(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順に有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、井戸層にＩｎを有する窒化物半導体を含んでなる量子井戸構造であり、
該活性層上に、
Ａｌを含んでなる第１の窒化物半導体層と、該第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り、さらに前記第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方にＭｇを含有してなるｐ型多層膜層と、
該ｐ型多層膜層上に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より高濃度で且つ１×１０19／ｃｍ３よりも高濃度のＭｇを含有するｐ型高濃度ドープ層と、
該ｐ型高濃度ドープ層上に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より高濃度で且つ前記ｐ型高濃度ドープ層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型コンタクト層とを、
少なくとも順に有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ｐ型多層膜層とｐ型高濃度ドープ層との間に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型低濃度ドープ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素子。
【請求項３】
基板上に、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、井戸層にＩｎを有する窒化物半導体を含んでなる量子井戸構造であり、
該活性層上に、
ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）を含んでなりＭｇを含有するｐ型層と、
該ｐ型層上に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より高濃度で且つ１×１０19／ｃｍ３よりも高濃度のＭｇを含有するｐ型高濃度ドープ層と、
該ｐ型高濃度ドープ層上に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より高濃度で且つ前記ｐ型高濃度ドープ層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型コンタクト層とを、少なくとも順に有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ｐ型層とｐ型高濃度ドープ層との間に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型低濃度ドープ層を有することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であ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素子。
【請求項６】
前記ｐ型層のＭｇ濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする請求項３又は４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記ｐ型高濃度ドープ層は、ＧａＮから成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記ｐ型高濃度ドープ層は、膜厚が１５０〜２０００オングストロームであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が、１×１０１８〜５×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ｐ型低濃度ドープ層のＭｇ濃度が、１×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項２、４、５〜９に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記本出願人が開示したＬＥＤ素子は、高出力であり実用に十分適用でき信号などの種々の製品に適用されているものの、近年の省エネなどの要求に応じて、発光出力の低下を伴わずにさらなる低消費電力が可能なＬＥＤ素子が望まれる。ＬＥＤ素子の消費電力を低下させるためには、ＬＥＤ素子の順方向電圧を低下させることが考えられる。
例えば、特開平８−９７４７１号公報には、順方向電圧を低減するために、ｐ型コンタクト層が、電極側からＭｇが１×１０２０〜１×１０２１ｃｍ３に添加された第１層と、Ｍｇが１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ３の範囲で第１層よりも低濃度で添加された第２層との２層から構成されている発光素子が開示されている。しかし、前記公報の技術では、Ｖｆの値が４Ｖであり、更なる低下が望まれる。
そこで、本発明の目的は、Ｖｆを低下することが可能な窒化物半導体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）〜（１０）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順に有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、井戸層にＩｎを有する窒化物半導体を含んでなる量子井戸構造であり、
該活性層上に、
Ａｌを含んでなる第１の窒化物半導体層と、該第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り、さらに前記第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方にＭｇを含有してなるｐ型多層膜層と、
該ｐ型多層膜層上に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より高濃度で且つ１×１０19／ｃｍ３よりも高濃度のＭｇを含有するｐ型高濃度ドープ層と、
該ｐ型高濃度ドープ層上に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より高濃度で且つ前記ｐ型高濃度ドープ層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型コンタクト層とを、
少なくとも順に有することを特徴とする窒化物半導体素子。
（２）  前記ｐ型多層膜層とｐ型高濃度ドープ層との間に、前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型低濃度ドープ層を有することを特徴とする（１）に記載の窒化物半導体素子。
（３）  基板上に、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、井戸層にＩｎを有する窒化物半導体を含んでなる量子井戸構造であり、
該活性層上に、
ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）を含んでなりＭｇを含有するｐ型層と、
該ｐ型層上に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より高濃度で且つ１×１０19／ｃｍ３よりも高濃度のＭｇを含有するｐ型高濃度ドープ層と、
該ｐ型高濃度ドープ層上に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より高濃度で且つ前記ｐ型高濃度ドープ層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型コンタクト層とを、少なくとも順に有することを特徴とする窒化物半導体素子。
（４）  前記ｐ型層とｐ型高濃度ドープ層との間に、前記ｐ型層のＭｇ濃度より低濃度でＭｇを含有するｐ型低濃度ドープ層を有することを特徴とする（３）に記載の窒化物半導体素子。
（５）  前記ｐ型多層膜層のＭｇ濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子。
（６）  前記ｐ型層のＭｇ濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする（３）又は（４）に記載の窒化物半導体素子。
（７）  前記ｐ型高濃度ドープ層は、ＧａＮから成ることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか記載の窒化物半導体素子。
（８）  前記ｐ型高濃度ドープ層は、膜厚が１５０〜２０００オングストロームであることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
（９）  前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が、１×１０１８〜５×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
（１０）  前記ｐ型低濃度ドープ層のＭｇ濃度が、１×１０１９／ｃｍ３未満であることを特徴とする（２）、（４）、（５）〜（９）に記載の窒化物半導体素子。
【０００５】
更に、本発明は、下記（１０）〜（１２）の構成によりＶｆの低下と共に、静電耐圧をより向上させることができ、素子の信頼性をより高める点で好ましい。
（１０）  前記ｎ型窒化物半導体層として、アンドープの窒化物半導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間層、及びアンドープの窒化物半導体からなる上層の少なくとも３層が順に積層されてなるｎ型第１多層膜層を有することを特徴とする（１）〜（９）に記載の窒化物半導体素子。
（１１）  前記基板上に順に、アンドープＧａＮ層及びｎ型不純物を含有するｎ型コンタクト層を有することを特徴とする（１）〜（１０）に記載の窒化物半導体素子。
（１２）  前記ｎ型第１多層膜層が、前記ｎ型コンタクト層上に形成されており、更に前記アンドープＧａＮ層、ｎ型コンタクト層、及びｎ型第１多層膜層の合計の膜厚が、２〜２０μｍであることを特徴とする（１１）に記載の窒化物半導体素子。
【０００６】
つまり、本発明は、活性層上に形成されるｐ型窒化物半導体層として、少なくともｐ型不純物濃度の異なる３層のｐ型不純物含有層、即ち低濃度ドープのｐ型多層膜層又は低濃度ドープのｐ型層と、高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層と、中濃度ドープのｐ型コンタクト層とを順に形成し、ｐ型不純物濃度が、低濃度、高濃度、中濃度となるように濃度を調整し、これら濃度の異なる３層を組み合わせて用いることにより、Ｖｆの低減が可能となる窒化物半導体素子を提供することができる。
【０００７】
前記特開平８−９７４７１号公報では、活性層上に形成される複数のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、電極に向かって徐々に高濃度とされている。
【０００８】
これに対し、本発明は、上記の如く、少なくとも低濃度ドープのｐ型クラッド層、高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層、及び中濃度ドープのｐ型コンタクト層を順に形成することにより、顕著な効果を得ることができる。
本発明において、上記低濃度、中濃度、高濃度とは、活性層上の上記３層間でのｐ型不純物濃度の関係を示す。
また、本発明において、低濃度ドープのｐ型多層膜層及び低濃度ドープのｐ型層は、活性層上層に形成され、クラッド層として作用するので、以下これらの層をｐ型クラッド層として説明する。しかし、低濃度ドープのｐ型多層膜層及び低濃度ドープのｐ型層はこれに限定されない。
また、本発明において、ｐ型不純物濃度は、多層膜からなるｐ型多層膜層の場合、多層膜を構成している各層の平均の濃度を示す。
【０００９】
更に、本発明において、ｐ型多層膜層又はｐ型層（ｐ型クラッド層）と、ｐ型高濃度ドープ層との間に、ｐ型多層膜層及びｐ型層より低濃度でｐ型不純物を含有するｐ型低濃度ドープ層を有することにより、Ｖｆの低下と共に静電耐圧の向上の点で好ましい。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。上記のようにｐ型低濃度ドープ層を形成することにより、Ｖｆの低下された静電耐圧の向上した素子が得られ、窒化物半導体素子の信頼性をより高めることができる。
【００１０】
更に、本発明において、ｐ型多層膜層のｐ型不純物濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であると、発光出力の向上及びＶｆの低下の点で好ましい。
更に、本発明において、ｐ型層のｐ型不純物濃度が、５×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３であると、発光出力の向上及びＶｆの低下の点で好ましい。
更に、本発明において、ｐ型高濃度ドープ層のｐ型不純物濃度が、５×１０１８〜１×１０２２／ｃｍ３であると、Ｖｆの低下の点で好ましい。
更に、本発明において、ｐ型コンタクト層のｐ型不純物濃度が、１×１０１８〜５×１０２１／ｃｍ３であると、Ｖｆの低下の点で好ましい。
更に、本発明において、ｐ型低濃度ドープ層のｐ型不純物濃度が、１×１０１９／ｃｍ３未満であると、静電耐圧の向上及び発光出力の向上の点で好ましい。
【００１１】
上記ｐ型クラッド層、ｐ型高濃度ドープ層、及びｐ型コンタクト層の各ｐ型不純物濃度において、その関係が低濃度、高濃度、中濃度となるように上記範囲で適宜選択され調整されるものである。また、上記ｐ型低濃度ドープ層は、低濃度ドープのｐ型クラッド層よりも低濃度となるようにｐ型不純物濃度を上記範囲で調整され含有される。
ここで、本発明において、低濃度、高濃度、中濃度とは、ｐ型クラッド層と、ｐ型高濃度ドープ層と、ｐ型コンタクト層の３層間でのｐ型不純物濃度の関係を示すものである。またｐ型低濃度ドープ層が形成される場合、ｐ型低濃度ドープ層は、ｐ型クラッド層より低濃度となるものである。
【００１２】
また更に、本発明において、ｎ型窒化物半導体層として、アンドープの窒化物半導体からなる下層、ｎ型不純物がドープされている窒化物半導体からなる中間層、及びアンドープの窒化物半導体からなる上層の少なくとも３層が順に積層されてなるｎ型第１多層膜層を有すると、ｐ側の上記の層との組み合わせによりＶｆの低下と共に静電耐圧を向上させる点で好ましい。
また更に、本発明において、ｎ型第１多層膜層の基板側に、基板に向かって順に、ｎ型不純物を含有するｎ型コンタクト層及びアンドープＧａＮ層を有すると、より静電耐圧の向上の点で好ましい。
また更に、本発明において、アンドープＧａＮ層、ｎ型コンタクト層、及びｎ型第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、静電耐圧をより向上させることができ好ましい。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。
【００１３】
上記のように、本発明は、上記特定の３種のｐ型層と、更に特定のｎ型層とを組み合わせることにより、Ｖｆの低下を良好にすると共に、発光出力及び静電耐圧の向上をより向上させることができ、窒化物半導体素子の信頼性を高め種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とすることができる。
【００１４】
また、後述の素子構造の説明部分等に記載されているアンドープとは、意図的に不純物をドープしないで形成した層を示し、隣接する層からの不純物の拡散、原料又は装置からのコンタミネーションにより不純物が混入した層であっても、意図的に不純物をドープしていない場合にはアンドープ層とする場合がある。なお、拡散により混入す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場合がある。
【００１５】
また、本発明において、組成が異なるとは、例えば、窒化物半導体を構成する元素（例えば２元混晶や３元混晶の元素の種類）、元素の比、又はバンドギャップエネルギーなどが異なる場合が挙げられる。また、これらの値は、特定の層が多層膜から構成される場合は層全体の平均の値とする場合がある。
本発明の前記第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層の組成が異なる場合の具体例としては、上記のように元素の比やバンドギャップエネルギー等が異なる場合が当てはまるが、本発明では第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との異なる組成の具体例としては、後述のようにバンドギャップエネルギーの異なるものが挙げられる。
【００１６】
また、本発明において、不純物濃度の測定は、種々の測定方法により測定可能であるが、例えば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Secondary Ion Mass Spectrometry）が挙げられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体素子としては、活性層上に順に少なくとも、上記ｐ型不純物を低濃度にドープされたｐ型クラッド層（ｐ型多層膜層又はｐ型層）と、ｐ型不純物を高濃度にドープされたｐ型高濃度ドープ層と、ｐ型不純物を中濃度にドープされたｐ型コンタクト層とを含む素子構造を有する素子であれば特に限定されず、好ましい本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造としては、図１に示す素子構造を有する窒化物半導体素子を挙げることができる。しかし本発明はこれに限定されない。図１は窒化半導体素子の素子構造を示す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。
【００１８】
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型コンタクト層４、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ及びアンドープの上層５ｃの３層からなるｎ側第１多層膜５、第３及び第４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、ｐ型不純物を低濃度にドープされた多層膜又は単なるｐ型クラッド層８（ｐ型多層膜層又はｐ型層）、ｐ型クラッド層８よりｐ型不純物が低濃度にドープされたｐ型低濃度ドープ層９、ｐ型不純物を高濃度にドープされたｐ型高濃度ドープ層１０、ｐ型不純物を中濃度にドープされたｐ型コンタクト層１１が順に積層された構造を有する。
更にｎ型コンタクト層４上にｎ電極１３、ｐ型コンタクト層１１上にｐ電極１２がそれぞれ形成されている。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明において、バッファ層２としては、ＧａｄＡｌ１−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。
【００２１】
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。膜厚がこの範囲であると、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。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。また、アンドープＧａＮ層３の膜厚が上記範囲であると、ｎ型コンタクト層４及び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。
【００２２】
次に、本発明において、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層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型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型コンタクト層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、高い濃度で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型コンタクト層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の機能を保持しうる限界としては５×１０２１／ｃｍ３以下が望ましい。
【００２３】
ｎ型コンタクト層４の組成は、ＩｎｅＡｌｆＧａ１−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ＡｌｆＧａ１−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型コンタクト層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好ましくは０．１〜２０μｍ、より好ましくは１〜１０μｍ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Ｖｆを低くでき好ましい。また、ｎ型コンタクト層４の膜厚が上記範囲であると、アンドープＧａＮ層３とｎ型第１多層膜層５との膜厚を調整し静電耐圧を向上させる点で好ましい。
また、ｎ型コンタクト層４は、後述のｎ型第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。
【００２４】
次に、本発明において、ｎ型第１多層膜層５は、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの少なくとも３層から構成されている。また、ｎ型第１多層膜層には、上記下層５ａ〜上層５ｃ以外のその他の層を有していてもよい。またｎ型第１多層膜層５は、活性層と接していても、活性層の間に他の層を有していてもよい。
このｎ型第１多層膜層５を有すると、発光出力の向上、静電耐圧の向上の点で好ましい。このｎ側第１多層膜層５は、比較的、静電耐圧の向上に関与していると思われる。さらに本発明の窒化物半導体素子において、ｎ型第１多層膜層５を、本発明のｐ型不純物濃度の異なる３種の層と組み合わせて用いると、Ｖｆの低下と共に静電耐圧の向上と発光出力の向上の点で好ましい。
【００２５】
上記下層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、ＩｎｇＡｌｈＧａ１−ｇ−ｈＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができ、好ましくはＧａＮからなる組成のものが挙げられる。また第１多層膜層５の各層は組成が同一でも異なっていてもよい。
【００２６】
ｎ型第１多層膜層５の膜厚は、特に限定されないが、１７５〜１２０００オングストロームであり、好ましくは１０００〜１００００オングストロームであり、より好ましくは２０００〜６０００オングストロームである。第１多層膜層５の膜厚が上記範囲であるとＶｆの最適化と静電耐圧の向上の点で好ましい。また、ｎ型第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型コンタクト層４との膜厚を調整し静電耐圧を向上させる点で好ましい。
上記範囲の膜厚を有する第１多層膜層５の膜厚の調整は、下層５ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整して、第１多層膜層５の総膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。
【００２７】
ｎ型第１多層膜層５を構成する下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃの各膜厚は、特に限定されないが、ｎ型第１多層膜層５中で積層される位置により素子性能の諸特性に与える影響がやや異なるため、各層の素子性能に大きく関与する特性に特に注目し、いずれか２層の膜厚を固定し、残りの１層の膜厚を段階的に変化させて、特性の良好な範囲の膜厚を測定し、更にｎ型第１多層膜層５の各層との調整により膜厚の範囲を特定している。
ｎ型第１多層膜層５の各層は、各層を組み合わせてｎ型第１多層膜層５とすることにより、全体として種々の素子特性が良好であると共に、発光出力及び静電耐圧が著しく良好となる。このような作用効果は、実際に、ｎ型多層膜層５の各層を積層させてなる素子を製造して初めて得られるものといえる。各層の膜厚について以下に具体的に示すと共に、膜厚の変化による素子特性の変化の傾向について概略を示す。
【００２８】
アンドープの下層５ａの膜厚は、１００〜１００００オングストローム、好ましくは５００〜８０００オングストローム、より好ましくは１０００〜５０００オングストロームである。アンドープの下層５ａは、膜厚を徐々に厚くしていくと静電耐圧が上昇していくが、１００００オングストローム付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００オングストローム未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、下層５ａは、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４の結晶性の低下の影響を改善していると考えられるので、結晶性の改善が良好となる程度の膜厚で成長されるのが好ましい。
【００２９】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は、５０〜１０００オングストローム、好ましくは１００〜５００オングストローム、より好ましくは１５０〜４００オングストロームである。この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分とさせて発光出力に比較的大きく作用する層であり、この層を形成させないと、形成した場合に比べて発光出力が低下する傾向がある。また、膜厚が１０００オングストロームを超えると発光出力が商品となりにくい程度まで大きく低下する傾向がある。一方、静電耐圧のみを考慮すると、中間層５ｂの膜厚が厚いと静電耐圧は良好であるが、膜厚が５０オングストローム未満では、膜厚が５０オングストローム以上の場合に比べて、静電耐圧の低下が大きくなる傾向がある。
【００３０】
アンドープの上層５ｃの膜厚は、２５〜１０００オングストローム、好ましくは２５〜５００オングストローム、より好ましくは２５〜１５０オングストロームである。このアンドープの上層５ｃは、第１多層膜の中で活性層に接して、あるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与しているが、上層５ｃの膜厚が２５オングストローム未満ではリーク電流が増加する傾向がある。また、上層５ｃの膜厚が１０００オングストロームを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する傾向がある。
【００３１】
以上のように、下層５ａ〜上層５ｃの各膜厚は、上記に示したように、各層の膜厚の変動により影響されやすい素子特性に注目し、更に、下層５ａ、中間層５ｂ及び上層５ｃを組み合わせた際に、諸素子特性すべてがほぼ均一に良好となり、特に発光出力及び静電耐圧が良好となるように種々検討し、上記範囲に各膜厚を規定することにより、前記の本発明のｐ側に形成されたｐ型不純物濃度の異なる３種の層と組み合わせると、良好な発光出力及び商品の信頼性の向上が達成することが可能な静電耐圧をより良好に得られる傾向がある。
また、第１多層膜層５の各層の膜厚の組み合わせは、本発明のｐ型不純物濃度の異なる３種の層との関係や、発光波長の種類による活性層の組成の変化や、電極、ＬＥＤ素子の形状など種々の条件により、最も良好な効果を得るために適宜調整される。
【００３２】
上記第１多層膜層５を構成する各層の組成は、ＩｎｇＡｌｈＧａ１−ｇ−ｈＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される組成であればよく、各層の組成が同一でも異なっていてもよく、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合が小さい組成であり、より好ましくは結晶性及びＶｆ低下の点からＧａＮまたはＡｌｈＧａ１−ｈＮ、さらに好ましくはＧａＮからなる層である。ｎ型第１多層膜層５が、ＡｌｈＧａ１−ｈＮである場合、０≦ｈ＜１の範囲で適宜調整されるが、Ａｌ組成比が小さい方が結晶性及びＶｆ低下の点で好ましい。
【００３３】
上記第１多層膜層５のｎ型不純物ドープの中間層５ｂのｎ型不純物のドープ量は、特に限定されないが、３×１０１８／ｃｍ３以上、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以上の濃度で含有する。ｎ型不純物の上限としては、特に限定されないが、結晶性が悪くなりすぎない程度の限界としては５×１０２１／ｃｍ３以下が望ましい。第１の多層膜層の中間層の不純物濃度が上記範囲であると、発光出力の向上とＶｆの低下の点で好ましい。
ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、第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。
【００３４】
また、上記第１多層膜層５の界面においては、それぞれの層及び素子の機能を害しない範囲で両方の層を兼ねる。
【００３５】
また、上記ｎ側第１多層膜層５に変えて、ＩｎｇＡｌｈＧａ１−ｇ−ｈＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合が小さい組成、より好ましくは結晶性及びＶｆ低下の点からＧａＮまたはＡｌｈＧａ１−ｈＮ、さらに好ましくはＧａＮからなる単一アンドープ層を形成してもよい。単一アンドープ層がＡｌｈＧａ１−ｈＮである場合、Ａｌ組成比が小さい方が結晶性及びＶｆ低下の点で好ましく、０≦ｈ＜１の範囲で適宜調整される。このように単一アンドープ層を形成すると、ｎ側第１多層膜層５を形成した場合に比べてやや静電耐圧が低下する傾向があるが、ほぼ同様の素子特性を得ることができる。
単一アンドープ層の膜厚は、特に限定されないが、素子特性を良好とするために、１０００〜３０００オングストロームが好ましい。
【００３６】
次に、本発明において、ｎ型第２多層膜層６は、Ｉｎを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層からなる。このｎ型第２多層膜層６を、前記ｐ型不純物濃度の異なる３層と組み合わせるとＶｆの低下と共に発光出力の向上の点で好ましい。
上記第３の窒化物半導体層、または第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が、好ましくは両方の膜厚が、１００オングストローム以下、より好ましくは７０オングストローム以下、更に好ましくは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。
【００３７】
第３又は第４の窒化物半導体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っても、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３の窒化物半導体層、若しくは第４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。
【００３８】
また、第３及び第４の窒化物半導体の膜厚が、共に１００オングストローム以下であると、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や、第３又は第４の窒化物半導体の一方が１００オングストローム以下の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と、ｎ型第２多層膜層６が超格子構造となり、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型第２多層膜層６がバッファ層のような作用をして、活性層がより結晶性よく成長できる。
【００３９】
本発明において、ｎ型窒化物半導体層に、前記ｎ型第１多層膜層と上記ｎ型第２多層膜層とを組み合わせ、さらに本発明の上記のｐ型不純物濃度の異なる３種の層と組み合わせると、発光出力の向上及び静電耐圧の向上の点で好ましい。この理由は定かではないが、エピ膜内の電流密度の分布が改善され、発光面の電流の流れが均一になったためと考えられる。また、理由として定かではないが、ｎ型第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ではないかと考えられる。
【００４０】
また、ｎ型第２多層膜層６の前記第３の窒化物半導体層または前記第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚は、近接する第３の窒化物半導体層または第４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。好ましくは、第３の窒化物半導体層または第４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３の窒化物半導体層、または第４の窒化物半導体層同士で互いに異なっていることが好ましい。
膜厚が近接する層同士で互いに異なるとは、第３の窒化物半導体層及び第４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４の窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）の膜厚とそれを挟んだ第３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）の膜厚とが互いに異なることを意味する。
例えば、第３の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第４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。
【００４１】
また、第３、または第４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３または第４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。好ましくは、第３の窒化物半導体層、または第４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３の窒化物半導体層または第４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。この互いに異なるとは、第３の窒化物半導体層または第４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４の窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比とそれを挟んだ第３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比とが互いに異なることを意味する。
【００４２】
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３の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第４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、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。
【００４３】
上記のｎ型第２多層膜層６は、例えば、図１に示すように、活性層７を挟んで下部にあるｎ型窒化物半導体層に、Ｉｎを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されたｎ型第２多層膜層６を有している。ｎ型第２多層膜層６において、第３の窒化物半導体層、第４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。
【００４４】
ｎ型第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。
ｎ型第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３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層いずれでも良く、ｎ型第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型第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型第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。
【００４５】
第３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ＩｎｋＧａ１−ｋＮ（０＜ｋ＜１）とし、さらに好ましくはｋ値が０．５以下のＩｎｋＧａ１−ｋＮ、最も好ましくはｋ値が０．２以下のＩｎｋＧａ１−ｋＮとする。一方、第４の窒化物半導体層は第３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４の窒化物半導体を成長させるためには、第３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ＩｎｍＧａ１−ｍＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）を成長させ、好ましくはＧａＮである。第４の窒化物半導体をＧａＮとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。好ましい組み合わせとしては、第３の窒化物半導体をＩｎｋＧａ１−ｋＮ（０＜ｋ＜１）とし、第４の窒化物半導体をＩｎｍＧａ１−ｍＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＜ｋ）、好ましくはＧａＮとする組み合わせが挙げられる。更に好ましい組み合わせとしては、第３の窒化物半導体層のｋ値が０．５以下のＩｎｋＧａ１−ｋＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００４６】
第３および第４の窒化物半導体層は両方ともアンドープでも、両方にｎ型不純物がドープされていても、またいずれか一方に不純物がドープ（変調ドープ）されていてもよい。結晶性を良くするためには、両方がアンドープであることが最も好ましく、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３の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度と、第４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。
また、第３の窒化物半導体層または第４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ることを変調ドープと呼ぶが、このような変調ドープをすることにより、出力が向上しやすい傾向を有する。
【００４７】
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。
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。
【００４８】
次に、本発明において、活性層７は、井戸層にＩｎを有する窒化物半導体を含んでなる量子井戸構造であり、単一量子井戸構造でも、多重量子井戸構造でもよい。活性層が、単一量子井戸構造であると構造を簡略化できる点で好ましく、また多重量子井戸構造であると発光出力の向上の点で好ましい。
【００４９】
本発明において、量子井戸構造の活性層７としては、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、好ましくは、ＩｎａＧａ１−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。
【００５０】
活性層７が多重量子井戸構造の場合、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。
【００５１】
活性層７が、単一量子井戸構造の場合の膜厚としては、上記多重量子井戸構造の活性層の井戸層の膜厚と同様の膜厚の範囲で、適宜調整される。
【００５２】
本発明において、ｐ型クラッド層８は、前記したようにｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型コンタクト層１１とより低濃度のドープとなるように、ｐ型不純物を含有してなる多層膜又は単一膜で構成される。
まず、ｐ型クラッド層８が多層膜構造（超格子構造）である場合（ｐ型多層膜層）について以下に説明する。以下多層膜からなるｐ型クラッド層を多層膜ｐ型クラッド層とする。
【００５３】
多層膜ｐ型クラッド層を構成する多層膜としては、Ａｌ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組成の異なる第２の窒化物半導体層とが積層され、さらに第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方にｐ型不純物を含有してなるものである。以下、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との組成が異なることを、バンドギャップエネルギーが異なるとして説明する。
本発明において、多層膜ｐ型クラッド層８は、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層と、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の小さな第２の窒化物半導体層とが積層されてなるものが挙げられる。第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一方にｐ型不純物が含有され、これら第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度は、異なっても同一でもよい。
【００５４】
多層膜ｐ型クラッド層８の多層膜を構成する第１、第２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１窒化物半導体層と第２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。また、一方の層を他方の層より１層多く積層してもよく、例えば、第１の窒化物半導体層から積層し、第１の窒化物半導体層で終わってもよい。そして、多層膜ｐ型クラッド層８の総膜厚の調整は、この第１及び第２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。多層膜ｐ型クラッド層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、Ｖｆが低下し好ましい。
【００５５】
第１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ＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、第２の窒化物半導体は好ましくはＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、ＩｎｒＧａ１−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型クラッド層８が、このような第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層からなる多層膜層である場合、ｐ型多層膜層のＡｌ組成比は平均の値である。また、後述のｐ型低濃度ドープ層９がＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ＜０．５）よりなる場合、多層膜ｐ型クラッド層のＡｌ組成比は、ｐ型低濃度ドープ層９のＡｌ組成比より、高くなるように調整されることが良好な静電耐圧等を得る点で好ましい。
ｐ型クラッド層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。
【００５６】
中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度について以下に説明する。
多層膜ｐ型クラッド層を構成する第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、異なっても、同一でもよく、まず異なる場合について以下に示す。
多層膜ｐ型クラッド層８の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なる場合、一方の層の不純物濃度を高く、もう一方の層の不純物濃度を低くする。この場合、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度を高くして、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ｐ型不純物濃度を低く、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。またその逆でも良く、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２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。
このようにｐ型不純物濃度の異なる第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを形成すると、キャリア濃度の高い層と移動度の高い層とを同時に多層膜ｐ型クラッド層に存在させることができ、上記のように閾値電圧やＶｆ等を低下させることができるものと考えられる。
【００５７】
ｐ型不純物濃度の異なる場合の第１の窒化物半導体層のｐ型不純物の濃度は、ｐ型クラッド層を多層膜とした場合にｐ型不純物濃度がｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型コンタクト層１１より低くなるように調整された値であれば特に限定されない。例えば具体的な第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、好ましくは５×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３、より好ましくは５×１０１８／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲で調整する。
第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が５×１０１７／ｃｍ３以上であると、活性層へのキャリアの注入効率が良好となり、発光出力が向上し、Ｖｆが低下する傾向にあり、また１×１０２１／ｃｍ３以下であると、結晶性を良好とし易くなる傾向にある。
【００５８】
一方、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純濃度が異なる場合の第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、第１の窒化物半導体層よりも少なく、ｐ型クラッド層全体としてｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型コンタクト層１１との不純物濃度より低濃度を示すように調整させることが好ましい。具体的な第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度としては、特に限定されないが、好ましくは上記第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の１／１０以下が望ましく、より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。しかし、第２の窒化物半導体層の膜厚が薄いため、第１の窒化物半導体側から拡散してくるｐ型不純物があり、第２の窒化物半導体層の移動度を考慮する場合は、拡散してくるｐ型不純物の量は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１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２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。
【００５９】
次に、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が同一の場合のｐ型不純物の濃度について以下に示す。
この場合の第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、ｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型コンタクト層１１のｐ型不純物濃度より、低濃度ドープの層となるように調整されていればよく、例えば具体的には、上記第１と第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が異なる場合の第１の窒化物半導体層にドープされる不純物濃度と同様の範囲の値である。このようにｐ型不純物を第１と第２の窒化物半導体層との濃度が同一となるようにドープすると、上記の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。
【００６０】
上記ｐ型クラッド層にドープされる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。
【００６１】
また上記の低濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層を構成する隣接している窒化物半導体層同士（第１と第２の窒化物半導体層）のｐ型不純物濃度が異なる場合、ｐ型不純物が高濃度にドープされる窒化物半導体層は、厚さ方向に対し、窒化物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。
【００６２】
次に、低濃度ドープのｐ型クラッド層８が、ｐ型不純物を含むＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）よりなる単一層からなる場合について以下に説明する。しかし、本件発明の効果は、ｐ型クラッド層８が単一層であっても、多層であっても、それ以外の複数層であっても良い。単一以下単一膜からなるｐ型クラッド層を単一膜ｐ型クラッド層とする。
本発明において、単一膜ｐ型クラッド層８は、上記の如くＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）よりなる窒化物半導体である。また後述のｐ型低濃度ドープ層９が、ＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ＜０．５）よりなり場合、単一膜ｐ型クラッド層８のＡｌ組成比は、ｐ型低濃度ドープ層９のＡｌ組成比より高くなるように調整されることが良好な静電耐圧等を得る点で好ましい。
【００６３】
単一膜ｐ型クラッド層８の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは２０００オングストローム以下、より好ましくは１０００オングストローム以下であり、さらに好ましくは５００〜１００オングストロームである。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。
【００６４】
単一膜ｐ型クラッド層８のｐ型不純物の濃度としては、上記多層膜ｐ型クラッド層の場合と同様にｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型コンタクト層１１より低濃度ドープとなるような値であればよく、好ましくは５×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３、より好ましくは５×１０１８／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲で調整する。不純物濃度が上記範囲であると、良好なｐ型膜ができ低濃度ドープの単一膜ｐ型クラッド層となり、発光出力の向上の点で好ましい。
また、単一膜ｐ型クラッド層８は、前記多層膜構造のｐ型クラッド層に比べ、結晶性はやや劣るもののほぼ同様に良好となり、またこの単一膜ｐ型クラッド層８は、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。
【００６５】
次に、本発明において、ｐ型クラッド層８上に、ｐ型クラッド層８より低濃度でｐ型不純物を含有するｐ型低濃度ドープ層９を形成してもよく、このｐ型低濃度ドープ層９を形成するとＶｆの低下と共に、静電耐圧の向上、発光出力の向上の点で好ましい。
上記ｐ型低濃度ドープ層９としては、特に限定されないが、ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）からなる窒化物半導体が挙げられ、好ましくは３元混晶、２元混晶のＩｎｒＧａ１−ｒＮ又はＡｌｓＧａ１−ｓＮの窒化物半導体、より好ましくは結晶性の点からＧａＮよりなる窒化物半導体、又はＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ＜０．５）よりなり且つＡｌ組成比が前記ｐ型多層膜層の平均のＡｌ組成比又はｐ型層のＡｌ組成比（ｐ型クラッド層８のＡｌ組成比）より小さい窒化物半導体を挙げることができる。ＡｌｓＧａ１−ｓＮのｓの値が、０＜ｓ＜０．５の範囲であると、Ｖｆの上昇を抑え、良好な発光出力及び静電耐圧を得る点で好ましい。
上記のようにｐ型低濃度ドープ層９がＧａＮであるとより結晶性が良好となり、良好な静電耐圧を得る点で好ましい。またｐ型低濃度ドープ層がＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ＜０．５）よりなり且つＡｌ組成比がｐ型クラッド層８のＡｌ組成比より小さい窒化物半導体であると、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚を、例えばｐ型低濃度ドープ層がＧａＮの場合の膜厚より、薄くしても同様の効果を得ることができ、製造時間の短縮が可能となる。
【００６６】
本発明において、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１００〜１００００オングストローム、より好ましくは５００〜８０００オングストローム、さらに好ましくは１０００〜４０００オングストロームである。膜厚が上記範囲であると、良好な発光出力と共に、良好な静電耐圧を得る点で好ましい。
また、ｐ型低濃度ドープ層９がＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ＜０．５）よりなり且つＡｌ組成比がｐ型クラッド層８のＡｌ組成比より小さい窒化物半導体である場合の膜厚としては、上記範囲で適宜調整されていればよく、特に好ましくは、３００〜５０００オングストローム、より好ましくは３００〜３０００オングストロームである。このように膜厚を薄くしても良好な効果を得ることができる。
【００６７】
本発明において、ｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度は、上記したようにｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度より低くなるように調整されていればよい。このｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度の調整は、特に限定されないが、好ましくは成長の際にはアンドープの層として成長させ、隣接層のｐ型クラッド層８及びｐ型高濃度ドープ層１０から拡散されるｐ型不純物により調整されることがｐ型低濃度ドープ層内のｐ型不純物濃度を調整する点で好ましい。このようにｐ型低濃度ドープ層９に隣接する層からの拡散されるｐ型不純物によりｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度が調整されると、上記したようにｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度より低濃度に調整し易くなる点で好ましい。また、本発明のｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度の調整は、ｐ型低濃度ドープ層９の成長の際に不純物をドープして成長させてもよい。
【００６８】
本発明のｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物の濃度の調整が上記のように隣接の層からの拡散による場合、ｐ型低濃度ドープ層９内のｐ型不純物濃度は低濃度ドープ層９内で図２に示すように変動している。また、ｐ型低濃度ドープ層９の成長の際に不純物をドープして成長させる場合も、相対的な濃度変化の値は異なるが、ほぼ図２と同様にｐ型クラッド層に近接している部分から徐々に濃度が減少し、ｐ型コンタクト層に近接している部分の濃度が最も低くなる傾向がある。ｐ型低濃度ドープ層９をアンドープとして成長させる場合を例にして、ｐ型低濃度ドープ層９内のｐ型不純物濃度の変化の様子の概略を図２を用いて説明する。図２は、縦軸にｐ型不純物の濃度、横軸にｐ型コンタクト層１１、ｐ型高濃度ドープ層１０、ｐ型低濃度ドープ層９、ｐ型クラッド層８へと、ｐ側層の表面からｎ側層に向かって素子構造を構成する層の変化の様子（横軸の長さはほぼ実施例１の各膜厚の相対的な膜厚を示す。）を示し、実施例１の低濃度ドープのｐ型クラッド層８、ｐ型クラッド層より低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９、ｐ型高濃度ドープ層１０、及び中濃度ドープのｐ型コンタクト層１１のＭｇ濃度の分布の状態を概略的に示す模式的なグラフである。
【００６９】
図２に示すように、ｐ型クラッド層８のＭｇ濃度、ｐ型低濃度ドープ層９のＭｇの最低濃度、ｐ型高濃度ドープ層１０、及びｐ型コンタクト層１１のＭｇ濃度との関係が、低濃度、最低濃度、高濃度、中濃度となっている。そして、ｐ型低濃度ドープ層９内ではＭｇ濃度の分布は、ｐ型クラッド層８に接近している部分では、ほぼｐ型クラッド層８のＭｇ濃度と同様の値を示すが、ｐ型クラッド層８から離れるに従って徐々に濃度が減少し、高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層１０と接近している付近では、ｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度が最も低くなる。しかし、ｐ型低濃度ドープ層９上に、ｐ型高濃度ドープ層１０を成長させ始めると、図２に示すように、Ｍｇ濃度が急上昇する。このようなｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度の変化は、ｐ型低濃度ドープ層９が成長時にはアンドープとして成長され、その成長時や隣接層の成長の際に、隣接層から拡散によりｐ型不純物が低濃度ドープ層９に混入するためと思われる。また、ｐ型低濃度ドープ層９の成長の際にｐ型不純物をドープして成長させた場合も、グラフの値の程度の差はあるが、同様の傾向を示す。
このように、ｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度よりも、低濃度ドープの層としてｐ型低濃度ドープ層９を、ｐ型高濃度ドープ層１０とｐ型クラッド層８との間に形成することにより、発光出力の向上と静電耐圧の向上と共に、良好にＶｆの低下をすることができる。
上記のようにｐ型不純物の濃度の関係を形成するために、ｐ型クラッド層のｐ型不純物の濃度と、ｐ型コンタクト層のｐ型不純物の濃度を調整し、ｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物の最低の濃度を調整する。
【００７０】
ｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度（但し、低濃度ドープ層９内の最もｐ型不純物濃度の低い部分の濃度を示す。）としては、上記のように隣接する層とのｐ型不純物濃度の関係が形成されているならば特に限定されないが、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下である。ｐ型不純物濃度の下限値は特に限定されず、アンドープであってもよく、ｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度とｐ型低濃度ドープ層９の膜厚とにより、低濃度ドープ層９の最低のｐ型不純物濃度が変動し、例えば５×１０１７／ｃｍ３以上が好ましい。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、静電耐圧や発光出力の点で好ましい。
ｐ型低濃度ドープ層９のｐ型不純物濃度の調整は、上記したように、成長の際にアンドープとして成長させたり、低濃度となるように不純物の濃度を調整しながら成長させることで調整する。しかし、ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度が同一でも、例えばｐ型低濃度ドープ層の膜厚が厚くなるとｐ型低濃度ドープ層の最低濃度値が低くなったりする。このように、ｐ型低濃度ドープ層の不純物濃度は、隣接層の濃度や、成長温度、膜厚、成長レート等によって変動する傾向があるが、少なくともｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層よりも低濃度となるように適宜最適条件を選択し調整される。
【００７１】
次に、本発明において、前記ｐ型クラッド層及び後述のｐ型コンタクト層のｐ型不純物濃度より高濃度にｐ型不純物を含有してなるｐ型高濃度ドープ層１０としては、特に限定されないが、前記ｐ型低濃度ドープ層９と同様に、ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）からなる窒化物半導体が挙げられ、好ましくは３元混晶、２元混晶のＩｎｒＧａ１−ｒＮ又はＡｌｓＧａ１−ｓＮの窒化物半導体、より好ましくは結晶性の点からＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。
上記のようにｐ型高濃度ドープ層１０がＧａＮであるとより結晶性が良好となり、良好な静電耐圧及びＶｆの低下の点で好ましい。
【００７２】
本発明において、ｐ型高濃度ドープ層１０の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは５０〜５０００オングストローム、より好ましくは１００〜３０００オングストローム、さらに好ましくは１５０〜２０００オングストロームである。膜厚が上記範囲であると、静電耐圧の向上及びＶｆの低下の点で好ましい。
【００７３】
また、ｐ型高濃度ドープ層１０のｐ型不純物濃度としては、少なくともｐ型クラッド層８及びｐ型コンタクト層１１より高濃度となるように調整されていればよく、好ましいｐ型不純物濃度としては、５×１０１８〜１×１０２２ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１９〜５×１０２１ｃｍ３である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると静電耐圧の向上及びＶｆの低下の点で好ましい。
【００７４】
また、ｐ型高濃度ドープ層１０は、図２に示すように、ｐ型クラッド層８及びｐ型コンタクト層１１より高濃度となっている。また、ｐ型低濃度ドープ層９を形成しない場合は、ｐ型クラッド層８のｐ型不純物濃度値からｐ型高濃度ドープ層１０のｐ型不純物濃度へと、ｐ型不純物濃度値が変化する。
【００７５】
次に、本発明において、ｐ型不純物の中濃度ドープのｐ型コンタクト層１１としては、特に限定されないが、上記低濃度ドープ層９と同様に、ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）からなる窒化物半導体が挙げられ、好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体である。このように、４元混晶より３元混晶、３元混晶よりＩｎとＡｌとを含まないＧａＮであると、結晶性が良好となり好ましい。更にＩｎ、Ａｌを含まない２元混晶であると、ｐ電極１１とのオーミック接触がより良好となり、発光効率が向上する傾向があり好ましい。
ｐ型コンタクト層１１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。膜厚が上記範囲であると、Ｖｆの低下及び静電耐圧の向上の点で好ましい。
【００７６】
また、中濃度ドープのｐ型コンタクト層１１のｐ型不純物としては、上記の種々のｐ型不純物を用いることができ、好ましくはＭｇである。ｐ型不純物が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傾向がある。ｐ型コンタクト層１１の不純物濃度は、特に限定されず、上記のように、ｐ型クラッド層８と高濃度ドープ層１０のｐ型不純物濃度の中間の濃度であればよく、例えば具体的な値として、好ましくは、１×１０１８〜５×１０２１／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。ｐ型不純物濃度がこの範囲であるとＶｆの低下の点で好ましい。
【００７７】
また、ｎ電極１３はｎ側コンタクト層４上に、ｐ電極１２はｐ型不純物の高濃度ドープのｐ側コンタクト層１１上に、それぞれ形成されている。ｎ電極１３及びｐ電極１２の材料としては特に限定されず、例えばｎ電極１３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。
【００７８】
本発明において、窒化物半導体を成長させる方法としては種々の気相成長法を用いることができ、例えば、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ツーフローＭＯＣＶＤ等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が５０μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また膜厚が５０μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。
【００７９】
【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。
【００８０】
［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ＭＯＣＶＤ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。
【００８１】
（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１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８２】
（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。
【００８３】
（ｎ型コンタクト層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型コンタクト層４を２．２６５μｍの膜厚で成長させる。
【００８４】
（ｎ型第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からなる下層５ａを２０００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からなる中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層５を成長させる。
【００８５】
（ｎ型第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４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Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる第３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４＋第３の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第４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型第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。
【００８６】
（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Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ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。
【００８７】
（多層膜ｐ型クラッド層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５×１０１９／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１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５×１０１９／cm３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる第２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１＋第２の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１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。
【００８８】
（ｐ型クラッド層より低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型低濃度ドープ層９を２０００オングストロームの膜厚で成長させる。この低濃度ドープ層９は、成長時はアンドープとして成長させるが、低濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８にドープされているＭｇが、ｐ型低濃度ドープ層９が成長する間に拡散し、さらに下記の高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層１０を成長させる際にＭｇが拡散し、ｐ型低濃度ドープ層９はｐ型を示す。
このｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度は、最も濃度が低い部分では、２×１０１８／ｃｍ３となる。また低濃度ドープ層９のＭｇ濃度の変化は、図２に示すように、ｐ型クラッド層８に接している部分ではｐ型クラッド層のＭｇ濃度とほぼ同様の値を示すが、ｐ型クラッド層８から離れるに従い徐々に減少し、ｐ型高濃度ドープ層１０と接近している付近（ｐ型高濃度ドープ層１０を成長させる直前）でのＭｇ濃度がほぼ最低値を示す。
【００８９】
（ｐ型高濃度ドープ層１０）
続いて、同様の温度で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇが３×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープされたＧａＮよりなるｐ型高濃度ドープ層１０を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００９０】
（ｐ型コンタクト層１１）
続いて、同様の温度で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１を１２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００９１】
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。
【００９２】
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型コンタクト層１１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１１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４の表面を露出させる。
【００９３】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層１１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１２と、そのｐ電極１２の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を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型コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１３を形成してＬＥＤ素子とした。
【００９４】
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３．４Ｖ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。更に、得られたＬＥＤの静電耐圧をＬＥＤ素子のｎ層及びｐ層の各電極より逆方向及び順方向に徐々に電圧を加えそれぞれ測定したところ、従来のほぼ２．０倍以上となる。
【００９５】
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Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ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。
【００９６】
［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Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ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。
【００９７】
［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Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ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。
【００９８】
［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Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ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。
【００９９】
［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Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ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。
【０１００】
［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に比べやや発光出力が低いものの、静電耐圧、Ｖｆは実施例１とほぼ同等の特性を示し良好である。
【０１０１】
［実施例７］
実施例１において、多層膜ｐ型クラッド層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。
（単一膜ｐ型クラッド層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５×１０１９／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる単一膜ｐ型クラッド層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よりやや発光出力などの性能が劣るものの、静電耐圧、Ｖｆはほぼ同等の特性を示し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。
【０１０２】
［実施例８］
実施例１において、ｐ型低濃度ドープ層９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よりやや静電耐圧が低下する傾向があるが、実施例１とほぼ同等の特性を示し良好な結果が得られる。
【０１０３】
［実施例９］
実施例１において、ｎ型コンタクト層４とｎ型第１多層膜層５を以下のように各膜厚を変更する他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（ｎ型コンタクト層４）
実施例１のｎ型コンタクト層４において、膜厚を２．１６５μｍとする他は同様にして、ｎ型コンタクト層４を成長させる。
（ｎ型第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からなる下層５ａを３０００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からなる中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚３３５０の第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。
【０１０４】
［実施例１０］
実施例９において、ｎ型コンタクト層４の膜厚を４．１６５μｍとし、アンドープＧａＮ層３及びｎ型第１多層膜層５との合計の膜厚が６．０μｍ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９よりやや静電耐圧が向上し、その他の特性は実施例９とほぼ同等の特性を示し良好な結果が得られる。
【０１０５】
［実施例１１］
実施例９において、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚を３０００オングストロームにし、ｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度がほぼ１×１０１８／cm３となる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を示し良好な結果が得られる。
【０１０６】
［実施例１２］
実施例９において、低濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８の第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のＭｇ濃度を１×１０１９／cm３とし、ｐ型クラッド層８より低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度がほぼ１×１０１８／cm３となり、高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層１０のＭｇ濃度が１×１０２０／cm３となり、中濃度ドープのｐ型コンタクト層１１のＭｇ濃度が５×１０１９／cm３となる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は実施例９とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１０７】
［実施例１３］
実施例９において、低濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８の第１の窒化物半導体層のＭｇ濃度を５×１０１９／cm３にし、第２の窒化物半導体層をアンドープとし、不純物濃度の異なる第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とから多層膜ｐ型クラッド層８を形成する他は同様にしてＬＥＤ素子を製造する。低濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８全体の平均Ｍｇ濃度は２×１０１９／cm３となり、隣接のｐ型低濃度ドープ層９のＭｇ濃度の最低値は３×１０１８／cm３となり、高濃度ドープのｐ型高濃度ドープ層１０のＭｇ濃度は３×１０２０／cm３となり、ｐ型コンタクト層１１のＭｇ濃度は１×１０２０／cm３となる。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１０８】
［実施例１４］
実施例１において、ｐ型低濃度ドープ層９を、ＴＭＧ、アンモニア、ＴＭＡを用い、膜厚１０００オングストロームのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型低濃度ドープ層９を成長させる他は同様にしてＬＥＤ素子を製造する。ｐ型低濃度ドープ層９の最も濃度の低い部分のＭｇ濃度は、ｐ型クラッド層８及びｐ型コンタクト層１０より低濃度である。
得られたＬＥＤは、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１０９】
［実施例１５］
実施例１において、ｐ型低濃度ドープ層９を、ＴＭＧ、アンモニア、ＴＭＡを用い、膜厚２０００オングストロームのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型低濃度ドープ層９を成長させる他は同様にしてＬＥＤ素子を製造する。ｐ型低濃度ドープ層９の最も濃度の低い部分のＭｇ濃度は、ｐ型クラッド層８及びｐ型コンタクト層１０より低濃度である。
得られたＬＥＤは、実施例１よりやや良好な静電耐圧を示し、その他の特性は実施例１とほぼ同等の特性を示し良好な結果が得られる。
【０１１０】
［実施例１６］
実施例１において、ｐ型低濃度ドープ層９の成長の際に、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、アンモニアを用い、最も濃度が低い部分のＭｇ濃度が８×１０１８／cm３となるようにＣｐ２Ｍｇのガスの流量を調整して、膜厚２０００オングストロームのＧａＮからなるｐ型低濃度ドープ層９を成長させる他は同様にしてＬＥＤ素子を製造する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１１１】
［実施例１７］
実施例９において、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚を１０００オングストロームにし、ｐ型低濃度ドープ層９の最も濃度が低い部分のＭｇ濃度がほぼ６．４×１０１８／cm３となる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１１２】
［実施例１８］
実施例９において、ｎ型コンタクト層４の膜厚を、５．１６５μｍ、７．１６５μｍとし、アンドープＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４及びｎ型第１多層膜層５の合計の膜厚をそれぞれ７．０μｍ、９．０μｍとする他は同様にして２種のＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、静電耐圧が実施例９よりやや良好となるが、いずれも実施例９とほぼ同等の特性を示し、良好な結果が得られる。
【０１１３】
［実施例１９］
実施例９において、中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８をアンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１の窒化物半導体層と、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる第２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９とほぼ同等の特性を示す。
【０１１４】
［実施例２０］
実施例９において、ｎ型第１多層膜層５が、アンドープＧａＮからなる３０００オングストロームの膜厚の下層５ａと、４．５×１０１８／cm３ドープした３００オングストロームの膜厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる中間層５ｂと、アンドープＧａＮからなる５０オングストロームの膜厚の上層５ｃとを成長させてなる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【０１１５】
［実施例２１］
実施例９において、ｎ型第１多層膜層５が、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる３０００オングストロームの膜厚の下層５ａと、４．５×１０１８／cm３ドープした３００オングストロームの膜厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる中間層５ｂと、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる５０オングストロームの膜厚の上層５ｃとを成長させてなる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【０１１６】
［実施例２２］
実施例９において、ｎ側第１多層膜層５が、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる３０００オングストロームの膜厚の下層５ａと、４．５×１０１８／cm３ドープした３００オングストロームの膜厚のＧａＮからなる中間層５ｂと、アンドープＧａＮからなる５０オングストロームの膜厚の上層５ｃとを成長させてなる他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。
得られたＬＥＤ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【０１１７】
［実施例２３］
実施例９において、ｎ側コンタクト層４を、Ｓｉを４．５×１０１８／cm３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎの膜厚４．１６５μｍ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９とほぼ同等の特性を示す。
【０１１８】
［実施例２４］
実施例１において、ｎ型第１多層膜層５に変えて、アンドープのＧａＮからなる膜厚１５００オングストロームの単一アンドープ層を形成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に比べてやや静電耐圧が低下する傾向があるが、ほぼ同等の素子特性を示す。
【０１１９】
［実施例２５］
実施例１において、ｎ型第２多層膜層６を、アンドープのＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層と、Ｓｉを５×１０１７／cm３ドープしたＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる第３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とほぼ同等の素子特性を示す。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明は、上記の如く、Ｖｆを低下することが可能な窒化物半導体素子を提供することができ、更に本発明の素子は、静電耐圧、発光出力も良好である。
【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的断面図である。
【図２】図２は、ｐ型低濃度ドープ層９と、その層に隣接及び近接する層、つまり低濃度ドープのｐ型クラッド層８、高濃度ドープのｐ型高濃ドープ層１０、中濃度ドープのｐ型コンタクト層１１内のｐ型不純物濃度の変化の分布について、変化の様子を示した模式的なグラフである。
【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型コンタクト層
５・・・ｎ型第１多層膜層
５ａ・・・アンドープの下層
５ｂ・・・ｎ型不純物ドープの中間層
５ｃ・・・アンドープの上層
６・・・ｎ型第２多層膜層
７・・・活性層
８・・・ｐ型クラッド層
９・・・ｐ型低濃度ドープ層
１０・・・ｐ型高濃度ドープ層
１１・・・ｐ型コンタクト層
１２・・・ｐ電極
１３・・・ｎ電極
【図１】
0003656456.tif 000002
【図２】
0003656456.tif 000003