JP4055794B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになっており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。特に、発光ダイオードの分野においては、従来用いられていたＳｉＣからなる青色の発光素子よりも数十倍から約１００倍の発光効率の向上が達成されており、高効率の発光が必要とされていた屋外用のディスプレイ装置にも好適に用いることができるため、多くの注目を集めている。

発光ダイオードやレーザダイオードに用いられるものを含め、可視光で発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基本的には、ＩｎＧａＮからなる活性層を、活性層よりもバンドギャップの大きなＧａＮやＡｌＧａＮ等からなるｐ型およびｎ型のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を含むものが主流である。ｐ型クラッド層には、これに接してＧａＮからなるｐ型コンタクト層が接合形成され、ｎ型クラッド層には、これに接してＧａＮからなるｎ型コンタクト層が接合形成される。これらの積層構造は、サファイアやＳｉＣ等からなる基板上に、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法等の結晶成長方法により成長形成される窒化ガリウム系化合物半導体の薄膜をもって作製されるのが近来では主流である。

最近実用化されている青色や緑色等の発光ダイオードに用いられる窒化ガリウム系化合物半導体も上記の積層構造を基本的に有しており、基板にはサファイアが用いられ、基板上にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を順次積層させた構成とされている（以下、活性層に対し、ｎ型コンタクト層およびｎ型クラッド層が形成された側をｎ側、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層が形成された側をｐ側ということがある。）。さらに、ｐ型コンタクト層にはその表面にｐ側電極が形成され、ｎ型コンタクト層には、ｐ型コンタクト層の側から積層方向と逆の方向にｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層、活性層およびｎ型コンタクト層の一部を除去して露出させた表面にｎ側電極が形成されている。そして、ｐ側電極とｎ側電極とに電圧を印加させて、活性層に対してｐ型コンタクト層の側から正孔を、ｎ型コンタクト層の側から電子を注入させるようになっている。活性層においては、注入された正孔と電子の再結合により、基本的には活性層のバンドギャップエネルギーに対応する発光が得られる。

ところで、基板に絶縁性のサファイアを用いた場合に代表されるように、ｐ側電極とｎ側電極を基板の同一面側に設ける構成とした発光素子においては、電圧を印加した際に、ｎ側電極からｎ型コンタクト層に注入された電子が、ｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層の中で積層方向とほぼ垂直な方向、すなわち面方向に移動する過程を含むこととなる。

ここで、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、他の３−５族化合物半導体に比して抵抗率が高いため電流が流れにくく、電子が移動しにくいという特徴がある。したがって、電極からｎ型コンタクト層へ注入された電子は、ｎ型コンタクト層から活性層へかけて抵抗が小さくなるように移動することとなり、活性層の下で電極に近い領域に集中する傾向にある。このため、活性層においては、ｎ型コンタクト層に近い領域に発光が集中してしまい、活性層から面内均一な発光が得られにくいという問題があった。

そこで、この問題を解決するために、ｎ型コンタクト層と活性層との間に、ｎ型コンタクト層よりも電子濃度の高い層を形成し、この層において電子を面内均一に広げて活性層へ面内均一に電子を注入し得る構造が提案された。このような構造は、例えば特許文献１に示されている。

図８は、前記公報において開示された従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示している。図８において、基板４１の上に、バッファ層４２を介してｎ型コンタクト層４３が形成されている。ｎ型コンタクト層４３の上には、ｎ型コンタクト層４３よりも電子濃度の高いｎ型高濃度層４０３が形成されている。そして、ｎ型高濃度層４０３の上には、ｎ型クラッド層４４、活性層４５、ｐ型クラッド層４６、ｐ型コンタクト層４７が形成されている。ｐ型コンタクト層４７の表面にはｐ側電極４９が形成され、ｐ型コンタクト層４７、ｐ型クラッド層４６、活性層４５、ｎ型クラッド層４４、およびｎ型高濃度層４０３の一部を積層方向と反対の方向に除去して露出されたｎ型コンタクト層４３の表面には、ｎ側電極４８が形成されている。このように、ｎ型コンタクト層４３とｎ型クラッド層４４の間に、ｎ型コンタクト層４３よりも電子濃度の高いｎ型高濃度層４０３を設けることで、ｎ側電極４８からｎ型コンタクト層４３に注入された電子が、ｎ型高濃度層４０３の中で均一に広がりやすくなるため、活性層４５から均一な面発光が得られるとされている。
特開平８−２３１２４号公報

上記構造による改善を含め、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、発光出力を高め、動作電圧の低減を図るための種々の改善が行われた結果、従来のＳｉＣからなる青色の発光素子に比して、約１００倍の発光効率の向上が達成され、実用化されるに至った。しかしながら、屋外用の大型ディスプレイ装置や各種光源等、多くの応用分野での展開が進むにつれ、視認性の向上や消費電力の低減を図るために、さらなる発光効率の向上および動作電圧の低減が望まれるようになってきた。

本発明において解決すべき課題は、さらなる発光効率の向上と動作電圧の低減を実現し得る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を提供することである。

本発明者らは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、特に基板と活性層の間に設けるｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体積層構造について鋭意研究を行った。その結果、活性層と基板との間に、電子を注入するための電極を形成するｎ型コンタクト層における電子の移動度よりも高い移動度を有する半導体積層構造を設けることにより、発光効率の向上と動作電圧の低減が図れることを見いだした。

すなわち、本発明は、基板と、上面にｎ型電極を有し、前記基板の上方に配置されたｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層の上方に配置された活性層と、を少なくとも有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型コンタクト層と前記基板との間と、前記活性層と前記ｎ型コンタクト層との間のいずれか一方またはその両方に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体積層構造を備えており、前記半導体積層構造の中における電子の面方向の移動度が、前記ｎ型コンタクト層の中における電子の面方向の移動度よりも高く、前記ｎ型コンタクト層の表面と前記半導体積層構造の距離が０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲であることを特徴とするものである。そして、前記半導体積層構造は、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層と、前記第一のｎ型層に接して形成され、かつｎ型不純物がドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、０≦ｘ≦１）からなる第二のｎ型層と、を少なくとも含むことを特徴とする（以下、本明細書において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮまたは同様に添字を伴った表現により示される窒化ガリウム系化合物半導体を単にＡｌＧａＮということがある。）。

また、本発明においては、前記半導体積層構造は、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層とｎ型不純物がドープされた第二のｎ型層とからなる対が２以上積層された多層構造を含むこととすることもできる。

このような構成によれば、ｎ側電極からｎ型コンタクト層へ注入された電子がｎ側の層構造の中で容易に移動しやすくなり、ｎ側の層構造の面内の全体に広がりやすくなるため、活性層への電子の注入の均一性を改善させることが可能となる。

本発明によれば、従来の構造による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に比べてさらなる発光効率の向上と動作電圧の低減を実現し得るため、発光ダイオードに用いる場合においては、視認性の向上や消費電力の低減が望まれる屋外用のディスプレイ装置や各種光源等にも好適に適用することが可能となるという有利な効果が得られる。また、レーザダイオードに用いる場合においても、活性層への電子の注入の効率が向上するため、発光効率を高め、動作電圧を低減することができるという有利な効果が得られる。

請求項１に記載の発明は、基板と、上面にｎ側電極を有し、前記基板の上方に配置されたｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層の上方に配置された活性層と、を少なくとも有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型コンタクト層と前記基板との間に、アンドープの第一のｎ型層と、ｎ型不純物がドープされ、前記第一のｎ型層よりバンドギャップが大きく、前記第一のｎ型層よりｎ型不純物濃度の高い第二のｎ型層とからなる半導体積層構造を備えており、前記半導体積層構造は、前記ｎ型コンタクト層に近い側から、第一のｎ型層と第二のｎ型層とが順に積層され、前記ｎ型コンタクト層の前記ｎ側電極が形成された表面と前記半導体積層構造の距離が０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲であることを特徴とするものであり、ｎ型コンタクト層における面方向の移動度よりも高い電子の移動度を有する半導体積層構造をｎ側の層構造の中に設けることにより、ｎ側の層構造の中における電子の広がりを向上させることができるという作用を有する。ここで、ｎ型コンタクト層とは、発光素子へ電気的に接続されて電子を注入するためのｎ側電極が形成された層を意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第一のｎ型層は、ＧａＮからなり、前記第二のｎ型層は、前記第一のｎ型層に接して形成されたＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（但し、０≦ｘ≦１）からなることを特徴とするものであり、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層とｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなる第二のｎ型層との接合により、これらの半導体積層構造の中で電子が移動しやすくなるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記半導体積層構造は、前記第一のｎ型層と前記第二のｎ型層とからなる対が２以上積層された多層構造を含むことを特徴とするものであり、第一のｎ型層と第二のｎ型層との接合を多層化することにより、これらの半導体積層構造の中で電子がより一層移動しやすくなるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記半導体積層構造は、前記第二のｎ型層に接して形成されたアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層をさらに含むことを特徴とする、第二のｎ型層に接してさらにアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層と形成することにより、これらの半導体積層構造の中で電子がより一層移動しやすくなるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項２から４のいずれかに記載の発明において、前記第二のｎ型層は、電子濃度が４×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下の範囲となるように調整されていることを特徴とするものであり、第二のｎ型層における電子濃度を特定することで、第二のｎ型層と前記第一のｎ型層または／および第三のｎ型層との接合により形成される半導体積層構造の中で電子が移動しやすくなるとともに、半導体積層構造の結晶性を良好に保持することができるという作用を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項２から５のいずれかに記載の発明において、前記第二のｎ型層は、膜厚を１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とするものであり、第二のｎ型層の膜厚を特定することで、第一のｎ型層への電子の供給量を適当に確保することができるという作用を有する。

請求項７に記載の発明は、請求項２から６のいずれかに記載の発明において、前記第二のｎ型層は、膜厚を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とするものであり、第一のｎ型層の膜厚を特定することで、半導体積層構造の中での電子の移動のしやすさを確保するとともに、半導体積層構造の直列抵抗が過度に増大するのを防止することができるという作用を有する。

請求項８に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、前記第二のｎ型層は、前記第一のｎ型層または／および前記第三のｎ型層と接する側に、アンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、０≦ｘ≦１）からなる不純物拡散防止領域を層状に備えていることを特徴とするものであり、前記第二のｎ型層からｎ型不純物が前記第一のｎ型層へ拡散して第一のｎ型層における電子の移動度が低下するのを防止することができるという作用を有する。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記不純物拡散防止領域の層厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とするものであり、不純物拡散防止領域の層厚を特定の範囲に調整することで、ｎ型不純物の第一のｎ型層への拡散を適切に防止するとともに、第二のｎ型層における直列抵抗の増大を防止することができるという作用を有する。

以下に、本発明の実施の形態の具体例を、図１から図７を参照しながら説明する。これらの図において、同一要素および同一部材は、同一符号で示されている。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第一の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。

図１において、基板１の上に、バッファ層２を介して、ｎ型コンタクト層３ａと、半導体積層構造３００と、ｎ型コンタクト層３ｂと、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、ｐ型コンタクト層７と、が順次積層されている。ｐ型コンタクト層７の表面上にはｐ側電極９が形成されており、ｐ型コンタクト層７の表面側から、ｐ型コンタクト層７とｐ型クラッド層６と活性層５とｎ型クラッド層４の一部をエッチングにより除去して露出されたｎ型コンタクト層３ｂの表面上には、ｎ側電極８が形成されている。

基板１には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ）等を使用することができる。

バッファ層２には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等を用いることができ、例えば、９００℃以下の温度で、数ｎｍから数十ｎｍの厚さで形成されたものを好ましく用いることができる。ここで、バッファ層２は、基板１とその上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造との間の格子不整合を緩和する作用を有するものであるため、ＧａＮのように、その上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数が近い基板を用いる場合には、成長方法や成長条件にもよるが、バッファ層２の形成を省略することも可能である。

ｎ型コンタクト層３ａおよびｎ型コンタクト層３ｂは、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、特にＧａＮやＡｌＧａＮで形成されることが好ましい。窒化ガリウム系化合物半導体は、ｎ型不純物をドープしないアンドープの状態でもｎ型導電型を示す傾向があるが、特にｎ側電極８を設けるためのｎ型コンタクト層として用いる場合には、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いると、電子濃度の高いｎ型層が得られ、ｎ側電極８との接触抵抗を小さくすることが可能である。

ｎ型コンタクト層３ｂの表面上に形成されるｎ側電極８には、ｎ型コンタクト層３ｂとのオーミック性の良いＡｌ、Ｔｉ、Ａｕ等の金属を単層、複層または合金の状態で用いることができる。

ｎ型クラッド層４は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされたＡｌ_aＧａ_1-aＮ（但し、０≦ａ≦１）で形成されることが好ましいが、発光ダイオードに用いる発光素子の場合には、ｎ型クラッド層４の形成を省略することも可能である。

ｎ型クラッド層４の上に形成される活性層５は、ｎ型クラッド層４のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体で形成される。特に、インジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体、すなわちＩｎ_pＡｌ_qＧａ_1-p-qＮ（但し、０＜ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦０）で形成され、その中でもＩｎ_rＧａ_1-rＮ（但し、０＜ｒ＜１）で形成されることが好ましい（以下、本明細書において、Ｉｎ_rＧａ_1-rＮまたは同様に添字を伴った表現により示される窒化ガリウム系化合物半導体を単にＩｎＧａＮということがある。）。活性層５は、ｎ型不純物とｐ型不純物を同時に、またはそれらのいずれか一方のみをドープすることにより所望の発光波長を得る構成とすることもできるが、膜厚を約１０ｎｍ以下と薄くした層を用いて量子井戸構造とした構成とすることにより、色純度が良くかつ発光効率の高い活性層５とすることが発光効率の向上の点で特に好ましい。活性層５を量子井戸構造とする場合、ＩｎＧａＮからなる井戸層を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層で挟んだ単一量子井戸構造としても良く、この場合には、障壁層を活性層の両側に形成されるｐ型およびｎ型クラッド層で兼用することが可能である。また、井戸層と障壁層とを交互に積層させた多重量子井戸構造としても良い。

活性層５の上には、ｐ型クラッド層６が形成されている。ｐ型クラッド層６は、活性層５のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、特にＭｇ等のｐ型不純物がドープされたＡｌ_bＧａ_1-bＮ（但し、０≦ｂ≦１）で形成されることが好ましい。通常、ｐ型クラッド層６は、結晶性良く形成させるために、活性層５の成長に適した温度よりも高い成長温度で形成されることが多く、このため、活性層５の成長後、ｐ型クラッド層６の成長温度にまで昇温させる間において、活性層５を構成するインジウムや窒素等の構成元素の解離等により活性層５の結晶性の劣化が生じることがある。そこで、ｐ型クラッド層６の活性層５に接する側の一部を、活性層５を成長後に昇温させながら連続して成長形成し、ｐ型クラッド層６の成長温度において、引き続いて残りのｐ型クラッド層６を成長させると、活性層５の結晶性の劣化を効果的に防止することが可能となる。このとき、昇温させながら成長させるｐ型クラッド層６の一部は、Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（但し、０≦ｃ＜１、ｃ＜ｂ）、特にＧａＮで形成されることが好ましい。活性層５に接して形成されクラッド層としての作用を十分達成することができると同時に、活性層５の構成元素の解離等による結晶性の劣化を防止する効果を高めることができるからである。

ｐ型クラッド層６の上には、ｐ型コンタクト層７が形成されている。ｐ型コンタクト層７は、ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体で形成される。特に、ｐ型コンタクト層７の表面上に形成されるｐ側電極９との接触抵抗を低減させるために、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープしたＩｎ_dＧａ_1-dＮ（０≦ｄ≦０）で形成することが好ましい。

ここで、半導体積層構造３００は、活性層５と基板１との間のｎ側の積層構造の中に形成されており、特に本実施の形態においては、ｎ側電極８が表面に形成されたｎ型コンタクト層３ｂと基板１との間に形成された構成とされている。

図２は、本発明の第一の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の概略を示す断面図であり、ｎ型コンタクト層３ａから活性層５までの層構造を示している。本実施の形態においては、半導体積層構造３００は、ｎ型コンタクト層３ｂと基板１との間に形成されている。

半導体積層構造３００は、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１と、第一のｎ型層３１に接して形成され、かつｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなる第二のｎ型層３２とを含む構成とされている。本発明においては、第一のｎ型層３１はアンドープのＧａＮからなり、第二のｎ型層３２はＳｉやＧｅ等のｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮからなることを必須とする。

アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１とｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮと積層させた半導体積層構造３００をｎ側の層構造の中に形成することで、半導体積層構造３００の中で電子が移動しやすくなる理由については明らかではないが、以下のように推測することができる。

すなわち、ｎ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体においては、他の３−５族化合物半導体と同様に、ｎ型層中での電子の移動度は、電子を生じてイオン化したｎ型不純物による散乱により大きく影響されることが多いと考えられる。

ここで、本発明のように、ｎ型不純物をドープしないでアンドープとしたＧａＮからなる第一のｎ型層３１とｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮからなる第二のｎ型層３２とを接合させて形成した構成として半導体積層構造３００を形成すると、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２においてｎ型不純物のイオン化によって生じた電子が、第二のｎ型層３２よりもバンドギャップの小さい第一のｎ型層３１の中にも蓄積されて存在するようになると考えられる。アンドープのＧａＮにおいては、電子の移動度に影響を及ぼすイオン化した不純物の数がｎ型不純物をドープしたｎ型層に比べ非常に少ないため、通常、電子の移動度はｎ型不純物をドープしたｎ型層に比べ非常に高くなる。

したがって、もともとアンドープで形成され、電子濃度の低い第一のｎ型層３１に、これに接合して形成され、かつｎ型不純物がドープされ電子濃度の高い第二のｎ型層３２から電子が供給されて、移動度が高められた電子の数が非常に多くなるため、結局、全体としてこの半導体積層構造３００中で電子が移動しやすくなるものと考えられる。

これらの作用により、ｎ側電極８からｎ型コンタクト層３ｂに注入された電子は、ｎ側電極８の直下のｎ型コンタクト層３ｂを介して半導体積層構造３００に供給され、電子の移動度が高められた第一のｎ型層３１とｎ型不純物がドープされた第二のｎ型層３２との積層構造の中で、層構造の面内の全体に均一に広げられ、半導体積層構造３００からｎ型コンタクト層３ｂおよびｎ型クラッド層４を介して、活性層５へ注入される。この結果、活性層５から面内均一な発光が得られ、発光効率が向上するとともに、半導体積層構造３００を含むｎ側の層構造の中で電子が移動しやすくなることによりｎ側の層構造における直列抵抗が低減されて、動作電圧を低減することが可能となる。

ここで、ｐ側からｐ型層の一部をエッチングにより除去させて露出されたｎ型コンタクト層にｎ側電極を形成する構成とする場合、ｎ側電極から注入された後活性層へ注入されるまでの電子の流れは、ｎ側電極の近傍の狭い領域に集中する傾向にあり、電子はｎ側電極の直下から、比較的抵抗の高いｎ型コンタクト層の中を面内で積層方向と垂直な方向に進み、エッチングで除去されていない活性層の下部に到達する。このためｎ型コンタクト層における面方向における直列抵抗が高くなる傾向にあった。また、ｎ側電極から注入された電子が面方向に移動する際の直列抵抗を低減することも困難な傾向にあった。

これに対し、本実施の形態のように、半導体積層構造３００をｎ型コンタクト層３ｂの下方、すなわち、ｎ型コンタクト層３ｂと基板１との間に形成することにより、ｎ側電極８から注入された電子がこの半導体積層構造３００の中で層構造の面内の全体に広がりやすくなることで、面方向における直列抵抗を低減できることができる。この場合、ｐ側からのエッチングの深さを適宜調整して、ｎ側電極８が形成されるｎ型コンタクト層３ｂの表面と半導体積層構造３００との距離を０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲になるようにすると、ｎ側電極８から半導体層構造３００への電子の供給がされやすくなるので上述の効果を奏しやすくなる。

本実施の形態においては、半導体積層構造３００を、ｎ型コンタクト層３ｂと接する側から順に、第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２とを２回繰り返して積層させた構成としたが、この繰り返しの回数は、第一のｎ型層３１および第二のｎ型層３２の膜厚にもよるが、１回以上３００回以下の範囲とすることが好ましい。繰り返しの回数を多くして多層化する場合には膜厚を適宜薄くして、層構造に欠陥やクラックが発生するのを防止することが、製造歩留まりを高くできるという点で好ましい。

また、本実施の形態においては、基板１に近い側から第二のｎ型層３２と第一のｎ型層３１との対を２回積層させており、この積層の繰り返しの最初の層は、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２とされているが、さらに第二のｎ型層３２に接してアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層を形成する、すなわち、基板１に近い側の第二のｎ型層３２とｎ型コンタクト層３ａとに接して第三のｎ型層を形成する構成としても良い。積層の最初の第二のｎ型層３２で生じた電子が、これに接して形成された第三のｎ型層にも存在するようになり、上述と同様の効果により、この半導体積層構造の中で電子がさらに移動しやすくなるからである。

なお、本実施の形態においては、ｎ型コンタクト層３ａをｎ型コンタクト層３ｂと同じ窒化ガリウム系化合物半導体、すなわちＳｉをドープして電子濃度を高めたＧａＮとすることが好ましいとしたが、ｎ型コンタクト層３ａにｎ側電極８が接することがない構成とする場合には、ｎ型コンタクト層３ａをアンドープのＧａＮやＡｌＧａＮで形成し、その上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造の下地層として用いることも可能である。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第二の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示しており、図１と同一の符号は、同一の部材を示している。

図３において、基板１の上に、バッファ層２を介して、ｎ型コンタクト層３ａと、半導体積層構造３００と、ｎ型コンタクト層３ｂと、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、ｐ型コンタクト層７と、が実施の形態１における図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と同様に順次積層されている。ｐ型コンタクト層７の表面上にはｐ側電極９が、ｎ型コンタクト層３ａの露出された表面上にはｎ側電極８が形成されている。

図３に示す基板１、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３ａ、半導体積層構造３００、ｎ型コンタクト層３ｂ、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７、ｐ側電極９およびｎ側電極８の構成については、上記実施の形態１における図１に関して説明したものと同様であるが、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、上記実施の形態１のものと異なるのは、半導体積層構造３００が、ｎ側電極８が形成されたｎ型コンタクト層３ａと活性層５との間に形成されている点である。

図４は、本発明の第二の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図であり、ｎ型コンタクト層３ａから活性層５までの層構造を示している。上述したように、半導体積層構造３００は、ｎ型コンタクト層３ａと活性層５との間に形成されている。

半導体積層構造３００は、ｎ型コンタクト層３ａに近い側から、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１と、第一のｎ型層３１に接して形成され、かつｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなる第二のｎ型層３２とを含む構成とされている。本発明において、第一のｎ型層３１はアンドープのＧａＮからなり、第二のｎ型層３２はＳｉやＧｅ等のｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮからなることを必須とすることは、実施の形態１の構成と同様である。

本実施の形態においても、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１とｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮと積層させた半導体積層構造３００をｎ側の層構造の中に形成することで、半導体積層構造３００の中で電子が移動しやすくなる理由については、上記実施の形態１において説明した推測とほぼ同様の理由によるものと考えられる。

したがって、本実施の形態においては、ｎ側電極８からｎ型コンタクト層３ａに注入された電子は、ｎ型コンタクト層３ａの上に形成された半導体積層構造３００に供給され、電子の移動度が高められた第一のｎ型層３１とｎ型不純物がドープされた第二のｎ型層３２との積層構造の中で、層構造の面内の全体に均一に広げられ、半導体積層構造３００からｎ型コンタクト層３ｂおよびｎ型クラッド層４を介して、活性層５へ注入される。この結果、活性層５から面内均一な発光が得られ、発光効率が向上するとともに、半導体積層構造３００を含むｎ型層の中で電子が移動しやすくなることによりｎ型層における直接抵抗が低減されて、動作電圧を低減することが可能となる。

なお、第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２の積層の繰り返しの回数、膜厚に関しては、実施の形態１の構成と同様とすることができる。

また、本実施の形態においても、第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２の積層の繰り返しの最後の層、すなわち、ｎ型コンタクト層３ｂに接する側の層は、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２とされているが、さらに第二のｎ型層３２に接してアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層を形成しても良い。

さらにまた、本実施の形態においても上記実施の形態１における図１と同様に、ｎ型コンタクト層３ａをｎ型コンタクト層３ｂと同じ窒化ガリウム系化合物半導体、すなわちＳｉをドープして電子濃度を高めたＧａＮとすることとしたが、ｎ型コンタクト層３ｂにｎ側電極８が接することがない構成とする場合には、ｎ型コンタクト層３ｂの形成を省略することも可能である。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第三の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示しており、図１と同一の符号は、同一の部材を示している。

図５において、基板１の上に、バッファ層２を介して、ｎ型コンタクト層３ａと、半導体積層構造３００と、ｎ型コンタクト層３ｂと、半導体積層構造３０１と、ｎ型コンタクト層３ｃと、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、ｐ型コンタクト層７と、が順次積層されている。ｐ型コンタクト層７の表面上にはｐ側電極９が、ｎ型コンタクト層３ｂの露出された表面上にはｎ側電極８が形成されている。ここで、ｎ型コンタクト層３ｂの上に形成される半導体積層構造３０１は、上記実施の形態２においてｎ型コンタクト層３ｂの下に形成される半導体積層構造３００と同様の構成とされる。

図５に示す基板１、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３ａ、半導体積層構造３００および３０１、ｎ型コンタクト層３ｂ、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７、ｐ側電極９およびｎ側電極８の構成については、上記実施の形態１または実施の形態２における図１または図２に関して説明したものと同様であるが、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、上記実施の形態１または実施の形態２のものと異なるのは、半導体積層構造３００および３０１が、ｎ側電極８が形成されたｎ型コンタクト層３ｂと基板１との間およびｎ型コンタクト層３ｂと活性層５との間にそれぞれ形成されている点である。

図６は、本発明の第三の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図であり、ｎ型コンタクト層３ａから活性層５までの層構造を示している。上述したように、半導体積層構造３００および３０１は、それぞれｎ型コンタクト層３ｂと基板１の間およびｎ型コンタクト層３ｂと活性層５との間に形成されている。

半導体積層構造３００および３０１はいずれも、ｎ型コンタクト層３ｂに近い側から、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１と、第一のｎ型層３１に接して形成され、かつｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなる第二のｎ型層３２とを含む構成とされている。本発明においても、第一のｎ型層３１はアンドープのＧａＮからなり、第二のｎ型層３２はＳｉやＧｅ等のｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮからなることを必須とすることは、上記実施の形態１の構成と同様である。

本実施の形態においても、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１とｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＮと積層させた半導体積層構造３００および３０１をｎ側の層構造の中に形成することで、半導体積層構造３００および３０１の中で電子が移動しやすくなる理由については、上記実施の形態１において説明した推測とほぼ同様の理由によるものと思われる。

したがって、本実施の形態においては、ｎ側電極８からｎ型コンタクト層３ｂに注入された電子のうち、ｎ型コンタクト層３ｂを介して下方へ向かう電子は、ｎ型コンタクト層３ｂの下に形成された半導体積層構造３００に供給され、層構造の面内の全体に均一に広げられ、半導体積層構造３００からｎ型コンタクト層３ｂを介して、半導体積層構造３０１へ注入され、ｎ型コンタクト層３ｂを介して上方へ向かい半導体積層構造３０１へ注入された電子とともに、この半導体積層構造３０１でさらに面内全体に広げられ、ｎ型コンタクト層３ｃおよびｎ型クラッド層４を介して活性層５へ注入されることとなる。この結果、活性層５から面内均一な発光が得られ、発光効率が向上するとともに、半導体積層構造３００および３０１を含むｎ型層の中で電子が移動しやすくなることによりｎ側の層構造における直列抵抗が低減されて、動作電圧を低減することが可能となる。

なお、第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２の積層の繰り返しの回数、膜厚に関しては、実施の形態１の構成と同様とすることができる。

また、本実施の形態においても、ｎ型コンタクト層３ｂに近い側からの第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２の積層の繰り返しにおける最後の層は、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２とされているが、さらに第二のｎ型層３２に接してアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層を形成しても良い。

さらにまた、本実施の形態において、ｎ型コンタクト層３ａおよびｎ型コンタクト層３ｃは、ｎ型コンタクト層３ｂと同じ窒化ガリウム系化合物半導体、すなわちＳｉをドープして電子濃度を高めたＧａＮとすることとしたが、ｎ型コンタクト層３ａにｎ側電極８が接することがない構成とする場合には、上記実施の形態１で説明したように、ｎ型コンタクト層３ａをアンドープのＧａＮやＡｌＧａＮで形成し、その上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造の下地層として用いることも可能であり、ｎ型コンタクト層３ｃにｎ側電極８が接することがない構成とする場合には、上記実施の形態２で説明したように、ｎ型コンタクト層３ｃの形成を省略することも可能である。

なお、上記実施の形態１ないし３においては、ｎ側電極８を形成するｎ型コンタクト層の表面は、層の面方向とほぼ平行となるような構成とされているが、ｎ型コンタクト層の表面が、例えば、上記実施の形態３において、ｎ型コンタクト層３ｃからｎ型コンタクト層３ａにかけて傾斜する面となるように、ｐ側からのｐ型層のエッチングによる除去を行い、露出したｎ型コンタクト層３ｃからｎ型コンタクト層３ａにかけてｎ側電極８を形成すると、ｎ型コンタクト層３ｃ、半導体積層構造３０１、ｎ型コンタクト層３ｂ、半導体積層構造３００およびｎ型コンタクト層３ａにｎ側電極８から直接電子が注入されることとなり、これらｎ側の層構造の中での電子の広がりやすさをさらに高めることが可能となる。

本発明者らの知見によれば、半導体積層構造３００および３０１を構成する第二のｎ型層３２は、電子濃度が４×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下の範囲となるように調整されていることが望ましいことがわかった。電子濃度が４×１０¹⁸／ｃｍ³よりも小さいと、半導体積層構造３００および３０１の中での十分な電子の広がりが得られにくくなる傾向にある。これは、第二のｎ型層３２に接して形成される第一のｎ型層３１に蓄積される電子の量が小さくなるからであると考えられる。一方、１×１０²⁰／ｃｍ³よりも大きくなると、第二のｎ型層３２の結晶性が悪くなる傾向にあり、この上に形成される積層構造の結晶性も悪くなる傾向にある。

さらに、第二のｎ型層３２は、膜厚を１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることが好ましい。第二のｎ型層３２の膜厚が１０ｎｍよりも小さくなると、第一のｎ型層３１に供給することができる電子の量が減少するからである。一方、第一のｎ型層３１への電子の供給に寄与する第二のｎ型層３２の膜厚は、通常、１００ｎｍまでと考えられるので、１００ｎｍよりも厚くなると、第一のｎ型層３１への電子の供給に寄与しない部分が増大することとなるので好ましくない。

さらに、第一のｎ型層３１は、膜厚を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることが好ましい。第一のｎ型層３１の膜厚が１ｎｍよりも小さくなると、半導体積層構造３００および３０１の中での十分な電子の広がりが得られにくくなる傾向にある。これは、第二のｎ型層３２から供給される電子を蓄積することが困難になるためであると考えられる。一方、第二のｎ型層３２から供給される電子は、第一のｎ型層３１において第二のｎ型層３２と接する近傍に集中して存在すると考えられるため、第一のｎ型層３１の膜厚をむやみに厚くしても電子の広がりやすさには寄与しないと考えられる。本発明者らの知見によれば、１００ｎｍよりも厚くなると、電子の移動度が高まって層構造の中で電子が広がりやすくなることによるｎ側の層構造における面内の直列抵抗の低減の効果よりも、電子が第一のｎ型層３１を垂直に横切って移動する際の直列抵抗の増大のほうが大きくなる傾向にある。

（実施の形態４）
本実施の形態における窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造は、上記実施の形態１において示した図１のものとほぼ同様である。本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が上記実施の形態のものと異なる点は、半導体積層構造３００において、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２が、第一のｎ型層３１と接する側に、ｎ型不純物をドープしないでアンドープとした不純物拡散防止領域を層状に備えている点である。以下、図７を用いて本実施の形態を説明する。

図７は、本発明の第四の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図を示しており、図１と同一の符号は、同一の部材を示している。

図７において、ｎ型不純物がドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＮからなる第二のｎ型層３２の片側または両側にアンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１が形成されているとともに、第二のｎ型層３２において、第一のｎ型層３１と接する側の一部に、アンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮからなる不純物拡散防止領域３４が設けられている。

ここで、ｎ型不純物をドープした第二のｎ型層３２においてｎ型不純物のイオン化によって生じた電子が、第二のｎ型層３２に接して形成された第一のｎ型層３１の中にも蓄積されて存在するようになり、電子の移動度に影響を及ぼすイオン化した不純物の数が非常に少ない第一のｎ型層３１においては、電子の移動度はｎ型不純物をドープしたｎ型層に比べ非常に高くなることは、上記実施の形態１において説明したとおりである。

したがって、第一のｎ型層３１における電子の移動度を高く保持するためには、第二のｎ型層３２にドープされたｎ型不純物が第一のｎ型層３１に拡散等により混入するのを防止することが重要となる。

そこで、図７に示すように、ｎ型不純物がドープされた第二のｎ型層３２において、第一のｎ型層３１と接する側の一部に、ｎ型不純物をドープしない不純物拡散防止領域３４を設けると、第一のｎ型層３１へのｎ型不純物の混入による移動度の低下が防止され、第一のｎ型層３１における電子の移動度を高く保持することができるようになる。この構成は、第二のｎ型層３２にｎ型不純物を高濃度にドープする場合に特に有用である。

不純物拡散防止領域３４の層厚は、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲に調整されていることが好ましい。１ｎｍよりも薄いと、第一のｎ型層３１へのｎ型不純物の混入を防止する効果が低減するからであり、５ｎｍよりも厚いと、第二のｎ型層３２から第一のｎ型層３１への電子の供給が困難となる傾向にあるからである。

なお、本実施の形態の構成は、上記実施の形態１ないし３おける半導体積層構造３００および３０１にも適用することが可能である。

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施例は、主として有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。

（実施例１）
本実施例においては、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

まず、表面を鏡面に仕上げられたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行った。

次に、基板１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスと、アンモニアと、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を含むＴＭＡ用のキャリアガスを流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長させた。

次に、ＴＭＡのキャリアガスのみを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスを流しながら、新たにトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を含むＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｓｉ源であるＳｉＨ_４（モノシラン）ガスと、を流しながら成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層３ａを１．５μｍの厚さで成長させた。

ｎ型コンタクト層３ａを成長形成後、引き続き基板温度を１０５０℃に保持して、半導体積層構造３００を成長させた。半導体積層構造３００の形成においては、まず、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスを流しながら、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、ＳｉＨ_４ガスと、を流しながら成長させて、ＳｉをドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる第二のｎ型層３２を３０ｎｍの厚さで成長させた。この第二のｎ型層３２の電子濃度は約６×１０¹⁸／ｃｍ³であった。次に、同一の基板温度において、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを流しながら成長させて、アンドープのＧａＮからなる第一のｎ型層３１を２０ｎｍの厚さで成長させた。そして、この後、同様にして第二のｎ型層３２と第一のｎ型層３１を繰り返し積層させた。このようにして、第二のｎ型層３２と第一のｎ型層３１とからなる対が２回積層された半導体積層構造３００を形成させた。

半導体積層構造３００を形成した後、ＴＭＡ用のキャリアガスを止め、引き続き基板温度を１０５０℃に保持して、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＳｉＨ_４ガスと、を流しながら成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層３ｂを０．５μｍの厚さで成長させた。

ｎ型コンタクト層３ｂを成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスを止め、引き続き基板温度を１０５０℃に保持して、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、ＳｉＨ_４ガスと、を流しながら成長させて、ＳｉをドープしたＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなるｎ型クラッド層４を０．０５μｍの厚さで成長させた。

ｎ型クラッド層４を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＡ用のキャリアガスとＳｉＨ_４ガスとを止め、基板温度を７５０℃にまで降下させ、７５０℃において、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＩ用のキャリアガスと、を流しながらアンドープのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎからなる単一量子井戸構造の活性層５を５ｎｍの厚さで成長させた。

活性層５を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガスを止め、ＴＭＧ用のキャリアガスを流しながら基板温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＧａＮを４ｎｍの厚さで成長させ、基板温度が１０５０℃に達したら、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、Ｍｇ源であるＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスと、を流しながら成長させて、ＭｇをドープさせたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎを０．１μｍの厚さで成長させた。この後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとを止め、基板温度を１０５０℃に保持し、ＭｇをドープさせたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからアンドープで形成したＧａＮにＭｇを拡散させた。このようにして、ＭｇをドープさせたＧａＮとＭｇをドープさせたＡｌＧａＮとからなるｐ型クラッド層６を約０．１μｍの厚さで形成させた。

ｐ型クラッド層６を形成後、基板温度を１０５０℃に保持し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｃｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスと、を流しながら成長させて、ＭｇをドープさせたＧａＮからなるｐ型コンタクト層７を０．１μｍの厚さで成長させた。

ｐ型コンタクト層７を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスとを止め、主キャリアガスとアンモニアをそのまま流しながら室温程度にまで冷却させて、ウェハーを反応管から取り出した。

次に、ｐ型コンタクト層７の表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させた後、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層７とｐ型クラッド層６と活性層５とｎ型クラッド層４の一部を約０．５５μｍの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、ｎ型コンタクト層３ｂの表面を露出させた。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により露出させたｎ型コンタクト層３ｂの表面上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成させた。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層７の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極９を蒸着形成させた。

この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られた。

このチップを電極形成面側を上向きにしてステムの接着した後、チップのｎ側電極とｐ側電極をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長４８０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は１２１０μＷであり、順方向動作電圧は３．４Ｖであった。

（実施例２）
本実施例においては、ｎ型コンタクト層３ａを１．９５μｍ、ｎ型コンタクト層３ｂを０．０５μｍの厚さで形成し、半導体積層構造３００における第一のｎ型層３１と第二のｎ型層３２の積層の順序を逆にして形成した以外は上記実施例１と同様にして、図３に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。さらに、この後、上記実施例１と同様にして発光ダイオードを作製し、２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長４８０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は１１８０μＷであり、順方向動作電圧は３．５Ｖであった。

（実施例３）
本実施例において、ｎ型コンタクト層３ａを１．５０μｍ、ｎ型コンタクト層３ｂを０．３５μｍ、ｎ型コンタクト層３ｃを０．０５μｍの厚さで形成し、半導体積層構造３００を上記実施例１と同じ条件で、半導体積層構造３０１を上記実施例２の半導体積層構造３００と同じ条件で、かつ、それぞれｎ型コンタクト層３ａとｎコンタクト層３ｂの間およびｎ型コンタクト層３ｂとｎ型コンタクト層３ｃの間に形成した以外は上記実施例１と同様にして、図５に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。さらに、この後、上記実施例１と同様にして発光ダイオードを作製し、２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長４８０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は１２９０μＷであり、順方向動作電圧は３．３Ｖであった。

（比較例）
比較のために、図８に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

具体的には、ｎ型コンタクト層４３を上記実施例１のｎ型コンタクト層３ａと同じ条件で、２．０μｍの厚さで形成し、ｎ型高濃度層４０３を、ｎ型コンタクト層４３よりも高い電子濃度となるようにＳｉをドープしたＧａＮで形成し、ｎ型クラッド層４４を、上記実施例１のｎ型クラッド層４と同じ条件で形成した。そして、バッファ層４２、活性層４５、ｐ型クラッド層４６、ｐ型コンタクト層４７、ｎ側電極４８およびｐ側電極４９の形成を、上記実施例１におけるバッファ層２、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７、ｎ側電極８およびｐ側電極９の形成と同じ条件で行った。このようにして得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて、上記実施例１と同様にして発光ダイオードを作製し、２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長４８０ｎｍの青色で発光したが、このときの発光出力は１０２０μＷと低下する傾向が見られ、順方向動作電圧は３．７Ｖと、上記実施例の発光ダイオードよりも高かった。

発光効率を高め、動作電圧を低減することが必要な半導体発光素子に好適である。

本発明の第一の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の第一の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図 本発明の第二の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の第二の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図 本発明の第三の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の第三の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図 本発明の第四の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ａ，３ｂ，３ｃ ｎ型コンタクト層
４ ｎ型クラッド層
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層
７ ｐ型コンタクト層
８ ｎ側電極
９ ｐ側電極
３１ 第一のｎ型層
３２ 第二のｎ型層
３３ 第三のｎ型層
３４ 不純物拡散防止領域
３００，３０１ 半導体積層構造

Claims (9)

1. 基板と、上面にｎ側電極を有し、前記基板の上方に配置されたｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層の上方に配置された活性層と、を少なくとも有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型コンタクト層と前記基板との間に、アンドープの第一のｎ型層と、ｎ型不純物がドープされ、前記第一のｎ型層よりバンドギャップが大きく、前記第一のｎ型層よりｎ型不純物濃度の高い第二のｎ型層とからなる半導体積層構造を備えており、前記半導体積層構造は、前記ｎ型コンタクト層に近い側から、第一のｎ型層と第二のｎ型層とが順に積層され、前記ｎ型コンタクト層の前記ｎ側電極が形成された表面と前記半導体積層構造の距離が０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. 前記第一のｎ型層は、ＧａＮからなり、前記第二のｎ型層は、前記第一のｎ型層に接して形成されたＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（但し、０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. 前記半導体積層構造は、前記第一のｎ型層と前記第二のｎ型層とからなる対が２以上積層された多層構造を含むことを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
4. 前記半導体積層構造は、前記第二のｎ型層に接して形成されたアンドープのＧａＮからなる第三のｎ型層をさらに含むことを特徴とする請求項２または３記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
5. 前記第二のｎ型層は、電子濃度が４×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下の範囲となるように調整されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
6. 前記第二のｎ型層は、膜厚を１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
7. 前記第一のｎ型層は、膜厚を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
8. 前記第二のｎ型層は、前記第一のｎ型層または／および前記第三のｎ型層と接する側に、アンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、０≦ｘ≦１）からなる不純物拡散防止領域を層状に備えていることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
9. 前記不純物拡散防止領域の厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲に調整されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

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