JP3898537B2 - 窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子に関し、より詳細には、ｐ型窒化物半導体と電極間の接触抵抗および注入キャリアの非発光表面再結合による損失を低減させた、低消費電力、又は／及び、レーザ発振閾値の低い窒化物半導体発光素子およびそのための窒化物半導体の薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、III 族元素であるＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎのうち少なくとも一つの元素と、窒素との化合物であり、ＢＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，あるいは、ＡｌＩｎＧａＮ等の種類があり、これらの窒化物半導体は、可視光領域から近紫外領域の短波長帯の発光材料として、近年盛んに研究および技術開発が行われている。
【０００３】
窒化物半導体薄膜を用いた発光ダイオードからは橙色から紫外領域の発光が得られ、これらの窒化物半導体薄膜を用いた発光ダイオードに関しては、例えば、１９９６年発行の応用物理第６５巻第７号６７６ページで中村修二が解説している。
【０００４】
一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザ（以後、「窒化物半導体レーザ」という）では、４５０ｎｍから３７０ｎｍ前後の発振波長で室温連続発振が達成されており、窒化物半導体レーザに関しては、例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３６（１９９７）ｐｐ．５３９３で、Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ等による解説がある。また、ドライエッチングによりメサストライプを形成した窒化物半導体レーザも作製されており、この窒化物半導体レーザについては、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．Ｌ７４で、Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ等が報告している。
【０００５】
図１０は、ドライエッチングによりメサストライプを形成した窒化物半導体レーザの構成例を説明するための図で、図１０（ａ）は窒化物半導体レーザの平面図で、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＩ−Ｉ´部分の断面を示している。
【０００６】
この窒化物半導体レーザでは、サファイア基板１００上に形成したｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）層１０１の上に、ｎ型の窒化物半導体多層膜１０２と、ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層１０３と、ｐ型の窒化物半導体多層膜１０４とを積層させてレーザ多層構造薄膜を形成し、これを反応性イオンエッチングでメサ構造とした後にｐ型電極１０５とｎ型電極１０６とを形成してレーザを構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
現在、ｐ型の窒化物半導体を得るためには、一般的にはＭｇがドーパントとして用いられている。しかしながら、現在最も広く使用されている窒化物半導体結晶であるＧａＮの場合、ＧａＮ結晶中でのＭｇの活性化エネルギは２００ｍｅＶ程度であり室温の熱エネルギに比べて非常に大きいため、〜１０１７ｃｍ−３程度のホール濃度しか得られていない。さらに、ＧａＮ結晶はバンドギャップが大きく、良好なオーミック接触を得るのに適した仕事関数を有する適当な金属材料もない。これらの理由により、ｐ型ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）と電極との接触抵抗は他の半導体の場合に比べて桁違いに大きくなり、窒化物半導体を用いた発光素子の特性を向上させる障害となっているという問題があった。
【０００８】
また、図１０に示す構成のレーザの場合、メサは、サファイア基板１００とｎ−ＧａＮ層１０１との界面近傍に存在するバッファ層領域にまで達しているため、横方向（サファイヤ基板１００に平行で共振器に垂直な方向）の光閉じこめが非常に強いという特長がある。しかしながら、活性層であるＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層１０３の端面が露出しているため、電極１０５、１０６からＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層１０３に注入されたキャリアがＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層１０３の端面で非発光的に表面再結合しやすく、その結果、レーザ発振閾値や動作時消費電力が高くなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述したような、窒化物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子で問題となっているｐ型窒化物半導体と電極との間の接触抵抗がデバイス特性に与える悪影響を軽減する手法、および、窒化物半導体レーザで問題となっている注入キャリアの非発光表面再結合による内部量子効率の損失を抑制する手法を提案し、上記の２つの問題点を同時に解決可能な窒化物半導体発光素子およびそのための薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１−１００］方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、該開口部領域に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１１−２ｘ｝（ｘ＝０，１，２）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１１−２０］方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１１−２０］方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、該開口部領域に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１−１０ｘ｝（ｘ＝０，１）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１−１００］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１１−２ｘ｝（ｘ＝０，１，２）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１１−２０］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１１−２０］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１−１０ｘ｝（ｘ＝０，１）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、窒化物半導体発光素子であって、基板の主面上に、ｎ型クラッド層とｎ型光ガイド層と活性層とｐ型ガイド層とｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、前記ｐ型コンタクト層が、請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜の薄膜形成方法によって形成された窒化物半導体薄膜により構成された電流狭窄型のｐ型コンタクト層であることを特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の発明は、屈折率導波型の窒化物半導体レーザであって、基板の主面上に、ｎ型クラッド層とｎ型光ガイド層と活性層とｐ型ガイド層とｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、前記ｐ型コンタクト層と前記ｐ型クラッド層の何れもが、請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成されており、前記ｐ型コンタクト層は、電流狭窄型のｐ型コンタクト層であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程の第１の例の一部の工程を説明するための図で、図１（ａ）はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´部分の断面を示している。
【００１８】
この窒化物半導体発光素子は、基板上に、（０００１）面を主面とする窒化物半導体薄膜を選択成長させて形成する。ここで、基板としては、窒化物半導体、サファイア、窒化珪素（ＳｉＣ）、シリコン、ガリウム砒素などを用いることができる。
【００１９】
先ず、基板１０と選択成長させる窒化物半導体薄膜との結晶方位の関係を鑑みて、窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行となるストライプ状の開口部１２を有するマスク材１３を基板１０の主面に形成し、さらに、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を原料の一つとして含む成長ガスを用いて有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の気相成長法により、Ｍｇをドーピングしながら基板１０の主面に形成したマスク材１３の開口部１２内に窒化物半導体薄膜１１を選択成長させる。このとき、窒化物半導体薄膜１１の側面が｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）となるように、結晶面相互の結晶学的関係および結晶成長条件を適切に選択する。
【００２０】
なお、本明細書全体をとおして、結晶面指数は、例えば、
【００２１】
【外１】
Figure 0003898537
【００２２】
（エイチ、ケイ、アイ・バー、エル）を、{ｈｋ−ｉｌ}（エイチ、ケイ、マイナス・アイ、エル）のように表示する。
【００２５】
このようにして得られる窒化物半導体薄膜１１は、（０００１）面が成長することによって形成された部分１４（第１の窒化物半導体結晶部分）と、｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分１５（第２の窒化物半導体結晶部分）とから構成され、これらの結晶表面では、各々の表面構造の違いによりドーパントであるＭｇの付着確率すなわち取り込み効率が異なる。この図において、符号１６は、第１の窒化物半導体結晶部分の（０００１）面を意味し、符号１７は、第２の窒化物半導体結晶部分の{１１−２ｘ}（ｘ＝０，１，２）ファセット面を示している。また、以下に説明する図面中ではわざわざ符号を付すことはしないが、（０００１）面が成長することによって形成された部分である第１の窒化物半導体結晶部分の（０００１）面と、ファセットが成長することによって形成された部分である第２の窒化物半導体結晶部分のファセット面も、図１に示したのと同様に図示されている。
【００２６】
本発明で用いたＭＯＶＰＥの典型的な結晶成長条件下では、（０００１）面のＭｇ取り込み効率の方が｛１１−２ｘ｝ファセット面のＭｇ取り込み効率に比較して大きいため、窒化物半導体薄膜１１中のＭｇ含有量は、（０００１）面が成長することによって形成された部分１４の方が、｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分１５よりも遥かに多くなり、その結果、（０００１）面が成長することによって形成された部分１４の方が｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分１５よりもバルク抵抗が低くなる。
【００２７】
このようにして形成した窒化物半導体薄膜１１の（０００１）面上にｐ型電極を形成して窒化物半導体発光素子のｐ型コンタクト層として使用すれば、窒化物半導体薄膜１１を流れる電流はバルク抵抗の低い領域である（０００１）面が成長することによって形成された部分１４を選択的に流れることとなり、バルク抵抗の大きな領域である｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分１５は電流を絞り込む役割をする電流狭窄層として機能することとなる。従って、この電流狭窄層の存在によりｐ型電極の面積を従来の窒化物半導体発光素子よりも広くすることができるため窒化物半導体とｐ型電極との間の接触抵抗を低く抑えることが可能となり、発光素子動作に伴う消費電力を低減することができる。
【００２８】
図２は、本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程の第２の例の一部の工程を説明するための図で、図２（ａ）はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ´部分の断面を示している。
【００２９】
この窒化物半導体発光素子は、基板上に、（０００１）面を主面とする下地層として作用する第１の窒化物半導体薄膜を予め部分的に形成し、この上に、第２の窒化物半導体薄膜を選択成長により形成する。ここで、基板としては、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ガリウム砒素などを用いることができる。
【００３０】
先ず、基板２０上に予め形成した第１の窒化物半導体薄膜を、その［１−１００］方向に平行なストライプ状にエッチングにより加工して、ストライプ状窒化物半導体薄膜２２を形成する。
【００３１】
さらに、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を原料の一つとして含む成長ガスを用いてＭＯＶＰＥ法等の気相成長法により、Ｍｇをドーピングしながら、ストライプ状窒化物半導体薄膜２２の主面である（０００１）面とエッチング端面に第２の窒化物半導体薄膜２１を選択成長させる。この時、第２の窒化物半導体薄膜２１の側面が｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）となるように、結晶面相互の結晶学的関係および結晶成長条件を適切に選択する。
【００３２】
この窒化物半導体薄膜２１は、（０００１）面が成長することによって形成された部分２３と、｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分２４とから構成され、既に説明した理由により、窒化物半導体薄膜２１中のＭｇ含有量は、（０００１）面が成長することによって形成された部分２３の方が、｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分２４よりも遥かに多くなる。その結果、（０００１）面が成長することによって形成された部分２３の方が｛１１−２ｘ｝ファセットが成長することによって形成された部分２４よりもバルク抵抗が低くなる。
【００３３】
このようにして形成した窒化物半導体薄膜２１の（０００１）面上にｐ型電極を形成して窒化物半導体発光素子の電流狭窄層として使用すれば、ｐ型電極の面積を従来の窒化物半導体発光素子よりも広くすることができるため窒化物半導体とｐ型電極との間の接触抵抗を低く抑えることが可能となり、発光素子動作に伴う消費電力を低減することができる。また、窒化物半導体層２１は、そのまま、屈折率導波型の窒化物レーザのクラッド層として用いることも可能である。
【００３４】
本発明の窒化物半導体発光素子およびその作製方法は図１および図２を用いて説明した内容に限定されるものではなく、いくつかのバリエーションが存在する。
【００３５】
例えば、上述のストライプ状のマスク材開口部１２やストライプ状に加工した第１の窒化物半導体薄膜２２の向きを、［１−１００］方向の代わりに［１１−２０］方向に設定することによっても全く同様の効果が得られる。この場合に得られる窒化物半導体薄膜は、｛１−１０ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１）を側面とし、かつ、このファセットの成長により形成された部分のＭｇ含有量の方が（０００１）面の成長により形成された部分のＭｇ含有量に比べて少ない膜となる。
【００３６】
さらに、マスク材の開口部１２の形状や第１の窒化物半導体薄膜２２を加工する形状をストライプ状にする代わりに、任意の辺が［１−１００］または［１１−２０］方向である多角形状にすることによっても全く同様の効果が得られる。
【００３７】
このように、本発明の窒化物半導体発光素子の作製方法によれば、ｐ型のドーパントであるＭｇを含有する窒化物半導体薄膜の選択成長を行う際に、結晶基板の主面上に形成するマスク材の開口部や種結晶となる第１の窒化物半導体薄膜を所定の形状や方向にすることにより、窒化物半導体薄膜内部のＭｇ含有量の空間的分布を自由に設計することが可能となる。
【００３８】
さらに、窒化物半導体薄膜をｐ型のコンタクト層および電流狭窄層として用いた発光ダイオードまたは半導体レーザや、窒化物半導体薄膜をｐ型のコンタクト層、光閉じこめ層および電流狭窄層として用いた半導体レーザを作製することとすれば、素子動作時の消費電力の低減化が図られる。
【００３９】
以下に、ＧａＮ系窒化物半導体についての実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を更に具体的かつ詳細に説明する。
（実施例１）
図３および図４は、基板としてＧａＮ結晶を用い、ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜をエピタキシャルに選択成長させる場合の、本発明の窒化物半導体発光素子の第１の作成実施例の一部の工程を説明するための図で、図３（ａ）および図４（ａ）はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図３（ｂ）および図４（ｂ）の各々は図３（ａ）および図４（ａ）のＣ−Ｃ´及びＤ−Ｄ´部分の断面を示している。
【００４０】
図３は、ＧａＮ結晶基板３０の主方位面（０００１）の表面にストライプ状の開口部３１を有するマスク材３２を形成した状態を表している。このマスク材３２は、スパッタ装置により蒸着した二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る。なお、本実施例では、マスク材３２の厚みは１００ｎｍとした。また、開口部３１は、フォトリソグラフィーと希フッ酸によるエッチングにより形成した。
【００４１】
図３に示したように、このストライプ状の開口部３１は、ＧａＮ結晶基板３０の〈１−１００〉方向に平行であり、開口部３１の幅は、０．１μｍから１０ｍｍの範囲で設定することができる。なお、結晶学では、〈１−１００〉方向に等価なすべての方向をまとめて［１−１００］方向と表記し、本明細書全体をとおしてこの表記法に則って表記してある。
【００４２】
図３に示した状態の試料をＭＯＶＰＥ装置に挿入し、水素をキャリアガスとし、アンモニア、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、および、Ｍｇ化合物であるシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を原料として用いて、マスク材の開口部３１の内側に露出したＧａＮ結晶基板３０の主方位面（０００１）上に、ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜をエピタキシャルに選択成長した。
【００４３】
水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、０．１〜１００ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）の範囲で設定できる。また、ＴＭＧガスの流量は０．０１〜１０ＳＣＣＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ ＣｕｂｉｃＣｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）の範囲で設定可能であり、Ｃｐ２Ｍｇガスの流量はＴＭＧガスの流量の百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は８００〜１２００℃の範囲で設定可能である。なお、ＧａＮ薄膜の厚さは、０．１〜１０μｍ程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【００４４】
図４は、このようにして選択成長させたＭｇドープＧａＮ薄膜の様子を説明するための図で、ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜４１の端部側面は｛１１−２０｝ファセットになっていた。この薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で観察したところ、コントラストの明るい部分４２と暗い部分４３とが観察され、コントラストの明るい部分４２は（０００１）面が成長することによって形成された部分であり、コントラストの暗い部分４３は｛１１−２０｝ファセットが成長することによって形成された部分に相当していた。
【００４５】
既に説明したように、これらの結晶表面では、表面構造の違いによりドーパントであるＭｇの付着確率すなわち取り込み効率が異なる。一方、ＳＥＭ像のコントラストの相違は、ＧａＮ薄膜中のキャリア濃度（本実施例の場合、ホール濃度）の差によるものである。すなわち、コントラストの明るい部分４２はホール濃度が高く低抵抗でＭｇ濃度が高いと考えられ、コントラストの暗い部分４３はホール濃度が低く高抵抗でＭｇ濃度が低いと考えられる。そこで、これらの部分４２と４３におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ：Ｃａｔｈｏｄ Ｌｉｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定を行なうことにより、ＳＥＭ像のコントラストとＭｇ濃度との相関関係を調べた。
【００４６】
図５は、ＳＥＭ像のコントラストの明るい部分とコントラストの暗い部分とから得られたＣＬスペクトルを示す図で、これらのスペクトルのうち、スペクトル５０はコントラストの明るい部分から得られたＣＬスペクトルに対応し、スペクトル５１はコントラストの暗い部分から得られたＣＬスペクトルに対応する。
【００４７】
この図から判るように、コントラストの明るい部分から得られたＣＬスペクトル５０には、Ｍｇが適切な濃度でドーピングされた低抵抗ｐ−ＧａＮに特徴的な４５０ｎｍ付近の青色発光部分が観察されている。一方、コントラストの暗い部分から得られたＣＬスペクトル５１は、Ｍｇ濃度が非常に薄い高抵抗ＧａＮに特徴的な形をしている。さらに、マイクロオージェスペクトロスコピー（μ−ＡＥＳ）測定により、コントラストの明るい部分のＭｇ含有濃度はコントラストの暗い部分より２桁以上高いことが確認された。これらの結果から、コントラストの明るい部分はＭｇ濃度が高いｐ型低抵抗領域であり、コントラストの暗い部分はＭｇ濃度が低い高抵抗領域であると考えられる。
また、このようなｐ型低抵抗部分と高抵抗部分とが隣り合って存在する構造は、電流狭窄型のｐ型コンタクト層として用いることが可能であった。
【００４８】
（実施例２）
本実施例においては、実施例１におけるストライプ状のマスク開口部３１の方向をＧａＮ結晶基板の〈１１−２０〉方向に平行にして結晶成長を行なった。その他の工程・条件は、実施例１と全く同様とし、ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜の端部を｛１−１００｝ファセットとした。
【００４９】
ＧａＮ結晶の｛１−１００｝面は（０００１）面に比べてＭｇの取り込み効率が２桁以上低い。このため実施例１と同様に、選択成長されたＧａＮ薄膜は、（０００１）面が成長することによって形成された低抵抗のｐ型の部分と、｛１−１００｝ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
この実施例２で記された工程により作製された窒化物半導体薄膜もまた、電流狭窄型のｐ型コンタクト層として用いることが可能であった。
【００５０】
（実施例３）
図６および図７は、基板としてｎ型のＳｉＣ（０００１）結晶を用い、ｐ型のＡｌＧａＮ系クラッド層とｐ型のＧａＮ系キャップ層とを備える本発明の窒化物半導体発光素子の第２の作成実施例の一部の工程を説明するための図で、図６（ａ）および図７（ａ）は本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程における平面図で、図６（ｂ）および図７（ｂ）の各々は図６（ａ）および図７（ａ）のＥ−Ｅ´およびＦ−Ｆ´部分の断面を示している。
【００５１】
図６は、後述する第２の窒化物半導体薄膜の下地層として作用する第１の窒化物半導体薄膜形成工程終了後の試料の状態を説明するための図で、この窒化物半導体発光素子は、ｎ型のＳｉＣ（０００１）基板６０の主面上に、水素をキャリアガスとして用い、アンモニア、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、シランおよびＣｐ２Ｍｇを原料として用いるＭＯＶＰＥにより、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６１と、ｎ−ＧａＮ光ガイド層６２と、ＩｎＧａＮのＭＱＷ活性層６３と、ｐ−ＧａＮ光ガイド層６４とが順次積層されている。以下では、これらの各層６１、６２、６３、および、６４をまとめて第１の窒化物半導体薄膜６５と呼ぶことにする。
【００５２】
ここで、水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、０．１〜１００ＳＬＭの範囲で設定可能であり、ＴＭＧガスの流量は、０．０１〜１０ＳＣＣＭの範囲で設定できる。また、ＴＭＡ、ＴＭＩ、シラン、およびＣｐ２Ｍｇのガス流量は、ＴＭＧのガス流量に対して、それぞれ、十分の一、十倍、一万分の一、および百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６１、ｎ−ＧａＮ光ガイド層６２、および、ｐ−ＧａＮ光ガイド層６４を堆積する際には８００〜１２００℃の範囲で設定でき、ＩｎＧａＮのＭＱＷ活性層６３を堆積する際には６００〜９００℃の範囲で設定できる。なお、第１の窒化物半導体薄膜６５の厚さを０．５〜１０μｍ程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【００５３】
これに続いて、第１の窒化物半導体薄膜６５を、ＥＣＲドライエッチングにより、その〈１−１００〉方向に平行なストライプ状に加工した。このストライプの幅は、０．１μｍから１０ｍｍの範囲で設定することができる。
【００５４】
図７は、後述する第２の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、図６に示した第１の窒化物半導体薄膜形成後の試料に、水素ガスをキャリアガスとして用い、アンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＣｐ２Ｍｇを原料として用いるＭＯＶＰＥにより、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６６とｐ−ＧａＮキャップ層６７を、第１の窒化物半導体層６５の上面およびエッチング端面に選択的に成長させた後の試料の様子を示している。ここで、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６６とｐ−ＧａＮキャップ層６７とをまとめて第２の窒化物半導体薄膜６８と呼ぶことにする。
【００５５】
水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、０．１〜１００ＳＬＭの範囲で設定可能であり、ＴＭＧのガス流量は、０．０１〜１０ＳＣＣＭの範囲で設定できる。また、ＴＭＡ、およびＣｐ２Ｍｇのガス流量は、ＴＭＧのガス流量に対して、それぞれ、十倍の一、および百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は８００〜１２００℃の範囲で設定できる。第２の窒化物半導体薄膜６８の厚さは、０．２〜５μｍ程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【００５６】
図７において、第２の窒化物半導体薄膜６８の端部側面は、実施例１と同様に、｛１１−２０｝ファセットになっていた。また、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６６とｐ−ＧａＮキャップ層６７ともに、それらの｛１１−２０｝面は（０００１）面に比べてＭｇの取り込み効率が２桁以上低い。このため、実施例１と同様に、選択成長された第２の窒化物半導体薄膜６８は、（０００１）面が成長することによって形成されたｐ型低抵抗の部分と、｛１１−２０｝ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分とから構成されていた。
【００５７】
本実施例で記された工程により作製された第２の窒化物半導体薄膜６８もまた、電流狭窄型のｐ型コンタクト層として用いることが可能であった。さらに、この試料は、ＳｉＣ（０００１）基板６０の〈１１−２０〉方向に劈開して共振器を形成することにより、屈折率導波型の窒化物半導体レーザとして、単一横モードでレーザ発振した。このレーザでは、ＩｎＧａＮのＭＱＷ活性層６３のエッチング端面がｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層６６の高抵抗部分に覆われているため、従来の窒化物半導体レーザで問題となっていた注入キャリアの非発光的な表面再結合を抑制させることができ発振閾値が低下した。
【００５８】
（実施例４）
本実施例では、実施例３における第１の窒化物半導体薄膜６５を、ＥＣＲドライエッチングにより、その〈１−１００〉方向ではなく、〈１１−２０〉方向に平行なストライプ状に加工して窒化物半導体薄膜を形成した。その他の条件・工程は、実施例３と全く同様とし、第２の窒化物半導体薄膜の端部側面を｛１−１００｝ファセットとした。
【００５９】
ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とｐ−ＧａＮ層ともに、それらの｛１−１００｝面は（０００１）面に比べてＭｇの取り込み効率が２桁以上低い。このため、実施例３と同様に、選択成長された窒化物半導体薄膜は、（０００１）面が成長することによって形成されたｐ型低抵抗の部分と、｛１−１００｝ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
【００６０】
本実施例で記された工程により作製された第２の窒化物半導体薄膜もまた、電流狭窄型のｐ型コンタクト層として用いることが可能であった。さらに、この試料ＳｉＣ（０００１）基板の〈１−１００〉方向に劈開して共振器を形成することにより、屈折率導波型の窒化物半導体レーザとして、単一横モードでのレーザ発振が確認された。この場合も、従来の窒化物半導体レーザで問題となっていた注入キャリアの非発光的な表面再結合が抑制され、発振閾値が低下した。
【００６１】
（実施例５）
図８および図９は、基板としてｎ型のＳｉＣ（０００１）結晶を用い、ｐ型のＡｌＧａＮ系クラッド層とｐ−ＧａＮキャップ層とを備える本発明の窒化物半導体発光素子の作製実施例の一部の工程を説明するための図で、図８（ａ）および図９（ａ）はこの作製工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図８（ｂ）および図９（ｂ）の各々は図８（ａ）および図９（ａ）のＧ−Ｇ´およびＨ−Ｈ´部分の断面を示している。
【００６２】
図８は、後述する第２の窒化物半導体薄膜の下地層として作用する第１の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、この窒化物半導体発光素子は、ｎ型のＳｉＣ（０００１）基板８０の主面上に、水素をキャリアガスとして用い、アンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、シランおよびＣｐ２Ｍｇを原料として用いるＭＯＶＰＥにより、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層８１、ｎ−ＧａＮ光ガイド層８２、ＩｎＧａＮのＭＱＷ活性層８３、およびｐ−ＧａＮ光ガイド層８４によって構成される第１の窒化物半導体薄膜８５を形成した。ここで、各ガスの供給量と基板温度は実施例３の場合と全く同様であり、第１の窒化物半導体薄膜８５の厚さも実施例３の場合と全く同様である。
【００６３】
これに続いて、第１の窒化物半導体薄膜８５を、ＥＣＲドライエッチングにより、各辺が第１の窒化物半導体薄膜８５の［１−１００］方向に平行である正六角形の形状に加工した。なお、この正六角形の一辺の長さは、０．１μｍから１０ｍｍの範囲で設定できる。
【００６４】
図９は、後述する第２の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、図８に示した第１の窒化物半導体薄膜形成後の試料に、アンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＡおよびＣｐ２Ｍｇを原料として用いるＭＯＶＰＥにより、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層８６とｐ−ＧａＮキャップ層８７によって構成される第２の窒化物半導体薄膜８８を、第１の窒化物半導体層８５の上面およびエッチング端面に選択的に成長させた。各ガスの供給量と基板温度は実施例３の場合と全く同様であり、第２の窒化物半導体薄膜８８の厚さも実施例３の場合と全く同様である。
【００６５】
この第２の窒化物半導体薄膜８８の端部側面は、実施例３と同様に、｛１１−２０｝ファセットになっていた。さらに、選択成長された第２の窒化物半導体薄膜８８は、（０００１）面が成長することによって形成されたｐ型低抵抗の部分と、｛１１−２０｝ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
【００６６】
本実施例で記された工程により作製された第２の窒化物半導体薄膜８８も、電流狭窄型のｐ型コンタクト層として用いることが可能であった。また、リングキャビティを有する窒化物半導体レーザとして、単一横モードでレーザ発振した。
【００６７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行となるストライプ状の開口部を有するマスク材を基板の主面に形成し、気相成長法により金属ＭｇまたはＭｇ化合物を原料の１つとして必ず用いてＭｇをドーピングしながら基板の主面に形成したマスク材の開口部内に窒化物半導体薄膜を選択成長させることとしたので、得られた窒化物半導体薄膜は、（０００１）面が成長することによって形成されたｐ型低抵抗の部分と、｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）が成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されることとなり、電流狭窄層として機能するｐ型コンタクト層が得られ、ｐ型電極の面積を従来よりも広くすることが可能となって接触抵抗による電力のロスを低減することができる。
【００６８】
また、本発明によれば、基板上に（０００１）面を主面とする第１の窒化物半導体薄膜を形成し、第１の窒化物半導体薄膜を、その［１−１００］方向に平行なストライプ状にエッチングにより加工し、気相成長法により金属ＭｇまたはＭｇ化合物を原料の１つとして必ず用いてＭｇをドーピングしながら、ストライプ状に加工した第１の窒化物半導体薄膜の主面である（０００１）面とエッチング端面に第２の窒化物半導体薄膜を選択成長させることとしたので、得られた第２の窒化物半導体薄膜は、（０００１）面が成長することによって形成されたｐ型低抵抗の部分と、｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）が成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されることとなり、電流狭窄層として機能するｐ型コンタクト層が得られ、ｐ型電極の面積を従来よりも広くすることが可能となって接触抵抗による電力のロスを低減することができ、さらに、第２の窒化物半導体薄膜は、そのまま、屈折率導波型の窒化物半導体レーザのクラッド層として用いることも可能であるため、注入キャリアの非発光的な表面再結合を抑制してレーザの発振閾値を低下させることが可能となる。
【００６９】
なお、本発明にはいくつかのバリエーションが存在し、ストライプ状のマスク材開口部やストライプ状に加工した第１の窒化物半導体薄膜の向きを［１−１００］方向の代わりに［１１−２０］方向に設定することによっても、全く同様の効果が得られる。
【００７０】
また、マスク材の開口部の形状や第１の窒化物半導体薄膜を加工する形状をストライプにする代わりに、任意の辺が［１−１００］または［１１−２０］方向である多角形状にすることによっても全く同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で課題を解決するための手段における一工程を説明する図であり、｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）を側面とし、Ｍｇをドープされた窒化物半導体薄膜を基板上に選択成長した状態を示す図である。（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´部分の断面を示している。
【図２】本発明で課題を解決するための手段における一工程を説明する図であり、基板上に形成した第１の窒化物半導体薄膜の主面とエッチング端面に、｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）を側面とし、Ｍｇをドープされた第２の窒化物半導体薄膜を選択成長した状態を示す図である。
【図３】実施例１における一工程を説明する図であり、ＧａＮ結晶基板の主方位面（０００１）の表面にストライプ状の開口部を有するマスク材を形成した状態を示す図である。
【図４】実施例１における一工程を説明する図であり、マスク材の開口部の内側に露出したＧａＮ結晶基板の主方位面（０００１）上に、ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜をエピタキシャルに選択成長した状態を示す図である。
【図５】ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜のＣＬスペクトルを示す図である。
【図６】実施例３における一工程を説明する図であり、ｎ型のＳｉＣ（０００１）基板の主面上に形成した第１の窒化物半導体薄膜を、ＥＣＲドライエッチングにより、その〈１１００〉方向に平行なストライプ状に加工した状態を示す図である。
【図７】実施例３における一工程を説明する図であり、第２の窒化物半導体薄膜を、第１の窒化物半導体層の上面およびエッチング端面に選択的に成長した状態を示す図である。
【図８】実施例５における一工程を説明する図であり、ｎ型のＳｉＣ（０００１）基板の主面上に、第１の窒化物半導体薄膜を形成した後、ＥＣＲドライエッチングにより各辺が第１の窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行である正六角形の形状に加工した状態を示す図である。
【図９】実施例５における一工程を説明する図であり、第２の窒化物半導体薄膜を、第１の窒化物半導体層の上面およびエッチング端面に選択的に成長した状態を示す図である。
【図１０】従来の窒化物半導体レーザの構造例を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０ 基板
１１ （０００１）面を主面とする窒化物半導体薄膜
１２、３１ マスク材の開口部
１３、３２ マスク材
１４、２３ （０００１）面が成長することによって形成された部分
１５、２４ ｛１１−２ｘ｝ファセット（ｘ＝０，１，２）が成長することによって形成された部分
１６ 第１の窒化物半導体結晶部分の（０００１）面
１７ 第２の窒化物半導体結晶部分の{１１−２ｘ}（ｘ＝０，１，２）ファセット面
２１ （０００１）面を主面とする第２の窒化物半導体薄膜
２２ （０００１）面を主面とする第１の窒化物半導体薄膜
３０ ＧａＮ結晶基板
４１ ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜
４２ ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜の（０００１）面が成長することによって形成された部分
４３ ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜の{１１−２０}ファセットが成長することによって形成された部分
５０ ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜の（０００１）面が成長することによって形成された部分のＣＬスペクトル
５１ ＭｇをドープしたＧａＮ薄膜の｛１１−２０｝ファセットが成長することによって形成された部分のＣＬスペクトル
６０、８０ ｎ型のＳｉＣ（０００１）基板
６１、８１ ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
６２、８２ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
６３、８３、１０３ ＩｎＧａＮのＭＱＷ活性層
６４、８４ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
６５、８５ 第１の窒化物半導体薄膜
６６、８６ ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
６７、８７ ｐ−ＧａＮキャップ層
６８、８８ 第２の窒化物半導体薄膜
１００ サファイア基板
１０１ ｎ型のＧａＮ層
１０２ ｎ型の窒化物半導体多層膜
１０４ ｎ型の窒化物半導体多層膜
１０５ ｐ型電極
１０６ ｎ型電極

Claims (6)

  1. 基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
    前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１−１００］方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、
    該開口部領域に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１１−２ｘ｝（ｘ＝０，１，２）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
    前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。
  2. 基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
    前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１１−２０］方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１１−２０］方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、
    該開口部領域に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１−１０ｘ｝（ｘ＝０，１）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
    前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。
  3. 基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
    前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１−１００］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１−１００］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、
    該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１１−２ｘ｝（ｘ＝０，１，２）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
    前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。
  4. 基板上に、（０００１）面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
    前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の［１１−２０］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の［１１−２０］方向に平行で、かつ、（０００１）面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、
    該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度８００〜１２００℃で、金属ＭｇまたはＭｇ化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、（０００１）主方位面方向の成長により形成された第１の窒化物半導体結晶部分と、｛１−１０ｘ｝（ｘ＝０，１）ファセット面の成長により形成された第２の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
    前記第２の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度を、前記第１の窒化物半導体結晶部分のＭｇ濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。
  5. 基板の主面上に、ｎ型クラッド層とｎ型光ガイド層と活性層とｐ型ガイド層とｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、
    前記ｐ型コンタクト層が、請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成された電流狭窄型のｐ型コンタクト層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  6. 基板の主面上に、ｎ型クラッド層とｎ型光ガイド層と活性層とｐ型ガイド層とｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、
    前記ｐ型コンタクト層と前記ｐ型クラッド層の何れもが、請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成されており、
    前記ｐ型コンタクト層は、電流狭窄型のｐ型コンタクト層であることを特徴とする屈折率導波型の窒化物半導体レーザ。
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