JPH11168241A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子Info
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- JPH11168241A JPH11168241A JP33454197A JP33454197A JPH11168241A JP H11168241 A JPH11168241 A JP H11168241A JP 33454197 A JP33454197 A JP 33454197A JP 33454197 A JP33454197 A JP 33454197A JP H11168241 A JPH11168241 A JP H11168241A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 III 族窒化物半導体発光素子を用いて青色帯
から緑色帯にかけての単色性に優れる短波長光を高強度
で発光できるようにする。 【解決手段】 この発明のIII 族窒化物半導体発光素子
は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障
壁層３との中間に、インジウム含有III 族窒化物半導体
から成るｎ形の発光層２を狭持して成る発光部１０を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層２と
同一の電気伝導形の障壁層１側におけるインジウム原子
濃度の遷移領域幅ΔｔV と、発光層２とは反対の電気
伝導形の障壁層３側におけるインジウム原子濃度の遷移
領域幅Δｔw との関係をΔｔw ＜ΔｔV とするインジ
ウム原子の濃度分布Ｃを有する発光部１０を備えてい
る、ことを特徴としている。
から緑色帯にかけての単色性に優れる短波長光を高強度
で発光できるようにする。 【解決手段】 この発明のIII 族窒化物半導体発光素子
は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障
壁層３との中間に、インジウム含有III 族窒化物半導体
から成るｎ形の発光層２を狭持して成る発光部１０を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層２と
同一の電気伝導形の障壁層１側におけるインジウム原子
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伝導形の障壁層３側におけるインジウム原子濃度の遷移
領域幅Δｔw との関係をΔｔw ＜ΔｔV とするインジ
ウム原子の濃度分布Ｃを有する発光部１０を備えてい
る、ことを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、III 族窒化物半
導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層、或いは
インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層とし
ての井戸層を含む量子井戸構成体を狭持して成る発光部
を備えたIII 族窒化物半導体発光素子に関するものであ
る。
導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層、或いは
インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層とし
ての井戸層を含む量子井戸構成体を狭持して成る発光部
を備えたIII 族窒化物半導体発光素子に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】Ａ．III 族窒化物半導体発光素子 元素周期律表の第III 族に属するアルミニウム（Ａ
ｌ）、ガリウム（Ｇａ）やインジウム（Ｉｎ）等と、第
Ｖ族である窒素（Ｎ）との化合物は、所謂、禁止帯幅
（ｂａｎｄ ｇａｐ）が比較的大きいが、半導体の性質
を呈するためIII 族窒化物半導体と称される。これら一
般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で表される第Ｖ族元素として窒素のみを含
むIII 族窒化物半導体に加え、窒素以外の第Ｖ族元素で
ある砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）等を一構成元素として含む
Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｍ1-a Ｎa （０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ａ≦１、Ｍ：窒素以外の第Ｖ族の
構成元素）も一般にはIII 族窒化物半導体の範疇とされ
ている。このIII 族窒化物半導体は、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のII−VI族化合物半
導体と同様に、ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ ｂａ
ｎｄ ｇａｐ）と称され、短波長の可視光或いは紫外光
を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオー
ド（ＬＤ）等の発光素子を構成する材料として活用さ
れ、特に可視短波長光を発するに適する禁止帯幅を有す
るIII 族窒化物半導体は、発光層を構成する材料として
重用されている。
ｌ）、ガリウム（Ｇａ）やインジウム（Ｉｎ）等と、第
Ｖ族である窒素（Ｎ）との化合物は、所謂、禁止帯幅
（ｂａｎｄ ｇａｐ）が比較的大きいが、半導体の性質
を呈するためIII 族窒化物半導体と称される。これら一
般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で表される第Ｖ族元素として窒素のみを含
むIII 族窒化物半導体に加え、窒素以外の第Ｖ族元素で
ある砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）等を一構成元素として含む
Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｍ1-a Ｎa （０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ａ≦１、Ｍ：窒素以外の第Ｖ族の
構成元素）も一般にはIII 族窒化物半導体の範疇とされ
ている。このIII 族窒化物半導体は、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のII−VI族化合物半
導体と同様に、ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ ｂａ
ｎｄ ｇａｐ）と称され、短波長の可視光或いは紫外光
を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオー
ド（ＬＤ）等の発光素子を構成する材料として活用さ
れ、特に可視短波長光を発するに適する禁止帯幅を有す
るIII 族窒化物半導体は、発光層を構成する材料として
重用されている。
【０００３】Ｂ．発光層を構成するIII 族窒化物半導体
材料 III 族窒化物半導体を用いて構成したＬＥＤを例にすれ
ば、現在では緑色、青緑色、青色或いは紫色等の紫外帯
域に迄及ぶ様々な発光波長を有する短波長ＬＥＤが実現
されるに至っている。また、III 族窒化物半導体を用い
て構成したＬＤを例にすれば、青色ＬＤの実用化に向け
ての研究開発が盛んに進められている。
材料 III 族窒化物半導体を用いて構成したＬＥＤを例にすれ
ば、現在では緑色、青緑色、青色或いは紫色等の紫外帯
域に迄及ぶ様々な発光波長を有する短波長ＬＥＤが実現
されるに至っている。また、III 族窒化物半導体を用い
て構成したＬＤを例にすれば、青色ＬＤの実用化に向け
ての研究開発が盛んに進められている。
【０００４】このような発光素子にあって発光をもたら
すのは、発光層或いは活性層と呼ばれる機能層である。
III 族窒化物を用いて構成したＬＥＤにあって、量子井
戸構造（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＱＷ）と称する構
成を有し波長を５２５ｎｍとする高輝度の純緑色ＬＥ
Ｄ、若しくは波長を大凡４９０ｎｍ前後とする青緑色Ｌ
ＥＤ、或いは波長を４５０ｎｍ程度とする青色ＬＥＤな
どの、短波長可視光を出力するＬＥＤの各発光層には、
窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａc Ｉｎ1-cＮ：０
≦ｃ＜１）等のインジウムを構成元素として含むIII 族
窒化物半導体（インジウム含有III 族窒化物半導体）が
利用されている（特公昭５５−３８３４号公報明細書参
照）。
すのは、発光層或いは活性層と呼ばれる機能層である。
III 族窒化物を用いて構成したＬＥＤにあって、量子井
戸構造（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＱＷ）と称する構
成を有し波長を５２５ｎｍとする高輝度の純緑色ＬＥ
Ｄ、若しくは波長を大凡４９０ｎｍ前後とする青緑色Ｌ
ＥＤ、或いは波長を４５０ｎｍ程度とする青色ＬＥＤな
どの、短波長可視光を出力するＬＥＤの各発光層には、
窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａc Ｉｎ1-cＮ：０
≦ｃ＜１）等のインジウムを構成元素として含むIII 族
窒化物半導体（インジウム含有III 族窒化物半導体）が
利用されている（特公昭５５−３８３４号公報明細書参
照）。
【０００５】窒化ガリウム・インジウム混晶が短波長発
光素子の発光層として特に好ましく利用されるのは、イ
ンジウムの組成比を適宜、選択することをもって都合良
く短波長の発光を与える禁止帯幅と成るからである。例
えば、インジウム組成比を約０．０５（５％）から約
０．１０（１０％）とする窒化ガリウム・インジウム層
は、波長を約４５０ｎｍとする青色帯域の発光素子の発
光層として利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ
ｔｔ．、６４（１３）（１９９４）、１６８７〜１６８
９頁参照）。インジウム組成比を約０．１５から約０．
２０とする亜鉛（Ｚｎ）がドーピングされた窒化ガリウ
ム・インジウム層は、波長を約４９０ｎｍ前後とする青
緑帯域の発光素子の発光層として用いられている（Ｊ．
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１４５（１９９４）、
９１１〜９１７頁参照）。
光素子の発光層として特に好ましく利用されるのは、イ
ンジウムの組成比を適宜、選択することをもって都合良
く短波長の発光を与える禁止帯幅と成るからである。例
えば、インジウム組成比を約０．０５（５％）から約
０．１０（１０％）とする窒化ガリウム・インジウム層
は、波長を約４５０ｎｍとする青色帯域の発光素子の発
光層として利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ
ｔｔ．、６４（１３）（１９９４）、１６８７〜１６８
９頁参照）。インジウム組成比を約０．１５から約０．
２０とする亜鉛（Ｚｎ）がドーピングされた窒化ガリウ
ム・インジウム層は、波長を約４９０ｎｍ前後とする青
緑帯域の発光素子の発光層として用いられている（Ｊ．
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１４５（１９９４）、
９１１〜９１７頁参照）。
【０００６】Ｃ．III 族窒化物発光素子の発光部の構成 ＬＥＤを例にして説明すれば、窒化ガリウム・インジウ
ムを発光層とする発光部の構成には大別して３通りあ
る。第一は、ｎ形の窒化ガリウム・インジウム層とｐ形
の窒化ガリウム・インジウムとの同一の物質相互のｐｎ
接合から成る所謂、ホモ接合から成る発光部である（特
開平３−２０３３８８号公報明細書参照）。第２は、単
一ヘテロ（ＳＨ）構造の発光部である（特開平５−６３
２３６号公報明細書参照）。
ムを発光層とする発光部の構成には大別して３通りあ
る。第一は、ｎ形の窒化ガリウム・インジウム層とｐ形
の窒化ガリウム・インジウムとの同一の物質相互のｐｎ
接合から成る所謂、ホモ接合から成る発光部である（特
開平３−２０３３８８号公報明細書参照）。第２は、単
一ヘテロ（ＳＨ）構造の発光部である（特開平５−６３
２３６号公報明細書参照）。
【０００７】第３は、例えばクラッド層等の障壁層を成
すｐ形とｎ形のIII 族窒化物半導体層の中間に、窒化ガ
リウム・インジウム発光層を配置した発光部である（特
開平６−２０９１２０号公報明細書参照）。ここで、障
壁層とは、一般には、発光層を構成する半導体材料に対
し、室温における電子の熱運動エネルギ（約０．２６ｅ
Ｖ）を越えるバンドオフセットを発生させるために、キ
ャリア（電子及び正孔）の通行にとって障壁として作用
する半導体層のことを云う。発光層の両側をクラッド層
等のｎ形とｐ形のIII 族窒化物半導体の障壁層で狭持し
た構造は、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）構造と称
されている。発光層を狭持する、発光層より禁止帯幅を
大とする半導体から構成される障壁層は、発光をもたら
す電子と正孔との放射再結合を、限定された領域即ち発
光層内で、効率良く実施させる作用を帰結する。このキ
ャリアの「閉じ込め」効果によりＤＨ接合構造から成る
発光部においては、上記のＳＨ接合の場合に比較すれば
より高い強度の発光が得られる利点がある。このため、
近年では砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系材料等の他のIII
−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤと同じく、窒化ガリウム系Ｌ
ＥＤにあってもｐｎ接合を備えたＤＨ構造型のＬＥＤが
主流となっている（特開平６−２６０６８２号公報明細
書参照）。
すｐ形とｎ形のIII 族窒化物半導体層の中間に、窒化ガ
リウム・インジウム発光層を配置した発光部である（特
開平６−２０９１２０号公報明細書参照）。ここで、障
壁層とは、一般には、発光層を構成する半導体材料に対
し、室温における電子の熱運動エネルギ（約０．２６ｅ
Ｖ）を越えるバンドオフセットを発生させるために、キ
ャリア（電子及び正孔）の通行にとって障壁として作用
する半導体層のことを云う。発光層の両側をクラッド層
等のｎ形とｐ形のIII 族窒化物半導体の障壁層で狭持し
た構造は、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）構造と称
されている。発光層を狭持する、発光層より禁止帯幅を
大とする半導体から構成される障壁層は、発光をもたら
す電子と正孔との放射再結合を、限定された領域即ち発
光層内で、効率良く実施させる作用を帰結する。このキ
ャリアの「閉じ込め」効果によりＤＨ接合構造から成る
発光部においては、上記のＳＨ接合の場合に比較すれば
より高い強度の発光が得られる利点がある。このため、
近年では砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系材料等の他のIII
−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤと同じく、窒化ガリウム系Ｌ
ＥＤにあってもｐｎ接合を備えたＤＨ構造型のＬＥＤが
主流となっている（特開平６−２６０６８２号公報明細
書参照）。
【０００８】ちなみに、実用化に至っている青色、青緑
色或いは緑色を発する短波長ＬＥＤを例にすれば、クラ
ッド層は通常窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌx
Ｇａ y Ｎ：０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）から構成され
ている（特開平６−２６０２８３号公報明細書）。特
に、発光層の下部に配置する下部クラッド層はｎ形の窒
化ガリウム（ＧａＮ）から構成する例がある（Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３２（１９９３）、Ｌ８〜
Ｌ１１頁参照）。一方、ｐ形の上部クラッド層は窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌx Ｇａy Ｎ；０≦ｘ，
ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）から構成されるのが通例である
（特開平６−２６８２５９号公報明細書参照）。
色或いは緑色を発する短波長ＬＥＤを例にすれば、クラ
ッド層は通常窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌx
Ｇａ y Ｎ：０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）から構成され
ている（特開平６−２６０２８３号公報明細書）。特
に、発光層の下部に配置する下部クラッド層はｎ形の窒
化ガリウム（ＧａＮ）から構成する例がある（Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３２（１９９３）、Ｌ８〜
Ｌ１１頁参照）。一方、ｐ形の上部クラッド層は窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌx Ｇａy Ｎ；０≦ｘ，
ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）から構成されるのが通例である
（特開平６−２６８２５９号公報明細書参照）。
【０００９】発光部の構成は上記のように、大別すると
３通りあるが、この他にさらに、ホモ接合、ＳＨ構造或
いはＤＨ構造の発光部に発光層として備えられている窒
化ガリウム・インジウム層を井戸層とする量子井戸（Ｑ
Ｗ）構造のものがある（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．、２１（９）（１９８２）、Ｌ５７４〜Ｌ５７
６．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．、４０（５）（１９８９）、
３０１３〜３０２０．参照）。
３通りあるが、この他にさらに、ホモ接合、ＳＨ構造或
いはＤＨ構造の発光部に発光層として備えられている窒
化ガリウム・インジウム層を井戸層とする量子井戸（Ｑ
Ｗ）構造のものがある（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．、２１（９）（１９８２）、Ｌ５７４〜Ｌ５７
６．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．、４０（５）（１９８９）、
３０１３〜３０２０．参照）。
【００１０】具体的に記述すれば、窒化ガリウム・イン
ジウム混晶の薄層を井戸層とし、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌd Ｇ
ａ1-dＮ：０＜ｄ≦１）から成る薄層を障壁層とする単
一量子井戸構造（ＳｉｎｇｌｅＱＷ：ＳＱＷ）或いは多
重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ ＱＷ：ＭＱＷ）である
（特開平９−３６４３０号公報明細書参照）。ＱＷ構造
における障壁層は、矩形（方形）ポテンシャル井戸（井
戸層）内に都合良く電子の量子準位の形成を可能にする
バンド構成とするために、発光層（井戸層）と同一の電
気伝導形の半導体層から構成されるのが通例である。し
たがって、電気伝導形から量子井戸の構成単位、すなわ
ち単一量子井戸の構成を省みれば、例えばｎ形障壁層／
ｎ形井戸層／ｎ形障壁層の積層構成が一例として挙げら
れる。ＭＱＷはこのような電気伝導形の積層関係を有す
る構成単位を反復して重層となしたものである。
ジウム混晶の薄層を井戸層とし、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌd Ｇ
ａ1-dＮ：０＜ｄ≦１）から成る薄層を障壁層とする単
一量子井戸構造（ＳｉｎｇｌｅＱＷ：ＳＱＷ）或いは多
重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ ＱＷ：ＭＱＷ）である
（特開平９−３６４３０号公報明細書参照）。ＱＷ構造
における障壁層は、矩形（方形）ポテンシャル井戸（井
戸層）内に都合良く電子の量子準位の形成を可能にする
バンド構成とするために、発光層（井戸層）と同一の電
気伝導形の半導体層から構成されるのが通例である。し
たがって、電気伝導形から量子井戸の構成単位、すなわ
ち単一量子井戸の構成を省みれば、例えばｎ形障壁層／
ｎ形井戸層／ｎ形障壁層の積層構成が一例として挙げら
れる。ＭＱＷはこのような電気伝導形の積層関係を有す
る構成単位を反復して重層となしたものである。
【００１１】本発明が対象とするのは、ｐ形及びｎ形障
壁層に狭持された発光層、或いは量子井戸（ＱＷ）構造
に観られるように発光層（井戸層）と同一の電気伝導形
の障壁層と接合を成す井戸層を含む発光部を備えたＬＥ
Ｄ若しくはＬＤ等の発光素子である。
壁層に狭持された発光層、或いは量子井戸（ＱＷ）構造
に観られるように発光層（井戸層）と同一の電気伝導形
の障壁層と接合を成す井戸層を含む発光部を備えたＬＥ
Ｄ若しくはＬＤ等の発光素子である。
【００１２】単色性に優れる発光スペクトルをもたらす
量子井戸構造から成る発光部の利点を流用すべく、近年
では、III 族窒化物半導体から成る障壁層と井戸層とか
ら成る量子井戸構造の発光部を備えた窒化ガリウム・イ
ンジウム系の発光素子の例が多数報告されている。例え
ば、特開平６−１６４０５５号、特開平６−２６８２
５７号、特開平７−７２２３号、特開平７−９４７８４
号、及び特開平７−２９７４７６号各公報明細書、
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ、８（１９９
０）、３１６頁、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、
５６（１９９０）、１２５７頁、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．、７４（１９９３）、３９１１頁、Ｊ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．、２１（１９９２）、４３７
頁、及び同誌２１（１９９２）、６０９頁、Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３０（Ｐａｒｔ １）（１
９９１）、１９２４頁、同誌３４（１９９５）、Ｌ７９
７頁、同誌３４（Ｐａｒｔ ２）（１９９５）、Ｌ１３
３２頁、同誌３４（Ｐａｒｔ２）（１９９５）、Ｌ１５
１７頁、及び同誌３５（１９９６）、Ｌ７４頁に、III
族窒化物半導体から構成される量子井戸構造を具備した
発光素子の例が掲げられている。これらの従来例におい
ては、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光
層と、それを狭持する或いはそれに接合する障壁層との
積層関係或いは接合関係が例示されている。
量子井戸構造から成る発光部の利点を流用すべく、近年
では、III 族窒化物半導体から成る障壁層と井戸層とか
ら成る量子井戸構造の発光部を備えた窒化ガリウム・イ
ンジウム系の発光素子の例が多数報告されている。例え
ば、特開平６−１６４０５５号、特開平６−２６８２
５７号、特開平７−７２２３号、特開平７−９４７８４
号、及び特開平７−２９７４７６号各公報明細書、
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ、８（１９９
０）、３１６頁、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、
５６（１９９０）、１２５７頁、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．、７４（１９９３）、３９１１頁、Ｊ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．、２１（１９９２）、４３７
頁、及び同誌２１（１９９２）、６０９頁、Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３０（Ｐａｒｔ １）（１
９９１）、１９２４頁、同誌３４（１９９５）、Ｌ７９
７頁、同誌３４（Ｐａｒｔ ２）（１９９５）、Ｌ１３
３２頁、同誌３４（Ｐａｒｔ２）（１９９５）、Ｌ１５
１７頁、及び同誌３５（１９９６）、Ｌ７４頁に、III
族窒化物半導体から構成される量子井戸構造を具備した
発光素子の例が掲げられている。これらの従来例におい
ては、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光
層と、それを狭持する或いはそれに接合する障壁層との
積層関係或いは接合関係が例示されている。
【００１３】Ｄ．インジウム含有III 族窒化物半導体の
発光機構 発光層をｐ形及びｎ形障壁層で狭持するＤＨ構造から成
る発光部、或いはｐ形及びｎ形障壁層の間に、井戸層と
同一の電気伝導形の障壁層との接合から成る量子井戸構
造を含むＤＨ構造から成る発光部を備えたIII 族窒化物
半導体発光素子にあって、より高出力化を果たすための
技術動向が不鮮明たる一つの理由は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体からの発光の機構（メカニズム）が、
従来において必ずしも明確となっていないことに因って
いる。最近では、発光の機構を説明する一例として、量
子ドット等の発生による低次元のキャリアの遷移を介す
るメカニズムが挙げられている。また、発光層とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体発光層に「閉じ込め」
られた状態の量子を介しての発光の可能性が示唆されて
いる（１９９７年（平成９年）春季第４４回応用物理学
関係連合講演会講演予稿集Ｎｏ．１、講演番号２８ａ−
Ｄ−６、１７８頁参照）。
発光機構 発光層をｐ形及びｎ形障壁層で狭持するＤＨ構造から成
る発光部、或いはｐ形及びｎ形障壁層の間に、井戸層と
同一の電気伝導形の障壁層との接合から成る量子井戸構
造を含むＤＨ構造から成る発光部を備えたIII 族窒化物
半導体発光素子にあって、より高出力化を果たすための
技術動向が不鮮明たる一つの理由は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体からの発光の機構（メカニズム）が、
従来において必ずしも明確となっていないことに因って
いる。最近では、発光の機構を説明する一例として、量
子ドット等の発生による低次元のキャリアの遷移を介す
るメカニズムが挙げられている。また、発光層とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体発光層に「閉じ込め」
られた状態の量子を介しての発光の可能性が示唆されて
いる（１９９７年（平成９年）春季第４４回応用物理学
関係連合講演会講演予稿集Ｎｏ．１、講演番号２８ａ−
Ｄ−６、１７８頁参照）。
【００１４】しかし、キャリアの「閉じ込め」の実態は
不明であって、どのようなバンド構成に因るのかも明か
ではない。どのような分布状態を示すキャリアが発光を
もたらす再結合に寄与しているかは不明である。更に
は、”本来”のバンド端よりも低いレベルにある量子準
位を介した発光も唱えられている（特開平８−３１６５
２８号公報明細書参照）。しかし、”本来”のバンド端
レベルより低いエネルギレベルに量子準位が形成される
とするのはそもそも理に合わない。
不明であって、どのようなバンド構成に因るのかも明か
ではない。どのような分布状態を示すキャリアが発光を
もたらす再結合に寄与しているかは不明である。更に
は、”本来”のバンド端よりも低いレベルにある量子準
位を介した発光も唱えられている（特開平８−３１６５
２８号公報明細書参照）。しかし、”本来”のバンド端
レベルより低いエネルギレベルに量子準位が形成される
とするのはそもそも理に合わない。
【００１５】以上纏めれば、従来のインジウム含有III
族窒化物半導体を発光層とする発光部がもたらす発光
は、局在する量子化されたキャリアの放射再結合に起因
するものと推察されるものの、発光出力の向上をもたら
すに適する量子準位を形成するに都合の良いバンド構造
（ポテンシャル構成）が提示或いは特定されておらず、
またそのポテンシャル構成に従い局在するキャリアが存
在する領域についても、提示或いは特定されていないた
めに、III 族窒化物半導体発光素子の尚一層の発光出力
の向上をもたらす技術施策の方向性を不定としているの
が現状である。
族窒化物半導体を発光層とする発光部がもたらす発光
は、局在する量子化されたキャリアの放射再結合に起因
するものと推察されるものの、発光出力の向上をもたら
すに適する量子準位を形成するに都合の良いバンド構造
（ポテンシャル構成）が提示或いは特定されておらず、
またそのポテンシャル構成に従い局在するキャリアが存
在する領域についても、提示或いは特定されていないた
めに、III 族窒化物半導体発光素子の尚一層の発光出力
の向上をもたらす技術施策の方向性を不定としているの
が現状である。
【００１６】Ｅ．発光層内での量子準位の発現 発光層をｐ形及びｎ形障壁層で狭持する構成の発光部、
或いは井戸層にその井戸層と同一の電気伝導形の障壁層
を接合させる量子井戸構造を含む発光部の何れにして
も、発光層の内部に量子準位を発現するには、条件の整
備が必要である。その一つの条件として、インジウム含
有III 族窒化物半導体発光層に接合する半導体層が、ポ
テンシャル井戸をもたらすに足る半導体材料から選択さ
れていることが必要である。例えば、従来のIII 族窒化
物半導体発光素子に備えられている量子井戸構造におけ
る発光層を対称中心とする矩形（方形）ポテンシャル井
戸を発現するタイプＩとして分類される超格子（上記の
「半導体超格子の物理と応用」（（株）培風館発行）、
２頁参照）を得るには、次の式（１）及び式（２）の関
係を満足する半導体材料から障壁層を構成する必要があ
る。 （Ｅｇ）a ＜（Ｅｇ）b ・・・・・・（１） （Ｅｇ）a ＋χa ＜（Ｅｇ）b ＋χb ・・・（２） ここで、（Ｅｇ）a ：発光層の禁止帯幅 （Ｅｇ）b ：障壁層の禁止帯幅 χa ：発光層の電子親和力 χb ：障壁層の電子親和力
或いは井戸層にその井戸層と同一の電気伝導形の障壁層
を接合させる量子井戸構造を含む発光部の何れにして
も、発光層の内部に量子準位を発現するには、条件の整
備が必要である。その一つの条件として、インジウム含
有III 族窒化物半導体発光層に接合する半導体層が、ポ
テンシャル井戸をもたらすに足る半導体材料から選択さ
れていることが必要である。例えば、従来のIII 族窒化
物半導体発光素子に備えられている量子井戸構造におけ
る発光層を対称中心とする矩形（方形）ポテンシャル井
戸を発現するタイプＩとして分類される超格子（上記の
「半導体超格子の物理と応用」（（株）培風館発行）、
２頁参照）を得るには、次の式（１）及び式（２）の関
係を満足する半導体材料から障壁層を構成する必要があ
る。 （Ｅｇ）a ＜（Ｅｇ）b ・・・・・・（１） （Ｅｇ）a ＋χa ＜（Ｅｇ）b ＋χb ・・・（２） ここで、（Ｅｇ）a ：発光層の禁止帯幅 （Ｅｇ）b ：障壁層の禁止帯幅 χa ：発光層の電子親和力 χb ：障壁層の電子親和力
【００１７】Ｆ．対称型矩形ポテンシャル井戸構成にお
いて量子準位を安定して発現するための条件 上記のように、発光層及び障壁層を上記の式（１）及び
式（２）を満足するIII 族窒化物半導体材料を用いて量
子井戸構造を形成するのが先ず第１の条件ではあるが、
その第１の条件を満足させても、所望するところのエネ
ルギレベルの量子準位が発現されるとは必ずしも限らな
い。量子準位を確実に発現させるに足るポテンシャル井
戸を形成するにあっては、井戸層（発光層）と井戸層と
のオフセットを生む障壁層との接合界面で、構成元素或
いは構成元素の組成比が急峻に変化していることが必要
である。
いて量子準位を安定して発現するための条件 上記のように、発光層及び障壁層を上記の式（１）及び
式（２）を満足するIII 族窒化物半導体材料を用いて量
子井戸構造を形成するのが先ず第１の条件ではあるが、
その第１の条件を満足させても、所望するところのエネ
ルギレベルの量子準位が発現されるとは必ずしも限らな
い。量子準位を確実に発現させるに足るポテンシャル井
戸を形成するにあっては、井戸層（発光層）と井戸層と
のオフセットを生む障壁層との接合界面で、構成元素或
いは構成元素の組成比が急峻に変化していることが必要
である。
【００１８】構成元素の急峻な変化が要求される一具体
例を挙げれば、窒化ガリウム・インジウムから発光層
（井戸層）を、窒化アルミニウム・ガリウム混晶から障
壁層を構成するポテンシャル井戸系にあって、井戸層と
障壁層との接合界面で物質を窒化ガリウム・インジウム
から窒化アルミニウム・ガリウム混晶へと原子的なレベ
ルで変化させる必要がある。すなわち、インジウム（Ｉ
ｎ）原子は井戸層にのみ存在し、アルミニウム（Ａｌ）
原子は障壁層のみに存在していることが理想として要求
される。しかし、実際は接合界面を通しての原子の相互
拡散等の理由により、発光層を構成する元素がそれに接
合する障壁層内へと侵入する事態が発生する。
例を挙げれば、窒化ガリウム・インジウムから発光層
（井戸層）を、窒化アルミニウム・ガリウム混晶から障
壁層を構成するポテンシャル井戸系にあって、井戸層と
障壁層との接合界面で物質を窒化ガリウム・インジウム
から窒化アルミニウム・ガリウム混晶へと原子的なレベ
ルで変化させる必要がある。すなわち、インジウム（Ｉ
ｎ）原子は井戸層にのみ存在し、アルミニウム（Ａｌ）
原子は障壁層のみに存在していることが理想として要求
される。しかし、実際は接合界面を通しての原子の相互
拡散等の理由により、発光層を構成する元素がそれに接
合する障壁層内へと侵入する事態が発生する。
【００１９】発光層と障壁層との接合界面における構成
元素の急峻な濃度変化が獲得できない場合の端的な問題
点は、井戸層と障壁層との接合界面におけるバンド変化
が緩慢となることである。発光層（井戸層）と障壁層等
との接合界面でのバンドの緩慢な変化はポテンシャル井
戸幅の不用意な拡副をもたらし、これより形成される量
子準位は所望とするところのレベルより低下したものと
なる。これは、一般に量子準位の「ゆらぎ」として認識
されている現象である（上記の「半導体超格子の物理と
応用」（（株）培風館発行）、２２７頁参照）。量子準
位の「ゆらぎ」はポテンシャルの緩慢な変化のみではな
く、井戸層の層厚が意図する値から僅かに変化した場合
にも発生するが、この量子準位の「ゆらぎ」は、井戸層
内の量子準位間の遷移を基に発光を得る量子井戸構造の
発光素子にあって、量子化されたキャリア間の遷移エネ
ルギの変化、すなわち、発光波長の意図する波長から
の”ずれ”を帰結する不具合をもたらす。したがって、
従来の如くの対称型矩形ポテンシャル井戸構成を有する
量子井戸構造を形成するにあたっては、発光層の両側に
接合する障壁層との接合界面において、発光層の構成元
素の濃度変化を急峻とするのが必須となる。
元素の急峻な濃度変化が獲得できない場合の端的な問題
点は、井戸層と障壁層との接合界面におけるバンド変化
が緩慢となることである。発光層（井戸層）と障壁層等
との接合界面でのバンドの緩慢な変化はポテンシャル井
戸幅の不用意な拡副をもたらし、これより形成される量
子準位は所望とするところのレベルより低下したものと
なる。これは、一般に量子準位の「ゆらぎ」として認識
されている現象である（上記の「半導体超格子の物理と
応用」（（株）培風館発行）、２２７頁参照）。量子準
位の「ゆらぎ」はポテンシャルの緩慢な変化のみではな
く、井戸層の層厚が意図する値から僅かに変化した場合
にも発生するが、この量子準位の「ゆらぎ」は、井戸層
内の量子準位間の遷移を基に発光を得る量子井戸構造の
発光素子にあって、量子化されたキャリア間の遷移エネ
ルギの変化、すなわち、発光波長の意図する波長から
の”ずれ”を帰結する不具合をもたらす。したがって、
従来の如くの対称型矩形ポテンシャル井戸構成を有する
量子井戸構造を形成するにあたっては、発光層の両側に
接合する障壁層との接合界面において、発光層の構成元
素の濃度変化を急峻とするのが必須となる。
【００２０】Ｇ．非対称型ポテンシャル井戸構成におい
て量子準位を安定して発現するための条件 矩形ポテンシャル井戸以外の量子構造を利用するデバイ
ス例には、発光素子ではないが、高移動度トランジスタ
（ＭＯＤＦＥＴ、ＴＥＧＦＥＴ）等の電子デバイスが挙
げれる（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（２
５）（１９９６）、３８７２〜３８７４頁参照）。この
ＭＯＤＦＥＴの動作に利用されるキャリアは主に電子で
あり、ポテンシャル井戸内の量子化された２次元的に振
る舞う低次元の電子である。しかし、ＭＯＤＦＥＴに高
速動作性を付与する量子化された電子の存在をもたらす
ポテンシャル井戸の構成は、従来の発光素子用途の対称
型矩形（方形）ポテンシャル井戸のそれとは異にする
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（２３）（１
９９６）、３４５６〜３４５８頁参照）。
て量子準位を安定して発現するための条件 矩形ポテンシャル井戸以外の量子構造を利用するデバイ
ス例には、発光素子ではないが、高移動度トランジスタ
（ＭＯＤＦＥＴ、ＴＥＧＦＥＴ）等の電子デバイスが挙
げれる（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（２
５）（１９９６）、３８７２〜３８７４頁参照）。この
ＭＯＤＦＥＴの動作に利用されるキャリアは主に電子で
あり、ポテンシャル井戸内の量子化された２次元的に振
る舞う低次元の電子である。しかし、ＭＯＤＦＥＴに高
速動作性を付与する量子化された電子の存在をもたらす
ポテンシャル井戸の構成は、従来の発光素子用途の対称
型矩形（方形）ポテンシャル井戸のそれとは異にする
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（２３）（１
９９６）、３４５６〜３４５８頁参照）。
【００２１】図１５はＭＯＤＦＥＴ用途の積層構造体に
おけるポテンシャル井戸構造を概略的に示す図である。
図において、ＭＯＤＦＥＴは、電子走行層（チャネル
層）Ｓ１／スペーサ層Ｓ２／電子供給層Ｓ３から成る積
層部において、非対称型のポテンシャル井戸構造を有し
ている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（６）
（１９９６）、７９４〜７９６頁参照）。
おけるポテンシャル井戸構造を概略的に示す図である。
図において、ＭＯＤＦＥＴは、電子走行層（チャネル
層）Ｓ１／スペーサ層Ｓ２／電子供給層Ｓ３から成る積
層部において、非対称型のポテンシャル井戸構造を有し
ている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６９（６）
（１９９６）、７９４〜７９６頁参照）。
【００２２】スペーサ層Ｓ２との接合界面５１０近傍の
電子走行層Ｓ３の内部の領域では、伝導帯端と価電子帯
端にバンドが急激に変化する部分５０１，５０２が発生
しており、これにより非対称型で非矩形のポテンシャル
構成と成っている。特に、伝導帯端のバンドの曲折部分
５０３での落ち込みは顕著であって、接合界面５１０近
傍の領域では、伝導帯のレベルがフェルミレベルＦ以下
に下降している。この伝導帯がフェルミレベルＦ以下と
なるポテンシャルの低い領域には、量子準位５０５ａ，
５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ…が形成され、この量子
準位５０５ａ…にキャリア（電子）が蓄積され、局在化
する。この量子準位５０５ａ…は、発光層を構成する半
導体の本来の伝導帯が曲折した領域に形成されるが、曲
折した伝導帯とは云え、量子準位５０５ａ…はこの本来
の伝導帯より高エネルギ側に形成されるものである。
電子走行層Ｓ３の内部の領域では、伝導帯端と価電子帯
端にバンドが急激に変化する部分５０１，５０２が発生
しており、これにより非対称型で非矩形のポテンシャル
構成と成っている。特に、伝導帯端のバンドの曲折部分
５０３での落ち込みは顕著であって、接合界面５１０近
傍の領域では、伝導帯のレベルがフェルミレベルＦ以下
に下降している。この伝導帯がフェルミレベルＦ以下と
なるポテンシャルの低い領域には、量子準位５０５ａ，
５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ…が形成され、この量子
準位５０５ａ…にキャリア（電子）が蓄積され、局在化
する。この量子準位５０５ａ…は、発光層を構成する半
導体の本来の伝導帯が曲折した領域に形成されるが、曲
折した伝導帯とは云え、量子準位５０５ａ…はこの本来
の伝導帯より高エネルギ側に形成されるものである。
【００２３】非対称型のポテンシャル構造におけるキャ
リアの分布状況を、発光素子に具備されている従来の対
称型矩形ポテンシャル井戸構成におけるそれと対比する
に、従来の対称型矩形ポテンシャル井戸内のキャリア
は、障壁層等との何れか一方の接合界面に偏在するので
はなく、ポテンシャル井戸内に全般に略一様に分布して
いるのに対し、非対称型ポテンシャル構造では接合界面
の内、特定の界面近傍の領域、すなわち、活性層の特定
の領域に偏在して分布しており、この点で双方は明確に
相違している。そして、このＭＯＤＦＥＴ用途の積層構
造体における非対称型ポテンシャル井戸構造のように、
一方の接合界面にポテンシャル井戸を形成するには、そ
の接合界面で構成元素の濃度変化を特に急峻とすれば良
い。
リアの分布状況を、発光素子に具備されている従来の対
称型矩形ポテンシャル井戸構成におけるそれと対比する
に、従来の対称型矩形ポテンシャル井戸内のキャリア
は、障壁層等との何れか一方の接合界面に偏在するので
はなく、ポテンシャル井戸内に全般に略一様に分布して
いるのに対し、非対称型ポテンシャル構造では接合界面
の内、特定の界面近傍の領域、すなわち、活性層の特定
の領域に偏在して分布しており、この点で双方は明確に
相違している。そして、このＭＯＤＦＥＴ用途の積層構
造体における非対称型ポテンシャル井戸構造のように、
一方の接合界面にポテンシャル井戸を形成するには、そ
の接合界面で構成元素の濃度変化を特に急峻とすれば良
い。
【００２４】以上記述した如く、量子化されたキャリア
の放射再結合をもたらす量子井戸構造の発光部にあって
は、対称型或いは非対称型ポテンシャル構造に拘らず、
キャリアを局在或いは偏在させるためのポテンシャル井
戸の形成には、構造的に単に積層構造とするのではな
く、接合界面での構成元素の急峻性を獲得して、確実に
且つ安定に量子準位を特定の領域に創生する必要があ
る。翻って、従来の単純なｐｎ接合型のＤＨ構造の発光
部にあってしても、ｐ形及びｎ形障壁層との発光層との
間の接合界面での急峻性が損なわれれば、光及びキャリ
アの他層への「滲み出し」が発生し、充分な光及びキャ
リアの「閉じ込め」を得るに至らない不具合が生ずる。
の放射再結合をもたらす量子井戸構造の発光部にあって
は、対称型或いは非対称型ポテンシャル構造に拘らず、
キャリアを局在或いは偏在させるためのポテンシャル井
戸の形成には、構造的に単に積層構造とするのではな
く、接合界面での構成元素の急峻性を獲得して、確実に
且つ安定に量子準位を特定の領域に創生する必要があ
る。翻って、従来の単純なｐｎ接合型のＤＨ構造の発光
部にあってしても、ｐ形及びｎ形障壁層との発光層との
間の接合界面での急峻性が損なわれれば、光及びキャリ
アの他層への「滲み出し」が発生し、充分な光及びキャ
リアの「閉じ込め」を得るに至らない不具合が生ずる。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、量子化されたキャリアの放射再結合に基づく発光を
より効果的に行わせるべく、発光層との間の接合界面で
構成元素の濃度変化を急峻なものとしようとしても、そ
れ以前にIII 族窒化物半導体発光素子にあっては、発光
出力と色純度の向上をもたらすに適する、キャリアを偏
在させる領域を発光層のどの領域に創生すべきかは未だ
明示されるに至っていない。ましてや、高発光出力で優
れた単色性の獲得を意図した場合、発光層の電気的な性
質に依存させてキャリアをどの領域に偏在させ、その領
域にどのような変化を与えるのが最良であるかも、明確
にされていない。
に、量子化されたキャリアの放射再結合に基づく発光を
より効果的に行わせるべく、発光層との間の接合界面で
構成元素の濃度変化を急峻なものとしようとしても、そ
れ以前にIII 族窒化物半導体発光素子にあっては、発光
出力と色純度の向上をもたらすに適する、キャリアを偏
在させる領域を発光層のどの領域に創生すべきかは未だ
明示されるに至っていない。ましてや、高発光出力で優
れた単色性の獲得を意図した場合、発光層の電気的な性
質に依存させてキャリアをどの領域に偏在させ、その領
域にどのような変化を与えるのが最良であるかも、明確
にされていない。
【００２６】換言すれば、従来技術においては、インジ
ウム含有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムが
充分に解明されていなかった故に、発光層とそれに接合
する半導体層との配置関係において、構成元素の濃度の
急峻化をもって形成すべき、キャリアを偏在させる領域
が不明確であり、したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度（単色性）特性を充分に
発揮させることができないという問題点を有していた。
ウム含有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムが
充分に解明されていなかった故に、発光層とそれに接合
する半導体層との配置関係において、構成元素の濃度の
急峻化をもって形成すべき、キャリアを偏在させる領域
が不明確であり、したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度（単色性）特性を充分に
発揮させることができないという問題点を有していた。
【００２７】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
青色帯から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ
優れた色純度（単色性）で発光することのできるIII 族
窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
青色帯から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ
優れた色純度（単色性）で発光することのできるIII 族
窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、発光出力の増大、色純度（単色性）の
向上、或いは高速応答性の改善には、キャリアとしての
電子の分布様式に、発光層の電気伝導形に依って、発光
層の一構成元素であるインジウム原子の濃度の急峻性の
程度をもって変化を付与するのが有効であるのを見出し
本発明に至ったものである。
に、本発明者は、発光出力の増大、色純度（単色性）の
向上、或いは高速応答性の改善には、キャリアとしての
電子の分布様式に、発光層の電気伝導形に依って、発光
層の一構成元素であるインジウム原子の濃度の急峻性の
程度をもって変化を付与するのが有効であるのを見出し
本発明に至ったものである。
【００２９】すなわち、本発明において、請求項１に記
載の発明は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層と
ｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物半
導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたIII
族窒化物半導体発光素子において、上記発光層と同一の
電気伝導形の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷
移領域幅ΔｔV と、上記発光層とは反対の電気伝導形
の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δ
ｔw との関係をΔｔw ＜ΔｔV とするインジウム原子
の濃度分布を有する発光部を備えている、ことを特徴と
する。
載の発明は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層と
ｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物半
導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたIII
族窒化物半導体発光素子において、上記発光層と同一の
電気伝導形の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷
移領域幅ΔｔV と、上記発光層とは反対の電気伝導形
の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δ
ｔw との関係をΔｔw ＜ΔｔV とするインジウム原子
の濃度分布を有する発光部を備えている、ことを特徴と
する。
【００３０】また、請求項３に記載の発明は、III 族窒
化物半導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
を狭持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光
素子において、上記発光層と当該発光層と同一の電気伝
導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向けて
発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷移層
ΔＳV を配置し、上記発光層と当該発光層とは反対の電
気伝導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向
けて発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷
移層ΔＳW を配置し、組成遷移層ΔＳV の層厚を組成遷
移層ΔＳW の層厚より大とした、ことを特徴としてい
る。
化物半導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
を狭持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光
素子において、上記発光層と当該発光層と同一の電気伝
導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向けて
発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷移層
ΔＳV を配置し、上記発光層と当該発光層とは反対の電
気伝導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向
けて発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷
移層ΔＳW を配置し、組成遷移層ΔＳV の層厚を組成遷
移層ΔＳW の層厚より大とした、ことを特徴としてい
る。
【００３１】さらに、請求項４に記載の発明は、III 族
窒化物半導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
としての井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより
大とするインジウム含有III族窒化物半導体から成り且
つ当該井戸層と同一の電気伝導形を有するバリア層とを
積層して成る量子井戸構成体を挟持して成る発光部を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子において、上記量子井
戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側におけるインジ
ウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVaと、上記量子井戸構成
体とは反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δｔwaとの関係をΔｔwa＜ΔｔVa
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部を備え
ている、ことを特徴としている。
窒化物半導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
としての井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより
大とするインジウム含有III族窒化物半導体から成り且
つ当該井戸層と同一の電気伝導形を有するバリア層とを
積層して成る量子井戸構成体を挟持して成る発光部を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子において、上記量子井
戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側におけるインジ
ウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVaと、上記量子井戸構成
体とは反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δｔwaとの関係をΔｔwa＜ΔｔVa
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部を備え
ている、ことを特徴としている。
【００３２】請求項６に記載の発明は、III 族窒化物半
導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層としての
井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより大とする
III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸層と同一の電
気伝導形を有するバリア層とを積層して成る量子井戸構
成体を挟持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体
発光素子において、上記量子井戸構成体の各終端層が井
戸層の場合、量子井戸構成体と同一の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δｔ
Vbと、上記量子井戸構成体とは反対の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δｔwbと
の関係をΔｔwb＜ΔｔVbとするインジウム原子の濃度分
布を有する発光部とし、上記量子井戸構成体の各終端層
がインジウムを含まないバリア層の場合、井戸層と同一
の電気伝導形の障壁層に接する終端層側おけるインジウ
ム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVcと、井戸層とは反対の電
気伝導形の障壁層に接する終端層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δｔwcとの関係をΔｔwc＜ΔｔVc
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部とし
た、ことを特徴とする。
導体から成るｎ形障壁層とｐ形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層としての
井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより大とする
III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸層と同一の電
気伝導形を有するバリア層とを積層して成る量子井戸構
成体を挟持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体
発光素子において、上記量子井戸構成体の各終端層が井
戸層の場合、量子井戸構成体と同一の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δｔ
Vbと、上記量子井戸構成体とは反対の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δｔwbと
の関係をΔｔwb＜ΔｔVbとするインジウム原子の濃度分
布を有する発光部とし、上記量子井戸構成体の各終端層
がインジウムを含まないバリア層の場合、井戸層と同一
の電気伝導形の障壁層に接する終端層側おけるインジウ
ム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVcと、井戸層とは反対の電
気伝導形の障壁層に接する終端層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δｔwcとの関係をΔｔwc＜ΔｔVc
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部とし
た、ことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のIII 族窒
化物半導体発光素子における発光部を概念的に示す図で
あり、図１（Ａ）はその積層構造を、図１（Ｂ）はイン
ジウム原子濃度の変化をそれぞれ示している。図におい
て、本発明のIII 族窒化物半導体発光素子の発光部１０
は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障
壁層３との中間に、インジウム含有III 族窒化物半導体
から成る発光層２を挟持して構成されている。発光層２
の電気伝導形については特に限定されないが、ここでは
ｎ形として説明する。
面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のIII 族窒
化物半導体発光素子における発光部を概念的に示す図で
あり、図１（Ａ）はその積層構造を、図１（Ｂ）はイン
ジウム原子濃度の変化をそれぞれ示している。図におい
て、本発明のIII 族窒化物半導体発光素子の発光部１０
は、III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障
壁層３との中間に、インジウム含有III 族窒化物半導体
から成る発光層２を挟持して構成されている。発光層２
の電気伝導形については特に限定されないが、ここでは
ｎ形として説明する。
【００３４】発光層２を構成するインジウムを含有する
III 族窒化物半導体には、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ＜１、ｚ≠０）で表記さ
れる窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム系混晶が
ある。また、燐（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の窒素（Ｎ）以
外の元素周期律表の第Ｖ族元素（記号Ｍで示す。）を構
成元素として含む一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎa Ｍ1-a
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ＜１、ｚ≠０、０＜ａ≦
１）で表記される混晶もインジウム含有III族窒化物半
導体とする。
III 族窒化物半導体には、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ＜１、ｚ≠０）で表記さ
れる窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム系混晶が
ある。また、燐（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の窒素（Ｎ）以
外の元素周期律表の第Ｖ族元素（記号Ｍで示す。）を構
成元素として含む一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎa Ｍ1-a
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ＜１、ｚ≠０、０＜ａ≦
１）で表記される混晶もインジウム含有III族窒化物半
導体とする。
【００３５】発光層２の構成例としては、層厚を０．５
μｍとするアンドープの窒化ガリウム・インジウム層を
単層の発光層として利用するものがある。このようなア
ンドープの窒化ガリウム・インジウム薄層から成る発光
層２にあっては、発光スペクトルの半値幅を狭帯化させ
ることができ、単色性（発光の色純度）を向上させるこ
とができる。このため、最近ではアンドープ窒化ガリウ
ム・インジウムから成る発光層２の層厚を以前の約１／
１０未満程度と薄くする場合もある。具体的には、層厚
を約１０ｎｍとし、発光スペクトルの半値幅を従来の約
１／２以下（約１５〜３０ｎｍ）とする。
μｍとするアンドープの窒化ガリウム・インジウム層を
単層の発光層として利用するものがある。このようなア
ンドープの窒化ガリウム・インジウム薄層から成る発光
層２にあっては、発光スペクトルの半値幅を狭帯化させ
ることができ、単色性（発光の色純度）を向上させるこ
とができる。このため、最近ではアンドープ窒化ガリウ
ム・インジウムから成る発光層２の層厚を以前の約１／
１０未満程度と薄くする場合もある。具体的には、層厚
を約１０ｎｍとし、発光スペクトルの半値幅を従来の約
１／２以下（約１５〜３０ｎｍ）とする。
【００３６】一方、不純物をドーピングした発光層２と
して、亜鉛と珪素を共にドーピングした層厚を１００Å
（オングストロ−ム）とする窒化ガリウム・インジウム
（Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ）を発光層として用いてもよい。
具体的には、珪素をドーピングした層厚を１０Å〜０．
５μｍとする窒化ガリウム・インジウム（Ｉｎx Ｇａ
1 -xＮ：０＜ｘ＜０．５）層を発光層とし、また亜鉛を
ドーピングした層厚を１０Å〜０．５μｍとする窒化ガ
リウム・インジウム（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ：０＜ｘ＜０．
５）層を発光層とする。
して、亜鉛と珪素を共にドーピングした層厚を１００Å
（オングストロ−ム）とする窒化ガリウム・インジウム
（Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ）を発光層として用いてもよい。
具体的には、珪素をドーピングした層厚を１０Å〜０．
５μｍとする窒化ガリウム・インジウム（Ｉｎx Ｇａ
1 -xＮ：０＜ｘ＜０．５）層を発光層とし、また亜鉛を
ドーピングした層厚を１０Å〜０．５μｍとする窒化ガ
リウム・インジウム（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ：０＜ｘ＜０．
５）層を発光層とする。
【００３７】発光層２を構成する半導体材料としては上
記のように、アンドープ或いは不純物ドープの何れをも
選択できるが、不純物をドーピングした層を発光層とす
る場合は、少なくとも、キャリアの偏在を期す接合界面
側の発光層内の領域には、不純物散乱を被らない不純物
を故意に添加しないアンドープ層等の高純度の結晶層を
配置して成る、不純物ドープ層とアンドープ層との重層
構成から成る発光層とするのが好ましい。これは、キャ
リアを特定の接合界面に向けて発光層内を走行させ、特
定の接合界面に選択的に偏在させる本発明の趣旨からす
れば、発光層内に、散乱作用等によりキャリアの走行を
妨げない総不純物が少ない純度の高い層を形成するのが
好ましいからである。
記のように、アンドープ或いは不純物ドープの何れをも
選択できるが、不純物をドーピングした層を発光層とす
る場合は、少なくとも、キャリアの偏在を期す接合界面
側の発光層内の領域には、不純物散乱を被らない不純物
を故意に添加しないアンドープ層等の高純度の結晶層を
配置して成る、不純物ドープ層とアンドープ層との重層
構成から成る発光層とするのが好ましい。これは、キャ
リアを特定の接合界面に向けて発光層内を走行させ、特
定の接合界面に選択的に偏在させる本発明の趣旨からす
れば、発光層内に、散乱作用等によりキャリアの走行を
妨げない総不純物が少ない純度の高い層を形成するのが
好ましいからである。
【００３８】発光層２を構成する結晶層の内部結晶組織
には特に、限定を加えない。上記の一般式 Ａｌx Ｇａ
y Ｉｎz Ｎで表記される混晶系に包含される窒化ガリウ
ム・インジウム混晶を例にすれば、同混晶がインジウム
組成を均一とする単一相構造であっても、また、被熱に
よりインジウム濃度を相違する、インジウム組成（濃
度）に”ゆらぎ”を有する複数の相から成る多相構造で
あっても構わない。代表的な多相構造例には、窒化ガリ
ウム或いはインジウム濃度を比較的希薄とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶から成る母相と、母相の構成物質
よりもインジウム濃度を大とする窒化ガリウム・インジ
ウム混晶から成るドット状の微結晶体を従属相とする複
数の相から成る多相構造が挙げられる。本発明では、特
に、放射される発光の強度の観点からして、より強い発
光を帰結する多相構造から成るインジウム含有III 族窒
化物半導体材料から発光層２を構成することを推奨す
る。多相構造には、発光層２の内部に従属相が空間的に
略均一の密度で存在する場合と発光層２と他層との接合
界面若しくはその近傍の領域に集中して従属相が存在す
る場合がある。例えば、インジウム含有III 族窒化物半
導体発光層２とクラッド層等のｎ形障壁層１との接合界
面４に、当界面４の特定の領域に凝縮したインジウムを
核として発達したと見受けられる島状或いは球状のイン
ジウム含有従属相が集中して存在する場合がある。本発
明では、従属相の発光層内での分布状況に拘らず、何れ
も多相構造とみなす。
には特に、限定を加えない。上記の一般式 Ａｌx Ｇａ
y Ｉｎz Ｎで表記される混晶系に包含される窒化ガリウ
ム・インジウム混晶を例にすれば、同混晶がインジウム
組成を均一とする単一相構造であっても、また、被熱に
よりインジウム濃度を相違する、インジウム組成（濃
度）に”ゆらぎ”を有する複数の相から成る多相構造で
あっても構わない。代表的な多相構造例には、窒化ガリ
ウム或いはインジウム濃度を比較的希薄とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶から成る母相と、母相の構成物質
よりもインジウム濃度を大とする窒化ガリウム・インジ
ウム混晶から成るドット状の微結晶体を従属相とする複
数の相から成る多相構造が挙げられる。本発明では、特
に、放射される発光の強度の観点からして、より強い発
光を帰結する多相構造から成るインジウム含有III 族窒
化物半導体材料から発光層２を構成することを推奨す
る。多相構造には、発光層２の内部に従属相が空間的に
略均一の密度で存在する場合と発光層２と他層との接合
界面若しくはその近傍の領域に集中して従属相が存在す
る場合がある。例えば、インジウム含有III 族窒化物半
導体発光層２とクラッド層等のｎ形障壁層１との接合界
面４に、当界面４の特定の領域に凝縮したインジウムを
核として発達したと見受けられる島状或いは球状のイン
ジウム含有従属相が集中して存在する場合がある。本発
明では、従属相の発光層内での分布状況に拘らず、何れ
も多相構造とみなす。
【００３９】ｎ形障壁層１及びｐ形障壁層３は、発光層
２を構成するインジウム含有III 族窒化物半導体材料に
対し、伝導帯側でのバンドオフセットを室温での電子の
熱運動エネルギーである約０．２６エレクトロンボルト
（ｅＶ）以上とし、発光層より禁止帯幅を大とするする
III 族窒化物半導体材料から構成する。特に、ｎ形発光
層２とは反対の電気伝導形のｐ形障壁層３とのバンドオ
フセットは、室温での電子の熱運動エネルギ（約０．２
６ｅＶ）を越え、約０．３ｅＶ以上とするのが好まし
い。
２を構成するインジウム含有III 族窒化物半導体材料に
対し、伝導帯側でのバンドオフセットを室温での電子の
熱運動エネルギーである約０．２６エレクトロンボルト
（ｅＶ）以上とし、発光層より禁止帯幅を大とするする
III 族窒化物半導体材料から構成する。特に、ｎ形発光
層２とは反対の電気伝導形のｐ形障壁層３とのバンドオ
フセットは、室温での電子の熱運動エネルギ（約０．２
６ｅＶ）を越え、約０．３ｅＶ以上とするのが好まし
い。
【００４０】そして、易昇華性の窒化ガリウム・インジ
ウムから成る発光層の高温での昇華、揮散、或いは熱変
質を防止するために、発光層上に「蒸発防止層」と称す
る層を設ける場合があるが、このような層も「蒸発防止
層」の機能を果たす障壁層の一種であるとして取り扱
う。例えば、インジウム組成比を０．２とする珪素（Ｓ
ｉ）ドープ窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.8 Ｉｎ
0.2 Ｎ）発光層に対し、アルミニウム組成比を０．４と
する窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.4 Ｇａ
0 .6Ｎ）から成る「蒸発防止層」を冠する場合、Ｇａ
0.8 Ｉｎ0.2 Ｎの室温での禁止帯幅は約２．９ｅＶで、
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎのそれは約４．４ｅＶである。した
がって、両者の禁止帯幅の差は約１．５ｅＶと大であ
り、窒化ガリウム／窒化インジウムヘテロ接合系におけ
る伝導帯側のバンドオフセット率を仮に６９％として
も、伝導帯側のオフセット量は１．０ｅＶを越えるもの
となり、このような「蒸発防止層」も障壁層として取り
扱う。
ウムから成る発光層の高温での昇華、揮散、或いは熱変
質を防止するために、発光層上に「蒸発防止層」と称す
る層を設ける場合があるが、このような層も「蒸発防止
層」の機能を果たす障壁層の一種であるとして取り扱
う。例えば、インジウム組成比を０．２とする珪素（Ｓ
ｉ）ドープ窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.8 Ｉｎ
0.2 Ｎ）発光層に対し、アルミニウム組成比を０．４と
する窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.4 Ｇａ
0 .6Ｎ）から成る「蒸発防止層」を冠する場合、Ｇａ
0.8 Ｉｎ0.2 Ｎの室温での禁止帯幅は約２．９ｅＶで、
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎのそれは約４．４ｅＶである。した
がって、両者の禁止帯幅の差は約１．５ｅＶと大であ
り、窒化ガリウム／窒化インジウムヘテロ接合系におけ
る伝導帯側のバンドオフセット率を仮に６９％として
も、伝導帯側のオフセット量は１．０ｅＶを越えるもの
となり、このような「蒸発防止層」も障壁層として取り
扱う。
【００４１】また、発光層とは反対の電気伝導形の障壁
層との接合界面の近傍領域で発光層の伝導帯端がフェル
ミレベル以下に落ち込むが如くの伝導帯のバンドの曲折
が発現できれば、尚更好ましい。このようなバンドの曲
折は、上記の図１５で示したようなＭＯＤＦＥＴ用途の
積層構造において見られるが、この図１５でのバンドの
曲折は、電子走行層Ｓ１とスペーサＳ２との同一の電気
伝導形（実際にはｎ形）の半導体層のｎ／ｎヘテロ接合
界面におけるものである。これに対し、この実施形態で
は、バンドの曲折を電気伝導形を互いに異にする半導体
のｐ／ｎ接合界面で発現させている。
層との接合界面の近傍領域で発光層の伝導帯端がフェル
ミレベル以下に落ち込むが如くの伝導帯のバンドの曲折
が発現できれば、尚更好ましい。このようなバンドの曲
折は、上記の図１５で示したようなＭＯＤＦＥＴ用途の
積層構造において見られるが、この図１５でのバンドの
曲折は、電子走行層Ｓ１とスペーサＳ２との同一の電気
伝導形（実際にはｎ形）の半導体層のｎ／ｎヘテロ接合
界面におけるものである。これに対し、この実施形態で
は、バンドの曲折を電気伝導形を互いに異にする半導体
のｐ／ｎ接合界面で発現させている。
【００４２】その理由を、この実施形態の図１を用いて
説明すれば、図１では、バンドの曲折をｎ形発光層２と
は反対の電気伝導形を有するｐ形障壁層３との接合界面
５に形成し、その部分にキャリア（電子）を蓄積させて
いるが、それは、蓄積した電子と、順方向電流の注入
（電流注入）によってｐ形障壁層３からより多く供給さ
れる正孔との再結合を生じさせるのに都合が良いからで
ある。ｎ形障壁層１側との接合界面４に、電子の局在を
もたらすバンドの曲折を発生させた発光層にあっては、
電子が蓄積された領域にｐ形障壁層３からの正孔が到達
するは、正孔の拡散長を考慮しても不合理である。すな
わち、ｐｎ接合界面の急峻性を重視するのは、偏在させ
るキャリア、例えば電子を、電子に比較すれば拡散長が
極めて小さい正孔に隣接して存在させ、放射再結合の結
合効率の向上を目指してのことである。
説明すれば、図１では、バンドの曲折をｎ形発光層２と
は反対の電気伝導形を有するｐ形障壁層３との接合界面
５に形成し、その部分にキャリア（電子）を蓄積させて
いるが、それは、蓄積した電子と、順方向電流の注入
（電流注入）によってｐ形障壁層３からより多く供給さ
れる正孔との再結合を生じさせるのに都合が良いからで
ある。ｎ形障壁層１側との接合界面４に、電子の局在を
もたらすバンドの曲折を発生させた発光層にあっては、
電子が蓄積された領域にｐ形障壁層３からの正孔が到達
するは、正孔の拡散長を考慮しても不合理である。すな
わち、ｐｎ接合界面の急峻性を重視するのは、偏在させ
るキャリア、例えば電子を、電子に比較すれば拡散長が
極めて小さい正孔に隣接して存在させ、放射再結合の結
合効率の向上を目指してのことである。
【００４３】そして、上記のように、接合界面５に電子
の局在をもたらすバンドの曲折を発生させるには、その
接合界面５の急峻性を特に優れるものとする必要があ
る。すなわち、ｎ形発光層２と、ｐ形障壁層３との接合
界面５でのバンドオフセットを確実に創生するために
は、そのｎ形障壁層３との接合界面５の急峻性を良好と
なす必要がある。
の局在をもたらすバンドの曲折を発生させるには、その
接合界面５の急峻性を特に優れるものとする必要があ
る。すなわち、ｎ形発光層２と、ｐ形障壁層３との接合
界面５でのバンドオフセットを確実に創生するために
は、そのｎ形障壁層３との接合界面５の急峻性を良好と
なす必要がある。
【００４４】そこで、この発明では、図１（Ｂ）に示す
ように、ｎ形発光層２と同一の電気伝導形の障壁層側、
すなわちｎ形障壁層１側におけるインジウム原子濃度Ｎ
Ｉの遷移領域幅ΔｔV と、ｎ形発光層２とは反対の電気
伝導形の障壁層側、すなわちｐ形障壁層３側におけるイ
ンジウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔw との関係をΔ
ｔw ＜ΔｔV として規定している。以下に、その説明を
行う。
ように、ｎ形発光層２と同一の電気伝導形の障壁層側、
すなわちｎ形障壁層１側におけるインジウム原子濃度Ｎ
Ｉの遷移領域幅ΔｔV と、ｎ形発光層２とは反対の電気
伝導形の障壁層側、すなわちｐ形障壁層３側におけるイ
ンジウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔw との関係をΔ
ｔw ＜ΔｔV として規定している。以下に、その説明を
行う。
【００４５】発光層２内に一構成元素として存在するイ
ンジウムは、発光層２の成膜過程、或いは発光層２上へ
のｐ形障壁層３の重層過程での加温により、ｐ形障壁層
３またはｎ形障壁層１内部に拡散し遷移し、遷移領域幅
ΔｔV 、Δｔw を形成する。この遷移領域幅ΔｔV 、Δ
ｔw は、濃度分布曲線Ｃによって示されるインジウム原
子濃度ＮＩが、発光層２内部の濃度Ｒｏから、例えば２
桁減少する、その減少し始めの起点Ｄ１、Ｄ２からの距
離を指す。この起点Ｄ１、Ｄ２が発光層２と障壁層１，
３との接合界面４，５にそれぞれ一致する場合は、これ
らの接合界面４，５からの距離が遷移領域幅を表す。遷
移領域幅ΔｔV はｎ形障壁層１との接合側でインジウム
原子濃度ＮＩが遷移する幅であり、遷移領域幅ΔｔW は
ｐ形障壁層３との接合側でインジウム原子濃度ＮＩが遷
移する幅である。また、遷移領域幅ΔｔV1、ΔｔW1はイ
ンジウム原子濃度ＮＩが発光層２の内部濃度Ｒｏより２
桁減少を来すに要する深さ（距離）である。インジウム
濃度ＮＩが発光層２の内部の平均的な濃度Ｒｏより２桁
減少する深さ（距離）をもって、ΔｔV1及びΔｔw1を定
義したのは、発光層２内に比してインジウム濃度ＮＩが
１％程度まで減じれば、もはや構成元素としてそれが存
在する層の物性値に影響を与える濃度とは殆どならない
からである。
ンジウムは、発光層２の成膜過程、或いは発光層２上へ
のｐ形障壁層３の重層過程での加温により、ｐ形障壁層
３またはｎ形障壁層１内部に拡散し遷移し、遷移領域幅
ΔｔV 、Δｔw を形成する。この遷移領域幅ΔｔV 、Δ
ｔw は、濃度分布曲線Ｃによって示されるインジウム原
子濃度ＮＩが、発光層２内部の濃度Ｒｏから、例えば２
桁減少する、その減少し始めの起点Ｄ１、Ｄ２からの距
離を指す。この起点Ｄ１、Ｄ２が発光層２と障壁層１，
３との接合界面４，５にそれぞれ一致する場合は、これ
らの接合界面４，５からの距離が遷移領域幅を表す。遷
移領域幅ΔｔV はｎ形障壁層１との接合側でインジウム
原子濃度ＮＩが遷移する幅であり、遷移領域幅ΔｔW は
ｐ形障壁層３との接合側でインジウム原子濃度ＮＩが遷
移する幅である。また、遷移領域幅ΔｔV1、ΔｔW1はイ
ンジウム原子濃度ＮＩが発光層２の内部濃度Ｒｏより２
桁減少を来すに要する深さ（距離）である。インジウム
濃度ＮＩが発光層２の内部の平均的な濃度Ｒｏより２桁
減少する深さ（距離）をもって、ΔｔV1及びΔｔw1を定
義したのは、発光層２内に比してインジウム濃度ＮＩが
１％程度まで減じれば、もはや構成元素としてそれが存
在する層の物性値に影響を与える濃度とは殆どならない
からである。
【００４６】本発明では、上記したように、接合界面
４，５における急峻性を発光層２の一構成元素であるイ
ンジウムのｎ形、ｐ形障壁層内部への拡散距離をもって
表している。そして、発光層２の電気伝導形を基準にし
て発光層２と障壁層１，３との接合界面４，５における
組成急峻性（インジウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅）の
関係を規定し、ｐ形障壁層３との接合界面５における遷
移領域幅Δｔw （Δｔw1）を、ｎ形障壁層１との接合界
面４における遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）より小とする
ものである。
４，５における急峻性を発光層２の一構成元素であるイ
ンジウムのｎ形、ｐ形障壁層内部への拡散距離をもって
表している。そして、発光層２の電気伝導形を基準にし
て発光層２と障壁層１，３との接合界面４，５における
組成急峻性（インジウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅）の
関係を規定し、ｐ形障壁層３との接合界面５における遷
移領域幅Δｔw （Δｔw1）を、ｎ形障壁層１との接合界
面４における遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）より小とする
ものである。
【００４７】一般に、発光層との接合界面でキャリアの
局在或いは偏在を果たすには、その接合界面にキャリア
を偏在させるに有効な”明瞭な”ポテンシャル井戸構造
を創生する必要がある。”明瞭な”ポテンシャル井戸構
造とは、接合界面においてバンドのオフセットが急激に
発生しているポテンシャル構成を有するものを云う。急
激なバンドオフセットを発現させるには、そもそも接合
界面における構成元素の濃度の急峻な変化が要求される
のは、上述の如くである。
局在或いは偏在を果たすには、その接合界面にキャリア
を偏在させるに有効な”明瞭な”ポテンシャル井戸構造
を創生する必要がある。”明瞭な”ポテンシャル井戸構
造とは、接合界面においてバンドのオフセットが急激に
発生しているポテンシャル構成を有するものを云う。急
激なバンドオフセットを発現させるには、そもそも接合
界面における構成元素の濃度の急峻な変化が要求される
のは、上述の如くである。
【００４８】本発明が発光層２と障壁層１，３との接合
界面４，５の急峻性につき規定を加えるのは、より急峻
性に優れるｐ形障壁層３との接合界面５に選択的に且つ
優先的にキャリアを偏在させるのを目的としているから
である。そして、このキャリアの特定領域への偏在をよ
り効率的に達成するため、本発明では、他方のｎ形障壁
層１との接合界面４側のインジウム濃度の急峻性を悪化
させる構成とする。バンド構成の観点からすれば、発光
層２とｎ形障壁層１との接合界面４でのバンドオフセッ
トを、発光層２とｐ形障壁層３とのバンドオフセットに
比較して小とするのを特徴とする。これにより、発光層
２とｎ形障壁層１との接合界面４近傍の領域にキャリア
が捕獲される事態を抑制すると併せて、発光層２とｐ形
障壁層３との接合界面５にキャリアを選択的に且つ優先
的に偏在できるバンド（ポテンシャル）構成を創出する
ものである。
界面４，５の急峻性につき規定を加えるのは、より急峻
性に優れるｐ形障壁層３との接合界面５に選択的に且つ
優先的にキャリアを偏在させるのを目的としているから
である。そして、このキャリアの特定領域への偏在をよ
り効率的に達成するため、本発明では、他方のｎ形障壁
層１との接合界面４側のインジウム濃度の急峻性を悪化
させる構成とする。バンド構成の観点からすれば、発光
層２とｎ形障壁層１との接合界面４でのバンドオフセッ
トを、発光層２とｐ形障壁層３とのバンドオフセットに
比較して小とするのを特徴とする。これにより、発光層
２とｎ形障壁層１との接合界面４近傍の領域にキャリア
が捕獲される事態を抑制すると併せて、発光層２とｐ形
障壁層３との接合界面５にキャリアを選択的に且つ優先
的に偏在できるバンド（ポテンシャル）構成を創出する
ものである。
【００４９】この実施形態では、ｐ形障壁層３との接合
界面５での遷移領域幅ΔｔV1を２５０ナノメータ（ｎ
ｍ）以下とする。そして、ｎ形障壁層１との接合界面４
での遷移領域幅Δｔw1と、ΔｔV1との関係をΔｔV1＞Δ
ｔw1とするため、Δｔw1も２５０ｎｍ以下とする。した
がって、発光層２の電気伝導形に拘らず、発光層２と接
合を成すｎ形及びｐ形障壁層１，３との接合界面４，５
の急峻性（遷移領域幅）は、双方とも２５０ｎｍ以下と
する。インジウム濃度の遷移領域幅ΔｔV1、Δｔ w1がそ
もそもこの幅（２５０ｎｍ）を越えると、たとえ発光層
２とのバンドオフセットが障壁足るものとしても、イン
ジウム濃度の緩慢な変化により接合界面で禁止帯幅の変
化が急峻とは成らず、したがって”明瞭な”境界を呈す
るオフセットを充分に発現するに至らず、このため充分
な障壁作用をもたらす”明瞭な”エネルギの境界を有す
る矩形ポテンシャル構造が創出できないからである。し
たがって、本発明では、発光層２と障壁層１，３との接
合界面４，５において、界面急峻性の指標となるインジ
ウム濃度の遷移領域幅を少なくとも２５０ｎｍ以下とす
ることをもって、充分な障壁作用をもたらすバンドのオ
フセットを発生させるようにしている。
界面５での遷移領域幅ΔｔV1を２５０ナノメータ（ｎ
ｍ）以下とする。そして、ｎ形障壁層１との接合界面４
での遷移領域幅Δｔw1と、ΔｔV1との関係をΔｔV1＞Δ
ｔw1とするため、Δｔw1も２５０ｎｍ以下とする。した
がって、発光層２の電気伝導形に拘らず、発光層２と接
合を成すｎ形及びｐ形障壁層１，３との接合界面４，５
の急峻性（遷移領域幅）は、双方とも２５０ｎｍ以下と
する。インジウム濃度の遷移領域幅ΔｔV1、Δｔ w1がそ
もそもこの幅（２５０ｎｍ）を越えると、たとえ発光層
２とのバンドオフセットが障壁足るものとしても、イン
ジウム濃度の緩慢な変化により接合界面で禁止帯幅の変
化が急峻とは成らず、したがって”明瞭な”境界を呈す
るオフセットを充分に発現するに至らず、このため充分
な障壁作用をもたらす”明瞭な”エネルギの境界を有す
る矩形ポテンシャル構造が創出できないからである。し
たがって、本発明では、発光層２と障壁層１，３との接
合界面４，５において、界面急峻性の指標となるインジ
ウム濃度の遷移領域幅を少なくとも２５０ｎｍ以下とす
ることをもって、充分な障壁作用をもたらすバンドのオ
フセットを発生させるようにしている。
【００５０】さらに、本発明では、発光層２とｎ形及び
ｐ形障壁層１，３との双方での接合界面４，５でのイン
ジウム濃度の急峻性を２５０ｎｍ以下とする条件下で、
ｐ形障壁層３との接合界面５での急峻性（Δｔw 、Δｔ
w1）につき、ΔｔV ＞ΔｔwまたはΔｔV1＞Δｔw1の関
係を保持しながら、尚且つ遷移領域幅Δｔw1を２０ｎｍ
以下に規定するのが好ましい。その理由は、発光層２
に、発光層２より禁止帯幅を大とする半導体層を接合さ
せて単に障壁たる”明瞭な”境界を有する矩形ポテンシ
ャル構造を形成するのではなく、キャリアの偏在を可能
とするポテンシャル構造を組成急峻性をもって発現さ
せ、ｐ形障壁層３との接合界面５での組成急峻性を有す
る領域に、キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させる
ためである。
ｐ形障壁層１，３との双方での接合界面４，５でのイン
ジウム濃度の急峻性を２５０ｎｍ以下とする条件下で、
ｐ形障壁層３との接合界面５での急峻性（Δｔw 、Δｔ
w1）につき、ΔｔV ＞ΔｔwまたはΔｔV1＞Δｔw1の関
係を保持しながら、尚且つ遷移領域幅Δｔw1を２０ｎｍ
以下に規定するのが好ましい。その理由は、発光層２
に、発光層２より禁止帯幅を大とする半導体層を接合さ
せて単に障壁たる”明瞭な”境界を有する矩形ポテンシ
ャル構造を形成するのではなく、キャリアの偏在を可能
とするポテンシャル構造を組成急峻性をもって発現さ
せ、ｐ形障壁層３との接合界面５での組成急峻性を有す
る領域に、キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させる
ためである。
【００５１】例えば、キャリアの偏在をもたらすバンド
の曲折を得るには、本発明者の見識に依れば、遷移領域
幅Δｔw1を約１００ｎｍ程度以下とすれば達成され得
る。しかしながら、例えば、伝導帯端をフェルミレベル
以下に落ち込ませるようなバンドの曲折を発現するに
は、更なる界面急峻性が要求され、その値は概ね、５０
ｎｍ程度以下である。遷移領域幅Δｔw1は０（零）であ
るのが理想である。遷移領域幅Δｔw1＝０である状態
は、インジウム原子の濃度がｐ形障壁層３との接合界面
５で、遷移距離を要さずに一挙に２桁減少することを意
味している。インジウム濃度の分析手法或いは分析条件
に依って一見、Δｔw1＝０に近い状態であると見受けら
れる分析結果が得られる場合があるが、実際には、熱拡
散し易いインジウムにあっては特に、Δｔw1＝０となる
場合は希有である。界面でのインジウム濃度に関する急
峻性を獲得するに優れる接合界面の形成方法をもってし
ても、安定してもたらされる最良のΔｔw1は実状、大
凡、約１０ｎｍ前後である。このような点を鑑みて、遷
移領域幅Δｔw1を２０ｎｍ以下に規定している。
の曲折を得るには、本発明者の見識に依れば、遷移領域
幅Δｔw1を約１００ｎｍ程度以下とすれば達成され得
る。しかしながら、例えば、伝導帯端をフェルミレベル
以下に落ち込ませるようなバンドの曲折を発現するに
は、更なる界面急峻性が要求され、その値は概ね、５０
ｎｍ程度以下である。遷移領域幅Δｔw1は０（零）であ
るのが理想である。遷移領域幅Δｔw1＝０である状態
は、インジウム原子の濃度がｐ形障壁層３との接合界面
５で、遷移距離を要さずに一挙に２桁減少することを意
味している。インジウム濃度の分析手法或いは分析条件
に依って一見、Δｔw1＝０に近い状態であると見受けら
れる分析結果が得られる場合があるが、実際には、熱拡
散し易いインジウムにあっては特に、Δｔw1＝０となる
場合は希有である。界面でのインジウム濃度に関する急
峻性を獲得するに優れる接合界面の形成方法をもってし
ても、安定してもたらされる最良のΔｔw1は実状、大
凡、約１０ｎｍ前後である。このような点を鑑みて、遷
移領域幅Δｔw1を２０ｎｍ以下に規定している。
【００５２】発光部１０を構成する各III 族窒化物半導
体層の成長方法には、有機化合物熱分解気相成長法（Ｍ
ＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ
法）やハロゲン化物或いはハイドライド（水素化物）を
原料とする気相成長法（ＶＰＥ法）がある。そして、界
面の急峻性に関する基本的な達成能力についての従来か
らの経験的な見識から、ＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法が
多用されている。
体層の成長方法には、有機化合物熱分解気相成長法（Ｍ
ＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ
法）やハロゲン化物或いはハイドライド（水素化物）を
原料とする気相成長法（ＶＰＥ法）がある。そして、界
面の急峻性に関する基本的な達成能力についての従来か
らの経験的な見識から、ＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法が
多用されている。
【００５３】両方法の成膜時の圧力を比較すれば、ＭＢ
Ｅ法或いはそれの一複合法である気体原料（気化させた
原料）を用いるガスソース（ｇａｓ−ｓｏｕｒｃｅ）Ｍ
ＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法などでは、成膜が高真空中で実
施されるのに対し、ＭＯＣＶＤ法では、常圧（大気圧）
下でも成膜が実施できる。成長が蒸発の進行が促進され
る真空中ではなく、略大気圧下で実施できる利便性は、
窒化ガリウム・インジウム等の易昇華性の物質の昇華を
抑制するに効果を奏することから、現在では、もっぱら
ＭＯＣＶＤ法がIII 族窒化物半導体膜の成膜手段として
利用されている。
Ｅ法或いはそれの一複合法である気体原料（気化させた
原料）を用いるガスソース（ｇａｓ−ｓｏｕｒｃｅ）Ｍ
ＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法などでは、成膜が高真空中で実
施されるのに対し、ＭＯＣＶＤ法では、常圧（大気圧）
下でも成膜が実施できる。成長が蒸発の進行が促進され
る真空中ではなく、略大気圧下で実施できる利便性は、
窒化ガリウム・インジウム等の易昇華性の物質の昇華を
抑制するに効果を奏することから、現在では、もっぱら
ＭＯＣＶＤ法がIII 族窒化物半導体膜の成膜手段として
利用されている。
【００５４】しかし、一般的に利用されるＭＯＣＶＤ法
を例にすれば、同法を利用すれば所望する急峻性を有す
るヘテロ接合界面が形成されるとは限らない。接合界面
の急峻化を妨害する様々な要因を排除する配慮を施した
成長反応炉等の部位の装置構成や成長環境の創出が必要
である。ヘテロ接合界面の急峻性を損なう、所謂、界面
の”弛れ”と俗称される原因には、バルブ等の配管系の
構成、成長反応炉内の原料ガス等の熱対流、成長反応炉
の管壁への原料ガスの吸着、脱着等が挙げられている。
特に、III 族窒化物半導体層の成膜は砒化ガリウム（Ｇ
ａＡｓ）等の他のIII −Ｖ族化合物半導体に比較して、
より高い温度である約８００℃〜約１２００℃で実施さ
れるのが通常である。このため、成長反応炉内で原料ガ
ス等の熱対流がより激しく発生し、滞留した一部のガス
は成長反応炉の管壁に沈積物として残留する。このよう
な沈積物が窒化ガリウム層の安定成長を阻害する原因と
なっていることは既に知られている。III 族窒化物半導
体系から成るヘテロ接合にあって、その接合界面の急峻
性を求める場合もこの沈積物の堆積の抑制が重要な因子
である。
を例にすれば、同法を利用すれば所望する急峻性を有す
るヘテロ接合界面が形成されるとは限らない。接合界面
の急峻化を妨害する様々な要因を排除する配慮を施した
成長反応炉等の部位の装置構成や成長環境の創出が必要
である。ヘテロ接合界面の急峻性を損なう、所謂、界面
の”弛れ”と俗称される原因には、バルブ等の配管系の
構成、成長反応炉内の原料ガス等の熱対流、成長反応炉
の管壁への原料ガスの吸着、脱着等が挙げられている。
特に、III 族窒化物半導体層の成膜は砒化ガリウム（Ｇ
ａＡｓ）等の他のIII −Ｖ族化合物半導体に比較して、
より高い温度である約８００℃〜約１２００℃で実施さ
れるのが通常である。このため、成長反応炉内で原料ガ
ス等の熱対流がより激しく発生し、滞留した一部のガス
は成長反応炉の管壁に沈積物として残留する。このよう
な沈積物が窒化ガリウム層の安定成長を阻害する原因と
なっていることは既に知られている。III 族窒化物半導
体系から成るヘテロ接合にあって、その接合界面の急峻
性を求める場合もこの沈積物の堆積の抑制が重要な因子
である。
【００５５】図２はIII 族窒化物半導体からなる接合界
面の急峻性を達成するための創意を施した成長反応炉の
構成例を示す図である。図において、成長反応炉９０は
基板１００の表面（被堆積面）に略平行に原料ガス等を
流通させる方式であり、横型形式の反応炉の範疇に属す
るものである。従来の如く原料ガス及び不活性ガス等か
らなるキャリア（輸送）ガスを、基板１００の表面に対
し、略垂直及び略水平の２方向から個別に供給する縦
（垂直）方向及び横（水平）方向流通方式ではない。特
徴は、原料ガスを基板１００の表面に導入するための第
１流路９１及び第２流路９２の他に、成長反応炉９０の
内壁９４、特に基板１００が載置されている領域及びそ
の前方の領域に在る内壁９４への沈積物の析出を抑制す
るための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路９３を
配備したことにある。すなわち、従来の横型形式の成長
反応炉に観られるように、窒素（Ｎ）等の第Ｖ族元素の
原料ガスと、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、インジウム（Ｉｎ）等の第III 族元素の原料ガス
を互い分離、隔離して炉内に導入するための２つの流路
９１，９２に加え、掃引ガスの内壁９４周辺への供給を
目的とした掃引ガス流路９３を設けた３流路方式とした
ことにある。原料ガスの流路９１，９２とは区画された
掃引ガス流路９３を設けて掃引ガスを導入できる流路構
成とすると、反応炉内壁９４への反応による分解生成物
の沈積を防止する格別の効果が上げられる。これは、ヘ
テロ接合界面の急峻性を安定して得るに顕著な効果を奏
する。
面の急峻性を達成するための創意を施した成長反応炉の
構成例を示す図である。図において、成長反応炉９０は
基板１００の表面（被堆積面）に略平行に原料ガス等を
流通させる方式であり、横型形式の反応炉の範疇に属す
るものである。従来の如く原料ガス及び不活性ガス等か
らなるキャリア（輸送）ガスを、基板１００の表面に対
し、略垂直及び略水平の２方向から個別に供給する縦
（垂直）方向及び横（水平）方向流通方式ではない。特
徴は、原料ガスを基板１００の表面に導入するための第
１流路９１及び第２流路９２の他に、成長反応炉９０の
内壁９４、特に基板１００が載置されている領域及びそ
の前方の領域に在る内壁９４への沈積物の析出を抑制す
るための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路９３を
配備したことにある。すなわち、従来の横型形式の成長
反応炉に観られるように、窒素（Ｎ）等の第Ｖ族元素の
原料ガスと、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、インジウム（Ｉｎ）等の第III 族元素の原料ガス
を互い分離、隔離して炉内に導入するための２つの流路
９１，９２に加え、掃引ガスの内壁９４周辺への供給を
目的とした掃引ガス流路９３を設けた３流路方式とした
ことにある。原料ガスの流路９１，９２とは区画された
掃引ガス流路９３を設けて掃引ガスを導入できる流路構
成とすると、反応炉内壁９４への反応による分解生成物
の沈積を防止する格別の効果が上げられる。これは、ヘ
テロ接合界面の急峻性を安定して得るに顕著な効果を奏
する。
【００５６】掃引ガス流路９３は、基板１００上方の領
域に在る内壁９４を被覆するが如く掃引ガスが選択的に
流れる形状とするのが望ましい。すなわち、基板１００
表面を水平の基準として最も遠隔に在る流路を掃引ガス
の流路とするのが好ましい。更には、原料ガスの周囲へ
の拡散を抑制するが如く原料ガスを中央部に囲繞し、基
板１００の周囲の領域に在る反応炉内壁９４に直接、原
料ガスあるいは原料ガスの分解生成物が接触するのを抑
制できるように、掃引ガスを流通させるのが好ましい。
域に在る内壁９４を被覆するが如く掃引ガスが選択的に
流れる形状とするのが望ましい。すなわち、基板１００
表面を水平の基準として最も遠隔に在る流路を掃引ガス
の流路とするのが好ましい。更には、原料ガスの周囲へ
の拡散を抑制するが如く原料ガスを中央部に囲繞し、基
板１００の周囲の領域に在る反応炉内壁９４に直接、原
料ガスあるいは原料ガスの分解生成物が接触するのを抑
制できるように、掃引ガスを流通させるのが好ましい。
【００５７】掃引ガスを構成するガス種としては、ＭＯ
ＣＶＤ法においてキャリアガスとし一般に使用される水
素ガス（Ｈ2 ）や窒素ガス（Ｎ2 ）の他、アルゴン（Ａ
ｒ）等の不活性ガスを用いる。また、III 族窒化物半導
体の一般的な成膜温度で分解し、その分解により金属性
の分解生成物、例えば、ガリウム、アルミニウムあるい
はインジウムを発生する恐れの無い、例えば、第Ｖ族元
素の原料として一般的に使用さているアンモニア（ＮＨ
3 ）を混合したＨ2 、Ｎ2 やＡｒの混合ガスも使用で
きる。図２に図示した構成の成長反応炉９０にあって、
各流路９１，９２及び９３に流通させるガスの種類、流
量、構成、混合比等の諸条件は、成膜温度、反応圧力等
の基本条件に照合して、また帰結される膜の均一性等に
鑑みて適宜、決定すれば良い。
ＣＶＤ法においてキャリアガスとし一般に使用される水
素ガス（Ｈ2 ）や窒素ガス（Ｎ2 ）の他、アルゴン（Ａ
ｒ）等の不活性ガスを用いる。また、III 族窒化物半導
体の一般的な成膜温度で分解し、その分解により金属性
の分解生成物、例えば、ガリウム、アルミニウムあるい
はインジウムを発生する恐れの無い、例えば、第Ｖ族元
素の原料として一般的に使用さているアンモニア（ＮＨ
3 ）を混合したＨ2 、Ｎ2 やＡｒの混合ガスも使用で
きる。図２に図示した構成の成長反応炉９０にあって、
各流路９１，９２及び９３に流通させるガスの種類、流
量、構成、混合比等の諸条件は、成膜温度、反応圧力等
の基本条件に照合して、また帰結される膜の均一性等に
鑑みて適宜、決定すれば良い。
【００５８】上述の内容から思量される如く、界面の急
峻性は、成長操作法や成長条件の影響を受け、また成長
装置の構成自体にも影響される。勿論、インジウムの拡
散特性の温度依存性も界面の急峻性に影響する。このよ
うな背景からして、界面の急峻性を制御する手法として
次の３つの例が挙げられる。
峻性は、成長操作法や成長条件の影響を受け、また成長
装置の構成自体にも影響される。勿論、インジウムの拡
散特性の温度依存性も界面の急峻性に影響する。このよ
うな背景からして、界面の急峻性を制御する手法として
次の３つの例が挙げられる。
【００５９】（１）帰結される界面の急峻性に差異を生
ずる成長系を利用してΔｔV1＞Δｔ w1の関係を達成する
手法。 他方に比較して劣る界面の急峻性を帰結する成長系を利
用して、ｎ形障壁層１との界面４を形成する。その後発
光層２を成長させた後、成長系をより優れた界面急峻性
を与える成長系に変更する。その系により、発光層２上
にｐ形障壁層３を、ΔｔV1＞Δｔw1の関係を保持する界
面急峻性を付して堆積する。
ずる成長系を利用してΔｔV1＞Δｔ w1の関係を達成する
手法。 他方に比較して劣る界面の急峻性を帰結する成長系を利
用して、ｎ形障壁層１との界面４を形成する。その後発
光層２を成長させた後、成長系をより優れた界面急峻性
を与える成長系に変更する。その系により、発光層２上
にｐ形障壁層３を、ΔｔV1＞Δｔw1の関係を保持する界
面急峻性を付して堆積する。
【００６０】（２）インジウムの熱的挙動、特に窒化ガ
リウム系結晶へのインジウムの取り込まれ量の温度依存
性を利用してΔｔV1＞Δｔw1の関係を達成する手法。 窒化ガリウム系結晶、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）
結晶へ取り込まれるインジウムの量が高温であれば減少
し、逆に、低温である程、増加する特性を利用する方法
である。ｎ形障壁層１上に発光層２を堆積するに際し、
発光層２の成長の初期段階で成長温度を漸次、経時的に
低下させながら界面を形成する。発光層２より高い成長
温度で成膜されるｎ形障壁層１を先ず形成したる後、成
長温度を発光層２のそれに適する温度に降温させる過程
において、適度に温度が低下した時点からインジウム原
料を成長系に流入せしめ、然るべき温度或いは層厚に到
達した時点でｎ形障壁層１との接合界面４の形成を終え
る。これにより、ｎ形障壁層１から発光層２の内部に向
けてインジウム原子濃度を漸増する接合界面４を得る。
リウム系結晶へのインジウムの取り込まれ量の温度依存
性を利用してΔｔV1＞Δｔw1の関係を達成する手法。 窒化ガリウム系結晶、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）
結晶へ取り込まれるインジウムの量が高温であれば減少
し、逆に、低温である程、増加する特性を利用する方法
である。ｎ形障壁層１上に発光層２を堆積するに際し、
発光層２の成長の初期段階で成長温度を漸次、経時的に
低下させながら界面を形成する。発光層２より高い成長
温度で成膜されるｎ形障壁層１を先ず形成したる後、成
長温度を発光層２のそれに適する温度に降温させる過程
において、適度に温度が低下した時点からインジウム原
料を成長系に流入せしめ、然るべき温度或いは層厚に到
達した時点でｎ形障壁層１との接合界面４の形成を終え
る。これにより、ｎ形障壁層１から発光層２の内部に向
けてインジウム原子濃度を漸増する接合界面４を得る。
【００６１】（３）インジウム原料を、要求される界面
急峻性に応じて、急峻性に関して相違する性能を発揮す
る配管系を通じて別途に供給し、ΔｔV1＞Δｔw1の関係
を達成する手法。 例えば、インジウム原料の供給系に関して優れた急峻性
を与える配管系と、その配管系からすればデッドスペー
スを多く内包する配管系とを備えた成長系を利用する方
法である。ｎ形障壁層１上に発光層２を成長させる際に
は、デッドスペース（滞留空間）を多く内包する配管系
を介してインジウム原料を成長系に供給する。逆に、発
光層２上にｐ形障壁層３を堆積する際には、急峻性をも
たらす配管系を介してインジウム原料を供給する。これ
により、ΔｔV1＞Δｔw1とする関係を得る。
急峻性に応じて、急峻性に関して相違する性能を発揮す
る配管系を通じて別途に供給し、ΔｔV1＞Δｔw1の関係
を達成する手法。 例えば、インジウム原料の供給系に関して優れた急峻性
を与える配管系と、その配管系からすればデッドスペー
スを多く内包する配管系とを備えた成長系を利用する方
法である。ｎ形障壁層１上に発光層２を成長させる際に
は、デッドスペース（滞留空間）を多く内包する配管系
を介してインジウム原料を成長系に供給する。逆に、発
光層２上にｐ形障壁層３を堆積する際には、急峻性をも
たらす配管系を介してインジウム原料を供給する。これ
により、ΔｔV1＞Δｔw1とする関係を得る。
【００６２】発光層２の障壁層１，３側との接合界面
４，５の急峻性を確保するために、格別に留意を施して
遷移領域幅ΔｔV1を２５０ｎｍ以下に、且つ遷移領域幅
Δｔw1を好ましい２０ｎｍ以下とする界面急峻性を確実
に与える条件が設定された場合にあっても、不意の事態
により本発明の規定を満たす範囲内でΔｔV1及びΔｔw1
が変動する場合がある。端的な例を挙げれば、発光部１
０を構成する各層の構成元素が相違するのに伴う原料種
の切り替え時における第III 族元素の液体原料或いは昇
華性原料を、バブリング（発泡）或いは随伴するガスの
流量が一時的に変動する、若しくはその変動量が一定で
はない等の不意の事情により、接合界面４，５の急峻性
（遷移領域幅）に変動を来す場合がある。このような不
安定性を回避する一手段として、予めΔｔV1及びΔｔw1
の要求を満足するインジウム濃度に勾配を付した組成遷
移層を配置する方法を提示する。
４，５の急峻性を確保するために、格別に留意を施して
遷移領域幅ΔｔV1を２５０ｎｍ以下に、且つ遷移領域幅
Δｔw1を好ましい２０ｎｍ以下とする界面急峻性を確実
に与える条件が設定された場合にあっても、不意の事態
により本発明の規定を満たす範囲内でΔｔV1及びΔｔw1
が変動する場合がある。端的な例を挙げれば、発光部１
０を構成する各層の構成元素が相違するのに伴う原料種
の切り替え時における第III 族元素の液体原料或いは昇
華性原料を、バブリング（発泡）或いは随伴するガスの
流量が一時的に変動する、若しくはその変動量が一定で
はない等の不意の事情により、接合界面４，５の急峻性
（遷移領域幅）に変動を来す場合がある。このような不
安定性を回避する一手段として、予めΔｔV1及びΔｔw1
の要求を満足するインジウム濃度に勾配を付した組成遷
移層を配置する方法を提示する。
【００６３】例えば、発光層２とｎ形障壁層１との接合
界面４における遷移領域幅ΔｔV1を１００ｎｍと略一定
とし、安定した組成勾配を所望するならば、予め１００
ｎｍの層厚でインジウム原子濃度を２桁減ずる勾配を付
した組成遷移層を設けるようにすればよい。この場合、
インジウム濃度はｎ形障壁層１より発光層２側に向けて
増ずるように勾配を付す。このような組成勾配を敢えて
付す場合には、III 族元素の原料に係わる流量を経時的
に漸次、変化させる操作を行うため、インジウムの濃度
分布上での突出した或いはその逆の分布が発生するのを
抑制できる。
界面４における遷移領域幅ΔｔV1を１００ｎｍと略一定
とし、安定した組成勾配を所望するならば、予め１００
ｎｍの層厚でインジウム原子濃度を２桁減ずる勾配を付
した組成遷移層を設けるようにすればよい。この場合、
インジウム濃度はｎ形障壁層１より発光層２側に向けて
増ずるように勾配を付す。このような組成勾配を敢えて
付す場合には、III 族元素の原料に係わる流量を経時的
に漸次、変化させる操作を行うため、インジウムの濃度
分布上での突出した或いはその逆の分布が発生するのを
抑制できる。
【００６４】一方、ｐ形障壁層３との接合界面５での急
峻性の安定化も同様の手段によって達成される。すなわ
ち、２０ｎｍの層厚でインジウム原子の濃度を２桁減少
する組成遷移層を発光層２とｐ形障壁層との間に設けれ
ば良い。インジウム濃度は発光層２側からｐ形障壁層３
側に向けて減少するように勾配を付すものとする。遷移
領域幅Δｔw1は、そもそも好ましい範囲を２０ｎｍとし
ている。このような組成勾配を付す場合には、III 族元
素の原料に係わる流量をパルス的に瞬時に変化させる操
作を行う。
峻性の安定化も同様の手段によって達成される。すなわ
ち、２０ｎｍの層厚でインジウム原子の濃度を２桁減少
する組成遷移層を発光層２とｐ形障壁層との間に設けれ
ば良い。インジウム濃度は発光層２側からｐ形障壁層３
側に向けて減少するように勾配を付すものとする。遷移
領域幅Δｔw1は、そもそも好ましい範囲を２０ｎｍとし
ている。このような組成勾配を付す場合には、III 族元
素の原料に係わる流量をパルス的に瞬時に変化させる操
作を行う。
【００６５】組成遷移層の機械的な層厚と、遷移領域幅
ΔｔV （ΔｔV1）またはΔｔw （Δｔw1）とは厳密に一
致しないのが一般的である。通常は、組成遷移層の層厚
の方が遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）またはΔｔw （Δｔ
w1）より大であるのがもっぱらである。インジウムが所
定の濃度に達するに至る迄に、たとえ優れた急峻性を帰
結する配管系であっても、インジウム原子の取り込まれ
率等の結晶成長上の成長機構に係わる理由などにより、
組成遷移層の機械的な層厚は、遷移領域幅Δｔ V （Δｔ
V1）またはΔｔw （Δｔw1）より大となるのが通例であ
る。
ΔｔV （ΔｔV1）またはΔｔw （Δｔw1）とは厳密に一
致しないのが一般的である。通常は、組成遷移層の層厚
の方が遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）またはΔｔw （Δｔ
w1）より大であるのがもっぱらである。インジウムが所
定の濃度に達するに至る迄に、たとえ優れた急峻性を帰
結する配管系であっても、インジウム原子の取り込まれ
率等の結晶成長上の成長機構に係わる理由などにより、
組成遷移層の機械的な層厚は、遷移領域幅Δｔ V （Δｔ
V1）またはΔｔw （Δｔw1）より大となるのが通例であ
る。
【００６６】図３は発光部に組成遷移層を設けた場合を
示す図である。図において、発光部１０ｓには、上記の
手法を用いて組成遷移層７，８を形成してある。すなわ
ち、発光部１０ｓには、発光層２とｎ形障壁層１との中
間に、発光層２から該障壁層１に向けて発光層２内のイ
ンジウム原子濃度を減少させる組成遷移層７を形成し、
発光層２とｐ形障壁層３との中間に、発光層２から該障
壁層３に向けて発光層２内のインジウム原子濃度を減少
させる組成遷移層８を形成してある。そして、この発光
部１０ｓでは、組成遷移層７の層厚は組成遷移層８の層
厚より大きく形成し、例えば発光層２からｎ形障壁層１
に向けて発光層２内のインジウム原子濃度を２桁減少さ
せる組成遷移層７の膜厚を２５０ｎｍ以下、発光層２か
らｐ形障壁層３に向けて発光層２内のインジウム原子濃
度を２桁減少させる組成遷移層８の膜厚を２０ｎｍ以下
となるように形成する。
示す図である。図において、発光部１０ｓには、上記の
手法を用いて組成遷移層７，８を形成してある。すなわ
ち、発光部１０ｓには、発光層２とｎ形障壁層１との中
間に、発光層２から該障壁層１に向けて発光層２内のイ
ンジウム原子濃度を減少させる組成遷移層７を形成し、
発光層２とｐ形障壁層３との中間に、発光層２から該障
壁層３に向けて発光層２内のインジウム原子濃度を減少
させる組成遷移層８を形成してある。そして、この発光
部１０ｓでは、組成遷移層７の層厚は組成遷移層８の層
厚より大きく形成し、例えば発光層２からｎ形障壁層１
に向けて発光層２内のインジウム原子濃度を２桁減少さ
せる組成遷移層７の膜厚を２５０ｎｍ以下、発光層２か
らｐ形障壁層３に向けて発光層２内のインジウム原子濃
度を２桁減少させる組成遷移層８の膜厚を２０ｎｍ以下
となるように形成する。
【００６７】接合界面の急峻性をインジウム原子濃度の
分布状況をもって判断するに当たって、その急峻性は例
えば、２次イオン質量分析法によるインジウム原子の深
さ方向の濃度分布、所謂、デプスプロファイル（ｄｅｐ
ｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ）をもって、定常的に計測され
る。その他、オージェ（Ａｕｇｅｒ）電子分光法等の物
理分析による深さ方向の元素分析からも急峻性を評価で
きる。
分布状況をもって判断するに当たって、その急峻性は例
えば、２次イオン質量分析法によるインジウム原子の深
さ方向の濃度分布、所謂、デプスプロファイル（ｄｅｐ
ｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ）をもって、定常的に計測され
る。その他、オージェ（Ａｕｇｅｒ）電子分光法等の物
理分析による深さ方向の元素分析からも急峻性を評価で
きる。
【００６８】インジウム以外の他の構成元素、例えば、
ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）原子の濃度の
分布状況からも原理的には、界面の急峻性を測定でき
る。しかし、III 族窒化物半導体発光素子にあっては、
発光部の各層は、ガリウムを構成元素として共通して含
むIII 族窒化物半導体層から構成されるのが通例である
ため、接合界面でガリウムのデプスプロファイル上に急
激な濃度変化が明瞭に認められない場合もあり、ガリウ
ムの原子濃度分布をもって界面の急峻性を評価する手法
は正確さを欠くものとなる。一方、例えば、窒化ガリウ
ム・インジウムを発光層とし、発光層の両側に窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶を障壁層として配置した構成の
発光部にあっては、アルミニウム原子の濃度分布状況か
ら接合界面の急峻性を知ることもできる。アルミニウム
原子の濃度分布状況から求めた界面の急峻性は通常は、
インジウム原子濃度の分布状況から計測したそれに比較
しても略同一である。すなわち、インジウム原子濃度の
遷移領域幅をアルミニウム原子の濃度のそれに代替して
調査することができる。
ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）原子の濃度の
分布状況からも原理的には、界面の急峻性を測定でき
る。しかし、III 族窒化物半導体発光素子にあっては、
発光部の各層は、ガリウムを構成元素として共通して含
むIII 族窒化物半導体層から構成されるのが通例である
ため、接合界面でガリウムのデプスプロファイル上に急
激な濃度変化が明瞭に認められない場合もあり、ガリウ
ムの原子濃度分布をもって界面の急峻性を評価する手法
は正確さを欠くものとなる。一方、例えば、窒化ガリウ
ム・インジウムを発光層とし、発光層の両側に窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶を障壁層として配置した構成の
発光部にあっては、アルミニウム原子の濃度分布状況か
ら接合界面の急峻性を知ることもできる。アルミニウム
原子の濃度分布状況から求めた界面の急峻性は通常は、
インジウム原子濃度の分布状況から計測したそれに比較
しても略同一である。すなわち、インジウム原子濃度の
遷移領域幅をアルミニウム原子の濃度のそれに代替して
調査することができる。
【００６９】また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用
したウェッジ（ｗｅｄｇｅ）ＴＥＭ、或いはＣＡＴ法
（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ
Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ−ｆｒｉｎｇｅ）（外村彰編著、
「電子顕微鏡技術」（平成元年８月３１日、丸善（株）
発行）、８３頁参照）でも接合界面における”弛れ”を
半定量的ではあるが判断できる。ＣＡＴ法では、供する
試料の端面が特に平坦であることが要求され、試料とし
ては壁開等により平坦で平滑な端面が露呈されたもので
あるのが望ましい。ウェッジＴＥＭに依れば、薄層化し
た接合界面近傍の領域の格子像からも、界面での組成の
変化の模様を知ることができる。例えば、接合界面から
距離を隔てるに伴う格子面間隔の変化から界面近傍にお
ける組成の変化を知ることができる。特性Ｘ線の波長並
びに強度から元素を同定し、その元素の濃度を分析でき
るＥＰＭＡ装置を付帯するＴＥＭであれば、被検体に照
射する電子ビーム（ｂｅａｍ）の径に依存するが、接合
界面近傍の数ｎｍ〜数十ｎｍの微小領域における元素濃
度の分布を調査することができる。
したウェッジ（ｗｅｄｇｅ）ＴＥＭ、或いはＣＡＴ法
（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ
Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ−ｆｒｉｎｇｅ）（外村彰編著、
「電子顕微鏡技術」（平成元年８月３１日、丸善（株）
発行）、８３頁参照）でも接合界面における”弛れ”を
半定量的ではあるが判断できる。ＣＡＴ法では、供する
試料の端面が特に平坦であることが要求され、試料とし
ては壁開等により平坦で平滑な端面が露呈されたもので
あるのが望ましい。ウェッジＴＥＭに依れば、薄層化し
た接合界面近傍の領域の格子像からも、界面での組成の
変化の模様を知ることができる。例えば、接合界面から
距離を隔てるに伴う格子面間隔の変化から界面近傍にお
ける組成の変化を知ることができる。特性Ｘ線の波長並
びに強度から元素を同定し、その元素の濃度を分析でき
るＥＰＭＡ装置を付帯するＴＥＭであれば、被検体に照
射する電子ビーム（ｂｅａｍ）の径に依存するが、接合
界面近傍の数ｎｍ〜数十ｎｍの微小領域における元素濃
度の分布を調査することができる。
【００７０】偏在するキャリアの有無は、シュブニコフ
・ド・ハース（Ｓｈｕｂｎｉｋｏｖ−ｄｅ Ｈａａｓ：
ＳｄＨ）効果による磁気抵抗の振動の測定から調査でき
る。特に、磁場方向が接合界面（被検体）に対して垂直
である場合の磁気抵抗のＳｄＨ振動におけるランダウ準
位の出現から、局在化した低次元（２次元）のキャリア
の存在を知ることができる。したがって、キャリアの濃
度が適当であるか否かは発光層のキャリア面密度、すな
わち、シートキャリア濃度をもって判断すれば良い。発
光層とするインジウム含有III 族窒化物半導体層のシー
トキャリア濃度は、概ね１×１０11ｃｍ-2以上とし、約
５×１０13ｃｍ-2以下とするのが好ましい。その理由
は、次の通りである。
・ド・ハース（Ｓｈｕｂｎｉｋｏｖ−ｄｅ Ｈａａｓ：
ＳｄＨ）効果による磁気抵抗の振動の測定から調査でき
る。特に、磁場方向が接合界面（被検体）に対して垂直
である場合の磁気抵抗のＳｄＨ振動におけるランダウ準
位の出現から、局在化した低次元（２次元）のキャリア
の存在を知ることができる。したがって、キャリアの濃
度が適当であるか否かは発光層のキャリア面密度、すな
わち、シートキャリア濃度をもって判断すれば良い。発
光層とするインジウム含有III 族窒化物半導体層のシー
トキャリア濃度は、概ね１×１０11ｃｍ-2以上とし、約
５×１０13ｃｍ-2以下とするのが好ましい。その理由
は、次の通りである。
【００７１】或る決められた”深さ”のポテンシャル井
戸に蓄積するキャリアの量には限りがある。形成される
量子準位に許容される状態密度を越える程の多量のキャ
リアが存在する状態となると、ポテンシャル井戸から逸
脱して通常の３次元的な挙動を呈するようになるキャリ
アの量も増加する。すなわち、素子の高速動作をもたら
す量子化された低次元の挙動をするキャリアが、他の３
次元的キャリアの量に占有する割合が低下する。したが
って、発光層の内部には、３次元的に振る舞うキャリア
が優勢的に存在する事態となり、量子効果に基づく優れ
た素子特性を明瞭に顕現するに妨げとなる。一方、逆に
ポテンシャル井戸内に蓄積するキャリアの量が、形成さ
れる量子準位を満たすに充分でないと、やはり、量子化
された低次元のキャリアが、３次元のキャリアに占める
比率は小となる。したがって、量子デバイスの特徴を発
現するに困難となる。そして、上記の１×１０11ｃｍ-2
以上で、５×１０13ｃｍ-2以下の範囲外の、低いシート
キャリア濃度を有する発光層では、量子化したキャリア
は存在するものの、量子化されたキャリアが３次元的な
バルク的な非量子化キャリアに占める割合が低下するた
め、量子化されたキャリアの再結合に起因する優れた発
光特性を充分に顕現するに至らず、逆に、この範囲を越
える高いシートキャリア濃度下では、３次元的なキャリ
アが優勢となるため、発光の高速応答性等の低次元キャ
リアによってもたらされる特有の優れた発光特性が充分
に顕現されるに至らない。
戸に蓄積するキャリアの量には限りがある。形成される
量子準位に許容される状態密度を越える程の多量のキャ
リアが存在する状態となると、ポテンシャル井戸から逸
脱して通常の３次元的な挙動を呈するようになるキャリ
アの量も増加する。すなわち、素子の高速動作をもたら
す量子化された低次元の挙動をするキャリアが、他の３
次元的キャリアの量に占有する割合が低下する。したが
って、発光層の内部には、３次元的に振る舞うキャリア
が優勢的に存在する事態となり、量子効果に基づく優れ
た素子特性を明瞭に顕現するに妨げとなる。一方、逆に
ポテンシャル井戸内に蓄積するキャリアの量が、形成さ
れる量子準位を満たすに充分でないと、やはり、量子化
された低次元のキャリアが、３次元のキャリアに占める
比率は小となる。したがって、量子デバイスの特徴を発
現するに困難となる。そして、上記の１×１０11ｃｍ-2
以上で、５×１０13ｃｍ-2以下の範囲外の、低いシート
キャリア濃度を有する発光層では、量子化したキャリア
は存在するものの、量子化されたキャリアが３次元的な
バルク的な非量子化キャリアに占める割合が低下するた
め、量子化されたキャリアの再結合に起因する優れた発
光特性を充分に顕現するに至らず、逆に、この範囲を越
える高いシートキャリア濃度下では、３次元的なキャリ
アが優勢となるため、発光の高速応答性等の低次元キャ
リアによってもたらされる特有の優れた発光特性が充分
に顕現されるに至らない。
【００７２】本発明の云う遷移領域幅Δｔw （Δｔw1）
を遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）以下とする規定は、一発
光層をｐ形及びｎ形障壁層で狭持するＤＨ構造の発光部
に適用されるだけでなく、発光層を井戸層としこの井戸
層と、発光層と同一の電気伝導形の障壁層足るバリア層
との接合を含む、所謂、単一或いは多重量子井戸構成を
含むＤＨ構造の発光部にも適用される。発光部を単一或
いは多重量子井戸構造を含むとする場合にあっても、こ
れら量子井戸構成とそれを狭持するｐ形及びｎ形障壁層
との接合面における界面急峻性は、本発明が規定すると
ころの関係を踏襲する。以下に、その詳細を図４、図５
及び図６を用いて説明する。
を遷移領域幅ΔｔV （ΔｔV1）以下とする規定は、一発
光層をｐ形及びｎ形障壁層で狭持するＤＨ構造の発光部
に適用されるだけでなく、発光層を井戸層としこの井戸
層と、発光層と同一の電気伝導形の障壁層足るバリア層
との接合を含む、所謂、単一或いは多重量子井戸構成を
含むＤＨ構造の発光部にも適用される。発光部を単一或
いは多重量子井戸構造を含むとする場合にあっても、こ
れら量子井戸構成とそれを狭持するｐ形及びｎ形障壁層
との接合面における界面急峻性は、本発明が規定すると
ころの関係を踏襲する。以下に、その詳細を図４、図５
及び図６を用いて説明する。
【００７３】図４は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第１の構成例を示す図であり、図４（Ａ）はそ
の積層構造を、図４（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
た場合の第１の構成例を示す図であり、図４（Ａ）はそ
の積層構造を、図４（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
【００７４】この第１の構成例における発光部１１は、
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２１を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２１は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としてのｎ形の井戸層２１
２と、その井戸層２１２を挟持する２つのバリア層２１
１，２１３から構成されている。バリア層２１１，２１
３は、井戸層２１２に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸
層２１２と同一の電気伝導形であるｎ形を有している。
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２１を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２１は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としてのｎ形の井戸層２１
２と、その井戸層２１２を挟持する２つのバリア層２１
１，２１３から構成されている。バリア層２１１，２１
３は、井戸層２１２に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸
層２１２と同一の電気伝導形であるｎ形を有している。
【００７５】このように、量子井戸構成体２１の終端層
がバリア層２１１，２１３であってそのバリア層２１
１，２１３がインジウムを含有しているこの構成例１で
は、この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、
図４（Ｂ）に示すように、バリア層２１１，２１３と障
壁層１，３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層
１とバリア層２１１との接合界面４１におけるインジウ
ム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔvaと、ｐ形障壁層３と
バリア層２１３との接合界面５１におけるインジウム原
子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔwaとの関係を、Δｔwa＜Δ
ｔVaと規定する。これにより、キャリアを特に量子構成
体２１（井戸層２１２）とは電気伝導形を反対とするｐ
形障壁層３との接合界面５１に偏在させることができ
る。
がバリア層２１１，２１３であってそのバリア層２１
１，２１３がインジウムを含有しているこの構成例１で
は、この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、
図４（Ｂ）に示すように、バリア層２１１，２１３と障
壁層１，３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層
１とバリア層２１１との接合界面４１におけるインジウ
ム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔvaと、ｐ形障壁層３と
バリア層２１３との接合界面５１におけるインジウム原
子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔwaとの関係を、Δｔwa＜Δ
ｔVaと規定する。これにより、キャリアを特に量子構成
体２１（井戸層２１２）とは電気伝導形を反対とするｐ
形障壁層３との接合界面５１に偏在させることができ
る。
【００７６】図５は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第２の構成例を示す図であり、図５（Ａ）はそ
の積層構造を、図５（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
た場合の第２の構成例を示す図であり、図５（Ａ）はそ
の積層構造を、図５（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
【００７７】この第２の構成例における発光部１２は、
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２２を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２２は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としての２つのｎ形の井戸
層２２１，２２３を終端層とし、その２つの井戸層２２
１，２２３の間にバリア層２２２を配置して構成されて
いる。バリア層２２２は、井戸層２２１，２２３に比し
て禁止帯幅をより大とするIII 族窒化物半導体から成り
且つ当該井戸層２２１，２２３と同一の電気伝導形であ
るｎ形を有している。
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２２を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２２は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としての２つのｎ形の井戸
層２２１，２２３を終端層とし、その２つの井戸層２２
１，２２３の間にバリア層２２２を配置して構成されて
いる。バリア層２２２は、井戸層２２１，２２３に比し
て禁止帯幅をより大とするIII 族窒化物半導体から成り
且つ当該井戸層２２１，２２３と同一の電気伝導形であ
るｎ形を有している。
【００７８】このように、量子井戸構成体２２の終端層
が井戸層２２１，２２３であるこの構成例２では、この
発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図５
（Ｂ）に示すように、井戸層２２１，２２３と障壁層
１，３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層１と
井戸層２２１との接合界面４２におけるインジウム原子
濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔvbと、ｐ形障壁層３と井戸層
２２３との接合界面５２におけるインジウム原子濃度Ｎ
Ｉの遷移領域幅Δｔwbとの関係を、Δｔwb＜ΔｔVbと規
定する。これにより、キャリアを特に量子構成体２２と
は電気伝導形を反対とするｐ障壁層３との接合界面５２
に偏在させることができる。
が井戸層２２１，２２３であるこの構成例２では、この
発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図５
（Ｂ）に示すように、井戸層２２１，２２３と障壁層
１，３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層１と
井戸層２２１との接合界面４２におけるインジウム原子
濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔvbと、ｐ形障壁層３と井戸層
２２３との接合界面５２におけるインジウム原子濃度Ｎ
Ｉの遷移領域幅Δｔwbとの関係を、Δｔwb＜ΔｔVbと規
定する。これにより、キャリアを特に量子構成体２２と
は電気伝導形を反対とするｐ障壁層３との接合界面５２
に偏在させることができる。
【００７９】図６は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第３の構成例を示す図であり、図６（Ａ）はそ
の積層構造を、図６（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
た場合の第３の構成例を示す図であり、図６（Ａ）はそ
の積層構造を、図６（Ｂ）はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
（図１）での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。
【００８０】この第３の構成例における発光部１３は、
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２３を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２３は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としてのｎ形の井戸層２３
２と、その井戸層２３２を挟持する２つのバリア層２３
１，２３３から構成されている。バリア層２３１，２３
３は、井戸層２３２に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウムを含まないIII 族窒化物半導体から成り且つ当
該井戸層２３２と同一の電気伝導形であるｎ形を有して
いる。
III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層１とｐ形障壁層
３との中間に、量子井戸構成体２３を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体２３は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体（例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム）から成る発光層としてのｎ形の井戸層２３
２と、その井戸層２３２を挟持する２つのバリア層２３
１，２３３から構成されている。バリア層２３１，２３
３は、井戸層２３２に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウムを含まないIII 族窒化物半導体から成り且つ当
該井戸層２３２と同一の電気伝導形であるｎ形を有して
いる。
【００８１】このように、量子井戸構成体２３の終端層
がバリア層２３１，２３３であってそのバリア層２３
１，２３３がインジウムを含まないこの構成例３では、
この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図６
（Ｂ）に示すように、井戸層２３２とバリア層２３１，
２３３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層１に
接する終端層（バリア層）２３１と井戸層２３２との接
合界面４３におけるインジウム原子濃度ＮＩの遷移領域
幅Δｔvcと、ｐ形障壁層３に接する終端層（バリア層）
２３３と井戸層２３２との接合界面５３におけるインジ
ウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔwcとの関係を、Δｔ
wc＜ΔｔVcと規定する。これにより、キャリアを特に井
戸層２３２とは電気伝導形を反対とするｐ形障壁層３側
に接するバリア層２３３との接合界面５３に偏在させる
ことができる。
がバリア層２３１，２３３であってそのバリア層２３
１，２３３がインジウムを含まないこの構成例３では、
この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図６
（Ｂ）に示すように、井戸層２３２とバリア層２３１，
２３３との間で成立させる。すなわち、ｎ形障壁層１に
接する終端層（バリア層）２３１と井戸層２３２との接
合界面４３におけるインジウム原子濃度ＮＩの遷移領域
幅Δｔvcと、ｐ形障壁層３に接する終端層（バリア層）
２３３と井戸層２３２との接合界面５３におけるインジ
ウム原子濃度ＮＩの遷移領域幅Δｔwcとの関係を、Δｔ
wc＜ΔｔVcと規定する。これにより、キャリアを特に井
戸層２３２とは電気伝導形を反対とするｐ形障壁層３側
に接するバリア層２３３との接合界面５３に偏在させる
ことができる。
【００８２】このように、この発明では、インジウム含
有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムを充分に
解明し、発光部における発光層とそれに接合する障壁層
との接合界面において、インジウム原子濃度の急峻化に
差異を設けることで、発光層とは反対の電気伝導形を有
する障壁層側にキャリアを選択的に且つ優先的に偏在さ
せることができるようになった。したがって、キャリア
の一方の接合界面に向けての流通、走行を促進するでき
るとともに、正孔と電子との再結合を効果的に行わせる
ことができ、発光素子として構成した場合、発光強度特
性及び色純度（単色性）特性を充分に発揮でき、青色帯
から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ優れた
色純度（単色性）で発光させることができる。
有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムを充分に
解明し、発光部における発光層とそれに接合する障壁層
との接合界面において、インジウム原子濃度の急峻化に
差異を設けることで、発光層とは反対の電気伝導形を有
する障壁層側にキャリアを選択的に且つ優先的に偏在さ
せることができるようになった。したがって、キャリア
の一方の接合界面に向けての流通、走行を促進するでき
るとともに、正孔と電子との再結合を効果的に行わせる
ことができ、発光素子として構成した場合、発光強度特
性及び色純度（単色性）特性を充分に発揮でき、青色帯
から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ優れた
色純度（単色性）で発光させることができる。
【００８３】なお、上記の実施形態では、各発光層
（２，２１２，２２１，２２３，２３２）の電気伝導形
をｎ形とし、ｐ形障壁層との接合界面側により急峻な遷
移領域幅を形成し、その接合界面側にキャリアを偏在さ
せるようにしたが、発光層の電気伝導形は特に限定する
必要はなく、例えば発光層をｐ形とし、ｎ形障壁層との
接合界面側により急峻な遷移領域幅を形成し、キャリア
をその接合界面側に偏在させるように構成してもよい。
（２，２１２，２２１，２２３，２３２）の電気伝導形
をｎ形とし、ｐ形障壁層との接合界面側により急峻な遷
移領域幅を形成し、その接合界面側にキャリアを偏在さ
せるようにしたが、発光層の電気伝導形は特に限定する
必要はなく、例えば発光層をｐ形とし、ｎ形障壁層との
接合界面側により急峻な遷移領域幅を形成し、キャリア
をその接合界面側に偏在させるように構成してもよい。
【００８４】次に、この発明のIII 族窒化物半導体発光
素子を、より具体的な実施例を以て説明する。
素子を、より具体的な実施例を以て説明する。
【実施例】（第１実施例）本発明を、アンドープ窒化ガ
リウムインジウムから成るｎ形発光層を、窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶からなるｐ形障壁層と、窒化ガリウ
ムから成るｎ形障壁層とで挟持して構成された、ｐｎ接
合を含むヘテロ接合構造から成る発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）に適用した場合について説明する。ＬＥＤ用途の積
層構造体を構成する各構成層は一般的な常圧（大気圧）
方式のＭＯＣＶＤ成長装置を利用して、基板上に次の手
順により順次形成した。
リウムインジウムから成るｎ形発光層を、窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶からなるｐ形障壁層と、窒化ガリウ
ムから成るｎ形障壁層とで挟持して構成された、ｐｎ接
合を含むヘテロ接合構造から成る発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）に適用した場合について説明する。ＬＥＤ用途の積
層構造体を構成する各構成層は一般的な常圧（大気圧）
方式のＭＯＣＶＤ成長装置を利用して、基板上に次の手
順により順次形成した。
【００８５】図７は本発明の第１実施例に係る積層構造
体を示す図である。図において、積層構造体１０ａは、
基板１００上に積層して構成されている。基板１００と
して直径約２インチ（直径約５０ｍｍ）、厚さを約９０
μｍとする両面（表裏面）を機械的化学的研磨法により
鏡面に研磨した（０００１）（ｃ面）−サファイア（α
−Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）を使用した。基板１００上への積
層構造体１０ａの各構成層の堆積には、上記したＭＯＣ
ＶＤ成長反応炉９０（図２）を利用した。この結晶基板
１００を反応炉９０内の高純度グラファイト製サセプタ
９９上に略水平に載置した。
体を示す図である。図において、積層構造体１０ａは、
基板１００上に積層して構成されている。基板１００と
して直径約２インチ（直径約５０ｍｍ）、厚さを約９０
μｍとする両面（表裏面）を機械的化学的研磨法により
鏡面に研磨した（０００１）（ｃ面）−サファイア（α
−Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）を使用した。基板１００上への積
層構造体１０ａの各構成層の堆積には、上記したＭＯＣ
ＶＤ成長反応炉９０（図２）を利用した。この結晶基板
１００を反応炉９０内の高純度グラファイト製サセプタ
９９上に略水平に載置した。
【００８６】この反応炉９０の具体的な構成例は次の通
りである。反応炉９０は、アルカリ金属類の含有量が低
い半導体工業用高純度石英から構成した。反応炉９０の
鉛直断面の形状は長方形であって、その中央部の断面積
は約２０ｃｍ2 である。この反応炉９０の特徴は、上
記したように、元素周期律表の第III 族元素と第Ｖ族元
素の原料ガス（正確には、原料を随伴するガス）を分別
して反応炉内に導入するための互いに隔離された第１、
第２流路９１，９２に加え、反応炉９０の内壁９４へ
の、原料ガスの分解により生成した分解物の付着を防止
するための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路９３
を設けてあることにある。したがって、炉内に合計して
３つの流路９１，９２，９３を備えたものとなってい
る。
りである。反応炉９０は、アルカリ金属類の含有量が低
い半導体工業用高純度石英から構成した。反応炉９０の
鉛直断面の形状は長方形であって、その中央部の断面積
は約２０ｃｍ2 である。この反応炉９０の特徴は、上
記したように、元素周期律表の第III 族元素と第Ｖ族元
素の原料ガス（正確には、原料を随伴するガス）を分別
して反応炉内に導入するための互いに隔離された第１、
第２流路９１，９２に加え、反応炉９０の内壁９４へ
の、原料ガスの分解により生成した分解物の付着を防止
するための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路９３
を設けてあることにある。したがって、炉内に合計して
３つの流路９１，９２，９３を備えたものとなってい
る。
【００８７】基板１００をサセプタ９９上に載置した
後、反応炉９０内を通常の油回転式真空ポンプを具備し
た真空排気経路（図示省略）を介して真空に排気した。
約１０ -3トール（Ｔｏｒｒ）の真空度に到達してから約
１０分間保持した後に、３流路の各々から毎分１リット
ルの併せて合計約３リットル／分の流量の精製アルゴン
ガス（Ａｒ）を反応炉９０内に流通させて炉内の圧力を
ほぼ大気圧に復帰させた。
後、反応炉９０内を通常の油回転式真空ポンプを具備し
た真空排気経路（図示省略）を介して真空に排気した。
約１０ -3トール（Ｔｏｒｒ）の真空度に到達してから約
１０分間保持した後に、３流路の各々から毎分１リット
ルの併せて合計約３リットル／分の流量の精製アルゴン
ガス（Ａｒ）を反応炉９０内に流通させて炉内の圧力を
ほぼ大気圧に復帰させた。
【００８８】約５分間に亘り反応炉９０内を精製された
高純度のアルゴンガスで掃気した後、アルゴンガスの反
応炉９０への供給を停止した。代わりに露点を約マイナ
ス（−）９０℃とする精製水素ガス（Ｈ2 ）を反応炉９
０内へ供給した。水素ガスの流量は各流路９１，９２，
９３につき均等に３リットル／分に電子式質量制御計
（マスフローコントロラー（ＭＦＣ））で維持した。す
なわち、各流路９１，９２，９３には、予め３リットル
／分の水素ガスが流通する状態としておいた。
高純度のアルゴンガスで掃気した後、アルゴンガスの反
応炉９０への供給を停止した。代わりに露点を約マイナ
ス（−）９０℃とする精製水素ガス（Ｈ2 ）を反応炉９
０内へ供給した。水素ガスの流量は各流路９１，９２，
９３につき均等に３リットル／分に電子式質量制御計
（マスフローコントロラー（ＭＦＣ））で維持した。す
なわち、各流路９１，９２，９３には、予め３リットル
／分の水素ガスが流通する状態としておいた。
【００８９】然る後、反応炉９０の外周に設けた円状に
巻いた高周波加熱コイルに高周波電源を投入した。これ
により、基板１００の温度を室温（約２５℃）から４５
０℃に上昇させた。基板１００の温度は上記のサセプタ
９９の中腹に開けた直径約５ｍｍの貫通孔に挿入したモ
リブデン（Ｍｏ）シース型の白金（Ｐｔ）−白金・ロジ
ウム（Ｐｔ・Ｒｈ）合金熱電対（日本工業規格ＪＩＳ−
Ｒ規格に準拠した熱電対）により測温した。基板１００
の温度は、熱電対から発生される熱起電力信号を入力す
るＰＩＤ方式の市販の温度制御器により、±１℃以内に
精密に制御した。基板１００の温度が４５０℃に到達し
てから約２０分経過し、温度の変動が４５０℃±１℃に
確実に制御されるようになった時点で、窒素源とした液
化アンモニアガスの気化により発生したアンモニアガス
（ＮＨ3 ）を毎分１リットルの割合で反応炉９０への供
給し始めた。アンモニアは３重に重ねられた上記の３流
路の内、第Ｖ族元素の原料ガスであるアンモニアの流通
用途としての中央の第２流路９２を介して反応炉９０内
に供給した。すなわち、中央の第２流路９２には上記の
予め流通させておいた３リットル／分の水素と共に毎分
１リットルのアンモニアガスが流れる状態となった。
巻いた高周波加熱コイルに高周波電源を投入した。これ
により、基板１００の温度を室温（約２５℃）から４５
０℃に上昇させた。基板１００の温度は上記のサセプタ
９９の中腹に開けた直径約５ｍｍの貫通孔に挿入したモ
リブデン（Ｍｏ）シース型の白金（Ｐｔ）−白金・ロジ
ウム（Ｐｔ・Ｒｈ）合金熱電対（日本工業規格ＪＩＳ−
Ｒ規格に準拠した熱電対）により測温した。基板１００
の温度は、熱電対から発生される熱起電力信号を入力す
るＰＩＤ方式の市販の温度制御器により、±１℃以内に
精密に制御した。基板１００の温度が４５０℃に到達し
てから約２０分経過し、温度の変動が４５０℃±１℃に
確実に制御されるようになった時点で、窒素源とした液
化アンモニアガスの気化により発生したアンモニアガス
（ＮＨ3 ）を毎分１リットルの割合で反応炉９０への供
給し始めた。アンモニアは３重に重ねられた上記の３流
路の内、第Ｖ族元素の原料ガスであるアンモニアの流通
用途としての中央の第２流路９２を介して反応炉９０内
に供給した。すなわち、中央の第２流路９２には上記の
予め流通させておいた３リットル／分の水素と共に毎分
１リットルのアンモニアガスが流れる状態となった。
【００９０】アンモニアガスの供給と同時に反応炉９０
へアルミニウム（Ａｌ）源としてのトリメチルアルミニ
ウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）を３流路の中で最下段の第１
流路９１から供給した。トリメチルアルミニウムを収納
した３１６ステンレス鋼製バブラ容器はペルチェ効果を
利用した電子式恒温槽で２０℃に保持した。この容器内
のトリメチルアルミニウムを毎分２０ｃｃの流量の水素
ガスでバブリングし、トリメチルアルミニウムの蒸気を
随伴する水素バブリングガスを、最下段の第１流路９１
に流れる毎分３リットルの水素ガスと共に反応炉９０へ
供給した。各々個別の第１、第２流路９１，９２を介し
ての、トリメチルアルミニウムを随伴する水素ガスと、
アンモニアガスとの反応炉９０への供給を正確に６分間
継続した。これより、層厚を２０ｎｍとする窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）から成る緩衝層１００ａを形成した。
緩衝層１００ａの成長は、反応炉９０へのトリメチルア
ルミニウムの蒸気を随伴する水素ガスの供給の停止をも
って終了した。
へアルミニウム（Ａｌ）源としてのトリメチルアルミニ
ウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）を３流路の中で最下段の第１
流路９１から供給した。トリメチルアルミニウムを収納
した３１６ステンレス鋼製バブラ容器はペルチェ効果を
利用した電子式恒温槽で２０℃に保持した。この容器内
のトリメチルアルミニウムを毎分２０ｃｃの流量の水素
ガスでバブリングし、トリメチルアルミニウムの蒸気を
随伴する水素バブリングガスを、最下段の第１流路９１
に流れる毎分３リットルの水素ガスと共に反応炉９０へ
供給した。各々個別の第１、第２流路９１，９２を介し
ての、トリメチルアルミニウムを随伴する水素ガスと、
アンモニアガスとの反応炉９０への供給を正確に６分間
継続した。これより、層厚を２０ｎｍとする窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）から成る緩衝層１００ａを形成した。
緩衝層１００ａの成長は、反応炉９０へのトリメチルア
ルミニウムの蒸気を随伴する水素ガスの供給の停止をも
って終了した。
【００９１】然る後、各流路９１，９２，９３を介して
の反応炉９０への水素ガスの供給を停止し、代わりに各
流路につき流量を２リットル／分とする合計６リットル
／分の流量のアルゴンガスの供給を開始した。高周波加
熱コイルに印加する電力量を増し、基板１００の温度を
４５０℃から１０５０℃に平均して約１００℃／分の速
度で昇温した。途中、基板１００の温度が約５００℃を
通過した時点で流量を１リットル／分とするアンモニア
ガスの供給を、上記の中央の第２流路９２を介して開始
した。熱電対で測温される基板１００の温度が１０５０
℃となった時点で、アンモニアの反応炉９０への供給量
を毎分１リットルから毎分３．５リットルへと電子式質
量流量計をもって増加させた。同時に最上段の掃引ガス
流路９３のみから毎分２リットルのアルゴンが供給され
る状態としたままで、最下段及び中央の第１、第２流路
９１，９２からのアルゴンガスの供給を停止した。最下
段及び中央の第１、第２流路９１，９２からは、アルゴ
ンの供給を停止すると同時に、中央の流路９２からは１
リットル／分の水素ガスを、最下段の第１流路９１から
は毎分２リットルの水素ガスを流通させた。これによ
り、高純度石英管から構成される反応炉９０へは合計し
て８．５リットル／分の水素、アルゴン及びアンモニア
が流通する状況となった。
の反応炉９０への水素ガスの供給を停止し、代わりに各
流路につき流量を２リットル／分とする合計６リットル
／分の流量のアルゴンガスの供給を開始した。高周波加
熱コイルに印加する電力量を増し、基板１００の温度を
４５０℃から１０５０℃に平均して約１００℃／分の速
度で昇温した。途中、基板１００の温度が約５００℃を
通過した時点で流量を１リットル／分とするアンモニア
ガスの供給を、上記の中央の第２流路９２を介して開始
した。熱電対で測温される基板１００の温度が１０５０
℃となった時点で、アンモニアの反応炉９０への供給量
を毎分１リットルから毎分３．５リットルへと電子式質
量流量計をもって増加させた。同時に最上段の掃引ガス
流路９３のみから毎分２リットルのアルゴンが供給され
る状態としたままで、最下段及び中央の第１、第２流路
９１，９２からのアルゴンガスの供給を停止した。最下
段及び中央の第１、第２流路９１，９２からは、アルゴ
ンの供給を停止すると同時に、中央の流路９２からは１
リットル／分の水素ガスを、最下段の第１流路９１から
は毎分２リットルの水素ガスを流通させた。これによ
り、高純度石英管から構成される反応炉９０へは合計し
て８．５リットル／分の水素、アルゴン及びアンモニア
が流通する状況となった。
【００９２】基板１００の温度が１０５０℃に到達して
５分間待機した後、緩衝層１００ａ上にｎ形障壁層１０
１として珪素（Ｓｉ）をドーピングしたｎ形窒化ガリウ
ム層を成長させた。ｎ形窒化ガリウム層の成長時には、
０℃に保持し液化したトリメチルガリウムに毎分３０ｃ
ｃの流量の水素ガスでバブリング操作を施し、トリメチ
ルガリウムを随伴した水素バブリングガスを反応炉９０
内に供給した。珪素は高純度の水素で体積濃度にして約
１ｐｐｍに希釈されたジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）をドーピ
ング源として添加した。ジシランドーピングガスの流量
は電子式質量流量計により毎分２０ｃｃに設定し、中央
の第２流路９２からアンモニアガスと共に流通させた。
ガリウム源を随伴する水素バブリングガス、及び珪素ド
ーピング源ガスの反応炉９０への供給を正確に６０分間
に亘り継続して、層厚を３μｍとするＳｉドープｎ形窒
化ガリウム層からなるｎ形障壁層１０１を得た。ｎ形障
壁層１０１のキャリア濃度は約１×１０18ｃｍ-3であっ
た。
５分間待機した後、緩衝層１００ａ上にｎ形障壁層１０
１として珪素（Ｓｉ）をドーピングしたｎ形窒化ガリウ
ム層を成長させた。ｎ形窒化ガリウム層の成長時には、
０℃に保持し液化したトリメチルガリウムに毎分３０ｃ
ｃの流量の水素ガスでバブリング操作を施し、トリメチ
ルガリウムを随伴した水素バブリングガスを反応炉９０
内に供給した。珪素は高純度の水素で体積濃度にして約
１ｐｐｍに希釈されたジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）をドーピ
ング源として添加した。ジシランドーピングガスの流量
は電子式質量流量計により毎分２０ｃｃに設定し、中央
の第２流路９２からアンモニアガスと共に流通させた。
ガリウム源を随伴する水素バブリングガス、及び珪素ド
ーピング源ガスの反応炉９０への供給を正確に６０分間
に亘り継続して、層厚を３μｍとするＳｉドープｎ形窒
化ガリウム層からなるｎ形障壁層１０１を得た。ｎ形障
壁層１０１のキャリア濃度は約１×１０18ｃｍ-3であっ
た。
【００９３】下部クラッド層たるｎ形障壁層１０１の成
長を終えた後、各流路９１，９２，９３に流通するガス
をアルゴンに変換しその流量を全て毎分２リットルとし
た。中央の第２流路９２には毎分３．０リットルの流量
のアンモニアガスを加えて流通させた。然る後、基板１
００の温度を１０５０℃から８７０℃に平均して６０℃
／分の速度で降温した。この降温過程の中途、基板１０
０の温度が９５０℃となった時点で、最下段の第III 族
元素原料用の第１流路９１からアルゴンと共にガリウム
源及びインジウム源の供給を開始した。ガリウム（Ｇ
ａ）源には上記のトリメチルガリウムを使用した。ガリ
ウム源のバブラ容器の温度は０℃とした。インジウムの
供給源にはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）
を使用した。トリメチルインジウムは内容積を約１００
ｃｃとするステンレス鋼製のシリンダ容器内に収納し、
シリンダ容器は電子式恒温槽を利用して正確に３５℃に
保持した。成長初期におけるトリメチルガリウムの蒸気
を随伴するためのバブリング用水素ガスの流量は、電子
式質量流量計により毎分１０ｃｃに制御した。
長を終えた後、各流路９１，９２，９３に流通するガス
をアルゴンに変換しその流量を全て毎分２リットルとし
た。中央の第２流路９２には毎分３．０リットルの流量
のアンモニアガスを加えて流通させた。然る後、基板１
００の温度を１０５０℃から８７０℃に平均して６０℃
／分の速度で降温した。この降温過程の中途、基板１０
０の温度が９５０℃となった時点で、最下段の第III 族
元素原料用の第１流路９１からアルゴンと共にガリウム
源及びインジウム源の供給を開始した。ガリウム（Ｇ
ａ）源には上記のトリメチルガリウムを使用した。ガリ
ウム源のバブラ容器の温度は０℃とした。インジウムの
供給源にはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）
を使用した。トリメチルインジウムは内容積を約１００
ｃｃとするステンレス鋼製のシリンダ容器内に収納し、
シリンダ容器は電子式恒温槽を利用して正確に３５℃に
保持した。成長初期におけるトリメチルガリウムの蒸気
を随伴するためのバブリング用水素ガスの流量は、電子
式質量流量計により毎分１０ｃｃに制御した。
【００９４】また、インジウム源を収納するシリンダ容
器内において昇華したトリメチルインジウムの蒸気を反
応炉９０内に随伴するための水素ガスの流量は、毎分６
２．０ｃｃとした。基板１００の温度が８７０℃に降下
した後は、７．５分間に亘り、双方の第III 族元素の原
料を随伴する水素ガスの流量を変更せずに一定に保ち、
インジウム組成比を約０．１５と一定とする窒化ガリウ
ム・インジウムから成るアンドープでｎ形の発光層１０
２を成膜した。以上の一連の成長操作により、降温中途
で成長させた厚みを含めて合計の層厚を約５０ｎｍとす
る窒化ガリウム・インジウムから成る発光層１０２を得
た。
器内において昇華したトリメチルインジウムの蒸気を反
応炉９０内に随伴するための水素ガスの流量は、毎分６
２．０ｃｃとした。基板１００の温度が８７０℃に降下
した後は、７．５分間に亘り、双方の第III 族元素の原
料を随伴する水素ガスの流量を変更せずに一定に保ち、
インジウム組成比を約０．１５と一定とする窒化ガリウ
ム・インジウムから成るアンドープでｎ形の発光層１０
２を成膜した。以上の一連の成長操作により、降温中途
で成長させた厚みを含めて合計の層厚を約５０ｎｍとす
る窒化ガリウム・インジウムから成る発光層１０２を得
た。
【００９５】上記のガリウム源及びインジウム源の反応
炉９０への供給を中断して発光層１０２の形成を終えた
後は、反応炉９０内へのアルゴン及びアンモニアガスの
供給を継続したままで、熱電対からの熱起電力信号を基
に、高周波加熱コイルに印荷する高周波電源からの電力
量を自動的に調節して、基板１００の温度を８７０℃か
ら１０５０℃に昇温した。昇温過程での不用意に緩やか
な昇温に因るインジウムを含有する発光層１０２の揮散
を抑制する目的で、８７０℃から１０５０℃へは１．５
分間で昇温した。
炉９０への供給を中断して発光層１０２の形成を終えた
後は、反応炉９０内へのアルゴン及びアンモニアガスの
供給を継続したままで、熱電対からの熱起電力信号を基
に、高周波加熱コイルに印荷する高周波電源からの電力
量を自動的に調節して、基板１００の温度を８７０℃か
ら１０５０℃に昇温した。昇温過程での不用意に緩やか
な昇温に因るインジウムを含有する発光層１０２の揮散
を抑制する目的で、８７０℃から１０５０℃へは１．５
分間で昇温した。
【００９６】デッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ：
淀み空間）が小さく、高速応答性の良好なバルブの動作
を信頼して、発光層１０２の成長後に直ちにｐ形接合層
の成長に移行する成長手段も有り得る。しかし、本実施
例では、昇温中に掃引ガスを流通した効果によりＭＯＣ
ＶＤ反応炉９０の内壁９４には茶褐色の薄い膜が付着し
ているのみで、ガリウム等の金属の液滴等が視覚上存在
しないのを確認した上で、掃気ガスとしてのアルゴンの
流量を毎分２リットルから５リットルに増加させ、尚か
つこの状態を５分間継続し待機した。このアルゴン流量
の増加と５分間継続により、反応炉９０内に滞留或いは
残存すると杞憂される未分解の原料ガス等を確実に炉外
へ排出し、次層（ｐ形障壁層）１０３との接合界面１０
５の急峻化を図った。このように、本実施例では、デッ
ドスペースの小さいバルブ等の部品を備えた界面の急峻
化に利する配管系を利用した上に更に、次層（ｐ形障壁
層）１０３の成膜に移行する間に、上記の昇温時間
（１．５分）と待機時間（５分）とを併せて合計６．５
分間に亘る成長中断時間（インターバル時間）を設け
た。
淀み空間）が小さく、高速応答性の良好なバルブの動作
を信頼して、発光層１０２の成長後に直ちにｐ形接合層
の成長に移行する成長手段も有り得る。しかし、本実施
例では、昇温中に掃引ガスを流通した効果によりＭＯＣ
ＶＤ反応炉９０の内壁９４には茶褐色の薄い膜が付着し
ているのみで、ガリウム等の金属の液滴等が視覚上存在
しないのを確認した上で、掃気ガスとしてのアルゴンの
流量を毎分２リットルから５リットルに増加させ、尚か
つこの状態を５分間継続し待機した。このアルゴン流量
の増加と５分間継続により、反応炉９０内に滞留或いは
残存すると杞憂される未分解の原料ガス等を確実に炉外
へ排出し、次層（ｐ形障壁層）１０３との接合界面１０
５の急峻化を図った。このように、本実施例では、デッ
ドスペースの小さいバルブ等の部品を備えた界面の急峻
化に利する配管系を利用した上に更に、次層（ｐ形障壁
層）１０３の成膜に移行する間に、上記の昇温時間
（１．５分）と待機時間（５分）とを併せて合計６．５
分間に亘る成長中断時間（インターバル時間）を設け
た。
【００９７】基板１００の温度が１０５０℃に到達した
後、各流路９１，９２，９３に流すアルゴン、アンモニ
ア及び水素の流量を、ｎ形障壁層１０１の形成の場合と
同一とした。最下段の第１流路９１には、ガリウム源を
含む随伴ガスに加え、アルミニウム源の蒸気を随伴する
水素ガスを添加した。また、マグネシウム源を含む水素
ガスも添加した。ガリウム源にはトリメチルガリウムを
使用した。トリメチルガリウムを収容する３１６ステン
レス鋼製バブラ容器は電子式恒温槽により正確に０℃に
保持した。バブリング用且つトリメチルガリウムの蒸気
の随伴用の水素ガスの流量は、毎分３０ｃｃとした。ア
ルミニウム源は緩衝層１００ａの成膜時に使用したトリ
メチルアルミニウムとした。アルミニウム源の供給量は
アルミニウム組成比を０．１とする窒化アルミニウム・
ガリウム混晶が得られるように設定した。マグネシウム
のドーピング源にはビス−メチルシクロペンタジエニル
マグネシウム（ｂｉｓ−（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）を
使用した。マグネシウムドーピング源を収容するステン
レス鋼製のシリンダ容器は、電子式恒温槽により４５℃
の恒温に保持した。同温度に保持し液化させたビス−メ
チルシクロペンタジエニルマグネシウム内には、バブリ
ング用ガスとして、電子式質量流量計により流量を毎分
２０ｃｃに精密に調整して制御された水素ガスを流通さ
せた。ガリウム源、アルミニウム源及びマグネシウム源
の蒸気を随伴する水素ガスの反応炉９０への供給は、発
光層１０２との接合界面１０５との急峻化を期して、高
速スイッチングバルブを介して、同時に且つ瞬時に行っ
た。５分間に亘り継続して反応炉９０へ原料を供給し、
層厚を０．２μｍとするマグネシウムをドーピングした
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.1 Ｇａ
0.9 Ｎ）混晶から成るｐ形障壁層１０３を成膜した。ア
ルミニウム源の蒸気を随伴する水素ガスの供給を遮断し
て、ｐ形障壁層１０３の成膜を終了した。
後、各流路９１，９２，９３に流すアルゴン、アンモニ
ア及び水素の流量を、ｎ形障壁層１０１の形成の場合と
同一とした。最下段の第１流路９１には、ガリウム源を
含む随伴ガスに加え、アルミニウム源の蒸気を随伴する
水素ガスを添加した。また、マグネシウム源を含む水素
ガスも添加した。ガリウム源にはトリメチルガリウムを
使用した。トリメチルガリウムを収容する３１６ステン
レス鋼製バブラ容器は電子式恒温槽により正確に０℃に
保持した。バブリング用且つトリメチルガリウムの蒸気
の随伴用の水素ガスの流量は、毎分３０ｃｃとした。ア
ルミニウム源は緩衝層１００ａの成膜時に使用したトリ
メチルアルミニウムとした。アルミニウム源の供給量は
アルミニウム組成比を０．１とする窒化アルミニウム・
ガリウム混晶が得られるように設定した。マグネシウム
のドーピング源にはビス−メチルシクロペンタジエニル
マグネシウム（ｂｉｓ−（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）を
使用した。マグネシウムドーピング源を収容するステン
レス鋼製のシリンダ容器は、電子式恒温槽により４５℃
の恒温に保持した。同温度に保持し液化させたビス−メ
チルシクロペンタジエニルマグネシウム内には、バブリ
ング用ガスとして、電子式質量流量計により流量を毎分
２０ｃｃに精密に調整して制御された水素ガスを流通さ
せた。ガリウム源、アルミニウム源及びマグネシウム源
の蒸気を随伴する水素ガスの反応炉９０への供給は、発
光層１０２との接合界面１０５との急峻化を期して、高
速スイッチングバルブを介して、同時に且つ瞬時に行っ
た。５分間に亘り継続して反応炉９０へ原料を供給し、
層厚を０．２μｍとするマグネシウムをドーピングした
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.1 Ｇａ
0.9 Ｎ）混晶から成るｐ形障壁層１０３を成膜した。ア
ルミニウム源の蒸気を随伴する水素ガスの供給を遮断し
て、ｐ形障壁層１０３の成膜を終了した。
【００９８】このようにして、珪素をドーピングした窒
化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ形障壁層１０１と、窒
化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ）から成
る発光層１０２と、マグネシウムをドーピングした窒化
アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ）か
ら成るｐ形障壁層１０３とを備えたヘテロ接合構造体を
構成した。そして、このへテロ接合構造体の構成時に、
ｎ形障壁層１０１に発光層１０２を積層させる際には、
経時的に成長温度を変遷させるとともに、原料ガス流量
を経時的に漸次変化させて成膜することで、接合界面１
０４における組成急峻性を比較的緩やかにしてあり、ま
た発光層１０２にｐ形障壁層１０３を積層させる際に
は、デッドスペースの小さいバルブ等を備えた配管系を
利用したこと、次層（ｐ形障壁層）１０３の成膜に移行
する間にインターバル時間を設けたこと、原料ガス流量
をパルス的に瞬時に変化させること等により、接合界面
１０５における組成急峻性を顕著なものとしている。
化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ形障壁層１０１と、窒
化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ）から成
る発光層１０２と、マグネシウムをドーピングした窒化
アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ）か
ら成るｐ形障壁層１０３とを備えたヘテロ接合構造体を
構成した。そして、このへテロ接合構造体の構成時に、
ｎ形障壁層１０１に発光層１０２を積層させる際には、
経時的に成長温度を変遷させるとともに、原料ガス流量
を経時的に漸次変化させて成膜することで、接合界面１
０４における組成急峻性を比較的緩やかにしてあり、ま
た発光層１０２にｐ形障壁層１０３を積層させる際に
は、デッドスペースの小さいバルブ等を備えた配管系を
利用したこと、次層（ｐ形障壁層）１０３の成膜に移行
する間にインターバル時間を設けたこと、原料ガス流量
をパルス的に瞬時に変化させること等により、接合界面
１０５における組成急峻性を顕著なものとしている。
【００９９】引き続き、基板１００の温度を１０５０℃
に維持し、アンモニア、ガリウム源及びマグネシウム源
の供給流量を不変としたままで、窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るｐ形障壁層１０３上に、最表層１１
０を堆積した。最表層１１０の成長時には、ジエチル亜
鉛（（Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｚｎ）を含むガスを、亜鉛（Ｚｎ）
のドーピング源として添加した。亜鉛のドーピング源に
は、体積濃度にして１００ｐｐｍのジエチル亜鉛を含む
高純度水素ガスを使用した。原料ガス及びドーピングガ
スの供給を３分間に亘り継続し、層厚を０．１μｍとす
るマグネシウム及び亜鉛を共にドーピングした窒化ガリ
ウムから成る最表層１１０となした。窒化ガリウムから
成る最表層１１０の成膜は、ガリウム源の反応炉９０内
への流通を停止することをもって終了した。同時にマグ
ネシウム及び亜鉛のドーピングガス及び水素ガスの反応
炉９０内への供給も停止した。
に維持し、アンモニア、ガリウム源及びマグネシウム源
の供給流量を不変としたままで、窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るｐ形障壁層１０３上に、最表層１１
０を堆積した。最表層１１０の成長時には、ジエチル亜
鉛（（Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｚｎ）を含むガスを、亜鉛（Ｚｎ）
のドーピング源として添加した。亜鉛のドーピング源に
は、体積濃度にして１００ｐｐｍのジエチル亜鉛を含む
高純度水素ガスを使用した。原料ガス及びドーピングガ
スの供給を３分間に亘り継続し、層厚を０．１μｍとす
るマグネシウム及び亜鉛を共にドーピングした窒化ガリ
ウムから成る最表層１１０となした。窒化ガリウムから
成る最表層１１０の成膜は、ガリウム源の反応炉９０内
への流通を停止することをもって終了した。同時にマグ
ネシウム及び亜鉛のドーピングガス及び水素ガスの反応
炉９０内への供給も停止した。
【０１００】一方、アンモニアガスの流量は毎分３．５
リットルに維持した。高周波加熱コイルに印加する高周
波電力量を低減して、基板１００の温度を１０５０℃か
ら約２分間で９５０℃に低下させた。９５０℃から６５
０℃へは毎分１５℃の速度で２０分間を要して降温し
た。６５０℃に降温した時点でアンモニアガスの反応炉
９０内への供給を遮断し、反応炉９０に流通するガスを
アルゴンのみとした。かかる状態で室温に至る迄冷却し
た。
リットルに維持した。高周波加熱コイルに印加する高周
波電力量を低減して、基板１００の温度を１０５０℃か
ら約２分間で９５０℃に低下させた。９５０℃から６５
０℃へは毎分１５℃の速度で２０分間を要して降温し
た。６５０℃に降温した時点でアンモニアガスの反応炉
９０内への供給を遮断し、反応炉９０に流通するガスを
アルゴンのみとした。かかる状態で室温に至る迄冷却し
た。
【０１０１】以上の成長操作をもって、ｎ形障壁層１０
１と、ｎ形の発光層１０２と、ｐ形障壁層１０３とから
成るヘテロ接合構造体に、マグネシウムと亜鉛とを共に
ドーピングした窒化ガリウムから成るｐ形の最表層１１
０を積層することで、積層構造体１０ａの形成を終了し
た。
１と、ｎ形の発光層１０２と、ｐ形障壁層１０３とから
成るヘテロ接合構造体に、マグネシウムと亜鉛とを共に
ドーピングした窒化ガリウムから成るｐ形の最表層１１
０を積層することで、積層構造体１０ａの形成を終了し
た。
【０１０２】積層構造体１０ａから一片（約５ｍｍ×約
５ｍｍ×ｔ（厚さ））を切り出し、構成元素の深さ方向
の分析用試料に供した。積層構造体１０ａの最表層１１
０より深さ方向のマトリックス元素の濃度分布（デプス
プロファイル）は市販のＳＩＭＳ分析装置（（仏）ＣＡ
ＭＥＣＡ社製ＩＭＳ−６Ｆ型２次イオン質量分析装置）
で定量した。インジウム及びアルミニウムの濃度分析に
ついては、共にセシウム（Ｃｓ）イオンビームを一次イ
オンビームとして用いた。ビーム加速電圧は５．５ＫＶ
とした。このＳＩＭＳ分析装置を用いて測定した、発光
層１０２との接合界面１０４，１０５におけるインジウ
ムとアルミニウムとの濃度分布は、次のようであった。
５ｍｍ×ｔ（厚さ））を切り出し、構成元素の深さ方向
の分析用試料に供した。積層構造体１０ａの最表層１１
０より深さ方向のマトリックス元素の濃度分布（デプス
プロファイル）は市販のＳＩＭＳ分析装置（（仏）ＣＡ
ＭＥＣＡ社製ＩＭＳ−６Ｆ型２次イオン質量分析装置）
で定量した。インジウム及びアルミニウムの濃度分析に
ついては、共にセシウム（Ｃｓ）イオンビームを一次イ
オンビームとして用いた。ビーム加速電圧は５．５ＫＶ
とした。このＳＩＭＳ分析装置を用いて測定した、発光
層１０２との接合界面１０４，１０５におけるインジウ
ムとアルミニウムとの濃度分布は、次のようであった。
【０１０３】図８は発光層との接合界面におけるインジ
ウムとアルミニウムの濃度分布を示す図である。横軸は
積層構造体表面からの深さ、縦軸は原子濃度をそれぞれ
示している。インジウム原子の濃度分布曲線Ｃ１が示す
通り、インジウム原子の濃度が発光層１０２の内部での
平均的な濃度ＲoIから、２桁低い濃度に減ずるに要する
遷移領域幅Δｔwi、Δｔviを比較すれば、ｎ形窒化ガリ
ウム・インジウム発光層１０２と窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るｐ形障壁層１０３との接合界面１０
５側での遷移領域幅Δｔwiは、上記のように瞬時的に原
料ガスを変化させたこと等により、起点Ｄ４から約１８
ｎｍと極めて狭小であった。ここでは、起点Ｄ４は接合
界面１０５に一致している。一方のｎ形窒化ガリウム障
壁層１０１との接合界面１０４側での遷移領域幅Δｔvi
は、上記のように経時的に成長温度を変遷させて成膜し
たこと等により、起点Ｄ３から約３０ｎｍと、Δｔwiに
比べて幅広であった。ここで、起点Ｄ３は、接合界面１
０４に一致せず、発光層１０２の内部に位置している。
ウムとアルミニウムの濃度分布を示す図である。横軸は
積層構造体表面からの深さ、縦軸は原子濃度をそれぞれ
示している。インジウム原子の濃度分布曲線Ｃ１が示す
通り、インジウム原子の濃度が発光層１０２の内部での
平均的な濃度ＲoIから、２桁低い濃度に減ずるに要する
遷移領域幅Δｔwi、Δｔviを比較すれば、ｎ形窒化ガリ
ウム・インジウム発光層１０２と窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るｐ形障壁層１０３との接合界面１０
５側での遷移領域幅Δｔwiは、上記のように瞬時的に原
料ガスを変化させたこと等により、起点Ｄ４から約１８
ｎｍと極めて狭小であった。ここでは、起点Ｄ４は接合
界面１０５に一致している。一方のｎ形窒化ガリウム障
壁層１０１との接合界面１０４側での遷移領域幅Δｔvi
は、上記のように経時的に成長温度を変遷させて成膜し
たこと等により、起点Ｄ３から約３０ｎｍと、Δｔwiに
比べて幅広であった。ここで、起点Ｄ３は、接合界面１
０４に一致せず、発光層１０２の内部に位置している。
【０１０４】一方、アルミニウム原子の濃度について
は、アルミニウム原子の濃度分布曲線Ｃ２が示す通り、
発光層１０２の内部での平均的なアルミニウム原子濃度
Ｒoaから、２桁低い濃度に減ずるに要する遷移領域幅Δ
ｔwaが、インジウムの遷移領域幅Δｔwiの１８ｎｍより
さらに小さくなっている。このように、接合界面１０５
におけるインジウム原子と、アルミニウム原子とは、接
合界面１０５を越えるといずれも急激に落ち込んでお
り、接合界面１０５での顕著な急峻性の要求を充分に満
たしていることが分かった。
は、アルミニウム原子の濃度分布曲線Ｃ２が示す通り、
発光層１０２の内部での平均的なアルミニウム原子濃度
Ｒoaから、２桁低い濃度に減ずるに要する遷移領域幅Δ
ｔwaが、インジウムの遷移領域幅Δｔwiの１８ｎｍより
さらに小さくなっている。このように、接合界面１０５
におけるインジウム原子と、アルミニウム原子とは、接
合界面１０５を越えるといずれも急激に落ち込んでお
り、接合界面１０５での顕著な急峻性の要求を充分に満
たしていることが分かった。
【０１０５】（第２実施例）図９は本発明の第２実施例
に係る積層構造体を示す図である。図において、第１実
施例の積層構造体１０ａと同一の構成要素には同じ符号
を付してその説明を省略する。
に係る積層構造体を示す図である。図において、第１実
施例の積層構造体１０ａと同一の構成要素には同じ符号
を付してその説明を省略する。
【０１０６】この第２実施例では、ｎ形障壁層１０１と
ｐ形障壁層１０３との間に量子井戸構成体２００を挟持
して積層構造体１００ｂを構成している。この積層構造
体１００ｂを形成するため、第２実施例では、インジウ
ム原料を個別に且つ独立して供給できる２つの配管系を
備えた常圧ＭＯＣＶＤ成長装置を成膜装置として利用し
た。配管系は接合界面の急峻性については、異なる達成
能力を有するものである。
ｐ形障壁層１０３との間に量子井戸構成体２００を挟持
して積層構造体１００ｂを構成している。この積層構造
体１００ｂを形成するため、第２実施例では、インジウ
ム原料を個別に且つ独立して供給できる２つの配管系を
備えた常圧ＭＯＣＶＤ成長装置を成膜装置として利用し
た。配管系は接合界面の急峻性については、異なる達成
能力を有するものである。
【０１０７】上記成長装置により第１実施例に記載のサ
ファイア基板１００上に堆積した窒化アルミニウム緩衝
層１００ａとｎ形障壁層１０１上に、図９に示すよう
に、ｎ形窒化ガリウムから成るバリア層２０１を終端層
として形成した。バリア層２０１はｎ形のアンドープ窒
化ガリウムから構成し、層厚は３０ｎｍに設定した。バ
リア層２０１は、第１実施例に記載のｎ形障壁層１０１
の成長に引き続き、１０５０℃で成長させた。バリア層
２０１の成長が終了した後は、成長温度を８７０℃に低
下させて、インジウム組成比を０．１５と一定とするア
ンドープでｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.85
Ｉｎ0.15Ｎ）井戸層２０２を成長させた。井戸層２０２
は第１実施例に記載のガリウム源及びインジウム源に関
する流量条件で成膜した。但し、層厚は量子準位の発現
に足る層厚とするため、層厚は第１実施例１に対し成長
時間の短縮をもって変更を加え、６ｎｍとした。このｎ
形障壁層１０１に最も近接する井戸層２０２の形成に
は、意識して急峻性に劣るインジウム配管系を利用し
た。以後、基板温度１００を１０００℃に昇温して温度
の安定を観た後、アンドープｎ形窒化ガリウムから成る
バリア層２０３を堆積した。
ファイア基板１００上に堆積した窒化アルミニウム緩衝
層１００ａとｎ形障壁層１０１上に、図９に示すよう
に、ｎ形窒化ガリウムから成るバリア層２０１を終端層
として形成した。バリア層２０１はｎ形のアンドープ窒
化ガリウムから構成し、層厚は３０ｎｍに設定した。バ
リア層２０１は、第１実施例に記載のｎ形障壁層１０１
の成長に引き続き、１０５０℃で成長させた。バリア層
２０１の成長が終了した後は、成長温度を８７０℃に低
下させて、インジウム組成比を０．１５と一定とするア
ンドープでｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.85
Ｉｎ0.15Ｎ）井戸層２０２を成長させた。井戸層２０２
は第１実施例に記載のガリウム源及びインジウム源に関
する流量条件で成膜した。但し、層厚は量子準位の発現
に足る層厚とするため、層厚は第１実施例１に対し成長
時間の短縮をもって変更を加え、６ｎｍとした。このｎ
形障壁層１０１に最も近接する井戸層２０２の形成に
は、意識して急峻性に劣るインジウム配管系を利用し
た。以後、基板温度１００を１０００℃に昇温して温度
の安定を観た後、アンドープｎ形窒化ガリウムから成る
バリア層２０３を堆積した。
【０１０８】２層目のバリア層２０３の成長が終了した
後は、基板１００の温度を８７０℃に降温してｎ形アン
ドープ窒化ガリウム・インジウム井戸層２０４を成長さ
せた。この際には、上記のｎ形障壁層側の井戸層２０２
の形成に使用したインジウムの配管系とは異なり、接合
界面でインジウム濃度分布上での”弛れ”の発生を極
力、抑制でき、急峻な界面を与えることが予め判明して
いる別のインジウムの配管系を利用した。位置的にｐ形
障壁層１０３側に配置されたこととなる井戸層２０４の
成長が終了した後は、再び、基板温度を１０００℃と
し、ｐ形障壁層１０３と接合することとなるｎ形窒化ガ
リウムから成るバリア層２０５を成長させた。これによ
り、両方の終端層をアンドープのｎ形窒化ガリウムから
成るバリア層２０１，２０５とし、これらの終端層を含
めて、２層の井戸層２０２，２０４と、３層のバリア層
２０１，２０３，２０５とから成る多重量子井戸構造の
量子井戸構成体２００を形成した。この量子井戸構成体
２００の電気伝導形はｎ形である。
後は、基板１００の温度を８７０℃に降温してｎ形アン
ドープ窒化ガリウム・インジウム井戸層２０４を成長さ
せた。この際には、上記のｎ形障壁層側の井戸層２０２
の形成に使用したインジウムの配管系とは異なり、接合
界面でインジウム濃度分布上での”弛れ”の発生を極
力、抑制でき、急峻な界面を与えることが予め判明して
いる別のインジウムの配管系を利用した。位置的にｐ形
障壁層１０３側に配置されたこととなる井戸層２０４の
成長が終了した後は、再び、基板温度を１０００℃と
し、ｐ形障壁層１０３と接合することとなるｎ形窒化ガ
リウムから成るバリア層２０５を成長させた。これによ
り、両方の終端層をアンドープのｎ形窒化ガリウムから
成るバリア層２０１，２０５とし、これらの終端層を含
めて、２層の井戸層２０２，２０４と、３層のバリア層
２０１，２０３，２０５とから成る多重量子井戸構造の
量子井戸構成体２００を形成した。この量子井戸構成体
２００の電気伝導形はｎ形である。
【０１０９】上記の多重量子井戸構造の一終端をなすｎ
形窒化ガリウムバリア層２０５上に量子井戸構成体２０
０とは電気伝導形を反対（逆）とするｐ形障壁層１０３
を接合させた。この場合も、急峻な界面を与えることが
予め判明しているインジウムの配管系を利用した。ｎ形
窒化ガリウムバリア層２０５上に接合させるｐ形障壁層
１０３及びその層上の窒化ガリウム最表層１１０は、第
１実施例と同一の条件をもって成長させた。以上をもっ
て、ｎ形障壁層１０１と、窒化ガリウム・インジウム／
窒化ガリウム多重量子井戸構造の量子井戸構成体２００
と、ｐ形障壁層１０３とから成る発光部を含むｐｎ接合
型のＤＨ構造から成る積層構造体１０ｂを形成した。
形窒化ガリウムバリア層２０５上に量子井戸構成体２０
０とは電気伝導形を反対（逆）とするｐ形障壁層１０３
を接合させた。この場合も、急峻な界面を与えることが
予め判明しているインジウムの配管系を利用した。ｎ形
窒化ガリウムバリア層２０５上に接合させるｐ形障壁層
１０３及びその層上の窒化ガリウム最表層１１０は、第
１実施例と同一の条件をもって成長させた。以上をもっ
て、ｎ形障壁層１０１と、窒化ガリウム・インジウム／
窒化ガリウム多重量子井戸構造の量子井戸構成体２００
と、ｐ形障壁層１０３とから成る発光部を含むｐｎ接合
型のＤＨ構造から成る積層構造体１０ｂを形成した。
【０１１０】積層構造体１０ｂについての構成元素の深
さ方向の濃度分布に関するＳＩＭＳ分析結果から測定し
た界面急峻性は、ｎ形窒化ガリウム・インジウム井戸層
２０２と一終端層を成すｎ形窒化ガリウム・インジウム
バリア層２０１との接合界面２１１で約４５ｎｍであっ
た。一方、ｐ形障壁層１０３側に配置したアンドープｎ
形窒化ガリウム・インジウム井戸層２０４とアンドープ
ｎ形窒化ガリウムバリア層２０５との接合界面２１４に
おけるインジウム原子濃度の遷移領域幅は約１４ｎｍで
あった。また、ｐ形障壁層１０３に配置した窒化ガリウ
ム・インジウム井戸層２０４の両バリア層２０３，２０
５の接合界面２１３，２１４におけるインジウム原子濃
度の急峻性は、ｎ形障壁層側に配置した井戸層２０２の
両バリア層２０１，２０３との接合界面２１１，２１２
におけるそれよりも”弛れ”も少なく優れるものとなっ
ているのが特徴であった。
さ方向の濃度分布に関するＳＩＭＳ分析結果から測定し
た界面急峻性は、ｎ形窒化ガリウム・インジウム井戸層
２０２と一終端層を成すｎ形窒化ガリウム・インジウム
バリア層２０１との接合界面２１１で約４５ｎｍであっ
た。一方、ｐ形障壁層１０３側に配置したアンドープｎ
形窒化ガリウム・インジウム井戸層２０４とアンドープ
ｎ形窒化ガリウムバリア層２０５との接合界面２１４に
おけるインジウム原子濃度の遷移領域幅は約１４ｎｍで
あった。また、ｐ形障壁層１０３に配置した窒化ガリウ
ム・インジウム井戸層２０４の両バリア層２０３，２０
５の接合界面２１３，２１４におけるインジウム原子濃
度の急峻性は、ｎ形障壁層側に配置した井戸層２０２の
両バリア層２０１，２０３との接合界面２１１，２１２
におけるそれよりも”弛れ”も少なく優れるものとなっ
ているのが特徴であった。
【０１１１】（第３実施例）図１０は本発明の第３実施
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第１
実施例の積層構造体１０ａと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第１
実施例の積層構造体１０ａと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。
【０１１２】この第３実施例では、ｎ形障壁層１０１と
発光層１０２との間に、インジウム濃度の変化の安定化
をもたらすインジウム濃度に関する第１組成遷移層７１
を設けている。この第１組成遷移層７１は、層厚を５０
ｎｍとするアンドープのｎ形窒化ガリウム・インジウム
層から構成した。この第１組成遷移層７１は、層厚が５
０ｎｍに到達する間にインジウムの原子濃度が２桁増加
して発光層１０２内の平均的なインジウム濃度となるよ
うにしたものである。
発光層１０２との間に、インジウム濃度の変化の安定化
をもたらすインジウム濃度に関する第１組成遷移層７１
を設けている。この第１組成遷移層７１は、層厚を５０
ｎｍとするアンドープのｎ形窒化ガリウム・インジウム
層から構成した。この第１組成遷移層７１は、層厚が５
０ｎｍに到達する間にインジウムの原子濃度が２桁増加
して発光層１０２内の平均的なインジウム濃度となるよ
うにしたものである。
【０１１３】成膜手順を記すに先ず、第１実施例に記載
の通り、ｎ形窒化ガリウムから成る障壁層１０１を１０
５０℃で成膜した後、基板１００の温度を８７０℃に低
下させた。次に、基板１００の温度が８７０℃に安定す
るに至る迄３分間、同温度で待機した後、ｎ形のアンド
ープ窒化ガリウム・インジウム発光層１０２を成膜する
に当たりインジウム源の、ガリウム源とインジウム源の
供給量の総和であるIII 族元素源に対する供給比率（イ
ンジウム原料の気相組成比）を経時的に変化させること
をもって、インジウムの第１組成遷移層７１を形成し
た。
の通り、ｎ形窒化ガリウムから成る障壁層１０１を１０
５０℃で成膜した後、基板１００の温度を８７０℃に低
下させた。次に、基板１００の温度が８７０℃に安定す
るに至る迄３分間、同温度で待機した後、ｎ形のアンド
ープ窒化ガリウム・インジウム発光層１０２を成膜する
に当たりインジウム源の、ガリウム源とインジウム源の
供給量の総和であるIII 族元素源に対する供給比率（イ
ンジウム原料の気相組成比）を経時的に変化させること
をもって、インジウムの第１組成遷移層７１を形成し
た。
【０１１４】具体的には、発光層１０２の成長の初期段
階において、３５℃の恒温に保持されたインジウム源と
したトリメチルインジウムを収納す容器内に水素ガスを
流通させ、昇華したトリメチルインジウムを随伴する水
素ガスの流量を０（零）から毎分６２．０ｃｃに１５分
間を費して時間的に一律に増加させた。この間、０℃の
恒温に保持されたガリウム源のトリメチルガリウムをバ
ブリングする水素ガスの流量は、毎分１０ｃｃと一定を
保ち、インジウムの第１組成遷移層７１を形成した。然
る後、インジウム源を随伴する水素ガスの流量を最終的
な６２．０ｃｃ／分とし、ガリウム源を随伴する水素ガ
スの流量を１０ｃｃ／分とした上で、更に１．５分間に
亘り、III 族元素原料の供給を継続して層厚を５ｎｍと
し、インジウム組成を０．１５と深さ方向に一定とする
アンドープでｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ
0.85Ｉｎ0.15Ｎ）から成る発光層１０２を成長させた。
発光層１０２上には、ｐ形障壁層１０３とｐ形窒化ガリ
ウムから成る最表層１１０を順次、堆積した。このよう
にして、ｎ形発光層１０２とｎ形障壁層１０１との中間
に、ｎ形発光層／ｎ形障壁層の接合界面におけるインジ
ウム原子の濃度の安定な変化をもたらすための第１組成
遷移層７１を配置した構成を含む積層構造体１０ｃを形
成した。
階において、３５℃の恒温に保持されたインジウム源と
したトリメチルインジウムを収納す容器内に水素ガスを
流通させ、昇華したトリメチルインジウムを随伴する水
素ガスの流量を０（零）から毎分６２．０ｃｃに１５分
間を費して時間的に一律に増加させた。この間、０℃の
恒温に保持されたガリウム源のトリメチルガリウムをバ
ブリングする水素ガスの流量は、毎分１０ｃｃと一定を
保ち、インジウムの第１組成遷移層７１を形成した。然
る後、インジウム源を随伴する水素ガスの流量を最終的
な６２．０ｃｃ／分とし、ガリウム源を随伴する水素ガ
スの流量を１０ｃｃ／分とした上で、更に１．５分間に
亘り、III 族元素原料の供給を継続して層厚を５ｎｍと
し、インジウム組成を０．１５と深さ方向に一定とする
アンドープでｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ
0.85Ｉｎ0.15Ｎ）から成る発光層１０２を成長させた。
発光層１０２上には、ｐ形障壁層１０３とｐ形窒化ガリ
ウムから成る最表層１１０を順次、堆積した。このよう
にして、ｎ形発光層１０２とｎ形障壁層１０１との中間
に、ｎ形発光層／ｎ形障壁層の接合界面におけるインジ
ウム原子の濃度の安定な変化をもたらすための第１組成
遷移層７１を配置した構成を含む積層構造体１０ｃを形
成した。
【０１１５】ＳＩＭＳ分析によるインジウム原子の深さ
方向の濃度分析結果から急峻性を観れば、ｎ形障壁層１
０１とｎ形発光層１０２との接合界面側におけるインジ
ウムの原子濃度の遷移領域幅は約３０ｎｍであった。す
なわち、層厚を５０ｎｍとするインジウム濃度に関する
第１組成遷移層７１にあって、実際にインジウム原子濃
度が２桁増加して発光層２の内部の平均的な濃度に到達
するに要する幅（距離）は約３０ｎｍであった。この第
１組成遷移層７１内では、インジウム原子濃度はｎ形障
壁層１０１側からｎ形発光層１０２側に向けて単調に増
加していた。一方、ｎ形発光層１０２とｐ形障壁層１０
３との接合界面側におけるインジウム原子濃度の遷移領
域幅は約１５ｎｍであった。
方向の濃度分析結果から急峻性を観れば、ｎ形障壁層１
０１とｎ形発光層１０２との接合界面側におけるインジ
ウムの原子濃度の遷移領域幅は約３０ｎｍであった。す
なわち、層厚を５０ｎｍとするインジウム濃度に関する
第１組成遷移層７１にあって、実際にインジウム原子濃
度が２桁増加して発光層２の内部の平均的な濃度に到達
するに要する幅（距離）は約３０ｎｍであった。この第
１組成遷移層７１内では、インジウム原子濃度はｎ形障
壁層１０１側からｎ形発光層１０２側に向けて単調に増
加していた。一方、ｎ形発光層１０２とｐ形障壁層１０
３との接合界面側におけるインジウム原子濃度の遷移領
域幅は約１５ｎｍであった。
【０１１６】（第４実施例）図１１は本発明の第４実施
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第３
実施例の積層構造体１０ｃと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第３
実施例の積層構造体１０ｃと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。
【０１１７】この第４実施例では、ｎ形発光層１０２と
ｐ形障壁層１０３との中間にインジウム組成についての
第２組成遷移層８１を設けてある。上記の第３実施例に
記載の手順に従い、ｎ形発光層１０２迄成長させた後、
ｎ形発光層１０２の成長温度とした８７０℃に基板１０
０の温度を保持しながら、優れた界面急峻性を与えるイ
ンジウム供給用配管系を利用して層厚を２０ｎｍとする
第２組成遷移層８１を形成した。この第２組成遷移層８
１の形成の初期においては、昇華したインジウム原料を
随伴する水素ガスの供給量を毎分６２．０ｃｃとした。
このインジウム源を随伴する水素ガスの流量は、１０分
間に亘る第２組成遷移層８１の成長時間内に一律に０ｃ
ｃ／分に低下させた。この間、０℃に保持したガリウム
源（トリメチルガリウム）の蒸気を随伴するバブリング
用水素ガスの流量は毎分１０ｃｃに固定した。このよう
にして形成した第２組成遷移層８１上には、第１実施例
に記載の条件、操作に従い、ｐ形障壁層１０３及びｐ形
最表層１１０を順次、積層させた。これにより、発光層
１０２の両側にインジウム原子濃度の安定した変化をも
たらす第２組成遷移層８１を配置した構成を含む積層構
造体１０ｄを得た。
ｐ形障壁層１０３との中間にインジウム組成についての
第２組成遷移層８１を設けてある。上記の第３実施例に
記載の手順に従い、ｎ形発光層１０２迄成長させた後、
ｎ形発光層１０２の成長温度とした８７０℃に基板１０
０の温度を保持しながら、優れた界面急峻性を与えるイ
ンジウム供給用配管系を利用して層厚を２０ｎｍとする
第２組成遷移層８１を形成した。この第２組成遷移層８
１の形成の初期においては、昇華したインジウム原料を
随伴する水素ガスの供給量を毎分６２．０ｃｃとした。
このインジウム源を随伴する水素ガスの流量は、１０分
間に亘る第２組成遷移層８１の成長時間内に一律に０ｃ
ｃ／分に低下させた。この間、０℃に保持したガリウム
源（トリメチルガリウム）の蒸気を随伴するバブリング
用水素ガスの流量は毎分１０ｃｃに固定した。このよう
にして形成した第２組成遷移層８１上には、第１実施例
に記載の条件、操作に従い、ｐ形障壁層１０３及びｐ形
最表層１１０を順次、積層させた。これにより、発光層
１０２の両側にインジウム原子濃度の安定した変化をも
たらす第２組成遷移層８１を配置した構成を含む積層構
造体１０ｄを得た。
【０１１８】図１２は第４実施例における発光層との接
合界面におけるインジウム原子の濃度分布を示す図であ
る。横軸は積層構造体表面からの深さ、縦軸はインジウ
ム原子の濃度である。このインジウム原子濃度の分布状
況はＳＩＭＳ分析により測定した。
合界面におけるインジウム原子の濃度分布を示す図であ
る。横軸は積層構造体表面からの深さ、縦軸はインジウ
ム原子の濃度である。このインジウム原子濃度の分布状
況はＳＩＭＳ分析により測定した。
【０１１９】図において、インジウム原子の濃度分布Ｃ
３が示すように、ｎ形障壁層１０１側の膜厚を５０ｎｍ
とする組成遷移層７１内のインジウム原子濃度の遷移領
域幅ΔｔvMは、第３実施例の場合と略同一で約３０ｎｍ
であった。すなわち、第１組成遷移層７１にあって、実
際にインジウム原子濃度が２桁増加して発光層２の内部
の平均的な濃度に到達するに要する幅（距離）は約３０
ｎｍであった。一方、ｐ形障壁層１０３側の組成遷移層
８１のインジウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔWMは約１８
ｎｍであった。すなわち、層厚を２０ｎｍとするインジ
ウム濃度に関する第２組成遷移層８１にあって、実際に
発光層２の内部の平均的なインジウム原子濃度が２桁減
少するに要する幅（距離）は約１８ｎｍであった。
３が示すように、ｎ形障壁層１０１側の膜厚を５０ｎｍ
とする組成遷移層７１内のインジウム原子濃度の遷移領
域幅ΔｔvMは、第３実施例の場合と略同一で約３０ｎｍ
であった。すなわち、第１組成遷移層７１にあって、実
際にインジウム原子濃度が２桁増加して発光層２の内部
の平均的な濃度に到達するに要する幅（距離）は約３０
ｎｍであった。一方、ｐ形障壁層１０３側の組成遷移層
８１のインジウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔWMは約１８
ｎｍであった。すなわち、層厚を２０ｎｍとするインジ
ウム濃度に関する第２組成遷移層８１にあって、実際に
発光層２の内部の平均的なインジウム原子濃度が２桁減
少するに要する幅（距離）は約１８ｎｍであった。
【０１２０】上記第４実施例の積層構造体１０ｄを母体
材料としてＬＥＤを作製した。図１３はＬＥＤの断面構
造を模式的に示す図で図１４のＡ−Ａ断面であり、図１
４はＬＥＤの平面模式図である。図１３、図１４に示す
ＬＥＤ６０を構成するために、先ず図１１の積層構造体
１０ｄにおいて、ｎ形電極（負電極）６１を形成する予
定領域のｎ形障壁層１０１上に在る発光層１０２、ｐ形
障壁層１０３及び最表層１１０を、アルゴン−メタン
（ＣＨ4 ）−水素混合ガスを使用するマイクロ波プラズ
マエッチング技術によりエッチングして除去した。この
エッチングはｎ形障壁層１０１の表層部を約１５０ｎｍ
除去するに至る迄継続した。然る後、エッチングにより
露呈したｎ形障壁層１０１の表面に透光性、透過性の電
極を付帯しないパッド電極６１を形成した。パッド電極
６１はアルミニウム（Ａｌ）単体から構成した。
材料としてＬＥＤを作製した。図１３はＬＥＤの断面構
造を模式的に示す図で図１４のＡ−Ａ断面であり、図１
４はＬＥＤの平面模式図である。図１３、図１４に示す
ＬＥＤ６０を構成するために、先ず図１１の積層構造体
１０ｄにおいて、ｎ形電極（負電極）６１を形成する予
定領域のｎ形障壁層１０１上に在る発光層１０２、ｐ形
障壁層１０３及び最表層１１０を、アルゴン−メタン
（ＣＨ4 ）−水素混合ガスを使用するマイクロ波プラズ
マエッチング技術によりエッチングして除去した。この
エッチングはｎ形障壁層１０１の表層部を約１５０ｎｍ
除去するに至る迄継続した。然る後、エッチングにより
露呈したｎ形障壁層１０１の表面に透光性、透過性の電
極を付帯しないパッド電極６１を形成した。パッド電極
６１はアルミニウム（Ａｌ）単体から構成した。
【０１２１】一方、最表層１１０上には、金・ベリリウ
ム（Ａｕ・Ｂｅ）合金と金（Ａｕ）との重層から成るパ
ッド電極６２と全体の膜厚を約２０ｎｍとする２層から
成る透過性（透光性）電極６３を被着した。透過性電極
６３は上記のエッチングによりメサ型に残存させた最表
層１１０のほぼ全域に形成した。透過性電極６３の表面
上に直接、パッド電極を形成する方法もあるが、本実施
例では透過性電極６３の表層を形成する金属酸化物膜の
みを選択的除去して、残存させた下層の金（Ａｕ）薄膜
電極上にパッド電極６２を形成した。
ム（Ａｕ・Ｂｅ）合金と金（Ａｕ）との重層から成るパ
ッド電極６２と全体の膜厚を約２０ｎｍとする２層から
成る透過性（透光性）電極６３を被着した。透過性電極
６３は上記のエッチングによりメサ型に残存させた最表
層１１０のほぼ全域に形成した。透過性電極６３の表面
上に直接、パッド電極を形成する方法もあるが、本実施
例では透過性電極６３の表層を形成する金属酸化物膜の
みを選択的除去して、残存させた下層の金（Ａｕ）薄膜
電極上にパッド電極６２を形成した。
【０１２２】このようにして形成したＬＥＤ６０におい
て、隣接する電極６１及び６２間に直流電圧を印加し
た。５ボルト（Ｖ）未満の直流電圧、例えば３．５Ｖの
印加により既に青色の発光が得られた。印加する電圧値
の増大と共に青色発光の強度は増加した。積分球を利用
した測定では、順方向電流を２０ミリアンペア（ｍＡ）
通流した際の発光出力は１７．０マイクロワット（μ
Ｗ）となった。ちなみに、発光層と障壁層との接合界面
におけるインジウム原子濃度に関する急峻性の求められ
る差異に注意を払わず、単に機械的に接合をなした従来
のＤＨ構造のＬＥＤの発光出力は、約１１μＷ〜約１４
μＷであった。これにより、本発明の規定する条件を満
足する界面急峻性を備えることをもって、発光強度に優
れる発光素子が提供されるのは明かとなった。ヘリウム
（Ｈｅ）−カドミウム（Ｃｄ）レーザ光を励起光とする
通常のフォトルミネッセンス測光装置を利用した発光ス
ペクトルの測定では、主たる発光スペクトルの発光波長
は約４４５〜４６２ｎｍであることが分かった。また、
主たる発光スペクトルの半値幅は、大凡１２〜１５ｎｍ
であり、このため、ＬＥＤ６０からの発光は単色性（色
純度）に優れたものであることも分かった。
て、隣接する電極６１及び６２間に直流電圧を印加し
た。５ボルト（Ｖ）未満の直流電圧、例えば３．５Ｖの
印加により既に青色の発光が得られた。印加する電圧値
の増大と共に青色発光の強度は増加した。積分球を利用
した測定では、順方向電流を２０ミリアンペア（ｍＡ）
通流した際の発光出力は１７．０マイクロワット（μ
Ｗ）となった。ちなみに、発光層と障壁層との接合界面
におけるインジウム原子濃度に関する急峻性の求められ
る差異に注意を払わず、単に機械的に接合をなした従来
のＤＨ構造のＬＥＤの発光出力は、約１１μＷ〜約１４
μＷであった。これにより、本発明の規定する条件を満
足する界面急峻性を備えることをもって、発光強度に優
れる発光素子が提供されるのは明かとなった。ヘリウム
（Ｈｅ）−カドミウム（Ｃｄ）レーザ光を励起光とする
通常のフォトルミネッセンス測光装置を利用した発光ス
ペクトルの測定では、主たる発光スペクトルの発光波長
は約４４５〜４６２ｎｍであることが分かった。また、
主たる発光スペクトルの半値幅は、大凡１２〜１５ｎｍ
であり、このため、ＬＥＤ６０からの発光は単色性（色
純度）に優れたものであることも分かった。
【０１２３】他の各実施例で形成した積層構造体につい
ても、その積層構造体からＬＥＤを作製し、上記と同様
に、発光出力、発光スペクトルの発光波長、発光スペク
トルの半値幅を測定したが、上記のＬＥＤ６０とほぼ同
等の品質結果が得られた。
ても、その積層構造体からＬＥＤを作製し、上記と同様
に、発光出力、発光スペクトルの発光波長、発光スペク
トルの半値幅を測定したが、上記のＬＥＤ６０とほぼ同
等の品質結果が得られた。
【０１２４】上記の各実施例では、本発明を発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）に適用した場合について説明したが、本
発明は、他の発光素子、例えばレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）にも同様に適用することができる。
ード（ＬＥＤ）に適用した場合について説明したが、本
発明は、他の発光素子、例えばレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）にも同様に適用することができる。
【０１２５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のIII 族
窒化物半導体発光素子によれば、発光部における発光層
とそれに接合する障壁層との接合界面において、インジ
ウム原子濃度の勾配の急峻化に差異を設けるようにした
ので、発光層とは反対の電気伝導形を有する障壁層側に
キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させることができ
るようになり、正孔と電子との再結合を効果的に行わせ
ることができる。したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度（単色性）特性を充分に
発揮させることができ、青色帯から緑色帯にかけての短
波長光を、高強度でかつ優れた色純度（単色性）で発光
させることができる。
窒化物半導体発光素子によれば、発光部における発光層
とそれに接合する障壁層との接合界面において、インジ
ウム原子濃度の勾配の急峻化に差異を設けるようにした
ので、発光層とは反対の電気伝導形を有する障壁層側に
キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させることができ
るようになり、正孔と電子との再結合を効果的に行わせ
ることができる。したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度（単色性）特性を充分に
発揮させることができ、青色帯から緑色帯にかけての短
波長光を、高強度でかつ優れた色純度（単色性）で発光
させることができる。
【図１】本発明のIII 族窒化物半導体発光素子における
発光部を概念的に示す図である。
発光部を概念的に示す図である。
【図２】III 族窒化物半導体からなる接合界面の急峻性
を達成するための創意を施した成長反応炉の構成例を示
す図である。
を達成するための創意を施した成長反応炉の構成例を示
す図である。
【図３】発光部に組成遷移層を設けた場合を示す図であ
る。
る。
【図４】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
１の構成例を示す図である。
１の構成例を示す図である。
【図５】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
２の構成例を示す図である。
２の構成例を示す図である。
【図６】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
３の構成例を示す図である。
３の構成例を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る積層構造体を示す図
である。
である。
【図８】第１実施例における発光層との接合界面におけ
るインジウムとアルミニウムの濃度分布を示す図であ
る。
るインジウムとアルミニウムの濃度分布を示す図であ
る。
【図９】本発明の第２実施例に係る積層構造体を示す図
である。
である。
【図１０】本発明の第３実施例に係る積層構造体を示す
図である。
図である。
【図１１】本発明の第４実施例に係る積層構造体を示す
図である。
図である。
【図１２】第４実施例における発光層との接合界面にお
けるインジウム原子の濃度分布を示す図である。
けるインジウム原子の濃度分布を示す図である。
【図１３】ＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。
【図１４】ＬＥＤの平面模式図である。
【図１５】ＭＯＤＦＥＴ用途の積層構造体におけるポテ
ンシャル井戸構造を概略的に示す図である。
ンシャル井戸構造を概略的に示す図である。
１ ｎ形障壁層 ２ ｎ形発光層 ３ ｐ形障壁層 ４ ｎ形障壁層と発光層との接合界面 ５ ｐ形障壁層と発光層との接合界面 ６ 散乱防止層（薄層） ７ 組成遷移層 ８ 組成遷移層 １０，１０ｓ，１１，１２ 発光部 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 積層構造体 ４１，４２，４３，５１，５２，５３ 接合界面 ６０ ＬＥＤ ６１ パッド電極（負電極） ６２ パッド電極（正電極） ６３ 透過性電極 ７１ 第１組成遷移層 ８１ 第２組成遷移層 ９０ 成長反応炉 ９１ 第１流路 ９２ 第２流路 ９３ 掃引ガス流路 ９４ 内壁 ９９ サセプタ １００ 基板 １０１ ｎ形障壁層 １０２ 発光層 １０３ ｐ形障壁層 １０４ ｎ形障壁層と発光層との接合界面 １０５ ｐ形障壁層と発光層との接合界面 １１０ 最表層 ２００ 量子井戸構成体 ２０１，２０３，２０５ バリア層 Ｃ，Ｃ１，Ｃ３ インジウム原子の濃度分布曲線 Ｃ２ アルミニウム原子の濃度分布曲線 Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ インジウム原子の濃度が減少
する起点 Δｔv ，Δｔv1，Δｔva，Δｔvb，Δｔvc，ΔｔvM，Δ
ｔvi，ΔｔvZ発光層と、発光層と同じ電気伝導形を有す
る障壁層との間での遷移領域幅 ΔｔW ，ΔｔW1，ΔｔWa，ΔｔWb，ΔｔWc，ΔｔWM，Δ
ｔWi，ΔｔWZ発光層と、発光層と反対の電気伝導形を有
する障壁層との間での遷移領域幅
する起点 Δｔv ，Δｔv1，Δｔva，Δｔvb，Δｔvc，ΔｔvM，Δ
ｔvi，ΔｔvZ発光層と、発光層と同じ電気伝導形を有す
る障壁層との間での遷移領域幅 ΔｔW ，ΔｔW1，ΔｔWa，ΔｔWb，ΔｔWc，ΔｔWM，Δ
ｔWi，ΔｔWZ発光層と、発光層と反対の電気伝導形を有
する障壁層との間での遷移領域幅
Claims (7)
- 【請求項１】 III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層
とｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたII
I 族窒化物半導体発光素子において、 上記発光層と同一の電気伝導形の障壁層側におけるイン
ジウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔV と、上記発光層とは
反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム原子濃
度の遷移領域幅Δｔw との関係をΔｔw ＜ΔｔV とする
インジウム原子の濃度分布を有する発光部を備えてい
る、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】 上記遷移領域幅ΔｔV 、Δｔw を、イン
ジウム原子濃度が発光層内インジウム原子濃度より２桁
減少する発光層から各障壁層に向けての距離で表し、こ
の発光層から各障壁層に向けて２桁減少する距離として
の遷移領域幅ΔｔV 、Δｔw においてΔｔV を２５０ナ
ノメータ（ｎｍ）以下、ΔｔW を２０ナノメータ（ｎ
ｍ）以下とする、 ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。 - 【請求項３】 III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層
とｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたII
I 族窒化物半導体発光素子において、 上記発光層と当該発光層と同一の電気伝導形の障壁層と
の中間に、発光層から該障壁層に向けて発光層内のイン
ジウム原子濃度を減少させる組成遷移層ΔＳVを配置
し、上記発光層と当該発光層とは反対の電気伝導形の障
壁層との中間に、発光層から該障壁層に向けて発光層内
のインジウム原子濃度を減少させる組成遷移層ΔＳW を
配置し、組成遷移層ΔＳV の層厚を組成遷移層ΔＳW の
層厚より大とした、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 【請求項４】 III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層
とｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層としての井戸層と、その井戸層に
比して禁止帯幅をより大とするインジウム含有III 族窒
化物半導体から成り且つ当該井戸層と同一の電気伝導形
を有するバリア層とを積層して成る量子井戸構成体を挟
持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光素子
において、 上記量子井戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側にお
けるインジウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVaと、上記量
子井戸構成体とは反対の電気伝導形の障壁層側における
インジウム原子濃度の遷移領域幅Δｔwaとの関係をΔｔ
wa＜ΔｔVaとするインジウム原子の濃度分布を有する発
光部を備えている、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 【請求項５】 上記遷移領域幅ΔｔVa、Δｔwaを、イン
ジウム原子濃度が量子井戸構成体内インジウム原子濃度
より２桁減少する量子井戸構成体から各障壁層に向けて
の距離で表し、この量子井戸構成体から各障壁層に向け
て２桁減少する距離としての遷移領域幅ΔｔVa、Δｔwa
においてΔｔVaを２５０ナノメータ（ｎｍ）以下、Δｔ
Waを２０ナノメータ（ｎｍ）以下とする、 ことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。 - 【請求項６】 III 族窒化物半導体から成るｎ形障壁層
とｐ形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層としての井戸層と、その井戸層に
比して禁止帯幅をより大とするIII 族窒化物半導体から
成り且つ当該井戸層と同一の電気伝導形を有するバリア
層とを積層して成る量子井戸構成体を挟持して成る発光
部を備えたIII 族窒化物半導体発光素子において、 上記量子井戸構成体の各終端層が井戸層の場合、量子井
戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側におけるインジ
ウム原子濃度の遷移領域幅ΔｔVbと、上記量子井戸構成
体とは反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δｔwbとの関係をΔｔwb＜ΔｔVb
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部とし、 上記量子井戸構成体の各終端層がインジウムを含まない
バリア層の場合、井戸層と同一の電気伝導形の障壁層に
接する終端層側おけるインジウム原子濃度の遷移領域幅
ΔｔVc と、井戸層とは反対の電気伝導形の障壁層に接
する終端層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅
Δｔwcとの関係をΔｔwc＜ΔｔVcとするインジウム原子
の濃度分布を有する発光部とした、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 【請求項７】 上記遷移領域幅ΔｔVb、Δｔwbを、イン
ジウム原子濃度が井戸層内インジウム原子濃度より２桁
減少する井戸層から各障壁層に向けての距離で表し、こ
の井戸層から各障壁層に向けて２桁減少する距離として
の遷移領域幅ΔｔVb、ΔｔwbにおいてΔｔVbを２５０ナ
ノメータ（ｎｍ）以下、ΔｔWbを２０ナノメータ（ｎ
ｍ）以下とし、 上記遷移領域幅ΔｔVc、Δｔwcを、インジウム原子濃度
が井戸層内インジウム原子濃度より２桁減少する井戸層
から各終端層に向けての距離で表し、この井戸層から各
終端層に向けて２桁減少する距離としての遷移領域幅Δ
ｔVc、ΔｔwcにおいてΔｔVcを２５０ナノメータ（ｎ
ｍ）以下、ΔｔWcを２０ナノメータ（ｎｍ）以下とし
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
発光素子。
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|---|---|---|---|
| JP33454197A JP3577206B2 (ja) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 |
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| JP33454197A JP3577206B2 (ja) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 |
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|---|---|
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005217421A (ja) * | 2004-01-30 | 2005-08-11 | Lumileds Lighting Us Llc | 改善された高電流効率を有するｉｉｉ族窒化物発光デバイス |
| JP2007318044A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置とその製造方法 |
| JP2009253164A (ja) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 量子井戸構造の形成方法および半導体発光素子の製造方法 |
-
1997
- 1997-12-04 JP JP33454197A patent/JP3577206B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2007318044A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置とその製造方法 |
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