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WO2012053331A1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、多波長発光ｉｉｉ族窒化物半導体層及び多波長発光ｉｉｉ族窒化物半導体層の形成方法 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、多波長発光ｉｉｉ族窒化物半導体層及び多波長発光ｉｉｉ族窒化物半導体層の形成方法 Download PDF

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WO2012053331A1
WO2012053331A1 PCT/JP2011/072192 JP2011072192W WO2012053331A1 WO 2012053331 A1 WO2012053331 A1 WO 2012053331A1 JP 2011072192 W JP2011072192 W JP 2011072192W WO 2012053331 A1 WO2012053331 A1 WO 2012053331A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nitride semiconductor
group iii
iii nitride
wavelength
light emitting
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/072192
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宇田川　隆
友 菊池
Original Assignee
昭和電工株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 昭和電工株式会社 filed Critical 昭和電工株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor device, a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor layer, and a method for forming a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor layer, and more particularly, a group III nitride semiconductor device and a group III nitride.
  • the present invention relates to a method for forming a light-emitting group III nitride semiconductor layer.
  • a group III nitride semiconductor layer such as gallium nitride indium (composition formula Ga X In 1-X N: 0 ⁇ X ⁇ 1) has been used to form a light emitting layer or the like that emits visible light.
  • composition formula Ga X In 1-X N: 0 ⁇ X ⁇ 1 has been used to form a light emitting layer or the like that emits visible light.
  • Patent Document 1 From gallium phosphide / indium, light emission from red to blue, which cannot be obtained with compound semiconductor materials such as gallium phosphide (GaP), gallium arsenide phosphide (GaAsP), and aluminum phosphide / indium (AlInP), can be obtained.
  • GaP gallium phosphide
  • GaAsP gallium arsenide phosphide
  • AlInP aluminum phosphide / indium
  • impurities such as zinc are reported to generate light absorption of energy different from the photon energy corresponding to the band gap (see Patent Document 1).
  • impurities that cause such light absorption include cadmium (element symbol: Cd), magnesium (element symbol: Mg), beryllium (element symbol: Be), germanium (element symbol: Ge), copper ( Element symbol: Cu) is known (see Patent Document 1).
  • a technique for forming a light emitting layer from an aluminum nitride / gallium / indium (AlGaInN) layer doped with a plurality of impurities is also known.
  • AlGaInN aluminum nitride / gallium / indium
  • there is a technique for constructing an LED using a gallium nitride / indium layer formed by adding both n-type and p-type impurities (dopants) as a light-emitting layer see Patent Documents 2 to 4.
  • n-type impurities include silicon (element symbol: Si), germanium (element symbol: Ge), tellurium (element symbol: Te), and selenium (element symbol: Se) (paragraph (0008) of Patent Document 3). )reference).
  • Patent Document 4 describes sulfur (element symbol: S) as an n-type impurity (see paragraph (0022) of Patent Document 4).
  • Examples of p-type impurities include zinc, magnesium, cadmium, beryllium, and calcium (element symbol: Ca) (see paragraph (0008) of Patent Document 3).
  • Patent Document 4 describes mercury (element symbol: Hg) as a p-type impurity (see paragraph (0022) of Patent Document 4).
  • a monochromatic light emitting diode that emits blue light using an n-type and p-type impurity added, specifically, a gallium nitride / indium layer added with silicon and zinc as a light emitting layer (English abbreviation: LED)
  • LED gallium nitride / indium layer added with silicon and zinc as a light emitting layer
  • Patent Documents 2 to 4 An example of a technique for constructing is known (see Patent Documents 2 to 4).
  • Light emitted from a conventional LED having an aluminum nitride / gallium / indium layer doped with both n-type and p-type impurities as a light-emitting layer has an emission peak (peak) wavelength of 490 nanometers (unit: nm). Blue monochromatic light (see Patent Documents 2 to 4).
  • a technique for constructing an LED that emits white light using an LED that emits blue light is also known.
  • this is a technique for constructing an LED that excites a phosphor with blue light emitted from a light emitting layer made of a gallium nitride / indium layer and emits white excitation light (see Patent Documents 5 to 8).
  • yttrium aluminum garnet Y 3 Al 5 O 12
  • which is excited by blue light or ultraviolet light and emits white fluorescence is used as the phosphor for constituting the fluorescent white LED (See Patent Documents 9 to 11).
  • the first problem associated with the above-described fluorescent white LED using gallium indium nitride as the light-emitting layer is that a phosphor that is excited by blue light or the like and emits fluorescence having different wavelengths is required. The production process is redundant and complicated.
  • the second problem is that, in order to stably obtain white light with a constant color tone by exciting the phosphor, according to the difference in wavelength of light emitted from the light emitting layer made of a gallium nitride / indium layer or the like, It is necessary to delicately and precisely change the composition of Y 3 Al 5 O 12 and the like to which rare-earth elements used as phosphors are added, and it is troublesome to obtain a white LED having a constant color rendering property. It is to become.
  • the technical problems with a white LED with a conventional structure using a gallium nitride / indium layer as the light emitting layer are, for example, blue light emitted from the gallium nitride / indium light emitting layer, and the blue light that is excited by the blue light and complementary to the blue light.
  • White LED (“Wide Gap Semiconductor Optical / Electronic Device” (March 31, 2006, published by Morikita Publishing Co., Ltd., 1st edition, 1st print)) (See page 174).
  • a YAG phosphor to which cerium (element symbol: Ce) is added is used (see “Wide Gap Semiconductor Optical / Electronic Device”, pages 184 to 185).
  • Ce cerium
  • yttrium (element symbol: Y) aluminum (element symbol: Al)
  • gadolinium in accordance with the difference in wavelength of the blue light used as the excitation light each time.
  • Gd composition of element symbol
  • Ga gallium
  • the complementary color type white LED it is mainly light emission of two colors having a complementary color relationship that is mixed to obtain white light. For this reason, depending on the ratio of the intensity of light emission of two colors having a complementary color relationship, there is a problem that the color tone of the resulting white light slightly changes. Therefore, in the complementary color type white LED, in any case, it is technically difficult to stably obtain a white LED that provides a constant color rendering by mixing light.
  • a phosphor that generates main fluorescence on a longer wavelength side than excitation light such as blue light is used (“Wide Gap Semiconductor Optical / Electronic Device”, 176 ⁇ ). Page 179). That is, a white LED is formed by mixing excitation light and fluorescence having a longer wavelength.
  • a single gallium nitride / indium single layer that is numerically single can generate a plurality of light emission with different wavelengths, and can be attached to a white LED of a type different from the fluorescent type or the complementary type.
  • the conventional problem can be solved. For example, if a gallium nitride / indium layer capable of emitting red (R), green (G), and blue (B) light is used as a light emitting layer, it is convenient to construct an RGB mixed white LED. That is, when a single gallium nitride / indium single layer is used, it is not necessary to provide light emitting layers capable of emitting red (R), green (G), or blue (B), respectively.
  • a group III nitride semiconductor single layer containing gallium that produces a plurality of light emission having different wavelengths while being a single layer (single layer) is configured, for example, a gallium indium single layer
  • the requirements for doing so are not clear.
  • the present invention has been made to avoid the above-mentioned problems of the prior art relating to a group III nitride semiconductor white LED which is one industrial application field of the present invention.
  • the present invention clarifies the structural requirements to be included in a group III nitride semiconductor monolayer containing gallium in order to provide a plurality of light emission having different wavelengths, and (i) a numerically single layer, that is, A group III nitride semiconductor layer containing gallium as an essential constituent element capable of emitting a plurality of light emissions having different emission wavelengths even though it is a single layer, (ii) one or more group III nitride semiconductor single layers A semiconductor device comprising two or more, (iii) a method for forming the group III nitride semiconductor single layer is presented. Accordingly, an object of the present invention is to easily provide a semiconductor element such as a white LED belonging to one industrial application field of the present invention with a simple structure.
  • the present invention eliminates the conventional problems associated with white LEDs by employing a multi-wavelength emitting group III-nitride semiconductor single layer that generates a plurality of light emissions having different wavelengths while being a single layer. It is a solution.
  • the inventions related to [1] to [35] are provided below.
  • the group III nitride semiconductor layer comprises a group III element containing gallium in a stoichiometrically richer form than a group V element containing nitrogen, and separately from the band edge emission,
  • a group III nitride semiconductor device comprising a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer that simultaneously emits at least three lights having different wavelengths in a wavelength region longer than band edge emission.
  • the group III nitride semiconductor device according to item 1 above, wherein the group III nitride semiconductor layer includes a plurality of the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layers.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer emits at least three lights having different wavelengths simultaneously in a band of wavelengths of 400 nm or more and 750 nm or less. 3.
  • the group III nitride semiconductor device according to item 1 or 2.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer simultaneously emits at least three lights having different wavelengths in a wavelength band of 500 nm or more and 750 nm or less. 3.
  • the multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer includes silicon in an atomic concentration range of 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 . 6.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer is characterized in that the atomic concentration of magnesium is lower than the atomic concentration of silicon and higher than the atomic concentration of hydrogen.
  • the multiwavelength emission group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer contains hydrogen in an atomic concentration range of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • Group III nitride semiconductor device [9] In the group III nitride semiconductor layer of the group III nitride semiconductor layer, the atomic concentration of magnesium is lower than the atomic concentration of silicon and higher than the atomic concentration of carbon (element symbol: C). 8. The group III nitride semiconductor device according to item 7 above. [10] The item 9 above, wherein the multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer contains carbon in an atomic concentration range of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • Group III nitride semiconductor device [11] In the group III nitride semiconductor layer of the group III nitride semiconductor layer, the atomic concentration of magnesium is lower than the atomic concentration of silicon and higher than the atomic concentration of oxygen (element symbol: O). 8. The group III nitride semiconductor device according to item 7 above. [12] The multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer contains oxygen in an atomic concentration range of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less. Group III nitride semiconductor device.
  • the multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer of the group III nitride semiconductor layer has an atomic concentration of magnesium lower than an atomic concentration of silicon and higher than an atomic concentration of boron (element symbol: B). 8. The group III nitride semiconductor device according to item 7 above.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having at least three maximum values having different wavelengths in a wavelength region longer than light emission.
  • the multiwavelength emission group III nitride according to item 14 wherein the emission spectrum by the radiative recombination has at least three maximum values having different wavelengths in a wavelength band of 400 nm to 750 nm.
  • Semiconductor layer [16] The multi-wavelength light emitting group III nitride according to item 15 above, wherein the emission spectrum due to radiative recombination has at least three local maximum values with different wavelengths in a band of 500 nm to 750 nm. Semiconductor layer.
  • H atomic concentration of hydrogen
  • a method for forming a featured multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer is set to 400 ° C. or more and 620 ° C. or less, and silicon as the donor impurity and magnesium as the acceptor impurity are set to a flux ratio of the magnesium to the silicon of 0. .1 or less at the same time in the nitrogen plasma atmosphere and containing the silicon as the donor impurity in an atomic concentration range of 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and the acceptor impurity 27.
  • the nitrogen plasma atmosphere is generated under the condition that the supply amount of nitrogen gas (molecular formula: N 2 ) is 0.1 cc / min or more and 4.8 cc / min or less, and the multi-wavelength emission group III nitride semiconductor layer is formed.
  • N 2 molecular formula
  • the intensity of the emission peak due to the second positive band of nitrogen molecules in the wavelength region of 250 nm or more and 370 nm or less is 1/10 or less of the intensity of the emission peak of atomic nitrogen at the wavelength of 745 nm.
  • Layer formation method is the intensity of the emission peak due to the second positive band of nitrogen molecules in the wavelength region of 250 nm or more and 370 nm or less.
  • the configuration used as the light emitting layer can provide a white LED with a simple structure and high color rendering properties.
  • a white LED having a simple structure that does not use a phosphor can be obtained.
  • a white LED can be obtained without the need to provide a light emitting layer for each of RGB colors.
  • a plurality of multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layers that emit light having different wavelengths apart from the band edge light emission although being numerically single are used.
  • a white LED having excellent light emission intensity can be provided.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer capable of simultaneously emitting multi-wavelength light having different wavelengths in the wavelength range of 400 nm to 750 nm is used as the light emitting layer.
  • white LED which is excellent in color rendering property by mixed light can be provided simply.
  • a multi-wavelength light emitting group III capable of simultaneously emitting multi-wavelength light having different wavelengths within a wavelength range of 500 nm or more and 750 nm or less of a light emitting layer.
  • the nitride semiconductor single layer it is possible to simply provide a white LED that is excellent in color rendering due to mixed light.
  • the multi-wavelength light emission from each layer of the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer is superimposed.
  • a white LED with high emission intensity can be provided.
  • the light emitting layer is formed by using a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer capable of simultaneously emitting multi-wavelength light having different wavelengths in a wavelength range of 400 nm to 550 nm.
  • the group III nitride semiconductor LED which emits the white light of the pastel tone of green, red or blue, and the light hue (green) can be provided.
  • the light emitting layer includes silicon as a donor impurity in an atomic concentration range of 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and A multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer containing magnesium as an acceptor impurity and having a lower electrical resistance at a lower concentration than silicon and having an atomic concentration in the range of 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 3 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3.
  • silicon as a donor impurity in an atomic concentration range of 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the light-emitting layer includes magnesium at a lower atomic concentration than silicon and higher than the atomic concentration of hydrogen, and has a multi-wavelength light emission having a low electrical resistance and a different wavelength.
  • a white LED with a low forward voltage can be stably provided by using a multi-wavelength emitting group III nitride semiconductor single layer capable of emitting light.
  • the light emitting layer has a hydrogen atomic concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, and multiwavelength light emitting group III nitride with low electrical resistance capable of emitting white light.
  • a white LED having a low forward voltage can be provided particularly stably.
  • the light-emitting layer includes a magnesium atom concentration lower than the silicon atom concentration and higher than the carbon atom concentration, and has a low electrical resistance capable of emitting white light.
  • a white LED having a low forward voltage can be provided particularly stably by using the wavelength-emitting group III nitride semiconductor single layer.
  • the light-emitting layer includes carbon in an atomic concentration range of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, and can emit white light, and can emit white light.
  • the group nitride semiconductor single layer a white LED having a low forward voltage can be provided particularly stably.
  • the light-emitting layer includes a light emitting layer having a low atomic resistance that can emit white light, including a magnesium atomic concentration lower than a silicon atomic concentration and higher than an oxygen atomic concentration.
  • a white LED having a low forward voltage can be provided particularly stably by using the wavelength-emitting group III nitride semiconductor single layer.
  • the light-emitting layer includes oxygen in an atomic concentration range of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, and emits white light and has a low electrical resistance.
  • the group nitride semiconductor single layer a white LED having a low forward voltage can be provided particularly stably.
  • the light emitting layer includes a magnesium atomic concentration lower than the silicon atomic concentration and higher than the atomic concentration of boron (element symbol: B), and can emit white light.
  • B atomic concentration of boron
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer can be provided as a light emitting layer capable of emitting white light by mixed light even if it is a single single layer in number.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer as a light emitting layer capable of emitting white light having excellent color rendering properties by mixing light in a wavelength range of 400 nm to 750 nm. Can be provided.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor is suitable for emitting green, red or blue, greenish white light in a wavelength range of 500 nm or more and 750 nm or less. Can provide a layer.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor is suitable for emitting green, red, blue, or greenish white light in a wavelength range of 400 nm to 550 nm. Can provide a layer.
  • the atomic concentration is in the range of 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and contains silicon as a donor impurity and has an atomic concentration lower than that of silicon.
  • magnesium as an acceptor impurity in the range of 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 3 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, in addition to band edge emission, a total of 3 or more multi-wavelength emission having different emission wavelengths can be obtained.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having low electrical resistance can be provided.
  • the electrical resistance that causes a multi-wavelength emission of a total of three or more different emission wavelengths by containing magnesium at a lower atomic concentration than silicon and higher than the atomic concentration of hydrogen A multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having a small size can be provided.
  • a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor that has a low electrical resistance and can be preferably used as a white light emitting layer by setting the atomic concentration of hydrogen to 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • a layer can be provided stably.
  • the electrical resistance that includes magnesium at a lower atomic concentration than silicon and higher than the atomic concentration of carbon causes a total of three or more multi-wavelength emissions having different emission wavelengths.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having a small size can be provided.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor that has a low electrical resistance and can be preferably used as a white light emitting layer by setting the atomic concentration of carbon to 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • a layer can be provided stably.
  • an electrical resistance that provides a total of three or more multi-wavelength emissions having different emission wavelengths.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having a small size can be provided.
  • the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor that has a low electrical resistance and can be preferably used as a white light emitting layer by setting the atomic concentration of oxygen to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • a layer can be provided stably.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer having a small size can be provided.
  • PL photoluminescence
  • GaN shows a high-speed reflection electron diffraction image of GaN showing a (2 ⁇ 2) surface rearrangement structure.
  • It is a high-speed reflection electron diffraction image of GaN showing a (3 ⁇ 3) surface rearrangement structure.
  • It is the surface photograph after the wet process of the GaN layer which contains a gallium stoichiometrically richer than nitrogen.
  • It is the surface photograph after the wet process of the GaN layer which contains nitrogen stoichiometrically richer than gallium. It is an emission spectrum of nitrogen plasma suitable for implementation of the present invention.
  • FIG. 2 is a room temperature photoluminescence (PL) spectrum of a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor monolayer described in Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing SIMS analysis results of atomic concentrations of elements in the multiwavelength light emitting layer described in Example 1.
  • FIG. 2 is a room temperature photoluminescence (PL) spectrum of a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 2.
  • FIG. 6 is a transmission electron microscope (TEM) image showing a cross-sectional structure of a light emitting layer having an MQW structure according to Example 3.
  • FIG. It is a room temperature cathodoluminescence (CL) spectrum obtained from the MQW structure shown in FIG.
  • TEM transmission electron microscope
  • FIG. 6 is a diagram showing a light emission pattern of an LED including a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 4; 6 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of an LED described in Example 5. FIG. It is a schematic diagram which shows the planar structure of LED shown in FIG.
  • FIG. 1 is an example of a photoluminescence (PL) spell spectrum of a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer.
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer to which the present embodiment is applied is capable of emitting multi-wavelength light of different wavelengths at the same time while being numerically single, such as a semiconductor material substrate or a metal material substrate Provided on the substrate.
  • the substrate may be a glass substrate, a metal oxide crystal substrate such as sapphire ( ⁇ -Al 2 O 3 single crystal) or zinc oxide (ZnO) having a polar or nonpolar crystal plane, 6H, 4H or 3C type carbonization.
  • the substrate examples include semiconductor crystals such as silicon (SiC), silicon (Si), and gallium nitride (GaN).
  • the base is not limited to a bulk crystal substrate, and an epitaxial growth layer made of a group III nitride semiconductor such as GaN or a group III-V compound semiconductor such as boron phosphide (BP) is used. be able to.
  • the substrate or epitaxial growth layer made of the above material is a group III nitride semiconductor layer (multi-wavelength light emitting group III) that emits light of a plurality of wavelengths having different wavelengths at the same time although it is a single layer (single layer).
  • group III nitride semiconductor layer multi-wavelength light emitting group III
  • This can be used when a light emitting layer having a quantum well structure is formed using a nitride semiconductor single layer) as a well layer.
  • a light emitting layer is formed by using a plurality of multiwavelength group III nitride semiconductor single layers emitting a lot of light emission (multiwavelength light) in a wide wavelength range as well layers.
  • a so-called multiple quantum well structure having a plurality of well layers is advantageous for obtaining a white LED or the like by mixing light from each multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer. .
  • the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer is composed of a group III nitride semiconductor material to which a donor impurity and an acceptor impurity are added together.
  • a group III element such as gallium is stoichiometrically richer than a group V element such as nitrogen containing gallium as an essential constituent element. It is made of a group III nitride semiconductor material capable of simultaneously emitting three or more lights having different wavelengths in a wavelength range longer than that of light emission.
  • a functional layer capable of simultaneously emitting three or more multi-wavelength lights having different wavelengths in a wavelength range of 400 nm to 750 nm is used.
  • multi-wavelength light having different wavelengths can be emitted simultaneously in a wavelength range of 500 nm to 750 nm
  • three or more multi-wavelength lights having different wavelengths can be emitted simultaneously in a range of 400 nm to 750 nm.
  • Use functional layer This is because a white LED excellent in color rendering can be obtained by mixing light components of blue-green to red having a wavelength of 500 nm to 750 nm as components.
  • multi-wavelength light having different wavelengths can be simultaneously emitted in a wavelength range of 400 nm to 550 nm, and A functional layer capable of simultaneously emitting multi-wavelength light having different wavelengths in the range of 400 nm to 750 nm is used. If a plurality of blue-green to red light emission having a wavelength of 500 nm to 750 nm is mixed with a plurality of blue-purple to green light emission having a wavelength of 400 nm to 550 nm, a white LED with better color rendering can be obtained. Because it can.
  • the wavelength of each luminescence constituting multi-wavelength emission depends on observing the spectrum emitted when electrons excited in the conduction band and holes in the valence band recombine, that is, the emission spectrum due to radiative recombination. It can be measured. Specific measurement methods include a photoluminescence (abbreviation: PL) method and a cathodoluminescence (abbreviation: CL) method.
  • PL photoluminescence
  • CL cathodoluminescence
  • the multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer capable of expressing the function of simultaneously emitting three or more multi-wavelength lights having different wavelengths has silicon (Si) as a donor impurity.
  • a group III nitride semiconductor material containing magnesium (Mg) as an acceptor impurity For example, gallium (Ga) such as gallium indium nitride (composition formula Ga X In 1-X N: 0 ⁇ X ⁇ 1) having a multiphase structure including a plurality of phases having different indium compositions is used as a constituent element. It can be comprised from the group III nitride semiconductor material containing.
  • a layer having a large gallium (Ga) composition ( X) or indium (In) composition (1-X), such as GaN or indium nitride (InN), which does not have phase separation in the first place, Ga caused by phase separation. Due to the non-uniformity of the indium concentration in the X In 1-X N layer, it is possible to avoid uneven distribution of silicon (Si) and magnesium (Mg) in the layer. Thereby, it becomes advantageous to make uniform the wavelength of each light emission which makes multiwavelength light emission based on the optical transition between the levels which silicon (Si) and magnesium (Mg) form.
  • the atomic concentration of silicon (Si) in the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor monolayer is 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, and the atomic concentration of magnesium (Mg) is 5
  • the range is 6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less
  • the atomic concentration of magnesium (Mg) is 5
  • the atomic concentrations of silicon (Si) and magnesium (Mg) in the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer can be quantified by, for example, secondary ion mass spectrometry (English abbreviation: SIMS).
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer containing silicon (Si) and magnesium (Mg) is, for example, a metal organic vapor phase deposition (abbreviated as MOCVD or MOVPE) method, a molecular beam epitaxial (MBE) method, It can be formed by a vapor phase growth method such as a hydride method or a halide method.
  • MOCVD metal organic vapor phase deposition
  • MBE molecular beam epitaxial
  • the atomic concentration of silicon (Si) and magnesium (Mg) in the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor monolayer adjusts the doping amount of Si and Mg into the same layer. Adjust with things.
  • silanes such as silane (molecular formula: SiH 4 ) and methylsilane (molecular formula: CH 3 SiH 3 ) can be used as a doping source for silicon (Si).
  • an organomagnesium compound such as biscyclopentadienylmagnesium (abbreviation: Cp 2 Mg) can be used as a magnesium (Mg) doping source.
  • the MBE method has an advantage that a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer forming a well layer can be formed at a lower temperature than the above other vapor phase growth methods. For this reason, for example, magnesium (Mg) added (doping) to the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer forming the well layer is suppressed from thermal diffusion to the barrier layer bonded to the well layer and forming the MQW structure. It becomes an advantageous growth means. For example, in an MQW structure composed of an n-type Ga 0.94 In 0.06 N well layer and an n-type GaN barrier layer that does not cause phase separation, magnesium (Mg), which is an acceptor impurity, diffuses into the barrier layer.
  • Mg magnesium
  • Intrusion can be suppressed, and it is effective to prevent the barrier layer from becoming high resistance or to prevent the conduction type from being converted to p-type. Thereby, formation of a pn junction between the well layer and the barrier layer can be avoided. Accordingly, since the MQW structure can be configured from the well layer and the barrier layer exhibiting the same conductivity type, the MQW structure light emitting layer having excellent electrical conductivity can be configured.
  • the atomic concentration of silicon (Si) is 4 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the atomic concentration of magnesium (Mg) is 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 less than 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3.
  • GaN band edge emission occurs, no emission occurs in a wavelength range of 400 nm to 700 nm.
  • magnesium (Mg) is doped so that the atomic concentration of silicon (Si) is the same and the atomic concentration is 8 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , a total of four elements are formed in the wavelength region of 400 nm to 700 nm.
  • a GaN single layer that simultaneously emits multi-wavelength light having different wavelengths can be formed.
  • the doping amount of magnesium (Mg) is increased, that is, as the atomic concentration of magnesium (Mg) in the layer is increased, multi-wavelength light can be generated in a longer wavelength band.
  • the doping amount of magnesium (Mg) is increased, that is, as the atomic concentration of magnesium (Mg) in the layer is increased, multi-wavelength light can be generated in a longer wavelength band.
  • the atomic concentration of silicon (Si) is 1 to 4 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and the atomic concentration of magnesium (Mg) is 4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer capable of simultaneously emitting multiwavelength light in a shorter wavelength region , And arranged above the light emission extraction direction. This is to avoid absorption of light emitted from the well layer made of the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer located below and efficiently extract the multi-wavelength light to the outside of the LED.
  • a single or first multiple well structure having a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer emitting a multi-wavelength light in a region near a wavelength of 600 nm to 700 nm as a well layer On the upper side, a single or second multiple quantum well structure having a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer emitting a multi-wavelength light in a wavelength region of 400 nm to 550 nm as a well layer is provided.
  • a light-emitting part having a structure is configured.
  • the barriers forming the first and second quantum well structures The constituent materials of the layers are not necessarily the same.
  • the barrier layers of the first and second quantum well structures can be composed of a group III nitride semiconductor single layer selected corresponding to the forbidden band width of the well layer made of a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer.
  • a barrier layer is formed from aluminum gallium nitride (compositional formula Al X Ga 1-X N: 0 ⁇ X ⁇ 1), and the second quantum well structure is formed of Al Y Y Ga 1-Y N: 0 ⁇ Y ⁇ 1, where Y ⁇ X).
  • a multi-wavelength emission group III nitride semiconductor single layer capable of simultaneously emitting multi-wavelength emission is stoichiometrically rich with respect to group V elements and group III elements of the periodic table of elements. It is comprised from the group III nitride semiconductor layer containing.
  • the fact that the Group III element is stoichiometrically rich with respect to the Group V element is, for example, a binary system (two elements) such as aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), or indium nitride (InN).
  • gallium (Ga), indium (In), or aluminum (Al) is stoichiometrically richer than nitrogen.
  • group III nitride semiconductor layer such as aluminum nitride
  • gallium arsenide nitride compositional formula GaAs 1- ⁇ N ⁇ : 0 ⁇ ⁇ 1)
  • aluminum phosphide nitride compositional formula AlP 1- ⁇ N ⁇ : 0 ⁇ ⁇ 1)
  • a group III nitride semiconductor layer containing a group V element in this example, arsenic (element symbol: As) and phosphorus (element symbol: P)
  • a group III element gallium (Ga) or aluminum (Al) is used.
  • the atomic concentration is higher than the total atomic concentration of nitrogen (N) and the group V elements other than nitrogen. If the ratio of the total amount of atomic concentrations of Group III and Group V elements is 1: 1, it is neither Group III element rich nor Group V element rich and stoichiometric.
  • the deviation of the stoichiometric composition can be determined, for example, by examining the rearranged structure of the surface of the group III nitride semiconductor layer by an electron beam diffraction technique such as high-speed reflection electron diffraction (abbreviation: RHEED).
  • RHEED high-speed reflection electron diffraction
  • the RHEED method can be effectively used in a growth means for depositing a group III nitride multi-wavelength light emitting layer on a substrate in a vacuum such as a solid source MBE method or a gas source MBE method.
  • the group III element of the periodic table of elements such as gallium necessary for the deposited layer on the substrate to simultaneously emit multiple wavelengths is stoichiometrically richer than the group V element such as nitrogen. It can be confirmed in real time (real-time) in the growth field that it is a group nitride semiconductor layer.
  • the Group III nitride semiconductor layer which is produced by continuously generating bright lines due to the structure, is stoichiometrically richer in Group III elements than Group V elements as a whole.
  • a group III element of the periodic table of elements such as aluminum (Al), gallium (Ga), or indium (In) in a stoichiometrically rich amount relative to a group V element such as nitrogen
  • GaN contains gallium (Ga) richer than nitrogen
  • a diffraction pattern indicating rearrangement such as (2 ⁇ 2) appears on the RHEED pattern.
  • FIG. 2 is a high-speed backscattered electron diffraction image of GaN showing a (2 ⁇ 2) surface rearrangement structure.
  • FIG. 2 illustrates a (2 ⁇ 2) RHEED pattern from a gallium nitride (GaN) layer containing gallium (Ga) stoichiometrically richer than nitrogen (N).
  • FIG. 3 is a high-speed backscattered electron diffraction image of GaN showing a (3 ⁇ 3) surface rearrangement structure.
  • FIG. 3 illustrates an RHEED pattern from a gallium nitride (GaN) layer containing nitrogen (N) in a stoichiometric richer form than gallium (Ga).
  • the (3 ⁇ 3) rearrangement structure that occurs when nitrogen (N) is richer than gallium (Ga) is shown.
  • the group III nitride semiconductor layer contains a group III element in a stoichiometrically rich manner can be investigated by a wet etching method in addition to the RHEED method.
  • a wet etching method in addition to the RHEED method.
  • KOH potassium hydroxide
  • FIG. 4 is a surface photograph after wet processing of a GaN layer containing gallium in a stoichiometrically richer amount than nitrogen.
  • FIG. 5 is a photograph of the surface of the GaN layer containing nitrogen stoichiometrically richer than gallium after wet processing. As shown in FIG.
  • a group III nitride semiconductor layer containing gallium as a group III element in a stoichiometric richer form than nitrogen is hardly eroded even when immersed in the above alkaline aqueous solution (see FIG. 4). ).
  • the group III nitride semiconductor layer rich in nitrogen (N) than gallium (Ga) it is eroded to the deep part of the same layer, and coarse gallium nitride (GaN) is scattered. (See FIG. 5).
  • a group III nitride semiconductor layer containing a group III element stoichiometrically richer than a group V element a group III nitride semiconductor layer containing a stoichiometric composition or a group V element richer
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer exhibiting higher intensity light emission can be formed.
  • gallium (Ga) is formed by solid source MBE using a silicon (Si) simple metal as a silicon (Si) doping source and a magnesium (Mg) single metal as a magnesium (Mg) doping source.
  • the maximum PL intensity from the Si and Mg-doped multi-wavelength light-emitting GaN layer including the abundant and having a (2 ⁇ 2) rearranged structure on the surface is 1.
  • the PL intensity of Si and Mg-doped GaN layers grown by solid source MBE method with a (3 ⁇ 3) rearranged surface and nitrogen (N) stoichiometrically rich is relatively 0.08 is extremely weak.
  • the function of simultaneously emitting multi-wavelength light is a function of absorbing a plurality of lights having different wavelengths. Therefore, the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer according to the present invention is not only a single wavelength light, but also a light absorption layer for photoelectric conversion that efficiently absorbs a plurality of lights having different wavelengths, for example, It is also advantageous for constituting the light receiving layer of the solar cell.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer having a low content of transition metal elements is convenient because it can suppress a change in excitation current with time due to capture of deep level electrons or holes. Can be used.
  • nitrogen plasma having a special configuration is used.
  • the nitrogen plasma having a special configuration is a nitrogen plasma that hardly emits light (including the case where it does not occur) that originates from the second positive band of nitrogen molecules (second positive molecular series).
  • Nitrogen plasma that does not emit light derived from the second positive band of nitrogen molecules generated by applying high frequency to high purity nitrogen gas is optimal as the nitrogen plasma according to the present invention.
  • the volume concentration is set to oxygen gas (molecular formula O 2 ) concentration less than 0.1 ppm, and carbon monoxide (molecular formula: CO).
  • O 2 oxygen gas
  • CO 2 carbon monoxide
  • the concentration of carbon dioxide (molecular formula: CO 2 ) is less than 0.1 ppm
  • the concentration of hydrocarbon gases is less than 0.05 ppm
  • the concentration of moisture (molecular formula: H 2 O) is less than 0.55 ppm.
  • the presence or absence of light emission derived from the second positive band of nitrogen molecules in the nitrogen plasma can be known from the emission spectrum from the nitrogen plasma.
  • the emission spectrum of the nitrogen plasma can be measured using a general spectrometer.
  • Light emission derived from the second positive band of the nitrogen molecule occurs in a wavelength range of 250 nm to 370 nm.
  • FIG. 6 shows an emission spectrum of nitrogen plasma suitable for this embodiment.
  • FIG. 6 shows an emission spectrum from a nitrogen plasma suitable for depositing a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer by a high frequency plasma MBE method, measured using a diffraction grating type spectroscope.
  • the nitrogen plasma suitable for the present embodiment is a nitrogen plasma that does not emit light derived from the second positive band of nitrogen molecules in the range of 300 nm to 370 nm, as shown in FIG. If the above-described high-purity nitrogen gas is used, nitrogen plasma that does not generate light emission derived from the second positive band of nitrogen molecules can be easily generated.
  • the emission spectrum illustrated in FIG. 6 is obtained by inputting high frequency nitrogen at a frequency of 13.56 megahertz (unit: MHz) at a power of 400 watts (unit: W) into high purity nitrogen gas having a flow rate set to 0.4 cc / min. This is when it is generated.
  • the frequency of the high frequency for forming the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer according to the present invention is 13.56 MHz
  • the input power is suitably 200 W or more and 600 W or less. Furthermore, it is more suitable to set it as the range of 250W or more and 450W or less. If power exceeding 600 W is input, the intensity of light emission derived from the second positive band of nitrogen molecules increases, which is not suitable.
  • the input power is as low as less than 250 W, sufficient nitrogen plasma cannot be generated to stably form the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor layer. This is not desirable because it increases the probability of a discontinuous group III nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) droplets rather than layered.
  • Nitrogen plasma that hardly emits light from the second positive band of nitrogen molecules means that the intensity of light emission caused by the second positive band of nitrogen molecules is higher than the light emission intensity caused by atomic nitrogen having a wavelength of 745 nm. 1/10 or less.
  • Another feature of the nitrogen plasma suitable for forming the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer of this embodiment is that three atomic atoms appearing at wavelengths of 745 nm, 821 nm, and 869 nm.
  • the relative intensity of the emission peak of nitrogen In the present invention, the intensity of the emission peak at a wavelength of 745 m is the highest, the intensity of the emission peak at a wavelength of 869 m is next high, and the intensity of the emission peak at a wavelength of 821 nm is 3 emission peaks. It is the lowest of all.
  • each single layer has a second positive band of nitrogen molecules. Therefore, nitrogen plasma which does not generate light emission or generates little light emission is formed as a nitrogen source.
  • a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer is used as one well layer, and a plurality of well layers are used to form a light emitting layer having a multiple quantum well (English abbreviation: MQW) structure. I will explain.
  • each well layer forming the light emitting layer of the MQW structure does not emit light due to the second positive band of nitrogen molecules. Or deposited in a nitrogen plasma environment that produces little emission. Further, for example, regardless of whether the layer thickness is the same or different, each well layer does not emit light due to the second positive band of nitrogen molecules, or generates a nitrogen plasma environment that hardly emits light. Deposits within.
  • Example 1 In Example 1, a case where the multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer to which the present embodiment is applied is composed of a gallium nitride indium (GaInN) single layer is taken as an example, and FIGS. 7 and 8 are used. I will explain.
  • FIG. 7 is a room temperature photoluminescence (PL) spectrum of the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing SIMS analysis results of atomic concentrations of elements in the multi-wavelength light emitting layer described in Example 1.
  • FIG. 7 is a room temperature photoluminescence (PL) spectrum of the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing SIMS analysis results of atomic concentrations of elements in the multi-wavelength light emitting layer described in Example 1.
  • FIG. PL room temperature photoluminescence
  • the pressure in the growth chamber made of stainless steel during growth was 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pascal (pressure unit: Pa).
  • the amount of flux of gallium (Ga) was 1.1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • the pressure in the growth chamber during growth was 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • an indium (In) composition that makes the indium composition in the layer uniform is 0.02
  • the pressure in the growth chamber during growth was 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • the flux amount of gallium (Ga) was 1.1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa, and the flux amount of indium (In) was 1.3 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa.
  • the surface structure was observed in real time by high-energy electron diffraction (RHEED). From the growing surface, as illustrated in FIG. 2 described above, when the indium (In) composition is small, the group III elements gallium (Ga) and indium (In) are stoichiometrically richer than nitrogen. An RHEED pattern showing a (2 ⁇ 2) rearrangement structure indicating that it was present was obtained.
  • the flow rate of nitrogen gas was 2.0 cc / min.
  • a circular jet plate having a plurality of fine holes each having a diameter of 0.5 mm is provided in an opening facing the base of a cell for generating nitrogen plasma, and is 250 nanometers (unit: nm)
  • the intensity of the emission peak due to the second positive band of the nitrogen molecule in the wavelength region of 370 nm or less was reduced.
  • FIG. 7 shows a PL spectrum of the above laminated structure having a Ga 0.98 In 0.02 N single layer as a surface.
  • He—Cd helium-cadmium
  • Table 1 summarizes the emission peak wavelengths and the intensities (arbitrary units) constituting the multiwavelength emission shown in FIG.
  • the band edge emission the emission with the shortest wavelength of 364.7 nm in the PL spectrum shown in FIG.
  • the emission constituting the multi-wavelength emission is two in the wavelength range of 400 nm or less, and 400 nm. Except for the band edge emission, two lights were emitted in the wavelength range exceeding 500 nm and two in the wavelength band exceeding 500 nm and 600 nm or less, and a total of six lights were emitted in the wavelength band not exceeding 600 nm. For this reason, it was visually recognized that the emission color when the surface of the structure was irradiated with the laser excitation light was almost white.
  • FIG. 8 shows the concentration distribution of silicon (Si) and magnesium (Mg) in the depth direction from the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer.
  • the concentration distribution of these elements was measured by a general secondary ion mass spectrometry (SIMS) method.
  • the atomic concentration of silicon (Si) is 3 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , and the distribution is almost constant in the depth direction except for the region near the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer.
  • the atomic concentration of magnesium (Mg) is 8 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 , and this is almost constant in the depth direction except for the region near the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer. It was distributed in atomic concentration.
  • the atomic concentration of both elements is measured to be higher than the depth of the layer because it is adsorbed on the surface of the monolayer. This was interpreted as due to analytical interference caused by oxygen (element symbol: O) and the like.
  • the atomic concentration ratio of magnesium (Mg) to silicon (Si) was a substantially constant ratio of 0.27 in the region from the vicinity of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer surface to a depth of about 650 nm.
  • FIG. 8 shows the concentration distribution of hydrogen (H), carbon (C), and oxygen (O) in the depth direction from the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer.
  • the concentration distribution of these elements was also measured by a general SIMS method.
  • Atomic concentration of hydrogen (H), carbon (C), and oxygen (O) in the region deeper than the region near the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer (the region from the surface to about 70 nm) Were almost constant. Further, when the atomic concentrations of the three elements of hydrogen (H), carbon (C), and oxygen (O) were compared, hydrogen (H) was the highest and oxygen (O) was the lowest.
  • any atomic concentration was higher than the magnesium (Mg) atomic concentration. It was low.
  • the atomic concentration of magnesium (Mg) at the center of the layer thickness of Ga 0.98 In 0.02 N single layer (depth of 400 nm from the surface) is 8 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3.
  • the atomic concentration of hydrogen (H) is 9 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the next highest concentration carbon (C) is 3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3, which is the lowest oxygen among the three elements (
  • the atomic concentration of O) was 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • Example 2 The present invention will be described with reference to FIG. 9, taking as an example the case of forming a gallium nitride indium (GaInN) single layer as a multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer on a sapphire substrate.
  • FIG. 9 is a room temperature photoluminescence (PL) spectrum of the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 2.
  • the atomic concentration of silicon (Si) is approximately 4 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 as in Example 1 above, and Ga 0.98 In 0 It was distributed at a substantially constant atomic concentration in the depth direction except for the region near the surface of the .02 N monolayer.
  • the atomic concentration of magnesium (Mg) is also 8 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 as in Example 1 above, and is almost in the depth direction except for the region near the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer. It was distributed at a certain atomic concentration.
  • the atomic concentration of hydrogen (H) is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the atomic concentration of carbon (C) is 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the atomic concentration of oxygen (O) is 5 ⁇ 10 16 cm -3 . All were lower than the atomic concentration of magnesium (Mg).
  • FIG. 9 shows a PL spectrum of the above laminated structure having a Ga 0.98 In 0.02 N single layer as a surface.
  • He—Cd helium-cadmium
  • Light emission occurs on the photon energy side lower than the band edge emission of GaN having a photon energy of 3.4 electron volts (unit: eV).
  • the intensity differs depending on the photon energy, it has a continuous spectrum in which light emission having different wavelengths of at least 3 or more is superimposed in the range of 3.4 eV to 2.0 eV. For this reason, it was visually recognized that the emission color when the surface of the structure was irradiated with the laser excitation light was white.
  • Example 3 A multi-wavelength light emitting layer having a multiple quantum well (abbreviation: MQW) structure in which a gallium nitride indium (GaInN) single layer emitting a plurality of lights (multi-wavelength light) having different wavelengths according to the present invention is used as a well.
  • MQW multiple quantum well
  • FIGS. 10 and 11 An example of the configuration will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
  • FIG. 10 is a transmission electron microscope (TEM) image showing a cross-sectional structure of the light emitting layer having the MQW structure according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a room temperature cathodoluminescence (CL) spectrum obtained from the MQW structure shown in FIG.
  • TEM transmission electron microscope
  • CL room temperature cathodoluminescence
  • the MQW structure using a Ga 0.94 In 0.06 N multi-wavelength light emitting layer as a well layer has an antimony (element symbol: Sb) -doped n-type silicon (Si) substrate surface with a crystal plane orientation of (111) on the surface. Formed.
  • the surface of the substrate is cleaned using an inorganic acid such as hydrofluoric acid (chemical formula: HF), and then transferred to a growth chamber of a molecular beam epitaxial (MBE) growth apparatus.
  • the inside of the growth chamber is 7 ⁇ 10 ⁇ . It was evacuated to an ultrahigh vacuum of 5 Pascal (pressure unit: Pa). Thereafter, the substrate temperature was raised to 780 ° C. while maintaining the degree of vacuum in the growth chamber, and heating was continued until the surface of the substrate exhibited a surface rearrangement structure having a (7 ⁇ 7) structure.
  • nitrogen converted into plasma by applying high frequency (13.56 MHz) is used as a nitrogen source.
  • the flow rate of nitrogen gas was 0.4 cc / min, and the amount of aluminum (Al) flux was 7.2 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa.
  • Al X Ga 1-X N undoped aluminum gallium nitride
  • layer thickness 300 nm
  • the aluminum (Al) composition ratio (X) of the Al X Ga 1-X N composition gradient layer is a composition from 0.30 to 0 (zero) from the bonding surface with the AlN layer toward the surface of the composition gradient layer.
  • the Al composition was decreased linearly and continuously in proportion to the increase in the thickness of the gradient layer.
  • the flow rate of nitrogen gas was kept constant at 0.4 cc / min, and the flux amount of gallium (Ga) was kept constant at 1.3 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • the amount of aluminum (Al) flux was set to 7.2 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa at the start of growth of the composition gradient layer, and decreased linearly with the passage of the growth time.
  • the Al flux toward the surface of the AlN layer was blocked.
  • the growth conditions were set so that the thickness of the GaN layer was 1800 nm and the carrier concentration was 4 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 . Since the GaN layer has a thickness exceeding 1000 nm, nitrogen plasma was generated from two high-frequency nitrogen plasma generators attached to one MBE growth chamber only when this layer was grown. The flow rate of nitrogen gas was set to 1.5 cc / min for each generator.
  • the growth of the GaN layer was completed in 120 minutes by setting the flux amount of gallium (Ga) to 1.3 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • the surface rearrangement structure during and after the growth of the GaN layer was a (2 ⁇ 2) structure indicating that gallium (Ga) is stoichiometrically richer than nitrogen (N) ( (See RHEED pattern shown in FIG. 2).
  • FIG. 10 shows a TEM image of a cross-sectional configuration of the MQW structure layer.
  • FIG. 11 shows a CL spectrum at room temperature obtained from Ga 0.94 In 0.06 N forming one well layer of the multiple quantum well structure forming the light emitting layer. It is clearly shown that a large number of light emission with different wavelengths are emitted even in a single layer.
  • band edge emission light emission of the shortest wavelength shown in FIG. 11
  • the RHEED patterns during and after the growth of the GaN layer forming the barrier layer having the multiple quantum well structure described above showed a (2 ⁇ 2) rearranged structure (see FIG. 2).
  • the RHEED pattern during the growth and at the end of the Ga 0.94 In 0.06 N layer forming the well layer of the multiple quantum well structure showed a (3 ⁇ 1) rearranged structure.
  • the pair of structural units in the above-mentioned multiple quantum well structure is composed of a GaN layer containing gallium (Ga) in a stoichiometric richer form than nitrogen (N), and a group III element (gallium (Ga)). And an indium (In)) Ga 0.94 In 0.06 N layer stoichiometrically richer than nitrogen (N).
  • the atomic concentration of silicon (Si) contained in the Ga 0.94 In 0.06 N well layer was 7 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the surface of the multiple quantum well structure in which the above eight pairs of structural units are stacked has the intensity of the emission peak due to the second positive band of nitrogen molecules in the wavelength region of 250 nm to 370 nm. Combined with the use of nitrogen plasma having an intensity of 1/10 or less of the emission peak intensity of atomic nitrogen at 745 nm, a good flat surface without irregularities was obtained.
  • the atomic concentration of hydrogen (H) in the multiple quantum well structure including the Ga 0.98 In 0.02 N well layer is 3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the atomic concentration of carbon (C) is 1 ⁇ 10 6.
  • 17 is cm -3
  • the atomic concentration of oxygen (O) was the lowest 2 ⁇ 10 16 cm -3 in the three elements.
  • Example 1 Ga 0.98 In doped with silicon (Si) and magnesium (Mg) simultaneously on the (111) surface of the n-type (111) -silicon substrate by high frequency nitrogen plasma MBE method. A 0.02 N monolayer was grown. However, in this comparative example 1, the layer thickness of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer was set to 400 nm, which is half of the case of the above-mentioned example 1.
  • the concentration distribution of magnesium (Mg) atoms in the increasing direction of the layer thickness is different from that of the above-mentioned example 1, while simultaneously doping and growing silicon (Si) and magnesium (Mg).
  • Si silicon
  • Mg magnesium
  • a Ga 0.98 In 0.02 N single layer was grown.
  • the temperature of the magnesium (Mg) cell is uniformly set at a rate of 3 ° C. per minute from 340 ° C. at the start of growth of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer. At the end of the same layer growth for 30 minutes.
  • FIG. 12 is a diagram showing the results of SIMS analysis of the atomic concentration of an element in a single layer that does not cause multiwavelength light emission described in Comparative Example 1.
  • FIG. FIG. 12 shows the depth direction of magnesium (Mg), silicon (Si) and hydrogen (H) of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer described in Comparative Example 1 measured by general SIMS analysis. The distribution of atomic concentration is shown. As shown in FIG. 12, silicon (Si) is distributed almost uniformly in the layer, and the atomic concentration thereof is substantially constant 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 in the layer.
  • the concentration of magnesium (Mg) atoms in the Ga 0.98 In 0.02 N single layer of Comparative Example 1 is not constant in the layer thickness direction. It was. For this reason, the ratio of the atomic concentration of magnesium (Mg) to silicon (Si) is 0.1 at the junction interface with the underlying GaN layer, which is 80 nm from the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer. The depth was 0.8 ⁇ 10 ⁇ 2 .
  • the hydrogen atoms are not substantially uniformly distributed in the depth direction as in the case of Example 1 above, and the depth corresponding to half the thickness of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer is obtained.
  • the concentration gradually increased toward the surface.
  • the hydrogen atom concentration in the region where the concentration was low exceeded the atomic concentration of magnesium (Mg).
  • the hydrogen atom concentration is directed toward the surface of the same layer as if the atomic concentration of magnesium (Mg) gradually decreases toward the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N monolayer. Gradually increased (see FIG. 12).
  • the atomic concentration of hydrogen (H) at a depth of 30 nm from the surface of the Ga 0.98 In 0.02 N single layer was 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 (see FIG. 12).
  • FIG. 13 is a diagram showing a room temperature PL spectrum of a single layer that does not generate multi-wavelength light described in Comparative Example 1.
  • FIG. 13 shows a PL spectrum at room temperature from a Ga 0.98 In 0.02 N monolayer.
  • broad (broad) light emission occurs at a wavelength near the band edge of gallium nitride (GaN) and in a region where the wavelength is about 550 nm to about 620 nm.
  • This broad light emission is referred to as yellow luminescence, and is presumed to be a light emission involving crystal defects (JACQUES I. PANKOVE and THEODEORE D.
  • MOUSTAKAS Editors
  • “Gallium Nitride (GaN) ICT EM ON SE, EM) SEMIMETALS Vol.50 (ACADEMIC PRESS, 1988) ", 291-295 are examples of crystal defects.
  • Example 4 In Example 4, a case where a group III nitride semiconductor device is configured by using a multilayer body including a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer that brings about a plurality of light emission having different wavelengths will be described with reference to FIG. The contents of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 14 is a diagram showing a light emission pattern of an LED including the multiwavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer described in Example 4.
  • FIG. 14 shows a light emission state when the LED described in Example 4 is energized.
  • a laminate of a pn junction type double hetero structure for use in a light emitting diode (LED) was formed.
  • nitrogen plasma MBE method nitrogen plasma that does not emit light due to the second positive band of nitrogen molecules was used as a nitrogen source.
  • the growth conditions were set so that the atomic concentration of magnesium (Mg) inside the p-type GaN layer was 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the Mg-doped p-type GaN layer and the Ga 0.98 In 0.02 N single layer in the region for forming the n-type ohmic electrode were removed by a general dry etching method.
  • An n-type ohmic electrode was formed on the surface of the n-type gallium nitride layer exposed by removing these layers.
  • a p-type ohmic electrode and a pedestal (pad) electrode electrically connected thereto were formed to produce a light emitting diode (LED).
  • a phosphor for producing white light was not provided on the surface of a square planar LED chip having a side length of about 350 ⁇ m (unit: ⁇ m).
  • the forward voltage is 3.5 volts (unit: V) when the forward current of the diode is 20 milliamperes (unit: mA). It was. The forward voltage was fixed at 3.5 V, and the change with time in the forward current (so-called current drift) was measured. The forward current hardly changed over time from 20 mA.
  • Example 5 a light-emitting element configured by using a stacked body including a multi-quantum well (MQW) structure in which a multi-wavelength light emitting group III nitride semiconductor single layer that provides a plurality of light emission having different wavelengths is used as a well layer ( LED) will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of an LED described in the fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic plan view of the LED shown in FIG.
  • the light emitting device (LED) 10 has an AlGaN composition gradient layer 103 on an AlN layer 102 formed on a Si substrate 101.
  • an n-type GaN layer 104, a multiple quantum well structure light-emitting layer 105, and a p-type GaN layer 106 are sequentially stacked. Furthermore, a p-type ohmic electrode 108 is formed on the p-type GaN layer 106, and an n-type ohmic electrode 107 is stacked in an exposed region formed in the n-type GaN layer 104.
  • a GaN barrier layer 105a and a GaInN well layer 105b are alternately stacked, and a GaN barrier layer 105a is stacked on the top layer.
  • a GaN barrier layer 105a is stacked on the top layer.
  • Example 5 the LED 10 was configured using the MQW structure described in Example 2 above as the light emitting layer 105 having a multiple quantum well structure.
  • the formation of the structure for LED 10 was completed. Growth conditions were set so that the atomic concentration of magnesium (Mg) inside the p-type GaN layer 106 would be 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type GaN layer 106 and the multiple quantum well structure light emitting layer 105 in the region where the n-type ohmic electrode 107 is to be formed were selectively removed by a general dry etching method. Thereafter, an n-type ohmic electrode 107 was formed on the surface of the n-type GaN layer 104 exposed by etching. A lattice-shaped p-type ohmic electrode 108 patterned using a general photolithography technique was formed on the surface of the p-type GaN layer 106 left after etching.
  • the p-type ohmic electrode 108 having a width of 4 ⁇ 10 ⁇ 4 cm arranged in a lattice shape is made of platinum (Pt) -based metal that makes ohmic contact with the p-type GaN layer 106.
  • No phosphor such as Y 3 Al 5 O 12 for providing white light was provided on the surface of the chip.
  • the forward voltage (Vf) when a forward current of 20 mA was passed through the square LED 10 having a side length of about 400 ⁇ m was 3.4V.
  • the peak wavelengths of light emission measured in the wavelength range of 350 nm to 700 nm when a forward current of 20 mA was passed were 365 nm, 385 nm, 440 nm, 500 nm, 550 nm, 600 nm, and 670 nm. Since a plurality of luminescences having different wavelengths were manifested in such a wide wavelength range, the luminescent color visually observed was white. In addition, the wavelength and intensity of each light emission constituting the multi-wavelength light emission hardly changed over time.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light emitting element (LED), 101 ... Si substrate, 102 ... AlN layer, 103 ... AlGaN composition gradient layer, 104 ... n-type GaN layer, 105 ... Multiple quantum well structure light emitting layer, 105a ... GaN barrier layer, 105b ... GaInN Well layer, 106 ... p-type GaN layer, 107 ... n-type ohmic electrode, 108 ... p-type ohmic electrode, 109 ... pedestal (pad) electrode
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Abstract

基体と、前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子により、白色ＬＥＤ等の半導体素子を簡単な構造をもって簡便に提供する。

Description

ＩＩＩ族窒化物半導体素子、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法
　本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法に関し、より詳しくは、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、ＩＩＩ族窒化物半導体素子を構成し数的に単一な層でありながら波長が相違する複数の可視光（多波長光）を出射可能なガリウム（Ｇａ）を含む多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層及び多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法に関する。
　従来、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１－ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体層は、可視光を出射する発光層等を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。窒化ガリウム・インジウムからは、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＰ）等の化合物半導体材料では得られない赤色から青色までの発光が得られるとされる（特許文献１参照）。例えば、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
　窒化ガリウム・インジウムにあっては、亜鉛等の不純物は、禁止帯幅（ｂａｎｄ　ｇａｐ）に相当する光子エネルギーとは別のエネルギーの光吸収を発生させると報告されている（特許文献１参照）。この様な光吸収を生ずる不純物としては、亜鉛の他に、カドミウム（元素記号：Ｃｄ）、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、銅（元素記号：Ｃｕ）が知られている（特許文献１参照）。
　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られている。例えば、ｎ型とｐ型の不純物（ドーパント）とを共に添加して形成した窒化ガリウム・インジウム層を発光層として、ＬＥＤを構成する技術が挙げられる（特許文献２～４参照）。ｎ型不純物としては、珪素（元素記号：Ｓｉ）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、硫黄（元素記号：Ｓ）がｎ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。また、ｐ型不純物としては、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、ベリリウム、カルシウム（元素記号：Ｃａ）が例示されている（特許文献３の段落（０００８）参照）。加えて、特許文献４には、水銀（元素記号：Ｈｇ）がｐ型不純物として記載されている（特許文献４の段落（００２２）参照）。
　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）。
　また、青色光を発するＬＥＤを利用して、白色光を発するＬＥＤを構成する技術も公知となっている。例えば、窒化ガリウム・インジウム層からなる発光層から出射される青色光により蛍光体を励起させ、白色の励起光を出射するＬＥＤを構成する技術である（特許文献５～８参照）。この蛍光型白色ＬＥＤを構成するための蛍光体としては、青色光又は紫外光により励起され、白色蛍光を発する例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）等が用いられている（特許文献９～１１参照）。
特公昭５５－３８３４号公報 特許第２５６０９６４号公報 特許第２５７６８１９号公報 特許第３５００７６２号公報 特開平０７－０９９３４５号公報 特許第２９００９２８号公報 特許第３７２４４９０号公報 特許第３７２４４９８号公報 特許第２９２７２７９号公報 特許第３５０３１３９号公報 特許第３７００５０２号公報
　上述した窒化ガリウム・インジウムを発光層として利用する蛍光型白色ＬＥＤに付随する第一の問題点は、そもそも、青色光等により励起され、波長が相違する蛍光を発する蛍光体を必要とし、ＬＥＤの生産工程は冗長となり、また煩雑となることである。また、第二の問題点は、蛍光体を励起して色調の一定した白色光を安定して得るには、窒化ガリウム・インジウム層等からなる発光層からの発光の波長の差異に応じて、蛍光体として用いる希土類（ｒａｒｅ－ｅａｒｔｈ）元素を添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の組成を、微妙に且つ精緻に変化させる必要があり、演色性の一定した白色系ＬＥＤを得るのが煩瑣となることである。
　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。
　このような、謂わば補色光型の白色ＬＥＤには、セリウム（元素記号：Ｃｅ）を添加したＹＡＧ蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１８４～１８５頁参照）。しかしながら、同様の色調の白色ＬＥＤを得るために、この励起光として利用する青色光の波長の差異に応じて、その都度、イットリウム（元素記号：Ｙ）、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、ガドリニウム（元素記号：Ｇｄ）又はガリウム（元素記号：Ｇａ）の組成を微妙に変化させたＹＡＧ蛍光体を用いて作製されているのが現状である。
　また、補色型白色ＬＥＤにあっては、白色光を得るために混色させるのは、主に、補色の関係にある２色の発光である。このため、補色の関係にある２色の発光の強度の比率に依存して、帰結される白色光の色調が微妙に変化してしまう問題も生じている。従って、補色型白色ＬＥＤにあっては、いずれにしても混光により、一定した演色性をもたらす白色ＬＥＤを安定して得るには技術上の困難さを伴うものとなっている。
　従来の蛍光型或いは補色型の白色ＬＥＤには、青色光などの励起光よりも長波長側に主たる蛍光を発生させる蛍光体が用いられている（「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、１７６～１７９頁参照）。即ち、励起光とそれよりも長波長の蛍光とを混光させて白色ＬＥＤをなしている。
　例えば、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム単層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせることが出来れば、上記の蛍光型或いは補色型とは別の型の白色ＬＥＤに付随する従来の問題も解決を図れる。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の各色光を出射できる窒化ガリウム・インジウム層を発光層とすれば、ＲＧＢ混光型白色ＬＥＤを構成するのに利便となる。即ち、単一な窒化ガリウム・インジウム単層を用いれば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）を各々出射できる発光層をそれぞれ個別に設ける必要がない。また、複数の発光層を設ける必要もなく、さらに、発光を閉じ込めるためのクラッド（ｃｌａｄ）層を各発光層について各々設ける必要も無くなり、混光による白色ＬＥＤを簡便に得る目的を達成できる。
　しかしながら、現状では、数的に単一な層（単層）でありながら、波長が相違する複数の発光をもたらすガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層、例えば、窒化ガリウム・インジウム単層を構成するための要件は明確となっていない。
　本発明は、本発明の一つの産業上の利用分野であるＩＩＩ族窒化物半導体白色ＬＥＤに係る上記の従来技術の問題点を回避すべくなされたものである。即ち、本発明は、波長が相違する複数の発光をもたらすためにガリウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体単層が備えるべき構成要件を明確にすると共に、（ｉ）数的に単一な層、即ち、単層でありながら発光波長が相違する複数の発光を出射可能な、ガリウムを必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層、（ｉｉ）そのＩＩＩ族窒化物半導体単層を、一つ又は二つ以上備えた半導体素子、（ｉｉｉ）そのＩＩＩ族窒化物半導体単層の形成方法を提示するものである。これをもって、本発明の一つの産業上の利用分野に属する白色ＬＥＤ等の半導体素子を簡単な構造をもって簡便に提供することを目的としている。
　本発明は、数的に単一な層でありながら、波長が相違する複数の発光を生じさせる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を採用することにより、白色ＬＥＤに付随する従来の問題の解決を図るものである。
　以下、［１］～［３５］に係る発明が提供される。
［１］基体と、前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［２］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、複数の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とする前項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［３］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［４］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［５］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする前項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［６］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、珪素を原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で含み、マグネシウムを原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１乃至５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［７］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ水素の原子濃度より高いことを特徴とする前項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［８］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、水素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［９］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１０］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする前項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１１］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１２］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１３］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
［１４］基体上に形成された多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含み、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、放射再結合による発光スペクトルが、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１５］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１６］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１７］前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする前項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１８］前記ドナー不純物として珪素（元素記号：Ｓｉ）を原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で含み、前記アクセプター不純物としてマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）を原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする前項１４乃至１７のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［１９］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ水素（元素記号：Ｈ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２０］前記水素の原子濃度が、２×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする前項１９に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２１］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２２］前記炭素の原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする前項２１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２３］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２４］前記酸素の原子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする前項２３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２５］前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする前項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
［２６］前項１４乃至２５のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法であって、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において、圧力５×１０－３パスカル（圧力単位：Ｐａ）以下の環境内に窒素プラズマ雰囲気を形成し、前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上７５０℃以下の範囲に保ち、前記窒素プラズマ雰囲気内の前記基体上に、表面が（２×２）再配列構造、または（３×１）再配列構造となるようなフラックス量でガリウムを含む第ＩＩＩ族元素源を供給しつつ、ドナー不純物及びアクセプター不純物を同時に供給することを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２７］前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上６２０℃以下とし、且つ前記ドナー不純物としての珪素と前記アクセプター不純物としてのマグネシウムとを、当該珪素に対する当該マグネシウムのフラックス比率を０．１以下として当該窒素プラズマ雰囲気内に同時に供給し、当該ドナー不純物としての当該珪素を６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の原子濃度の範囲で含み、且つ当該アクセプター不純物としての当該マグネシウムを５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の原子濃度の範囲で含むことを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２８］前記窒素プラズマ雰囲気は、窒素ガス（分子式：Ｎ２）の供給量が０．１ｃｃ／分以上４．８ｃｃ／分以下の条件で発生させ、且つ前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［２９］前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３０］前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする前項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３１］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度が、波長７４５ｎｍにおける原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下であることを特徴とする前項２６乃至３０のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３２］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークを生じないことを特徴とする前項３１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３３］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍにおける原子状窒素に因るそれぞれの発光ピークの中で、波長７４５ｎｍにおける発光ピークの強度が最高であることを特徴とする前項３１又は３２項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３４］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８６９ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークが、波長７４５ｎｍにおける当該原子状窒素に因る前記発光ピークに次いで高い強度を呈することを特徴とする前項３３項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
［３５］前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８２１ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークの強度が最も低いことを特徴とする前項３３項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
　前項［１］に係る発明に依れば、数的に単一ながら、波長が異なる（＝発光色が相違する）３個以上の光を出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を、例えば、発光層として用いる構成により、簡易な構造で、且つ演色性の高い白色ＬＥＤを提供できる。例えば、蛍光体を使用しない簡易な構造の白色ＬＥＤが得られる。また、例えば、ＲＧＢの各色毎に、個別に発光層を設ける必要もなく白色ＬＥＤが得られる。
　前項［２］に係る発明に依れば、数的に単一ながらバンド端発光とは別に、波長が相違する発光を放射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数用い、例えば、これらを発光層として配備することにより、発光強度に優れる白色ＬＥＤを提供できる。
　前項［３］に係る発明に依れば、例えば、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を発光層として用いることにより、混光により演色性に優れる白色ＬＥＤを簡便に提供できる。
　前項［４］に係る発明に依れば、例えば発光層を、数的に単一、且つ波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、混光により演色性に優れる白色ＬＥＤを簡便に提供できる。また、この様な単層を複数用いて、例えば、多重量子井戸構造をなす複数の井戸層として用いれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の各層からの多波長発光を重畳させてなる発光強度の高い白色ＬＥＤを提供できる。
　前項［５］に係る発明に依れば、例えば発光層を、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲で波長が相違する多波長光を同時に出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた淡い色合（ｐａｓｔｅｌ）のパステル色調の白色系光を発するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
　前項［６］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で珪素がドナー不純物として含まれ、且つ、珪素より低濃度で原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲でマグネシウムがアクセプター不純物として含まれ、電気抵抗が小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、発光波長が相違する合計３つ以上の発光を同時に出射し、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを提供できる。
　前項［７］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ水素の原子濃度より高く含み、電気抵抗が小さく、波長が相違する多波長発光を出射可能な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを安定して提供できる。
　前項［８］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とし、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［９］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［１０］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［１１］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［１２］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［１３］に係る発明に依れば、例えば、発光層を、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高く含み、白色光を出射可能な電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を用いて構成することにより、順方向電圧の低い白色ＬＥＤを特に安定して提供できる。
　前項［１４］に係る発明に依れば、数的に単一な単層であっても、混光により白色光を出射可能な発光層としての多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［１５］に係る発明に依れば、４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、混光により、演色性に優れる白色光を出射可能な発光層としての多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［１６］に係る発明に依れば、５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた白色系光を出射するのに好都合な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［１７］に係る発明に依れば、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長の範囲で、緑色、赤色又は青色、緑色を帯びた白色系光を出射するのに好都合な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［１８］に係る発明に依れば、原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で珪素をドナー不純物として含み、且つ、珪素より低濃度で原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲でマグネシウムをアクセプター不純物として含むことにより、バンド端発光とは別に、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［１９］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ水素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［２０］に係る発明に依れば、水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
　前項［２１］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ炭素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［２２］に係る発明に依れば、炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
　前項［２３］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ酸素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［２４］に係る発明に依れば、酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下とすることにより、電気抵抗が小さく白色光発光層として好ましく利用できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して提供できる。
　前項［２５］に係る発明に依れば、マグネシウムを珪素より低い原子濃度で含み、且つ硼素の原子濃度より高く含むことにより、発光波長が相違する合計３つ以上の多波長発光をもたらす電気抵抗の小さい多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を提供できる。
　前項［２６］～［３５］に係る発明に依れば、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において窒素プラズマを窒素源とし、プラズマ発光ピークの強度比率が好適な条件を採用することにより、例えば、モリブデンやクロム等の遷移金属元素の不純物量が減少し、白色ＬＥＤ等に好適な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに貢献できる。
多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペルクトル例である。 （２×２）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。 （３×３）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。 ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。 窒素をガリウムより化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。 本発明の実施に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。 実施例１に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。 実施例１に記載の多波長発光層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 実施例２に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。 実施例３に係るＭＱＷ構造の発光層の断面構造を示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。 図１０に示すＭＱＷ構造から得られる室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルである。 比較例１記載の多波長発光を生じない単層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。 比較例１記載の多波長発光を生じない単層の室温ＰＬスペクトルを示す図である。 実施例４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えたＬＥＤの発光パターンを示す図である。 実施例５に記載のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。 図１５に示すＬＥＤの平面構造を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。
＜多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層＞
　図１は、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペルクトル例である。
　本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層は、数的に単一でありながら、相違する波長の多波長光を同時に放射可能であり、半導体材料基板又は金属材料基板等の基体上に設けられる。基板には、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α－Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶基板、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶からなる基板を例示できる。基体には、バルク（ｂｕｌｋ）結晶基板に限定されず、例えば、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体やリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
　上記の材料からなる基板又はエピタキシャル成長層は、数的に単一の層（単層）でありがら波長が相違する複数の波長の発光を同時に出射するＩＩＩ族窒化物半導体層（多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層）を井戸層として量子井戸構造の発光層を形成する場合に利用できる。演色性の高い白色ＬＥＤを得るときは、広い波長の範囲で多くの発光（多波長光）を放射する、複数の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層として発光層を形成する。所謂、複数の井戸層を備えた多重量子井戸構造（英略称：ＭＱＷ）とすると、各多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からの発光を混光できて白色ＬＥＤ等を得るに好都合である。
　本実施の形態では、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物とが共に添加されたＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。特に、ガリウムを必須の構成元素として含む、窒素等の第Ｖ族元素よりも、ガリウム等の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含み、バンド端発光とは別に、バンド（ｂａｎｄ）端発光より長い波長の領域で、波長が相違する３以上の光を同時に放射できるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
　多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層には、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。また、５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射でき、且つ、４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。波長を５００ｎｍ～７５０ｎｍとする青緑色～赤色の複数の発光を成分として混光することにより、演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができるからである。
　５００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射するに更に加えて、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射でき、尚且つ４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の範囲で、波長が相違する多波長光を同時に出射できる機能層を用いる。波長を５００ｎｍ～７５０ｎｍとする青緑色から赤色の複数の発光に、波長を４００ｎｍ～５５０ｎｍとする青紫色から緑色の複数の発光を混光すれば、より演色性に優れる白色系ＬＥＤを得ることができるからである。多波長発光を構成する各発光の波長は、伝導帯に励起された電子と価電子帯の正孔が再結合する際に発せられるスペクトル、所謂、放射再結合による発光スペクトルを観測することに依り測定できる。具体的な測定方法としては、フォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）法やカソードルミネッセンス（英略称：ＣＬ）法等が挙げられる。
　４００ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長の範囲で、波長が相違する３つ以上の多波長光を同時に出射する機能を発現できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ドナー不純物として珪素（Ｓｉ）を含み、アクセプター不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。例えば、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１―ＸＮ：０＜Ｘ≦１）等のガリウム（Ｇａ）を構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成できる。また、相分離（ｐｈａｓｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を然して生じないインジウム（Ｉｎ）組成（＝１－Ｘ）のＧａＸＩｎ１―ＸＮ（０．９０＜Ｘ≦１或いは０≦Ｘ≦０．１）からも構成できる。ガリウム（Ｇａ）組成（＝Ｘ）又はインジウム（Ｉｎ）組成（１－Ｘ）の大きな、端的にはＧａＮ又は窒化インジウム（ＩｎＮ）の様なそもそも相分離の無い層では、相分離に起因するＧａＸＩｎ１―ＸＮ層内でのインジウム濃度の不均一性に因り、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が層内で不均一に分布するのを避けることができる。これにより、珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）が形成する準位間の光学的遷移に基づく多波長発光をなす各発光の波長を均一とするのに優位となる。
　多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を６×１０１７ｃｍ－３以上で５×１０１９ｃｍ－３以下とし、且つ、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を５×１０１６ｃｍ－３以上で３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲とすることにより、多波長の発光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を効率的に形成できる。多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、例えば２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）法等で定量することができる。
　珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含む多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、例えば、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｉｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。これらの成長手段にあって、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層内の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、同層へのＳｉ及びＭｇのドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）量を調節することをもって調整する。ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式；ＳｉＨ４）やメチルシラン（分子式：ＣＨ３ＳｉＨ３）等のシラン類を珪素（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ＭＯＣＶＤ法では、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（略記号：Ｃｐ２Ｍｇ）等の有機マグネシウム化合物をマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源として利用できる。
　特に、ＭＢＥ法は、井戸層をなす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を上記の他の気相成長法と比較して、より低温で形成できる利点がある。このため、例えば、井戸層をなす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層に添加（ドーピング）したマグネシウム（Ｍｇ）の、井戸層に接合してＭＱＷ構造をなす障壁層への熱的拡散を抑制するのに優位な成長手段となる。例えば、相分離を然して生じないｎ型Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層とｎ型ＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造にあって、アクセプター不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）の障壁層への拡散、侵入を抑制することができ、障壁層が高抵抗となるのを、または伝導形がｐ型に変換されるのを回避するのに効果をあげられる。これにより、井戸層と障壁層との間でのｐｎ接合の形成を回避できる。従って、井戸層と同一の伝導形を呈する障壁層とからＭＱＷ構造を構成できるため、電気的導通性に優れるＭＱＷ構造の発光層を構成できる。
　珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体を形成するに際し、上記のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量を多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を高める程、或る波長領域に生ずる波長が相違する発光の数を増加させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度が４×１０１８ｃｍ－３である場合に於いて、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３未満の２×１０１６ｃｍ－３であるＧａＮ層の場合、ＧａＮのバンド端発光は生ずるものの、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの領域に発光は生じない。一方、同様の珪素（Ｓｉ）の原子濃度を有し、且つ、原子濃度が８×１０１７ｃｍ－３となる様に、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすると、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの領域に合計４つの波長が相違する多波長光を同時に出射するＧａＮ単層を形成できる。
　また、マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング量をより多量とする程、即ち、層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度をより高める程、より長波長の帯域に多波長光を発生させることができる。例えば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度を１～４×１０１９ｃｍ－３とし、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を４×１０１６ｃｍ－３とするＧａＸＩｎ１－ＸＮの場合には、波長を４５０ｎｍとする単一の発光のみ観測される。これに対し、インジウム組成を同一としながらも、マグネシウム（Ｍｇ）が原子濃度にして３×１０１８ｃｍ－３とより多く含まれるときは、多波長発光の発光が顕現され、その中での最長の波長は５８０ｎｍに到達する（図１参照）。
　異なる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からＭＱＷ構造の発光部を構成する場合には、より短い波長の領域で多波長光を同時に出射できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層である程、発光の取り出し方向のより上方に配置させる。より下方にある多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層から出射される発光の吸収を避け、ＬＥＤの外部へ多波長光を効率的に取り出すためである。例えば、波長６００ｎｍ～７００ｎｍ近傍の領域に多波長光を発する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第１の多重井戸構造上の、発光の外部への取り出し方向に向かう上方には、波長４００ｎｍ～５５０ｎｍの領域で多波長光を発する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする単一或いは第２多重量子井戸構造を設けて、これにより全体としてＭＱＷ構造の発光部を構成する。
　上記の様に多波長の発光を生ずる異なる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする第１及び第２の量子構造にあって、第１及び第２の量子井戸構造をなす障壁層の構成材料は、必ずしも同一とする必要はない。第１及び第２の量子井戸構造の障壁層は、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層からなる井戸層の禁止帯幅に対応して選択されたＩＩＩ族窒化物半導体単層から構成できる。例えば、上記の第１の量子井戸構造については、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１－ＸＮ：０≦Ｘ≦１）から障壁層を構成し、第２の量子井戸構造をＡｌＹＧａ１－ＹＮ：０≦Ｙ≦１、但し、Ｙ≧Ｘ）を構成できる。
　本実施の形態では、多波長発光を同時に発光できる多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を、第Ｖ族元素に対して、元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むとは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は窒化インジウム（ＩｎＮ）等の２元系（２元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあって、ガリウム（Ｇａ）又はインジウム（Ｉｎ）又はアルミニウム（Ａｌ）が窒素よりも化学量論的に富裕に含まれていることを云う。例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ：０＜Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等の多元系（多元素）ＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、第ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の合計の原子の濃度が、窒素原子の濃度を上回っていることを指す。
　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。
　化学量論的な組成のズレは、例えば、高速反射電子回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）等の電子線回折技法等でＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の再配列構造を調査すれば判定できる。例えば、固体ソースＭＢＥ法やガスソースＭＢＥ法等の真空中でＩＩＩ族窒化物多波長発光層を基体上に堆積する成長手段では、ＲＨＥＥＤ法を有効に利用することができる。このため、基体上の堆積層が多波長を同時に発光するのに必要なガリウム等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕とするＩＩＩ族窒化物半導体層であることをその成長場に於いて、リアルタイム（ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ）で確認できる。
　ＲＨＥＥＤ法に依り得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の表面からの回折パターン（ＲＨＥＥＤパターン）に、堆積中に常時、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含む再配列構造に起因する輝線（ｓｔｒｅａｋ　ｌｉｎｅ）を継続して生じつつ、堆積して出来上がるＩＩＩ族窒化物半導体層は、層全体としても、第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層であると見做す。
　アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）若しくはインジウム（Ｉｎ）等の元素周期律表の第ＩＩＩ族元素を窒素等の第Ｖ族元素に対して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層、例えば、ガリウム（Ｇａ）を窒素より富裕に含むＧａＮであれば、ＲＨＥＥＤパターン上には、例えば（２×２）等の再配列を示す回折パターンが現れる。
　図２は、（２×２）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。図２には、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からの（２×２）ＲＨＥＥＤパターンが例示されている。
　図３は、（３×３）表面再配列構造を示すＧａＮの高速反射電子回折像である。図３には、図２とは逆に、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）よりも化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）層からのＲＨＥＥＤパターンが例示されている。ここには、窒素（Ｎ）がガリウム（Ｇａ）よりも富裕に含まれるときに生ずる（３×３）再配列構造が示されている。
　また、アルミニウム（Ａｌ）を窒素（Ｎ）よりも富裕に含む窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からは、（２×２）構造の他に（√３×√３）Ｒ３０°または（２√３×２√３）Ｒ３０°等のＲＨＥＥＤパターンが得られる。また、第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）とを窒素より化学量論的に富裕に含む窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１－ＸＮ）の場合、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝１－Ｘ）が小さいときは、（２×２）再配列構造が出現し、インジウム（Ｉｎ）組成比が大きいときは、（３×１）再配列構造が出現する。
　ＩＩＩ族窒化物半導体層が第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んで成るか否かは、ＲＨＥＥＤ法に加えて、湿式エッチング法に依っても調査できる。ＩＩＩ族窒化物半導体層を、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に浸した場合に於ける、ＩＩＩ族窒化物半導体層の侵食のされ方の差異から判断できる（ＭＲＳ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．，９（２００４，　Ｔｈｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　ＵＳＡ），ｐ．ｐ．１－３４．）。
　例えば、水酸化カリウムを２０重量％の濃度で含む水溶液に６０℃で２分間、継続して窒化ガリウム（ＧａＮ）層を浸漬した場合のＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の走査電子顕微鏡写真を図４及び図５に例示する。
　図４は、ガリウムを窒素より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。また、図５は、窒素をガリウムより化学量論的に富裕に含むＧａＮ層の湿式処理後の表面写真である。
　図４に示すように、第ＩＩＩ族元素であるガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層は、上記のアルカリ性水溶液に浸漬しても侵食され難い（図４参照）。一方、図５に示すように、窒素（Ｎ）をガリウム（Ｇａ）より富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層では、同層の深部まで侵食され、粒状の窒化ガリウム（ＧａＮ）が散在した粗雑なものとなる（図５参照）。
　第ＩＩＩ族元素を第Ｖ族元素と比較して化学量論的に富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層からは、化学量論的組成或いは第Ｖ族元素を富裕に含むＩＩＩ族窒化物半導体層よりも高い強度の発光を呈する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を構成できる。例えば、珪素（Ｓｉ）単体金属を珪素（Ｓｉ）のドーピング源とし、マグネシウム（Ｍｇ）単体金属をマグネシウム（Ｍｇ）ドーピング源として、固体ソースＭＢＥ法により成膜した、ガリウム（Ｇａ）を化学量論的に富裕に含み、表面を（２×２）再配列構造とするＳｉ及びＭｇドープ多波長発光ＧａＮ層からの最大のＰＬ強度を仮に、１とする。これに対し、固体ソースＭＢＥ法で成長させた、表面を（３×３）再配列構造とし、窒素（Ｎ）を化学量論的に富裕に含むＳｉ及びＭｇドープＧａＮ層のＰＬ強度は相対的に０．０８と極めて微弱なものである。
　多波長光を同時に発光する機能は、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本発明に係る多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は単一の波長の光のみでなく、波長が相違する複数の光を効率的に吸収する光電変換のための光吸収層、例えば太陽電池の受光層を構成するのにも優位となる。特に、遷移金属元素の含有量の少ない多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、ディープレベル（ｄｅｅｐ　ｌｅｖｅｌ）の電子又は正孔の捕獲に因る励起電流の経時的変化を抑制できるため利便に用いることができる。
　本実施の形態では、波長が相違する３以上の光を出射できる多波長ＩＩＩ族窒化物半導体単層を安定して形成するために、特別な構成の窒素プラズマを利用する。特別な構成の窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯（ｓｅｃｏｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｓｅｒｉｅｓ）に由来する発光を殆ど生じない（発生しない場合を含む。）窒素プラズマである。高純度の窒素ガスに高周波を印加して生成した窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマは、本発明に係る窒素プラズマとして最適である。
　窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを発生させるには、体積濃度にして、酸素ガス（分子式Ｏ２）濃度を０．１ｐｐｍ未満とし、一酸化炭素（分子式：ＣＯ）及び二酸化炭素（分子式：ＣＯ２）の濃度をそれぞれ、０．１ｐｐｍ未満とし、炭化水素ガス類の濃度を０．０５ｐｐｍ未満とし、水分（分子式：Ｈ２Ｏ）の濃度を０．５５ｐｐｍ未満とする、露点をマイナス（－）８０℃を越えて低くする、例えば（－）８５℃とする純度９９．９９９９５％以上の高純度窒素ガスが適する。
　窒素プラズマ内での窒素分子の第二正帯に由来する発光の有無は、窒素プラズマからの発光スペクトルから知ることができる。窒素プラズマの発光スペクトルは、一般的な分光器を使用して測定できる。窒素分子の第二正帯に由来する発光は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長の範囲に生ずる。
　図６は、本実施の形態に適する窒素プラズマの発光スペクトルである。
　図６には、回折格子型の分光器を用いて測定した、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を高周波プラズマＭＢＥ法で堆積するのに適する窒素プラズマからの発光スペクトルが示されている。ここで、本実施の形態に好適な窒素プラズマとは、図６に示す如く、３００ｎｍ～３７０ｎｍの範囲に窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマである。上記の高純度窒素ガスを使用すれば、窒素分子の第二正帯に由来する発光を生じない窒素プラズマを簡便に発生させることができる。
　図６に例示した発光スペクトルは、流量を毎分０．４ｃｃに設定した高純度窒素ガスに、周波数１３．５６メガヘルツ（単位：ＭＨｚ）の高周波を４００ワット（単位：Ｗ）の電力で入力して発生させた際のものである。本発明に係る多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するための高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚとする場合には、入力する電力は、２００Ｗ以上で６００Ｗ以下とするのが適する。更に、２５０Ｗ以上で４５０Ｗ以下の範囲とするのがより適する。６００Ｗを超える電力を入力すると、窒素分子の第二正帯に由来する発光の強度が高まるため不適である。入力する電力が２５０Ｗ未満と小さくては、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのに充分な窒素プラズマを発生させられない。このため、層状ではなく、ガリウム（Ｇａ）の液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を含む不連続なＩＩＩ族窒化物半導体層が帰結される確率が高まるため望ましくはない。
　高いエネルギー状態に励起された（遷移状態：Ｃ３Πｕ→Ｂ３Πｇ）窒素分子の存在を示す窒素分子の第二正帯からの発光を生じないか、又は殆ど生じない窒素プラズマを窒素源とすると、表面が平坦な多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層を得るに優位となる。窒素に関連するイオン種により多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面がスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）される程度を減少させられると推考される。窒素分子の第二正帯からの発光を殆ど生じない窒素プラズマとは、窒素分子の第二正帯に因る発光の強度が、波長７４５ｎｍの原子状窒素に因る発光の強度に比較して、１／１０以下であることを云う。
　また、本実施の形態の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を形成するのに適する窒素プラズマに係るもう一つの特徴は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍに出現する３本の原子状（ａｔｏｍｉｃ）窒素の発光ピークの強度の相対的関係にある。本発明で窒素源として好適に使用できるのは、波長７４５ｍの発光ピークの強度が最大であり、次に波長８６９ｍの発光ピークの強度が高く、波長８２１ｎｍの発光ピークの強度が３本の発光ピークの中で最も低いことにある。機構は充分に解明できていないが、この様なピーク強度に於ける相対的関係を有する窒素プラズマを窒素源とすれば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を簡便に安定してもたらすのに効果を上げられる。
　数的に単一なＩＩＩ族窒化物半導体単層を基体上に堆積する場合のみならず、ＩＩＩ族窒化物半導体単層を複数用いるに際しても、各単層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマを窒素源として形成する。例えば、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を一つの井戸（ｗｅｌｌ）層とし、その井戸層を複数、用いて多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造の発光層を形成する場合を例にして説明する。例えば、ドナー不純物とアクセプター不純物の相対的な濃度比率を同一とするか否かに拘わらず、ＭＱＷ構造の発光層をなす各井戸層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。また、例えば、層厚を同一とするか又は異にするかに拘わらず、各井戸層は、窒素分子の第二正帯に因る発光を生じないか、又は殆ど発光を発生しない窒素プラズマ環境内で堆積する。
　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。
（実施例１）
　本実施例１では、本実施の形態が適用される多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層から構成する場合を例に挙げ、図７及び図８を用いて説明する。
　図７は、本実施例１に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。図８は、本実施例１に記載の多波長発光層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図８には、多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の内部のＳＩＭＳ分析による珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）の原子濃度（ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ（ａｔｏｍｓ／ｃｃ））の深さ（ｄｅｐｔｈ（μｍ））方向の分布を示す図である。
　先ず、（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）－シリコン（Ｓｉ）基板の表面上に、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源とする、高周波窒素プラズマ分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、７８０℃でアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝３０ｎｍ）を成長した。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０－３パスカル（圧力単位：Ｐａ）とした。次に、ＡｌＮ層上に、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源として、ＭＢＥ法により、７５０℃で珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ－３）を成長させた。ガリウム（Ｇａ）のフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０－４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０－３Ｐａとした。
　シリコン基板／ＡｌＮ層／ＧａＮ層積層構造体からなる基体上には、上記のＭＢＥ法により、相分離を生じておらず、層内のインジウム組成を均一とするインジウム（Ｉｎ）組成を０．０２とした窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ）単層（層厚＝８００ｎｍ）を５００℃で成長した。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０－３Ｐａとした。ガリウム（Ｇａ）のフラックス量は、１．１×１０－４Ｐａとし、インジウム（Ｉｎ）のフラックス量は１．３×１０－６Ｐａとした。
　Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長時には、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とをドーピングした。珪素（Ｓｉ）は、珪素（Ｓｉ）単体をドーピング源としてドーピングした。ドーピング源の珪素（Ｓｉ）を収納するクヌードセン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）セルの内部のＰＢＮ製ルツボ（坩堝）の温度は１１５０℃とした。マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源には、金属マグネシウム（Ｍｇ）単体を用いた。特に、珪素（Ｓｉ）の含有量を０．５重量ｐｐｍ（ｗｔ．ｐｐｍ）以下とする純度９９．９９９９重量％（＝６Ｎ）のマグネシウム（Ｍｇ）をドーピング源とした。ドーピング源としたマグネシウム（Ｍｇ）を収納するＰＢＮ製クヌードセンセルの内部のルツボの温度は３５０℃とした。
　Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長中には、高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）により、表面の構造をリアルタイムで観察した。成長中の表面からは、前述した図２に例示した如く、インジウム（Ｉｎ）組成が小さいときに第ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）が窒素より化学量論的に富裕であることを示す（２×２）の再配列構造を示すＲＨＥＥＤパターンが得られた。
　基体を構成するＡｌＮ層及びＧａＮ層、基体上のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の何れの成長層も、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（単位：Ｗ））窒素プラズマを窒素源として成長した。窒素ガスの流量は毎分２．０ｃｃとした。窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の基体と対向する開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ナノメートル（単位：ｎｍ）以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、第二正帯に因る発光ピークを、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した（図６参照）。
　この窒素プラズマ用セルを用いて発生させた窒素プラズマからは、波長を７４５ｎｍ、８２１ｎｍ、及び８６９ｎｍとする３本の原子状窒素に因る発光が観測された。また、波長を７４５ｎｍとする発光が３本のうちで最大とし、波長を８６９ｎｍとする原子状窒素に因る発光ピークが、波長７４５ｎｍの発光ピークに次いで高く、また、波長を８２１ｎｍとする原子状窒素に因る発光ピークの強度が最も低い窒素プラズマとなった（図６参照）。
　図７には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を表面とする上記の積層構造体のＰＬスペクトルが示されている。ＰＬスペクトルは、ヘリウム－カドミウム（Ｈｅ－Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として室温に於いて取得したものである。波長３６５ｎｍに出現するＧａＮのバンド（ｂａｎｄ）端発光に加えて、より長波長の領域で複数の発光が生じている。表１に、図７に示す多波長発光を構成する発光のピーク波長とその強度（任意単位）をまとめた。この多波長発光を構成する発光は、バンド端発光（図７に示すＰＬスペクトルにおいて、最も短波長の波長３６４．７ｎｍの発光である）に加えて、波長４００ｎｍ以下の範囲で２つ、４００ｎｍを超え５００ｎｍ以下の波長範囲で２個、５００ｎｍを超え６００ｎｍ以下の波長帯域で２個の、バンド端発光を除き、６００ｎｍ以下の波長帯域で合計６個の発光であった。このため、上記のレーザー励起光を構造体の表面に照射した際の発光色はほぼ白色と視認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図８には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の珪素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布が示されている。これらの元素の濃度分布は一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定した。珪素（Ｓｉ）の原子濃度は３×１０１８原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。また、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は８×１０１７原子／ｃｍ３であり、これまた、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から約７０ｎｍ迄の領域）で両元素の原子濃度が層の深部より高く測定されるのは、単層の表面に吸着した酸素（元素記号：Ｏ）等に因る分析上の干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）のためと解釈された。珪素（Ｓｉ）に対するマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度比は、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍領域から深さ約６５０ｎｍに至る領域で０．２７とほほ一定の比率であった。
　また、図８には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から深さ方向の水素（Ｈ）及び炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の濃度分布が示されている。これらの元素の濃度分布も一般的なＳＩＭＳ法により測定した。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域（表面から約７０ｎｍ迄の領域）より層の深部の領域で、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）の原子濃度は、何れもほぼ一定であった。また、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の３元素の原子濃度を比較すると、水素（Ｈ）が最も高く、酸素（Ｏ）が最低であった。アンモニアを使用せず、特有の発光強度を呈する窒素プラズマを窒素（Ｎ）源としてＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させたため、何れの原子濃度も、マグネシウム（Ｍｇ）原子濃度より低かった。例えば、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の中央（表面から深さ４００ｎｍの深さ）でのマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は８×１０１７ｃｍ－３であるのに対し、水素（Ｈ）の原子濃度は、９×１０１６ｃｍ－３であり、次に濃度の高い炭素（Ｃ）は、３×１０１６ｃｍ－３であり、３元素の中で最低の酸素（Ｏ）の原子濃度は、２×１０１６ｃｍ－３であった。
（実施例２）
　多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層としての窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層をサファイア基板上に製膜する場合を例に挙げ、図９を用いて本発明を説明する。
　図９は、本実施例２に記載する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層の室温フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。
　サファイア結晶の（０００１）（ｃ面）表面上に、上記の実施例１に記載したのと同一の条件でアンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層およびインジウム（Ｉｎ）組成を０．０２とした相分離を生じていない、層内でのインジウム組成を均一とする、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とをドーピングしたＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。
　一般的な２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）に依れば、珪素（Ｓｉ）の原子濃度は、上記の実施例１とほぼ同じく４×１０１８原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度も上記の実施例１と同じく８×１０１７原子／ｃｍ３であり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層表面の近傍の領域を除き、深さ方向にほぼ一定の原子濃度で分布をしていた。また、水素（Ｈ）の原子濃度は、１×１０１７ｃｍ－３であり、炭素（Ｃ）の原子濃度は、１×１０１６ｃｍ－３であり、酸素（Ｏ）の原子濃度は、５×１０１６ｃｍ－３であった。いずれもマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度より低かった。
　図９には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を表面とする上記の積層構造体のＰＬスペクトルが示されている。ＰＬスペクトルは、ヘリウム－カドミウム（Ｈｅ－Ｃｄ）レーザー光（波長＝３２５ｎｍ）を励起光として室温で取得したものである。光子エネルギーにして３．４エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）のＧａＮのバンド（ｂａｎｄ）端発光より低い光子エネルギー側で発光が生じている。光子エネルギーに依って強度は相違するものの、３．４ｅＶから２．０ｅＶの範囲で、少なくとも３以上の波長を異にする発光が重畳した連続スペクトルとなっていた。このため、上記のレーザー励起光を構造体の表面に照射した際の発光色は白色と視認された。
（実施例３）
　本発明に係る波長が相違する複数の光（多波長光）を発する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）単層を井戸（ｗｅｌｌ）とする多重量子井戸（略称：ＭＱＷ）構造からなる多波長発光層を構成する場合を例に挙げ、図１０及び図１１を用いて説明する。
　図１０は、本実施例３に係るＭＱＷ構造の発光層の断面構造を示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。図１１は、図１０に示すＭＱＷ構造から得られる室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルである。
　Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ多波長発光層を井戸層とするＭＱＷ構造は、表面の結晶面方位を（１１１）とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型シリコン（Ｓｉ）基板表面上に形成した。基板の表面は、弗化水素酸（化学式：ＨＦ）等の無機酸を使用して洗浄後、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の成長室に搬送し、その成長室の内部を７×１０－５パスカル（圧力単位：Ｐａ）の超高真空に排気した。その後、成長室の真空度を維持しつつ、基板の温度を７８０℃に昇温して、基板の表面が（７×７）構造の表面再配列構造を呈する迄、継続して加熱した。
　（７×７）構造の再配列構造を呈する様に清浄化された（１１１）－シリコン基板の表面上には、高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加してプラズマ化させた窒素を窒素源とする高周波窒素プラズマＭＢＥ法に依り、アンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層（層厚＝５ｎｍ）を７６０℃で形成した。窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃとし、また、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は７．２×１０－６Ｐａとした。
　ＡｌＮ層上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法に依り、アンドープの窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ）組成勾配層（層厚＝３００ｎｍ）を７６０℃で堆積した。ＡｌＸＧａ１－ＸＮ組成勾配層のアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）は、ＡｌＮ層との接合面から組成勾配層の表面に向けて、０．３０から０（零）へと、組成勾配層の層厚の増加に比例してＡｌ組成を直線的に連続的に減少させた。組成勾配層の成長時には、窒素ガスの流量は毎分０．４ｃｃと一定とし、また、ガリウム（Ｇａ）のフラックス量も１．３×１０－４Ｐａと一定とした。一方で、アルミニウム（Ａｌ）フラックス量は、組成勾配層の成長開始時には７．２×１０－６Ｐａとし、それより成長時間の経過と共に直線的に減少させた。組成勾配層の成長終了時にはＡｌＮ層の表面へ向けてのＡｌのフラックスを遮断した。
　ＡｌＸＧａ１－ＸＮ組成勾配層（Ｘ＝０．３→０）上には、窒素プラズマＭＢＥ法に依り、珪素（Ｓｉ）ドープｎ型ＧａＮ層を堆積した。ＧａＮ層の層厚は１８００ｎｍとなる様に、また、キャリア濃度は４×１０１８ｃｍ－３となる様に成長条件を設定した。このＧａＮ層の層厚は１０００ｎｍを超える厚い膜のため、この層を成長するときに限り、一つのＭＢＥ成長チャンバーに取り付けた２機の高周波窒素プラズマ発生装置から窒素プラズマを発生させた。窒素ガスの流量は各々の発生装置につき毎分１．５ｃｃに設定した。ガリウム（Ｇａ）のフラックス量を１．３×１０－４Ｐａとして、１２０分間でＧａＮ層の成長を終了した。ＧａＮ層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった（図２に示すＲＨＥＥＤパターン参照）。
　ｎ型ＧａＮ層の（２×２）再配列構造を有する表面上には、上記の高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、基板の温度を５５０℃として、多重量子井戸構造の障壁層とするアンドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２６ｎｍ）を堆積した。次に、同じく上記の窒素プラズマＭＢＥ法に依り、５５０℃で、このｎ型ＧａＮ障壁層に接合させて、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を含むｎ型窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ）からなる井戸層（層厚＝４ｎｍ）を設けた。このｎ型障壁層とｎ型井戸層とからなる一対の構造単位を８対（８ペア（ｐａｉｒ））積層させた後、最上層として上記のｎ型ＧａＮ障壁層を堆積し、全体としてｎ型の伝導を呈する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造層を形成した。図１０には、このＭＱＷ構造層の断面構成のＴＥＭ像が示されている。
　また、図１１には、上記の発光層をなす多重量子井戸構造の一井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎから得られた室温のＣＬスペクトルが示されている。数的に単一の層であっても、波長が相違する多数の発光が出射されることが如実に明示されている。バンド端発光（図１１に示す最も短波長の発光）に加え、３９０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下の波長範囲で２つ、５００ｎｍを超え７５０ｎｍ以下の波長帯域で４つ、４００ｎｍ以上で５５０ｎｍ以下の波長帯域で４つ、結局のところ、３９０ｎｍ以上で７５０ｎｍ以下の波長帯域で合計６つの発光が呈された。
　上記の多重量子井戸構造の障壁層をなすＧａＮ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（２×２）再配列構造を示した（図２参照）。また、上記の多重量子井戸構造の井戸層をなすＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層の成長途中及び終了時のＲＨＥＥＤパターンは何れも（３×１）再配列構造を示した。このことから、上記の多重量子井戸構造に於ける一対の構造単位は、ガリウム（Ｇａ）を窒素（Ｎ）より化学量論的に富裕に含むＧａＮ層と、第ＩＩＩ族元素（ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ））を窒素（Ｎ）より化学量論的に富裕に含むＧａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ層とから構成されるものとなった。
　一般的なＳＩＭＳ分析法に依れば、Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層に含まれる珪素（Ｓｉ）の原子濃度は７×１０１８ｃｍ－３であった。また、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、珪素（Ｓｉ）の原子濃度よりも低く、且つ、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）層の表面を急激に乱雑なものとするマグネシウム（Ｍｇ）の臨界的な原子濃度（＝３×１０１８ｃｍ－３）未満であり、高くとも６×１０１７ｃｍ－３であった。このため、上記の８対の構造単位を積層させた多重量子井戸構造の表面は、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域での窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマを利用したことと相俟って凹凸が無い良好な平坦面となった。
　Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ井戸層を含め多重量子井戸構造の内部での水素（Ｈ）の原子濃度は３×１０１６ｃｍ－３であり、炭素（Ｃ）の原子濃度は１×１０１７ｃｍ－３であり、酸素（Ｏ）の原子濃度は、３元素の中で最も低く２×１０１６ｃｍ－３であった。
（比較例１）
　上記の実施例１と同様に、高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、ｎ型（１１１）－シリコン基板の（１１１）表面上に、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を同時にドープしたＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。但し、本比較例１では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚を、上記の実施例１の場合の半分の４００ｎｍとした。
　また、本比較例１では、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を同時にドープして成長させつつも、層厚の増加方向にマグネシウム（Ｍｇ）原子の濃度分布を上記の実施例１とは相違するＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を成長させた。マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度に分布を付すため、マグネシウム（Ｍｇ）セルの温度を、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の成長開始時の３４０℃より、毎分３℃の割合で一律に低下させ、３０分間に亘る同層の成長の終了時には２５０℃に低下させた。
　図１２は、比較例１記載の多波長発光を生じない単層内の元素の原子濃度のＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。図１２には、一般的なＳＩＭＳ分析で測定した比較例１に記載のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層のマグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）及び水素（Ｈ）の深さ方向の原子濃度の分布が示されている。図１２に示すように、珪素（Ｓｉ）は層内でほぼ一様に分布しており、その原子濃度は、層内でほぼ一定の５×１０１８ｃｍ－３となっている。一方、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、上記のマグネシウム（Ｍｇ）ドーピングセルの温度をＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の増加と共に低温としたのに対応して、下地のＧａＮ層との接合界面で６×１０１７ｃｍ－３であるが、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向けて漸次、減少していた。特に、層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）よりＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向かう領域で５×１０１６ｃｍ－３またはそれ未満の低濃度となっていた。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から８０ｎｍの深さに於けるマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、４×１０１６ｃｍ－３であった。
　本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部に於けるマグネシウム（Ｍｇ）原子の濃度は、上記の実施例１の場合とは異なり、層厚方向に一定となっていなかった。このため、珪素（Ｓｉ）に対するマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度の比率は、下地のＧａＮ層との接合界面では、０．１となり、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から８０ｎｍの深さでは０．８×１０－２となった。
　また、水素原子も上記の実施例１の場合の様に深さ方向にほぼ一様に分布しておらず、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さより表面に向けて漸次、濃度を高くして分布していた。また、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）より表面に向かう、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３またはそれ未満の低濃度となっている領域での水素原子濃度は、そのマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を上回るものとなった。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の層厚の半分に相当する深さ（＝２００ｎｍ）での水素原子の濃度は、７×１０１６ｃｍ－３であった。水素原子濃度は、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面に向かって、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が漸次、減少しているのに対応するかの如く、同層の表面に向けて漸次、増加していた（図１２参照）。Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の表面から３０ｎｍの深さに於ける水素（Ｈ）の原子濃度は２×１０１８ｃｍ－３であった（図１２参照）。
　図１３は、本比較例１に記載の多波長発光を生じない単層の室温ＰＬスペクトルを示す図である。図１３には、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層からの室温でのＰＬスペクトルが示されている。図１３に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンド端の近傍の波長で、また波長を約５５０ｎｍから約６２０ｎｍとする領域に幅広い（ブロード（ｂｒｏａｄ）な）発光を生じている。このブロードな発光は、イエロールミネッセンス（ｙｅｌｌｏｗ　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と称され、結晶欠陥が関与した発光と推察される（ＪＡＣＱＵＥＳ　Ｉ．　ＰＡＮＫＯＶＥ　ａｎｄ　ＴＨＥＯＤＯＲＥ　Ｄ．　ＭＯＵＳＴＡＫＡＳ　（Ｅｄｉｔｏｒｓ），“Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ　（ＧａＮ）　Ｉ，ＳＥＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ　ＡＮＤ　ＳＥＭＩＭＥＴＡＬＳ　Ｖｏｌ．５０（ＡＣＡＤＥＭＩＣ　ＰＲＥＳＳ，１９８８）”，２９１－２９５）。
　本比較例１では、図１３に図示した様に、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は６×１０１７ｃｍ－３以下であった。このため、同単層の表面は、然して凹凸も無く平坦であった。しかし、珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）とを層内に共存させたとは云えども本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層では、波長が相違する複数の光を同時に出射される多波長発光を顕現するに至らなかった。これは、上記の実施例１に記載した如く、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層の全体に亘り、マグネシウム（Ｍｇ）が多波長発光を発現するために必要な臨界的な原子濃度である５×１０１６ｃｍ－３以上に含まれていないからであると推考された。
　本比較例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層にあっては、水素の原子濃度が臨界値としての２×１０１８ｃｍ－３を超えると急激に認められる発光強度の短期的な経時変化が認められた。特に、発光スペクトルを測光するカソードミネッセンス（ＣＬ）法に於いて、励起源として電子を照射し始めた直後と、その照射から５分を経過後の短期間でも、ＧａＮのバンド端の発光強度が徐々に増加するのが認められた。このＣＬ発光強度のドリフト（ｄｒｉｆｔ）は、励起源である電子とＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層内部の水素との何らかの相互作用、或いは同層内のマグネシウム（Ｍｇ）と水素（Ｈ）との電気的な複合体（ｃｏｍｐｌｅｘ）の解離等にも因るものと推考されるが、いずれにしても表面近傍の領域にマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度を超えて水素が含まれていることに起因していると推定される。
（実施例４）
　本実施例４では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を含む積層体を用いてＩＩＩ族窒化物半導体素子を構成する場合を例にして、図１４を用いて本発明の内容を説明する。
　図１４は、実施例４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えたＬＥＤの発光パターンを示す図である。図１４には、実施例４に記載のＬＥＤに通電した際の発光状況が示されている。
　マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が３×１０１８原子ｃｍ－３を超えると、表面の平坦性は急激に悪化し、凹凸の激しい粗雑な表面となるが、本実施例１のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層では、マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、珪素（Ｓｉ）に比べて少ない上に、表面の平坦性の良否に係るこの臨界的な濃度より低いため、同単層の表面は平坦であった。このため、本実施例４では、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を発光層として利用し、その層上に、５２０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮ層（層厚＝９０ｎｍ）を設けて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用途のｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の積層体を形成した。窒素プラズマＭＢＥ法により、このｐ型ＧａＮ層を成長させる際にも、窒素分子の第２正帯に因る発光を生じない窒素プラズマを窒素源として用いた。ｐ型ＧａＮ層の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ－３となる様に成長条件を設定した。
　その後、一般的なドライエッチング法により、ｎ型オーミック電極を形成する領域に在るＭｇドープｐ型ＧａＮ層及びＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ単層を除去した。これらの層を除去して露出させたｎ型窒化ガリウム層の表面には、ｎ型オーミック電極を形成した。一方、エッチング後に残置したｐ型ＧａＮ層の表面にはｐ型オーミック電極とそれに電気的に導通する台座（ｐａｄ）電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。一辺の長さを約３５０ミクロンメートル（単位：μｍ）とする正方形の平面形状のＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすための蛍光体を設けることはしなかった。
　作製したＬＥＤからは、図１に示したと同様に、波長が異なる複数の発光を反映して、白色光が出射されるのが目視された。また、発光層をなす上記のＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層内のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度が８×１０１７ｃｍ－３であるのに対して、水素の原子濃度は９×１０１６ｃｍ－３であり、酸素原子濃度は２×１０１６ｃｍ－３であった。このため、発光の波長及び強度の経時的変化（ドリフト）は殆ど認められなかった。これは、マグネシウム（Ｍｇ）原子濃度に対して、本発明の如く規定された水素及び酸素の原子濃度を有することに起因すると判断された。
　電気的特性の一端を記せば、ダイオードの順方向に通流させる電流（順方向電流）を２０ミリアンペア（単位：ｍＡ）とした際の順方向電圧は３．５ボルト（単位：Ｖ）となった。また、順方向電圧を３．５Ｖに固定して順方向電流の経時変化（所謂、電流ドリフト）を測定した。順方向電流は２０ｍＡから経時的に殆ど変化しなかった。
（実施例５）
　本実施例５では、波長を異にする複数の発光をもたらす多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を井戸層とする多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む積層体を用いて構成した発光素子（ＬＥＤ）を図１５及び図１６を用いて説明する。
　図１５は、本実施例５に記載するＬＥＤの断面構造を示す模式図である。図１６は、図１５に示すＬＥＤの平面模式図である。図１５に示すように、発光素子（ＬＥＤ）１０は、Ｓｉ基板１０１上に形成されたＡｌＮ層１０２の上に、ＡｌＧａＮ組成勾配層１０３を有している。ＡｌＧａＮ組成勾配層１０３の上には、ｎ型ＧａＮ層１０４、多重量子井戸構造発光層１０５、ｐ型ＧａＮ層１０６が順次積層されている。
　さらに、ｐ型ＧａＮ層１０６上にｐ型オーミック電極１０８が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１０４に形成された露出領域にｎ型オーミック電極１０７が積層されている。多重量子井戸構造発光層１０５は、ＧａＮ障壁層１０５ａ及びＧａＩｎＮ井戸層１０５ｂ（多波長発光Ｇａ０．９４Ｉｎ０．０６Ｎ井戸層）が交互に積層され、最上層にＧａＮ障壁層１０５ａが積層された構造を有する。
　本実施例５では、上記の実施例２に記載のＭＱＷ構造を多重量子井戸構造発光層１０５として用いてＬＥＤ１０を構成した。多重量子井戸構造発光層１０５の最終端（最表層）をなすＧａＮ障壁層上には、高周波窒素プラズマＭＢＥ法により、マグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ型ＧａＮ層１０６（層厚＝８５ｎｍ）を設けて、ＬＥＤ１０用途の構造体の形成を終了した。ｐ型ＧａＮ層１０６の内部のマグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は１×１０１９ｃｍ－３となる様に成長条件を設定した。
　ｎ型オーミック電極１０７を形成する領域にあるｐ型ＧａＮ層１０６及び多重量子井戸構造発光層１０５を一般的なドライエッチング法により選択的に除去した。その後、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ層１０４の表面にｎ型オーミック電極１０７を形成した。また、エッチング後に残置させたｐ型ＧａＮ層１０６の表面には、一般的なフォトリソグラフ技術を利用してパターニングした格子状のｐ型オーミック電極１０８を形成した。格子状に配置した幅４×１０－４ｃｍのｐ型オーミック電極１０８は、ｐ型ＧａＮ層１０６にオーミック接触をなす白金（Ｐｔ）系金属から構成した。また、ｐ型ＧａＮ層１０６の表面上の一端には、この格子状ｐ型オーミック電極１０８に電気的に導通させて結線（ボンデング）用の台座（パッド）電極１０９を設けてＬＥＤ１０（チップ（ｃｈｉｐ））を作製した。チップ（ｃｈｉｐ）の表面上には、白色光をもたらすためのＹ３Ａｌ５Ｏ１２等の蛍光体を一切、設けなかった。
　一辺の長さを約４００μｍとする正方形のＬＥＤ１０に２０ｍＡの順方向電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．４Ｖであった。２０ｍＡの順方向電流を通流した際に波長３５０ｎｍから７００ｎｍの範囲で測光された発光のピーク波長は、３６５ｎｍ、３８５ｎｍ、４４０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ及び６７０ｎｍであった。この様な広い波長範囲で波長が相違する複数の発光が顕現されたため、目視される発光色は白色であった。また、多波長発光を構成する各々の発光の波長及び発光強度は、経時的に殆ど変化しなかった。
１０…発光素子（ＬＥＤ）、１０１…Ｓｉ基板、１０２…ＡｌＮ層、１０３…ＡｌＧａＮ組成勾配層、１０４…ｎ型ＧａＮ層、１０５…多重量子井戸構造発光層、１０５ａ…ＧａＮ障壁層、１０５ｂ…ＧａＩｎＮ井戸層、１０６…ｐ型ＧａＮ層、１０７…ｎ型オーミック電極、１０８…ｐ型オーミック電極、１０９…台座（パッド）電極

Claims (35)

  1. 　基体と、
    　前記基体上に形成され、ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射する多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えている
    ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  2. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、複数の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  3. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  4. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  5. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の帯域において、波長が異なる少なくとも３個の光を同時に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  6. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、珪素を原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で含み、マグネシウムを原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  7. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ水素の原子濃度より高いことを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  8. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、水素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  9. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  10. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、炭素を原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  11. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  12. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、酸素を原子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  13. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体単層は、マグネシウムの原子濃度が珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
  14. 　基体上に形成された多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層であって、
    　ドナー（ｄｏｎｏｒ）不純物とアクセプター（ａｃｃｅｐｔｏｒ）不純物が添加され且つガリウム（元素記号：Ｇａ）を必須の構成元素として含み、
    　窒素を含む第Ｖ族元素よりもガリウムを含む第ＩＩＩ族元素を化学量論的に富裕に含んでなり、
    　放射再結合による発光スペクトルが、バンド（ｂａｎｄ）端発光とは別に、バンド端発光より長い波長の領域において、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有する
    ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  15. 　前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１４に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  16. 　前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  17. 　前記放射再結合による発光スペクトルは、波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下とする帯域で、波長が異なる少なくとも３個の極大値を有することを特徴とする請求項１５に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  18. 　前記ドナー不純物として珪素（元素記号：Ｓｉ）を原子濃度が６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の範囲で含み、前記アクセプター不純物としてマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）を原子濃度が５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲で含む
    ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  19. 　前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ水素（元素記号：Ｈ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  20. 　前記水素の原子濃度が、２×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項１９に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  21. 　前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ炭素（元素記号：Ｃ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  22. 　前記炭素の原子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項２１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  23. 　前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ酸素（元素記号：Ｏ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  24. 　前記酸素の原子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項２３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  25. 　前記マグネシウムの原子濃度が前記珪素の原子濃度より低く、且つ硼素（元素記号：Ｂ）の原子濃度より高いことを特徴とする請求項１８に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層。
  26. 　請求項１４乃至２５のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法であって、
    　分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法において、圧力５×１０－３パスカル（圧力単位：Ｐａ）以下の環境内に窒素プラズマ雰囲気を形成し、
    　前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上７５０℃以下の範囲に保ち、
    　前記窒素プラズマ雰囲気内の前記基体上に、表面が（２×２）再配列構造、または（３×１）再配列構造となるようなフラックス量でガリウムを含む第ＩＩＩ族元素源を供給しつつ、ドナー不純物及びアクセプター不純物を同時に供給する
    ことを特徴とする多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  27. 　前記窒素プラズマ雰囲気内に置いた基体の温度を４００℃以上６２０℃以下とし、且つ前記ドナー不純物としての珪素と前記アクセプター不純物としてのマグネシウムとを、当該珪素に対する当該マグネシウムのフラックス比率を０．１以下として当該窒素プラズマ雰囲気内に同時に供給し、当該ドナー不純物としての当該珪素を６×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下の原子濃度の範囲で含み、且つ当該アクセプター不純物としての当該マグネシウムを５×１０１６ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の原子濃度の範囲で含むことを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  28. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、窒素ガス（分子式：Ｎ２）の供給量が０．１ｃｃ／分以上４．８ｃｃ／分以下の条件で発生させ、且つ前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる水素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  29. 　前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる炭素の原子濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  30. 　前記多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれる酸素の原子濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下とすることを特徴とする請求項２６に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  31. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度が、波長７４５ｎｍにおける原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下であることを特徴とする請求項２６乃至３０のいずれか１項に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  32. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、波長領域２５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下における窒素分子の第二正帯に因る発光ピークを生じないことを特徴とする請求項３１に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  33. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、波長７４５ｎｍ、８２１ｎｍ及び８６９ｎｍにおける原子状窒素に因るそれぞれの発光ピークの中で、波長７４５ｎｍにおける発光ピークの強度が最高であることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  34. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８６９ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークが、波長７４５ｎｍにおける当該原子状窒素に因る前記発光ピークに次いで高い強度を呈することを特徴とする請求項３３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
  35. 　前記窒素プラズマ雰囲気は、波長８２１ｎｍにおける前記原子状窒素に因る前記発光ピークの強度が最も低いことを特徴とする請求項３３に記載の多波長発光ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成方法。
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