JP3735960B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代高密度情報処理技術のキーデバイスとして、レーザの短波長化が可能な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は注目を浴びている。
【０００３】
従来よりＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造として、図１４に示されている構造が知られている。この構造のキャビティ長は１ｍｍ、ストライプ幅２０μｍで、活性層がＭＱＷ構造であるダブルヘテロ構造を有することを特徴としている。この構造により発振波長４１７ｎｍ、しきい値電圧１７〜４０Ｖ、しきい値電流０．２〜２Ａ、しきい値電流密度４〜１０ｋＡ／ｃｍ2、デューティ０．１％の室温パルス発振が実現している(Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L74ーL76.、ibid.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L217ーL220.、ibid.;Applied Physics Letters Vol.68(1996)pp.2105ー2107.)。
【０００４】
さらにｐ型のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と金属より構成されるコンタクト構造として、図１５に示す、ｐ型ＧａＮ層の上にＭｇ電極をのせた構造が知られている（特開平８−６４８７１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造に関する技術に関しては、ＮｉとＧａＮの価電子帯との間のショットキーバリアの高さφBが０．７９ｅＶと大きい（石川英憲他：平成７年度第５６回秋期応用物理学会学術講演会２７ｐ−ＺＥ−１７（１９９５年、講演予稿集第１分冊ｐ．２４７））ためにｐ型コンタクト層と金属との間の接触抵抗が１０-2Ω・ｃｍ2と大きく、そのためにレーザの動作電圧が上昇するという問題があった。
【０００６】
前記の、ｐ型のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と金属より構成されるコンタクト構造に関する技術に関しては、ｐ型ＧａＮ層の上にＭｇ電極をのせた後に加熱処理を行う際に、３００℃以上に加熱処理を行えばＭｇがｐ型ＧａＮ層を超えて拡散し、レーザ構造内の活性層にまでＭｇが入り込み、そのためにレーザの特性が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、コンタクト構造を改良することによりしきい値電圧が従来より低い、Ｎを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物より構成される半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本件発明者は、上記問題点を解決する、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるレーザ構造に関する技術として、以下（１）〜（３）に示す技術を考案した。
【０００９】
（１）Ｎを含むＩＩＩーＶ族化合物より成るダブルヘテロ構造の上に積層されたｐ型ＧａＮコンタクト層の上に、図８に示すようにＧａＮに格子定数が近いＳｉＣまたはＺｎＯを積層する。ＳｉＣ、ＺｎＯはともに容易にｐ型の導電性の結晶が得られ、金属との間のバリア高さがＧａＮよりも小さい。そのため、ｐ型ＳｉＣコンタクト層の上にＮｉを積層した場合、ＧａＮの価電子帯との間のショットキーバリアの高さφBがｐ型ＧａＮコンタクト層の場合の半分以下と小さくなり、ｐ型コンタクト層と金属との間の接触抵抗を低減することができ、結果としてレーザの動作電圧が低下する。
【００１０】
（２）前記ｐ型ＧａＮコンタクト層の代わりにｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ＜１）コンタクト層を用い、ｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮコンタクト層の上にＭｇやＺｎのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層を積層し、さらにその上にＮｉ層を積層する。ＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層を積層するのは、ＧａＮ中にＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属が拡散し、高いｐ型コンタクト層が形成され、コンタクト抵抗が下がるからである。ＧａＮ中にＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層は薄ければ薄いほどよく、１００Å以下が望ましい。なぜならばＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層厚が、その金属の拡散によって薄くなり、ホールがｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮコンタクト層とＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層との間の障壁をトンネル効果によって透過しやすくなるためである。また、Ｎｉ層を積層するのは、ＧａＮとの密着性がＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属のみを積層する場合に比べて向上するからである。さらにＧａ1-xＩｎxＮはＩｎを含む混晶をｐ型コンタクト層に用いているので、その上にＭｇをのせて３００℃以上に加熱処理を行ってもＭｇがｐ型ＧａＮコンタクト層を超えて拡散するというようなことはなく、レーザの特性が低下するという問題は起こらない。
【００１１】
（３）前記ｐ型ＧａＮコンタクト層を作製するのに、ＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属をイオン化してＮを含むＩＩＩーＶ族化合物よりなるコンタクト層に添加する。そうすることによりｐ型ＧａＮコンタクト層の表面が高濃度にドーピングされて金属との間のバリア高さが小さくなり、ｐ型ＧａＮコンタクト層と金属との間のコンタクト抵抗が小さくなるからである。さらに電極形成過程において加熱処理はいっさいおこなわないので、例えばＭｇがｐ型ＧａＮコンタクト層を超えて拡散するというような問題は起こらず、レーザの特性が低下することはない。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の作製は、図４に示されている有機金属気相エピタキシャル装置を用い、有機金属気相エピタキシシャル成長法により行われるものである。ＺｎＯまたはＳｉＣの積層はＣＶＤにより行われるものである。また、金属の蒸着は真空蒸着装置により行われるものである。また、金属をイオン化してＮを含むＩＩＩーＶ族化合物よりなるコンタクト層に添加することは、イオン注入装置により行われるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の、半導体発光素子とその製造方法ならびに特性について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
実施の形態１を、図１、図４、図５、図９を用いて説明する。まず最初に有機溶媒による洗浄及び前処理を施され、ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ４０１上に置き、図４に示すような有機金属気相エピタキシャル成長装置内に投入する。この有機金属気相エピタキシャル成長装置は原料ガスの供給が２フロータイプ、すなわち基板に平行に流れるガス流と基板上方から流れるガス流の２つから構成されており、従来よりよく使用されている。ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００１５】
次に成長室４０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ４０１ごとヒータ４０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ４０３、４０５、４０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層１０２を３００Å積層する。
【００１６】
ｎ型ＡｌＮバッファ層１０２を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ４０２、４０３、４０５、４０７を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０３を積層する。
【００１７】
ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０３を積層した後、トリメチルアルミニウム及びシランのガス供給ライン４０３、４０７を閉じ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０４を１０００Å積層する。
【００１８】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０４を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を６８０℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０４、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ活性層１０５を１００Å積層する。
【００１９】
アンドープＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ活性層１０５を１００Å積層した後、トリメチルインジウムのガス供給ラインのバルブ４０４を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０６を１０００Å積層する。
【００２０】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０６を１０００Å積層した後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０３、４０５、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７を１．０μｍ積層する。
【００２１】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ４０３を閉じ、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を１０００Å積層する。
【００２２】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造１０２〜１０８が積層されたＳｉＣ（０００１）基板１０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００２３】
次にｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が積層された基板１０１に厚さ１０００Åのｐ型ＳｉＣ層１０９を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上に積層する方法を説明する。ｐ型ＧａＮコンタクト層が積層された基板１０１をプラズマＣＶＤ装置内に投入し、シラン、メタンおよびトリメチルアルミニウムをプラズマＣＶＤ装置内に流し、層厚１０００ÅのＡｌがドープされたｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９をＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上全面にわたって積層する。プラズマＣＶＤ装置の代わりに光ＣＶＤ装置を用いても同様な結果が得られる。
【００２４】
次にｐ型ＳｉＣコンタクト層が積層された基板１０１に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層１１０を、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９の上に積層する方法を、図５を用いて説明する。
【００２５】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2１１０をＣＶＤ法によりｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００２６】
次にＳｉＯ2１１０を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2１１０上全面にレジスト５０１を塗布する。
【００２７】
レジスト５０１を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのすきまが開いているマスク５０２をかぶせ、光を照射してマスク５０２に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ2１１０を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト５０１を取り除く。このようにしてｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９上に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2１１０が積層される。
【００２８】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板１０１に対して、真空蒸着装置を用いて基板１０１裏面にチタン１１１、金１１２を、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９の表面にそれぞれの厚さが１５００Åのニッケル１１３及び金１１４を蒸着させ、基板１０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００２９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１０ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００３０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９のキャリア密度はそれぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９が製造されている。
【００３１】
また、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で１×１０-4Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板１０１とチタン１１１との間にもオーム性接触が実現している。ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ＳｉＣとニッケルとの間のバリア高さが０．３ｅＶ以下と従来のＧａＮとニッケルとの間のバリア高さの半分以下であるからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図９の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１００ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１０Ｖと、従来のレーザの１／３になる。これはｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるからである。
【００３２】
なお、上記ＳｉＣ基板１０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。また、ｐ型ＳｉＣコンタクト層の代わりにｐ型ＺｎＯコンタクト層を用いても同様な効果が得られる。
【００３３】
（実施の形態２）
実施の形態２を、図２、図４、図６、図１０、図１２を用いて説明する。ＳｉＣ（０００１）基板２０１上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７までのレーザ構造２０２〜２０７を積層するまでは実施の形態１に同じである。
【００３４】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ４０３を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を７００℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０４、４０５、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８を１０００Å積層する。
【００３５】
その後、実施の形態１と同様に圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を６７０℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を室温まで戻し、ＳｉＣ（０００１）基板２０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００３６】
その後、実施の形態１と同様に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層２０９を、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の上に積層する。
【００３７】
その後、実施の形態１と同様にｎ型ＳｉＣ基板の裏面にチタン２１０および金２１１を蒸着する。さらに真空蒸着装置を用いてｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の表面に厚さ５０ÅのＭｇ２１２を蒸着させ、さらにＭｇ２１２の上に厚さ１０００ÅのＮｉ２１３および厚さ１０００ÅのＡｕ２１４を蒸着させ、基板２０１を６５０℃にして１０分間加熱する。
【００３８】
最後に基板２０１を室温まで戻し、へき開によりキャビティ長１ｍｍに加工して発光素子を完成させる。
【００３９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００４０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７、２０３のキャリア密度はそれぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７、２０３それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層２０７、２０３、およびｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８が製造されている。また、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とニッケル２１３の間で１×１０-3Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板２０１とチタン２１０との間にもオーム性接触が実現している。
【００４１】
ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０１とニッケル１１３の間で従来に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８にＭｇ層２１２からＭｇが拡散して、表面付近に１０18／ｃｍ3台後半以上の高いｐ型キャリア密度を持った低抵抗のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８が形成されているためであり、さらにＭｇ層２１２の層厚がＭｇの拡散によって３０Å以下と薄くなり、ホールがｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とＭｇ層２１２との間の障壁をトンネル効果によって透過しやすくなるためである。
【００４２】
また、本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布および従来の、図１５に示すようなＭｇを含む金属をｐ型ＧａＮに直接積層した電極を有するレーザ素子内のＭｇの分布を調べると、図１２のようになる。図１２において、太線が本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布を表し、細線が従来のレーザ素子内のＭｇの分布を表す。図１２よりＭｇの拡散は、上記レーザ素子に関してはｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８のところで止まっており、従来のレーザ素子のように活性層付近までＭｇが拡散するようなことはない。ｐ型コンタクト層にＩｎを含む混晶を用いているので、Ｍｇをのせて加熱処理を行ってもＭｇがｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８を超えて拡散することがないからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１０の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１２０ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１２Ｖと、従来のレーザの２／５になる。これはｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とニッケル２１３の間で従来に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られ、さらにＭｇの拡散がｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８のところで止まっているからである。
【００４３】
なお、上記ＳｉＣ基板２０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。
【００４４】
また、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の表面に蒸着する金属として、Ｍｇの代わりにＺｎまたはＣａのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属、またはＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属を含む金属の多層膜を用いても同様な結果が得られる。
【００４５】
（実施の形態３）
実施の形態３を、図３、図７、図１１、図１３を用いて説明する。ＳｉＣ（０００１）基板３０１上にｐ型ＧａＮコンタクト層３０８までのレーザ構造３０２〜３０８を積層し、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でアニールを行うことは実施の形態１に同じである。その後ＳｉＣ（０００１）基板３０１の温度を室温まで戻し、ＳｉＣ（０００１）基板３０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００４６】
レーザ構造３０２〜３０８を積層し、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でアニールを行ったＳｉＣ（０００１）基板３０１を今度はイオン注入装置に投入し、フラックス密度１０15／ｃｍ2の、３００ｅＶに加速されたＭｇイオンをｐ型ＧａＮコンタクト層３０８に注入する。
【００４７】
その後、実施の形態１と同様に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層３０９を、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の上に積層する。
【００４８】
レーザ構造３０２〜３０８およびＳｉＯ2絶縁層３０９が積層されたＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、真空蒸着装置を用いて基板３０１裏面にチタン３１０、金３１１を、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の表面に厚さがそれぞれ１５００Åのニッケル３１２および金３１３を蒸着させ、基板３０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００４９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００５０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０７、３０３それぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０７、３０３それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層３０７、３０３が製造されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で１×１０-3Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板３０１とチタン３１０との間にもオーム性接触が実現している。ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８にＭｇをイオン注入することによってｐ型ＧａＮコンタクト層３０８のキャリア密度が１０18／ｃｍ3台後半以上となっているからである。
【００５１】
また、本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布および従来のレーザ素子内のＭｇの分布を調べると、図１３のようになる。図１３において、太線が本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布を表し、細線が従来の、図１５に示すようなＭｇを含む金属をｐ型ＧａＮに直接積層した電極を有するレーザ素子内のＭｇの分布を表す。図１３よりＭｇの拡散は、上記レーザ素子に関してはｐ型ＧａＮコンタクト層３０８のところで止まっており、従来のレーザ素子のように活性層付近までＭｇが拡散するようなことはない。イオン注入することによって電極形成過程での加熱処理をおこなわずに済むからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１１の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１００ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１２Ｖと、従来のレーザの２／５になる。これはｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるからである。
【００５２】
なお、上記ＳｉＣ基板３０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。
【００５３】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８にイオン注入する金属として、Ｍｇの代わりにＺｎまたはＣａのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属を用いても同様な結果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
上記の方法によって作製されるｐ型コンタクト層、およびその製造方法により、半導体発光素子の動作電圧が低下し、従来よりも特性が良好な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図３】本発明の第３の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図４】本発明の半導体発光素子を作製する、有機金属気相エピタキシャル装置の構造断面図
【図５】本発明の第１の実施の形態における発光素子に関する、ＳｉＯ2絶縁層形成の手順に関する図
【図６】本発明の第２の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図７】本発明の第３の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図８】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップと格子定数との関係、およびよく用いられる基板の格子定数を表す図
【図９】本発明の第１の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１０】本発明の第２の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１１】本発明の第３の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１２】本発明の、第２の実施の形態の発光素子内のＭｇの分布および従来の発光素子内のＭｇの分布を表す図
【図１３】本発明の、第３の実施の形態の発光素子内のＭｇの分布および従来の発光素子内のＭｇの分布を表す図
【図１４】従来の半導体発光素子に関する構造断面図
【図１５】従来のｐ型コンタクト構造に関する構造断面図
【符号の説明】
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｐ型ＳｉＣコンタクト層
２０８ ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層
３０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代高密度情報処理技術のキーデバイスとして、レーザの短波長化が可能な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は注目を浴びている。
【０００３】
従来よりＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造として、図１４に示されている構造が知られている。この構造のキャビティ長は１ｍｍ、ストライプ幅２０μｍで、活性層がＭＱＷ構造であるダブルヘテロ構造を有することを特徴としている。この構造により発振波長４１７ｎｍ、しきい値電圧１７〜４０Ｖ、しきい値電流０．２〜２Ａ、しきい値電流密度４〜１０ｋＡ／ｃｍ2、デューティ０．１％の室温パルス発振が実現している(Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L74ーL76.、ibid.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L217ーL220.、ibid.;Applied Physics Letters Vol.68(1996)pp.2105ー2107.)。
【０００４】
さらにｐ型のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と金属より構成されるコンタクト構造として、図１５に示す、ｐ型ＧａＮ層の上にＭｇ電極をのせた構造が知られている（特開平８−６４８７１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造に関する技術に関しては、ＮｉとＧａＮの価電子帯との間のショットキーバリアの高さφBが０．７９ｅＶと大きい（石川英憲他：平成７年度第５６回秋期応用物理学会学術講演会２７ｐ−ＺＥ−１７（１９９５年、講演予稿集第１分冊ｐ．２４７））ためにｐ型コンタクト層と金属との間の接触抵抗が１０-2Ω・ｃｍ2と大きく、そのためにレーザの動作電圧が上昇するという問題があった。
【０００６】
前記の、ｐ型のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と金属より構成されるコンタクト構造に関する技術に関しては、ｐ型ＧａＮ層の上にＭｇ電極をのせた後に加熱処理を行う際に、３００℃以上に加熱処理を行えばＭｇがｐ型ＧａＮ層を超えて拡散し、レーザ構造内の活性層にまでＭｇが入り込み、そのためにレーザの特性が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、コンタクト構造を改良することによりしきい値電圧が従来より低い、Ｎを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物より構成される半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本件発明者は、上記問題点を解決する、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるレーザ構造に関する技術として、以下（１）〜（３）に示す技術を考案した。
【０００９】
（１）Ｎを含むＩＩＩーＶ族化合物より成るダブルヘテロ構造の上に積層されたｐ型ＧａＮコンタクト層の上に、図８に示すようにＧａＮに格子定数が近いＳｉＣまたはＺｎＯを積層する。ＳｉＣ、ＺｎＯはともに容易にｐ型の導電性の結晶が得られ、金属との間のバリア高さがＧａＮよりも小さい。そのため、ｐ型ＳｉＣコンタクト層の上にＮｉを積層した場合、ＧａＮの価電子帯との間のショットキーバリアの高さφBがｐ型ＧａＮコンタクト層の場合の半分以下と小さくなり、ｐ型コンタクト層と金属との間の接触抵抗を低減することができ、結果としてレーザの動作電圧が低下する。
【００１０】
（２）前記ｐ型ＧａＮコンタクト層の代わりにｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ＜１）コンタクト層を用い、ｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮコンタクト層の上にＭｇやＺｎのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層を積層し、さらにその上にＮｉ層を積層する。ＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層を積層するのは、ＧａＮ中にＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属が拡散し、高いｐ型コンタクト層が形成され、コンタクト抵抗が下がるからである。ＧａＮ中にＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層は薄ければ薄いほどよく、１００Å以下が望ましい。なぜならばＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層厚が、その金属の拡散によって薄くなり、ホールがｐ型Ｇａ1-xＩｎxＮコンタクト層とＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属の層との間の障壁をトンネル効果によって透過しやすくなるためである。また、Ｎｉ層を積層するのは、ＧａＮとの密着性がＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属のみを積層する場合に比べて向上するからである。さらにＧａ1-xＩｎxＮはＩｎを含む混晶をｐ型コンタクト層に用いているので、その上にＭｇをのせて３００℃以上に加熱処理を行ってもＭｇがｐ型ＧａＮコンタクト層を超えて拡散するというようなことはなく、レーザの特性が低下するという問題は起こらない。
【００１１】
（３）前記ｐ型ＧａＮコンタクト層を作製するのに、ＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属をイオン化してＮを含むＩＩＩーＶ族化合物よりなるコンタクト層に添加する。そうすることによりｐ型ＧａＮコンタクト層の表面が高濃度にドーピングされて金属との間のバリア高さが小さくなり、ｐ型ＧａＮコンタクト層と金属との間のコンタクト抵抗が小さくなるからである。さらに電極形成過程において加熱処理はいっさいおこなわないので、例えばＭｇがｐ型ＧａＮコンタクト層を超えて拡散するというような問題は起こらず、レーザの特性が低下することはない。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の作製は、図４に示されている有機金属気相エピタキシャル装置を用い、有機金属気相エピタキシシャル成長法により行われるものである。ＺｎＯまたはＳｉＣの積層はＣＶＤにより行われるものである。また、金属の蒸着は真空蒸着装置により行われるものである。また、金属をイオン化してＮを含むＩＩＩーＶ族化合物よりなるコンタクト層に添加することは、イオン注入装置により行われるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の、半導体発光素子とその製造方法ならびに特性について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
実施の形態１を、図１、図４、図５、図９を用いて説明する。まず最初に有機溶媒による洗浄及び前処理を施され、ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ４０１上に置き、図４に示すような有機金属気相エピタキシャル成長装置内に投入する。この有機金属気相エピタキシャル成長装置は原料ガスの供給が２フロータイプ、すなわち基板に平行に流れるガス流と基板上方から流れるガス流の２つから構成されており、従来よりよく使用されている。ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００１５】
次に成長室４０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ４０１ごとヒータ４０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ４０３、４０５、４０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層１０２を３００Å積層する。
【００１６】
ｎ型ＡｌＮバッファ層１０２を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ４０２、４０３、４０５、４０７を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０３を積層する。
【００１７】
ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０３を積層した後、トリメチルアルミニウム及びシランのガス供給ライン４０３、４０７を閉じ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０４を１０００Å積層する。
【００１８】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０４を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を６８０℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０４、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ活性層１０５を１００Å積層する。
【００１９】
アンドープＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ活性層１０５を１００Å積層した後、トリメチルインジウムのガス供給ラインのバルブ４０４を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ４０２、４０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０６を１０００Å積層する。
【００２０】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０６を１０００Å積層した後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０３、４０５、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７を１．０μｍ積層する。
【００２１】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ４０３を閉じ、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を１０００Å積層する。
【００２２】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造１０２〜１０８が積層されたＳｉＣ（０００１）基板１０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００２３】
次にｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が積層された基板１０１に厚さ１０００Åのｐ型ＳｉＣ層１０９を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上に積層する方法を説明する。ｐ型ＧａＮコンタクト層が積層された基板１０１をプラズマＣＶＤ装置内に投入し、シラン、メタンおよびトリメチルアルミニウムをプラズマＣＶＤ装置内に流し、層厚１０００ÅのＡｌがドープされたｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９をＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上全面にわたって積層する。プラズマＣＶＤ装置の代わりに光ＣＶＤ装置を用いても同様な結果が得られる。
【００２４】
次にｐ型ＳｉＣコンタクト層が積層された基板１０１に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層１１０を、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９の上に積層する方法を、図５を用いて説明する。
【００２５】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2１１０をＣＶＤ法によりｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００２６】
次にＳｉＯ2１１０を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2１１０上全面にレジスト５０１を塗布する。
【００２７】
レジスト５０１を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのすきまが開いているマスク５０２をかぶせ、光を照射してマスク５０２に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ2１１０を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト５０１を取り除く。このようにしてｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９上に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2１１０が積層される。
【００２８】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板１０１に対して、真空蒸着装置を用いて基板１０１裏面にチタン１１１、金１１２を、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９の表面にそれぞれの厚さが１５００Åのニッケル１１３及び金１１４を蒸着させ、基板１０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００２９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１０ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００３０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９のキャリア密度はそれぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層１０７、１０３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９が製造されている。
【００３１】
また、ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で１×１０-4Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板１０１とチタン１１１との間にもオーム性接触が実現している。ｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ＳｉＣとニッケルとの間のバリア高さが０．３ｅＶ以下と従来のＧａＮとニッケルとの間のバリア高さの半分以下であるからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図９の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１００ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１０Ｖと、従来のレーザの１／３になる。これはｐ型ＳｉＣコンタクト層１０９とニッケル１１３の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて２桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるからである。
【００３２】
なお、上記ＳｉＣ基板１０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。また、ｐ型ＳｉＣコンタクト層の代わりにｐ型ＺｎＯコンタクト層を用いても同様な効果が得られる。
【００３３】
（実施の形態２）
実施の形態２を、図２、図４、図６、図１０、図１２を用いて説明する。ＳｉＣ（０００１）基板２０１上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７までのレーザ構造２０２〜２０７を積層するまでは実施の形態１に同じである。
【００３４】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ４０３を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を７００℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ４０２、４０４、４０５、４０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８を１０００Å積層する。
【００３５】
その後、実施の形態１と同様に圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を６７０℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板２０１の温度を室温まで戻し、ＳｉＣ（０００１）基板２０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００３６】
その後、実施の形態１と同様に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層２０９を、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の上に積層する。
【００３７】
その後、実施の形態１と同様にｎ型ＳｉＣ基板の裏面にチタン２１０および金２１１を蒸着する。さらに真空蒸着装置を用いてｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の表面に厚さ５０ÅのＭｇ２１２を蒸着させ、さらにＭｇ２１２の上に厚さ１０００ÅのＮｉ２１３および厚さ１０００ÅのＡｕ２１４を蒸着させ、基板２０１を６５０℃にして１０分間加熱する。
【００３８】
最後に基板２０１を室温まで戻し、へき開によりキャビティ長１ｍｍに加工して発光素子を完成させる。
【００３９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００４０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７、２０３のキャリア密度はそれぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０７、２０３それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層２０７、２０３、およびｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８が製造されている。また、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とニッケル２１３の間で１×１０-3Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板２０１とチタン２１０との間にもオーム性接触が実現している。
【００４１】
ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０１とニッケル１１３の間で従来に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８にＭｇ層２１２からＭｇが拡散して、表面付近に１０18／ｃｍ3台後半以上の高いｐ型キャリア密度を持った低抵抗のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８が形成されているためであり、さらにＭｇ層２１２の層厚がＭｇの拡散によって３０Å以下と薄くなり、ホールがｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とＭｇ層２１２との間の障壁をトンネル効果によって透過しやすくなるためである。
【００４２】
また、本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布および従来の、図１５に示すようなＭｇを含む金属をｐ型ＧａＮに直接積層した電極を有するレーザ素子内のＭｇの分布を調べると、図１２のようになる。図１２において、太線が本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布を表し、細線が従来のレーザ素子内のＭｇの分布を表す。図１２よりＭｇの拡散は、上記レーザ素子に関してはｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８のところで止まっており、従来のレーザ素子のように活性層付近までＭｇが拡散するようなことはない。ｐ型コンタクト層にＩｎを含む混晶を用いているので、Ｍｇをのせて加熱処理を行ってもＭｇがｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８を超えて拡散することがないからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１０の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１２０ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１２Ｖと、従来のレーザの２／５になる。これはｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８とニッケル２１３の間で従来に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られ、さらにＭｇの拡散がｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８のところで止まっているからである。
【００４３】
なお、上記ＳｉＣ基板２０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。
【００４４】
また、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層２０８の表面に蒸着する金属として、Ｍｇの代わりにＺｎまたはＣａのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属、またはＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属を含む金属の多層膜を用いても同様な結果が得られる。
【００４５】
（実施の形態３）
実施の形態３を、図３、図７、図１１、図１３を用いて説明する。ＳｉＣ（０００１）基板３０１上にｐ型ＧａＮコンタクト層３０８までのレーザ構造３０２〜３０８を積層し、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でアニールを行うことは実施の形態１に同じである。その後ＳｉＣ（０００１）基板３０１の温度を室温まで戻し、ＳｉＣ（０００１）基板３０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００４６】
レーザ構造３０２〜３０８を積層し、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でアニールを行ったＳｉＣ（０００１）基板３０１を今度はイオン注入装置に投入し、フラックス密度１０15／ｃｍ2の、３００ｅＶに加速されたＭｇイオンをｐ型ＧａＮコンタクト層３０８に注入する。
【００４７】
その後、実施の形態１と同様に幅１０μｍの領域以外の部分に厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層３０９を、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の上に積層する。
【００４８】
レーザ構造３０２〜３０８およびＳｉＯ2絶縁層３０９が積層されたＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、真空蒸着装置を用いて基板３０１裏面にチタン３１０、金３１１を、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の表面に厚さがそれぞれ１５００Åのニッケル３１２および金３１３を蒸着させ、基板３０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００４９】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４１０ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００５０】
次に電気的特性について述べる。ｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０７、３０３それぞれ１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型およびｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０７、３０３それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型およびｎ型クラッド層３０７、３０３が製造されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で１×１０-3Ω・ｃｍ2と従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板３０１とチタン３１０との間にもオーム性接触が実現している。ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるのは、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８にＭｇをイオン注入することによってｐ型ＧａＮコンタクト層３０８のキャリア密度が１０18／ｃｍ3台後半以上となっているからである。
【００５１】
また、本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布および従来のレーザ素子内のＭｇの分布を調べると、図１３のようになる。図１３において、太線が本発明の、上記レーザ素子内のＭｇの分布を表し、細線が従来の、図１５に示すようなＭｇを含む金属をｐ型ＧａＮに直接積層した電極を有するレーザ素子内のＭｇの分布を表す。図１３よりＭｇの拡散は、上記レーザ素子に関してはｐ型ＧａＮコンタクト層３０８のところで止まっており、従来のレーザ素子のように活性層付近までＭｇが拡散するようなことはない。イオン注入することによって電極形成過程での加熱処理をおこなわずに済むからである。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１１の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１００ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。レーザの動作電圧は１２Ｖと、従来のレーザの２／５になる。これはｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とニッケル３１２の間で従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合に比べて１桁抵抗の小さいオーム性接触が得られるからである。
【００５２】
なお、上記ＳｉＣ基板３０１の代わりにＳｉ基板等の導電性基板、またはサファイアや、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2等の酸化物基板を用いても同様な結果が得られる。
【００５３】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８にイオン注入する金属として、Ｍｇの代わりにＺｎまたはＣａのようなＩＩａ族またはＩＩｂ族に属する金属を用いても同様な結果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
上記の方法によって作製されるｐ型コンタクト層、およびその製造方法により、半導体発光素子の動作電圧が低下し、従来よりも特性が良好な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図３】本発明の第３の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図４】本発明の半導体発光素子を作製する、有機金属気相エピタキシャル装置の構造断面図
【図５】本発明の第１の実施の形態における発光素子に関する、ＳｉＯ2絶縁層形成の手順に関する図
【図６】本発明の第２の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図７】本発明の第３の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図８】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップと格子定数との関係、およびよく用いられる基板の格子定数を表す図
【図９】本発明の第１の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１０】本発明の第２の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１１】本発明の第３の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１２】本発明の、第２の実施の形態の発光素子内のＭｇの分布および従来の発光素子内のＭｇの分布を表す図
【図１３】本発明の、第３の実施の形態の発光素子内のＭｇの分布および従来の発光素子内のＭｇの分布を表す図
【図１４】従来の半導体発光素子に関する構造断面図
【図１５】従来のｐ型コンタクト構造に関する構造断面図
【符号の説明】
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｐ型ＳｉＣコンタクト層
２０８ ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎコンタクト層
３０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
Claims (2)
- Ｎを含むＩＩＩーＶ族化合物より成るダブルヘテロ構造と、前記ダブルヘテロ構造の上に積層されたｐ型の導電性を有しＺｎＯからなるコンタクト層を有する半導体発光素子。
- 前記ダブルヘテロ構造は基板の上に形成され、前記基板としてサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯまたは酸化物基板のいずれかを用いる請求項１に記載の半導体発光素子。
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