JP2005311396A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法等の気相成長法により、格子整合していない基板の表面にｎ型窒化物半導体を成長させる際に、ｎ型窒化物半導体層の格子欠陥を少なくして成長させる方法を提供することにより、ｎ型窒化物半導体層の表面に成長させる他の窒化物半導体の結晶性を向上させて、発光素子の効率を向上させる。
【解決手段】
Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦１）、もしくはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜b≦１）、または組成の異なるＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）の薄膜を積層した多層膜の内のいずれか一種類を含む第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を、第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、第３のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とで挟んだ構造を有するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を、基板と活性層との間に有するダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【選択図】 図３

Description

本発明は発光ダイオード、レーザダイオード等の電子デバイスに使用されるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１、以下窒化ガリウム系化合物半導体を窒化物半導体という。）の結晶を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

青色、紫外に発光するレーザダイオード、発光ダイオードの材料として窒化物半導体（Ｉｎ_X'Ａｌ_Y'Ｇａ_1-X'-Y'Ｎ、０≦X'、０≦Y'、X'＋Y'≦１）が注目されており、最近この材料で光度１ｃｄの青色発光ダイオードが実用化されたばかりである。この青色発光ダイオードは図１に示すように、サファイアよりなる基板１の表面に、ＧａＮよりなるバッファ層２と、ＧａＮよりなるｎ型層３と、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層４と、ＩｎＧａＮよりなる活性層５と、ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層６と、ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７とが順に積層された構造を有している。

窒化物半導体素子は、一般にＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相エピタキシャル）法等の気相成長法を用い、基板表面に窒化物半導体層を積層させることにより得られる。基板にはサファイア、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ等の材料が使用される。基板の表面にはバッファ層を介してｎ型の窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１、その中でも特にｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮが多い。）が成長される。また、ＳｉＣ、ＺｎＯのように窒化物半導体と格子定数の近い基板を用いる場合には、バッファ層を形成せず、基板に直接ｎ型窒化物半導体が成長されることもある。基本的には、基板の表面にまずｎ型窒化物半導体層を成長させることにより、発光素子、受光素子等の窒化物半導体素子が作製される。

例えばＭＯＶＰＥ法によると、窒化物半導体は、原料ガスにＧａ源、Ａｌ源、Ｉｎ源となる有機金属化合物ガスと、Ｎ源となるアンモニアガスとが用いられる。これらの原料ガスを加熱した基板表面に接触させることにより原料ガスを分解して、基板上に窒化物半導体がエピタキシャル成長される。バッファ層には通常ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等が選択され、３００℃〜９００℃の温度で１０オングストローム〜０．１μｍの厚さで成長される。バッファ層の上に成長するｎ型窒化物半導体層は９００℃以上の温度で、通常１μｍ以上、４μｍ以下の膜厚で成長される。

窒化物半導体は、完全に格子整合する基板がないため、非常にエピタキシャル成長させにくい結晶であることが知られている。従って、従来ではＳｉＣ基板のように、成長させようする窒化物半導体の格子定数に近い基板を利用するか、または格子不整合を緩和するバッファ層を介して無理矢理エピタキシャル成長されてきた。

格子整合しない基板の表面に成長したｎ型窒化物半導体の結晶の模式断面図を一例として図２に示す。これはジャーナル オブ クリスタル グロウス｛Jounal of Crystal Growth, 115, (1991) P628−633｝より引用したものであり、サファイア基板の表面にＡｌＮよりなるバッファ層を介してｎ型ＧａＮをエピタキシャル成長させ、その断面をＴＥＭ（transmission electron microscopy）で測定して、そのＴＥＭ像から結晶の構造を模式的に示したものである。この図によると、基板上に配向性が整っていないバッファ層が柱状に成長されており、そのバッファ層の上にＧａＮをエピタキシャル成長させると、そのバッファ層の一部が種結晶のような役割を果たして、徐々にＧａＮの配向性が整うことにより、結晶性がよくなったＧａＮ層が成長されることを示している。

しかしながら、完全に結晶欠陥の無いＧａＮを成長させることは難しく、図２の破線に示すような多数の結晶欠陥が、バッファ層とＧａＮ層との界面から、ＧａＮ層表面に達するまで伸びている。この欠陥は結晶の内部で止まるものもあるが、ＧａＮ層表面にまで達するものは、表面で例えば１０⁷〜１０⁹個／cm²ある。同様に図１の発光ダイオード素子においても、ｎ型層３の結晶中では同様の現象が発生している。

基板の表面に成長したｎ型窒化物半導体層の表面に多数の結晶欠陥があると、その欠陥がｎ型層の表面に成長するクラッド層、活性層等、全ての半導体層に受け継がれ、素子構造全体に悪影響を及ぼすという問題がある。結晶欠陥の多い素子は、例えば上記のような発光ダイオードとした場合に、発光出力、寿命等の素子性能に悪影響を及ぼすという欠点がある。

基板の表面にまずｎ型窒化物半導体層を成長させるにあたり、結晶欠陥の少ないｎ型結晶を成長させることが非常に重要であり、それを実現できれば、そのｎ型結晶の上に成長させるクラッド層、活性層等の結晶欠陥が少なくなるので、窒化物半導体より成るあらゆる素子の性能を向上させることができる。従って、本発明はこのような事情を鑑みなされたものであり、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法等の気相成長法により、完全に格子整合していない基板の表面にｎ型窒化物半導体層を成長させる際に、そのｎ型窒化物半導体層の格子欠陥を少なくして成長させたｎ型窒化物半導体を用いた発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦１）、もしくはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜b≦１）、または組成の異なるＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）の薄膜を積層した多層膜の内のいずれか一種類を含む第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を、第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、第３のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とで挟んだ構造を有するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を、基板と活性層との間に有するダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が特徴である。

また請求項２の発光素子は、前記活性層がＩｎＧａＮからなることを特徴とし、請求項３は、前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体層と、第３の窒化ガリウム系化合物半導体層とが同一組成を有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明の発光素子では、基板上に結晶欠陥の少ないｎ型窒化物半導体層を有している。従って本発明は、格子整合する基板を有していない窒化物半導体発光素子にとって、結晶欠陥の少ない結晶を積層しているので、受光素子等の電子デバイスにも応用でき、非常に有用である。

［作用］
ｎ型窒化物半導体層の中に、組成の異なる第２の窒化物半導体層を形成すると、第２の窒化物半導体が緩衝層、即ちバッファ層として作用するので、バッファ層で結晶欠陥を緩和できると考えられる（以下本明細書において、第２の窒化物半導体層を第２のバッファ層という）。詳しく述べると、ｎ型窒化物半導体層が基板上に成長される場合、基板と窒化物半導体とのミスマッチが大きいため、成長中に図２の破線に示すような結晶欠陥が結晶中に発生する。ところが、成長させようとするｎ型窒化物半導体層と組成の異なる第２のバッファ層を中間層として介在させることにより、ｎ型窒化物半導体層の連続した結晶欠陥が、組成が異なる第２のバッファ層で一時的に止まる。次に、第２のバッファ層の表面にｎ型窒化物半導体を成長させる際は、その第２のバッファ層がミスマッチの少ない基板のような作用をするため、第２のバッファ層の上に成長させるｎ型窒化物半導体の結晶性がよくなると推察される。

第２のバッファ層は一層以上形成すればよく、その一層あたりの膜厚は１０オングストローム（０．００１μｍ）以上、１μｍ以下、さらに好ましくは０．００１μｍ以上、０．１μｍ以下の範囲に調整することが望ましい。０．００１μｍよりも薄いと、結晶欠陥を第２のバッファ層で結晶欠陥を止めることが困難となる傾向にある。また１μｍよりも厚いと第２のバッファ層から新たな結晶欠陥が発生しやすくなる傾向にあるからである。この第２のバッファ層はまた、一層の膜厚が数十オングストロームで、それを２層以上積層した多層膜とすることもできる。

第２のバッファ層はＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦１）、もしくはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜b≦１）、または組成の異なるＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦b≦１）の薄膜を積層した多層膜であることが望ましい。さらに好ましくはａ値が０．５以下のＩｎ_aＧａ_1-aＮか、またはｂ値が０．５以下のＡｌ_bＧａ_1-bＮを成長させる。なぜなら、窒化物半導体では四元混晶の半導体層よりも、前記のような三元混晶の方が結晶性がよい。その中でも三元混晶のＩｎ_aＧａ_1-aＮ、ＡｌbＧａ_1-bＮにおいて、ａ値、およびｂ値を前記範囲に調整したバッファ層が、さらに結晶性のよいものが得られるため、第２のバッファ層の結晶欠陥が少なくなり、第２のバッファ層の上に成長するｎ型窒化物半導体層の結晶欠陥が少なくなる。さらに、第２のバッファ層を多層膜とすると結晶欠陥を非常によく止めることができる。最も好ましい組み合わせは、ｎ型窒化物半導体層がｎ型ＧａＮ（ＧａＮが最も格子欠陥が少ない。）、第２のバッファ層がｎ型Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）か、若しくはｎ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜b≦０．５）か、または組成の異なるＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦b≦１）の薄膜を積層した多層膜（超格子）である。

さらに、第２のバッファ層の電子キャリア濃度は先に形成したｎ型窒化物半導体層とほぼ同一か、またはそれより大きく調整することが望ましい。図３および図４は本発明の方法により得られたｎ型窒化物半導体層３”の上に、ｎクラッド層４'、活性層５'、ｐクラッド層６'、ｐコンタクト層７'を積層して実際の発光素子として、その発光素子の構造を断面図でもって示した図である。図３は、第２のバッファ層３３が、負電極形成用のｎ型層のエッチング面よりも活性層５'側にあるのに対し、図４は第２のバッファ層３３がエッチング面よりも基板１'側に形成された点で異なっている。例えば、図３に示すような発光素子を実現した場合、つまり第２のバッファ層３３の位置が、負電極を形成すべきエッチング面よりも活性層側に近い位置にあるような素子を実現した場合、第２のバッファ層３３の電子キャリア濃度がｎ型層３'よりも小さいと、第２のバッファ層でｎからｐへ供給される電子が阻止されて、ｎ型層からｐ層に電流が流れにくくなり、素子の性能が悪くなる。逆に、第２のバッファ層３３の電子キャリア濃度がｎ型層３よりも大きいと、電子は第２のバッファ層３３に均一に広がりやすくなるので、均一な発光を得ることができる。一方、図４のような素子であると、第２のバッファ層３３の電子キャリア濃度は小さくても、電流は電子キャリア濃度の大きいｎ型層３”の方を流れるので、発光素子の特性にはほとんど影響がないが、逆に第２のバッファ層３３の電子キャリア濃度が大きい場合は、電流は第２のバッファ層３３の方に流れやすくなって、均一な発光が得られる。従って、第２のバッファ層３３の電子キャリア濃度は先に形成したｎ型窒化物半導体層とほぼ同一か、またはそれより大きく調整することが好ましい。

ｎ型窒化物半導体層を５μｍよりも厚く成長させることにより、表面に到達する結晶欠陥を少なくすることもできる。図２において、破線がｎ型層の中間で止まっているのは、結晶欠陥が途中で止まっていることを示している。この途中で止まっている結晶欠陥について、さらによく研究してみると、ｎ型窒化物半導体層が基板からおよそ４μｍぐらいで止まるものが多いことを新たに見いだした。そこで、同一材料を連続して成長中であれば、結晶欠陥を成長中に次第に止めることが可能であるので、５μｍ以上でｎ層を成長させることにより、ｎ層の表面にまで到達する結晶欠陥を少なくすることができる。さらに好ましいｎ型窒化物半導体層の厚さは７μｍ以上である。

本発明において、基板上に成長されているｎ型窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）は、Y値が０≦Y≦０．５の範囲のＡｌ_YＧａ_1-YＮ、さらに好ましくは０．３以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮ、最も好ましくはY＝０のＧａＮを成長させる。なぜなら、前記のように四元混晶の窒化物半導体より、三元混晶の窒化物半導体の方が結晶欠陥が少ないからである。さらに、発光素子、受光素子等の電子デバイスとしてｎ型窒化物半導体を利用する際には、まず基板上に成長させるｎ型窒化物半導体は、バンドギャップの小さいＩｎＧａＮよりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＮ、ＧａＮの方がシングルへテロ、ダブルへテロ等種々の構造を実現する上で好都合であるからである。その中でも、特にＡｌＧａＮはＡｌを含有させるほど結晶欠陥が多くなる傾向にあり、ＧａＮが最も結晶欠陥の少ないｎ型窒化物半導体層を成長できる傾向にある。

基板にはサファイア、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＳｉＣ等の材料が使用できるが、一般的にはサファイアを用いる。サファイアを基板とする場合には、基板にはバッファ層を成長させることが好ましいが、サファイア基板の面方位によってはバッファ層無しでも成長可能である。好ましくバッファ層を成長させることにより、格子欠陥を計測できるような平滑で鏡面状のｎ型窒化物半導体の結晶を得ることができる。また、窒化物半導体をｎ型にするにはノンドープの状態で、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｃ等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにより実現可能である。

以下、ＭＯＶＰＥ法による本発明の方法を詳説する。

（１）まず、よく洗浄したサファイア基板を反応容器内のサセプターの上に設置する。容器内を真空排気した後、水素ガスを容器内に流しながら、基板を１０５０℃で約２０分間加熱し表面の酸化物を除去して、基板のクリーニングを行う。その後サセプターの温度を５００℃に調整し、５００℃においてＧａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウムガス）、Ｎ源としてアンモニアガスを基板の表面に流しながら、ＧａＮよりなるバッファ層を０．０２μｍの膜厚で成長させる。

（２）次に、ＴＭＧガスを止め、温度を１０５０℃まで上昇させた後、ＴＭＧガス、ＳｉＨ₄ガスを流し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を２μｍの膜厚で成長させる。

（３）次に、ＴＭＧガス、ＳｉＨ₄ガスを止め温度を８００℃にする。８００℃になったらキャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＳｉＨ₄ガスを流し、第２のバッファ層としてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を０．０１μｍの膜厚で成長させる。

（４）Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層成長後、再度温度を１０５０℃まで上昇させ、キャリアガスを水素に戻してＴＭＧガスおよびＳｉＨ₄ガスを流し、同様にしてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を２μｍの膜厚で成長させる。なお第２のバッファ層のキャリア濃度とこのｎ型ＧａＮ層のキャリア濃度はほぼ同一とした。

成長後、基板を反応容器から取り出し、最上層のｎ型ＧａＮ層の表面をＴＥＭで測定し、そのＴＥＭ像より、単位面積あたりの結晶欠陥の数を計測したところ、およそ１×１０⁴個／cm²であった。

（２）および（４）のｎ型窒化物半導体層の工程において、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＳｉＨ⁴ガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層をそれぞれ２μｍの膜厚で成長させて第２のバッファ層を挟む構造とする他は、実施例１と同様に行う。その結果、同様にして計測したところ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層表面に達している結晶欠陥の数はおよそ５×１０⁵個／cm²であった。なお、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層の電子キャリア濃度は第２のバッファ層とほぼ同一とした。

（２）のｎ型窒化物半導体層の工程と同様にしてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を１μｍの膜厚で成長させる。次に（３）の第２のバッファ層の工程と同様にして、第２のバッファ層としてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、（４）のｎ型窒化物半導体層の工程と同様にして同じくＳｉドープｎ型ＧａＮ層を１μｍの膜厚で順に成長させる。

さらに、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層の上に（３）の工程と同様にして、第３のバッファ層としてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５０オングストロームの膜厚でもう一度成長させた後、最後に（４）の工程と同様にしてＳｉドープＧａＮ層を２μｍの膜厚で成長させる。つまり実施例３では、サファイア基板の表面にＧａＮバッファ層２００オングストローム、ｎ型ＧａＮ層１μｍ、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２バッファ層５０オングストローム、ｎ型ＧａＮ層１μｍ、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ第３バッファ層５０オングストローム、ｎ型ＧａＮ層２μｍを順に積層した。

その結果、最終層のＳｉドープｎ型ＧａＮ層の表面に達している結晶欠陥の数はおよそ１×１０⁴個／cm²であった。なお第２のバッファ層と第３のバッファ層とＳｉドープｎ型ＧａＮ層との電子キャリア濃度はほぼ同一とした。

（３）の第２のバッファ層の工程において、成長温度を変化させずＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＳｉＨ₄ガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を０．０１μｍの膜厚で成長させて第２のバッファ層を形成する他は、実施例１と同様に行う。その結果、同様にして計測したところ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層表面に達している結晶欠陥の数はおよそ１×１０⁴個／cm²であった。なお、第２のバッファ層の電子キャリア濃度はＳｉドープｎ型ＧａＮ層とほぼ同一とした。

（３）の第２のバッファ層の工程において、成長温度を変化させずＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ₄ガスを用い、まずＳｉドープｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＡガスを止め、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ５回繰り返し、３０オングストロームのＳｉドープｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層と、３０オングストロームのｎ型ＧａＮ層とをそれぞれ交互に５層づつ積層した多層膜を形成する。以上のようにして第２のバッファ層を形成する他は、実施例１と同様に行う。その結果、格子欠陥を同様にして計測したところ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層表面に達している結晶欠陥の数はおよそ５×１０³個／cm²であった。なお、第２のバッファ層である多層膜の電子キャリア濃度は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層とほぼ同一とした。

実施例２の工程において、第２のバッファ層としてＳｉドープｎ型Ａｌ0.1ＧａＧａ0.9Ｎを０．０１μｍの膜厚で成長させる他は同様にして、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を成長させた。その結果、最表面のｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層に達していた格子欠陥の数はおよそ１×１０⁵／cm2であった。なおこの実施例の電子キャリア濃度もほぼ同一とした。
［比較例１］

実施例１において、第２のバッファ層を成長させず、連続してＳｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍの膜厚で成長させたところ、ｎ型ＧａＮ層の表面に達した結晶欠陥の数はおよそ１×１０⁷個／cm²であった。

実際の発光素子の構造とした実施例を示す。実施例１の（４）の工程の後に以下の工程を加えた。

（５）Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層成長後、新たにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを加え、同じく１０５０℃で、ｎクラッド層としてＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を０．１μｍの膜厚で成長させる。

（６）ｎクラッド層成長後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ4ガスを止め、再び温度を８００℃に設定して、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄ガスに加えてＤＥＺ（ジエチルジンク）を流し、活性層としてＳｉおよびＺｎドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を０．１μｍの膜厚で成長させる。

（７）活性層成長後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄、ＤＥＺガスを止め、温度を１０５０℃にした後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを流し、ｐクラッド層としてＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を０．１μｍの膜厚で成長させる。

（８）ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層成長後、ＴＭＡガスを止め、同じく１０５０℃でｐコンタクト層としてＭｇドープｐ型ＧａＮ層を０．３μｍの膜厚で成長させる。

（９）以上のようにして得た素子のエッチングを行い、第２のバッファ層の次に成長したｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐコンタクト層と、露出したＳｉドープｎ型ＧａＮ層とに電極を形成した。つまり図４に示すような構造の発光ダイオード素子とした。さらにこの素子をリードフレームに取り付け、樹脂でモールドした。この発光ダイオードは２０ｍＡにおいてＶｆ３．６Ｖ、発光波長４５０ｎｍであり、光度３．０ｃｄ、発光出力は３．５ｍＷであった。
［比較例２］

比較例１で成長させたＳｉドープＧａＮ層の上に、実施例７と同一の工程を行い、図１に示すような構造の発光ダイオード素子としたところ、この発光ダイオードは２０ｍＡにおいてＶｆ３．６Ｖ、発光波長４５０ｎｍであったが、光度は１．０ｃｄであり、発光出力は１．２ｍＷしかなかった。

このように本発明の発光素子では、結晶欠陥の少ないｎ型層を有しているので、その上に積層するクラッド層、活性層等の結晶欠陥が少なくなる。特に活性層の膜厚は約０．２μｍ以下と薄いため、結晶欠陥の少ない結晶を成長させることは非常に重要である。従って、結晶欠陥の少ない結晶を成長できたことにより、従来の光度１ｃｄ以上の光度を有し、発光出力に優れた発光ダイオード素子を実現できる。

（１）実施例１の（１）の工程と同様にしてサファイア基板の表面にＧａＮよりなるバッファ層を０．０２μｍの膜厚で成長させる。

（２）実施例１の（２）の工程と同様にして、バッファ層の上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を１０μｍの膜厚で成長させる。

成長後、基板を反応容器から取り出し、ｎ型ＧａＮ層表面をＴＥＭで測定し、そのＴＥＭ像より、単位面積あたりの結晶欠陥の数を計測したところ、およそ１×１０⁵個／cm²であった。

Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層の膜厚を５μｍとする他は実施例５と同様にして結晶成長を行ったところ、ｎ型ＧａＮ層表面の結晶欠陥の数はおよそ５×１０⁶個であった。

実施例５の（２）の工程において、実施例２の（２）と同様にしてＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を連続して１０μｍの厚さで成長させる他は同様にして結晶成長を行ったところ、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層表面の結晶欠陥の数は、およそ３×１０⁶個／cm²であった。

実施例５で得られたＳｉドープＧａＮ層の上に実施例７と同様にして、ｎクラッド層、活性層、ｐクラッド層、ｐコンタクト層を積層して、同様にして発光ダイオードとしたところ、その特性は実施例７のものとほぼ同等であった。

本発明は発光ダイオード、レーザダイオード等の電子デバイスに使用されるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１、以下窒化ガリウム系化合物半導体を窒化物半導体という。）の結晶を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

従来の発光ダイオード素子の一構造を示す模式断面図。 基板の表面にＡｌＮバッファ層を介してｎ型ＧａＮ層を成長した際の結晶の構造を示す模式断面図。 本発明のｎ型窒化物半導体層を有する発光ダイオード素子の一構造を示す模式断面図。 本発明のｎ型窒化物半導体層を有する発光ダイオード素子の一構造を示す模式断面図。

符号の説明

１、１’・・・基板 ２、２'・・・バッファ層
３、３'、３”・・・ｎ型窒化物半導体層 ４、４'・・・ｎ型クラッド層
５、５'・・・活性層 ６、６'・・・ｐクラッド層
７、７'・・・ｐコンタクト層
３３・・・第２のバッファ層（第２の窒化物半導体層）

Claims (3)

1. Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦１）、もしくはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜b≦１）、または組成の異なるＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）の薄膜を積層した多層膜の内のいずれか一種類を含む第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を、第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、第３のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とで挟んだ構造を有するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を、基板と活性層との間に有するダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. 前記活性層がＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. 前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体層と、第３の窒化ガリウム系化合物半導体層とが同一組成を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
   

Images