JP3275810B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡ
ｌYＧａ1-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。
ｌYＧａ1-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ＬＥ
Ｄ、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Ｇａ
Ｎ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％、５２０ｎ
ｍ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。
Ｄ、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Ｇａ
Ｎ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％、５２０ｎ
ｍ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、Jp
n.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、４
１０ｎｍ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.L
ett.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。
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、Jp
n.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、４
１０ｎｍ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.L
ett.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。
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、上記
（１）〜（１２）の構成により本発明の目的を達成する
ことができる。 （１）基板と活性層との間に基板側から順に、ｎ型不純
物が１×１０17／ｃｍ3以下の第１の窒化物半導体層
と、ｎ型不純物が３×１０18／ｃｍ3以上の第２の窒化
物半導体層と、ｎ型不純物が１×１０17／ｃｍ3以下の
ＩｎＧａＮからなり、前記第１の窒化物半導体層より膜
厚が薄い第３の窒化物半導体層とを有し、前記第２の窒
化物半導体層にｎ電極が形成されたことを特徴とする窒
化物半導体発光素子。 （２）前記第２の窒化物半導体層にｎ型不純物が５×１
０18／ｃｍ3以上ドープされていることを特徴とする前
記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。 （３）前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ以
下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載
の窒化物半導体発光素子。 （４）前記第３の窒化物半導体層が、Ｉｎ混晶比ｙが
０．１以下であるＩｎｙＧａ１−ｙＮであることを特徴
とする前記（１）〜（３）のうちのいずれか１つに記載
の窒化物半導体発光素子。 （５）前記第３の窒化物半導体層の上にＡｌを含む窒化
物半導体層が形成されていることを特徴とする前記
（１）〜（４）のうちのいずれか１つに記載の窒化物半
導体発光素子。
（１）〜（１２）の構成により本発明の目的を達成する
ことができる。 （１）基板と活性層との間に基板側から順に、ｎ型不純
物が１×１０17／ｃｍ3以下の第１の窒化物半導体層
と、ｎ型不純物が３×１０18／ｃｍ3以上の第２の窒化
物半導体層と、ｎ型不純物が１×１０17／ｃｍ3以下の
ＩｎＧａＮからなり、前記第１の窒化物半導体層より膜
厚が薄い第３の窒化物半導体層とを有し、前記第２の窒
化物半導体層にｎ電極が形成されたことを特徴とする窒
化物半導体発光素子。 （２）前記第２の窒化物半導体層にｎ型不純物が５×１
０18／ｃｍ3以上ドープされていることを特徴とする前
記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。 （３）前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ以
下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載
の窒化物半導体発光素子。 （４）前記第３の窒化物半導体層が、Ｉｎ混晶比ｙが
０．１以下であるＩｎｙＧａ１−ｙＮであることを特徴
とする前記（１）〜（３）のうちのいずれか１つに記載
の窒化物半導体発光素子。 （５）前記第３の窒化物半導体層の上にＡｌを含む窒化
物半導体層が形成されていることを特徴とする前記
（１）〜（４）のうちのいずれか１つに記載の窒化物半
導体発光素子。
【０００６】 （６）前記第１の窒化物半導体層が、ＧａＮ若しくはＡ
ｌＧａＮであることを特徴とする前記（１）〜（５）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （７）前記第１の窒化物半導体層が、Ｘ値が０．２以下
のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とする前記
（６）に記載の窒化物半導体発光素子。 （８）前記第２の窒化物半導体層が、ＧａＮ若しくはＡ
ｌＧａＮであることを特徴とする前記（１）〜（７）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （９）前記第２の窒化物半導体層が、Ｘ値が０．２以下
のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とする前記
（８）に記載の窒化物半導体発光素子。 （１０）前記基板と前記第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
ファ層を有することを特徴とする前記（１）〜（９）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （１１）前記第２の窒化物半導体層が、超格子構造であ
ることを特徴とする前記（１）〜（１０）のうちのいず
れか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （１２）前記超格子構造の第２の窒化物半導体層に、ｎ
型不純物が変調ドープされていることを特徴とする前記
（１１）に記載の窒化物半導体発光素子。
ｌＧａＮであることを特徴とする前記（１）〜（５）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （７）前記第１の窒化物半導体層が、Ｘ値が０．２以下
のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とする前記
（６）に記載の窒化物半導体発光素子。 （８）前記第２の窒化物半導体層が、ＧａＮ若しくはＡ
ｌＧａＮであることを特徴とする前記（１）〜（７）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （９）前記第２の窒化物半導体層が、Ｘ値が０．２以下
のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とする前記
（８）に記載の窒化物半導体発光素子。 （１０）前記基板と前記第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
ファ層を有することを特徴とする前記（１）〜（９）の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （１１）前記第２の窒化物半導体層が、超格子構造であ
ることを特徴とする前記（１）〜（１０）のうちのいず
れか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 （１２）前記超格子構造の第２の窒化物半導体層に、ｎ
型不純物が変調ドープされていることを特徴とする前記
（１１）に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。
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。
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、ＩｎXＡｌYＧａ1-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。
ァ層より高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長さ
せ、ＩｎXＡｌYＧａ1-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。
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。
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、ＩｎXＡｌYＧａ1-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ＡｌX
Ｇａ1-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。
体層と同様に、ＩｎXＡｌYＧａ1-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ＡｌX
Ｇａ1-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。
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、０．５μ
ｍ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／ｃｍ
3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。
ｍ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／ｃｍ
3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。
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ＩｎXＡｌYＧａ1-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、またはY値が０．１以下のＩｎYＧａ
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。
窒化物半導体層と同様にＩｎXＡｌYＧａ1-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、またはY値が０．１以下のＩｎYＧａ
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。
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Ｓ
ｉである。
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Ｓ
ｉ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることがで
きる。
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、Ｚｎ
Ｏ、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。
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ＴＭ
Ｇ、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。
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ＴＭ
Ｇ、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１０５
０℃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／ｃｍ
3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。
０℃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／ｃｍ
3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Ｇａ
Ｎ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。
スのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａ
Ｎ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Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ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。
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Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ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１０５
０℃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Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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ＡｌYＧａ1-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ＡｌYＧａ1-YＮ
層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望まし
い。
０℃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Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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ＡｌYＧａ1-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ＡｌYＧａ1-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ＩｎXＡｌYＧａ1-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。
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ＩｎXＡｌYＧａ1-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。
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。
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０．５
μｍ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３５
０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
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０．５
μｍ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３５
０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００３７】この得られたＬＥＤ素子の順方向電圧（Ｖ
ｆ）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／ｃｍ
3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Ｇ
ａＮ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。
ｆ）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／ｃｍ
3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Ｇ
ａＮ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、−５
Ｖにおけるリーク電流は、０．１μＡ未満しかなかっ
た。
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、−５
Ｖ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。
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。
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。
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ＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ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。
化物半導体層５成長時に、温度を８００℃にしてＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ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。
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。
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。
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、１
０２０℃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。
０２０℃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Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ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。
を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用
い、アンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ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１０２
０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3、Ｓｉ
Ｈ4を用い、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたｎ型Ａｌ
0.25Ｇａ0.75Ｎ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。
０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3、Ｓｉ
Ｈ4を用い、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたｎ型Ａｌ
0.25Ｇａ0.75Ｎ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。
℃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Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ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Ｉｎ0.01
Ｇａ0.99Ｎ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。
ずＳｉドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ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Ｉｎ0.01
Ｇａ0.99Ｎ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１０
２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ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／cm 3ドープしたＡｌ0.3Ｇａ
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。Ａ
ｌ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Ａ
ｌYＧａ1-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。
２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ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／cm 3ドープしたＡｌ0.3Ｇａ
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。Ａ
ｌ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Ａ
ｌYＧａ1-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、Ｉ
ｎＧａＮ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。
℃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、Ｉ
ｎＧａＮ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
0.25Ｇａ0.75Ｎ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。
℃においてＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ
0.25Ｇａ0.75Ｎ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。
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。
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。
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２
３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３
３を形成する。
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２
３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３
３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。
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／c
m2、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。
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／c
m2、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。
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／ｃ
ｍ3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。
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／ｃ
ｍ3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。
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。
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。
圧と順電流の関係を比較した図である。
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−97921（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−255932（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36426（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−129930（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−18053（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−302929（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−45960（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−27640（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−303458（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−232451（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−221726（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−148247（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−122070（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−8274（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−293935（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−31866（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓ ｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，３［２］，ｐ．435−442 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (12)
- 【請求項１】 基板と活性層との間に基板側から順に、 ｎ型不純物が１×１０17／ｃｍ3以下の第１の窒化物半
導体層と、 ｎ型不純物が３×１０18／ｃｍ3以上の第２の窒化物半
導体層と、 ｎ型不純物が１×１０17／ｃｍ3以下のＩｎＧａＮから
なり、前記第１の窒化物半導体層より膜厚が薄い第３の
窒化物半導体層とを有し、 前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されたことを
特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記第２の窒化物半導体層にｎ型不純物
が５×１０18／ｃｍ3以上ドープされていることを特徴
とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記第３の窒化物半導体層の膜厚が０．
５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記
載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記第３の窒化物半導体層が、Ｉｎ混晶
比ｙが０．１以下であるＩｎｙＧａ１−ｙＮであること
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載
の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記第３の窒化物半導体層の上にＡｌを
含む窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする
請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導
体発光素子。 - 【請求項６】 前記第１の窒化物半導体層が、ＧａＮ若
しくはＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１〜５
のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項７】 前記第１の窒化物半導体層が、Ｘ値が
０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とす
る請求項６記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項８】 前記第２の窒化物半導体層が、ＧａＮ若
しくはＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１〜７
のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項９】 前記第２の窒化物半導体層が、Ｘ値が
０．２以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮであることを特徴とす
る請求項８記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項１０】 前記基板と前記第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
るバッファ層を有することを特徴とする請求項１〜９の
うちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項１１】 前記第２の窒化物半導体層が、超格子
構造であることを特徴とする請求項１〜１０のうちのい
ずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項１２】 前記超格子構造の第２の窒化物半導体
層に、ｎ型不純物が変調ドープされていることを特徴と
する請求項１１記載の窒化物半導体発光素子。
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