(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層と、
一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層との間に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を少なくとも１層含む
ことを特徴とする発光素子用３−５族化合物半導体。
【請求項２】
一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎpＧａqＡｌrＮ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される前記第２の層よりバンドギャップの大きいｎ型３−５族化合物半導体よりなる層が積層され、
該ｎ型３−５族化合物半導体よりなる層と一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層との間にあって、該第２の層のある側の反対側に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を少なくとも１層含む
ことを特徴とする発光素子用３−５族化合物半導体。
【請求項３】
ｐ型ドーパントがＭｇおよび／またはＺｎであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の３−５族化合物半導体。
【請求項４】
請求項１記載の発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法であって、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を有機金属気相成長法により６００℃以上９５０℃以下の温度で成長させ、
該第１の層の上に、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層を成長させる
ことを特徴とする発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法。
【請求項５】
請求項２記載の発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法であって、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎpＧａqＡｌrＮ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される前記第２の層よりバンドギャップの大きいｎ型３−５族化合物半導体よりなる層を成長させ、
該ｎ型３−５族化合物半導体よりなる層の上に、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を有機金属気相成長法により６００℃以上９５０℃以下の温度で成長させ、
該第１の層の上に、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層を成長させる
ことを特徴とする発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導体とそれを用いてなる発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外、青色もしくは緑色の発光ダイオードまたは紫外、青色もしくは緑色のレーザダイオード等の発光素子の材料として、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導体が知られている。以下、この一般式中のｘ、ｙおよびｚをそれぞれＩｎＮ混晶比、ＧａＮ混晶比およびＡｌＮ混晶比と記すことがある。該３−５族化合物半導体において、特にＩｎＮを混晶比で１０％以上含むものは、ＩｎＮ混晶比に応じて可視領域での発光波長を調整できるため、表示用途に特に重要である。
【０００３】
ところで、該化合物半導体は混晶比により大きく物性が変化することが知られている。たとえば、Ｉｎを含まないＧａＡｌＮ系混晶は、熱的な安定性に優れ、良好な結晶を得るために１０００℃以上の成長温度を用いることができる。他方、Ｉｎを含むＩｎＧａＡｌＮ系では、ＩｎＮ混晶比にもよるが、熱的な安定性が十分でなく、８００℃程度の該化合物半導体としては比較的低い温度で成長することが一般的に行われている。このため、可視光領域の発光素子として重要なＩｎＧａＡｌＮ系混晶を用いたヘテロ接合では、活性層直後に成長する層、いわゆるバリア層は、活性層と同程度の低い温度で成長する必要がある。一方、バリア層は活性層への電流注入を担うため、キャリア濃度の制御を厳密に行う必要があるが、上記のように低温で成長するため、窒素空孔に由来すると考えられる残留キャリアの濃度を低い範囲で制御することが難しかった。このため、発光素子とした場合の発光効率の均一性、再現性が十分でない場合があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶のキャリア濃度を再現性よく低い範囲で制御するために積層して用いることができるｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である発光素子用３−５族化合物半導体を提供することにある。さらに、本発明の目的は、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶のキャリア濃度が再現性よく低い範囲で制御された発光素子用３−５族化合物半導体、およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点を見て鋭意検討した結果、キャリア濃度を制御しにくい低い温度での成長において、ｐ型ドーパントを特定の濃度にドープした場合、キャリア濃度の小さいｎ型の３−５族化合物半導体を再現性よく製造できることを見出し、本発明に至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、〔１〕一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層と、
一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層との間に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を少なくとも１層含む
３−５族化合物半導体に係るものである。
【０００７】
さらに、本発明は、〔２〕一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎpＧａqＡｌrＮ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される前記第２の層よりバンドギャップの大きいｎ型３−５族化合物半導体よりなる層が積層され、
該ｎ型３−５族化合物半導体よりなる層と一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層との間にあって、該第２の層のある側の反対側に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を少なくとも１層含む
３−５族化合物半導体に係るものである。
【０００８】
さらに、本発明は、〔３〕前記の〔１〕記載の発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法であって、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を有機金属気相成長法により６００℃以上９５０℃以下の温度で成長させ、
該第１の層の上に、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層を成長させる
ことを特徴とする発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法に係るものである。
【０００９】
さらに、本発明は、〔４〕前記の〔２〕記載の発光素子用３−５族化合物半導体の製造方法であって、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなり、発光層の機能を有する第２の層の上に、
一般式ＩｎpＧａqＡｌrＮ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される前記第２の層よりバンドギャップの大きいｎ型３−５族化合物半導体よりなる層を成長させ、
該ｎ型３−５族化合物半導体よりなる層の上に、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きく、膜厚が１０Å以上１μｍ以下であり、ｎ型の第１の層を有機金属気相成長法により６００℃以上９５０℃以下の温度で成長させ、
該第１の層の上に、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層を成長させる３−５族化合物半導体の製造方法に係るものである。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明における３−５族化合物半導体の製造方法としては、分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと記すことがある。）法、有機金属気相成長（以下、ＭＯＶＰＥと記すことがある。）法、ハイドライド気相成長（以下、ＨＶＰＥと記すことがある。）法などが挙げられる。これらの方法のなかでは、ＭＯＶＰＥ法が、大面積にわたり、均一な結晶成長が可能なため、特に重要である。
【００１４】
ＭＯＶＰＥ法による３−５族化合物半導体の製造には、以下のような原料を用いることができる。
３族原料としては、トリメチルガリウム［（ＣＨ3）3Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある。］、トリエチルガリウム［（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある。］等の一般式Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｇａ（ここで、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルガリウム；トリメチルアルミニウム［（ＣＨ3）3Ａｌ］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある。］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ4Ｈ9）3Ａｌ］等の一般式Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ａｌ（ここで、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルアルミニウム；トリメチルアミンアラン［（ＣＨ3）3Ｎ：ＡｌＨ3］；トリメチルインジウム［（ＣＨ3）3Ｉｎ、以下「ＴＭＩ」と記すことがある。］、トリエチルインジウム［（Ｃ2Ｈ5）3Ｉｎ］等の一般式Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｉｎ（ここで、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルインジウム等が挙げられる。これらは、単独でまたは混合して用いられる。
【００１５】
次に、５族原料としては、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、１，１−ジメチルヒドラジン、１，２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独でまたは混合して用いられる。
これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
【００１６】
本発明に用いることができるｐ型ドーパントとしては、２族の金属が挙げられる。具体的には、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇが挙げられる。これらの中では、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｃｄが簡便に用いることができ有用である。
特に、Ｍｇ、Ｚｎは、ＭＯＶＰＥ法に適した原料が知られており、好適に用いることができる。ＭＯＶＰＥ法に用いることができる具体的なＭｇ原料としては、（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、（Ｃ5Ｈ4ＣＨ3）2Ｍｇ（ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム）、（Ｃ5Ｈ4Ｃ2Ｈ5）2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム、以下ＥＣｐ２Ｍｇと記すことがある。）などが挙げられる。ＭＯＶＰＥ法に用いることができる具体的なＺｎ原料としては、（Ｃ2Ｈ5）2Ｚｎ（ジエチル亜鉛）、（ＣＨ3）2Ｚｎ（ジメチル亜鉛）などが挙げられる。
ＭＯＶＰＥ法で該化合物半導体を成長する場合、成長温度は６００℃以上１０００℃以下が好ましい。
【００１７】
〔１〕本発明の３−５族化合物半導体は、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１８】
さらに、〔２〕本発明の３−５族化合物半導体は、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなる第２の層と、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第２の層よりバンドギャップが大きい第１の層（以下、低キャリア濃度層と呼ぶことがある。）とが接してなる構造を有することを特徴とする。
発光素子として用いる場合には、該第２の層は、発光層の機能を有する。注入電荷を効率よく再結合発光させるためには、低キャリア濃度層は、発光層よりバンドギャップが大きい方が好ましい。低キャリア濃度層のバンドギャップは、発光層より０．１ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．３ｅＶ以上大きいことがさらに好ましい。
また、低キャリア濃度層の好ましい膜厚は、１０Å以上１μｍ以下である。低キャリア濃度層の膜厚が１０Åより小さくても１μｍより大きくても発光素子の発光効率が低下する場合がある。
【００１９】
ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3より小さい場合、ｐ型不純物をドープした化合物半導体は、ｎ型キャリア濃度を再現性良く目的とする小さい値とすることが難しい。また、ｐ型ドーパント濃度が１０21ｃｍ-3より大きい場合、ｐ型不純物をドープした該化合物半導体は、結晶性が低下し、ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなる層（発光層）に積層して用いた場合、発光層の特性を低下させる場合がある。より好ましいｐ型不純物の濃度範囲は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下である。
【００２０】
さらに、〔３〕本発明の３−５族化合物半導体は、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である層と、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる層とが接してなる構造を有することを特徴とする。
バリア層の機能を有する該ｐ型ドーパント濃度が特定の範囲にある層とｐ型の層とが接してなる３−５族化合物半導体は、発光層の機能を有する一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなる層と組合せることにより、発光効率の優れた発光素子を得ることができる。
【００２１】
さらに、〔４〕本発明の３−５族化合物半導体は、一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなる層（発光層）と、一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる層（ｐ型層）との間に、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である層（低キャリア濃度層）を少なくとも１層含むことを特徴とする。
発光層とｐ型層との間の層の少なくとも１つに低キャリア濃度層を設けることにより、高い発光効率の発光素子を再現性よく作製することができる。特に、低キャリア濃度層と発光層が接している場合には、効率的に電荷を発光層内で再結合させるために、低キャリア濃度層は発光層よりバンドギャップが大きい方が好ましい。低キャリア濃度層のバンドギャップは、発光層のバンドギャップより０．１ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．３ｅＶ以上大きいことがさらに好ましい。
【００２２】
さらに、発光素子に用いる場合に、特に好ましい構造として、〔５〕一般式ＩｎuＧａvＡｌwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０＜ｕ≦１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１）で表される３−５族化合物半導体よりなる第２の層の上に、一般式ＩｎpＧａqＡｌrＮ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される前記第２の層よりバンドギャップが大きいｎ型３−５族化合物半導体よりなる層が積層され、該ｎ型３−５族化合物半導体よりなる層と一般式ＩｎaＧａbＡｌcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるｐ型３−５族化合物半導体よりなる第３の層との間にあって、該第２の層のある側の反対側に、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表され、ｎ型キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3以下の３−５族化合物半導体であり、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である層を少なくとも１層含む３−５族化合物半導体が挙げられる。
【００２３】
例えば、該３−５族化合物半導体は、発光層とｎ型層と低キャリア濃度層とｐ型層とがこの順に接してなるものである。注入電荷を効率よく再結合発光させるためには、ｎ型層は、発光層よりバンドギャップが大きい方が好ましい。ｎ型層の発光層とのバンドギャップは、好ましくは０．１ｅＶ以上、より好ましくは０．３ｅＶ以上である。また、ｎ型層の好ましい膜厚は、１０Å以上１μｍ以下である。低キャリア濃度層の膜厚が１０Åより小さくても１μｍより大きくても発光素子の発光効率が低下する場合がある。さらに、低キャリア濃度層の好ましい膜厚は、１０Å以上１μｍ以下である。低キャリア濃度層の膜厚が１０Åより小さくても１μｍより大きくても発光素子の発光効率が低下する場合がある。
【００２４】
本発明の３−５族化合物半導体においては、発光層のＩｎＮの混晶比が高い場合、熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、または半導体プロセスで劣化を起こす場合がある。このような劣化を防止する目的のため、発光層の上に、ＩｎＮ混晶比の低い層を積層し、この層に保護層としての機能を持たせることができる。本発明における低キャリア濃度層は保護層の機能を有する。該保護層に充分な保護機能をもたせるためには、該保護層のＩｎＮ混晶比は１０％以下、ＡｌＮ混晶比は５％以上が好ましく、さらに好ましくはＩｎＮ混晶比が５％以下、ＡｌＮ混晶比が１０％以上である。
発光層は一般的に熱安定性が高くないため、発光層より後に成長する低キャリア濃度層を高い温度で成長することは好ましくない。 ＭＯＶＰＥ法で低キャリア濃度層を成長する場合、発光層の劣化を抑えるためには、低キャリア濃度層の成長温度は９５０℃以下が好ましく、さらに好ましくは９００℃以下であり、特に好ましくは８５０℃以下である。また、ＭＯＶＰＥ法で低キャリア濃度層を成長する場合、良好な結晶性のためには、成長温度は６００℃以上が好ましく、さらに好ましくは６５０℃以上であり、特に好ましくは７００℃以上である。
以上説明してきたように、本発明の発光素子は、前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の３−５族化合物半導体を用いてなることを特徴とする。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例および比較例により本発明を詳しく説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
参考例１〜４、比較参考例１
まず、サファイア上にＧａＮを低温バッファ層として、不純物をドープしないＧａＮを約４μｍの厚みに成長した。このＧａＮの上にさらにＡｌＧａＮ層をＭｇ原料の供給量を変えて成長した（参考例１〜４、および比較参考例１）。ＡｌＧａＮの成長については、原料としてアンモニア、トリエチルガリウム（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ、以下、ＴＥＧと記すことがある。）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ、以下、ＴＭＡと記すことがある。）、ＥＣｐ２Ｍｇを用いた。キャリアガスは窒素、成長温度は７８５℃である。Ｘ線回折より求めたＡｌＮ混晶比は１２〜１６％であった。
【００２６】
成長後、これらの試料を反応炉より取り出し、別のアニール炉にて１気圧の窒素気流中、８００℃、２０分間アニール処理を行った。アニール後、試料を光起電力測定と容量−電圧（Ｃ−Ｖ）法を用いて、いずれもｎ型であることを確認し、そのキャリア濃度を求めた。得られたキャリア濃度を表１に示す。
また、これらの試料について２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により、Ｍｇの分析を行った。得られたＭｇ濃度を表１に示す。
表１から、Ｍｇドープ量が１×１０16ｃｍ-3と低い場合では、ｎ型キャリア濃度が１．１×１０19ｃｍ-3あるのに対して、Ｍｇを４×１０19ｃｍ-3以上ドープして、ｐ型ドーパント濃度を１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下の範囲とすることで、キャリア濃度を５×１０18ｃｍ-3以下に制御することができることがわかる。
【表１】
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【００２７】
実施例１
サファイア上に、ＧａＮを低温バッファ層として、その上にＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層を成長し、さらにノンドープＧａＮ層をキャリアガスとして水素を用いて１０６０℃で成長した。原料としては、アンモニア、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある。）、シランを用いた。
さらに、キャリアガスを窒素として７３０℃で、１５ｎｍのＧａＮと２．５ｎｍのＩｎＧａＮを５対積層した多重量子井戸構造を積層し、保護層としてＡｌＧａＮを比較例１の条件で２５ｎｍ積層したのち降温し、一旦反応炉より取り出して、光学特性を評価した。
この試料を再び反応炉に戻し、窒素／アンモニアの雰囲気で１０００℃１分アニールした後、７６５℃に降温し、低キャリア濃度層を参考例２の条件で２５ｎｍ積層した。原料としては、アンモニア、ＴＥＧ、ＴＭＡ、ＥＣｐ２Ｍｇを用いた。次にｐ型層として、１０６０℃で、水素をキャリアガスとして、ＭｇをドープしたＧａＮ層を２００ｎｍ積層した。成長後、参考例１と同様の条件でアニール処理を行った後、常法により、発光素子を作製し、発光特性を調べたところ、２０ｍＡ駆動時で発光波長４３０ｎｍ、出力パワー７００μＷであった。
本実施例では、試料を一旦反応炉から取り出した後、再び反応炉へ戻して、低キャリア濃度層、およびｐ層を成長しているが、試料を反応炉から取り出さずに連続して成長してもよい。
【００２８】
比較例１
保護層を５０ｎｍ成長し、低キャリア濃度層を成長しないことを除いては、実施例１と同様に発光素子を作製し、特性を評価したところ、２０ｍＡ駆動時で発光波長４３０ｎｍ、出力パワー４６０μＷであった。
【００２９】
実施例２
保護層を積層せず、試料を反応炉から取り出さず、直接低キャリア濃度層を５０ｎｍ成長することを除いては実施例１と同様にして、高い出力パワーの発光素子を作製することができる。
【００３０】
実施例３、４、５
実施例１と同様にして、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層、ノンドープＧａＮ層、および多重量子井戸構造を積層したのち、保護層としてＡｌＧａＮを６．５ｎｍさらに成長した。ただし、多重量子井戸構造の成長温度を７５０℃とした。この試料について、実施例１とは低キャリア濃度層の作製条件を以下のように変更してＬＥＤを作製した。すなわち、Ｍｇドープ量を実施例１と同じにして低キャリア濃度層の膜厚を３１ｎｍ（実施例３）、４３．５ｎｍ（実施例４）としたもの、およびＭｇのドープ量を実施例１の２倍とし、低キャリア濃度層の膜厚を４３．５ｎｍ（実施例５）としたものである。また比較例として、多重量子井戸構造の成長温度が７５０℃であることと低キャリア濃度層にＭｇをドープしないことを除いては実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した（比較例２）。面内での平均の光出力は、実施例３、４、５で各々１．３ｍＷ、１．４ｍＷ、２．１ｍＷであったのに対して、比較例２は０．９５ｍＷであった。
以上の実施例ではｐ型ドーパントとしてＭｇを用いているが、Ｚｎをｐ型ドーパントとしても同様の結果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の３−５族化合物半導体は、ｐ型ドーパント濃度が１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であるので、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶のキャリア濃度を再現性よく低い範囲で制御するために積層して用いることができる。さらに、本発明の３−５族化合物半導体は、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶のキャリア濃度が再現性よく低い範囲で制御されており、該３−５族化合物半導体を用いてなる発光素子は、高い発光効率を有する。