(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の基板と、基板上に積層された緩衝層と、緩衝層上に積層された硼素（Ｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層と、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる発光層とを備えている発光素子用積層構造体であって、障壁層を、上記の緩衝層に対向する表面で緩衝層に格子整合する硼素組成比を有し、上記の発光層に対向する表面で発光層に格子整合する硼素組成比を有する、層厚の増加方向に硼素組成比に勾配を付した、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を基材とした含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる組成勾配層から構成したことを特徴とする発光素子用積層構造体。
【請求項２】
含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を、発光層に対向する障壁層の表面を構成する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と同一の材料から構成したことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項３】
発光層を、砒化リン化硼素・ガリウム（ＢYＧａ1-YＡｓ1-ZＰZ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）から構成したことを特徴とする、請求項１または２に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項４】
含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層を、基板を構成する単結晶材料に格子整合する組成を有する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成した緩衝層上に設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項５】
単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・ガリウム（ＢXＧａ1-XＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項６】
単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・インジウム（ＢXＩｎ1-XＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項７】
緩衝層が、非晶質または多結晶から構成され、障壁層が｛１１０｝結晶面を主体としてなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合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６の何れか１項に記載の発光素子用途積層構造体。
【請求項８】
単結晶基板を導電性の材料から構成し、単結晶基板の裏面にオーミック接触性の裏面電極を設けることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項９】
発光層の上にさらにオーミック接触性の表面電極を設け、さらに表面電極を良導性のコンタクト層上に設けることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項１０】
コンタクト層を、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を基材とした含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することを特徴とする請求項９に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項１１】
緩衝層上または障壁層上に、ｐｎ接合型ツェナ（Ｚｅｎｎｅｒ）ダイオードがサージダイオードとして設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項１２】
ｐｎ接合型ツェナダイオードを、障壁層と、障壁層に接合させた含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とのｐｎ接合構造体から構成することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子用積層構造体。
【請求項１３】
請求項７に記載の発光素子用途積層構造体の[１１０]劈開面を共振端面として製造したレーザダイオード。
【請求項１４】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体を用いて構成したことを特徴とする発光素子。
【請求項１５】
同一の単結晶基板上に、発光素子と当該発光素子からの発光の強度を制御するための電子部品を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
電子部品を、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層上に設けていることを特徴とする請求項１５に記載の発光素子。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６の何れか１項に記載の発光素子から構成したことを特徴とするランプ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のランプを用いて構成したことを特徴とする光源。
【請求項１９】
請求項１７に記載のランプを、電気的に直列または並列に接続させて構成したことを特徴とする定電流駆動型または定電圧駆動型の光源。
【請求項２０】
請求項１７に記載のランプを用いた冷凍食品の展示用の光源。
【請求項２１】
請求項１７に記載のランプを用いた屋外表示器に用いられる光源。
【請求項２２】
請求項１７に記載のランプを用いた交通信号に用いられる光源。
【請求項２３】
請求項１７に記載のランプを用いた自動車用途の方向指示器に用いられる光源。
【請求項２４】
請求項１７に記載のランプを用いた照明に用いられる光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる発光層と、硼素（Ｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる障壁層とを備えた発光素子用積層構造体と、その積層構造体から発光素子、ランプ及び光源を構成するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を発光層として備えた発光素子として、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）を発光層とした緑色帯の発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている（寺本  巖著、「半導体デバイス概論」（（株）培風館、１９９５年３月３０日発行初版、１１８〜１２１頁参照）。また、別の従来例として、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ１−ＸＰＸ：０≦Ｘ≦１）黄色帯ＬＥＤが知られている（上記の「半導体デバイス概論」、１１４〜１１６頁参照）。これら実用に至っている含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層とする発光素子は、何れも、ｐｎ接合型単一（ｈｏｍｏ）接合構造の発光部を備えた積層構造体から構成されているのが通例である。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一種であるリン化硼素（ＢＰ）は、イオン結合度が０．００６と低く（フィリップス著、「半導体結合論」（（株）吉岡書店、１９８５年７月２５日発行、第３刷）、４９〜５１頁参照）、特に、ｐ形伝導性の半導体層を得られ易い特徴を有している。この様なリン化硼素（ＢＰ）の特徴は、例えば、ｐｎ接合構造を簡便に構成するに優位に作用する。このため、従来から、リン化硼素系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子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）。従来において、リン化硼素系半導体層を含む積層構造体は、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を基板として構成されている（▲１▼特開平２−２７５６８２号／日本国特許第２８０９６９０号、及び▲２▼特開平１０−２４７７４５号各公報参照）。また、別の基板材料として珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）が知られている（米国特許６，０６９，０２１号参照）。また、炭化珪素（ＳｉＣ）も基板材料として用いられている（上記の特許第２８０９６９０号参照）。
【０００４】
従来において、リン化硼素系半導体層は様々な機能層として利用されている。例えば、特開平１０−２４２５６９号に記載の発明には、リン化硼素層を電流阻止層として備えた電流狭窄型の緑色レーザダイオード（ＬＤ）が開示されている。また、リン化硼素層をオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を形成するためのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として積層構造体に具備させる公知例もある（特開平１０−２４２５６８号公報参照）。また、リン化硼素層を緩衝層として備えたＬＥＤも公知となっている（特開平１０−２４２５１４号公報参照）。特に、基板材料と積層構造体構成層との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）をより良く緩和するために、比較的に低温で形成した、所謂、低温緩衝層をリン化硼素系半導体層から構成する例が知られている（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。例えば、シリコン（Ｓｉ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶基板上に、リン化硼素・ガリウム（ＢＸＧａ１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）或いはリン化硼素・インジウム（ＢＸＩｎ１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）から緩衝層を構成する技術が開示されている（特開平１１−２６６００６号公報参照）。
【０００５】
一方、従来より、リン化硼素（ＢＰ）の室温での禁止帯幅は、約２ｅＶであるとされている（▲１▼ＲＣＡ  Ｒｅｖｉｅｗ，２５（１９６４）、１５９〜１６７頁、▲２▼Ｚ．ａｎｏｒｇ．ａｌｌｇ．ｃｈｅｍ．，３４９（１９６７）、１５１〜１５７頁、及び▲３▼上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）。約２ｅＶと低い禁止帯幅のリン化硼素を基材として、より高い禁止帯幅のＢＰ系混晶を形成する技術も開示されている。例えば、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ｎ）薄層（層厚＝１ｎｍ）とリン化硼素薄層（層厚＝１ｎｍ）との超格子構造から２．７ｅＶの禁止帯幅が得られている（上記の特開平１０−２４７７４５号参照）。また、例えば、Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｂ０．５０Ｎ０．６０Ｐ０．４０５元混晶として禁止帯幅を２．７ｅＶとする半導体層を得ている（特開平２−２８８３７１号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層とするＬＥＤにあって、発光部を従来の単一（ＳＨ）構造ではなく二重（ＤＨ）構造とすれば、「光の閉じ込め」効果或いは「キャリア（担体）の閉じ込め」効果により、発光強度が増大され、高輝度のＬＥＤの実現が期待される（上記の「半導体デバイス概論」、１２４〜１２６頁参照）。例えば、上記の従来手段に依り禁止帯幅を高めたＧａＡｌＢＮＰ５元混晶を障壁層として発光層に接合させてＤＨ構造の発光部を構成する手段も勘案される。しかしながら、構成元素の組成が安定している５元混晶等の多元混晶の構成元素の組成を安定に維持することは困難であるのは周知である（上記の「半導体デバイス概論」、２４頁参照）。
【０００７】
また、禁止帯幅を約２ｅＶとするリン化硼素を基材としてより高い禁止帯幅の半導体層を得ようとする従来技術では、数ｎｍ程度の極薄膜を周期的に交互に積層させて超格子構造としなければならず、極薄膜の層厚並びに組成を安定して制御するために煩雑で冗長な成膜操作を要求される。また、超格子構造を形成するための特殊な成膜装置も要求されている（上記の特開平２−２８８３７１号参照）。
【０００８】
最近では、従来の成長操作の煩雑性を回避できる簡便な気相成長手段に依り、室温で従来に無く高い禁止帯幅のリン化硼素（ＢＰ）を得る技術が開発されている。また、室温で高い禁止帯幅を有するリン化硼素或いはそれを基材として構成される混晶を障壁（ｃｌａｄ）層として利用して、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ１−ＸＰＸ：０≦Ｘ≦１）発光層とのヘテロ接合構造を構成する技術が提案されている。
【０００９】
しかし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光層とのヘテロ接合を構成する技術にあっても、より高い発光強度の発光をもたらすに足る結晶性に優れる含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光層を得るための接合構成が求められていた。即ち、発光強度の高い例えば、ＧａＡｓ１−ＸＰＸ系発光素子をもたらすに好適となる障壁（ｃｌａｄ）層を含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する技術の更なる改良が要求されていた。
【００１０】
本発明は上記の従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、良質の含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる発光層を安定して与えられる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成を提示すると共に、その構成からなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた発光素子用積層構造体、発光素子、ランプ、及び光源を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、単結晶の基板と、基板上に積層された緩衝層と、緩衝層上に積層された硼素（Ｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる障壁層と、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる発光層とを備えている発光素子用積層構造体を提供するものであって、特に、次の（１）乃至（６）項に記載の特徴を有する発光素子用積層構造体を提供する。
（１）障壁層を、上記の緩衝層に対向する表面で緩衝層に格子整合する硼素（Ｂ）組成比を有し、上記の発光層に対向する表面で発光層に格子整合する硼素（Ｂ）組成比を有する、層厚の増加方向に硼素（Ｂ）組成比に勾配を付した含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる組成勾配層から構成したことを特徴とする発光素子用積層構造体。
（２）含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を、発光層に対向する障壁層の表面を構成する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と同一の材料から構成したことを特徴とする前記（１）に記載の発光素子用積層構造体。
（３）発光層を、砒化リン化硼素・ガリウム（ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の発光素子用積層構造体。
（４）含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層を、基板を構成する単結晶材料に格子整合する組成を有する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成した緩衝層上に設けたことを特徴とする前記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
（５）単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・ガリウム（ＢＸＧａ１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
（６）単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・インジウム（ＢＸＩｎ１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【００１２】
また本発明は、上記の積層構造体を利用した、
（７）前記（１）乃至（６）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体を用いて構成したことを特徴とする発光素子。
（８）同一の単結晶基板上に、発光素子と当該発光素子からの発光の強度を制御するための電子部品を備えていることを特徴とする前記（７）に記載の発光素子。
（９）電子部品を、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層上に設けていることを特徴とする（８）に記載の発光素子、
を提供する。さらに本発明は、
（１０）前記（７）乃至（９）の何れか１項に記載の発光素子から構成したことを特徴とするランプ。
（１１）前記（１０）に記載のランプを用いて構成したことを特徴とする光源。を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に掲示する積層構造体１Ａの断面模式図を例にして、本発明に係わる第１の実施形態を説明する。第１の実施形態に係わる積層構造体１Ａは、例えば、｛１００｝、｛１１０｝或いは｛１１１｝結晶面を主面とするｎ形またはｐ形シリコンを基板１０１として構成する。主面より特定の結晶方位に向けて傾斜した表面を有するシリコンも基板１０１として利用できる。例えば、［１１０］結晶方位に角度にして数度から十数度傾斜させた表面を有する｛１００｝を主面とするシリコンを基板１０１とできる。ｎ形或いはｐ形リン化ガリウム（ＧａＰ）または砒化ガリウム（ＧａＡｓ）或いはリン化硼素（ＢＰ）（▲１▼Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２０（１９７３）、ｐ．ｐ．８０２〜８０６．、及び▲２▼米国特許５，０４２，０４３号公報参照）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶も基板１０１として利用できる。
【００１４】
導電性の結晶材料を基板１０１とすれば、基板１０１の電気的導通性に依り、基板１０１裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０７を敷設できる。従い、導電性結晶基板は、サファイア等の絶縁性結晶を基板とした場合に於ける、積層構造体の一部を除去し、導電性の構成層表面を露出させた上で電極を形成する煩雑な工程（特開平１０−３２１９０７号公報参照）を不要となし、簡便に発光素子を構成する利便な技術手段を与える。特に、抵抗率を１０ミリオーム（ｍΩ）以下、より望ましくは１ｍΩ以下とする低比抵抗の導電性単結晶基板１０１は、順方向電圧（所謂、Ｖｆ）を低く抑えたＬＥＤ、また、放熱性に優れるため、安定した発振をもたらすＬＤを構成するに有効である。
【００１５】
単結晶基板１０１と障壁層１０３との中間には、緩衝層１０２を設ける構成とするのが望ましい。緩衝層１０２は、例えば、一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＰ１−δＡｓδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）で表記されるリン化硼素系半導体から好適に構成できる。また、例えば、一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＰ１−δＮδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０＜δ＜１）で表記される窒素（Ｎ）を含むリン化硼素系半導体から構成できる。好ましくは、構成元素数が少なく、簡便に構成できる２元結晶或いは３元混晶から構成する。例えば、単量体リン化硼素（ＢＰ）、リン化アルミニウム・硼素混晶（ＢαＡｌβＰ：０＜α≦１、０≦β＜１で且つα＋β＝１）、リン化硼素・ガリウム混晶（ＢαＧａδＰ：０＜α≦１、０≦γ＜１で且つα＋δ＝１）、或いはリン化硼素・インジウム混晶（ＢαＩｎ１−αＰ：０＜α≦１）などから構成する。
【００１６】
特に、緩衝層１０２を、基板１０１を構成する単結晶材料に格子整合する組成の結晶層から構成すると、単結晶基板１０１と例えば、障壁層１０３等の積層構造体１Ａの構成層との格子不整合性が緩和される利点が生ずる。このため、結晶性に優れる障壁層１０３或いは発光層１０４を得るに特に、効果が挙げられる。この効果をもたらすに好適な緩衝層１０２の構成材料として、シリコン（格子定数≒５．４３１Å）に格子整合するリン化硼素・ガリウム（Ｂ０．０２Ｇａ０．９８Ｐ：格子定数≒５．４３１Å）を例示できる（上記の特開平１１−２６６００６号参照）。また、リン化硼素・ガリウム（Ｂ０．３２Ｇａ０．６８Ｐ：格子定数≒５．４５０Å）や砒化硼素・ガリウム（Ｂ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ：格子定数≒５．４５０Å）等からはＧａＰ単結晶（格子定数≒５．４５０Å）基板と格子整合を果たす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶層を構成できる（特開２０００−２２２１１号公報参照）。
【００１７】
緩衝層１０２を、非晶質または多結晶からなる薄膜層から構成すると、基板１０１と障壁層１０３を構成する材料間の熱膨張率の差異に起因する障壁層１０３の基板１０１表面からの剥離を防止するに効果が挙げられる。特に、緩衝層１０２を、障壁層１０３と同一の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料から構成すると、障壁層１０３の剥離を防止するに顕著に効果を挙げられる。非晶質または多結晶のＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＰ１−δＡｓδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）緩衝層１０２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，Ｎｏ．１２９（ＩＯＰ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｌｔｄ．，１９９３）、１５７〜１６２頁参照）により成膜温度を、比較的低温の２５０℃〜７５０℃とすれば形成できる。約５００℃以下の低温では、非晶質を主体とする含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が得られ易い。大凡、５００℃〜７５０℃のより高温領域では多結晶の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が得られる。非晶質或いは多結晶の緩衝層１０２を構成する薄膜層の層厚は、約１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下、更には、２ｎｍ以上で５０ｎｍ以下であるのが望ましい。薄膜層が非晶質層か多結晶層の何れかであるかは、例えば、一般的なＸ線回折法、電子線回折法に依る回折像の解析から知れる。
【００１８】
非晶質または多結晶からなる緩衝層１０２はまた、基板１０１を構成する単結晶材料の表面をなす結晶面の面指数に依らずに、その上層の障壁層１０３を構成する結晶面を画一的に特定する作用を有する。例えば、シリコン等の立方晶基板表面上に設けた非晶質または多結晶の緩衝層１０２を介在させて障壁層１０３を設ける構成とすると、｛１１０｝結晶面を主体としてなる結晶層が安定して得られる。面指数を｛１１０｝とする結晶面（｛１１０｝結晶面）とは、（１１０）、（−１，１，０）、（−１，−１，０）、（１，−１，０）等の（１１０）に等価な結晶面の総称である。緩衝層１０２或いは障壁層１０３等を構成する結晶面は通常のＸ線回折パターン或いは電子線回折パターンの解析から同定できる。｛１１０｝結晶面を主体としてなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、例えば、リン化硼素層は大凡、７５０℃〜１２００℃の範囲で形成できる。１２００℃を越える高温での成膜は、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成元素、特に、Ｖ族構成元素の揮散に因る孔（ｐｉｔ）を顕著に発生させ、平滑な表面の半導体層を安定して帰結するに支障を来す。立方晶閃亜鉛鉱結晶型の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、［１１０］に明瞭な劈開性を呈する（河東田  隆著、「電子・情報工学講座１２  デバイス・プロセス」（１９９３年１月１５日、（株）培風館発行初版）、１６１頁参照）。従って、｛１１０｝結晶面からなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には簡便に劈開を及ぼせる。従って、主に｛１１０｝結晶面からなる結晶層を備えた積層構造体からは、例えば、劈開面を共振端面とする直方体状のレーザダイオードを簡便に構成できる利点がある。
【００１９】
緩衝層１０２上には、例えば、一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＰ１−δＡｓδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）、或いは一般式ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＰ１−δＮδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０＜δ＜１）で表記される含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層１０３を設ける。障壁層１０３を、基板１０１との接合界面で緩衝層１０２と格子整合し、且つ発光層１０４との接合界面で発光層１０４に格子整合する硼素組成比を有する組成勾配層から構成する。障壁層１０３を、緩衝層１０２と発光層１０４の双方に格子整合する組成勾配層は、ミスフィット転位、積層欠陥等の結晶欠陥密度の低い良質の発光層１０４をもたらすに貢献できる。含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層は、緩衝層を構成する従来の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に見られる如く（上記の特開２０００−２２２１１号参照）、層厚の増加方向に一律に、または段階的に、或いは非直線的に硼素組成比を増減させる何れの様式をもってしても構成できる。例えば、シリコンからなる基板１０１上にリン化ガリウム（ＧａＰ）からなる発光層１０４を設けるに際し、シリコン基板１０１との界面で、硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２としＧａＰ発光層との界面で硼素組成比を０（零）に直線的に減じる様に硼素（Ｂ）組成比（＝α）に勾配を付したリン化硼素・ガリウム（ＢαＧａδＰ：α＝０．０２→０、対応して、δ＝０．９８→１．００、α＋δ＝１）組成勾配層は、基板１０１或いは緩衝層１０２と発光層１０４との間の格子ミスマッチを緩和する機能層として有効に作用できる。
【００２０】
本発明の第４の実施形態では、組成勾配を有する障壁層１０３を、基板１０１をなす単結晶材料に格子整合する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から緩衝層１０２上に設けるのを好適とする。例えば、基板１０１をシリコン（格子定数≒５．４３１Å）とし、緩衝層１０２をリン化硼素・ガリウム（Ｂ０．０２Ｇａ０．９８Ｐ：格子定数≒５．４３１Å）から構成し、障壁層１０３を緩衝層１０２との接合界面で硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２（＝２％）とするＢＸＧａ１−ＸＰ組成勾配層から構成する例が上げられる。緩衝層１０２を基板１０１の単結晶材料に格子整合する材料から構成とすると、格子不整合性に因るミスフィット転位等の結晶欠陥の発生を抑制するに殊更、効果が挙げられ、結晶性に優れる良質の障壁層１０３、しいては発光層１０４をもたらすことができる。
【００２１】
障壁層１０３は、発光層１０４よりも大きな禁止帯幅を与える硼素組成比を有する組成勾配層から構成する。少なくとも、発光層１０４に対向する表面とは反対側の緩衝層１０２に対向する表面側の領域は、発光層１０４を越える禁止帯幅の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成する。この様な高い禁止帯幅の障壁層１０３はリン化硼素（ＢＰ）系半導体から好適に構成できる。例えば、成長速度と、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素の原料の供給比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比率）を規定された範囲内に設定することにより得られる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）を基材として構成できる（上記の特願２００１−１５８２８２号参照）。例えば、室温での禁止帯幅を３．０ｅＶとする単量体ＢＰを基材として、リン化ガリウム（ＧａＰ）と混晶となせば、禁止帯幅を２．３ｅＶ（ＧａＰの禁止帯幅に相当する）以上で３．０ｅＶ（ＢＰの禁止帯幅に相当する）以下とするリン化硼素・ガリウム（ＢＸＧａ１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）組成勾配層を構成できる。因みに、従来の禁止帯幅を約２．０ｅＶとするリン化硼素（ＢＰ）をＧａＰと混晶化させても２．０ｅＶ以上で２．３ｅＶ以下の禁止帯幅の小さなＢＸＧａ１−ＸＰが帰結されるのみである。即ち、例えば、ＧａＡｓ１−ＺＰＺ（０≦Ｚ≦１）からなる発光層全般に対して障壁作用を及ぼす障壁層を構成できない。禁止帯幅は例えば、屈折率（＝ｎ）と消衰係数（＝ｋ）との積値で与えられる複素誘電率（ε２＝２・ｎ・ｋ）の波長（光子エネルギー）依存性から求められる。
【００２２】
障壁層１０３上に設ける発光層１０４は、例えば、ガリウム（Ｇａ）とリン（Ｐ）とを含む含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成する。一例として、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｚ≦１）から発光層１０４を構成する例を挙げられる。ＧａＰからは純緑色（波長≒５５５ｎｍ）から赤色帯光を放射する発光層１０４を構成できる。例えば、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを添加したＧａＰ層は赤色帯光を発する発光層１０４として利用できる。また、ＧａＡｓ１−ＺＰＺ混晶からは、例えば、黄色帯や橙色帯の発光をもたらす発光層１０４を構成できる。また、窒素（Ｎ）を添加した例えば、ｎ形ＧａＡｓ１−ＸＰＸ層は、窒素（Ｎ）の等電子的捕獲中心（ｉｓｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｔｒａｐ）作用に依り高強度の発光をもたらせる発光層１０４として有用である。
【００２３】
発光層１０４は、また、上記の障壁層１０３の発光層１０４に対向する表面をなす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成することもできる。発光層に格子整合する組成を有する組成勾配層上の表面に、更にその表面をなす含硼素ＩＩＩＶ族化合物半導体層を所望の層厚に積層して発光層１０４となすことができる。障壁層１０３の表面に、障壁層１０３と同一の材料から構成される発光層１０４を積層させれば、両層１０３、１０４の格子定数の一致に依り、殊更、格子不整合に起因する結晶欠陥密度の少ない発光層１０４を得ることができる。本発明の第２の実施形態の好例として、障壁層１０３と発光層１０４の双方を導電性のリン化硼素・ガリウム（ＢαＧａδＰ：０＜α≦１、０≦δ＜１、α＋δ＝１）から構成する例が挙げられる。また、双方の層１０３，１０４をリン化硼素・インジウム混晶（ＢαＩｎ１−αＰ：０＜α≦１）から構成する例が挙げられる。
【００２４】
発光層１０４は、特に、砒化リン化硼素・ガリウム（ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）から構成できる。ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ（０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）にあって、硼素（Ｂ）組成比（＝Ｙ）を増大させれば、従来の発光層の構成材料である砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｚ≦１）以上の禁止帯幅の含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成できる。従って、これらは、ＧａＡｓ１−ＺＰＺ（０≦Ｚ≦１）よりも短い波長の発光を出射する発光層１０４として好適に利用できる。本発明の第３の実施形態の好例として、発光層をシリコン（格子定数≒５．４３１Å）と格子整合するＢ０．０２Ｇａ０．９８Ｐから構成する例がある。ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ混晶の母体材料であるリン化硼素（ＢＰ）及びリン化砒素（ＢＡｓ）は、何れも間接遷移（ｉｎｄｉｒｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である（上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）。従い、窒素（Ｎ）等の電気陰性度の大きな元素を等電子的トラップとして添加したＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ混晶層は高強度の発光をもたらす発光層１０４として優位に利用できる。
【００２５】
本発明の第５の実施形態では、特に、基板１０１をシリコンとし、基板１０１と発光層１０４との中間の障壁層１０３を基板１０１のシリコンと同一の伝導形のｎ形またはｐ形のＢαＧａδＰ（０＜α≦１、０≦δ＜１、α＋δ＝１）層から構成する。また、本発明の第６の実施形態では、特に、基板１０１をシリコンとし、障壁層１０３を基板のシリコンと同一の伝導形のｎ形またはｐ形のＢαＩｎ１−αＰ（０＜α≦１）層から構成する。ＢαＧａδＰ（０＜α≦１、０≦δ≦１）及びＢαＩｎ１−αＰ（０＜α≦１）は硼素組成比如何に依って、基板１０１をなすシリコン（格子定数≒５．４３１Å）とＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ発光層の双方に格子整合する組成勾配層を簡便に構成できる利点がある。ｐ形障壁層１０３を得るためのｐ形ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）として、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）などの第ＩＩ族元素を例示できる。また、ｎ形ドーパントとして珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）等の第ＩＶ族元素、並びに硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等の第ＶＩ族元素を例示できる。
【００２６】
本発明に係わる障壁層１０３を、発光層１０４の上部に設ける構成とすると二重（ＤＨ）接合型発光部を構成できる。また、例えば、量子井戸構造からなる発光層を構成するための障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層として利用できる。また、ＬＥＤにあって発光の外部への取り出し方向に設ける、発光を外部へ透過する窓（ｗｉｎｄｏｗ）層等として利用できる。
【００２７】
本発明の第７の実施形態では、積層構造体１Ａを母体材料として発光素子を構成する。例えば、ＬＥＤは、積層構造体１Ａをなす表層の発光層１０４上に表面オーミック電極１０６を設け、また、基板１０１の裏面に裏面オーミック電極１０７を配置して構成する。基板１０１を導電性の単結晶材料から構成すれば、その裏面にオーミック電極を設けられ、発光素子を製造するための電極形成工程を簡略となすことができる。ｐ形オーミック電極は、例えば、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金等から構成できる。また、金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、並びに金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金などの金合金等からｎ形オーミック電極を形成できる。良好なオーミック接触性を発揮する電極を形成するために、表面電極１０６を良導性のコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層上に設けることもできる。本発明に係わる高い禁止帯幅の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、発光を取り出し方向に透過できる表面電極１０６用途のコンタクト層を構成するに好適である。
【００２８】
また、積層構造体１Ａの基板１０１上に発光素子の動作を制御するため電子部品を付帯させて設けることにより一体化した複合発光素子を得ることができる。動作制御用途の電子部品には、例えば、ＭＥＳ（ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）金属接合型）、ＭＯＳ型（金属／酸化物／半導体接合型）或いはｐｎ接合型電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、ｐｎ接合型サージダイオード、受光素子等を例示できる。例えば、ＦＥＴを付帯させれば、例えば、ゲート（ｇａｔｅ）電極への信号入力の如何に依って、点灯と消灯の何れかの動作を発光素子に選択して施せ、電気信号に依り発光素子の発光強度を瞬時に変化させられる。また、サージダイオードを付帯させれば、発光素子への大きな電流の不用意な入力を回避でき、発光素子の安定動作並びに動作寿命を延長するに効果が奏される。また、受光素子を付帯させれば、受光素子により測光される発光素子の発光の強度を電気信号として例えば、ＦＥＴに送信し、ＦＥＴの電流増幅作用を介して、発光素子の発光強度を変調させられる複合素子を構成できる。これらの電子機能部品は、シリコン等からなる基板１０１の表面に例えば、貼付して設けることができる。
【００２９】
発光素子の動作を制御するための上記の電子部品は、上記の本発明の第８の実施形態に示す如く、シリコン等の基板１０１表面上に直接、設けられる他、伝導形の制御が容易に行える緩衝層１０２または障壁層１０３をなす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けることができる。本発明の第９の実施形態の一例を次に記す。積層構造体１Ａを一旦、形成した後、例えば、プラズマエッチング加工を施して、積層構造体１Ａの一部の領域に限り発光層１０４を除去して、障壁層１０３の表面を露出させる。次に、露出させた障壁層１０３の表面に、同層１０３とは反対の伝導形の例えば、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を接合させる。この様に含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を利用すれば、簡便にｐｎ接合構造を構成でき、従って、例えば、発光素子をサージに因る破壊から保護するｐｎ接合型ツェナ（Ｚｅｎｎｅｒ）ダイオードを簡易に構成できる。
【００３０】
本発明に依る発光素子からは高輝度のランプを構成できる。例えば、本発明の第１０の実施形態のランプは次の如くの工程をもって構成できる。図６に例示する如く、基板１１上に本発明に係わる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１２を備えたＬＥＤ１０を、台座１５上の銀（Ａｇ）或いはアルミニウム（Ａｌ）等の金属を鍍金した碗体１６の中央部に導電性の接合材で固定する。これより、基板１１の底面に設けた一極性の電極１４を台座１５に付属する一端子１７に電気的に接続させる。また、ヘテロ接合構造発光部１２上に設置した電極１３を台座１５に付属する他の一方の端子１８に結線する。一般的な半導体封止用のエポキシ樹脂１９で碗体１６を囲繞する様に封止すればランプを構成できる。また、本発明に係わる積層構成からなる積層構造体には劈開を容易に及ぼせるため、約２００μｍ〜約３００μｍ角の小型ＬＥＤも形成でき、従って、特に、設置容積を小とする表示器等として好適な小型の発光ダイオードランプを構成できる。
【００３１】
また、本発明の第１１の実施形態では、ＬＥＤ或いは樹脂封止されたダイオードランプを集合させて、光源を構成する。例えば、複数のＬＥＤを電気的に並列に接続させて、定電圧駆動型の光源を構成できる。また、電気的に直列にダイオードランプを接続して定電流駆動型の光源を構成できる。これらのＬＥＤを利用する光源は、従来の白熱型のランプ光源とは異なり、点灯によりさほど放熱を伴わないため、冷光源として特に有用に利用できる。例えば、冷凍食品の展示用光源として利用できる。また、例えば、屋外表示器、交通信号を提示するための信号器、自動車用途の方向指示器或いは照明機器等に好適に用いられる光源を構成できる。
【００３２】
【作用】
単結晶基板と砒化リン化硼素・ガリウム（ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）発光層との中間に設けられた含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層は、基板をなす単結晶材料と発光層との格子不整合性を緩和して結晶性に優れる良質の発光層をもたらす作用を有する。
【００３３】
特に、砒化リン化硼素・ガリウム（ＢＹＧａ１−ＹＡｓ１−ＺＰＺ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）発光層と同一の格子定数を有する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層は、殊更、結晶性に優れる良質の発光層をもたらす作用を有する。
【００３４】
【実施例】
（第１実施例）
珪素（Ｓｉ）単結晶基板上に、リン化硼素（ＢＰ）結晶層とリン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶層との単一（ＳＨ）ヘテロ接合構造を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＰ系ＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
【００３５】
本実施例に係わるＬＥＤ２Ｂの平面模式図を図２に示す。また、図２の破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤ２Ｂの断面構造を図３の模式図に示す。図２及び図３において、図１に掲示したのと同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００３６】
本発明に係わる発光素子用積層構造体２Ａは、硼素（Ｂ）ドープｐ形｛１００｝−Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面を構成する結晶面は、［１１０］方向に角度にして２度（°）傾斜した｛１００｝面である。基板１０１の表面上には、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、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体としたリン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は約１２ｎｍに設定した。
【００３７】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／トリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）／ＰＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として積層した。ｐ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層の硼素組成比（＝Ｘ）は、緩衝層１０２との接合界面で１．００とし表面で０．３２となる様に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層１０３は、主に｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。マグネシウム（Ｍｇ）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（分子式：ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ４）２Ｍｇ）を用いた。下部障壁層１０３をなすｐ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層のキャリア濃度は約８×１０１８ｃｍ−３とした。層厚は約１０００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層としたため、ｐ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ（Ｘ＝１．００→０．３２）障壁層１０３は亀裂（ｃｒａｃｋ）も無い連続膜となった。
【００３８】
ｐ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層からなる障壁層１０３上には、ｎ形リン化ガリウム（ＧａＰ）からなる発光層１０４を積層させた。発光層１０４は、表面を、ＧａＰ（格子定数≒５．４５０Å）に格子整合する組成のＢ０．３２Ｉｎ０．６８Ｐ障壁層１０３上に設ける構成としたため、亀裂も無い連続膜となった。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約１×１０１７ｃｍ−３とした。発光層１０４の層厚は約１８０ｎｍとした。発光層１０４をトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）／ＰＨ３／Ｈ２  系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。ＧａＰ発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約７×１０１８原子／ｃｍ３と定量された。
【００３９】
発光層１０４の表面上には、円形の結線用の台座電極を兼用する表面電極１０６を配置した。表面電極１０６は金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１２０μｍとした。また、ｐ形Ｓｉ基板１０１の裏面の略全面には、裏面オーミック電極１０７を配置してＬＥＤ１Ｂを構成した。ｐ形裏面電極１０７はアルミニウム（Ａｌ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするＳｉ単結晶１０１を基板とする積層構造体２Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約３００μｍとする正方形のＬＥＤチップ２Ｂとした。
【００４０】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ２Ｂからは発光中心波長を約５５７ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約６ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度のＳＨ接合型緑色ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．２Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００４１】
（第２実施例）
リン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶基板上に、｛１１０｝−リン化硼素・ガリウム（ＢＸＧａ１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）結晶層とリン化硼素ガリウム（ＢＸＧａ１−ＸＰ）発光層との二重（ＤＨ）ヘテロ接合構造を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＰ系ＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
【００４２】
本実施例に係わるＬＥＤ３Ｂの断面模式図を図４に示す。図４において、図２乃び図３に掲示したのと同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００４３】
本発明に係わる発光素子用積層構造体３Ａは、珪素（Ｓｉ）ドープｎ形｛１００｝−ＧａＰ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面上には、トリエチル硼素（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）／トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）／ホスフィン（ＰＨ３）／水素（Ｈ２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、５８０℃で多結晶のリン化硼素（ＢＰ）からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は約３０ｎｍに設定した。
【００４４】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／（ＣＨ３）３Ｇａ／ＰＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でｎ形ＢＸＧａ１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として堆積した。ｐ形ＢＸＧａ１−ＸＰ障壁層１０３の硼素組成（＝Ｘ）は、緩衝層１０２との接合界面で硼素（Ｂ）組成比を１．００とし、表面で硼素組成比を０．０５に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢＸＧａ１−ＸＰ組成勾配層は、Ｓｉ基板の表面に平行に積重したＢＸＧａ１−ＸＰ（Ｘ＝１．００→０．０５）の｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。また、｛１１０｝ＢＸＧａ１−ＸＰ障壁層１０３は、成長速度を毎分３０ｎｍとし、Ｖ／ＩＩＩ比率（＝ＰＨ３／（ＣＨ３）３Ｂ供給比率）を５０として形成したため、複素誘電率の光子エネルギー依存性から求めた室温での禁止帯幅は約３．０ｅＶとなった。珪素（Ｓｉ）のドーピング源には、水素−ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）混合ガスを使用した。下部クラッド層をなすｎ形ＢＸＧａ１−ＸＰ障壁層１０３のキャリア濃度は約８×１０１８ｃｍ−３とした。層厚は約１０００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層の効用に依り、ｎ形ＢＸＧａ１−ＸＰ障壁層１０３は亀裂も無い連続膜となった。
【００４５】
ｎ形ＢＸＧａ１−ＸＰ障壁層１０３上には、ｎ形リン化硼素・ガリウム（Ｂ０．０５Ｇａ０．９５Ｐ）からなる発光層１０４を積層させた。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約１×１０１７ｃｍ−３とした。発光層１０４の層厚は約１５０ｎｍとした。発光層１０４を（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／（ＣＨ３）３Ｇａ／ＰＨ３／Ｈ２  系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。Ｂ０．０５Ｇａ０．９５Ｐ発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約８×１０１８原子／ｃｍ３と定量された。
【００４６】
ｎ形Ｂ０．０５Ｇａ０．９５Ｐ発光層１０４の表面上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／ＰＨ３／Ｈ２  系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、３５０℃で非晶質を主体とするｐ形リン化硼素（ＢＰ）層を障壁層１０５として接合させた。ｐ形のドーパントとしては上記のビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。キャリア濃度は約２×１０１９ｃｍ−３とし、層厚は６８０ｎｍとした。波長（＝λ）とその波長に於ける消衰係数（＝ｋ）とから算出した吸収係数（＝４・π・ｋ／λ：ｃｍ−１）を利用して求めた障壁層１０５を構成する非晶質を主体とするＢＰ層の室温禁止帯幅は約３．１ｅＶであった。ｎ形ＢＸＧａ１−ＸＰ下部障壁層１０３と、ｎ形Ｂ０．０５Ｇａ０．９５Ｐ発光層１０４、及びｐ形ＢＰ層を上部障壁層１０５としてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を形成した。
【００４７】
非晶質のリン化硼素を主体としてなる上部障壁層１０５の表面の中央部には、円形の結線用の台座電極を兼用するｐ形表面電極１０６を配置した。ｐ形表面電極１０６は金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１３０μｍとした。また、ｎ形ＧａＰ基板１０１の裏面の略全面には、ｎ形裏面電極１０７を配置してＬＥＤ３Ｂを構成した。ｎ形裏面電極１０７は、金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするがＧａＰ単結晶１０１を基板とする積層構造体３Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約２５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ３Ｂとした。
【００４８】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ３Ｂからは、発光中心波長を約５４０ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約５ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度の短波長可視ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００４９】
（第３実施例）
珪素（Ｓｉ）単結晶基板上に、Ｓｉ単結晶に構成整合する緩衝層を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＡｓＰ系ＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
【００５０】
本実施例に係わるＬＥＤ４Ｂの断面模式図を図５に示す。図５において、図２乃至図４に掲示した同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００５１】
本発明に係わる発光素子用積層構造体４Ａは、アンチモン（Ｓｂ）ドープｎ形｛１００｝−Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面上には、トリエチル硼素（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）／トリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）／ホスフィン（ＰＨ３）／水素（Ｈ２）系減圧ＭＯＣＶＤ法により、４００℃でリン化硼素・インジウム（ＢＸＩｎ１−ＸＰ）からなる緩衝層１０２を成膜した。硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）は、Ｓｉ単結晶と同一の格子定数（≒５．４３１Å）をもたらす０．３２に設定した。成膜時の圧力は約５×１０４パスカル（圧力単位：Ｐａ）とした。緩衝層１０２の層厚は約１０ｎｍに設定した。
【００５２】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／（ＣＨ３）３Ｉｎ／ＰＨ３／Ｈ２系減圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でＳｉドープＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として堆積した。ｎ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層１０２の硼素組成比（＝Ｘ）は、緩衝層１０３との接合界面で硼素（Ｂ）組成比を０．３２とし、表面で硼素組成比を０．２４に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢＸＧａ１−ＸＰ（Ｘ＝０．３２→０．２４）組成勾配層は、主にＢＸＩｎ１−ＸＰ結晶の｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。また、｛１１０｝−ＢＸＩｎ１−ＸＰ組成勾配層は、成長速度を毎分２０ｎｍとし、Ｖ／ＩＩＩ比率（＝ＰＨ３／（ＣＨ３）３Ｂ供給比率）を４０として形成したため、複素誘電率の光子エネルギー依存性から求めた室温での禁止帯幅は約２．８ｅＶとなった。珪素（Ｓｉ）のドーピング源には、水素−ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）混合ガスを使用した。下部クラッド層をなすｎ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ障壁層１０３のキャリア濃度は約２×１０１８ｃｍ−３とした。層厚は約５００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層の効用に依り、ｎ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ障壁層１０３は亀裂も無い連続膜となった。
【００５３】
ｎ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ障壁層１０３上には、ｎ形砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ０．５０Ｐ０．５０）からなる発光層１０４を積層させた。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約２×１０１７ｃｍ−３とした。発光層１０４の層厚は約４５０ｎｍとした。発光層１０４を（ＣＨ３）３Ｇａ／アルシン（ＡｓＨ３）／ＰＨ３／Ｈ２  系減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。ＧａＡｓ０．５０Ｐ０．５０発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約５×１０１８原子／ｃｍ３と定量された。
【００５４】
ｎ形ＧａＡｓ０．５０Ｐ０．５０発光層１０４の表面上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／ＰＨ３／Ｈ２  系減ＭＯＣＶＤ法に依り、３５０℃で非晶質を主体とするｐ形リン化硼素（ＢＰ）層を上部障壁層１０５として接合させた。ｐ形のドーパントとしては上記のビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。キャリア濃度は約２×１０１９ｃｍ−３とし、層厚は１０８０ｎｍとした。波長（＝λ）とその波長に於ける消衰係数（＝ｋ）とから算出した吸収係数（＝４・π・ｋ／λ：ｃｍ−１）を利用して求めた上部障壁層１０５を構成する非晶質を主体とするＢＰ層の室温禁止帯幅は約３．１ｅＶであった。ｎ形ＢＸＩｎ１−ＸＰ下部障壁層１０３と、ｎ形ＧａＡｓ０．５０Ｐ０．５０発光層１０４、及びｐ形ＢＰ層を上部障壁層１０５としてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を形成した。
【００５５】
非晶質のリン化硼素を主体としてなる上部障壁層１０５の表面の中央部には、円形の結線用の台座電極を兼用するｐ形表面電極１０６を配置した。ｐ形表面電極１０６は金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１３０μｍとした。また、ｎ形Ｓｉ基板１０１の裏面の略全面には、ｎ形裏面電極１０７を配置してＬＥＤ４Ｂを構成した。ｎ形裏面電極１０７は、金（Ａｕ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするがＳｉ単結晶１０１を基板とする積層構造体４Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約２５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ４Ｂとした。
【００５６】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ４Ｂからは、発光中心波長を約６００ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約７ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度の短波長可視ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約５Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００５７】
【発明の効果】
単結晶の基板上に設けられた、含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層として備えている発光素子用積層構造体において、発光層を、硼素組成に勾配を付した含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層上に設ける構成とすることに依り、基板を構成する単結晶材料と発光層との格子不整合性が緩和されるため、良好な結晶性を有する発光層を備えた発光素子用積層構造体を構成できる。また、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層の発光層に対する障壁作用を及ぼす障壁層としての作用と相俟って、本発明に係わる発光素子用積層構造体からは高強度の発光をもたらす発光素子、ランプ及び光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す発光素子用積層構造体の断面模式図である。
【図２】第１実施例に記載のＬＥＤの平面模式図である。
【図３】図２に掲示したＬＥＤの破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面模式図である。
【図４】第２実施例に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図５】第３実施例に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図６】本発明に係わるランプの断面構造を例示する模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ  発光素子用積層構造体
２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ  発光素子（ＬＥＤ）
１１  基板
１２  ヘテロ接合発光部
１３  表面側電極
１４  基板裏面電極
１５  台座
１６  碗体
１７、１８  端子
１９  封止樹脂
１０１  単結晶基板
１０２  緩衝層
１０３  障壁層
１０４  発光層
１０５  上部障壁層
１０６  表面電極
１０７  裏面電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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