JP3622562B2 - 窒化物半導体発光ダイオード - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、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、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使用される窒化物半導体（例えば、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）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、若しくは多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を包含する活性層と、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、本出願人は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997）。
【０００４】
このように窒化物半導体発光デバイスにはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造が採用されている。しかし活性層を多重量子井戸構造とすると、単一量子井戸構造のものに比較して、活性層全体の膜厚が厚いため、縦方向の直列抵抗が高くなり、例えばＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）が高くなる傾向にある。
【０００５】
Ｖｆを低下させる技術とほぼ同じ技術内容として、例えば特開平９−２９８３４１号に活性層よりも上にあるｐ側の光導波層、コンタクト層等をＩｎＡｌＧａＮ層を含む超格子層とするレーザ素子が記載されている。この技術はｐ型の窒化物半導体層をＩｎを含む窒化物半導体層を含む超格子構造とすることによって、ｐ層のキャリア濃度を増加させ、レーザ素子の閾値を低減させようとするものである。しかし、現実にはＩｎＡｌＧａＮのような４元混晶の窒化物半導体は結晶性が悪く、またＩｎを含む窒化物半導体はｐ型になりにくいため、実際に素子を作製することは難しい傾向にある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、ＬＥＤ素子を照明用光源、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、Ｖｆが低下した発光効率の高い素子が求められている。またＬＤの閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ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。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、閾値を低下させて素子の発光効率を向上させることにある。発光効率が向上することにより、ひいては受光素子等の窒化物半導体を用いた他の電子デバイスの効率も向上させることができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、前記ｎ側の窒化物半導体層には、ｎ電極が形成されるｎ側コンタクト層上に、アンドープのＩｎ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ＜１）からなる第１の窒化物半導体層と、アンドープＩｎ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）からなる第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層を有することを特徴とする。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膜厚が１００オングストローム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。なお、活性層は少なくともＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが望ましい。
【０００８】
第１の窒化物半導体層はＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体層はＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１、Y＜X）、好ましくはＧａＮとすることが最も好ましい。
【０００９】
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ることを特徴とする。即ち、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。
【００１０】
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を特徴とする。即ち、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。
【００１１】
ｎ側多層膜層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。
【００１２】
また、本発明の第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を特徴とする。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。
【００１５】
さらに本発明の好ましい態様として、前記ｐ側の窒化物半導体層には、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側多層膜層を有し、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒化物半導体の層の内の少なくとも一方の膜厚が１００オングストローム以下であることを特徴とする。好ましくは第３の窒化物半導体層、および第４の窒化物半導体層の両方を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。
【００１６】
第３の窒化物半導体層はＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）とし、前記第４の窒化物半導体層はＩｎbＧａ1-bＮ（０≦b＜１、b＜a）、好ましくはＧａＮとする。
【００１７】
さらに、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４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３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層同士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第３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３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３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。
【００１８】
さらにまた、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４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３の窒化物半導体層または第４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を特徴とする。即ち、第３の窒化物半導体層または第４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３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３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。
【００１９】
ｐ側多層膜層は、ｎ側多層膜層と同じく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。
【００２０】
また、本発明の第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層がアンドープであることを特徴とする。ｐ側の多層膜層をアンドープとする場合、その膜厚は０．１μｍ以下にすることが望ましい。０．１μｍよりも厚いと、活性層に正孔が注入されにくくなって、出力が低下しやすい傾向にある。なお、アンドープの定義についてはｎ側多層膜層と同じであるので省略する。
【００２１】
さらに第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層のいずれか一方に、ｐ型不純物がドープされていてもよい。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ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のII族元素を好ましく選択し、好ましくは、Ｍｇ、Ｂｅを用いる。
【００２２】
また第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物がドープされていてもよい。ｐ型不純物をドープする場合、不純物濃度は１×１０22／cm3以下、好ましくは５×１０20／cm3以下に調整する。１×１０22／cm3よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
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る。このＬＥＤ素子はサファイア基板１の上に、ＧａＮよりなる第１のバッファ層２、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層３、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４、アンドープＧａＮ層よりなる第３のバッファ層５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｎ側多層膜層６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｐ側多層膜層８、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層９が順に積層された構造を有する。
【００２４】
本発明の窒化物半導体素子では、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側多層膜層６を有している。ｎ側多層膜層において、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側多層膜層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側多層膜層の積層順序は特に問うものではない。なお、図１ではｎ側多層膜層６が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層と活性層との間に、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１００オングストローム以下、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。
【００２５】
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ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）とし、さらに好ましくはX値が０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮ、最も好ましくはX値が０．１以下のＩｎXＧａ1-XＮ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X値が０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮ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。
【００２６】
好ましい態様として、第１および第２の窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下、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にする。単一窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム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７０オングストローム以下にすることによって、多層膜層が超格子構造となり、この結晶性の良い超格子構造の上に活性層を成長させると、多層膜層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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ようにすることも望ましい。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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに本発明の態様では、ｐ側窒化物半導体層側に、図１に示すように、活性層７を挟んで上部にあるｐ側窒化物半導体層に、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されたｐ側多層膜層８を有している。ｐ側多層膜層８において、ｎ側の多層膜層６と同様に第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層それぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で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。さらに、ｐ側にも多層膜層を設ける場合、ｎ側の多層膜層よりも膜厚を薄くする方が、素子のＶｆ、閾値が低下しやすくなる傾向にある。ｐ側多層膜層が活性層に接して形成されている場合、活性層の最終層（井戸層、若しくは障壁層）と接するｐ側多層膜層は第３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層いずれでも良い。なお、図１ではｐ側多層膜層８が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層８と活性層７との間に、他の窒化物半導体よりなる層を有していても良い。
【００３１】
さらにまた、第３、または第４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３、または第４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３の窒化物半導体層をＡｌＧａＮとし、第４の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＡｌＧａＮ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を変化させることができるため、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、光閉じ込め層を必要とする素子においては、この多層膜層で導波路、閉じ込め層を兼用して、レーザ光のモードを調整できる。
【００３２】
また、第３、または第４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３、または第４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ようにすることも望ましい。例えば、第１の窒化物半導体層をＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ層のＡｌ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Ａｌ組成が増加するに従い、屈折率は小さくなる。従って目的に応じて、これら組成傾斜した層をｐ層側に配することができる。
【００３３】
第３の窒化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＡｌaＧａ1-aＮ（０＜X＜１）とし、最も好ましくはａ値が０．５以下のＡｌaＧａ1-aＮとする。０．５を超えると結晶性が悪くなってクラックが入りやすい傾向にある。一方、第４の窒化物半導体層は第３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４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小さい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３の窒化物半導体層がａ値が０．５以下のＡｌaＧａ1-aＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００３４】
さらに、第３の窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下、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にする。同様に第４の窒化物半導体層の膜厚も１００オングストローム以下、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とする。このように単一窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下とすることにより、窒化物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長でき、また窒化物半導体層の結晶性が良くなるので、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さいｐ層が得られ、素子のＶｆ、閾値等が低下しやすい傾向にある。
【００３５】
第３の窒化物半導体層および第４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ｐ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ｐ型不純物がドープされていてもよい。キャリア濃度の高いｐ層を得るには、変調ドープが最も好ましい。なお、先にも述べたようにアンドープとした場合にはその膜厚は０．１μｍ以下、好ましくは７００オングストローム以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下にする。０．１μｍを超えると、アンドープ層の抵抗値が高くなる傾向にあるからである。両方にｐ型不純物をドープする場合、第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度と、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は異なっていても良い。
【００３６】
【実施例】
［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（ＭｇＡ１2Ｏ4）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。
【００３７】
（第１のバッファ層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。なおこの低温で成長させる第１のバッファ層２は基板の種類、成長方法等によっては省略できる。
【００３８】
（第２のバッファ層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２のバッファ層３を１μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層は先に成長させた第１の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。
【００３９】
（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３×１０19／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層を３μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層４も第２のバッファ層３と同様に、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。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１μｍ以上の膜厚で成長させることが望ましい。さらにｎ型不純物濃度は窒化物半導体の結晶性を悪くしない程度に高濃度にドープすることが望ましく、１×１０18／cm3以上、５×１０21／cm3以下の範囲でドープすることが望ましい。
【００４０】
（第３のバッファ層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のバッファ層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。この第３のバッファ層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。このアンドープＧａＮ層を成長させることにより、高濃度で不純物をドープしたｎ側コンタクト層４の上に直接活性層を成長させるのと異なり、下地の結晶性が良くなるため、次に成長させる窒化物半導体を成長しやすくする。このように、アンドープの窒化物半導体層よりなる第２のバッファ層３の上に、高濃度でｎ型不純物をドープした窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層４、次にアンドープの窒化物半導体（ｎ側多層膜層も含む。）よりなる第３のバッファ層５を積層した３層構造とすると、ＬＥＤ素子にした場合にＶｆが低下しやすい傾向にある。なおｎ側多層膜層６をアンドープにする場合は第３のバッファ層５を省略することができる。
【００４１】
（ｎ側多層膜層６）
次に、温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、続いて温度を上昇させ、その上にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に１０層づつ積層した超格子構造よりなるｎ側多層膜を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４２】
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、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Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストローム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４層交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。活性層７は障壁層から積層したが、積層順は井戸層から積層して、井戸層で終わってもよく、また井戸層から積層して障壁層で終わる場合、障壁層から積層して井戸層で終わっても良く積層順は特に問わない。井戸層の膜厚としては１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下に調整する。１００オングストロームよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。一方、障壁層の厚さは３００オングストローム以下、好ましくは２５０オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整する。
【００４３】
（ｐ側多層膜層８）
次に、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５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止めアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストローム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４層ずつ積層した超格子よりなるｐ側多層膜層８を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４４】
（ｐ側コンタクト層９）
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７００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８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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、Ｖｆは３．２Ｖしかなく、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、Ｖｆで０．８Ｖ近く低下し、出力は２倍以上に向上した。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同等の特性を有するＬＥＤが得られた。
【００４９】
本実施例において、ｎ側多層膜層を構成する第２の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくはＩｎ組成が第１の窒化物半導体よりも小さいＩｎＧａＮで構成することもできる。またｐ側多層膜層を構成する第４の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくは第３の窒化物半導体よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮで構成することもできる。
【００５０】
なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、ＧａＮよりなる第１のバッファ層の上に、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層したものである。
【００５１】
［実施例２］
図２は実施例２に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。このＬＥＤ素子は、実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じく２０ｍＡにおいて、Ｖｆは３．３Ｖと非常に良好な値を示し、出力も１．８倍以上に向上した。
【００５２】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長する際に、第２の窒化物半導体層のみを、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮとする。また、ｐ側多層膜層を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームで成長させる他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５３】
［参考例１］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長する際に、第１の窒化物半導体層をＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.03Ｇａ0.97層とし、第２の窒化物半導体層を、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮとする。また、ｐ側多層膜層を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’とする他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製したところ、２０ｍＡにおいてＶｆは３．４Ｖ、出力は従来のものに比較して、１．５倍以上と優れた特性を示した。
【００５４】
［実施例５］
実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を成長する際に、第４の窒化物半導体層にＭｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ層を成長させる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５５】
［実施例６］
実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を成長する際に、アンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームと、アンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームとでそれぞれ２層づつ交互に積層して総膜厚１００オングストロームとする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例４とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５６】
［実施例７］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を５０オングストローム成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。続いてアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を４５オングストローム成長させ、続いてアンドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を４０オングストローム成長させる。このようにして第１の窒化物半導体層のみを５オングストロームずつ薄くして、５オングストロームまで成長させ、第１の層と第２の層とを交互に１０層づつ積層した超格子構造よりなるｎ側多層膜を合計５２５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５７】
一方、同じく実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、次にＭｇを同量ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を３５オングストローム、次にアンドープＧａＮを２５オングストローム成長させる。このようにして第３の窒化物半導体層のみを５オングストロームずつ薄くして、２０オングストロームまで成長させ、第３の層と、第４の層とを交互に５層づつ積層した超格子構造よりなるｐ側多層膜を合計２７５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５８】
その他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。なお、本実施例において、ｎ側多層膜６を構成する第１の窒化物半導体層のみの膜厚を変えていったが、第２の窒化物半導体層の膜厚を変えても同様の効果が得られる。またｐ側多層膜８を構成する第３の窒化物半導体層のみの膜厚を変えていったが、第４の窒化物半導体層の膜厚を変えても同様の効果が得られる。
【００５９】
［実施例８］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。続いてＩｎのモル比を若干多くしたＩｎＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いてアンドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させる。このようにして第１の窒化物半導体層のＩｎ組成を徐々に増加させて成長させ、第１の層と、第２の層とを交互に１０層ずつ積層し、最終的に第１の層がＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎとなるようにして、総膜厚５００オングストロームのｎ側多層膜を成長させる。
【００６０】
一方、同じく実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Ｍｇを同量ドープして、Ａｌの組成比を若干多くしたｐ型ＡｌＧａＮ層を２５オングストローム、次にアンドープＧａＮを２５オングストローム成長させる。このようにして第３の窒化物半導体層のＡｌ組成を徐々に多くして成長させ、第３の層と、第４の層とを交互に４層づつ積層し、最終的に第３の層がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとなるようにして、総膜厚２００オングストロームのｐ側多層膜を成長させる。
【００６１】
その他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。なお、本実施例において、ｎ側多層膜６を構成する第１の窒化物半導体層のみのIII族元素組成を変えていったが、第２の窒化物半導体層を３元混晶、４元混晶の窒化物半導体として、そのIII族元素の組成を変えても同様の効果が得られる。またｐ側多層膜８を構成する第３の窒化物半導体層のみのIII族元素の組成を変えていったが、第４の窒化物半導体層を３元混晶、４元混晶の窒化物半導体として、そのIII族元素の組成を変えても同様の効果が得られる。
【００６２】
［実施例９］
実施例７において、ｐ側多層膜層８を多層膜層とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６３】
［実施例１０］
実施例８において、ｐ側多層膜層８を多層膜層とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６４】
［実施例１１］
実施例８において、ｎ側多層膜を構成する第１の窒化物半導体のＩｎ組成を実施例８と逆にし、さらにｐ側多層膜を構成する第３の窒化物半導体のＡｌ組成を逆にする。つまり第１の窒化物半導体層のＩｎを活性層に接近するに従って少なくなるようにし、第３の窒化物半導体層のＡｌ組成を活性層から離れるに従って少なくなるようにする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例８とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６５】
［実施例１２］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際に、アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0．05Ｇａ0.95Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【００６６】
［実施例１３］
実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、ＭｇドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同様の特性を有する素子が得られた。
【００６７】
［実施例１４］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層の膜厚を２００オングストローム成長させる他は、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のものとはほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【００６８】
［実施例１５］
実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、ＭｇドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１の窒化物半導体層の膜厚を２００オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同様の特性を有する素子が得られた。
【００６９】
［参考例２］
本発明にかかる参考例２の窒化物半導体素子は、図３に示すレーザダイオードである。
参考例２のレーザダイオードは、８０μｍの厚さのＧａＮ基板５０上に、
（１）３μｍの厚さのＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型ＧａＮ層５２、
（２）０．１μｍの厚さのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層５３、
（３）第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とからなる超格子構造のｎ側多層膜層５４、
（４）Ｓｉがドープされた０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層５５、
（５）Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸構造の活性層５６、
（６）Ｍｇがドープされた２００オングストロームの厚さのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層５７、
（７）Ｍｇがドープされた０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層５８、
（８）第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層からなる超格子構造のｐ側多層膜層５９、
（９）Ｍｇがドープされた０．０５μｍの厚さのｐ型ＧａＮコンタクト層６０、以上の各層を成長させることにより作製される。
なお、ｎ側多層膜層５４は、２５オングストロームの厚さを有するアンドープのＩｎＧａＮと、２５オングストロームの厚さを有するＳｉドープのＧａＮ層とが各２４０層、交互に積層されてなる。但し、アンドープのＩｎＧａＮは、最初はＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで成長させ、２回目以降はＩｎの組成比を徐々に増加させ、最終の層がＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎとなるように組成傾斜している。
また、活性層５６は、それぞれ２０オングストロームの厚さを有しＳｉがドープされた４つのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ井戸層が、５０オングストロームの厚さを有しＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層と交互に設けられてなる。
また、ｐ側多層膜層５９は、２５オングストロームの厚さを有しアンドープのＡｌＧａＮ層と、２５オングストロームの厚さを有しＭｇがドープされたＧａＮ層とが各１２０層、交互に積層されてなる。但し、アンドープのＡｌＧａＮは、最初はＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎで成長させ、２回目以降はＡｌの組成比を徐々に増加させ、最終の層がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとなるように組成傾斜している。
本実施例１６では、上記の（１）〜（９）の各層を形成した後、エッチングをすることにより、幅３μｍ、長さ４５０μｍのリッジ形状とし、ｐ型コンタクト層６０上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ電極６１を形成し、図３のように露出されたｎ型ＧａＮ層５２上にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極を形成する。
なお、リッジの両端面は、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を２ペア形成することにより、両端面の反射係数を５０％にした。
以上のようにして得られた参考例２のレーザダイオードは、良好な連続発振をする。
【００７０】
【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によると活性層の下にＩｎを含む窒化物半導体層を有するｎ側多層膜層を有しているため、このｎ側の多層膜層が何らかの作用を行い、発光素子の出力を向上させる。そのため、低電流で従来のＬＥＤ素子と同等の出力が得られる。これについては活性層の結晶性を向上させることによるためと推察されるが詳しいことは不明である。ＬＥＤ素子の発光出力が向上するということは、同時にレーザ素子、ＳＬＤ等の他の発光素子にも同様の作用がある。さらに、本発明は受光素子、太陽電池等、窒化物半導体を用いたあらゆる電子デバイスに適用可能である。
【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ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】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・・・サファイア基板
２・・・第１のバッファ層
３・・・第２のバッファ層
４・・・ｎ側コンタクト層
５・・・第３のバッファ層
６・・・ｎ側多層膜層
７・・・活性層
８・・・ｐ側多層膜層
８’・・ｐ側クラッド層
９・・・ｐ側コンタクト層
１０・・・全面電極
１１・・・ｐ電極
１２・・・ｎ電極
【産業上の利用分野】
本発明は、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、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使用される窒化物半導体（例えば、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）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、若しくは多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を包含する活性層と、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、本出願人は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997）。
【０００４】
このように窒化物半導体発光デバイスにはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造が採用されている。しかし活性層を多重量子井戸構造とすると、単一量子井戸構造のものに比較して、活性層全体の膜厚が厚いため、縦方向の直列抵抗が高くなり、例えばＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）が高くなる傾向にある。
【０００５】
Ｖｆを低下させる技術とほぼ同じ技術内容として、例えば特開平９−２９８３４１号に活性層よりも上にあるｐ側の光導波層、コンタクト層等をＩｎＡｌＧａＮ層を含む超格子層とするレーザ素子が記載されている。この技術はｐ型の窒化物半導体層をＩｎを含む窒化物半導体層を含む超格子構造とすることによって、ｐ層のキャリア濃度を増加させ、レーザ素子の閾値を低減させようとするものである。しかし、現実にはＩｎＡｌＧａＮのような４元混晶の窒化物半導体は結晶性が悪く、またＩｎを含む窒化物半導体はｐ型になりにくいため、実際に素子を作製することは難しい傾向にある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、ＬＥＤ素子を照明用光源、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、Ｖｆが低下した発光効率の高い素子が求められている。またＬＤの閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ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。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、閾値を低下させて素子の発光効率を向上させることにある。発光効率が向上することにより、ひいては受光素子等の窒化物半導体を用いた他の電子デバイスの効率も向上させることができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、前記ｎ側の窒化物半導体層には、ｎ電極が形成されるｎ側コンタクト層上に、アンドープのＩｎ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ＜１）からなる第１の窒化物半導体層と、アンドープＩｎ Ｙ Ｇａ １−Ｙ Ｎ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）からなる第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層を有することを特徴とする。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膜厚が１００オングストローム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。なお、活性層は少なくともＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが望ましい。
【０００８】
第１の窒化物半導体層はＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体層はＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１、Y＜X）、好ましくはＧａＮとすることが最も好ましい。
【０００９】
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ることを特徴とする。即ち、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。
【００１０】
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を特徴とする。即ち、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。
【００１１】
ｎ側多層膜層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。
【００１２】
また、本発明の第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を特徴とする。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。
【００１５】
さらに本発明の好ましい態様として、前記ｐ側の窒化物半導体層には、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側多層膜層を有し、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒化物半導体の層の内の少なくとも一方の膜厚が１００オングストローム以下であることを特徴とする。好ましくは第３の窒化物半導体層、および第４の窒化物半導体層の両方を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。
【００１６】
第３の窒化物半導体層はＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）とし、前記第４の窒化物半導体層はＩｎbＧａ1-bＮ（０≦b＜１、b＜a）、好ましくはＧａＮとする。
【００１７】
さらに、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４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３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層同士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第３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３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３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。
【００１８】
さらにまた、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４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３の窒化物半導体層または第４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を特徴とする。即ち、第３の窒化物半導体層または第４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３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３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。
【００１９】
ｐ側多層膜層は、ｎ側多層膜層と同じく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。
【００２０】
また、本発明の第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層がアンドープであることを特徴とする。ｐ側の多層膜層をアンドープとする場合、その膜厚は０．１μｍ以下にすることが望ましい。０．１μｍよりも厚いと、活性層に正孔が注入されにくくなって、出力が低下しやすい傾向にある。なお、アンドープの定義についてはｎ側多層膜層と同じであるので省略する。
【００２１】
さらに第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層のいずれか一方に、ｐ型不純物がドープされていてもよい。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ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のII族元素を好ましく選択し、好ましくは、Ｍｇ、Ｂｅを用いる。
【００２２】
また第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物がドープされていてもよい。ｐ型不純物をドープする場合、不純物濃度は１×１０22／cm3以下、好ましくは５×１０20／cm3以下に調整する。１×１０22／cm3よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
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る。このＬＥＤ素子はサファイア基板１の上に、ＧａＮよりなる第１のバッファ層２、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層３、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４、アンドープＧａＮ層よりなる第３のバッファ層５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｎ側多層膜層６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｐ側多層膜層８、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層９が順に積層された構造を有する。
【００２４】
本発明の窒化物半導体素子では、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側多層膜層６を有している。ｎ側多層膜層において、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側多層膜層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側多層膜層の積層順序は特に問うものではない。なお、図１ではｎ側多層膜層６が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層と活性層との間に、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１００オングストローム以下、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。
【００２５】
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ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）とし、さらに好ましくはX値が０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮ、最も好ましくはX値が０．１以下のＩｎXＧａ1-XＮ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X値が０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮ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。
【００２６】
好ましい態様として、第１および第２の窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下、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にする。単一窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム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７０オングストローム以下にすることによって、多層膜層が超格子構造となり、この結晶性の良い超格子構造の上に活性層を成長させると、多層膜層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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ようにすることも望ましい。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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに本発明の態様では、ｐ側窒化物半導体層側に、図１に示すように、活性層７を挟んで上部にあるｐ側窒化物半導体層に、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されたｐ側多層膜層８を有している。ｐ側多層膜層８において、ｎ側の多層膜層６と同様に第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層それぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で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。さらに、ｐ側にも多層膜層を設ける場合、ｎ側の多層膜層よりも膜厚を薄くする方が、素子のＶｆ、閾値が低下しやすくなる傾向にある。ｐ側多層膜層が活性層に接して形成されている場合、活性層の最終層（井戸層、若しくは障壁層）と接するｐ側多層膜層は第３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層いずれでも良い。なお、図１ではｐ側多層膜層８が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層８と活性層７との間に、他の窒化物半導体よりなる層を有していても良い。
【００３１】
さらにまた、第３、または第４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３、または第４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３の窒化物半導体層をＡｌＧａＮとし、第４の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＡｌＧａＮ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を変化させることができるため、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、光閉じ込め層を必要とする素子においては、この多層膜層で導波路、閉じ込め層を兼用して、レーザ光のモードを調整できる。
【００３２】
また、第３、または第４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３、または第４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ようにすることも望ましい。例えば、第１の窒化物半導体層をＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ層のＡｌ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Ａｌ組成が増加するに従い、屈折率は小さくなる。従って目的に応じて、これら組成傾斜した層をｐ層側に配することができる。
【００３３】
第３の窒化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＡｌaＧａ1-aＮ（０＜X＜１）とし、最も好ましくはａ値が０．５以下のＡｌaＧａ1-aＮとする。０．５を超えると結晶性が悪くなってクラックが入りやすい傾向にある。一方、第４の窒化物半導体層は第３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４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小さい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３の窒化物半導体層がａ値が０．５以下のＡｌaＧａ1-aＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００３４】
さらに、第３の窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下、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にする。同様に第４の窒化物半導体層の膜厚も１００オングストローム以下、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とする。このように単一窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下とすることにより、窒化物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長でき、また窒化物半導体層の結晶性が良くなるので、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さいｐ層が得られ、素子のＶｆ、閾値等が低下しやすい傾向にある。
【００３５】
第３の窒化物半導体層および第４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ｐ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ｐ型不純物がドープされていてもよい。キャリア濃度の高いｐ層を得るには、変調ドープが最も好ましい。なお、先にも述べたようにアンドープとした場合にはその膜厚は０．１μｍ以下、好ましくは７００オングストローム以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下にする。０．１μｍを超えると、アンドープ層の抵抗値が高くなる傾向にあるからである。両方にｐ型不純物をドープする場合、第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度と、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は異なっていても良い。
【００３６】
【実施例】
［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（ＭｇＡ１2Ｏ4）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。
【００３７】
（第１のバッファ層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。なおこの低温で成長させる第１のバッファ層２は基板の種類、成長方法等によっては省略できる。
【００３８】
（第２のバッファ層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２のバッファ層３を１μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層は先に成長させた第１の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。
【００３９】
（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３×１０19／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層を３μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層４も第２のバッファ層３と同様に、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。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１μｍ以上の膜厚で成長させることが望ましい。さらにｎ型不純物濃度は窒化物半導体の結晶性を悪くしない程度に高濃度にドープすることが望ましく、１×１０18／cm3以上、５×１０21／cm3以下の範囲でドープすることが望ましい。
【００４０】
（第３のバッファ層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のバッファ層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。この第３のバッファ層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。このアンドープＧａＮ層を成長させることにより、高濃度で不純物をドープしたｎ側コンタクト層４の上に直接活性層を成長させるのと異なり、下地の結晶性が良くなるため、次に成長させる窒化物半導体を成長しやすくする。このように、アンドープの窒化物半導体層よりなる第２のバッファ層３の上に、高濃度でｎ型不純物をドープした窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層４、次にアンドープの窒化物半導体（ｎ側多層膜層も含む。）よりなる第３のバッファ層５を積層した３層構造とすると、ＬＥＤ素子にした場合にＶｆが低下しやすい傾向にある。なおｎ側多層膜層６をアンドープにする場合は第３のバッファ層５を省略することができる。
【００４１】
（ｎ側多層膜層６）
次に、温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、続いて温度を上昇させ、その上にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に１０層づつ積層した超格子構造よりなるｎ側多層膜を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４２】
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、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Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストローム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４層交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。活性層７は障壁層から積層したが、積層順は井戸層から積層して、井戸層で終わってもよく、また井戸層から積層して障壁層で終わる場合、障壁層から積層して井戸層で終わっても良く積層順は特に問わない。井戸層の膜厚としては１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下に調整する。１００オングストロームよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。一方、障壁層の厚さは３００オングストローム以下、好ましくは２５０オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整する。
【００４３】
（ｐ側多層膜層８）
次に、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５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止めアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストローム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４層ずつ積層した超格子よりなるｐ側多層膜層８を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４４】
（ｐ側コンタクト層９）
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７００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８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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、Ｖｆは３．２Ｖしかなく、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、Ｖｆで０．８Ｖ近く低下し、出力は２倍以上に向上した。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同等の特性を有するＬＥＤが得られた。
【００４９】
本実施例において、ｎ側多層膜層を構成する第２の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくはＩｎ組成が第１の窒化物半導体よりも小さいＩｎＧａＮで構成することもできる。またｐ側多層膜層を構成する第４の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくは第３の窒化物半導体よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮで構成することもできる。
【００５０】
なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、ＧａＮよりなる第１のバッファ層の上に、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層したものである。
【００５１】
［実施例２］
図２は実施例２に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。このＬＥＤ素子は、実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じく２０ｍＡにおいて、Ｖｆは３．３Ｖと非常に良好な値を示し、出力も１．８倍以上に向上した。
【００５２】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長する際に、第２の窒化物半導体層のみを、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮとする。また、ｐ側多層膜層を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームで成長させる他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５３】
［参考例１］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長する際に、第１の窒化物半導体層をＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.03Ｇａ0.97層とし、第２の窒化物半導体層を、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮとする。また、ｐ側多層膜層を超格子構造とせずに、Ｍｇを５×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’とする他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製したところ、２０ｍＡにおいてＶｆは３．４Ｖ、出力は従来のものに比較して、１．５倍以上と優れた特性を示した。
【００５４】
［実施例５］
実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を成長する際に、第４の窒化物半導体層にＭｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ層を成長させる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５５】
［実施例６］
実施例１において、第３のバッファ層５を成長させず、さらにｐ側多層膜層８を成長する際に、アンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームと、アンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームとでそれぞれ２層づつ交互に積層して総膜厚１００オングストロームとする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例４とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５６】
［実施例７］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を５０オングストローム成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。続いてアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を４５オングストローム成長させ、続いてアンドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を４０オングストローム成長させる。このようにして第１の窒化物半導体層のみを５オングストロームずつ薄くして、５オングストロームまで成長させ、第１の層と第２の層とを交互に１０層づつ積層した超格子構造よりなるｎ側多層膜を合計５２５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５７】
一方、同じく実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、次にＭｇを同量ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を３５オングストローム、次にアンドープＧａＮを２５オングストローム成長させる。このようにして第３の窒化物半導体層のみを５オングストロームずつ薄くして、２０オングストロームまで成長させ、第３の層と、第４の層とを交互に５層づつ積層した超格子構造よりなるｐ側多層膜を合計２７５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５８】
その他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。なお、本実施例において、ｎ側多層膜６を構成する第１の窒化物半導体層のみの膜厚を変えていったが、第２の窒化物半導体層の膜厚を変えても同様の効果が得られる。またｐ側多層膜８を構成する第３の窒化物半導体層のみの膜厚を変えていったが、第４の窒化物半導体層の膜厚を変えても同様の効果が得られる。
【００５９】
［実施例８］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる。続いてＩｎのモル比を若干多くしたＩｎＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いてアンドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させる。このようにして第１の窒化物半導体層のＩｎ組成を徐々に増加させて成長させ、第１の層と、第２の層とを交互に１０層ずつ積層し、最終的に第１の層がＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎとなるようにして、総膜厚５００オングストロームのｎ側多層膜を成長させる。
【００６０】
一方、同じく実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、次にアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Ｍｇを同量ドープして、Ａｌの組成比を若干多くしたｐ型ＡｌＧａＮ層を２５オングストローム、次にアンドープＧａＮを２５オングストローム成長させる。このようにして第３の窒化物半導体層のＡｌ組成を徐々に多くして成長させ、第３の層と、第４の層とを交互に４層づつ積層し、最終的に第３の層がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとなるようにして、総膜厚２００オングストロームのｐ側多層膜を成長させる。
【００６１】
その他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。なお、本実施例において、ｎ側多層膜６を構成する第１の窒化物半導体層のみのIII族元素組成を変えていったが、第２の窒化物半導体層を３元混晶、４元混晶の窒化物半導体として、そのIII族元素の組成を変えても同様の効果が得られる。またｐ側多層膜８を構成する第３の窒化物半導体層のみのIII族元素の組成を変えていったが、第４の窒化物半導体層を３元混晶、４元混晶の窒化物半導体として、そのIII族元素の組成を変えても同様の効果が得られる。
【００６２】
［実施例９］
実施例７において、ｐ側多層膜層８を多層膜層とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６３】
［実施例１０］
実施例８において、ｐ側多層膜層８を多層膜層とせずに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層よりなるｐ側クラッド層８’を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は、同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６４】
［実施例１１］
実施例８において、ｎ側多層膜を構成する第１の窒化物半導体のＩｎ組成を実施例８と逆にし、さらにｐ側多層膜を構成する第３の窒化物半導体のＡｌ組成を逆にする。つまり第１の窒化物半導体層のＩｎを活性層に接近するに従って少なくなるようにし、第３の窒化物半導体層のＡｌ組成を活性層から離れるに従って少なくなるようにする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例８とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００６５】
［実施例１２］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際に、アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0．05Ｇａ0.95Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【００６６】
［実施例１３］
実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、ＭｇドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させ、次にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同様の特性を有する素子が得られた。
【００６７】
［実施例１４］
実施例１において、ｎ側多層膜層６を成長させる際、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層の膜厚を２００オングストローム成長させる他は、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のものとはほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【００６８】
［実施例１５］
実施例１において、ｐ側多層膜層８を成長させる際、ＭｇドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１の窒化物半導体層の膜厚を２００オングストローム成長させる他は、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のものとほぼ同様の特性を有する素子が得られた。
【００６９】
［参考例２］
本発明にかかる参考例２の窒化物半導体素子は、図３に示すレーザダイオードである。
参考例２のレーザダイオードは、８０μｍの厚さのＧａＮ基板５０上に、
（１）３μｍの厚さのＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型ＧａＮ層５２、
（２）０．１μｍの厚さのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層５３、
（３）第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とからなる超格子構造のｎ側多層膜層５４、
（４）Ｓｉがドープされた０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層５５、
（５）Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸構造の活性層５６、
（６）Ｍｇがドープされた２００オングストロームの厚さのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層５７、
（７）Ｍｇがドープされた０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層５８、
（８）第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層からなる超格子構造のｐ側多層膜層５９、
（９）Ｍｇがドープされた０．０５μｍの厚さのｐ型ＧａＮコンタクト層６０、以上の各層を成長させることにより作製される。
なお、ｎ側多層膜層５４は、２５オングストロームの厚さを有するアンドープのＩｎＧａＮと、２５オングストロームの厚さを有するＳｉドープのＧａＮ層とが各２４０層、交互に積層されてなる。但し、アンドープのＩｎＧａＮは、最初はＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで成長させ、２回目以降はＩｎの組成比を徐々に増加させ、最終の層がＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎとなるように組成傾斜している。
また、活性層５６は、それぞれ２０オングストロームの厚さを有しＳｉがドープされた４つのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ井戸層が、５０オングストロームの厚さを有しＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層と交互に設けられてなる。
また、ｐ側多層膜層５９は、２５オングストロームの厚さを有しアンドープのＡｌＧａＮ層と、２５オングストロームの厚さを有しＭｇがドープされたＧａＮ層とが各１２０層、交互に積層されてなる。但し、アンドープのＡｌＧａＮは、最初はＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎで成長させ、２回目以降はＡｌの組成比を徐々に増加させ、最終の層がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとなるように組成傾斜している。
本実施例１６では、上記の（１）〜（９）の各層を形成した後、エッチングをすることにより、幅３μｍ、長さ４５０μｍのリッジ形状とし、ｐ型コンタクト層６０上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ電極６１を形成し、図３のように露出されたｎ型ＧａＮ層５２上にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極を形成する。
なお、リッジの両端面は、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を２ペア形成することにより、両端面の反射係数を５０％にした。
以上のようにして得られた参考例２のレーザダイオードは、良好な連続発振をする。
【００７０】
【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によると活性層の下にＩｎを含む窒化物半導体層を有するｎ側多層膜層を有しているため、このｎ側の多層膜層が何らかの作用を行い、発光素子の出力を向上させる。そのため、低電流で従来のＬＥＤ素子と同等の出力が得られる。これについては活性層の結晶性を向上させることによるためと推察されるが詳しいことは不明である。ＬＥＤ素子の発光出力が向上するということは、同時にレーザ素子、ＳＬＤ等の他の発光素子にも同様の作用がある。さらに、本発明は受光素子、太陽電池等、窒化物半導体を用いたあらゆる電子デバイスに適用可能である。
【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ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】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・・・サファイア基板
２・・・第１のバッファ層
３・・・第２のバッファ層
４・・・ｎ側コンタクト層
５・・・第３のバッファ層
６・・・ｎ側多層膜層
７・・・活性層
８・・・ｐ側多層膜層
８’・・ｐ側クラッド層
９・・・ｐ側コンタクト層
１０・・・全面電極
１１・・・ｐ電極
１２・・・ｎ電極
Claims (4)
- ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体発光ダイオードにおいて、
前記ｎ側の窒化物半導体層は、ｎ電極が形成されるｎ側コンタクト層上に、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）からなる第１の窒化物半導体層と、アンドープＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）からなる第２の窒化物半導体層がそれぞれ少なくとも１層以上積層された合計３層以上からなるｎ側多層膜層を有することを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。 - 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ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 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を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記ｎ側多層膜層が活性層に接して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
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