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JP2001298214A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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JP2001298214A
JP2001298214A JP2001028914A JP2001028914A JP2001298214A JP 2001298214 A JP2001298214 A JP 2001298214A JP 2001028914 A JP2001028914 A JP 2001028914A JP 2001028914 A JP2001028914 A JP 2001028914A JP 2001298214 A JP2001298214 A JP 2001298214A
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JP
Japan
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layer
type
hydrogen
light emitting
semiconductor light
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001028914A
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English (en)
Inventor
Shinya Ishida
真也 石田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Priority to US09/780,295 priority patent/US6806507B2/en
Publication of JP2001298214A publication Critical patent/JP2001298214A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 長寿命の半導体発光素子を提供すること 【解決手段】 半導体発光素子１は、基板１０と、基板
１０の上に積層され、窒化物半導体材料から形成された
ｎ型層１２と、それぞれがＩｎxＧａ(1-x-y)Ａｌ yＮ
（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）から形成された複数の
井戸層と、それぞれがＩｎsＧａ(1-s-t)ＡｌtＮ（０≦
ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜１）から形成された複数の障壁層
とを有し、ｎ型層１２の上に積層された多層量子井戸構
造活性層１３と、多層量子井戸構造活性層１３の上に積
層され、窒化物半導体材料から形成されたｐ型層１５と
を備えている。ｐ型層１５に含まれる前記水素元素の濃
度は、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０19ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒素を主成分とす
るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子構造および発光素
子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＮ系化合物半導体を用いた高
輝度の青色発光ダイオードが実用化されるとともに、青
色レーザダイオードの開発が盛んに行なわれている。こ
のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体は発光デ
バイスの材料として非常に注目されている。
【０００３】従来から、窒化物半導体は、ハイドライド
気相成長法（以下、本明細書中でＨＶＰＥ法と呼ぶ）、
有機金属気相成長法（以下、本明細書中でＭＯＣＶＤ法
と呼ぶ）または分子線エピタキシー法（以下、本明細書
中でＭＢＥ法と呼ぶ）等により成長されている。
【０００４】ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体の場
合、バルク結晶の作成が非常に困難なため、ＩＩＩ−Ｖ
族窒化物系化合物半導体の素子を成長するためのＩＩＩ
−Ｖ族窒化物系化合物半導体基板を得ることが非常に困
難である。そのため、通常はサファイア基板が用いられ
る。しかし、ＧａＮとサファイア基板との間の格子不整
合が大きく、成長したＧａＮ膜は１０9〜１０10／ｃｍ2
程度の欠陥が存在している。この欠陥は、素子の光出力
および寿命に影響する。そこで、ＧａＮの選択成長を用
いて欠陥を減少させた厚膜ＧａＮの擬似ＧａＮ基板を用
いて素子が作成され、レーザの室温連続発振が実現され
ている。
【０００５】化合物半導体の発光素子において、欠陥と
並んで問題になるのが素子の中に含まれる残留不純物で
ある。砒素系、燐系化合物半導体では素子に含まれる酸
素、炭素が素子の特性及び寿命に大きく影響するため、
このような残留不純物を減少させる様々な取り組みが行
われてきた。
【０００６】ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物の発光素子で
問題になる残留不純物は水素である。窒化物系化合物半
導体の素子構造を上述した方法で成長する場合、原料と
して有機金属、アンモニアが用いられ、キャリアガスと
して水素または水素化合物（例えば、塩化水素）が用い
られる。
【０００７】このため、窒化物系化合物半導体の成長膜
中には残留の水素が存在する。特に、窒化物系化合物半
導体の発光素子では必須であるｐ型層を成長させる場合
には、残留の水素が存在しやすくなる。ｐ型層のドーパ
ントであるＭｇ、Ｚｎ等は水素と結合しやすいからであ
る。例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ
７２（１９９８）、ｐｐ１７４８には、ＭＯＣＶＤ法に
より堆積された窒化物系化合物半導体の成長膜中の残留
水素の濃度は、Ｍｇ濃度が２〜３×１０19ａｔｏｍｓ／
ｃｍ3の場合に２〜３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であ
り、Ｍｇの濃度の上昇とともに残留水素の濃度も増加す
ることが示されている。
【０００８】水素がＭｇ、Ｚｎ等のｐ型ドーパントと結
合した場合には、ドーパントの活性化が妨げられるため
にｐ型層が高抵抗化する。
【０００９】水素でｐ型層が高抵抗化することを防止す
る手段として、特許第２５４０７９１号に開示される技
術が知られている。特許第２５４０７９１号に開示され
る技術では、ｐ型不純物をドーピングしたＩＩＩ−Ｖ族
窒化物系半導体を成長後、水素を含まない雰囲気中で４
００℃以上の温度でアニーリングが行なわれる。このア
ニーリングにより、ｐ型不純物をドーピングしたＩＩＩ
−Ｖ族窒化物系半導体から水素を出し、低抵抗のｐ型Ｉ
ＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】特許第２５４０７９１
号公報に開示されるような、水素を含まない雰囲気中で
のアニーリングだけでは、ｐ型層中の水素を十分抜くこ
とができない。このため、ｐ型層中の残留水素がｐ型不
純物の活性化を妨げるとともに、作製した素子の寿命の
低下を招くという問題点があった。残留水素が、通電中
に徐々に拡散し、活性層を劣化させるためである。特許
第２５４０７９１号公報報は、ｐ型層を成長する場合に
おける雰囲気について言及していない。
【００１１】また、活性層がＩｎを含む場合には、水素
の拡散と共にＭｇ、Ｉｎも拡散を起こす。特に活性層が
薄膜である量子井戸構造を採用する場合、Ｍｇの拡散と
共に、Ｉｎが拡散することによる活性層の劣化が著し
い。
【００１２】また、ｎ型層の残留水素濃度が大きい場合
にも、ｎ型層の抵抗が上昇することにより素子特性が悪
化する。
【００１３】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、長寿命の半導体素子を提供すること
を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板と、前記基板の上に積層され、窒化物半導体材
料から形成されたｎ型層と、それぞれがＩｎxＧａ
(1-x-y)ＡｌyＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）から形
成された複数の井戸層と、それぞれがＩｎsＧａ(1- s-t)
ＡｌtＮ（０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜１）から形成され
た複数の障壁層とを有し、前記ｎ型層の上に積層された
多層量子井戸構造活性層と、前記多層量子井戸構造活性
層の上に積層され、窒化物半導体材料から形成されたｐ
型層とを備え、前記ｐ型層は水素元素を含み、前記ｐ型
層に含まれる前記水素元素の濃度は、１×１０16ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ3以上１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であ
り、これにより上記目的が達成される。
【００１５】前記ｐ型層はＭｇ元素を含み、前記ｐ型層
に含まれるＭｇ元素の濃度は、４×１０19ａｔｏｍｓ／
ｃｍ3以上１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であっても
よい。
【００１６】前記半導体発光素子は、前記ｐ型層を介し
て前記多層量子井戸構造活性層に電圧を印加するための
ｐ型電極をさらに備え、前記ｐ型電極は、Ｐｄ、Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、ＮｂおよびＴａからなる群より選
択された元素を含んでもよい。
【００１７】前記ｎ型層における水素濃度は、１×１０
17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であってもよい。
【００１８】前記半導体発光素子は、Ａｌを含む層をさ
らに備え、前記ｐ型層は、前記Ａｌを含む層を介して前
記多層量子井戸構造活性層の上に積層されていてもよ
い。
【００１９】前記Ａｌを含む層の層厚は５ｎｍ以上であ
ってもよい。
【００２０】本発明の半導体素子を製造する方法は、基
板の上に、窒化物半導体材料を成長させることによって
構ｎ型層を形成するステップと、それぞれがＩｎxＧａ
(1-x- y)ＡｌyＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）から形
成された複数の井戸層と、それぞれがＩｎsＧａ(1-s-t)
ＡｌtＮ（０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜１）から形成され
た複数の障壁層とを有する多層量子井戸構造活性層を形
成するステップと、前記多層量子井戸構造活性層の上
に、窒化物半導体材料を成長させることによってｐ型層
を形成するステップとを包含し、前記ｐ型層を形成する
ステップは、前記基板の温度を第１の成長温度に保ちつ
つ、水素ガスを含まない雰囲気中で窒化物半導体材料を
成長させるステップを包含し、これにより上記目的が達
成される。
【００２１】前記ｐ型層を形成する前記ステップは、水
素ガスを含まない雰囲気中で窒化物半導体を成長する前
記ステップを行った後に、水素ガスを含まない雰囲気中
で前記基板の温度を前記第１の成長温度から４００℃ま
で降下させるステップをさらに包含してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。
【００２３】（実施例１）本発明の実施例１として、発
光ダイオード（ＬＥＤ）の例を示す。
【００２４】図１は、本発明の実施例１のＬＥＤ素子１
の断面図である。ＬＥＤ素子１は、以下に示される手順
により作成された。
【００２５】サファイア（０００１面）基板１０上に常
圧ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮバッファ層１１を基板温度
５５０℃で成長し、基板温度１１００℃でＧａＮ：Ｓｉ
のｎ型コンタクト層１２を５μｍ成長させた。なお、
「ＧａＮ：Ｓｉ」は、ＳｉをドープしたＧａＮ」を意味
する。この成長段階でのＶ／ＩＩＩ比は２０００であっ
た。この成長段階までのキャリアガスと有機金属のバブ
リングガスとはともに水素である。
【００２６】次に基板温度を７６０℃に下降させ、キャ
リアガスおよび有機金属のバブリングガスを窒素に切り
替え、反応炉内のガス中における酸素分圧が０．７Ｔｏ
ｒｒの条件下で、Ｉｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ：Ｓｉの井戸層
（膜厚２ｎｍ）およびＧａＮ：Ｓｉの障壁層（膜厚４ｎ
ｍ）の５周期の多層量子井戸構造活性層１３を成長さ
せ、同温度でＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層１４
を２０ｎｍ成長させた。その後、基板温度を１０５０℃
に上昇させ、ＧａＮ：Ｍｇのｐ型コンタクト層１５を
０．３μｍ成長させた。このように、ｐ型コンタクト層
１５（ｐ型層）を形成するステップは、基板温度を１０
５０℃の（第１の成長温度）に保ちつつ、水素ガスを含
まない雰囲気中で窒化物半導体材料を成長させるステッ
プを包含する。なお、キャリアガスおよび有機金属のバ
ブリングガスとしては、アルゴン、ヘリウム等の水素以
外の不活性ガスであってもよい。
【００２７】以上のような発光素子構造をサファイア基
板１０上に成長後、キャリアガスは窒素ガスのままで、
成長後の基板温度降下を行った。このように、ｐ型コン
タクト層１５を形成した後に、サファイア基板１０の温
度は、水素ガスを含まない雰囲気中で１０５０℃から４
００℃以下まで降下させられる。水素ガスを含まない雰
囲気中での温度降下は、必ずしも室温まで行なわれる必
要はない。少なくとも基板温度が４００℃に降下するま
での間の雰囲気が水素ガスを含まないようにすればよ
い。
【００２８】素子構造が成長したウェハを２分割し、一
方のウェハにｎ型コンタクト層１２が露出するまでエッ
チングを行い、ｎ型コンタクト層１２の表面に、Ａｕ／
Ｍｏのｎ型電極１６を形成し、ｐ型コンタクト層１５の
表面に、Ａｕ／Ｎｉのｐ型電極１７を形成することによ
り、ＬＥＤ素子１が作成された。ここで、「Ａｕ／Ｍ
ｏ」とは、ＡｕとＭｏとの多層構造により電極が構成さ
れていることを意味する。
【００２９】ＬＥＤ素子１は、駆動電流２０ｍＡで発光
波長４７０ｎｍ、輝度３ｃｄで発光した。このときの動
作電圧は３．３Ｖであった。ＬＥＤ素子１を室温、駆動
電流２０ｍＡの条件下で１０００時間通電試験を行った
結果、１０００時間通電試験後も発光波長、輝度および
動作電圧に変化はみられず、長寿命のＬＥＤ素子が実現
された。
【００３０】図１に示されるように、本発明のＬＥＤ素
子１（半導体発光素子）は、サファイア基板１０（基
板）と、サファイア基板１０の上にバッファ層１１を介
して積層され、ＧａＮ：Ｓｉ（窒化物半導体）から形成
されたｎ型コンタクト層１２（ｎ型層）と、ｎ型コンタ
クト層１２の上に積層された多層量子井戸活性層１３
と、多層量子井戸活性層１３の上に蒸発防止層１４を介
して積層され、ＧａＮ（窒化物半導体）から形成された
ｐ型コンタクト層１５（ｐ型層）とを備えている。
【００３１】ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）測定により、Ｌ
ＥＤ素子１のＭｇ濃度と水素濃度との評価を行った。な
お、このＳＩＭＳ測定は、２分割したウェハの他方を用
いて行なわれた。
【００３２】図２は、ＳＩＭＳ測定により測定された素
子構造中のＭｇ濃度と水素濃度とを示す。ｐ型コンタク
ト層１５のＭｇ濃度は７×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で
あり、水素濃度は２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であ
る。また、ｎ型コンタクト層１２の水素濃度は１×１０
17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の検出限界以下であることが判明
した。なお、長寿命のＬＥＤ素子を実現するためには、
ｐ型コンタクト層１５の水素濃度は１×１０16ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ3以上１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である
ことが好ましい。また、ｐ型コンタクト層１５のＭｇ濃
度は、４×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０21ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。ｐ型コン
タクト層１５中のＭｇ濃度が高くなると、ｐ型コンタク
ト層１５中の水素濃度も高くなってしまい、好ましくな
い。
【００３３】本実施例では、ｐ型コンタクト層１５が成
長する際の反応炉内のガス中における酸素分圧は０．７
Ｔｏｒｒであった。反応炉内のガス中における酸素を増
加すると、ｐ型コンタクト層１５の水素濃度が減少し
た。これは、酸素が水素と結合することによって、ｐ型
コンタクト層１５中の水素（残留水素）が除去されるた
めであると考えられる。従って、反応炉内のガス中にお
ける酸素の濃度を制御することにより、ｐ型コンタクト
層１５の水素濃度を制御することができる。反応炉内の
ガス中における酸素分圧の全圧に対する割合が、０．０
０００１％以上（７．６×１０-5Ｔｏｒｒ以上）１％以
下（７．６Ｔｏｒｒ以下）であれば、ｐ型コンタクト層
１５の水素濃度は４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下で
あることが判明した。なお、反応炉内のガス中における
酸素の濃度を制御する代わりに、あるいは、酸素の濃度
を制御することに加えて、反応炉内のガス中における臭
素、塩素、オゾン、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯおよびＮＯ2の濃
度の少なくとも１つを制御することによっても、ｐ型コ
ンタクト層１５の水素濃度を制御することができる。
【００３４】比較例１として、上述した成長方法と同様
の成長方法を用いて、活性層１３をＩｎ0.35Ｇａ
0.65Ｎ：Ｓｉの単層（膜厚２０ｎｍ）にしたＬＥＤ素子
を作製した。ＳＩＭＳ測定を行った結果、比較例１のＬ
ＥＤ素子のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は７×１０19ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ3で水素濃度は２×１０18ａｔｏｍｓ／
ｃｍ3であり、図２に示されるＳＩＭＳプロファイルと
同様のＳＩＭＳプロファイルが得られた。このＬＥＤラ
ンプの輝度を測定した結果、駆動電流２０ｍＡで発光波
長４７０ｎｍ、輝度１．５ｃｄで、動作電圧は３．３Ｖ
であった。
【００３５】比較例２として、多層量子井戸構造活性層
１３の成長段階まではＬＥＤ素子１と同様の成長方法を
用いて同様に成長させ、多層量子井戸構造活性層１３成
長後にキャリアガスおよび有機金属のバブリングガスを
水素に切り替え、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層
１４を２０ｎｍ、ｐ型コンタクト層１５を０．３μｍ成
長させ、素子構造成長後、キャリアガスは水素ガスのま
まで、成長後の基板温度降下を行う従来の方法を用いて
ＬＥＤ素子を作成した。この素子は、熱アニールなしで
はｐ型コンタクト層１５が高抵抗であるため、窒素雰囲
気中８００℃で２０分間熱アニールを行うことによりｐ
型コンタクト層１５を低抵抗化した。
【００３６】熱アニールの後ＳＩＭＳ測定を行った結
果、ｐ型コンタクト層１５のＭｇ濃度は７×１０19ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ3で、水素濃度は６×１０18ａｔｏｍｓ／
ｃｍ3であることが判明した。比較例２のＬＥＤランプ
の輝度を測定した結果、駆動電流２０ｍＡで発光波長４
７０ｎｍ、輝度２．６ｃｄで、動作電圧は３．７Ｖであ
った。
【００３７】また、比較例３として、比較例２と同様の
成長方法を使用して、活性層１３をＩｎ0.35Ｇａ
0.65Ｎ：Ｓｉの単層（層厚２０ｎｍ）にした素子を作製
し、比較例２と同様に熱アニール後ＬＥＤランプを作製
した。熱アニール後ＳＩＭＳ測定を行った結果、ｐ型コ
ンタクト層１５のＭｇ濃度は７×１０19ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ3で水素濃度は６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で比較例
３と同様であった。比較例３のＬＥＤランプの輝度を測
定した結果、駆動電流２０ｍＡで発光波長４７０ｎｍ、
輝度１．２ｃｄで、動作電圧は３．７Ｖであった。
【００３８】図３は、実施例１のＬＥＤ素子１および比
較例１〜３のＬＥＤ素子の通電試験（エージング）結果
を示す。１０００時間通電後の比較例２のＬＥＤ素子の
輝度が著しく低下することが分かる。また、単層の活性
層を有する比較例１は、１０００時間通電後の輝度の低
下がみられる。これに対して、実施例１のＬＥＤ素子１
では１０００時間通電後の輝度の低下が見られず、長寿
命のＬＥＤ素子が実現されている。実施例１と比較例１
とを比較すると、ｐ型コンタクト層１５中の水素濃度を
低減することによってＬＥＤ素子の寿命が延びる効果
は、ＬＥＤ素子が多層量子井戸構造活性層を有する場合
に大きいことが分かる。
【００３９】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）
はそれぞれ、本実施例のＬＥＤ素子１、比較例１、比較
例２および比較例３のＬＥＤ素子のエージング前の活性
層周辺のＳＩＭＳプロファイルを示す。図４（ｅ）、
（ｆ）、（ｇ）および（ｈ）はそれぞれ、本実施例のＬ
ＥＤ素子１、比較例１、比較例２および比較例３のＬＥ
Ｄ素子の１０００時間エージング後の活性層周辺のＳＩ
ＭＳプロファイルを示す。図４（ａ）、（ｃ）、（ｅ）
および（ｇ）に示されるＩｎ濃度の山の部分は、多層量
子井戸構造活性層中の井戸層に対応し、Ｉｎ濃度の谷の
部分は、多層量子井戸構造活性層中の障壁層に対応して
いる。図４（ｃ）および（ｇ）から、１０００時間エー
ジング後、比較例２のＬＥＤ素子の多層量子井戸構造活
性層中の井戸層のＩｎが障壁層へ拡散していることが分
かる。図４（ａ）および（ｅ）から、井戸層のＩｎが障
壁層へ拡散するこのような現象は、実施例１のＬＥＤ素
子１では発生していないことが分かる。
【００４０】図５は、ｐ型コンタクト層１５中の水素濃
度に対する１０００時間通電後のＬＥＤ素子の相対輝度
を示す。相対輝度は、通電初期の輝度を１００として示
す。これらの素子は、ｎ型電極１６をＡｕ／Ｍｏにより
形成し、ｐ型電極１７をＡｕ／ＰｄまたはＡｕ／Ｎｉに
より形成した。図５に示されるように、ｐ型電極１７を
Ａｕ／Ｐｄにより形成した場合には、ｐ型コンタクト層
１５中の水素濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下
であれば１０００時間エージング後にも素子の輝度は低
下しない。また、ｐ型電極１７をＡｕ／Ｎｉにより形成
した場合には、ｐ型コンタクト層１５中の水素濃度が４
×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば１０００時間
通電後にも素子の輝度は低下しない。
【００４１】このように、ｐ型電極１７にはＡｕ／Ｐｄ
を用いることが好ましい。これは、Ｐｄが水素貯蔵金属
であり、ｐ型コンタクト層１５中の水素（残留水素）が
ｐ型電極１７に吸着され、この残留水素が多層量子井戸
構造活性層１３に拡散することが妨げられるからであ
る。なお、水素貯蔵金属としては、例えば、Ｐｄ、Ｓ
ｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、ＮｂおよびＴａ等が知られてい
る。ｐ型電極１７が水素貯蔵金属を含む場合に、残留水
素がｐ型電極１７に吸着されるという効果が得られる。
ｐ型電極１７は、例えば、水素貯蔵金属を含む層構造を
有し得る。あるいは、ｐ型電極１７は、水素貯蔵金属を
含む金属間化合物であってもよい。
【００４２】ｎ型コンタクト層の水素濃度がＬＥＤ素子
の寿命に及ぼす影響を評価するために、以下に示される
手順によりＬＥＤ素子を作成した。反応炉内のガス中に
おける酸素分圧が１０Ｔｏｒｒ（酸素濃度１．３％）の
条件下で、サファイア（０００１面）基板１０上に、Ａ
ｌＮのバッファ層１１およびＧａＮ：Ｓｉのｎ型コンタ
クト層１２を成長させ、その後、キャリアガスおよび有
機金属のバブリングガスを窒素に切り換え、反応炉内の
ガスにおける残留酸素分圧を０．７Ｔｏｒｒ（残留酸素
濃度０．１％）として以降の工程を行うことによりＬＥ
Ｄ素子を作成した。このＬＥＤ素子のＳＩＭＳ測定を実
施したところ、ｐ型コンタクト層１５のＭｇ濃度は７×
１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、水素濃度は２×１０
18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、ｎ型コンタクト層１２の
水素濃度は３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが
判明した。この素子の初期特性は、駆動電流２０ｍＡで
発光波長４７０ｎｍ、輝度２．７ｃｄ、動作電圧は４．
１Ｖであった。１０００時間エージング後の特性は、駆
動電流２０ｍＡで発光波長４７０ｎｍ、輝度２．４ｃ
ｄ、動作電圧は４．５Ｖであった。このように、１００
０時間エージング後には、輝度の低下と動作電圧の上昇
とがみられた。なお、駆動電流２０ｍＡを一定に保って
いるので、動作電圧が上昇することは、素子の抵抗が上
昇したことを示している。
【００４３】ｐ型層の成長条件はこの素子と同様にし
て、ｎ型コンタクト層１２の水素濃度を変化させたとこ
ろ、ｎ型コンタクト層１２の水素濃度が１×１０17ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ3以上の場合、エージングの開始直後から
動作電圧が上昇し、１０００時間エージング後には素子
の動作電圧の上昇と輝度の低下とがみられた。従って、
長寿命のＬＥＤ素子を実現するためには、ｎ型コンタク
ト層１２（ｎ型層）の水素濃度が１×１０17ａｔｏｍｓ
／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００４４】また、図１に示されるように、ＬＥＤ素子
１のｐ型コンタクト層１５は、多層量子井戸活性層１３
の上に蒸発防止層１４を介して積層されている。蒸発防
止層１４は、Ａｌを含んでいる。このＡｌの作用によ
り、ｐ型コンタクト層１５中の残留水素が多層量子井戸
活性層１３に拡散し、多層量子井戸活性層１３が劣化す
ることがさらに防止される。なお、このような効果が十
分得られるためには、蒸発防止層１４（Ａｌを含む層）
の層厚は、５ｎｍ以上あることが望ましい。
【００４５】なお、井戸層の組成はＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ
に限られない。井戸層はＡｌを含んでもよい。井戸層の
組成は、一般に、組成式ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（０
≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる。障壁層の組
成もＧａＮに限られず、一般に、組成式ＩｎsＧａ
(1-s-t)ＡｌtＮ（０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜１）で表わ
される。
【００４６】なお、基板はサファイア（０００１）Ｃ面
に限るものではなく、Ａ面、Ｍ面サファイア基板を用い
てもよい。また、基板にＳｉＣ、ＳｉまたはＺｎＯを用
いてもよい。結晶成長方法も、ＭＯＣＶＤ法に限定され
ない。ＭＢＥ法により成長されたＬＥＤ素子でも、輝度
の低下の様態は図３と同様であった。
【００４７】このように、本発明によれば、結晶成長方
法に依存することなく、ＬＥＤ素子における残留水素濃
度が適切に制御され、長寿命のＬＥＤ素子が実現され
る。
【００４８】（実施例２）本発明の実施例２として、Ｇ
ａＮ基板上の発光ダイオード（ＬＥＤ）の例を示す。
【００４９】図６は、本発明の実施例２のＬＥＤ素子６
０１の断面図である。ＬＥＤ素子６０１は、以下に示さ
れる手順により作成された。
【００５０】サファイア（０００１面）基板上にハイド
ライドＶＰＥ法で３００μｍ厚のＧａＮ：Ｓｉからなる
膜を成長させ、研磨によりサファイア基板を除去するこ
とによりＧａＮ（０００１面）基板４０が得られた。Ｇ
ａＮ基板４０上に常圧ＭＯＣＶＤ法を用いて基板温度１
１００℃でＧａＮ：Ｓｉのｎ型コンタクト層４１を１μ
ｍ成長させた。この成長段階までのキャリアガスと有機
金属のバブリングガスとはともに水素である。
【００５１】次に基板温度を７６０℃に下降させ、キャ
リアガスおよび有機金属のバブリングガスを窒素に切り
替え、Ｉｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ：Ｓｉの井戸層（膜厚２ｎ
ｍ）およびＧａＮ：Ｓｉの障壁層（膜厚４ｎｍ）の４周
期の多層量子井戸構造活性層４２を成長させ、１０００
℃でＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層４３を２０ｎ
ｍ成長させた。その後、基板温度を１０５０℃に上昇さ
せ、ＧａＮ：Ｍｇのｐ型コンタクト層４４を０．３μｍ
成長させた。素子構造成長後、キャリアガスは窒素ガス
のままで、成長後の基板温度降下を行った。この際の基
板温度降下速度は、１０℃／ｍｉｎに設定した。
【００５２】ＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）基板４０の裏面
に、Ｔｉ／Ａｌのｎ型電極４５を形成し、ｐ型コンタク
ト層４４の表面に、Ａｕ／Ｐｄのｐ型電極４６を形成し
た。
【００５３】このように作成されたＬＥＤ素子６０１
は、駆動電流２０ｍＡで発光波長４７０ｎｍ、輝度３．
３ｃｄで発光した。このときの動作電圧は３．１Ｖであ
った。
【００５４】室温、駆動電流２０ｍＡでＬＥＤ素子６０
１の１０００時間通電試験を行ったところ、１０００時
間通電後も発光波長、輝度および動作電圧に変化はなか
った。
【００５５】ＳＩＭＳ測定によりＭｇ濃度と水素濃度と
の評価を行った。その結果、ｐ型コンタクト層４４のＭ
ｇ濃度は９×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、水素濃
度は３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。ｎ型コン
タクト層４１の水素濃度は１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ
3の検出限界以下であることが判明した。ｐ型コンタク
ト層４４のＭｇ濃度が９×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の
場合、結晶成長後の基板温度降下速度が２５℃／ｍｉｎ
以下であればｐ型層４４の水素濃度は４×１０ 18ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ3以下であることが判明した。このＳＩＭＳ
測定は、ｎ型電極４５およびｐ型電極４６を形成する前
のウェハを用いて行った。
【００５６】実施例２のＬＥＤ素子６０１は、活性層４
２の膜厚がＬＥＤ素子の寿命に与える影響を調べるた
め、活性層４２中の井戸層の１層の膜厚を１〜５０ｎｍ
まで変化させて素子を作成した。
【００５７】比較例１の発光素子を以下に示される手順
により作成した。活性層４２成長後、キャリアガス及び
有機金属のバブリングガスを水素に切り替え、Ａｌ0.1
Ｇａ0 .9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層４３を成長させ、ｐ型コ
ンタクト層４４を０．３μｍ成長させた。素子構造成長
後、キャリアガスは水素ガスのままで、成長後の基板温
度降下を行った。これは従来の製造方法である。なお、
比較例１の発光素子も、活性層４２中の井戸層の１層の
膜厚を１〜５０ｎｍまで変化させて作成した。
【００５８】図７は、活性層４２中の井戸層の１層の膜
厚に対する１０００時間通電後の素子の相対輝度を示
す。相対輝度は、通電初期の輝度を１００とした割合で
示す。図７に示されるように、比較例１の素子は、活性
層４２中の井戸層の１層の膜厚が１５ｎｍ以下の場合に
素子劣化の度合いが大きい。この素子劣化は、水素とＭ
ｇとの拡散によるものであることがＳＩＭＳ分析により
判明した。一方、実施例２のＬＥＤ素子６０１は、Ｉ
ｎ、水素およびＭｇの拡散はほとんど見られなかった。
また、実施例２および比較例１の素子ともに、活性層４
２中の井戸層の１層の膜厚が１５ｎｍ以上の場合には１
０００時間通電後の輝度の低下がみられる。この原因
は、活性層４２中の井戸層の１層の膜厚が増加すると、
活性層のＩｎＧａＮの格子緩和が起こり、これにより活
性層の結晶性が劣化するためである。
【００５９】（実施例３）本発明の実施例３として、減
圧ＭＯＣＶＤにより作成されるレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）の例を示す。
【００６０】図８は、本発明の実施例３のＬＤ素子８０
１の断面図である。ＬＤ素子８０１は、以下に示される
手順により作成された。
【００６１】サファイア（０００１面）基板２０上に７
６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファ層
２１を基板温度５５０℃で成長させ、基板温度１１００
℃でＧａＮ：Ｓｉのｎ型コンタクト層２２を４μｍ成長
させた。その後、基板温度８００℃でＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎ：Ｓｉのクラック防止層２３を５０ｎｍ成長させ、基
板温度を再び１１００℃としてＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｓｉ
のｎ型クラッド層２４を０．５μｍ成長させ、ＧａＮ：
Ｓｉのｎ型ガイド層２５を０．１μｍ成長させた。この
成長段階までのキャリアガスと有機金属のバブリングガ
スとはともに水素である。
【００６２】その後、キャリアガスおよび有機金属のバ
ブリングガスを窒素に切り替え、反応炉内のガス中にお
ける酸素（Ｏ2）分圧が０．２Ｔｏｒｒ（Ｏ2濃度０．３
％）の条件下で、基板温度を７６０℃にしてＩｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ：Ｓｉの層を４ｎｍ成長させ、その後、Ｉｎ
0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｓｉの井戸層（層厚２ｎｍ）／Ｉｎ0.
05Ｇａ0.95Ｎ：Ｓｉの障壁層（層厚４ｎｍ）の５周期の
多層量子井戸構造活性層２６を成長させ、同温度でＡｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層２７を１０ｎｍ成長さ
せた。
【００６３】次に、キャリアガス及び有機金属のバブリ
ングガスを窒素のままで、基板温度１１００℃でＧａ
Ｎ：Ｍｇのｐ型ガイド層２８を０．１μｍ成長させ、Ａ
ｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇのｐ型クラッド層２９を０．５μ
ｍ成長させ、ＧａＮ：Ｍｇのｐ型コンタクト層３０を
０．３μｍ成長させた。このように、ｐ型層（ｐ型ガイ
ド層２８、ｐ型クラッド層２９およびｐ型コンタクト層
３０）を形成するステップは、基板温度を１１００℃の
（第１の成長温度）に保ちつつ、水素ガスを含まない雰
囲気中で窒化物半導体材料を成長させるステップを包含
する。なお、キャリアガスおよび有機金属のバブリング
ガスとしては、アルゴン、ヘリウム等の水素以外の不活
性ガスであってもよい。
【００６４】素子構造成長後も、反応炉内に水素ガスは
導入せず基板温度の降下を行った。このように、ｐ型層
（ｐ型ガイド層２８、ｐ型クラッド層２９およびｐ型コ
ンタクト層３０）を形成した後に、サファイア基板２０
の温度は、水素ガスを含まない雰囲気中で１１００℃か
ら室温まで降下させられる。水素ガスを含まない雰囲気
中での温度降下は、必ずしも室温まで行なわれる必要は
ない。少なくとも基板温度が４００℃に降下するまでの
間、雰囲気が水素ガスを含まないようにすればよい。
【００６５】素子構造が成長したウェハを２分割し、一
方のウェハにｎ型コンタクト層２２が露出するまで２０
０μｍ幅のストライプ状にエッチングを行い、ｐ型コン
タクト層３０の表面にはＡｕ／Ｐｄのｐ型電極３２を２
μｍ幅のストライプ状に形成し、ｎ型コンタクト層２２
の表面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極３１を形成した。
【００６６】ＬＤ素子８０１は、室温でＣＷ発振（ｃｏ
ｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ：連
続発振）した。この時のしきい値電流は２５ｍＡであ
り、しきい値電圧は５．１Ｖであった。
【００６７】図８に示されるように、本発明のＬＤ素子
８０１（半導体発光素子）は、サファイア基板２０（基
板）と、サファイア基板２０の上にバッファ層２１を介
して積層され、窒化物半導体から形成されたｎ型層（ｎ
型コンタクト層２２、ｎ型クラッド層２４およびｎ型ガ
イド層２５）と、ｎ型層の上に積層された多層量子井戸
活性層２６と、多層量子井戸活性層２６の上に蒸発防止
層２７を介して積層され、窒化物半導体から形成された
ｐ型層（ｐ型ガイド層２８、ｐ型クラッド層２９および
ｐ型コンタクト層３０）とを備えている。
【００６８】なお、図８に示されるＬＤ素子８０１は、
クラック防止層２３を含んでいるが、これはレーザ発振
のために必須の構造ではない。実施例４で後述する例で
は、クラック防止層を有さないＬＤ素子の構造が示され
る。
【００６９】ＳＩＭＳ測定により、ＬＤ素子８０１の水
素濃度とＭｇ濃度との評価を行った。なお、このＳＩＭ
Ｓ測定は、２分割したウェハの他方を用いて行なわれ
た。
【００７０】ｐ型層の水素濃度は、ｐ型ガイド層２８、
ｐ型クラッド層２９、ｐ型コンタクト層３０とも３×１
０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、Ｍｇ濃度は、ｐ型ガイ
ド層２８、ｐ型クラッド層２９およびｐ型コンタクト層
３０とも９×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【００７１】実施例１において上述した原理と同じ原理
により、ｐ型層が成長する際の反応炉内のガス中におけ
る酸素の濃度を制御することにより、ｐ型層の水素濃度
を制御することができる。また、反応炉内のガス中にお
ける酸素の濃度を制御する代わりに、あるいは、酸素の
濃度を制御することに加えて、反応炉内のガス中におけ
る臭素、塩素、オゾン、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯおよびＮＯ2
の濃度の少なくとも１つを制御することによっても、ｐ
型層（ｐ型ガイド層２８、ｐ型クラッド層２９およびｐ
型コンタクト層３０）の水素濃度を制御することができ
る。本実施例では、反応炉内のガス中におけるＯ2の濃
度は０．３％である。反応炉内のガス中における酸素の
濃度が０．００００１％以上１％以下であれば、ｐ型層
の水素濃度は４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であること
が判明した。
【００７２】比較例１のＬＤ素子も作成した。比較例１
のＬＤ素子は、ｐ型層（ｐ型ガイド層２８、ｐ型クラッ
ド層２９およびｐ型コンタクト層３０）を成長する際の
キャリアガスとして水素を用い、ｐ型層の成長後、温度
８００℃、窒素濃度１００％の雰囲気中で２０分間アニ
ールし、得られたウェハから上述した手順により作成さ
れた。比較例１のＬＤ素子も室温でＣＷ発振することが
確認された。この発振におけるしきい値電流は３０ｍＡ
であり、しきい値電圧は５．７Ｖであった。なお、アニ
ール後に比較例１のＬＤ素子のｐ型層の水素濃度をＳＩ
ＭＳ測定により評価すると、２×１０19ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ3であった。
【００７３】比較例２のＬＤ素子も作成した。比較例２
のＬＤ素子は、構造は実施例３のＬＤ素子８０１と同様
であるが、ｐ型層（ｐ型ガイド層２８、ｐ型クラッド層
２９およびｐ型コンタクト層３０）の水素濃度は８×１
０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（検出限界以下）である。
比較例２のＬＤ素子を作成するプロセスは実施例３のＬ
Ｄ素子８０１と同様である。比較例２のＬＤ素子も室温
でＣＷ発振した。この発振におけるしきい値電流は３０
ｍＡであり、しきい値電圧は６．９Ｖであった。このよ
うに、比較例２のＬＤ素子は、実施例３のＬＤ素子８０
１および比較例１のＬＤ素子よりもしきい値電圧が高く
なっていた。
【００７４】また、活性層２６をＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ：
Ｓｉ（２ｎｍ）の単層にしたＬＤ素子も作製した。活性
層２６を単層にしたＬＤ素子では、ｐ型層を成長する際
のキャリアガスとして水素を用いた場合も窒素を用いた
場合もレーザ発振は起こらなかった。
【００７５】実施例３、比較例１および比較例２のＬＤ
素子の通電試験を行った。
【００７６】図９は、エージング時間（通電時間）に対
するしきい値電流の変化を示す。しきい値電流の増加
は、ＬＤ素子の劣化を意味する。実施例３のＬＤ素子８
０１は、８０００時間の通電後もＣＷ発振することが確
認された。一方、図９に示されるように、ｐ型層の水素
濃度が２×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である比較例１の
ＬＤ素子は１０時間の通電後に素子が劣化し、ｐ型層の
水素濃度が８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である比
較例２のＬＤ素子は１５０時間の通電後に素子が劣化し
た。このように、本発明の実施例３のＬＤ素子８０１
は、長寿命のＬＤ素子（半導体発光素子）となってい
る。
【００７７】図１０は、ｐ型コンタクト層３０の水素濃
度に対するＬＤ素子８０１の寿命を示す。ｐ型電極３２
の材料としてＡｕ／Ｐｄ、Ａｕ／ＰｔおよびＡｕ／Ｎｉ
の３種類を用いた。ｎ型電極３１の材料としては、Ｔｉ
／Ａｌのみを用いた。なお、図１０において、８０００
時間通電後に劣化が起こっていないＬＤ素子（すなわ
ち、８０００時間以上の寿命を有するＬＤ素子）は、８
０００時間の寿命を有するＬＤ素子として示されてい
る。これは、図１０に示される測定データを取得した時
点で、通電試験が開始してから８０００時間しか経過し
ていないからである。５０００時間以上の寿命を有する
ＬＤ素子が良品と見なされる。図１０には、５０００時
間の寿命を破線１００１で示す。
【００７８】図１０から分かるように、ｐ型電極３２の
材料がＬＤ素子の寿命に大きく影響する。ｐ型電極３２
の材料としてＡｕ／Ｐｄを用いた場合、ｐ型コンタクト
層３０の水素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上
１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００
時間以上のＬＤ素子の寿命が達成される。ｐ型電極３２
の材料としてＡｕ／Ｎｉを用いた場合、ｐ型コンタクト
層３０の水素濃度が３×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上
６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００
時間以上のＬＤ素子の寿命が達成される。ｐ型電極３２
の材料としてＡｕ／Ｐｔを用いた場合、ｐ型コンタクト
層３０の水素濃度が４×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上
５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００
時間以上のＬＤ素子の寿命が達成される。なお、図１０
を参照して上述した通電試験に用いられたＬＤ素子のｐ
型クラッド層２９の水素濃度の範囲は、ｐ型コンタクト
層３０の水素濃度の範囲と同じ８×１０15ａｔｏｍｓ／
ｃｍ3以上３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であった。
【００７９】図１０から分かるように、長寿命のＬＤ素
子を実現するためには、ｐ型層の水素濃度は１×１０16
ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以
下であることが好ましい。また、ｐ型層のＭｇ濃度は、
４×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3以上１×１０21ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。ｐ型層中のＭｇ
濃度が高くなると、ｐ型層中の水素濃度も高くなってし
まい、好ましくない。水素濃度がこの好ましい範囲より
も低い場合にＬＤ素子の寿命が短くなる原因は、水素濃
度が極端に低いとｐ型層が高抵抗化し、動作電圧が高く
なるからだと考えられる。
【００８０】なお、ｐ型層に含まれる３つの層（ｐ型ガ
イド層２８、ｐ型クラッド層２９およびｐ型コンタクト
層３０）のそれぞれで水素の濃度が一致していることは
必須ではない。ｐ型層に含まれる３つの層のそれぞれで
水素の濃度が上述した好ましい範囲にあれば、長寿命の
半導体発光素子が実現されるという本発明の効果が得ら
れる。
【００８１】また、図１０から分かるように、ｐ型電極
３２にはＡｕ／Ｐｄを用いることが好ましい。これは、
実施例１においてｐ型電極１７に関して上述した原理と
同様の原理による。すなわち、ｐ型電極３２が水素貯蔵
金属を含む場合に、残留水素がｐ型電極３２に吸着され
るという効果が得られる。ｐ型電極３２は、例えば、水
素貯蔵金属を含む層構造を有し得る。あるいは、ｐ型電
極３２は、水素貯蔵金属を含む金属間化合物であっても
よい。
【００８２】また、ｐ型クラッド層２９の水素濃度に対
するＬＤ素子の寿命の評価を行ったところ、図１０に示
される関係と同様の関係が得られた。ｐ型電極３２の材
料としてＡｕ／Ｐｄを用いた場合、ｐ型クラッド層２９
の水素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１
０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００時間以
上のＬＤ素子の寿命が達成される。ｐ型電極３２の材料
としてＡｕ／Ｎｉを用いた場合、ｐ型クラッド層２９の
水素濃度が３×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上６×１０
18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００時間以上
のＬＤ素子の寿命が達成される。ｐ型電極３２の材料と
してＡｕ／Ｐｔを用いた場合、ｐ型クラッド層２９の水
素濃度が４×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上５×１０18
ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、５０００時間以上の
ＬＤ素子の寿命が達成される。
【００８３】ｎ型層（ｎ型コンタクト層２２、ｎ型クラ
ッド層２４およびｎ型ガイド層２５）の水素濃度もＬＤ
素子８０１の寿命に影響する。ｎ型層の水素濃度が１×
１０ 17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００８４】また、図８に示されるように、ＬＤ素子８
０１のｐ型層は、多層量子井戸活性層２６の上に蒸発防
止層２７を介して積層されている。蒸発防止層２７は、
Ａｌを含んでいる。このＡｌの作用により、ｐ型層中の
残留水素が多層量子井戸活性層２６に拡散し、多層量子
井戸活性層２６が劣化することがさらに防止される。な
お、このような効果が十分得られるためには、蒸発防止
層２７（Ａｌを含む層）の層厚は、５μｍ以上あること
が望ましい。
【００８５】なお、井戸層の組成はＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ
に限られない。井戸層はＡｌを含んでもよい。井戸層の
組成は、一般に、組成式ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（０
≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる。障壁層の組
成もＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎに限られず、一般に、組成式Ｉ
ｎsＧａ(1-s-t)ＡｌtＮ（０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜
１）で表わされる。
【００８６】実施例３のＬＤ素子８０１では、クラッド
層（ｎ型クラッド層２４およびｐ型クラッド層２９）に
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎを用いているが、Ａｌの混晶比は０．
１に限られない。また、クラッド層として、ＡｌＧａＩ
ｎＮの混晶が用いられてもよく、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、
ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＩ
ｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ等の超格子構造が用いら
れてもよい。このように、ｐ型クラッド層２９がＡｌを
含むことにより、蒸発防止層２７がＡｌを含む場合と同
様に、ｐ型コンタクト層３０の残留水素が多層量子井戸
構造活性層２６に拡散することを防止できる。また、ｎ
型クラッド層２４がＡｌを含むことにより、ｎ型コンタ
クト層２２の残留水素が多層量子井戸構造活性層２６に
拡散することを防止できる。
【００８７】図１１は、ｐ型層のＭｇ濃度に対するＬＤ
素子８０１の寿命を示す。ｐ型電極３２の材料としてＡ
ｕ／Ｐｄを用いた。ｐ型層のＭｇ濃度が２×１０19ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ3以上２×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の
場合に、ｐ型層の水素濃度は１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ3以上３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となる。図１
１から分かるように、ｐ型層のＭｇ濃度が４×１０19ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下
であれば、５０００時間以上のＬＤ素子の寿命が達成さ
れる。
【００８８】（実施例４）本発明の実施例４として、Ｇ
ａＮ基板上のＬＤ素子の例を示す。
【００８９】図１２は、本発明の実施例４のＬＤ素子１
２０１の断面図である。ＬＤ素子１２０１は、以下に示
される手順により作成された。
【００９０】サファイア（０００１面）基板上にハイド
ライドＶＰＥ法で３００μｍ厚のＧａＮ：Ｓｉ膜を成長
し、研磨によりサファイア基板を除去したＧａＮ（００
０１面）基板５０が得られた。基板５０上に、基板温度
１１００℃でＧａＮ：Ｓｉのｎ型コンタクト層５１を
０．８μｍ成長させ、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｓｉのｎ型ク
ラッド層５２を０．５μｍ成長させ、ＧａＮ：Ｓｉのｎ
型ガイド層５３を０．１μｍ成長させた。この成長段階
までのキャリアガスと有機金属のバブリングガスとはと
もに水素である。
【００９１】その後、キャリアガスおよび有機金属のバ
ブリングガスを窒素に切り替え、成長温度を７５０℃に
してＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｓｉの井戸層（層厚２ｎｍ）
／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ：Ｓｉの障壁層（層厚４ｎｍ）の
３周期の多層量子井戸構造活性層５４を成長させ、同温
度でＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇの蒸発防止層５５を１０ｎ
ｍ成長させた。
【００９２】次に、キャリアガスおよび有機金属のバブ
リングガスは窒素のままで、成長温度１０５０℃でＧａ
Ｎ：Ｍｇのｐ型ガイド層５６を０．１μｍ成長させ、Ａ
ｌ0. 1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇのｐ型クラッド層５７を０．５μ
ｍ成長させ、ＧａＮ：Ｍｇのｐ型コンタクト層５８を
０．３μｍ成長させた。この際の反応炉内のガス中にお
ける酸素濃度は０．０８％とした。
【００９３】次に、素子構造が成長したウェハに２００
μｍ幅のストライプ状にｎ型コンタクト層５１が露出す
るまでエッチングを行い、ｐ型コンタクト層５８の表面
にＡｕ／Ｐｄからなるｐ型電極６０を５μｍ幅のストラ
イプ状に形成し、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ基板５０の裏面には
Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型電極６１を形成した。
【００９４】このようにして製作されたＬＤ素子１２０
１は、室温でＣＷ発振した。この発振におけるしきい値
電流は２０ｍＡであり、しきい値電圧は５．０Ｖであっ
た。ＬＤ素子１２０１を室温、駆動電流３５ｍＡで通電
試験を行った結果、通電開始後１０００時間経過しても
しきい値電流およびしきい値電圧に変化はみられず、長
寿命のＬＤ素子が実現されていることが分かった。
【００９５】上述したように、基板の材料および用いら
れる成長方法によらず、本発明によって長寿命の半導体
発光素子（ＬＥＤ素子またはＬＤ素子）が実現される。
【００９６】
【発明の効果】本発明によれば、半導体発光素子のｐ型
層の水素元素の濃度は、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3
以上１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にされる。これ
により、ｐ型層の水素が多層量子井戸構造活性層に拡散
することが抑制され、多層量子井戸構造活性層の劣化が
抑制される。従って長寿命の半導体発光素子が実現され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のＬＥＤ素子１の断面図であ
る。
【図２】ＳＩＭＳ測定により測定された素子構造中のＭ
ｇ濃度と水素濃度とを示す図である。
【図３】実施例１のＬＥＤ素子１および比較例１〜３の
ＬＥＤ素子の通電試験結果を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本実施例のＬＥＤ
素子１および比較例１〜３のＬＥＤ素子のエージング前
の活性層周辺のＳＩＭＳプロファイルを示す図であり、
（ｅ）〜（ｈ）はそれぞれ、本実施例のＬＥＤ素子１お
よび比較例１〜３のＬＥＤ素子の１０００時間エージン
グ後の活性層周辺のＳＩＭＳプロファイルを示す図であ
る。
【図５】ｐ型コンタクト層１５中の水素濃度に対する１
０００時間通電後のＬＥＤ素子の相対輝度を示す図であ
る。
【図６】本発明の実施例２のＬＥＤ素子６０１の断面図
である。
【図７】活性層４２中の井戸層の１層の膜厚に対する１
０００時間通電後の素子の相対輝度を示す図である。
【図８】本発明の実施例３のＬＤ素子８０１の断面図で
ある。
【図９】エージング時間（通電時間）に対するしきい値
電流の変化を示す図である。
【図１０】ｐ型コンタクト層３０の水素濃度に対するＬ
Ｄ素子８０１の寿命を示す図である。
【図１１】ｐ型層のＭｇ濃度に対するＬＤ素子８０１の
寿命を示す図である。
【図１２】本発明の実施例４のＬＤ素子１２０１の断面
図である。
【符号の説明】
１０、２０ サファイア基板 ４０、５０ ＧａＮ基板 １１、２１ バッファ層 １２、２２、４１、５１ ｎ型コンタクト層 １３、２６、４２、５４ 多層量子井戸構造活性層 １４、２７、４３、５５ 蒸発防止層 １５、３０、４４、５８ ｐ型コンタクト層 １６、３１、４５、６１ ｎ型電極 １７、３２、４６、６０ ｐ型電極 ２４、５２ ｎ型クラッド層 ２５、５３ ｎ型ガイド層 ２８、５６ ｐ型ガイド層 ２９、５７ ｐ型クラッド層 ２３ クラック防止層

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、 前記基板の上に積層され、窒化物半導体材料から形成さ
    れたｎ型層と、 それぞれがＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（０≦ｘ、０≦
    ｙ、ｘ＋ｙ＜１）から形成された複数の井戸層と、それ
    ぞれがＩｎsＧａ(1-s-t)ＡｌtＮ（０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ
    ＋ｔ＜１）から形成された複数の障壁層とを有し、前記
    ｎ型層の上に積層された多層量子井戸構造活性層と、 前記多層量子井戸構造活性層の上に積層され、窒化物半
    導体材料から形成されたｐ型層とを備え、 前記ｐ型層は水素元素を含み、前記ｐ型層に含まれる前
    記水素元素の濃度は、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以
    上１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、半導体発
    光素子。
  2. 【請求項２】 前記ｐ型層はＭｇ元素を含み、前記ｐ型
    層に含まれるＭｇ元素の濃度は、４×１０19ａｔｏｍｓ
    ／ｃｍ3以上１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、
    請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記半導体発光素子は、前記ｐ型層を介
    して前記多層量子井戸構造活性層に電圧を印加するため
    のｐ型電極をさらに備え、前記ｐ型電極は、Ｐｄ、Ｓ
    ｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、
    Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、ＮｂおよびＴａからなる群より
    選択された元素を含む、請求項１または２に記載の半導
    体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記ｎ型層における水素濃度は、１×１
    ０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、請求項１〜３のい
    ずれかに記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項５】 前記半導体発光素子は、Ａｌを含む層を
    さらに備え、前記ｐ型層は、前記Ａｌを含む層を介して
    前記多層量子井戸構造活性層の上に積層されている、請
    求項１に記載の半導体発光素子。
  6. 【請求項６】 前記Ａｌを含む層の層厚は５ｎｍ以上で
    ある、請求項５に記載の半導体発光素子。
  7. 【請求項７】 基板の上に、窒化物半導体材料を成長さ
    せることによってｎ型層を形成するステップと、 前記ｎ型層の上に、それぞれがＩｎxＧａ(1-x-y)Ａｌy
    Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）から形成された複数
    の井戸層と、それぞれがＩｎsＧａ(1-s-t)Ａｌ tＮ（０
    ≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ＜１）から形成された複数の障壁
    層とを有する多層量子井戸構造活性層を形成するステッ
    プと、 前記多層量子井戸構造活性層の上に、窒化物半導体材料
    を成長させることによってｐ型層を形成するステップと
    を包含し、 前記ｐ型層を形成するステップは、前記基板の温度を第
    １の成長温度に保ちつつ、水素ガスを含まない雰囲気中
    で窒化物半導体材料を成長させるステップを包含する、
    半導体発光素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記ｐ型層を形成する前記ステップは、
    水素ガスを含まない雰囲気中で窒化物半導体を成長する
    前記ステップを行った後に、水素ガスを含まない雰囲気
    中で前記基板の温度を前記第１の成長温度から４００℃
    まで降下させるステップをさらに包含する、請求項７に
    記載の半導体発光素子の製造方法。
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