JP3325479B2 - 化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系化合物半
導体を用いた化合物半導体素子に係わり、特に電極コン
タクトの改良をはかった化合物半導体素子及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧａＮを始めとする窒化物系化合
物半導体を用いた、青色から紫外域にかけての短波長発
光素子が注目されている。これらの窒化物系化合物半導
体を用いた青緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）や短波長半
導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子では、ｐ型及びｎ型の
窒化物系半導体から成るコンタクト層上に電極を形成す
る必要がある。一般に、ｎ側電極とのコンタクト層とし
て、シリコン（Ｓｉ）を添加したＧａＮ層が用いられて
おり、その上にＴｉ／Ａｌ等の電極を形成する。また、
ｐ側電極とのコンタクト層として、マグネシウム（Ｍ
ｇ）を添加したＧａＮ層が用いられており、この上にＮ
ｉやＮｉ／Ａｕ等の電極を形成する。

【０００３】しかし、このような従来の方法では電極と
の良好なコンタクトが得られない。特に、ｐ側電極との
コンタクト抵抗が高いため、素子の動作電圧が高くな
り、ｐ側電極付近で熱が発生し、電極付近の劣化が生じ
やすく、ＬＥＤでは素子寿命を縮める一要因となる。ま
た、ＬＤでは電流注入時に発生する高熱により、レーザ
発振に至るまでにｐ側電極が破壊されたり、レーザ発振
しても寿命が著しく短いという問題があった。

【０００４】以下、この問題をＬＤを例に取り具体的に
説明する。青色半導体レーザを作成するには、ｎ型ドー
パントとしてＳｉＨ₄ （シラン）、ｐ型ドーパンドとし
てＣｐ₂ Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を
用い、ＧａＡｌＮクラッド層，ＧａＮコンタクト層，Ｉ
ｎＧａＮ活性層を有する青色半導体レーザ用多層膜を作
製し、多層膜の一部をｎ型ＧａＮコンタクト層が露出す
るまでドライエッチング法により除去し、Ｔｉ／Ａｌか
ら成るｎ側電極を形成する。また、ｐ側コンタクト層上
にもＮｉ／Ａｕから成るｐ側電極を形成する。このよう
にして得られた試料に劈開により共振器端面を形成する
ことにより、窒化物系青色半導体レーザを作製する。

【０００５】このような方法で作製した窒化物系半導体
レーザに電流注入を行うと、ｐ側電極とのコンタクト抵
抗が高いため、動作電圧が高くなり、 （１）素子にレーザ発振に必要な電流を注入することが
困難である。

【０００６】（２）レーザ発振を生じさせるのに必要な
電流を注入しようとすると、動作電圧が２０Ｖ以上に上
昇し、ｐ側電極近傍が破壊される。 （３）レーザ発振してもｐ側電極とのコンタクト抵抗が
高いため、動作電圧が高く、電極部における発熱が著し
く長時間の素子動作は困難である。等の問題があった。

【０００７】素子の駆動電圧が高い主な原因は、電極金
属とｐ−ＧａＮコンタクト層との接触が非オーミック的
であることである。ＧａＮ系発光素子の場合、ｎ型のオ
ーミックコンタクトは比較的容易に得られるが、ｐ型の
オーミックコンタクトが得られにくい原因として、Ｍｇ
等のｐ型ドーパントのキャリアとしての活性化率が低い
こと、ＧａＮはワイドギャップ半導体であるため、ショ
ットキー障壁が高いことなどが上げられる。

【０００８】ショットキー障壁が高い半導体・金属コン
タクトをオーミックコンタクトに近づける場合、一般に （１）高不純物濃度半導体層をコンタクト部に用い、シ
ョットキー障壁の高さを低くすると共に、ショットキー
障壁の空乏層幅を狭くする。

【０００９】（２）高濃度ドーピングが可能でかつショ
ットキー障壁の低くなる半導体を中間層として挿入す
る。 （３）仕事関数が大きな金属を用いる。

【００１０】（４）金属の一部を半導体中に熱拡散させ
て、実効的不純物濃度を上げる。 等の方法が用いられる。しかし、これらの組み合わせだ
けでは、十分低抵抗なオーミック電極は得られない。ま
た、間接的な方法として、成長終了後にコンタクト層の
表面にエッチングなどで凹凸をつけ、電極との接触面積
を増やすという方法もある。この方法では、そのための
工程を余計に設ける必要がある上に、途中の過程におけ
る不純物の混入等の新たな問題も発生してくる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｇａ
Ｎ等の窒化物系化合物半導体素子、特に発光素子として
の半導体レーザの実用化には、上述のｐ側電極のコンタ
クト抵抗を低減し、素子の動作電圧を低減することが必
須であるが、未だコンタクト抵抗の十分な低抵抗化は達
成できていない。さらに、コンタクト抵抗低減のために
余分な工程を加えたり、不純物混入などの問題を新たに
発生させないことも重要である。

【００１２】また、まだ実用化には至っていないが、Ｇ
ａＮ系半導体を用いた電子デバイスへの応用も試みられ
ている。この場合、ｐ型，ｎ型電極共に低抵抗なものほ
ど高速動作可能な電子デバイスになるため、コンタクト
抵抗の低減がこの場合にも重要になる。

【００１３】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、窒化物系化合物半導
体を用いた場合においても、半導体層と電極とのコンタ
クト抵抗の低減をはかることができ、素子特性及び信頼
性の向上をはかり得る化合物半導体素子及びその製造方
法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

（構成） 上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採
用している。即ち本発明は、窒化物系化合物半導体を積
層してなる化合物半導体素子において、前記窒化物系化
合物半導体の積層構造のうち電極とコンタクトするため
のコンタクト層の表面に、ドット状のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ
（０＜ｘ≦１）、又はピットを有するＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ
（０＜ｘ≦１）層からなり、前記コンタクト層よりもＩ
ｎ組成の大きいコンタクト部が形成されていることを特
徴とする。

【００１５】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが上げられる。 (1) コンタクト層はＩｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｂ_d Ｎ（ａ＋ｂ
＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）から成り、Ｉ
ｎＧａＡｌＢＮコンタクト層よりもＩｎＧａＮコンタク
ト部のバンドギャップが狭いこと。(2) コンタクト層はｐ型であり、ＩｎＧａＮコンタクト
部にはマグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛（Ｚｎ）が添加さ
れていること。(3) コンタクト部を構成するドットの大きさを、２．３
ｎｍ〜１μｍに設定すること。(4) 窒化物系化合物半導体の積層構造を形成するための
下地基板として、サファイア基板，スピネル基板，Ａｌ
Ｎ基板，ＳｉＮ基板，高抵抗ＳｉＣ基板，高抵抗ＧａＡ
ｓ基板，又はＳｉ基板等があげられる。(5) 窒化物系化合物半導体の積層構造で、ＬＥＤやＬＤ
等の発光素子を形成すること。

【００１６】また本発明は、窒化物系化合物半導体を積
層して半導体素子を製造する化合物半導体素子の製造方
法において、前記窒化物系化合物半導体の積層構造のう
ち電極とコンタクトするためのコンタクト層の成長に続
き、成長条件を変えて前記コンタクト層の表面に、ドッ
ト状のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）、又はピットを
有するＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）層からなり、前
記コンタクト層よりもＩｎ組成の大きいコンタクト部を
形成する工程と、前記コンタクト部を表面に形成したコ
ンタクト層上にオーミック電極を形成する工程とを含む
ことを特徴とする。

【００１７】（作用）本発明によれば、電極とコンタク
トするためのコンタクト層の表面に無添加又は不純物を
添加したドット状の、又はピット（穴）を有するコンタ
クト部を形成することにより、電極との接触面積を大き
くすることができる。しかも、コンタクト部を形成する
Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）は窒化物系化合物半導
体の中で最もバンドギャップの小さな半導体であり、こ
のような半導体を設けることにより添加不純物の活性化
率を向上させ、ショットキー障壁，ヘテロ障壁を低減す
ることができる。これにより、コンタクト層と電極との
コンタクト抵抗の低減をはかることができ、素子特性及
び信頼性の向上をはかることが可能となる。

【００１８】また、電極に対する接触面積が大きくなる
ことから、電極との密着性を向上させて電極剥がれを防
止することができる。また、特別な工程を要することな
く、結晶成長の最終過程で連続的に形成でき、生産性が
良い。また、コンタクト部をドット状のＩｎＧａＮとす
ることにより、電流の広がりを抑制することが可能とな
る。これは、半導体レーザ等に適用した場合、しきい値
電流の低減，横モード制御に有効に作用する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明による素子は窒化物系化合
物半導体を用いたものであれば、発光素子でも電子デバ
イスでもよい。以下に、本発明の詳細を図示の実施形態
を用いて説明する。

【００２０】（第１の実施形態）ここでは、従来法及び
本実施形態による窒化物系化合物半導体と電極とのコン
タクト部のみについて説明する。

【００２１】図１（ａ）は従来法によるもので、ｐ型又
はｎ型不純物を添加したＩｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｂ_d Ｎ（ａ
＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）から成る
窒化物半導体層（コンタクト層）１上にＴｉ／Ａｕ，Ｎ
ｉ／Ａｕ等から成る電極５を蒸着することにより設けた
ものである。

【００２２】また、図１（ｂ）は本実施形態によるもの
で、窒化物半導体層１の表面に、ｐ型又はｎ型不純物を
添加したＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）２をドット状
に形成し、その上に電極５を蒸着形成したものである。
図１（ｃ）も本実施形態によるもので、窒化物半導体層
１の表面に、ｐ型又はｎ型不純物が添加され、かつピッ
ト（穴）４を有するＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）３
を形成し、その上に電極５を蒸着形成したものである。

【００２３】ドット状又はピット（穴）を有するＩｎＧ
ａＮコンタクト部を含む窒化物系化合物半導体は、有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法などにより成長する。

【００２４】電極とのコンタクト部について、二次イオ
ン質量（ＳＩＭＳ）分析法により窒化物半導体層中の不
純物濃度を、容量−電圧（Ｃ−Ｖ）測定によりアクセプ
タ又はドナー濃度を、ホール効果測定によりｐ型又はｎ
型のキャリア濃度を測定したところ、窒化物半導体及び
ドット状の又はピットを有するＩｎＧａＮコンタクト部
は、各々の組成によるが、従来法に比べて不純物濃度，
アクセプタ又はドナー濃度，キャリア濃度がおよそ２倍
から１０倍に向上することが分かった。ＳＩＭＳ分析に
よる不純物の拡散プロファイルから、ドット状の又はピ
ットを有するＩｎＧａＮコンタクト部に取り込まれた高
濃度の不純物が、下部の窒化物半導体層（コンタクト
層）１へ拡散した結果、コンタクト層１の不純物濃度が
図１（ａ）に示す従来法の場合に比べ、増加したことが
予想される。

【００２５】また、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）測定により電
極とのコンタクト抵抗を測定すると、窒化物半導体及び
ドット状又はピットを有するＩｎＧａＮコンタクト部の
組成によるが、コンタクト抵抗はおよそ１／２から１／
１０に低減できることが分かった。これは、本実施形態
により （１）電極とのコンタクト部の高不純物濃度化が実現で
きたこと。

【００２６】（２）ＩｎＧａＮ特有の性質によりコンタ
クト部をドット状、又はピットを有する層にでき、電極
との接触面積を拡大できたこと。 （３）窒化物半導体層と電極の間にエネルギーギャップ
の狭いＩｎＧａＮコンタクト部を挿入したことで、ショ
ットキー障壁を低減できたこと。 による相乗効果によるものと考えられる。

【００２７】また、ドット状又はピットを有するＩｎＧ
ａＮコンタクト部を窒化物系化合物半導体層上に形成し
ているため、電極材料の密着性が増した。このような電
極との密着性の向上、コンタクト抵抗の低減による発熱
の抑制により、従来のような高電流注入による電極の剥
がれの問題も解決できることが分かった。

【００２８】このように本実施形態によれば、オーミッ
クコンタクトを取るためのＩｎＧａＡｌＢＮコンタクト
層１の表面に、ドット状の又はピットを有するＩｎＧａ
Ｎコンタクト部２又は３を形成することにより、ＩｎＧ
ａＮコンタクト部中では不純物濃度，不純物の活性化率
を高くでき、コンタクト部中の不純物がその下部に存在
するコンタクト層１中に拡散するため、コンタクト層１
のキャリア濃度が増加する。さらに、ＩｎＧａＡｌＢＮ
コンタクト層１と電極５との間に、エネルギーギャップ
が狭いＩｎＧａＮコンタクト部２又は３を挿入するこ
と、ＩｎＧａＮコンタクト部中のＩｎが下部に存在する
コンタクト層１中に拡散することにより、ショットキー
障壁及びヘテロバリアを低減できる。また、ＩｎＧａＮ
コンタクト部がドット又はピットを有することから、電
極との接触面積を拡大できる。

【００２９】これらの理由により電極とのコンタクト抵
抗を従来の１／２から１／１０程度に低減でき、その結
果として素子の動作電圧も１／２から１／１０程度に低
減できる。この抵抗低減の値は、単純に接触面積が増え
た効果から期待される値よりも数倍大きい。さらに、電
極とのコンタクト部に凹凸があるため、電極の密着性も
向上し、素子作成中の電極の剥がれの問題も解決できる
ことや、電極の長期信頼性も向上するという効果も付加
的に生じる。以上の効果により、素子特性が大幅に向上
し、素子寿命も従来に比べて大幅に延ばすことが可能に
なり、信頼性も大幅に向上した。また、以上に示す効果
が従来と略同様の工程で得られるため、コストアップも
なく生産性が大幅に向上する。

【００３０】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。

【００３１】サファイア基板１１上に、バッファ層（図
示せず）を介して、アンドープＧａＮ下地層１２，ｎ型
ＧａＮコンタクト層１３，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層１
４，ＧａＮ光ガイド層１５，ＩｎＧａＮ活性層１６，Ｇ
ａＮ光ガイド層１７，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８，
ｐ型ＧａＮコンタクト層１９が、上記の順に形成されて
いる。

【００３２】ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の表面には、
Ｍｇを高濃度で添加したＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ｎから成るコ
ンタクト用ドット２０が形成されている。また、上記多
層構造の一部はｎ型ＧａＮコンタクト層１３に達するま
で除去され、露出したコンタクト層１３上にＴｉ／Ａｌ
から成るｎ側電極２１が形成されている。そして、Ｉｎ
ＧａＮコンタクト用ドット２０を表面に形成したｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層１９上には、ｐ側電極２２が形成され
ている。

【００３３】次に、本実施形態の半導体レーザの製造方
法について説明する。この半導体レーザは、周知の有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作製した。用いた
原料は、有機金属原料として、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジエニルマ
グネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）を用い、ガス原料として、ア
ンモニア（ＮＨ₃ ），シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いた。さ
らに、キャリアガスとして水素及び窒素を用いた。

【００３４】まず、有機洗浄，酸洗浄によって処理した
サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入
し、高周波によって加熱されるサセプタ上に設置した。
次いで、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、
温度１２００℃で約１０分間だけ気相エッチングを施
し、表面にできた自然酸化膜を酸去した。

【００３５】次いで、サファイア基板１１上に５５０℃
程度の低温においてバッファ層（図示せず）を成長した
後、基板温度を１１００℃にし、キャリアガスとして水
素２０．５Ｌ／分を流し、アンモニアを９．５Ｌ／分、
ＴＭＧを１００ｃｃ／分を６０分間供給することによ
り、アンドープＧａＮ下地層１２（２．０μｍ）を形成
し、次にＳｉＨ₄ を１０ｃｃ加え、連続してｎ型ＧａＮ
コンタクト層１３（４．０μｍ）を形成した。

【００３６】続いて、ＴＭＡを６０ｃｃ／分だけ加える
ことによりｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層１４（０．２５μ
ｍ）を成長し、さらにその上にアンドープＧａＮ下地層
１２と同様の成長条件でＧａＮ光ガイド層１５を成長し
た。その後、基板温度を７８０℃まで降温し、キャリア
ガスを水素から窒素２０．５Ｌ／分に切り替え、アンモ
ニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧを９ｃｃ／分、ＴＭＩを４
６５ｃｃ／分を約３０分間流すことによりＩｎＧａＮ活
性層１６を成長した。

【００３７】ＩｎＧａＮ活性層１６を成長後、基板温度
を再び１１００℃に昇温し、１１００℃に達したら、キ
ャリアガスを再び窒素から水素２０．５Ｌ／分へ切り替
え、上記と同様の方法で、ＧａＮ光ガイド層１７，ｐ型
ＡｌＧａＮ電流注入層１８（０．２５μｍ），ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１９（０．３μｍ）の順で成長する。ｐ
型ＡｌＧａＮ電流注入層１８の成長時のｐ型ドーパント
原料Ｃｐ₂ Ｍｇの供給量は２００ｃｃとし、ｐ型ＧａＮ
コンタクト層１９の成長時のＣｐ₂ Ｍｇの供給量は５０
ｃｃとした。

【００３８】次いで、基板温度を１１００℃から６００
℃に下げ、キャリアガスを水素から窒素２０．５Ｌ／分
に切り替え、アンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧを１６
ｃｃ／分、ＴＭＩを５００ｃｃ／分、ｐ型ドーパント原
料Ｃｐ₂ Ｍｇを２００ｃｃ／分の流量で供給し、Ｍｇド
ープＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成５０％）を１０分間成長し、
ｐ型ＧａＮコンタクト層（０．３μｍ）１９上にＩｎＧ
ａＮコンタクト用ドット２０を形成した。そして、有機
金属原料の供給を停止し、窒素キャリアガス２０．５Ｌ
／分、及びアンモニア９．５Ｌ／分のみを引き続き供給
し、基板温度を自然降温した。但し、アンモニアの供給
は基板温度が３５０℃に達した際に停止した。

【００３９】以上の方法で作製されたｐ型伝導層を有す
る窒化物系半導体レーザ用多層膜について、二次イオン
質量（ＳＩＭＳ）分析法によりｐ型ＧａＮコンタクト層
１９中のＭｇ濃度を、また容量−電圧（Ｃ−Ｖ）測定に
よりアクセプタ濃度を測定した。その結果、ＩｎＧａＮ
コンタクト用ドット２０を形成せず、ｐ型ＧａＮコンタ
クト層１９のみを有する従来型のコンタクト層では、Ｓ
ＩＭ分析によるＭｇ濃度は８×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｃ−Ｖ測
定によるアクセプタ濃度は約７×１０¹⁸ｃｍ^-3であっ
た。

【００４０】これに対し、本実施形態によるＩｎＧａＮ
コンタクト用ドット２０を設けた場合、ｐ型ＧａＮコン
タクト層１９のＭｇ濃度は約４×１０²⁰ｃｍ^-3、アクセ
プタ濃度は約６×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、Ｍｇの取り込ま
れ率及び活性化率共に向上した。これは、ＩｎＧａＮコ
ンタクト用ドット２０へ高濃度のＭｇが取り込まれ、さ
らにＧａＮコンタクト層表面付近に拡散したためと考え
られる。

【００４１】次いで、上記多層構造の一部をｎ型ＧａＮ
コンタクト層１３に達するまでドライエッチング法によ
り除去し、露出したコンタクト層１３上にＴｉ／Ａｌか
ら成るｎ側電極２１を形成する。また、Ｍｇを高濃度で
添加したＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ｎコンタクト用ドット２０を
上部に形成したｐ型ＧａＮコンタクト層１９上には、ｐ
型電極２２を形成した。

【００４２】次に、ｎ側電極２１及びｐ側電極２２を形
成した上記半導体素子のＩ−Ｖ特性を測定したところ、
良好なオーミック接触が得られた。次に、上述の電極を
有する半導体多層膜を形成したウエハを３５０μｍ×５
００μｍの大きさに劈開することにより共振器ミラーを
形成し、半導体レーザを作製した。この半導体レーザに
電流注入したところ、波長４１７ｎｍで室温連続発振し
た。素子の動作電圧は５Ｖ、しきい電流密度は２ｋＡ／
ｃｍ² であった。

【００４３】従来の半導体レーザでは動作電圧は２０〜
３０Ｖであり、本実施形態により１／４〜１／６程度動
作電圧の低減が可能になった。また、動作電圧の低減に
より電流注入時の熱の発生が大幅に減少し、従来生じた
ｐ側電極付近の劣化は生じなくなった。また、従来の電
極の剥がれの問題も解決でき、素子特性，信頼性が大幅
に改善された。本実施形態により、素子寿命が従来技術
の素子の２００倍以上に向上できた。

【００４４】（第３の実施形態）図３は、本発明の第３
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。

【００４５】サファイア基板３１上に、バッファ層３２
を介してｎ型ＧａＮコンタクト層３３が形成され、この
コンタクト層３３の上に、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３
４，ＧａＮ光ガイド層３５，多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）の活性層３６，ＧａＮ光ガイド層３７，ｐ型ＡｌＧ
ａＮ電流注入層３８がメサストライプ状に形成されてい
る。

【００４６】メサストライプの側部には、ｉ型ＧａＮ層
４６が埋め込まれ、ＡｌＧａＮ層３８及びＧａＮ層４６
上には、ｐ型ＧａＮコンタクト層３９ａ，３９ｂが形成
されている。つまり、埋め込みメサ構造をしたダブルヘ
テロ構造を形成し、さらにその上にｐ型ＧａＮ層３９
ａ，３９ｂから成るｐ側電極とのコンタクト層を形成し
た。埋め込みには、高抵抗のＧａＮ層を用いた。

【００４７】また、ｎ型ＧａＮコンタクト層３３の上部
にＴｉ／Ａｌから成るｎ側電極４１が形成されている。
ｐ型ＧａＮコンタクト層３９ｂの表面には、ｐ型ＩｎＮ
コンタクト用ドット４０が形成されており、このコンタ
クト用ドット４０を形成したコンタクト層３９ｂ上にｐ
側電極４２が形成されている。

【００４８】次に、本実施形態の半導体レーザの製造方
法を以下に説明する。まず、有機溶媒及び酸によって洗
浄したサファイア基板３１をＭＯＣＶＤ装置の加熱可能
なサセプタ上に載置した。次いで、水素を２０Ｌ／分の
流量で流しながら、温度１２００℃で約１０分間、サフ
ァイア基板表面を気相エッチングした。

【００４９】次いで、温度を５５０℃まで降温し、バッ
ファ層３２を成長し、次に温度を１１００℃まで昇温
し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ＴＭＧを１０
０ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、シランを５ｃｃ
／分の流量でそれぞれ１時間流すことによって、ｎ型Ｇ
ａＮ層３３を約２μｍ成長した。これに、温度を１１０
０℃で保持したまま、ＴＭＡ５０ｃｃ／分の流量を約１
５分間加えることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層
３４を約５００ｎｍの厚さで形成した後、再度ＴＭＡの
供給を停止し、約１０分間の供給でＧａＮ光ガイド層３
５を約２００ｎｍの厚さで形成した。

【００５０】次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度
を７８０℃まで降温した。この温度で、ＴＭＧを１０ｃ
ｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、水素を３０ｃｃ／
分、窒素を約１９．７Ｌ／分流し、この中にＴＭＩの流
量を１４０ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組み合わせで約
１．５分ずつ２０回繰り返し切り替えて供給し、最後に
１５ｃｃ／分で３分間供給することにより、多重量子井
戸構造（ＭＱＷ）の活性層領域３６を形成した。

【００５１】次いで、水素を４０ｃｃ／分、窒素を１
９．９６Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流し
ながら、１１００℃まで４分間かけて昇温した。昇温時
の雰囲気が水素であると活性層領域がエッチングされる
ので、この過程での雰囲気は窒素であることが望まし
い。

【００５２】次いで、温度を１１００℃で保持し、水素
を５００ｃｃ／分、窒素を１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１
００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇを
５０ｃｃ／分の流量で約１０分間供給して、ＧａＮガイ
ド層３７を約２００ｎｍの厚さで形成した。これにＴＭ
Ａを５０ｃｃ／分の流量で１５分間加えることによっ
て、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８を約５００ｎｍの厚
さで形成した。但し、上記ｐ型層を形成する際の有機金
属原料のキャリアガスは水素とした。この状態で室温ま
で降温し、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の熱ＣＶ
Ｄ装置内で表面に幅２０μｍのＳｉＯ₂ 膜（図示せず）
を形成した。

【００５３】次いで、ウェハをＲＩＥ装置内に置き、開
口部ＢＣｌ₃ ガスによってメサ構造にエッチング除去し
た。このようにして作製したウェハを再びＭＯＣＶＤ装
置内のサセプタ上に載置し、窒素３０Ｌ／分の中で１１
００℃まで昇温した。

【００５４】次いで、温度１１００℃で、水素を５００
ｃｃ／分、窒素を１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ
／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＤＭＺ（ジメチルジン
ク）を５０ｃｃ／分の流量で約１時間供給して、ｎ型Ａ
ｌＧａＮ電流注入層３４からｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層
３８までのメサをｉ型ＧａＮ層４６で埋め込む構造とし
た。このようなｉ型ＧａＮ層４６の形成を、本実施形態
ではメサエッチング後の成長で形成したが、エッチング
除去せずに水素や酸素などをイオン注入することによっ
て作製することも可能である。例えば、水素では２００
ｋｅＶ、１×１０¹⁴ｃｍ^-2の注入で実現することができ
る。

【００５５】次いで、温度を１１００℃で保持したま
ま、水素３０Ｌ／分を約１分間流し、ｐ型ＡｌＧａＮ電
流注入層３８上に残っている前記ＳｉＯ₂ 膜をエッチン
グ除去した。

【００５６】次いで、温度を１１００℃で保持したま
ま、主キャリアガスを水素から窒素へ切り替え、水素を
５００ｃｃ／分、窒素を１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１０
０ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇを５
０ｃｃ／分の流量で約１０分間供給して、ｐ型ＧａＮ層
（第１のコンタクト層）３９ａを約９００ｎｍの厚さで
形成した。さらに、Ｃｐ₂ Ｍｇを１５０ｃｃ／分に流量
を増加し、３分間供給することによって、ｐ型ＧａＮ層
（第２のコンタクト層）３９ｂを厚さ１００ｎｍ形成し
た。

【００５７】次いで、サセプタ温度を５００℃にし、Ｃ
ｐ₂ Ｍｇ流量を２００ｃｃ／分に増加し、ＴＭＩ４５０
ｃｃを３分間供給することにより、ｐ型ＧａＮ層３９ｂ
上にｐ型ＩｎＮコンタクト用ドット４０を形成した。ｐ
型ＧａＮ層３９ａ，３９ｂ及びｐ型ＩｎＮコンタクト用
ドット４０は熱処理などの後工程を必要とせずにｐ型伝
導を示した。

【００５８】次いで、ＴＭＩ及びＣｐ₂ Ｍｇの供給を停
止し、基板温度を室温まで降温した。但し、１１００℃
から３５０℃までは水素５００ｃｃ／分、窒素１４．５
Ｌ／分、アンモニア１０Ｌ／分を引き続き供給し続け、
３５０℃でアンモニアの供給を停止した。

【００５９】このようにして作製したレーザ構造を、Ｍ
ＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の真空蒸着法やスパッ
タ法などを用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層３３に対し
ては、Ｐｔ（厚さ５０ｎｍ），Ｎｉ（厚さ５０ｎｍ），
Ａｕ（厚さ２μｍ）をこの順で形成し、良好なオーミッ
ク電極４１とした。一方、表面にｐ型ＩｎＮコンタクト
用ドット４０を形成したｐ型ＧａＮコンタクト層３９ｂ
上には、順にＰｄ（厚さ２０ｎｍ），Ｔｉ（厚さ３０ｎ
ｍ），Ｐｔ（厚さ２０ｎｍ），Ａｕ（厚さ２μｍ）を形
成し、窒素中５００℃で１分間の熱処理を施すことによ
り、１×１０^-4Ωｃｍ² 程度のオーミック電極４２とし
た。ここでは、電極に上述したものを用いたが、これら
に示した金属と、Ａｌ，Ｓｃ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｒなどと
の積層構造或いは合金層などを用いることができる。

【００６０】次に、このレーザ構造を基板側からスクラ
イバなどを用いて劈開し、共振器ミラーを形成した。こ
のようにして作製した半導体レーザは波長４２０ｎｍで
連続発振した。また、この素子の動作電圧は４．２Ｖで
しきい電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ² であった。

【００６１】本実施形態による半導体レーザでは、ｐ側
電極４２とのＩｎＮコンタクト用ドット４０中に高濃度
のＭｇが取り込まれ、Ｍｇの活性化率も高い。また、多
層膜成長後の降温過程、及び電極形成時の熱処理過程で
ＩｎＮコンタクト用ドット４０中のＭｇが、下部のｐ型
ＧａＮコンタクト層３９ｂ表面付近へ拡散し、電極４２
とのコンタクト部のＭｇ濃度、ｐ型のキャリア濃度が増
加する。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層３９ｂとｐ側
電極４２との間にＩｎＮコンタクト用ドット４０を形成
しているため、ショットキー障壁を低減でき、良好なオ
ーミックコンタクトが得られるようになる。

【００６２】また、ｐ型ＧａＮコンタクト３９ｂ上にＩ
ｎＮコンタクト用ドット４０を形成しているため、電極
との接触面積が拡大でき、コンタクト抵抗が約１／３に
低減できるため、素子の動作電圧を３倍にできる。さら
に、電極とのコンタクト部に凹凸を有するため、電極と
半導体多層膜のコンタクト部の密着性が増し、電極の剥
がれの問題も無くなり、歩留まり，信頼性が向上する。

【００６３】このように本実施形態によれば、コンタク
ト部の高キャリア濃度化及び電極との接触面積の拡大に
より、電極とのコンタクト抵抗の低減が可能になり、動
作電圧が１／５から１／７程度に低減でき、素子寿命が
従来技術の素子の２００倍以上に向上できた。また、電
極との密着性も増し、従来法からのコストアップ無しで
窒化物系半導体レーザの特性、信頼性が大幅に向上でき
る。

【００６４】（第４の実施形態）図４は、本発明の第４
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。

【００６５】この半導体レーザは、基本的には第２の実
施形態と同様の構造及び作製方法であるが、ｐ型ＡｌＧ
ａＮ電流注入層１８上にｐ型ＧａＮコンタクト層を設け
ず、直接Ｍｇを高濃度で添加したＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎか
ら成るコンタクト用ドット２０を形成する。上記Ｍｇを
高濃度で添加したＩｎＧａＮコンタクト用ドット２０
は、第２の実施形態の場合と同様に、ｐ型ＡｌＧａＮ電
流注入層１８を高温（１１００℃）で成長後、サセプタ
温度を６８０℃に下げ１５分間、連続的に形成する。こ
のようにｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８上に直接ＩｎＧ
ａＮコンタクト用ドット２０を形成する場合は、ＡｌＧ
ａＮとＩｎＧａＮの格子不整合が大きいため、ＩｎＧａ
Ｎコンタクト用ドット２０は低Ｉｎ組成でも比較的ドッ
ト状に形成しやすい。

【００６６】上記の半導体多層構造に対してドライエッ
チング法により共振器ミラーを形成し、半導体レーザを
作製した。このようにして作製した半導体レーザでは、
ｐ−ＧａＮコンタクト層が無いため、この層における電
圧降下が無く、素子抵抗が更に低減できる。ちなみにこ
のレーザは、電流注入により４１５ｎｍで室温連続発振
した。この際の動作電圧は４．０Ｖ、しきい値電流密度
は１．３ｋＡ／ｃｍ²であった。この素子でも従来技術
の素子の１００倍の動作寿命が得られ、電極の剥がれも
生じないことが確認できた。

【００６７】（第５の実施形態）図５は、本発明の第５
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。

【００６８】この半導体レーザは、基本的には第２の実
施形態と同様の構造及び作製方法であるが、ＩｎＧａＮ
コンタクト用ドット２０及びｐ側電極２２をストライプ
状に設け、これにより電流狭窄を行っている。

【００６９】ここで、本実施形態のようにｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１９上にＩｎＧａＮコンタクト用ドット２０
を介してｐ側電極２２を選択的に設けた場合と、従来の
ようにｐ型ＧａＮコンタクト層１９上に直接ｐ側電極２
２を選択的に設けた場合とを比較する。

【００７０】コンタクト層１９上に直接ｐ側電極を設け
た場合、図６（ｂ）に示すように、電極２２からの電流
の広がりは大きい。これに対し、コンタクト層１９上に
コンタクト用ドット２０のような微粒子を形成した場
合、図６（ａ）に示すように、ドット２０からの電流の
広がりは極めて小さい。このため、ｐ側電極２２からの
電流の広がりを小さくすることができる。これは、電流
狭窄を効果的に行うことを可能にし、しきい値電流の低
減及び横モード制御に有効である。

【００７１】（第６の実施形態）図７は、本発明の第６
の実施の形態に係わるトランジスタの素子構造を示す断
面図である。

【００７２】高抵抗ＧａＡｓ基板７１上にＧａＮバッフ
ァ層７２が形成され、その上にｎ型ＧａＮ電子走行層７
３が形成されている。そして、電子走行層７３上にソー
ス電極７５，ドレイン電極７６，及びゲート電極７７を
形成することにより、トランジスタが構成されている。

【００７３】次に、本実施形態のトランジスタの製造方
法を説明する。まず、高抵抗ＧａＡｓ基板７１上に、前
記実施形態と同様の条件でＭＯＣＶＤ法でノンドープＧ
ａＮバッファ層７２を０．３μｍ、続いてｎ型ＧａＮ電
子走行層７３を０．１μｍ成長する。さらに、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ（Ｉｎ＝５０％）７４を基板温度４００℃にて成
長すると、前記の実施形態同様にドット状に配列する。
ドットの径が約５０ｎｍ程度になるところで成長を終了
した。

【００７４】この基板を使い、従来技術の光リソグラフ
ィにより、まずオーミック電極であるソースとドレイン
領域をパターニングし、Ｎｉを厚さ５ｎｍ、Ａｕを１０
０ｎｍ蒸着し、リフトオフ法で電極７５，７６を形成し
た。ソースとドレインの間隔は５μｍである。続いて、
リソグラフィによりソースとドレインの中央にゲート電
極領域をパターニングした。エッチングにより、この領
域表面のＩｎＧａＮドット７４を取り除いた。これは、
電極面積が増えるとショットキーゲートのリーク電流が
増えてしまうのを防ぐためである。次いで、Ｔｉを１０
ｎｍ、Ａｕを１００ｎｍ蒸着し、リフトオフ法で電極７
７を形成した。ゲート長は約０．５μｍである。

【００７５】比較のため、ＩｎＧａＮコンタクト用ドッ
ト７４をＧａＮ層表面に成長させない従来型の基板を使
って、同じサイズの電極を設けたトランジスタも作製し
た。これらのトランジスタの特性を比較したところ、Ｉ
ｎＧａＮコンタクト用ドット７４があるタイプのトラン
ジスタのコンダクタンスは、従来型のものに比べ５０％
大きくなったことが確認できた。

【００７６】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。第２〜第５の実施形態では基板と
してサファイアを用いたが、その代わりにＳｉＣを用い
ることも可能である。さらに、半導体レーザに限らず発
光ダイオードに適用することも可能である。

【００７７】また、コンタクト部を構成するドットの大
きさは、大きすぎても小さすぎてもその効果が小さくな
るので、２．３ｎｍ〜１μｍに設定するのが望ましい。
さらに、コンタクト用ドットを構成するＩｎＧａＮは、
ＭＯＣＶＤ法によりドットが形成されやすいように、Ｉ
ｎ組成を下地のコンタクト層のそれよりも大きくした方
が望ましい。また、ＩｎＧａＮコンタクト用ドットを形
成する代わりに、ピット（穴）を有するＩｎＧａＮ層を
形成してもよい。この場合も、ドットを形成したのと同
様の効果が得られる。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
極とコンタクトするためのコンタクト層の表面に無添加
又は不純物を添加したドット状の、又はピット（穴）を
有するＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）からなるコンタ
クト部を形成することにより、電極との接触面積を大き
くすることができ、ショットキー障壁を低減することが
できる。従って、窒化物系化合物半導体を用いた場合に
おいても、半導体層と電極とのコンタクト抵抗の低減を
はかることができ、素子特性及び信頼性の向上をはかる
ことが可能となる。

【００７９】また、電極に対する接触面積が大きくなる
ことから、電極との密着性を向上させて電極剥がれを防
止することができ、さらに特別な工程を要することな
く、結晶成長の最終過程で連続的に形成できるため、生
産性の向上をはかることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における積層構造を従来例と比
較して示す図。

【図２】第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。

【図３】第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。

【図４】第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。

【図５】第５の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。

【図６】第５の実施形態における効果を説明するための
模式図。

【図７】第６の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。

【符号の説明】

１…ＩｎＧａＡｌＢＮコンタクト層 ２…ＩｎＧａＮドット ３…ＩｎＧａＮ層 ４…ピット ５…電極 １１，３１…サファイア基板 １２…アンドープＧａＮ下地層 １３，３３…ｎ型ＧａＮコンタクト層 １４，３４…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層 １５，３５…ＧａＮ光ガイド層 １６…ＩｎＧａＮ活性層 １７，３７…ＧａＮ光ガイド層 １８，３８…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層 １９，３９ａ，３９ｂ…ｐ型ＧａＮコンタクト層 ２０…ＩｎＧａＮコンタクト用ドット ２１，４１…ｎ側電極 ２２，４２…ｐ側電極 ３２…アンドープＧａＮバッファ ３６…ＭＱＷ活性層領域 ４０…ＩｎＮコンタクト用ドット ４６…ｉ型ＧａＮ埋込み層 ７１…高抵抗ＧａＡｓ基板 ７２…ＧａＮバッファ層 ７３…ｎ型ＧａＮ電子走行層 ７４…ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト用ドット ７５，７６，７７…電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 英俊 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平９−129974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−175468（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−209500（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−89984（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化物系化合物半導体を積層してなる化合
   物半導体素子において、 前記窒化物系化合物半導体の積層構造のうち電極とコン
   タクトするためのコンタクト層の表面に、ドット状のＩ
   ｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）、又はピットを有するＩ
   ｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）層からなり、前記コンタ
   クト層よりもＩｎ組成の大きいコンタクト部が形成され
   ていることを特徴とする化合物半導体素子。
2. 【請求項２】前記コンタクト層は、Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c
   Ｂ_d Ｎ（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦
   １）から成り、該コンタクト層よりも前記コンタクト部
   のバンドギャップが狭いことを特徴とする請求項１記載
   の化合物半導体素子。
3. 【請求項３】前記コンタクト層はｐ型であり、前記コン
   タクト部にはＭｇ又はＺｎが添加されていることを特徴
   とする請求項１記載の化合物半導体素子。
4. 【請求項４】窒化物系化合物半導体を積層して半導体素
   子を製造する化合物半導体素子の製造方法において、 前記窒化物系化合物半導体の積層構造のうち電極とコン
   タクトするためのコンタクト層の成長に続き、成長条件
   を変えて前記コンタクト層の表面に、ドット状のＩｎ_x
   Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）、又はピットを有するＩｎ_x
   Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）層からなり、前記コンタクト
   層よりもＩｎ組成の大きいコンタクト部を成長する工程
   と、前記コンタクト部を表面に形成したコンタクト層上
   にオーミック電極を形成する工程とを含むことを特徴と
   する化合物半導体素子の製造方法。