JP2001237456A

JP2001237456A - 発光素子

Info

Publication number: JP2001237456A
Application number: JP2000048880A
Authority: JP
Inventors: Motokazu Yamada; 元量山田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、窒化物半導体層を有する発光素子、
特に発光ピーク波長が５３０ｎｍ以上の発光を行う発光
素子の発光出力を向上することを目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明の発光
素子は、ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層か
ら構成される発光素子であって、前記活性層は、下部障
壁層、井戸層、第１の上部障壁層、第２の上部障壁層が
順に積層され、前記下部障壁層、前記第１の上部障壁
層、前記第２の上部障壁層はそれぞれ組成の異なる窒化
物半導体から構成される。さらに、本発明の発光素子
は、前記第１の上部障壁層はＩｎ_zＡｌ_1-zＮ（０≦ｚ≦
１）である構成とすることによって、井戸層および第２
の上部障壁層のそれぞれの層に対して格子定数不整合を
緩和し、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエネ
ルギー差を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオー
ド）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光デバイス、あ
るいはフォトダイオード等の受光デバイスに利用される
窒化物半導体層（たとえばＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０
≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を有する素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色ＬＥＤ、ＬＤ等に代表される
ように窒化物半導体層を有する発光素子が注目を集めて
いる。窒化物半導体から構成される素子はその融点が高
く比較的熱に強いという特徴を有することから温度依存
性が小さいために、発光素子のみならず受光素子等の各
種素子への応用が期待されている。

【０００３】また、ＬＥＤは、低消費電力および長寿命
という極めて優れた特徴を有し、消費電力の節約および
メンテナンスの頻度の低減に効果があることから、信号
機用の発光源としても有望視されており、屋外において
も十分な視認性が得られるよう高輝度なＬＥＤの開発が
望まれている。こういった黄色領域の光は、前述の信号
機以外においても、自動車の方向指示器、道路交通情報
掲示板等、人に対して注意を促す表示に用いられること
が多く、幅広い用途がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】窒化物半導体層（たと
えばＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ
≦１）を有する発光素子で、たとえば信号機の黄色に相
当するような黄色領域の波長の光を発光させるには、イ
ンジウムＩｎを含む混晶とし、そのインジウムの混晶比
ｘを大きくしバンドギャップエネルギーを小さくするこ
とによって、発光波長を長波長化できることが知られて
いる。しかしながら、窒化物半導体層を有する発光素子
によって黄色領域の波長の発光を得るために、インジウ
ムＩｎを含む窒化物半導体層のインジウム混晶比を大き
くしていくことによって発光波長を長波長化する場合、
インジウム混晶比を大きくしていくにしたがい発光出力
が低下し、特に発光ピーク波長λｄが５３０ｎｍよりも
長波長となる辺りからその低下が著しいという問題点が
ある。

【０００５】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、窒化物半導体層を有する発光
素子、特に発光ピーク波長が５３０ｎｍ以上の発光を行
う発光素子の発光出力を向上することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の発光素子は、ｎ型半導体層、活
性層およびｐ型半導体層から構成される発光素子であっ
て、前記活性層は、下部障壁層、井戸層、第１の上部障
壁層、第２の上部障壁層が順に積層され、前記下部障壁
層、前記第１の上部障壁層、前記第２の上部障壁層はそ
れぞれ組成の異なる窒化物半導体から構成される。

【０００７】これによって、窒化物半導体層を有する発
光素子の発光出力を向上することができる。

【０００８】さらに、本発明の発光素子は、前記第１の
上部障壁層はＩｎ_zＡｌ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）である構成
とすることによって、井戸層および第２の上部障壁層の
それぞれの層に対して格子定数不整合を緩和し、かつ井
戸層に対して十分なバンドギャップエネルギー差を得る
ことができる。

【０００９】さらに、本発明の発光素子は、前記井戸層
はＩｎを必須とするＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦１）
である構成とすることによって、良好な結晶性を得るこ
とができ、かつ他の窒化物層に対して小さいバンドギャ
ップエネルギーとすることができる。

【００１０】さらに、本発明の発光素子は、前記井戸層
のＩｎの混晶比ｘ２はｘ２≧０．６である構成とした発
光素子の発光出力の向上に対して、特に効果が大きい。

【００１１】さらに、本発明の発光素子は、前記第２の
上部障壁層はＡｌを必須とするＡｌ _y3Ｇａ_1-y3Ｎ（０＜
ｙ３≦１）とすることによって、本発明は窒化物半導体
層を有する発光素子の発光出力を向上に対して効果が大
きい。

【００１２】さらに、本発明の発光素子は、前記発光素
子の発光ピーク波長が５３０ｎｍ以上とした発光素子の
発光出力の向上に対して、本発明は特に効果が大きい。

【００１３】さらに、本発明の発光素子は、前記下部障
壁層はＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）である構成と
することによって、その上に形成される井戸層の結晶性
を向上することができる。

【００１４】さらに、本発明の発光素子は、前記下部障
壁層はＧａＮである構成とすることによって、井戸層の
結晶性の向上に対して特に効果が高い。

【００１５】さらに、本発明の発光素子は、前記活性層
は前記下部障壁層、前記井戸層、前記第１の上部障壁層
および前記第２の上部障壁層が順に複数層形成された多
重量子井戸構造からなる発光素子の発光出力向上に対し
て、特に効果が大きい。

【００１６】また、本発明の請求項１０の発光素子は、
ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層から構成され
る発光素子であって、前記活性層は、少なくとも、Ｉｎ
を必須とするＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦１）からな
る井戸層と、前記井戸層上にＩｎ_zＡｌ_1-zＮ（０≦ｚ≦
１）からなる第１の上部障壁層とを有する。

【００１７】これによって、井戸層に対して格子定数を
整合させ、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエ
ネルギー差を得ることができ、窒化物半導体層を有する
発光素子の発光出力を向上することができる。

【００１８】さらに、本発明の発光素子は、前記第１の
上部障壁層上に、Ａｌを必須とするＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎ
（０＜ｙ３≦１）からからなる第２の上部障壁層をさら
に有する構成とすることによって、窒化物半導体層を有
する発光素子の発光出力を向上に対して効果が大きい。

【００１９】さらに、本発明の発光素子は、前記第２の
上部障壁層のＡｌの混晶比ｙ３はｙ３≧０．１である構
成とすることによって、窒化物半導体層を有する発光素
子の発光出力を向上に対して効果がより大きい。

【００２０】さらに、本発明の発光素子は、前記第２の
上部障壁層のＡｌの混晶比ｙ３はｙ３≧０．２である構
成とすることによって、駆動電圧を低減することができ
る。

【００２１】さらに、本発明の発光素子は、前記第１の
上部障壁層のＩｎの混晶比ｚは０．１５≦ｚ≦０．６５
である構成とすることによって、井戸層および第２の上
部障壁層のそれぞれの層に対して格子定数不整合を緩和
し、かつ井戸層に対して十分なバンドギャップエネルギ
ー差を得ることができる。

【００２２】さらに、本発明の発光素子は、前記活性層
は、前記井戸層の下にＩｎ_x1Ｇａ_1- _x1Ｎ（０≦ｘ１≦
１）からなる下部障壁層上をさらに有する構成とするこ
とによって、その上に形成される井戸層の結晶性を向上
することができる。

【００２３】さらに、本発明の発光素子は、前記第下部
障壁層はＧａＮで構成とすることによって、井戸層の結
晶性の向上に対して特に効果が高い。

【００２４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１に本発明を
発光ダイオードに適用した場合の模式的な構造を示す。
基板１０１上にバッファ層１０２、ノンドープＧａＮ層
１０３、ｎ型コンタクト層１０４、ｎ型クラッド層１０
５、活性層１０６、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタ
クト層１０８が順に積層され、ｎ型コンタクト層１０４
およびｐ型コンタクト層１０８にはそれぞれｎ電極１１
１およびｐ電極１１２が形成されている。

【００２５】基板１０１は所望の窒化物半導体層（Ｉｎ
_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）を
成長させるためのものであり、適宜選択される。バッフ
ァ層１０２は、基板１０１と窒化物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_y
Ｇａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）との格子
定数の不整合を緩和するために形成される層である。ノ
ンドープＧａＮ層１０３は、その上に成長させるｎ型コ
ンタクト層１０４の結晶性を良好にするための層であ
る。ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ電極１１１とオーミ
ック接触を実現させるための層である。ｎ型クラッド層
１０５は、キャリアを活性層１０６に閉じ込めるための
層である。活性層１０６は、発光を行う層である。ｐ型
クラッド層１０７は、ｎ型クラッド層１０５と同じくキ
ャリアを活性層１０６に閉じ込めるための層である。ｐ
型コンタクト層１０８はｐ電極１１２とオーミック接触
を実現させるための層である。

【００２６】上記発光素子の基板１０１、バッファ層１
０２、ノンドープＧａＮ層１０３はその上の各層が形成
されたのち、発光出力の向上や光の内部吸収の低減等を
目的にエッチング等を用いて選択的に適宜取り除いても
よい。ただし、ここでは説明の便宜上、各層の成長方向
を上とし、本実施形態ではｎ型半導体層から見てｐ型半
導体層方向を上とした。

【００２７】以下に本発明の一実施例である窒化物半導
体発光ダイオードの各構成を説明する。

【００２８】基板１０１にはＣ面を主面とするサファイ
アの他、Ｒ面、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１０１
の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、Ｚ
ｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板１０１を用いる
ことができる。

【００２９】バッファ層１０２は基板１０１と窒化物半
導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋
ｙ≦１）との格子定数不正を緩和するために形成される
層であり、たとえばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＮ等を用いることができる。バッファ層１０２は９
００℃以下の温度で成長させて、膜厚１０Å〜５００Å
に形成される。

【００３０】ノンドープＧａＮ層１０３は、不純物を添
加せずに成長させるＧａＮ層を示す。バッファ層１０２
上にノンドープＧａＮ層１０３を成長させるとノンドー
プ層の結晶性が良好となり、さらにそのノンドープ層の
上に成長させるｎ型コンタクト層１０４の結晶性も良好
となる。

【００３１】ｎ型コンタクト層１０４はＳｉ等のｎ型不
純物を３×１０¹⁸／ｃｍ²以上、好ましくは５×１０¹⁸
／ｃｍ²以上の濃度で含有する。ｎ型コンタクト層１０
４の組成は、Ｉｎ_x5Ａｌ_y5Ｇａ_1-x5-y5Ｎ（０≦ｘ５、
０≦ｙ５、ｘ５＋ｙ５≦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ＧａＮ、y値０．２
以下のＡｌyＧａ1-yＮ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型コンタクト層１０４の膜
厚は特に問うものではないが、ｎ電極１１１を形成する
層であるので０．１〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１
０μｍ、より好ましくは１〜５μｍである。

【００３２】次に、ｎ型クラッド層１０５は、アンドー
プのｎ型クラッド第１層、ｎ型不純物ドープのｎ型クラ
ッド第２層、アンドープのｎ型クラッド第３層の少なく
とも３層から構成されている。ｎ型クラッド層１０５に
は上記第１層〜第３層以外のその他の層を有していても
よい。またｎ型クラッド層１０５は、活性層１０６と接
していても、活性層１０６の間に他の層を有していても
よい。

【００３３】これらｎ型クラッド第１層〜第３層を構成
する窒化物半導体としては、（Ｉｎ _xＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦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ｎ型ク
ラッド層１０５の各層は組成が同一でも異なっていても
よい。ｎ型クラッド層１０５の膜厚は、特に限定されな
いが、１７５〜１２０００Åであり、好ましくは１００
０〜１００００Åであり、より好ましくは２０００〜６
０００Åである。クラッド層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。

【００３４】上記範囲の膜厚を有するクラッド層の膜厚
の調整は、ｎ型クラッド第１層、第２層、及び第３層の
各膜厚を適宜調整して、ｎ型クラッド層１０５の総膜厚
を上記の範囲とすることが好ましい。上記ｎ型クラッド
層１０５を構成する各層の組成は、（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦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。

【００３５】ｎ型クラッド層１０５上には図２に示す多
重量子井戸構造の活性層１０６が形成される。活性層１
０６は、井戸層の下に形成される下部障壁層１１と、キ
ャリアの結合により発光を行う井戸層１２、井戸層１２
の上に形成される第２の上部障壁層１３とが複数層繰り
返し形成され、最期の第２の上部障壁層１３の上にはさ
らにｐ型クラッド層を結晶性よく成長させるための最上
部層１４が形成される。

【００３６】下部障壁層１１は、たとえばインジウムＩ
ｎ、アルミニウムＡｌ、ガリウムＧａおよび窒素Ｎから
なるＩｎ_x1Ａｌ_y1Ｇａ_1-x1-y1Ｎ（０≦ｘ１、０≦ｙ
１、ｘ１＋ｙ１≦０．１）から構成される。この下部障
壁層１１は、次に形成される黄色領域の波長の発光を行
うために必要なＩｎの混晶比の大きい窒化物半導体から
なる井戸層１２の結晶性を良好とするように、Ｉｎある
いはＡｌの混晶比ｘ１、ｙ１をｘ１≦０．３、ｙ１≦
０．１でかつｘ１＋ｙ１≦０．３とすることが好まし
い。特に、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎの３元混晶あるいはＧａＮ
からなる２元混晶とすることが、下部障壁層１１と井戸
層１２との格子定数差に起因する結晶欠陥を低減しつつ
かつＩｎの高混晶化に伴う下部障壁１１層自体の結晶性
の劣化を抑制することができ、その上に形成される井戸
層１２の結晶性をより向上させることができることから
より好ましい。膜厚は１０Å以上１００Å以下とするこ
とが、井戸層１２の結晶性上好ましい。

【００３７】井戸層１２は、たとえばインジウムＩｎ、
アルミニウムＡｌ、ガリウムＧａおよび窒素Ｎからなる
Ｉｎを必須とするＩｎ_x2Ａｌ_y2Ｇａ_1-x2-y2Ｎ（ｘ２＞
０、ｙ２≧０、ｘ２＋ｙ２≦１）から構成される。本発
明の発光素子においては、発光ピーク波長５３０ｎｍ以
上の長波長領域において比較例よりも発光出力が優勢と
なる。インジウムＩｎの混晶比ｘ２を、ｘ２≧０．６と
した場合発光ピーク波長５３０ｎｍ以上の発光が得られ
た。

【００３８】しかし、Ｉｎの混晶比ｘ２を大きくするに
したがい、格子定数が大きくなることから、他の層との
格子不整合が大きくなるため、井戸層１２は格子定数差
が比較的小さく、かつ結晶性のよい結晶からなる層上に
形成する必要がある。このような組み合わせで井戸層１
２を形成すると井戸層１２上には、格子定数差が大きい
結晶からなる層であっても結晶性よく形成することが可
能になる。また、井戸層１２はＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎの３元
混晶として構成することが、結晶性上より好ましい。井
戸層１２の膜厚は１０Å以上１００Å以下とすることが
好ましい。

【００３９】第２の上部障壁層１３は、たとえばインジ
ウムＩｎ、アルミニウムＡｌ、ガリウムＧａおよび窒素
ＮからなるＩｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（ｘ３≧０、ｙ
３＞０、ｘ３＋ｙ３≦１）から構成される。この第２の
上部障壁層１３では、アルミニウムＡｌを必須の構成要
素とすることで、長波長領域の発光出力向上させること
ができる。また、第２の上部障壁層１３の上に形成され
る最上部層１４の結晶性を向上することができる。第２
の上部障壁層１３はＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎの３元混晶として
構成することが結晶性上好ましい。好ましくはＡｌの混
晶比ｙ３≧０．１であり、さらに好ましくはｙ３≧０．
２である。第２の上部障壁層１３の膜厚は１０Å以上１
００Å以下することが好ましい。

【００４０】最上部層１４は、たとえばインジウムＩ
ｎ、アルミニウムＡｌ、ガリウムＧａおよび窒素Ｎから
なるＩｎ_x4Ａｌ_y4Ｇａ_1-x4-y4Ｎ（０≦ｘ４、０≦ｙ
４、ｘ４＋ｙ４≦０．１）から構成される。この最上部
層１４は、次に形成されるｐ型クラッド層を結晶性よく
成長させるために、ＩｎあるいはＡｌの混晶比ｘ４、ｙ
４を０≦ｘ４、ｙ４≦０．１でかつｘ４＋ｙ４≦０．１
とすることが好ましい。さらに、Ａｌ_y4Ｇａ_1-y4Ｎの３
元混晶あるいはＧａＮからなる２元混晶とすることが、
その上に形成されるｐ型クラッド層１０７の結晶性上よ
り好ましい。膜厚は１０Å以上１００Å以下とすること
が好ましい。また、最上部層１４は下部障壁層１１と同
じ構成としてもよい。

【００４１】活性層１０６の各層は不純物を含まないノ
ンドープ、あるいはＳｉなどのｎ型不純物をドープした
ｎ型ドープや、Ｍｇなどのｐ型不純物をドープしたｐ型
ドープとして適宜選択して構成できる。

【００４２】活性層１０６上にはｐ型クラッド層１０７
が形成される。ｐ型クラッド層１０７は、バンドギャッ
プエネルギーの大きなｐ型クラッド第１層と、ｐ型クラ
ッド第１層よりもバンドギャップエネルギーの小さなｐ
型クラッド第２層とが積層されて、互いのｐ型不純物濃
度が異なるかまたは同一の多層膜層で構成されるか、ま
たはｐ型不純物を含有するＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦
１）からなる単一層から構成される。

【００４３】まず、ｐ型クラッド層１０７が多層膜構造
（超格子構造）を有するｐ型クラッド層の場合について
以下に説明する。

【００４４】ｐ型クラッド層の多層膜層を構成するｐ型
クラッド第１層、ｐ型クラッド第２層の膜厚は、１００
Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは
１０〜４０Åの膜厚に調整され、ｐ型クラッド第１層と
ｐ型クラッド第２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、閾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型多層膜ク
ラッド層の総膜厚の調整は、このｐ型クラッド第１層、
ｐ型クラッド第２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型多層膜クラッド層の総膜厚は、
特に限定されないが、２０００Å以下、好ましくは１０
００Å以下、より好ましくは５００Å以下である。

【００４５】ｐ型クラッド第１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、ｐ型クラッド第２層
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。

【００４６】ｐ型クラッド層１０７のｐ型クラッド第１
層、ｐ型クラッド第２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型クラッド層１０５と同様に、バ
ンドギャップエネルギーの大きなｐ型クラッド第１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ｐ型クラッド第２層のｐ型不純物濃度を
小さくすることが好ましく、より好ましくはアンドープ
とする。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ｐ型クラッド第１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ｐ型
クラッド第２層のｐ型不純物濃度を大きくしても良い。

【００４７】ｐ型クラッド第１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、ｐ型クラッド第２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ｐ型クラ
ッド第１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ｐ型クラッド第２層にｐ型不
純物を多くドープする場合も同様である。

【００４８】ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂ
ｅ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。

【００４９】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。

【００５０】次に、ｐ型クラッド層１０７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側クラッド層の膜厚は、２０００Å以
下、好ましくは１０００Å以下であり、より好ましくは
１００〜５００Å以下である。

【００５１】また、単一膜層のｐ型クラッド層１０７
は、前記多層膜構造のｐ型クラッド層１０７に比べ、結
晶性はやや劣るものの、前記多層膜構造を有するｎ型ク
ラッド層１０５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。

【００５２】ｐ型クラッド層１０７のｐ型不純物の濃度
は１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０
¹⁸〜５×１０²⁰／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。

【００５３】次に、本発明において、ｐ型コンタクト層
１０８は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層は、Ｍｇ
ドープとし、その組成をＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶
の窒化物半導体ＧａＮとする。仮にＩｎ、Ａｌを含有し
ていると、ｐ電極１１２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ＧａＡｌＮ
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Ｍ
ｇ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、１×１０¹⁸〜１×１
０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁹〜３×１０²⁰／cm³、
より好ましくは１×１０²⁰／cm³程度である。

【００５４】また、ｐ型コンタクト層１０８を、ノンド
ープＧａＮからなるｐ型コンタクト第１層とＭｇドープ
ＧａＮからなるｐ型コンタクト第２層から形成してもよ
い。

【００５５】ｎ電極１１１はｎ型コンタクト層１０４上
に、ｐ電極１１２はＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
９上にそれぞれ形成されている。ｎ電極１１１及びｐ電
極１１２の材料としては特に限定されず、例えばｎ電極
１１１としてはＷ／Ａｌ、ｐ電極１１２としてはＮｉ／
Ａｕなどを用いることができる。（実施の形態２）次に実施の形態２にかかる発光ダイオ
ードを説明する。実施の形態２では活性層１０６は以下
のように構成され、その他の構造は実施の形態１と同様
に構成される。実施の形態２にかかる発光ダイオードの
活性層１０６においては、井戸層１２と第２の上部障壁
層１３との間に第１の上部障壁層１３ａを形成する。

【００５６】実施の形態２においては、ｎ型クラッド層
１０５上には図３に示す多重量子井戸構造の活性層１０
６が形成される。活性層１０６は、下部障壁層１１、井
戸層１２、第１の上部障壁層１３ａおよび第２の上部障
壁層１３が複数層繰り返し形成され、最期の第２の上部
障壁層１３の上にはさらにｐ型クラッド層を結晶性よく
成長させるための最上部層１４が形成される。

【００５７】この活性層１０６は、下部障壁層１１、井
戸層１２、第１の上部障壁層１３ａ、第２の上部障壁層
１３が順に積層され、下部障壁層１１、第１の上部障壁
層１３ａ、第２の上部障壁層１３はそれぞれ組成の異な
る窒化物半導体によって形成されることが好ましい。

【００５８】この第１の上部障壁層１３ａは、活性層１
４と第２の上部障壁層１３との格子定数差を緩和し、か
つ活性層１２と第１の上部障壁層１３ａとのバンドギャ
ップエネルギーを十分に保つために形成される。そのた
め、第１の上部障壁層１３ａは、Ｉｎ_zＡｌ_1-zＮ（０≦
ｚ≦１）から構成する。このように構成することで、た
とえば活性層１３をＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎとして構成した場
合、活性層と同程度の格子定数となるＩｎ_0.65Ａｌ_0.35
Ｎからなる第１の上部障壁層１３ａとして形成したとし
ても、ＧａＮと同程度のバンドギャップエネルギー差が
得られることになる。

【００５９】ここで、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮから構成
される半導体のそれぞれの混晶比に対するバンドギャッ
プエネルギーＥｇと格子定数の関係を図４に示す。図４
の各プロットは混晶比を０．１ずつ変化させた点を示し
ている。図４から、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる活性層上１
２に直接Ａｌ_yＧａ_1-yＮからなる第２の上部障壁層１３
を形成した場合、活性層１２のＩｎの混晶比ｘ２および
第２の上部障壁層１３のＡｌの混晶比ｙ３を大きくする
にしたがい、格子定数の不整合が大きくなることがわか
る。つまり、発光波長を長波長化するために活性層１２
のＩｎの混晶比ｘ２を大きくするにしたがい、格子定数
の不整合が大きくなってしまう。これに対し、Ｉｎ_zＡ
ｌ_1-zＮは、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮに対し同程度の格子定数を
得ることができ、かつ同程度の格子定数であっても大き
なバンドギャップエネルギーＥｇが得られる特性を有す
る。このため、第１の上部障壁層１３ａとしてＩｎ_zＡ
ｌ₁ _-zＮを、活性層１２と第２の上部障壁層１３との間
に形成することによって、実施の形態１のＩｎ_x2Ｇａ
_1-x2Ｎからなる活性層１２とＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎから構成
される第２の上部障壁層１３との組み合わせによる効果
を損なうことなくそれぞれの半導体層の結晶性を向上さ
せることができる。

【００６０】Ｉｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎからなる活性層１２とＡ
ｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎから構成される第２の上部障壁層１３と
の組み合わせを、発光ピーク波長λｄが５３０ｎｍ以上
となるたとえば活性層１２のＩｎの混晶比ｘ２がｘ２≧
０．６と、駆動電圧の低減に効果が現れる第２の上部障
壁層１３のＡｌの混晶比ｙ３がｙ３≧０．２とした場
合、第１の上部障壁層１３ａのＩｎの混晶比ｚは０．１
５≦ｚ≦０．６５とすることが活性層１２と第２の上部
障壁層１３との格子定数不整合の緩和の点から好まし
い。すなわち、第１の上部障壁層１３ａの格子定数を、
井戸層１２と第２の障壁層１３との間に設定できる。ま
た、活性層１２と第２の上部障壁層１３間のエネルギー
バンドギャップ差を確保しておく点から、第２の上部障
壁層１３をＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとしたときのバンドギャッ
プエネルギーと同等以上となるよう、第１の上部障壁層
１３ａのＩｎの混晶比ｚは０．１５≦ｚ≦０．５とする
ことがさらに好ましい。第１の上部障壁層１３ａの膜厚
は１０Å以上１００Å以下にすることが好ましい。

【００６１】このように実施の形態２においては、第１
の上部障壁層１３ａとしてＩｎ_zＡｌ_1-zＮを、活性層１
２と第２の上部障壁層１３との間に形成し、格子定数不
整合を緩和することによって、それぞれの層の結晶性を
向上させることができることから、多重量子井戸構造に
好適である。（実施の形態３）また、活性層１０６を図５に示す単一
井戸構造として形成してもよい。多重量子井戸構造の活
性層１０６は、下部障壁層１１、井戸層１２、第１の上
部障壁層１３ａおよび第２の上部障壁層１３が形成さ
れ、最上部層１４が形成される。下部障壁層１１、井戸
層１２、第１の上部障壁層１３ａ、第２の上部障壁層お
よび最上部層１４は、実施の形態２の多重量子井戸構造
の各層と同様に構成される。また、活性層以外の構成も
実施の形態２と同様に構成される。（実施の形態４）本発明の実施の形態３の発光素子であ
る窒化物半導体レーザを図６に示す。窒化物半導体レー
ザは基板２０１上にバッファ層２０２、ｎ型コンタクト
層２０３、ｎ型クラッド層２０４、ｎ型光ガイド層２０
５、活性層２０６、ｐ型光ガイド層２０７、ｐ型クラッ
ド層２０８、ｐ型コンタクト層２０９が順に積層され、
ｎ型コンタクト層２０４およびｐ型コンタクト層２０８
にはそれぞれｎ電極２１１およびｐ電極２１２が形成さ
れている。

【００６２】基板２０１、バッファ層２０２、ｎ型コン
タクト層２０３およびｎ型クラッド層は２０４は、実施
の形態１、２と同様に構成される。ここで、バッファ層
２０２とｎ型コンタクト層２０３の間に、実施の形態１
と同様、ノンドープＧａＮ層を形成してもよい。

【００６３】ｎ型光ガイド層２０５は、活性層２０６と
ともに光導波路を構成するものである。したがって、ｎ
型光ガイド層２０５は活性層２０６と屈折率差が小さ
く、ｎ型クラッド層２０４と十分屈折率差が設けられる
組成として構成される。

【００６４】活性層２０６は、実施の形態１、２の多重
量子井戸構造あるいは実施の形態３の単一井戸構造のい
ずれでも構成できるが、高出力化のためには実施の形態
１乃至２の多重量子井戸構造とすることが好ましい。

【００６５】ｐ型光ガイド層２０７は、ｎ型光ガイド層
２０５と同様、活性層２０６とともに光導波路を構成す
るものである。したがって、ｐ型光ガイド層２０７は活
性層２０６と屈折率差が小さく、ｐ型クラッド層２０８
と十分屈折率差が設けられる組成として構成される。

【００６６】ｐ型クラッド層２０８およびｐ型コンタク
ト層２０９は、実施の形態１、２と同様に構成される
が、レーザの場合ｐ型クラッド層２０８およびｐ型コン
タクト層２０９はｐ型光ガイド層２０７の境界面付近ま
でエッチングを行い、幅１．５μmのストライプ状の導
波路を形成する。このように、活性層２０６よりも上部
にある層をストライプ状のリッジ形状とすることによっ
て、活性層２０６の発光がストライプリッジの下に集中
することになって閾値を低下させることができる。特に
ｐ型クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが好ま
しい。

【００６７】ｎ電極２１１およびｐ電極２１２は、実施
の形態１と同様に構成される。さらに、レーザの外面は
絶縁膜２３０が形成される。

【００６８】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の実施例１につい
て説明する。

【００６９】サファイアＣ面を基板１０１として用い、
各層は有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により成
長が行われ、III族ガス源として、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）およびトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）がそれぞれＧａ，Ｉｎ，Ａｌの原料として用
いられ、Ｖ族ガス源として、アンモニア（ＮＨ₃）がＮ
の原料として用いられている。ｎ型ドーパント源として
モノシラン（ＳｉＨ₄）が、ｐ型ドーパント源としてビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）が
各々用いられ、キャリアガスおよび副流ガスとしてＨ₂
とＮ₂が用いられる。まず、ＭＯＣＶＤ装置内にサファ
イアからなる異種基板１０１をセットし、基板１０１を
Ｈ₂中で基板１０１温度約１１４０℃で加熱し、基板１
０１の表面処理を行う。

【００７０】処理した後、基板１０１温度を約５１０℃
まで下げ、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ ₃を用い、ＧａＮか
らなるバッファ層１０２を約２００Åの膜厚で基板１０
１上に形成する。

【００７１】バッファ層１０２形成後、基板１０１温度
を約１１５０℃まで昇温させ、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ
₃を用い、ノンドープＧａＮ層１０３を約１．５μmの膜
厚でバッファ層１０２上に形成する。

【００７２】さらに、ノンドープＧａＮ層１０３形成
後、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ₃を、ドーパントのＳｉ源
としてＳｉＨ₄を用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープ
したＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０４を約２μm
の膜厚で形成する。

【００７３】次に、ｎ型コンタクト層１０４上にｎ型ク
ラッド層１０５が形成される。ｎ型クラッド層１０５
は、ｎ型クラッド第１層、第２層および第３層から構成
される。ｎ型クラッド第１層および第３層はノンドープ
ＧａＮ層として、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ₃を用いて形
成される。ｎ型クラッド第２層についてはＳｉを５×１
０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＳｉドープＧａＮ層として、ド
ーパントのＳｉ源としてＳｉＨ₄をさらに用いて形成さ
れる。ｎ型クラッド第１層、第２層および第３層の膜厚
は、それぞれ３０００Å、３００Å、５０Åとする。

【００７４】次に、基板温度を１０００℃まで低下さ
せ、ＴＭＧの代わりに新たにＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、
ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、
膜厚約５０ÅのノンドープＧａＮからなる下部障壁層１
１がｎ型コンタクト層１０４上に成長する。下部障壁層
１１をＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎの３元混晶として形成する場合
は、さらにＴＭＡを適宜供給する。

【００７５】次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、
ＴＥＧ４．５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉ
ｎ、さらにＴＭＩ４０ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これに
より、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸
層１２が下部障壁層１１上に形成される。

【００７６】そしてその後、基板温度を８００℃に上昇
させ、第２の上部障壁層１３を成長させる。ＴＥＧを１
８ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらに
ＴＭＡ４．５ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜
厚約３０ÅのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる第２の上部障壁
層１３が井戸層１２上に成長する。

【００７７】上記の第２の上部障壁層１１、井戸層１
２、第２の上部障壁層１３の成長工程を４回繰り返した
のち、最期に、基板温度を１０００℃まで上昇させ、Ｔ
ＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを
供給する。これにより、膜厚約５０ÅのノンドープＧａ
Ｎからなる最上部層１４が最期の第２の上部障壁層１３
上に成長する。このようにして、多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ）の活性層１０６を形成する。

【００７８】次に、最上部層１４形成後、同温度にて、
反応ガスとしてＴＥＧ、ＮＨ₃、ＴＭＡ、ドーパント源
としてＣｐ₂Ｍｇを用い、ＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
からなるｐ型クラッド層１０７が約２００Åの膜厚で活
性層１０６上に形成される。次に、９５０℃に温度を下
げて、反応ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ₃を用い、ノンドー
プＧａＮからなるｐ型コンタクト第１層がクラッド層上
に約１３００Åの膜厚で形成させる。

【００７９】さらに、ｐ型のドーパント源のＣｐ₂Ｍｇ
を加え、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト第２
層を約２００Åの膜厚でｐ型コンタクト第１層上に形成
される。そして、反応装置内をＮ₂で置換し約６００℃
の温度にて５分間熱アニーリングを行う。熱アニーリン
グによりｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタクト層１０
８は高濃度のｐ型層に変化する。

【００８０】次にｎ電極１１１を形成するため、ｎ型コ
ンタクト層１０４が露出するまでエッチングが行われ、
エッチングされたウェハ上にｎ電極１１１およびｐ電極
１１２がそれぞれ形成される。

【００８１】このようにして得られた黄色発光の発光ダ
イオードは、順方向電流（Ｉｆ）＝２０ｍＡ下で、発光
スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λd５９０
ｎｍ、半値幅４５ｎｍ、発光出力１．８ｍＷ、駆動電圧
３．２Ｖを示した。（実施例２）次に実施例２について説明する。

【００８２】ｎ型クラッド層１０５までの成長は実施例
１と同様に行われる。次にｎ型クラッド層１０５形成
後、基板温度を１０００℃まで低下させ、ＴＭＧの代わ
りに新たにＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リット
ル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０Åのノ
ンドープＧａＮからなる下部障壁層１１がｎ型コンタク
ト層１０４上に成長する。下部障壁層１１をＩｎ_x3Ｇａ
_1-x3Ｎの３元混晶として形成する場合は、さらにＴＭＩ
を適宜供給する。

【００８３】次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、
ＴＥＧ４．５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉ
ｎ、さらにＴＭＩ４０ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これに
より、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸
層１２が下部障壁層１１上に形成される。

【００８４】そしてその後、基板温度を７５０℃とし、
第１の上部障壁層１３ａを成長させる。ＴＭＡを５ｃｃ
／ｍｉｎ、ＴＭＩを２５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リッ
トル／ｍｉｎをそれぞれ供給する。これにより、膜厚約
１５ÅのＩｎ_zＡｌ_1-zＮからなる第１の上部障壁層１３
ａが井戸層１２上に成長する。この第２の障壁層におけ
るＩｎの混晶比ｚは、半導体層として形成した状態で
０．１５≦ｚ≦０．６５とすることが好ましい。

【００８５】そしてその後、基板温度を８００℃に上昇
させ、第２の上部障壁層１３を成長させる。ＴＥＧを１
８ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらに
ＴＭＡ４．５ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜
厚約３０ÅのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる第２の上部障壁
層１３が第１の上部障壁層１３ａに成長する。

【００８６】上記の第２の上部障壁層１１、井戸層１
２、第１の上部障壁層１３ａおよび第２の上部障壁層１
３の成長工程を４回繰り返したのち、最期に、基板温度
を１０００℃まで上昇させ、ＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、
ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、
膜厚約５０ÅのノンドープＧａＮからなる最上部層１４
が最期の第２の上部障壁層１３上に成長する。このよう
にして、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０６を
形成する。

【００８７】活性層１０６形成後の発光ダイオードの形
成過程は実施例１と同様に行われる。

【００８８】活性層１０６を単一井戸層として形成する
場合は、第２の上部障壁層１１、井戸層１２、第１の上
部障壁層１３ａおよび第２の上部障壁層１３の成長工程
ののち、基板温度を１０００℃まで上昇させ、ＴＥＧ４
０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給
し、膜厚約５０ÅのノンドープＧａＮからなる最上部層
１４を第２の上部障壁層１３上に成長させればよい。

【００８９】このようにして得られた有する黄色発光の
発光ダイオードは、順方向電流（Ｉｆ）＝２０ｍＡ下
で、発光スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λ
d５９０ｎｍ、半値幅４５ｎｍ、発光出力２．２ｍＷ、
駆動電圧３．３Ｖを示した。（比較例）次に比較例について説明する。図７に示すよ
うに、本比較例の活性層１０６は、図７に示す通り障壁
層１１ａと井戸層１２からなる多重量子井戸構造によっ
て構成される。

【００９０】ｎ型クラッド層１０５までの成長は実施例
１と同様に行われる。次にｎ型クラッド層１０５形成
後、基板温度を１０００℃まで低下させ、ＴＭＧの代わ
りに新たにＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リット
ル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０Åのノ
ンドープＧａＮからなる障壁層１１ａがｎ型コンタクト
層１０４上に成長する。

【００９１】次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、
ＴＥＧ４．５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉ
ｎ、さらにＴＭＩ４０ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これに
より、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸
層１２が障壁層１１ａ上に形成される。この障壁層１１
ａおよび井戸層１２の成長工程を４回繰り返したのち、
最期に、基板温度を１０００℃まで上昇させ、ＴＥＧ４
０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給す
る。これにより、膜厚約５０ÅのノンドープＧａＮから
なる障壁層１１ａが最期の井戸層１２上に成長する。こ
のようにして、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１
０６を形成する。

【００９２】活性層１０６形成後の発光ダイオードの形
成過程は実施例１と同様に行われる。

【００９３】このようにして得られた黄色発光の発光ダ
イオードは、順方向電流（Ｉｆ）＝２０ｍＡ下で、発光
スペクトルを測定した結果、発光ピーク波長λd５５０
ｎｍ、半値幅５０ｎｍ、発光出力０．５ｍＷ、駆動電圧
３．６Ｖを示した。

【００９４】図８は、多重量子井戸構造を有する上記実
施例１の発光ダイオードにおける第２の上部障壁層をＡ
ｌ_y3Ｇａ_1-y3ＮとしたときのＡｌの混晶比ｙ３に対する
駆動電圧Ｖfとの関係を示した図である。ここでいう閾
値電圧とは、発光ダイオードを順方向電流Ｉf＝２０ｍ
Ａで駆動させるために必要な駆動電圧とする。図からわ
かるように発光素子を電流値２０ｍＡで駆動させるため
に必要な電圧は、ｙ３＜０．２ではｙ３に対して減少傾
向にあるが、ｙ３≧０．２ではほぼ一定値になることが
わかる。このことから第２の上部障壁層のＡｌ混晶比増
加による駆動電圧の低減への効果は、ｙ３≧０．２では
飽和傾向にあることがわかる。

【００９５】次に、図９に、多重量子井戸構造を有する
上記実施例１の発光ダイオードにおける第２の上部障壁
層をＡｌ_y3Ｇａ_1-y3ＮとしたときのＡｌの混晶比ｙ３に
対する発光出力の関係を示した図である。図からわかる
ように、ｙ３≧０．１の領域から、発光出力が大きく向
上することがわかる。

【００９６】発光ピーク波長が５３０ｎｍ以上の窒化物
半導体系発光素子、たとえばＩｎの混晶比ｘ２が大きい
井戸層１２の上にＡｌの混晶比ｙ３が大きい第２の上部
障壁層１３を形成することによって、発光ダイオードの
発光出力が大きく向上するメカニズムは現在のところ定
かではない。そこで、我々は、種々の要因を取り除くこ
とを目的とし、活性層１０６を下部障壁層１１、井戸層
１２および第２の上部障壁層１３を一層ずつ形成した段
階のｐ型半導体層のない中間的な素子状態でＰＬ評価を
行った。図１０に示す通り、発光ピーク波長５８０ｎｍ
における第２の上部障壁層のＡｌの混晶比ｙ３に対する
ＰＬ発光出力の関係においても、ｙ３の値が０．１５付
近から向上が見られた。このことから、本発明の黄色領
域の波長の光を発光する窒化物半導体層を有する発光ダ
イオードの発光出力を向上させるという効果は、井戸層
上にＡｌの混晶比ｙ３を高く設定した第２の上部障壁層
を形成することによって主に達成されていると考えられ
る。

【００９７】そして、さらに、実施例２のように第１の
上部障壁層１３ａとしてＩｎ_zＡｌ₁ _-zＮを、活性層１２
と第２の上部障壁層１３との間に形成し、格子定数不整
合を緩和することによって、それぞれの層の結晶性を向
上させることができ、実施例１と比較して発光出力の向
上が見られた。

【００９８】図１１に、ＧａＮからなる障壁層１１ａと
ＩｎＧａＮからなる井戸層１２から構成される従来の発
光素子と、実施の形態１の発光素子における発光波長と
発光出力との関係を示す。図から実施の形態１の下部障
壁層１１、井戸層１２および第２の上部障壁層１３から
なる多重量子井戸構造の活性層１０６を有する発光ダイ
オードの方が、比較例の障壁層１１ａおよび井戸層１２
からなる多重量子井戸構造の活性層１０６を有する発光
ダイオードよりも、５３０ｎｍ以上の長波長領域におい
て発光出力が大きいことがわかる。

【００９９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明を用いること
によって、窒化物半導体層を有する発光素子、特に発光
ピーク波長が５３０ｎｍ以上の発光を行う発光素子の発
光出力を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における発光ダイオードの構造に関する
模式的な断面図

【図２】本発明の実施の形態１の活性層に関する模式的
な断面図

【図３】本発明の実施の形態２の活性層に関する模式的
な断面図

【図４】Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮから構成される半導体
のそれぞれの混晶比に対するバンドギャップエネルギー
Ｅｇと格子定数の関係を示す図

【図５】本発明の実施の形態３の活性層に関する模式的
な断面図

【図６】本発明におけるレーザダイオードの構造に関す
る模式的な断面図

【図７】比較例に関する模式的な断面図

【図８】本発明の発光ダイオードにおける第２の上部障
壁層のＡｌ混晶比ｙ３と駆動電圧との相関図

【図９】本発明の発光ダイオードにおける第２の上部障
壁層のＡｌ混晶比ｙ３と発光出力との相関図

【図１０】本発明の中間的な素子状態における第２の上
部障壁層のＡｌ混晶比ｙ３とＰＬ発光出力との相関図

【図１１】従来の発光素子と、実施の形態１の発光素子
における発光ピーク波長と発光出力との関係を示す図

【符号の簡単な説明】

１１・・・下部障壁層１１ａ・・・障壁層１２・・・井戸層１３ａ・・・第１の上部障壁層１３・・・第２の上部障壁層１４・・・最上部層１０１、２０１・・・基板１０２、２０２・・・バッファ層１０３・・・ノンドープＧａＮ層１０４、２０３・・・ｎ型コンタクト層１０５、２０４・・・ｎ型クラッド層２０５・・・ｎ型光ガイド層１０６、２０６・・・活性層２０７・・・ｐ型光ガイド層１０７、２０８・・・ｐ型クラッド層１０８、２０９・・・ｐ型コンタクト層１１１、２１１・・・ｎ電極１１２、２１２・・・ｐ電極２３０・・・絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層
から構成される発光素子であって、前記活性層は、下部障壁層、井戸層、第１の上部障壁層、第２の上部障
壁層が順に積層され、前記下部障壁層、前記第１の上部
障壁層、前記第２の上部障壁層はそれぞれ組成の異なる
窒化物半導体から構成される発光素子。
【請求項２】前記第１の上部障壁層はＩｎ_zＡｌ_1-zＮ
（０≦ｚ≦１）である請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】前記井戸層はＩｎを必須とするＩｎ_x2Ｇａ
_1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦１）である請求項１乃至２に記載の
発光素子。
【請求項４】前記井戸層のＩｎの混晶比ｘ２はｘ２≧
０．６である請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】前記第２の上部障壁層はＡｌを必須とする
Ａｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎ（０＜ｙ３≦１）である請求項１乃至
４に記載の発光素子。
【請求項６】前記発光素子の発光ピーク波長が５３０ｎ
ｍ以上である請求項１乃至５に記載の発光素子。
【請求項７】前記下部障壁層はＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦
ｘ１≦１）である請求項１乃至６に記載の発光素子。
【請求項８】前記下部障壁層はＧａＮである請求項７に
記載の発光素子。
【請求項９】前記活性層は前記下部障壁層、前記井戸
層、前記第１の上部障壁層および前記第２の上部障壁層
が順に複数層形成された多重量子井戸構造からなる請求
項１乃至８に記載の発光素子。
【請求項１０】ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体
層から構成される発光素子であって、前記活性層は、少なくとも、Ｉｎを必須とするＩｎ_x2Ｇ
ａ_1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦１）からなる井戸層と、前記井戸
層上にＩｎ_zＡｌ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）からなる第１の上
部障壁層とを有する発光素子。
【請求項１１】前記第１の上部障壁層上に、Ａｌを必須
とするＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎ（０＜ｙ３≦１）からからなる
第２の上部障壁層をさらに有する請求項１０に記載の発
光素子。
【請求項１２】前記第２の上部障壁層のＡｌの混晶比ｙ
３はｙ３≧０．１である請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】前記第２の上部障壁層のＡｌの混晶比ｙ
３はｙ３≧０．２である請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１４】前記第１の上部障壁層のＩｎの混晶比ｚ
は０．１５≦ｚ≦０．６５である請求項１３に記載の発
光素子。
【請求項１５】前記活性層は、前記井戸層の下にＩｎ_x1
Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）からなる下部障壁層上をさ
らに有する請求項１０乃至１４に記載の発光素子。
【請求項１６】前記第下部障壁層はＧａＮである請求項
１５に記載の発光素子。