(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と活性層の間に、少なくとも一方にはｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層された超格子層を備え、前記第１と第２の窒化物半導体層は互いに同一組成の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
基板と量子井戸構造を有する活性層の間に、少なくとも一方にはｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層された超格子層を備え、その超格子層は、ｎ電極が形成されるｎ電極形成層と前記活性層の間にあって前記活性層に接していて、かつ前記第１と第２の窒化物半導体層は互いに同一組成の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１と第２の窒化物半導体層はそれぞれ、ＧａＮからなり、前記ｎ型不純物がＳｉである請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１と第２の窒化物半導体層のうちの一方にはｎ型不純物がドープされ他方にはｎ型不純物がドープされていない請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ｎ型不純物がドープされた一方の層の厚さを、前記ｎ型不純物がドープされていない層より薄くした請求項４記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記活性層は、多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記活性層は、井戸層がＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1‐X‐YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラー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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造の活性層と、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】
また、本出願人はこの材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍの発振を世界で初めて発表した（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ７４、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌｚ１７等）。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ）の活性層を有するダブルヘテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／ｃｍ2、４１０ｎｍの発振を示す。また、本出願人は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。（例えば、日経エレクトロニクス１９９６年１２月２日号技術速報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）８０３４−、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６‐等）、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／ｃｍ2、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように窒化物半導体はＬＥＤで既に実用化され、ＬＤでは数十時間ながら連続発振にまで至っているが、ＬＥＤを例えば照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等に使用するためにはさらに出力の向上が求められている。しかしながら、高出力を得ようとすれば、静電耐圧が悪化する等十分な信頼性を確保することが困難であった。またＬＤでは閾値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ、ＤＶＤ等の光源に実用化するためには、よりいっそうの改良が必要である。また前記ＬＥＤ素子は２０ｍＡにおいてＶｆが３．６Ｖ近くある。Ｖｆをさらに下げることにより、素子の発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、主としてＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体素子の出力を向上させると共に、Ｖｆ、閾値電圧を低下させかつ静電耐圧特性を向上させてて素子の信頼性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る第１の窒化物半導体素子は、基板と活性層の間に、少なくとも一方にはｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層された超格子層を備え、前記第１と第２の窒化物半導体層は互いに同一組成の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が異なることを特徴とする。
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、基板と量子井戸構造を有する活性層の間に、少なくとも一方にはｎ型不純物がドープされた第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層された超格子層を備え、その超格子層は、ｎ電極が形成されるｎ電極形成層と前記活性層の間にあって前記活性層に接していて、かつ前記第１と第２の窒化物半導体層は互いに同一組成の窒化物半導体からなり互いに不純物濃度が異なることを特徴とする。
このようにすると、前記超格子層を結晶欠陥の少ない結晶性の良好な層とでき、これによって上方に成長される活性層の結晶性を良好にできる。尚、前記本発明に係る第２の窒化物半導体素子では、結晶性の良い活性層を成長させる機能を効果的に発揮させるために、前記超格子層は前記活性層と接するように形成されている。
ここで、本明細書において、超格子層又は超格子構造とは、互いに組成が異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層が積層されてなる多層膜、及び互いに同一組成を有しかつｎ型不純物が互いに異なる濃度でドープされた２種類の層が積層された多層膜の双方を含むものとする。また、超格子構造とは膜厚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５０オングストローム以下の窒化物半導体層を多層膜構造に積層した構造を指すものとする。
【０００７】
前記本発明に係る第１と第２の窒化物半導体素子において、記第１と第２の窒化物半導体層をそれぞれ、ＧａＮとし、前記ｎ型不純物をＳｉとすることができ、このようにするとＩｎを含む活性層を結晶性よく成長させることができる。
【００１０】
前記本発明の第１と第２の窒化物半導体素子においては、前記超格子層をさらに結晶欠陥の少ない層としかつ上方に成長される活性層の結晶性をさらに良好にするために、前記第１と第２の窒化物半導体層のうちの一方にはｎ型不純物がドープされ他方にはｎ型不純物がドープされていないことが好ましい。
【００１１】
ここで、ｎ型不純物がドープされていない層とは、意図的にｎ型不純物をドープしないで形成した層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も含まれる。
【００１２】
前記本発明の第１と第２の窒化物半導体素子においては、静電耐圧特性を良好にするために、前記ｎ型不純物がドープされた一方の層の厚さを、前記ｎ型不純物がドープされていない層より薄くすることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の第１と第２の窒化物半導体素子において、前記活性層は、多重量子井戸構造であってもよい。
また、前記活性層において、井戸層がＩｎＧａＮからなっていてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る一窒化物半導体発光素子の模式的断面図であり、該窒化物半導体発光素子は、活性層と基板との間に形成される、ｎ電極が形成されるｎ電極形成層４を、第１の窒化物半導体層４ａと第２の窒化物半導体層４ｂが交互に積層された超格子構造としたことを特徴とする。これによって、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、ｎ電極形成層を極めて欠陥の少ない結晶性の良い層とすることができ、しかもその抵抗値を低くできるので、発光素子の順方向電圧Ｖｆを低くできるという優れた特性を有する。また、本実施の形態１では、基板１とｎ電極形成層４との間にアンドープ窒化物半導体層３を形成することによりｎ電極形成層の結晶性をさらに良好なものとし、ｎ電極形成層４の上にアンドープ窒化物半導体層５を形成しその層５の上に活性層６を形成することにより、活性層６の結晶性を良好なものにしている。尚、アンドープ窒化物半導体層３，５は本発明において必須の要件ではない。
【００２０】
本実施の形態１において、ｎ電極形成層はｎ型不純物を含む超格子構造のｎ型窒化物半導体としている。ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを用いる。このように超格子構造とすると、その超格子層を構成する第１と第２の窒化物半導体層の各膜厚が弾性臨界膜厚以下となるために、結晶欠陥の非常に少ない窒化物半導体を成長させることができる。さらに、この超格子構造のｎ電極形成層により下の層（例えば、アンドープ窒化物半導体層３）で発生している結晶欠陥をある程度止めることができるため、ｎ電極形成層の上に成長させる活性層の結晶性を良くすることができる。さらに、ｎ電極形成層には特筆すべき作用としてはＨＥＭＴに類似した効果がある。
【００２１】
このｎ電極形成層４は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる第１の窒化物半導体層４ａと第２の窒化物半導体層４ｂとを積層して構成することができ、この場合、第１の窒化物半導体層４ａと第２の窒化物半導体層４ｂとは互いに不純物濃度が異なることが好ましい。第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の各膜厚は、好ましくは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する。１００オングストロームよりも厚いと、第１と第２の窒化物半導体層が弾性歪み限界に近い又はそれ以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。また、本発明は第１と第２の窒化物半導体層の膜厚の下限値によって限定されるものではなく１原子層以上であればよいが、前記のように１０オングストローム以上が最も好ましい。
【００２２】
さらに第１と第２の窒化物半導体層のうちバンドギャップエネルギーの大きい方の窒化物半導体層（以下、実施の形態１の説明においては、第１の窒化物半導体層のバンドキャップエネルギーの方が、第２の窒化物半導体層より大きいものとして説明する。）は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）若しくはＧａＮを成長させて形成することが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さい方の第２の窒化物半導体層は、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が小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、ＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Ｚ＜１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得られやすい。またさらに好ましくは、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層は実質的にＩｎを含まないＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）とし、バンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層は実質的にＡｌを含まないＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Ｚ＜１）とする。その中でも結晶性に優れた超格子を得る目的で、第１の窒化物半導体層としてＡｌ混晶比（Ｙ値）０．３以下のＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦０．３）を用い、第２の窒化物半導体層としてＧａＮを用いる組み合わせ、又は高不純物濃度のＧａＮと低不純物濃度若しくはアンドープのＧａＮの組み合わせが最も好ましい。
【００２３】
ｎ電極形成層を、光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層として機能させる場合、ｎ電極形成層として活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要があり、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層としてＡｌ混晶比の高い窒化物半導体が使用される。このＡｌ混晶比の高い窒化物半導体を、光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層として機能させることができる比較的厚く成長させると、成長させた層にクラックが入りやすくなるため、結晶性の良好な層を形成することが非常に難しかった。しかしながら本発明のように超格子層にすると、超格子層を構成する単一層（第１の窒化物半導体層）をＡｌ混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、本発明によれば全体としてＡｌ混晶比の高い層を結晶性良く成長することができるので、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高い層とでき、レーザ素子では閾値電圧、ＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる。
【００２４】
さらに、上述したように、このｎ電極形成層の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のｎ型不純物濃度が異なることが好ましいが、これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンドープ）として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができるからである。すなわち、超格子層中の不純物濃度の低い層では移動度を大きくでき、また不純物濃度の高い層ではキャリア濃度を高くできることにより、超格子層全体として、キャリア濃度を高くかつ移動度を大きくできる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きいｎ電極形成層をクラッド層として用いることにより、閾値電圧、Ｖｆを低下させることができるものと推察される。尚，本明細書において、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する（実質的なアンドープ）。
【００２５】
また、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層（第１の窒化物半導体層）と、低不純物濃度層（第２の窒化物半導体層）との間に２次元電子ガスができ、この２次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第１の窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの第２の窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのへテロ接合界面で、障壁層（第１の窒化物半導体層）側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（２次元電子ガス）が蓄積する。この２次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおｐ側の窒化物半導体層を超格子構造とし変調ドープしても同様に２次元正孔ガスによる効果が期待できるものと推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることにより抵抗率を低下させることができると考えられ、より効果的に順方向電圧又は閾値電圧電流を低下させることができると推察される。
【００２６】
また、ｐ側の窒化物半導体層を超格子構造とし、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇのアクセプタ準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプタ準位の深さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしてもＧａＮでは１×１０18／ｃｍ3程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮでは１×１０17／ｃｍ3程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の作用効果がある。
【００２７】
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ｎ型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3、さらに好ましくは１×１０18／ｃｍ3〜５×１０19／ｃｍ3の範囲に調整する。１×１０17／ｃｍ3よりも少ないと、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の差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０20／ｃｍ3よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、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ｎ型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も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が、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量は１×１０19／ｃｍ3以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、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。この作用は、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ｎ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ｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。以上、超格子層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい第１の窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい第２の窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。また、第１と第２の窒化物半導体層のうち、ｎ型不純物を多く含む層のｎ型不純物濃度は３×１０18／ｃｍ3以上に設定されていることが好ましく、これによって、ｎ電極形成層４のキャリア濃度を高くでき、ｎ電極と良好なオーミック接触をさせることができる。
【００２８】
本実施の形態１において、アンドープ窒化物半導体層３は、ｎ型不純物を含むｎ電極形成層４をさらに結晶性よく成長させるためにアンドープとしている。この窒化物半導体層３はアンドープであることが最も好ましいが、ｎ電極形成層４を超格子構造とすることにより結晶性の良好な層としているので、ｎ型不純物がｎ電極形成層よりも少なくなるようにドープした層を用いてもよい。尚、ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを用いる。
【００２９】
また、本実施の形態１の発光素子では、ｎ電極形成層４上にアンドープ窒化物半導体層５を形成し、該層５の上に活性層６を形成している。このアンドープ窒化物半導体層５は、その上に成長させる活性層６のバッファ層として作用して、活性層を成長させやすくする。すなわち、超格子層の上に直接不純物を多く含む窒化物半導体層を成長させると、成長させる層の結晶性が悪くなる傾向があるので、層５を結晶性良く成長させるためにはｎ型不純物濃度を少なくすることが好ましく、最も好ましくはアンドープとするのである。さらに抵抗率の比較的高いアンドープ窒化物半導体層５を活性層６とｎ電極形成層４との間に介在させることにより、素子のリーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。このアンドープ窒化物半導体層５の上述の機能を効果的に発揮させるためには、この層５はアンドープであることが最も好ましいが、ｎ型不純濃度がｎ電極形成層４よりも少ない層であれば、上述の機能は発揮し得る。また、アンドープ窒化物半導体層５の組成は特に問うものではないが、ＩｎXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）、好ましくは、ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦０．５）を成長させることにより、その窒化物半導体層５の上に成長させる層に対してより有効なバッファ層として作用して、さらに層５から上の層を容易にかつ結晶性よく成長させることができる。
【００３０】
さらにまた、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子において、アンドープ窒化物半導体層５は、０．５μｍ以下の厚さに形成することが好ましく、より好ましくは２０００オングストローム以下、さらに好ましくは１５００オングストローム以下になるように形成する。また、層５の下限は特に限定しないが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。アンドープ窒化物半導体層は、抵抗率が通常１×１０-1Ω・ｃｍ以上と高いため、この層を０．１μｍよりも厚い膜厚で成長させると、逆に順方向電圧Ｖｆが低下しにくくなる。
【００３１】
また本実施の形態１の窒化物半導体発光素子では、基板とアンドープ窒化物半導体層３との間に、アンドープ窒化物半導体層３よりも低温で成長されるバッファ層を有していても良い。バッファ層は例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を４００℃〜９００℃において、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和、あるいはアンドープ窒化物半導体層を結晶性よく成長させるための下地層として作用する。
【００３２】
（実施の形態２）
本発明に係る実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、図３に示すように活性層４４の直下に接して超格子構造のｎ型超格子層４３を形成したことを特徴とし、これによって、結晶性の優れた活性層４４を形成することができ、高出力特性と優れた静電耐圧特性が実現できる。すなわち、上述の実施の形態１は窒化物半導体からなるｎ型の超格子層が優れたｎ型電極形成層として機能することに着目したものであるのに対し、実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、ｎ型超格子層４３上に結晶性の優れた活性層４４を成長させることができることに着目して利用したものである。
【００３３】
詳細に説明すると、実施の形態２の窒化物半導体発光素子において、基板１上にバッファ層２及び例えばアンドープのＧａＮからなるアンドープ窒化物半導体層４１を介して、例えばｎ型のＧａＮからなるｎ電極形成層４２を形成する。そして、ｎ電極形成層４２上に、ｎ型超格子層４３を介して活性層４４を形成する。さらに、活性層４４上に、例えば、Ｍｇドープのｐ側クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）４５、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４６を介して透光性ｐ電極９及びｐパッド電極を形成する。
【００３４】
ここで、ｎ型超格子層４３は、第１の窒化物半導体層４３ａと第２の窒化物半導体層４３ｂとが交互に積層された超格子構造を有し、全体としてｎ型の導電性を有しかつ極めて良好な結晶性を有する。尚、本実施の形態２において、ｎ型不純物としては第４族元素が挙げられるが、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉを用いる。このｎ型超格子層４３は、その超格子層を構成する第１と第２の窒化物半導体層の各膜厚が弾性臨界膜厚以下となるために、結晶欠陥の非常に少ない層とできる。すなわち、本実施の形態２では、この結晶性の良好なｎ型超格子層４３によって、そのｎ型超格子層４３より下のｎ電極形成層４２で発生した結晶欠陥をある程度止めることができ、この機能によって、ｎ型超格子層４３上に成長させる活性層４４の結晶性を良くすることができる。一般にｎ電極形成層４２は、低抵抗とするためにｎ型不純物を多くドープするために、比較的多くの結晶欠陥を含む。従って、ｎ電極形成層４２と活性層４４との間にｎ型超格子層４３を形成することは、結晶性の良好な活性層４４を形成する上で極めて効果的である。
【００３５】
この第１の窒化物半導体層４３ａ及び第２の窒化物半導体層４３ｂの各膜厚は、好ましくは１００オングストローム以下に調整する。１００オングストロームよりも厚いと、第１と第２の窒化物半導体層が弾性歪み限界に近い又はそれ以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすくなるからである。このｎ型超格子層４３は、互いに組成の異なる第１の窒化物半導体層４３ａと第２の窒化物半導体層４３ｂを用いて構成してもよいが、互いに同一組成を有しかつ一方をアンドープ又は低いｎ型不純物濃度とし他方を高いｎ型不純物濃度とした第１と第２の窒化物半導体層を用いて構成することが好ましく、さらに好ましくは、第１と第２の窒化物半導体層を互いに同一組成とし、一方をアンドープとし他方にｎ型不純物をドープしたものを用いる。さらに、第１と第２の窒化物半導体層を、一方をアンドープとし他方にｎ型不純物をドープして用いる場合、ｎ型不純物をドープした他方の層は、アンドープの一方の層より薄くすることが好ましく、これによりさらに超格子層自身の結晶性を良好にできかつその上に成長させる活性層の結晶性をさらに良好にできる。また、発光層としてＩｎＧａＮとＧａＮとの多重量子井戸構造の活性層４４を用いる場合、ｎ型不純物がドープされたＧａＮとアンドープのＧａＮとの組み合わせたｎ型超格子層４３を用いることが最も好ましい。尚、本明細書において、超格子層とは互いに同一組成を有しかつ互いに不純物濃度が異なる第１と第２の窒化物半導体層とを交互に積層した層も含むものとする。
【００３６】
さらに本発明において、第１と第２の窒化物半導体層とは、互いにバンドギャップエネルギーが異なっていてもよく、第１と第２の窒化物半導体層として互いにＡｌの含有量が異なる窒化物半導体、又は一方をＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）とし他方をＧａＮとする組み合わせ等、実施の形態１におけるｎ型電極形成層４と同様、種々組み合わせて用いることができる。
【００３７】
以上のように構成された実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、高濃度にｎ型不純物がドープされているため比較的多くの結晶欠陥を含むｎ型電極形成層４２上に、結晶性のよいｎ型超格子層４３を介して活性層４４を形成している。これによって、実施の形態２の窒化物半導体発光素子では、ｎ型電極形成層４２の結晶欠陥の影響を受けることなく、層数が多くかつ結晶性のよい量子井戸構造の活性層４４を形成することができるので、静電耐圧を悪化させることなく高出力を得ることができる。
【００３８】
以上説明した実施の形態２の窒化物半導体発光素子では、ｎ型電極形成層４２に接してｎ型超格子層４３を形成し、ｎ型超格子層４３に接して活性層４４を形成した。しかしながら、本発明はこれに限らず、ｎ型電極形成層４２との間及びｎ型超格子層４３と活性層４４との間のいずれか一方又は双方に１又は２以上の窒化物半導体層を有していてもよい。以上のように構成しても、実施の形態２と同様の作用効果を有する。
【００３９】
（実施の形態３）
本発明に係る実施の形態３の窒化物半導体発光素子は、図４に示すように実施の形態２のｎ電極形成層４２及びｎ型超格子層４３とに代えて、ｎ型超格子層５３を形成した以外は実施の形態２と同様に構成される。すなわち、実施の形態３の窒化物半導体発光素子において、ｎ型超格子層５３は、実施の形態１における超格子構造のｎ電極形成層４の機能と実施の形態２におけるｎ型超格子層４３の機能とを併せ持つ超格子層である。ここで、本実施の形態３において、ｎ型超格子層５３を構成する第１の窒化物半導体層５３ａ及び第２の窒化物半導体層５３ｂとはそれぞれ、実施の形態１、２の第１及び第２の窒化物半導体層と同様に構成される。
【００４０】
以上のように構成された実施の形態３の窒化物半導体発光素子は、低抵抗でかつｎ型電極と良好なオーミック接触が可能で、しかも結晶性がよく層数の多い量子井戸構造の活性層を成長させることができるｎ型超格子層５３を備えている。従って、実施の形態３の窒化物半導体発光素子は、比較的低い順方向電圧で静電耐圧を悪化させることなく高出力を得ることができる。
【００４１】
以上の実施の形態１〜３では、ＬＥＤ素子を例に挙げて説明したが、本発明はレーザダイオードにも適用することができることは言うまでもなく、その場合においても、実施の形態１〜３と同様の効果を有する。
【００４２】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００４３】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、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。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）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。
【００４４】
（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２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】
（アンドープ窒化物半導体（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５μｍの膜厚で成長させる。アンドープＧａＮ層３はバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させる。このアンドープＧａＮ層３の膜厚は特に問うものではなく、バッファ層よりも厚膜で成長させ、通常０．１μｍ以上の膜厚で成長させる。この層はアンドープ層としたため真性半導体に近く、抵抗率は０．２Ω・ｃｍよりも大きいが、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をｎ電極形成層よりも少なくドープして抵抗率を低下させた層としても良い。
【００４６】
（ｎ電極形成層４）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を６０オングストローム成長させ、続いて同濃度にてシランガスを追加しＳｉを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、そしてＳｉを止めてアンドープＧａＮ層を６０オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、６０オングストロームのアンドープＧａＮ層からなる第１の窒化物半導体層と、ＳｉドープＧａＮからなる２０オングストロームの第２の窒化物半導体層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５０層積層して２μｍ厚として、超格子構造よりなるｎ電極形成層４を成長させる。
【００４７】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いアンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層６を成長させる。なおこの層はＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する多重量子井戸構造としても良い。
【００４８】
（ｐ側クラッド層７）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロベンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Ｙ＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはＹ値が０．３以下のＡｌYＧａ1-YＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。また、ｐ側クラッド層７が超格子層であってもよく、ｐ側層に超格子層があると、レーザ素子を作製した場合は閾値を低くでき、発光ダイオードでは発光開始電圧を低くできるので好ましい。ｐ側層において超格子層となりうる層は特に限定されない。
【００４９】
（ｐ側コンタクト層８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎXＡｌYＧａl-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦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く、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００５０】
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。
【００５１】
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側コンタクト層８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側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ電極形成層４の表面を露出させる。
【００５２】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０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電極形成層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ２よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００５３】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、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、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、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従来の緑色発光ＬＥＤに比較して、２０ｍＡにおけるＶｆを０．２〜０．４Ｖ低下させ、出力を４０％〜５０％向上させることができた。また、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して５倍以上であった。
【００５４】
［実施例２］
実施例１の発光素子において、ｎ電極形成層４と活性層６との間に、アンドープ窒化物半導体（ＧａＮ）層５を５００オングストロームの膜厚で形成した以外は、実施例１と同様に作成した。すなわち、実施例２ではｎ電極形成層４を形成した後、シランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮ層を５００オングストロームの膜厚で成長させ、次いで活性層６を成長させる。以上のように形成した発光素子は、超格子層であるｎ電極形成層４の上に直接活性層を成長させたものに比較して、アンドープＧａＮ層がバッファ層として作用するので、活性層の結晶性を良くすることができ、実施例１に比較して出力を２０％向上させることができた。
【００５５】
［実施例３］
実施例１においてｎ電極形成層４を成長させる際に、アンドープＧａＮ層よりなる第１の窒化物半導体層を４０オングストロームと、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層からなる第２の窒化物半導体層を６０オングストロームとを３００層ずつ交互に積層して、総膜厚３μｍの超格子構造とする他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【００５６】
［実施例４］
図２は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザの共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示している。以下、この図を元に実施例４について説明する。
【００５７】
実施例１と同様にして、サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０の上に、２００オングストロームのＧａＮよりなるバッファ層２１、５μｍのアンドープＧａＮ層２２、２０オングストロームのアンドープＧａＮからなる第１の窒化物半導体層と、２０オングストロームのＳｉドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる第２の窒化物半導体層とが積層されてなり総膜厚３μｍの超格子構造のｎ電極形成層２３を成長させる。
【００５８】
なお、サファイア基板の他、基板にはサファイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に第１のＧａＮ層を成長させ、その第１のＧａＮ層の上に、ＳｉＯ2等、窒化物半導体が表面に成長しにくい保護膜を部分的に形成し、さらにその保護膜を介して、前記第１のＧａＮ層の上に第２のＧａＮを成長させ、ＳｉＯ2の上に第２のＧａＮ層を横方向に成長させて、横方向で第２のＧａＮ層が繋がって第２のＧａＮ層を基板とした窒化物半導体基板を用いることが窒化物半導体の結晶性を良くする上で非常に好ましい。この窒化物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層を特に成長させる必要はない。
【００５９】
（アンドープ窒化物半導体層２４）
次に温度を８００℃にしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用いアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるアンドープ窒化物半導体層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６０】
（ｎ側クラッド層２５）
次に、１０５０℃にして、Ｓｉを１×１０l9／ｃｍ3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２０オングストロームと、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に２００層積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子構造とする。ｎ側クラッド層２５はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを含む超格子層とすることが望ましく、超格子層全体の膜厚を１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、２μｍ以下で成長させることが望ましい。さらにまた、このｎ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００６１】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、Ｓｉを５×１０17／ｃｍ3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側光ガイド層２６は通常はＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の導電型とするが、特にアンドープにすることもできる。
【００６２】
（活性層２７）
次に、８００℃で、２５オングストロームの厚さのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層と、５０オングストロームの厚さのアンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層とを交互に積層してなる総膜厚２００オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。すなわち、この活性層２７は、障壁層３層と井戸層２層とを、障壁層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋障壁層となるように積層して構成した。
【００６３】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、１０５０℃でバンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層２９よりも大きく、かつ活性層２７よりも大きい、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８はｐ型不純物をドープした層としたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Ｙ値が０．２以上のＡｌYＧａl-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００６４】
（ｐ側光ガイド層２９）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層２８より小さい、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層２６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層３０を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。
【００６５】
（ｐ側クラッド層３０）
次に、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮ層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を成長させる。この層はｎ側クラッド層２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子構造とすることによりｐ型層側の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層３０の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。このｐ側クラッド層の中央部の不純物濃度を大きくして、両端部の不純物濃度を小さくすることもできる。
【００６６】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、Ｍｇを２×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【００６７】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００６８】
リッジ形成後、図２に示すように、リッジストライプを中心として、そのリッジストライプの両側に露出したｐ側クラッド層３０をエッチングして、ｎ電極１１を形成する第２の窒化物半導体層２３の表面を露出させる。
【００６９】
次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極３２を形成する。次に、図２に示すようにｐ電極３２を除くｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜３５を形成し、この絶縁膜３５を介してｐ電極３２と電気的に接続したｐパッド電極３３を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極３４を形成する。
【００７０】
電極形成後、ウェーハのサファイア基板の裏面を研磨して５０μｍ程度の厚さにした後、サファイアのＭ面でウェーハを劈開して、その劈開面を共振面としたバーを作製する。一方、ストライプ状の電極と平行な位置でバーをスクライブで分離してレーザ素子を作製する。そのレーザ素子形状が図２である。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、従来の３７時間連続発振した窒化物半導体レーザ素子に比較して、閾値電流密度は２．０ｋＡ／ｃｍ2近くにまで低下し、閾値電圧も４Ｖ近くになり、寿命は５００時間以上に向上した。
【００７１】
［実施例５］
実施例１において、ｎ電極形成層４成長時に、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＧａＮ層を２０オングストローム成長させてなる第１の窒化物半導体層と、アンドープのＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ層を２０オングストローム成長させてなる第２の窒化物半導体層とのペアを２５０回成長させ、総膜厚１．０μｍ（１００００オングストローム）の超格子構造よりなるｎ電極形成層４を成長させる他は実施例１と同様にして行ったところ、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【００７２】
［実施例６］
実施例６は実施の形態２に基づく一実施例に係るＬＥＤ素子であって、以下のように作製される。
【００７３】
まず、実施例１と同様にして、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、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４１を１．５μｍの膜厚で成長させ、続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガス及びシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたｎ型ＧａＮ層４２を２．３５μｍの厚さに成長させる。
【００７４】
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガス及びシランガスを用い、第２の窒化物半導体層４３ｂとしてＳｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同濃度にてシランガスを止め第１の窒化物半導体層４３ａとしてアンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚で成長させる。これを１周期として１５周期繰り返し、７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなる第１の窒化物半導体層と、ＳｉドープＧａＮからなる２５オングストロームの第２の窒化物半導体層とからなる１５００オングストロームの厚さのｎ型超格子層４３を形成する。
【００７５】
次に、温度を８８０℃にして、Ｎ2キャリアガスとし、ＴＥＧ及びＮＨ3を用いてＧａＮからなる２００オングストロームの障壁層を成長させ、続いて温度を８００℃にして、Ｎ2キャリアガスとし、ＴＥＧ、ＴＭＩ及びＮＨ3を用いてＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させ、以下同様の成長を交互に繰り返すことにより、多重量子井戸構造を有する活性層４４を成長させる。尚、この多重量子井戸構造を有する活性層４４は、最外層を障壁層とする６層の井戸層と７層の障壁層からなり、合わせて１６００オングストロームの厚さを有する。このＧａＮからなる障壁層の厚さは、好ましくは１００〜３００オングストロームに設定され、さらに好ましくは２００〜３００オングストロームに設定される。障壁層の厚さが１００オングストローム以下では、発光出力が低下し、３００オングストローム以上では、順方向動作電圧が上昇するからである。
【００７６】
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロベンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）４５を３００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層４６を１５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７７】
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。
【００７８】
アニーリング後、実施例１と同様にして、ｐ電極９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０及びｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ２よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００７９】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、順方向電圧Ｖｆ３．２Ｖで５２０ｎｍの緑色の発光を示し、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して４倍以上であった。
【００８０】
［実施例７］
実施例７は実施の形態３に基づく一実施例に係るＬＥＤ素子であって、以下の点で実施例６と異なる他は、実施例６と同様に作製される。すなわち、実施例７では実施例６と同様の条件で、アンドープＧａＮ層４１を０．５μｍの膜厚で成長させた後、実施例６の第２の窒化物半導体層４３ｂと同一条件で第２の窒化物半導体層５３ｂを２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて実施例６の第１の窒化物半導体層４３ａと同一条件でアンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚で成長させる。これを１周期として３５０周期繰り返し、７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなる第１の窒化物半導体層と、ＳｉドープＧａＮからなる２５オングストロームの第２の窒化物半導体層とからなる３．５μｍの厚さのｎ型超格子層５３を形成する。
【００８１】
以下、実施例６と同様にして、多重量子井戸構造を有する活性層４４、ｐ側クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）４５及びｐ側コンタクト層４６を成長させて、アニーリングによりｐ型層をさらに低抵抗化し、さらに、ｐ電極９と、ｐパッド電極１０、ｎ電極１１及び絶縁膜１２を形成して、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とした。
【００８２】
以上のように作製した実施例７のＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡ，順方向電圧Ｖｆ３．４Ｖにて、５２０ｎｍの緑色発光を示し、静電耐圧も従来のＬＥＤ素子に比較して５倍以上であった。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体素子では、基板と活性層の間に、複数の層が積層された超格子構造の前記ｎ電極形成層を備えているので、ＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体素子の出力を向上させると共に、Ｖｆ、閾値電圧を低下させかつ素子の信頼性を向上させることができる。また本明細書ではＬＥＤ、レーザ素子について説明したが、本発明は受光素子、太陽電池の他、窒化物半導体の出力を用いたパワーデバイス等、窒化物半導体を用いたあらゆる素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る一実施例のＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る他の実施例のＬＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３、５、２２、２４、４１ アンドープ窒化物半導体層
４、２３ 超格子層からなるｎ電極形成層
６、４４ 活性層
７、４５ ｐ側クラッド層
８、４６ ｐ側コンタクト層
９ 透光性ｐ電極
１０ ｐパッド電極
１１ ｎ電極
１２ 絶縁膜
４２ 超格子構造でないｎ電極形成層
４３ ｎ型超格子層
【図１】
0003744211.tif 000002
【図２】
0003744211.tif 000003
【図３】
0003744211.tif 000004
【図４】
0003744211.tif 000005