JP2002084043A

JP2002084043A - 窒化物半導体デバイス

Info

Publication number: JP2002084043A
Application number: JP2001230551A
Authority: JP
Inventors: Shuji Nakamura; 修二中村; Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Shigeto Iwasa; 成人岩佐
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2002-03-22
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: JP4239444B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性
層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い
窒化物半導体デバイスを提供する。【解決手段】活性層（１６）の少なくとも片面に、活性
層（１６）のバンドギャップエネルギーよりも大きなバ
ンドギャップエネルギーを有する第１の窒化物半導体層
（１０１）を活性層（１６）に接して形成し、さらに、
その上に第１の窒化物半導体層（１０１）のバンドギャ
ップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギー
を有する第２の窒化物半導体層（１０２）と、第２の窒
化物半導体層（１０２）のバンドギャップエネルギーよ
りも大きなバンドギャップエネルギーを有する第３の窒
化物半導体層（１０３）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体デバ
イスに係り、より具体的には、レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス等の
窒化物半導体発光デバイスおよび太陽電池等の受光デバ
イスに関し、とりわけ窒化物半導体発光デバイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は、その組成に依存して
１．９５〜６．０ｅＶまでのバンドギャップエネルギー
を有し得るため、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス、
レーザダイオード（ＬＤ）デバイス等の半導体発光デバ
イスの材料として従来より注目されている。最近、この
窒化物半導体材料を用いて高輝度の青色ＬＥＤデバイス
と、緑色ＬＥＤデバイスが実用化されている。これらの
ＬＥＤデバイスは、ｐ−ｎ接合を有するダブルへテロ構
造を有しており、出力は両者とも１ｍＷを超えている。

【０００３】従来のＬＥＤデバイスは、基本的には、Ｉ
ｎＧａＮよりなる活性層が共にＡｌＧａＮよりなるｎ型
とｐ型のクラッド層との間に挟まれたダブルへテロ構造
を有する。ｎ型クラッド層にはＧａＮよりなるｎ型コン
タクト層が形成され、またｐ型クラッド層にはＧａＮよ
りなるｐ型コンタクト層が形成されている。この積層構
造は、例えばサファイアよりなる基板上に設けられてい
る。

【０００４】ＬＤデバイスも基本的には前記ＬＥＤデバ
イスと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にＬＤ
デバイスの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる
分離閉じ込め型構造が用いられることが多い。窒化物半
導体の分離閉じ込め型ＬＤデバイスは、例えば特開平６
−２１５１１号公報に示されている。この公報には、一
方がｎ型ＧａＮよりなり他方がｐ型ＧａＮよりなる２つ
の光ガイド層の間に挟まれたＩｎＧａＮ活性層を備え、
ｎ型光ガイド層の上にｎ型ＡｌＧａＮよりなるキャリア
閉じ込め層が形成され、ｐ型光ガイド層の上にｐ型Ａｌ
ＧａＮよりなるもう一つのキャリア閉じ込め層が形成さ
れた分離閉じ込め型構造の発光デバイスが開示されてい
る。

【０００５】ところで、通常のダブルへテロ構造の半導
体素子においては、活性層に接して、活性層よりもバン
ドギャップエネルギーが大きい第１のクラッド層が設け
られ、その第１のクラッド層に接して、第１のクラッド
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第２のクラ
ッド層が設けられる。これは電子と正孔とが、エネルギ
―準位に従って、効率よく活性層に注入されるようにす
るためである。

【０００６】窒化物半導体ＬＤデバイスの場合も同様
に、活性層に接してバンドギャップエネルギーが次第に
大きくなるように、光ガイド層、キャリア閉じ込め層
（光閉じ込め層）のようなクラッド層が順次形成されて
いる（例えば、前記公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インジ
ウムを含有する活性層を有する従来の窒化物半導体デバ
イス特にＬＤデバイスは、上記構造では発光効率が低い
ことが判明している。特にデバイスに印加する電流を増
大させるに従いデバイス温度が上昇すると、発光効率の
低下が激しいことがわかった。

【０００８】従って、本発明の目的は、インジウムを含
む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体
素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスを
提供することである。また、本発明の他の目的は、デバ
イス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半
導体デバイスを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１の側面において、第１および第２の
表面を有し、インジウムを含有する窒化物半導体を包含
する量子井戸構造の活性層、並びに該活性層の第１の表
面に接して形成され、該活性層のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第
１の窒化物半導体層と、該活性層の第１の表面側におい
て、該第１の窒化物半導体層よりも該活性層から離れた
位置に形成され、該第１の窒化物半導体層のバンドギャ
ップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギー
を有する第２の窒化物半導体層と、該活性層の第１の表
面側において、該第２の窒化物半導体層よりも該活性層
から離れた位置に形成され、該第２の窒化物半導体層の
バンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップ
エネルギーを有する第３の窒化物半導体層とを含む窒化
物半導体層構造を備えたことを特徴とする窒化物半導体
発光デバイスを提供する。

【００１０】本発明の窒化物半導体デバイスにおいて、
活性層は、究極的に正電極に接触すべき層構造と究極的
に負電極に接触すべき層構造とにより挟持される。以下
の記述において、究極的に正電極に接触すべき層構造が
形成される側をｐ側といい、究極的に負電極に接触すべ
き層構造が形成される側をｎ側ということがある。

【００１１】そこで、上記窒化物半導体層構造は、活性
層のｐ側もしくはｎ側に、またはｐ側およびｎ側の双方
に設けることができる。上記第１の窒化物半導体層は、
キャリアがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する
ことが好ましく、より具体的には、０．１μｍ以下の厚
さを有することが好ましい。通常、この第１の窒化物半
導体層は、少なくとも１０オングストローム以上の厚さ
を有することが好ましい。

【００１２】また、本発明は、第２の側面において、ｎ
型窒化物半導体からなる第１のクラッド層；該第１のク
ラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含
む窒化物半導体からなり７０オングストローム以下の厚
さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状
態で設けられた少なくとも１層の井戸層を包含する量子
井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウ
ムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層；
および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をド
―プした窒化物半導体からなる第２のクラッド層を備え
たことを特徴とする窒化物半導体デバイスを提供する。

【００１３】本発明において、広く窒化物半導体という
とき、周期律表第３族元素の窒化物、より具体的には、
式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を指
す。

【００１４】本発明者らは、特にインジウムを含有する
活性層を有する窒化物半導体デバイスにおける、温度上
昇に伴う発光効率の低下について研究した。その結果、
発光効率の低下の主な原因は、インジウムを含有する窒
化物半導体特にＩｎＧａＮは、アルミニウムを含む窒化
物半導体または窒化ガリウム（ＧａＮ）に比べて成長し
にくいという性質を有していることにあることがわかっ
た。すなわち、ＩｎＧａＮを構成するＩｎＮとＧａＮ
は、その分解温度が著しく異なり、ＩｎＧａＮは成長中
にＩｎＮとＧａＮとに相分離する傾向にあり、インジウ
ム含有率を多くすると均一な組成の活性層が得られにく
い。そこで、ＩｎＧａＮ活性層を有する従来の窒化物半
導体では、インジウムの含有率が低く抑えられる傾向に
ある。

【００１５】そのようにインジウム含有率が低いＩｎＧ
ａＮ活性層にＧａＮよりなる光ガイド層を接して形成し
た場合、当該活性層と光ガイド層との間のバンドオフセ
ットは極めて小さくなる。このことを、従来の窒化物半
導体発光デバイスに対応するエネルギーバンドを示す図
である図６を参照して説明する。図６に示すように、従
来の窒化物半導体素子では、活性層（ＩｎＧａＮ）のバ
ンドギャップエネルギーに比べて、ＩｎＧａＮ活性層を
直接挟んでいる光ガイド層（ＧａＮ）のバンドギャップ
エネルギーはそれほど大きくない（ＩｎＧａＮ中のＩｎ
の含有率が低いので、ＩｎＧａＮ組成がＧａＮ組成に近
似するため）。このため、半導体デバイスに印加する電
流値を増大させるにつれデバイスの温度が上昇すると、
その熱エネルギーの影響により、それぞれｎ層およびｐ
層から活性層に注入された電子および正孔が再結合して
光（ｈν）を発する前に、電子と正孔とは活性層をオー
バーフローしてそれぞれ注入側とは反対側のガイド層
（ＧａＮ）にまで、すなわち電子はｐ型光ガイド層に、
正孔はｎ型光ガイド層にまで達してしまう。その結果、
従来の構造では発光効率が低く、特に、温度が上昇する
と特に効率が低下する。

【００１６】そこで、本発明の窒化物半導体デバイスに
おいては、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活
性層に接してこれを挟んで形成される２つの第１の層
（第１のｐ側層および第１のｎ側層）を活性層のバンド
ギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネル
ギーを有する窒化物半導体で形成する。これら第１の層
は、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバ
ンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましく
は、２つの第１の層は活性層よりも０．０１〜４．０５
ｅＶ大きなバンドギャップエネルギーを有する。このよ
うな大きなバンドギャップエネルギーを有する第１の層
の存在により、活性層に注入された電子または正孔が活
性層をオーバーフローすることがなくなる。そして、各
第１の層上に、好ましくはこれと接して第１の層のバン
ドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネ
ルギーを有するが、好ましくは活性層のバンドギャップ
エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有
する窒化物半導体で形成された２つの第２の層（第２の
ｐ側層および第２のｎ側層）を設ける。これら第２の層
は、第１の層のバンドギャップエネルギーよりも小さな
バンドギャップエネルギーを有していればよく、好まし
くは第１のバンドギャップエネルギーよりも０．０１〜
４．０５ｅＶ小さなバンドギャップエネルギーを有す
る。さらに、各第２の層上に、好ましくはこれと接し
て、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも大きな
バンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成
された２つの第３の層（第３のｐ側層および第３のｎ側
層）を設ける。これら第３の層は、第２の層のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギ
―を有していればよく、好ましくは、第２の層のバンド
ギャップエネルギーよりも０．０１〜４．０５ｅＶ大き
なバンドギャップエネルギーを有する。かくして、第３
の層側から注入された電子または正孔は、より小さなバ
ンドギャップエネルギーを有する第２の層へ効率的に注
入されるが、第１の層のバンドギャップエネルギーが大
きいため、活性層への注入は第１の層により阻止される
傾向にある。そこで、本発明では、電子または正孔がこ
の第１の層をトンネル効果により突き抜けること（トン
ネリング）ができる程度に第１の層を薄く形成する。こ
うして、電子または正孔は、第３の層から活性層まで効
率的に注入されることとなる。かくして、本発明のデバ
イスにおいて、電子および正孔は第３の層から活性層へ
と効率的に注入され、かつ電子または正孔は注入側とは
反対側の第１の層に阻止されてたとえデバイス温度が上
昇しても活性層をオーバーフローすることがない。な
お、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーについて
述べると、ＡｌＮのバンドギャップエネルギーは６．０
ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップエネルギーは３．
４ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーは
１．９５ｅＶである。

【００１７】以上の説明からも明らかなように、本発明
において、第１の層、第２の層および第３の層からなる
３層構造は、活性層の一方の表面に設けられていれば、
電子または正孔の一方が活性層をオーバーフローするこ
とが阻止される。最も好ましくは、この３層構造は活性
層の両側（ｐ側およびｎ側）に設けられる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１ないし図５を参照して
本発明を説明する。これらの図を通じて、同一要素・部
材は、同一符号で示されている。図１は本発明の第１の
態様によるＬＤデバイスの一構造を示す模式的な断面図
である。このＬＤデバイスにおいて、本発明の３層構造
はｐ側に設けられている。

【００１９】図１に示すＬＤデバイスは、基板１１上
に、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、
ｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）１４、ｎ型光
ガイド層１５、活性層１６、活性層１６よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい第１のｐ側窒化物半導体層１
０１、第１のｐ側窒化物半導体層よりもバンドギャップ
エネルギーが小さい第２のｐ側窒化物半導体層１０２、
第２のｐ側窒化物半導体層１０２よりもバンドギャップ
が大きい第３のｐ側窒化物半導体層１０３およびｐ型コ
ンタクト層１７を含む窒化物半導体積層構造が設けられ
ている。ｐ型コンタクト層１７上にはコンタクトホール
１８ａを設けた電流狭窄層１８が設けられている。ｎ型
コンタクト層１３の露出表面上には負電極１９が設けら
れ、電流狭窄層２０上には正電極２０が設けられてい
る。正電極２０は、電流狭窄層１８のコンタクトホール
１８ａを通してｐ型コンタクト層１７と接している。

【００２０】基板１１は、スピネル（ＭｇＡｌ
_２Ｏ_４）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ _３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面
を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等窒化物半導体を成長す
るために提案されている通常の材料が使用できる。

【００２１】バッファ層１２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ等で形成することができ、９００℃以下の温度
で、数十オングストローム〜数百オングストロームの厚
さで形成することができる。バッファ層１２は、基板１
１とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数不
整合を緩和するために形成されるものである。従って、
窒化物半導体と格子整合した基板、窒化物半導体の格子
定数に近い格子定数を有する基板等を使用する際、また
窒化物半導体の成長方法等によっては省略することもで
きる。

【００２２】ｎ型コンタクト層１３は、窒化物半導体で
形成され、特にＧａＮ、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜
１）で形成することが好ましい。（本明細書において、
Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）または類似の表現に
より示される窒化物半導体を単にＩｎＧａＮということ
がある）。特に、ＳｉをドープしたＧａＮでｎ型コンタ
クト層１３を形成すると、キャリア濃度の高いｎ型層が
得られ、また負電極１９との好ましいオーミック接触が
得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させること
ができる。ｎ型コンタクト層１３の厚さに特に制限はな
いが、通常０．１μｍ〜５μｍの厚さで形成できる。

【００２３】ｎ型コンタクト層１３のエッチングにより
露出した表面に形成される負電極１９は、ｎ型コンタク
ト層１３との好ましいオーミック接触が得られるので、
Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若し
くはそれらの合金で形成することが好ましい。

【００２４】ｎ型キャリア閉じ込め層１４、およびこの
層１４上に形成されているｎ型光ガイド層１５は、それ
ぞれ、ｎ型窒化物半導体で形成される。図１に示す態様
において、ｎ型光ガイド層１５は、活性層１６のバンド
ギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネル
ギーを有し、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、ｎ型光ガ
イド層１５のバンドギャップエネルギーよりも大きなバ
ンドギャップエネルギーを有する。ｎ型キャリア閉じ込
め層１４は、通常、０．１μｍ〜１μｍの厚さで形成さ
れ、ｎ型光ガイド層１５は、通常、１００オングストロ
―ムないし１μｍの厚さで形成されることが望ましい。

【００２５】ｎ型光ガイド層１５上に形成されている活
性層１６は、量子井戸構造（すなわち、単一量子井戸構
造または多重量子井戸構造）を有し、この量子井戸構造
は、ｎ型光ガイド層１５および第１のｐ側窒化物半導体
層１０１の両者のバンドギャップよりも小さなバンドギ
ャップを有するインジウム含有窒化物半導体すなわちＩ
ｎ_ｄＡｌ_ｅＧａ_{１−ｄ−ｅ}Ｎ（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦
１、０＜ｄ＋ｅ≦１）よりなる井戸層を有する。好まし
くは、井戸層は、三元混晶のＩｎ_ｆＧａ_１−ｆＮ（０＜
ｆ＜１）で形成される。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混
晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発
光出力が向上する。

【００２６】その中でも、活性層１６は、ＩｎＧａＮよ
りなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギ
―が大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを交互に積層
した多重量子井戸構造（最小で３層構造となる）とする
ことが特に好ましい。本発明において、多重量子井戸構
造は、ｎ型光ガイド層１５等のｎ型層上に直接設けられ
た最下層としての井戸層および以後述べる第１のｐ側窒
化物半導体１０１等のｐ型層に直接接する最上層として
の井戸層を有する構造であっても、あるいはｎ型光ガイ
ド層１５等のｎ型層上に直接設けられた最下層としての
障壁層および第１のｐ側窒化物半導体層１０１等のｐ型
層に直接接する最上層としての障壁層を有する構造であ
ってもよい。障壁層を形成する窒化物半導体には、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ等が含まれる。しかしながら、障壁層を
井戸層と同様に三元混晶のＩｎ_ｆ’Ｇａ_１−ｆ’Ｎ（０
＜ｆ’＜１、ただし、ｆ’＜ｆ）で形成することが特に
好ましい。このように活性層１６をバンドギャップエネ
ルギーが異なるＩｎＧａＮ層を積層した多重量子井戸構
造とすると、活性層１６のインジウムモル分率を変える
かあるいは以後述べる第１もしくは第３のｎ側もしくは
ｐ側窒化物半導体層のアルミニウムモル分率を変えるこ
とによって、量子準位間発光により約３６５ｎｍ〜６６
０ｎｍの波長の高出力のＬＤデバイスを実現することが
できる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮ障壁層を積層
すると、ＩｎＧａＮ障壁層はＡｌＧａＮに比べて結晶が
柔らかいので、その上に形成するクラッド層としての例
えばＡｌＧａＮ層の厚さをクラックを発生させずに厚く
できるので、優れたレーザ発振が実現できる。

【００２７】多重量子井戸構造では、井戸層は７０オン
グストローム以下、障壁層は１５０オングストローム以
下の厚さを有することが特に望ましい。一方、１つの量
子井戸層により構成される単一量子井戸構造の活性層は
７０オングストローム以下の厚さを有することが特に望
ましい。井戸層、障壁層とも、厚さの下限は５オングス
トロームであることが好ましい。

【００２８】活性層１６は、不純物をドープしないもの
でも（ノンドープ）、井戸層および／または障壁層に不
純物（アクセプター不純物および／またはドナー不純
物）をドープしたものでもよい。特に好ましい活性層１
６は、ノンドープ活性層、およびシリコンまたはゲルマ
ニウムドープ活性層であり、不純物をドープした活性層
のうち、特に好ましいものはシリコンドープ活性層であ
る。特に、活性層にシリコンをドープすると、ＬＤデバ
イスにあっては、閾値電流が低下する傾向にある。な
お、シリコンのドープは、活性層を構成すべき窒化物半
導体の成長中に、原料ガスに例えばテトラエチルシラン
等の有機シリコンガス、シラン等の水素化シリコンガ
ス、四塩化シリコン等のハロゲン化シリコンガス等を添
加することによって行うことができる。

【００２９】活性層１６に接して設けられている第１の
ｐ側窒化物半導体層１０１は、活性層１６（より厳密に
は、その井戸層）よりもバンドギャップエネルギーが大
きい窒化物半導体で形成されている。特に好ましくは第
１の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体すなわ
ちＩｎ_ｇＡｌ_ｈＧａ_{１−ｇ−ｈ}Ｎ（０≦ｇ≦１、０＜ｈ
≦１、０＜ｇ＋ｈ≦１）で形成され、特に好ましくは三
元混晶のＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（０＜ｊ＜１）で形成され
る。（本明細書において、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（０＜ｊ
＜１）または類似の表現で示される窒化物半導体を単に
ＡｌＧａＮということがある）。

【００３０】第１のｐ側窒化物半導体層１０１は、ｉ型
かｐ型であることが好ましい。特にＡｌＧａＮは高キャ
リア濃度のｐ型が得られやすく、しかもＩｎＧａＮを包
含する井戸層を含む活性層１６に接して形成することに
より、発光出力が高い素子を得ることができる。

【００３１】なお、本発明において、窒化物半導体（活
性層の窒化物半導体も含む）をｐ型とするには、結晶成
長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプ
ター不純物をドープすることによって得られる。アクセ
プター不純物濃度は、１×１０^１７〜１×１０^２２／ｃ
ｍ^３であることが好ましい。特にアクセプター不純物が
マグネシウムである場合、その濃度は、１×１０^１８〜
１×１０^２ ^０／ｃｍ^３、特に１×１０^１９〜１×１０
^２０／ｃｍ^３であることが殊に好ましい。いずれの場合
でも、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプ
ター不純物をド―プした後、不活性ガス雰囲気中、４０
０℃以上でアニ―リング（熱処理）することがより望ま
しい。アニーリングを行うことにより、通常、Ｍｇドー
プｐ型ＡｌＧａＮの場合で１×１０^１７〜１×１０^１９
／ｃｍ^３のキャリア濃度が得られる。またｉ型の窒化物
半導体を得るには、例えば、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＮにおい
てｊの値が０．５以上の窒化物半導体を成長させること
により、アクセプター不純物をドープすることなくｉ型
窒化物半導体を得ることができる。また、ｉ型窒化物半
導体は、ｐ型窒化物半導体層にその正孔キャリア濃度を
補償するだけのドナー不純物をドープするか、ｎ型窒化
物半導体層にその電子キャリア濃度を補償するだけのア
クセプター不純物をド―プすることによっても得られ
る。

【００３２】第１の窒化物半導体層１０１の厚さは、第
１の窒化物半導体層１０１をキャリアがトンネリングし
得るに十分に薄い厚さを有することが好ましい。より具
体的には、半導体層１０１は、０．１μｍ以下、さらに
好ましくは０．０５μｍ（５００オングストローム）以
下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストロ
―ム）以下の厚さを有することが望ましい。半導体層１
０１の厚さをこのように薄くすると、第１のｐ側窒化物
半導体層１０１中のクラック発生を防止でき、結晶性の
良い窒化物半導体層を成長させることができる。またＡ
ｌの比率が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとレーザ発
振しやすくなる。例えば、ｊの値が０．２以上のＡｌ_ｊ
Ｇａ_１−ｊＮを用いた場合、５００オングストローム以
下の厚さで半導体層１０１を形成することが望ましい。
第１のｐ側窒化物半導体層１０１の厚さの下限には特に
制限はないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成
することが望ましい。

【００３３】第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、第１
のｐ側窒化物半導体層１０１のバンドギャップエネルギ
―よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ
第１のｐ側窒化物半導体層１０１よりも活性層から離れ
た位置にあり、最も望ましくは図１に示すように、第１
のｐ側窒化物半導体層１０１に接して形成する。第２の
ｐ側窒化物半導体層１０２は、好ましくはＩｎ_ｋＧａ
_１−ｋＮ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたは
ＩｎＧａＮで形成することが好ましい。この第２のｐ側
窒化物半導体層１０２をＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成
すると、比較的厚く形成してもクラックが入ることが少
なく結晶性の良い第２の半導体層１０２が得られる。第
２のｐ側窒化物半導体層１０２は０．０１μｍ〜５μ
ｍ、さらに好ましくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有
することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば
好ましい光ガイド層として作用し得る。なお、第２のｐ
側窒化物半導体層１０２は、アクセプター不純物を含有
するものであり、またｐ型であることが好ましい。

【００３４】さらに、特にＩｎＧａＮまたはＧａＮで形
成された第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、以後説明
する第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成長させる際の
バッファ層としても作用する。ＩｎＧａＮまたはＧａＮ
は、ＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかい。従って、活性
層よりもバンドギャップが大きい第１のｐ側窒化物半導
体層１０１と、第３のｐ側窒化物半導体層１０３との間
にＩｎＧａＮまたはＧａＮからなる第２のｐ側窒化物半
導体層１０２を存在させることにより、第３のｐ側窒化
物半導体層１０３にクラックが発生することが防止さ
れ、それにより、第３のｐ側窒化物半導体層１０３を第
１のｐ側窒化物半導体層１０１に比べて厚く形成するこ
とができる。

【００３５】第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、第２
のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネルギ
―よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第２
のｐ側窒化物半導体層１０２よりも活性層から離れた位
置にあり、最も望ましくは図１に示すように第２のｐ側
窒化物半導体層１０２に接して形成される。第３のｐ側
窒化物半導体層１０３は、Ａｌを含む窒化物半導体すな
わちＩｎ_ｍＡｌ_ｎＧａ_{１−ｍ−ｎ}Ｎ（０≦ｍ≦１、０＜
ｎ≦１、０＜ｍ＋ｎ≦１）で形成することが好ましく、
特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成する。

【００３６】この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、
第２のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネ
ルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有するこ
とが要求される。第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、
キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するか
らである。この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、
０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．
０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望まし
く、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア
閉じ込め層として作用し得る。なお、第３のｐ側窒化物
半導体層１０３はアクセプター不純物を含有するもので
あり、また好ましくはｐ型である。

【００３７】第３のｐ側窒化物半導体層１０３上に形成
されているｐ型コンタクト層１７は、ｐ型窒化物半導体
で形成される。特に、ｐ型コンタクト層１０３をＩｎＧ
ａＮまたはＧａＮ、とりわけＭｇをドープしたｐ型Ｇａ
Ｎで形成すると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得ら
れ、正電極と良好なオーミック接触を達成し、それによ
り閾値電流を低下させることができる。

【００３８】正電極２０は、オーミック接触を得るため
に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比
較的仕事関数の高い金属又はこれらの合金好ましくはで
形成されることが好ましい。

【００３９】電流狭窄層１８は、絶縁性材料、好ましく
は二酸化ケイ素で形成される。この電流狭窄層１８は、
省くことができる。ところで、図１において、ｎ型キャ
リア閉じ込め層１４は、クラック防止層３０を介してｎ
型コンタクト層１３上に形成されている。

【００４０】すなわち、アルミニウムを含有する窒化物
半導体は、厚さを厚く成長させると成長した結晶にクラ
ックが発生しやすいという性質を有する。特に、ｎ型の
アルミニウム含有窒化物半導体をＧａＮ層またはＡｌＧ
ａＮ層上にクラックを発生させないで直接厚く成長させ
ることが困難である。例えば、ｎ型ＧａＮ等で形成され
るｎ型コンタクト層１３上に、ｎ型キャリア閉じ込め層
１４のように、例えば０．１μｍ以上と厚く形成する必
要があるｎ型層をアルミニウムを含有する窒化物半導体
特にＡｌＧａＮで形成することが困難である。そこで、
ｎ型コンタクト層１３の上に、クラック防止層３０とし
て、インジウムを含有する窒化物半導体、好ましくはＩ
ｎ_ｐＧａ_１−ｐＮ（０＜ｐ≦１）からなるｎ型層を形成
した後に、ｎ型のアルミニウム含有窒化物半導体からな
るｎ型キャリア閉じ込め層１４を形成する。クラック防
止層３０の存在により、ｎ型キャリア閉じ込め層１４
は、クラックを発生することなく、所望の厚さ（例え
ば、０．１μｍ以上）に成長させることができる。クラ
ック防止層３０は、１００オングストローム以上、０．
５μｍ以下の厚さを有することが好ましい。なお、この
クラック防止層３０は、ｎ型コンタクト層１３層内部に
あっても同様の効果を奏する。

【００４１】図２は本発明の第２の態様による窒化物半
導体ＬＤデバイスを概略的に示す断面図であり、図１と
同一符号は同一部材を示している。図２を参照すると、
基板１１上には、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタ
クト層１３、クラック防止層３０、第３のｎ側窒化物半
導体層２０３、第２のｎ側窒化物半導体層２０２、第１
のｎ側窒化物半導体層２０１、活性層１６、ｐ型光ガイ
ド層３１、ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３
２、ｐ型コンタクト層１７、電流狭窄層１８が順次形成
されている。ｎ型コンタクト層１３には負電極１９が、
ｐ型コンタクト層１７には、正電極２０が電気的に接続
されている。

【００４２】図２に示すＬＤデバイスにおいて、第１の
ｎ側窒化物半導体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層
２０２および第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、導電
型を除いて、それらのバンドギャップエネルギー、それ
らを構成する窒化物半導体材料およびそれらの厚さの範
囲の点において、それぞれ図１に関して説明した対応す
る第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物
半導体層１０２および第３のｐ側窒化物半導体層１０３
と基本的に同様であり、第１のｐ側窒化物半導体層１０
１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第３のｐ側
窒化物半導体層１０３について述べた材料の好ましさ、
厚さの好ましさ等も、それぞれ、第１のｎ側窒化物半導
体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層２０２および第
３のｎ側窒化物半導体層２０３について適用し得る。

【００４３】簡単に繰り返すと、活性層１６に接して形
成されている第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、活性
層１６（より厳密には、その井戸層）よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成されてい
る。特に好ましくは第１のｎ側窒化物半導体層２０１
は、Ａｌを含む窒化物半導体で形成され、殊に好ましく
は三元混晶のＡｌＧａＮで形成される。

【００４４】第１のｎ側窒化物半導体層２０１の厚さ
も、第１のｐ側窒化物半導体１０１と同様、第１のｎ側
窒化物半導体層２０１をキャリア（電子キャリア）がト
ンネリングし得るに十分に薄い厚さを有する。より具体
的には、半導体層２０１は、０．１μｍ以下、さらに好
ましくは０．０５μｍ（５００オングストローム）以
下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストロ
―ム）以下の厚さを有することが望ましい。第１のｎ側
窒化物半導体層２０１も、１０オングストローム以上の
厚さを有することが望ましい。

【００４５】なお、第１のｎ側窒化物半導体層２０１
は、ｎ型かｉ型であることが好ましい。本発明におい
て、ｎ型窒化物半導体（活性層の場合も含む）はノンド
―プ（不純物をドープしない状態）でも得られるが、好
ましいｎ型とするには、結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ、Ｓ等のドナー不純物をドープすることによって得ら
れる。その場合、ドナー不純物は、１×１０^１６〜１×
１０^２２／ｃｍ^３の濃度でドープすることが好ましい。
とりわけシリコンは、１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃ
ｍ^３の濃度が特に好ましく、１×１０^１８〜１×１０
^２０／ｃｍ^３の濃度が最も好ましい。

【００４６】第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、第１
のｎ側窒化物半導体層２０１のバンドギャップエネルギ
―よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ
第１のｎ側窒化物半導体層２０１よりも活性層から離れ
た位置にあり、最も望ましくは図２に示すように、第１
のｎ側窒化物半導体層２０１に接して形成する。第２の
ｎ側窒化物半導体層２０２は、好ましくはＩｎ_ｋＧａ
_１−ｋＮ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたは
ＩｎＧａＮで形成することが好ましい。第２のｎ側窒化
物半導体層２０２は０．０１μｍ〜５μｍ、さらに好ま
しくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有することが好ま
しく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイ
ド層として作用し得る。第２のｎ側窒化物半導体層２０
２は、ｎ型である。なお、図１に関して説明したよう
に、第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、その上に比較
的厚く形成される第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成
長させるため際のバッファ層として作用している。同様
に、第２のｎ側窒化物半導体層２０２も、第１のｎ側窒
化物半導体層２０１を成長させる際のバッファ層として
作用するが、第１のｎ側窒化物半導体層２０１は薄いの
で、バッファ層としての役割はそれほど重要でない。

【００４７】第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、第３
のｐ側窒化物半導体層１０３と同様、キャリア閉じ込め
層及び光閉じ込め層として作用するため第２のｎ側窒化
物半導体層２０２のバンドギャップエネルギーよりも大
きなバンドギャップエネルギーを有し、第２のｎ側窒化
物半導体層２０２よりも活性層１６から離れた位置にあ
り、最も望ましくは図２に示すように第２のｎ側窒化物
半導体層２０２に接して形成される。第３のｎ側窒化物
半導体層２０３も、Ａｌを含む窒化物半導体で形成する
ことが好ましく、特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮ
で形成する。この第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、
０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．
０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望まし
く、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア
閉じ込め層および光閉じ込め層として作用し得る。な
お、第３のｎ側窒化物半導体層２０３はｎ型である。好
ましくはアルミニウムを含有する窒化物半導体からなる
第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、好ましくはｎ型Ｇ
ａＮで形成されるｎ型コンタクト層１３上に、クラック
防止層３０を介して形成されている。

【００４８】ｐ型光ガイド層３１およびｐ型キャリア閉
じ込め層（光閉じ込め層）３２は、それぞれｐ型窒化物
半導体で形成される。ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ
込め層）３２のバンドギャップエネルギーは、ｐ型光ガ
イド層３１のそれよりも大きい。

【００４９】図３は、活性層の両側（ｐ側およびｎ側）
にそれぞれ本発明の３層積層構造を形成した現在のとこ
ろ最も好ましい態様による窒化物半導体ＬＤデバイスを
示している。図３を参照すると、基板１１上には、バッ
ファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、クラック
防止層３０、第３のｎ側窒化物半導体層２０３、第２の
ｎ側窒化物半導体層２０２、第１のｎ側窒化物半導体層
２０１、活性層１６、第１のｐ側窒化物半導体層１０
１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２、第３のｐ側窒化
物半導体層１０３およびｐ型コンタクト層１７を含む窒
化物半導体積層構造が設けられている。ｐ型コンタクト
層１７上にはコンタクトホール１８ａを設けた電流狭窄
層１８が設けられている。ｎ型コンタクト層１３の露出
表面上には負電極１９が設けられ、電流狭窄層１８上に
は正電極２０が設けられている。正電極２０は、電流狭
窄層１８のコンタクトホール１８ａを通してｐ型コンタ
クト層１７と接している。図３に示すデバイスを構成す
る要素は、図１および図２に関して説明した通りのもの
である。

【００５０】なお、本発明の窒化物半導体デバイスを構
成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶ
ＰＥ）により好ましく成長させることができる。しかし
ながら、窒化物半導体層は、例えば、ハイドライド気相
成長法（ＨＤＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等
窒化物半導体を成長させるために従来使用されている他
の方法によっても成長させることができる。

【００５１】図４は、図３に示す構造の、多重量子井戸
構造の活性層を有するＬＤデバイスのエネルギーバンド
を概略的に示す。図４に示すように、本発明のダブルへ
テロ構造のＬＤデバイスでは、インジウム含有窒化物半
導体を包含する活性層１６に接して、第１のｐ側窒化物
半導体層１０１および第１のｎ側窒化物半導体層２０１
が設けられている。すなわち、活性層１６（より厳密に
は、その井戸層）のバンドギャップエネルギーよりも大
きく、さらに第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第
２のｐ側窒化物半導体層２０２のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する２
つの第１の窒化物半導体層１０１、２０１が、活性層１
６に接して設けられている。しかも、これら２つの第１
の窒化物半導体層の膜厚を薄く設定してあるため、これ
ら半導体層１０１、２０１は、キャリアに対してバリア
として作用することはなく、第３のｎ側窒化物半導体層
２０３側から第２のｎ側窒化物半導体層２０２に注入さ
れた電子キャリアと、第３のｐ側窒化物半導体層１０３
側から第２のｐ側窒化物半導体層１０２に注入された正
孔キャリアは、トンネル効果によりそれぞれ第１のｎ側
窒化物半導体層２０１および第１のｐ側窒化物半導体層
１０１を突き抜けることができ、活性層１６において効
率よく再結合し、光（ｈν）を発する。

【００５２】そして注入されたキャリアは、第１の窒化
物半導体層１０１、２０１のハンドギャップエネルギー
が大きいため、デバイスの温度が上昇しても、または注
入電流密度が増えても、キャリアは活性層１６をオーバ
―フローせず、第１の窒化物半導体層１０１、２０１で
阻止されるため、キャリアが活性層１６に有効に蓄積さ
れ、効率よく発光することが可能となる。従って、本発
明の窒化物半導体デバイスは、デバイス温度が上昇して
も発光効率が低下することが少なく、閾値電流の低いＬ
Ｄデバイスとなる。

【００５３】ところで、本発明者らは、本発明のデバイ
スにおける活性層、特にインジウムとガリウムを含有す
る窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層について
詳細に研究した。その結果、例えばＩｎＧａＮを成長さ
せると、条件によっては、成長したＩｎＧａＮ層が、イ
ンジウム含有率において全体的に不均一となり、かくし
てインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を形成す
ることがわかった。このように形成されたインジウムリ
ッチ領域に電子キャリアと正孔キャリアが局在し、エキ
シトンに基づく発光またはバイエキシトンに基づく発光
をする。すなわち、インジウムリッチ領域は、量子ドッ
トまたは量子ボックスを構成する。ＩｎＧａＮ井戸層
が、このような量子ドットまたは量子ボックスを形成す
るためには、ｎ型半導体層上に当該井戸層が、図１〜図
３に関して説明したデバイスにおけるように、ｎ型半導
体層（アルミニウム含有窒化物半導体１５、２０１）上
に当該ｎ型半導体層に対して格子不整合の状態で形成さ
れ、その厚さが７０オングストローム以下であることが
必要であることがわかった。この井戸層構造は、これを
形成した後短時間好ましくは２ないし２０秒間おいてか
らその上に半導体層を形成するようにすると都合よく形
成される。なお、この井戸層を有する活性層上に形成さ
れるさらなる層は、アクセプター不純物を含有していれ
ばよい。このような構成のＬＤデバイスは、通常の量子
井戸レーザーよりも閾値電流が低く、より高い特性温度
を有し得る。

【００５４】かくして、本発明は、ｎ型窒化物半導体か
らなる第１のクラッド層；該第１のクラッド層上に設け
られ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体か
らなり７０オングストローム以下の厚さを有し、下地層
上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少
なくとも１層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層
であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とイ
ンジウムプア領域を包含する活性層；および該活性層上
に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半
導体からなる第２のクラッド層を備えたことを特徴とす
る窒化物半導体デバイスをも提供する。ここで、下地層
というとき、図１〜図３に関して説明したデバイスにお
けるようになｎ型半導体層（アルミニウム含有窒化物半
導体１５、２０１）等の該第１のクラッド層自体または
当該第１のクラッド層上に設けられた障壁層あるいは障
壁層自体を指すものとする。図５は、このデバイスを概
念的に示す断面図である。図５では、活性層は、簡便の
ため単一量子井戸構造を有するものとして示されてい
る。図５に示すように、ｎ型窒化物半導体からなる第１
のクラッド層５２上に格子不整合状態で７０オングスト
ローム以下の厚さに形成された量子井戸層（活性層）５
４は、例えば全体的にはＩｎＧａＮで形成されるが、相
分離を生じさせることによってインジウムリッチ領域５
４ａとインジウムプア領域５４ｂを構成する。より詳し
くは、インジウムリッチ領域５４ａとインジウムプア領
域５４ｂとがドットまたはボックスとして存在し、これ
らは大きさが２０〜５０オングストロームであり得、各
インジウムリッチ領域５４ａと各インジウムプア領域５
４ｂとは井戸層の面方向において交互にほぼ規則的に配
列されている。この活性層５４の上には、アクセプター
不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッ
ド層５６が設けられている。

【００５５】もちろん、量子ドットまたは量子ボックス
を構成する井戸層を有する活性層は、図１〜図３に関し
て説明したデバイスにおける活性層１６を構成すること
が好ましい。なお、相分離した井戸層のバンドギャップ
エネルギーは、当該井戸層の平均組成によって決まる。

【００５６】このような量子ドットまたは量子ボックス
を構成する井戸層を有する活性層において、アクセプタ
―不純物および／またはドナー不純物をドープすると、
閾値電流がより一層低下し得る。

【００５７】すなわち、１つの井戸層の面内においてイ
ンジウムの含有率が不均一であることは、単一の井戸層
の面方向においてバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領
域（インジウムリッチ領域およびインジウムプア領域）
が存在することを意味する。従って、伝導帯に存在する
電子は一旦インジウムリッチ領域に落ち、そこから価電
子帯に存在する正孔と再結合することによりｈνのエネ
ルギーを放出する。言い換えると、電子キャリアと正孔
キャリアとが井戸層のインジウムリッチ領域（相）に局
在化し、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値電流を
低下させる助けとなるとともに、レーザの発光出力を向
上させる。

【００５８】このような井戸層に、シリコン等のドナー
不純物および／またはアクセプター不純物をドープする
と、伝導帯と価電子帯との間に、さらに不純物レベルの
エネルギー準位が形成される。そのため、電子キャリア
は、より深い不純物レベルのエネルギー準位に落ち、正
孔キャリアは、ｐ型不純物のレベルに移動して、そこで
電子キャリアと正孔キャリアとが再結合してより小さな
エネルギーｈνを放出する。このことは、電子キャリア
と正孔キャリアとがより一層局在化し、この一層局在化
して形成されたエキシトンの効果によりレーザデバイス
の閾値電流が低下するものと信じられる。井戸層にドー
プする不純物としては、シリコンおよびゲルマニウムが
好ましく、特にシリコンが好ましい。特にシリコンをド
―プすることによりデバイスの閾値電流がさらに低下す
る傾向にある。なお、シリコン、マグネシウム等の不純
物は、井戸層だけでなく、障壁層にもドープしてもよ
く、また多重量子井戸構造の活性層の場合には、井戸層
１層のみ、または障壁層１層のみにドープしてもよい。

【００５９】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。実施例１本実施例では、図３に示す構造の窒化物半導体ＬＤデバ
イスを作製した。

【００６０】まず、よく洗浄したスピネル基板１１（Ｍ
ｇＡｌ_２Ｏ_４）を反応容器内にセットし、反応容器内を
水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度
を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行っ
た。

【００６１】ついで、温度を５１０℃まで下げ、キャリ
アガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニアと
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを用い、基板１１上に
ＧａＮバッファ層１２を約２００オングストロームの厚
さに成長させた。

【００６２】バッファ層成長後、ＴＭＧ流のみ止めてア
ンモニアガスを流しながら、温度を１０３０℃まで上昇
させた。１０３０℃で、ＴＭＧガスを追加し、ドーパン
トガスとしてシランガス（ＳｉＨ_４）を用いて、ｎ型コ
ンタクト層１３としてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍ
の厚さに成長させた。

【００６３】次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスと
してＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い
て、ＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラッ
ク防止層３０を５００オングストロームの厚さに成長さ
せた。

【００６４】ついで、温度を１０３０℃に上げ、原料ガ
スとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧお
よびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用
い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第
３のｎ型窒化物半導体層２０３を０．５μｍの厚さに成
長させた。

【００６５】次に、温度を８００℃に下げ、ＴＭＡ流の
み止めて、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第２のｎ型窒
化物半導体層２０２を０．２μｍの厚さに成長させた。
ついで、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、
ＴＭＧおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシラ
ンを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよ
りなる第１のｎ型窒化物半導体層２０１を３００オング
ストロームの厚さに成長させた。

【００６６】次に原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよび
アンモニアを用いて活性層１６を以下の通りに成長させ
た。まず、温度を８００℃に保持して、ノンドープＩｎ
_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストロ
ームの膜厚で成長させた。次にＴＭＩのモル比を変化さ
せて、同一温度で、ノンドープＩｎ_０．０ _１Ｇａ
_０．９９Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜
厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸
層を積層し、全部で７層の多重量子井戸構造の活性層を
成長させた。

【００６７】次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウ
ム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０ _．１Ｇ
ａ_０．９Ｎよりなる第１のｐ型窒化物半導体層１０１を
３００オングストロームの厚さに成長させた。

【００６８】続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニ
ア、およびＣｐ_２Ｍｇを用いて、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ
よりなる第２のｐ型窒化物半導体層１０２を０．２μｍ
の厚さに成長させた。

【００６９】ついで、１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、
アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ
_２Ｍｇ）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ _０．８
Ｎよりなる第３のｐ型窒化物半導体層１０３を０．５μ
ｍの厚さに成長させる。

【００７０】最後に、１０５０℃でＭｇドープｐ型Ｇａ
Ｎよりなるｐ型コンタクト層１７を０．５μｍの厚さに
成長させた。全ての反応終了後、温度を室温まで下げて
ウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハ
のアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化した。
次に、最上層のｐ型コンタクト層１７からｎ型コンタク
ト層１３の表面が露出するまでストライプ状にエッチン
グした。エッチング後、ｐ型コンタクト層１７の表面に
二酸化シリコンよりなる電流狭窄層１８を形成し、これ
にコンタクトホールを形成した後、電流狭窄層１８を介
して、ｐ型コンタクト層１７と接するようにＮｉとＡｕ
よりなる正電極２０をストライプ状に形成した。一方Ｔ
ｉとＡｌよりなる負電極１９をストライプ状に形成し
た。

【００７１】次に、ウェーハをストライプ状の電極に垂
直な方向でバー状に切断し、切断面を研磨して平行鏡を
作成した後、平行鏡にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを交互に積
層した誘電体多層膜を形成した。最後に電極に平行な方
向で、バーを切断してストライプサイズ４μｍ×６００
μｍのレーザチップとした後、チップをヒートシンクに
設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、パルス電流
下（パルス幅１０マイクロ秒、デューティ比１０％）
で、発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、閾値
パルス電流密度＝２ｋＡ／ｃｍ^２、Ｔ_０（特性温度）＝
２００Ｋであった。

【００７２】次に、デバイスの閾値電流密度の温度依存
性により本発明のＬＤデバイスを評価した。ＬＤの閾値
電流密度Ｊ_ｔｈは、ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ_０）（但し、Ｔ：動
作温度（Ｋ）、Ｔ_０：特性温度（Ｋ））に比例する。す
なわち、Ｔ_０が大きいほどＬＤデバイスは、高温でも閾
値電流密度が低く安定に動作する。

【００７３】実施例１のデバイスにおいて、第１の窒化
物半導体層１０１、２０１をいずれも形成しなかった場
合は、レーザ発振しなかった。また、実施例１におい
て、第１の窒化物半導体層１０１、２０１のいずれか一
方のみを形成しなかった場合の本発明のＬＤデバイス
は、Ｊth＝３ｋＡ／ｃｍ^２、Ｔ_０は１００Ｋであった。
実施例１のＬＤデバイスは、第１の窒化物半導体層１０
１、２０１双方のＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮのｊ値が０．１の
場合（実施例１）、前に述べたように、Ｊ_ｔｈ＝２ｋＡ
／ｃｍ^２、Ｔ_０＝２００Ｋであったが、ｊ値が０．２の
場合は、Ｊ_ｔｈ＝１．５ｋＡ／ｃｍ^２、Ｔ_０＝３００
Ｋ、ｊ値が０．３の場合はＪ_ｔｈ＝１．４ｋＡ／ｃ
ｍ^２、Ｔ_０＝４００Ｋであり、本発明のＬＤデバイスの
温度特性が非常に優れていることを示している。

【００７４】実施例２第１のｎ側窒化物半導体層２０１を成長させなかった以
外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得
た。このＬＤは図１に示すＬＤデバイスと同一の構造を
有しており、図１のｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込
め層）１４が、第３のｎ側窒化物半導体層２０３に相当
し、ｎ型光ガイド層１５が、第２のｎ側窒化物半導体層
２０２に相当するものである。このＬＤデバイスはＪth
＝３ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が
確認され、Ｔ0 ＝１００Ｋであった。

【００７５】実施例３第１のｐ側窒化物半導体層１０１を成長させなかった以
外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得
た。このＬＤは図２に示すＬＤデバイスと同一の構造を
有しており、図２のｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込
め層）３２が、第３のｐ側窒化物半導体層１０３に相当
し、ｐ型光ガイド層３１が、第２のｐ側窒化物半導体層
１０２に相当するものである。このＬＤデバイスは、実
施例２のＬＤと同じく、Ｊ_ｔｈ＝３ｋＡ／ｃｍ^２で発振
波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ_０＝１００
Ｋであった。

【００７６】実施例４活性層１６を、５０オングストロームの膜厚のノンドー
プＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎの井戸層よりなる単一量子井
戸構造とし、第１のｐ型窒化物半導体層１０１をＡｌ
_０．３Ｇａ_０．７Ｎで形成した以外は、実施例２と同様
にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤもＪ_ｔｈ
＝５ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長４１０ｎｍのレーザ発振が
確認され、Ｔ_０＝５０Ｋであった。

【００７７】実施例５第２のｎ型窒化物半導体層２０２をＳｉドープｎ型Ｉｎ
_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎで形成し、第２のｐ型窒化物半
導体１０２をＭｇドープｐ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０ _．９９
Ｎで形成した以外は実施例１と、同様にしてＬＤデバイ
スを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデ
バイスと全く同一の特性を示した。

【００７８】実施例６活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純
物としてシリコンを１×１０^１９／ｃｍ^３の濃度でドー
プした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバ
イスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤ
デバイスに比べて、閾値電流がおよそ５％低下し、Ｔ_０
はおよそ１０％向上した。

【００７９】実施例７活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、アクセプタ
―不純物としてマグネシウムを１×１０^１８／ｃｍ^３の
濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明
のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施
例１のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を示した。

【００８０】実施例８活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純
物としてシリコンを１×１０^１９／ｃｍ^３の濃度でおよ
びアクセプター不純物としてマグネシウムを１×１０
^１８／ｃｍ^３の濃度でドープした以外は、実施例１と同
様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデ
バイスは、実施例６のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を
示した。

【００８１】実施例９各ノンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（平均組成）井戸
層形成後、５秒間そのまま保持してから各障壁層を形成
した以外は、実施例１と同様にしてＬＤデバイスを作製
した。このＬＤデバイスにおいて、井戸層は、インジウ
ムリッチ領域とインジウムプア領域とに相分離してお
り、インジウムリッチ領域は組成がほぼＩｎ _０．４Ｇａ
_０．６Ｎに相当し、インジウムプア領域は組成がほぼＩ
ｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎに相当するものであった。ま
た、井戸層の断面ＴＥＭ写真により、それぞれ平均で３
０オングストロームの大きさのインジウムリッチ領域と
インジウムプア領域とが面方向に互いに交互に規則的に
並んでいることが確認された（図５参照）。こうして作
製したＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに対し
て閾値電流密度においておよそ３０％低下し、Ｔ_０にお
いて２０％向上していた。

【００８２】実施例１０各井戸層にシリコンをドープした以外は実施例９と同様
にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、
実施例１のＬＤデバイスに対して閾値電流密度において
およそ４０％低下し、Ｔ_０において３０％向上してい
た。なお、上記各実施例において、濃度を特に指摘しな
かった不純物も、いずれも先に述べた好ましい範囲内で
ドープしたものであった。

【００８３】以上説明した実施例では、最も好ましい例
として、活性層と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒
化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とが接して形成
されている例について説明したが、本発明では活性層に
接して形成されているのは、第１の窒化物半導体層のみ
でよく、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層
との間、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層
との間に、他の窒化物半導体層を挿入することもでき
る。ドープした不純物の濃度は、

【００８４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、イ
ンジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する
窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導
体デバイスが提供され、またデバイス温度が上昇しても
発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスが提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態様に係るＬＤデバイスを概略
的に示す断面図。

【図２】本発明の第２の態様に係るＬＤデバイスを概略
的に示す断面図。

【図３】本発明の第３の態様に係るＬＤデバイスを概略
的に示す断面図。

【図４】図３に示すデバイス構造に対応するエネルギー
バンドを示す図。

【図５】本発明の第４の態様に係るＬＤデバイスを概略
的に示す断面図。

【図６】従来のＬＤデバイスの層構造に対応するエネル
ギーバンドを示す図。

【符号の説明】

１１…基板１３…ｎ型コンタクト層１４…ｎ型キャリア閉じ込め層１５…ｎ型光ガイド層１６，５４…活性層１７…ｐ型コンタクト層１９…負電極２０…正電極３０…クラック防止層５２…第１のクラッド層５４ａ…インジウムリッチ領域５４ｂ…インジウムプア領域５６…第２のクラッド層１０１…第１のｐ側窒化物半導体層１０２…第２のｐ側窒化物半導体層１０３…第３のｐ側窒化物半導体層２０１…第１のｎ側窒化物半導体層２０２…第２のｎ側窒化物半導体層２０３…第３のｎ側窒化物半導体層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩佐成人徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化学工業株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA74 AA83 CA07 CB05 CB17 CB19 CB22 DA05 DA16 DA35 EA23 GA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１および第２の表面を有し、インジウ
ムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の活
性層、並びに該活性層の第１の表面に接して形成され、
該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバン
ドギャップエネルギーを有する第１の窒化物半導体層
と、該活性層の第１の表面側において、該第１の窒化物
半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成され、該
第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより
も小さなバンドギャップエネルギーを有する第２の窒化
物半導体層と、該活性層の第１の表面側において、該第
２の窒化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形
成され、該第２の窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する
第３の窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層構造を備
えたことを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項２】第１の窒化物半導体層が、キャリアがト
ンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項１記載
のデバイス。
【請求項３】第１の窒化物半導体層が、０．１μｍ以
下の厚さを有する請求項１または２記載のデバイス。
【請求項４】第１の窒化物半導体層が、１０オングス
トローム以上の厚さを有する請求項３記載のデバイス。
【請求項５】窒化物半導体層構造が、活性層のｐ側に
形成されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の
デバイス。
【請求項６】第２の窒化物半導体層が、第１の窒化物
半導体層に接して設けられている請求項５記載のデバイ
ス。
【請求項７】第３の窒化物半導体層が、第２の窒化物
半導体層に接して設けられている請求項６記載のデバイ
ス。
【請求項８】窒化物半導体層構造が、活性層のｎ側に
形成されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の
デバイス。
【請求項９】第２の窒化物半導体層が、第１の窒化物
半導体層に接して設けられている請求項８記載のデバイ
ス。
【請求項１０】第３の窒化物半導体層が、第２の窒化
物半導体層に接して設けられている請求項９記載のデバ
イス。
【請求項１１】第１および第２の表面を有し、インジ
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層、該活性層の第１の表面に接して形成され、窒化
物半導体からなり、該活性層よりも大きなバンドギャッ
プエネルギーを有する第１の層、該活性層の第１の表面
側において、該第１の層よりも該活性層から離れた位置
に形成され、アクセプター不純物を含有する窒化物半導
体からなり、該第１の層のバンドギャップエネルギーよ
りも小さなバンドギャップエネルギーを有する第２の
層、および該活性層の第１の表面側において、該第２の
層よりも該活性層から離れた位置に形成され、アクセプ
ター不純物を含有する窒化物半導体からなり、該第２の
層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有する第３の層を備えたことを特徴と
する窒化物半導体デバイス。
【請求項１２】第１の窒化物半導体層が、キャリアが
トンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項１１
記載のデバイス。
【請求項１３】第１の窒化物半導体層が、０．１μｍ
以下の厚さを有する請求項１１または１２記載のデバイ
ス。
【請求項１４】第１の窒化物半導体層が、１０オング
ストローム以上の厚さを有する請求項１３記載のデバイ
ス。
【請求項１５】第２の層が、第１の層に接して設けら
れている請求項１１ないし１４のいずれか１項記載のデ
バイス。
【請求項１６】第３の窒化物半導体層が、第２の窒化
物半導体層に接して設けられている請求項１５記載のデ
バイス。
【請求項１７】第１および第２の表面を有し、インジ
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層、該活性層の第２の表面に接して形成され、窒化
物半導体からなり、該活性層のバンドギャップエネルギ
―よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１
の層、該活性層の第２の表面側において、該第１の層よ
りも該活性層から離れた位置に形成され、ｎ型窒化物半
導体からなり、該第１の層のバンドギャップエネルギー
よりも小さなバンドギャップエネルギーを有する第２の
層、および該活性層の第２の表面側において、該第２の
層よりも該活性層から離れた位置に形成され、ｎ型窒化
物半導体からなり、該第２の層のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第
３の層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイ
ス。
【請求項１８】第１の窒化物半導体層が、キャリアが
トンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項１７
記載のデバイス。
【請求項１９】第１の窒化物半導体層が、０．１μｍ
以下の厚さを有する請求項１７または１８記載のデバイ
ス。
【請求項２０】第１の窒化物半導体層が、１０オング
ストローム以上の厚さを有する請求項１９記載のデバイ
ス。
【請求項２１】第２の層が、第１の層に接して設けら
れている請求項１７ないし２０のいずれか１項記載のデ
バイス。
【請求項２２】第３の層が、第２の層に接して設けら
れている請求項２１記載のデバイス。
【請求項２３】第１および第２の表面を有し、インジ
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層；該活性層の第１の表面に接して形成され、該活
性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギ
ャップエネルギーを有する第１のｐ側窒化物半導体層
と、該活性層の第１の表面側において、該第１のｐ側窒
化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成さ
れ、該第１のｐ側窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する
第２のｐ側窒化物半導体層と、該活性層の第１の表面側
において、該第２のｐ側窒化物半導体層よりも該活性層
から離れた位置に形成され、該第２のｐ側窒化物半導体
層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有する第３のｐ側窒化物半導体層とを
含む第１の窒化物半導体層構造；並びに該活性層の第２
の表面に接して形成され、該活性層のバンドギャップエ
ネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有す
る第１のｎ側窒化物半導体層と、該活性層の第２の表面
側において、該第１のｎ側窒化物半導体層よりも該活性
層から離れた位置に形成され、該第１のｎ側窒化物半導
体層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギ
ャップエネルギーを有する第２のｎ側窒化物半導体層
と、該活性層の第２の表面側において、該第２のｎ側窒
化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成さ
れ、該第２のｎ側窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する
第３のｎ側窒化物半導体層とを含む第２の窒化物半導体
層構造を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイ
ス。
【請求項２４】第１のｐ側窒化物半導体層が、キャリ
アがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項
２３記載のデバイス。
【請求項２５】第１のｐ側窒化物半導体層が、０．１
μｍ以下の厚さを有する請求項２３または２４記載のデ
バイス。
【請求項２６】第１のｐ側窒化物半導体層が、１０オ
ングストローム以上の厚さを有する請求項２５記載のデ
バイス。
【請求項２７】第１のｎ側窒化物半導体層が、キャリ
アがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項
２３ないし２６のいずれか１項記載のデバイス。
【請求項２８】第１のｎ側窒化物半導体層が、０．１
μｍ以下の厚さを有する請求項２３ないし２７のいずれ
か１項記載のデバイス。
【請求項２９】第１のｎ側窒化物半導体層が、１０オ
ングストローム以上の厚さを有する請求項２８記載のデ
バイス。
【請求項３０】第２のｐ側窒化物半導体層が、第１の
ｐ側窒化物層に接して設けられ、第３のｐ側窒化物半導
体が第２のｐ側窒化物半導体に接して設けられている請
求項２３ないし２９のいずれか１項記載のデバイス。
【請求項３１】第２のｎ側窒化物半導体層が、第１の
ｎ側窒化物層に接して設けられ、第３のｎ側窒化物半導
体が第２のｎ側窒化物半導体に接して設けられている請
求項２３ないし３０のいずれか１項記載のデバイス。
【請求項３２】ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラ
ッド層；該第１のクラッド層上に設けられ、インジウム
およびガリウムを含む窒化物半導体からなり７０オング
ストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対
して格子不整合の状態で設けられた少なくとも１層の井
戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸
層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域
を包含する活性層；および該活性層上に設けられ、アク
セプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２
のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デ
バイス。
【請求項３３】井戸層が、式Ｉｎ_ｆａ_１−ｆＮ（０＜
ｆ＜１）で示される窒化物半導体からなる請求項３２記
載のデバイス。
【請求項３４】活性層中に不純物がドープされている
請求項１、１１、１７、２３または３２記載のデバイ
ス。
【請求項３５】活性層にドープされる不純物が、シリ
コンまたはゲルマニウムである請求項３４記載のデバイ
ス。
【請求項３６】活性層にドープされる不純物が、少な
くとも１つの井戸層にドープされている請求項３４また
は３５記載のデバイス。