JP3425333B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - 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、化合物半導体装置
に関し、特にカルコゲナイド化合物或いは窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】緑色から青色の波長帯において発光する
半導体発光素子として、近年、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体であるＺｎＳｅ系や、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であ
るＧａＮ系材料を用いた発光素子の研究開発が行われて
いる。近年、研究レベルでは、どちらの材料系について
も発光素子あるいは半導体レーザが試作されつつある。

【０００３】すなわち、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体とし
ては、亜鉛化カルコゲナイドであるＺｎＳｅ系の材料開
発が行われており、研究レベルではＭＢＥ法（分子線ビ
ーム堆積法）による結晶成長が実現されている。しか
し、市販品として製品レベル達しているものはない。ま
た、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）ではｐ型導電
性の実現が困難であるため、発光素子の実現はその見通
しすらないのが現状である。

【０００４】一方、ＧａＮ系半導体については、ＭＯＣ
ＶＤ法による発光ダイオードは実現されているものの、
半導体レーザについては、市販品として製品レベルに達
しているものはない。これは、発光に関与しない抵抗成
分が大きいため、レーザ素子の発熱量が高く、素子寿命
に大きな影響をあたえているためである。またＧａＮ系
発光素子においては、結晶の融点が高いことが結晶成長
を困難にしている。さらに酸やアルカリによるエッチン
グが容易でないために、素子加工も非常に難しい。な
お、本明細書において「窒化ガリウム系半導体」あるい
は「ＧａＮ系半導体」とは、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式に
おいて組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた
すべての組成の半導体を含むものとする。例えば、Ｉｎ
ＧａＮ（ｘ＝０．４、ｙ＝０）も「窒化ガリウム系半導
体」に含まれるものとする。

【０００５】従来のＧａＮ系半導体レーザの作成手順の
概略は以下の如くである。すなわち、まず、サファイア
基板上にｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順次積層する。次に、そ
のｐ側表面にｐ側電極を形成する。さらにドライエッチ
ングなどの手法によりｎ型ＧａＮ層の一部を削って、ｎ
側電極を形成する。

【０００６】また、これらの工程に加えて、ｐ側電極の
すぐ下に絶縁層を作り電流の通り道を狭めたり、結晶成
長を２回に分けて行い内部狭窄構造を作ることにより、
電子を活性層に高密度に注入してレーザの発振閾値電流
を下げる試みが行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＺｎＳｅ系半導体の発
光素子において、前述のＭＢＥ法で実現できている発光
素子も、その問題点は信頼性が確保できないことにあ
る。この原因は基板として使っているＧａＡｓ基板とｐ
型の電極部分にあるといわれている。すなわち、ＧａＡ
ｓとＺｎＳｅでは格子定数がわずかに異なることにより
通電時に構成元素の相互拡散がより助長され、拡散され
た元素が互いにドーパントとなり、界面で高抵抗層が出
来てしまう。また、前述したＧａＮの場合と同様に、電
極部分では良好なオーミックコンタクトが実現されてい
ないため、通電時に電極部分に大きな電圧がかかり発熱
等が原因で素子が極めて短い時間に劣化するという問題
があった。

【０００８】また、ＩＩ−ＶＩ族化合物においては、Ｍ
０ＣＶＤ法ではｐ型不純物添加方法が完全には確立され
ていない。Ｉ族であるリチウム（Ｌｉ）等を用いること
により一部達成されているが、そのキャリア濃度は１０
¹⁶ｃｍ^-3程度である。基板としてＺｎＳｅを用いること
により界面の問題は解決できるが、現在利用できる基板
で結晶欠陥が最も少ないものはヨウ素法によるものであ
る。しかし、第１層目の添加不純物としてＧａなどのＩ
ｌＩ族元素を用いると添加不純物の拡散により高抵抗化
するという問題があった。また、光励起Ｍ０ＣＶＤ法は
比較的古くから行われているが、エキシマレーザや水銀
ランプ等の２００ｎｍ以下の発光波長をもつ光源では成
長はできるものの成長表面の荒れが顕著で実用に耐える
ものではなかった。

【０００９】一方、前述したＧａＮ系などのＩｌＩ−Ｖ
族半導体においても、バンドギャップが大きくなるとｐ
型のコンタクト抵抗は大きくなる傾向にある。このため
半導体レーザの信頼性の確保にはｐ型コンタクトの抵抗
をいかに小さくするかが大きな技術的課題となってい
る。すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ側電極との
間に大きなコンタクト抵抗が存在するために、このコン
タクト部で大きな電圧降下が生じ、発熱によるレーザ動
作の不安定や発振の阻害の要因となっている。この対策
として、特開平８−３３０６２９号公報に開示されてい
るように、ｐ型コンタクト層の形成に際して、ｐ型コン
タクトの表面近くにマグネシウム（Ｍｇ）等のドーパン
トを大量に導入する試みが行われている。

【００１０】しかし、Ｍｇを添加した場合でも、得られ
るキャリア濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3程度に過ぎず、活性化
率、すなわち添加した不純物に対する有効なキャリアの
数の割合は１％程度と極めて低かった。さらに、これ以
上の不純物の添加を行っても、キャリア濃度は飽和し、
ある値から急激に低下する。このような事情により、化
学量論的組成を有する化合物半導体に対して不純物を添
加しても、抵抗率が十分に低いオーミックコンタクトを
形成することは困難であるという問題があった。

【００１１】他方、レーザの発振しきい値電流を下げる
ためには、前述したように内部狭窄構造を採用すること
が必要とされる。しかし、ＧａＮ系発光素子において内
部狭窄構造の半導体レーザを作ろうとした場合、特開平
４−２４２９８５号公報に開示されているように電流阻
止層としてＳｉＯ₂などを使うと、ＧａＮ系材料との熱
膨張係数の違いなどから、界面にリーク電流などを生
じ、逆に素子性能が低下しやすいという問題があった。
また、特開平８−９７５０７号公報に開示されているよ
うに、電流阻止層として半絶縁性のＧａＮやｎ型ＧａＮ
などを用いる試みもあるが、電流阻止が十分に行われ
ず、低しきい値電流のレーザ素子は得られていない。

【００１２】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
ある。すなわち、その目的は、硫黄、亜鉛もしくはセレ
ンを含むカルコゲナイド化合物半導体発光素子におい
て、基板結晶との界面での相互拡散による高抵抗層をな
くし、ＭＯＣＶＤ法で高キャリア濃度のｐ型導電性層の
低抵抗ｐ型コンタクトを実現することにある。また、本
発明のもうひとつの目的は、ＧａＮ系化合物半導体を用
いた発光素子において、ｐ型コンタクト抵抗を低減する
とともに、内部狭窄構造を作る際にリーク電流を低減す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の半導
体発光素子は、化合量論的組成からずれた組成の化合物
半導体からなる過剰層を備えたことを特徴とするものし
て構成される。すなわち、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の
場合には、ＩＩ族元素全体の組成比とＶＩ族元素全体の
組成比とが同一でないような化合物半導体からなる過剰
層であり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合には、ＩＩ
Ｉ族元素全体の組成比とＶ族元素全体の組成比とが同一
でないような化合物半導体からなる過剰層を備えた半導
体発光素子として構成される。

【００１４】また、この過剰層は、電極とのコンタクト
層として設けることにより、コンタクト抵抗を低減する
ことができる。

【００１５】あるいは、この過剰層は、電流阻止層とし
て設けることにより、ドーパントとしての不純物の活性
化率を改善し、電流阻止効果を向上させることができ
る。

【００１６】さらに、前記半導体発光素子は、窒化ガリ
ウム系半導体発光素子であり、前記過剰層は、ガリウム
が化学量論的組成よりも過剰に含有されたものとして構
成される。

【００１７】また、前記半導体発光素子は、窒化ガリウ
ム系半導体発光素子であり、前記過剰層は、前記化合物
半導体に対する添加元素をＭとして、Ｉｎ_x1Ｇａ_x2Ａｌ
_x3Ｎ_yＭ_z（ｘ₁≧０、ｘ₂≧０、ｘ₃≧０、ｙ＞０、ｚ≧
０）なる組成式で表され前記組成式において（ｘ₁＋ｘ₂
＋ｘ₃）≠ｙなる条件を満たす化合物層であって、（ｘ₁
＋ｘ₂＋ｘ₃−ｙ）の絶対値をｙで除算した商が０．００
０１以上である化合物層あるいは（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃−ｙ
−ｚ）の絶対値を（ｙ＋ｚ）で除算した商が０．０００
１以上である化合物層のうちの少なくともいずれかを有
するものとして構成されていることを特徴とするものと
して構成することにより低しきい値且つ高信頼性を有す
る発光素子を提供することができる。

【００１８】ここで、前記添加元素Ｍとしては、ＶＩ族
元素である酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）お
よびテルル（Ｔｅ）からなる群から選択されたいずれか
の元素を含むものとして構成することにより導電型を効
果的に制御し、あるいはエッチングを容易にすることが
できる。

【００１９】また、前記添加元素Ｍとしては、ＩＶ族元
素であるシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）およびゲルマニ
ウム（Ｇｅ）からなる群から選択されたいずれかの元素
を含むものとして構成することにより導電型を効果的に
制御することができる。

【００２０】また、前記添加元素Ｍとしては、ＶＩＩ族
元素であるフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）
およびヨウ素（Ｉ）からなる群から選択されたいずれか
の元素を含むものとして構成することにより高抵抗層を
形成することができ、電流阻止効果を向上させることが
できる。

【００２１】また、前記添加元素Ｍとしては、Ｉ族元素
であるリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）およびカ
リウム（Ｋ）からなる群から選択されたいずれかの元素
を含むものとして構成することにより高抵抗層を形成す
ることができ、電流阻止効果を向上させることができ
る。

【００２２】また、前記添加元素Ｍとしては、遷移金属
元素である鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐ
ｔ）、金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）からなる群から選択
されたいずれかの元素を含むものとして構成することに
より高抵抗層を形成することができ、電流阻止効果を向
上させることができ、あるいは電極金属との合金化を促
進させてコンタクト抵抗を低減することができる。

【００２３】また、本発明による発光素子は、ヨウ素を
含むｎ型導電性ＺｎＳｅ基板と、この基板上に成長され
たＶＩＩ族元素を含む亜鉛化カルコゲナイド層と、この
亜鉛化カルコゲナイド層の上に成長されたＶ族元素を含
むｐ型導電性ＺｎＳｅ層と、この層の上に成長されたＶ
族元素を含み亜鉛またはセレンの過剰層を有するｐ型導
電性ＺｎＳｅ層と、このｐ型導電ＺｎＳｅ層および前記
ｎ型導電性ＺｎＳｅ基板上に形成された電極とを備えた
ことを特徴とするものして構成することもできる。

【００２４】一方、本発明による半導体発光素子の製造
方法は、反応容器内に基板を設置し、前記反応容器内に
ＩＩＩ族元素の原料ガスおよびＶ族元素の原料ガスを供
給することにより前記基板上に窒化ガリウム系半導体層
を成長させる半導体発光素子の製造方法であって、前記
ＩＩＩ族元素の原料ガスと前記Ｖ族元素の原料ガスとを
第１の供給比において供給することにより前記基板上に
化学量論的組成を有する窒化ガリウム系半導体層を成長
する工程と、前記ＩＩＩ族元素の原料ガスと前記Ｖ族元
素の原料ガスとの供給比を前記第１の供給比の１／１０
以下の供給比あるいは前記第１の供給比の１０倍以上の
供給比において供給することにより化学量論的組成から
ずれた組成比を有する窒化ガリウム系半導体からなる過
剰層を成長する工程と、を備えたことを特徴とするもの
して構成される。

【００２５】あるいは、本発明による半導体発光素子の
製造方法は、反応容器内に配置されたヨウ素を含むｎ型
導電性ＺｎＳｅ基板の主面上に、ＺｎＳｅのバンドギャ
ップに対応する波長よりわずかに波長の短い線スペクト
ルをもつ光を照射しながら、前記容器内に亜鉛およびセ
レンの原料ガスを供給しつつ、有機金属化学堆積法を用
いて４００℃以下で各層を成長させる結晶成長法を用い
る半導体発光素子の製造方法であって、前記結晶成長法
により前記基板上にＶＩＩ族元素を含むｎ型ＺｎＳｅ層
を成長する工程と、この層の上に前記結晶成長法により
亜鉛またはカドミウムを含む亜鉛化カルコゲナイド層を
成長する工程と、この亜鉛化カルコゲナイド層の上に前
記結晶成長法によりＶ族元素を含むｐ型導電性ＺｎＳｅ
層を成長する工程と、この層の上に、前記結晶成長法に
より、亜鉛とセレンの原料ガスの供給比を０から１００
までのあいだで急激に変化させることにより、Ｖ族元素
を含む亜鉛またはセレンの過剰層を有するｐ型導電性Ｚ
ｎＳｅ層を成長する工程と、このｐ型導電性ＺｎＳｅ層
の上および前記ｎ型導電性ＺｎＳｅ基板の裏面上に電極
を形成する工程と、を備えたことを特徴とするものして
構成される。

【００２６】すなわち、上記課題を解決するために本発
明者らが鋭意検討を重ねた結果上記の手法を用いれば、
電極とのコンタクト抵抗を著しく低下できることが判明
した。またＩＩ−ＶＩ系半導体発光素子においては、基
板結晶との界面での添加不純物がＶｌＩ族どうしである
ため相互拡散による高抵抗層をつくらないことがあきら
かとなった。光励起Ｍ０ＣＶＤ法で成長面の荒れをなく
すため成長結晶のバンドギャップよりわずかに高エネル
ギの光を照射する事により、高キャリア濃度のｐ型導電
性を実現できることがわかった。さらに、低抵抗ｐ型コ
ンタクトを実現するため電極と化合物半導体層の間に化
合物半導体構成元素と電極合金の極めて薄い遷移層をも
うけることにより安定で低抵抗な電極層ができることが
明かとなった。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明によれば、組成のずれた化
合物半導体層をコンタクト層として用い、さらに上述し
たような元素を添加することにより、通常のＧａＮ系に
不純物を添加するよりもより大量のドーピングが可能と
なり、より高濃度の導電型が実現され、コンタクト抵抗
を低減することができる。

【００２８】さらに、本発明によれば、組成のずれた化
合物半導体層を電流阻止層として用い、さらに上述した
ような元素を添加することによって、ドーパントの活性
化率を改善し、あるいは、容易に高抵抗化することがで
き、その結果として、電流阻止効率を改善して、低しき
い値化を実現することができるようになる。

【００２９】以下に本発明の実施の形態について具体的
な実施例を例示しつつ説明する。

【００３０】

【実施例１】本発明の実施例１を図１に示すＺｎＳｅ結
晶発光素子を例にとって以下に説明する。ヨウ素輸送法
によりＺｎＳｅ結晶を溶融亜鉛中８００℃で２時間処理
した後、（１００）面ウエハを加工研磨した。さらにこ
の基板結晶を硫酸、過酸化水素および水を、１０：１：
１の割合で混合した液により、２５℃で１００秒エッチ
ングして、ヨウ素を１０ｐｐｍ以上含むｎ型ＺｎＳｅ基
板１１とした。その後、表面の過剰セレンを取り除いた
後、基板１１を図２に示す結晶成長装置２１の反応容器
２２内のカーボンサセプタ２３上に載置チャージし、Ｒ
Ｆコイル２４により基板温度を５００℃に加熱し、大気
圧で２０分間、水素雰囲気で空焼きした。その後、反応
容器２２の上部原料ガス供給口２５から亜鉛とセレンの
原料としてのジメチルジンク、ジメチルセレンを、ま
た、添加不純物としてＣｌを反応容器２２内に供給し、
成長圧力１００ｔｏｒｒとした。他方、超高圧水銀ラン
プ２６による光をミラー２７を介して反応容器２２内の
基板上１１に照射し、図１に示すように第１層であるＣ
ｌドープＺｎＳｅ層１２を成長した。亜鉛とセレンの原
料であるジメチルジンク、ジメチルセレンのＶＩ（Ｓ
ｅ）／ＩＩ（Ｚｎ）比は２．０で、これらの原料は図１
の各成長層の成長終了間際まで供給した。図１の第２層
はＺｎＣｄＳｅ層１３で亜鉛とカドミウムの組成比は８
対２である。さらに第３層目としては添加不純物はター
シャリブチルアミンと窒素を用いて窒素添加ＺｎＳｅ層
１４を成長し、成長終了間際に亜鉛原料の供給量を１／
１０として第４層である窒素添加ＺｎＳｅコンタクト層
１５とした。このようにして作成した成長層に対し、基
板１１側にＡｕ−Ｇｅを蒸着してｎ側電極１６とし、第
４層１５上にＡｕを蒸着してｐ側電極１７とした。その
後、基板１１をダイシングして、個別チップに切り分け
た。

【００３１】なお、図２の結晶成長装置２１は、さら
に、反応容器２２の下部に原料ガス廃棄口２８が設けら
れ、また、カーボンサセプタ２３内には基板温度制御用
の熱電対２９が埋め込まれ、そのリード線３０が反応容
器２２の底部３１から外側に導出されている。

【００３２】前記切り分けられた発光素子の発光スペク
トルは図３に示すように５１０ｎｍを中心に半値巾１０
ｎｍと非常に純色性の高いものであった。駆動電圧は
２．８Ｖ程度から発光し、３Ｖで２ｃｄに相当する発光
が得られた。また、ｐ側電極１７のＡｕに接触する第４
層１５からなる遷移層は非常に薄いため、肉眼で確認す
ることは必ずしも容易ではないが、やや黒みを帯びて見
えることが特徴的であった。上記の実施例において、光
を用いない場合、まったく成長しなかった。また、発光
スペクトルが２００ｎｍ以下の波長をもつ低圧水銀ラン
プを用いた場合、成長表面の荒れが激しく、リーク電流
が大きく発光しないか、駆動電圧が大きいものばかりで
実用的なものは得られなかった。

【００３３】また、第１層１２の添加不純物としてＧａ
を用いた場合は、通電初期は３Ｖ程度で動作したがすぐ
に抵抗が上がり、その後発光しなくなった。

【００３４】本発明の実施例に基づく発光素子の電流電
圧特性を図４に示す。同図の曲線４１が本発明による発
光素子の特性であるが、同図の曲線４２は、上記実施例
において、第４層を備えていない発光素子、すなわち、
ＺｎとＳｅの原料供給を同時に止めた場合に形成される
発光素子の電流電圧特性を比較例として示したものであ
る。この特性曲線から明らかなように、この特性は完全
なダイオード特性となっておらず、また電圧の立ち上が
りも５Ｖ程度と非常に高くなっており、発光は確認でき
たが数分で劣化した。

【００３５】

【実施例２】図５に本発明の第２の実施例である半導体
レーザの断面図を示す。

【００３６】この実施例の半導体レーザは、サファイア
基板５１を有しており、ＧａＮバッファ層５２、Ｓｉド
ープｎ型ＧａＮ層５３、アンドープＩｎＧａＮ層５４、
Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層５５およびコンタクト層５６を
この順で積層成長した。電極には、ｎ型ＧａＮ層５３お
よびコンタクト層５６に対して、いずれもニッケル（Ｎ
ｉ）と金（Ａｕ）との積層構造を用い、それぞれｎ側電
極５７、ｐ側電極５８とした。また、これらの電極５
７、５８をストライプ構造にするため、ＳｉＯ２膜５９
を用いた。

【００３７】次に、上記の半導体レーザの製造方法を説
明する。この半導体レーザ素子は、有機金属気相成長法
（ＭＯＣＶＤ法）を用いて成長した。まず、（０００
１）面を基準面としたサファイア基板５１を有機溶媒お
よび酸によって洗浄した後、図示しないが、ＭＯＣＶＤ
装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着
し、温度１２００℃で水素を５リットル（Ｌ）／分の流
量で流し、表面を高温水素によって洗浄した。次に、基
板５１の温度を５００℃まで降温し、水素を１５Ｌ／
分、窒素を５Ｌ／分アンモニアを１０Ｌ／分、トリメチ
ルガリウム（ＴＭＧ）を２５ｃｃ／分で１０分間流すこ
とにより、ＧａＮバッファ層５２を成長した。次に、サ
ファイア基板５１を１１００℃まで昇温し、水素を１５
Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、Ｔ
ＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ₄を１０ｃ ｃ／分の量で
約１時間流すことにより、ｎ型ＧａＮ層５３を成長し
た。

【００３８】次に、サファイア基板５１を８００℃まで
降温し、水素を５Ｌ／分、窒素を１５Ｌ／分、アンモニ
アを１０Ｌ／分、ＴＭＧを３ｃｃ／分、トリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ）を３００ｃｃ／分の量で約１５分間流
すことにより、アンドープのＩｎＧａＮ層５４を成長し
た。

【００３９】次に、サファイア基板５１を再び１１００
℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ジシク
ロペンタマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を３０ｃｃ／分の
量で約３０分間流すことにより、ｐ型ＧａＮ層５５を成
長した。

【００４０】次に、サファイア基板５１を１１００℃に
保持したまま、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ２Ｍ
ｇを３０ｃｃ／分の量で約３分間流すことにより、コン
タクト層５６を約１０ｎｍ成長させた後、炉内で室温ま
で降温した。このようにアンモニアをｐ型ＧａＮ層５５
を成長する場合より１／１０に減少することにより、コ
ンタクト層５６であるｐ型ＧａＮ層は化学的量論組成か
らＧａ過剰状態となっている。

【００４１】このように窒化物半導体積層構造を成長さ
せたサファイア基板５１をＭ０ＣＶＤ装置から取り出
し、周知の熱ＣＶＤ法によって形成したＳｉ０₂膜をマ
スクとし、Ｃｌ₂ガスを用いた反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）法によってｎ型ＧａＮ層５３が露出するまで
上部層をエッチング除去した。また、このＳｉＯ₂膜は
絶縁膜５９として利用する。このようにして作製した段
差付きの積層構造基板に周知のスパッタ法を用いてＮｉ
膜２００ｎｍとＡｕ膜５００ｎｍとの積層構造を形成
し、７００℃、５分間の窒素雰囲気中での加熱処理によ
ってオーミック電極５７、５８とした。

【００４２】このようにして作製された素子５００は波
長４２０ｎｍにおいて、しきい値電流３ｋＡ／ｃｍ²で
発振した。

【００４３】

【実施例３】図６は、本発明の第３の実施例に係る発光
素子の断面構造を表す概略図である。

【００４４】すなわち、図６に示されるように、本実施
例による発光素子６００は、サファイアなどの基板６０
１上にバッファ層６０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０
３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０４、ＩｎＧａＮ活性
層６０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０６、ｐ型Ｇａ
Ｎ層６０７が順次積層された多層構造を有する。また、
この多層構造の１部分はエッチング除去されてｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層６０３が表面に露出し、ｎ側電極６２０
が形成されている。また、ｐ側にはｐ側電極６１０が形
成されている。本発明による発光素子は、半導体レーザ
として構成する際には、図示したように、ｐ側電極６１
０の直下にＳｉ０₂などにより構成される電流阻止層６
０９を設けて電流を高密度に注入するようにすることが
望ましい。

【００４５】結晶成長は、サファイヤ基板６０１上にＧ
ａＮバッファ層６０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０３
（Ｓｉドープ、キャリア濃度約５×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚
約２ミクロン）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０４（Ｓ
ｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．５ミクロン）、Ｇａ
Ｎ活性層６０５（アンドープ、０．１ミクロン）、ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層６０６（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷
ｃｍ^-3、０．５ミクロン）、ｐ型ＧａＮ層６０７（Ｍｇ
ドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、２ミクロン）を順次積層す
ることに行われる。

【００４６】本実施例においては、ｐ型ＧａＮ層６０７
の上に、さらに、化学量論的組成からずれてＧａが過剰
であるｐ型ＧａＮガリウム過剰コンタクト層６０８が約
０．０５ミクロンの膜厚に形成されている。具体的に
は、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長に際して、ガリウム原
料と窒素原料の供給量比をそれまで層の成長条件の約１
０倍とした。この結果、ガリウム過剰コンタクト層６０
８においては、Ｇａ／Ｎの組成比が約１．００１となっ
た。このようなコンタクト層６０８を設けることによっ
て、ｐ側電極６１０のコンタクト部において、良好なオ
ーミックコンタクトが得られた。このようにコンタクト
のオーミック性が向上するのは、ガリウム過剰コンタク
ト層６０８を設けることにより、半導体層と金属層との
間に形成されるショットキー・バリアが低下するためで
あると考えられる。

【００４７】このようにして成長した積層構造におい
て、ドライエッチング法によりｎ型コンタクト層６０３
を露出させ、ｐ側電極６１０およびｎ側電極６２０をそ
れぞれ蒸着法により形成する。さらに、これらの電極の
上に金（Ａｕ）を蒸着し、ワイアボンディングのための
電極パッド６１１および６２１を形成する。

【００４８】本発明者の試作の結果、従来の発光素子で
はレーザ発振には約５Ｖ以上の駆動電圧が必要であった
のに対して、本実施例によれば、約３．６Ｖにおいてレ
ーザ発振が得られた。すなわち、本発明によれば、ｐ型
コンタクト層６０７の表面にさらにガリウム過剰コンタ
クト層６０８を設けることにより、電極６１０とのオー
ミックコンタクトを確保し、接触抵抗を低減することが
できる。その結果として、コンタクト部での発熱が抑制
され、レーザ発振に必要とされるしきい値電圧が低下す
る。また、このように、素子の発熱が抑制される結果と
して、素子の寿命も延びて、長時間に渡る安定動作が可
能となる。

【００４９】

【実施例４】図７は、本発明の第４の実施例に係る発光
素子の断面構造を表す概略図である。

【００５０】本実施例に係る発光素子は、内部狭窄構造
を有するＧａＮ系半導体レーザである。すなわち、半導
体レーザ７００は、基板７０１上に、バッファ層７０２
および７０３、ｎ型コンタクト層７０４、ｎ型クラッド
層７０５、ｎ型ガイド層７０６、活性層７０７、ｐ型ガ
イド層７０８、ｐ型クラッド層７０９、ｐ型層７１０ｎ
型電流阻止層７１１、ｐ型層７１２および７１３、さら
にガリウム過剰層７１３が順次積層された多層構造体を
有する。

【００５１】本実施例によれば、このレーザ７００にお
いて、特に、ｎ型電流阻止層７１１の電流阻止特性と、
ｐ側の電極コンタクトとを改善することができる。その
結果として、発光特性を改善することができる。

【００５２】レーザ７００の製造工程について以下に説
明する。まず、有機洗浄、酸洗浄によって処理したサフ
ァイア基板７０１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ブタ上に装着する。

【００５３】次に常圧て水素を１０Ｌ／分の流量で流し
ながら、温度約１１００℃で約１０分間、気相エッチン
グを施し、基板７０１の表面に形成されている自然酸化
膜を除去する。

【００５４】次に、サファイア基板７０１を約５３０℃
まで降温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アン
モニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分の流量で約
４分間流すことにより、約５０ｎｍのＧａＮバッファ層
７０２を形成する。

【００５５】次に、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しながら、サフ
ァイア基板７０１を約１１００℃に昇温し、水素を１５
Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、Ｔ
ＭＧを１００ｃｃ／分の流量で約６０分間流すことによ
り、厚さ約２μｍのアンドープＧａＮ層７０３を形成す
る。

【００５６】次に、これらの原料ガスに、水素によって
１０ｐｐｍに希釈したＳｉＨ₄を３ｃｃ／分の流量で加
え、約１３０分間流すことにより、厚さ約４μｍのｎ型
ＧａＮコンタクト層７０４を形成する。

【００５７】さらに、これらの原料ガスにＴＭＡ５０ｃ
ｃ／分を追加し、約１０分聞流すことにより厚さ０．２
μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７０５を形成する。こ
こでＡｌの組成比は約０．１５である。

【００５８】次に、サファイア基板７０１を１１００℃
に保持し、原料ガスの供給量をそれぞれ、水素を１５Ｌ
／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを１００ｃｃ／分の流量に戻して約３分間流すことに
より、厚さ０．１μｍのＧａＮガイド層７０６を形成す
る。ガイド層は光の閉じ込めをよりよくするためのもの
であるので、わずかにインジウム（Ｉｎ）を添加しても
良い。ただし、この場合にはインジウムの添加量に合わ
せて層厚を調節する必要がある。

【００５９】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分を流しながら、サファイア基板７０１を約３
分間で８００℃まで降温する。さらに、この温度におい
て、窒素の流量を約２０Ｌ／分、アンモニアの流量を１
０Ｌ／分、ＴＭＧの流量１０ｃｃ／分でそれぞれ固定
し、ＴＭＩの流量を５０ｃｃ／分で約１分、４６０ｃｃ
／分で約３０秒という組み合わせで１５回繰り返して変
化させ、最後に５０ｃｃ／分で約３分間流す。このよう
にして、インジウム組成５％で厚さ４ｎｍの障壁層と、
インジウム組成２０％で厚さ２ｎｍの井戸層とを有する
１５周期の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層
７０７を形成することができる。

【００６０】ここではインジウム組成が５％と２０％の
ＩｎＧａＮをそれぞれ用いたが、障壁層はエネルギ・パ
ンドギャップが井戸層のそれよりも大きいことが必要と
されるので、障壁層にＧａＮあるいはＡｌＧａＮを用い
ても良い。但し、この場合にはガイド層７０６および７
０８には、活性層の平均的な屈折率より値が小さくなる
ような材料系を用いることが必要である。例えば、障壁
層にＧａＮ層、井戸層にインジウム組成比２０％のＩｎ
ＧａＮを同じ厚さで形成した場合には、ガイド層として
はインジウム組成比が１０％未満のＩｎＧａＮ、あるい
はＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いることができる。ただし、
この場合のインジウム組成比はクラッド層のそれより小
さくしなければならない。

【００６１】次に、サファイア基板７０１を、窒素を約
２０Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しなが
ら約３分間で１１００℃まで昇温する。この温度で水素
を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／
分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、Ｃｐ２Ｍｇを５０ｃｃ／
分の流量で約３分間流すことにより、厚さ０．１μｍの
ｐ型ＧａＮガイド層７０８を形成する。

【００６２】さらに、この原料ガスにＴＭＡ５０ｃｃ／
分を加え、約１０分間流すことにより、厚さ０．２μｍ
のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７０９を形成した。

【００６３】これに引き続いてＴＭＡの供給を停止し、
残りの原料ガスを約１５分間流すことにより、厚さ約
０．５μｍのｐ型ＧａＮ層７１０を形成する。

【００６４】次に、Ｃｐ２Ｍｇの供給を停止し、３ｃｃ
／分の流量のＳｉＨ₄を添加することにより、厚さ１μ
ｍのｎ型ＧａＮ層７１１を形成する。この際、ＧａとＮ
の比はｎ型ＧａＮ７０２層の成長時と比較して、Ｇａ原
料の流量を１０倍にし、Ｎ原料は１／１０とする。すな
わち、アンモニアを１Ｌ／分の流量で流し、ＴＭＧを２
５０ｃｃ／分の流量で流す。このようにＩＩＩ族元素を
過剰に供給することによって、ガリウムが過剰に含まれ
るｎ型ＧａＮ層７１１を形成することができる。このよ
うにして形成したｎ型ＧａＮ層７１１は優れた電流阻止
特性を有する。

【００６５】この後、ＴＭＧおよびＳｉＨ４の供給を停
止した状態で３５０℃まで降温し、さらに３５０℃で水
素およびアンモニアの供給も停止して室温まで冷却し、
反応室から成長ウェーハを取り出す。

【００６６】次に、熱ＣＶＤ法により成長ウェーハ上に
堆積したＳｉ０₂膜とフオトレジスト膜とをマスクとし
て、ｎ型ＧａＮ層７１１の一部をｐ型ＧａＮ層７１０が
露出するまでＣｌ₂ガスを用いてエッチングする。この
時、ストライプ幅は、例えば５μｍとすることができ
る。

【００６７】次に、このプロセスを施したウェーハを再
びＭＯＣＶＤ装置内のサセプタに戻し、水素を１５Ｌ／
分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で
流しながら１１００℃まで昇温する。この温度で水素を
１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／
分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、Ｃｐ２Ｍｇを５０ｃｃ／
分の流量で約６０分間流すことにより、厚さ約２μｍの
ｐ型ＧａＮ層７１３を形成する。

【００６８】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分の流量で流しながら約３分間かけて５５０℃
まで昇温し、この温度で水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ
／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを５００ｃｃ／
分、Ｃｐ２Ｍｇを５０ｃｃ／分の流量で約４分間流すこ
とにより、厚さ約５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を形成する。
このようにして形成した直後のＧａＮ層は、ｃ軸に配向
性を有した多結晶体となる。このような多結晶体は、表
面積が大きく、その上に形成される電極との接触抵抗を
低減しやすいという利点を有する。但し、本実施例にお
いては、このような低温成長の多結晶体でなく、１１０
０℃程度の通常の成長温度において単結晶のＧａＮ層を
エピタキシャル成長させても良い。

【００６９】次にｐ型ＧａＮ層７１３上に周知の熱ＣＶ
Ｄ法などを用いて、厚さ０．５μｍのＳｉＯ₂膜７２０
を堆積し、フォトエッチングプロセスなどによりＳｉＯ
₂膜の一部を除去する。このＳｉＯ₂膜７２０およびフォ
トエッチングマスクとして用いたレジスト膜をマスクと
して、塩素ガス等による反応性イオンエッチング法を用
いてｎ型ＧａＮ層７０４が露出するまで各結晶層をエッ
チング除去する。

【００７０】次に、周知の真空蒸着法やスパッタ法など
を用いて、ｎ型ＧａＮ層７０４上の一部に厚さ５０ｎｍ
のＴｉと厚さ０．５μｍのＡｕとの積層構造を形成し、
窒素雰囲気中、４５０℃、約３０秒間の熱処理を施すこ
とによりｎ型電極７２１を形成する。

【００７１】次に、ｐ型ＧａＮ層７１３上のほぼ全面
に、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて、厚さ
約１０ｎｍのＰｔ、厚さ約５０ｎｍのＴｉ、厚さ約３０
ｎｍのＰｔ、厚さ約１μｍのＡｕをこの順に積層し、窒
素雰囲気中、３００℃、約３０秒間の熱処理を施すこと
によりｐ型電極７２２を形成する。本実施例において
は、電極としてＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を用
いたが、これらの金属の他に、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｓｎ
などを用いて、これらの単層、多層構造、あるいは合金
層を用いることも可能である。このようにして形成した
電極７２１および７２２の上にボンディングの密着性を
高めるために、厚さ約５ｎｍのＣｒと厚さ約１μｍのＡ
ｕとをこの順で積層し、電極パッドとする。このパッド
に図示しないＡｕワイアなどをボンディングすることに
より、素子への電気的な接続が確保される。

【００７２】電極形成まで終了した素子は、サファイア
基板７０１の裏面、すなわち素子が形成された側と反対
側の面を研磨して、厚さを６０μｍ以下とする。さら
に、基板７０１の裏面側からラインスクライブして、へ
き開することにより約５００μｍＸｌｍｍの大きさに素
子を分離する。この時、レーザの端面はＧａＮ系材料の
Ａ面、すなわち（１１−２０）面となるようにする。こ
の後、レーザの端面となる面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とから
なる多層反射膜を形成し、レーザの端面反射率の向上を
図ることが望ましい。

【００７３】本発明者の試作の結果、半導体レーザ７０
０は、室温において、しきい値電流密度３ｋＡ／ｃｍ²
で連続レーザ発振動作した。従来のレーザのしきい値電
流密度は最低でも３．８ｋＡ／ｃｍ²であったことと比
較すると、本発明によるレーザは、極めて低い電流密度
で発振動作することができる。本発明において、このよ
うに低しきい値電流密度を実現できた理由は、ｎ−Ｇａ
Ｎ電流阻止層７１１をガリウムが過剰な層として構成す
ることにより、ｎ型ドーパントの活性化率を改善し、電
流リークを生ずることなく、効果的な電流狭窄を行うこ
とができたからであると考えられる。また、本発明にお
いては、ｐ型コンタクト層７１３も、ガリウムが過剰な
層として構成することにより、電極７２２との接触抵抗
が低下しコンタクト部における発熱が減少した点も、し
きい値電流密度の低下に寄与している。

【００７４】なお、本実施例によるレーザの発振波長は
活性層７０７の平均的なインジウム組成に依存し、３９
０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長で発振させることが可能であ
る。

【００７５】

【実施例５】次に、本発明の第５の実施例について、図
７を参照しつつ説明する。なお、以下の実施例の説明に
おいては、前述した実施例４と同一の部分の説明は省略
する。

【００７６】本実施例においては、図７に示したｎ型Ｇ
ａＮ電流阻止層７１２層にＩ族元素のリチウム（Ｌｉ）
をドーピングする。この方法としては、例えば、前述し
た結晶成長時に、ターシャリブチルリチウムも併せて適
宜混合する方法を挙げることができる。リチウムをドー
ピングすることにより、ガリウムが過剰な層として構成
された電流阻止層７１２は高抵抗となり、良好な電流阻
止効果を示した。本発明者の試作の結果によれば、作成
したレーザ素子は、５Ｖで発振した。また、リチウムの
代わりに、同じＩ族元素であるナトリウム（Ｎａ）やカ
リウム（Ｋ）をドーピングしても電流阻止層７１２を高
抵抗にすることができ、同様な効果を得ることができ
る。

【００７７】

【実施例６】次に、本発明の第６の実施例について、図
７を参照しつつ説明する。本実施例においては、ｎ型Ｇ
ａＮ電流阻止層７１２層に遷移金属であるニッケル（Ｎ
ｉ）をドーピングする。このようにガリウムが過剰な層
として構成された電流阻止層７１２にニッケルをドーピ
ングした場合にも、効果的に高抵抗にすることができ、
良好な電流阻止効果を得ることができる。また、電流阻
止層７１２にドーピングする遷移金属としては、ニッケ
ル以外にも、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コ
バルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金
（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などを挙げることができる。

【００７８】また、ｐ型コンタクト層７１３の表面層部
分に、マグネシウム（Ｍｇ）だけではなくニッケルも併
せて添加した層を約１ｎｍの膜厚で設けることにより、
ｐ側電極との間のコンタクト抵抗を約１０％ほど低下さ
せることができた。このようにコンタクト抵抗を低減す
ることができるのは、ニッケルを導入することによって
コンタクト層７１３とｐ側電極７２２との合金化が促進
されるためであると考えられる。このような合金化の促
進は、ニッケル以外にも、ｐ側電極７２２を構成するい
ずれかの金属をｐ型コンタクト層７１３の表面層部分に
導入することによっても同様に得ることができる。

【００７９】

【実施例７】次に、本発明の第７の実施例について、図
７を参照しつつ説明する。本実施例においては、電流阻
止層７１２にＶＩＩ族元素の塩素（Ｃｌ）をドーピング
する。この方法としては、例えば、前述した結晶成長時
に、ブチル塩素も併せて適宜混合する方法を挙げること
ができる。この結果、電流阻止層７１２は高低抗とな
り、電流阻止層として良好な機能を示した。また、本実
施例においては、塩素の代わりに、フッ素（Ｆ）や臭素
（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）をドーピングしても、電流阻止
層７１２を同様に高抵抗化することが出来、同様の電流
阻止効果を得ることができる。

【００８０】

【実施例８】次に、本発明の第８の実施例について、図
７を参照しつつ説明する。本実施例においては、ｎ型コ
ンタクト層７０４に対して本発明を適用した。すなわ
ち、前述した結晶成長工程に際して、水素を１５Ｌ／
分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で
流しながら、サファイア基板７０１を１１００℃に昇温
し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の流量で約６０分
間流すことにより、厚さ約２μｍのアンドープＧａＮ層
７０３を形成する。前述した第４の実施例においては、
これらの原料ガスに水素によって１０ｐｐｍに希釈した
ＳｉＨ₄を３ｃｃ／分をさらに加えてｎ型コンタクト層
７０４を成長した。しかし、本実施例においては、アン
モニアの流量を１Ｌ／分、ＴＭＧの流量を１０００ｃｃ
／分にそれぞれ変化させ、約１３０分間流すことによ
り、厚さ約４μｍのｎ型ＧａＮ層７０４を形成した。こ
れにより、ｎ側のコンタクト抵抗は従来の約７０％の値
まで低下した。すなわち、ｎ型コンタクト層７０４をガ
リウムが過剰な層として構成することにより、コンタク
ト抵抗を低下させることができる。このようにコンタク
トを改善することができるのは、コンタクト層をガリウ
ムが過剰な層として構成することにより、ｎ側電極７２
１に対するショットキー・バリアの高さを低下すること
ができるからであると考えられる。

【００８１】以上、本発明の実施の形態について具体的
な実施例を例示しつつ説明した。しかし、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。

【００８２】例えば、前述した実施例においては、化学
量論的組成からずれている過剰層は、ガリウムが過剰に
含まれている層とした。しかし、ガリウム以外のＩＩＩ
族元素であるインジウム（Ｉｎ）やアルミニウム（Ａ
ｌ）が過剰に含まれているものとして構成しても良い。

【００８３】また、これらとは逆に、前述した過剰層
を、Ｖ族元素である窒素を過剰に含むものとして構成し
ても良い。

【００８４】さらに、このような化合物半導体層の成長
方法としては、前述した有機金属化学堆積法に限定され
ない。すなわち、結晶成長時の条件が熱平衡状態からず
れている、いわゆる非平衡状態での結晶成長法であれば
良く、この他にも例えば、ハイドライド化学気相成長法
や、化学ビーム・エピタキシャル法（ＣＢＥ）、有機金
属分子線エピタキシャル法（ＭＯＭＢＥ）などを用いて
も良い。すなわち、本発明においては、化学量論的組成
からずれた組成の化合物半導体層を成長することができ
るあらゆる成長方法を採用することができる。

【００８５】また、本発明によれば、例えば、ＧａＮに
酸素を高濃度にドーピングすることができるようにな
る。すなわち、前述したようにＧａが過剰に含まれ、化
学量論的組成からずれた組成比を有するＧａＮには、従
来よりも多量の酸素を含有させることができる。この結
果として、ＧａＮ層は、酸によって容易にエッチングす
ることができるようになり、素子化プロセスを従来より
もはるかに容易に行うことができるという効果を得るこ
ともできる。

【００８６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００８７】まず、本発明によれば、電極とｐ型導電層
との間の極めて薄い遷移層が低抵抗ｐ型コンタクトを安
定に実現できる。亜鉛カルコゲナイド系では基板結晶と
の界面での添加不純物がともにＶｌＩ族であるため相互
拡散による高低抗層が出来ない。ＭＯＣＶＤ法で成長面
の荒れがなく高キャリア濃度のｐ型導電性を実現するこ
とができる。これにより高機能で安定性の高い半導体発
光素子が初めて実現できる。

【００８８】また、本発明によれば、ＧａＮ系発光素子
の電流阻止層として、組成のずれたＧａＮに所定の元素
を添加することにより、従来のＧａＮ層に不純物を添加
するよりも、より大量の添加が可能となり、より高濃度
までの導電型の制御が可能となる。さらに、添加元素を
選ぶことにより高抵抗化することができ、より良好な電
流阻止層を提供することができる。

【００８９】さらに、本発明によれば、低抵抗な電極コ
ンタクトを実現するため電極と化合物半導体層との間に
ＩＩＩ族とＶ族との組成比のずれた遷移層を設けること
によって、低抵抗且つ安定した電極コンタクトを形成す
ることができる。組成比のずれた窒化ガリウム系化合物
は、従来と比較して、ＩＩＩ族あるいはＶ族以外の元素
を、より多く添加できるようになる。従って、このよう
に組成のずれた遷移層にドーパントを積極的に導入する
ことによって、従来よりもコンタクト抵抗を低減するこ
とができるようになる。

【００９０】また、本発明によれば、このように組成比
のずれたコンタクト層に対して、電極を構成するいずれ
かの金属元素を従来よりも大量に導入することができ
る。この結果として、コンタクト層と電極との合金化を
促進することができ、コンタクト抵抗をさらに低減する
ことができる。

【００９１】このように、本発明によれば、組成比のず
れた遷移層をコンタクト層や電流阻止層として採用する
ことにより、高性能かつ高信頼性を有する半導体発光素
子を実現することができるようになり、産業上のメリッ
トは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体発光素子の
断面図である。

【図２】図１に示す半導体発光素子の製造装置の概略構
造を示す断面図である。

【図３】図１に示す半導体発光素子の発光スペクトルの
一例を示すグラフである。

【図４】図１に示す半導体発光素子の電流電圧特性を比
較例とともに示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施例を示す半導体発光素子の
断面図である。

【図６】本発明の第３の実施例に係る発光素子の断面構
造を表す概略図である。

【図７】本発明の第４の実施例に係る発光素子の断面構
造を表す概略図である。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ ＣｌドープＺｎＳｅ層 １３ ＺｎＣｄＳｅ層 １４ 窒素添加ＺｎＳｅ層 １５ 窒素添加ＺｎＳｅコンタクト層 １６ｎ 側電極 １７ｐ 側電極 ２１ 結晶成長装置光源 ２２ 反応容器 ２３ カーボンサセプタ ２４ ＲＦコイル ２５ 原料ガス供給ロ ２６ 超高圧水銀ランプ ２７ ミラー原料ガス供給ロ ２８ 原料ガス廃棄口 ２９ 熱電対 ３０ リード線 ３１ 底部 ５１ サブ７イア基板 ５２ ＧａＮバッファ層 ５３ ｎ型ＧａＮ層 ５４ １ｎ−ＧａＮ活性層 ５５ ｐ型ＧａＮ層 ５６ Ｇａ過剰ＧａＮコンタクト層 ５７ Ｐ側電極 ５８ ｎ側電極 ５９ ＳｉＯ２絶縁膜 ６００、７００ 発光素子 ６０１、７０１ 基板 ６０２、７０２、７０３ バッファ層 ６０３、７０４ コンタクト層 ６０４、７０５ ｎ型クラッド層 ６０５、７０７ 活性層 ６０６、７０９ ｐ型クラッド層 ６０７、７１０、７１２ ｐ型層 ６０８、７１３ ｐ型コンタクト層 ６０９、７１１ 電流阻止層 ６１０、７２２ ｐ側電極 ６２０、７２１ ｎ側電極 ７０６ ｎ型ガイド層 ７０８ ｐ型ガイド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 国 分 義 弘 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 波多腰 玄 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平10−125655（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−283744（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−133367（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−248524（ＪＰ，Ａ) Ｐｒｏｇ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗ ｔｈ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔ．，Ｖｏ ｌ．17（1988），ｐ．53−78 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型の導電性を有するｎ型半導体層と、 前記ｎ型半導体層上に形成された発光層と、 前記発光層上に形成され、化学量論的組成からずれた組
   成を有する窒化ガリウム系半導体からなり、添加元素を
   ＭとしてＩｎ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ａｌ_ｘ３Ｎ_ｙＭ_ｚ（ｘ_１≧
   ０、ｘ_２≧０、ｘ_３≧０、ｙ＞０、ｚ＞０）なる組成式
   で表され前記組成式において（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ_３）≠ｙ
   なる条件を満たし、（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ）の絶対値
   をｙで除算した商が０．０００１以上である化合物層あ
   るいは（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ−ｚ）の絶対値を（ｙ＋
   ｚ）で除算した商が０．０００１以上である化合物層の
   うちの少なくともいずれかを含み、前記添加元素Ｍがｐ
   型不純物を含む、ｐ型半導体層と、 前記ｐ型半導体層に接して形成されたｐ側電極と、 前記ｎ型半導体層に電気的に接続して形成されたｎ側電
   極と、 を備えることを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】前記添加元素Ｍが、さらに、前記ｐ側電極
   を構成するいずれかの金属元素を含むことを特徴とする
   請求項１記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】前記添加元素Ｍが、さらに、酸素（Ｏ）を
   含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半
   導体発光素子。
4. 【請求項４】窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、 化学量論的組成からずれた組成を有する窒化ガリウム系
   半導体からなる過剰層と、 少なくとも１つの電極と、 を備え、 前記過剰層は、前記窒化ガリウム系半導体に対する添加
   元素をＭとして、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ａｌ_ｘ３Ｎ_ｙＭ
   _ｚ（ｘ_１≧０、ｘ_２≧０、ｘ_３≧０、ｙ＞０、ｚ≧０）
   なる組成式で表され、前記組成式において（ｘ_１＋ｘ_２
   ＋ｘ_３）≠ｙなる条件を満たす化合物層であって、（ｘ
   _１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ）の絶対値をｙで除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層あるいは（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ
   _３−ｙ−ｚ）の絶対値を（ｙ＋ｚ）で除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層のうちの少なくともいずれ
   かを含むものとして構成され、 前記過剰層は、前記発光層に対して注入電流を狭窄する
   ための電流阻止層として設けられていることを特徴とす
   る半導体発光素子。
5. 【請求項５】窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、 化学量論的組成からずれた組成を有する窒化ガリウム系
   半導体からなる過剰層と、 少なくとも１つの電極と、 を備え、 前記過剰層は、前記窒化ガリウム系半導体に対する添加
   元素をＭとして、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ａｌ_ｘ３Ｎ_ｙＭ
   _ｚ（ｘ_１≧０、ｘ_２≧０、ｘ_３≧０、ｙ＞０、ｚ＞０）
   なる組成式で表され、前記組成式において（ｘ_１＋ｘ_２
   ＋ｘ_３）≠ｙなる条件を満たす化合物層であって、（ｘ
   _１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ）の絶対値をｙで除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層あるいは（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ
   _３−ｙ−ｚ）の絶対値を（ｙ＋ｚ）で除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層のうちの少なくともいずれ
   かを含むものとして構成され、 前記添加元素Ｍは、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素
   （Ｂｒ）およびヨウ素（Ｉ）からなる群から選択された
   いずれかの元素であることを特徴とする半導体発光素
   子。
6. 【請求項６】窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、 化学量論的組成からずれた組成を有する窒化ガリウム系
   半導体からなる過剰層と、 少なくとも１つの電極と、 を備え、 前記過剰層は、前記窒化ガリウム系半導体に対する添加
   元素をＭとして、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ａｌ_ｘ３Ｎ_ｙＭ
   _ｚ（ｘ_１≧０、ｘ_２≧０、ｘ_３≧０、ｙ＞０、ｚ＞０）
   なる組成式で表され、前記組成式において（ｘ_１＋ｘ_２
   ＋ｘ_３）≠ｙなる条件を満たす化合物層であって、（ｘ
   _１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ）の絶対値をｙで除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層あるいは（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ
   _３−ｙ−ｚ）の絶対値を（ｙ＋ｚ）で除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層のうちの少なくともいずれ
   かを含むものとして構成され、 前記添加元素Ｍは、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎ
   ａ）およびカリウム（Ｋ）からなる群から選択されたい
   ずれかの元素であることを特徴とする半導体発光素子。
7. 【請求項７】窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、 化学量論的組成からずれた組成を有する窒化ガリウム系
   半導体からなる過剰層と、 少なくとも１つの電極と、 を備え、 前記過剰層は、前記窒化ガリウム系半導体に対する添加
   元素をＭとして、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ａｌ_ｘ３Ｎ_ｙＭ
   _ｚ（ｘ_１≧０、ｘ_２≧０、ｘ_３≧０、ｙ＞０、ｚ＞０）
   なる組成式で表され、前記組成式において（ｘ_１＋ｘ_２
   ＋ｘ_３）≠ｙなる条件を満たす化合物層であって、（ｘ
   _１＋ｘ_２＋ｘ_３−ｙ）の絶対値をｙで除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層あるいは（ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ
   _３−ｙ−ｚ）の絶対値を（ｙ＋ｚ）で除算した商が０．
   ０００１以上である化合物層のうちの少なくともいずれ
   かを含むものとして構成され、 前記添加元素Ｍは、遷移金属元素である鉄（Ｆｅ）、ク
   ロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、
   チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）および銀
   （Ａｇ）からなる群から選択されたいずれかの元素であ
   ることを特徴とする半導体発光素子。
8. 【請求項８】前記過剰層は、前記発光層に対して注入電
   流を狭窄するための電流阻止層として設けられているこ
   とを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載
   の半導体発光素子。
9. 【請求項９】反応容器内に基板を設置し、前記反応容器
   内にＩＩＩ族元素の原料ガスおよびＶ族元素の原料ガス
   を供給することにより前記基板上に半導体層を成長させ
   る半導体発光素子の製造方法であって、 前記ＩＩＩ族元素の原料ガスと前記Ｖ族元素の原料ガス
   とを第１の供給比において供給することにより、前記基
   板上に化学量論的組成を有する窒化ガリウム系半導体層
   を成長する工程と、 前記ＩＩＩ族元素の原料ガスと前記Ｖ族元素の原料ガス
   との供給比を前記第１の供給比の１／１０以下の供給比
   あるいは前記第１の供給比の１０倍以上の供給比におい
   て供給することにより、化学量論的組成からずれた組成
   比を有する窒化ガリウム系半導体からなる過剰層を成長
   する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子
   の製造方法。
10. 【請求項１０】反応容器内に配置されたヨウ素を含むｎ
    型導電性ＺｎＳｅ基板の主面上に、ＺｎＳｅのバンドギ
    ャップに対応する波長よりわずかに波長の短い線スペク
    トルをもつ光を照射しながら、前記容器内に亜鉛および
    セレンの原料ガスを供給しつつ、有機金属化学堆積法を
    用いて４００℃以下で各層を成長させる結晶成長法を用
    いる半導体発光素子の製造方法であって、 前記結晶成長法により前記基板上にＶＩＩ族元素を含む
    ｎ型ＺｎＳｅ層を成長する工程と、この層の上に前記結
    晶成長法により亜鉛またはカドミウムを含む亜鉛化カル
    コゲナイド層を成長する工程と、この亜鉛化カルコゲナ
    イド層の上に前記結晶成長法によりＶ族元素を含むｐ型
    導電性ＺｎＳｅ層を成長する工程と、この層の上に、前
    記結晶成長法により、亜鉛とセレンの原料ガスの供給比
    を０から１００までのあいだで急激に変化させることに
    より、Ｖ族元素を含む亜鉛またはセレンの過剰層を有す
    るｐ型導電性ＺｎＳｅ層を成長する工程と、このｐ型導
    電性ＺｎＳｅ層の上および前記ｎ型導電性ＺｎＳｅ基板
    の裏面上に電極を形成する工程と、を備えたことを特徴
    とするカルコゲナイド化合物半導体発光素子の製造方
    法。