JP2000286451A

JP2000286451A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP2000286451A
Application number: JP2000060463A
Authority: JP
Inventors: Koji Tanizawa; 公二谷沢; Yoshikatsu Fukuda; 芳克福田; Takeshi Ikegami; 武志池上
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】多重量子井戸構造の活性層を用い種々の応用
製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力が
より向上し、静電耐圧が良好な窒化物半導体発光素子を
提供する。【解決手段】基板上に、バッファ層を介して形成され
たｎ側窒化物半導層、活性層及びｐ側窒化物半導体層を
有する窒化物半導体素子において、ｎ側窒化物半導体層
は、膜厚１００〜１００００Åのアンドープの窒化物半
導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされた窒化物半
導体からなる中間層、アンドープの窒化物半導体からな
る上層の少なくとも３層が順に積層されてなるｎ側第１
多層膜層を含みかつ、活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ
＜１）層とＧａＮ層とを含んでなる多重量子井戸構造で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサ
ー等の発光素子、受光素子、あるいはトランジスタ、パ
ワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導
体（例えば、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X
＋Y≦１）素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源
で実用化されている。これらのＬＥＤ素子は基本的に、
サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、Ｓｉ
ドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井
戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａ
Ｎ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ：Multi-Quantum-Well）の活性層と、ＭｇドープＡ
ｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮ
よりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有
しており、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青
色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍ
の緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に
優れた特性を示す。多重量子井戸構造は、複数のミニバ
ンドからなる構造を有し、効率よく、小さな電流でも発
光が実現することから、単一量子井戸構造より発光出力
が高くなる等の素子特性の向上が期待される。また例え
ば、多重量子井戸構造の活性層を用いたＬＥＤ素子とし
て、特開平１０−１３５５１４号公報には、発光効率及
び発光光度を良好とするため、少なくともアンドープの
ＧａＮからなるバリア層、アンドープのＩｎＧａＮから
なる井戸層からなる多重量子井戸構造の発光層、更に発
光層のバリア層よりも広いバンドギャップを持つクラッ
ド層を有する窒化物半導体素子が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の素子をＬＥＤ素子として、照明用光源、直射日光の
当たる屋外ディスプレイ等に使用するためには発光出力
が十分満足できるものでない。このように多重量子井戸
構造の活性層は、発光出力の飛躍的な向上が考えられる
が、その予想される可能性を十分に発揮させ難い。更に
また、窒化物半導体からなる素子は、その構造上、人体
に生じる静電気より遥かに弱い１００Ｖの電圧でさえも
劣化する可能性がある。例えば、帯電防止処理された袋
等から取り出す際、また製品に応用する際等、劣化する
危険性が考えられる。窒化物半導体素子の信頼性をより
高めるには、このような劣化の危険性をなくすことが望
まれる。

【０００４】そこで、本発明の目的は、多重量子井戸構
造の活性層を用い種々の応用製品への適用範囲の拡大を
可能とするため、発光出力がより向上し、静電耐圧が良
好な窒化物半導体発光素子を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、下記
（１）〜（３）の構成により本発明の目的を達成するこ
とができる。（１）基板上に、バッファ層を介して形成されたｎ側
窒化物半導体層、活性層及びｐ側窒化物半導体層を有す
る窒化物半導体素子において、前記ｎ側窒化物半導体層
は、膜厚１００〜１００００Åのアンドープの窒化物半
導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされた窒化物半
導体からなる中間層、アンドープの窒化物半導体からな
る上層の少なくとも３層が順に積層されてなるｎ側第１
多層膜層を含みかつ、前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
（０＜ａ＜１）層とＧａＮ層とを含んでなる多重量子井
戸構造であることを特徴とする窒化物半導体素子。（２）前記中間層の膜厚が５０〜１０００オングスト
ロームであり、前記上層の膜厚が２５〜１０００オング
ストロームであることを特徴とする前記（１）に記載の
窒化物半導体素子。（３）前記ｎ側窒化物半導体層において、前記ｎ側第
１多層膜層より基板側に、ｎ型不純物を含むｎ側コンタ
クト層を有することを特徴とする前記（１）又は（２）
に記載の窒化物半導体素子。また、本発明の目的は以下
の（４）〜（１１）のような構成であっても達成するこ
とができる。（４）基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層及びｐ
側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ側窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体
からなる下層（以下、アンドープの下層とする。）、ｎ
型不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間
層（以下、不純物ドープの中間層とする。）、及びアン
ドープの窒化物半導体からなる上層（以下、アンドープ
の上層とする。）の少なくとも３層が順に積層されてな
るｎ側第１多層膜層を含み、前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ
_1-aＮ（０≦ａ＜１）を含んでなる多重量子井戸構造で
あり、更に、前記ｐ側窒化物半導体層が、互いにバンド
ギャップエネルギーが異なり且つ互いにｐ型不純物濃度
が異なる又は同一の第３と第４の窒化物半導体層とが積
層されてなるｐ側多層膜クラッド層を含むことを特徴と
する窒化物半導体素子。（５）基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層及びｐ
側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ側窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体
からなる下層、ｎ型不純物がドープされている窒化物半
導体からなる中間層、及びアンドープの窒化物半導体か
らなる上層の少なくとも３層が順に積層されてなるｎ側
第１多層膜層を含み、前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
（０≦ａ＜１）を含んでなる多重量子井戸構造であり、
更に、前記ｐ側窒化物半導体層が、ｐ型不純物を含みＡ
ｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ側単一膜クラッ
ド層を含むことを特徴とする窒化物半導体素子。（６）前記ｎ側第１多層膜層が、膜厚１００〜１００
００オングストロームのアンドープの窒化物半導体から
なる下層、膜厚５０〜１０００オングストロームのｎ型
不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間
層、及び膜厚２５〜１０００オングストロームのアンド
ープの窒化物半導体からなる上層からなることを特徴と
する前記（４）又は（５）に記載の窒化物半導体素子。（７）前記ｎ側第１多層膜層と活性層との間に、Ｉｎ
を含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導
体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積
層されたｎ側第２多層膜層を有することを特徴とする前
記（４）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体素
子。（８）前記ｎ側窒化物半導体層に、前記ｎ側第１多層
膜層（変調ドープ層）より基板側に、ｎ型不純物を含む
ｎ側コンタクト層を有することを特徴とする前記（４）
〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体素子。（９）前記ｎ側コンタクト層が、アンドープＧａＮ層
の上に形成されてなることを特徴とする前記（４）〜
（８）のいずれかに記載の窒化物半導体素子。（１０）前記窒化物半導体素子において、前記アンド
ープＧａＮ層が低温成長させたＧａ_dＡｌ_1-dＮ（０＜ｄ
≦１）からなるバッファ層上に形成され、更に前記ｐ側
多層膜クラッド層又はｐ側単一膜クラッド層上にｐ型不
純物としてＭｇを含むｐ側ＧａＮコンタクト層を形成し
てなることを特徴とする前記（４）〜（９）のいずれか
に記載の窒化物半導体素子。（１１）前記アンドープＧａＮ層、ｎ側コンタクト
層、及びｎ側第１多層膜層の合計の膜厚が、２〜２０μ
ｍであることを特徴とする前記（４）〜（１０）のいず
れかに記載の窒化物半導体素子。

【０００６】つまり、本発明は、多重量子井戸構造の活
性層を挟むように、ｎ側にアンドープの下層、ｎ型不純
物ドープの中間層、及びアンドープの上層の特定の層構
成からなるｎ側第１多層膜層と、ｐ側に第３及び第４の
窒化物半導体層からなるｐ側多層膜クラッド層又はｐ型
不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ
側単一膜クラッド層とを組み合わせて形成することによ
り、発光効率が向上し発光出力の良好な、しかも、静電
耐圧の良好な窒化物半導体素子を得ることができる。こ
のように特定の組成や層構造等を有する複数の窒化物半
導体層を組み合わせることにより、多重量子井戸構造の
活性層の性能を効率良く発揮することができるととも
に、静電耐圧が良好となる。更に本発明は、ｎ側第１多
層膜層を構成する各層の膜厚を特定の範囲の組み合わせ
にすることにより、良好な発光出力と共に静電耐圧をよ
り良好にすることができる。

【０００７】本発明において、アンドープとは、意図的
に不純物をドープしないで形成した層を示し、隣接する
層からの不純物の拡散、原料又は装置からのコンタミネ
ーションにより不純物が混入した層であっても、意図的
に不純物をドープしていない場合にはアンドープ層とす
る。なお、拡散により混入する不純物は層内において不
純物濃度に勾配がついている場合がある。

【０００８】また、多重量子井戸構造の活性層との組み
合わせにおいて、好ましいその他の窒化物半導体層を以
下に記載する。本発明において、前記ｎ側第１多層膜層
と活性層との間に、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層
と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第
２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層を
有すると更に発光効率が向上すると共に、順方向電圧
（以下、Ｖｆとする。）を低下させて発光効率を向上さ
せることができ好ましい。更に、本発明において、前記
ｎ側第１多層膜層より基板側に、ｎ型不純物を含むｎ側
コンタクト層を有すると、発光出力を向上させ、Ｖｆを
低下させるのに好ましい。また更に、本発明において、
前記ｎ側コンタクト層が、アンドープＧａＮ層の上に形
成されてなると、かかるアンドープＧａＮ層は結晶性の
良い層として得られるので、ｎ電極を形成する層となる
ｎ側コンタクト層の結晶性が良くなり、ｎ側コンタクト
層上に形成される活性層などのその他の窒化物半導体層
の結晶性も良くなり、発光出力を向上させるのに好まし
い。また更に、本発明において、前記アンドープＧａＮ
層が、低温成長させたＧａ _dＡｌ_1-dＮ（０＜ｄ≦１）か
らなるバッファ層上に形成されていると、アンドープＧ
ａＮ層の結晶性が更に良好となり、ｎ側コンタクト層等
の結晶性もより良好となり、発光出力の向上において好
ましく、更にまた、ｐ側多層膜クラッド層又はｐ側単一
膜クラッド層上にＭｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層を
形成してなると、ｐ型特性を得やすくなると共に、かか
るｐ側ＧａＮコンタクト層がこの上に形成されるｐ電極
と良好なオーミック接触を有し、発光出力を向上させる
のに好ましい。また更に、本発明において、アンドープ
ＧａＮ層、ｎ側コンタクト層、及びｎ側第１多層膜層の
合計の膜厚が、２〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μ
ｍ、より好ましくは４〜９μｍであると、静電耐圧以外
の他の素子特性も良好である。また、上記３層の合計の
膜厚は、各層の好ましい膜厚の範囲内で、３層の合計の
膜厚が上記範囲となるように適宜調整される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施の形態であ
る窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模
式的断面図である図１を用いて、本発明を詳細に説明す
る。図１は、基板１上に、バッファ層２、アンドープＧ
ａＮ層３、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層４、アン
ドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ及び
アンドープの上層５ｃの３層からなるｎ側第１多層膜
５、第１及び第２の窒化物半導体層よりなるｎ側第２多
層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、第３及び第４
の窒化物半導体層からなるｐ側多層膜クラッド層８又は
ｐ側単一膜クラッド層８、Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタ
クト層９が順に積層された構造を有する。更にｎ側コン
タクト層４上にｎ電極１１、ｐ側ＧａＮコンタクト層９
上にｐ電極１０がそれぞれ形成されている。

【００１０】本発明において、基板１としては、サファ
イアＣ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、その
他、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板の
他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることがで
きる。

【００１１】本発明において、バッファ層２としては、
Ｇａ_dＡｌ_1-dＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）
からなる窒化物半導体であり、好ましくはＡｌの割合が
小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好まし
くはＧａＮからなるバッファ層２が挙げられる。バッフ
ァ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍ、好ましくは
０．００５〜０．２μｍ、更に好ましくは０．０１〜
０．０２μｍの範囲に調整する。バッファ層２の膜厚が
上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが
良好となり、バッファ層２上に成長させる窒化物半導体
の結晶性が改善される。バッファ層２の成長温度は、２
００〜９００℃であり、好ましくは４００〜８００℃の
範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多
結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層２上
に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好まし
い。また、このような低温で成長させるバッファ層２
は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよ
い。

【００１２】次に、本発明において、アンドープＧａＮ
層３は、成長する際にｎ型不純物を添加せずに成長して
なる層を示す。バッファ層２上にアンドープＧａＮ層３
を成長させるとアンドープＧａＮ層３の結晶性が良好と
なり、アンドープＧａＮ層３上に成長させるｎ側コンタ
クト層４などの結晶性も良好となる。アンドープＧａＮ
層３の膜厚としては、０．０１μｍ以上であり、好まし
くは０．５μｍ以上であり、より好ましくは１μｍ以上
である。またアンドープＧａＮ層３の膜厚の上限は特に
限定されないが、製造効率等を考慮して適宜調整され
る。膜厚がこの範囲であると、ｎ側コンタクト層４以降
の層を結晶性良く成長でき好ましい。更に、アンドープ
ＧａＮ層３の膜厚が上記範囲であると、ｎ側コンタクト
層４とｎ側第１多層膜厚５との合計の膜厚を、前記範囲
に調整し静電耐圧を向上させる点で好ましい。

【００１３】次に、本発明において、ｎ型不純物を含む
ｎ側コンタクト層４は、ｎ型不純物を３×１０¹⁸／ｃｍ
³以上、好ましくは５×１０¹⁸／ｃｍ³以上の濃度で含有
する。このようにｎ型不純物を多くドープし、この層を
ｎ側コンタクト層とすると、Ｖｆ及び閾値を低下させる
ことができる。不純物濃度が上記範囲を逸脱するとＶｆ
が低下しにくくなる傾向がある。また、ｎ側コンタクト
層４は、ｎ型不純物濃度が小さい結晶性の良好なアンド
ープＧａＮ層３上に形成されると、高濃度のｎ型不純物
を有しているにも関わらず結晶性を良好に形成すること
ができる。ｎ側コンタクト層４のｎ型不純物濃度の上限
は特に限定しないが、コンタクト層としての機能を保持
しうる限界としては５×１０²¹／ｃｍ³以下が望まし
い。

【００１４】ｎ側コンタクト層４の組成は、Ｉｎ_eＡｌ_f
Ｇａ_1-e-fＮ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）で構成で
き、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧ
ａＮ、ｆ値０．２以下のＡｌ_fＧａ_1-fＮとすると結晶欠
陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。ｎ側コンタ
クト層４の膜厚は特に問うものではないが、ｎ電極を形
成する層であるので０．１〜２０μｍ、好ましくは０．
５〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍである。膜厚
が上記範囲であると抵抗値を低くでき、発光素子のＶｆ
を低くでき好ましい。更に、ｎ側コンタクト層４の膜厚
が上記範囲であると、アンドープＧａＮ層３及びｎ側第
１多層膜層５との組み合わせにより、静電耐圧を向上さ
せる点で好ましい。また、ｎ側コンタクト層４は、後述
のｎ側第１多層膜層５を厚膜に形成する場合、省略する
ことができる。

【００１５】次に、本発明において、ｎ側第１多層膜層
５は、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物
ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの少なくと
も３層から構成されている。ｎ側第１多層膜層には上記
下層５ａ〜上層５ｃ以外のその他の層を有していてもよ
い。またｎ側第１多層膜層５は、活性層と接していて
も、活性層の間に他の層を有していてもよい。これら下
層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、Ｉ
ｎ_gＡｌ_hＧａ _1-g-hＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表
される種々の組成の窒化物半導体を用いることができ、
好ましくはＧａＮからなる組成のものが挙げられる。ま
た第１多層膜層５の各層は組成が同一でも異なっていて
もよい。

【００１６】ｎ側第１多層膜層５の膜厚は、特に限定さ
れないが、１７５〜１２０００オングストロームであ
り、好ましくは１０００〜１００００オングストローム
であり、より好ましくは２０００〜６０００オングスト
ロームである。第１多層膜層５の膜厚が上記範囲である
とＶｆの最適化と静電耐圧の向上の点で好ましい。更
に、ｎ側第１多層膜層５の膜厚が上記範囲であると、ア
ンドープＧａＮ層とｎ側コンタクト層４との組み合わせ
により、静電耐圧を向上させる点で好ましい。上記範囲
の膜厚を有する第１多層膜層５の膜厚の調整は、下層５
ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整し
て、第１多層膜層５の総膜厚を上記の範囲とすることが
好ましい。

【００１７】ｎ側第１多層膜層５を構成する下層５ａ、
中間層５ｂ及び上層５ｃの各膜厚は、特に限定されない
が、ｎ側第１多層膜層５中で積層される位置により素子
性能の諸特性に与える影響が異なるため、各層の素子性
能に大きく関与する特性に特に注目し、いずれか２層の
膜厚を固定し、残りの１層の膜厚を段階的に変化させ
て、特性の良好な範囲の膜厚を測定し、更に各層との調
整により膜厚の範囲を特定している。ｎ側第１多層膜層
の５の各層は、各々静電耐圧に直接影響を及ぼさない場
合もあるが、各層を組み合わせてｎ側第１多層膜層５と
することにより、全体として種々の素子特性が良好であ
ると共に、特に発光出力及び静電耐圧が著しく良好とな
る。このような効果は、実際に、各層を積層させてなる
素子を製造して初めて得られる予想外の効果といえる。
各層の膜厚について以下に具体的に示すと共に、図２〜
図４を用いて、膜厚の変化による素子特性の変化につい
て示す。但し比較の従来品としては、後述の実施例１に
示されている従来例である。また、図中のＰｏは発光出
力を示す。また各図の横軸に示される膜厚はゼロを含ま
ない範囲で変動させている。

【００１８】アンドープの下層５ａの膜厚は、１００〜
１００００オングストローム、好ましくは５００〜８０
００オングストローム、より好ましくは１０００〜５０
００オングストロームである。アンドープの下層５ａ
は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、膜厚を徐々に
厚くしていくと静電耐圧が上昇していくが、１００００
オングストローム付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄
くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下
が大きくなり、１００オングストローム未満では静電耐
圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見ら
れる。また、上層５ａは、ｎ型不純物を含むｎ側コンタ
クト層４の結晶性の低下の影響を改善していると考えら
れるので、結晶性の改善が良好となる程度の膜厚で成長
されるのが好ましい。

【００１９】ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は、
５０〜１０００オングストローム、好ましくは１００〜
５００オングストローム、より好ましくは１５０〜４０
０オングストロームである。この不純物がドープされた
中間層５ｂは、キャリア濃度を十分とさせて発光出力に
比較的大きく作用する層であり、この層を形成させない
と著しく発光出力が低下する傾向がある。なお、図３
（ａ）では、膜厚を２５オングストローム程度まで薄く
しても発光出力の低下がやや下降する程度となっている
のは、中間層５ｂの膜厚が５０オングストロームでも発
光出力が低下しないように考慮してその他の層の膜厚等
を調整して行ったからである。また、図３（ａ）に示さ
れるように、膜厚が１０００オングストロームを超える
と発光出力が商品となりにくい程度まで大きく低下する
傾向がある。一方、静電耐厚のみを見ると、図３（ｂ）
に示されるように、中間層５ｂの膜厚が厚いと静電耐圧
は良好であるが、膜厚が５０オングストローム未満では
静電耐圧の低下が大きくなる傾向があり、商品として十
分満足できない。

【００２０】アンドープの上層５ｃの膜厚は、２５〜１
０００オングストローム、好ましくは２５〜５００オン
グストローム、より好ましくは２５〜１５０オングスト
ロームである。このアンドープの上層５ｃは、第１多層
膜の中で活性層に接してあるいは最も接近して形成さ
れ、リーク電流の防止に大きく関与しているが、上層５
ｃの膜厚が２５オングストローム未満ではリーク電流が
増加する傾向がある。また、図４（ａ）及び（ｂ）に示
されるように、上層５ｃの膜厚が１０００オングストロ
ームを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する傾向が
あり、商品として十分満足することができない。

【００２１】以上のように、下層５ａ〜上層５ｃの各膜
厚は、上記に示したように、各層の膜厚の変動により影
響されやすい素子特性に注目し、更に、下層５ａ、中間
層５ｂ及び上層５ｃを組み合わせた際に、諸素子特性す
べてがほぼ均一に良好となり、特に発光出力及び静電耐
圧が良好となるように、更に社内規格を満足できるよう
に種々検討し、上記範囲に各膜厚を規定することによ
り、良好な発光出力及び商品の信頼性の更なる向上を達
成することが可能な静電耐圧を得ることができる。ま
た、第１多層膜層５の各層の膜厚の組み合わせは、発光
波長の種類による活性層の組成の変化や、電極、ＬＥＤ
素子の形状など種々の条件により、最も良好な効果を得
るために適宜調整される。各層の膜厚の組み合わせに伴
う性能は、上記範囲の膜厚で適宜組み合わせることによ
り、従来のものに比べ良好な発光出力及び良好な静電耐
圧を得ることができる。

【００２２】上記第１多層膜層を構成する各層の組成
は、Ｉｎ_gＡｌ_hＧａ_1-g-hＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜
１）で表される組成であればよく、各層の組成が同一で
も異なっていてもよく、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合
が小さい組成であり、より好ましくはＧａＮからなる層
が好ましい。

【００２３】上記第１多層膜層５のｎ型不純物ドープの
中間層５ｂのｎ型不純物のドープ量は、特に限定されな
いが、３×１０¹⁸／ｃｍ³以上、好ましくは５×１０¹⁸
／ｃｍ³以上の濃度で含有する。ｎ型不純物の上限とし
ては、特に限定されないが、結晶性が悪くなりすぎない
程度の限界としては５×１０²¹／ｃｍ³以下が望まし
い。第１の多層膜層の中間層の不純物濃度が上記範囲で
あると、発光出力の向上とＶｆの低下の点で好ましい。
ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期
律表第IVＢ族、第VIＢ族元素を選択し、好ましくはＳ
ｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。

【００２４】また、上記第１多層膜層５の界面において
は、それぞれの層及び素子の機能を害しない範囲で両方
の層を兼ねる。

【００２５】次に、本発明において、ｎ側第２多層膜層
６は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の
窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導
体層とが積層されたｎ側多層膜層からなる。この第１の
窒化物半導体層、または第２の窒化物半導体層の内の少
なくとも一方の膜厚が、好ましくは両方の膜厚が、１０
０オングストローム以下、より好ましくは７０オングス
トローム以下、更に好ましくは５０オングストローム以
下にする。このように膜厚を薄くすることにより、多層
膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性が良くな
るので、出力が向上する傾向にある。

【００２６】第１又は第２の窒化物半導体の少なくとも
一方の膜厚が、１００オングストローム以下であって
も、薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶が良くな
り、その上に積層する第１の窒化物半導体層、若しくは
第２の窒化物半導体層の結晶性が良くなり、多層膜層全
体の結晶性が良くなるため、素子の出力が向上する。

【００２７】また、第１及び第２の窒化物半導体の膜厚
が、共に１００オングストローム以下であると、窒化物
半導体単一層の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長さ
せる場合や、第１又は第２の窒化物半導体の一方が１０
０オングストローム以下の場合に比較して結晶性の良い
窒化物半導体が成長できる。また、両方を７０オングス
トローム以下にすると、ｎ側第２多層膜層６が超格子構
造となり、この結晶性の良い多層膜構造の上に活性層を
成長させると、ｎ側第２多層膜層６がバッファ層のよう
な作用をして、活性層がより結晶性よく成長できる。

【００２８】本発明において、ｎ側窒化物半導体層に、
前記ｎ側第１多層膜層と上記ｎ側第２多層膜層とを組み
合わせると、発光出力が向上し、Ｖｆが低下し好まし
い。この理由は定かではないが、ｎ側第２多層膜層上に
成長させる活性層の結晶性が良好となるためと考えられ
る。

【００２９】また、ｎ側第２多層膜層６の前記第１の窒
化物半導体層または前記第２の窒化物半導体層の内の少
なくとも一方の膜厚は、近接する第１の窒化物半導体層
または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なっても、
同一でもよい。好ましくは、第１の窒化物半導体層また
は第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚
が、近接する第１の窒化物半導体層、または第２の窒化
物半導体層同士で互いに異なっていることが好ましい。
膜厚が近接する層同士で互いに異なるとは、第１の窒化
物半導体層及び第２の窒化物半導体層を複数層積層した
多層膜層を形成した場合に、第２の窒化物半導体層（第
１の窒化物半導体層）の膜厚とそれを挟んだ第１の窒化
物半導体層（第２の窒化物半導体層）の膜厚とが互いに
異なることを意味する。例えば、第１の窒化物半導体層
をＩｎＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとし
た場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層の膜
厚を、活性層に接近するに従って次第に厚くしたり、ま
た薄くしたりすることにより、多層膜層内部において屈
折率が変化するため、実質的に屈折率が次第に変化する
層を形成することができる。即ち、実質的に組成傾斜し
た窒化物半導体層を形成するのと同じ効果が得られる。
このため例えばレーザ素子のような光導波路を必要とす
る素子においては、この多層膜層で導波路を形成して、
レーザ光のモードを調整できる。

【００３０】また、第１、または第２の窒化物半導体層
の内の少なくとも一方のIII族元素の組成を、近接する
第１または第２の窒化物半導体層の同一III族元素の組
成同士で互いに異なる、又は同一でもよい。好ましく
は、第１の窒化物半導体層、または第２の窒化物半導体
層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成が、近接す
る第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層の
同一III族元素の組成同士で互いに異なる。この互いに
異なるとは、第１の窒化物半導体層または第２の窒化物
半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、
第２の窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）のIII
族元素の組成比とそれを挟んだ第１の窒化物半導体層
（第２の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比とが互
いに異なることを意味する。

【００３１】例えば、同一III族元素の組成同士で互い
に異ならせると、第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮと
し、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ
層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を活性層
に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくした
りすることにより、多層膜層内部において屈折率を変化
させて、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成す
ることができる。なおＩｎ組成が減少するに従い、屈折
率は小さくなる傾向にある。

【００３２】上記のｎ側第２多層膜層６は、例えば、図
１に示すように、活性層７を挟んで下部にあるｎ側窒化
物半導体層に、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、そ
の第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒
化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層６を有し
ている。ｎ側第２多層膜層６において、第１の窒化物半
導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一
層以上形成し、合計で２層以上、好ましくは３層以上、
さらに好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し合
計で４層以上積層することが望ましい。

【００３３】ｎ側第２多層膜層６は、活性層と離間して
形成されていても良いが、最も好ましくは活性層に接し
て形成されているようにする。活性層に接して形成する
方がより出力が向上しやすい傾向にある。ｎ側第２多層
膜層６が活性層に接して形成されている場合、活性層の
最初の層（井戸層、若しくは障壁層）と接する多層膜層
は第１の窒化物半導体層でも、第２の窒化物半導体層い
ずれでも良く、ｎ側第２多層膜層６の積層順序は特に問
うものではない。なお、図１ではｎ側第２多層膜層６
が、活性層７に接して形成されているが、このｎ側第２
多層膜層６と活性層との間に、他のｎ型窒化物半導体よ
りなる層を有していても良い。

【００３４】第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物
半導体、好ましくは３元混晶のＩｎ _kＧａ_1-kＮ（０＜ｋ
＜１）とし、さらに好ましくはｋ値が０．５以下のＩｎ
_kＧａ_1-kＮ、最も好ましくはｋ値が０．２以下のＩｎ_k
Ｇａ_1-kＮとする。一方、第２の窒化物半導体層は第１
の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であれば
良く、特に限定しないが、結晶性の良い第２の窒化物半
導体を成長させるためには、第１の窒化物半導体よりも
バンドギャップエネルギーが大きい２元混晶あるいは３
元混晶のＩｎ_mＧａ_1-mＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）を成長
させ、好ましくはＧａＮである。第２の窒化物半導体を
ＧａＮとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長で
きる。好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半導
体をＩｎ _kＧａ_1-kＮ（０＜ｋ＜１）とし、第２の窒化物
半導体をＩｎ_mＧａ_1-mＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）、好ま
しくはＧａＮとする組み合わせが挙げられる。更に好ま
しい組み合わせとしては、第１の窒化物半導体層のｋ値
が０．５以下のＩｎ_kＧａ₁ _-kＮであり、第２の窒化物半
導体層がＧａＮとの組み合わせである。

【００３５】第１および第２の窒化物半導体層は両方と
もアンドープでも、両方にｎ型不純物がドープされてい
ても、またいずれか一方に不純物がドープ（変調ドー
プ）されていてもよい。結晶性を良くするためには、両
方がアンドープであることが最も好ましく、次に変調ド
ープ、その次に両方ドープの順である。なお両方にｎ型
不純物をドープする場合、第１の窒化物半導体層のｎ型
不純物濃度と、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度
は異なっていても良い。また、第１の窒化物半導体層ま
たは第２の窒化物半導体層のいずれか一方に、ｎ型不純
物がドープされていることを変調ドープと呼ぶが、この
ような変調ドープをすることにより、出力が向上しやす
い傾向を有する。

【００３６】なおｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ、Ｓ等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好
ましくはＳｉ、Ｓｎを用いる。ｎ型不純物をドープする
場合、不純物濃度は５×１０²¹／cm³以下、好ましくは
１×１０²⁰／cm³以下に調整する。５×１０²¹／cm³より
も多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に出
力が低下する傾向にある。これは変調ドープの場合も同
様である。

【００３７】本発明において、多重量子井戸構造の活性
層７は、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、好まし
くは、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）で形成され、ｎ
型、ｐ型いずれでもよいが、アンドープ（不純物無添
加）とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波
長の半値幅が狭くなり好ましい。活性層７にｎ型不純物
及び／又はｐ型不純物をドープしてもよい。活性層７に
ｎ型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバ
ンド間発光強度をさらに強くすることができる。活性層
７にｐ型不純物をドープするとバンド間発光のピーク波
長よりも約０．５ｅＶ低いエネルギー側にピーク波長を
シフトさせることができるが、半値幅は広くなる。活性
層にｐ型不純物とｎ型不純物との双方をドープすると、
前述したｐ型不純物のみドープした活性層の発光強度を
さらに大きくすることができる。特にｐ型ドーパントを
ドープした活性層を形成する場合、活性層の導電型はＳ
ｉ等のｎ型ドーパントをもドープして全体をｎ型とする
ことが好ましい。結晶性のよい活性層を成長させるに
は、ノンドープが最も好ましい。

【００３８】活性層７の障壁層と井戸層との積層順は、
特に問わず、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸
層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障
壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わっ
ても良い。井戸層の膜厚としては１００オングストロー
ム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに
好ましくは５０オングストローム以下に調整する。井戸
層の膜厚の上限は、特に限定されないが、１原子層以
上、好ましくは１０オングストローム以上である。井戸
層が１００オングストロームよりも厚いと、出力が向上
しにくい傾向にある。一方、障壁層の厚さは２０００オ
ングストローム以下、好ましくは５００オングストロー
ム以下、より好ましくは３００オングストローム以下に
調整する。障壁層の膜厚の上限は特に限定されないが、
１原子層以上、好ましくは１０オングストローム以上で
ある。障壁層が上記範囲であると出力が向上し易く好ま
しい。また、活性層７全体の膜厚はとくに限定されず、
ＬＥＤ素子などの希望の波長等を考慮して、障壁層及び
井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層７の総膜厚を
調整する。

【００３９】本発明において、ｐ側クラッド層８は、バ
ンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層
と、第３の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネル
ギーの小さな第４の窒化物半導体層とが積層されて、互
いのｐ型不純物濃度が異なる、又は同一の多層膜層、ま
たはｐ型不純物を含有するＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦
１）からなる単一層である。まず、ｐ側クラッド層８が
多層膜構造（超格子構造）を有するｐ側多層膜クラッド
層の場合について以下に説明する。ｐ側多層膜クラッド
層１７の多層膜層を構成する第３、第４の窒化物半導体
層の膜厚は、１００オングストローム以下、さらに好ま
しくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０
〜４０オングストロームの膜厚に調整され、第３窒化物
半導体層と第４の窒化物半導体層との膜厚は、同一でも
異なっていてもよい。多層膜構造の各膜厚が上記範囲で
あると、窒化物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜
で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体
が成長でき、また窒化物半導体層の結晶性が良くなるの
で、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく
抵抗率の小さいｐ層が得られ、素子のＶｆ、しきい値が
低下し易い傾向にある。このような膜厚の２種類の層を
１ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。そし
て、ｐ側多層膜クラッド層８の総膜厚の調整は、この第
３及び第４の窒化物半導体層の各膜厚を調整し積層回数
を調整することにより行う。ｐ側多層膜クラッド層８の
総膜厚は、特に限定されないが、２０００オングストロ
ーム以下、好ましくは１０００オングストローム以下、
より好ましくは５００オングストローム以下であり、総
膜厚がこの範囲であると発光出力が高く、Ｖｆが低下し
好ましい。第３の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含
む窒化物半導体、好ましくはＡｌ _nＧａ_1-nＮ（０＜ｎ≦
１）を成長させることが望ましく、第４の窒化物半導体
は好ましくはＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、
Ｉｎ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ≦１）のような２元混晶、３元
混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。ｐ側
クラッド層８を超格子構造とすると、結晶性が良くな
り、抵抗率が低下しＶｆが低下する傾向がある。

【００４０】ｐ側多層膜クラッド僧のｐ型不純物濃度に
おいて、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層
とのｐ型不純物濃度が異なる場合について以下に示す。
ｐ側多層膜クラッド層８の第３の窒化物半導体層と第４
の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度は異なり、一方の
層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を
小さくする。ｎ側クラッド層１２と同様に、バンドギャ
ップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層の方のｐ
型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギー
の小さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さ
く、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等
を低下させることができる。またその逆でも良い。つま
りバンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導
体層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエ
ネルギーの小さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃
度を大きくしても良い。

【００４１】第３の窒化物半導体層への好ましいドープ
量としては１×１０¹⁸／cm³〜１×１０²¹／cm³、さらに
好ましくは１×１０¹⁹／cm³〜５×１０²⁰／cm³の範囲に
調整する。１×１０¹⁸／cm³よりも少ないと、同様に第
４の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャ
リア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１
×１０²¹／cm³よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向に
ある。一方、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は
第３の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましく
は１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはア
ンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜
厚が薄いため、第３の窒化物半導体側から拡散してくる
ｐ型不純物があり、その量は１×１０²⁰／cm³以下が望
ましい。また、バンドギャップエネルギーが大きい第３
の窒化物半導体層にｐ型不純物を少なくドープして、バ
ンドギャップエネルギーが小さい第４の窒化物半導体層
にｐ型不純物を多くドープする場合も同様である。ｐ型
不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第
IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等
をｐ型不純物とする。

【００４２】さらにまた多層膜を構成する窒化物半導体
層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ
方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大き
く、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアン
ドープ）とすることが、抵抗率を低下させるのに望まし
い。

【００４３】またｐ側多層膜クラッド層の第３の窒化物
半導体層と第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が同
一の場合は、上記第３と第４の窒化物半導体層のｐ型不
純物濃度が異なる場合の第３の窒化物半導体層のｐ型不
純物濃度の範囲内で不純物濃度が調整される。このよう
にｐ型不純物濃度が同一であると、上記不純物濃度が異
なる場合に比べて、やや結晶性の劣る傾向があるが、キ
ャリア濃度の高いｐ型クラッド層８を形成し易くなり、
出力向上の点で好ましい。

【００４４】次に、ｐ側クラッド層８が、ｐ型不純物を
含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなる単一層から
なる場合、ｐ側単一膜クラッド層８の膜厚は、２０００
オングストローム以下、好ましくは１０００オングスト
ローム以下であり、より好ましくは５００〜１００オン
グストローム以下である。膜厚が上記範囲であると、発
光出力が向上し、Ｖｆが低下し好ましい。ｐ側単一膜ク
ラッド層８の組成は、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）で
ある。また、単一膜層のクラッド層は、前記多層膜構造
のｐ側クラッド層に比べ、結晶性はやや劣るものの、前
記第１の多層膜層４との組み合わせにより、結晶性良く
成長させることができ、しきい値やＶｆの低下が可能と
なる。更に、このように単一膜としてもその他の層構成
と組み合わせることにより素子の性能の低下を少なく
し、しかも単一膜であるので、製造工程の簡易化が可能
となり、量産する場合に好ましい。ｐ側単一膜クラッド
層８のｐ型不純物の濃度は１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm
³、好ましくは５×１０¹⁸〜５×１０²⁰／cm³、より好ま
しくは５×１０¹⁹〜１×１０²⁰／cm³である。不純物濃
度が上記範囲であると、良好なｐ型膜ができ好ましい。

【００４５】次に、本発明において、Ｍｇドープｐ側Ｇ
ａＮコンタクト層９は、その組成をＩｎ、Ａｌを含まな
い二元混晶の窒化物半導体とする。仮にＩｎ、Ａｌを含
有していると、ｐ電極１０とオーミック接触が得られな
くなり、発光効率が低下する。ｐ側コンタクト層９の膜
厚は０．００１〜０．５μｍ、好ましくは０．０１
〜０．３μｍ、より好ましくは０．０５〜０．２μｍで
ある。膜厚が０．００１μｍよりも薄いとｐ型ＧａＡｌ
Ｎクラッド層と電気的に短絡しやすくなり、コンタクト
層として作用しにくい。また、三元混晶のＧａＡｌＮク
ラッド層の上に、組成の異なる二元混晶のＧａＮコンタ
クト層を積層するため、逆にその膜厚を０．５μｍより
も厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥が
ｐ側ＧａＮコンタクト層９中に発生しやすく、結晶性が
低下する傾向にある。なお、コンタクト層の膜厚は薄い
ほどＶｆを低下させ発光効率を向上させることができ
る。また、このｐ型ＧａＮコンタクト層９のｐ型不純物
はＭｇであるとｐ型特性が得られ易く、またオーミック
接触が得られ易くなる。Ｍｇの濃度は、１×１０¹⁸〜１
×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁹〜３×１０²⁰／c
m³、より好ましくは１×１０²⁰／cm³程度である。Ｍｇ
濃度がこの範囲であると良好なｐ型膜が得られ易く、Ｖ
ｆが低下し好ましい。

【００４６】また、ｎ電極１１はｎ側コンタクト層４上
に、ｐ電極はＭｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層９上に
それぞれ形成されている。ｎ電極及びｐ電極の材料とし
ては特に限定されず、例えばｎ電極としてはＷ／Ａｌ、
ｐ電極としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。

【００４７】

【実施例】以下に本発明の一実施の形態である実施例を
示すが、本発明はこれに限定されない。［実施例１］図１を元に実施例１について説明する。サ
ファイア（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＶＰＥの反応容
器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０
５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。

【００４８】（バッファ層２）続いて、温度を５１０℃
まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上に
ＧａＮよりなるバッファ層２を約１５０オングストロー
ムの膜厚で成長させる。

【００４９】（アンドープＧａＮ層３）バッファ層２成
長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇さ
せる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭ
Ｇ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層３を
１．５μｍの膜厚で成長させる。

【００５０】（ｎ側コンタクト層４）続いて１０５０℃
で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物
ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／cm³
ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を２．２
５μｍの膜厚で成長させる。

【００５１】（ｎ側第１多層膜層５）次にシランガスの
みを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用
い、アンドープＧａＮからなる下層５ａを２０００オン
グストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシラ
ンガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープした
ＧａＮからなる中間層５ｂを３００オングストロームの
膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同
温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オン
グストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２
３５０オングストロームの第１多層膜層５を成長させ
る。

【００５２】（ｎ側第２多層膜層６）次に、同様の温度
で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を
４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃に
して、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープ
Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２
０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を
繰り返し、第２＋第１の順で交互に１０層づつ積層さ
せ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０
オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなる
ｎ側第２多層膜層６を６４０オングストロームの膜厚で
成長させる。

【００５３】（活性層７）次に、アンドープＧａＮより
なる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長さ
せ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ア
ンモニアを用いアンドープＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる井
戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そし
て障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層
を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２
０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層
７を成長させる。

【００５４】（ｐ側多層膜クラッド層８）次に、温度１
０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを
１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎより
なる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜
厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、
ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用いＭｇを１×１０
²⁰／cm³ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の
窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長さ
せる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順
で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層
を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造
の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層８を３６５オン
グストロームの膜厚で成長させる。

【００５５】（ｐ側ＧａＮコンタクト層９）続いて１０
５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍ
ｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ
側コンタクト層９を７００オングストロームの膜厚で成
長させる。

【００５６】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。

【００５７】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のｐ側コンタクト層９の表面に所定の
形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、
図１に示すようにｎ側コンタクト層４の表面を露出させ
る。

【００５８】エッチング後、最上層にあるｐ側コンタク
ト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉと
Ａｕを含む透光性のｐ電極１０と、そのｐ電極１０の上
にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１１を
０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより
露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含
むｎ電極１２を形成してＬＥＤ素子とした。

【００５９】このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにお
いて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖ
で、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、
Ｖｆで１．０Ｖ近く低下し、出力は２．０倍以上に向上
した。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同
等の特性を有するＬＥＤが得られた。更に、得られたＬ
ＥＤの静電耐圧をＬＥＤ素子のｎ層及びｐ層の各電極よ
り逆方向に徐々に電圧を加え測定したところ、従来の
１．５倍以上となり良好な結果が得られた。

【００６０】なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、ＧａＮ
よりなる第１のバッファ層の上に、アンドープＧａＮよ
りなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ
側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よ
りなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、
ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層
したものである。

【００６１】［実施例２］実施例１において、活性層７
を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製
した。（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を
２５０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度
を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い
アンドープＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オン
グストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋
障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を７層、井戸層
を６層、交互に積層して、総膜厚１９３０オングストロ
ームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させ
る。得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおい
て、４７０ｎｍの純青色発光を示し、実施例１と同様に
良好な結果が得られる。

【００６２】［実施例３］実施例１において、活性層７
を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製
した。（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を
２５０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度
を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い
アンドープＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オン
グストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋
障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を６層、井戸層
を５層、交互に積層して、総膜厚１６５０オングストロ
ームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させ
る。得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおい
て、４７０ｎｍの純青色発光を示し、実施例１と同様に
良好な結果が得られる。

【００６３】［実施例４］実施例１において、活性層７
を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製
した。（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を
２５０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度
を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い
アンドープＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる井戸層を３０オ
ングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸
＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を７層、井戸
層を６層、交互に積層して、総膜厚１９３０オングスト
ロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させ
る。得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおい
て、５００ｎｍの青緑色発光を示し、実施例１と同様に
良好な結果が得られる。

【００６４】［実施例５］実施例１において、活性層７
を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製
した。（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を
２５０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度
を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い
アンドープＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる井戸層を３０オ
ングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸
＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を４層、井戸
層を３層、交互に積層して、総膜厚１０９０オングスト
ロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させ
る。得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおい
て、５００ｎｍの青緑色発光を示し、実施例１と同様に
良好な結果が得られる。

【００６５】［実施例６］実施例１において、ｎ側第２
多層膜層６を成長させない他は同様にしてＬＥＤ素子を
作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例１に比べやや
素子特性及び発光出力が低いものの、静電耐圧は実施例
１とほぼ同様に良好となる。

【００６６】［実施例７］実施例１において、ｐ側多層
膜クラッド層８を以下のように変える他は同様にしてＬ
ＥＤ素子を作製した。（ｐ側単一膜クラッド層８）温度１０５０℃でＴＭＧ、
ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドー
プしたｐ型Ａｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなるｐ側単一膜クラ
ッド層８を３００オングストロームの膜厚で成長させ
る。得られたＬＥＤ素子は、クラッド層を超格子とせず
単一の層として成長させているが、その他の層構成との
組み合わせにより、実施例１よりやや発光出力などの性
能が劣るものの、静電耐圧がほぼ同様に良好な結果が得
られる。また、単一層とすると、多層膜層にする場合に
比べ製造工程が簡易化でき好ましい。

【００６７】［実施例８］実施例１において、ｎ側第１
多層膜層５を以下のように各膜厚を変更する他は同様に
してＬＥＤ素子を作製した。（ｎ側第１多層膜層５）次にシランガスのみを止め、１
０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドー
プＧａＮからなる下層５ａを３０００オングストローム
の膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加
しＳｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮからな
る中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長さ
せ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアン
ドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストローム
の膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚３３５０オング
ストロームの第１多層膜層５を成長させる。得られたＬ
ＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を有し、良好な
結果が得られる。

【００６８】［実施例９]実施例８において、ｎ側コン
タクト層４の膜厚を、４．１６５μｍ、５．１６５μ
ｍ、７．１６５μｍとする他は同様にして３種のＬＥＤ
素子を作製する。得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほ
ぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られ、また、膜厚
が４．１６５μｍ及び５．１６５μｍの場合は、発光出
力などの素子特性を維持したまま静電耐圧がやや実施例
１より良好となる。

【００６９】[実施例１０]実施例１において、ｎ側第２
多層膜厚６をアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半
導体層と、Ｓｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ
_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層とからな
る多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を示
す。

【００７０】[実施例１１]実施例１において、ｐ側多層
膜クラッド層８を、Ｍｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープし
たＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層と、
アンドープのＩｎ _0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物
半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ
素子を作製する。得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほ
ぼ同等の特性を示す。

【００７１】[実施例１２]実施例１において、ｐ側多層
膜クラッド層８をアンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりな
る第３の窒化物半導体層と、Ｍｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³
ドープしたＩｎ_0.0 ₃Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半
導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ素
子を作製する。得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ
同等の特性を示す。

【００７２】[実施例１３]実施例８において、ｎ側第１
多層膜層５が、アンドープＧａＮからなる３０００オン
グストロ−ムの膜厚の下層５ａと、４．５×１０¹⁸／ｃ
ｍ³ドープした３００オングストロームの膜厚のＡｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎからなる中間層５ｂと、アンドープＧａＮか
らなる５０オングストロームの膜厚の上層５ｃとを成長
させてなる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。得ら
れたＬＥＤ素子は、実施例８とほぼ同等の特性を示し、
良好な結果が得られる。

【００７３】[実施例１４]実施例８において、ｎ側第１
多層膜層５が、アンドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる３
０００オングストロームの膜厚の下層５ａと、４．５×
１０¹⁸／ｃｍ³ドープした３００オングストロームの膜
厚のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる中間層５ｂと、アンドー
プＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる５０オングストロームの膜
厚の上層５ｃとを成長させてなる他は同様にしてＬＥＤ
素子を作製する。得られたＬＥＤ素子は、実施例８とほ
ぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。

【００７４】[実施例１５]実施例８において、ｎ側第１
多層膜層５が、アンドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる３
０００オングストロームの膜厚の下層５ａと、４．５×
１０¹⁸／ｃｍ³ドープした３００オングストロームの膜
厚のＧａＮからなる中間層５ｂと、アンドープＧａＮか
らなる５０オングストロームの膜厚の上層５ｃとを成長
させてなる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。得ら
れたＬＥＤ素子は、実施例８とほぼ同等の特性を有し、
良好な結果が得られる。

【００７５】[実施例１６]実施例８において、ｎ側コン
タクト層４を、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープし
たＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの膜厚４．１６５μｍとする他は
同様にしてＬＥＤ素子を作製する。得られたＬＥＤ素子
は、実施例８とほぼ同等の特性を示す。

【００７６】［比較例１］実施例１において、ｎ側第１
多層膜層５を構成するアンドープＧａＮからなる下層５
ａを形成しない他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１に比べ、静電耐圧が著
しく低下し、リーク電流及びＶｆに関する特性も十分満
足できる値ではなかった。

【００７７】［比較例２］実施例１において、ｎ側第１
多層膜層５を構成するＳｉドープＧａＮからなる中間層
５ｂを形成しない他は同様にしてＬＥＤ素子を作製し
た。得られたＬＥＤ素子は、実施例１に比べ、発光出力
及び静電耐圧が大きく低下し、その他の特性も十分満足
できる値ではなかった。

【００７８】［比較例３］実施例１において、ｎ側第１
多層膜層５を構成するアンドープＧａＮからなる上層５
ｃを形成しない他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１に比べ、リーク電流が
増加し、その他の特性も十分満足できる値ではなかっ
た。

【００７９】

【発明の効果】本発明は、多重量子井戸構造の活性層を
用い種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするた
め、発光出力がより向上し、静電耐圧が良好な窒化物半
導体発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施の形態であるＬＥＤ
素子の構造を示す模式断面図である。

【図２】図２は、本発明のアンドープの下層５ａの膜
厚を変動させた場合の素子特性の変化を示したグラフで
ある。

【図３】図３は、本発明のｎ型不純物ドープの中間層
５ｂの膜厚を変動させた場合の素子特性の変化を示した
グラフである。

【図４】図４は、本発明のアンドープの上層５ｃの膜
厚を変動させた場合の素子特性の変化を示したグラフで
ある。

【符号の説明】

１・・・サファイア基板、２・・・バッファ層、３・・・アンドープＧａＮ層、４・・・ｎ側コンタクト層、５・・・ｎ側第１多層膜層、５ａ・・・アンドープの下層、５ｂ・・・ｎ型不純物ドープの中間層、５ｃ・・・アンドープの上層、６・・・ｎ側第２多層膜層、７・・・活性層、８・・・ｐ側クラッド層、９・・・Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層、１０・・・ｐ電極、１１・・・ｎ電極、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、バッファ層を介して形成され
たｎ側窒化物半導体層、活性層及びｐ側窒化物半導体層
を有する窒化物半導体素子において、前記ｎ側窒化物半導体層は、膜厚１００〜１００００Å
のアンドープの窒化物半導体からなる下層、ｎ型不純物
がドープされた窒化物半導体からなる中間層、アンドー
プの窒化物半導体からなる上層の少なくとも３層が順に
積層されてなるｎ側第１多層膜層を含みかつ、前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）層とＧａ
Ｎ層とを含んでなる多重量子井戸構造であることを特徴
とする窒化物半導体素子。
【請求項２】前記中間層の膜厚が５０〜１０００オン
グストロームであり、前記上層の膜厚が２５〜１０００
オングストロームであることを特徴とする請求項１に記
載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記ｎ側窒化物半導体層において、前記
ｎ側第１多層膜層より基板側に、ｎ型不純物を含むｎ側
コンタクト層を有することを特徴とする請求項１又は２
に記載の窒化物半導体素子。