JP4225594B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、青色発光ダイオード、青色レーザダイオードなどの青色の色の発光デバイスに用いて好適な窒化物系化合物半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）化合物半導体膜は、そのＩｎ組成（ｘ）を変化させることにより、可視全域の波長の発光を得る材料として注目されており、この材料を用いた青色及び緑色発光ダイオードが実用化されている。
【０００３】
図９は、上記ＩｎxＧａ1-xＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。このＬＥＤチップは、サファイア基板９１上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層９２を介して膜厚２μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜９３と、発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ層９４と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層９５と、がこの順に積層された構造を有しており、前記ｎ型ＧａＮ層９３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極９６が形成され、ｐ型ＧａＮ層９５上にｐ電極９７が形成されている。
【０００４】
上記したＧａＮ系化合物半導体では、ｐ型ＧａＮ層９５のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3程度以上のものは得られておらず、ｐ型ＧａＮ層９５の抵抗が大きくなり、ｐ電極９７とのコンタクト抵抗が大きくなる。
【０００５】
ｐ型ＧａＮ層９５の抵抗が大きく、ｐ電極９７とのコンタクト抵抗が大きいと、ｐ電極９７からの電流は電極の下を中心として流れるだけで、ｐ型ＧａＮ層９５全体には拡がりにくくなる。このため、電極９７部分を中心として発光することになり、電極９７により発光が阻害され、外部量子効率が著しく低下するという問題がある。
【０００６】
この欠点を解消するために、発光観測面側の化合物半導体層に形成する電極を透光性の全面電属とし、全面電極の一部にパッド用電極を設けて外部量子効率を向上させることが提案されている（例えば、特開平７−３０２７７０号公報、特開平７−９４７８２号公報等参照）。
【０００７】
また、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）化合物半導体膜を活性層に用いた半導体レーザ素子が特開平９−３６４３０号公報に提案されている。
【０００８】
上記した半導体レーザ素子においては、ｐ型ＧａＮ上にμｍオーダーの狭い幅の正電極を設け、電流を集中させ、活性層へ電子を注入させる構造が採られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようにｐ型ＧａＮ層の比抵抗は大きく正電極をμｍオーダーに形成すると、そのコンタクト抵抗が極めて大きくなり、１０Ｖ以上の動作電圧が必要になるなどの問題があった。
【００１０】
この発明は、上記した従来の問題点を解消するためになされたものにして、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を低減させ、動作電圧の低い窒化ガリウム系半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、基板上にｎ型窒化ガリウム系半導体層と活性層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなるクラッド層とキャップ層とがこの順に積層された窒化ガリウム系半導体装置であって、前記クラッド層と前記キャップ層とは、前記クラッド層と前記キャップ層とからなるストライプリッジ導波路で接続されており、前記ストライプリッジ導波路以外の前記クラッド層と前記キャップ層との間には、電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されているアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体とからなる変調ドーピング層とが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
前記変調ドープ層は、アンドープのＧａＮ化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープしたＡｌxＧａ1-xＮ化合物半導体層で構成するとよい。
【００１３】
また、前記ＡｌxＧａ1-xＮ化合物半導体層のｘが０．２５≦ｘ≦０．４の範囲に設定するとよい。
【００１４】
【００１５】
窒化インジウムガリウム化合物半導体層を前記発光層として用いるとよい。
【００１７】
前記変調ドープ層は前記変調ドープ層は、アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を井戸層、ｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することができる。
【００１８】
上記したように構成すると、変調ドープ層は、ｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体層のアクセプタからアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層にホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層上に設けられるｐ型ＧａＮ層の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層の下部に変調ドープ層を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を下げることができる。
【００１９】
また、この発明は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上にｐ電極を形成することを特徴とする。
【００２０】
パッド電極程度の大きさのｐ電極をｐ型ＧａＮ層に設けるだけで、ｐ電極からの電流は変調ドーピング層により、基板面内方向に流れることになり、発光層及び活性層に電流が効率よく流れる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の参考の形態を示し、ＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００２５】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４が形成されている。このＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをドーピングしたＡｌＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層からなる変調ドーピング層５を介して膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極７が形成され、ｐ型ＧａＮ層６上にｐ電極８が形成されている。
【００２６】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５は、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上に設けられる膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度のアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層５ｂとで構成されている。そして、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａのＭｇのドープ量は２×１０19ｃｍ-3程度である。上記Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａが障壁層、ｕ−ＧａＮ）層５ｂが井戸層となる。
【００２７】
このように形成された変調ドープ層５は、図２のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａのアクセプタからｕ−ＧａＮ層５ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層５上に設けられるｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、パッド電極程度の大きさのｐ電極８をｐ型ＧａＮ層６に設けるだけで、ｐ電極８からの電流は変調ドーピング層５により、基板面内方向に流れることになり、発光層４の全面から光が発光することになる。
【００２８】
上記した障壁層となるＡｌxＧａ1-xＮ層５ａは、Ａｌの組成比ｘが０．２５未満であると、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａとｕ−ＧａＮ層５ｂとのバンドギャップの差が小さくなり、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａ中のイオン化されたアクセプタ不純物のエネルギーがｕ−ＧａＮ層５ｂにおける価電子帯端のエネルギーよりも大きくなるため、変調ドープの効果がでない。また、Ａｌの組成比ｘが０．４より大きくなると、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａの抵抗が大きくなるため、第１の参考の形態のようなＡｌxＧａ1-xＮ層５ａの膜厚方向に電流が流れる構成のデバイスには適用できない。従って、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａにおけるＡｌの組成比ｘは、０．２５≦ｘ≦０．４の範囲であることが好ましい。
【００２９】
上記の図１に示した参考の形態におけるＬＥＤチップの特性を測定したところ、動作電圧は４Ｖ、動作電流は２０ｍＡ、発光ピーク波長は４５５ｎｍ、輝度は２ｃｄであり、従来の構造よりも動作電圧及び発光輝度が向上していることが確認できた。
【００３０】
上記図１に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜はＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１上に形成される。図３は、上記各化合物半導体膜の成膜に用いられる横型ＭＯＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。
【００３１】
この横型ＭＯＣＶＤ装置は、２層流構造になっており、２層流ガスが交わる形成室３０内のところにサファイア基板１が図示しないサセプタにより傾斜を有して保持される。この形成室３０は、図示しない真空ポンプにより所定の真空度に排気される。また、サセプタは高周波コイルなどにより所定の成長温度に加熱されるようになっている。
【００３２】
そして、形成室３０内には、原料ガス供給ライン３１より原料ガスが基板１の表面に供給されると共に、その原料ガス供給ライン３１より上層に配置された上層流ガスライン３２より水素及び／又は窒素ガスが供給される。この上層流ガスライン３２は、バルブを介して水素（Ｈ2）ガスボンベ、窒素（Ｎ2）ガスボンベに接続されている。そして、この上層流ガスライン３２から供給される水素（Ｈ2）ガス及び／又は窒素（Ｎ2）ガスにより、原料ガスが基板１面に押圧され、原料ガスが基板１に接触される。
【００３３】
原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の有機金属化合物ソースは、微量のバブリングガスにより気化され、図示しないバルブを介して原料ガス供給ライン３１に与えられる。また、アンモニア（ＮＨ3）、Ｓｉを含むｎ型ドーパントガス（例えば、ＳｉＨ4）、Ｍｇを含むｐ型ドーパントガス（例えば、Ｃｐ2Ｍｇ）も図示しないバルブを介して原料ガス供給ライン３１に与えられる。
【００３４】
上記のように構成された横型ＭＯＣＶＤ装置を用いて、図１に示すＬＥＤチップを製造する方法について説明する。
【００３５】
まず、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を形成する。原料ガスとして、ＴＭＡとＮＨ3を形成室３０内に供給し、基板温度を５００℃に保ち基板１上に膜厚５ｎｍの低温ＡｌＮバッファ層２を形成する。
【００３６】
続いて、原料ガスをＴＭＧ、ＮＨ3、ドーパントガスをＳｉＨ4に切り替え形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ちＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍのｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３を形成する。
【００３７】
そして、原料ガスを、ＴＭＩ、ＴＭＧとＮＨ3に切り替え形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を８００℃に保ち、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３上に発光層としての膜厚２．５ｎｍＩｎ0.4Ｇａ0.58Ｎ層４を形成する。
【００３８】
次に、原料ガスを、ＴＭＡ、ＴＭＧとＮＨ3、ドーパントガスをＣｐ2Ｍｇに切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、ＭｇがドープされたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａを形成する。この時Ｍｇのドープ量が２×１０19ｃｍ-3となるように、ドーパントガスが制御される。続いて、原料ガスを、ＴＭＧとＮＨ3に切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａ上膜厚０．０２μｍのアンドープのＧａＮ層５ｂを形成し、変調ドープ層５が形成される。
【００３９】
そして、原料ガスを、ＴＭＧとＮＨ3、ドーパントガスをＣｐ2Ｍｇに切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、変調ドープ層５上にｐ型の窒化物系化合物半導体としての膜厚０．５μｍのｐ型ＧａＮ層６を形成する。
【００４０】
上記のように形成することで、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５が設けられ、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、パッド電極程度の大きさのｐ電極８をｐ型ＧａＮ層６に設けるだけで、ｐ電極８からの電流は変調ドーピング層５により、基板面内方向に流れることになり、発光層４の全面から光を発光させることができる。
【００４１】
図４は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第２の参考の形態を示し、ＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００４２】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４が形成されている。このＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをデルタドーピングした膜厚５ｎｍ程度のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮの井戸層５０ｂを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる変調ドーピング層５０を介して膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極７が形成され、ｐ型ＧａＮ層６上にｐ電極８が形成されている。
【００４３】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５０は、図５に示すように、膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂとで構成されている。尚、この実施の形態においては、障壁層５０ａは１０１層、井戸層５０ｂは１００層である。
【００４４】
また、上記障壁層５０ａは、Ｍｇをドーズ量１×１０13ｃｍ-2でデルタ（ｄｅｌｔａ）ドープを行っている。このデルタドープは、まず、アンドープのＡｌＧａＮ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、次いで、ＮＨ3およびＣｐ2Ｍｇガスのみを供給してＭｇのドーズ量が１×１０13ｃｍ-2となるようにデルタドープする。その後、さらにアンドープのＡｌＧａＮ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、最終的に膜厚５ｎｍのデルタドープＡｌＧａＮ層からなる障壁層５０ａが形成される。
【００４５】
この変調ドープ層５０は、図６のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.7Ｎ層５０ａのアクセプタからＧａＮ層５０ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、ｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５０を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。
【００４６】
上記図４に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図３に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成される。
【００４７】
図７は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第３の参考の形態を示し、２つのＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いたモノリシック型２色発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００４８】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚３μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、緑色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０が形成されている。このＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをドーピングした膜厚５ｎｍ程度のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮの井戸層５０ｂを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる変調ドーピング層５０が形成されている。この変調ドーピング層５０上に膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、このｐ型ＧａＮ層６上に膜厚０．１μｍ程度のｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１が設けられ、この上に、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１２が形成され、更にこの上に膜厚０．５μｍ程度のｎ型ＧａＮ層１３が設けられている。
【００４９】
そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上に緑色の発光層用のｎ電極１４が形成され、ｐ型ＧａＮ層６におけるメサエッチングされた表面上に緑色、青色共用のｐ電極１５が形成され、更に、ｎ型ＧａＮ層１３上に青色の発光層用のｎ電極１６が形成されている。
【００５０】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５０も、前述した第２の参考の形態と同じく膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂが形成されている。尚、障壁層５０ａは１０１層、井戸層５０ｂは１００層である。
【００５１】
この変調ドープ層５０は、図６のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５０ａのアクセプタからＧａＮ層５０ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、ｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れる。このため、緑色発光層１０および青色発光層１２からそれぞれ発光させることができる。
【００５２】
変調ドープ層を設けずに図７に示す構造と同様のモノリシックの２色ＬＥＤでは、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗が高く、基板面内方向に電流が殆ど流れないので、青色発光層１２からは殆ど発光させることができず、動作電圧を１００Ｖ以上にしても輝度は０．２ｃｄ程度しか得られない。これに対して、変調ドープ層５０を設けたこの参考の形態においては、発光層１２は、動作電圧４Ｖ、動作電流２０ｍＡで発光ピーク波長４５５ｎｍ、輝度２ｃｄの発光が得られた。また、発光層１０は、動作電圧４．５Ｖ、動作電流２０ｍＡで発光ピーク波長５２０ｎｍ、輝度２ｃｄの発光が得られた。
【００５３】
上記図７に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図２に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成される。
【００５４】
図８は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の実施の形態を示し、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ化合物半導体膜を障壁層及びＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を井戸層とした多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として用いた半導体レーザダイオードチップの縦断面側面図である。
【００５５】
この半導体レーザチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍのＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚３μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜２１と、膜厚０．５μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎのクラッド層２２が形成されている。このクラッド層２２上に多重量子井戸（ＭＱＷ）からなるＩｎＧａＮ組成の光活性層２３と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎのクラッド層２４と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮのキャップ層２５とがこの順に積層され形成されている。クラッド層２４とキャップ層２５とはストライプリッジ導波路２４ａで接続され、導波路２４ａ以外のクラッド層２４とキャップ層２５の間には、膜厚０．３μｍのｎ型ＧａＮの電流狭窄層２６とこの電流狭窄層２６上に、膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープした障壁層なるＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度の井戸層となるアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層２７ｂとで構成される変調ドープ層２７が設けられている。上記Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａのＭｇのドープ量は２×１０19ｃｍ-3程度である。そして、前記ｎ型ＧａＮ層２１におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極２８が形成され、ｐ型ＧａＮ層のキャップ層２５上にｐ電極２９が形成されている。
【００５６】
このように形成された変調ドープ層２７は、前述した図２のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａのアクセプタからｕ−ＧａＮ層２７ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層２７上に設けられるｐ型ＧａＮ層からなるキャップ２５の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層２５の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層２５のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、ｐ電極２９からの電流は変調ドーピング層２７により、基板面内方向に流れることになり、ストライプリッジ導波路２４ａに電流が集中して与えられることになる。
【００５７】
リッジ導波路を設けずに、クラッド層全面にキャップ層を設け、電極をミクロンオーダで形成したものが、閾値電圧が８Ｖ程度であるのに対して、この実施の形態においては、閾値電圧５Ｖ、閾値電流８０ｍＡ、発信波長４２０ｎｍのレーザが得られた。
【００５８】
上記図８に示す半導体レーザダイオードの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図３に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成することができる。
【００５９】
上記した障壁層となるＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａは、前述した第１の実施の形態と同様にＡｌの組成比ｘが０．２５未満であると、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａとｕ−ＧａＮ層２７ｂとのバンドギャップの差が小さくなり、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａ中のイオン化されたアクセプタ不純物のエネルギーがｕ−ＧａＮ層５ｂにおける価電子帯端のエネルギーよりも大きくなるため、変調ドープの効果がでない。一方、この第４の実施の形態においては、電流がＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａ層中に流れない構造であるので、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａの抵抗が増加しても支障はない。従って、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａにおけるＡｌの組成比ｘは、０．２５≦ｘ≦０．１の範囲であることが好ましい。
【００６０】
上記した実施の形態においては、変調ドープ層２７を膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度のアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層２７ｂとで構成したが、膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂとで構成してもよい。
【００６１】
また、上記した実施の形態においては、変調ドープ層を構成する障壁層はｐ型ドーパントをドープしたＡｌＧａＮを用い、井戸層はアンドープのＧａＮ層を用いたが、井戸層はアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体材料で、障壁層がｐ型ドーパントをドープし且つアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体材料であれば良く、次の表に示すような組み合わせの半導体材料を用いることができる。
【００６２】
【表１】
┌──┬───────┬─────────┐
│ │ｐ型障壁層 │ アンドープ井戸層│
├──┼───────┼─────────┤
│ １ │ＧａＮ │ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ２ │ＧａＮ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ３ │ＧａＮ │ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ４ │ＡｌＧａＮ │ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ５ │ＡｌＧａＮ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ６ │ＡｌＧａＮ │ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ７ │ＡｌＧａＩｎＰ│ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ８ │ＡｌＧａＮｐ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ９ │ＡｌＧａＡｓＮ│ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│１０│ＡｌyＧａ1-yＮ│ ＡｌxＧａ1-xＮ │
│ │ │（ｙ＞ｘ） │
└──┴───────┴─────────┘
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、変調ドープ層が、ｐ型ドーパントをドープした窒化ガリウム系化合物半導体層のアクセプタからアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層にホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層上に設けられるｐ型ＧａＮ層の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層の下部に変調ドープ層を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の参考の形態にかかるＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図２】 図１に示す変調ドープ層のバンド構造を示す図である。
【図３】 窒化ガリウム系化合物半導体膜の成膜に用いられる横型ＭＯＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。
【図４】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第２の参考の形態にかかるＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図５】 多重量子井戸構造の変調ドープ層を示す模式図である。
【図６】 図５に示す変調ドープ層のバンド構造を示す図である。
【図７】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第３の参考の形態を示し、２つのＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いたモノリシック型２色ＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図８】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の実施の形態を示し、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ化合物半導体膜を障壁層及びＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を井戸層とした多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として用いた半導体レーザダイオードチップの縦断面側面図である。
【図９】 従来の発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ＡｌＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
５ 変調ドープ層
５ａ ｐ型ドーパントをドーピングしたＡｌＧａＮ層
５ｂ アンドープのＧａＮ層
６ ｐ型ＧａＮ層６
７ ｎ電極７
８ ｐ電極８
【発明の属する技術分野】
この発明は、青色発光ダイオード、青色レーザダイオードなどの青色の色の発光デバイスに用いて好適な窒化物系化合物半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）化合物半導体膜は、そのＩｎ組成（ｘ）を変化させることにより、可視全域の波長の発光を得る材料として注目されており、この材料を用いた青色及び緑色発光ダイオードが実用化されている。
【０００３】
図９は、上記ＩｎxＧａ1-xＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。このＬＥＤチップは、サファイア基板９１上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層９２を介して膜厚２μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜９３と、発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ層９４と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層９５と、がこの順に積層された構造を有しており、前記ｎ型ＧａＮ層９３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極９６が形成され、ｐ型ＧａＮ層９５上にｐ電極９７が形成されている。
【０００４】
上記したＧａＮ系化合物半導体では、ｐ型ＧａＮ層９５のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3程度以上のものは得られておらず、ｐ型ＧａＮ層９５の抵抗が大きくなり、ｐ電極９７とのコンタクト抵抗が大きくなる。
【０００５】
ｐ型ＧａＮ層９５の抵抗が大きく、ｐ電極９７とのコンタクト抵抗が大きいと、ｐ電極９７からの電流は電極の下を中心として流れるだけで、ｐ型ＧａＮ層９５全体には拡がりにくくなる。このため、電極９７部分を中心として発光することになり、電極９７により発光が阻害され、外部量子効率が著しく低下するという問題がある。
【０００６】
この欠点を解消するために、発光観測面側の化合物半導体層に形成する電極を透光性の全面電属とし、全面電極の一部にパッド用電極を設けて外部量子効率を向上させることが提案されている（例えば、特開平７−３０２７７０号公報、特開平７−９４７８２号公報等参照）。
【０００７】
また、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）化合物半導体膜を活性層に用いた半導体レーザ素子が特開平９−３６４３０号公報に提案されている。
【０００８】
上記した半導体レーザ素子においては、ｐ型ＧａＮ上にμｍオーダーの狭い幅の正電極を設け、電流を集中させ、活性層へ電子を注入させる構造が採られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようにｐ型ＧａＮ層の比抵抗は大きく正電極をμｍオーダーに形成すると、そのコンタクト抵抗が極めて大きくなり、１０Ｖ以上の動作電圧が必要になるなどの問題があった。
【００１０】
この発明は、上記した従来の問題点を解消するためになされたものにして、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を低減させ、動作電圧の低い窒化ガリウム系半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、基板上にｎ型窒化ガリウム系半導体層と活性層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなるクラッド層とキャップ層とがこの順に積層された窒化ガリウム系半導体装置であって、前記クラッド層と前記キャップ層とは、前記クラッド層と前記キャップ層とからなるストライプリッジ導波路で接続されており、前記ストライプリッジ導波路以外の前記クラッド層と前記キャップ層との間には、電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されているアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体とからなる変調ドーピング層とが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
前記変調ドープ層は、アンドープのＧａＮ化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープしたＡｌxＧａ1-xＮ化合物半導体層で構成するとよい。
【００１３】
また、前記ＡｌxＧａ1-xＮ化合物半導体層のｘが０．２５≦ｘ≦０．４の範囲に設定するとよい。
【００１４】
【００１５】
窒化インジウムガリウム化合物半導体層を前記発光層として用いるとよい。
【００１７】
前記変調ドープ層は前記変調ドープ層は、アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を井戸層、ｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することができる。
【００１８】
上記したように構成すると、変調ドープ層は、ｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体層のアクセプタからアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層にホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層上に設けられるｐ型ＧａＮ層の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層の下部に変調ドープ層を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を下げることができる。
【００１９】
また、この発明は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上にｐ電極を形成することを特徴とする。
【００２０】
パッド電極程度の大きさのｐ電極をｐ型ＧａＮ層に設けるだけで、ｐ電極からの電流は変調ドーピング層により、基板面内方向に流れることになり、発光層及び活性層に電流が効率よく流れる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の参考の形態を示し、ＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００２５】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４が形成されている。このＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをドーピングしたＡｌＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層からなる変調ドーピング層５を介して膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極７が形成され、ｐ型ＧａＮ層６上にｐ電極８が形成されている。
【００２６】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５は、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上に設けられる膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度のアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層５ｂとで構成されている。そして、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａのＭｇのドープ量は２×１０19ｃｍ-3程度である。上記Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａが障壁層、ｕ−ＧａＮ）層５ｂが井戸層となる。
【００２７】
このように形成された変調ドープ層５は、図２のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａのアクセプタからｕ−ＧａＮ層５ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層５上に設けられるｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、パッド電極程度の大きさのｐ電極８をｐ型ＧａＮ層６に設けるだけで、ｐ電極８からの電流は変調ドーピング層５により、基板面内方向に流れることになり、発光層４の全面から光が発光することになる。
【００２８】
上記した障壁層となるＡｌxＧａ1-xＮ層５ａは、Ａｌの組成比ｘが０．２５未満であると、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａとｕ−ＧａＮ層５ｂとのバンドギャップの差が小さくなり、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａ中のイオン化されたアクセプタ不純物のエネルギーがｕ−ＧａＮ層５ｂにおける価電子帯端のエネルギーよりも大きくなるため、変調ドープの効果がでない。また、Ａｌの組成比ｘが０．４より大きくなると、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａの抵抗が大きくなるため、第１の参考の形態のようなＡｌxＧａ1-xＮ層５ａの膜厚方向に電流が流れる構成のデバイスには適用できない。従って、ＡｌxＧａ1-xＮ層５ａにおけるＡｌの組成比ｘは、０．２５≦ｘ≦０．４の範囲であることが好ましい。
【００２９】
上記の図１に示した参考の形態におけるＬＥＤチップの特性を測定したところ、動作電圧は４Ｖ、動作電流は２０ｍＡ、発光ピーク波長は４５５ｎｍ、輝度は２ｃｄであり、従来の構造よりも動作電圧及び発光輝度が向上していることが確認できた。
【００３０】
上記図１に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜はＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１上に形成される。図３は、上記各化合物半導体膜の成膜に用いられる横型ＭＯＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。
【００３１】
この横型ＭＯＣＶＤ装置は、２層流構造になっており、２層流ガスが交わる形成室３０内のところにサファイア基板１が図示しないサセプタにより傾斜を有して保持される。この形成室３０は、図示しない真空ポンプにより所定の真空度に排気される。また、サセプタは高周波コイルなどにより所定の成長温度に加熱されるようになっている。
【００３２】
そして、形成室３０内には、原料ガス供給ライン３１より原料ガスが基板１の表面に供給されると共に、その原料ガス供給ライン３１より上層に配置された上層流ガスライン３２より水素及び／又は窒素ガスが供給される。この上層流ガスライン３２は、バルブを介して水素（Ｈ2）ガスボンベ、窒素（Ｎ2）ガスボンベに接続されている。そして、この上層流ガスライン３２から供給される水素（Ｈ2）ガス及び／又は窒素（Ｎ2）ガスにより、原料ガスが基板１面に押圧され、原料ガスが基板１に接触される。
【００３３】
原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の有機金属化合物ソースは、微量のバブリングガスにより気化され、図示しないバルブを介して原料ガス供給ライン３１に与えられる。また、アンモニア（ＮＨ3）、Ｓｉを含むｎ型ドーパントガス（例えば、ＳｉＨ4）、Ｍｇを含むｐ型ドーパントガス（例えば、Ｃｐ2Ｍｇ）も図示しないバルブを介して原料ガス供給ライン３１に与えられる。
【００３４】
上記のように構成された横型ＭＯＣＶＤ装置を用いて、図１に示すＬＥＤチップを製造する方法について説明する。
【００３５】
まず、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を形成する。原料ガスとして、ＴＭＡとＮＨ3を形成室３０内に供給し、基板温度を５００℃に保ち基板１上に膜厚５ｎｍの低温ＡｌＮバッファ層２を形成する。
【００３６】
続いて、原料ガスをＴＭＧ、ＮＨ3、ドーパントガスをＳｉＨ4に切り替え形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ちＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍのｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３を形成する。
【００３７】
そして、原料ガスを、ＴＭＩ、ＴＭＧとＮＨ3に切り替え形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を８００℃に保ち、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３上に発光層としての膜厚２．５ｎｍＩｎ0.4Ｇａ0.58Ｎ層４を形成する。
【００３８】
次に、原料ガスを、ＴＭＡ、ＴＭＧとＮＨ3、ドーパントガスをＣｐ2Ｍｇに切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、ＭｇがドープされたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａを形成する。この時Ｍｇのドープ量が２×１０19ｃｍ-3となるように、ドーパントガスが制御される。続いて、原料ガスを、ＴＭＧとＮＨ3に切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５ａ上膜厚０．０２μｍのアンドープのＧａＮ層５ｂを形成し、変調ドープ層５が形成される。
【００３９】
そして、原料ガスを、ＴＭＧとＮＨ3、ドーパントガスをＣｐ2Ｍｇに切り替えて形成室３０内にそれぞれ供給し、基板温度を１０００℃に保ち、変調ドープ層５上にｐ型の窒化物系化合物半導体としての膜厚０．５μｍのｐ型ＧａＮ層６を形成する。
【００４０】
上記のように形成することで、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５が設けられ、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、パッド電極程度の大きさのｐ電極８をｐ型ＧａＮ層６に設けるだけで、ｐ電極８からの電流は変調ドーピング層５により、基板面内方向に流れることになり、発光層４の全面から光を発光させることができる。
【００４１】
図４は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第２の参考の形態を示し、ＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００４２】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚０．４μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４が形成されている。このＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをデルタドーピングした膜厚５ｎｍ程度のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮの井戸層５０ｂを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる変調ドーピング層５０を介して膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極７が形成され、ｐ型ＧａＮ層６上にｐ電極８が形成されている。
【００４３】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５０は、図５に示すように、膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂとで構成されている。尚、この実施の形態においては、障壁層５０ａは１０１層、井戸層５０ｂは１００層である。
【００４４】
また、上記障壁層５０ａは、Ｍｇをドーズ量１×１０13ｃｍ-2でデルタ（ｄｅｌｔａ）ドープを行っている。このデルタドープは、まず、アンドープのＡｌＧａＮ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、次いで、ＮＨ3およびＣｐ2Ｍｇガスのみを供給してＭｇのドーズ量が１×１０13ｃｍ-2となるようにデルタドープする。その後、さらにアンドープのＡｌＧａＮ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、最終的に膜厚５ｎｍのデルタドープＡｌＧａＮ層からなる障壁層５０ａが形成される。
【００４５】
この変調ドープ層５０は、図６のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.7Ｎ層５０ａのアクセプタからＧａＮ層５０ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、ｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５０を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗を下げることができる。
【００４６】
上記図４に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図３に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成される。
【００４７】
図７は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第３の参考の形態を示し、２つのＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いたモノリシック型２色発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの縦断面側面図である。
【００４８】
このＬＥＤチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚３μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３と、緑色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０が形成されている。このＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ層４上にＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントをドーピングした膜厚５ｎｍ程度のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮの井戸層５０ｂを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる変調ドーピング層５０が形成されている。この変調ドーピング層５０上に膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層６が積層形成されている。そして、このｐ型ＧａＮ層６上に膜厚０．１μｍ程度のｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１が設けられ、この上に、青色の発光層としての膜厚２．５ｎｍ程度のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１２が形成され、更にこの上に膜厚０．５μｍ程度のｎ型ＧａＮ層１３が設けられている。
【００４９】
そして、前記ｎ型ＧａＮ層３におけるメサエッチングされた表面上に緑色の発光層用のｎ電極１４が形成され、ｐ型ＧａＮ層６におけるメサエッチングされた表面上に緑色、青色共用のｐ電極１５が形成され、更に、ｎ型ＧａＮ層１３上に青色の発光層用のｎ電極１６が形成されている。
【００５０】
さて、この参考の形態における変調ドーピング層５０も、前述した第２の参考の形態と同じく膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂが形成されている。尚、障壁層５０ａは１０１層、井戸層５０ｂは１００層である。
【００５１】
この変調ドープ層５０は、図６のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層５０ａのアクセプタからＧａＮ層５０ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、ｐ型ＧａＮ層６の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層６の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れる。このため、緑色発光層１０および青色発光層１２からそれぞれ発光させることができる。
【００５２】
変調ドープ層を設けずに図７に示す構造と同様のモノリシックの２色ＬＥＤでは、ｐ型ＧａＮ層６のコンタクト抵抗が高く、基板面内方向に電流が殆ど流れないので、青色発光層１２からは殆ど発光させることができず、動作電圧を１００Ｖ以上にしても輝度は０．２ｃｄ程度しか得られない。これに対して、変調ドープ層５０を設けたこの参考の形態においては、発光層１２は、動作電圧４Ｖ、動作電流２０ｍＡで発光ピーク波長４５５ｎｍ、輝度２ｃｄの発光が得られた。また、発光層１０は、動作電圧４．５Ｖ、動作電流２０ｍＡで発光ピーク波長５２０ｎｍ、輝度２ｃｄの発光が得られた。
【００５３】
上記図７に示すＬＥＤチップの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図２に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成される。
【００５４】
図８は、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の実施の形態を示し、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ化合物半導体膜を障壁層及びＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を井戸層とした多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として用いた半導体レーザダイオードチップの縦断面側面図である。
【００５５】
この半導体レーザチップは、サファイア基板１上にｎ型窒化物系化合物半導体としての膜厚５ｎｍのＡｌＮバッファ層２が形成されている。このＡｌＮバッファ層２上に膜厚３μｍ程度のｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）膜２１と、膜厚０．５μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎのクラッド層２２が形成されている。このクラッド層２２上に多重量子井戸（ＭＱＷ）からなるＩｎＧａＮ組成の光活性層２３と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎのクラッド層２４と、膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮのキャップ層２５とがこの順に積層され形成されている。クラッド層２４とキャップ層２５とはストライプリッジ導波路２４ａで接続され、導波路２４ａ以外のクラッド層２４とキャップ層２５の間には、膜厚０．３μｍのｎ型ＧａＮの電流狭窄層２６とこの電流狭窄層２６上に、膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープした障壁層なるＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度の井戸層となるアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層２７ｂとで構成される変調ドープ層２７が設けられている。上記Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａのＭｇのドープ量は２×１０19ｃｍ-3程度である。そして、前記ｎ型ＧａＮ層２１におけるメサエッチングされた表面上にｎ電極２８が形成され、ｐ型ＧａＮ層のキャップ層２５上にｐ電極２９が形成されている。
【００５６】
このように形成された変調ドープ層２７は、前述した図２のバンド構造図に示すように、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａのアクセプタからｕ−ＧａＮ層２７ｂにホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層２７上に設けられるｐ型ＧａＮ層からなるキャップ２５の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層２５の下部に変調ドープ層５を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層２５のコンタクト抵抗を下げることができる。このため、ｐ電極２９からの電流は変調ドーピング層２７により、基板面内方向に流れることになり、ストライプリッジ導波路２４ａに電流が集中して与えられることになる。
【００５７】
リッジ導波路を設けずに、クラッド層全面にキャップ層を設け、電極をミクロンオーダで形成したものが、閾値電圧が８Ｖ程度であるのに対して、この実施の形態においては、閾値電圧５Ｖ、閾値電流８０ｍＡ、発信波長４２０ｎｍのレーザが得られた。
【００５８】
上記図８に示す半導体レーザダイオードの各化合物半導体膜は図１に示すＬＥＤチップと同様に図３に示す横型ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板１上に形成することができる。
【００５９】
上記した障壁層となるＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａは、前述した第１の実施の形態と同様にＡｌの組成比ｘが０．２５未満であると、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａとｕ−ＧａＮ層２７ｂとのバンドギャップの差が小さくなり、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａ中のイオン化されたアクセプタ不純物のエネルギーがｕ−ＧａＮ層５ｂにおける価電子帯端のエネルギーよりも大きくなるため、変調ドープの効果がでない。一方、この第４の実施の形態においては、電流がＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａ層中に流れない構造であるので、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａの抵抗が増加しても支障はない。従って、ＡｌxＧａ1-xＮ層２７ａにおけるＡｌの組成比ｘは、０．２５≦ｘ≦０．１の範囲であることが好ましい。
【００６０】
上記した実施の形態においては、変調ドープ層２７を膜厚０．１μｍ程度のＭｇをドープしたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層２７ａとその上に設けられる膜厚０．０２μｍ程度のアンドープのＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）層２７ｂとで構成したが、膜厚５ｎｍ程度のＭｇを１×１０13ｃｍ-2のドーズ量でデルタドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層からなる障壁層５０ａと膜厚１０ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層からなる井戸層５０ｂとで構成してもよい。
【００６１】
また、上記した実施の形態においては、変調ドープ層を構成する障壁層はｐ型ドーパントをドープしたＡｌＧａＮを用い、井戸層はアンドープのＧａＮ層を用いたが、井戸層はアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体材料で、障壁層がｐ型ドーパントをドープし且つアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体材料であれば良く、次の表に示すような組み合わせの半導体材料を用いることができる。
【００６２】
【表１】
┌──┬───────┬─────────┐
│ │ｐ型障壁層 │ アンドープ井戸層│
├──┼───────┼─────────┤
│ １ │ＧａＮ │ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ２ │ＧａＮ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ３ │ＧａＮ │ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ４ │ＡｌＧａＮ │ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ５ │ＡｌＧａＮ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ６ │ＡｌＧａＮ │ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ７ │ＡｌＧａＩｎＰ│ ＩｎＧａＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ８ │ＡｌＧａＮｐ │ ＧａＮＰ │
├──┼───────┼─────────┤
│ ９ │ＡｌＧａＡｓＮ│ ＧａＡｓＮ │
├──┼───────┼─────────┤
│１０│ＡｌyＧａ1-yＮ│ ＡｌxＧａ1-xＮ │
│ │ │（ｙ＞ｘ） │
└──┴───────┴─────────┘
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、変調ドープ層が、ｐ型ドーパントをドープした窒化ガリウム系化合物半導体層のアクセプタからアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層にホールが供給され、ホールの移動度が高い層となる。この結果、キャリア濃度と移動度が向上し、この変調ドープ層上に設けられるｐ型ＧａＮ層の導電性が向上する。従って、ｐ型ＧａＮ層の下部に変調ドープ層を設けることにより、ホールは基板面内方向に流れやすくなり、ｐ型ＧａＮ層のコンタクト抵抗を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の参考の形態にかかるＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図２】 図１に示す変調ドープ層のバンド構造を示す図である。
【図３】 窒化ガリウム系化合物半導体膜の成膜に用いられる横型ＭＯＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。
【図４】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第２の参考の形態にかかるＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図５】 多重量子井戸構造の変調ドープ層を示す模式図である。
【図６】 図５に示す変調ドープ層のバンド構造を示す図である。
【図７】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第３の参考の形態を示し、２つのＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を発光層として用いたモノリシック型２色ＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【図８】 この発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置の第１の実施の形態を示し、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ化合物半導体膜を障壁層及びＩｎyＧａ1-yＮ化合物半導体膜を井戸層とした多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として用いた半導体レーザダイオードチップの縦断面側面図である。
【図９】 従来の発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤチップの縦断面側面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ＡｌＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
５ 変調ドープ層
５ａ ｐ型ドーパントをドーピングしたＡｌＧａＮ層
５ｂ アンドープのＧａＮ層
６ ｐ型ＧａＮ層６
７ ｎ電極７
８ ｐ電極８
Claims (5)
- 基板上にｎ型窒化ガリウム系半導体層と活性層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなるクラッド層とキャップ層とがこの順に積層された窒化ガリウム系半導体装置であって、前記クラッド層と前記キャップ層とは、前記クラッド層と前記キャップ層とからなるストライプリッジ導波路で接続されており、前記ストライプリッジ導波路以外の前記クラッド層と前記キャップ層との間には、電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されているアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体とからなる変調ドーピング層とが設けられていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
- 前記変調ドープ層は、アンドープのＧａＮ化合物半導体層とｐ型ドーパントをドープしたＡｌxＧａ1-xＮ化合物半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体装置。
- 窒化インジウムガリウム化合物半導体層を前記活性層として用いることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体装置。
- 前記変調ドープ層は、アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を井戸層、ｐ型ドーパントをドープし且つ前記アンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を障壁層とする多重量子井戸構造で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体装置。
- 前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上にｐ電極を形成したことを特徴とする請求項１ないし４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体装置。
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