JP3403665B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可視単波長、特
に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光
可能な発光素子、例えば、半導体レーザダイオードに関
する。 【０００２】本発明の発光素子、例えば、半導体レーザ
ダイオードは、本発明者らにより初めて明らかにされた
電子線照射処理による（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0
≦y≦1)層のｐ型化技術を基盤として、新たに開発され
た技術を加えて、初めて、（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦
1,0≦y≦1)半導体レーザダイオードの製作が可能となっ
たものである。 【０００３】 【従来の技術】現在、実用化されている最短波長の電流
注入型半導体レーザダイオードは、リン化インジウムガ
リウムアルミニウム（InGaAlP)系結晶により作製されて
いる。その発振波長は可視長波長領域、即ち、赤色領域
である0.6 〜0.7 μｍ帯に属する。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、更に、
短波長である青色、紫色領域或いは紫外光領域での発光
が可能な半導体レーザを実現するのは、この材料では物
性上困難である。より広い禁制帯幅を持つ半導体材料を
用いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yN はその候補の一
つである。 【０００５】(AlxGa1-x)yIn1-yN 、特に、GaN は室温(3
00K)で光励起により誘導放出することが確認されている
(H. Amano 等;Japanese Journal of Applied Physics
第29巻1990年 L205-L206頁）。このことから、上記半導
体でレーザダイオードが構成できる可能性がある。 【０００６】しかしながら、上記系統の化合物半導体は
ｐ型単結晶薄膜の作製が困難であるため、現在に到るま
で(AlxGa1-x)yIn1-yN を用いた電流注入による半導体レ
ーザダイオードは実現していない。 【０００７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、短波長で
ある青色、紫色領域或いは紫外光領域における発光素
子、例えば、半導体レーザを得ることである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、窒化ガリウム
系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子において、シリコン(Si)がドープされてキャリ
ア濃度の制御されたｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化
合物半導体（(Al x1 Ga 1-x1 ) y1 In 1-y1 N:0≦x1≦1,0≦y1≦
1)から成るｎ層と、マグネシウム(Mg)がドープされてｐ
型化処理されたｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物
半導体（(Al x2 Ga 1-x2 ) y2 In 1-y2 N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)か
ら成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層とに挟まれ、比較的
禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄
膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層とを
有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子である。 【０００９】以下、次のような構成とすることも可能で
ある。ｎ層及びｐ層を、禁制帯幅が同一な窒化ガリウム
系化合物半導体で構成しても良い。ｐｎ接合を、禁制帯
幅の比較的大きい窒化ガリウム系化合物半導体から成る
層と、禁制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム系化合物半
導体から成る層との接合により構成しても良い。又、禁
制帯幅の比較的小さい層（活性層）を、相互に禁制帯幅
及び混晶組成が同一又は異なり、その層に対して禁制帯
幅の比較的大きい層で挟んだ構造を有することを特徴と
する。又、禁制帯幅の異なる層を２つ以上積層した構造
でも良い。又、アクセプタ不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体から成る層に電子線を照射してｐ型
化させた層を有しても良い。又、ｐ型化された窒化ガリ
ウム系化合物半導体から成る層とその層に対する電極用
金属との接触部分の形状を短冊状としても良い。基板に
は、サファイア、Si、6H-SiC又はGaN を用いることがで
きる。 【００１０】 【作用及び効果】（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦
1)半導体において、本発明者等により、初めてｐ型電導
性を示す層の製作が可能となった。これにより、上記の
窒化ガリウム系化合物半導体で構成されたキャリア注入
型の発光素子、例えば、レーザダイオードの製作及びそ
の発振が可能となった。 【００１１】本発明のように電子線照射処理による(Alx
Ga1-x)yIn1-yN のｐ型化効果と、構造を工夫することに
より、青色から紫色及び紫外光領域の発振波長を持つ発
光素子、例えば、半導体レーザダイオードが実現され
た。 【００１２】 【発明の概要】上記発明において、窒化アルミニウムガ
リウムインジウム(AlxGa1-x)yIn1-yN単結晶作製用基板
には、サファイア, 珪素(Si),6H 炭化珪素(6H-SiC)ない
し窒化ガリウム(GaN) を用いることができる。 【００１３】サファイアを基板とする場合には少なくと
も低温（例えば約600 ℃) で堆積したAlN 薄膜を含む層
を緩衝層とするのが望ましい。 【００１４】Siを基板とする場合には少なくとも3C-SiC
薄膜一層か或いは3C-SiC薄膜及びAlN 薄膜の二層を含む
層を緩衝層とするのが望ましい。 【００１５】6H-SiCを基板とする場合には直接ないしGa
N を緩衝層とするのが望ましい。GaN を基板とする場合
には直接単結晶作製が行なわれる。Si,6H-SiC 及びGaN
を基板とする場合にはｎ型単結晶が用いられる。 【００１６】まず、同一組成同士の結晶によるｐｎ接合
構造を作製する場合につき述べる。サファイアを基板と
する場合、(AlxGa1-x)yIn1-yN を成長させる直前に、基
板温度を所望の値（例えば 600℃）に設定し、成長炉内
に少なくともアルミニウム(Al) を含む化合物及び窒素
の水酸化物を導入し、サファイア基板表面にAlN 薄膜緩
衝層を形成する。 【００１７】その後、Alを含む化合物の導入を止め、基
板温度の再設定を行う。そして、所望の混晶組成となる
ようにAlを含む化合物、ガリウム(Ga)を含む化合物及び
インジウム(In)を含む化合物を導入してｎ型(AlxGa1-x)
yIn1-yN 単結晶の成長を行う。 【００１８】なお、この場合ｎ型単結晶の抵抗率を下げ
るためにSi, 酸素(O),硫黄(S),セレン(Se), テルル(Te)
などドナー不純物となる元素を含む化合物を同時に導入
しても良い。 【００１９】ドナー不純物をドーピングする場合、その
濃度に関してはｎ層に均一にドーピングしても良い。
又、ｎ層のオーム性電極形成を容易にするためにｎ層成
長初期に高濃度にドーピングし、ｐｎ接合付近ではドー
ピングしないか或いは低濃度にドーピングしても良い。 【００２０】次に、一度、ウエハを成長炉から取り出
し、試料表面の一部を選択成長用マスクとなる物質、例
えば酸化珪素(SiO2 ) により覆い、再びウエハを成長炉
に戻す。又は、ウエハを取り出さずそのまま成長を続け
る。 【００２１】少なくとも所望の混晶組成となるようなAl
を含む化合物、Gaを含む化合物、Inを含む化合物及び窒
素の水素化物及びアクセプタ不純物となる元素、例えば
ベリリウム(Be), マグネシウム(Mg), 亜鉛(Zn), カドミ
ウム(Cd), 炭素(C) を含む化合物を成長炉に導入してア
クセプタ不純物をドープした(AlxGa1-x)yIn1-yN 単結晶
（ｐ層) の成長を行う。 【００２２】アクセプタドープ層の成長膜厚は電子線照
射処理する場合の電子線侵入長を考慮して決定する。次
にウェハを成長炉から取り出し、アクセプタドープ(Alx
Ga1-x)yIn1-yN 層の電子線照射処理を行う。 【００２３】電子線照射処理する領域は試料表面全体或
いは一部、例えば短冊状とする。試料表面全体に電子線
を照射する場合には、更に、アクセプタドープ層（ｐ
層）の上に絶縁層を堆積し、その絶縁層の一部に短冊状
の窓を開け、その窓の上に金属を接触させ、ｐ層に対す
るオーム性電極を形成する。短冊状に電子線照射処理す
る場合には、電子線の照射された領域の一部或いは全部
を覆うように金属を接触させ、ｐ層に対するオーム性電
極を形成する。 【００２４】最終的に、ｐ層と金属の接触する部分の形
状は短冊である。ｎ層の電極は選択成長用マスクを取り
外して、その後に形成するか、或いはアクセプタドープ
層（ｐ層）の一部を表面側からエッチングして下層のｎ
層に対して窓を開け、金属を接触させオーム性電極を形
成する。 【００２５】ｎ型のSi、6H-SiC或いはGaN を基板として
用いる場合もほぼ同様の手段により素子作製を行う。し
かし、選択成長技術は用いず、ｐ層とｎ層に対する電極
は素子の上下の両側に形成する。即ち、ｎ層電極は基板
裏面全体に金属を接触させオーム性電極を形成する。 【００２６】以上が同一組成の結晶によるｐｎ接合構造
の発光素子、例えば、半導体レーザダイオードを作製す
る場合の基本的方法である。異種混晶組成の結晶の接
合、いわゆるヘテロ接合を利用した素子を作製する場合
にも、ｐｎ接合を形成するという点では上記同一混晶組
成の結晶の接合を利用する場合と同様である。 【００２７】単一のヘテロ接合を形成する場合、同一混
晶組成の結晶によるｐｎ接合に加え、更にｎ層側に禁制
帯幅が大きいｎ型の結晶を接合して少数キャリアである
正孔の拡散阻止層とする。 【００２８】(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶の禁制帯幅付
近の発光はｎ層で特に強いため、活性層はｎ型結晶を用
いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶のバンド
構造は(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-y
P 系単結晶と似ており、バンド不連続の割合は価電子帯
よりも伝導帯の方が大きいと考えられる。しかし、(Alx
Ga1-x)yIn1-yN 系単結晶では正孔の有効質量が比較的大
きいためｎ型同士のヘテロ接合は正孔拡散阻止として有
効に作用する。 【００２９】二つのヘテロ接合を形成する場合、禁制帯
幅の比較的小さいｎ型の結晶（活性層）の両側に各々禁
制帯幅の大きいｎ型及びｐ型の結晶（ｎ層、ｐ層）を接
合し禁制帯幅の小さいｎ型の結晶を挟む構造とする。 【００３０】多数のヘテロ接合を形成する場合、ｎ型の
比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小
さい薄膜結晶を複数接合し、その両側にそれぞれ更に禁
制帯幅の大きいｎ型及びｐ型の結晶を接合し、多数のヘ
テロ接合を挟む。 【００３１】(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶の禁制帯幅付
近での光の屈折率は禁制帯幅が小さい程大きいため、他
の(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-yP 系
単結晶による半導体レーザダイオードと同様、禁制帯幅
の大きい結晶で挟むヘテロ構造は光の閉じ込めにも効果
がある。 【００３２】ヘテロ接合を利用する場合も、同一組成の
結晶によるｐｎ接合の場合と同様に、オーム性電極組成
を容易にするため電極と接触する部分付近のキャリア濃
度は高濃度にしても良い。 【００３３】ｎ型結晶のキャリア濃度はドナー不純物の
ドーピング濃度により、またｐ型結晶のキャリア濃度は
アクセプタ不純物のドーピング濃度及び電子線照射処理
条件により制御する。又、特にオーム性電極形成を容易
にするため高キャリア濃度実現が容易な結晶を金属との
接触用に更に接合してもよい。 【００３４】 【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体
レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合
物気相成長装置を用いた。以下基板としてサファイア，
Si，6H-SiC及びGaN を用いた場合各々について成長手順
を示す。 【００３５】(1) サファイア基板の場合。 図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオー
ドの構造を示した断面図である。図１において、(0001)
面を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の
後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真
空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。こ
れによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水
素系ガスがある程度取り除かれる。 【００３６】次に、サファイア基板１の温度を 600℃程
度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアン
モニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程
度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。 次に、TMA の供
給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、TMA,トリメ
チルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドー
プｎ型GaAlN 層３（ｎ層）を成長する。 【００３７】一旦、ウェハを成長炉から取り出し、GaAl
N 層３の表面の一部をSiO2 でマスクした後、再び成長
炉に戻して真空排気して水素及びNH3 を供給し1040℃ま
で昇温する。次に、TMG を供給して、SiO2 でマスクさ
れていない部分に厚さ 0.5μｍのGaN 層４（活性層）を
成長させる。次に、TMA 及びビスシクロペンタディエニ
ルマクネシウム(Cp2Mg) を更に供給してドープGaAlN 層
５（ｐ層）を 0.5μｍ成長する。 【００３８】次に、マスクとして使用したSiO2 を弗酸
系エッチャントにより除去する。次に、ドープGaAlN 層
５（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、縦１mm、横50μ
ｍの短冊状に窓７Ａを開け、真空チャンバに移して、ド
ープGaAlN 層５（ｐ層）に電子線照射処理を行う。典型
的な電子線照射処理条件を表に示す。 【表１】 【００３９】次に、ドープGaAlN 層５（ｐ層）の窓８の
部分と、Siドープｎ型GaAlN 層３（ｎ層）に、それぞ
れ、金属電極を形成する。結晶成長は以上である。 【００４０】(2)Si 基板の場合。 Si基板上に作成したレーザダイオードの構造を図２に示
す。低抵抗ｎ型Siの(111) 面基板８を有機洗浄の後、弗
酸系エッチャントにより表面の酸化物を取り除き結晶成
長部に設置する。成長炉を真空排気の後水素を導入し基
板を1000℃まで昇温して、基板８の表面を洗浄化し、更
に、プロパン(C3H8 ) 又はアセチレン(C2H2 ) を供給す
る。これにより表面に3C-SiC薄膜９が形成される。 【００４１】この後、成長炉内を一旦真空排気して余分
なガスを取り除く。次に成長炉に水素を供給し基板温度
を 600℃にし、TMA 及びNH3 を供給してAlN 薄膜１０を
3C-SiC薄膜９上に形成する。次に、TMA の供給のみを止
め基板温度を1040℃にして、TMG,TMA 及びSiH4を供給し
てｎ型GaAlN 層１１（ｎ層）を成長する。 【００４２】次に、TMA 及びSiH4 のみの供給を止めGaN
層１２（活性層）を 0.5μｍ成長し、再びTMA 及びCP2
Mgを加えMgドープGaAlN 層１３（ｐ層）を 0.5μｍ成長
する。次に、MgドープGaAlN 層１３（ｐ層）上にSiO2層
１５を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状に窓１５
Ａを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN層１
３（ｐ層）に電子線を照射する。電子線の照射条件は前
実施例と同様である。その後、SiO2層１５側からMgドー
プGaAlN 層１３（ｐ層）に対する電極１４Ａを形成し、
他方、基板８の裏面にｎ型GaAlN 層１１（ｎ層）に対す
る電極１４Ｂを形成した。 【００４３】(3)6H-SiC 基板の場合。 6H-SiC基板上に作成したレーザダイオードを図３に示
す。低抵抗ｎ型6H-SiCの(0001)面基板１６を有機洗浄の
後、王水系エッチャントによりエッチングの後、結晶成
長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給
し、1200℃まで昇温する。次に、成長炉に水素を供給し
基板温度を1040℃にして、TMG,SiH4及びNH3 を供給して
ｎ型GaN 緩衝層１７を 0.5〜 1μｍ程度成長する。次
に、TMA を加え、ｎ型GaN 緩衝層１７の上にｎ型GaAlN
層１８（ｎ層）を成長する。 【００４４】次に、ｎ型GaAlN 層１８の上に、前記のSi
基板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガス
を用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN 層１９（活
性層）を 0.5μｍ、MgドープGaAlN 層２０（ｐ層）を
0.5μｍの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN 層２
０上にSiO2層２２を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短
冊状に窓２２Ａを開け、真空チャンバに移して、Mgドー
プGaAlN 層２０（ｐ層）に電子線を照射した。電子線の
照射条件は前実施例と同様である。 【００４５】その後、SiO2層２２側からMgドープGaAlN
層２０（ｐ層）に対する電極２１Ａを形成し、他方、基
板１６の裏面にｎ型GaAlN 層１８（ｎ層）に対する電極
２１Ｂを形成した。 【００４６】(4)GaN基板の場合。 GaN 基板上に作成したレーザダイオードを図４に示す。
低抵抗ｎ型GaN の(0001)面基板２３を有機洗浄の後、リ
ン酸＋硫酸系エッチャントによりエッチングの後、この
基板２３を結晶成長部に設置する。次に、成長炉を真空
排気の後、水素及びNH3 を供給し、基板温度を１０４０
℃にして、５分間放置する。次に、TMG 及びSiH4 を更
に加えてｎ型GaN 緩衝層２４を0.5 〜1μｍの厚さに形
成した。 【００４７】次に、TMA を加え、n 型GaAlN 層２５を成
長させた。次に、ｎ型GaAlN 層２５の上に、前記のSi基
板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガスを
用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN 層２６（活性
層）を 0.5μｍ、MgドープGaAlN 層２７（ｐ層）を 0.5
μｍの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN 層２７上
にSiO2層２９を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状
に窓２９Ａを開け、真空チャンバに移して、MgドープGa
AlN 層２７（ｐ層）に電子線を照射した。電子線の照射
条件は前実施例と同様である。 【００４８】その後、SiO2層２９側からMgドープGaAlN
層２７（ｐ層）に対する電極２８Ａを形成し、他方、基
板２３の裏面にｎ型GaAlN 層２５（ｎ層）に対する電極
２８Ｂを形成した。 【００４９】上記のいづれの構造のレーザダイオード
も、室温においてレーザ発振した。
に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光
可能な発光素子、例えば、半導体レーザダイオードに関
する。 【０００２】本発明の発光素子、例えば、半導体レーザ
ダイオードは、本発明者らにより初めて明らかにされた
電子線照射処理による（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0
≦y≦1)層のｐ型化技術を基盤として、新たに開発され
た技術を加えて、初めて、（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦
1,0≦y≦1)半導体レーザダイオードの製作が可能となっ
たものである。 【０００３】 【従来の技術】現在、実用化されている最短波長の電流
注入型半導体レーザダイオードは、リン化インジウムガ
リウムアルミニウム（InGaAlP)系結晶により作製されて
いる。その発振波長は可視長波長領域、即ち、赤色領域
である0.6 〜0.7 μｍ帯に属する。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、更に、
短波長である青色、紫色領域或いは紫外光領域での発光
が可能な半導体レーザを実現するのは、この材料では物
性上困難である。より広い禁制帯幅を持つ半導体材料を
用いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yN はその候補の一
つである。 【０００５】(AlxGa1-x)yIn1-yN 、特に、GaN は室温(3
00K)で光励起により誘導放出することが確認されている
(H. Amano 等;Japanese Journal of Applied Physics
第29巻1990年 L205-L206頁）。このことから、上記半導
体でレーザダイオードが構成できる可能性がある。 【０００６】しかしながら、上記系統の化合物半導体は
ｐ型単結晶薄膜の作製が困難であるため、現在に到るま
で(AlxGa1-x)yIn1-yN を用いた電流注入による半導体レ
ーザダイオードは実現していない。 【０００７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、短波長で
ある青色、紫色領域或いは紫外光領域における発光素
子、例えば、半導体レーザを得ることである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、窒化ガリウム
系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子において、シリコン(Si)がドープされてキャリ
ア濃度の制御されたｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化
合物半導体（(Al x1 Ga 1-x1 ) y1 In 1-y1 N:0≦x1≦1,0≦y1≦
1)から成るｎ層と、マグネシウム(Mg)がドープされてｐ
型化処理されたｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物
半導体（(Al x2 Ga 1-x2 ) y2 In 1-y2 N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)か
ら成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層とに挟まれ、比較的
禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄
膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層とを
有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子である。 【０００９】以下、次のような構成とすることも可能で
ある。ｎ層及びｐ層を、禁制帯幅が同一な窒化ガリウム
系化合物半導体で構成しても良い。ｐｎ接合を、禁制帯
幅の比較的大きい窒化ガリウム系化合物半導体から成る
層と、禁制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム系化合物半
導体から成る層との接合により構成しても良い。又、禁
制帯幅の比較的小さい層（活性層）を、相互に禁制帯幅
及び混晶組成が同一又は異なり、その層に対して禁制帯
幅の比較的大きい層で挟んだ構造を有することを特徴と
する。又、禁制帯幅の異なる層を２つ以上積層した構造
でも良い。又、アクセプタ不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体から成る層に電子線を照射してｐ型
化させた層を有しても良い。又、ｐ型化された窒化ガリ
ウム系化合物半導体から成る層とその層に対する電極用
金属との接触部分の形状を短冊状としても良い。基板に
は、サファイア、Si、6H-SiC又はGaN を用いることがで
きる。 【００１０】 【作用及び効果】（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦
1)半導体において、本発明者等により、初めてｐ型電導
性を示す層の製作が可能となった。これにより、上記の
窒化ガリウム系化合物半導体で構成されたキャリア注入
型の発光素子、例えば、レーザダイオードの製作及びそ
の発振が可能となった。 【００１１】本発明のように電子線照射処理による(Alx
Ga1-x)yIn1-yN のｐ型化効果と、構造を工夫することに
より、青色から紫色及び紫外光領域の発振波長を持つ発
光素子、例えば、半導体レーザダイオードが実現され
た。 【００１２】 【発明の概要】上記発明において、窒化アルミニウムガ
リウムインジウム(AlxGa1-x)yIn1-yN単結晶作製用基板
には、サファイア, 珪素(Si),6H 炭化珪素(6H-SiC)ない
し窒化ガリウム(GaN) を用いることができる。 【００１３】サファイアを基板とする場合には少なくと
も低温（例えば約600 ℃) で堆積したAlN 薄膜を含む層
を緩衝層とするのが望ましい。 【００１４】Siを基板とする場合には少なくとも3C-SiC
薄膜一層か或いは3C-SiC薄膜及びAlN 薄膜の二層を含む
層を緩衝層とするのが望ましい。 【００１５】6H-SiCを基板とする場合には直接ないしGa
N を緩衝層とするのが望ましい。GaN を基板とする場合
には直接単結晶作製が行なわれる。Si,6H-SiC 及びGaN
を基板とする場合にはｎ型単結晶が用いられる。 【００１６】まず、同一組成同士の結晶によるｐｎ接合
構造を作製する場合につき述べる。サファイアを基板と
する場合、(AlxGa1-x)yIn1-yN を成長させる直前に、基
板温度を所望の値（例えば 600℃）に設定し、成長炉内
に少なくともアルミニウム(Al) を含む化合物及び窒素
の水酸化物を導入し、サファイア基板表面にAlN 薄膜緩
衝層を形成する。 【００１７】その後、Alを含む化合物の導入を止め、基
板温度の再設定を行う。そして、所望の混晶組成となる
ようにAlを含む化合物、ガリウム(Ga)を含む化合物及び
インジウム(In)を含む化合物を導入してｎ型(AlxGa1-x)
yIn1-yN 単結晶の成長を行う。 【００１８】なお、この場合ｎ型単結晶の抵抗率を下げ
るためにSi, 酸素(O),硫黄(S),セレン(Se), テルル(Te)
などドナー不純物となる元素を含む化合物を同時に導入
しても良い。 【００１９】ドナー不純物をドーピングする場合、その
濃度に関してはｎ層に均一にドーピングしても良い。
又、ｎ層のオーム性電極形成を容易にするためにｎ層成
長初期に高濃度にドーピングし、ｐｎ接合付近ではドー
ピングしないか或いは低濃度にドーピングしても良い。 【００２０】次に、一度、ウエハを成長炉から取り出
し、試料表面の一部を選択成長用マスクとなる物質、例
えば酸化珪素(SiO2 ) により覆い、再びウエハを成長炉
に戻す。又は、ウエハを取り出さずそのまま成長を続け
る。 【００２１】少なくとも所望の混晶組成となるようなAl
を含む化合物、Gaを含む化合物、Inを含む化合物及び窒
素の水素化物及びアクセプタ不純物となる元素、例えば
ベリリウム(Be), マグネシウム(Mg), 亜鉛(Zn), カドミ
ウム(Cd), 炭素(C) を含む化合物を成長炉に導入してア
クセプタ不純物をドープした(AlxGa1-x)yIn1-yN 単結晶
（ｐ層) の成長を行う。 【００２２】アクセプタドープ層の成長膜厚は電子線照
射処理する場合の電子線侵入長を考慮して決定する。次
にウェハを成長炉から取り出し、アクセプタドープ(Alx
Ga1-x)yIn1-yN 層の電子線照射処理を行う。 【００２３】電子線照射処理する領域は試料表面全体或
いは一部、例えば短冊状とする。試料表面全体に電子線
を照射する場合には、更に、アクセプタドープ層（ｐ
層）の上に絶縁層を堆積し、その絶縁層の一部に短冊状
の窓を開け、その窓の上に金属を接触させ、ｐ層に対す
るオーム性電極を形成する。短冊状に電子線照射処理す
る場合には、電子線の照射された領域の一部或いは全部
を覆うように金属を接触させ、ｐ層に対するオーム性電
極を形成する。 【００２４】最終的に、ｐ層と金属の接触する部分の形
状は短冊である。ｎ層の電極は選択成長用マスクを取り
外して、その後に形成するか、或いはアクセプタドープ
層（ｐ層）の一部を表面側からエッチングして下層のｎ
層に対して窓を開け、金属を接触させオーム性電極を形
成する。 【００２５】ｎ型のSi、6H-SiC或いはGaN を基板として
用いる場合もほぼ同様の手段により素子作製を行う。し
かし、選択成長技術は用いず、ｐ層とｎ層に対する電極
は素子の上下の両側に形成する。即ち、ｎ層電極は基板
裏面全体に金属を接触させオーム性電極を形成する。 【００２６】以上が同一組成の結晶によるｐｎ接合構造
の発光素子、例えば、半導体レーザダイオードを作製す
る場合の基本的方法である。異種混晶組成の結晶の接
合、いわゆるヘテロ接合を利用した素子を作製する場合
にも、ｐｎ接合を形成するという点では上記同一混晶組
成の結晶の接合を利用する場合と同様である。 【００２７】単一のヘテロ接合を形成する場合、同一混
晶組成の結晶によるｐｎ接合に加え、更にｎ層側に禁制
帯幅が大きいｎ型の結晶を接合して少数キャリアである
正孔の拡散阻止層とする。 【００２８】(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶の禁制帯幅付
近の発光はｎ層で特に強いため、活性層はｎ型結晶を用
いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶のバンド
構造は(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-y
P 系単結晶と似ており、バンド不連続の割合は価電子帯
よりも伝導帯の方が大きいと考えられる。しかし、(Alx
Ga1-x)yIn1-yN 系単結晶では正孔の有効質量が比較的大
きいためｎ型同士のヘテロ接合は正孔拡散阻止として有
効に作用する。 【００２９】二つのヘテロ接合を形成する場合、禁制帯
幅の比較的小さいｎ型の結晶（活性層）の両側に各々禁
制帯幅の大きいｎ型及びｐ型の結晶（ｎ層、ｐ層）を接
合し禁制帯幅の小さいｎ型の結晶を挟む構造とする。 【００３０】多数のヘテロ接合を形成する場合、ｎ型の
比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小
さい薄膜結晶を複数接合し、その両側にそれぞれ更に禁
制帯幅の大きいｎ型及びｐ型の結晶を接合し、多数のヘ
テロ接合を挟む。 【００３１】(AlxGa1-x)yIn1-yN 系単結晶の禁制帯幅付
近での光の屈折率は禁制帯幅が小さい程大きいため、他
の(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-yP 系
単結晶による半導体レーザダイオードと同様、禁制帯幅
の大きい結晶で挟むヘテロ構造は光の閉じ込めにも効果
がある。 【００３２】ヘテロ接合を利用する場合も、同一組成の
結晶によるｐｎ接合の場合と同様に、オーム性電極組成
を容易にするため電極と接触する部分付近のキャリア濃
度は高濃度にしても良い。 【００３３】ｎ型結晶のキャリア濃度はドナー不純物の
ドーピング濃度により、またｐ型結晶のキャリア濃度は
アクセプタ不純物のドーピング濃度及び電子線照射処理
条件により制御する。又、特にオーム性電極形成を容易
にするため高キャリア濃度実現が容易な結晶を金属との
接触用に更に接合してもよい。 【００３４】 【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体
レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合
物気相成長装置を用いた。以下基板としてサファイア，
Si，6H-SiC及びGaN を用いた場合各々について成長手順
を示す。 【００３５】(1) サファイア基板の場合。 図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオー
ドの構造を示した断面図である。図１において、(0001)
面を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の
後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真
空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。こ
れによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水
素系ガスがある程度取り除かれる。 【００３６】次に、サファイア基板１の温度を 600℃程
度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアン
モニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程
度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。 次に、TMA の供
給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、TMA,トリメ
チルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドー
プｎ型GaAlN 層３（ｎ層）を成長する。 【００３７】一旦、ウェハを成長炉から取り出し、GaAl
N 層３の表面の一部をSiO2 でマスクした後、再び成長
炉に戻して真空排気して水素及びNH3 を供給し1040℃ま
で昇温する。次に、TMG を供給して、SiO2 でマスクさ
れていない部分に厚さ 0.5μｍのGaN 層４（活性層）を
成長させる。次に、TMA 及びビスシクロペンタディエニ
ルマクネシウム(Cp2Mg) を更に供給してドープGaAlN 層
５（ｐ層）を 0.5μｍ成長する。 【００３８】次に、マスクとして使用したSiO2 を弗酸
系エッチャントにより除去する。次に、ドープGaAlN 層
５（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、縦１mm、横50μ
ｍの短冊状に窓７Ａを開け、真空チャンバに移して、ド
ープGaAlN 層５（ｐ層）に電子線照射処理を行う。典型
的な電子線照射処理条件を表に示す。 【表１】 【００３９】次に、ドープGaAlN 層５（ｐ層）の窓８の
部分と、Siドープｎ型GaAlN 層３（ｎ層）に、それぞ
れ、金属電極を形成する。結晶成長は以上である。 【００４０】(2)Si 基板の場合。 Si基板上に作成したレーザダイオードの構造を図２に示
す。低抵抗ｎ型Siの(111) 面基板８を有機洗浄の後、弗
酸系エッチャントにより表面の酸化物を取り除き結晶成
長部に設置する。成長炉を真空排気の後水素を導入し基
板を1000℃まで昇温して、基板８の表面を洗浄化し、更
に、プロパン(C3H8 ) 又はアセチレン(C2H2 ) を供給す
る。これにより表面に3C-SiC薄膜９が形成される。 【００４１】この後、成長炉内を一旦真空排気して余分
なガスを取り除く。次に成長炉に水素を供給し基板温度
を 600℃にし、TMA 及びNH3 を供給してAlN 薄膜１０を
3C-SiC薄膜９上に形成する。次に、TMA の供給のみを止
め基板温度を1040℃にして、TMG,TMA 及びSiH4を供給し
てｎ型GaAlN 層１１（ｎ層）を成長する。 【００４２】次に、TMA 及びSiH4 のみの供給を止めGaN
層１２（活性層）を 0.5μｍ成長し、再びTMA 及びCP2
Mgを加えMgドープGaAlN 層１３（ｐ層）を 0.5μｍ成長
する。次に、MgドープGaAlN 層１３（ｐ層）上にSiO2層
１５を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状に窓１５
Ａを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN層１
３（ｐ層）に電子線を照射する。電子線の照射条件は前
実施例と同様である。その後、SiO2層１５側からMgドー
プGaAlN 層１３（ｐ層）に対する電極１４Ａを形成し、
他方、基板８の裏面にｎ型GaAlN 層１１（ｎ層）に対す
る電極１４Ｂを形成した。 【００４３】(3)6H-SiC 基板の場合。 6H-SiC基板上に作成したレーザダイオードを図３に示
す。低抵抗ｎ型6H-SiCの(0001)面基板１６を有機洗浄の
後、王水系エッチャントによりエッチングの後、結晶成
長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給
し、1200℃まで昇温する。次に、成長炉に水素を供給し
基板温度を1040℃にして、TMG,SiH4及びNH3 を供給して
ｎ型GaN 緩衝層１７を 0.5〜 1μｍ程度成長する。次
に、TMA を加え、ｎ型GaN 緩衝層１７の上にｎ型GaAlN
層１８（ｎ層）を成長する。 【００４４】次に、ｎ型GaAlN 層１８の上に、前記のSi
基板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガス
を用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN 層１９（活
性層）を 0.5μｍ、MgドープGaAlN 層２０（ｐ層）を
0.5μｍの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN 層２
０上にSiO2層２２を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短
冊状に窓２２Ａを開け、真空チャンバに移して、Mgドー
プGaAlN 層２０（ｐ層）に電子線を照射した。電子線の
照射条件は前実施例と同様である。 【００４５】その後、SiO2層２２側からMgドープGaAlN
層２０（ｐ層）に対する電極２１Ａを形成し、他方、基
板１６の裏面にｎ型GaAlN 層１８（ｎ層）に対する電極
２１Ｂを形成した。 【００４６】(4)GaN基板の場合。 GaN 基板上に作成したレーザダイオードを図４に示す。
低抵抗ｎ型GaN の(0001)面基板２３を有機洗浄の後、リ
ン酸＋硫酸系エッチャントによりエッチングの後、この
基板２３を結晶成長部に設置する。次に、成長炉を真空
排気の後、水素及びNH3 を供給し、基板温度を１０４０
℃にして、５分間放置する。次に、TMG 及びSiH4 を更
に加えてｎ型GaN 緩衝層２４を0.5 〜1μｍの厚さに形
成した。 【００４７】次に、TMA を加え、n 型GaAlN 層２５を成
長させた。次に、ｎ型GaAlN 層２５の上に、前記のSi基
板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガスを
用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN 層２６（活性
層）を 0.5μｍ、MgドープGaAlN 層２７（ｐ層）を 0.5
μｍの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN 層２７上
にSiO2層２９を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状
に窓２９Ａを開け、真空チャンバに移して、MgドープGa
AlN 層２７（ｐ層）に電子線を照射した。電子線の照射
条件は前実施例と同様である。 【００４８】その後、SiO2層２９側からMgドープGaAlN
層２７（ｐ層）に対する電極２８Ａを形成し、他方、基
板２３の裏面にｎ型GaAlN 層２５（ｎ層）に対する電極
２８Ｂを形成した。 【００４９】上記のいづれの構造のレーザダイオード
も、室温においてレーザ発振した。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な
一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)
系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図２】Si基板上に作製した本発明の具体的な一実施例
に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体
レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図３】6H-SiC基板上に作製した本発明の具体的な一実
施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半
導体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図４】GaN 基板上に作製した本発明の具体的な一実施
例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導
体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【符号の説明】 １…サファイアの(0001)面基板 ２，９，１７…AlN 緩衝層 ３，１１，１８，２５…ｎ型AlGaN 層（ｎ層） ４，１２，１９，２６…GaN 層（活性層） ５，１３，２０，２７…MgドープAlGaN 層（ｐ層） ７，１５，２２，２９…SiO2 層 ６Ａ，１４Ａ，２１Ａ，２８Ａ…電極（MgドープAlGaN
層（ｐ層）に対する） ６Ｂ，１４Ｂ，２１Ｂ，２８Ｂ…電極（ｎ型AlGaN 層
（ｎ層）に対する）
一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)
系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図２】Si基板上に作製した本発明の具体的な一実施例
に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体
レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図３】6H-SiC基板上に作製した本発明の具体的な一実
施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半
導体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【図４】GaN 基板上に作製した本発明の具体的な一実施
例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導
体レーザダイオードの構成を示した断面図。 【符号の説明】 １…サファイアの(0001)面基板 ２，９，１７…AlN 緩衝層 ３，１１，１８，２５…ｎ型AlGaN 層（ｎ層） ４，１２，１９，２６…GaN 層（活性層） ５，１３，２０，２７…MgドープAlGaN 層（ｐ層） ７，１５，２２，２９…SiO2 層 ６Ａ，１４Ａ，２１Ａ，２８Ａ…電極（MgドープAlGaN
層（ｐ層）に対する） ６Ｂ，１４Ｂ，２１Ｂ，２８Ｂ…電極（ｎ型AlGaN 層
（ｎ層）に対する）
フロントページの続き
(73)特許権者 591014950
天野 浩
愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104
宝マンション山の手508号
(72)発明者 岡崎 伸夫
愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑
１番地 豊田合成株式会社内
(72)発明者 真部 勝英
愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑
１番地 豊田合成株式会社内
(72)発明者 赤崎 勇
愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番38−
805
(72)発明者 天野 浩
愛知県名古屋市名東区神丘町二丁目21
虹ケ丘東団地25号棟505号室
(56)参考文献 特開 平２−229475（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−96693（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−42770（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−204425（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−228776（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−288371（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 窒化ガリウム系化合物半導体を積層した
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、シリコン(Si)がドープされてキャリア濃度の制御された
ｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（(Al x1 G
a 1-x1 ) y1 In 1-y1 N:0≦x1≦1,0≦y1≦1)から成るｎ層と、 マグネシウム(Mg)がドープされてｐ型化処理されたｐ型
導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（(Al x2 Ga
1-x2 ) y2 In 1-y2 N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)から成るｐ層と、 前記ｎ層と前記ｐ層とに挟まれ、 比較的禁制帯幅の大き
い薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接
合した多数のヘテロ接合から成る層と を有することを特
徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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|---|---|---|---|
| JP13625299A JP3403665B2 (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13625299A JP3403665B2 (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP41484390A Division JP3160914B2 (ja) | 1990-12-26 | 1990-12-26 | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード |
Publications (2)
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
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-
1999
- 1999-05-17 JP JP13625299A patent/JP3403665B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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