JP2007188990A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低コンタクト抵抗の窒化物半導体レーザを提供する。
【解決手段】本発明に係る窒化物半導体レーザが有するコンタクト層の構造を２層構造（ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層）とし、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層の格子定数をｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層の格子定数よりも小さくする。さらに、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層の膜厚を臨界膜厚未満とすることで、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層には面内引っ張り歪みが発生し、当該面内引っ張り歪みによってｐ−ＧａＮ第２コンタクト層のバンドギャップエネルギーが低減する。従って、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層およびｐ電極によるコンタクト抵抗を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子に関し、特に、動作電圧を低減する技術に関する。

窒化物半導体は青色または緑色波長帯の光を発光するものとして知られており、例えば、緑色光を生成する発光素子には約３．４ｅＶの広いバンドギャップを有するＧａＮ系半導体物質が使用されている。また、通常、このような窒化物半導体素子のコンタクト層も窒化物半導体で構成されている。

上述したような窒化物半導体素子が、例えば、特許文献１に記載されている。

特願平１０−２４２５８７

しかしながら、窒化物半導体は広いバンドギャップを有するため、特にｐ型窒化物半導体層と電極層との低抵抗な接触形成が困難である。そのため、動作電圧が高くなると同時に発熱量が多くなって信頼性が損なわれるという問題があった。

そこで、本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、コンタクト抵抗を低減することにより、動作電圧を低減して、高い信頼性を有した窒化物半導体素子を提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１記載の窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、記積層体上に形成された電極とを備え、前記積層体は、第１コンタクト層と、前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層とを含み、前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、前記第２コンタクト層の格子定数が、前記第１コンタクト層の格子定数より小さい。

本発明に係る請求項３記載の窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、前記積層体上に形成された電極とを備え、前記積層体は、第１コンタクト層と、前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層とを含み、前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層とを貫通する転位が形成されている。

本発明に係る請求項１記載の窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、記積層体上に形成された電極とを備え、前記積層体は、第１コンタクト層と、前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層とを含み、前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、前記第２コンタクト層の格子定数が、前記第１コンタクト層の格子定数より小さいので、例えば、前記第２コンタクト層を臨界膜厚以下とすることで、前記第２コンタクト層は、前記第１コンタクト層との格子不整合により、面内引っ張り歪みが生じて、バンドギャップエネルギーが小さくなり、結果として、コンタクト抵抗が低減し、動作電圧を低減することができる。

本発明に係る請求項３記載の窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、前記積層体上に形成された電極とを備え、前記積層体は、第１コンタクト層と、前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層とを含み、前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層とを貫通する転位が形成されているので、転位による欠陥準位が形成され、前記欠陥準位を介した伝導により動作電圧を低減できる。

（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態１の窒化物半導体素子の一例として、窒化物半導体レーザの構成図を図１に示す。本実施の形態１に係る窒化物半導体レーザは、図１（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＮ基板１上に、ｎ−ＧａＮバッファ層２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮおよびＧａＮから成る多重量子井戸層４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０が、上記の順に形成されている。なお、例えば、ｎ−ＧａＮとはｎ型ＧａＮを、ｐ−ＧａＮとはｐ型ＧａＮのことであり、以下、同様の表現を使用する。

多重量子井戸層４は、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮガイド層５ａ、ＩｎＧａＮ活性層６ａ、ＧａＮバリア層７、ＩｎＧａＮ活性層６ｂ、ＧａＮガイド層５ｂが、この順で形成されて構成されている。

ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は、電流狭窄のために、リッジ形状にエッチングされており、それらの側面およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の上面を絶縁膜１１が覆っている。

さらに、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０上にｐ電極１２が形成され、ｎ−ＧａＮ基板１の裏面にｎ電極１３が形成されている。ｐ電極１２としては、Ｐｔ−Ａｕ合金を用いる。あるいは、ＰｔやＰｄ等の仕事関数の大きい単体金属を用いても良い。ｎ電極１３としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属を用いる。

次に、本実施の形態１に係る窒化物半導体レーザの構成において、コンタクト抵抗（ｐ電極１２およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０からなるコンタクト抵抗）の低抵抗化を実現するために用いた理論を大きく以下の２点に大別して概略説明する。

（ａ）ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０のバンドギャップエネルギーを低減
コンタクト抵抗は界面の障壁高さを低減することで低抵抗化することができる。金属／半導体界面の障壁高さｑφＢは、
ｑφＢ＝Ｅｇ−ｑ（φｍ−φｓ） ・・・（１）
で表される。ここで、Ｅｇは半導体（ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０）のバンドギャップエネルギー、φｍ：電極（ｐ電極１２）の仕事関数、φｓは半導体（ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０）の仕事関数である。式（１）より、半導体（ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０）のバンドギャップエネルギーを小さくすることで、障壁高さｑφＢを低減でき、コンタクト抵抗の低抵抗化を実現できる。

ところで、ＧａＮは格子歪みを受けることにより、バンドギャップエネルギーが変化することが報告されている。（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（７）、（１９９６）ｐ．９７０）図２に、面内応力（歪み）に伴うｃ軸の格子定数と、フォトルミネッセンス光のピーク位置との関係を示す。ＧａＮは、面内圧縮歪みを受けるに伴い、バンドギャップエネルギーが大きくなることがわかる。

また、当該文献によると、面内応力とバンドギャップエネルギーの変化分は、
ｄＥｇ／ｄσ＝２７±４（ｍｅＶ／ＧＰａ） ・・・（２）
で表される。ここで、σは面内応力であり、
σ＝｛（ｃ−ｃ０）／ｃ０｝Ｅ／ν ・・・（３）
で表される。ｃは歪みを受けた格子定数、ｃ０はバルク格子定数、Ｅはバルク弾性定数（２００ＧＰａ）、νはポアソン比（０．３８）である。

したがって、式（２）より、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は面内引っ張り歪みをうけることで、バンドギャップエネルギーが小さくなる。ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０のバンドギャップエネルギーが小さくなると、式（１）より、ｐ電極１２およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０から成るコンタクト抵抗を低減することができる。なお、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０が面内引っ張り歪みを受ける理由は、後述するように、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の格子定数が、直下のｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９よりも小さく、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚が臨界膜厚以下だからである。

（ｂ）ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に発生した転位による欠陥準位を介した伝導
ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に転位を発生させることで、欠陥準位が形成され、当該欠陥準位を介した伝導により動作電圧を低減できる。ここで、実験により、ＧａＮコンタクト層の転位密度とコンタクト抵抗の関係を図３に示す。転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2の場合のコンタクト抵抗に比べて、１×１０⁹ｃｍ^-2の場合のコンタクト抵抗の方が１桁小さいことが分かる。

これから、一般のＧａＮ基板に存在する１×１０⁶ｃｍ^-2以上、好ましくは１×１０⁹ｃｍ^-2以上であればコンタクト抵抗を低減し、動作電圧を低減する効果があることが分かる。なお、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に転位が存在する理由は後述する。

本実施の形態１に係る窒化物半導体レーザは、上述した（ａ）、（ｂ）の両方の効果を得る構成となっている。具体的に、以下に説明する。

ｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８のＡｌ組成比としてｙ＝０．０５を用いる。ｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８の格子定数は、Ｖｅｇａｒｄ則により、ａ＝０．３１８５ｎｍとなり、直下のＧａＮガイド層５の格子定数はａ＝０．３１８９ｎｍなので、格子不整合は０．１２％となり、ほとんど変わらない。そのため、ｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８には、格子不整合による転位や応力はほとんど発生しない。

ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の組成比は、ｘ＝０．２５、膜厚を１００ｎｍとする。この場合、Ｖｅｇａｒｄ則により、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の格子定数はａ＝０．３２７９であり、直下のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８との格子不整合は２．９％となる。ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９において、転位が発生する臨界膜厚は約２０ｎｍ（臨界膜厚に関しては後述する）であるので、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９には格子不整合に伴う転位が発生する。当該転位によって、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９内の格子歪みが緩和されるため、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の格子定数は変わらず、ａ＝０．３２７９のままである。また、この場合、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９に発生した転位密度はおよそ８×１０¹¹ｃｍ^-2となる。

ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は、新たに転位が発生する臨界膜厚約２０ｎｍ（臨界膜厚に関しては後述する）以下の１９ｎｍである。ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の格子定数はａ＝０．３１８９ｎｍであり、直下のｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９との格子不整合は２．９％となる。ここで、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は１９ｎｍなので、格子不整合に伴う新たな転位は発生しない。そのため、格子不整合による格子歪みが緩和されず、さらに、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の格子定数が、直下のｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９よりも小さいため、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０には面内引っ張り歪みが発生する。

すなわち、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は面内応力により弾性変形し、ａ軸の格子定数が直下のｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９のａ軸の格子定数ａ＝０．３２７９に整合され、それに伴いｃ軸の格子定数がｃ＝０．５１８５（バルク格子定数に相当）からｃ＝０．５１２９ｎｍ（歪みを受けた格子定数に相当）に変形する。式（２）および（３）により、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０のバンドギャップエネルギーは約０．１５ｅＶ小さくなることが分かる。

また、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９に発生した転位はそのままｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に貫通するので、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の転位密度は、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９に発生した転位密度と同じ８×１０¹¹ｃｍ^-2となる。なお、このように直下のｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９での転位が貫通して、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に導入された転位は、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０での格子歪みを緩和することはない。ここで、導入された転位とは、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の転位が連続している状態を言う。

以上のように、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０には面内引っ張り歪みが発生するのでバンドギャップエネルギーが小さくなり、コンタクト抵抗を低減する（（ａ）による効果）と共に、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に導入された転位による欠陥準位を介して、伝導が促されることでコンタクト抵抗が低減し（（ｂ）による効果）、これらの相加効果によって動作電圧を大幅に低減することができる。したがって、窒化物半導体レーザの信頼性を向上することができる。

（臨界膜厚）
さて、上述したように、本構成では、（イ）ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９は、直下のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８との格子不整合により転位が発生すること、（ロ）ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は、直下のｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９との格子不整合により新たに転位が発生しないことの２点を満たす必要がある。

ここで、ＧａＮ上のＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎ組成比ｘに対する臨界膜厚は図４の通りに報告されている。（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）、（２００２）ｐ．１２０７）すなわち、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮの組成比ｘと膜厚が図４の実線の上側の範囲であれば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮに転位が発生し、格子歪みが緩和されて、Ｖｅｇａｒｄ則に従う組成比ｘに応じた格子定数となり、実線の下側の範囲であれば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮに転位が発生せず、格子歪みが緩和されずに、面内応力が発生する。

さて、Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層８のＡｌ組成比はｙ＝０．０５と非常に小さいので、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ上のＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎ組成比ｘに対する臨界膜厚は図４と同様であると仮定すると、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の膜厚が、図４の上側の範囲であれば、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９に転位が発生して、格子歪みが緩和される。（（イ）を満たす）なお、上述した実施例において、ｘ＝０．２５におけるｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の臨界膜厚は約２０ｎｍである。

また、Ｉｎ組成比がそれほど大きくない領域を議論しているので、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ上のＧａＮのＩｎ組成比ｘに対する臨界膜厚も図４と同様であると仮定すると、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は、図４の下側の範囲であれば、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に新たな転位が発生せず、格子歪みが緩和されずに面内応力が発生する。（（ロ）を満たす）なお、上述した実施例において、ｘ＝０．２５におけるｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の臨界膜厚は約２０ｎｍである。

さらに、通常使用されるコンタクト層の膜厚および制御可能な膜厚を考慮に入れると、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９の組成比ｘはｘ＝０．１２、格子定数はａ＝０．３２３２ｎｍからｘ＝０．３０、格子定数はａ＝０．３２９７ｎｍの範囲が好ましい。また、膜厚はｘ＝０．１２で１００ｎｍを越え、ｘ＝０．３０で１０ｎｍを越えている範囲が好ましい。この場合の転位密度は、ｘ＝０．１２、格子定数はａ＝０．３２３２ｎｍで４×１０¹¹ｃｍ^-2、ｘ＝０．３０、格子定数はａ＝０．３２９７ｎｍで２×１０¹²ｃｍ^-2となる。

また、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９がｘ＝０．１２、膜厚が１００ｎｍを越えている場合、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は１００ｎｍ以下、ｐ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ第１コンタクト層９がｘ＝０．３０、膜厚が１０ｎｍを越えている場合、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は１０ｎｍ以下、が好ましい。

この範囲の組み合わせにより、バンドギャップエネルギーを下げることと、転位に伴う欠陥準位を介した伝導の効果から動作電圧が低減し、素子の信頼性が向上できる。

なお、本実施の形態１では、（ａ）および（ｂ）の両方の効果を得るのに好ましい範囲で実施しているが、例えば、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚を臨界膜厚以上としてもよい。この場合、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に、新たな転位が発生し、格子歪みが緩和されて、面内応力は発生しないが、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に存在する転位によって、欠陥準位が形成されるため、当該欠陥準位を介した伝導により、コンタクト抵抗を低減することができる（（ｂ）のみの効果）。

次に、本実施の形態１に係る窒化物半導体レーザの製造工程を図５に示す。まず、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、ｎ−ＧａＮバッファ層２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３、ＧａＮガイド層５ａ、ＩｎＧａＮ活性層６ａ、ＧａＮバリア層７、ＩｎＧａＮ活性層６ｂ、ＧａＮガイド層５ｂ、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０を、上記の順に形成する。なお、ＧａＮガイド層５ａ、ＩｎＧａＮ活性層６ａ、ＧａＮバリア層７、ＩｎＧａＮ活性層６ｂ、ＧａＮガイド層５ｂから成る層は多重量子井戸４を形成している。また、ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９の組成比、膜厚およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は、上述した範囲の組み合わせとすることが好ましい。

次に、図５（ｃ）に示すように、通常のフォトリソグラフィーによりｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０、ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の一部をリッジ状にエッチングして、電流狭窄のためのリッジ形状を形成する。

その後、図５（ｄ）に示すように、上層に絶縁膜１１を成膜した後、フォトリソグラフィーによりリッジトップの絶縁膜を除去し、ｐ電極１２を電子ビーム蒸着法により形成する。ｐ電極１２としては、Ｐｔ−Ａｕ合金を用いる。あるいはＰｔやＰｄ等の仕事関数の大きい単体金属を用いても良い。最後に、ｎ−ＧａＮ基板１の裏面にｎ電極１３を電子ビーム蒸着法により形成する。ｎ電極１３としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属を用いる。

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る窒化物半導体レーザの構成を図６に示す。なお、同一符号は同一または相当部分を指す。すなわち、第１コンタクト層以外は図１と同一構成であり、本実施の形態２に係る窒化物半導体レーザは、第１コンタクト層をｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４で構成している。

ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の組成比はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎとして、ｘ＝０．２４、ｙ＝０．２７、膜厚を１００ｎｍとする。この場合、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の格子定数はａ＝０．３２７９ｎｍである。ここで、ＧａＮ上のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎの組成比ｘ、ｙに対する臨界膜厚は知られていないが、図４と同じであると仮定する。そして、一般に、臨界膜厚は格子定数に依存するので、同一格子定数ならば同じ臨界膜厚であると考える。よって、この場合のｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の臨界膜厚は約２０ｎｍである。

従って、実施の形態１と同様に、直下のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８との格子不整合により転位が発生し、格子歪みが緩和されるため、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の格子定数はａ＝０．３２７９ｎｍのまま変わらない。

また、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の格子定数は、実施の形態１のｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９の格子定数と等しいので、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４に発生した転位密度は実施の形態１と同様に８×１０¹¹ｃｍ^-2となる。

次に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ上のＧａＮの組成比ｘ、ｙに対する臨界膜厚は図４と同じであると仮定し、同一格子定数ならば同じ臨界膜厚であると考える。よって、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の臨界膜厚は約２０ｎｍであり、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は臨界膜厚以下の１９ｎｍであるので、格子不整合に伴う新たな転位は発生しない。さらに、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層の格子定数（ａ＝０．３１８９ｎｍ）は、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４の格子定数よりも小さいため、実施の形態１と同様の面内引っ張り歪みが発生する。従って、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０のバンドキャップエネルギーは実施の形態１と同様に約０．１５ｅＶ小さくなり、コンタクト抵抗を低減できる（（ａ）の効果）。

また、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４で発生した転位はそのままｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０に貫通するので、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の転位密度は、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４に発生した転位密度と同じ８×１０¹¹ｃｍ^-2となる。当該転位による欠陥準位を介して伝導が促されることで、コンタクト抵抗を低減できる（（ｂ）の効果）。

さらに、ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４の組成比としてｘ＝０．２４、ｙ＝０．２７を用いるので、後述するように、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４のバンドギャップエネルギーをＧａＮと同じ３．４ｅＶとすることができる。これにより、リッジトップでの光吸収を抑制することができるので、素子の発熱をさらに抑制することができる。

すなわち、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に動作電圧を低減できることに加え、さらに素子の発熱を抑えることができるため、窒化物半導体レーザの信頼性をさらに向上することができる。

なお、各層に対する臨界膜厚を図４と同一と仮定しているのは、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａは同族元素であり、各組成比がそれほど大きくない領域を議論しているためである。

さて、本実施の形態２においては、（ハ）ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４は、直下のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８との格子不整合により転位が発生すること、（ニ）ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は、直下のｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４との格子不整合により新たに転位が発生しないこと、（ホ）ｐ−Ａｌ_xＩｎ_xＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４のバンドギャップエネルギーがＧａＮと同じ３．４ｅＶ以上であることの３点を満たす必要がある。

まず、（ホ）について説明する。Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎの組成比ｘ、ｙに対するバンドギャップエネルギーは組成比に比例すると仮定すると、格子定数は組成比ｘ、ｙに比例するので、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮの格子定数およびバンドギャップは図７に示す通りになる。図７より、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)ＮのバンドギャップがＧａＮと同じ３．４ｅＶとなるのは、図７中の両端矢印で示した範囲であり、組成比ｘ、ｙの関係は０≦ｘ＋ｙ≦１、０．５３ｘ＝０．４７ｙとなる。すなわち、組成比ｘ、ｙが上式を満たしていれば、光吸収を抑制し、素子の発熱を抑制できる。

続いて、（ハ）および（ニ）は実施の形態１における（イ）および（ロ）とそれぞれ同様である。すなわち、（ハ）はｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４の膜厚が臨界膜厚を越えていること、（ニ）はｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚が臨界膜厚以下、であればよく、さらに、通常使用される膜厚および制御可能な膜厚を考慮に入れると、図４より、ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４の組成比ｘ、ｙおよび膜厚の範囲は、ｘ＝０．１３、ｙ＝０．１５、格子定数はａ＝０．３２３２ｎｍで膜厚が１００ｎｍを越え、ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３７、格子定数ａ＝０．３２９７ｎｍで膜厚が１０ｎｍを越えている範囲が好ましい。また、ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４が、ｘ＝０．１３、ｙ＝０．１５、膜厚が１００ｎｍを越えている場合、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は１００ｎｍ以下、ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４が、ｘ＝０．３３、ｙ＝０．３７、膜厚が１０ｎｍを越えている場合、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０の膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。

すなわち、ｐ−Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎ第１コンタクト層１４についてまとめると、格子定数がａ＝０．３２３２ｎｍ〜０．３２９７ｎｍの範囲で、バンドギャップエネルギーが３．４ｅＶ以上であることが好ましい。当該範囲を図７に示すと斜線の領域となる。また、膜厚は、格子定数がａ＝０．３２３２ｎｍで１００ｎｍを越え、格子定数ａ＝０．３２９７ｎｍで１０ｎｍを越えている範囲が好ましい。

上記範囲の組み合わせにより、バンドギャップエネルギーを下げることと、転位に伴う欠陥準位を介した伝導の効果から動作電圧が低減することに加え、リッジトップの光吸収を抑制でき、素子の信頼性をさらに向上できる。

なお、本実施の形態２の製造方法については、実施の形態１で述べた製造方法のうち、ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層９をｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４と読み替えて実施される。その場合、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層１４およびｐ−ＧａＮ第２コンタクト層１０は、上述した範囲とすることが好ましい。

実施形態１に係る窒化物半導体レーザの構成を示す図である。 面内歪みに伴うｃ軸の格子定数とフォトルミネッセンス光のピーク位置の関係を示す図である。 転位密度とコンタクト抵抗の関係を示す図である。 ＧａＮ上のＩ_xｎＧａ_1-xＮの組成比ｘに対する臨界膜厚を示す図である。 実施の形態１に係る窒化物半導体レーザの製造工程を示す図である。 実施の形態２に係る窒化物半導体レーザの構成を示す図である。 Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-(x+y)Ｎの組成比ｘ、ｙに対する格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す図である。

符号の説明

９ ｐ−ＩｎＧａＮ第１コンタクト層、１０ ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層、１２ ｐ電極、１４ ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ第１コンタクト層。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、
   前記積層体上に形成された電極と
   を備え、
   前記積層体は、
   第１コンタクト層と、
   前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層と
   を含み、
   前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、
   前記第２コンタクト層の格子定数が、前記第１コンタクト層の格子定数より小さい窒化物半導体素子。
2. 前記第２コンタクト層の膜厚は臨界膜厚以下である請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 基板と、
   前記基板上に形成された窒化物半導体層の積層体と、
   前記積層体上に形成された電極と
   を備え、
   前記積層体は、
   第１コンタクト層と、
   前記第１コンタクト層上に形成された第２コンタクト層と
   を含み、
   前記電極は、前記第２コンタクト層上に形成されており、
   前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層とを貫通する転位が形成されている窒化物半導体素子。
4. 前記第２コンタクト層は、転位密度が１×１０⁹ｃｍ^-2以上である請求項３記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第２コンタクト層は、ＧａＮからなる請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
6. 前記第１コンタクト層は、ＩｎＧａＮからなる請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
7. 前記第１コンタクト層の格子定数が０．３２３２ｎｍ〜０．３２９７ｎｍの範囲である請求項６に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記第１コンタクト層は、ＡｌＩｎＧａＮからなる請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第１コンタクト層は、バンドギャップエネルギーがＧａＮのバンドギャップエネルギー（３．４ｅＶ）以上で、格子定数が０．３２３２ｎｍ〜０．３２９７ｎｍの範囲である請求項８記載の窒化物半導体素子。
   

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