JP4378070B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、又はトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。なお、本明細書において使用する一般式Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、異なる層が例えば同一の一般式で示されていても、それらの層のＸ値、Ｙ値が一致していることまで示すものではない。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮよりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増減することで決定されている。
【０００３】
また、本出願人は、最近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. Vol35 (1996) pp.L74-76）。このレーザ素子はパルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm2、４１０ｎｍの発振を示す。さらにまた、閾値電流が低い改良したレーザ素子を、Appl.Phys.Lett.，Vol.69，No.10，2 Sep. 1996，p.1477-1479において発表した。このレーザ素子は、ｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス幅１μｓ、パルス周期１ｍｓ、デューティー比０．１％で、閾値電流１８７ｍＡ、閾値電流密度３ｋＡ／cm2、４１０ｎｍの発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体よりなる青色、緑色ＬＥＤは順方向電流（Ｉｆ）２０ｍＡで、順方向電圧（Ｖｆ）が３．４Ｖ〜３．６Ｖあり、ＧａＡｌＡｓ系の半導体よりなる赤色ＬＥＤに比べて２Ｖ以上高いため、さらなるＶｆの低下が望まれている。また、ＬＤでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で連続発振させるためには、この閾値電流、電圧が下がるような、さらに電力効率の高い素子を実現する必要がある。
【０００５】
従って本発明の目的とするところは、主として窒化物半導体よりなるＬＤ素子の閾値での電流、電圧を低下させることにより連続発振を実現し、またＬＥＤ素子ではＶｆを低下させ、信頼性が高く、電力効率に優れた窒化物半導体素子を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化物半導体素子について、活性層を挟んだｐ型層、及び／又はｎ型層を改良すべく鋭意検討した結果、活性層を除くｐ型層、及び／又はｎ型層に超格子層を用いることにより、超格子層を用いた層の結晶性を良好にでき、前記問題を解決できることを新たに見いだし本発明を成すに至った。
すなわち、本発明に係る請求項１記載の窒化物半導体素子は、 基板上に、バッファ層と、表面に電極が形成されるｎ側コンタクト層を含む１又は多層のｎ型窒化物半導体層と、活性層と、１又は多層のｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子において、 前記バッファ層と前記ｎ側コンタクト層の間に、前記ｎ側コンタクト層に比較して不純物濃度が低い窒化物半導体からなる第２のバッファ層を有し、該第２のバッファ層上に直接前記ｎ側コンタクト層が形成されており、前記バッファ層はＧａＮよりなり、前記第２のバッファ層は、窒化物半導体からなる第１の層と、該第１の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層とが積層された超格子層であり、前記第１の層及び前記第２の層の内の少なくとも一方に、該層の導電型をｎ型に設定する不純物がドープされており、前記第１の層及び前記第２の層の前記不純物の濃度が互いに異なることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の窒化物半導体素子において、前記第２のバッファ層が前記バッファ層より厚いとしたものである。
【０００８】
さらに、本発明に係る請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子において、前記第２のバッファ層の膜厚が０．１μｍ以上、２０μｍ以下であるとしたものである。
【０００９】
また、本発明に係る請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記第１の層及び第２の層は、膜厚１００オングストローム以下であるとしたものである。
【００１０】
また、本発明に係る請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記第２のバッファ層はＩｎ _Ｘ Ａｌ _Ｙ Ｇａ _{１−Ｘ−Ｙ} Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成されるとしたものである。
【００１１】
また、本発明に係る請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の窒化物半導体素子において、前記第２のバッファ層は、アンドープでＹ値が０．１以下のＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎで構成されるとしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子について説明する。
実施形態１．
図１は、本発明に係る実施形態１の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図であり、該窒化物半導体素子は、基本的な構造として、サファイアよりなる基板１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層３、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層４、互いに組成の異なる第１の層と第２の層とが積層された超格子層よりなるｐ側クラッド層５、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層６とが順に積層されているＬＥＤ素子である。なお、実施形態１の窒化物半導体素子において、ｐ側コンタクト層６表面のほぼ全面には、透光性の全面電極７が形成され、全面電極７の表面にはボンディング用のｐ電極８が設けられており、さらにｐ側コンタクト層６より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ側コンタクト層２の表面にはｎ電極９が設けられている。
【００２１】
ここで、実施形態１の窒化物半導体素子は、例えばｐ型不純物としてＭｇをドープしたＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる膜厚３０オングストロームの第１の層と、同じくｐ型不純物としてＭｇを第１の層と同量でドープしたｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）よりなる膜厚３０オングストロームの第２の層とが積層された超格子層で構成された低い抵抗値を有するｐ側クラッド層５を備えているので、Ｖｆを低くできる。このように超格子層をｐ層側に形成する場合は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等のｐ型不純物を第１の層、及び／又は第２の層にドープしてｐ型の導電型を有する超格子層とする。積層順としては、第１＋第２＋第１・・・、若しくは第２＋第１＋第２・・・の順でも良く、少なくとも合計２層以上積層する。
【００２２】
尚、超格子層を構成する窒化物半導体よりなる第１の層及び第２の層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる層及びＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）よりなる層に限定されるわけではなく、互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良い。また、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば、第１の層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、第２の層をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）で構成すると、第２の層のバンドギャップエネルギーが必ず第１の層よりも大きくなるが、第１の層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、第２の層をＩｎ_ＺＡｌ_１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。また第１の層をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）で構成し、第２の層をＩｎ_ＺＡｌ_１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、同様に第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。すなわち、本発明は、後述する作用を有する超格子層であれば、第１の層と第２の層のバンドギャップエネルギーが同じであっても、異なっていても良い。以上のように、ここで言う超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いために、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通常、格子不整に伴う歪みを有するので歪み超格子とも呼ばれる。本発明において、第１の層、第２の層のＮ（窒素）を一部Ａｓ、Ｐ等のV族元素で置換してもＮが存在している限り窒化物半導体に含まれる。
【００２３】
本発明において、超格子層を構成する第１の層、第２の層の膜厚は、１００オングストロームよりも厚いと、第１の層及び第２の層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、該膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすくなるので、１００オングストローム以下の膜厚に設定することが好ましい。また、第１の層、第２の層の膜厚の下限は特に限定されず１原子層以上であればよい。しかしながら、本発明では、第１の層、第２の層の膜厚は、１００オングストロームであると窒化物半導体の臨界（弾性歪み）限界膜厚に十分に達しておらず、弾性歪み限界膜厚以下にして窒化物半導体の結晶欠陥をより少なくするため７０オングストローム以下に設定することが好ましく、さらに好ましくはより薄く設定し、４０オングストローム〜１０オングストロームに設定することが最も好ましい。また、本発明では、１０オングストローム以下（１原子層又は２原子層）に設定してもよいが、１０オングストローム以下に設定すると、例えば、５００オングストローム以上の膜厚のクラッド層を超格子層で形成する場合、積層数が多くなるり、製造工程上、形成時間及び手間がかかるので、第１の層、第２の層の膜厚は、１０オングストロームより厚く設定することが好ましい。
【００２４】
図１に示す本実施形態１の窒化物半導体素子の場合、超格子層よりなるｐ型クラッド層５は、活性層４と電流注入層であるｐ側コンタクト層６との間に形成されて、キャリア閉じ込め層として作用している。このように、特に超格子層をキャリア閉じ込め層とする場合には、超格子層の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくする必要がある。窒化物半導体では、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ等のＡｌを含む窒化物半導体が、比較的大きなバンドギャップエネルギーを有するので、キャリア閉じ込め層としてこれらの層が用いられる。しかし、従来のようにＡｌＧａＮ単一で厚膜を成長させると結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。
【００２５】
そこで、本発明では、超格子層の第１の層、及び第２の層の内の少なくとも一方を少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）を弾性歪み限界以下の膜厚で形成して超格子層を構成することにより、クラックの少ない非常に結晶性の良い超格子層を成長形成させ、しかもバンドギャップエネルギーが大きな層を形成している。この場合さらに好ましくは、第１の層にＡｌを含まない窒化物半導体層を１００オングストローム以下の膜厚で成長させると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる第２の層を成長させる際のバッファ層としても作用し、第２の層にクラックを入りにくくする。そのため第１の層と第２の層とを積層してもクラックのない結晶性のよい超格子層を形成できる。従って、本実施形態１では、超格子層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）からなる第１の層（第２の層）とＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ≠Ｙ＝０）からなる第２の層（第１の層）とすることが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態１の窒化物半導体素子において、超格子層であるｐ側クラッド層５を構成する第１の層及び第２の層の内の少なくとも一方の層には、キャリア濃度を調整するために、該層の導電型をｐ型に設定するｐ型の不純物がドープされることが好ましい。また、第１の層と第２の層とにｐ型の不純物をドープする場合、第１の層と第２の層とで異なる濃度でドープてもよく、さらに、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギーが異なる場合には、バンドギャップエネルギーが大きな層の方を高濃度とすることが望ましい。なぜなら、第１の層、第２の層にそれぞれ異なる濃度で不純物をドープすると、変調ドーピングによる量子効果によって、一方の層のキャリア濃度が実質的に高くなり超格子層全体の抵抗値を低下させることができるからである。このように、本発明では、第１の層と、第２の層の両方に不純物を異なる濃度でそれぞれドープしても良いし、第１の層、第２の層のいずれか一方に不純物をドープしても良い。
【００２７】
なお、第１の層及び第２の層にドープされる不純物濃度は、特に本発明はこれに限定されないが、ｐ型不純物で通常、１×１０^１６／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３、さらに好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３、最も好ましくは１×１０^１８／ｃｍ^３〜２×１０^２０／ｃｍ^３の範囲に調整することが望ましい。１×１０^１６／ｃｍ^３よりも少ないとＶｆ、閾値電圧を低下させる効果が得られにくく、１×１０^２２／ｃｍ^３よりも多いと超格子層の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。またｎ型不純物も同様の範囲に調整することが望ましい。理由は同じである。
【００２８】
しかしながら、本発明では、超格子層には、第１の層及び第２の層に導電型を決定する不純物がドープされていなくてもよい。この不純物がドープされない超格子層は、ｎ型窒化物半導体層領域であれば活性層と基板との間におけるいずれの層であってもよく、一方、ｐ型窒化物半導体層領域であれば、キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）と、活性層との間におけるいずれの層であってもよい。
【００２９】
以上のように構成された超格子層は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層して形成しているので、結晶の格子欠陥を低下させることができ、かつ微少なクラックを減少させることができ、結晶性を飛躍的に良くすることができる。この結果、結晶性をあまり損なうことなく、不純物のドープ量を多くでき、これによって、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層のキャリア濃度を増加させることができ、かつ該キャリアが結晶欠陥によって散乱されることなく移動できるので、超格子構造を有しないｐ型又はｎ型の窒化物半導体に比較して抵抗率を１桁以上低くすることができる。
【００３０】
従って、本実施形態１の窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）では、従来、低抵抗な窒化物半導体層を得ることが困難であったｐ層側（ｐ型半導体層領域（ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とからなる領域））のｐ型クラッド層５を超格子層を用いて形成して、該ｐ型クラッド層５の抵抗値を低くすることにより、Ｖｆを低くすることができる。つまり、ｐ型窒化物半導体は、ｐ型結晶が非常に得られにくい半導体であり、得られたとしても、ｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上高い。そのためｐ型の超格子層をｐ層側に形成することにより、超格子層で構成されたｐ型層を極めて低抵抗にすることができ、Ｖｆの低下が顕著に現れる。従来、ｐ型結晶を得るため技術として、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去することによりｐ型の窒化物半導体を作製する技術が知られている（特許第２５４０７９１号）。しかし、ｐ型の窒化物半導体が得られたといってもその抵抗率は、数Ω・ｃｍ以上もある。そこで、このｐ型層をｐ型の超格子層とすることにより結晶性が良くなり、我々の検討によると、該ｐ層の抵抗率を従来に比較して、１桁以上低くすることができ、Ｖｆの低下させる効果が顕著に現れる。
【００３１】
また、本実施形態１では、前記のように好ましくは第１の層（第２の層）をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とし、第２の層（第１の層）をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ≠Ｙ＝０）で構成することにより、結晶性のよいクラックのない超格子層を形成することができるので、素子寿命を向上させることができる。
【００３２】
次に、我々が以前に出願した特許公報を含む公知文献に開示された従来例と本発明とを比較して説明する。
まず、本発明に類似した技術として、我々は先に特開平８−２２８０４８号を提案した。この技術は活性層を挟むｎ型クラッド層の外側、及び／又はｐ型クラッド層の外側（つまり活性層からより離れた側）にレーザ光の光反射膜としてＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等よりなる多層膜を形成する技術である。この技術は光反射膜として多層膜を形成するので、その各層の膜厚がλ／４ｎ（ｎ:窒化物半導体の屈折率、λ：波長）で設計されるため非常に厚い。従って多層膜の各膜厚が弾性歪み限界以下の膜厚ではない。また、ＵＳＰ ５，１４６，４６５号には活性層をＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなるミラーで挟んだ構造のレーザ素子が記載されている。この技術も前技術と同様にＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮをミラーとして作用させるために、各層の膜厚を厚くしなければならない。さらにＡｌＧａＮのような硬い半導体をクラックなしに何層も積層することは非常に難しい。
【００３３】
一方、本実施形態では超格子層を構成するように第１と第２の層の各膜厚を、設定（好ましくは、両方とも１００オングストローム以下と臨界膜厚以下に設定する。）しており、前記技術とは異なる。本発明では超格子層を構成する窒化物半導体の歪み超格子による効果を利用し、結晶性を向上させて、Ｖｆを低下させている。
【００３４】
さらに、特開平５−１１０１３８、特開平５−１１０１３９号公報には薄膜のＡｌＮとＧａＮとを積層してＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮの結晶を得る方法が記載されている。この技術は、所定の混晶比のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮの混晶を得るために、数十オングストロームの膜厚のＡｌＮ、ＧａＮを積層する技術であって本発明の技術とは異なる。しかもＩｎＧａＮよりなる活性層を有していないので、超格子層にクラックが入りやすい。また、特開平６−２１５１１号、６−２６８２５７号公報ではＧａＮとＩｎＧａＮ、若しくはＩｎＧａＮとＩｎＧａＮとを積層した多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造の発光素子が記載されている。本発明では活性層以外の層を多重量子井戸構造とする技術であり、この技術とも異なる。
【００３５】
さらに本発明の素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層に備える場合に、超格子の効果が顕著に現れる。ＩｎＧａＮ活性層はバンドギャップエネルギーが小さく窒化物半導体素子の活性層としては最も適している。そのためＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮと、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなる超格子層を、活性層を挟設する層として形成すると、活性層とバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層がレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作する（実施形態２の窒化物半導体素子に適用）。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。逆にＡｌＧａＮのような窒化物半導体を活性層とすると、その結晶の性質が硬いために結晶全体にクラックが入りやすくなる傾向にある。
【００３６】
さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・cm以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００３７】
以上、詳述したように、本実施の形態１の窒化物半導体素子では、ｐ型クラッド層５を第１の層と第２の層とが積層された超格子層で構成しているので、該ｐ型クラッド層５を極めて低抵抗にでき、該素子のＶｆを低くできる。
【００３８】
以上の実施形態１では、ｐ側クラッド層５に超格子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ｐ側コンタクト層６にｐ型の超格子層を用いてもよい。すなわち、電流（正孔）が注入されるｐ側コンタクト層６も例えばＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮよりなる第１の層と、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなる第２の層とが積層されたｐ型の超格子層とすることもできる。ｐ型コンタクト層６を超格子層として、第１の層のバンドギャップエネルギーが第２の層よりも小さい場合、バンドギャップエネルギーが小さいＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮよりなる第１の層を最表面にしてｐ電極と接触する層とすることが好ましく、これによって、ｐ電極との接触抵抗が小さくなり好ましいオーミックが得られる。これはバンドギャップエネルギーが小さい第１の層の方が、第２の層よりもキャリア濃度の高い窒化物半導体層が得られやすい傾向にあるからである。また、本発明では、ｐ型窒化物半導体層領域に、上述のｐ側クラッド層及びｐ側コンタクト層以外のｐ型窒化物半導体層をさらに形成する場合は、該ｐ型窒化物半導体層を超格子層で構成してもよい。
【００３９】
以上の実施形態１では、ｐ側クラッド層５に超格子層を用いたが、本発明はｐ型窒化物半導体層領域に限らず、ｎ型窒化物半導体領域のｎ側コンタクト層３にｎ型の超格子層を用いてもよい。このように、ｎ側コンタクト層３を超格子層とする場合は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を第１の層及び／又は第２の層にドープして、ｎ型の導電型を有する超格子層を基板１と活性層４との間にｎ型コンタクト層３として形成することができる。この場合、特にｎ型コンタクト層３を不純物濃度が異なる超格子層とすると横方向の抵抗値が低下して、ＬＤでは閾値電圧、電流が低下する傾向にあることが確認された。
【００４０】
これは、バンドギャップエネルギーの大きな層の方に、多くｎ型不純物をドープした超格子層をｎ層側のコンタクト層として形成した場合について、以下のようなＨＥＭＴ（High-Electron-Mobility-Transistor）に類似した作用が出現した効果が推察される。ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第１の層（第２の層）と、バンドギャップが小さいアンドープ｛（ｕｎｄｏｐｅ）；以下、不純物がドープされていない状態をアンドープという｝の第２の層（第１の層）とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ（１００オングストローム）前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下すると推察される。
【００４１】
また、本発明において、ｎ型窒化物半導体層領域にｎ側のクラッド層を設ける場合は、該ｎ側のクラッド層を超格子層としてもよい。ｎ型窒化物半導体層領域にｎ側コンタクト層及びｎ側クラッド層以外のｎ型窒化物半導体層を形成する場合は、該ｎ型窒化物半導体層を超格子層としてもよい。しかし、ｎ型窒化物半導体層領域に超格子層からなる窒化物半導体層を設ける場合、キャリア閉じ込め層としてのｎ側クラッド層、若しくは電流（電子）が注入されるｎ側コンタクト層３を超格子構造とすることが望ましいことはいうまでもない。
【００４２】
このように、超格子層を活性層４と基板１との間のｎ型窒化物半導体層領域にに設ける場合、超格子層を構成する第１の層、第２の層には不純物をドープしなくても良い。なぜなら窒化物半導体はアンドープでもｎ型になる性質があるからである。但し、ｎ層側に形成する場合においても上述のように、第１の層、第２の層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープして、不純物濃度の差を設ける方が望ましい。
【００４３】
以上のように、超格子層をｎ型窒化物半導体層領域に形成した場合の効果は、超格子層をｐ型窒化物半導体層領域に設けた場合と同様に、結晶性の向上が挙げられる。詳細に説明すると、ヘテロ接合を有する窒化物半導体素子の場合、通常ｎ型、ｐ型のキャリア閉じ込め層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮで構成される。ＡｌＧａＮは結晶成長が非常に難しく、例えば単一組成で０．５μｍ以上の膜厚で成長させようとすると、結晶中にクラックが入りやすくなる性質がある。しかしながら、本発明のように第１の層と、第２の層とを弾性歪み限界以下の膜厚で積層して超格子層とすると、単一の第１の層、第２の層のみで結晶性の良いものが得られるため、全体を膜厚の厚い超格子層としても結晶性が良いままでクラッド層が成長できる。そのため全体の窒化物半導体の結晶性が良くなってｎ型領域の移動度が大きくなるので、その超格子層をクラッド層とした素子でＶｆが低下する。さらに、超格子層にＳｉ、Ｇｅの不純物をドープして、超格子層をコンタクト層とした場合には前記したＨＥＭＴに類似した効果が顕著に現れてくるようになると思われ、閾値電圧、Ｖｆをさらに低下させることができる。
【００４４】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００４５】
実施形態２．
次に、本発明に係る実施形態２について説明する。
図２は、本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図（レーザ光の共振方向に垂直な断面）であり、該窒化物半導体素子は、例えば、Ｃ面を主面とするサファイヤ等の基板１０上に、ｎ型窒化物半導体層領域（ｎ側コンタクト層１２、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５からなる。）とｐ型窒化物半導体領域（キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０からなる。）とによって挟設された窒化物半導体からなる活性層１６を備えた窒化物半導体レーザダイオード素子である。
【００４６】
ここで、本実施形態２の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層領域におけるｎ側クラッド層１４を超格子層で形成し、かつｐ型窒化物半導体領域におけるｐ側クラッド層１９を超格子層で形成することにより、ＬＤ素子である窒化物半導体素子の閾値電圧を低く設定している。以下この図２を参照して本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子について詳細に説明する。
【００４７】
この実施形態２の窒化物半導体素子においては、まず、基板１０上にバッファ層１１と第２のバッファ層１１２を介してｎ側コンタクト層１２が形成され、さらにｎ側コンタクト層１２上に、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５が積層されて、ｎ型窒化物半導体層領域が形成される。尚、クラック防止層１３の両側に露出されたｎ側コンタクト層１２の表面にはそれぞれ、ｎ側コンタクト層１２とオーミック接触するｎ側電極２３が形成され、該ｎ側電極２３上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｎ側パッド電極が形成される。そして、ｎ側光ガイド層１５上に窒化物半導体からなる活性層１６が形成され、さらに該活性層１６上に、キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０が積層されてｐ型窒化物半導体層領域が形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２０上に該ｐ側コンタクト層２０とオーミック接触するｐ側電極２１が形成され、該ｐ側電極２１上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｐ側パッド電極が形成される。なお、ｐ側コンタクト層２０とｐ側クラッド層１９の上部とによって、共振方向に長く伸びた峰状のリッジ部が構成され、該リッジ部を形成することによって、活性層１６において、光りを幅方向（共振方向に直交する方向）に閉じ込め、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
【００４８】
次に、実施形態２の窒化物半導体素子の各構成要素について説明する。
（基板１０）
基板１０にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００４９】
（バッファ層１１）
バッファ層１１は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で成長させて、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形成する。このバッファ層１１は、基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成するが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略することも可能である。
【００５０】
（第２のバッファ層１１２）
第２のバッファ層１１２は、前記バッファ層１１の上に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、バッファ層１１よりも厚膜を有する。この第２のバッファ層１１２は次に成長させるｎ側コンタクト層１２よりもｎ型不純物濃度が少ない層とするか、若しくはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体層、好ましくはＧａＮ層とすると、第２のバッファ層１１２の結晶性が良くなる。最も好ましくはｎ型不純物をアンドープのＧａＮとすると最も結晶性が良い窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成するｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、ｎ側コンタクト層１２層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第２のバッファ層１１２を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いｎ側コンタクト層１２を成長させることができる。この第２のバッファ層１１２の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第２のバッファ層１１２が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きいｎ型コンタクト層１２を厚く成長させなければならず、ｎ側コンタクト層１２の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第２のバッファ層１１２自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第２のバッファ層１１２を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第２のバッファ層１１２で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第２のバッファ層１１２内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第２のバッファ層１１２は、基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。
【００５１】
（ｎ側コンタクト層１２）
ｎ側コンタクト層１２は負電極を形成するコンタクト層として作用する層であり、０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２よりも薄いと、後で負電極を形成する際に、この層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。このｎ側コンタクト層１２の窒化物半導体にドープするｎ型不純物の範囲は１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３の範囲、さらに好ましくは、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３に調整することが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、１×１０^２１／ｃｍ^３よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。なおｎ側コンタクト層１２においては、ｎ電極２３とのオーミック接触抵抗を小さくするために、該ｎ側コンタクト層１２のキャリア濃度を上げる不純物の濃度を、ｎクラッド層１４よりも大きくすることが望ましい。なお、ｎ側コンタクト層１２は基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層としてではなくバッファ層として作用する。
【００５２】
また、第２のバッファ層１１、及びｎ側コンタクト層１２の内の少なくとも一方の層を、超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結晶性が飛躍的に良くなり、閾値電流が低下する。好ましくは第２のバッファ層１１よりも膜厚が薄いｎ側コンタクト層１２の方を超格子層とする。ｎ側コンタクト層１２を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とが積層されてなる超格子構造とした場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギーの小さな層を露出させてｎ電極２３を形成することにより、ｎ電極２３との接触抵抗が低くでき閾値を低下させることができる。なおｎ型窒化物半導体と好ましいオーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ，Ｔｉ，Ｗ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎ等の金属若しくは合金が挙げられる。
【００５３】
また、ｎ型コンタクト層１２を不純物濃度が異なる超格子層とすることにより、実施形態１において説明したＨＥＭＴに類似した効果により横方向の抵抗値を低くでき、ＬＤ素子の閾値電圧、電流を低くすることができる。
【００５４】
（クラック防止層１３）
クラック防止層１３は、例えば、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなり、例えば、５００オングストロームの膜厚を有する。このクラック防止層１３はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを成長させて形成することにより、その上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なお、このクラック防止層１３は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１３は、本実施形態１のようにｎ側コンタクト層１２を超格子とする場合、または次に成長させるｎ側クラッド層１４を超格子層とする場合には省略してもよい。
【００５５】
（ｎ型超格子からなるｎ側クラッド層１４）
ｎ側クラッド層は、例えばＳｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型Ａ１０．２Ｇａ０．８Ｎからなり、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層、及びアンドープのＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層よりなり、全体で例えば０．５μｍの膜厚を有する。このｎ型クラッド層１４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層をＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより良好なキャリア閉じ込め層が成長できる。このｎ型クラッド層１４は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
【００５６】
（ｎ側光ガイド層１５）
ｎ側光ガイド層１５は、例えば、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮからなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｎ側光ガイド層６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させて形成することが望ましく、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、この光ガイド層１５も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。また、この光ガイド層１５は、アンドープの窒化物半導体単独若しくはアンドープの窒化物半導体が積層された超格子でもよい。
【００５７】
（活性層１６）
活性層１６は、例えば、Ｓｉを８×１０^１８／ｃｍ^３でドープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、２５オングストロームの膜厚を有する井戸層と、Ｓｉを８×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５１Ｇａ_０．９５Ｎよりなり、５０オングストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で構成する。活性層１６においては、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。また、このように活性層１６を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、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、最も好ましくは、５０オングストローム以下にする。障壁層の厚さは１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オングストローム以下にする。
【００５８】
（ｐ側キャップ層１７）
ｐ側キャップ層１７は、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなり、例えば、２００オングストロームの膜厚を有する。本実施形態２では、このように、キャップ層１７を用いることが好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成されるので、本発明では、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１７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１７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、ｐ側キャップ層１７の膜厚が、０．１μｍ以上であると、キャリアがこのエネルギーバリアとなるｐ型キャップ層１７をトンネル効果により通過できなくなるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過を考慮すると、上述したように５００オングストローム以下、さらには３００オングストローム以下に設定することが好ましい。
【００５９】
また、ｐ側キャップ層１７には、ＬＤ素子を発振しやすくするために、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮを用いて形成することが好ましく、該ＡｌＧａＮを薄く形成する程、ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Ｙ値が０．２以上のＡｌ_ＹＧａ_１−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１７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。
【００６０】
（ｐ側光ガイド層１８）
ｐ側光ガイド層１８は、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｐ側光ガイド層１８は、活性層１６の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させて形成することが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層１９を成長させる際のバッファ層としても作用し、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により、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００６１】
（ｐ側クラッド層１９＝超格子層）
ｐ側クラッド層１９は、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、例えば、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層と、例えばＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層からなる。このｐ側クラッド層１９は、ｎ側クラッド層１４と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層１９の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で形成することが望ましい。
【００６２】
（ｐ側コンタクト層２０）
ｐ側コンタクト層２０は、ｐ側クラッド層１９の上に、例えば、Ｍｇを２×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、例えば、１５０オングストロームの膜厚を有する。このｐ側コンタクト層２０はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができ、好ましくは、上述のようにＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・ｃｍ以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００６３】
なお、本発明では、ｐ側コンタクト層２０も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極２１と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極２１の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００６４】
また、本実施形態２では、図２に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５に形成された開口部を介してｐ電極２１と電気的に接続されたｐパッド電極２２、及びｎ電極２３と接続されたｎパッド電極２４が形成される。このｐパッド電極２２は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにし、一方ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止する。
【００６５】
以上の実施形態２の窒化物半導体素子は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、結晶性のよいｐ型クラッド層１９を備えている。これによって、本実施形態２の窒化物半導体素子は、ｐ側クラッド層１９の抵抗値を、超格子構造を有しないｐ側クラッド層に比較して１桁以上低くすることができるので、閾値電圧、電流を低くすることができる。
【００６６】
また、本実施形態２の窒化物半導体素子ではｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮを含むｐ側クラッド層１９に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層２０として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄く形成することにより、実質的にｐ側コンタクト層２０のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧を低くすることができる。さらに、ｎ側コンタクト層を成長させる前に、第２のバッファ層１１２を備えているので、第２のバッファ層１１２の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を実現できる。好ましくは、第２のバッファ層１１２の上に成長させるｎ側コンタクト層を超格子とすると、横方向の抵抗値が低くなり、閾値電圧・閾値電流の低い素子が実現できる。
【００６７】
なお、本実施形態２のＬＤ素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層１６に備える場合には、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮと、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮとが交互に積層された超格子層を、活性層１６を挟設する層（ｎ側クラッド層１４及びｐ側クラッド層１９）として用いることが好ましい。これによって、活性層１６と該超格子層とのバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。これによって、ＬＤ素子の寿命を長くすることができる。
【００６８】
本実施形態２のように量子井戸構造を有する活性層１６を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場合、その活性層１６に接して、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７を設け、そのｐ側キャップ層１７よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層１７よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層１８を設け、そのｐ側光ガイド層１８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層１８よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子構造を有するｐ側クラッド層１９を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層１７のバンドギャップエネルギーを大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子が、このｐ側キャップ層１７で阻止されて閉じ込められ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【００６９】
以上の実施形態２の窒化物半導体素子では、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、本発明ではｎ型の超格子層は活性層１６から下のｎ型窒化物半導体層領域（ｎ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、またｐ型の超格子層も活性層１６から上のｐ型窒化物半導体層領域（ｐ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但し、前記超格子層はｐ層側に形成する場合はキャリア閉じ込め層としてのｐ側クラッド層１９に形成し、ｎ層側に形成する場合はｎ電極２３が接した電流注入層としてのｎコンタクト層１２、またはキャリア閉じ込めとしてのｎクラッド層１４として形成することが素子のＶｆ、閾値を低下させる上で最も好ましい傾向にある。また、実施形態２の素子と同様の構成を、ＬＥＤ素子に適用できることはいうまでもない（ただし、ＬＥＤ素子では、リッジ部は必要ない）。
【００７０】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体素子では、各層が形成された後、Ｈを含まない雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、４００℃以上、例えば７００℃でアニーリングを行うことが好ましく、これによって、ｐ型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、これによって、さらに閾値電圧を低くすることができる。
【００７１】
また、実施形態２の窒化物半導体素子では、ｐ側コンタクト層１２の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１がストライプ状に形成され、このｐ電極２１に対して左右対称にｎ側コンタクト層を露出させて、そのｎ側コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極２３を設けている。このように、絶縁性基板を用いた場合ｐ電極２１の両側に左右対称にｎ電極２３を設ける構造は、閾値電圧を低くする上で非常に有利である。
【００７２】
なお、本実施形態２では、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開した劈開面（共振器面）にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成してもよい。
【００７３】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００７４】
【実施例】
以下、実施例において本発明を詳説する。
［実施例１］
本発明に係る実施例１は図２に示す窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の作成例であり、以下の手順で作製される。
まず、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０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。
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（ＮＨ_３）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１０上にＧａＮよりなる第１のバッファ層１１を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７５】
バッファ層１１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、キャリア濃度１×１０^１８／cm^３のアンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層１１２を５μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層はＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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、好ましくはアンドープでＡｌ（Ｙ値）が０．１以下のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ、最も好ましくはアンドープのＧａＮとする。
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１２を１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層１２は超格子で形成するとさらに好ましい。
【００７６】
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
そして温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡ、シランを止め、アンドープＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
【００７７】
続いて、１０５０℃でＳｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０^１８／cm^３でドープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【００７８】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００７９】
続いて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成する。
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８０】
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。
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装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９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。
【００８１】
次に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側コンタクト層１２の表面を露出させる。
次にｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３をストライプ状のｎ側コンタクト層３のほぼ全面に形成する。
【００８２】
次に、図２に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、及びｎパッド電極２４を形成する。
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１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。
【００８３】
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ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、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２．９ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．４Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５０時間以上の寿命を示した。
【００８４】
（比較例１）
一方、第２のバッファ層１１２を成長させず、さらにｎ側コンタクト層１２をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ単一で５μｍ成長させ、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／m^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、さらにｐ側コンタクト層２０をＭｇを２×１０^２０／cm^３ドープした単一のｐ型ＧａＮを０．２μｍ成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。つまり基本構成として、表１に示すように構成する。
【００８５】
【表１】

【００８６】
このように構成した比較例のレーザ素子は、閾値電流密度７ｋＡ／cm^２で連続発振が確認されたが、閾値電圧は８．０Ｖ以上あり、数分で切れてしまった。
【００８７】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側コンタクト層１２を、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる第１の層を３０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を３０オングストロームの膜厚で成長させて、これを繰り返し、総膜厚１．２μｍの超格子構造とする。それ以外の構造は実施例１と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度２．７ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．２Ｖで、寿命も６０時間以上を示した。
【００８８】
［実施例３］
実施例２において、ｎ側コンタクト層１２を構成する超格子において、第２の層をＳｉを１×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮとする他は、実施例２と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００８９】
［実施例４］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を、Ｓｉを１×１０^１７／cm^３ドープしたＧａＮとして、４μｍ成長させる他は、実施例１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．５Ｖに上昇したが、寿命は５０時間以上を示した。
【００９０】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側コンタクト層１２を、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させて、順次これを繰り返し、総膜厚２μｍの超格子構造とする。そして、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる。それ以外の構造は実施例１と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度３．２ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．８Ｖで、寿命も３０時間以上を示した。
【００９１】
［実施例６］
実施例６は、実施例１と比較して、以下の（１）、（２）が異なる他は、実施例１と同様に構成される。
（１）バッファ層１１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、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、シラン、ＴＭＡを止めアンドープのＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、それぞれ第１の層を５００層、第２の層を５００層交互に積層し、総膜厚５μｍの超格子よりなるｎ側コンタクト層１２を形成する。
（２）次に、実施例１と同様にして、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
そして、温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなるｎ側クラッド層１４を０．５μｍの膜厚で成長させる。
後の、ｎ側クラッド層１４から上は、実施例１のレーザ素子と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり表１の基本構造において、ｎ側コンタクト層１２、及びｐ側クラッド層１９を超格子とし、ｐ側コンタクト層２０の膜厚を実施例１のように１５０オングストロームとするレーザ素子を作製する。このレーザ素子は閾値電流密度３．２ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．８Ｖで、４０５ｎｍの連続発振が確認され、寿命も３０時間以上を示した。
【００９２】
さらに、実施例６の構造のＬＤ素子のｐ側コンタクト層の膜厚を順次変更した際、そのｐ側コンタクト層の膜厚と、ＬＤ素子の閾値電圧との関係を図３に示す。これはｐ側コンタクト層が、左から順にＡ（１０オングストローム以下）、Ｂ（１０オングストローム）、Ｃ（３０オングストローム）、Ｄ（１５０オングストローム、本実施例）、Ｅ（５００オングストローム）、Ｆ（０．２μｍ）、Ｇ（０．５μｍ）、Ｈ（０．８μｍ）の場合の閾値電圧を示している。この図に示すように、ｐ側コンタクト層の膜厚が５００オングストロームを超えると閾値電圧が次第に上昇する傾向にある。ｐ側コンタクト層２０の膜厚は５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下であることが望ましい。なお１０オングストローム以下（およそ１原子層、２原子層近く）になると、下部のｐ側クラッド層１９の表面が露出してくるため、ｐ電極のコンタクト抵抗が悪くなり、閾値電圧は上昇する傾向にある。しかしながら、本発明のＬＤ素子では超格子層を有しているために、閾値電圧が比較例のものに比べて大幅に低下している。
【００９３】
（比較例２）
表１の構成のレーザ素子において、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を１８０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてアンドープのＧａＮよりなる第２の層を１２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの多層膜とする。つまり第１の層と第２の層の膜厚を厚くした構造で構成してレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度６．５ｋＡ／cm^２で連続発振が確認され、閾値電圧が７．５Ｖであった。なおこのレーザ素子は数分で切れてしまった。
【００９４】
［実施例７］
実施例６において、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、６０オングストロームよりなる第１の層と、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮ、４０オングストロームよりなる第２の層とを積層した総膜厚０．５μｍの超格子構造とする他は実施例６と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例６のｐ側クラッド層１９を構成する超格子層の膜厚を変える他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電圧が実施例６のレーザ素子に比較して若干上昇する傾向にあったが、２０時間以上の寿命を示した。
【００９５】
［実施例８］
実施例７において、さらにｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、６０オングストロームよりなる第１の層と、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ、４０オングストロームよりなる第２の層とを積層した総膜厚０．５μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例６のｎ側コンタクト層１２、ｐ側クラッド層１９に加えてｎ側クラッド層を超格子としたレーザ素子は、実施例６とほぼ同等の特性を有していた。
【００９６】
［実施例９］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を成長させずに、表１に示すように、第１のバッファ層１１の上に、直接ｎ側コンタクト層１２としてＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍ成長させる。その他は、実施例１と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４を２０オングストロームのＳｉ（１×１０^１９／cm^３）ドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層と、２０オングストロームのアンドープＧａＮよりなる第２の層とを積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。さらにｐ側クラッド層１９を２０オングストロームのＭｇ（１×１０^２０／cm^３）ドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層と、２０オングストロームのＭｇ（１×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮよりなる第２の層とを積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。さらにまたｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、閾値電流密度３．３ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．０Ｖ、寿命も３０時間以上を示した。
【００９７】
［実施例１０］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４の超格子を構成する第２の層を、Ｓｉを１×１０^１７／cm^３ドープしたＧａＮとする他は、実施例９と同様のレーザ素子を作製する。つまりバンドギャップエネルギーの大きい方の層に、Ｓｉを多くドープする他は、実施例９と同様にして作製したレーザ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を示した。
【００９８】
［実施例１１］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層を、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎとする他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまりｎ側クラッド層１４の超格子を構成する第２の層の組成をＩｎＧａＮとし、第１の層と第２の層との不純物濃度を同じにする他は、実施例９と同様にして作製したレーザ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を示した。
【００９９】
［実施例１２］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４を構成する第１の層（Ｓｉ：１×１０^１９／cm^３ドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープした４０オングストロームのＧａＮとし、総膜厚０．５μｍの超格子構造とする。さらにｐ側クラッド層１９を構成する第１の層（Ｍｇ：１×１０^２０／cm^３ドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層（Ｍｇ：１×１０^２０／cm^３ドープ：ＧａＮ）の膜厚を４０オングストロームとし、総膜厚０．５μｍの超格子構造とする。つまりｎ側クラッド層１４を構成する第１の層と第２の層のドープ量を同じにして、膜厚を変化させ、ｐ側クラッド層１９を構成する第１の層と第２の層との膜厚を変化させる他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度３．４ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．２Ｖ、寿命も２０時間以上を示した。
【０１００】
［実施例１３］
実施例１１において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層（ＧａＮ）のＳｉ濃度を１×１０^１７／cm^３とする他は実施例１１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例１１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【０１０１】
［実施例１４］
実施例１１において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層（ＧａＮ）をアンドープとする他は実施例１１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例１１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【０１０２】
［実施例１５］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表１の基本構造において、ｐ側クラッド層１９のみを実施例１のようにＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０^１９／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとからなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とし、さらに、ｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、同じく閾値電流密度３．４ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．１Ｖ、寿命は２０時間以上を示した。
【０１０３】
［実施例１６］
実施例１５において、ｐ側クラッド層１９を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を６０オングストロームとし、第２の層（ＧａＮ）を４０オングストロームとして積層し、総膜厚０．５μｍとする他は実施例１４と同様のレーザ素子を得たところ、閾値電圧は若干上昇する傾向にあったが、寿命は２０時間以上あった。
【０１０４】
［実施例１７］
実施例９において、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４のみを実施例１のようにＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとからなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とし、さらに、ｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、同じく閾値電流密度３．５ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．４Ｖ、寿命は１０時間以上を示した。
【０１０５】
［実施例１８］
実施例１７において、ｎ側クラッド層１４を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を７０オングストロームとし、第２の層をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、７０オングストロームとして積層し、総膜厚０．４９μｍとする他は実施例１７と同様のレーザ素子を得たところ、実施例１６に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく１０時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０６】
［実施例１９］
実施例１７において、ｎ側クラッド層１４を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を６０オングストロームとし、第２の層（アンドープＧａＮ）を４０オングストロームとして積層し、総膜厚０．５μｍとする他は実施例１６と同様のレーザ素子を得たところ、実施例１７に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく１０時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０７】
［実施例２０］
実施例９において、さらにｎ側光ガイド層１５をアンドープのＧａＮよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる第２の層、２０とを積層してなる総膜厚８００オングストロームの超格子層とする。それに加えて、ｐ側光ガイド層１８もアンドープのＧａＮよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる第２の層、２０オングストロームとを積層してなる総膜厚８００オングストロームの超格子構造とする。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４、ｎ側光ガイド層１５、ｐ側光ガイド層１８、及びｐ側クラッド層１９とを超格子構造とし、さらにまたｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は４．４Ｖ、寿命も６０時間以上を示した。
【０１０８】
［実施例２１］
本実施例は図１のＬＥＤ素子を元に説明する。実施例１と同様にしてサファイアよりなる基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ、次いでＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるコンタクト層を５μｍの膜厚で成長させ、次にＩｎ_０．４Ｇａ_０．６Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層４を成長させる。
【０１０９】
（ｐ側超格子層）
次に、実施例１と同様にして、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０^１９／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層５を成長させる。このｐ側クラッド層４の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。
【０１１０】
次にこのｐ側クラッド層５の上にＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させる。成長後、ウェーハを反応容器から取り出し実施例１と同様にして、アニーリングを行った後、ｐ側コンタクト層６側からエッチングを行いｎ電極９を形成すべきｎ側コンタクト層３の表面を露出させる。最上層のｐ側コンタクト層６のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉ−Ａｕよりなる透光性のｐ電極７を形成し、その全面電極７の上にＡｕよりなるｐパッド電極８を形成する。露出したｎ側コンタクト層の表面にもＴｉ−Ａｌよりなるｎ電極９を形成する。
【０１１１】
以上のようにして電極を形成したウェーハを３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．２Ｖであった。これに対し、ｐ側クラッド層５を単一のＭｇドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎで構成したＬＥＤ素子のＶｆは３．４Ｖであった。さらに静電耐圧は本実施例の方が２倍以上の静電耐圧を有していた。
【０１１２】
［実施例２２］
実施例２１において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子層を、第１の層の膜厚を５０オングストロームとし、第２の層をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたＧａＮ、５０オングストロームとして、それぞれ２５層積層し、総膜厚０．２５μｍの超格子とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、実施例２１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【０１１３】
［実施例２３］
実施例２１において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子層の厚さを、第１の層１００オングストローム、第２の層を７０オングストロームの膜厚として、総膜厚０．２５μｍの超格子とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、Ｖｆは３．４Ｖであったが、静電耐圧は従来のものよりも２０％以上優れていた。
【０１１４】
［実施例２４］
実施例２１において、ｎ側コンタクト層３を成長させる際、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストローム、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ第１の層を５００層、第２の層を５００層交互に積層し、総膜厚５μｍの超格子とする。その他は実施例１２と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じくＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆは３．１Ｖに低下し、静電耐圧は従来に比較比較して２．５倍以上に向上した。
【０１１５】
［実施例２５］
実施例２３において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子の第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層の膜厚を４０オングストロームとして、それぞれ２５層交互に積層して、総膜厚０．３μｍとする他は同様の構造を有するＬＥＤ素子を作製したところ、Ｖｆは３．２Ｖで、静電耐圧は従来の２倍以上であった。
【０１１６】
［実施例２６］
本実施例は図４に示すレーザ素子を基に説明する。図４も、図２と同様に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断面図であるが、図２と異なるところは、基板１０にＧａＮよりなる基板１０１を用いているところと、第２のバッファ層１１２を成長させずに、ｎ型不純物をドープした第３のバッファ層１１３を成長させているところにある。この図４に示すレーザ素子は以下の方法によって得られる。
【０１１７】
まずサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法、若しくはＨＶＰＥ法を用いて、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮ層を厚さ３００μｍで成長させた後、サファイア基板を除去して厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ基板１０１を作製する。ＧａＮ基板１０１は、このように窒化物半導体と異なる基板の上に、例えば１００μｍ以上の膜厚で成長させた後、その異種基板を除去することによって得られる。ＧａＮ基板１０１はアンドープでも良いし、またｎ型不純物をドープして作製しても良い。ｎ型不純物をドープする場合には通常１×１０^１７／cm^３〜１×１０^１９／cm^３の範囲で不純物をドープすると結晶性の良いＧａＮ基板が得られる。
【０１１８】
ＧａＮ基板１０１作製後、温度を１０５０℃にして、Ｓｉを３×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第３のバッファ層１１３を３μｍの膜厚で成長させる。なお第３のバッファ層１１３は図１、図２においてｎ側コンタクト層１４に相当する層であるが、電極を形成する層ではないので、ここではコンタクト層とは言わず、第３のバッファ層１１３という。なおＧａＮ基板１０１と第３のバッファ層１１３との間に、実施例１と同様にして低温で成長させる第１のバッファ層を成長させても良いが、第１のバッファ層を成長させる場合には、３００オングストローム以下にすることが望ましい。
【０１１９】
次に第３のバッファ層１１３の上に、実施例１と同様にＳｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとを１００回交互に積層した、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
次に実施例１と同様に、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１２０】
次に、アンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＧａＮよりなる障壁層５０オングストロームとを成長させ、交互に２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【０１２１】
次に、実施例１と同様に、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させ、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１２２】
次に実施例１と同様にして、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームよりなる、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成し、最後に、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２３】
反応終了後、７００℃でアニーリングした後、実施例１と同様に、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９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。
【０１２４】
次に、実施例１と同じくｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成し、ＧａＮ基板１０１の裏面のほぼ全面に、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３を形成する。
【０１２５】
次に、図４に示すようにｐ電極２１の面積を除く、ｐ側クラッド層１９のＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介して、ｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２を形成する。
【０１２６】
電極形成後、ｐ電極２１に垂直な方向でＧａＮ基板１０１をバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。なおＧａＮ基板の劈開面はＭ面とする。劈開面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図４に示すレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、ｐパッド電極２２をワイヤーボンディングして、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／cm^２、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た。これは基板にＧａＮを使用したことにより、結晶欠陥の広がりが少なくなったことによる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る窒化物半導体素子は、活性層以外のｐ型窒化物半導体領域又はｎ型窒化物半導体領域において、超格子層を用いて構成しているので、電力効率を極めて良くすることができる。
すなわち、従来の窒化物半導体素子では、活性層を多重量子井戸構造とすることは提案されていたが、活性層を挟む、例えばクラッド層等は単一の窒化物半導体層で構成されているのが通常であった。しかし、本発明の窒化物半導体素子では量子効果が出現するような層を有する超格子層をクラッド層、若しくは電流を注入するコンタクト層として設けているため、クラッド層側の抵抗率を低くすることができる。これによって、例えばＬＤ素子の閾値電流、閾値電圧を低くでき、該素子を長寿命とすることができる。さらに従来のＬＥＤは静電気に弱かったが、本発明では静電耐圧に強い素子を実現できる。このようにＶｆ、閾値電圧が低くできるので、発熱量も少なくなり、該素子の信頼性も向上させることができる。本発明の窒化物半導体素子によれば、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子はもちろんのこと、窒化物半導体を用いた太陽電池、光センサー、トランジスタ等に利用すると非常の効率の高いデバイスを実現することが可能となりその産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態１の窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構成を示す模式断面図である。
【図２】 本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の構成を示す模式断面図である。
【図３】 本発明に係る実施例１のＬＤ素子におけるｐ側コンタクト層の膜厚と、閾値電圧との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明に係る実施例２６のＬＤ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
１、１０・・・・基板、
２、１１・・・・バッファ層、
３、１２・・・・ｎ側コンタクト層、
１３・・・・クラック防止層、
１４・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）、
１５・・・・ｎ側光ガイド層、
４、１６・・・・活性層、
１７・・・・キャップ層、
１８・・・・ｐ側光ガイド層、
５、１９・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）、
６、２０・・・・ｐ側コンタクト層、
７、２１・・・・ｐ電極、
８、２２・・・・ｐパッド電極、
９、２３・・・・ｎ電極、
２４・・・・ｎパッド電極、
２５・・・・絶縁膜、
１０１・・・・ＧａＮ基板、
１１２・・・・第２のバッファ層、
１１３・・・・第３のバッファ層。

Claims (5)

1. 基板上に、バッファ層と、表面に電極が形成されるｎ側コンタクト層を含む１又は多層のｎ型窒化物半導体層と、活性層と、１又は多層のｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子において、
   前記バッファ層と前記ｎ側コンタクト層の間に、前記ｎ側コンタクト層に比較して不純物濃度が低い窒化物半導体からなる第２のバッファ層を有し、該第２のバッファ層上に直接前記ｎ側コンタクト層が０．２μｍ以上、４μｍ以下の膜厚で形成されており、
   前記バッファ層はＧａＮよりなり、
   前記第２のバッファ層は、窒化物半導体からなる第１の層と、該第１の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層とが積層された超格子層であり、前記第１の層及び前記第２の層の内の少なくとも一方に、該層の導電型をｎ型に設定する不純物がドープされており、前記第１の層及び前記第２の層の前記不純物の濃度が互いに異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記第２のバッファ層が前記バッファ層より厚い請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第２のバッファ層の膜厚が０．１μｍ以上、２０μｍ以下である請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第１の層及び第２の層は、膜厚１００オングストローム以下である請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第２のバッファ層はＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成される請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。

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