JP2004179532A - 半導体発光素子および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子および半導体装置の動作電圧を低減する。
【解決手段】窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子、例えば半導体レーザにおいて、ｐ側電極２０のコンタクト部に、このｐ側電極２０側から順にｐ型の第１の層、例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型の第２の層、例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３とｐ型の第３の層、例えばｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなるｐｎｐ構造を設ける。
【選択図】 図２
【解決手段】窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子、例えば半導体レーザにおいて、ｐ側電極２０のコンタクト部に、このｐ側電極２０側から順にｐ型の第１の層、例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型の第２の層、例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３とｐ型の第３の層、例えばｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなるｐｎｐ構造を設ける。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子および半導体装置に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードや電子走行素子に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１９５５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、ｐ側電極のコンタクト抵抗が高いという問題があり、これが動作電圧の低減を図る上で障害になっている。ｐ側電極のコンタクト抵抗が高いのは、ｐ側電極がコンタクトするｐ型層では、ｐ型不純物として用いられるＭｇの活性化率が低く、正孔濃度が低いため、比抵抗が高いことが主な原因である。
したがって、この発明が解決しようとする課題は、動作電圧の低減を図ることができる半導体発光素子および半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【０００６】
この発明の第２の発明は、
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【０００７】
この発明の第１および第２の発明において、第２の層の厚さは、この第２の層をトンネル効果により正孔または電子が容易に通り抜けることができるように十分に薄くする必要があり、そのために好適には１０ｎｍ以下に選ばれる。典型的には、第１の層、第２の層および第３の層は互いに組成が異なる。これらの第１の層、第２の層および第３の層は、基本的には、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をはじめとする各種の材料により構成することが可能であるが、典型的には、ＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成される。また、ｐ側電極のコンタクト抵抗が最も問題になっているため、この発明の適用が特に有効な場合は、第１の層がｐ型層、第２の層がｎ型層および第３の層がｐ型層である場合である。この場合、好適には、第１の層および第２の層、特にｐ側電極に接する第１の層のバンドギャップは、第３の層のバンドギャップよりも小さくなるように選ばれる。これは、一般にバンドギャップが小さいほどアクセプタ準位も小さくなり、その結果キャリア濃度（正孔濃度）が大きくなるためである。また、この場合、典型的には、第１の層を構成するｐ型層および第３の層を構成するｐ型層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされ、第２の層を構成するｎ型層にはｎ型不純物としてＳｉがドープされ、好適には、ＭｇおよびＳｉとも１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度にドープされる。第１の層をＧａｐ Ｉｎ１−ｐ Ｎｑ Ａｓ１−ｑ （ただし、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１）により構成し、第２の層および第３の層をＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成してもよい。更に、第１の層をＩｎ１−ｓ Ｇａｓ Ａｓ（ただし、０≦ｓ≦１）により構成し、第２の層をＧａＳｂ１−ｒ Ａｓｒ （ただし、０≦ｒ≦１）により構成し、第３の層をＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成してもよい。
【０００８】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的にはＡｌＸ Ｂｙ Ｇａ１−ｘ−ｙ−ｚ Ｉｎｚ Ａｓｕ Ｎ１−ｕ−ｖ Ｐｖ （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的にはＡｌＸ Ｂｙ Ｇａ１−ｘ−ｙ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
【０００９】
半導体発光素子は、半導体レーザや発光ダイオードである。また、半導体装置は、半導体発光素子のほか、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子走行素子などであってよい。
【００１０】
この発明の第３の発明は、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１１】
この発明の第４の発明は、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
この発明の第３および第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１３】
この発明の第３および第４の発明において、半導体層は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のほか、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体などの各種のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、あるいは、ＺｎＳｅ系半導体やＺｎＯ系半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの層である。
【００１４】
上述のように構成されたこの発明によれば、第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造、すなわちｐｎｐ構造またはｎｐｎ構造を有することにより、動作時に電極に電圧を印加した場合、電極から第１の層に注入される正孔または電子は、第２の層をトンネル効果により通り抜けて第３の層に入る。この場合、この第３の層に入った正孔または電子のエネルギーは、従来のように電極のコンタクト部を第１導電型の層だけで構成した場合に比べて、高くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、リッジ構造およびＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有するものである。図２はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
【００１６】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１の一主面に、横方向結晶成長技術（例えば、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７５（１９９９）ｐｐ．１９６−１９８） によりＧａＮ系半導体層が積層されている。具体的には、ｃ面サファイア基板１の一主面に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２とその上のアンドープＧａＮ層３とからなり、〈１−１００〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープＧａＮ層３を種結晶として、ｎ型ＧａＮコンタクト層４が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のｃ面サファイア基板１の表層部も除去されており、この部分では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４はこのｃ面サファイア基板１から浮いた構造になっている。そして、このｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ／Ｉｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８、ｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４が順次積層されている。この場合、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０はいずれもｎ− 型である。ｐ側クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００１７】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．５μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成は例えば５．５％（０．０５５）である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。また、アンドープＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ／Ｉｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ層と井戸層としてのＩｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．０８、井戸数が３である。
【００１８】
アンドープＩｎＧａＮ光導波層８は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、Ａｌ組成は例えば２．５％（０．０２５）である。アンドープＩｎＧａＮ層１０は厚さが例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。
【００１９】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１は厚さが例えば１０ｎｍ、Ａｌ組成は例えば１８％（０．１８）、ｐ型不純物としてドープされたＭｇの濃度は例えば１×１０１９／ｃｍ３ 〜１×１０２１／ｃｍ３ である。
【００２０】
ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍ、Ｍｇが５×１０１９／ｃｍ３ ドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成は例えば４．５％（０．０４５）、全体の厚さは例えば４００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３は厚さが好適には１０ｎｍ以下、例えば５．０ｎｍ、Ａｌ組成は例えば７％（０．０７）、Ｉｎ組成は例えば３％（０．０３）であり、ｎ型不純物として例えばＳｉが１×１０１９／ｃｍ３ ドープされている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４は厚さが例えば５０ｎｍであり、Ａｌ組成は例えば５％（０．０５）、Ｉｎ組成は例えば１５％（０．１５）であり、ｐ型不純物として例えばＭｇが２×１０２０／ｃｍ３ ドープされている。
【００２１】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部から上の層は全体として所定幅のメサ形状を有し、更に、このメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４には例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジが形成されている。このリッジの幅は例えば１．５μｍである。ここで、このリッジ、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１５と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１６との間の低欠陥領域に位置している。
【００２２】
上記のメサ部の全体を覆うように、例えば厚さが４０ｎｍのＳｉＯ２ 膜のような絶縁膜１７および例えば厚さが４５ｎｍのＳｉ膜１８が順次設けられている。ここで、絶縁膜１７は電気絶縁および表面保護のためのものである。Ｓｉ膜１８は、リッジの側壁部においてキンク現象の原因となるレーザ光の１次モードの吸収係数を高め、キンク現象を防止するためのものである。これらの絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのリッジの上の部分には開口１９が設けられており、この開口１９を通じてｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４にｐ側電極２０が接触している。このｐ側電極２０は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。一方、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口２１が設けられており、この開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極２２が接触している。このｎ側電極２２は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００２３】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、同じくＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でアンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００２４】
次に、アンドープＧａＮ層３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２ 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｃ面サファイア基板１の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープＧａＮ層３が形成される。このストライプ形状のアンドープＧａＮ層３の延在方向は〈１−１００〉方向である。
【００２５】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープＧａＮ層３を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を成長させる。このときの成長温度は例えば１０７０℃とする。
【００２６】
引き続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ１−ｘ Ｉｎｘ Ｎ／Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は９００〜１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２からｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４は９００〜１０００℃とする。
【００２７】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ３ ）３ Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３ ）３ Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ３ ）３ Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ３ を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ４ ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ３ Ｃ５ Ｈ４ ）２ Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５ Ｈ５ ）２ Ｍｇ）を用いる。
【００２８】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＮ２ とＨ２ との混合ガス、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１まではＮ２ ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２はＮ２ とＨ２ との混合ガス、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４はＮ２ ガス雰囲気を用いる。この場合、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＩｎＧａＮ層１０からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。同様に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の成長でもキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、これらのｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ２ とＨ２ との混合ガス雰囲気としているので、このｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２を良好な結晶性で成長させることができる。
【００２９】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２ 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４がメサ形状にパターニングされる。
【００３０】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【００３１】
次に、このＳｉＯ２ 膜をマスクとしてＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の直前の深さまでエッチングを行うことによりリッジを形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００３２】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ２ 膜のような絶縁膜１７およびＳｉ膜１８を順次成膜する。
【００３３】
次に、リソグラフィーにより、ｎ側電極形成領域を除いた領域のＳｉ膜１８の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとしてＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチングすることにより、開口２１を形成する。
【００３４】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８の開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極２２が形成される。次に、ｎ側電極２２をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００３５】
次に、同様なプロセスで、リッジの上の部分のＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチング除去して開口１９を形成した後、ｎ側電極２２と同様にして、この開口１９を通じてｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４にコンタクトしたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極２０を形成する。
【００３６】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。ここで、共振器長は例えばＬ＝６００μｍ、リア側の端面反射率は例えばＲｒ ＝０．９５、フロント側の端面反射率は例えばＲｆ ＝０．１である。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００３７】
次に、このＧａＮ系半導体レーザの動作について説明する。図３はこのＧａＮ系半導体レーザの動作時のエネルギーバンド図を簡略化して示したものである。図３において、Ｅｃ は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅｖ は価電子帯の上端のエネルギー、ＥＦ はフェルミエネルギーを示す。
【００３８】
図３を参照してＧａＮ系半導体レーザの動作を考える。ｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入しないときの正孔のエネルギーはｑＶ１ であるのに対し、この第１の実施形態のようにｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入したときの正孔のエネルギーはｑＶ２ である。ただし、ｑは正孔の電荷を示す。ｐ側電極２０とｎ側電極２２との間に順方向電圧を印加して、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３との間にＶ１ の電圧を印加したとき、この第１の実施形態のようにｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入した場合、ｐ側電極２０から注入され、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４に入った正孔は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３に達した時点でｑＶ２ −ｑＶ１ ＝ｑ（Ｖ２ −Ｖ１ ）＝ｑΔＶだけエネルギーが高くなる。ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３に達した正孔は、そのエネルギーを保持したまま、このｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３をトンネル効果により高速で通り抜け、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２に注入される。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入しない場合に比べて、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２に注入される正孔のエネルギーはｑΔＶだけ増加し、このためｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２をトンネル効果で通る正孔のトンネル確率が大幅に増加する。これは、言い方を変えれば、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３との間にＶ１ の電圧を印加したとき、実際にはＶ１ ＋ΔＶ＝Ｖ２ の電圧を印加したのと同等の効果を得ることができ、ひいては動作電圧をΔＶだけ低減することができることを意味する。
【００３９】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、ｐ側電極２０のコンタクト部に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２からなるｐｎｐ構造が形成されていることにより、上述のように動作電圧の低減を図ることができる。
【００４０】
また、この第１の実施形態によれば、ｐ側クラッド層が活性層７側から順に厚さが例えば１０５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９と厚さが例えば４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなることにより、ｐ側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２で構成した場合に比べて、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧を例えば約０．１６Ｖも低減することができる。また、ｐ側クラッド層の全体の厚さは約５００ｎｍあり十分大きいため、ｐ側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好な遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ，ＦＦＰ） を得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の厚さを約１００ｎｍも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【００４１】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層、すなわちｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４との間の距離は、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０の合計の厚さ、例えば３０ｎｍ＋１００ｎｍ＋５ｎｍ＝１３５ｎｍもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってＭｇの拡散による活性層７の劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【００４２】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層との間に格子歪層であるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９があるため、これによってもｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを抑制することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。
【００４３】
また、Ｍｇがドープされたｐ型層は一般にｎ型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、ｐ型層が活性層７の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層７とｐ型層とは１３５ｎｍも離れているため、活性層７の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いＭｇがドープされたｐ型層が光密度の高い活性層７の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層７の付近の結晶の劣化が生じにくく、ＧａＮ系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、Ａｌ組成比が０．１８と大きいｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１とＩｎＧａＮ層からなる活性層７との間には大きな格子定数差があるが、それらは上述のように１３５ｎｍも離れているため、この格子定数差により活性層７に生じる歪を緩和することができ、発光効率の向上を図ることができる。このため、量子効率の向上により、しきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１との間に活性層７と格子定数がほぼ等しいアンドープＩｎＧａＮ層１０が設けられているため、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２との間に大きな格子定数差があっても、これらのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により活性層７に生じる歪を緩和することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００４６】
また、上述のしきい値電流Ｉｔｈの低減により、ＧａＮ系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【００４７】
また、活性層７に注入された電子が活性層７を通り過ぎてアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に到達すると、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とこのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥＣ より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越える際にΔＥＣ 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔＥＣ より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えることができないため、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８に留まることになる。このように、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、ＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの動作電流の低減を図ることができる。
【００４８】
更に、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、特に活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００４９】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００５０】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図４はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図４に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の代わりに、ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３が設けられている。このｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３の厚さは例えば５ｎｍである。そして、このｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。ここで、ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３は、ＡｌＧａＩｎＮとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが５ｎｍと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【００５１】
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５２】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図５はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図５に示すように、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４およびｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３の代わりにそれぞれｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４およびｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５が設けられている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４の厚さは例えば５ｎｍ、ｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５の厚さも例えば５ｎｍである。そして、このｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４、ｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４およびｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５は、ＡｌＧａＩｎＮとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが５ｎｍと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【００５３】
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５５】
例えば、上述の第１〜第３の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００５６】
具体的には、例えば、上述の第１〜第３の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【００５７】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８は互いに同一組成であるが、これらのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープＩｎＧａＮ光導波層８のＩｎ組成をアンドープＩｎＧａＮ光導波層６より低くしてもよい。更には、必要に応じて、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層の材料としてＩｎＧａＮと異なる組成のもの、例えばＧａＮを用いてもよい。
【００５８】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｃ面サファイア基板１を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、厚いｎ型ＧａＮ層からなる基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層２の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【００５９】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【００６０】
更に、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、あるいは、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有することにより、動作電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの動作を説明するためのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、９・・・アンドープＡｌＧａＮクラッド層、１０・・・アンドープＩｎＧａＮ層、１１・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、１２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１３・・・ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層、１４・・・ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層、１７・・・絶縁膜、１８・・・Ｓｉ膜、２０・・・ｐ側電極、２２・・・ｎ側電極、２３・・・ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層、２４・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、２５・・・ｎ型ＧａＳｂＡｓ層
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子および半導体装置に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードや電子走行素子に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１９５５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、ｐ側電極のコンタクト抵抗が高いという問題があり、これが動作電圧の低減を図る上で障害になっている。ｐ側電極のコンタクト抵抗が高いのは、ｐ側電極がコンタクトするｐ型層では、ｐ型不純物として用いられるＭｇの活性化率が低く、正孔濃度が低いため、比抵抗が高いことが主な原因である。
したがって、この発明が解決しようとする課題は、動作電圧の低減を図ることができる半導体発光素子および半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【０００６】
この発明の第２の発明は、
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【０００７】
この発明の第１および第２の発明において、第２の層の厚さは、この第２の層をトンネル効果により正孔または電子が容易に通り抜けることができるように十分に薄くする必要があり、そのために好適には１０ｎｍ以下に選ばれる。典型的には、第１の層、第２の層および第３の層は互いに組成が異なる。これらの第１の層、第２の層および第３の層は、基本的には、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をはじめとする各種の材料により構成することが可能であるが、典型的には、ＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成される。また、ｐ側電極のコンタクト抵抗が最も問題になっているため、この発明の適用が特に有効な場合は、第１の層がｐ型層、第２の層がｎ型層および第３の層がｐ型層である場合である。この場合、好適には、第１の層および第２の層、特にｐ側電極に接する第１の層のバンドギャップは、第３の層のバンドギャップよりも小さくなるように選ばれる。これは、一般にバンドギャップが小さいほどアクセプタ準位も小さくなり、その結果キャリア濃度（正孔濃度）が大きくなるためである。また、この場合、典型的には、第１の層を構成するｐ型層および第３の層を構成するｐ型層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされ、第２の層を構成するｎ型層にはｎ型不純物としてＳｉがドープされ、好適には、ＭｇおよびＳｉとも１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度にドープされる。第１の層をＧａｐ Ｉｎ１−ｐ Ｎｑ Ａｓ１−ｑ （ただし、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１）により構成し、第２の層および第３の層をＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成してもよい。更に、第１の層をＩｎ１−ｓ Ｇａｓ Ａｓ（ただし、０≦ｓ≦１）により構成し、第２の層をＧａＳｂ１−ｒ Ａｓｒ （ただし、０≦ｒ≦１）により構成し、第３の層をＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）により構成してもよい。
【０００８】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的にはＡｌＸ Ｂｙ Ｇａ１−ｘ−ｙ−ｚ Ｉｎｚ Ａｓｕ Ｎ１−ｕ−ｖ Ｐｖ （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的にはＡｌＸ Ｂｙ Ｇａ１−ｘ−ｙ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
【０００９】
半導体発光素子は、半導体レーザや発光ダイオードである。また、半導体装置は、半導体発光素子のほか、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子走行素子などであってよい。
【００１０】
この発明の第３の発明は、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１１】
この発明の第４の発明は、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
この発明の第３および第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１３】
この発明の第３および第４の発明において、半導体層は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のほか、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体などの各種のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、あるいは、ＺｎＳｅ系半導体やＺｎＯ系半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの層である。
【００１４】
上述のように構成されたこの発明によれば、第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造、すなわちｐｎｐ構造またはｎｐｎ構造を有することにより、動作時に電極に電圧を印加した場合、電極から第１の層に注入される正孔または電子は、第２の層をトンネル効果により通り抜けて第３の層に入る。この場合、この第３の層に入った正孔または電子のエネルギーは、従来のように電極のコンタクト部を第１導電型の層だけで構成した場合に比べて、高くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、リッジ構造およびＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有するものである。図２はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
【００１６】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１の一主面に、横方向結晶成長技術（例えば、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．７５（１９９９）ｐｐ．１９６−１９８） によりＧａＮ系半導体層が積層されている。具体的には、ｃ面サファイア基板１の一主面に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２とその上のアンドープＧａＮ層３とからなり、〈１−１００〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープＧａＮ層３を種結晶として、ｎ型ＧａＮコンタクト層４が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のｃ面サファイア基板１の表層部も除去されており、この部分では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４はこのｃ面サファイア基板１から浮いた構造になっている。そして、このｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ／Ｉｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８、ｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４が順次積層されている。この場合、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０はいずれもｎ− 型である。ｐ側クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００１７】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．５μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成は例えば５．５％（０．０５５）である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。また、アンドープＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ／Ｉｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ層と井戸層としてのＩｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎｘ Ｇａ１−ｘ Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎｙ Ｇａ１−ｙ Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．０８、井戸数が３である。
【００１８】
アンドープＩｎＧａＮ光導波層８は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、Ａｌ組成は例えば２．５％（０．０２５）である。アンドープＩｎＧａＮ層１０は厚さが例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。
【００１９】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１は厚さが例えば１０ｎｍ、Ａｌ組成は例えば１８％（０．１８）、ｐ型不純物としてドープされたＭｇの濃度は例えば１×１０１９／ｃｍ３ 〜１×１０２１／ｃｍ３ である。
【００２０】
ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍ、Ｍｇが５×１０１９／ｃｍ３ ドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成は例えば４．５％（０．０４５）、全体の厚さは例えば４００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３は厚さが好適には１０ｎｍ以下、例えば５．０ｎｍ、Ａｌ組成は例えば７％（０．０７）、Ｉｎ組成は例えば３％（０．０３）であり、ｎ型不純物として例えばＳｉが１×１０１９／ｃｍ３ ドープされている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４は厚さが例えば５０ｎｍであり、Ａｌ組成は例えば５％（０．０５）、Ｉｎ組成は例えば１５％（０．１５）であり、ｐ型不純物として例えばＭｇが２×１０２０／ｃｍ３ ドープされている。
【００２１】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部から上の層は全体として所定幅のメサ形状を有し、更に、このメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４には例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジが形成されている。このリッジの幅は例えば１．５μｍである。ここで、このリッジ、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１５と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１６との間の低欠陥領域に位置している。
【００２２】
上記のメサ部の全体を覆うように、例えば厚さが４０ｎｍのＳｉＯ２ 膜のような絶縁膜１７および例えば厚さが４５ｎｍのＳｉ膜１８が順次設けられている。ここで、絶縁膜１７は電気絶縁および表面保護のためのものである。Ｓｉ膜１８は、リッジの側壁部においてキンク現象の原因となるレーザ光の１次モードの吸収係数を高め、キンク現象を防止するためのものである。これらの絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのリッジの上の部分には開口１９が設けられており、この開口１９を通じてｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４にｐ側電極２０が接触している。このｐ側電極２０は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。一方、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口２１が設けられており、この開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極２２が接触している。このｎ側電極２２は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００２３】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、同じくＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でアンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００２４】
次に、アンドープＧａＮ層３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２ 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｃ面サファイア基板１の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープＧａＮ層３が形成される。このストライプ形状のアンドープＧａＮ層３の延在方向は〈１−１００〉方向である。
【００２５】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープＧａＮ層３を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を成長させる。このときの成長温度は例えば１０７０℃とする。
【００２６】
引き続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ１−ｘ Ｉｎｘ Ｎ／Ｇａ１−ｙ Ｉｎｙ Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は９００〜１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２からｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４は９００〜１０００℃とする。
【００２７】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ３ ）３ Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３ ）３ Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ３ ）３ Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ３ を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ４ ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ３ Ｃ５ Ｈ４ ）２ Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５ Ｈ５ ）２ Ｍｇ）を用いる。
【００２８】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＮ２ とＨ２ との混合ガス、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１まではＮ２ ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２はＮ２ とＨ２ との混合ガス、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４はＮ２ ガス雰囲気を用いる。この場合、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＩｎＧａＮ層１０からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。同様に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の成長でもキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、これらのｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ２ とＨ２ との混合ガス雰囲気としているので、このｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２を良好な結晶性で成長させることができる。
【００２９】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２ 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４がメサ形状にパターニングされる。
【００３０】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ２ 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２ 膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４ やＣＨＦ３ などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２ 膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【００３１】
次に、このＳｉＯ２ 膜をマスクとしてＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の直前の深さまでエッチングを行うことによりリッジを形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００３２】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２ 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ２ 膜のような絶縁膜１７およびＳｉ膜１８を順次成膜する。
【００３３】
次に、リソグラフィーにより、ｎ側電極形成領域を除いた領域のＳｉ膜１８の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとしてＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチングすることにより、開口２１を形成する。
【００３４】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８の開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極２２が形成される。次に、ｎ側電極２２をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００３５】
次に、同様なプロセスで、リッジの上の部分のＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチング除去して開口１９を形成した後、ｎ側電極２２と同様にして、この開口１９を通じてｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４にコンタクトしたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極２０を形成する。
【００３６】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。ここで、共振器長は例えばＬ＝６００μｍ、リア側の端面反射率は例えばＲｒ ＝０．９５、フロント側の端面反射率は例えばＲｆ ＝０．１である。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００３７】
次に、このＧａＮ系半導体レーザの動作について説明する。図３はこのＧａＮ系半導体レーザの動作時のエネルギーバンド図を簡略化して示したものである。図３において、Ｅｃ は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅｖ は価電子帯の上端のエネルギー、ＥＦ はフェルミエネルギーを示す。
【００３８】
図３を参照してＧａＮ系半導体レーザの動作を考える。ｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入しないときの正孔のエネルギーはｑＶ１ であるのに対し、この第１の実施形態のようにｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入したときの正孔のエネルギーはｑＶ２ である。ただし、ｑは正孔の電荷を示す。ｐ側電極２０とｎ側電極２２との間に順方向電圧を印加して、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３との間にＶ１ の電圧を印加したとき、この第１の実施形態のようにｐ側電極２０のコンタクト部にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入した場合、ｐ側電極２０から注入され、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４に入った正孔は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３に達した時点でｑＶ２ −ｑＶ１ ＝ｑ（Ｖ２ −Ｖ１ ）＝ｑΔＶだけエネルギーが高くなる。ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３に達した正孔は、そのエネルギーを保持したまま、このｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３をトンネル効果により高速で通り抜け、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２に注入される。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３を挿入しない場合に比べて、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２に注入される正孔のエネルギーはｑΔＶだけ増加し、このためｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２をトンネル効果で通る正孔のトンネル確率が大幅に増加する。これは、言い方を変えれば、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４とｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３との間にＶ１ の電圧を印加したとき、実際にはＶ１ ＋ΔＶ＝Ｖ２ の電圧を印加したのと同等の効果を得ることができ、ひいては動作電圧をΔＶだけ低減することができることを意味する。
【００３９】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、ｐ側電極２０のコンタクト部に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２からなるｐｎｐ構造が形成されていることにより、上述のように動作電圧の低減を図ることができる。
【００４０】
また、この第１の実施形態によれば、ｐ側クラッド層が活性層７側から順に厚さが例えば１０５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９と厚さが例えば４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなることにより、ｐ側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２で構成した場合に比べて、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧を例えば約０．１６Ｖも低減することができる。また、ｐ側クラッド層の全体の厚さは約５００ｎｍあり十分大きいため、ｐ側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好な遠視野像（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ，ＦＦＰ） を得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の厚さを約１００ｎｍも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【００４１】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層、すなわちｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４との間の距離は、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０の合計の厚さ、例えば３０ｎｍ＋１００ｎｍ＋５ｎｍ＝１３５ｎｍもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってＭｇの拡散による活性層７の劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【００４２】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層との間に格子歪層であるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９があるため、これによってもｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを抑制することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。
【００４３】
また、Ｍｇがドープされたｐ型層は一般にｎ型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、ｐ型層が活性層７の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層７とｐ型層とは１３５ｎｍも離れているため、活性層７の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いＭｇがドープされたｐ型層が光密度の高い活性層７の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層７の付近の結晶の劣化が生じにくく、ＧａＮ系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、Ａｌ組成比が０．１８と大きいｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１とＩｎＧａＮ層からなる活性層７との間には大きな格子定数差があるが、それらは上述のように１３５ｎｍも離れているため、この格子定数差により活性層７に生じる歪を緩和することができ、発光効率の向上を図ることができる。このため、量子効率の向上により、しきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１との間に活性層７と格子定数がほぼ等しいアンドープＩｎＧａＮ層１０が設けられているため、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２との間に大きな格子定数差があっても、これらのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により活性層７に生じる歪を緩和することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００４６】
また、上述のしきい値電流Ｉｔｈの低減により、ＧａＮ系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【００４７】
また、活性層７に注入された電子が活性層７を通り過ぎてアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に到達すると、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とこのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥＣ より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越える際にΔＥＣ 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔＥＣ より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えることができないため、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８に留まることになる。このように、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、ＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの動作電流の低減を図ることができる。
【００４８】
更に、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２ 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２ が含まれないので、特に活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００４９】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００５０】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図４はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図４に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４の代わりに、ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３が設けられている。このｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３の厚さは例えば５ｎｍである。そして、このｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。ここで、ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層２３は、ＡｌＧａＩｎＮとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが５ｎｍと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【００５１】
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５２】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図５はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図５に示すように、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層１４およびｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層１３の代わりにそれぞれｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４およびｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５が設けられている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４の厚さは例えば５ｎｍ、ｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５の厚さも例えば５ｎｍである。そして、このｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４、ｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により、ｐ側電極のコンタクト部のｐｎｐ構造が形成されている。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２４およびｎ型ＧａＳｂＡｓ層２５は、ＡｌＧａＩｎＮとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが５ｎｍと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【００５３】
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５５】
例えば、上述の第１〜第３の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００５６】
具体的には、例えば、上述の第１〜第３の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【００５７】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８は互いに同一組成であるが、これらのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープＩｎＧａＮ光導波層８のＩｎ組成をアンドープＩｎＧａＮ光導波層６より低くしてもよい。更には、必要に応じて、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層の材料としてＩｎＧａＮと異なる組成のもの、例えばＧａＮを用いてもよい。
【００５８】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｃ面サファイア基板１を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、厚いｎ型ＧａＮ層からなる基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層２の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【００５９】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【００６０】
更に、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、あるいは、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有することにより、動作電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの動作を説明するためのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、９・・・アンドープＡｌＧａＮクラッド層、１０・・・アンドープＩｎＧａＮ層、１１・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、１２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１３・・・ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層、１４・・・ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層、１７・・・絶縁膜、１８・・・Ｓｉ膜、２０・・・ｐ側電極、２２・・・ｎ側電極、２３・・・ｐ型ＧａＩｎＮＡｓ層、２４・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、２５・・・ｎ型ＧａＳｂＡｓ層
Claims (11)
- 窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記第２の層の厚さが１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 上記第１の層、上記第２の層および上記第３の層はＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 上記第１の層はｐ型層、上記第２の層はｎ型層および上記第３の層はｐ型層である
ことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。 - 上記第１の層を構成するｐ型層および上記第３の層を構成するｐ型層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされ、上記第２の層を構成するｎ型層にはｎ型不純物としてＳｉがドープされている
ことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。 - 上記第２の層を構成するｎ型層にｎ型不純物としてドープされたＳｉの濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上である
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。 - 上記第１の層を構成するｐ型層および上記第３の層を構成するｐ型層にｐ型不純物としてドープされたＭｇの濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上である
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。 - 上記第１の層はＧａｐ Ｉｎ１−ｐ Ｎｑ Ａｓ１−ｑ （ただし、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１）からなり、上記第２の層および上記第３の層はＡｌＸ Ｇａ１−ｘ−ｚ Ｉｎｚ Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、
第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 第１導電型側の電極のコンタクト部が、第１導電型の第１の層と第２導電型の第２の層と第１導電型の第３の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置。
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