(57)【要約】【課題】白色ＬＥＤ等の半導体素子を簡単な構造をもって簡便に提供する。【解決手段】基体と、前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えている
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、複数の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、珪素を原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で含み、マグネシウムを原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ水素の原子濃度より高いことを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、水素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１４】
基体上に形成された多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、
ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含み、
窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、
放射再結合による発光スペクトルが、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有する
ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１５】
前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１６】
前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１７】
前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１８】
前記ドナー不純物として珪素（元素記号：Ｓｉ）を原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で含み、前記アクセプター不純物としてマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）を原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含む
ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１９】
前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ水素（元素記号：Ｈ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２０】
前記水素の原子濃度が、２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１９に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２１】
前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２２】
前記炭素の原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項２１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２３】
前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２４】
前記酸素の原子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項２３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２５】
前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２６】
請求項１４乃至２５のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法であって、
分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において、圧力５×１０−３パスカル（圧力単位：Ｐａ）以下の環境内に窒素プラズマ雰囲気を形成し、
前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上７５０℃以下の範囲に保ち、
前記窒素プラズマ雰囲気内の前記基体上に、表面が（２×２）再配列構造、または（３×１）再配列構造となるようなフラックス量でガリウムを含む第ＩＩＩ族元素源を供給しつつ、ドナー不純物及びアクセプター不純物を同時に供給する
ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項２７】
前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上６２０℃以下とし、且つ前記ドナー不純物としての珪素と前記アクセプター不純物としてのマグネシウムとを、当該珪素に対する当該マグネシウムのフラックス比率を０．１以下として当該窒素プラズマ雰囲気内に同時に供給し、当該ドナー不純物としての当該珪素を６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の原子濃度の範囲で含み、且つ当該アクセプター不純物としての当該マグネシウムを５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の原子濃度の範囲で含むことを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項２８】
前記窒素プラズマ雰囲気は、窒素ガス（分子式：Ｎ２）の供給量が０．１ｃｃ／分以上４．８ｃｃ／分以下の条件で発生させ、且つ前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項２９】
前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３０】
前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３１】
前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度が、波長７４５ｎｍにおける原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下であることを特徴とする請求項２６乃至３０のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３２】
前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークを生じないことを特徴とする請求項３１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３３】
前記窒素プラズマ雰囲気は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍにおける原子状窒素に因るそれぞれの発光ピークの中で、波長７４５ｎｍにおける発光ピークの強度が最高であることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３４】
前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８６９ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークが、波長７４５ｎｍにおける当該原子状窒素に因る前記発光ピークに次いで高い強度を呈することを特徴とする請求項３３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【請求項３５】
前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８２１ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークの強度が最も低いことを特徴とする請求項３３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法に関し、より詳しくは、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、ＩＩＩ族窒化物半導体素子を構成し数的に単一な層でありながら波長が相違する複数の可視光（多波長光）を出射可能なガリウム（Ｇａ）を含む多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体層は、可視光を出射する発光層等を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。窒化ガリウム・インジウムからは、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＰ）等の化合物半導体材料では得られない赤色から青色までの発光が得られるとされる（特許文献１参照）。例えば、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
窒化ガリウム・インジウムにあっては、亜鉛等の不純物は、禁止帯幅（ｂａｎｄ  ｇａｐ）に相当する光子エネルギーとは別のエネルギーの光吸収を発生させると報告されている（特許文献１参照）。この様な光吸収を生ずる不純物としては、亜鉛の他に、カドミウム（元素記号：Ｃｄ）、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、銅（元素記号：Ｃｕ）が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の不純物を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）層から発光層を構成する技術も知れている。例えば、ｎ型とｐ型の不純物（ドーパント）とを共に添加して形成した窒化ガリウム・インジウム層を発光層として、ＬＥＤを構成する技術が挙げられる（特許文献２〜４参照）。ｎ型不純物としては、珪素（元素記号：Ｓｉ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、硫黄（元素記号：Ｓ）がｎ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。また、ｐ型不純物としては、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、ベリリウム、カルシウム（元素記号：Ｃａ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、水銀（元素記号：Ｈｇ）がｐ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。
【０００５】
ｎ型とｐ型の双方の不純物を添加した、具体的には、珪素と亜鉛とを添加した窒化ガリウム・インジウム層を発光層として、青色光を出射する単色の発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）を構成する技術例が知れている（特許文献２〜４参照）。ｎ型とｐ型不純物の双方を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層を発光層とする従来のＬＥＤから出射される発光は、発光ピーク（ｐｅａｋ）波長を４９０ナノメートル（単位：ｎｍ）とする青色の単色光である（特許文献２〜４参照）。
【０００６】
また、青色光を発するＬＥＤを利用して、白色光を発するＬＥＤを構成する技術も公知となっている。例えば、窒化ガリウム・インジウム層からなる発光層から出射される青色光により蛍光体を励起させ、白色の励起光を出射するＬＥＤを構成する技術である（特許文献５〜８参照）。この蛍光型白色ＬＥＤを構成するための蛍光体としては、青色光又は紫外光により励起され、白色蛍光を発する例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）等が用いられている（特許文献９〜１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献２】特許第２５６０９６４号公報
【特許文献３】特許第２５７６８１９号公報
【特許文献４】特許第３５００７６２号公報
【特許文献５】特開平０７−０９９３４５号公報
【特許文献６】特許第２９００９２８号公報
【特許文献７】特許第３７２４４９０号公報
【特許文献８】特許第３７２４４９８号公報
【特許文献９】特許第２９２７２７９号公報
【特許文献１０】特許第３５０３１３９号公報
【特許文献１１】特許第３７００５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した窒化ガリウム・インジウムを発光層として利用する蛍光型白色ＬＥＤに付随する第一の問題点は、そもそも、青色光等により励起され、波長が相違する蛍光を発する蛍光体を必要とし、ＬＥＤの生産工程は冗長となり、また煩雑となることである。また、第二の問題点は、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、窒化ガリウム・インジウム層等からなる発光層からの発光の波長の差異に応じて、蛍光体として用いる希土類（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ）元素を添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の組成を、微妙に且つ精緻に変化させる必要があり、演色性の一定した白色系ＬＥＤを得るのが煩瑣となることである。
【０００９】
窒化ガリウム・インジウム層を発光層とする従来構造の白色ＬＥＤについての技術上の問題点は、例えば、窒化ガリウム・インジウム発光層から出射される青色光と、その青色光により励起され、青色と補色の関係にある黄色の蛍光を発する蛍光体との組み合わせからなる白色ＬＥＤ（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」（２００６年３月３１日、森北出版（株）発行、第１版第１刷）、１７４頁参照）の場合に端的に現れる。
【００１０】
このような、謂わば補色光型の白色ＬＥＤには、セリウム（元素記号：Ｃｅ）を添加したＹＡＧ蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１８４〜１８５頁参照）。しかしながら、同様の色調の白色ＬＥＤを得るために、この励起光として利用する青色光の波長の差異に応じて、その都度、イットリウム（元素記号：Ｙ）、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、ガドリニウム（元素記号：Ｇｄ）又はガリウム（元素記号：Ｇａ）の組成を微妙に変化させたＹＡＧ蛍光体を用いて作製されているのが現状である。
【００１１】
また、補色型白色ＬＥＤにあっては、白色光を得るために混色させるのは、主に、補色の関係にある２色の発光である。このため、補色の関係にある２色の発光の強度の比率に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題も生じている。従って、補色型白色ＬＥＤにあっては、いずれにしても混光により、一定した演色性をもたらす白色ＬＥＤを安定して得るには技術上の困難さを伴うものとなっている。
【００１２】
従来の蛍光型或いは補色型の白色ＬＥＤには、青色光などの励起光よりも長波長側に主たる蛍光を発生させる蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１７６〜１７９頁参照）。即ち、励起光とそれよりも長波長の蛍光とを混光させて白色ＬＥＤをなしている。
【００１３】
例えば、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム単層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせることが出来れば、上記の蛍光型或いは補色型とは別の型の白色ＬＥＤに付随する従来の問題も解決を図れる。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の各色光を出射できる窒化ガリウム・インジウム層を発光層とすれば、ＲＧＢ混光型白色ＬＥＤを構成するのに利便となる。即ち、単一な窒化ガリウム・インジウム単層を用いれば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）を各々出射できる発光層をそれぞれ個別に設ける必要がない。また、複数の発光層を設ける必要もなく、さらに、発光を閉じ込めるためのクラッド（ｃｌａｄ）層を各発光層について各々設ける必要も無くなり、混光による白色ＬＥＤを簡便に得る目的を達成できる。
【００１４】
しかしながら、現状では、数的に単一な層（単層）でありながら、波長が相違する複数の発光をもたらすガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層、例えば、窒化ガリウム・インジウム単層を構成するための要件は明確となっていない。
本発明は、本発明の一つの産業上の利用分野であるＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤに係る上記の従来技術の問題点を回避すべくなされたものである。即ち、本発明は、波長が相違する複数の発光をもたらすためにガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層が備えるべき構成要件を明確にすると共に、（ｉ）数的に単一な層、即ち、単層でありながら発光波長が相違する複数の発光を出射可能な、ガリウムを必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層、（ｉｉ）そのＩＩＩ族窒化物半導体単層を、一つ又は二つ以上備えた半導体素子、（ｉｉｉ）そのＩＩＩ族窒化物半導体単層の形成方法を提示するものである。これをもって、本発明の一つの産業上の利用分野に属する白色ＬＥＤ等の半導体素子を簡単な構造をもって簡便に提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、数的に単一な層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を採用することにより、白色ＬＥＤに付随する従来の問題の解決を図るものである。
以下、［１］〜［３５］に係る発明が提供される。
［１］基体と、前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［２］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、複数の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［３］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［４］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［５］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［６］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、珪素を原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で含み、マグネシウムを原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１乃至５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［７］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ水素の原子濃度より高いことを特徴とする前項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［８］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、水素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［９］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１０］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする前項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１１］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１２］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１３］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【００１６】
［１４］基体上に形成された多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含み、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、放射再結合による発光スペクトルが、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１５］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１６］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１７］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１８］前記ドナー不純物として珪素（元素記号：Ｓｉ）を原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で含み、前記アクセプター不純物としてマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）を原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１４乃至１７のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１９］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ水素（元素記号：Ｈ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２０］前記水素の原子濃度が、２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１９に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２１］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２２］前記炭素の原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項２１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２３］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２４］前記酸素の原子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項２３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２５］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【００１７】
［２６］前項１４乃至２５のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法であって、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において、圧力５×１０−３パスカル（圧力単位：Ｐａ）以下の環境内に窒素プラズマ雰囲気を形成し、前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上７５０℃以下の範囲に保ち、前記窒素プラズマ雰囲気内の前記基体上に、表面が（２×２）再配列構造、または（３×１）再配列構造となるようなフラックス量でガリウムを含む第ＩＩＩ族元素源を供給しつつ、ドナー不純物及びアクセプター不純物を同時に供給することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２７］前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上６２０℃以下とし、且つ前記ドナー不純物としての珪素と前記アクセプター不純物としてのマグネシウムとを、当該珪素に対する当該マグネシウムのフラックス比率を０．１以下として当該窒素プラズマ雰囲気内に同時に供給し、当該ドナー不純物としての当該珪素を６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の原子濃度の範囲で含み、且つ当該アクセプター不純物としての当該マグネシウムを５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の原子濃度の範囲で含むことを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２８］前記窒素プラズマ雰囲気は、窒素ガス（分子式：Ｎ２）の供給量が０．１ｃｃ／分以上４．８ｃｃ／分以下の条件で発生させ、且つ前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２９］前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３０］前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３１］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度が、波長７４５ｎｍにおける原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下であることを特徴とする前項２６乃至３０のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３２］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークを生じないことを特徴とする前項３１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３３］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍにおける原子状窒素に因るそれぞれの発光ピークの中で、波長７４５ｎｍにおける発光ピークの強度が最高であることを特徴とする前項３１又は３２項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３４］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８６９ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークが、波長７４５ｎｍにおける当該原子状窒素に因る前記発光ピークに次いで高い強度を呈することを特徴とする前項３３項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３５］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８２１ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークの強度が最も低いことを特徴とする前項３３項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
【発明の効果】
【００１８】
前項［１］に係る発明に依れば、数的に単一ながら、波長が異なる（＝発光色が相違する）３個以上の光を出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を、例えば、発光層として用いる構成により、簡易な構造で、且つ演色性の高い白色ＬＥＤを提供できる。例えば、蛍光体を使用しない簡易な構造の白色ＬＥＤが得られる。また、例えば、ＲＧＢの各色毎に、個別に発光層を設ける必要もなく白色ＬＥＤが得られる。
【００１９】
前項［２］に係る発明に依れば、数的に単一ながらバンド端発光とは別に、波長が相違する発光を放射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数用い、例えば、これらを発光層として配備することにより、発光強度に優れる白色ＬＥＤを提供できる。
【００２０】
前項［３］に係る発明に依れば、例えば、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を発光層として用いることにより、混光により演色性に優れる白色ＬＥＤを簡便に提供できる。
【００２１】
前項［４］に係る発明に依れば、例えば発光層を、数的に単一、且つ波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、混光により演色性に優れる白色ＬＥＤを簡便に提供できる。また、この様な単層を複数用いて、例えば、多重量子井戸構造をなす複数の井戸層として用いれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の各層からの多波長発光を重畳させてなる発光強度の高い白色ＬＥＤを提供できる。
【００２２】
前項［５］に係る発明に依れば、例えば発光層を、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲で波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた淡い色合（ｐａｓｔｅｌ）のパステル色調の白色系光を発するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
【００２３】
前項［６］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で珪素がドナー不純物として含まれ、且つ、珪素より低濃度で原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲でマグネシウムがアクセプター不純物として含まれ、電気抵抗が小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、発光波長が相違する合計３つ以上の発光を同時に出射し、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを提供できる。
【００２４】
前項［７］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ水素の原子濃度より高く含み、電気抵抗が小さく、波長が相違する多波長発光を出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを安定して提供できる。
【００２５】
前項［８］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とし、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００２６】
前項［９］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００２７】
前項［１０］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００２８】
前項［１１］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００２９】
前項［１２］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００３０】
前項［１３］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
【００３１】
前項［１４］に係る発明に依れば、数的に単一な単層であっても、混光により白色光を出射可能な発光層としての多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３２】
前項［１５］に係る発明に依れば、４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、混光により、演色性に優れる白色光を出射可能な発光層としての多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３３】
前項［１６］に係る発明に依れば、５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた白色系光を出射するのに好都合な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３４】
前項［１７］に係る発明に依れば、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長の範囲で、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた白色系光を出射するのに好都合な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３５】
前項［１８］に係る発明に依れば、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で珪素をドナー不純物として含み、且つ、珪素より低濃度で原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲でマグネシウムをアクセプター不純物として含むことにより、バンド端発光とは別に、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３６】
前項［１９］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ水素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３７】
前項［２０］に係る発明に依れば、水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
【００３８】
前項［２１］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ炭素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００３９】
前項［２２］に係る発明に依れば、炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
【００４０】
前項［２３］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ酸素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００４１】
前項［２４］に係る発明に依れば、酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
【００４２】
前項［２５］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ硼素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
【００４３】
前項［２６］〜［３５］に係る発明に依れば、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において窒素プラズマを窒素源とし、プラズマ発光ピークの強度比率が好適な条件を採用することにより、例えば、モリブデンやクロム等の遷移金属元素の不純物量が減少し、白色ＬＥＤ等に好適な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペルクトル例である。
【図２】（２×２）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。
【図３】（３×３）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。
【図４】ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。
【図５】窒素をガリウムより化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。
【図６】本発明の実施に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。
【図７】実施例１に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。
【図８】実施例１に記載の多波長発光層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図９】実施例２に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。
【図１０】実施例３に係るＭＱＷ構造の発光層の断面構造を示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。
【図１１】図１０に示すＭＱＷ構造から得られる室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルである。
【図１２】比較例１記載の多波長発光を生じない単層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。
【図１３】比較例１記載の多波長発光を生じない単層の室温ＰＬスペクトルを示す図である。
【図１４】実施例４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えたＬＥＤの発光パターンを示す図である。
【図１５】実施例５に記載のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【図１６】図１５に示すＬＥＤの平面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。
【００４６】
＜多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層＞
図１は、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペルクトル例である。
本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、数的に単一でありながら、相違する波長の多波長光を同時に放射可能であり、半導体材料基板又は金属材料基板等の基体上に設けられる。基板には、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶基板、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶からなる基板を例示できる。基体には、バルク（ｂｕｌｋ）結晶基板に限定されず、例えば、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体やリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
【００４７】
上記の材料からなる基板又はエピタキシャル成長層は、数的に単一の層（単層）でありがら波長が相違する複数の波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体層（多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層）を井戸層として量子井戸構造の発光層を形成する場合に利用できる。演色性の高い白色ＬＥＤを得るときは、広い波長の範囲で多くの発光（多波長光）を放射する、複数の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層として発光層を形成する。所謂、複数の井戸層を備えた多重量子井戸構造（英略称：ＭＱＷ）とすると、各多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からの発光を混光できて白色ＬＥＤ等を得るに好都合である。
【００４８】
本実施の形態では、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物とが共に添加されたＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。特に、ガリウムを必須の構成元素として含む、窒素等の第Ｖ族元素よりも、ガリウム等の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、バンド端発光とは別に、バンド（ｂａｎｄ）端発光より長い波長の領域で、波長が相違する３以上の光を同時に放射できるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
【００４９】
多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層には、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。また、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射でき、且つ、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。波長を５００ｎｍ〜７５０ｎｍとする青緑色〜赤色の複数の発光を成分として混光することにより、演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができるからである。
【００５０】
５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射するに更に加えて、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射でき、尚且つ４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。波長を５００ｎｍ〜７５０ｎｍとする青緑色から赤色の複数の発光に、波長を４００ｎｍ〜５５０ｎｍとする青紫色から緑色の複数の発光を混光すれば、より演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができるからである。多波長発光を構成する各発光の波長は、伝導帯に励起された電子と価電子帯の正孔が再結合する際に発せられるスペクトル、所謂、放射再結合による発光スペクトルを観測することに依り測定できる。具体的な測定方法としては、フォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）法やカソードルミネッセンス（英略称：ＣＬ）法等が挙げられる。
【００５１】
４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射する機能を発現できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ドナー不純物として珪素（Ｓｉ）を含み、アクセプター不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。例えば、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１―ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のガリウム（Ｇａ）を構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成できる。また、相分離（ｐｈａｓｅ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を然して生じないインジウム（Ｉｎ）組成（＝１−Ｘ）のＧａＸＩｎ１―ＸＮ（０．９０＜Ｘ≦１或いは０≦Ｘ≦０．１）からも構成できる。ガリウム（Ｇａ）組成（＝Ｘ）又はインジウム（Ｉｎ）組成（１−Ｘ）の大きな、端的にはＧａＮ又は窒化インジウム（ＩｎＮ）の様なそもそも相分離の無い層では、相分離に起因するＧａＸＩｎ１―ＸＮ層内でのインジウム濃度の不均一性に因り、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が層内で不均一に分布するのを避けることができる。これにより、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が形成する準位間の光学的遷移に基づく多波長発光をなす各発光の波長を均一とするのに優位となる。
【００５２】
多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を６×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下とし、且つ、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上で３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲とすることにより、多波長の発光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を効率的に形成できる。多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、例えば２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）法等で定量することができる。
【００５３】
珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含む多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、例えば、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｉｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。これらの成長手段にあって、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、同層へのＳｉ及びＭｇのドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）量を調節することをもって調整する。ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式；ＳｉＨ４）やメチルシラン（分子式：ＣＨ３ＳｉＨ３）等のシラン類を珪素（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ＭＯＣＶＤ法では、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（略記号：Ｃｐ２Ｍｇ）等の有機マグネシウム化合物をマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源として利用できる。
【００５４】
特に、ＭＢＥ法は、井戸層をなす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を上記の他の気相成長法と比較して、より低温で形成できる利点がある。このため、例えば、井戸層をなす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層に添加（ドーピング）したマグネシウム（Ｍｇ）の、井戸層に接合してＭＱＷ構造をなす障壁層への熱的拡散を抑制するのに優位な成長手段となる。例えば、相分離を然して生じないｎ型Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層とｎ型ＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造にあって、アクセプター不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）の障壁層への拡散、侵入を抑制することができ、障壁層が高抵抗となるのを、または伝導形がｐ型に変換されるのを回避するのに効果をあげられる。これにより、井戸層と障壁層との間でのｐｎ接合の形成を回避できる。従って、井戸層と同一の伝導形を呈する障壁層とからＭＱＷ構造を構成できるため、電気的導通性に優れるＭＱＷ構造の発光層を構成できる。
【００５５】
珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体を形成するに際し、上記のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量を多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を高める程、或る波長領域に生ずる波長が相違する発光の数を増加させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度が４×１０１８ｃｍ−３である場合に於いて、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満の２×１０１６ｃｍ−３であるＧａＮ層の場合、ＧａＮのバンド端発光は生ずるものの、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に発光は生じない。一方、同様の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を有し、且つ、原子濃度が８×１０１７ｃｍ−３となる様に、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすると、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に合計４つの波長が相違する多波長光を同時に出射するＧａＮ単層を形成できる。
【００５６】
また、マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量をより多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度をより高める程、より長波長の帯域に多波長光を発生させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度を１〜４×１０１９ｃｍ−３とし、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を４×１０１６ｃｍ−３とするＧａＸＩｎ１−ＸＮの場合には、波長を４５０ｎｍとする単一の発光のみ観測される。これに対し、インジウム組成を同一としながらも、マグネシウム（Ｍｇ）が原子濃度にして３×１０１８ｃｍ−３とより多く含まれるときは、多波長発光の発光が顕現され、その中での最長の波長は５８０ｎｍに到達する（図１参照）。
【００５７】
異なる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からＭＱＷ構造の発光部を構成する場合には、より短い波長の領域で多波長光を同時に出射できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層である程、発光の取り出し方向のより上方に配置させる。より下方にある多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層から出射される発光の吸収を避け、ＬＥＤの外部へ多波長光を効率的に取り出すためである。例えば、波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ近傍の領域に多波長光を発する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第１の多重井戸構造上の、発光の外部への取り出し方向に向かう上方には、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの領域で多波長光を発する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第２多重量子井戸構造を設けて、これにより全体としてＭＱＷ構造の発光部を構成する。
【００５８】
上記の様に多波長の発光を生ずる異なる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする第１及び第２の量子構造にあって、第１及び第２の量子井戸構造をなす障壁層の構成材料は、必ずしも同一とする必要はない。第１及び第２の量子井戸構造の障壁層は、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層の禁止帯幅に対応して選択されたＩＩＩ族窒化物半導体単層から構成できる。例えば、上記の第１の量子井戸構造については、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）から障壁層を構成し、第２の量子井戸構造をＡｌＹＧａ１−ＹＮ：０≦Ｙ≦１、但し、Ｙ≧Ｘ）を構成できる。
【００５９】
本実施の形態では、多波長発光を同時に発光できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、第Ｖ族元素に対して、元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むとは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は窒化インジウム（ＩｎＮ）等の２元系（２元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあって、ガリウム（Ｇａ）又はインジウム（Ｉｎ）又はアルミニウム（Ａｌ）が窒素よりも化学量論的に富裕に含まれていることを云う。例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ：０＜Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等の多元系（多元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、第ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の合計の原子の濃度が、窒素原子の濃度を上回っていることを指す。
【００６０】
また、砒化窒化ガリウム（組成式ＧａＡｓ１−αＮα：０＜α＜１））やリン化窒化アルミニウム（組成式ＡｌＰ１−βＮβ：０＜β＜１））等の窒素以外の第Ｖ族元素（この例では、砒素（元素記号：Ａｓ）及びリン（元素記号：Ｐ））を含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）又はアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度が、窒素（Ｎ）及び窒素以外の第Ｖ族元素の合計の原子濃度よりも高いことを云う。第ＩＩＩ族元素と第Ｖ族元素の原子濃度の総量の比率が１：１であれば、それは第ＩＩＩ族元素富裕でもなく、また第Ｖ族元素富裕でもなく、化学量論的組成である。
【００６１】
化学量論的な組成のズレは、例えば、高速反射電子回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）等の電子線回折技法等でＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の再配列構造を調査すれば判定できる。例えば、固体ソースＭＢＥ法やガスソースＭＢＥ法等の真空中でＩＩＩ族窒化物多波長発光層を基体上に堆積する成長手段では、ＲＨＥＥＤ法を有効に利用することができる。このため、基体上の堆積層が多波長を同時に発光するのに必要なガリウム等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕とするＩＩＩ族窒化物半導体層であることをその成長場に於いて、リアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で確認できる。
【００６２】
ＲＨＥＥＤ法に依り得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の表面からの回折パターン（ＲＨＥＥＤパターン）に、堆積中に常時、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含む再配列構造に起因する輝線（ｓｔｒｅａｋ  ｌｉｎｅ）を継続して生じつつ、堆積して出来上がるＩＩＩ族窒化物半導体層は、層全体としても、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層であると見做す。
【００６３】
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）若しくはインジウム（Ｉｎ）等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層、例えば、ガリウム（Ｇａ）を窒素より富裕に含むＧａＮであれば、ＲＨＥＥＤパターン上には、例えば（２×２）等の再配列を示す回折パターンが現れる。
図２は、（２×２）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。図２には、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からの（２×２）ＲＨＥＥＤパターンが例示されている。
図３は、（３×３）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。図３には、図２とは逆に、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からのＲＨＥＥＤパターンが例示されている。ここには、窒素（Ｎ）がガリウム（Ｇａ）よりも富裕に含まれるときに生ずる（３×３）再配列構造が示されている。
【００６４】
また、アルミニウム（Ａｌ）を窒素（Ｎ）よりも富裕に含む窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からは、（２×２）構造の他に（√３×√３）Ｒ３０°または（２√３×２√３）Ｒ３０°等のＲＨＥＥＤパターンが得られる。また、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）とを窒素より化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ）の場合、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝１−Ｘ）が小さいときは、（２×２）再配列構造が出現し、インジウム（Ｉｎ）組成比が大きいときは、（３×１）再配列構造が出現する。
【００６５】
ＩＩＩ族窒化物半導体層が第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んで成るか否かは、ＲＨＥＥＤ法に加えて、湿式エッチング法に依っても調査できる。ＩＩＩ族窒化物半導体層を、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に浸した場合に於ける、ＩＩＩ族窒化物半導体層の侵食のされ方の差異から判断できる（ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．，９（２００４，  Ｔｈｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  ＵＳＡ），ｐ．ｐ．１−３４．）。
例えば、水酸化カリウムを２０重量％の濃度で含む水溶液に６０℃で２分間、継続して窒化ガリウム（ＧａＮ）層を浸漬した場合のＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の走査電子顕微鏡写真を図４及び図５に例示する。
図４は、ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。また、図５は、窒素をガリウムより化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。
図４に示すように、第ＩＩＩ族元素であるガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層は、上記のアルカリ性水溶液に浸漬しても侵食され難い（図４参照）。一方、図５に示すように、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）より富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、同層の深部まで侵食され、粒状の窒化ガリウム（ＧａＮ）が散在した粗雑なものとなる（図５参照）。
【００６６】
第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素と比較して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層からは、化学量論的組成或いは第Ｖ族元素を富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層よりも高い強度の発光を呈する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を構成できる。例えば、珪素（Ｓｉ）単体金属を珪素（Ｓｉ）のドーピング源とし、マグネシウム（Ｍｇ）単体金属をマグネシウム（Ｍｇ）ドーピング源として、固体ソースＭＢＥ法により成膜した、ガリウム（Ｇａ）を化学量論的に富裕に含み、表面を（２×２）再配列構造とするＳｉ及びＭｇドープ多波長発光ＧａＮ層からの最大のＰＬ強度を仮に、１とする。これに対し、固体ソースＭＢＥ法で成長させた、表面を（３×３）再配列構造とし、窒素（Ｎ）を化学量論的に富裕に含むＳｉ及びＭｇドープＧａＮ層のＰＬ強度は相対的に０．０８と極めて微弱なものである。
【００６７】
多波長光を同時に発光する機能は、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本発明に係る多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は単一の波長の光のみでなく、波長が相違する複数の光を効率的に吸収する光電変換のための光吸収層、例えば太陽電池の受光層を構成するのにも優位となる。特に、遷移金属元素の含有量の少ない多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ディープレベル（ｄｅｅｐ  ｌｅｖｅｌ）の電子又は正孔の捕獲に因る励起電流の経時的変化を抑制できるため利便に用いることができる。
【００６８】
本実施の形態では、波長が相違する３以上の光を出射できる多波長ＩＩＩ族窒化物半導体単層を安定して形成するために、特別な構成の窒素プラズマを利用する。特別な構成の窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯（ｓｅｃｏｎｄ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｓｅｒｉｅｓ）に由来する発光を殆ど生じない（発生しない場合を含む。）窒素プラズマである。高純度の窒素ガスに高周波を印加して生成した窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマは、本発明に係る窒素プラズマとして最適である。
【００６９】
窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを発生させるには、体積濃度にして、酸素ガス（分子式Ｏ２）濃度を０．１ｐｐｍ未満とし、一酸化炭素（分子式：ＣＯ）及び二酸化炭素（分子式：ＣＯ２）の濃度をそれぞれ、０．１ｐｐｍ未満とし、炭化水素ガス類の濃度を０．０５ｐｐｍ未満とし、水分（分子式：Ｈ２Ｏ）の濃度を０．５５ｐｐｍ未満とする、露点をマイナス（−）８０℃を越えて低くする、例えば（−）８５℃とする純度９９．９９９９５％以上の高純度窒素ガスが適する。
【００７０】
窒素プラズマ内での窒素分子の第二正帯に由来する発光の有無は、窒素プラズマからの発光スペクトルから知ることができる。窒素プラズマの発光スペクトルは、一般的な分光器を使用して測定できる。窒素分子の第二正帯に由来する発光は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長の範囲に生ずる。
図６は、本実施の形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。
図６には、回折格子型の分光器を用いて測定した、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を高周波プラズマＭＢＥ法で堆積するのに適する窒素プラズマからの発光スペクトルが示されている。ここで、本実施の形態に好適な窒素プラズマとは、図６に示す如く、３００ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲に窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマである。上記の高純度窒素ガスを使用すれば、窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを簡便に発生させることができる。
【００７１】
図６に例示した発光スペクトルは、流量を毎分０．４ｃｃに設定した高純度窒素ガスに、周波数１３．５６メガヘルツ（単位：ＭＨｚ）の高周波を４００ワット（単位：Ｗ）の電力で入力して発生させた際のものである。本発明に係る多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するための高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚとする場合には、入力する電力は、２００Ｗ以上で６００Ｗ以下とするのが適する。更に、２５０Ｗ以上で４５０Ｗ以下の範囲とするのがより適する。６００Ｗを超える電力を入力すると、窒素分子の第二正帯に由来する発光の強度が高まるため不適である。入力する電力が２５０Ｗ未満と小さくては、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに充分な窒素プラズマを発生させられない。このため、層状ではなく、ガリウム（Ｇａ）の液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を含む不連続なＩＩＩ族窒化物半導体層が帰結される確率が高まるため望ましくはない。
【００７２】
高いエネルギー状態に励起された（遷移状態：Ｃ３Πｕ→Ｂ３Πｇ）窒素分子の存在を示す窒素分子の第二正帯からの発光を生じないか、又は殆ど生じない窒素プラズマを窒素源とすると、表面が平坦な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を得るに優位となる。窒素に関連するイオン種により多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面がスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）される程度を減少させられると推考される。窒素分子の第二正帯からの発光を殆ど生じない窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯に因る発光の強度が、波長７４５ｎｍの原子状窒素に因る発光の強度に比較して、１／１０以下であることを云う。
【００７３】
また、本実施の形態の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を形成するのに適する窒素プラズマに係るもう一つの特徴は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍに出現する３本の原子状（ａｔｏｍｉｃ）窒素の発光ピークの強度の相対的関係にある。本発明で窒素源として好適に使用できるのは、波長７４５ｍの発光ピークの強度が最大であり、次に波長８６９ｍの発光ピークの強度が高く、波長８２１ｎｍの発光ピークの強度が３本の発光ピークの中で最も低いことにある。機構は充分に解明できていないが、この様なピーク強度に於ける相対的関係を有する窒素プラズマを窒素源とすれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を簡便に安定してもたらすのに効果を上げられる。
【００７４】
数的に単一なＩＩＩ族窒化物半導体単層を基体上に堆積する場合のみならず、ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数用いるに際しても、各単層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマを窒素源として形成する。例えば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、その井戸層を複数、用いて多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を形成する場合を例にして説明する。例えば、ドナー不純物とアクセプター不純物の相対的な濃度比率を同一とするか否かに拘わらず、ＭＱＷ構造の発光層をなす各井戸層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。また、例えば、層厚を同一とするか又は異にするかに拘わらず、各井戸層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
本実施例１では、本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層から構成する場合を例に挙げ、図７及び図８を用いて説明する。
図７は、本実施例１に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。図８は、本実施例１に記載の多波長発光層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図８には、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）の原子濃度（ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ（ａｔｏｍｓ／ｃｃ））の深さ（ｄｅｐｔｈ（μｍ））方向の分布を示す図である。
【００７７】
先ず、（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）−シリコン（Ｓｉ）基板の表面上に、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源とする、高周波窒素プラズマ分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、７８０℃でアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝３０ｎｍ）を成長した。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３パスカル（圧力単位：Ｐａ）とした。次に、ＡｌＮ層上に、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源として、ＭＢＥ法により、７５０℃で珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。ガリウム（Ｇａ）のフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０−４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。
【００７８】
シリコン基板／ＡｌＮ層／ＧａＮ層積層構造体からなる基体上には、上記のＭＢＥ法により、相分離を生じておらず、層内のインジウム組成を均一とするインジウム（Ｉｎ）組成を０．０２とした窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ）単層（層厚＝８００ｎｍ）を５００℃で成長した。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。ガリウム（Ｇａ）のフラックス量は、１．１×１０−４Ｐａとし、インジウム（Ｉｎ）のフラックス量は１．３×１０−６Ｐａとした。
【００７９】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長時には、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とをドーピングした。珪素（Ｓｉ）は、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源としてドーピングした。ドーピング源の珪素（Ｓｉ）を収納するクヌードセン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）セルの内部のＰＢＮ製ルツボ（坩堝）の温度は１１５０℃とした。マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源には、金属マグネシウム（Ｍｇ）単体を用いた。特に、珪素（Ｓｉ）の含有量を０．５重量ｐｐｍ（ｗｔ．ｐｐｍ）以下とする純度９９．９９９９重量％（＝６Ｎ）のマグネシウム（Ｍｇ）をドーピング源とした。ドーピング源としたマグネシウム（Ｍｇ）を収納するＰＢＮ製クヌードセンセルの内部のルツボの温度は３５０℃とした。
【００８０】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長中には、高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）により、表面の構造をリアルタイムで観察した。成長中の表面からは、前述した図２に例示した如く、インジウム（Ｉｎ）組成が小さいときに第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）が窒素より化学量論的に富裕であることを示す（２×２）の再配列構造を示すＲＨＥＥＤパターンが得られた。
【００８１】
基体を構成するＡｌＮ層及びＧａＮ層、基体上のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の何れの成長層も、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（単位：Ｗ））窒素プラズマを窒素源として成長した。窒素ガスの流量は毎分２．０ｃｃとした。窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の基体と対向する開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ナノメートル（単位：ｎｍ）以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、第二正帯に因る発光ピークを、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した（図６参照）。
【００８２】
この窒素プラズマ用セルを用いて発生させた窒素プラズマからは、波長を７４５ｎｍ、８２１ｎｍ、及び８６９ｎｍとする３本の原子状窒素に因る発光が観測された。また、波長を７４５ｎｍとする発光が３本のうちで最大とし、波長を８６９ｎｍとする原子状窒素に因る発光ピークが、波長７４５ｎｍの発光ピークに次いで高く、また、波長を８２１ｎｍとする原子状窒素に因る発光ピークの強度が最も低い窒素プラズマとなった（図６参照）。
【００８３】
図７には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を表面とする上記の積層構造体のＰＬスペクトルが示されている。ＰＬスペクトルは、ヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として室温に於いて取得したものである。波長３６５ｎｍに出現するＧａＮのバンド（ｂａｎｄ）端発光に加えて、より長波長の領域で複数の発光が生じている。表１に、図７に示す多波長発光を構成する発光のピーク波長とその強度（任意単位）をまとめた。この多波長発光を構成する発光は、バンド端発光（図７に示すＰＬスペクトルにおいて、最も短波長の波長３６４．７ｎｍの発光である）に加えて、波長４００ｎｍ以下の範囲で２つ、４００ｎｍを超え５００ｎｍ以下の波長範囲で２個、５００ｎｍを超え６００ｎｍ以下の波長帯域で２個の、バンド端発光を除き、６００ｎｍ以下の波長帯域で合計６個の発光であった。このため、上記のレーザー励起光を構造体の表面に照射した際の発光色はほぼ白色と視認された。
【００８４】
【表１】
2012089651.tif 000003
【００８５】
図８には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布が示されている。これらの元素の濃度分布は一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定した。珪素（Ｓｉ）の原子濃度は３×１０１８原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。また、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は８×１０１７原子／ｃｍ３であり、これまた、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から約７０ｎｍ迄の領域）で両元素の原子濃度が層の深部より高く測定されるのは、単層の表面に吸着した酸素（元素記号：Ｏ）等に因る分析上の干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）のためと解釈された。珪素（Ｓｉ）に対するマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度比は、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍領域から深さ約６５０ｎｍに至る領域で０．２７とほほ一定の比率であった。
【００８６】
また、図８には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の水素（Ｈ）及び炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の濃度分布が示されている。これらの元素の濃度分布も一般的なＳＩＭＳ法により測定した。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から約７０ｎｍ迄の領域）より層の深部の領域で、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）の原子濃度は、何れもほぼ一定であった。また、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の３元素の原子濃度を比較すると、水素（Ｈ）が最も高く、酸素（Ｏ）が最低であった。アンモニアを使用せず、特有の発光強度を呈する窒素プラズマを窒素（Ｎ）源としてＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させたため、何れの原子濃度も、マグネシウム（Ｍｇ）原子濃度より低かった。例えば、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の中央（表面から深さ４００ｎｍの深さ）でのマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は８×１０１７ｃｍ−３であるのに対し、水素（Ｈ）の原子濃度は、９×１０１６ｃｍ−３であり、次に濃度の高い炭素（Ｃ）は、３×１０１６ｃｍ−３であり、３元素の中で最低の酸素（Ｏ）の原子濃度は、２×１０１６ｃｍ−３であった。
【００８７】
（実施例２）
多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層としての窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層をサファイア基板上に製膜する場合を例に挙げ、図９を用いて本発明を説明する。
図９は、本実施例２に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。
サファイア結晶の（０００１）（ｃ面）表面上に、上記の実施例１に記載したのと同一の条件でアンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層およびインジウム（Ｉｎ）組成を０．０２とした相分離を生じていない、層内でのインジウム組成を均一とする、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とをドーピングしたＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。
【００８８】
一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）に依れば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度は、上記の実施例１とほぼ同じく４×１０１８原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度も上記の実施例１と同じく８×１０１７原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。また、水素（Ｈ）の原子濃度は、１×１０１７ｃｍ−３であり、炭素（Ｃ）の原子濃度は、１×１０１６ｃｍ−３であり、酸素（Ｏ）の原子濃度は、５×１０１６ｃｍ−３であった。いずれもマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度より低かった。
【００８９】
図９には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を表面とする上記の積層構造体のＰＬスペクトルが示されている。ＰＬスペクトルは、ヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として室温で取得したものである。光子エネルギーにして３．４エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）のＧａＮのバンド（ｂａｎｄ）端発光より低い光子エネルギー側で発光が生じている。光子エネルギーに依って強度は相違するものの、３．４ｅＶから２．０ｅＶの範囲で、少なくとも３以上の波長を異にする発光が重畳した連続スペクトルとなっていた。このため、上記のレーザー励起光を構造体の表面に照射した際の発光色は白色と視認された。
【００９０】
（実施例３）
本発明に係る波長が相違する複数の光（多波長光）を発する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層を井戸（ｗｅｌｌ）とする多重量子井戸（略称：ＭＱＷ）構造からなる多波長発光層を構成する場合を例に挙げ、図１０及び図１１を用いて説明する。
図１０は、本実施例３に係るＭＱＷ構造の発光層の断面構造を示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。図１１は、図１０に示すＭＱＷ構造から得られる室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルである。
【００９１】
Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ多波長発光層を井戸層とするＭＱＷ構造は、表面の結晶面方位を（１１１）とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型シリコン（Ｓｉ）基板表面上に形成した。基板の表面は、弗化水素酸（化学式：ＨＦ）等の無機酸を使用して洗浄後、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を７×１０−５パスカル（圧力単位：Ｐａ）の超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しつつ、基板の温度を７８０℃に昇温して、基板の表面が（７×７）構造の表面再配列構造を呈する迄、継続して加熱した。
【００９２】
（７×７）構造の再配列構造を呈する様に清浄化された（１１１）−シリコン基板の表面上には、高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加してプラズマ化させた窒素を窒素源とする高周波窒素プラズマＭＢＥ法に依り、アンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝５ｎｍ）を７６０℃で形成した。窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃとし、また、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は７．２×１０−６Ｐａとした。
【００９３】
ＡｌＮ層上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法に依り、アンドープの窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）組成勾配層（層厚＝３００ｎｍ）を７６０℃で堆積した。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層のアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）は、ＡｌＮ層との接合面から組成勾配層の表面に向けて、０．３０から０（零）へと、組成勾配層の層厚の増加に比例してＡｌ組成を直線的に連続的に減少させた。組成勾配層の成長時には、窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃと一定とし、また、ガリウム（Ｇａ）のフラックス量も１．３×１０−４Ｐａと一定とした。一方で、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は、組成勾配層の成長開始時には７．２×１０−６Ｐａとし、それより成長時間の経過と共に直線的に減少させた。組成勾配層の成長終了時にはＡｌＮ層の表面へ向けてのＡｌのフラックスを遮断した。
【００９４】
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層（Ｘ＝０．３→０）上には、窒素プラズマＭＢＥ法に依り、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型ＧａＮ層を堆積した。ＧａＮ層の層厚は１８００ｎｍとなる様に、また、キャリア濃度は４×１０１８ｃｍ−３となる様に成長条件を設定した。このＧａＮ層の層厚は１０００ｎｍを超える厚い膜のため、この層を成長するときに限り、一つのＭＢＥ成長チャンバーに取り付けた２機の高周波窒素プラズマ発生装置から窒素プラズマを発生させた。窒素ガスの流量は各々の発生装置につき毎分１．５ｃｃに設定した。ガリウム（Ｇａ）のフラックス量を１．３×１０−４Ｐａとして、１２０分間でＧａＮ層の成長を終了した。ＧａＮ層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった（図２に示すＲＨＥＥＤパターン参照）。
【００９５】
ｎ型ＧａＮ層の（２×２）再配列構造を有する表面上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、基板の温度を５５０℃として、多重量子井戸構造の障壁層とするアンドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２６ｎｍ）を堆積した。次に、同じく上記の窒素プラズマＭＢＥ法に依り、５５０℃で、このｎ型ＧａＮ障壁層に接合させて、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含むｎ型窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ）からなる井戸層（層厚＝４ｎｍ）を設けた。このｎ型障壁層とｎ型井戸層とからなる一対の構造単位を８対（８ペア（ｐａｉｒ））積層させた後、最上層として上記のｎ型ＧａＮ障壁層を堆積し、全体としてｎ型の伝導を呈する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造層を形成した。図１０には、このＭＱＷ構造層の断面構成のＴＥＭ像が示されている。
【００９６】
また、図１１には、上記の発光層をなす多重量子井戸構造の一井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎから得られた室温のＣＬスペクトルが示されている。数的に単一の層であっても、波長が相違する多数の発光が出射されることが如実に明示されている。バンド端発光（図１１に示す最も短波長の発光）に加え、３９０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下の波長範囲で２つ、５００ｎｍを超え７５０ｎｍ以下の波長帯域で４つ、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長帯域で４つ、結局のところ、３９０ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長帯域で合計６つの発光が呈された。
【００９７】
上記の多重量子井戸構造の障壁層をなすＧａＮ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（２×２）再配列構造を示した（図２参照）。また、上記の多重量子井戸構造の井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（３×１）再配列構造を示した。このことから、上記の多重量子井戸構造に於ける一対の構造単位は、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層と、第ＩＩＩ族元素（ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ））を窒素（Ｎ）より化学量論的に富裕に含むＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層とから構成されるものとなった。
【００９８】
一般的なＳＩＭＳ分析法に依れば、Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層に含まれる珪素（Ｓｉ）の原子濃度は７×１０１８ｃｍ−３であった。また、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、珪素（Ｓｉ）の原子濃度よりも低く、且つ、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）層の表面を急激に乱雑なものとするマグネシウム（Ｍｇ）の臨界的な原子濃度（＝３×１０１８ｃｍ−３）未満であり、高くとも６×１０１７ｃｍ−３であった。このため、上記の８対の構造単位を積層させた多重量子井戸構造の表面は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域での窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマを利用したことと相俟って凹凸が無い良好な平坦面となった。
【００９９】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を含め多重量子井戸構造の内部での水素（Ｈ）の原子濃度は３×１０１６ｃｍ−３であり、炭素（Ｃ）の原子濃度は１×１０１７ｃｍ−３であり、酸素（Ｏ）の原子濃度は、３元素の中で最も低く２×１０１６ｃｍ−３であった。
【０１００】
（比較例１）
上記の実施例１と同様に、高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、ｎ型（１１１）−シリコン基板の（１１１）表面上に、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を同時にドープしたＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。但し、本比較例１では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚を、上記の実施例１の場合の半分の４００ｎｍとした。
【０１０１】
また、本比較例１では、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を同時にドープして成長させつつも、層厚の増加方向にマグネシウム（Ｍｇ）原子の濃度分布を上記の実施例１とは相違するＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度に分布を付すため、マグネシウム（Ｍｇ）セルの温度を、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長開始時の３４０℃より、毎分３℃の割合で一律に低下させ、３０分間に亘る同層の成長の終了時には２５０℃に低下させた。
【０１０２】
図１２は、比較例１記載の多波長発光を生じない単層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。図１２には、一般的なＳＩＭＳ分析で測定した比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層のマグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）及び水素（Ｈ）の深さ方向の原子濃度の分布が示されている。図１２に示すように、珪素（Ｓｉ）は層内でほぼ一様に分布しており、その原子濃度は、層内でほぼ一定の５×１０１８ｃｍ−３となっている。一方、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、上記のマグネシウム（Ｍｇ）ドーピングセルの温度をＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の増加と共に低温としたのに対応して、下地のＧａＮ層との接合界面で６×１０１７ｃｍ−３であるが、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向けて漸次、減少していた。特に、層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）よりＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向かう領域で５×１０１６ｃｍ−３またはそれ未満の低濃度となっていた。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から８０ｎｍの深さに於けるマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、４×１０１６ｃｍ−３であった。
【０１０３】
本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部に於けるマグネシウム（Ｍｇ）原子の濃度は、上記の実施例１の場合とは異なり、層厚方向に一定となっていなかった。このため、珪素（Ｓｉ）に対するマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度の比率は、下地のＧａＮ層との接合界面では、０．１となり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から８０ｎｍの深さでは０．８×１０−２となった。
【０１０４】
また、水素原子も上記の実施例１の場合の様に深さ方向にほぼ一様に分布しておらず、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さより表面に向けて漸次、濃度を高くして分布していた。また、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）より表面に向かう、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３またはそれ未満の低濃度となっている領域での水素原子濃度は、そのマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を上回るものとなった。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）での水素原子の濃度は、７×１０１６ｃｍ−３であった。水素原子濃度は、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向かって、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が漸次、減少しているのに対応するかの如く、同層の表面に向けて漸次、増加していた（図１２参照）。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から３０ｎｍの深さに於ける水素（Ｈ）の原子濃度は２×１０１８ｃｍ−３であった（図１２参照）。
【０１０５】
図１３は、本比較例１に記載の多波長発光を生じない単層の室温ＰＬスペクトルを示す図である。図１３には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層からの室温でのＰＬスペクトルが示されている。図１３に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンド端の近傍の波長で、また波長を約５５０ｎｍから約６２０ｎｍとする領域に幅広い（ブロード（ｂｒｏａｄ）な）発光を生じている。このブロードな発光は、イエロールミネッセンス（ｙｅｌｌｏｗ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と称され、結晶欠陥が関与した発光と推察される（ＪＡＣＱＵＥＳ  Ｉ．  ＰＡＮＫＯＶＥ  ａｎｄ  ＴＨＥＯＤＯＲＥ  Ｄ．  ＭＯＵＳＴＡＫＡＳ  （Ｅｄｉｔｏｒｓ），“Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  （ＧａＮ）  Ｉ，ＳＥＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ  ＡＮＤ  ＳＥＭＩＭＥＴＡＬＳ  Ｖｏｌ．５０（ＡＣＡＤＥＭＩＣ  ＰＲＥＳＳ，１９８８）”，２９１−２９５）。
【０１０６】
本比較例１では、図１３に図示した様に、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下であった。このため、同単層の表面は、然して凹凸も無く平坦であった。しかし、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とを層内に共存させたとは云えども本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層では、波長が相違する複数の光を同時に出射される多波長発光を顕現するに至らなかった。これは、上記の実施例１に記載した如く、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の全体に亘り、マグネシウム（Ｍｇ）が多波長発光を発現するために必要な臨界的な原子濃度である５×１０１６ｃｍ−３以上に含まれていないからであると推考された。
【０１０７】
本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層にあっては、水素の原子濃度が臨界値としての２×１０１８ｃｍ−３を超えると急激に認められる発光強度の短期的な経時変化が認められた。特に、発光スペクトルを測光するカソードミネッセンス（ＣＬ）法に於いて、励起源として電子を照射し始めた直後と、その照射から５分を経過後の短期間でも、ＧａＮのバンド端の発光強度が徐々に増加するのが認められた。このＣＬ発光強度のドリフト（ｄｒｉｆｔ）は、励起源である電子とＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層内部の水素との何らかの相互作用、或いは同層内のマグネシウム（Ｍｇ）と水素（Ｈ）との電気的な複合体（ｃｏｍｐｌｅｘ）の解離等にも因るものと推考されるが、いずれにしても表面近傍の領域にマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を超えて水素が含まれていることに起因していると推定される。
【０１０８】
（実施例４）
本実施例４では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を含む積層体を用いてＩＩＩ族窒化物半導体素子を構成する場合を例にして、図１４を用いて本発明の内容を説明する。
図１４は、実施例４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えたＬＥＤの発光パターンを示す図である。図１４には、実施例４に記載のＬＥＤに通電した際の発光状況が示されている。
マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が３×１０１８原子ｃｍ−３を超えると、表面の平坦性は急激に悪化し、凹凸の激しい粗雑な表面となるが、本実施例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層では、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、珪素（Ｓｉ）に比べて少ない上に、表面の平坦性の良否に係るこの臨界的な濃度より低いため、同単層の表面は平坦であった。このため、本実施例４では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を発光層として利用し、その層上に、５２０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮ層（層厚＝９０ｎｍ）を設けて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用途のｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の積層体を形成した。窒素プラズマＭＢＥ法により、このｐ型ＧａＮ層を成長させる際にも、窒素分子の第２正帯に因る発光を生じない窒素プラズマを窒素源として用いた。ｐ型ＧａＮ層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ−３となる様に成長条件を設定した。
【０１０９】
その後、一般的なドライエッチング法により、ｎ型オーミック電極を形成する領域に在るＭｇドープｐ型ＧａＮ層及びＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を除去した。これらの層を除去して露出させたｎ型窒化ガリウム層の表面には、ｎ型オーミック電極を形成した。一方、エッチング後に残置したｐ型ＧａＮ層の表面にはｐ型オーミック電極とそれに電気的に導通する台座（ｐａｄ）電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。一辺の長さを約３５０ミクロンメートル（単位：μｍ）とする正方形の平面形状のＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすための蛍光体を設けることはしなかった。
【０１１０】
作製したＬＥＤからは、図１に示したと同様に、波長が異なる複数の発光を反映して、白色光が出射されるのが目視された。また、発光層をなす上記のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が８×１０１７ｃｍ−３であるのに対して、水素の原子濃度は９×１０１６ｃｍ−３であり、酸素原子濃度は２×１０１６ｃｍ−３であった。このため、発光の波長及び強度の経時的変化（ドリフト）は殆ど認められなかった。これは、マグネシウム（Ｍｇ）原子濃度に対して、本発明の如く規定された水素及び酸素の原子濃度を有することに起因すると判断された。
【０１１１】
電気的特性の一端を記せば、ダイオードの順方向に通流させる電流（順方向電流）を２０ミリアンペア（単位：ｍＡ）とした際の順方向電圧は３．５ボルト（単位：Ｖ）となった。また、順方向電圧を３．５Ｖに固定して順方向電流の経時変化（所謂、電流ドリフト）を測定した。順方向電流は２０ｍＡから経時的に殆ど変化しなかった。
【０１１２】
（実施例５）
本実施例５では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む積層体を用いて構成した発光素子（ＬＥＤ）を図１５及び図１６を用いて説明する。
図１５は、本実施例５に記載するＬＥＤの断面構造を示す模式図である。図１６は、図１５に示すＬＥＤの平面模式図である。図１５に示すように、発光素子（ＬＥＤ）１０は、Ｓｉ基板１０１上に形成されたＡｌＮ層１０２の上に、ＡｌＧａＮ組成勾配層１０３を有している。ＡｌＧａＮ組成勾配層１０３の上には、ｎ型ＧａＮ層１０４、多重量子井戸構造発光層１０５、ｐ型ＧａＮ層１０６が順次積層されている。
さらに、ｐ型ＧａＮ層１０６上にｐ型オーミック電極１０８が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１０４に形成された露出領域にｎ型オーミック電極１０７が積層されている。多重量子井戸構造発光層１０５は、ＧａＮ障壁層１０５ａ及びＧａＩｎＮ井戸層１０５ｂ（多波長発光Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層）が交互に積層され、最上層にＧａＮ障壁層１０５ａが積層された構造を有する。
【０１１３】
本実施例５では、上記の実施例２に記載のＭＱＷ構造を多重量子井戸構造発光層１０５として用いてＬＥＤ１０を構成した。多重量子井戸構造発光層１０５の最終端（最表層）をなすＧａＮ障壁層上には、高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、マグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ型ＧａＮ層１０６（層厚＝８５ｎｍ）を設けて、ＬＥＤ１０用途の構造体の形成を終了した。ｐ型ＧａＮ層１０６の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ−３となる様に成長条件を設定した。
【０１１４】
ｎ型オーミック電極１０７を形成する領域にあるｐ型ＧａＮ層１０６及び多重量子井戸構造発光層１０５を一般的なドライエッチング法により選択的に除去した。その後、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ層１０４の表面にｎ型オーミック電極１０７を形成した。また、エッチング後に残置させたｐ型ＧａＮ層１０６の表面には、一般的なフォトリソグラフ技術を利用してパターニングした格子状のｐ型オーミック電極１０８を形成した。格子状に配置した幅４×１０−４ｃｍのｐ型オーミック電極１０８は、ｐ型ＧａＮ層１０６にオーミック接触をなす白金（Ｐｔ）系金属から構成した。また、ｐ型ＧａＮ層１０６の表面上の一端には、この格子状ｐ型オーミック電極１０８に電気的に導通させて結線（ボンデング）用の台座（パッド）電極１０９を設けてＬＥＤ１０（チップ（ｃｈｉｐ））を作製した。チップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすためのＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の蛍光体を一切、設けなかった。
【０１１５】
一辺の長さを約４００μｍとする正方形のＬＥＤ１０に２０ｍＡの順方向電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．４Ｖであった。２０ｍＡの順方向電流を通流した際に波長３５０ｎｍから７００ｎｍの範囲で測光された発光のピーク波長は、３６５ｎｍ、３８５ｎｍ、４４０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ及び６７０ｎｍであった。この様な広い波長範囲で波長が相違する複数の発光が顕現されたため、目視される発光色は白色であった。また、多波長発光を構成する各々の発光の波長及び発光強度は、経時的に殆ど変化しなかった。
【符号の説明】
【０１１６】
１０…発光素子（ＬＥＤ）、１０１…Ｓｉ基板、１０２…ＡｌＮ層、１０３…ＡｌＧａＮ組成勾配層、１０４…ｎ型ＧａＮ層、１０５…多重量子井戸構造発光層、１０５ａ…ＧａＮ障壁層、１０５ｂ…ＧａＩｎＮ井戸層、１０６…ｐ型ＧａＮ層、１０７…ｎ型オーミック電極、１０８…ｐ型オーミック電極、１０９…台座（パッド）電極
【図１】
2012089651.tif 000004
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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