JP2000068594A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＬＥＤ及びＬＤ等の窒化物半導体素子の出力
を向上させると共に、Ｖｆ、閾値電圧を低下させて素子
の信頼性を向上させる。 【解決手段】 基板と活性層の間に、少なくとも一方に
はｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体
層を含む複数の層が積層された超格子層を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発光ダイオード素
子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光
センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体（Ｉ
ｎ_XＡｌ_YＧａ₁‐_X‐_YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）よりなる素子に関する。

【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、あるいはＩｎＧａＮを有する
多重量子井戸構造の活性層と、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ＬＥ
Ｄ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の発振を世界で初めて発表
した（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５
（１９９６）Ｌ７４、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．３５（１９９６）Ｌｚ１７等）。このレーザ素子
は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍ
ｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ）の活性層を有す
るダブルヘテロ構造を有し、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、４１０ｎｍ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．Ｌｅｔｔ．６９
（１９９６）８０３４−、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．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使用するた
めにはさらに出力の向上が求められている。しかしなが
ら、高出力を得ようとすれば、静電耐圧が悪化する等十
分な信頼性を確保することが困難であった。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、ＤＶ
Ｄ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、閾値
電圧を低下させかつ静電耐圧特性を向上させてて素子の
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】以上の目的を達成するた
めに、本発明に係る窒化物半導体素子は、基板と活性層
の間に、少なくとも一方にはｎ型不純物がドープされた
第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層され
た超格子層を備えたことを特徴とする。このようにする
と、前記超格子層を結晶欠陥の少ない結晶性の良好な層
とでき、これによって上方に成長される活性層の結晶性
を良好にできる。ここで、本明細書において、超格子層
又は超格子構造とは、互いに組成が異なる少なくとも２
種類の窒化物半導体層が積層されてなる多層膜、及び互
いに同一組成を有しかつｎ型不純物が互いに異なる濃度
でドープされた２種類の層が積層された多層膜の双方を
含むものとする。また、超格子構造とは膜厚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の
窒化物半導体層を多層膜構造に積層した構造を指すもの
とする。

【０００６】前記本発明の窒化物半導体素子において
は、前記超格子層をより結晶欠陥の少ない層としかつ上
方に成長される活性層の結晶性をより良好にするため
に、前記第１と第２の窒化物半導体層は互いに同一組成
の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が異なる層で
あることが好ましい。

【０００７】前記本発明の窒化物半導体素子において
は、前記超格子層をさらに結晶欠陥の少ない層としかつ
上方に成長される活性層の結晶性をさらに良好にするた
めに、前記第１と第２の窒化物半導体層のうちの一方に
はｎ型不純物がドープされ他方にはｎ型不純物がドープ
されていないことが好ましい。

【０００８】前記本発明の窒化物半導体素子において
は、静電耐圧特性を良好にするために、前記ｎ型不純物
がドープされた一方の層の厚さを、前記ｎ型不純物がド
ープされていない層より薄くすることが好ましい。

【０００９】前記本発明の窒化物半導体素子において、
記第１と第２の窒化物半導体層をそれぞれ、ＧａＮと
し、前記ｎ型不純物をＳｉとすることができ、このよう
にするとＩｎを含む活性層を結晶性よく成長させること
ができる。

【００１０】前記本発明の窒化物半導体素子において
は、結晶性の良い活性層を成長させる機能を効果的に発
揮させるために、前記超格子層は前記活性層と接するよ
うに形成されていることが好ましい。

【００１１】本発明に係る窒化物半導体素子は、前記超
格子層をｎ電極が形成されるｎ電極形成層として備えて
いてもよく、このようにすると、比較的キャリア濃度の
高くかつｎ電極と良好なオーミック接触させることがで
きるｎ電極形成層を形成できる。

【００１２】また、本発明のｎ電極形成層として超格子
層を備えた窒化物半導体素子において、ｎ電極形成層
は、互いに異なるバンドギャップエネルギーと互いに異
なるｎ型不純物濃度とを有する第１と第２の窒化物半導
体層で形成することができる。この場合、前記第１の窒
化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層のうちのバン
ドギャップエネルギーの大きい方の層にｎ型不純物を多
くドープするようにしても良いし、バンドギャップエネ
ルギーの小さい方の層にｎ型不純物を多くドープするよ
うにしてもよい。

【００１３】また、本発明のｎ電極形成層として超格子
層を備えた窒化物半導体素子においては、互いに異なる
バンドギャップエネルギーを有し、かつ一方の層にはｎ
型不純物がドープされ他方の層にはｎ型不純物がドープ
されていない第１と第２の窒化物半導体層を用いてｎ電
極形成層を形成することが好ましい。

【００１４】この場合、前記第１の窒化物半導体層と前
記第２の窒化物半導体層のうちのバンドギャップエネル
ギーの大きい方の層にｎ型不純物をドープするようにし
てもよいし、バンドギャップエネルギーの小さい方の層
にｎ型不純物をドープするようにしてもよい。

【００１５】ここで、ｎ型不純物がドープされていない
層とは、意図的にｎ型不純物をドープしないで形成した
層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応
装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、およ
び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含まれる。

【００１６】また、本発明のｎ電極形成層として超格子
層を備えた窒化物半導体素子において、前記ｎ電極形成
層は、ｎ型不純物濃度が互いに異なる他は互いに同一の
組成を有する第１と第２の窒化物半導体層を含む層を積
層することにより形成することもできる。この場合、前
記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層の
うちの一方にはｎ型不純物がドープされていないことが
好ましい。

【００１７】さらに、本発明のｎ電極形成層として超格
子層を備えた窒化物半導体素子において、ｎ電極形成層
のキャリア濃度を高くするために、前記第１と第２の窒
化物半導体層のうちｎ型不純物を多く含む層のｎ型不純
物濃度は３×１０¹⁸／ｃｍ³以上に設定されていること
が好ましい。これによって、ｎ電極とのより良好なオー
ミック接触が得られる。

【００１８】また、本発明のｎ電極形成層として超格子
層を備えた窒化物半導体素子において、前記超格子層に
接して前記活性層が形成されていることが好ましい。

【００１９】

【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発光素子について説明す
る。 （実施の形態１）図１は実施の形態１に係る一窒化物半
導体発光素子の模式的断面図であり、該窒化物半導体発
光素子は、活性層と基板との間に形成される、ｎ電極が
形成されるｎ電極形成層４を、第１の窒化物半導体層４
ａと第２の窒化物半導体層４ｂが交互に積層された超格
子構造としたことを特徴とする。これによって、本実施
の形態１の窒化物半導体発光素子は、ｎ電極形成層を極
めて欠陥の少ない結晶性の良い層とすることができ、し
かもその抵抗値を低くできるので、発光素子の順方向電
圧Ｖｆを低くできるという優れた特性を有する。また、
本実施の形態１では、基板１とｎ電極形成層４との間に
アンドープ窒化物半導体層３を形成することによりｎ電
極形成層の結晶性をさらに良好なものとし、ｎ電極形成
層４の上にアンドープ窒化物半導体層５を形成しその層
５の上に活性層６を形成することにより、活性層６の結
晶性を良好なものにしている。尚、アンドープ窒化物半
導体層３，５は本発明において必須の要件ではない。

【００２０】本実施の形態１において、ｎ電極形成層は
ｎ型不純物を含む超格子構造のｎ型窒化物半導体として
いる。ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、
好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを
用いる。このように超格子構造とすると、その超格子層
を構成する第１と第２の窒化物半導体層の各膜厚が弾性
臨界膜厚以下となるために、結晶欠陥の非常に少ない窒
化物半導体を成長させることができる。さらに、この超
格子構造のｎ電極形成層により下の層（例えば、アンド
ープ窒化物半導体層３）で発生している結晶欠陥をある
程度止めることができるため、ｎ電極形成層の上に成長
させる活性層の結晶性を良くすることができる。さら
に、ｎ電極形成層には特筆すべき作用としてはＨＥＭＴ
に類似した効果がある。

【００２１】このｎ電極形成層４は、互いにバンドギャ
ップエネルギーの異なる第１の窒化物半導体層４ａと第
２の窒化物半導体層４ｂとを積層して構成することがで
き、この場合、第１の窒化物半導体層４ａと第２の窒化
物半導体層４ｂとは互いに不純物濃度が異なることが好
ましい。第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体
層の各膜厚は、好ましくは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、第１と第２
の窒化物半導体層が弾性歪み限界に近い又はそれ以上の
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。また、本発明は第１と第２の
窒化物半導体層の膜厚の下限値によって限定されるもの
ではなく１原子層以上であればよいが、前記のように１
０オングストローム以上が最も好ましい。

【００２２】さらに第１と第２の窒化物半導体層のうち
バンドギャップエネルギーの大きい方の窒化物半導体層
（以下、実施の形態１の説明においては、第１の窒化物
半導体層のバンドキャップエネルギーの方が、第２の窒
化物半導体層より大きいものとして説明する。）は、少
なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_XＧ
ａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）若しくはＧａＮを成長させて形
成することが望ましい。一方、バンドギャップエネルギ
ーの小さい方の第２の窒化物半導体層は、第１の窒化物
半導体層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_YＧａ_1-YＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、Ｉｎ_ZＧａ
_1-ZＮ（０≦Ｚ＜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。またさらに好ましくは、バンドギャップ
エネルギーの大きな第１の窒化物半導体層は実質的にＩ
ｎを含まないＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ＜１）とし、バン
ドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層は
実質的にＡｌを含まないＩｎ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Ｚ＜１）
とする。その中でも結晶性に優れた超格子を得る目的
で、第１の窒化物半導体層としてＡｌ混晶比（Ｙ値）
０．３以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦０．３）を用
い、第２の窒化物半導体層としてＧａＮを用いる組み合
わせ、又は高不純物濃度のＧａＮと低不純物濃度若しく
はアンドープのＧａＮの組み合わせが最も好ましい。

【００２３】ｎ電極形成層を、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として機能させる場
合、ｎ電極形成層として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
要があり、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半
導体層としてＡｌ混晶比の高い窒化物半導体が使用され
る。このＡｌ混晶比の高い窒化物半導体を、光閉じ込め
層、及びキャリア閉じ込め層として機能させることがで
きる比較的厚く成長させると、成長させた層にクラック
が入りやすくなるため、結晶性の良好な層を形成するこ
とが非常に難しかった。しかしながら本発明のように超
格子層にすると、超格子層を構成する単一層（第１の窒
化物半導体層）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、本発明によれば全体としてＡｌ
混晶比の高い層を結晶性良く成長することができるの
で、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高い層とで
き、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。

【００２４】さらに、上述したように、このｎ電極形成
層のバンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半
導体層とバンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化
物半導体層とのｎ型不純物濃度が異なることが好ましい
が、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
ができるからである。すなわち、超格子層中の不純物濃
度の低い層では移動度を大きくでき、また不純物濃度の
高い層ではキャリア濃度を高くできることにより、超格
子層全体として、キャリア濃度を高くかつ移動度を大き
くできる。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ｎ電極形成層をクラッド層として用いることに
より、閾値電圧、Ｖｆを低下させることができるものと
推察される。尚，本明細書において、アンドープ（ｕｎ
ｄｏｐｅ）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
る不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによ
る不純物の混入、および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（実質的なアンドー
プ）。

【００２５】また、バンドギャップエネルギーの大きな
第１の窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場
合、この変調ドープにより高不純物濃度層（第１の窒化
物半導体層）と、低不純物濃度層（第２の窒化物半導体
層）との間に２次元電子ガスができ、この２次元電子ガ
スの影響により抵抗率が低下すると推察される。例え
ば、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の窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアン
ドープの第２の窒化物半導体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へ
テロ接合界面で、障壁層（第１の窒化物半導体層）側が
空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界
面に電子（２次元電子ガス）が蓄積する。この２次元電
子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、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
格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。な
おｐ側の窒化物半導体層を超格子構造とし変調ドープし
ても同様に２次元正孔ガスによる効果が期待できるもの
と推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに
比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不
純物を多くドープすることにより抵抗率を低下させるこ
とができると考えられ、より効果的に順方向電圧又は閾
値電圧電流を低下させることができると推察される。

【００２６】また、ｐ側の窒化物半導体層を超格子構造
とし、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体
層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作
用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層
にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇ
のアクセプタ準位の深さが大きく、活性化率が小さい。
一方、ＧａＮ層のアクセプタ準位の深さはＡｌＧａＮ層
に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１
×１０²⁰／ｃｍ³ドープしてもＧａＮでは１×１０¹⁸／
ｃｍ³程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮ
では１×１０¹⁷／ｃｍ³程度のキャリア濃度しか得られ
ない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格
子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く
不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格
子が得られるものである。しかも超格子としているた
め、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌ
ＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａ
Ｎ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエ
ネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バ
ンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に
不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の
閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説
明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明した
が、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の
作用効果がある。

【００２７】バンドギャップエネルギーが大きい第１の
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第１の窒化物半導体層
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／ｃ
ｍ³〜５×１０¹⁹／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
小さな第２の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第２の窒化物半導体層のｎ型不純物
濃度はバンドギャップエネルギーの大きな第１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、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半
導体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
きい第１の窒化物半導体層に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第２の窒化物
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、超格子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
きい第１の窒化物半導体層とバンドギャップエネルギー
が小さい第２の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。また、第１と第２の窒化物半導体層
のうち、ｎ型不純物を多く含む層のｎ型不純物濃度は３
×１０¹⁸／ｃｍ³以上に設定されていることが好まし
く、これによって、ｎ電極形成層４のキャリア濃度を高
くでき、ｎ電極と良好なオーミック接触をさせることが
できる。

【００２８】本実施の形態１において、アンドープ窒化
物半導体層３は、ｎ型不純物を含むｎ電極形成層４をさ
らに結晶性よく成長させるためにアンドープとしてい
る。この窒化物半導体層３はアンドープであることが最
も好ましいが、ｎ電極形成層４を超格子構造とすること
により結晶性の良好な層としているので、ｎ型不純物が
ｎ電極形成層よりも少なくなるようにドープした層を用
いてもよい。尚、ｎ型不純物としては第４族元素が挙げ
られるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好まし
くはＳｉを用いる。

【００２９】また、本実施の形態１の発光素子では、ｎ
電極形成層４上にアンドープ窒化物半導体層５を形成
し、該層５の上に活性層６を形成している。このアンド
ープ窒化物半導体層５は、その上に成長させる活性層６
のバッファ層として作用して、活性層を成長させやすく
する。すなわち、超格子層の上に直接不純物を多く含む
窒化物半導体層を成長させると、成長させる層の結晶性
が悪くなる傾向があるので、層５を結晶性良く成長させ
るためにはｎ型不純物濃度を少なくすることが好まし
く、最も好ましくはアンドープとするのである。さらに
抵抗率の比較的高いアンドープ窒化物半導体層５を活性
層６とｎ電極形成層４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。このアンドープ窒化物半導体層５の上述の
機能を効果的に発揮させるためには、この層５はアンド
ープであることが最も好ましいが、ｎ型不純濃度がｎ電
極形成層４よりも少ない層であれば、上述の機能は発揮
し得る。また、アンドープ窒化物半導体層５の組成は特
に問うものではないが、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦
１）、好ましくは、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦０．５）
を成長させることにより、その窒化物半導体層５の上に
成長させる層に対してより有効なバッファ層として作用
して、さらに層５から上の層を容易にかつ結晶性よく成
長させることができる。

【００３０】さらにまた、本実施の形態１の窒化物半導
体発光素子において、アンドープ窒化物半導体層５は、
０．５μｍ以下の厚さに形成することが好ましく、より
好ましくは２０００オングストローム以下、さらに好ま
しくは１５００オングストローム以下になるように形成
する。また、層５の下限は特に限定しないが１０オング
ストローム以上に調整することが望ましい。アンドープ
窒化物半導体層は、抵抗率が通常１×１０^-1Ω・ｃｍ以
上と高いため、この層を０．１μｍよりも厚い膜厚で成
長させると、逆に順方向電圧Ｖｆが低下しにくくなる。

【００３１】また本実施の形態１の窒化物半導体発光素
子では、基板とアンドープ窒化物半導体層３との間に、
アンドープ窒化物半導体層３よりも低温で成長されるバ
ッファ層を有していても良い。バッファ層は例えばＡｌ
Ｎ、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、あるいはアン
ドープ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。

【００３２】（実施の形態２）本発明に係る実施の形態
２の窒化物半導体発光素子は、図３に示すように活性層
４４の直下に接して超格子構造のｎ型超格子層４３を形
成したことを特徴とし、これによって、結晶性の優れた
活性層４４を形成することができ、高出力特性と優れた
静電耐圧特性が実現できる。すなわち、上述の実施の形
態１は窒化物半導体からなるｎ型の超格子層が優れたｎ
型電極形成層として機能することに着目したものである
のに対し、実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、ｎ
型超格子層４３上に結晶性の優れた活性層４４を成長さ
せることができることに着目して利用したものである。

【００３３】詳細に説明すると、実施の形態２の窒化物
半導体発光素子において、基板１上にバッファ層２及び
例えばアンドープのＧａＮからなるアンドープ窒化物半
導体層４１を介して、例えばｎ型のＧａＮからなるｎ電
極形成層４２を形成する。そして、ｎ電極形成層４２上
に、ｎ型超格子層４３を介して活性層４４を形成する。
さらに、活性層４４上に、例えば、Ｍｇドープのｐ側ク
ラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）４５、Ｍｇドープのｐ型
ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４６を介して透光性ｐ
電極９及びｐパッド電極を形成する。

【００３４】ここで、ｎ型超格子層４３は、第１の窒化
物半導体層４３ａと第２の窒化物半導体層４３ｂとが交
互に積層された超格子構造を有し、全体としてｎ型の導
電性を有しかつ極めて良好な結晶性を有する。尚、本実
施の形態２において、ｎ型不純物としては第４族元素が
挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好
ましくはＳｉを用いる。このｎ型超格子層４３は、その
超格子層を構成する第１と第２の窒化物半導体層の各膜
厚が弾性臨界膜厚以下となるために、結晶欠陥の非常に
少ない層とできる。すなわち、本実施の形態２では、こ
の結晶性の良好なｎ型超格子層４３によって、そのｎ型
超格子層４３より下のｎ電極形成層４２で発生した結晶
欠陥をある程度止めることができ、この機能によって、
ｎ型超格子層４３上に成長させる活性層４４の結晶性を
良くすることができる。一般にｎ電極形成層４２は、低
抵抗とするためにｎ型不純物を多くドープするために、
比較的多くの結晶欠陥を含む。従って、ｎ電極形成層４
２と活性層４４との間にｎ型超格子層４３を形成するこ
とは、結晶性の良好な活性層４４を形成する上で極めて
効果的である。

【００３５】この第１の窒化物半導体層４３ａ及び第２
の窒化物半導体層４３ｂの各膜厚は、好ましくは１００
オングストローム以下に調整する。１００オングストロ
ームよりも厚いと、第１と第２の窒化物半導体層が弾性
歪み限界に近い又はそれ以上の膜厚となり、膜中に微少
なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすくなるからで
ある。このｎ型超格子層４３は、互いに組成の異なる第
１の窒化物半導体層４３ａと第２の窒化物半導体層４３
ｂを用いて構成してもよいが、互いに同一組成を有しか
つ一方をアンドープ又は低いｎ型不純物濃度とし他方を
高いｎ型不純物濃度とした第１と第２の窒化物半導体層
を用いて構成することが好ましく、さらに好ましくは、
第１と第２の窒化物半導体層を互いに同一組成とし、一
方をアンドープとし他方にｎ型不純物をドープしたもの
を用いる。さらに、第１と第２の窒化物半導体層を、一
方をアンドープとし他方にｎ型不純物をドープして用い
る場合、ｎ型不純物をドープした他方の層は、アンドー
プの一方の層より薄くすることが好ましく、これにより
さらに超格子層自身の結晶性を良好にできかつその上に
成長させる活性層の結晶性をさらに良好にできる。ま
た、発光層としてＩｎＧａＮとＧａＮとの多重量子井戸
構造の活性層４４を用いる場合、ｎ型不純物がドープさ
れたＧａＮとアンドープのＧａＮとの組み合わせたｎ型
超格子層４３を用いることが最も好ましい。尚、本明細
書において、超格子層とは互いに同一組成を有しかつ互
いに不純物濃度が異なる第１と第２の窒化物半導体層と
を交互に積層した層も含むものとする。

【００３６】さらに本発明において、第１と第２の窒化
物半導体層とは、互いにバンドギャップエネルギーが異
なっていてもよく、第１と第２の窒化物半導体層として
互いにＡｌの含有量が異なる窒化物半導体、又は一方を
Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）とし他方をＧａＮとする
組み合わせ等、実施の形態１におけるｎ型電極形成層４
と同様、種々組み合わせて用いることができる。

【００３７】以上のように構成された実施の形態２の窒
化物半導体発光素子は、高濃度にｎ型不純物がドープさ
れているため比較的多くの結晶欠陥を含むｎ型電極形成
層４２上に、結晶性のよいｎ型超格子層４３を介して活
性層４４を形成している。これによって、実施の形態２
の窒化物半導体発光素子では、ｎ型電極形成層４２の結
晶欠陥の影響を受けることなく、層数が多くかつ結晶性
のよい量子井戸構造の活性層４４を形成することができ
るので、静電耐圧を悪化させることなく高出力を得るこ
とができる。

【００３８】以上説明した実施の形態２の窒化物半導体
発光素子では、ｎ型電極形成層４２に接してｎ型超格子
層４３を形成し、ｎ型超格子層４３に接して活性層４４
を形成した。しかしながら、本発明はこれに限らず、ｎ
型電極形成層４２との間及びｎ型超格子層４３と活性層
４４との間のいずれか一方又は双方に１又は２以上の窒
化物半導体層を有していてもよい。以上のように構成し
ても、実施の形態２と同様の作用効果を有する。

【００３９】（実施の形態３）本発明に係る実施の形態
３の窒化物半導体発光素子は、図４に示すように実施の
形態２のｎ電極形成層４２及びｎ型超格子層４３とに代
えて、ｎ型超格子層５３を形成した以外は実施の形態２
と同様に構成される。すなわち、実施の形態３の窒化物
半導体発光素子において、ｎ型超格子層５３は、実施の
形態１における超格子構造のｎ電極形成層４の機能と実
施の形態２におけるｎ型超格子層４３の機能とを併せ持
つ超格子層である。ここで、本実施の形態３において、
ｎ型超格子層５３を構成する第１の窒化物半導体層５３
ａ及び第２の窒化物半導体層５３ｂとはそれぞれ、実施
の形態１、２の第１及び第２の窒化物半導体層と同様に
構成される。

【００４０】以上のように構成された実施の形態３の窒
化物半導体発光素子は、低抵抗でかつｎ型電極と良好な
オーミック接触が可能で、しかも結晶性がよく層数の多
い量子井戸構造の活性層を成長させることができるｎ型
超格子層５３を備えている。従って、実施の形態３の窒
化物半導体発光素子は、比較的低い順方向電圧で静電耐
圧を悪化させることなく高出力を得ることができる。

【００４１】以上の実施の形態１〜３では、ＬＥＤ素子
を例に挙げて説明したが、本発明はレーザダイオードに
も適用することができることは言うまでもなく、その場
合においても、実施の形態１〜３と同様の効果を有す
る。

【００４２】

【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。

【００４３】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（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）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。

【００４４】（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。

【００４５】（アンドープ窒化物半導体（ＧａＮ）層
３）バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１
０５０℃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５μｍの膜厚で成長させる。アンドープ
ＧａＮ層３はバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜
１１００℃で成長させる。このアンドープＧａＮ層３の
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以上の膜厚で成長させる。こ
の層はアンドープ層としたため真性半導体に近く、抵抗
率は０．２Ω・ｃｍよりも大きいが、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ
型不純物をｎ電極形成層よりも少なくドープして抵抗率
を低下させた層としても良い。

【００４６】（ｎ電極形成層４）続いて１０５０℃で、
ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を
２０オングストローム成長させ、続いて同濃度にてシラ
ンガスを追加しＳｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＧ
ａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、そし
てＳｉを止めてアンドープＧａＮ層を６０オングストロ
ームの膜厚で成長させる。このようにして、２０オング
ストロームのアンドープＧａＮ層からなる第１の窒化物
半導体層と、ＳｉドープＧａＮからなる６０オングスト
ロームの第２の窒化物半導体層とからなるペアを成長さ
せる。そしてペアを２５０層積層して２μｍ厚として、
超格子構造よりなるｎ電極形成層４を成長させる。

【００４７】（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Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ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。なおこの層はＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する
多重量子井戸構造としても良い。

【００４８】（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
（シクロベ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_0.1Ｇａ_0.9Ｎ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Ａｌ_YＧａ_1-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Ａｌ_YＧａ_1-YＮ
層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望まし
い。また、ｐ側クラッド層７が超格子層であってもよ
く、ｐ側層に超格子層があると、レーザ素子を作製した
場合は閾値を低くでき、発光ダイオードでは発光開始電
圧を低くできるので好ましい。ｐ側層において超格子層
となりうる層は特に限定されない。

【００４９】（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Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_l-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。

【００５０】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。

【００５１】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ｎ電極形成層４の表面を露出させる。

【００５２】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ｎ電極形成層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Ｓ
ｉＯ２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３５０μｍ角
のＬＥＤ素子とする。

【００５３】このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにお
いて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、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ＩｎＧ
ａＮ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ＧａＮよりなるｐ側コン
タクト層とが順に積層された従来の緑色発光ＬＥＤに比
較して、２０ｍＡにおけるＶｆを０．２〜０．４Ｖ低下
させ、出力を４０％〜５０％向上させることができた。
また、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して５倍以上
であった。

【００５４】［実施例２］実施例１の発光素子におい
て、ｎ電極形成層４と活性層６との間に、アンドープ窒
化物半導体（ＧａＮ）層５を５００オングストロームの
膜厚で形成した以外は、実施例１と同様に作成した。す
なわち、実施例２ではｎ電極形成層４を形成した後、シ
ランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドー
プＧａＮ層を５００オングストロームの膜厚で成長さ
せ、次いで活性層６を成長させる。以上のように形成し
た発光素子は、超格子層であるｎ電極形成層４の上に直
接活性層を成長させたものに比較して、アンドープＧａ
Ｎ層がバッファ層として作用するので、活性層の結晶性
を良くすることができ、実施例１に比較して出力を２０
％向上させることができた。

【００５５】［実施例３］実施例１においてｎ電極形成
層４を成長させる際に、アンドープＧａＮ層よりなる第
１の窒化物半導体層を４０オングストロームと、Ｓｉを
３×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層から
なる第２の窒化物半導体層を６０オングストロームとを
３００層ずつ交互に積層して、総膜厚３μｍの超格子構
造とする他は実施例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ＬＥＤ素子が
得られた。

【００５６】［実施例４］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
ーザの共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示
している。以下、この図を元に実施例４について説明す
る。

【００５７】実施例１と同様にして、サファイア（Ｃ
面）よりなる基板２０の上に、２００オングストローム
のＧａＮよりなるバッファ層２１、５μｍのアンドープ
ＧａＮ層２２、２０オングストロームのアンドープＧａ
Ｎからなる第１の窒化物半導体層と、２０オングストロ
ームのＳｉドープのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第２の窒
化物半導体層とが積層されてなり総膜厚３μｍの超格子
構造のｎ電極形成層２３を成長させる。

【００５８】なお、サファイア基板の他、基板にはサフ
ァイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板
の上に第１のＧａＮ層を成長させ、その第１のＧａＮ層
の上に、ＳｉＯ₂等、窒化物半導体が表面に成長しにく
い保護膜を部分的に形成し、さらにその保護膜を介し
て、前記第１のＧａＮ層の上に第２のＧａＮを成長さ
せ、ＳｉＯ₂の上に第２のＧａＮ層を横方向に成長させ
て、横方向で第２のＧａＮ層が繋がって第２のＧａＮ層
を基板とした窒化物半導体基板を用いることが窒化物半
導体の結晶性を良くする上で非常に好ましい。この窒化
物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層を特に成
長させる必要はない。

【００５９】（アンドープ窒化物半導体層２４）次に温
度を８００℃にしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い
アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるアンドープ窒化
物半導体層を５００オングストロームの膜厚で成長させ
る。

【００６０】（ｎ側クラッド層２５）次に、１０５０℃
にして、Ｓｉを１×１０^l9／ｃｍ³ドープしたｎ型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、２０オングストロームと、アンドープ
（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層、２０オングストロームとを
交互に２００層積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子
構造とする。ｎ側クラッド層２５４はキャリア閉じ込め
層、及び光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ＡｌＧａＮを含む超格子層とするこ
とが望ましく、超格子層全体の膜厚を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、２μｍ以下で成長させることが望ま
しい。さらにまた、このｎ側クラッド層の中央部の不純
物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくする
こともできる。

【００６１】（ｎ側光ガイド層２６）続いて、Ｓｉを５
×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光
ガイド層２６を０．１μｍ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５は通常はＳｉ、
Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の導電型とする
が、特にアンドープにすることもできる。

【００６２】（活性層２７）次に、８００℃で、２５オ
ングストロームの厚さのアンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよ
りなる井戸層と、５０オングストロームの厚さのアンド
ープＩｎ_0.01Ｇａ_{0. 99}Ｎよりなる障壁層とを交互に積層
してなる総膜厚２００オングストロームの多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。すなわち、
この活性層２７は、障壁層３層と井戸層２層とを、障壁
層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋障壁層となるように積層
して構成した。

【００６３】（ｐ側キャップ層２８）次に、１０５０℃
でバンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層８よりも
大きく、かつ活性層６よりも大きい、Ｍｇを１×１０²⁰
／ｃｍ³ドープしたｐ型Ａｌ_{0 .3}Ｇａ_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ｐ型不純物をドープ
した層としたが、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、若しくはアンドープと
しても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層
とする。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型キャップ層２
８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。Ａｌ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Ａｌ_YＧａ_l-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７６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。

【００６４】（ｐ側光ガイド層２９）次に、バンドギャ
ップエネルギーがｐ側キャップ層２８より小さい、Ｍｇ
を１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ
側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。こ
の層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイ
ド層２６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させること
が望ましい。また、この層はｐ側クラッド層３０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。

【００６５】（ｐ側クラッド層３０）次に、Ｍｇを１×
１０²⁰／ｃｍ³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、２
０オングストロームと、Ｍｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドー
プしたｐ型ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に
積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側
クラッド層３０を成長させる。この層はｎ側クラッド層
２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子
構造とすることによりｐ型層側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３０の膜厚
も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２
μｍ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。このｐ側
クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部
の不純物濃度を小さくすることもできる。

【００６６】（ｐ側コンタクト層３１）最後に、Ｍｇを
２×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側
コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成
長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム
以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、
２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵
抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で
有利である。

【００６７】反応終了後、反応容器内において、ウェー
ハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
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。

【００６８】リッジ形成後、図２に示すように、リッジ
ストライプを中心として、そのリッジストライプの両側
に露出したｐ側クラッド層３０をエッチングして、ｎ電
極１１を形成する第２の窒化物半導体層２３の表面を露
出させる。

【００６９】次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりな
るｐ電極３２を形成する。次に、図２に示すようにｐ電
極３２を除くｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３
１の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜３５を形成し、この
絶縁膜３５を介してｐ電極３２と電気的に接続したｐパ
ッド電極３３を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コ
ンタクト層４の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極３４を
形成する。

【００７０】電極形成後、ウェーハのサファイア基板の
裏面を研磨して５０μｍ程度の厚さにした後、サファイ
アのＭ面でウェーハを劈開して、その劈開面を共振面と
したバーを作製する。一方、ストライプ状の電極と平行
な位置でバーをスクライブで分離してレーザ素子を作製
する。そのレーザ素子形状が図２である。なおこのレー
ザ素子を室温でレーザ発振させたところ、従来の３７時
間連続発振した窒化物半導体レーザ素子に比較して、閾
値電流密度は２．０ｋＡ／ｃｍ²近くにまで低下し、閾
値電圧も４Ｖ近くになり、寿命は５００時間以上に向上
した。

【００７１】［実施例５］実施例１において、ｎ電極形
成層４成長時に、Ｓｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープした
ＧａＮ層を２０オングストローム成長させてなる第１の
窒化物半導体層と、アンドープのＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層
を２０オングストローム成長させてなる第２の窒化物半
導体層とのペアを２５０回成長させ、総膜厚１．０μｍ
（１００００オングストローム）の超格子構造よりなる
ｎ電極形成層４を成長させる他は実施例１と同様にして
行ったところ、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得ら
れた。

【００７２】［実施例６］実施例６は実施の形態２に基
づく一実施例に係るＬＥＤ素子であって、以下のように
作製される。

【００７３】まず、実施例１と同様にして、サファイア
（Ｃ面）よりなる基板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。次
に、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇さ
せ、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４１を１．５μｍの膜厚で成長さ
せ、続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガス及び
シランガスを用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープし
たｎ型ＧａＮ層４２を２．３５μｍの厚さに成長させ
る。

【００７４】続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア
ガス及びシランガスを用い、第２の窒化物半導体層４３
ｂとしてＳｉを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、続いて同濃
度にてシランガスを止め第１の窒化物半導体層４３ａと
してアンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚
で成長させる。これを１周期として１５周期繰り返し、
７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなる第
１の窒化物半導体層と、ＳｉドープＧａＮからなる２５
オングストロームの第２の窒化物半導体層とからなる１
５００オングストロームの厚さのｎ型超格子層４３を形
成する。

【００７５】次に、温度を８８０℃にして、Ｎ₂キャリ
アガスとし、ＴＥＧ及びＮＨ₃を用いてＧａＮからなる
２００オングストロームの障壁層を成長させ、続いて温
度を８００℃にして、Ｎ₂キャリアガスとし、ＴＥＧ、
ＴＭＩ及びＮＨ₃を用いてＩｎ_{0. 4}Ｇａ_0.6Ｎ層を３０オ
ングストロームの膜厚で成長させ、以下同様の成長を交
互に繰り返すことにより、多重量子井戸構造を有する活
性層４４を成長させる。尚、この多重量子井戸構造を有
する活性層４４は、最外層を障壁層とする６層の井戸層
と７層の障壁層からなり、合わせて１６００オングスト
ロームの厚さを有する。このＧａＮからなる障壁層の厚
さは、好ましくは１００〜３００オングストロームに設
定され、さらに好ましくは２００〜３００オングストロ
ームに設定される。障壁層の厚さが１００オングストロ
ーム以下では、発光出力が低下し、３００オングストロ
ーム以上では、順方向動作電圧が上昇するからである。

【００７６】次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロベンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ド
ープしたｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層
（ｐ型ＡｌＧａＮ層）４５を３００オングストロームの
膜厚で成長させる。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４６を
１５００オングストロームの膜厚で成長させる。

【００７７】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。

【００７８】アニーリング後、実施例１と同様にして、
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及び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３５０μｍ角のＬＥＤ素子
とする。

【００７９】このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにお
いて、順方向電圧Ｖｆ３．２Ｖで５２０ｎｍの緑色の発
光を示し、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して４倍
以上であった。

【００８０】［実施例７］実施例７は実施の形態３に基
づく一実施例に係るＬＥＤ素子であって、以下の点で実
施例６と異なる他は、実施例６と同様に作製される。す
なわち、実施例７では実施例６と同様の条件で、アンド
ープＧａＮ層４１を０．５μｍの膜厚で成長させた後、
実施例６の第２の窒化物半導体層４３ｂと同一条件で第
２の窒化物半導体層５３ｂを２５オングストロームの膜
厚で成長させ、続いて実施例６の第１の窒化物半導体層
４３ａと同一条件でアンドープＧａＮ層を７５オングス
トロームの膜厚で成長させる。これを１周期として３５
０周期繰り返し、７５オングストロームのアンドープＧ
ａＮ層からなる第１の窒化物半導体層と、ＳｉドープＧ
ａＮからなる２５オングストロームの第２の窒化物半導
体層とからなる３．５μｍの厚さのｎ型超格子層５３を
形成する。

【００８１】以下、実施例６と同様にして、多重量子井
戸構造を有する活性層４４、ｐ側クラッド層（ｐ型Ａｌ
ＧａＮ層）４５及びｐ側コンタクト層４６を成長させ
て、アニーリングによりｐ型層をさらに低抵抗化し、さ
らに、ｐ電極９と、ｐパッド電極１０、ｎ電極１１及び
絶縁膜１２を形成して、ウェーハをスクライブにより分
離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とした。

【００８２】以上のように作製した実施例７のＬＥＤ素
子は順方向電流２０ｍＡ，順方向電圧Ｖｆ３．４Ｖに
て、５２０ｎｍの緑色発光を示し、静電耐圧も従来のＬ
ＥＤ素子に比較して５倍以上であった。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子では、基板と活性層の間に、複数の層が積層さ
れた超格子構造の前記ｎ電極形成層を備えているので、
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、閾値電圧を低下させかつ素子の信頼性を
向上させることができる。また本明細書ではＬＥＤ、レ
ーザ素子について説明したが、本発明は受光素子、太陽
電池の他、窒化物半導体の出力を用いたパワーデバイス
等、窒化物半導体を用いたあらゆる素子に適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る一実施例のＬＥＤ
素子の構造を示す模式断面図。

【図２】本発明の実施の形態１に係る他の実施例のＬＤ
素子の構造を示す模式断面図。

【図３】本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ素子の構造
を示す模式断面図。

【図４】本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ素子の構造
を示す模式断面図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ バッファ層 ３、５、２２、２４、４１ アンドープ窒化物半導体層 ４、２３ 超格子層からなるｎ電極形成層 ６、４４ 活性層 ７、４５ ｐ側クラッド層 ８、４６ ｐ側コンタクト層 ９ 透光性ｐ電極 １０ ｐパッド電極 １１ ｎ電極 １２ 絶縁膜 ４２ 超格子構造でないｎ電極形成層 ４３ ｎ型超格子層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷沢 公二 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化 学工業株式会社内 (72)発明者 向井 孝志 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化 学工業株式会社内 (72)発明者 中村 修二 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化 学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA04 CA05 CA14 CA34 CA40 CA65 CB04 CB05 FF01 FF11 5F073 AA04 AA55 AA71 AA73 AA74 AA76 AA77 BA09 CA07 CB05 DA05 EA23

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と活性層の間に、少なくとも一方に
   はｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体
   層を含む複数の層が積層された超格子層を備えたことを
   特徴とする窒化物半導体素子。
2. 【請求項２】 前記第１と第２の窒化物半導体層は互い
   に同一組成の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が
   異なる請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 【請求項３】 前記第１と第２の窒化物半導体層のうち
   の一方にはｎ型不純物がドープされ他方にはｎ型不純物
   がドープされていない請求項１又は２記載の窒化物半導
   体素子。
4. 【請求項４】 前記ｎ型不純物がドープされた一方の層
   の厚さを、前記ｎ型不純物がドープされていない層より
   薄くした請求項３記載の窒化物半導体素子。
5. 【請求項５】 前記第１と第２の窒化物半導体層はそれ
   ぞれ、ＧａＮからなり、前記ｎ型不純物がＳｉである請
   求項２〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体
   素子。
6. 【請求項６】 前記超格子層は、前記活性層と接するよ
   うに形成されている請求項１〜５のうちのいずれか１つ
   に記載の窒化物半導体素子。
7. 【請求項７】 前記超格子層をｎ電極が形成されるｎ電
   極形成層として備えたことを特徴とする請求項１記載の
   窒化物半導体素子。
8. 【請求項８】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２の
   窒化物半導体層とは、互いに異なるバンドギャップエネ
   ルギーと互いに異なるｎ型不純物濃度とを有する請求項
   ７記載の窒化物半導体素子。
9. 【請求項９】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２の
   窒化物半導体層のうちのバンドギャップエネルギーの大
   きい方の層にｎ型不純物が多くドープされている請求項
   ８記載の窒化物半導体素子。
10. 【請求項１０】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２
    の窒化物半導体層のうちのバンドギャップエネルギーの
    小さい方の層にｎ型不純物が多くドープされている請求
    項８記載の窒化物半導体素子。
11. 【請求項１１】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２
    の窒化物半導体層とは互いに異なるバンドギャップエネ
    ルギーを有し、かつ一方の層にはｎ型不純物がドープさ
    れ、他方の層にはｎ型不純物がドープされていない請求
    項７記載の窒化物半導体素子。
12. 【請求項１２】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２
    の窒化物半導体層のうちのバンドギャップエネルギーの
    大きい方の層にｎ型不純物がドープされている請求項１
    １記載の窒化物半導体素子。
13. 【請求項１３】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２
    の窒化物半導体層のうちのバンドギャップエネルギーの
    小さい方の層にｎ型不純物がドープされている請求項１
    １記載の窒化物半導体素子。
14. 【請求項１４】 前記ｎ電極形成層は、ｎ型不純物濃度
    が互いに異なる他は互いに同一の組成を有する第１と第
    ２の窒化物半導体層を含む層が積層されてなる請求項１
    １記載の窒化物半導体素子。
15. 【請求項１５】 前記第１の窒化物半導体層と前記第２
    の窒化物半導体層のうちの一方にはｎ型不純物がドープ
    されていない請求項１４記載の窒化物半導体素子。
16. 【請求項１６】 前記第１と第２の窒化物半導体層のう
    ちｎ型不純物を多く含む層のｎ型不純物濃度が３×１０
    ¹⁸／ｃｍ³以上に設定されている請求項７〜１５のうち
    のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
17. 【請求項１７】 前記超格子層に接して前記活性層が形
    成されている請求項７〜１６のうちのいずれか１つに記
    載の窒化物半導体素子。