(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型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、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の窒化物半導体層からなり、
前記ｐ型窒化物半導体層として、ｐ電極と接するｐ型コンタクト層が、ｐ電極と接する側に、ｐ型不純物を高濃度で含有するＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５）を含んでなる第１のｐ型コンタクト層と、前記第１のｐ型コンタクト層の活性層側に第１のｐ型コンタクト層と接して、ｐ型不純物を第１のｐ型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにＡｌ組成比が第１のｐ型コンタクト層より高いＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１）を含んでなる第２のｐ型コンタクト層とから形成されてなり、
さらに、前記ｎ型窒化物半導体層として、ｎ電極と接するｎ型コンタクト層が、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１）を含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記ｐ電極と接する第１のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３含有し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発光ダイオード。
【請求項３】
前記第２のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３以下含有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記ｐ型コンタクト層における第１のｐ型コンタクト層の膜厚が、１００〜５００オングストロームであり、さらに第２のｐ型コンタクト層の膜厚が、４００〜２０００オングストロームであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項５】
前記ｎ型コンタクト層が、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３含有してなることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
前記活性層とｎ型コンタクト層との間に、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜０．３）を含んでなる第１の窒化物半導体層を有し、更に、前記活性層とｐ型コンタクト層との間に、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ＜０．４）を含んでなる第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【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（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサーなどの発光素子、受光素子に使用される窒化物半導体素子（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）に関し、特に、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の紫外領域に発光する窒化物半導体発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外ＬＥＤが実用可能となっている。例えば、応用物理、第６８巻、第２号（１９９９）、ｐ１５２〜ｐ１５５には、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層（膜厚：４μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮの活性層（Ｉｎ組成はほとんどゼロ）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚：０．１２μｍ）が積層されてなる窒化物半導体素子が記載されている。そして、この紫外ＬＥＤは、一定条件下で、発光ピークが３７１ｎｍの場合には発光出力が５ｍＷであるのに対して、発光波長をこれより短波長にしたときにはｎ型及びｐ型コンタクト層がＧａＮであるために自己吸収がおこり、発光出力が急激に低くなることが記載されている。更に、この発光出力の低下を防止し、発振波長の短波長化を可能とするためには、ｎ型及びｐ型コンタクト層を、ＡｌＧａＮとすることで自己吸収を防止できることが示唆されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単に、自己吸収を十分に防止できる程度にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮでコンタクト層を成長させると、電極との良好なオーミック接触が得られ難くなる。この原因は、恐らく、ＡｌＧａＮが物性的にドーパントの不活性化を引き起こしたり、フェルミ準位の変動で電極となる金属との仕事関数の差に変動が生じたりするために、電極との良好なオーミック接触が得られ難くなるのではないかと考えられる。このようなオーミック接触の低下は、ｐ型コンタクト層で大きい。
また、上記のように、Ａｌ組成を含ませることでドーパントの不活性化が生じオーミック接触が得られ難くなる点を改善するために、コンタクト層に不純物を多くドープすると、不純物の量にほぼ比例して不純物準位が形成されるために、返って自己吸収が大きくなり、結晶性の低下などで発光出力が低下する場合がある。
【０００４】
またさらに、コンタクト層をＧａＮとして膜厚を薄くすることで、相対的に自己吸収を低下させることも考えられるが、例えばｐ型コンタクト層の膜厚を薄くすると、素子特性が十分でなくなり、さらに、ｎ型コンタクト層の膜厚を薄くすると、ｎ型コンタクト層を露出させる際に操作が煩雑となると共に露出させることが困難となる。
【０００５】
このように、従来技術における発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の発光ダイオードでは、コンタクト層で自己吸収が生じて発光出力が低下してしまうが、ＧａＮによる自己吸収を防止するために、単にコンタクト層をＡｌＧａＮとして成長させるとオーミック接触の低下が生じ、さらにオーミック接触を得るために不純物のドープ量を増加させると不純物準位の形成や結晶欠陥の増加によって自己吸収が生じてしまう。従って、自己吸収の防止と共にオーミック接触を良好にすることが望まれる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、良好なオーミック接触が得られると共に、自己吸収を抑制して発光出力の向上が可能な発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の窒化物半導体発光ダイオードを提供することである。
【０００７】
【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することができる。
（１）  基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型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、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の窒化物半導体層からなり、
前記ｐ型窒化物半導体層として、ｐ電極と接するｐ型コンタクト層が、ｐ電極と接する側に、ｐ型不純物を高濃度で含有するＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５）を含んでなる第１のｐ型コンタクト層と、前記第１のｐ型コンタクト層の活性層側に第１のｐ型コンタクト層と接して、ｐ型不純物を第１のｐ型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにＡｌ組成比が第１のｐ型コンタクト層より高いＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１）を含んでなる第２のｐ型コンタクト層とから形成されてなり、
さらに、前記ｎ型窒化物半導体層として、ｎ電極と接するｎ型コンタクト層が、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１）を含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
（２）  前記ｐ電極と接する第１のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３含有してなることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
（３）  前記第２のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３以下含有してなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
（４）  前記ｐ型コンタクト層における第１のｐ型コンタクト層の膜厚が、１００〜５００オングストロームであり、さらに第２のｐ型コンタクト層の膜厚が、４００〜２０００オングストロームであることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
（５）  前記ｎ型コンタクト層が、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３含有してなることを特徴とする前記（４）に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
（６）  前記活性層とｎ型コンタクト層との間に、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜０．３）を含んでなる第１の窒化物半導体層を有し、更に、前記活性層とｐ型コンタクト層との間に、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ＜０．４）を含んでなる第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【０００８】
つまり、本発明は、ｎ型コンタクト層を特定のＡｌ組成比からなるＡｌＧａＮとし、さらに、ｐ型コンタクト層を、ｐ型不純物濃度が高くＡｌ組成比の小さい第１のｐ型コンタクト層と、ｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層とから形成し、ｐ型不純物濃度の高い第１のコンタクト層をｐ電極と接する側に形成してなることにより、良好なオーミック接触が得られると共に自己吸収を抑制でき、発光出力の良好な発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
ここで、本発明においては、ｐ型コンタクト層におけるｐ型不純物濃度の高い又は低い、及びＡｌ組成比の高い又は低いとは、ｐ型コンタクト層を構成する第１のｐ型コンタクト層と第２のｐ型コンタクト層での相対的な関係を示す。
【０００９】
本発明者は、前記したように単に自己吸収の防止のためにＡｌ組成を含ませると、不純物の不活性化等によってオーミック接触の低下を引き起こすと言った点に付いて種々検討した結果、ｎ型コンタクト層を特定のＡｌ組成比のＡｌＧａＮとし、さらにｐ型コンタクト層をオーミック接触を得るための層と素子特性を維持するため膜厚を確保ずるための層との２層構造とすることを考えた。
そして、本発明者は、上記のようにｐ型不純濃度が高くＡｌ組成比の低いｐ電極と接する第１のｐ型コンタクト層と、不純物濃度の低いＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層とでｐ型コンタクト層を形成し、さらに特定のＡｌ組成比からなるｎ型コンタクト層と組み合わせることで、オーミック接触が良好で、且つ自己吸収の防止が可能となり、発光出力の良好な窒化物半導体発光ダイオードを得ることを達成した。
【００１０】
さらに、本発明において、第１のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３、好ましくは５×１０２０〜５×１０２１／ｃｍ３含有してなると、良好なオーミック接触を得る点で好ましい。
またさらに、本発明において、第２のｐ型コンタクト層が、ｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８〜５×１０１９／ｃｍ３含有してなると、素子特性を維持するためにｐ型コンタクト層の膜厚を厚くしても、自己吸収を防止できる点で好ましい。
【００１１】
またさらに本発明において、ｐ型コンタクト層における第１のｐ型コンタクト層の膜厚が、１００〜５００オングストローム、好ましくは１５０〜３００オングストロームであると、ｐ型不純物濃度を高くしても膜厚を薄く設定してあると不純物準位による自己吸収が相対的に小さくできると共に、ｐ電極とのオーミック接触を良好とすることができ、さらに第２のｐ型コンタクト層の膜厚が、４００〜２０００オングストローム、好ましくは８００〜１２００オングストロームであると、自己吸収を防止できると共に、素子特性を維持するのに好ましい。
【００１２】
更に、本発明は、Ａｌを含んでなるｎ型コンタクト層が、ｎ型不純物濃度が、１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３、あると、自己吸収の防止と共に、オーミック接触を維持し、発光出力を向上させる点で好ましい。
このように、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成比と、ｎ型不純物濃度とを特定して組み合わせると、ｐ型コンタクト層の場合と同様に、オーミック接触及びクラック防止、発光出力の向上の点で好ましい。
【００１３】
更に、本発明は、前記活性層とｎ型コンタクト層との間に、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜０．３）を含んでなる第１の窒化物半導体層を有し、更に、前記活性層とｐ型コンタクト層との間に、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ＜０．４）を含んでなる第２の窒化物半導体層を有すると、活性層へのキャリアの閉じ込めを良好にでき、発光出力向上の点で好ましい。
更に、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のそれぞれのＡｌ組成比を上記範囲とし、前記のコンタクト層のＡｌ組成比及び不純物濃度とを組み合わせると、クラック発生の防止、オーミック接触を良好にでき、発光出力の向上の点で好ましい。
前記第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層は、クラッド層としての機能を有するので、本発明においては、以下、第１の窒化物半導体層をｎ型クラッド層、第２の窒化物半導体層をｐ型クラッド層とする。しかし、これに限定されるものではない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図１を用いて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の模式的断面図である。
図１には、基板１上に、バッファ層２、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１）を含んでなるｎ型コンタクト層３、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜０．３）を含んでなるｎ型クラッド層４、ＩｎｇＧａ１−ｇＮ（０≦ｇ＜０．１）の活性層５、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ＜０．４）を含んでなるｐ型クラッド層６、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１）を含んでなる第２のｐ型コンタクト層７ｂと、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５）を含んでなる第１のｐ型コンタクト層７ａとからなるｐ型コンタクト層７を積層成長させてなり、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下の窒化物半導体素子が記載されている。そして、ｎ型コンタクト層３にはｎ電極が、ｐ型コンタクト層７の第１のｐ型コンタクト層７ａに接してｐ電極がそれぞれ形成されている。
まず、本発明のｎ型コンタクト層３及びｐ型コンタクト層７について記載する。
【００１５】
［ｎ型コンタクト層３］
本発明において、ｎ型コンタクト層３としては、少なくともＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１、好ましくは０．０１＜ｄ＜０．０５）を含んでなる窒化物半導体層である。Ａｌ組成比が上記範囲であると、自己吸収の防止と共に、結晶性とオーミック接触の点で好ましい。
更に前記ｎ型コンタクト層３は、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有していると、オーミック接触の維持、クラック発生の防止、結晶性の維持の点で好ましい。このようにｎ型コンタクト層を構成するＡｌ組成比とｎ型不純物濃度を組み合わせると、自己吸収を防止できると共に、オーミック接触やクラック防止の点で好ましい。
ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられ、好ましくはＳｉである。
ｎ型コンタクト層３の膜厚は、特に限定されないが、０．１〜２０μｍが好ましく、より好ましくは１〜１０μｍである。膜厚がこの範囲であると、界面付近（例えばｎ型クラッド層との界面付近）の結晶性（下地として）と抵抗率の低下の点で好ましい。
【００１６】
［ｐ型コンタクト層７］
本発明において、ｐ型コンタクト層７としては、少なくともｐ電極と接するｐ型不純物濃度が高くＡｌ組成比の低い第１のｐ型コンタクト層７ａと、ｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層７ｂとから形成されている。
このように、ｐ型不純物濃度とＡｌ組成比が異なる２種類の層でｐ型コンタクト層７を形成することにより、第１のｐ型コンタクト層７ａで良好なオーミック接触を得ることができ、さらに素子特性を維持できる程度の膜厚にｐ型コンタクト層を調整する場合、第２のｐ型コンタクト層７ｂの膜厚を厚くした場合でも、Ａｌ組成比が高いので自己吸収を防止することができる。つまり、ｐ型コンタクト層７では、オーミック接触を得るための第１のｐ型コンタクト層７ａと、自己吸収を防止しながら素子特性の維持できる程度に膜厚を確保するための第２のｐ型コンタクト層７ｂとの２層からなる。
以下に第１のｐ型コンタクト層７ａ及び第２のｐ型コンタクト層７ｂについて説明する。
第１のｐ型コンタクト層７ａは、第２のｐ型コンタクト層７ｂに比べて不純物濃度が高く、Ａｌ組成比が低く設定されている。
【００１７】
このような第１のｐ型コンタクト層７ａとしては、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５、好ましくは０＜ａ＜０．０１）を含んでなる窒化物半導体層を挙げることができる。Ａｌ組成比が上記範囲であるとｐ型不純物濃度を高濃度にドープしても、不純物の不活性化を防止でき、ｐ電極との良好なオーミック接触を得ることができ好ましい。また、第１のｐ型コンタクト層７ａが上記の範囲内でＡｌ組成を含んでなると自己吸収の防止の点で好ましく、さらに結晶性の点でも好ましい。また、第１のｐ型コンタクト層７ａのＡｌ組成比は、上記範囲内で、第２のｐ型コンタクト層７ｂのＡｌ組成比より低くなるように調整される。
【００１８】
第１のｐ型コンタクト層７ａのｐ型不純物濃度としては、特に限定されないが、ｐ電極とのオーミック接触が良好に得られる程度が好ましく、例えば具体的には、１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３、好ましくは５×１０２０〜５×１０２１／ｃｍ３である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、オーミック接触を良好に得ることができ好ましい。第１のｐ型コンタクト層７ａのｐ型不純物濃度は、上記範囲内で第２のｐ型コンタクト層７ｂの不純物濃度より高くなるように調整される。
また、第１のｐ型コンタクト層７ａの膜厚としては、特に限定されないが、ｐ電極とのオーミック接触が良好となる程度の膜厚であればよく、例えば具体的には、１００〜５００オングストローム、好ましくは１５０〜３００オングストロームである。このような膜厚であると、Ａｌ組成比を低くしても膜厚が比較的薄いので自己吸収を防止でき、さらに、ｐ型不純物を高濃度に含有して良好なオーミック接触を得る点で好ましい。
【００１９】
次に、第２のｐ型コンタクト層７ｂとしては、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１、好ましくは０．０１＜ｂ＜０．０５）を含んでなる窒化物半導体層である。Ａｌ組成比が上記範囲であると、ｎ型コンタクト層の場合と同様に自己吸収の防止の点で好ましく、さらに、結晶性とオーミック接触の点でも好ましい。
また、第２のｐ型コンタクト層７ｂのＡｌ組成比は、上記範囲内で第１のｐ型コンタクト層７ａより高くなるように調整される。
第２のｐ型コンタクト層７ｂのｐ型不純物濃度は、第２のｐ型コンタクト層７ｂがｐ型を示す程度に含有されていることが望ましく、例えば具体的には、１×１０２０／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８〜５×１０１９／ｃｍ３である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、不純物準位の形成による自己吸収の防止の点で好ましい。第２のｐ型コンタクト層７ｂのｐ型不純物濃度は、上記範囲内で第１のｐ型コンタクト層７ａより低濃度に調整される。
【００２０】
第２のｐ型コンタクト層７ｂの膜厚としては、特に限定されないが、第２のｐ型コンタクト層７ｂが４００〜１２００オングストローム、好ましくは８００〜１２００オングストロームである。第２のｐ型コンタクト層７ｂの膜厚が上記範囲であると、自己吸収を防止しながら素子特性を維持できる程度の膜厚に調整できる点で好ましい。
ｐ型コンタクト層７に含有されるｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。
【００２１】
また、ここで、ｐ型コンタクト層７を構成する第１のｐ型コンタクト層７ａと第２のｐ型コンタクト層７ｂは、上記に示したように、不純物濃度やＡｌ組成比が重複する部分があるが、それぞれ記載された範囲で第１のｐ型コンタクト層７ａが、第２のｐ型コンタクト層７ｂに対して、不純物濃度が高くてＡｌ組成比が低くなるように調整されることで良好な効果を得ることができる。
仮に、ｐ型コンタクト層７を、Ａｌ組成比の低い層のみ、あるいは不純物濃度の高い層のみなどで形成すると、オーミック接触は良好であっても、自己吸収の防止は十分満足できない等、良好なオーミック接触と共に自己吸収の防止の両者を得られ難くなる。
また、ｐ型コンタクト層７は、ｐ型不純物濃度が高くＡｌ組成比の小さい第１のｐ型コンタクト層７ａにより良好なオーミック接触が得られ、ｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比が大きい第２のｐ型コンタクト層７ｂにより自己吸収を防止すると共に素子特性の維持ができる、といったようにオーミック接触と自己吸収の防止をそれぞれの層によって得るように構成している。そして第１のｐ型コンタクト層７ａと第２のｐ型コンタクト層７ｂとの層が相乗的に作用して、良好なオーミック接触と自己吸収の防止によって、発光出力の良好な素子を得ることができる。
また、現状の窒化物半導体では、ｎ型よりもｐ型形成が困難であり、また素子構造的にｐ側面発光により特にｐ側の良好なオーミック接触とｐ側の自己吸収の防止が大事である。
【００２２】
またさらに、上記のようにｎ型コンタクト層３のＡｌ組成比を特定すること、好ましくはＡｌ組成比に加えて不純物濃度を特定すること、加えて、ｐ型コンタクト層７をｐ型不純物濃度の高いＡｌ組成比の低い第１のｐ型コンタクト層７ａとｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層７ｂとで形成すること、を組み合わせると、オーミック接触の低下を引き起こすことなく自己吸収をより良好に防止でき、発光出力の向上の点でより好ましい。
【００２３】
更に、以下に素子を構成するその他の各層について説明する。
［基板１］
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。
【００２４】
［バッファ層２］
本発明において、バッファ層２としては、ＧａｈＡｌ１−ｈＮ（但しｈは０＜ｈ≦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、より好ましくは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。
【００２５】
［ｎ型コンタクト層３］
上記のｎ型不純物含有のＡｌＧａＮを含んでなる窒化物半導体である。
【００２６】
［ｎ型クラッド層４］
本発明において、ｎ型クラッド層４としては、活性層５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層５へのキャリアの閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、好ましい組成としては、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜０．３、好ましくは０．１＜ｅ＜０．２）のものが挙げられる。ｎ型クラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｎ型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．１μｍであり、より好ましくは０．０３〜０．０６μｍである。
ｎ型クラッド層のｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。不純物濃度がこの範囲であると、抵抗率及び結晶性の点で好ましい。
【００２７】
ｎ型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層（超格子構造を含む）とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のＡｌｅＧａ１−ｅＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、ＩｎｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）、ＡｌｊＧａ１−ｊＮ（０≦ｊ＜１、ｅ＞ｊ）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が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１０〜４０オングストロームと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。
また、ｎ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｎ型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。
【００２８】
［活性層５］
本発明において、活性層５としては、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下となるような組成の窒化物半導体が挙げられる。好ましくはＩｎｇＧａ１−ｇＮ（０≦ｇ＜０．１）の窒化物半導体が挙げられる。活性層のＩｎ組成比は、発光ピーク波長が短波長となるに従いＩｎ組成比を小さくしていくが、Ｉｎ組成比はほとんどゼロに近くなる。
活性層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚が挙げられ、例えば好ましくは０．００１〜０．０１μｍであり、より好ましくは０．００３〜０．００７μｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。
また、活性層は、上記のような単一量子井戸構造の他に、上記ＩｎｇＧａ１−ｇＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成からなる障壁層とからなる多重量子井戸構造としてもよい。
また、活性層には、不純物をドープしてもよい。
【００２９】
また、活性層のＩｎ組成比の調整としては、、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下となるＩｎ組成比であれば特に限定されず、具体的な値としては、例えば下記の理論値の計算式から求められる値を近似的な値として挙げることができる。しかし、実際に発光させて得られる波長は、量子井戸構造をとる量子準位が形成されるため、波長のエネルギー（Ｅλ）がＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）よりも大きくなり、計算式などから求められる発光波長より、短波長側へシフトする傾向がある。
【００３０】
［理論値の計算式］
Ｅｇ＝（１−χ）３．４０＋１．９５χ−Ｂχ（１−χ）
波長（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ
Ｅｇ：ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー
χ：Ｉｎの組成比
３．４０（ｅＶ）：ＧａＮのバンドギャップエネルギー
１．９５（ｅＶ）：ＩｎＮのバンドギャップエネルギー
Ｂ：ボーイングパラメーターを示し、１〜６ｅＶとする。このようにボーイングパラメータが変動するのは、最近の研究では、ＳＩＭＳ分析などから、従来は結晶に歪みがないと仮定して１ｅＶとされていたが、Ｉｎ組成比の割合や膜厚が薄い場合等により歪みの生じる程度が異なり、１ｅＶ以上となることが明らかとなってきているためである。
【００３１】
上記のように井戸層のＳＩＭＳ分析などから求められる具体的なＩｎ組成比から考えられる発振波長と、実際に発振させたときの発振波長とには、やや相違があるものの、実際の発振波長が所望する波長となるように調整される。
【００３２】
［ｐ型クラッド層６］
本発明において、ｐ型クラッド層６としては、活性層５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層５へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ＜０．４、好ましくは０．１５＜ｆ＜０．３）のものが挙げられる。ｐ型クラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐ型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．１５μｍであり、より好ましくは０．０４〜０．０８μｍである。
ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させる点で好ましい。
【００３３】
ｐ型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層（超格子構造を含む）とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のＡｌｆＧａ１−ｆＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、ｎ型クラッド層の場合と同様に、ＩｎｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）、ＡｌｊＧａ１−ｊＮ（０≦ｊ＜１、ｆ＞ｊ）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が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１０〜４０オングストロームと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。
また、ｐ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｐ型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。
【００３４】
［ｐ型コンタクト層７］
上記のｐ型不純物含有のＡｌＧａＮを含んでなる窒化物半導体である。
【００３５】
また、本発明において、ｐ電極及びｎ電極は、種々のものを用いることができ、公知の電極材料等から適宜選択して用いる。電極としての具体例は、後述の実施例に記載されているものが挙げられる。
また、本発明は、素子構造の一実施の形態として図１を挙げて説明したが、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下で、上記のような本発明の特定のｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層であれば本発明の効果を得ることができ、図１以外に、静電耐圧、順方向電圧、寿命特性等の素子特性の向上のために、その他の層を形成してもよい。
【００３６】
また、本発明の素子は、ｐ側層をｐ型化して低抵抗とするために、アニーリング処理を行っている。アニーリング処理としては、特許第２５４０７９１号に記載されているように、気相成長法により、ｐ型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた後、実質的に水素を含まない雰囲気中、４００℃以上の温度で熱処理を行い、ｐ型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体から水素を出すことによりｐ型にする方法が挙げられる。
【００３７】
【実施例】
以下に、本発明の一実施の形態である実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。しかし、本発明はこれに限定されない。
【００３８】
［実施例１］
実施例１は、図１の窒化物半導体素子を作製する。
（基板１）
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を、反応容器内において水素雰囲気中、１０５０℃で表面のクリーニングを行う。
【００３９】
（バッファ層２）
続いて、水素雰囲気中、５１０℃で、アンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）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。
【００４０】
（ｎ型コンタクト層３）
次に１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、シラン（ＳｉＨ４）を用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００４１】
（ｎ型クラッド層４）
次に１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３ドープしたｎ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎよりなるｎ型クラッド層４を４００オングストロームの膜厚で形成する。
【００４２】
（活性層５）
次に窒素雰囲気中、７００℃でＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎＧａＮよりなる活性層を５５オングストロームの膜厚で成長させる。Ｉｎ組成比は、測定不可能な程度に微量（ほとんどゼロ）である。
【００４３】
（ｐ型クラッド層６）
次に水素雰囲気中、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Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型クラッド層６を６００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４４】
（ｐ型コンタクト層７）
続いて、ｐ型クラッド層６上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎよりなる第２のｐ型コンタクト層７ｂを０．１μｍの膜厚で成長させ、その後、ガスの流量を調整してＭｇを２×１０２１／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる第２のｐ型コンタクト層７ｂを０．０２μｍの膜厚で成長させる。
【００４５】
成長終了後、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した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層７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型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型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００４６】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層７の第１のｐ型コンタクト層７ａ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８と、そのｐ電極８の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０を０．２μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層３の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極９を形成する。最後にｐ電極８の表面を保護するためにＳｉＯ２よりなる絶縁膜を形成した後、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。
【００４７】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、発光ピーク波長が３７０ｎｍを示し、Ｖｆは３．８Ｖ、出力は２．０ｍＷである。
実施例１のＬＥＤの光取り出し効率は、従来のｎ型及びｐ型コンタクト層がＡｌを含んでいないものに対してほぼ２．５倍となる。
以上のように、上記素子構造により、オーミック接触が良好となるので従来と同等のＶｆを維持でき、さらに自己吸収を防止できることで発光出力を向上させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、ｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層をＡｌ組成比や不純物濃度、さらにｐ型コンタクト層を２層から構成することにより、オーミック接触を悪化させることなく良好に自己吸収を防止して光取り出し効率を向上させ、３７０ｎｍ以下の発光出力の良好な窒化物半導体素子を提供することができる。
更に本発明は、ｎ型及びｐ型コンタクト層のＭｇ濃度や、特定のクラッド層との組み合わせにより、良好なオーミック接触と自己吸収の防止に加えて、クラックなどの防止が良好となり、より良好な発光出力を得ることができる。
【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の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・活性層
６・・・ｐ型クラッド層
７・・・ｐ型コンタクト層
７ｂ・・・第２のｐ型コンタクト層
７ａ・・・第１のｐ型コンタクト層
８・・・ｐ電極
９・・・ｎ電極
１０・・・パッド電極
【図１】
0003614070.tif 000002