nmと薄い発光層を高分解能下で撮像する程、充分な高倍率とすることが出来なかった。従って、pn接合に起因するコントラストが最大となる領域が上記の窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層と窒化ガリウム発光層との界面か、或いは上部クラッド層の内部に在るのか明確に判別出来なかった。 LED chips produced from the wafers described in Examples 1 to 4 were cut into single chips along a scribe line with a diamond scriber. Thereafter, the n-type and p-type electrodes were subjected to wire bonding so that the current between the two electrodes was measured via a lead wire. Typical electron beam induced excitation current method in this state, it was observed LED chip section in a so-called abbreviated EBIC (E lectron B aam I nduced C urrennt) method. As a result, a band-like contrast was observed in the region near the interface between the aluminum-gallium nitride mixed crystal to which zinc and magnesium were added and the n-type gallium nitride light-emitting layer to which indium, silicon, and zinc were doped. As a result, formation of a pn junction between the two layers became clear. Since this EBIC measurement used a general SEM (scanning electron microscope), it was not possible to obtain a sufficiently high magnification so that a light emitting layer having a thin layer thickness of approximately 50 to 60 nm was imaged at a high resolution. Therefore, it is clearly determined whether the region where the contrast due to the pn junction is maximum is located at the interface between the upper cladding layer made of the aluminum nitride-gallium mixed crystal and the gallium nitride light emitting layer or inside the upper cladding layer. I could not do it.

 高分解能の分析電子顕微鏡(略称:分析電顕)により窒化ガリウム発光層とそれに接合する窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との界面近傍の領域をカソードルミネッセンス(CL)法により観察した。試料には上記のEBIC法で利用したチップをアルゴンイオンによるイオンエッチング法で薄層化したものを用いた。実施例1に記載の如くインジウムの原子濃度を窒化ガリウム発光層との格子不整合度(本文中のδ)をより大とするAl0.12Ga0.88N混晶層との界面に向けて増大させてなる場合にあっては、上部クラッド層と発光層との界面近傍でのCL強度が他の領域より強いと見受けられた。比較例1乃至2の様にインジウムの原子がほぼ一定の濃度で存在する発光層にあっては、特に界面近傍でCL強度が増加する傾向は見受けられなかった。インジウム原子を発光層を構成する窒化ガリウムとの格子不整合度を小とするAl0.01Ga0.99N混晶層に向けて増加させたチップ(比較例3参照)にあっては、Al0.01Ga0.99N混晶層と窒化ガリウム発光層との界面でのCL強度が他の領域に比べて若干ながら増大している様にも見受けられた。発光層部のCL強度の分布はともあれ、目視観察のため定性的な判断ではあるが、発光層部からの全般的な強度は発光層内のインジウム原子の濃度分布を本文中で記述したδを大とする接合層に向けて増大させた場合が最も大であった。インジウム原子の濃度分布を逆にδを小とする接合層との界面方向に増大させた場合のCL強度は、発光層内部のインジウムの原子濃度分布を略一定とした場合に比較してむしろ弱であった。インジウムの原子濃度分布を同様とする場合は、ドナー或いはアクセプター性不純物の何れかにドーピング濃度の分布を付すことにより(本実施例及び本比較例ではドナー不純物に濃度分布を付した)CL強度に増大傾向が認められた。特に、ドーピングされた珪素の原子濃度分布がインジウム原子のそれと略反対であるとCL強度は増加した。このCL強度の強弱は発光強度の大小と符合した(表1の実施例1と2の発光強度参照)。インジウム原子濃度をδを大とする接合層の界面方向に増大させ、且つ珪素の原子濃度分布をその略逆とした場合、発光層部から観測されるCL強度は、発光層にインジウムをドーピングした窒化ガリウム系化合物半導体層を接合することにより更に増大した。CL強度は発光層下部に配置するからインジウムドープ窒化ガリウム系化合物半導体層の層数の増加に伴って、より増大する傾向にある様にも見受けられた。このCL強度の増大は表1に掲げた実施例3及び4のLEDチップについての発光強度の増加傾向に対応するものと考えられた。 A region near the interface between the gallium nitride light-emitting layer and the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer bonded to the gallium nitride light-emitting layer was observed by a cathodoluminescence (CL) method using a high-resolution analytical electron microscope (abbreviation: analytical electron microscope). As the sample, a chip obtained by thinning a chip used in the above EBIC method by an ion etching method using argon ions was used. As described in Example 1, the atomic concentration of indium was increased toward the interface with the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer which increased the degree of lattice mismatch (δ in the text) with the gallium nitride light emitting layer. In some cases, the CL intensity near the interface between the upper cladding layer and the light emitting layer was found to be stronger than in other regions. In the light emitting layer in which indium atoms exist at a substantially constant concentration as in Comparative Examples 1 and 2, there was no tendency to increase the CL intensity particularly near the interface. In a chip in which indium atoms are increased toward an Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer which reduces the degree of lattice mismatch with gallium nitride constituting the light emitting layer (see Comparative Example 3), Al 0.01 Ga 0.99 It was also seen that the CL intensity at the interface between the N mixed crystal layer and the gallium nitride light emitting layer was slightly increased as compared with other regions. Regardless of the distribution of the CL intensity in the light-emitting layer, it is a qualitative judgment for visual observation, but the overall intensity from the light-emitting layer is expressed as δ which describes the concentration distribution of indium atoms in the light-emitting layer in the text. It was the largest when increasing toward the larger bonding layer. Conversely, when the concentration distribution of indium atoms is increased in the direction of the interface with the bonding layer where δ is small, the CL intensity is rather weak as compared with the case where the atomic concentration distribution of indium in the light emitting layer is substantially constant. Met. When the atomic concentration distribution of indium is the same, the distribution of the doping concentration is given to either the donor or the acceptor impurity (in the present embodiment and the comparative example, the donor impurity is given a concentration distribution) to increase the CL intensity. An increasing trend was observed. In particular, the CL intensity increased when the atomic concentration distribution of doped silicon was substantially opposite to that of indium atoms. The magnitude of the CL intensity coincided with the magnitude of the emission intensity (see the emission intensity of Examples 1 and 2 in Table 1). When the indium atom concentration is increased in the interface direction of the bonding layer where δ is large, and the silicon atom concentration distribution is substantially reversed, the CL intensity observed from the light emitting layer portion is obtained by doping the light emitting layer with indium. It further increased by joining the gallium nitride based compound semiconductor layer. Since the CL intensity is arranged below the light-emitting layer, it seems that the CL intensity tends to increase as the number of indium-doped gallium nitride-based compound semiconductor layers increases. This increase in CL intensity was considered to correspond to the tendency of increase in light emission intensity of the LED chips of Examples 3 and 4 shown in Table 1.

 上記のCL強度の大小は、概ねLEDチップの発光強度の強弱に対応したものとなっている。ここで、CL測定結果から推量される要点を端的に記せば、発光層を構成する窒化物化合物半導体と格子不整合度を大とする接合層との界面の方向にインジウム原子の濃度分布を大とした場合にCL強度が増大することである。この原因については断定は出来ないが、そもそも格子の不整合によって格子歪が存在している接合領域にインジウムを他の領域より多量にドーピングすることによって、その領域にインジウムがより多く蓄積することにも関係があるものと推定される。格子不整合度の小さい界面の方向にインジウム原子の濃度を大とする様に分布させても格子歪が小であるため、さしたる濃度のインジウムの蓄積が発生しないためと推定される。発光強度の増大に関する適当なインジウム原子のドーピング濃度範囲は、この界面でのインジウムの蓄積量に依存して決定されているものと思われる。接合界面に向けて蓄積したインジウムが界面近傍で局所的に更に歪を発生させて、界面近傍に於ける発光中心不純物等の電子状態への影響の有無は定かではない。 (4) The magnitude of the CL intensity generally corresponds to the intensity of the light emission intensity of the LED chip. Here, the point deduced from the CL measurement results is simply described. The concentration distribution of indium atoms increases in the direction of the interface between the nitride compound semiconductor forming the light emitting layer and the bonding layer having a large degree of lattice mismatch. In this case, the CL intensity increases. Although the cause cannot be conclusively determined, doping indium more in the junction region where lattice distortion exists due to lattice mismatch in the first place than in other regions causes more indium to accumulate in that region. Is also presumed to be relevant. It is presumed that even if the concentration of indium atoms is distributed so as to increase in the direction of the interface having a low degree of lattice mismatch, the lattice strain is small, so that accumulation of indium at a very low concentration does not occur. It is considered that an appropriate doping concentration range of indium atoms for increasing the emission intensity is determined depending on the amount of indium accumulated at this interface. It is uncertain whether indium accumulated toward the junction interface causes further local distortion near the interface and influences on the electronic state such as emission center impurities near the interface.

窒化物化合物半導体からなる発光素子にあって、発光強度の増大させる効果がある。 In a light emitting device made of a nitride compound semiconductor, there is an effect of increasing light emission intensity.

Figure 2004134812
Figure 2004134812

従来の青色LEDの構造を示す断面模式図である。It is a cross section showing the structure of the conventional blue LED. 従来の緑色LEDの構造を示す断面模式図である。It is a cross section showing the structure of the conventional green LED. インジウム濃度とフォトルミネッセンス強度との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between indium concentration and photoluminescence intensity. 本発明に係わる活性層内部のインジウムの濃度分布を例示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an indium concentration distribution inside an active layer according to the present invention. インジウムの初期濃度(N0)と最終濃度(N)を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an initial concentration (N 0 ) and a final concentration (N) of indium. ルミネッセンス強度の相違を対比させて示す図である。It is a figure which shows the difference of luminescence intensity in comparison. 実施例1に係わる青色LEDの平面模式図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a blue LED according to the first embodiment. 図7に示すLEDの破線A−A’に沿った断面模式図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the LED shown in FIG. 7 along the broken line A-A ′. 実施例1に記載の積層体の成長過程に於ける基板の温度の経時的変化を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a change over time in the temperature of the substrate during the growth process of the laminate described in Example 1. 実施例1における水素ガス流量の経時的変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change over time in a hydrogen gas flow rate in Example 1. 実施例1におけるアルゴンガス流量の経時的変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a change over time in the flow rate of an argon gas in Example 1. 実施例1におけるアンモニアガス流量の経時的変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change over time in the flow rate of ammonia gas in Example 1. 実施例1に記載の積層体の成長過程におけるIII族原料の供給量の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change in the supply amount of a group III raw material during a growth process of the laminate described in Example 1. 実施例1に記載の積層体の成長過程におけるトリメチルガリウムの供給量の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the supply amount of trimethylgallium during the growth process of the stacked body described in Example 1. 実施例1に記載の積層体の成長過程におけるトリメチルアルミニウムの供給量の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the supply amount of trimethylaluminum during the growth process of the laminate described in Example 1. 実施例1に記載の積層体の表層部を対象とした電流−電圧特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating current-voltage characteristics for a surface layer portion of the laminate described in Example 1. 実施例1に記載の積層体の内部の構成元素及びドーパントの深さ方向の濃度分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a concentration distribution in the depth direction of a constituent element and a dopant inside a laminate described in Example 1. 実施例2の成長温度プロファイルを示す図である。FIG. 9 is a view showing a growth temperature profile of Example 2. 実施例2の原料キャリアガス流量の経時変化を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a change over time in the flow rate of a raw material carrier gas in Example 2. 実施例2のドーパントガス流量の経時変化を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a change over time in the flow rate of a dopant gas in Example 2. 実施例2のドーパントの深さ方向の濃度分布を示した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a concentration distribution of a dopant in a depth direction in Example 2. 比較例3のドーパントの深さ方向の濃度分布を示した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a concentration distribution in a depth direction of a dopant of Comparative Example 3.

符号の説明Explanation of reference numerals

(101)基板
(102)緩衝(バッファ)層
(103)下部クラッド層
(104)活性層(発光層)
(105)上部クラッド層
(106)コンタクト層
(107)中間層
(108)活性層に接合する接合層
(109)活性層に接合する接合層
(110)活性層と活性層との格子不整合度をより大とする接合層との接合界面
(111)インジウム原子の濃度分布を示す曲線。
(112)インジウム原子の濃度が段階的に増加していることを示す分布曲線
(113)インジウム原子の濃度が段階的に増加していることを示す他の分布曲線
(114)インジウム原子の濃度が単調に増加していることを示す分布曲線
(115)実施例1の室温フォトルミネッセンスペクトルを示す図である。
(116)比較例1の室温フォトルミネッセンスペクトルを示す図である。
(117)下部クラッド層
(118)活性層(発光層)
(119)上部クラッド層
(120)窒化物化合物半導体積層体形成後の電流−電圧特性を示す曲線
(121)窒化物化合物半導体積層体にイオン注入しアニールを施した後に於ける電流−電圧特性を示す曲線
(122)p形電極
(123)n形電極
(124)活性層と活性層との格子不整合度をより小とする接合層との接合界面
(101) Substrate (102) Buffer layer (103) Lower cladding layer (104) Active layer (light emitting layer)
(105) upper cladding layer (106) contact layer (107) intermediate layer (108) bonding layer bonded to the active layer (109) bonding layer bonded to the active layer (110) degree of lattice mismatch between the active layer and the active layer Is a curve showing the concentration distribution of (111) indium atoms at a bonding interface with a bonding layer in which is larger.
(112) Distribution curve indicating that the concentration of indium atoms is increasing stepwise (113) Other distribution curve indicating that the concentration of indium atoms is increasing stepwise (114) FIG. 11 is a diagram showing a room temperature photoluminescence spectrum of Example 1 with a distribution curve (115) indicating that the increase is monotonic.
(116) A diagram showing a room temperature photoluminescence spectrum of Comparative Example 1. FIG.
(117) Lower cladding layer (118) Active layer (light emitting layer)
(119) Upper cladding layer (120) Curve showing current-voltage characteristics after nitride compound semiconductor laminate formation (121) Current-voltage characteristics after ion implantation and annealing in nitride compound semiconductor laminate Curve (122): p-type electrode (123) n-type electrode (124): junction interface between the active layer and the bonding layer that reduces the degree of lattice mismatch between the active layer and the active layer

Claims (1)

単結晶基板上に、ガリウムとインジウムを含むIII族窒化物半導体からなる活性層と、ガリウムを含む第1の伝導形の窒化物半導体からなる第1のクラッド層と、ガリウムを含む第2の伝導形の窒化物半導体層からなる第2のクラッド層を含む窒化物半導体発光素子であって、上記発光層とクラッド層との間には、発光層に接して、インジウムが添加された窒化物化合物半導体からなる接合層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 An active layer made of a group III nitride semiconductor containing gallium and indium, a first cladding layer made of a nitride semiconductor of a first conductivity type containing gallium, and a second conductive layer containing gallium on a single crystal substrate Semiconductor light-emitting device including a second clad layer made of a nitride semiconductor layer having a shape of a nitride, wherein a nitride compound in which indium is added between the light-emitting layer and the clad layer in contact with the light-emitting layer A nitride semiconductor light-emitting device comprising a bonding layer made of a semiconductor.
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