JP4622466B2

JP4622466B2 - 窒化物半導体素子

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Publication number: JP4622466B2
Application number: JP2004329250A
Authority: JP
Inventors: 公二谷沢
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2019-06-07
Also published as: JP2005057308A

Description

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、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）素子に関する。

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。

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。

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電子が、またｐ型窒化物半導体から正孔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層から正孔は十分に供給されるが、ｎ層からの電子の供給は十分とはいえないことも理由の１つといえる。

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。

即ち、本件発明は、下記（ａ）〜（ｇ）の構成により本件発明の目的を達成することができる。
（ａ）基板上に、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、ｎ型不純物を含む活性層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、活性層及びｐ型窒化物半導体層は、前記基板上にＣ軸成長され、
前記活性層は、各層内で組成が略一定のＩｎ _ｘＧａ _１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成る井戸層とＩｎ _ｙＧａ _１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）又はＡｌ _ｚＧａ _１−ｚＮ（０＜ｚ＜０．５）から成る障壁層とから成る多重量子井戸構造を有し、
前記活性層に含まれるｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎの少なくとも１種であり、
前記活性層は、前記ｎ型窒化物半導体層に接する層から数えてｊ＝ｉ／６＋２（但し、ｉ≧４、ｊは小数以下を切り捨てた数字）で表されるｊ層までのいずれかに５×１０ ^１６ cm ^-3 以上のｎ型不純物がドープされ、
前記ｎ型不純物の濃度は、ｎ層側の方がｐ層側よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体素子。
（ｂ）前記ｎ型窒化物半導体層のｎ型コンタクト層と前記活性層との間に、ＩｎＧａＮとＧａＮとから成る超格子構造の多層膜を有する（ａ）に記載の窒化物半導体素子。ここで多層膜は、アンドープのＩｎＧａＮとアンドープのＧａＮとから成る超格子構造であることが好ましい。

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層からの電子の供給が補われ、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。

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。

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層からの電子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。

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。

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。

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。

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Ｉｎ_XＧａ_1-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Ｉｎ_YＧａ_1-YＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）又はＡｌ_ZＧａ_1-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。

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。

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、前記活性層は層の総数をｉ層とした場合、次の（１）式を満たすｎ型窒化物半導体に接する層から数えてｊ層までのいずれかにｎ型不純物が含まれているものとする。
ｊ＝ｉ／６＋２（但しｉ≧４、ｊは少数以下を切り捨てた整数）・・・（１）
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。「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。

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。

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Ｖ_f及び少リーク電流となり好ましい。

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。

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、Ｖ_fを低下でき好ましい。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎ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。

（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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

（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Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ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。

（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。

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。

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。

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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は６．５ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は６．４ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は６．３ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は６．２ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．６Ｖ、発光出力は６．２ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．６Ｖ、発光出力は６．４ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．６Ｖ、発光出力は６．０ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は５．６ｍＷであった。

［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。

（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Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ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。

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。

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、Ｖ_fは３．６Ｖ、発光出力は６．５ｍＷであった。

［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。

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、Ｖ_fは３．８Ｖ、発光出力は６．２ｍＷであった。

［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Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．４Ｖ、発光出力は６．５ｍＷであった。

［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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ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。

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、Ｖ_fは３．８Ｖ、発光出力は５．２ｍＷであった。

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

基板上に、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、ｎ型不純物を含む活性層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、活性層及びｐ型窒化物半導体層は、前記基板上にＣ軸成長され、
前記活性層は、各層内で組成が略一定のＩｎ _ｘＧａ _１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成る井戸層とＩｎ _ｙＧａ _１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）又はＡｌ _ｚＧａ _１−ｚＮ（０＜ｚ＜０．５）から成る障壁層とから成る多重量子井戸構造を有し、
前記活性層に含まれるｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎの少なくとも１種であり、
前記活性層は、前記ｎ型窒化物半導体層に接する層から数えてｊ＝ｉ／６＋２（但し、ｉ≧４、ｊは小数以下を切り捨てた数字）で表されるｊ層までのいずれかに５×１０ ^１６ cm ^-3 以上のｎ型不純物がドープされ、
前記ｎ型不純物の濃度は、ｎ層側の方がｐ層側よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層のｎ型コンタクト層と前記活性層との間に、ＩｎＧａＮとＧａＮとから成る超格子構造の多層膜を有す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。
前記多層膜は、アンドープのＩｎＧａＮとアンドープのＧａＮとから成る超格子構造を有することを特徴とする請求項２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、前記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、前記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、前記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。
前記ｎ型不純物は、Ｓｉであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。