JP3620292B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１‐Ｘ‐ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラー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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造の活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮ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。
【０００３】
また、本出願人はこの材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍの発振を世界で初めて発表した（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ７４、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ２１７等）。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ）の活性層を有するダブルヘテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／ｃｍ２、４１０ｎｍの発振を示す。また、本出願人は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。（例えば、日経エレクトロニクス１９９６年１２月２日号技術速報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）３０３４−、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６‐等）、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように窒化物半導体はＬＥＤで既に実用化され、ＬＤでは数十時間ながら連続発振にまで至っているが、ＬＥＤを例えば照明用光源、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さらに出力の向上が求められている。またＬＤでは閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ、ＤＶＤ等の光源に実用化するためには、よりいっそうの改良が必要である。また前記ＬＥＤ素子は２０ｍＡにおいてＶｆが３．６Ｖ近くある。Ｖｆをさらに下げることにより、素子の発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、主としてＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体素子の出力を向上させると共に、Ｖｆ、閾値電圧を低下させて素子の信頼性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする。
また、本発明の第１の窒化物半導体素子において、前記超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
【０００６】
本発明の第２の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする。
本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
本発明に係る第１と第２の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましく、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第１と第２の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【０００７】
本発明に係る第３の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする。
本発明に係る第３の窒化物半導体素子では、前記超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る第４の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする。
本発明に係る第４の窒化物半導体素子では、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
本発明に係る第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましい。
前記第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有するとともに、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有することを特徴とする。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一形態の窒化物半導体素子は、基板と活性層の間に、基板側から順に、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物を含み超格子構造よりなるｎ導電型の第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第３の窒化物半導体層を有し、前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることを特徴とする。
なお超格子構造とは膜厚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５０オングストローム以下の窒化物半導体層を多層膜構造に積層した構造を指すものとする。また、本明細書にいう超格子構造又は超格子層は、互いに組成の異なる層が積層された多層膜、及び互いに同一の組成を有し互いにｎ型不純物のドープ量が異なる層が積層された多層膜の双方を含むものである。さらに、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する（実質的なアンドープ）。
また本発明の窒化物半導体素子では、基板と前記第１の窒化物半導体層との間
に、第１の窒化物半導体層よりも低温で成長されるバッファ層を有していても良い。バッファ層は例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を４００℃〜９００℃において、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和、あるいは第１の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるための下地層として作用する。
第２の窒化物半導体層は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層を積層することにより構成することができ、その２種類の窒化物半導体層の間には別の窒化物半導体層を形成して積層するようにしてもよい。
この場合、該２種類の窒化物半導体層において、ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされていることが好ましい。以下、超格子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う。
【００１１】
また、第２の窒化物半導体層を、互いにバンドギャップエネルギーの異なる２種類の層を積層して形成する場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーが大きい方の層に多くドープしてもよいし、バンドギャップエネルギーが小さい方の層に多くドープしてもよい。
また、第２の窒化物半導体層を、互いにバンドギャップエネルギーの異なる２種類の層を積層して形成する場合、一方の層は不純物をドープしない状態、つまりアンドープとすることが好ましい。この場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーが大きい方の層にドープするようにしても良いし、バンドギャップエネルギーが小さい方の層にドープするようにしてもよい。
さらに、本発明において、前記第２の窒化物半導体層は、ｎ型不純物濃度が互いに異なる他は互いに同一組成を有する２種類の窒化物半導体層を積層して構成するようにしてもよい。この場合、前記２種類の窒化物半導体層のうち一方は、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層とすることが好ましい。
さらにまた、本発明の窒化物半導体素子では、第３の窒化物半導体層がアンドープであり、その膜厚が０．１μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、第３の窒化物半導体層の膜厚は５００オングストローム以下とし、さらに好ましくは２００オングストローム以下に調整する。この第３の窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定しないが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。第３の窒化物半導体層が超格子構造でないアンドープ単層である場合、抵抗率が通常１×１０-1Ω・ｃｍ以上と高いため、この層を０．１μｍよりも厚い膜厚で成長させると、逆にＶｆが低下しにくい傾向にある。また、この第３の窒化物半導体層をアンドープとすると窒化物半導体層の結晶性が良くなるために、その上部に成長させる活性層の結晶性も良くなり、出力が向上する。
【００１２】
本発明の一形態の発光素子では活性層と基板との間に少なくとも３層構造を有する窒化物半導体層を有している。まず第１の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む第２の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるためにアンドープ、若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層より少なくしている。この第１の窒化物半導体層はアンドープが最も好ましいが、第２の窒化物半導体層が超格子構造であるために、ｎ型不純物を第２の窒化物半導体層よりも少なくドープしても良い。ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを用いる。
【００１３】
次に第２の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む超格子構造のｎ型窒化物半導体としている。超格子構造とすると、その超格子層を構成する窒化物半導体層の各膜厚が弾性臨界膜厚以下となるために、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、この超格子層で基板から第１の窒化物半導体層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るため、超格子層の上に成長させる第３の窒化物半導体層の結晶性を良くすることができる。さらに特筆すべき作用としてはＨＥＭＴに類似した効果がある。
【００１４】
更に第２の窒化物半導体層は、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、この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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃度が異なる超格子構造を有していることが好ましい。超格子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、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する。１１００オングストロームよりも厚いと、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１０オングストローム以上が最も好ましい。さらに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ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦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ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜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、Ｇａを含まないＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜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ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）とし、中でも結晶性に優れた超格子を得る目的で、Ａｌ混晶比（Ｙ値）０．３以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．３）と、ＧａＮの組み合わせが最も好ましい。
【００１５】
第２の窒化物半導体層が、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超格子層にすると、超格子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。
【００１６】
さらに、この第２の窒化物半導体層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超格子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超格子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。
【００１７】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に２次元電子ガスができ、この２次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのへテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（２次元電子ガス）が蓄積する。この２次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおｐ側の変調ドープも同様に２次元正孔ガスの影響によると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【００１８】
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に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇのアクセプタ準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプタ準位の深さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしてもＧａＮでは１×１０１８／ｃｍ３程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮでは１×１０１７／ｃｍ３程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【００１９】
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／ｃｍ３、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３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、ＶＩＢ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、超格子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。
【００２０】
さらにまた超格子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層とで超格子層を形成した場合、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。これは前述した２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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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。また、作用は若干異なるが、ｐ層側に超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層の中心領域に、ｐ型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできるが、バンドギャップエネルギーの小さな方に不純物を多くドープした超格子では、その効果は少ない傾向にある。
【００２１】
また本発明の素子では第３の窒化物半導体層もアンドープ、若しくはｎ型不純濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない層とする。この層のｎ型不純物濃度を少なくするのは、超格子層の最上層の上に直接不純物を多く含む第３の窒化物半導体層を成長させると、その層の結晶性が悪くなる傾向があるので、第３の窒化物半導体層を結晶性良く成長させるためにｎ型不純物濃度を少なくし、最も好ましくはアンドープとする。第３の窒化物半導体層の組成は特に問うものではないが、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）、好ましくは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．５）を成長させることにより、第３の窒化物半導体の上に成長させる層のバッファ層として作用して、第３の窒化物半導体層から上の層を成長させやすくする。さらにアンドープ単層のような抵抗率の比較的高い層を活性層と第２の窒化物半導体層との間に介在させることにより、素子のリーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００２３】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセットし、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う。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２４】
（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２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２５】
（第１の窒化物半導体層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ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を５μｍの膜厚で成長させる。第１の窒化物半導体層はバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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、Ｘ値が０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ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。また膜厚は特に問うものではなく、バッファ層よりも厚膜で成長させ、通常０．１μｍ以上の膜厚で成長させる。この層はアンドープ層としたため真性半導体に近く、抵抗率は０．２Ω・ｃｍよりも大きいが、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を第２の窒化物半導体層よりも少なくドープして抵抗率を低下させた層としても良い。
【００２６】
（第２の窒化物半導体層４）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にて、ＴＭＡを追加しアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストローム成長させ、続いてシランガスを追加しＳｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を１０オングストロームの膜厚で成長させ、そしてＳｉを止めてアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、２０オングストロームのアンドープＧａＮ層からなるＡ層と、両端にアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストロームずつ有し、中央部にＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を有する２０オングストロームのＢ層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５０層積層して１μｍ厚として、超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層４を成長させる。
【００２７】
（第３の窒化物半導体層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。この第３の窒化物半導体層５もＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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、Ｘ値が０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ、またはＹ値が０．１以下のＩｎＹＧａ１−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。ＩｎＧａＮを成長させると、その上にＡｌを含む窒化物半導体を成長させる場合に、Ａｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。
【００２８】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層６を成長させる。なおこの層はＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する多重量子井戸構造としても良い。
【００２９】
（ｐ側クラッド層７）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロベ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Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるｐ側クラッド層７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはＹ値が０．３以下のＡｌＹＧａ１−ＹＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
また、ｐ側クラッド層７が超格子層であってもよく、ｐ側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。ｐ側層において超格子層となりうる層は特に限定されない。
【００３０】
（ｐ側コンタクト層８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎＸＡｌＹＧａｌ−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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く、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００３１】
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。
【００３２】
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８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に示すように第２の窒化物半導体層４の表面を露出させる。
【００３３】
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９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０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第２の窒化物半導体層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ２よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００３４】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮ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従来の緑色発光ＬＥＤに比較して、２０ｍＡにおけるＶｆを０．２〜０．４Ｖ低下させ、出力を４０％〜５０％向上させることができた。また、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して５倍以上であった。
【００３５】
［実施例２］
実施例１において第１の窒化物半導体層３を成長させる際に、Ｓｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＧａＮを３μｍの膜厚で成長させ、さらに第３の窒化物半導体層５を成長させる際にＳｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＧａＮとする他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１のものに比較して出力でおよそ１０％程低下したが、Ｖｆ、静電耐圧はほぼ同一の特性を有するＬＥＤが得られた。
【００３６】
［実施例３］
実施例１において第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、アンドープＧａＮ層よりなるＡ層を４０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３均一にドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層Ｂ層を６０オングストロームとを３００層ずつ交互に積層して、総膜厚３μｍの超格子構造とする他は同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００３７】
［実施例４］
図２は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザの共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示している。以下、この図を元に実施例４について説明する。
【００３８】
実施例１と同様にして、サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０の上に、２００オングストロームのＧａＮよりなるバッファ層２１、５μｍのアンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２２、２０オングストロームのアンドープＧａＮ層Ａ層と、両端部近傍（５オングストローム）がアンドープ、中央部（１０オングストローム）がＳｉドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＢ層とが積層されて総膜厚３μｍの超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層２３（第２の窒化物半導体層４の構成は実施例１と同一である。）を成長させる。
【００３９】
なお、サファイア基板の他、基板にはサファイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に第１のＧａＮ層を成長させ、その第１のＧａＮ層の上に、ＳｉＯ２等、窒化物半導体が表面に成長しにくい保護膜を部分的に形成し、さらにその保護膜を介して、前記第１のＧａＮ層の上に第２のＧａＮを成長させ、ＳｉＯ２の上に第２のＧａＮ層を横方向に成長させて、横方向で第２のＧａＮ層が繋がって第２のＧａＮ層を基板とした窒化物半導体基板を用いることが窒化物半導体の結晶性を良くする上で非常に好ましい。この窒化物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層を特に成長させる必要はない。
【００４０】
（第３の窒化物半導体層２４）
次に温度を８００℃にしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
（ｎ側クラッド層２５）
次に、１０５０℃にして、Ｓｉを１×１０ｌ９／ｃｍ３ドープしたｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、２０オングストロームと、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に２００層積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子構造とする。ｎ側クラッド層２５４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを含む超格子層とすることが望ましく、超格子層全体の膜厚を１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、２μｍ以下で成長させることが望ましい。さらにまた、このｎ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００４２】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側光ガイド層５は通常はＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の導電型とするが、特にアンドープにすることもできる。
【００４３】
（活性層２７）
次に、８００℃で、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。
【００４４】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、１０５０℃でバンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層８よりも大きく、かつ活性層６よりも大きい、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８はｐ型不純物をドープした層としたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Ｙ値が０．２以上のＡｌＹＧａｌ−ＹＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層７６の膜厚の下限は特に限定しないが、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。
【００４５】
（ｐ側光ガイド層２９）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層２８より小さい、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層２６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層３０を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。
【００４６】
（ｐ側クラッド層３０）
次に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を成長させる。この層はｎ側クラッド層２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子構造とすることによりｐ型層側の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層３０の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。このｐ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００４７】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、Ｍｇを２×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【００４８】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００４９】
リッジ形成後、図２に示すように、リッジストライプを中心として、そのリッジストライプの両側に露出したｐ側クラッド層３０をエッチングして、ｎ電極１１を形成する第２の窒化物半導体層２３の表面を露出させる、なお露出面は不純物濃度の大きい超格子層とする。
【００５０】
次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極３２を形成する。次に、図２に示すようにｐ電極３２を除くｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１の表面にＳｉＯ２よりなる絶縁膜３５を形成し、この絶縁膜３５を介してｐ電極３２と電気的に接続したｐパッド電極３３を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極３４を形成する。
【００５１】
電極形成後、ウェーハのサファイア基板の裏面を研磨して５０μｍ程度の厚さにした後、サファイアのＭ面でウェーハを劈開して、その劈開面を共振面としたバーを作製する。一方、ストライプ状の電極と平行な位置でバーをスクライブで分離してレーザ素子を作製する。そのレーザ素子形状が図２である。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、従来の３７時間連続発振した窒化物半導体レーザ素子に比較して、閾値電流密度は２．０ｋＡ／ｃｍ２近くにまで低下し、閾値電圧も４Ｖ近くになり、寿命は５００時間以上に向上した。
【００５２】
［実施例５］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４成長時に、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層を２０オングストロームと、アンドープのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層を２０オングストローム成長させて、このペアを２５０回成長させ、総膜厚１．０μｍ（１００００オングストローム）の超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層４を成長させる他は実施例１と同様にして行ったところ、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体素子では、アンドープ若しくは不純物濃度の小さい第１の窒化物半導体層と、不純物濃度の大きい超格子層よりなる第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくは不純物濃度の小さい第３の窒化物半導体層とを積層していることにより、Ｖｆの低いＬＥＤ、低閾値のレーザ素子が得られる。しかも第２の窒化物半導体層の抵抗率が小さいため、ｎ電極と第２の窒化物半導体層とで、容易にオーミック接触が得られ、Ｖｆ等が低下する。また本明細書ではＬＥＤ、レーザ素子について説明したが、本発明は受光素子、太陽電池の他、窒化物半導体の出力を用いたパワーデバイス等、窒化物半導体を用いたあらゆる素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るＬＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・基板、
２・・・バッファ層、
３、２２・・・第１の窒化物半導体層、
４、２３・・・第２の窒化物半導体層、
５、２４・・・第３の窒化物半導体層、
６・・・活性層、
７・・・ｐ側クラッド層、
８・・・ｐ側コンタクト層、
９・・・透光性ｐ電極、
１０・・・ｐパッド電極、
１１・・・ｎ電極、
１２・・・絶縁膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１‐Ｘ‐ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラー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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造の活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮ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。
【０００３】
また、本出願人はこの材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍの発振を世界で初めて発表した（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ７４、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ２１７等）。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ）の活性層を有するダブルヘテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／ｃｍ２、４１０ｎｍの発振を示す。また、本出願人は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。（例えば、日経エレクトロニクス１９９６年１２月２日号技術速報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）３０３４−、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６‐等）、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように窒化物半導体はＬＥＤで既に実用化され、ＬＤでは数十時間ながら連続発振にまで至っているが、ＬＥＤを例えば照明用光源、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さらに出力の向上が求められている。またＬＤでは閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ、ＤＶＤ等の光源に実用化するためには、よりいっそうの改良が必要である。また前記ＬＥＤ素子は２０ｍＡにおいてＶｆが３．６Ｖ近くある。Ｖｆをさらに下げることにより、素子の発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、主としてＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体素子の出力を向上させると共に、Ｖｆ、閾値電圧を低下させて素子の信頼性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする。
また、本発明の第１の窒化物半導体素子において、前記超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
【０００６】
本発明の第２の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする。
本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
本発明に係る第１と第２の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましく、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第１と第２の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【０００７】
本発明に係る第３の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする。
本発明に係る第３の窒化物半導体素子では、前記超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る第４の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする。
本発明に係る第４の窒化物半導体素子では、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
本発明に係る第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましい。
前記第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第３と第４の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有するとともに、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有することを特徴とする。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉであることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇであることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）であることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）であることが好ましい。
本発明に係る第５の窒化物半導体素子では、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一形態の窒化物半導体素子は、基板と活性層の間に、基板側から順に、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物を含み超格子構造よりなるｎ導電型の第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第３の窒化物半導体層を有し、前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることを特徴とする。
なお超格子構造とは膜厚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５０オングストローム以下の窒化物半導体層を多層膜構造に積層した構造を指すものとする。また、本明細書にいう超格子構造又は超格子層は、互いに組成の異なる層が積層された多層膜、及び互いに同一の組成を有し互いにｎ型不純物のドープ量が異なる層が積層された多層膜の双方を含むものである。さらに、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する（実質的なアンドープ）。
また本発明の窒化物半導体素子では、基板と前記第１の窒化物半導体層との間
に、第１の窒化物半導体層よりも低温で成長されるバッファ層を有していても良い。バッファ層は例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を４００℃〜９００℃において、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和、あるいは第１の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるための下地層として作用する。
第２の窒化物半導体層は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層を積層することにより構成することができ、その２種類の窒化物半導体層の間には別の窒化物半導体層を形成して積層するようにしてもよい。
この場合、該２種類の窒化物半導体層において、ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされていることが好ましい。以下、超格子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う。
【００１１】
また、第２の窒化物半導体層を、互いにバンドギャップエネルギーの異なる２種類の層を積層して形成する場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーが大きい方の層に多くドープしてもよいし、バンドギャップエネルギーが小さい方の層に多くドープしてもよい。
また、第２の窒化物半導体層を、互いにバンドギャップエネルギーの異なる２種類の層を積層して形成する場合、一方の層は不純物をドープしない状態、つまりアンドープとすることが好ましい。この場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーが大きい方の層にドープするようにしても良いし、バンドギャップエネルギーが小さい方の層にドープするようにしてもよい。
さらに、本発明において、前記第２の窒化物半導体層は、ｎ型不純物濃度が互いに異なる他は互いに同一組成を有する２種類の窒化物半導体層を積層して構成するようにしてもよい。この場合、前記２種類の窒化物半導体層のうち一方は、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層とすることが好ましい。
さらにまた、本発明の窒化物半導体素子では、第３の窒化物半導体層がアンドープであり、その膜厚が０．１μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、第３の窒化物半導体層の膜厚は５００オングストローム以下とし、さらに好ましくは２００オングストローム以下に調整する。この第３の窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定しないが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。第３の窒化物半導体層が超格子構造でないアンドープ単層である場合、抵抗率が通常１×１０-1Ω・ｃｍ以上と高いため、この層を０．１μｍよりも厚い膜厚で成長させると、逆にＶｆが低下しにくい傾向にある。また、この第３の窒化物半導体層をアンドープとすると窒化物半導体層の結晶性が良くなるために、その上部に成長させる活性層の結晶性も良くなり、出力が向上する。
【００１２】
本発明の一形態の発光素子では活性層と基板との間に少なくとも３層構造を有する窒化物半導体層を有している。まず第１の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む第２の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるためにアンドープ、若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層より少なくしている。この第１の窒化物半導体層はアンドープが最も好ましいが、第２の窒化物半導体層が超格子構造であるために、ｎ型不純物を第２の窒化物半導体層よりも少なくドープしても良い。ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを用いる。
【００１３】
次に第２の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む超格子構造のｎ型窒化物半導体としている。超格子構造とすると、その超格子層を構成する窒化物半導体層の各膜厚が弾性臨界膜厚以下となるために、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、この超格子層で基板から第１の窒化物半導体層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るため、超格子層の上に成長させる第３の窒化物半導体層の結晶性を良くすることができる。さらに特筆すべき作用としてはＨＥＭＴに類似した効果がある。
【００１４】
更に第２の窒化物半導体層は、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、この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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃度が異なる超格子構造を有していることが好ましい。超格子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、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する。１１００オングストロームよりも厚いと、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１０オングストローム以上が最も好ましい。さらに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ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦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ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜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、Ｇａを含まないＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜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ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）とし、中でも結晶性に優れた超格子を得る目的で、Ａｌ混晶比（Ｙ値）０．３以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．３）と、ＧａＮの組み合わせが最も好ましい。
【００１５】
第２の窒化物半導体層が、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超格子層にすると、超格子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。
【００１６】
さらに、この第２の窒化物半導体層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超格子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超格子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。
【００１７】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に２次元電子ガスができ、この２次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのへテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（２次元電子ガス）が蓄積する。この２次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおｐ側の変調ドープも同様に２次元正孔ガスの影響によると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【００１８】
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に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇのアクセプタ準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプタ準位の深さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしてもＧａＮでは１×１０１８／ｃｍ３程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮでは１×１０１７／ｃｍ３程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【００１９】
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／ｃｍ３、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３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、ＶＩＢ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、超格子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。
【００２０】
さらにまた超格子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層とで超格子層を形成した場合、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。これは前述した２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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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。また、作用は若干異なるが、ｐ層側に超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層の中心領域に、ｐ型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできるが、バンドギャップエネルギーの小さな方に不純物を多くドープした超格子では、その効果は少ない傾向にある。
【００２１】
また本発明の素子では第３の窒化物半導体層もアンドープ、若しくはｎ型不純濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない層とする。この層のｎ型不純物濃度を少なくするのは、超格子層の最上層の上に直接不純物を多く含む第３の窒化物半導体層を成長させると、その層の結晶性が悪くなる傾向があるので、第３の窒化物半導体層を結晶性良く成長させるためにｎ型不純物濃度を少なくし、最も好ましくはアンドープとする。第３の窒化物半導体層の組成は特に問うものではないが、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）、好ましくは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．５）を成長させることにより、第３の窒化物半導体の上に成長させる層のバッファ層として作用して、第３の窒化物半導体層から上の層を成長させやすくする。さらにアンドープ単層のような抵抗率の比較的高い層を活性層と第２の窒化物半導体層との間に介在させることにより、素子のリーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００２３】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセットし、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う。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２４】
（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２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２５】
（第１の窒化物半導体層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ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を５μｍの膜厚で成長させる。第１の窒化物半導体層はバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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、Ｘ値が０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ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。また膜厚は特に問うものではなく、バッファ層よりも厚膜で成長させ、通常０．１μｍ以上の膜厚で成長させる。この層はアンドープ層としたため真性半導体に近く、抵抗率は０．２Ω・ｃｍよりも大きいが、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を第２の窒化物半導体層よりも少なくドープして抵抗率を低下させた層としても良い。
【００２６】
（第２の窒化物半導体層４）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にて、ＴＭＡを追加しアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストローム成長させ、続いてシランガスを追加しＳｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を１０オングストロームの膜厚で成長させ、そしてＳｉを止めてアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、２０オングストロームのアンドープＧａＮ層からなるＡ層と、両端にアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストロームずつ有し、中央部にＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を有する２０オングストロームのＢ層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５０層積層して１μｍ厚として、超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層４を成長させる。
【００２７】
（第３の窒化物半導体層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。この第３の窒化物半導体層５もＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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、Ｘ値が０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ、またはＹ値が０．１以下のＩｎＹＧａ１−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。ＩｎＧａＮを成長させると、その上にＡｌを含む窒化物半導体を成長させる場合に、Ａｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。
【００２８】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層６を成長させる。なおこの層はＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する多重量子井戸構造としても良い。
【００２９】
（ｐ側クラッド層７）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロベ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Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるｐ側クラッド層７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはＹ値が０．３以下のＡｌＹＧａ１−ＹＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
また、ｐ側クラッド層７が超格子層であってもよく、ｐ側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。ｐ側層において超格子層となりうる層は特に限定されない。
【００３０】
（ｐ側コンタクト層８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎＸＡｌＹＧａｌ−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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く、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００３１】
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。
【００３２】
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８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に示すように第２の窒化物半導体層４の表面を露出させる。
【００３３】
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９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０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第２の窒化物半導体層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ２よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００３４】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮ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従来の緑色発光ＬＥＤに比較して、２０ｍＡにおけるＶｆを０．２〜０．４Ｖ低下させ、出力を４０％〜５０％向上させることができた。また、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して５倍以上であった。
【００３５】
［実施例２］
実施例１において第１の窒化物半導体層３を成長させる際に、Ｓｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＧａＮを３μｍの膜厚で成長させ、さらに第３の窒化物半導体層５を成長させる際にＳｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＧａＮとする他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１のものに比較して出力でおよそ１０％程低下したが、Ｖｆ、静電耐圧はほぼ同一の特性を有するＬＥＤが得られた。
【００３６】
［実施例３］
実施例１において第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、アンドープＧａＮ層よりなるＡ層を４０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３均一にドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層Ｂ層を６０オングストロームとを３００層ずつ交互に積層して、総膜厚３μｍの超格子構造とする他は同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００３７】
［実施例４］
図２は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザの共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示している。以下、この図を元に実施例４について説明する。
【００３８】
実施例１と同様にして、サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０の上に、２００オングストロームのＧａＮよりなるバッファ層２１、５μｍのアンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２２、２０オングストロームのアンドープＧａＮ層Ａ層と、両端部近傍（５オングストローム）がアンドープ、中央部（１０オングストローム）がＳｉドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＢ層とが積層されて総膜厚３μｍの超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層２３（第２の窒化物半導体層４の構成は実施例１と同一である。）を成長させる。
【００３９】
なお、サファイア基板の他、基板にはサファイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に第１のＧａＮ層を成長させ、その第１のＧａＮ層の上に、ＳｉＯ２等、窒化物半導体が表面に成長しにくい保護膜を部分的に形成し、さらにその保護膜を介して、前記第１のＧａＮ層の上に第２のＧａＮを成長させ、ＳｉＯ２の上に第２のＧａＮ層を横方向に成長させて、横方向で第２のＧａＮ層が繋がって第２のＧａＮ層を基板とした窒化物半導体基板を用いることが窒化物半導体の結晶性を良くする上で非常に好ましい。この窒化物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層を特に成長させる必要はない。
【００４０】
（第３の窒化物半導体層２４）
次に温度を８００℃にしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
（ｎ側クラッド層２５）
次に、１０５０℃にして、Ｓｉを１×１０ｌ９／ｃｍ３ドープしたｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、２０オングストロームと、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に２００層積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子構造とする。ｎ側クラッド層２５４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを含む超格子層とすることが望ましく、超格子層全体の膜厚を１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、２μｍ以下で成長させることが望ましい。さらにまた、このｎ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００４２】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側光ガイド層５は通常はＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の導電型とするが、特にアンドープにすることもできる。
【００４３】
（活性層２７）
次に、８００℃で、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。
【００４４】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、１０５０℃でバンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層８よりも大きく、かつ活性層６よりも大きい、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８はｐ型不純物をドープした層としたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Ｙ値が０．２以上のＡｌＹＧａｌ−ＹＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層７６の膜厚の下限は特に限定しないが、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。
【００４５】
（ｐ側光ガイド層２９）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層２８より小さい、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層２６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層３０を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。
【００４６】
（ｐ側クラッド層３０）
次に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を成長させる。この層はｎ側クラッド層２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子構造とすることによりｐ型層側の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層３０の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。このｐ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００４７】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、Ｍｇを２×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【００４８】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００４９】
リッジ形成後、図２に示すように、リッジストライプを中心として、そのリッジストライプの両側に露出したｐ側クラッド層３０をエッチングして、ｎ電極１１を形成する第２の窒化物半導体層２３の表面を露出させる、なお露出面は不純物濃度の大きい超格子層とする。
【００５０】
次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極３２を形成する。次に、図２に示すようにｐ電極３２を除くｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１の表面にＳｉＯ２よりなる絶縁膜３５を形成し、この絶縁膜３５を介してｐ電極３２と電気的に接続したｐパッド電極３３を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極３４を形成する。
【００５１】
電極形成後、ウェーハのサファイア基板の裏面を研磨して５０μｍ程度の厚さにした後、サファイアのＭ面でウェーハを劈開して、その劈開面を共振面としたバーを作製する。一方、ストライプ状の電極と平行な位置でバーをスクライブで分離してレーザ素子を作製する。そのレーザ素子形状が図２である。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、従来の３７時間連続発振した窒化物半導体レーザ素子に比較して、閾値電流密度は２．０ｋＡ／ｃｍ２近くにまで低下し、閾値電圧も４Ｖ近くになり、寿命は５００時間以上に向上した。
【００５２】
［実施例５］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４成長時に、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層を２０オングストロームと、アンドープのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層を２０オングストローム成長させて、このペアを２５０回成長させ、総膜厚１．０μｍ（１００００オングストローム）の超格子構造よりなる第２の窒化物半導体層４を成長させる他は実施例１と同様にして行ったところ、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体素子では、アンドープ若しくは不純物濃度の小さい第１の窒化物半導体層と、不純物濃度の大きい超格子層よりなる第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくは不純物濃度の小さい第３の窒化物半導体層とを積層していることにより、Ｖｆの低いＬＥＤ、低閾値のレーザ素子が得られる。しかも第２の窒化物半導体層の抵抗率が小さいため、ｎ電極と第２の窒化物半導体層とで、容易にオーミック接触が得られ、Ｖｆ等が低下する。また本明細書ではＬＥＤ、レーザ素子について説明したが、本発明は受光素子、太陽電池の他、窒化物半導体の出力を用いたパワーデバイス等、窒化物半導体を用いたあらゆる素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るＬＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・基板、
２・・・バッファ層、
３、２２・・・第１の窒化物半導体層、
４、２３・・・第２の窒化物半導体層、
５、２４・・・第３の窒化物半導体層、
６・・・活性層、
７・・・ｐ側クラッド層、
８・・・ｐ側コンタクト層、
９・・・透光性ｐ電極、
１０・・・ｐパッド電極、
１１・・・ｎ電極、
１２・・・絶縁膜。
Claims (20)
- 基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉである請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉである請求項３に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）である請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）である請求項５に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮである請求項１乃至６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇである請求項８に記載の窒化物半導体素子。
- 基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇである請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）である請求項８乃至１１のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）である請求項１２に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮである請求項８乃至１３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 基板上に、活性層と、該活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、該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バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層された超格子層を有し、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が不純物濃度が大きいとともに、
前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体であり、
さらに前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物濃度が前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層よりも少ない窒化物半導体層を有するとともに、前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層と前記活性層との間に、アンドープか若しくは不純物を含み、膜厚が２００オングストローム以上１μｍ以下の窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記ｎ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｎ型不純物となるＳｉである請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
- 前記ｐ型窒化物半導体層側の超格子層の不純物は、ｐ型不純物となるＭｇである請求項１５または１６に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）である請求項１５乃至１７のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、Ａｌ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）もしくはＩｎ Ｚ Ｇａ １−Ｚ Ｎ（０≦Ｚ＜１）である請求項１８に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層は、ＧａＮである請求項１５乃至１９のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
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