(57)【要約】【課題】ヘテロ界面に生起する分極電荷による特性の劣化を防止すること。【解決手段】組成の異なるIII 族窒化物半導体が接合されたヘテロ界面を有するIII 族窒化物半導体素子である。ヘテロ界面Ｓは、電子が多数キャリアであるｎ伝導型領域と正孔が多数キャリアであるｐ伝導型領域との少なくとも一方の領域である選択領域において存在する。選択領域における少なくとも一つのヘテロ界面Ｓであって、選択領域の多数キリャアの電荷と同一符号の分極電荷が現れるヘテロ界面Ｓを挟む微小領域に、そのヘテロ界面を形成する両側の層１４２ｂ、１７における微小領域２０を除く領域での不純物濃度よりも高い不純物濃度で、選択領域の多数キャリアと同一符号のキャリアを生成するドーパントを添加した半導体素子である。【選択図】図１
2015115433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成の異なるIII 族窒化物半導体が接合されたヘテロ界面を有するIII 族窒化物半導体素子において、
前記ヘテロ界面は、電子が多数キャリアであるｎ伝導型領域と正孔が多数キャリアであるｐ伝導型領域との少なくとも一方の領域である選択領域において存在し、
前記選択領域における少なくとも一つのヘテロ界面であって、前記選択領域の多数キリャアの電荷と同一符号の分極電荷が現れるヘテロ界面を挟む微小領域に、
そのヘテロ界面を形成する両側の層における前記微小領域を除く領域での不純物濃度よりも高い不純物濃度で、前記選択領域の多数キャリアと同一符号のキャリアを生成するドーパントを添加したことを特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記微小領域の厚さは、４ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記微小領域に添加する前記ドーパントの不純物濃度は、５×１０19／ｃｍ3 以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記選択領域は、ｐ伝導型領域であり、前記ドーパントは、マグネシウム、又は、亜鉛であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記選択領域は、ｎ伝導型領域であり、前記ドーパントは、シリコン、又は、ゲルマニウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記分極電荷は、自発分極とピエゾ分極とのベクトル和である分極ベクトルにより生じる分極電荷であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記微小領域に存在する前記ヘテロ接合を挟む２つの層における前記分極ベクトルの向きは反対の向きであることを特徴とする請求項６に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記選択領域はｐ伝導型領域であり、前記微小領域における前記ヘテロ接合を挟む先に＋ｃ面成長させた下層と次に＋ｃ面成長させた上層との２つの層において、前記上層は前記下層よりもバンドギャップが大きい層であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記選択領域はｎ伝導型領域であり、前記微小領域における前記ヘテロ接合を挟む先に＋ｃ面成長させた下層と次に＋ｃ面成長させた上層との２つの層において、前記上層は前記下層よりもバンドギャップが小さい層であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記選択領域はｐ伝導型領域であり、前記微小領域における前記ヘテロ接合を挟む先に−ｃ面成長させた下層と次に−ｃ面成長させた上層との２つの層において、前記上層は前記下層よりもバンドギャップが小さい層であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記選択領域はｎ伝導型領域であり、前記微小領域における前記ヘテロ接合を挟む先に−ｃ面成長させた下層と次に−ｃ面成長させた上層との２つの層において、前記上層は前記下層よりもバンドギャップが大きい層であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記バンドギャップが大きい層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）であり、前記バンドギャップが小さい層は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）である、ただし、ｘ＝１かつｙ＝１の場合を除く、ことを特徴とする請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項１３】
微小領域の厚さをｄｎｍ、不純物濃度をｎ／ｃｍ3 、ヘテロ界面の分極電荷密度をω／ｃｍ2 、不純物の活性化比をｒとするとき、厚さｄと、不純物濃度ｎは、
ω×０．９×１０17≦ｒｎｄ≦ω×１．１×１０17
を満たす値であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記選択領域は、ｐ伝導型領域とｎ伝導型領域との２つの領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ接合界面に発生する電荷による特性の劣化を抑制したIII 族窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色、白色ＬＥＤとして、格子定数の異なるIII 族窒化物半導体の複数の層を積層させた発光素子が知られている。特許文献１には、サファイア基板上に、バッファ層を形成し、そのバッファ層上に、ｎ−ＧａＮから成るｎコンタクト層、ｎ−ＧａＮから成るガイド層、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎから成る井戸層とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの３層構造の障壁層との多重量子井戸構造から成る活性層、ｐ−ＧａＮから成る第１ガイド層、Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎから成る電子オーバーフロー防止層、ｐ−ＧａＮから成る第２ガイド層、ｐ−ＧａＮから成るｐコンタクト層とを形成した発光素子が開示されている。この技術は、活性層内の障壁層を井戸層のＩｎ組成比よりも十分に小さい（バンドギャップが十分に大きい）、Ｉｎ組成比の異なる３層構造として、しかも、その３層をＩｎ組成比の小さい層、大きい層、小さい層の対称性構造とすることで、活性層に印加される内部電界を減少させて、量子効率の改善を図る技術である。すなわち、この技術は、ＩｎＧａＮは、ピエゾ分極が大きいところ、障壁層のＩｎ組成比を小さく、かつ、Ｉｎ分布に対称性をもたせることで、ピエゾ電界を抑制するものである。
【０００３】
また、特許文献２には、ｎ型ＧａＮ基板上に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型バッファ層、ＳｉドープＡｌa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ≦０．１）からなるｎ型クラッド層、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型ガイド層、Ｉｎb Ｇａ1-b Ｎ（０＜ｂ≦０．１）からなる活性層、ＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる電子ブロック層と、ＭｇドープＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる第１のｐ型クラッド層（膜厚＝４００ｎｍ、Ｍｇドーピング濃度＝１．５×１０19／ｃｍ3 ）、及びＭｇドープＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる第２のｐ型クラッド層（膜厚＝７ｎｍ、Ｍｇドーピング濃度＝２×１０20／ｃｍ3 ）からなる多層のｐ型クラッド層を積層させ、その第２のｐ型クラッド層上にＮｉ／Ａｕのｐコンタクト電極を形成した構造の発光素子が開示されている。この技術は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ｐコンタクト電極の構造の場合には、ｐコンタクト電極からｐ−ＧａＮコンタクト層に注入された正孔がｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の障壁により活性層側へ注入されることが阻害されて抵抗が高くなるところ、その注入阻害を改良した技術である。すなわち、ｐ−ＧａＮコンタクト層を設けることなく、ｐコンタクト電極が直接、接合する２０ｎｍと薄くＭｇが１０20／ｃｍ3 程度と非常に高濃度とした第２のｐ型クラッド層を設けて、正孔を第２のｐ型クラッド層をトンネルさせることで、抵抗の上昇を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６９９８２号公報
【特許文献２】特開２００９−２１４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
III 族窒化物半導体発光素子の場合には、特許文献１、２のように＋ｃ軸方向に成長させた（III 族元素面を成長面とする）格子定数の異なる半導体層の積層構造が採用されている。この場合に、電子ブロック層は電子に対する伝導帯の障壁を高くするために、両側の層に比べてバンドギャップの大きい半導体が用いられている。この目的のために、電子ブロック層には、ＡｌＧａＮを用いることが多いが、その下の層は、ガイド層のＧａＮであったり、活性層のＧａＩｎＮである。この場合には、格子定数の小さいＡｌＧａＮの電子ブロック層には、その層よりも格子定数が大きい下層から面内引っ張り歪み、厚さ方向に圧縮歪みが印加される。元々、ＡｌＧａＮ層には、III 族元素面( Ｇａ面) からＮ面の向き（−ｃ軸）に自発分極が存在するが、ＡｌＧａＮの自発分極はＧａＩｎＮやＧａＮの自発分極より大きい。さらに、この状態の歪みがＡｌＧａＮ層に印加されると、自発分極と同一の向きにピエゾ分極が発生する。下層のＧａＩｎＮ層又はＧａＮ層は、上層のＡｌＧａＮ層から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受けるので、Ｎ面からIII 族元素面の向き（＋ｃ軸）に、ピエゾ分極が発生する。この結果、ＡｌＧａＮ層と下層との界面であるＡｌＧａＮ層のＮ面には、正の分極電荷が現れる。この正電荷により、ＡｌＧａＮの電子ブロック層は、正電位にバイアスされ、電子ブロック層の伝導帯のレベルが低下する。この結果、電子ブロック層の障壁の高さが低くなり、電子を下層のガイド層や活性層に閉じ込める機能が低下する。その結果として、内部量子効率が低下し、発光出力が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、ヘテロ界面に現れる電荷を遮蔽することで、余分なバイアス電位が層に印加されないようにする、あるいはキャリアの活性層からのオーバーフローを抑制することで、素子特性の劣化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本第１の発明は、組成の異なるIII 族窒化物半導体が接合されたヘテロ界面を有するIII 族窒化物半導体素子において、ヘテロ界面は、電子が多数キャリアであるｎ伝導型領域と正孔が多数キャリアであるｐ伝導型領域との少なくとも一方の領域である選択領域において存在し、選択領域における少なくとも一つのヘテロ界面であって、選択領域の多数キリャアの電荷と同一符号の分極電荷が現れるヘテロ界面を挟む微小領域に、そのヘテロ界面を形成する両側の層における微小領域を除く領域での不純物濃度よりも高い不純物濃度で、選択領域の多数キャリアと同一符号のキャリアを生成するドーパントを添加したことを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。
【０００８】
本発明は、ヘテロ界面に現れる分極電荷を遮蔽するために、ヘテロ界面を含む微小領域に、ヘテロ界面を形成する両側の層の不純物濃度よりも高い濃度で、多数キャリアと同一符号のキャリアを発生させるドーパントを添加するようにしたことが特徴である。ドーパントはキャリアを発生させると、発生させたキャリアの電荷と反対符号のイオンとなる。このイオンの電荷が、多数キャリアと同一符号のヘテロ界面に発生した分極電荷を遮蔽し、分極電荷により生じる電位を低減させる。
【０００９】
分極電荷を遮蔽すべきヘテロ界面は、ｐ伝導型領域に存在しても、ｎ伝導型領域に存在しても、その両者に存在しても良い。選択領域とは、分極電荷を遮蔽すべきヘテロ界面が存在する領域のことである。分極電荷を遮蔽すべきヘテロ界面がｐ伝導型領域にのみ存在する場合には、選択領域はｐ伝導型領域のことであり、遮蔽すべきヘテロ界面がｎ伝導型領域にのみ存在する場合には、選択領域はｎ伝導型領域のことであり、遮蔽すべきヘテロ界面が、ｐ伝導型領域と、ｎ伝導型領域とに存在する場合には、選択領域はｐ伝導型領域とｎ伝導型領域の両方を意味する。また、分極電荷を遮蔽すべきヘテロ界面は、多数キャリアの電荷と同一符号の分極電荷が現れる界面でありさえすれば、同一伝導型領域に複数存在しても良いし、そのうちの一つのヘテロ界面のみの分極電荷を、微小領域に不純物を高い濃度で添加することで遮蔽するようにしても良い。
【００１０】
分極電荷を遮蔽するヘテロ界面は、ｐ伝導型領域においては、正の分極電荷が現れるヘテロ界面であり、ｎ伝導型領域においては、負の分極電荷が現れるヘテロ界面である。微小領域とは、ヘテロ界面を挟み、ヘテロ界面を構成する２つの層の一部の領域である。この２つの層の少なくとも一方の層には、多数キャリアを生成するためのドーパントが規定の濃度で添加されているが、微小領域でのドーパントの不純物濃度は、この規定の濃度よりも高い濃度である。微小領域に添加するドーパントは、ｐ伝導型領域においてはアクセプタであり、ｎ伝導型領域においてはドナーであるが、多数キャリアを生成するために添加する規定濃度のドーパントと同一元素であっても、異なる元素であっても良い。
【００１１】
微小領域の厚さは、４ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。微小領域はヘテロ界面を挟む両側の２つの層に渡って形成されるが、２つの層に渡る全幅を、微小領域の厚さとしている。微小領域の厚さが２０ｎｍよりも厚いと、不純物を高濃度に添加する領域が広くなり、両層の結晶性が低下するので望ましくなく、４ｎｍよりも薄いと、ヘテロ界面に現れる分極電荷の遮蔽が十分に行われないため望ましくない。
【００１２】
微小領域に添加するドーパントの不純物濃度は、５×１０19／ｃｍ3 以上であることが望ましい。また、不純物濃度は、１×１０21／ｃｍ3 以下が望ましい。不純物濃度が５×１０19／ｃｍ3 より小さいと、ヘテロ界面における分極電荷の遮蔽が十分でなく、１×１０21／ｃｍ3 より大きいと、結晶性が低下するので望ましくない。さらに、望ましくは、８×１０19／ｃｍ3 以上、１×１０21／ｃｍ3 以下が望ましく、さらには、１×１０20  ／ｃｍ3 以上、１×１０21／ｃｍ3 以下、さらには、２×１０20  ／ｃｍ3 以上、１×１０21／ｃｍ3 以下が望ましい。
【００１３】
微小領域の厚さをｄｎｍ、不純物濃度をｎ／ｃｍ3 、ヘテロ界面の分極電荷密度をω／ｃｍ2 、不純物の活性化比をｒとするとき、
ｒｎｄ＝ω×１０17  …（１）
を満たすように、不純物濃度と微小領域の厚さを決定すると、分極電荷を完全に遮蔽できる。
したがって、１０％の遮蔽誤差を許容すると、不純物濃度ｎと、微小領域の厚さｄは、（２）式を満たすことが望ましい。
ω×０．９×１０17≦ｒｎｄ≦ω×１．１×１０17    …（２）
また、ドーパントの活性化比ｒが１のとき、ｎ、ｄは、
ω×０．９×１０17≦ｎｄ≦ω×１．１×１０17      …（３）
を満たす値であることが望ましい。
【００１４】
また、上記発明において、選択領域を、ｐ伝導型領域とした場合には、ドーパントは、マグネシウム、又は、亜鉛とすることがのぞましい。また、選択領域を、ｎ伝導型領域とした場合には、ドーパントは、シリコン、又は、ゲルマニウムであることが望ましい。分極電荷は、自発分極とピエゾ分極とが存在するので、それらのベクトル和である分極ベクトルにより生じる分極電荷を遮蔽することが望ましい。もちろん、何れか一方の電荷だけを遮蔽しても良い。上記発明において、微小領域に存在するヘテロ接合を挟む２つの層における分極ベクトルの向きが反対の向きである場合には、分極電荷は大きくなる。したがって、この分極電荷が大きいヘテロ界面の電荷を遮蔽することが望ましい。
【００１５】
III 族窒化物半導体の場合には、III 族元素( 代表的には、Ｇａ、以下、Ｇａで表記する）からＮ元素に向かう向き（−ｃ軸）に自発分極が発生している。なお、分極の向きは、負電荷から正電荷に向かう向きで定義する。III 族窒化物半導体に、面内方向に圧縮歪み（したがって、厚さ方向に引っ張り歪み）が印加された場合には、Ｎ元素からＧａ元素に向かう向き（＋ｃ軸）に、ピエゾ分極が生起する。逆に、III 族窒化物半導体に、面内方向に引っ張り歪み（したがって、厚さ方向に圧縮歪み）が印加された場合には、Ｇａ元素からＮ元素に向かう向き（−ｃ軸）に、ピエゾ分極が生起する。ＡｌＧａＮの場合は、自発分極とピエゾ分極との絶対値は同程度である。格子定数の小さいＡｌＧａＮは、一般的には、面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受けるので、自発分極とピエゾ分極の向きは共に−ｃ軸の向きで等しくなり、界面において大きな分極電荷を発生させる。ＧａＩｎＮの場合には、両側の層に対して、一般的には、格子定数が大きいので、面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受ける。したがって、ＧａＩｎＮはの場合には、ピエゾ分極の向きは＋ｃ軸となり、自発分極の向きと反対となるが、ピエゾ分極は自発分極よりも遥かに大きいので、界面において大きな分極電荷が発生する。
【００１６】
したがって、分極電荷を遮蔽するヘテロ界面は、以下の条件を満たす界面とすることが望ましい。なお、下記の説明は、下層は、その下の層からの歪みを緩和している場合も、緩和していない場合も含むが、下層も上層から歪みを受ける場合を想定している。下層の厚さが上層の厚さよりも十分に厚い場合には、下層は上層から受ける歪みは小さいが、下層も上層から歪みを受けているものとして説明する。
第１の条件は、選択領域はｐ伝導型領域であり、微小領域におけるヘテロ接合を挟む先に＋ｃ面成長させた下層と次に＋ｃ面成長させた上層との２つの層において、上層は下層よりもバンドギャップが大きい層とすることである。バンドギャップが大きいことと、格子定数が小さいことは等価であるので、上層は下層から面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受け、下層は上層から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受ける。この結果、上層はＧａ元素からＮ元素に向かう向き（−ｃ軸）にピエゾ分極が生起され、下層はＮ元素からＧａ元素に向かう向き（＋ｃ軸）にピエゾ分極が生起される。この結果、自発分極とピエゾ分極とを総合して、下層と上層とのヘテロ界面に大きな正の分極電荷が発生する。また、自発分極においては、一般的には、Ａｌを含むバンドギャップの大きい上層は、Ｉｎを含むバンドギャップの小さい下層よりも小さい。しかも、自発分極の向きは−ｃ軸の向き、すなわち上層から下層に向かう向きであるので、下層と上層とのヘテロ界面に自発分極の差による正の分極電荷が現れる。この結果、自発分極とピエゾ分極とを総合して、上層と下層とのヘテロ界面に大きな正の分極電荷が発生する。したがって、このヘテロ界面を挟む微小領域にアクセプタを添加して、アクセプタの負イオンにより正の分極電荷を遮蔽することになる。上層の他方の界面（上側）には、負の分極電荷が現れるが、添加したアクセプタにより生成された自由正孔がこの負の分極電荷を遮蔽するので、この上層にはバイアス電位は印加されない。
【００１７】
また、第２の条件は、選択領域はｎ伝導型領域であり、微小領域におけるヘテロ接合を挟む先に＋ｃ面成長させた下層と次に＋ｃ面成長させた上層との２つの層において、上層は下層よりもバンドギャップが小さい層とすることである。上記と同一理由により、バンドギャップが小さい上層は、下層から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受け、下層は上層から面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受ける。この結果、上層では、＋ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起され、下層では−ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起される。自発分極についても、上述したように、バンドギャップの大きい下層の方がバンドギャップの小さい上層よりも大きい。しかも、自発分極の向きは−ｃ軸の向き、すなわち上層から下層に向かう向きであるので、下層と上層とのヘテロ界面に自発分極の差による負の分極電荷が現れる。この結果、自発分極とピエゾ分極とを総合して、上層と下層とのヘテロ界面に大きな負の分極電荷が発生する。したがって、このヘテロ界面を挟む微小領域にドナーを添加して、ドナーの正イオンにより負の分極電荷を遮蔽することになる。下層の他方の界面（下側）には、正の分極電荷が現れるが、添加したドナーにより生成された自由電子がこの正の分極電荷を遮蔽するので、この下層にはバイアス電位は印加されない。
【００１８】
−ｃ軸の向きに成長させた場合も同様である。すなわち、第３の条件は、選択領域はｐ伝導型領域であり、微小領域におけるヘテロ接合を挟む先に−ｃ面成長させた下層と次に−ｃ面成長させた上層との２つの層において、上層は下層よりもバンドギャップが小さい層とすることである。バンドギャップが小さい、したがって、格子定数の大きい上層は、下層から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受け、下層は上層から面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受ける。この結果、上層では、＋ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起され、下層では−ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起される。自発分極についても、上述したように、バンドギャップの大きい下層の方がバンドギャップの小さい上層よりも大きい。しかも、自発分極の向きは−ｃ軸の向き、すなわち下層から上層に向かう向きであるので、下層と上層とのヘテロ界面に自発分極の差による正の分極電荷が現れる。この結果、自発分極とピエゾ分極とを総合して、上層と下層とのヘテロ界面に大きな正の分極電荷が発生する。したがって、このヘテロ界面を挟む微小領域にアクセプタを添加して、アクセプタの負イオンにより正の分極電荷を遮蔽することになる。下層の他方の界面（下側）には、負の分極電荷が現れるが、添加したアクセプタにより励起された自由正孔がこの負の分極電荷による電界を遮蔽するので、この下層にはバイアス電位は印加されない。
【００１９】
第４の条件は、選択領域はｎ伝導型領域であり、微小領域におけるヘテロ接合を挟む先に−ｃ面成長させた下層と次に−ｃ面成長させた上層との２つの層において、上層は下層よりもバンドギャップが大きい層とすることである。バンドギャップが大きい、したがって、格子定数の小さい上層は、下層から面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受け、下層は上層から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受ける。この結果、上層では、−ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起され、下層では＋ｃ軸の向きにピエゾ分極が生起される。自発分極についても、上述したように、一般的には、バンドギャップの大きい上層の方がバンドギャップの小さい下層よりも大きい。しかも、自発分極の向きは−ｃ軸の向き、すなわち下層から上層に向かう向きであるので、下層と上層とのヘテロ界面に自発分極の差による負の分極電荷が現れる。この結果、自発分極とピエゾ分極とを総合して、上層と下層とのヘテロ界面に大きな負の分極電荷が発生する。したがって、このヘテロ界面を挟む微小領域にドナーを添加して、ドナーの正イオンにより負の分極電荷を遮蔽することになる。上層の他方の界面（上側）には、正の分極電荷が現れるが、添加したドナーにより生成された自由電子がこの正の分極電荷を遮蔽するので、この上層にはバイアス電位は印加されない。
【００２０】
本発明において、一例であるが、具体的には、分極電荷を遮蔽すべきヘテロ界面を構成する上層と下層とにおいて、バンドギャップが大きい層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）であり、バンドギャップが小さい層は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）である、ただし、ｘ＝１かつｙ＝１の場合を除く、とすることが望ましい。Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）の自発分極は、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）の自発分極よりも大きい。
【００２１】
また、III 族窒化物半導体を積層させて、ｐ伝導型領域とｎ伝導型領域とを有した素子においては、両領域にヘテロ界面が存在することが多い。そこで、選択領域は、ｐ伝導型領域とｎ伝導型領域との２つの領域として、その両領域に存在するヘテロ界面に対して微小領域を設定してドーパントを高濃度で添加することで、ヘテロ界面に生起する分極電荷を遮蔽するようにしても良い。
本発明を発光素子や受光素子に応用する場合には、分極電荷を遮蔽するヘテロ界面を挟む上層と下層とにおいて、バンドギャップの大きい方の層を、ｐ伝導型領域においては、電子ブロック層、ｎ伝導型領域においては正孔ブロック層とすることが望ましい。
本願発明は、以上の原理を趣旨とするものであるので、上記の原理を満たす限り、分極電荷を遮蔽するヘテロ界面の構成する両側の層の組成、組成比、格子定数には限定されない。また、自発分極しか現れない場合でも、両層の自発分極の大きさの差異によりヘテロ界面に分極電荷が現れるので、このような場合の分極電荷を遮蔽することも本願発明は含む。例えば、格子定数が等しくとも組成が異なれば、自発分極の大きさが異なるので、ヘテロ界面には分極電荷が現れる。この分極電荷を遮蔽する場合も本願発明は含む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、ヘテロ界面に生起される分極電荷を、添加され且つイオン化したドーパントにより遮蔽することができ、分極電荷による電界が層に印加されることを排除でき、例えば、キャリアのオーバーフローの抑制などの素子の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る発光素子の構成図。
【図２】実施例１の発光素子における分極電荷を遮蔽するヘテロ界面を含む領域のバンド図。
【図３】実施例１に係る発光素子における微小領域のＭｇ濃度をパラメータとする電流と注入効率との関係を示した特性図。
【図４】実施例１に係る発光素子において、微小領域の高Ｍｇ濃度による特性改善を説明するためのバンド図。
【図５】実施例１に係る発光素子における微小領域のＭｇ濃度をパラメータとする電圧と電流密度との関係を示した特性図。
【図６】実施例２の発光素子における分極電荷を遮蔽するヘテロ界面を含む領域のバンド図。
【図７】本発明の具体的な実施例３に係る発光素子の構成図。
【図８】実施例３の発光素子における分極電荷を遮蔽するヘテロ界面を含む領域のバンド図。
【図９】実施例３に係る発光素子における微小領域のＭｇ濃度をパラメータとする電圧と電流密度との関係を示した特性図。
【図１０】本発明の具体的な実施例４に係る発光素子における分極電荷を遮蔽するヘテロ界面を含む領域のバンド図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
本実施例の半導体素子は、ｐ伝導型領域にＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とによるヘテロ界面が存在し、そのヘテロ界面に生起した分極電荷を遮蔽した素子である。
図１は青色発光するIII 族窒化物半導体発光素子１の層構造概念図である。サファイア基板１０上に、有機金属化合物気相成長法を用いて、低温堆積バッファ層１１を介して、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層１２を成長させる。このとき、ＧａＮ層１２の成長面はＧａ面である。すなわち、ＧａＮは＋ｃ軸方向に成長させている。その後、厚さ３μｍのＳｉ添加ＧａＮ層１３、続いて、厚さ１２．５ｎｍのＧａＮ障壁層１４２と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層１４１との３周期の三重量子井戸構造の活性層１４を成長させる。次に、厚さ１２．５ｎｍにＧａＮ障壁層１４２ｂを形成する。このとき、ＧａＮ障壁層１４２ｂ内において、上面から下の厚さ2 ｎｍの領域は、後述するようにＭｇが他の領域よりも高濃度に添加された微小領域２０の微小領域下部１５を形成している。次に、ＧａＮ障壁層１４２ｂの上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ層１７を形成する。このとき、ＡｌＧａＮ層１７内において、下面から上の厚さ１０ｎｍの領域は、後述するようにＭｇが他の領域よりも高濃度に添加された微小領域２０の微小領域上部１６形成している。この厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ層１７は、電子のオーバーフローを抑える電子ブロック層として機能させるために設けられている。次に、ＡｌＧａＮ層１７の上に、厚さ６０ｎｍのＭｇ添加ＧａＮ層１８と、厚さ１０ｎｍのＭｇ添加ＧａＮコンタクト層１９を成長させる。
【００２６】
不純物濃度に関しては、以下の通りである。Ｓｉ添加ＧａＮ層１３では、Ｓｉ濃度は５×１０18／ｃｍ3 、Ｍｇ添加ＧａＮコンタクト層１９では、Ｍｇ濃度は１×１０20／ｃｍ3 である。従来構造では、ＧａＮ障壁層１４２ｂはアンドープであり、ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８のＭｇ濃度は、規定の２×１０19／ｃｍ3 である。この場合、Ｍｇを２×１０19／ｃｍ3 以上に添加しないのは、これ以上の濃度に添加すると実質的に正孔濃度が低下し、さらに結晶性が劣化する可能性が高くなるためである。本願発明においては、ＧａＮ障壁層１４２ｂとＡｌＧａＮ層１７とのヘテロ界面Ｓが分極電荷を遮蔽すべき界面であり、このヘテロ界面Ｓを挟む厚さ２ｎｍの微小領域下部１５と厚さ１０ｎｍの微小領域上部１６とから成る総合幅１２ｎｍの領域が微小領域２０となる。この微小領域２０のＭｇ濃度は、本発明では、５×１０19／ｃｍ3 以上としている。なお、活性層１４は不純物無添加である。
【００２７】
ｐ伝導型領域であるＧａＮ障壁層１４２ｂからＧａＮコンタクト層１９までの各層に生起する自発分極Ｐspとピエゾ分極Ｐpeについて検討する。なお、ＧａＮ障壁層１４２ｂは、微小領域下部１５を除いてＭｇが添加されていないが、ｐ伝導型領域に含める。自発分極の向きは、上述したように、−ｃ軸の向きであり、自発分極の大きさは、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮの順で、大きくなる。したがって、自発分極の大きさは、ＧａＮ，ＧａＩｎＮ＜ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮの関係にある。ＧａＮ，ＧａＩｎＮは、Ｉｎの組成比によるが、ＩｎＮの付近を除き、ＧａＩｎＮの方がＧａＮよりも小さい。また、ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮとでは、Ａｌの組成比が大きく、Ｉｎの組成比が小さい程、自発分極は大きい。よって、各層には、図２に示すように、Ｇａ面からＮ面の向き（−ｃ軸）に自発分極Ｐspが生起している。ピエゾ分極は、印加される歪みの大きさに依存するが、ＧａＮ上のＩｎＮ、ＧａＮ上のＡｌＮとを比較すると、ＧａＮ上のＩｎＮの方が、絶対値で、５倍程度大きい。また、ＧａＮ上のＩｎＮのピエゾ分極の向きは、自発分極の向きと逆の＋ｃ軸の向きであり、ＧａＮ上のＡｌＮは、自発分極の向きと同一の−ｃ軸の向きである。したがって、ＧａＮを下層とする上層のピエゾ分極は、Ｉｎの組成比が大きくなる程、＋ｃ軸の向きに増大し、Ａｌの組成比が大きくなる程、−ｃ軸の向きに大きくなる。ピエゾ分極の絶対値のＩｎの組成比に対する増加率は、Ａｌの組成比に対する増加率よりも大きい。よって、各層には、図２に示すように、ピエゾ分極Ｐpeが生起する。
【００２８】
ＡｌＧａＮ層１７のＡｌＧａＮ格子定数は、ＧａＮ障壁層１４２ｂのＧａＮの格子定数よりも小さい。したがって、ＡｌＧａＮ層１７はＧａＮ障壁層１４２ｂから面内方向に引っ張り歪み（厚さ方向に圧縮歪み）を受けているので、ＡｌＧａＮ層１７内には、−ｃ軸の向きにピエゾ分極Ｐpeが生起している。一方、ＧａＮ障壁層１４２ｂは、上層のＡｌＧａＮ層１７から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受けているので、ＧａＮ障壁層１４２ｂ内には＋ｃ軸の向きにピエゾ分極Ｐpeが生起している。自発分極Ｐspについては、ＧａＮ障壁層１４２ｂとＡｌＧａＮ層１７とにおいて、共に、−ｃ軸の向きであるが、ＡｌＧａＮ層１７の方が大きいので、両層で形成されるヘテロ界面Ｓには自発分極Ｐspの大きさの差に依存して正の分極電荷が現れる。また、ピエゾ分極Ｐpeについては、ＡｌＧａＮ層１７では−ｃ軸の向き、ＧａＮ障壁層１４２ｂについては＋ｃ軸の向きであるので、ヘテロ界面Ｓには、ピエゾ分極Ｐpeについて正の分極電荷が現れる。したがって、ヘテロ界面Ｓには、自発分極Ｐspによる正電荷とピエゾ分極Ｐpeによる正電荷を加算した大きな正の分極電荷が現れる。
【００２９】
また、ＧａＮの格子定数は、ＡｌＧａＮの格子定数よりも大きいので、ＧａＮ層１８及びＧａＮコンタクト層１９は、下層のＡｌＧａＮ層１７から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受けているので、ＧａＮ層１８及びＧａＮコンタクト層１９内には、＋ｃ軸の向きにピエゾ分極Ｐpeが生起している。よって、ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８のヘテロ界面Ｔには、ＡｌＧａＮ層１７の自発分極Ｐspの方がＧａＮ層１８の自発分極よりも大きいので、自発分極による負の電荷が現れ、ピエゾ分極Ｐpeの向きは、逆であるので、ピエゾ分極による負の電荷が現れる。
【００３０】
本発明では、ｐ伝導型領域の多数キャリアの電荷と同一符号である正電荷が現れるヘテロ界面Ｓを挟む幅ｄが１２ｎｍの微小領域２０（厚さ２ｎｍの微小領域下部１５と厚さ１０ｎｍの微小領域上部）において、正孔を励起させるアクセプタのＭｇを５×１０19／ｃｍ3 以上に添加している。Ｍｇの活性化比を１とすると、Ｍｇ陰イオンの濃度は、５×１０19／ｃｍ3 以上となる。Ｍｇ濃度ｎ／ｃｍ3 を５×１０19／ｃｍ3 、微小領域２０の幅ｄを１２ｎｍとするとき、Ｍｇ陰イオンの面密度は、（１）式から、６×１０13／ｃｍ2 となる。ヘテロ界面Ｓに現れる分極電荷密度は、１０13／ｃｍ2 程度と考えられるので、Ｍｇ陰イオンにより、分極電荷により生じる電界を遮蔽することができる。ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８のヘテロ界面Ｔには、分極により負電荷が現れるが、微小領域２０に添加したＭｇにより励起された濃度５×１０19／ｃｍ3 の正孔が、この負電荷による電界を遮蔽する。したがって、ＡｌＧａＮ層１７には、分極電荷による正電位が印加されない。この結果、電子ブロック層であるＡｌＧａＮ層１７の伝導帯は低くならず、障壁も低くならない。よって、ＡｌＧａＮ層１７は、電子を活性層１４側に閉じ込める機能を低下させることはない。
なお、微小領域２０の微小領域下部１５を除くＧａＮ障壁層１４２ｂには、Ｍｇが添加されておらず、微小領域２０の微小領域上部１６を除くＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８には、従来通り、２×１０19／ｃｍ3 のＭｇが添加されている。したがって、ＧａＮ障壁層１４２ｂの下面から上方向（ＧａＮコンタクト層１９側）に向けて、ＧａＮ障壁層１４２ｂの下面から１０．５ｎｍの領域はＭｇが無添加、ＧａＮ障壁層１４２ｂ内のヘテロ界面Ｓから２ｎｍの領域（微小領域下部１５）とＡｌＧａＮ層１７のヘテロ界面Ｓから１０ｎｍの領域（微小領域上部１６）には、Ｍｇが５×１０19／ｃｍ3 以上に添加され、ＡｌＧａＮ層１７の上面（界面Ｔ）から下方１０ｎｍの領域、ＧａＮ層１８には、Ｍｇが２×１０19／ｃｍ3 に添加されている。要するに、正の分極電荷を遮蔽するヘテロ界面Ｓを挟む微小領域２０に、Ｍｇが他の領域よりも高濃度の５×１０19／ｃｍ3 以上に添加されている。
【００３１】
図３に、従来例と実施例の活性層への注入効率における電流密度注入量依存性の計算結果を示す。実施例として、微小領域２０にＭｇを高濃度の５×１０19／ｃｍ3 に添加した場合と、１×１０20／ｃｍ3 に添加した場合の二つの場合を示し、比較例として、微小領域２０にＭｇを高濃度には添加しない場合、すなわち、ＧａＮ障壁層１４２ｂは無添加、ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８には、Ｍｇを２×１０19／ｃｍ3 に添加した場合を示す。比較例の構造では、電子が活性層よりオーバーフローし、注入効率が大きく低下しているが、実施例の構造では、電子のオーバーフローが大幅に抑制され、注入効率が大きく改善することがわかる。
【００３２】
この注入効率が改善する理由は以下のように理解できる。ＧａＮ障壁層１４２ｂとＡｌＧａＮ層１７のヘテロ界面Ｓには、分極による正の固定電荷が形成される。その正の固定電荷を遮蔽する負の電荷として存在するものは、正孔を生成した後のイオン化アクセプタである。ところが、分極固定電荷は、１×１０13／ｃｍ2 程度と、巨大であるために、添加されたアクセプタ不純物濃度が従来技術において規定の２×１０19／ｃｍ3 程度であったり、あるいは、そのヘテロ界面Ｓの片側にしか添加されなかったりすると、ヘテロ界面Ｓに生じた巨大な分極固定電荷を十分に遮蔽できず、実質的に正の固定電荷が残る。そのため、電子が感じるポテンシャルは下がることになり、ＡｌＧａＮ層１７の電子ブロック層としての機能が低下する。
【００３３】
その様子を図４に示す。図４は電流密度が１００Ａ／ｃｍ2 時の比較例と本実施例（微小領域２０のＭｇ濃度が１×１０20／ｃｍ3 の場合）のバンドダイアグラムである。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面に、従来技術に従ったＭｇ添加量（２×１０19／ｃｍ3 程度）を施すだけでは、遮蔽の効果が不十分なためポテンシャルが大きく低下する。その結果、電子が活性層を通過して、この界面まで到達、すなわちオーバーフローするため、注入効率が大きく低下する。一方、本発明では、従来技術において規定の濃度２×１０19／ｃｍ3 を超える５×１０19／ｃｍ3 以上の十分なアクセプタ不純物をヘテロ界面Ｓを挟む微小領域２０に添加するため、正の固定電荷が十分に遮蔽でき、ポテンシャルの落ち込みがなくなる。その結果、電子のオーバーフローが抑制でき、注入効率が大幅に改善される。
【００３４】
さらに、図５に電流電圧特性を示す。本実施例の構造では、ヘテロ界面Ｓに生じる大きな正の固定電荷を適切に遮蔽することができるため、低い電圧で電流を流すことが可能になり、エネルギー変換効率の改善にも繋がる。
上記のような本発明の効果を得るためには、少なくとも５×１０19／ｃｍ3 以上のアクセプタ不純物を正の分極電荷を遮蔽するヘテロ界面Ｓを挟む微小領域２０に添加する必要がある。好ましくは２×１０20／ｃｍ3 以上である。添加する微小領域２０としては、ヘテロ界面Ｓの両側のそれぞれに少なくとも２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下（幅ｄとしては、４ｎｍ以上、２０ｎｍ以下）の領域である。薄すぎると効果が得られなくなり、厚すぎると高濃度添加による結晶性の劣化が生じるので望ましくない。ヘテロ界面Ｓを挟む微小領域の幅ｄは、望ましくは、２ｎｍ以上、１５ｎｍ以下である。
【実施例２】
【００３５】
実施例２のIII 族窒化物半導体素子２は、実施例１の素子１をＮ面成長（−ｃ軸方向）に成長させた場合である。各層の構成は、図１と同一である。この場合には、自発分極Ｐspの向きと、ピエゾ分極Ｐpeの向きが、実施例１とは反対になる。自発分極Ｐspは、全層で、−ｃ軸の向き、すなわち、ＧａＮコンタクト層１９に向かう向きである。ピエゾ分極Ｐpeの向きは、ＧａＮ障壁層１４２ｂでは、＋ｃ軸の向き、ＡｌＧａＮ層１７では、−ｃ軸の向き、ＧａＮ層１８では、＋ｃ軸の向きである。このとき、正の分極電荷が現れるヘテロ界面は、実施例１とは異なり、ＡｌＧａＮ層１７とその層の上のＧａＮ層１８とのヘテロ界面Ｓである。ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ障壁層１４２６とのヘテロ界面Ｔには、実施例１で説明した自発分極の大きさの差異と、ピエゾ分極の向きと大きさとの関係により、図６から明らかなように、負の分極電荷が現れる。したがって、実施例２の素子２では、ＡｌＧａＮ層１７とＧａＮ層１８とのヘテロ界面Ｓが正の分極電荷を遮蔽するヘテロ界面となり、このヘテロ界面Ｓを挟んでＡｌＧａＮ層１７内部のヘテロ界面Ｓから下の厚さ１０ｎｍの微小領域下部１７１とＧａＮ層１８のヘテロ界面Ｓから上の厚さ２ｎｍの微小領域上部１８１がＭｇが５×１０19／ｃｍ3 以上の高濃度に添加される微小領域２１となる。この場合にも、ヘテロ界面Ｓに現れる正の分極電荷は、イオン化したＭｇによる負電荷によって遮蔽される。ＡｌＧａＮ層１７に対して、ヘテロ界面Ｓと反対側に存在するヘテロ界面Ｔに現れる負の分極電荷は、微小領域２１に添加されたＭｇにより励起された自由正孔で遮蔽される。したがって、実施例２の素子２も実施例１の素子１と同一の特性を示す。
【実施例３】
【００３６】
実施例１、２が、分極電荷を遮蔽するヘテロ界面がｐ伝導型領域に存在する場合の素子であったが、実施例３は、このヘテロ界面をｎ伝導型領域に存在する素子とした場合である。
【００３７】
図７は２８０ｎｍで発光するIII 族窒化物半導体発光素子３の層構造を示す概念図である。サファイア基板上に形成されたＡｌ面ＡｌＮテンプレート３０、又は、成長主面をＡｌ面とするＡｌＮ基板３０の上に有機金属化合物気相成長法を用いて、厚さ２μｍのＳｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１を成長させる。Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１は正孔ブロック層として機能する。その後、層３１の上に、厚さ７ｎｍのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａを形成する。その障壁層３４２ａの上に、厚さ２ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ井戸層３４１と厚さ５ｎｍのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２を１対として、３対繰返形成する。ただし、最後の障壁層は、厚さ７ｎｍのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ｂとする。障壁層３４２ａから障壁層３４２ｂまでが、多重量子井戸構造の活性層３４である。活性層３４は不純物無添加である。続いて、障壁層３４２ｂの上に、厚さ２０ｎｍのＭｇ添加Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ層３７を形成した。Ｍｇ添加Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層３７は、電子ブロック層である。次に、厚さ５０ｎｍのＭｇ添加Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層３８と厚さ１０ｎｍのＭｇ添加Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎコンタクト層３９を成長させた。
【００３８】
実施例３の発光素子３において、実施例１と同様に、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ｂとその層の上のＭｇ添加Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層３７との界面が正の分極電荷を遮蔽するヘテロ界面Ｓ１である。Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ｂ内のヘテロ界面Ｓ１から下２ｎｍの領域が微小領域下部３５であり、Ｍｇ添加Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層３７内のヘテロ界面Ｓ１から上１０ｎｍが微小領域上部３６である。微小領域下部３５と微小領域上部３６とが微小領域２２ｐを構成している。そして、この微小領域２２ｐには、Ｍｇが、他の層よりも高濃度の５×１０19／ｃｍ3 以上の２×１０20／ｃｍ3 に添加されている。Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ｂ内の微小領域下部３５を除く領域は、Ｍｇが無添加であり、Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層３７内の微小領域上部３６を除く領域とＭｇ添加Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層３８のＭｇ濃度は２×１０19／ｃｍ3 、Ｍｇ添加Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎコンタクト層３９のＭｇ濃度は２×１０20／ｃｍ3 である。
【００３９】
さらに、実施例３では、図８に示すように、ｎ伝導型領域に存在するＳｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１とＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａとの界面が負の分極電荷を遮蔽するヘテロ界面Ｓ２となる。Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１内のヘテロ界面Ｓ２から下１０ｎｍの領域である微小領域下部３２と、Ｓｉ添加Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａ内のヘテロ界面Ｓ２から上２ｎｍの領域である微小領域上部３３とで、微小領域２２ｎが構成されている。そして、この微小領域下部３２と微小領域上部３３とから成る微小領域２２ｎには、Ｓｉが、他の層よりも高い濃度の５×１０19／ｃｍ3 以上の２×１０20／ｃｍ3 に添加されている。また、Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１の微小領域下部３２を除く領域には、Ｓｉが、従来用いられている規定の濃度１×１０18／ｃｍ3 に添加されており、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａの微小領域上部３３を除く領域は、Ｓｉは添加されていない。
【００４０】
図８のバンドダイヤグラムにおいて、Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａの自発分極Ｐspの向きは、−ｃ軸の向きである。ところが、Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１は、Ａｌ組成比が、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａよりも大きいので、層３１の自発分極Ｐspの方が、障壁層３４２ａの自発分極Ｐspよりも大きい。よって、層３２と障壁層３４２ａとのヘテロ界面Ｓ２には、自発分極による負の分極電荷が現れる。
【００４１】
ピエゾ分極については、次のことがいえる。Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１は、その層より格子定数が小さいＡｌＮ基板３０から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受けるが、厚さが２μｍであるので、臨界膜厚より厚く、歪みは緩和している。また、Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１は、その上方に形成されるエピタキシャル成長層の総合厚さ１０８ｎｍに比べて十分に厚い。したがって、層３１は、上方に形成される層からは歪みを受けないか無視できる。よって、層３１内のピエゾ分極Ｐpeは無視できる。Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａは、層３１から面内方向に圧縮歪み（厚さ方向に引っ張り歪み）を受ける。よって、障壁層３４２ａ内には、＋ｃ軸の向きに、ピエゾ分極Ｐpeが生起する。この結果、ヘテロ界面Ｓ２には、ピエゾ分極Ｐpeによる負の分極電荷が現れる。自発分極Ｐspによる負の電荷と、ピエゾ分極Ｐpeによる負の電荷の総和の大きな負の電荷がヘテロ界面Ｓ２に現れることになる。
【００４２】
図９に、実施例３の素子３の電流電圧特性を示す。比較例（従来）は、図７の構造において、ｎ伝導型領域の全層のＳｉ濃度を１×１０18／ｃｍ3 、ｐ伝導型領域のコンタクト層を除く全層のＭｇ濃度を２×１０19／ｃｍ3 、コンタクト層３９のＭｇ濃度を２×１０20／ｃｍ3 とした場合である。すなわち、比較例は、Ｓｉを高濃度に添加する微小領域２２ｎと、Ｍｇを高濃度に添加する微小領域２２ｐを設けない場合である。明らかに、本実施例３の発光素子３は、比較例の発光素子に比べて、大きく閾値電圧が低下しており、電力変換効率が大きく改善していることが理解される。
【実施例４】
【００４３】
実施例４の発光素子４は、実施例３に類似の構造を−ｃ面成長させた発光素子である。ただし、基板にはＮ面を成長主面とするＧａＮ基板を用い、その上に、厚さ２μｍにＳｉ添加ＧａＮ層５１を−ｃ軸の向きに成長させている。そして、ＧａＮ層５１の上に、厚さ２０ｎｍにＳｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１を形成している。層３１の上の各層は、実施例３と同様である。Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１が正孔ブロック層である。
【００４４】
各層の自発分極Ｐspは、−ｃ軸の向きに生起する。ピエゾ分極Ｐpeは、厚いＧａＮ層５１では、歪みが緩和されているか、厚いために上層からは、印加される歪みが小さいとして無視する。Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１は格子定数のより大きな下層のＧａＮ層１３から面内方向に引っ張り歪みを受けるので、ピエゾ分極Ｐpeの向きは−ｃ軸の向きとなる。また、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａは、格子定数がより小さいＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１から面内方向に圧縮歪みを受けるので、ピエゾ分極Ｐpeの向きは＋ｃ軸の向きとなる。よって、ＧａＮ層５１とＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１とのヘテロ界面Ｓ２に負の分極電荷が現れ、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１とＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａとのヘテロ界面Ｔには正の分極電荷が現れる。
【００４５】
そこで、本実施例では、ＧａＮ層５１内のヘテロ界面Ｓ２から下２ｎｍの微小領域下部５１１とＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１内のヘテロ界面Ｓ２から上１０ｎｍの微小領域上部３１１とから成る微小領域２２ｎに、Ｓｉが、他の層よりも高い濃度の５×１０19／ｃｍ3 以上の２×１０20／ｃｍ3 に添加されている。また、ＧａＮ層５１の微小領域下部５１１を除く領域と、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層３１の微小領域上部３１１を除く領域には、Ｓｉが、従来用いられている規定の濃度１×１０18／ｃｍ3 に添加されており、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ障壁層３４２ａを含む活性層は、不純物が添加されていない。ｐ伝導型領域の構成は実施例３と同一であり、実施例と同様に微小領域２２ｐにはＭｇが、５×１０19／ｃｍ3 以上の２×１０20／ｃｍ3 に添加されている。
【００４６】
本発明は、上述したように、＋ｃ軸方向に成長させた場合も、−ｃ軸方向に成長させた場合の発光素子にも、ｐ伝導型領域、ｎ伝導型領域にも適用可能である。実施例１、３で示したように、＋ｃ軸の向きに成長させた場合には、バンドギャップが大きな電子ブロック層、正孔ブロック層のバンドギャップの小さな活性層側の界面（活性層に近い側）が、それぞれ、正電荷、負電荷を遮蔽するヘテロ界面となる。これに対して、実施例２、４で示したように、−ｃ軸の向きに成長させた場合には、バンドギャップが大きな電子ブロック層、正孔ブロック層のバンドギャップの小さな活性層と反対側の界面（活性層から遠い側）が、それぞれ、正電荷、負電荷を遮蔽するヘテロ界面となる。いずれにしても、バンドギャップの大きいな電子ブロック層が正電位にバイアスされて伝導帯の障壁が低下し、バンドギャップの大きな正孔ブロック層が負電位にバイアスされて価電子帯の障壁が低下することが防止される。これにより、素子の駆動電圧の上昇が抑制されると共に電子、正孔の活性層における閉じ込めが効果的に行われるため量子効率が従来に比べて向上する。
【符号の説明】
【００４７】
１５，３２，３５，１７１…微小領域下部
１６，３３，３６，１８１…微小領域上部
１７…ＡｌＧａＮ層
１８…ＧａＮ層
２０，２１，２２ｐ，２２ｎ…微小領域
３７…Ｍｇ添加Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層
３１…Ｓｉ添加Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｎ層
５１…Ｓｉ添加ＧａＮ層
１４２ｂ…ＧａＮ障壁層
３４２ａ，３４２ｂ…障壁層
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２…ヘテロ界面
【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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【図９】
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【図１０】
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