JP3862671B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐ型ドーパントの濃度を積極的に増大させる窒化物半導体の製造方法、窒化物半導体素子の製造方法及びそれを用いた窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の窒化物半導体素子におけるｐ型ドーパント、特にマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング方法を説明する。
【０００３】
まず、第１の従来例（Japanese Journal of Applied Physics, 38, L1012, (1999)）には、活性層を基板に垂直な方向でその両側から挟み且つ該活性層で生成される生成光を閉じ込めるｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層におけるｐ型クラッド層として、例えば、膜厚が２４ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ）層と膜厚が１２ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）層とからなり、周期が３６ｎｍの超格子(superlattices：SLs)層を開示している。ここでは、超格子層の周期を９ｎｍ〜１００ｎｍとしている。
【０００４】
ｐ型クラッド層へのマグネシウム（Ｍｇ）のドーピングは、超格子層に対して一様に行なっている。なお、他の文献には、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層のいずれか一方にのみドーピングを行なう例が報告されているが、どちらの場合も、ドーピング対象とするＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の１層中では一様なドープを行なっている。このときのｐ型クラッド層の成長方法は、成長圧力が３００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）の減圧ＭＯＶＰＥ法を用いて、Ｃ面を主面に持つサファイア基板上に、基板温度が４００℃で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層を成長し、その後昇温して膜厚が１μｍのアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長する。続いて、基板温度を１０１０℃とし、超格子層を成長している。
【０００５】
このようにすると、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との間に歪みが生じて内部電界が発生することにより、Ｍｇのアクセプタ準位が浅くなるため、アクセプタの活性化率が向上して、ｐ型キャリア濃度（正孔濃度）が増大するので、レーザ素子の閾値電流の低減に有利となる。
【０００６】
次に、第２の従来例（特開平８−９７４７１号公報）には、ニッケル（Ｎｉ）からなる電極と接触し、高濃度にドープされたｐ型ＧａＮからなる第１コンタクト層を開示している。この第１コンタクト層は、膜厚を５０ｎｍとし、Ｍｇの濃度を１×１０20ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3としている。この構成により、コンタクト抵抗が低減されると共に、キャリア濃度を高くして素子の動作電圧が低減されるということを述べている。
【０００７】
第２の従来においては、第１コンタクト層に対してＭｇのドーピング濃度を高くし過ぎると、ホール濃度が却って小さくなってしまう現象が生じるため、第１コンタクト層の電極と反対側に該第１コンタクト層よりもＭｇの濃度が小さいｐ型ＧａＮからなる第２コンタクト層を設けている。また、第２コンタクト層のＭｇの濃度は、ホール濃度を高めるために１×１０19ｃｍ-3〜５×１０20ｃｍ-3の範囲でドーピングすることが望ましいとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例は、ｐ型クラッド層に超格子構造を用いているものの、その低抵抗化は不十分である。また、第２の従来例は、ｐ型コンタクト層の上部にｐ型ドーパントを高濃度にドープしているものの、逆にホール濃度が低下するという問題を有している。
【０００９】
また、従来のドーピング法では、急峻な不純物プロファイルを得ることが困難である。特に、活性層の上にｐ型キャップ層を設けるような場合には、活性層へのｐ型ドーパントの拡散を抑制するため、とりわけ急峻な不純物プロファイルを必要とされる。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、窒化物半導体のｐ型不純物濃度をドーピング量を増大させることなく高めることにより低抵抗化を図ると共に急峻なｐ型不純物プロファイルを得られるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、III 族窒化物からなる第１の半導体層と、第１の半導体層と異なる組成の他のIII 族窒化物からなる第２の半導体層とを接合させることにより、第１の半導体層と第２の半導体層とのヘテロ接合界面の近傍領域に、ｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させる、すなわち偏析させる構成とする。
【００１２】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体の製造方法は、基板の上に、第１のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層を成長する第１の工程と、第１の半導体層の上に、第１のIII 族源と異なるIII 族元素を含む第２のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１の半導体層の上に第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層を成長する第２の工程とを備え、第１の工程及び第２の工程のうちの少なくとも１つは基板上にｐ型ドーパントを供給する工程を含み、第１の半導体層と第２の半導体層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大するように成長する。
【００１３】
本発明の窒化物半導体の製造方法によると、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層と該第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層との界面の近傍領域においてｐ型ドーパントの濃度が局所的に且つ従来よりも増大するように成長する。このため、第１の半導体層及び第２の半導体層からなる積層体を形成すれば、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度が従来よりも増大するので、低抵抗化を実現できると共に積層体のみが高不純物濃度を有する急峻なｐ型不純物プロファイルを達成することができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１のIII 族源がガリウムを含み、第２のIII 族源がアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。このようにすると、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度を従来よりも確実に増大させることができるようにうなる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１のIII 族源はガリウムからなり、第２のIII 族源はガリウムとアルミニウム又はインジウムとを含むことが好ましい。このようにすると、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度を従来よりも確実に増大させることができるようになる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の工程及び第２の工程が共にｐ型ドーパントを供給する場合に、各ｐ型ドーパントの供給量はほぼ同等であることが好ましい。このようにｐ型ドーパントの一様ドープを行なっても、第１の半導体層と第２の半導体層との界面近傍にはｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させることができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の工程及び第２の工程におけるｐ型ドーパントの供給量は異なることが好ましい。このようにｐ型ドーパントの選択ドープを行なっても、第１の半導体層と第２の半導体層との界面近傍にｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させることができる。
【００１８】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の半導体層の成長時にｐ型ドーパントを供給する場合に、ｐ型ドーパントを第１の半導体層を成長するよりも前に供給し始めることが好ましい。また、第２の窒化物半導体の製造方法において、第２の半導体層の成長時にｐ型ドーパントを供給する場合に、ｐ型ドーパントを第２の半導体層を成長するよりも前に供給し始めることが好ましい。このようにすると、成長中の半導体層に導入されるｐ型ドーパントの半導体の成長面への到達に遅れが生じないため、吸収な不純物プロファイルを確実に達成することができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、ｐ型ドーパントの濃度のピークは第２の半導体層中に位置する。
【００２０】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第２のIII 族源は複数のIII 族元素を含み、第２の半導体層における複数のIII 族元素のうち組成比が小さい元素の濃度のピーク位置とｐ型ドーパントのピーク位置とは互いに異なる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、ｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。このようにすると、ｐ型ドーパントの有効アクセプタ濃度を大きくすることができる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第２の半導体層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。このようにすると、ｐ型ドーパントのピーク位置を第２の半導体層中に取り込むことができる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法は、基板の上に、第１の窒化物半導体からなる活性層を成長する第１の工程と、活性層の上に、第２の窒化物半導体からなり活性層を保護するｐ型キャップ層を成長する第２の工程と、ｐ型キャップ層の上に第３の窒化物半導体層からなるｐ型クラッド層を成長する第３の工程と、ｐ型クラッド層の上に第４の窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層を成長する第４の工程とを備え、第２の工程、第３の工程及び第４の工程のうちの少なくとも１つは、第１のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１のIII 族窒化物からなる一の層を成長する工程と、一の層の上に、第１のIII 族源と異なるIII 族元素を含む第２のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、一の層の上に第２のIII 族窒化物からなる他の層を成長する工程とを有し、一の層を成長する工程及び他の層を成長する工程の少なくとも１つは、基板上にｐ型ドーパントを供給する工程を含み、一の層と他の層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大するように成長する。
【００２４】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法によると、窒化物半導体素子におけるｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の少なくとも１つに、本発明の窒化物半導体の製造方法を用いているため、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層のうちの少なくとも１つの低抵抗化及び不純物プロファイルの急峻化を実現できる。
【００２５】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、第１のIII 族源がガリウムを含み、第２のIII 族源がアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。
【００２６】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、一の層又は他の層を成長する工程よりも前に、ｐ型ドーパントを供給し始めることが好ましい。
【００２７】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、ｐ型キャップ層又はｐ型クラッド層のｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２８】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、他の層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、ｐ型コンタクト層がインジウムを含み、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ドーパントの濃度が、ｐ型コンタクト層の表面から漸減し且つ上面からの深さが約１０ｎｍの位置で約３×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３０】
本発明に係る窒化物半導体素子は、基板の上に形成された第１の窒化物半導体からなる活性層と、活性層の上に形成された第２の窒化物半導体からなるｐ型キャップ層と、ｐ型キャップ層の上に形成された第３の窒化物半導体層からなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の上に形成された第４の窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層とを備え、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層のうちの少なくとも１つは、第１のIII 族窒化物からなる一の層と該一の層の上に形成され且つ第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる他の層とが積層されてなり、他の層における一の層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大している。
【００３１】
本発明の窒化物半導体素子において、第１のIII 族窒化物はガリウムを含み、第２のIII 族窒化物はアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。このようにすると、青紫色等の短波長のレーザ光を発振可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３２】
本発明の窒化物半導体素子において、ｐ型キャップ層又はｐ型クラッド層のｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。。
【００３３】
本発明の窒化物半導体素子において、他の層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
本発明の窒化物半導体素子において、ｐ型コンタクト層における他の層がインジウムを含み、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ドーパントの濃度が、ｐ型コンタクト層の表面から漸減し且つ上面からの深さが約１０ｎｍの位置で約３×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３５】
なお、第６１回応用物理学会学術講演会、講演予稿集 3a-Y-30, (2000/9)には、膜厚が２．５ｎｍのＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層と膜厚が２．５ｎｍのＧａＮ層とからなる、周期が５ｎｍの歪み超格子(strained-layer-superlattices：SLSs)層が記載されており、ｐ型ドーパントであるＭｇは、濃度が７×１０19ｃｍ-3でＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とに一様ドープされている。二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry：SIMS）を用いた分析によると、極めて短い周期ながら、障壁層であるＡｌＧａＮ層にＭｇが選択的に取り込まれる現象が見られる。但し、ここでは、基板の深さ方向の分解能が十分ではなく、Ｍｇがヘテロ界面の近傍に偏析しているか否かを判別することは不可能である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示している。ここでは、半導体レーザ素子の構成をその製造プロセスと同時に説明する。結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用い、その成長圧力は減圧下でも、大気圧下でも、また大気圧（１ａｔｍ）以上の加圧下でも良い。さらには、半導体層ごとに最適な圧力に切りかえても良い。原料を基板上に供給するためのキャリアガスは少なくとも窒素又は水素等の不活性ガスとする。
【００３８】
まず、図１に示すように、成長温度を５００℃程度とし、例えばサファイアからなる基板１１の主面上に、Ｖ族源であるアンモニア（ＮＨ3 ）とIII 族源であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを供給して、厚さが約２０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２を成長する。
【００３９】
次に、成長温度を１０２０℃程度にまで昇温した後、ＮＨ3 とＴＭＧとを供給して、バッファ層１２の上に厚さが約１μｍのＧａＮからなる下地層１３を成長する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて、下地層１３の上に、それぞれの幅が約３μｍで且つ互いに約１２μｍの間隔をおいて平行に延びるレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして下地層１３に対してドライエッチングを行なうことにより、下地層１３の上部に、複数のリセス部１３ａと該リセス部１３ａ同士に挟まれた領域からなる複数のストライプ状の凸部１３ｂを形成する。続いて、例えばＥＣＲスパッタ法を用いて、リセス部１３ａが形成された下地層１３の上にレジストパターン及び凸部１３ｂを含む全面にわたって、窒化シリコン（ＳｉＮx ）からなるマスク膜１４を堆積する。その後、レジストパターンをリフトオフして凸部１３ｂ上のマスク膜１４を除去することにより、該凸部１３ｂの上面を露出する。
【００４０】
次に、再度、ＭＯＶＰＥ法により、成長温度を１０００℃程度とし、ＮＨ3 とＴＭＧとを供給して、下地層１３の凸部１３ｂの露出面を種結晶として厚さが約３μｍのＧａＮからなる選択成長層１５を成長する。
【００４１】
次に、成長温度を１０００℃程度とし、ＮＨ3 、ＴＭＧ及び例えばシリコン（Ｓｉ）を含むｎ型ドーパントを供給して、選択成長層１５の上に厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６を成長する。
【００４２】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びｎ型ドーパントを供給して、ｎ型コンタクト層１６の上に厚さが約０．７μｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ）からなるｎ型クラッド層１７を成長する。
【００４３】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びｎ型ドーパントを供給して、ｎ型クラッド層１７の上に厚さが約１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１８を成長する。
【００４４】
次に、成長温度を８１０℃程度に降温した後、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、ｎ型光ガイド層１８の上に厚さが約３ｎｍの窒化インジウムガリウム（Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ）からなる井戸層と、ＴＭＩのみ供給を止めて、井戸層の上に厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長して多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１９を形成する。
【００４５】
次に、成長温度を１０２０℃程度に昇温しながら、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びｐ型ドーパントのマグネシウム（Ｍｇ）を含むビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を供給することにより、図２（ａ）に示すように、活性層１９の上に、厚さが約２．５ｎｍのＧａＮからなる第１層（井戸層）２０ａと、III 族源にＴＭＡを追加して厚さが約２．５ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる第２層（バリア層）２０ｂとを１周期とする４周期分の半導体層を成長して厚さが約２０ｎｍのｐ型超格子キャップ層２０を形成する。
【００４６】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給して、ｐ型超格子キャップ層２０の上に、厚さが約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層２１を成長する。
【００４７】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給することにより、ｐ型光ガイド層２１の上に、厚さが約２．５ｎｍのＧａＮからなる第１層（井戸層）と、III 族源にＴＭＡを追加して厚さが約２．５ｎｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎからなる第２層（バリア層）とを１周期とする１４０周期分の半導体層を成長して厚さが約０．７μｍのｐ型超格子クラッド層２２を形成する。
【００４８】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給して、ｐ型超格子クラッド層２２の上に、厚さが約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型第２コンタクト層２３を成長する。
【００４９】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給することにより、図２（ｂ）に示すように、ｐ型第２コンタクト層２３の上に、厚さが約２．５ｎｍ〜３ｎｍのＧａＮからなる第１層（バリア層）２４ａと、III 族源にＴＭＩを追加して厚さが約２．５ｎｍ〜３ｎｍのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第２層（井戸層）２４ｂとを１周期とする２周期分の半導体層を成長して厚さが約１０ｎｍ〜１２ｎｍの超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４を形成する。
【００５０】
以上のようにして、半導体レーザ素子を構成するエピタキシャル層を得ることができる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、超格子層におけるｐ型ドーパントのドーピングを、第１層及び第２層の成長時に一様にドーピングを行なっている。すなわち、Ｃｐ2 Ｍｇの供給量を一定としているが、第１層及び第２層で供給量を変える、いわゆる変調ドープを行なっても良く、さらにはいずれか一方の半導体層にのみ行なう、いわゆる選択ドープを行なっても良い。このように一様ドープでない場合でも、アルミニウム又はインジウムを含む層における基板側（成長開始側）の界面近傍にｐ型ドーパントの濃度が増大する。但し、選択ドープの場合であっても、アルミニウム又はインジウムを含む層に対してドーピングを行なう方が好ましい。
【００５２】
次に、エピタキシャル層におけるストライプ状の共振器形成領域をマスクして、該エピタキシャル層に対してｎ型コンタクト層１６を露出するようにエッチングを行なう。さらに、共振器形成領域におけるｐ型超格子クラッド層２２、ｐ型第２コンタクト層２３及びｐ型第１コンタクト層２４に対してエッチングを行なうことにより、共振器形成領域の上部に電流注入領域となるリッジ部３０を形成する。ここで、リッジ部３０は、共振器形成領域における下地層１３の凸部１３ｂの上方の領域から外れた位置に設けることが好ましい。このようにすると、選択成長層１５における結晶転位の影響を受けにくくなり、ＭＱＷ活性層１９等における結晶品位が優れた領域に電流が注入されるようになる。
【００５３】
続いて、ｐ型第１コンタクト層２４の上面の電極とのコンタクト部及びｎ型コンタクト層１６の上面の電極とのコンタクト部をそれぞれマスクし、その後ＣＶＤ法等により、リッジ部３０及び共振器形成領域の露出面上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からなる保護絶縁膜２５を堆積する。ここで、リッジ部３０のストライプ幅を３μｍ〜５μｍ程度としている。
【００５４】
次に、保護絶縁膜２５におけるリッジ部３０上の開口部を充填し且つリッジ部３０のｐ側面を覆うように、例えば蒸着法等を用いてニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなるｐ側電極２６を形成する。続いて、保護絶縁膜２５におけるｎ型コンタクト層１６上の開口部を充填するように、蒸着法等を用いてチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層体からなるｎ側電極２７を形成する。
【００５５】
なお、本実施形態においては、ｐ型超格子キャップ層２０、ｐ型超格子クラッド層２２及びｐ型第１コンタクト層２４をそれぞれ超格子構造とすることにより、ｐ型半導体層の低抵抗化とｐ型ドーパントの急峻な不純物プロファイルとを得ているが、これら３層のうちの少なくとも１層に本発明に係る超格子構造を用いても良い。
【００５６】
このようにして得られた半導体レーザ素子に対して、ｐ側電極２６とｎ側電極２７との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１９に向かってｐ側電極２６から正孔が注入されると共にｎ側電極２７から電子が注入される。これにより、ＭＱＷ活性層１９において、正孔と電子との再結合により光学利得を生じて約４０４ｎｍの波長を持つレーザ発振を起こす。
【００５７】
以下、ｐ型超格子キャップ層２０、ｐ型超格子クラッド層２２及びｐ型第１コンタクト層２４に、本発明の超格子構造を用いることの有効性について説明する。
【００５８】
まず、ｐ型超格子キャップ層２０及びｐ型超格子クラッド層２２を説明する。
【００５９】
図３（ａ）はＧａＮからなる第１層２０ａとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる第２層２０ｂとの４周期分からなるｐ型超格子キャップ層２０に含まれるＭｇの基板の深さ方向への不純物プロファイルをＳＩＭＳ法により測定した結果を示している。各半導体層の成長プロセスはグラフの横軸の右側から左側に向かって進行する。また、ここでは、Ａｌを含む第２層２０ｂにのみｐ型ドーパントを含むＣｐ2 Ｍｇを供給する選択ドープとしている。
【００６０】
図３（ａ）に示すように、Ａｌを含む第２層２０ｂにおける基板側に位置するＡｌを含まない第１層２０ａとの界面近傍にＭｇの濃度が増大している。このことから、Ａｌを含む第２層２０ｂに対してＭｇの選択的なドーピングが可能となることが分かる。このように、超格子構造を採りＡｌＧａＮからなる第２層２０ｂ内に基板の表面に向かって漸減するＭｇの濃度勾配が形成される。その上、図３（ａ）に示すように、第２層２０ｂにおけるＭｇの濃度の最低値でも、従来の方法による不純物濃度と同程度の値が確保されている。
【００６１】
このように、本願発明者らは、Ｃｐ2 Ｍｇの単位時間当たりの供給量を一定値としているにも拘わらず、ヘテロ界面を形成するだけで界面近傍にＭｇの濃度勾配が生じる現象を見い出した。
【００６２】
ところで、第２層２０ｂにおけるＭｇの濃度のピークは、第２層２０ｂにおける基板側で接合する第１層２０ａとの界面から１．５ｎｍ程度に間隔おいた位置にあることを確認している。従って、第２層２０ｂはその厚みを少なくとも１．５ｎｍとすると、不純物濃度のピーク位置を第２層２０ｂに確実に取り込むことができるため好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、ｐ型ドーパントであるＭｇのドーピングは、ｐ型超格子キャップ層２０よりも深い領域、すなわち下層の半導体層から開始することが好ましい。それは、ｐ型超格子キャップ層２０の成長と同時にＭｇのドーピングを始めたのでは、Ｍｇの原料であるＣｐ2 Ｍｇが基板上に速やかに供給されずにドーピングに遅れが生じてしまい、所望の不純物プロファイルを達成しにくいからである。
【００６４】
図３（ｂ）は第１層２０ａ及び第２層２０ｂの双方にｐ型ドーパントを一様にドープした場合のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示している。図３（ｂ）に示すように、一様ドープであっても、第２層２０ｂにおける基板側に位置する第１層２０ａとの界面近傍でｐ型ドーパントであるＭｇの濃度が増大してその界面近傍に偏析する。なお、図３（ｂ）に示す超格子半導体層は測定用であって、第１層２０ａ及び第２層２０ｂを１周期とする８周期分で構成している。
【００６５】
ｐ型超格子クラッド層２２についても同様に、Ａｌを含む第２層における基板側に位置するＡｌを含まない第１層との界面近傍でｐ型ドーパントの濃度が増大することを確認している。
【００６６】
次に、超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４の有効性を説明する。
【００６７】
図４はＧａＮからなる第１層２４ａとＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第２層２４ｂとの超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４に含まれるＭｇの基板の深さ方向への不純物プロファイルをＳＩＭＳ法により測定した結果を示している。図４からは、第２層２４ｂにおける基板側に位置する第１層２４ａとの界面近傍でｐ型ドーパントであるＭｇの濃度が増大してその界面近傍に偏析していることが分かる。これにより、有効アクセプタ濃度が大きく増大する。なお、図４に示す超格子半導体層も測定用であって、第１層２４ａ及び第２層２４ｂを１周期とする４周期分で構成している。
【００６８】
（実施形態の一変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。本変形例に係る第１コンタクト層２４は、厚さが約１０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＮからなる単層により構成する。
【００６９】
図５（ａ）はＳＩＭＳ法により求めた単層からなるｐ型第１コンタクト層とｐ型第２コンタクト層とのＭｇの濃度と、種々の測定周波数を用いてＣ−Ｖ（capacitance-voltage）測定法により求めた有効アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）の基板の深さ方向の濃度プロファイルとを示している。
【００７０】
図５（ａ）に示すように、ｐ型第１コンタクト層に単層のｐ型ＩｎＧａＮを用いた場合には、Ｃｐ2 Ｍｇの供給量を変えない一様ドープとしても、ｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍の領域でＭｇの濃度が上に凸状に急激に増大する。その上、ｐ型第１コンタクト層の表面近傍の５ｎｍ程度の領域においても、Ｍｇの濃度が急激に増大する。これにより、有効アクセプタ濃度は、表面近傍の約５ｎｍの領域内において大きく増大し、また、深さ位置が表面から５ｎｍ〜１０ｎｍの領域においても従来の方法と比べて若干増大しており、改善がみられる。
【００７１】
ここで、比較用として図５（ｂ）に、従来の方法による厚さが約１０ｎｍのｐ+ −ＧａＮからなるｐ型第１コンタクト層とｐ−ＧａＮからなるｐ型第２コンタクト層とのＭｇの濃度及び有効アクセプタ濃度の基板の深さ方向の濃度プロファイルを示す。
【００７２】
図５（ｂ）に示す製造プロセスにおいては、ｐ型第２コンタクト層の成長時にはＣｐ2 Ｍｇの供給量を４０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per mitute）とし、ｐ型第１コンタクト層の成長時にはＣｐ2 Ｍｇの供給量を約７倍の２７０ｓｃｃｍに増加させている。それにも拘わらず、ｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍、すなわち基板表面からの５ｎｍ〜１０ｎｍの領域においては、Ｍｇの濃度に急激に増大する兆候は見られず、単調に増加しているに過ぎない。但し、基板表面から５ｎｍ以内の領域においてＭｇの濃度は急激に増大している。従って、有効アクセプタ濃度は表面近傍の５ｎｍまでの域領に限り増大させることができる。
【００７３】
このように、ｐ型第１コンタクト層の成長時にのみＣｐ2 Ｍｇの供給量を増やすという従来の方法は、ｐ型第１コンタクト層にドープされるＭｇの濃度をｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍において急激に増大させることは不可能である。
【００７４】
なお、本願発明者らは、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層のいずれにおいても、Ｍｇのドーピング濃度は３×１０19ｃｍ-3の濃度を超えると、Ｍｇが半導体結晶中のガリウムや窒素等の本来の格子位置に置換されず、アクセプタとしての活性化率が低下するという知見を得ている。
【００７５】
従って、ｐ型超格子キャップ層２０及びｐ型超格子クラッド層２２においては、レーザ素子に注入されるキャリアが、アクセプタの活性化率の低下に起因する欠陥等の非発光中心における損失を回避するために、Ｍｇのドーピング濃度を３×１０19ｃｍ-3以下とすることが好ましい。
【００７６】
一方、ｐ型第１コンタクト層は電極用の金属材料との接触抵抗を下げることの方が重要であり、Ｍｇの濃度の上限はない。
【００７７】
また、ヘテロ接合界面によるｐ型ドーパントの濃度増大の効果は、III 族窒化物半導体の全般にわたって成り立つ。従って、アルミニウム、ガリウム及びインジウムに限られず、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）からなる半導体との間でヘテロ接合界面を持っても良い。
【００７８】
また、ｐ型ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）に限られず、代わりに、亜鉛（Ｚｎ）又はカルシウム（Ｃａ）等を用いても良い。
【００７９】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子は、下地層１３に設けたリセス部１３ａ同士の間に形成されるストライプ状の凸部１３ｂの上に選択的横方向成長（ＥＬＯＧ）法により成長した選択成長層１５を設けているが、下地層１３及び選択成長層１５は本発明に必須ではない。しかしながら、このＥＬＯＧ法を用いることにより、選択成長層１５上に成長するｎ型コンタクト層１６から上に成長する各半導体層の結晶性を極めて良好とすることができる。
【００８０】
また、窒化物半導体の成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限られず、ハイドライド気相成長（Ｈ−ＶＰＥ）法又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の窒化物半導体を成長可能な方法であればすべての方法に適用できる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体の製造方法によると、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層と該第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層との積層体におけるヘテロ接合界面の近傍の領域で、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に且つ従来よりも増大するように成長する。このため、ヘテロ接合界面近傍においてｐ型ドーパントの濃度が従来よりも増大するので、低抵抗化を実現できると共に積層体のみが高不純物濃度を有する急峻なｐ型不純物プロファイルを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型超格子キャップ層を示す構成断面図である。
（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層を示す構成断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型超格子キャップ層のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示し、（ａ）は選択ドープによるグラフであり、（ｂ）は一様ドープによるグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層及びｐ型第２コンタクト層の濃度プロファイルを示し、（ａ）は本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子を示すグラフであり、（ｂ）は従来の半導体レーザ素子を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 下地層
１３ａ リセス部
１３ｂ 凸部
１４ マスク膜
１５ 選択成長層
１６ ｎ型コンタクト層
１７ ｎ型クラッド層
１８ ｎ型光ガイド層
１９ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０ ｐ型超格子キャップ層
２０ａ 第１層（井戸層）
２０ｂ 第２層（バリア層）
２１ ｐ型光ガイド層
２２ ｐ型超格子クラッド層
２３ ｐ型第２コンタクト層
２４ ｐ型第１コンタクト層
２４ａ 第１層（バリア層）
２４ｂ 第２層（井戸層）
２５ 保護絶縁膜
２６ ｐ側電極
２７ ｎ側電極
３０ リッジ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐ型ドーパントの濃度を積極的に増大させる窒化物半導体の製造方法、窒化物半導体素子の製造方法及びそれを用いた窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の窒化物半導体素子におけるｐ型ドーパント、特にマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング方法を説明する。
【０００３】
まず、第１の従来例（Japanese Journal of Applied Physics, 38, L1012, (1999)）には、活性層を基板に垂直な方向でその両側から挟み且つ該活性層で生成される生成光を閉じ込めるｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層におけるｐ型クラッド層として、例えば、膜厚が２４ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ）層と膜厚が１２ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）層とからなり、周期が３６ｎｍの超格子(superlattices：SLs)層を開示している。ここでは、超格子層の周期を９ｎｍ〜１００ｎｍとしている。
【０００４】
ｐ型クラッド層へのマグネシウム（Ｍｇ）のドーピングは、超格子層に対して一様に行なっている。なお、他の文献には、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層のいずれか一方にのみドーピングを行なう例が報告されているが、どちらの場合も、ドーピング対象とするＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の１層中では一様なドープを行なっている。このときのｐ型クラッド層の成長方法は、成長圧力が３００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）の減圧ＭＯＶＰＥ法を用いて、Ｃ面を主面に持つサファイア基板上に、基板温度が４００℃で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層を成長し、その後昇温して膜厚が１μｍのアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長する。続いて、基板温度を１０１０℃とし、超格子層を成長している。
【０００５】
このようにすると、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との間に歪みが生じて内部電界が発生することにより、Ｍｇのアクセプタ準位が浅くなるため、アクセプタの活性化率が向上して、ｐ型キャリア濃度（正孔濃度）が増大するので、レーザ素子の閾値電流の低減に有利となる。
【０００６】
次に、第２の従来例（特開平８−９７４７１号公報）には、ニッケル（Ｎｉ）からなる電極と接触し、高濃度にドープされたｐ型ＧａＮからなる第１コンタクト層を開示している。この第１コンタクト層は、膜厚を５０ｎｍとし、Ｍｇの濃度を１×１０20ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3としている。この構成により、コンタクト抵抗が低減されると共に、キャリア濃度を高くして素子の動作電圧が低減されるということを述べている。
【０００７】
第２の従来においては、第１コンタクト層に対してＭｇのドーピング濃度を高くし過ぎると、ホール濃度が却って小さくなってしまう現象が生じるため、第１コンタクト層の電極と反対側に該第１コンタクト層よりもＭｇの濃度が小さいｐ型ＧａＮからなる第２コンタクト層を設けている。また、第２コンタクト層のＭｇの濃度は、ホール濃度を高めるために１×１０19ｃｍ-3〜５×１０20ｃｍ-3の範囲でドーピングすることが望ましいとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例は、ｐ型クラッド層に超格子構造を用いているものの、その低抵抗化は不十分である。また、第２の従来例は、ｐ型コンタクト層の上部にｐ型ドーパントを高濃度にドープしているものの、逆にホール濃度が低下するという問題を有している。
【０００９】
また、従来のドーピング法では、急峻な不純物プロファイルを得ることが困難である。特に、活性層の上にｐ型キャップ層を設けるような場合には、活性層へのｐ型ドーパントの拡散を抑制するため、とりわけ急峻な不純物プロファイルを必要とされる。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、窒化物半導体のｐ型不純物濃度をドーピング量を増大させることなく高めることにより低抵抗化を図ると共に急峻なｐ型不純物プロファイルを得られるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、III 族窒化物からなる第１の半導体層と、第１の半導体層と異なる組成の他のIII 族窒化物からなる第２の半導体層とを接合させることにより、第１の半導体層と第２の半導体層とのヘテロ接合界面の近傍領域に、ｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させる、すなわち偏析させる構成とする。
【００１２】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体の製造方法は、基板の上に、第１のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層を成長する第１の工程と、第１の半導体層の上に、第１のIII 族源と異なるIII 族元素を含む第２のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１の半導体層の上に第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層を成長する第２の工程とを備え、第１の工程及び第２の工程のうちの少なくとも１つは基板上にｐ型ドーパントを供給する工程を含み、第１の半導体層と第２の半導体層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大するように成長する。
【００１３】
本発明の窒化物半導体の製造方法によると、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層と該第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層との界面の近傍領域においてｐ型ドーパントの濃度が局所的に且つ従来よりも増大するように成長する。このため、第１の半導体層及び第２の半導体層からなる積層体を形成すれば、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度が従来よりも増大するので、低抵抗化を実現できると共に積層体のみが高不純物濃度を有する急峻なｐ型不純物プロファイルを達成することができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１のIII 族源がガリウムを含み、第２のIII 族源がアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。このようにすると、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度を従来よりも確実に増大させることができるようにうなる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１のIII 族源はガリウムからなり、第２のIII 族源はガリウムとアルミニウム又はインジウムとを含むことが好ましい。このようにすると、積層体におけるｐ型ドーパントの濃度を従来よりも確実に増大させることができるようになる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の工程及び第２の工程が共にｐ型ドーパントを供給する場合に、各ｐ型ドーパントの供給量はほぼ同等であることが好ましい。このようにｐ型ドーパントの一様ドープを行なっても、第１の半導体層と第２の半導体層との界面近傍にはｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させることができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の工程及び第２の工程におけるｐ型ドーパントの供給量は異なることが好ましい。このようにｐ型ドーパントの選択ドープを行なっても、第１の半導体層と第２の半導体層との界面近傍にｐ型ドーパントの濃度を局所的に増大させることができる。
【００１８】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第１の半導体層の成長時にｐ型ドーパントを供給する場合に、ｐ型ドーパントを第１の半導体層を成長するよりも前に供給し始めることが好ましい。また、第２の窒化物半導体の製造方法において、第２の半導体層の成長時にｐ型ドーパントを供給する場合に、ｐ型ドーパントを第２の半導体層を成長するよりも前に供給し始めることが好ましい。このようにすると、成長中の半導体層に導入されるｐ型ドーパントの半導体の成長面への到達に遅れが生じないため、吸収な不純物プロファイルを確実に達成することができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、ｐ型ドーパントの濃度のピークは第２の半導体層中に位置する。
【００２０】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第２のIII 族源は複数のIII 族元素を含み、第２の半導体層における複数のIII 族元素のうち組成比が小さい元素の濃度のピーク位置とｐ型ドーパントのピーク位置とは互いに異なる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、ｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。このようにすると、ｐ型ドーパントの有効アクセプタ濃度を大きくすることができる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、第２の半導体層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。このようにすると、ｐ型ドーパントのピーク位置を第２の半導体層中に取り込むことができる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法は、基板の上に、第１の窒化物半導体からなる活性層を成長する第１の工程と、活性層の上に、第２の窒化物半導体からなり活性層を保護するｐ型キャップ層を成長する第２の工程と、ｐ型キャップ層の上に第３の窒化物半導体層からなるｐ型クラッド層を成長する第３の工程と、ｐ型クラッド層の上に第４の窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層を成長する第４の工程とを備え、第２の工程、第３の工程及び第４の工程のうちの少なくとも１つは、第１のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、第１のIII 族窒化物からなる一の層を成長する工程と、一の層の上に、第１のIII 族源と異なるIII 族元素を含む第２のIII 族源及び窒素を含むＶ族源を供給することにより、一の層の上に第２のIII 族窒化物からなる他の層を成長する工程とを有し、一の層を成長する工程及び他の層を成長する工程の少なくとも１つは、基板上にｐ型ドーパントを供給する工程を含み、一の層と他の層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大するように成長する。
【００２４】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法によると、窒化物半導体素子におけるｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の少なくとも１つに、本発明の窒化物半導体の製造方法を用いているため、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層のうちの少なくとも１つの低抵抗化及び不純物プロファイルの急峻化を実現できる。
【００２５】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、第１のIII 族源がガリウムを含み、第２のIII 族源がアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。
【００２６】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、一の層又は他の層を成長する工程よりも前に、ｐ型ドーパントを供給し始めることが好ましい。
【００２７】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、ｐ型キャップ層又はｐ型クラッド層のｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２８】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、他の層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法において、ｐ型コンタクト層がインジウムを含み、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ドーパントの濃度が、ｐ型コンタクト層の表面から漸減し且つ上面からの深さが約１０ｎｍの位置で約３×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３０】
本発明に係る窒化物半導体素子は、基板の上に形成された第１の窒化物半導体からなる活性層と、活性層の上に形成された第２の窒化物半導体からなるｐ型キャップ層と、ｐ型キャップ層の上に形成された第３の窒化物半導体層からなるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の上に形成された第４の窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層とを備え、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層のうちの少なくとも１つは、第１のIII 族窒化物からなる一の層と該一の層の上に形成され且つ第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる他の層とが積層されてなり、他の層における一の層との界面の近傍領域は、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大している。
【００３１】
本発明の窒化物半導体素子において、第１のIII 族窒化物はガリウムを含み、第２のIII 族窒化物はアルミニウム又はインジウムを含むことが好ましい。このようにすると、青紫色等の短波長のレーザ光を発振可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３２】
本発明の窒化物半導体素子において、ｐ型キャップ層又はｐ型クラッド層のｐ型ドーパントの濃度が約３×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。。
【００３３】
本発明の窒化物半導体素子において、他の層の厚さが約１．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
本発明の窒化物半導体素子において、ｐ型コンタクト層における他の層がインジウムを含み、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ドーパントの濃度が、ｐ型コンタクト層の表面から漸減し且つ上面からの深さが約１０ｎｍの位置で約３×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３５】
なお、第６１回応用物理学会学術講演会、講演予稿集 3a-Y-30, (2000/9)には、膜厚が２．５ｎｍのＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層と膜厚が２．５ｎｍのＧａＮ層とからなる、周期が５ｎｍの歪み超格子(strained-layer-superlattices：SLSs)層が記載されており、ｐ型ドーパントであるＭｇは、濃度が７×１０19ｃｍ-3でＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とに一様ドープされている。二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry：SIMS）を用いた分析によると、極めて短い周期ながら、障壁層であるＡｌＧａＮ層にＭｇが選択的に取り込まれる現象が見られる。但し、ここでは、基板の深さ方向の分解能が十分ではなく、Ｍｇがヘテロ界面の近傍に偏析しているか否かを判別することは不可能である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示している。ここでは、半導体レーザ素子の構成をその製造プロセスと同時に説明する。結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用い、その成長圧力は減圧下でも、大気圧下でも、また大気圧（１ａｔｍ）以上の加圧下でも良い。さらには、半導体層ごとに最適な圧力に切りかえても良い。原料を基板上に供給するためのキャリアガスは少なくとも窒素又は水素等の不活性ガスとする。
【００３８】
まず、図１に示すように、成長温度を５００℃程度とし、例えばサファイアからなる基板１１の主面上に、Ｖ族源であるアンモニア（ＮＨ3 ）とIII 族源であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを供給して、厚さが約２０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２を成長する。
【００３９】
次に、成長温度を１０２０℃程度にまで昇温した後、ＮＨ3 とＴＭＧとを供給して、バッファ層１２の上に厚さが約１μｍのＧａＮからなる下地層１３を成長する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて、下地層１３の上に、それぞれの幅が約３μｍで且つ互いに約１２μｍの間隔をおいて平行に延びるレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして下地層１３に対してドライエッチングを行なうことにより、下地層１３の上部に、複数のリセス部１３ａと該リセス部１３ａ同士に挟まれた領域からなる複数のストライプ状の凸部１３ｂを形成する。続いて、例えばＥＣＲスパッタ法を用いて、リセス部１３ａが形成された下地層１３の上にレジストパターン及び凸部１３ｂを含む全面にわたって、窒化シリコン（ＳｉＮx ）からなるマスク膜１４を堆積する。その後、レジストパターンをリフトオフして凸部１３ｂ上のマスク膜１４を除去することにより、該凸部１３ｂの上面を露出する。
【００４０】
次に、再度、ＭＯＶＰＥ法により、成長温度を１０００℃程度とし、ＮＨ3 とＴＭＧとを供給して、下地層１３の凸部１３ｂの露出面を種結晶として厚さが約３μｍのＧａＮからなる選択成長層１５を成長する。
【００４１】
次に、成長温度を１０００℃程度とし、ＮＨ3 、ＴＭＧ及び例えばシリコン（Ｓｉ）を含むｎ型ドーパントを供給して、選択成長層１５の上に厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６を成長する。
【００４２】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びｎ型ドーパントを供給して、ｎ型コンタクト層１６の上に厚さが約０．７μｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ）からなるｎ型クラッド層１７を成長する。
【００４３】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びｎ型ドーパントを供給して、ｎ型クラッド層１７の上に厚さが約１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１８を成長する。
【００４４】
次に、成長温度を８１０℃程度に降温した後、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、ｎ型光ガイド層１８の上に厚さが約３ｎｍの窒化インジウムガリウム（Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ）からなる井戸層と、ＴＭＩのみ供給を止めて、井戸層の上に厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長して多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１９を形成する。
【００４５】
次に、成長温度を１０２０℃程度に昇温しながら、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びｐ型ドーパントのマグネシウム（Ｍｇ）を含むビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を供給することにより、図２（ａ）に示すように、活性層１９の上に、厚さが約２．５ｎｍのＧａＮからなる第１層（井戸層）２０ａと、III 族源にＴＭＡを追加して厚さが約２．５ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる第２層（バリア層）２０ｂとを１周期とする４周期分の半導体層を成長して厚さが約２０ｎｍのｐ型超格子キャップ層２０を形成する。
【００４６】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給して、ｐ型超格子キャップ層２０の上に、厚さが約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層２１を成長する。
【００４７】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給することにより、ｐ型光ガイド層２１の上に、厚さが約２．５ｎｍのＧａＮからなる第１層（井戸層）と、III 族源にＴＭＡを追加して厚さが約２．５ｎｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎからなる第２層（バリア層）とを１周期とする１４０周期分の半導体層を成長して厚さが約０．７μｍのｐ型超格子クラッド層２２を形成する。
【００４８】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給して、ｐ型超格子クラッド層２２の上に、厚さが約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型第２コンタクト層２３を成長する。
【００４９】
次に、ＮＨ3 、ＴＭＧ及びＣｐ2 Ｍｇを供給することにより、図２（ｂ）に示すように、ｐ型第２コンタクト層２３の上に、厚さが約２．５ｎｍ〜３ｎｍのＧａＮからなる第１層（バリア層）２４ａと、III 族源にＴＭＩを追加して厚さが約２．５ｎｍ〜３ｎｍのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第２層（井戸層）２４ｂとを１周期とする２周期分の半導体層を成長して厚さが約１０ｎｍ〜１２ｎｍの超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４を形成する。
【００５０】
以上のようにして、半導体レーザ素子を構成するエピタキシャル層を得ることができる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、超格子層におけるｐ型ドーパントのドーピングを、第１層及び第２層の成長時に一様にドーピングを行なっている。すなわち、Ｃｐ2 Ｍｇの供給量を一定としているが、第１層及び第２層で供給量を変える、いわゆる変調ドープを行なっても良く、さらにはいずれか一方の半導体層にのみ行なう、いわゆる選択ドープを行なっても良い。このように一様ドープでない場合でも、アルミニウム又はインジウムを含む層における基板側（成長開始側）の界面近傍にｐ型ドーパントの濃度が増大する。但し、選択ドープの場合であっても、アルミニウム又はインジウムを含む層に対してドーピングを行なう方が好ましい。
【００５２】
次に、エピタキシャル層におけるストライプ状の共振器形成領域をマスクして、該エピタキシャル層に対してｎ型コンタクト層１６を露出するようにエッチングを行なう。さらに、共振器形成領域におけるｐ型超格子クラッド層２２、ｐ型第２コンタクト層２３及びｐ型第１コンタクト層２４に対してエッチングを行なうことにより、共振器形成領域の上部に電流注入領域となるリッジ部３０を形成する。ここで、リッジ部３０は、共振器形成領域における下地層１３の凸部１３ｂの上方の領域から外れた位置に設けることが好ましい。このようにすると、選択成長層１５における結晶転位の影響を受けにくくなり、ＭＱＷ活性層１９等における結晶品位が優れた領域に電流が注入されるようになる。
【００５３】
続いて、ｐ型第１コンタクト層２４の上面の電極とのコンタクト部及びｎ型コンタクト層１６の上面の電極とのコンタクト部をそれぞれマスクし、その後ＣＶＤ法等により、リッジ部３０及び共振器形成領域の露出面上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からなる保護絶縁膜２５を堆積する。ここで、リッジ部３０のストライプ幅を３μｍ〜５μｍ程度としている。
【００５４】
次に、保護絶縁膜２５におけるリッジ部３０上の開口部を充填し且つリッジ部３０のｐ側面を覆うように、例えば蒸着法等を用いてニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなるｐ側電極２６を形成する。続いて、保護絶縁膜２５におけるｎ型コンタクト層１６上の開口部を充填するように、蒸着法等を用いてチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層体からなるｎ側電極２７を形成する。
【００５５】
なお、本実施形態においては、ｐ型超格子キャップ層２０、ｐ型超格子クラッド層２２及びｐ型第１コンタクト層２４をそれぞれ超格子構造とすることにより、ｐ型半導体層の低抵抗化とｐ型ドーパントの急峻な不純物プロファイルとを得ているが、これら３層のうちの少なくとも１層に本発明に係る超格子構造を用いても良い。
【００５６】
このようにして得られた半導体レーザ素子に対して、ｐ側電極２６とｎ側電極２７との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１９に向かってｐ側電極２６から正孔が注入されると共にｎ側電極２７から電子が注入される。これにより、ＭＱＷ活性層１９において、正孔と電子との再結合により光学利得を生じて約４０４ｎｍの波長を持つレーザ発振を起こす。
【００５７】
以下、ｐ型超格子キャップ層２０、ｐ型超格子クラッド層２２及びｐ型第１コンタクト層２４に、本発明の超格子構造を用いることの有効性について説明する。
【００５８】
まず、ｐ型超格子キャップ層２０及びｐ型超格子クラッド層２２を説明する。
【００５９】
図３（ａ）はＧａＮからなる第１層２０ａとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる第２層２０ｂとの４周期分からなるｐ型超格子キャップ層２０に含まれるＭｇの基板の深さ方向への不純物プロファイルをＳＩＭＳ法により測定した結果を示している。各半導体層の成長プロセスはグラフの横軸の右側から左側に向かって進行する。また、ここでは、Ａｌを含む第２層２０ｂにのみｐ型ドーパントを含むＣｐ2 Ｍｇを供給する選択ドープとしている。
【００６０】
図３（ａ）に示すように、Ａｌを含む第２層２０ｂにおける基板側に位置するＡｌを含まない第１層２０ａとの界面近傍にＭｇの濃度が増大している。このことから、Ａｌを含む第２層２０ｂに対してＭｇの選択的なドーピングが可能となることが分かる。このように、超格子構造を採りＡｌＧａＮからなる第２層２０ｂ内に基板の表面に向かって漸減するＭｇの濃度勾配が形成される。その上、図３（ａ）に示すように、第２層２０ｂにおけるＭｇの濃度の最低値でも、従来の方法による不純物濃度と同程度の値が確保されている。
【００６１】
このように、本願発明者らは、Ｃｐ2 Ｍｇの単位時間当たりの供給量を一定値としているにも拘わらず、ヘテロ界面を形成するだけで界面近傍にＭｇの濃度勾配が生じる現象を見い出した。
【００６２】
ところで、第２層２０ｂにおけるＭｇの濃度のピークは、第２層２０ｂにおける基板側で接合する第１層２０ａとの界面から１．５ｎｍ程度に間隔おいた位置にあることを確認している。従って、第２層２０ｂはその厚みを少なくとも１．５ｎｍとすると、不純物濃度のピーク位置を第２層２０ｂに確実に取り込むことができるため好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、ｐ型ドーパントであるＭｇのドーピングは、ｐ型超格子キャップ層２０よりも深い領域、すなわち下層の半導体層から開始することが好ましい。それは、ｐ型超格子キャップ層２０の成長と同時にＭｇのドーピングを始めたのでは、Ｍｇの原料であるＣｐ2 Ｍｇが基板上に速やかに供給されずにドーピングに遅れが生じてしまい、所望の不純物プロファイルを達成しにくいからである。
【００６４】
図３（ｂ）は第１層２０ａ及び第２層２０ｂの双方にｐ型ドーパントを一様にドープした場合のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示している。図３（ｂ）に示すように、一様ドープであっても、第２層２０ｂにおける基板側に位置する第１層２０ａとの界面近傍でｐ型ドーパントであるＭｇの濃度が増大してその界面近傍に偏析する。なお、図３（ｂ）に示す超格子半導体層は測定用であって、第１層２０ａ及び第２層２０ｂを１周期とする８周期分で構成している。
【００６５】
ｐ型超格子クラッド層２２についても同様に、Ａｌを含む第２層における基板側に位置するＡｌを含まない第１層との界面近傍でｐ型ドーパントの濃度が増大することを確認している。
【００６６】
次に、超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４の有効性を説明する。
【００６７】
図４はＧａＮからなる第１層２４ａとＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第２層２４ｂとの超格子構造を持つｐ型第１コンタクト層２４に含まれるＭｇの基板の深さ方向への不純物プロファイルをＳＩＭＳ法により測定した結果を示している。図４からは、第２層２４ｂにおける基板側に位置する第１層２４ａとの界面近傍でｐ型ドーパントであるＭｇの濃度が増大してその界面近傍に偏析していることが分かる。これにより、有効アクセプタ濃度が大きく増大する。なお、図４に示す超格子半導体層も測定用であって、第１層２４ａ及び第２層２４ｂを１周期とする４周期分で構成している。
【００６８】
（実施形態の一変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。本変形例に係る第１コンタクト層２４は、厚さが約１０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＮからなる単層により構成する。
【００６９】
図５（ａ）はＳＩＭＳ法により求めた単層からなるｐ型第１コンタクト層とｐ型第２コンタクト層とのＭｇの濃度と、種々の測定周波数を用いてＣ−Ｖ（capacitance-voltage）測定法により求めた有効アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）の基板の深さ方向の濃度プロファイルとを示している。
【００７０】
図５（ａ）に示すように、ｐ型第１コンタクト層に単層のｐ型ＩｎＧａＮを用いた場合には、Ｃｐ2 Ｍｇの供給量を変えない一様ドープとしても、ｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍の領域でＭｇの濃度が上に凸状に急激に増大する。その上、ｐ型第１コンタクト層の表面近傍の５ｎｍ程度の領域においても、Ｍｇの濃度が急激に増大する。これにより、有効アクセプタ濃度は、表面近傍の約５ｎｍの領域内において大きく増大し、また、深さ位置が表面から５ｎｍ〜１０ｎｍの領域においても従来の方法と比べて若干増大しており、改善がみられる。
【００７１】
ここで、比較用として図５（ｂ）に、従来の方法による厚さが約１０ｎｍのｐ+ −ＧａＮからなるｐ型第１コンタクト層とｐ−ＧａＮからなるｐ型第２コンタクト層とのＭｇの濃度及び有効アクセプタ濃度の基板の深さ方向の濃度プロファイルを示す。
【００７２】
図５（ｂ）に示す製造プロセスにおいては、ｐ型第２コンタクト層の成長時にはＣｐ2 Ｍｇの供給量を４０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per mitute）とし、ｐ型第１コンタクト層の成長時にはＣｐ2 Ｍｇの供給量を約７倍の２７０ｓｃｃｍに増加させている。それにも拘わらず、ｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍、すなわち基板表面からの５ｎｍ〜１０ｎｍの領域においては、Ｍｇの濃度に急激に増大する兆候は見られず、単調に増加しているに過ぎない。但し、基板表面から５ｎｍ以内の領域においてＭｇの濃度は急激に増大している。従って、有効アクセプタ濃度は表面近傍の５ｎｍまでの域領に限り増大させることができる。
【００７３】
このように、ｐ型第１コンタクト層の成長時にのみＣｐ2 Ｍｇの供給量を増やすという従来の方法は、ｐ型第１コンタクト層にドープされるＭｇの濃度をｐ型第１コンタクト層におけるｐ型第２コンタクト層との界面近傍において急激に増大させることは不可能である。
【００７４】
なお、本願発明者らは、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層のいずれにおいても、Ｍｇのドーピング濃度は３×１０19ｃｍ-3の濃度を超えると、Ｍｇが半導体結晶中のガリウムや窒素等の本来の格子位置に置換されず、アクセプタとしての活性化率が低下するという知見を得ている。
【００７５】
従って、ｐ型超格子キャップ層２０及びｐ型超格子クラッド層２２においては、レーザ素子に注入されるキャリアが、アクセプタの活性化率の低下に起因する欠陥等の非発光中心における損失を回避するために、Ｍｇのドーピング濃度を３×１０19ｃｍ-3以下とすることが好ましい。
【００７６】
一方、ｐ型第１コンタクト層は電極用の金属材料との接触抵抗を下げることの方が重要であり、Ｍｇの濃度の上限はない。
【００７７】
また、ヘテロ接合界面によるｐ型ドーパントの濃度増大の効果は、III 族窒化物半導体の全般にわたって成り立つ。従って、アルミニウム、ガリウム及びインジウムに限られず、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）からなる半導体との間でヘテロ接合界面を持っても良い。
【００７８】
また、ｐ型ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）に限られず、代わりに、亜鉛（Ｚｎ）又はカルシウム（Ｃａ）等を用いても良い。
【００７９】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子は、下地層１３に設けたリセス部１３ａ同士の間に形成されるストライプ状の凸部１３ｂの上に選択的横方向成長（ＥＬＯＧ）法により成長した選択成長層１５を設けているが、下地層１３及び選択成長層１５は本発明に必須ではない。しかしながら、このＥＬＯＧ法を用いることにより、選択成長層１５上に成長するｎ型コンタクト層１６から上に成長する各半導体層の結晶性を極めて良好とすることができる。
【００８０】
また、窒化物半導体の成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限られず、ハイドライド気相成長（Ｈ−ＶＰＥ）法又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の窒化物半導体を成長可能な方法であればすべての方法に適用できる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体の製造方法によると、第１のIII 族窒化物からなる第１の半導体層と該第１のIII 族窒化物と異なる第２のIII 族窒化物からなる第２の半導体層との積層体におけるヘテロ接合界面の近傍の領域で、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に且つ従来よりも増大するように成長する。このため、ヘテロ接合界面近傍においてｐ型ドーパントの濃度が従来よりも増大するので、低抵抗化を実現できると共に積層体のみが高不純物濃度を有する急峻なｐ型不純物プロファイルを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型超格子キャップ層を示す構成断面図である。
（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層を示す構成断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型超格子キャップ層のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示し、（ａ）は選択ドープによるグラフであり、（ｂ）は一様ドープによるグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層のＳＩＭＳ法による不純物プロファイルを示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は窒化物半導体レーザ素子におけるｐ型第１コンタクト層及びｐ型第２コンタクト層の濃度プロファイルを示し、（ａ）は本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子を示すグラフであり、（ｂ）は従来の半導体レーザ素子を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 下地層
１３ａ リセス部
１３ｂ 凸部
１４ マスク膜
１５ 選択成長層
１６ ｎ型コンタクト層
１７ ｎ型クラッド層
１８ ｎ型光ガイド層
１９ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０ ｐ型超格子キャップ層
２０ａ 第１層（井戸層）
２０ｂ 第２層（バリア層）
２１ ｐ型光ガイド層
２２ ｐ型超格子クラッド層
２３ ｐ型第２コンタクト層
２４ ｐ型第１コンタクト層
２４ａ 第１層（バリア層）
２４ｂ 第２層（井戸層）
２５ 保護絶縁膜
２６ ｐ側電極
２７ ｎ側電極
３０ リッジ部
Claims (6)
- 基板の上に形成された第１の窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に形成された第２の窒化物半導体からなるｐ型キャップ層と、
前記ｐ型キャップ層の上に形成された第３の窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に形成された第４の窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層とを備え、
前記ｐ型キャップ層は、ＧａＮからなる一の層と該一の層の上に形成され且つＡｌＧａＮからなる他の層とが積層されてなり、
前記他の層のｐ型ドーパントの濃度は、前記一の層のｐ型ドーパントの濃度よりも高く、
前記他の層における前記基板側に位置する前記一の層との界面の近傍領域では、ｐ型ドーパントの濃度が局所的に増大しており、
前記ｐ型キャップ層は、前記活性層と接していることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記ｐ型キャップ層のｐ型ドーパントの濃度は３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 前記他の層の厚さは１．５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 前記一の層は井戸層であり、前記他の層はバリア層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 前記一の層及び前記他の層はそれぞれ複数層からなり、前記各一の層と前記各他の層とはそれぞれ交互に繰り返して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 前記活性層は、井戸層とバリア層とを有する多重量子井戸活性層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
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