JPH11330544A

JPH11330544A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JPH11330544A
Application number: JP12759898A
Authority: JP
Inventors: Goro Shimaoka; 五朗島岡; Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】成膜のための煩雑な温度変更操作を必要とし
ない簡便な手段により、III 族窒化物半導体結晶層から
なる発光部を備えた発光素子を提供する。特に、青色或
いは緑色の短波長発光を放射できる発光部を備えた発光
素子を簡便に構成する技術手段を提供する。【解決手段】成膜が簡便で、低抵抗のｐ形伝導層も容
易に得られるＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＡｓとからなるヘ
テロ接合構造の構成層を素材として、構成層の砒素（Ａ
ｓ）元素を、窒素で置換する技術手段を利用してIII 族
窒化物半導体結晶層からなる発光部を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外光或いは短波
長の可視光発光素子の発光部を構成するに好適なIII 族
窒化物半導体結晶層をもたらすための新たな技術手段に
関する。

【０００２】

【従来の技術】（短波長発光素子の構成材料としてのII
I 族窒化物半導体）窒素（元素記号：Ｎ）をマトリック
ス（ｍａｔｒｉｘ）的に多量に含む一般式Ａｌ_E Ｇａ_F
Ｉｎ_G Ｑ_1-H Ｎ_H （Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＝１、０≦Ｅ，Ｆ，Ｇ≦
１。記号Ｑは窒素以外の第Ｖ族元素で、０＜Ｈ≦１）で
表記されるIII −Ｖ族化合物半導体は、特に、III 族窒
化物半導体と呼称されている。このIII 族窒化物半導体
は、例えば、紫外帯から緑色帯の短波長可視光を放射す
る発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイオー
ド（英略称：ＬＤ）などのIII 族窒化物半導体発光素子
の構成材料として重用されている（特公昭５５−３８３
４号公報明細書参照）。

【０００３】III 族窒化物半導体素子にあって、例え
ば、窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_F Ｉｎ_G Ｎ：
Ｆ＋Ｇ＝１、０≦Ｆ，Ｇ≦１）は、発光層（活性層）と
して利用されている（例えば、特開平２−２２９４７５
号等公報明細書参照）。これは、窒化ガリウム・インジ
ウムが、（イ）高発光出力を得るに元来、都合の良い直
接遷移型半導体であること（特開平３−２０３３８８号
公報明細書参照）、及び（ロ）インジウム組成比を変化
させることに依って、理論上、短波長の発光に都合の良
い禁止帯幅を取り得るからである（特開昭４９−１９７
８２号公報明細書参照）。例えば、中心発光波長を約４
６５ナノメータ（ｎｍ）とする青色ルミネッセンス発光
は、インジウム組成比（Ｇ）を約０．３３とするＧａ_F
Ｉｎ_G Ｎ混晶から得られている（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．
＆Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．３（１９９
５）、７０５〜７１０頁参照）。また、中心発光波長を
約５２０ｎｍとする緑色ＬＥＤには、インジウム組成比
（Ｇ）を約０．４５とするＧａ_0.55Ｉｎ_0.45Ｎ混晶が発
光層として利用されている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．，３４（１９９５）、Ｌ１３３２〜Ｌ１３３５
頁参照）。

【０００４】即ち、より長波長の発光を得るためにイン
ジウム組成比（Ｇ）をより大とするＧａ_F Ｉｎ_G Ｎ（０
≦Ｆ，Ｇ≦１、Ｆ＋Ｇ＝１）混晶層を発光層とするのが
従来の通例である。インジウム組成比を大とする程、禁
止帯幅（バンドギップ）が小となり、長波長の可視光を
得るに都合が良くなるからである。従って、従来のIII
族窒化物半導体発光素子では、発光波長は、発光層を構
成する窒化ガリウム・インジウム混晶のインジウム組成
比の大小をもって調節されていた。

【０００５】また、ｐ形或いはｎ形のＡｌ_E Ｇａ_F Ｎ
（Ｅ＋Ｆ＝１、０≦Ｅ，Ｆ≦１）は、電気的な障壁作用
を有するクラッド（ｃｌａｄ）層として用いられている
（特開平６−２０９１２０号、特開平６−２６０６
８２号、特開平６−２６０６８３号、及び特開平６
−２６８２５９号公報明細書参照）。クラッド層として
利用するＡｌ_E Ｇａ_F Ｎ混晶のアルミニウム（Ａｌ）組
成比（Ｅ）は、発光波長に拘わらず、概ね、２０％
（０．２０）前後であるのがもっぱらである（「固体物
理」、Ｖｏｌ．３０（Ｎｏ．９）（１９９５）、４４〜
５０頁参照）。

【０００６】（III 族窒化物半導体結晶層の成長方法）
III 族窒化物半導体結晶層の成長方法には、従来から有
機金属熱分解法（所謂、ＭＯＣＶＤ法）、ハロゲン（ｈ
ａｌｏｇｅｎ）或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）
ＶＰＥ法或いは分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法など
の気相成長法がある。中でも、ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ
或いはＯＭＶＰＥとも称される）法は、III 族窒化物半
導体結晶層の成長方法として一般的となっている。従っ
て、従来のIII 族窒化物半導体発光素子の発光層には、
もっぱら、ＭＯＣＶＤ法により成膜されたＧａ_F Ｉｎ_G
Ｎ（０≦Ｆ，Ｇ≦１、Ｆ＋Ｇ＝１）結晶層が利用されて
いる。また、クラッド層にも、ＭＯＣＶＤ法で成膜した
Ａｌ_E Ｇａ_F Ｎ混晶気相成長層が利用されるのが通例で
ある。

【０００７】（III 族窒化物半導体結晶層の成長上の煩
雑性）ＭＯＣＶＤ気相成長法による成膜に於いて、クラ
ッド層として利用される窒化アルミニウム・ガリウム
（Ａｌ_E Ｇａ_F Ｎ：Ｅ＋Ｆ＝１，０≦Ｅ，Ｆ≦１）結晶
層の成膜に適する温度は大凡、約１０００℃から約１１
００℃である。一方、発光層として利用する窒化ガリウ
ム・インジウム結晶層は、その易昇華性のために一般に
は、約７００〜約８００℃で成膜される。即ち、従来の
気相成長技術に頼って、発光層とクラッド層とのヘテロ
接合を含む発光部を構成するには、約３００℃程度或い
はそれ以上に亘って成長温度を変化させる必要があった
（Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，１４５（１９９
４）、２０９〜２１３頁参照）。

【０００８】従来のIII 族窒化物半導体発光素子の発光
部は、六方晶で電気的に絶縁性のサファイア（α−Ａｌ
₂ Ｏ₃ 単結晶）或いは六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）から
なる基板上に配置されている。発光部をなすIII 族窒化
物半導体材料とこれらの基板材料とは格子整合を果たす
関係にはない。このため、従来に於いては、基板と発光
部との中間にその格子不整合性を緩和する目的でＡｌ_E
Ｇａ_F Ｎ混晶（Ｅ＋Ｆ＝１、０≦Ｅ，Ｆ≦１）緩衝層が
挿入される。この緩衝層は、一般に約４００℃〜約６０
０℃の低温で成膜される（特開平２−２２９４７６号公
報明細書参照）。この発光部を形成する際の下地層とも
なる低温緩衝層の成膜温度をも考慮すると、発光素子用
途の積層構造体を得るに必要とされる温度領域の幅は約
４００℃の広範囲に及ぶものとなっている（「光学」、
第２２巻第１１号（１９９３）、６７０〜６７５頁参
照）。

【０００９】上記の如く、従来の気相成膜法を利用して
III 族窒化物半導体結晶層を逐一、成膜して発光部を構
成する手段は、工程の冗長さを付随する煩雑なものとな
っている。

【００１０】（窒化ガリウム・インジウム結晶層の成長
上の問題点）加えて、発光層を構成する窒化ガリウム・
インジウム結晶層の気相成長法による成膜には、特別な
問題がある。高いインジウム組成比を有し、尚且、良好
な結晶性を保持する窒化ガリウム・インジウム混晶層の
形成が困難なことである。ＭＯＣＶＤ法による窒化ガリ
ウム・インジウム混晶の成膜を例にすれば、実用上、イ
ンジウム組成比が約５０％を越えて、尚且、結晶性に優
れる窒化ガリウム・インジウム混晶層を安定して得るの
は難しい。成膜温度を低下させれば、インジウム組成比
は増大する傾向にある。しかし、低温で成膜した窒化ガ
リウム・インジウム混晶層は、結晶性が劣るため（「電
子情報通信学会誌」、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．９（１９９
３年９月）、９１３〜９１７頁参照）、高発光強度を帰
結する発光層として常用に至らない状況にある。

【００１１】（発光波長の制限の問題）窒化ガリウム・
インジウム混晶にあって、インジウム組成比に実用上の
限界があることは、窒化ガリウム・インジウム混晶から
なる発光層からの発光波長に制限が加わることを意味し
ている。仮に、インジウム組成比の最大限を５０％
（０．５０）とした場合、窒化ガリウム・インジウム混
晶に於ける禁止帯幅の曲折（ｂｏｗｉｎｇ）を考慮する
としても（特公昭５５−３８３４号公報明細書参照）、
禁止帯幅は約２．５エレクトロンボルト（ｅＶ）とな
る。この禁止帯幅は、波長に換算すれば、約４９６ナノ
メータ（ｎｍ）である。従って、従来の成膜技術に頼っ
た窒化ガリウム・インジウム混晶にあって、安定して制
御できる発光波長の範囲は、実用上、窒化ガリウム（化
学式：ＧａＮ）の禁止帯幅（約３．４ｅＶ）に対応する
約３６５ｎｍから約４９６ｎｍの範囲に限定されてしま
う問題がある。

【００１２】（ｐ形III 族窒化物半導体結晶層に関する
問題）また、従来のIII 族窒化物半導体発光素子用途の
積層構造体は、主にウルツァイト（ｗｕｒｚｉｔｅ）形
の六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）III 族窒化物半導体結
晶層から構成されている。六方晶の半導体では、価電子
帯（ｖａｌｅｎｃｅｂａｎｄ）のバンド構造の関係か
ら、閃亜鉛鉱型（ｚｉｎｃｂｌｅｎｄｅ）立方晶半導
体に比較すれば、ｐ形伝導層が得られ難い（特開平２−
２７５６８２号公報明細書参照）。従来では、ｐ形の伝
導性を呈するIII 族窒化物半導体結晶層を得るには、ｐ
形不純物をドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）したIII 族窒化
物半導体層に対し、成膜後に熱処理を施すなどの付帯工
程が必要とされた（特開平５−１８３１８９号及び
特開平８−３２１１３号公報明細書参照）。

【００１３】即ち、ｐｎ接合構造の発光部を含む積層構
造体を得るには、III 族窒化物半導体結晶層の成膜が煩
雑な上に、良好な接合特性を有するｐｎ接合構造を内包
する発光部の構築は、これまた、特別な付帯工程を要す
る冗長で、且つ煩雑な操作を要するものとなっていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】砒化アルミニウム・ガ
リウム（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ：Ｘ＋Ｙ＝１、０≦Ｘ，Ｙ≦
１）、砒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ：
Ｙ＋Ｚ＝１、０≦Ｙ，Ｚ≦１）に代表される一般的なII
I −Ｖ族化合物半導体成長層も、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ
法等の気相成長技術を利用して成膜される。しかし、II
I −Ｖ族化合物半導体成長層の成膜には、次に記す如く
の利点が付随している。（１）一般に、成膜工程に於いて、成長温度の大幅な変
遷を必要としない。即ち、成膜温度の煩雑な変更操作を
要せずに、簡便に成長層が得られる。（２）インジウム組成比が大である、例えば、Ｇａ_Y Ｉ
ｎ_Z Ａｓ成長層も簡便に得られる。インジウムをマトリ
ックスとする、例えば、砒化インジウム（化学式：Ｉｎ
Ａｓ）成長層も成膜できる（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅ
ｍ．Ｓｏｃ．，１２０（１９７３）、１３５参照）。（３）閃亜鉛鉱型の結晶構造を有しており、価電子帯の
縮退が殆ど解放されていないため、ｐ形の伝導を呈する
成長層が簡便に得られる（特開平２−２７５６８２号公
報明細書参照）。（４）導電性のIII −Ｖ族化合物半導体単結晶などの結
晶材料を基板として利用できる。

【００１５】従って、III −Ｖ族化合物半導体成長層を
III 族窒化物半導体結晶層に変換する手段があれば、
（イ）成膜温度の大幅な変遷を要せずに、III 族窒化物
半導体結晶層が得られる。また、（ロ）III 族構成元素
の構成比率に変化を与えない変換手段に依れば、高イン
ジウム組成比のIII 族窒化物半導体結晶層も得られる。
また、（ハ）伝導形を変化させない変換手段であれば、
成膜後の後工程としての従来の熱処理工程を要せずに、
ｐ形のIII 族窒化物半導体結晶層が簡便に構成でき得
る。また、（ニ）オーミック性入・出電極の一方を導電
性基板に敷設できるなどの優位性がもたらされる。

【００１６】成膜が容易で、且つ上記の如くの長所を有
するIII −Ｖ族化合物半導体成長層を、窒素含有量の大
きなIII 族窒化物半導体結晶層に変換できる技術手段が
あれば、短波長可視光を発光するに好都合となる禁止帯
幅のIII 族窒化物半導体結晶層が容易に構成できる。従
って、短波長可視光を出射するIII 族窒化物半導体発光
素子が簡便に得られる。

【００１７】本発明の課題は、簡便に成膜できるIII −
Ｖ族化合物半導体成長層を素材として、それを短波長可
視光を放射するに都合良く利用できるIII 族窒化物半導
体結晶層に変換する技術手段を提示することにある。ま
た、上記の手段を用いて変換されたIII 族窒化物半導体
結晶層からなる発光部を備えてなるIII 族窒化物半導体
発光素子を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、砒化ガ
リウム・インジウム混晶（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ：０≦Ｚ≦
１、Ｙ＋Ｚ＝１）成長層を構成する砒素（元素記号：Ａ
ｓ）原子を窒素（元素記号：Ｎ）原子で置換してなる窒
化砒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａ
ｓ_1-M ：０＜Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１、０＜Ｍ≦１）結晶層
と、アルミニウム組成比（Ｘ）を０≦Ｘ≦０．３とする
砒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ：
Ｘ＋Ｙ＝１）成長層を構成する砒素（Ａｓ）原子を窒素
原子で置換してなる窒化砒化アルミニウム・ガリウム混
晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M ：０≦Ｘ≦０．３、Ｘ＋
Ｙ＝１、０＜Ｍ≦１）結晶層をもって構成されるヘテロ
接合を含む発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光素子
を提供するものである。

【００１９】また本発明は、上記のIII 族窒化物半導体
発光素子であって、特に短波長可視光発光素子に適し
た、砒素（Ａｓ）原子の総量の８０％以上を窒素（Ｎ）
原子で置換してなる窒化砒化ガリウム・インジウム混晶
（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M ：０＜Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝
１、０．８≦Ｍ≦１）結晶層を発光層とする発光部を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子を提供するものであ
る。

【００２０】本発明では、砒素（Ａｓ）原子を窒素
（Ｎ）原子で置換する窒素置換処理を行う対象（素材）
を、導電性の立方晶半導体基板などの表面上に予め、気
相成長法などにより成膜されたＧａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ成長層
とＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層とする。これらのIII −Ｖ族
化合物半導体成長層を素材とすれば、短波長可視光を出
射する発光層に都合良く利用できるＧａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａ
ｓ_1-M 結晶層と、クラッド層として都合良く利用できる
Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M 結晶層が、従来の煩雑な成膜
技術に依らずにもたらされるからである。

【００２１】半導体基板としては、ゲルマニウム（元素
記号：Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）などの単元素半導体か
らなる単結晶や、II−VI族化合物半導体或いはIII −Ｖ
族化合物半導体からなる単結晶を用いることができる。
本発明では、窒素置換処理の対象とするIII −Ｖ族化合
物半導体成長層からなる発光部を予め、構成する関係
上、III −Ｖ族化合物半導体成長層との格子整合が果せ
るIII −Ｖ族化合物半導体単結晶が基板として好ましく
利用できる。具体的には、砒化ガリウム（化学式：Ｇａ
Ａｓ）、リン化ガリウム（化学式：ＧａＰ）、リン化イ
ンジウム（化学式：ＩｎＰ）などの閃亜鉛鉱型の等軸立
方晶からなる単結晶基板が好ましい。

【００２２】半導体基板となす単結晶の表面の面方位
は、特に限定はない。｛００１｝或いは｛０１１｝、ま
たは｛１１１｝方位面などが利用できる。主たる面方位
からのオフ−アングル（ｏｆｆ−ａｎｇｌｅ）を持つ方
位面を有する単結晶も利用できる。例えば、｛００１｝
±０．５゜ｏｆｆ、｛００１｝±２゜ｏｆｆ、或いは
｛００１｝±１０゜ｏｆｆなどの面方位の基板が利用で
きる。ｏｆｆ−ａｎｇｌｅによって、窒素で置換する効
率に多少の差異が発生する場合があるが、窒素以外の第
Ｖ族元素を窒素で置換することに本質的な支障を来さな
いからである。

【００２３】発光素子にあっては、基板に導電性の半導
体単結晶を利用するのが高い発光強度の素子を得る上で
有利である。サファイアを基板とする従来のＬＥＤで
は、基板が絶縁性であるが故に、基板の同一主面上に両
電極を併設せざるをえない。このため、一方の電極を敷
設するために、発光層の一部を敢えて切り欠くことを余
儀なくされていた。しかし、ｎ形若しくはｐ形の導電性
の結晶基板、例えば、ＧａＡｓやＧａＰ等の導電性の閃
亜鉛鉱型結晶を基板とすれば、正・負電極の何れか一方
のオーミック電極を基板に配備でき、従来の電極の配置
上の制約を回避することができる。即ち、本発明から
は、陰陽両電極を敷設するために、徒に、発光層（発光
面積）を縮小する必要がなくなるため、そもそも高発光
強度のＬＥＤを得るに優位となる電極形成上の利点もも
たらされる。

【００２４】また、ＬＤにあっては、導電性の結晶を基
板とすれば、駆動に伴って素子が過度に高温となるのを
抑制でき、素子動作の安定性を確保するに効果がある。
電気的な伝導性を有する結晶は、熱伝導性にも優れるた
め、発熱量の大きいＬＤからの放熱が促進されるからで
ある。

【００２５】これらの基板上に、ＭＯＣＶＤ法等の気相
成長法により予め構築した、Ａｌ_XＧａ_Y Ａｓ成長層
と、Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ成長層（０≦Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝
１）とを含むヘテロ接合構造体に窒素置換処理を及ぼ
す。窒素置換処理の対象となるヘテロ接合構造体の素材
には、ＩｎＰ基板上のＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ／Ａｌ_X Ｇ
ａ_YＡｓヘテロ接合系などが例示できる。本発明の窒素
置換処理の前後では、III 族構成元素の組成比に然した
る変化は、認められない。従って、例示したインジウム
組成比を比較的大とするヘテロ接合系を素材とすれば、
高インジウム組成比のIII 族窒化物半導体結晶層を含む
ヘテロ接合系が構成できる。

【００２６】本発明の窒素置換処理では、その前後で半
導体層の伝導形に変化を来さない。従って、ｐｎ接合を
内包するヘテロ接合構造体を素材として、III 族窒化物
半導体からなるｐｎ接合構造が得られる。例えば、低抵
抗のｐ形伝導層の成膜の容易性を利用して予め、構成し
たＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層とＧａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ成長層
（０≦Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）とからなるｐｎ接合型のヘ
テロ接合構造体を素材とすれば、ｐｎ接合型のIII 族窒
化物半導体接合構造体が簡便に得られる。ｎ形のＧａ_Y
Ｉｎ_Z Ａｓ成長層（０≦Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）と、ｐ形
のＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層からなるｐｎ接合を内包する
ヘテロ接合構造体からは、窒素置換処理によりIII 族窒
化物半導体結晶層からなるｐｎ接合型ヘテロ構造の発光
部が構成できる。

【００２７】半絶縁性（ｉ形）のＧａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ成長
層とＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層との多重接合を含む接合構
造体も窒素置換処理の対象となる。例えば、キャリア濃
度が大凡、約１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のアンドープ（ｕｎ
ｄｏｐｅ）のＧａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓを井戸（ｗｅｌｌ）層と
し、アンドープの高抵抗のＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ成長層を障
壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とする単一量子井戸構造（英略
称：ＳＱＷ）はもとより、多重量子井戸構造（英略称：
ＭＱＷ）のヘテロ接合構造体も窒素置換処理の対象であ
る。

【００２８】砒素（Ａｓ）原子の窒素（Ｎ）原子による
置換は、主に次の手段により達成できる。（１）窒素原
子を含む雰囲気中で加熱して、Ａｓの空格子点を窒素で
置換して窒素置換処理を果たす熱処理法。本手段では、
窒素置換処理が成膜炉内で成膜操作に連続して簡便に実
施できるのが特徴である。また、熱処理温度と処理時間
と雰囲気内の窒素分圧（窒素含有気体の分圧）の制御に
よって、窒素置換が波及する深さや窒素原子による置換
効率を単純に制御できる利点がある。

【００２９】この他、（２）真空中で発生させた含窒素
物質のプラズマ（ｐｌａｓｍａ）に曝して窒素置換処理
する真空プラズマ法がある。本法では、素材をＡｓの脱
離が促進される真空環境内に保持されるため、窒素原子
によるＡｓ原子の置換効率が、上記の熱処理法に比較し
てより高くなり易いのが特徴である。

【００３０】また、（３）窒素イオンの注入を利用する
イオン注入法などがある。イオン注入法にあっては、選
択イオン注入技法を利用して特定の領域に窒素イオンを
注入できる。即ち、限定された領域に於いて、窒素置換
効率を高められる。また、領域毎に注入量（ドーズ（ｄ
ｏｓｅ）量）を変化させれば、窒素置換効率を異にする
III 族窒化物半導体結晶層が帰結される。

【００３１】窒素置換処理は、単独の手段により、或い
は複数の手段を併合して利用して窒素置換処理を施して
も構わない。例えば、窒素イオンを注入するイオン注入
法と、イオン注入に因る注入損傷を回復するためのアニ
ール（ａｎｎｅａｌ）を兼ねた熱処理法とを併用して、
窒素置換処理となすことができる。

【００３２】窒素置換処理を実施する時期は、実施者の
選択の範囲である。例えば、（イ）発光部を構成する各
III −Ｖ族化合物半導体成長層の成膜後に逐一、窒素置
換処理を施す手法がある。例えば、窒素置換処理の素材
たる成長層上に、更に厚膜を積層する場合、厚膜を介し
ての処理では、素材に対する窒素置換効率が不均一とな
る可能性がある。この様な場合でも、本法に則り、逐
一、窒素置換処理を施しておけば、III 族窒化物半導体
結晶層を確実に得ることができる。

【００３３】また、（ロ）発光部の全体を一旦構成した
後、発光部を構成するIII −Ｖ族化合物半導体層につい
て一括して窒素置換処理を施す手法がある。この方法
は、特に、薄いIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層
構造に適し、一時期にして、III 族窒化物半導体結晶層
からなる積層構造に変換できる利便性がある。

【００３４】窒素置換処理は、単一（同一）の手段を共
通して、或いは、処理対象とする層毎に異なる手段をも
って施すことができる。窒素置換処理は、処理対象物の
層厚と上記の窒素置換処理手段の能力などとの対応状況
に鑑みて、適宣、選択することができる。同一の窒素置
換処理に於いても、発光部構成層の層厚等に応じて処理
条件の設計及び変更は可能である。

【００３５】本発明では、窒素置換処理を施した結果と
して帰結される、窒化砒化ガリウム・インジウム混晶
（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M ：０≦Z ≦１、Ｙ＋Ｚ＝
１、０＜Ｍ≦１）層を主に、発光層として利用すること
を意図している。

【００３６】また、窒素置換処理を施した結果として帰
結される、窒化砒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ
_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M ）層を、特にクラッド層として利
用することを意図している。Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M
とＡｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-Mとのヘテロ接合構造を内包
する発光部は、主に、短波長の可視光を発光するに都合
が良いからである。

【００３７】Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ（Ｙ＋Ｚ＝１、０≦Ｙ，
Ｚ≦１）とＡｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ（Ｘ＋Ｙ＝１、０≦Ｘ，Ｙ
≦１）とを直接、接合したヘテロ接合は、格子不整合系
の接合である。この不整合性は、窒素置換処理後でも保
持される。従って、窒素置換処理により帰結されるＧａ
_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M とＡｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M との
ヘテロ接合も格子不整合系となる。同接合系にあって、
ミスマッチ（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈ）度は、アルミニウム
組成比（Ｘ）を増加させることによっても増加する。こ
れより、アルミニウム組成比を極端に大とすると、発光
層としての利用を意図するＧａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M 結
晶層に印加される歪みの量が極端に大となり、成長層或
いは結晶層の結晶性が損なわれる不具合が発生する。

【００３８】Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ／Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓヘテ
ロ接合系、或いはＧａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_MＡｓ_1-M ／Ａｌ_X Ｇ
ａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M ヘテロ接合系の接合界面に、ミスマッ
チに起因して、そもそも内在する、或いは残留する適度
の大きさの格子歪は、都合良く青色帯或いは緑色帯の短
波長可視光の発光をもたらすに適する禁止帯幅の曲折を
与える。しかし、発光層に接合するクラッド層をアルミ
ニウム組成比を極端に大とするＡｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ
_1-M から構成すると、発光層とするＧａ_Y Ｉｎ_ZＮ_M Ａ
ｓ_1-M には過大な歪が印加される。それに伴いバンドの
曲折もより大となり、伝導帯−価電子帯間のエネルギー
差も縮小される。ヘテロ接合界面でのバンドの曲折が過
度であると、発光層から出射される波長は、緑色帯より
更に長波長となる。

【００３９】Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M 結晶層にあっ
て、アルミニウム組成比（Ｘ）を概ね、０．５以下とす
れば、Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M 結晶層との格子不整合
性を徒に大とするのを抑止するに効果を奏する。即ち、
ヘテロ接合界面での、格子不整合性の増大に起因するミ
スフィット転位の増殖を抑制できる。また、アルミニウ
ム組成比（Ｘ）を０．３以下とすれば、短波長可視光の
発光に都合の良いバンド、特に伝導帯側のバンドの曲折
がもたらされる。従って、Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M 結
晶層のアルミニウム組成比（Ｘ）を０．３以下とすれ
ば、過大の格子歪の導入と過度のバンドの曲折が回避で
き、高い強度で、青色帯から緑色帯に掛けての短波長可
視光を出射するに好都合となる。

【００４０】本発明に係わる窒素置換処理では、III 族
構成元素の構成比率（組成比）には然したる変化を生じ
ない。従って、アルミニウム組成比（Ｘ）を０．３以下
とするＡｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ_1-M 結晶層は、予め、アル
ミニウム組成比を０．３以下に調整したＡｌ_X Ｇａ_Y Ａ
ｓ成長層を素材として獲得できる。

【００４１】短波長可視光の発光の出射を意図する本発
明にあっては、発光層となすＧａ_YＩｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M
結晶層の窒素組成比（Ｍ）は８０％以上とする。青色帯
から緑色帯の発光をもたらすに都合の良い禁止帯幅がも
たらされるからである（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙ
ｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、２０
３〜２０８頁参照）。Ａｓ原子の全量を窒素原子に置換
しても何ら差し支えはない。

【００４２】窒素組成比（Ｍ）は、上記に例示した各窒
素置換処理手段に於ける条件、特に、処理温度や処理時
間の調節をもって制御できる。例えば、上記の熱処理手
段に依る窒素置換処理手段にあっては、処理温度をより
高温に設定する程、一般には、より多くの砒素（Ａｓ）
原子が窒素（Ｎ）原子で置換されるため、窒素組成比は
大となる。また、真空プラズマ法では、処理環境の真空
度が高い程、また、プラズマを励起するパワー（ｐｏｗ
ｅｒ）が大である程、高い窒素組成比がもたらされる。
また、イオン注入法では、ドーズ量を大とする程、大き
な窒素組成比が得られる傾向にある。

【００４３】砒素（Ａｓ）原子が窒素（Ｎ）原子で置換
された割合（比率）、即ち、窒素組成比は、例えば、２
次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）またはオージ
ェ（Ａｕｇｅｒ）電子分光法（英略称：ＡＥＳ）をもっ
て定量的に分析されるＡｓ原子とＮ原子との信号強度比
を基に測り知れる。また、フォトルミネッセンス（英略
称：ＰＬ）の発光波長に対応する禁止帯幅を基に、禁止
帯幅とＧａＮＡｓ混晶に於ける窒素組成比との対応から
求められる（上記のＭａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍ
ｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４４９（１９９７）参照）。

【００４４】例えば、インジウム組成比（Ｚ）を、０．
０５〜０．３０とするＧａ_Y Ｉｎ_ZＡｓを窒素置換処理
してなしたＧａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_Q Ａｓ_M （０≦Ｚ≦１、Ｙ＋
Ｚ＝１、０．８＜Ｑ≦１、Ｑ＋Ｍ＝１）を発光層とし、
アルミニウム組成比（Ｘ）を０≦Ｘ≦０．３０とするＡ
ｌ_X Ｇａ_Y Ａｓに窒素置換処理をなしたＡｌ_X Ｇａ_YＮ_Q
Ａｓ_M （０≦Ｘ≦０．３、Ｘ＋Ｙ＝１、０＜Ｑ≦１、
Ｑ＋Ｍ＝１）をクラッド層として含む発光部は、青色帯
の発光を呈する発光部として好ましく利用できる。

【００４５】

【作用】本発明の云う窒素置換処理方法とは、III −Ｖ
族化合物半導体成長層の第Ｖ族構成元素であるＡｓを窒
素原子で置換する作用を有するものである。特に、この
窒素置換処理をもって、煩雑な成膜プロセスに頼ること
なくIII 族窒化物半導体結晶層を含む発光部を備えた請
求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子を形成する
ことができる。

【００４６】また、積層操作により発光部を構成する従
来の手段を回避して、簡便にIII 族窒化物半導体結晶層
からなる、ｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部をもたらすこと
ができる。

【００４７】

【実施例】（第１の実施例）以下、本発明の内容を具体
例をもって詳細に説明する。第１の実施例では、ｎ形Ｇ
ａＡｓ／ｎ形ＧａＩｎＡｓ／ｐ形ＡｌＧａＡｓからなる
ｐｎ接合型ＤＨ構造III −Ｖ族化合物半導体積層系に窒
素置換処理を施してなる発光部を備えたIII族窒化物半
導体ＬＥＤを例にして説明する。

【００４８】［０１１］方向に角度にして２゜傾斜（オ
フ（ｏｆｆ））させて切り出した｛００１｝−珪素（Ｓ
ｉ）ドープＧａＡｓ単結晶を基板（１０１）とした。基
板には、光デバイス用途として、特に転位密度（エッチ
ピット密度：ＥＰＤ）が約１０³ ｃｍ² 未満と小さく、
低抵抗のｎ形伝導を呈するＳｉドープＧａＡｓ単結晶を
選択して使用した。

【００４９】基板上には、トリメチルガリウム（化学
式：（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ）／アルシン（ＡｓＨ₃ ：１０％
ＡｓＨ₃ −９０％水素混合ガス）／水素（Ｈ₂ ）反応系
を利用した一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により、６６０℃
でＳｉをドープしたｎ形ＧａＡｓ緩衝層（１０２）を積
層した。ｎ形ＧａＡｓ層のキャリア濃度は、２×１０¹⁸
ｃｍ^-3とし、層厚は約１μｍとした。Ｓｉのドーピング
源としては、体積濃度にして約１０ｐｐｍのジシラン
（化学式：Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を含む水素ガスを利用した。

【００５０】緩衝層（１０２）上には、Ｓｉをドープし
たｎ形ＧａＡｓ層を下部クラッド層（１０３）として積
層した。成膜温度は、緩衝層の場合と同じく６６０℃と
した。キャリア濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は
約０．３μｍとした。

【００５１】ｎ形の下部クラッド層（１０３）上には、
キャリア濃度を約２×１０¹⁶ｃｍ^-3とする硫黄（元素記
号：Ｓ）をドーピングしてなるｎ形の砒化ガリウム・イ
ンジウム（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ）からなる発光層（１０
４）を６６０℃で積層した。インジウム源には、結合価
を１価とするシクロペンタジエニルインジウム（化学
式：Ｃ₅ Ｈ₅ Ｉｎ）を使用した。インジウム組成比
（Ｚ）は、０．５０（５０％）とした。層厚は、約０．
１μｍとした。硫黄源には、体積濃度にして５ｐｐｍの
硫化水素（化学式：Ｈ₂ Ｓ）を含む硫化水素−水素混合
ガスを利用した。

【００５２】発光層の成膜を終了した後、基板温度を６
６０℃に維持して、キャリア濡度を約２×１０¹⁸ｃｍ^-3
とし、層厚を約０．１μｍとするマグネシウム（Ｍｇ）
をドーピングしたｐ形砒化アルミニウム・ガリウム混晶
（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ）からなる上部クラッド層（１
０５）を積層させた。アルミニウム源には、トリメチル
アルミニウム（化学式：（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ）を用いた。
Ｍｇのドーピング源には、ビスシクロペンタマグネシウ
ム（化学式：ｂｉｓ−（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ Ｍｇ）を用いた。

【００５３】上記のｎ形下部クラッド層（１０３）、発
光層（１０４）及びｐ形上部クラッド層（１０５）か
ら、III −Ｖ族化合物半導体層からなるｐｎ接合型ＤＨ
構造発光部（１０）を構成した。

【００５４】基板温度を６６０℃に維持したまま、発光
部の形成に供したＭＯＣＶＤ成長炉内を一旦、３×１０
^-3トール（Ｔｏｒｒ）の真空に排気した。真空中に正確
に１５分間、暴露した。その後、水素ガスをＭＯＣＶＤ
成長炉内に供給して、炉内を常圧（〜７６０Ｔｏｒｒ）
に復帰させた。炉内を大気圧とした後、水素ガスの供給
を停止し、直ちにアンモニア（化学式：ＮＨ₃ ）ガスを
成長炉内に流通させた。アンモニアガスの流量は、英略
称ＭＦＣ（所謂、電子式質量流量計）で精密に毎分１リ
ットルに制御した。アンモニアの流通を１５分間に亘り
継続して、発光部を構成する各III −Ｖ族化合物半導体
層の第Ｖ族構成元素である砒素（Ａｓ）を窒素原子で置
換して、III 族窒化物半導体結晶層となす処理を施し
た。即ち、III −Ｖ族化合物半導体発光部を、窒素原子
を含む雰囲気内で加熱してIII 族窒化物半導体となす熱
処理によりIII 族窒化物半導体結晶層からなる発光部と
なした。

【００５５】一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ）により、窒素原子は、積層構造体の最表層の上部ク
ラッド層（１０５）の表面より、約０．７μｍの深さに
至る領域に略一定の濃度で存在するのが認められた。即
ち、緩衝層を構成するｎ形ＧａＡｓ結晶層の表面側から
約０．２μｍの領域に迄、窒素置換処理が及んでいた。
また、窒素置換処理が波及した領域に於ける窒素原子と
Ａｓ原子の構成比率は、８５：１５と定量された。従っ
て、この加熱処理法に依る窒素置換処理では、発光部を
構成する各III −Ｖ族化合物半導体層の第Ｖ族構成元素
であるＡｓ原子の約８５％が窒素原子に置換された。

【００５６】即ち、本実施例では、III −Ｖ族化合物半
導体層からなる発光部を、ｎ形ＧａＮ_0.85Ａｓ_0.15から
なる下部クラッド層とＩｎ_0.50Ｇａ_0.50Ｎ_0.85Ａｓ_0.15
からなる発光層とｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85 Ｎ_0.85Ａｓ
_0.15からなる上部クラッド層とからなるIII 族窒化物半
導体層からなるｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部へと変換し
た。

【００５７】得られた積層構造体に裁断加工を施して、
一辺を約３００μｍとする正方形の平面形状を有する各
ＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）に分割する以前に、各チップ
の略中央部に該当する領域にｐ側電極（正電極）（１０
８）を配置した。ｐ側電極は、真空蒸着した金（元素記
号：Ａｕ）・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）合金（９５重量％
Ａｕ：５重量％Ｚｎ）被膜を、直径を約１１０μｍとす
る円形の平面電極にエッチング加工して形成した。

【００５８】一方のｎ側電極（負電極）は、積層構造体
の構築に導電性のｎ形結晶基板を使用していることを利
用して、ｐ側電極とは同一主面側ではなく、基板（１０
１）の裏面側に所謂、「ベタ（全面）」電極として設け
た。ｎ側電極（１０７）は、ゲルマニウム（元素記号：
Ｇｅ）を重量にして約５％含むＡｕ・Ｇｅ合金（９５％
Ａｕ：５％Ｇｅ）を基板（チップ）の裏面の略全面に真
空蒸着して形成した。

【００５９】第１図は、本実施例に係わる一ＬＥＤチッ
プの平面構成を示す模式図である。また、第２図は、第
１図の平面模式図に於ける破線Ａ−Ａ’に沿った、断面
模式図である。

【００６０】正・負両電極（（１０８）及び（１０
７））間に順方向に直流動作電流を流通させた。順方向
電流の流通により、緑色の発光が認められた。１０ミリ
アンペア（ｍＡ）の順方向電流を通電した際のチップ状
態での主たる発光の波長は約５６０ｎｍであった。主た
る発光は緑色で、スペクトルの半値幅は約３５ｎｍであ
った。通常の積分球を利用する測定では、発光強度は約
５マイクロワット（μＷ）であった。

【００６１】（第２の実施例）本実施例では、ｎ形Ｇａ
Ａｓ／ｎ形ＧａＩｎＡｓ／ｐ形ＡｌＧａＡｓのｐｎ接合
型ＤＨ構造積層系に、第１の実施例とは異なる窒素置換
処理を施してなる発光部を備えたIII 族窒化物半導体Ｌ
ＥＤを例にして本発明を説明する。

【００６２】［０１１］方向に角度にして２゜傾斜（オ
フ（ｏｆｆ））させて切り出した｛００１｝−Ｓｉドー
プＧａＡｓ単結晶を基板（１０１）とした。基板には、
特に転位密度（エッチピット密度：ＥＰＤ）が約１０³
ｃｍ^-2 未満と小さく、低抵抗のｎ形伝導を呈するＳｉ
ドープＧａＡｓ単結晶を選択して使用した。

【００６３】基板上には、トリメチルガリウム（化学
式：（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ）／アルシン（ＡｓＨ₃ ：１０％
ＡｓＨ₃ −９０％水素混合ガス）／水素（Ｈ₂ ）反応系
を利用した一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法により、６８０℃
でＳｉをドープしたｎ形ＧａＡｓ緩衝層（１０２）を積
層した。ｎ形ＧａＡｓ層のキャリア濃度は、１×１０¹⁸
ｃｍ^-3とし、層厚は約３μｍとした。Ｓｉのドーピング
源としては、体積濃度にして約５ｐｐｍのジシラン（化
学式：Ｓｉ₂ Ｈ₄ ）を含む水素ガスを利用した。

【００６４】緩衝層（１０２）上には、Ｓｉをドープし
たｎ形ＧａＡｓ層を下部クラッド層（１０３）として積
層した。成膜温度は、緩衝層の場合と同じく６８０℃と
した。キャリア濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は
約０．２μｍとした。Ｓｉのドーピング源には、上記の
ジシラン−水素ガスを利用した。

【００６５】ｎ形の下部クラッド層（１０３）上には、
キャリア濃度を約２×１０¹⁶ｃｍ^-3とする硫黄（元素記
号：Ｓ）をドーピングしてなるｎ形砒化ガリウム・イン
ジウム混晶（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ａｓ）からなる発光層（１０
４）を６８０℃で積層した。インジウム源には、トリメ
チルインジウム（化学式：（ＣＨ₃ ）₃ Ｉｎ）を使用
し、インジウム組成比（Ｚ）は、０．１５（１５％）と
した。層厚は、約５ｎｍとした。

【００６６】発光層の成膜を終了した後、基板温度を６
８０℃として、キャリア濡度を約２×１０¹⁸ｃｍ^-3と
し、層厚が約０．１μｍのＭｇをドーピングしたｐ形砒
化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ）か
らなる上部クラッド層（１０５）を積層させた。アルミ
ニウム源には、トリメチルアルミニウム（化学式：（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ Ａｌ）を用いた。Ｍｇのドーピング源には、ビ
スシクロペンタマグネシウムを使用した。

【００６７】上部クラッド層を構成するＡｌ_X Ｇａ_Y Ａ
ｓ混晶層のアルミニウム組成比（Ｘ）は、所望の発光波
長を４５０ｎｍとしていることから、１５％（０．１
５）とした。即ち、上部クラッド層は、ｐ形のＡｌ_0.15
Ｇａ_0.85Ａｓから構成した。

【００６８】上記のｎ形下部クラッド層（１０３）、発
光層（１０４）及びｐ形上部クラッド層（１０５）によ
って、III −Ｖ族化合物半導体層からなるｐｎ接合型Ｄ
Ｈ構造発光部（１０）を、成膜温度を変化させずに構成
した後、ＭＯＣＶＤ成長炉内へのアルシンガスの供給を
停止し、代替として水素ガスを流通させた。水素の流量
をＭＦＣを利用して毎分２リットルに維持したままで室
温に冷却した。冷却は、従来技術（特開平８−３２１１
３号公報明細書参照）の如く、低抵抗のｐ形III 族窒化
物半導体層を形成するために冷却速度を特別に調整する
手段は利用せず、自然放冷に依った。冷却後、積層構造
体をＭＯＣＶＤ成長炉内から取り出した。

【００６９】冷却後に低抵抗ｐ形III 族窒化物半導体を
得るための熱処理（特開平５−１８３１８９号公報明細
書参照）を行わずに、マイクロ波プラズマ処理炉内に、
積層構造体を載置した。然る後、処理炉内を２×１０^-2
Ｔｏｒｒの真空に排気した。略同一の真空度を保持しな
がら、真空環境内で積層構造体を７００℃に昇温した。
この状態に保持して１０分が経過した後、アンモニアの
プラズマを発生させ、発光部にプラズマ窒化法による窒
素置換処理を施した。アンモニアのプラズマは、周波数
を１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）とするマイクロ波
を、毎分１５ｃｃの流量で通流させたアンモニアに１０
０ワット（Ｗ）のパワーで入射させて発生させた。

【００７０】一般的なオージェ電子分光分析法（ＡＥ
Ｓ）により、窒素原子は、上記の方法で得られた積層構
造体の最表層の上部クラッド層（１０５）の表面より、
約２μｍの深さに至る領域に略一定の濃度で存在するの
が認められた。即ち、緩衝層を構成するｎ形ＧａＡｓ結
晶層の表面から約１．７μｍの深さ領域に至る迄、窒素
置換処理が及んでいた。また、窒素置換処理が波及した
領域に於ける窒素原子とＡｓ原子の構成比率は、９：１
と定量された。従って、この真空プラズマ法に依る窒素
置換処理では、発光部を構成する各III −Ｖ族化合物半
導体層の第Ｖ族構成元素であるＡｓ原子の約９０％が窒
素原子に置換された。

【００７１】即ち、本実施例では、III −Ｖ族化合物半
導体層からなる発光部を、ｎ形ＧａＮ_0.90Ａｓ_0.10から
なる下部クラッド層と、Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ_0.90Ａｓ
_0.10からなる発光層と、ｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85 Ｎ_0.90
Ａｓ_0.10からなる上部クラッド層とからなるIII 族窒化
物半導体結晶層からなるｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部へ
と変換した。

【００７２】係る窒素置換処理後に、発光部を試験的に
メサ（ｍｅｓａ）加工して、接合特性を調査した。その
結果得られた電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性は、逆方向の漏
洩（リーク）電流が矮小であり、且つマイクロプラズマ
などに起因する耐圧不良もなく良好な整流性を示したこ
とから、発光部は、良好なｐｎ接合構造を保有している
と認知された。また、特に、積層構造体の最表層を構成
する上部クラッド層は、依然として窒素置換処理前のｐ
形の低抵抗性を維持していると判断された。

【００７３】上記の積層構造体を用いて、第１の実施例
と同様にＬＥＤを試作した。試作したＬＥＤは、図１及
び図２に示したものと同じであって、一方のオーミック
電極を導電性の基板裏面側に敷設して、両オーミック電
極の敷設のための発光面積の損失を回避した構造とし
た。

【００７４】順方向電流の流通による発光の主たる発光
波長は、約４５５ｎｍとなった。この主たる発光の他
に、約３６０から３８０ｎｍの波長帯に掛けて幅広い
（ブロードな）副次的なスペクトルが観測された。しか
し、この副次的なスペクトルの発光強度は、主たる発光
スペクトルのそれの約１／２０未満と微弱であり、発光
の単色性を損なう程の発光ではなかった。通常の積分球
を利用して、チップ状態で測定した発光強度は約７マイ
クロワット（μＷ）であった。

【００７５】（第３の実施例）第２の実施例に記載のＳ
ｉドープｎ形ＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ形ＧａＡｓ緩
衝層、ｎ形ＧａＡｓ下部クラッド層、及びＧａ_0.85Ｉｎ
_0.15Ａｓ層を第２の実施例の手順に則り、順次、積層さ
せた。

【００７６】Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓ層の上部に形成して
接合させるＭｇドープｐ形Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ層のアルミ
ニウム組成比（Ｘ）は、所望の発光波長が５２０ｎｍで
あることから、第２の実施例とは異なる、１８％（０．
１８）とした。成膜温度は、第２の実施例と同一とし、
第２の実施例と同様にｐ形Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ層を形
成した。

【００７７】上記のようにして作製した各層の層厚並び
にキャリア濃度を第２の実施例と略同一とするIII −Ｖ
族化合物半導体結晶層からなるｐｎ接合型ＤＨ構造を備
えた積層構造体に、第２の実施例と同一の条件下で窒素
置換処理を施した。これより、上記の積層構造体のIII
−Ｖ族化合物半導体層からなる発光部を、ｎ形ＧａＮ
_0.90Ａｓ_0.10からなる下部クラッド層と、Ｉｎ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎ_0.90Ａｓ_0.10からなる発光層と、ｐ形Ａｌ_0.18Ｇ
ａ_0.82Ｎ_0.90Ａｓ_0.10からなる上部クラッド層とからな
るIII 族窒化物半導体層からなるｐｎ接合型ＤＨ構造の
発光部へと変換した。

【００７８】その後、第２の実施例の手法に従い、図１
及び図２に示したものと同様のＬＥＤを試作した。チッ
プ状態で正・負両電極間への順方向の電流を流通し、緑
色の発光を得た。順方向電流の流通による発光では、波
長を約５２０ｎｍとする主たるスぺクトル以外に、約３
６０から３８０ｎｍにかけて幅広い（ブロードな）副次
的なスペクトルが観測された。しかし、この副次的なス
ペクトルの発光強度は、主たるスペクトルのそれの約１
／２０未満と微弱であり、発光の単色性を損なう程の発
光ではなかった。通常の積分球を利用する測定から、発
光強度は、チップ状態で約８マイクロワット（μＷ）と
なった。

【００７９】

【発明の効果】本発明の請求項１に記す第１の発明は、
短波長の可視光を出射するに好適なIII 族窒化物半導体
層からなる発光部を煩雑な成膜プロセスを用いずに形成
することができたIII 族窒化物半導体発光素子である。

【００８０】請求項２に記す第２の発明は、短波長帯域
の発光、特に青色から緑色の光を出射するIII 族窒化物
半導体発光部を有するIII 族窒化物半導体発光素子であ
る。

【００８１】さらに本発明は、オーミック電極の敷設に
伴う発光面積の減少を来さずに、III 族窒化物半導体か
らなる短波長可視発光素子の作製を行うことができる効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、第２および第３の実施例に係わ
る発光ダイオード（ＬＥＤ）の平面構成を示す模式図で
ある。

【図２】図１に示すＬＥＤの破線Ａ−Ａ’に沿った断面
構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１０ｐｎ接合型ＤＨ構造発光部１０１結晶基板、特にｎ形ＧａＡｓ等の導電性III −
Ｖ族化合物半導体基板１０２緩衝層１０３下部クラッド層１０４発光層１０５上部クラッド層１０７ｎ側電極（負電極）１０８ｐ側電極（正電極）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_Y
Ｉｎ_Z Ａｓ：０≦Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）成長層を構成す
る砒素（元素記号：Ａｓ）原子を窒素（元素記号：Ｎ）
原子で置換してなる窒化砒化ガリウム・インジウム混晶
（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M ：０≦Z ≦１、Ｙ＋Ｚ＝
１、０＜Ｍ≦１）結晶層と、アルミニウム組成比（Ｘ）
を０≦Ｘ≦０．３とする砒化アルミニウム・ガリウム混
晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ａｓ：Ｘ＋Ｙ＝１）成長層を構成する
砒素（Ａｓ）原子を窒素原子で置換してなる窒化砒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_X Ｇａ_Y Ｎ_M Ａｓ
_1-M ：０≦Ｘ≦０．３、Ｘ＋Ｙ＝１、０＜Ｍ≦１）結晶
層とのヘテロ接合を含む発光部を備えたIII 族窒化物半
導体発光素子。
【請求項２】砒素（Ａｓ）原子の総量の８０％以上を
窒素（Ｎ）原子で置換してなる窒化砒化ガリウム・イン
ジウム混晶（Ｇａ_Y Ｉｎ_Z Ｎ_M Ａｓ_1-M ：０≦Z ≦１、
Ｙ＋Ｚ＝１、０．８≦Ｍ≦１）結晶層を発光層とする発
光部を備えた請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光
素子。