JP3496521B2

JP3496521B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP3496521B2
Application number: JP16730598A
Authority: JP
Inventors: 一高寺嶋; 隆宇田川
Original assignee: 昭和電工株式会社
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2018-06-15
Also published as: JP2000004046A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立方晶のIII 族窒
化物半導体結晶からなる積層構造体から、III 族窒化物
半導体素子を構成するための技術に関する。特に、連続
性のある立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層をもたらす
に好適な緩衝層を備えた積層構造体からIII 族窒化物半
導体素子を構成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にIII 族窒化物半導体素子と呼称さ
れるデバイス（ｄｅｖｉｃｅ）には、青色などの短波長
可視光発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイ
オード（英略称：ＬＤ）などの発光素子がある（Ｍａ
ｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、Ｖｏｌ．
４４９（１９９７）、５０９〜５１８頁照）。また、例
えば、ショットキ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合電界効果型
トランジスタ（英略称：ＭＥＳＦＥＴ）などの電子デバ
イスがある（Ｐｒｏｃ．ＯＦＴＨＥＴＯＰＩＣＡＬ
ＷＯＲＫＳＨＯＰＯＮ III −ＶＮＩＴＲＩＤＥ
Ｓ（２１〜２３．Ｓｅｐｔ．１９９５）（ＰＥＲＧＡＭ
ＯＮＰＲＥＳＳ）、９７〜１００頁参照）。

【０００３】バルク（ｂｕｌｋ）デバイスではなく、薄
膜デバイスの範疇に属するこれらのIII 族窒化物半導体
素子は、組成式Ａｌ_A Ｇａ_B Ｉｎ_C Ｍ_1-Z Ｎ_Z （０≦
Ａ，Ｂ，Ｃ≦１、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１、０＜Ｚ≦１、記号Ｍ
は窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表記される結晶か
らなる層を備えた積層構造体を材料として構成されてい
る。例えば、電界効果型トランジスタ（英略称：ＦＥ
Ｔ）は、窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_A Ｇａ
_B Ｎ：０≦Ａ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）を活性層（チャネル
層）として備えた積層構造体から構成されている。ま
た、短波長可視ＬＥＤやＬＤは、窒化ガリウム・インジ
ウム混晶（Ｇａ_B Ｉｎ_C Ｎ：０≦Ｂ≦１、Ｂ＋Ｃ＝１）
を発光層（活性層）として備えた積層構造体から構成さ
れている。

【０００４】実用に至っているIII 族窒化物半導体デバ
イス用途の従来の積層構造体は、サファイア（α−Ａｌ
₂ Ｏ₃ 単結晶）や炭化珪素（６Ｈ−ＳｉＣ）等の絶縁性
の六方晶の単結晶を基板として構成されるのが通例であ
る。しかし例えば、サファイア基板とIII 族窒化物半導
体である窒化ガリウム（ＧａＮ）との格子のミスマッチ
（ｍｉｓｍａｔｃｈ）度は、配向性を考慮しても１３．
８％の大きさに達する（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏ
ｌ．１５，Ｎｏ．３＆４（１９８８）、７４〜８２頁参
照）。このため、この格子ミスマッチを緩和するため
に、サファイア基板表面上に緩衝層を配置するのが、従
来から一般的となっている（特開平２−２２９４７６号
公報明細書参照）。緩衝層は、Ａｌ_A Ｇａ_B Ｎ（０≦Ａ
≦１、Ａ＋Ｂ＝１）混晶から構成するのが一般的な従来
技術である（特開平２−２２９４７６号及び特開平
４−２９７０２３号公報明細書参照）。また緩衝層は、
実用上約４００℃〜約６００℃と比較的低温で成膜され
るため、低温緩衝層と呼称されている（赤崎勇編著、
「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初
版、（株）培風館発行）、３３４頁参照）。

【０００５】しかし、サファイア或いは六方晶の炭化珪
素（６Ｈ−ＳｉＣ）を基板とした従来の積層構造体に
は、III 族窒化物半導体素子を構成する上で幾多の問題
点がある。例えば、（１）基板が明瞭な劈開性を呈しな
いことに因る、平滑な鏡面のレーザ光共振面の形成の問
題である。また、（２）電気的な絶縁性に因るオーミッ
ク電極の配置場所が制約を被ることである（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）、１９
８６〜１９８７頁参照）。また、ウルツ鉱（ｗｕｒｚｉ
ｔｅ）型の六方晶の低温緩衝層（特開平２−２２９４７
６号公報明細書参照）に積層される六方晶のIII 族窒化
物半導体結晶層からなる積層構造体では、ピエゾ（ｐｉ
ｅｚｏ）効果（圧電効果）が発現する。ＦＥＴなどのキ
ャリア（特に、電子）の高速走行性を利用するデバイス
にあっては、圧電散乱（上記の「III −Ｖ族化合物半導
体」、１７８頁参照）等の影響により電子の移動度特性
の向上が阻害される欠点がある。

【０００６】このため、サファイア等の六方晶基板に代
替して、III −Ｖ族化合物半導体結晶或いはダイヤモン
ド構造型の珪素（シリコン）などの立方晶基板を用いて
III族窒化物半導体結晶を積層する試みもなされている
（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２０（１
２）（１９７３）、１７８３〜１７８５頁参照）。この
ような従来技術の例にあっては、砒化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）などの閃亜鉛鉱型の立
方晶結晶が基板材料として利用されている（上記の文献
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，参照）。

【０００７】最近では、珪素（Ｓｉ）単結晶基板上のリ
ン化ガリウム（ＧａＰ）中間層に接合させて窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）が成膜されている（「ＢｌｕｅＬａｓｅ
ｒａｎｄＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ
ｓ」（Ｏｈｍｓｙａ，Ｌｔｄ．、１９９６）、５２６〜
５２９頁参照）。また、Ｓｉ基板の表面に設けた六方晶
の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）緩衝層を介して、ＬＥＤ
用途の積層構造体が構成されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．、７２（４）（１９９８）、４１５〜４
１７頁参照）。この積層系にあっては、ＡｌＮ緩衝層に
ＧａＮ層が直接、接合される構成となっている。

【０００８】更に、基板材料を含めて積層構造体全体を
立方晶結晶から構築することを意図した技術も開示され
ている（特開平２−２７５６８２号、特開平２−２
８８３７１号、及び特開平２−２８８３８８号各公報
明細書参照）。この従来技術にあっては、基板材料に
は、珪素（シリコン）、リン化ガリウム（ＧａＰ）ある
いは炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）が立方晶単結晶材料とし
て提示されている（特開平２−２７５６８２号公報明細
書参照）。これらの立方晶単結晶基板上には、立方晶の
III 族窒化物半導体結晶層を成膜するために、閃亜鉛鉱
型のリン化硼素（ＢＰ）からなる緩衝層を配備する技術
も開示されている（特開平２−２７５６８２号公報明細
書など参照）。

【０００９】ＢＰは、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶
層の成育をもたらす緩衝層を構成するに優位な立方晶材
料であると判断される。ＢＰ緩衝層とIII 族窒化物半導
体結晶層とのヘテロ接合を備えた積層構造体も開示され
ている（特開平２−２７５６８２号公報明細書）。しか
しながら、リン化ガリウム（ＧａＰ）等の立方晶基板に
ＢＰを緩衝層として単純に成膜しただけでは、連続性の
ある結晶層を定常的に得られないのが実際である。例え
ば、Ｓｉ基板上に硼素モノフォスファイド（ｂｏｒｏｎ
ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ：ＢＰ）からなる緩衝層
を構成する場合を実例として挙げる。Ｓｉの格子定数は
５．４３１Åであり、ＢＰの格子定数は４．５３８Åで
ある（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、１４８頁参
照）。従って、両者の格子のミスマッチ度は、Ｓｉを基
準にして１６．４％に達する。この大きなミスマッチの
ために、Ｓｉ基板上に単に成育させたＢＰ膜は、角錐状
の成長島が散在する連続性の欠ける膜となるのが実状で
ある（上記の「日本結晶成長学会誌」、第２４巻、第２
号（１９９７）、１５０頁参照）。この様な不連続なＢ
Ｐ膜の表面上には、当然の事ながら、連続性のあるIII
族窒化半導体結晶層を成膜するのは困難である。

【００１０】また、例えＢＰからなる緩衝層を単に配備
しても、その上に積層された上層である例えばIII 族窒
化物半導体結晶層等は、必ずしも立方晶を主体として構
成されるとは限らないという上層の結晶形態の不統一に
関する問題もある。例えば、Ｓｉ単結晶基板上のＢＰ結
晶層に接合させて成膜したＧａＮ膜は、立方晶と六方晶
が混在したものとなるのが実際である（Ｉｎｓｔ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．、Ｎｏ．１２９（Ｉｎｓｔ．
ｏｆＰｈｙｓ．（ＩＯＰ）ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＬ
ｔｄ．（Ｌｏｎｄｏｎ、１９９３）、１５７〜１６２頁
参照）。即ち、従来のＢＰ緩衝層は、上層の結晶系の画
一化を確実に果たすものとはなっていないのが現状であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】六方晶系の積層構造体
に付随する問題点の回避を目的として、立方晶のIII 族
窒化物半導体結晶層から積層構造体を構築する従来の技
術にも、上述の如く、克服すべき問題点がある。立方晶
の単結晶基板上にリン化硼素（ＢＰ）等を緩衝層として
用いて積層構造体を構築する技術に限れば、先ず、連続
性を有するIII 族窒化物半導体結晶などからなる上層を
与えるに好適なＢＰ緩衝層の構成要件が不明確である。

【００１２】本発明では、連続性を有する立方晶のIII
−Ｖ族化合物半導体結晶層の成長をもたらすためにＢＰ
系緩衝層が備えるべき要件を明示することを課題とす
る。特に、好適な構成要素を内部結晶組織から明らかに
するものである。

【００１３】また、リン化硼素（ＢＰ）は、格子定数を
４．５１０Åとする立方晶のＧａＮとは格子のミスマッ
チ度も約０．６％と僅かである。しかし、格子定数を
４．３８０Åとする立方晶の窒化アルミニウム（化学
式：ＡｌＮ）との格子ミスマッチ度は、ＢＰを基準にし
て約３．６％となる。また、格子定数を４．９８０Åと
する立方晶の窒化インジウム（化学式：ＩｎＮ）との格
子のミスマッチ度は、ＢＰを基準にして約９．７％に達
する。従って、格子の不整合に起源する結晶欠陥の密度
を小とするIII 族窒化物半導体活性層を構成するために
は、III 族窒化物半導体活性層とＢＰ系緩衝層との間に
格子不整合性を緩和できるIII 族窒化物半導体結晶層を
挿入し、下地積層系を構成するのが得策となる。

【００１４】そこで本発明では、III −Ｖ族化合物半導
体単結晶基板の表面に設けた緩衝層に接合するIII 族窒
化物半導体結晶層を備えてなる積層構造体に於いて、従
来の様にＢＰ結晶層に直接、Ａｌ_A Ｇａ_B Ｎ（０≦Ａ、
Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）等のIII 族窒化物半導体結晶層を
接合させる積層系とは異なる系を提示する。そして、連
続性のある立方晶の上層を与える構成の緩衝層と結晶欠
陥密度の少ないIII 族窒化物半導体活性層に対して良好
な格子整合性をもたらすIII 族窒化物半導体結晶層との
接合構造からなる下地積層系を提供することも本発明の
課題である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、上記し
た従来技術の問題点を背景としてなされたものであっ
て、請求項１に記載の発明は、III −Ｖ族化合物半導体
単結晶基板と、該基板の表面に設けた緩衝層と、該緩衝
層に接合するIII 族窒化物半導体結晶層とを備えた積層
構造体から構成されるIII 族窒化物半導体素子に於い
て、III −Ｖ族化合物半導体単結晶基板が砒化ガリウム
（化学式：ＧａＡｓ）からなり、該基板の表面に設けら
れた緩衝層が、リン化硼素多量体結晶（Ｂ_i Ｐ_j ：ｉ＞
１、ｊ≧１）の含有率を５％以下とするリン化硼素（Ｂ
Ｐ）系III −Ｖ族化合物半導体結晶から構成され、該緩
衝層と接合をなすIII 族窒化物半導体結晶層が、窒化リ
ン化硼素３元混晶（ＢＰ_1-X Ｎ_X ：０＜Ｘ＜１）または
窒化砒化硼素３元混晶（ＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y ：０＜Ｙ＜１）
から構成されることを特徴とするIII 族窒化物半導体素
子を提供するものである。

【００１６】本発明では更に、請求項１に記載の構成に
加えて、ＧａＡｓに良好な格子整合性を有し、低温緩衝
層を構成するに都合の良い結晶材料を提供するものであ
る。即ち、請求項２の発明は、上記緩衝層が、リン化硼
素・インジウム混晶（Ｂ_U Ｉｎ_W Ｐ：０＜Ｕ＜０．３
２、Ｕ＋Ｗ＝１）から構成されることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】立方晶結晶には、酸化マグネシウ
ム（化学式：ＭｇＯ）、酸化マンガン（化学式：Ｍｎ
Ｏ）、酸化ニッケル（化学式：ＮｉＯ）や酸化コバルト
（化学式：ＣｏＯ）等の岩塩構造型の酸化物がある。ペ
ロブスカイト型のニオブ酸リチウム（化学式：ＬｉＮｂ
Ｏ₃ ）やタンタル酸リチウム（化学式：ＬｉＴａＯ₃ ）
などの酸化物結晶も立方晶である。ＬｉＧａＯ₂ やＬｉ
ＡｌＯ₂ なども立方晶結晶である。ニッケル（元素記
号：Ｎｉ）等の等軸立方格子の金属もある。本発明で
は、立方晶結晶として特に、閃亜鉛鉱構造型のIII −Ｖ
族化合物半導体である砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶
から基板を構成する。導電性のＧａＡｓは、オーミック
（Ｏｈｍｉｃ）電極の配置に関する優位性から、ＬＥＤ
やＬＤなどの発光素子を構成する際の基板材料として好
適である。ＦＥＴ等の活性層と基板との電気的な絶縁を
要するIII 族窒化物半導体素子にあっては、高抵抗の半
絶縁性のＧａＡｓ単結晶を基板として利用できる。ま
た、閃亜鉛鉱結晶型のＧａＡｓは、［０１１］結晶方位
に明瞭な劈開性を呈する。従って、例えば、ＧａＡｓを
基板とするＬＤにあっては、｛０１１｝面からなるレー
ザ光の共振面が容易に形成され得る利点がある。

【００１８】本発明のＢＰ系緩衝層は、上記のＧａＡｓ
単結晶基板表面上に、従来のエピタキシャル成長法を利
用して設ける。本発明に係わる緩衝層を成膜するには、
液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）よりも気相成長
法（ＶＰＥ法）が適する。三塩化硼素（ＢＣｌ₃ ）など
の塩化物を原料とするハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）ＶＰ
Ｅ法で本発明に係わるＢＰ系緩衝層を構成する場合、成
膜温度としては、３００℃以上６００℃以下の温度が適
する。また本発明の緩衝層は、構成元素としてリン（元
素記号：Ｐ）を含むことから、特に有機金属熱分解気相
成長法（ＭＯＣＶＤ法）も好適な成膜方法である。ＭＯ
ＣＶＤ法で本発明の緩衝層を得る場合、２５０℃以上で
５００℃以下の範囲の温度での成膜が適する。好適な成
膜温度の範囲は、成長方法や成長条件などに依って変化
するが、総じて２５０℃から６００℃の範囲にある。

【００１９】この様な比較的低温で成膜したＢＰ系結晶
層は、立方晶基板との接合界面近傍の領域が主に単結晶
から構成され、その上方の領域は非晶質を主体として構
成されるのが特徴である。緩衝層とするＢＰ系結晶層の
成膜温度が大凡、２００℃以下であると、ほぼ全体が非
晶質体となる。約６５０℃から７００℃を越える高温で
は、逆にほぼ全体が単結晶から構成されるものとなる。
本発明の云うＢＰ系緩衝層の成膜に適する温度とは、略
全体が単結晶或いは非晶質から構成される緩衝層が得ら
れる温度ではなく、上記の様に、基板との接合界面から
層厚方向に主たる構成要素を単結晶から非晶質へと変貌
してなる構成の緩衝層が帰結できる温度である。

【００２０】本発明のＢＰ系低温緩衝層の構成を説明す
るために、図１に緩衝層の断面構造を模式的に示す。図
１に例示するのは、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基
板１０１上に成膜したリン化硼素（ＢＰ）からなる低温
緩衝層１０２の内部結晶組織である。図１において、低
温緩衝層１０２内の基板１０１との接合界面１０３の近
傍は、主に単結晶体（単結晶層或いは単結晶粒など）が
配置された領域１０４となっている。その上方は、非晶
質体を主体としてなる領域１０５である。接合界面近傍
の領域を構成する単結晶層或いは単結晶体は、低温緩衝
層表面上に成膜される結晶層を連続膜とするように作用
する。特に、単結晶層が基板表面の略全面を被覆するが
如く配置されてなる低温緩衝層は、上層として連続性の
ある結晶層を得るに格段の効果を奏する。層状単結晶の
存在により２次元的な（平面的な）結晶層の成長が促進
されるからである。単結晶体（層）を主体としてなる領
域１０４の厚さ（図１に記号“ｄ”で示す。）は、低温
緩衝層１０２の全体の層厚（記号“Ｄ”で表す。）の約
１／２未満である。即ち、一般には、ｄ＜０．５・Ｄの
関係にある。成膜温度が高い程、ｄは大となる傾向にあ
る。非晶質体を主体としてなる領域１０５は、低温緩衝
層の上層として堆積される結晶層の配向性を統一化する
作用を有する。

【００２１】また、本発明では、低温緩衝層を構成する
結晶物質を量的関係をもって規制する。特に、本発明で
は、硼素（元素記号：Ｂ）及びリン（元素記号：Ｐ）各
原子からなるリン化硼素（硼素モノフォスファイド：ｂ
ｏｒｏｎｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ（ＢＰ））を主
体として低温緩衝層を構成するものとする。ＢＰの一変
態結晶には、複数の硼素原子を含む、所謂、リン化硼素
多量体結晶（Ｂ_i Ｐ_j ：ｉ＞１、ｊ≧１）がある。リン
化硼素多量体結晶の代表的なものには、硼素原子数
（ｉ）を６若しくは１３とするＢ₆ ＰやＢ₁₃Ｐ₂ がある
（Ａｃｔａ．Ｃｒｙｓｔ．，１４（１９６１）、９３頁
参照）。これらの多量体結晶は、菱面体（ｒｈｏｍｂｏ
ｈｅｄｒａｌ）結晶構造を有する六方晶（ｈｅｘａｇｏ
ｎａｌ）結晶である（Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｅｒ．Ｓｏ
ｃ．，４７（１９６４）、４４〜４７頁参照）。従っ
て、緩衝層内にこの様な六方晶の結晶体が多量に存在す
ると、これらの結晶体を成長核として六方晶の結晶形態
を持つ成長層が育成され易い。このため、立方晶を主体
とする成長層を得る本発明の趣旨には、不都合となる。
立方晶の結晶体により占有される体積が９０％を越える
立方晶を主体としてなる成長層を得るには、Ｂ_i Ｐ_j
（一般には、ｉ＞６でｊ＝１または２）多量体結晶の含
有率を１０％以下とする。好ましくは５％以下とする。

【００２２】リン化硼素多量体結晶（Ｂ_i Ｐ_j ）の含有
量が低く抑制されたＢＰ系緩衝層は、成膜温度を低く設
定すれば得られる。成膜温度は、２５０℃以上で約７０
０℃以下が適する。ＢＰは、高温環境下で次の化学反応
式（１）に従いＢ₁₃Ｐ₂ に変化する（Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃ
ｈｅｍ．Ｓｏｃ．、８２（１９６０）、１３３０〜１３
３２頁参照）。５２ＢＰ → ４Ｂ₁₃Ｐ₂ ＋１１Ｐ₄ ・・・・反応式（１）従って、リン化硼素多量体結晶の含有量を低減するに
は、緩衝層の成膜温度を低温するのが有利となる。リン
化硼素多量体結晶の含有量を安定して５％以下とするに
は、成膜温度の範囲を、前述の単結晶体と非晶質体とか
ら構成される緩衝層を得るために適する成膜温度の範囲
と同じ２５０℃以上６００℃以下とするのがやはり好都
合である。リン化硼素多量体結晶の含有量を５％以下と
することにより、立方晶を主体とする成長層が構成でき
る。

【００２３】低温緩衝層を構成する結晶体、例えば、Ｂ
ＰとＢ₁₃Ｐ₂ との量的関係は、Ｘ線回折法で取得される
特定の結晶面からのＸ線回折強度の比較をもって測り知
れる。ＢＰとＢ₁₃Ｐ₂ の標準試料からの定量に好都合な
特定の結晶面からの回折強度を予め知っておけば、ＢＰ
とＢ₁₃Ｐ₂ とを分別定量するに便利となる。

【００２４】本発明に則り、（１）単結晶体と非晶質体
とから構成され、且つ（２）Ｂ₁₃Ｐ₂ のようなリン化硼
素多量体結晶の含有量を５％以下として構成されるＢＰ
系緩衝層上には、連続性に優れる、立方晶を主体として
構成される成長層を接合させて積層することができる。

【００２５】この優位性を活用して本発明では、ＢＰ系
緩衝層上に、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム
混晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ：０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ
＋Ｙ＋Ｚ＝１）と格子整合を果たすために都合良く作用
するIII 族窒化物半導体結晶層を接合させる。本発明で
は、緩衝層に接合させるIII 族窒化物半導体結晶層を窒
化リン化硼素３元混晶（ＢＰ_1-X Ｎ_X ：０＜Ｘ＜１）か
ら構成する。または、窒化砒化硼素３元混晶（ＢＡｓ
_1-Y Ｎ_Y ：０＜Ｙ＜１）から構成する。ＢＰ_1-X Ｎ_X ま
たはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y は、窒素組成比（＝Ｘ，Ｙ）の如何
に依ってＡｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ混晶に格子整合できるか
らである。即ち、本発明では、上述のＢＰ系緩衝層と、
Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎとの格子整合が果たせるＢＰ_1-X
Ｎ_X またはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Yとの接合構造からなる下地積
層系を提供する。

【００２６】例えば、窒素組成比を０．０３（３％）と
するＢＰ_0.97Ｎ_0.03からは、格子定数を４．５１０Åと
する立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）に格子整合を果た
す結晶層が構成できる。また、ＢＰ_0.83Ｎ_0.17からは、
立方晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ；格子定数＝４．３
８０Å）と格子整合を果たす結晶層が構成できる。ＢＡ
ｓ_1-Y Ｎ_Y は、比較的インジウム組成比の高い立方晶窒
化インジウム系混晶と格子整合を果たすに優位な結晶層
として利用できる。例えば、ＢＡｓ_0.97Ｎ_0.03は、イン
ジウム組成比が０．５０の立方晶Ｇａ_0.50Ｉｎ_0.50Ｎと
格子整合をなす結晶層となる。

【００２７】上記のＢＰ_1-X Ｎ_X またはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y
結晶層は、本発明の構成による緩衝層に接合させて堆積
されているため、連続性が付与され、立方晶を主体とし
て構成できる上に、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎに格子整合す
る。従って、本発明の接合構成からなる下地積層系の上
には、格子の不整合性或いは膜の不連続性などに起因す
る結晶欠陥の密度が低減されたＡｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ結
晶層を積層することができる。

【００２８】本発明では更に、III −Ｖ族化合物半導体
単結晶基板との良好な格子整合性をもたらし、かつ立方
晶を主体とする連続性のある上層をもたらすために好都
合な低温緩衝層の構成材料を提供できる。ＧａＡｓ単結
晶については、Ｂ_U Ｉｎ_W Ｐ混晶（０＜Ｕ＜１、Ｕ＋Ｗ
＝１）に於いて硼素組成比（＝Ｕ）を０．１６とするＢ
_0.16Ｉｎ_0.84Ｐから格子整合した緩衝層を構成できる。
基板結晶との格子整合を果たす混晶の組成比は、ベガー
ド（Ｖｅｇａｒｄ）の法則（永井治男他著、「III −
Ｖ族化合物混晶」（１９９３年７月３０日初版第２刷、
（株）コロナ社発行）、２７頁参照）を適用して求めら
れる。Ｂ_U Ｉｎ_W Ｐ混晶から低温緩衝層を構成する場
合、連続性のある上層を得るに許容される硼素組成比
は、０．１６を基準にして大凡、±５０％の範囲内であ
る。好ましくは、０．１６±３０％である。即ち、好ま
しい硼素組成比は、０．１１以上０．２１以下の範囲に
ある。

【００２９】基板との良好な格子整合性をもたらす低温
緩衝層は、単一の結晶層から構成できる。また、組成比
を相違する複数の結晶層を重層させて構成することも出
来る。例えば、歪超格子構造（ｓｔｒａｉｎｄｌａｙ
ｅｒｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）を構成して重層構
成の緩衝層となす手法がある。歪超格子構造から緩衝層
を構成する場合、重層するｎ個の結晶層の各組成比（例
えば、上記のＢ_U Ｉｎ_W Ｐ混晶の硼素組成比）は、基板
を構成する結晶と同一の格子定数をもたらす上記の組成
比を基準として、増減方向に等量の格子定数の変化を与
える様に設計するのが好適である。例えば上記のＢ_U Ｉ
ｎ_W Ｐ混晶から歪超格子構造の緩衝層を構成する場合、
ＧａＡｓに格子整合を果たす硼素組成比である０．１６
を基準にして、組成比を増減方向に±０．０８（８％）
ずつ変化させた、Ｂ_0.08Ｉｎ_0.92ＰとＢ_0.24Ｉｎ_0.76Ｐ
とを交互に重層した歪超格子構造の格子整合系緩衝層が
構成できる。硼素組成比をそれぞれ０．０８及び０．２
４とする２層のＢＩｎＰ結晶層からなる２層重層構造を
１組とした超格子構造体の平均的な硼素組成比が０．１
６となるからである。歪超格子構造から緩衝層を構成す
る場合、同構造を構成するＢ_U Ｉｎ_W Ｐ混晶（０＜Ｕ＜
１、Ｕ＋Ｗ＝１）層が取り得る硼素組成比（＝Ｕ）の最
大の変動幅は、±０．１６であることから、硼素組成比
の取り得る範囲は、０＜Ｕ＜０．３２となる。

【００３０】この様なＧａＡｓ基板材料と格子整合する
緩衝層は、格子不整合に起因する結晶欠陥密度の小さ
い、更に結晶品質に優れるＢＰ_1-X Ｎ_X またはＢＡｓ
_1-Y Ｎ_Y結晶層をもたらすに貢献する。結晶品質に優れ
るＢＰ_1-X Ｎ_X またはＢＡｓ_1-YＮ_Y 結晶層上には、結
晶性に優れるＡｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ結晶層が堆積でき
る。品質に優れるＡｌ_X Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ結晶層からは、
強度的に優れる発光をもたらすに都合の良い発光層や電
子移動度に優れるチャネル層などの活性層が構成でき
る。これらの品質的に優れる活性層は、しいては、発光
強度や雑音指数等の特性に優れるIII 族窒化物半導体素
子をもたらすに貢献する。

【００３１】緩衝層を構成する結晶層、並びに緩衝層に
接合させるＢＰ_1-X Ｎ_X またはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y 結晶層の
層厚については、特に厳密な規定はない。数μｍ程度の
比較的厚い結晶層も利用され得る。結晶層の厚さの上限
は大凡、約１０μｍ未満程度となる。立方晶の割合が体
積比率にして大凡９０％を越える、立方晶を主体として
なる連続性を有する成長層を成膜するには、緩衝層は数
Å程度の単原子層でも差し支えはない。

【００３２】緩衝層に接合させるＢＰ_1-X Ｎ_X またはＢ
Ａｓ_1-Y Ｎ_Y 結晶層は、緩衝層の場合と同じくハライド
（ｈａｌｉｄｅ）ＶＰＥ法（ハロゲンＶＰＥ法）やＭＯ
ＣＶＤ法などを利用して成膜できる。発光素子に用いる
積層構造体のように、基板材料の裏面側にオーミック電
極を敷設することを意図して導電性結晶を基板とする場
合は、緩衝層並びに緩衝層に接合させるＢＰ_1-X Ｎ_X ま
たはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y 結晶層を導電性層とするのが常套で
ある。結晶層の導電性については特に規定はなく、例え
ば、導電性基板の伝導形に鑑み決定できる。ドナー性不
純物或いはアクセプター性不純物をドーピングしたｎ形
伝導性或いはｐ形伝導性を有する結晶層が、緩衝層並び
に緩衝層に接合させるＢＰ_1-X Ｎ_XまたはＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y
結晶層として利用できる。ｎ形導電性の結晶層は、例
えば、珪素（Ｓｉ）や錫（元素記号：Ｓｎ）などの第IV
族不純物やセレン（元素記号：Ｓｅ）、硫黄（元素記
号：Ｓ）等の第VI族不純物をドーピングすれば得られ
る。また、ｐ形の結晶層は、例えば、第II族不純物の亜
鉛（元素記号：Ｚｎ）やマグネシウム（元素記号：Ｍ
ｇ）或いは第IV族の炭素（元素記号：Ｃ）をドーピング
しても得られる。

【００３３】

【作用】本発明の請求項１に記載の温度範囲で成膜され
たＢＰ系緩衝層は、上層を構成する結晶層を連続膜とす
る作用を有する。また、リン化硼素多量体結晶の含有量
が低減されたＢＰ系緩衝層は、上層を構成する結晶層を
立方晶を主体としてなす作用を有する。

【００３４】また、請求項１に記載のＢＰ系緩衝層に接
合して設けられたＢＡｓＮまたはＢＰＮ混晶結晶層は、
活性層を構成するＡｌＧａＩｎＮ結晶層との格子整合性
をもたらす作用を有する。

【００３５】また、請求項２の発明に記載の緩衝層は、
ＧａＡｓ基板材料との格子整合性を良好なものとする作
用を有する。

【００３６】

【実施例】（第１の実施例）以下、実施例をもって本発
明を詳細に説明する。第１の実施例では、ｎ形ＧａＡｓ
を基板とした積層構造体１から図２に示す発光素子（Ｌ
ＥＤ）３を構成する例を挙げて本発明を具体的に説明す
る。

【００３７】基板１０１は、珪素（Ｓｉ）をドーピング
（ｄｏｐｉｎｇ）したｎ形砒化ガリウム（ＧａＡｓ）と
した。アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）のｎ形リン化硼素
（ＢＰ）からなる緩衝層１０２は、三塩化硼素（ＢＣｌ
₃ ）／三塩化リン（ＰＣｌ₃ ）／水素（Ｈ₂ ）系ハライ
ドＶＰＥ法により成膜した。ＧａＡｓ基板１０１との接
合界面１０３の近傍領域を立方晶のリン化硼素（ＢＰ）
単結晶体（層）を主体として構成される領域１０４と
し、その上方を非晶質体を主体とする領域１０５から構
成するために、成膜温度は３５０℃に設定した。全体の
厚さ（以下、記号“Ｄ”で表す）を約２０ナノメータ
（単位：ｎｍ）とする緩衝層１０２にあって、ＢＰ単結
晶層を主体として構成される領域１０４の領域の厚さ
（以下、記号“ｄ”で表す）は、約３ｎｍとした。ま
た、成膜温度を３５０℃とすることによって、緩衝層１
０２に含有されるＢ₁₃Ｐ₂ に代表されるリン化硼素多量
体結晶の濃度を、緩衝層１０２の主体を構成するＢＰ
（ｂｏｒｏｎｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）の２％未
満とした。

【００３８】緩衝層１０２上には、上記のハロゲンＶＰ
Ｅ法を利用し、９３０℃でＳｉをドーピングしたｎ形Ｂ
Ｐ_0.97Ｎ_0.03からなる結晶層１０６を積層し、緩衝層１
０２と接合させた。ｎ形ＢＰ_0.97Ｎ_0.03結晶層１０６の
層厚は約０．２μｍであり、キャリア濃度は約８×１０
¹⁸ｃｍ^-3とした。

【００３９】ｎ形ＢＰ_0.97Ｎ_0.03結晶層１０６上には、
Ｓｉドープｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる下部ク
ラッド層１０７（層厚（ｔ）＝１．５μｍ、キャリア濃
度（ｎ）＝１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）、アンドープのｎ形
窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ）
からなる発光層１０８（ｔ＝０．１μｍ、ｎ＝２．１×
１０¹⁸ｃｍ^-3）、及びマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_0.10Ｇａ
_0.90Ｎ）からなる上部クラッド層１０９（ｔ＝０．１μ
ｍ、キャリア濃度（ｐ）＝４．１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を順
次積層して、ｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の発光部２を
構成した。立方晶のｎ形ＢＰ_0.97Ｎ_0.03結晶層１０６上
に堆積した発光部２を構成する各層１０７〜１０９は、
立方晶から構成した。また、発光層１０８を構成するＧ
ａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎは、インジウム濃度を相違する複数の
相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の結晶層とした。ｐ
形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層１０９上には、Ｍｇドープｐ形
ＧａＮ層（ｔ＝０．１μｍ、ｐ＝１．０×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）をコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層１１０として
積層して、ＬＥＤ用途の積層構造体１となした。

【００４０】積層構造体１の最表層をなすコンタクト層
１１０上には、金（Ａｕ）蒸着膜から構成したｐ形のオ
ーミック電極１１１を配置した。一方、ｎ形のオーミッ
ク電極１１２は、ｎ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面側に
“べた”全面電極として設けた。その後、以上の積層構
造体１をＧａＡｓ基板の互いに直交する［０１１］結晶
方向に劈開し、一辺を約３００μｍとする正方形のチッ
プ（ｃｈｉｐ）として、図２に示すIII 族窒化物半導体
ＬＥＤ３を構成した。ＧａＡｓが元来、［０１１］結晶
方向に劈開性を有するために容易に且つチッピング（欠
け）も少なくチップとなせた。

【００４１】ＬＥＤ３の上下に設けたオーミック電極１
１１、１１２の間に順方向に動作電流を通流して、青色
帯の発光を得た。順方向電流を２０ミリアンペア（ｍ
Ａ）に設定した際の発光の中心波長は約４３０ｎｍであ
った。主たる発光スペクトルの半値幅は約２０ｎｍであ
り、単色性に優れる発光であることが示された。また、
順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は、２０ｍＡ通電時に約２．
８ボルト（Ｖ）となった。本実施例の構成によるＬＥＤ
は、サファイアを基板とする従来の短波長ＬＥＤとは異
なり、ｎ側電極を敷設するために発光面の一部を切り欠
く必要が無く、発光面積を広く維持できた。これを反映
して、集光レンズを冠した樹脂モールド（ｍｏｌｄ）ラ
ンプの発光出力は、約１．２カンデラ（ｃｄ）と発光強
度に優れたＬＥＤが提供されるものとなった。

【００４２】（第２の実施例）本第２の実施例では、第
１の実施例に記載の結晶層１０６を、ｎ形ＢＰ_0.97Ｎ
_0.03から窒化砒化硼素混晶（ＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y ：０＜Ｙ＜
１）に変更して、図３に示す積層構造体４を構成した。
立方晶のＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y からなる結晶層１０６の窒素組
成比（＝Ｙ）は、０．１９（１９％）に設定した。

【００４３】図３において、緩衝層１０２を積層するま
での手順は、第１の実施例と同様である。緩衝層１０２
に接合させる結晶層１０６は、上記のように窒化砒化硼
素混晶（ＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y 、但しＹ＝０．１９）に変更し
た。Ｓｉドープｎ形ＢＡｓ_0.81Ｎ_0.19結晶層１０６上に
は、ＢＡｓ_0.81Ｎ_0.19（格子定数＝４．５５７Å）と格
子整合する立方晶を主体とするｎ形窒化ガリウム・イン
ジウム混晶（Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ）からなる下部クラッ
ド層１０７（ｔ＝０．５μｍ、ｎ＝２．０×１０¹⁸ｃｍ
^-3）、亜鉛（Ｚｎ）及びＳｉをドーピングした立方晶を
主体とするｎ形Ｇａ_0.82Ｉｎ_0.18Ｎからなる発光層１０
８、及びＭｇドープｐ形ＧａＮからなる上部クラッド層
１０９を、順次積層してｐｎ接合型ダブルヘテロ構造か
らなる発光部５となした。

【００４４】立方晶を主体とするｐ形ＧａＮからなる上
部クラッド層１０９を最表層とする積層構造体４に、第
１の実施例と同様のｐ形オーミック電極１１１、ｎ形オ
ーミック電極１１２を形成してＬＥＤ６となした（図３
参照）。ＬＥＤ６に動作電流を順方向に通流して、青色
帯の発光を得た。順方向電流を２０ミリアンペア（ｍ
Ａ）に設定した際の発光の中心波長は約４５０ｎｍであ
った。主たる発光スペクトルの半値幅は約４０ｎｍとな
った。また、順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は、２０ｍＡ通
電時に約２．６ボルト（Ｖ）となった。本実施例２の構
成によるＬＥＤ６は、サファイアを基板とする従来の短
波長ＬＥＤとは異なり、ｎ側電極を敷設するために発光
面の一部を切り欠く必要が無く、発光面積を広く維持で
きたため、集光レンズを冠した樹脂モールド（ｍｏｌ
ｄ）ランプの発光出力は、約１．０カンデラ（ｃｄ）と
発光強度に優れたＬＥＤが提供されるものとなった。

【００４５】（第３の実施例）第３の実施例で作製した
積層構造体を図４に示す。第３の実施例では、まず、ト
リメチル硼素（（ＣＨ₃ ）₃ Ｂ）を硼素（Ｂ）源、シク
ロペンタジエニルインジウム（Ｉ）（Ｃ₅ Ｈ₅ Ｉｎ
（Ｉ））をインジウム（Ｉｎ）源、及びホスフィン（Ｐ
Ｈ₃ ）をリン（Ｐ）源とする通常の常圧ＭＯＣＶＤ法に
より、リン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_U Ｉｎ_W Ｐ）か
らなる緩衝層１０２をＺｎドープｐ形ＧａＡｓ単結晶基
板１０１上に設けた。緩衝層１０２には、硼素組成比を
０．１６とするＺｎドープのｐ形Ｂ_0.16Ｉｎ_0.84Ｐ混晶
を用いた。ＧａＡｓ基板１０１との接合界面１０３近傍
の領域１０４を立方晶のＢ_0.16Ｉｎ_0.84Ｐからなる単結
晶体（層）を主体として構成し、その上部の領域１０５
をＢとＩｎとＰからなる非晶質体を主体として構成する
ために、緩衝層１０２は４２０℃で成長した。また同時
に、この成長温度は、Ｂ₁₃Ｐ₂或いはＢ₆ Ｐのようなリ
ン化硼素多量体結晶の含有量を緩衝層１０２の全体の５
％未満とするために設定されたものである。全体の層厚
（以下、記号“Ｄ”で記載）を約１５ｎｍとする緩衝層
１０２にあって、上記の単結晶体（層）が主に占有する
領域１０４の厚さ（以下、記号“ｄ”で記載）は約１．
５ｎｍとした。即ち、ｄ／Ｄ＝０．１０の関係とした。

【００４６】上記のＢ_0.16Ｉｎ_0.84Ｐからなる緩衝層１
０２の表面上には、Ｚｎをドーピングしたｐ形ＢＰ_0.95
Ｎ_0.05混晶層１０６（ｔ＝３．０μｍ、ｐ＝２．５×１
０¹⁸ｃｍ^-3）を、アンモニア（ＮＨ₃ ）を窒素（Ｎ）源
とする常圧ＭＯＣＶＤ法により、９３０℃で成膜した。
Ｘ線回折スペクトルから、同層１０６は立方晶を主体と
してなる結晶であるのが示された。

【００４７】ｐ形ＢＰ_0.95Ｎ_0.05混晶層１０６上には、
同層１０６に一致する格子定数（＝４．４９１Å）のＭ
ｇドープの立方晶を主体とするｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ
混晶層（ｔ＝０．１μｍ、ｐ＝５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を下部クラッド層１０７として積層した。下部クラッド
層１０７上には、立方晶を主体とするアンドープのｎ形
Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ混晶層（ｔ＝９ｎｍ、ｎ〜５×１０
¹⁷ｃｍ^-3）を発光層１０８として積層した。発光層１０
８上には、Ｓｉをドーピングした立方晶を主体とするｎ
形ＧａＮ層（ｔ＝３．３μｍ、２．３×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を上部クラッド層１０９として積層して、ｐｎ接合型の
ダブルヘテロ構造からなる発光部８を擁する図４に示す
如くのＬＥＤ用途の積層構造体７を構築した。

【００４８】上部クラッド層１０９の表面上にアルミニ
ウム（Ａｌ）蒸着膜からなるｎ形オーミック電極１１２
を形成した。ｐ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面側には、金
（Ａｕ）−Ｚｎ合金を真空蒸着してｐ形オーミック電極
１１１を形成してＬＥＤ９を構成した（図４参照）。オ
ーミック電極１１１、１１２の間に、２０ミリアンペア
（ｍＡ）の順方向電流を流通した際の発光の中心波長は
約４６０ｎｍであった。主たる発光スペクトルの半値幅
は約２５ｎｍとなった。また、順方向電圧（所謂、Ｖ
ｆ）は、２０ｍＡ通電時に約２．８ボルト（Ｖ）となっ
た。本実施例の構成によるＬＥＤ９は、サファイアを基
板とする従来の短波長ＬＥＤとは異なり、ｐ側電極を敷
設するために発光面の一部を切り欠く必要が無く、発光
面積を広く維持できたため、集光レンズを冠した樹脂モ
ールド（ｍｏｌｄ）ランプの発光出力は、約１．４カン
デラ（ｃｄ）と発光強度に優れたＬＥＤが提供されるも
のとなった。

【００４９】透過型電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）を利
用した断面ＴＥＭ技法により、発光部８の内部結晶構造
を観察した。本実施例３の発光部８は、ＧａＡｓ基板１
０１と格子整合するＢ_0.16Ｉｎ_0.84Ｐから構成される緩
衝層１０２と、該緩衝層１０２と接合する、下部クラッ
ド層１０７に格子整合するＢＰ_0.95Ｎ_0.05混晶層１０６
とからなる下地積層系上に積層したが故に、特に基板と
緩衝層の界面１０３近傍の領域を起点として発光層領域
に貫通する転位は明らかに少なく、結晶性に優れるIII
族窒化物半導体結晶層から構成されるものとなった。本
実施例３に係わる積層構造体９の発光部８において、断
面ＴＥＭ像に撮像された直線状の黒色コントラストを転
位に因るものと単純に帰属して求められる転位密度は、
約１０³ から約１０⁴ ｃｍ^-2程度となった。この密度
は、従来のサファイア基板上に設けた格子不整合系の発
光部内の転位密度が約１０¹⁰ｃｍ^-2程度であるのに比べ
れば（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６６（１９９
５）、１２４９．参照）格段に減少しているものとなっ
ていた。即ち、本発明の構成に依る緩衝層上には、転位
等の結晶欠陥の少ない結晶性に優れる発光部が積層され
るのが示された。

【００５０】（第４の実施例）第４の実施例では、上記
の第３の実施例に記載したＢ_0.16Ｉｎ_0.84Ｐ混晶の単一
層からなる緩衝層１０２に代替して、Ｚｎドープｐ形Ｂ
_0.01Ｉｎ_0.99Ｐ混晶からなる第１の結晶層１１３とＺｎ
ドープｐ形Ｂ_0.31Ｉｎ_0.69Ｐ混晶からなる第２の結晶層
１１４とを交互に積層してなした歪超格子構造の緩衝層
１０２を構成した。本第４の実施例に係わる積層構造体
１０を図５に示す。歪超格子構造の緩衝層１０２をなす
第１及び第２の結晶層１１３、１１４の硼素組成比は、
それぞれＧａＡｓに格子整合する硼素組成比である０．
１６を基準にして±０．１５の等量に増減した。組成を
基準値より等量に増減させるのは、Ｂ_0.01Ｉｎ_0.99Ｐ混
晶からなる第１の結晶層１１３とＺｎドープｐ形Ｂ_0.31
Ｉｎ_0.69Ｐ混晶からなる第２の結晶層１１４との組み合
わせからなる２層重層構成に於ける平均組成を０．１６
とするためである。

【００５１】上記の第１及び第２の結晶層１１３、１１
４は、ともに第３の実施例に記載した常圧ＭＯＣＶＤ法
で成膜した。何れの結晶層１１３、１１４も、立方晶を
主体として構成するため、また、Ｂ₁₃Ｐ₂ に代表される
リン化硼素多量体結晶の含有量を３％未満となすために
３８０℃で成膜した。尚、第１及び第２の結晶層１１
３、１１４の層厚は、ともに約８ｎｍに設定した。

【００５２】歪超格子構造の緩衝層１０２上には、第３
の実施例に記載の積層構造体と同一の構成を有する、ｐ
形ＢＰ_0.95Ｎ_0.05混晶層１０６および下部クラッド層１
０７、発光層１０８、上部クラッド層１０９からなる発
光部１１を重層させ、図５に示すＬＥＤ用途の積層構造
体１０を構成した。積層構造体１０の最表層を構成する
上部クラッド層１０９の表面並びにｐ形ＧａＡｓ基板１
０１の裏面に第３の実施例と同様のオーミック電極１１
１、１１２を設けＬＥＤ１２を構成した（図５参照）。
透過型電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）を利用した断面Ｔ
ＥＭ技法による観察に依れば、本実施例の発光部１１
は、平均的な硼素組成比を０．１６とするＧａＡｓ基板
１０１と格子整合するＢＩｎＰ混晶からなる歪超格子構
造の緩衝層１０２上に、下部クラッド層１０７に格子整
合するＢＰ_0.95Ｎ_0.05混晶層１０６を介して積層されて
いるが故に、特に基板と緩衝層の界面１０３近傍の領域
を起点として発光層領域に貫通する転位は明らかに少な
く、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体結晶層から構成
されるものとなった。断面ＴＥＭ像に撮像された直線状
の黒色コントラストを転位に因るものと単純に帰属して
求められる転位密度は、約１０³ から約１０⁴ ｃｍ^-2程
度となった。

【００５３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に依れば、導電性
のＧａＡｓ基板上に設けたＢＰ系低温緩衝層が連続性に
優れる上層（III 族窒化物半導体結晶層）をもたらす作
用を利用して、立方晶を主体とする結晶欠陥密度の小さ
いIII 族窒化物半導体結晶層からなる発光部が構成でき
る。このため、光学的にも電気的にも特性に優れる短波
長可視光を発するIII 族窒化物半導体発光素子を提供す
る効果がある。

【００５４】また、請求項１に記載の発明に係るＢＰ系
緩衝層とそれに接合させた連続性に優れるＢＰＮ混晶或
いはＢＡｓＮ混晶層とからなる下地積層系は、これらの
混晶がクラッド層等を構成するＡｌＧａＩｎＮ結晶層と
格子整合するために、良好な結晶性からなる発光部を構
成するに効果を奏する。

【００５５】特に、請求項２に記載の発明によれば、Ｇ
ａＡｓ基板に格子整合する材料からなる低温緩衝層と、
発光部を構成するIII 族窒化物半導体結晶層と格子整合
できる層とからなる下地積層系を提供できる。この下地
積層系は、良好な結晶性からなる発光部を積層するため
に効果を奏し、発光特性に優れるIII 族窒化物半導体発
光素子を提供するに特に効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上のリン化硼素
（ＢＰ）からなる低温緩衝層の内部の結晶組織を説明す
るための模式図である。

【図２】第１の実施例に記載のＬＥＤの構成を模式的に
示す断面図である。

【図３】第２の実施例に記載のＬＥＤの構成を模式的に
示す断面図である。

【図４】第３の実施例に記載のＬＥＤの構成を模式的に
示す断面図である。

【図５】第４の実施例に記載のＬＥＤの構成を模式的に
示す断面図である。

【符号の説明】

１積層構造体２発光部３発光ダイオード（ＬＥＤ）４積層構造体５発光部６発光ダイオード（ＬＥＤ）７積層構造体８発光部９発光ダイオード（ＬＥＤ）１０積層構造体１１発光部１２発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板１０２低温緩衝層１０３ＧａＡｓ基板と低温緩衝層との接合界面１０４単結晶体（層）を主体としてなる領域１０５非晶質体を主体としてなる領域１０６ＢＰＮ混晶層またはＢＡｓＮ混晶層１０７下部クラッド層１０８発光層１０９上部クラッド層１１０コンタクト層１１１ｐ形オーミック電極１１２ｎ形オーミック電極１１３超格子構造を構成する第１の結晶層１１４超格子構造を構成する第２の結晶層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】 III −Ｖ族化合物半導体単結晶基板と、
該基板の表面に設けた緩衝層と、該緩衝層に接合するII
I 族窒化物半導体結晶層とを備えた積層構造体から構成
されるIII 族窒化物半導体素子に於いて、 III −Ｖ族化合物半導体単結晶基板が砒化ガリウム（化
学式：ＧａＡｓ）からなり、該基板の表面に設けられた緩衝層が、リン化硼素多量体
結晶（Ｂ_i Ｐ_j ：ｉ＞１、ｊ≧１）の含有率を５％以下
とするリン化硼素（ＢＰ）系III −Ｖ族化合物半導体結
晶から構成され、該緩衝層と接合をなすIII 族窒化物半導体結晶層が、窒
化リン化硼素３元混晶（ＢＰ_1-X Ｎ_X ：０＜Ｘ＜１）ま
たは窒化砒化硼素３元混晶（ＢＡｓ_1-Y Ｎ_Y ：０＜Ｙ＜
１）から構成されることを特徴とするIII 族窒化物半導
体素子。
【請求項２】上記緩衝層が、リン化硼素・インジウム
混晶（Ｂ_U Ｉｎ_W Ｐ：０＜Ｕ＜０．３２、Ｕ＋Ｗ＝１）
から構成されることを特徴とする請求項１に記載のIII
族窒化物半導体素子。