JPH09321339A - ３−５族化合物半導体と発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】結晶性が高く、高品質の３−５族化合物半導体
及びこれを用いた発光効率が高い発光素子を提供する。 【解決手段】歪層２及びｎ型層１とｎ型層３からなる下
地層と、２つの電荷注入層４と６が発光層５を挟んで接
してなる量子井戸構造からなる層と、ｐ型層７とをこの
順に積層したものである。ｎ型層１又はｎ型層３にｎ電
極、ｐ型層７にｐ電極を設け、順方向に電圧を加えるこ
とで電流が注入され、発光層５からの発光が得られ、発
光素子が得られる。電荷注入層４又は電荷注入層６に高
濃度にドーピングを行なうと、これらの層の結晶性が低
下することがある。結晶性を低下させない不純物の濃度
範囲としては、好ましくは１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、更に
好ましくは１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般式Ｉｎ_u Ｇａ_v
Ａｌ_w Ｎ（ただし、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０≦ｕ≦１、０≦
ｖ≦１、０≦ｗ≦１）で表される３−５族化合物半導体
及びそれを用いてなる発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外もしくは青色の発光ダイオード又は
紫外もしくは青色のレーザダイオード等の発光素子の材
料として、一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ただし、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で
表される３−５族化合物半導体が知られている。以下、
この一般式中のｘ、ｙ及びｚをそれぞれＩｎＮ混晶比、
ＧａＮ混晶比、及びＡｌＮ混晶比と記すことがある。該
３−５族化合物半導体ではとくにＩｎＮを混晶比で１０
％以上含むものはＩｎＮ混晶比に応じて可視領域での発
光波長を調整できるため、表示用途に特に重要である。

【０００３】該３−５族化合物半導体はサファイア、Ｇ
ａＡｓ、ＺｎＯ等の種々の基板の上に成膜することが試
みられているが、格子定数や化学的性質が該化合物半導
体と大きく異なるため、充分高品質の結晶が得られてい
ない。このため、該化合物半導体と格子定数、化学的性
質がよく似ているＧａＮの結晶をまず成長し、この上に
該化合物半導体を成長することで優れた結晶を得ること
が試みられている（特公昭５５−３８３４号公報）。ま
た、最近、Ｉｎ_x Ｇａ_y Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＝１、０＜
ｘ＜１、０＜ｙ＜１。）で表される半導体を活性層とす
る発光素子において、発光層の厚さを２０Å程度とする
ことにより、高効率の発光素子が実現できることが報告
されている（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス、１９９５年、３４巻、Ｌ７９７ペ
ージ）。しかし、この場合でも、発光層のＩｎＮ混晶比
を高くするにつれて発光効率が低下することが報告され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、結晶
性が高く、高品質の３−５族化合物半導体及びこれを用
いた発光効率が高い発光素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【０００５】本発明者らはこのような状況をみて鋭意検
討の結果、発光層と基板との間に少なくとも３層からな
る特定の下地層を設けることにより、該下地層の上に成
長する層の結晶性が著しく改善されることを見出し、本
発明に至った。即ち、本発明は、（１）基板の上に少な
くとも発光層と電荷注入層とを有し、該発光層は一般式
Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜
１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される３−５族
化合物半導体であり、該電荷注入層は一般式Ｉｎ_x'Ｇａ
_y'Ａｌ_z'Ｎ（式中、０≦ｘ’≦１、０≦ｙ’≦１、０≦
ｚ’≦１、ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）で表され、該発光層
よりも大きなバンドギャップを有する３−５族化合物半
導体であり、該発光層は２つの電荷注入層に挟まれて接
してなる３−５族化合物半導体において、発光層と基板
との間に、少なくとも３層からなる下地層を有し、該下
地層を形成する層は一般式Ｉｎ_u Ｇａ_v Ａｌ _w Ｎ（式
中、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ
＝１）で表される３−５族化合物半導体であり、該下地
層中の少なくとも１つの層がこれよりＩｎＮ混晶比の小
さな２つの層に挟まれて接してなり、該少なくとも１つ
の層のＩｎＮ混晶比が、該層に基板側から接する層のＩ
ｎＮ混晶比より０．０５以上大きく、かつ該ＩｎＮ混晶
比の小さな２つの層のうち基板側の層と発光層との間の
少なくとも１つの層にｎ型不純物がドープされてなる３
−５族化合物半導体に係るものである。また、本発明
は、（２）前記（１）記載の３−５族化合物半導体を用
いてなる発光素子に係るものである。次に、本発明を詳
細に説明する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明における３−５族化合物半
導体とは、基板上に下地層と量子井戸構造からなる層を
この順に有するものである。ここで、量子井戸構造と
は、一般式Ｉｎ _x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表され
る層（以下、発光層と記すことがある。）が、一般式Ｉ
ｎ_x'Ｇａ _y'Ａｌ_z'Ｎ（式中、０≦ｘ’≦１、０≦ｙ’≦
１、０≦ｚ’≦１、ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）で表され、
発光層より大きなバンドギャップを有する層（以下、電
荷注入層と記すことがある。）に挟まれて接しているも
のである。なお、２つの電荷注入層を表す一般式におけ
るｘ’、ｙ’、ｚ’は、互いに同一でも異なってもよ
い。

【０００７】次に、本発明における下地層とは、少なく
とも３層からなり、いずれの層も一般式Ｉｎ_u Ｇａ_v Ａ
ｌ_w Ｎ（式中、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、
ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）で表される。なお、下地層中の少なく
とも３つの層を表す一般式におけるｕ、ｖ、ｗは、互い
に同一でも異なってもよい。本発明における下地層にお
いて、該下地層中の少なくとも１つの層が、この層のＩ
ｎＮ混晶比より小さなＩｎＮ混晶比を有する２つの層に
挟まれて接している。本発明における下地層中の、Ｉｎ
Ｎ混晶比の小さな層に挟まれた層のことを、以下、歪層
と記すことがある。

【０００８】該歪層と、基板側から歪層と接する層とを
比較して、歪層と、基板側から歪層と接する層とのＩｎ
Ｎの混晶比の差は、０．０５以上である。更に好ましく
は０．１以上、特に好ましくは０．２以上である。該混
晶比の差が、０．０５より小さい場合、本発明の効果が
充分ではない。該歪層の厚さは、５Å以上であることが
好ましい。該歪層の厚さが５Å未満の場合にはその効果
が十分でない。また、該歪層は、格子歪を有するため、
その厚さが大きすぎる場合にはあらたに欠陥を発生する
ことがある。この場合には、該歪層の上に成長する層の
結晶性はかえって低下するので好ましくない。歪層の厚
さの好ましい上限は歪層と歪層の前に成長する層とのＩ
ｎＮ混晶比の差に依存する。すなわち、該ＩｎＮ混晶比
の差が０．３以下の場合、歪層の厚さについては該混晶
比の差と厚さ（Å）との積が３０以下であることが好ま
しい。ただし、該ＩｎＮ混晶比の差が０．３を超える場
合には、歪層の厚さは１００Å以下が好ましい。具体的
には、該ＩｎＮ混晶比の差が０．０５の場合、歪層の厚
さは６００Å以下が好ましい。また、該ＩｎＮ混晶比の
差が０．３の場合、歪層の厚さは１００Å以下が好まし
い。歪層の数は１層で、本発明の効果は得られるが、歪
層の数を複数にすることで、さらに大きな効果が得られ
る場合がある。このような下地層の例としては、ｍ層の
ＩｎＮ混晶比の大きな層と（ｍ＋１）層のＩｎＮ混晶比
の小さな層とが、交互に積層してなる（２ｍ＋１）層か
らなる構造が挙げられる。ただし、ｍは２以上の正の整
数である。このような複数の歪層を含む積層構造の下地
層においては、各々の歪層の厚さは一定のままＩｎＮ混
晶比を少しずつ変化させてもよく、又は変化させなくて
もよい。また、各々の歪層のＩｎＮ混晶比は、一定のま
ま層の厚さを臨界膜厚を超えない範囲で少しずつ変化さ
せてもよい。歪層よりＩｎＮ混晶比の小さな層も、Ｉｎ
Ｎ混晶比又は層の厚さを少しずつ変化させてもよく、同
一であってもよい。

【０００９】この歪層を含む下地層を発光層と基板の間
に設けることにより、下地層の上に成長する層の結晶性
を著しく向上させることができる。この効果は、該化合
物半導体を後述の有機金属気相成長法を用いて、常圧で
成長する場合でも認められるが、減圧下で成長する場合
に特にその効果が著しい。結晶性は、加熱したリン酸と
硫酸の混酸で処理した該化合物半導体表面に発生するエ
ッチピットの密度により確認することができる。下地層
の効果は、エッチピット密度の減少として現われること
から、該化合物半導体結晶中に存在する転位の伝搬を下
地層が抑制しているものと考えられる。

【００１０】更に、本発明においては、下地層中のＩｎ
Ｎ混晶比の小さな２つの層のうち基板側の層と発光層と
の間の少なくとも１つの層にｎ型不純物がドープされて
なることを特徴とする。具体的には、歪層又は歪層の上
に成長されたＩｎＮ混晶比の小さな層などにｎ型不純物
がドープされたものが挙げられる。こうすることによっ
て、該歪層のＩｎＮ混晶比は、これと接合する層のＩｎ
Ｎ混晶比よりも高いため、該歪層のバンドギャップがこ
れと接合する層のバンドギャップよりも小さくなる場合
があっても、注入されたキャリアが歪層中で再結合し、
発光層での再結合効率が低下することを避けることがで
きる。該ｎ型にドープされた層の好ましいキャリア濃度
は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、更に好ましくは１×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上である。

【００１１】本発明の３−５族化合物半導体の構造の１
例を図１に示す。図１に示す例は、歪層２及びｎ型層１
とｎ型層３からなる下地層と、２つの電荷注入層４と６
が発光層５を挟んで接してなる量子井戸構造からなる層
と、ｐ型層７とをこの順に積層したものである。ｎ型層
１又はｎ型層３にｎ電極、ｐ型層７にｐ電極を設け、順
方向に電圧を加えることで電流が注入され、発光層５か
らの発光が得られ、本発明の発光素子が得られる。

【００１２】電荷注入層４でのｎ型キャリア濃度が充分
に高い場合、該電荷注入層４にｎ電極を形成してもよ
い。また、ｎ型層３のバンドギャップが発光層より大き
い場合には、該ｎ型層３と電荷注入層４とを別の層とし
て分けずに、該ｎ型層３に電荷注入層としての役割を兼
ねさせて、電荷注入層４を成長しなくてもよい。また、
電荷注入層６でのｐ型キャリア濃度が充分に高い場合、
該電荷注入層６に電極を形成してもよい。この場合、ｐ
型層７は形成しなくてもよい。ただし、電荷注入層４又
は電荷注入層６に高濃度にドーピングを行なうと、これ
らの層の結晶性が低下することがある。このような場
合、発光特性又は電気特性が低下するので好ましくな
い。このような場合には電荷注入層４又は電荷注入層６
中の不純物濃度を低くする必要がある。結晶性を低下さ
せない不純物の濃度範囲としては、好ましくは１×１０
¹⁸ｃｍ^-3以下、更に好ましくは１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下で
ある。

【００１３】ところで、該化合物半導体でＩｎを含まな
いものは、適切なバッファ層を用いることで、Ｉｎを含
むものに比べて比較的高品質のものが得やすいことが知
られている。このため、まず基板上に、Ｉｎを含まない
層を成長した後、電荷注入層及び発光層を作製すること
が好ましい。しかし、電荷注入層としてＩｎを含む層を
用いる場合、あらかじめ基板上に成長したＩｎを含まな
い層との格子不整合により電荷注入層に欠陥が発生する
場合がある。このような場合、本発明における下地層
を、あらかじめ成長したＩｎを含まない層と電荷注入層
との間に挿入することで、電荷注入層での欠陥の発生を
抑制することことができる。

【００１４】次に発光層について説明する。該３−５族
化合物半導体の格子定数は、混晶比により大きく変化す
るため、該３−５族化合物半導体の発光層と電荷注入層
とのあいだの格子定数に大きな差がある場合、格子不整
合による歪みの大きさに応じて発光層の厚さを小さくす
ることが好ましい。好ましい発光層の厚さの範囲は歪み
の大きさに依存する。電荷注入層としてＧａ_a Ａｌ_b Ｎ
（ただし、ａ＋ｂ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）で表
される層の上にＩｎＮ混晶比が１０％以上の発光層を積
層する場合、発光層の好ましい厚さは５Å以上９０Å以
下である。発光層の厚さが５Åより小さい場合、発光効
率が充分でなくなる。また、９０Åより大きい場合、欠
陥が発生しやはり発光効率が充分でなくなる。

【００１５】また、発光層の厚さを小さくすることで、
電荷を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、
発光効率を向上させることができる。このため、格子定
数の差が上記の例よりも小さい場合でも、発光層の厚さ
は上記の例と同様にすることが好ましい。発光層がＡｌ
を含む場合、Ｏ等の不純物を取り込みやすく、発光効率
が下がることがある。このような場合には、発光層とし
てはＡｌを含まない一般式Ｉｎ_xＧａ_y Ｎ（ただし、ｘ+
ｙ= １、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表されるものを
利用することができる。

【００１６】電荷注入層と発光層とのバンドギャップの
差は０．１ｅＶ以上であることが好ましい。電荷注入層
と発光層のバンドギャップの差が０．１ｅＶより小さい
場合、発光層へのキャリアの閉じ込めが充分でなく、発
光効率が低下する。より好ましくは０．３ｅｖ以上であ
る。ただし、電荷注入層のバンドギャップが５ｅＶを越
えると電荷注入に必要な電圧が高くなるため、電荷注入
層のバンドギャップは５ｅＶ以下が好ましい。電荷注入
層の厚さは、１０Å以上、５０００Å以下が好ましい。
電荷注入層の厚さが５Åより小さくても、５０００Åよ
り大きくても、発光効率が低下するため好ましくない。
更に好ましくは１０Å以上２０００Å以下である。発光
層は１層であってもよいが、複数あってもよい。このよ
うな構造の例としては、ｎ層の発光層と、（ｎ＋１）層
の発光層よりもバンドギャップの大きな層とが、交互に
積層してなる（２ｎ＋１）層の積層構造が挙げられる。
ここでｎは正の整数であり、１以上５０以下であること
が好ましく、さらに好ましくは１以上３０以下である。
ｎが５０以上の場合には、発光効率が下がり、成長に時
間がかかるのであまり好ましくない。このような複数の
発光層を有する構造は、強い光出力が必要な半導体レー
ザーを作製する場合に特に有用である。

【００１７】発光層に不純物をドープすることで、発光
層のバンドギャップとは異なる波長で発光させることが
できる。これは不純物からの発光であるため、不純物発
光とよばれる。不純物発光の場合、発光波長は発光層の
３族元素の組成と不純物元素により決まる。この場合、
発光層のＩｎＮ混晶比は５％以上が好ましい。ＩｎＮ混
晶比が５％より小さい場合、発光する光はほとんど紫外
線であり、充分な明るさを感じることができない。Ｉｎ
Ｎ混晶比を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波
長を紫から青、緑へと調整できる。

【００１８】不純物発光に適した不純物としては、２族
元素が好ましい。２族元素のなかでは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ
ｄをドープした場合、発光効率が高いので好適である。
特にＺｎが好ましい。これらの元素の濃度は、いずれも
１０¹⁸〜１０²²ｃｍ^-3が好ましい。発光層にはこれらの
２族元素とともにＳｉ又はＧｅを同時にドープしてもよ
い。Ｓｉ、Ｇｅの好ましい濃度範囲は１０¹⁸〜１０²²ｃ
ｍ^-3である。

【００１９】不純物発光の場合、一般に発光スペクトル
がブロードになり、また注入電荷量が増すにつれて発光
スペクトルがシフト場合がある。このため、高い色純度
が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中さ
せることが必要な場合、バンド端発光を利用する方が有
利である。バンド端発光による発光素子を実現するため
には、発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなければ
ならない。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃｄ及びＺ
ｎの各元素について、濃度が１０¹⁹ｃｍ^-3以下が好まし
い。更に好ましくは１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。バンド端
発光を利用する場合、発光効率は発光層中の欠陥に依存
し、欠陥が多くなるにしたがい大きく低下するため、発
光層中の欠陥はなるべく少なくする必要がある。したが
って、本発明における下地層は、バンド端を利用する発
光素子の発光効率の向上に大きな効果がある。発光層の
ＩｎＮ混晶比が増大し、発光波長が長くなるにつれて、
発光効率が低下する場合がある。この場合には、基板側
の電荷注入層４のＡｌＮ混晶比を増大させることによ
り、発光効率の低下を抑えてＩｎＮ混晶比を増大させる
ことができる。

【００２０】該３−５族化合物半導体においては、発光
層のＩｎＮの混晶比が高い場合、熱的な安定性が充分で
なく、結晶成長中、又は半導体プロセスで劣化を起こす
場合がある。このような劣化を防止する目的のためＩｎ
Ｎ混晶比の高い発光層の上に、ＩｎＮ混晶比の低い電荷
注入層６を積層し、この層に保護層としての機能を持た
せることができる（以下、この場合の電荷注入層を保護
層と記すことがある。）。該保護層に充分な保護機能を
もたせるためには、該保護層のＩｎＮの混晶比は１０％
以下、ＡｌＮの混晶比は５％以上が好ましい。更に好ま
しくはＩｎＮ混晶比が５％以下、ＡｌＮ混晶比が１０％
以上である。

【００２１】また、該保護層に充分な保護機能を持たせ
るためには、該保護層の厚さは１０Å以上１μｍ以下が
好ましい。保護層の厚さが１０Åより小さいと充分な効
果が得られない。また、１μｍより大きい場合には発光
効率が減少するので好ましくない。更に好ましくは、５
０Å以上５０００Å以下である。

【００２２】次に本発明に用いられる基板、及び成長方
法について説明する。該３−５族化合物半導体の結晶成
長用基板としては、サファイア、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓ
ｉ、ＳｉＣ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ₃ ）、スピネル（Ｍｇ
Ａｌ₂ Ｏ₄ ）等が用いられる。とくにサファイアは透明
であり、また大面積の高品質の結晶が得られるため重要
である。

【００２３】該３−５族化合物半導体の製造方法として
は、分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと記すことがあ
る。）法、有機金属気相成長（以下、ＭＯＶＰＥと記す
ことがある。）法、ハイドライド気相成長（以下、ＨＶ
ＰＥと記すことがある。）法などが挙げられる。なお、
ＭＢＥ法を用いる場合、窒素原料としては、窒素ガス、
アンモニア、及びその他の窒素化合物を気体状態で供給
する方法である気体ソース分子線エピタキシー（以下、
ＧＳＭＢＥと記すことがある。）法が一般的に用いられ
ている。この場合、窒素原料が化学的に不活性で、窒素
原子が結晶中に取り込まれにくいことがある。その場合
には、マイクロ波などにより窒素原料を励起して、活性
状態にして供給することで、窒素の取り込み効率を上げ
ることができる。

【００２４】次に、本発明の３−５族化合物半導体のＭ
ＯＶＰＥ法による製造方法について説明する。ＭＯＶＰ
Ｅ法の場合、以下のような原料を用いることができる。
即ち、３族原料としては、トリメチルガリウム［（ＣＨ
₃ ）₃ Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある。］、トリエ
チルガリウム［（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａ、以下ＴＥＧと記す
ことがある。］等の一般式Ｒ₁ Ｒ₂ Ｒ₃ Ｇａ（ここで、
Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ ₃ は低級アルキル基を示す。）で表され
るトリアルキルガリウム；トリメチルアルミニウム
［（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ
₂ Ｈ₅ ）₃ Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある。］、ト
リイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ ₄ Ｈ₉ ）₃ Ａｌ］
等の一般式Ｒ₁ Ｒ₂ Ｒ₃ Ａｌ（ここで、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ
₃ は前期の定義と同じである。）で表されるトリアルキ
ルアルミニウム；トリメチルアミンアラン［（ＣＨ₃ ）
₃ Ｎ：ＡｌＨ₃ ］；トリメチルインジウム［（ＣＨ₃ ）
₃ Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがある。］、トリエチル
インジウム［（Ｃ₂ Ｈ₅）₃ Ｉｎ］等の一般式Ｒ₁ Ｒ₂
Ｒ₃ Ｉｎ（ここで、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ は前期の定義と同
じである。）で表されるトリアルキルインジウム等が挙
げられる。これらは単独又は混合して用いられる。

【００２５】次に５族原料としては、アンモニア、ヒド
ラジン、メチルヒドラジン、１、１−ジメチルヒドラジ
ン、１、２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、
エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独又は
混合して用いられる。これらの原料のうち、アンモニア
とヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半導
体中への炭素の汚染が少なく好適である。

【００２６】該３−５族化合物半導体のｐ型ドーパント
として、２族元素が重要である。具体的にはＭｇ，Ｚ
ｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｂｅが挙げられるが、このなかでは低
抵抗のｐ型のものがつくりやすいＭｇが好ましい。Ｍｇ
ドーパントの原料としては、ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネ
シウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウ
ム、ビス−ｎ−プロピルシクロペンタジエニルマグネシ
ウム、ビス−ｉ−プロピルシクロペンタジエニルマグネ
シウム等の一般式（ＲＣ₅ Ｈ₄ ）₂ Ｍｇ（ただし、Ｒは
水素又は炭素数１以上４以下の低級アルキル基を示
す。）で表される有機金属化合物が適当な蒸気圧を有す
るために好適である。

【００２７】該３−５族化合物半導体のｎ型ドーパント
として、４族元素と６族元素が重要である。具体的には
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏが挙げられるが、この中では低抵抗のｎ
型がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるＳｉ
が好ましい。Ｓｉドーパントの原料としては、シラン
（ＳｉＨ₄ ）、ジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）などが好適であ
る。

【００２８】該３−５族化合物半導体の製造に用いるこ
とができるＭＯＶＰＥ法による成長装置としては、通常
の単枚取り又は複数枚取りのものが挙げられる。複数枚
取りのものでは、ウエファ面内でのエピ膜の均一性を確
保するためには、減圧で成長することが望ましい。複数
枚取り装置での好ましい成長圧力の範囲は、０．００１
気圧以上０．８気圧以下である。

【００２９】キャリアガスとしては、水素、窒素、アル
ゴン、ヘリウム等のガスを単独又は混合して用いること
ができる。ただし、水素をキャリアガス中に含む場合、
高いＩｎＮ混晶比の該化合物半導体を成長すると充分な
結晶性が得られない場合がある。この場合、キャリアガ
ス中の水素分圧を低くする必要がある。好ましい、キャ
リアガス中の水素の分圧は、０．１気圧以下である。

【００３０】これらのキャリアガスのなかでは、動粘係
数が大きく対流を起こしにくいという点で水素とヘリウ
ムが挙げられる。ただし、ヘリウムは他のガスに比べて
高価であり、また水素を用いた場合、前述のように該化
合物半導体の結晶性がよくない。窒素、及びアルゴンは
比較的安価であるため、大量にキャリアガスを使用する
場合には好適に用いることができる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。 実施例１ ＭＯＶＰＥ法により図２の構造の３−５族化合物半導体
を作製した。基板８としてサファイアＣ面を鏡面研磨し
たものを有機洗浄して用いた。成長方法については、低
温成長バッファ層としてＧａＮを用いる２段階成長法を
用いた。１／８気圧で、５５０℃で厚みが約３００Åの
ＧａＮバッファ層９、１０５０℃で厚さが約２．５μｍ
のＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層１、１５００
ÅのノンドープＧａＮ層１０を水素をキャリアガスとし
て成長した。

【００３２】次に、基板温度を７５０℃、キャリアガス
を窒素とし、キャリアガス、ＴＥＧ、ＴＭＩ、窒素で１
ｐｐｍに希釈したシラン及びアンモニアをそれぞれ４ｓ
ｌｍ、０．０４ｓｃｃｍ、０．６ｓｃｃｍ、５ｓｃｃ
ｍ、４ｓｌｍ供給して、歪層２であるＳｉをドープした
Ｉｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層を７０秒間成長した。成長中断と
して窒素とアンモニアだけを供給する状態を５分間保持
した後、さらに同じ温度にてＴＥＧ、ＴＥＡ、上述のシ
ラン及びアンモニアをそれぞれ０．０３２ｓｃｃｍ、
０．００８ｓｃｃｍ、、５ｓｃｃｍ、４ｓｌｍ供給し
て、ＳｉをドープしたＧａ_0.8 Ａｌ_0.2 Ｎからなるｎ型
層３を１０分間成長した。ただし、ｓｌｍ及びｓｃｃｍ
とは気体の流量の単位で１ｓｌｍは１分当たり、標準状
態で１リットルの体積を占める重量の気体が流れている
ことを示し、１０００ｓｃｃｍは１ｓｌｍに相当する。
なお、この層２と層３の膜厚に関しては、同一の条件で
より長い時間成長した層の厚さから求めた成長速度がそ
れぞれ４３Å／分、３０Å／分であるので、上記成長時
間から求められる膜厚はそれぞれ５０Å、３００Åと計
算できる。

【００３３】ｎ型層３を成長後、成長圧力を１気圧、基
板の温度を７８５℃とし、ノンドープのＩｎ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎの発光層５を５０ÅとノンドープのＧａ_0.8 Ａｌ
_0.2 Ｎの電荷注入層６を３００Å成長した。電荷注入層
６を成長後、基板の温度を１１００℃とし、Ｍｇをドー
プしたＧａＮからなるｐ型層７を５０００Å成長した。
こうして作製した試料を１気圧の窒素中８００℃、２０
分の熱処理を行ない、Ｍｇドープ層を低抵抗にした。以
上の例では、層９、１、１０、２及び３が下地層であ
る。また層３は電荷注入層としても機能する。

【００３４】このようにして得られた試料を常法に従
い、電極を形成し、ＬＥＤとした。ｐ電極としてＮｉ−
Ａｕ合金、ｎ電極としてＡｌを用いた。このＬＥＤに順
方向に２０ｍＡの電流を流したところ、明瞭な青色発光
を示し、輝度は８６０ｍｃｄであった。

【００３５】比較例１ ノンドープＧａＮ層１０を成長した後、発光層５、電荷
注入層６、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型層７を
成長したことを除いては、実施例１と同様にしてＬＥＤ
を作製した。これを実施例１と同様に評価したところ、
青色の発光を示したものの、輝度は３９０ｍｃｄであっ
た。

【００３６】実施例２ 層３がＳｉをドープしたＧａＮであることを除いては実
施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。これを実施例１
と同様にして評価したところ、輝度は６３０ｍｃｄであ
り、発光ピークの中心波長は４６００Åであり、外部量
子効率は０．８％であった。

【００３７】実施例３ 発光層５、電荷注入層６までを１／８気圧で成長した
後、成長圧力を１気圧としてＭｇをドープしたＧａＮ層
７を成長したことを除いては実施例１と同様にしてＬＥ
Ｄを作製した。これを実施例１と同様にして評価したと
ころ、輝度は５２０ｍｃｄであり、発光ピークの中心波
長は４６００Åであった。

【００３８】比較例２ ノンドープのＧａＮ層１０を成長した後、歪層２および
Ｇａ_0.8 Ａｌ_0.2 Ｎ層３を成長せずに、発光層５、電荷
注入層６、ＭｇをドープしたＧａＮ層７を成長したこと
を除いては実施例３と同様にしてＬＥＤを作製した。こ
れを実施例１と同様にして評価したところ、発光は非常
に弱く輝度は１０^-4ｃｄ以下であった。

【００３９】実施例４ ノンドープのＧａＮ層１０を成長した後、歪層２および
Ｇａ_0.8 Ａｌ_0.2 Ｎ層３を２回成長し、歪層を２層有す
る構造としたことを除いては実施例３と同様にしてＬＥ
Ｄを作製した。これを実施例１と同様にして評価したと
ころ、輝度は２４０ｍｃｄであった。

【００４０】実施例５ 歪層２を成長した後に、Ｇａ_0.8 Ａｌ_0.2 Ｎ層３にかえ
てＧａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ｎ層３を成長したことを除いては、
実施例３と同様にしてＬＥＤを作製した。これを実施例
１と同様にして評価したところ、発光ピークの中心波長
は５０５０Åであり、輝度は３２０ｍｃｄであった。実
施例３に比べて発光波長が長波長化した。

【００４１】実施例６ ＭＯＶＰＥ法による気相成長により図３に示す３−５族
化合物半導体を成長し、発光波長５１００ÅのＬＥＤを
作製する。サファイア（０００１）基板８上に、バッフ
ァ層９として成長温度６００℃、圧力１／８気圧でＴＭ
ＧとアンモニアによりＧａＮを５００Å成長した後、１
１００℃でＳｉをドープしたＧａＮ層１を３μｍ成長す
る。次にＳｉをドープしたＩｎ_0.3 Ｇａ_0.6 Ａｌ_0.1 Ｎ
層とＳｉをドープしたＧａ _0.8 Ａｌ_0.2 Ｎ層を繰り返し
合計６層成長し下地層とし、つぎにＳｉをドープしたＩ
ｎ_0.3 Ｇａ_0.6 Ａｌ_0.1 Ｎ層からなる電荷注入層４を成
長する。次に１５０ÅのＩｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｎ層からなる
発光層５を成長し、引き続いてＧａ_0.8 Ａｌ_0.2 Ｎ層６
を３００Å成長する。次に、ＭｇをドープしたＧａＮ層
７を５０００Å成長する。成長終了後、基板を取り出
し、窒素中８００℃で熱処理を行いＭｇドープＧａＮ層
を低抵抗化する。このようにして得られた試料を常法に
従い、電極を形成し、ＬＥＤとすることで、シャープな
発光スペクトルをもつＬＥＤを作製することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の３−５族化合物半導体は、結晶
性が高く、高品質であり、これを用いた発光素子は発光
効率が高く、工業的価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３−５族化合物半導体の１例を示す
図。

【図２】実施例１で作製した本発明の発光素子を示す
図。

【図３】実施例６に示す本発明の発光素子を示す図。

【符号の説明】

１．．．ｎ型層 ２、２’、２’’．．．歪層 ３、３’、３’’．．．ｎ型層 ４．．．電荷注入層 ５．．．発光層 ６．．．電荷注入層 ７．．．ｐ型層 ８．．．基板 ９．．．バッファ層 １０．．．ノンドープＧａＮ層

フロントページの続き (72)発明者 乾 勝美 茨城県つくば市北原６ 住友化学工業株式 会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の上に少なくとも発光層と電荷注入層
   とを有し、該発光層は一般式Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_z Ｎ（式
   中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ
   ＝１）で表される３−５族化合物半導体であり、該電荷
   注入層は一般式Ｉｎ_x'Ｇａ_y'Ａｌ_z'Ｎ（式中、０≦ｘ’
   ≦１、０≦ｙ’≦１、０≦ｚ’≦１、ｘ’＋ｙ’＋ｚ’
   ＝１）で表され、該発光層よりも大きなバンドギャップ
   を有する３−５族化合物半導体であり、該発光層は２つ
   の電荷注入層に挟まれて接してなる３−５族化合物半導
   体において、発光層と基板との間に、少なくとも３層か
   らなる下地層を有し、該下地層を形成する層は一般式Ｉ
   ｎ_u Ｇａ_v Ａｌ_w Ｎ（式中、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、
   ０≦ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）で表される３−５族化合
   物半導体であり、該下地層中の少なくとも１つの層がこ
   れよりＩｎＮ混晶比の小さな２つの層に挟まれて接して
   なり、該少なくとも１つの層のＩｎＮ混晶比が、該層に
   基板側から接する層のＩｎＮ混晶比より０．０５以上大
   きく、かつ該ＩｎＮ混晶比の小さな２つの層のうち基板
   側の層と発光層との間の少なくとも１つの層にｎ型不純
   物がドープされてなることを特徴とする３−５族化合物
   半導体。
2. 【請求項２】発光層を挟んで接してなる電荷注入層のう
   ち基板側の電荷注入層が、下地層中においてＩｎＮ混晶
   比の大きな層を挟んで接してなるＩｎＮ混晶比の小さな
   ２つの層のうち発光層側の層を兼ねることを特徴とする
   請求項１記載の３−５族化合物半導体。
3. 【請求項３】ｎ型不純物が、Ｓｉ及び／又はＧｅであ
   り、ｎ型不純物の濃度が、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の３−５族化合物
   半導体。
4. 【請求項４】下地層中のＩｎＮ混晶比の小さな２つの層
   に挟まれてなる層の厚さが、５Å以上６００Å以下であ
   ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の３−５族
   化合物半導体。
5. 【請求項５】下地層中の少なくとも１つの層がこれより
   ＩｎＮ混晶比の小さな２つの層に挟まれて接してなり、
   該少なくとも１つの層の層の厚さが５Å以上であり、該
   少なくとも１つの層のＩｎＮ混晶比が、該層に基板側か
   ら接する層のＩｎＮ混晶比より０．０５以上０．３以下
   大きいとき、該混晶比の差と少なくとも１つの層の厚さ
   （Å）との積が３０以下であり、該少なくとも１つの層
   のＩｎＮ混晶比が、該層に基板側から接する層のＩｎＮ
   混晶比より０．３を超えて大きいとき、該少なくとも１
   つの層の厚さが１００Å以下であることを特徴とする請
   求項１、２、３又は４記載の３−５族化合物半導体。
6. 【請求項６】少なくとも３層からなる下地層が、有機金
   属気相成長法により、０．００１気圧以上０．８気圧以
   下の圧力で成長させてなる３−５族化合物半導体である
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の３
   −５族化合物半導体。
7. 【請求項７】請求項１、２、３、４、５又は６記載の３
   −５族化合物半導体を用いてなる発光素子。