JP3097596B2 - Group III nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

Group III nitride semiconductor light emitting device

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JP3097596B2
JP3097596B2 JP11831497A JP11831497A JP3097596B2 JP 3097596 B2 JP3097596 B2 JP 3097596B2 JP 11831497 A JP11831497 A JP 11831497A JP 11831497 A JP11831497 A JP 11831497A JP 3097596 B2 JP3097596 B2 JP 3097596B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、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、特に単色性に優れ且つ高輝度の短波長可視
光を放射する発光素子を提供する発光層の構成に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention 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 which is excellent in monochromaticity and emits high-luminance short-wavelength visible light. The present invention relates to a structure of a light emitting layer that provides an element.

【0002】[0002]

【従来の技術】Alx Gay In1-x-y N(0≦x≦
1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)等のIII 窒化物半導
体は、青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(英略称:LED)や可視レーザダイオー
ド(英略称:LD)にあって、発光層として利用されて
いる。特に、窒化ガリウム・インジウム混晶(Gax
1-x N:0<x<1)が発光層として常用されるのは
周知となっている(例えば、特公昭55−3834号公
報等参照)。窒化ガリウム・インジウム混晶の様なIII
族窒化物半導体からなる発光層を具備する発光素子を本
発明では、便宜上、III 族窒化物半導体発光素子と称
す。
2. Description of the Related Art Al x Gay In 1-xy N (0 ≦ x ≦
1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) and other III nitride semiconductors emit light (e.g., LED) or visible laser diode (e.g., LED) that emits short-wavelength visible light such as blue or green light. : LD), which is used as a light emitting layer. In particular, gallium-indium mixed crystals (Ga x I
It is well known that n 1-x N: 0 <x <1) is commonly used as a light emitting layer (for example, see Japanese Patent Publication No. 55-3834). Like gallium nitride-indium mixed crystal III
In the present invention, a light emitting device having a light emitting layer made of a group III nitride semiconductor is referred to as a group III nitride semiconductor light emitting device for convenience.

【0003】発光層としての窒化ガリウム・インジウム
混晶(Gax In1-x N:0<x<1)に要求される従
来からの仕様を省みるに、それは、インジウム(In)
の組成比が主たるものであった。これは、窒化ガリウム
・インジウム混晶層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)
近傍の青色発光を意図した発光層にあっては、インジウ
ム組成比を約5%から20%程度とする窒化ガリウム・
インジウム混晶が好適とされてきた。
The conventional specifications required for the gallium-indium nitride mixed crystal (Ga x In 1-x N: 0 <x <1) as the light-emitting layer are omitted.
Was the main composition ratio. This is based on the conventional insight that the main factor influencing the emission wavelength from the gallium nitride-indium mixed crystal layer is the indium composition ratio (see Japanese Patent Publication No. 55-3834 described above). For example, about 450 nanometers (nm) with high visibility
In the vicinity of the light-emitting layer intended for blue light emission, the gallium nitride / indium composition ratio is set to about 5% to 20%.
Indium mixed crystals have been preferred.

【0004】此処でインジウム組成比の仕様を満足する
ことをもって発光層として足るとした窒化ガリウム・イ
ンジウム混晶を具備した従来のIII 族窒化物半導体発光
素子の問題点を提起する。第1は発光素子に印加する電
圧(電流)に依って発光色に変化を来すことである。即
ち、発光波長の印加電圧(電流)値依存性が存在するこ
とである。第2の問題点は発光素子へ印加する電圧値が
或る境界値を越えれば、主たる発光の波長はインジウム
組成比に対応したものとはなるが、色相の単一化(発光
の単色性)の阻害する副次的な発光が依然として共存す
ることである。第3はこれも発光の単色性に係わる事項
であるが例えば、発光ダイオード(英略称:LED)に
あって、発光スペクトルの半値幅が例えば、砒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶(AlGaAs)等の他のIII 族
化合物半導体材料からなるLEDに比較して極端に大き
いことである。具体的な数値をもって比較すれば、砒化
アルミニウム・ガリウム混晶(AlGaAs)を発光層
とするpn接合型ダブルヘテロ接合構造の赤色帯LED
からの発光スペクトルの半値幅が一般に100オングス
トーム(Å)未満であるに対し、III 族窒化物半導体発
光素子のそれは一般には最小でも150Å程度であり、
多くは約200Åから約700Å程度と大きいのが実状
である。以上、旧来のIII 族窒化物半導体発光素子特
に、従来の窒化ガリウム・インジウム結晶を発光層とす
るLEDに付帯する問題点は発光の単色性の不十分さに
集約される。換言すれば、窒化ガリウム・インジウム発
光層を備えたLEDに於ける発光の単色性は発光層のイ
ンジウム組成比によって一義的に決定されるのではない
ことを示唆している。
Here, the problem of the conventional group III nitride semiconductor light emitting device provided with a gallium nitride / indium mixed crystal which is sufficient as the light emitting layer by satisfying the specification of the indium composition ratio is proposed. First, the color of the emitted light changes depending on the voltage (current) applied to the light emitting element. That is, there is an applied voltage (current) value dependency of the emission wavelength. The second problem is that if the voltage value applied to the light emitting element exceeds a certain boundary value, the main emission wavelength will correspond to the indium composition ratio, but the hue is unified (emission monochromaticity). Are still coexisting with the secondary luminescence that is hindered. The third is also related to monochromaticity of light emission. For example, in a light emitting diode (abbreviation: LED), the half width of the light emission spectrum is other than that of another material such as aluminum arsenide / gallium mixed crystal (AlGaAs). This is extremely large as compared with an LED made of a group III compound semiconductor material. When compared with specific numerical values, a red band LED having a pn junction type double hetero junction structure using an aluminum gallium arsenide mixed crystal (AlGaAs) as a light emitting layer.
Is generally less than 100 angstroms (Å), whereas that of a group III nitride semiconductor light emitting device is generally at least about 150 °,
In many cases, the actual size is as large as about 200 ° to about 700 °. As described above, the problems associated with the conventional group III nitride semiconductor light-emitting device, particularly with the conventional LED using a gallium-indium nitride crystal as a light-emitting layer, are mainly due to insufficient monochromaticity of light emission. In other words, this suggests that the monochromaticity of light emission in the LED having the gallium indium nitride light emitting layer is not uniquely determined by the indium composition ratio of the light emitting layer.

【0005】単色性は発光層の層厚を減ずればより向上
すると類推されるに足るIII 族窒化物半導体発光素子も
最近では、報告されている(S.Nakamura他、
J.Appl.Phys.、Vol.34(199
5)、L1332〜L1335頁参照)。具体的には、
層厚を約10ナノメーター(nm)未満とする薄い発光
層を井戸層とする量子井戸構造と称する発光部を備えた
発光波長を450nmとする青色LEDに於いて、20
nmの半値幅が得られたとされる。これは、発光スペク
トルの半値幅の発光層の層厚依存性を示唆するものであ
る。しかし、発光層の層厚を上記の開示例の如く薄層と
し尚且、インジウム組成比が精密に制御されるとしても
上記の問題点の全てを解決するには至っていない。主ス
ペクトルの他に副次的なスペクトルが共存する問題が依
然として克服されていないのが実状である。図1は、未
だ解決に至っていない副次的な発光を呈する典型的なス
ペクトルの一例であって、主たる発光スペクトル(10
1)の極く近傍に副次的なスペクトル(102)が発生
している例を示すものである。本例に提示される如く窒
化ガリウム・インジウム発光層の薄層化により主たる発
光スペクトルの半値幅の狭帯化には影響を与えるが、単
に発光層の層厚を減ずる従来の技術的手段は共存する副
次的なスペクトルの発生を抑制し発光の単色性を全般的
に向上させるに充分に有効とはなっていない。
A group III nitride semiconductor light-emitting device, whose monochromaticity is expected to be improved by reducing the thickness of the light-emitting layer, has recently been reported (S. Nakamura et al.
J. Appl. Phys. Vol. 34 (199
5), see pages L1332 to L1335). In particular,
In a blue LED having a light emitting wavelength of 450 nm and having a light emitting portion called a quantum well structure having a thin light emitting layer having a layer thickness of less than about 10 nanometers (nm) as a well layer, 20
It is said that a half width of nm was obtained. This suggests that the half width of the emission spectrum depends on the thickness of the light emitting layer. However, even if the thickness of the light emitting layer is made as thin as in the above-mentioned disclosed example and the indium composition ratio is precisely controlled, all of the above problems have not been solved. In fact, the problem of coexistence of secondary spectra in addition to the main spectra has not been overcome. FIG. 1 is an example of a typical spectrum exhibiting a secondary emission which has not been solved yet, and shows a main emission spectrum (10%).
This shows an example in which a secondary spectrum (102) is generated in the immediate vicinity of 1). As presented in this example, thinning the gallium-indium nitride light-emitting layer affects the narrowing of the half-width of the main emission spectrum, but conventional technical means of simply reducing the thickness of the light-emitting layer coexist. However, it is not sufficiently effective to suppress the generation of secondary spectra and to improve the monochromaticity of light emission in general.

【0006】発光層としての窒化ガリウム・インジウム
混晶層に従来から要求されている他の仕様は混晶の均質
性である。混晶組成比が均一で且つ均質な結晶性を有す
る所謂、単一の組成の相(phase)からなる窒化ガ
リウム・インジウム混晶層が発光の強度並びに単色性を
向上させるに都合が良いと漠然と推察されて来たことに
因るものである。発光層として窒化ガリウム・インジウ
ム混晶には均質性や均一性が要求される一方で、窒化ガ
リウム・インジウム混晶(Gax In1-x N:0<x<
1)にあってはむしろ均質な組成の混晶は成長上の困難
さが伴うことも既に教示されている(Jpn.J.Ap
pl.Phys.,46(8)(1975)、343
2.参照)。そ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(上記の文献Jpn.
J.Appl.Phys.,46(8)(1975)参
照)。窒化ガリウム・インジウム結晶層に於いて、その
混晶を構成する窒化ガリウムと窒化インジウム双方の共
有結合半径の相違による非混和性から混晶層内部に混晶
組成比の不均一さが生ずることは、最近の研究成果とし
て発表されている(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)。即ち、従来から思料さ
れていたのとは逆に発光層として利用されている窒化ガ
リウム・インジウム結晶層は混晶組成が均一で均質な相
からなる結晶層とは成り難いのが明らかになりつつあ
る。
Another specification conventionally required for a gallium-indium nitride mixed crystal layer as a light emitting layer is the homogeneity of the mixed crystal. If the gallium-indium nitride mixed crystal layer having a so-called single composition phase having a uniform mixed crystal composition ratio and uniform crystallinity is suitable for improving the emission intensity and monochromaticity, it is vaguely. It is due to what has been speculated. The gallium nitride-indium mixed crystal as the light emitting layer is required to have uniformity and uniformity, while the gallium nitride-indium mixed crystal (Ga x In 1-x N: 0 <x <
It has already been taught in (1) that mixed crystals having a rather homogeneous composition are accompanied by growth difficulties (Jpn. J. Ap).
pl. Phys. , 46 (8) (1975), 343
2. reference). This is mainly due to the fact that the gallium-indium nitride crystal layer potentially has the property of being separated into phases having different mixed crystal composition ratios (see the above-mentioned document Jpn.
J. Appl. Phys. , 46 (8) (1975)). In the gallium indium nitride indium crystal layer, non-uniformity of the mixed crystal composition ratio in the mixed crystal layer due to immiscibility due to the difference in the covalent radius of both gallium nitride and indium nitride that constitute the mixed crystal does not occur. (The 57th Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Proceedings No. 1, Autumn No. 8p-ZF-14, p. 209, 1996). In other words, contrary to what has conventionally been considered, it is becoming clear that the gallium-indium nitride crystal layer used as the light emitting layer is unlikely to be a crystal layer having a uniform mixed crystal composition and a homogeneous phase. is there.

【0007】窒化ガリウム・インジウムからなる発光層
を例にして説明するならば、複数相からなる不均一層と
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。より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、
その層は例えば、GaN(インジウム組成比=0に相当
する。)、Ga0.95In0.05N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
を異にする相が微結晶体(微結晶粒)をなして存在する
場合が全んどである。最近では、不均一化の結果として
の微結晶体の存在と窒化ガリウム・インジウム結晶層の
発光機構(メカニズム)との関連が指摘されるに至って
いる(特願平8−208486号参照)。本発明者の見
識に依れば、微結晶体を介しての発光は微結晶体の直径
の増大に伴い微結晶体から放射せられる光のエネルギー
は減少する即ち、発光の波長はより長波長となるなど、
シリコン(Si)微結晶体からの発光に類似したものが
ある(EUROPEAN MATERIALS RES
EARCH SOCIETY SIMPOSIA PR
ODEEDINGS 43、「Light Emiss
ion from Silicon」(NORTH−H
OLLAND(ELSEVIOR SCIENCE
B.V.)(1994)、1〜4頁参照)。また、発光
層を構成するIII 族窒化物半導体層の結晶組織の不均質
性は発光素子の発光出力の向上を誘引するとも推察され
ている。
In the case of a light emitting layer made of gallium / indium nitride as an example, a heterogeneous layer composed of a plurality of phases means that a plurality of phases having different indium composition ratios are mixed. . If more specific examples are shown, they can be collectively referred to as a gallium indium indium light emitting layer,
The layer has an indium composition ratio in which a plurality of phases having different indium composition ratios such as GaN (corresponding to an indium composition ratio = 0), Ga 0.95 In 0.05 N and Ga 0.80 In 0.20 N are mixed. Means a non-uniform layer. From a morphological point of view, it is almost always the case that a phase having a different indium composition ratio is present as a microcrystal (fine crystal grains) inside a main phase having a certain indium composition ratio. is there. Recently, it has been pointed out that there is a relationship between the existence of microcrystals as a result of non-uniformity and the light emitting mechanism of the gallium indium nitride crystal layer (see Japanese Patent Application No. 8-208486). According to the inventor's insight, the light emitted through the microcrystal decreases in energy as the diameter of the microcrystal increases, that is, the energy of light emitted from the microcrystal decreases, i.e., the wavelength of light emission becomes longer. Such as
There is one similar to light emission from a silicon (Si) microcrystal (EUROPEAN MATERIALS RES)
EARCH SOCIETY SIMPOSIA PR
ODEEDINGS 43, "Light Emiss
ion from Silicon ”(NORTH-H
OLLAND (ELSEVIOR SCIENCE
B. V. ) (1994), pp. 1-4). It is also presumed that the inhomogeneity of the crystal structure of the group III nitride semiconductor layer forming the light emitting layer leads to an improvement in the light output of the light emitting device.

【0008】発光特性の向上が期待出来ることと相俟っ
て、従前の単一相からなる均質層を発光層とせずに敢え
て母相と微結晶体等の複数の相からなる結晶組織的に不
均一な層から発光層を構成するのが最近の技術動向であ
る。それは主に次の事由により敢えて発光層について不
合理な均質化を達成しようとする技術的な困難さからも
開放されるからである。 (イ)上記の如く窒化ガリウム・インジウム等の如くの
非混和性の強い材料にあっては、成膜時に於ける加熱或
いはまたその後の過程に於ける被熱に因り自ずと相分離
(例えば、母相と微結晶体への分離)を生ずる。 (ロ)インジウム(原子)は拡散し易く歪や結晶欠陥等
に蓄積、凝集する傾向が認められる。これにより、母相
の内部に母相とはインジウム組成(濃度)を異にする相
が発生する。しかしながら、如何に形成し易くまた発光
出力の向上が期待される反面、発光の単色性の向上をも
たらす結晶組織構造に於ける「不均質性」とは何である
かは未だ明確に探求されていない。特に発光層として常
用される窒化ガリウム・インジウム結晶層にあって、発
光スペクトル上の単色性と「不均質性」の程度例えば、
母相中のインジウムを含んでなる微結晶体の総量との量
的関係等は未だに不明確である。
Along with the expectation that the emission characteristics can be improved, a conventional homogeneous layer consisting of a single phase is not used as a light emitting layer, but a crystal structure consisting of a mother phase and a plurality of phases such as microcrystals. It is a recent technical trend to form a light emitting layer from a non-uniform layer. This is because it is mainly free from the technical difficulty of trying to achieve irrational homogenization of the light emitting layer for the following reasons. (A) As described above, in the case of a highly immiscible material such as gallium indium or the like, phase separation occurs naturally due to heating at the time of film formation or heat receiving in a subsequent process (for example, mother material). (Separation into phases and microcrystals). (B) Indium (atoms) are easily diffused, and tend to accumulate and aggregate in strains and crystal defects. As a result, a phase having a different indium composition (concentration) from the parent phase is generated inside the parent phase. However, while it is easy to form and the emission output is expected to be improved, what is "heterogeneity" in the crystal structure that leads to an improvement in the monochromaticity of the emission has not yet been clearly explored. . Especially in the gallium indium nitride crystal layer commonly used as a light emitting layer, the degree of monochromaticity and "heterogeneity" on the emission spectrum, for example,
The quantitative relationship with the total amount of microcrystals containing indium in the parent phase is still unclear.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】母相(主体相)とイン
ジウムを含む微結晶体等とからなる様な複数の存在形態
からなる結晶組織的に不均質であるIII 族窒化物半導体
発光層にあって、発光素子の発光に於ける単色性(発光
色の純度)と発光層の不均質構成との関連を明らかにす
ると共に、単色性の改善をもたらすに有効な発光層の不
均質性の要件を微結晶体の総数を因子として提示する。
SUMMARY OF THE INVENTION A group III nitride semiconductor light-emitting layer having a heterogeneous crystal structure consisting of a plurality of existing forms such as a parent phase (main phase) and a microcrystalline body containing indium is used. In addition to clarifying the relationship between monochromaticity (purity of emission color) in light emission of the light emitting element and the heterogeneous structure of the light emitting layer, the heterogeneity of the light emitting layer, which is effective for improving the monochromaticity, is clarified. Requirements are presented with the total number of microcrystals as a factor.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、(1)
母相と母相中に散在するインジウム(In)を含むIII
族窒化物半導体からなる直径或いは横幅にして30nm
以下の略球状或いは島状の結晶体とから構成される発光
層であって、母相に含有される当該結晶体の総量を2×
1018個/cm3 以下とする発光層を備えたIII 族窒化
物半導体発光素子を提供するものである。本発明が特に
特徴とするのは、層厚20nm以下の発光層であって、
単位体積(1cm3 )の発光層内に含有される前記結晶
体の総量を、該発光層の層厚(t:cm)に対して dmax.(個/cm3 )=5.0×1023×t(個/cm
3 ) で与えられるdmax.の値以下とする発光層を備えた上記
のIII 族窒化物半導体発光素子である。
That is, the present invention provides (1)
Including parent phase and indium (In) scattered in the parent phase III
30 nm in diameter or width made of group nitride semiconductor
A light emitting layer composed of the following substantially spherical or island-shaped crystals, wherein the total amount of the crystals contained in the matrix is 2 ×
An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer of 10 18 / cm 3 or less. The present invention is particularly characterized in a light emitting layer having a thickness of 20 nm or less,
The total amount of the crystals contained in the unit volume (1 cm 3 ) of the light emitting layer is calculated as dmax. (Pieces / cm 3 ) = 5.0 × 10 23 with respect to the layer thickness (t: cm) of the light emitting layer. × t (pcs / cm
3 ) The above-described group III nitride semiconductor light-emitting device comprising a light-emitting layer having a value equal to or less than dmax.

【0011】本発明に係わる発光層を構成するためのII
I 族窒化物半導体には、一般式Alx Gay Inz
(x+y+z=1、0≦x,y<1、0<z≦1)で表
されるインジウム含有材料がある。この一般式で表記さ
れる代表的な発光層用途の材料には従前の如くの窒化ガ
リウム・インジウム(Gax In1-x N:0<x<1)
がある。また、一般式Alx Gay Inz1-a Asa
(x+y+z=1、0≦x,y<1、0<z≦1、0≦
a<1)、或いは一般式Alx Gay Inz1- aa
(x+y+z=1、0≦x,y<1、0<z≦1、0≦
a<1)で表される窒素以外の第V族元素である砒素
(元素記号:As)やリン(元素記号:P)を構成元素
とする窒化物化合物半導体が挙げられる。これに属する
半導体材料の一例には立方晶(cubic)系の結晶構
造も採り得る砒化窒化ガリウム(GaN1-x Asx :0
<x<1)がある。発光層を構成する半導体材料の結晶
系には特に制限は無く、窒化ガリウム・インジウムの様
に六方晶系(hexagonal system)或い
は立方晶系であっても構わない。また、これらの異なる
晶族(crystal class)の結晶が混在する
ものであっても構わない。
[0011] II for forming the light emitting layer according to the present invention
The I-V nitride semiconductor, the general formula Al x Ga y In z N
There is an indium-containing material represented by (x + y + z = 1, 0 ≦ x, y <1, 0 <z ≦ 1). Typical luminescent layer application material on the previous gallium indium nitride of as a being denoted by the general formula (Ga x In 1-x N : 0 <x <1)
There is. Moreover, the general formula Al x Ga y In z N 1 -a As a
(X + y + z = 1, 0 ≦ x, y <1, 0 <z ≦ 1, 0 ≦
a <1), or the general formula Al x Ga y In z N 1- a P a
(X + y + z = 1, 0 ≦ x, y <1, 0 <z ≦ 1, 0 ≦
A nitride compound semiconductor containing arsenic (element symbol: As) or phosphorus (element symbol: P) which is a Group V element other than nitrogen represented by a <1) as a constituent element is exemplified. As an example of a semiconductor material belonging to this, gallium arsenide nitride (GaN 1-x As x : 0), which can also take a cubic crystal structure, is used.
<X <1). The crystal system of the semiconductor material forming the light emitting layer is not particularly limited, and may be a hexagonal system (hexagonal system) or a cubic system such as gallium indium nitride. In addition, crystals of these different crystal classes may be mixed.

【0012】母相とは発光層を構成するIII 族窒化物半
導体材料にあって、空間的に占有する体積が大きい相を
指す。此処では、例えば、窒化ガリウム・インジウムと
して包括して呼称される結晶相であっても、インジウム
濃度が異なれば異なる固体相であるとみなす。一例を挙
げれば、体積分率を約7%とするインジウム組成比が
0.18のGa0.82In0.18N相と、体積分率を約15
%とするインジウム組成比が0.08のGa0.92In
0.08N相と体積分率を約78%とするインジウム組成比
がほぼ0の組成的に窒化ガリウムに近い相とからなる窒
化ガリウム・インジウム発光層を仮定する。占有する空
間体積が最大である即ち、体積分率が最も大きい相が本
発明の云う母相である。上例では、最大の体積分率を有
する充分に小さなインジウム組成比のために組成上、窒
化ガリウムと見なす相が母相である。窒化ガリウム・イ
ンジウム混晶(Gax In1-x N:0<x<1)を発光
層を構成する結晶層として選択した場合に認められる様
に、発光層を構成する材料が例えインジウムを含有する
III 族窒化物半導体材料であっても、母相はインジウム
を含有する相となるとは限らない。
The parent phase is a phase in the group III nitride semiconductor material constituting the light emitting layer, which occupies a large space in space. Here, for example, even a crystal phase generically referred to as gallium indium nitride is regarded as a different solid phase if the indium concentration is different. As an example, a Ga 0.82 In 0.18 N phase having an indium composition ratio of 0.18 and a volume fraction of about 15% and a volume fraction of about 7%, respectively.
% Ga 0.92 In with an indium composition ratio of 0.08
It is assumed that a gallium-indium nitride light-emitting layer is composed of a 0.08 N phase and a compositionally indium composition ratio of about 78% and an indium composition ratio of approximately 0, which is close to gallium nitride. The phase that occupies the largest volume of space, that is, the phase with the largest volume fraction, is the mother phase according to the present invention. In the above example, the phase considered gallium nitride in composition due to a sufficiently small indium composition ratio having the largest volume fraction is the parent phase. As can be seen when gallium-indium nitride mixed crystal (Ga x In 1-x N: 0 <x <1) is selected as the crystal layer forming the light emitting layer, the material forming the light emitting layer contains indium, for example. Do
Even in the case of a group III nitride semiconductor material, the mother phase is not always a phase containing indium.

【0013】母相以外のインジウムの比較的多く含むそ
の他の相は発光層の被熱に因り形態を変化させ、全んど
がインジウムを含有する結晶体(結晶粒)となるのが認
められる。本発明ではこれを母相と母相中に散在するイ
ンジウム(In)を含む III族窒化物半導体からなる結
晶体とから構成される発光層と称す。結晶体の外形は窒
化ガリウム・インジウム結晶層を発光層とする例にも確
認される如く略球状、半球状或いは垂直断面を台形状と
する島状であるのが主体である。此処では、種々の外形
を採り得る結晶体の形状を「略球状或いは島状」として
代表して述べる。結晶体の大きさは発光層を構成する半
導体材料や発光層の形成条件等の要因により変化する。
本発明では結晶の外形を「略球状或いは島状」として纏
めて記述する関係上、結晶体の大きさを「直径或いは横
幅」として表記する。単色性に影響を及ぼすのは直径或
いは横幅にして概ね、30nm以下の略球状或いは島状
の結晶体である。約30nmを越える直径或いは横幅を
有する結晶体は青、青緑、緑、黄色或いは赤色系の短波
長の可視光域に発光スペクトルを特には与えず、短波長
可視発光素子の単色性に格別顕著な影響を及ぼすに至ら
ない。従って、本発明で注目するのは直径或いは横幅に
して30nm以下の略球状或いは島状の結晶体である。
結晶体は透過型電子顕微鏡(英略称:TEM)による断
面TEM法で発光層の内部構造を高倍率で観察すればそ
の存在が確認され尚且結晶体の数量も計測できる。
It is recognized that the other phases containing a relatively large amount of indium other than the parent phase change their morphology due to the heating of the light-emitting layer, and all become indium-containing crystals (crystal grains). In the present invention, this is referred to as a light emitting layer including a mother phase and a crystal made of a group III nitride semiconductor containing indium (In) dispersed in the mother phase. The outer shape of the crystal is mainly a substantially spherical shape, a hemispherical shape, or an island shape having a trapezoidal vertical cross section, as confirmed in an example in which a gallium indium nitride crystal layer is used as a light emitting layer. Here, the shape of a crystal that can take various external shapes will be described as “substantially spherical or island-like”. The size of the crystal varies depending on factors such as the semiconductor material forming the light emitting layer and the conditions for forming the light emitting layer.
In the present invention, the size of the crystal is described as "diameter or width" because the external shape of the crystal is collectively described as "substantially spherical or island-shaped". What affects the monochromaticity is a substantially spherical or island-shaped crystal having a diameter or width of about 30 nm or less. Crystals having a diameter or width exceeding about 30 nm do not particularly give an emission spectrum to the short-wavelength visible light region of blue, blue-green, green, yellow or red, and are particularly remarkable in the monochromaticity of the short-wavelength visible light-emitting device. Has no significant effect. Therefore, the present invention focuses on a substantially spherical or island-shaped crystal having a diameter or a width of 30 nm or less.
The presence of the crystal is confirmed by observing the internal structure of the light emitting layer at a high magnification by a cross-sectional TEM method using a transmission electron microscope (abbreviation: TEM), and the number of crystals can be measured.

【0014】発光層の層厚方向に結晶体が一定の密度
(記号d(個/cm3 )で表す。)で母相内に存在する
のが知れていれば、体積をV(cm3 )とする発光層の
内部に存在する結晶体の総量(記号Nで示す。)は式d
×Vから計算される。しかし、結晶体の母相内での密度
は例えば、発光層の層厚の増加方向で必ずしも一定とな
るとは限らない。熱伝導率或いは熱膨張率等の熱的物性
値を異にする半導体層間に挿入された発光層である場
合、従来の積層構造例に鑑みればn形の窒化ガリウム層
とp形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶との中間にp
n接合型のダブルヘテロ接合構造をなすべく配置された
窒化ガリウム・インジウム発光層にあっては、インジウ
ム含有結晶体の密度が発光層の層厚増加方向のほぼ中央
部で大きくなるのも見受けられる。これは、窒化ガリウ
ム・インジウム発光層とその両側に接合している半導層
との熱膨張率等の差異により発光層に印加される熱歪
(熱応力)の大きさ、または応力の分布に起因すると考
慮されるが定かではない。また、窒化ガリウム・インジ
ウム発光層内の結晶体が発光層と発光層との接合をなす
接合層との界面近傍の領域に多く存在するため、結晶体
の密度が発光層の層厚の増加方向に非一様となる事例も
ある。この様に結晶体が層厚方向に非一様に分布してい
る場合に母相内に含有される結晶体の総数は例えば、断
面TEM像から実際に計測するか、分割されたある層厚
の範囲毎の結晶体の密度を基に平均の密度を求めて、そ
の平均の密度値と発光層厚の乗算から結晶体の総数を算
出する。密度の分布の様式に拘らず本発明ではIII 族窒
化物半導体からなる発光層を構成する母相内の結晶体の
総数が規定の対象である。
If it is known that the crystal exists in the matrix at a constant density (represented by the symbol d (pieces / cm 3 )) in the thickness direction of the light emitting layer, the volume is increased to V (cm 3 ). The total amount of crystals existing in the light emitting layer (indicated by the symbol N) is expressed by the formula d.
Calculated from × V. However, the density of the crystalline body in the matrix is not always constant, for example, in the direction in which the thickness of the light emitting layer increases. In the case of a light emitting layer inserted between semiconductor layers having different thermal properties such as thermal conductivity or thermal expansion coefficient, an n-type gallium nitride layer and a p-type aluminum nitride P in the middle of gallium mixed crystal
In the gallium-indium nitride light-emitting layer arranged to form an n-junction double heterojunction structure, it can be seen that the density of the indium-containing crystal is increased almost at the center of the light-emitting layer in the direction in which the layer thickness increases. . This is because the magnitude of the thermal strain (thermal stress) applied to the light emitting layer or the distribution of the stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the gallium indium nitride light emitting layer and the semiconductor layers bonded to both sides thereof. It is considered to be caused, but it is not clear. In addition, since the crystals in the gallium / indium nitride light-emitting layer are often present in the region near the interface between the light-emitting layer and the bonding layer that forms the bond between the light-emitting layer, the density of the crystals increases in the thickness direction of the light-emitting layer. In some cases, the data is not uniform. As described above, when the crystals are non-uniformly distributed in the layer thickness direction, the total number of crystals contained in the matrix may be, for example, actually measured from a cross-sectional TEM image or divided into certain layer thicknesses. The average density is determined based on the density of the crystals in each range, and the total number of crystals is calculated from the multiplication of the average density value and the thickness of the light emitting layer. Regardless of the mode of density distribution, the present invention specifies the total number of crystals in the matrix constituting the light emitting layer made of a group III nitride semiconductor.

【0015】青色帯に於いて視感度の高い波長約450
nm近傍の青色発光を与える窒化ガリウム・インジウム
発光層を例にして、結晶体の総量とフォトルミネッセン
ス(英略称:PL)発光強度との関係を説明する。図2
は窒化ガリウム・インジウムにしては層厚を比較的厚く
約50nmとする発光層からの波長を450nm近傍と
する発光スペクトル(主スペクトルと仮称する。)の半
値幅とインジウム含有結晶体の総量依存性を示す。計測
の対象とした結晶体はTEM観察の際の観察倍率と分解
能の関係上、直径或いは横幅にして約5オングストロー
ム(Å)以上300(Å)以下のものである。この様に
比較的層厚を大とする発光層にあっては、発光層からの
発光強度の増大を意図して従来の技術に倣いアクセプタ
ー不純物として元素周期律第II族の亜鉛(Zn)とドナ
ー不純物として第IV族の珪素(Si)を共にドーピング
してある(特開平6−260860号公報等参照)。両
不純物は発光層から強い発光が得られる様に量的に調節
してドーピングしてある。結晶体の密度が約2×1018
cm-3以下の場合には、所望する波長450nmの主ス
ペクトル以外に、主スペクトルの強度の1/10に到達
する程の強度の副次的なスペクトルの存在は認められな
い。また、発光層からの主スペクトルの半値幅は結晶体
の総量に対して殆ど依存せず15nm未満と良好であ
る。本発明では室温に於いて副時的な発光スペクトルの
発生が認められず且つ主たるPLスペクトルの半値幅が
15nm未満であることを基準にして良好な単色性をも
たらす発光層とする。一方、結晶体の総量が2×1018
cm-3を越えるとあたかもこの値を臨界値として主スペ
クトルとは明瞭に隔離される副次的な発光スペクトルが
約380〜約430nmの近紫外、青色帯域に出現す
る。副次的な発光を付随したスペクトルは図1のそれに
酷似したものとなる。しかも、出現する副次的なスペク
トルは唯一とは常に限らず、例えば、波長約380〜約
400nm帯の近紫外帯スペクトルに加え、波長約50
0〜約550nmの緑色系帯や波長約600nmを越え
る赤色系のスペクトルも出現する場合がある。また、波
長約363nm近傍に窒化ガリウムのバンド端に帰結さ
れる発光も出現する。このため、発光層の発光色は明ら
かに単色性が悪化してPL発光色は一見して白色を帯び
たものとなる。この複数の副次スペクトルは結晶体の総
量が増加することによって、インジウム組成比(濃度)
を異にする様々な結晶体が発生する確率が高くなること
に起因すると考慮される。副次スペクトルの波長はこの
結晶体のインジウム組成比(濃度)の相違に対応するも
のとするのが妥当である。以上は窒化ガリウム・インジ
ウム発光層からのPLスペクトルはヘリウム(He)−
カドミウム(Cd)レーザ−光を光源とし、近紫外帯域
或いは青色帯に充分な感度を発揮する光電子倍増管(フ
ォトマルチプライヤー)を介して測光する極く一般的な
PL測光装置を使用して測定したものである。発光層の
表面を露呈した状態で測光されるPLスペクトルの半値
幅と同発光層を組み込んだ実際のLEDから放射される
発光のスペクトル半値幅とは良く対応する。従って、P
L測光の様な簡便な測定法からも発光素子の半値幅の優
劣は推測できる。
In the blue band, a wavelength having a high visibility of about 450
The relationship between the total amount of crystals and the photoluminescence (English abbreviation: PL) emission intensity will be described using a gallium indium nitride emission layer that emits blue light in the vicinity of nm as an example. FIG.
Is a half-width of an emission spectrum (tentatively referred to as a main spectrum) having a wavelength of about 450 nm from a light-emitting layer having a relatively large thickness of about 50 nm for gallium indium nitride and the total amount of indium-containing crystals. Is shown. The crystal to be measured has a diameter or a width of not less than about 5 angstroms (Å) and not more than 300 (Å) due to the relationship between the observation magnification and the resolution at the time of TEM observation. In the light emitting layer having a relatively large layer thickness as described above, zinc (Zn) of Group II of the periodic table is used as an acceptor impurity as an acceptor impurity in order to increase the light emission intensity from the light emitting layer. Group IV silicon (Si) is co-doped as a donor impurity (see JP-A-6-260860). Both impurities are quantitatively adjusted and doped so as to obtain strong light emission from the light emitting layer. Crystal density is about 2 × 10 18
In the case of cm −3 or less, the presence of a secondary spectrum having an intensity so as to reach 1/10 of the intensity of the main spectrum other than the main spectrum having a desired wavelength of 450 nm is not recognized. Further, the half-width of the main spectrum from the light-emitting layer hardly depends on the total amount of crystals, and is good as less than 15 nm. In the present invention, a light-emitting layer that provides good monochromaticity based on the fact that the generation of a light emission spectrum at the room temperature is not observed at the room temperature and the half-width of the main PL spectrum is less than 15 nm. On the other hand, the total amount of crystals is 2 × 10 18
If the value exceeds cm -3 , a secondary emission spectrum clearly separated from the main spectrum with this value as a critical value appears in the near ultraviolet and blue bands of about 380 to about 430 nm. The spectrum with the secondary emission is very similar to that of FIG. In addition, the secondary spectrum that appears is not always unique. For example, in addition to the near-ultraviolet band spectrum having a wavelength of about 380 to about 400 nm, a wavelength of about 50
A greenish band from 0 to about 550 nm or a reddish spectrum exceeding a wavelength of about 600 nm may also appear. In addition, light emission resulting from the band edge of gallium nitride appears at a wavelength of about 363 nm. For this reason, the emission color of the light-emitting layer is clearly deteriorated in monochromaticity, and the PL emission color becomes white at first glance. The plurality of sub-spectrums show that the indium composition ratio (concentration) is increased by increasing the total amount of crystals.
It is considered that this is caused by an increase in the probability of generation of various crystals having different values. It is appropriate that the wavelength of the secondary spectrum corresponds to the difference in the indium composition ratio (concentration) of the crystal. As described above, the PL spectrum from the gallium indium indium light emitting layer is helium (He)-
Using a cadmium (Cd) laser beam as a light source, and using a very common PL photometer that performs photometry via a photomultiplier tube (photomultiplier) that exhibits sufficient sensitivity in the near ultraviolet or blue band. It was done. The half width of the PL spectrum measured in a state where the surface of the light emitting layer is exposed and the half width of the spectrum of light emitted from an actual LED incorporating the light emitting layer correspond well. Therefore, P
From a simple measuring method such as L photometry, it can be inferred that the half width of the light emitting element is superior or inferior.

【0016】発光スペクトルの発光強度の観点からして
も、結晶体の総量が2×1018cm-3を越えるとあたか
もこの値を臨界値として発光層が放つ波長を約450n
mとする主スペクトルの発光強度は急激に低下する。発
光層内の結晶体の総量が更に増加すると波長450nm
近傍の主スペクトルの強度は減衰し、逆に上記の波長領
域に出現する副次的なスペクトルの強度が増加する。特
に近紫外帯領域の副次的なスペクトルの強度は主たる発
光スペクトルの強度の1/10どころか、主たる発光ス
ペクトルを上回る強度を呈する事態となることもある。
従って、本発明では発光強度の維持及び発光の単色性を
保持するために母相中のインジウム含有III 族窒化物半
導体結晶体の密度を2×1018cm-3以下に規定する。
From the viewpoint of the emission intensity of the emission spectrum, if the total amount of the crystals exceeds 2 × 10 18 cm -3 , the wavelength emitted by the light emitting layer is set to about 450 n with this value as a critical value.
The emission intensity of the main spectrum at m sharply drops. When the total amount of crystals in the light emitting layer further increases, the wavelength becomes 450 nm.
The intensity of the nearby main spectrum is attenuated, and conversely, the intensity of the secondary spectrum that appears in the above wavelength region increases. In particular, the intensity of the secondary spectrum in the near-ultraviolet region may exhibit an intensity exceeding the main emission spectrum, rather than 1/10 of the intensity of the main emission spectrum.
Therefore, in the present invention, the density of the indium-containing group III nitride semiconductor crystal in the mother phase is specified to be 2 × 10 18 cm −3 or less in order to maintain emission intensity and maintain emission monochromaticity.

【0017】母相中の結晶体の総量を2×1018cm-3
以下とする規定は層厚を数十nmとする、特に約20n
mを越える比較的厚い発光層について特に顕著に効力を
発揮するものである。この様に比較的層厚を大とする発
光層にあっては発光強度を増大させるために珪素(S
i)と亜鉛(Zn)とを同時にドーピングする(特開平
8−260681号公報参照)、若しくはSiとZnの
ドーピング濃度の比率を限定する(特開平6−1066
4、6−10665号公報参照)のが従来技術の典型で
あった。しかし、本発明に依れば発光層内部の結晶体の
総量を規定することをもって、発光層への不純物のドー
ピング操作やドナー不純物及びアクセプター不純物のド
ーピング濃度の比率の精密な制御を要せずに発光色の格
段に優れる単色性と併せて発光強度の向上がもたらされ
る利便性がある。即ち、本発明は発光の単色性を安定し
て獲得し、尚且所望する波長(上記の例では主スペクト
ルとして表現した。)の発光の発光強度を高強度に維持
するには従来技術の如く不純物のドーピングに依存した
手段よりも母相中の結晶体の総量を発光層の層厚に応じ
て厳密に規定すれば、より簡便により効果が発揮できる
ことを開示するものである。
The total amount of crystals in the matrix is 2 × 10 18 cm -3
The following rule specifies that the layer thickness be several tens of nm, especially about 20 n
This is particularly effective for a relatively thick light emitting layer exceeding m. In such a light emitting layer having a relatively large layer thickness, silicon (S
i) and zinc (Zn) are simultaneously doped (see JP-A-8-260681), or the doping ratio of Si and Zn is limited (JP-A-6-1066).
4, 6-10665) was typical of the prior art. However, according to the present invention, by defining the total amount of the crystals inside the light emitting layer, it is not necessary to perform the doping operation of the impurity in the light emitting layer and the precise control of the ratio of the doping concentration of the donor impurity and the acceptor impurity. There is the convenience that the emission intensity is improved in addition to the monochromaticity that is remarkably excellent in the emission color. That is, according to the present invention, in order to obtain monochromaticity of light emission stably and to maintain a high light emission intensity of light of a desired wavelength (expressed as a main spectrum in the above example), it is necessary to use impurities as in the prior art. It is disclosed that if the total amount of the crystals in the mother phase is more strictly defined according to the thickness of the light emitting layer than the means depending on the doping, the effect can be more easily exhibited.

【0018】更に、本発明では発光層とするIII 族窒化
物半導体層の層厚をより薄層とするに伴い単位体積(=
1cm3 )当たりの同層に内在する結晶体の総量を減少
させる。この結晶体の総量の規定は発光層からのPL発
光スペクトルの半値幅の発光層厚依存性並びに主たるP
L発光スペクトルの強度の発光層厚依存性を根拠にして
いる。図3に約0.08(8%)のインジウム固相組成
比を目論み常圧(大気圧)MOCVD法で成長した窒化
ガリウム・インジウム発光層にあって、単色性が良好で
尚且強度的に優れるPL発光スペクトルをもたらす発光
層の単位体積当たりの許容される結晶体の最大の総量を
同発光層の層厚に関係させて掲示する。窒素ガリウム・
インジウム発光層と称する層は内実、窒化ガリウム若し
くはインジウム固相組成比が殆ど0である組成上、極め
て窒素ガリウムに近い窒化ガリウム・インジウムを母相
とし、母相中にインジウムを含有した平均の直径にして
約8nmの略球状の結晶体を内在した構成となってい
る。良好な単色性とは単色性の指標となるPLスペクト
ルの半値幅から判定したもので、此処では室温に於いて
最大の発光強度を有する主たるPLスペクトルの半値幅
が15nm未満であることを基準にしている。また、強
度的に優れるPLスペクトルとは、主たるスペクトルの
発光強度が主たるスペクトル以外の副次的なスペクトル
強度の10倍以上であることをを指標としている。図3
に示す結果を基に窒化ガリウム・インジウムからなる発
光層の場合にあって、上記の発光層の光学的特性を満足
する結晶体の発光層の単位体積当たりに許容される最大
の総量を規定すれば以下の通りとなる。 (A)層厚を20ナノメーター(nm)とする母相と結
晶体からなる発光層にあっては、母相内の結晶体の最大
量は1.0×1018cm-3である。 (B)層厚を10ナノメーター(nm)とする母相と結
晶体からなる発光層にあっては、母相内の結晶体の最大
量は5.0×1017cm-3である。 (C)層厚を5ナノメーター(nm)とする母相と結晶
体からなる発光層にあっては、母相内の結晶体の最大量
は2.5×1017cm-3である。 本発明の目的を達成するために許容される発光層の単位
体積当たりの結晶体の最大量(記号dmax.(単位:個/
cm3 )で表記する。)を発光層の層厚(記号t(単
位:cm))に関連させて表せば、層厚20nm以下の
発光層についてdmax.は以下の関係式(1)で与えられ
る値となる。 dmax.(個/cm3 )=5.0×1023×t ・・・・・(式1) 本発明では、層厚20nm以下の発光層であって層厚を
tとする発光層にあって、結晶体の総量(個/cm3
は上記の(式1)で与えられる数値dmax.以下であるこ
とを規定している。発光層の層厚tに関連するdmax.の
好適な範囲を掲示すれば、図3の曲線で示されるdmax.
以下の数値の領域、即ち、図3に斜線で図示される範囲
である。上記の(式1)に依れば、理論上dmax.は数値
として0を採り得る。例えば、設定条件の不適正により
解像度が不足した状況下で断面TEM像を撮像した場合
などには、輪郭の不明瞭さにより明かに結晶体の態を呈
する物の存在は視認されない事態もある。しかし、解像
度を向上させるための入射電子線の照射角度の精密な調
整(アライメント)或いは検体の厚さの精密な調整等の
精緻な技術的な措置をもって、解像能力が充分に発揮で
きる状況下の観察では、窒化ガリウム・インジウム層内
には輪郭を明瞭とするコントラストをもってドット(d
ot)状の結晶体の存在が確認できる。窒化ガリウム・
インジウム層内の結晶体の総数は、同層の形成方法並び
にインジウムの濃度にも依存して変化するが、高分解能
下のTEM観察では、例えば、常圧MOCVD法により
形成したインジウム組成比を約4%(0.04)とする
層厚が10nmの窒化ガリウム・インジウム層にあって
は、結晶体間の間隔から層の単位体積当たりには少なく
とも約5×1013程度の結晶体がバックグランドとして
存在している。従って、結晶体の数量が0、即ち、結晶
体が実際に存在しないのは希有であり、発光層の層厚に
応じたバックグランドの濃度をもって結晶体は存在する
ものである。このバックグランド濃度は発光層の層厚の
減少に伴い低下する傾向を示すが、最小でも概ね1012
/cm3 程度であることから、本発明では結晶体の好ま
しい数量の最低限を1012/cm3 と暫定する。
Further, in the present invention, the unit volume (=) is increased as the thickness of the group III nitride semiconductor layer serving as the light emitting layer is reduced.
The total amount of crystals in the same layer per 1 cm 3 ) is reduced. The definition of the total amount of this crystal depends on the thickness of the light emitting layer of the half width of the PL emission spectrum from the light emitting layer and the main P
This is based on the dependence of the intensity of the L emission spectrum on the thickness of the light emitting layer. FIG. 3 shows an indium solid phase composition ratio of about 0.08 (8%). The gallium-indium nitride light-emitting layer grown by the atmospheric pressure (atmospheric pressure) MOCVD method has good monochromaticity and excellent strength. The maximum total amount of crystals allowed per unit volume of the light-emitting layer that results in the PL emission spectrum is stated in relation to the thickness of the light-emitting layer. Nitrogen gallium
The layer referred to as the indium light-emitting layer is solid, gallium nitride or a composition in which the indium solid phase composition ratio is almost 0, and has gallium / indium nitride which is extremely close to nitrogen gallium as a mother phase, and an average diameter containing indium in the mother phase. And has a configuration in which a substantially spherical crystal of about 8 nm is inherent. Good monochromaticity is determined from the half-width of the PL spectrum that is an index of monochromaticity, and is based on the fact that the half-width of the main PL spectrum having the maximum emission intensity at room temperature is less than 15 nm. ing. In addition, a PL spectrum excellent in intensity is used as an index when the emission intensity of the main spectrum is 10 times or more the intensity of a secondary spectrum other than the main spectrum. FIG.
In the case of a light emitting layer made of gallium indium nitride based on the results shown in the above, the maximum total amount allowed per unit volume of the crystal light emitting layer that satisfies the above optical characteristics of the light emitting layer is defined. It is as follows. (A) In a light emitting layer composed of a matrix and a crystal having a layer thickness of 20 nanometers (nm), the maximum amount of crystals in the matrix is 1.0 × 10 18 cm −3 . (B) In a light emitting layer composed of a matrix and a crystal having a layer thickness of 10 nanometers (nm), the maximum amount of crystals in the matrix is 5.0 × 10 17 cm −3 . (C) In a light emitting layer composed of a matrix and a crystal having a layer thickness of 5 nanometers (nm), the maximum amount of crystals in the matrix is 2.5 × 10 17 cm −3 . The maximum amount of crystals per unit volume of the light emitting layer (symbol dmax. (Unit: pieces / piece) allowed to achieve the object of the present invention.
cm 3 ). ) In relation to the thickness of the light emitting layer (symbol t (unit: cm)), dmax. Is a value given by the following relational expression (1) for a light emitting layer having a layer thickness of 20 nm or less. dmax. (pieces / cm 3 ) = 5.0 × 10 23 × t (Formula 1) In the present invention, the light emitting layer having a layer thickness of 20 nm or less and a layer thickness of t is used. And the total amount of crystals (pieces / cm 3 )
Stipulates that the value is equal to or less than the numerical value dmax. Given by the above (Equation 1). If a preferable range of dmax. Related to the layer thickness t of the light emitting layer is described, dmax.
This is a range of the following numerical values, that is, a range shown by oblique lines in FIG. According to the above (Equation 1), dmax. Can theoretically take 0 as a numerical value. For example, when a cross-sectional TEM image is taken in a situation where the resolution is insufficient due to improper setting conditions, the presence of an object that clearly exhibits a crystalline state due to the unclear contour may not be visually recognized. However, under the circumstances where the resolution ability can be fully exhibited by precise technical measures such as precise adjustment (alignment) of the irradiation angle of the incident electron beam to improve the resolution or precise adjustment of the thickness of the specimen. According to the observation, dots (d) were formed in the gallium-indium nitride layer with a contrast that makes the outline clear.
The presence of an ot) -shaped crystal can be confirmed. Gallium nitride
The total number of crystals in the indium layer varies depending on the method of forming the same layer and the concentration of indium. However, in TEM observation under high resolution, for example, the indium composition ratio formed by the atmospheric pressure MOCVD method is approximately In a gallium indium nitride layer having a layer thickness of 4 nm (0.04) and a thickness of 10 nm, a crystal of at least about 5 × 10 13 per unit volume of the layer is in the background due to the spacing between the crystals. Exist as. Therefore, it is rare that the number of crystals is 0, that is, the crystals do not actually exist, and the crystals exist with a background concentration corresponding to the thickness of the light emitting layer. This background concentration tends to decrease with a decrease in the thickness of the light emitting layer, but at least about 10 12
/ Cm 3 , the present invention tentatively sets the minimum of the preferable number of crystals to 10 12 / cm 3 .

【0019】結晶体の総数を制御するに前提となるもの
は、先ず発光層の層厚を精密に制御することである。窒
化ガリウム・インジウム発光層の場合を例にして層厚の
精密制御の重要性を説明する。図4は約6%(0.0
6)のインジウム固相組成比を意図して常圧MOCVD
法で成膜した窒化ガリウム・インジウム結晶層に於ける
インジウム含有結晶体の同結晶層の単位体積当たりの総
数の層厚依存性を示す一例である。窒化ガリウム・イン
ジウム層のインジウム組成比にほぼ拘らない一般的な傾
向として記述するに、結晶体の総数は層厚が比較的薄い
場合、層厚の増加に伴い漸増する傾向を示す。図4の結
晶体の総数とはあくまでも結晶体の総量であって異なる
インジウム組成比毎の結晶体の各数は考慮に入れていな
い。層厚がある厚さを越えてより大となると結晶体の総
数は急激に増加する傾向を示す。この結晶体の総数が層
厚の増加により増える様式は窒化ガリウム・インジウム
結晶層を代表として述べれば、(イ)MOCVD、MB
E(分子線エピタキシャル成長法)やVPE(ハロゲン
或いはハイドライド方式による気相成長法)方法等の成
長方式、(ロ)同一成長方法であっても成膜装置の構成
上の相違、(ハ)原料種、成膜温度、ガス流量等の成長
条件、及び(ニ)インジウム組成比等の諸条件に依存し
て変化を来すものである。従って、予め上記の様な結晶
体の総数の層厚依存性を発光層を形成する条件下で求め
ておくのが肝要である。一旦、結晶体の総数の層厚依存
性が知れれば、本発明に規定する結晶体の総数を満たす
層厚を確実に再現すれば良い。III 族窒化物半導体層の
層厚はIII 族元素原料ガスの成長反応系への供給量並び
に成膜(成長)時間の増量並びに増加に比例して増す。
特にIII 族元素の原料ガスの供給量を一定とした際には
得られる層厚は成膜時間に比例する。従って、この様な
状況下にあっては、成膜時間を精密に制御する単純な操
作をもってして層厚の精密な制御が果たせる。
The premise for controlling the total number of crystals is to precisely control the thickness of the light emitting layer first. The importance of precise control of the layer thickness will be described by taking the case of a gallium indium nitride light emitting layer as an example. FIG. 4 shows about 6% (0.0%).
6) Atmospheric pressure MOCVD with the intention of indium solid phase composition ratio
5 is an example showing the layer thickness dependence of the total number of indium-containing crystals per unit volume of the gallium-indium nitride crystal layer formed by the method. As a general tendency almost independent of the indium composition ratio of the gallium indium nitride layer, the total number of crystals tends to gradually increase with an increase in the layer thickness when the layer thickness is relatively small. The total number of crystals in FIG. 4 is just the total amount of crystals, and does not take into account each number of crystals for each different indium composition ratio. As the layer thickness increases beyond a certain thickness, the total number of crystals tends to increase sharply. The manner in which the total number of crystal bodies increases with an increase in the layer thickness is as follows: (a) MOCVD, MB
Growth methods such as E (molecular beam epitaxial growth method) and VPE (vapor phase growth method by halogen or hydride method); (b) differences in the structure of the film forming apparatus even with the same growth method; Changes depending on growth conditions such as film formation temperature and gas flow rate, and (d) various conditions such as indium composition ratio. Therefore, it is important to previously determine the layer thickness dependence of the total number of crystals under the conditions for forming the light emitting layer. Once the dependence of the total number of crystals on the layer thickness is known, a layer thickness satisfying the total number of crystals defined in the present invention may be reliably reproduced. The layer thickness of the group III nitride semiconductor layer increases in proportion to the supply amount of the group III element source gas to the growth reaction system and the increase and increase of the film formation (growth) time.
In particular, when the supply amount of the group III element source gas is fixed, the obtained layer thickness is proportional to the film formation time. Therefore, under such circumstances, the layer thickness can be precisely controlled by a simple operation for precisely controlling the film formation time.

【0020】発光層の層厚を精密に制御する措置を施工
した場合にあっても、本発明が提示する発光層の或る層
厚の範囲に於いて結晶体の総数が本発明に規定される総
量以下とならない場合、その主たる原因には次の事由が
挙げられる。(1)トリメチルガリウム((CH33
Ga)或いはトリエチルガリウム((C253
a)またはトリイソブチルアルミニウム((i−C4
93 )Al)などのIII 族元素原料の供給量を低量と
したために成膜時間が過度に延長されている(成膜時間
の延長化)。(2)発光層上に更に高温の環境下でIII
族窒化物半導体層を成膜する必要がある際に特に認知さ
れることであるが、発光層の成長温度からその上層の成
膜のための成膜温度への移行速度が小さい(遅い)(発
光層が高温に暴露される時間の延長化)である。発光層
の成膜時間の延長は発光層の高温での保持時間の延長を
招くのは必至である。結晶体の数は発光層が受熱する時
間即ち、高温に保持される時間が延長される程増加す
る。これが、発光層内に本発明が提示する総量を越す多
量の結晶体を発生させる原因となるのである。本発明の
結晶体の総数の条件を満たすには、少なくとも発光層の
成長に要する成膜時間を1時間以内に収納させるのが特
に好ましい。特にインジウム固相組成比を20%以下と
する窒化ガリウム・インジウムから発光層を形成する場
合をもってより具体的に開示するには、成膜温度を80
0℃〜900℃の間の温度に設定した場合には、成膜温
度を30分以内とするのが特に好ましい例である。換言
すれば、同温度範囲に於いて30分以内に所望する層厚
の窒化ガリウム・インジウム発光層が獲得される様にII
I 族元素原料の成長反応系への供給量を調整する必要が
あるのである。また、同様な結晶体の総数に不用意な増
加を来す現象は発光層上への次層の成長過程の条件過程
の不適切さによってももたらされる。この好例は例え
ば、約900℃或いは約950℃以下の適切な成膜温度
で窒化ガリウム・インジウム発光層の形成を終了したる
後により高温で同発光層上に窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶層(Alx Ga1-x N:0<x<1)を堆積する
ための成膜温度条件を整備する際の昇温条件の不適切さ
に見ることができる。昇温速度が格別に遅いと発光層が
受熱する期間が延長されるため結晶体の総量は不必要に
増加する。常圧MOCVD法により850℃で成膜した
インジウム固相組成比を約6%とする窒化ガリウム・イ
ンジウム発光層上に1100℃でp形の窒化アルミニウ
ム・ガリウム混晶層をクラッド(clad)層として堆
積する場合を例にして、発光層の成膜終了後から次層
(此処では窒化アルミニウム・ガリウム混晶層)の成膜
温度に到達させるに好適な昇温速度例は毎分25℃以上
である。更に、好ましくは50℃/分以上の速度で昇温
することである。発光層を更に高温に曝す必要が生ずる
場合には、昇温する時間を出来得る限り短期間とする瞬
時に温度を変化をさせる手段が結晶体の総数の増加を抑
制するに効果を奏する。
Even when a measure for precisely controlling the layer thickness of the light emitting layer is implemented, the total number of crystals within the certain layer thickness range of the light emitting layer proposed by the present invention is defined by the present invention. If the total amount does not fall below, the main reasons are as follows. (1) Trimethylgallium ((CH 3 ) 3
Ga) or triethylgallium ((C 2 H 5 ) 3 G
a) or triisobutylaluminum ((i-C 4 H
9 ) 3 ) The film formation time is excessively extended due to the low supply of the group III element material such as Al) (extension of the film formation time). (2) Under a higher temperature environment on the light emitting layer III
As is particularly recognized when it is necessary to form a group III nitride semiconductor layer, the transition speed from the growth temperature of the light emitting layer to the film formation temperature for forming the upper layer is small (slow) ( Prolonging the time that the light-emitting layer is exposed to high temperatures). It is inevitable that an increase in the time for forming the light emitting layer results in an increase in the time for maintaining the light emitting layer at a high temperature. The number of crystals increases as the time during which the light-emitting layer receives heat, that is, the time during which it is maintained at a high temperature, increases. This causes a large amount of crystals in the light emitting layer to exceed the total amount proposed by the present invention. In order to satisfy the condition of the total number of the crystals of the present invention, it is particularly preferable that at least the film formation time required for growing the light emitting layer is accommodated within one hour. In particular, in order to more specifically disclose the case where the light emitting layer is formed from gallium indium having an indium solid phase composition ratio of 20% or less, the film forming temperature is set to 80%.
When the temperature is set between 0 ° C. and 900 ° C., it is a particularly preferable example that the film forming temperature is set within 30 minutes. In other words, a gallium-indium nitride light-emitting layer having a desired thickness can be obtained within 30 minutes in the same temperature range.
It is necessary to regulate the supply of Group I element raw materials to the growth reaction system. In addition, the phenomenon of inadvertently increasing the total number of similar crystals is also caused by an inappropriate condition process of the growth process of the next layer on the light emitting layer. A good example of this is that, after the formation of the gallium indium nitride light emitting layer at an appropriate deposition temperature of about 900 ° C. or about 950 ° C. or less, an aluminum gallium nitride mixed crystal layer (Al x Ga 1-x N: 0 < can be seen in inadequacy of the heating conditions for servicing the deposition temperature to deposit the x <1). If the rate of temperature rise is particularly slow, the period during which the light-emitting layer receives heat is extended, so that the total amount of crystals unnecessarily increases. A p-type aluminum nitride-gallium mixed crystal layer at 1100 ° C. as a clad layer on a gallium-indium nitride light-emitting layer having an indium solid phase composition ratio of about 6% formed at 850 ° C. by atmospheric pressure MOCVD. Taking the case of deposition as an example, an example of a suitable temperature increase rate at which the film formation temperature of the next layer (here, aluminum nitride / gallium mixed crystal layer) is reached after completion of the formation of the light emitting layer is 25 ° C. or more per minute. is there. Further, preferably, the temperature is raised at a rate of 50 ° C./min or more. When it is necessary to expose the light emitting layer to a higher temperature, a means for instantaneously changing the temperature so that the time for raising the temperature is as short as possible is effective in suppressing an increase in the total number of crystals.

【0021】発光層を発光層の成膜温度より高温に昇温
した後に引き続き高温で或る期間維持する必要性は発光
素子用途の積層構造体を形成する際など極く頻繁に発生
する。例えば、窒化ガリウム・インジウムからなる発光
層上に窒化アルミニウム・ガリウム混晶層からなるクラ
ッド層を積層する際に同クラッド層の成膜が終了する
迄、即ち、成長時間が経過する迄発光層が高温環境下に
曝されるのが好例である。発光層を形成した温度より高
い温度に瞬時に昇温した後、引き続き高温に保持する手
段は母相の組成の不均一化を達成すると共に発光層内の
結晶体の大きさを均等化するに効果がある。しかしなが
ら、窒化ガリウム・インジウム等のインジウムを構成元
素として含む発光層を高温環境下で過度に超時間に亘り
暴露すると母相の組成の不均一化を促進するに有利とは
なるものの、並行してインジウムの外部への拡散が顕著
に発生する。インジウムの外部拡散が顕著に生ずると母
相内に発生する結晶体の内部にインジウムを含有する結
晶体を発生させること自体に支障を来すこととなる。イ
ンジウムを含む結晶体は発光体としてその存在が必要と
されるものであって、母相と結晶体とを構成するIII 族
窒化物半導体間のインジウムの濃度の差異が一定である
のが好ましい状態である。高温環境下で生ずるインジウ
ムの異常な外部拡散は、熱的変性によりインジウムの濃
度が小さいために組成的にほぼ窒化ガリウムと見なせる
相とインジウム濃度を異にする窒化ガリウム・インジウ
ム相とに分離する傾向のある窒素ガリウム・インジウム
からなる発光層に端的に見られる様に、結晶体中のイン
ジウム濃度の減少と共に結晶体間に於けるインジウム濃
度の差異を大とする。窒化ガリウム・インジウム結晶層
からの発光の波長はインジウム濃度(組成)に依存して
変動するため結晶体中のインジウム濃度の差異は結局は
発光の単色性の向上を阻害するものである。窒化ガリウ
ム・インジウム層を例にして説明すれば、インジウムの
異常な外部拡散は同層が高温に暴露されている期間の長
大化と共に激しくなる。高温に暴露されている期間とは
発光層上に発光層の形成温度よりも高い温度で例えば、
クラッド層やコンタクト層を成膜するのを考慮した場
合、所望の層厚を得るに必要とされる成膜時間である。
約800℃〜約900℃の間の温度で成膜した窒化ガリ
ウム・インジウム発光層上に例えば、約1000℃〜約
1200℃の間の温度で成膜す 合にあっては合計の
成膜時間を好ましくは約40〜45分以下とする。更に
好ましくは30分以内とすれば、窒化ガリウム・インジ
ウム発光層からの外部拡散に因るインジウムの損失を抑
制するに特に効果がある。換言すれば、この様な好まし
い時間内に所望の層厚が獲得される様に成長反応系への
原料の供給量を選択、調整する必要があると云うことで
ある。
The necessity of raising the temperature of the light-emitting layer to a temperature higher than the film formation temperature of the light-emitting layer and then maintaining the same at a high temperature for a certain period of time occurs very frequently, for example, when forming a laminated structure for a light-emitting element. For example, when laminating a clad layer made of an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer on a gallium nitride-indium light-emitting layer, until the formation of the clad layer is completed, that is, the light-emitting layer is kept until the growth time elapses. A good example is exposure to a high temperature environment. After instantaneously raising the temperature to a temperature higher than the temperature at which the light-emitting layer was formed, the means for continuously maintaining the temperature at a high temperature achieves a non-uniform composition of the mother phase and a uniform size of crystals in the light-emitting layer. effective. However, exposing the light-emitting layer containing indium such as gallium nitride and indium as a constituent element for an excessively long time in a high-temperature environment is advantageous for promoting the nonuniformity of the composition of the mother phase, but in parallel, Diffusion of indium to the outside occurs remarkably. If the indium diffuses remarkably, the generation of the indium-containing crystal inside the crystal generated in the mother phase will hinder itself. Crystals containing indium are required to be present as light emitters, and it is preferable that the difference in indium concentration between the parent phase and the group III nitride semiconductor constituting the crystal be constant. It is. Unusual external diffusion of indium that occurs in a high-temperature environment tends to separate into a phase that can be regarded as almost gallium nitride in composition due to the low concentration of indium due to thermal denaturation and a gallium-indium nitride phase with different indium concentrations. As can be clearly seen from the light emitting layer made of gallium indium with nitrogen, the difference between the indium concentrations in the crystals increases as the indium concentration in the crystals decreases. Since the wavelength of light emitted from the gallium indium nitride crystal layer varies depending on the indium concentration (composition), the difference in the indium concentration in the crystal eventually hinders the improvement of monochromaticity of light emission. Taking the gallium indium nitride layer as an example, the extraordinary outdiffusion of indium increases with the length of time the layer is exposed to high temperatures. The period of being exposed to the high temperature is a temperature higher than the formation temperature of the light emitting layer on the light emitting layer, for example,
In consideration of forming a clad layer and a contact layer, this is a film formation time required to obtain a desired layer thickness.
To about 800 ° C. ~ about 900 ° C. temperature the formed gallium indium nitride light emitting layer between the example, in the case you deposited at a temperature between about 1000 ° C. ~ about 1200 ° C. The total adult The film time is preferably less than about 40-45 minutes. More preferably, if it is within 30 minutes, it is particularly effective in suppressing the loss of indium due to external diffusion from the gallium nitride-indium light emitting layer. In other words, it is necessary to select and adjust the supply amount of the raw material to the growth reaction system so that a desired layer thickness is obtained within such a preferable time.

【0022】発光層への不純物のドーピングの有無も発
光層内の結晶体の総数に影響を及ぼす。珪素(Si)の
存在により量子ドットの形成が促進されると発表されて
いる様に(第57回秋季応用物理学会学術講演会講演予
稿集第1分冊(応用物理学会1996年9月7日発
行)、講演番号8p−ZF−10、208頁参照)、一
般的には不純物のドーピングにより結晶体の総数は増加
する傾向にある。特に、層厚の小さい(薄い)発光層に
あっては、不純物を故意に添加しないアンドープとする
ことが結晶体の総数の極端な増加を抑制する上で望まし
い。アンドープ状態として更に望ましいのは、成長反応
系或いは原料系からの不純物の汚染を抑制して発光層内
に残留する不純物(残留不純物)の濃度を出来得る限り
低濃度とすることである。窒化ガリウム・インジウムか
らなる発光層を例にして具体的に述べるに、層厚が10
nm以下の場合にあっては同発光層内の総不純物濃度は
好ましくは5×1017cm-3以下、更に好ましくは1×
1017cm-3以下である。逆に、層厚が比較的大きい
(厚い)場合例えば、層厚が約20〜約30nmを越え
る発光層にあっては、発光層からの発光の強度が不純物
量の増加に依って向上する傾向もあるため、或る程度の
不純物のドーピングが必要となる場合がある。或る程度
とは、主たる発光スペクトルの発光強度が副次的なスペ
クトルのそれに対し約10倍以上の状態に保持される程
度を云う。以上記述した如く本発明に係わる「母相中に
結晶体が混在する不均質な層」は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
に形成できるものである。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合理な「単一相からなる
均質層」に比較すればより合理的に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 presence or absence of impurity doping in the light emitting layer also affects the total number of crystals in the light emitting layer. It has been announced that the formation of quantum dots is promoted by the presence of silicon (Si). (The 57th Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics Preliminary Proceedings, Volume 1 (published by the Japan Society of Applied Physics, September 7, 1996) ), Lecture No. 8p-ZF-10, p. 208). In general, the total number of crystals tends to increase due to impurity doping. In particular, in a light-emitting layer having a small (thin) layer thickness, it is desirable to use an undoped layer in which an impurity is not intentionally added in order to suppress an extreme increase in the total number of crystals. More preferably, the undoped state is to suppress the contamination of the impurities from the growth reaction system or the raw material system and to reduce the concentration of the impurities (residual impurities) remaining in the light emitting layer as low as possible. The light emitting layer made of gallium indium nitride will be specifically described as an example.
nm or less, the total impurity concentration in the light emitting layer is preferably 5 × 10 17 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 17 cm −3 or less.
It is 10 17 cm -3 or less. Conversely, when the layer thickness is relatively large (thick), for example, in a light emitting layer having a layer thickness of more than about 20 to about 30 nm, the intensity of light emitted from the light emitting layer tends to increase with an increase in the amount of impurities. In some cases, a certain amount of impurity doping may be required. The certain degree means that the emission intensity of the main emission spectrum is maintained at about 10 times or more that of the secondary spectrum. As described above, the "heterogeneous layer in which crystals are mixed in the matrix" according to the present invention is formed almost uniquely by adjusting factors such as the film formation temperature and the amount of heat to be applied in the process after the film formation. You can do it. In summary, the light-emitting layer as defined in the present invention has a crystallographic structure that can be formed more rationally and routinely as compared to the previously unreasonable "homogeneous layer consisting of a single phase". It is.

【0023】結晶体の総数(N)からは結晶体が取り得
る平均的な大きさが算出される。発光層の全体積V(c
3 )に相当する空間が結晶体で空間的に占有されてい
ると仮定する。発光層内に存在する結晶体の総数はN個
であるから、結晶体の大きさが同一であれば1個の結晶
体が占有する体積はV/N(cm3 )となる。簡便にV
を1cm3 とすると、本発明に係わる結晶体の総数が1
×1018cm-3である際には、結晶体1個の占有する体
積は1×10-18 cm3 となる。仮に、これを直径をR
(nm)とする球体を外形とする1個の結晶体が占める
体積とすれば、球の体積を求める公式からRは約6.2
nmと算出される。結晶体の総数が5×1017cm-3
あればRは約7.8nmとなる。同様に結晶体の総数が
1×1017cm-3である時はRは約13.4nmとな
る。この直径はあくまでも、結晶体の総量が本発明の規
定に於ける上限値にあり、且つ発光層の全体が結晶体で
占有されている場合にあって、結晶体の大きさが同一で
あるとした際の計算値である。しかし、実際には発光層
の全体が結晶体によって占有されることはなく、結晶体
が占めるのは発光層の全体積(V)の何割かに相当する
体積である。これからしても、結晶体の大きさを同一と
しても個々の結晶体が占める体積は上記の計算値よりも
縮小する。一方、結晶体の大きさも必ずしも同一ではな
く、結晶体の直径には或る程度の分布幅が存在し、ま
た、平均的な結晶体の直径は発光層の層厚、即ち、母相
の厚さの減少に応じて総じて小となる傾向にある。従っ
て、結晶体が占有する体積は発光層の層厚が減少するに
伴い減少する傾向にある。即ち、本発明は、発光の単色
性及び発光強度の向上には発光層の層厚の減少に伴い
結晶体の総数及び結晶体が母相内で占有する体積を減
少させるべきことを提示しているのである。この本発明
の提示するところの内容は、図3に示した如くの窒化ガ
リウム・インジウム発光層についてのみ通用するのでは
なく、インジウムを含有する結晶体を発光体として内在
する発光層について共通して通用するものである。
From the total number (N) of the crystals, an average size that the crystals can take is calculated. Total volume of light emitting layer V (c
It is assumed that the space corresponding to m 3 ) is spatially occupied by the crystal. Since the total number of crystals present in the light emitting layer is N, the volume occupied by one crystal is V / N (cm 3 ) if the sizes of the crystals are the same. Conveniently V
Is 1 cm 3 , the total number of crystals according to the present invention is 1
When it is × 10 18 cm -3 , the volume occupied by one crystal is 1 × 10 -18 cm 3 . Suppose that the diameter is R
Assuming that the volume occupied by one crystal having a sphere of (nm) as an outer shape, R is about 6.2 from the formula for calculating the volume of a sphere.
It is calculated as nm. If the total number of crystals is 5 × 10 17 cm −3 , R is about 7.8 nm. Similarly, when the total number of crystals is 1 × 10 17 cm −3 , R is about 13.4 nm. This diameter is, to the last, the total amount of the crystals is at the upper limit in the definition of the present invention, and when the entire light emitting layer is occupied by the crystals, it is assumed that the sizes of the crystals are the same. This is the calculated value when the calculation is performed. However, actually, the entire light emitting layer is not occupied by the crystal, and the crystal occupies a volume corresponding to some percentage of the total volume (V) of the light emitting layer. Even in the future, the volume occupied by each crystal is smaller than the above calculated value even if the size of the crystal is the same. On the other hand, the size of the crystal is not always the same, and the diameter of the crystal has a certain distribution width, and the average crystal diameter is the thickness of the light emitting layer, that is, the thickness of the matrix. It tends to be smaller as a whole. Therefore, the volume occupied by the crystal tends to decrease as the thickness of the light emitting layer decreases. That is, the present invention proposes that in order to improve the monochromaticity and emission intensity of light emission, the total number of crystals and the volume occupied by the crystals in the matrix should be reduced with a decrease in the thickness of the light emitting layer. It is. The content presented by the present invention is not limited to the gallium-indium nitride light-emitting layer as shown in FIG. 3, but is common to the light-emitting layer in which a crystal containing indium is used as a light-emitting body. It is valid.

【0024】本発明の規定を満足する総数のインジウム
含有結晶体を内包するIII 族窒化物半導体層を発光層と
して具備する発光素子を得るに当たって、発光層の配置
状況に特別な限定は加わらない。mis(etal
nsulator emiconductor)型
構造にあっての発光層、シングルヘテロ(SH)接合構
造にあっての発光層、pn接合型のダブルヘテロ(D
H)接合構造を形成するにあっての発光層、単一或いは
多重の量子井戸(uantum ell:QW)構
造にあっての井戸層としての発光層等、様々な発光層の
配置状況が思案される。以下に本発明の発光層を含む発
光部を備えた発光素子の例を記す。 (ア)n形窒化ガリウム(GaN)等のn形III 族窒化
物半導体層/窒化ガリウム・インジウム発光層/p形II
I 族窒化物半導体層からなるpn接合型DH構造からな
る発光部を備えた発光素子。 (イ)上下何れかのクラッド層の構成するIII 族窒化物
半導体材料を母相とするインジウム含有結晶体を含有す
るアンドープ若しくは不純物をドーピングした発光層を
含むDH構造を備えた発光素子。 (ウ)上下双方のクラッド層の構成する窒化ガリウム系
III 族窒化物半導体材料を母相とするインジウム含有結
晶体を含有するアンドープ若しくは不純物をドーピング
発光層を含むDH構造を備えた発光素子。 (エ)インジウムの固相組成比を概ね、50%(0.5
0)以下とし層厚を概ね、20nm以下とする窒化ガリ
ウム・インジウム発光層を井戸(well)層とする単
一或いは多重量子井戸構造を備えた発光素子にあって特
に、インジウム含有結晶体を障壁(barrier)層
との界面近傍の領域に多く含む発光層を備えてなる量子
井戸構造発光素子。 (オ)インジウムの固相組成比を概ね、50%(0.5
0)以下とし層厚を概ね、10nm以下とする窒化ガリ
ウム・インジウムを発光層とするpn接合型DH構造を
備えた発光素子であって、特に母相を窒化ガリウムとし
母相のほぼ中央部(層厚増加方向のほぼ中央部)でイン
ジウム含有結晶体の数(密度)を大とする発光層を備え
た発光素子。
A total number of indium satisfying the requirements of the present invention.
A group III nitride semiconductor layer containing a crystal containing
In order to obtain a light emitting element provided with
There are no special restrictions on the situation. mis (metal
insulatorsemiconducer) type
Light-emitting layer, single hetero (SH) junction structure
Light emitting layer, pn junction type double hetero (D
H) The light emitting layer, single or
Multiple quantum wells (QantumWcell: QW)
Of various light-emitting layers, such as a light-emitting layer
The arrangement situation is conceived. The light emitting layer including the light emitting layer of the present invention is described below.
An example of a light emitting element having a light portion will be described. (A) N-type group III nitride such as n-type gallium nitride (GaN)
Semiconductor layer / gallium / indium nitride light emitting layer / p-type II
It has a pn junction type DH structure composed of a group I nitride semiconductor layer.
Light-emitting device provided with a light-emitting unit. (A) Group III nitrides of either upper or lower cladding layer
Contains indium-containing crystals whose main phase is a semiconductor material
Undoped or impurity-doped light emitting layer
A light emitting device having a DH structure. (C) Gallium nitride based cladding layers
Indium-containing binder with group III nitride semiconductor material as matrix
Undoped or doped with impurities
A light-emitting element having a DH structure including a light-emitting layer. (D) The solid phase composition ratio of indium is approximately 50% (0.5%).
0) or less and the thickness of the layer is approximately 20 nm or less.
The indium / indium light emitting layer is simply a well layer.
Light emitting devices with one or multiple quantum well structures
In addition, the indium-containing crystal is placed in a barrier layer.
With a light-emitting layer in the region near the interface with
Well structure light emitting device. (E) The solid phase composition ratio of indium is approximately 50% (0.5%).
0) or less, and the thickness of the layer is approximately 10 nm or less.
Pn junction type DH structure using um / indium as the light emitting layer
A light-emitting element provided with gallium nitride as a mother phase.
Injection occurs at almost the center of the parent phase
Includes a light-emitting layer that increases the number (density) of indium-containing crystals
Light emitting device.

【0025】[0025]

【作用】発光層からの発光スペクトルの単色性を向上さ
せると共に所望する波長の発光スペクトルの強度を増大
させる作用を有する。
It has the function of improving the monochromaticity of the emission spectrum from the light emitting layer and increasing the intensity of the emission spectrum of a desired wavelength.

【0026】[0026]

【実施例】【Example】

(実施例1)III −V族窒化物化合物半導体層から構成
した積層構造体を母体材料とした発光ダイオードを一例
に本発明を説明する。同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
長装置を利用して次記の手順により形成した。基板(1
03)とした面方位を(0001)(c面)とする直径
約1インチ(直径約25mm)のサファイア(α−Al
23 単結晶)を、成膜を実施する反応炉とした特にア
ルカリ金属類の含有量が低い半導体工業用高純度石英管
内の支持台(サセプター)上に水平に載置した。基板
(103)の厚みは約100μmである。支持台は高純
度のグラファイト素材を加工した楔型である。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1
0.5cm2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。
(Example 1) The present invention will be described by taking as an example a light emitting diode using a laminated structure composed of III-V nitride compound semiconductor layers as a base material. Each layer constituting the laminated structure was formed by the following procedure using a general atmospheric pressure (atmospheric pressure) type MOCVD growth apparatus. Substrate (1
Sapphire (α-Al) having a diameter of about 1 inch (diameter of about 25 mm) and a plane orientation of (0001) (c-plane) set to (03).
2 O 3 single crystal) was placed horizontally on a support (susceptor) in a high-purity quartz tube for a semiconductor industry having a particularly low content of alkali metals, which was used as a reaction furnace for forming a film. The thickness of the substrate (103) is about 100 μm. The support base is a wedge shape made of high-purity graphite material. The vertical cross section of the reactor is rectangular and its cross-sectional area is about 1
0.5 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.
A vacuum of about 10 -3 Torr is reached and about 10 -3
After maintaining the same degree of vacuum for minutes, purified argon gas (Ar) at a flow rate of about 3 liters / minute was passed through the reaction furnace to restore the pressure in the furnace to almost atmospheric pressure.

【0027】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。代替に露点を約マイナス(−)9
0℃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5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(MF
C))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(kH
z)の高周波電源を投入した。これにより、基板(10
3)の温度を室温(約25℃)から500℃に上昇させ
た。基板(103)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(M
o)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(103)の温度が500℃
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(N
3 )を毎分1リットルの割合で反応炉への供給を開始
するとほぼ同時に反応炉へ流通させていた水素ガスの流
量を毎分5リットルから毎分2リットルへと減じた。こ
れより、反応炉へ流通するガスの構成を1リットル/分
のアンモニアガスと毎分3リットルの水素ガスとした。
次に、トリメチルアルミニウム((CH33 Al)を
アルミニウム(Al)源として、基板(103)上にア
ンドープの窒化アルミニウム(AlN)からなる低温緩
衝層(104)を成長した。低温緩衝層(104)の層
厚は約7nmとした。
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. Substitute dew point about minus (-) 9
Supply of purified hydrogen gas (H 2 ) at 0 ° C. into the reactor was started. The flow rate of hydrogen gas is about 5 liters / minute with an electronic mass controller (so-called mass flow controller (MF)
C)). Thereafter, a high frequency heating coil wound in a circular shape provided on the outer periphery of the reactor having a circular vertical cross section has a frequency of 400 kilohertz (kHz) from a general high frequency power supply.
The high frequency power supply of z) was turned on. Thereby, the substrate (10
The temperature of 3) was increased from room temperature (about 25 ° C.) to 500 ° C. The temperature of the substrate (103) was determined by molybdenum (M) inserted into a through hole having a diameter of about 5 mm pierced in the middle of the support.
o) The temperature was measured with a sheath-type platinum-platinum-rhodium alloy thermocouple (a thermocouple based on Japanese Industrial Standard JIS-R standard). 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. The temperature of the substrate (103) is 500 ° C.
Approximately 20 minutes have passed since the ammonia gas (N
At the same time when the supply of H 3 ) to the reactor was started at a rate of 1 liter per minute, the flow rate of hydrogen gas flowing through the reactor was reduced from 5 liters per minute to 2 liters per minute. Thus, the composition of the gas flowing to the reactor was 1 liter / min of ammonia gas and 3 liters of hydrogen gas per minute.
Next, a low-temperature buffer layer (104) made of undoped aluminum nitride (AlN) was grown on the substrate (103) using trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al) as an aluminum (Al) source. The layer thickness of the low-temperature buffer layer (104) was about 7 nm.

【0028】低温緩衝層(104)の成長を終了した
後、後記する昇温過程での低温緩衝層の昇華等による損
失を抑制する目的で反応炉への水素ガスの供給を停止す
ると並行して、4リットル/分の流量をもってアルゴン
ガスの反応炉への供給を開始した。同じく低温緩衝層の
一構成元素である窒素の昇温時に於ける揮散の抑制を意
図してアンモニアガスの反応炉への供給量は不変とし、
1リットル/分に保持したままで高周波コイルに印加す
る電力量を増し、基板(103)の温度を500℃から
1130℃に昇温した。熱電対で測温される基板温度が
1130℃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が流通する状況
とした。基板(103)の温度が1130℃に到達して
5分間待機した後、低温緩衝層(104)上に下部クラ
ッド層となす珪素(Si)をドーピングしたn形の窒化
ガリウム層(105)を成長させた。ガリウム(Ga)
源には半導体工業用の純度が5N(99.999%)と
保証されたトリメチルガリウム((CH33 Ga)を
用いた。トリメチルガリウムは内面を鏡面に研磨したス
テンレス鋼製のバブラー(発泡)容器に収納し、その容
器の温度は電子式恒温槽を利用して0℃に保持した。上
記のn形窒化ガリウム層(105)の成長時には、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することをも
ってガリウム源を供給した。珪素は高純度水素で体積濃
度にして約1ppmに希釈されたジシラン(Si2
6 )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。一般的な電解C−V法により測定された同層
(105)の表面のキャリア濃度は約1×1018cm-3
であった。層厚は約3.2μmであった。
After the growth of the low-temperature buffer layer (104) is completed, the supply of hydrogen gas to the reaction furnace is stopped in parallel with the purpose of suppressing the loss due to sublimation and the like of the low-temperature buffer layer in the heating process described later. The supply of argon gas to the reactor was started at a flow rate of 4 L / min. Similarly, the supply amount of ammonia gas to the reaction furnace was kept unchanged for the purpose of suppressing volatilization at the time of raising the temperature of nitrogen, which is a constituent element of the low-temperature buffer layer,
While maintaining the rate at 1 liter / min, the amount of power applied to the high-frequency coil was increased, and the temperature of the substrate (103) was increased from 500 ° C. to 1130 ° C. As soon as the substrate temperature measured by the thermocouple reached 1130 ° 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 rate of hydrogen gas to the reactor was 1.3 minutes / minute.
It was restarted with a liter flow rate. As a result, a total of 6.1 liters / minute of hydrogen, argon, and ammonia flowed into the reactor constituted by the high-purity quartz tube. After the temperature of the substrate (103) reaches 1130 ° C. and waits for 5 minutes, an n-type gallium nitride layer (105) doped with silicon (Si) serving as a lower cladding layer is grown on the low-temperature buffer layer (104). I let it. Gallium (Ga)
The source used was trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) whose purity for the semiconductor industry was guaranteed to be 5N (99.999%). Trimethylgallium was stored in a stainless steel bubbler (foamed) container whose inner surface was polished to a mirror surface, and the temperature of the container was maintained at 0 ° C. using an electronic thermostat. During the growth of the n-type gallium nitride layer (105), the liquefied trimethylgallium is subjected to a bubbling operation with a hydrogen gas at a flow rate of 30 cc / min, and a hydrogen bubbling gas accompanied by the trimethylgallium is supplied into the reactor. A gallium source was provided. Silicon is disilane (Si 2 H) diluted to about 1 ppm by volume with high-purity hydrogen.
6 ) 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. The carrier concentration on the surface of the same layer (105) measured by a general electrolytic CV method is about 1 × 10 18 cm −3.
Met. The layer thickness was about 3.2 μm.

【0029】n形窒化ガリウム層(105)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(103)の温度を113
0℃から約4分間で870℃に低下させた。中途、基板
の温度が900℃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。従って、反応炉に流通するガスの流量
は上記のn形窒化ガリウム層(105)の成膜時と同じ
く合計して毎分6.1リットルとした。基板温度が87
0℃に安定する迄、3分間待機した後、アルゴンとアン
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双方の供給を再開して珪素ドープn
形窒化ガリウム層(105)上へアンドープの窒化ガリ
ウム・インジウム(GaInN)発光層(106)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(In)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。III 族元素原料に係わるこれらの保持温度
及び流量条件よりインジウムの固相組成比として約6%
(約0.06)の窒化ガリウム・インジウム発光層(1
06)の成膜を目論んで、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に設定
された。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約6nmと
するアンドープの窒化ガリウム・インジウム発光層(1
06)を成膜した。同様の層厚を有する窒化ガリウム・
インジウム発光層(Ga0.94In0.06N)を得るに際
し、トリメチルガリウムをバブリングする水素ガスの流
量を毎分3.0ccとした場合には約40分を要した。
従って、本実施例では30分間以内に成長が充分に終了
出来る様にトリメチルガリウムをバブリングする水素ガ
スの流量を毎分5ccとし、発光層の成膜時に於けるイ
ンジウム含有結晶体の総数の不必要な増加を未然に防ぐ
措置を講じた。
The flow of the gallium source into the reactor was stopped to stop the formation of the n-type gallium nitride layer (105). At the same time, the supply of 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 reactor were argon gas and ammonia. While the atmosphere in the reaction furnace is composed of argon and ammonia gas, the amount of high frequency power applied to the high frequency coil is reduced to reduce the temperature of the substrate (103) to 113.
The temperature was reduced from 0 ° C. to 870 ° C. in about 4 minutes. On the way, when the temperature of the substrate reached around 900 ° C., the flow rate of argon flowing through the reactor was increased from 1.3 liters per minute to 2.6 liters per minute. Therefore, the flow rate of the gas flowing through the reaction furnace was 6.1 liters per minute in total as in the case of forming the n-type gallium nitride layer (105). Substrate temperature is 87
After waiting for 3 minutes until the temperature is stabilized at 0 ° C., supply of both the gallium source and the indium source into the growth atmosphere composed of argon and ammonia gas is resumed, and the silicon doped n
An undoped gallium indium nitride (GaInN) light emitting layer (106) was grown on the shaped gallium nitride layer (105). The above-mentioned trimethylgallium was used as the 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 for entraining the vapor of trimethylgallium was controlled at 5 cc / min by an electronic mass flow meter. Trimethyl indium ((CH 3 ) 3 In) was used as a source of indium (In). Trimethylindium has an internal volume of about 100cc
And stored in a stainless steel cylinder container, which is precisely 35 ° C using an electronic thermostat.
Held. 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. From these holding temperature and flow rate conditions related to Group III element raw materials, the solid phase composition ratio of indium was about 6%.
(About 0.06) gallium indium nitride light emitting layer (1
For the purpose of film formation 06), 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 reaction furnace, that is, the so-called gas phase composition ratio of indium was set to 0.10. The vapor phase composition ratio of indium is such that the vapor pressure of trimethylgallium at 0 ° C. is about 64.4 Torr.
And the vapor pressure of trimethylindium at 35 ° C. was determined as 3.0 Torr. Precisely for 15 minutes, the group III and V element raw materials are maintained for 15 minutes while maintaining the flow rate of ammonia gas as a nitrogen (N) source at 3.5 liters per minute and the flow rate of argon gas at 2.6 liters / minute. And an undoped gallium-indium nitride light emitting layer (1) having a layer thickness of about 6 nm by continuously supplying hydrogen and an argon carrier gas.
06) was formed. Gallium nitride with similar layer thickness
It took about 40 minutes to obtain the indium light emitting layer (Ga 0.94 In 0.06 N) when the flow rate of the hydrogen gas for bubbling trimethylgallium was 3.0 cc / min.
Therefore, in this embodiment, the flow rate of the hydrogen gas for bubbling trimethylgallium is set to 5 cc / min so that the growth can be sufficiently completed within 30 minutes, and the total number of indium-containing crystals in forming the light emitting layer is unnecessary. We have taken measures to prevent any significant increase.

【0030】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(106)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(103)の温度を8
70℃から再び1130℃に昇温した。昇温過程での不
用意に緩やかな昇温速度の設定に因るインジウム含有結
晶体の本発明に規定される総数以上の発生を抑制するた
め、870℃から1130℃へは3分間で昇温した。即
ち、昇温速度は毎分約86.7℃に設定した。基板(1
03)の温度が1130℃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、キャリアガスのアルミニウム及びガリウムの
III 族元素源とマグネシウム源を反応炉内に供給してマ
グネシウム(Mg)をドーピングした窒化アルミニウム
・ガリウム混晶(Al0.07Ga0.93N)からなる上部ク
ラッド層(107)の下層をなす第1の上部クラッド層
(107−1)を発光層上に重層させた。アルミニウム
源には低温緩衝層(104)の成長時と同じくトリメチ
ルアルミニウムを使用した。トリメチルアルミニウムは
トリメチルガリウムと同様のステンレス鋼製シリンダー
容器に収納してあり、その容器の温度は電子式恒温槽に
より20℃に維持した。トリメチルアルミニウムの融点
(約15℃)以上の温度に保持して液化したトリメチル
アルミニウムにはバブリング用ガスとして毎分10.0
ccの水素ガスを流通させた。ガリウム源は上記のトリ
メチルガリウムを使用した。トリメチルガリウムは電子
式恒温槽により正確に0℃に保持し、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(bi
s−(CH3542 Mg)を使用した。ステンレ
ス鋼製のシリンダー容器に収納したマグネシウムドーピ
ング源は電子式恒温槽により60℃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を目的として電
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。これらのIII 族元
素源及びマグネシウム源の反応炉への供給量を12分間
に亘り継続して層厚を約0.5μmとする上部クラッド
層(107)の一構成層である第1の上部クラッド層
(107−1)を成膜した。
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 (106). 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 into the middle of the support while maintaining the flow rates of both the argon and ammonia gases at the above values, the substrate is Set the temperature of (103) to 8
The temperature was raised from 70 ° C to 1130 ° C again. In order to suppress the generation of indium-containing crystals in excess of the total number specified in the present invention due to an inadvertently gradual setting of the heating rate in the heating process, the temperature is raised from 870 ° C. to 1130 ° C. in 3 minutes. did. That is, the heating rate was set to about 86.7 ° C. per minute. Substrate (1
Immediately after the temperature of 03) reached 1130 ° 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. From this, the total flow rate of hydrogen to 6.1 liter / min.
A growth atmosphere consisting of an argon-ammonia mixed gas was created. After instantaneously adjusting the flow rates of hydrogen and argon, the carrier gases aluminum and gallium
A group III element source and a magnesium source are supplied into a reactor to form a first layer which is a lower layer of an upper cladding layer (107) made of an aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al 0.07 Ga 0.93 N) doped with magnesium (Mg). The upper clad layer (107-1) was overlaid on the light emitting layer. As the aluminum source, trimethylaluminum was used as in the growth of the low-temperature buffer layer (104). Trimethylaluminum was stored in a stainless steel cylinder container similar to that of trimethylgallium, and the temperature of the container was maintained at 20 ° C. by an electronic thermostat. Trimethylaluminum liquefied while being maintained at a temperature not lower than the melting point (about 15 ° C.) of trimethylaluminum is used as a bubbling gas at 10.0 min / min.
cc of hydrogen gas was passed. The gallium source used was the above-mentioned trimethylgallium. Trimethylgallium was maintained at exactly 0 ° C. in an electronic thermostat, and the flow rate of hydrogen gas for bubbling and entrainment of trimethylgallium vapor was 30 cc / min. The doping source of magnesium is bis-methylcyclopentadienyl magnesium (bi
Using s- (CH 3 C 5 H 4 ) 2 Mg). The magnesium doping source contained in the stainless steel cylinder container was kept at a constant temperature of 60 ° C. by an electronic constant temperature bath.
In the bis-methylcyclopentadienyl magnesium liquefied while being kept at the same temperature, a hydrogen gas whose flow rate was precisely controlled to 20 cc / min by an electronic mass flowmeter and controlled was circulated for the purpose of bubbling. The first upper clad, which is a constituent layer of the upper clad layer (107) having a thickness of about 0.5 μm by continuously supplying the group III element source and the magnesium source to the reactor for 12 minutes. The layer (107-1) was formed.

【0031】第1の上部クラッド層(107−1)を成
膜するための成長時間が経過した後は、基板(103)
の温度を1130℃に維持してままで尚且、トリメチル
アルミニウムをバブリングする水素ガス以外のガス流量
条件を変化させずに窒化アルミニウム・ガリウム混晶
(Alx Ga1-x N:0<x<1)層の成膜を継続し
た。トリメチルアルミニウムをバブリングする水素ガス
の流量は第1のクラッド層(107−1)の形成時の流
量である10.0cc/分から0cc/分へと6分間に
経時的に一律に減少させた。トリメチルアルミニウムを
バブリングして同物質の上記を随伴する水素ガスの流量
を減少して0cc/分とした時点をもって、トリメチル
アルミニウムを随伴する水素ガスの反応炉への供給が停
止されたものとした。このトリメチルアルミニウムに係
わる水素ガスを経時的に変化させることにより層厚を約
0.25μmとする、アルミニウム組成(x)に層厚方
向に低下する様に勾配を付与したマグネシウムをドープ
したアルミニウム組成勾配層を形成した。第1の上部ク
ラッド層(107−1)とアルミニウム組成勾配層との
界面近傍のxは約7%(0.07)としアルミニウム組
成勾配層の表面近傍ではxがほぼ0、即ち、窒化ガリウ
ムとなる様に配慮した。トリメチルアルミニウムを随伴
する水素ガスの反応炉への流通を停止した後も引き続き
ガリウム源及び窒素源の反応炉への供給を6分間に亘り
継続して層厚を約0.23μmとするマグネシウムドー
プ窒化ガリウム層を成膜した。これより、アルミニウム
組成の勾配を付与した窒化アルミニウム・ガリウム混晶
層と窒化ガリウム層との重層構成からなる第2の上部ク
ラッド層(107−2)を形成した。以上記述した如く
上部クラッド層(107)を構成する第1及び第2のク
ラッド層((107−1)及び(107−2))の成膜
に消費した成膜時間の合計は24分間であった。
After the growth time for forming the first upper cladding layer (107-1) has elapsed, the substrate (103)
While maintaining the temperature of 1130 ° C. without changing the gas flow conditions other than the hydrogen gas for bubbling trimethylaluminum, aluminum nitride / gallium mixed crystal (Al x Ga 1 -xN: 0 <x <1 ) Layer formation was continued. The flow rate of hydrogen gas for bubbling trimethylaluminum was uniformly reduced over time from 6 cc / min to 10.0 cc / min, which is the flow rate at the time of forming the first cladding layer (107-1), over 6 minutes. Trimethylaluminum was bubbled to reduce the flow rate of the hydrogen gas accompanying the above substance to 0 cc / min, at which point the supply of the hydrogen gas accompanying the trimethylaluminum to the reactor was stopped. An aluminum composition gradient obtained by changing the hydrogen gas related to trimethylaluminum with the lapse of time to a layer thickness of about 0.25 μm. A layer was formed. X near the interface between the first upper cladding layer (107-1) and the aluminum composition gradient layer is set to about 7% (0.07), and x is almost 0 near the surface of the aluminum composition gradient layer, ie, gallium nitride and Considered to be. Even after stopping the flow of hydrogen gas accompanying trimethylaluminum to the reactor, supply of gallium source and nitrogen source to the reactor is continued for 6 minutes, and magnesium-doped nitriding to a layer thickness of about 0.23 μm. A gallium layer was formed. As a result, a second upper cladding layer (107-2) having a multilayer structure of an aluminum gallium nitride mixed crystal layer having a gradient of aluminum composition and a gallium nitride layer was formed. As described above, the total film forming time consumed for forming the first and second cladding layers ((107-1) and (107-2)) constituting the upper cladding layer (107) is 24 minutes. Was.

【0032】電極のコンタクト層としての役目も担う窒
化ガリウム層を包含する第2の上部クラッド層(107
−2)の成膜はIII 族元素原料の反応炉への供給をもっ
て停止した。III 族元素原料の反応炉への供給を停止す
ると同時にマグネシウムドーピング源の成長系への供給
も停止した。III 族元素原料の反応炉への供給を停止し
て正確に30秒間が経過した後、アルゴン及びアンモニ
アガスの供給を上部クラッド層(107−2)の成膜時
と同一に維持した状態で水素キャリアガスの供給を停止
して、基板(103)の温度を低下させた。PID方式
の温度調整器に表示される温度値を監視して、基板(1
03)の温度が1130℃から1000℃に低下した時
点で反応炉へのアンモニアガスの供給を停止し、アルゴ
ンのみを反応炉内に供給する状態とした。PID方式の
温度調整器を利用したプログラム制御により1000℃
から800℃迄は正確に10分間を掛けて降温した。即
ち、毎分20.0℃の速度をもって基板(103)上に
成膜したIII 族窒化物半導体層から構成される積層構造
体の温度を降温した。基板(103)の温度が800℃
に低下したのを確認した後は高周波コイルへの高周波電
源の供給を停止して室温迄、積層構造体を自然放冷し
た。本実施例の積層構造体の断面構造を図5に示す。
The second upper cladding layer (107) including a gallium nitride layer also serving as a contact layer of the electrode.
The film formation in -2) was stopped by supplying the group III element raw material to the reaction furnace. At the same time, the supply of the group III element material to the reactor was stopped, and the supply of the magnesium doping source to the growth system was also stopped. After exactly 30 seconds have elapsed since the supply of the group III element raw material to the reactor was stopped, hydrogen was supplied while maintaining the supply of argon and ammonia gas the same as when forming the upper cladding layer (107-2). The supply of the carrier gas was stopped to lower the temperature of the substrate (103). The temperature value displayed on the PID type temperature controller is monitored, and the substrate (1) is monitored.
When the temperature of 03) dropped from 1130 ° C. to 1000 ° C., the supply of the ammonia gas to the reactor was stopped, and only argon was supplied into the reactor. 1000 ° C by program control using PID type temperature controller
The temperature was lowered from 10 to 800 ° C. over exactly 10 minutes. That is, the temperature of the laminated structure composed of the group III nitride semiconductor layers formed on the substrate (103) was lowered at a rate of 20.0 ° C. per minute. The temperature of the substrate (103) is 800 ° C.
Then, the supply of high-frequency power to the high-frequency coil was stopped, and the laminated structure was naturally cooled to room temperature. FIG. 5 shows a cross-sectional structure of the laminated structure of this embodiment.

【0033】上記の積層構造体の一部を切削して透過電
子顕微鏡(略称:TEM)により発光層内部の結晶組織
の構成を観察するための短冊状の試料を作製した。短冊
状の試料にあっては長辺側に六方晶系サファイアの(0
100)面を露出させた試料と(1000)面を露呈し
た2種類を作製した。即ち、互いに直交する結晶面を長
辺側に露出した試料とした。TEM観察に先立ち、同試
料を断面TEM法の観察に適する様にアルゴンイオン
(Ar+ )でスパッタリングして薄層化した。一般的な
透過型電子顕微鏡を利用して窒化ガリウム・インジウム
(Ga0.94In0. 06N)発光層(106)の断面TEM
像を加速電圧200キロボルト(KV)で撮像した。発
光層(106)とn形窒化ガリウムからなる下部クラッ
ド層(105)との界面に横幅を約10nmとする断面
が台形状の大きな島状結晶体が希に存在するのが認めら
れたが、全んどの結晶体は略球状であると認められた。
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、結晶体が発光
層の内部の特定領域に偏析する傾向は明瞭に認められ
ず、ほぼ一様に分布していた。撮像した断面TEM像か
ら発光層(106)内の結晶体の総数を計数した。(0
100)結晶面側の断面TEM像に撮像された結晶体の
数は横幅が50nmで高さ(層厚に相当する。)が約6
nmの撮像面積で概ね、2個であった。また、(100
0)結晶面側で計数された結晶体の総数は上記と同一の
撮像面積内でやはり1から2個程度であった。撮像する
領域を変化させて、或る体積の空間領域に平均して含有
される結晶体の数を求めた。その結果、横の長さを50
nmとし縦の長さを50nmとする底面上の高さ(層
厚)6nmの空間(体積=1.5×10-17 cm-3)内
に含まれる結晶体の数は、平均して1.5個であった。
単位体積(1cm3 )当たりの結晶体の総数に換算すれ
ば1.0×1017cm-3となった。一方、結晶体の中心
間の平均距離は約22nmであった。この結晶体間の平
均距離である22nmを一辺とする空間(体積=1.1
×10-17 cm-3)内に1個の結晶体が存在するとすれ
ば、単位体積(1cm3 )内の結晶体の総数は9.1×
1016cm-3と計算され、上記の換算値と良く一致し
た。
A portion of the above laminated structure was cut to prepare a strip-shaped sample for observing the structure of the crystal structure inside the light emitting layer using a transmission electron microscope (abbreviation: TEM). In the case of a strip-shaped sample, the hexagonal sapphire (0
A sample with the (100) plane exposed and two kinds with the (1000) plane exposed were produced. That is, a sample in which crystal planes orthogonal to each other were exposed on the long side was used. Prior to TEM observation, the sample was thinned by sputtering with argon ions (Ar + ) so as to be suitable for cross-sectional TEM observation. Cross-sectional TEM of a typical transmission electron microscope utilizing gallium nitride indium (Ga 0.94 In 0. 06 N) light-emitting layer (106)
Images were taken at an acceleration voltage of 200 kilovolts (KV). At the interface between the light emitting layer (106) and the lower cladding layer (105) made of n-type gallium nitride, a large island-shaped crystal having a trapezoidal cross section having a width of about 10 nm was rarely observed. Most of the crystals were found to be approximately spherical.
The diameter of the substantially spherical crystal was at most about 3 nm from the captured circular contrast. Further, the tendency of the crystal to segregate in a specific region inside the light emitting layer was not clearly recognized, and the crystal was almost uniformly distributed. The total number of crystals in the light emitting layer (106) was counted from the photographed cross-sectional TEM image. (0
100) The number of crystals taken in the cross-sectional TEM image on the crystal plane side is 50 nm in width and about 6 in height (corresponding to layer thickness).
There were approximately two in the imaging area of nm. Also, (100
0) The total number of crystals counted on the crystal face side was also about 1 to 2 in the same imaging area as above. By changing the region to be imaged, the number of crystals contained on average in a certain volume of spatial region was determined. As a result, the horizontal length is 50
The average number of crystals contained in a space (volume = 1.5 × 10 −17 cm −3 ) with a height (layer thickness) of 6 nm on the bottom surface with a vertical length of 50 nm and a vertical length of 50 nm is 1 on average. .5.
In terms of the total number of crystals per unit volume (1 cm 3 ), it was 1.0 × 10 17 cm −3 . On the other hand, the average distance between the centers of the crystals was about 22 nm. A space whose one side is 22 nm which is the average distance between the crystals (volume = 1.1)
Assuming that one crystal exists within × 10 −17 cm −3 ), the total number of crystals in a unit volume (1 cm 3 ) is 9.1 ×
The calculated value was 10 16 cm -3 , which was in good agreement with the above converted value.

【0034】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(106)の内部の結
晶構造を解析した。インジウムの濃度を分析するために
行ったEPMA(lectron−robe
cro−nalysis)の分析結果からは結晶体に
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(si
gnal)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
いため全ん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、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結晶体は希有であった。また、
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 crystal structure inside the light emitting layer (106). EPMA was performed to analyze the concentration of indium (e lectron- p robe m i
cro- a nalysis) analysis results of observed that other regions in the crystal, more indium compared to the inside of the so-called matrix is contained. From the mother phase, the signal (si
gnal) was detected, but 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 constituent of the parent phase was very close to the composition of gallium nitride entirely because of the low indium concentration. Judging from the intensities of the detected indium kα characteristic X-rays, it was found that there was a difference in the indium concentration between the crystals in units of%, but the difference in the concentration was accurately quantified. However, this was not achieved due to the detection performance of the EPMA analyzer. However, the concentration of indium contained in the crystal was at most several percent, and a crystal containing indium exceeding 10% was rare. Also,
At the boundary between the crystal 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.

【0035】(1)層厚に鑑みたアンドープ手段の選
択、(2)成膜後に於ける次層の成長温度への昇温速度
及び(3)高温での成膜時間を調整して結晶体の総数の
増量を抑制する手段を講じて得た発光層を備えた上記の
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。上部クラッド層(107)の最表層である第2の上
部クラッド構成層(107−2)上にはチタン(Ti)
を下地層としアルミニウムを重層させた構造からなるパ
ッド電極(108−1)及びパッド電極(108−1)
に電気的に接合する金(Au)を下地とし、その上に窒
化チタン(TiN)の重層させた構造からなる薄層電極
(108−2)から構成される正電極(108)を配置
した。一方の負電極(109)は同電極を配置する予定
の領域に在る上部クラッド層(107)、発光層(10
6)及び更に、n形窒化ガリウムからなる下部クラッド
層(105)の極く表面をエッチングした後に形成し
た。負電極(109)を形成する予定領域のn形窒化ガ
リウム下部クラッド層(105)上の各層はアルゴン−
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た。負電極
(109)は正電極(108)の一部をなすパッド電極
(108−1)と同様にチタンとアルミニウムの重層か
ら構成した。n形の窒化ガリウム下部クラッド層(10
5)に直接、接しているのはチタン層とした。
(1) Selection of the undoping means in consideration of the layer thickness, (2) adjustment of the rate of temperature rise to the growth temperature of the next layer after film formation, and (3) adjustment of the film formation time at high temperature A light-emitting diode was manufactured using the above-described laminated structure provided with a light-emitting layer obtained by taking measures to suppress an increase in the total number of the base materials as a base material. Titanium (Ti) is formed on the second upper clad constituting layer (107-2) which is the outermost layer of the upper clad layer (107).
Electrode (108-1) and pad electrode (108-1) each having a structure in which aluminum is an underlayer and aluminum is layered
A positive electrode (108) composed of a thin-layer electrode (108-2) having a structure in which gold (Au) electrically bonded to the substrate was formed as a base and titanium nitride (TiN) was layered thereon was disposed thereon. One negative electrode (109) has an upper clad layer (107) and a light emitting layer (10) in a region where the same electrode is to be arranged.
6) and further formed after etching the very surface of the lower cladding layer (105) made of n-type gallium nitride. Each layer on the n-type gallium nitride lower cladding layer (105) in the region where the negative electrode (109) is to be formed is argon-
Methane (CH 4) - it was etched by microwave plasma etching technique using hydrogen mixed gas. The negative electrode (109) was composed of a multilayer of titanium and aluminum similarly to the pad electrode (108-1) forming a part of the positive electrode (108). n-type gallium nitride lower cladding layer (10
What was in direct contact with 5) was a titanium layer.

【0036】素子の端部の稜線に沿って互いに対向する
位置に配置した帯状の正及び負電極((108)及び
(109))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、0.5V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
4.0Vの直流電圧を印加し、順方向電流を23ミリア
ンペア(mA)通流した際の発光出力は2.2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452
nm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(ba
nd)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。主
たる発光スペクトル及び副次的な発光スペクトルの波長
は、電極間に印加する直流電圧(直流電流)に依存して
顕著に変化することはなかった。また、主たる発光スペ
クトルの半値幅は室温で110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、青色の発光
は強度的にも単色性にも優れたものであった。
A DC voltage was applied between the band-like positive and negative electrodes ((108) and (109)) arranged at positions facing each other along the edge line of the end of the device. 1 volt (V)
Blue light emission was already obtained by applying a DC voltage of less than 0.5 V, for example. The intensity of blue light emission increased as the applied voltage increased. In the measurement using a general integrating sphere, a DC voltage of 4.0 V was applied, and the light emission output when a forward current of 23 milliamperes (mA) was passed was 2.2 milliwatts (mW). On the other hand, in the measurement of the emission spectrum using a spectroscope attached to a normal photoluminescence photometer, the emission wavelength of the main emission spectrum is 452.
nm. In addition to the main emission spectrum, a band of gallium nitride (ba
nd) No appearance of spectra other than those attributed to edge emission was observed. In other words, the emission intensity of the secondary spectrum was very weak, less than 1/100 as compared with that of the main spectrum. The wavelengths of the main emission spectrum and the secondary emission spectrum did not change significantly depending on the DC voltage (DC current) applied between the electrodes. Also, the half-width of the main emission spectrum was narrowed to 110 millielectron volts (meV) at room temperature. For this reason, blue light emission was excellent in both intensity and monochromaticity.

【0037】(比較例1)窒化ガリウム・インジウムか
らなる発光層に含有される結晶体の総数が発光の強度並
びに単色性に及ぼす影響を明瞭に示すために、此処では
結晶体の総数を本発明の規定外とする窒化ガリウム・イ
ンジウム発光層を具備したLEDの発光特性を比較例と
して記述する。
(Comparative Example 1) In order to clearly show the influence of the total number of crystals contained in the light emitting layer composed of gallium indium nitride on the intensity and monochromaticity of light emission, the total number of crystals was determined in the present invention. The emission characteristics of an LED having a gallium-indium nitride light-emitting layer, which is out of the range, are described as comparative examples.

【0038】発光層以外は上記の実施例1と同一の構成
からなる積層構造体を形成した。発光層は実施例1記載
の原料系を使用して成長させたが、結晶体の総数を本発
明の規定外とするため条件を下記の如く変更して成膜し
た。(イ)インジウム固相組成比6%を目論んで成長さ
せた窒化ガリウム・インジウム(Ga0.94Al0.06N)
を870℃で成長させた後に上部クラッド層の成長温度
とした1130℃に昇温する過程に於いて、昇温速度を
実施例1の毎分86.7℃から毎分26.0℃に減ずる
様に変更した。即ち、870℃から次層の成長温度であ
る1130℃に10分間を掛けて昇温した。(ロ)窒化
ガリウム・インジウム発光層上に1130℃で上部クラ
ッド層を成長させる過程に於いて、上部クラッド層の層
厚が所定の層厚(合計0.98μm)に到達する迄発光
層を高温に保持する期間(合計24分)に加え同温度に
更に、正確に40分間放置した。即ち、発光層を高温で
保持する期間を実施例1に比較して2倍を越える1時間
以上とした。以上、発光層の成長に係わる条件は結晶体
の総数を増量させる方向に変更した。
Except for the light emitting layer, a laminated structure having the same structure as that of the first embodiment was formed. The light-emitting layer was grown using the raw material system described in Example 1, but was formed under the following conditions to make the total number of crystals out of the range specified in the present invention. (A) Gallium indium nitride (Ga 0.94 Al 0.06 N) grown with the intention of indium solid phase composition ratio of 6%
Is grown at 870 ° C. and then heated to 1130 ° C., which is the growth temperature of the upper cladding layer, in which the rate of temperature reduction is reduced from 86.7 ° C./min in Example 1 to 26.0 ° C./min. Changed. That is, the temperature was raised from 870 ° C. to 1130 ° C., which is the growth temperature of the next layer, over 10 minutes. (B) In the process of growing the upper cladding layer at 1130 ° C. on the gallium indium nitride light emitting layer, the light emitting layer is heated at a high temperature until the layer thickness of the upper cladding layer reaches a predetermined layer thickness (0.98 μm in total). (Total 24 minutes) and at the same temperature for exactly 40 minutes. That is, the period during which the light-emitting layer is maintained at a high temperature is set to 1 hour or more, which is more than twice as large as that in Example 1. As described above, the conditions relating to the growth of the light emitting layer were changed so as to increase the total number of crystals.

【0039】本比較例の発光層を具備した積層構造体を
形成した後、発光層の部位を中心にその断面をTEM技
法により観察して断面TEM像を撮像した。観察される
結晶体の形状は略球状と島状であるものの、実施例1に
記載の発光層の場合とは異なり島状の結晶体が存在する
確率が高まっているのが一見して確認された。反面、略
球状の外形を予想させる断面をほぼ円形とする結晶体の
直径並びに断面を台形状島或いは楕円状若しくは多角形
状等とする島状結晶体の横幅は、結晶体間でほぼ同様と
なっていた。平均的な横幅は約3nmであり、実施例1
の場合に比較すれば結晶体が大型化する傾向にあった。
上記した結晶体の外形の不揃い並びに結晶体の大型化の
一原因はやはり発光層を高温に暴露する期間の延長にあ
ると考察された。一方、結晶体の総数は実施例1に比し
明らかに増量しており、結晶体間の平均的な距離から約
8×1017cm-3と算出された。層厚を6nmとする発
光層についてこの結晶体の総数は本発明が規定する数値
を越えるものとなった。結晶体の内部のインジウム濃度
に関しては不均一化が促進されたと分析され、結晶体間
でのインジウム含有量の相違が助長されていると判断さ
れた。結晶体を囲繞する母相の組成は実施例1と同じく
窒化ガリウムとほぼ見なせる程、インジウム濃度が希薄
であった。
After forming the laminated structure having the light emitting layer of this comparative example, a cross section TEM image was taken by observing a cross section of the light emitting layer centered on the TEM technique. Although the shapes of the observed crystals are substantially spherical and island-like, it is apparently confirmed that unlike the case of the light emitting layer described in Example 1, the probability of existence of the island-like crystals increases. Was. On the other hand, the diameter of a crystal having a substantially circular cross-section for predicting a substantially spherical outer shape and the width of an island-shaped crystal having a trapezoidal or elliptical or polygonal cross-section are substantially the same between crystals. I was Example 1 has an average width of about 3 nm.
In comparison with the case of the above, the crystal tended to increase in size.
It has been considered that one of the causes of the irregular shape of the crystal and the enlargement of the crystal are the prolongation of the period in which the light emitting layer is exposed to high temperature. On the other hand, the total number of crystals was clearly increased as compared with Example 1, and was calculated to be about 8 × 10 17 cm −3 from the average distance between the crystals. With respect to the light emitting layer having a thickness of 6 nm, the total number of the crystals exceeded the value specified by the present invention. It was analyzed that inhomogeneity was promoted with respect to the indium concentration inside the crystals, and it was determined that the difference in indium content between the crystals was promoted. The composition of the parent phase surrounding the crystal was as low as that of Example 1 and the indium concentration was so low that it could be regarded as gallium nitride.

【0040】実施例1と同様の材質並びに配置をもって
電極(図5参照)を形成してLEDを構成した。両電極
間に順方向に直流電圧を印加して発光スペクトルの印加
電圧(通流電流)依存性を調査した。100マイクロア
ンペア(μA)未満の低電流の範囲内に於けるLEDか
ら発っせられるスペクトルは、波長が600nmを越え
る赤色系と波長を約500nmから約560nmの範囲
とする緑色系のものであった。所望する青色帯の発光ス
ペクトルの強度は、一般的なフォトルミネッセンス(P
L)測光装置で測定する限り極めて微弱であり数マイク
ロボルト(μV)にも到達しない程度であり、上記の赤
色系及び緑色系のPLスペクトル強度に比較すれば1/
10に至らないものであった。低電流を通流させた場
合、発光スペクトルの波長が赤色帯から緑色帯へと通流
する順方向電流が増加するに伴い長波長側へと移行する
現象が見られた。即ち、動作電流の増減に依って発光色
(発光波長)が変化する現象が確認された。しかし、低
電流側では、所望の青色帯の発光スペクトルは発光強度
の観点から主たるスペクトルとして認知するには至らな
かった。一方、極く一般的で実用的な数十mA、例え
ば、20mAの順方向電流で駆動させた際には中心波長
を約446nmとする青色帯の発光スペクトルが出現し
た。強度からすればこの青色帯のスペクトルが主たる発
光スペクトルと認められたものの、その他に波長約38
0nm近傍の近紫外帯に副次的なスペクトルの出現が認
められた。副次的なスペクトルの強度は青色発光を帰結
する主たるスペクトルの強度に対して約30%に達し
た。この主たるスペクトルに対して比較的大きな強度を
有する副次的なスペクトルの混在により、発光色は白味
を帯びた青色(青白色)であると視認された。主たる発
光スペクトルの半値幅は、20mAの順方向電流時には
約320ミリエレクトロンボルト(meV)であった。
この半値幅値は、従来のドナー不純物及びアクセプター
不純物を同時にドーピングした窒化ガリウム・インジウ
ムからなる発光層を備えた青色LEDのそれと比較すれ
ば縮小はされているものの、実施例1の約110meV
に比較すれば約3倍に悪化していると解釈された。即
ち、半値幅が拡大により色純度に劣るものとなった。ま
た、上記の実施例と同じく一般的な積分球を利用して測
定したLEDの発光出力は実施例に記載のLEDの約半
分に相当する1.2mWであった。従って、本比較例の
LEDは発光の強度並びに発光の単色性(色純度)の双
方の特性上、実施例に記載の本発明のLEDに劣るもの
となった。
An LED (see FIG. 5) was formed with the same material and arrangement as in Example 1 to form an LED. A DC voltage was applied between both electrodes in the forward direction, and the dependence of the emission spectrum on the applied voltage (current flow) was investigated. The spectrum emitted from the LED in the low current range of less than 100 microamps (μA) was reddish with wavelengths greater than 600 nm and greenish with wavelengths in the range of about 500 nm to about 560 nm. . The intensity of the desired emission spectrum in the blue band is determined by a general photoluminescence (P
L) As measured by a photometric device, it is extremely weak and does not reach even a few microvolts (μV). Compared with the above-mentioned red and green PL spectrum intensities, 1 /
It did not reach 10. When a low current was passed, a phenomenon was observed in which the wavelength of the emission spectrum shifted to the longer wavelength side as the forward current flowing from the red band to the green band increased. That is, a phenomenon in which the emission color (emission wavelength) changes depending on the increase or decrease of the operating current was confirmed. However, on the low current side, the desired emission spectrum in the blue band was not recognized as a main spectrum from the viewpoint of emission intensity. On the other hand, when driven by an extremely general and practical forward current of several tens mA, for example, 20 mA, an emission spectrum of a blue band having a center wavelength of about 446 nm appeared. In terms of intensity, this blue band spectrum was recognized as the main emission spectrum, but other wavelengths of about 38
The appearance of a secondary spectrum was observed in the near ultraviolet band near 0 nm. The intensity of the secondary spectrum reached about 30% of the intensity of the main spectrum resulting in blue emission. Due to the mixture of the secondary spectrum having a relatively large intensity with respect to the main spectrum, the emission color was visually recognized as a whitish blue (blue-white). The half-width of the main emission spectrum was about 320 millielectron volts (meV) at a forward current of 20 mA.
Although the half-width value is smaller than that of the conventional blue LED having the light-emitting layer made of gallium / indium nitride doped with a donor impurity and an acceptor impurity at the same time, it is about 110 meV in Example 1.
Was interpreted to be about three times worse. That is, the half-value width was inferior in color purity due to the enlargement. Further, the light emission output of the LED measured using a general integrating sphere as in the above-described example was 1.2 mW corresponding to about half of the LED described in the example. Therefore, the LED of this comparative example was inferior to the LED of the present invention described in the examples in both characteristics of light emission intensity and light emission monochromaticity (color purity).

【0041】[0041]

【発明の効果】III 族窒化物半導体発光層を備えた発光
素子を得るに際し、発光層内部の結晶体の総数を規定す
ることにより、所望の発光色を帰結する主たる発光スペ
クトルの半値幅の縮小並びに発光強度の増大が達成でき
る。このため、発光の強度並びに色純度の何れにも優れ
る、発光素子の主要な特性が向上された発光素子がもた
らされる効果がある。また、発光層の層厚に対応して結
晶体の総数を本発明の規定内と手段は、高温へ昇温する
過程に要する時間並びに高温に於ける成膜、保持時間の
短縮化であるため、しいては発光素子用途の積層構造体
の作製に於ける省力が果たせる経済的な効果もある。
According to the present invention, in obtaining a light emitting device having a group III nitride semiconductor light emitting layer, by defining the total number of crystals in the light emitting layer, the half width of the main emission spectrum which results in a desired emission color is reduced. In addition, an increase in emission intensity can be achieved. Therefore, there is an effect that a light-emitting element which is excellent in both light emission intensity and color purity and has improved main characteristics of the light-emitting element is provided. In addition, the total number of crystals in accordance with the thickness of the light emitting layer is within the specification of the present invention and the means is to shorten the time required for the process of raising the temperature to a high temperature and the film formation at a high temperature, and to shorten the holding time. In addition, there is also an economical effect that labor can be saved in manufacturing a laminated structure for light emitting element use.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】所望する主たる発光スペクトルに加えて、副次
的な発光スペクトルが出現している状態を示す窒化ガリ
ウム・インジウム結晶層のフォトルミネッセンススペク
トルを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a photoluminescence spectrum of a gallium indium nitride crystal layer in which a secondary emission spectrum appears in addition to a desired main emission spectrum.

【図2】層厚を約50nmとする窒化ガリウム・インジ
ウム結晶層からの波長を450nm近傍とする発光スペ
クトルの半値幅とインジウム含有結晶体の総量依存性を
示す図である。
FIG. 2 is a graph showing the half-width of the emission spectrum of a gallium indium nitride crystal layer having a layer thickness of about 50 nm and a wavelength near 450 nm and the dependence on the total amount of indium-containing crystals.

【図3】約0.08のインジウム固相組成比を目論み常
圧(大気圧)MOCVD法で成長した窒化ガリウム・イ
ンジウム発光層にあって、単色性が良好で尚且強度的に
優れるPL発光スペクトルをもたらす結晶体の総量の上
限値を同発光層の層厚に関係させて示す図である。
FIG. 3 shows a PL emission spectrum of a gallium indium indium light emitting layer grown by a normal pressure (atmospheric pressure) MOCVD method, which has good monochromaticity and excellent strength, with an indium solid phase composition ratio of about 0.08. FIG. 5 is a diagram showing an upper limit value of the total amount of crystals that causes the above, in relation to the layer thickness of the light emitting layer.

【図4】約0.06のインジウム固相組成比を意図して
常圧MOCVD法で成膜した窒化ガリウム・インジウム
結晶層に於けるインジウム含有結晶体の総数の層厚依存
性を示す一例である。
FIG. 4 is an example showing the layer thickness dependence of the total number of indium-containing crystals in a gallium indium nitride crystal layer formed by a normal pressure MOCVD method with an indium solid phase composition ratio of about 0.06. is there.

【図5】本実施例の積層構造体の断面構造を示す模式図
である。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a laminated structure according to the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(101) 主たる発光スペクトル (102) 副次的な発光スペクトル (103) 基板 (104) 低温緩衝層 (105) n形窒化ガリウム層(下部クラッド層) (106) 発光層 (107−1) 第1の上部クラッド構成層 (107−2) 第2の上部クラッド構成層 (108) パッド電極及び薄膜電極から構成される正
(+)電極 (108−1) 正電極の一部を構成するチタン(T
i)/アルミニウム(Al)重層パッド電極 (108−2) 正電極の一部を構成する金(Au)/
窒化チタン(TiN)薄層電極 (109) 負(−)電極
(101) Main emission spectrum (102) Secondary emission spectrum (103) Substrate (104) Low-temperature buffer layer (105) n-type gallium nitride layer (lower cladding layer) (106) Emission layer (107-1) First (107-2) Second upper cladding constituent layer (108) Positive (+) electrode composed of pad electrode and thin film electrode (108-1) Titanium (T) constituting a part of positive electrode
i) / Aluminum (Al) multilayer pad electrode (108-2) Gold (Au) constituting a part of positive electrode /
Titanium nitride (TiN) thin layer electrode (109) Negative (-) electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−215029(JP,A) 特開 平10−107320(JP,A) 特開 平4−112584(JP,A) 特開 平5−62896(JP,A) 特開 平8−88345(JP,A) 特開 平5−82912(JP,A) 特開 平4−354323(JP,A) 特開 平10−56202(JP,A) 特開 平10−107315(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-10-215029 (JP, A) JP-A-10-107320 (JP, A) JP-A-4-112584 (JP, A) JP-A-5-105 62896 (JP, A) JP 8-88345 (JP, A) JP 5-82912 (JP, A) JP 4-354323 (JP, A) JP 10-56202 (JP, A) JP-A-10-107315 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 母相と母相中に散在するインジウム(I
n)を含むIII 族窒化物半導体からなる直径或いは横幅
にして30nm以下の略球状或いは島状の結晶体とから
構成される発光層であって、母相に含有される当該結晶
体の総量を2×1018個/cm3 以下とする発光層を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子。
1. A mother phase and indium (I) scattered in the mother phase.
n) comprising a substantially spherical or island-shaped crystal having a diameter or a lateral width of 30 nm or less made of a Group III nitride semiconductor containing n), wherein the total amount of the crystal contained in the matrix is A group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer of 2 × 10 18 / cm 3 or less.
【請求項2】 層厚20nm以下の発光層であって、単
位体積(1cm3 )の発光層内に含有される前記結晶体
の総量を、該発光層の層厚(t:cm)に対して dmax.(個/cm3 )=5.0×1023×t(個/cm
3 ) で与えられるdmax.の値以下とする発光層を備えたこと
を特徴とする請求項1記載のIII 族窒化物半導体発光素
子。
2. A light-emitting layer having a layer thickness of 20 nm or less, wherein the total amount of the crystals contained in the light-emitting layer having a unit volume (1 cm 3 ) is determined by the total thickness of the light-emitting layer (t: cm). Dmax. (Pieces / cm 3 ) = 5.0 × 10 23 × t (pieces / cm 3 )
3. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a light emitting layer having a value of dmax.
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