JP4629178B2

JP4629178B2 - 窒化物半導体素子

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Publication number: JP4629178B2
Application number: JP2000015971A
Authority: JP
Inventors: 公二谷沢; 友次三谷; 宏充丸居
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP2000244013A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、あるいはトランジスタ、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、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素子に関する。
【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（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）の活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮ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％、５２０ｎｍ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。
多重量子井戸構造は、複数のミニバンドからなる構造を有し、効率よく、小さな電流でも発光が実現することから、単一量子井戸構造より発光出力が高くなる等の素子特性の向上が期待される。
例えば、多重量子井戸構造の活性層を用いたＬＥＤ素子として、特開平１０−１３５５１４号公報には、発光効率及び発光光度を良好とするため、少なくともアンドープのＧａＮからなるバリア層、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層からなる多重量子井戸構造の発光層、更に発光層のバリア層よりも広いバンドギャップを持つクラッド層を有する窒化物半導体素子が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の素子をＬＥＤ素子として、照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等に使用するためには発光出力が十分満足できるものでない。このように多重量子井戸構造の活性層は、発光出力の飛躍的な向上が考えられるが、その予想される可能性を十分に発揮させ難い。
更にまた、窒化物半導体からなる素子は、その構造上、人体に生じる静電気より遥かに弱い１００Ｖの電圧でさえも劣化する可能性がある。例えば、帯電防止処理された袋等から取り出す際、また製品に応用する際等、劣化する危険性が考えられる。窒化物半導体素子の信頼性をより高めるには、このような劣化の危険性をなくすことが望まれる。
そこで、本発明の目的は、多重量子井戸構造の活性層を用い種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とする発光出力のさらなる向上、及び静電耐圧の向上する窒化物半導体発光素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記（１）〜（６）の構成により本発明の目的を達成したものである。
（１）基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層及びｐ側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を含む多重量子井戸構造であり、
前記ｎ側窒化物半導体層が、
ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層と、
ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ側第１多層膜層と、
Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されてなるｎ側第２多層膜層と、を含み、
前記基板上にバッファ層を介して前記ｎ側コンタクト層、前記ｎ側第１多層膜層、前記ｎ側第２多層膜層、前記活性層が順に具備されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
（２）前記ｐ側窒化物半導体層が、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつｐ型不純物濃度が異なる又は同一の第３と第４の窒化物半導体層が積層されてなるｐ側多層膜クラッド層を含むことを特徴とする（１）記載の窒化物半導体素子。
（３）前記ｐ側窒化物半導体層が、ｐ型不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ側単一膜クラッド層を含むことを特徴とする（１）記載の窒化物半導体素子。
（４）前記ｎ側第１多層膜層と活性層との間に、Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層を有する（１）〜（３）のうちのいずれか１項に記載の窒化半導体素子。
（５）前記ｎ側コンタクト層が、アンドープＧａＮ層の上に形成されてなることを特徴とする（１）に記載の窒化物半導体素子。
（６）前記窒化物半導体素子において、前記アンドープＧａＮ層が低温成長させたＧａ_dＡｌ_1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなるバッファ層上に形成され、更に前記ｐ側多層膜クラッド層又はｐ側単一膜クラッド層上にｐ型不純物としてＭｇを含むｐ側ＧａＮコンタクト層を形成してなる（５）に記載の窒化物半導体素子。
【０００５】
つまり、本発明は、多重量子井戸構造の発光層を挟むように、ｎ側にｎ型不純物濃度の異なる２種類以上の窒化物半導体層からなるｎ側第１多層膜層と、ｐ側に第３及び第４の窒化物半導体層からなるｐ側多層膜クラッド層又はｐ型不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ側単一膜クラッド層とを組み合わせて形成することにより、発光効率を向上させ発光出力の向上した、さらに静電耐圧の向上した窒化物半導体素子を得ることができる。
このように特定の組成や構造等を有する複数の窒化物半導体層を組み合わせることにより、多重量子井戸構造の活性層の性能を効率良く発揮することができる。また、多重量子井戸構造の活性層との組み合わせで好ましい他の窒化物半導体層を以下に記載する。
【０００６】
本発明において、前記ｎ側第１多層膜層と活性層との間に、Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層を有すると更に発光効率が向上すると共に、Ｖｆを低下させて発光効率を向上させることができ好ましい。
更に、本発明において、前記ｎ側第１多層膜層より基板側に、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層を有すると、発光出力を向上させ、Ｖｆを低下させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記ｎ側コンタクト層が、アンドープＧａＮ層の上に形成されてなると、かかるアンドープＧａＮ層は結晶性の良い層として得られるので、ｎ電極を形成する層となるｎ側コンタクト層の結晶性が良くなり、ｎ側コンタクト層上に形成される活性層などのその他の窒化物半導体層の結晶性も良くなり、発光出力を向上させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記アンドープＧａＮ層が、低温成長させたＧａ_dＡｌ_1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなるバッファ層上に形成されていると、アンドープＧａＮ層の結晶性が更に良好となり、ｎ側コンタクト層等の結晶性もより良好となり、発光出力の向上において好ましく、更にまた、ｐ側多層膜クラッド層又はｐ側単一膜クラッド層上にＭｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層を形成してなると、ｐ型特性を得やすくなると共に、かかるｐ側ＧａＮコンタクト層がこの上に形成されるｐ電極と良好なオーミック接触を有し、発光出力を向上させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記アンドープＧａＮ層、ｎ側コンタクト層、及びｎ側第１多層膜層の合計の膜厚が、２〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍ、より好ましくは４〜９μｍであると、静電耐圧の向上の点で好ましい。また上記範囲の膜厚であると静電耐圧以外の他の素子特性も良好である。また、上記３層の合計の膜厚は、各層の好ましい膜厚の範囲内で、３層の合計の膜厚が上記範囲となるように適宜調整される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図１を用いて、本発明を詳細に説明する。
図１は、基板１上に、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層４、ｎ型不純物を含むｎ側第１多層膜５、第１及び第２の窒化物半導体層よりなるｎ側第２多層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、第３及び第４の窒化物半導体層からなるｐ側多層膜クラッド層８又はｐ側単一膜クラッド層８、Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層９が順に積層された構造を有する。更にｎ側コンタクト層４上にｎ電極１１、ｐ側ＧａＮコンタクト層９上にｐ電極１０がそれぞれ形成されている。
【０００８】
本発明において、基板１としては、サファイアＣ面、Ｒ面又は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、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【０００９】
本発明において、バッファ層２としては、Ｇａ_dＡｌ_1-dＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）からなる窒化物半導体であり、好ましくはＡｌの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましはＧａＮからなるバッファ層２が挙げられる。
バッファ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍ、好ましくは０．００５〜０．２μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．０２μｍの範囲に調整する。バッファ層２の膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。
バッファ層２の成長温度は、２００〜９００℃であり、好ましくは４００〜８００℃の範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層２上に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好ましい。
また、このような低温で成長させるバッファ層２は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよい。
【００１０】
次に、本発明において、アンドープＧａＮ層３は、成長する際にｎ型不純物を添加せずに成長してなる層を示す。バッファ層２上にアンドープＧａＮ層３を成長させるとアンドープＧａＮ層３の結晶性が良好となり、アンドープＧａＮ層３上に成長させるｎ側コンタクト層４などの結晶性も良好となる。アンドープＧａＮ層３の膜厚としては、０．０１μｍ以上であり、好ましくは０．５μｍ以上であり、より好ましくは１μｍ以上である。またアンドープＧａＮ層３の膜厚の上限は特に限定されないが、製造効率等を考慮して適宜調整される。膜厚が上記範囲であると、ｎ側コンタクト層４以降の層を結晶性良く成長でき好ましい。更に、アンドープＧａＮ層３の膜厚が上記範囲であると、ｎ側コンタクト層４とｎ側第１多層膜層５との合計の膜厚を、前記範囲に調整し静電耐圧を向上させる点で好ましい。
【００１１】
次に、本発明において、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層４は、ｎ型不純物を３×１０¹⁸／ｃｍ³以上、好ましくは５×１０¹⁸／ｃｍ³以上の濃度で含有する。このようにｎ型不純物を多くドープし、この層をｎ側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側コンタクト層４は、ｎ型不純物濃度が小さい結晶性の良好なアンドープＧａＮ層３上に形成されると、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。ｎ側コンタクト層４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。
【００１２】
ｎ側コンタクト層４の組成は、Ｉｎ_eＡｌ_fＧａ_1-e-fＮ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦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、ｆ値０．２以下のＡｌ_fＧａ_1-fＮ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。ｎ側コンタクト層４の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０．１〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍである。膜厚が上記範囲であると抵抗値を低くでき、発光素子の順方向電圧を低くでき好ましい。更に、ｎ側コンタクト層４の膜厚が上記範囲であると、アンドープＧａＮ層３及びｎ側第１多層膜層５との組み合わせにより、静電耐圧を向上させる点で好ましい。
また、ｎ側コンタクト層４は、後述のｎ側第１多層膜層５を厚膜に形成する場合、省略することができる。
【００１３】
次に、本発明において、ｎ側第１多層膜層５は、ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされているバンドギャップエネルギーが異なる又はｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなる多層膜からなる。ｎ側第１多層膜５の膜厚は、２μｍ以下であり、好ましくは１．５μｍ以下であり、より好ましくは０．９μｍ以下である。また下限は特に限定されないが、例えば０．０５μｍ以上である。膜厚がこの範囲であると、発光出力を向上させるのに好ましい。更に、ｎ側第１多層膜層５の膜厚が上記範囲であると、アンドープＧａＮ層３とｎ側コンタクト層４との組み合わせにより、静電耐圧を向上させる点で好ましい。
上記多層膜層を構成する窒化物半導体層の互いの不純物濃度が異なることを変調ドープといい、この場合、一方の層が不純物をドープしない状態、つまりアンドープが好ましい。
【００１４】
まず、以下にｎ側第１多層膜層５が、互いにバンドギャップエネルギーが異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を積層してなる多層膜である場合について説明する。
ｎ側第１多層膜層５の多層膜層を構成するバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーの小さな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する。１００オングストロームよりも厚いと、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定せず、１原子層以上であればよいが、前記のように１０オングストローム以上が最も好ましい。
【００１５】
上記のようにｎ側第１多層膜５が、膜厚の薄い多層膜構造であると、その多層膜層を構成する窒化物半導体層の各膜厚を弾性臨界膜厚以下とすることができ、結晶欠陥の非常に少ない窒化物半導体が成長できる。さらに、この多層膜層で基板からアンドープＧａＮ層３やｎ側コンタクト層４を通って発生している結晶欠陥をある程度止めることができ、多層膜層の上に成長させるｎ側第２多層膜層６の結晶性を良くすることができる。さらにＨＥＭＴに類似した効果もある。
【００１６】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ≦１）を成長させる方が望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはＡｌ_hＧａ_1-hＮ（０≦ｈ＜１、ｇ＞ｈ）、Ｉｎ_jＧａ_1-jＮ（０≦ｊ＜１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得られやすい。その中でも特に好ましくはバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体は実質的にＩｎを含まないＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ＜１）とし、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体は実質的にＡｌを含まないＩｎ_jＧａ_1-jＮ（０≦ｊ＜１）とし、中でも結晶性に優れた多層膜を得る目的で、Ａｌ混晶比(ｇ値）０．３以下のＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０＜ｇ≦０．３）と、ＧａＮの組み合わせが最も好ましい。
【００１７】
また、ｎ側第１多層膜層５が、光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちＡｌ混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではＡｌ混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のようにｎ側第１多層膜層５を多層膜層にすると、多層膜層を構成する単一層をＡｌ混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、Ａｌ混晶比の高い層を結晶性良く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高くなり、レーザ素子では閾値電圧、ＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる。
【００１８】
さらに、このｎ側第１多層膜層５のバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度が異なることが好ましい。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンドープ）として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を多層膜層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで多層膜層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となるために、閾値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。
【００１９】
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²⁰／cm³、さらに好ましくは１×１０¹⁸／cm³〜５×１０¹⁹／cm³の範囲に調整する。１×１０¹⁷／cm³よりも少ないと、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０²⁰／cm³よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層のｎ型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も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が、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量は１×１０¹⁹／cm³以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、VIＢ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にｎ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。
以上、多層膜層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
【００２０】
さらにまたｎ側第１多層膜層の多層膜を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、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）とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばｎ型不純物としてＳｉをドープしたＡｌＧａＮと、アンドープのＧａＮ層とで多層膜層を形成した場合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いＧａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮの中心領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちＧａＮ中を移動する電子によっては、ＡｌＧａＮ中に含まれるｎ型不純物イオン（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも受ける。しかしＡｌＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープＧａＮ層の移動度が向上するのである。
【００２１】
次に、ｎ側第１多層膜層５が、同一組成の窒化物半導体層が積層されてなり、ｎ型不純物がそれら窒化物半導体層間で異なる濃度でドープされている場合について説明する。
まず、ｎ側第１多層膜層５を構成する窒化物半導体としては、特に限定されず同一組成であればよいが、好ましくはＧａＮが挙げられる。ｎ側第１多層膜層５がＧａＮで構成されていると、３元混晶より２元混晶のＧａＮであると結晶性良く成長でき、以降に成長させる窒化物半導体の結晶性も良好となり好ましい。
このような同一組成、例えばＧａＮのｎ側第１多層膜層５は、ｎ型不純物を含む第１のＧａＮ層と第１のＧａＮ層のｎ型不純物濃度と異なる濃度の第２のＧａＮ層、好ましくはどちらか一方がアンドープＧａＮ層である少なくとも２種類以上の窒化物半導体からなる多層膜構造を有していることが好ましい。このように変調ドープされ多層膜構造を有していると、上記ｎ側第１多層膜層５がバンドギャップエネルギーの異なり変調ドープされた少なくとも２種類の層から構成される場合と同様の作用が得られる。
ｎ側不純物の濃度は１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³、好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³、より好ましくは３×１０¹⁸〜７×１０¹⁸／ｃｍ³である。また、この場合のｎ側第１多層膜層５の総膜厚は、特に限定されないが、１０００〜４０００オングストローム、好ましくは２０００〜３０００オングストロームである。また多層膜の各膜厚は５００オングストローム以下、好ましくは２００オングストローム以下、より好ましくは１００オングストローム以下であり、膜厚の下限は特に限定されないが、１原子層以上であればよいが、１０オングストローム以上が好ましい。上記のような膜厚であると、結晶性良く成長させることができ、発光出力を向上させるのに好ましい。
【００２２】
また、以上説明した、バンドギャップエネルギーの異なる又は同一組成で更に不純物濃度の異なる２種類以上の層からなるｎ側第１多層膜層５は、ｎ側コンタクト層を兼ねることができる。この場合、ｎ側第１多層膜層５の膜厚は、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜３μｍ、より好ましくは２〜２．８μｍである。この場合のｎ側第１多層膜層５の膜厚は、上記の少なくとも２種類以上の窒化物半導体層により調整される。この場合のｎ側第１多層膜層５を構成する各膜厚は、上記範囲の薄膜層の多層膜層としてもよく、また全体としての膜厚がｎ側コンタクト層を兼ねる場合のｎ側第１多層膜層５の上記膜厚の範囲であれば各膜厚が上記範囲を超える２種類以上の窒化物半導体により調整してもよい。
【００２３】
次に、本発明において、ｎ側第２多層膜層６は、Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層からなり、前記第１の窒化物半導体層、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が１００オングストローム以下である。好ましくは第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層の両方を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する。このように膜厚を薄くすることにより、多層膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性が良くなるので、出力が向上する傾向にある。
ここで、前記ｎ側第１多層膜層と、上記ｎ側第２多層膜層とを組み合わせると、発光出力が向上し、順方向電圧（Ｖｆ）が低下し好ましい。この理由は定かではないが、ｎ側第２多層膜層上に成長させる活性層の結晶性が良好となるためと考えられる。
【００２４】
第１の窒化物半導体層はＩｎ_kＧａ_1-kＮ（０＜ｋ＜１）とし、第２の窒化物半導体層はＩｎ_mＧａ_1-mＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）、好ましくはＧａＮとすることが最も好ましい。
【００２５】
さらに、前記第１の窒化物半導体層または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が、近接する第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なっても、同一でもよい。また。膜厚が近接する層同士で互いに異なるとは、第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第２の窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）を挟んだ第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）の膜厚が互いに異なることを意味する。
【００２６】
さらにまた、前記第１の窒化物半導体層、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成が、近接する第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なることが好ましい。このことは、第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第２の窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）を挟んだ第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比が互いに異なることを意味する。
【００２７】
ｎ側第２多層膜層６は、活性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましくは活性層に接して形成されているようにする。活性層に接して形成する方がより出力が向上しやすい傾向にある。
【００２８】
また、ｎ側第２多層膜層６の第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層がアンドープであることが好ましい。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。
【００２９】
第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層のいずれか一方に、ｎ型不純物がドープされていてもよい。これは変調ドープと呼ばれるもので、変調ドープすることにより、出力が向上しやすい傾向にある。なおｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはＳｉ、Ｓｎを用いる。
【００３０】
また、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層の両方にｎ型不純物がドープされていてもよい。ｎ型不純物をドープする場合、不純物濃度は５×１０²¹／cm³以下、好ましくは１×１０²⁰／cm³以下に調整する。５×１０²¹／cm³よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に出力が低下する傾向にある。これは変調ドープの場合も同様である。
【００３１】
図１に示すように、活性層７を挟んで下部にあるｎ側窒化物半導体層に、Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層６を有している。ｎ側第２多層膜層６において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で２層以上、好ましくは３層以上、さらに好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層することが望ましい。
ｎ側第２多層膜層６が活性層に接して形成されている場合、活性層の最初の層（井戸層、若しくは障壁層）と接する多層膜層は第１の窒化物半導体層でも、第２の窒化物半導体層いずれでも良く、ｎ側第２多層膜層６の積層順序は特に問うものではない。なお、図１ではｎ側第２多層膜層６が、活性層７に接して形成されているが、このｎ側第２多層膜層６と活性層との間に、他のｎ型窒化物半導体よりなる層を有していても良い。
このｎ側第２多層膜層を構成する第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層の少なくとも一方の膜厚を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とにより、薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶が良くなり、その上に積層する第１、若しくは第２の窒化物半導体層の結晶性が良くなり、多層膜層全体の結晶性が良くなるため、素子の出力が向上する。
【００３２】
第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＩｎ_kＧａ_1-kＮ（０＜ｋ＜１）とし、さらに好ましくはｋ値が０．５以下のＩｎ_kＧａ_1-kＮ、最も好ましくはｋ値が０．２以下のＩｎ_kＧａ_1-kＮとする。一方、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であれば良く、特に限定しないが、結晶性の良い第２の窒化物半導体を成長させるためには、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい２元混晶あるいは３元混晶の窒化物半導体を成長させ、その中でもＧａＮとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。従って最も好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半導体層がｋ値が０．５以下のＩｎ_kＧａ_1-kＮであり、第２の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００３３】
第１および第２の窒化物半導体層の膜厚を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にする。単一窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下とすることにより、窒化物半導体単一層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る。また、両方を７０オングストローム以下にすることによって、ｎ側第２多層膜層６が超格子（多層膜）構造となり、この結晶性の良い多層膜構造の上に活性層を成長させると、ｎ側第２多層膜層６がバッファ層のような作用をして、活性層が結晶性よく成長できる。
【００３４】
さらにまた、第１、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚を、近接する第１、または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なるようにすることも好ましい。例えば第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層の膜厚を、活性層に接近するに従って次第に厚くしたり、また薄くしたりすることにより、多層膜層内部において屈折率が変化するため、実質的に屈折率が次第に変化する層を形成することができる。即ち、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成するのと同じ効果が得られる。このため例えばレーザ素子のような光導波路を必要とする素子においては、この多層膜層で導波路を形成して、レーザ光のモードを調整できる。
【００３５】
また、第１、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成を、近接する第１または第２の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なる、又は同一でもよい。例えば、同一III族元素の組成同士で互いに異ならせると、第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、前述の態様と同じく、多層膜層内部において屈折率を変化させて、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができる。なおＩｎ組成が減少するに従い、屈折率は小さくなる傾向にある。
【００３６】
第１および第２の窒化物半導体層は両方ともアンドープでも良いし、両方にｎ型不純物がドープされていても良いし、またいずれか一方に不純物がドープされていてもよい。結晶性を良くするためには、アンドープが最も好ましく、次に変調ドープ、その次に両方ドープの順である。なお両方にｎ型不純物をドープする場合、第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度と、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は異なっていても良い。
【００３７】
本発明において、多重量子井戸構造の活性層７は、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、好ましくは、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）で形成され、ｎ型、ｐ型いずれでもよいが、アンドープ（不純物無添加）とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くなり好ましい。活性層７にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしてもよい。活性層７にｎ型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。活性層７にｐ型不純物をドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低いエネルギー側にピーク波長をシフトさせることができるが、半値幅は広くなる。活性層にｐ型不純物とｎ型不純物との双方をドープすると、前述したｐ型不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができる。特にｐ型ドーパントをドープした活性層を形成する場合、活性層の導電型はＳｉ等のｎ型ドーパントをもドープして全体をｎ型とすることが好ましい。結晶性のよい活性層を成長させるには、ノンドープが最も好ましい。
【００３８】
活性層７の障壁層と井戸層との積層順は、特に問わず、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わっても良い。井戸層の膜厚としては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、さらに好ましくは５０オングストローム以下に調整する。井戸層の膜厚の上限は、特に限定されないが、１原子層以上、好ましくは１０オングストローム以上である。井戸層が１００オングストロームよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。
一方、障壁層の厚さは２０００オングストローム以下、好ましくは５００オングストローム以下、より好ましくは３００オングストローム以下に調整する。障壁層の膜厚の上限は特に限定されないが、１原子層以上、好ましくは１０オングストローム以上である。障壁層が上記範囲であると出力が向上し易く好ましい。また、活性層７全体の膜厚はとくに限定されず、ＬＥＤ素子などの希望の波長等を考慮して、障壁層及び井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層７の総膜厚を調整する。
【００３９】
本発明において、ｐ側クラッド層８は、バンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第４の窒化物半導体層とが積層されて、互いのｐ型不純物濃度が異なる、又は同一の多層膜層、またはｐ型不純物を含有するＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）からなる単一層である。
まず、ｐ側クラッド層８が多層膜構造（超格子構造）を有するｐ側多層膜クラッド層の場合について以下に説明する。
ｐ側多層膜クラッド層１７の多層膜層を構成する第３、第４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３窒化物半導体層と第４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上記範囲であると、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が良くなるので、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、しきい値が低下し易い傾向にある。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。そして、ｐ側多層膜クラッド層８の総膜厚の調整は、この第３及び第４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。ｐ側多層膜クラッド層８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、総膜厚がこの範囲であると発光出力が高く、順方向電圧（Ｖｆ）が低下し好ましい。
第３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Ａｌ_nＧａ_1-nＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、第４の窒化物半導体は好ましくはＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、Ｉｎ_rＧａ_1-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。
ｐ側クラッド層８を超格子構造とすると、結晶性が良くなり、抵抗率が低下しＶｆが低下する傾向がある。
【００４０】
ｐ側多層膜クラッド層８のｐ型不純物濃度において、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なる場合について以下に示す。
ｐ側多層膜クラッド層８の第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度は異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。ｎ側クラッド層１２と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を大きくしても良い。
【００４１】
第３の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては１×１０¹⁸／cm³〜１×１０²¹／cm³、さらに好ましくは１×１０¹⁹／cm³〜５×１０²⁰／cm³の範囲に調整する。１×１０¹⁸／cm³よりも少ないと、同様に第４の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０²¹／cm³よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は第３の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も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が、膜厚が薄いため、第３の窒化物半導体側から拡散してくるｐ型不純物があり、その量は１×１０²⁰／cm³以下が望ましい。また、バンドギャップエネルギーが大きい第３の窒化物半導体層にｐ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第４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。
ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。
【００４２】
さらにまた多層膜を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、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。
【００４３】
またｐ側多層膜クラッド層８の第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が同一の場合は、上記第３と第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が異なる場合の第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の範囲内で不純物濃度が調整される。このようにｐ型不純物濃度が同一であると、上記不純物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型クラッド層８を形成し易くなり、出力向上の点で好ましい。
【００４４】
次に、ｐ側クラッド層８が、ｐ型不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなる単一層からなる場合、ｐ側単一膜クラッド層８の膜厚は、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であり、より好ましくは５００〜１００オングストローム以下である。膜厚が上記範囲であると、発光出力が向上し、Ｖｆが低下し好ましい。ｐ側単一膜クラッド層８の組成は、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）である。
また、単一膜層のクラッド層は、前記多層膜構造のｐ側クラッド層に比べ、結晶性はやや劣るものの、前記第１の多層膜層４との組み合わせにより、結晶性良く成長させることができ、しきい値やＶｆの低下が可能となる。更に、このように単一膜としてもその他の層構成と組み合わせることにより素子の性能の低下を少なくし、しかも単一膜であるので、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側単一膜クラッド層８のｐ型不純物の濃度は１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁸〜５×１０²⁰／cm³、より好ましくは５×１０¹⁹〜１×１０²⁰／cm³である。不純物濃度が上記範囲であると、良好なｐ型膜ができ好ましい。
【００４５】
次に、本発明において、Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層９は、その組成をＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶の窒化物半導体とする。仮にＩｎ、Ａｌを含有していると、ｐ電極１０とオーミック接触が得られなくなり、発光効率が低下する。ｐ側コンタクト層９の膜厚は０．００１〜０．５μｍ、好ましくは０．０１〜０．３μｍ、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚が０．００１μｍよりも薄いとｐ型ＧａＡｌＮクラッド層と電気的に短絡しやすくなり、コンタクト層として作用しにくい。また、三元混晶のＧａＡｌＮクラッド層の上に、組成の異なる二元混晶のＧａＮコンタクト層を積層するため、逆にその膜厚を０．５μｍよりも厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥がｐ側ＧａＮコンタクト層９中に発生しやすく、結晶性が低下する傾向にある。なお、コンタクト層の膜厚は薄いほどＶｆを低下させ発光効率を向上させることができる。また、このｐ型ＧａＮコンタクト層９のｐ型不純物はＭｇであるとｐ型特性が得られ易く、またオーミック接触が得られ易くなる。Ｍｇの濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁹〜３×１０²⁰／cm³、より好ましくは１×１０²⁰／cm³程度である。Ｍｇ濃度がこの範囲であると良好なｐ型膜が得られ易く、Ｖｆが低下し好ましい。
【００４６】
また、ｎ電極１１はｎ側コンタクト層４上に、ｐ電極はＭｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層９上にそれぞれ形成されている。ｎ電極及びｐ電極の材料としては特に限定されず、例えばｎ電極としてはＷ／Ａｌ、ｐ電極としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。
【００４７】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
図１を元に実施例１について説明する。
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。
【００４８】
（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１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４９】
（アンドープＧａＮ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３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５０】
（ｎ側コンタクト層４）
続いて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４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。
【００５１】
（ｎ側第１多層膜層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなるＡ層と、ＳｉドープＧａＮ層を有する２５オングストロームのＢ層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５層積層して２５００オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるｎ側第１多層膜層５を成長させる。
【００５２】
（ｎ側第２多層膜層６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２０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、第２＋第１の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５３】
（活性層７）
次に、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Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる井戸層を３０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、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
【００５４】
（ｐ側多層膜クラッド層８）
次に、温度１０５０℃で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Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０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、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５５】
（ｐ側ＧａＮコンタクト層９）
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９を７００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
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。
【００５７】
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９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ｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。
【００５８】
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１０と、そのｐ電極１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１１を０．５μｍの膜厚で形成する。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ＷとＡｌを含むｎ電極１２を形成してＬＥＤ素子とした。
【００５９】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖで、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、Ｖｆで１．０Ｖ近く低下し、出力は２．０倍以上に向上した。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同等の特性を有するＬＥＤが得られた。更に静電耐圧は従来の１．３倍以上となり良好である。
【００６０】
なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、ＧａＮよりなる第１のバッファ層の上に、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層したものである。
【００６１】
［実施例２］
実施例１において、活性層７を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２５０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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０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７層、井戸層を６層、交互に積層して、総膜厚１９３０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの純青色発光を示し、実施例１と同様に良好な結果が得られる。
【００６２】
［実施例３］
実施例１において、活性層７を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２５０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Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０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６層、井戸層を５層、交互に積層して、総膜厚１６５０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの純青色発光を示し、実施例１と同様に良好な結果が得られる。
【００６３】
［実施例４］
実施例１において、活性層７を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２５０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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる井戸層を３０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７層、井戸層を６層、交互に積層して、総膜厚１９３０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおいて、５００ｎｍの青緑色発光を示し、実施例１と同様に良好な結果が得られる。
【００６４】
［実施例５］
実施例１において、活性層７を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２５０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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる井戸層を３０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４層、井戸層を３層、交互に積層して、総膜厚１０９０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡにおいて、５００ｎｍの青緑色発光を示し、実施例１と同様に良好な結果が得られる。
【００６５】
［実施例６］
実施例１において、ｎ側第２多層膜層６を成長させない他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１に比べやや素子特性及び発光出力が低いものの従来のＬＥＤ素子と比較すると良好な発光出力を有している。
【００６６】
［実施例７］
実施例１において、ｐ側多層膜クラッド層８を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（ｐ側単一膜クラッド層８）
温度１０５０℃で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Ａｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなるｐ側単一膜クラッド層８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、クラッド層を超格子とせず単一の層として成長させているが、その他の層構成との組み合わせにより、実施例１よりやや性能が劣るもののほぼ同様に良好な結果が得られる。また、単一層とすると、多層膜層にする場合に比べ製造工程が簡易化でき好ましい。
【００６７】
［実施例８］
実施例１において、ｎ側第１多層膜層５を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（ｎ側第１多層膜層５）
アンドープＧａＮ層よりなるＡ層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、Ｓｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させてなるＡ層とＢ層の１ペアを２０層積層して２５００オングストローム厚としてｎ側第１多層膜層５を成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【００６８】
［実施例９］
実施例１において、ｎ側コンタクト層４を以下のように変える他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（ｎ側コンタクト層４）
１０５０℃で、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４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を６μｍの膜厚で成長させる。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【００６９】
［実施例１０］
実施例１において、ｎ側コンタクト層４の膜厚を４．２５μｍ、５．２５μｍ、７．２５μｍとする他は同様にして、３種のＬＥＤ素子を作製しする。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られ、また、膜厚が４．２５μｍ及び５．２５μｍの場合は、静電耐圧等がやや実施例１より良好となる。
【００７０】
［実施例１１］
実施例１において、ｎ側第２多層膜層６をアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層と、Ｓｉを５×１０17／ｃｍ3ドープしたＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を示す。
【００７１】
［実施例１２］
実施例１において、ｐ側多層膜クラッド層８をＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層と、アンドープのＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を示す。
【００７２】
［実施例１３］
実施例１において、ｐ側多層膜クラッド層８をアンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層と、Ｍｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同等の特性を示す。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、多重量子井戸構造の活性層と、以上のような特定の層構成とを組み合わせることにより、多重量子井戸構造の活性層の可能性を良好に発揮させることができ、発光出力の向上及び静電耐圧の向上を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態であるＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１・・・サファイア基板、
２・・・バッファ層、
３・・・アンドープＧａＮ層、
４・・・ｎ側コンタクト層、
５・・・ｎ側第１多層膜層、
６・・・ｎ側第２多層膜層、
７・・・活性層、
８・・・ｐ側クラッド層、
９・・・Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層、
１０・・・ｐ電極、
１１・・・ｎ電極。

Claims

基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層及びｐ側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を含む多重量子井戸構造であり、
前記ｎ側窒化物半導体層が、
ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層と、
ｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ側第１多層膜層と、
Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されてなるｎ側第２多層膜層と、を含み、
前記基板上にバッファ層を介して前記ｎ側コンタクト層、前記ｎ側第１多層膜層、前記ｎ側第２多層膜層、前記活性層が順に具備されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
前記ｐ側窒化物半導体層が、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつｐ型不純物濃度が異なる又は同一の第３と第４の窒化物半導体層が積層されてなるｐ側多層膜クラッド層を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
前記ｐ側窒化物半導体層が、ｐ型不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ側単一膜クラッド層を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ側第１多層膜層と活性層との間に、Ｉｎ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異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層を有する請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の窒化半導体素子。
前記ｎ側コンタクト層が、アンドープＧａＮ層の上に形成されてな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。
前記窒化物半導体素子において、前記アンドープＧａＮ層が低温成長させたＧａ_dＡｌ_1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなるバッファ層上に形成され、更に前記ｐ側多層膜クラッド層又はｐ側単一膜クラッド層上にｐ型不純物としてＭｇを含むｐ側ＧａＮコンタクト層を形成してなる請求項５に記載の窒化物半導体素子。