ＩＩＩ族窒化物半導体素子及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層
【課題】単層で発光波長が相違する複数の発光を出射するＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】基体と、基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【解決手段】基体と、基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に関し、より詳しくは、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及び数的に単一な層でありながら、波長が相違する複数の可視光（多波長光）を出射できるガリウム（Ｇａ）を含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体層は、可視光を出射する発光層等を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。窒化ガリウム・インジウムからは、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＰ）等の化合物半導体材料では得られない深緑色から青色までの発光が得られるとされる（特許文献１参照）。更に、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
窒化ガリウム・インジウムにあっては、亜鉛等の不純物は、禁止帯幅（ｂａｎｄ ｇａｐ）に相当する光子エネルギーとは別のエネルギーの光吸収を発生させると報告されている（特許文献１参照）。このような光吸収を生ずる不純物としては、亜鉛の他に、カドミウム（元素記号：Ｃｄ）、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、銅（元素記号：Ｃｕ）が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の不純物を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）層から発光層を構成する技術も知れている。例えば、ｎ型とｐ型の不純物（ドーパント）とを共に添加した形成した窒化ガリウム・インジウム層を発光層としてＬＥＤを構成する技術である（特許文献２〜４参照）。ｎ型不純物としては、珪素（元素記号：Ｓｉ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、硫黄（元素記号：Ｓ）がｎ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。また、ｐ型不純物としては、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、ベリリウム、カルシウム（元素記号：Ｃａ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、水銀（元素記号：Ｈｇ）がｐ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。
【０００５】
ｎ型とｐ型の双方の不純物を添加した、具体的には珪素と亜鉛とを添加した窒化ガリウム・インジウム層を発光層として、青色光を出射する単色の発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）を構成する技術例が知れている（特許文献２〜４参照）。ｎ型とｐ型不純物の双方を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層を発光層とする従来のＬＥＤから出射される発光は、発光ピーク（ｐｅａｋ）波長を４９０ナノメートル（単位：ｎｍ）とする青色の単色光である（特許文献２〜４参照）。
【０００６】
また、青色光を発するＬＥＤを利用して、白色光を発するＬＥＤを構成する技術も公知となっている。例えば、窒化ガリウム・インジウム層からなる発光層から出射される青色光により、蛍光体を励起させ、白色の励起光を出射するＬＥＤを構成する技術である（例えば、特許文献５〜８参照）。この蛍光型白色ＬＥＤを構成するための蛍光体としては、青色光又は紫外光により励起され、白色蛍光を発する例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）等が用いられている（例えば、特許文献９〜１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献２】特許第２５６０９６４号公報
【特許文献３】特許第２５７６８１９号公報
【特許文献４】特許第３５００７６２号公報
【特許文献５】特開平０７−０９９３４５号公報
【特許文献６】特許第２９００９２８号公報
【特許文献７】特許第３７２４４９０号公報
【特許文献８】特許第３７２４４９８号公報
【特許文献９】特許第２９２７２７９号公報
【特許文献１０】特許第３５０３１３９号公報
【特許文献１１】特許第３７００５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
窒化ガリウム・インジウムを発光層として利用する上記の蛍光型白色ＬＥＤに付随する第一の問題点は、そもそも、青色光等により励起され、波長が相違する蛍光を発する蛍光体を用いる必要があり、ＬＥＤの生産工程は冗長となり、また煩雑となることである。また、第二の問題点は、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、窒化ガリウム・インジウム層等からなる発光層からの発光の波長の差異に応じて、蛍光体として用いる希土類（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ）元素を添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の組成を微妙に、精緻に変化させる必要があり、演色性の一定した白色系ＬＥＤを得るのが煩瑣となることである。
【０００９】
窒化ガリウム・インジウム層を発光層とする従来構造の白色ＬＥＤについての技術上の問題点は、例えば、窒化ガリウム・インジウム発光層から出射される青色光と、その青色光により励起され、青色と補色の関係にある黄色の蛍光を発する蛍光体との組み合わせからなる白色ＬＥＤ（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」（２００６年３月３１日、森北出版（株）発行、第１版第１刷）、１７４頁参照）の場合に端的に現れる。
【００１０】
このいわば補色光型の白色ＬＥＤには、セリウム（元素記号：Ｃｅ）を添加したＹＡＧ蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１８４〜１８５頁参照）。しかしながら、同様の色調の白色ＬＥＤを得るために、この励起光として利用する青色光の波長の差異に応じて、その都度、イットリウム（元素記号：Ｙ）、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、ガドリニウム（元素記号：Ｇｄ）、又はガリウム（元素記号：Ｇａ）の組成を微妙に変化させたＹＡＧ蛍光体を用いて作製されているのが現状である。
【００１１】
ましてや、補色型白色ＬＥＤにあっては、白色光を得るために混色させるのは、主に、補色の関係にある２色の発光である。このため、補色の関係にある２色の発光の強度の比率に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題も生じている。従って、補色型白色ＬＥＤにあっては、いずれにしても混光により、一定した演色性をもたらす白色ＬＥＤを安定して得るには技術上の困難さをともなうものとなっている。
【００１２】
従来の蛍光型或いは補色型の白色ＬＥＤには、青色光等の励起光よりも長波長側に主たる蛍光を発生させる蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１７６〜１７９頁参照）。即ち、励起光とそれよりも長波長の蛍光とを混光させて白色ＬＥＤをなしている。
【００１３】
例えば、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム単層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせることが出来れば、上記の蛍光型或いは補色型とは別の型の白色ＬＥＤに付随する従来の問題も解決を図れる。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の各色光を出射できる窒化ガリウム・インジウム層を発光層とすれば、ＲＧＢ混光型白色ＬＥＤを構成するのに利便となる。即ち、（１）赤色（Ｒ）又は緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）を各々、出射できる発光層をそれぞれ、個別に設け、（２）また、複数の発光層を設ける必要があることに加えて、発光を閉じ込めるためのクラッド（ｃｌａｄ）層を上記の各発光層につき各々、個別に設ける必要も無くなり、混光による白色ＬＥＤを簡便に得る目的を達成できる。
【００１４】
しかしながら、現状では、数的に単一な層（単層）でありながら、波長が相違する複数の発光をもたらしつつ、尚更のこと、発光強度に優れるガリウムを含む（ガリウム含有）ＩＩＩ族窒化物半導体単層、例えば、窒化ガリウム・インジウム単層を構成するための要件は明確となっていない。
本発明は、本発明の一つの産業上の利用分野であるＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤに係る上記の従来技術の問題点を回避すべくなされたものである。即ち、本発明は、波長が相違する複数の発光をもたらすためにガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層が備えるべき構成要件を、単層の内部に含まれる遷移金属の濃度を基に明確にすると共に、（ｉ）数的に単一な層、即ち、単層でありながら、発光波長が相違する複数の発光を高い強度で出射できるガリウムを必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体単層、（ｉｉ）そのガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、一つ又は二つ以上備えた発光強度に優れるＩＩＩ族窒化物半導体素子の例とし、蛍光材料からの蛍光を利用しない白色ＬＥＤを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、［１］〜［２０］に係る発明が提供される。
［１］基体と、前記基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［２］前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［３］前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［４］前記遷移金属が、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［５］鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする前項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［６］鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［７］モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［８］タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［９］クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１０］マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする前項６乃至９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１１］基体上に形成されたガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され、且つ必須の構成元素としてガリウム（元素記号：Ｇａ）を含み、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域で波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１２］前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１３］前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１４］前記遷移金属が、鉄（元素記号：Ｆｅ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）、タンタル（元素記号：Ｔａ）及びクロム（元素記号：Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種であり、且つ、当該遷移金属の合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１１乃至１３の何れか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１５］鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする前項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１６］鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１７］モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１８］タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１９］クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２０］マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする前項１６乃至１９のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に依れば、発光強度の高い各色光を混光させてなる高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤを、従来技術如く蛍光体を用いずとも簡便に提供できる。
また、緑色、赤色又は青色を帯びた白色系光を出射できるＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供するのに好都合となる。
特に、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の遷移金属の各原子濃度を少量に規定し、深い不純物準位の密度が小さいことにより、発光強度に優れる白色光を出射するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。
【図２】実施例１における多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による遷移金属の原子濃度の深さ方向の分布を示す図である。
【図３】比較例１に記載の窒素プラズマの発光スペクトルである。
【図４】比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布を示す図である。
【図５】比較例１に記載のＬＥＤの電流ドリフトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例である。
【００１９】
＜多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層＞
本実施の形態が適用されるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、数的に単一でありながら、相違する波長の多波長光を同時に放射するものである。多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、半導体材料基板または金属材料基板等の基体上に設ける。基板には、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶基板、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶からなる基板を例示できる。基体には、バルク（ｂｕｌｋ）結晶基板に限定されず、例えば、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体やリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
【００２０】
上記の材料からなる基板或いはエピタキシャル成長層は、数的に単一の層（単層）でありがら波長が相違する複数の波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体層（多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層）を井戸層として量子井戸構造の発光層を形成する場合にも利用できる。演色性の高い白色ＬＥＤを得るときは、広い波長の範囲で多くの発光（多波長光）を放射する、複数のＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層として発光層を形成する。所謂、複数の井戸層を備えた多重量子井戸構造（英略称：ＭＱＷ）とすると、各多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からの発光を混光できて白色ＬＥＤ等を得るに好都合である。
【００２１】
本実施の形態では、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物とが共に添加されたＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。特に、ガリウムを必須の構成元素として含む、窒素等の第Ｖ族元素よりも、ガリウム等の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、バンド端発光とは別に、バンド（ｂａｎｄ）端発光より長い波長の領域で、波長が相違する３以上の光を同時に放射できるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
【００２２】
多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層とは、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できる機能を有する層である。特に、上記の波長帯域に於いて、隣接する発光との波長の差を１０ｎｍ以上で６０ｎｍ以下とする３以上の光を発するガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は白色ＬＥＤをなすための白色光を発する発光層として好適に利用できる。
例えば、波長４１９ｎｍの第１の発光と、第１の発光との発光波長の差を３５ｎｍとする波長４５４ｎｍの第２の発光と、第２の発光との発光波長の差を５１ｎｍとする波長５０５ｎｍの第３の発光と、第３の発光よりさらに長波長側に、第３の発光との発光波長の差を６０ｎｍとする波長５６５ｎｍの第４の発光をもたらせるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は白色ＬＥＤ用途の発光層として好適に利用できる。
【００２３】
また、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する３以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、赤色を帯びたパステル（ｐａｓｔｅｌ）色調の白色系ＬＥＤをなすための機能層、特に、発光層として利用できる。
【００２４】
また、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、青色光や緑色光を発光の成分として含む淡色（パステル色）の白色系ＬＥＤを得るための機能層、特に、発光層として利用できる。各発光の波長は、フォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）法やカソードルミネッセンス（英略称：ＣＬ）法等により測定できる。
【００２５】
４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層と、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射するガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層との双方を使用して発光層を構成することもできる。
例えば、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射する窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射するＧａＸＩｎ１−ＸＮ単層を別の井戸層とする多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を構成すれば、青緑色から赤色の複数の発光を混光でき、より演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができる。
【００２６】
波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体単層を（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）から構成する場合、ＧａＸＩｎ１−ＸＮ単層は、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造であっても構わない。また、相分離（ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を生じないインジウム（Ｉｎ）組成（＝１−Ｘ）のＧａＸＩｎ１−ＸＮ（０．９０＜Ｘ≦１或いは０≦Ｘ≦０．１）からも構成できる。ガリウム（Ｇａ）組成（＝Ｘ）又はインジウム（Ｉｎ）組成（１−Ｘ）の大きな、端的にはＧａＮ又は窒化インジウム（ＩｎＮ）のようなそもそも相分離の無い層では、相分離に起因するＧａＸＩｎ１−ＸＮ層内でのインジウム濃度の不均一性に因り、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が層内で不均一に分布するのを避けることができる。これにより、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が形成する準位間の光学的遷移に基づく多波長発光をなす各発光の波長を均一とするのに優位となる。
【００２７】
ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を６×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下とし、且つ、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上で３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲とすることにより、多波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体単層を効率的に形成できる。ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、例えば２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）法等で定量することができる。
【００２８】
珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体単層は、例えば、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｉｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。これらの成長手段にあって、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、同層へのＳｉ及びＭｇのドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）量を調節することをもって調整する。ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式；ＳｉＨ４）やメチルシラン（分子式：ＣＨ３ＳｉＨ３）等のシラン類を珪素（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ＭＯＣＶＤ法では、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（略記号：Ｃｐ２Ｍｇ）等の有機マグネシウム化合物をマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源として利用できる。
【００２９】
特に、ＭＢＥ法は、多波長の発光を呈するＩＩＩ族窒化物半導体単層を上記の他の気相成長法と比較して、より低温で形成できる利点がある。例えば、基体温度にして４５０℃から５２０℃の低温でＧａＸＩｎ１−ＸＮ層を成長できる。このため、例えば、ｎ型Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層とｎ型ＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造にあって、アクセプター不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）の障壁層への拡散、侵入を抑制することができ、障壁層が高抵抗となるのを、または伝導形がｐ型に変換されるのを回避するのに効果をあげられる。これにより、井戸層と障壁層との間でのｐｎ接合の形成を回避できる。従って、井戸層と同一の伝導形を呈する障壁層とからＭＱＷ構造を構成できるため、電気的導通性に優れるＭＱＷ構造の発光層を構成できる。
【００３０】
珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を形成するに際し、上記のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量を多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を高める程、或る波長領域に生ずる波長が相違する発光の数を増加させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度が４×１０１８ｃｍ−３である場合に於いて、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満の２×１０１６ｃｍ−３であるＧａＮ層の場合、ＧａＮのバンド端発光は生ずるものの、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に発光は生じない。一方、同様の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を有し、且つ、原子濃度が８×１０１７ｃｍ−３となるように、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすると、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に例えば、合計４つの波長が相違する多波長光を同時に出射するＧａＮ単層を形成できる。
【００３１】
また、マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量をより多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度をより高める程、より長波長の帯域に多波長光を発生させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度を１〜４×１０１９ｃｍ−３とし、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を４×１０１７ｃｍ−３とするＧａＸＩｎ１−ＸＮの場合には、波長を４５０ｎｍとする単一の発光のみ観測される。これに対し、インジウム組成を同一としながらも、マグネシウム（Ｍｇ）が原子濃度にして３×１０１８ｃｍ−３とより多くが含まれるときは、多波長発光の発光が顕現され、その中での最長の波長は５８０ｎｍに到達する（後述する図１参照）。
【００３２】
異なるＩＩＩ族窒化物半導体単層からＭＱＷ構造の発光部を構成する場合には、より短い波長の領域で多波長光を同時に出射できるＩＩＩ族窒化物半導体単層である程、発光の取り出し方向のより上方に配置させる。より下方にある多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層から出射される発光の吸収を避け、ＬＥＤの外部へ多波長光を効率的に取り出すためである。例えば、波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ近傍の領域に多波長光を発するＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第１の多重量子井戸構造上の、発光の外部への取り出し方向に向かう上方には、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの領域で多波長光を発するＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第２の多重量子井戸構造を設けて、これにより全体としてＭＱＷ構造の発光部を構成する。
【００３３】
上記のように多波長の発光を生ずる異なるＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする第１及び第２の量子構造にあって、第１及び第２の量子井戸構造をなす障壁層の構成材料は、必ずしも同一とする必要はない。第１及び第２の量子井戸構造の障壁層は、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層の禁止帯幅に対応して選択された異なるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成できる。例えば、上記の第１の量子井戸構造については、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）から障壁層を構成し、第２の量子井戸構造を（組成式ＡｌＹＧａ１−ＹＮ：０≦Ｙ≦１、但し、Ｙ≧Ｘ）を構成できる。
【００３４】
本実施の形態では、多波長発光を同時に発光できるＩＩＩ族窒化物半導体単層を、第Ｖ族元素に対して、元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むとは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は窒化インジウム（ＩｎＮ）等の２元系（２元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあって、ガリウム（Ｇａ）又はインジウム（Ｉｎ）又はアルミニウム（Ａｌ）が窒素よりも化学量論的に富裕に含まれていることを云う。例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ：０＜Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等の多元系（多元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、第ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の合計の原子の濃度が、窒素原子の濃度を上回っていることを指す。
【００３５】
また、砒化窒化ガリウム（組成式ＧａＡｓ１−αＮα：０＜α＜１）やリン化窒化アルミニウム（組成式ＡｌＰ１−βＮβ：０＜β＜１）等の窒素以外の第Ｖ族元素（この例では、砒素（元素記号：Ａｓ）及びリン（元素記号：Ｐ））を含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）又はアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度が、窒素（Ｎ）及び窒素以外の第Ｖ族元素の合計の原子濃度よりも高いことを云う。第ＩＩＩ族元素と第Ｖ族元素の原子濃度の総量の比率が１：１であれば、それは第ＩＩＩ族元素富裕でもなく、また第Ｖ族元素富裕でもなく、化学量論的組成である。
【００３６】
化学量論的な組成のズレは、例えば、高速反射電子線回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）等の電子線回折技法等でＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の再配列構造を調査すれば判定できる。
例えば、固体ソースＭＢＥ法やガスソースＭＢＥ法等の真空中でＩＩＩ族窒化物多波長発光層を基体上に堆積する成長手段では、ＲＨＥＥＤ法を有効に利用することができる。このため、基体上の堆積層が多波長を同時に発光するのに必要なガリウム等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕とするＩＩＩ族窒化物半導体層であることをその成長場に於いて、リアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で確認できる。
【００３７】
ＲＨＥＥＤ法により得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の表面からの回折パターン（ＲＨＥＥＤパターン）に、堆積中に常時、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含む再配列構造に起因する輝線（ｓｔｒｅａｋ ｌｉｎｅ）を継続して生じつつ、堆積して出来上がるＩＩＩ族窒化物半導体層は、層全体としても、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層であるとみなす。
【００３８】
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）若しくはインジウム（Ｉｎ）等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層、例えば、ガリウム（Ｇａ）を窒素より富裕に含むＧａＮであれば、ＲＨＥＥＤパターン上には、例えば（２×２）等の再配列を示す回折パターンが現れる。逆に、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からのＲＨＥＥＤパターンは、（３×３）再配列構造である。また、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）とを窒素より化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ）の場合、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝１−Ｘ）が小さいときは、（２×２）再配列構造が出現し、インジウム（Ｉｎ）組成比が大きいときは、（３×１）再配列構造が出現する。
【００３９】
第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素と比較して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層からは、化学量論的組成或いは第Ｖ族元素を富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層よりも高い強度の発光を呈する多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を構成できる。例えば、珪素単体金属を珪素のドーピング源とし、マグネシウム単体金属をマグネシウムのドーピング源として、固体ソースＭＢＥ法により成膜した、ガリウムを化学量論的に富裕に含み、表面を（２×２）再配列構造とするＳｉ及びＭｇドープ多波長同時発光ＧａＮ層からの最大のＰＬ強度を仮に、１とする。これに対し、固体ソースＭＢＥ法で成長させた、表面を（３×３）再配列構造とし、窒素を化学量論的に富裕に含むＳｉ及びＭｇドープＧａＮ層のＰＬ強度は、０．０８と極めて微弱なものである。
【００４０】
第ＩＩＩ族元素を、窒素等の第Ｖ族元素より化学量論的に富裕に含み、尚且つ、遷移金属の含有量が少ないＩＩＩ族窒化物半導体単層は、より高い発光強度を呈する多波長発光層を構成するのに優位となる、ＩＩＩ族窒化物半導体内で深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ）を形成する遷移金属（ＪＡＣＱＵＥＳ Ｉ． ＰＮＫＯＶＥ ａｎｄ ＴＨＥＯＤＯＲＥ Ｄ． ＭＯＵＳＴＡＫＡＳ （Ｅｄｉｔｏｒｓ．），”Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ （ＧａＮ） Ｉ， ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ ＡＮＤ ＳＥＭＩＭＥＴＡＬＳ Ｖｏｌｕｍｅ ５０”（１９９８， ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ），ｐ．ｐ．３６１−３６２．）を低濃度に規定することにより、ディープレベルを形成する不純物の量を低下させれば、より効率的に放射再結合等を生じさせられるからである。即ち、高い強度の発光を呈する多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層をもたらすことができる。
【００４１】
本実施の形態における遷移金属とは、通常、一般的に遷移金属として分類されている元素である。即ち、原子番号が２２（チタン（元素記号：Ｔｉ））から３０（亜鉛（元素記号：Ｚｎ））、４０（ジルコニウム（元素記号：Ｚｒ））から４２（モリブデン（元素記号：Ｍｏ））、４４（ルテニウム（元素記号：Ｒｕ））から４８（カドミウム（元素記号：Ｃｄ））、及び７２（ハフニウム（元素記号：Ｈｆ））から８０（水銀（元素記号：Ｈｇ））までの元素を云う。本発明では特に、ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長時に時として不可避的に層内に混入し、深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ）を形成する鉄（元素記号：Ｆｅ）、クロム（元素記号：Ｃｒ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）及びタンタル（元素記号：Ｔａ）の濃度を規定する。
【００４２】
これらの遷移金属元素の中で、鉄は、ＭＢＥ法、化学ビーム（ｂｅａｍ）エピタキシャル成長（英略称：ＣＢＥ）法、レーザアブレーション法やＭＯＣＶＤ法等のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長するための成長チャンバー等を構成するのに一般的に用いられているｓｕｓ３０４−、ｓｕｓ３１６−やｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼の構成元素である。クロムはＪＩＳ（日本工業規格）のステンレス鋼の種類の記号による上記のｓｕｓ３０４−ステンレス鋼等に添加元素として１６％〜１８％の重量比率で含まれている。モリブデンはｓｕｓ３１６−やｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼に添加元素として２％〜３％の重量比率で含まれている。
【００４３】
また、モリブデンやタンタルの炭化物は、化学的気相堆積（英略称：ＣＶＤ）法や物理的気相堆積（英略称：ＰＶＤ）法等の技術手段により成長させるに際し、基体としてのサファイア（Ａｌ２Ｏ３単結晶）基板やシリコン（Ｓｉ）基板を保持するためのサセプター（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）等の冶具の構成材料として用いられている（例えば、特開平６−１７２０８８号公報参照）。また、タンタルはＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積する成長温度に基体を加熱するためのヒーターエレメントとしても使われている。
【００４４】
一般的な高周波プラズマＭＢＥ法又はＥＣＲ（エレクトロンサイクロトロンレゾナンス）方式高周波プラズマＭＢＥ法等のＰＶＤ法では、窒素プラズマ等の窒素原子を含有するプラズマ（ｐｌａｓｍａ）を窒素源として、上記の基板や半導体層等の基体表面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる。一方で、特別の配慮をしない限り、窒素プラズマに因り、成長チャンバーの炉壁をなすスンテンレス鋼或いはヒーターを構成するタンタル（Ｔａ）材料等がスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）されることとなる。このため、炉壁をなすステンレス鋼等を汚染源として、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）等の遷移金属元素がＩＩＩ族窒化物半導体層内へ混入する事態を生ずる。
【００４５】
本実施の形態では、成長チャンバー又はその内部に配備されている部品を構成する材料からの遷移金属元素によるＩＩＩ族窒化物半導体層の汚染を抑制するために、ＭＢＥ法で成長するにあたり、特別な構成の窒素プラズマ雰囲気中でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するのを得策とする。特別な構成の窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯（ｓｅｃｏｎｄ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｅｒｉｅｓ）に由来する発光を殆ど生じない（発生しない場合を含む。）窒素プラズマである。高純度の窒素ガスに高周波を印加して生成した窒素分子の第二正帯の由来する発光を生じない窒素プラズマは、本発明に係る窒素プラズマとして最適である。
【００４６】
窒素分子の第二正帯の由来する発光を生じない窒素プラズマを発生させるには、体積濃度にして、酸素ガス（分子式：Ｏ２）濃度を０．１ｐｐｍ未満とし、一酸化炭素（分子式：ＣＯ）及び二酸化炭素（分子式：ＣＯ２）の濃度をそれぞれ、０．１ｐｐｍ未満とし、炭化水素ガス類の濃度を０．０５ｐｐｍ未満とし、水分（分子式：Ｈ２Ｏ）の濃度を０．５５ｐｐｍ未満とする、露点をマイナス（−）８０℃を越えて低くする、例えば（−）８５℃とする純度９９．９９９９５％以上の高純度窒素ガスが適する。
【００４７】
窒素プラズマ内での窒素分子の第二正帯に由来する発光の有無は、窒素プラズマからの発光スペクトルから知ることができる。窒素プラズマの発光スペクトルは、一般的な分光器を使用して測定できる。窒素分子の第二正帯に由来する発光は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長の範囲に生ずる。
図１は、本実施形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。図１には、回折格子型の分光器を用いて測定した、本実施の形態の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を高周波プラズマＭＢＥ法で堆積するのに適する窒素プラズマからの発光スペクトルが例示されている。本実施の形態に好適な窒素プラズマとは、図１に示す如く、波長３００ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲に窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマである。上記の高純度窒素ガスを使用すれば、窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを簡便に発生させることができる。
【００４８】
本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するための高周波の周波数を１３．５６メガヘルツ（単位：ＭＨｚ）とする場合には、入力する電力は、２００Ｗ以上で６００Ｗ以下とするのが適する。さらに、２５０Ｗ以上で４５０Ｗ以下の範囲とするのがより適する。図１に例示した発光スペクトルは、流量を毎分０．４ｃｃに設定した高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を４００ワット（単位：Ｗ）の電力で入力して発生させた際のものである。６００Ｗを超える電力を入力すると、窒素分子の第二正帯に由来する発光の強度が高まるため不適である。入力する電力が２５０Ｗ未満と小さくては、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに充分な窒素プラズマを発生させられない。このため、層状ではなく、ガリウムの液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を含む不連続なＩＩＩ族窒化物半導体層が帰結される確率が高まるため望ましくはない。
【００４９】
高いエネルギー状態に励起された（遷移状態：Ｃ３Πｕ→Ｂ３Πｇ）窒素分子の存在を示す窒素分子の第二正帯からの発光を生じないか、又は殆ど生じない窒素プラズマを窒素源として多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積すると成長チャンバー等を構成する材料のスパッタされる程度を減少させられる。窒素分子の第二正帯からの発光を殆ど生じない窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯による発光の強度が、波長７４５ｎｍの原子状窒素による発光の強度に比較して、１／１０以下であることを云う。このため、窒素プラズマに因り、例えば炉壁をなすｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼が顕著にスパッタされるのを抑制でき、ステンレス鋼に含まれる鉄、モリブデンやクロム等の遷移金属元素が堆積中のＩＩＩ族窒化物半導体層内に多く取り込まれるのを回避できる。
【００５０】
また、本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するのに適する窒素プラズマに係るもう一つの特徴は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍに出現する３本の原子状（ａｔｏｍｉｃ）窒素の発光ピークの強度の相対的関係にある。本発明で窒素源として好適に使用できるのは、波長７４５ｎｍの発光ピークの強度が最大であり、次に波長８６９ｎｍの発光ピークの強度が高く、波長８２１ｎｍの発光ピークの強度が３本の発光ピークの中で最も低いことにある。機構は充分に解明できていないが、このようなピーク強度に於ける相対的関係を有する窒素プラズマを窒素源とすれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を簡便に安定してもたらすのに効果を上げられる。
【００５１】
数的に単一なＩＩＩ族窒化物半導体単層を基体上に堆積する場合のみならず、ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数、用いるに際しても、各単層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマを窒素源として形成する。例えば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、その井戸層を複数、用いて多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を形成する場合を例にして説明する。例えば、ドナー不純物とアクセプター不純物の相対的な濃度比率を同一とするか否かに拘わらず、ＭＱＷ構造の発光層をなす各井戸層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。また、例えば、層厚を同一とするか又は異にするかに拘わらず、各井戸層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。
【００５２】
図１に例示したような窒素分子の第二正帯からの発光のない窒素プラズマを窒素源として、例えば、固体ソース高周波プラズマＭＢＥ法で珪素とマグネシウムの双方をドーピングしつつＧａＮ層を成長させると、鉄、モリブデン、タンタル、及びクロムの合計の原子濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体層を簡便にしかも安定して形成できる。このような深い準位を形成し得る遷移金属の濃度が低いＩＩＩ族窒化物半導体層は、高い発光強度を呈する白色ＬＥＤを得るのに優位に利用できる。深い準位を形成し得る鉄、モリブデン、タンタル、及びクロムの合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超えると得られる発光強度は極端に低下するため、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤを得るに不利となる。
【００５３】
さらに、（１）鉄の原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用い例えば、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ）構造ＬＥＤを構成すると、高い強度の発光を呈し、尚且つ、順方向電流の経時変化（ドリフト）の小さなＬＥＤを得ることができる。多くの場合、順方向電流が通流時間の経過とともに減少する現象が観られるが、鉄の原子濃度を上記範囲とすることでドリフトを抑制することができる。高強度の発光をもたらしつつ、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、モリブデンの原子濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。また、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、タンタルの原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。また、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、クロムの原子濃度を３×１０１５ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。これらの遷移金属元素の原子濃度は、例えば、一般的なＳＩＭＳ法等で定量できる。
【００５４】
遷移金属の種類に依って、電流ドリフトが顕著に発生する原子濃度の上限に差異があるのは、ＩＩＩ族窒化物半導体層の内部での電子等のキャリア（担体）の捕獲効率の差に起因すると推考される。或いは、遷移金属の種類に依って、ＩＩＩ族窒化物半導体層の内部で誘引される電子等を捕獲（ｔｒａｐ）する結晶欠陥が発生する度合いが異なる等と推考される。いずれにしても、遷移金属でも特に、鉄、モリブデン、タンタル、クロムのＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる各濃度を、上述した数値範囲内に調整することにより、順方向電流のドリフトを低減することに効果を上げられる。
【００５５】
電流のドリフト量（記号ΔＩで表す。）は、例えば、素子を動作させるために電圧を印加した直後の電流値（記号Ｉ０で表す。）に対する、一定の時間を経過した後の電流値（記号Ｉで表す。）との差の比率から次の式（１）で表せる。
ΔＩ＝（Ｉ−Ｉ０）／Ｉ０ ・・・・・式（１）
Ｉ＝Ｉ０の場合は、式（１）よりΔＩ＝０となり、電流は経時的に変化しない、即ち、電流ドリフトは無いことを意味する。Ｉ＞Ｉ０の場合は、ΔＩ＞０となり、電流は経時的に増加する増加ドリフトが起っていることを表している。ΔＩ＜０の減少ドリフトとなるのは、Ｉ０＞Ｉの場合である。
【００５６】
素子への電流の通流を長時間に亘り継続すると、深い準位を形成する遷移金属のキャリアの捕獲作用よりも、素子の発熱の影響を受けてＩが増減する場合がある。従って、深い準位を形成する遷移金属による電流ドリフトを計測するには、比較的に短い時間を経過した後のＩを基に算出するのが妥当である。例えば、素子への電流の通流後、５分間以上で３０分間以下を経過した後の電流値をＩとするのが妥当である。
【００５７】
ＧａＮ層に含まれる鉄、モリブデン、タンタル、クロムの各遷移金属の原子濃度を、何れも上述した範囲内（Ｆｅ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｍｏ≦５×１０１６ｃｍ−３、Ｔａ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）に調整し、且つ、多波長発光を呈する当該ＧａＮ層を発光層とするｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の淡緑色パステル色調のＬＥＤに、順方向に、２０ｍＡの電流を通流した場合、順方向に通流を開始した直後の電流値に対し、この通流を開始してから１０分間を経過した後の順方向電流値の変化を±５％以内に収めることができる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
本実施の形態が適用される多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層から構成する場合を例にして、図２を用いて説明する。
図２は、本実施例１における多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による遷移金属の原子濃度の深さ方向の分布を示す図である。図２には、本実施例１におけるＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布が示されている。
（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）−シリコン（Ｓｉ）基板の表面上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、後記のＩＩＩ族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（単位：Ｗ））窒素プラズマを用いた。窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の基体と対向する開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯による発光ピークの強度を減少させた。これにより、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した（図１参照）。窒素ガスの流量は毎分２．０ｃｃとした。
【００６０】
加えて、この窒素プラズマ用セルを用いて発生させた窒素プラズマからは、波長を７４５ｎｍ、８２１ｎｍ、及び８６９ｎｍとする３本の原子状窒素による発光が観測された。また、波長を７４５ｎｍとする発光が３本のうちで最大とし、波長を８６９ｎｍとする原子状窒素による発光ピークが、波長７４５ｎｍの発光ピークに次いで高く、また、波長を８２１ｎｍとする原子状窒素による発光ピークの強度が最も低い窒素プラズマとなった（図１参照）。
【００６１】
上記のＳｉ基板の表面上には、アルミニウム単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝３０ｎｍ）を成長した。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。次に、ＡｌＮ層上に、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源として、基板温度を７５０℃として、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。ガリウムのフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０−４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。
【００６２】
次に、ＧａＮ層上に、相分離を生じていない、層内のインジウム組成を均一とするインジウム組成を０．０２とした窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ）単層（層厚＝８００ｎｍ）を基板温度を５００℃として成長した。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。ガリウムのフラックス量は、１．１×１０−４Ｐａとし、インジウムのフラックス量は１．３×１０−６Ｐａとした。
【００６３】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長時には、珪素とマグネシウムとをドーピングした。珪素は、珪素単体をドーピング源としてドーピングした。ドーピング源の珪素を収納するクヌードセン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）セルの内部のＰＢＮ製ルツボ（坩堝）の温度は１１５０℃とした。マグネシウムのドーピング源には、高純度マグネシウム単体を用いた。特に、クロム、マンガン、鉄、及びニッケルの含有量をそれぞれ、０．２ｗｔ．ｐｐｍ、０．４ｗｔ．ｐｐｍ、０．３ｗｔ．ｐｐｍ、及び０．２ｗｔ．ｐｐｍとする純度９９．９９９９重量％（＝６Ｎ）のマグネシウムをドーピング源とした。ドーピング源としたマグネシウムを収納するＰＢＮ製クヌードセンセルの内部のルツボの温度は３５０℃とした。
【００６４】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長中には、高速反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により、表面の構造をリアルタイムで観察した。成長中の表面からは、インジウムの組成が小さい（＝０．０２）ため、第ＩＩＩ族元素であるガリウムが窒素より化学量論的に富裕であることを示す（２×２）の再配列構造を示すＲＨＥＥＤパターンが得られた。
【００６５】
室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測光では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層から、バンド端発光に加えて、波長を各々、３７５ｎｍ、３９２ｎｍ、４１９ｎｍ、４５５ｎｍ、５０５ｎｍ、及び５６５ｎｍとする複数の発光が観測された。即ち、４００ｎｍを超え５５０ｎｍ以下の波長の範囲で３つの発光が観測された。フォトルミネッセンス測光時にヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザ励起光を構造体の表面に照射した際の発光色はほぼ白色と視認された。
【００６６】
一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定したＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部の珪素の原子濃度は、３×１０１８ｃｍ−３であった。また、マグネシウムの濃度は、原子濃度は８×１０１７ｃｍ−３であった。両元素とも層内では、略一様の濃度で分布しており、珪素に対するマグネシウムの原子濃度の比率は、０．２７であった。
【００６７】
また、図２に示すＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布も、一般的なＳＩＭＳ法により測定した。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から深さ約１００ｎｍに至る領域）での上記の遷移金属元素の急激な原子濃度の増加は、単層の表面の吸着物質による影響（干渉）と解された。上記の遷移金属元素の中では、モリブデンの原子濃度が最も高く、１×１０１６ｃｍ−３であった。鉄及びタンタル及びクロムの原子濃度は概ね、検出限界以下であった（Ｆｅの検出限界＝１×１０１５ｃｍ−３、Ｔａの検出限界＝５×１０１４ｃｍ−３、Ｃｒの検出限界＝５×１０１４ｃｍ−３）。このように、窒素プラズマを窒素源とする場合であっても、特に、第２正帯に発光を生じない窒素プラズマを使用することにより、上記の遷移金属元素をＳＩＭＳ法での検出限界以下の低濃度とするＧａＩｎＮ層を成長するのに好適であることが示された。
【００６８】
（実施例２）
ここでは、本実施の形態において、波長が相違する複数の光を発する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層を井戸層とする多重量子井戸構造からなる多波長発光層を構成する場合を例に挙げて説明する。
Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ単層を井戸層とするＭＱＷ構造は、表面の結晶面方位を（１１１）とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型シリコン（Ｓｉ）を基板表面上に形成した。基板の表面は、弗化水素酸（化学式：ＨＦ）等の無機酸を使用して洗浄後、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を７×１０−５Ｐａの超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しつつ、基板の温度を７８０℃に昇温して、基板の表面が（７×７）構造の再配列構造を呈する迄、継続して加熱した。
【００６９】
（７×７）構造の再配列構造を呈するように清浄化された（１１１）−シリコン基板の表面上には、高周波（＝１３．５６ＭＨｚ）を印加してプラズマ化させた上記の実施例１に記載の窒素プラズマを用いたＭＢＥ法により、アンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝５ｎｍ）を７６０℃で形成した。窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃとし、また、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は７．２×１０−６Ｐａとした。
【００７０】
ＡｌＮ層上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、アンドープの窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）組成勾配層（層厚＝３００ｎｍ）を７６０℃で堆積した。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層のアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）は、ＡｌＮ層との接合面から組成勾配層の表面に向けて、０．３０から０（零）へと、組成勾配層の層厚の増加に比例してＡｌ組成を直線的に連続的に減少させた。組成勾配層の成長時には、窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃと一定とし、また、ガリウムのフラックス量も１．３×１０−４Ｐａと一定とした。一方で、アルミニウムフラックス量は、組成勾配層の成長開始時には７．２×１０−６Ｐａとし、それより成長時間の経過と共に直線的に減少させた。組成勾配層の成長終了時にはＡｌＮ層の表面へ向けてのＡｌのフラックスを遮断した。
【００７１】
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層（Ｘ＝０．３→０）上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、珪素ドープｎ型ＧａＮ層を堆積した。ＧａＮ層の層厚は１８００ｎｍとなるように、また、キャリア濃度は４×１０１８ｃｍ−３となるように成長条件を設定した。このＧａＮ層の層厚は１０００ｎｍを超える厚い膜のため、この層を成長するときに限り、一つのＭＢＥ成長チャンバーに取り付けた２機の高周波窒素プラズマ発生装置から窒素プラズマを発生させた。窒素ガスの流量は各々の発生装置につき毎分１．５ｃｃに設定した。２機のプラズマ装置から発生させた窒素プラズマは何れも図１に示したのと同様のスペクトルを呈した。ガリウムのフラックス量を１．３×１０−４Ｐａとして、１２０分間でＧａＮ層の成長を終了した。ＧａＮ層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった。
【００７２】
ｎ型ＧａＮ層の（２×２）再配列構造を有する表面上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、基板の温度を５５０℃として、多重量子井戸構造の障壁層とするアンドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２６ｎｍ）を堆積した。次に、同じく上記の窒素プラズマＭＢＥ法により、５５０℃で、このｎ型ＧａＮ障壁層に接合させて、珪素とマグネシウムを含むｎ型窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ）からなる井戸層（層厚＝４ｎｍ）を設けた。このｎ型障壁層とｎ型井戸層とからなる一対の構造単位を８対（８ペア（ｐａｉｒ））積層させた後、最上層として上記のｎ型ＧａＮ障壁層を堆積し、全体としてｎ型の伝導を呈する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層を形成した。
【００７３】
上記の発光層をなす多重量子井戸構造の一井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎからは、波長が相違する多数の発光が出射された。バンド端発光に加え、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で２個、５００ｎｍを超え７５０ｎｍ以下の波長帯域で４個、即ち、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長帯域で合計６個の発光が出射された。
【００７４】
上記の多重量子井戸構造の障壁層をなすＧａＮ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（２×２）再配列構造を示した。また、上記の多重量子井戸構造の井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（３×１）再配列構造を示した。このことから、上記の多重量子井戸構造に於ける一対の構造単位は、ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層と、第ＩＩＩ族元素（ガリウムとインジウム）を窒素より化学量論的に富裕に含むＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層とから構成されるものとなった。
【００７５】
一般的なＳＩＭＳ分析法に依れば、Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層に含まれる珪素の原子濃度は２×１０１８ｃｍ−３であった。また、マグネシウムの原子濃度は、珪素の原子濃度よりも低く、且つ、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）層の表面を急激に乱雑なものとするマグネシウム（Ｍｇ）の臨界的な原子濃度（＝３×１０１８ｃｍ−３）未満の４×１０１７ｃｍ−３であった。このため、上記の８対の構造単位を積層させた多重量子井戸構造の表面は凹凸が無い良好な平坦面となった。
【００７６】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を含め多重量子井戸構造の内部での鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの原子濃度を一般的なＳＩＭＳ法により測定した。その結果、上記の遷移金属元素の原子濃度は、何れも検出限界以下であった。因みに、ＳＩＭＳ測定時のモリブデン及び鉄の検出限界は、いずれも１×１０１５ｃｍ−３であった。また、タンタル及びクロムは、いずれも５×１０１４ｃｍ−３であった。即ち、第２正帯に発光を生じない窒素プラズマを窒素源とすれば上記の遷移金属類の含量の少ない多波長の発光を呈するＧａＩｎＮ層を成長するのに好適であることが示された。
【００７７】
（実施例３）
本実施例３では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を含む積層体を用いてＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを構成する場合を例に挙げて説明する。
本実施例３では、上記の実施例２に記載のＭＱＷ構造を発光層として利用し、その発光層上に、５２０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮ層（層厚＝９０ｎｍ）を設けて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用途のｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の積層体を形成した。窒素プラズマＭＢＥ法により、このｐ型ＧａＮ層を成長させる際にも、窒素分子の第２正帯による発光を生じない窒素プラズマを窒素源として用いた。ｐ型ＧａＮ層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ−３でとなるように成長条件を設定した。
【００７８】
その後、一般的なドライエッチング法により、ｎ型オーミック電極を形成する領域に在るＭｇドープｐ型ＧａＮ層及びＭＱＷ発光層を除去した。これらの層を除去して露出させたｎ型窒化ガリウム層の表面には、ｎ型オーミック電極を形成した。一方、エッチング後に残置したｐ型ＧａＮ層の表面にはｐ型オーミック電極とそれに電気的に導通する台座（ｐａｄ）電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。一辺の長さを約３５０ミクロンメートル（単位：μｍ）とする正方形の平面形状のＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすための蛍光体を設けることはしなかった。
【００７９】
作製したＬＥＤからは、目視で白色の発光色が確認された。また、ＭＱＷ構造の内部での鉄等の遷移金属の原子濃度は上記の第２実施例に記載の如く、何れも検出限界以下であったため、順方向電圧を３．５Ｖに固定して２０ｍＡの順方向電流の経時変化（電流ドリフト）を測定したところ、通流を開始した後から２５分間後の順方向電流に経時的な変化は殆どなかった。
【００８０】
（比較例１）
本比較例１では、遷移金属元素を多量に含む発光層を用いて試作したＬＥＤの性能を、上記の実施例３に係るＬＥＤと比較して説明する。
図３は、本比較例１に記載の窒素プラズマの発光スペクトルである。図３には、本比較例１に於いて、上記の実施例３に記載したＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を成長させるのに利用した窒素プラズマのスペクトルが示されている。図４は、本比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布を示す図である。図４には、窒素に関係するイオンを多量に含む窒素プラズマを用いて成長させた場合の井戸層内部の遷移金属元素の原子濃度の深さ方向の分布を示すＳＩＭＳ分析図が示されている。
【００８１】
上記の第３実施例に記載したＬＥＤ用途の積層構造体を形成するのに際し、ＭＱＷ構造の発光層を構成するＧａＮ障壁層とＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を成長させる場合に限り、窒素源として、窒素分子の第２正帯による高強度の発光を生ずる窒素プラズマ（図３参照）を利用した。窒素分子の第２正帯での発光強度は、図１に示した窒素プラズマ（図１参照）の約１００倍であった。
【００８２】
前述したように、図４には、積層構造体の表面からの深さ方向の鉄等の遷移金属の原子濃度の分布が示されている。図４に示すように、ＭＱＷ構造発光層の内部に含まれる鉄、モリブデン及びタンタルの原子濃度は、上述した原子濃度の範囲内（Ｆｅ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｍｏ≦５×１０１６ｃｍ−３、Ｔａ≦２×１０１６ｃｍ−３）であった。しかし、クロムのＣｒの原子濃度は約１×１０１６ｃｍ−３であり、上述した原子濃度の範囲（Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）を超え、クロムが高濃度に存在していた。
【００８３】
図５は、本比較例１に記載のＬＥＤの電流ドリフトを示す図である。本比較例１において作製したＬＥＤからは、目視で白色の発光色が確認されるものの、その発光強度は、実施例３に記載したＬＥＤのそれの約７０％と弱かった。また、ＭＱＷ構造の井戸層をなすＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層に含まれるクロムの原子濃度が、上述した原子濃度の範囲（Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）を上回っていたため、順方向電圧を３．５Ｖに固定して２０ｍＡの順方向電流を通流し始めてから２５分間に亘る経時変化（電流ドリフト）は、（−）８％と大きくなった。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
多波長光を同時に発光する機能は、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本実施の形態が適用される多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、単一の波長の光のみならず、波長が相違する複数の光を効率的に吸収する光電変換のための光吸収層、例えば、太陽電池の受光層を構成するのに優位となる。特に、遷移金属元素の含有量の少ない多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ディープレベルの電子又は正孔の捕獲による励起電流の経時的変化を抑制できるため利便に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に関し、より詳しくは、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及び数的に単一な層でありながら、波長が相違する複数の可視光（多波長光）を出射できるガリウム（Ｇａ）を含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体層は、可視光を出射する発光層等を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。窒化ガリウム・インジウムからは、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＰ）等の化合物半導体材料では得られない深緑色から青色までの発光が得られるとされる（特許文献１参照）。更に、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
窒化ガリウム・インジウムにあっては、亜鉛等の不純物は、禁止帯幅（ｂａｎｄ ｇａｐ）に相当する光子エネルギーとは別のエネルギーの光吸収を発生させると報告されている（特許文献１参照）。このような光吸収を生ずる不純物としては、亜鉛の他に、カドミウム（元素記号：Ｃｄ）、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、銅（元素記号：Ｃｕ）が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の不純物を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）層から発光層を構成する技術も知れている。例えば、ｎ型とｐ型の不純物（ドーパント）とを共に添加した形成した窒化ガリウム・インジウム層を発光層としてＬＥＤを構成する技術である（特許文献２〜４参照）。ｎ型不純物としては、珪素（元素記号：Ｓｉ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、硫黄（元素記号：Ｓ）がｎ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。また、ｐ型不純物としては、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、ベリリウム、カルシウム（元素記号：Ｃａ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、水銀（元素記号：Ｈｇ）がｐ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。
【０００５】
ｎ型とｐ型の双方の不純物を添加した、具体的には珪素と亜鉛とを添加した窒化ガリウム・インジウム層を発光層として、青色光を出射する単色の発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）を構成する技術例が知れている（特許文献２〜４参照）。ｎ型とｐ型不純物の双方を添加した窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層を発光層とする従来のＬＥＤから出射される発光は、発光ピーク（ｐｅａｋ）波長を４９０ナノメートル（単位：ｎｍ）とする青色の単色光である（特許文献２〜４参照）。
【０００６】
また、青色光を発するＬＥＤを利用して、白色光を発するＬＥＤを構成する技術も公知となっている。例えば、窒化ガリウム・インジウム層からなる発光層から出射される青色光により、蛍光体を励起させ、白色の励起光を出射するＬＥＤを構成する技術である（例えば、特許文献５〜８参照）。この蛍光型白色ＬＥＤを構成するための蛍光体としては、青色光又は紫外光により励起され、白色蛍光を発する例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）等が用いられている（例えば、特許文献９〜１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献２】特許第２５６０９６４号公報
【特許文献３】特許第２５７６８１９号公報
【特許文献４】特許第３５００７６２号公報
【特許文献５】特開平０７−０９９３４５号公報
【特許文献６】特許第２９００９２８号公報
【特許文献７】特許第３７２４４９０号公報
【特許文献８】特許第３７２４４９８号公報
【特許文献９】特許第２９２７２７９号公報
【特許文献１０】特許第３５０３１３９号公報
【特許文献１１】特許第３７００５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
窒化ガリウム・インジウムを発光層として利用する上記の蛍光型白色ＬＥＤに付随する第一の問題点は、そもそも、青色光等により励起され、波長が相違する蛍光を発する蛍光体を用いる必要があり、ＬＥＤの生産工程は冗長となり、また煩雑となることである。また、第二の問題点は、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、窒化ガリウム・インジウム層等からなる発光層からの発光の波長の差異に応じて、蛍光体として用いる希土類（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ）元素を添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の組成を微妙に、精緻に変化させる必要があり、演色性の一定した白色系ＬＥＤを得るのが煩瑣となることである。
【０００９】
窒化ガリウム・インジウム層を発光層とする従来構造の白色ＬＥＤについての技術上の問題点は、例えば、窒化ガリウム・インジウム発光層から出射される青色光と、その青色光により励起され、青色と補色の関係にある黄色の蛍光を発する蛍光体との組み合わせからなる白色ＬＥＤ（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」（２００６年３月３１日、森北出版（株）発行、第１版第１刷）、１７４頁参照）の場合に端的に現れる。
【００１０】
このいわば補色光型の白色ＬＥＤには、セリウム（元素記号：Ｃｅ）を添加したＹＡＧ蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１８４〜１８５頁参照）。しかしながら、同様の色調の白色ＬＥＤを得るために、この励起光として利用する青色光の波長の差異に応じて、その都度、イットリウム（元素記号：Ｙ）、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、ガドリニウム（元素記号：Ｇｄ）、又はガリウム（元素記号：Ｇａ）の組成を微妙に変化させたＹＡＧ蛍光体を用いて作製されているのが現状である。
【００１１】
ましてや、補色型白色ＬＥＤにあっては、白色光を得るために混色させるのは、主に、補色の関係にある２色の発光である。このため、補色の関係にある２色の発光の強度の比率に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題も生じている。従って、補色型白色ＬＥＤにあっては、いずれにしても混光により、一定した演色性をもたらす白色ＬＥＤを安定して得るには技術上の困難さをともなうものとなっている。
【００１２】
従来の蛍光型或いは補色型の白色ＬＥＤには、青色光等の励起光よりも長波長側に主たる蛍光を発生させる蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１７６〜１７９頁参照）。即ち、励起光とそれよりも長波長の蛍光とを混光させて白色ＬＥＤをなしている。
【００１３】
例えば、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム単層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせることが出来れば、上記の蛍光型或いは補色型とは別の型の白色ＬＥＤに付随する従来の問題も解決を図れる。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の各色光を出射できる窒化ガリウム・インジウム層を発光層とすれば、ＲＧＢ混光型白色ＬＥＤを構成するのに利便となる。即ち、（１）赤色（Ｒ）又は緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）を各々、出射できる発光層をそれぞれ、個別に設け、（２）また、複数の発光層を設ける必要があることに加えて、発光を閉じ込めるためのクラッド（ｃｌａｄ）層を上記の各発光層につき各々、個別に設ける必要も無くなり、混光による白色ＬＥＤを簡便に得る目的を達成できる。
【００１４】
しかしながら、現状では、数的に単一な層（単層）でありながら、波長が相違する複数の発光をもたらしつつ、尚更のこと、発光強度に優れるガリウムを含む（ガリウム含有）ＩＩＩ族窒化物半導体単層、例えば、窒化ガリウム・インジウム単層を構成するための要件は明確となっていない。
本発明は、本発明の一つの産業上の利用分野であるＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤに係る上記の従来技術の問題点を回避すべくなされたものである。即ち、本発明は、波長が相違する複数の発光をもたらすためにガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層が備えるべき構成要件を、単層の内部に含まれる遷移金属の濃度を基に明確にすると共に、（ｉ）数的に単一な層、即ち、単層でありながら、発光波長が相違する複数の発光を高い強度で出射できるガリウムを必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体単層、（ｉｉ）そのガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、一つ又は二つ以上備えた発光強度に優れるＩＩＩ族窒化物半導体素子の例とし、蛍光材料からの蛍光を利用しない白色ＬＥＤを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、［１］〜［２０］に係る発明が提供される。
［１］基体と、前記基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［２］前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［３］前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［４］前記遷移金属が、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［５］鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする前項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［６］鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［７］モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［８］タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［９］クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１０］マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする前項６乃至９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１１］基体上に形成されたガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され、且つ必須の構成元素としてガリウム（元素記号：Ｇａ）を含み、窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域で波長が異なる３個以上の光を同時に出射することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１２］前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１３］前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１４］前記遷移金属が、鉄（元素記号：Ｆｅ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）、タンタル（元素記号：Ｔａ）及びクロム（元素記号：Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種であり、且つ、当該遷移金属の合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１１乃至１３の何れか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１５］鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする前項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１６］鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１７］モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１８］タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１９］クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２０］マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする前項１６乃至１９のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に依れば、発光強度の高い各色光を混光させてなる高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤを、従来技術如く蛍光体を用いずとも簡便に提供できる。
また、緑色、赤色又は青色を帯びた白色系光を出射できるＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供するのに好都合となる。
特に、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の遷移金属の各原子濃度を少量に規定し、深い不純物準位の密度が小さいことにより、発光強度に優れる白色光を出射するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。
【図２】実施例１における多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による遷移金属の原子濃度の深さ方向の分布を示す図である。
【図３】比較例１に記載の窒素プラズマの発光スペクトルである。
【図４】比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布を示す図である。
【図５】比較例１に記載のＬＥＤの電流ドリフトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例である。
【００１９】
＜多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層＞
本実施の形態が適用されるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、数的に単一でありながら、相違する波長の多波長光を同時に放射するものである。多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、半導体材料基板または金属材料基板等の基体上に設ける。基板には、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶基板、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶からなる基板を例示できる。基体には、バルク（ｂｕｌｋ）結晶基板に限定されず、例えば、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体やリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
【００２０】
上記の材料からなる基板或いはエピタキシャル成長層は、数的に単一の層（単層）でありがら波長が相違する複数の波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体層（多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層）を井戸層として量子井戸構造の発光層を形成する場合にも利用できる。演色性の高い白色ＬＥＤを得るときは、広い波長の範囲で多くの発光（多波長光）を放射する、複数のＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層として発光層を形成する。所謂、複数の井戸層を備えた多重量子井戸構造（英略称：ＭＱＷ）とすると、各多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からの発光を混光できて白色ＬＥＤ等を得るに好都合である。
【００２１】
本実施の形態では、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物とが共に添加されたＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。特に、ガリウムを必須の構成元素として含む、窒素等の第Ｖ族元素よりも、ガリウム等の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、バンド端発光とは別に、バンド（ｂａｎｄ）端発光より長い波長の領域で、波長が相違する３以上の光を同時に放射できるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
【００２２】
多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層とは、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できる機能を有する層である。特に、上記の波長帯域に於いて、隣接する発光との波長の差を１０ｎｍ以上で６０ｎｍ以下とする３以上の光を発するガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は白色ＬＥＤをなすための白色光を発する発光層として好適に利用できる。
例えば、波長４１９ｎｍの第１の発光と、第１の発光との発光波長の差を３５ｎｍとする波長４５４ｎｍの第２の発光と、第２の発光との発光波長の差を５１ｎｍとする波長５０５ｎｍの第３の発光と、第３の発光よりさらに長波長側に、第３の発光との発光波長の差を６０ｎｍとする波長５６５ｎｍの第４の発光をもたらせるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は白色ＬＥＤ用途の発光層として好適に利用できる。
【００２３】
また、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する３以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、赤色を帯びたパステル（ｐａｓｔｅｌ）色調の白色系ＬＥＤをなすための機能層、特に、発光層として利用できる。
【００２４】
また、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、青色光や緑色光を発光の成分として含む淡色（パステル色）の白色系ＬＥＤを得るための機能層、特に、発光層として利用できる。各発光の波長は、フォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）法やカソードルミネッセンス（英略称：ＣＬ）法等により測定できる。
【００２５】
４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射できるガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層と、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射するガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体単層との双方を使用して発光層を構成することもできる。
例えば、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射する窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で波長が相違する３つ以上の光を同時に出射するＧａＸＩｎ１−ＸＮ単層を別の井戸層とする多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を構成すれば、青緑色から赤色の複数の発光を混光でき、より演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができる。
【００２６】
波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体単層を（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ≦１）から構成する場合、ＧａＸＩｎ１−ＸＮ単層は、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造であっても構わない。また、相分離（ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を生じないインジウム（Ｉｎ）組成（＝１−Ｘ）のＧａＸＩｎ１−ＸＮ（０．９０＜Ｘ≦１或いは０≦Ｘ≦０．１）からも構成できる。ガリウム（Ｇａ）組成（＝Ｘ）又はインジウム（Ｉｎ）組成（１−Ｘ）の大きな、端的にはＧａＮ又は窒化インジウム（ＩｎＮ）のようなそもそも相分離の無い層では、相分離に起因するＧａＸＩｎ１−ＸＮ層内でのインジウム濃度の不均一性に因り、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が層内で不均一に分布するのを避けることができる。これにより、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が形成する準位間の光学的遷移に基づく多波長発光をなす各発光の波長を均一とするのに優位となる。
【００２７】
ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を６×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下とし、且つ、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上で３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲とすることにより、多波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体単層を効率的に形成できる。ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、例えば２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）法等で定量することができる。
【００２８】
珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体単層は、例えば、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｉｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。これらの成長手段にあって、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、同層へのＳｉ及びＭｇのドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）量を調節することをもって調整する。ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式；ＳｉＨ４）やメチルシラン（分子式：ＣＨ３ＳｉＨ３）等のシラン類を珪素（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ＭＯＣＶＤ法では、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（略記号：Ｃｐ２Ｍｇ）等の有機マグネシウム化合物をマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源として利用できる。
【００２９】
特に、ＭＢＥ法は、多波長の発光を呈するＩＩＩ族窒化物半導体単層を上記の他の気相成長法と比較して、より低温で形成できる利点がある。例えば、基体温度にして４５０℃から５２０℃の低温でＧａＸＩｎ１−ＸＮ層を成長できる。このため、例えば、ｎ型Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層とｎ型ＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造にあって、アクセプター不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）の障壁層への拡散、侵入を抑制することができ、障壁層が高抵抗となるのを、または伝導形がｐ型に変換されるのを回避するのに効果をあげられる。これにより、井戸層と障壁層との間でのｐｎ接合の形成を回避できる。従って、井戸層と同一の伝導形を呈する障壁層とからＭＱＷ構造を構成できるため、電気的導通性に優れるＭＱＷ構造の発光層を構成できる。
【００３０】
珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を形成するに際し、上記のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量を多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を高める程、或る波長領域に生ずる波長が相違する発光の数を増加させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度が４×１０１８ｃｍ−３である場合に於いて、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満の２×１０１６ｃｍ−３であるＧａＮ層の場合、ＧａＮのバンド端発光は生ずるものの、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に発光は生じない。一方、同様の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を有し、且つ、原子濃度が８×１０１７ｃｍ−３となるように、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすると、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域に例えば、合計４つの波長が相違する多波長光を同時に出射するＧａＮ単層を形成できる。
【００３１】
また、マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量をより多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度をより高める程、より長波長の帯域に多波長光を発生させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度を１〜４×１０１９ｃｍ−３とし、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を４×１０１７ｃｍ−３とするＧａＸＩｎ１−ＸＮの場合には、波長を４５０ｎｍとする単一の発光のみ観測される。これに対し、インジウム組成を同一としながらも、マグネシウム（Ｍｇ）が原子濃度にして３×１０１８ｃｍ−３とより多くが含まれるときは、多波長発光の発光が顕現され、その中での最長の波長は５８０ｎｍに到達する（後述する図１参照）。
【００３２】
異なるＩＩＩ族窒化物半導体単層からＭＱＷ構造の発光部を構成する場合には、より短い波長の領域で多波長光を同時に出射できるＩＩＩ族窒化物半導体単層である程、発光の取り出し方向のより上方に配置させる。より下方にある多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層から出射される発光の吸収を避け、ＬＥＤの外部へ多波長光を効率的に取り出すためである。例えば、波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ近傍の領域に多波長光を発するＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第１の多重量子井戸構造上の、発光の外部への取り出し方向に向かう上方には、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの領域で多波長光を発するＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第２の多重量子井戸構造を設けて、これにより全体としてＭＱＷ構造の発光部を構成する。
【００３３】
上記のように多波長の発光を生ずる異なるＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする第１及び第２の量子構造にあって、第１及び第２の量子井戸構造をなす障壁層の構成材料は、必ずしも同一とする必要はない。第１及び第２の量子井戸構造の障壁層は、多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層の禁止帯幅に対応して選択された異なるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成できる。例えば、上記の第１の量子井戸構造については、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）から障壁層を構成し、第２の量子井戸構造を（組成式ＡｌＹＧａ１−ＹＮ：０≦Ｙ≦１、但し、Ｙ≧Ｘ）を構成できる。
【００３４】
本実施の形態では、多波長発光を同時に発光できるＩＩＩ族窒化物半導体単層を、第Ｖ族元素に対して、元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むとは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は窒化インジウム（ＩｎＮ）等の２元系（２元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあって、ガリウム（Ｇａ）又はインジウム（Ｉｎ）又はアルミニウム（Ａｌ）が窒素よりも化学量論的に富裕に含まれていることを云う。例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ：０＜Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等の多元系（多元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、第ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の合計の原子の濃度が、窒素原子の濃度を上回っていることを指す。
【００３５】
また、砒化窒化ガリウム（組成式ＧａＡｓ１−αＮα：０＜α＜１）やリン化窒化アルミニウム（組成式ＡｌＰ１−βＮβ：０＜β＜１）等の窒素以外の第Ｖ族元素（この例では、砒素（元素記号：Ａｓ）及びリン（元素記号：Ｐ））を含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）又はアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度が、窒素（Ｎ）及び窒素以外の第Ｖ族元素の合計の原子濃度よりも高いことを云う。第ＩＩＩ族元素と第Ｖ族元素の原子濃度の総量の比率が１：１であれば、それは第ＩＩＩ族元素富裕でもなく、また第Ｖ族元素富裕でもなく、化学量論的組成である。
【００３６】
化学量論的な組成のズレは、例えば、高速反射電子線回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）等の電子線回折技法等でＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の再配列構造を調査すれば判定できる。
例えば、固体ソースＭＢＥ法やガスソースＭＢＥ法等の真空中でＩＩＩ族窒化物多波長発光層を基体上に堆積する成長手段では、ＲＨＥＥＤ法を有効に利用することができる。このため、基体上の堆積層が多波長を同時に発光するのに必要なガリウム等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕とするＩＩＩ族窒化物半導体層であることをその成長場に於いて、リアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で確認できる。
【００３７】
ＲＨＥＥＤ法により得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の表面からの回折パターン（ＲＨＥＥＤパターン）に、堆積中に常時、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含む再配列構造に起因する輝線（ｓｔｒｅａｋ ｌｉｎｅ）を継続して生じつつ、堆積して出来上がるＩＩＩ族窒化物半導体層は、層全体としても、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層であるとみなす。
【００３８】
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）若しくはインジウム（Ｉｎ）等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層、例えば、ガリウム（Ｇａ）を窒素より富裕に含むＧａＮであれば、ＲＨＥＥＤパターン上には、例えば（２×２）等の再配列を示す回折パターンが現れる。逆に、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からのＲＨＥＥＤパターンは、（３×３）再配列構造である。また、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）とを窒素より化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ）の場合、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝１−Ｘ）が小さいときは、（２×２）再配列構造が出現し、インジウム（Ｉｎ）組成比が大きいときは、（３×１）再配列構造が出現する。
【００３９】
第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素と比較して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層からは、化学量論的組成或いは第Ｖ族元素を富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層よりも高い強度の発光を呈する多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を構成できる。例えば、珪素単体金属を珪素のドーピング源とし、マグネシウム単体金属をマグネシウムのドーピング源として、固体ソースＭＢＥ法により成膜した、ガリウムを化学量論的に富裕に含み、表面を（２×２）再配列構造とするＳｉ及びＭｇドープ多波長同時発光ＧａＮ層からの最大のＰＬ強度を仮に、１とする。これに対し、固体ソースＭＢＥ法で成長させた、表面を（３×３）再配列構造とし、窒素を化学量論的に富裕に含むＳｉ及びＭｇドープＧａＮ層のＰＬ強度は、０．０８と極めて微弱なものである。
【００４０】
第ＩＩＩ族元素を、窒素等の第Ｖ族元素より化学量論的に富裕に含み、尚且つ、遷移金属の含有量が少ないＩＩＩ族窒化物半導体単層は、より高い発光強度を呈する多波長発光層を構成するのに優位となる、ＩＩＩ族窒化物半導体内で深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ）を形成する遷移金属（ＪＡＣＱＵＥＳ Ｉ． ＰＮＫＯＶＥ ａｎｄ ＴＨＥＯＤＯＲＥ Ｄ． ＭＯＵＳＴＡＫＡＳ （Ｅｄｉｔｏｒｓ．），”Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ （ＧａＮ） Ｉ， ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ ＡＮＤ ＳＥＭＩＭＥＴＡＬＳ Ｖｏｌｕｍｅ ５０”（１９９８， ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ），ｐ．ｐ．３６１−３６２．）を低濃度に規定することにより、ディープレベルを形成する不純物の量を低下させれば、より効率的に放射再結合等を生じさせられるからである。即ち、高い強度の発光を呈する多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層をもたらすことができる。
【００４１】
本実施の形態における遷移金属とは、通常、一般的に遷移金属として分類されている元素である。即ち、原子番号が２２（チタン（元素記号：Ｔｉ））から３０（亜鉛（元素記号：Ｚｎ））、４０（ジルコニウム（元素記号：Ｚｒ））から４２（モリブデン（元素記号：Ｍｏ））、４４（ルテニウム（元素記号：Ｒｕ））から４８（カドミウム（元素記号：Ｃｄ））、及び７２（ハフニウム（元素記号：Ｈｆ））から８０（水銀（元素記号：Ｈｇ））までの元素を云う。本発明では特に、ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長時に時として不可避的に層内に混入し、深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ）を形成する鉄（元素記号：Ｆｅ）、クロム（元素記号：Ｃｒ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）及びタンタル（元素記号：Ｔａ）の濃度を規定する。
【００４２】
これらの遷移金属元素の中で、鉄は、ＭＢＥ法、化学ビーム（ｂｅａｍ）エピタキシャル成長（英略称：ＣＢＥ）法、レーザアブレーション法やＭＯＣＶＤ法等のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長するための成長チャンバー等を構成するのに一般的に用いられているｓｕｓ３０４−、ｓｕｓ３１６−やｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼の構成元素である。クロムはＪＩＳ（日本工業規格）のステンレス鋼の種類の記号による上記のｓｕｓ３０４−ステンレス鋼等に添加元素として１６％〜１８％の重量比率で含まれている。モリブデンはｓｕｓ３１６−やｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼に添加元素として２％〜３％の重量比率で含まれている。
【００４３】
また、モリブデンやタンタルの炭化物は、化学的気相堆積（英略称：ＣＶＤ）法や物理的気相堆積（英略称：ＰＶＤ）法等の技術手段により成長させるに際し、基体としてのサファイア（Ａｌ２Ｏ３単結晶）基板やシリコン（Ｓｉ）基板を保持するためのサセプター（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）等の冶具の構成材料として用いられている（例えば、特開平６−１７２０８８号公報参照）。また、タンタルはＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積する成長温度に基体を加熱するためのヒーターエレメントとしても使われている。
【００４４】
一般的な高周波プラズマＭＢＥ法又はＥＣＲ（エレクトロンサイクロトロンレゾナンス）方式高周波プラズマＭＢＥ法等のＰＶＤ法では、窒素プラズマ等の窒素原子を含有するプラズマ（ｐｌａｓｍａ）を窒素源として、上記の基板や半導体層等の基体表面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる。一方で、特別の配慮をしない限り、窒素プラズマに因り、成長チャンバーの炉壁をなすスンテンレス鋼或いはヒーターを構成するタンタル（Ｔａ）材料等がスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）されることとなる。このため、炉壁をなすステンレス鋼等を汚染源として、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）等の遷移金属元素がＩＩＩ族窒化物半導体層内へ混入する事態を生ずる。
【００４５】
本実施の形態では、成長チャンバー又はその内部に配備されている部品を構成する材料からの遷移金属元素によるＩＩＩ族窒化物半導体層の汚染を抑制するために、ＭＢＥ法で成長するにあたり、特別な構成の窒素プラズマ雰囲気中でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するのを得策とする。特別な構成の窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯（ｓｅｃｏｎｄ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｅｒｉｅｓ）に由来する発光を殆ど生じない（発生しない場合を含む。）窒素プラズマである。高純度の窒素ガスに高周波を印加して生成した窒素分子の第二正帯の由来する発光を生じない窒素プラズマは、本発明に係る窒素プラズマとして最適である。
【００４６】
窒素分子の第二正帯の由来する発光を生じない窒素プラズマを発生させるには、体積濃度にして、酸素ガス（分子式：Ｏ２）濃度を０．１ｐｐｍ未満とし、一酸化炭素（分子式：ＣＯ）及び二酸化炭素（分子式：ＣＯ２）の濃度をそれぞれ、０．１ｐｐｍ未満とし、炭化水素ガス類の濃度を０．０５ｐｐｍ未満とし、水分（分子式：Ｈ２Ｏ）の濃度を０．５５ｐｐｍ未満とする、露点をマイナス（−）８０℃を越えて低くする、例えば（−）８５℃とする純度９９．９９９９５％以上の高純度窒素ガスが適する。
【００４７】
窒素プラズマ内での窒素分子の第二正帯に由来する発光の有無は、窒素プラズマからの発光スペクトルから知ることができる。窒素プラズマの発光スペクトルは、一般的な分光器を使用して測定できる。窒素分子の第二正帯に由来する発光は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長の範囲に生ずる。
図１は、本実施形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。図１には、回折格子型の分光器を用いて測定した、本実施の形態の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を高周波プラズマＭＢＥ法で堆積するのに適する窒素プラズマからの発光スペクトルが例示されている。本実施の形態に好適な窒素プラズマとは、図１に示す如く、波長３００ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲に窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマである。上記の高純度窒素ガスを使用すれば、窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを簡便に発生させることができる。
【００４８】
本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するための高周波の周波数を１３．５６メガヘルツ（単位：ＭＨｚ）とする場合には、入力する電力は、２００Ｗ以上で６００Ｗ以下とするのが適する。さらに、２５０Ｗ以上で４５０Ｗ以下の範囲とするのがより適する。図１に例示した発光スペクトルは、流量を毎分０．４ｃｃに設定した高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を４００ワット（単位：Ｗ）の電力で入力して発生させた際のものである。６００Ｗを超える電力を入力すると、窒素分子の第二正帯に由来する発光の強度が高まるため不適である。入力する電力が２５０Ｗ未満と小さくては、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに充分な窒素プラズマを発生させられない。このため、層状ではなく、ガリウムの液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を含む不連続なＩＩＩ族窒化物半導体層が帰結される確率が高まるため望ましくはない。
【００４９】
高いエネルギー状態に励起された（遷移状態：Ｃ３Πｕ→Ｂ３Πｇ）窒素分子の存在を示す窒素分子の第二正帯からの発光を生じないか、又は殆ど生じない窒素プラズマを窒素源として多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積すると成長チャンバー等を構成する材料のスパッタされる程度を減少させられる。窒素分子の第二正帯からの発光を殆ど生じない窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯による発光の強度が、波長７４５ｎｍの原子状窒素による発光の強度に比較して、１／１０以下であることを云う。このため、窒素プラズマに因り、例えば炉壁をなすｓｕｓ３１６Ｌ−ステンレス鋼が顕著にスパッタされるのを抑制でき、ステンレス鋼に含まれる鉄、モリブデンやクロム等の遷移金属元素が堆積中のＩＩＩ族窒化物半導体層内に多く取り込まれるのを回避できる。
【００５０】
また、本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するのに適する窒素プラズマに係るもう一つの特徴は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍに出現する３本の原子状（ａｔｏｍｉｃ）窒素の発光ピークの強度の相対的関係にある。本発明で窒素源として好適に使用できるのは、波長７４５ｎｍの発光ピークの強度が最大であり、次に波長８６９ｎｍの発光ピークの強度が高く、波長８２１ｎｍの発光ピークの強度が３本の発光ピークの中で最も低いことにある。機構は充分に解明できていないが、このようなピーク強度に於ける相対的関係を有する窒素プラズマを窒素源とすれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を簡便に安定してもたらすのに効果を上げられる。
【００５１】
数的に単一なＩＩＩ族窒化物半導体単層を基体上に堆積する場合のみならず、ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数、用いるに際しても、各単層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマを窒素源として形成する。例えば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、その井戸層を複数、用いて多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を形成する場合を例にして説明する。例えば、ドナー不純物とアクセプター不純物の相対的な濃度比率を同一とするか否かに拘わらず、ＭＱＷ構造の発光層をなす各井戸層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。また、例えば、層厚を同一とするか又は異にするかに拘わらず、各井戸層は、窒素分子の第二正帯による発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。
【００５２】
図１に例示したような窒素分子の第二正帯からの発光のない窒素プラズマを窒素源として、例えば、固体ソース高周波プラズマＭＢＥ法で珪素とマグネシウムの双方をドーピングしつつＧａＮ層を成長させると、鉄、モリブデン、タンタル、及びクロムの合計の原子濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体層を簡便にしかも安定して形成できる。このような深い準位を形成し得る遷移金属の濃度が低いＩＩＩ族窒化物半導体層は、高い発光強度を呈する白色ＬＥＤを得るのに優位に利用できる。深い準位を形成し得る鉄、モリブデン、タンタル、及びクロムの合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超えると得られる発光強度は極端に低下するため、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤを得るに不利となる。
【００５３】
さらに、（１）鉄の原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用い例えば、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ）構造ＬＥＤを構成すると、高い強度の発光を呈し、尚且つ、順方向電流の経時変化（ドリフト）の小さなＬＥＤを得ることができる。多くの場合、順方向電流が通流時間の経過とともに減少する現象が観られるが、鉄の原子濃度を上記範囲とすることでドリフトを抑制することができる。高強度の発光をもたらしつつ、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、モリブデンの原子濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。また、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、タンタルの原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。また、電流ドリフトの小さなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、クロムの原子濃度を３×１０１５ｃｍ−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えた発光層を用いても構成できる。これらの遷移金属元素の原子濃度は、例えば、一般的なＳＩＭＳ法等で定量できる。
【００５４】
遷移金属の種類に依って、電流ドリフトが顕著に発生する原子濃度の上限に差異があるのは、ＩＩＩ族窒化物半導体層の内部での電子等のキャリア（担体）の捕獲効率の差に起因すると推考される。或いは、遷移金属の種類に依って、ＩＩＩ族窒化物半導体層の内部で誘引される電子等を捕獲（ｔｒａｐ）する結晶欠陥が発生する度合いが異なる等と推考される。いずれにしても、遷移金属でも特に、鉄、モリブデン、タンタル、クロムのＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる各濃度を、上述した数値範囲内に調整することにより、順方向電流のドリフトを低減することに効果を上げられる。
【００５５】
電流のドリフト量（記号ΔＩで表す。）は、例えば、素子を動作させるために電圧を印加した直後の電流値（記号Ｉ０で表す。）に対する、一定の時間を経過した後の電流値（記号Ｉで表す。）との差の比率から次の式（１）で表せる。
ΔＩ＝（Ｉ−Ｉ０）／Ｉ０ ・・・・・式（１）
Ｉ＝Ｉ０の場合は、式（１）よりΔＩ＝０となり、電流は経時的に変化しない、即ち、電流ドリフトは無いことを意味する。Ｉ＞Ｉ０の場合は、ΔＩ＞０となり、電流は経時的に増加する増加ドリフトが起っていることを表している。ΔＩ＜０の減少ドリフトとなるのは、Ｉ０＞Ｉの場合である。
【００５６】
素子への電流の通流を長時間に亘り継続すると、深い準位を形成する遷移金属のキャリアの捕獲作用よりも、素子の発熱の影響を受けてＩが増減する場合がある。従って、深い準位を形成する遷移金属による電流ドリフトを計測するには、比較的に短い時間を経過した後のＩを基に算出するのが妥当である。例えば、素子への電流の通流後、５分間以上で３０分間以下を経過した後の電流値をＩとするのが妥当である。
【００５７】
ＧａＮ層に含まれる鉄、モリブデン、タンタル、クロムの各遷移金属の原子濃度を、何れも上述した範囲内（Ｆｅ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｍｏ≦５×１０１６ｃｍ−３、Ｔａ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）に調整し、且つ、多波長発光を呈する当該ＧａＮ層を発光層とするｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の淡緑色パステル色調のＬＥＤに、順方向に、２０ｍＡの電流を通流した場合、順方向に通流を開始した直後の電流値に対し、この通流を開始してから１０分間を経過した後の順方向電流値の変化を±５％以内に収めることができる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
本実施の形態が適用される多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層から構成する場合を例にして、図２を用いて説明する。
図２は、本実施例１における多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による遷移金属の原子濃度の深さ方向の分布を示す図である。図２には、本実施例１におけるＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布が示されている。
（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）−シリコン（Ｓｉ）基板の表面上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、後記のＩＩＩ族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（単位：Ｗ））窒素プラズマを用いた。窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の基体と対向する開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯による発光ピークの強度を減少させた。これにより、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した（図１参照）。窒素ガスの流量は毎分２．０ｃｃとした。
【００６０】
加えて、この窒素プラズマ用セルを用いて発生させた窒素プラズマからは、波長を７４５ｎｍ、８２１ｎｍ、及び８６９ｎｍとする３本の原子状窒素による発光が観測された。また、波長を７４５ｎｍとする発光が３本のうちで最大とし、波長を８６９ｎｍとする原子状窒素による発光ピークが、波長７４５ｎｍの発光ピークに次いで高く、また、波長を８２１ｎｍとする原子状窒素による発光ピークの強度が最も低い窒素プラズマとなった（図１参照）。
【００６１】
上記のＳｉ基板の表面上には、アルミニウム単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝３０ｎｍ）を成長した。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。次に、ＡｌＮ層上に、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源として、基板温度を７５０℃として、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。ガリウムのフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０−４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。
【００６２】
次に、ＧａＮ層上に、相分離を生じていない、層内のインジウム組成を均一とするインジウム組成を０．０２とした窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ）単層（層厚＝８００ｎｍ）を基板温度を５００℃として成長した。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。ガリウムのフラックス量は、１．１×１０−４Ｐａとし、インジウムのフラックス量は１．３×１０−６Ｐａとした。
【００６３】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長時には、珪素とマグネシウムとをドーピングした。珪素は、珪素単体をドーピング源としてドーピングした。ドーピング源の珪素を収納するクヌードセン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）セルの内部のＰＢＮ製ルツボ（坩堝）の温度は１１５０℃とした。マグネシウムのドーピング源には、高純度マグネシウム単体を用いた。特に、クロム、マンガン、鉄、及びニッケルの含有量をそれぞれ、０．２ｗｔ．ｐｐｍ、０．４ｗｔ．ｐｐｍ、０．３ｗｔ．ｐｐｍ、及び０．２ｗｔ．ｐｐｍとする純度９９．９９９９重量％（＝６Ｎ）のマグネシウムをドーピング源とした。ドーピング源としたマグネシウムを収納するＰＢＮ製クヌードセンセルの内部のルツボの温度は３５０℃とした。
【００６４】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長中には、高速反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により、表面の構造をリアルタイムで観察した。成長中の表面からは、インジウムの組成が小さい（＝０．０２）ため、第ＩＩＩ族元素であるガリウムが窒素より化学量論的に富裕であることを示す（２×２）の再配列構造を示すＲＨＥＥＤパターンが得られた。
【００６５】
室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測光では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層から、バンド端発光に加えて、波長を各々、３７５ｎｍ、３９２ｎｍ、４１９ｎｍ、４５５ｎｍ、５０５ｎｍ、及び５６５ｎｍとする複数の発光が観測された。即ち、４００ｎｍを超え５５０ｎｍ以下の波長の範囲で３つの発光が観測された。フォトルミネッセンス測光時にヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザ励起光を構造体の表面に照射した際の発光色はほぼ白色と視認された。
【００６６】
一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定したＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部の珪素の原子濃度は、３×１０１８ｃｍ−３であった。また、マグネシウムの濃度は、原子濃度は８×１０１７ｃｍ−３であった。両元素とも層内では、略一様の濃度で分布しており、珪素に対するマグネシウムの原子濃度の比率は、０．２７であった。
【００６７】
また、図２に示すＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布も、一般的なＳＩＭＳ法により測定した。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から深さ約１００ｎｍに至る領域）での上記の遷移金属元素の急激な原子濃度の増加は、単層の表面の吸着物質による影響（干渉）と解された。上記の遷移金属元素の中では、モリブデンの原子濃度が最も高く、１×１０１６ｃｍ−３であった。鉄及びタンタル及びクロムの原子濃度は概ね、検出限界以下であった（Ｆｅの検出限界＝１×１０１５ｃｍ−３、Ｔａの検出限界＝５×１０１４ｃｍ−３、Ｃｒの検出限界＝５×１０１４ｃｍ−３）。このように、窒素プラズマを窒素源とする場合であっても、特に、第２正帯に発光を生じない窒素プラズマを使用することにより、上記の遷移金属元素をＳＩＭＳ法での検出限界以下の低濃度とするＧａＩｎＮ層を成長するのに好適であることが示された。
【００６８】
（実施例２）
ここでは、本実施の形態において、波長が相違する複数の光を発する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層を井戸層とする多重量子井戸構造からなる多波長発光層を構成する場合を例に挙げて説明する。
Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ単層を井戸層とするＭＱＷ構造は、表面の結晶面方位を（１１１）とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型シリコン（Ｓｉ）を基板表面上に形成した。基板の表面は、弗化水素酸（化学式：ＨＦ）等の無機酸を使用して洗浄後、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を７×１０−５Ｐａの超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しつつ、基板の温度を７８０℃に昇温して、基板の表面が（７×７）構造の再配列構造を呈する迄、継続して加熱した。
【００６９】
（７×７）構造の再配列構造を呈するように清浄化された（１１１）−シリコン基板の表面上には、高周波（＝１３．５６ＭＨｚ）を印加してプラズマ化させた上記の実施例１に記載の窒素プラズマを用いたＭＢＥ法により、アンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝５ｎｍ）を７６０℃で形成した。窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃとし、また、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は７．２×１０−６Ｐａとした。
【００７０】
ＡｌＮ層上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、アンドープの窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）組成勾配層（層厚＝３００ｎｍ）を７６０℃で堆積した。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層のアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）は、ＡｌＮ層との接合面から組成勾配層の表面に向けて、０．３０から０（零）へと、組成勾配層の層厚の増加に比例してＡｌ組成を直線的に連続的に減少させた。組成勾配層の成長時には、窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃと一定とし、また、ガリウムのフラックス量も１．３×１０−４Ｐａと一定とした。一方で、アルミニウムフラックス量は、組成勾配層の成長開始時には７．２×１０−６Ｐａとし、それより成長時間の経過と共に直線的に減少させた。組成勾配層の成長終了時にはＡｌＮ層の表面へ向けてのＡｌのフラックスを遮断した。
【００７１】
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ組成勾配層（Ｘ＝０．３→０）上には、窒素プラズマＭＢＥ法により、珪素ドープｎ型ＧａＮ層を堆積した。ＧａＮ層の層厚は１８００ｎｍとなるように、また、キャリア濃度は４×１０１８ｃｍ−３となるように成長条件を設定した。このＧａＮ層の層厚は１０００ｎｍを超える厚い膜のため、この層を成長するときに限り、一つのＭＢＥ成長チャンバーに取り付けた２機の高周波窒素プラズマ発生装置から窒素プラズマを発生させた。窒素ガスの流量は各々の発生装置につき毎分１．５ｃｃに設定した。２機のプラズマ装置から発生させた窒素プラズマは何れも図１に示したのと同様のスペクトルを呈した。ガリウムのフラックス量を１．３×１０−４Ｐａとして、１２０分間でＧａＮ層の成長を終了した。ＧａＮ層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった。
【００７２】
ｎ型ＧａＮ層の（２×２）再配列構造を有する表面上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、基板の温度を５５０℃として、多重量子井戸構造の障壁層とするアンドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２６ｎｍ）を堆積した。次に、同じく上記の窒素プラズマＭＢＥ法により、５５０℃で、このｎ型ＧａＮ障壁層に接合させて、珪素とマグネシウムを含むｎ型窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ）からなる井戸層（層厚＝４ｎｍ）を設けた。このｎ型障壁層とｎ型井戸層とからなる一対の構造単位を８対（８ペア（ｐａｉｒ））積層させた後、最上層として上記のｎ型ＧａＮ障壁層を堆積し、全体としてｎ型の伝導を呈する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層を形成した。
【００７３】
上記の発光層をなす多重量子井戸構造の一井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎからは、波長が相違する多数の発光が出射された。バンド端発光に加え、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で２個、５００ｎｍを超え７５０ｎｍ以下の波長帯域で４個、即ち、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長帯域で合計６個の発光が出射された。
【００７４】
上記の多重量子井戸構造の障壁層をなすＧａＮ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（２×２）再配列構造を示した。また、上記の多重量子井戸構造の井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（３×１）再配列構造を示した。このことから、上記の多重量子井戸構造に於ける一対の構造単位は、ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層と、第ＩＩＩ族元素（ガリウムとインジウム）を窒素より化学量論的に富裕に含むＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層とから構成されるものとなった。
【００７５】
一般的なＳＩＭＳ分析法に依れば、Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層に含まれる珪素の原子濃度は２×１０１８ｃｍ−３であった。また、マグネシウムの原子濃度は、珪素の原子濃度よりも低く、且つ、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）層の表面を急激に乱雑なものとするマグネシウム（Ｍｇ）の臨界的な原子濃度（＝３×１０１８ｃｍ−３）未満の４×１０１７ｃｍ−３であった。このため、上記の８対の構造単位を積層させた多重量子井戸構造の表面は凹凸が無い良好な平坦面となった。
【００７６】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を含め多重量子井戸構造の内部での鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの原子濃度を一般的なＳＩＭＳ法により測定した。その結果、上記の遷移金属元素の原子濃度は、何れも検出限界以下であった。因みに、ＳＩＭＳ測定時のモリブデン及び鉄の検出限界は、いずれも１×１０１５ｃｍ−３であった。また、タンタル及びクロムは、いずれも５×１０１４ｃｍ−３であった。即ち、第２正帯に発光を生じない窒素プラズマを窒素源とすれば上記の遷移金属類の含量の少ない多波長の発光を呈するＧａＩｎＮ層を成長するのに好適であることが示された。
【００７７】
（実施例３）
本実施例３では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を含む積層体を用いてＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを構成する場合を例に挙げて説明する。
本実施例３では、上記の実施例２に記載のＭＱＷ構造を発光層として利用し、その発光層上に、５２０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮ層（層厚＝９０ｎｍ）を設けて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用途のｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の積層体を形成した。窒素プラズマＭＢＥ法により、このｐ型ＧａＮ層を成長させる際にも、窒素分子の第２正帯による発光を生じない窒素プラズマを窒素源として用いた。ｐ型ＧａＮ層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ−３でとなるように成長条件を設定した。
【００７８】
その後、一般的なドライエッチング法により、ｎ型オーミック電極を形成する領域に在るＭｇドープｐ型ＧａＮ層及びＭＱＷ発光層を除去した。これらの層を除去して露出させたｎ型窒化ガリウム層の表面には、ｎ型オーミック電極を形成した。一方、エッチング後に残置したｐ型ＧａＮ層の表面にはｐ型オーミック電極とそれに電気的に導通する台座（ｐａｄ）電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。一辺の長さを約３５０ミクロンメートル（単位：μｍ）とする正方形の平面形状のＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすための蛍光体を設けることはしなかった。
【００７９】
作製したＬＥＤからは、目視で白色の発光色が確認された。また、ＭＱＷ構造の内部での鉄等の遷移金属の原子濃度は上記の第２実施例に記載の如く、何れも検出限界以下であったため、順方向電圧を３．５Ｖに固定して２０ｍＡの順方向電流の経時変化（電流ドリフト）を測定したところ、通流を開始した後から２５分間後の順方向電流に経時的な変化は殆どなかった。
【００８０】
（比較例１）
本比較例１では、遷移金属元素を多量に含む発光層を用いて試作したＬＥＤの性能を、上記の実施例３に係るＬＥＤと比較して説明する。
図３は、本比較例１に記載の窒素プラズマの発光スペクトルである。図３には、本比較例１に於いて、上記の実施例３に記載したＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を成長させるのに利用した窒素プラズマのスペクトルが示されている。図４は、本比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の鉄、モリブデン、タンタル及びクロムの濃度分布を示す図である。図４には、窒素に関係するイオンを多量に含む窒素プラズマを用いて成長させた場合の井戸層内部の遷移金属元素の原子濃度の深さ方向の分布を示すＳＩＭＳ分析図が示されている。
【００８１】
上記の第３実施例に記載したＬＥＤ用途の積層構造体を形成するのに際し、ＭＱＷ構造の発光層を構成するＧａＮ障壁層とＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を成長させる場合に限り、窒素源として、窒素分子の第２正帯による高強度の発光を生ずる窒素プラズマ（図３参照）を利用した。窒素分子の第２正帯での発光強度は、図１に示した窒素プラズマ（図１参照）の約１００倍であった。
【００８２】
前述したように、図４には、積層構造体の表面からの深さ方向の鉄等の遷移金属の原子濃度の分布が示されている。図４に示すように、ＭＱＷ構造発光層の内部に含まれる鉄、モリブデン及びタンタルの原子濃度は、上述した原子濃度の範囲内（Ｆｅ≦２×１０１６ｃｍ−３、Ｍｏ≦５×１０１６ｃｍ−３、Ｔａ≦２×１０１６ｃｍ−３）であった。しかし、クロムのＣｒの原子濃度は約１×１０１６ｃｍ−３であり、上述した原子濃度の範囲（Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）を超え、クロムが高濃度に存在していた。
【００８３】
図５は、本比較例１に記載のＬＥＤの電流ドリフトを示す図である。本比較例１において作製したＬＥＤからは、目視で白色の発光色が確認されるものの、その発光強度は、実施例３に記載したＬＥＤのそれの約７０％と弱かった。また、ＭＱＷ構造の井戸層をなすＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層に含まれるクロムの原子濃度が、上述した原子濃度の範囲（Ｃｒ≦３×１０１５ｃｍ−３）を上回っていたため、順方向電圧を３．５Ｖに固定して２０ｍＡの順方向電流を通流し始めてから２５分間に亘る経時変化（電流ドリフト）は、（−）８％と大きくなった。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
多波長光を同時に発光する機能は、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本実施の形態が適用される多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、単一の波長の光のみならず、波長が相違する複数の光を効率的に吸収する光電変換のための光吸収層、例えば、太陽電池の受光層を構成するのに優位となる。特に、遷移金属元素の含有量の少ない多波長同時発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ディープレベルの電子又は正孔の捕獲による励起電流の経時的変化を抑制できるため利便に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、
前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、
窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、
原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、
原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、
合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、
且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射する
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記遷移金属元素が、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項６】
鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項８】
タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項９】
クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
基体上に形成されたガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、
ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され、且つ必須の構成元素としてガリウム（元素記号：Ｇａ）を含み、
窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、
原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、
原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、
合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、
且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域で波長が異なる３個以上の光を同時に出射する
ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１２】
前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１３】
前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１４】
前記遷移金属が、鉄（元素記号：Ｆｅ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）、タンタル（元素記号：Ｔａ）及びクロム（元素記号：Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種であり、且つ、当該遷移金属の合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１５】
鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする請求項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１６】
鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１７】
モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１８】
タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１９】
クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２０】
マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１】
基体と、
前記基体上に形成され、ドナー不純物とアクセプター不純物が添加され且つガリウムを必須の構成元素として含むガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、
前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、
窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、
原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、
原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、
合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、
且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域において波長が異なる３個以上の光を同時に出射する
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記遷移金属元素が、鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項６】
鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項８】
タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項９】
クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
基体上に形成されたガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層である多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、
ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され、且つ必須の構成元素としてガリウム（元素記号：Ｇａ）を含み、
窒素を含む第Ｖ族元素よりガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、
原子濃度が６×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲の珪素と、
原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲のマグネシウムと、
合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の遷移金属元素と、を含み、
且つ、バンド端発光とは別に、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域で波長が異なる３個以上の光を同時に出射する
ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１２】
前記波長帯域が、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１３】
前記波長帯域が、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１４】
前記遷移金属が、鉄（元素記号：Ｆｅ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）、タンタル（元素記号：Ｔａ）及びクロム（元素記号：Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種であり、且つ、当該遷移金属の合計の原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１５】
鉄、モリブデン、タンタル及びクロムから選ばれる少なくとも１種の前記遷移金属の合計の原子濃度が、マグネシウムの原子濃度より低いことを特徴とする請求項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１６】
鉄の原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１７】
モリブデンの原子濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１８】
タンタルの原子濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項１９】
クロムの原子濃度が、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【請求項２０】
マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ、各遷移金属の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−８９６７８（Ｐ２０１２−８９６７８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４９７０（Ｐ２０１０−２３４９７０）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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