JP3434162B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオー
ド）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるい
は太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトラン
ジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＩｎＸ
ＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半
導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構
造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮより
なる活性層を有するダブルへテロ構造を有している。青
色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増
減することで決定されている。

【０００３】また、本出願人は、最近この材料を用いて
パルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振
を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996)
L74-76）。このレーザ素子はパルス電流（パルス幅２μ
ｓ、パルス周期２ｍｓ）、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電
流密度８．７ｋＡ／cm２、閾値電圧２１Ｖにおいて４１
０ｎｍのレーザ発振を示す。

【０００４】例えば、ＩｎＧａＮを活性層とするダブル
へテロ構造のＬＥＤ素子では、活性層はＡｌＧａＮより
なるｎ型、ｐ型のクラッド層と、ＧａＮよりなるｎ型、
ｐ型のコンタクト層とで挟まれている（例えば、特開平
８−８３９２９号参照）。ｎ型コンタクト層、ｎ側クラ
ッド層等のｎ型層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物がド
ープされ、ｐ側コンタクト層、ｐ側クラッド層等のｐ型
層には、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物がドープされてい
る。通常このような構造の場合、ｎ電極が形成されるｎ
型コンタクト層およびｐ電極が形成されるｐ側コンタク
ト層のキャリア濃度は、それぞれのコンタクト層が接す
るクラッド層と同一か、若しくは高キャリア濃度とされ
る。つまり基板から順に、高キャリア濃度のｎ＋層、次
に低キャリア濃度のｎ−層、活性層、低キャリア濃度の
ｐ−層、高キャリア濃度のｐ＋層の順に積層されるのが
通常であった。（ダブルへテロ構造ではないが、例えば
特開平６−１５１９６３号、特開平６−１５１９６４号
参照）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】確かに、電極と接触す
るコンタクト層のキャリア濃度が大きくなると、電極材
料との接触抵抗が小さくなって、良好なオーミック性が
得られやすい。電極とコンタクト層とのオーミック性が
良くなると、ＬＥＤではＶｆ（順方向電圧）、ＬＤでは
閾値電流が低下しやすくなる。しかしながら、窒化物半
導体は結晶欠陥の多い材料であり、このような材料に高
キャリア濃度を得るために、高濃度にｎ型不純物、ｐ型
不純物をドープすると、結晶性が悪くなって素子自体の
出力が低下しやすい傾向にある。

【０００６】従って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、さらに
結晶性が良く、高出力、高効率の窒化物半導体よりなる
素子を提供することにあり、具体的には低閾値電流で連
続発振するレーザ素子、及び高効率なＬＥＤ素子を実現
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】我々はＬＤ、ＬＥＤ等の
窒化物半導体素子について、まず、基板の上に成長させ
るｎ型層を改良することにより、前記課題が解決できる
ことを新規に見いだし、本発明を成すに至った。即ち本
発明に係る請求項１記載の窒化物半導体素子は、ＧａＮ
基板と、該ＧａＮ基板上に、ｎ型不純物がドープされて
いない膜厚０．１μｍ以上のアンドープＧａＮよりなる
第１の層とを有し、さらに該第１の層上に、ｎ型不純物
が１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３ドープ
され膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下の窒化物半導体よ
りなり、負電極が形成される第２の層を有することを特
徴とする。

【０００８】また、本発明に係る請求項２記載の窒化物
半導体素子は、ＧａＮ基板と、該ＧａＮ基板上に、ｎ型
不純物がドープされ、そのｎ型不純物濃度が小さい膜厚
０．１μｍ以上のＧａＮよりなる第１の層とを有し、さ
らに該第１の層上に、前記第１の層よりｎ型不純物濃度
が大きい窒化物半導体よりなり膜厚が０．２μｍ以上４
μｍ以下の第２の層を有し、その第２の層に負電極が形
成されたことを特徴とする。

【０００９】なお、請求項１、２において、基板と第１
の層と第２の層とは必ずしも接して形成されていること
を示すものではなく、基板と第１の層、若しくは第１の
層と第２の層との間に、バッファ層等の他の窒化物半導
体層が挿入されていても、本発明の範囲内である。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の窒化物半導体素子
の一構造を示す模式的な断面図であり、具体的にはＬＥ
Ｄ素子の構造を示している。基本的な構造としては、例
えばサファイアよりなる基板１０の上に、例えばノンド
ープＧａＮよりなる低温成長バッファ層１１、例えばノ
ンドープＧａＮよりなる低キャリア濃度の第１の層１
２、例えばＳｉドープＧａＮよりなる高キャリア濃度の
第２の層１３、例えば単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよ
りなる活性層１４、例えばＭｇドープＡｌＧａＮよりな
るｐ側クラッド層１５、例えばＭｇドープＧａＮよりな
るｐ側コンタクト層１６が順に積層された構造を有して
いる。最上層のｐ側コンタクト層１６のほぼ全面には透
光性の正電極１７（以下、正電極をｐ電極という。）が
形成され、そのｐ電極１７の表面にはボンディング用の
パッド電極１８が形成されている。本発明の素子におい
てｎ電極１９は、ｎ型不純物濃度が小さいか、あるいは
ｎ型不純物がドープされていない第１の層１２の上に成
長された、ｎ型不純物が多くドープされた、キャリア濃
度の大きい第２の層１３の表面に形成される。つまり、
第２の層１３が電流注入層としてのｎ側コンタクト層と
して作用する。

【００１１】一方、不純物濃度が小さい第１の層１２
は、負電極が形成されるコンタクト層としてではなく、
コンタクト層として作用する第２の層を成長させるため
の基礎層として作用している。従来のように電流注入層
となるｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャ
リア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとする
と、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要があ
る。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾
向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の
他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が
引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで
本発明では、まずコンタクト層とすべき第２の層を成長
させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第１の
層を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶
性の良い第２の層を成長させるのである。一般にｎ型不
純物が含まれていないか、あるいはｎ型不純物濃度が小
さい第１の層のキャリア濃度は、第２の層よりも小さい
傾向にある。

【００１２】本発明において、第１の層、第２の層にド
ープされるｎ型不純物としては、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ、Ｃ、Ｔｉのように周期律表第ＩＶ族元素を挙げるこ
とができ、その中でもＳｉ、Ｇｅは窒化物半導体にドー
プしてキャリア濃度、抵抗率等を調整するのに常用され
る。また窒化物半導体層の場合は半導体層中にできる窒
素空孔のためにノンドープ（不純物をドープしない状
態）でもｎ型を示す傾向にあるが、結晶性が良くなると
キャリア濃度の小さい高抵抗な層となる可能性もある。
そのため本発明の第１の層の導電型は規定しない。

【００１３】第１の層のｎ型不純物濃度は、第２の層よ
りも小さければ良いが、最も好ましくはｎ型不純物をド
ープしない状態（以下ノンドープという。）が望まし
い。ノンドープのものが最も結晶性が良い窒化物半導体
が得られるからである。本発明の場合、むしろ第２の層
の不純物濃度の方が重要であり、その範囲は１×１０１
７／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲、さらに好ましく
は、１×１０１８／cm３〜１×１０１９／cm３に調整す
ることが望ましい。１×１０１７／cm３よりも小さいと
ｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなる
ので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、
１×１０２１／cm３よりも大きいと、素子自体のリーク
電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子
の寿命が短くなる傾向にある。

【００１４】第１の層にｎ型不純物をドープする場合に
は第２の層よりも不純物量を少なくすることによりキャ
リア濃度の小さい層を形成できる。また、活性化率の小
さい（つまり不純物をドープしてもキャリア濃度があま
り大きくならない）ｎ型不純物をドープしても良い。し
かし、本発明では不純物をドープしないで第１の層を形
成する方が結晶性の良いものが得られるため、好ましく
はノンドープの状態で第１の層を形成することが望まし
い。

【００１５】ここで、バッファ層１１について説明す
る。バッファ層１１は、通常０．１μｍ未満の膜厚で第
１の層を成長させる前に、第１の層の成長温度よりも低
温で成長される窒化物半導体層である。具体的にはノン
ドープのＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ層が挙げられる。
この層は第１の層の結晶性を良くするために成長される
層であり、また基板の上にバッファ層を成長させると、
基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用があ
る。このバッファ層は通常、多結晶を含む層であるた
め、キャリア濃度を測定することはほとんど不可能であ
るか、仮に測定できたとしても、例えば１×１０２１／
cm３以上と非常に大きく、移動度が非常に小さい層であ
る。従って、本発明では基板の上、若しくは第１の層を
成長させる前に単一の組成で成長される膜厚０．１μｍ
未満の低温成長バッファ層は、本発明の第１の層には含
まれない。

【００１６】さらに、第１の層、及び第２の層の内の少
なくとも一方の層を、膜厚１００オングストローム以下
の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された歪み
超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この
層が超格子構造となって窒化物半導体層の結晶性が飛躍
的に良くなり、閾値電流が低下する。つまり、超格子層
を構成する各窒化物半導体層の膜厚を１００オングスト
ローム以下として、弾性歪み限界以下の膜厚としてい
る。このように超格子層を構成する窒化物半導体層の膜
厚を弾性歪み限界以下の膜厚とすると、結晶中に微細な
クラック、結晶欠陥が入りにくくなり、結晶性の良い窒
化物半導体を成長できる。そのため、この超格子層の上
に他の窒化物半導体層を成長させても、超格子層が結晶
性が良いために他の窒化物半導体層の結晶性も良くな
る。従って全体の窒化物半導体に結晶欠陥が少なくなっ
て結晶性が向上するので、閾値電流が低下して、レーザ
素子の寿命が向上する。

【００１７】超格子層を構成する窒化物半導体層は互い
に組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良く、
バンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でも
かまわない。例えば超格子層を構成する最初の層（Ａ
層）をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X≦１）で構成し、次
の層（Ｂ層）をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦１）で構
成すると、Ｂ層のバンドギャップエネルギーが必ずＡ層
よりも大きくなるが、Ａ層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦
X≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎＺＡｌ１−ＺＮ（０＜Z≦
１）で構成すれば、Ａ層とＢ層とは組成が異なるが、バ
ンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。また
Ａ層をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y≦１）で構成し、Ｂ
層をＩｎＺＡｌ１−ＺＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、
同様に第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギ
ャップエネルギーが同一の場合もあり得る。本発明の超
格子層はこのような組成が異なってバンドギャップエネ
ルギーが同じ構成でも良い。

【００１８】好ましくは超格子層を構成するＡ層、Ｂ層
の窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが異なるも
のを積層することが望ましく、超格子層を構成する窒化
物半導体の平均バンドギャップエネルギーを活性層より
も大きくするように調整することが望ましい。好ましく
は一方の層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X≦１）とし、
もう一方の層をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y≦１、X≠Y
＝０）で構成することにより、結晶性のよい超格子層を
形成することができる。また、ＡｌＧａＮは結晶成長中
にクラックが入りやすい性質を有している。そこで、超
格子層を構成するＡ層を膜厚１００オングストローム以
下のＡｌを含まない窒化物半導体層とすると、Ａｌを含
む窒化物半導体よりなるもう一方のＢ層を成長させる際
のバッファ層として作用し、Ｂ層にクラックが入りにく
くなる。そのため超格子層を積層してもクラックのない
超格子を形成できるので、結晶性が良くなり、素子の寿
命が向上する。これもまた一方の層をＩｎＸＧａ１−Ｘ
Ｎ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌＹＧａ１−
ＹＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）とした場合の利点であ
る。

【００１９】超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜
厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７
０オングストローム以下、最も好ましくは１０オングス
トローム以上、４０オングストローム以下の範囲に調整
する。１００オングストロームよりも厚いと弾性歪み限
界以上の膜厚となり、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。井戸層、障壁層の膜
厚の下限は特に限定せず１原子層以上であればよいが１
０オングストローム以上に調整することが望ましい。但
し、膜厚の厚い第１の層を超格子層で構成する場合には
７０オングストローム以下、膜厚が薄く、ｎ型不純物が
含まれる第２の層を超格子層とする場合には４０オング
ストローム以下にすることが望ましい。

【００２０】超格子層を構成する窒化物半導体層のバン
ドギャップエネルギーが互いに異なる場合、ｎ型不純物
はバンドギャップエネルギーの大きな方の層に多くドー
プするか、またはバンドギャップエネルギーの小さな方
をノンドープとして、バンドギャップエネルギーの大き
な方にｎ型不純物をドープする方が、閾値電圧、閾値電
流が低下しやすい傾向にある。

【００２１】重要なことに、第２の層よりも第１の層を
厚く成長させ、第１の層は０．１μｍ以上、さらに好ま
しくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２
０μｍ以下に調整することが望ましい。第１の層が０．
１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きい第２の層を厚
く成長させなければならず、コンタクト層としての第２
の層の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また
２０μｍよりも厚いと、第１の層自体に結晶欠陥が多く
なりやすい傾向にある。また第１の層を厚く成長させる
利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ
素子を作製した場合に、第１の層で熱が広がりやすくレ
ーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が
第１の層内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やす
くなる。

【００２２】一方、第２の層は０．２μｍ以上、４μｍ
以下に調整することが望ましい。０．２よりも薄いと、
後で負電極を形成する際に、第２の層を露出させるよう
にエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μ
ｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向に
ある。これは、第１の層、第２の層を超格子層で構成す
る場合も同様である。超格子層で第１の層、第２の層を
構成する場合には、それぞれの超格子層全体の層の膜厚
を指すことは言うまでもない。第１の層を超格子で２０
μｍ以上積むことは、非常に手間がかかり製造工程上不
向きである。但し、第２の層を超格子層で形成する場合
では４μｍ以上の膜厚で形成しても良いが、第１の層と
同様に厚膜で成長させると非常に手間が係る。

【００２３】

【実施例】以下実施例において本発明を詳説する。図２
は本発明の一実施例のレーザ素子の構造を示す模式的な
断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子
を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を
元に本発明の素子を説明する。なお、本明細書において
示す一般式ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮは単に窒化物
半導体の組成比を示すものであって、例えば異なる層が
同一の一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値
等が一致しているものではない。

【００２４】［実施例１］ サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０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２０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
（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ
（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡ
ｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。

【００２５】（バッファ層２１） 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。バッ
ファ層２０、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が、９００
℃以下の温度で、０．１μｍ未満、好ましくは数十オン
グストローム〜数百オングストロームで形成できる。こ
のバッファ層は基板と窒化物半導体との格子定数不正を
緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方
法、基板の種類等によっては省略することも可能であ
る。

【００２６】（第１の層２２） バッファ層２０成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０
５０℃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、キャリア濃
度１×１０１８／cm３のノンドープＧａＮよりなる第１
の層２２を５μｍの膜厚で成長させる。第１の層はＩｎ
ＸＡｌＹＧａ１−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。

【００２７】（第２の層２３） 続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガス
にシランガスを用い、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープ
したｎ型ＧａＮよりなる第２の層２３を１μｍの膜厚で
成長させる。この第２の層２３のキャリア濃度はドープ
量と同じ１×１０１９／cm３であった。特にＳｉのよう
な活性化率の高いｎ型不純物はドープした不純物量とほ
ぼ同じだけのキャリア濃度が得られるため、以下の説明
においてＳｉがドープされたｎ型窒化物半導体はＳｉの
ドープ量でもって、キャリア濃度が示されているものと
する。第２の層の組成もＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ
（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特
に問うものではなく、第１の層２２、第２の層２３を異
なる組成の窒化物半導体で構成しても良い。

【００２８】（クラック防止層２４） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、アンモニア、シランガス
を用い、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＩｎ0.1
Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層２４を５００オング
ストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層１
０はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧ
ａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体
層中にクラックが入るのを防止することができる。なお
このクラック防止層は１００オングストローム以上、
０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１
００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラッ
ク防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、
結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防
止層２４は成長方法、成長装置等の条件によっては省略
することもでき、特に第２の層２３を超格子構造とした
場合には省略できる。

【００２９】（ｎ側クラッド層２５） 次に温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリ
メチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用
い、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたｎ型Ａｌ0.25
Ｇａ0.75Ｎよりなるｎ側クラッド層２５を０．５μｍの
膜厚で成長させる。この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を成長させるこ
とが望ましく、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、１
μｍ以下で成長させることにより、結晶性の良いクラッ
ド層が形成できる。

【００３０】（ｎ側光ガイド層２６） 続いて、１０５０℃でＳｉを１×１０１９／cm３ドープ
したｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．２μ
ｍ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
の光ガイド層はノンドープでも良い。

【００３１】（活性層２７） 次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シラン
ガスを用いて活性層２７を成長させる。活性層２７は温
度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０１８／cm
３でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５
オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモ
ル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０１
８／cm３ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層
を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作
を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸
構造とする。活性層にドープする不純物は本実施例のよ
うに井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか
一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープする
と閾値が低下する傾向にある。

【００３２】（ｐ側キャップ層２８） 次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アン
モニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが
大きい、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ0.1
Ｇａ0.9Ｎ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２
８は好ましくはｐ型とするが、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型としても良
い。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。０．１μ
ｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層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。またキャリアがこのエ
ネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくな
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ＡｌＹＧａ１−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。

【００３３】（ｐ側光ガイド層２９） 続いて、１０５０℃で、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドー
プしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２６を０．２μｍ
の膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２９は、ｎ側
光ガイド層２６と同じく、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。なおこのｐ側光ガイド層は、ｐ型
不純物をドープしたが、ノンドープの窒化物半導体で構
成することもできる。

【００３４】（ｐ側クラッド層３０） 続いて１０５０℃で、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープ
したＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ側クラッド層３０を
０．５μｍの膜厚で成長させる。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、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を成長させることが望ましく、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以下で成長させると結晶
性の良いクラッド層が成長できる。

【００３５】本実施例のように量子構造の井戸層を有す
る活性層を有するダブルへテロ構造の半導体素子の場
合、その活性層２７に接して、活性層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半
導体よりなるキャップ層、好ましくはＡｌを含む窒化物
半導体よりなるｐ側キャップ層２８を設け、そのｐ側キ
ャップ層２８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャ
ップ層２８よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ
側光ガイド層２９を設け、そのｐ側光ガイド層２９より
も活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層２９よりも
バンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌ
を含む窒化物半導体よりなるｐ側クラッド層３０を設け
ることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層２８の
膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリ
アのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入さ
れた正孔が、トンネル効果によりキャップ層２８を通り
抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤ
の出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、キ
ャップ層２８のバンドギャップエネルギーが大きいた
め、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流
密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせ
ず、キャップ層２８で阻止されるため、キャリアが活性
層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。

【００３６】（ｐ側コンタクト層３１） 最後に、ｐ側クラッド層３０の上に、１０５０℃でＭｇ
を２×１０２０／cm３ドープしたＧａＮよりなるｐ側コ
ンタクト層３１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３１はｐ型のＩｎＸＡｌＹＧ
ａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成する
ことができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれ
ば、ｐ電極３２と最も好ましいオーミック接触が得られ
る。なお、ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得
られるｐ電極３２の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、
Ａｇ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。さらに、ｐ
側コンタクト層３１の膜厚は５００オングストローム以
下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最
も好ましくは２００オングストローム以下に調整するこ
とが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ型窒化物半導
体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整するこ
とにより、さらに抵抗率が低下するため、閾値での電
流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素が
多くなって抵抗率が低下しやすい傾向にある。さらに、
このコンタクト層３１を薄くする効果には、次のような
ことがある。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ側クラ
ッド層に、膜厚が５００オングストロームより厚いｐ型
ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層が接して形成されてお
り、仮にクラッド層とコンタクト層の不純物濃度が同じ
で、キャリア濃度が同じである場合、ｐ側コンタクト層
の膜厚を５００オングストロームよりも薄くすると、ク
ラッド層側のキャリアがコンタクト層側に移動しやすく
なって、ｐ側コンタクト層のキャリア濃度が高くなる傾
向にある。そのためキャリア濃度の高いコンタクト層に
電極を形成すると良好なオーミックが得られる。

【００３７】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型不純物がドープされた層
をさらに低抵抗化する。

【００３８】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装置で最上層の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。特に活性層よりも上にあるＡｌを含む窒化物半導
体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の
発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやす
く、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面に
マスクを形成し、図２に示すように、ストライプ状のリ
ッジに対して左右対称にして、ｎ電極３３を形成すべき
第２の層２３の表面を露出させる。ｎ電極３３の材料と
してはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金
属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。

【００３９】次にｐ側コンタクト層３１の表面にＮｉと
Ａｕよりなるｐ電極３２をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３３をストライプ状の第
２の層２３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８
０％以上の面積をいう。このようにｐ電極３２に対して
左右対称に第２の層２３を露出させて、その第２の層２
３のほぼ全面にｎ電極を設けることも、閾値を低下させ
る上で非常に有利である。

【００４０】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板２０をラッピングし、基板の厚さを５０μｍと
する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリ
シングして基板表面を鏡面状とする。

【００４１】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ
２よりなる誘電体超格子を形成し、最後にｐ電極３２に
平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次
にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対
向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極
をボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度３．０ｋＡ／cm２、閾
値電圧４．５Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確
認され、３０時間以上の寿命を示した。

【００４２】［実施例２］ 実施例１において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを１×
１０１９／cm３ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる層
を２０オングストローム成長させ、続いてＳｉを同量で
ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２０オングストロー
ム成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰
り返し、キャリア濃度１×１０１９／cm３の総膜厚０．
８μｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。

【００４３】次に、クラック防止層２４を成長させず
に、実施例１と同様にして第２の層２３の上に直接ｎ側
クラッド層２５を成長させ、後は同様にして図２のレー
ザ素子の構造となるように窒化物半導体を積層する。

【００４４】成長後、リッジを形成した後、第２の層２
３の表面をエッチングして露出させる。なお第２の層２
３の表面にはＳｉドープＧａＮよりなる井戸層が露出し
た。後は実施例１と同様にして電極を形成してレーザ素
子としたところ、室温において、閾値電流密度２．８ｋ
Ａ／cm２、閾値電圧４．３Ｖで、発振波長４０５ｎｍの
連続発振が確認され、４０時間以上の寿命を示した。

【００４５】［実施例３］ 実施例２において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを２×
１０１９／cm３ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる層
を３０オングストローム成長させ、続いてノンドープの
ＧａＮよりなる層を３０オングストローム成長させる。
この操作をそれぞれ２００回繰り返し、総膜厚１．２μ
ｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。後は実
施例２と同様にレーザ素子を作製したところ、閾値電流
密度２．７ｋＡ／cm２、閾値電圧４．１Ｖで、発振波長
４０５ｎｍの連続発振が確認され、５０時間以上の寿命
を示した。

【００４６】このように超格子層を第２の層２３とし
て、ｎ電極を形成する層とすると閾値電圧が低下する傾
向にある。これはＨＥＭＴに類似した効果が現れたので
はないかと推察される。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窒化物半導体層と、バンド
ギャップが小さいノンドープ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、ノンド
ープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、
バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子
（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスが
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。従って超格
子を電極形成時のコンタクト層とすると、移動度が大き
くなって素子の電圧が低下すると推察されるが詳しいこ
とは不明である。

【００４７】［実施例４］ 実施例１において、第１の層２２成長時に、ノンドープ
のｎ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オングストローム、
次にノンドープのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる障壁層
を６０オングストローム成長させる。この操作をそれぞ
れ２００回繰り返し、平均キャリア濃度５×１０１７／
cm３の総膜厚２μｍの超格子層よりなる第１の層２２を
形成する。

【００４８】次に実施例１と同様にして、Ｓｉを１×１
０１９／cm３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層２
３を１μｍの膜厚で成長させ、その上にクラック防止層
２４を成長させ、後は実施例１と同様にしてレーザ素子
を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有する
レーザ素子が作製できた。

【００４９】［実施例５］ 実施例１において、第１の層成長時に、Ｓｉを１×１０
１８／cm３ドープしたｎ型ＧａＮとする他は実施例１と
同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室温に
おいて、閾値電流密度３．１ｋＡ／cm２、閾値電圧４．
６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、２
５時間以上の寿命を示した。

【００５０】［実施例６］ この実施例は図１のＬＥＤ素子を元に説明する。実施例
１と同様にしてサファイアよりなる基板１０の上に、ノ
ンドープＧａＮよりなるバッファ層１１を６００℃で成
長させた後、バッファ層１１の上にキャリア濃度１×１
０１８／cm３のノンドープｎ型ＧａＮよりなる第１の層
１２を４μｍ成長させ、次にＳｉを１×１０１９／cm３
ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層１３を１μｍ成
長させる。

【００５１】次にＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる膜厚３０オ
ングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層１４
を成長させ、さらに、Ｍｇを５×１０１９／cm３ドープ
したＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラ
ッド層１５を０．５μｍ成長させ、その上に、Ｍｇを５
×１０１９／cm３ドープしたＭｇドープｐ型ＧａＮより
なるｐ側コンタクト層１６を０．２μｍ成長させる。

【００５２】成長後、ウェーハを反応容器から取り出し
実施例１と同様にして、アニーリングを行った後、ｐ方
コンタクト層１６側からエッチングを行いｎ電極１９を
形成すべき第２の層１３の表面を露出させる。最上層の
ｐ側コンタクト層１６のほぼ全面に膜厚２００オングス
トロームのＮｉ−Ａｕよりなる透光性のｐ電極１７を形
成し、そのｐ電極１７の上にＡｕよりなるパッド電極１
８を形成する。露出した第２の層の表面にもＴｉ−Ａｌ
よりなるｎ電極１９を形成する。

【００５３】以上のようにして電極を形成したウェーハ
を３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたと
ころ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示
し、Ｖｆは３．１Ｖであった。これに対し、第１の層
と、第２の層を単一のＳｉドープＧａＮ（Ｓｉ：１×１
０１９／cm３）で構成したＬＥＤ素子のＶｆは３．４Ｖ
であった。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ますノンドープの窒化物半導体よりなる第１の層の上
に、ｎ型不純物をドープした第２の層を形成して、その
第２の層に負電極を形成すると、結晶性が良くキャリア
濃度の高い第２の層が形成できるために、閾値電流、電
圧が低下し、非常の効率の良い素子を実現できる。さら
に本発明の素子をレーザ素子に適用することにより、閾
値電流、閾値電圧が低い、室温で連続発振する短波長の
レーザ素子を得ることができる。このようなレーザ素子
が得られたことにより、ＣＶＤ、光ファイバー等の光通
信用の光源として、非常に有意義である。さらにまた本
発明は窒化物半導体を用いたＬＥＤ、受光素子等の他の
光デバイスにも適用可能である。例えばＬＥＤ素子に本
発明を適用すると、Ｖｆ（順方向電圧）が低下した非常
に効率の高いＬＥＤを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を
示す模式断面図。

【図２】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【符号の説明】

１０、２０・・・・基板 １１、２１・・・・バッファ層 １２、２２・・・・第１の層 １３、２３・・・・第２の層 １４、２７・・・・活性層 １５、３０・・・・ｐ側クラッド層 １６、３１・・・・ｐ側コンタクト層 １７、３２・・・・ｐ電極 １９、３３・・・・ｎ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蝶々 一幸 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜 化学工業株式会社内 (72)発明者 中村 修二 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜 化学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−215034（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−293897（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−302929（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−321374（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94784（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＮ基板と、該ＧａＮ基板上に、ｎ型
   不純物がドープされていない膜厚０．１μｍ以上のアン
   ドープＧａＮよりなる第１の層とを有し、さらに該第１
   の層上に、ｎ型不純物が１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１
   ０^２１／ｃｍ^３ドープされ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ
   以下の窒化物半導体よりなり、負電極が形成される第２
   の層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 【請求項２】 ＧａＮ基板と、該ＧａＮ基板上に、ｎ型
   不純物がドープされ、そのｎ型不純物濃度が小さい膜厚
   ０．１μｍ以上のＧａＮよりなる第１の層とを有し、さ
   らに該第１の層上に、前記第１の層よりｎ型不純物濃度
   が大きい窒化物半導体よりなり膜厚が０．２μｍ以上４
   μｍ以下の第２の層を有し、その第２の層に負電極が形
   成されたことを特徴とする窒化物半導体素子。