JP2001148532A - 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体レーザ及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極構造における低接触抵抗を再現性良く得
られる３族窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 基板と、基板上に順に積層された３族窒
化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層と、結晶層のうちの
最表面層に接触して設けられた金属電極と、を備えた窒
化物半導体レーザであって、最表面層を金属電極ととも
に挟む結晶層は高不純物濃度結晶層であり、高不純物濃
度結晶層は高不純物濃度結晶層の直下の結晶層及び最表
面層の２族不純物の濃度より大なる濃度の２族不純物を
含有する。
られる３族窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 基板と、基板上に順に積層された３族窒
化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層と、結晶層のうちの
最表面層に接触して設けられた金属電極と、を備えた窒
化物半導体レーザであって、最表面層を金属電極ととも
に挟む結晶層は高不純物濃度結晶層であり、高不純物濃
度結晶層は高不純物濃度結晶層の直下の結晶層及び最表
面層の２族不純物の濃度より大なる濃度の２族不純物を
含有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３族窒化物半導体
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、同
材料系を用いた半導体レーザ素子の作製方法に関する。
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、同
材料系を用いた半導体レーザ素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは、幅数μm程度のストラ
イプ状の部分に電流を注入して動作させる。従って、電
流を供給する電極部分の電流密度がＬＥＤ（発光ダイオ
ード）とは比較にならないほど高い。半導体レーザのオ
ーミック電極を達成するため、電極部分の接触抵抗の低
減、半導体及び金属間の高い密着性、ボンダビリティ、
長期安定性が求められている。
イプ状の部分に電流を注入して動作させる。従って、電
流を供給する電極部分の電流密度がＬＥＤ（発光ダイオ
ード）とは比較にならないほど高い。半導体レーザのオ
ーミック電極を達成するため、電極部分の接触抵抗の低
減、半導体及び金属間の高い密着性、ボンダビリティ、
長期安定性が求められている。
【０００３】低い接触抵抗を得るには、バンドギャップ
の小さな材質で下地半導体層を構成すると共に、出来る
限りキャリア濃度を高くする必要がある。このため、結
晶成長最上層のコンタクト層を、ＧａＡｌＡｓ系半導体
レーザではＧａＡｓで、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ
ではＩｎＧａＡｓＰで構成するのが一般的である。ｐ型
キャップ層に対しては有機金属化学気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ）、Ｚｎ拡散法などによりキャリアの高濃度化す
る。さらに、金属電極形成後に合金化も行われる場合が
ある。
の小さな材質で下地半導体層を構成すると共に、出来る
限りキャリア濃度を高くする必要がある。このため、結
晶成長最上層のコンタクト層を、ＧａＡｌＡｓ系半導体
レーザではＧａＡｓで、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ
ではＩｎＧａＡｓＰで構成するのが一般的である。ｐ型
キャップ層に対しては有機金属化学気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ）、Ｚｎ拡散法などによりキャリアの高濃度化す
る。さらに、金属電極形成後に合金化も行われる場合が
ある。
【０００４】ＧａＮ系半導体レーザの場合、ｐ側電極部
分の接触抵抗が高く、更にレーザ発振に必要な電流密度
（閾電流密度）も従来の材料系半導体レーザの場合より
高い。このため、ＧａＮ系半導体レーザ素子の駆動電圧
が増大し、それに起因して素子の発熱が大きくなる。Ｇ
ａＮ系半導体レーザ素子の発熱が増加することにより、
素子内部の温度が上昇し素子の寿命を短縮してしまう。
分の接触抵抗が高く、更にレーザ発振に必要な電流密度
（閾電流密度）も従来の材料系半導体レーザの場合より
高い。このため、ＧａＮ系半導体レーザ素子の駆動電圧
が増大し、それに起因して素子の発熱が大きくなる。Ｇ
ａＮ系半導体レーザ素子の発熱が増加することにより、
素子内部の温度が上昇し素子の寿命を短縮してしまう。
【０００５】一般に、金属及びｐ型半導体の良好なオー
ミック接触を得るには、第１の方法として、半導体の価
電子帯及び真空準位間のエネルギ差よりも大きな仕事関
数を有する金属を選択している。しかしながら、現実的
にはそのような金属が得られない場合が多い。ＧａＮ系
半導体はいわゆるワイドギャップ半導体であり、価電子
帯の準位が深い。従って、ｐ側電極においてｐ型ＧａＮ
との理想的なオーミック接触を得るには、極めて大きな
仕事関数を持つ金属が必要となる。しかし、この条件を
実際に満足するＧａＮ系半導体レーザ電極用の金属や合
金は、まだ見つかっていない。
ミック接触を得るには、第１の方法として、半導体の価
電子帯及び真空準位間のエネルギ差よりも大きな仕事関
数を有する金属を選択している。しかしながら、現実的
にはそのような金属が得られない場合が多い。ＧａＮ系
半導体はいわゆるワイドギャップ半導体であり、価電子
帯の準位が深い。従って、ｐ側電極においてｐ型ＧａＮ
との理想的なオーミック接触を得るには、極めて大きな
仕事関数を持つ金属が必要となる。しかし、この条件を
実際に満足するＧａＮ系半導体レーザ電極用の金属や合
金は、まだ見つかっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】半導体と金属の接触部
分の抵抗を実用的な低いレベルに押さえる第２の方法と
しては、接触部分の半導体のキャリア濃度を十分高くす
る方法が行われている。これは、半導体及び金属を接合
した場合、半導体／金属界面にショットキー障壁が発生
するので、接触部分の半導体のキャリア濃度を十分高く
設定することにより、ショットキー障壁の厚さ及び実効
的な高さを減ずるものである。この金属電極に接する半
導体のキャリア濃度を高く設定する方法では、１０18cm
-3程度のキャリア濃度に設定する。
分の抵抗を実用的な低いレベルに押さえる第２の方法と
しては、接触部分の半導体のキャリア濃度を十分高くす
る方法が行われている。これは、半導体及び金属を接合
した場合、半導体／金属界面にショットキー障壁が発生
するので、接触部分の半導体のキャリア濃度を十分高く
設定することにより、ショットキー障壁の厚さ及び実効
的な高さを減ずるものである。この金属電極に接する半
導体のキャリア濃度を高く設定する方法では、１０18cm
-3程度のキャリア濃度に設定する。
【０００７】高いキャリア濃度を有するｐ−ＧａＮを作
製するのは容易でないが、成膜、熱処理などの諸条件を
最適化することによって１０18cm-3台の正孔濃度を得て
いる。従来からのＧａＡｓ系レーザの概念でいけば、こ
のキャリア濃度でＧａＮ系半導体レーザでも充分低抵抗
のオーミック接触が得られるはずである。しかしなが
ら、実際のＧａＮ系半導体レーザの電流電圧特性は上記
のキャリア濃度から予測されるものより悪くなってい
る。接合部分のハンドギャップは約３ｅＶであるので、
立ち上がり電圧は本来約３Ｖ程度になるはずであるが、
実際、これよりずっと高い電圧まで電流が立ち上ってい
ない特性のＧａＮ系半導体レーザしか得られていない。
製するのは容易でないが、成膜、熱処理などの諸条件を
最適化することによって１０18cm-3台の正孔濃度を得て
いる。従来からのＧａＡｓ系レーザの概念でいけば、こ
のキャリア濃度でＧａＮ系半導体レーザでも充分低抵抗
のオーミック接触が得られるはずである。しかしなが
ら、実際のＧａＮ系半導体レーザの電流電圧特性は上記
のキャリア濃度から予測されるものより悪くなってい
る。接合部分のハンドギャップは約３ｅＶであるので、
立ち上がり電圧は本来約３Ｖ程度になるはずであるが、
実際、これよりずっと高い電圧まで電流が立ち上ってい
ない特性のＧａＮ系半導体レーザしか得られていない。
【０００８】このように、従来のＧａＡｓ系レーザと異
なり、ＧａＮ系半導体レーザではキャリア濃度に応じた
所望の低い接触抵抗が電極において十分に得られていな
い問題がある。そこで、本発明では、電極構造における
低接触抵抗を再現性良く得られる３族窒化物半導体レー
ザ及びその製造方法を提供することを目的とする。
なり、ＧａＮ系半導体レーザではキャリア濃度に応じた
所望の低い接触抵抗が電極において十分に得られていな
い問題がある。そこで、本発明では、電極構造における
低接触抵抗を再現性良く得られる３族窒化物半導体レー
ザ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体レ
ーザは、基板と、前記基板上に順に積層された３族窒化
物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０
≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層と、前記結晶層のうち
の最表面層に接触して設けられた金属電極と、を備えた
窒化物半導体レーザであって、前記最表面層を前記金属
電極とともに挟む結晶層は高不純物濃度結晶層であり、
前記高不純物濃度結晶層はその直下の結晶層及び前記最
表面層の２族不純物の濃度より大なる濃度の２族不純物
を含有する。
ーザは、基板と、前記基板上に順に積層された３族窒化
物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０
≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層と、前記結晶層のうち
の最表面層に接触して設けられた金属電極と、を備えた
窒化物半導体レーザであって、前記最表面層を前記金属
電極とともに挟む結晶層は高不純物濃度結晶層であり、
前記高不純物濃度結晶層はその直下の結晶層及び前記最
表面層の２族不純物の濃度より大なる濃度の２族不純物
を含有する。
【００１０】本発明による窒化物半導体レーザにおいて
は、前記高不純物濃度結晶層を設けることにより、前記
基板側から成長した前記結晶層の成長方位を反転させる
ことを特徴とする。本発明による窒化物半導体レーザに
おいては、前記高不純物濃度結晶層の直下の結晶層の主
たる成長方位が略＜０００１＞方向であり、前記高不純
物濃度結晶層を設けることにより、結晶の成長方位を略
＜０００−１＞方向に反転させたことを特徴とする。
は、前記高不純物濃度結晶層を設けることにより、前記
基板側から成長した前記結晶層の成長方位を反転させる
ことを特徴とする。本発明による窒化物半導体レーザに
おいては、前記高不純物濃度結晶層の直下の結晶層の主
たる成長方位が略＜０００１＞方向であり、前記高不純
物濃度結晶層を設けることにより、結晶の成長方位を略
＜０００−１＞方向に反転させたことを特徴とする。
【００１１】本発明による窒化物半導体レーザにおいて
は、成長方位を反転させる前記高不純物濃度結晶層の位
置は、ｐ側の金属電極直下のｐ−ＧａＮコンタクト層の
途中であることを特徴とする。本発明による窒化物半導
体レーザにおいては、前記基板は前記最表面層に面内圧
縮応力を与えることを特徴とする。
は、成長方位を反転させる前記高不純物濃度結晶層の位
置は、ｐ側の金属電極直下のｐ−ＧａＮコンタクト層の
途中であることを特徴とする。本発明による窒化物半導
体レーザにおいては、前記基板は前記最表面層に面内圧
縮応力を与えることを特徴とする。
【００１２】本発明による窒化物半導体レーザにおいて
は、前記基板がサファイアからなることを特徴とする。
本発明による窒化物半導体レーザにおいては、前記２族
不純物がＭｇであり、前記高不純物濃度結晶層のＭｇの
濃度が２×１０20ｃｍ-3を超えることを特徴とする。
は、前記基板がサファイアからなることを特徴とする。
本発明による窒化物半導体レーザにおいては、前記２族
不純物がＭｇであり、前記高不純物濃度結晶層のＭｇの
濃度が２×１０20ｃｍ-3を超えることを特徴とする。
【００１３】本発明による窒化物半導体レーザにおいて
は、前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最表面層及び
その直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０19〜１×１０
20ｃｍ-3であることを特徴とする。本発明による窒化物
半導体レーザにおいては、前記高不純物濃度結晶層の直
後の前記最表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が
略同一であることを特徴とする。
は、前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最表面層及び
その直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０19〜１×１０
20ｃｍ-3であることを特徴とする。本発明による窒化物
半導体レーザにおいては、前記高不純物濃度結晶層の直
後の前記最表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が
略同一であることを特徴とする。
【００１４】本発明による窒化物半導体レーザ製造方法
は、３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1 -x）1-yＩｎyＮ（０
≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層を有する
窒化物半導体レーザの製造方法であって、略一定の成長
方位で複数の結晶層を成長をさせる結晶層形成工程と、
その直前の結晶層の２族不純物の濃度より大なる２族不
純物の濃度を有する高不純物濃度結晶層を前記直前の結
晶層上に形成する高不純物濃度結晶層形成工程と、前記
高不純物濃度結晶層の２族不純物の濃度より小なる２族
不純物の濃度を有する結晶層の最表面層を前記高不純物
濃度結晶層上に形成する最表面層形成工程と、金属電極
を前記結晶層の最表面層上に形成する最表面層形成工程
と、を含むことを特徴とする。
は、３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1 -x）1-yＩｎyＮ（０
≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層を有する
窒化物半導体レーザの製造方法であって、略一定の成長
方位で複数の結晶層を成長をさせる結晶層形成工程と、
その直前の結晶層の２族不純物の濃度より大なる２族不
純物の濃度を有する高不純物濃度結晶層を前記直前の結
晶層上に形成する高不純物濃度結晶層形成工程と、前記
高不純物濃度結晶層の２族不純物の濃度より小なる２族
不純物の濃度を有する結晶層の最表面層を前記高不純物
濃度結晶層上に形成する最表面層形成工程と、金属電極
を前記結晶層の最表面層上に形成する最表面層形成工程
と、を含むことを特徴とする。
【００１５】本発明による窒化物半導体レーザ製造方法
においては、前記結晶層の形成が有機金属化学気相成長
法で行なわれていることを特徴とする。本発明による窒
化物半導体レーザ製造方法においては、前記高不純物濃
度結晶層の直下の結晶層までの主たる成長方位を略＜０
００１＞方向として成長させ、前記高不純物濃度結晶層
形成工程を設け、前記高不純物濃度結晶層近傍を境界と
して結晶の成長方位を略＜０００−１＞方向に反転させ
ることを特徴とする。
においては、前記結晶層の形成が有機金属化学気相成長
法で行なわれていることを特徴とする。本発明による窒
化物半導体レーザ製造方法においては、前記高不純物濃
度結晶層の直下の結晶層までの主たる成長方位を略＜０
００１＞方向として成長させ、前記高不純物濃度結晶層
形成工程を設け、前記高不純物濃度結晶層近傍を境界と
して結晶の成長方位を略＜０００−１＞方向に反転させ
ることを特徴とする。
【００１６】本発明による窒化物半導体レーザ製造方法
においては、前記基板がサファイアからなることを特徴
とする。本発明による窒化物半導体レーザ製造方法にお
いては、前記２族不純物がＭｇであり、前記高不純物濃
度結晶層のＭｇの濃度が２×１０20ｃｍ-3を超えること
を特徴とする。
においては、前記基板がサファイアからなることを特徴
とする。本発明による窒化物半導体レーザ製造方法にお
いては、前記２族不純物がＭｇであり、前記高不純物濃
度結晶層のＭｇの濃度が２×１０20ｃｍ-3を超えること
を特徴とする。
【００１７】本発明による窒化物半導体レーザ製造方法
においては、前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最表
面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０19〜
１×１０20ｃｍ-3であることを特徴とする。本発明によ
る窒化物半導体レーザ製造方法においては、前記高不純
物濃度結晶層の直後の前記最表面層及びその直前の結晶
層でのＭｇ濃度が略同一であることを特徴とする。
においては、前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最表
面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０19〜
１×１０20ｃｍ-3であることを特徴とする。本発明によ
る窒化物半導体レーザ製造方法においては、前記高不純
物濃度結晶層の直後の前記最表面層及びその直前の結晶
層でのＭｇ濃度が略同一であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明による実施例の３
族窒化物半導体レーザについて実施例を図面を用いて説
明する。図１に示したのは、３族窒化物半導体を用いた
半導体レーザ素子の１例で、ＳＣＨ(Separate Confinem
ent Heterostracture)構造のリッジ型レーザ素子であ
る。１は単結晶サファイア基板、２は低温で成膜された
ＧａＮ（又はＡｌＮ）層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、５はｎ型ＧａＮ層、６はＩｎＧａ
Ｎを主たる構成要素とする活性層、７はｐ型Ａｌ0.2Ｇ
ａ0.8Ｎ層、８はｐ型ＧａＮ層、９はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎ層、１０はＭｇなどの２族不純物がドープされた
ｐ型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１３及び１５はｐ側電
極である。１８はリッジ、１１はＳｉＯ2からなる絶縁
膜である。
族窒化物半導体レーザについて実施例を図面を用いて説
明する。図１に示したのは、３族窒化物半導体を用いた
半導体レーザ素子の１例で、ＳＣＨ(Separate Confinem
ent Heterostracture)構造のリッジ型レーザ素子であ
る。１は単結晶サファイア基板、２は低温で成膜された
ＧａＮ（又はＡｌＮ）層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、５はｎ型ＧａＮ層、６はＩｎＧａ
Ｎを主たる構成要素とする活性層、７はｐ型Ａｌ0.2Ｇ
ａ0.8Ｎ層、８はｐ型ＧａＮ層、９はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎ層、１０はＭｇなどの２族不純物がドープされた
ｐ型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１３及び１５はｐ側電
極である。１８はリッジ、１１はＳｉＯ2からなる絶縁
膜である。
【００１９】電子と正孔を再結合させることによって活
性層６において発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型Ｇａ
Ｎ層８は活性層で発生した光を導波するガイド層であ
り、ガイド層のバンドギャップを活性層６のバンドギャ
ップよりが大きく設定することによって、電子及び正孔
を活性層内に効果的に閉じ込めるようになっている。ｐ
型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア（特に電
子）の閉じ込めを更に強化する障壁層であり、ｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層９はガイ
ド層５及び８より低屈折率で作製されているクラッド層
であり、ガイド層との屈折率差によって、発生した光の
導波が行なわれる。リッジ部１８はクラッド層９の厚さ
を変化させることで実効屈折率に横方向の分布を生じさ
せて、発生した光を横方向に閉じ込めるために設けてあ
る。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けられている
下地層であり、基板であるサファイアに全く導電性がな
いために設けられている。また、低温成長ＧａＮ（又は
ＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、ＧａＮにと
っての異種物質であるサファイア基板上に平滑膜を作製
するために形成されている。
性層６において発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型Ｇａ
Ｎ層８は活性層で発生した光を導波するガイド層であ
り、ガイド層のバンドギャップを活性層６のバンドギャ
ップよりが大きく設定することによって、電子及び正孔
を活性層内に効果的に閉じ込めるようになっている。ｐ
型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア（特に電
子）の閉じ込めを更に強化する障壁層であり、ｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層９はガイ
ド層５及び８より低屈折率で作製されているクラッド層
であり、ガイド層との屈折率差によって、発生した光の
導波が行なわれる。リッジ部１８はクラッド層９の厚さ
を変化させることで実効屈折率に横方向の分布を生じさ
せて、発生した光を横方向に閉じ込めるために設けてあ
る。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けられている
下地層であり、基板であるサファイアに全く導電性がな
いために設けられている。また、低温成長ＧａＮ（又は
ＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、ＧａＮにと
っての異種物質であるサファイア基板上に平滑膜を作製
するために形成されている。
【００２０】このように窒化物半導体レーザは、基板１
上に順に積層された３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）
1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる複数の
結晶層２〜１０と、その中の結晶層の最表面層すなわち
コンタクト層に接触して設けられた金属電極１５と、を
備えている。この窒化物半導体レーザは、図２に示すよ
うに、コンタクト層１０は、ｐ側電極に近い第１最表面
層１０ａ及び活性層に近い第２最表面層１０ｂに挟まれ
た高不純物濃度結晶層１０ｃを備えている。膜厚０〜１
００Å程度の薄い高不純物濃度結晶層１０ｃはこれら結
晶層１０ａ及び１０ｂのＭｇなどの２族不純物の濃度よ
り大なる２族不純物の濃度を有する。
上に順に積層された３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）
1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる複数の
結晶層２〜１０と、その中の結晶層の最表面層すなわち
コンタクト層に接触して設けられた金属電極１５と、を
備えている。この窒化物半導体レーザは、図２に示すよ
うに、コンタクト層１０は、ｐ側電極に近い第１最表面
層１０ａ及び活性層に近い第２最表面層１０ｂに挟まれ
た高不純物濃度結晶層１０ｃを備えている。膜厚０〜１
００Å程度の薄い高不純物濃度結晶層１０ｃはこれら結
晶層１０ａ及び１０ｂのＭｇなどの２族不純物の濃度よ
り大なる２族不純物の濃度を有する。
【００２１】この発明では、不純物添加によるキャリア
濃度の増加に加え、ＧａＮ系半導体結晶の圧電効果を利
用し電荷の偏在を誘導して、ショットキー障壁を緩和さ
せ、接触抵抗を低減している。この高不純物濃度結晶層
１０ｃはＧａＮ系半導体結晶の圧電性を制御するために
設けられている。高不純物濃度結晶層１０ｃを存在させ
ることによって、成長する結晶（第２最表面層１０ｂ）
の方位を変え、特に向きを反転させて、発生する分極の
向き（極性軸）を１８０度変えた第１最表面層１０ａを
形成する。具体的には、高不純物濃度結晶層１０ｃの直
前の第２最表面層１０ｂの主たる成長方位を略＜０００
１＞方向とし、高不純物濃度結晶層１０ｃの位置から成
長の途中で結晶の成長方位を略
濃度の増加に加え、ＧａＮ系半導体結晶の圧電効果を利
用し電荷の偏在を誘導して、ショットキー障壁を緩和さ
せ、接触抵抗を低減している。この高不純物濃度結晶層
１０ｃはＧａＮ系半導体結晶の圧電性を制御するために
設けられている。高不純物濃度結晶層１０ｃを存在させ
ることによって、成長する結晶（第２最表面層１０ｂ）
の方位を変え、特に向きを反転させて、発生する分極の
向き（極性軸）を１８０度変えた第１最表面層１０ａを
形成する。具体的には、高不純物濃度結晶層１０ｃの直
前の第２最表面層１０ｂの主たる成長方位を略＜０００
１＞方向とし、高不純物濃度結晶層１０ｃの位置から成
長の途中で結晶の成長方位を略
【外１】
【００２２】［この書面において＜０００−１＞と記載
する］方向に反転して、ｐ側電極に近い第１最表面層１
０ａを形成する。サファイア基板１の熱膨張係数はＧａ
Ｎ系半導体結晶のものより大きい。サファイア基板１上
に成長したＧａＮ系半導体結晶層２〜１０は、基板との
熱膨張係数差により、製造された素子のＧａＮ系半導体
膜には膜面内で圧縮の歪が生じ、面内応力が残留してい
る。この面内応力により、所望電荷を金属半導体界面に
生ぜしめ、ショットキー障壁を低くさせる。
する］方向に反転して、ｐ側電極に近い第１最表面層１
０ａを形成する。サファイア基板１の熱膨張係数はＧａ
Ｎ系半導体結晶のものより大きい。サファイア基板１上
に成長したＧａＮ系半導体結晶層２〜１０は、基板との
熱膨張係数差により、製造された素子のＧａＮ系半導体
膜には膜面内で圧縮の歪が生じ、面内応力が残留してい
る。この面内応力により、所望電荷を金属半導体界面に
生ぜしめ、ショットキー障壁を低くさせる。
【００２３】ＧａＮの結晶構造はいわゆる「ウルツ鉱
型」と呼ばれ、六方晶のような構造を有している。六角
柱の伸長方向の軸はＣ軸あるいは＜０００１＞軸と呼ば
れている。一般に、ＧａＮをサファイアなどの結晶基板
上に成膜すると、このC軸が基板主面と垂直になるよう
に成長する。従って、サファイア基板上に成膜したＧａ
Ｎの表面にはＣ面（Ｃ軸を面法線とする面）が現われて
いる。ＧａＮの結晶は、このＣ軸に関して鏡像対称性を
持っていない。このため、サファイア基板上に成長した
単結晶ＧａＮ膜には２種類の極性、即ち、＋Ｃ面と−Ｃ
面が有り得ることになる。＋Ｃ面はＧａ原子の４つの結
合の内１つが膜外部に、残り３本の結合が膜内部を向い
た極性であり、−Ｃ面はこの逆に、Ｎ原子の３本の結合
が膜内部に向かっている。このことから、＋Ｃ面をＧａ
面、−Ｃ面をＮ面とも呼ぶ。結晶が二つの極性を有して
いることは、ＧａＮ系半導体結晶の種々の特性に大きな
影響を及ぼす。
型」と呼ばれ、六方晶のような構造を有している。六角
柱の伸長方向の軸はＣ軸あるいは＜０００１＞軸と呼ば
れている。一般に、ＧａＮをサファイアなどの結晶基板
上に成膜すると、このC軸が基板主面と垂直になるよう
に成長する。従って、サファイア基板上に成膜したＧａ
Ｎの表面にはＣ面（Ｃ軸を面法線とする面）が現われて
いる。ＧａＮの結晶は、このＣ軸に関して鏡像対称性を
持っていない。このため、サファイア基板上に成長した
単結晶ＧａＮ膜には２種類の極性、即ち、＋Ｃ面と−Ｃ
面が有り得ることになる。＋Ｃ面はＧａ原子の４つの結
合の内１つが膜外部に、残り３本の結合が膜内部を向い
た極性であり、−Ｃ面はこの逆に、Ｎ原子の３本の結合
が膜内部に向かっている。このことから、＋Ｃ面をＧａ
面、−Ｃ面をＮ面とも呼ぶ。結晶が二つの極性を有して
いることは、ＧａＮ系半導体結晶の種々の特性に大きな
影響を及ぼす。
【００２４】特に、Ｎ面は膜の表面平坦性が悪く、図３
のように六角形突出部を生じ易い。一方、Ｇａ面極性の
結晶は、比較的容易かつ安定に平滑膜が得られ、図４に
示すように、Ｎ面極性よりはるかに優れた表面性が得ら
れる。また、Ｎ面極性の膜は、酸素などのドナー性不純
物を取り込みやすく、我々の検討結果では、Ｎ面極性膜
はｐ型キャリア濃度が１０17cm-3台までしか得られな
い。一方、Ｇａ面の場合はキャリア濃度は３×１０18cm
-3まで得られ、酸素不純物の取り込みも少ないという特
徴がある。
のように六角形突出部を生じ易い。一方、Ｇａ面極性の
結晶は、比較的容易かつ安定に平滑膜が得られ、図４に
示すように、Ｎ面極性よりはるかに優れた表面性が得ら
れる。また、Ｎ面極性の膜は、酸素などのドナー性不純
物を取り込みやすく、我々の検討結果では、Ｎ面極性膜
はｐ型キャリア濃度が１０17cm-3台までしか得られな
い。一方、Ｇａ面の場合はキャリア濃度は３×１０18cm
-3まで得られ、酸素不純物の取り込みも少ないという特
徴がある。
【００２５】半導体レーザは導波路素子でもあり、屈折
率の異なる数種類の層を積層した構造となっている。光
の散乱による導波損失を低減するには、素子を構成する
各層の界面が十分平坦である必要がある。こうした点で
Ｎ面極性の結晶を用いたもので電流注入によるレーザ発
振では良好な特性のレーザ素子を作製することはできな
い。現在、ＧａＮ系半導体レーザでは、サファイア基板
上に成長したＧａＮ結晶のＧａ面極性のものが一般に用
いられている。
率の異なる数種類の層を積層した構造となっている。光
の散乱による導波損失を低減するには、素子を構成する
各層の界面が十分平坦である必要がある。こうした点で
Ｎ面極性の結晶を用いたもので電流注入によるレーザ発
振では良好な特性のレーザ素子を作製することはできな
い。現在、ＧａＮ系半導体レーザでは、サファイア基板
上に成長したＧａＮ結晶のＧａ面極性のものが一般に用
いられている。
【００２６】我々は、結晶成長初期の成膜条件を制御す
ることによって、N面極性のＧａＮ結晶を成長させ、Ｎ
面極性のＧａＮ結晶上にレーザ構造を作製した。図５に
Ｎ面極性のＧａＮ半導体レーザ素子の電圧電流特性（プ
ロット●）を示す。比較のために、Ｇａ面極性の素子の
特性（プロット■）も図中に示す。Ｎ面極性の素子の方
がはるかに低い電圧で立ち上っているのが分かる。接合
部分ＩｎＧａＮのハンドギャップは約３ｅＶであるの
で、Ｇａ面極性の素子の立ち上がり電圧は本来約３Ｖ程
度になるはずである。しかし、図５から明らかに分かる
ように、これよりずっと高い電圧まで電流が立ち上って
いない。これは、ｐ側電極部分の接触が不十分で、何ら
かの電子的障壁があることを示している。このＧａ面極
性の素子の場合、ｐ側電極直下のコンタクト層のキャリ
ア濃度は３×１０18cm-3に設定されており、十分なキャ
リア濃度に達しているはずである。
ることによって、N面極性のＧａＮ結晶を成長させ、Ｎ
面極性のＧａＮ結晶上にレーザ構造を作製した。図５に
Ｎ面極性のＧａＮ半導体レーザ素子の電圧電流特性（プ
ロット●）を示す。比較のために、Ｇａ面極性の素子の
特性（プロット■）も図中に示す。Ｎ面極性の素子の方
がはるかに低い電圧で立ち上っているのが分かる。接合
部分ＩｎＧａＮのハンドギャップは約３ｅＶであるの
で、Ｇａ面極性の素子の立ち上がり電圧は本来約３Ｖ程
度になるはずである。しかし、図５から明らかに分かる
ように、これよりずっと高い電圧まで電流が立ち上って
いない。これは、ｐ側電極部分の接触が不十分で、何ら
かの電子的障壁があることを示している。このＧａ面極
性の素子の場合、ｐ側電極直下のコンタクト層のキャリ
ア濃度は３×１０18cm-3に設定されており、十分なキャ
リア濃度に達しているはずである。
【００２７】上述したように、N面極性の膜はｐ型のキ
ャリア濃度が十分得られず（図５の素子の場合、電極と
隣接する層のキャリア濃度は1.5×１０17cm-3であ
る）、Ｇａ面極性のものより一桁以上低いキャリア濃度
であるけれども、Ｎ面極性のＧａＮ系半導体レーザは、
優れた電極の接触状態が得られ、Ｇａ面極性のものより
低い電圧で電流特性が立ち上っている。ｐ側電極直下の
半導体層のキャリア濃度が高いにもかかわらず電極接触
が悪いＧａ面極性の素子と、キャリア濃度が低いのに接
触抵抗が低いＮ極性の素子とがあるという現象は、他の
半導体には見られない。ＧａＮ系半導体の持つ強い圧電
性がこうした現象を引き起こしていると考えられる。
ャリア濃度が十分得られず（図５の素子の場合、電極と
隣接する層のキャリア濃度は1.5×１０17cm-3であ
る）、Ｇａ面極性のものより一桁以上低いキャリア濃度
であるけれども、Ｎ面極性のＧａＮ系半導体レーザは、
優れた電極の接触状態が得られ、Ｇａ面極性のものより
低い電圧で電流特性が立ち上っている。ｐ側電極直下の
半導体層のキャリア濃度が高いにもかかわらず電極接触
が悪いＧａ面極性の素子と、キャリア濃度が低いのに接
触抵抗が低いＮ極性の素子とがあるという現象は、他の
半導体には見られない。ＧａＮ系半導体の持つ強い圧電
性がこうした現象を引き起こしていると考えられる。
【００２８】圧電性とは、結晶に力を加え歪ませると静
電分極が生じる現象である。歪の方向によって分極の向
きが変わる。サファイア基板上に成長したＧａＮ結晶の
場合、基板との熱膨張係数差により、ＧａＮ膜には膜面
内で圧縮の歪が生じている。当然のことながら、歪が同
一であっても、結晶の方位が変われば（例えば向きが反
転するなど）発生する分極の向きも変化することにな
る。半導体結晶中に静電分極が発生すると、分極が無い
場合とはキャリアの分布が異なってくる。
電分極が生じる現象である。歪の方向によって分極の向
きが変わる。サファイア基板上に成長したＧａＮ結晶の
場合、基板との熱膨張係数差により、ＧａＮ膜には膜面
内で圧縮の歪が生じている。当然のことながら、歪が同
一であっても、結晶の方位が変われば（例えば向きが反
転するなど）発生する分極の向きも変化することにな
る。半導体結晶中に静電分極が発生すると、分極が無い
場合とはキャリアの分布が異なってくる。
【００２９】Ｇａ面極性及びＮ面極性を有する圧電性の
ＧａＮ系半導体の現象を図６を用いて説明する。図６Ｂ
は圧電性に起因する分極が存在しないと仮定した場合の
ＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍のエネ
ルギバンド構造を示す模式図である。図６ＡはＧａ面極
性のＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍の
エネルギバンド構造を示す模式図である。図６ＣはＮ面
極性のＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍
のエネルギバンド構造を示す模式図である。
ＧａＮ系半導体の現象を図６を用いて説明する。図６Ｂ
は圧電性に起因する分極が存在しないと仮定した場合の
ＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍のエネ
ルギバンド構造を示す模式図である。図６ＡはＧａ面極
性のＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍の
エネルギバンド構造を示す模式図である。図６ＣはＮ面
極性のＧａＮ結晶で作製したレーザ素子のｐ側電極近傍
のエネルギバンド構造を示す模式図である。
【００３０】図６Ａに示すように、圧電分極が生ずる結
果、ｐ−ＧａＮ膜内のキャリア（正孔）は、圧電分極に
よる電界を打ち消す方向（電極と反対の方向）へ移動す
る。結果として、電極近傍のキャリア濃度は図６Ｂの場
合より低い状態になり、ショットキー障壁の厚さも図６
Ｂの場合より厚くなってしまう。これと全く逆に、Ｎ面
極性の結晶上の素子の場合は、図６Ｃのように電極近傍
にキャリア（正孔）が移動することになり、ｐ−ＧａＮ
膜単独の特性から予想されるよりはるかに高い濃度のキ
ャリアが電極近傍に集まることになる。この結果とし
て、Ｎ面極性の素子の場合に膜のキャリア濃度が低いに
も関わらず電極特性が良好になっているものと考えられ
る。
果、ｐ−ＧａＮ膜内のキャリア（正孔）は、圧電分極に
よる電界を打ち消す方向（電極と反対の方向）へ移動す
る。結果として、電極近傍のキャリア濃度は図６Ｂの場
合より低い状態になり、ショットキー障壁の厚さも図６
Ｂの場合より厚くなってしまう。これと全く逆に、Ｎ面
極性の結晶上の素子の場合は、図６Ｃのように電極近傍
にキャリア（正孔）が移動することになり、ｐ−ＧａＮ
膜単独の特性から予想されるよりはるかに高い濃度のキ
ャリアが電極近傍に集まることになる。この結果とし
て、Ｎ面極性の素子の場合に膜のキャリア濃度が低いに
も関わらず電極特性が良好になっているものと考えられ
る。
【００３１】上述したように、ｐ側電極特性のみに着目
すれば、Ｎ面極性は優れているが、既に述べたように、
表面の平坦性が悪く、レーザ素子には適用し難い。ま
た、まだ理由は不明であるが、Ｎ面極性の結晶の方が貫
通転位密度が高く、このため発光特性も悪い。本発明
は、ＧａＮの二種類の結晶極性の長所を取り入れること
により、実用的な半導体レーザ素子を得ている。即ち、
レーザ素子の最表面部に位置するp−ＧａＮ膜（コンタ
クト層）の中途で、結晶の極性を反転し、この最表層部
分のみＮ面極性にする高不純物濃度結晶層を設けること
により、レーザ素子内部各層の界面の平坦性、発光特性
などを維持しつつ、電極特性を改善する。
すれば、Ｎ面極性は優れているが、既に述べたように、
表面の平坦性が悪く、レーザ素子には適用し難い。ま
た、まだ理由は不明であるが、Ｎ面極性の結晶の方が貫
通転位密度が高く、このため発光特性も悪い。本発明
は、ＧａＮの二種類の結晶極性の長所を取り入れること
により、実用的な半導体レーザ素子を得ている。即ち、
レーザ素子の最表面部に位置するp−ＧａＮ膜（コンタ
クト層）の中途で、結晶の極性を反転し、この最表層部
分のみＮ面極性にする高不純物濃度結晶層を設けること
により、レーザ素子内部各層の界面の平坦性、発光特性
などを維持しつつ、電極特性を改善する。
【００３２】具体的な高不純物濃度結晶層の形成方法と
しては、レーザ素子構造における最表層であるｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１０の成膜の途中で、アクセプタドーパ
ントであるＭｇの濃度を局所的に極めて高い値に設定す
る高不純物濃度結晶層形成工程を行うことによる。総設
定厚０．２μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層（設定Ｍｇ濃
度：４×１０19cm-3）を約０．１μｍ成長した時点で、
Ｍｇ原料のＥｔ−Ｃｐ 2Ｍｇ（エチルビスシクロペンタ
ジニエルマグネシウム）の供給量を１０倍に増加すると
共に、Ｇａ原料であるＴＭＧ（トリメチルガリウム）の
供給量を１／２に減少させる。１００Å程度の膜厚の成
長に相当する時間この状態を維持した後、元の原料供給
量に戻し、残りの約０．１μｍを成膜してウェハを完了
した。ｐ−ＧａＮコンタクト層の反転部分以外における
Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×１０ 20ｃｍ-3程度が望まし
い。Ｍｇ濃度がこの範囲でないと、ｐ−ＧａＮのキャリ
ア濃度として１０17ｃｍ-3以上の値が得られず、十分な
電気特性の改善効果が得られない。
しては、レーザ素子構造における最表層であるｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１０の成膜の途中で、アクセプタドーパ
ントであるＭｇの濃度を局所的に極めて高い値に設定す
る高不純物濃度結晶層形成工程を行うことによる。総設
定厚０．２μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層（設定Ｍｇ濃
度：４×１０19cm-3）を約０．１μｍ成長した時点で、
Ｍｇ原料のＥｔ−Ｃｐ 2Ｍｇ（エチルビスシクロペンタ
ジニエルマグネシウム）の供給量を１０倍に増加すると
共に、Ｇａ原料であるＴＭＧ（トリメチルガリウム）の
供給量を１／２に減少させる。１００Å程度の膜厚の成
長に相当する時間この状態を維持した後、元の原料供給
量に戻し、残りの約０．１μｍを成膜してウェハを完了
した。ｐ−ＧａＮコンタクト層の反転部分以外における
Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×１０ 20ｃｍ-3程度が望まし
い。Ｍｇ濃度がこの範囲でないと、ｐ−ＧａＮのキャリ
ア濃度として１０17ｃｍ-3以上の値が得られず、十分な
電気特性の改善効果が得られない。
【００３３】図７は、作製したレーザウェハのコンタク
ト層の表面近傍のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）結果
である。ここでは、ＡｌとＭｇの分析結果のみについて
示している。深さ約０．２μｍの所がｐ−ＧａＮコンタ
クト層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の境界である。Ｍｇ
流量を増加させた部分では６×１０20cm-3の濃度に達し
ている。
ト層の表面近傍のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）結果
である。ここでは、ＡｌとＭｇの分析結果のみについて
示している。深さ約０．２μｍの所がｐ−ＧａＮコンタ
クト層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の境界である。Ｍｇ
流量を増加させた部分では６×１０20cm-3の濃度に達し
ている。
【００３４】このウェハの表面状態を図８に示す。図３
に示すＮ面極性の結晶膜の表面よりも滑らかだが鱗状の
表面状態になっている。このように鱗状表面状態になっ
ているため、図８に示すＳＩＭＳプロファイルの深さ分
解能が損なわれている。また、図８には示していない
が、酸素についての分析の結果、高Ｍｇ濃度結晶層又は
高不純物濃度結晶層部分から表面側では約１．５×１０
18cm-3の濃度が検出された（ここより内部ではバックグ
ラウンドレベルであった）。これらの事実から、高Ｍｇ
濃度結晶層又は高不純物濃度結晶層から上部の結晶はＮ
面極性に反転しているものと判断される。
に示すＮ面極性の結晶膜の表面よりも滑らかだが鱗状の
表面状態になっている。このように鱗状表面状態になっ
ているため、図８に示すＳＩＭＳプロファイルの深さ分
解能が損なわれている。また、図８には示していない
が、酸素についての分析の結果、高Ｍｇ濃度結晶層又は
高不純物濃度結晶層部分から表面側では約１．５×１０
18cm-3の濃度が検出された（ここより内部ではバックグ
ラウンドレベルであった）。これらの事実から、高Ｍｇ
濃度結晶層又は高不純物濃度結晶層から上部の結晶はＮ
面極性に反転しているものと判断される。
【００３５】このウェハから作製した素子の電流電圧特
性（プロット□）を図９に示す。比較のために、通常の
Ｇａ面極性の素子の特性とＮ面極性の素子の特性も示
す。図９から明らかなように、Ｎ面極性の素子より若干
良好な特性を示している。これは、活性層に近いｐ型の
第２最表面層のキャリア濃度がＮ極性のｐ側電極に近い
第１最表面層のものより高く、低抵抗であると考えられ
る。
性（プロット□）を図９に示す。比較のために、通常の
Ｇａ面極性の素子の特性とＮ面極性の素子の特性も示
す。図９から明らかなように、Ｎ面極性の素子より若干
良好な特性を示している。これは、活性層に近いｐ型の
第２最表面層のキャリア濃度がＮ極性のｐ側電極に近い
第１最表面層のものより高く、低抵抗であると考えられ
る。
【００３６】コンタクト層途中に挿入した高Ｍｇ濃度結
晶層又は高不純物濃度結晶層の厚さとしては、１００Å
よりはるかに薄いもの（数原子層程度）でも極性反転効
果が得られる。更に、高不純物濃度結晶層そのものは低
キャリア濃度であるので、電気伝導の観点からは厚さが
薄い方が望ましい。高不純物濃度結晶層のＭｇ濃度を２
×１０20cm-3以下に設定した場合は、表面状態の変化と
酸素取り込みの促進は観測されなかった。従って、極性
は反転していないものと考えられる。
晶層又は高不純物濃度結晶層の厚さとしては、１００Å
よりはるかに薄いもの（数原子層程度）でも極性反転効
果が得られる。更に、高不純物濃度結晶層そのものは低
キャリア濃度であるので、電気伝導の観点からは厚さが
薄い方が望ましい。高不純物濃度結晶層のＭｇ濃度を２
×１０20cm-3以下に設定した場合は、表面状態の変化と
酸素取り込みの促進は観測されなかった。従って、極性
は反転していないものと考えられる。
【００３７】また、高不純物濃度結晶層をウェハの最表
面部分に形成すると、かえって素子の駆動電圧が増大し
てしまう。これは、前述したように高不純物濃度結晶層
そのものは低キャリア濃度で絶縁体に近いため、かえっ
て障壁が厚くなってしまうためである。上記実施例のレ
ーザ素子の高不純物濃度結晶層形成工程を含む作製工程
を以下に詳述する。
面部分に形成すると、かえって素子の駆動電圧が増大し
てしまう。これは、前述したように高不純物濃度結晶層
そのものは低キャリア濃度で絶縁体に近いため、かえっ
て障壁が厚くなってしまうためである。上記実施例のレ
ーザ素子の高不純物濃度結晶層形成工程を含む作製工程
を以下に詳述する。
【００３８】まず、サファイア基板１を成膜用ＭＯＣＶ
Ｄ成長炉に装填し、１０５０℃の温度において３００To
rrの圧力の水素気流中で１０分間保持し、サファイア基
板１の表面の熱クリーニングを行なう。この後、サファ
イア基板１をその温度が６００℃になるまで降温し、窒
素原料であるアンモニア（ＮＨ3）と、Ａｌ原料である
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を成長炉内に導入
し、ＡｌＮからなるバッファ層２を２０ｎｍの厚さに堆
積させる。
Ｄ成長炉に装填し、１０５０℃の温度において３００To
rrの圧力の水素気流中で１０分間保持し、サファイア基
板１の表面の熱クリーニングを行なう。この後、サファ
イア基板１をその温度が６００℃になるまで降温し、窒
素原料であるアンモニア（ＮＨ3）と、Ａｌ原料である
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を成長炉内に導入
し、ＡｌＮからなるバッファ層２を２０ｎｍの厚さに堆
積させる。
【００３９】続いてＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3のみを
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＭｅ−
ＳｉＨ3（メチルシラン）を成長雰囲気ガスに添加す
る。
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＭｅ−
ＳｉＨ3（メチルシラン）を成長雰囲気ガスに添加す
る。
【００４０】ｎ型ＧａＮ下地層３が４μｍ程度成長した
ところで、ＴＭＡを導入してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４の成膜を行なう。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４が０．
５μｍ程度成長したところでＴＭＡの供給を停止し、ｎ
型ＧａＮガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮ
ガイド層５の成長が完了したところでＴＭＧ、Ｍｅ-Ｓ
ｉＨ3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５
０℃とする。基板温度が７５０℃となった時点でキャリ
アガスを水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定し
たところでＴＭＧ、ＴＭＩ、Ｍｅ−ＳｉＨ3を導入して
活性層６の成長を行なう。該活性層を成膜したところで
ＴＭＧ，ＴＭＩ，Ｍｅ-ＳｉＨ3の供給を停止すると共
に、キャリアガスを窒素から水素に切換え、ガス流の状
態が安定したところで基板温度を再び１０５０℃に昇温
し、ＴＭＧ，ＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの原料とし
てＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇ（エチルビスシクロペンタジニエル
マグネシウム）を導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７を０．０
１μｍ積層する。続いてＴＭＡの供給を停止し、ｐ型Ｇ
ａＮガイド層８を０．１μｍ成長し、再びＴＭＡを導入
してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．５μｍ成長す
る。
ところで、ＴＭＡを導入してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４の成膜を行なう。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４が０．
５μｍ程度成長したところでＴＭＡの供給を停止し、ｎ
型ＧａＮガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮ
ガイド層５の成長が完了したところでＴＭＧ、Ｍｅ-Ｓ
ｉＨ3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５
０℃とする。基板温度が７５０℃となった時点でキャリ
アガスを水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定し
たところでＴＭＧ、ＴＭＩ、Ｍｅ−ＳｉＨ3を導入して
活性層６の成長を行なう。該活性層を成膜したところで
ＴＭＧ，ＴＭＩ，Ｍｅ-ＳｉＨ3の供給を停止すると共
に、キャリアガスを窒素から水素に切換え、ガス流の状
態が安定したところで基板温度を再び１０５０℃に昇温
し、ＴＭＧ，ＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの原料とし
てＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇ（エチルビスシクロペンタジニエル
マグネシウム）を導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７を０．０
１μｍ積層する。続いてＴＭＡの供給を停止し、ｐ型Ｇ
ａＮガイド層８を０．１μｍ成長し、再びＴＭＡを導入
してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．５μｍ成長す
る。
【００４１】ここでコンタクト層１０の工程をおこな
う。クラッド層９上にｐ−ＧａＮの第２最表面層１０ｂ
（設定Ｍｇ濃度：４×１０19cm-3）を約０．１μｍ成長
する。次に、Ｍｇ原料のＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給量を１
０倍に増加すると共に、Ｇａ原料であるＴＭＧの供給量
を１／２に減少させて、１００Åの膜厚の成長に相当す
る時間この状態を維持し高不純物濃度結晶層１０ｃを形
成する。その後、元の原料供給量に戻し、第１最表面層
１０ａを約０．１μｍ成膜して総膜厚０．２μｍのｐ型
ＧａＮコンタクト層１０を形成して、ウェハを完了し
た。
う。クラッド層９上にｐ−ＧａＮの第２最表面層１０ｂ
（設定Ｍｇ濃度：４×１０19cm-3）を約０．１μｍ成長
する。次に、Ｍｇ原料のＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給量を１
０倍に増加すると共に、Ｇａ原料であるＴＭＧの供給量
を１／２に減少させて、１００Åの膜厚の成長に相当す
る時間この状態を維持し高不純物濃度結晶層１０ｃを形
成する。その後、元の原料供給量に戻し、第１最表面層
１０ａを約０．１μｍ成膜して総膜厚０．２μｍのｐ型
ＧａＮコンタクト層１０を形成して、ウェハを完了し
た。
【００４２】その後、ＴＭＧ及びＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供
給を停止し、降温を開始し、基板温度が４００℃になっ
た時点で、ＮＨ3の供給も停止し、基板温度が室温にな
った時点で反応炉より取り出す。得られたウエハを、熱
処理炉に装填し、ｐ型化のために熱処理を行なう。図１
０に示すように、こうしてｐ型化されたウエハ上に、ｐ
側電極として、真空蒸着法によりＮｉ（ニッケル）膜１
５を２００ｎｍ成膜する。
給を停止し、降温を開始し、基板温度が４００℃になっ
た時点で、ＮＨ3の供給も停止し、基板温度が室温にな
った時点で反応炉より取り出す。得られたウエハを、熱
処理炉に装填し、ｐ型化のために熱処理を行なう。図１
０に示すように、こうしてｐ型化されたウエハ上に、ｐ
側電極として、真空蒸着法によりＮｉ（ニッケル）膜１
５を２００ｎｍ成膜する。
【００４３】得られたウエハに対し、ｐ側電極用テラス
とｎ側電極用の電流経路構造並びにｐ側電極用テラス上
に電流狭窄用の屈折率導波構造としてリッジ構造の導波
路を形成する。ｎ側電極のための電流経路を形成するた
めに、ウエットエッチングによりＮｉ膜の一部を部分的
に除去し、図１１に示すように、残っているＮｉ膜１５
をマスクとして、Ｃｌ2（塩素）ガスによる反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）によって、露出している窒化物
半導体層をエッチングする。この時、ｎ型クラッド層４
を若干残す深さまでエッチングを行ない凹部２０１を形
成する。
とｎ側電極用の電流経路構造並びにｐ側電極用テラス上
に電流狭窄用の屈折率導波構造としてリッジ構造の導波
路を形成する。ｎ側電極のための電流経路を形成するた
めに、ウエットエッチングによりＮｉ膜の一部を部分的
に除去し、図１１に示すように、残っているＮｉ膜１５
をマスクとして、Ｃｌ2（塩素）ガスによる反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）によって、露出している窒化物
半導体層をエッチングする。この時、ｎ型クラッド層４
を若干残す深さまでエッチングを行ない凹部２０１を形
成する。
【００４４】次に、図１２に示すように、Ｎｉ膜を幅５
μｍを残して、ウエットエッチングにより除去し、５μ
ｍ幅のＮｉ膜のストライプ１５を形成する。次に、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてＮｉのストライ
プ１５をマスクとして用いて、５μｍ幅のストライプ部
直下以外の部分、すなわちコンタクト層１０及びｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層９を、クラッド層９の約０．１μｍ
残して除去し、図１３に示すように、狭リッジ構造１８
を形成する。この時、同時に、残りのｎ型クラッド層４
が除去され、部分的にｎ型ＧａＮ下地膜３が露出する。
μｍを残して、ウエットエッチングにより除去し、５μ
ｍ幅のＮｉ膜のストライプ１５を形成する。次に、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてＮｉのストライ
プ１５をマスクとして用いて、５μｍ幅のストライプ部
直下以外の部分、すなわちコンタクト層１０及びｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層９を、クラッド層９の約０．１μｍ
残して除去し、図１３に示すように、狭リッジ構造１８
を形成する。この時、同時に、残りのｎ型クラッド層４
が除去され、部分的にｎ型ＧａＮ下地膜３が露出する。
【００４５】この状態になったウエハ上にＳｉＯ2保護
膜をスパッタリング等の方法によって堆積する。その
後、通常のフォトリソグラフィ法によってＳｉＯ2保護
膜にｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部、及びｎ側電極用窓
部を形成する。ｎ型ＧａＮ層３が露出している部分に、
Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸
着し、ｎ側電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出し
ている部分には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸
着してｐ側電極１３を形成する。このようにして、ウエ
ハ上の個々の素子部分においては、図１に示すような素
子構造が形成される。
膜をスパッタリング等の方法によって堆積する。その
後、通常のフォトリソグラフィ法によってＳｉＯ2保護
膜にｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部、及びｎ側電極用窓
部を形成する。ｎ型ＧａＮ層３が露出している部分に、
Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸
着し、ｎ側電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出し
ている部分には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸
着してｐ側電極１３を形成する。このようにして、ウエ
ハ上の個々の素子部分においては、図１に示すような素
子構造が形成される。
【図１】本発明による実施例にて作製されたリッジ型半
導体レーザ素子の概略断面図。
導体レーザ素子の概略断面図。
【図２】図１に示す半導体レーザのｐ側電極部分のコン
タクト層の概略拡大部分断面図。
タクト層の概略拡大部分断面図。
【図３】Ｎ面極性のＧａＮ結晶膜の結晶表面を撮影した
微分干渉顕微鏡写真。
微分干渉顕微鏡写真。
【図４】Ｇａ面極性のＧａＮ結晶膜の結晶表面を撮影し
た微分干渉顕微鏡写真。
た微分干渉顕微鏡写真。
【図５】Ｎ面極性のＧａＮ結晶膜を有する半導体レーザ
及びＧａ面極性のＧａＮ結晶膜を有する半導体レーザの
電圧電流特性を示すグラフ。
及びＧａ面極性のＧａＮ結晶膜を有する半導体レーザの
電圧電流特性を示すグラフ。
【図６】ＧａＮ結晶膜を有する半導体レーザのｐ側電極
部分の電極及びコンタクト層のエネルギバンド構造を示
す模式図。
部分の電極及びコンタクト層のエネルギバンド構造を示
す模式図。
【図７】本発明による実施例にて作製されたレーザウェ
ハのコンタクト層表面近傍のＳＩＭＳ（２次イオン質量
分析）による深さ（depth）対Ｍｇ及びＡｌ濃度の関係
を示すグラフ。
ハのコンタクト層表面近傍のＳＩＭＳ（２次イオン質量
分析）による深さ（depth）対Ｍｇ及びＡｌ濃度の関係
を示すグラフ。
【図８】本発明による実施例にて作製されたレーザウェ
ハのコンタクト層の結晶表面を撮影した微分干渉顕微鏡
写真。
ハのコンタクト層の結晶表面を撮影した微分干渉顕微鏡
写真。
【図９】本発明による実施例にて作製された半導体レー
ザの電圧電流特性を示すグラフ。
ザの電圧電流特性を示すグラフ。
【図１０】本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図１１】本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図１２】本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図１３】本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
１ 単結晶サファイア基板 ２ 低温成膜ＧａＮ（又はＡｌＮ）層 ３ ｎ型ＧａＮ層 ４ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 ５ ｎ型ＧａＮ層 ６ ＩｎＧａＮ活性層 ７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層 ８ ｐ型ＧａＮ層 ９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １０ ｐ型ＧａＮ層 １１ ＳｉＯ2絶縁膜 １３，１５ ｐ側電極 １４ ｎ側電極 １８ リッジ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 利之 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 木村 義則 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 宮地 譲 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 4M104 AA04 BB05 BB14 CC01 DD37 FF31 GG04 HH15 5F073 AA13 AA45 AA55 CA07 CB05 CB07 CB10 CB19 CB22 DA05 EA29
Claims (16)
- 【請求項１】 基板と、前記基板上に順に積層された３
族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）からなる複数の結晶層と、前記結晶層
のうちの最表面層に接触して設けられた金属電極と、を
備えた窒化物半導体レーザであって、前記最表面層を前
記金属電極とともに挟む結晶層は高不純物濃度結晶層で
あり、前記高不純物濃度結晶層はその直下の結晶層及び
前記最表面層の２族不純物の濃度より大なる濃度の２族
不純物を含有することを特徴とする窒化物半導体レー
ザ。 - 【請求項２】 前記高不純物濃度結晶層を設けることに
より、前記基板側から成長した前記結晶層の成長方位を
反転させることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導
体レーザ。 - 【請求項３】 前記高不純物濃度結晶層の直下の結晶層
の主たる成長方位が略＜０００１＞方向であり、前記高
不純物濃度結晶層を設けることにより、結晶の成長方位
を略＜０００−１＞方向に反転させたことを特徴とする
請求項１記載の窒化物半導体レーザ。 - 【請求項４】 成長方位を反転させる前記高不純物濃度
結晶層の位置は、ｐ側の金属電極直下のｐ−ＧａＮコン
タクト層の途中であることを特徴とする請求項２又は３
記載の窒化物半導体レーザ。 - 【請求項５】 前記基板は前記最表面層に面内圧縮応力
を与えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記
載の窒化物半導体レーザ。 - 【請求項６】 前記基板がサファイアからなることを特
徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の窒化物半導体
レーザ。 - 【請求項７】 前記２族不純物がＭｇであり、前記高不
純物濃度結晶層のＭｇの濃度が２×１０20ｃｍ-3を超え
ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の窒
化物半導体レーザ。 - 【請求項８】 前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最
表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０19
〜１×１０20ｃｍ-3であることを特徴とする請求項７記
載の窒化物半導体レーザ。 - 【請求項９】 前記高不純物濃度結晶層の直後の前記最
表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が略同一であ
ることを特徴とする請求項７又は８記載の窒化物半導体
レーザ。 - 【請求項１０】 ３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）
1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる複数の
結晶層を有する窒化物半導体レーザの製造方法であっ
て、 略一定の成長方位で複数の結晶層を成長をさせる結晶層
形成工程と、 その直前の結晶層の２族不純物の濃度より大なる２族不
純物の濃度を有する高不純物濃度結晶層を前記直前の結
晶層上に形成する高不純物濃度結晶層形成工程と、 前記高不純物濃度結晶層の２族不純物の濃度より小なる
２族不純物の濃度を有する結晶層の最表面層を前記高不
純物濃度結晶層上に形成する最表面層形成工程と、 金属電極を前記結晶層の最表面層上に形成する最表面層
形成工程と、を含むことを特徴とする製造方法。 - 【請求項１１】 前記結晶層の形成が有機金属化学気相
成長法で行なわれていることを特徴とする請求項１０記
載の製造方法。 - 【請求項１２】 前記高不純物濃度結晶層の直下の結晶
層までの主たる成長方位を略＜０００１＞方向として成
長させ、前記高不純物濃度結晶層形成工程を設け、前記
高不純物濃度結晶層近傍を境界として結晶の成長方位を
略＜０００−１＞方向に反転させることを特徴とする請
求項１０又は１１記載の製造方法。 - 【請求項１３】 前記基板がサファイアからなることを
特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１記載の製造方
法。 - 【請求項１４】 前記２族不純物がＭｇであり、前記高
不純物濃度結晶層のＭｇの濃度が２×１０20ｃｍ-3を超
えることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１記
載の製造方法。 - 【請求項１５】 前記高不純物濃度結晶層の直後の前記
最表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が１×１０
19〜１×１０20ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１
４記載の製造方法。 - 【請求項１６】 前記高不純物濃度結晶層の直後の前記
最表面層及びその直前の結晶層でのＭｇ濃度が略同一で
あることを特徴とする請求項１４又は１５記載の製造方
法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33023899A JP2001148532A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 |
| EP00124325A EP1104947A3 (en) | 1999-11-19 | 2000-11-16 | Nitride semiconductor laser and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33023899A JP2001148532A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001148532A true JP2001148532A (ja) | 2001-05-29 |
Family
ID=18230415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33023899A Pending JP2001148532A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1104947A3 (ja) |
| JP (1) | JP2001148532A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003037288A (ja) * | 2001-07-26 | 2003-02-07 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 半導体結晶膜の成長方法 |
| JP2004327655A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子、その製造方法および半導体光学装置 |
| JP2006135268A (ja) * | 2004-11-09 | 2006-05-25 | Koha Co Ltd | 半導体装置およびその製造方法 |
| JP2007043109A (ja) * | 2005-06-29 | 2007-02-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ＺｎＯデバイス |
| JP2008219059A (ja) * | 2005-06-29 | 2008-09-18 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ＺｎＯ発光デバイス |
| US7462882B2 (en) | 2003-04-24 | 2008-12-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor light-emitting device, method of fabricating it, and semiconductor optical apparatus |
| JP2009099798A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-05-07 | Toshiba Corp | 窒化物系半導体及びその製造方法 |
| JP2018064061A (ja) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | 株式会社リコー | 半導体発光素子、照明装置、ヘッドライト、移動体、イルミネーション装置、映像装置、投射型映像装置及びプロジェクター。 |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP4866550B2 (ja) * | 2002-12-20 | 2012-02-01 | クリー インコーポレイテッド | 自己整合型の半導体メサおよびコンタクト層を有する半導体デバイス、および、該デバイスに関連する構造の形成方法 |
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|---|---|---|---|---|
| KR19990014304A (ko) * | 1997-07-30 | 1999-02-25 | 아사구사 나오유끼 | 반도체 레이저, 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 |
| JPH11251685A (ja) * | 1998-03-05 | 1999-09-17 | Toshiba Corp | 半導体レーザ |
| EP1063711B1 (en) * | 1998-03-12 | 2013-02-27 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
-
1999
- 1999-11-19 JP JP33023899A patent/JP2001148532A/ja active Pending
-
2000
- 2000-11-16 EP EP00124325A patent/EP1104947A3/en not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003037288A (ja) * | 2001-07-26 | 2003-02-07 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 半導体結晶膜の成長方法 |
| JP2004327655A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子、その製造方法および半導体光学装置 |
| US7462882B2 (en) | 2003-04-24 | 2008-12-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor light-emitting device, method of fabricating it, and semiconductor optical apparatus |
| US7579627B2 (en) | 2003-04-24 | 2009-08-25 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor light-emitting device, method of fabricating it, and semiconductor optical apparatus |
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| JP2006135268A (ja) * | 2004-11-09 | 2006-05-25 | Koha Co Ltd | 半導体装置およびその製造方法 |
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| JP2007043109A (ja) * | 2005-06-29 | 2007-02-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ＺｎＯデバイス |
| JP2008219059A (ja) * | 2005-06-29 | 2008-09-18 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ＺｎＯ発光デバイス |
| JP2009099798A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-05-07 | Toshiba Corp | 窒化物系半導体及びその製造方法 |
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| JP7005890B2 (ja) | 2016-10-14 | 2022-01-24 | 株式会社リコー | 半導体発光素子、照明装置、ヘッドライト、移動体、イルミネーション装置、映像装置、投射型映像装置及びプロジェクター。 |
Also Published As
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| EP1104947A2 (en) | 2001-06-06 |
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