JP3464629B2 - ｐ型コンタクト電極装置および発光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー、
発光ダイオード等の発光装置に使用できる、ｐ型コンタ
クト電極装置、およびこれを利用した発光装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】青・緑発光素子として、ＺｎＳｅ系半導
体レーザーが研究されてきている（「ＯＰＴＲＯＮＩＣ
Ｓ」１９９７年、Ｎｏ．４ １１６−１１９頁「Ｚｎ−
Ｓｅ系半導体レーザ」）。ｐ型ＺｎＳｅの価電子が大き
いのを克服するために、ｐ−ＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ系装置
が、ＺｎＳｅに基づいたＩＩ−ＶＩ青緑色レーザーダイ
オードにおけるｐコンタクト層に使用されてきており、
しきい値電圧は５ボルト未満まで下がってきている。し
かし、ＺｎＳｅとｐ−ＺｎＴｅとの間では７％もの大き
さの格子不整合が存在するために、ミスフィット転移と
歪みとが生じ、欠陥密度の上昇をもたらしてきた。

【０００３】ＺｎＳｅレーザーダイオードの劣化機構に
ついての以前の研究が示唆するところによれば、このコ
ンタクト層によって生ずる歪みが重要な役割を果たして
おり、電極によって誘起される歪みを減少させることに
よって、長寿命がもたらされる。このような経験を踏ま
えると、ＺｎＳｅとＺｎＴｅとの間の格子不整合（７．
１％）が大きいことによって生ずる歪みが、発光ダイオ
ードの劣化機構に重要な役割を演じているものとも推定
できる。たとえ最初には層に転移がない場合であって
も、長時間経過すると、電流注入の間に、大きな格子不
整合によってミスフィット転移が引き起こされ、ミスフ
ィット転移が下地層へと導入されるものと予期できる。

【０００４】Ｂｅベースのレーザー構造体が、ＩＩ−Ｖ
Ｉ ＺｎＳｅベースの青緑色レーザー装置の寿命を長く
する目的で提案されており、室温においては、ｐコンタ
クト層として、ＺｎＳｅ／ｐ−ＺｎＴｅの代わりに、Ｚ
ｎＳｅ／ＢｅＴｅ超格子を使用することが記載されてい
る（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗ
ｔｈ）１８４／１８５、（１９９８年）１−１０頁）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、単層のＢ
ｅＴｅエピタキシャル層をｐ型コンタクト層として使用
することを検討した。なぜなら、ＢｅＴｅエピタキシャ
ル層は、ｐ型ドープ性が高く（約１０²⁰ｃｍ^-3）、Ｇａ
Ａｓ基板に対する格子不整合が低いからである（０．５
４％）。

【０００６】しかし、単層のＢｅＴｅ層を、ｐ型コンタ
クト層として使用しようとすると、次の問題があること
が分かった。

【０００７】例えば、発光層のｐ型クラッド層の上にＢ
ｅＴｅエピタキシャル層を形成して中間製品を得た後
に、この中間製品を空気中で一カ月放置すると、（００
４）Ｘ線ロッキングカーブのＢｅＴｅのピークが完全に
消失した。これは、Ｂｅカルコゲナイトが吸湿性を有し
ていることから、吸湿後に酸化したものと思われる。

【０００８】本発明の課題は、ＺｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ化
合物半導体におけるｐ型コンタクト電極装置であって、
ｐ型ドープ性が高く、ＧａＡｓ基板に対する格子不整合
が低いＢｅＴｅ層をコンタクト層として使用しつつ、そ
の大気中での酸化を防止することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＺｎＳｅ系Ｉ
Ｉ−ＶＩ化合物半導体におけるｐ型コンタクト電極装置
であって、ｐ−ＢｅＴｅからなるコンタクト層と、コン
タクト層上のｐ−ＺｎＳｅからなるキャップ層と、キャ
ップ層上の電極とを備え、前記キャップ層の厚さが３０
−７０オングストロームであることを特徴とする、ｐ型
コンタクト電極装置に係るものである。

【００１０】本発明者は、ｐ−ＢｅＴｅからなるコンタ
クト層を設けることによって、その高いｐ型ドープ性
と、ＧａＡｓ基板やｎ−ＺｎＳｅ基板に対する高い格子
整合を利用しつつ、コンタクト層上にｐ−ＺｎＳｅから
なるキャップ層を設けることによって、コンタクト層の
酸化を防止することに成功した。これによって、２−３
週間はコンタクト層に劣化が見られないことが分かっ
た。

【００１１】キャップ層の厚さは、コンタクト層の酸化
をその全面にわたって防止するという観点からは、３０
オングストローム以上にする。また、ｐ型コンタクト電
極装置が、好ましいオーミックな電流−電圧特性を示す
ようにするためには、キャップ層の厚さを７０オングス
トローム以下とし、好ましくは６０オングストローム以
下とする。

【００１２】キャップ層に直接接触する電極の材質は、
金、白金、パラジウムおよびこれらの合金であることが
好ましい。

【００１３】特に、電極が金によって形成されている場
合には、ｐ型コンタクト電極装置の全体が、きわめて直
線的な良好なオーミックな電流−電圧特性を示すことを
見いだした。

【００１４】即ち、キャップ層は、高度にｐドープされ
たＢｅＴｅからなるコンタクト層に対して、電極からホ
ールを注入する際に、障壁として作用する可能性があ
る。一次元の長方形のエネルギー障壁に対しては、障壁
の高さや厚さがいくらであっても、障壁の厚さが減少す
るのにつれて、量子機械遷移確率は単調に増加する。

【００１５】本発明者は、ＺｎＳｅからなるキャップ層
を障壁として取り扱い、キャップ層の厚さに着目した。
そして、図１に概略を示すように、ＧａＡｓ基板の上
に、分子線エピタキシー法によって、ＢｅＴｅからなる
コンタクト層と、窒素ドープされたＺｎＳｅからなるキ
ャップ層とを育成し、金からなる電極をキャップ層上に
育成した。そして、ＺｎＳｅからなるキャップ層の状態
について、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を使用して観測し
た。また、遷移線型モデル（ＴＬＭ）パターンを使用し
て、金／ｐ−ＺｎＳｅ／ｐ−ＢｅＴｅコンタクト電極装
置の比接触抵抗を測定した。

【００１６】ＢｅＴｅ：Ｎエピタキシャル層を、分子線
エピタキシー法によって、Ｔｅ（６Ｎ）およびＢｅ（４
Ｎ）源原料を使用して、（００１）に配向したＧａＡｓ
基板上に育成した。本発明者は、ＧａＡｓ緩衝層なし
に、ＢｅＴｅエピタキシャル層を系統的に育成した。

【００１７】この育成条件は、以下のとおりである。育
成温度を３００℃とし、育成速度を典型的には０．１μ
ｍ／時間とした。陰イオン（Ｔｅ）に対する陽イオン
（Ｂｅ）の比率を調節し、拡散（２×１）反射高エネル
ギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンによって阻害され
たように、わずかに陰イオン安定化面を有するようにし
た。

【００１８】本発明者が見いだしたところでは、Ｘ線回
折法および電子間力顕微鏡での測定によれば、Ｔｅ安定
化された育成条件の下で、ＢｅＴｅに対する最適の育成
条件に到達した。窒素ドーピングのために、高周波プラ
ズマ源を採用した。ヌードイオンゲージの読み取り値が
５．０×１０^-7−１．２××１０^-7Ｔｏｒｒの範囲内に
なるように、窒素流量を調節し、窒素プラズマの出力を
２５０Ｗに保持した。ＺｎＳｅ：Ｎキャップ層を、この
エピタキシャル層の上に、育成後の酸化を防止するため
にに、堆積させた。キャップ層の厚さを、高分解能透過
電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ： ＪＥＭ−４０００ＥＸ顕微
鏡）を使用して評価した。比接触抵抗を、ＴＬＭパター
ンを使用して評価し、ＴＬＭパターンは、標準的なホト
リソグラフィー法によって生成させた。金電極とキャッ
プ層との間のコンタクト領域の輪郭を形成するために
は、寄生電流を抑制するために化学的エッチングを使用
する代わりに、ＳｉＯ２を堆積させた。

【００１９】ＢｅＴｅ：Ｎは、１．３×１０¹⁹ｃｍ^-3に
高度にドープされているが、１００（ａｒｃ ｓｅｃ）
未満の（００４）Ｘ線ロッキングカーブの半値幅に匹敵
する結晶性を示した。こうしたＢｅＴｅ：Ｎの高い結晶
性は、ＧａＡｓ基板との格子不整合が低いこと（０．４
７％）と、Ｂｅ源の蒸気圧が低いことからフラックス制
御の再現可能性が高いことによる。

【００２０】種々の厚さのキャップ層を、ｐ−ＢｅＴｅ
層上に育成した。ｐ−ＺｎＳｅ／ｐ−ＢｅＴｅの電気的
特性を、ｖａｎ ｄｅｌ Ｐａｕｗ法によって評価し
た。典型的なホール濃度と移動度とは、１．９×１０¹⁹
ｃｍ^-3および４６ｃｍ ²／Ｖｓであった。原子層エピタ
キシー法を使用して、ＺｎＳｅキャップ層の厚さを正確
に制御し、これらの厚さをＴＥＭによって確認した。金
からなるコンタクト電極の厚さは約１５００オングスト
ロームであり、電子ビーム蒸着装置内で連続的に蒸発さ
せた。

【００２１】これらの各実験のうち、図１には、キャッ
プ層の厚さを５０μｍにした場合（グラフ（ａ））と、
１４０μｍにした場合（グラフ（ｂ））とについて、電
流−電圧曲線を示した。図１のグラフ（ａ）から分かる
ように、キャップ層の厚さが５０μｍの場合には、きわ
めて良好なオーミックコンタクトが達成されていた。し
かし、ｐ−ＺｎＳｅキャップ層の厚さを１４０オングス
トロームにした場合には、金とキャップ層との界面にお
いて大きなショットキーバリア（約１．６ｅＶ）が発生
することから、非直線的な電流−電圧曲線が得られた。
こうした電流−電圧曲線は、キャップ層の厚さに強く依
存しており、具体的には前述したような厚さであること
が好ましいことが分かった。

【００２２】こうしたオーミックな電流−電圧特性の発
現に対しては、二つの要素が寄与していることが分かっ
た。第一は、主要な電流が、電極とキャップ層との間の
ショットキーバリアを通したトンネルホール注入からな
ることである。第二は、金のキャップ層中への拡散によ
って、キャップ層を通してｐ−ＢｅＴｅのコンタクト層
へとトンネルホール注入電流が促進されていることであ
る。

【００２３】キャップ層の厚さと金の拡散深さとの関係
を調査するために、ＧａＡｓ基板上に、コンタクト層
（厚さ約５００オングストローム）およびキャップ層
（厚さ約５０オングストローム）を育成し、金からなる
電極（厚さ１５００オングストローム）を堆積させた。

【００２４】図２は、この試料におけるＴＥＭの結果を
示す写真である。キャップ層の厚さは約５０オングスト
ロームに正確に制御されており、金は、キャップ層を通
して、キャップ層とコンタクト層との界面に至るまで拡
散していた。図２によると、キャップ層とコンタクト層
との界面領域付近において、金の濃度の高低に起因する
特徴的なコントラストの差を識別することができる。ま
た、この界面からコンタクト層（ｐ−ＢｅＴｅ）の浅い
領域内において、多数のモアレパターンを観測できる。
このモアレパターンは、界面からの金の濃度勾配を反映
しており、金の自己拡散を示している。コンタクト層中
へと金が拡散することによって、金が高度に拡散したキ
ャップ層と、コンタクト層との間に、新しいジャンクシ
ョンが形成されている。

【００２５】コンタクト層中への拡散深さは、キャップ
層の厚さによって制限を受けていた。これは、電流−電
圧曲線が、図１に示すように、キャップ層の厚さの影響
を受けることを意味している。この金が高度にドープさ
れたキャップ層とコンタクト層との間の価電子帯のオフ
セットは、約１０^-19 ｃｍ^-3以上に高度にドープされた
コンタクト層によって十分に打ち勝つことができ、この
濃度のコンタクト層では、欠損幅は、キャリアが障壁を
トンネル効果によって通過するのを許容するのには十分
なほどに小さい。

【００２６】以上のように、本発明の好適な実施形態の
ｐ型コンタクト電極装置は、まったく合金プロセスを経
ることなく、コンタクト層中への金の自己拡散によっ
て、オーミック特性を実現できる。

【００２７】本発明者は、低抵抗のオーミックコンタク
トを、キャップ層（ｐ−ＺｎＳｅ：厚さ約５０オングス
トローム）、コンタクト層（ｐ−ＢｅＴｅ：厚さ約０．
５μｍ）およびＧａＡｓ基板に対して形成し、ＴＬＭ測
定用試料を作製した。具体的には、（１）標準的なホト
リソグラフィー法およびリフトオフ法によって、ＳｉＯ
２を堆積させることによって（厚さ２０００オングスト
ローム）、コンタクト領域の輪郭を形成し、（２）最後
に、金（厚さ１５００オングストローム）を、輪郭形成
した後のコンタクト領域上へと堆積させた。

【００２８】ここで、図３（ａ）に概略的に示すよう
に、本発明者は、試料２１に、二種類の寸法のコンタク
ト領域２２、２３を設計した。即ち、５００×５００μ
ｍ² と８００×８００μｍ² とである。小さい方のコン
タクト領域２３は、キャップ層の表面に対して接触して
おり、大きい方のコンタクト領域２２は、チップに対し
て容易に接触する。コンタクト間の抵抗Ｒを、電極の間
隔Ｌの関数として、標準的な直流技術を室温で採用し
て、−１．５−＋１．５ボルトの範囲内で測定した。電
極間の抵抗（３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ）の関数
として、全抵抗を、図３に中実の正方形としてプロット
する。また、遷移線型モデルの予測に従い、最小二乗法
で近似した結果を示す（実線）。

【００２９】これらの結果から分かるように、本発明の
ｐ型コンタクト電極装置は、ＺｎＳｅをベースとする化
合物半導体発光装置のｐ型コンタクト構造として有用で
ある。

【００３０】キャップ層内への金の拡散に対しては、前
述したようにキャップ層の厚さを７０μｍ以下とするこ
とがもっとも効果的である。しかし、キャップ層の全体
に金が拡散し、かつコンタクト層の浅い表面に金が拡散
していれば、キャップ層の厚さが７０μｍを超えている
場合であっても、前述したトンネルホール注入電流によ
る寄与は得られる。

【００３１】本発明のＺｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ化合物半導
体発光装置は、前記のｐ型コンタクト電極装置を備えて
いれば、他のｐ−型クラッド層、発光活性層、ｎ型クラ
ッド層、基板は特に限定はされない。

【００３２】ただし、基板上のｎ型クラッド層は、少な
くとも一層のｎ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓｅ化合物層を備え
ることが好ましく、発光活性層は、ＢｅＺｎＣｄＳｅま
たはＢｅＺｎＳｅＴｅからなることが好ましく、ｐ型ク
ラッド層は、少なくとも一層のｐ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓ
ｅ化合物層を備えることが好ましく、基板は、ｎ−Ｇａ
Ａｓまたはｎ−ＺｎＳｅからなることが好ましい。

【００３３】図４は、こうした発光装置１を示す模式図
である。ｎ−ＧａＡｓまたはｎ−ＺｎＳｅからなる基板
１２の下には、ｎ型コンタクト層１３が設けられてい
る。基板１２上には、順に、ｎ型クラッド層１１、発光
活性層１０、ｐ型クラッド層９、コンタクト層５、キャ
ップ層４、電極３、６、７、８が形成されている。２は
本発明のｐ型コンタクト電極装置である。

【００３４】ｎ型クラッド層１１は、特に好ましくは、
ｎ−（ＢｅＺｎ）Ｓｅ層１８、ｎ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓ
ｅ層１７、（ＢｅＺｎ）Ｓｅ層１６からなる。ただし、
各層の材質は、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体発光装置におい
て、当業者がｎ型クラッド層の材質として知っている材
質を使用できる。

【００３５】ｐ型クラッド層９は、特に好ましくは、ｐ
−（ＢｅＺｎ）Ｓｅ層１５、ｐ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓｅ
層１４からなる。ただし、各層の材質は、ＩＩ−ＶＩ化
合物半導体発光装置において、当業者がｐ型クラッド層
の材質として知っている材質を使用できる。

【００３６】電極層３、６、７、８は、それぞれ、金、
白金またはパラジウムからなる金属単層膜あるいは金属
多層膜、あるいは金、白金、パラジウムの合金膜が好ま
しく、金およびまたは白金からなるものが特に好まし
い。

【００３７】本発明の発光装置は、青緑色、青色の半導
体レーザー、発光ダイオードとして好適に利用できる。
また、本発明の発光装置によって得た青色、青緑色の発
光を、第二高調波、第三高調波などの更に短波長の光へ
と変換できる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｚ
ｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ化合物半導体におけるｐ型コンタク
ト電極装置であって、ｐ型ドープ性が高く、ＧａＡｓ基
板に対する格子不整合が低いＢｅＴｅ層をコンタクト層
として使用しつつ、その大気中での酸化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のｐ型コンタクト電極装置のキャップ層
の電流−電圧特性を示しており、グラフ（ａ）とグラフ
（ｂ）との間ではキャップ層の厚さを変化させている。

【図２】本発明のｐ型コンタクト電極装置の試験試料に
おけるＴＥＭの結果を示す写真である。

【図３】（ａ）は、試験用試料２１の平面的構成を示す
概略図であり、（ｂ）は、（ａ）における電極間間隔と
抵抗との関係を示すグラフである。

【図４】本発明の発光装置１を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 発光装置 ２ ｐ型コンタクト電極装置
３電極 ４ キャップ層 ５ コンタ
クト層 ９ ｐ型クラッド層 １０ 発光
活性層 １１ ｎ型クラッド層 １２ 基
板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−150337（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−8440（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−58417（ＪＰ，Ａ) 国際公開98／36460（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＺｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ化合物半導体におけ
   るｐ型コンタクト電極装置であって、 ｐ−ＢｅＴｅからなるコンタクト層と、コンタクト層上
   のｐ−ＺｎＳｅからなるキャップ層と、キャップ層上の
   電極とを備え、 前記キャップ層の厚さが３０−７０オングストロームで
   あることを特徴とする、ｐ型コンタクト電極装置。
2. 【請求項２】前記電極が金からなることを特徴とする、
   請求項１に記載のｐ型コンタクト電極装置。
3. 【請求項３】前記電極が金からなり、前記キャップ層内
   に金が拡散していることを特徴とする、請求項１に記載
   のｐ型コンタクト電極装置。
4. 【請求項４】ＺｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ化合物半導体発光装
   置において、 請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載のｐ型コン
   タクト電極装置を備えていることを特徴とする、発光装
   置。
5. 【請求項５】ｎ−ＧａＡｓまたはｎ−ＺｎＳｅからなる
   基板、 この基板上のｎ型クラッド層であって、少なくとも一層
   のｎ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓｅ化合物層を備えるｎ型クラ
   ッド層、 このｎ型クラッド層上のＢｅＺｎＣｄＳｅまたはＢｅＺ
   ｎＳｅＴｅからなる発光活性層、および発光活性層上の
   ｐ型クラッド層であって、少なくとも一層のｐ−（Ｂｅ
   ＭｇＺｎ）Ｓｅ化合物層を備えるｐ型クラッド層を備え
   ており、 前記ｐ型コンタクト電極装置の前記コンタクト層が前記
   ｐ−（ＢｅＭｇＺｎ）Ｓｅ化合物層に接触していること
   を特徴とする、請求項４に記載の発光装置。