JP4815732B2 - 窒化物半導体素子 - 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、ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、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（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造（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。
量子井戸構造を有する活性層は、その構造の特性から、発光出力の向上が期待される。
【０００３】
【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。更に、素子の順方向電圧（Ｖｆ）を低くし、静電耐圧を良好にすることが、素子の汎用性を広げ、素子の信頼性を向上させることにつながる。
そこで、本発明の目的は、素子の信頼性を向上させ、種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力のさらなる向上が可能となり、Ｖｆの低い静電耐圧の良好となる窒化物半導体素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記構成（１）〜（５）の構成により、本発明の目的を達成することができる。
本発明に係る第1の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが、異なることを特徴とする。
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型窒化物半導体を構成する窒化物半導体層の層数と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数とが、異なることを特徴とする。
さらに、本発明に係る第３の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが、異なり、且つ、前記ｎ型窒化物半導体を構成する窒化物半導体層の層数と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数とが、異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
またさらに、上記第１〜第３の窒化物半導体素子では、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数が、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数より少ないことが好ましい。
さらにまた、上記第１〜第３の窒化物半導体素子では、前記ｐ型多層膜層及び／又はｎ型多層膜層が、変調ドープされていてもよい。
【０００５】
つまり、本発明の第１〜第３の窒化物半導体素子は、上述のように、活性層を挟むようにｎ型とｐ型とで組成及び／又は層数が異なるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とを形成し、素子構造の活性層付近の層構成を特定することにより、発光出力を向上させ、Ｖｆを低くでき、静電耐圧の良好な窒化物半導体素子を提供することができる。
【０００６】
量子井戸構造の活性層は、発光出力を向上させる可能性を秘めているが、従来の素子では、量子井戸構造の可能性を十分満足できる程度に発揮させることが困難であった。
【０００７】
これに対して、本発明者らは、量子井戸構造の活性層の性能を十分発揮させるべく、種々検討した結果、活性層に接して又は近接して互いに組成及び／又は層数の異なるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とを形成することにより、活性層の性能を良好に引き出して発光出力の向上を達成するとともに、Ｖｆの低下、及び静電耐圧の向上を達成することができた。
この理由は定かではないが、恐らく多層膜とすることにより結晶性が向上し、活性層の結晶性やｐ電極を形成する層の結晶性を良好とすることに加え、更に、組成及び／又は層数が異なることによるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との結晶の性質の相違が相乗的に作用して素子全体に好影響を及ぼし、素子性能（発光出力、Ｖｆ、静電耐圧等）を向上させていると考えられる。
【０００８】
本発明において、多層膜層とは、少なくとも組成の異なる２種類以上の単一の窒化物半導体層を少なくとも２層以上積層させてなるものであり、隣接する単一の窒化物半導体層同士で組成が異なるように、単一の窒化物半導体層を複数層積層してなる。
また、本発明において、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが異なるとは、それぞれの多層膜層を構成する単一の窒化物半導体の組成が同一であってもよいが、単一の窒化物半導体層を複数積層してなる多層膜層の全体の層構成（全体の組成）が一致しないことを意味する。つまり、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とは、それらを構成する組成が、部分一致を有していてもよいが、完全一致しないように窒化物半導体層の組成が調整される。
本発明において、積層された層数が異なるとは、ｐ型又はｎ型のいずれか一方が、多層膜層を構成する窒化物半導体が少なくとも一層以上多く積層されていればよい。
【０００９】
更に、本発明は、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数が、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数より少ない方が、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧の特性をいすれも良好にできるので、好ましい。
本発明において、ｐ型多層膜層の積層された層数が、ｎ型多層膜層の積層された層数より少なくとも一層すくなければよい。
【００１０】
更に本発明は、ｐ型多層膜層及び／又はｎ型多層膜層が、変調ドープされていると、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を向上させることができる。
また、本発明において、変調ドープとは、多層膜層を形成する単一の窒化物半導体層において、隣接する窒化物半導体層同士の不純物濃度が異なることをいい、多層膜層を構成する隣接の一方の窒化物半導体層がアンドープで、他方が不純物をドープされていてもよく、また、隣接する両方の窒化物半導体層に不純物がドープされている場合に、隣接する窒化物半導体同士で不純物濃度が異なっていてもよい。
【００１１】
また、本発明において、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８との組成が異なる場合、ｎ型多層膜層６を構成する層数とｐ型多層膜層８を構成する層数とは、同一でも異なってもよく、好ましくは層数が異なり、より好ましくはｐ型多層膜層の層数がｎ型多層膜層の層数より少ないことが、発光出力、Ｖｆ、静電耐圧の点で好ましい。
また、本発明において、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との層数が異なる場合、ｎ型多層膜層の組成とｐ型多層膜層の組成とは、同一でも異なってもよく、好ましくは組成が異なることが、上記のような本発明の効果を得るのに好ましい。
また、本発明において、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との層数が異なる場合、ｎ型とｐ型との層数の組み合わせは特に限定されず、ｐ型多層膜層８とｎ型多層膜層６の層数が異なっていれば、いずれの組み合わせでもよく、好ましくは、上記したように、ｐ型多層膜層の層数がｎ型多層膜層の層数より少ないようにすることが、上記本発明の効果を得るのに好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体素子は、以下のように構成しても上述した本発明の目的を達成することができる。
すなわち、本発明に係る第４の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には、ｎ型コンタクト層と超格子構造のｎ型多層膜層とを有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型多層膜層との間に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を有しており、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有することを特徴とする。
このように、この第４の窒化物半導体素子は、ｎ側の領域である前記ｎ型窒化物半導体において超格子構造のｎ型多層膜層を有し、ｐ側の領域である前記ｐ型窒化物半導体において超格子構造のｐ型多層膜層を有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型多層膜層との間に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を備えることにより、アンドープの窒化物半導体層を備えていない素子に比較してさらに、静電耐圧を良くすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る第４の窒化物半導体素子においては、前記ｎ型多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なるようにしてもよい。
【００１４】
さらに、本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には、ｎ型コンタクト層と超格子構造の第１のｎ型多層膜層とを有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記第１のｎ型多層膜層との間に、少なくとも３層構造の第２のｎ型多層膜層を有し、該第２のｎ型多層膜層を構成する層は前記第１の多層膜層に近づくに従って膜厚が薄くなるように調整されており、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有することを特徴とする。
以上のように構成することにより、本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、従来例に比較して静電耐圧を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記第２の多層膜層に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を有することが好ましく、これによりより静電耐圧を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記ｎ型第１の多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なるようにしてもよい。
【００１７】
さらに、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記第２のｎ型多層膜層は、アンドープの層、Ｓｉドープの層、アンドープの層を順に有するように構成することができる。
【００１８】
また、本発明に係る第６の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には超格子構造のｎ型多層膜層を有し、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有し、
前記ｎ型多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なりかつ、前記ｎ型多層膜層の膜厚が前記ｐ型多層膜層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。
以上のように構成された第６の窒化物半導体素子は、閾値又は順方向電圧を低くすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図１を用いて本発明のｎ型多層膜層及びｐ型多層膜層を有する窒化物半導体についてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構造を示す模式的断面図を示す。しかし、本発明はこれに限定されない。
図１には、サファイア基板１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４、アンドープＧａＮ層５、ｎ型多層膜層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、及び又は層数がｎ型とｐ型とで異なる。
ここで、上記図１には、ｎ型窒化物半導体としてｎ型多層膜層を１層及びｐ型窒化物半導体としてｐ型多層膜層を１層設けているが、ｎ型窒化物半導体及びｐ型窒化物半導体にそれぞれ多層膜層を２層以上設けてもよい。例えば、上記アンドープＧａＮ層５を、基板側からアンドープの窒化物半導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間層、及びアンドープの窒化物半導体からなる下層を順に積層してなる多層膜層とすると、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧をより良好とすることが好ましい。このようにｎ型窒化物半導体に２種のｎ型多層膜層を有する場合、２種のｎ型多層膜層のいずれかが、ｐ型多層膜層の層数より多ければよい。
【００２０】
まず、多層膜層について説明する。
本発明において、ｎ型多層膜層６は、組成の異なる少なくとも２種類以上の窒化物半導体から構成されていればよく、好ましい組成としては、ＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ＜１）［第１の窒化物半導体層］とＩｎpＧａ1-pＮ（０＜ｐ＜１）［第２の窒化物半導体層］との２種類の組成が挙げられる。
第１の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第１の窒化物半導体層を示す化学式のｚ値が小さいほど結晶性が良くなり、より好ましくはｚ値が０［ゼロ］を示すＧａＮである。
また、第２の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第２の窒化物半導体層を示す化学式のｐ値が０．５以下のＩｎpＧａ1-pＮ、より好ましくはｐ値が０．１以下のＩｎpＧａ1-pＮである。
本発明において、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半導体層がＧａＮであり、第２の窒化物半導体層がX値０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮである組み合わせが挙げられる。
【００２１】
また、上記のような組成からなるｎ型多層膜層６は、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層をそれぞれ少なくとも１層以上形成し、合計で２層以上又は３層以上、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層以上積層し、好ましくはそれぞれ少なくとも７層以上積層し、合計で１４層以上積層する。
第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の積層数の上限は特に限定されないが、例えば５００層以下である。５００層を超えると、積層する時間がかかり過ぎ操作が煩雑となったり、素子特性がやや低下する傾向がある。
【００２２】
ｎ型多層膜６を構成する単一の窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、２種類以上の窒化物半導体層の少なくとも１種類の単一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、より好ましくは５０オングストローム以下とする。
このようにｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層の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。
【００２３】
ｎ型多層膜層６が第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とから構成される場合、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。
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方が、１００オングストローム以下の薄膜層とすると、単一の窒化物半導体層がそれぞれ弾性臨界膜厚以下となり結晶が良好となる。この結晶性が改善された窒化物半導体層上に更に弾性臨界膜厚以下の窒化物半導体を成長させると、より結晶性が良好となる。このことから第１及び第２の窒化物半導体層の結晶性が積層されるに従って良くなり、結果としてｎ型多層膜層６全体の結晶性が良くなる。このようにｎ型多層膜層６の全体の結晶性が良好となることにより、素子の発光出力が向上する。
【００２４】
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の好ましい膜厚としては、両方とも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である。
ｎ型多層膜層６を構成する第１及び第２の窒化物半導体層の膜厚が両方とも１００オングストローム以下とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が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、ｎ型多層膜層６の第１及び第２の窒化物半導体層の両方の膜厚を７０オングストローム以下にすると、多層膜層が超格子構造となり結晶性が良好となり、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、ｎ型多層膜層６がバッファ層のような作用をして、活性層を結晶性よく成長できる。
【００２５】
ｎ型多層膜層６の総膜厚としては、特に限定されないが、２５〜１００００オングストロームであり、好ましくは２５〜５０００オングストロームであり、より好ましくは２５〜１０００オングストロームである。膜厚がこの範囲であると、結晶性が良く、素子の出力が向上する。
【００２６】
ｎ型多層膜層６は、形成される位置は特に限定されず、活性層７に接して形成されても、活性層７と離れて形成されてもよく、好ましくはｎ型多層膜層６が活性層７に接して形成されていることが好ましい。
ｎ型多層膜層６が活性層７に接して形成されている場合、活性層７の最初の層である井戸層又は障壁層と接するｎ型多層膜層６を構成する窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層でも、第２の窒化物半導体層でも良い。このようにｎ型多層膜層６を構成する第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との積層順序は、特に限定されない。つまり、第１の窒化物半導体から積層を始め、第１の窒化物半導体で終わっても、第１の窒化物半導体から積層を始め、第２の窒化物半導体で終わっても、第２の窒化物半導体から積層を始め、第１の窒化物半導体で終わっても、また、第２の窒化物半導体から積層を始め、第２の窒化物半導体で終わってもよい。
図１では、ｎ型多層膜層６は、活性層７に接して形成されているが、上記したように、ｎ型多層膜層６が活性層７と離れて形成されている場合、ｎ型多層膜層６と活性層７との間に、他のｎ型窒化物半導体よりなる層が形成されていてもよい。
【００２７】
本発明において、ｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層、例えば第１及び第２の窒化物半導体層は、アンドープでも、ｎ型不純物がドープされていてもよい。
本発明において、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を含んでいても成長時に不純物をドープしないで成長させている場合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。
【００２８】
ｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層が、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層からなる場合、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。
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のいずれか一方にｎ型不純物をドープすること、又は、両方にｎ型不純物がドープされ隣接する窒化物半導体層同士で濃度が異なることを、変調ドープと呼び、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。
また、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にｎ型不純物がドープされている場合は、隣接する単一の窒化物半導体層同士で不純物濃度が異なっても同一でもよく、好ましくは異なることが挙げられる。
結晶性を良くするためには、アンドープが最も好ましく、次に隣接する一方がアンドープの変調ドープ、その次に隣接する両方にドープする変調ドープの順である。
また、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の両方にｎ型不純物がドープされている場合、不純物濃度は、いずれの層の濃度が高くてもよい。
ｎ型不純物をドープする場合の不純物濃度は、特に限定されないが、５×１０21／cm3以下、好ましくは１×１０20／cm3以下、下限としては５×１０16／cm3に調整する。５×１０21／cm3よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に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。
本発明において、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはＳｉ、Ｓｎを用いる。
【００２９】
次に、ｐ型多層膜層８について説明する。
本発明において、ｐ型多層膜層８は、組成の異なる少なくとも２種類以上の窒化物半導体から構成されていればよく、好ましい組成としては、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）［第３の窒化物半導体層］とＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）［第４の窒化物半導体層］との２種類の組成が挙げられる。
第３の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第３の窒化物半導体層を示す化学式のｘ値が０．５以下のＡｌxＧａ1-xＮである。ｘが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。
また、第４の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第４の窒化物半導体層を示す化学式のｙ値が０［ゼロ］のＧａＮである。ｙ値がゼロであると全体的に結晶性の良い多層膜層が成長でき易くなる傾向がある。
本発明において、ｎ型多層膜層８を構成する窒化物半導体の好ましい組み合わせとしては、第３の窒化物半導体層がｘ値０．５以下のＡｌxＧａ1-xＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせが挙げられる。
【００３０】
また、上記のような組成からなるｐ型多層膜層８は、第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層をそれぞれ少なくとも１層以上形成し、合計で２層以上又は３層以上、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。
第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層の積層の上限は特に限定されないが、積層時間等の製造工程や素子特性などを考慮すると、例えば１００層以下が挙げられる。
【００３１】
ｐ型多層膜層８の総膜厚としては、特に限定されないが、２５〜１００００オングストロームであり、好ましくは２５〜５０００オングストロームであり、より好ましくは２５〜１０００オングストロームである。膜厚がこの範囲であると、結晶性が良く、素子の出力が向上する。
また本発明において、ｐ型多層膜層８は、上記範囲の膜厚内で比較的膜厚を薄く形成される方が、素子のＶｆ、閾値が低下しやすくなる傾向にある。
【００３２】
また、ｎ型多層膜層６の膜厚をｐ型多層膜層８より厚くすると、ｎ型多層膜層６の膜厚がｐ型多層膜層８より薄い場合に比較してＶｆを低くすることができる。
【００３３】
ｐ型多層膜層８を構成する単一の窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、２種類以上の窒化物半導体層の少なくとも１種類の窒化物半導体層の単一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、より好ましくは５０オングストローム以下とする。
このようにｐ型多層膜層８を構成する単一の窒化物半導体層の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、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やしきい値等が低下し易い傾向がある。これによって、低消費電力で良好な発光出力を得ることができる。
【００３４】
ｐ型多層膜層８が第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とから構成される場合、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。
第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層の少なくとも一方が、１００オングストローム以下の薄膜層とすると、単一の窒化物半導体層がそれぞれ弾性臨界膜厚以下となり結晶が良好となる。この結晶性が改善された窒化物半導体層上に更に弾性臨界膜厚以下の窒化物半導体を成長させると、より結晶性が良好となる。このことから第３及び第４の窒化物半導体層の結晶性が積層されるに従って良くなり、結果として、ｐ型多層膜層８全体の結晶性が良くなる。このようにｐ型多層膜層８の全体の結晶性が良好となることにより、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型層が得られ、素子のＶｆやしきい値等が低下し易い傾向にある。これによって、低消費電力で良好な発光出力を得ることができる。
【００３５】
第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層の好ましい膜厚は、両方とも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である。
ｐ型多層膜層８を構成する第３及び第４の窒化物半導体層の膜厚が両方とも１００オングストローム以下とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が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、ｐ型多層膜層８の第３及び第４の窒化物半導体層の両方の膜厚を７０オングストローム以下にすると、多層膜層が超格子構造となり結晶性が良好となり、素子のＶｆやしきい値等が低下し易くなり、発光出力を向上させるのに好ましい。
【００３６】
ｐ型多層膜層８は、形成される位置は特に限定されず、活性層７に接して形成されても、活性層７と離れて形成されてもよく、好ましくはｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されていることが好ましい。ｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されていると発光出力が向上し易くなり好ましい。
ｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されている場合、活性層７の最初の層である井戸層又は障壁層と接するｐ型多層膜層８を構成する窒化物半導体層としては、第３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層でも良い。このようにｐ型多層膜層８を構成する第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層との積層順序は、特に限定されない。つまり、第３の窒化物半導体層から積層を始め、第３の窒化物半導体層で終わっても、第３の窒化物半導体層から積層を始め、第４の窒化物半導体層で終わっても、第４の窒化物半導体層から積層を始め、第３の窒化物半導体層で終わっても、また、第４の窒化物半導体層から積層を始め、第４の窒化物半導体層で終わってもよい。
図１では、ｐ型多層膜層８は、活性層７に接して形成されているが、上記したように、ｐ型多層膜層８が活性層７と離れて形成されている場合、ｐ型多層膜層８と活性層７との間に、他のｐ型窒化物半導体よりなる層が形成されていてもよい。
【００３７】
また、本発明において、第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層は、両方ともアンドープでも、いずれか一方にｐ型不純物がドープされていてもよく、両方にｐ型不純物がドープされていてもよい。
ｐ型多層膜層８を構成する第３及び第４の窒化物半導体層が、両方ともにアンドープである場合、ｐ型多層膜層８の膜厚を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。
膜厚が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、発光出力が低下しやすい傾向にある。また、膜厚が、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。
また、第３及び第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る変調ドープをすると、発光出力が向上しやすい傾向にある。また、変調ドープするとキャリア濃度の高いｐ層が得られ易くなり好ましい。
また、第３及び第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物をドープすると一方がアンドープの場合に比べて、更にキャリア濃度が高くなるのでＶｆが低下し好ましい。第３及び第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物をドープする場合、隣接する窒化物半導体層同士の不純物濃度が同一でもよいが、異なること（変調ドープ）が好ましい。
【００３８】
本発明において、ｐ型多層膜層８にｐ型不純物をドープする場合、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。
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、発光出力が低下する傾向にある。ｐ型不純物のドープ量の下限は特に限定されないが、５×１０16／cm3以上である。
【００３９】
以下に、図１に示されるｎ型多層膜層６及びｐ型多層膜層８以外の他の素子構造を形成する各層について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４０】
基板１としては、Ｃ面、Ｒ面又は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。
【００４１】
バッファ層２としては、ＧａdＡｌ1-dＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）からなる窒化物半導体であり、好ましくはＡｌの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましくはＧａＮからなるバッファ層２が挙げられる。
バッファ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．２μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．０２μｍの範囲に調整する。バッファ層２の膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。
バッファ層２の成長温度は、２００〜９００℃であり、好ましくは４００〜８００℃の範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好ましい。また、このような低温で成長させるバッファ層２は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよい。
【００４２】
アンドープＧａＮ層３としては、先に成長させたバッファ層２よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ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。
【００４３】
ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層４としては、アンドープＧａＮ層３と同様に、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ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。
【００４４】
アンドープＧａＮ層５としては、上記と同様に、ＧａＮに限られず、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦１）で構成できる。アンドープＧａＮ層５は、ＧａＮ、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ、またはｆ値が０．１以下のＩｎfＧａ1-fＮ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ので好ましい。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型コンタクト層４の上に直接次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ｎ型多層膜層６が成長し易くなり、更にｎ型多層膜層上に活性層７を成長させると成長しやすく結晶性が良好となり好ましい。このように、アンドープの窒化物半導体層よりなるアンドープＧａＮ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型コンタクト層４、次にアンドープの窒化物半導体よりなるアンドープＧａＮ層５を積層し、更に前記ｎ型多層膜層６を積層した構造とすると、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型多層膜層６をアンドープにする場合はアンドープＧａＮ層５を省略することができる。
【００４５】
また、アンドープＧａＮ層５を１００オングストローム以上の膜厚に形成することにより、静電耐圧を向上させることができる。
【００４６】
また、本発明において、上記アンドープＧａＮ層５に変えて、以下のアンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃからなる多層膜層５ａ−ｃとしてもよい。
多層膜層５ａ−ｃは、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの少なくとも３層から構成されている。ｎ側第２多層膜層には上記下層５ａ〜上層５ｃ以外のその他の層を有していてもよい。また多層膜層５ａ−ｃは、活性層と接していても、活性層の間に他の層を有していてもよい。
上記下層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、ＩｎgＡｌhＧａ1-g-hＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができ、好ましくはＧａＮからなる組成のものが挙げられる。また多層膜層５ａ−ｃの各層は組成が同一でも異なっていてもよい。
【００４７】
多層膜層５ａ−ｃの膜厚は、特に限定されないが、１７５〜１２０００オングストロームであり、好ましくは１０００〜１００００オングストロームであり、より好ましくは２０００〜６０００オングストロームである。多層膜層５ａ−ｃの膜厚が上記範囲であるとＶｆの最適化と静電耐圧の向上の点で好ましい。
上記範囲の膜厚を有する第２多層膜層５の膜厚の調整は、下層５ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整して、多層膜層５ａ−ｃの総膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。
【００４８】
多層膜層５ａ−ｃを構成する下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃの各膜厚は、特に限定されないが、多層膜層５ａ−ｃ中で積層される位置により素子性能の諸特性に与える影響が異なるため、各層の素子性能に大きく関与する特性に特に注目し、いずれか２層の膜厚を固定し、残りの１層の膜厚を段階的に変化させて、特性の良好な範囲の膜厚を測定し、更に各層との調整により膜厚の範囲を特定している。
多層膜層５ａ−ｃの各層は、各々静電耐圧に直接影響を及ぼさない場合もあるが、各層を組み合わせて多層膜層５ａ−ｃとすることにより、全体として種々の素子特性が良好であると共に、特に発光出力及び静電耐圧が著しく良好となる。
【００４９】
アンドープの下層５ａの膜厚は、１００〜１００００オングストローム、好ましくは５００〜８０００オングストローム、より好ましくは１０００〜５０００オングストロームである。アンドープの下層５ａは、膜厚を徐々に厚くしていくと静電耐圧が上昇していくが、１００００オングストローム付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００オングストローム未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、上層５ａは、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層４の結晶性の低下の影響を改善していると考えられるので、結晶性の改善が良好となる程度の膜厚で成長されるのが好ましい。
【００５０】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は、５０〜１０００オングストローム、好ましくは１００〜５００オングストローム、より好ましくは２００〜５００（基の記載は、１５０〜４００）オングストロームである。この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分とさせて発光出力に比較的大きく作用する層であり、この層を形成させないと著しく発光出力が低下する傾向がある。膜厚が１０００オングストロームを超えると発光出力が大きく低下する傾向がある。一方、中間層５ｂの膜厚が厚いと静電耐圧は良好であるが、膜厚が５０オングストローム未満では静電耐圧の低下が大きくなる傾向がある。
【００５１】
アンドープの上層５ｃの膜厚は、２５〜１０００オングストローム、好ましくは２５〜５００オングストローム、より好ましくは２５〜１５０オングストロームであり、よりいっそう好ましくは、５０〜１００オングストロームとする。このアンドープの上層５ｃは、第２多層膜の中で活性層に接してあるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与しているが、上層５ｃの膜厚が２５オングストローム未満ではリーク電流が増加する傾向がある。また、上層５ｃの膜厚が１０００オングストロームを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する傾向がある。
【００５２】
以上のように、下層５ａ〜上層５ｃの各膜厚は、上記に示したように、各層の膜厚の変動により影響されやすい素子特性に注目し、更に、下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃを組み合わせた際に、諸素子特性すべてがほぼ均一に良好となり、特に発光出力及び静電耐圧が良好となるように、更に社内規格を満足できるように種々検討し、上記範囲に各膜厚を規定することにより、良好な発光出力及び商品の信頼性の更なる向上を達成することが可能な静電耐圧を得ることができる。
また、第２多層膜層５の各層の膜厚の組み合わせは、発光波長の種類による活性層の組成の変化や、電極、ＬＥＤ素子の形状など種々の条件により、最も良好な効果を得るために適宜調整される。各層の膜厚の組み合わせに伴う性能は、上記範囲の膜厚で適宜組み合わせることにより、従来のものに比べ良好な発光出力及び良好な静電耐圧を得ることができる。
【００５３】
また、以上の第２多層膜層５において、各層５ａ〜５ｃの各層の膜厚は、上述した各範囲内で、ｎ型多層膜層６に近づくに従って薄くなるように調整することが好ましく、このようにすると発光出力及びＶｆを比較的良好な値に保ったまま静電耐圧を向上させることができる。
【００５４】
上記多層膜層５ａ−ｃを構成する各層の組成は、ＩｎmＡｌnＧａ1-m-nＮ（０≦ｍ＜１、０≦ｎ＜１）で表される組成であればよく、各層の組成が同一でも異なっていてもよく、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合が小さい組成であり、より好ましくはＧａＮからなる層が好ましい。
【００５５】
上記ｎ型不純物ドープの中間層５ｂのｎ型不純物のドープ量は、特に限定されないが、３×１０18／ｃｍ3以上、好ましくは５×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含有する。ｎ型不純物の上限としては、特に限定されないが、結晶性が悪くなりすぎない程度の限界としては５×１０21／ｃｍ3以下が望ましい。第２の多層膜層の中間層の不純物濃度が上記範囲であると、発光出力の向上とＶｆの低下の点で好ましい。
ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、第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。
【００５６】
また、上記第２の多層膜層５ａ−ｃにおいて、ｎ型多層膜層６との界面に位置する上層５ｃは、ｎ型多層膜層６の一部の層として機能させることができる。
【００５７】
次に、活性層７としては、少なくともＩｎを含んでなる窒化物半導体、好ましくはＩｎjＧａ1-jＮ（０≦ｊ＜１）を含んでなる井戸層を有する単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造のものが挙げられる。
活性層７の積層順は、井戸層から積層して井戸層で終わってもよく、井戸層から積層して障壁層で終わってもよく、また、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。
【００５８】
次に、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層９としては、上記と同様にＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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。
【００５９】
また、本発明において用いられるｐ電極及びｎ電極は、特に限定されず、従来知られている電極等を用いることができ、例えば実施例に記載の電極が挙げられる。
【００６０】
以上の実施の形態の窒化物半導体素子は、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８とを備えているので、発光出力及び静電耐圧を向上させることができ、かつＶｆを低くすることができる。
そして、以上の実施の形態の窒化物半導体素子では、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８の組成又は層数を異ならせることによりさらに発光出力及び静電耐圧を向上させることができ、Ｖｆを低くすることができる。
【００６１】
さらに、本実施の形態の窒化物半導体素子では、ｎ型多層膜層６及びｐ型多層膜層８に加え、１００オングストローム以上の膜厚のアンドープＧａＮ層５を備えることにより、より静電耐圧を向上させることができる。
またさらに、本実施の形態の窒化物半導体素子では、アンドープＧａＮ層５に代えて第２の多層膜層を形成し、かつその第２の多層膜層を構成する下層５ａ、中間層５ｂ、上層５ｂの膜厚をｎ型多層膜層６に近づくに従って薄くなるように調整することにより、よりいっそう静電耐圧を向上させることができる。
【００６２】
以上の実施の形態の窒化物半導体素子では、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層をｎ型多層膜層６と接するように形成した例を示したが、、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層とｎ型多層膜層６とは離れて形成されていてもよい。すなわち、本発明では、少なくともｎ型コンタクト層４とｎ型多層膜層６との間に、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層を形成するようにすればよい。
また、本発明では第２の多層膜層を３層以上の層で構成してもよい。
さらに、第２の多層膜層とｎ型多層膜層６とを接するように形成する場合、第２の多層膜層の上層５ｃがｎ型多層膜層６の最も下の層を兼ねるようにしてもよい。
【００６３】
【実施例】
以下に、本発明に係る実施例を示す。しかし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６４】
［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。
【００６５】
（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。
【００６６】
（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、アンドープＧａＮ層３を１μｍの膜厚で成長させる。
【００６７】
（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３μｍの膜厚で成長させる。
【００６８】
（アンドープＧａＮ層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮ層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
（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、その上にアンドープＧａＮ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層づつ積層した超格子構造よりなるｎ型多層膜を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７０】
（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。
【００７１】
（ｐ型多層膜層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Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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型多層膜層８を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、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型コンタクト層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。
【００７６】
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３．５Ｖ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０．５Ｖ近く低下し、発光出力は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。更に得られた素子は、静電耐圧が従来の素子に比べて約１．２倍以上良好となる。
【００７７】
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型コンタクト層、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型コンタクト層を順に積層したものである。
【００７８】
［実施例２］
実施例１において、ｎ型多層膜層６を成長する際に、第１の窒化物半導体層のみを、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮとして成長さる他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の良好な素子特性を有している。
【００７９】
［実施例３］
実施例１において、ｎ型多層膜層６を成長する際に、第２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１の窒化物半導体層を、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＧａＮとする他は同様にしてＬＥＤ素子を製造した。得られたＬＥＤ素子は、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。また静電耐圧は、実施例１と同様に良好である。
【００８０】
［実施例４］
実施例１において、ｐ型多層膜層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。
【００８１】
［実施例５］
実施例１において、ｐ型多層膜層８を成長する際に、アンドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００８２】
［実施例６］
実施例１において、アンドープＧａＮ層５に変えて多層膜総５ａ−ｃを、さらに、下記各層を以下のように変更する他は同様にして、ＬＥＤ素子を製造する。
【００８３】
（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６×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。
【００８４】
（多層膜層５ａ−ｃ）
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２０００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６×１０18／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第２多層膜層５を成長させる。
【００８５】
（ｎ型多層膜層６）
次に、同様の温度で、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、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ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１＋第２の順で交互に１０層づつ積層させ、最後に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。
【００８６】
（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。
【００８７】
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同様に良好な発光出力及びＶｆを示し、更に、ＬＥＤ素子のｎ層及びｐ層の各電極より逆方向に徐々に電圧を加え静電耐圧を測定したところ、実施例１に記載の従来の素子に比べて１．５倍以上となり、実施例１より静電耐圧は良好な結果が得られた。
【００８８】
［実施例７］
実施例６においてアンドープＧａＮからなる下層５ａを形成しない他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして得られた、ＬＥＤ素子は実施例１とほぼ同様の発光出力とＶｆを示し、静電耐圧は従来例に比較すると高いが、実施例１及び実施例６に比較すると低いものであった。
【００８９】
以上のように、本実施例７のＬＥＤ素子は、従来例の素子より静電耐圧を高くできるが、実施例１及び実施例６の素子と比較して静電耐圧は低いものである。
このことから、実施例６のアンドープの下層５ａは静電耐圧を向上させる効果があることがわかる。
また、実施例１のＬＥＤ素子の静電耐圧は、実施例７のＬＥＤ素子の静電耐圧より高いことから、実施例１のアンドープのＧａＮ層５も静電耐圧を向上させる効果があることがわかる。
【００９０】
［実施例８］
実施例６において、アンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下層５ａを２０００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６×１０18／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Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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第２多層膜層５を成長させる他は、実施例６と同様に作製した。
以上のように作製したＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同様の発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を示した。
【００９１】
［実施例９］
実施例６において、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる下層５ａを２０００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６×１０18／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Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ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第２多層膜層５を成長させる他は、実施例６と同様に作製した。
以上のように作製したＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同様の発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を示した。
【００９２】
［実施例１０］
実施例６において、ＳｉドープＧａＮからなる５ｂを１０００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして得られたＬＥＤ素子は、実施例６と同等のＶｆを示し、静電耐圧は実施例６の１．２倍であった。しかしながら、発光出力は実施例６のＬＥＤ素子に比較して７０％であった。
【００９３】
［実施例１１］
ＳｉドープＧａＮからなる５ｂ層を１００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にして作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同等のＶｆを示し、発光出力は実施例６のＬＥＤ素子に比較して１．１倍程度であった。しかしながら、静電耐圧は実施例６に比較して低いものであった。
【００９４】
［実施例１２］
アンドープＧａＮからなる５ｃ層を２００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例６と同様の発光出力を示し、Ｖｆは実施例６のＬＥＤ素子に比較して高くなり、静電耐圧は実施例６のＬＥＤ素子に比較して低いものであった。
【００９５】
［実施例１３］
実施例６において、ｎ型多層膜層６の、第２と第１の窒化物半導体層を２０層ずつ積層し成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして作製された実施例１３のＬＥＤ素子は、実施例６のＬＥＤ素子と同等の発光出力を示し、実施例６のＬＥＤ素子に比較してＶｆは２０％程度低くすることができた。しかしながら、静電耐圧は実施例６の素子に比較して低下していた。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は、素子の信頼性を向上させ、種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力のさらなる向上が可能となり、Ｖｆの低い静電耐圧の良好となる窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態であるＬＥＤ素子の構造を示す模式的断面図である。
【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・・・ＳｉドープＧａＮのｎ型コンタクト層、
５・・・アンドープＧａＮ層、
６・・・ｎ型多層膜層、
７・・・活性層、
８・・・ｐ型多層膜層、
９・・・ＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層、
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、ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、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（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造（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。
量子井戸構造を有する活性層は、その構造の特性から、発光出力の向上が期待される。
【０００３】
【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。更に、素子の順方向電圧（Ｖｆ）を低くし、静電耐圧を良好にすることが、素子の汎用性を広げ、素子の信頼性を向上させることにつながる。
そこで、本発明の目的は、素子の信頼性を向上させ、種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力のさらなる向上が可能となり、Ｖｆの低い静電耐圧の良好となる窒化物半導体素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記構成（１）〜（５）の構成により、本発明の目的を達成することができる。
本発明に係る第1の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが、異なることを特徴とする。
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型窒化物半導体を構成する窒化物半導体層の層数と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数とが、異なることを特徴とする。
さらに、本発明に係る第３の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体にｎ型多層膜層を、ｐ型窒化物半導体にｐ型多層膜層をそれぞれ有し、前記ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが、異なり、且つ、前記ｎ型窒化物半導体を構成する窒化物半導体層の層数と、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数とが、異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
またさらに、上記第１〜第３の窒化物半導体素子では、前記ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数が、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数より少ないことが好ましい。
さらにまた、上記第１〜第３の窒化物半導体素子では、前記ｐ型多層膜層及び／又はｎ型多層膜層が、変調ドープされていてもよい。
【０００５】
つまり、本発明の第１〜第３の窒化物半導体素子は、上述のように、活性層を挟むようにｎ型とｐ型とで組成及び／又は層数が異なるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とを形成し、素子構造の活性層付近の層構成を特定することにより、発光出力を向上させ、Ｖｆを低くでき、静電耐圧の良好な窒化物半導体素子を提供することができる。
【０００６】
量子井戸構造の活性層は、発光出力を向上させる可能性を秘めているが、従来の素子では、量子井戸構造の可能性を十分満足できる程度に発揮させることが困難であった。
【０００７】
これに対して、本発明者らは、量子井戸構造の活性層の性能を十分発揮させるべく、種々検討した結果、活性層に接して又は近接して互いに組成及び／又は層数の異なるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とを形成することにより、活性層の性能を良好に引き出して発光出力の向上を達成するとともに、Ｖｆの低下、及び静電耐圧の向上を達成することができた。
この理由は定かではないが、恐らく多層膜とすることにより結晶性が向上し、活性層の結晶性やｐ電極を形成する層の結晶性を良好とすることに加え、更に、組成及び／又は層数が異なることによるｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との結晶の性質の相違が相乗的に作用して素子全体に好影響を及ぼし、素子性能（発光出力、Ｖｆ、静電耐圧等）を向上させていると考えられる。
【０００８】
本発明において、多層膜層とは、少なくとも組成の異なる２種類以上の単一の窒化物半導体層を少なくとも２層以上積層させてなるものであり、隣接する単一の窒化物半導体層同士で組成が異なるように、単一の窒化物半導体層を複数層積層してなる。
また、本発明において、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成と、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体の組成とが異なるとは、それぞれの多層膜層を構成する単一の窒化物半導体の組成が同一であってもよいが、単一の窒化物半導体層を複数積層してなる多層膜層の全体の層構成（全体の組成）が一致しないことを意味する。つまり、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層とは、それらを構成する組成が、部分一致を有していてもよいが、完全一致しないように窒化物半導体層の組成が調整される。
本発明において、積層された層数が異なるとは、ｐ型又はｎ型のいずれか一方が、多層膜層を構成する窒化物半導体が少なくとも一層以上多く積層されていればよい。
【０００９】
更に、本発明は、ｐ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数が、ｎ型多層膜層を構成する窒化物半導体層の層数より少ない方が、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧の特性をいすれも良好にできるので、好ましい。
本発明において、ｐ型多層膜層の積層された層数が、ｎ型多層膜層の積層された層数より少なくとも一層すくなければよい。
【００１０】
更に本発明は、ｐ型多層膜層及び／又はｎ型多層膜層が、変調ドープされていると、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を向上させることができる。
また、本発明において、変調ドープとは、多層膜層を形成する単一の窒化物半導体層において、隣接する窒化物半導体層同士の不純物濃度が異なることをいい、多層膜層を構成する隣接の一方の窒化物半導体層がアンドープで、他方が不純物をドープされていてもよく、また、隣接する両方の窒化物半導体層に不純物がドープされている場合に、隣接する窒化物半導体同士で不純物濃度が異なっていてもよい。
【００１１】
また、本発明において、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８との組成が異なる場合、ｎ型多層膜層６を構成する層数とｐ型多層膜層８を構成する層数とは、同一でも異なってもよく、好ましくは層数が異なり、より好ましくはｐ型多層膜層の層数がｎ型多層膜層の層数より少ないことが、発光出力、Ｖｆ、静電耐圧の点で好ましい。
また、本発明において、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との層数が異なる場合、ｎ型多層膜層の組成とｐ型多層膜層の組成とは、同一でも異なってもよく、好ましくは組成が異なることが、上記のような本発明の効果を得るのに好ましい。
また、本発明において、ｎ型多層膜層とｐ型多層膜層との層数が異なる場合、ｎ型とｐ型との層数の組み合わせは特に限定されず、ｐ型多層膜層８とｎ型多層膜層６の層数が異なっていれば、いずれの組み合わせでもよく、好ましくは、上記したように、ｐ型多層膜層の層数がｎ型多層膜層の層数より少ないようにすることが、上記本発明の効果を得るのに好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体素子は、以下のように構成しても上述した本発明の目的を達成することができる。
すなわち、本発明に係る第４の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には、ｎ型コンタクト層と超格子構造のｎ型多層膜層とを有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型多層膜層との間に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を有しており、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有することを特徴とする。
このように、この第４の窒化物半導体素子は、ｎ側の領域である前記ｎ型窒化物半導体において超格子構造のｎ型多層膜層を有し、ｐ側の領域である前記ｐ型窒化物半導体において超格子構造のｐ型多層膜層を有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型多層膜層との間に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を備えることにより、アンドープの窒化物半導体層を備えていない素子に比較してさらに、静電耐圧を良くすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る第４の窒化物半導体素子においては、前記ｎ型多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なるようにしてもよい。
【００１４】
さらに、本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には、ｎ型コンタクト層と超格子構造の第１のｎ型多層膜層とを有しかつ、前記ｎ型コンタクト層と前記第１のｎ型多層膜層との間に、少なくとも３層構造の第２のｎ型多層膜層を有し、該第２のｎ型多層膜層を構成する層は前記第１の多層膜層に近づくに従って膜厚が薄くなるように調整されており、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有することを特徴とする。
以上のように構成することにより、本発明に係る第５の窒化物半導体素子は、従来例に比較して静電耐圧を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記第２の多層膜層に１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層を有することが好ましく、これによりより静電耐圧を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記ｎ型第１の多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なるようにしてもよい。
【００１７】
さらに、本発明に係る第５の窒化物半導体素子において、前記第２のｎ型多層膜層は、アンドープの層、Ｓｉドープの層、アンドープの層を順に有するように構成することができる。
【００１８】
また、本発明に係る第６の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体には超格子構造のｎ型多層膜層を有し、
前記ｐ型窒化物半導体には、超格子構造のｐ型多層膜層を有し、
前記ｎ型多層膜層の組成と前記ｐ型多層膜層の組成とが互いに異なりかつ、前記ｎ型多層膜層の膜厚が前記ｐ型多層膜層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。
以上のように構成された第６の窒化物半導体素子は、閾値又は順方向電圧を低くすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図１を用いて本発明のｎ型多層膜層及びｐ型多層膜層を有する窒化物半導体についてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構造を示す模式的断面図を示す。しかし、本発明はこれに限定されない。
図１には、サファイア基板１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４、アンドープＧａＮ層５、ｎ型多層膜層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、及び又は層数がｎ型とｐ型とで異なる。
ここで、上記図１には、ｎ型窒化物半導体としてｎ型多層膜層を１層及びｐ型窒化物半導体としてｐ型多層膜層を１層設けているが、ｎ型窒化物半導体及びｐ型窒化物半導体にそれぞれ多層膜層を２層以上設けてもよい。例えば、上記アンドープＧａＮ層５を、基板側からアンドープの窒化物半導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間層、及びアンドープの窒化物半導体からなる下層を順に積層してなる多層膜層とすると、発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧をより良好とすることが好ましい。このようにｎ型窒化物半導体に２種のｎ型多層膜層を有する場合、２種のｎ型多層膜層のいずれかが、ｐ型多層膜層の層数より多ければよい。
【００２０】
まず、多層膜層について説明する。
本発明において、ｎ型多層膜層６は、組成の異なる少なくとも２種類以上の窒化物半導体から構成されていればよく、好ましい組成としては、ＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ＜１）［第１の窒化物半導体層］とＩｎpＧａ1-pＮ（０＜ｐ＜１）［第２の窒化物半導体層］との２種類の組成が挙げられる。
第１の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第１の窒化物半導体層を示す化学式のｚ値が小さいほど結晶性が良くなり、より好ましくはｚ値が０［ゼロ］を示すＧａＮである。
また、第２の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第２の窒化物半導体層を示す化学式のｐ値が０．５以下のＩｎpＧａ1-pＮ、より好ましくはｐ値が０．１以下のＩｎpＧａ1-pＮである。
本発明において、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半導体層がＧａＮであり、第２の窒化物半導体層がX値０．５以下のＩｎXＧａ1-XＮである組み合わせが挙げられる。
【００２１】
また、上記のような組成からなるｎ型多層膜層６は、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層をそれぞれ少なくとも１層以上形成し、合計で２層以上又は３層以上、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層以上積層し、好ましくはそれぞれ少なくとも７層以上積層し、合計で１４層以上積層する。
第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の積層数の上限は特に限定されないが、例えば５００層以下である。５００層を超えると、積層する時間がかかり過ぎ操作が煩雑となったり、素子特性がやや低下する傾向がある。
【００２２】
ｎ型多層膜６を構成する単一の窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、２種類以上の窒化物半導体層の少なくとも１種類の単一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、より好ましくは５０オングストローム以下とする。
このようにｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層の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。
【００２３】
ｎ型多層膜層６が第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とから構成される場合、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。
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方が、１００オングストローム以下の薄膜層とすると、単一の窒化物半導体層がそれぞれ弾性臨界膜厚以下となり結晶が良好となる。この結晶性が改善された窒化物半導体層上に更に弾性臨界膜厚以下の窒化物半導体を成長させると、より結晶性が良好となる。このことから第１及び第２の窒化物半導体層の結晶性が積層されるに従って良くなり、結果としてｎ型多層膜層６全体の結晶性が良くなる。このようにｎ型多層膜層６の全体の結晶性が良好となることにより、素子の発光出力が向上する。
【００２４】
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の好ましい膜厚としては、両方とも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である。
ｎ型多層膜層６を構成する第１及び第２の窒化物半導体層の膜厚が両方とも１００オングストローム以下とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が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、ｎ型多層膜層６の第１及び第２の窒化物半導体層の両方の膜厚を７０オングストローム以下にすると、多層膜層が超格子構造となり結晶性が良好となり、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、ｎ型多層膜層６がバッファ層のような作用をして、活性層を結晶性よく成長できる。
【００２５】
ｎ型多層膜層６の総膜厚としては、特に限定されないが、２５〜１００００オングストロームであり、好ましくは２５〜５０００オングストロームであり、より好ましくは２５〜１０００オングストロームである。膜厚がこの範囲であると、結晶性が良く、素子の出力が向上する。
【００２６】
ｎ型多層膜層６は、形成される位置は特に限定されず、活性層７に接して形成されても、活性層７と離れて形成されてもよく、好ましくはｎ型多層膜層６が活性層７に接して形成されていることが好ましい。
ｎ型多層膜層６が活性層７に接して形成されている場合、活性層７の最初の層である井戸層又は障壁層と接するｎ型多層膜層６を構成する窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層でも、第２の窒化物半導体層でも良い。このようにｎ型多層膜層６を構成する第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との積層順序は、特に限定されない。つまり、第１の窒化物半導体から積層を始め、第１の窒化物半導体で終わっても、第１の窒化物半導体から積層を始め、第２の窒化物半導体で終わっても、第２の窒化物半導体から積層を始め、第１の窒化物半導体で終わっても、また、第２の窒化物半導体から積層を始め、第２の窒化物半導体で終わってもよい。
図１では、ｎ型多層膜層６は、活性層７に接して形成されているが、上記したように、ｎ型多層膜層６が活性層７と離れて形成されている場合、ｎ型多層膜層６と活性層７との間に、他のｎ型窒化物半導体よりなる層が形成されていてもよい。
【００２７】
本発明において、ｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層、例えば第１及び第２の窒化物半導体層は、アンドープでも、ｎ型不純物がドープされていてもよい。
本発明において、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を含んでいても成長時に不純物をドープしないで成長させている場合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。
【００２８】
ｎ型多層膜層６を構成する単一の窒化物半導体層が、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層からなる場合、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。
第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のいずれか一方にｎ型不純物をドープすること、又は、両方にｎ型不純物がドープされ隣接する窒化物半導体層同士で濃度が異なることを、変調ドープと呼び、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。
また、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にｎ型不純物がドープされている場合は、隣接する単一の窒化物半導体層同士で不純物濃度が異なっても同一でもよく、好ましくは異なることが挙げられる。
結晶性を良くするためには、アンドープが最も好ましく、次に隣接する一方がアンドープの変調ドープ、その次に隣接する両方にドープする変調ドープの順である。
また、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の両方にｎ型不純物がドープされている場合、不純物濃度は、いずれの層の濃度が高くてもよい。
ｎ型不純物をドープする場合の不純物濃度は、特に限定されないが、５×１０21／cm3以下、好ましくは１×１０20／cm3以下、下限としては５×１０16／cm3に調整する。５×１０21／cm3よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に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。
本発明において、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはＳｉ、Ｓｎを用いる。
【００２９】
次に、ｐ型多層膜層８について説明する。
本発明において、ｐ型多層膜層８は、組成の異なる少なくとも２種類以上の窒化物半導体から構成されていればよく、好ましい組成としては、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）［第３の窒化物半導体層］とＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）［第４の窒化物半導体層］との２種類の組成が挙げられる。
第３の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第３の窒化物半導体層を示す化学式のｘ値が０．５以下のＡｌxＧａ1-xＮである。ｘが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。
また、第４の窒化物半導体層の好ましい組成としては、上記第４の窒化物半導体層を示す化学式のｙ値が０［ゼロ］のＧａＮである。ｙ値がゼロであると全体的に結晶性の良い多層膜層が成長でき易くなる傾向がある。
本発明において、ｎ型多層膜層８を構成する窒化物半導体の好ましい組み合わせとしては、第３の窒化物半導体層がｘ値０．５以下のＡｌxＧａ1-xＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせが挙げられる。
【００３０】
また、上記のような組成からなるｐ型多層膜層８は、第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層をそれぞれ少なくとも１層以上形成し、合計で２層以上又は３層以上、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。
第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層の積層の上限は特に限定されないが、積層時間等の製造工程や素子特性などを考慮すると、例えば１００層以下が挙げられる。
【００３１】
ｐ型多層膜層８の総膜厚としては、特に限定されないが、２５〜１００００オングストロームであり、好ましくは２５〜５０００オングストロームであり、より好ましくは２５〜１０００オングストロームである。膜厚がこの範囲であると、結晶性が良く、素子の出力が向上する。
また本発明において、ｐ型多層膜層８は、上記範囲の膜厚内で比較的膜厚を薄く形成される方が、素子のＶｆ、閾値が低下しやすくなる傾向にある。
【００３２】
また、ｎ型多層膜層６の膜厚をｐ型多層膜層８より厚くすると、ｎ型多層膜層６の膜厚がｐ型多層膜層８より薄い場合に比較してＶｆを低くすることができる。
【００３３】
ｐ型多層膜層８を構成する単一の窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、２種類以上の窒化物半導体層の少なくとも１種類の窒化物半導体層の単一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、より好ましくは５０オングストローム以下とする。
このようにｐ型多層膜層８を構成する単一の窒化物半導体層の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、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やしきい値等が低下し易い傾向がある。これによって、低消費電力で良好な発光出力を得ることができる。
【００３４】
ｐ型多層膜層８が第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とから構成される場合、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。
第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層の少なくとも一方が、１００オングストローム以下の薄膜層とすると、単一の窒化物半導体層がそれぞれ弾性臨界膜厚以下となり結晶が良好となる。この結晶性が改善された窒化物半導体層上に更に弾性臨界膜厚以下の窒化物半導体を成長させると、より結晶性が良好となる。このことから第３及び第４の窒化物半導体層の結晶性が積層されるに従って良くなり、結果として、ｐ型多層膜層８全体の結晶性が良くなる。このようにｐ型多層膜層８の全体の結晶性が良好となることにより、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型層が得られ、素子のＶｆやしきい値等が低下し易い傾向にある。これによって、低消費電力で良好な発光出力を得ることができる。
【００３５】
第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層の好ましい膜厚は、両方とも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である。
ｐ型多層膜層８を構成する第３及び第４の窒化物半導体層の膜厚が両方とも１００オングストローム以下とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が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、ｐ型多層膜層８の第３及び第４の窒化物半導体層の両方の膜厚を７０オングストローム以下にすると、多層膜層が超格子構造となり結晶性が良好となり、素子のＶｆやしきい値等が低下し易くなり、発光出力を向上させるのに好ましい。
【００３６】
ｐ型多層膜層８は、形成される位置は特に限定されず、活性層７に接して形成されても、活性層７と離れて形成されてもよく、好ましくはｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されていることが好ましい。ｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されていると発光出力が向上し易くなり好ましい。
ｐ型多層膜層８が活性層７に接して形成されている場合、活性層７の最初の層である井戸層又は障壁層と接するｐ型多層膜層８を構成する窒化物半導体層としては、第３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層でも良い。このようにｐ型多層膜層８を構成する第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層との積層順序は、特に限定されない。つまり、第３の窒化物半導体層から積層を始め、第３の窒化物半導体層で終わっても、第３の窒化物半導体層から積層を始め、第４の窒化物半導体層で終わっても、第４の窒化物半導体層から積層を始め、第３の窒化物半導体層で終わっても、また、第４の窒化物半導体層から積層を始め、第４の窒化物半導体層で終わってもよい。
図１では、ｐ型多層膜層８は、活性層７に接して形成されているが、上記したように、ｐ型多層膜層８が活性層７と離れて形成されている場合、ｐ型多層膜層８と活性層７との間に、他のｐ型窒化物半導体よりなる層が形成されていてもよい。
【００３７】
また、本発明において、第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層は、両方ともアンドープでも、いずれか一方にｐ型不純物がドープされていてもよく、両方にｐ型不純物がドープされていてもよい。
ｐ型多層膜層８を構成する第３及び第４の窒化物半導体層が、両方ともにアンドープである場合、ｐ型多層膜層８の膜厚を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。
膜厚が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、発光出力が低下しやすい傾向にある。また、膜厚が、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。
また、第３及び第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る変調ドープをすると、発光出力が向上しやすい傾向にある。また、変調ドープするとキャリア濃度の高いｐ層が得られ易くなり好ましい。
また、第３及び第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物をドープすると一方がアンドープの場合に比べて、更にキャリア濃度が高くなるのでＶｆが低下し好ましい。第３及び第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物をドープする場合、隣接する窒化物半導体層同士の不純物濃度が同一でもよいが、異なること（変調ドープ）が好ましい。
【００３８】
本発明において、ｐ型多層膜層８にｐ型不純物をドープする場合、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。
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、発光出力が低下する傾向にある。ｐ型不純物のドープ量の下限は特に限定されないが、５×１０16／cm3以上である。
【００３９】
以下に、図１に示されるｎ型多層膜層６及びｐ型多層膜層８以外の他の素子構造を形成する各層について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４０】
基板１としては、Ｃ面、Ｒ面又は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。
【００４１】
バッファ層２としては、ＧａdＡｌ1-dＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）からなる窒化物半導体であり、好ましくはＡｌの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましくはＧａＮからなるバッファ層２が挙げられる。
バッファ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．２μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．０２μｍの範囲に調整する。バッファ層２の膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。
バッファ層２の成長温度は、２００〜９００℃であり、好ましくは４００〜８００℃の範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好ましい。また、このような低温で成長させるバッファ層２は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよい。
【００４２】
アンドープＧａＮ層３としては、先に成長させたバッファ層２よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ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。
【００４３】
ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層４としては、アンドープＧａＮ層３と同様に、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ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。
【００４４】
アンドープＧａＮ層５としては、上記と同様に、ＧａＮに限られず、ＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦１）で構成できる。アンドープＧａＮ層５は、ＧａＮ、ｇ値が０．２以下のＡｌgＧａ1-gＮ、またはｆ値が０．１以下のＩｎfＧａ1-fＮ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ので好ましい。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型コンタクト層４の上に直接次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ｎ型多層膜層６が成長し易くなり、更にｎ型多層膜層上に活性層７を成長させると成長しやすく結晶性が良好となり好ましい。このように、アンドープの窒化物半導体層よりなるアンドープＧａＮ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型コンタクト層４、次にアンドープの窒化物半導体よりなるアンドープＧａＮ層５を積層し、更に前記ｎ型多層膜層６を積層した構造とすると、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型多層膜層６をアンドープにする場合はアンドープＧａＮ層５を省略することができる。
【００４５】
また、アンドープＧａＮ層５を１００オングストローム以上の膜厚に形成することにより、静電耐圧を向上させることができる。
【００４６】
また、本発明において、上記アンドープＧａＮ層５に変えて、以下のアンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃからなる多層膜層５ａ−ｃとしてもよい。
多層膜層５ａ−ｃは、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの少なくとも３層から構成されている。ｎ側第２多層膜層には上記下層５ａ〜上層５ｃ以外のその他の層を有していてもよい。また多層膜層５ａ−ｃは、活性層と接していても、活性層の間に他の層を有していてもよい。
上記下層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、ＩｎgＡｌhＧａ1-g-hＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができ、好ましくはＧａＮからなる組成のものが挙げられる。また多層膜層５ａ−ｃの各層は組成が同一でも異なっていてもよい。
【００４７】
多層膜層５ａ−ｃの膜厚は、特に限定されないが、１７５〜１２０００オングストロームであり、好ましくは１０００〜１００００オングストロームであり、より好ましくは２０００〜６０００オングストロームである。多層膜層５ａ−ｃの膜厚が上記範囲であるとＶｆの最適化と静電耐圧の向上の点で好ましい。
上記範囲の膜厚を有する第２多層膜層５の膜厚の調整は、下層５ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整して、多層膜層５ａ−ｃの総膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。
【００４８】
多層膜層５ａ−ｃを構成する下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃの各膜厚は、特に限定されないが、多層膜層５ａ−ｃ中で積層される位置により素子性能の諸特性に与える影響が異なるため、各層の素子性能に大きく関与する特性に特に注目し、いずれか２層の膜厚を固定し、残りの１層の膜厚を段階的に変化させて、特性の良好な範囲の膜厚を測定し、更に各層との調整により膜厚の範囲を特定している。
多層膜層５ａ−ｃの各層は、各々静電耐圧に直接影響を及ぼさない場合もあるが、各層を組み合わせて多層膜層５ａ−ｃとすることにより、全体として種々の素子特性が良好であると共に、特に発光出力及び静電耐圧が著しく良好となる。
【００４９】
アンドープの下層５ａの膜厚は、１００〜１００００オングストローム、好ましくは５００〜８０００オングストローム、より好ましくは１０００〜５０００オングストロームである。アンドープの下層５ａは、膜厚を徐々に厚くしていくと静電耐圧が上昇していくが、１００００オングストローム付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００オングストローム未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、上層５ａは、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層４の結晶性の低下の影響を改善していると考えられるので、結晶性の改善が良好となる程度の膜厚で成長されるのが好ましい。
【００５０】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は、５０〜１０００オングストローム、好ましくは１００〜５００オングストローム、より好ましくは２００〜５００（基の記載は、１５０〜４００）オングストロームである。この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分とさせて発光出力に比較的大きく作用する層であり、この層を形成させないと著しく発光出力が低下する傾向がある。膜厚が１０００オングストロームを超えると発光出力が大きく低下する傾向がある。一方、中間層５ｂの膜厚が厚いと静電耐圧は良好であるが、膜厚が５０オングストローム未満では静電耐圧の低下が大きくなる傾向がある。
【００５１】
アンドープの上層５ｃの膜厚は、２５〜１０００オングストローム、好ましくは２５〜５００オングストローム、より好ましくは２５〜１５０オングストロームであり、よりいっそう好ましくは、５０〜１００オングストロームとする。このアンドープの上層５ｃは、第２多層膜の中で活性層に接してあるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与しているが、上層５ｃの膜厚が２５オングストローム未満ではリーク電流が増加する傾向がある。また、上層５ｃの膜厚が１０００オングストロームを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する傾向がある。
【００５２】
以上のように、下層５ａ〜上層５ｃの各膜厚は、上記に示したように、各層の膜厚の変動により影響されやすい素子特性に注目し、更に、下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃを組み合わせた際に、諸素子特性すべてがほぼ均一に良好となり、特に発光出力及び静電耐圧が良好となるように、更に社内規格を満足できるように種々検討し、上記範囲に各膜厚を規定することにより、良好な発光出力及び商品の信頼性の更なる向上を達成することが可能な静電耐圧を得ることができる。
また、第２多層膜層５の各層の膜厚の組み合わせは、発光波長の種類による活性層の組成の変化や、電極、ＬＥＤ素子の形状など種々の条件により、最も良好な効果を得るために適宜調整される。各層の膜厚の組み合わせに伴う性能は、上記範囲の膜厚で適宜組み合わせることにより、従来のものに比べ良好な発光出力及び良好な静電耐圧を得ることができる。
【００５３】
また、以上の第２多層膜層５において、各層５ａ〜５ｃの各層の膜厚は、上述した各範囲内で、ｎ型多層膜層６に近づくに従って薄くなるように調整することが好ましく、このようにすると発光出力及びＶｆを比較的良好な値に保ったまま静電耐圧を向上させることができる。
【００５４】
上記多層膜層５ａ−ｃを構成する各層の組成は、ＩｎmＡｌnＧａ1-m-nＮ（０≦ｍ＜１、０≦ｎ＜１）で表される組成であればよく、各層の組成が同一でも異なっていてもよく、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合が小さい組成であり、より好ましくはＧａＮからなる層が好ましい。
【００５５】
上記ｎ型不純物ドープの中間層５ｂのｎ型不純物のドープ量は、特に限定されないが、３×１０18／ｃｍ3以上、好ましくは５×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含有する。ｎ型不純物の上限としては、特に限定されないが、結晶性が悪くなりすぎない程度の限界としては５×１０21／ｃｍ3以下が望ましい。第２の多層膜層の中間層の不純物濃度が上記範囲であると、発光出力の向上とＶｆの低下の点で好ましい。
ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、第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。
【００５６】
また、上記第２の多層膜層５ａ−ｃにおいて、ｎ型多層膜層６との界面に位置する上層５ｃは、ｎ型多層膜層６の一部の層として機能させることができる。
【００５７】
次に、活性層７としては、少なくともＩｎを含んでなる窒化物半導体、好ましくはＩｎjＧａ1-jＮ（０≦ｊ＜１）を含んでなる井戸層を有する単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造のものが挙げられる。
活性層７の積層順は、井戸層から積層して井戸層で終わってもよく、井戸層から積層して障壁層で終わってもよく、また、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。
【００５８】
次に、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層９としては、上記と同様にＩｎfＡｌgＧａ1-f-gＮ（０≦ｆ、０≦ｇ、ｆ＋ｇ≦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。
【００５９】
また、本発明において用いられるｐ電極及びｎ電極は、特に限定されず、従来知られている電極等を用いることができ、例えば実施例に記載の電極が挙げられる。
【００６０】
以上の実施の形態の窒化物半導体素子は、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８とを備えているので、発光出力及び静電耐圧を向上させることができ、かつＶｆを低くすることができる。
そして、以上の実施の形態の窒化物半導体素子では、ｎ型多層膜層６とｐ型多層膜層８の組成又は層数を異ならせることによりさらに発光出力及び静電耐圧を向上させることができ、Ｖｆを低くすることができる。
【００６１】
さらに、本実施の形態の窒化物半導体素子では、ｎ型多層膜層６及びｐ型多層膜層８に加え、１００オングストローム以上の膜厚のアンドープＧａＮ層５を備えることにより、より静電耐圧を向上させることができる。
またさらに、本実施の形態の窒化物半導体素子では、アンドープＧａＮ層５に代えて第２の多層膜層を形成し、かつその第２の多層膜層を構成する下層５ａ、中間層５ｂ、上層５ｂの膜厚をｎ型多層膜層６に近づくに従って薄くなるように調整することにより、よりいっそう静電耐圧を向上させることができる。
【００６２】
以上の実施の形態の窒化物半導体素子では、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層をｎ型多層膜層６と接するように形成した例を示したが、、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層とｎ型多層膜層６とは離れて形成されていてもよい。すなわち、本発明では、少なくともｎ型コンタクト層４とｎ型多層膜層６との間に、アンドープＧａＮ層５又は第２の多層膜層を形成するようにすればよい。
また、本発明では第２の多層膜層を３層以上の層で構成してもよい。
さらに、第２の多層膜層とｎ型多層膜層６とを接するように形成する場合、第２の多層膜層の上層５ｃがｎ型多層膜層６の最も下の層を兼ねるようにしてもよい。
【００６３】
【実施例】
以下に、本発明に係る実施例を示す。しかし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６４】
［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。
【００６５】
（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。
【００６６】
（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、アンドープＧａＮ層３を１μｍの膜厚で成長させる。
【００６７】
（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３μｍの膜厚で成長させる。
【００６８】
（アンドープＧａＮ層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮ層５を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
（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、その上にアンドープＧａＮ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層づつ積層した超格子構造よりなるｎ型多層膜を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７０】
（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。
【００７１】
（ｐ型多層膜層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Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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型多層膜層８を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、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型コンタクト層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。
【００７６】
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３．５Ｖ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０．５Ｖ近く低下し、発光出力は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。更に得られた素子は、静電耐圧が従来の素子に比べて約１．２倍以上良好となる。
【００７７】
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型コンタクト層、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型コンタクト層を順に積層したものである。
【００７８】
［実施例２］
実施例１において、ｎ型多層膜層６を成長する際に、第１の窒化物半導体層のみを、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮとして成長さる他は同様にして、ＬＥＤ素子を作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の良好な素子特性を有している。
【００７９】
［実施例３］
実施例１において、ｎ型多層膜層６を成長する際に、第２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１の窒化物半導体層を、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＧａＮとする他は同様にしてＬＥＤ素子を製造した。得られたＬＥＤ素子は、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。また静電耐圧は、実施例１と同様に良好である。
【００８０】
［実施例４］
実施例１において、ｐ型多層膜層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。
【００８１】
［実施例５］
実施例１において、ｐ型多層膜層８を成長する際に、アンドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００８２】
［実施例６］
実施例１において、アンドープＧａＮ層５に変えて多層膜総５ａ−ｃを、さらに、下記各層を以下のように変更する他は同様にして、ＬＥＤ素子を製造する。
【００８３】
（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６×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。
【００８４】
（多層膜層５ａ−ｃ）
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２０００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６×１０18／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第２多層膜層５を成長させる。
【００８５】
（ｎ型多層膜層６）
次に、同様の温度で、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、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ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１＋第２の順で交互に１０層づつ積層させ、最後に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。
【００８６】
（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。
【００８７】
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同様に良好な発光出力及びＶｆを示し、更に、ＬＥＤ素子のｎ層及びｐ層の各電極より逆方向に徐々に電圧を加え静電耐圧を測定したところ、実施例１に記載の従来の素子に比べて１．５倍以上となり、実施例１より静電耐圧は良好な結果が得られた。
【００８８】
［実施例７］
実施例６においてアンドープＧａＮからなる下層５ａを形成しない他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして得られた、ＬＥＤ素子は実施例１とほぼ同様の発光出力とＶｆを示し、静電耐圧は従来例に比較すると高いが、実施例１及び実施例６に比較すると低いものであった。
【００８９】
以上のように、本実施例７のＬＥＤ素子は、従来例の素子より静電耐圧を高くできるが、実施例１及び実施例６の素子と比較して静電耐圧は低いものである。
このことから、実施例６のアンドープの下層５ａは静電耐圧を向上させる効果があることがわかる。
また、実施例１のＬＥＤ素子の静電耐圧は、実施例７のＬＥＤ素子の静電耐圧より高いことから、実施例１のアンドープのＧａＮ層５も静電耐圧を向上させる効果があることがわかる。
【００９０】
［実施例８］
実施例６において、アンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下層５ａを２０００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６×１０18／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Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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第２多層膜層５を成長させる他は、実施例６と同様に作製した。
以上のように作製したＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同様の発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を示した。
【００９１】
［実施例９］
実施例６において、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる下層５ａを２０００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６×１０18／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Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ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第２多層膜層５を成長させる他は、実施例６と同様に作製した。
以上のように作製したＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同様の発光出力、Ｖｆ及び静電耐圧を示した。
【００９２】
［実施例１０］
実施例６において、ＳｉドープＧａＮからなる５ｂを１０００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして得られたＬＥＤ素子は、実施例６と同等のＶｆを示し、静電耐圧は実施例６の１．２倍であった。しかしながら、発光出力は実施例６のＬＥＤ素子に比較して７０％であった。
【００９３】
［実施例１１］
ＳｉドープＧａＮからなる５ｂ層を１００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にして作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例６とほぼ同等のＶｆを示し、発光出力は実施例６のＬＥＤ素子に比較して１．１倍程度であった。しかしながら、静電耐圧は実施例６に比較して低いものであった。
【００９４】
［実施例１２］
アンドープＧａＮからなる５ｃ層を２００オングストロームで成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。得られたＬＥＤ素子は、実施例６と同様の発光出力を示し、Ｖｆは実施例６のＬＥＤ素子に比較して高くなり、静電耐圧は実施例６のＬＥＤ素子に比較して低いものであった。
【００９５】
［実施例１３］
実施例６において、ｎ型多層膜層６の、第２と第１の窒化物半導体層を２０層ずつ積層し成長させる他は、実施例６と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このようにして作製された実施例１３のＬＥＤ素子は、実施例６のＬＥＤ素子と同等の発光出力を示し、実施例６のＬＥＤ素子に比較してＶｆは２０％程度低くすることができた。しかしながら、静電耐圧は実施例６の素子に比較して低下していた。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は、素子の信頼性を向上させ、種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とするため、発光出力のさらなる向上が可能となり、Ｖｆの低い静電耐圧の良好となる窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態であるＬＥＤ素子の構造を示す模式的断面図である。
【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・・・ＳｉドープＧａＮのｎ型コンタクト層、
５・・・アンドープＧａＮ層、
６・・・ｎ型多層膜層、
７・・・活性層、
８・・・ｐ型多層膜層、
９・・・ＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層、
１０・・・全面電極、
１１・・・ｐ電極、
１２・・・ｎ電極
Claims (5)
- ｎ電極を備えるｎ型コンタクト層とｐ電極を備えるｐ型コンタクト層との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記窒化物半導体素子は、前記ｎ型コンタクト層と前記活性層の間に設けられた１００オングストローム以上の膜厚を有するアンドープの窒化物半導体層と、前記活性層と前記ｐ型コンタクト層の間に設けられた超格子構造と、を備えており、
前記活性層と前記超格子構造が接していることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記超格子構造は、組成の異なる２種類の窒化物半導体から構成され、
前記２種類の窒化物半導体は、Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）とＩｎ y Ｇａ 1-y Ｎ（０≦ｙ＜１）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。 - 前記アンドープの窒化物半導体層はＧａＮであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
- 前記ｎ型コンタクト層は、前記アンドープの窒化物半導体層と接していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の窒化物半導体素子。
- 前記アンドープの窒化物半導体層と前記活性層の間に超格子構造が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の窒化物半導体素子。
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