JP2001298215A

JP2001298215A - 発光素子

Info

Publication number: JP2001298215A
Application number: JP2000114448A
Authority: JP
Inventors: Hironori Takagi; 宏典高木; Koji Tanizawa; 公二谷沢; Hiromitsu Marui; 宏充丸居
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能と
するために、発光出力及び静電耐圧を向上させることが
できる窒化物半導体発光素子を提供する。また、多彩な
発光色の発光素子を得る。【解決手段】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、活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる
多重量子井戸構造であり、ｎ側窒化物半導体層が、ｎ型
不純物が互いに異なる濃度でドープされたバンドギャッ
プエネルギーが異なる又はｎ型不純物が互いに異なる濃
度でドープされた同一組成を有する２種類の窒化物半導
体層が積層されてなるｎ側第１多層膜層と、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
てなり、ｎ側第１多層膜と活性層との間に位置するｎ側
第２多層膜層が、フォトルミネセンス層であって、活性
層からの光を吸収して、それとは異なる波長の光を発す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多彩な発光色の発
光素子に係り、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レー
ザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサー等の発光
素子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）を用いた素子に関
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。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Ｇａ
Ｎ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】また、窒化物半導体のバンドギャップは、
上記の組成式において、１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまで
あり、紫外〜赤色の発光素子の材料として従来より注目
されている。近年、この窒化物半導体を用いた青色ＬＥ
Ｄ、青緑色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤが実用化され、さらに、
長波長発光のＬＥＤの研究も試みられている。これら、
窒化物半導体を用いたＬＥＤの多色化は、様々な用途を
可能にするものであり、それを開発することは重要であ
る。それに加えて、１つの素子から複数の発光色、それ
による混色光を得るものについても、様々な試みが成さ
れている。例えば、発光素子と、それからの光によりそ
れとは異なる波長の光を得る蛍光体とを組み合わせて発
光を得るものがある。また、別の例としては、発光素子
の発光層が、異なる波長の光が得られるように、異なる
バンドギャップエネルギーの層を複数設けて、発光素子
から発光を得るものなどがある。このことは、可視域で
の極めて広い範囲で発光が可能な窒化物半導体を利用す
ることで、所望の波長の光を得ようとするものである。

【０００４】

【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。

【０００５】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１００
Ｖ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。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発光出力のさらなる向上、及び
静電耐圧の向上する窒化物半導体発光素子を提供するこ
とである。

【０００６】また、前記発光素子の多色化において、発
光素子と蛍光体とを用いたものは、得られる発光にばら
つきやむらが発生しやすい問題がある。これは、微少な
発光素子チップに対して、その近くに蛍光体を配置する
と、蛍光体の量が微量なものとなることから、製造上そ
の量を制御することが困難となり、得られる発光装置ご
とにばらつきを生み出す原因となる。加えて、チップに
対して大きさを持った蛍光体を配置することから、チッ
プからの発光の指向性、励起光を得る蛍光体の位置、及
びその位置における蛍光体の量に依存することとなり、
結果として発光素子の発光の範囲内において、励起光と
透過光との関係を制御することが極めて困難なものとな
り、その結果発光むらが発生しやすくなる。これとは異
なる多色化への試みとなる発光素子は、図３に示すよう
に、積層構造１１０に、複数の波長（ピーク波長）の光
を発する発光層１０４、１０５を形成することになる。
具体的には、このような発光層を形成するには、ｐｎ接
合部に多重量子井戸構造（障壁層１０３）などの複数の
発光層（井戸層）１０４、１０５を有する活性層１１０
を設けて、これら複数の発光層から異なる波長の発光を
得るものとなる。しかし、このような発光層を用いるに
は、長波長域において、Ｉｎ混晶比の高い窒化物半導体
を用いることになり、波長シフトが発生し、長波長の光
を取り出すことが困難になる。また、Ｉｎ混晶比が高い
と良好な結晶成長が困難になり、電流注入による発光で
は、活性層の破壊が発生し易くなり、素子信頼性を得る
ことが困難になる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の発光素子は、図
２に示すように、ｐ−ｎ接合部を含む電流注入領域内
に、電流注入により発光する層と、その光を吸収して波
長の異なる励起光を得る層とが設けられたものである。
このことは、従来の窒化物半導体を用いたＬＥＤにおい
て、その素子構造内部に、ＬＥＤ光を異なる波長の光に
変換するフォトルミネセンス光を生み出す層が設けられ
ているものである。

【０００８】＜＝ｐ層側・ｎ層側本発明では、電流注入により光を発する活性層を挟む、
ｐ型層、ｎ型層に、前記フォトルミネセンス層が設けら
れるものである。この時、好ましくは、ｎ型層に設ける
ことであり、なぜなら、ｐ型層に設けた場合では、ｎ型
層に設ける場合に比べて、励起光が得られる効率に極め
て劣ったものとなるためである。この傾向は、窒化物半
導体を用いたｐ型層、ｎ型層に観られ、ｐ型層に設けら
れたフォトルミネセンス層は、電流注入による発光の光
がほとんど励起されずに、その層を透過してしまうこと
となる。このため、素子から得られる光の内、フォトル
ミネセンス層からの光成分（光の強度が全体に占める割
合）は、僅かなものとなり、所望の発光色の光を得るこ
とが困難な素子となる。

【０００９】また、本発明のフォトルミネセンス層とし
ては、活性層もしくはそれを構成し電流注入により発光
する層のバンドギャップエネルギーが、フォトルミネセ
ンス層のバンドギャップエネルギーより大きくすること
で、好ましい光の励起が実現される。具体的には、活性
層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、前記フォ
トルミネセンス層が、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）層
である場合に、ｂ＞ａとすることである。本発明のフォ
トルミネセンス層の組成としては、特に限定されない
が、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦
１）で表される組成で、活性層もこの組成式で表される
ものとすることで、可視光域において、様々な発光色の
発光素子が得られる。

【００１０】本発明において、フォトルミネセンス層に
は、不純物が含まれることが、光の励起において重要な
ものとなる。これは、不純物が含まれないと、フォトル
ミネセンス層における光の励起がほとんど発生しなくな
り、従来のフォトルミネセンス層を有していない窒化鬱
半導体のＬＥＤに比べて、その光の変化が僅かなものに
とどまる。このため、従来のＬＥＤとほとんど変化のな
い素子では、従来以上の応用を期待することは難しい。
このため、本発明におけるフォトルミネセンス層には、
不純物をドープすることが好ましく、その含有量として
具体的には、１×１０¹⁶〜１×１０²²／cm³の範囲であ
る。この時、不純物量を多くすることで、光の変換効率
が良好になる傾向がみられる。ここで、フォトルミネセ
ンス層に用いる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。また、ｎ型不純物とし
て、Ｚｎを用いても良い。この時、不純物としてＺｎを
用いると、フォトルミネセンス層のバンドギャップエネ
ルギーの光とは別に、それより長い波長の光、すなわち
長波長にシフトした光も取り出すことが可能となり、フ
ォトルミネセンス層から得られる光の波長域が広がり、
結果として素子から得られる光についても様々な光が取
り出せることとなり、その応用において、有利に働くも
のとなる。また、フォトルミネセンス層に用いる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。

【００１１】また、本発明のフォトルミネセンス層をｎ
型層に設ける場合において、特に位置は限定されるもの
ではない。具体的には、ｎ型窒化物半導体のクラッド
層、ｎ型窒化物半導体のコンタクト層、の内部、もしく
はフォトルミネセンス層がそれらクラッド層、コンタク
ト層として機能するようにしたものでも良い。好ましく
は、後述する第２多層膜層をフォトルミネセンス層とす
るように、活性層に近いことであり、接して設けられて
いても良い。加えて、半導体層の積層方向において、特
に活性層から離れた位置にフォトルミネセンス層を設け
る場合に、図１で示すようなコンタクト層に設けると、
電流注入による発光の位置からフォトルミネセンス層に
至るまでに、各層の界面を伝播することとなるため、そ
の界面での光の反射も重要な要因となる。例えば、窒化
物半導体を用いた素子である実施例１において、ｎ側コ
ンタクト層に設ける場合、さらに基板に近い位置のｎ側
コンタクト層の下側、すなわち電流注入領域の外側に設
ける場合、とを比べると、ｎ側コンタクト層の下側に設
けたフォトルミネセンス層では、活性層からの光がその
途中でほとんど反射され、フォトルミネセンス層にまで
伝播しない傾向にある。これは、屈折率の高いｎ側コン
タクト層側に活性層からの光が集まるためであり、可視
光域のバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＮ、
ＩｎＧａＮなどを用いたフォトルミネセンス層では、従
来結晶性の良いことからコンタクト層として多用されて
いるＧａＮのコンタクト層に光が集まることとなるから
である。

【００１２】以上説明したように、本発明において、ｐ
―ｎ接合領域内におけるフォトルミネセンス層の位置
が、得られる素子の発光色に大きく影響を及ぼすことに
なるため、これを十分に考慮して配置することが重要で
ある。実際に、フォトルミネセンス層からの光を調整す
るためには、フォトルミネセンス層の膜厚、不純物の含
有量を変化させることでもって、調整する。このとき、
層の膜厚を考慮するに際し、後述する第２の多層膜のよ
うに、フォトルミネセンス層が多層膜構造であって、そ
れを構成する層の全てが、光変換として機能しない場合
には、光変換として機能する層の総膜厚を考慮する。こ
の時、フォトルミネセンス層の膜厚としては、１００Å
以上とすることで、発光色を変化させた発光素子が得ら
れる。

【００１３】また、本発明は、多重量子井戸構造の発光
層を挟むように、ｎ側にｎ型不純物濃度の異なる２種類
以上の窒化物半導体層からなる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、発光効率を向上させ発光出力の
向上した、さらに静電耐圧の向上した窒化物半導体素子
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。また、多重量子井戸構造の活性層との
組み合わせで好ましい他の窒化物半導体層を以下に記載
する。

【００１４】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、Ｖｆ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Ｇ
ａＮ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-d
Ｎ（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ＧａＮ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Ｇ
ａＮ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、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、２〜２０μｍ、
好ましくは３〜１０μｍ、より好ましくは４〜９μｍで
あると、静電耐圧の向上の点で好ましい。また上記範囲
の膜厚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。

【００１５】

【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、ｎ型
不純物を含む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（フォトルミネセ
ンス層）、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。

【００１６】本発明において、フォトルミネセンス層と
は、活性層からの光を吸収し、それとは異なる波長の光
を発するものであり、具体的には、ｎ型層として、後述
のｎ側コンタクト層、ｎ側第１多層膜層、ｎ側第２多層
膜層、の内部、もしくはその層でもってフォトルミネセ
ンス層を設けるものである。好ましくは、ｎ側第２多層
膜層をフォトルミネセンス層とする。

【００１７】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。

【００１８】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
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。

【００１９】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。膜厚が上記範囲であると、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多層膜層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。

【００２０】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／cm³
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結晶性が悪くな
りすぎる限界としては５×１０²¹／cm³以下が望まし
い。

【００２１】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、発光素子の順方
向電圧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。

【００２２】次に、本発明において、ｎ側第１多層膜層
５は、ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされてい
るバンドギャップエネルギーが異なる又はｎ型不純物が
互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する
少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなる多
層膜からなる。ｎ側第１多層膜５の膜厚は、２μｍ以下
であり、好ましくは１．５μｍ以下であり、より好まし
くは０．９μｍ以下である。また下限は特に限定されな
いが、例えば０．０５μｍ以上である。膜厚がこの範囲
であると、発光出力を向上させるのに好ましい。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３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。上記多層膜
層を構成する窒化物半導体層の互いの不純物濃度が異な
ることを変調ドープといい、この場合、一方の層が不純
物をドープしない状態、つまりアンドープが好ましい。

【００２３】まず、以下にｎ側第１多層膜層５が、互い
にバンドギャップエネルギーが異なる少なくとも２種類
の窒化物半導体層を積層してなる多層膜である場合につ
いて説明する。ｎ側第１多層膜層５の多層膜層を構成す
るバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及
びバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の
膜厚は、１００Å（オングストローム）以下、さらに好
ましくは７０Å以下、最も好ましくは１０〜４０Åの膜
厚に調整する。１００Åよりも厚いと、バンドギャップ
エネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップ
エネルギーの小さな窒化物半導体層が弾性歪み限界以上
の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠
陥が入りやすい傾向にある。バンドギャップエネルギー
の大きな窒化物半導体層、バンドギャップエネルギーの
小さな窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定せず、１
原子層以上であればよいが、前記のように１０Å以上が
最も好ましい。

【００２４】上記のようにｎ側第１多層膜５が、膜厚の
薄い多層膜構造であると、その多層膜層を構成する窒化
物半導体層の各膜厚を弾性臨界膜厚以下とすることがで
き、結晶欠陥の非常に少ない窒化物半導体が成長でき
る。さらに、この多層膜層で基板からアンドープＧａＮ
層３やｎ側コンタクト層４を通って発生している結晶欠
陥をある程度止めることができ、多層膜層の上に成長さ
せるｎ側第２多層膜層６の結晶性を良くすることができ
る。さらにＨＥＭＴに類似した効果もある。

【００２５】バンドギャップエネルギーの大きな窒化物
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_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ≦１）を成長させる方が
望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒
化物半導体はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物
半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物
半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくは
Ａｌ_hＧａ_1-hＮ（０≦ｈ＜１、ｇ＞ｈ）、Ｉｎ_jＧａ_1-j
Ｎ（０≦ｊ＜１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物
半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得ら
れやすい。その中でも特に好ましくはバンドギャップエ
ネルギーの大きな窒化物半導体は実質的にＩｎを含まな
いＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ＜１）とし、バンドギャップ
エネルギーの小さな窒化物半導体は実質的にＡｌを含ま
ないＩｎ_jＧａ_1-jＮ（０≦ｊ＜１）とし、中でも結晶性
に優れた多層膜を得る目的で、Ａｌ混晶比(ｇ値）０．
３以下のＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ≦０．３）と、ＧａＮ
の組み合わせが最も好ましい。

【００２６】また、ｎ側第１多層膜層５が、光閉じ込め
層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成す
る場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギ
ーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バン
ドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即
ちＡｌ混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではＡｌ
混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラ
ックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかっ
た。しかしながら本発明のようにｎ側第１多層膜層５を
多層膜層にすると、多層膜層を構成する単一層をＡｌ混
晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で
成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、
Ａｌ混晶比の高い層を結晶性良く成長できることによ
り、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高くなり、レ
ーザ素子では閾値電圧、ＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電
圧）を低下させることができる。

【００２７】さらに、このｎ側第１多層膜層５のバンド
ギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とバンドギ
ャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とのｎ型不純
物濃度が異なることが好ましい。これはいわゆる変調ド
ープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型不純物濃度を小
さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンドー
プ）として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電
圧、Ｖｆ等を低下させることができる。これは不純物濃
度の低い層を多層膜層中に存在させることにより、その
層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層
も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いまま
で多層膜層が形成できることによる。つまり、不純物濃
度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア
濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリ
ア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となる
ために、閾値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。

【００２８】バンドギャップエネルギーが大きい窒化物
半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、バンドギ
ャップエネルギーの大きな窒化物半導体層への好ましい
ドープ量としては、１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²⁰／c
m³、さらに好ましくは１×１０ ¹⁸／cm³〜５×１０¹⁹／c
m³の範囲に調整する。１×１０¹⁷／cm³よりも少ない
と、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層
との差が少なくなって、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１×１０²⁰／cm³よりも多い
と、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にあ
る。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半
導体層のｎ型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの
大きな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、バンドギャップエネルギーの大きな窒化
物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量
は１×１０¹⁹／cm³以下が望ましい。ｎ型不純物として
はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、VI
Ｂ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不
純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが
大きい窒化物半導体層にｎ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窒化物半導体層
にｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。以
上、多層膜層に不純物を好ましく変調ドープする場合に
ついて述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒
化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化
物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。

【００２９】さらにまたｎ側第１多層膜層の多層膜を構
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）とすることが望ましい。具体
的に説明すると、例えばｎ型不純物としてＳｉをドープ
したＡｌＧａＮと、アンドープのＧａＮ層とで多層膜層
を形成した場合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているの
でドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシ
ャルの低いＧａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中には
ドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキ
ャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ
結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高く
なる。これは二次元電子ガスの効果と類似しており、電
子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さく
なる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌ
ＧａＮの中心領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると
効果はさらに大きくなる。即ちＧａＮ中を移動する電子
によっては、ＡｌＧａＮ中に含まれるｎ型不純物イオン
（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも受ける。しかしＡｌ
ＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとする
とＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープ
ＧａＮ層の移動度が向上するのである。

【００３０】次に、ｎ側第１多層膜層５が、同一組成の
窒化物半導体層が積層されてなり、ｎ型不純物がそれら
窒化物半導体層間で異なる濃度でドープされている場合
について説明する。まず、ｎ側第１多層膜層５を構成す
る窒化物半導体としては、特に限定されず同一組成であ
ればよいが、好ましくはＧａＮが挙げられる。ｎ側第１
多層膜層５がＧａＮで構成されていると、３元混晶より
２元混晶のＧａＮであると結晶性良く成長でき、以降に
成長させる窒化物半導体の結晶性も良好となり好まし
い。このような同一組成、例えばＧａＮのｎ側第１多層
膜層５は、ｎ型不純物を含む第１のＧａＮ層と第１のＧ
ａＮ層のｎ型不純物濃度と異なる濃度の第２のＧａＮ
層、好ましくはどちらか一方がアンドープＧａＮ層であ
る少なくとも２種類以上の窒化物半導体からなる多層膜
構造を有していることが好ましい。このように変調ドー
プされ多層膜構造を有していると、上記ｎ側第１多層膜
層５がバンドギャップエネルギーの異なり変調ドープさ
れた少なくとも２種類の層から構成される場合と同様の
作用が得られる。ｎ側不純物の濃度は１×１０¹⁷〜１×
１０²¹／cm³、好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／c
m³、より好ましくは３×１０¹⁸〜７×１０¹⁸／cm³であ
る。また、この場合のｎ側第１多層膜層５の総膜厚は、
特に限定されないが、１０００〜４０００Å、好ましく
は２０００〜３０００Åである。また多層膜の各膜厚は
５００Å以下、好ましくは２００Å以下、より好ましく
は１００Å以下であり、膜厚の下限は特に限定されない
が、１原子層以上であればよいが、１０Å以上が好まし
い。上記のような膜厚であると、結晶性良く成長させる
ことができ、発光出力を向上させるのに好ましい。

【００３１】また、以上説明した、バンドギャップエネ
ルギーの異なる又は同一組成で更に不純物濃度の異なる
２種類以上の層からなるｎ側第１多層膜層５は、ｎ側コ
ンタクト層を兼ねることができる。この場合、ｎ側第１
多層膜層５の膜厚は、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜
３μｍ、より好ましくは２〜２．８μｍである。この場
合のｎ側第１多層膜層５の膜厚は、上記の少なくとも２
種類以上の窒化物半導体層により調整される。この場合
のｎ側第１多層膜層５を構成する各膜厚は、上記範囲の
薄膜層の多層膜層としてもよく、また全体としての膜厚
がｎ側コンタクト層を兼ねる場合のｎ側第１多層膜層５
の上記膜厚の範囲であれば各膜厚が上記範囲を超える２
種類以上の窒化物半導体により調整してもよい。

【００３２】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側多層膜層からなり、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が１００Å以下である。好まし
くは第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層
の両方を１００Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、
最も好ましくは５０Å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。ここで、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、順方
向電圧（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。

【００３３】第１の窒化物半導体層はＩｎ_kＧａ_1-kＮ
（０＜ｋ＜１）とし、第２の窒化物半導体層はＩｎ_mＧ
ａ_1-mＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）、好ましくはＧａＮと
することが最も好ましい。

【００３４】さらに、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
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も、同一でもよい。ま
た。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）を挟んだ第１の窒化物半導
体層（第２の窒化物半導体層）の膜厚が互いに異なるこ
とを意味する。

【００３５】さらにまた、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とが好ましい。このことは、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）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族元素の組成比が
互いに異なることを意味する。

【００３６】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。

【００３７】また、ｎ側第２多層膜層６の第１の窒化物
半導体層および第２の窒化物半導体層がアンドープであ
ることが好ましい。アンドープとは意図的に不純物をド
ープしない状態を指し、例えば隣接する窒化物半導体層
から拡散により混入される不純物も本発明ではアンドー
プという。なお拡散により混入され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ことが多い。

【００３８】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
いてもよい。これは変調ドープと呼ばれるもので、変調
ドープすることにより、出力が向上しやすい傾向にあ
る。なおｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、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。また、ｎ型不純物として、Ｚｎを
用いても良い。この時、不純物としてＺｎを用いると、
フォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギーの光
とは別に、それより長い波長の光、すなわち長波長にシ
フトした光も取り出すことが可能となり、フォトルミネ
センス層から得られる光の波長域が広がり、結果として
素子から得られる光についても様々な光が取り出せるこ
ととなり、その応用において、有利に働くものとなる。

【００３９】また、第１の窒化物半導体層および第２の
窒化物半導体層の両方にｎ型不純物がドープされていて
もよい。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。

【００４０】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。
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。このｎ側第２
多層膜層を構成する第１の窒化物半導体層または第２の
窒化物半導体層の少なくとも一方の膜厚を１００Å以
下、好ましくは７０Å以下、より好ましくは５０Å以下
とすることにより、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、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。

【００４１】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
元混晶の窒化物半導体を成長させ、その中でもＧａＮと
すると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。従
って最も好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半
導体層がｋ値が０．５以下のＩｎ_kＧａ_1-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。

【００４２】第１および第２の窒化物半導体層の膜厚を
１００Å以下、好ましくは７０Å以下、より好ましくは
５０Å以下にする。単一窒化物半導体層の膜厚を１００
Å以下とすることにより、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７
０Å以下にすることによって、ｎ側第２多層膜層６が超
格子（多層膜）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、活性層が結晶性よく成
長できる。

【００４３】さらにまた、第１、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を、近接する第
１、または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なるよ
うにすることも好ましい。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。

【００４４】また、第１、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。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、前述の態様と同じく、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。

【００４５】第１および第２の窒化物半導体層は両方と
もアンドープでも良いし、両方にｎ型不純物がドープさ
れていても良いし、またいずれか一方に不純物がドープ
されていてもよい。結晶性を良くするためには、アンド
ープが最も好ましく、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。

【００４６】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。

【００４７】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１００Å以下、好まし
くは７０Å以下、さらに好ましくは５０Å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１０Å以上である。井戸層が１０
０Å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２０００Å以下、好ましくは５００
Å以下、より好ましくは３００Å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１０Å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。

【００４８】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、１００Å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、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、２０００Å
以下、好ましくは１０００Å以下、より好ましくは５０
０Å以下であり、総膜厚がこの範囲であると発光出力が
高く、順方向電圧（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_p
Ｇａ_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。

【００４９】ｐ側多層膜クラッド層８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、Ｖ
ｆ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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】また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。

【００５３】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
Å以下、好ましくは１０００Å以下であり、より好まし
くは５００〜１００Å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１×１０¹⁸〜１×１０
²¹／cm³、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。

【００５４】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。Ｍｇ濃度
がこの範囲であると良好なｐ型膜が得られ易く、Ｖｆが
低下し好ましい。

【００５５】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。

【００５６】

【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。

【００５７】（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１５０Åの膜厚で成長
させる。

【００５８】（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。

【００５９】（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。

【００６０】（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層を７５Å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４．５×１０
¹⁸／cm³ドープしたＧａＮ層を２５Åの膜厚で成長させ
る。このようにして、７５ÅのアンドープＧａＮ層から
なるＡ層と、ＳｉドープＧａＮ層を有する２５ÅのＢ層
とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５層積層
して２５００Å厚として、超格子構造の多層膜よりなる
ｎ側第１多層膜層５を成長させる。

【００６１】（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
４０Å成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、
ＴＭＩ、ＳｉＨ₄、アンモニアを用い、Ｓｉを１．２５
ｎmolを供給して、ＳｉドープのＩｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｎよ
りなる第１の窒化物半導体層を２０Å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３
０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４０Å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１８４０Åの膜厚で成長させる。

【００６２】（活性層７）次に、アンドープＧａＮより
なる障壁層を２００Å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３０Å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１１２０Åの多重量子井戸構造よりなる
活性層７を成長させる。

【００６３】（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４０Å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１×１０²⁰／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
２５Å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４０Å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３６
５Åの膜厚で成長させる。

【００６４】（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７００Åの膜厚で成長させる。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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２００Å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。

【００６８】得られる発光素子は、活性層からの発光ピ
ーク波長が５５０ｎｍ、フォトルミネセンス層からの発
光（励起光）ピーク波長がおおよそ４５０ｎｍのものが
得られ、この発光素子から得られる混色光は、白色のも
のが得られる。この時、第１の窒化物半導体層にＺｎを
ドープすると、フォトルミネセンス層からの励起光とし
て４４０ｎｍの主ピーク波長の光の他に、これより長波
長側にシフトした光が得られる傾向にある。すなわち、
Ｚｎをドープすることで、フォトルミネセンス層のバン
ドギャップエネルギーの光と、それより更に長い波長の
光をも取り出すことができるものである。このことは、
第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を高くしなくても、
より長波長の光が取り出せることとなり、Ｉｎの混晶比
が高くなるにつれて成長が困難になることから、フォト
ルミネセンス層から様々な波長の光を取り出す上で有利
に働くものとなる。

【００６９】

【発明の効果】本発明の発光素子は、活性層と、それを
挟むｐ型層、ｎ型層の少なくとも一方にフォトルミネセ
ンス層を設けることで、可視光域における様々な発光色
（白色光も含む）の発光素子が得られる。また、ｎ型層
にフォトルミネセンス層を設けることで、好ましく混色
光が得られる発光素子となり、極めて自由度が高く発光
色を選択できる発光素子が得られる。

【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３】図３は、従来例のＬＥＤ素子の構造を示す模式
断面図である。

【符号の説明】

１、２０、１０１・・・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、６・・・ｎ側第２多層膜層（実施例１ではフォトルミネ
センス層）、７、２２・・・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、２６、１０８・・・ｐ電極、１１、２５、１０７・・・ｎ電極。２１、１０２・・・ｎ型層２３、１０６・・・ｐ型層２０１、２０２・・・各層からの発光（波長が異なる）

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層が、ｐ型層と、ｎ型層とに挟まれた
構造を有する発光素子において、前記活性層からの光の少なくとも一部を吸収し、該活性
層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセン
ス層が、前記ｐ導電型層、ｎ導電型層の少なくとも一方
に設けられていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記フォトルミネセンス層が、窒化物半導
体を有することを特徴とする請求項１記載の発光素子
【請求項３】前記フォトルセンス層が、前記ｐ型層に設
けられると共に、ｐ型不純物を有することを特徴とする
請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項４】前記フォトルセンス層が、前記ｎ型層に設
けられると共に、ｎ型不純物を有することを特徴とする
請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項５】前記活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜
１）層を有し、前記フォトルミネセンス層が、Ｉｎ_bＧ
ａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１，ａ≠ｂ）層を有することを特徴
とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】前記ｎ型層がｎ側窒化物半導体層、前記
ｐ型層がｐ側窒化物半導体層であって、前記活性層がＩ
ｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、前記フォトルミ
ネセンス層が、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てなるｎ側第２多層膜層を有
することを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれか
に記載の発光素子。
【請求項７】前記ｎ側窒化物半導体層が、ｎ側第１多
層膜と前記活性層との間にｎ側第２多層膜層が位置する
ようにｎ側第１多層膜を有すると共に、該ｎ側第１多層
膜が、ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされてい
るバンドギャップエネルギーが異なる又はｎ型不純物が
互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する
少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ
側第１多層膜層を有することを特徴とする請求項１、
２、４〜６のいずれかに記載の発光素子。