JP3614143B2 - ｐｎ接合型化合物半導体発光素子、その製造方法、白色発光ダイオード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐｎ接合型化合物半導体発光素子に係り、特に多色発光のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、多波長の発光をもたらす複数の構成層を重層させてなる発光層を構成するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）などのＩＩＩ族窒化合物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）において青色等の短波長光を出射するための発光層の構成材料として利用されている（特公昭５５−３８３４号公報参照）。Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）では、ガリウム（Ｇａ）組成比（＝Ｘ）、同じくインジウム組成比（＝１−Ｘ）に対応して禁止帯幅（ｂａｎｄｇａｐ）が非線形的に急峻に変化することが知れている（上記の特公昭５５−３８３４号公報参照）。例えば、六方晶ウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮでは、インジウム組成を例えば、０．２とすることにより、室温での禁止帯幅を窒化ガリウム（ＧａＮ）の約３．４エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）より約２．９ｅＶへと減ぜられる（上記の特公昭５５−３８３４号公報参照）。この様に、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）にあっては、インジウム組成比（＝１−Ｘ）の僅かに変化させることにより、発光波長に変化を与えられる利点が備えられている。
【０００３】
従来の多色発光の発光素子では、発光波長を相違する多波長の発光をもたらす発光層を、インジウム組成（＝１−Ｘ）を相違する複数の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層から構成する例が開示されている。例えば、特開２００１−１６８３８４号公報（平成１３（２００１）年６月２２日公開）に記載の発明には、インジウム（Ｉｎ）組成を互いに異にする３層のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）井戸（ｗｅｌｌ）層から多波長の発光をもたらす発光層を構成する技術が開示されている。また、例えば、特開平１１−２８９１０８号公報（平成１１（１９９９）年１０月１９日公開）の発明では、インジウム組成を相違する２層のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を重層させて２波長の発光を呈するＬＥＤが構成されている。また、インジウム組成を相違する複数のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を重層させてなる発光層を具備する多波長のＬＥＤは、特開平１０−２２５２５号公報（平成１０（１９９８）年１月２３日公開）の発明にも記載されている。
【０００４】
従来の発光波長を相違する多波長の発光をもたらす発光層を備えた多色発光素子は、ｐｎ接合型ヘテロ（異種：ｈｅｔｅｒｏ）接合構造の発光部を有する構成となっている。特に、発光の強度の増大を果たすために、発光部は２重ヘテロ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造となっている（寺本 巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、１２４〜１２５頁参照）。ＤＨ接合構造の発光部は、発光層と、それを中間に挟持するｎ形またはｐ形の障壁（ｃｌａｄ）層との接合構造から構成されている。従来の多色発光素子にあって、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）発光層を挟持するクラッド層は、ｎ形またはｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）から構成されるのが通常である（上記の▲１▼特開２００１−１６８３８４号、▲２▼特開平１１−２８９１０８号、および▲３▼特開平１０−２２５２５号各公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウルツ鉱型結晶に特有の価電子帯の非縮帯バンド（ｂａｎｄ）構造に因り（生駒 俊明、生駒 英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」（ １９９１年９月１０日、（株）培風館発行初版）、１７頁参照）、ｐ形の伝導形を呈する低抵抗の窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（Ａｌ_αＧａ_βＩｎ_γＮ：０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、α＋β＋γ＝１）は、容易には形成できない。従来技術の通例に依れば、低い抵抗のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層を得るには、第ＩＩ族元素等のｐ形不純物を故意に添加（ｄｏｐｉｎｇ）してＩＩＩ族窒化物半導体層を形成した後、同層内より水素原子（プロトン）を脱離させるための熱処理を施す必要があるとされる（特開平５−１８３１８９号公報参照）。
【０００６】
また、縦しんば煩雑な熱処理工程等を経由して得た低抵抗のＡｌ_αＧａ_βＩｎ_γＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、α＋β＋γ＝１）層を障壁層として利用しようとしても、今度は、発光層を構成するＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を積層させる順序に制約を生ずる。例えば、禁止帯幅を互いに異にする、即ち、発光波長を相違する３層のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ層をさせて多波長発光用途の発光層を構成するに際し、最も長波長の発光をもたらす禁止帯幅の最も小さなＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ層を３層の中間に配置しなければならない制約がある（上記の特開２００１−１６８３８４号公報参照）。これは、Ａｌ_αＧａ_βＩｎ_γＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、α＋β＋γ＝１）等のＩＩＩ族窒化物半導体では、正孔（ｈｏｌｅ）の拡散長（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ；移動度に対応する）が電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）に比較して約１桁も小さいことを勘案して、発光をもたらすために注入した正孔と電子の放射再結合を各層で平均的に起こさせるためである。
【０００７】
即ち、多波長の発光をもたらす複数のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層の重層構造からなる発光層を挟持する障壁層を、Ａｌ_αＧａ_βＩｎ_γＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、α＋β＋γ＝１）から構成する従来技術の問題点は、（１）障壁層を構成するに適する低抵抗のｐ形伝導層を簡易に得られない、及び（２）正孔と電子とに拡散長の大きな差異があるため、発光層の構成層の積層順序に制限が加わることである。本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みなされたもので、（Ａ）ｐ形及びｎ形の双方の伝導形の低抵抗層を煩雑な後工程を要せずに簡易に構成でき、尚且つ、（Ｂ）正孔と電子の移動度に然して大きな差異がない化合物半導体材料から障壁層を構成することとし、もって、簡便に構成することができるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部を具備する化合物半導体発光素子を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
（１）結晶からなる基板と、基板上に設けられたアンドープで第１の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第１の障壁層と、第１の障壁層上に設けられた、互いに禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の構成層を重層させてなる、第１または第２の伝導形の発光層とを備えたｐｎ接合型化合物半導体発光素子に於いて、第１の障壁層に最も近い側に設ける発光層の構成層（第１の発光層構成層）が、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（２）基板が、珪素（Ｓｉ）単結晶基板であることを特徴とする上記（１）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（３）発光層の構成層が、窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）または窒化リン化ガリウム（ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０＜Ｙ＜１）からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（４）第１の障壁層が、発光層を構成する複数の発光層構成層の何れよりも、少なくとも０．１ｅＶ以上禁止帯幅を大とすることを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（５）第１の障壁層の表面上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層が形成され、該中間層に接合させて第１の発光層構成層が設けられていることを特徴とする上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（６）中間層が、第１の発光層構成層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体以上の禁止帯幅を有するＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする上記（５）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（７）中間層が、第１の発光層構成層をなすＩＩＩ族窒化物半導体を構成する元素を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする上記（５）または（６）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（８）発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、アンドープで第２の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層が設けられていることを特徴とする上記（１）乃至（７）の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（９）発光層の最表層をなす発光層構成層が、リン（Ｐ）を含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする上記（８）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
（１０）結晶からなる基板上に、アンドープで第１の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第１の障壁層を形成し、さらに該第１の障壁層上に、互いに禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の構成層を重層させてなる、第１または第２の伝導形の発光層を形成するｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法に於いて、第１の障壁層に最も近い側に設ける発光層の構成層（第１の発光層構成層）を、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成することを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法。
（１１）第１の障壁層の表面上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層を形成し、該中間層に接合させて第１の発光層構成層を形成することを特徴とする上記（１０）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法。
（１２）発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、アンドープで第２の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層を形成することを特徴とする上記（１０）または（１１）に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法。
（１３）上記（１）乃至（９）の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子からなる白色発光ダイオード。
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に於いて、基板には、種々の結晶を基板として利用できる。例えば、ｎ形またはｐ形の導電性の珪素（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の第ＩＶ族の半導体単結晶、リン化ガリウム（ＧａＰ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を基板として利用できる。基板の表面の結晶面は不問であるが、通常は｛１．０．０．｝、｛１．１．０．｝或いは｛１．１．１．｝結晶面、六方晶結晶にあっては｛０．０．０．１．｝或いは｛１．１．−２．１．｝結晶面とするのが通例である。上記の低次のミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）指数の結晶面より、角度にして数度、傾斜した結晶面を表面とする単結晶も基板として利用できる。絶縁性のα−アルミナ（α−Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶やペロブスカイト結晶型酸化物単結晶を基板として利用できないことはないが、導電性の単結晶を基板とすれば、基板の裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を裏面電極として敷設でき、簡便にＬＥＤ等の発光素子を構成するに寄与できる。導電性の単結晶を基板とするにあって、単結晶の伝導形はｎ形またはｐ形の何れでも構わない。抵抗率を１ミリオーム（ｍΩ）・ｃｍ以下とする低い比抵抗（抵抗率）の導電性単結晶基板は、順方向電圧（所謂、Ｖ_ｆ）の低いＬＥＤをもたらすに貢献する。また、放熱性に優れるため安定した発振をもたらすＬＤを構成するに有効となる。
【００１０】
上記の結晶基板上に設ける第１の障壁層は、本発明では、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素系化合物半導体層から構成する。例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１− α − β − γ}Ｐ_{１− δ}Ａｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）から構成する。また、例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１− α − β − γ}Ｐ_{１− δ}Ｎ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）から構成できる。第１の障壁層は、後述の第２の障壁層よりも位置的に結晶基板の表面により近接して設けられる障壁層である。第１の障壁層をなすリン化硼素系半導体層の伝導形を、本発明では、第１の伝導形と仮称する。導電性の結晶を基板として発光素子を構成するにあって、基板をなす結晶の伝導形は第１の伝導形とするのが好適である。例えば、ｐ形の｛１．１．１．｝結晶面を有するＳｉ単結晶基板（｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板）上には、ｐ形のリン化硼素系半導体層からなる第１の障壁層を設ける。また、第１の障壁層を構成する第１の伝導形のリン化硼素系半導体層と結晶基板との間に非晶質或いは多結晶からなる緩衝層を設け、基板上に該緩衝層を介して第１の障壁層を設けることとすれば、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位等の少ない結晶性に優れる第１の障壁層を得ることができる。上記の緩衝層に依って、基板の単結晶材料と第１の伝導形のリン化硼素系半導体層との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和する作用が発揮されるからである。
【００１１】
第１の障壁層は、伝導形を制御するための不純物を故意に添加（ｄｏｐｉｎｇ）しない、所謂、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）のリン化硼素系半導体層から特に、好適に構成できる。リン化硼素系半導体として代表的な単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ−ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ：ＢＰ）を例にして説明すれば、ＢＰには、成長条件に依存するもののアンドープ状態で既に、硼素（Ｂ）空孔（ｖａｃａｎｃｙ）を占めるリン（Ｐ）原子、或いはリン（Ｐ）空孔を占有する硼素（Ｂ）原子が多量に存在している。硼素空孔を占めるリンはドナー（ｄｏｎｏｒ）として働き、リン空孔を占有する硼素はアクセプタ（ａｃｃｅｐｔｏｒ）として作用する。しかも、これらの空孔の関与するドナー或いはアクセプタ成分は、アンドープで低抵抗のｐ形またはｎ形の導電層をもたらすに充分な濃度をもってＢＰ層の内部に約１０^１９ｃｍ^−３を越えて多量に存在し得る。従って、障壁層を敢えて、伝導形を制御するためのｎ形またはｐ形不純物をドーピングしたリン化硼素系半導体層から構成する必要は無くなる。即ち、第１の障壁層をアンドープのリン化硼素系半導体層から構成すれば、伝導形に依存して異種の不純物をドーピングする煩雑な操作を要せず、また、低抵抗のｐ形層を得るための熱処理等の煩雑な従来技術を実施する必要もなく、簡易に低抵抗の導電性を有する第１の障壁層を得られる利点がある。
【００１２】
第１の障壁層は、発光層を構成する複数の発光層構成層の何れよりも禁止帯幅を大とするのが望ましく、少なくとも０．１ｅＶ以上、望ましくは０．２ｅＶ以上禁止帯幅を大とするリン化硼素系半導体層から構成するのが望ましい。発光層構成層の最大の禁止帯に比較し、約０．３ｅＶ〜０．４ｅＶ大きな禁止帯幅のリン化硼素系半導体層からは更に好適に第１の障壁層を構成できる。特に、禁止帯幅を約２．８ｅＶ以上で約６ｅＶ未満とするリン化硼素系半導体層は、第１の障壁層として好適に利用できる。例えば、室温での禁止帯幅を３．０±０．２ｅＶとする単量体のリン化硼素（ＢＰ）層は、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法では、７５０℃以上１２００℃以下の温度に於いて、ＭＯＣＶＤ成長反応系へ供給する構成元素源の濃度比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比率）及び成長速度を好適とすることにより形成できる。例えば、成長速度を毎分２ｎｍ〜毎分３０ｎｍ以下に設定することにより形成できる。第１の障壁層をなす第１の伝導形のリン化硼素系半導体層の層厚は約５０ｎｍを越え約３０００ｎｍ以下であるのが好適である。キャリア濃度は、約７×１０^１７ｃｍ^−３以上で約１×１０^２０ｃｍ^−３以下であるのが適する。リン化硼素系半導体には、アンドープであっても、１０^１９ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３程度の高濃度でキャリアが存在しているため、障壁層を構成するに適する数ｍΩ・ｃｍ程度の低抵抗の導電層は簡易に得られる。
【００１３】
第１の伝導形の第１の障壁層上には、禁止帯幅を相違する複数の構成層を重層させた発光層を積層する。発光層をなす各構成層は例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）または窒化リン化ガリウム（ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０＜Ｙ＜１）等のＩＩＩ族窒化物半導体層から構成できる。ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ（０＜Ｙ＜１）の禁止帯幅は、窒素組成（＝Ｙ）或いはリン組成（＝１−Ｙ）の僅かな変化に対応して、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）と同様に非線形的に急激に変化させられる（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０（１９９２）、２５４０〜２５４２頁参照）。このため、ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ（０＜Ｙ＜１）は、比較的長波長の発光をもたらすための発光層の構成層として好適に利用できる。発光層は異なるＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる構成層を重層させて構成することもできる。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：この場合、０≦Ｘ＜１）及び窒化リン化ガリウム（ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０＜Ｙ＜１）という互いに異なるＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる３層の構成層を重層させて発光層を構成できる。発光層を構成するための構成層の数量には、取り立てて限定はないが、所望の色調の発光は一般には３色の混色に依り帰結されることから、通常は構成層は多くとも３層程度とするのが望ましい。各構成層の伝導形は第１または第２の伝導形に統一する必要がある。第１の伝導形の第１の障壁層に、第２の伝導形の構成層からなる第２の伝導形の発光層を接合させれば、ｐｎ接合型単一ヘテロ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｈｅｔｅｒｏ：ＳＨ）の発光部を構成できる。
【００１４】
発光層を構成する各構成層のキャリア濃度は相違しても差し支えは無い。また、発光層を構成する各構成層の層厚は相違しても差し支えは無いが、通常は、視感度の低い波長の発光をもたらす発光層構成層の層厚は、他層に比較して大とすると、混色させた際に好適な演色性が得られる。例えば、補色の関係にある青色と黄色の発光を混色させて白色光を得ようとするにあって、黄色光よりも視感度の低い青色光を発する発光層構成層の層厚を、黄色光を発する発光層構成層のそれよりも厚くする例を挙げられる。発光を単結晶基板とは反対側の外部方向へ取り出す方式のＬＥＤでは、最も長波長の発光をもたらす発光層構成層を単結晶基板側に最も近接して配置するのが望ましい。例えば、上記の青色光と黄色光の各々を発光する構成層から白色光を発する発光層を得るにあって、黄色光を発する構成層を基板側の第１の障壁層側に配置する手段を例示できる。逆に、例えば、単結晶基板を除去して、元来、在った単結晶基板側から発光を取り出すＬＥＤにあっては、最も長波長の発光をもたらす発光層構成層を、単結晶基板より最も遠隔となる位置に配置するのが望ましい。
【００１５】
発光層を構成する構成層にあって、第１の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第１の障壁層に最も近い側に設ける構成層を本発明では、第１の発光層構成層と仮称する。この第１の発光層構成層を、特にリン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶層から構成する。第１の発光層構成層として適するリン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体には、窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）や窒化リン化ガリウム（ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０＜Ｙ＜１）等を例示できる。これらのリン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、リン（Ｐ）の組成を僅かに数％変化させることで、禁止帯幅を変化させられ、発光波長を変化させることができる。即ち、多波長の発光を与える複数の発光層構成層を、リン組成に僅かな変化を与えるのみで構成できる利点がある。ＩＩＩ族構成元素のガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の組成比が同一の場合、一般に、リン（Ｐ）の組成比の増大と共に、禁止帯幅は減少する。従って、長波長の発光層構成層を得るに好都合となる。
【００１６】
リン化硼素系半導体層から構成した第１の障壁層（クラッド層）上に積層したリン（Ｐ）を含む第１の発光層構成層は、表面の平坦性と連続性に富に優れたものとなるため、例えば、量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＱＷ）構造をなす井戸（ｗｅｌｌ）層として有効に利用できる。特に、直接遷移型の半導体材料からなる第１の発光層構成層は、高い発光強度をもたらす井戸層として優位に利用できる。第１のリン化硼素系半導体層からなる障壁層に第１の発光層構成層を井戸層として積層すれば、一端を井戸層とする単一（ｓｉｎｇｌｅ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸構造の発光層を構成できる。本発明にあって、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を構成する各井戸層は、禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。互いに異なるＩＩＩ族窒化物半導体材料から各井戸層を構成しても構わないが、各井戸層の伝導形は第１の発光層構成層の伝導形に一致させる。ＱＷ構造の他の一端、即ち、終端は井戸層または井戸層に対する障壁層（バリア層）の何れからも構成できる。発光層構成層と障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とを交互に周期的に重層させるＭＱＷ構造にあって、障壁層は、発光層構成層と同一の伝導形を有し、且つ発光層構成層よりも大きな禁止帯幅の半導体層から構成するが好ましいのは勿論である。
【００１７】
第１の発光層構成層をなすリン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体層にあって、層内のリン（Ｐ）濃度が拡散等の要因に因り増減すると、それに付随して禁止帯幅も変化してしまう。本発明の第２の実施形態では、第１の発光層構成層を、第１の障壁層をなすアンドープのリン化硼素系半導体層の表面上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層に接合させて設ける。中間層は、第１の障壁層をなすリン化硼素系半導体層から発光層へ熱拡散して来るリン（Ｐ）または硼素（Ｂ）を捕獲して、発光層内へ侵入するリン（Ｐ）または硼素（Ｂ）の量が徒に増加するのを防ぐ役目を果たす。また、例えば、珪素単結晶（シリコン）を基板として利用した際に、同基板から遊離した珪素（Ｓｉ）が発光層内への侵入してキャリア濃度に変化を来すのを妨害する作用を有する。即ち、中間層は、例えば、所望の波長の発光が得られる様な禁止帯を有し、また、高強度の発光をもたらすに好適なキャリア濃度を有する発光層について、外来性の原子に因り禁止帯幅並びにキャリア濃度が変動するのを抑止する作用を有する。本発明では、発光層の下地の第１の障壁層を、アンドープのリン化硼素系半導体層より構成することとしているので、中間層は、第１の障壁層のドーパント（ｄｏｐａｎｔ）より、第１の障壁層を構成するリン（Ｐ）または硼素（Ｂ）、特に、リン（Ｐ）の発光層内への徒な拡散を抑制する目的に活用する。
【００１８】
リン（Ｐ）の熱拡散は、第１の障壁層をなすアンドープのリン化硼素系半導体層上に高温の成長環境下で発光層を積層する際に顕著に起こる。例えば、窒化ガリウムインジウム発光層の長温度が概ね、６５０℃〜９５０℃であるのに鑑みると、発光層へ侵入するリンの濃度を徒に増量させないためには、中間層の層厚は大凡、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍとするのが望ましい。また、中間層自体から発光層或いは第１の障壁層の内部への不純物の拡散を防止するため、中間層はアンドープで高純度であり、且つリンを含まない導電性の半導体層、特にＩＩＩ族窒化物半導体層から構成するのが最適である。発光層をＩＩＩ族窒化物半導体から構成する関係上、中間層を同じくＩＩＩ族窒化物半導体から構成すれば、間隙の無い連続な発光層を簡便に得られる。また、リン化硼素系半導体層の成長温度より低温で成膜できる導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層より中間層を構成することとすると、第１の障壁層から発光層へ拡散するリンの濃度を減少させるに効果を上げられる。具体的な中間層を構成するための材料として、窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）を例示できる。
【００１９】
本発明の第３の実施形態では、中間層を、第１の発光層構成層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体以上の禁止帯幅を有するＩＩＩ族窒化物半導体から構成する。例えば、ＧａＰ_１−ＹＮ_Ｙ（０＜Ｙ＜１）からなる第１の発光層構成層について、中間層をＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）から構成する例がある。第１の発光層構成層を越える禁止帯幅の中間層は、第１の発光層構成層に対する障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層として作用できる。即ち、この様な中間層と第１の発光層構成層との積層構成を基にすれば、障壁層を一端とする量子井戸構造の発光層を構成できる。中間層の伝導形は、第１または第２の伝導形の何れでも構わないが、第１の発光層構成層と同一とするのが望ましい。中間層の禁止帯幅は、第１の発光層構成層よりも大きく、且つ第１の障壁層のそれ以下とすると、例えば、ＬＥＤにあって順方向電圧（所謂、Ｖ_ｆ）を低減するに効果がある。好適な構成例として、室温での禁止帯を３．０ｅＶとする単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる第１の障壁層上に、室温禁止帯幅を２．８ｅＶとするＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮからなる中間層を介して、室温禁止帯幅を２．６ｅＶとする第１の発光層構成層を積層する例を挙げられる。
【００２０】
第１の発光層構成層の下地となる中間層を、第１の発光層構成層をなすＩＩＩ族窒化物半導体層を構成する元素（構成元素）を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成することとすると、間隙の無い連続性のある第１の発光層構成層を得るに有効となる。中間層に含ませた第１の発光層構成層の構成元素の「成長核」としての働きに依り、第１の発光層構成層の成膜を円滑に進行させることができる。本発明の第４の実施形態の好例として、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる中間層上に、窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ_１−ＹＮ_Ｙ：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）からなる発光層構成層を設ける例がある。発光層構成層、特に、短波長光を出射する発光層は禁止帯幅の大きなＩＩＩ族窒化物半導体等から構成するのがもっぱらである。ＩＩＩ族窒化物半導体層の成膜温度は例えば、約７００℃〜約１２００℃と高温である。このため、中間層は、高温でのＩＩＩ族窒化物半導体層の成膜時に変質しない、高融点のＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成するのが好適である。
【００２１】
発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、第２の伝導形のアンドープのリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層を設ける構成とすれば、第１の障壁層共々、発光層を挟持してｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を構成できる。本発明の第５の実施形態では、第１の障壁層と同様に、第２の障壁層も例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１− α − β − γ}Ｐ_{１− δ}Ａｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）やＢ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１− α − β − γ}Ｐ_{１− δ}Ｎ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）等のリン化硼素系半導体から構成する。第２の障壁層は、第１の障壁層とは伝導形を反対とするアンドープのリン化硼素系半導体層から構成する。例えば、ｐ形の第１の障壁層に対し、第２の障壁層はアンドープのｎ形リン化硼素系半導体から構成する。リン化硼素系半導体では、伝導形を制御する不純物を故意に添加（＝ドーピング）せずとも第１或いは第２の伝導形の導電性を有する半導体層がもたらされる利点がある。従って、第２の障壁層をアンドープのリン化硼素系半導体層から形成することとすれば、伝導形に依って添加する不純物種を変換する必要がある煩雑なドーピング操作を回避でき、尚且つ簡便に低抵抗で導電性を有する第２の障壁層を構成できる。
【００２２】
ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する発光層の最表層上に、第２の障壁層をなすアンドープのリン化硼素系半導体層を設けるにあたり、第２の障壁層を、リン（Ｐ）を含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層の最表層上に設けることとすると、間隙の無い連続性に優れる第２の障壁層が得られる。発光層の最表層とは、発光層を構成する発光層構成層にあって、発光層の表面をなす構成層を云う。本発明の第６の実施形態の好例として、直接遷移型のｎ形ＧａＮ_１−ＹＰ_Ｙからなる発光層の最表層に接合させて、アンドープのｎ形リン化硼素（ＢＰ）層からなる第２の障壁層を設ける構成を挙げられる。リン化硼素（ＢＰ）は、従来のＩＩＩ族窒化物半導体とは異なり、電子と正孔の移動度は桁違いには相違しない。即ち、双方のキャリアの拡散長には、ＩＩＩ族窒化物半導体程の差異は無い。従って、発光層構成層の積層順序には従来の如くの厳密な制限は加わらない。しかし、例えば、第２の障壁層を通過させて発光を外部へ取り出す方式のＬＥＤにあって、発光層の最表層は、他の発光層構成層に比較して、最も短い波長の発光をもたらす発光層構成層から構成するのが望ましい。即ち、この方式のＬＥＤにあって、発光層の最表層をなすＩＩＩ族窒化物半導体層のリン（Ｐ）含有量或いはリン組成は最短の発光波長を与える含有量或いは組成とする必要がある。例えば、リン組成比（Ｙ）をそれぞれＹ_１、Ｙ_２、Ｙ_３（但し、０≦Ｙ_１＜Ｙ_２＜Ｙ_３≦０．１５）とする３層のＧａＮ_１−ＹＰ_Ｙ（Ｙ＝Ｙ_１、Ｙ_２、Ｙ_３）層を重層させて発光層を構成するにあって、発光層の最表層は、最も禁止帯幅の大きく、従って、最も短波長の発光をもたらすＧａＮ_１−Ｙ１Ｐ_Ｙ１層から構成する。
【００２３】
【作用】
第１の障壁層をなすアンドープのリン化硼素系半導体層に最近接して設ける第１の発光層構成層に含まれるリン（Ｐ）は、第１の発光層構成層をなすＩＩＩ族窒化物半導体層の禁止帯幅を減少させる作用を有し、これより、長波長の発光をもたらす第１の発光層構成層を構成するに貢献できる。
【００２４】
第１の障壁層をなすアンドープのリン化硼素系半導体層と第１の発光層構成層との中間に設けるＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層は、第１の障壁層をなすリン化硼素系半導体層から第１の発光層構成層に拡散して来るリン（Ｐ）を捕捉して、発光層の内部のリン（Ｐ）濃度及び組成を維持する作用をする。
【００２５】
複数の構成層を重層させてなる発光層の最表層を構成する、リン（Ｐ）を含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層構成層は、間隙の無い連続性に優れる第２の伝導形のアンドープのリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層をもたらす作用を有する。
【００２６】
【実施例】
（第１実施例）
青色光と黄色光を各々発光する２層の発光層構成層からなる発光層を備えたｐｎ接合型ヘテロ構造のＬＥＤを作成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
【００２７】
本第１実施例に係わるＬＥＤ１Ｂの平面模式図を図１に示す。また、図１に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤ１Ｂの断面模式図を図２に示す。
【００２８】
ＬＥＤ１Ｂ用途の積層構造体１Ａは、硼素（Ｂ）が添加されたｐ形（１１１）ーＳｉ単結晶を基板１０１として形成した。基板１０１上には、トリエチル硼素（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ_３）／水素（Ｈ_２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、４５０℃で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体とするリン（Ｐ）と硼素（Ｂ）とを含む緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は５ｎｍとした。
【００２９】
緩衝層１０２の成膜を終了した後、基板１０１の温度を１０５０℃に上昇させた。昇温後、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、緩衝層１０２の表面上に、アンドープでｐ形のリン化硼素（ＢＰ）層からなる第１の障壁層１０３を積層させた。第１の障壁層１０３をなすｐ形リン化硼素層の層厚は約４５０ｎｍとし、キャリア濃度は約２×１０^１９ｃｍ^−３であった。第１の障壁層１０３は、室温での禁止帯幅を約３ｅＶとするｐ形リン化硼素から構成した。
【００３０】
第１の障壁層１０３の気相成長を終了した後、ＰＨ_３とＨ_２とをＭＯＣＶＤ成長反応系に流通しつつ、珪素単結晶基板１０１の温度を８００℃に低下させた。その後、第１の障壁層１０３上に接合させて、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／トリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）／アンモニア（ＮＨ_３）／ＰＨ_３／水素（Ｈ_２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、第１の発光層構成層１０５−１をなすｎ形窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．５５Ｉｎ_０．４５Ｎ_０．９５Ｐ_０．０５）層を設けた。第１の発光層構成層１０５−１のリン組成は、黄色帯の発光が得られる比率（＝０．０５）とし、層厚は約６８ｎｍとした。第１の発光層構成層１０５−１上には、上記の常圧ＭＯＣＶＤ法により８００℃で成長させたｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ）層からなる第２の発光層構成層１０５−２を設けた。第２の発光層構成層１０５−２の層厚は約１１０ｎｍとした。第１及び第２の発光層構成層１０５−１、１０５−２から発光層１０５を構成した。
【００３１】
積層構造体１Ａの形成を終了した後、一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、発光層１０５の内部のリン（Ｐ）原子濃度を定量した。第１の発光層構成層１０５−１の内部の平均的なリン原子濃度は約８×１０^２０原子／ｃｍ^３、また、第２の発光層構成層１０５−２の内部の平均的なリン原子濃度は約４×１０^１９原子／ｃｍ^３と各々、定量された。これより、第１及び第２の発光層構成層１０５−１、１０５−２では、第１の障壁層１０３からのリン（Ｐ）原子の侵入に因るリン原子濃度の若干の増量が検知された。
【００３２】
発光層１０５の表面の中央部に、発光層１０５表面に接触する側に金（Ａｕ）からなる薄膜層を配置したＡｕ／ニッケル（Ｎｉ）／Ａｕの３層重層構造からなる表面電極１０７を設けた。結線用の台座（ｐａｄ）電極を兼ねる表面電極１０７は、直径を約１２０μｍとする円形の電極とした。また、ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、裏面電極１０８としてアルミニウム・アンチモン（Ａｌ・Ｓｂ）合金の蒸着膜からなるオーミック電極を配置してＬＥＤ１Ｂを構成した。Ａｌ・Ｓｂ蒸着膜の膜厚は約２μｍとした。表面電極１０７及び裏面電極１０８を形成した後、基板１０１をなすＳｉ単結晶基板を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３５０μｍとする正方形の、珪素単結晶１０１とは反対側の表面から外部へ発光を取り出す方式のｐｎ接合型ヘテロ構造のＬＥＤ１Ｂを構成した。
【００３３】
表面電極１０７と裏面電極１０８との間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際に、ＬＥＤ１Ｂからは黄白色光が発せられた。黄白色光のスペクトル成分は、図３に示す如く、第１の発光層構成層１０５−１からの発光に対応する中心波長を５７０．５ｎｍとする黄色光と、第２の発光層構成層１０５−２からの発光に対応する中心波長を４８１．５ｎｍとする青色光とであった。一般的な積分球を利用して測定される相違する２波長の発光をもたらすＬＥＤ１Ｂのチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は５ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度の白色発光ダイオードが提供された。また、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約２．９Ｖであり、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は５Ｖ以上となった。
【００３４】
（第２実施例）
本第２実施例では、上記の第１実施例に記載のアンドープでｐ形のリン化硼素（ＢＰ）からなる第１の障壁層１０３に接合させて中間層１０４を設けた積層構造体２ＡからＬＥＤ２Ｂを構成する場合を例にして本発明の内容を説明する。
【００３５】
図４に本第２実施例に係わるＬＥＤ２Ｂの断面模式図を示す。中間層１０４以外の構成要素は、上記の第１実施例と同一としてある。従って、図４に於いて、図１及び図２に示したと同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
中間層１０４は、アンドープでｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ）層から構成した。インジウム（Ｉｎ）組成比を０．０５（＝５％）とするＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ中間層１０４は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／（ＣＨ_３）_３Ｉｎ／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃で気相成長させた。中間層１０４の層厚は約２５ｎｍに設定した。また、中間層１０４のキャリア濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３と見積もられた。中間層１０４は、室温での禁止帯幅を約３．２ｅＶとするウルツ鉱結晶型のＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎから構成した。
【００３７】
中間層１０４上に、上記の第１実施例に記載したのと同一の構成の発光層構成層１０５−１、１０５−２からなる発光層１０５を接合させて設けて、積層構造体２Ａの形成を終了した。一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依れば、中間層１０４の内部のリン（Ｐ）原子濃度は約４×１０^１９原子／ｃｍ^３と定量された。また、第１の発光層構成層１０５−１内部のリン原子濃度は約８×１０^１８原子／ｃｍ^−３であり、第２の発光層構成層１０５−２の内部のリン原子濃度はそれ以下となった。因みに、上記の第１実施例に記載の如く、中間層１０４を設けずに、第１の障壁層１０３に直接、接合させて設けた第１の発光層構成層１０５−１では、内部のリン原子濃度が約８×１０^２０原子／ｃｍ^３の高濃度であったのを勘案すると、本発明に係わる中間層１０４は、第１の障壁層１０３から拡散して来るリン（Ｐ）原子を捕獲して、第１の発光層構成層１０５−１のリン組成比を維持するに有効となるのが示された。また、中間層１０４による第１の障壁層１０３から拡散して来る硼素（Ｂ）或いはリン（Ｐ）原子の捕獲作用に依り、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１とのヘテロ接合界面の乱雑化は（光技術共同研究所編著、「光電子集積回路の基礎技術」（１９８９年８月２０日、（株）オーム社発行、第１版第１刷）、３７１〜３８４頁参照）抑止される結果となった。
【００３８】
第１実施例に記載したものと同じ表面電極１０７と裏面電極１０８を形成して、ＬＥＤ２Ｂを構成した。表面電極１０７と裏面電極１０８との間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流した際には、青白色光が発せられた。青白色光のスペクトル成分は、第１の発光層構成層１０５−１からの発光に対応する中心波長を５６６．０ｎｍとする黄緑色光と、第２の発光層構成層１０５−２からの発光に対応する中心波長を４７５．４ｎｍとする青色光とであった。一般的な積分球を利用して測定される相違する２波長の発光をもたらすＬＥＤ２Ｂのチップ状態での輝度は約５ｍｃｄとなり、高発光強度の白色発光ダイオードが提供された。また、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１との接合界面の乱雑化が抑制されたため、良好な整流性が顕現され、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約３．０Ｖであり、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は８Ｖ以上となった。
【００３９】
（第３実施例）
本第３実施例では、上記の第２実施例に記載のＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎとは異なるＩＩＩ族窒化物半導体材料から中間層１０４を構成する場合を例にして、本発明の内容を説明する。中間層１０４以外の構成要素は、上記の第１実施例及び第２実施例と同一としてある。
【００４０】
図５に本第２実施例に係わるＬＥＤ３Ｂの断面模式図を示す。図５に於いて、図１乃至図３に示したと同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４１】
中間層１０４は、アンドープでｎ形の窒化ガリウム（ＧａＮ）層から構成した。中間層１０４は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、第１の障壁層１０３の場合と同温の１０５０℃で気相成長させた。中間層１０４の層厚は約３０ｎｍに設定した。また、中間層１０４のキャリア濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３と見積もられた。中間層１０４は、室温での禁止帯幅を約３．４ｅＶとするウルツ鉱結晶型のＧａＮから構成した。
【００４２】
本第３実施例では、中間層１０４を第２実施例の場合よりも禁止帯幅を大とするＩＩＩ族窒化物半導体から構成していることに鑑み、中間層１０４をまた、発光層１０５に対する障壁（バリア）層として利用した。第１の障壁層１０３に接合させて設けた中間層１０４でもあり、下部バリア層１０４−１でもあるＧａＮ層上には、第１実施例に記載の発光波長を相違する２層の発光層構成層１０５−１、１０５−２を順次、重層させた。第２の発光層構成層１０５−２上には、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、発光層構成層１０５−１，−２と同じく８００℃で気相成長させたアンドープでｎ形のＧａＮ層を上部バリア層１０４−２として接合させた。上部バリア層１０４−２のキャリア濃度は約５×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚は約３００ｎｍとした。
【００４３】
一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依れば、中間層１０４の内部の平均的なリン（Ｐ）原子濃度は、第２実施例の場合より低く、約１×１０^１８原子／ｃｍ^３と定量された。また、第１の発光層構成層１０５−１内部の平均的なリン原子濃度は約４×１０^１８原子／ｃｍ^−３であり、第２の発光層構成層１０５−２の内部のリン原子濃度もそれと同等となった。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した断面ＴＥＭ観察に依れば、中間層１０４（下部バリア層１０４−１）と第１の発光層構成層１０５−１とのヘテロ接合界面での組成急峻性は良好であり、第１の障壁層１０３から拡散して来るリン（Ｐ）及び硼素（Ｂ）に因る同ヘテロ接合界面の乱雑化は抑止されるのが認められた。
【００４４】
積層構造体３Ａの最表層をなす上部バリア層１０４−２の表面と珪素単結晶基板１０１の裏面の略全面に、それぞれ第１実施例に記載のものと同じ表面電極１０７および裏面電極１０８を形成して、ＬＥＤ３Ｂを構成した。表面電極１０７と裏面電極１０８との間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流した際には、白色光が発せられた。一般的な分光測光手段に依れば、白色光のスペクトル成分は、第１の発光層構成層１０５−１からの発光に対応する中心波長を５６５．０ｎｍとする黄緑色光と、第２の発光層構成層１０５−２からの中心波長を４７２．２ｎｍとする青色光とであった。一般的な積分球を利用して測定される相違する２波長の発光をもたらすＬＥＤ３Ｂのチップ状態での輝度は約５ｍｃｄとなり、高発光強度の白色発光ダイオードが提供された。発光強度は第２実施例に記載のＬＥＤ２Ｂとは殆ど差異は認められなかった。しかし、発光層１０５の上下にバリア層１０４−１、１０４−２を設ける構造とすることにより、上記の各スペクトル成分の半値幅（ＦＷＭＨ）は、第２実施例の場合に比較して、約１０ｎｍ程度小となっており、単色性に優れるＬＥＤが提供されることとなった。また、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１との接合界面の乱雑化が抑制されたため、良好な整流性が顕現され、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約３．０Ｖで、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は約９Ｖとなり、併せて高耐圧のＬＥＤ３Ｂが提供された。
【００４５】
（第４実施例）
上記の第３実施例とは異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層を利用してＬＥＤを構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。本第４実施例に係わるＬＥＤの断面構造は図５に示す通りであり、同図に掲載の中間層１０４の構成材料のみを異にするものである。
【００４６】
本第４実施例では、中間層１０４を、第１実施例に記載の第１の発光層をなすＧａ_０．５５Ｉｎ_０．４５Ｎ_０．９５Ｐ_０．０５層の構成元素であるガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）を含むアンドープでｎ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ）から構成した。本発明の中間層は、第１の障壁層上に、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ_３）_３Ａｌ）／（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、第１の障壁層の場合と同温の１０５０℃で気相成長させた。中間層の層厚は約３０ｎｍに設定した。また、中間層のキャリア濃度は約３×１０^１７ｃｍ^−３と見積もられた。中間層は、室温での禁止帯幅を約３．４ｅＶとするウルツ鉱結晶型のＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎから構成した。
【００４７】
中間層上には、上記の第３実施例に記載のものと同じ発光層及び上部バリア層を、第３の実施例に記載の条件により設けた。本実施例４の中間層は、第１乃至第３実施例に記載の何れの中間層よりも大きな禁止帯幅を有する上に、第１の発光層構成層の構成元素を含有しているため、第１の発光層構成層は、表面を平坦とする特に連続性に優れるものとなった。また、第１の発光層構成層の表面は平滑性に優れる鏡面となったため、その層に重層させた第２の発光層構成層も表面の平坦性に優れる連続膜となった。微分干渉型光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に依る表面状態の観察では、第２の発光層構成層の表面には、層の連続性を損なう間隙或いは小孔（ピット）は殆ど視認されなかった。
【００４８】
上記の第３実施例と同様にして、表面電極と裏面電極とを形成して、ＬＥＤを構成した。表面電極と裏面電極との間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流した際には、第３実施例の場合と同様に白色光が発せられた。各発光スペクトル成分の半値幅は、第３実施例に記載のＬＥＤと同じく、第２実施例の場合に比較して約１０ｎｍ程度小である大凡、２０ｎｍであった。一方で、本第４実施例では、中間層を第１の発光層構成層の構成元素を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成することにより、表面状態に優れる発光層構成層がもたらされたことを反映して、チップ状態での輝度は約７ｍｃｄとなった。この一般的な積分球を利用して測定した輝度は、第３実施例に記載のＬＥＤの約１．５倍であり、より高輝度の白色発光ダイオードが提供された。また、中間層と第１の発光層構成層との接合界面の乱雑化が抑制されたため、良好な整流性が顕現され、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約３．０Ｖとなり、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は約９Ｖとなり、併せて高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００４９】
（第５実施例）
本実施例５では、波長を相違する発光をもたらす複数の発光層構成層を重層させて形成した発光層上に、第２の伝導形のアンドープのリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層を備えた、ｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
【００５０】
本第５実施例に係わるＬＥＤ４Ｂの断面構造を図６に模式的に示す。図６に示すＬＥＤ４Ｂにあって、上記の第１実施例に記載したと同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
本第５実施例では、上記の第４実施例に記載の如くの中間層１０４上に、８００℃で発光層１０５の成長を終了した後、珪素単結晶基板１０１の温度をＮＨ_３とＨ_２との混合雰囲気中で８５０℃に昇温した。昇温後、発光層１０５に、アンドープでｎ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる第２の障壁層１０６を接合させて設けた。第２の障壁層１０６は、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により成長させた。第２の障壁層１０６の層厚は、第１の障壁層１０３と略同一の４５０ｎｍとした。第２の障壁層１０６は、発光層１０５からの発光を効率的に外部へ取り出すための発光透過層として作用させるため、室温での禁止帯幅を約３ｅＶとするアンドープのリン化硼素から構成した。
【００５２】
積層構造体４Ａの形成を終了した後、一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、中間層１０４の内部の平均的なリン（Ｐ）原子濃度は約４×１０^１８原子／ｃｍ^３と定量された。また、第１の発光層構成層１０５−１内部の平均的なリン原子濃度は約２×１０^１８原子／ｃｍ^−３であり、第２の発光層構成層１０５−２の内部のリン原子濃度はそれ以下となった。中間層１０４による第１の障壁層１０３から拡散して来る硼素（Ｂ）或いはリン（Ｐ）原子の捕獲作用に依り、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１とのヘテロ接合界面の乱雑化は抑止されているのが、断面ＴＥＭ技法に依り認められた。
【００５３】
アンドープでｎ形の第２の障壁層１０６の表面の中央部には、表面電極１０７を配置した。表面電極１０７は、第２の障壁層１０６に接触する側を金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金膜とする、Ａｕ・Ｇｅ／ニッケル（Ｎｉ）／Ａｕ３層重層膜から構成した。台座電極を兼ねる円形の表面電極１０７の直径は、約１１０μｍとした。ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、裏面電極１０８としてアルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック電極を配置してＬＥＤ４Ｂを構成した。Ａｌ真空蒸着膜の膜厚は約３μｍとした。表面電極１０７及び裏面電極１０８を形成した後、Ｓｉ単結晶１０１を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３５０μｍとする正方形の、珪素単結晶１０１とは反対側の第２の障壁層１０６側から外部へ発光を取り出す方式のＬＥＤ４Ｂを構成した。
【００５４】
表面電極１０７と裏面電極１０８との間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流した際には、主に第２の障壁層１０６を通過してＬＥＤ４Ｂからは青白色光が発せられた。青色光の発光スペクトル成分は、図３に示したと略同様であった。本第５実施例のＬＥＤ４Ｂは、ｐｎ接合型ＤＨヘテロ接合構造の発光部としたため、一般的な積分球を利用して測定される輝度は約１０ｍｃｄとなり、より高発光強度の白色発光ダイオードを提供できた。また、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１との接合界面の乱雑化が抑制されたため、良好な整流性が顕現され、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約３．２Ｖであり、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は５Ｖ以上となった。
【００５５】
（第６実施例）
発光層の最表層をなすリン（Ｐ）を含んでなる発光層構成層上に、アンドープのリン化硼素系半導体層を第２の障壁層として設けてなるｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
【００５６】
本第６実施例に係わるＬＥＤは、断面構造が上記第５実施例と同じく図６に示す通りであり、第５実施例のＬＥＤとは発光層の最表層（第２の発光層構成層１０５−２）の構成材料のみを異にするものである。
【００５７】
本第６実施例では、第２の発光層構成層１０５−２を窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ_０．９７Ｐ_０．０３）層から構成した。第２の発光層構成層１０５−２は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／（ＣＨ_３）_３Ｉｎ／ＮＨ_３／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、第１の発光層構成層１０５−１と同じく８００℃で成長させた。第２の発光層構成層１０５−２の層厚は約６５ｎｍに設定した。
【００５８】
第２の発光層構成層１０５−２の表面には、上記の第５実施例に記載の手法に従い、アンドープでｎ形のリン化硼素からなる第２の障壁層１０６を積層した。本第６実施例では、第２の障壁層１０６を、リン（Ｐ）を含む第２の発光層構成層１０５−２を下地として設けることとしたので、特に、表面の平滑性に優れる障壁層がもたらされた。また、ＳＥＭに依る表面観察から、第２の障壁層１０６には、間隙やピットは殆ど視認されず、連続層であるのが確認された。その後、第５実施例に記載したと同一の構成をもって、表面電極１０７及び裏面電極１０８を設けてＬＥＤを構成した。
【００５９】
表面電極１０７と裏面電極１０８との間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流した際に、主に第２の障壁層１０６を通過してＬＥＤからは青白色光が発せられた。青色光の発光スペクトル成分は、図３に示したと略同様であった。また、一般的な積分球を利用して測定されるＬＥＤの輝度は約１０ｍｃｄとなり、高発光強度の白色発光ダイオードを提供できた。また、中間層１０４と第１の発光層構成層１０５−１との接合界面の乱雑化が抑制されているのに加えて、第２の障壁層１０６を連続性に優れるアンドープのｎ形リン化硼素層から構成したため、順方向電圧（Ｖ_ｆ、但し順方向電流＝２０ｍＡ）は約３．０Ｖであり、逆方向電圧（Ｖ_Ｒ、但し逆方向電流＝１０μＡ）は７Ｖ以上と、第５実施例のＬＥＤより優れたｐｎ接合特性を呈するＬＥＤが提供された。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に依れば、結晶からなる基板と、基板上に設けられたアンドープで第１の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第１の障壁層と、第１の障壁層上に設けられた、互いに禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の構成層を重層させてなる、第１または第２の伝導形の発光層とを備えたｐｎ接合型化合物半導体発光素子に於いて、第１の障壁層に最も近い側に設ける発光層の構成層（第１の発光層構成層）をリン（Ｐ）を含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体から構成することとしたので、黄色帯光等の比較的長波長の発光をもたらす発光層の一構成層を簡便に構成でき、従って、多波長の発光を呈するｐｎ接合型化合物半導体発光素子を簡易に提供することができる。
【００６１】
また本発明に依れば、第１の発光層構成層を、アンドープのリン化硼素系半導体層からなる第１の障壁層の表面上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層に接合させて設けることとしたので、第１の障壁層から第１の発光層構成層へ熱拡散して来るリンを捕獲する中間層の作用により、第１の発光層構成層のリン組成比を所望に維持でき、従って、発光波長の安定したｐｎ接合型化合物半導体発光素子を提供できる。
【００６２】
また本発明に依れば、中間層を、特に、第１の発光層構成層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体以上の禁止帯幅を有するＩＩＩ族窒化物半導体から構成することとしたので、中間層をバリア層とする量子井戸構造の発光層を簡便に構成でき、単色性に優れる発光成分を混色させた、多波長の発光をもたらすｐｎ接合型化合物半導体発光素子を提供できる。
【００６３】
また本発明に依れば、中間層を、特に、第１の発光層構成層をなすＩＩＩ族窒化物半導体層の構成元素を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成することとしたので、表面の平坦性と連続性に優れる第１の発光層構成層を得ることができ、良好なｐｎ接合特性を反映した例えば、順方向電圧或いは逆方向電圧に優れるｐｎ接合型化合物半導体発光素子を提供できる。
【００６４】
また本発明に依れば、発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、第２の伝導形のアンドープのリン化硼素系半導体層からなる第２の障壁層を設けて、２重ヘテロ接合構造の発光部を構成することとしたので、発光強度に優れるｐｎ接合型化合物半導体多色発光素子を提供できる。
【００６５】
また本発明に依れば、発光層の最表層をなす発光層構成層をリンを含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体から構成することとしたので、連続性に優れるアンドープのリン化硼素系半導体層から第２の障壁層を形成することができ、従って、例えば、順方向電圧の低い高発光強度のｐｎ接合型２重ヘテロ構造の化合物半導体多色発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るＬＥＤの平面模式図である。
【図２】図１に示すＬＥＤの破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面模式図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るＬＥＤの発光スペクトルである。
【図４】本発明の第２実施例に係るＬＥＤの断面模式図である。
【図５】本発明の第３実施例、第４実施例に係るＬＥＤの断面模式図である。
【図６】本発明の第５実施例、第６実施例に係るＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ 積層構造体
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ ＬＥＤ
１０１ 基板
１０２ 緩衝層
１０３ 第１の障壁層
１０４ 中間層
１０４−１ 下部バリア層
１０４−２ 上部バリア層
１０５ 発光層
１０５−１ 第１の発光層構成層
１０５−２ 第２の発光層構成層
１０６ 第２の障壁層
１０７ 表面電極
１０８ 裏面電極

Claims (11)

1. 結晶からなる基板と、基板上に設けられたアンドープで第１の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第１の障壁層と、第１の障壁層上に設けられた、互いに禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の構成層を重層させてなる、第１または第２の伝導形の発光層とを備えたｐｎ接合型化合物半導体発光素子に於いて、第１の障壁層に最も近い側に設ける発光層の構成層（第１の発光層構成層）が、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成され、第１の障壁層の表面上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層が形成され、該中間層に接合させて第１の発光層構成層が設けられていることを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
2. 基板が、珪素（Ｓｉ）単結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
3. 発光層の構成層が、窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＰ_1-YＮ_Y：０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）または窒化リン化ガリウム（ＧａＰ_1-YＮ_Y：０＜Ｙ＜１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
4. 第１の障壁層が、発光層を構成する複数の発光層構成層の何れよりも、少なくとも０．１ｅＶ以上禁止帯幅を大とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
5. 中間層が、第１の発光層構成層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体以上の禁止帯幅を有するＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
6. 中間層が、第１の発光層構成層をなすＩＩＩ族窒化物半導体を構成する元素を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
7. 発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、アンドープで第２の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
8. 発光層の最表層をなす発光層構成層が、リン（Ｐ）を含む第１または第２の伝導形のＩＩＩ族窒化物半導体から構成されていることを特徴とする請求項７に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
9. 結晶からなる基板上に、アンドープで第１の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第１の障壁層を形成し、さらに該第１の障壁層上に、互いに禁止帯幅を相違するＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の構成層を重層させてなる、第１または第２の伝導形の発光層を形成するｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法に於いて、第１の障壁層に最も近い側に設ける発光層の構成層（第１の発光層構成層）を、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体から構成し、第１の障壁層の表面上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる中間層を形成し、該中間層に接合させて第１の発光層構成層を形成することを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法。
10. 発光層の最表層をなす発光層構成層の表面に、アンドープで第２の伝導形のリン化硼素系半導体からなる第２の障壁層を形成することを特徴とする請求項９に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子の製造方法。
11. 請求項１乃至８の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子からなる白色発光ダイオード。

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