JP3719047B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【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型コンタクト層と、単一量子井戸構造(SQW:Single-Quantum-Well)のInGaN、あるいは多重量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum-Well)の活性層と、MgドープAlGaNよりなるp型クラッド層と、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、20mA、発光波長470nmの青色LEDで、活性層が単一量子井戸構造の場合、2.5mW、外部量子効率5パーセント、活性層が多重量子井戸構造の場合、5mW、外部量子効率9.1パーセント、また発光波長520nmの緑色LEDで、単一量子井戸構造の場合、2.2mW、外部量子効率4.3パーセント、多重量子井戸構造の場合、3mW、外部量子効率6.3パーセントと非常に優れた特性を示す。
多重量子井戸構造は、複数のミニバンドからなる構造を有し、効率よく、小さな電流でも発光が実現することから、単一量子井戸構造より発光出力が高くなる等の素子特性の向上が期待される。
【0003】
また例えば、多重量子井戸構造の活性層を用いたLED素子として、特開平10−135514号公報には、発光効率および発光光度を良好とするため、少なくともアンドープのGaNからなる障壁層とアンドープのInGaNからなる井戸層とからなる多重量子井戸構造の発光層、さらに発光層の障壁層よりも広いバンドギャップを持つクラッド層を有する窒化物半導体素子が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の素子をLED素子として、照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等に使用するためには発光出力が十分満足できるものでない。このように多重量子井戸構造の活性層は、発光出力の飛躍的な向上が考えられるが、その予想される可能性を十分に発揮させ難い。これは従来の窒化物半導体素子はn型窒化物半導体からドナーが、またp型窒化物半導体からアクセプタが活性層に供給され、これらが再結合することで発光が起こる。しかし、この発光は活性層中のp層側近くで起こるため、p層からアクセプタは十分に供給されるが、n層からのドナーの供給は十分とはいえないことも理由の1つといえる。
【0005】
そこで本発明の目的は、量子井戸構造の活性層を用い、種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力の高い窒化物半導体素子を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記(a)〜(g)の構成により本発明の目的を達成することができる。
(a)n型窒化物半導体とp型窒化物半導体との間に、n型不純物を含み、多重量子井戸構造をもつ活性層を有する窒化物半導体素子において、前記活性層中の各井戸層は、略一定のInを含む窒化物半導体からなり、前記活性層は層の総数をi層とした場合、n型窒化物半導体に接する層から数えて次の(1)式
j=i/6+2(但しi≧4、jは少数以下を切り捨てた整数)・・・(1)
を満たすj層までのいずれかに、5×10 16 〜1×10 19 cm −3 の濃度で、かつ、前記j層を超えた部分の活性層よりも高い濃度でn型不純物が含まれていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【0007】
(b)n型窒化物半導体とp型窒化物半導体との間に、n型不純物を含み、1つの障壁層とその両側に設けられた2つの井戸層、または1つの井戸層とその両側に設けられた2つの障壁層からなる3層構造をもつ活性層を有する窒化物半導体素子において、前記活性層中の各井戸層は、略一定のInを含む窒化物半導体からなり、前記活性層に含まれるn型不純物濃度はn層側の方がp層側よりも大きく、前記活性層中のn層側から1番目の層には、5×10 16 〜1×10 19 cm −3 の濃度でn型不純物が含まれていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【0008】
(c)前記n型不純物が含まれている位置は、活性層中の井戸層であることを特徴とする前記(a)乃至(b)のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
【0009】
(d)前記n型不純物が含まれている位置は活性層中の障壁層であることを特徴とする前記(a)乃至(b)のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
【0010】
(e)前記n型不純物が含まれている位置は活性層中の井戸層と障壁層の両方であることを特徴とする前記(a)乃至(b)のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
【0011】
(f)前記n型不純物はSi、Ge、Snの中の少なくとも1種であり、
かつ、前記j層までの層(又は、前記活性層中のn層側から1番目の層)に含まれる前記n型不純物の濃度は、前記n型窒化物半導体層中のコンタクト層にドープされたn型不純物の濃度以下であることを特徴とする(a)乃至(e)のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
【0012】
(g)前記n型不純物はSiであり、かつ、井戸層がIn x Ga 1−x N(0≦x<1)から成り、障壁層がIn y Ga 1−y N(0≦y<1、x>y)又はAl z Ga 1−z N(0<z<0.5)から成ることを特徴とする(a)乃至(e)のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
【0013】
つまり、本発明は井戸層と障壁層との多重量子井戸からなる活性層のn層側にn型不純物をドープする。このn型不純物により、活性層はn層からのドナーの供給が補われ、発光出力の高い窒化物半導体素子が得られる。我々は前記(1)式をみたす層までn型不純物をドープすることで発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることが可能となった。このn型不純物が含まれる層が(1)式の範囲を超えると、その層やその上に積層する層の結晶性が悪くなり、発光出力も悪くなってしまう。
【0014】
また、本発明においてn型不純物を含む層とは、基本的にはn型不純物が意図的にドープされた層であるが、例えば隣りあった層や別の層に含まれるn型不純物が拡散することによって含まれた層や、原料または装置からのコンタミネーションにより不純物が混入した層もそれに含む。特に拡散により混入するn型不純物は層内において不純物濃度に勾配がついている場合もある。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図1を用いて、本発明を詳細に説明する。
【0016】
図1は基板1上に、バッファ層2,アンドープのGaN層3、SiドープのGaNよりなるn型コンタクト層4、n型第1の多層膜層5、n型第2の多層膜層6、InGaN/GaNよりなる多重量子井戸構造の活性層7、p型多層膜層8、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層9が順に積層された構造を有する窒化物半導体素子が示されている。上記n型多層膜層6及びp型多層膜層8を構成するそれぞれの窒化物半導体の組成、及び/または層数がn型とp型とで異なる。
【0017】
本発明において、活性層は、井戸層と障壁層とを順次積層した多層膜構造の多重量子井戸構造である。多重量子井戸構造の最小積層構造は、1つの障壁層とこの障壁層の両側に設けられた(2つの)井戸層とからなる3層構造または1つの井戸層とその両側に設けられた(2つの)障壁層とからなる3層構造であり得る。多重量子井戸構造において、両側の2つの最外層は、それぞれ井戸層または障壁層により構成される。また、一方の最外層が井戸層で他方の最外層が障壁層となるように構成されてもよい。また、多重量子井戸構造は、p層側が障壁層で終わっても井戸層で終わっても良い。
【0018】
このような多重量子井戸構造の活性層において、井戸層及び障壁層は、両者をインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体(好ましくはInGaN)で形成することができるが、井戸層をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体(好ましくは、InGaN)やGaNで形成し、障壁層を例えばAlN、GaNで形成することもできる。例えば、多重量子井戸構造よりなる活性層の井戸層は少なくともInを含む窒化物半導体、好ましくはInXGa1-XN(0≦X<1)とする。一方、障壁層は、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を選択し、好ましくはInYGa1-YN(0≦Y<1、X>Y)又はAlZGa1-ZN(0<Z<0.5)とする。ただし井戸層及び障壁層をInAlNとすることも可能である。
【0019】
活性層に含まれるn型不純物にはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、さらに最も好ましくはSiを用いる。
【0020】
本発明において活性層中のn型不純物濃度はn層側の方がp層側よりも大きく、さらに好ましくは、n型窒化物半導体に接する層から数えて上記(1)式をみたす層までn型不純物が含まれているものとする。「n型不純物濃度がn層側の方がp層側よりも大きい」とは例えば、活性層が井戸層と障壁層が交互に積層された合計11層からなる多重量子井戸であれば、n層側の6層にn型不純物が含まれ、p層側の5層にはn型不純物が含まれていない場合や、n層側の6層のうち井戸層のみにn型不純物が含まれている場合などをいい、n層側の方にn型不純物が多く含まれていればこの層数や含まれる層が変わっても良い。
【0021】
本発明において、活性層の総膜厚は、特に限定されないが、井戸層と障壁層の積層された層の合計の膜厚であり、例えば具体的には500〜5000オングストロームであり、好ましくは1000〜3000オングストロームである。活性層の総膜厚が上記範囲であると発光出力及び活性層の結晶成長に要する時間の点で好ましい。
【0022】
活性層の多重量子井戸構造を構成する障壁層の単一膜厚は、70〜500オングストロームであり、好ましくは100〜300オングストロームである。障壁層の単一膜厚が上記範囲であると、光電変換効率が向上し、低Vf及び少リーク電流となり好ましい。
【0023】
また活性層の井戸層の単一膜厚は、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、より好ましくは50オングストローム以下である。井戸層の単一膜厚の下限は、特に限定されないが、10オングストローム以上であることが好ましい。井戸層の単一膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上及び発光スペクトル半値幅の減少の点で好ましい。
【0024】
活性層に含まれるn型不純物濃度はn型コンタクト層にドープするSiドープ量以下、好ましくは5×1016/cm3〜1×1019/cm3、さらに好ましくは5×1016/cm3〜5×1018/cm3、最も好ましくは5×1016/cm3〜2×1018/cm3の範囲に調整する。n型不純物の濃度が、上記範囲であると、光電変換効率を低下させず、I−V特性においてリーク電流の増加が見られず、Vfを低下でき好ましい。
【0025】
また本発明において、活性層以外のデバイス構造としては、特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。デバイス構造の具体的な実施の形態としては、例えば後述の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。また、電極等も特に限定されず種々のものを用いることができる。
【0026】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示す。しかし、本発明はこれに限定されない。
[実施例1]
図1を元に実施例1について説明する。
【0027】
(基板1)
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。この基板1としてはその他にR面またはA面を主面とするサファイア基板、スピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板などでも良い。
【0028】
(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。また、このバッファ層はAlの割合の小さいAlGaNを用いることもできる。
【0029】
(第1のアンドープGaN層3)
バッファ層2成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。
1050℃になったら、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガスを用い、第1のアンドープGaN層3を1μmの膜厚で成長させる。
【0030】
(n型コンタクト層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型コンタクト層を4μmの膜厚で成長させる。
【0031】
(n型第1多層膜層5)
次にシランガスのみを止め、1050℃で、TMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaNからなる下層5aを3000オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しSiを4.5×1018/cm3ドープしたGaNからなる中間層5bを300オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープGaNからなる上層5cを50オングストロームの膜厚で成長させ、3層からなる総膜厚2350オングストロームのn型第1多層膜層5を成長させる。
【0032】
(n型第2多層膜層6)
次に、同様の温度で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させ、次に温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用い、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層を20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2+第1の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるn型第2多層膜層6を640オングストロームの膜厚で成長させる。
【0033】
(活性層7)
次にTMG、アンモニアを用いアンドープの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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。
さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、Siを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、アンドープからなる障壁層を16層、最初の3層のみSiがドープされ、残りの12層はアンドープからなる井戸層15層を交互に積層して、総数31層、総膜厚3650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。
【0034】
(p型多層膜層8)
次に、温度1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを5×1019/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8N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、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニア、Cp2Mgを用いMgを5×1019/cm3ドープしたIn0.02Ga0.98N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5層ずつ積層し、最後に第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た超格子構造の多層膜よりなるp型多層膜層8を365オングストロームの膜厚で成長させる。
【0035】
(p型コンタクト層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型コンタクト層8を700オングストロームの膜厚で成長させる。
【0036】
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。
【0037】
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型コンタクト層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型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型コンタクト層4の表面を露出させる。
【0038】
エッチング後、最上層にあるp型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、エッチングにより露出させたn型コンタクト層4の表面にはWとAlを含むn電極11を形成してLED素子とした。
【0039】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は6.5mWであった。
【0040】
[実施例2]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニアを用いアンドープの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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、Siを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、アンドープからなる障壁層を11層、最初の2層のみSiがドープされ、残りの8層はアンドープからなる井戸層10層を交互に積層して、総数21層、総膜厚2500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。
【0041】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は6.4mWであった。
【0042】
[実施例3]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニアを用いアンドープの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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、アンドープのIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、アンドープからなる障壁層を6層、最初の1層のみSiがドープされ、残りの4層はアンドープからなる井戸層5層を交互に積層して、総数11層、総膜厚1350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。
【0043】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は6.3mWであった。
【0044】
[実施例4]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニアを用いアンドープの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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、アンドープのIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、アンドープからなる障壁層を3層、最初の1層のみSiがドープされ、残りの1層はアンドープからなる井戸層2層を交互に積層して、総数5層、総膜厚660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。
【0045】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は6.2mWであった。
【0046】
[実施例5]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープした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、さらにTMG、TMI、アンモニアを用いアンドープのIn0.3Ga0.7N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。さらにSiを5×1017/cm3ドープしたGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、アンドープのIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、最初の3層のみSiがドープされ、残りの13層はアンドープからなる障壁層を16層、アンドープからなる井戸層15層を交互に積層して、総数31層、総膜厚3650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。
【0047】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.6V、発光出力は6.2mWであった。
【0048】
[実施例6]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープした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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにSiを5×1017/cm3ドープしたGaNよりなる障壁層を200オングストロームとSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、最初の3層のみSiがドープされ、残りの13層はアンドープからなる障壁層を16層、最初の3層のみSiがドープされ、残りの12層はアンドープからなる井戸層を15層交互に積層して、総数31層、総膜厚3650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。
【0049】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.6V、発光出力は6.4mWであった。
【0050】
[実施例7]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープした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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用い、Siを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにSiを5×1017/cm3ドープしたGaNよりなる障壁層を200オングストロームとSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、最初の2層のみSiドープがドープされ、残りの9層はアンドープからなる障壁層を11層、最初の2層のみSiドープがドープされ、残りの8層はアンドープからなる井戸層を10層交互に積層して、総数21層、総膜厚3650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。
【0051】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.6V、発光出力は6.2mWであった。
【0052】
[実施例8]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープした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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用い、Siを5×1017/cm3ドープしたIn0.3Ga0.7N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームとアンドープのIn0.3Ga0.7N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・・・・+障壁の順で成長させ、最初の1層のみSiドープがドープされ、残りの9層はアンドープからなる障壁層を11層、最初の1層のみSiドープがドープされ、残りの8層はアンドープからなる井戸層を10層交互に積層して、総数21層、総膜厚3650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。
【0053】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.6V、発光出力は6.0mWであった。
【0054】
[実施例9]
実施例1において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープした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、さらにTMG、TMI、アンモニアを用いアンドープのIn0.3Ga0.7N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームを成長させ、単一量子井戸構造からなる活性層7を成長させる。
【0055】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は5.6mWであった。
【0056】
[実施例10]
実施例1において、n型コンタクト層4までは同様に作製する。
(第2のアンドープGaN層5)
次にシランガスのみを止め、1050℃で同様にして第2のアンドープGaN層5を1500オングストロームの膜厚で成長させる。
【0057】
(n型多層膜層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2の窒化物半導体層を20オングストローム成長させ、続いて温度を上昇させ、その上にアンドープGaNよりなる第1の窒化物半導体層を40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2+第1の順で交互に10層づつ積層し、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるn型多層膜層6を640オングストロームの膜厚で成長させる。
【0058】
活性層7以下は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このようにn型コンタクト層と活性層との間に、上記n側第1多層膜層5とn側第2多層膜層6を設けることで、さらに良好な静電耐圧を得ることができる。
【0059】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.6V、発光出力は6.5mWであった。
【0060】
[実施例10]
実施例1において、第2のアンドープGaN層5、n型多層膜層6を省略した他は同様にしてLED素子を作製した。
【0061】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.8V、発光出力は6.2mWであった。
【0062】
[実施例11]
実施例1においてp型多層膜層8と、p型コンタクト層9との間に次の層を形成する。
(p型アンドープAlGaN層)
p型多層膜形成後、アンドープのAl0.05Ga0.95N層を2000オングストロームの膜厚で形成する。この層はp型多層膜層8からのMgの拡散により、p型不純物を含むようになりp型を示す。
【0063】
このLED素子は実施例1と同様の、順方向電圧20mAにおいて、470nmの青色発光を示し、Vfは3.4V、発光出力は6.5mWであった。
【0064】
[実施例12]
実施例3において、活性層7を以下のようにした他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
TMG、アンモニアを用いアンドープの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、さらにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いSiを5×1017/cm3ドープしたIn0.35Ga0.65N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。さらにアンドープのGaNよりなる障壁層を200オングストロームと、アンドープのIn0.35Ga0.65N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・・・・+障壁の順で成長させ、アンドープからなる障壁層を6層、最初の1層のみSiがドープされ、残りの4層はアンドープからなる井戸層5層を交互に積層して、総数11層、総膜厚1350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。
【0065】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、500nmの青緑色発光を示し、Vfは3.8V、発光出力は5.2mWであった。
【0066】
【発明の効果】
本発明は井戸層と障壁層との多重量子井戸からなる活性層のn層側にn型不純物としてSiをドープし、またそのドープする層を限定することで、n層からのドナーの供給を補うことができ、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の一実施の形態であるLED素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
1・・・サファイア基板
2・・・バッファ層
3・・・アンドープGaN層
4・・・n型コンタクト層
5・・・n型第1多層膜層
6・・・n型第2多層膜層
7・・・活性層
8・・・p型多層膜層
9・・・p型コンタクト層
10・・・p電極
11・・・n電極
Claims (8)
- n型窒化物半導体とp型窒化物半導体との間に、n型不純物を含み、多重量子井戸構造をもつ活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層中の各井戸層は、略一定のInを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層は層の総数をi層とした場合、n型窒化物半導体に接する層から数えて次の(1)式
j=i/6+2(但しi≧4、jは少数以下を切り捨てた整数)・・・(1)
を満たすj層までのいずれかに、5×1016〜1×1019cm−3の濃度で、かつ、前記j層を超えた部分の活性層よりも高い濃度でn型不純物が含まれていることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記n型不純物が含まれている位置は、活性層中の井戸層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 前記n型不純物が含まれている位置は活性層中の障壁層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 前記n型不純物が含まれている位置は活性層中の井戸層と障壁層の両方であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- n型窒化物半導体とp型窒化物半導体との間に、n型不純物を含み、1つの障壁層とその両側に設けられた2つの井戸層、または1つの井戸層とその両側に設けられた2つの障壁層からなる3層構造をもつ活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層中の各井戸層は、略一定のInを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層に含まれるn型不純物濃度はn層側の方がp層側よりも大きく、
前記活性層中のn層側から1番目の層には、5×1016〜1×1019cm−3の濃度でn型不純物が含まれていることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記n型不純物はSi、Ge、Snの中の少なくとも1種であり、
かつ、前記j層までの層に含まれる前記n型不純物の濃度は、前記n型窒化物半導体層中のコンタクト層にドープされたn型不純物の濃度以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記n型不純物はSi、Ge、Snの中の少なくとも1種であり、
かつ、前記活性層中のn層側から1番目の層に含まれる前記n型不純物の濃度は、前記n型窒化物半導体層中のコンタクト層にドープされたn型不純物の濃度以下であることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体素子。 - 前記n型不純物はSiであり、かつ、前記活性層中の井戸層がIn x Ga 1−x N(0≦x<1)から成り、前記活性層中の障壁層がIn y Ga 1−y N(0≦y<1、x>y)又はAl z Ga 1−z N(0<z<0.5)から成ることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
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