JPH10290047A

JPH10290047A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JPH10290047A
Application number: JP5123297A
Authority: JP
Inventors: Takao Yamada; 孝夫山田; Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Kazuyuki Chiyouchiyou; 一幸蝶々; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JP3434162B2

Abstract

(57)【要約】【目的】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し、具体的に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。【構成】基板上部に、ｎ不純物がドープされていない
か、若しくはｎ型不純物濃度が小さい窒化物半導体より
なる第１の層を有し、その第１の層上部に、第１の層よ
りもｎ型不純物濃度が大きい窒化物半導体よりなる第２
の層を有し、その第２の層に負電極が形成されているこ
とにより、結晶性が良く高キャリア濃度の第２の層が形
成できるため、負電極とのオーミック性が良くなり、素
子の効率が向上する。

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（Ｉｎ_X
Ａｌ_YＧａ_1-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
発明の窒化物半導体素子は２種類の態様よりなり、その
第１の態様は、基板上部に、ｎ型不純物がドープされて
いない膜厚０．１μｍ以上の窒化物半導体よりなる第１
の層を有し、その第１の層上部に、ｎ型不純物がドープ
された窒化物半導体よりなる第２の層を有し、その第２
の層に負電極が形成されてなることを特徴とする。

【０００８】第２の態様は基板上部に、ｎ型不純物濃度
が小さい膜厚０．１μｍ以上の窒化物半導体よりなる第
１の層を有し、その第１の層上部に、第１の層よりもｎ
型不純物濃度が大きい第２の層を有し、その第２の層に
負電極が形成されてなることを特徴とする。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。

【０００９】さらにまた本発明の窒化物半導体素子は、
前記第１の層、及び前記第２の層の内の少なくとも一方
の層は、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（以
下、超格子層という。）よりなることを特徴とする。歪
み超格子層を構成する窒化物半導体層の好ましい膜厚は
７０オングストローム以下、さらに好ましくは１０オン
グストローム以上、４０オングストローム以下に調整す
る。窒化物半導体層の膜厚を薄くすることにより、弾性
歪み限界以下の膜厚となるため、窒化物半導体層の結晶
欠陥、クラックが少なくなって結晶性が飛躍的に向上す
ることにより、素子寿命が長くなり、信頼性の高い素子
を実現できる。

【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１×１０¹⁷
／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／cm
³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／cm
³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Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、次の層
（Ｂ層）をＡｌ_YＧａ_1-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Ｉｎ _XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）で
構成し、Ｂ層をＩｎ_ZＡｌ_1-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Ａｌ_Y
Ｇａ_1-YＮ（０≦Y≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎ_ZＡｌ_1-Z
Ｎ（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Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう
一方の層をＡｌ_YＧａ_1-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Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦
１）とし、もう一方の層をＡｌ_YＧａ_1-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Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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、ＧａＡｓ、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、Ｇ
ａＮ、ＡｌＧａＮ等が、９００℃以下の温度で、０．１
μｍ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、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_XＡｌ_YＧａ_1-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Ｔ
ＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓ
ｉ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１×１０ ¹⁹／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Ｉｎ
_XＡｌ_YＧａ_1-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２
２、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８０
０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（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Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ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１０はＩｎを含むｎ型の
窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮ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。１００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１０５
０℃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１×１０
¹⁹／cm³ドープしたｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ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、１μｍ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０．２μｍ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８×１０ ¹⁸／cm³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８×１０¹⁸／cm³ドープしたＩｎ0.01Ｇ
ａ0.95Ｎ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１０
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（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Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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２８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２
８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Ａｌ_YＧａ_1-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、Ｉ
ｎＧａＮ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Ａｌ0.25Ｇａ0.7
5Ｎ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、Ａ
ｌ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、２
μｍ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Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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３
００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ＴｉＯ₂
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Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ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１×１０
¹⁹／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Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ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１．２μｍ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２３
を１μｍの膜厚で成長させ、その上にクラック防止層２
４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１×１０¹⁸／cm³ドープしたｎ型Ｇａ
Ｎ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３．１ｋ
Ａ／cm²、閾値電圧４．６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの
連続発振が確認され、２５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１×１０¹⁸／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Ｓ
ｉ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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上部に、ｎ型不純物がドープされて
いない膜厚０．１μｍ以上の窒化物半導体よりなる第１
の層を有し、その第１の層上部に、ｎ型不純物がドープ
された窒化物半導体よりなる第２の層を有し、その第２
の層に負電極が形成されてなることを特徴とする窒化物
半導体素子。
【請求項２】基板上部に、ｎ型不純物濃度が小さい膜
厚０．１μｍ以上の窒化物半導体よりなる第１の層を有
し、その第１の層上部に、第１の層よりもｎ型不純物濃
度が大きい第２の層を有し、その第２の層に負電極が形
成されて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の層、及び前記第２の層の内の
少なくとも一方の層は、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
み超格子層よりなることを特徴とする請求項１または２
に記載の窒化物半導体素子。