JPH08222764A

JPH08222764A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH08222764A
Application number: JP2558795A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 1996-08-30
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP3680337B2

Abstract

(57)【要約】【目的】発光強度が大きく信頼性の高い窒素を含む I
II−Ｖ族化合物半導体からなるＬＥＤを提供する。【構成】ＮとＮ以外の元素周期律第Ｖ族元素を２以上
含んでなる III−Ｖ族化合物層を発光層として備える積
層構造よりＬＥＤを構成する。特に、Ｎに加え第Ｖ族元
素としてＰとＡｓをと含む III−Ｖ族窒化物半導体層を
発光層として備えた積層構造よりＬＥＤを構成する。【効果】発光強度の増大とＬＥＤ動上の信頼性をもた
らされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は窒素（元素記号：Ｎ）
を含む III−Ｖ族窒化物半導体層を備えてなる化合物半
導体発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に高輝度化で
且つ高信頼性のＬＥＤに係わる。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＮを含む I
II−Ｖ族化合物半導体は電界効果型トランジスタ（Ｍ．
ＡｓｉｆＫｈａｎ他、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．、６３（９）（１９９３）、１２１４．）やＬＥＤ
等の化合物半導体装置に用いられている。例えば短波長
の青色ＬＥＤ用としてＧａＮ、ＡｌＧａＮやＧａＩｎＮ
等のＮを含む III−Ｖ族混晶半導体から構成されている
ＬＥＤが知られている（例えば、中村修二、「電子情
報通信学会誌」、第７６巻第９号（１９９３）、９１３
頁や真部勝英、「豊田合成技報」、第３５巻第４号
（１９９３）、６８頁参照）。

【０００３】Ｎを含む III−Ｖ族化合物半導体から構成
される従来の青色ＬＥＤの構造模式図を図１に示す（Ｎ
ＩＫＫＥＩＭＡＴＥＲＩＡＬＳ＆ＴＥＣＨＮＯＬ
ＯＧＹ９４．４（Ｎｏ．１４０）、４８頁及びＮＩＫＫ
ＥＩＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ１９９４．１．３（Ｎ
ｏ．５９８）、５９頁）。基板（１０１）としては透明
なサファイア単結晶が使われている。基板直上には緩衝
層（１０２）としてＧａＮが設けられている。緩衝層は
ＡｌＮから構成される例もある（ＹａｓｕｏＫＯＩＤ
Ｅ他、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２７（７）
（１９８８）、ｐ．ｐ．１１５６−１１６１やＨ．Ａｍ
ａｎｏ他、ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、１６３
（１９８８）、４１５及び小出康夫他、「日本結晶成
長学会誌」、第１３巻第４号（１９８６）、８頁）。Ｇ
ａＮ緩衝層（１０２）の上にはＡｌＧａＮからなる下部
クラッド層（１０３）が設けられる。下部クラッド層
（１０３）の上にはＧａＩｎＮからなる発光層（１０
４）が設けられている。発光層材料としてはこの他に、
Ａｌ_u Ｉｎ_v Ｇａ_w Ｎ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ＞０）も知
られている（特公平６−１４５６４参照）。これらはい
ずれも第Ｖ族元素としてＮのみを使用して構成されてい
る。

【０００４】発光層を構成するＧａ_X Ｉｎ_1-X Ｎ混晶の
混晶比（ｘ）は、従来では実用上は最小でも０．８０程
度であった。即ち、Ｉｎの構成比を０．２０以上とする
のは、Ｇａ_X Ｉｎ_1-X Ｎ混晶層の結晶性の悪化を招くた
め困難であった（ＮＩＫＫＥＩＭＡＴＥＲＩＡＬＳ＆
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ９４．４（Ｎｏ．１４０）、
４８）。

【０００５】Ｉｎの構成比率を０．２０としたＧａ_0.80
Ｉｎ_0.20Ｎ混晶の室温での禁止帯幅は約３ｅＶである。
従って、発光波長は約４１０ｎｍ前後となり、青色の可
視光の発光を得ることはできない。例えば、４８０ｎｍ
近傍の青色発光を得るには、禁止帯を更に０．４ｅＶ程
度縮小し、２．６ｅＶ近傍とする必要がある。Ｉｎの構
成比率を増加させれば理論的には禁止帯幅は縮小する。
しかし、Ｇａ_X Ｉｎ_1- _X Ｎ混晶の結晶性が悪化するた
め、Ｉｎの構成比の増加による禁止帯幅の縮小は、困難
であった。

【０００６】このため、従来では亜鉛（元素記号：Ｚ
ｎ）やカドミウム（元素記号：Ｃｄ）をＧａＩｎＮ混晶
層に故意に添加し、禁止帯幅を縮小させていた（中村
修二、『ＩｎＧａＮ高輝度青色発光ダイオード』日本学
術振興会光電相互変換第１２５委員会第１４８回研究会
（平成６年５月２７日）資料参照）。例えば、Ｃｄの添
加により禁止帯幅を見掛け上、約０．５ｅＶ縮小できる
とされる（中村修二、電子情報通信学会誌第７６巻第
９号（１９９３年９月）、９１３頁）。従って、従来で
はＩｎの構成比率を主に結晶性の悪化を避けるために
０．２０程度に止め、上記の様な不純物を添加して発光
波長を長波長化させていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、不純物によっ
て形成される準位は一般に唯一ではない。種々の不純物
の準位に対応した波長の発光が混在する。波長の異なる
発光が混在すると、発光スペクトルは結果として幅広く
なる。Ｚｎを添加したＧａＩｎＮには、実際に主発光に
隣接した副次的な発光が観測されている（中村修二、
『ＩｎＧａＮ高輝度青色発光ダイオード』（日本学術振
興会光電相互変換第１２５委員会第１４８回研究会（平
成６年５月２７日）資料参照）。ＧａＮにＺｎを添加し
た場合にも、Ｚｎの添加量の増大に伴いＬＥＤの発光ス
ペクトルが拡大されることが報告されている（Ｔ．Ｋａ
ｗａｂａｔａ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，５６
（８）（１９８４）、２３６７．）。従って、不純物準
位を利用して発光波長を長波長化させる従来の方法は、
発光スペクトルの半値幅が狭く単色化された発光が得ら
れない欠点があった。

【０００８】この様に従来の発光層材料であるＧａＩｎ
Ｎ混晶にあっては、結晶層の成長上、Ｉｎの組成比を短
波長の可視発光を与える程に高く出来ない欠点があっ
た。また、Ｉｎの組成比を高く出来ない、即ち禁止帯幅
を小さく出来なかった故に見掛け上、多量の不純物を添
加しなければならず、発光スペクトルの単色化を妨げる
問題点があった。

【０００９】発光スペクトルの半値幅が狭く単色化され
た発光を得るには、伝導帯と価電子帯間の純粋な遷移を
利用すれば良い。第Ｖ族元素としてＮ以外の第Ｖ族元素
であるＡｓを含むＧａＮ_y Ａｓ_1-y 混晶（Ｍ．Ｋｏｎｄ
ｏｗ他、１３ｔｈＳｙｍｐｏ．ｏｎＡｌｌｏｙＳｅ
ｍｏｃｏｎ．Ｐｈｙｓ．＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．：ＡＳ
ＰＥｃｓ−１３（Ｊｕｌ．２０−２４（１９９４）、Ｓ
ＹＰＯＳＩＵＭＲＥＣＯＲＤ、Ｄ−９）では、Ａｓの
含有量を適宣調節することにより、禁止帯幅をＧａＮ
（禁止帯幅＝３．４０ｅＶ）とＧａＡｓ（禁止帯幅＝
１．４２ｅＶ）間で変化させられる（Ｓ．ＳＡＫＡＩ
他、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２（１９９
３）、４４１３．）。これを利用すれば、伝導帯と価電
子帯間の遷移に基づいた狭帯化された発光スペクトルが
得られる可能性がある。

【００１０】この他、Ｎ以外に第Ｖ族元素を一つ含む I
II−Ｖ族化合物半導体には、ＧａＮＰが知られている
（尾鍋研太郎、「応用物理」第６３巻第２号（１９９
４）、１５６頁）。ＧａＮ_Z Ｐ_1-Z もｚを変化させるこ
とにより、禁止帯幅を調節できる（Ｓ．ＳＡＫＡＩ他、
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２（１９９
３）、４４１３．）。また、同類の化合物材料にはＩｎ
ＮＡｓがある（３６ｔｈＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａ
ｔｅｒｉａｌｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｊｕｎ．２２
−２４、１９９４）、ＡＤＶＡＮＣＥＰＲＯＧＲＡ
Ｍ、Ｑ３：”ＴｈｅＧｒｏｗｔｈａｎｄＰｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓｏｆＭｉｘｅｄＧｒｕｏｐＶＮｉ
ｔｒｉｄｅｓ”．）。２種類の第 III族元素とＮ及びＮ
以外の第Ｖ族元素を一つ含む III−Ｖ族化合物半導体の
一例には、ＡｌＧａＮＡｓがある（前出の３６ｔｈＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ（Ｊｕｎ．２２−２４、１９９４）、ＡＤＶ
ＡＮＣＥＰＲＯＧＲＡＭ、Ｑ３）。

【００１１】この様なＮとＮ以外の第Ｖ族元素を一つ含
んでなる III−Ｖ族化合物半導体では、ＮとＮ以外の第
Ｖ族元素の構成比の如何に依って、禁止帯幅を調節する
ことが可能である。これにより、調節された禁止帯幅に
対応する純粋なバンド間の遷移を利用できる。従って、
これを発光層とすれば、禁止帯幅の大小に応じて得られ
る発光波長に於いて、従来に比較すればより単色化され
た発光スペクトルが得られると期待される。しかし、含
窒素 III−Ｖ族化合物層を構成する第族元素の種類の
数に拘らず、ＮとＮ以外の複数個の第Ｖ族元素を含む I
II−Ｖ族化合物層を発光層として備えた積層構造によっ
て、ＬＥＤが構成された例は知られていない。

【００１２】また、発光層の形成手段を検討してみる
に、第Ｖ族元素としてＮのみを含む含窒素 III−Ｖ族化
合物材料の一例であるＧａＮやＮ以外に一種類の第Ｖ族
元素を含む材料としての一例であるＧａＮＡｓの成長は
方法には、ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）成長法やＶＰＥ成
長法或いはＭＢＥ成長法等の気相成長方法が挙げられ
る。これらの気相成長方法によりＮを含む III−Ｖ族化
合物層を得るに際しては、もっぱらアンモニア（ＮＨ
₃ ）がＮ源として利用されている。ＮＨ₃ は比較的分解
し難いために含窒素 III−Ｖ族化合物層の成長は、ＮＨ
₃ の分解を促進してＮを成長環境に充分に供給すること
を意図して、１０００℃を越える高温で実施されるのが
一般となっている（例えば、Ｈ．Ｍ．Ｍａｎａｓｅｖｉ
ｔ他、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１８
（１１）（１９７１）、１８６４．）。

【００１３】ところが、従来のＬＥＤ用途の積層構造で
緩衝層として利用されているＧａＮは８００℃以上の高
温で昇華する（日本産業技術振興協会新材料技術委員会
編「化合物半導体デバイス」１９７３年９月１５日発
行、３１６頁）。この昇華に起因してＧａＮ結晶の化学
量論的な組成が崩れ、Ｎの空孔（ｖａｃａｎｃｙ）が発
生する。Ｎの空孔はｎ形のキャリアの増加を招く（Ｈ．
Ｐ．Ｍａｒｕｓｋａ他、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．、１５（１０）（１９６９）、３２７．）。ｎ形キ
ャリアが多量に存在すると、これらを補償してｐ形の伝
導層を得るには、ｎ形キャリアの量を上回る多量のｐ形
不純物を添加する必要が生ずる。多量の不純物の添加を
結晶性の悪化を招く要因となり、発光強度の増大やＬＥ
Ｄ動作の信頼性の向上を阻害する。半導体ヘテロ接合に
よるｐｎ接合を利用して高輝度化を果たすＬＥＤにあっ
ては、多量のｎ形伝導キャリアの発生に起因するｐ形層
の形成の困難さは高輝度ＬＥＤを得るに大きな問題とな
っている。

【００１４】ＮとＮ以外の第Ｖ族元素であるＡｓを含む
含窒素 III−Ｖ族化合物層の例であるＧａＮＡｓやＡｌ
ＧａＮＡｓを気相成長法を利用して得る際には、Ａｓ源
としてアルシン（ＡｓＨ₃ ）が一般的に使用される
（Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ他、１３ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎＡｌｌｏｙＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＰｈ
ｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（Ｊｕｌ
ｙ２０−２２、１９９４）、ＳＹＭＰＯＳＩＵＭＲ
ＥＣＯＲＤ、Ｄ−９．）。

【００１５】ＮＨ₃ 分子がそれを構成するＮ原子と水素
原子（Ｈ）に分解するに必要な解離エネルギー（記号Ｄ
で表す。）は３８５．９ｋＪ／ｍｏｌである（日本化学
会編「改訂４版化学便覧−基礎編」丸善（株）、平成５
年９月３０日発行、II−３０１頁）。ＡｓＨ₃ がそれを
構成する原子に分解する際に必要とされるＤは２９２ｋ
Ｊ／ｍｏｌである（同上「改訂４版化学便覧−基礎編I
I」、II−３０１頁）。従って、成膜環境下に於けるＮ
Ｈ₃ の難分解性に基づくＮの不足に起因して発生するＮ
の空孔が、より易分解性のＡｓＨ₃ の分解により放出さ
れるＡｓで埋められ、第Ｖ族元素の空孔の全体量を減少
させられる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】窒化物半導体層を構成す
るＮ以外の第Ｖ族元素の数を更に増加させれば、Ｎの空
孔をＮ以外の第Ｖ族元素により埋めることができる。即
ち、従来の如くＮ以外の第Ｖ族元素の種類数を１とする
のではなく２以上とした場合に、Ｎ空孔が他の第Ｖ族元
素により占有されることにより減少し、第Ｖ族元素の空
孔の全体量の更なる減少をもたらすことが期待される。
しかしながら、現在迄にＮ以外の複数の第Ｖ族元素を含
む含窒素 III−Ｖ族窒化物半導体層を発光層として備え
たＬＥＤ用途の積層構造をもって実際にＬＥＤが構成さ
れた例はない。

【００１７】Ｎ以外の第Ｖ族元素を使用することによ
り、低温で易分解性の原料を使用することが可能とな
り、ストイキオメトリックな結晶を得ることが容易にな
る。しかも、純粋にバンド間の遷移による発光が得ら
れ、且つ第Ｖ族元素の空孔の全体量が少なく発光層とし
て適する新たな III−Ｖ族窒化物半導体材料を提供する
ことが可能となる。

【００１８】即ち、本発明は基板上に設けられた少なく
とも１種類の第 III族元素とＮとＮ以外の複数の第Ｖ族
元素からなる III−Ｖ族化合物半導体層を発光層として
備えた積層構造からなる発光ダイオードを提供する。特
に、Ｎ以外の複数の第Ｖ族元素としてＰとＡｓを含む含
窒素 III−Ｖ族化合物層を発光層として備えた積層構造
からなる発光ダイオードを提供する。ＮとＮ以外の第Ｖ
族元素の割合は特に制限はないが、主たる第Ｖ族元素の
原子濃度に対し、他の第Ｖ族元素の合計は約０．５atm.
％から約１atm.％以上としないと混晶とした効果は生じ
ない。即ち、混晶化によってもたらされる物性の変化、
例えば、禁止帯幅の変化が顕著に顕現しない。含窒素 I
II−Ｖ族化合物半導体を構成する主たる第Ｖ族元素以外
の第Ｖ族元素を必要以上の割合で含有させると、バンド
のボウイング（ｂｏｗｉｎｇ）により極端な禁止帯幅の
縮小を来たすことが予想される。主たる第Ｖ族元素の構
成割合は概ね、９０atm.％以上とするのが妥当である。
例えば、ＧａＮにＡｓとＰとを含有させ、Ｎを主たる第
Ｖ族元素とするＧａＮＰＡｓ混晶を得る場合に、Ｎの原
子濃度を約９０atm.％以上とする範囲で、ＰとＡｓとの
合計の原子濃度は概ね、１０atm.％程度を最大とするの
が好ましく、望ましくは約４〜１５atm.％程度の範囲と
する。

【００１９】元素周期律表の第 III族に属する元素に
は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎやＴｌがある。一方、第Ｖ族
元素にはＮ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂやＢｉがある。基本的には
これらの III族元素とＮとＮ以外の複数の第Ｖ族元素と
の組み合わせにより、本発明に係わる含窒素 III−Ｖ族
化合物層を得ることができる。少なくとも一種類の第 I
II族元素とＮとＮ以外の複数の第Ｖ族元素との組み合わ
せからなる含窒素 III−Ｖ族化合物の一例を次項に示
す。

【００２０】ＡｌＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、Ｇ
ａＮＡｓＳｂなど。

【００２１】少なくとも一種類の第 III族元素とＮとＮ
以外の複数の第Ｖ族元素からなる含窒素 III−Ｖ族化合
物層は気相成長技術を利用して得ることができる。ハロ
ゲン或いはハイドライドＶＰＥ法、常圧若しくは減圧Ｍ
ＯＣＶＤ法や（ＭＯ）ＭＢＥ法等が代表的な気相成長方
法の例である。基板とする材料には特に制限はなく、従
来からの絶縁性のサファイア（アルミナ単結晶）やセラ
ミック材料などがある。半絶縁性或いは導電性のヒ化ガ
リウム（ＧａＡｓ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）等の I
II−Ｖ族化合物半導体単結晶等も利用できる。また、高
抵抗若しくは低抵抗のシリコン（Ｓｉ）等の元素（単
体）半導体結晶も基板材料として利用できる。特に、Ｎ
以外の第Ｖ族元素としてＰとＡｓを含む含窒素 III−Ｖ
族化合物材料は、ＢｉやＳｂを含む材料に比較し、気相
成長法による結晶成長が容易である利点がある。しか
も、ＡｌＮＰＡｓ等の含窒素化合物材料にあっては、Ｌ
ＥＤを製造するための単結晶基板材料として、既に工業
的に大量生産が施されているＧａＰ結晶との格子不整合
度が少ない。このため、基板上に堆積される成長層への
基板材料との著しい格子の不整合性に基づく転位等の結
晶欠陥の伝搬や導入を抑制できる。これにより、例え
ば、転位密度が低減された結晶欠陥の少ない良質の成長
層を得ることが可能となる。高品位の膜質が要求される
発光層の材料としては尚更、都合の良い結果がもたらさ
れる。

【００２２】本発明では、少なくとも一つの第 III族元
素とＮとＮ以外の複数の第Ｖ族元素を含む含窒素 III−
Ｖ族化合物材料の中で特に、Ｎ以外の第Ｖ族元素として
ＰとＡｓとを含む材料を発光層として利用する。

【００２３】Ｎ以外の第Ｖ族元素としてＰとＡｓととを
含む含 III−Ｖ族化合物材料の一例を次項に記す。

【００２４】ＧａＮＰＡｓ、ＡｌＮＰＡｓ、ＩｎＮＰＡ
ｓ、ＡｌＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＡｌＩｎＮ
ＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ、ＢＮＰＡｓ、ＡｌＧａ
ＢＮＡｓＰ、ＩｎＡｌＢＮＰＡｓなど。

【００２５】Ｎ以外の複数の第Ｖ族元素を含む含窒素 I
II−Ｖ族化合物層を得るには、層を構成する第Ｖ族元素
に対応した供給原料物質を成長を実施する成膜環境下に
導入すれば得られる。ＮとＰとＡｓを含む含窒素 III−
Ｖ族化合物層を得るにあっては、３種類の第Ｖ族元素に
対応した原料を成膜環境に供給する必要がある。即ち、
層を構成する第Ｖ族元素の種類が増加するに伴い、成膜
環境下に於いて、第Ｖ族元素が第 III族元素の量に対し
て占める割合が増加する。第 III族元素対する第Ｖ族元
素の量的な比率、気相成長法では一般にＶ／III 比と称
される比率が増大すれば、第 III族元素に対する第Ｖ族
元素の量的な不足から発生する第Ｖ族の空孔を全体量を
減少させることが可能となる。

【００２６】含窒素 III−Ｖ族化合物材料に於いて、Ｎ
空孔等のの第Ｖ族の空孔密度の減少は電気特性上はｎ形
のキャリア濃度の減少をもたらす。ｎ形の伝導性を呈す
るキャリアの濃度が減少すれば電子線照射法（Ｈ．Ａｍ
ａｎｏ他、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２８
（１９８９）、Ｌ２１１２）や熱処理法（Ｓ．Ｎａｋａ
ｍｕｒａ他、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６４
（１３）（１９９４）、１６８７）等の含窒素 III−Ｖ
族化合物層をｐ形化するための特殊な従来技術を必要と
せず、簡便にｐ形伝導層が得られる利点がある。第Ｖ族
元素の空孔の密度が減少されｐ形層の形成が容易となれ
ば、ＬＥＤの発光強度を増大させるために構造上、必須
とされるｐ−ｎ接合を含むダブルヘテロ接合構造の作製
が容易となり、ＬＥＤの高輝度化が簡便に達成される。

【００２７】

【作用】ＮとＮ以外の２種類以上の第Ｖ族元素を含窒素
III−Ｖ族化合物層の構成要素として含有させることに
より、第Ｖ族元素の空孔の密度を減少させることができ
る。特に、Ｎ以外の第Ｖ族元素としてＡｓとＰとを含有
させれば、発光ダイオードにあって代表的な基板材料で
あるＧａＰについて、大きな格子不整合を来さず、格子
不整合に起因する結晶欠陥の密度が少ない発光層として
好適な材料がもたらされる。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）本発明を実施例を基に詳細に説明する。本
実施例では、ＧａＮＰＡｓを発光層として備えたＬＥＤ
について記す。図２は本発明に係わるＬＥＤの平面模式
図である。図３は図２に示すＬＥＤの垂直方向の断面模
式図である。基板（１０１）にはｎ形で低抵抗の硫黄
（Ｓ）ドープＧａＰ単結晶を用いた。基板結晶（１０
１）の表面上には、緩衝層（１０２）、下部クラッド層
（１０３）、発光層（１０４）及び上部クラッド層（１
０５）を順次、堆積した。

【００２９】上記の各層は常圧のＭＯＣＶＤ法により成
長させた。基板（１０１）は抵抗加熱方式により成長時
に７５０℃に保持した。各層の成長温度はこの温度に統
一した。Ｐの供給源としてはＰＨ₃ の体積濃度を約１０
％としたＰＨ₃ と高純度水素（Ｈ₂ ）の混合ガスを使用
した。Ａｓの供給源としてはＡｓＨ₃ の体積濃度を約１
０％としたＡｓＨ₃ とＨ₂ の混合ガスを使用した。Ｎ源
としてはＮＨ₃ ガスを使用した。所望の流量に調節され
たこれらの原料ガスは、ＭＯＣＶＤ反応容器内に載置さ
れたＧａＰ単結晶基板（１０１）の上方にＨ₂ キャリア
ガスと共に導入した。Ｈ₂ キャリアガスの流量は毎分８
リットルとした。第Ｖ族元素の構成比を異にする結晶層
を得るに当たっては、Ｎ、Ｐ及びＡｓ供給源とした各原
料ガスのＨ₂ キャリアガスへの混合比を適宣変化させ
た。

【００３０】緩衝層（１０２）はＳｉをドープしたｎ形
のＧａＮ_0.10Ａｓ_0.90層とした。緩衝層（１０２）の膜
厚は約０．５μｍで、キャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ
^-3であった。

【００３１】緩衝層（１０２）上には、下部クラッド層
（１０３）とするＳｉをドープしたｎ形のＧａＮ層を堆
積した。下部クラッド層（１０３）の膜厚は約０．２μ
ｍで、キャリア濃度は７×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００３２】ｎ形の下部クラッド層（１０３）の上に
は、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）をドーピングしたｐ形のＧ
ａＮ_0.90Ｐ_0.01Ａｓ_0.09を発光層（１０４）として堆積
した。Ｚｎのドーピングはジメチルジンク（化学式：
（ＣＨ₃ ）₂ Ｚｎ）を原料として実施した。膜厚は０．
２μｍとした。キャリア濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3とし
た。

【００３３】ｐ形発光層（１０４）の上にはｐ形の上部
クラッド層（１０５）を設けた。上部クラッド層（１０
５）はｐ形のＧａＮ層で構成した。膜厚は約０．１μｍ
で、キャリア濃度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。以上の層
構成により、第 III族元素としてＧａを、第Ｖ族元素と
してＮとＰとＡｓとを含むＧａＮＰＡｓ層を発光層とし
て備えたＬＥＤ用途の積層構造を形成した。

【００３４】基板（１０１）の裏面並びに上部クラッド
層（１０５）上には、公知のフォトリソグラフィー技術
を利用したパターニングにより電極（１０７）を形成し
ＬＥＤとした。

【００３５】以上により、発光の中心波長を約１．２μ
ｍとするＬＥＤを得た。発光スペクトルの半値幅は、２
０ｍＡの順方向のＬＥＤ駆動用電流に於いて約７５オン
グストロームとなった。順方向のしきい値電圧は順方向
の電流値を２０ｍＡとした場合に約１．８Ｖとなった。
従来の第Ｖ族元素としてＮのみを含むＧａＩｎＮ混晶を
発光層とする短波長ＬＥＤを一例として比較すれば、発
光スペクトルの半値幅では、発光の中心波長を異にはす
るものの、約１／９程度に顕著に狭帯化されるのが認め
られた。

【００３６】（実施例２）ｎ形のＳｉ単結晶からなる基
板（１０１）上に、ＭＯＣＶＤ法により常圧下に於い
て、膜厚を約２μｍとするｎ形のＧａＮ_0.09Ａｓ_0.91を
緩衝層（１０２）として設けた。緩衝層（１０２）のキ
ャリア濃度は約１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。緩衝層
（１０２）上には、下部クラッド層（１０３）として膜
厚を約１μｍとするｎ形のＧａＮ_0.08Ｐ_0.92層を堆積し
た。キャリア濃度はＳｉのドーピング量を調節すること
により約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。

【００３７】下部クラッド層（１０３）上には、Ｚｎド
ーピングを施したｐ形のＧａＮ_0.08Ｐ_0.91Ａｓ_0.01から
なる発光層（１０４）を堆積した。発光層（１０４）の
膜厚は約０．１５μｍとし。キャリア濃度は約２×１０
¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００３８】ｐ形のＧａＮ_0.08Ｐ_0.91Ａｓ_0.01発光層
（１０４）上には、ｐ形のＡｌＡｓ_0. ₉₁Ｎ_0.09を上部ク
ラッド層（１０５）として堆積し、発光層（１０４）と
ヘテロ接合を形成した。上部クラッド層（１０５）上に
は、同層（１０５）と第Ｖ族の構成比を異にしたｐ形の
ＡｌＡｓ_0.80Ｎ_0.20を電流拡散層（１０６）として堆積
した。上部クラッド層（１０５）及び電流拡散層（１０
６）の膜厚はいずれも０．２μｍとし、キャリア濃度は
ほぼ８×１０¹⁸ｃｍ^-3に統一した。

【００３９】電流拡散層（１０６）上には、電極（１０
７）を設けた。また、基板（１０１）の裏面にも電極
（１０８）を形成した。本実施例に係わる積層構造の断
面模式図を図４に示す。

【００４０】以上により、発光の中心波長を約１．０μ
ｍとするＬＥＤを得た。発光スペクトルの半値幅は、２
０ｍＡの順方向のＬＥＤ駆動用電流に於いて約８０オン
グストロームとなった。順方向のしきい値電圧は順方向
の電流値を２０ｍＡとした場合に約１．６Ｖとなった。
従来の第Ｖ族元素としてＮのみを含むＧａＩｎＮ混晶を
発光層とする短波長ＬＥＤを一例として比較すれば、発
光スペクトルの半値幅では、発光の中心波長を異にはす
るものの、約１／８程度に顕著に狭帯化されるのが認め
られた。

【００４１】（実施例３）ｎ形の｛００１｝−ＧａＰ単
結晶基板上にｎ形のＡｌＰ層を緩衝層（１０２）として
堆積した。膜厚は約０．１μｍとした。キャリア濃度は
約１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。緩衝層（１０２）上に
は、ＡｌＮ_Z Ｐ_1-Z （ｚは窒素の混晶比を表し、０＜ｚ
＜１である。）を下部クラッド層（１０３）として堆積
した。膜厚は０．２μｍとした。ｚは緩衝層（１０２）
とのヘテロ接合界面（１０９）より発光層（１０４）と
のヘテロ接合界面（１０９）に向けて、０．０６から
０．０３へ減じた。

【００４２】下部クラッド層（１０３）上には、キャリ
ア濃度を約１．５×１０¹⁶ｃｍ^-3とするｐ形のＡｌＮ
_0.03Ｐ_0.96Ａｓ_0.01からなる発光層（１０４）をヘテロ
接合させた。発光層（１０４）の膜厚は約０．１μｍと
した。

【００４３】発光層（１０４）上には、膜厚を約３μｍ
としたｎ形のＡｌＮ_0.03Ｐ_0.97からなる上部クラッド層
（１０５）を堆積した。電極（（１０７）及び（１０
８））の構成は実施例１と同じくし、ＬＥＤ用途の積層
構造を構成した。図５に本実施例に係わる積層構造から
なるＬＥＤの断面模式図を示す。

【００４４】本実施例のＬＥＤは、中心波長を約５５０
ｎｍとする緑色の発光を呈した。発光の半値幅は約８ｎ
ｍであった。一方、Ｎのみを第Ｖ族元素として含む含窒
素 III−Ｖ族化合物からなる発光層を備えた図１に示す
様な例えば、中心の発光波長を約４５０ｎｍとする従来
の青色ＬＥＤにあっては、本実施例の場合と発光中心波
長を異にするものの、発光スペクトルの半値幅は概ね、
７０ｎｍ程度である。従って、本発明によれば、Ｎのみ
を含む従来の含窒素 III−Ｖ族化合物半導体層発光層を
備えたＬＥＤに比較し、発光スペクトルの半値幅を減ず
るに顕著な効果があることが認められた。得られたＬＥ
Ｄにあっては、順方向のしきい値電圧が約２Ｖ（順方向
電流＝２０ｍＡ）となり、上記した従来のＬＥＤの約
３．５Ｖに対し大幅に低下し、本発明によれば、電気的
な特性についても改善がもたらされている。

【００４５】また、本実施例のＬＥＤを一般の半導体封
止用樹脂でモールドした後、耐環境試験時に、高温放置
試験を実施した。上記した従来のＬＥＤにあっては、放
置温度を８０℃とした際には、被試験体の約１５％に相
当する数量のＬＥＤに輝度上の劣化が生じた。反面、本
発明のＬＥＤでは、輝度を含めて特性の劣化は殆ど認め
られず、本発明の素子動作の信頼性上にもたらす優位性
が示された。以上により、本発明によれば、従来例に対
し光学的特性と電気的特性及び素子動作の信頼性に優れ
る発光素子をもたらされる効果があることが明確となっ
た。

【００４６】

【発明の効果】発光強度の増大と且つ信頼性の向上をも
たらす。本発明に係わるＬＥＤでは、半値幅の狭い発光
スペクトルを有し、従来のＬＥＤに比較すればより単色
化された発光を呈するＬＥＤが得られた。従来例とは、
Ｚｎ等の発光の再結合中心となる不純物を含有した少な
くとも一つの第 III族元素と第Ｖ族元素としてＮのみを
含む含窒素 III−Ｖ族化合物からなる発光層を備えた図
１に示した様な積層構造系から構成されたＬＥＤを指
す。耐環境試験、特に、高温放置試験に於いても、本発
明に係わるＬＥＤの特性劣化は殆ど認められなかった。
従来のＬＥＤにあっては、８０℃に於いて試験体の約１
５％の数量のＬＥＤに輝度劣化が生じた。これにより、
本発明により構成された少なくとも一種類の第 III族元
素とＮとＮ以外の複数の第Ｖ族元素、特にＰとＡｓとを
含む含窒素 III−Ｖ族化合物層を発光層とするＬＥＤ
は、従来に比較し特に発光強度の増大と信頼性の向上を
もたらす点で優位であることが明瞭となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の III−Ｖ族窒化物半導体を含むＬＥＤ
の断面模式図である。

【図２】本発明に係わるＬＥＤの一例の平面模式図であ
る。

【図３】図２に示すＬＥＤの垂直方向の断面模式図で
ある。

【図４】本発明に係わるＬＥＤの一例の断面模式図であ
る。

【図５】本発明に係わるＬＥＤの一例の断面模式図であ
る。

【符号の説明】

（１０１）基板（１０２）緩衝層（１０３）下部クラッド層（１０４）発光層（１０５）上部クラッド層（１０６）電流拡散層（１０７）電極（１０８）電極（１０９）ヘテロ接合界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた少なくとも１種の元
素周期律表の第 III族元素と窒素（元素記号：Ｎ）とＮ
以外の複数の第Ｖ族元素からなる III−Ｖ族化合物半導
体層を発光層として備えた積層構造からなる発光ダイオ
ード。
【請求項２】Ｎ以外の元素周期律表の第Ｖ族元素がリ
ン（元素記号：Ｐ）及びヒ素（元素記号：Ａｓ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。