(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基板表面上に設けられたリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層と、該緩衝層上に設けられた含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を該発光層に格子整合するｐ形並びにｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体からなるクラッド層で挟持したｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部と、該発光部上に設けられた窒化砒化硼素（ＢＮ1-XＡｓX、但し０．７７≦Ｘ≦１）からなる電流拡散層とを少なくとも備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
クラッド層を、インジウム組成比（インジウム濃度）を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成したことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項３】
クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から電流拡散層を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０．９４≦Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項５】
クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０．４３≦Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基板表面上に設けられたリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層と、該緩衝層上に設けられた含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を該発光層に格子整合するｐ形並びにｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体からなるクラッド層で挟持したｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部と、該発光部上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電流拡散層とを少なくとも備え、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）、または窒化砒化ガリウム（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）から構成するＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項７】
電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成したことを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ単結晶基板上に緩衝層を介して、格子整合系のｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部と素子駆動電流の拡散を促進する電流拡散層とを形成して、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気絶縁性サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）に代替して（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４６８（１９７７）、４８１〜４８６頁参照）、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成する技術が開示されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）、１９８６〜１９８７頁参照）。導電性を有するＳｉ単結晶を基板とすれば、基板裏面に電極を敷設でき、簡便にＬＥＤを構成できる利点がある。また、Ｓｉ単結晶を基板とすれば、劈開を利用して簡便に個別の素子（チップ）に分割できる利点もある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７２（４）（１９９８）、４１５〜４１７頁参照）。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子には、ＩＩＩ族窒化物半導体から成るｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部が備えられている。発光部とは、ｐ形及びｎ形クラッド（ｃｌａｄ）層に挟持された発光層とから構成される、発光を担う機能部である。従来技術にあって、クラッド層は六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）の窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌaＧａ1-aＮ、但し０≦ａ≦１）から構成されている。青色帯或いは緑色帯の短波長可視光を出射するための発光層は、六方晶の窒化ガリウム・インジウム（ＧａbＩｎ1-bＮ、但し０＜ｂ＜１）から構成されるのがもっぱらである（特公昭５５−３８３４号公報参照）。
【０００４】
ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型の窒化ガリウム（ＧａＮ）のａ軸の格子定数は３．１８９オングストローム（Å）である。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化インジウム（ＩｎＮ）のａ軸の格子定数は各々、３．１１１Å及び３．５３３Åである（格子定数値は何れも寺本  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、２８頁参照）。従って、発光層をなすＧａbＩｎ1-bＮ（一般に０＜ｂ＜１）とクラッド層のＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦１）とでは格子定数を相違する。即ち、従来のＳｉ単結晶を基板とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの発光部は、格子定数を異にするＩＩＩ族窒化物半導体層から構成される格子不整合系の構成となっていた（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，７２（４）（１９９８）参照）。
【０００５】
リン化ガリウム（ＧａＰ）等の立方晶結晶基板上にリン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して設けたＡｌＧａＮ混晶系層からなる発光部を利用してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを構成する技術が開示されている（特開平２−２８８３８８号公報参照）。また、等軸立方晶のＳｉ単結晶を基板としてＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＝１）系ＬＥＤを構成する技術も開示されている（特開平１０−３２１９１１号公報）。Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＬＥＤにあって、発光部を、ｎ形及びｐ形Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるクラッド層と、ＧａＮからなる発光層とのｐｎ接合型ヘテロ接合構造から構成する例がある（特開平１０−２４２５８６号公報明細書）。クラッド層を構成するＡｌ0.2Ｇａ0.8ＮとＧａＮとでは格子定数が異なっており、従って、Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＬＥＤの発光部は格子不整合系の構成となっている。
【０００６】
ＩＩＩ族窒化物半導体レーザーダイオード（ＬＤ）では、発光部の上方にＩＩＩＶ族窒化合物半導体からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層を設ける構成も知られている（特開平１０−２４２５６７号公報）。例えば、ＡｌＧａＮ系混晶層からなるクラッド層上にリン化硼素（ＢＰ）からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層を設けてＬＤを構成する技術が公知となっている（特開平１０−２４２５６９号公報）。また、Ｓｉ単結晶基板上に設けたｐ形Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる上部クラッド層上にｐ形窒化ガリウム（ＧａＮ）コンタクト層を設ける手段が開示されている（特開平１１−４０８５０号公報）。Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＮとＧａＮとでは格子定数は相違している。従って、接触抵抗の低い電極を形成するための良導層として作用し、また、特にＬＥＤにあっては素子駆動電流を発光部の広範囲に亘り拡散するための電流拡散層としての作用をも担うコンタクト層は、従来例では上記の如くクラッド層とは格子整合の関係に無いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されているのが通常となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部は上記の如く格子不整合系の積層構造となっている。このため、下部クラッド層を下地層として積層された発光層は、格子のミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）に起因して発生するミスフィット転位等の結晶欠陥を多量に含む結晶性に劣るものとなり、発光強度の増大に支障を来している問題点あった。発光層から出射される発光の強度は発光層の結晶性が良好である程、高くなる。従って、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得るには、格子の不整合性に起因する結晶欠陥の密度の低い結晶層から発光層を構成する必要がある。
【０００８】
また、発光層と上部クラッド層とが格子整合の関係にない場合、上部クラッド層の結晶性も乱れたものとなる。上部クラッド層の内部にミスフィット転位等が多量に含まれていると、転位を介して、素子駆動電流が局所的に且つ集中的に発光層に流通してしまう問題点がある。下地層となす発光層の結晶性が格子の不整合性に因り上記の如く粗悪であると、上層の上部クラッド層の品質も尚更、劣悪なものとなる。このため、発光層の全面の広範囲に亘り、素子動作電流を分配できず、発光面積の拡張に支障を来している。発光層の広範囲に亘り平面的に素子駆動電流を分配するには、結晶品質に優れる発光層上に、これまた結晶性に優れる上部クラッド層を積層する必要がある。
【０００９】
更に、上部クラッド層が格子不整合に起因した結晶欠陥を多量に含む品質的に劣る結晶層であると、その上に、結晶性に優れる電流拡散層を積層するに難を来す。電流拡散層上に設ける電極から供給される素子駆動用電流が、電流拡散層に内在するミスフィット転位等の結晶欠陥を介して局所的に短絡的に上部クラッド層に流通する事態を招き、しいては、発光面積を充分に拡張できない不都合が発生する。
【００１０】
高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得るには、素子駆動用電流を発光層の広範囲に亘り拡散できる結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成する必要がある。また、発光層自体も結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成するのが肝要となる。本発明では、発光部を互いに格子整合の関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成することにより、格子不整合性に起因して発生する結晶欠陥密度の低い良質のＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成する手段を提供する。また、発光部上に設けるコンタクト層としても好都合に利用できる電流拡散層を発光部の構成層と格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成して、格子不整合性に因る結晶欠陥を介しての素子駆動用電流の発光部への短絡的な通流を防止して、発光部へ略均等に電流を分配できる構成とした高発光強度のＳｉ基板系ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得る技術手段を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）Ｓｉ単結晶基板と、該基板表面上に設けられたリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層と、該緩衝層上に設けられた含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を該発光層に格子整合するｐ形並びにｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体からなるクラッド層で挟持したｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部と、該発光部上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電流拡散層とを少なくとも備えてなる、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１２】
また本発明では、上記（１）の発明の構成に加えて、（２）クラッド層を、インジウム組成比（インジウム濃度）を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成したことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１３】
また本発明では、上記（１）または（２）の発明の構成に加えて、（３）クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から電流拡散層を構成したことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１４】
特に、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に於いて、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０．９４≦Ｘ≦１）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＮ1-XＰX、但し０．９７≦Ｘ≦１）から構成するのが好ましい。
【００１５】
また、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に於いて、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ：０．４３≦Ｘ≦１）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＮ1-XＡｓX、但し０．７７≦Ｘ≦１）から構成するのが好ましい。
【００１６】
また、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に加えて、クラッド層を窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）から構成する。或いは、クラッド層を窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成するのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態では、ｎ形またはｐ形の低抵抗Ｓｉ単結晶を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ用途の積層構造体を構成する。比抵抗（抵抗率）にして数ミリオーム・センチメートル（ｍΩ・ｃｍ）或いはそれ以下の良導性のＳｉ単結晶は基板として好適に利用できる。例えば、リン（Ｐ）或いは砒素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）を添加した低抵抗のｎ形Ｓｉ単結晶を基板として所謂、ｎ−サイドアップ（ｓｉｄｅ−ｕｐ）型ＬＥＤ用途の積層構造体を構成する。また、例えば、硼素（Ｂ）を添加した低抵抗のｐ形Ｓｉ単結晶を基板とすれば、ｐ−サイドアップ型のＬＥＤ用途の積層構造体が構成できる。
【００１８】
Ｓｉ単結晶基板の面方位は｛１００｝、｛１１０｝または｛１１１｝等から選択できる。これら低ミラー指数面より角度に数度から数十度の範囲で傾斜した面方位を有するＳｉ単結晶も基板として利用できる。｛１１１｝結晶面は、｛１００｝結晶面に比較してＳｉ原子が稠密に存在している。このため、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶では、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）のＳｉ単結晶内への拡散、侵入が有効に抑制され、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層を成膜するに好都合となる。｛３１１｝や｛５１１｝等の高次のミラー指数面を有するＳｉ単結晶もリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）のチャネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）如きのＳｉ単結晶基板への侵入を抑制するに効果がある。しかし、基板表面の面方位を反映して上層の成長方位も高次なものとなり、個別のＬＥＤへの裁断が複雑となるなどの不都合を生ずる場合がある。
【００１９】
Ｓｉ単結晶基板上に設ける緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層はリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。例えば、リン化硼素（ＢＰ）または砒化硼素（ＢＡｓ）などから構成する。その他、緩衝層を構成する材料として、Ｓｉ単結晶（格子定数＝５．４３０９Å）と同一の格子定数を有する窒化リン化ガリウム混晶（ＧａＮ0.02Ｐ0.98）、窒化砒化ガリウム混晶（ＧａＮ0.19Ａｓ0.81）、リン化硼素ガリウム混晶（Ｂ0.02Ｇａ0.98Ｐ）（特開平１１−２６６００６号公報）、及び砒化硼素ガリウム混晶（Ｂ0.25Ｇａ0.75Ａｓ）（特開平１１−２６０７２０号公報）等から構成できる。また、インジウム（Ｉｎ）を構成元素として含むリン化硼素インジウム混晶（Ｂ0.33Ｉｎ0.67Ｐ）及び砒化硼素インジウム混晶等（Ｂ0.40Ｉｎ0.60Ａｓ）から構成できる。また、立方晶の窒化リン化インジウム混晶（ＩｎＮ0.49Ｐ0.51）及び窒化砒化インジウム混晶（ＩｎＮ0.58Ａｓ0.42）から構成できる。これらの混晶は、Ｓｉ単結晶と格子整合するため、格子不整合に起因する結晶欠陥の少ない良質の緩衝層が構成できる。緩衝層の伝導形は基板伝導形に合致させるのが望ましい。
【００２０】
Ｓｉ単結晶とは格子定数を異にする例えば、リン化硼素（ＢＰ）や砒化硼素（ＢＡｓ）の場合、比較的低温で成長させると、Ｓｉ単結晶との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和して結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす作用を発揮する緩衝層が構成できる。例えば、２５０℃以上５００℃以下の比較的低温で成膜したＢＰ低温緩衝層は、約１６％に及ぶＳｉ単結晶との格子ミスマッチ（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．２（１９９７）、１５０頁参照）を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の少ない良質の多層構造体の構成層をもたらすに効果を奏する。低温緩衝の層厚としては、一般に数ナノメータ（ｎｍ）から数十ｎｍが適する。薄膜の低温緩衝層にもＳｉ単結晶基板と同一の伝導性が得られる様に不純物ドーピングを施すと、ＬＥＤにあっては、順方向電圧（Ｖf）の低減に効果が挙げられる。ＢＰ低温緩衝層上に、低温緩衝層の成長温度よりも高温の７５０℃〜１２００℃で成長させたＢＰ高温層を重層させて全体として緩衝層を構成する技術手段もある（米国特許６０６９０２１号参照）。
【００２１】
緩衝層上には、ｐｎ接合型ヘテロ接合の発光部の一構成層である下部クラッド層を積層する。下部クラッドの伝導形はＳｉ単結晶基板及び緩衝層の伝導形に合致させるのが通例である。クラッド層を緩衝層と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成すると、格子ミスマッチに起因して発生する結晶欠陥密度が低く結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体から発光部を構成できる。例えば、ｎ形またはｐ形リン化硼素（格子定数＝４．５３１Å）緩衝層上には、窒素組成比を０．９７（＝９７％）とする立方晶の窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）なる下部クラッド層を積層する。また、ＢＰ層とＧａＮ0.97Ｐ0.03の各層を交互に重層させた多層構造からなる緩衝層上に設けたＧａＮ0.97Ｐ0.03からは、緩衝層に格子整合する下部クラッド層を構成できる。この多層構造は、それを構成する各層の層厚（ｎｍ）を、発光波長（λ：ｎｍ）と屈折率（ｎ）との関係式λ／（４・ｎ）で与えられる値に合致させるとブラッグ反射層（伊賀、小山共著、「面発光レーザ」（１９９０年９月２５日、（株）オ−ム社発行第１版第１刷、１１８〜１１９頁参照）としても利用できる。また、砒化硼素（格子定数＝４．７７７Å）緩衝層上には、窒素組成比を０．７２とする立方晶のＧａＮ0.72Ｐ0.28を下部クラッド層として積層できる。
【００２２】
下部クラッド層上には、下部クラッド層と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光（活性）層を積層する。例えば、ＢＰ緩衝層と格子整合を果たす立方晶ＧａＮ0.97Ｐ0.03（格子定数＝４．５３８Å）からなる下部クラッド層上には、インジウム（Ｉｎ）組成比を０．１０とする窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ）を発光層として積層する。下部クラッド層と格子整合の関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体から発光層を構成すれば、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の低い結晶性に優れる発光層がもたらされる利点がある。また、例えば、ＢＡｓ緩衝層と格子整合する立方晶ＧａＮ0.72Ｐ0.28（格子定数＝４．７７７Å）上には、インジウム組成比を０．４３とするＧａ0.57Ｉｎ0.43Ｎ発光層を積層させる。上記の様な下部クラッド層の構成材料から障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層を、また、発光層構成材料から井戸（ｗｅｌｌ）層を各々、構成してなした単一量子井戸（ＳＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を発光層として利用することもできる。この場合、井戸層と障壁層とは互いに格子整合するため、結晶性に優れる井戸層を保有する発光層がもたらされる。このため、発光強度の増大を果たすに効果が奏される。
【００２３】
発光層は不純物を故意に添加していないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）層から構成できる。また、ｐ形及びｎ形の不純物をドーピングしたＩＩＩ族窒化物半導体から構成できる。ｎ形或いはｐ形緩衝層または下部クラッド層を得る場合と同様に、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）がｐ形ドーパントとして使用できる。ｎ形ドーパントの例には、Ｓｉや錫（Ｓｎ）等の第ＩＶ族元素或いは硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等の第ＶＩ族元素が使用できる。炭素（Ｃ）等の両性不純物もドーパントとして利用できる。緩衝層並びに下部クラッド層には、例えばＬＥＤにあって順方向電圧（Ｖf）の徒な増加を来さない程度のキャリア濃度を顕現する様に不純物が添加されているのが望ましい。キャリア濃度としては概ね、５×１０17ｃｍ-3以上、５×１０19ｃｍ-3以下の範囲が適する。約５×１０19ｃｍ-3を越える高いキャリア濃度を得んがために多量に不純物をドーピングすると緩衝層或いはクラッド層を構成する結晶層に歪みが発生する場合がある。このため、緩衝層と下部クラッド層間で、或いは下部クラッド層間の良好な格子整合性が維持できなくなり、結晶性に優れる下部クラッド層または発光層を得るに不都合となる。
【００２４】
発光層のキャリア濃度としては大凡、５×１０16ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3の範囲が適する。この範囲のキャリア濃度は、不純物をさして多量にドーピングすることもなく帰結できる。このため、下部クラッド層との格子整合性を乱すことなく良質の発光層がもたらされる。量子井戸構造からなる発光層の場合、酸素（Ｏ）を含む高抵抗のＩＩＩ族窒化物半導体薄層は障壁層等としても利用できる。
【００２５】
本発明の第２の実施形態では、発光層を多相構造の含インジウム窒化物半導体から構成する。含インジウム窒化物半導体には、窒化硼素・インジウム（ＢXＩｎ1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）、窒化アルミニウム・インジウム（ＡｌXＩｎ1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）、窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）等一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎδＮ（０≦α、β、γ≦１、０＜δ≦１、 α＋β＋γ＋δ＝１）で表記されるＩＩＩ族窒化物半導体が例示できる。また、窒素（Ｎ）と窒素（Ｎ）とは別の例えば、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の第Ｖ族元素を構成元素として含む一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎδＮ1-ZＭZ（０≦α、β、γ≦１、０＜δ≦１、 α＋β＋γ＋δ＝１、０＜Ｚ＜１）で表記されるＩＩＩ族窒化物半導体も含インジウム窒化物半導体である。これには、例えば、立方晶の窒化リン化インジウム（ＩｎＮ1-ZＰZ：０＜Ｚ＜１）、立方晶の窒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａαＩｎβＮ1-ZＰZ、但し０≦α≦１、０＜β≦１、α＋β＝１、０＜Ｚ＜１）、立方晶の窒化砒化インジウム（ＩｎＮ1-ZＡｓZ：０＜Ｚ＜１）、または立方晶の窒化砒化ガリウム・インジウム（ＧａαＩｎβＮ1-ZＡｓZ、但し０≦α≦１、０＜β≦１、α＋β＝１、０＜Ｚ＜１）等から構成できる。混晶の組成比は下部クラッド層を格子整合を果たせる組成に設定する。
【００２６】
上記の如くの含インジウム化合物半導体からなる多相構造の発光層とは、インジウムの組成または濃度を異にする複数のドメイン（ｄｏｍａｉｎ）或いは相（ｐｈａｓｅ）からなることを指す（特開平１０−５６２０２号公報）。多相構造の発光層にあって、空間的に大きな占有率を有する相を主体相（ｍａｔｒｉｘ  ｐｈａｓｅ）と称する。主体相の中には、微小な結晶粒等の形態をもって存在する相がある。例えば、直径を概して、数ｎｍから数十ｎｍとする量子ドット（ｄｏｔ）状の形態で存在する微結晶体がある。これを従属相（ｓｕｂｓｉｄａｒｙ  ｐｈａｓｅ）と仮称する。発光層を多相構造のＩＩＩ族窒化物半導体層から構成することの利点は高強度の発光が得られることによる（上記の特開平１０−５６２０２号公報）。従属相は主体相に比較してインジウム組成または濃度を大とするのが通例である。また、従属相の相互でもインジウム組成または濃度を相違するのが一般である。
【００２７】
多相構造からなる発光層では、主体相中に従属的に散在する従属相のインジウム組成比或いは濃度の差異に主に起因して主たる発光に加えて副次的な発光が発生する場合がある。副次的な発光が発生すると単色性を欠いた発光がもたらされ不都合となる。係る様な副次的な発光は、発光層の成長後に於いて適切な冷却速度の冷却過程を経由させて、従属相の大きさ（体積）の画一化を達成することにより回避することができる（特開平１０−３１３１３３号公報）。
【００２８】
また、第２の実施形態では、多相構造をなす主体相に対して格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からクラッド層を構成する。多相構造発光層内で空間的に占有する体積の微小な従属相に格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成しても、発光層の全般に対して充分に良好な格子整合性を発揮するクラッド層は構成できない。また、従属相は主体相に比して、インジウム組成比が大であるため、禁止帯幅（ｂａｎｄ  ｇａｐ）は小さい。このため、従属相と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からクラッド層を構成すると、主体相に対する禁止帯幅の差異が、従属相とのそれに比べてより小となる場合がある。このため、主体相に対しては、充分なクラッド作用が発揮できない場合がある。一方、主体相について格子整合をなすＩＩＩ族窒化物半導体からは、発光層は主体相を主として構成されているため、全般として発光に良好な格子整合性をなすクラッド層が構成できる。また、従属相よりも禁止帯幅を大とする主体相を基準にしてクラッド作用を及ぼすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成すれば、従属相に対してもクラッド作用を果すことができる。従って、本発明の第２の実施形態では、多相構造の発光層の主体相に対し格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成することとする。此処で云うクラッド層とは、単一（ｓｉｎｇｌｅ）ヘテロ構造の発光部では、発光層の一面に接合するクラッド層である。また、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部では、発光層の両面に接合している上部、下部クラッド層を指す。
【００２９】
本発明の第３の実施形態では、発光部上に設ける電流拡散層を、上部クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。例えば、ｎ形またはｐ形のＧａＮ0.97Ｐ0.03（格子定数＝４．５３８Å）からなる上部クラッド層上には同じくｎ形またはｐ形のＧａＮ0.97Ｐ0.03からなる電流拡散層を設ける。上部クラッド層と電流拡散層の伝導形は一致させる。また、ｎ形またはｐ形ＧａＮ0.97Ｐ0.03からなる上部クラッド層に格子整合するリン化硼素（ＢＰ：格子定数＝４．５３８Å）からｎ形またはｐ形の電流拡散層を構成する。上部クラッド層に格子整合する材料から構成された電流拡散層は、格子不整合に起因して発生するミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さい良質の結晶層となる。このため、転位等の結晶欠陥を介して素子駆動用電流が発光部に短絡的に且つ局所的に流通するのを抑制できる。また、発光部の略全面の広範囲に亘りに駆動用電流を拡散でき、しいては発光面積の拡張が達成される。なお、本発明で上部クラッド層と電流拡散層は格子不整合度が±１％、望ましくは±０．５％の範囲で格子整合していればよく、クラッド層ないし電流拡散層の組成は上記の範囲で格子整合する範囲でばらつきがあってもよい。
【００３０】
電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部の広範囲に均等に分散できる様な低抵抗層であるのが好ましい。キャリア濃度に換算して５×１０17ｃｍ-3以上で、より好ましくは１×１０18ｃｍ-3以上で約１×１０20ｃｍ-3以下とする。約１×１０20ｃｍ-3を越える高キャリア濃度となる様に不純物が過剰にドーピングされた結晶層は、ドーピング不純物と結晶層の構成原子との原子半径の差異に主に起因して発生する歪や転位等を含むものとなる。素子駆動電流は転位等の結晶欠陥を介して短絡的に発光部へ流入することとなり、発光面積を拡張するに支障を来す。電流拡散層をオーミック電極形成用のコンタクト層を兼用する層として設ける構成を考慮すると、電流拡散層の層厚は大凡、２０ｎｍ以上であるのが望ましい。約２０ｎｍ未満の薄層とすると、オーミック電極を構成する金属材料が発光部に侵入して、発光部構成層と直接的に接触してしまう場合がある。このため、素子駆動用電流が電流拡散層内を平面的に拡散して通流するのではなく、発光部へ短絡的に流通する事態を招き、発光面積が充分に拡張されない不都合を生ずる。電極を構成材料の浸透を電流拡散層内に止めておくために、電流拡散層の層厚は約５０ｎｍ以上とするのがより望ましい。電流拡散層のキャリア濃度と層厚の乗算値（＝Ｎ×Ｄ）が大である程、得られる電流拡散の効果は大きい。換言すれば、キャリア濃度（Ｎ：単位ｃｍ-3）が高い程、電流拡散層の層厚（Ｄ）を薄層としても略同等の電流拡散の効果が得られる。
【００３１】
また、発光層から出射される発光を外部に効率的に取り出すために、発光波長に対応するよりも大きな禁止帯幅の材料から構成するのが望ましい。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にあって、Ｖ族構成元素をリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）とする半導体結晶は、アンチモン（Ｓｂ）を構成元素とする結晶に比較して高い禁止幅を有している（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、２８頁参照）。従って、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）をＶ族構成元素として含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からは発光を外部に透過する窓（ｗｉｎｄｏｗ）層の役目も担う電流拡散層を好都合に構成できる。
【００３２】
本発明の第４の実施形態では、特に、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＮ1-XＰX）から構成するのが好ましい。立方晶を主体としてなるとは、立方晶の占有する体積が全体の概ね、９０％以上であることをいう。他の構成要素は六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）のＧａＩｎＮ結晶である。結晶層内の立方晶の体積占有率は、例えば精密Ｘ線回折法を利用して解析できる。立方晶のＧａXＩｎ1-XＮと立方晶ＢＮ1-XＰXの格子定数が合致する範囲は、ＧａXＩｎ1-XＮにあって０．９４≦Ｘ≦１の範囲であり、また、ＢＮ1-XＰXにあって０．９７≦Ｘ≦１の範囲である。クラッド層と格子整合の関係にある結晶層から、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さい良質の電流拡散層が構成できる。このため、結晶性に優れる電流拡散層が構成できるため、素子駆動電流の発光部への短絡的な流通を抑制して、発光部の略全面に均等の駆動用電流を拡散するに効果が奏される。
【００３３】
本発明の第５の実施形態では、特に、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＮ1-XＡｓX）から構成してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。立方晶のＧａXＩｎ1-XＮと立方晶ＢＮ1-XＡｓXの格子定数が合致する範囲は、ＧａXＩｎ1-XＮにあって０．４３≦Ｘ≦１の範囲であり、また、ＢＮ1-XＡｓXにあって０．７７≦Ｘ≦１の範囲である。クラッド層と格子整合するＢＮ1-XＡｓXからは、良質の電流拡散層が構成できるため、素子駆動電流の発光部への短絡的な流通を抑制して、発光部の略全面に均等の駆動用電流を拡散するに効果が奏される。
【００３４】
本発明の第６の実施形態では、クラッド層を窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成して、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。リン化硼素（ＢＰ）はＧａＮ0.97Ｐ0.03に格子整合をなす閃亜鉛鉱型の結晶（格子定数＝４．５３８Å）であるため、素子駆動用電流を平面的に拡散するに好都合となる電流拡散層を構成できる。また、ＢＰは立方晶の結晶であり、そのバンド（ｂａｎｄ）構造から電流拡散層に好適なキャリア濃度の結晶層が簡便に得られる利点がある。
【００３５】
また、本発明の第７の実施形態では、クラッド層を窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。立方晶のＧａＮ0.98Ａｓ0.02の格子定数は４．５３８Å）であり、その上には格子整合関係にあるＢＰ結晶から駆動用電流の平面的な拡散を促す良質の電流拡散層を積層できる。
【００３６】
一方、ＢＰは室温での禁止帯幅を約２．０ｅＶとする間接遷移型の半導体である（上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）、従って、例えば波長を４５０ｎｍとする青色発光或いは波長を５２０ｎｍとする緑色発光を充分に透過するに至らない。従って、ＢＰ結晶層を電流拡散層として発光の取り出し方向に配置する方式のＬＥＤにあっては、ＢＰ電流拡散層の層厚を概ね、１００ｎｍ未満とするのが好ましい。上記の如く、電流拡散層の層厚を減ずるに伴いキャリア濃度を適宣、増加させることとすれば、電流拡散の効果は獲得できる。ＢＰ結晶では、価電子帯が縮帯しているバンド構造上の優位さから（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、ｎ形共々、高キャリア濃度の結晶層が得られ易い。特に、本発明に記載の如く、低温ＢＰ緩衝層を介して成長させた高温ＢＰ緩衝層では、高濃度の不純物ドーピングは容易に達成できる。
【００３７】
本発明に記載の緩衝層、下部及び上部クラッド層、発光層並びに電流拡散層は有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）気相成長（ＶＰＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）等により形成できる。電流拡散層をなすＢＰ結晶層を例えば、トリエチル硼素（（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ3）／水素（Ｈ2）反応系を利用して成膜する場合、約９００℃から約１２００℃が適する。より高温で成長すると、単量体のＢＰの他に、例えば、化学式Ｂ13Ｐ2で表される多量体のＢＰが形成され易くなり、ＢＰ単結晶層を得るに不都合となる。ＢＰと格子整合を果たすＧａＮ0.97Ｐ0.03結晶層も略同様の温度範囲を好適として成長できる。
【００３８】
本発明に係わる発光部を備えた積層構造体の上面と下面（Ｓｉ基板裏面）に正、負のオーミック（Ｏｈｉｍｉｃ）電極を敷設すれば、ＬＥＤ等のＬＥＤが構成できる。ｎサイドアップ型用途の積層構造体では、基板はｐ形のＳｉ単結晶であり、上表面はｎ形の電流拡散層となるため、正（陽）オーミック電極を基板裏面に、負（陰）オーミック電極を電流拡散層上に設けてＬＥＤを構成する。ｐサイドアップ型用途の積層構造体では、逆にＳｉ基板裏面にｎ形オーミック電極を設け、上表面にｐ形オーミック電極を設けてＬＥＤを構成する。オーミック電極の接触抵抗を減ずるために、電流拡散層上に改めて良導性のコンタクト層を設けることもできる。この場合、オーミック電極はコンタクト層上に敷設する。コンタクト層を電流拡散層に格子整合し、且つ発光波長に対応する遷移エネルギーよりも大きな禁止帯幅を有する材料から構成すると、入力抵抗が低く且つ発光の外部への透光性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが得られる。
【００３９】
【作用】
含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を挟持するクラッド層は、発光層との格子整合性から格子の不整合性に起因するミスフィット転位などの結晶欠陥の少ない結晶性に優れる発光層をもたらす作用を有する。
【００４０】
インジウム組成比（インジウム濃度）を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に対して、格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成したクラッド層は、発光層の主体相及び従属相の何れにも有効なポテンシャル障壁となる障壁層として作用する。
【００４１】
クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からからなる電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部に平面的に拡散させる作用を有する。
【００４２】
特に、クラッド層と格子整合をなすリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成した電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部に平面的に均等に拡散させ、発光面積の拡張を促す作用を有する。
【００４３】
【実施例】
（実施例１）
Ｓｉ単結晶上にリン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して設けた窒化リン化ガリウム混晶（ＧａＮ1-XＰX、但し０≦Ｘ≦１）と窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０≦Ｘ≦１）からなる格子整合系の発光部を具備したＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを例にして本発明を具体的に説明する。本実施例１に係わるＬＥＤ１０の断面模式図を図１に示す。
【００４４】
基板１０１には、硼素（Ｂ）ドープｐ形（１１１）−Ｓｉ単結晶を用いた。基板１０１上にはリン化硼素（ＢＰ）からなる低温緩衝層１０２を堆積した。低温緩衝層１０２はトリエチル硼素（（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ3）／水素（Ｈ2）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で成長させた。緩衝層１０２の層厚は約１４ｎｍとした。低温緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、９５０℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形ＢＰ層を高温緩衝層１０３として積層した。マグネシウムのドーピング源にはビス−シクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ5Ｈ4）2Ｍｇ）を用いた。高温緩衝層１０３のキャリア濃度は約７×１０18ｃｍ-3とした。層厚は２５０ｎｍとした。
【００４５】
高温緩衝層１０３上には、リン化硼素（ＢＰ）と格子整合するリン（Ｐ）組成比を０．０３（＝３％）とするマグネシウムドープｐ形窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）層を下部クラッド層１０４として積層した。立方晶ＧａＮ0.97Ｐ0.03層は、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）／ＰＨ3／アンモニア（ＮＨ3）／Ｈ2系常圧ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で成長させた。下部クラッド層１０４のキャリア濃度は約８×１０17ｃｍ-3とし、層厚は約１２ｎｍとした。
【００４６】
下部クラッド層１０４上には、層厚を約１０ｎｍとするｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ1-XＩｎXＮ）からなる発光層１０５を積層した。インジウム組成比（＝Ｘ）は下部クラッド層１０４を構成するＧａＮ0.97Ｐ0.03層に格子整合を果たす０．１０とした。発光層１０５は、（ＣＨ3）3Ｇａ／シクロペンタジエニルインジウム（Ｃ5Ｈ5Ｉｎ）／ＰＨ3／ＮＨ3／Ｈ2系常圧ＭＯＣＶＤ法により８３０℃で成長させた。
【００４７】
発光層１０５の表面上には、（ＣＨ3）3Ｇａ／ＰＨ3／ＮＨ3／Ｈ2系常圧ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で上部クラッド層１０６を積層した。上部クラッド層１０６は、立方晶のＧａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ発光層１０５に格子整合する珪素（Ｓｉ）ドープｎ形ＧａＮ0.97Ｐ0.03層から構成した。上部クラッド層１０６のキャリア濃度は約８×１０17ｃｍ-3とし、層厚は２４０ｎｍとした。立方晶のｐ形ＧａＮ0.97Ｐ0.03下部クラッド１０４と立方晶Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ発光層１０５と立方晶のｎ形ＧａＮ0.97Ｐ0.03上部クラッド層１０６とから格子整合系のｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部１０８を構成した。
【００４８】
上部クラッド層１０６上には、ＧａＮ0.97Ｐ0.03層に格子整合するｎ形リン化硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層１０７を積層させた。電流拡散層１０７をなすＳｉドープＢＰ層は、（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ／ＰＨ3／Ｈ2系常圧ＭＯＣＶＤ法により、１０００℃で成長させた。電流拡散層１０７の層厚は約５０ｎｍとし、また、キャリア濃度は約１×１０19ｃｍ-3に設定した。
【００４９】
ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からなるｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０９を形成した。また、電流拡散層１０７の表面の中央には、金（Ａｕ）からなるｎ形オーミック電極１１０を配置した。ｎ形オーミック電極１１０の直径は約１３０μｍとした。然る後、基板１０１としたＳｉ単結晶を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３００μｍとするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）１０となした。
【００５０】
両オーミック電極１０９〜１１０間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ−Ｖ特性）は発光部１０８の良好なｐｎ接合特性に基づく正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（Ｖf）は約３．１Ｖ（但し、順方向電流は２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（但し、逆方向電流は１０μＡ）となった。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際には、発光中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約１６マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００５１】
（実施例２）
実施例１に記載の積層構造体に於いて、上部クラッド層（図１の符号１０６）のみを砒化窒化ガリウム（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）層に変更し、他の構成層は実施例１と同一としてＬＥＤを構成した。上部クラッド層をなすｎ形砒化窒化ガリウムの砒素組成比は、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ発光層及びＢＰ電流拡散層と同一の格子定数（＝４．５３８Å）となる２％（＝０．０２）に設定した。上部クラッド層のキャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3とし、層厚は約２００ｎｍとした。
【００５２】
その他は実施例１と同様にして形成したＬＥＤの正・負両オーミック電極間に２０ｍＡの順方向電流を通流したところ、中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電圧（Ｖf）は約３．１Ｖとなった。チップ状態での発光強度は約１５μＷであり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００５３】
（実施例３）
本実施例３に係わるＬＥＤ２０の断面模式図を図２に示す。
リン（Ｐ）ドープｎ形（１１１）−Ｓｉ単結晶基板２０１上に、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）／（ＣＨ3）3Ｇａ／アルシン（ＡｓＨ3）／Ｈ2系減圧ＭＯＣＶＤ法で４００℃で砒化硼素・ガリウム（ＢXＧａ1-XＡｓ、但し０≦Ｘ≦１）から構成した低温緩衝層２０２を積層させた。硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）はＳｉ単結晶に格子整合する０．２５とした。低温緩衝層２０２は約１．３×１０4パスカル（Ｐａ）の減圧下で成長させた。低温緩衝層２０２の層厚は約１５ｎｍとした。
【００５４】
断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）法での観察に依れば、成膜時のアズ・グローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態のＢ0.25Ｇａ0.75Ａｓ低温緩衝層２０２では、Ｓｉ単結晶基板２０１との接合面から大凡、３ｎｍに至る上方の領域は単結晶となっていた。また、Ｂ0.25Ｇａ0.75Ａｓ低温緩衝層２０２とｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１とには、剥離は認められず良好な密着性が保持された。低温緩衝層２０２の上部は非晶質体を主体として構成されていた。
【００５５】
Ｂ0.25Ｇａ0.75Ａｓ低温緩衝層２０２上には、上記の減圧ＭＯＣＶＤ反応系を利用して、９５０℃で硼素組成（＝Ｘ）に組成勾配を付与したＳｉドープＢXＧａ1-XＰ高温結晶層２０３を積層した。硼素（Ｂ）の組成比は、高温緩衝層２０３の層厚の増加方向に０．０２より１．０に直線的に増加させた。即ち、組成勾配高温緩衝層２０３の表面はリン化硼素（ＢＰ）層とした。硼素（Ｂ）の組成勾配はＭＯＣＶＤ反応系へのジボランの供給量を経時的に一律に増加させ、逆にトリメチルガリウムの供給量を一律に減少させて付した。層厚は約１７ｎｍとした。高温緩衝層２０３の成長時の反応系の圧力は約１．３×１０4Ｐａに設定した。ＢXＧａ1-XＰ組成勾配（Ｘ＝０．０２→１．０）緩衝層２０３の成長時には、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）−Ｈ2混合ガスを使用してＳｉをドーピングした。キャリア濃度は約１×１０18ｃｍ-3に設定した。Ｘ線回折分析法での解析に依れば、高温結晶層２０３は（１１１）配向性の立方晶のＢXＧａ1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）単結晶層であると認められた。
【００５６】
高温緩衝層２０３としたＢXＧａ1-XＰ組成勾配層の成膜を終了した後では、Ｂ0.25Ｇａ0.75Ａｓ低温緩衝層２０２内部の非晶質体の大部分は、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態でＳｉ単結晶基板２０１との境界領域に存在していた単結晶層を基として単結晶）化した。また、ＢXＧａ1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）高温緩衝層２０３は、Ｓｉ単結晶と格子整合する組成のＢ0.25Ｇａ0.75Ａｓ（格子定数＝５．４３１Å）からなる低温緩衝層２０２上に設けたため、剥離することのない連続膜となった。
【００５７】
高温緩衝層２０３上には、（ＣＨ3）3Ｇａ／Ｃ5Ｈ5Ｉｎ／ＮＨ3／Ｈ2系減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で、インジウム組成比を１％（＝０．０１）とするｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ0.99Ｉｎ0.01Ｎ）からなる下部クラッド層２０４を設けた。下部クラッド層２０４のキャリア濃度は約５×１０18ｃｍ-3とし、、層厚は約３００ｎｍとした。下部クラッド層２０４上には、（ＣＨ3）3Ｇａ／Ｃ5Ｈ5Ｉｎ／ＮＨ3／Ｈ2系減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で、主体相のインジウム組成比を０．０１とし、平均的なインジウム組成比を約０．０６とする多相構造のｎ形発光層２０５を設けた。発光層２０５の層厚は約８０ｎｍとした。多相構造発光層２０５上には、上記のＭＯＣＶＤ反応系を利用して、ｐ形のＧａ0.99Ｉｎ0.01Ｎからなる上部クラッド層２０６を積層させてｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部２０８を構成した。上部クラッド層２０６のキャリア濃度は７×１０17ｃｍ-3とし、層厚は約１０ｎｍとした。
【００５８】
ｐ形Ｇａ0.99Ｉｎ0.01Ｎ上部クラッド層２０６上には、ｐ形窒化リン化硼素（ＢＮ1-XＰX、但し０．９７≦Ｘ≦１）層を電流拡散層２０７として積層した。窒素組成比は上部クラッド層と同一の格子定数（＝４．５１５Å）となる０．０２とした。
【００５９】
ｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からなるｎ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極２０９を形成した。また、電流拡散層２０７の表面の中央には、金（Ａｕ）からなるｐ形オーミック電極２１０を配置した。ｐ形オーミック電極２１０の直径は約１３０μｍとした。然る後、基板２０１としたＳｉ単結晶を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約２６０μｍとするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）２０となした。
【００６０】
両オーミック電極２０９〜２１０間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ−Ｖ特性）は発光部２０８の良好なｐｎ接合特性に基づく正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（Ｖf）は約３．５Ｖ（但し、順方向電流は２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（但し、逆方向電流は１０μＡ）となった。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際には、発光中心波長を約４１０ｎｍとする青色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約２２ｎｍであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約１２マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００６１】
（実施例４）
実施例３に記載の積層構造体に於いて、電流拡散層（図２の符号２０７）のみを砒化窒化硼素（ＢＮ1-XＡｓX、但し０．７７≦Ｘ≦１）層に変更し、他の構成層は実施例３と同一としてＬＥＤを構成した。電流拡散層をなすマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形砒化窒化硼素の砒素組成比は、発光層の主体相及び上部クラッド層をなすＧａ0.99Ｉｎ0.01Ｎと同一の格子定数（＝４．５１５Å）となる７７％（＝０．７７）に設定した。電流拡散層のキャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3とし、層厚は約２００ｎｍとした。
【００６２】
その他は実施例３と同様にして形成したＬＥＤの正・負両オーミック電極間に２０ｍＡの順方向電流を通流したところ、中心波長を約４１０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電圧（Ｖf）は約３．３Ｖとなった。チップ状態での発光強度は約１１μＷであり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に依れば、Ｓｉ単結晶基板表面上に、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層を介して、格子整合関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体層からｐｎ接合型ＤＨ接合構造の発光部を設けたので、格子のミスマッチに起因する結晶性の悪化を回避して、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成することができる。また、発光部上に設ける電流拡散層を発光部を構成するクラッド層に格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に全般に拡散させる効果が得られ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６４】
特に、クラッド層をインジウム組成比を異にする複数の相からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成すると、発光層との格子整合による良好な結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からクラッド層を構成できると共に、多相構造発光層に対して確実に障壁（クラッド）作用を及ぼすクラッド層を構成することができ、しいては、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６５】
また、クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から電流拡散層を構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の全域に亘り、広範囲に拡散できる電流拡散層を構成することができ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６６】
特に、立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ、但し０≦Ｘ≦０．９０）からなるクラッド層について、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＰ1-XＮX、但し０≦Ｘ≦０．０３）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６７】
特に、立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（ＧａXＩｎ1-XＮ：０．４３≦Ｘ≦１）からなるクラッド層について、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＡｓ1-XＮX、但し０≦Ｘ≦０．２３）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６８】
特に、窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ0.97Ｐ0.03）からなるクラッド層について、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６９】
また特に、窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）からなるクラッド層について、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１、２に係わるＬＥＤの断面模式図である。
【図２】実施例３、４に係わるＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１０、２０  ＬＥＤ
１０１、２０１  Ｓｉ単結晶基板
１０２、２０２  低温緩衝層
１０３、２０３  高温緩衝層
１０４、２０４  下部クラッド層
１０５、２０５  発光層
１０６、２０６  上部クラッド層
１０７、２０７  電流拡散層
１０８、２０８  発光部
１０９、２０９  裏面オーミック電極
１１０、２１０  表面オーミック電極
【図１】
0003646655.tif 000002
【図２】
0003646655.tif 000003