JP5082444B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体を発光層の材料として構成される、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の、窒化物半導体発光素子に関し、とりわけ、該発光素子構造中のｐ型半導体部分の構成に関するものである。

窒化物半導体とは、式Ａｌ_αＩｎ_βＧａ_γＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、α＋β＋γ＝１）で決定される３族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。本発明では、上式のα、β、γなど、窒化物半導体を構成する３族元素の組成比を、それぞれ、Ａｌ比率、Ｉｎ比率、Ｇａ比率ともいう。発光層に用いられる窒化物半導体の材料組成を選択することによって、青色〜紫外に至る短波長光を発生させることが可能となる。
以下、「窒化物半導体」を「ＧａＮ系」とも呼び、例えば「窒化物半導体発光素子」であれば「ＧａＮ系発光素子」などとも呼んで、従来技術および本発明を説明する。
図３は、ＧａＮ系発光素子の１つであるＧａＮ系ＬＥＤの一般的な素子構造の一例を示した図であって、サファイア基板などの結晶基板１００上に、ＧａＮ系低温成長バッファ層１００ｂを介して、ＧａＮ系結晶層からなる積層体Ｓ１が形成されている。該積層体Ｓ１は、ｎ型層とｐ型層からなるｐｎ接合構造を構成しており、接合部分に発光層１２０が形成されている。具体的には、下側（結晶基板側）から順に、ｎ型クラッド層１１０（この例ではｎ型コンタクト層を兼用している）、発光層（多重量子井戸などの積層構造であってもよい）１２０、ｐ型クラッド層１３０、ｐ型コンタクト層１４０が気相成長によって積層されたものである。Ｐ１０、Ｐ２０は、それぞれ、ｎ側電極、ｐ側電極である。ダブルヘテロ構造の発光素子では、発光層１２０が、ｎ型クラッド層１１０、ｐ型クラッド層１３０よりもバンドギャップの小さい結晶からなる。ダブルヘテロ構造の発光素子はホモ接合の発光素子に比較して１０倍以上発光出力が高いと言われている（例えば、参照文献１：特開平８−３３０６２９号公報）。
ｎ型クラッド層１１０はｎ型不純物の添加によりｎ型伝導性に形成される。ｐ型クラッド層１３０とｐ型コンタクト層１４０は、ｐ型不純物が添加されるとともに、必要に応じてｐ型化アニーリング処理等の低抵抗化処理が行われることにより、ｐ型伝導性に形成される。発光層１２０はｎ型導電性にもｐ型導電性にも、またこれらの導電性の層が混在した態様にも形成し得る。また、不純物を意図的に添加しないアンドープの層とされる場合もある（不純物を何ら含まないアンドープの層は通常、弱いｎ型伝導性を示す）。
ＧａＮ系結晶層をｐ型伝導性とするために好ましいｐ型不純物としては、Ｍｇが用いられる。
発光素子の動作電圧は低ければ低い程、実用上は望ましい。動作電圧を低下させるには、ｐ型層の直列抵抗が低い方がよいので、ｐ型層の正孔濃度を高くすることが好ましいが、そのためにＭｇの添加量を多くし過ぎると結晶性が悪化して正孔の移動度が低下してしまい、抵抗が十分に低下しない。従って、Ｍｇの添加量は、正孔濃度が十分に高くなり、かつ結晶性が著しく低下しない濃度とすることが好ましい。
発光素子の動作電圧を低くするには、ｐ型層とｐ側電極との間の接触抵抗を低くすることも重要である。
この接触抵抗を低下させるために、ｐ側電極が形成される層であるｐ型コンタクト層の正孔濃度を高くするという考え方が公知である。高キャリア濃度のＧａＮをｐ型コンタクト層に用いると、ｐ側電極とのオーミック性が良くなり、ＬＥＤの順方向電圧（所定の順方向電流を流すのに必要な印加電圧）が低下するといわれている（参照文献２；特開平７−１５０４１号公報）。
あるいは、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を高くすることは、キャリア濃度の増加を通してではなく、そのこと自体が接触抵抗の低下に有効であるともいわれており、ｐ型コンタクト層の表層側のＭｇ濃度を高くすることで発光素子の動作電圧や順方向電圧を低下させる方法が公知である（参照文献１、参照文献３；特開平８−９７４７１号公報）。参照文献３によれば、Ｍｇ濃度を５×１０^１９／ｃｍ^３程度よりも高くすると、Ｍｇ濃度の増加に対するキャリア濃度の増加率が小さくなり、ついにはＭｇ濃度とキャリア濃度が逆比例するようになるが、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度をこのような高濃度領域に設定すると、ｐ側電極とのオーミック性が良好となり、動作電圧が低下する。
ｐ型不純物としてＭｇを用いると、該Ｍｇによる光吸収のために発光効率が低下するという問題が提起されている（例えば、参照文献４；特開平１０−１２５９５６号公報）。Ｍｇによる光吸収は、ＭｇがＧａＮ系結晶中において深い準位のアクセプタレベルを形成し、その深い準位と伝導帯とのバンドギャップにより４３０ｎｍ以下の波長の光が吸収される現象であると説明されている。
参照文献４に記載された発明では、この問題に対し、ｐ型クラッド層をＡｌ比率が８％以上のＡｌＧａＮとすることによって上記バンドギャップを拡大し、吸収される光の波長を４３０ｎｍよりも短くするとともに、ｐ型クラッド層やｐ型コンタクト層の厚さを薄くすることによって、前記光吸収の問題を軽減している。
上記のように、Ｍｇによる光吸収の問題を軽減するために、ｐ型層（ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を含む、発光層より上に形成されるｐ型伝導層全体）を薄くするという手法が知られている。
そこで、本発明者等は、ｐ型コンタクト層の厚さを薄くすることが最も重要と考え、Ｍｇを高濃度にドープしたｐ型コンタクト層を１０ｎｍ以下に薄く形成し、その直下のｐ型層のＭｇ濃度を急激に低下させたＧａＮ系ＬＥＤを作製し、その評価を試みた。
しかしながら、そのようなＧａＮ系ＬＥＤでは、動作電圧が上昇してしまうことがわかった。その理由は、濃度勾配による拡散によってｐ型コンタクト層の表層のＭｇ濃度が低下し、ｐ側電極との接触抵抗が増加するからであると考えられる。逆にいえば、ｐ型コンタクト層の表層のＭｇ濃度を十分に高くしてｐ側電極との接触抵抗を低くするには、該ｐ型コンタクト層をある程度以上厚くしなければならず、それによって光吸収を伴なうことが必至となっていた。
即ち、従来技術では、Ｍｇ濃度の高いｐ型コンタクト層を設けて発光素子の動作電圧を低下させることと、ｐ型層での光吸収を十分に抑制することとは、両立できてはいなかった。

本発明の目的は、ｐ型層の上記問題点を解消し、ｐ型コンタクト層の表層のＭｇ濃度を高濃度に維持しつつ、ｐ型層に添加するＭｇの総量を低減することで、動作電圧の上昇を抑えながらも、Ｍｇに起因する光吸収をより少なくすることが可能なｐ型層構造をＧａＮ系発光素子に付与することである。
本発明者等は、ｐ型層におけるｐ型コンタクト層から発光層に最も近い層までの、ＧａＮ系材料の組成の変化、積層方向のＭｇ濃度の変化、各層厚について、本発明独自の限定を加えることによって、上記目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。
（１）窒化物半導体結晶層からなる積層体を有し、該積層体には下層側から順にｎ型層、発光層、ｐ型層が含まれ、ｐ型層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされている窒化物半導体発光素子であって、
ｐ型層の最下部にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｐ型クラッド層が設けられ、該ｐ型クラッド層の上方には１以上のヘテロ界面を介してＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるＭｇ高濃度層が設けられ、該Ｍｇ高濃度層の直上にはｐ型層の最上部としてＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ≦１）からなるｐ型コンタクト層が設けられ、
ｐ型コンタクト層は、層厚が１０ｎｍ以下、Ｍｇ濃度ａが５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａであり、
Ｍｇ高濃度層は、層厚が５ｎｍ〜２０ｎｍ、Ｍｇ濃度ｂが２×１０^１９ｃｍ^−３＜ｂであり、
ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層は、Ｍｇ濃度ｃが１×１０^１９ｃｍ^−３≦ｃ＜ｂであり、
ｐ型コンタクト層を除くｐ型層のＭｇ濃度の平均値が５×１０^１９ｃｍ^−３未満であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
（２）Ｍｇ高濃度層が、少なくともｐ型コンタクト層に接する側に、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上の部分を含む、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（３）Ｍｇ高濃度層が、ｐ型コンタクト層に接する側のみに、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上の部分を含む、上記（２）記載の窒化物半導体発光素子。
（４）Ｍｇ濃度ｃがｃ＜５×１０^１９ｃｍ^−３である、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（５）ｂ＜ａである、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（６）ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層が、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３未満の部分を含む、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（７）上記Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層におけるＭｇ濃度の平均値が２×１０^１９ｃｍ^−３未満である、上記（６）記載の窒化物半導体発光素子。
（８）ｐ型層の層厚が１００ｎｍ〜３００ｎｍである、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（９）ｐ型コンタクト層は、層厚が０．５〜１０ｎｍ、Ｍｇ濃度ａが５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａ≦１×１０^２１ｃｍ^−３であり、
Ｍｇ高濃度層は、層厚が５〜２０ｎｍ、Ｍｇ濃度ｂが２×１０^１９ｃｍ^−３＜（０．５×ａ）≦ｂ≦１×１０^２１ｃｍ^−３であり、
ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層は、Ｍｇ濃度ｃが（０．２×ｂ）≦ｃ＜ｂである、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。

図１は、本発明によるＧａＮ系発光素子の素子構造を示した模式図である。ハッチングは、領域を区別する目的で施している。
図２は、Ｍｇ高濃度層の厚さと、Ｖｆ、発光出力との関係を示すグラフである。
図３は、従来のＧａＮ系発光素子の素子構造を示した模式図である。
図１における各符号は、それぞれに、次のものを示している。１；アンドープ層、２；ｎ型層、３；発光層、４；ｐ型層、４１；ｐ型クラッド層、４２；Ｍｇ低濃度層、４３；Ｍｇ高濃度層、４４；ｐ型コンタクト層

本明細書では、当該発光素子の積層構造中の各層の位置を説明するために、「下層側」、「最下部」、「直上」など、上下関係を示す語句を用いている。これは、積層構造の形成プロセスにおいて、結晶基板を下側として、その上に先に形成されたｎ型層の上に発光層、ｐ型層を形成していくといった積層順に基づいた便宜上の表現であって、素子の絶対的な上下方向や、素子の実装方向（実装時の姿勢）を限定するものではない。「直上」とは直接隣接した上側、「直下」とは直接隣接した下側である。
以下、ＧａＮ系発光素子の１つであるＧａＮ系ＬＥＤを例として用い、本発明を説明する。半導体レーザの態様については必要に応じて言及する。
本発明によるＧａＮ系ＬＥＤの素子構造は、図１に一例を示すように、結晶基板Ｂ１上に、ＧａＮ系結晶層を順次成長させ積層体Ｓとした素子構造を有する。該積層体Ｓには、下層側から順にアンドープ層１、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４が含まれている。上記（１）記載のとおり、本発明では、ｐ型層にドープされるｐ型不純物は、Ｍｇである。
ｎ型層２には、ｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層とが独立して含まれる場合があるが、同図の例では１層だけで両層を兼用している。
発光層３は、キャリアの再結合による発光を生ぜしめるための層であって、後述のとおり単一層の態様だけではなく、積層構造であってもよい。
ｐ型層４には、少なくとも最下部にｐ型クラッド層４１、それよりも上方にＭｇ高濃度層４３、さらに該層４３の直上にｐ型コンタクト層４４が含まれている。これらｐ型クラッド層４１、Ｍｇ高濃度層４３、ｐ型コンタクト層４４からなるｐ型層の特徴は、上記（１）に記載したとおりである。
図１の例では、ｐ型クラッド層４１とＭｇ高濃度層４３との間に、Ｍｇ低濃度層４２が存在するが、これについては後述する。
結晶基板の上面は、図３の例のようにフラットであってもよいが、図１の素子構造例では、結晶基板Ｂ１上面に凹凸（後述）が加工され、該凹凸上にＧａＮ系材料からなるバッファ層Ｂ２が形成され、凹凸を覆って、アンドープＧａＮ層１、ｎ型ＧａＮクラッド層（ｎ型コンタクト層を兼ねている）２が成長している。積層体Ｓは、ｎ型ＧａＮクラッド層２が部分的に露出するようｐ型層側からエッチングされ、該露出部分にＡｌ（アルミニウム）からなるｎ側電極Ｐ１が設けられている。また、ｐ型コンタクト層４４上面には、該上面と接する側から順に、Ｎｉ（ニッケル）とＡｕ（金）とを積層してなる、ｐ側電極Ｐ２が設けられている。
発光層３から発せられた光を上方から（ｐ側電極側から）取り出すか、結晶基板を通して下側（基板裏面側）から取り出すかは任意であって、それぞれに応じてｐ側電極の態様や、通常姿勢の実装やフリップチップ実装が可能な構造を採用すればよい。
上記のように、本発明では、ｐ型層内の積層構造として、先ず、下層側から順に、ｐ型クラッド層、（ｐ型）Ｍｇ高濃度層、ｐ型コンタクト層を少なくとも含む構造としている。Ｍｇ高濃度層とｐ型クラッド層との間には、他の層が存在してもよい（後述）。次に、これらの層の材料組成、Ｍｇ添加濃度、層厚等を、上記（１）のとおりに規定し（好ましい態様としては、上記（２）〜（７）のとおりに規定し）、これによって次の３つの効果を発生させることにより、上記目的を達成している。
（ｉ）結晶性の向上
ｐ型クラッド層を２元または３元結晶のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、Ｍｇ高濃度層を２元または３元結晶のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）、ｐ型コンタクト層を３元結晶のＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ≦１）とするのは、転位密度の低い、高品質の結晶を得ることが容易であるためである。
転位密度を低減することで正孔の移動度が向上するため、ｐ型層の抵抗が低下し、発光素子の動作電圧を低下させることができる。また、転位欠陥領域に沿って生じるＭｇの拡散が抑制される。
（ｉｉ）接触抵抗の低下
ｐ型コンタクト層をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ≦１）とし、そのＡｌ比率ｚをＭｇ高濃度層のＡｌ比率ｙより高くするのは、Ｇａよりも窒素との結合力の強いＡｌの比率を増やすことによって、ｐ型層の最上部に形成されるｐ型コンタクト層が、結晶成長時、結晶成長後の冷却時、ｐ型化アニーリング処理時、電極アニーリング処理時等に、高温雰囲気に曝されたときの窒素抜けを抑制するためである。
ＧａＮ系結晶層に窒素抜けが生じた場合、その後に残った窒素空孔は、ｎ型伝導性を与えるため、ｐ型伝導性の発現を阻害し、電極との接触抵抗や、層内の直列抵抗を上昇させる要因となる。
本願発明では、ｐ型コンタクト層のＡｌ比率を直下の層よりも高くすることで窒素抜けの抑制を図り、電極との接触抵抗や層内の直列抵抗の上昇を抑えている。
ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度ａを、５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａとするのは、この濃度の範囲であれば、ｐ側電極との好ましいオーミックコンタクトが達成でき、該電極との接触抵抗を十分に低くし得るからである。
（ｉｉｉ）ｐ型層のＭｇ量の低減とｐ型コンタクト層からのＭｇ拡散抑制
ｐ型コンタクト層の層厚を１０ｎｍ以下と極めて薄く限定するのは、この層にはｐ側電極とのオーミック性を得るためにＭｇが高濃度に添加されるので、Ｍｇに起因する光吸収を抑制するうえで、この層の厚さを薄くすることが最も効果的であるからである。それは、Ｍｇを添加したｐ型層が吸収する光の波長は、Ｍｇ濃度が高くなる程、Ｍｇが深い準位を形成するために長波長化するからであり、吸収波長が長波長化する程、発光層で発生される光が吸収され易くなるからである。
しかし、単にＭｇが高濃度に添加されたｐ型コンタクト層を薄くすると、接触抵抗の上昇という問題が生じる。
これに対して、本発明ではｐ型層全体の構成に工夫を行うことで、ｐ型コンタクト層の接触抵抗の上昇を防ぎつつ、ｐ型層に含まれるＭｇ量を低減している。
まず、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間に、組成の異なる結晶の接合界面であるヘテロ界面を、少なくとも２つ設ける。即ち、ｐ型クラッド層とＭｇ高濃度層との間に少なくともひとつ設けられるヘテロ界面、および、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるＭｇ高濃度層と、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ≦１）からなるｐ型コンタクト層との間に少なくともひとつ形成されるヘテロ界面である。
ヘテロ界面には結晶の分極による電界が存在するため、イオン化された不純物が捕獲され易く、Ｍｇの拡散を抑制する効果がある。
次に、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度ｂを、２×１０^１９ｃｍ^−３＜ｂ、層厚を５ｎｍ〜２０ｎｍとするとともに、Ｍｇ高濃度層よりも下のｐ型伝導層（ｐ型クラッド層を含む）、即ち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間のｐ型伝導層のＭｇ濃度ｃを、１×１０^１９ｃｍ^−３≦ｃ＜ｂとする。このｃ＜ｂという不等式は、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度ｂが、Ｍｇ高濃度層と発光層との間のｐ型伝導層中の、いかかる部分のＭｇ濃度よりも高いことを意味している。従って、Ｍｇ高濃度層の層厚を２０ｎｍ以下とし、かつｃ＜ｂとするという限定は、ｐ型コンタクト層より下側では、ｐ型コンタクト層の下面からの距離が２０ｎｍ以内の領域でＭｇ濃度が最も高くなるように、ｐ型層のＭｇ濃度を設定することを意味する。
更に、ｐ型コンタクト層を除くｐ型層のＭｇ濃度の平均値、即ち、Ｍｇ高濃度層からｐ型クラッド層までを合わせたｐ型伝導層におけるＭｇ濃度の平均値が、５×１０^１９ｃｍ^−３未満となるようにする。
ｐ型コンタクト層と発光層との間のｐ型伝導層のＭｇ濃度をこのように設定することで、ｐ型コンタクト層の接触抵抗の上昇を防ぎつつ、ｐ型層に添加するＭｇの総量を低く抑えることが可能となる。
結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
結晶基板とＧａＮ系結晶層との間には、バッファ層を介在させることが好ましい。上方に形成するｐ型層の転位密度が低減され、結晶性が向上するためである。ｐ型層の転位密度が低減されると、電気抵抗の低下や、Ｍｇ拡散の抑制といった好ましい効果が生じることは、前述の通りである。
好ましいバッファ層としては、ＧａＮ系バッファ層が挙げられる。バッファ層の材料、形成方法、形成条件は、公知技術を参照すればよいが、ＧａＮ系バッファ層材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどが例示され、成長温度としては、その上に成長するＧａＮ系結晶層の成長温度よりも低温であればよく、３００℃〜７００℃が挙げられる。
バッファ層の厚さは１０ｎｍ〜５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜４０ｎｍが好ましい。バッファ層の材料をＧａＮとすると、上方に成長する結晶層の転位密度が最も低くなり、またバッファ層の最適厚さ範囲が広くなるので好ましい。
なお、結晶基板としてＧａＮや、ＡｌＮ結晶などからなる基板を用いる場合には、バッファ層は必須では無い。
ＧａＮ系結晶層は、平坦な結晶基板上に成長させてもよいが、結晶中の転位密度を低減させるための構造を結晶基板面に適宜導入してよい。これに伴い、ＳｉＯ_２などの異種材料からなる部分がＧａＮ系結晶層からなる積層体中に含まれる場合もある。
転位密度低減のための構造としては、（い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得るように、結晶基板の上面にマスク層（ＳｉＯ_２などが用いられる）をストライプパターンなどとして形成した構造、（ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板の上面に、ドット状、ストライプ状等の凹凸加工を施した構造などが挙げられる。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せてよい。
転位密度低減のための構造のなかでも、上記（ろ）の凹凸加工を基板の上面に施した構造は、マスク層を用いないために、マスク層材料の拡散によるＧａＮ系結晶の汚染等が防止されるので好ましい。また、凹凸を埋め込むようにＧａＮ系結晶を成長すると、サファイア基板等、ＧａＮ系材料とは異なる材料からなる結晶基板を用いた場合には、屈折率の異なる結晶基板とＧａＮ系結晶との界面が光散乱性となるので、ＬＥＤの光取出効率が向上するという好ましい効果（転位密度低減とは独立した効果である。）が生じる。
凹凸を埋め込んで成長させるＧａＮ系結晶を、ＧａＮ、特にアンドープＧａＮとすると、成長面の平坦性が良好で、かつ転位密度の低い高品質な結晶が得やすいため、上方に成長するｐ型層の品質を向上させるうえで好ましい。
結晶基板上面への凹凸加工の方法、凹凸の配置パターン、凹凸の断面形状、凹凸上でのＧａＮ系結晶の成長プロセスなどは、特開２０００−３３１９４７号公報、特開２００２−１６４２９６号公報などを参照すればよい。また、凹凸として、凹溝をストライプ状に形成する場合の凹溝の長手方向、凹溝の幅、凸状稜の幅、凹凸の振幅（凹溝の深さ）などもこれらの文献や公知技術を参照してよい。
ＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。高品質の結晶薄膜を実用的な成長速度で形成できる点で、ＭＯＶＰＥ法が特に好ましい。
発光層は、単一組成の結晶層からなる構造であっても、バンドギャップの異なる複数の層からなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造等の多層膜構造であってもよい。量子井戸構造では、厳密には、発光現象が生じる層は井戸層であるが、本発明では、障壁層／井戸層の積層構造全体を１つのユニットとして、発光層と呼ぶ。
発光層に用いるＧａＮ系結晶の組成は、発生させるべき光の波長に応じたバンドギャップを有する組成を適宜選択してよいが、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さい組成とすると、ダブルヘテロ構造となるので特に好ましい。発光層を量子井戸構造とする場合には、井戸層のバンドギャップがｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層のバンドギャップより小さくなるようにしてもよい。
発光層をＩｎＧａＮで構成する場合には、結晶のＩｎ比率を調整することによって発光波長を約３６０ｎｍ（Ｉｎ比率がゼロ）から赤外波長域まで広範囲にわたって制御することができる。発光波長は、発光層にｎ型不純物および／またはｐ型不純物を添加することによっても制御することができる。
発光層をＩｎＧａＮで構成すると、Ｉｎが局所的に高濃度に分布した領域が形成され、該領域が発光再結合中心として働くために、発光層が比較的高い転位密度を有する場合であっても、高い発光効率が得られる。
しかし、発光波長を４２０ｎｍ未満の紫〜紫外領域とするためにＩｎ比率を小さくすると、このような効果が生じ難くなるために、発光層中の転位密度が発光効率に大きく影響するようになる。従って、発光波長をこのような短波長領域とする場合には、前述の転位密度の低減に有効な構造を、発光層の下方の構造に採用することが好ましい。
ｎ型クラッド層の材料として、発光層の材料に対してバンドギャップが大きいものを用いることで、キャリアを発光層に効果的に閉じ込めることができる。ＬＥＤの場合には、使用時の電流密度が比較的小さいために、発光層とのバンドギャップ差をあまり大きくする必要はなく、特に発光層が量子井戸構造の場合には、その障壁層に対してバンドギャップ差がないもの（同じ組成のもの）や、バンドギャップがより小さいものを用いてもよい。
その理由は、ｐ型クラッド層から発光層に注入されｎ型クラッド層に向かって拡散する正孔は、反対方向に拡散する電子と比較して移動度が小さいために、ｎ型クラッド層に到達する前に高い確率で電子と再結合するからである。
従って、ＬＥＤの発光層にＩｎＧａＮを用いる場合のｎ型クラッド層の材料には、転位密度の低い結晶が得やすい２元結晶のＧａＮや３元結晶のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮを用いることが好ましく、特にＧａＮを用いることが好ましい。ＡｌＧａＮの場合は、Ａｌ比率を大きくすると結晶性が低下する傾向があるため、Ａｌ比率を０．２以下とすることが好ましく、０．１以下とすることがより好ましい。
本発明では、ｐ型クラッド層の材料としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を用いている。即ち、ｐ型クラッド層は、２元結晶のＧａＮまたは３元結晶のＡｌＧａＮで構成する。ｐ型クラッド層の組成は、発光層よりもバンドギャップが大きくなるように選択することが望ましい。具体的には、発光層中をｐ型クラッド層の方向に拡散する電子を発光層に効果的に閉じ込めるために、発光層（発光層が量子井戸構造の場合には井戸層）とのバンドギャップ差が０．３ｅＶ以上となる組成とすることが好ましい。
発光波長λ（ｎｍ）と発光層（発光層が量子井戸構造の場合には井戸層）のバンドギャップＥｇ（ｅＶ）との関係は次式で表される。
λ×Ｅｇ＝１２４０ （式１）
一方、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップＥｇ_{ＡｌＧａＮ}は、次式で表される。
Ｅｇ_{ＡｌＧａＮ}＝６．１６ｘ＋３．４（１−ｘ）−ｘ（１−ｘ） （式２）
従って、これらの関係式を用いて好ましいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ比率の最小値を求めることができる。
例えば、発光波長を４００ｎｍとする場合、（式１）より発光層のバンドギャップは３．１ｅＶであるから、好ましいｐ型クラッド層のバンドギャップは３．４ｅＶ以上となり、（式２）を用いると、このときの好ましいｐ型クラッドのＡｌ比率ｘは０．０６以上となる。なお、Ａｌ比率ｘを大きくするとＡｌ_ｘＧａ_{１− ｘ}Ｎの結晶性が低下する傾向があるため、ｘは０．２以下とすることが好ましく、０．１以下とすることがより好ましい。前記のように、結晶性が低下すると、転位欠陥に沿ってＭｇの拡散が生じ易くなる。
ｐ型クラッド層の層厚に特に限定はなく、公知技術を適宜参照して決定してよいが、好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、より好ましくは２０ｎｍ〜７０ｎｍである。
Ｍｇ高濃度層は、薄いｐ型コンタクト層の直下に位置する第２コンタクト層であると言うこともできる。
Ｍｇ高濃度層の材料組成は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）であり、ｙ＝０（即ち、ＧａＮ）でもよい。
本発明は、ｐ型クラッド層とＭｇ高濃度層との間に少なくともひとつのヘテロ界面を設けることを特徴とする。
従って、ｐ型クラッド層の直上にＭｇ高濃度層を配置する場合には、ｐ型クラッド層のＡｌ比率ｘとＭｇ高濃度層のＡｌ比率ｙとが異なる値となるようにする。その場合、ｘとｙとの差が大きい程、Ｍｇの拡散抑制効果が大きくなると考えられるため、ｘとｙの差は好ましくは０．０１以上であり、より好ましくは０．０３以上であり、更に好ましくは０．０５以上である。
ｘとｙの差が大き過ぎると、格子不整合により転位密度が増加する傾向があるため、ｘとｙの差は好ましくは０．２以下であり、より好ましくは０．１５以下であり、更に好ましくは０．１以下である。
Ｍｇ高濃度層のＡｌ比率ｙが大きくなると結晶性が低下する傾向があるため、ｙは０．２以下とすることが好ましい。また、Ｍｇ高濃度層のＡｌ比率ｙをｐ型クラッド層のＡｌ比率ｘより小さくしてもよい。ｙが小さい程、Ｍｇ高濃度層のバンドギャップが小さくなるため、Ｍｇがｐ型不純物として活性化し易くなり、キャリア濃度の増加による直列抵抗の低下が期待できる。従って、より好ましいｙの範囲は０≦ｙ≦０．０５であり、Ｍｇ高濃度層をＧａＮで形成すると更に好ましい。
ｐ型コンタクト層の材料組成は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ≦１）であり、そのＡｌ比率ｚは、Ｍｇ高濃度層のＡｌ比率ｙよりも大きければ、上記発明の効果で述べたとおり、高温雰囲気における表面の窒素抜けを抑制する効果と、ヘテロ界面によるＭｇの拡散抑制効果が生じる。高温雰囲気における窒素抜けを抑制する点からは、０．０１≦ｚとすることが好ましく、特に０．０３≦ｚとすると好ましい。
一方、ｚが大きいと結晶性が低下する傾向がある他、Ｍｇのｐ型不純物としての活性化が起こり難くなるため、この観点からは、ｚは好ましくは０．２以下であり、より好ましくは０．１以下、更に好ましくは０．０５以下である。
ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度ａは、電極と良好なオーミック接触が形成される程度に高い濃度とすればよく、公知技術を参照することもできる。具体的には、５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａ、特に１×１０^２０ｃｍ^−３≦ａとすれば、ｐ型のオーミック電極として知られている種々の電極との間で、良好なオーミック接触が形成される。
一方、Ｍｇに起因する光吸収の抑制効果をより高めるためには、Ｍｇ濃度ａは、５×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３が好ましい範囲であり、より好ましくは５×１０^１９ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３、特に好ましくは５×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３である。
ｐ型コンタクト層の層厚は０．５ｎｍ以上あれば、恐らくは接触抵抗の低下により、Ｍｇ高濃度層に直接ｐ側電極を形成する場合よりも、発光素子の動作電圧が低下する。
一方で、ｐ型コンタクト層はＭｇが高い濃度で添加されるので、Ｍｇに起因する光吸収は層厚を薄くする程抑制される。
従って、ｐ型コンタクト層の層厚は、好ましくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、より好ましくは０．５ｎｍ〜５ｎｍである。
ｐ型層をＭＯＶＰＥ法により形成する場合、Ｍｇのｐ型不純物としての活性化を阻害する水素が結晶成長時にｐ型層中に多量に入ると、ｐ型層の直列抵抗の上昇や、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との接触抵抗の増加によると推定される素子の動作電圧の上昇が生じる。あるいは、Ｍｇを活性化させるためのアニーリング等の処理を、より厳しい条件で行うことが必要となり、該処理に起因する素子の劣化が生じる可能性がある。
そこで、ｐ型層の成長時に反応容器中に供給するガスのうち、有機金属化合物原料のキャリアガス以外は窒素等の不活性ガスとすることが好ましいが、このような成長時ガス条件を用いると結晶の成長速度が著しく低下する。
従って、ｐ型層の層厚が厚いと成長に要する時間が長くなり、その結果、結晶層が高温に曝される時間が長くなるため、添加したＭｇの拡散や、耐熱性の低いＩｎＧａＮ層の劣化が促進され、素子特性が低下する傾向が生じる。Ｍｇ高濃度層やｐ型コンタクト層の厚さを薄くすることは、このような素子特性の低下を抑制するうえでも好ましい。
Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度ｂは、２×１０^１９ｃｍ^−３＜ｂであればよく、特に、ｐ型コンタクト層と接する部分は、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。
ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度ａに対して、（０．５×ａ）≦ｂ≦１×１０^２１ｃｍ^−３とすることは、本発明の目的を達成するための好ましい態様の１つである。
Ｍｇに起因する光吸収を抑制するという点からは、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度ｂを、ｐ型コンタクト層よりも低濃度とすることが好ましい。Ｍｇ高濃度層は、ｐ型コンタクト層よりもＡｌ比率の小さなＧａＮ系結晶、すなわち、バンドギャップのより小さなＧａＮ系結晶で形成されることから、Ｍｇ高濃度層とｐ型コンタクト層に同濃度のＭｇをドープした場合、Ｍｇ高濃度層における光吸収は、ｐ型コンタクト層におけるそれよりも大きくなるからである。
Ｍｇ濃度ｂが１×１０^２１ｃｍ^−３より高くなると、Ｍｇ高濃度層の結晶性が低下する傾向がある。
Ｍｇ高濃度層の層厚は、５ｎｍ〜２０ｎｍとする。Ｍｇ高濃度層が、５×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度でＭｇを含有する部分を含む場合には、Ｍｇによる光吸収を抑制するという点から、Ｍｇ高濃度層の、ｐ型コンタクト層と接する側のみを、Ｍｇ濃度５×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。このようにしたとき、ｐ型コンタクト層よりも下側のｐ型層において、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上である部分の厚さが、２０ｎｍ以下となる。この厚さのより好ましい範囲は５ｎｍ〜１５ｎｍであり、更に好ましい範囲は５ｎｍ〜１０ｎｍである。
Ｍｇ濃度および層厚を上記のように特定したＭｇ高濃度層を設けたうえで、ｐ型層中においてＭｇ高濃度層と発光層との間にあるｐ型伝導層（例えば、図１の例ではｐ型クラッド層３１、Ｍｇ低濃度層３２など）のＭｇ濃度ｃを、１×１０^１９ｃｍ^−３≦ｃとすることにより、１０ｎｍ以下の厚さに形成したｐ型コンタクト層の表層からのＭｇの拡散が抑制され、素子の動作電圧の上昇が抑制される。
また、（０．２×ｂ）≦ｃとすることは、本発明の目的を達成するための好ましい態様の１つである。
また、ｃ＜ｂとするとともに、ｐ型コンタクト層を除くｐ型層のＭｇ濃度の平均値を５×１０^１９ｃｍ^−３未満に設定とすることで、素子の動作電圧の上昇を抑制しながら、ｐ型層全体としての、Ｍｇに起因する光吸収を抑制することができる。
Ｍｇ高濃度層と、その直下のｐ型伝導層との間では、Ｍｇ濃度を段階的に変化させることが好ましい。その場合、両層の境界部分を挟んで、１×１０^１９ｃｍ^−３以上、更には、３×１０^１９ｃｍ^−３以上のＭｇ濃度差を設けることができる。なお、ｃ＜ｂという条件により、このようなＭｇ濃度の段差の形成が必須となるものではなく、例えば、ｐ型クラッド層からＭｇ高濃度層にかけて、Ｍｇ濃度が直線的に上昇する態様なども許容される。
また、Ｍｇ濃度ｃには、５×１０^１９ｃｍ^−３という上限値を設けることが、より好ましく、その理由は、Ｍｇを添加したｐ型伝導層では、Ｍｇ濃度を５×１０^１９ｃｍ^−３より高濃度（ｐ型コンタクト層にとって好ましいＭｇ濃度である。）とすると、Ｍｇに起因する光吸収が特に問題となってくるからである。
また、ｐ型層に含まれるＭｇの総量をより少なくするために、Ｍｇ高濃度層と発光層との間のｐ型層には、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３未満の部分が含まれるようにすることが好ましく、更に、当該ｐ型層におけるＭｇ濃度の平均値が２×１０^１９ｃｍ^−３未満となるようにすることがより好ましい。
ｐ型コンタクト層、Ｍｇ高濃度層、ｐ型クラッド層は、連続した３層であってもよいが、Ｍｇ高濃度層とｐ型クラッド層との間に、別の層として、Ｍｇ高濃度層よりも低いＭｇ濃度を有するＭｇ低濃度層をさらに設けてもよい。
Ｍｇ低濃度層は、ｐ型層全体の層厚が１００ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとなるように設けることが好ましい。ｐ型層全体の層厚を１００ｎｍよりも大きくすることが好ましいのは、ｎ型層とのバランスが良くなるためと、結晶成長後の冷却時、ｐ型化アニーリング処理時、電極アニーリング処理時等における発光層の劣化が抑制されるためである。ｐ型層全体の層厚が３００ｎｍより大きくなると、これらの効果が飽和し、層厚をそれ以上大きくすると、Ｍｇによる光吸収の問題が大きくなる他、成長時間が長くなることによる製造効率の低下や材料の浪費の問題が生じる。また、ｐ型層の成長時間が余りに長くなると、成長時の高温による素子の劣化の問題も生じる。
Ｍｇ低濃度層は、Ｍｇ高濃度層およびｐ型クラッド層の両方またはいずれかとの界面がヘテロ界面となるように、その組成を決定すればよい。
Ｍｇ低濃度層には、結晶性の点からは、２元結晶のＧａＮ、または３元結晶のＡｌＧａＮを用いることが好ましい。ＡｌＧａＮを用いる場合には、Ａｌ比率が高いと結晶性が低下する傾向があることから、Ａｌ比率を０．２以下、特に０．１以下とすることが好ましい。
Ｍｇ低濃度層は、直上のＭｇ高濃度層と同じ結晶組成の材料Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を用いてもよい。Ｍｇ低濃度層を、直上のＭｇ高濃度層と同じ結晶組成としたり、または、超格子構造とすると、直上のＭｇ高濃度層や、ひいてはその更に上のｐ型コンタクト層の結晶性を向上させる効果が期待できるために、Ｍｇ高濃度層やｐ型コンタクト層の抵抗を低下させたり、転位欠陥に沿って起こるＭｇの拡散を抑制するうえで好ましい。
Ｍｇ高濃度層とｐ型クラッド層との間には、素子構造上、必要に応じてさらなる層が挿入されてもよい。例えば、面発光レーザ（発振方向・出射方向と積層方向とが一致するレーザ）を構成する場合の、共振器のうちの一方の反射層としてのブラッグ反射層、端面発光レーザ（発振方向・出射方向と積層方向とが直交するレーザ）を構成する場合の光閉じ込め層などが挙げられる。
上記ブラッグ反射層や光閉じ込め層は、独立した層であってもよいが、Ｍｇ高濃度層やＭｇ低濃度層などと一部または全部を兼用した層であってもよい。
これらの層の材料についても、結晶性の点からは、２元結晶のＧａＮ、あるいは３元結晶のＡｌＧａＮを用いることが好ましく、ＡｌＧａＮを用いる場合のＡｌＧａＮ結晶のＡｌ比率は０．２以下、特に０．１以下とすることが好ましい。
また、ｐ型コンタクト層、Ｍｇ高濃度層、Ｍｇ低濃度層、ｐ型クラッド層などの層のそれぞれは、結晶組成およびＭｇ濃度が本発明の規定する所定範囲内に入る限りで、多層膜構造（超格子構造を含む）としてもよい。

以下に、ｐ型コンタクト層の好ましい厚さ、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度を特定するための実験を含めて、本発明のＧａＮ系発光素子の実例としてのＧａＮ系ＬＥＤの具体的な構成を示す。
以下の各実験に示すＭｇドープ層のＭｇ濃度や膜厚は、いずれも設計値であって、実際に得られた結果物の測定値には、これに製造誤差などが加わる場合がある。
各実験における特定のＭｇ濃度（設計値）を有するＭｇドープ層の成長は、次の手順にて行った。
（イ）成長しようとする組成のＧａＮ系結晶層をＭＯＶＰＥ法により成長する際の、Ｍｇ原料（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）の供給量と３族原料（トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム）の供給量との比率〔Ｍｇ／３族比〕と、実際に得られる結晶中のＭｇ濃度との関係を、予め調べておく。そのために成長させる結晶層の膜厚は約３００ｎｍとし、Ｍｇ濃度はＳＩＭＳ（二次イオン質量分析：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定する。
（ロ）上記関係から、Ｍｇ濃度が所定の設計値となる〔Ｍｇ／３族比〕を求め、その〔Ｍｇ／３族比〕にてＭｇ原料と３族原料とを供給しながら、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ系結晶層を成長する。
各層の膜厚は、当該組成の膜を単独成長したときの成長速度から、所定の厚みに成長するのに必要な成長時間を求め、当該成長時間だけ成長することにより、制御した。
各実験で作製したＡｌＧａＮ層やＧａＮ層の膜厚は、ＳＩＭＳによりＧａやＡｌの深さ方向分布を測定することにより、概ね設計値通りとなっていることを確認した。特に、膜厚が小さい場合には、厚さ方向の分解能がより高い分析方法である、ＸＰＳ（光電子分光分析：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）も併用して確認した。
また、各層のＭｇ濃度も、概ね設計値通りとなっていることが、ＳＩＭＳにより確認できた。特に、結晶層の表面付近のＳＩＭＳ測定を行う際には、エッチングレートを低くすることにより、深さ方向の分解能を高くした。
なお、ｐ型コンタクト層やＭｇ高濃度層の膜厚が小さいときには、隣接する層へのＭｇの拡散流出、あるいは、隣接する層からのＭｇの拡散流入の影響が大きくなり、例えば、Ｍｇ濃度に傾斜が生じることがあった。また、Ｍｇ高濃度層の膜厚が、隣接するＭｇ低濃度層へのＭｇの流出により、設計値よりも小さくなる場合があった。
実験１
本実験では、図１に示す構造のＧａＮ系ＬＥＤを製作した。ＧａＮ系結晶層の成長にはＭＯＶＰＥ法を用いた。
ｐ型コンタクト層（ＡｌＧａＮ）４４の好ましい厚さを特定するために、該コンタクト層の層厚をＡとし、その直下のｐ型ＧａＮ層（Ｍｇ低濃度層４２と、Ｍｇ高濃度層４３とを１層としたもの）の層厚をＢとし、両層厚Ａ、Ｂを変化させて、発光特性を評価した。
本実験で製作したＧａＮ系ＬＥＤの各層の構成を、上層側から下層側へ順に示す。
〔ｐ型コンタクト層〕
材料；Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ、Ｍｇ濃度；１×１０^２０（ｃｍ^−３）、層厚；Ａ（ｎｍ）。
〔ｐ型ＧａＮ層〕
ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ高濃度層、Ｍｇ低濃度層とに分かれるべき層であるが、ここでは、実験のため、Ｍｇ濃度を層全体にわたって５×１０^１９（ｃｍ^−３）とした。層厚はＢ（ｎｍ）である。
〔ｐ型クラッド層〕
材料；Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ、Ｍｇ濃度；２×１０^１９（ｃｍ^−３）、層厚；５０（ｎｍ）。
〔発光層〕
ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層（発光波長４０５ｎｍ）を６周期積層したＭＱＷ構造とした。最上層はＧａＮ障壁層とした。層厚は１００（ｎｍ）である。
〔ｎ型クラッド層〕
材料；ＧａＮ、ｎ型コンタクト層と兼用、層厚は４（μｍ）である。
〔アンドープＧａＮ層〕
材料；ＧａＮ。層厚は、基板凹凸の凸部の上面より上の部分の厚さとして、２（μｍ）である。
〔結晶基板、バッファ層〕
Ｃ面サファイア基板の表面に、ストライプ状パターンにあて、断面矩形波状の凹凸加工を施した。該凹凸の、凸部上面、凹部底面に、ＧａＮバッファ層を成長させた。
上記構成のＧａＮ系ＬＥＤに関して、ｐ型コンタクト層の層厚Ａと、ｐ型ＧａＮ層の層厚Ｂとを、常にＡ＋Ｂ＝１００ｎｍとなるように種々に変化させた素子サンプルを製作し、通電電流２０（ｍＡ）にてそれぞれに発光出力を測定したところ、ｐ型コンタクト層の層厚Ａが１０ｎｍを越えると出力低下が顕著になることがわかった。これは、Ｍｇが高濃度（ｐ型クラッド層の５倍、ｐ型ＧａＮ層の２倍）で添加されたｐ型コンタクト層による光吸収の影響が大きくなるためであると考えられた。
このことから、ｐ型コンタクト層の層厚の上限は１０ｎｍとすべきであることがわかった。
ｐ型コンタクト層の層厚を１０ｎｍとしたときのＶｆ（順方向電流２０ｍＡを流すのに必要な順方向電圧）は、３．５Ｖであった。
実験２
上記実験１の結果から、ｐ型コンタクト層の厚さを１０ｎｍに固定した。
直下のｐ型ＧａＮ層については、層厚を９０ｎｍとし、Ｍｇによる光吸収を更に抑えるためにＭｇ濃度を１×１０^１９（ｃｍ^−３）とした。
これらの変更以外は実験１と同様の仕様にて、ＧａＮ系ＬＥＤを製作し、発光出力を測定したところ、実験１の結果と比べて、発光出力は４０％程度向上したが、Ｖｆが約０．３Ｖ上昇した。
本発明者等の検討によれば、この原因は、ｐ型コンタクト層から直下のｐ型ＧａＮ層へとＭｇが拡散流出し、これによってｐ型コンタクト層の表層のＭｇ濃度が低下したことで、ｐ側電極との接触抵抗が増加したからであると推定される。ｐ型コンタクト層は、１０ｎｍと薄いために、この層に保持されるＭｇの総量は少なく、Ｍｇの流出の影響が顕著に現われたと考えられる。
実験３
上記実験２の結果を改善し、発光出力を高く保ったまま、Ｖｆを上昇させないことを目的として、ｐ型ＧａＮ層へのＭｇの添加の態様を変化させた。具体的には、ｐ型ＧａＮ層の最下部（ｐ型クラッド層と接する領域）のＭｇ濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３とし、最上部（ｐ型コンタクト層と接する領域）のＭｇ濃度を５×１０^１９ｃｍ^−３とし、Ｍｇ濃度が層下部から層上部に向かって略連続的に上昇するように変化させた（傾斜ドープ）。
この変更以外は実験１と同様の仕様にて、ＧａＮ系ＬＥＤを製作し、発光出力を測定した結果、Ｖｆと発光出力は、ともに実験１と同レベルであった。
本発明者等の検討によれば、Ｖｆが実験１と同レベルに下がったことから、ｐ型コンタクト層からのＭｇ拡散流出の抑制は達成されたと考えられる。一方、発光出力が実験１と同レベルに下がったことから、本実験３のＭｇ傾斜ドープでは、Ｍｇに起因する光吸収の抑制が十分に起こらない可能性が示唆された。
実験４
上記実験２の結果を改善し、Ｖｆを低く保ったまま、発光出力を上昇させることを目的として、ｐ型ＧａＮ層（層厚９０ｎｍ）のうち、ｐ型コンタクト層との界面から厚さＸ（ｎｍ）までの部分をＭｇ高濃度層（Ｍｇ濃度５×１０^１９ｃｍ^−３）とし、残る厚さＹ（ｎｍ）（Ｙ＝９０−Ｘ）の部分をＭｇ低濃度層（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）として、ＸとＹを種々に変化させた。
この変更以外は実験２と同様の仕様にて、ＧａＮ系ＬＥＤを製作し、Ｖｆ、発光出力を測定した。
測定の結果を図２のグラフに示す。同図のグラフは、横軸をＭｇ高濃度層の層厚Ｘとして、Ｘ＝０、５、１０、２０、９０（ｎｍ）のときのＶｆの値を黒丸でプロットし、発光出力の値を白四角でプロットしたものである。
同図のグラフから明らかなとおり、Ｖｆについては、５≦Ｘ≦９０（ｎｍ）の範囲で、上記実験１と同様３．５Ｖであり、好ましい値であった。このことから、Ｍｇ高濃度膚の層厚を５ｎｍ確保したとき、Ｖｆの値を低く保ち得ることがわかった。なお、本実験４におけるＸ＝０（ｎｍ）の場合は、上記実験２に相当する。
また、発光出力については、Ｘ≦２０ｎｍとしたとき、顕著な向上が観察された。
本実験４から、Ｖｆを低く保ち、かつ、発光出力を更に向上させる点から、Ｍｇ高濃度層の層厚として、５〜２０ｎｍが好ましいことがわかる。
実験４において、Ｍｇ低濃度層の層厚Ｙを０ｎｍ〜８５ｎｍという広い範囲で変化させてもＶｆの変化が見られなかったことは、〔ｐ型コンタクト層の直下に、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３であるＭｇ高濃度層を設け、その下方のｐ型層は、Ｍｇ濃度を少なくとも１×１０^１９ｃｍ^−３とする〕という構成によって、ｐ型コンタクト層表面からのＭｇの拡散流出をＶｆに影響しないレベルに抑え得ることを示している。
また、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の設計値をより高濃度とした場合には、Ｍｇ濃度不足の問題は生じないので、同様に低いＶｆが得られる。また、この設計値をより低濃度とした場合には、ｐ型コンタクト層とｐ型高濃度層との濃度差が小さくなり、ｐ型コンタクト層からのＭｇの拡散流出がより効果的に抑制されるために、やはり同様に低いＶｆが得られる。
実験５
上記実験４の結果に加えて、Ｖｆをさらに低下させることを目的として、ｐ型コンタクト層の厚さをより薄くする実験を行った。
上記実験４の結果に従って、ｐ型ＧａＮ層（層厚９０ｎｍ）のうち、上側をＭｇ高濃度層（層厚５ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０^１９ｃｍ^−３）とし、下側の残部をＭｇ低濃度層（層厚８５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）に固定して、ｐ型コンタクト層の厚さＴ（ｎｍ）を１０ｎｍよりも薄い範囲で種々に変化させた。
本実験５では、ｐ型コンタクト層の形成にあたり、有機金属化合物原料であるトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムの反応容器への供給に用いるキャリアガスに水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる以外、反応容器に供給するガスは３族原料であるアンモニアと、窒素ガスのみとした。
反応容器に供給する水素ガス、アンモニア、窒素ガスに占める水素ガスの流量比率は３０％以下であった。ｐ型コンタクト層の成長速度は、この水素ガスの流量比率を約６０％とした実験１〜４の場合と比較して、約５分の１であった。
この変更以外は実験４と同様の仕様にて、ＧａＮ系ＬＥＤを製作し、Ｖｆ、発光出力を測定した。
測定の結果、Ｔ＝１０から１までは、出力は同レベルのまま、Ｖｆが低下する傾向が観察された。Ｔ＝０．５では、Ｖｆが若干上昇したが、それでもなお、Ｔ＝０（ｐ型コンタクト層無し）と比較すると、約０．１ｅＶ低い値であった。
この結果から、ｐ型コンタクト層は下層よりもＡｌ比率を高くすることが好ましく、その層厚は、０．５〜１０ｎｍが好ましい範囲であることがわかった。
Ｔ＝１０から１まで、Ｖｆが低下傾向を示した原因は、ｐ型コンタクト層の成長時間が短くなり、結晶が高温に曝される時間が短くなったことで、熱による劣化の影響が小さくなったためと推定される。
実験６
上記実験４の結果に加えて、Ｖｆの上昇を抑えるのに必要なＭｇ高濃度層のＭｇ濃度の下限を調べるための実験を行った。
上記実験４において、Ｍｇ高濃度層の層厚Ｘを５ｎｍ、Ｍｇ低濃度層の層厚Ｙを８５ｎｍに固定し、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度を５×１０^１９ｃｍ^−３と１×１０^１９ｃｍ^−３の間で変化させた。この変更以外は実験４と同様の仕様にて、ＧａＮ系ＬＥＤを製作し、Ｖｆを測定した。
その結果、Ｖｆは、Ｍｇ高濃度層のＭｇ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３（上記実験２に相当）と２×１０^１９ｃｍ^−３の間では実験２と同レベルとなったが、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３を超えると低下し始め、５×１０^１９ｃｍ^−３のときの値である３．５Ｖに近づいた。
本実験６から、ｐ型コンタクト層の直下に設けるＭｇ高濃度層の厚さを５ｎｍ以上、Ｍｇ濃度を２×１０^１９ｃｍ^−３以上とすれば、ｐ型コンタクト層の厚さを薄くしたときの動作電圧の上昇を抑える効果があることが分かった。

発光素子は、実用上の点からは、単に出力が高ければ良いというものではなく、素子が組み込まれる装置・機器の側からの低消費電力化に対する要求がある。
また、発光素子の動作電圧は、該素子の発熱量に直接関係するため、素子の寿命に大きく影響する。また、発熱が大きい程、放熱を優先する実装構造が必要となることから、設計上の様々な制約が発生してくるという問題もある。特に、ＧａＮ系半導体発光素子では、短波長光が発生するために、原理的に動作電圧が高くならざるを得ないことに加え、結晶成長用基板として現在のところ最適とされるサファイアの熱伝導性が極めて低いという問題もある。
これらの事情から、ＧａＮ系半導体発光素子の動作電圧、例えば、ＬＥＤにおける順方向電圧（Ｖｆ）や、レーザダイオードにおける発振のしきい値電圧の低減に関しては、極めて強い要求があり、たとえ０．１Ｖでも低減することが望ましいとされている。
本発明によって、ＧａＮ系半導体発光素子の動作電圧の上昇を抑えながら、ｐ型層のＭｇの総量を効果的に低減させて、光吸収の問題を改善することができるようになった。
本出願は、日本で出願された特願２００４−１３４７０４を基礎としておりそれらの内容は本明細書に全て包含される。

Claims (10)

1. 窒化物半導体結晶層からなる積層体を有し、該積層体には下層側から順にｎ型層、発光層、ｐ型層が含まれ、ｐ型層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされている窒化物半導体発光素子であって、
   ｐ型層の最下部にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）からなるｐ型クラッド層が設けられ、該ｐ型クラッド層の上方には１以上のヘテロ界面を介してＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．２）からなるＭｇ高濃度層が設けられ、該Ｍｇ高濃度層の直上にはｐ型層の最上部としてＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｙ＜ｚ、かつ、０．０１≦ｚ≦０．２）からなるｐ型コンタクト層が設けられ、
   ｐ型コンタクト層は、層厚が１０ｎｍ以下、Ｍｇ濃度ａが５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａであり、
   Ｍｇ高濃度層は、層厚が５ｎｍ〜２０ｎｍ、Ｍｇ濃度ｂが２×１０^１９ｃｍ^−３＜ｂであり、
   ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層は、Ｍｇ濃度ｃが１×１０^１９ｃｍ^−３≦ｃ＜ｂであり、
   ｐ型コンタクト層を除くｐ型層のＭｇ濃度の平均値が５×１０^１９ｃｍ^−３未満であり、
   Ｍｇ高濃度層はｐ型クラッド層の上に直接、または、Ａｌ _ｔ Ｇａ _１−ｔ Ｎ（０≦ｔ≦０．２）からなりＭｇ高濃度層よりも低いＭｇ濃度を有するＭｇ低濃度層を介して設けられており、上記ヘテロ界面をなす２つの層のＡｌ比率の差は０．０１以上０．２以下であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
2. Ｍｇ高濃度層は、少なくともｐ型コンタクト層に接する側に、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上の部分を含む、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. Ｍｇ高濃度層が、ｐ型コンタクト層に接する側のみに、Ｍｇ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上の部分を含む、請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
4. Ｍｇ濃度ｃがｃ＜５×１０^１９ｃｍ^−３である、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
5. ｂ＜ａである、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
6. ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層が、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３未満の部分を含む、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
7. 上記Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層におけるＭｇ濃度の平均値が２×１０^１９ｃｍ^−３未満である、請求項６記載の窒化物半導体発光素子。
8. ｐ型層の層厚が１００ｎｍ〜３００ｎｍである、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
9. ｐ型コンタクト層は、層厚が０．５〜１０ｎｍ、Ｍｇ濃度ａが５×１０^１９ｃｍ^−３≦ａ≦１×１０^２１ｃｍ^−３であり、
   Ｍｇ高濃度層は、層厚が５〜２０ｎｍ、Ｍｇ濃度ｂが２×１０^１９ｃｍ^−３＜（０．５×ａ）≦ｂ≦１×１０^２１ｃｍ^−３であり、
   ｐ型層のうち、Ｍｇ高濃度層と発光層との間の層は、Ｍｇ濃度ｃが（０．２×ｂ）≦ｃ＜ｂである、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
10. ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間では、Ｍｇ濃度がｐ型クラッド層側からｐ型コンタクト層側に向かって連続的に上昇している、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。

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