(57)【要約】【課題】  井戸層の膜厚が比較的大きな多重量子井戸構造としながら、再結合発光を促進させ内部量子効率の高い窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】  基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層４を含む窒化物半導体積層部６とを有し、活性層４がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層７とＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）とからなる障壁層８とが交互に積層された多重量子井戸構造を備える構造になっている。そして、井戸層７が、ＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ）からなる薄膜障壁層７ｃにより、少なくとも第１の井戸層７ａおよび第２の井戸層７ｂに分割され、薄膜障壁層７ｃは、膜厚が１原子層以上、２０Å以下に形成されている。【選択図】        図１
2007150066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部とを有し、前記活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層とＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）とからなる障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を備える窒化物半導体発光素子であって、
前記井戸層が、ＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ）からなる薄膜障壁層により、少なくとも第１の井戸層および第２の井戸層に分割され、前記薄膜障壁層は、膜厚が１原子層以上、２０Å以下に形成されてなる窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１および第２の井戸層のそれぞれの膜厚が、前記薄膜障壁層の膜厚をｂ1Åとして、（ｂ1＋１０）Å以上１００Å以下で、前記障壁層が５０Å以上１００Å以下である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、活性層を構成する井戸層での発光効率を高め、低閾値、低動作電流電圧駆動を実現し得る窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオードなどの窒化物半導体発光素子が実用化されており、より高輝度化、高出力化のため活性層での発光効率をあげるべく多重量子井戸構造が採用されている。この窒化物半導体を用いた青色系の光を発光するＬＥＤは、たとえば図４に示されるように、サファイア基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮなどからなる低温バッファ層３２、ＧａＮなどからなるｎ形層３３と、バンドギャップエネルギーがｎ形層３３のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる井戸層３７と、ＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ系（ＡｌとＩｎとＧａの比率が種々変り得ることを意味する以下同じ）化合物半導体からなる障壁層３８とが交互に積層されて形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層（発光層）３４と、ＧａＮなどからなるｐ形層３５とが積層されて半導体積層部３６が形成されている。そして、その表面に透光性導電層４０を介して、ｐ側電極４１が設けられ、積層された半導体積層部３６の一部がエッチングされて露出するｎ形層３３の表面にｎ側電極４２が設けられることにより形成されている。
【０００３】
なお、ｎ形層３３およびｐ形層３５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物などのさらにバンドギャップエネルギーの大きい半導体層が用いられることがある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１７３２２２号公報（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、活性層が多重量子井戸構造で形成されていれば、活性層（井戸層）内に量子準位が形成されるため、僅かな電流（電子と正孔）注入で、電子と正孔が再結合発光しやすいため、バルク構造と比較して高効率の半導体発光素子を実現できる。しかし、実際に窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の活性層を採用し、素子を作製したとしても理論値程、発光効率が向上しないという問題がある。
【０００５】
また、窒化物半導体を用いた長波長半導体発光素子、たとえば緑色の発光をする素子も近年開発されているが、このような素子を作製するには、活性層のバンドギャップエネルギーを小さくする（波長を長くする）ため、活性層を構成するＩｎＧａＮ系化合物半導体層のＩｎの組成を大きくする手法が考えられる。しかし、活性層のＩｎの組成を大きくすると、活性層内にＩｎが偏析し、所望の波長が得られなかったり、Ｉｎ組成が大きくなることにより結晶性が悪化したり、長波長化をすればするほど発光効率は低下する。そこで、他の手法として前述の量子井戸構造を採用しつつ、井戸層の膜厚（幅）を大きくすることが考えられる。しかし、井戸層の膜厚を大きくすると、前述と同様、理論値程発光効率が上がらず、また青色や紫外の光である短波長半導体発光素子の場合よりも顕著であり、高効率の半導体発光素子が実現できないという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、井戸層の膜厚が比較的大きな多重量子井戸構造としながら、再結合発光を促進させ発光効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、活性層を多重量子井戸構造にしても、理論値ほど発光効率が向上しない原因について鋭意検討を重ねて調べた結果、多重量井戸構造の活性層に窒化物半導体を用いた場合、活性層内での歪みが大きく、この歪みにより活性層内のエネルギー準位が一様でない分布をもち、この分布により電子や正孔が偏って存在することが原因であることを見出した。すなわち、窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の活性層は、井戸層と障壁層との間で格子定数が大きく相違するため、活性層内部に歪みが生じエネルギー準位が井戸層内部で異なることになる（図３のバンド図参照）。そして、伝導帯中の電子および価電子帯中の正孔は、できる限りエネルギー的に安定な位置に存在しようとするため、井戸層内部で電子の存在分布と正孔の存在分布が異なる（伝導帯中の電子が密な位置と価電子帯中の正孔が密な位置とが異なる）ことになり、井戸層内で効率的に再結合が起こらなくなることが、発光効率が理論値ほどよくならない原因であることを見出した。
【０００８】
そして、このような分布を解消するために、井戸層内に井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体薄膜（薄膜障壁層）を挿入して井戸層を分割することで、電子と正孔はそれぞれ薄膜障壁層と分割された井戸層との界面に分布することになり、また薄膜障壁層は非常に薄い層であるため、電子と正孔が距離的に接近することになり、再結合発光が促進されることを見出した。
【０００９】
より詳細に説明すると、図３（ａ）に示されるように、活性層が通常のＭＱＷ構造であれば、井戸層と障壁層との間の格子定数が異なることによる歪みにより、井戸層の伝導帯のエネルギー準位は、ｎ側に近い領域が低くｐ側へ向かうに従い高くなる。一方、価電子帯のエネルギー準位は、ｐ側に近い領域で高くｎ側へ向かうに従い低くなる。そうすると、ｎ形層側から供給された電子とｐ形層側から供給された正孔が、井戸層内でバンド間発光を起こす場合、図３（ａ）に示されるように電子は、井戸層内でｐ形層に近い側（低エネルギー側）の密度が大きくなり（電子存在確立が高い）、正孔は、井戸層内でｎ形層に近い側（高エネルギー側）の密度が大きくなり（正孔存在確立が高い）、電子と正孔が安定して存在する位置が図３（ａ）に示されるように井戸層内で異なることになる。そうすると、電子と正孔が効率よく再結合発光しないことになり、発光効率が上がらない。
【００１０】
一方、図３（ｂ）に示されるように、井戸層内に井戸層のバンドギャップエネルギーより大きい薄膜障壁層を挿入して、井戸層を少なくとも第１および第２の井戸層に分割することにより、電子、正孔の井戸層内での動きが薄膜障壁層により止められるため、電子は薄膜障壁層により分断された第１の井戸層と薄膜障壁層との界面付近の伝導帯において密度が大きくなり、正孔は分断された第２の井戸層と薄膜障壁層との界面付近の価電子帯において密度が大きくなる。そして、この薄膜障壁層は非常に薄い層であるため、電子と正孔の密度の大きい領域が接近することになり、再結合発光の効率が高くなるのである。
【００１１】
本発明による窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部とを有し、前記活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層とＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）とからなる障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を備える窒化物半導体発光素子であって、前記井戸層が、ＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ）からなる薄膜障壁層により、少なくとも第１の井戸層および第２の井戸層に分割され、前記薄膜障壁層は、膜厚が１原子層以上、２０Å以下に形成されている。
【００１２】
ここに窒化物半導体とは、III族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。
【００１３】
前記第１および第２の井戸層のそれぞれの膜厚が、前記薄膜障壁層の膜厚をｂ1Åとして、（ｂ1＋１０）Å以上１００Å以下で、前記障壁層が５０Å以上１００Å以下とすることにより、多重量子井戸構造の量子効果を維持しつつ、再結合発光を促進できるため好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒化物半導体発光素子によれば、井戸層内に井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する薄膜障壁層が設けられているため、薄膜障壁層により井戸層が少なくとも第１および第２の井戸層に分割され、薄膜障壁層により電子および正孔に対し障壁効果を生じさせ、電子と正孔が薄膜障壁層を挟んで第１の井戸層と第２の井戸層とで接近することになり、分断された第１および第２の井戸層に存在する電子と正孔との間で再結合発光が促進されることになる。
【００１５】
また、薄膜障壁層の膜厚を２０Å以下とすることで、薄膜障壁層の挿入による井戸層の機能を損なうことがなく、従前の井戸層の効果を維持し得る。このため、通常のＭＱＷ活性層を有する場合よりも非常に発光効率の優れた窒化物半導体発光素子を得ることができる。また、緑色や黄色のＬＥＤのように井戸層の膜厚が大きい発光素子を形成する場合であっても、発光効率が低下することがない。その結果、紫外から黄色で発光するＬＥＤやＬＤなどを形成しても動作電圧が低く、内部量子効率が高く、しきい値電流の小さい高特性の半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
つぎに、図面を参照しながら本発明の窒化物半導体発光素子について説明をする。本発明による窒化物半導体発光素子は、図１に一実施形態である窒化物半導体発光素子（ＬＥＤチップ）の断面説明図が示されるように、基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層４を含む窒化物半導体積層部６とを有し、活性層４がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層７とＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）とからなる障壁層８とが交互に積層された多重量子井戸構造を備える構造になっている。そして、井戸層７が、ＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ）からなる薄膜障壁層７ｃにより、少なくとも第１の井戸層７ａおよび第２の井戸層７ｂに分割され、薄膜障壁層７ｃは、膜厚が１原子層以上、２０Å以下に形成されていることに特徴がある。なお、図１を始め、各図で基板の厚さが他の半導体層と比較して小さく書かれているが、実際には基板１の厚さは各半導体層より遙かに大きい。
【００１７】
窒化物半導体積層部６は、具体的には、図１に示される例では、バッファ層２、および発光波長に応じたバンドギャップエネルギーを有する材料で活性層４が形成され、その上下に活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい層（ｎ形層３およびｐ形層５）が設けられるダブルへテロ接合構造で構成される発光層形成部を有している。そして本発明では、活性層４が井戸層７と障壁層８との繰返しによる多重量子井戸構造で構成され、さらにその井戸層７が、薄膜障壁層７ｃにより分割された少なくとも第１および第２の井戸層７ａ、７ｂとで構成され、薄膜障壁層７ｃは、膜厚が１原子層（５Å程度）以上、２０Å以下と非常に薄い層で形成されている。
【００１８】
すなわち、多重量子井戸構造の活性層を設けると、活性層内にとびとびの量子準位が形成され、僅かな電子と正孔であっても再結合発光を起こすため、低閾値、低電流低電圧で駆動させることができるが、窒化物半導体発光素子の場合、理論値ほど効率は増加しない。そこで前述のように本発明者は鋭意検討を重ねた結果、図３（ａ）に示されるように、窒化物半導体を用いて多重量子井戸構造の活性層を形成すると、活性層内に大きな歪みが生じることから、活性層内部（井戸層内部）での電子、正孔の分布に偏りが生じ、電子、正孔の活性層内部での存在位置が井戸層の厚さ方向でずれることになり、再結合発光が効率よく起こらないことを見出した。
【００１９】
そして、図３（ｂ）に示されるように、井戸層７の内部に、本来の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ、膜厚が１原子層以上、２０Å以下である薄膜障壁層７ｃを設けて第１および第２の井戸層７ａ、７ｂの少なくとも２つに分割することにより、ｎ形層３側から注入された電子は、第１の井戸層７ａと薄膜障壁層７ｂとの界面付近に、ｐ形層５側から注入された正孔は、第２の井戸層７ｂ薄膜障壁層７ｂとの界面付近に分布することになり、また、薄膜障壁層７ｃの膜厚は、前述のように、１原子層以上２０Å以下と非常に小さいため、電子の存在位置と正孔の存在位置が井戸層の厚さ方向で非常に接近し、再結合発光が盛んに起こるようになる。その結果、従来よりも高効率で発光する素子が得られるのである。
【００２０】
薄膜障壁層７ｃは、井戸層７内に設けられ、ＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ）からなり、本来の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きい窒化物半導体により形成される。バンドギャップエネルギーを本来の井戸層よりも大きくするのは、電子と正孔に対して、界面で障壁の役割を果たすためである。したがって、障壁効果をよりもたせるためには、具体的に本来の井戸層のバンドギャップエネルギーよりも０.４ｅＶ以上大きいことが好ましい。また、薄膜障壁層７ｃは障壁層８と同じ組成で構成することもできるし、異なる組成にしてＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（０＜ｘ２＜ｘ）とすることもできる。また、井戸層内の設けられる位置は、井戸層の中心部で均等に分断することもできるし、薄膜障壁層７ｃを複数個設けて、井戸層を３個以上に分割することもできる。中心部で２個に分割することにより分割された２個の井戸層の相互作用による発光となり、３個以上に分割することにより、分割された３個以上の井戸層の相互作用による発光となる。
【００２１】
また、薄膜障壁層７ｃの膜厚は、膜厚が１原子層以上、２ｎｍ以下とする。膜厚を２ｎｍ以下とするのは、これ以上膜厚が大きくなると、電子と正孔の井戸層内の密度分布のズレが大きくなり、発光効率が向上しなくなるからである。また、薄膜障壁層７ｃを挿入し分断された第１および第２の井戸層７ａ、７ｂの効果を損なわないためにも、余り大きくない方が好ましく、より好ましくは１.５ｎｍ以下が望ましい。なお、薄膜障壁層７ｃはアンドープであってもドーピングがなされていてもよい。具体的に図１に示される例では、１ｎｍ程度でアンドープのＡｌｖＩｎｗＧａ１−ｖ−ｗＮ（０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１、０≦ｖ＋ｗ＜１、ｗ＜ｘ、たとえば、ｖ＝ｗ＝０）からなっている。
【００２２】
第１および第２の井戸層７ａ、７ｂは、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなり、薄膜障壁層７ｃにより分断され、それぞれの厚さｗ1、ｗ2は、薄膜障壁層７ｃの膜厚をｂ1とすると、（ｂ1＋１）ｎｍ以上１０ｎｍ以下で形成される。（ｂ1＋１）ｎｍ以下とすると薄膜障壁層７ｃの井戸層７内での占める割合が大きくなりすぎ、分断された第１および第２の井戸層７ａおよび７ｂが全体として井戸層としての機能することを阻害するからである。たとえば、第１および第２の井戸層７ａ、７ｂが狭いと井戸層内での電子と正孔の相互作用が大きくなってしまう。分布がかたよっても井戸が狭いとかたよりの影響が小さい。また、１０ｎｍ以下とすることで量子効果が十分に発揮されるため好ましい。なお、第１および第２の井戸層７ａ、７ｂはアンドープであってもｎ形またはｐ形のドーピングがなされていてもよい。また薄膜障壁層７ｃにより分断されることで第１および第２の井戸層７ａ、７ｂの間で膜厚が相違してもよい。具体的に図１で示される例では、たとえば分断された井戸層７ａおよび７ｂはそれぞれ３ｎｍ程度のアンドープのＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１、たとえばｘ＝０.１２）からなっている。
【００２３】
障壁層８は、ＡｌyＩｎzＧａ1-y-zＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）からなり、電子または正孔のキャリア閉じ込めを維持する点や量子効果を維持する点から、膜厚ｂ2は３〜２０ｎｍ、より好ましくは５〜１０ｎｍ程度で、ほぼ第１の井戸層７ａの厚さｗ1と第２の井戸層７ｂの厚さｗ2との和程度とする。なお、この障壁層８もアンドープであってもドーピングがなされていてもよい。具体的に図１に示される例では６ｎｍ程度のアンドープのＡｌyＩｎzＧａ1-y-zＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ、たとえばｙ＝ｚ＝０）からなっている。
【００２４】
そして、薄膜障壁層７ｃを含む井戸層７と障壁層８は、図１に示される例では３ペアで交互に積層されているが、ペア数はこれに限定されず、２〜８ペアで交互に積層され全体で０.０１〜０.３μｍ程度の厚さに形成され、多重量子井戸構造の活性層４とされる。また、図１に示される例では、障壁層８がそれぞれ活性層４の終端となっているが、この形に限定されず、活性層は、井戸層から始まり井戸層で終る、井戸層から始まり障壁層で終る、障壁層から始まり井戸層で終る、障壁層から始まり障壁層で終る、のいずれの構成であってもよい。また、活性層５を構成する井戸層、障壁層の組成や材料は、発光させる光の波長により定められるため、適宜組成を変更することができる。
【００２５】
ｎ形層３およびｐ形層５は、図１に示される例では、活性層４よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１、たとえばｓ＝０.０７）層によりキャリアを活性層４に閉じ込める障壁層として機能するように設けられている。しかし、このような構成でなくても、活性層で発光するようにｎ形層とｐ形層とが設けられていればよい。ｎ形層３は０.１〜１０μｍ程度設けられ、ｐ形層５は０.１〜１０μｍ程度設けられている。このｎ形層３とｐ形層５とは同じ組成でもよいし、異なる組成で形成されてもよく、必ずしもこれらの材料にも限定はされない。また、ｎ形層３およびｐ形層５は、それぞれ単層に限らず、たとえば活性層との境界部分に光ガイド層などを設けてもよいし、キャリアの閉じ込めを良くするため活性層側にバンドギャップエネルギーの大きいＡｌsＧａ1-sＮを設け、反対側にＧａＮ層を設けても良いし、各層中に反射層などを設けてもよい。また、全体をＧａＮにより形成することもできる。
【００２６】
ｎ形に形成するためには、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＨ２Ｓｅ、ＳｉＨ4 、ＧｅＨ4 、ＴｅＨ4 などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られ、ｐ形にするためには、ＭｇやＺｎをシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の有機金属ガスとして原料ガスに混入することにより得られる。
【００２７】
この活性層４以外は従来と同様の構造であるが、図１に示される例では、基板１として絶縁性基板であるサファイア基板が用いられている。サファイア基板を用いる場合には、図１に示されるように一般的には低温成長されたアンドープのＧａＮからなるバッファ層２が設けられる。また、基板としてサファイアに限らず、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＺｎＯなどの半導体基板を用いることもできる。サファイアのような絶縁性基板を用いる場合には、基板の裏面から電極を取り出すことができないため、半導体積層部の一部をエッチング除去して下層の導電形層（図１に示される例ではｎ形層３）を露出させる必要があるが、半導体基板を用いる場合には、ドーピングすることにより導電性とし得るため、後述するように基板の裏面に直接電極を設けることができる。
【００２８】
窒化物半導体積層部６上に、たとえばＺｎＯからなる透光性導電層１０が０.１〜１０μｍ程度設けられ、その上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造により上部電極（ｐ側電極）１１が形成される。この透光性導電層１０は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯ、またはＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でもよく、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができるものであればよい。Ｎｉ-Ａｕ層の場合、金属層であることから厚くすると透光性でなくなるため、薄く形成されるが、ＺｎＯやＩＴＯの場合は光を透過させるため、厚くても構わない。この透光性導電層１０は、窒化物半導体層、とくにｐ形窒化物半導体層はキャリア濃度を大きくし難く、電流をチップの全面に拡散し難いこと、および電極パッドとする金属膜からなるｐ側電極１１とのオーミックコンタクトを取り難いこと、という問題を改良するために設けられるもので、これらの問題を解消できればなくても構わない。
【００２９】
ｐ側電極１１は、図１に示される例では半導体積層部６の上面側がｐ形からなる層であるため、上面に形成されており、たとえばＴｉ／Ａｕ、Ｐｄ／ＡｕまたはＮｉ-Ａｕなどの積層構造で、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さに形成されている。また、ｎ形層３の一部露出部に下部電極（ｎ側電極）１２が、たとえばＴｉ-Ａｌ合金またはＴｉ／Ａｕの積層構造などで、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さに形成される。そして、表面にｐ側電極１１およびｎ側電極１２の表面を除いて、全面に図示しないＳｉＯ2などのパシベーション膜が設けられている。
【００３０】
つぎに、具体例で本発明の窒化物半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、サファイア基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム（ＡｌＧａＮ系層を形成する場合）、トリメチルインジウム、アンモニアガス、ｎ形ドーパントガスとしてのＨ２Ｓｅ、ＳｉＨ４、ＧｅＨ４、ＴｅＨ４のいずれか、また、ｐ形ドーパントガスとしてＤＭＺｎもしくはしくＣｐ2 Ｍｇのうちの必要なガスをキャリアガスのＨ2ガスと共に導入し、基板温度を４００〜５５０℃、たとえば４５０℃程度でＡｌＧａＮ系化合物（Ａｌの混晶比が０の場合も含む）からなる低温バッファ層２が０.００５〜０.１μｍ程度、その後、基板温度を８００〜１２００℃、たとえば１０６５℃程度のＧａＮからなり０.５μｍ程度のｎ形層３をそれぞれ積層する。そして、基板温度を６００℃〜８００℃、たとえば７６０℃程度に下げ、５ｎｍ程度のＧａＮからなる障壁層８、３ｎｍ程度のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる第１の井戸層７ａ、１.５ｎｍ程度のＧａＮからなる薄膜障壁層７ｃ、および３ｎｍ程度のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる第２の井戸層７ｂとからなる井戸層７とを３ペア、さらに５ｎｍ程度のＧａＮからなる障壁層８を積層して多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層４を全体で約０.０５μｍ程度形成する。その後、基板温度を８００〜１２００℃、たとえば１０６５℃程度に上げ、たとえばＧａＮからなり０.５〜２μｍ程度のｐ形層７をそれぞれ順次エピタキシャル成長して、窒化物半導体積層部６を形成する。なお、ＩｎＧａＮ系化合物やＡｌＧａＮ系化合物のＩｎやＡｌの組成を変えるには、Ｉｎの原料ガスであるＴＭＩｎ、Ａｌの原料ガスであるＴＭＡの流量を制御することにより変えることができる。
【００３１】
その後ＳｉＯ2 保護膜を窒化物半導体積層部の表面全面に設け、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニールを行って、ｐ形層５の活性化を行う。アニールが完了すると、ウェハをスパッタリング装置または真空蒸着装置に入れてｐ形層５の表面に、ＺｎＯからなる透光性導電層１０を０.３μｍ程度形成する。このＺｎＯは、Ｇａをドープして３〜５×１０-4Ω・ｃｍ程度の比抵抗になるように成膜する。さらにＴｉ、Ａｌなど成膜してｐ側電極１１を形成する。また、積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極１２が、たとえばＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどを積層して形成されている。
【００３２】
最後にプラズマＣＶＤ法により図示しないＳｉＯ2膜でチップ全体を覆い、電極部に開口部を形成する。その後、ウェハからチップ化することにより、図１に示される構造の発光素子チップが形成される。なお、チップ化する際に、半導体積層部６のチップ境界部分は、予めドライエッチングによりメサ状にエッチングする。
【００３３】
前述の例では基板として絶縁性であるサファイア基板を用いたが、半導体基板を用いる場合でも、同様に井戸層内に薄膜障壁層を設けることにより、高効率の発光素子を形成することもできる。半導体積層部の構造は前述の積層構造と同じであり、半導体基板の場合、その例が図２に同様の断面説明図で示されるように、基板裏面から一方の電極、たとえばｎ側電極１２を取り出すことができる。図２に示される例では、たとえば基板１としてＳｉＣ基板が用いられ、基板１上に、ＡｌＧａＮ系化合物（Ａｌの混晶比が０の場合も含む）からなるバッファ層２、たとえばｎ形のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を０.２μｍ程度成長する。
【００３４】
なお、バッファ層２の組成はこの例には限定されない。そして、このバッファ層２上に、ＳｉをドープしたＧａＮ系化合物からなるｎ形層３が１〜１０μｍ程度、前述と同様の構成の薄膜障壁層７ｃを含む多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層４がそれぞれ積層され、ＭｇをドープしたＧａＮ系化合物からなるｐ形層が０.２〜１μｍ程度、たとえば０.２５μｍ程度、それぞれ順次積層され窒化物半導体積層部６が積層され、この半導体積層部６上に、前述の例と同様に透光性導電層１０およびｐ側電極１１が形成され、その後、ＳｉＣ基板１の裏面側をラッピングすることにより、ＳｉＣ基板１を薄くして、基板１の裏面に、Ｔｉ、Ａｕなどの金属膜を同様に成膜することにより、ｎ側電極１２を形成する。そして、図示しないＳｉＯ2などのパシベーション膜を設けられている。
【００３５】
前述の例では、ｐ形層を表面側に形成しているが、この構造にすればｐ形層を活性化のためアニールするのに都合がよいためである。しかし、基板および活性層より基板側をｐ形にすることもできる。また、窒化物半導体は、前述の例に限らず、ＡｌpＧａqＩｎ1-p-qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）の一般式で表される窒化物材料により、構成することができる。また、このＮの一部を他のＶ族元素で置換する化合物にすることもできる。また、発光層形成部を、活性層をｎ形層とｐ形層とで挟持するサンドイッチ構造のダブルヘテロ構造にしたが、さらにガイド層など他の半導体層がいずれかの層間に挿入されていてもよい。
【００３６】
さらに、前述の例はＬＥＤの例であったが、半導体レーザでも同様に活性層の井戸層内に薄膜障壁層が設けられることにより、内部量子効率を向上させることができる。
【００３７】
以上のように、本発明によれば、活性層の井戸層内に井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し薄膜の薄膜障壁層が設けられて、井戸層が第１の井戸層および第２の井戸層に分割されているため、井戸層の幅が広い（膜厚が大きい）場合であっても、電子と正孔の距離は近く、再結合発光を容易に起こすことができる。その結果、井戸層で正孔と電子との再結合が効率よく行われ、無駄な電流が少なく内部量子効率を大幅に向上させることができ、紫外から黄色発光まで幅広い波長帯で高効率のＬＥＤやＬＤを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による窒化物半導体素子の一実施形態であるＬＥＤの断面説明図である。
【図２】本発明の窒化物半導体発光素子の他の構造例を示す断面説明図である。
【図３】本発明の活性層付近のバンドギャップエネルギー図、およびそれに対応した素子構造を説明する図である。
【図４】従来の窒化物半導体を用いたＬＥＤの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    基板
３    ｎ形層
４    活性層
５    ｐ形層
６    半導体積層部
７    井戸層
７ａ  第１の井戸層
７ｂ  第２の井戸層
７ｃ  薄膜障壁層
８    障壁層
【図１】
2007150066.tif 000003
【図２】
2007150066.tif 000004
【図３】
2007150066.tif 000005
【図４】
2007150066.tif 000006