JP5125513B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

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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、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。
窒化物半導体素子は、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、トランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに利用される。中でも、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの光デバイスとして広く利用されている。発光デバイスとしての窒化物半導体素子は、一般に、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体から成る活性層を、活性層よりもバンドギャップの広いｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層で挟んだダブルへテロ構造を有している。
従来より、ダブルへテロ構造を持つ窒化物半導体素子のｐ側窒化物半導体層として、種々の積層構造が検討されてきた。例えば、特許文献１には、多重量子井戸活性層の上に、ｐ側窒化物半導体層として、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上のｐ型電子閉じ込め層、アンドープのＧａＮからなるｐ型ガイド層、ＡｌfＧａ1-fＮ（０＜ｆ≦１）を含んでなる多層膜のｐ型クラッド層、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層を積層した窒化物半導体レーザが開示されている。また、アンドープのＧａＮからなるｐ型ガイド層は、ｐ型電子閉じ込め層からＭｇが拡散して１×１０１６ｃｍ―３〜１×１０１８ｃｍ―３のＭｇを含むとされている。
また、特許文献２には、多重量子井戸活性層の上に、ｐ側窒化物半導体層として、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層、ＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した超格子構造のｐ側クラッド層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を積層した窒化物半導体レーザが開示されている。特許文献２では、レーザの閾値を下げるために、超格子構造のｐ側クラッド層は、最初はアンドープで成長され、活性層から離れるに従ってＭｇの量が徐々に多くなっていくように形成される。また、超格子構造のｐ側クラッド層において、ＡｌＧａＮ層中のＡｌの量が活性層から離れるに従って徐々に多くなっていくように形成される。また、特許文献３には、活性層の上に、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層、アンドープＧａＮからなるｐ側光ガイド層、不純物濃度の異なるＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した超格子構造のｐ側クラッド層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を積層した窒化物半導体レーザが開示されている。
特許文献４には、多重量子井戸活性層の上に、ｐ側窒化物半導体層として、アンドープＩｎＧａＮ光導波層、アンドープＡｌＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を積層したＧａＮ系半導体レーザが開示されている。特許文献４において、アンドープＩｎＧａＮ光導波層、アンドープＡｌＧａＮクラッド層及びアンドープＩｎＧａＮ層は、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層に拡散するのを抑制するとされている。
特許文献５には、多重量子井戸活性層の上に、ｐ側窒化物半導体層として、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層、ＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層を形成した窒化物半導体素子が開示されている。特許文献５において、ＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層は、リーク電流を低減して静電耐圧を向上させ、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層はクラッド層として機能し、光の閉じ込め、および活性層への正孔の注入層となるとされている。また、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層とＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層の間に、不純物濃度が低いＡｌＧａＮ又はＧａＮを形成すると、静電耐圧を高くできると開示されている。
特開２０００―１８３４６２号公報 特開平１１―２５１６８４号公報 特開平１１−１７７１７５号公報 特開２００３−２８９１７６号公報 特開２００４−１１２００２号公報
しかしながら、従来の窒化物半導体素子においては、静電耐圧を一層向上することが求められている。本件発明者等は、窒化物半導体素子において、ｐ側窒化物半導体層−電極間における接触抵抗の面内不均一や、ｐ側コンタクト層内のＭｇ濃度のゆらぎ、電極の材料や形状によってｐ側窒化物半導体層を流れる電流に偏りが生じ、局所的な電流集中による静電耐圧の低下が起こっていることに着目し、本件発明を成すに至った。
即ち、窒化物半導体素子におけるｐ側窒化物半導体層は、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープすることによってｐ型の導電性を示すが、窒化物半導体におけるｐ型不純物の活性化率が低いため、低抵抗化しにくい。また、ｐ側窒化物半導体層をあまり厚膜にすると結晶性の悪化や製造コストの増大を招くため、厚膜化にも限界がある。このためｐ側窒化物半導体層の中で面内方向に電流を十分に広げることが困難であった。ｐ側窒化物半導体層の上に広い面積でオーミック電極を形成し、オーミック電極内で電流を広げることは可能であるが、ｐ側窒化物半導体層とオーミック電極の接触抵抗が面内で不均一になり易い。また、オーミック電極が直接接する部分のｐ側窒化物半導体層（ｐ側コンタクト層）には、良好なオーミック接触が取れるようにＭｇ等のｐ型不純物が高濃度にドープされるが、ｐ型不純物の濃度や活性化率がｐ側コンタクト層の面内でゆらぎ、ｐ側コンタクト層内を流れる電流に局所的な分布ができる場合がある。さらに、オーミック電極自身の形状や、オーミック電極の上に形成するパッド電極の位置や形状によってもｐ側窒化物半導体層に流れる電流に不均一が生じる。従って、従来の窒化物半導体素子においては、ｐ側窒化物半導体層を流れる電流に偏りが生じ、局所的な電流集中による静電耐圧の低下が起こっていた。
そこで、本発明は、窒化物半導体素子のｐ側窒化物半導体層内における電流の偏りを抑制し、静電耐圧に優れた窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本件発明に係る窒化物半導体素子は、窒化物半導体から成る活性層がｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層に挟まれ、前記ｎ側窒化物半導体層にｎ側電極が形成され、前記ｐ側窒化物半導体層にｐ側電極が形成された窒化物半導体素子であって、前記ｐ側窒化物半導体層は、前記活性層側から、（ａ）前記前記活性層よりもバンドギャップの広い窒化物半導体から成り、ｐ型不純物を含むｐ側ワイドバンドギャップ層と、（ｂ）第１ｐ側窒化物半導体層、第２ｐ側窒化物半導体層及び第３ｐ側窒化物半導体層から成る３層構造と、を有しており、前記第１ｐ側窒化物半導体層、第２ｐ側窒化物半導体層、第３ｐ側窒化物半導体層は、各々、Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｎ（０＜ｘ≦１）、Ｉｎ ｙ Ｇａ １−ｙ Ｎ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）、Ｉｎ ｚ Ｇａ １−ｚ Ｎ（０≦ｚ＜１、ｚ＜ｘ）を含み、
前記第３ｐ側窒化物半導体層は、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ−３のｐ型不純物を有し、前記第２ｐ側窒化物半導体層は、前記第３ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度のｐ型不純物を有し、前記第１ｐ側窒化物半導体層は、前記第２ｐ側窒化物半導体層よりも狭いバンドギャップを有し、かつ、前記第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍におけるｐ型不純物濃度が前記第２ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度であることを特徴とする。
本件発明の窒化物半導体素子によれば、所定の３層構造をｐ側電極とｐ側ワイドバンドギャップ層の間に有することにより、ｐ側電極からｐ側窒化物半導体層に流れる電流の面内分布を均一化し、電流の局所的な集中を避けて、素子の静電耐圧を向上することができる。
即ち、上記３層構造では、第３ｐ側窒化物半導体層に５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ-3と比較的高濃度のｐ型不純物を有するため、第３ｐ側窒化物半導体層よりもｐ型不純物濃度が低い第２ｐ側窒化物半導体層に向かってｐ型不純物の拡散が起こる。このため第２ｐ側窒化物半導体層内では、第３ｐ側窒化物半導体層側でｐ型不純物濃度が高く、第１ｐ側窒化物半導体層側でｐ型不純物濃度が低くなる濃度勾配が形成される。そしてｐ型不純物濃度がさらに低い第１ｐ側窒化物半導体層と第２窒化物半導体層の界面近傍では、ｐ型不純物が少ないためにホールの移動度が高くなる。しかも、第１ｐ側窒化物半導体層は第２ｐ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが狭いため、第１ｐ側窒化物半導体層の第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍にバンドギャップの凹みが形成され、ホールが溜まって面内方向に広がり易くなる（ホール蓄積領域）。一方、第３ｐ側窒化物半導体層には、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ-3と比較的高濃度のｐ型不純物があり、ホールが高濃度に存在する。また、第２ｐ側窒化物半導体層では、第１ｐ側窒化物半導体層との界面から離れるにしたがってｐ型不純物濃度が徐々に増加するため、第２ｐ側窒化物半導体層全体としては豊富なホールを有している。従って、第３ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層から第１ｐ側窒化物半導体層のホール蓄積領域に向かって十分な量のホールが供給される。こうして、ｐ側電極から注入された電流は第１ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層の界面近傍にあるホール蓄積領域で面内方向に拡散される。よって電流の局所的な集中を避けて、素子の静電耐圧を向上することができる。
上記３層構造において、第１ｐ側窒化物半導体層の膜厚を好ましくは５０Å以上、より好ましくは１００Å以上にすることにより、第１ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層界面のごく近傍におけるｐ型不純物濃度を低く維持し、高い移動度を確保できる。また、第１ｐ側窒化物半導体層の下側に接する層と第１ｐ側窒化物半導体層とのヘテロ界面で生じたバンドの曲がりの影響をキャンセルして、第１ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層の界面におけるバンドの凹みを適切な状態に維持してホール蓄積を良好に行うことができる。一方、第１ｐ側窒化物半導体層の膜厚を好ましくは１０００Å以下にすることにより、オーム抵抗が大きくなってVfが上昇したり、第１ｐ側窒化物半導体層の結晶性が低下するといった問題を抑制することができる。
また、第２ｐ側窒化物半導体層を好ましくは１０Å以上にすることにより、第３ｐ側窒化物半導体層から拡散してきたｐ型不純物が第１ｐ側窒化物半導体層に多量に到達することを防止し、第１ｐ側窒化物半導体層の移動度を一層高めることができる。また、第２ｐ側窒化物半導体層の膜厚を好ましくは２００Å以下にすることにより、第１ｐ側窒化物半導体層との界面へのホール供給を十分に高め、電流の面内方向への拡散を促進できる。
さらに第３ｐ側窒化物半導体層の膜厚を好ましくは５０Å以上にすることにより、ホール蓄積領域に十分なホールを供給することができる。第３ｐ側窒化物半導体層の膜厚を好ましくは１０００Å以下にすることにより、ｐ型不純物濃度が高くしても第３ｐ側窒化物半導体層の結晶性を良好に維持できる。
第１ｐ側窒化物半導体層の前記第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍におけるｐ型不純物濃度を好ましくは１Ｘ１０１８ｃｍ−３以下にすることにより、第１窒化物半導体層のホール蓄積領域におけるホール移動度を一層高めることができる。
第２ｐ側窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の平均が好ましくは１x１０１７〜２x１０１９ｃｍ―３であることにより、第１ｐ側窒化物半導体層のホール蓄積領域に対するホール供給とホール蓄積領域の移動度のバランスを良好にし、電流の面内拡散を一層促進できる。
第１ｐ側窒化物半導体層／第２ｐ側窒化物半導体層をバンドギャップの比較的狭い組み合わせであるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ＩｎyＧａ１−yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）にすれば、ｐ側電極から活性層に向かってホールが注入し易くなる。即ち、本件発明において活性層へのキャリア閉じ込めは、ｐ側ワイドバンドギャップ層によって行うことができるため、３層構造は活性層へのキャリア注入を阻害しないようにコンタクト層（つまりは電極が形成される層）よりもバンドギャップの狭いものを用いることが有利である。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ＩｎyＧａ１−yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）は窒化物半導体でも比較的バンドギャップが狭い組み合わせであるため、活性層へのホール注入の観点で好ましい。
また、第１ｐ側窒化物半導体層／第２ｐ側窒化物半導体層をＧａＮ／ＡｌＧａＮにすれば、ホール蓄積領域の移動度を高くすることができる。即ち、ホール蓄積領域が形成される第１ｐ側窒化物半導体層を結晶性の良好なＧａＮによって構成することにより、ホール蓄積領域におけるホールの移動度を高め、電流の面内拡散を一層促進できる。
さらに第３ｐ側窒化物半導体層がＧａＮを含むことにより、第３ｐ側窒化物半導体層におけるｐ型不純物濃度を高くした場合であっても、その結晶性を良好にすることができるため好ましい。
また、本件発明において、ｐ側ワイドバンドギャップ層と第１ｐ側窒化物半導体層との間に、ｐ型不純物濃度がｐ側ワイドバンドギャップ層よりも低い中間層を有することが好ましい。ｐ側ワイドバンドギャップ層と第１ｐ側窒化物半導体層との間にｐ型不純物濃度が低い中間層を形成することによって、第１ｐ側窒化物半導体層へのｐ型不純物の拡散を抑制し、第１ｐ側窒化物半導体層に形成されるホール蓄積領域の移動度を高めることができる。中間層をＧａＮ又はＩｎＧａＮとすれば、活性層へのホール注入が容易になり好ましい。
また、本件発明の３層構造を繰り返し積層しても良く、それにより、ｐ側窒化物半導体層の面内方向における電流拡散を一層促進することができる。
尚、本件明細書において、活性層から見てｐ側窒化物半導体層に向かう方向を「上」、ｎ側窒化物半導体層に向かう方向を「下」と称することがある。また、「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。
本件発明によれば、窒化物半導体素子のｐ側窒化物半導体層内における電流の偏りを抑制し、静電耐圧に優れた窒化物半導体素子を提供することができる。
図１は、本発明の一実施例である窒化物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。 図２は、第１ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層の界面近傍のバンド構造を示す模式図である。 図３は、本発明の他の実施例である窒化物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。 図４は、本発明の他の実施例である窒化物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。 図５は、実施例１の窒化物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。
符号の説明
１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・下地層
４、２０、３１・・・ｎ側コンタクト層
５・・・第１のｎ側層
６・・・第２のｎ側層
７・・・第３のｎ側層
８・・・第４のｎ側層
９・・・第５のｎ側層
１０・・・超格子構造のｎ側多層膜
２０・・・ｎ側窒化物半導体層
３０・・・活性層
１２・・・ｐ側ワイドバンドギャップ層
１４・・・中間層
１５・・・３層構造
１６・・・第１ｐ側窒化物半導体層
１７・・・第２ｐ側窒化物半導体層
１８・・・第３ｐ側窒化物半導体層
１９・・・ｐ側コンタクト層
２１・・・ｐ側オーミック電極
２２・・・ｐ側パッド電極
２３・・・ｐ側電極
２４・・・ｎ側電極
以下、本件発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
ここでは窒化物半導体を用いた発光ダイオードを例に説明するが、本件発明は半導体レーザなどの他の発光素子は勿論、他の窒化物半導体素子にも適用できる。また、本件発明における窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）を用いることが好ましい。また、このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の一部若しくは全部にＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換したりした混晶でもよい。窒化物半導体に用いるドーパントとして、ｎ型不純物としては、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。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これら、アクセプター、ドナーの各ドーパントを添加することにより、各導電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成する。また、窒化物半導体は不純物をドープしない無添加層であってもｎ型層として用いることができる。
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体素子（発光ダイオード）を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板１上に、バッファ層２、ｎ側窒化物半導体層２０、活性層３０、ｐ側窒化物半導体層４０が積層されている。また、ｐ側窒化物半導体層４０として、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７、第３ｐ側窒化物半導体層１８、ｐ側コンタクト層１９が順次積層されている。ｎ側窒化物半導体層２０には、ｐ側窒化物半導体層４０と活性層３０の一部を除去して露出させた面にｎ側パッド電極２４が形成されている。また、ｐ側窒化物半導体層４０内のｐ側コンタクト層１９には、ｐ側オーミック電極２１とｐ側パッド電極２２（両者を併せてｐ側電極２３）が形成されている。
図１に示す窒化物半導体素子において、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８は３層構造１５を構成している。そして第３ｐ側窒化物半導体層１８は、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ−３と比較的高い濃度でＭｇ等のｐ型不純物を有している。また、第２ｐ側窒化物半導体層１７は、第３ｐ側窒化物半導体層１８の下側に接しており、第３ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度のｐ型不純物を有している。そして第１ｐ側窒化物半導体層１６は、第２ｐ側窒化物半導体層１７の下側に接しており、第２ｐ側窒化物半導体層１７よりも小さなバンドギャップを有しており、かつ、第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍におけるｐ型不純物濃度が第２窒化物半導体層１７における平均のｐ型不純物濃度よりも低くなっている。
このような３層構造１５をｐ側電極２３とｐ側ワイドバンドギャップ層１２の間に有することにより、ｐ側電極２３からｐ側窒化物半導体層４０に流れる電流の面内分布を均一化し、電流の局所的な集中を避けて、素子の静電耐圧を向上することができる。また、ｐ側窒化物半導体層内における電流分布が均一になるので、発光出力の向上も期待できる。即ち、第１ｐ側窒化物半導体層１６の第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍は、３層構造内でｐ型不純物濃度が最も低いため、ホールの移動度が高くなっている。一方、第１ｐ側窒化物半導体層１６は第２ｐ側窒化物半導体層１７よりもバンドギャップが小さいため、第１ｐ側窒化物半導体層１６と第２ｐ側窒化物半導体層１７との接続界面には、図２に示すように、第１ｐ側窒化物半導体層１６側の価電子帯にバンドの凹み２５が形成される。このバンドの凹み２５には、ホールが溜まりやすく、２次元方向に広がったホール蓄積領域２５として機能する。従って、第１ｐ側窒化物半導体層１６の第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍は、移動度が高く、ホールが溜まって２次元方向に広がり易い領域となり、第２ｐ側窒化物半導体層１７から注入されたホールが面内方向に広がって電流を均一化する。即ち、第１ｐ側窒化物半導体層１６と第２ｐ側窒化物半導体層１７との間にＨＥＭＴに似た構造が形成され、電流の面内分布を均一化する。
ところで、窒化物半導体素子のｐ側窒化物半導体層にＨＥＭＴに似た構造を作ろうとした場合、ｐ型不純物の拡散が問題となる。即ち、窒化物半導体においてＭｇ等のｐ型不純物は結晶成長やアニールの際に容易に拡散する性質を有しており、ｐ型不純物濃度の高い層からｐ型不純物濃度の低い隣接層に向かってｐ型不純物の拡散が起こる。本件発明の３層構造１５は、このようなｐ型不純物の拡散との関係で重要な意義を有する。即ち、本実施の形態の３層構造１５では、第１ｐ側窒化物半導体層１６及び第２ｐ側窒化物半導体層１７は、ｐ型不純物濃度が十分に低くなるように、好ましくはｐ型不純物をドープしない条件（＝アンドープ）で成長されており、第３ｐ側窒化物半導体層１８は５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ-3と比較的高濃度のｐ型不純物をドープしながら成長される。このため第３ｐ側窒化物半導体層１８から第２ｐ側窒化物半導体層１７に向かってｐ型不純物の拡散が起こり、第２ｐ側窒化物半導体層１７内では、第３ｐ側窒化物半導体層１８側でｐ型不純物濃度が高く、第１ｐ側窒化物半導体層１６側でｐ型不純物濃度が低くなる濃度勾配が形成される。さらに第２ｐ側窒化物半導体層１７から第１ｐ側窒化物半導体層１６にもｐ型不純物が拡散するが、既にｐ型不純物濃度が低くなっているので、第１ｐ側窒化物半導体層１６に侵入するｐ型不純物の量は極めて少ない。従って、第１ｐ側窒化物半導体層１６内のｐ型不純物濃度は十分に低く維持され、ホール移動度が高くなる。他方、第２ｐ側窒化物半導体層１７内においては、第１ｐ側窒化物半導体層１６との界面から第３ｐ側窒化物半導体層１８に向かってｐ型不純物濃度が高くなっているため、第２ｐ側窒化物半導体１７内には比較的豊富にホールが存在している。また、第２ｐ側窒化物半導体層１７の上側にある第３ｐ側窒化物半導体層１８には５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ-3と比較的高濃度のｐ型不純物をドープされており、ホールが高濃度に存在している。従って、第３ｐ側窒化物半導体層１８と第２ｐ側窒化物半導体層１７から第１ｐ側窒化物半導体層１６に向かって十分なホールが供給される。このようにして第１ｐ側窒化物半導体層１６の第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍（即ち、ホール蓄積領域２５の形成される領域）は、移動度が高くなると同時に、その領域に対する第３ｐ側窒化物半導体層１８と第２ｐ側窒化物半導体層１７からのホール供給も確保できる。
また、３層構造１５をｐ側ワイドバンドギャップ層１２よりもｐ側電極２３に近い側に形成することにより、静電耐圧を効果的に向上できる。即ち、サージ電流は電極から侵入して電流の集中しやすい部分で素子構造を破壊する。このため、３層構造１５は基本的にｐ側電極２３に近い方が有利である。特にｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、活性層へキャリアや光を閉じ込めると同時に、活性層へのホール供給も行うという重要な機能を持つため、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２よりもｐ側電極２３に近い位置に３層構造１５を形成して電流分布を均一化しておくことが静電耐圧の向上に有利である。また、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、超格子構造にすることで発光効率を向上できるが、超格子構造は静電気によって破壊されやすいため、本件の３層構造１５をｐ側ワイドバンドギャップ層１２よりもｐ側電極２３に近い位置に形成することが特に効果的である。
以下、本実施の形態における３層構造１５について詳細に説明する。
（ａ）第１ｐ側窒化物半導体層１６
第１ｐ側窒化物半導体層１６は、第２ｐ側窒化物半導体層１７よりもバンドギャップを狭い窒化物半導体であれば良く、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の種々の窒化物半導体とすることができる。
中でも第１ｐ側窒化物半導体層１６をＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）とすれば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮは窒化物半導体の中でもバンドギャップが比較的狭いため、３層構造１５全体もバンドギャップを狭くすることが可能になる。３層構造１５のバンドギャップを狭くすれば、活性層へのホール注入が効率良く行えるため好ましい。即ち、例えば本実施の形態では、ｐ側電極２３から順に、ｐ側コンタクト層１９、３層構造１５、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を経てホールが活性層３０に流れ込む。ホール注入の観点からは、バンドギャップがこの順に順次狭くなることが好ましい。この層順序の途中でバンドギャップが広くなると、そこにホール注入に対しるエネルギー障壁ができるからである。ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は活性層へのホール閉じ込めを行う必要があるためバンドギャップをある程度広くせざるを得ないが、そのような制約のない３層構造１５は、バンドギャップを狭くすることができ、それによってホール注入を効率良く行うことができる。
また、第１ｐ側窒化物半導体層１６を、ＧａＮによって形成することも好ましい。ＧａＮは窒化物半導体の中でも結晶性が非常に良い。半導体中の移動度は、不純物濃度だけでなく、半導体の結晶性にも依存するから、第１ｐ側窒化物半導体層１６を結晶性の良いＧａＮによって形成すれば、ホール蓄積領域２５におけるホール移動度を高め、面内方向の電流分布を一層均一化できる。
次に、第１ｐ側窒化物半導体層１６の第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍におけるｐ型不純物濃度は、少なくとも第２ｐ側不純物濃度の平均のｐ型不純物濃度よりも低くすることが必要であり、好ましくは１x１０１８ｃｍ−３以下、より好ましくは５x１０１７ｃｍ−３以下とすることが望ましい。ここで第１ｐ側窒化物半導体層１６の第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍とは、第１ｐ側窒化物半導体層１６の中で第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面に形成されたバンドの凹み（＝ホール蓄積領域）２５が含まれる程度の厚さを持った領域を指し、例えば第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面から約１００Å以内の距離にある領域を指す。この領域におけるｐ型不純物濃度を低くすることにより、ホール蓄積領域２５におけるホール移動度が高くなり、ｐ側窒化物半導体層４０の面内における電流分布を均一にできる。
尚、第１ｐ側窒化物半導体層１６において、第２ｐ側窒化物半導体層１７と逆側の領域はｐ型不純物濃度がある程度高くても構わない。例えば本実施の形態のように、第１ｐ側窒化物半導体層１６の下側にｐ型不純物を高濃度に含むｐ側ワイドバンドギャップ層１２が接している場合、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２から第１ｐ側窒化物半導体層１６に向かってｐ型不純物が拡散する。このため第１ｐ側窒化物半導体層１６のｐ側ワイドバンドギャップ層１２に近い領域は、ｐ型不純物が比較的高濃度で含まれるようになる。しかし、第１ｐ側窒化物半導体層１６の膜厚がある程度あれば、下から拡散してきたｐ型不純物が第２ｐ側窒化物半導体層１７との界面近傍（＝ホール蓄積領域２５のある領域）に到達することを防ぐことができ、３層構造１５による電流拡散機能は阻害されない。この場合、第１ｐ側窒化物半導体層１６は、第２ｐ側窒化物半導体層１７に近い側でｐ型不純物濃度が低く、その逆側のｐ側ワイドバンドギャップ層１２に近い側でｐ型不純物濃度が高い濃度勾配を持つようになる。第１ｐ側窒化物半導体層１６が、このようなｐ型不純物濃度の分布を有していると、ホール蓄積領域２５におけるホール移動度は高く維持しながら、第１ｐ側窒化物半導体層１６全体のオーム抵抗を下げることができ、好ましい。
第１ｐ側窒化物半導体層１６の膜厚は、５０Å以上にすることが望ましい。ホールの面内拡散は、ホール拡散領域２５の中でも界面により近い領域において起きやすい。したがって、第１ｐ側窒化物半導体層１６の膜厚は、５０Å以上にすることにより、第１ｐ側窒化物半導体層１６の下側に接する層からｐ型不純物が拡散しても、第１ｐ側窒化物半導体層１６と第２ｐ側窒化物半導体層１７の界面のごく近傍におけるｐ型不純物濃度を低く維持し、高いホール移動度を確保できる。また、第１ｐ側窒化物半導体層１６の下側に接する層（ここではｐ側ワイドバンドギャップ層１２）と第１ｐ側窒化物半導体層１６とのヘテロ界面で生じたバンドの曲がりの影響をキャンセルして、第１ｐ側窒化物半導体層１６と第２ｐ側窒化物半導体層１７の界面におけるバンドの凹み２５を適切な状態に維持してホール蓄積を良好に行うことができる。尚、特に第１ｐ側窒化物半導体層１６の下側に接する層に２×１０１８ｃｍ−３以上のｐ型不純物が含まれている場合は、第１ｐ側窒化物半導体層１６の膜厚が１００Å以上であることが好ましい。一方、第１ｐ側窒化物半導体層１６の膜厚は、１０００Å以下、より好ましくは７５０Å以下にすることにより、オーム抵抗が大きくなってVfが上昇したり、第１ｐ側窒化物半導体層１６の結晶性が低下するといった問題を抑制することができる。
（ｂ）第２ｐ側窒化物半導体層１７
第２ｐ側窒化物半導体層１７は、第１ｐ側窒化物半導体層１６よりもバンドギャップが広い窒化物半導体であれば良く、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の種々の窒化物半導体とすることができる。上述の通り、３層構造１５全体のバンドギャップは広すぎない方が活性層へのホール注入の観点で好ましい。従って、第２ｐ側窒化物半導体層１７のバンドギャップについても、ホール蓄積領域２５が有効に形成できる範囲で狭い方が好ましい。尚、第１ｐ側窒化物半導体層１６と第２ｐ側窒化物半導体層１７の間のバンドオフセットが０．１ｅＶ程度あればバンドの凹み２５は形成される。
例えば、第１ｐ側窒化物半導体層１６がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）である場合、第２ｐ側窒化物半導体層１７をＩｎyＧａ１−yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）とすることが好ましい。特に、第１ｐ側窒化物半導体層１６をＩｎＧａＮとし、第２ｐ側窒化物半導体層１７をＧａＮとすれば、３層構造１５全体のバンドギャップが比較的小さくなる上、ホール供給源となる第２ｐ側窒化物半導体層１７の結晶性が良好となるため一層好ましい。また、第１ｐ側窒化物半導体層１６がＧａＮである場合、第２ｐ側窒化物半導体層１７をＡｌＧａＮとすることが好ましい。
第２ｐ側窒化物半導体層１７は、第３ｐ側窒化物半導体層１８からｐ型不純物が拡散してくるため、第３ｐ側窒化物半導体層１８に近い側でｐ型不純物濃度が高く、その逆側の第１ｐ側窒化物半導体層１６に近い側でｐ型不純物濃度が低い、というｐ型不純物の濃度勾配を有する。第２ｐ側窒化物半導体層１７における平均のｐ型不純物濃度が１x１０１７〜２x１０１９ｃｍ―３であることが望ましい。これにより、第２ｐ側窒化物半導体層１７と第３ｐ側窒化物半導体層１８から第１ｐ側窒化物半導体層１６のホール蓄積領域２５へのホール供給量が好ましいものとなり、電流拡散効果が向上する。
また、第２ｐ側窒化物半導体層１７の膜厚は、１０Å以上、より好ましくは２０Å以上にすることが望ましく、２００Å以下、より好ましくは１００Å以下にすることが望ましい。第２ｐ側窒化物半導体層１７が、このような膜厚を有することにより、第３ｐ側窒化物半導体層１８から第１ｐ側窒化物半導体層１６のホール蓄積領域２５へのキャリア供給を十分に確保しながら、同領域へのｐ型不純物の拡散を防止して、３層構造１５における電流拡散機能を一層良好にできる。即ち、第３ｐ側窒化物半導体層１８から拡散してきたｐ型不純物が第１ｐ側窒化物半導体層１６に殆ど到達しないが、第３ｐ側窒化物半導体層１８から供給されたホールは第１ｐ側窒化物半導体層１６に十分到達できるようになる。従って、ホール蓄積領域２５に対するホール供給とホール蓄積領域２５の移動度のバランスを良好にし、電流の面内拡散を一層促進できる。
（ｃ）第３ｐ側窒化物半導体層１８
第３ｐ側窒化物半導体層１８は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の種々の窒化物半導体とすることができる。中でも第３ｐ側窒化物半導体層１８をＧａＮにすれば、第３ｐ側窒化物半導体層１８の結晶性を良好に維持しながら、第３ｐ側窒化物半導体層中のｐ型不純物濃度を高めることができ好ましい。尚、第３ｐ側窒化物半導体層１８は、第２ｐ側窒化物半導体層１７のバンドギャップよりもバンドギャップの狭い材料であっても、逆に広い材料であっても良い。例えば、第１ｐ側窒化物半導体層１６がＧａＮであり、第２ｐ側窒化物半導体層１７がＡｌＧａＮである場合に、第３ｐ側窒化物半導体層１８をＧａＮにより形成しても良い。
また、第３ｐ側窒化物半導体層１８内のｐ型不純物濃度は、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ−３であることが望ましい。これは第３ｐ側窒化物半導体層１８のｐ型不純物濃度が高すぎると、第３ｐ側窒化物半導体層１８の結晶性が低下して素子寿命などを低下させるからであり、逆に低すぎると第２ｐ型窒化物半導体層１７へのｐ型不純物の拡散が不十分となり、ホール蓄積領域２５へのホール供給が不足するからである。
第３ｐ側窒化物半導体層１８の膜厚は５０Å以上であることが望ましく、これにより第３p側窒化物半導体層１８において十分な量のホールを発生させることができる。また、第３ｐ側窒化物半導体層１８の膜厚は、５０００Å以下、より好ましくは１０００Å以下とすることが望ましく、これによりｐ型不純物濃度を高くしても第３ｐ側窒化物半導体層１８の結晶性を良好に維持できる。尚、第３ｐ側窒化物半導体層１８は、超格子構造としても良い。超格子構造は、組成の異なる１００Å以下の薄膜を繰り返し積層したものである。第３ｐ側窒化物半導体層１８が超格子構造をとる場合にも、繰り返す各層の好ましい組成は単層の場合と同様である。第３ｐ側窒化物半導体層１８が超格子構造を取ることにより、ｐ型不純物濃度を高くした場合であっても、第３ｐ側窒化物半導体層１８の結晶性を高く維持できる、という利点がある。尚、第３ｐ側窒化物半導体層１８が超格子構造である場合、第３ｐ側窒化物半導体層１８と他の層のバンドギャップを対比する場合には、第３ｐ側窒化物半導体層１８を構成する層の中でバンドギャップの大きな層のバンドギャップを基準とすれば良い。
第１ｐ側窒化物半導体層１６／第２ｐ側窒化物半導体層１７／第３ｐ側窒化物半導体層１８の組成の組み合わせとしては、次のようなものが特に好ましい。
ｉ）ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ＩｎyＧａ１−yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）／ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜１、ｚ＜ｘ）
この構造の中でもＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ＧａＮ／ＧａＮとすると一層好ましい。この構造は３層構造１５全体のバンドギャップを狭くして活性層３０へのホール注入を容易にする点で好ましい。ｐ側コンタクト層１９がＧａＮである場合や、第３ｐ側窒化物半導体層１８自身がｐ側コンタクト層１９を兼用する場合に好ましい。例えば、活性層３０の発光波長が３８０ｎｍ以上の可視光である場合は、ｐ側コンタクト層を結晶性の良いＧａＮで構成することが有利であり、そのような場合に適している。
ii）ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）／ＡｌyＧａ１−yＮ（０＜ｙ≦１、ｙ＞ｘ）／ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）
この構造の中でもＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮにすると一層好ましい。こうした構造は、ｐ側コンタクト層１９がＡｌＧａＮである場合に特に好ましい。例えば、活性層３０の発光波長が３８０ｎｍ以下の短波長（或いは紫外域）である場合はｐ側コンタクト層１９にＧａＮを用いると活性層の発光を吸収するため、ｐ側コンタクト層１９にＡｌＧａＮを用いることが多い。この場合はｐ側コンタクト層１９のバンドギャップが広いため、３層構造１５全体のバンドギャップを比較的広くしてもホールの注入が阻害されない。また、特に第１ｐ側窒化物半導体層１６をＧａＮにすれば、ホール蓄積領域２５を結晶性の良好なＧａＮにできるため、ホールの面内拡散を促進する上で有利である。
尚、上述の説明では、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８の組成が、それぞれに層内で均一である場合について説明した。しかしながら、ホール蓄積領域２５が形成でき、電流をｐ側窒化物半導体層４０の面内に広げることができれば、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８の組成が、各層内で変化しても構わない。
次に、本実施の形態の窒化物半導体素子の各構成について詳細に説明する。
（基板１）
基板１としては、窒化物半導体を成長可能なことが知られている如何なる基板を用いても良い。例えば、窒化物半導体と異なる材料の異種基板として、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の窒化物半導体と格子整合する酸化物基板、といった材料を用いることができる。これらの中では、サファイアやスピネルが好ましい。また、ＧａＮ、ＡｌＮなどの窒化物半導体基板なども用いることができる。また、基板１は最終的に除去することもできる。基板１上には、エッチング等で設けられた複数の凹部及び凸部が形成されていてもよい。これにより、この上に形成される窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。従って、ｐ側窒化物半導体層内での電流の偏りを一層抑制し、静電耐圧の優れた素子とすることができる。
（バッファ層２）
バッファ層２としては、例えばＡｌＧａＮ（ＧａＮも含む）からなる窒化物半導体を用いることが好ましい。バッファ層２に用いるＡｌＧａＮのＡｌ混晶比は０．３以下、より好ましくは０．２以下とすることが望ましい。また、バッファ層２は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。特に異種基板を用いた場合、結晶核形成、核成長層として、低温成長バッファ層を用いることが好ましい。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を低温（２００〜９００℃）で成長させたものが好適である。
（ｎ側窒化物半導体層２０）
ｎ側窒化物半導体層２０としては、ｎ側電極２４を形成するコンタクト層、活性層３０へ電子を供給する層、活性層へキャリアや光を閉じ込める層、といった層構造を形成することが好ましい。特にｎ側電極２４から注入された電流を面内に拡散して活性層３０に供給するコンタクト層には、他の領域より高濃度にｎ型不純物がドープされることが好ましい。また、このような電荷供給と面内拡散を行う層構成（コンタクト層及びその近傍層）の他に、活性層３０に向かって積層方向にキャリアを移動・供給させる介在層や、キャリアを活性層３０に閉じこめるクラッド層などを設けることが好ましい。また、コンタクト層より低濃度のｎ型不純物を含むか若しくはアンドープの低不純物濃度層（単層でも多層膜でも良い）を設けることも好ましい。これは不純物濃度の高いコンタクト層で悪化した結晶性を回復させて、その上に成長させるクラッド層や活性層の結晶性を良好にする作用をもつ。また駆動時にあっては、コンタクト層などの高不純物濃度層に隣接して低不純物濃度層を設けることでキャリアの面内拡散を促進させ、また、耐圧性も向上させることができる。
また、ｎ側窒化物半導体層内において、コンタクト層の活性層と逆側の面に隣接して低不純物濃度層を設け、その低不純物濃度層に接して低不純物濃度層よりもバンドギャップが小さくアンドープで形成された層を設けても良い。例えば、アンドープの下地層とｎ型コンタクト層の間に、アンドープの下地層よりもバンドギャップが大きく、ｎ型コンタクト層よりも不純物濃度が低い低不純物濃度層を形成する。これによって電流拡散を好適に行い、耐圧を上昇させることができる。より詳細に説明すれば、コンタクト層（高不純物濃度層）と低不純物濃度層には、不純物濃度差があるため、コンタクト層から低不純物濃度層へ不純物が拡散する。そして低不純物濃度層に隣接してバンドギャップエネルギーの小さいアンドープ層を有することによって、バンドギャップエネルギーの小さいアンドープ層内（特に低不純物濃度層との接合界面）でのキャリアの移動度を大きくすることができる。即ち、高不純物濃度のコンタクト層とアンドープ下地層の間に低不純物濃度層が不純物拡散層として介在することにより、キャリアが溜まりやすいアンドープ層と低不純物濃度層の接合界面において、キャリア移動度を低下させる不純物濃度を低くできる。したがって、ｎ側窒化物半導体層において電流拡散を好適に行い、素子の耐圧を高めることができる。
例えば、下地層をアンドープのＧａＮで形成し、その上に低不純物濃度層としてＡｌＧａＮを形成し、低不純物濃度層の上に低不純物濃度層よりも不純物濃度の高いコンタクト層を形成することができる。低不純物濃度層としては、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなるものが好ましい。バンドギャップの小さいアンドープ層と低不純物濃度層の組合せとしては、ＡｌＧａＮ/ＡｌＮ、ＧａＮ/ＡｌＧａＮ等の積層構造が挙げられ、それぞれその界面においてキャリアの移動度を大きくすることができる。また、バンドギャップが小さいアンドープ層は、必ずしも下地層である必要はない。例えば、下地層と低不純物濃度層の間に低不純物濃度層よりもバンドギャップの小さいアンドープ層を別に形成してもよい。さらに、低不純物濃度層とバンドギャップの小さいアンドープ層との間に、アンドープの不純物拡散防止領域を設けても良い。これによって低不純物濃度層のｎ型不純物がバンドギャップの小さいアンドープ層に拡散等により混入するのを防ぎ、電子の移動度を一層高く保持することができる。この不純物拡散防止領域は、少なくともバンドギャップの小さいアンドープ層よりもバンドギャップが大きくなるように形成し、好ましくは、低不純物濃度層と同じバンドギャップとする。
また、ｎ側窒化物半導体層を多層膜として設ける場合には、少なくとも２種の層を交互に積層させたような周期構造とすることが好ましい。具体的には、Ｉｎを含む窒化物半導体層とそれとは異なる組成の層の周期構造とすることが好ましい。例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｘ＜ｙ＜１）を繰り返した周期構造を持つ多層膜を形成すれば、活性層の結晶性を向上できる。この効果は、特にＩｎを含む窒化物半導体層を井戸層として用いた活性層について顕著である。また多層膜としては、組成が異なる層による周期構造の他、組成傾斜構造であっても良い。また、これらの構造において不純物濃度を変調させたり、膜厚を変動させても良い。多層膜は２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下の膜厚の層を積層した構造とすれば活性層の結晶性向上に有利である。
また、コンタクト層よりも下側に下地層を形成しても良い。この下地層は、素子の動作部に含めても良いが、通常は素子構造を結晶性よく成長させる目的で、素子として機能しない非動作部として設けられる。下地層は、バッファ層２に続いて高温で成長させ、５０Å〜０．１μｍ程度の膜厚で形成することが好ましい（単結晶、高温成長層）。また、ＥＬＯ(Epitaxial Lateral Overgrowth)として知られる技術をさらに適用しても良い。即ち、基板１上若しくは下地層上に、窒化物半導体が選択的または優先的に成長する選択成長部を島状に複数形成し（例えば下地層や基板に周期的な島状の凸部を設けたり、周期的な開口部をもったマスクを形成する）、各選択成長部から横方向に成長した窒化物半導体同士を接合させることで転移の少ない窒化物半導体層が得られる。この上に素子構造を形成すれば、素子寿命が向上する。
（活性層３０）
活性層３０は、量子井戸構造であることが好ましい。量子井戸構造としては、井戸層が１つの単一量子井戸構造や、複数の井戸層が障壁層を介して積層した多重量子井戸構造がある。いずれの場合も井戸層が発光層となる。量子井戸構造の井戸層に限らず、発光層としてはＩｎを含む窒化物半導体が好ましい。Ｉｎを含む窒化物半導体を発光層に用いれば、紫外域から可視光（赤色光）の領域において好適な発光効率が得られる。特に発光層にＩｎＧａＮ層を用いること、Ｉｎの混晶比を変化させて所望の発光波長を得ることができ好ましい。このほかＧａＮ、ＡｌＧａＮなどのＩｎＧａＮよりもバンドギャップの広い窒化物半導体を発光層に用いて、紫外域を発光する発光素子としても良い。
また、多重量子井戸構造の活性層３０において、障壁層は井戸層よりバンドギャップが広い層である。例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを障壁層として設けることが好ましい。井戸層や障壁層の膜厚は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下とすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。また、井戸層や障壁層に、ｎ型又はｐ型不純物がドープされていても良い。障壁層は、井戸層間に一層以上設けても良い。尚、多重量子井戸構造を持つ活性層３０のバンドギャップの大きさを他の層と対比する場合には、活性層中の井戸層のバンドギャップで考える。
（ｐ側ワイドバンドギャップ層１２）
ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、活性層３０にキャリア（ホール）を供給すると共に、活性層３０にキャリア（電子）や光を閉じ込める機能を持つ。ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、多層膜又は単一膜で構成される。いずれの場合であっても、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の膜厚は、活性層３０へのキャリアや光閉じ込めの機能を達成できるように、第２ｐ側窒化物半導体層１７よりも厚いことが好ましい。また、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２のｐ型不純物濃度は、活性層３０にホール供給ができる程度にｐ型不純物濃度を有している必要があり、第２ｐ側窒化物半導体層１７よりもｐ型不純物濃度が高いことが好ましい。より具体的には、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、活性層３０へのキャリア供給が十分に行えるように２x１０１８〜２x１０２１ｃｍ−３、より好ましくは５x１０１８〜５x１０２０ｃｍ−３のｐ型不純物を含むことが好ましい。尚、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２が多層膜である場合は、多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２全体の平均のｐ型不純物濃度で考えれば良い。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２のｐ型不純物濃度を他の層と対比する場合も同様に平均のｐ型不純物濃度を考えればよい。ここで多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の平均濃度は、各層の不純物濃度に各層膜厚の全膜厚に対する割合を掛け合わせて足し合わせることで求めることができる。
（ａ）多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２
まず、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を多層膜構造（超格子構造）とした場合について以下に説明する。以下多層膜からなるｐ側ワイドバンドギャップ層を多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層という。尚、多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２が、バンドギャップの異なる層が交互に積層された構造である場合、多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２のバンドギャップの大きさを他の層と対比する場合には、多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層中でバンドギャップの最も大きな層のバンドギャップで考える。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層を構成する多層膜としては、Ａｌを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と組成の異なる第２の窒化物半導体層とが積層され、さらに第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にｐ型不純物を含有したものが挙げられる。以下、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との組成が異なることを、バンドギャップが異なるとして説明する。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、バンドギャップの広い第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップの狭い第２の窒化物半導体層とが積層されてなる層を用いることができる。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にｐ型不純物を含有させ、これら第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、異なっていても同一であってもよい。
多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の多層膜を構成する第１、第２の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１０〜４０オングストロームの膜厚に調整され、第１窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との膜厚は、同一でも異なっていてもよい。多層膜構造の各膜厚が前記範囲に設定すると、窒化物半導体の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、また窒化物半導体層の結晶性を良くできる。これによって、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、しきい値を低下させることができる。このような膜厚の２種類の層を１ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。また、一方の層を他方の層より１層多く積層してもよく、例えば、第１の窒化物半導体層から積層し、第１の窒化物半導体層で終わってもよい。そして、多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の総膜厚の調整は、この第１及び第２の窒化物半導体層の各膜厚を調整し積層回数を調整することにより行う。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の総膜厚は、特に限定されないが、２０００オングストローム以下、好ましくは１０００オングストローム以下、より好ましくは５００オングストローム以下であり、総膜厚がこの範囲とすると発光出力を高くでき、Ｖｆを低下させることができる。
第１の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌnＧａ1-nＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、第２の窒化物半導体は好ましくはＡｌpＧａ1-pＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。特に、第１の窒化物半導体層をＡｌnＧａ1-nＮ（０＜ｎ≦１）とし、第２の窒化物半導体をＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦１）とする組み合わせが好ましい。また、第１の窒化物半導体層をＧａＮとし、第２の窒化物半導体をＩｎrＧａ1-rＮ（０＜ｒ≦１）とする組み合わせも好ましい。ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を、このような第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多層膜層とした場合、多層膜層のＡｌ組成比というときは、平均の値を示すものとする。また、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を超格子構造とすると、結晶性を良くでき、抵抗率を低くできるので、Ｖｆを低くすることができる。
多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２のｐ型不純物濃度について以下に説明する。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層を構成する第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、異なっても、同一でもよい。まず異なる場合について以下に示す。多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２における第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が異なる場合、すなわち、一方の層の不純物濃度を高く、もう一方の層の不純物濃度を低くする場合、例えば、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を高くして、バンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を低くする。または、その逆に、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を低くして、バンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を高くする。このようにｐ型不純物濃度の異なる第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを形成すると、閾値電圧やＶｆ等を低下させることができる。この理由は、不純物濃度を高くしたキャリア濃度の高い層と、不純物濃度を低くした移動度の高い層とを同時に多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層に存在させることによりキャリア濃度の高い層のキャリアを移動度の高い層で移動させることができるので、その多層膜の抵抗を低くでき、前記のように閾値電圧やＶｆ等を低下させることができるものと考えられる。尚、このようにｐ型不純物濃度の異なる第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを形成する場合、不純物濃度を低くした層は、アンドープとすることが好ましく、これによって、さらに閾値電圧、Ｖｆ（順方向電圧）等を低下させることができる。
第１と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が異なる場合における第１の窒化物半導体層のｐ型不純物の濃度は、多層膜全体としての平均のｐ型不純物濃度がｐ側コンタクト層１９より低くなるように調整することが好ましい。具体的な第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、好ましくは２x１０１８〜２x１０２１ｃｍ−３、より好ましくは５×１０18／ｃｍ3〜５×１０20／ｃｍ3の範囲で調整することが好ましい。第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が２x１０１８／ｃｍ3以上であると、活性層へのキャリアの注入効率が良好となり、発光出力が向上し、Ｖｆが低下する傾向にあり、また２x１０２１／ｃｍ3以下であると、結晶性を良好とし易くなる傾向にある。
一方、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純濃度が異なる場合の第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、第１の窒化物半導体層よりも少なく、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２全体としてｐ側コンタクト層１９の不純物濃度よりも低い濃度に調整することが好ましい。具体的な第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、特に限定されないが、好ましくは前記第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の１／１０以下が望ましく、より好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られる。しかし、第２の窒化物半導体層の膜厚が薄いため、第１の窒化物半導体側から拡散してくるｐ型不純物があり、第２の窒化物半導体層の移動度を考慮する場合は、拡散してくるｐ型不純物の量は１×１０20／ｃｍ3以下が望ましい。また、バンドギャップが広い第１の窒化物半導体層にｐ型不純物を少なくドープして、バンドギャップが狭い第２の窒化物半導体層にｐ型不純物を多くドープする場合も同様である。
次に、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が同一の場合のｐ型不純物の濃度について以下に示す。この場合の第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、ｐ側コンタクト層１９よりも低濃度に調整することが好ましい。具体的には、前記第１と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が異なる場合の第１の窒化物半導体層にドープされる不純物濃度と同様の範囲の値である。このようにｐ型不純物を第１と第２の窒化物半導体層との濃度が同一となるようにドープすると、前記の濃度が異なる場合に比べて、やや結晶性の劣る傾向があるが、キャリア濃度の高いｐ側ワイドバンドギャップ層１２を形成し易くなり、出力を向上させるという点では好ましい。
また多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を構成する隣接している窒化物半導体層同士（第１と第２の窒化物半導体層）のｐ型不純物濃度が異なる場合、ｐ型不純物が高濃度にドープされる窒化物半導体層は、厚さ方向に対し、窒化物半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアンドープ）とすることが、抵抗率を低下させるのに望ましい。
（ｂ）単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２
次に、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２が、ｐ型不純物を含むＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦１）又はＩｎｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）よりなる単一層からなる場合について説明する。以下単一膜からなるｐ側ワイドバンドギャップ層１２を単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２という。単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層がＡｌを含まない場合、Ａｌを含む場合に比べて、やや発光出力が低下するが、静電耐圧はＡｌを含む場合とほぼ同等の良好なものにできる。
単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２の膜厚は、特に限定されないが、発光出力を向上させ、Ｖｆを低くするために、好ましくは２０００オングストローム以下、より好ましくは１０００オングストローム以下とし、さらに好ましくは５００〜１００オングストロームとする。
単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２のｐ型不純物の濃度としては、２×１０1８／ｃｍ3〜２×１０21／ｃｍ3、より好ましくは５×１０18／ｃｍ3〜５×１０20／ｃｍ3の範囲で調整することが望ましい。不純物濃度を前記範囲とすると、良好なｐ型膜ができ、発光出力の向上の点で好ましい。また、単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、前記多層膜構造のｐ側ワイドバンドギャップ層に比べ、結晶性はやや劣るもののほぼ同様に良好となり、またこの単一膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２は、単一膜であるので製造工程の簡易化が可能となり、量産する場合に好ましい。
（ｐ側コンタクト層１９）
ｐ側コンタクト層１９としては、その組成は特に問わないが、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮなどにすることができる。より好ましくはＧａＮとするとｐ側オーミック電極２１と好ましいオーミック接触が得られやすい。尚、本発明において用いられるｐ側オーミック電極２１は、特に限定されず、従来知られているＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等を用いた電極や、実施例に記載の電極を用いることができる。
ｐ側コンタクト層１９は省略しても良く、その場合には第３ｐ側窒化物半導体層１８でｐ側コンタクト層を兼用することができる。また、ｐ側コンタクト層１９をｐ型不純物濃度の異なる２層構造としても良い。即ち、ｐ側オーミック電極２１側にｐ型不純物が相対的に高濃度にドープされた高濃度ｐ側コンタクト層を設け、３層構造１５側にｐ型不純物が相対的に低濃度にドープされた低濃度ｐ側コンタクト層を設ける。例えば、高濃度ｐ側コンタクト層を１×１０２０ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０２1ｃｍ−３以上（例えば、１．５×１０２１ｃｍ−３）のｐ型不純物がドープされたＧａＮとし、低濃度ｐ側コンタクト層をそれよりも低濃度（例えば、１×１０２０ｃｍ−３）のｐ型不純物がドープされたＧａＮとする。高濃度ｐ側コンタクト層の膜厚は５０〜２５０Å程度の薄膜にすることが好ましく、これによって結晶性の低下を防ぐことができる。また、低濃度ｐ側コンタクト層の膜厚は１００〜２０００Åにすることが好ましい。このような構造にすれば、コンタクト層としての必要な膜厚を確保しながら、電極２１とオーミック接触する領域のｐ型不純物濃度を高めることができ、好ましい。
尚、ｐ側コンタクト層を上述の２層構造とした場合、第３ｐ側窒化物半導体層１８のｐ型不純物濃度は、低濃度ｐ側コンタクト層よりも高く、高濃度ｐ側コンタクト層よりも低くすることが好ましい。低濃度ｐ側コンタクト層は、ある程度の膜厚に成長させることが必要であるため、ｐ型不純物濃度をあまり高くすることができない。そこで、低濃度ｐ側コンタクト層よりもｐ型不純物濃度の高い第３ｐ側窒化物半導体層１８を形成することにより、３層構造１５におけるｐ型不純物濃度を好ましい範囲に調整し、良好な電流拡散効果を得ることができる。
実施の形態２
図３は、実施の形態２における窒化物半導体素子を示す模式断面図である。実施の形態２では、第１ｐ側窒化物半導体層１６とｐ側ワイドバンドギャップ層１２の間に中間層１４を設けている。その他の点は実施の形態１と同様である。
中間層１４は、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２から拡散したｐ型不純物が第１ｐ側窒化物半導体層１６に深く侵入しないようにする緩衝層的な役割を果たす。このような中間層１４を形成することにより、第１ｐ側窒化物半導体層１６中のｐ型不純物濃度を下げ、ホール蓄積領域２５の移動度を一層高くすることができる。したがって、中間層１４は、ｐ型不純物濃度を少なくともｐ側ワイドバンドギャップ層１２よりも低くする。中間層１４のｐ型不純物濃度は、５x１０１７〜１x１０２０ｃｍ−３とすることが望ましい。また、中間層１４のバンドギャップは、ホールの活性層への注入が効率良く行えるように、ｐ側ワイドバンドギャップ層１２よりも狭くすることが好ましい。例えば、中間層１４は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）、より好ましくはＡｌＧａＮであることが望ましい。
実施の形態３
図４は、実施の形態３における窒化物半導体素子を示す模式断面図である。実施の形態３では、３層構造を複数回繰り返して積層する。その他の点は実施の形態１と同様である。即ち、図４に示すように、活性層３０の上にｐ側ワイドバンドギャップ層１２を形成した後、１セット目の３層構造１５として、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８を積層する。さらに、２セット目の３層構造１５’として第１ｐ側窒化物半導体層１６’、第２ｐ側窒化物半導体層１７’及び第３ｐ側窒化物半導体層１８’を積層する。このような積層を必要な回数繰り返した後、ｐ側コンタクト層１９を形成する。
本実施の形態のように３層構造１５を繰り返し積層することによって、３層構造１５による電流拡散効果が一層顕著になる。尚、繰り返しの回数に特に制限はないが、好ましくは２〜１００回とすることが望ましい。繰り返し数が多いほど電流拡散効果は高まるが、繰り返し数が多すぎるとｐ側窒化物半導体層４０全体の抵抗が大きくなり、Ｖｆが増大するなどの問題が生じるからである。また、３層構造１５を繰り返す場合、各層が厚すぎると結晶性やオーム抵抗の点で不利となる。一方で、３層構造１５を繰り返せば電流拡散効果が積算されるため、各々の３層構造１５で得られる電流拡散効果は比較的小さなものでも良い。そこで３層構造１５を繰り返す場合には、第１ｐ側窒化物半導体層１６は５０〜３７５Å、第２ｐ側窒化物半導体層１７は１０〜５０Å、第３ｐ側窒化物半導体層１８は５０〜５００Åであることが好ましい。尚、３層構造１５同士の間に、実施の形態２で説明したような中間層１４を形成しても良い。これにより第３ｐ側窒化物半導体層１８からその上に積層される第１ｐ側窒化物半導体層１５’にｐ型不純物が拡散することを防止できる。また、３層構造１５を繰り返し積層する場合、各３層構造１５内の第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８の組成は、各々の機能に応じて好ましい組成とすればよい。但し、３層構造１５同士の間で、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７及び第３ｐ側窒化物半導体層１８の組成が同じであることが好ましい。
尚、上記実施の形態１〜３において、ｎ側窒化物半導体層２０及びｐ側窒化物半導体層４０には、部分的に半絶縁性の層が積層されていても良い。また、電流阻止層のよう逆導電型の埋込層に、各導電型層内に部分的に寄生して素子部分を形成していても良い。
また、上記実施の形態１〜３では、絶縁性の基板１上にｎ側窒化物半導体層２０、活性層３０及びｐ側窒化物半導体層４０を順に積層し、基板１の同一面側にｐ側電極２３とｎ側電極２４を形成した例について説明した。しかしながら、本件発明はこれに限られない。例えば、絶縁性の基板１上にｎ側窒化物半導体層２０、活性層３０及びｐ側窒化物半導体層４０を順に積層した後、ｐ側窒化物半導体層４０の上面に導電性の支持基板を
接続し、絶縁性の基板１を剥離した後、素子の上下面にｎ側電極とｐ側電極を形成しても良い。このような構成であっても、本件発明の３層構造１５による静電耐圧向上の効果は同様に得られる。
以下に、本発明に係る実施例を示す。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図５に基づいて実施例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。
（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１００オングストロームの膜厚で成長させる。
（下地層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層からなる下地層３を約１．５μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層４）
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５Ｘ１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層を約４μｍの膜厚で成長させる。
（第１のｎ側層５）
１０５０℃で、シランガスのみを止めてアンドープＧａＮ層からなる第１のｎ側層５を約１５００オングストロームの膜厚で成長させる。
（第２のｎ側層６）
１０５０℃で、シランガスを用いＳｉを５Ｘ１０１７／cm３ドープしたＳｉドープＧａＮ層からなる第２のｎ側層６を約１００オングストロームの膜厚で成長させる。
（第３のｎ側層７）
１０５０℃で、シランガスのみを止めてアンドープＧａＮ層からなる第３のｎ側層７を約１５００オングストロームの膜厚で成長させる。
（第４のｎ側層８）
１０５０℃で、シランガスを用いＳｉを１Ｘ１０１９／cm３ドープしたＳｉドープＧａＮ層からなる第４のｎ側層８を約３００オングストロームの膜厚で成長させる。
（第５のｎ側層９）
１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用いてアンドープＧａＮ層からなる第５のｎ側層９を約５０オングストロームの膜厚で成長させる。
第５のｎ側層９は、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ、またはＩｎ比率が０．１以下のＩｎＧａＮ、より好ましくはＧａＮとすると好ましい。また、第１のｎ側層５〜第５のｎ側層９はそれぞれが異なる組成でもよいが、同一組成であることが好ましく、より好ましくはＧａＮとすることができる。
第５のｎ側層９におけるｎ型不純物濃度は、１Ｘ１０１８／cm3以下、好ましくは５Ｘ１０１７／cm3以下、より好ましくは１Ｘ１０１７／cm3以下とすることができる。なお、これらのｎ型不純物濃度範囲はそれぞれがアンドープを含むものとする。これにより、特にｎ型不純物濃度が低くなるほど（ｎ型不純物濃度がアンドープに近づくほど）、上記効果がより顕著なものとなる。第２のｎ側層６および第４のｎ側層８のｎ型不純物濃度は、第５のｎ型不純物濃度よりも高くすることができる。これにより、上記効果をより効果的に得ることができる。
第５のｎ側層９の膜厚は、１０〜１０００オングストローム、好ましくは１５〜５００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３０〜８０オングストロームとすることができる。第５のｎ側層９の膜厚が１０オングストローム未満では静電耐圧が低下し、一方、１０００オングストロームを超えるとＶｆが上昇するばかりでなく静電耐圧も低下する傾向がある。
（超格子構造のｎ側多層膜１０）
ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を約３５オングストローム成長させ、続いて温度を下げ、その上にＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いてアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を約１５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、交互に１０層づつ積層し、最後にアンドープＧａＮ層を約３５オングストローム成長させた超格子構造よりなるｎ型多層膜を成長させる。
ｎ型多層膜層１０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、Ａｌ比率０．１以下のＡｌＧａＮ（ＧａＮ含む）とＩｎ比率が０．１以下のＩｎＧａＮとの２種類の組成が挙げられる。
超格子構造のｎ側多層膜１０を構成する単一層の膜厚は、特に限定されないが、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。これにより出力が向上する傾向にある。また超格子構造のｎ側多層膜１０を構成する単一層はそれぞれ、アンドープでも、ｎ型不純物がドープされていてもよいが、好ましくは全層をアンドープとすることができる。
ここでは第５のｎ側層９と活性層３０の間に超格子構造のｎ側多層膜１０を用いたが、超格子構造のｎ側多層膜１０のかわりに、たとえば膜厚１００オングストローム以上の厚膜からなる単一層を設けることもできる。
（活性層３０）
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Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層を２０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１０８０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層３０を成長させる。
（超格子構造の多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２）
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５Ｘ１０19／cm3ドープしたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる層を約３５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め代わりにＴＭＩを用いてＭｇを５Ｘ１０19／cm3ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる層を約２０オングストロームの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返し、５層ずつ積層した後、最後にＭｇを５Ｘ１０19／cm3ドープしたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる層を約３５オングストロームの膜厚で成長させて、超格子構造のｐ側多層膜１２を成長させる。
多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２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、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮとＩｎ比率が０．１以下のＩｎＧａＮ（ＧａＮ含む）との２種類の組成が挙げられる。超格子構造の多層膜ｐ側ワイドバンドギャップ層１２を構成する各層の膜厚は、特に限定されないが、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。これにより出力が向上する傾向にある。
（中間層１４）
１０５０℃でＴＭＧ、アンモニアを用いてアンドープＧａＮ層からなる中間層１４を約１０００オングストロームの膜厚で成長させる。
（第１ｐ側窒化物半導体層１６）
その上にＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いてアンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎよりなる第１ｐ側窒化物半導体層１６を約４５０オングストローム成長させる。
（第２ｐ側窒化物半導体層１７）
ＴＭＧ、アンモニアを用いてアンドープＧａＮ層からなる第２ｐ側窒化物半導体層１７を約４０オングストロームの膜厚で成長させる。
（第３ｐ側窒化物半導体層１８）
ＴＭＧ、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５Ｘ１０２０／cm3ドープしたＧａＮよりなる第３ｐ側窒化物半導体層１８を約４５０オングストロームの膜厚で成長させる。
（ｐ側コンタクト層１９）
１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１Ｘ１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１９を１０００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、ウエハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ側層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１９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１９側からエッチングを行い、図５に示すようにｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層１９のほぼ全面にＩＴＯよりなる透光性のｐ側オーミック電極２１と、その上にボンディング用のＷ、Ｐｔ、Ａｕを含むｐ側パッド電極２２を形成してｐ側電極２３とする。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはｐ側パッド電極２２と同一工程にて同じ部材からなるｎ側電極２４を形成する。
最終的に各チップ毎にカットして得られるＬＥＤは、静電耐圧測定の結果、破壊電圧が平均約１８００Ｖとなった。また、発光出力が１５．７ｍＷとなった。
［比較例１］
中間層１４、第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７、及び第３ｐ側窒化物半導体層１８を形成しない他は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。得られたＬＥＤは、静電耐圧測定の結果、破壊電圧が平均約１４００Ｖとなった。また、発光出力が１４．４ｍＷとなった。
実施例１においてｐ側コンタクト層１９を省略し、第３ｐ側窒化物半導体層１８の膜厚を１５００Åとした他は実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。得られたＬＥＤは、静電耐圧測定の結果、破壊電圧が平均約１６００Ｖとなり、発光出力が１５．０ｍＷとなる。
実施例１においてｐ側コンタクト層１９を低濃度ｐ側コンタクト層と高濃度ｐ側コンタクト層の２層構造とする他は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。低濃度ｐ側コンタクト層は、Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３で約１１２５ÅのＧａＮとし、高濃度ｐ側コンタクト層は、Ｍｇ濃度１．５×１０２1ｃｍ−３で約１００ÅのＧａＮとする。Ｖｆが若干低下し、静電耐圧や出力は実施例１と同様のＬＥＤが得られた。
第１ｐ側窒化物半導体層１６、第２ｐ側窒化物半導体層１７、及び第３ｐ側窒化物半導体層１８を５回繰り返して成長する他は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。得られたＬＥＤは、実施例１とほぼ同等の特性を示す。
実施例１において下地層３とｎ型コンタクト層４の間にｎ側の低不純物濃度層としてアンドープＡｌＧａＮからなる層を１８０オングストロームの膜厚で形成した他は実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。得られたＬＥＤは、ｎ側の静電耐圧特性が実施例１よりも良く、それ以外の特性については、実施例1とほぼ同等の結果が得られる。
実施例１において下地層３とｎ型コンタクト層４の間にｎ側の低不純物濃度層としてアンドープＡｌＧａＮからなる層を１８０オングストローム、ＳｉドープＡｌＧａＮからなる層を３６０オングストロームの膜厚で順に形成した他は実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作成する。得られたＬＥＤは、実施例5の素子とほぼ同等の結果が得られる。
本発明の窒化物半導体素子は、発光素子としては、バックライト光源、ディスプレイ、照明、車両用ランプ等の各種光源を構成する発光装置に好適に利用することができ、また発光ダイオードのみならず窒化物半導体レーザ素子にも適用できる。さらに発光素子のみならず、受光素子など他の窒化物半導体素子にも適用可能である。

Claims (13)

  1. 窒化物半導体から成る活性層がｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層に挟まれ、前記ｎ側窒化物半導体層にｎ側電極が形成され、前記ｐ側窒化物半導体層にｐ側電極が形成された窒化物半導体素子であって、
    前記ｐ側窒化物半導体層は、前記活性層側から、
    前記前記活性層よりもバンドギャップの広い窒化物半導体から成り、ｐ型不純物を含むｐ側ワイドバンドギャップ層と、
    第１ｐ側窒化物半導体層、第２ｐ側窒化物半導体層及び第３ｐ側窒化物半導体層から成る３層構造と、を有しており、
    前記第１ｐ側窒化物半導体層、第２ｐ側窒化物半導体層、第３ｐ側窒化物半導体層は、各々、Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｎ（０＜ｘ≦１）、Ｉｎ ｙ Ｇａ １−ｙ Ｎ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）、Ｉｎ ｚ Ｇａ １−ｚ Ｎ（０≦ｚ＜１、ｚ＜ｘ）を含み、
    前記第３ｐ側窒化物半導体層は、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ−３のｐ型不純物を有し、
    前記第２ｐ側窒化物半導体層は、前記第３ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度のｐ型不純物を有し、
    前記第１ｐ側窒化物半導体層は、前記第２ｐ側窒化物半導体層よりも狭いバンドギャップを有し、かつ、前記第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍におけるｐ型不純物濃度が前記第２ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度であることを特徴とする窒化物半導体素子。
  2. 前記第１ｐ側窒化物半導体層の膜厚が５０〜１０００Å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。
  3. 前記第２ｐ側窒化物半導体層の膜厚が１０〜２００Å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。
  4. 前記第３ｐ側窒化物半導体層の膜厚が５０〜１０００Åであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  5. 前記第１ｐ側窒化物半導体層の前記第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍におけるｐ型不純物濃度が１x１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  6. 前記第２ｐ側窒化物半導体層の平均のｐ型不純物濃度が１x１０１７〜２x１０１９ｃｍ―３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。
  7. 前記第１ｐ側窒化物半導体層はＧａＮを含み、前記第２ｐ側窒化物半導体層はＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  8. 前記第３ｐ側窒化物半導体層がＧａＮを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  9. 前記ｐ側ワイドバンドギャップ層と前記第１ｐ側窒化物半導体層との間に、ｐ型不純物濃度が前記ｐ側ワイドバンドギャップ層よりも低い窒化物半導体から成る中間層を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  10. 前記中間層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を含むことを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子。
  11. 前記３層構造が繰り返し積層されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  12. 窒化物半導体から成る活性層がｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層に挟まれ、前記ｎ側窒化物半導体層にｎ側電極が形成され、前記ｐ側窒化物半導体層にｐ側電極が形成された窒化物半導体素子であって、
    前記ｐ側窒化物半導体層は、前記活性層側から、
    前記活性層よりもバンドギャップの広いｐ型不純物を含むｐ側ワイドバンドギャップ層と、
    Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｎ（０＜ｘ≦１）を含む第１ｐ側窒化物半導体層と、
    該第１ｐ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが広く、Ｉｎ y Ｇａ １− y Ｎ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）を含む第２ｐ側窒化物半導体層とを有し、
    前記第２ｐ側窒化物半導体層はｐ型不純物を有し、前記第１ｐ側窒化物半導体層の前記第２ｐ側窒化物半導体層との界面近傍におけるｐ型不純物濃度が、前記第２ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度であり、
    第１ｐ側窒化物半導体層と第２ｐ側窒化物半導体層との界面に、ホールが蓄積されたバンドギャップの凹みを有することを特徴とする窒化物半導体素子。
  13. 前記第２ｐ側窒化物半導体層の上に第３ｐ側窒化物半導体層を有し、
    前記第２ｐ側窒化物半導体層は、前記第３ｐ側窒化物半導体層よりも低濃度のｐ型不純物を有し、
    前記第３ｐ側窒化物半導体層は、５x１０２０〜２x１０２１ｃｍ−３のｐ型不純物を有することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子。
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