JP2004140393A - Group iii nitride semiconductor light emitting diode - Google Patents

Group iii nitride semiconductor light emitting diode Download PDF

Info

Publication number
JP2004140393A
JP2004140393A JP2003403036A JP2003403036A JP2004140393A JP 2004140393 A JP2004140393 A JP 2004140393A JP 2003403036 A JP2003403036 A JP 2003403036A JP 2003403036 A JP2003403036 A JP 2003403036A JP 2004140393 A JP2004140393 A JP 2004140393A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
light emitting
intermediate layer
type
crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003403036A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Udagawa
宇田川 隆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Showa Denko KK filed Critical Showa Denko KK
Priority to JP2003403036A priority Critical patent/JP2004140393A/en
Publication of JP2004140393A publication Critical patent/JP2004140393A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor light emitting diode made of an n side rise type laminate having a light emitting layer made of a gallium nitride-indium and having a high output and excellent monochromaticity. <P>SOLUTION: The group III nitride semiconductor light emitting diode includes a laminate of a first Al<SB>x</SB>Ga<SB>y</SB>In<SB>z</SB>V<SB>a</SB>N<SB>1-a</SB>intermediate layer 102 inserted intermediate between a lattice non-matching substrate and a clad layer containing a p-type impurity, and a second Al<SB>x</SB>Ga<SB>y</SB>In<SB>z</SB>V<SB>a</SB>N<SB>1-a</SB>intermediate layer 107 inserted intermediately between a clad layer containing p-type impurity and a light emitting layer. Particularly, the first intermediate layer is a layer mainly made of a single crystal aggregate, and the second intermediate layer is made of a group III nitride semiconductor in which a disorderliness in an orientation in the second intermediate layer is smaller than that in the first intermediate layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 III 族窒化物半導体から成る発光層を具備したIII 族窒化物半導体発光素子に係わり、特に短波長可視光を高出力で放射する発光素子を提供するに適する発光層を含む発光素子に関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer made of a group III nitride semiconductor, and more particularly to a light emitting device including a light emitting layer suitable for providing a light emitting device that emits short-wavelength visible light at high output.

(対象とするIII 族窒化物半導体と従来に於けるその利用例)
 元素周期律の第III 族に属する元素にはアルミニウム(元素記号:Al)、ガリウム(元素記号:Ga)やインジウム(元素記号:In)がある。一方、第V族に属する元素には窒素(元素記号:N)の他に砒素(元素記号:As)やリン(元素記号:P)がある(此処では窒素以外の第V族元素を記号Vで一括して表す。)。これら両族の元素から構成されるIII 族窒化物半導体は青色、青緑色或いは緑色等の短波長の可視光を放射する発光ダイオード(LED)や可視レーザダイオード(LD)等の発光素子にあって、素子の電気的特性を顕現するための機能層や機能層の結晶性を向上させるための緩衝層等として利用されている。III 族窒化物半導体は他にもフォトダイオード(PD)等の受光素子等や光デバイスと電子デバイスとを組合わせてなる光・電子(Opto−electronic)デバイス等に利用されている。これらの素子(device)に従来から常用されるIII 族窒化物半導体結晶層は、一般式 Alx Gay Inza1-a(但し、Vは窒素以外のV族元素、0≦x,y,z≦1、x+y+z=1、0≦a<1)で表記される。特に、上記の一般式に於いてa=0に相当する窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶(Alx Gay Inz N(但し、0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)はLEDにあっては従来から例えば発光層として従来から利用されている(特公平6−101587号公報明細書参照)。また、例えば、変調ドープ(odulation
oped)電界効果型トランジスタ(MOFET)にあっては電子供給層として従来から利用されている(Appl.Phys.Lett.、69(25)(1996)、3872〜3874頁)。
(Target group III nitride semiconductors and examples of their use in the past)
Elements belonging to Group III of the periodic table include aluminum (element symbol: Al), gallium (element symbol: Ga), and indium (element symbol: In). On the other hand, the elements belonging to Group V include arsenic (Element symbol: As) and phosphorus (Element symbol: P) in addition to nitrogen (Element symbol: N) (here, the Group V elements other than nitrogen are represented by the symbol V Are collectively represented by.). Group III nitride semiconductors composed of these elements are used in light-emitting devices such as light-emitting diodes (LEDs) and visible laser diodes (LDs) that emit short-wavelength visible light such as blue, blue-green or green. It is used as a functional layer for manifesting electrical characteristics of the element, a buffer layer for improving the crystallinity of the functional layer, and the like. Group III nitride semiconductors are also used for light receiving elements such as photodiodes (PDs) and optical / electronic (Opto-electronic) devices obtained by combining an optical device and an electronic device. Group III nitride semiconductor crystal layer which is conventionally used in these devices (device) has the general formula Al x Ga y In z V a N 1-a ( where, V is a group V element other than nitrogen, 0 ≦ x , Y, z ≦ 1, x + y + z = 1, 0 ≦ a <1). In particular, the general formula in at with a = 0 to the corresponding nitride aluminum gallium indium mixed crystal (Al x Ga y In z N ( where, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) the LED are conventionally employed as, for example, light-emitting layer conventionally be in (see Japanese specification No. Kokoku 6-101587). Further, for example, modulation doped (m Odulation
d OPED) field effect transistor (In the MOFET) is conventionally used as an electron supply layer (Appl.Phys.Lett., 69 (25) (1996), pp. 3,872 to 3,874).

(従来に於けるAlGaInN混晶の実用上の配置例)
 素子構造上に於けるAlx Gay Inz N(但し、0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)の従来の配置例を青色、青緑色或いは緑色を発する短波長LEDを例にして説明する。先ずz=0に該当する組成のAlx Gay N混晶(0≦x,y≦1、x+y=1)はクラッド層にもその通常の利用例をみることができる。既に実用化されているLEDの構造に見られる様にn型のクラッド層を窒化ガリウム(GaN;上記の一般式にあってx=z=0に相当する)から構成する例がある(特開平6−260682号公報明細書参照)。一方、p型のクラッド層は窒化アルミニウム・ガリウムからなる混晶(Alx Gay N;0≦x,y≦1、x+y=1)から構成されるのが一般的である(特開平6−260683号公報明細書参照)。この様なIII 族窒化物半導体材料からなるクラッド層としての配置例をみるに、n型窒化ガリウムクラッド層は窒化ガリウム・インジウム混晶からなる発光層の下部の基板側に配置されるのが実用上常となっている(Jpn.J.Appl.Phys.,34(10B)(1995)、L1332〜L1335頁)。逆に、p型窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなるクラッド層は発光層の上に配置されるのが実用上の通例となっている(特開平6−177423号公報明細書参照)。即ち、発光層についての相対的な位置関係から従来のクラッド層の配置状況を総括すれば、n型クラッド層は下部クラッド層として発光層の下側の基板側に配置され、p型のAlx Gay N混晶層は発光層上に上部クラッド層として配置し、いわゆるダブルヘテロ構造とするのが実用上の配置方法となっている。
(Practical arrangement example of conventional AlGaInN mixed crystal)
In on the device structure Al x Ga y In z N (where, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) and the conventional arrangement of the blue, an example short-wavelength LED that emits blue-green or green Will be explained. First, an Al x Ga y N mixed crystal (0 ≦ x, y ≦ 1, x + y = 1) having a composition corresponding to z = 0 can be used in the clad layer as well. There is an example in which the n-type cladding layer is composed of gallium nitride (GaN; x = z = 0 in the above general formula) as seen in the structure of an LED already in practical use. 6-260682). On the other hand, p-type cladding layer is made of aluminum-gallium nitride mixed crystal; they are generally composed of (Al x Ga y N 0 ≦ x, y ≦ 1, x + y = 1) ( JP-A-6- No. 260683). Looking at an example of such an arrangement as a clad layer made of a group III nitride semiconductor material, it is practical that the n-type gallium nitride clad layer is arranged on the substrate side below the light emitting layer made of gallium nitride / indium mixed crystal. (Jpn. J. Appl. Phys., 34 (10B) (1995), pages L1332 to L1335). Conversely, it is customary in practice that a cladding layer made of a p-type aluminum nitride-gallium mixed crystal is disposed on a light emitting layer (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-177423). That is, if the arrangement of the conventional cladding layer is summarized from the relative positional relationship of the light emitting layer, the n-type cladding layer is disposed on the substrate side below the light emitting layer as the lower cladding layer, and the p-type Al x A practical arrangement method is to dispose the Ga y N mixed crystal layer as an upper clad layer on the light emitting layer and to form a so-called double hetero structure.

(p型のAlx Gay N混晶層の従来配置例に付随する難点)
 実用化に至っているLED等の発光素子の母体材料の構成に実際にみられる如く、p型Alx Gay N混晶層(0≦x,y≦1、x+y=1)は上記の様な上部クラッド層の他、p型コンタクト(contact)層として利用されるに至っている。コンタクト層はp型上部クラッド層上にp型電極(正電極)との良好な電気的接触を期して設けられる、云わば電極接触用の低抵抗層である(特開平6−268259号公報明細書参照)。p型コンタクト層上のp型電極は発光層から放射される発光を半ば透過する、透光性を有する薄膜平面電極と、それに電気的に導通し動作電流を供給するための結線(ボンディング(bonding)用パッド(pad)電極とから主に構成される。現状に於いては正電極は金(元素記号:Au)や或いはそれらの合金やニッケル(元素記号:Ni)やクロム(元素記号:Cr)等の遷移金属類から構成されるのが一般的である。その他、アルミニウム(元素記号:Al)及びその合金、銀(元素記号:Ag)等の多岐に亘る金属材料がp型電極用の材料として開示されている(UK
PatentGB 2250635A参照)。しかし、電極材料の種類に殆ど依存せず充分に低い抵抗値を有する良好なオーミック特性を有するp型電極が安定して形成できないことが共通の問題として依然として残存している。特に、発光層からの発光を効率良く透過させるために電極を構成する薄膜電極の膜厚を数十ナノメーター(nm)以下とすることが不可避な透光性薄膜電極にあっては、尚一層の良好な特性のオーミック性電極を安定して実現するのは困難となる。p型Alx Gay N混晶層(0≦x,y≦1、x+y=1)への電極の被着条件或いはアロイ(alloy)条件が不完全であれば、ショットキー(Schottky)接合的な整流性のある電極が形成される場合も散見される。換言すれば、電極を構成する材料の種類の如何に拘らずp型Alx Gay N混晶層(0≦x,y≦1、x+y=1)に対して良好なオーミック特性を有するp型の透光性電極を安定して形成するには技術的な困難性が伴っている。元来、可視光に対し透過率の小さな金属材料の薄層化に頼って透光性を稔出する不合理な方法ではなく、本来、透明なインジウム錫(Sn)酸化物(ITO)等を透光性どころか透明電極として利用すれば従来の問題点の解決にはなる(特公昭53−11439号公報明細書参照)。現状にあって、低接触抵抗のオーミック電極の形成を可能とするに充分な数オーム・センチ(Ω・cm)程度の低い比抵抗のITOも製造されるに至っている。しかし、ITOはn型の伝導形を呈する物質である。従って、p型コンタクト層に接触する透明電極としては使用できない。何故ならば、p型であるコンタクト層とn型のITO電極との間でpn接合が形成され、LED構造にあっては発光層への動作電流等の流通が妨げられるからである。
(Problems associated with the conventional arrangement example of the p-type Al x Ga y N mixed crystal layer)
As is actually seen on the configuration of the base material of the light-emitting element such as an LED is put to practical use, p-type Al x Ga y N mixed crystal layer (0 ≦ x, y ≦ 1 , x + y = 1) is such as described above In addition to the upper cladding layer, it has been used as a p-type contact layer. The contact layer is provided on the p-type upper cladding layer with good electrical contact with the p-type electrode (positive electrode), so to speak, is a low-resistance layer for electrode contact (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-268259). Book). The p-type electrode on the p-type contact layer has a light-transmitting thin-film flat electrode that transmits light emitted from the light-emitting layer in half, and a connection (bonding) that is electrically connected to the thin-film flat electrode to supply an operation current. At present, the positive electrode is gold (element symbol: Au) or an alloy thereof, nickel (element symbol: Ni), chromium (element symbol: Cr). ), Etc. In addition, a wide variety of metal materials such as aluminum (element symbol: Al) and its alloys, silver (element symbol: Ag) are used for p-type electrodes. Disclosed as material (UK
Patent GB 2250635A). However, it remains as a common problem that a p-type electrode having a sufficiently low resistance value and a good ohmic characteristic and having a sufficiently low resistance value can not be formed stably irrespective of the type of the electrode material. In particular, in the case of a light-transmitting thin-film electrode in which it is inevitable that the thickness of the thin-film electrode constituting the electrode is tens of nanometers (nm) or less in order to efficiently transmit the light emitted from the light-emitting layer, it is even more difficult. It is difficult to stably realize an ohmic electrode having good characteristics. p-type Al x Ga y N mixed crystal layer (0 ≦ x, y ≦ 1 , x + y = 1) if the deposition conditions of the electrode into or alloy (alloy) condition is defective, Schottky (Schottky) junction manner Some rectifying electrodes may be formed. In other words, p-type having good ohmic characteristics for the type of irrespective p-type Al x Ga y N mixed crystal layer of the material constituting the electrodes (0 ≦ x, y ≦ 1 , x + y = 1) In order to stably form the transparent electrode, there is a technical difficulty. Originally, it is not an unreasonable method of producing light transmissivity by relying on a thin layer of a metal material having a small transmittance to visible light, but originally a transparent indium tin (Sn) oxide (ITO) or the like. If used as a transparent electrode instead of a translucent one, the conventional problem can be solved (see Japanese Patent Publication No. 53-11439). At present, ITO having a low specific resistance of about several ohm-cm (Ω · cm) sufficient to enable formation of an ohmic electrode having low contact resistance has been manufactured. However, ITO is a substance exhibiting n-type conductivity. Therefore, it cannot be used as a transparent electrode that contacts the p-type contact layer. This is because a pn junction is formed between the p-type contact layer and the n-type ITO electrode, and in an LED structure, the flow of an operating current or the like to the light emitting layer is hindered.

(p型Alx Gay N混晶層の代替としてのn型Alx Gay N混晶層の配置例)
 単体金属或いは合金からなる低抵抗透光性電極の安定形成の困難さを伴うp型Alx Gay N混晶層をp型電極形成用の層として積層構造の最表層に配置する構成に替わり、n型のAlx Gay N混晶層(0≦x,y≦1、x+y=1)を最表層として配置する積層構成例も開示されている(特開平5−63236号公報明細書参照)。積層構造の最表層に電極を形成するためのn型層を配置した構成はnサイドアップ(n
side up)構造と通称されている。発光強度の増大を期して採用されるpn接合型の積層構造を例にすれば、p型基板上に先ずp型層が堆積され、その上方に発光層、更に最表層をなすクラッド層やコンタクト層等をなすn型層が重層されるのが通例である。Alx Gay N混晶層を備えた通称nサイドアップ構造のpn接合型LED用途の積層構造をもって具体的に説明すれば、サファイア基板上にGaa Al1-a N(0<a≦1)緩衝層、p型不純物がドーピングされたGaa Al1-a N(0<a≦1)及びn型Gaa Al1-a N(0<a≦1)が順次、積層された構造となっている(特開平5−63236号公報明細書参照)。この積層構成に於いてp型不純物がドーピングされp型化されたGaa Al1-a N(0<a≦1)層は発光層として、また、n型Gaa Al1-a N(0<a≦1)は発光層の成長プロセス中での熱分解を防止するキャップ(保護)層を兼ねるクラッド層として重層されているものである(特開平5−63236号公報明細書参照)。
(Arrangement example of n-type Al x Ga y N mixed crystal layer as an alternative to p-type Al x Ga y N mixed crystal layer)
Instead of arranging a p-type Al x Ga y N mixed crystal layer as a layer for forming a p-type electrode on the outermost layer of the laminated structure, which has a difficulty in stably forming a low-resistance translucent electrode made of a single metal or alloy. , n-type Al x Ga y n mixed crystal layer (0 ≦ x, y ≦ 1 , x + y = 1) are also disclosed an example stackup arranged as the surface layer (JP-a 5-63236 JP herein reference ). The configuration in which an n-type layer for forming an electrode is disposed on the outermost layer of the multilayer structure is n-side-up
Side up) structure. In the case of a pn-junction type laminated structure adopted in order to increase the light emission intensity, a p-type layer is first deposited on a p-type substrate, and a light-emitting layer, a clad layer and a contact layer, which are the outermost layers, are formed above the p-type layer. It is usual that an n-type layer forming a layer or the like is overlaid. Al x Ga y N if mixed crystal layer specifically described with called n-side up laminated structure of the pn junction type LED applications structure with, Ga a Al 1-a N (0 on a sapphire substrate <a ≦ 1 A) a buffer layer, a structure in which Ga a Al 1-a N doped with p-type impurities (0 <a ≦ 1) and an n-type Ga a Al 1-a N (0 <a ≦ 1) are sequentially stacked; (See Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-63236). In this laminated structure, a p-type impurity doped Ga a Al 1-a N (0 <a ≦ 1) layer is used as a light emitting layer, and an n-type Ga a Al 1-a N (0 <A ≦ 1) is a layer that is overlaid as a cladding layer also serving as a cap (protection) layer for preventing thermal decomposition during the growth process of the light emitting layer (see JP-A-5-63236).

 従来のnサイドアップ構造型に於けるp型Alx Gay N混晶層(0≦x,y≦1、x+y=1)に係わる積層関係を更に詳細に述べれば、この構造に於けるp型層は緩衝(buffer)層上に重層されている。p型成長層の下地層としての役目をも果たす上記の緩衝層は実用的には通常、約400℃〜約600℃のIII 族窒化物半導体単結晶層の成長温度に比較して低温で成膜されるために一般には低温緩衝層と呼称されている。緩衝層は窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム・ガリウム混晶や窒化アルミニウム・ガリウム・インジウムから構成するのが一般的である(特開平2−229476号公報明細書等参照)。 Conventional n-side up structure type in the p-type Al x Ga y N mixed crystal layer (0 ≦ x, y ≦ 1 , x + y = 1) a layered relationship relating to more Stated in more detail, in this structure p The mold layer is overlaid on the buffer layer. The buffer layer described above, which also serves as an underlayer for the p-type growth layer, is usually formed at a lower temperature than the growth temperature of the group III nitride semiconductor single crystal layer at about 400 ° C. to about 600 ° C. Because it is filmed, it is commonly referred to as a low temperature buffer layer. The buffer layer is generally made of aluminum nitride (AlN), gallium nitride, indium nitride (InN), a mixed crystal of aluminum nitride / gallium, or aluminum / gallium / indium nitride (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-229476). Etc.).

(p型AlGaInN混晶層を低温緩衝層上に重層する際の従来技術の問題点)
 上記した従来例にみられる様に低温緩衝層上にp型の結晶層を配置した構成からなるLED等の発光素子は実用化に至っていない。これは従前の低温緩衝上にp型不純物をドーピングしたp型Alx Gay Inz N(但し、0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)を積層する際に発生するp型ドーパント(dopant)に因る低温緩衝層の変性に主に起因している。従前の低温緩衝層と呼称される結晶層は非晶質或いは非晶質を主体とし、層内に単結晶粒若しくは多結晶粒が散在している層が最も良好であるとされてきた(特開平2−229476号公報明細書等参照)。単結晶からなる層は低温緩衝層には不適であると判断されてきた(特許第229476号公報明細書参照)。非晶質体であれば当然の如く、非晶質体を構成する各原子間の結合力は単結晶体に比べれば遥かに弱い。このため、非晶質体を主体とする低温緩衝層は高温環境下で容易に揮散するなどの欠点を有していた。にも拘らず、従来にあっては非晶質或いは非晶質を主体とした結晶形態を呈する薄層が低温緩衝層として最適とされ従前から継続して常用されてきた。
(Problems of the prior art when p-type AlGaInN mixed crystal layer is overlaid on low-temperature buffer layer)
Light emitting elements such as LEDs having a configuration in which a p-type crystal layer is disposed on a low-temperature buffer layer as seen in the above-described conventional example have not been put to practical use. This doped with p-type impurities on the previous low-temperature buffer p-type Al x Ga y In z N (where, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) p -type dopant that occurs when stacking the This is mainly due to denaturation of the low-temperature buffer layer due to (dopant). Conventionally, a crystal layer called a low-temperature buffer layer is mainly composed of amorphous or amorphous, and a layer in which single crystal grains or polycrystal grains are scattered in the layer has been considered to be the best (particularly). See Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-229476. It has been determined that a layer made of a single crystal is not suitable for a low-temperature buffer layer (see Japanese Patent No. 229476). As a matter of course, in the case of an amorphous body, the bonding force between the atoms constituting the amorphous body is much weaker than that of the single crystal body. For this reason, the low-temperature buffer layer mainly composed of an amorphous body has a drawback such as easy volatilization in a high-temperature environment. Nevertheless, heretofore, a thin layer exhibiting an amorphous state or a crystal form mainly composed of an amorphous state has been optimized as a low-temperature buffer layer, and has been conventionally and continuously used.

 p型Alx Gay Inz N混晶の気相(vapor phase)成長に従来からp型不純物として利用されているのは、例えばマグネシウム(元素記号:Mg)、ベリリウム(元素記号:Be)や亜鉛(元素記号:Zn)等の元素周期律の第II族に属する元素である(特開昭56−80183号公報明細書参照)。イオン化した第II族元素を注入する、所謂イオン注入法を利用したp型のAlx Gay Inz Nの形成にはマグネシウムやカルシウム(元素記号:Ca)が利用されている(特開昭54−71589号公報明細書及びAppl.Phys.Lett.、68(14)(1996)、1945から1947頁参照)。p型不純物を導入するための何れの手段にあってもマグネシウムがp型不純物として好んで利用されている。しかし、マグネシウムは表面の平滑性、平坦性に優れるAlx Gay Inz N結晶層の成長を阻害するドーパントとして知られている(Jpn.J.Appl.Phys.、33(1994)、L1367〜L1369頁参照)。特に、低抵抗のp型のAlx Gay Inz N 結晶層の形成を期してマグネシウムを高濃度にドーピングした際には、Alx Gay Inz N成長層には亀裂(crack)をみる程、表面状態の悪化したものとなる。マグネシウムをドーピングすることによってさえ表面状態が悪化するp型のAlx Gay InzN成長層を下部クラッド層として低温緩衝層上に堆積する際には更に問題は複雑となる。非晶質の緩衝層にマグネシウム等の不純物を故意に添加(=ドーピング)すれば、その層上にp型III 族窒化物半導体層を成長するに有利となるとされる一方で(特開平5−206519号公報明細書参照)、酸化還元反応性の高さからも判断される様にマグネシウム自体の化学反応性の強さから、低温緩衝層がマグネシウムの存在により変質を被るのはもはや一般的な現象として経験されるに至っている。マグネシウムが低温緩衝層内に侵入するとマグネシウムはアルミニウムやガリウム等の低温緩衝層を構成する第III 族元素よりも原子半径が小さいために低温緩衝層の縮みを招く。この縮小により低温緩衝層には亀裂が発生する。低温緩衝層は元来、サファイア等の基板とする結晶とIII 族窒化物半導体結晶層との間の格子の不整合性を緩和して、表面状態並びに結晶性に優れるIII 族窒化物半導体堆積層の成膜を意図して設けられるものである。加えて、低温緩衝層が非晶質を主体として構成されている場合、非晶質体の構成原子間の結合の弱さから高温の成長過程へ移行する間に低温緩衝層の揮散に因る消失は免れない。マグネシウムの混入による低温緩衝層の変性や亀裂の発生に並行して低温緩衝層の損失に因る成長層とは格子不整合の関係にある基板結晶が露出するようになると、低温緩衝層はもはや格子不整合性を緩和する作用を充分に達成するには至らず、表面状態に劣るIII 族窒化物半導体成長層がおこる事態となるに過ぎない。p型不純物を内在するIII 族窒化物半導体の成長に適する新たな低温緩衝層の構成要件の明確化が改めて求められているところである。 For example, magnesium (element symbol: Mg), beryllium (element symbol: Be), or p-type impurities conventionally used as a p-type impurity for vapor phase (vapor phase) growth of a p-type Al x Ga y In z N mixed crystal are used. It is an element belonging to Group II of the periodic table, such as zinc (element symbol: Zn) (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-80183). Magnesium and calcium (element symbol: Ca) are used to form p-type Al x Ga y In z N using a so-called ion implantation method in which an ionized group II element is implanted (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 54). -71589 and Appl. Phys. Lett., 68 (14) (1996), pp. 1945 to 1947). In any means for introducing a p-type impurity, magnesium is preferably used as a p-type impurity. However, magnesium smoothness of the surface, known as a dopant to inhibit the growth of Al x Ga y In z N crystal layer excellent in flatness (Jpn.J.Appl.Phys., 33 (1994) , L1367~ L1369). In particular, when doped with magnesium for the sake of forming the p-type Al x Ga y In z N crystal layer having a low resistance to a high concentration, see the crack (crack) in the Al x Ga y In z N growth layer The more the surface condition becomes worse. Further problem becomes complicated when deposited on low-temperature buffer layer a p-type Al x Ga y In z N growth layer surface state is deteriorated even by doping magnesium as the lower cladding layer. On the other hand, if an impurity such as magnesium is intentionally added (= doped) to the amorphous buffer layer, it is said that it is advantageous to grow a p-type group III nitride semiconductor layer on that layer (Japanese Unexamined Patent Publication No. No. 206519), it is no longer common that the low-temperature buffer layer undergoes alteration due to the presence of magnesium due to the strong chemical reactivity of magnesium itself as judged from the high redox reactivity. It has been experienced as a phenomenon. When magnesium penetrates into the low-temperature buffer layer, the magnesium has a smaller atomic radius than the Group III elements constituting the low-temperature buffer layer, such as aluminum and gallium, so that the low-temperature buffer layer shrinks. This reduction causes cracks in the low temperature buffer layer. The low-temperature buffer layer originally reduces the lattice mismatch between the crystal serving as the substrate such as sapphire and the group III nitride semiconductor crystal layer, and is excellent in the surface state and crystallinity. It is provided with the intention of forming a film. In addition, when the low-temperature buffer layer is mainly composed of amorphous, the low-temperature buffer layer is volatilized during the transition from the weak bonding between the constituent atoms of the amorphous body to the high-temperature growth process. Disappearance is inevitable. When the crystal of the low-temperature buffer layer is exposed to a lattice mismatch with the growth layer due to the loss of the low-temperature buffer layer in parallel with the modification and cracking of the low-temperature buffer layer due to the incorporation of magnesium, the low-temperature buffer layer is no longer used. The effect of alleviating the lattice mismatch is not sufficiently achieved, and only a group III nitride semiconductor growth layer having a poor surface state occurs. There is an urgent need to clarify the constituent requirements of a new low-temperature buffer layer suitable for growing a group III nitride semiconductor containing a p-type impurity.

(発光層の結晶性への波及的影響)
 更に、p型のAlx Gay Inz N成長層を下部クラッド層としてその層上に発光層を重層する場合を考慮する。低温緩衝層の変性、消失に伴い発生する亀裂に因り表面に凹凸を生じた下部クラッド層上には、当然の事ながら平滑性に優れる発光層は得られない。ましてや、マグネシウムの侵入や高温での損失に因る亀裂が発生して開口した領域では露出した格子不整合基板の表面上に、直接下部クラッド層が堆積されることとなる。このため、この領域の下部クラッド層は表面状態に劣るものとなる上に結晶性が劣悪なものとなる。結晶性の優劣は下部クラッド層上に堆積する発光層の結晶性に影響を与える。即ち、この領域では結晶性に優れる発光層が得られないため、高出力の発光をもたらす発光層を広範囲に亘り均質に得るに至らない。以上が現在に至ってもp型Alx Gay Inz N結晶層を下部クラッド層としたLEDが実用化されるに至っていない主たる理由である。
(Ripple effect on crystallinity of light emitting layer)
Further, consider the case of overlaying the light emitting layer p-type Al x Ga y In z N growth layer over the layer as a lower cladding layer. As a matter of course, a light emitting layer having excellent smoothness cannot be obtained on the lower cladding layer having irregularities on the surface due to cracks generated due to the modification and disappearance of the low-temperature buffer layer. Further, in the region where cracks are generated due to invasion of magnesium or loss at a high temperature and are opened, the lower cladding layer is directly deposited on the exposed surface of the lattice mismatched substrate. For this reason, the lower clad layer in this region is inferior in surface state and has poor crystallinity. The degree of crystallinity affects the crystallinity of the light emitting layer deposited on the lower cladding layer. That is, since a light emitting layer having excellent crystallinity cannot be obtained in this region, it is not possible to uniformly obtain a light emitting layer providing high-output light emission over a wide range. This is the main reason for not yet reached the p-type Al x Ga y In z N crystal layer even until now the LED that is a lower cladding layer is put into practical use.

(発光層の構成材料)
 III 族窒化物半導体材料から構成される発光素子には窒化ガリウム・インジウム(Gay Inz N:0≦y,z≦1、y+z=1)が発光層として常用されている(例えば、特公昭55−3834号公報明細書等参照)。発光層としての窒化ガリウム・インジウムに要求されている仕様を省みるに、それはインジウム(In)の組成比(z)が主たるものであった。これは窒化ガリウム・インジウムからの発光波長を左右する主要な因子はインジウム組成比であるとの従来の見識からである(前出の特公昭55−3834号公報参照)。一例を挙げれば視感度の高い約450ナノメーター(nm)近傍の青色発光を得ることを意図する発光層にあってはインジウム組成比(z)は約5%から約20%程度の範囲に調整されるのが通例である。混晶の形態を有する発光層からの発光の波長は混晶比によって一義的に決定され得るものである。しかしながら、同一の波長の発光を得るに際してこの様にインジウム組成比に或る程度の許容範囲があるのは窒化ガリウム・インジウム結晶層内のドーパントの有無に依存する。特に、第II族の不純物である亜鉛を窒化ガリウム・インジウム層内に存在させると亜鉛が形成する深い不純物準位(deep
level)により少ないインジウム量をもって長波長の発光を得ることが出来る(特公昭55−3834号公報明細書参照)。一方、アンドープの窒化ガリウム・インジウムにあっては発光波長はインジウムの濃度に直接的に依存するため、深い準位を形成する不純物を含む窒化ガリウム・インジウムの場合に比較してより多くのインジウムを層内に存在させる必要が生ずる。上記した例えば波長を450nmとする青色発光を得るにあたり、インジウム濃度に適正範囲が存在するのはこの窒化ガリウム・インジウムへのドーピング状況に依るのである。また、発光層の層厚は一般には約100nm以下に設定される。最近では、単色性(発光の色純度)が発光層の層厚を減ずればより向上すると知れるに至り、発光スペクトルの半値幅を狭帯化させ発光の単色性(色純度)に優れるLEDを得るために発光層の層厚を以前の約1/10程度と薄くする場合もある。具体的には、層厚を約10nmとする薄い発光層をもって発光スペクトルの半値幅が従来の約1/2以下の約15〜30nmである青色帯LEDが提示されている(J.Appl.Phys.、Vol.34(1995)、L1332〜L1335頁参照)。窒化ガリウム・インジウムを発光層とする場合にあって、発光層からの発光波長並びに発光の色純度を左右する発光スペクトルの半値幅に影響を与える因子として従来技術が既に指摘しているのは、包括的且つ平均的なインジウムの濃度(混晶比)でありまた発光層の層厚であった。
(Constituent material of light emitting layer)
Group III gallium indium nitride is the light-emitting element composed of a nitride semiconductor material (Ga y In z N: 0 ≦ y, z ≦ 1, y + z = 1) is commonly used as a light emitting layer (for example, JP-B 55-3834, etc.). The specification required for the gallium indium nitride as the light emitting layer was omitted mainly from the composition ratio (z) of indium (In). This is based on the conventional insight that the main factor influencing the emission wavelength from gallium indium nitride is the indium composition ratio (see Japanese Patent Publication No. 55-3834 described above). For example, in a light-emitting layer intended to emit blue light having a high visibility near 450 nm (nm), the indium composition ratio (z) is adjusted to a range of about 5% to about 20%. It is customary. The wavelength of light emitted from the light emitting layer having the mixed crystal form can be uniquely determined by the mixed crystal ratio. However, such a certain allowable range of the indium composition ratio in obtaining light emission of the same wavelength depends on the presence or absence of the dopant in the gallium indium nitride crystal layer. In particular, when zinc which is a Group II impurity is present in the gallium indium nitride layer, a deep impurity level (deep) formed by zinc is formed.
level), light emission of a long wavelength can be obtained with a small amount of indium (see Japanese Patent Publication No. 55-3834). On the other hand, in the case of undoped gallium indium nitride, the emission wavelength directly depends on the concentration of indium, so that more indium is used than in the case of gallium indium nitride containing impurities that form deep levels. It must be present in the layer. In obtaining the above-described blue light emission having a wavelength of, for example, 450 nm, an appropriate range of the indium concentration exists because of the doping state of gallium / indium nitride. The thickness of the light emitting layer is generally set to about 100 nm or less. Recently, it has been known that the monochromaticity (color purity of light emission) can be improved by reducing the thickness of the light-emitting layer, and an LED which has a narrow half bandwidth of an emission spectrum and has excellent monochromaticity (color purity) of light emission. In some cases, the thickness of the light emitting layer may be reduced to about 1/10 of the previous thickness. Specifically, a blue band LED having a thin emission layer having a thickness of about 10 nm and a half-width of an emission spectrum of about 15 to 30 nm, which is about 1/2 or less of the conventional one, is proposed (J. Appl. Phys.). , Vol.34 (1995), pages L1332 to L1335). When gallium indium nitride is used as the light-emitting layer, the prior art has already pointed out as a factor that affects the half-width of the emission spectrum that affects the emission wavelength and emission color purity from the emission layer, It was a comprehensive and average indium concentration (mixed crystal ratio) and the thickness of the light emitting layer.

(窒化ガリウム・インジウム発光層の結晶形態)
 結晶の形態上、従来から発光層としての窒化ガリウム・インジウムに要求されいる形態は単結晶であることであった。また、均質な結晶性と混晶組成比が均一な所謂単一の組成の相(phase)からなる結晶層であることであった。この結晶形態並びに均質性の要求は窒化ガリウム・インジウムからの発光強度を向上させるに都合が良いと漠然と類推されて来た事由に対応したに過ぎない。窒化ガリウム・インジウムの結晶形態に関する研究の最近の進展は、均質な混晶組成の窒化ガリウム・インジウム混晶の成長はむしろ困難であることが教示されている(1996(平成8年)秋季第57回応用物理学会学術講演会講演予稿集No.1、講演番号8p−ZF−14、209頁.)。これは主に窒化ガリウム・インジウム結晶層が混晶組成比を相互に異にする相に分離する性質を潜在的に保有していることに因る(Jpn.J.Appl.Phys.,46(8)(1975)、3432.)。更には、インジウムの濃度を均一とする均質で単一な相からなる窒化ガリウム・インジウム層が必ずしも発光をもたらすための必要条件ではないと解釈される結果も示されている。窒化ガリウム・インジウム発光層からの発光に関して発光波長並びに発光の色純度を左右する因子が解明されつつあり、尚且それらを制御する措置も講じられつつあるのとは対照的に、発光強度についてはそれに影響を与える主たる因子が明確に決定されていないのに加え、発光の機構(メカニズム)さえも明瞭にされていないのが現状である。
(Crystal morphology of gallium indium indium light emitting layer)
From the viewpoint of the crystal form, the form conventionally required of gallium indium nitride as the light emitting layer has been a single crystal. In addition, it was a crystal layer composed of a so-called single composition phase having a uniform crystallinity and a uniform mixed crystal composition ratio. This requirement for crystal morphology and homogeneity merely corresponds to the reason that it has been vaguely inferred that it is convenient for improving the emission intensity from gallium indium nitride. Recent progress in research on the crystal morphology of gallium-indium nitride teaches that the growth of gallium-indium nitride mixed crystals with a homogeneous mixed crystal composition is rather difficult (1996 (1996) Autumn 57th). Proceedings of the Japan Society of Applied Physics Academic Lectures No. 1, Lecture No. 8p-ZF-14, 209 pages.) This is mainly due to the fact that the gallium indium nitride crystal layer potentially has the property of separating into phases having different mixed crystal composition ratios (Jpn. J. Appl. Phys., 46 ( 8) (1975), 3432.). Furthermore, the results show that a uniform, single-phase gallium indium nitride layer with a uniform indium concentration is not necessarily a prerequisite for producing light emission. Concerning the emission from the gallium indium nitride emission layer, factors that influence the emission wavelength and the color purity of the emission are being elucidated, and measures are being taken to control them. At present, in addition to the fact that the main factors influencing have not been clearly determined, even the mechanism of light emission has not been clarified.

(発光層内のp型不純物の光学的作用)
 伝導形をp型とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶等のIII 族窒化物化合物半導体結晶層を得る際には、p型不純物としてマグネシウムが従来から好ましい元素として利用されているのは上記した通りである。マグネシウムはp型に不純物としての役目に加えて光学的な作用をもたらすことが知れている。マグネシウムの電気的な作用の他にその光学的な作用を省みるに、マグネシウムは亜鉛と同じく窒化ガリウム等に対して発光中心(色中心:color
center)を形成する(特開昭54−71589号公報明細書やJ.Appl.Phys.、47(12)(1976)、5387〜5390頁参照)。マグネシウム発光中心から放射される発光はIII 族窒化物半導体層内のマグネシウムの濃度に対応して変化するものである。マグネシウムの層内濃度がさほど大でない範囲では、ドナー(donar)−アクセプター(acceptor)不純物との対(pair)スペクトル(所謂、D−A
pair)の出現する波長に対応して紫(青紫)系の発色が観察される。層内のマグネシウムの濃度が大となりマグネシウムの深い準位(level)が形成されることとなると青色系の発色となる。青色発光を得るに必要なマグネシウムの濃度は約1019cm-3を越えるとされる(「応用物理」、第60巻第2号(1991)、163〜166頁参照)。マグネシウムの深い不純物準位に対応する青色系の発光の波長は一般的には約410nm〜約460nmの範囲である。この波長帯は正しく視感度の高さから青色LED作製に当たって目的とする約450nmの発光波長が包含される波長帯域である。このマグネシウムの光学的な働きは、例えば窒化ガリウム・インジウムからなる発光層内に所望する青色帯の波長、例えば450nmの発光を与える濃度のマグネシウムを共存させれば発光強度の増強が果たせると一見想到させる。
(Optical action of p-type impurity in light emitting layer)
When obtaining a Group III nitride compound semiconductor crystal layer such as an aluminum nitride-gallium mixed crystal having a p-type conductivity type, magnesium has been conventionally used as a preferred element as a p-type impurity as described above. is there. Magnesium is known to have an optical effect on the p-type in addition to serving as an impurity. When omitting the electrical action of magnesium as well as its optical action, magnesium emits a light-emitting center (color center: color
center (see JP-A-54-71589 and J. Appl. Phys., 47 (12) (1976), pp. 5387-5390). The emission emitted from the magnesium emission center changes according to the concentration of magnesium in the group III nitride semiconductor layer. In a range where the concentration of magnesium in the layer is not so large, a pair spectrum with a donor-acceptor impurity (so-called DA)
purple (blue-violet) color development is observed corresponding to the wavelength at which Pair) appears. When the concentration of magnesium in the layer increases and a deep level of magnesium is formed, a blue color is developed. It is said that the concentration of magnesium required to obtain blue light emission exceeds about 10 19 cm -3 (see "Applied Physics", Vol . 60, No. 2, (1991), pp. 163-166). The wavelength of blue light emission corresponding to the deep impurity level of magnesium is generally in the range of about 410 nm to about 460 nm. This wavelength band is a wavelength band that includes a target emission wavelength of about 450 nm when producing a blue LED because of its high visibility. At first glance, the optical function of magnesium is thought to be that if the concentration of magnesium giving a desired blue band wavelength, for example, 450 nm light emission, coexists in a light emitting layer made of, for example, gallium indium nitride, the emission intensity can be enhanced. Let it.

(発光層のp型不純物濃度による技術上の問題点)
 しかし、マグネシウム等の色中心を形成する不純物からの発光の波長は発光層が放つ主たる発光スペクトルの波長に正確に一致させる必要がある。発光波長が一致していなければ、発光層が放つ主たる発光スペクトルの強度の効果が一向に達成されないからである。逆に、発光波長が不一致である場合、所望する波長を有する主たる発光以外に波長からみて副次的な発光スペクトルを出現させ、結果として発光の単色性の悪化を帰結するものとなる。従って、発光の色純度を悪化させず発光層からの発光強度のみを都合良く増大させるには、(イ)発光層本来の発光波長に合致させるためのマグネシウム不純物に基づく発光波長の精密な制御、(ロ)マグネシウム不純物に基づく発光スペクトルの半値幅が発光層自体からの半値幅を以下とするための発光の単色性を精密に制御する措置が求められる。色中心を形成する不純物に因る発光の波長並びに発光スペクトルの半値幅は発光層内のその不純物の濃度に依存して敏感に変化する。故に発光層内へ取り込まれるマグネシウム等の色中心不純物の濃度を極めて精密に制御する特殊で高度な技術が要求される。この様な高度の制御技術の開発を完遂する困難さと、ディスプレイ技術の発展に伴う光の3原色を発光する色純度に優れる発光素子の需要を背景として、最近では如何にして単色性に優れる発光素子を得るかが現状での一つの技術動向となっている。即ち、上記した如く発光層は出来るだけ不純物量が少ない不純物を故意に添加しないアンドープ(undope)とするのが単色性に優れる発光をもたらすのに優位であると一般的に認識されつつある。
(Technical problems due to the p-type impurity concentration of the light emitting layer)
However, it is necessary that the wavelength of light emitted from impurities forming a color center, such as magnesium, be exactly the same as the wavelength of the main emission spectrum emitted by the light emitting layer. If the emission wavelengths do not match, the effect of the intensity of the main emission spectrum emitted by the emission layer cannot be achieved at all. Conversely, if the emission wavelengths do not match, a secondary emission spectrum appears in view of the wavelength in addition to the main emission having the desired wavelength, and as a result, the monochromaticity of the emission deteriorates. Therefore, in order to conveniently increase only the emission intensity from the light emitting layer without deteriorating the color purity of the light emission, (a) precise control of the emission wavelength based on magnesium impurities to match the original emission wavelength of the light emitting layer; (B) Measures are required to precisely control the monochromaticity of light emission so that the half width of the emission spectrum based on the magnesium impurity is less than the half width from the light emitting layer itself. The wavelength of the light emission due to the impurity forming the color center and the half width of the emission spectrum change sensitively depending on the concentration of the impurity in the light emitting layer. Therefore, a special and advanced technique for controlling the concentration of the color center impurity such as magnesium taken into the light emitting layer very precisely is required. Against the background of the difficulty in developing such advanced control technology and the demand for a light-emitting element which emits three primary colors of light with the development of display technology and which has excellent color purity, recently, light emission having excellent monochromaticity has been developed. One of the technical trends at present is how to obtain an element. That is, as described above, it has been generally recognized that an undoped layer in which the amount of impurities in the light emitting layer is as small as possible is not intentionally added, and that it is superior in providing light emission with excellent monochromaticity.

 nサイドアップ構造型に限定されず、発光層は色中心を形成する不純物が故意に添加された、所謂ドーピングされたp型の
Alx Gay Inz N(但し、0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)上に直接接合される場合が全んどである(例えば、特開平7−15041号公報明細書参照)。この様な発光層とp型不純物がドーピングされたp型層との従来の共通的な配置例にあっては、p型層内に存在するp型不純物のアンドープ発光層への拡散に因る侵入が十二分に起こり得る。即ち、発光の単色性を期して敢えてアンドープ層とした発光層がp型不純物によって汚染される事態を招く。従来技術に於いて、発光層と接合するp型
III族窒化物半導体層からアンドープ発光層へのp型不純物の侵入を防止するために有効な手段は講じられていない。
n is not limited to the side-up structure type, the light emitting layer has an impurity for forming a color center is deliberately added, of the so-called doped p-type Al x Ga y In z N (where, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) in most cases (see, for example, JP-A-7-15041). In a conventional common arrangement example of such a light-emitting layer and a p-type layer doped with a p-type impurity, the p-type impurity present in the p-type layer is diffused into the undoped light-emitting layer. Intrusion is more than likely. In other words, the light emitting layer which is intentionally made an undoped layer for monochromaticity of light emission is contaminated by p-type impurities. In the prior art, a p-type junction with a light emitting layer
No effective measures have been taken to prevent intrusion of p-type impurities from the group III nitride semiconductor layer into the undoped light emitting layer.

 不透明なサファイア基板を使用した発光素子において、光取出し面に透明でオーミック特性の良好な電極を形成するには、nサイドアップ構造とするのが有利である。nサイドアップ構造とする場合、低温緩衝層側にp型不純物をドープしたクラッド層が配置されることになり、その後のエピタキシャル成長過程で低温緩衝層や発光層へのp型不純物の拡散が起こり、緩衝層の機能を損ない、発光出力が上がらない原因となっている。III 族窒化物半導体発光素子の母体材料となる積層構造体にあって、基板結晶上に同基板結晶と格子整合するInx Gay Alz N(0≦x,y,z≦1)薄膜を備える積層構成も開示されている(特公平6−101587号公報明細書参照)。しかし、実用化されている極く一般的な積層構成は、積層構造体の構成層と基板結晶とは格子整合していない。上記の如くサファイア(Al23 単結晶)を基板結晶とするのが端的な例である。このため、基板結晶とIII 族窒化物半導体堆積層との間の格子不整合性を緩和するために低温緩衝層を挿入する措置が構じられている。しかし、従来の低温緩衝層は基板結晶との格子の不整合性の緩和を主たる目的として、その結晶形態や層厚などの具備すべき要件が決定されているに過ぎない。本発明が述べるp型不純物を内在するIII 族窒化物半導体クラッド層を堆積する際の問題点の解決のために低温緩衝層が具備すべき結晶形態は明確とはなっていない。本発明の第1の課題は、p型不純物を内在するIII 族窒化物半導体クラッド層を堆積するに適する低温緩衝層が具備すべき内部結晶組織を明らかにすることである。第2の課題は、結晶成長上内部組織的に不均質なIII 族窒化物半導体発光層への、p型不純物の拡散、侵入を抑制する措置を提供することである。p型不純物の悪影響を防ぐことにより良好なnサイドアップ積層構造を達成し、透明でオーミック特性の良好なn型電極を安定して提供せんとするものである。 In a light-emitting element using an opaque sapphire substrate, an n-side-up structure is advantageous for forming a transparent electrode having good ohmic characteristics on a light extraction surface. In the case of the n-side-up structure, a clad layer doped with a p-type impurity is disposed on the low-temperature buffer layer side, and diffusion of the p-type impurity into the low-temperature buffer layer and the light emitting layer occurs in the subsequent epitaxial growth process. This impairs the function of the buffer layer and prevents the light emission output from increasing. In the laminated structure comprising a base material of the group III nitride semiconductor light-emitting device, In x Ga y Al z N of the substrate crystal lattice-matched to the substrate crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1) thin film A laminated structure provided is also disclosed (see Japanese Patent Publication No. 6-101587). However, in a very general laminated structure that is put into practical use, the constituent layers of the laminated structure are not lattice-matched with the substrate crystal. A simple example is to use sapphire (Al 2 O 3 single crystal) as the substrate crystal as described above. Therefore, measures have been taken to insert a low-temperature buffer layer in order to alleviate the lattice mismatch between the substrate crystal and the group III nitride semiconductor deposition layer. However, in the conventional low-temperature buffer layer, the requirements to be provided, such as the crystal form and layer thickness, are merely determined for the main purpose of reducing lattice mismatch with the substrate crystal. The crystal form to be provided in the low-temperature buffer layer for solving the problem of depositing a group III nitride semiconductor clad layer containing a p-type impurity described in the present invention is not clear. A first object of the present invention is to clarify an internal crystal structure to be provided in a low-temperature buffer layer suitable for depositing a group III nitride semiconductor clad layer containing a p-type impurity. A second object is to provide a measure for suppressing the diffusion and intrusion of a p-type impurity into a group III nitride semiconductor light-emitting layer that is internally heterogeneous in crystal growth. A good n-side up laminated structure is achieved by preventing the adverse effect of p-type impurities, and an n-type electrode having good transparency and good ohmic characteristics is stably provided.

 即ち、本発明は格子不整合基板結晶上に窒素原子以外の元素周期律第V族元素をVとして一般式
Alx Gay Inza1-a (但し、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、及び0≦a<1)で表記されるp型不純物を内在するAlxGay Inza1-a 下クラッド層と発光層とを、順次堆積した積層構成を含むIII 族窒化物半導体発光素子にあって、p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層の基板結晶側にAlx Gay Inza1-a 層からなる第1の中間層を配置し、発光層側にはAlx Gay Inza1-a からなる第2の中間層を配置し、第2の中間層上にp型不純物の濃度を1×1018cm-3未満とするインジウム含有濃度を相違する多相構造からなる窒化ガリウム・インジウム(Gax Iny N;x+y=1、0≦x,y≦1)発光層を積層し、発光層上にn型のAlx Gay Inza1-a 上クラッド層を積層した構成を具備したIII 族窒化物半導体発光素子を提供するものである。特に、上記の第1の中間層を主に単結晶体の集合体からなる層とし、第2の中間層を第1の中間層よりも配向性上の乱雑度をより小とするIII 族窒化物半導体発光素子を提供するものである。
That is, the present invention general formula Al x Ga a lattice mismatch substrate Periodic Group V element other than nitrogen atoms on the crystal as V y In z V a N 1 -a ( where, x + y + z = 1,0 ≦ x , y, stackup z ≦ 1, and that a 0 ≦ a <1) Al x Ga y in z V a N 1-a lower cladding layer underlying the p-type impurity that is represented in the light-emitting layer were sequentially deposited in the group III nitride semiconductor light-emitting device comprising, Al x endogenously containing p-type impurities Ga y in z V a Al N in 1-a substrate crystal side of the cladding layer x Ga y in z V a N 1-a place the first intermediate layer comprising a layer, the light emitting layer side is arranged a second intermediate layer composed of Al x Ga y in z V a N 1-a, p -type impurities into the second intermediate layer Gallium indium nitride (Ga x In y N; x +) composed of a multiphase structure having a different indium content concentration of less than 1 × 10 18 cm −3. y = 1,0 ≦ x, y ≦ 1) light-emitting layer are stacked, Al x Ga y In z V a N 1-a on the cladding layer group III nitride provided with the with the structures laminated n-type on the light emitting layer An object semiconductor light emitting device is provided. In particular, the first intermediate layer is a layer mainly composed of an aggregate of single crystals, and the second intermediate layer is a group III nitride having a smaller degree of disorder in orientation than the first intermediate layer. An object semiconductor light emitting device is provided.

 第1の中間層は緩衝層への下クラッド層からのp型不純物の拡散を防ぐので、平滑で連続性のある表面状態に優れるp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a 成長層を帰結する作用を有す。第2の中間層はp型不純物内在層からの発光層へのp型不純物の拡散を抑制する拡散阻止層と良好な表面モフォロジーを有する発光層を与える下地層としての作用を有する。このようにp型クラッド層を挟む層を一定の要件を具備するように構成することにより、良好なnサイドアップ構造となり、結果的に透明なn型オーミック電極を確実に得ることが可能となる。
 高発光出力の発光素子に適するnサイドアップ型の構造を提供できる。また、透光性電極の形成に伴う従来の技術的煩雑性を回避でき、特に単色性に優れる発光素子を提供できる。
Since the first intermediate layer prevents diffusion of the p-type impurity from the lower cladding layer to the buffer layer, Al x Ga y In z V a N 1 inherent p-type impurity which is excellent in surface conditions that continuous smooth -a Has the effect of contributing to the growth layer. The second intermediate layer has a function as a diffusion blocking layer that suppresses diffusion of the p-type impurity from the p-type impurity-containing layer into the light-emitting layer and a base layer that provides a light-emitting layer having good surface morphology. By configuring the layers sandwiching the p-type cladding layer so as to satisfy certain requirements, a good n-side up structure is obtained, and as a result, a transparent n-type ohmic electrode can be reliably obtained. .
It is possible to provide an n-side-up structure suitable for a light-emitting element having a high light-emission output. Further, it is possible to avoid the conventional technical complexity associated with the formation of the translucent electrode, and it is possible to provide a light-emitting element having excellent monochromaticity.

 本発明の第1の特徴は下クラッド層として作用するp型不純物を内在する Alx Gay Inza1-a (但し、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、及び0≦a<1)層の両表面側に第1及び第2のAlx Gay Inza1-a 層からなる中間層を配置することである。p型不純物を内在する層とは、III 族窒化物半導体にアクセプターとして作用するとされる元素周期律表の第II族に属するマグネシウム、亜鉛、ベリリウム、カルシウム等をドーピングにより故意に添加してなる層、或いはこれらの元素を残留不純物として内包するいわゆるクラッド層を指す。通常第1の中間層は基板結晶とp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a 層との中間に配置する。代表的な機能は第1の中間層を基板結晶表面上に配置して緩衝層として利用する例である。基板表面上に直接、堆積した低温緩衝層を介して第1の中間層を設置しても構わない。p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層に直接接合せずとも何らかの介在層の下部に第1の中間層を配置する例もある。以下に本発明に係わる第1の中間層の配置例を基板結晶上への積層順序に従い例示する。
(1)サファイア基板/第1の中間層/p型不純物が内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層。
(2)サファイア若しくは炭化珪素からなる基板/窒化ガリウム(GaN)低温緩衝層/第1の中間層/p型不純物が内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層。
(3)サファイア、炭化珪素若しくはIII −V族化合物半導体からなる基板/第1の中間層/介在層/p型不純物が内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層。
一般式Alx Gay Inza1-a で表記される第1の中間層を構成する代表的な材料には、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)や窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Alx Ga1-x N:0<x<1)及びこれらと窒化インジウム(InN)との混晶が挙げられる。
Al x Ga y In z V a N 1-a ( where, x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1 first feature inherent p-type impurity which acts as a lower cladding layer of the present invention and, is to place a 0 ≦ a <1) layer intermediate layer made of the first and second Al x Ga y in z V a N 1-a layer on both the surface side of the. A layer containing a p-type impurity is a layer formed by intentionally adding, by doping, magnesium, zinc, beryllium, calcium, or the like belonging to Group II of the periodic table, which is assumed to act as an acceptor in a Group III nitride semiconductor. Or a so-called cladding layer containing these elements as residual impurities. Usually the first intermediate layer is disposed intermediate the Al x Ga y In z V a N 1-a layer underlying the substrate crystal and a p-type impurity. A typical function is an example in which a first intermediate layer is arranged on a substrate crystal surface and used as a buffer layer. The first intermediate layer may be provided directly on the substrate surface via the deposited low-temperature buffer layer. without directly joined to the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity is also an example of arranging the first intermediate layer to the bottom of any intervening layer. An example of the arrangement of the first intermediate layer according to the present invention will be described below in accordance with the order of lamination on the substrate crystal.
(1) a sapphire substrate / Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer where the first intermediate layer / p-type impurities inherent.
(2) a sapphire or substrate / gallium nitride (GaN) formed of silicon carbide low-temperature buffer layer / Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer where the first intermediate layer / p-type impurities inherent.
(3) sapphire, Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer of silicon carbide or the III -V compound comprising a semiconductor substrate / first intermediate layer / intervening layer / p-type impurities inherent.
Representative materials for forming the first intermediate layer, denoted by the general formula Al x Ga y In z V a N 1-a, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN) or aluminum gallium nitride mixed (Al x Ga 1 -xN: 0 <x <1) and mixed crystals of these and indium nitride (InN).

 第1の中間層はp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層を堆積する際に下地層の役目をも果たすものである。従って、第1の中間層はp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層の堆積時に於けるマグネシウム、ベリリウム等のp型不純物による侵食や亀裂の発生に充分耐えるものでなければならない。また、従来の低温緩衝層に付随する高温環境下で揮散するのであってはいけない。基板結晶とp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層との格子不整合性を緩和するものでなければならない。本発明では、従来の低温緩衝層の如く非晶質を主体とするのではなく、第1の中間層はas−grown状態で単結晶体を主体として構成されるものとする。単結晶体とは第1の中間層の層厚の増加方向に層状に存在する単結晶層やこの単結晶層上に成長する単結晶の微粒の総称である。単結晶を主体とする層とは、層状であれ粒状であれその層を構成する構成要素のおおよそ50%以上が単結晶体である結晶形態を云う。単結晶体以外の構成要素は非晶質体などである。本発明の第1の中間層にあって好ましい結晶形態は下部を単結晶層とし、上部に基板結晶と略平行な格子配列を有する単結晶粒が散在してなる状態であってもよい。第1の中間層を基板結晶表面上に直接堆積した場合、第1の中間層の成長条件を適宣選択することにより、基板表面上の或る厚さに亘って存在する基板結晶の格子配列と略平行な格子配列を有する単結晶層と同層上に単結晶微粒を冠した構成からなる単結晶を主体とする第1の中間層を得ることができる。 The first intermediate layer is one in which also plays the role of the base layer when depositing the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity. Thus, the first intermediate layer withstands Al x Ga y In z V a N 1-a magnesium at the time of deposition of the cladding layer, sufficient erosion and crack generation due to p-type impurity of beryllium inherent the p-type impurity Must be something. Also, it must not volatilize under the high temperature environment associated with conventional low temperature buffer layers. Shall relaxing the lattice mismatch between the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the substrate crystal and a p-type impurity. In the present invention, the first intermediate layer is mainly composed of a single crystal in an as-grown state, instead of being mainly composed of an amorphous material as in the conventional low-temperature buffer layer. The single crystal body is a general term for a single crystal layer existing in a layered manner in a direction in which the thickness of the first intermediate layer increases and fine grains of a single crystal growing on the single crystal layer. The layer mainly composed of a single crystal refers to a crystal form in which about 50% or more of the constituent elements of the layer, whether layered or granular, are a single crystal. The component other than the single crystal is an amorphous body or the like. The preferred crystal form of the first intermediate layer of the present invention may be a state in which the lower portion is a single crystal layer and the upper portion is scattered with single crystal grains having a lattice arrangement substantially parallel to the substrate crystal. When the first intermediate layer is directly deposited on the substrate crystal surface, by appropriately selecting the growth conditions of the first intermediate layer, the lattice arrangement of the substrate crystal existing over a certain thickness on the substrate surface is achieved. And a first intermediate layer mainly composed of a single crystal having a structure in which single crystal fine grains are crowned on the same layer as a single crystal layer having a lattice arrangement substantially parallel to the above.

 単結晶体を構成する原子は、非晶質(amorphous)に比較すれば相互に堅牢、強固に結束している。従って、単結晶体を主体とするは高温下に暴露された際にも容易には揮散せず残存する。これより、第1の中間層が基板表面上に直接堆積され、第1の中間層上にp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層を配置する構成にあって、第1の中間層の残存によりp型Alx Gay Inza1-a クラッド層とは格子不整合の関係にある基板結晶の表面が露呈する不具合が回避される。即ち、基板結晶とp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層との格子不整合性に起因する成長層の表面状態の劣化が防止される利点が生まれる。第1の中間層に珪素やインジウム等の結晶を硬化させる(ハードニング)元素を添加すれば、第1中間層の高温での損失を防止するに尚一層の効果を奏するものである。第1の中間層を単結晶体を主体として構成する他の利点は、p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層からの亜鉛或いはカルシウム等のp型不純物の侵入による低温緩衝層の亀裂等の発生が抑制可能なことである。これも単結晶であるが故の構成原子相互間の結合力の強靭性に依る。即ち、発光層と基板結晶間に配置する第1の中間層を従来の緩衝層には無い単結晶を主体とする結晶形態に変更を加えることをもって、従来の緩衝層に付随する問題点は解決することが可能となる。 The atoms that make up the single crystal are more rigid and tightly bound to each other than amorphous. Therefore, a substance mainly composed of a single crystal does not volatilize easily even when exposed to a high temperature and remains. This, the first intermediate layer is directly deposited on the substrate surface, there the construction of arranging the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity to the first intermediate layer Te, p-type Al x Ga y in z V a N 1-a cladding layer and the surface of the substrate crystal in the relation of the lattice mismatch is avoided bugs exposed by the remaining of the first intermediate layer. That is, born advantage that deterioration of the surface state of the grown layer due to lattice mismatch with the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the substrate crystal and a p-type impurity is prevented. If an element for hardening a crystal such as silicon or indium is added to the first intermediate layer, the effect of preventing the loss of the first intermediate layer at a high temperature can be further improved. Another advantage of forming the first intermediate layer of single crystal mainly includes a p-type impurity such as zinc or calcium from Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity It is possible to suppress the occurrence of cracks and the like in the low-temperature buffer layer due to intrusion. This also depends on the toughness of the bonding force between the constituent atoms because it is a single crystal. That is, the problem associated with the conventional buffer layer is solved by changing the first intermediate layer disposed between the light emitting layer and the substrate crystal to a crystal form mainly composed of a single crystal which is not present in the conventional buffer layer. It is possible to do.

 本発明に係わる単結晶を主体とする第1の中間層は、常圧或いは減圧有機金属熱分解気相成長法(所謂、MOCVD或いはMOVPEなどと略称される方法)や分子線エピタキシャル成長(MBE)法或いはハロゲン若しくはハイドライド(水素化物)気相成長法(所謂、VPE法)等の気相成長法を利用して成長することができる。例えば、常圧MOCVD法により窒化アルミニウムからなる第1の中間層の形成を例にすれば、成長温度、成長雰囲気及び窒素源の供給量等の成長条件を精密に制御すれば単結晶体を主体とする第1の中間層を形成することができる。ちなみに面方位を(0001)とするc面サファイア基板結晶上に成長温度を450℃、成長雰囲気を水素のみで構成し、窒素源としてのアンモニア(NH3 )ガスを雰囲気を構成する水素ガスの1/8程度の割合で供給し、尚且、20℃の恒温に保持されたアルミニウム源とするトリメチルアルミニウム((CH33 Al)をバブリング(発泡)する水素ガスの流量を毎分20ccに成長条件を設定したとする。この成長条件下で3分間に亘り窒素源及びアルミニウム源の供給を継続すると層厚を約20ナノメーター(nm)とする窒化アルミニウム層が得られる。一般的な透過型電子顕微鏡(TEM)を利用する断面TEM技法に依る観察から、この窒化アルミニウム層はサファイア基板の表面上、約5nmの領域にはサファイアc面の結晶格子に略平行な格子面を保有する単結晶層として存在し、その上方には球状、紡錘状或いは多角形状等の単結晶粒が存在してなるのが判別される。即ち、上記の様な成長条件の精密な制御によって本発明の云う結晶形態を満足する第1の中間層を得ることができる。雰囲気構成ガス並びに原料ガスの流量を変更せずに成長温度を上昇させると、同一の成長時間で得られる第1の中間層の層厚は増加する。全体の層厚が増加する一方で、基板表面直上の層状単結晶の領域幅は相変わらず約5nmに留まる。即ち、成長温度の増加に伴い層状単結晶上に成長する粒状単結晶の大きさ、高さ或いは数量が増大して全体の層厚が増加する。層厚の増加と共に粒状単結晶の成長が進行する状態となると単結晶粒中で格子を基板結晶と略平行としない単結晶粒の量が増大する。層厚が増加し格子面を相互に平行としない単結晶粒が層の表面に多く存在するとなると、その上に堆積する層の成長方向が一定方向に定まらず、成長速度の異方性による相違に起因して表面の平滑状態は悪化する。平滑な成長面の表面状態に優れる堆積層を与える単結晶体を主体とする第1の中間層の層厚は窒化アルミニウムからなる場合大凡、5〜40nmの範囲である。 The first intermediate layer mainly composed of a single crystal according to the present invention is formed by a normal pressure or reduced pressure metalorganic pyrolysis vapor deposition method (a method abbreviated as so-called MOCVD or MOVPE) or a molecular beam epitaxial growth (MBE) method. Alternatively, it can be grown using a vapor phase growth method such as a halogen or hydride (hydride) vapor phase growth method (a so-called VPE method). For example, in the case of forming the first intermediate layer made of aluminum nitride by the normal pressure MOCVD method, if a growth condition such as a growth temperature, a growth atmosphere, and a supply amount of a nitrogen source is precisely controlled, a single crystal is mainly used. A first intermediate layer can be formed. Incidentally, on a c-plane sapphire substrate crystal having a plane orientation of (0001), the growth temperature is 450 ° C., the growth atmosphere is composed only of hydrogen, and an ammonia (NH 3 ) gas as a nitrogen source is one of hydrogen gas constituting the atmosphere. The hydrogen gas was supplied at a rate of about / 8, and the flow rate of hydrogen gas for bubbling (foaming) trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al) as an aluminum source maintained at a constant temperature of 20 ° C. was set to 20 cc / min. Is set. If the supply of the nitrogen source and the aluminum source is continued for 3 minutes under these growth conditions, an aluminum nitride layer having a layer thickness of about 20 nanometers (nm) is obtained. According to observation by a cross-sectional TEM technique using a general transmission electron microscope (TEM), this aluminum nitride layer has a lattice plane substantially parallel to the crystal lattice of a sapphire c-plane in a region of about 5 nm on the surface of the sapphire substrate. It is determined that a single crystal grain having a spherical shape, a spindle shape, a polygonal shape, or the like is present above the single crystal layer. That is, the first intermediate layer satisfying the crystal form according to the present invention can be obtained by precisely controlling the growth conditions as described above. If the growth temperature is increased without changing the flow rates of the atmosphere constituent gas and the source gas, the thickness of the first intermediate layer obtained in the same growth time increases. While the overall layer thickness increases, the region width of the layered single crystal immediately above the substrate surface remains at approximately 5 nm. That is, as the growth temperature increases, the size, height or quantity of the granular single crystal growing on the layered single crystal increases, and the overall layer thickness increases. As the growth of the granular single crystal progresses as the layer thickness increases, the amount of single crystal grains whose lattice is not substantially parallel to the substrate crystal in the single crystal grains increases. If the thickness of the layer increases and there are many single crystal grains on the surface of the layer that do not have lattice planes parallel to each other, the growth direction of the layer deposited on it will not be fixed in a certain direction, and the difference due to anisotropy in the growth rate As a result, the surface smoothness deteriorates. The thickness of the first intermediate layer mainly composed of a single crystal that provides a deposited layer having an excellent surface condition of a smooth growth surface is generally in the range of 5 to 40 nm when made of aluminum nitride.

 第1の中間層にn型或いはp型不純物を内在させるか否かは適宣選択できる。上方に堆積するp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層との電気伝導形の統一を図るならばp型不純物をドーピングして第1の中間層の伝導形をp型とする手段も有り得る。p型不純物としては公知のマグネシウム、ベリリウム、亜鉛、カルシウム等の第II族元素が使用できる。特に、p型の伝導性の付与にはIII 族窒化物半導体でのアクセプター準位の浅さからマグネシウムが好んで使用できる。第II族不純物と共にハードニング効果を発揮する珪素等のドナー不純物をドーピングしても差し支えない。ドナー不純物としてはその他、錫(元素記号:Sn)やゲルマニウム(元素記号:Ge)等の第IV族元素及び硫黄(元素記号:S)やセレン(元素記号:Se)等の第VI族元素が使用できる。故意に不純物を添加しないアンドープであっても、第1の中間層の本質的な効果は低減しない。 Whether or not to include an n-type or p-type impurity in the first intermediate layer can be appropriately selected. Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer and the first intermediate layer conduction type by doping if if p-type impurity achieve unification of electrical conduction type of the underlying p-type impurities deposited over May be a p-type. As the p-type impurities, known Group II elements such as magnesium, beryllium, zinc, and calcium can be used. Particularly, magnesium can be preferably used for imparting p-type conductivity because of the shallow acceptor level of the group III nitride semiconductor. A donor impurity such as silicon which exhibits a hardening effect may be doped together with the group II impurity. Other donor impurities include Group IV elements such as tin (element symbol: Sn) and germanium (element symbol: Ge) and Group VI elements such as sulfur (element symbol: S) and selenium (element symbol: Se). Can be used. Even if undoping is performed intentionally without adding an impurity, the essential effect of the first intermediate layer is not reduced.

 纏めれば、単結晶体を主体として構成する第1の中間層は熱的な耐性且つ化学的な耐性に優れるが故に、その後堆積するp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層の表面状態の向上に寄与できるものである。p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層の表面状態の向上はその上方に堆積される発光層の表面状態の改善に波及的に貢献する。本発明の第2の特徴は、p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層から発光層へのp型不純物の侵入を抑制するのを主たる目的としてp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層と発光層との中間にAlx Gay Inza1-a からなる第2の中間層を配置する。p型不純物を内在するAlxGay Inza1-a クラッド層と発光層間に於ける第2の中間層の配置例を次に例示する。
(a)p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層/第2の中間層/発光層。
(b)p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層/第2の中間層/発光層と接合をなす接合層/発光層。
(c)p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層/第2の中間層のその1/第2の中間層のその2/発光層など。
Sum up words, a first intermediate layer constituting the single crystal body as a principal because excellent in thermal resistance and chemical resistance, Al x Ga y In z V a N inherent p-type impurity to be subsequently deposited It can contribute to improvement of the surface state of the 1-a cladding layer. Al x Ga y In z V a N 1-a improvement of the surface condition of the cladding layer underlying the p-type impurity is spread to help improve the surface state of the light emitting layer deposited thereover. A second aspect of the present invention, p-type impurity to suppress the penetration of the p-type impurity into the light-emitting layer from the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity as a primary objective the Al x Ga y in z V a N 1-a is located intermediate the second intermediate layer made of Al x Ga y in z V a N 1-a of the cladding layer and the light emitting layer inherent. Al x Ga y In z V a N illustrated below an example of the arrangement of the second intermediate layer in the 1-a cladding layer and the light emitting layers underlying the p-type impurity.
(A) Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the p-type impurity / second intermediate layer / light-emitting layer.
(B) Al x Ga y In z V a N 1-a clad layer / second intermediate layer / light-emitting layer and the bonding layer / light-emitting layer constituting the bonding inherent p-type impurity.
(C) Al inherent p-type impurity x Ga y In z V a N 1-a clad layer / second intermediate layer 1 / second intermediate layer 2 / emission layer, such as.

 第2の中間層は窒化ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム混晶や窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶、或いはまた窒素以外の第V族元素である砒素(元素記号:As)やリン(元素記号:P)を含む窒化砒化ガリウム(GaAsN)混晶等から構成する。第2の中間層はp型不純物を内在するAlx GayInza1-a クラッド層から発光層へのp型不純物の熱拡散等に起因する侵入を抑制するために設置する層であることから、p型不純物に対し強い親和力を保有する材料から構成するのが望ましい。代表的なp型不純物であるマグネシウムを内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層に係わる第2の中間層には、窒化アルミニウム・ガリウム混晶等のアルミニウムを構成元素として含む材質が好ましい。アルミニウムとマグネシウムは親和性が高く、マグネシウムを捕獲するのに効果があるからである。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(Alx Ga1-x N:0≦x≦1)がその好例である。 The second intermediate layer is composed of gallium nitride, aluminum nitride-gallium mixed crystal, aluminum nitride-gallium-indium mixed crystal, or arsenic (element symbol: As) or phosphorus (element symbol: P) which is a Group V element other than nitrogen. ) Containing gallium nitride arsenide (GaAsN) mixed crystal. Layer and the second intermediate layer to be installed in order to suppress the penetration caused by the thermal diffusion of p-type impurities into the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer from the light-emitting layer underlying the p-type impurity Therefore, it is desirable to use a material having a strong affinity for p-type impurities. The second intermediate layer according to the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the magnesium which is a typical p-type impurity includes aluminum, such as aluminum gallium nitride mixed crystal as an element The material is preferred. Aluminum and magnesium have high affinity and are effective in capturing magnesium. A good example is magnesium-doped aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al x Ga 1 -xN: 0 ≦ x ≦ 1).

 第2の中間層の層厚は発光層内部のp型不純物の総量を1018cm-3未満に維持するために、発光層内部へのp型不純物の侵入を抑制できる様に設定する。第2の中間層を窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Alx Ga1-x N:0≦x≦1)から構成する場合、窒化アルミニウム・ガリウム混晶のアルミニウムの組成比(x)は概ね、0.25(25%)以下である。好ましいxの範囲は約0.02(2%)〜約0.20(20%)である。窒化アルミニウム・ガリウムから第2の中間層を構成する場合にあって、そのアルミニウム組成比を極端に大とするとその上方に配置する窒化ガリウム・インジウム発光層へも歪等をもたらす応力が波及するため、発光層からの発光波長が変化し、長波長側へシフト(shift)を来す場合がある。また、アルミニウム組成比が大となるに伴い窒化ガリウム・インジウム発光層の表面状態がより悪化する不具合を招く。アルミニウム原子濃度にして1019cm-3程度のマグネシウムを内在する窒化ガリウム層に対するアルミニウム組成比を0.05(5%)とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.05Ga0.95N)からなる第2の中間層を例とすれば、望ましい層厚は約1nm〜約50nmである。第2の中間層として好ましい層厚の範囲は約5nm〜約40nmである。更に、好ましいのは約10nm〜30nmの層厚範囲である。第2の中間層の層厚が約1nmと極端に薄いと発光層へのp型不純物の侵入を抑制するに充分ではない。逆に、第2の中間層が概ね、50nmを越えて極端に厚くなると、上記の第1の中間層について述べた如く結晶格子面の配向方位を互いに異にする単結晶体が出現する確率が増す。第2の中間層は発光層の成長に当たって下地層となるものである。従って、層厚が極端に増加した第2の中間層の表面には配向方向を相互に異にする単結晶粒が露呈する事態を招き、これが発光層の表面状態の劣化を帰結する。また、第2の中間層に接合させて発光層を配置する場合を例にして、電気的な要求の面から第2の中間層の適当な層厚を例示する。特に、第2の中間層が高い抵抗を保有する結晶層であれば、発光層への動作電流の注入の容易さを考慮すればトンネル(tunnel)効果が期待される約40nm以下の層厚とすべきである。電気的に良好な伝導が付与されたドーピング結晶層であれば、層厚をトンネル効果が発揮されない程度の厚さに設定することもできるが、上述の如く極端に厚膜とすると上層の表面状態に悪化を来たし好ましくはない。 The thickness of the second intermediate layer is set so that the intrusion of the p-type impurity into the light emitting layer can be suppressed in order to maintain the total amount of the p-type impurity inside the light emitting layer at less than 10 18 cm −3 . When the second intermediate layer is composed of an aluminum nitride-gallium mixed crystal (Al x Ga 1 -xN: 0 ≦ x ≦ 1), the aluminum composition ratio (x) of the aluminum nitride-gallium mixed crystal is approximately 0. .25 (25%) or less. A preferred range for x is from about 0.02 (2%) to about 0.20 (20%). In the case where the second intermediate layer is made of aluminum / gallium nitride, if the aluminum composition ratio is extremely large, the stress that causes strain and the like spreads to the gallium / indium nitride light emitting layer disposed thereabove. In some cases, the wavelength of light emitted from the light-emitting layer changes and shifts to longer wavelengths. In addition, as the aluminum composition ratio increases, the surface state of the gallium / indium indium light emitting layer deteriorates. A second aluminum-gallium mixed crystal (Al 0.05 Ga 0.95 N) having an aluminum composition ratio of 0.05 (5%) to a gallium nitride layer containing magnesium of about 10 19 cm -3 in aluminum atom concentration. As an example, the desired layer thickness is about 1 nm to about 50 nm. A preferred layer thickness range for the second intermediate layer is from about 5 nm to about 40 nm. Further preferred is a layer thickness range of about 10 nm to 30 nm. When the thickness of the second intermediate layer is extremely thin, about 1 nm, it is not enough to suppress the intrusion of the p-type impurity into the light emitting layer. Conversely, when the second intermediate layer is extremely thick, generally exceeding 50 nm, the probability of the appearance of single crystals having different crystal lattice plane orientations as described above for the first intermediate layer will increase. Increase. The second intermediate layer becomes a base layer when the light emitting layer is grown. Therefore, a situation in which single crystal grains having different orientation directions are exposed on the surface of the second intermediate layer having an extremely increased layer thickness, which results in deterioration of the surface state of the light emitting layer. In addition, taking a case where the light emitting layer is arranged so as to be bonded to the second intermediate layer as an example, an appropriate layer thickness of the second intermediate layer is illustrated from the viewpoint of electrical requirements. In particular, if the second intermediate layer is a crystalline layer having a high resistance, the thickness of the layer is about 40 nm or less, which is expected to have a tunnel effect in consideration of the easiness of injecting an operating current into the light emitting layer. Should. If the doped crystal layer has good electrical conductivity, the layer thickness can be set to a thickness that does not exhibit the tunnel effect. Worsened and not preferred.

 第2の中間層を発光層の下部に挿入することに因って、p型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層内のp型不純物の発光層への侵入を抑制することができる。発光層内のp型不純物濃度を1018cm-3以下とする効果は、発色の単色性に顕著に具現される。例えば、p型不純物としてその代表であるマグネシウムを例にすれば、マグネシウムの原子濃度を1018cm-3以下に制限すればマグネシウム原子に起因する青色発光は無視できる程度に小となる。また、発光層からの主たる発光スペクトルの波長以外の領域に副次的なスペクトルが縦しんば出現すると想定してもそれらの副次的なスペクトルの強度は微弱であるため、多波長の発光をもたらすに至るのは希有である。 And due to the insertion of the second intermediate layer in the lower portion of the light-emitting layer, from entering the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding of p-type impurity in the layer emitting layer inherent the p-type impurity Can be suppressed. The effect of reducing the p-type impurity concentration in the light emitting layer to 10 18 cm −3 or less is remarkably realized in monochromaticity of color development. For example, taking magnesium as a representative example of the p-type impurity, if the atomic concentration of magnesium is limited to 10 18 cm −3 or less, blue light emission caused by magnesium atoms becomes negligibly small. Further, even if it is assumed that secondary spectra appear vertically in a region other than the wavelength of the main emission spectrum from the light emitting layer, the intensity of those secondary spectra is weak, so that light emission of multiple wavelengths is caused. It is rare to reach.

 良好な表面状態(表面モフォロジー)の発光層を得るために本発明では、第2の中間層に関して上記の層厚に加えその配向度を規定する。第2の中間層を構成するAlx Gay Inza1-a 層の結晶の配向度は、第1の中間層の配向度を基準にして、それよりも良好であるとする。換言すれば、第2の中間層は第1の中間層よりも結晶の配向性(orientation)の乱雑度を小とする。これは第2の中間層上に堆積される発光層の内部結晶組織の観点から要求される仕様である。第2の中間層の配向上の乱雑度は、発光層と第2の中間層との間の介在層の有無に拘らず発光層の結晶性に波及する。配向の乱雑度を極度に大とする第2の中間層を下地として堆積した発光層の乱雑度はやはり大となる。乱雑度を大とする発光層には多数のドメインが発生する。特に発光層を熱的に拡散し易いインジウムを含有するIII 族窒化物半導体層から構成すると、インジウムの各ドメインの境界に選択的に蓄積される傾向がある。即ち、発光層の内部に於けるインジウム含有相の不均等分布を招く。そもそも、粒界等に蓄積するインジウムは発光強度等の発光特性の向上に殆ど寄与せず、発光を支配するインジウム含有相の形成に必要な核の発生密度を減ずる不具合を生ずるからである。結晶の配向の乱雑度は一般的なX線二結晶回折法で定量できる。X線二結晶回折法では配向の乱雑度はX線ロッキングカーブ(rocking
curve)の半値幅(FWHM)に反映される。X線四結晶回折法に代表される微小角散乱X線回折法を利用すれば更に配向の乱雑度を精密に測定することができる。一般的な値に代表させて第1の中間層の配向の乱雑度はFWHMにして約600秒(sec.)から約1000秒である。第2の中間層のそれは約300秒から約500秒である。微小角散乱X線回折法に依る測定結果を紹介すれば、配向の乱雑度の指標である回折方位角の偏差(一般にωで表記され、モザイク(mosaic)度と呼称される。)は第1の中間層にあっては±1.0度(°)程度であり、第2の中間層のそれは±0.8度程度であるのが一般的である。第2の中間層の乱雑度がこの程度であれば、その上に直接重層させたインジウム含有発光層であっても、インジウム含有相の発生を促進するインジウム原子が粒界に捕獲される割合を低く保つことができる。
In the present invention, in order to obtain a light-emitting layer having a good surface state (surface morphology), the orientation of the second intermediate layer is defined in addition to the above-mentioned layer thickness. Orientation of the Al x Ga y In z V a N 1-a layer of crystals constituting the second intermediate layer, the orientation degree of the first intermediate layer on the basis, and is better than that. In other words, the second intermediate layer has a smaller degree of disorder in the orientation of the crystal than the first intermediate layer. This is a specification required from the viewpoint of the internal crystal structure of the light emitting layer deposited on the second intermediate layer. The degree of disorder in the orientation of the second intermediate layer affects the crystallinity of the light emitting layer regardless of the presence or absence of an intervening layer between the light emitting layer and the second intermediate layer. The degree of randomness of the light-emitting layer deposited with the second intermediate layer, which makes the degree of alignment randomness extremely large, also becomes large. A large number of domains are generated in the light emitting layer where the degree of disorder is large. In particular, when the light-emitting layer is formed of a group III nitride semiconductor layer containing indium which easily diffuses thermally, the light-emitting layer tends to be selectively accumulated at the boundary of each domain of indium. That is, uneven distribution of the indium-containing phase inside the light emitting layer is caused. In the first place, indium accumulated in the grain boundaries and the like hardly contributes to the improvement of the light emission characteristics such as the light emission intensity, and causes a problem of reducing the generation density of nuclei required for forming the indium-containing phase which controls light emission. The randomness of the crystal orientation can be quantified by a general X-ray double crystal diffraction method. In the X-ray double crystal diffraction method, the degree of orientation disorder is determined by an X-ray rocking curve.
curve) (FWHM). If the small angle scattering X-ray diffraction method represented by the X-ray four crystal diffraction method is used, the degree of orientation disorder can be measured more precisely. As a typical value, the degree of randomness of the orientation of the first intermediate layer is about 600 seconds (sec.) To about 1000 seconds in FWHM. That of the second intermediate layer is from about 300 seconds to about 500 seconds. Introducing the measurement results by the small angle scattering X-ray diffraction method, the deviation of the diffraction azimuth angle (generally denoted by ω and called mosaic degree), which is an index of the degree of orientation disorder, is the first. Is about ± 1.0 degrees (°), and that of the second intermediate layer is about ± 0.8 degrees. When the degree of randomness of the second intermediate layer is at this level, even in the indium-containing light-emitting layer directly overlaid thereon, the rate at which indium atoms that promote the generation of the indium-containing phase are captured at the grain boundaries is reduced. Can be kept low.

 第2の中間層の形成にあって、配向の乱雑度はその層の成長に供する原料種に依る顕著な差異は認められない。III 族原料としてトリメチルガリウム((CH33 Ga)、トリエチルガリウム((C253 Ga)、トリメチルアルミニウム((CH33 Al)、トリイソブチルアルミニウム(i−(C493 Al)、V族元素としてアンモニア、メチルヒドラジン等のヒドラジン類やターシャリィブチルアミン等のアミン類を利用しても、第2の中間層の配向上の乱雑度には有位差は生じない。第2の中間層を表面の平滑性に欠け、亀裂が在る様な不連続なp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層の上方に配置する場合、第2の中間層の配向上の乱雑度を成長速度等の成長に係わる因子をもって安定して小さく制御するのは困難である。下地(被堆積層)としてのAlx Gay Inza1-a クラッド層上の凹凸、亀裂等に因る表面の非平滑性が堆積層たる第2の中間層の結晶配向上の乱雑度を劣悪なものに決定づけるからである。本発明の第1の中間層の挿入によって表面状態に改善が果たされたp型不純物を内在するAlx Gay Inza1-a クラッド層表面上に、第2の中間層を直接重層させる場合、第2の中間層の乱雑度は主に成長温度、III 族元素原料に対するV族元素の供給比率所謂、V/ III比率、成長速度をもって制御できる。特に、成長速度は第2の中間層の乱雑度に影響を与える重要な因子である。成長速度を小とするに伴い第2中間層の配向の乱雑度は減少する傾向にある。従って、第2の中間層の成長時に於ける成長(堆積)速度は第1の中間層の成長速度以下に設定する。第2の中間層をアルミニウム組成比を約0.10(10%)とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.10Ga0.90N)から構成する場合、成長速度を1/2に減ずると上記のωには約±0.2度或いはそれ以上の減少が観測される。 In the formation of the second intermediate layer, no remarkable difference is observed in the degree of orientation disorder depending on the kind of raw material used for growing the layer. III group material as trimethyl gallium ((CH 3) 3 Ga) , triethyl gallium ((C 2 H 5) 3 Ga), trimethyl aluminum ((CH 3) 3 Al) , triisobutylaluminum (i- (C 4 H 9 3 ) The use of hydrazines such as ammonia and methylhydrazine or amines such as tert-butylamine as group V elements does not produce a significant difference in the degree of disorder in the orientation of the second intermediate layer. . If the second missing an intermediate layer smoothness of the surface, is disposed above the Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer underlying the such discrete p-type impurity cracks there, the It is difficult to stably control the degree of disorder in the orientation of the intermediate layer 2 by using factors related to growth such as the growth rate. Base on Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer of a (the deposited layer) uneven, non-smoothness of the surface due to cracks or the like on the crystal orientation of the deposited layer serving the second intermediate layer This is because the degree of randomness is determined to be poor. On Al x Ga y In z V a N 1-a cladding layer surface inherent the p-type impurity improve the surface condition is fulfilled by the insertion of the first intermediate layer of the present invention, the second intermediate layer In the case of direct superposition, the degree of disorder of the second intermediate layer can be controlled mainly by the growth temperature, the supply ratio of the group V element to the group III element raw material, so-called V / III ratio, and the growth rate. In particular, the growth rate is an important factor affecting the degree of randomness of the second intermediate layer. As the growth rate is reduced, the degree of disorder in the orientation of the second intermediate layer tends to decrease. Therefore, the growth (deposition) rate during the growth of the second intermediate layer is set to be lower than the growth rate of the first intermediate layer. When the second intermediate layer is made of an aluminum gallium nitride mixed crystal (Al 0.10 Ga 0.90 N) having an aluminum composition ratio of about 0.10 (10%), when the growth rate is reduced to half, the above ω A decrease of about ± 0.2 degrees or more is observed.

 第1及び第2の中間層は同一のAlx Gay Inza1-a 材料から構成しても構わない。第1及び第2の中間層を双方共に窒化アルミニウムから構成する例がそれに該当する。また、異種の材料から構成するのも許容される。第1の中間層を窒化アルミニウムから構成し、第2の中間層を窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Alc Ga1-c N:0≦c<1)から構成するのが第1及び第2の中間層の材質を異にする例である。Alx Gay Inza1-a (x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、及び0≦a<1)で表記される材質内での選択が許容されると同様に、第1及び第2の中間層の成長は必ずしも同一温度で実施する必要はない。成長温度を同一とするのも選択の一余地である。肝要なのは、上記の如く第1の中間層にあっては単結晶体を主体として構成することであり、また、単結晶体とその上に発生する単結晶粒との構成比率の適正なる調整、即ち層厚の調整である。第2の中間層にあっては、第1の中間層に比較してより結晶の配向の乱雑度を小さくすることである。これらの構成要件を満たす成長温度は、成長方法、成長雰囲気、なによりもまして成長装置の構成等に依って微妙に変化するのはもはや常識として周知されている。従って、上記の要件を満足できる成長条件並びに成長設備環境に鑑み成長温度を適宣、選択、決定する猶予は存在する。 First and second intermediate layer may be composed of the same Al x Ga y In z V a N 1-a material. An example in which both the first and second intermediate layers are made of aluminum nitride corresponds to this. In addition, it is also allowed to be composed of different materials. A first intermediate layer composed of aluminum nitride, the second intermediate layer aluminum gallium nitride mixed crystal (Al c Ga 1-c N : 0 ≦ c <1) to consist of first and second This is an example in which the material of the intermediate layer is different. Al x Ga y In z V a N 1-a (x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1, and 0 ≦ a <1) as well as selection in materials to be notation allowed in The growth of the first and second intermediate layers need not necessarily be performed at the same temperature. Making the growth temperature the same is also an option. What is important is that the first intermediate layer is mainly composed of a single crystal as described above, and that the composition ratio of the single crystal and the single crystal grains generated thereon is appropriately adjusted, That is, adjustment of the layer thickness. The purpose of the second intermediate layer is to reduce the degree of disorder in crystal orientation as compared with the first intermediate layer. It is well known that the growth temperature that satisfies these structural requirements slightly changes depending on the growth method, growth atmosphere, and more particularly the structure of the growth apparatus. Therefore, there is time to appropriately select, select, and determine the growth temperature in view of the growth conditions and the growth equipment environment that can satisfy the above requirements.

 第2の中間層を介して上層として堆積する発光層は、敢えて単一の組成の窒化ガリウム・インジウム層とはしなくてもよい。また、ガリウムとインジウムとを含む如くの不確実な言及をもって内部結晶組織に何等の規定がなされていない層(特開平6−196757号公報明細書参照)を発光層とするのではない。本発明の発光層はインジウム濃度を互いに相違する複数の相から構成される窒化ガリウム・インジウム層を発光層として採用する(特願平8−261044号参照)。即ち、本発明では従前の単一相からなる均質層を発光層とせずに、敢えて複数の相(phase)からなる内部結晶組織的に不均質な層から発光層を構成する。発光層内部の結晶組織の観点からすれば、従来とは明らかに異なる構成とする。 発 光 The light emitting layer deposited as an upper layer via the second intermediate layer does not have to be a single composition gallium indium nitride layer. In addition, a layer whose internal crystal structure is not specified with any uncertainty such as containing gallium and indium (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-196775) is not used as a light emitting layer. The light emitting layer of the present invention employs a gallium indium nitride layer composed of a plurality of phases having different indium concentrations as the light emitting layer (see Japanese Patent Application No. 8-261444). That is, in the present invention, the light emitting layer is constituted by a layer having a plurality of phases and having a non-homogeneous internal crystallographic structure, instead of using the conventional homogeneous layer formed of a single phase as the light emitting layer. From the viewpoint of the crystal structure inside the light emitting layer, the structure is clearly different from the conventional structure.

 複数相からなる不均質層とは、インジウム組成比を互いに異にする複数の相が混在することを意味している。具体的に例を示すならば窒化ガリウム・インジウム発光層と一括して云えども、その層はGaN(インジウム組成比=0に相当する。)、Ga0.10In0.90NやGa0.80In0.20Nなどインジウム組成比を相互に異にする複数の相が混在してなるインジウム組成比に関して不均一な層であることを意味する。形態的な観点から観れば、或るインジウム組成比の主たる相の内部に、それとはインジウム組成比を異にする相が略球状或いは島状の微結晶体をなして存在する場合が殆どである。この様な組織的に不均質な窒化ガリウム・インジウム層を発光層とするのは主に次の事由による。
(イ)窒化ガリウム・インジウム等の如くの非混和性の強い材料にあっては(1996年(平成8年度)秋季第57回応用物理学会学術講演会講演予稿集No.1、講演番号8p−ZF−14、209頁参照)、相分離が生じ易い。従って、この様な多相構造からなる窒化ガリウム・インジウム発光層は窒化ガリウム・インジウム混晶の熱力学的諸特性に裏付けられる様に合理的に帰結されるからである(Solid
State Commun.、11(1972)、617.)。
(ロ)不均一な組成構成の窒化ガリウム・インジウムからは強度的に優れる発光を帰結するからである(特願平8−208486号参照)。
即ち、本発明の発光層の結晶組織上の構成は、発光層を構成するIII 族窒化物半導体が熱的な影響を受けて形態を変化させる現象を適格に見計らった上で規定されたものである。この規定により敢えて不自然な均質化を達成しようとする技術的な困難さから開放される。また、不均質な窒化ガリウム・インジウム発光層は例えば、MOCVD(有機金属気相成長方法)により窒化ガリウム・インジウム結晶層を成膜する際に設定される条件の一つであるインジウム気相組成比(一般には、成長環境に供給されるIII 族元素原料の総量に対するインジウム原料の濃度比を云う。)、成膜温度や成膜後の過程での被熱量等の因子を調整することによりほぼ一義的に制御できるものである。要約すれば、本発明に規定されるところの発光層は、従前の不自然な「単一相からなる均質層」に比較すればより経常的に形成され得る結晶組織構造を保有するものである。
The heterogeneous layer composed of a plurality of phases means that a plurality of phases having different indium composition ratios are mixed. Domo specifically be said to collectively as if if gallium indium nitride light emitting layer shows an example, the layer GaN (corresponding to the indium composition ratio = 0.), Such as indium Ga 0.10 In 0.90 N and Ga 0.80 In 0.20 N This means that the layer is not uniform with respect to the indium composition ratio in which a plurality of phases having different composition ratios are mixed. From a morphological point of view, in most cases, a phase having a different indium composition ratio is present in a main phase having a certain indium composition ratio as a substantially spherical or island-like microcrystal. . The gallium-indium nitride layer having such a systematically inhomogeneous layer is used as the light-emitting layer mainly due to the following reasons.
(B) In the case of strongly immiscible materials such as gallium indium and indium, etc. (1996 (1996) Autumn 57th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Proceedings No. 1, Lecture No. 8p- ZF-14, page 209), and phase separation is likely to occur. Therefore, the gallium-indium nitride light-emitting layer having such a multi-phase structure can be reasonably determined to be supported by the thermodynamic properties of the gallium-indium nitride mixed crystal (Solid).
State Commun. , 11 (1972), 617. ).
(B) This is because gallium / indium nitride having a non-uniform composition results in emission with excellent intensity (see Japanese Patent Application No. 8-208486).
That is, the structure of the light emitting layer of the present invention on the crystal structure is defined after appropriately considering a phenomenon in which the group III nitride semiconductor forming the light emitting layer changes its form under thermal influence. is there. This provision relieves the technical difficulty of trying to achieve unnatural homogenization. Further, the inhomogeneous gallium-indium nitride light-emitting layer is formed, for example, by using an indium vapor-phase composition ratio, which is one of the conditions set when forming a gallium-indium nitride crystal layer by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). (Generally, it refers to the concentration ratio of the indium raw material to the total amount of the group III element raw material supplied to the growth environment.) By adjusting factors such as the film formation temperature and the amount of heat received in the process after the film formation, it is almost unambiguous. Can be controlled. In summary, the light-emitting layer as defined in the present invention possesses a crystalline structure that can be formed more routinely as compared to the previous unnatural "homogeneous layer consisting of a single phase". .

 本発明の第1及び第2の中間層と発光層とを含めた積層構成を含む発光素子を以下に例示すると共にその積層構造を模式的に図7から図8に示す。
(ア)単結晶体を主体とする窒化ガリウムからなり、層厚が約5〜約30nmの第1の中間層(102)/p型不純物としてマグネシウムをドーピングしたμm単位の層厚のGaN下クラッド層(106)/アンドープの層厚を約10nm〜30nmとする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層からなる第2の中間層(107)/窒化ガリウム・インジウム発光層(108)/n型GaN上クラッド層(109)からなるDH構造発光部を備えた発光素子(図7参照)。
(イ)層厚を約20nmとする窒化アルミニウムからなる単結晶体を主体とする低温緩衝層(113)/層厚を約10nm前後とする窒化ガリウムからなる第1の中間層(102)/マグネシウムをドーピングした層厚を約200nm前後とする窒化ガリウム下クラッド層(106)/層厚を約15〜25nmとするアンドープの窒化アルミニウム・ガリウムからなる第2の中間層(107)/アンドープn型窒化ガリウム・インジウム発光層(108)/層厚を約10nm以下とするアンドープ窒化アルミニウム・ガリウム介在層(114)/n型GaN上クラッド層(109)からなる積層構成を備えたnサイドアップ型の発光素子(図8参照)。
(ウ)上記の(イ)の積層構造に於いて、発光層を層厚を約2nm〜約200nmとする量子井戸の量子準位とは異なる量子準位間遷移機構を利用して発光を得るアンドープ窒化ガリウム・インジウム層とする発光素子。
(エ)上記の(イ)の積層構造に於いて、アンドープ窒化ガリウム・インジウム層と不純物をドーピングした窒化ガリウム・インジウム層との多層構造からなる合計の層厚を約80nm〜約100nm或いはそれを越える層厚の発光層を備えてなる発光素子。
A light emitting device having a laminated structure including the first and second intermediate layers and the light emitting layer of the present invention is exemplified below, and the laminated structure is schematically shown in FIGS.
(A) a first intermediate layer (102) made of gallium nitride mainly composed of a single crystal and having a layer thickness of about 5 to about 30 nm / a GaN lower cladding having a layer thickness of μm unit doped with magnesium as a p-type impurity; Layer (106) / second intermediate layer (107) composed of an aluminum gallium nitride mixed crystal layer having an undoped layer thickness of about 10 nm to 30 nm / gallium / indium nitride light emitting layer (108) / n-type GaN upper cladding layer A light-emitting element including a DH structure light-emitting portion made of (109) (see FIG. 7).
(A) Low-temperature buffer layer (113) mainly composed of a single crystal of aluminum nitride having a layer thickness of about 20 nm / first intermediate layer (102) of gallium nitride having a layer thickness of about 10 nm / magnesium Gallium nitride lower cladding layer (106) with a layer thickness of about 200 nm doped with Al / second intermediate layer (107) of undoped aluminum / gallium nitride with a layer thickness of about 15 to 25 nm / undoped n-type nitride An n-side-up type light emitting device having a stacked structure of a gallium / indium light emitting layer (108) / an undoped aluminum / gallium nitride intervening layer (114) having a layer thickness of about 10 nm or less / n-type GaN upper cladding layer (109). Element (see FIG. 8).
(C) In the laminated structure of (a), light emission is obtained by using a transition mechanism between quantum levels different from the quantum level of the quantum well in which the light emitting layer has a layer thickness of about 2 nm to about 200 nm. A light emitting element having an undoped gallium indium nitride layer.
(D) In the laminated structure of (A), the total layer thickness of the multilayer structure of the undoped gallium indium nitride layer and the impurity-doped gallium indium nitride layer is about 80 nm to about 100 nm, or about 100 nm. A light-emitting element comprising a light-emitting layer having a thickness exceeding the above range.

 本発明を第1及び第2の中間層を具備した積層構造体から構成した発光ダイオードを例として説明する。積層構造体を構成する各積層体構成層は一般的な常圧(大気圧)方式のMOCVD成長装置を利用し、次記の手順により形成した。基板(101)として直径約1インチ(直径約25mm)の厚さを約90μmとする(0001)(c面)−サファイア(α−Al23 単結晶)を使用した。この結晶基板(101)を同基板(101)上に成膜を実施するためのアルカリ金属類の含有量が低い半導体工業用高純度石英反応管内の支持台(サセプター)上に水平に載置した。支持台は高純度のグラファイト素材を加工した垂直断面を楔型とするものである。反応炉の鉛直断面の形状は長方形であって、その断面積は約10.5cm2 である。反応炉内を通常の油回転式真空ポンプを具備した真空排気経路を介して真空に排気した。約10-3トール(Torr)の真空度に到達して約10分間、同真空度の状態に保持した後に約3リットル/分の流量の精製アルゴンガス(Ar)を反応炉内に流通させて炉内の圧力をほぼ大気圧に復帰させた。 The present invention will be described by taking as an example a light-emitting diode comprising a laminated structure having first and second intermediate layers. The respective layers constituting the laminated structure were formed by the following procedure using a general atmospheric pressure (atmospheric pressure) type MOCVD growth apparatus. (0001) (c-plane) -sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) having a thickness of about 90 μm and a diameter of about 1 inch (about 25 mm in diameter) was used as the substrate (101). This crystal substrate (101) was horizontally mounted on a support (susceptor) in a high-purity quartz reaction tube for semiconductor industry having a low content of alkali metals for forming a film on the substrate (101). . The support base is a wedge-shaped vertical section formed by processing a high-purity graphite material. The vertical cross section of the reactor is rectangular and has a cross-sectional area of about 10.5 cm 2 . The inside of the reactor was evacuated to a vacuum via a vacuum evacuation path equipped with a common oil rotary vacuum pump. After reaching a degree of vacuum of about 10 −3 torr (Torr), the state of the vacuum is maintained for about 10 minutes, and then purified argon gas (Ar) at a flow rate of about 3 liter / minute is passed through the reaction furnace. The pressure in the furnace was returned to almost the atmospheric pressure.

 約5分間に亘り反応炉内を精製された高純度のアルゴンガスで掃気した後、アルゴンガスの反応炉への供給を停止した。代わりに露点を約マイナス90℃とする精製水素ガス(H2 )の反応炉内への供給を開始した。水素ガスの流量は約8リットル/分に電子式質量制御計(所謂、マスフローコントロラー(MFC))で維持した。然る後、垂直断面を円形とする反応炉の外周に設けた円状に巻かれた高周波加熱コイルに一般的な高周波電源から周波数400キロヘルツ(kHz)の高周波電源を投入した。これにより、基板(101)の温度を室温(約25℃)から450℃に上昇させた。基板(101)の温度は上記の支持台の中腹に搾孔された直径約5mmの貫通孔に挿入したモリブデン(Mo)シース型の白金−白金・ロジウム合金熱電対(日本工業規格JIS−R規格に準拠した熱電対)により測温した。基板温度は熱電対から発生される熱起電力信号を入力するPID方式の市販の温度制御器により±1℃以内に精密に制御した。基板(101)の温度が450℃に到達してから約20分経過して、窒素源とした液化アンモニアガスの気化により発生したアンモニアガス(NH3 )を毎分1リットルの割合で反応炉への供給を開始した。同時に反応炉へアルミニウム(Al)源としてのトリメチルアルミニウム((CH33 Al)を供給した。トリメチルアルミニウムを収納した316ステンレス鋼製バブラー(発泡)容器はペルチェ効果を利用した電子式恒温槽で20℃に保持した。この容器内のトリメチルアルミニウムを毎分20ccの流量の水素ガスでバブリングし、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反応炉へ供給することをもってトリメチルアルミニウムの供給となした。このトリメチルアルミニウムを随伴する水素ガスとアンモニアガスの反応炉への供給を正確に6分間継続した。これより、層厚を20nmとする窒化アルミニウムからなる第1の中間層(102)を形成した。第1の中間層(102)の成長は反応炉へのトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素ガスの供給の停止をもって終了した。基板と第1の中間層からなる積層体を一旦室温迄冷却し、一部の切片を第1の中間層の内部結晶構造の同定並びに結晶配向の乱雑度の測定に供した。 After purging the inside of the reaction furnace with purified high-purity argon gas for about 5 minutes, the supply of the argon gas to the reaction furnace was stopped. Instead, the supply of purified hydrogen gas (H 2 ) having a dew point of about −90 ° C. into the reactor was started. The flow rate of hydrogen gas was maintained at about 8 liters / minute by an electronic mass controller (so-called mass flow controller (MFC)). Thereafter, a high-frequency power source having a frequency of 400 kilohertz (kHz) was supplied from a general high-frequency power source to a high-frequency heating coil wound in a circular shape and provided on the outer periphery of a reactor having a vertical vertical cross section. Thereby, the temperature of the substrate (101) was increased from room temperature (about 25 ° C.) to 450 ° C. The temperature of the substrate (101) is controlled by a molybdenum (Mo) sheath-type platinum-platinum-rhodium alloy thermocouple (Japanese Industrial Standard JIS-R standard) inserted into a through hole having a diameter of about 5 mm formed in the middle of the support. The temperature was measured with a thermocouple according to The substrate temperature was precisely controlled to within ± 1 ° C. by a commercially available PID type temperature controller that inputs a thermoelectromotive force signal generated from a thermocouple. About 20 minutes after the temperature of the substrate (101) reached 450 ° C., ammonia gas (NH 3 ) generated by vaporization of liquefied ammonia gas used as a nitrogen source was supplied to the reactor at a rate of 1 liter per minute. Started to supply. At the same time, trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al) was supplied to the reaction furnace as an aluminum (Al) source. A bubbler (foam) container made of 316 stainless steel containing trimethylaluminum was kept at 20 ° C. in an electronic thermostat utilizing the Peltier effect. Trimethylaluminum in this vessel was bubbled with hydrogen gas at a flow rate of 20 cc / min, and hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum vapor was supplied to the reaction furnace to supply trimethylaluminum. The supply of the hydrogen gas and the ammonia gas accompanying the trimethylaluminum to the reactor was continued for exactly 6 minutes. Thus, a first intermediate layer (102) made of aluminum nitride having a layer thickness of 20 nm was formed. The growth of the first intermediate layer (102) was terminated by stopping the supply of hydrogen gas accompanying the vapor of trimethylaluminum to the reactor. The laminate comprising the substrate and the first intermediate layer was once cooled to room temperature, and some of the slices were subjected to the identification of the internal crystal structure of the first intermediate layer and the measurement of the degree of disorder in the crystal orientation.

 as−grown状態で第1の中間層(102)の内部結晶組織を一般的な断面TEM技法で観察した。断面TEM観察に先立ち、アルゴン(Ar)イオンを用いるスパッタリングで観察試料を薄層化した。加速電圧を200キロボルト(KV)として撮像された断面TEM像を図1に模式的に示す。基板(101)の表面から約5nmの厚さの領域には単結晶層(103)が存在していた。単結晶層(103)の内部に観測される格子像(104)は基板(101)の格子像に略平行に配列しているのが認められた。単結晶層(103)の上方には基板(101)及び単結晶層(103)内の格子像(104)と略平行の格子像(104)を内包する単結晶粒(105)が存在していた。以上の観察結果を総合すれば、単結晶層は全厚の約25%を占有し、残部の厚さにして約15nmの領域は単結晶粒が主に占有する領域であった。この構成は従来の一部の低温緩衝層で観察されている層のほぼ全域が層状の単結晶となっているのとも構成を異にするものであった(J.Electron.Mater.、24(4)(1995)、241〜247頁参照)。 In the as-grown state, the internal crystal structure of the first intermediate layer (102) was observed by a general cross-sectional TEM technique. Prior to the cross-sectional TEM observation, the observation sample was thinned by sputtering using argon (Ar) ions. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional TEM image taken at an acceleration voltage of 200 kilovolts (KV). The single crystal layer (103) was present in a region having a thickness of about 5 nm from the surface of the substrate (101). It was recognized that the lattice image (104) observed inside the single crystal layer (103) was arranged substantially parallel to the lattice image of the substrate (101). Above the single crystal layer (103), there is a single crystal grain (105) including a lattice image (104) substantially parallel to the lattice image (104) in the substrate (101) and the single crystal layer (103). Was. Based on the above observation results, the single crystal layer occupies about 25% of the total thickness, and the remaining thickness of about 15 nm is a region mainly occupied by single crystal grains. This configuration differs from the configuration in that almost all of the layer observed in some conventional low-temperature buffer layers is a layered single crystal (J. Electron. Mater., 24 ( 4) (1995), pp. 241-247).

 同じくas−grown状態で四結晶X線回折法を利用して第1の中間層を構成する窒化アルミニウム層の配向の乱雑度を測定した。モザイク度は散乱方位角(記号ωで一般に表記される。)にして概ね、±1.0度(°)であった。 Similarly, in the as-grown state, the degree of randomness of the orientation of the aluminum nitride layer constituting the first intermediate layer was measured by using the four crystal X-ray diffraction method. The mosaic degree was approximately ± 1.0 degree (°) as a scattering azimuth angle (generally represented by the symbol ω).

 上記の積層体の残部をサセプター上に載置して再び反応炉内に挿入した。然る後、反応炉への4リットル/分の流量をもってアルゴンガスの供給を開始した。高周波コイルに印加する電力量を増し、基板(101)の温度を室温から1050℃に平均して約100℃/分の速度で昇温した。中途、基板(101)の温度が450℃を通過した時点で流量を1リットル/分とするアンモニアガスの反応炉への供給量を開始した。熱電対で測温される基板温度が1050℃となった時点で直ちにアンモニアの反応炉への供給量を毎分1リットルから毎分3.5リットルへと電子式質量流量計をもって増加させた。同時にアルゴンガスの供給量を4リットル/分より1.3リットル/分に減じると共に、水素ガスの反応炉への供給を毎分1.3リットルの流量をもって再開した。これにより、高純度石英管から構成される反応炉へは合計して6.1リットル/分の水素、アルゴン及びアンモニアからなる混合ガスが流通する状況とした。基板(101)の温度が1050℃に到達して5分間待機した後、第1の中間層(102)上には、マグネシウムをドーピングした窒化ガリウムからなる上クラッド層(106)を重層した。ガリウム源にはトリメチルガリウムを使用した。トリメチルガリウムを収容する316ステンレス鋼製バブラー容器は電子式恒温槽により正確に0℃に保持した。バブリング用且つトリメチルガリウムの蒸気の随伴用の水素ガスの流量は毎分30ccとした。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−(CH3542 Mg)を使用した。マグネシウムドーピング源を収容するステンレス鋼製のシリンダー容器は電子式恒温槽により45℃の恒温に保持した。同温度に保持して液化させたビス−メチルシクロペンタジエニルマグネシウム内にはバブリング用ガスとして電子式質量流量計により流量を毎分20ccに精密に調整して制御された水素ガスを流通した。ガリウム源及びマグネシウム源の蒸気を随伴する水素ガスの反応炉への供給を60分間に亘り継続して層厚を3.2μmとするマグネシウムを内在した窒化ガリウム層(106)を形成した。ガリウム源並びにマグネシウム源の反応炉への供給を停止することをもってマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)の成長を終了した。 The remaining part of the above laminated body was placed on a susceptor and inserted again into the reactor. Thereafter, the supply of argon gas was started at a flow rate of 4 liters / minute to the reactor. The amount of power applied to the high-frequency coil was increased, and the temperature of the substrate (101) was increased from room temperature to 1050 ° C. at an average rate of about 100 ° C./min. On the way, when the temperature of the substrate (101) passed 450 ° C., the supply of ammonia gas to the reaction furnace was started at a flow rate of 1 liter / min. As soon as the substrate temperature measured by the thermocouple reached 1050 ° C., the supply amount of ammonia to the reactor was increased from 1 liter per minute to 3.5 liters per minute using an electronic mass flow meter. At the same time, the supply rate of argon gas was reduced from 4 liters / minute to 1.3 liters / minute, and the supply of hydrogen gas to the reactor was restarted at a flow rate of 1.3 liters / minute. As a result, a total of 6.1 liter / min of a mixed gas composed of hydrogen, argon, and ammonia flows into the reaction furnace including the high-purity quartz tube. After the temperature of the substrate (101) reached 1050 ° C. and waited for 5 minutes, an upper clad layer (106) made of gallium nitride doped with magnesium was overlaid on the first intermediate layer (102). Trimethylgallium was used as the gallium source. The 316 stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was maintained at exactly 0 ° C. in an electronic thermostat. The flow rate of hydrogen gas for bubbling and entrainment of trimethylgallium vapor was 30 cc / min. The doping source magnesium bis - using cyclopentadienyl magnesium (bis- (CH 3 C 5 H 4) 2 Mg). The stainless steel cylinder container containing the magnesium doping source was kept at a constant temperature of 45 ° C. by an electronic constant temperature bath. In the bis-methylcyclopentadienyl magnesium liquefied while maintaining the same temperature, a hydrogen gas controlled as a bubbling gas, the flow rate of which was precisely controlled to 20 cc / min by an electronic mass flowmeter, was passed. The supply of hydrogen gas accompanying the vapors of the gallium source and the magnesium source to the reactor was continued for 60 minutes to form a gallium nitride layer (106) containing magnesium having a layer thickness of 3.2 μm. The growth of the magnesium-doped gallium nitride layer (106) was terminated by stopping the supply of the gallium source and the magnesium source to the reactor.

 p型不純物を内在する窒化ガリウム層(106)の成長が終了した後は基板(101)の温度を1050℃に維持したままで、尚且キャリアガスの混合組成並びに流量とアンモニアガスの流量を不変としたままで3分間待機した。待機後、上記のアルミニウム源とガリウム源を反応炉に供給して第2の中間層(107)の成長を開始した。この際、トリメチルガリウムをバブリングし、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素ガスの流量は毎分5ccとした。また、トリメチルアルミニウムをバブリングし、トリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素ガスの流量は毎分10ccに設定した。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ガスの反応炉への供給を正確に3分間に亘り継続して層厚を25nmとするアンドープの第2の中間層(107)を形成した。第2の中間層(107)の成長はIII 族原料の蒸気を随伴する水素バブリングガスの反応炉への供給を停止することをもって終了した。 After the growth of the gallium nitride layer (106) containing the p-type impurity is completed, the temperature of the substrate (101) is maintained at 1050 ° C., and the mixture composition and the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the ammonia gas remain unchanged. And waited for 3 minutes. After the standby, the above-mentioned aluminum source and gallium source were supplied to the reactor, and the growth of the second intermediate layer (107) was started. At this time, trimethylgallium was bubbled, and the flow rate of hydrogen gas accompanying the vapor of trimethylgallium was 5 cc / min. Trimethylaluminum was bubbled, and the flow rate of hydrogen gas accompanying the vapor of trimethylaluminum was set at 10 cc / min. The supply of hydrogen gas accompanying the vapors of trimethylgallium and trimethylaluminum to the reactor was continued for exactly 3 minutes to form an undoped second intermediate layer (107) having a layer thickness of 25 nm. The growth of the second intermediate layer (107) was terminated by stopping the supply of the hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of the group III raw material to the reactor.

 第2の中間層(107)の成長を終了した後は、同層(107)の結晶の配向の乱雑度及びアルミニウム組成比の測定に付すために室温迄冷却した。乱雑度及びアルミニウム組成比は第1の中間層の場合と同様に上記の四結晶X線回折法を利用して測定した。モザイク度はωにして±0.5度の範囲内にあった。アルミニウム組成比については窒化ガリウム層(106)からの回折X線ピークが出現する位置を基準にした離角の程度から約0.06(6%)程度であると判定された。この結果を基に第2の中間層(107)は第1の中間層(106)に比較して配向上の乱雑度が小さい、アルミニウム組成比を0.06とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.06Ga0.94N)からなるものと同定された。 After the growth of the second intermediate layer (107) was completed, the layer was cooled to room temperature in order to measure the degree of disorder of the crystal orientation of the same layer (107) and the aluminum composition ratio. The degree of disorder and the aluminum composition ratio were measured by using the above-mentioned four-crystal X-ray diffraction method as in the case of the first intermediate layer. The mosaic degree was within a range of ± 0.5 degrees as ω. The aluminum composition ratio was determined to be about 0.06 (6%) from the degree of separation based on the position where the diffraction X-ray peak from the gallium nitride layer (106) appears. Based on this result, the second intermediate layer (107) has a smaller degree of disorder in orientation than the first intermediate layer (106), and an aluminum nitride-gallium mixed crystal with an aluminum composition ratio of 0.06 ( Al 0.06 Ga 0.94 N).

 測定終了後、第2の中間層(107)を最表層とする積層体を反応炉内に挿入し、アルゴン雰囲気内に於いて室温から890℃に平均して100℃/分の速度で昇温した。基板(101)の温度が890℃に安定する迄3分間待機した。然る後、流量を毎分3.0リットルとするアルゴンと同じく毎分3.0リットルとするアンモニアガスから構成される成長雰囲気内へのガリウム源及びインジウム源の供給を開始して第2の中間層(107)上へのアンドープの窒化ガリウム・インジウム(Ga0.94In0.06N)発光層(108)の成長を開始した。ガリウム(Ga)源には上記のトリメチルガリウムを利用し、ガリウム源のバブラー容器の温度は0℃とした。トリメチルガリウムの蒸気を随伴するためのバブリング用水素ガスの流量は電子式質量流量計により毎分5ccに制御した。インジウムの供給源にはトリメチルインジウム((CH33 In)を使用した。トリメチルインジウムは内容積を約100ccとするステンレス鋼製のシリンダー容器内に収納し、同シリンダー容器は電子式恒温槽を利用して正確に35℃に保持した。インジウム源を収納するシリンダー容器内には、昇華したトリメチルインジウムの蒸気を反応炉内に随伴するために毎分13.3ccの流量の水素ガスを流通させた。反応炉内に供給するガリウム源とインジウム源の総量に対するインジウム源の供給量の比率所謂、インジウムの気相組成比は0.10となった。インジウムの気相組成比は0℃に於けるトリメチルガリウムの蒸気圧を約64.4トール(Torr)とし、35℃に於けるトリメチルインジウムの蒸気圧を3.0トールとして求めた。窒素(N)源となすアンモニアガスの流量を毎分3.5リットルに、またアルゴンガスの流量を2.6リットル/分に維持したままで正確に15分間に亘りIII 族、V族元素原料及び水素、アルゴンキャリアガスの供給を継続しての層厚を6nmとするアンドープの窒化ガリウム・インジウム発光層(108)を成膜した。 After completion of the measurement, the laminate having the second intermediate layer (107) as the outermost layer is inserted into the reaction furnace, and the temperature is increased from room temperature to 890 ° C. on average in an argon atmosphere at a rate of 100 ° C./min. did. It waited for 3 minutes until the temperature of the substrate (101) was stabilized at 890 ° C. Thereafter, supply of a gallium source and an indium source into a growth atmosphere composed of an argon gas having a flow rate of 3.0 liters per minute and an ammonia gas having a flow rate of 3.0 liters per minute was started, and a second gas supply was started. The growth of the undoped gallium indium nitride (Ga 0.94 In 0.06 N) light emitting layer (108) on the intermediate layer (107) was started. The above-mentioned trimethylgallium was used as a gallium (Ga) source, and the temperature of the bubbler container of the gallium source was set to 0 ° C. The flow rate of hydrogen gas for bubbling to accompany the vapor of trimethylgallium was controlled at 5 cc / min by an electronic mass flow meter. Trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) was used as a source of indium. Trimethylindium was stored in a stainless steel cylinder container having an internal volume of about 100 cc, and the cylinder container was maintained at exactly 35 ° C. using an electronic thermostat. Hydrogen gas at a flow rate of 13.3 cc / min was passed through the cylinder vessel containing the indium source to entrain the sublimated trimethylindium vapor into the reactor. The ratio of the supply amount of the indium source to the total amount of the gallium source and the indium source supplied into the reactor, that is, the so-called gas phase composition ratio of indium was 0.10. The vapor phase composition ratio of indium was determined by setting the vapor pressure of trimethylgallium at 0 ° C. to about 64.4 torr (Torr) and the vapor pressure of trimethylindium at 35 ° C. to 3.0 torr. While maintaining the flow rate of ammonia gas as a nitrogen (N) source at 3.5 liters per minute and maintaining the flow rate of argon gas at 2.6 liters / minute, the raw materials of the group III and V elements are accurately taken for 15 minutes. Then, an undoped gallium-indium nitride light-emitting layer (108) having a layer thickness of 6 nm by continuously supplying hydrogen and an argon carrier gas was formed.

 上記のガリウム源及びインジウム源の反応炉への供給を中断して発光層(108)の成膜を終了させた。アルゴン及びアンモニア両ガスの流量を上記の値に保持した状態で支持台の中腹に挿入した熱電対からの熱起電力信号を基に高周波コイルに印加する高周波電源からの電力量を調節しながら基板(101)の温度を890℃から1050℃に昇温した。昇温過程での不用意に緩やかな昇温に因るインジウムを含有する発光層(108)の揮散を抑制する目的で890℃から1050℃へは3分間で昇温した。基板(101)の温度が1050℃に到達した後、直ちにアルゴンの流量を毎分1.3リットルに減じると同時に流量を毎分1.3リットルとする水素ガスを流通させた。これより、流量を合計して6.1リットル/分とする水素−アルゴン−アンモニア混合ガスからなる成長雰囲気を創出した。瞬時にして水素及びアルゴンの流量の調整を終了した後、間断なく発光層(108)上へ珪素(Si)ドープn型窒化ガリウム層(109)を成長させた。n型窒化ガリウム層(109)の成長時には、0℃に保持し液化したトリメチルガリウムに毎分30ccの流量の水素ガスでバブリング操作を施し、トリメチルガリウムを随伴した水素バブリングガスを反応炉内に供給した。珪素は高純度の水素で体積濃度にして約1ppmに希釈されたジシラン(Si26 )をドーピング源として添加した。ジシランドーピングガスの流量は電子式質量流量計により毎分20ccに設定した。ガリウム源の蒸気を随伴する水素バブリングガス並びに珪素ドーピング源ガスの反応炉への供給を正確に6分間に亘り継続して層厚を300nmとするSiドープn型窒化ガリウム層(109)を得た。 The supply of the gallium source and the indium source to the reaction furnace was interrupted to terminate the formation of the light emitting layer (108). While adjusting the amount of power from the high-frequency power source applied to the high-frequency coil based on the thermo-electromotive force signal from the thermocouple inserted in the middle of the support while maintaining the flow rates of both the argon and ammonia gases at the above values, the substrate is adjusted. The temperature of (101) was increased from 890 ° C. to 1050 ° C. The temperature was raised from 890 ° C. to 1050 ° C. for 3 minutes in order to suppress volatilization of the indium-containing light emitting layer (108) due to a carelessly gradual rise in temperature during the temperature rise process. Immediately after the temperature of the substrate (101) reached 1050 ° C., the flow rate of argon was reduced to 1.3 liters per minute, and at the same time, hydrogen gas was supplied at a flow rate of 1.3 liters per minute. Thus, a growth atmosphere composed of a hydrogen-argon-ammonia mixed gas having a total flow rate of 6.1 liter / min was created. After instantaneously adjusting the flow rates of hydrogen and argon, a silicon (Si) -doped n-type gallium nitride layer (109) was grown on the light emitting layer (108) without interruption. During the growth of the n-type gallium nitride layer (109), the liquefied trimethylgallium kept at 0 ° C. is bubbled with hydrogen gas at a flow rate of 30 cc / min, and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium is supplied into the reactor. did. As silicon, disilane (Si 2 H 6 ) diluted to about 1 ppm by volume with high-purity hydrogen was added as a doping source. The flow rate of the disilane doping gas was set to 20 cc / min by an electronic mass flow meter. Supply of the hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of the gallium source and the silicon doping source gas to the reaction furnace was continued for exactly 6 minutes to obtain a Si-doped n-type gallium nitride layer (109) having a layer thickness of 300 nm. .

 n型窒化ガリウム層(109)の成膜を停止するためにガリウム源の反応炉内への流通を中断した。同時に珪素ドーピングガス及び水素ガスの反応炉内への供給を停止した。アンモニアガスの流量は毎分3.5リットルに維持した。これより、反応炉内に流通するガス種をアルゴンガスとアンモニアとした。反応炉内の雰囲気をアルゴンとアンモニアガスで構成した状態で、高周波コイルに印加する高周波電力量を低減して基板(101)の温度を1050℃から約2分間で950℃に低下させた。基板(101)の温度が950℃近傍となった時点で反応炉内に流通するアルゴンの流量を毎分1.3リットルから2.6リットルへ増量した。アルゴンとアンモニアから構成される混合雰囲気内で950℃から650℃へは毎分15℃の速度で20分間を要して降温した。650℃に降温した時点でアンモニアガスの反応炉内への供給を遮断し、反応炉に流通するガスをアルゴンのみとした。係る状態で室温迄冷却した。 (5) The flow of the gallium source into the reactor was interrupted to stop the formation of the n-type gallium nitride layer (109). At the same time, the supply of the silicon doping gas and the hydrogen gas into the reactor was stopped. The flow rate of ammonia gas was maintained at 3.5 liters per minute. Thus, the gas species flowing in the reaction furnace were argon gas and ammonia. While the atmosphere in the reactor was composed of argon and ammonia gas, the amount of high frequency power applied to the high frequency coil was reduced to lower the temperature of the substrate (101) from 1050 ° C. to 950 ° C. in about 2 minutes. When the temperature of the substrate (101) reached about 950 ° C., the flow rate of argon flowing through the reactor was increased from 1.3 liters per minute to 2.6 liters per minute. In a mixed atmosphere composed of argon and ammonia, the temperature was lowered from 950 ° C. to 650 ° C. at a rate of 15 ° C./minute for 20 minutes. At the time when the temperature was lowered to 650 ° C., the supply of the ammonia gas into the reactor was cut off, and only argon gas was passed through the reactor. In this state, it was cooled to room temperature.

 冷却後、一般的な電解C−V法により測定したn型窒化ガリウム層(109)の表面のキャリア濃度は約1×1018cm-3であった。積層構造体の一部切片を使用して2次イオン質量分析法(SIMS)により構成元素並びにドーパントの深さ方向の濃度分布を測定した。特に、第2の中間層と発光層との界面近傍の領域並びに発光層内部のマグネシウムの分布及び濃度に注目して測定した。図2に掲示する如くマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)内のマグネシウムは層厚方向にほぼ一様に分布しており、その濃度は約2×1019cm-3であった。第2の中間層(107)内ではマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)と第2の中間層(107)との接合界面から発光層(108)との接合界面に向けて指数関数的に減少するのが認められた。第2の中間層(107)と発光層(108)との接合界面では、マグネシウム濃度は約6×1017cm-3に減じていた。発光層(108)の内部では、マグネシウムの濃度は珪素ドープn型窒化ガリウム層(109)側に向けて減少しており、おしなべて約4×1017cm-3となった。 After cooling, the carrier concentration on the surface of the n-type gallium nitride layer (109) measured by a general electrolytic CV method was about 1 × 10 18 cm −3 . Concentration distributions of the constituent elements and the dopant in the depth direction were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) using a part of the laminated structure. In particular, the measurement was performed by paying attention to the region near the interface between the second intermediate layer and the light emitting layer and the distribution and concentration of magnesium inside the light emitting layer. As shown in FIG. 2, magnesium in the magnesium-doped gallium nitride layer (106) was distributed almost uniformly in the thickness direction, and its concentration was about 2 × 10 19 cm −3 . In the second intermediate layer (107), it decreases exponentially from the junction interface between the magnesium-doped gallium nitride layer (106) and the second intermediate layer (107) toward the junction interface with the light emitting layer (108). Was recognized. At the joint interface between the second intermediate layer (107) and the light emitting layer (108), the magnesium concentration was reduced to about 6 × 10 17 cm −3 . Inside the light-emitting layer (108), the concentration of magnesium decreases toward the silicon-doped n-type gallium nitride layer (109), and is generally about 4 × 10 17 cm −3 .

 上記の成長操作で得た積層体の断面をアルゴンイオンでスパッタリング処理を施し、加速電圧200KVとする断面TEM観察に適する層厚とした。第1の中間層(102)の内部構造を観察すると、as−grown状態ではサファイア基板(101)との界面近傍のみの領域が層状の単結晶であると認められたものが、積層体の形成を終了した後は第1の中間層(102)のほぼ全領域に亘り層状の単結晶と化していた。第1の中間層(102)の内部には亀裂等に因り層の連続性が損なわれている領域は認知されず、また、マグネシウムをドーピングした窒化ガリウム層(106)との接合界面もほぼ平坦であった。第1の中間層(102)とマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)との接合界面に端を発すると見受けられる明視野断面TEM像上に線状の黒色コントラストとして撮像される多くの転位が第2の中間層(107)とマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)との接合界面で途絶しているのも視認された。第2の中間層(107)は層厚方向のほぼ全域に亘り層状の単結晶から構成されていた。窒化ガリウム・インジウム(Ga0.94In0.06N)発光層(108)の部分を撮像した断面TEM像からは、この層(108)が不均質な組織からなるものであると認められた。形態的に記述すれば層状体の中に略球状の微結晶体が存在するものであった。略球状の結晶体の直径は撮像された円形状のコントラストから最大でも約3nmであった。また、結晶体は発光層の内部の特定領域に偏析せず、ほぼ一様に分布していた。断面TEM像に撮像された微結晶体の数は横50nmで縦(層厚)が約6nmの撮像面積で概ね、2個であった。 The cross section of the laminated body obtained by the above growth operation was subjected to a sputtering treatment with argon ions to have a layer thickness suitable for cross-sectional TEM observation at an acceleration voltage of 200 KV. Observation of the internal structure of the first intermediate layer (102) reveals that, in the as-grown state, a region only in the vicinity of the interface with the sapphire substrate (101) is recognized as a layered single crystal. After the completion of the above, the entire surface of the first intermediate layer (102) was converted into a layered single crystal. A region where the continuity of the layer is impaired due to a crack or the like is not recognized inside the first intermediate layer (102), and the junction interface with the magnesium-doped gallium nitride layer (106) is almost flat. Met. Many dislocations, which are imaged as a linear black contrast on a bright-field cross-sectional TEM image that appears to originate at the junction interface between the first intermediate layer (102) and the magnesium-doped gallium nitride layer (106), are second. At the bonding interface between the intermediate layer (107) and the magnesium-doped gallium nitride layer (106). The second intermediate layer (107) was composed of a layered single crystal over almost the entire area in the layer thickness direction. From a cross-sectional TEM image of a portion of the gallium indium nitride (Ga 0.94 In 0.06 N) light emitting layer (108), it was confirmed that the layer (108) had a heterogeneous structure. Describing morphologically, a substantially spherical microcrystal was present in the layered body. The diameter of the substantially spherical crystal was at most about 3 nm based on the captured circular contrast. In addition, the crystals did not segregate in a specific region inside the light emitting layer and were distributed almost uniformly. The number of microcrystals imaged in the cross-sectional TEM image was approximately two in an imaging area of 50 nm in width and about 6 nm in height (layer thickness).

 薄層化した上記の試料の断面を一般的な分析用電子顕微鏡で観察して発光層(108)の内部の組成を解析した。インジウムの濃度を分析するために行ったEPMA(lectron−robe
icro−nalysis)の分析結果からは微結晶体には他の領域所謂、母相の内部に比較してより多くのインジウムが含有されているのが認められた。母相からもインジウムの特性X線に起因すると推定される信号(signal)が検知はされるものの、S/N比が低くその信号を明確にインジウムの特性X線信号とは認知出来なかった。即ち、母相を構成するのはインジウム濃度が低いため殆ど窒化ガリウムの組成に極めて近いものであると判断された。検出されるインジウムのkα特性X線の強度から判断すれば、微結晶体の相互間にもインジウム濃度の相違が%の単位で存在することを教示する結果が得られたが、濃度の相違を正確に定量するにはEPMA分析器の検出性能上至らなかった。しかし、微結晶体に含有するインジウムの濃度は最大でも数%であり、10%を越えてインジウムを含む微結晶体は希有であった。また、微結晶体とその周囲の母相との境界には歪等に因ると思われる結晶格子の配列が乱れた領域が存在した。
The cross section of the thinned sample was observed with a general analytical electron microscope to analyze the composition inside the light emitting layer (108). EPMA was performed to analyze the concentration of indium (e lectron- p robe
m icro- a nalysis) the fine crystals from the analysis of other regions so-called, the more indium compared to the interior of the mother phase is contained was observed. Although a signal (signal) presumed to be caused by the characteristic X-ray of indium was detected from the mother phase, the S / N ratio was low and the signal was not clearly recognized as a characteristic X-ray signal of indium. That is, it was determined that the matrix phase was very close to the composition of gallium nitride because of the low indium concentration. Judging from the intensity of the detected kα characteristic X-ray of indium, a result was obtained which teaches that a difference in the indium concentration exists between the microcrystals in units of%. Accurate quantification did not reach the detection performance of the EPMA analyzer. However, the concentration of indium contained in the microcrystal was at most several percent, and the microcrystal containing indium exceeding 10% was rare. At the boundary between the microcrystal and the surrounding parent phase, there was a region in which the arrangement of the crystal lattice was disturbed, which is considered to be caused by distortion or the like.

 nサイドアップ構造型の上記の積層構造体を母体材料として発光ダイオードを作製した。p型電極(正電極)(110)を形成する予定領域のマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)上に在る第2の中間層(107)、発光層(108)及びn型窒化ガリウム層(109)をアルゴン−メタン(CH4 )−水素混合ガスを使用するマイクロ波プラズマエッチング技術によりエッチングして除去した。このエッチングはマグネシウムをドーピングした窒化ガリウム層(106)の表層部を約150nm除去するに至る迄継続した。然る後、エッチングにより露呈したマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)の表面に透光性、透過性の電極を付帯しないパッド電極(110)を形成した。パッド電極(110)は金・ベリリウム(Au・Be)合金と金(Au)との重層電極とした。一方、最表層であるSiドープn型窒化ガリウム層(109)上には、n型伝導を呈するインジウム・錫酸化物(ITO)膜からなる膜厚を約200nmとする透光性電極(111)を被着した。透光性電極(111)は上記のエッチングによりメサ型に残存させたn型層(109)のほぼ全域に形成した。透光性電極(111)の表面上に直接、パッド電極を形成する方法もあるが、本実施例では透光性電極(111)の一部を除去してアルミニウムからなるn型(負電極)用のパッド電極(112)を形成した。即ち、アルミニウムパッド電極(112)の底部はn型窒化ガリウム層(109)の表面に接地させた。アルミニウムパッド電極(112)とITO透光性電極(111)との剥がれ強度はほぼ同等であった。ちなみに、約200nmの膜厚のITO透光性電極の波長450nmに対する透過率は、膜厚を約25nmとする従来の金・ニッケル(Au・Ni)透光性金属薄膜の約43%に対し約2倍以上の高い透過性を示した。図3はLEDの平面模式図である。図4にその断面構造を模式的に示す。 A light emitting diode was manufactured using the above-described stacked structure of the n-side-up structure type as a base material. A second intermediate layer (107), a light emitting layer (108) and an n-type gallium nitride layer (109) on the magnesium-doped gallium nitride layer (106) in a region where a p-type electrode (positive electrode) (110) is to be formed. ) Was removed by etching using a microwave plasma etching technique using an argon-methane (CH 4 ) -hydrogen mixed gas. This etching was continued until the surface of the magnesium-doped gallium nitride layer (106) was removed by about 150 nm. Thereafter, on the surface of the magnesium-doped gallium nitride layer (106) exposed by etching, a pad electrode (110) having no light-transmitting or light-transmitting electrode was formed. The pad electrode (110) was a multilayer electrode of a gold-beryllium (Au-Be) alloy and gold (Au). On the other hand, on the Si-doped n-type gallium nitride layer (109), which is the outermost layer, a translucent electrode (111) made of an indium tin oxide (ITO) film exhibiting n-type conduction and having a thickness of about 200 nm. Was adhered. The translucent electrode (111) was formed on almost the entire region of the n-type layer (109) left in the mesa shape by the above-described etching. Although there is a method of forming a pad electrode directly on the surface of the translucent electrode (111), in this embodiment, an n-type (negative electrode) made of aluminum by removing a part of the translucent electrode (111) Pad electrode (112) was formed. That is, the bottom of the aluminum pad electrode (112) was grounded to the surface of the n-type gallium nitride layer (109). The peel strength between the aluminum pad electrode (112) and the ITO translucent electrode (111) was almost equal. Incidentally, the transmittance at a wavelength of 450 nm of an ITO translucent electrode having a thickness of about 200 nm is about 43% of that of a conventional gold-nickel (Au.Ni) translucent metal thin film having a thickness of about 25 nm. It showed twice as high permeability. FIG. 3 is a schematic plan view of the LED. FIG. 4 schematically shows the cross-sectional structure.

 隣接する電極間((110)及び(112))間に直流電圧を印加した。1ボルト(V)未満の直流電圧例えば、0.4Vの印加により既に青色の発光が得られた。印加する電圧値の増大と共に青色発光の強度は増加した。一般の積分球を利用した測定では6.0Vの直流電圧を印加し、順方向電流を38ミリアンペア(mA)通流した際の発光出力は2.0ミリワット(mW)となった。一方、通常のフォトルミネッセンス測光装置に付属する分光器を利用した発光スペクトルの測定では、主たる発光スペクトルの発光波長が452nmであるのが知れた。主たる発光スペクトルの他には波長365nm近傍の窒化ガリウムのバンド(band)端発光に起因すると考慮される以外のスペクトルの出現は認められなかった。この云わば副次的なスペクトルの発光強度は主たるスペクトルのそれに比較すれば優に1/100未満の非常に微弱なものであった。また、主たる発光スペクトルの半値幅は室温で130ミリエレクトロンボルト(meV)と狭帯化されていた。このため、LEDは強度的にも単色性にも優れたものとなった。 直流 DC voltage was applied between adjacent electrodes ((110) and (112)). Blue light emission was already obtained by applying a DC voltage of less than 1 volt (V), for example, 0.4 V. The intensity of blue light emission increased with an increase in the applied voltage value. In the measurement using a general integrating sphere, a DC voltage of 6.0 V was applied, and the emission output when a forward current of 38 milliamperes (mA) was passed was 2.0 milliwatts (mW). On the other hand, in the measurement of the emission spectrum using a spectroscope attached to an ordinary photoluminescence photometer, it was found that the emission wavelength of the main emission spectrum was 452 nm. In addition to the main emission spectrum, the appearance of any spectrum other than the spectrum considered to be caused by gallium nitride band-edge emission near the wavelength of 365 nm was not observed. In other words, the emission intensity of the secondary spectrum was very weak, less than 1/100 of that of the main spectrum. Further, the half-width of the main emission spectrum was narrowed to 130 millielectron volts (meV) at room temperature. For this reason, the LED was excellent in both intensity and monochromaticity.

 両電極間の電流−電圧特性(I−V特性)には整流性がみられた。逆方向の電流を10マイクロアンペア(μA)とした際の逆方向耐圧(電圧)は10Vを越えるものとなった。これより、マグネシウムをドーピングした窒化ガリウム層(106)は上記の成長期間中により低抵抗となり、整流性を与えるに充分なpn接合が帰結されることが示唆された。 整流 Rectification was observed in the current-voltage characteristics (IV characteristics) between both electrodes. The reverse breakdown voltage (voltage) when the current in the reverse direction was 10 microamps (μA) exceeded 10 V. This suggests that the magnesium-doped gallium nitride layer (106) has a lower resistance during the growth period, resulting in a pn junction sufficient to provide rectification.

 (比較例)第2の中間層のみを削除したことのみを相違し、他は上記実施例と同一の構成からなる積層構造体を形成した。換言すれば、上記の実施例に記載の条件に従い第2の中間層が省かれ、マグネシウムをドープした窒化ガリウム層(106)と窒化ガリウム・インジウム発光層(108)との直接接合を含む積層構造体を得た。図5に積層構造体の断面構造を模式的に示す。第2の中間層を削除した理由は、第2の中間層の有無に依る積層構造体の表面状態並びに発光層へのp型不純物(マグネシウム)の侵入の度合いの差異を示すためである。一般的な微分干渉型の光学顕微鏡による観察によれば、積層構造体の表面には多数の半球状の突起が存在した。この突起の発生起源を探るため積層構造体の最表層のn型窒化ガリウム層(109)よりプラズマエッチングによるステップエッチングを繰り返し、逐次表面を観察した。その結果、半球状の突起は発光層の領域で既に発生しているのが視認され、発光層の表面も平滑ではなく波状の“うねり”のあるものとなった。しかし、発光層(108)の直下のマグネシウムドープ窒化ガリウム層(106)の表面近傍の領域には半球状の突起は殆ど認めらず、また、亀裂もなく平滑で平坦な表面となっていた。これより、突起は発光層(108)を起源として多く発生しており、従って、発光層の表面状態自体をも損なうものと判断された。図6にはSIMSによるマグネシウム原子の深さ方向の分布を提示する。第2の中間層を挿入した上記実施例の場合と明らかに異なり、マグネシウムの発光層(108)への顕著な侵入が認められた。発光層(108)内のマグネシウムの濃度は約6×1018cm-3と定量された。 (Comparative Example) A laminated structure having the same configuration as that of the above embodiment was formed except that only the second intermediate layer was deleted. In other words, the second intermediate layer is omitted according to the conditions described in the above embodiment, and the laminated structure includes a direct junction between the magnesium-doped gallium nitride layer (106) and the gallium-indium nitride light-emitting layer (108). Got a body. FIG. 5 schematically shows a cross-sectional structure of the laminated structure. The reason for removing the second intermediate layer is to show the difference in the surface state of the laminated structure and the degree of penetration of p-type impurities (magnesium) into the light emitting layer depending on the presence or absence of the second intermediate layer. According to observation by a general differential interference type optical microscope, many hemispherical projections were present on the surface of the laminated structure. In order to find the origin of the projections, step etching by plasma etching was repeated from the outermost n-type gallium nitride layer (109) of the laminated structure, and the surface was sequentially observed. As a result, it was visually recognized that hemispherical projections had already occurred in the region of the light emitting layer, and the surface of the light emitting layer was not smooth but had wavy “undulations”. However, in the region near the surface of the magnesium-doped gallium nitride layer (106) immediately below the light-emitting layer (108), almost no hemispherical projection was recognized, and the surface was smooth and flat without cracks. From this, it was determined that many protrusions were generated from the light emitting layer (108), and therefore, the surface state itself of the light emitting layer was also impaired. FIG. 6 shows the distribution of magnesium atoms in the depth direction by SIMS. Unlike the case of the above example in which the second intermediate layer was inserted, remarkable intrusion of magnesium into the light emitting layer (108) was observed. The concentration of magnesium in the light emitting layer (108) was determined to be about 6 × 10 18 cm −3 .

 実施例と同様の電極構成のLEDを作製した。発光強度自体、実施例に比較すれば弱く約0.2〜0.6mWと実施例のLEDのそれに比較すれば約1/3未満であった。また、主たる発光スペクトルの波長は実施例とほぼ同じく約440nm前後であったものの、波長約425〜約430nmの領域並びに波長約400nmの領域に副次的な発光が発生した。このため、実施例のLEDの発光は青色であると観測されたが、比較例のLEDはむしろ白みを帯びた青紫色となり、単色性にものとなった。
An LED having the same electrode configuration as that of the example was manufactured. The luminous intensity itself was weak, about 0.2 to 0.6 mW, as compared with the example, and less than about 1/3 as compared with that of the LED of the example. Although the wavelength of the main emission spectrum was about 440 nm, which is almost the same as that of the example, secondary light emission occurred in the wavelength range of about 425 to 430 nm and the wavelength range of about 400 nm. For this reason, the light emission of the LED of the example was observed to be blue, but the LED of the comparative example was rather white-blue-purple and monochromatic.

第1の中間層の内部の結晶構造を示す断面TEM像の一例である。4 is an example of a cross-sectional TEM image showing a crystal structure inside a first intermediate layer. 実施例のマグネシウム濃度の深さ方向の分布を示すSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result which shows the distribution of the magnesium concentration of an Example in the depth direction. 実施例に記載のLEDの平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the LED described in an Example. 図3に示す平面模式図に於ける破線A−A’に沿った断面構造を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along a dashed line A-A ′ in the schematic plan view shown in FIG. 3. 比較例に於ける積層構造体の断面模式図である。It is a cross section of a laminated structure in a comparative example. 比較例に於けるマグネシウムの深さ方向の分布を示すSIMS分析結果である。7 is a SIMS analysis result showing a distribution of magnesium in a depth direction in a comparative example. 本発明の他の実施態様の断面模式図である。It is a cross section of another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施態様であって、特に発光層上に介在層を備えた積層構造体の断面を模式的に示す図である。FIG. 6 is a view schematically showing a cross section of a laminated structure including an intervening layer on a light emitting layer, which is another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

(101) 基板
(102) 第1の中間層
(103) 第1の中間層内部の単結晶層
(104) 断面TEM像に撮像される結晶格子像
(105) 第1の中間層内部の単結晶粒
(106) 下クラッド層(Mgドープp型窒化ガリウム)
(107) 第2の中間層(窒化アルミニウム・ガリウム)
(108) 発光層(窒化ガリウム・インジウム)
(109) 上クラッド層(Siドープn型窒化ガリウム)
(110) p型パッド電極
(111) 透光性n型電極
(112) n型パッド電極
(113) 低温緩衝層
(114) 介在層

(101) Substrate (102) First intermediate layer (103) Single crystal layer inside first intermediate layer (104) Crystal lattice image captured in cross-sectional TEM image (105) Single crystal inside first intermediate layer Grain (106) Lower cladding layer (Mg-doped p-type gallium nitride)
(107) Second intermediate layer (aluminum / gallium nitride)
(108) Light emitting layer (gallium indium nitride)
(109) Upper cladding layer (Si-doped n-type gallium nitride)
(110) p-type pad electrode (111) translucent n-type electrode (112) n-type pad electrode (113) low-temperature buffer layer (114) intervening layer

Claims (1)

基板結晶上にAlx Gay Inza1-a 層(但し、Vは窒素原子以外の元素周期律第V族元素、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、0≦a<1)からなる第1の中間層、該中間層上にp形不純物をドープした一般式Alx Gay Inza1-a (但し、Vは窒素原子以外の元素周期律第V族元素、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、0≦a<1)で表わされるクラッド層、該クラッド層の上にAlx Gay Inza1-a (但し、Vは窒素原子以外の元素周期律第V族元素、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、0≦a<1)からなる第2の中間層、該第2の中間層の上にp形不純物の濃度を1×1018cm-3未満とするインジウム含有濃度を異にする多相構造からなる窒化ガリウム・インジウム(Gax Iny N;x+y=1、0≦x,y≦1)発光層及び該発光層上にn型のAlx Gay Inza1-a 層(但し、Vは窒素原子以外の元素周期律第V族元素、x+y+z=1、0≦x,y,z≦1、0≦a<1)を順次積層し電極を付した構成を具備したIII 族窒化物半導体発光素子。
Al x Ga y In z V a N 1-a layer on a substrate crystal (where, V is the Periodic Group V element other than nitrogen atoms, x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1,0 ≦ a <1 first intermediate layer consisting of), generally doped with a p-type impurity on the intermediate layer type Al x Ga y in z V a N 1-a ( where, V is the periodic other than nitrogen atom V group element, x + y + z = 1,0 ≦ x, y, cladding layer represented by z ≦ 1,0 ≦ a <1) , Al x over the cladding layer Ga y in z V a N 1 -a ( where , V is a second intermediate layer made of a group V element of the periodic rule other than a nitrogen atom, x + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ a <1); the concentration of the p-type impurity 1 × 10 18 cm -3 under that indium-containing density gallium indium nitride consisting multiphase structure having different above (Ga x in y N; x + y 1,0 ≦ x, y ≦ 1) light emitting layer and the n-type Al x Ga y In z V a N 1-a layer of the light emitting layer (where, V is a group V element periodic table other than nitrogen atom , X + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ a <1), and a group III nitride semiconductor light emitting device having a configuration in which electrodes are provided.
JP2003403036A 2003-12-02 2003-12-02 Group iii nitride semiconductor light emitting diode Pending JP2004140393A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003403036A JP2004140393A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Group iii nitride semiconductor light emitting diode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003403036A JP2004140393A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Group iii nitride semiconductor light emitting diode

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP13143597A Division JP3757544B2 (en) 1997-05-21 1997-05-21 Group III nitride semiconductor light emitting device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004140393A true JP2004140393A (en) 2004-05-13

Family

ID=32463956

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003403036A Pending JP2004140393A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Group iii nitride semiconductor light emitting diode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004140393A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008117788A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Ngk Insulators, Ltd. Light emitting element
KR101272707B1 (en) * 2006-12-29 2013-06-10 서울옵토디바이스주식회사 Light emitting diode having nano wire electrode pad and method of fabricating the light emitting diode thereby

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101272707B1 (en) * 2006-12-29 2013-06-10 서울옵토디바이스주식회사 Light emitting diode having nano wire electrode pad and method of fabricating the light emitting diode thereby
WO2008117788A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Ngk Insulators, Ltd. Light emitting element
JPWO2008117788A1 (en) * 2007-03-26 2010-07-15 日本碍子株式会社 Light emitting element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6830949B2 (en) Method for producing group-III nitride compound semiconductor device
US8829651B2 (en) Nitride-based semiconductor substrate and semiconductor device
US6399963B2 (en) Semiconductor light emitting element and its manufacturing method
WO2010032423A1 (en) Method for manufacturing iii nitride semiconductor light emitting element, iii nitride semiconductor light emitting element and lamp
JPH02275682A (en) Compound semiconductor material and semiconductor element using same and manufacture thereof
US20090166608A1 (en) Light emitting semiconductor device and fabrication method for the light emitting semiconductor device
JP2000031588A (en) Semiconductor element
US6936863B2 (en) Boron phosphide-based semiconductor light-emitting device, production method thereof and light-emitting diode
WO2015182207A1 (en) Epitaxial wafer, semiconductor light emitting element, light emitting device, and method for producing epitaxial wafer
US7002180B2 (en) Bonding pad for gallium nitride-based light-emitting device
JP3700283B2 (en) Nitride compound semiconductor device
KR100742986B1 (en) Method for manufacturing gallium nitride based compound semiconductor device having the compliant substrate
JP2007227832A (en) Nitride semiconductor element
JP3598591B2 (en) Method for manufacturing group 3-5 compound semiconductor
JP3757544B2 (en) Group III nitride semiconductor light emitting device
JP3064891B2 (en) Group 3-5 compound semiconductor, method of manufacturing the same, and light emitting device
JP2001119065A (en) P-type nitride semiconductor and producing method thereof
US8957426B2 (en) Laminate substrate and method of fabricating the same
JP2004140393A (en) Group iii nitride semiconductor light emitting diode
JP2004088130A (en) Group iii nitride semiconductor light emitting diode
JP3257976B2 (en) Nitride semiconductor light emitting device
JP2004088131A (en) Group iii nitride semiconductor light emitting diode
JP3221359B2 (en) P-type group III nitride semiconductor layer and method for forming the same
JP3279226B2 (en) III-nitride semiconductor light emitting device
JP3577206B2 (en) Group III nitride semiconductor light emitting device

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060418

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20060815