JP4954407B2

JP4954407B2 - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP4954407B2
Application number: JP2001319395A
Authority: JP
Inventors: 孝志向井; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JP2002164573A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなり、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子に用いられる窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源で実用化されている。これらのＬＥＤ素子は基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に優れた特性を示す。
【０００３】
また、本出願人はこの材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum- Well）の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm2、４１０ｎｍの発振を示す。また、本出願人は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056- 等}、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／cm2、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように窒化物半導体はＬＥＤで既に実用化され、ＬＤでは数十時間ながら連続発振にまで至っているが、ＬＥＤを例えば照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等にするためにはさらに出力の向上が求められている。またＬＤでは閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ等の光源に実用化するためには、よりいっそうの改良が必要である。また前記ＬＥＤ素子は２０ｍＡにおいてＶｆが３．６Ｖ近くある。Ｖｆをさらに下げることにより、素子の発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、主としてＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体素子の出力を向上させると共に、Ｖｆ及び閾値を低下させて素子の信頼性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、次の（１）〜（６）の構成により本発明の目的を達成するものである。
（１）基板と活性層との間に、前記基板との格子不整合を緩和するバッファ層を介して設けられた３層構造を有し、該３層構造は、アンドープ若しくはｎ型不純物が１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以下にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）からなる第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物が３×１０ ^１８／ｃｍ ^３以上にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）からなる第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくはｎ型不純物が１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以下にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）又はＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．１）からなり、膜厚が前記第１の窒化物半導体層より小さい第３の窒化物半導体層と、が前記基板側から順に積層されてなり、前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が設けられ、前記３層構造と前記活性層の間に超格子構造の窒化物半導体であるｎ側クラッド層を含み、さらにｎ側クラッド層の反対側の前記活性層上にｐ側クラッド層とｐ側コンタクト層をこの順に有し、前記ｐ側コンタクト層側に露出された前記第２の窒化物半導体層の表面に、前記ｎ電極が形成され、前記ｐ側コンタクト層の表面にｐ型電極が形成された窒化物半導体発光素子。
（２）前記第２の窒化物半導体層の膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であり、前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ以下である前記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
【０００６】
（３）前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層が、同一組成である前記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）前記同一組成が、ＧａＮである前記（３）に記載の窒化物半導体発光素子。
（５）前記基板が、サファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＧａＮからなる群から選択された１つからなる前記（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
（６）前記超格子構造が、互いに異なる不純物濃度の窒化物半導体層を交互に積層した構造である前記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
【０００７】
つまり、本発明は上記の如く、特定の第１、第２及び第３の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度を特定の範囲に規定することにより、著しく順方向電圧（Ｖｆ）及び閾値を低下させることができる。また、本発明は、第３の窒化物半導体層の膜厚を０．５μｍ以下とすることで順方向電圧の低下をより良好に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１の窒化物半導体層は、ｎ型不純物濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³以下、好ましくは５×１０¹⁶／ｃｍ³以下としアンドープでもよい。このようにｎ型不純物濃度を小さくすると、ｎ型不純物濃度の高い第２の窒化物半導体層を第１の窒化物半導体層上に形成しても結晶性よく形成することができる。上記不純物濃度の範囲を逸脱すると、結晶性のよい第２の窒化物半導体層を形成しにくくなり、素子のリーク電流が発生し易い傾向にある。
【０００９】
第１の窒化物半導体層は、後述するバッファ層より高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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２０μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。
【００１０】
第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、３×１０¹⁸／ｃｍ³以上、好ましくは５×１０¹⁸／ｃｍ³以上、より好ましくは８×１０¹⁹／ｃｍ³以上にする。このようにｎ型不純物を多くドープし、この層をコンタクト層とすると、Ｖｆ及び閾値を低下させることができる。不純物濃度が上記範囲を逸脱するとＶｆが低下しにくくなる傾向がある。また、ｎ型不純物が高濃度にドープされている窒化物半導体は、一般に結晶性を良好に形成されることが困難な傾向があるが、本発明の第２の窒化物半導体層は、ｎ型不純物濃度が小さい結晶性の良好な第１の窒化物半導体層上に形成されるので、高濃度のｎ型不純物を有しているにも関わらず結晶性を良好に形成することができる。第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度の上限は特に限定しないが、コンタクト層として結晶性が悪くなりすぎる限界としては５×１０²¹／ｃｍ³以下が望ましい。
【００１１】
また第２の窒化物半導体層は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半導体層が積層されてなる超格子構造としても良い。超格子層にすると第２の窒化物半導体層の移動度が大きくなって抵抗率がさらに低下するため、Ｖｆ及び閾値が低下できると共に、特に発光効率の高い素子が実現できる。超格子構造とする場合には超格子を構成する窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下に調整する。さらに超格子構造の場合、超格子を構成する窒化物半導体層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を変調ドープしても良い。変調ドープとは、超格子層を構成する窒化物半導体層の互いに不純物濃度が異なることを指し、この場合、一方の層は不純物をドープしない状態、つまりアンドープでもよい。好ましくは第２の窒化物半導体層を互いにバンドギャップエネルギーの異なる層を積層した超格子構造として、いずれか一方の窒化物半導体にｎ型不純物を多くドープし、例えば５×１０¹⁸／ｃｍ³以上ドープすることが望ましく、もう一方の窒化物半導体層をアンドープとすることが好ましい。なお変調ドープする場合には、不純物濃度差は１桁以上とすることが望ましい。
【００１２】
第２の窒化物半導体層も第１の窒化物半導体層と同様に、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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Ａｌ_XＧａ_1-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２０μｍ以下の膜厚で成長させことが望ましい。
【００１３】
第３の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下、好ましくは５×１０¹⁶／ｃｍ³以下とし、アンドープでもよい。このようにｎ型不純物濃度を小さくすると、第３の窒化物半導体層の結晶性が良好となり、この結晶性のよい第３の窒化物半導体層上に活性層を形成すると結晶性よく形成することができる。上記不純物濃度の範囲を逸脱すると、第３の窒化物半導体層を結晶性よく形成しにくくなり、第３の窒化物半導体層上に形成される活性層の結晶性が低下して出力が低下するか、あるいは素子のリーク電流が発生し易い傾向がある。
【００１４】
第３の窒化物半導体層の膜厚は、０．５μｍ以下、好ましい膜厚は０．２μｍ以下、さらに好ましくは０．１５μｍ以下である。下限は特に限定しないが１０オングストローム以上、好ましくは５０オングストローム以上、より好ましくは１００オングストローム以上に調整することが望ましい。第３の窒化物半導体層は上記のようにｎ型不純物のドープ量が１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であるので、抵抗率が第２の窒化物半導体層に比較して高く、第３の窒化物半導体層を厚膜の層で成長すると逆にＶｆ及び閾値等が低下しにくい傾向にあり、上記範囲の膜厚であると良好にＶｆ及び閾値を低下させることができ好ましい。
【００１５】
更に第３の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも薄くするのが好ましい。第１の窒化物半導体層は第２の窒化物半導体層を厚膜で成長させるためのバッファ層（高温成長）として作用する。第３の窒化物半導体層も活性層成長時のバッファ層として作用するが、第３の窒化物半導体層を厚膜で成長させると縦方向の抵抗が高くなるため、第１の窒化物半導体層より薄い０．５μｍ以下の膜厚にすることが望ましい。
【００１６】
第３の窒化物半導体層５も第１及び第２の窒化物半導体層と同様にＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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Ａｌ_XＧａ_1-XＮ、またはY値が０．１以下のＩｎ_YＧａ_1-YＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。ＩｎＧａＮを成長させると、その上にＡｌを含む窒化物半導体を成長させる場合に、Ａｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。
【００１７】
また本発明において、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とは同一組成の窒化物半導体を成長させることが、格子整合系であるため望ましい。
【００１８】
本発明において、第１〜第３の窒化物半導体層等にドープされるｎ型不純物としては、第４族元素が挙げられ、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等が挙げられ、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉである。
【００１９】
本発明でアンドープの窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば原料に含まれる不純物、反応装置内のコンタミネーション、意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する。
【００２０】
また本発明において、基板と前記第１の窒化物半導体層との間に、第１の窒化物半導体層よりも低温で成長されるバッファ層を有してもよい。このバッファ層は例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を４００℃〜９００℃において、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和、あるいは第１の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるための下地層として作用する。
【００２１】
本発明の発光素子では、活性層と基板との間に少なくとも３層構造を有する窒化物半導体層を有している。まず第１の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む第２の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるためにアンドープもしくはｎ型不純物を少なくドープしている。次に第２の窒化物半導体層はｎ型不純物を多くドープして、抵抗率が低く、キャリア濃度が高いｎ電極を形成するためのコンタクト層として作用している。
【００２２】
次に第３の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と同様にアンドープもしくはｎ型不純物を少なくドープする。ｎ型不純物濃度の大きい第２の窒化物半導体層はｎ型不純物濃度の小さい窒化物半導体層に比べ結晶性があまり良くなく、この第２の窒化物半導体層上に直接、活性層やクラッド層等を成長させると、活性層など結晶性が悪化する傾向がある。このため、第２の窒化物半導体層と活性層の間にｎ型不純物を少なくドープした結晶性の良い第３の窒化物半導体を介在させることにより、活性層を成長させる前のバッファ層として作用し、活性層などを結晶性よく成長させることができる。また更に、ｎ型不純物を少なくドープした抵抗率が比較的高い第３の窒化物半導体層を、活性層と第２の窒化物半導体層との間に介在させることにより、素子のリーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。
【００２３】
本発明において、活性層はＩｎを含むアンドープの窒化物半導体、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。
【００２４】
本発明の発光素子を構成するその他の層は、特に限定されず、例えば好ましい素子構成としては、下記の実施例で示すような層構成が挙げられる。しかし本発明はこれに限定されない。
【００２５】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００２６】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（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。
【００２７】
（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。
【００２８】
（第１の窒化物半導体層３）
バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２９】
（第２の窒化物半導体層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５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層３を３μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
（第３の窒化物半導体層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００３１】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いアンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層６を成長させる。
【００３２】
（ｐ側クラッド層７）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０＜Y＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはY値が０．３以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
【００３３】
（ｐ側コンタクト層８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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。
【００３４】
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。
【００３５】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層８の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すように第２の窒化物半導体層４の表面を露出させる。
【００３６】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０を０．５μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させた第２の窒化物半導体層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ₂よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００３７】
この得られたＬＥＤ素子の順方向電圧（Ｖｆ）と順方向電流（Ｉｆ）の関係と、従来のＬＥＤ素子のＶｆとＩｆの関係を比較するため、図３にその関係を示した。従来のＬＥＤ素子としては、２０ｍＡにおいて、４５０ｎｍの青色発光を示し、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、Ｓｉを２×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された従来の青色発光ＬＥＤを用いた。
【００３８】
その結果、実施例１のＬＥＤ素子（図３のラインａ）は、従来のＬＥＤ素子（図３のラインｂ）に比べ、２０ｍＡにおけるＶｆで０．４〜０．５Ｖ、出力で５％〜１０％向上し、Ｉｆが上昇してもＶｆの上昇は従来のものに比べて極めて少ない。このように実施例１のＬＥＤ素子では、従来のものに比べ電流の上昇に対してＶｆが著しく低下していることがわかる。また、−５Ｖにおけるリーク電流は、０．１μＡ未満しかなかった。
【００３９】
［実施例２］
実施例１において、第１の窒化物半導体層３にＳｉを１×１０¹⁷／ｃｍ³ドープし、第２の窒化物半導体層４にＳｉを８×１０¹⁸／ｃｍ³ドープし、第３の窒化物半導体層５はアンドープとした他は同様にして素子を得た。その結果、Ｖｆは実施例１とほぼ同様ではあったが、実施例１に比べＳｉを第１の窒化物半導体層３に多くドープしたため、素子からわずかにリーク電流が発生するようになった。出力は実施例１に比べて若干低下した。
【００４０】
［実施例３］
実施例１において、第３の窒化物半導体層５にＳｉを１×１０¹⁷／ｃｍ³ドープし、第２の窒化物半導体層４にＳｉを８×１０¹⁸／ｃｍ³ドープし、第１の窒化物半導体層３はアンドープとした他は同様にして素子を得た。その結果、Ｖｆは実施例１とほぼ同様ではあったが、実施例１に比べＳｉを第３の窒化物半導体層５に多くドープしたため、素子からわずかにリーク電流が発生するようになった。出力は実施例１に比べて若干低下した。
【００４１】
［実施例４］
実施例１において、第１の窒化物半導体層３及び第３の窒化物半導体層５にそれぞれＳｉを８×１０¹⁶／ｃｍ³ドープした他は同様にして素子を得た。その結果、Ｖｆは実施例１とほぼ同様であり、第１及び第３の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度を少なくしたためリーク電流も実施例１と同様にほとんど発生していなかった。出力は実施例１に比べて若干低下した。
【００４２】
［実施例５］
実施例１において、第３の窒化物半導体層５成長時に、温度を８００℃にしてＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【００４３】
［実施例６］
図２は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を元に実施例６について説明する。
【００４４】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０の上に、実施例１と同様にしてバッファ層２１を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】
（第１の窒化物半導体層２２）
バッファ層２０成長後、温度を１０２０℃まで上昇させ、１０２０℃において、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２２を５μｍの膜厚で成長させる。
【００４６】
（第２の窒化物半導体層２３）
続いて、１０２０℃で不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層２２を３μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
（第３の窒化物半導体層２４）
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_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層２４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４８】
（ｎ側クラッド層２５）
次に温度を１０２０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄を用い、Ｓｉを１×１０¹⁷／cm³ドープしたｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０オングストロームと、アンドープＧａＮ層４０オングストロームとを交互に４０層ずつ積層した超格子構造よりなるｎ側クラッド層を成長させる。このｎ側クラッド層はキャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層して作用する。
【００４９】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、１０２０℃でＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側光ガイド層はアンドープでも良い。
【００５０】
（活性層２７）
温度を８００℃にして、まずＳｉドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、ＳｉドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構造とする。
【００５１】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、温度を１０２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８は好ましくはｐ型とするが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良い。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００５２】
（ｐ側光ガイド層２９）
続いて、１０２０℃で、Ｍｇを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２９は、ｎ側光ガイド層２６と同じく、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なおこのｐ側光ガイド層は、ｐ型不純物をドープしたが、アンドープの窒化物半導体で構成することもできる。
【００５３】
（ｐ側クラッド層３０）
続いて、１０２０℃においてＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０オングストロームと、アンドープＧａＮ層４０オングストロームとを交互に４０層ずつ積層した超格子構造よりなるｐ側クラッド層３０を成長させる。このｐ側クラッド層はｎ側クラッド層と同じくキャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層して作用し、特にｐ側クラッド層側を超格子とすることにより、ｐ層の抵抗が下がり閾値がより低下しやすい傾向にある。
【００５４】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、ｐ側クラッド層３０の上に、１０５０℃でＭｇを２×１０²⁰／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５５】
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型不純物がドープされた層をさらに低抵抗化する。
【００５６】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置で最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。特に活性層よりも上にあるＡｌを含む窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成し、図２に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、ｎ電極３４を形成すべき第２の窒化物半導体層２３の表面を露出させる。
【００５７】
次にｐ側コンタクト層３１のリッジ最上層のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極３２を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３４をストライプ状の第２の窒化物半導体層２３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８０％以上の面積をいう。このようにｐ電極３２に対して左右対称に第２の窒化物半導体層２３を露出させて、その第２の層２３のほぼ全面にｎ電極を設けることも、閾値を低下させる上で非常に有利である。さらに、ｐ電極とｎ電極との間にＳｉＯ2よりなる絶縁膜３５を形成した後、その絶縁膜３５を介してｐ電極３２と電気的に接続したＡｕよりなるｐパッド電極３３を形成する。
【００５８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板２０をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【００５９】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極３２に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。この素子をヒートシンクに設置して室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度２．５ｋＡ／cm²、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５００時間以上の寿命を示し、従来の窒化物半導体レーザ素子に比較して１０倍以上寿命が向上した。
【００６０】
［実施例７］
実施例６において、第１の窒化物半導体層２２にＳｉを１×１０¹⁷／ｃｍ³ドープした他は同様にしてＬＤ素子を得た。その結果、実施例５とほぼ良好な結果が得られたが、実施例６の方がやや良好であった。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の素子では、活性層と基板との間にあるｎ型不純物を１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の第１の窒化物半導体層で、ｎ型不純物がドープされた第２の窒化物半導体の結晶性を維持するように成長できるので、次にｎ型不純物を３×１０¹⁸／ｃｍ³以上の第２の窒化物半導体層が結晶性よく厚膜で成長できる。さらにｎ型不純物を１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の第３の窒化物半導体がその層の上に成長させる窒化物半導体層のための結晶性の良い下地層となる。そのため第２の窒化物半導体層の抵抗率を低下できて、キャリア濃度が上がるために、非常に効率の良い窒化物半導体素子を実現することができる。このように本発明によれば、出力を向上させると共に、Ｖｆ、閾値の低い発光素子が実現できるため、素子の発熱量も少なくなり、信頼性が向上した素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。
【図２】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図である。
【図３】本発明のＬＥＤ素子と従来のＬＥＤ素子の順電圧と順電流の関係を比較した図である。
【符号の説明】
１、２０・・・基板
２、２１・・・バッファ層
３、２２・・・第１の窒化物半導体層
４、２３・・・第２の窒化物半導体層
５、２４・・・第３の窒化物半導体層
６、２７・・・活性層
７、３０・・・ｐ側クラッド層
８、３１・・・ｐ側コンタクト層
２５・・・ｎ側光ガイド層
２６・・・ｎ側クラッド層
２８・・・ｐ側キャップ層
２９・・・ｐ側光ガイド層
９、３２・・・ｐ電極
１０、３３・・・ｐパッド電極
１１、３４・・・ｎ電極
３５、１２・・・絶縁膜

Claims

基板と活性層との間に、前記基板との格子不整合を緩和するバッファ層を介して設けられた３層構造を有し、
該３層構造は、
アンドープ若しくはｎ型不純物が１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以下にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）からなる第１の窒化物半導体層と、
ｎ型不純物が３×１０ ^１８／ｃｍ ^３以上にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）からなる第２の窒化物半導体層と、
アンドープ若しくはｎ型不純物が１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以下にドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦０．２）又はＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．１）からなり、膜厚が前記第１の窒化物半導体層より小さい第３の窒化物半導体層と、
が前記基板側から順に積層されてなり、
前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が設けられ、
前記３層構造と前記活性層の間に超格子構造の窒化物半導体であるｎ側クラッド層を含み、さらにｎ側クラッド層の反対側の前記活性層上にｐ側クラッド層とｐ側コンタクト層をこの順に有し、
前記ｐ側コンタクト層側に露出された前記第２の窒化物半導体層の表面に、前記ｎ電極が形成され、前記ｐ側コンタクト層の表面にｐ型電極が形成された窒化物半導体発光素子。
前記第２の窒化物半導体層の膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であり、前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層が、同一組成である請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記同一組成が、ＧａＮである請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
前記基板が、サファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＧａＮからなる群から選択された１つからなる請求項１乃至４のいずれか
一項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記超格子構造が、互いに異なる不純物濃度の窒化物半導体層を交互に積層した構造である請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。