JP3090063B2 - 化合物半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】窒化物化合物半導体から構成
される活性層を具備してなるIII 族窒化物化合物半導体
素子に係わり、特に、青色や緑色等の発光ダイオード
（ＬＥＤ）等の短波長発光素子用途の発光層の構成に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般式 Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（ｘ＋ｙ
＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）で総括される窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶系の III族窒化物化合物半導体
は青色或いは緑色等の短波短波長ＬＥＤ用途の活性層
（発光層）として利用されるに至っている（ジャーナル
オブ アプライド フィジクス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．）、７６（１２）（１９９４）、８１８９〜８１
９１頁参照）。これらの窒化物化合物半導体層は、ま
た、電子親和力を相互に異にする半導体層のヘテロ（異
種）接合を利用する電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）
の活性層（電子走行層）としても利用されている（エレ
クトロニクス レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔ
ｔ．）、３１（２４）（１９９５）、２１３０〜２１３
１頁参照）。或いは窒素（元素記号：Ｎ）に加え砒素
（元素記号：Ａｓ）やリン（元素記号：Ｐ）等の第Ｖ族
元素を構成元素として含む砒化窒化ガリウム（ＧａＮＡ
ｓ）等の窒化ガリウム（ＧａＮ）系 III族窒化物化合物
半導体も短波長光を発するＬＥＤ等の発光素子用途の活
性層材料として開示されるに至っている（特開平４一１
９２５８５号公報及び特開平４−２３６４７７号公報参
照）。

【０００３】上記の一般式に於いてｘ＝０に該当する窒
化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ：ｙ＋ｚ
＝１、ｚ≠０）は、青色光や純緑色光を発する発光層の
構成材料として、特に注目されている（特公昭５５−３
８３４号公報参照）。最近では、発光波長を視感度（目
視感度）の高い約４５０ナノメーター（ｎｍ）とする青
色や波長を約５２５ｎｍとする緑色等の短波長ＬＥＤが
実現されている（ジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジクス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．）、Ｖｏｌ．３４、Ｐａｒｔ２、Ｎｏ．７Ａ（１９
９５）、Ｌ７９７〜Ｌ７９９頁参照）。図１はｐｎ接合
型ＤＨ構造からなる発光部を備えた従来の青色ＬＥＤの
断面構造の開示例である（例えば、ジャーナル オブ
バキュームサイエンス アンド テクノロジー Ａ
（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ａ）、１３
（３）（１９９５）、７０５〜７１０頁参照）。他の開
示例でも提示されている如く（例えば、マイクロエレク
トニクス ジャーナル（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ）、２５（１９９４）、６５１〜
６５９頁）参照）、青色ＬＥＤには珪素（元素記号：Ｓ
ｉ）と亜鉛（Ｚｎ）を共にドーピングしたｎ形の窒化ガ
リウム・インジム混晶層（Ｇａ_0.94Ｉｎ_0.06Ｎ）が発光
層（１０４）として共通して利用されている（例えば、
ジャーナル オブクリスタル グロース（Ｊ．Ｃｒｙｓ
ｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１４５（１９９４）、９１１〜
９１４頁参照）。緑色ＬＥＤにあっても発光層は上記の
青色ＬＥＤと同じくやはり窒化ガリウム・インジウム混
晶層から構成されている。但し、その混晶層のインジウ
ム組成比は０．４５と極めて高くなっている（Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、Ｖｏｌ．３４、Ｐａｒｔ
２、Ｎｏ．１０Ｂ（１９９５）、Ｌ１３３２〜Ｌ１３３
５頁参照）。青色よりも長波長帯域の発光を得るために
は、インジウム組成比をより大とする窒化ガリウム・イ
ンジウム混晶層を採用するのが従来からの通例であっ
た。具体的には、青色帯から黄色帯へと発光波長を長波
長化させるには、インジウム組成比を０．２０から０．
７０へと増加させる必要があった（前出のＪｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、Ｖｏｌ．３４、Ｐａｒｔ２、
Ｎｏ．７Ａ（１９９５）、Ｌ７９８頁本文左覧参照）。

【０００４】従来から発光層として利用されている窒化
ガリウム・インジウム混晶に要求される構成要件を省み
るに、先ず、インジウム組成比が均一であることが前提
条件となっていた。即ち、層内で３次元方向にインジウ
ム濃度の片寄りがなく、インジウムが均一に分散した、
均一なインジウム組成比の均質な混晶層であるのが理想
とされてきた。また、窒化ガリウム・インジウム発光層
の相構成の観点からしてもインジウム組成比を一定とす
る単独の相から成すのが発光強度を向上させる観点から
も必要とされて来た。

【０００５】炭化珪素（ＳｉＣ）系材料や窒化ガリウム
（ＧａＮ）系材料等の、所謂ワイドギャップ（ｗｉｄｅ
ｇａｐ：広禁止帯幅）から構成される発光層にあって
は、発光層内のドナー及びアクセプター不純物の共存が
発光強度の増大に寄与することが知られている（「電子
情報通信学会技術研究報告」、Ｖｏｌ．９０、Ｎｏ．２
９７（１９９０）、１〜６頁参照）。ｎ形の炭化珪素層
とｐ形の炭化珪素層との中間に、アルミニウム（Ａｌ）
等のアクセプター不純物と窒素（Ｎ）等のドナー不純物
を共にドーピングした炭化珪素発光層を配置して発光強
度に優れる発光素子を得る例がこれに相当する。窒化ガ
リウム系に於いても、ドナー不純物の珪素（Ｓｉ）とア
クセプター不純物である亜鉛（Ｚｎ）の共存によりフォ
トルミネッセンス（略称：ＰＬ）強度の増大がもたらさ
れることが既に、報告されている（ソリッド ステート
コムニュケーションズ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃ
ｏｍｍｕｎ．）、Ｖｏｌ．５７（６）、（１９８６）、
４０５〜４０９頁参照）。発光層からのフォトルミネッ
センス光の強度は発光素子の発光強度の一指標たるもの
であり、ＰＬ強度に優れる発光層は発光強度に優れる発
光素子を得るに有利となる。このため現在では多くの公
知例が開示する様に、窒化ガリウム・インジウム混晶等
からなる発光層には、ドナー不純物とアクセプター不純
物を共にドーピング等により共存させるのはもはや常套
手段となっている（ (1)特開昭５４−７１５９０号、
(2)特開平４−１０６６５号、 (3)特開平４−１０６６
６号、 (4)特開平４−１０６６７号、 (5)特開平４−１
６３９６８号、 (6)特開平５−１７５１２４号、 (7)特
開平６−２６０６８０号、 (8)特開平６−２６０６８１
号、 (9)特開平６−２９１３６７号、(10)特開平７−２
４９７９６号、(11)特開平７−２９７４４７号公報、(1
2)特開平７−３１２４４５号、(13)特開平８−４６２４
０号の各号公報明細書参照）。

【０００６】ドナー及びアクセプター不純物を共存させ
た窒化ガリウム或いは窒化ガリウム・インジウム混晶層
からなる発光層にあって、ドナー不純物とアクセプター
不純物の量的（濃度的）な均衡を規定した発明もなされ
ている（例えば、上記の公知例にあって、特開平４−
１０６６５号及び特開平４−１０６６６号公報参
照）。これは発光強度の極大をもたらすための不純物濃
度の規定であって、ドナー不純物を珪素（Ｓｉ）とし、
アクセプター不純物を亜鉛（Ｚｎ）とした場合の最適な
両不純物の濃度比（記号式 ［Ｓｉ］／［Ｚｎ］で表
す）は１／１００〜１／２００であるとされる。従来の
ドナー及びアクセプター不純物を共存させた窒化ガリウ
ム・インジウム混晶発光層にあっても、これらの不純物
はインジウム組成比が均質な窒化ガリウム・インジウム
からなる母体層内に濃度的に均一に散在しているものと
想定されていた。即ち、発光強度の増大を意図した発光
素子を得る従来技術の手段は、（１）構成元素の組成が
均一な均質で、（２）濃度が均一となる様にドナー及び
アクセプター不純物を添加（ドーピング）された窒化ガ
リウム・インジウム等のIII 族窒化物化合物半導体層を
発光層として利用することに集約される。敢えて追記す
れば、発光強度の増大に好都合なドーピング濃度を規定
する程度の不純物のドーピングにあって、当然のことな
がら実施すべき基本的な項目について規定がなされてい
るに過ぎなかった。また、この様なドーピング濃度の調
整はドーパントの供給量を調節すれば格別特殊な手段を
要せずとも達成され得る範疇に属する技術であった。

【０００７】発光層材料として従来より多用されている
窒化ガリウム・インジウム混晶層は従来から有機金属熱
分解気相成長法（一般に、ＭＯＣＶＤ、ＭＯＶＰＥなど
と略称される。）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢ
Ｅ）等の気相成長法を利用して成長される。しかし、こ
の様な気相成長方式により結晶性に優れる均質な窒化ガ
リウム・インジウム混晶層を成長する際には、層成長に
とって基本的で且つ重要な成長因子の精密な制御が要求
されるのは周知となっている。一例を挙げれば、結晶性
に優れる均質な窒化ガリウム・インジウム混晶を得るに
は成長温度並びに成長速度、即ち、気相成長に基本的な
条件を限定された特定の範囲内に収納すべく精密に制御
する必要があることが知られている（特開平６−２０９
１２２号公報参照）。更に、発光層として利用する限
り、窒化ガリウム・インジウム混晶層は光励起によるフ
ォトルミネッセンス発光を呈する結晶性に関して選り優
れたものであることが前提条件（必要条件）となる。し
かし、光励起により発光を呈する結晶性に極めて優れた
窒化ガリウム・インジウム混晶が得られるのは、従来よ
り開示されている範囲（特開平６−２０９１２２号公報
参照）より更に狭帯化された極めて狭い範囲である。即
ち、発光体としての必要条件を満足する窒化ガリウム・
インジウム混晶がもたらされる成長条件の範囲は極めて
限定されている。常圧（略大気圧）下で成膜を実施する
ＭＯＣＶＤ法を引例すれば、例えば、或る最適値からの
±０．０２程度の僅かなインジウム気相組成比の変動は
この範囲からの成長環境条件の逸脱をもたらす。従っ
て、従来の如くインジウム組成比等の均質性に優れ、尚
且、発光層材料として要求される光学的に要求される性
能を満足する窒化ガリウム・インジウム混晶層が良好な
再現性をもって安定して得るに至らない問題点が残存し
ている。

【０００８】均質な結晶性の窒化ガリウム・インジウム
混晶の成長上の再現性の欠如は、それを活性層として利
用するIII 族窒化物化合物半導体素子の素子特性の不安
定性として如実に露呈される。一例として挙げれば、窒
化インジウム・ガリウム混晶を発光層とする青色ＬＥＤ
にあって、発光層の品質の不安定性は発光波長及び発光
強度等の主要な発光特性に変動を来す主因となってい
る。図２は同一成長条件下で成長した窒化ガリウム・イ
ンジウム混晶層を発光層とした、複数の青色ＬＥＤの通
電発光スペクトル並びにスペクトル強度を示すものであ
る。発光中心波長（１２１）は約４６０ナノメーター
（ｎｍ）から約４８５ｎｍの範囲内で変動しており安定
していない。これは、主に発光層を形成する窒化ガリウ
ム・インジウム混晶層のインジウム組成比の相違に因る
ものである。加えて、発光強度も素子毎に大きく変化
し、安定な発光強度がもたらされるに充分に至っていな
い。発光強度のバラツキは、ドナー及びアクセプター不
純物の量的な均衡のずれに主たる原因があるとされてい
る。この様に従来の構成からなる窒化ガリウム・インジ
ウム等のIII 族窒化物化合物半導体層を発光層として利
用する限り、青色ＬＥＤ等の半導体素子の工業的な安定
生産は帰結されるに至っていないのが現状である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題として第一に取り上げるのは、窒化ガリウム・インジ
ウム等を活性層とする特性の安定したIII 族窒化物化合
物半導体素子を、高い生産効率でもたらす方法を提供す
ることにある。単純に想起されるのは、窒化ガリウム・
インジウム混晶を活性層とする場合にあって、インジウ
ム組成比或いはドナー並びにアクセプター不純物の量的
関係を同等とする活性層を選択した上で化合物半導体素
子と成せば、素子特性の均一化が図れるものと予想され
る。しかし、上述の従来の青色ＬＥＤの特性の実測結果
（図２参照）が示す様に成長条件を同一としたところで
窒化ガリウム・インジウム層の品質自体がウェハ毎に、
或いはまたウェハ面内で均一性に欠如する状態にあって
は、単なる選択操作は良品収率の一方的な低下を招くの
みである。選択作業に係わる労力をも勘案すれば、この
施策はいたずらに生産効率の低下を誘起するのみであっ
て、創意を具備した便法であるとは云えない。

【００１０】より根本的で本質的な一解決策は、成膜に
困難が伴う均質な単一相からなるIII 族窒化物化合物半
導体層ではなく、成膜が容易な従来とは異なる構成から
なる窒化ガリウム・インジウム混晶層等を活性層として
利用する手段である。例えば、従来の如く極く限定され
た許容範囲内でのみ得られる成長が難しい均質相からな
る活性層ではなく、形成が容易な構成からなるIII 族窒
化物化合物半導体を活性層として積極的に利用するのも
特性の均一な素子を高収率で得る新規な便法である。本
発明では、活性層の品質としてインジウム組成（濃度）
の均質性を要求するのではなく、むしろインジウム原子
のIII 族窒化物化合物半導体内での不均一な濃度分布を
もった窒化ガリウム・インジウム結晶体を利用した活性
層からなるIII 族窒化物化合物半導体素子を提供する。
また、本発明では、この新たな構成を有する活性層に適
する不純物のドーピング様式をも提供するものであ。

【００１１】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、（１）
インジウムを含有してなるIII 族窒化物化合物半導体を
活性層として具備してなる化合物半導体素子にあって、
インジウム（Ｉｎ）を含有するIII 族窒化物化合物半導
体からなる結晶体と、結晶体よりも電子親和力を小とす
るIII 族窒化物化合物半導体材料から構成された母体層
との２相からなる活性層を備えた化合物半導体素子を提
供する。特に、（２）母体層は結晶体よりも電子濃度を
大とすることを特徴とする化合物半導体素子。（３）母
体層は結晶体よりも高濃度にアクセプター不純物を含む
ことを特徴とする化合物半導体素子。（４）母体層にイ
ンジウムを存在させてなることを特徴とする化合物半導
体素子。（５）母体層を窒化アルミニム・ガリウム（Ａ
ｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）とし、結晶体をインジウ
ム組成比が２％（０．０２）以上２０％以下の窒化ガリ
ウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）と
する化合物半導体素子。（６）母体層を結晶体よりも第
II族元素を高濃度に含有したインジウム含有ｎ形窒化ア
ルミニム・ガリウム（Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）
とし、結晶体をインジウム組成比を２％（０．０２）以
上２０％以下とする窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_z
Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）とする化合物半導体素子であ
る。

【００１２】本発明では活性層を従来技術の如く、均質
な単一（単独）の相から構成するのではない。活性層は
インジウムを含有するIII 族窒化物化合物半導体からな
る結晶体（第１の相）とそれを含有するIII 族窒化物化
合物半導体からなる母体層（第２の相）の２相から構成
する。即ち、本発明は活性層の相（ｐｈａｓｅ）構成に
於いて、従来例とは一線を画して相違するものである。
結晶体及び母体層を構成する材料は、一般式Ａｌ_x Ｇａ
_y Ｉｎ_z Ｎ （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）
で総括される窒化ガリウム系若しくは窒化アルミニウム
・ガリウム混晶系の III族窒化物化合物半導体から選択
できる。また、Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ_aＰ_1-a （０＜ａ
≦１）及びＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ_b Ａｓ_1-b （０＜ｂ≦
１）で表される窒素以外にヒ素（Ａｓ）やリン（Ｐ）等
の第Ｖ族元素を含む窒化物化合物半導体等から構成する
ことができる。これらのIII 族窒化物化合物半導体層の
形成には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法やハロゲ
ン方式やハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）方式の汎用的
な気相成長（ＶＰＥ）法、或いはまた分子線エピタキシ
ャル（ＭＢＥ）法などが利用可能である。

【００１３】結晶体（第１の相）は、インジウムを含有
したIII 族窒化物化合物半導体から構成する。インジウ
ムを含有してなる窒化ガリウム結晶体の一例には窒化ガ
リウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）
結晶体が挙げられる。結晶体とは、単結晶、多結晶或い
は非晶質体にこれら結晶が混在してなる微小な結晶体を
云う。本発明では後述する様に母層体と結晶体との、特
に表面での電子的遷移を利用するため、結晶体の結晶形
態に特別の制限を加えない。結晶体をインジウムを含有
するIII 族窒化物化合物半導体とする理由は、インジウ
ムの含有量の調節によりその結晶体の禁止帯幅（バンド
ギャップ）の調節が可能となるからである。窒化インジ
ウム（ＩｎＮ）は窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）或いは窒化ホウ素（ＢＮ）等の一般的
な２元系III 族窒化物化合物半導体にあって、最も小さ
な約１．８〜１．９エレクトロンボルト（ｅＶ）の禁止
帯幅を有している（日本産業技術振興協会新材料技術委
員会編著、「化合物半導体デバイス」（１９７３年９月
１５日、（財）日本産業技術振興協会発行）、３９９頁
参照）。従って、窒化インジウムとそれよりも禁止帯幅
を大とする窒化物化合物半導体との混晶化により、双方
のバンドギャップ間でインジウムの組成比に応じたエネ
ルギーギャップを有するインジウム含有結晶体が形成さ
れる。例えば、窒化ガリウムと窒化インジウムとの混晶
である窒化ガリウム・インジウムにあっては、インジウ
ムの組成比によって禁止帯幅を窒化ガリウムの禁止帯幅
である約３．４ｅＶから窒化インジウムのそれである約
２ｅＶの間で禁止帯幅の変化が許容される（前出の特公
昭５５ー３８３４号公報参照）。これは、窒化ガリウム
・インジウムをインジウムの組成比如何によって、約２
ｅＶ〜３．４ｅＶ間に在る例えば、２．７〜２．８ｅＶ
近傍のエネルギーギャップに対応する青色発光を与える
活性層となすことができることを教示している。これ
が、化合物半導体素子、特に発光素子にあってインジウ
ムを含有するIII 族窒化物化合物半導体結晶体を活性層
の構成要素として利用する所以である。

【００１４】結晶体のインジウム組成比は、成膜の安定
性や容易性から２０％以下とする。特に、望ましくは２
％以上１５％以下とする。緑色帯の発光をもたらす発光
素子に利用されている従来の如く高インジウム組成比の
窒化ガリウム・インジウム混晶は活性層として利用しな
い。インジウム組成比がこの様な比較的に小であれば、
結晶性の劣化を来たす低温で成膜を実施する必然性から
回避され、活性層を安定して効率良く得ることができる
からである。結晶体間のインジウム組成比はほぼ同一で
あることが望ましい。一例を挙げれば、所望するインジ
ウム組成比を６％（０．０６）とする活性層を備えた青
色発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成する場合、許容され
るインジウムの組成比の範囲概ね、６±４％程度であ
る。許容される範囲の幅は発光スペクトルの半値幅など
を勘案して決定される。

【００１５】結晶体には、多角形状や円板状や球状等の
種々の外形のものが存在するが、略球状或いは周囲を非
定形とする島状の板状体が主たるものである。結晶体相
互で比較するに、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で結晶体の形状
並びに大きさ（体積）は必しも統一されていない。発光
素子用途の活性層にあって、結晶体の大きさはインジウ
ム組成比と共に発光波長に影響を与える因子である。結
晶体のインジウム組成比及び平均的な大きさ（体積）は
主に結晶体の形成温度に依存する。形成温度を低温度と
する程、インジウム組成比は大となり、結晶体の大きさ
（体積）は増える傾向にある。従って、インジウム組成
並びにその大きさの画一化を達成するには、結晶体の形
成時（ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態）にあって、結晶体が形成
される被堆積物表面の温度を出来るだけ均一にする必要
がある。結晶体形成時の結晶体に対する被堆積物表面の
温度分布は、インジウム組成比を異にする、或いは大き
さや形状を異にする結晶体の発生を誘引する。この様な
インジウム組成比等に分布を有する活性層を発光層とし
てＬＥＤを形成すると、段階的に波長を異にする発光が
放射される事態を招く。例えば、青色、緑色或いは赤色
等の光が同時発光され、単一色を発光する発光素子は得
られ難い。

【００１６】活性層は母体層と結晶体を主体として複数
層（２相）から構成する。母体層はIII 族窒化物化合物
半導体から構成するが、上記の結晶体を構成するIII 族
窒化物化合物半導体層とは電子親和力を異にする材料か
ら構成する。電子親和力とは半導体の伝導帯（ｃｏｎｄ
ｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）の底にある電子の準位と真空
準位とのエネルギー差を云う（例えば、「半導体工学」
（東京電機大学出版局発行（１９９３年３月２０日）、
８０頁参照）。本発明にあって、母体層を結晶体を構成
するIII 族窒化物化合物半導体よりも電子親和力を小と
するIII 族窒化物化合物半導体から構成するのが特徴で
ある。具体的に例を示せば、窒化ガリウム・インジウム
混晶から結晶体を構成する場合は、母体層は窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）から構成する。窒化ガリウム・インジウム
混晶のインジウム組成比を０．１０とした場合、結晶体
と母体層双方間の電子親和力の差は約０．７ｅＶとな
る。インジウムを含有するアルミニウム組成比をａとす
る窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_a Ｇａ_1-a
Ｎ）から結晶体を構成し、母体層をアルミニウム組成比
をａより大のｂとした窒化アルミニウム・ガリウム混晶
（Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ：但し、ａ＜ｂ）から構成するのが
別の例である。この場合、ａとｂ値は結晶体と母体層と
の電子親和力に、０．１５〜０．３５ｅＶ程度の差異を
もたらす様に適宣選択するのが好ましい。この電子親和
力値の差異は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）と砒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶（ＡｌＧａＡｓ）から構成される
変調ドーピング（ＭＯｄｕｌａｔｉｏｎ−Ｄｏｐｉｎ
ｇ：略称ＭＯＤ）層を配置した電界効果型トランジスタ
（ＭＯＤＦＥＴ）にあって、電子供給層と電子供給層よ
りも電子親和力を大とする半導体層からなるチャネル
（ｃｈａｎｎｅｌ）層（電子走行層）とのヘテロ接合界
面に於ける伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）
の障壁の高さ（オフセット：ｏｆｆ−ｓｅｔ）にほぼ相
当するものである。

【００１７】母体層と結晶体を構成するIII 族窒化物化
合物半導体材料に電子親和力の差異を付与するのは、電
子親和力を故意に相違する構成とすることで、結晶体と
母体層との接触表面に於いてバンドの不連続性（ｄｉｓ
ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）を発生させるためである。バン
ドのオフセット（ｏｆｆ−ｓｅｔ）の形成により低次元
（ｌｏｗ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の挙動を呈する電子等
のキャリアを創出するためである。低次元の次元度は、
従来のＭＯＤＦＥＴが利用する２次元電子雲（ガス）
（ｔｗｏ−ｄｅｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ ｇａｓ）の様な２次元やより低次元の１次元的なも
のである。即ち、量子ドット（ｄｏｔ）に於ける電子の
低次元的な振る舞いを利用するものである。従って、本
発明の云う結晶体の大きさはせいぜい数十ナノメータ
（ｎｍ）である。母体層を構成する材料と結晶体の構成
材料が変化しても、母体層と結晶体との表面（界面）で
形成される量子準位を介しての遷移を利用して発光強度
に優れる発光素子を得る意図には変わりはない。

【００１８】バンド不連続性を発生させるのと併せて、
本発明では結晶体内部と母体層内部との不純物の量的均
衡に創意を加える。即ち、母体層には結晶体よりも高濃
度にアクセプター不純物を配合する。III 族窒化物化合
物半導体では、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、
ベリリウム（Ｂｅ）やカドミウム（Ｃｄ）等の元素周期
律表の第II族元素がｐ形（アクセプター）不純物とな
る。一方、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫
（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）等の第IV族及び
第VI族元素は共通するｎ形（ドナー）不純物である。本
発明に係わる活性層の構成には、亜鉛（Ｚｎ）を多量に
含む窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる母体層と、母体層
よりも低亜鉛濃度の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_z
Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）結晶体との２相からなるもの
が挙げられる。

【００１９】母体層と結晶体間に発光中心となるアクセ
プター不純物の濃度の不均衡性を故意に創出するのは、
本発明に係わる活性層を発光層として利用する窒化物化
合物半導体素子にあって、発光強度に優れる発光素子を
得るための措置である。この措置は、発光波長を約４３
０ｎｍ〜４６０ｎｍとする青色発光素子を例にすれば、
活性層の層厚が比較的厚い場合に顕著な効果を及ぼす。
本発明では、青色発光用の活性層の層厚が２０ｎｍを越
える場合を比較的厚い場合とみなす。後述するが（［０
０２４］項参照）、インジウム含有結晶体はａｓ−ｇｒ
ｏｗｎ状態では被堆積物の表面上に密集して形成される
場合が多い。しかし、青色発光素子等の作製には、活性
層上に活性層の形成時よりも更に高温での成長を要すII
I 窒化物化合物半導体層が必要とされる。例えば、８０
０℃近傍で成長する窒化ガリウム・インジウム結晶体を
含む母層体からなる活性層上に、１０００℃を越える温
度で成長する窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を上部
クラッド層として形成する場合がこれに相当する（図１
参照）。この活性層上への高温での成膜に備えて活性層
の温度を高温環境下に曝した場合に、結晶体に含有され
るインジウム原子或いはインジウム原子を含む複合体等
にあっては、母体層内に熱拡散により逃避する傾向が強
まる。これにより結晶体内部のインジウム濃度は低下す
るため、青色発光を呈するに適するインジウム組成比を
保持する結晶体の密度は減少し、従って、結晶体より放
射される青色発光の強度は低下する。青色発光を呈する
に適するインジウム組成比を保持する結晶体の密度が減
少する度合いは、インジウムが拡散する余地が大である
程、即ち、母体層の層厚が厚ければ厚い程大となる。こ
れを防止するために本発明では母体層に発光中心となる
不純物、特に亜鉛（Ｚｎ）等の第II族不純物を存在させ
て、結晶体からの発光強度の弱小を補完し、結果として
発光強度に優れる発光素子を得るものである。

【００２０】母体層にも青色帯域の発光をもたらす発光
中心を存在させれば、上記の様な結晶体の体積密度の低
下に伴う発光体たる結晶体からの発光強度の低下を補完
するに足るものとなる。例えば、青色発光の色中心とし
て公知の亜鉛やマグネシウム等の元素周期律に於ける第
II族元素を存在させるのが好ましい（ジャーナル オブ
ルミネッセンス（Ｊ．Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｓｅ）、
７（１９７３）、１１４〜１２６頁参照）。ちなみに、
希土類元素であるユーロピウム（Ｅｕ）は緑色帯域の、
遷移金属であるマンガン（Ｍｎ）は赤色帯域の発光中心
として知られている（Ｃｚｅｃｈ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．、Ｂ
２０（１９７０）、４６〜５５頁参照）。特に、亜鉛は
視感度に優れる波長４５０ｎｍ近傍の青色発光を呈する
ために望ましい。例えば、結晶体の内部に原子半径が比
較的大（１．３３Ａ、１．４４Ａ）で低融点（４１９．
４７℃）の亜鉛を過剰に存在させると、結晶体の大きさ
を増す方向に変形させる恐れが多分にある。発光体たる
結晶体の大きさは、シリコン（Ｓｉ）発光体について観
測される様に発光波長に影響を与える（Ｊ．Ｌｕｍｉｎ
ｅｓｃｅｎｃｅ、５７（１９９３）、１〜４頁）。結晶
体の大きさが増すにい、禁止帯幅は縮小する（上記の
Ｊ．Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、５７（１９９３）、３
頁右欄本文）。従って、結晶体の大きさが増す方向でし
かも大きさが不揃いとなれば、青色発光の獲得を意図し
ても、かえって禁止帯幅の小さい発光に対応する緑色、
赤色等の発光が放射される事態を招きかねず、発光中心
波長も安定しない。従って、本発明では結晶体よりも母
体層により多くのアクセプター不純物を含ませる。母層
体内部の亜鉛等のアクセプター不純物からの発光と結晶
体からの発光の併合により、結晶体の体積密度の減少に
基づく発光強度の低下を抑制することが可能となる。母
体層に含有させるアクセプター不純物の濃度は、亜鉛
（Ｚｎ）を例にすれば、約１０¹⁸ｃｍ^-3〜約１０²⁰ｃｍ
^-3の範囲である。

【００２１】母体層は、結晶体よりも電子濃度を大とす
る。この母体層と結晶体との電子濃度の関係が満たされ
れば、母体層はアンドープ状態であっても差し支えはな
い。ドナー不純物をドーピングしてこの関係を達成して
も勿論構わない。本発明では、母体層はｎ形の伝導性を
呈するのが特に望ましい。従って、ｎ形不純物のドーピ
ングを施す際には、アクセプター不純物を含有する母体
層をｎ形層となすために、ドナー不純物は母体層内のア
クセプター濃度を上回る様に添加する。即ち、上記した
従来例に於いて、［Ｓｉ］／［Ｚｎ］濃度比を１／１０
０〜１／２００として、ドナー不純物である珪素（Ｓ
ｉ）の濃度を亜鉛の濃度に比して桁違いに小とするので
はなく（例えば、上記の公知例にあって、特開平４−
１０６６５号及び特開平４−１０６６６号公報参
照）、逆に珪素（Ｓｉ）等のドナー不純物の濃度を亜鉛
（Ｚｎ）等のアクセプター不純物の濃度より大とする。
母体層のドナー濃度を大とする第２の理由は、母体層内
にドナー不純物を多量に存在させることにより、結晶体
とのｎ形キャリアの濃度に差異を付与するためである。
母体層と結晶体とでｎ形キャリア濃度に顕著な差異が存
在しない、即ち、双方でキャリア濃度がほぼ均等である
と、結晶体からは強力な発光が放射されないことは、本
発明者によって既に経験されている。母体層へのドナー
不純物の添加量を極端に過多とした場合、この様な結晶
体と母体層間のｎ形キャリアの均衡化の事態を招き易
い。結晶体に比較してより電子親和力を小とするIII 族
窒化物化合物半導体から構成する母体層のキャリア濃度
（電子濃度）は、結晶体のそれよりも大とする。母体層
の好ましいキャリア濃度は概ね、約１０¹⁶ｃｍ^-3〜約１
０¹⁸ｃｍ^-3であって、更に望ましくは大凡、約５×１０
¹⁶ｃｍ^-3〜約５×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲である。要約すれ
ば、本発明に係わる活性層は構成材料から観ても均質な
単一相から構成されるのではなく、また、不純物濃度か
らみても均一ではないのが特徴である。これは、均質で
且つ不純物濃度が均一な分布であることをよしとする従
来の活性層とは、その構成概念に於いて明瞭に異なるも
のである。

【００２２】母体層中の発光中心からの発光強度を更に
増加させるために、本発明ではインジウム（Ｉｎ）を母
体層に存在させる。インジウムは母体層の形成時に故意
に添加（ドーピング）しても構わない。或いは、後述す
る様に活性層が高温の環境に曝された場合、或いは熱処
理によって結晶体から母体層内へ熱拡散して来るインジ
ウムを活用することも許容される。発光強度を増大させ
るための好ましいインジウムの濃度は、８×１０¹⁸ｃｍ
^-3〜４×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲である。この程度のインジ
ウム濃度では、インジウム含有混晶層を形成するに充分
ではない。亜鉛をドーピングした窒化ガリウム層からの
ルミネッセンス光強度は、１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０¹⁹ｃｍ^-3
程度の珪素をドーピングした際には高々５倍程度増強さ
れるのみであるが、１０¹⁹ｃｍ^-3程度のインジウムの共
存させると発光強度は実に約６０倍に増強される。これ
より、発光中心からの発光強度の増大には、亜鉛等の発
光中心とインジウムの共存が従来技術によるドナー及び
アクセプター不純物を共存させるよりも格段に効果が有
ると認められる。

【００２３】図３に結晶体と母体層の２相からなる本発
明の活性層の断面構造例を模式的に示す。また、図４は
活性層の構成を示す平面模式図である。結晶体（１０
７）には、多角形状や円板状や球状等の種々の外形のも
のが存在するが、略球状或いは周囲を非定形とする島状
の板状体が主たるものである。結晶体（１０７）相互で
比較するに、高さ或いは直径が特定できない複雑な形状
或いは不定形の発光体の出現も認められる。発光素子用
途の活性層にあって、結晶体の大きさはインジウム組成
比と共に発光波長に影響を与える因子である。従って、
重要なのは結晶体の表面積或いは内容積である。結晶体
の表面積或いは内容積は結晶体の形成温度に依存する。
形成温度を低温度とする程、結晶体の大きさ（体積）は
増える傾向にある。活性層は母体層或いは結晶体の何れ
かを主体として構成される。主体と見なすのは構成比率
が、５０％を越える成分を云う。母体層を主体として構
成される活性層にあっては、母体層（１０８）は結晶体
（１０７）の表面を被覆するが如く配置されている場合
が多々ある（図３参照）。また、結晶体の構成比率が大
である活性層では、母体層は結晶体間の間隙に散在する
状態となっているのが一般的である。母体層（１０８）
の層厚はほぼ活性層の層厚となる。

【００２４】ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で形状或いは体積
（内容積）が不統一であっても、結晶体の形成温度より
高い温度環境下に暴露した場合には、形状或いは体積は
より画一化される傾向がある。活性層の形成終了後の次
の堆積層を形成するために活性層を高温環境下にさらす
場合や、活性層の形成温度或いはそれ以上の温度で熱処
理（アニール処理）する場合には、結晶体の形状は略球
体状となる傾向も見受けられる。図５に一例として、珪
素ドープｎ形窒化ガリウム層上に８３０℃で活性層を形
成した後、同温度に於いて膜厚を約５０ｎｍとするアン
ドープ窒化ガリウム膜を活性層の昇華防止膜（所謂、キ
ャップ層）として堆積した後、１１００℃に２５分間を
掛けて昇温し、同温度で５分間待機した後に於ける結晶
体の形状の変化を模式的に示す。この様な結晶体の形状
は断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）技法等の、ミクロ領域
を高倍率で観察できる手法で観察できる。ａｓ−ｇｒｏ
ｗｎ状態では或る程度視認される母体層と結晶体との界
面（結晶体の輪郭）が、結晶体から高温でインジウムが
逃避し、インジウム組成比が減少してコントラストが低
下したことに起因してさほど明瞭には視認されなくなる
傾向がある。しかし、２×１０⁵ 程度の高倍で注意深く
観察すると、下地層とした窒化ガリウム層（１０９）の
格子像（１１０）にほぼ平行して存在する活性層（１０
４）内の格子像（１１０）の中に略球状の結晶体（１１
１）が多く存在するのが認められる。これは、ａｓ−ｇ
ｒｏｗｎ状態で島状であった結晶体が受熱により外形を
変化させたものであると判断された。中には近接して存
在する結晶体（１０７）が相互に融合したものも認めら
れる。活性層内のインジウム濃度は、分析用途の電子顕
微鏡（一般略称：分析電顕）に付帯したＥＰＭＡ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ ＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏ Ａｎａｌｉｚｅ
ｒ）による面分析法に依れば、下地のｎ形窒化ガリウム
層（１０９）と活性層（１０４）との界面で高く、活性
層の層厚の増加方向に漸次濃度を減ずる様に分布してい
た。この濃度分布は、高温環境下への暴露によるインジ
ウム含有結晶体（１０７及び１１１）からの母体層（１
０８）内へのインジウムの拡散に起因すると解釈され
た。何故ならば、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態でインジウムは
活性層の層厚方向にさほど広範囲に分布せず、窒化ガリ
ウム下地層と活性層との界面近傍にほぼ集中してインジ
ウムの高濃度領域が存在する局在的な分布を示すからで
ある。

【００２５】本発明に係わる２相構成の活性層は、次の
如き成長手法により得られる。時間的に分割して不連続
成長を施すのが一手法である。結晶体の形成が終了した
後、III 族元素の原料の成長環境系への供給を一時停止
して成長を中断し、然る後母体層を結晶体周囲上に成長
する方法である。結晶体の成長時にはインジウム原料を
供給し、母体層の成長へ移行する際にはインジウム源を
成長系への供給を絶ち、代替に発光中心及びドナー不純
物を供給すれば本発明に叶う活性層を得ることができ
る。連続成長方式に於いても、本発明の活性層を得るこ
とができる。例えば、被堆積物表面への活性層の堆積の
開始時より母体層の形成が終了する間にインジウム源の
供給量を段階的に或いは連続的に減少させると、被堆積
物表面近傍にインジウム含有する結晶体が形成され、そ
の上にはインジウムが添加した母体層が形成される。堆
積開始時より所望の大きさの結晶体を形成するに適合す
る時間が経過した後、発光中心体となるアクセプター不
純物のドーピングを施せば、インジウムと発光中心不純
物とが共存する高発光強度をもたらす母体層が形成され
る。この様な連続的或いは成長の中断を伴う成長方法で
あれ、要はIII 族窒化物化合物半導体の構成元素の原料
或いはドーパントの成長系への添加時期並びに供給停止
等の簡便な操作により実施できるものである。ＭＯＣＶ
Ｄ法にあっては、原料等の成長反応系への添加の中断、
停止及び再開は極く一般的なバルブ（弁）を開閉する単
純な操作で成し得る。高速応答型のバルブを利用すれ
ば、インジウム源等の原料ガスをパルス（ｐｌｕｓ）的
に瞬時に供給する技法（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗ
ｔｈ、９３（１９８８）、２０１〜２０６頁参照）を利
用して、微小な結晶体を活性層内の特定位置に集中して
形成することが可能である。また、バルブの開閉をシー
ケンス的にプログラム上で操作すれば、変調ドープ（ｍ
ｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｏｐｅ）電界効果型トランジス
タ（ＭＯＤＦＥＴ）用途の変調ドーピング半導体層の成
長に一般的に利用されるデルタ（δ）ドーピング技法
（供給量をデルタ関数的に瞬時に変化させる方法）、或
いはそれに類似した方法も採用でき、これにより活性層
の特定位置に結晶体を局所的に存在させることもでき
る。ＭＢＥ法にあっては原料を収納する坩堝と被堆積物
表面との間に配置された開閉器（シャッター）の開閉に
より、原料の被堆積物表面への供給及び停止を制御でき
る。本発明に係わる活性層は気相成長法にあっては日常
的に実施されるバルブの開閉或いはシャッターの開閉と
云う簡便な操作により、何等特殊な操作を必要とせずに
得られる。即ち、工業生産的な観点からして本発明の活
性層を得るのに特殊な成長操作は付随せず、このことか
らしても、本発明に係わる活性層の安定的な形成は容易
であることは明かである。

【００２６】図６は本発明に係わる活性層をＭＯＣＶＤ
法で得る際の原料或いはドーパントの流通の状況を経時
的に示したものである。同図は窒化ガリウム・インジウ
ム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）からなる結晶体の
周囲上に、窒化ガリウム・インジウムより電子親和力を
より小とする窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる母体層を
配置する場合の流量変化を示す図であって、特に成長を
一次中断して結晶体と母体相の２相からなる活性層を形
成する場合に係わるものである。インジウム源（１１
２）及びガリウム源（１１３）の供給を、一旦停止し
て、再び供給を開始するに至る時間的な間隔（１１４）
が成長を中断する時期である。成長中断に至る時期以前
にはインジウム源（１１２）とガリウム源（１１３）と
を共に供給してインジウム含有結晶体（１０７）を形成
する。成長中断の時期（１１４）を経過して母体層（１
０８）を成長する段階に至っては、インジウム源（１１
２）の供給を遮断して、代替に亜鉛を含むジメチル亜鉛
（（ＣＨ₃ ）₂ Ｚｎ）やジエチル亜鉛（（ＣＨ₃ ＣＨ
₂ ）₂ Ｚｎ）等を発光中心となす亜鉛のドーピングガス
（１１５）として成長系に導入する。亜鉛等のアクセプ
ター不純物の導入と同時にｎ形層の形成を意図して珪素
等のドナー不純物のドーパントガス（１１６）を導入す
る。これより、窒化ガリウム・インジウム結晶体と亜鉛
などの発光中心不純物と珪素等のドナー不純物とを共存
させたｎ形母体層を得る。母体層に添加する発光中心不
純物（アクセプター不純物）は１種には限定されない。
ドナー不純物の添加によって、母体層のｎ形キャリア濃
度（電子濃度）を結晶体のそれよりも高濃度に保持でき
る限り、亜鉛とマグネシウム等の組み合わせ例に見られ
る様に複数のアクセプター種（発光中心不純物）をドー
ピングしても本発明に係わる効果は発揮され得る。

【００２７】本発明に係わる活性層を発光素子用途の発
光層として発光部を構成する場合、発光部の接合様式
は、高発光強度が顕現される従来のｐｎ接合型ダブルヘ
テロ接合系を踏襲するのが得策である。ｎ形III 族窒化
物化合物半導体層上に発光層を堆積して、更に発光層上
にｐ形III 族窒化物化合物半導体層を形成すればヘテロ
接合系が構成される。下地層上にインジウム含有結晶体
を成長させるに際し、結晶体の大きさが小さい場合、下
地層の表面全体が完全に被覆されない状況が発生するこ
とがある。かかる状況下での発光部の接合構成を以下に
まとめる。（イ）結晶体と母体層とのヘテロ接合、
（ロ）結晶体と結晶体の形成時に下地層とした層との接
合、及び（ハ）結晶体の大小の如何によっては下地層と
母体層との接合である。この様な云わば発光層の介在に
より発光層の上下の層が空間的に分離される従来のダブ
ルヘテロ（ＤＨ）接合構成との相違点を含む接合系に鑑
み、なおかつ特に短波長発光素子用途に好ましい態様と
して、上記の本発明に開示される有用性を総括して、次
の活性層の構成を提示する。即ち、（Ａ）インジウム組
成比を２％（０．０２）以上２０％以下とする窒化ガリ
ウム・インジウム（Ｇａ_zＩｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）結
晶体と、窒化アルミニム・ガリウム（Ａｌ_x Ｇａ_{1- x}
Ｎ：０≦ｘ≦１）からなる母体層の２相構造より活性層
（発光層）を構成するものである。（Ｂ）インジウム組
成比を２％（０．０２）以上２０％以下とする窒化ガリ
ウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）結
晶体と、該結晶体よりも第II族元素を高濃度に含有した
インジウム添加ｎ形窒化アルミニム・ガリウム（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）からなる母体層の２相構造よ
り活性層（発光層）を構成するものである。（Ａ）及び
（Ｂ）共に青色、緑色及黄色等の短波長発光素子の活性
層として応用を意図した際の好適な構成を与えるもので
ある。インジウムの組成比は上記の如く成長上の容易性
から決定されるものである。母体層は結晶体を構成する
III 族窒化物化合物半導体よりも電子親和力を小とする
III 族窒化物化合物半導体から構成するが、結晶体の形
成に当って下地層とする層と同一の物質から構成するの
が最も好ましい。例えば、結晶体を窒化ガリウム上に形
成する場合には、母体層を窒化ガリウム（ＧａＮ）から
構成するのが望ましい。図３に示した如く、結晶体は被
堆積物（下地層）の表面上に密に形成され、結晶体の多
くはその底部で下地層と接触している。結晶体にはイン
ジウムが含有されているため、下地層が結晶体とは格子
整合しない窒化ガリウムであると、結晶体の底部には格
子不整合に因る歪が存在する。結晶体には下地層と接触
する底部にのみ歪が局在する事態となる。上記した様に
結晶体間の間隙が大となると、母体層が侵入して下地層
と直接、接触（接合）する事態が誘発される。係る接合
状況にあって、本発明では結晶体間に侵入して結晶体を
囲繞する母体層を、下地層と同一の物質から構成するこ
とをもって結晶体の周囲に印荷される歪の均等化を果た
すものである。応力場の均等化は結晶体の大きさ（体
積）の画一化をもたらし、発光波長が均一で且つ発光ス
ペクトルの半値幅が狭帯化された単色化された発光素子
の提供を可能とする。

【００２８】本発明に係わる活性層の配置数は単一に限
定されない。また、活性層を多重に反復させてなる多重
量子井戸構造にあっても、その一部に本発明に係わる構
成からなる活性層が具備されていれば、本発明に係わる
接合構成を具備しているものとする。本発明に係わる接
合構成には次の様なものが挙げられる。（ａ）ｎ形窒化
ガリウム層／窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ
_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）結晶体とｎ形窒化ガリウム母体層
からなる活性層／ｐ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶
層（記号「／」は接合の存在を示す。）。（ｂ）（ａ）
のｎ形窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_x Ｇａ_1-x
Ｎ：０≦ｘ≦１）層／窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ
_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）結晶体と、ｎ形窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）母体層からなる活性層／ｎ形窒化アルミニ
ウム・ガリウム層（Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）と
の井戸層・障壁層の周期構造／ｐ形窒化アルミニウム・
ガリウム（Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）層（多重量
子井戸の一部に本発明に係わる第１層／発光体／第２層
からなる接合系を含む構造。記号「／」は接合の存在を
示す）。これらの接合構造はサファイア、炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の窒化物化合物半導体の
成膜用として、公知の材料を基板として堆積することが
できる。基板には、ハフニウム（Ｈｆ）等の金属製材料
やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）やリン化ガリウム（Ｇａ
Ｐ）等の面心立方格子構造のIII −Ｖ族化合物半導体結
晶若しくはシリコン（Ｓｉ）等の元素（単体）半導体結
晶も使用できる。何れの半導体結晶基板も導電形は不問
である。基板表面をなす結晶面の面方位やオフアングル
（ｏｆｆ−ａｎｇｌｅ：ミスオリエンテーション角度）
等の仕様は、低温緩衝層の成長方式や成長条件に鑑み
て、当事者が適宣、選択できる範囲にある。窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）と格子不整合度が０．５％未満と小さいリ
チウム（Ｌｉ）とガリウム（Ｇａ）或いはリチウムとア
ルミニウム（Ａｌ）との複合酸化物であるリチウムガー
レート（Ｌｉ₂ ＧａＯ₃ ）やリチウムアルミネート（Ｌ
ｉ₂ ＡｌＯ₃ ）等も基板として使用できる。

【００２９】更に、具体的には本発明に係わる化合物半
導体素子として次記の素子が例示できる。 （ア）珪素（Ｓｉ）等のｎ形ドーパントがドーピングさ
れたキャリア濃度を１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚が
２〜８μｍのｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層からなる第
１層、インジウム組成比を６％（０．０６）とする窒化
ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.94Ｉｎ_0.06Ｎ）結晶体と
該結晶体よりも高電子濃度で亜鉛とインジウムが共存す
るｎ形窒化ガリウム母体層からなる発光層、及びアルミ
ニウム組成比を１０％（０．１０）とするマグネシウム
と亜鉛がドーピングされたキャリア濃度を５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚を５ｎｍから２０ｎ
ｍとするｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ
_0.10Ｇａ_0.90Ｎ）からなる第２層から構成されるヘテロ
接合を備えた青色発光ダイオード。 （イ）硫黄（Ｓ）等のｎ形ドーパントがドーピングされ
た、キャリア濃度が１〜８０×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚が１
〜６μｍのｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層からなる第１
層、インジウム組成比を６％（０．０６）〜１０％
（０．１０）とする窒化ガリウム・インジウム結晶体と
珪素がドーピングされ結晶体よりも高電子濃度のｎ形の
アルミニウム組成を約１５％とする窒化アルミニウム・
ガリウム混晶の母体層とからなる発光層、及びアルミニ
ウム組成比を約１５％（〜０．１５）とするマグネシウ
ムと亜鉛が添加されたキャリア濃度を３×１０¹⁶ｃｍ^-3
〜６×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚を５から１５ｎｍとする
ｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎ）からなる第２層から構成されるヘテロ接合を備
えた発光波長帯域を４８０ｎｍ〜５６０ｎｍとする青緑
系及び緑色系発光ダイオード。 （ウ）キャリア濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とし、層厚
を５〜５０ｎｍの範囲とするｎ形の窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶層からなる
第１層と、インジウム組成比を５％〜１０％とする窒化
ガリウム・インジウムからなる結晶体と窒化アルミニウ
ム・ガリウム混晶を主体として構成される、インジウム
含有母体層とからなる発光層と、第１層と同様の仕様か
らなる第２層とのヘテロ接合系を周期的に重複してなる
量子井戸構造を備えた短波長レーザーダイオード。 （エ）キャリア濃度を、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とし、層
厚を５〜５０ｎｍの範囲とするｎ形の窒化アルミニウム
・ガリウム混晶（Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）から
なる第１層と、インジウム組成比を２％（０．０２）〜
８％（０．０８）とする窒化ガリウム・インジウムから
なる結晶体と結晶体よりも高電子濃度のｎ形窒化ガリウ
ム母体層とからなる発光層、第１層と同様の仕様からな
る第２層とのヘテロ接合系を周期的に重複してなる量子
井戸構造を備えた青色帯若しくは紫外帯レーザーダイオ
ード。

【００３０】

【作用】母体層と結晶体の２相による界面構成は、結晶
体からの発光強度を増強する。母体層内に混在する発光
中心となるアクセプター不純物は、結晶体のインジウム
組成比の減少に伴う発光強度の低下を補完する発光をも
たらす。母体層へのインジウムの混在は母体層内の発光
中心からの発光強度を更に増強し、結晶体からの発光強
度の低下を補完するに充分に足る発光強度をもたらす。

【００３１】

【実施例】本発明の詳細を窒化ガリウム・インジウム結
晶体と窒化ガリウム母体層からなる活性層（発光層）を
備えてなる青色発光ダイオードを例にして説明する。当
該発光ダイオードの作製にあたり、サファイア基板上に
本発明に係わる活性層を備えた積層体構造を形成した。
基板（１０１）としたサファイア（α−Ａｌ₂ Ｏ₃単結
晶）の両面（表裏面）は、平均粒径を約３μｍとするダ
イヤモンド砥粒により鏡面研磨したものを利用した。研
磨面方位は（０００１）面（所謂、Ｃ面）である。基板
（１０１）の鏡面研磨された表面は、先ずアセトン等の
有機溶媒により脱脂して比抵抗を約１８メガオーム（Ｍ
Ω）とする超純水で水洗した後、市販の半導体工業用の
高純度のフッ化アンモニウム（ＮＨ₃ Ｆ ）水溶液を使
用して酸洗浄を施した。その後再び超純水により水洗
後、赤外線ランプから放射される赤外線を照射し表面を
加温して乾燥させた。

【００３２】清浄化したサファイア基板（１０１）を極
く一般的なインターロック機構を介て大気を遮断した環
境下で、常圧方式のＭＯＣＶＤ成長炉に配置された基板
支持台（サセプター）上の所定の位置に載置した。パラ
ジウム（Ｐｄ）透過膜方式並びに深冷吸着方式を併用し
て高純度に精製された水素（Ｈ₂ ）ガスを成長炉内に通
流し、水素ガスからなる雰囲気を創出した。水素ガスを
反応炉内に流通開始てから１５分経過後、上記の基板支
持台をかぶせたセラミックヒーターをエレメントとする
抵抗加熱型ヒーターの電源を投入し、基板（１０１）の
温度を室温か１１５０℃に昇温した。基板（１０１）を
同温度に４０分間保持し、周知のサーマルエッチングを
施した。

【００３３】然る後、抵抗加熱型ヒーターへの供給電力
量を減じて、基板（１０１）の温度を４２０℃に低下さ
せた。４２０℃に降下後、温度が安定する迄約２５分間
待機した。この間に反応炉へ供給する水素ガスの流量を
毎分８リットルに調整した。然る後、ＭＯＣＶＤ反応炉
内に載置された基板表面へ向けて窒素（Ｎ）源としたア
ンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを毎分１リットルの流量で供給
し、成長雰囲気を窒素源を含む水素雰囲気とした。その
後、アンモニアガスのＭＯＣＶＤ反応炉内への供給を継
続した状態で、ガリウム（Ｇａ）源の供給を開始し、窒
化ガリウム（ＧａＮ）からなる低温緩衝層（１０２）を
常圧ＭＯＣＶＤ法により成膜した。上記のガリウム源に
は、半導体工業用のトリメチルガリウム（（ＣＨ₃ ）₃
Ｇａ）を使用した。トリメチルガリウムの反応炉内への
供給量は毎分２×１０^-6モルとした。従って、窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）低温緩衝層の成膜時に於けるＶ／ III比
は約２．２×１０⁴ となった。トリメチルガリウムの反
応炉内への供給を２０分間継続して、層厚を１５ｎｍと
する低温緩衝層（１０２）を得た。断面ＴＥＭ技法によ
る観察では、基板（１０１）の表面は数層からなる単結
晶層で被覆されていた。

【００３４】低温緩衝層（１０２）の成長はガリウム源
としたトリメチルガリウムの成長反応系への供給を停止
することをもって終了した。然る後に、反応炉に供給す
る気体種を水素からアルゴンガスに変換した。アルゴン
ガスの流量を３リットル／分、アンモニアガスの流量を
１リットル／分とした流量条件下で、基板（１０１）の
温度を１１００℃に上昇させた。基板（１０１）の温度
が１１００℃に到達した時点で水素ガスの反応炉への供
給を毎分３リットルの流量をもって再開した。併行して
アンモニアガスの反応炉への供給量を毎分６リットルに
増加させた。この水素ガス或いはアンモニアガスの添加
若しくは供給量の増加に伴う基板（１０１）の温度の短
期的な揺らぎが解消された時点で、上記のガリウム源を
反応炉へ供給した。ガリウム源は１３℃に保持された液
体トリメチルガリウムを毎分２０ミリリットルの水素ガ
スによりバブリングすることをもって反応炉へ供給し
た。ガリウム源の蒸気を随伴する水素バブリングガスの
反応炉への添加に同調させて、珪素（Ｓｉ）のドーピン
グガスを反応炉へ供給した。珪素のドーピングガスに
は、体積濃度を約５ｐｐｍとする水素希釈のジシラン
（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）ガスを使用した。ジシランガスの流量は
毎分１０ミリリットルとした。ガリウム源等の供給を９
０分間に亘り継続して、キャリア濃度を約３×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3とし、層厚約３．２μｍのｎ形の窒化ガリウム層か
らなる下地層（１０９）を成長させた。

【００３５】次に、基板（１０１）の温度を１１００℃
から結晶体の形成温度とした８３０℃に約１０分間で降
下させた。基板温度を降下させる間には、反応炉へのキ
ャリアガスとしての水素ガスの供給を停止した。アンモ
ニアガスの流量を毎分６リットル及びアルゴンガスの流
量を毎分３リットルとした流量条件下に於いて、ガリウ
ム源及びインジウム源の反応炉への供給を開始した。イ
ンジウム源には、結合価を１価とするシクロペンタジエ
ニルインジウム（Ｃ₅ Ｈ₅ Ｉｎ（Ｉ））を利用した。同
インジウム源はペルチェ効果を利用した電子式恒温槽に
より６５℃に保持し、昇華したインジウム源の蒸気は当
初毎分１２０ミリリットルの水素ガスにより反応炉内に
随伴された。ガリウム源は電子式恒温槽により０℃に保
持し、毎分３．２ミリリットルの流量の水素ガスで反応
炉内に随伴した。ガリウム及びインジウムの合計の供給
量（III 族元素の供給モル数の総量）に対するインジウ
ムの供給量（モル数）の比率、所謂インジウムの気相組
成比は当初、０．５であった。ガリウム源及びインジウ
ム源の供給を７．５分間に亘り継続して、インジウム組
成比を６％（０．０６）とする窒化ガリウム・インジウ
ムから結晶体（１０７）を形成した。結晶体の厚さ（高
さ）は約３ｎｍであった。インジウム組成比は同一の成
長条件下で得られた窒化ガリウム・インジウム結晶体の
試作試料から発せられる近紫外スペクトルの波長位置が
約３８４ｎｍであることを基にして、公知となっている
窒化ガリウム・インジウム混晶に於ける禁止帯幅とイン
ジウム組成比との関係図（特公昭５５−３８３４号公報
参照）から算定した。結晶体の厚さは、明視野断面ＴＥ
Ｍ（透過電子顕微鏡）法による観察から実測した。

【００３６】窒化ガリウム・インジウム結晶体（１０
７）の形成を終えた後、上記のガリウム源、窒素源並び
にアルゴンガスの流量を一定に維持したままで、インジ
ウム源の成長炉への供給流量を１５ミリリットル／分に
瞬時に減少させた。インジウム源の減少を開始すると同
時に、珪素（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）のドーピング源の
供給を開始した。珪素のドーピングガスには、上記のｎ
形窒化ガリウム層（１０９）の形成に使用したジシラン
（水素希釈５ｐｐｍＳｉ₂ Ｈ₆ ）ガスを使用した。ジシ
ランガスの流量は、毎分２０ミリリットルと一定とし
た。亜鉛のドーピング源には体積濃度にして約１００ｐ
ｐｍの高純度水素ガスで希釈されたジエチル亜鉛（（Ｃ
₂ Ｈ₅ ）₂ Ｚｎ）を使用した。ジエチル亜鉛ガスの流量
は毎分４０ミリリットルと一定とした。窒化ガリウム・
インジウム結晶体（１０７）の形成を終了した直後に、
インジウム源用水素随伴ガスの流量を毎分１５ミリリッ
トルに減じてから正確に５分間かけて、上記のインジウ
ム源の蒸気を随伴する水素の流量を０ミリリットルへと
減少させた。即ち、毎分３ミリリットルの割合でインジ
ウム源随伴ガスの流量を減じた。これより、インジウム
（Ｉｎ）と珪素（Ｓｉ）と亜鉛（Ｚｎ）がドーピングさ
れた窒化ガリウムからなる層厚が約１０ｎｍで電子濃度
を約８×１０¹⁶ｃｍ^-3とする母体層（１０８）を形成し
た。以上記述した結晶体（１０７）と母体層（１０８）
の２相より活性層（１０４）を構成した。

【００３７】活性層（１０４）の形成を終了した後、基
板（１０１）の温度を再び、１１００℃に上昇させた。
温度の揺らぎが消衰する迄暫時待機する間に、成長炉内
へ３リットル／分の流量をもって水素ガスの供給を再開
した。１１００℃に到達して約２分間を経過して温度の
揺らぎが微小となったと認められたため、成長炉内へガ
リウム源及びアルミニウム源を添加した。ガリウム源で
あるトリメチルガリウムは電子式恒温槽により１３℃に
保持した。トリメチルガリウムの蒸気を随伴するバブリ
ング用の水素ガスの流量は毎分８．０ミリリットルとし
た。一方、アルミニウム源にはトリメチルアルミニウム
（（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ）を使用した。トリメチルアルミニ
ウムは電子式恒温槽により２０℃の恒温に保持した。液
化したトリメチルアルミニウムのバブリングに供する水
素ガスの流量は５．０ミリリットル／分とした。ガリウ
ム源及びアルミニウム源の供給を１０分間に亘り継続し
て、層厚を約１００ｎｍとするｐ形の窒化アルミニウム
・ガリウム混晶層を上部クラッド層（１０５）として成
長した。同層（１０５）の成長時には、ｐ形のドーパン
トとしてマグネシウム（Ｍｇ）を添加した。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−（（ＣＨ₃ Ｃ₅ Ｈ₄ ）₂ Ｍ
ｇ）を利用した。ドーピングされたマグネシウムの原子
濃度は２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依れば、約
２×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。一方、一般的な電解Ｃ−Ｖ
法で測定される上部クラッド層（１０５）の表面のホー
ル（正孔）濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。また、
室温のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルのバン
ド端波長から算出した上部クラッド層（１０５）のアル
ミニウム組成は１０％（０．１０）であった。

【００３８】窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ
_0.10Ｇａ_0.90Ｎ）からなる上部クラッド層（１０５）上
には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形の窒
化ガリウム（ＧａＮ）層をコンタクト層（１０６）とし
て堆積した。同層（１０６）のキャリア濃度は約６×１
０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約１００ｎｍとした。コンタク
ト層（１０６）の成長終了後、基板温度を１１００℃よ
り２０℃／分の冷却速度で８００℃に降温した。更に、
８００℃に降下した後、同温度に正確に２０分間保持し
た。２０分間経過後、自然冷却により室温近傍の温度迄
冷却した。

【００３９】活性層（１０４）の成膜温度（８３０℃）
より高温（１１００℃）の環境下での保持過程を経過し
た後に、冷却された発光部を断面ＴＥＭ法により観察し
た。図７に高分解能モードで撮像された発光部のＴＥＭ
像を模式的に示す。結晶体（１０７）の多くは窒化ガリ
ウム（１０９）の表面上に在り、相互に融着を繰り返し
て外形を大となしたと想像される結晶体（１１７）も存
在した。結晶体の融合が特に、顕著に進行したと推定さ
れる一部の領域では、半ば層状に重層した結晶体（１２
４）も確認された。

【００４０】形成した積層体を用いて発光ダイオード
（ＬＥＤ）を作製した。ｎ形電極（１２６）は電極を形
成する予定の領域に在る上記の積層体の一部を深さ方向
にエッチング除去して、露呈したｎ形窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）からなる下地層（１０９）の表面上に形成した。
一方、ｐ形電極（１１９）はコンタクト層（１０６）上
に形成した。図８にＬＥＤの断面模式図を示す。作製し
たＬＥＤに順方向に５ボルト（Ｖ）程度の電圧を印加し
て２０〜３０ミリアンペア（ｍＡ）の順方向の電流を流
通したところ青色の発光が得られた。発光スペクトルの
中心波長は大凡、４４５ｎｍであった。半導体素子封止
用の一般的なエポキシ樹脂でモールドした後に測定した
発光出力は、約１．０ミリワット程度であった。発光出
力は直径２インチのウェハの周縁より約７ｍｍより内側
（中央部）の領域に作製された、約８０００個の内の約
６０００個の良品ＬＥＤに於いて、最小で０．８ｍＷ
で、最大１．２ｍＷとなった。発光出力の分布は１．０
±２０％となった。本実施例に記載した本発明に係わる
ＬＥＤから放射される青色発光スペクトルの半値幅は、
従来のＬＥＤのそれに比べ、約１／２の３０ｎｍ程度と
大幅な改善が達成された。

【００４１】上記した成長条件並びに操作条件に従い、
上記ＬＥＤ用途のウェハ（積層体）成長を５回反復し
た。図９及び図１０は各ウェハから作製された青色ＬＥ
Ｄの代表的な発光スペクトルを羅列したものである。こ
れらの発光スペクトルは上記のｎ形及びｐ形電極間に順
方向に２０ｍＡの電流を流通して測定された。発光の中
心波長はウェハ間で平均して４４８ｎｍであった。発光
中心波長（１２１）の均一性は４４８±５ｎｍであっ
た。発光スペクトル上の一つの特徴点は、約４３０ｎｍ
近傍の長位置に副次的なピーク（１２３）が存在するこ
とであった。これは、母体層内に混在する亜鉛に関連す
る発光中心からの青色帯発光に起因するものであると解
釈された。この副次的なピークの存在により発光スペク
トルの半値幅（１２２）は拡幅したものとなったが、図
９に掲示する如く半値幅は平均して３２ｎｍであり、最
小は３０ｎｍであり最大は３５ｎｍであった。順方向電
流値を２０マイクロアンペア（μＡ）程度と極端に小と
した場合でも、発光スペクトル上に他の波長位置、例え
ば、波長５００ｎｍ近傍の緑色帯域に微弱ながら発光ス
ペクトルが出現することは殆どないのが認められた。し
かし、この低順方向電流に於ける発光は青色帯の主発光
スペクトルの強度に比較すれば約１／１００以下の微弱
なものであった。

【００４２】（比較例）基板として実施例１記載のサフ
ァイアＣ面を用い、この基板表面上に実施例に記載の成
長条件及び成長操作に倣い、アンドープ窒化ガリウム
（ＧａＮ）からなる低温緩衝層を堆積した後、珪素（Ｓ
ｉ）をドーピングしたｎ形の窒化ガリウム層を下地層と
して形成した。

【００４３】然る後、成長温度を１１００℃から上記実
施例と同じく８３０℃に降温させた。基板の温度が安定
するのを見計らった上で、インジウム組成比を６％とす
る窒化ガリウム・インジウム混晶層の成長を開始した。
実施例に記載したガリウム及びインジウムの III族原料
の供給を１２．５分間に亘り継続して、層厚を約５０ｎ
ｍとする層状の活性層（１０４）となした。活性層（１
０４）の表面には、インジウムの液滴の発生に起因する
と推察される、鋭利的な凹凸ではないものの曲面的な起
伏を有する円形状の突起が多数認められた。この層状の
活性層（１０４）の形成時には、その開始時より実施例
に記載したジシランガスとジエチル亜鉛を利用して珪素
と亜鉛のドーピングを施した。これらのドーピングガス
の供給条件は実施例と全く同一とした。即ち、窒化ガリ
ウム・インジウム混晶活性層（１０４）の形成を実施し
た１２．５分間の間に、ジシランについてはその流量を
毎分２０ミリリットルに、ジエチル亜鉛ガスについては
毎分４０ミリリットルに維持した。これより、活性層
（１０４）の層厚方向に珪素と亜鉛を均質に分布させ
た。発光層の構成に関する実施例との相違点は、発光層
が実施例の如く結晶体と母体層との複数相から構成され
ているのではなく、単一（単独）相から構成されている
点であって、尚且、珪素と亜鉛を均等に分布させている
ことである。要約すれば、本比較例に係わる活性層の構
成は、従来例の如くのドナー及びアクセプター不純物の
ドーピング様式を備えた均一相からなる従来の活性層で
ある。

【００４４】活性層のインジウム組成比を、室温のフォ
トルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル上に出現するとさ
れる近紫外帯域のスペクトルから判定しようと試行し
た。しかし、窒化ガリウム・インジウム混晶に関連され
るピークは、波長約３７０〜約４１０ｎｍの近紫外帯に
は明瞭に検出されず、フォトルミネッセンス（ＰＬ）ス
ペクトルからはインジウム組成比を求めるのは困難であ
った。この原因としては、（ｉ）活性層表面が円形状突
起の発生のために粗雑である、（ｉｉ）珪素等のドナー
不純物が単独で存在している際には、明瞭に出現するピ
ークが亜鉛の混在により消衰する、（ｉｉｉ）発光層の
層厚がフォトルミネッセンス測定には不適（層厚過大）
である、或いは他の要因が考慮されたが特定されるに至
らなかった。このため、別の方策としてＳＩＭＳ分析に
よりガリウムとインジウムのイオン強度を計測して、そ
の強度比からインジウム組成比を算出した。イオン強度
も測定位置に依存して大きく変化し、インジウムの液滴
の存在を示すと考慮されるインジウムイオンの信号のみ
が取得される領域も認められた。ガリウムとインジウム
のイオン信号が同時にカウントされる領域での両イオン
の強度比から算出したインジウム組成比を平均すれば、
約０．０５程度であった。

【００４５】実施例に従い成長温度を１１００℃に昇温
して変更した上で、活性層上には、実施例１同様にｐ形
の窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッ
ド層びにｐ形の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるコンタ
クト層を、順次積層させた。実施例に記載の過程を模し
て冷却後、薄片をアルゴンイオンを利用したイオンシン
イング法により作製して、透過型電子顕微鏡を利用して
発光層の構成を観察した。断面ＴＥＭ法で撮像されたほ
ぼ並列して均等に配列した格子像から判断しても、本比
較例の発光層は明らかに層状の物質から構成されるもの
であった。また、ｐ形上部クラッド層と発光層の下部の
ｎ形窒化ガリウム層とは、発光層を介して明らかに空間
的に分離されており、発光層の上下に配置された層が相
互に接合されていることはなかった。即ち、本比較例に
示す活性層に係わる接合構成は、活性層の介在によりそ
の上下の層が層間分離されている従来の様式のものであ
った。

【００４６】本比較例で得た積層体を使用して、実施例
に記載と同一のＬＥＤを作製した（図９参照）。直径２
インチのウェハのほぼ全面に構成された約１２、０００
個のＬＥＤの特性をプローバーにより検査した。検査条
件は順方向電圧を４．５Ｖとし、順方向電流を２０ｍＡ
とした。ＬＥＤからの発光色は不均一であり、ＬＥＤに
依って青色、青緑色、緑色から黄色、赤色と様々であっ
た。正常なｐｎ接合が具備されていれば顕現されるはず
の整流特性を呈さず、発光を生じない素子も数量にして
全体の約１５％達していた。順方向電流を２０ｍＡと設
定した場合、検査対象総数の約３０％に相当するＬＥＤ
のみが発光波長を約４６０〜約４８０ｎｍとする青（青
緑）色発光を呈した。とは云え青色帯の発光強度は実施
例に比して総じて低く、最大でも約０．６ｍＷ程度に留
まった。これは、発光層にインジウムを亜鉛とが混在し
ている発光層であっても、インジウムが混晶を形成する
にたりる程過多に存在すると、発光強度の増大にはかえ
って効果を及ぼさないことを教示している。青色を呈す
るＬＥＤにあっても、順方向電流値によって主発光波長
が移行する現象が認められた。例えば、順方向電流が２
０μＡと低い場合は波長５１０ｎｍとする緑色帯域のス
ペクトルが出現し、波長４６０ｎｍ近傍の青色発光スペ
クトルが出現しないが、通常のＬＥＤの動作電流の範囲
にある２０ｍＡ流通時には、発光の主スペクトルは逆転
して波長４６０ｎｍ近傍の青色帯に移行した。即ち、順
方向電流（動作電流）に依存して発光波長（発光色）が
変動する単色発光特性の発現の安定性に欠けるものとな
った。中心発光スペクトルの半値幅は、発光中心波長が
順方向電流値に依存して変化するため特定出来かねる
が、中心波長を約４６０ｎｍとする青色帯発光スペクト
ルについては平均して約５０ｎｍであった。表１に青色
帯発光を呈する本比較例のＬＥＤと上記の実施例に係わ
るＬＥＤとの特性、特に主要な特性の関する均一性につ
いて掲示する。本比較例に係わる従来の構成の発光層を
有するＬＥＤは、本発明に係わる複数の相からなる発光
層を具備したＬＥＤに比較すれば、発光波長並びに発光
中心スペクトルの半値幅の均一性に特に劣るものとなっ
た。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【発明の効果】安定形成に難があるインジウム濃度が均
一でドナー、アクセプター不純物を均一に分布させた均
質な単一相からなるIII 族化合物半導体層を活性層（発
光層）として敢えて採用せずとも、結晶体と母体層とを
分割した複数の相からなる活性層（発光層）の採用によ
り、特性に優れる素子を安定して得ることが可能とな
る。発光素子にあっては、本発明の効果は特に次の発光
特性の向上となって顕現される。（１）発光中心波長の
再現性、（２）発光中心波長の均一性、（３）発光スペ
クトル半値幅の均一性、（４）発光スペクトル半値幅の
縮小、（５）単色化及び良品素子収率の向上等である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の青色ＬＥＤの断面構造を示す模式図であ
る。

【図２】従来の青色ＬＥＤからの発光スペクトルを示す
図である。

【図３】本発明に係わる活性層の断面の構成例を模式的
に示す図である。

【図４】図３に示す活性層の平面模式図である。

【図５】本発明に係わる活性層の構成要素である結晶体
が、高温環境での熱履歴を経た後に外形に変形を来す模
様を説明するための図である。

【図６】本発明に係わる活性層をＭＯＣＶＤ法で得るに
当って、III 族元素原料並びにドーピングガスの流通状
況の一例を示す図である。

【図７】実施例に係わる活性層にあって、結晶体が変形
を被る模様を活性層に関する接合構成と併せて示す模式
図である。

【図８】本発明に係わるＬＥＤの断面模式図である。

【図９】本発明に係わる代表的な発光スペクトルを示し
た図である。

【図１０】本発明に係わる発光スペクトルの他の例を示
した図である。

【符号の説明】

（１０１） 基板 （１０２） 低温緩衝層 （１０３） 下部クラッド層 （１０４） 活性層 （１０５） 上部クラッド層 （１０６） コンタクト層 （１０７） 本発明に係わるインジウムを含有する結晶
体 （１０８） 結晶体より電子親和力を小とするIII 族窒
化物化合物半導体から構成される母体層 （１０９） 下地層 （１１０） 明視野透過電子顕微鏡観察により確認され
る格子像 （１１１） 外形を略球状とする結晶体 （１１２） インジウム源が流通されている状態にある
ことを表す線図 （１１３） ガリウム源が流通されている状態にあるこ
とを表す線図 （１１４） III 族元素原料の供給を停止することによ
り成長が中断される期間を表わす。 （１１５） 亜鉛等のアクセプター不純物のドーピング
源が流通されている状態にあることを表す線図 （１１６） 珪素等のドナー不純物のドーピング源が流
通されている状態にあることを表す線図 （１１７） 高温環境への暴露により、融着して形状が
大きくなった結晶体 （１１９） ｎ形電極 （１２０） ｐ形電極 （１２１） 発光中心波長 （１２２） 主発光スペクトルの半波値 （１２３） アクセプタ不純物からの発光に起因する副
次的なスペクトル （１２４） 層状に重層した結晶体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−94784（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−326359（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−62896（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−112584（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−319985（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−88345（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−82912（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−56055（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インジウムを含有してなるIII 族窒化物
   化合物半導体を活性層として具備してなる化合物半導体
   素子にあって、インジウムを含有するIII 族窒化物化合
   物半導体からなる結晶体と、該結晶体よりも電子親和力
   を小とするIII 族窒化物化合物半導体材料から構成され
   た母体層との２相からなる活性層を備えた化合物半導体
   素子。
2. 【請求項２】 母体層は結晶体よりも電子濃度を大とす
   ることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子。
3. 【請求項３】 母体層は結晶体よりも高濃度にアクセプ
   ター不純物を含むことを特徴とする請求項１乃至２記載
   の化合物半導体素子。
4. 【請求項４】 母体層にインジウムを存在させてなるこ
   とを特徴とする請求項１乃至３記載の化合物半導体素
   子。
5. 【請求項５】 母体層を窒化アルミニム・ガリウム（Ａ
   ｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）とし、結晶体をインジウ
   ム組成比が２％（０．０２）以上２０％以下の窒化ガリ
   ウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０≦ｚ＜１）と
   する請求項１乃至３記載の化合物半導体素子。
6. 【請求項６】 母体層を結晶体よりも第II族元素を高濃
   度に含有したインジウム含有ｎ形窒化アルミニム・ガリ
   ウム（Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ：０≦ｘ≦１）とし、結晶体を
   インジウム組成比を２％（０．０２）以上２０％以下と
   する窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_z Ｉｎ_1-z Ｎ：０
   ≦ｚ＜１）とする請求項１乃至４記載の化合物半導体素
   子。