(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板と、前記基板上に支持され且つエッチングにより形成されたメサ構造とを含む化合物半導体装置であって、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に気相成長により形成され、且つマグネシウムを含有する、ｐ型の窒化物系化合物からなる第１半導体層とを具備し、前記第１半導体層は、前記メサ構造に含まれ且つ１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記基板と前記第１半導体層との間に介在する、気相成長により形成されたｎ型若しくはｉ型の窒化物系化合物からなる第２半導体層を更に具備し、前記第２半導体層は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3のマグネシウム若しくは１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の亜鉛を含有することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
結晶基板と、前記基板上に支持されるメサ構造とを含む化合物半導体装置であって、前記基板上に支持されるように気相成長により形成され、且つマグネシウムを含有する、ｐ型若しくはｉ型の窒化物系化合物からなる第１半導体層と、前記基板と前記第１半導体層との間に介在するｎ型の窒化物系化合物からなる第２半導体層とを具備し、前記第１半導体層は、前記メサ構造に含まれ且つ１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することと、前記第１半導体層は、前記第２半導体層を露出させるようにエッチングされた部分を有することと、を特徴とする化合物半導体装置。
【請求項４】
前記基板と前記第２半導体層との間に窒化物系化合物からなるバッファ層を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
前記第２半導体層は、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の水素を含有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項６】
前記発光層及び前記半導体層のいずれかは、１×１０16ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3の炭素、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の酸素、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のセレン、若しくは１×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の硫黄を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項７】
前記半導体装置は、前記基板上に支持され且つ発光素子を構成する窒化物系化合物からなる半導体積層部を具備し、前記発光層及び前記半導体層は前記半導体積層部に含まれることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体積層部に含まれる各層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮからなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体装置。
【請求項９】
結晶基板と、前記基板上に支持され且つエッチングにより形成されたメサ構造とを含む化合物半導体装置であって、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体積層部を備え、前記積層部は、窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に気相成長により形成され且つマグネシウムを含有するｐ型の窒化物系化合物からなる半導体領域とを具備し、前記半導体領域は、前記メサ構造に含まれ且つ１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項１０】
結晶基板と、前記基板上に支持され且つエッチングにより形成されたメサ構造とを含む化合物半導体装置であって、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体積層部を備え、前記積層部は、気相成長により形成された窒化物系化合物からなるｎ型若しくはｉ型の半導体領域と、このｎ型若しくはｉ型の半導体領域上に形成された窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に積層されるように気相成長により形成され且つマグネシウムを含有する窒化物系化合物からなるｐ型の半導体領域とを具備し、前記ｎ型若しくはｉ型の半導体領域は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3のマグネシウム若しくは１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の亜鉛を含有し、前記ｐ型の半導体領域は、前記メサ構造に含まれ且つ１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された窒化物系の化合物半導体からなる化合物半導体装置に関し、特に、化合物半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、青色或いは紫色の発光ダイオード用の材料として、一般式がＢＡｌＧａＩｎＮで表わされる窒化物系化合物半導体が知られている。この材料を利用した発光ダイオードとして知られているものは、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のものである。このようなＭＩＳ型の発光ダイオードは、動作電圧が高く、発光強度も弱く、更に素子の寿命も短いという欠点がある。これらの欠点に対する方策の一つとして、ｐｎ接合型にするということが既に知られている。
【０００３】
上記材料系は、主として有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により、サファイア基板上に成長されている。この方法に限らず窒化物系化合物半導体には、様々な問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系化合物半導体の問題点の１つは結晶成長過程における問題点である。通常、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法といった非平衡状態を用いた結晶成長では、まず成長するための結晶核が形成され、次に核全体が成長（３次元成長）し、その後複数の核が結合し平坦膜となり、最後にその膜が成長軸方向に成長（２次元成長）するという過程を経る。本発明者らがサファイアを基板として用いて結晶成長を行なったところ、特に珪素を添加したｎ型結晶の成長においては、故意に添加していないいわゆるアンドープ膜やマグネシウムをドープしたｐ型膜と比較して３次元成長から２次元成長へ移行する時間が長く、１μｍ以下の厚さを有する薄膜においては特に平坦膜が得られにくいという問題点が判明した。
【０００５】
２番目はこのようにしてできた結晶本質に関する問題点である。一般に窒化物系化合物半導体では、窒素の蒸気圧が非常に高いため、結晶中に窒素空孔が生成しやすいということがよく知られている。この窒素空孔はエネルギーレベルの深いドナー準位を形成する。そのため特に発光素子においては発光層で生じた光がこの深いドナー準位に関与した低エネルギーの遷移によって吸収され、素子の光取り出し効率が低減する。このような窒素空孔を埋める手段としては特開昭４９−２９７７０に記載されているように、窒素以外のＶ族元素、具体的には燐（Ｐ）や砒素（Ａｓ）を用いることが知られている。しかしながら、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）にこのような不純物を添加した場合においては、ＧａＮよりも燐化ガリウム（ＧａＰ）或いは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の方がエネルギーギャップが著しく小さい。このため、これらの混晶半導体においてはエネルギーギャップが著しく低下し、窒化物系化合物半導体の特性である大きなエネルギーギャップを利用した短い波長の発光を得られないという問題点がある。
【０００６】
３番目も結晶の品質の問題点である。半導体素子形成に通常用いられているＳｉやＧａＡｓといった半導体基板上に、窒化物系化合物半導体膜を形成した場合においては、それらの半導体基板が立方晶系であるために、基板上に成長された窒化物系化合物半導体膜も基板の結晶型が保存され、エピタキシャル層が立方晶系の膜となり、六方晶系の膜が得られない。このため、これまではサファイアを基板として使用することで、六方晶系の窒化物系化合物半導体膜を得ている。しかしながら、このサファイアを基板として用いた場合には基板に導電性がないために、積層された窒化物系化合物半導体膜構造を形成した半導体素子、特に通常の発光素子においては、表面に現われていない層へ電気的接触を図る場合に表面からいくつかの層をエッチング除去する必要がある。本発明者らが実験を行なった結果、マグネシウムを添加した通常のｐ型窒化物系化合物半導体結晶層ではエッチング処理によって除去することが非常に困難であるという問題点が判明した。
【０００７】
４番目は結晶成長後の素子形成工程に関する問題である不純物の拡散である。本発明の対象である窒化物系化合物半導体に限らず、半導体素子の作製工程では、通常、結晶成長を行なった後に、様々な目的で熱処理が施される。この場合、熱処理のために所望の領域に止まっていることを望まれる不純物が拡散し、素子の諸特性に対して悪影響を及ぼすという問題点がある。本発明者らが実験を行なったところ、通常用いられる不純物の中ではマグネシウムの拡散が最も顕著であることが判明した。
【０００８】
上述のように、窒化物系化合物半導体膜には、その結晶自身の特性或いは結晶成長の観点から、平坦な薄膜形成の困難さ、窒素空孔の存在、結晶をエッチングする際の困難さ、熱処理工程における不純物の拡散といった様々な問題点がある。これらの問題点は、特にサファイアを基板として用いた窒化物系化合物半導体膜半導体素子、特に発光素子を形成する上で大きな課題となっている。
【０００９】
本発明は以上の問題点に鑑みてなされたもので、窒化物系化合物半導体層の形成において、不純物添加という一つの手段を用いてこれらの問題点の解決をはかることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点に係る化合物半導体装置は、結晶基板と、前記基板に支持されるように気相成長により形成され、且つマグネシウムを含有する、ｐ型若しくはｉ型の窒化物系化合物からなる第１半導体層を具備し、前記第１半導体層は、１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の視点に係る化合物半導体装置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に積層されるように気相成長により形成され、且つマグネシウムを含有する、ｐ型の窒化物系化合物からなる第１半導体層を具備し、前記第１半導体層は、１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３の視点に係る化合物半導体装置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層部は、窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に積層されるように気相成長により形成され且つマグネシウムを含有するｐ型の窒化物系化合物からなる半導体領域とを具備し、前記半導体領域は、１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第４の視点に係る化合物半導体装置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層部は、気相成長により形成された窒化物系化合物からなるｎ型若しくはｉ型の半導体領域と、このｎ型若しくはｉ型の半導体領域上に形成された窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に積層されるように気相成長により形成され且つマグネシウムを含有する窒化物系化合物からなるｐ型の半導体領域とを具備し、前記ｎ型若しくはｉ型の半導体領域は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3のマグネシウム若しくは１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の亜鉛を含有し、前記ｐ型の半導体領域は、１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素を含有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の効果は元素によって、その対象とする問題点が異なる。そのため、それらの元素による問題点への作用を個々に説明する。元素は、マグネシウム及び亜鉛のグループ、炭素、酸素、セレン及び硫黄のグループ、珪素、水素の４つに分けられる。
【００１５】
まず、マグネシウム及び亜鉛のグループについて説明する。これらの元素は第１の問題点である成長時の結晶の平坦性に関するものである。本発明者らが実験を行なった結果、Ｓｉを添加したｎ型窒化物系化合物半導体結晶膜では３次元成長から２次元成長への移行が遅いことは上述した通りである。このような成長に対して、マグネシウムを同時に添加したところ、３次元成長から２次元成長への移行がマグネシウムを添加しない場合と比較して早い時間、即ち膜厚が薄い時で起こることが判明した。即ち、マグネシウムを添加することによって平坦な薄膜を形成することができるようになる。しかしながら、マグネシウムは本来アクセプター性の不純物であるため、大量に添加することはｎ型結晶の形成を阻害する。そのため、本発明者らが実験を行なった結果、ｎ型結晶の形成を阻害することなく、添加による効果が得られる不純物濃度の範囲は、マグネシウムでは１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3であることが判明した。同様の効果は亜鉛においても確認されており、その効果が現われる濃度範囲は１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3であることが判明した。
【００１６】
次に、炭素、酸素、セレン、及び硫黄のグループについて説明する。これらの元素は第２の問題点である結晶中の窒素空孔の問題に関するものである。これらの元素の原子は、窒化物系化合物半導体において窒素サイトに入りやすいため、この化合物半導体に特有な窒素空孔を埋めることができる。そのため、窒素空孔に起因する深いドナー準位を消失させることができる。また、上述した４種類の不純物元素はそれ自身、比較的浅いドナーまたはアクセプターを形成する不純物であることから、不純物添加による深い不純物レベルの形成が生じない。そのため、取り出し効率の損失を起こすことなく、深いドナー準位を形成する窒素空孔を埋めることができる。一方、これらの不純物を過剰に添加することは結晶性の低下による発光効率の低下を招くため望ましくない。このため、不純物濃度の適当な範囲を求めたところ、炭素では１×１０16ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3、酸素では１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3、セレンでは１×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3、硫黄１×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3であることが判明した。
【００１７】
第３に、珪素について説明する。この元素は第３の問題点である結晶のエッチングの困難さに関するものである。本発明者らが実験を行なった結果、マグネシウムを添加した通常のｐ型窒化物系化合物半導体結晶層では、エッチング除去することが非常に困難であった。しかし、これに珪素を微量添加したところ、エッチングが容易に行なえることが判明した。しかしながら、珪素は本来ｎ型を示すドナー性の不純物であるため、過剰の添加はｐ型結晶の形成を阻害する。そのため、本発明者らが実験を行なった結果、ｐ型結晶の形成を阻害することなく、添加による効果が得られる不純物濃度の範囲は、１×１０16ｃｍ-3〜８×１０17ｃｍ-3の珪素であることが判明した。
【００１８】
最後に、水素について説明する。基板上に形成したｎ型ＧａＮ層とマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮ層とからなるｐｎ接合構造について考える。ｎ型層に水素が含まれていない場合、これらの構造に熱処理を施したところ、Ｍｇはｐ型層からｎ型層へ拡散する。このような熱拡散は、通常用いられる不純物元素の中でＭｇについて顕著に見られるものである。Ｍｇの熱拡散は本来ｎ型であるべき結晶のキャリア濃度を著しく低下させ、ｎ型層にｎ型としての役割を果たさせない現象を生じさせる。しかしながら、ｎ型層に適量の水素が含まれている場合には、Ｍｇの拡散は抑制され、ｐ型層からｎ型層へのＭｇの拡散は殆ど生じない。このように水素には不純物の拡散を抑制させる効果があるものと考えられる。本発明者らが実験を行なった結果、拡散を抑制することができる水素濃度の範囲は１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3であることが判明した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら以下に説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオード１０の断面を示す。
【００２１】
発光ダイオード１０は、サファイア基板１１を有しており、そのサファイア基板１１の一主面１１ａ上に、格子不整合を緩和することを目的としたバッファ層１２が５０ｎｍの厚さで形成されている。更にバッファ層１２の上に、順に、厚さ４μｍのｎ型ＧａＮ層１３、厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ発光層１４、クラッド層として厚さ１５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１５、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＮ層１６が積層されている。ｎ型ＧａＮ層１３はクラッド層としても働く。
【００２２】
これらのｎ型ＧａＮ層１３からｐ型ＧａＮ層１６までの各層には、２×１０17ｃｍ-3の炭素が含有されている。また、第２の実施の形態で述べるように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５及びｐ型ＧａＮ層１６にＳｉが微量添加され、これらがエッチングしやすいようになっている。
【００２３】
結晶成長の後、ｐ型ＧａＮ層１６からｎ型ＩｎＧａＮ層１４までが、ｎ型ＧａＮ層１３が露出するまでエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ４００ｎｍのＳｉＯ2 膜１７で覆われる。このＳｉＯ2 膜１７の必要な部分に孔が形成され、ｐ型層１６に対してＡｕ−Ｎｉ膜１８が、ｎ型層１３に対してＡｌ膜１９が形成され、オーミック電極が配設される。
【００２４】
以下に、発光ダイオード１０の製造方法の実施例を順に説明する。
【００２５】
この発光ダイオード１０は、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による気相成長により製造した。用いたガスは、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ3 ）、シラン（ＳｉＨ4 ）及び四塩化炭素（ＣＣｌ4 ）を用い、キャリアガスとして水素（Ｈ2 ）及び窒素（Ｎ2 ）を用いた。有機金属原料として、トリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）（以下、ＴＭＧと記す）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）（以下、ＴＭＡと記す）、トリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）（以下、ＴＭＩと記す）、ジメチル亜鉛（（ＣＨ3 ）2 Ｚｎ）（以下、ＤＭＺと記す）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）（以下、Ｃｐ2 Ｍｇと記す）を用いた。
【００２６】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したｃ面１１ａを一主面とした単結晶のサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でＨ2 を１０Ｌ／分の流量で流しながら、温度１０５０℃で約１０分間、サファイア基板１１の一主面１１ａを気相エッチングした。
【００２７】
次に、サファイア基板１１を５１０℃まで降温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、及びＴＭＧを２５ｃｃ／分の各流量で６分間流すことによって、バッファ層１２を形成した。
【００２８】
次に、サファイア基板１１を１０２０℃まで昇温且つ保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、１００ｐｐｍのＳｉＨ4 を１ｃｃ／分、及びＣＣｌ4 を５ｃｃ／分の各流量で６０分流すことによって、ｎ型ＧａＮ層１３を形成した。
【００２９】
次に、サファイア基板１１を８００℃まで降温し、Ｈ2 を５Ｌ／分、Ｎ2 を１５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを３ｃｃ／分、ＴＭＩを１００ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分、ＤＭＺを１０ｃｃ／分、及びＣＣｌ4 を５ｃｃ／分の各流量で１５分流すことによって、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４を形成した。
【００３０】
次に、サファイア基板１１を１０２０℃まで昇温且つ保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを３０ｃｃ／分、ＣＣｌ4 を２５ｃｃ／分、及びＳｉＨ4 を０．１ｃｃ／分の各流量で５分流すことによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５を形成した。
【００３１】
更に、サファイア基板を１０２０℃に保温したまま、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを３０ｃｃ／分、ＣＣｌ4 を５ｃｃ／分、及びＳｉＨ4 を０．１ｃｃ／分の各流量で５分程度流すことによって、ｐ型ＧａＮ層１６を形成した。この様にＣＣｌ4 を成長ガスに使用することで各成長層に炭素を含有させることができる。
【００３２】
この後、ＴＭＧ、Ｃｐ2 Ｍｇ及びＣＣｌ4 の流れを切り、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を５Ｌ／分、及びＮＨ3 を１０Ｌ／分の各流量で流しながらサファイア基板１１を７００℃まで降温した。更に、Ｈ2 及びＮＨ3 を切り、Ｎ2 を５Ｌ／分で保持しながらサファイア基板１１をサセプタ上に放置し、室温まで降温した（図８参照）。
【００３３】
ここで、Ｈ2 及びＮＨ3 を切り、Ｎ2 のみにする温度は３００℃以上であることが必要であり、５００℃以上であることが望ましい。これは高温の水素雰囲気下では成長結晶膜の表面付近の不純物が活性水素によって不活性化するためであると考えられる。そのため、このような高温の水素雰囲気下では活性化される不純物の割合は１％程度にすぎない。この様な場合には、活性化されていない不純物は格子欠陥を作り、非発光再結合中心となるため素子の効率を著しく低下させる。これに対して上述したような高温で切り替えを行った場合には、添加された不純物の少なくとも７％以上、多くの場合１０％以上が活性化されていることが判明した。
【００３４】
また、基板の冷却速度は５０℃／分以下であることが望ましい。これ以上の速度で冷却した場合には、特にＡｌを加えた混晶系、例えばＡｌＧａＮ等において、結晶に熱応力が掛かるため、結晶表面にクラックが生じることがある。
【００３５】
なお、室温まで降温する際のガスとしては、母体結晶の構成元素の１つであるＮ2 を用いることが望ましいが、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスを用いることも可能である。
【００３６】
この様な工程を経ることで、不純物の活性化率を向上させるために従来とられてきた熱アニール等の工程を必要としなくなるため、工程の簡略化を図ることができ、製造に要する時間の短縮も図ることができる。更に、熱アニール等の後工程を経るよりも高い活性化率を得ることができる。
【００３７】
次に、窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってｎ型ＧａＮ層１３が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、ＣＶＤ装置によって、表面にＳｉＯ2 膜１７を約４００ｎｍ形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したｐｎ接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【００３８】
次に、ＳｉＯ2 膜１７に弗酸系の溶液を用いて、ｐ型ＧａＮ層１６が約１００μｍ角の大きさで、またｎ型ＧａＮ層１３が約１００μｍφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、ｐ型層１６に対して約１μｍのＡｕ−Ｎｉ膜１８を、ｎ型層１３に対して約６００ｎｍのＡｌ膜１９を形成し、オーミック電極とした。以上の工程で発光ダイオードが完成した。
【００３９】
かかる発光ダイオード１０における各層の不純物濃度はｐ型ＧａＮ層１６中のＭｇ濃度のみが１×１０20ｃｍ-3であり、ｎ型ＧａＮ層１３、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４、及びｐ型ＡｌＧａＮ層１５に各々含まれるＳｉ、Ｚｎ、Ｍｇの濃度は２×１０19ｃｍ-3であった。また、ｎ型ＧａＮ層１３からｐ型ＧａＮ層１６までの各層中に含まれる炭素濃度は２×１０17ｃｍ-3であった。
【００４０】
この様にして形成された発光ダイオード１０を約３５０μｍ角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオードにおいては、順方向電流２０ｍＡに対して２〜３ｍＷ程度の光出力を得ることができ、寿命も約２万時間を実現することができた。これらの値は、炭素を実質的に含まない、即ち、測定時の検出限界以下であるような場合の同様の構造を有する発光ダイオードの特性と比較して約２〜３倍の向上となっている。
【００４１】
この炭素濃度については１×１０16ｃｍ-3から５×１０17ｃｍ-3までの領域でこれまで述べてきたような効果が見られた。これより少ない場合には、窒素空孔による深い準位の形成によって取り出し効率に低下が見られた。即ち、炭素添加による効果が現われなかった。一方、この範囲よりも多い場合には、炭素が結晶内において析出し、非発光再結合センターや、結晶欠陥の要因となり、効果が現われなくなった。効果が顕著に現われるためには、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3以上で且つ５×１０17ｃｍ-3以下であることが望ましく、更には炭素濃度が１×１０17ｃｍ-3から３×１０17ｃｍ-3までの範囲にあるとき、取り出し効率が極大値をとった。
【００４２】
ここでは、発光層をＩｎＧａＮにした場合について述べたが、発光層がＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮで形成されている場合でも同様の効果が得られた。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオード２０の断面を示す。
【００４４】
発光ダイオード２０は、サファイア基板２１を有しており、そのサファイア基板２１上に、格子不整合を緩和するためにＧａＮのバッファ層２２が５０ｎｍの厚さで形成されている。そのバッファ層２２の上に、順に、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層２３、厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ発光層２４、クラッド層として厚さ３００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層２５、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層２６が積層されている。
【００４５】
各層の不純物濃度は以下の通りである。ｐ型ＧａＮ層２６ではＭｇ濃度が１×１０20ｃｍ-3、Ｓｉ濃度は１×１０17ｃｍ-3である。ｐ型ＡｌＧａＮ層２５ではＭｇ濃度が２×１０19ｃｍ-3、Ｓｉ濃度は１×１０17ｃｍ-3である。ｎ型ＩｎＧａＮ層２４ではＳｉ濃度が２×１０19ｃｍ-3、Ｚｎ濃度が１×１０18ｃｍ-3である。ｎ型ＧａＮ層２３中のＳｉ濃度は２×１０19ｃｍ-3である。
【００４６】
以下に、発光ダイオード２０の製造方法の実施例を順に説明する。
【００４７】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したａ面（（１１-2０）面）を主面とした単結晶のサファイア基板２１をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でＨ2 を１０Ｌ／分の流量で流しながら、温度１０５０℃で約１０分間、サファイア基板２１の一主面を気相エッチングした。
【００４８】
次に、サファイア基板２１を５１０℃まで降温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分の各流量で流すことによって、バッファ層２２を形成した。
【００４９】
次に、サファイア基板２１を１０２０℃まで昇温且つ保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を５ｃｃ／分の各流量で６０分流すことによって、ｎ型ＧａＮ層２３を形成した。
【００５０】
次に、サファイア基板２１を８００℃まで降温し、Ｈ2 を１０Ｌ／分、Ｎ2 を１５Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、トリエチルガリウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ）  （以下、ＴＥＧと記す）を３ｃｃ／分、ＴＭＩを３０ｃｃ／分、ＤＭＺを１ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分の各流量で３０分流すことによって、ｎ型ＩｎＧａＮ層２４を形成した。この層形成においてのＺｎ添加は発光中心としての役割と同時に、平坦な薄膜成長を助ける役割をも合わせ持っている。
【００５１】
次に、サファイア基板２１を１０２０℃まで昇温且つ保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを５０ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分の各流量で１０分間流すことによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層２５を形成した。
【００５２】
更に、サファイア基板２１を１０２０℃に保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを１００ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分の各流量で１０分程度流すことによって、ｐ型ＧａＮ層２６を形成した。
【００５３】
この後、ＴＭＧ、Ｃｐ2 Ｍｇ、及びＳｉＨ4 を切り、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分の各流量で流したまま、サファイア基板２１を８００℃まで降温した。その後、Ｎ2 を１０Ｌ／分流しながらサファイア基板２１をサセプタ上に放置し、室温まで降温した。
【００５４】
次に、窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板２１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってｎ型ＧａＮ層２３が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、ＣＶＤ装置によって、表面にＳｉＯ2 膜２７を約２００ｎｍ形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したｐｎ接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【００５５】
次に、ＳｉＯ2 膜２７に弗酸系の溶液を用いて、ｐ型ＧａＮ層２６が約１００μｍ角の大きさで、またｎ型ＧａＮ層２３が約１２０μｍφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、ｐ型ＧａＮ層２６に対して約２μｍのＡｕ−Ｎｉ膜２８を、ｎ型層２３に対して約１μｍのＡｌ−Ｔｉ膜２９を形成し、オーミック電極とした。
【００５６】
このようにして形成された発光ダイオード２０を約３５０μｍ角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード２０は、発光強度においても信頼性においても第１の実施の形態で示した発光ダイオード１０と同程度の性能を示した。
【００５７】
かかる発光ダイオード２０において、本発明の主旨であるｐ型ＧａＮ層２６及びｐ型ＡｌＧａＮ層２５におけるＳｉ濃度は上述した通り、いずれの層も２×１０17ｃｍ-3であった。この濃度においてｐ型ＧａＮ層２６及びｐ型ＡｌＧａＮ層２５はエッチング除去することができ、素子を形成することが可能であった。このようにエッチングが可能であった濃度は１×１０16ｃｍ-3以上を必要とした。一方、Ｓｉは本来ドナー性の不純物であるため、過剰の添加は本来ｐ型であるべきＧａＮ層２６及びＡｌＧａＮ層２５をｎ型に変化させてしまうという問題を生じる。そのため、Ｓｉ濃度の上限は、その層のアクセプター濃度に依存するが、素子形成に必要なｐ型のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3であることから、Ｓｉ濃度が８×１０17ｃｍ-3以下ではｎ型に転じることが少ないということが判明した。更に、Ｓｉ濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であることが望ましく、５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の濃度であることが素子形成に最も望ましいものであった。
【００５８】
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係る発光ダイオード３０の断面を示す。
【００５９】
発光ダイオード３０は、結晶性のＡｌＮ基板３１を有しており、そのＡｌＮ基板３１上に、順に、厚さ４μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層３３、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮ発光層３４、クラッド層として厚さ３００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層３５、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層３６が積層されている。また、ｎ型ＡｌＮ層３３からｐ型ＧａＮ層３６までの各層中には酸素が１×１０18ｃｍ-3含有されている。
【００６０】
以下に、発光ダイオード３０の製造方法の実施例を順に説明する。
【００６１】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したＡｌＮ基板３１をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でＨ2 を１０Ｌ／分の流量で流しながら、温度１０５０℃で約１０分間、ＡｌＮ基板の一主面を気相エッチングした。
【００６２】
次に、ＡｌＮ基板３１を１０００℃まで降温且つ保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＡを２５ｃｃ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分、０．１％に希釈した酸素（Ｏ2 ）を２０ｃｃ／分の各流量で６０分流すことによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層３３を形成した。
【００６３】
次に、ＡｌＮ基板３１を１０００℃に保持したまま、Ｈ2 を１０Ｌ／分、Ｎ2 を１５Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＥＧを３ｃｃ／分、ＤＭＺを１０ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分、希釈した酸素Ｏ2 を３００ｃｃ／分の各流量で４分流すことによって、ｎ型ＧａＮ層３４を形成した。
【００６４】
次に、ＡｌＮ基板を１０００℃に保温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを１００ｃｃ／分、希釈したＯ2 を２００ｃｃ／分の各流量で５分間流すことによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を形成した。
【００６５】
更に、ＡｌＮ基板を１０００℃に保温したまま、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを３０ｃｃ／分、希釈したＯ2 を２００ｃｃ／分の各流量で２０分程度流すことによって、ｐ型ＧａＮ層３６を形成した。
【００６６】
この後、ＡｌＮ基板３１を９００℃まで降温し、常圧でＮＨ3 を１０Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分の各流量で流しながらこれをサセプタ上に放置した。
【００６７】
窒化物系化合物半導体層が成長したＡｌＮ基板３１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってｎ型ＡｌＧａＮ層３３が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、ＣＶＤ装置によって、表面にＳｉＯ2 膜３７を約３００ｎｍ形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したｐｎ接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【００６８】
次に、ＳｉＯ2 膜３７に弗酸系の溶液を用いて、ｐ型ＧａＮ層３６が約１００μｍ角の大きさで、またｎ型ＡｌＧａＮ層３３が約１００μｍφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、ｐ型ＧａＮ層３６に対して約２μｍのＡｕ−Ｎｉ膜３８を、ｎ型ＡｌＧａＮ層３３に対して約１μｍのＡｌ膜３９を形成し、オーミック電極とした。
【００６９】
このようにして形成された発光ダイオード３０を約４００μｍ角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード３０は、発光強度においても信頼性においても第１の実施の形態で示した発光ダイオード１０と同程度の性能を示した。
【００７０】
かかる発光ダイオード３０において各層の不純物濃度はｐ型ＧａＮ層３６中のＭｇ濃度のみが１×１０20ｃｍ-3であり、ｎ型ＡｌＧａＮ層３３からｐ型ＡｌＧａＮ層３５までに含まれるＳｉ、Ｚｎ、Ｍｇ濃度は２×１０19ｃｍ-3であった。また、本実施の形態の特徴である酸素濃度は上述した値１×１０18ｃｍ-3を含む１×１０18ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3までの領域で窒素空孔を埋めることによる効果が見られた。これより少ない場合には、発光強度に効果が見られなかった。一方、この範囲よりも多い場合には、装置内で爆発する恐れがあるため、装置の安全性に問題が生じる。この中でも１×１０18ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3の酸素濃度の場合に発光素子として特性が最も向上した。
【００７１】
（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態に係る発光ダイオード４０の断面を示す。
【００７２】
発光ダイオード４０は、サファイア基板１１を有しており、そのサファイア基板１１の一主面上に、格子不整合を緩和するためにバッファ層４２が５０ｎｍの厚さで形成されている。そのバッファ層４２の上に、順に、厚さ４μｍのｎ型ＧａＮ層４３、厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ発光層４４、クラッド層として厚さ１５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層４５、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４６が積層されている。これらのｎ型ＧａＮ層４３及びｎ型ＩｎＧａＮ発光層４４には、夫々水素が５×１０18ｃｍ-3含まれている。
【００７３】
更に、結晶成長の後、ｎ型ＩｎＧａＮ層４４からｐ型ＧａＮ層４６までが、ｎ型ＧａＮ層４３が露出するまでエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ４００ｎｍのＳｉＯ2 膜４７で覆われる。このＳｉＯ2 膜４７の必要な部分に孔が形成され、ｐ型層４６に対してＡｕ−Ｎｉ膜４８が、ｎ型層４３に対してＡｌ膜４９が形成され、オーミック電極が配設される。
【００７４】
以下に、発光ダイオード４０の製造方法の実施例を順に説明する。
【００７５】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したＣ面を主面とした単結晶のサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でＨ2 を２０Ｌ／分の流量で流しながら、温度１１００℃で約１０分間、サファイア基板１１を気相エッチングした。
【００７６】
次に、サファイア基板１１を５００℃まで降温し、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を５Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＴＭＡを４０ｃｃ／分の各流量で流すことによって、バッファ層４２を形成した。
【００７７】
次に、サファイア基板１１を１０２０℃まで昇温且つ保温し、Ｈ2 を２０Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分の各流量で６０分流すことによって、ｎ型ＧａＮ層４３を形成した。
【００７８】
次に、サファイア基板１１を８００℃まで降温し、Ｈ2 を２０Ｌ／分、Ｎ2 を１５Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＥＧを３ｃｃ／分、ＴＭＩを３０ｃｃ／分、ＤＭＺを１ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を１ｃｃ／分の各流量で１５分流すことによってｎ型ＩｎＧａＮ層４４を形成した。
【００７９】
次に、サファイア基板１１を１０２０℃まで昇温し、保温した状態で、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを３０ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を０．１ｃｃ／分の各流量で５分間流すことによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層４５を形成した。
【００８０】
更に、サファイア基板１１を１０２０℃に保温したまま、Ｈ2 を１５Ｌ／分、Ｎ2 を１０Ｌ／分、ＮＨ3 を１０Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、Ｃｐ2 Ｍｇを１００ｃｃ／分、ＳｉＨ4 を０．１ｃｃ／分の各流量で５分程度流すことによって、ｐ型ＧａＮ層４６を形成した。上記ｐ型ＡｌＧａＮ層４５及びｐ型ＧａＮ層４６の成長では第２の実施の形態で述べたエッチングの容易性のためにＳｉを添加した。
【００８１】
この後、サファイア基板１１を８００℃まで降温し、常温でＮ2 を１０Ｌ／分流しながらサセプタ上に放置した。
【００８２】
窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＣＶＤ装置によって、表面にＳｉＯ2 膜４７を約４００ｎｍ形成した。このＳｉＯ2 膜４７をマスクとして、周知の反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）によってｎ型ＧａＮ層４３が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。このＳｉＯ2 膜４７に弗酸系の溶液を用いて、ｐ型ＧａＮ層４６が約１００μｍ角の大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、ｐ型層４６に対して約１μｍのＡｕ−Ｎｉ膜４８を形成し、またｎ型層４３に対して約６００ｎｍのＡｌ膜４９を形成し、夫々オーミック電極とした。
【００８３】
このようにして形成された発光ダイオード４０を約３５０μｍ角の大きさでダイシングした後、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード４０においては、先に述べた発光ダイオード１０と同程度の発光強度、信頼性を有していた。
【００８４】
かかる発光ダイオード４０における各層の不純物濃度はｐ型ＧａＮ層４６中のＭｇ濃度のみが１×１０20ｃｍ-3であり、ｎ型ＧａＮ層４３からｐ型ＡｌＧａＮ層４５までに含まれるＳｉ、Ｚｎ、Ｍｇ濃度は２×１０19ｃｍ-3であった。また、本発明の主旨であるｎ型ＧａＮ層４３及びｎ型ＩｎＧａＮ層４４に含まれる水素濃度５×１０18ｃｍ-3であるが、３×１０18ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3までの領域で、ｐ型ＡｌＧａＮ層４５及びｐ型ＧａＮ層４６からのＭｇの拡散を抑制することができた。これより少ない場合には、ｎ型層４３及び４４へのＭｇの拡散が著しく、これらの層が補償効果によって絶縁層化する、或いはｐ型に変化してしまう現象が見られた。一方、これより水素は多い場合にはキャリアの要因となる不純物元素に対して水素が結合し、キャリア不活性化の要因となった。従って、水素濃度が上記の範囲３×１０18ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3である必要がある。更に望ましくは、３×１０18ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3程度の濃度である場合にその効果が顕著に現われた。
【００８５】
（第５の実施の形態）
図５は本発明の第５の実施の形態に係る発光ダイオード５０の断面を示す。
【００８６】
第５の実施の形態が上述した４つの実施の形態と大きく異なる点は基板にＳｉＣを使用した点である。各窒化物半導体層における主たる不純物は、ＳｉＣ基板５１がＮ（窒素）、ｎ型ＧａＮ層５３がＳｉ、ｎ型ＩｎＧａＮ発光層５４がＳｉ及びＺｎ、クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮ層５５及びｐ型ＧａＮ層５６がＭｇである。これらの濃度については、上述４つの実施の形態と同様、ｎ型ＩｎＧａＮ層５４中のＺｎ、ｐ型ＡｌＧａＮ層５５中のＭｇについては２×１０19ｃｍ-3であり、ｐ型ＧａＮ層５６中のＭｇについては１×１０20ｃｍ-3である。また、Ｓｉについては、ｎ型層５３及び５４で１×１０19ｃｍ-3程度、ｐ型層５５及び５６で８×１０16ｃｍ-3である。その他の不純物としては、ｎ型ＧａＮ層５３からｐ型ＧａＮ層５６までの各層に夫々炭素が１×１０18ｃｍ-3、酸素が１×１０18ｃｍ-3含まれている。
【００８７】
製造方法については、これまで述べてきた４つの実施の形態と同様にＭＯＣＶＤ法を用いた。この実施の形態でも第１及び第２の実施の形態と同様の効果を奏することに加えて、結晶欠陥密度も非常に低減し、発光ダイオード１０と比較して、発光強度について約２倍、寿命について約３倍の性能向上をはかることができた。
【００８８】
（第６の実施の形態）
図６は本発明の第６の実施の形態に係るレーザダイオード６０の断面を示す。
【００８９】
レーザダイオード６０は、サファイア基板６１を有しており、そのサファイア基板上６１に順に、厚さ５０ｎｍのＧａＮバッファ層６２、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層６３、厚さ５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌの組成比０．３）層６４、厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＮ層６５、厚さ５００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ（Ａｌの組成比０．３）層６６、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＮ層６７が形成されている。
【００９０】
これらの各層の不純物濃度は、ｎ型ＧａＮ層６３ではＳｉが２×１０19ｃｍ-3及びＭｇが５×１０16ｃｍ-3、ｎ型ＡｌＧａＮ層６４ではＳｉが２×１０19ｃｍ-3及びＭｇが８×１０16ｃｍ-3、アンドープＧａＮ層６５ではＭｇが１×１０17ｃｍ-3、ｐ型ＡｌＧａＮ層６６ではＭｇが３×１０19ｃｍ-3、ｐ型ＧａＮ層６７ではＭｇが１×１０20ｃｍ-3である。
【００９１】
この素子の製造方法はこれまで示してきた実施の形態と同様に行った。ｎ型ＧａＮ層６３からアンドープＧａＮ層６５までの各層には平坦な薄膜形成のために上述した濃度でＭｇを添加した。かかるＭｇの濃度は１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3で効果が見られた。これより少ない場合には平坦な薄膜が得られなかった。一方、これより多い場合においてはｎ型層ではキャリア濃度に低減が見られ、更にＳｉを添加しなければならず、平坦な膜が得られにくくなった。このため、Ｍｇ濃度は１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3が適当で、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の濃度であることが望ましい。
【００９２】
（第７の実施の形態）
図７は本発明の第７の実施の形態に係る発光ダイオード７０の断面を示す。
【００９３】
発光ダイオード７０は、ａ面（（１１-2０）面）を主面とするサファイア基板７１上に形成されたものである。層構造はサファイア基板７１から順に、ＧａＮバッファ層７２、ＺｎドープＧａＮ層７３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層７４、ｎ型ＩｎＧａＮ発光層７５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層７６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層７７である。
【００９４】
ＧａＮバッファ層７２は厚さが０．１μｍであり、サファイア基板とＧａＮ層との格子不整合とを緩和するためにある。ＧａＮ層７３は厚さが０．３μｍであり、本発明の主旨である２次元成長の促進をはかるためにＺｎを添加している。Ｚｎの濃度は１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3が適当で、１×１０15ｃｍ-3〜３×１０16ｃｍ-3の濃度であることが望ましい。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層７４は厚さが４μｍであり、発光層に電子を注入するためにある。また、基板に絶縁物であるサファイアを用いているためにエッチングによってｎ型層を露出させなければならないため、層７４は厚めに形成している。層７４のキャリア濃度は２×１０18ｃｍ-3程度である。
【００９５】
ｎ型ＩｎＧａＮ発光層７５は厚さが０．３μｍである。また、発光波長を４５０ｎｍ程度に合わせるため、Ｉｎの組成比は６％である場合には、ＳｉとＺｎとを同時に添加している。Ｉｎ組成を３０％程度まで上げた場合にはＳｉのみを添加することで発光波長を調整することが可能である。
【００９６】
Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層７６は厚さが０．２μｍであり、発光層に正孔を注入する働きをする。また、Ａｌの組成比については、電子のオーバーフローを抑制するためには大きいことが望ましい一方、ｐ型キャリア濃度を確保するためには組成比は小さい方が望ましい。これらの条件の複合により、Ａｌの組成比は５％から２５％までの範囲にあることが望ましく、更には１０％から２０％の間にあることがより望ましい。
【００９７】
Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層７７は厚さが０．２μｍであり、ＡｌＧａＮ層７６では良好なオーミック接触をとることが困難であることから形成されたものである。キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3以上程度あることが望ましく、ここでは２×１０18ｃｍ-3と設定した。また、ｐ型層７６及び７７にはエッチングの実現を考慮してＳｉを微量添加した。
【００９８】
オーミック電極としては、ｐｎ両方の層上にＮｉ２０ｎｍ、Ａｕ３００ｎｍの積層構造７８を形成し、良好なオーミック電極形成のための熱処理をほどこした後、ボンディング用として更にＴｉ５０ｎｍ、Ａｕ２μｍの積層構造７９を形成した。このような発光ダイオード７０においては２０ｍＡで２ｃｄ程度の輝度を示した。
【００９９】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。上記実施の形態では発光素子について説明したが、上記実施の形態で説明した膜をチャネル領域に使用した薄膜トランジスタやエミッタ、ベース、コレクタに使ったヘテロ接合型バイポーラトランジスタ等も実現することができる。この場合結晶性が向上した膜でトランジスタを形成できることから高速動作の可能なデバイスの提供を期待できる。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、各々の窒化物系化合物半導体層中に炭素、珪素などの原子を含むことにより、窒化物系化合物半導体結晶において、結晶成長、窒素空孔、エッチング、及び不純物拡散といった諸問題が解決され、良質で扱いやすい結晶を得ることができる。更に、発光素子の発光強度や信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図７】本発明の第７の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造方法における降温時の操作を説明するための図。
【符号の説明】
１１、２１、６１、７１…サファイア基板、３１…ＡｌＮ基板、５１…ＳｉＣ基板、１２、２２、４２、６２、７２…バッファ層、１３、２３、４３、５３、６３、７４…ｎ型ＧａＮ層、３３…ＡｌＧａＮ層、１４、２４、４４、５４、７５…ｎ型ＩｎＧａＮ発光層、３４…ＧａＮ発光層、１５、２５、３５、４５、５５、６６、７６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、１６、２６、３６、４６、５６、６７、７７…ｐ型ＧａＮ層、６４…ｎ型ＡｌＧａＮ層、６５…アンドープＧａＮ層、７３…ＺｎドープＧａＮ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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