窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
【目的】 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力をさらに向上させる。
【構成】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲である
【構成】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲である
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視されている。現在、この材料を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ構造の青色発光ダイオードが知られている。
【０００３】ＭＩＳ構造の発光素子は一般に発光出力が非常に低く、実用化するには未だ不十分であった。高抵抗なｉ型を低抵抗なｐ型とし、発光出力を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための技術として、例えば特開平３−２１８３２５号公報において、ｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層に電子線照射する技術が開示されている。また、我々は、特願平３−３５７０４６号でｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以上でアニーリングすることにより低抵抗なｐ型とする技術を提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子はＭＩＳ構造、ｐ−ｎ接合両面から研究が進められているが、例えばＧａＮのｐ−ｎ接合を用いたホモ構造の発光素子でも発光出力は数μＷ〜数十μＷでしかなく、実用化するには未だ不十分であった。従って本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力をさらに向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】我々は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造とし、さらに、その発光層を特定の膜厚の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた多層膜構造とすることにより上記問題が解決できることを見いだした。即ち、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲であることを特徴とする。
【０００６】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層には、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等、ノンドープ（無添加）の窒化ガリウム系化合物半導体、またはノンドープの窒化ガリウム系化合物半導体に例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅ等のｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長した層を用いることができる。特に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体は、その組成をインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体とするよりも、ＧａYＡｌ1-YＮ（但し、Yは０＜Y≦１）とした二元混晶、あるいは三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする方が、結晶性に優れたｎ型結晶が得られるため発光出力が増大しさらに好ましい。
【０００７】また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層には前記したノンドープの窒化ガリウム系化合物半導体に、例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のｐ型ドーパントをドープしてｐ型特性を示すように成長した層を用いることができる。このｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層も、特にその組成をインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体とするよりも、ＧａZＡｌ1-ZＮ（但し、Zは０＜Z≦１）とした二元混晶、あるいは三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする方が、結晶性がよく、より低抵抗なｐ型結晶が得られやすくなるため好ましい。さらに、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層をさらに低抵抗化する手段として、前記した特願平３−３５７０４６号に開示するアニーリング処理を行ってもよい。低抵抗化することにより発光出力をより向上させることができる。
【０００８】ＩｎXＧａ1-XＮ層は、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層を交互に積層した多層膜層構造とし、その多層膜を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲に調整する必要がある。X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ層を交互に積層することにより、多層膜が量子井戸構造となり、発光出力を増大させると共に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体および、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数不整を緩和することができる。また、多層膜とせず単一のＩｎＧａＮ層で形成したものよりも、結晶中の格子欠陥が少なくなり、結晶性が向上する。さらに、ＩｎXＧａ1-XＮ層の膜厚を５オングストローム〜５０オングストロームの範囲に調整することにより、発光出力を向上させることができる。なぜなら、この範囲に膜厚を調整することにより、多層膜を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の格子欠陥を少なくすることができ、結晶性が向上するため、発光出力が増大する。ＩｎXＧａ1-XＮ層の膜厚は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いた成長方法であると、原料ガスであるＧａ源の流量を調整したり、また成長時間を調整することにより調整可能である。また、ＩｎXＧａ1-XＮ層の組成比は原料ガスであるＩｎ源のガス流量、または成長温度を調整することにより調整可能である。さらに、ＩｎXＧａ1-XＮ層にｎ型ドーパント、ｐ型ドーパントをドープして成長させてもよいことはいうまでもない。
【０００９】各ＩｎXＧａ1-XＮ層のX値は０＜X＜０．５の範囲に調整することが好ましい。X値が０．５以上では結晶性に優れたＩｎXＧａ1-XＮ層が得られにくく、発光効率に優れた発光素子が得られにくくなるため、X値は０．５未満が好ましい。また、現在、実用化されていない青色発光素子を実現するためには上記範囲に調整する必要がある。
【００１０】
【作用】例えば、ｎ型ＧａＮ層と、膜厚１００オングストロームのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と、ｐ型ＧａＮ層とを順に積層したダブルヘテロ構造の発光素子の場合、ＧａＮの格子定数はおよそ３．１９オングストローム、ＩｎＮの格子定数はおよそ３．５４オングストロームであり、この構造の発光素子では、ＧａＮ層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層との界面の格子定数不整が２．２％近くもある。このため、ＧａＮ層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層との界面でミスフィットによる格子欠陥が発生し、発光層であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の結晶性が悪くなるため、発光出力が低下する原因となる。
【００１１】しかしここで、本発明のようにＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、例えば井戸層として膜厚２０オングストロームのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層３層と、障壁層として膜厚２０オングストロームのＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層２層とを交互に積層し、発光層の総膜厚１００オングストロームの量子井戸構造の多層膜とした場合（つまり、ｎ型ＧａＮ層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋ｐ型ＧａＮ層の発光素子構造）、発光層であるＩｎXＧａ1-XＮ層は平均の組成としてＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層となり、ＧａＮ層との界面の格子定数不整は約１．３％となり緩和される。しかも、井戸層であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層のところで発光するため、発光波長はほとんど変わらない。したがって、多層膜全体を一つの発光層とした場合に、格子定数不整が緩和されるため、その分、発光層の結晶性が向上し、全体として格子欠陥の少ないＩｎＧａＮ層を発光層とできるため、発光出力が増大する。
【００１２】図２に、上記発光素子（ｎ型ＧａＮ層＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ＋Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ＋Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.96Ｎ＋ｐ型ＧａＮ層）において、多層膜の各膜厚を同一とした場合、その膜厚と、発光素子の相対発光出力との関係を示す。この図に示すように、膜厚を５オングストローム〜５０オングストロームとしたＩｎXＧａ1-XＮ層を積層した多層膜を発光層とする発光素子は９０％以上の発光出力を有しており、その範囲外では急激に出力が低下する傾向にある。その理由は前記したように、厚膜のＩｎXＧａ1-XＮ層を多層膜とすると、一つのＩｎXＧａ1-XＮ層中に格子欠陥ができやすくなるため出力が低下すると考えられる。
【００１３】
【実施例】以下有機金属気相成長法により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する方法を述べる。
【００１４】［実施例１］サファイア基板１を反応容器内に配置し、サファイア基板１のクリーニングを行った後、成長温度を５１０℃にセットし、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上に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。
【００１５】バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層４を４μｍ成長させる。
【００１６】ｎ型ＧａＮ層４成長後、原料ガス、ドーパントガスを止め、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアを用い、井戸層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４を２０オングストローム成長させる。次に、ＴＭＩの流量を１／５に減らすことにより、障壁層としてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’を２０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を繰り返し、各２０オングストロームの膜厚で第１にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４、第２にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’、第３にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４、第４にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’、第５にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４を交互に積層した総膜厚１００オングストロームの多層膜を成長する。
【００１７】次に、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスとしてＴＭＧとアンモニア、ドーパントガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）とを用い、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層５を０．８μｍ成長させる。
【００１８】ｐ型ＧａＮ層５成長後、基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７００℃で２０分間アニーリングを行い、最上層のｐ型ＧａＮ層をさらに低抵抗化する。以上のようにして得られた発光素子の構造を示す断面図を図１に示す。
【００１９】以上のようにして得られたウエハーのｐ型ＧａＮ層５と多層膜層の一部をエッチングにより取り除き、ｎ型ＧａＮ層３を露出させ、ｐ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とにオーミック電極を設け、５００μｍ角のチップにカットした後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡにおいて８００μＷ、発光波長４１０ｎｍと、十分実用レベルに達していた。
【００２０】［実施例２］実施例１において、多層膜層のそれぞれの成長時間を２．５倍にして、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を５０オングストローム、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層を５０オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、発光出力は２０ｍＡにおいて７２０μＷ、発光波長４１０ｎｍであった。
【００２１】［実施例３］実施例１のｎ型ＧａＮ層３、およびｐ型ＧａＮ層５を成長させる工程において、原料ガスに新たにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加えて成長させ、ｎ型ＧａＮ層を同じくＳｉをドープしたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とし、ｐ型ＧａＮ層を同じくＭｇをドープしたｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とする他は、同様にして発光ダイオードを得たところ、発光出力、発光波長とも実施例１とほぼ同等であった。
【００２２】［比較例１］実施例１において、多層膜層のそれぞれの成長時間を３倍にして、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を６０オングストローム、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層を６０オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、２０ｍＡにおいて発光出力は３６０μＷであった。
【００２３】［比較例２］実施例１において、多層膜層を成長する代わりに単一のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を１００オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、２０ｍＡにおいて発光出力１８０μＷ、発光波長４２０ｎｍであった。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ−ｎ接合を利用したダブルへテロ構造とし、さらに発光層を限定された膜厚のＩｎXＧａ1-XＮ層よりなる多層膜としているため、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とのミスフィットが小さくなり、発光層全体の結晶性が向上する。それにより、発光出力が飛躍的に向上し、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を十分な実用レベルにまですることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明の一実施例に係る発光素子における多層膜の各膜厚と、発光素子の相対発光出力との関係を示す図。
【符号の説明】
１ ・・・・・サファイア基板
２ ・・・・・ＧａＮバッファ層
３ ・・・・・ｎ型ＧａＮ層
４ ・・・・・Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
４’・・・・・Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層
５ ・・・・・ｐ型ＧａＮ層
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視されている。現在、この材料を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ構造の青色発光ダイオードが知られている。
【０００３】ＭＩＳ構造の発光素子は一般に発光出力が非常に低く、実用化するには未だ不十分であった。高抵抗なｉ型を低抵抗なｐ型とし、発光出力を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための技術として、例えば特開平３−２１８３２５号公報において、ｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層に電子線照射する技術が開示されている。また、我々は、特願平３−３５７０４６号でｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以上でアニーリングすることにより低抵抗なｐ型とする技術を提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子はＭＩＳ構造、ｐ−ｎ接合両面から研究が進められているが、例えばＧａＮのｐ−ｎ接合を用いたホモ構造の発光素子でも発光出力は数μＷ〜数十μＷでしかなく、実用化するには未だ不十分であった。従って本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力をさらに向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】我々は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造とし、さらに、その発光層を特定の膜厚の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた多層膜構造とすることにより上記問題が解決できることを見いだした。即ち、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲であることを特徴とする。
【０００６】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層には、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等、ノンドープ（無添加）の窒化ガリウム系化合物半導体、またはノンドープの窒化ガリウム系化合物半導体に例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅ等のｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長した層を用いることができる。特に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体は、その組成をインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体とするよりも、ＧａYＡｌ1-YＮ（但し、Yは０＜Y≦１）とした二元混晶、あるいは三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする方が、結晶性に優れたｎ型結晶が得られるため発光出力が増大しさらに好ましい。
【０００７】また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層には前記したノンドープの窒化ガリウム系化合物半導体に、例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のｐ型ドーパントをドープしてｐ型特性を示すように成長した層を用いることができる。このｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層も、特にその組成をインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体とするよりも、ＧａZＡｌ1-ZＮ（但し、Zは０＜Z≦１）とした二元混晶、あるいは三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする方が、結晶性がよく、より低抵抗なｐ型結晶が得られやすくなるため好ましい。さらに、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層をさらに低抵抗化する手段として、前記した特願平３−３５７０４６号に開示するアニーリング処理を行ってもよい。低抵抗化することにより発光出力をより向上させることができる。
【０００８】ＩｎXＧａ1-XＮ層は、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層を交互に積層した多層膜層構造とし、その多層膜を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲に調整する必要がある。X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ層を交互に積層することにより、多層膜が量子井戸構造となり、発光出力を増大させると共に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体および、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数不整を緩和することができる。また、多層膜とせず単一のＩｎＧａＮ層で形成したものよりも、結晶中の格子欠陥が少なくなり、結晶性が向上する。さらに、ＩｎXＧａ1-XＮ層の膜厚を５オングストローム〜５０オングストロームの範囲に調整することにより、発光出力を向上させることができる。なぜなら、この範囲に膜厚を調整することにより、多層膜を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の格子欠陥を少なくすることができ、結晶性が向上するため、発光出力が増大する。ＩｎXＧａ1-XＮ層の膜厚は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いた成長方法であると、原料ガスであるＧａ源の流量を調整したり、また成長時間を調整することにより調整可能である。また、ＩｎXＧａ1-XＮ層の組成比は原料ガスであるＩｎ源のガス流量、または成長温度を調整することにより調整可能である。さらに、ＩｎXＧａ1-XＮ層にｎ型ドーパント、ｐ型ドーパントをドープして成長させてもよいことはいうまでもない。
【０００９】各ＩｎXＧａ1-XＮ層のX値は０＜X＜０．５の範囲に調整することが好ましい。X値が０．５以上では結晶性に優れたＩｎXＧａ1-XＮ層が得られにくく、発光効率に優れた発光素子が得られにくくなるため、X値は０．５未満が好ましい。また、現在、実用化されていない青色発光素子を実現するためには上記範囲に調整する必要がある。
【００１０】
【作用】例えば、ｎ型ＧａＮ層と、膜厚１００オングストロームのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と、ｐ型ＧａＮ層とを順に積層したダブルヘテロ構造の発光素子の場合、ＧａＮの格子定数はおよそ３．１９オングストローム、ＩｎＮの格子定数はおよそ３．５４オングストロームであり、この構造の発光素子では、ＧａＮ層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層との界面の格子定数不整が２．２％近くもある。このため、ＧａＮ層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層との界面でミスフィットによる格子欠陥が発生し、発光層であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の結晶性が悪くなるため、発光出力が低下する原因となる。
【００１１】しかしここで、本発明のようにＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を、例えば井戸層として膜厚２０オングストロームのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層３層と、障壁層として膜厚２０オングストロームのＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層２層とを交互に積層し、発光層の総膜厚１００オングストロームの量子井戸構造の多層膜とした場合（つまり、ｎ型ＧａＮ層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋障壁層＋井戸層＋ｐ型ＧａＮ層の発光素子構造）、発光層であるＩｎXＧａ1-XＮ層は平均の組成としてＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層となり、ＧａＮ層との界面の格子定数不整は約１．３％となり緩和される。しかも、井戸層であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層のところで発光するため、発光波長はほとんど変わらない。したがって、多層膜全体を一つの発光層とした場合に、格子定数不整が緩和されるため、その分、発光層の結晶性が向上し、全体として格子欠陥の少ないＩｎＧａＮ層を発光層とできるため、発光出力が増大する。
【００１２】図２に、上記発光素子（ｎ型ＧａＮ層＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ＋Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ＋Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ＋Ｉｎ0.2Ｇａ0.96Ｎ＋ｐ型ＧａＮ層）において、多層膜の各膜厚を同一とした場合、その膜厚と、発光素子の相対発光出力との関係を示す。この図に示すように、膜厚を５オングストローム〜５０オングストロームとしたＩｎXＧａ1-XＮ層を積層した多層膜を発光層とする発光素子は９０％以上の発光出力を有しており、その範囲外では急激に出力が低下する傾向にある。その理由は前記したように、厚膜のＩｎXＧａ1-XＮ層を多層膜とすると、一つのＩｎXＧａ1-XＮ層中に格子欠陥ができやすくなるため出力が低下すると考えられる。
【００１３】
【実施例】以下有機金属気相成長法により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する方法を述べる。
【００１４】［実施例１］サファイア基板１を反応容器内に配置し、サファイア基板１のクリーニングを行った後、成長温度を５１０℃にセットし、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上に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。
【００１５】バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層４を４μｍ成長させる。
【００１６】ｎ型ＧａＮ層４成長後、原料ガス、ドーパントガスを止め、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアを用い、井戸層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４を２０オングストローム成長させる。次に、ＴＭＩの流量を１／５に減らすことにより、障壁層としてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’を２０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を繰り返し、各２０オングストロームの膜厚で第１にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４、第２にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’、第３にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４、第４にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層４’、第５にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４を交互に積層した総膜厚１００オングストロームの多層膜を成長する。
【００１７】次に、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスとしてＴＭＧとアンモニア、ドーパントガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）とを用い、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層５を０．８μｍ成長させる。
【００１８】ｐ型ＧａＮ層５成長後、基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７００℃で２０分間アニーリングを行い、最上層のｐ型ＧａＮ層をさらに低抵抗化する。以上のようにして得られた発光素子の構造を示す断面図を図１に示す。
【００１９】以上のようにして得られたウエハーのｐ型ＧａＮ層５と多層膜層の一部をエッチングにより取り除き、ｎ型ＧａＮ層３を露出させ、ｐ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とにオーミック電極を設け、５００μｍ角のチップにカットした後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡにおいて８００μＷ、発光波長４１０ｎｍと、十分実用レベルに達していた。
【００２０】［実施例２］実施例１において、多層膜層のそれぞれの成長時間を２．５倍にして、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を５０オングストローム、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層を５０オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、発光出力は２０ｍＡにおいて７２０μＷ、発光波長４１０ｎｍであった。
【００２１】［実施例３］実施例１のｎ型ＧａＮ層３、およびｐ型ＧａＮ層５を成長させる工程において、原料ガスに新たにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加えて成長させ、ｎ型ＧａＮ層を同じくＳｉをドープしたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とし、ｐ型ＧａＮ層を同じくＭｇをドープしたｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とする他は、同様にして発光ダイオードを得たところ、発光出力、発光波長とも実施例１とほぼ同等であった。
【００２２】［比較例１］実施例１において、多層膜層のそれぞれの成長時間を３倍にして、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を６０オングストローム、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層を６０オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、２０ｍＡにおいて発光出力は３６０μＷであった。
【００２３】［比較例２］実施例１において、多層膜層を成長する代わりに単一のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を１００オングストロームの膜厚で成長する他は同様にして発光ダイオードを得たところ、２０ｍＡにおいて発光出力１８０μＷ、発光波長４２０ｎｍであった。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ−ｎ接合を利用したダブルへテロ構造とし、さらに発光層を限定された膜厚のＩｎXＧａ1-XＮ層よりなる多層膜としているため、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とのミスフィットが小さくなり、発光層全体の結晶性が向上する。それにより、発光出力が飛躍的に向上し、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を十分な実用レベルにまですることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明の一実施例に係る発光素子における多層膜の各膜厚と、発光素子の相対発光出力との関係を示す図。
【符号の説明】
１ ・・・・・サファイア基板
２ ・・・・・ＧａＮバッファ層
３ ・・・・・ｎ型ＧａＮ層
４ ・・・・・Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
４’・・・・・Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層
５ ・・・・・ｐ型ＧａＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層はＧａYＡｌ1-YＮ（但し、Yは０＜Y≦１）よりなり、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層はＧａZＡｌ1-ZＮ（但し、Zは０＜Z≦１）よりなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】 前記ＩｎXＧａ1-XＮ層のX値は０＜X＜０．５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、X値の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層はＧａYＡｌ1-YＮ（但し、Yは０＜Y≦１）よりなり、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層はＧａZＡｌ1-ZＮ（但し、Zは０＜Z≦１）よりなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】 前記ＩｎXＧａ1-XＮ層のX値は０＜X＜０．５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平６−２６８２５７
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−７９０４５
【出願日】平成５年（１９９３）３月１２日
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月１２日
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
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