JP2002314204A - ｐ型超格子構造とその作製方法、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
ｐ型超格子構造とその作製方法、ＩＩＩ族窒化物半導体素子及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子Info
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- JP2002314204A JP2002314204A JP2001117530A JP2001117530A JP2002314204A JP 2002314204 A JP2002314204 A JP 2002314204A JP 2001117530 A JP2001117530 A JP 2001117530A JP 2001117530 A JP2001117530 A JP 2001117530A JP 2002314204 A JP2002314204 A JP 2002314204A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 表面劣化のない、ａｓ ｇｒｏｗｎで低抵抗
な、ｐ型超格子構造とその製造方法の提供、並びに高性
能のIII族窒化物半導体素子及び半導体発光素子の提
供。 【解決手段】 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１
≧ｘｉ＞０）とＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ
≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層
をｎ回積層して形成された超格子構造の少なくとも一方
の層にｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製に際し、水素を含む雰囲気で結晶成長させた
後、窒素原料のみからなるか又は少なくとも窒素原料を
含む雰囲気で冷却し結晶成長温度から降温させる。
な、ｐ型超格子構造とその製造方法の提供、並びに高性
能のIII族窒化物半導体素子及び半導体発光素子の提
供。 【解決手段】 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１
≧ｘｉ＞０）とＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ
≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層
をｎ回積層して形成された超格子構造の少なくとも一方
の層にｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製に際し、水素を含む雰囲気で結晶成長させた
後、窒素原料のみからなるか又は少なくとも窒素原料を
含む雰囲気で冷却し結晶成長温度から降温させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ型超格子構造と
その作製方法、並びに該ｐ型超格子構造を用いたIII族
窒化物半導体素子及びIII族窒化物半導体発光素子に関
するものである。
その作製方法、並びに該ｐ型超格子構造を用いたIII族
窒化物半導体素子及びIII族窒化物半導体発光素子に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光ディスクの大容量化に代表され
る短波長半導体レーザーのニーズの高まりにより、発振
波長６３５〜６５０ｎｍの赤色可視光半導体レーザーに
よるＤＶＤ規格に続く、次世代高密度ディスク規格用光
源として、III族窒化物半導体材料による青紫半導体レ
ーザーに期待が寄せられている。この材料系では、サフ
ァイア基板上への低温バッファーの成膜を利用した結晶
性の向上技術、水素により不活性化し、高抵抗化したｐ
型膜のアニールによる活性化技術といった重要技術が開
発された。このような技術的進歩により、高輝度の青及
び緑ＬＥＤの量産に成功し、続いて発振波長４００ｎｍ
の青紫半導体レーザーの上市に漕ぎ着けるに至ってい
る。しかし、現状で得られるｐ型膜の性能は、高出力、
長寿命の半導体レーザー素子を実現するためには十分で
ない。従って、高品位かつ低抵抗なｐ型膜の開発は、依
然として、この分野の重要課題である。
る短波長半導体レーザーのニーズの高まりにより、発振
波長６３５〜６５０ｎｍの赤色可視光半導体レーザーに
よるＤＶＤ規格に続く、次世代高密度ディスク規格用光
源として、III族窒化物半導体材料による青紫半導体レ
ーザーに期待が寄せられている。この材料系では、サフ
ァイア基板上への低温バッファーの成膜を利用した結晶
性の向上技術、水素により不活性化し、高抵抗化したｐ
型膜のアニールによる活性化技術といった重要技術が開
発された。このような技術的進歩により、高輝度の青及
び緑ＬＥＤの量産に成功し、続いて発振波長４００ｎｍ
の青紫半導体レーザーの上市に漕ぎ着けるに至ってい
る。しかし、現状で得られるｐ型膜の性能は、高出力、
長寿命の半導体レーザー素子を実現するためには十分で
ない。従って、高品位かつ低抵抗なｐ型膜の開発は、依
然として、この分野の重要課題である。
【０００３】III族窒化物半導体においては、ｐ型不純
物（ドーパント）が水素により不活性化されるため、ａ
ｓ ｇｒｏｗｎ（結晶成長後、アニール等ｐ型不純物の
活性化処理を行わない状態）では高抵抗なものしか得ら
れず、アニールによる活性化工程を必要とする。その結
果、工程増加のコスト及びアニール工程に要する設備等
のコストを要し、III族窒化物半導体及びそれを利用し
た半導体素子の製造コストの増加を招く。また活性化ア
ニールにより得られたｐ型膜においても、ｐ型不純物の
不純物準位が深く活性化率が低いため、キャリア濃度の
高い膜を得ることは難しい。ＡｌＧａＮは、ＧａＮより
大きなバンドギャップを持つため、ｐ型不純物の不純物
準位が深くなり不純物の活性化率が下がる。このため低
抵抗なｐ型ＡｌＧａＮ膜を得ることは難しい。加えて、
ＡｌＧａＮ層をレーザー素子のクラッド層に用いる場合
には、キャリア及び光の閉じ込め効率の点から、高Ａｌ
混晶比のＡｌＧａＮ層を用いる必要があるが、Ａｌ混晶
比が大きくなる程クラックを生じ易く、クラッド層とし
て十分な厚さの高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮ層を成長させ
ることは難しかった。
物（ドーパント）が水素により不活性化されるため、ａ
ｓ ｇｒｏｗｎ（結晶成長後、アニール等ｐ型不純物の
活性化処理を行わない状態）では高抵抗なものしか得ら
れず、アニールによる活性化工程を必要とする。その結
果、工程増加のコスト及びアニール工程に要する設備等
のコストを要し、III族窒化物半導体及びそれを利用し
た半導体素子の製造コストの増加を招く。また活性化ア
ニールにより得られたｐ型膜においても、ｐ型不純物の
不純物準位が深く活性化率が低いため、キャリア濃度の
高い膜を得ることは難しい。ＡｌＧａＮは、ＧａＮより
大きなバンドギャップを持つため、ｐ型不純物の不純物
準位が深くなり不純物の活性化率が下がる。このため低
抵抗なｐ型ＡｌＧａＮ膜を得ることは難しい。加えて、
ＡｌＧａＮ層をレーザー素子のクラッド層に用いる場合
には、キャリア及び光の閉じ込め効率の点から、高Ａｌ
混晶比のＡｌＧａＮ層を用いる必要があるが、Ａｌ混晶
比が大きくなる程クラックを生じ易く、クラッド層とし
て十分な厚さの高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮ層を成長させ
ることは難しかった。
【０００４】特許第２５４０７９１号公報には、III族
窒化物半導体のｐ型不純物が水素により不活性化される
問題を解決する技術として、窒素等の不活性ガス雰囲気
中でアニールしてアクセプターを活性化する技術が開示
されている。この方法によれば、気相法でサファイア基
板上にｐ型不純物をドープした膜を成膜し、窒素雰囲気
下、４００℃以上でアニールすることによりアクセプタ
ーが活性化するとしている。また、特開平８−１２５２
２２号公報によれば、結晶成長終了後の冷却雰囲気を、
水素を含まない雰囲気や不活性ガス雰囲気とすることに
より、低抵抗な膜が得られるとしている。しかしなが
ら、ｐ型不純物が単独ドープされたIII族窒化物半導体
では、上記熱的励起、又は、成長後の冷却雰囲気による
活性化促進の何れの方法によりｐ型不純物を活性化して
も、１０１７ｃｍ−３のオーダーが得られるキャリア濃
度の限界であって、ｐ型電極の接触抵抗が十分に低いも
のは得られていない。特に熱処理を伴うものは、不活性
ガス雰囲気中で高温に曝されることにより、窒化物半導
体表面からの窒素の解離が進み、表面抵抗が上がるなど
特性劣化の問題がある。
窒化物半導体のｐ型不純物が水素により不活性化される
問題を解決する技術として、窒素等の不活性ガス雰囲気
中でアニールしてアクセプターを活性化する技術が開示
されている。この方法によれば、気相法でサファイア基
板上にｐ型不純物をドープした膜を成膜し、窒素雰囲気
下、４００℃以上でアニールすることによりアクセプタ
ーが活性化するとしている。また、特開平８−１２５２
２２号公報によれば、結晶成長終了後の冷却雰囲気を、
水素を含まない雰囲気や不活性ガス雰囲気とすることに
より、低抵抗な膜が得られるとしている。しかしなが
ら、ｐ型不純物が単独ドープされたIII族窒化物半導体
では、上記熱的励起、又は、成長後の冷却雰囲気による
活性化促進の何れの方法によりｐ型不純物を活性化して
も、１０１７ｃｍ−３のオーダーが得られるキャリア濃
度の限界であって、ｐ型電極の接触抵抗が十分に低いも
のは得られていない。特に熱処理を伴うものは、不活性
ガス雰囲気中で高温に曝されることにより、窒化物半導
体表面からの窒素の解離が進み、表面抵抗が上がるなど
特性劣化の問題がある。
【０００５】III族窒化物半導体にｐ型不純物とｎ型不
純物を同時ドーピングする方法に関する技術を開示した
特開平１０−１０１４９６号公報によれば、ｐ型不純物
の活性化の上限は、Ｍｇに代表されるｐ型不純物を単独
ドープしようとしたために発生するとしている。Ｍｇの
ドープ濃度が１０１８ｃｍ−３を越えるとＧａ位置を占
めていたＭｇが格子間位置に移りドナーとなり、このド
ナーとなったＭｇがＧａ位置のアクセプターのＭｇを相
殺する補償機構が働く。その解決方法として、ｐ型不純
物であるＭｇ又はＢｅと同時にｎ型不純物であるＳｉ又
はＯを２：１の比率でドープすれば、ｐ型不純物２原子
とｎ型不純物１原子よりなるクラスターを形成し、アク
セプターの取り込み位置が安定化するとしている。クラ
スターを構成するため取り込まれるドナー１原子分の補
償効果も含め、１つのクラスターが形成されることによ
り１つの安定なアクセプターが得られるとしている。し
かしながら、ｐ型不純物であるＭｇとｎ型不純物である
Ｓｉを同時ドープした場合には、Ｍｇの取り込みサイト
は安定化するが、ＭＯ−ＣＶＤ法で作製した膜中では、
取り込まれた水素によりＭｇが不活性化されており、低
抵抗化するためには何らかの活性化処理が必要であると
いう問題がある。
純物を同時ドーピングする方法に関する技術を開示した
特開平１０−１０１４９６号公報によれば、ｐ型不純物
の活性化の上限は、Ｍｇに代表されるｐ型不純物を単独
ドープしようとしたために発生するとしている。Ｍｇの
ドープ濃度が１０１８ｃｍ−３を越えるとＧａ位置を占
めていたＭｇが格子間位置に移りドナーとなり、このド
ナーとなったＭｇがＧａ位置のアクセプターのＭｇを相
殺する補償機構が働く。その解決方法として、ｐ型不純
物であるＭｇ又はＢｅと同時にｎ型不純物であるＳｉ又
はＯを２：１の比率でドープすれば、ｐ型不純物２原子
とｎ型不純物１原子よりなるクラスターを形成し、アク
セプターの取り込み位置が安定化するとしている。クラ
スターを構成するため取り込まれるドナー１原子分の補
償効果も含め、１つのクラスターが形成されることによ
り１つの安定なアクセプターが得られるとしている。し
かしながら、ｐ型不純物であるＭｇとｎ型不純物である
Ｓｉを同時ドープした場合には、Ｍｇの取り込みサイト
は安定化するが、ＭＯ−ＣＶＤ法で作製した膜中では、
取り込まれた水素によりＭｇが不活性化されており、低
抵抗化するためには何らかの活性化処理が必要であると
いう問題がある。
【０００６】特開平１０−１５４８２９号公報には、ｐ
型不純物と酸素を同時ドープする技術が開示されてい
る。ｐ型不純物と酸素を同時ドープすることによりｐ型
不純物はＧａ位置に入り易くなるが、成長膜は、ａｓ
ｇｒｏｗｎでは低抵抗化せず、低抵抗化には活性化アニ
ールを必要とする。アニール後の酸素を同時ドープした
膜は、単独ドープしアニールした膜よりも高いキャリア
濃度を得ることができるとしている。しかしながら、同
時ドープした膜を不活性ガス中でアニールした場合に
は、膜中の水素の排出による活性化は認められるが、ア
ニールによる表面劣化や、膜表面の水素濃度が高いこと
などの原因によりｐ型電極と窒化物半導体表面との接触
抵抗は増大する。従って、未だ同時ドープによるｐ型不
純物の取り込みサイトの安定化を最大限生かした不純物
の活性化方法は得られていない。
型不純物と酸素を同時ドープする技術が開示されてい
る。ｐ型不純物と酸素を同時ドープすることによりｐ型
不純物はＧａ位置に入り易くなるが、成長膜は、ａｓ
ｇｒｏｗｎでは低抵抗化せず、低抵抗化には活性化アニ
ールを必要とする。アニール後の酸素を同時ドープした
膜は、単独ドープしアニールした膜よりも高いキャリア
濃度を得ることができるとしている。しかしながら、同
時ドープした膜を不活性ガス中でアニールした場合に
は、膜中の水素の排出による活性化は認められるが、ア
ニールによる表面劣化や、膜表面の水素濃度が高いこと
などの原因によりｐ型電極と窒化物半導体表面との接触
抵抗は増大する。従って、未だ同時ドープによるｐ型不
純物の取り込みサイトの安定化を最大限生かした不純物
の活性化方法は得られていない。
【０００７】ｐ型ＡｌＧａＮの低抵抗化及びクラック発
生に対する技術としては、特開平１１−１９１６３８号
公報にＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層による低抵抗クラッ
ド層とデバイスの技術が開示されており、ＡｌＧａＮと
ＧａＮの何れか一方にｐ型不純物をドープすることによ
り、低抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層が得られ
るとしている。また、超格子構造を取ることにより、容
易に半導体レーザー素子のクラッド層に必要な厚さを得
ることが出来るとしている。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超
格子層が低抵抗化する理由は、次のように説明されてい
る。即ち、ＡｌＧａＮ層にｐ型ドープし、ＧａＮ層をア
ンドープとした場合には、ＧａＮ層は高品質の膜が得ら
れキャリアの移動度は大きくなる。高濃度にキャリアが
存在する層とキャリアの移動度の大きな層が交互にある
ことにより、キャリアの濃度が大きくかつ移動度の大き
な超格子構造が形成される。逆にＧａＮにｐ型ドープ
し、ＡｌＧａＮをアンドープとした場合は、ＡｌＧａＮ
膜をトンネル電流が流れる程度の膜厚に設定すれば、ｐ
型ＧａＮは比較的容易に高濃度のキャリアが得られ（Ａ
ｌＧａＮに比べ）ることから、ｐ型ＧａＮ層のキャリア
はＡｌＧａＮ層をトンネル電流によって流れ、結果とし
てＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層は低抵抗のｐ型を示す。
しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子は、ａｓ
ｇｒｏｗｎでは、水素によるｐ型不純物の不活性化に
より高抵抗となり、低抵抗化にはアニール工程を必要と
する。アニール工程を経た前述の超格子は、超格子の界
面の急峻性や不純物の拡散の問題、超格子層間の熱応力
による膜質の劣化、表面劣化等の問題を抱えている。
生に対する技術としては、特開平１１−１９１６３８号
公報にＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層による低抵抗クラッ
ド層とデバイスの技術が開示されており、ＡｌＧａＮと
ＧａＮの何れか一方にｐ型不純物をドープすることによ
り、低抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層が得られ
るとしている。また、超格子構造を取ることにより、容
易に半導体レーザー素子のクラッド層に必要な厚さを得
ることが出来るとしている。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超
格子層が低抵抗化する理由は、次のように説明されてい
る。即ち、ＡｌＧａＮ層にｐ型ドープし、ＧａＮ層をア
ンドープとした場合には、ＧａＮ層は高品質の膜が得ら
れキャリアの移動度は大きくなる。高濃度にキャリアが
存在する層とキャリアの移動度の大きな層が交互にある
ことにより、キャリアの濃度が大きくかつ移動度の大き
な超格子構造が形成される。逆にＧａＮにｐ型ドープ
し、ＡｌＧａＮをアンドープとした場合は、ＡｌＧａＮ
膜をトンネル電流が流れる程度の膜厚に設定すれば、ｐ
型ＧａＮは比較的容易に高濃度のキャリアが得られ（Ａ
ｌＧａＮに比べ）ることから、ｐ型ＧａＮ層のキャリア
はＡｌＧａＮ層をトンネル電流によって流れ、結果とし
てＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層は低抵抗のｐ型を示す。
しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子は、ａｓ
ｇｒｏｗｎでは、水素によるｐ型不純物の不活性化に
より高抵抗となり、低抵抗化にはアニール工程を必要と
する。アニール工程を経た前述の超格子は、超格子の界
面の急峻性や不純物の拡散の問題、超格子層間の熱応力
による膜質の劣化、表面劣化等の問題を抱えている。
【０００８】前記ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層をク
ラッド層に用いた近紫外半導体レーザー素子の技術が、
特開平１１−１９１６３８号公報に開示されている。こ
の素子の構造を図７に基づき説明すると、サファイア基
板１上に、低温ＧａＮバッファー層２、高温のアンドー
プＧａＮバッファー層３、ＳｉＯ２マスク２０′による
選択成長アンドープＧａＮ層２０、ｎ−ＧａＮコンタク
ト層４、ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラック防止層２
１、ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎクラ
ッド層２２、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎｎ
側ガイド層２３、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９
Ｎ活性層６、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎｐキャップ層
２４、アンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎｐ側ガイ
ド層２５、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子
ｎクラッド層２６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７が順次
積層され、エッチングにより、ストライプ幅４μｍのリ
ッジ形状が形成され、ｎ型電極３０、ｐ型電極３１、Ｓ
ｉＯ２絶縁層３２及びｐ電極パッド３３が形成されてい
る。この素子は、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ
／ｃｍ２、閾値電圧４．０Ｖ、発振波長３６８ｎｍの連
続発振が確認され、１０００時間以上の寿命であること
が示されている。
ラッド層に用いた近紫外半導体レーザー素子の技術が、
特開平１１−１９１６３８号公報に開示されている。こ
の素子の構造を図７に基づき説明すると、サファイア基
板１上に、低温ＧａＮバッファー層２、高温のアンドー
プＧａＮバッファー層３、ＳｉＯ２マスク２０′による
選択成長アンドープＧａＮ層２０、ｎ−ＧａＮコンタク
ト層４、ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラック防止層２
１、ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎクラ
ッド層２２、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎｎ
側ガイド層２３、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９
Ｎ活性層６、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎｐキャップ層
２４、アンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎｐ側ガイ
ド層２５、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子
ｎクラッド層２６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７が順次
積層され、エッチングにより、ストライプ幅４μｍのリ
ッジ形状が形成され、ｎ型電極３０、ｐ型電極３１、Ｓ
ｉＯ２絶縁層３２及びｐ電極パッド３３が形成されてい
る。この素子は、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ
／ｃｍ２、閾値電圧４．０Ｖ、発振波長３６８ｎｍの連
続発振が確認され、１０００時間以上の寿命であること
が示されている。
【０００９】しかしながら、上記超格子を用いた近紫外
半導体レーザー素子によれば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格
子構造の低抵抗化は認められるが、ｐ型電極をＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ超格子構造表面に形成するには至らず、ｐ型
ＧａＮコンタクト層上に形成している。ｐ型ＧａＮ層を
コンタクト層に用いると、クラッド層から染み出した光
がコンタクト層に導波され、ビーム形状を悪化させると
共に、発振閾値が上昇する。また、現状では、デバイス
のエピタキシャル成長終了後にｐ型層の活性化アニール
を行っているため、クラッド層に用いているＡｌＧａＮ
／ＧａＮ超格子構造では、アニールにより界面の急峻性
やドーピングプロファイルが悪化し、その結果、クラッ
ド層のキャリア及び光の閉じ込め効率の低下が生じる。
更に、デバイスの積層構造全体が、アニールによる層間
の熱応力の影響に曝されており、膜質の劣化による素子
抵抗の上昇や、高出力動作時の寿命等の問題が生じる。
また、不活性ガス雰囲気での活性化アニールは、ｐ型Ｇ
ａＮの表面劣化を生じ、直上に形成されたｐ型電極の低
抵抗化を妨げている。以上の要因により、現状の近紫外
半導体レーザー素子は、駆動電圧及び発振閾値が高く、
高出力かつ長寿命の素子が得られない等の問題を抱えて
いる。
半導体レーザー素子によれば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格
子構造の低抵抗化は認められるが、ｐ型電極をＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ超格子構造表面に形成するには至らず、ｐ型
ＧａＮコンタクト層上に形成している。ｐ型ＧａＮ層を
コンタクト層に用いると、クラッド層から染み出した光
がコンタクト層に導波され、ビーム形状を悪化させると
共に、発振閾値が上昇する。また、現状では、デバイス
のエピタキシャル成長終了後にｐ型層の活性化アニール
を行っているため、クラッド層に用いているＡｌＧａＮ
／ＧａＮ超格子構造では、アニールにより界面の急峻性
やドーピングプロファイルが悪化し、その結果、クラッ
ド層のキャリア及び光の閉じ込め効率の低下が生じる。
更に、デバイスの積層構造全体が、アニールによる層間
の熱応力の影響に曝されており、膜質の劣化による素子
抵抗の上昇や、高出力動作時の寿命等の問題が生じる。
また、不活性ガス雰囲気での活性化アニールは、ｐ型Ｇ
ａＮの表面劣化を生じ、直上に形成されたｐ型電極の低
抵抗化を妨げている。以上の要因により、現状の近紫外
半導体レーザー素子は、駆動電圧及び発振閾値が高く、
高出力かつ長寿命の素子が得られない等の問題を抱えて
いる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、表面劣化の
ない、ａｓ ｇｒｏｗｎで低抵抗な、ｐ型超格子構造と
その製造方法の提供、並びに高性能のIII族窒化物半導
体素子及び半導体発光素子の提供を目的とする。特に、
アニールによる表面劣化のない高品位かつ低抵抗なｐ型
ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造又はｐ型ＡｌＧａＮ
／ＧａＮ超格子構造、及びそれらを低コストで作製する
方法の提供を目的とする。更に、光とキャリアの閉じ込
めと電極形成の容易さを併せ持つ、低コストな、高品位
かつ低抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はｐ型Ａｌ
ＧａＮ／ＧａＮ超格子構造の提供を目的とする。更に、
低電圧駆動が可能な信頼性の高い半導体素子、並びに低
電圧駆動が可能で低閾値であり、温度特性に優れ、信頼
性の高い可視及び紫外半導体発光素子の提供を目的とす
る。
ない、ａｓ ｇｒｏｗｎで低抵抗な、ｐ型超格子構造と
その製造方法の提供、並びに高性能のIII族窒化物半導
体素子及び半導体発光素子の提供を目的とする。特に、
アニールによる表面劣化のない高品位かつ低抵抗なｐ型
ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造又はｐ型ＡｌＧａＮ
／ＧａＮ超格子構造、及びそれらを低コストで作製する
方法の提供を目的とする。更に、光とキャリアの閉じ込
めと電極形成の容易さを併せ持つ、低コストな、高品位
かつ低抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はｐ型Ａｌ
ＧａＮ／ＧａＮ超格子構造の提供を目的とする。更に、
低電圧駆動が可能な信頼性の高い半導体素子、並びに低
電圧駆動が可能で低閾値であり、温度特性に優れ、信頼
性の高い可視及び紫外半導体発光素子の提供を目的とす
る。
【００１１】上記課題は、次の１）〜１３）の発明（以
下、本発明１〜１３という）によって解決される。 １） 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞
０）とＡｌｙｉＧａ（ １−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ≧０）
（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層をｎ回
積層して形成された超格子構造の少なくとも一方の層に
ｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／
ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製に際し、
水素を含む雰囲気で結晶成長させた後、窒素原料のみか
らなるか又は少なくとも窒素原料を含む雰囲気で冷却し
結晶成長温度から降温させることを特徴とするｐ型Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ
超格子構造の作製方法。 ２） 前記結晶成長後の冷却雰囲気を構成する窒素原料
が、少なくとも水素と窒素を含む窒素原料であることを
特徴とする１）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ（１− ｘｉ）Ｎ
／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ３） 前記水素と窒素を含む窒素原料がアンモニアであ
ることを特徴とする２）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ４） 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞
０）とＡｌｙｉＧａ（ １−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ≧０）
（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層をｎ回
積層し形成された超格子構造の少なくとも一方の層にｐ
型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造上に少なくとも１
層以上のIII族窒化物半導体積層構造を形成したのち冷
却することにより前記超格子構造をｐ型化することを特
徴とするｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘ ｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧ
ａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ５） 前記III族窒化物半導体積層構造の厚さを０．５
μｍ以上とすることを特徴とする４）記載のｐ型Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙ ｉ）Ｎ
超格子構造の作製方法。 ６） 前記超格子構造上に形成されるIII族窒化物半導
体積層構造の結晶成長後の冷却雰囲気を、窒素原料のみ
からなるか又は少なくとも窒素原料を含む雰囲気とする
ことを特徴とする４）又は５）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ７） ｐ型不純物をドープした層に、該ｐ型不純物と同
時に少なくとも１種のｎ型不純物をドープすることを特
徴とする１）〜６）の何れかに記載のｐ型Ａｌ ｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ８） 前記ｙｉ＝０であることを特徴とする１）〜７）
の何れかに記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ９） １）〜８）の何れかに記載の作製方法により得ら
れたｐ型ＡｌｘｉＧａ （１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙ ｉ＋１
≧０）超格子構造。 １０） Ａｌ混晶比、即ち、ｘｉ及び／又はｙｉが層毎
に異なることを特徴とする９）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘ
ｉ＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１≧０）超格子構造。 １１） ９）又は１０）記載のｐ型超格子構造をｐ型電
極コンタクト層に用い、該ｐ型超格子構造上に直接ｐ型
電極を形成したことを特徴とするIII族窒化物半導体素
子。 １２） ｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧ
ａ（１−ｙｉ）Ｎ、又はｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎ／Ｇａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造を構成する、Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ層のＡｌ混晶比を、ｐ型電極に
向かって小さくしたことを特徴とする１１）記載のIII
族窒化物半導体素子。 １３） ９）又は１０）記載のｐ型超格子構造をクラッ
ド層に用いたことを特徴とするIII族窒化物半導体発光
素子。
下、本発明１〜１３という）によって解決される。 １） 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞
０）とＡｌｙｉＧａ（ １−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ≧０）
（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層をｎ回
積層して形成された超格子構造の少なくとも一方の層に
ｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／
ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製に際し、
水素を含む雰囲気で結晶成長させた後、窒素原料のみか
らなるか又は少なくとも窒素原料を含む雰囲気で冷却し
結晶成長温度から降温させることを特徴とするｐ型Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ
超格子構造の作製方法。 ２） 前記結晶成長後の冷却雰囲気を構成する窒素原料
が、少なくとも水素と窒素を含む窒素原料であることを
特徴とする１）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ（１− ｘｉ）Ｎ
／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ３） 前記水素と窒素を含む窒素原料がアンモニアであ
ることを特徴とする２）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ４） 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞
０）とＡｌｙｉＧａ（ １−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ≧０）
（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層をｎ回
積層し形成された超格子構造の少なくとも一方の層にｐ
型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造上に少なくとも１
層以上のIII族窒化物半導体積層構造を形成したのち冷
却することにより前記超格子構造をｐ型化することを特
徴とするｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘ ｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧ
ａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ５） 前記III族窒化物半導体積層構造の厚さを０．５
μｍ以上とすることを特徴とする４）記載のｐ型Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙ ｉ）Ｎ
超格子構造の作製方法。 ６） 前記超格子構造上に形成されるIII族窒化物半導
体積層構造の結晶成長後の冷却雰囲気を、窒素原料のみ
からなるか又は少なくとも窒素原料を含む雰囲気とする
ことを特徴とする４）又は５）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ７） ｐ型不純物をドープした層に、該ｐ型不純物と同
時に少なくとも１種のｎ型不純物をドープすることを特
徴とする１）〜６）の何れかに記載のｐ型Ａｌ ｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 ８） 前記ｙｉ＝０であることを特徴とする１）〜７）
の何れかに記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 ９） １）〜８）の何れかに記載の作製方法により得ら
れたｐ型ＡｌｘｉＧａ （１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙ ｉ＋１
≧０）超格子構造。 １０） Ａｌ混晶比、即ち、ｘｉ及び／又はｙｉが層毎
に異なることを特徴とする９）記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘ
ｉ＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１≧０）超格子構造。 １１） ９）又は１０）記載のｐ型超格子構造をｐ型電
極コンタクト層に用い、該ｐ型超格子構造上に直接ｐ型
電極を形成したことを特徴とするIII族窒化物半導体素
子。 １２） ｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧ
ａ（１−ｙｉ）Ｎ、又はｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎ／Ｇａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造を構成する、Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ層のＡｌ混晶比を、ｐ型電極に
向かって小さくしたことを特徴とする１１）記載のIII
族窒化物半導体素子。 １３） ９）又は１０）記載のｐ型超格子構造をクラッ
ド層に用いたことを特徴とするIII族窒化物半導体発光
素子。
【００１２】以下、上記本発明について詳しく説明す
る。本発明１で作製するｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙ ｉ）Ｎ超格子構造は、Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ
で示されるＡｌ混晶比の異なるＡｌＧａＮ層が交互にｉ
＝１からｉ＝ｎまで順次積層されたものである。Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常に高Ａｌ混晶比（ｘｉ＞ｙ
ｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１）である。超格子構造を構成す
るＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ層とＡｌｙｉＧａ
（１−ｙ ｉ）Ｎ層のＡｌ混晶比は一定でなくてもよく、
ワイドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ、
ナローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの
一方又は両方の混晶比を任意に変調してもよい〔但し、
ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘ ｉ
＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１）である〕。ｐ型不純物
は、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎの一方にドープしても、両方にドープし
てもよい。
る。本発明１で作製するｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙ ｉ）Ｎ超格子構造は、Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ
で示されるＡｌ混晶比の異なるＡｌＧａＮ層が交互にｉ
＝１からｉ＝ｎまで順次積層されたものである。Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常に高Ａｌ混晶比（ｘｉ＞ｙ
ｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１）である。超格子構造を構成す
るＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ層とＡｌｙｉＧａ
（１−ｙ ｉ）Ｎ層のＡｌ混晶比は一定でなくてもよく、
ワイドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ、
ナローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの
一方又は両方の混晶比を任意に変調してもよい〔但し、
ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘ ｉ
＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１）である〕。ｐ型不純物
は、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎの一方にドープしても、両方にドープし
てもよい。
【００１３】結晶成長後に結晶成長温度から降温するた
めの冷却雰囲気としては、窒素原料のみからなる雰囲気
とする他に、少なくとも窒素原料を含む雰囲気とするこ
とが出来る。少なくとも窒素原料を含む雰囲気とは、窒
素原料と窒素又は不活性ガスからなる混合雰囲気を指す
が、更に数％の水素を含む雰囲気であってもよい。前記
冷却雰囲気は、結晶成長後の冷却中に、雰囲気中から水
素が結晶中に拡散し、超格子中の活性化しているｐ型不
純物を不活性化するのを防止する。雰囲気中に含まれる
窒素原料は、高温では分解により活性な窒素を供給し、
結晶表面からの窒素の解離を抑制する役割をする。成膜
中と冷却中とで異なる窒素原料を用いることも可能であ
る。
めの冷却雰囲気としては、窒素原料のみからなる雰囲気
とする他に、少なくとも窒素原料を含む雰囲気とするこ
とが出来る。少なくとも窒素原料を含む雰囲気とは、窒
素原料と窒素又は不活性ガスからなる混合雰囲気を指す
が、更に数％の水素を含む雰囲気であってもよい。前記
冷却雰囲気は、結晶成長後の冷却中に、雰囲気中から水
素が結晶中に拡散し、超格子中の活性化しているｐ型不
純物を不活性化するのを防止する。雰囲気中に含まれる
窒素原料は、高温では分解により活性な窒素を供給し、
結晶表面からの窒素の解離を抑制する役割をする。成膜
中と冷却中とで異なる窒素原料を用いることも可能であ
る。
【００１４】本発明１によれば、窒素原料を含む雰囲気
で冷却を行うことにより、ｐ型不純物の不活性化の原因
となる冷却雰囲気からの水素の拡散を抑制することがで
き、成長直後の低抵抗なｐ型超格子構造中の活性なｐ型
不純物の不活性化は生じないから、ａｓ ｇｒｏｗｎで
低抵抗な前記ｐ型超格子構造が得られる。また、冷却時
の高温下における表面層の窒素の解離等による窒素空孔
の発生が抑制される。本発明１で得られるｐ型超格子構
造は、ドナーとして働く窒素空孔の密度が低く、低抵抗
なｐ型電極を直接形成できる高品位な表面を有するの
で、半導体素子等の材料として有用である。更に、アニ
ール工程が無くなることにより、コストダウンが可能と
なる他、超格子構造を構成する層間のＡｌ組成の急峻性
が維持され、また、不純物の拡散等を最小限に押さえる
ことも可能となるし、超格子構造の層間にアニールの熱
応力による膜質の劣化の恐れもない。
で冷却を行うことにより、ｐ型不純物の不活性化の原因
となる冷却雰囲気からの水素の拡散を抑制することがで
き、成長直後の低抵抗なｐ型超格子構造中の活性なｐ型
不純物の不活性化は生じないから、ａｓ ｇｒｏｗｎで
低抵抗な前記ｐ型超格子構造が得られる。また、冷却時
の高温下における表面層の窒素の解離等による窒素空孔
の発生が抑制される。本発明１で得られるｐ型超格子構
造は、ドナーとして働く窒素空孔の密度が低く、低抵抗
なｐ型電極を直接形成できる高品位な表面を有するの
で、半導体素子等の材料として有用である。更に、アニ
ール工程が無くなることにより、コストダウンが可能と
なる他、超格子構造を構成する層間のＡｌ組成の急峻性
が維持され、また、不純物の拡散等を最小限に押さえる
ことも可能となるし、超格子構造の層間にアニールの熱
応力による膜質の劣化の恐れもない。
【００１５】本発明２の冷却雰囲気を構成する少なくと
も水素と窒素を含む窒素原料としては、本発明３で用い
るアンモニア以外に、モノメチルヒドラジン等の種々の
窒素原料を用いることが出来る。冷却雰囲気を構成する
前記窒素原料の役割は次のように推察される。即ち、前
記窒素原料は、冷却過程中の高温下で分解して活性な窒
素と水素を供給し、活性な窒素が結晶表面からの窒素の
解離を防止し、活性な水素が原料中のアルキル基の分解
を促進したり、結晶表面の吸着物質のクリーニングなど
の働きをする。本発明３で用いるアンモニアは、高純度
品を容易かつ安価に入手できる窒素原料であると共に、
これを冷却中の雰囲気に用いることにより、結晶表面か
ら窒素原料に由来する不純物が拡散しない高純度かつ高
品位のｐ型超格子構造が得られるので好ましい。
も水素と窒素を含む窒素原料としては、本発明３で用い
るアンモニア以外に、モノメチルヒドラジン等の種々の
窒素原料を用いることが出来る。冷却雰囲気を構成する
前記窒素原料の役割は次のように推察される。即ち、前
記窒素原料は、冷却過程中の高温下で分解して活性な窒
素と水素を供給し、活性な窒素が結晶表面からの窒素の
解離を防止し、活性な水素が原料中のアルキル基の分解
を促進したり、結晶表面の吸着物質のクリーニングなど
の働きをする。本発明３で用いるアンモニアは、高純度
品を容易かつ安価に入手できる窒素原料であると共に、
これを冷却中の雰囲気に用いることにより、結晶表面か
ら窒素原料に由来する不純物が拡散しない高純度かつ高
品位のｐ型超格子構造が得られるので好ましい。
【００１６】本発明４の超格子構造及び該超格子構造上
に形成されるIII族窒化物半導体積層構造は、水素を含
む雰囲気で結晶成長させる。III族窒化物半導体積層構
造の結晶成長後の冷却雰囲気は、水素を含め、任意のガ
スにより構成することが出来る。超格子構造上に形成さ
れるIII族窒化物半導体積層構造は、単層でもよいが、
少なくとも冷却雰囲気からの水素の拡散が超格子構造に
及ばない厚さが必要である。このような構成とすること
により、冷却雰囲気中の水素が超格子構造にまで拡散す
ることを防止できる。前記III族窒化物半導体積層構造
は、アンドープ層、ｐ型不純物又はｎ型不純物をドープ
した層、ｐ型不純物とｎ型不純物を同時ドープした層の
何れにより構成してもよい。
に形成されるIII族窒化物半導体積層構造は、水素を含
む雰囲気で結晶成長させる。III族窒化物半導体積層構
造の結晶成長後の冷却雰囲気は、水素を含め、任意のガ
スにより構成することが出来る。超格子構造上に形成さ
れるIII族窒化物半導体積層構造は、単層でもよいが、
少なくとも冷却雰囲気からの水素の拡散が超格子構造に
及ばない厚さが必要である。このような構成とすること
により、冷却雰囲気中の水素が超格子構造にまで拡散す
ることを防止できる。前記III族窒化物半導体積層構造
は、アンドープ層、ｐ型不純物又はｎ型不純物をドープ
した層、ｐ型不純物とｎ型不純物を同時ドープした層の
何れにより構成してもよい。
【００１７】本発明５では、前記III族窒化物半導体積
層構造の厚さを０．５μｍ以上とする。冷却雰囲気中に
おける水素の拡散は、III族窒化物中では深さ０．５μ
ｍ程度未満であるから、III族窒化物半導体積層構造の
厚さを０．５μｍ以上とすれば、その下部の超格子層に
水素が拡散することはない。従って、超格子構造中の水
素濃度は低く、超格子中の不純物は水素による不活性化
の影響を受けないため、成長直後のままの低抵抗なｐ型
超格子構造を得ることができる。
層構造の厚さを０．５μｍ以上とする。冷却雰囲気中に
おける水素の拡散は、III族窒化物中では深さ０．５μ
ｍ程度未満であるから、III族窒化物半導体積層構造の
厚さを０．５μｍ以上とすれば、その下部の超格子層に
水素が拡散することはない。従って、超格子構造中の水
素濃度は低く、超格子中の不純物は水素による不活性化
の影響を受けないため、成長直後のままの低抵抗なｐ型
超格子構造を得ることができる。
【００１８】本発明６では、III族窒化物半導体積層構
造の結晶成長後の冷却雰囲気を、窒素原料のみからなる
か又は窒素原料を少なくとも含む雰囲気とすることによ
り、冷却中の冷却雰囲気からの水素の拡散を防ぎ、超格
子構造上に成膜するIII族窒化物半導体層を薄くし、結
果として、本発明４に比べて素子の構造やプロセスの自
由度を大きくすることが出来る。また、前記冷却雰囲気
を構成する窒素原料としては、本発明２又は３と同様
に、アンモニア等の種々の水素と窒素を含む窒素原料を
用いてもよい。
造の結晶成長後の冷却雰囲気を、窒素原料のみからなる
か又は窒素原料を少なくとも含む雰囲気とすることによ
り、冷却中の冷却雰囲気からの水素の拡散を防ぎ、超格
子構造上に成膜するIII族窒化物半導体層を薄くし、結
果として、本発明４に比べて素子の構造やプロセスの自
由度を大きくすることが出来る。また、前記冷却雰囲気
を構成する窒素原料としては、本発明２又は３と同様
に、アンモニア等の種々の水素と窒素を含む窒素原料を
用いてもよい。
【００１９】本発明７では、本発明１と同様に、ｐ型不
純物をＡｌ混晶比の異なる交互に積層されたＡｌＧａＮ
層の一方又は両方にドープし、更に該ｐ型不純物をドー
プしたＡｌＧａＮ層に、少なくとも１種類のｎ型不純物
を同時ドープする。しかし、Ａｌ混晶比が異なる両方の
層にｐ型不純物をドープした場合には、ｎ型不純物は、
どちらか一方の層にドープしても両方の層にドープして
もよい。前記同時ドープするｎ型不純物とは、III族窒
化物中でｎ型不純物として振る舞うＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｇ
ｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等の不純物を指す。また、本発明７
によれば、本発明１〜６で得られる高品位な超格子構造
に更に同時ドープを行うので、活性化したｐ型不純物の
固溶度を上げることが可能となり、ａｓ ｇｒｏｗｎで
高キャリア濃度が得られる。
純物をＡｌ混晶比の異なる交互に積層されたＡｌＧａＮ
層の一方又は両方にドープし、更に該ｐ型不純物をドー
プしたＡｌＧａＮ層に、少なくとも１種類のｎ型不純物
を同時ドープする。しかし、Ａｌ混晶比が異なる両方の
層にｐ型不純物をドープした場合には、ｎ型不純物は、
どちらか一方の層にドープしても両方の層にドープして
もよい。前記同時ドープするｎ型不純物とは、III族窒
化物中でｎ型不純物として振る舞うＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｇ
ｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等の不純物を指す。また、本発明７
によれば、本発明１〜６で得られる高品位な超格子構造
に更に同時ドープを行うので、活性化したｐ型不純物の
固溶度を上げることが可能となり、ａｓ ｇｒｏｗｎで
高キャリア濃度が得られる。
【００２０】本発明８では、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎで表されるＡｌＧａＮ層とＡｌｙ ｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎ（ｙｉ＝０）即ちＧａＮ層とをｎ回交互に積層してい
る。ｐ型不純物は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の何れにド
ープしてもよい。Ａｌを含む層の成長中には、Ａｌ原料
とアンモニア又はＡｌ原料とＭｇ原料との気相での反応
が起こり易く、膜質の劣化を起こし易いが、ＧａＮ成長
中には、該原料ガスの気相での反応を抑制することがで
き、膜質の向上が可能となる。現状の成膜技術では最も
高品位の成膜が可能なＧａＮ層を超格子構造に用いるこ
とにより、積層数が増えるに従い進行する膜質の劣化を
最小限にでき、超格子構造全体の膜質が向上する。従っ
て、超格子構造としてのキャリア移動度の向上やキャリ
ア濃度の向上が可能となる。
Ｎで表されるＡｌＧａＮ層とＡｌｙ ｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎ（ｙｉ＝０）即ちＧａＮ層とをｎ回交互に積層してい
る。ｐ型不純物は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の何れにド
ープしてもよい。Ａｌを含む層の成長中には、Ａｌ原料
とアンモニア又はＡｌ原料とＭｇ原料との気相での反応
が起こり易く、膜質の劣化を起こし易いが、ＧａＮ成長
中には、該原料ガスの気相での反応を抑制することがで
き、膜質の向上が可能となる。現状の成膜技術では最も
高品位の成膜が可能なＧａＮ層を超格子構造に用いるこ
とにより、積層数が増えるに従い進行する膜質の劣化を
最小限にでき、超格子構造全体の膜質が向上する。従っ
て、超格子構造としてのキャリア移動度の向上やキャリ
ア濃度の向上が可能となる。
【００２１】本発明９は、本発明１〜８の作製方法で得
られるＡｌ混晶比が異なるＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ
とＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎで示されるＡｌＧａＮ層
が交互にｎペア積層されているｐ型超格子構造である。
本発明１０は、本発明９のｐ型超格子構造において、ワ
イドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎとナ
ローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ ）Ｎの一
方又は両方のＡｌ混晶比を任意に変調し異ならせたもの
である〔但し、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接す
るＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンド
ギャップ（ｘｉ＞ｙｉ）である〕。混晶比の変調は、目
的に応じて部分的に行ってもよいし、超格子構造全体に
行ってもよく、また、複数の目的で複数パターンの混晶
比の変調を行ってもよい。ｐ型不純物は、ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの一方に
ドープしても両方にドープしてもよく、混晶比の変調と
関連づけてドーピング濃度の変調を併せて行ってもよ
い。ドーピングは、ｐ型不純物の単独ドープでも、ｐ型
不純物とｎ型不純物の同時ドープでもよい。
られるＡｌ混晶比が異なるＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ
とＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎで示されるＡｌＧａＮ層
が交互にｎペア積層されているｐ型超格子構造である。
本発明１０は、本発明９のｐ型超格子構造において、ワ
イドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎとナ
ローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ ）Ｎの一
方又は両方のＡｌ混晶比を任意に変調し異ならせたもの
である〔但し、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接す
るＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンド
ギャップ（ｘｉ＞ｙｉ）である〕。混晶比の変調は、目
的に応じて部分的に行ってもよいし、超格子構造全体に
行ってもよく、また、複数の目的で複数パターンの混晶
比の変調を行ってもよい。ｐ型不純物は、ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）ＮとＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの一方に
ドープしても両方にドープしてもよく、混晶比の変調と
関連づけてドーピング濃度の変調を併せて行ってもよ
い。ドーピングは、ｐ型不純物の単独ドープでも、ｐ型
不純物とｎ型不純物の同時ドープでもよい。
【００２２】Ａｌの混晶比を層毎に変えるメリットとし
ては、次の３つが挙げられる。 （１）屈折率分布を作ることが可能となる。 （２）Ａｌの混晶比を下げてＧａＮに近付けることによ
り、電極形成時のコンタクト抵抗を下げることが可能と
なる。 （３）バンドギャップを変えることによりキャリアの動
きをコントロールすることが出来る。 この３者のバランスをとることにより、光やキャリアの
閉じ込めと電極の形成の容易さを併せ持つクラッド層へ
の適用が可能となる（但し、応用範囲はクラッド層に限
られるものではない）。本発明９又は１０によれば、ｐ
型層を活性化するための高温でのアニールを必要としな
いため、ｐ型を含めた超格子積層構造の層間に熱応力の
発生が無く、膜質の良好な超格子構造が得られる。
ては、次の３つが挙げられる。 （１）屈折率分布を作ることが可能となる。 （２）Ａｌの混晶比を下げてＧａＮに近付けることによ
り、電極形成時のコンタクト抵抗を下げることが可能と
なる。 （３）バンドギャップを変えることによりキャリアの動
きをコントロールすることが出来る。 この３者のバランスをとることにより、光やキャリアの
閉じ込めと電極の形成の容易さを併せ持つクラッド層へ
の適用が可能となる（但し、応用範囲はクラッド層に限
られるものではない）。本発明９又は１０によれば、ｐ
型層を活性化するための高温でのアニールを必要としな
いため、ｐ型を含めた超格子積層構造の層間に熱応力の
発生が無く、膜質の良好な超格子構造が得られる。
【００２３】本発明１１は、本発明９又は１０のｐ型超
格子構造をｐ型電極コンタクト層に用いたIII族窒化物
半導体素子であるが、該ｐ型超格子構造は、ｐ型電極コ
ンタクト層としての機能以外に、他の機能を兼ね備えて
いてもよい。前記ｐ型電極コンタクト層は、成長膜の最
表面にある必要はなく、底面に位置する構成も可能であ
る。また、前記ｐ型超格子構造上に直接ｐ型電極が形成
され、電流が注入される構成とすることにより、発光素
子、レーザー素子等の種々の用途に適用できる。本発明
９又は１０の超格子構造におけるｐ型電極コンタクト層
は、低抵抗かつアニールによる表面の劣化がないため、
低抵抗ｐ型電極の形成が容易であり、更にアニールによ
る不純物を含めた各層間の物質移動が無いため、ドーピ
ング濃度プロファイルも急峻になるので、低電圧駆動が
可能な信頼性の高いIII族窒化物半導体素子が得られ
る。
格子構造をｐ型電極コンタクト層に用いたIII族窒化物
半導体素子であるが、該ｐ型超格子構造は、ｐ型電極コ
ンタクト層としての機能以外に、他の機能を兼ね備えて
いてもよい。前記ｐ型電極コンタクト層は、成長膜の最
表面にある必要はなく、底面に位置する構成も可能であ
る。また、前記ｐ型超格子構造上に直接ｐ型電極が形成
され、電流が注入される構成とすることにより、発光素
子、レーザー素子等の種々の用途に適用できる。本発明
９又は１０の超格子構造におけるｐ型電極コンタクト層
は、低抵抗かつアニールによる表面の劣化がないため、
低抵抗ｐ型電極の形成が容易であり、更にアニールによ
る不純物を含めた各層間の物質移動が無いため、ドーピ
ング濃度プロファイルも急峻になるので、低電圧駆動が
可能な信頼性の高いIII族窒化物半導体素子が得られ
る。
【００２４】本発明１２は、本発明１１と同様、ｐ型超
格子構造上に直接ｐ型電極を形成したものであり、ワイ
ドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎとナロ
ーバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの一方
又は両方のＡｌ混晶比を、前記ｐ型電極に向かって小さ
くなるように変調したものである〔但し、ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘｉ＞ｙｉ）であ
る〕。これにより、コンタクト層表面がＧａＮに近い組
成となるので更に低抵抗化し、結果としてｐ型電極の更
なる低抵抗化が可能となる。また、Ａｌ混晶比の傾斜し
た材料を用いることにより、光の閉じこめ構造と低抵抗
化のバランスを取ることができる。なお、混晶比の変調
の態様は、超格子構造全体をｐ型電極に向かって小さく
なるように変調する態様だけでなく、例えば、ｐ型電極
との接点付近に限って変調したり、ｐ型電極との接点付
近以外の箇所を他の目的のために変調したりしてもよ
い。
格子構造上に直接ｐ型電極を形成したものであり、ワイ
ドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎとナロ
ーバンドギャップなＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎの一方
又は両方のＡｌ混晶比を、前記ｐ型電極に向かって小さ
くなるように変調したものである〔但し、ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘｉ＞ｙｉ）であ
る〕。これにより、コンタクト層表面がＧａＮに近い組
成となるので更に低抵抗化し、結果としてｐ型電極の更
なる低抵抗化が可能となる。また、Ａｌ混晶比の傾斜し
た材料を用いることにより、光の閉じこめ構造と低抵抗
化のバランスを取ることができる。なお、混晶比の変調
の態様は、超格子構造全体をｐ型電極に向かって小さく
なるように変調する態様だけでなく、例えば、ｐ型電極
との接点付近に限って変調したり、ｐ型電極との接点付
近以外の箇所を他の目的のために変調したりしてもよ
い。
【００２５】本発明１３は、本発明９又は１０のｐ型超
格子構造をクラッド層に用いたIII族窒化物半導体発光
素子であって、ワイドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ
（１− ｘｉ）ＮとナローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎの一方または両方のＡｌ混晶比を、一定
としてもよく、目的に合わせて変調してもよい〔但し、
ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘｉ
＞ｙｉ）である〕。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はｐ
型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造をクラッド層に用いる
ことで、平均Ａｌ混晶比の高い低抵抗な超格子クラッド
層を作製できるから、光の閉じ込め効率とキャリアの注
入効率が上がる。前記超格子クラッド層は、アニールに
よる不純物を含めた各層間の物質移動が無いため、ドー
ピング濃度プロファイルも急峻なものが得られるし、ｐ
型を含めた超格子層構造の層間にアニールによる新たな
熱応力の発生が無く、低抵抗かつ高品位の素子構造が得
られる。可視領域の素子では、低電圧駆動が可能な、低
閾値で温度特性の優れた、信頼性の高いレーザー素子が
得られる。また、平均Ａｌ混晶比の高い超格子クラッド
層により、紫外域の素子にも対応可能なクラッド層が得
られ、これを用いた低電圧駆動が可能な、低閾値の、温
度特性の優れた、信頼性の高い紫外域の発光素子が得ら
れる。前記ｐ型超格子構造は、クラッド層として機能し
てさえいれば、他の機能を兼ね備えていてもよい。ま
た、本素子は、前記ｐ型超格子構造をクラッド層として
用いた発光素子全般に適用可能であり、応用がレーザー
素子に限られるものではない。
格子構造をクラッド層に用いたIII族窒化物半導体発光
素子であって、ワイドバンドギャップなＡｌｘｉＧａ
（１− ｘｉ）ＮとナローバンドギャップなＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎの一方または両方のＡｌ混晶比を、一定
としてもよく、目的に合わせて変調してもよい〔但し、
ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎは、隣接するＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎよりも常にワイドバンドギャップ（ｘｉ
＞ｙｉ）である〕。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はｐ
型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造をクラッド層に用いる
ことで、平均Ａｌ混晶比の高い低抵抗な超格子クラッド
層を作製できるから、光の閉じ込め効率とキャリアの注
入効率が上がる。前記超格子クラッド層は、アニールに
よる不純物を含めた各層間の物質移動が無いため、ドー
ピング濃度プロファイルも急峻なものが得られるし、ｐ
型を含めた超格子層構造の層間にアニールによる新たな
熱応力の発生が無く、低抵抗かつ高品位の素子構造が得
られる。可視領域の素子では、低電圧駆動が可能な、低
閾値で温度特性の優れた、信頼性の高いレーザー素子が
得られる。また、平均Ａｌ混晶比の高い超格子クラッド
層により、紫外域の素子にも対応可能なクラッド層が得
られ、これを用いた低電圧駆動が可能な、低閾値の、温
度特性の優れた、信頼性の高い紫外域の発光素子が得ら
れる。前記ｐ型超格子構造は、クラッド層として機能し
てさえいれば、他の機能を兼ね備えていてもよい。ま
た、本素子は、前記ｐ型超格子構造をクラッド層として
用いた発光素子全般に適用可能であり、応用がレーザー
素子に限られるものではない。
【００２６】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例により限定されるもので
はない。
るが、本発明はこれらの実施例により限定されるもので
はない。
【００２７】実施例１ 図１を参照しつつ本実施例について説明する。よく洗浄
したサファイア基板１０１を反応容器内のサセプターに
固定し、容器内を真空排気した後、水素雰囲気中でサー
マルクリーニングした。次いで基板温度５００℃、Ｇａ
源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎ源としてア
ンモニア、キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、Ｇ
ａＮ低温バッファー１０２を成膜した。Ｇａ源の供給を
停止して１０８０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭ
Ｇ、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、
ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇをシーケンス
に基づき供給し、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚
５ｎｍ）とＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）各５０周期よりなるＡｌ ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／
Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造１０３を成長さ
せた。ＭｇドーピングはＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層
に行った。超格子成長後、先ず、Ｇａ源、Ａｌ源及びＭ
ｇ源を停止し、次にキャリアガスのうちＨ２の供給を停
止し、Ｎ源であるアンモニアとキャリアガスであるＮ２
の雰囲気中で室温まで冷却して取り出した。得られた超
格子を測定したところ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ
−３を越えるｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層／Ａｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造であることが確認さ
れた。なお、本実施例の超格子構造の層構成は一例であ
って、広くｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造に応
用可能である。また、本実施例では、冷却雰囲気をアン
モニアと窒素で構成したが、これに限られるものではな
く、例えばアンモニア１００％の雰囲気でもよい。更
に、超格子構造を構成するＡｌＧａＮは、一般式Ａｌｘ
Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）で表される材料に広く
適用可能で、ｐ型不純物も本実施例以外の構成をとるこ
とが可能である。
したサファイア基板１０１を反応容器内のサセプターに
固定し、容器内を真空排気した後、水素雰囲気中でサー
マルクリーニングした。次いで基板温度５００℃、Ｇａ
源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎ源としてア
ンモニア、キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、Ｇ
ａＮ低温バッファー１０２を成膜した。Ｇａ源の供給を
停止して１０８０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭ
Ｇ、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、
ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇをシーケンス
に基づき供給し、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚
５ｎｍ）とＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）各５０周期よりなるＡｌ ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／
Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造１０３を成長さ
せた。ＭｇドーピングはＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層
に行った。超格子成長後、先ず、Ｇａ源、Ａｌ源及びＭ
ｇ源を停止し、次にキャリアガスのうちＨ２の供給を停
止し、Ｎ源であるアンモニアとキャリアガスであるＮ２
の雰囲気中で室温まで冷却して取り出した。得られた超
格子を測定したところ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ
−３を越えるｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層／Ａｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造であることが確認さ
れた。なお、本実施例の超格子構造の層構成は一例であ
って、広くｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造に応
用可能である。また、本実施例では、冷却雰囲気をアン
モニアと窒素で構成したが、これに限られるものではな
く、例えばアンモニア１００％の雰囲気でもよい。更
に、超格子構造を構成するＡｌＧａＮは、一般式Ａｌｘ
Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）で表される材料に広く
適用可能で、ｐ型不純物も本実施例以外の構成をとるこ
とが可能である。
【００２８】実施例２ 図２を参照しつつ本発明４に係る実施例について説明す
る。よく洗浄したサファイア基板２０１を反応容器内の
サセプターに固定し、容器内を真空排気した後、水素雰
囲気中でサーマルクリーニングした。次いで基板温度５
００℃、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ｎ源としてアンモニア、
キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、ＧａＮ低温バ
ッファー２０２を成膜した。Ｇａ源の供給を停止して１
０７０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ａｌ源と
してＴＭＡ、ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇ
をシーケンスに基づき供給し、Ａｌ０．２５Ｇａ
０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）
各５０周期よりなるＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／Ｇａ
Ｎ超格子構造２０３を成長させた。ＭｇドーピングはＧ
ａＮ層に行った。Ａｌ源とＭｇ源の供給を停止し、Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造２０３の上
に、ｎｏｎ−ＧａＮ層（III族窒化物積層構造）２０４
を膜厚１μｍ成長させた後、Ｇａ源の供給を停止し、室
温まで冷却して取り出した。ＳＩＭＳ（セカンダリーイ
オンマイクロスペクトロスコープ）により分析したとこ
ろ、ｎｏｎ−ＧａＮ層２０４の下部に位置するＡｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造２０３の水
素含有量は、超格子構造／ｎｏｎ−ＧａＮ層界面から低
く一定で、ｎｏｎ−ＧａＮ層２０４をエッチングして測
定した結果、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３を超える
ｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造で
あることが確認された。なお、本実施例の超格子構造の
層構成は一例であって、広くｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａ
Ｎ超格子構造に応用可能であり、III族窒化物積層構造
も、本実施例のような単層以外に多層構造としてもよ
く、更に、ｐ型不純物も本実施例以外の構成とすること
が可能である。
る。よく洗浄したサファイア基板２０１を反応容器内の
サセプターに固定し、容器内を真空排気した後、水素雰
囲気中でサーマルクリーニングした。次いで基板温度５
００℃、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ｎ源としてアンモニア、
キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、ＧａＮ低温バ
ッファー２０２を成膜した。Ｇａ源の供給を停止して１
０７０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ａｌ源と
してＴＭＡ、ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇ
をシーケンスに基づき供給し、Ａｌ０．２５Ｇａ
０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）
各５０周期よりなるＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／Ｇａ
Ｎ超格子構造２０３を成長させた。ＭｇドーピングはＧ
ａＮ層に行った。Ａｌ源とＭｇ源の供給を停止し、Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造２０３の上
に、ｎｏｎ−ＧａＮ層（III族窒化物積層構造）２０４
を膜厚１μｍ成長させた後、Ｇａ源の供給を停止し、室
温まで冷却して取り出した。ＳＩＭＳ（セカンダリーイ
オンマイクロスペクトロスコープ）により分析したとこ
ろ、ｎｏｎ−ＧａＮ層２０４の下部に位置するＡｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造２０３の水
素含有量は、超格子構造／ｎｏｎ−ＧａＮ層界面から低
く一定で、ｎｏｎ−ＧａＮ層２０４をエッチングして測
定した結果、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３を超える
ｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造で
あることが確認された。なお、本実施例の超格子構造の
層構成は一例であって、広くｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａ
Ｎ超格子構造に応用可能であり、III族窒化物積層構造
も、本実施例のような単層以外に多層構造としてもよ
く、更に、ｐ型不純物も本実施例以外の構成とすること
が可能である。
【００２９】実施例２−１ 実施例２と同様にして、ＧａＮ層にＭｇを用いｐ型ドー
プしたＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造
上にIII族窒化物積層構造を成膜し、III族窒化物積層構
造の厚さを変えた試料を成長させた。これらの試料の水
素濃度ＳＩＭＳにより分析したところ、III族窒化物積
層構造の厚さが０．５μｍを超える場合には、Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造中の水素濃
度は、III族窒化物積層構造との界面からほぼ一定の低
濃度であることが分かった。また、III族窒化物積層構
造をエッチングにより除去した後、キャリア濃度を測定
したところ、１０１８ｃｍ−３を超えるｐ型Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造であること
が確認された。なお、本実施例の超格子構造の層構成は
一例であって、広くｐ型ＡｌｘｉＧａ （１−ｘｉ）Ｎ／
ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造（１≧ｘｉ＞ｙ
ｉ−１，ｙｉ，ｙｉ＋１≧０）に応用可能であり、各層
を構成するＡｌＧａＮ層も一般式ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表さ
れる材料に広く適用可能である。上記のIII族窒化物積
層構造は、単層でも多層構造であっても膜厚が０．５μ
ｍを超えていればよく、また、アンドープ層であっても
ドーピングされた層であってもよい。超格子にドープさ
れるｐ型不純物も本実施例以外の多様な構成をとること
が可能である。
プしたＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造
上にIII族窒化物積層構造を成膜し、III族窒化物積層構
造の厚さを変えた試料を成長させた。これらの試料の水
素濃度ＳＩＭＳにより分析したところ、III族窒化物積
層構造の厚さが０．５μｍを超える場合には、Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造中の水素濃
度は、III族窒化物積層構造との界面からほぼ一定の低
濃度であることが分かった。また、III族窒化物積層構
造をエッチングにより除去した後、キャリア濃度を測定
したところ、１０１８ｃｍ−３を超えるｐ型Ａｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮ超格子構造であること
が確認された。なお、本実施例の超格子構造の層構成は
一例であって、広くｐ型ＡｌｘｉＧａ （１−ｘｉ）Ｎ／
ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造（１≧ｘｉ＞ｙ
ｉ−１，ｙｉ，ｙｉ＋１≧０）に応用可能であり、各層
を構成するＡｌＧａＮ層も一般式ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ（１≧ｘｉ≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表さ
れる材料に広く適用可能である。上記のIII族窒化物積
層構造は、単層でも多層構造であっても膜厚が０．５μ
ｍを超えていればよく、また、アンドープ層であっても
ドーピングされた層であってもよい。超格子にドープさ
れるｐ型不純物も本実施例以外の多様な構成をとること
が可能である。
【００３０】実施例３ 図３を参照しつつ本発明７に係る実施例について説明す
る。よく洗浄したサファイア基板３０１を反応容器内の
サセプターに固定し、容器内を真空排気した後、水素雰
囲気中でサーマルクリーニングした。次いで基板温度５
００℃、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ｎ源としてアンモニア、
キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、ＧａＮ低温バ
ッファー３０２を成膜した。Ｇａ源の供給を停止して１
０８０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ａｌ源と
してＴＭＡ、ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇ
を、ｎ型不純物としてＳｉＨ４をシーケンスに基づき供
給し、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）と
Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）各５０周
期よりなるＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／Ａｌ０．０５
Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造３０３を成長させた。Ｍｇと
Ｓｉの同時ドープはＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層に行
った。超格子成長後、先ず、Ｇａ源、Ａｌ源、Ｍｇ源及
びＳｉ源を停止し、次にキャリアガスのＨ２とＮ２の供
給を停止し、Ｎ源であるアンモニア１００％の雰囲気中
で室温まで冷却して取り出した。得られた超格子を測定
したところ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３を超える
ｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層／Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎ超格子構造であることが確認された。なお、
本実施例の超格子構造の層構成は一例であって、広くｐ
型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造に応用可能であ
る。また、本実施例で示す冷却雰囲気も一例である。更
に、超格子構造を構成するＡｌＧａＮは、一般式Ａｌｘ
Ｇａ（１− ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）で表される材料に広く
適用可能であり、ｐ型不純物とｎ型不純物も本実施例以
外の構成とすることが可能である。
る。よく洗浄したサファイア基板３０１を反応容器内の
サセプターに固定し、容器内を真空排気した後、水素雰
囲気中でサーマルクリーニングした。次いで基板温度５
００℃、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ｎ源としてアンモニア、
キャリアガスとしてＮ２とＨ２を供給し、ＧａＮ低温バ
ッファー３０２を成膜した。Ｇａ源の供給を停止して１
０８０℃に昇温した後、Ｇａ源としてＴＭＧ、Ａｌ源と
してＴＭＡ、ｐ型不純物のＭｇ源としてＥｔＣｐ２Ｍｇ
を、ｎ型不純物としてＳｉＨ４をシーケンスに基づき供
給し、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）と
Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）各５０周
期よりなるＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／Ａｌ０．０５
Ｇａ０．９５Ｎ超格子構造３０３を成長させた。Ｍｇと
Ｓｉの同時ドープはＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層に行
った。超格子成長後、先ず、Ｇａ源、Ａｌ源、Ｍｇ源及
びＳｉ源を停止し、次にキャリアガスのＨ２とＮ２の供
給を停止し、Ｎ源であるアンモニア１００％の雰囲気中
で室温まで冷却して取り出した。得られた超格子を測定
したところ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３を超える
ｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層／Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎ超格子構造であることが確認された。なお、
本実施例の超格子構造の層構成は一例であって、広くｐ
型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造に応用可能であ
る。また、本実施例で示す冷却雰囲気も一例である。更
に、超格子構造を構成するＡｌＧａＮは、一般式Ａｌｘ
Ｇａ（１− ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）で表される材料に広く
適用可能であり、ｐ型不純物とｎ型不純物も本実施例以
外の構成とすることが可能である。
【００３１】実施例４ 図４を参照しつつ、本発明１１に係る、本発明９の超格
子構造をクラッド層兼コンタクト層に用いたIII族窒化
物半導体レーザー素子の実施例について説明する。サフ
ァイア基板４０１上に、ＧａＮバッファー層４０２を成
長させ、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜
厚５ｎｍ）とＳｉドープＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）５０周
期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｎ型クラッド
層４０３、ｎ−ＧａＮガイド層４０４、Ｉｎ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０ ．９５Ｎ２周期より
なるＤＱＷ（二重量子移動）構造の活性層４０５、ｐ型
ＧａＮガイド層４０６、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ
０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層（膜
厚５ｎｍ）５０周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超
格子ｐ型クラッド層兼コンタクト層４０７、アンドープ
ＧａＮ層（後にエッチングされるため図面には示されて
いない）を順に成膜することによりｐ型層を活性化し
た。冷却は、水素、アンモニア及び窒素の混合雰囲気で
行った。ドライエッチングにより表面のアンドープＧａ
Ｎ層を除去し、リッジ形成のためのドライエッチングを
行った。ＳｉＯ２絶縁層４０８を成膜し電極部を開口し
た後、ｐ型電極用メタル４１０を、電流狭窄用ＳｉＯ２
４０８の開口部に形成した。また、ｎ型電極用メタル４
０９は、ドライエッチングにより超格子ｎ型クラッド層
４０３を露出させ、電流狭窄用ＳｉＯ２４０８の開口部
に形成した。本実施例では、ｐ型クラッド層を構成する
Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型ＧａＮの超格子を形
成して光の閉じ込め効率を上げ、その上に、アンドープ
ＧａＮ層を形成して超格子構造をｐ型化した上でＧａＮ
層を除去し、次いでｐ型電極を形成することにより低抵
抗なｐ型電極を作製した。その結果、温度特性が良好
な、低抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レーザー
素子が完成した。また、該半導体レーザー素子は、Ｇａ
Ｎ層よりなるコンタクト層を持たないため、ガイド層以
外にクラッド層から漏れ出した光を閉じこめる場所が無
く、従来のＧａＮコンタクト層を持つレーザー素子に比
べビーム形状が優れているなど多くの利点を有する。
子構造をクラッド層兼コンタクト層に用いたIII族窒化
物半導体レーザー素子の実施例について説明する。サフ
ァイア基板４０１上に、ＧａＮバッファー層４０２を成
長させ、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜
厚５ｎｍ）とＳｉドープＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）５０周
期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｎ型クラッド
層４０３、ｎ−ＧａＮガイド層４０４、Ｉｎ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０ ．９５Ｎ２周期より
なるＤＱＷ（二重量子移動）構造の活性層４０５、ｐ型
ＧａＮガイド層４０６、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ
０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層（膜
厚５ｎｍ）５０周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超
格子ｐ型クラッド層兼コンタクト層４０７、アンドープ
ＧａＮ層（後にエッチングされるため図面には示されて
いない）を順に成膜することによりｐ型層を活性化し
た。冷却は、水素、アンモニア及び窒素の混合雰囲気で
行った。ドライエッチングにより表面のアンドープＧａ
Ｎ層を除去し、リッジ形成のためのドライエッチングを
行った。ＳｉＯ２絶縁層４０８を成膜し電極部を開口し
た後、ｐ型電極用メタル４１０を、電流狭窄用ＳｉＯ２
４０８の開口部に形成した。また、ｎ型電極用メタル４
０９は、ドライエッチングにより超格子ｎ型クラッド層
４０３を露出させ、電流狭窄用ＳｉＯ２４０８の開口部
に形成した。本実施例では、ｐ型クラッド層を構成する
Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型ＧａＮの超格子を形
成して光の閉じ込め効率を上げ、その上に、アンドープ
ＧａＮ層を形成して超格子構造をｐ型化した上でＧａＮ
層を除去し、次いでｐ型電極を形成することにより低抵
抗なｐ型電極を作製した。その結果、温度特性が良好
な、低抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レーザー
素子が完成した。また、該半導体レーザー素子は、Ｇａ
Ｎ層よりなるコンタクト層を持たないため、ガイド層以
外にクラッド層から漏れ出した光を閉じこめる場所が無
く、従来のＧａＮコンタクト層を持つレーザー素子に比
べビーム形状が優れているなど多くの利点を有する。
【００３２】実施例５ 図５を参照しつつ、本発明１２に係る、本発明１０の超
格子構造をクラッド層兼コンタクト層に用いたIII族窒
化物半導体レーザー素子の実施例について説明する。サ
ファイア基板５０１上に、ＧａＮバッファー層５０２を
成長させ、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層
（膜厚５ｎｍ）とＳｉドープＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）５
０周期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｎ型クラ
ッド層５０３、ｎ−ＧａＮガイド層５０４、Ｉｎ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０ ．９５Ｎ
２周期よりなるＤＱＷ構造の活性層５０５、ｐ型ＧａＮ
ガイド層５０６、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５
Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層（膜厚５ｎ
ｍ）４５周期及びアンドープ層側のＡｌ混晶比が変化
し、Ａｌ０． ２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮからＧａＮ／
ＧａＮまで階段状に変化する５周期を合わせて合計５０
周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｐ型クラッ
ド層５０７の順に成膜後、アンモニアと窒素の混合雰囲
気で冷却しｐ型層を活性化した。次いで、リッジ形成の
ためのドライエッチングを行い、ＳｉＯ２絶縁層５０８
を成膜して電極部を開口した後、ｐ型電極用メタル５１
０を電流狭窄用ＳｉＯ２５０８の開口部に形成した。ま
た、ｎ型電極用メタル５０９は、ドライエッチングによ
り超格子ｎ型クラッド層５０３を露出させ、電流狭窄用
ＳｉＯ２５０８の開口部に形成した。本実施例では、ｐ
型クラッド層を構成するＡｌＧａＮ層の組成として、活
性層側の組成がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ｇａ
Ｎの超格子を形成し、ｐ型電極側のＡｌＧａＮの組成を
Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５ＮからＧａＮまで階段状に変
化させることにより、光の閉じ込め効率を落とすことな
く低抵抗なｐ型電極を作製した。その結果、温度特性が
良好な、低抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レー
ザー素子が完成した。また、該半導体レーザー素子は、
ＧａＮ層よりなるコンタクト層を持たないため、ガイド
層以外にクラッド層から漏れ出した光を閉じこめる場所
が無く、従来のＧａＮコンタクト層を持つレーザー素子
に比べてビーム形状が優れているなど多くの利点を有す
る。
格子構造をクラッド層兼コンタクト層に用いたIII族窒
化物半導体レーザー素子の実施例について説明する。サ
ファイア基板５０１上に、ＧａＮバッファー層５０２を
成長させ、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層
（膜厚５ｎｍ）とＳｉドープＧａＮ層（膜厚５ｎｍ）５
０周期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｎ型クラ
ッド層５０３、ｎ−ＧａＮガイド層５０４、Ｉｎ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０ ．９５Ｎ
２周期よりなるＤＱＷ構造の活性層５０５、ｐ型ＧａＮ
ガイド層５０６、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５
Ｎ層（膜厚５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層（膜厚５ｎ
ｍ）４５周期及びアンドープ層側のＡｌ混晶比が変化
し、Ａｌ０． ２５Ｇａ０．７５Ｎ／ＧａＮからＧａＮ／
ＧａＮまで階段状に変化する５周期を合わせて合計５０
周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子ｐ型クラッ
ド層５０７の順に成膜後、アンモニアと窒素の混合雰囲
気で冷却しｐ型層を活性化した。次いで、リッジ形成の
ためのドライエッチングを行い、ＳｉＯ２絶縁層５０８
を成膜して電極部を開口した後、ｐ型電極用メタル５１
０を電流狭窄用ＳｉＯ２５０８の開口部に形成した。ま
た、ｎ型電極用メタル５０９は、ドライエッチングによ
り超格子ｎ型クラッド層５０３を露出させ、電流狭窄用
ＳｉＯ２５０８の開口部に形成した。本実施例では、ｐ
型クラッド層を構成するＡｌＧａＮ層の組成として、活
性層側の組成がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ｇａ
Ｎの超格子を形成し、ｐ型電極側のＡｌＧａＮの組成を
Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５ＮからＧａＮまで階段状に変
化させることにより、光の閉じ込め効率を落とすことな
く低抵抗なｐ型電極を作製した。その結果、温度特性が
良好な、低抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レー
ザー素子が完成した。また、該半導体レーザー素子は、
ＧａＮ層よりなるコンタクト層を持たないため、ガイド
層以外にクラッド層から漏れ出した光を閉じこめる場所
が無く、従来のＧａＮコンタクト層を持つレーザー素子
に比べてビーム形状が優れているなど多くの利点を有す
る。
【００３３】実施例６ 図６を参照しつつ、本発明１３に係る、本発明１０の超
格子構造をクラッド層に用いたIII族窒化物半導体レー
ザー発光素子の実施例について説明する。サファイア基
板６０１上に、ＧａＮバッファー層６０２を成長させ、
アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）とＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ ０．８５Ｎ層（膜厚
５ｎｍ）５０周期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ
超格子ｎ型クラッド層６０３、ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎガイド層６０４、ＧａＮ／Ａｌ０．０３Ｇａ
０．９７Ｎ２周期よりなるＤＱＷ構造の活性層６０５、
ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎガイド層６０６、アン
ドープＡｌ０．２５Ｇａ ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）と
ＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）４５周期及びＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ａ
ｌ０．１５Ｇａ０． ８５ＮからＡｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ／ＧａＮまで両層の組成が階段状に変化する
５周期を合わせて合計５０周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ
／ＡｌＧａＮ超格子ｐ型クラッド層６０７の順に成膜
後、アンモニア１００％の雰囲気で冷却してｐ型層を活
性化した。次いで、リッジ形成のためのドライエッチン
グを行い、ＳｉＯ２絶縁層６０８を成膜し電極部を開口
した後、ｐ型電極用メタル６１０を、電流狭窄用ＳｉＯ
２６０８の開口部に形成した。また、ｎ型電極用メタル
６０９は、ドライエッチングにより超格子ｎ型クラッド
層６０３を露出させ、電流狭窄用ＳｉＯ２６０８の開口
部に形成した。本実施例では、ｐ型クラッド層を構成す
るＡｌＧａＮ層の組成として、活性層側の組成がＡｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎの高Ａｌ混晶比の超格子を形成し、ｐ型電極
側のＡｌＧａＮの組成をＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／
ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＮからＡｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ／ＧａＮまで階段状に変化させることにより
光の閉じ込め効率を落とすことなく低抵抗なｐ型電極を
作製した。また、ｐ型ドープ層は、ＭｇとＳｉを同時ド
ープしたＡｌＧａＮ層で、高Ａｌ混晶比にも拘わらず低
抵抗な膜が得られた。その結果、温度特性が良好な、低
抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レーザー発光素
子が完成した。この発光素子は、波長３７０ｎｍ付近で
発光した。また、この発光素子は、ＧａＮ層よりなるコ
ンタクト層を持たないため、ガイド層以外にクラッド層
から漏れ出した光を閉じこめる場所が無く、従来のＧａ
Ｎコンタクト層を持つレーザー発光素子に比べてビーム
形状が優れているなど多くの利点を有する。
格子構造をクラッド層に用いたIII族窒化物半導体レー
ザー発光素子の実施例について説明する。サファイア基
板６０１上に、ＧａＮバッファー層６０２を成長させ、
アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）とＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ ０．８５Ｎ層（膜厚
５ｎｍ）５０周期よりなるｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ
超格子ｎ型クラッド層６０３、ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎガイド層６０４、ＧａＮ／Ａｌ０．０３Ｇａ
０．９７Ｎ２周期よりなるＤＱＷ構造の活性層６０５、
ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎガイド層６０６、アン
ドープＡｌ０．２５Ｇａ ０．７５Ｎ層（膜厚５ｎｍ）と
ＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層（膜厚５ｎ
ｍ）４５周期及びＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ａ
ｌ０．１５Ｇａ０． ８５ＮからＡｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ／ＧａＮまで両層の組成が階段状に変化する
５周期を合わせて合計５０周期よりなるｐ型ＡｌＧａＮ
／ＡｌＧａＮ超格子ｐ型クラッド層６０７の順に成膜
後、アンモニア１００％の雰囲気で冷却してｐ型層を活
性化した。次いで、リッジ形成のためのドライエッチン
グを行い、ＳｉＯ２絶縁層６０８を成膜し電極部を開口
した後、ｐ型電極用メタル６１０を、電流狭窄用ＳｉＯ
２６０８の開口部に形成した。また、ｎ型電極用メタル
６０９は、ドライエッチングにより超格子ｎ型クラッド
層６０３を露出させ、電流狭窄用ＳｉＯ２６０８の開口
部に形成した。本実施例では、ｐ型クラッド層を構成す
るＡｌＧａＮ層の組成として、活性層側の組成がＡｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎの高Ａｌ混晶比の超格子を形成し、ｐ型電極
側のＡｌＧａＮの組成をＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ／
ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＮからＡｌ０．１５Ｇａ
０．８５Ｎ／ＧａＮまで階段状に変化させることにより
光の閉じ込め効率を落とすことなく低抵抗なｐ型電極を
作製した。また、ｐ型ドープ層は、ＭｇとＳｉを同時ド
ープしたＡｌＧａＮ層で、高Ａｌ混晶比にも拘わらず低
抵抗な膜が得られた。その結果、温度特性が良好な、低
抵抗かつ高信頼性のIII族窒化物半導体レーザー発光素
子が完成した。この発光素子は、波長３７０ｎｍ付近で
発光した。また、この発光素子は、ＧａＮ層よりなるコ
ンタクト層を持たないため、ガイド層以外にクラッド層
から漏れ出した光を閉じこめる場所が無く、従来のＧａ
Ｎコンタクト層を持つレーザー発光素子に比べてビーム
形状が優れているなど多くの利点を有する。
【００３４】
【発明の効果】本発明１によれば、従来技術の活性化ア
ニールを行う方法に比べて、高品質で、低抵抗なｐ型超
格子構造を作製できる。本発明２〜３によれば、より高
品位かつ低抵抗なｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ及びＡｌ
ＧａＮ／ＧａＮ超格子構造が得られると共に、超格子構
造表面に低抵抗なｐ型電極が形成可能となる。また、本
発明３によれば、他の窒素原料を用いた場合よりも原料
価格が安く、低コストな素子が得られる。本発明４〜５
によれば、結晶成長直後のままの低抵抗なｐ型超格子構
造を得ることが出来る。本発明６によれば、本発明４〜
５よりも、素子の構造やプロセスの自由度が大きくな
る。本発明７によれば、高品位な超格子構造において同
時ドープを行うので、活性化したｐ型不純物の固溶度を
上げることが可能となり、ａｓ ｇｒｏｗｎで高キャリ
ア濃度が得られる。本発明８によれば、超格子構造とし
てのキャリア移動度の向上及びキャリア濃度の向上が可
能となる。
ニールを行う方法に比べて、高品質で、低抵抗なｐ型超
格子構造を作製できる。本発明２〜３によれば、より高
品位かつ低抵抗なｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ及びＡｌ
ＧａＮ／ＧａＮ超格子構造が得られると共に、超格子構
造表面に低抵抗なｐ型電極が形成可能となる。また、本
発明３によれば、他の窒素原料を用いた場合よりも原料
価格が安く、低コストな素子が得られる。本発明４〜５
によれば、結晶成長直後のままの低抵抗なｐ型超格子構
造を得ることが出来る。本発明６によれば、本発明４〜
５よりも、素子の構造やプロセスの自由度が大きくな
る。本発明７によれば、高品位な超格子構造において同
時ドープを行うので、活性化したｐ型不純物の固溶度を
上げることが可能となり、ａｓ ｇｒｏｗｎで高キャリ
ア濃度が得られる。本発明８によれば、超格子構造とし
てのキャリア移動度の向上及びキャリア濃度の向上が可
能となる。
【００３５】本発明９によれば、従来のアニールにより
ｐ型化した超格子構造に比較し、高品質で、より低抵抗
なｐ型超格子構造を低コストで提供できる。本発明１０
によれば、光やキャリアの閉じ込めと電極の形成の容易
さを併せ持つクラッド層等への適用が可能なｐ型超格子
構造を提供できる。本発明１１によれば、低電圧駆動が
可能な高信頼性のIII族窒化物半導体素子を提供でき
る。本発明１２によれば、ｐ型電極の更なる低抵抗化が
可能となり、光の閉じこめ構造と低抵抗化のバランスを
取ることが可能なIII族窒化物半導体素子を提供でき
る。本発明１３によれば、低抵抗かつ高品位のIII族窒
化物半導体発光素子を提供できる。また低電圧駆動が可
能で低閾値であり、温度特性に優れた信頼性の高い可視
領域又は紫外域のレーザー発光素子を提供できる。
ｐ型化した超格子構造に比較し、高品質で、より低抵抗
なｐ型超格子構造を低コストで提供できる。本発明１０
によれば、光やキャリアの閉じ込めと電極の形成の容易
さを併せ持つクラッド層等への適用が可能なｐ型超格子
構造を提供できる。本発明１１によれば、低電圧駆動が
可能な高信頼性のIII族窒化物半導体素子を提供でき
る。本発明１２によれば、ｐ型電極の更なる低抵抗化が
可能となり、光の閉じこめ構造と低抵抗化のバランスを
取ることが可能なIII族窒化物半導体素子を提供でき
る。本発明１３によれば、低抵抗かつ高品位のIII族窒
化物半導体発光素子を提供できる。また低電圧駆動が可
能で低閾値であり、温度特性に優れた信頼性の高い可視
領域又は紫外域のレーザー発光素子を提供できる。
【図１】実施例１のｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子
構造を示す図。
構造を示す図。
【図２】実施例２のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造
を示す図。
を示す図。
【図３】実施例３のｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子
構造を示す図。
構造を示す図。
【図４】実施例４の半導体素子構造を示す図。
【図５】実施例５の半導体素子構造を示す図。
【図６】実施例６の半導体素子構造を示す図。
【図７】従来の半導体レーザー素子の光出射方向の断面
図を示す図。
図を示す図。
１０１ サファイア基板 １０２ ＧａＮ低温バッファー層 １０３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造 ２０１ サファイア基板 ２０２ ＧａＮ低温バッファー層 ２０３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造 ２０４ ｎｏｎ−ＧａＮ層（III族窒化物積層構造） ３０１ サファイア基板 ３０２ ＧａＮ低温バッファー層 ３０３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造（Ｍ
ｇ，Ｓｉ同時ドープ） ４０１ サファイア基板 ４０２ ＧａＮバッファー層 ４０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層 ４０４ ｎ−ＧａＮガイド層 ４０５ ＤＱＷ活性層 ４０６ ｐ型ＧａＮガイド層 ４０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層 ４０８ ＳｉＯ２絶縁層 ４０９ ｎ型電極メタル ４１０ ｐ型電極メタル ５０１ サファイア基板 ５０２ ＧａＮバッファー層 ５０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層 ５０４ ｎ−ＡｌＧａＮガイド層 ５０５ ＤＱＷ活性層 ５０６ ｐ型ＡｌＧａＮガイド層 ５０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層 ５０８ ＳｉＯ２絶縁層 ５０９ ｎ型電極メタル ５１０ ｐ型電極メタル ６０１ サファイア基板 ６０２ＧａＮバッファー層 ６０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層（Ｍｇ，Ｓｉ同時ドープ） ６０４ ｎ−ＡｌＧａＮガイド層 ６０５ ＤＱＷ活性層 ６０６ ｐ型ＡｌＧａＮガイド層 ６０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層（Ｍｇ，Ｓｉ同時ドープ） ６０８ ＳｉＯ２絶縁層 ６０９ ｎ型電極メタル ６１０ ｐ型電極メタル １ サファイア基板 ２ 低温ＧａＮバッファー層 ３ 高温のアンドープＧａＮバッファー層 ４ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ６ アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ活性層 ２０ 選択成長アンドープＧａＮ層 ２１ ｎ−Iｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラック防止層 ２２ ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎク
ラッド層 ２３ アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎｎ側ガイ
ド層 ２４ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎｐキャップ層 ２５ アンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎｐ側ガイ
ド層 ２６ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎク
ラッド層 ２７ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ３０ ｎ型電極 ３１ ｐ型電極 ３２ ＳｉＯ２絶縁層 ３３ ｐ電極パッド ２０′ ＳｉＯ２選択成長マスク
ｇ，Ｓｉ同時ドープ） ４０１ サファイア基板 ４０２ ＧａＮバッファー層 ４０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層 ４０４ ｎ−ＧａＮガイド層 ４０５ ＤＱＷ活性層 ４０６ ｐ型ＧａＮガイド層 ４０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層 ４０８ ＳｉＯ２絶縁層 ４０９ ｎ型電極メタル ４１０ ｐ型電極メタル ５０１ サファイア基板 ５０２ ＧａＮバッファー層 ５０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層 ５０４ ｎ−ＡｌＧａＮガイド層 ５０５ ＤＱＷ活性層 ５０６ ｐ型ＡｌＧａＮガイド層 ５０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層 ５０８ ＳｉＯ２絶縁層 ５０９ ｎ型電極メタル ５１０ ｐ型電極メタル ６０１ サファイア基板 ６０２ＧａＮバッファー層 ６０３ ｎ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｎ型ク
ラッド層（Ｍｇ，Ｓｉ同時ドープ） ６０４ ｎ−ＡｌＧａＮガイド層 ６０５ ＤＱＷ活性層 ６０６ ｐ型ＡｌＧａＮガイド層 ６０７ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造ｐ型ク
ラッド層（Ｍｇ，Ｓｉ同時ドープ） ６０８ ＳｉＯ２絶縁層 ６０９ ｎ型電極メタル ６１０ ｐ型電極メタル １ サファイア基板 ２ 低温ＧａＮバッファー層 ３ 高温のアンドープＧａＮバッファー層 ４ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ６ アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ活性層 ２０ 選択成長アンドープＧａＮ層 ２１ ｎ−Iｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラック防止層 ２２ ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎク
ラッド層 ２３ アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎｎ側ガイ
ド層 ２４ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎｐキャップ層 ２５ アンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎｐ側ガイ
ド層 ２６ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ超格子ｎク
ラッド層 ２７ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ３０ ｎ型電極 ３１ ｐ型電極 ３２ ＳｉＯ２絶縁層 ３３ ｐ電極パッド ２０′ ＳｉＯ２選択成長マスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 皿山 正二 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5F041 AA21 CA05 CA34 CA40 CA49 CA57 CA65 CA73 CA77 5F045 AA04 AB17 AC08 AC12 AC15 AC19 CA12 DA54 EE13 EE18 5F073 AA11 AA13 AA45 AA71 AA74 CA07 CB05 CB07 CB19 DA05 DA35 EA23 EA29
Claims (13)
- 【請求項１】 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１
≧ｘｉ＞０）とＡｌ ｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ
≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層
をｎ回積層して形成された超格子構造の少なくとも一方
の層にｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製に際し、水素を含む雰囲気で結晶成長させた
後、窒素原料のみからなるか又は少なくとも窒素原料を
含む雰囲気で冷却し結晶成長温度から降温させることを
特徴とするｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａｌｙｉ
Ｇａ（１−ｙ ｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 - 【請求項２】 前記結晶成長後の冷却雰囲気を構成する
窒素原料が、少なくとも水素と窒素を含む窒素原料であ
ることを特徴とする請求項１記載のｐ型Ａｌ ｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 - 【請求項３】 前記水素と窒素を含む窒素原料がアンモ
ニアであることを特徴とする請求項２記載のｐ型Ａｌ
ｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１− ｙｉ）Ｎ
超格子構造の作製方法。 - 【請求項４】 一般式ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ（１
≧ｘｉ＞０）とＡｌ ｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１＞ｙｉ
≧０）（ｉ＝１…ｎ）で表されるIII族窒化物半導体層
をｎ回積層し形成された超格子構造の少なくとも一方の
層にｐ型不純物をドープしたＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）
Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造上に、少な
くとも１層以上のIII族窒化物半導体積層構造を形成し
たのち冷却することにより前記超格子構造をｐ型化する
ことを特徴とするｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 - 【請求項５】 前記III族窒化物半導体積層構造の厚さ
を０．５μｍ以上とすることを特徴とする請求項４記載
のｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａｌｙ ｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造の作製方法。 - 【請求項６】 前記超格子構造上に形成されるIII族窒
化物半導体積層構造の結晶成長後の冷却雰囲気を、窒素
原料のみからなるか又は少なくとも窒素原料を含む雰囲
気とすることを特徴とする請求項４又は５記載のｐ型Ａ
ｌｘｉＧａ（ １−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎ超格子構造の作製方法。 - 【請求項７】 ｐ型不純物をドープした層に、該ｐ型不
純物と同時に少なくとも１種のｎ型不純物をドープする
ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のｐ型Ａ
ｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）
Ｎ超格子構造の作製方法。 - 【請求項８】 前記ｙｉ＝０であることを特徴とする請
求項１〜７の何れかに記載のｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構
造の作製方法。 - 【請求項９】 請求項１〜８の何れかに記載の作製方法
により得られたｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａｌ
ｙｉＧａ（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞ｙｉ− １、ｙｉ、
ｙｉ＋１≧０）超格子構造。 - 【請求項１０】 Ａｌ混晶比、即ち、ｘｉ及び／又はｙ
ｉが層毎に異なることを特徴とする請求項９記載のｐ型
ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／ＡｌｙｉＧａ
（１−ｙｉ）Ｎ（１≧ｘｉ＞ｙｉ−１、ｙｉ、ｙｉ＋１
≧０）超格子構造。 - 【請求項１１】 請求項９又は１０記載のｐ型超格子構
造をｐ型電極コンタクト層に用い、該ｐ型超格子構造上
に直接ｐ型電極を形成したことを特徴とするIII族窒化
物半導体素子。 - 【請求項１２】 ｐ型ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ／Ａ
ｌｙｉＧａ（１−ｙ ｉ）Ｎ、又はｐ型ＡｌｘｉＧａ
（１−ｘｉ）Ｎ／Ｇａ（１−ｙｉ）Ｎ超格子構造を構成
する、ＡｌｘｉＧａ（１−ｘｉ）Ｎ層のＡｌ混晶比を、
ｐ型電極に向かって小さくしたことを特徴とする請求項
１１記載のIII族窒化物半導体素子。 - 【請求項１３】 請求項９又は１０記載のｐ型超格子構
造をクラッド層に用いたことを特徴とするIII族窒化物
半導体発光素子。
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