JP4229625B2 - Nitride semiconductor layer and nitride semiconductor device including the same - Google Patents

Description

【００２３】
また、上述では、Ｐが窒化物半導体のＩＩＩ族元素のサイトに含まれることがＡＥＳ測定によって調べられたが、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）測定でも同様にして調べられることが本発明者らによって確認された。
【００２４】
次に、前述で説明されたＰの原子分率が２．４％のＧａＮＰがＸ線装置（光学系は４結晶）を用いて解析された。そのときの結果が図４に示される。図４は、Ｘ線測定手法の１つである２θ−ωスキャンによる測定結果である。この図をみるとわかるように、ＧａＮ下地層に起因する（０００２）反射スペクトルと、そのスペクトルよりも高角側にＧａＮＰに起因するスペクトルが観測された（このＧａＮＰに起因するスペクトルが、Ｘ線源のＣｕのＫαに起因するものではないことは本発明者らによって確認されている）。このように、ＧａＮＰに起因するスペクトルがＧａＮ下地層の（０００２）反射スペクトルよりも高角側に現れたことから、ＧａＮＰのｃ軸の格子定数は、Ｐが含まれていないＧａＮのそれよりも小さいことが明らかとなった。事実、前記ＧａＮＰ（ＧａＮＰの厚みは０．５μｍ、ＧａＮ下地層の厚みは３μｍ）膜の表面を光学顕微鏡を用いて観察したところ、クラックが散見された。
【００２５】
さらに、図４を参照すると、閃亜鉛鉱構造のＧａＰ（１１１）反射（２θ＝２８．３３３°）が現れるスペクトル位置近傍に何も観測されていないことから、本結晶中にＧａＰベースのＧａＰＮ（立方晶系）が含まれていないことがわかった（本結晶はＧａＮベースの六方晶系のＧａＮＰであり、六方晶系と立方晶系に相分離を起こしていない）。
【００２６】
（窒化物半導体中に占めるＰの原子分率について）
窒化物半導体に占めるＰの原子分率は、０．１％以上３０％以下が好ましい。より好ましくは、０．３％以上１５％以下、さらに好ましくは、０．５％以上１０％以下である。Ｐの原子分率が３０％を超えると結晶性が低下するために好ましくなく、Ｐの原子分率が０．１％未満であると、本発明による効果が得られにくくなる可能性がある。
【００２７】
（本発明にかかわる窒化物半導体が発光層に適用された場合）
ここで、発光層とは、光を発する井戸層と電子とホールを閉じ込める障壁層とから構成される。発光層が単一量子井戸構造の場合は、井戸層のみ、または障壁層／井戸層／障壁層の構造を用いるができる。また、発光層が多重量子井戸構造の場合は、障壁層で始まり障壁層で終わる、障壁層／井戸層／障壁層／・・・／障壁層の構造を、あるいは、井戸層で始まり井戸層で終わる、井戸層／障壁層／井戸層／・・・／井戸層の構造を用いることができる。
【００２８】
上述で説明された窒化物半導体層がこの発光層に含まれることによって以下の効果を有することができる。
【００２９】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体が井戸層として用いられる事によって、発光波長または発振波長を容易に短波長化することが可能である。この特性は、これまでに報告されているＧａＮＰとは逆の性質である。本発明者らの実験結果によれば、ＧａＮＰに起因するフォトルミネッセンスがＧａＮのそれと比べて短波長側で発光していた。
【００３０】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、Ｐを含まないそれと比較してバンドギャップエネルギーを大きくすることができるため、障壁層として用いる事ができる。例えば、ＩｎＧａＮが井戸層の場合、障壁層は、ＧａＮＰを用いることができる。また、ＧａＮが井戸層の場合にも、障壁層は、ＧａＮＰを用いることができる。
【００３１】
（本発明にかかわる窒化物半導体がｎ型層として適用された場合）
本発明者らの実験結果によると、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体の極性は、ドナーとなる不純物を添加しなくても容易にｎ型となることが可能であった。本発明の窒化物半導体にドナー不純物を添加する場合は、その不純物としてＳｉが最も好ましく、その不純物濃度は、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内であることが好ましかった。
【００３２】
（本発明にかかわる窒化物半導体がｐ型層として適用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、Ｍｇを添加することによってｐ型の極性を有することができる。本発明者らはＭｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを利用した。Ｐを含む窒化物半導体中へのＭｇ不純物濃度は、１×１０²⁰〜５×１０²¹／ｃｍ³の範囲内であることが好ましかった。
【００３３】
（本発明にかかわる窒化物半導体が多層膜構造または超格子構造に利用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、多層膜構造または超格子構造の一部に用いることができる。例えば、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層とＰを含まない窒化物半導体層とが交互に積層された多層膜構造または超格子構造、あるいは、Ｐを含む第１の窒化物半導体層とＰを含む第２の窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜構造または超格子構造に用いることができる。
【００３４】
具体的には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子をもちいる事によって、互いの格子不整合を小さくすることができるために、クラックの発生を防止するとともにクラッド層としての機能を兼ね備えることが可能である。たとえば、従来のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／ＧａＮ多層膜または超格子からなる各層の格子定数は、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層が０．５１５９ｎｍ、ＧａＮ層が０．５１９０ｎｍである。その格子不整合差は、０．００３１ｎｍである。一方、本願のＰの原子分率２．４％のＧａＮＰを含むＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２．４％）からなる各層の格子定数は、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層が０．５１５９ｎｍ、ＧａＮＰ層が０．５１５６ｎｍである。その格子不整合差は、０．０００３ｎｍである。つまり、本願を利用した場合、その格子不整合差は、従来のそれと比較して約１／１０にまで小さくすることが可能である。
【００３５】
図５は、ＧａＮＰのＰ原子分率とそのｃ軸方向の格子定数との関係と、ＧａＮＰのＰ原子分率とそのＧａＮＰの下地層であるＧａＮの格子定数の関係を表している。図５中の黒四角印はＧａＮＰを、図５中の白抜き丸印は各Ｐ原子分率で作製されたＧａＮＰの下地層であるＧａＮを表している（Ｐ原子分率が０の白抜き丸印は、サファイア基板上に結晶成長されたＧａＮ層の格子定数である。Ｐ原子分率が０の場合だけ、その他のＧａＮに比べて格子定数が小さいのは、ＧａＮ層上に結晶成長されたＧａＮＰによって圧縮歪みを受けているためだと考えられる）。この図をみるとわかるように、ＧａＮＰのＰ原子分率が増大するにつれて、ＧａＮＰのｃ軸方向の格子定数が小さくなることがわかる。
【００３６】
前記の多層膜または超格子の極性をｎ型とする場合、ＡｌＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＳｉを添加することができる。一方、前記の多層膜または超格子の極性をｐ型とする場合、ＡｌＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＭｇを添加することができる。
【００３７】
前記と同様の効果が、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＡｌＩｎＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子などでも得ることが可能である。
【００３８】
他方、ＩｎＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子は、格子定数の異なる２つの窒化物半導体層と間に接して挿入される事によって、これら窒化物半導体層間の格子不整合を緩和させ、クラックの発生を防止する効果がある。また、光ガイド層としても用いることが可能である。前記の多層膜または超格子の極性をｎ型とする場合、ＩｎＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＳｉを添加することができる。一方、前記の多層膜または超格子の極性をｐ型とする場合、ＩｎＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＭｇを添加することができる。
【００３９】
前記と同様の効果が、ＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子などでも得ることが可能である。
【００４０】
上記で述べられた多層膜構造または超格子構造に含まれる、Ｐを含む窒化物半導体層の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは２ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。
【００４１】
（本発明にかかわる窒化物半導体がコンタクト層として利用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、ｎ型電極と接するｎ型コンタクト層またはｐ型電極と接するｐ型コンタクト層として利用することが可能である。
【００４２】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層がｎ型コンタクト層として利用される場合、ｎ型電極として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｈｆ、Ａｕの少なくとも何れかを用いることができる。このことによってｎ電極のコンタクト抵抗が低減し得るために好ましい。本発明に係る窒化物半導体のｎ型コンタクト層の厚みは、２ｎｍ以上０．６μｍ以下が好ましい。
【００４３】
他方、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層がｐ型コンタクト層として利用される場合、ｐ型電極として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕの少なくとも何れかを用いることができる。このことによってｐ電極のコンタクト抵抗が低減するとともに電極剥離が防止し得るために好ましい。また、ｐ型電極の反対側の、ｐ型コンタクト層の主面と接する窒化物半導体層は、コンタクト抵抗を低減する上で、ｐ型の極性を有するＧａＮであることが最も好ましかった。本発明に係る窒化物半導体のｐ型コンタクト層の厚みは、０．０２μｍ以上０．２μｍ以下が好ましい。
【００４４】
（本発明にかかわる窒化物半導体が光ガイド層として利用された場合）
本発明に係るＰを含む窒化物半導体は、半導体レーザの光ガイド層として利用することが可能である。一般に窒化物半導体レーザ素子で利用されるクラッド層は、ＡｌＧａＮ層（層厚は約１μｍ）やＡｌＧａＮ（層厚は数ｎｍ）／ＧａＮ（層厚は数ｎｍ）からなる超格子などである。また、一般に窒化物半導体レーザ素子で利用される光ガイド層は、ＧａＮ層（層厚は約０．１μｍ）である。勿論、これらの層はその極性をｎ型またはｐ型にするために例えばＳｉやＭｇが添加され得る。
【００４５】
一般に窒化物半導体レーザ素子における前記光ガイド層と前記クラッド層は、互いに接して形成される。また、前記クラッド層の格子定数は、前記光ガイド層のそれと比べて小さいという特徴がある。この特徴は、これらの層を用いた窒化物半導体レーザ素子中にクラックを発生させ、生産における歩留まりの低下を齎していた。
【００４６】
しかしながら、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が光ガイド層に用いられることによって、前記クラッド層と光ガイド層との間の格子不整合差を小さくすることが可能となり、クラックが低減し得る。これは窒化物半導体レーザ素子における歩留まり率の向上を齎す。
【００４７】
具体的な、本発明に係る光ガイド層とは、ＧａＮＰである。この光ガイド層は、不純物が添加されてｎ型またはｐ型にされても構わないし、不純物を意図的に添加されなくても構わない（ｉ型）。不純物が添加されて光ガイド層の極性をｎ型とする場合は、不純物としてＳｉを用いることができる。このときのＳｉ不純物濃度の範囲は１×１０¹⁷〜３×１０¹⁸／ｃｍ³が好ましい。他方、不純物が添加されて光ガイド層の極性をｐ型とする場合は、不純物としてＭｇを用いることができる。このときのＭｇ不純物濃度の範囲は１×１０¹⁹〜３×１０²⁰／ｃｍ³が好ましい。
【００４８】
この光ガイド層に添加されるＰの原子分率は、光ガイド層と接して形成されるクラッド層の屈折率よりも大きくなるように、あるいはクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように調整される。具体的に、光ガイド層中に含まれるＰの原子分率は０．１％以上５％以下が好ましい。
【００４９】
（本発明にかかわる窒化物半導体がクラッド層として利用された場合）
本発明に係るＰを含む窒化物半導体は、窒化物半導体発光素子（半導体レーザ、発光ダイオードを含む）のクラッド層として利用することができる。一般に窒化物半導体発光素子で利用されるクラッド層は、ＡｌＧａＮ層（層厚は約１μｍ）やＡｌＧａＮ（層厚は数ｎｍ）／ＧａＮ（層厚は数ｎｍ）からなる超格子などである。また、これらの層はその極性をｎ型またはｐ型にするために例えばＳｉやＭｇが添加される。
【００５０】
クラッド層は、発光層と光ガイド層に光を閉じ込めるために、これらの層よりも屈折率を小さくする必要がある。しかしながら、従来のＡｌを含む窒化物半導体からなる（Ｐは含まない）クラッド層の屈折率は、ＩｎＧａＮからなる活性層やＧａＮからなる光ガイド層のそれと比較して、大きな屈折率差を得ることが難しく（Ａｌの組成比を高くすると、クラックが発生してしまう）、十分に光を閉じ込めることが困難であった。
【００５１】
ところが、本発明に係るＰを含む窒化物半導体がクラッド層に用いられることによって、従来のクラッド層と比較して薄い層厚で光を閉じ込めることが可能である。このことによって、窒化物半導体発光素子中のクラックの発生率が低減し、尚且つ光閉じ込めも満足することが可能となった。
【００５２】
具体的な本発明に係るクラッド層とは、ＧａＮＰである。この層の極性をｎ型とするためにＳｉが、ｐ型とするためにＭｇがそれぞれ添加されても構わない。Ｓｉ不純物濃度の範囲は、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³が好ましく、Ｍｇ不純物濃度の範囲は、１×１０¹⁹〜５×１０²¹／ｃｍ³が好ましい。また、これらクラッド層を構成している元素の原子分率は、その屈折率が光ガイド層と活性層の屈折率よりも小さくなるように、あるいはそのバンドギャップエネルギーが光ガイド層または発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるように調整される。具体的に、クラッド層中に含まれるＰの原子分率は０．１％以上１０％以下が好ましい。さらに、これらクラッド層の層厚は、０．３μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
【００５３】
本クラッド層は前記のような単層以外に、上述で述べた多層膜または超格子構造をクラッド層に用いることができる。特に本発明に係るｐ型の多層膜またはｐ型の超格子構造は、高いホールキャリア濃度を得ることが可能であるため、好ましく用いられる。
【００５４】
（本発明を利用した半導体装置について）
本発明に係る窒化物半導体素子は、素子不良率が少なく、信頼性の高い窒化物半導体素子を提供することが可能である。例えば、本発明に係わる窒化物半導体レーザ素子は、光磁気再生記録装置、ＤＶＤ装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等の光学装置に好ましく用いられる。また、本発明に係わる窒化物半導体発光ダイオード素子は、白色光源装置、液晶表示装置のバックライト、携帯電話のバックライト、光の三原色発光ダイオードを用いた表示装置、コピー機などの光学装置に好ましく用いられる。さらにまた、本発明に係わる窒化物半導体電子デバイスは、携帯電話などの通信伝送装置、高速スイッチング装置などに好ましく用いられる。
【００５５】
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体レーザ素子に適用された場合について説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００５６】
図１の窒化物半導体レーザ素子は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１００、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０１、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、発光層１０４、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮ層１０８、ｐ型ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２％）コンタクト層１０９、ｎ電極１１０、ｐ電極１１１およびＳｉＯ₂誘電体膜１１２を含む。
【００５７】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてＧａＮ基板１００に、Ｖ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａまたはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）のＩＩＩ族原料とＳｉＨ₄が加えられ、８００℃の成長温度でｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０１が４０ｎｍ成長された。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＴＭＡｌまたはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料が用いられて、１．２μｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が成長され、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が０．１μｍ成長された。
【００５８】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、３周期の、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された発光層（多重量子井戸構造）１０４が、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長された。その際、障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加された。
【００５９】
発光層にＰが添加される場合はＰＨ₃（ホスフィン）を添加すると良い。また、発光層が形成される際、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にジメチルヒドラジンが用いられても構わない。これらの原料は、本発明に係るＰを含む窒化物半導体層に好ましく用いられる。
【００６０】
次に、基板温度が再び１０５０℃まで昇温されて、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０５、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０７と０．１μｍのｐ型ＧａＮ層１０８が順次成長された。そして、基板温度を９００℃に下げてｐ型ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２％）コンタクト層１０９を０．１μｍ成長した。前記のｐ型不純物としてＭｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が添加された。
【００６１】
続いて、上記で成長されたエピウエハーがＭＯＣＶＤ装置から取り出され、電極が形成された。ｎ電極１１０は、エピウエハーの裏面にＨｆ／Ａｌの順序で形成された。そして、ｎ電極１１０にｎ型電極パッドとしてＡｕが蒸着された。前記ｎ電極材料の他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＭｏまたはＨｆ／Ａｕ等が用いられても構わない。
ｐ電極部分はストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部（図１）が形成された。リッジストライプ部の幅は１．７μｍであった。その後、ＳｉＯ₂誘電体膜１１２が２００ｎｍ蒸着され、ｐ型ＧａＮＰコンタクト層１０９が露出されて、ｐ電極１１１がＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）の順序で蒸着されて形成された。
【００６２】
上記で説明されたＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０２は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であっても構わないし、ＩｎＧａＮクラック防止層自体がなくても構わない。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合は、クラック防止層が挿入された方がクラック防止の点で好ましい。本実施の形態ではＩｎＧａＮクラック防止層が用いられたが、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層がクラック防止層として用いられても構わない。例えば、ＧａＮＰ（０．１μｍ）、ＧａＮＰ（１０ｎｍ）／ＧａＮ（１０ｎｍ）多層膜または超格子などが挙げられる。
【００６３】
上記で説明された発光層１０４は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数は、前述の３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。上記で説明された発光層１０４は、井戸層と障壁層の両層にＳｉ（ＳｉＨ₄）が１×１０¹⁸／ｃｍ³添加されたが、Ｓｉが添加されなくても構わない。また、井戸層と障壁層の両層に限らず片方の層のみに前記不純物が添加されても良い。さらに、上記発光層１０４が実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体を含んでいても構わない。
【００６４】
上記で説明されたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．３以外であっても構わないし、ｐ型キャリアブロック層自体がなくても構わない。しかしながら、発光層が本発明に係る窒化物半導体を含んでいる場合は、ｐ型の極性を有し、尚且つ少なくともＡｌを含む窒化物半導体層（キャリアブロック層）がないと、発光強度の向上や閾値電流密度の低減を図ることが困難であった。
【００６５】
上記の説明では、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いられたが、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体を用いることもできる。
【００６６】
本実施の形態２で説明された窒化物半導体レーザ素子は、本発明に係るｐ型のＧａＮＰコンタクト層を用いることによって、コンタクト抵抗の低減と共に、ｐ電極の剥離が防止され、歩留まり率が向上した。上記のコンタクト層以外に、実施の形態１で述べられたコンタクト層を用いることができるのは言うまでもない。
【００６７】
本実施の形態２では、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子について説明されたが、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子に適用されても同様の効果を得ることが可能である。
【００６８】
また、本実施の形態では、基板としてＧａＮ基板を用いたが、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板の（１１１）面、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板またはＳｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板を用いても構わない。これらのＥＬＯＧ基板を用いる場合は、成長抑制膜（例えばＳｉＯ₂膜）の幅の中央上方、および成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部分またはその電流狭窄部分が含まれないように作製される。このことによって、レーザの発振寿命が長寿命化するために好ましい。
【００６９】
このようにして作製された窒化物半導体レーザ素子は、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等に好ましく用いられる。
【００７０】
＜実施の形態３＞
本実施の形態３では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体発光ダイオード素子に適用された場合について、図２を用いて説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００７１】
図２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板２００、ｎ型短周期超格子２０１、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層２０２、発光層２０３、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層２０４、ｐ型短周期超格子２０５、ｐ型ＧａＮＡｓ（Ａｓの原子分率は６％）コンタクト層２０６、ｐ型透光性電極２０７、ｐ電極２０８、ｎ電極２０９を含む。
【００７２】
本実施の形態ではｎ型短周期超格子２０１として、１００周期のＧａＮＰ（Ｐの原子分率４％、厚み１．５ｎｍ、Ｓｉドープ）／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ（厚み１．５ｎｍ、Ｓｉドープ）を用いた。発光層２０３としては、３周期のＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ井戸層（厚み２ｎｍ、Ｓｉドープ）／Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ（厚み４ｎｍ、Ｓｉドープ）を用いた。ｐ型短周期超格子２０５として、１００周期のＧａＮＰ（Ｐの原子分率４％、厚み１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ（厚み１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）を用いた。また、ｐ型ＧａＮＡｓ（Ａｓの原子分率は６％）コンタクト層２０６は、ｐ型短周期超格子２０５のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ上に３０ｎｍ積層された。ｐ型透光性電極２０７はＰｄ（７ｎｍ）が、ｐ電極２０８はＡｕ（５００ｎｍ）がそれぞれ用いられた。
【００７３】
本実施の形態３で説明された発光ダイオード素子の各層は、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層に、種々置き換えることが可能である。
【００７４】
＜実施の形態４＞
本実施の形態４では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子に適用された場合について、図３を用いて説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００７５】
図３の窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子は、（０００１）面ｉ型ＧａＮ基板３００、ｎ型ＡｌＧａＮ層３０１、ｎ型ＩｎＧａＮＰ（Ｉｎの原子分率は５％、Ｐの原子分率は３％）コンタクト層３０５、ソース３０２、ゲート３０３、およびドレイン３０４を含む。
【００７６】
本実施の形態ではｎ型ＡｌＧａＮ層３０１として、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（厚み５０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）が用いられた。ｎ型ＩｎＧａＮＰ（Ｉｎの原子分率は５％、Ｐの原子分率は３％）コンタクト層３０５は厚み５ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³を用いた。ソース３０２とドレイン３０４の電極としてＴｉ（１５ｎｍ）／Ａｌ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を用いた。ゲート３０３の電極として、ＰｄＳｉ（１５ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を用いた。
【００７７】
本実施の形態４で説明されたトランジスタ素子は、本発明に係る窒化物半導体をコンタクト層に用いることによってゲート電極の剥離が防止され、歩留まりが向上し得た。
【００７８】
本実施の形態４で説明されたトランジスタ素子の各層は、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層に、種々置き換えることが可能である。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、発光波長の短波長化、格子定数の縮小化、バンドギャップエネルギーの増大、屈折率の減少化を図ることができる。このことによって、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体が、発光層、ｎ型層、ｐ型層、多層膜構造、超格子構造、クラック防止層、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層、光ガイド層およびクラッド層などに好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 窒化物半導体レーザ素子の一例を表した図である。
【図２】 窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である。
【図３】 窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子の一例である。
【図４】 ＧａＮＰのＸ線スペクトルである（２θ−ωスキャン）。
【図５】 ＧａＮＰの原子分率と格子定数の関係を表す図である。
【符号の説明】
１００、２００…ｎ型ＧａＮ基板
１０１…ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層
１０２…ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４、２０３…発光層
１０５…ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
１０６…ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０７…ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０８…ｐ型ＧａＮ層
１０９…ｐ型ＧａＮＰコンタクト層
１１０、２０９…ｎ電極
１１１、２０８…ｐ電極
１１２…ＳｉＯ₂誘電体膜
２０１…ｎ型短周期超格子
２０２…ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
２０４…ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
２０５…ｐ型短周期超格子
２０６…ｐ型ＧａＮＡｓコンタクト層
２０７…ｐ型透光性電極
３００…ｉ型ＧａＮ基板
３０１…ｎ型ＡｌＧａＮ層
３０２…ソース
３０３…ゲート
３０４…ドレイン
３０５…ＩｎＧａＮＰコンタクト層 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionPThe present invention relates to a nitride semiconductor device using a nitride-based compound semiconductor material containing an element.
[0002]
[Prior art]
  GaN formed by adding P to hexagonal GaN crystal_1-xP_xJpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. L1634-L1637. GaN_1-xP_xWas produced with a GSMBE (Gas Source Molecular Beam Epitaxy) apparatus. This GaN_1-xP_xHas a composition x of P of 0.015 and a lattice constant in the c-axis direction of 0.5202 nm. On the other hand, the lattice constant of GaN, which is the underlayer, is 0.5185 nm. Thus, conventionally, in a nitride-based semiconductor, a certain material is further increased.PIs added,PIs added to the semiconductor layer (GaNP in the above example)PThe c-axis lattice constant was large and the emission wavelength was longer than that of the semiconductor layer not added with GaN (GaN for GaNP).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  Until now, in order to obtain a nitride-based semiconductor material having a lattice constant smaller than that of GaN, there has been only a method of adding Al to GaN. However, Al is a substance that is easily oxidized, and in order to increase the degree of freedom in device design, it has been eagerly desired to obtain a semiconductor having a smaller lattice constant with a nitride-based semiconductor that does not contain Al.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  In light of the above problems, the present inventors have conducted research,PWe succeeded in producing a nitride semiconductor with a property different from those reported so far.
[0005]
  The semiconductor layer of the present invention isGa andN, andPNitride semiconductor layer (hereinafter simply “PIn the nitride semiconductor layer).PHas an atomic fraction of 30% or less, andPIs contained in at least a group III site. Further, such a nitride semiconductor layer (hexagonal system) has a lattice constant in the c-axis direction from that of the nitride semiconductor layer.PSemiconductor layer excluding (PIt has been found from the research results of the present inventors that it is smaller than the lattice constant in the c-axis direction of a nitride semiconductor layer that does not contain ")".
[0006]
  This indicates that the conventional GANP (GaNP in which GaN has more N than P) has a property opposite to the property that the lattice constant increases when P is added to GaN. GaN reported as a conventional example_1-xP_xIs represented by G: P + N and the composition ratio is 1: 1. That is, P is considered to be in the group V site.
[0007]
  Here, included in certain nitride semiconductor layers as described hereinPThe atomic fraction of is represented as follows.PAtomic fraction (%) = 100 × (P) / (All group III atoms of a nitride semiconductor layer + all group V elements of a nitride semiconductor layer). Here, all group V elements of a certain nitride semiconductor layer arePincluding. For example, when a certain nitride semiconductor layer is GaNP, the atomic fraction of P is 100 × P / (Ga + N + P).The
[0008]
  The lattice constant in the c-axis direction of the nitride conductor layer of the present invention is determined from the nitride semiconductor layer.PIt is characterized by being smaller than the lattice constant in the c-axis direction of the semiconductor layer excluding.
[0009]
  The nitride semiconductor device of the present invention includes the nitride semiconductor layer described above.
[0010]
  The nitride semiconductor device of the present invention is a light emitting device.
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is included in a light emitting layer.
[0011]
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is n-type.
[0012]
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is p-type.
[0013]
  The nitride semiconductor device of the present invention has a multilayer film structure or a superlattice structure including at least the nitride semiconductor layer.
[0014]
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is used as a contact layer.
[0015]
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is used as a light guide layer.
[0016]
  The nitride semiconductor device of the present invention is characterized in that the nitride semiconductor layer is used as a cladding layer.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  <Embodiment 1>
  (Related to the present inventionPOf Nitride Semiconductors Containing Nitrogen)
  The present invention occupies a nitride semiconductorPIn a nitride semiconductor layer having an atomic fraction of 30% or less,PIs included in at least a group III site. Furthermore, the lattice constant of the nitride semiconductor layer in the c-axis direction isPIt is characterized in that it is made smaller than that of a nitride semiconductor layer not containing silicon. Such a nitride semiconductor layer can be produced using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus as follows.The
[0018]
  First, the sapphire substrate is set in the MOCVD apparatus, and the group V raw material NH_ThreeAnd a Group III raw material TMGa (trimethylgallium) was supplied to grow a low-temperature GaN buffer layer by 30 nm at a growth temperature of 550 ° C. Next, the substrate temperature was raised to 1050 ° C. and again NH_ThreeAnd TMGa are supplied to produce a GaN foundation layer having a thickness of about 3 μm. Subsequently, the substrate temperature is lowered to 900 ° C._Three1 sccm of (phosphine) was added to grow GANP. PH used here_ThreeUsed a nitrogen-based 10% dilution.
[0019]
  According to the experimental results by the present inventors, the growth temperature of the GaNP crystal according to the present invention is preferably 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, more preferably 850 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The carrier gas for growing the GaNP crystal is preferably mixed with nitrogen in addition to hydrogen, and the ratio of the nitrogen carrier gas in the total carrier gas is preferably 0.01% to 50%. . When the ratio of the nitrogen carrier gas exceeds 50%, the crystallinity is lowered, which is not preferable. Also,PThe nitride semiconductor containing In and further containing In must always contain hydrogen as a carrier gas. Otherwise, the surface morphology deteriorated and epitaxial growth could not be performed.
[0020]
  Furthermore, the growth rate of GaNP was preferably 0.3 μm / h or less. According to the results of experiments conducted by the present inventors, it was difficult to successfully epitaxially grow a GaNP crystal if the growth rate was too fast. On the other hand, GaN has a growth rate of 3 to 4 μm / h, and the growth rate of GANP in the present application is quite slow. Thus, it is considered that P of GaNP enters the group III site by making the growth rate of the GaNP crystal as the first semiconductor layer slower than the growth rate of GaN as the second semiconductor layer.
[0021]
  The thus prepared GaNP was a light yellow transparent film. This GaNP film was measured with an Auger electron spectroscopy (AES) apparatus, and sensitivity calibration of the composition ratio (atomic fraction) of each constituent element was performed using a standard sample (GaN and GaP). As a result, assuming that the atomic fraction of the constituent elements of GaNP is 100%, the atomic fraction of Ga element is 47.6%, the atomic fraction of P element is 2.4%, and the atomic fraction of N element is 50%. %Met. From this AES measurement result, considering the distribution of P so that the stoichiometry of the group III element and group V element of the nitride semiconductor is 50%, it is well explained that P is added to the group III site. Holds. In other words, since P is a group V, N and P should originally be 50%. However, in the above AES result, N alone is 50%. It is thought that it is in the tribe site. In this way, the present inventors have determined that P is contained in the group III site of the nitride semiconductor. Using the same method as above, PH_ThreeTable 1 shows the atomic fractions of the constituent elements of GaNP produced by changing only the supply amount. Using Table 1 and the determination method described above, it can be seen that P of GaNP is included in the group III site of the nitride semiconductor. Furthermore, according to the results of our experiments, the same PH_ThreeIt was confirmed that the atomic fraction of P increases as the growth rate of GaNP increases as the growth rate of GANP increases, and the atomic fraction of P increases as the growth temperature decreases.
[0022]
[Table 1]

[0023]
  Further, in the above description, it was investigated by AES measurement that P is contained in the group III element site of the nitride semiconductor. However, the present inventors have similarly investigated by EPMA (electron beam microanalyzer) measurement. confirmed.
[0024]
  Next, GANP having an atomic fraction of P described above of 2.4% was analyzed using an X-ray apparatus (optical system has 4 crystals). The result at that time is shown in FIG. FIG. 4 shows a measurement result by 2θ-ω scan which is one of X-ray measurement methods. As can be seen from this figure, a (0002) reflection spectrum caused by the GaN underlayer and a spectrum caused by GaNP were observed at a higher angle side than the spectrum (the spectrum caused by this GaNP is an X-ray source). It has been confirmed by the present inventors that it is not caused by Kα of Cu. As described above, since the spectrum caused by GaNP appeared on the higher angle side than the (0002) reflection spectrum of the GaN underlayer, the lattice constant of the c-axis of GaNP is smaller than that of GaN not containing P. It became clear. In fact, when the surface of the GNP (GaNP thickness is 0.5 μm, GaN underlayer thickness is 3 μm) film was observed using an optical microscope, cracks were found.
[0025]
  Furthermore, referring to FIG. 4, nothing is observed near the spectral position where the zinc-blende structure GaP (111) reflection (2θ = 28.333 °) appears, and thus GaP-based GaPN ( (Cubic crystal system) was not included (this crystal is a GaN-based hexagonal GANP, and no phase separation occurred between the hexagonal system and the cubic system).
[0026]
  (In nitride semiconductorsPThe atomic fraction of)
  The atomic fraction of P in the nitride semiconductor is preferably 0.1% or more and 30% or less. More preferably, they are 0.3% or more and 15% or less, More preferably, they are 0.5% or more and 10% or less. If the atomic fraction of P exceeds 30%, the crystallinity is lowered, which is not preferable. If the atomic fraction of P is less than 0.1%, the effects of the present invention may not be obtained.
[0027]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is applied to the light emitting layer)
  Here, the light emitting layer includes a well layer that emits light and a barrier layer that confines electrons and holes. When the light emitting layer has a single quantum well structure, a well layer alone or a barrier layer / well layer / barrier layer structure can be used. When the light emitting layer has a multiple quantum well structure, the barrier layer / well layer / barrier layer /.../ barrier layer structure starts with the barrier layer and ends with the barrier layer, or the well layer starts with the well layer. A well layer / barrier layer / well layer /.../ well layer structure can be used.
[0028]
  By including the nitride semiconductor layer described above in the light emitting layer, the following effects can be obtained.
[0029]
  According to the present inventionPBy using a nitride semiconductor containing as a well layer, it is possible to easily shorten the emission wavelength or the oscillation wavelength. This characteristic has been reported so far for GaN.P andIs the opposite nature. According to the results of our experiments, the photoluminescence caused by GaNP emits light on the shorter wavelength side than that of GaN.It was.
[0030]
  According to the present inventionPThe nitride semiconductor containingPSince the band gap energy can be increased as compared with the case where it does not contain, it can be used as a barrier layer. For example, when InGaN is a well layer, the barrier layer is GaNPCan be used. When GaN is a well layerAlsoThe barrier layer, GaNPCan be usedThe
[0031]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is applied as an n-type layer)
  According to the experiment results of the inventors, the present invention relates toPThe polarity of the nitride semiconductor containing can easily be n-type without adding an impurity serving as a donor. When a donor impurity is added to the nitride semiconductor of the present invention, Si is most preferable as the impurity, and the impurity concentration is 1 × 10¹⁷~ 5x10¹⁸/ Cm^ThreeIt was preferable to be within the range.
[0032]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is applied as a p-type layer)
  According to the present inventionPThe nitride semiconductor containing can have p-type polarity by adding Mg. The present inventors used bisethylcyclopentadienylmagnesium as a raw material for Mg.PMg impurity concentration in the nitride semiconductor containing 1 × 10²⁰~ 5x10^{twenty one}/ Cm^ThreeIt was preferable to be within the range.
[0033]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is used in a multilayer film structure or a superlattice structure)
  According to the present inventionPA nitride semiconductor containing can be used for a part of a multilayer film structure or a superlattice structure. For example, according to the present inventionPA nitride semiconductor layer containingPA multilayer film structure or a superlattice structure in which nitride semiconductor layers not containing silicon are alternately stacked, orPA first nitride semiconductor layer containingPIt can be used for a multilayer film structure or a superlattice structure in which second nitride semiconductor layers containing are alternately stacked.
[0034]
  Specifically, an AlGaN / GaNP multilayer film or superChildAs a result, the lattice mismatch between each other can be reduced, so that it is possible to prevent the occurrence of cracks and also have a function as a cladding layer. For example, conventional Al_0.15Ga_0.85The lattice constant of each layer consisting of N / GaN multilayer or superlattice is Al_0.15Ga_0.85The N layer is 0.5159 nm and the GaN layer is 0.5190 nm. The lattice mismatch difference is 0.0031 nm. On the other hand, Al containing GaNP having an atomic fraction of 2.4% of P of the present application._0.15Ga_0.85The lattice constant of each layer made of N / GaNP (the atomic fraction of P is 2.4%) is Al_0.15Ga_0.85The N layer is 0.5159 nm, and the GaNP layer is 0.5156 nm. The lattice mismatch difference is 0.0003 nm. That is, when the present application is used, the lattice mismatch difference can be reduced to about 1/10 as compared with the conventional one.
[0035]
  FIG. 5 shows the relationship between the P atomic fraction of GaNP and its lattice constant in the c-axis direction, and the relationship between the P atomic fraction of GaNP and the lattice constant of GaN as the underlying layer of GaNP. The black square mark in FIG. 5 represents GaNP, and the white circle mark in FIG. 5 represents GaN, which is an underlayer of GaNP produced at each P atomic fraction (the white area where the P atomic fraction is 0). The circles indicate the lattice constant of the GaN layer grown on the sapphire substrate, and the lattice constant is smaller than that of other GaN only when the P atomic fraction is 0. This is probably due to compressive strain caused by GaNP). As can be seen from this figure, the lattice constant in the c-axis direction of GaNP decreases as the P atomic fraction of GaNP increases.
[0036]
  When the polarity of the multilayer film or superlattice is n-type, AlGaN and GaNPSi can be added to both layers or to only one of the layers. On the other hand, when the polarity of the multilayer film or superlattice is p-type, AlGaN and GaNPMg can be added to both layers or to only one of the layers.
[0037]
  The same effect as described above is obtained by using an AlInGaN / GaNP multilayer film or a superlattice, GaN / GaNP multilayer or superlattice, AlInGaNP / GaNP multilayer or superlattice, GaNP / GaNP multilayer or super-gradeChildAnyone can get it.
[0038]
  On the other hand, InGaN / GaNP multilayer film or superThe child isBy inserting between two nitride semiconductor layers having different lattice constants, the lattice mismatch between these nitride semiconductor layers can be relaxed and cracks can be prevented. It can also be used as a light guide layer. When the polarity of the multilayer film or superlattice is n-type, InGaN and GaNPSi can be added to both layers or to only one of the layers. On the other hand, when the polarity of the multilayer film or superlattice is p-type, InGaN and GaNPMg can be added to both layers or to only one of the layers.
[0039]
  The same effect as above, GaN / GaNP multilayer or superlattice, GaNP / GaNP multilayer or super-gradeChildAnyone can get it.
[0040]
  Included in the multilayer structure or superlattice structure described above,PThe thickness of the nitride semiconductor layer containing is preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 2 nm to 25 nm.
[0041]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is used as a contact layer)
  According to the present inventionPThe nitride semiconductor containing can be used as an n-type contact layer in contact with the n-type electrode or a p-type contact layer in contact with the p-type electrode.
[0042]
  According to the present inventionPWhen a nitride semiconductor layer containing is used as the n-type contact layer, at least one of Ti, Al, Hf, and Au can be used as the n-type electrode. This is preferable because the contact resistance of the n-electrode can be reduced. The thickness of the n-type contact layer of the nitride semiconductor according to the present invention is preferably 2 nm or more and 0.6 μm or less.
[0043]
  On the other hand, according to the present inventionPWhen a nitride semiconductor layer containing is used as the p-type contact layer, at least one of Pd, Pt, Mo, Ni, and Au can be used as the p-type electrode. This is preferable because the contact resistance of the p-electrode is reduced and electrode peeling can be prevented. The nitride semiconductor layer in contact with the main surface of the p-type contact layer on the opposite side of the p-type electrode is most preferably GaN having p-type polarity in order to reduce contact resistance. The thickness of the p-type contact layer of the nitride semiconductor according to the present invention is preferably 0.02 μm or more and 0.2 μm or less.
[0044]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is used as a light guide layer)
  According to the present inventionPA nitride semiconductor containing can be used as a light guide layer of a semiconductor laser. A clad layer generally used in a nitride semiconductor laser device is an AlGaN layer (layer thickness is about 1 μm) or a superlattice made of AlGaN (layer thickness is several nm) / GaN (layer thickness is several nm). Further, a light guide layer generally used in a nitride semiconductor laser element is a GaN layer (layer thickness is about 0.1 μm). Of course, for example, Si or Mg may be added to these layers in order to make the polarity n-type or p-type.
[0045]
  Generally, the light guide layer and the cladding layer in a nitride semiconductor laser element are formed in contact with each other. In addition, the lattice constant of the cladding layer is smaller than that of the light guide layer. This feature has caused cracks in the nitride semiconductor laser device using these layers, which has led to a decrease in production yield.
[0046]
  However, according to the present inventionPBy using the nitride semiconductor containing the light guide layer for the light guide layer, it becomes possible to reduce the lattice mismatch difference between the cladding layer and the light guide layer, and to reduce cracks. This is to improve the yield rate in the nitride semiconductor laser device.
[0047]
  Specifically, the light guide layer according to the present invention is GaN.Pis there.thisThe light guide layer may be made n-type or p-type by adding impurities, or may not be intentionally added (i-type). When impurities are added and the light guide layer has n-type polarity, Si can be used as the impurities. The range of Si impurity concentration at this time is 1 × 10¹⁷~ 3x10¹⁸/ Cm^ThreeIs preferred. On the other hand, when an impurity is added to make the light guide layer have a p-type polarity, Mg can be used as the impurity. The range of Mg impurity concentration at this time is 1 × 10¹⁹~ 3x10²⁰/ Cm^ThreeIs preferred.
[0048]
  thisAdded to the light guide layerPIs adjusted to be larger than the refractive index of the clad layer formed in contact with the light guide layer or smaller than the band gap energy of the clad layer. Specifically, the atomic fraction of P contained in the light guide layer is preferably 0.1% to 5%.Yes.
[0049]
  (When the nitride semiconductor according to the present invention is used as a cladding layer)
  According to the present inventionPThe nitride semiconductor containing can be used as a cladding layer of a nitride semiconductor light emitting device (including a semiconductor laser and a light emitting diode). A clad layer generally used in a nitride semiconductor light emitting device is an AlGaN layer (layer thickness is about 1 μm) or a superlattice made of AlGaN (layer thickness is several nm) / GaN (layer thickness is several nm). Further, for example, Si or Mg is added to these layers in order to make the polarity n-type or p-type.
[0050]
  The clad layer needs to have a smaller refractive index than these layers in order to confine light in the light emitting layer and the light guide layer. However, it is made of a conventional nitride semiconductor containing Al (PThe refractive index of the cladding layer is difficult to obtain a large refractive index difference compared to that of the active layer made of InGaN or the light guide layer made of GaN (if the Al composition ratio is increased, cracks will occur) It was difficult to confine light sufficiently.
[0051]
  However, according to the present inventionPBy using a nitride semiconductor containing as a cladding layer, it is possible to confine light with a thinner layer thickness than a conventional cladding layer. As a result, the occurrence rate of cracks in the nitride semiconductor light emitting device is reduced, and the optical confinement can be satisfied.
[0052]
  The specific cladding layer according to the present invention is GaNPis there.thisSi may be added to make the polarity of the layer n-type, and Mg may be added to make the layer p-type. The range of Si impurity concentration is 1 × 10¹⁷~ 5x10¹⁸/ Cm^ThreeThe Mg impurity concentration range is 1 × 10¹⁹~ 5x10^{twenty one}/ Cm^ThreeIs preferred. Further, the atomic fraction of the elements constituting these cladding layers is such that the refractive index is smaller than the refractive index of the light guide layer and the active layer, or the band gap energy thereof is that of the light guide layer or the light emitting layer. It is adjusted to be larger than the band gap energy. Specifically, the atomic fraction of P contained in the cladding layer is preferably 0.1% or more and 10% or less.. TheFurther, the thickness of these cladding layers is preferably 0.3 μm or more and 1 μm or less.
[0053]
  In addition to the single layer as described above, the present cladding layer can use the multilayer film or superlattice structure described above for the cladding layer. In particular, the p-type multilayer film or the p-type superlattice structure according to the present invention is preferably used because a high hole carrier concentration can be obtained.
[0054]
  (About a semiconductor device using the present invention)
  The nitride semiconductor device according to the present invention can provide a nitride semiconductor device with a low device defect rate and high reliability. For example, the nitride semiconductor laser element according to the present invention is preferably used in an optical apparatus such as a magneto-optical reproduction recording apparatus, a DVD apparatus, a laser printer, a bar code reader, a projector using a laser of three primary colors (blue, green, red). . The nitride semiconductor light-emitting diode element according to the present invention is preferably used for an optical device such as a white light source device, a backlight of a liquid crystal display device, a backlight of a mobile phone, a display device using light primary diodes of three primary colors of light. Used. Furthermore, the nitride semiconductor electronic device according to the present invention is preferably used for a communication transmission apparatus such as a mobile phone, a high-speed switching apparatus, and the like.
[0055]
  <Embodiment 2>
  In this embodiment mode, the present invention relates toPA case in which a nitride semiconductor containing is applied to a nitride semiconductor laser device will be described. Other matters related to the present invention are the same as those in the first embodiment.
[0056]
  1 includes a (0001) plane n-type GaN substrate 100, an n-type In_0.07Ga_0.93N crack prevention layer 101, n-type Al_0.1Ga_0.9N clad layer 102, n-type GaN light guide layer 103, light emitting layer 104, p-type Al_0.3Ga_0.7N carrier block layer 105, p-type GaN light guide layer 106, p-type Al_0.1Ga_0.9N-cladding layer 107, p-type GaN layer 108, p-type GaNP (P atomic fraction is 2%) contact layer 109, n-electrode 110, p-electrode 111 and SiO₂A dielectric film 112 is included.
[0057]
  First, using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus, an NH, which is a group V raw material, is formed on a GaN substrate 100._ThreeTMGa or group III raw material TMGa or TEGa (triethylgallium), TMIn (trimethylindium) group III raw material and SiH_FourN-type In at a growth temperature of 800 ° C._0.07Ga_0.93The N crack preventing layer 101 was grown to 40 nm. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C., and a group III raw material of TMAl or TEAl (triethylaluminum) is used to form a 1.2 μm thick n-type Al._0.1Ga_0.9N clad layer 102 (Si impurity concentration 1 × 10¹⁸/ Cm^Three) Is grown, followed by n-type GaN light guide layer 103 (Si impurity concentration 1 × 10¹⁸/ Cm^Three) Was grown to 0.1 μm.
[0058]
  After that, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and 3 cycles of 4 nm thick In_0.15Ga_0.85N well layer and 8nm thick In_0.01Ga_0.99A light emitting layer (multiple quantum well structure) 104 composed of an N barrier layer was grown in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. At that time, SiH is formed on both the barrier layer and the well layer._Four(Si impurity concentration is 1 × 10¹⁸/ Cm^Three) Was added.
[0059]
  In the light emitting layerPPH is added when_Three(Phosphine)AppendIt is good to add. Further, when the light emitting layer is formed, NH is used as an N raw material._ThreeIn addition, dimethylhydrazine may be used. These raw materials are related to the present invention.PIt is preferably used for a nitride semiconductor layer containing.
[0060]
  Next, the substrate temperature was raised again to 1050 ° C., and p-type Al having a thickness of 20 nm._0.3Ga_0.7N carrier blocking layer 105, 0.1 μm p-type GaN light guide layer 106, 0.5 μm p-type Al_0.1Ga_0.9An N clad layer 107 and a 0.1 μm p-type GaN layer 108 were sequentially grown. Then, the substrate temperature was lowered to 900 ° C., and a p-type GaNP (P atomic fraction was 2%) contact layer 109 was grown by 0.1 μm. As the p-type impurity, Mg (EtCP₂Mg: bisethylcyclopentadienylmagnesium) was added.
[0061]
  Subsequently, the epiwafer grown above was taken out of the MOCVD apparatus, and an electrode was formed. The n-electrode 110 was formed in the order of Hf / Al on the back surface of the epi-wafer. Then, Au was deposited on the n-electrode 110 as an n-type electrode pad. In addition to the n-electrode material, Ti / Al, Ti / Mo, Hf / Au, or the like may be used.
The p-electrode portion was etched into a stripe shape to form a ridge stripe portion (FIG. 1). The width of the ridge stripe part was 1.7 μm. Then SiO₂The dielectric film 112 was deposited by 200 nm, the p-type GaNP contact layer 109 was exposed, and the p-electrode 111 was deposited by deposition in the order of Pd (15 nm) / Mo (15 nm) / Au (200 nm).
[0062]
  In described above_0.07Ga_0.93The N crack prevention layer 102 may have an In composition ratio other than 0.07, or may not have the InGaN crack prevention layer itself. However, when the lattice mismatch between the cladding layer and the GaN substrate increases, it is preferable to insert a crack prevention layer from the viewpoint of crack prevention. Although the InGaN crack prevention layer is used in the present embodiment, the nitride semiconductor layer according to the present invention described in the first embodiment may be used as the crack prevention layer. For example, GaNP (0.1 μm), GaNP (10 nm) / GaN (10 nm) multilayer film or superChildAnd so on.
[0063]
  The light-emitting layer 104 described above has a configuration that starts with a barrier layer and ends with a barrier layer, but may have a configuration that starts with a well layer and ends with a well layer. Further, the number of well layers is not limited to the above-described three layers, and if it is 10 layers or less, the threshold current density is low, and continuous oscillation at room temperature is possible. The light emitting layer 104 described above includes Si (SiH) in both the well layer and the barrier layer._Four) Is 1 × 10¹⁸/ Cm^ThreeAlthough added, Si may not be added. Further, the impurity may be added to only one layer, not limited to both the well layer and the barrier layer. Further, the light emitting layer 104 may include the nitride semiconductor according to the present invention described in the first embodiment.
[0064]
  P-type Al described above_0.3Ga_0.7The N carrier block layer 107 may have an Al composition ratio other than 0.3, or may not include the p-type carrier block layer itself. However, in the case where the light emitting layer includes the nitride semiconductor according to the present invention, the emission intensity is improved if there is no nitride semiconductor layer (carrier block layer) having p-type polarity and containing at least Al. It was difficult to reduce the threshold current density.
[0065]
  In the above description, as the p-type cladding layer and the n-type cladding layer, Al_0.1Ga_0.9Although N crystal is used, the nitride semiconductor according to the present invention described in the first embodiment can also be used.
[0066]
  The nitride semiconductor laser device described in the second embodiment uses the p-type GaNP contact layer according to the present invention, thereby reducing the contact resistance and preventing the p-electrode from peeling off and improving the yield rate. . Needless to say, the contact layer described in Embodiment 1 can be used in addition to the contact layer.
[0067]
  Although the nitride semiconductor laser device having a ridge stripe structure has been described in the second embodiment, the same effect can be obtained even when applied to a nitride semiconductor laser device having a current blocking layer.
[0068]
  In this embodiment, a GaN substrate is used as a substrate. However, an AlGaN substrate, a sapphire substrate, an (111) plane of an Si substrate, an ELOG (Epitaxially Lateral OverGaN) substrate formed on the sapphire substrate, and a GaN substrate. A formed ELOG substrate or an ELOG substrate formed on a Si (111) surface may be used. When these ELOG substrates are used, a growth suppression film (for example, SiO 2₂The ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser element or its current confinement portion is not included above the center of the width of the film) and above the center of the width of the region where the growth suppression film is not formed. This is preferable because the laser oscillation life is extended.
[0069]
  The nitride semiconductor laser device manufactured in this way is preferably used for a laser printer, a barcode reader, a projector using three primary colors (blue, green, red) of light.
[0070]
  <Embodiment 3>
  In Embodiment 3, the present invention relates toPThe case where the nitride semiconductor containing is applied to a nitride semiconductor light-emitting diode element will be described with reference to FIG. Other matters related to the present invention are the same as those in the first embodiment.
[0071]
  2 includes a (0001) plane n-type GaN substrate 200, an n-type short period superlattice 201, and an n-type Al._0.3Ga_0.7N carrier block layer 202, light emitting layer 203, p-type Al_0.3Ga_0.7An N carrier block layer 204, a p-type short period superlattice 205, a p-type GaNAs (As atomic fraction is 6%) contact layer 206, a p-type translucent electrode 207, a p-electrode 208, and an n-electrode 209 are included.
[0072]
  In this embodiment, as the n-type short-period superlattice 201, 100 periods of GANP (P atomic fraction 4%, thickness 1.5 nm, Si-doped) / Al_0.2Ga_0.8N (thickness 1.5 nm, Si-doped) was used. As the light emitting layer 203, three periods of Al_0.06Ga_0.94N well layer (thickness 2 nm, Si doped) / Al_0.12Ga_0.88N (thickness 4 nm, Si-doped) was used. As p-type short period superlattice 205, 100 periods of GANP (atomic fraction of P 4%, thickness 1.5 nm, Mg doped) / Al_0.2Ga_0.8N (thickness 1.5 nm, Mg-doped) was used. The p-type GaNAs (As atomic fraction is 6%) contact layer 206 is made of Al of p-type short-period superlattice 205._0.2Ga_0.8Laminated 30 nm on N. Pd (7 nm) was used for the p-type translucent electrode 207, and Au (500 nm) was used for the p-electrode 208.
[0073]
  Each layer of the light-emitting diode element described in the third embodiment can be variously replaced with the nitride semiconductor layer according to the present invention described in the first embodiment.
[0074]
  <Embodiment 4>
  The fourth embodiment relates to the present invention.PA case where a nitride semiconductor containing N is applied to a nitride semiconductor heterojunction field effect transistor element will be described with reference to FIG. Other matters related to the present invention are the same as those in the first embodiment.
[0075]
  3 includes a (0001) plane i-type GaN substrate 300, an n-type AlGaN layer 301, an n-type InGaNP (the atomic fraction of In is 5%, the atomic fraction of P Includes a contact layer 305, a source 302, a gate 303, and a drain 304.
[0076]
  In this embodiment, as the n-type AlGaN layer 301, Al_0.25Ga_0.75N (thickness 50 nm, Si impurity concentration: 5 × 10¹⁸/ Cm^Three) Was used. n-type InGaNP (the atomic fraction of In is 5%, the atomic fraction of P is 3%) The contact layer 305 has a thickness of 5 nm and a Si impurity concentration of 5 × 10¹⁸/ Cm^ThreeWas used. Ti (15 nm) / Al (30 nm) / Au (100 nm) was used as the source 302 and drain 304 electrodes. PdSi (15 nm) / Au (100 nm) was used as the electrode of the gate 303.
[0077]
  In the transistor element described in the fourth embodiment, the gate electrode can be prevented from being peeled off by using the nitride semiconductor according to the present invention for the contact layer, and the yield can be improved.
[0078]
  Each layer of the transistor element described in the fourth embodiment can be variously replaced with the nitride semiconductor layer according to the present invention described in the first embodiment.
[0079]
【The invention's effect】
  According to the present invention, it is possible to shorten the emission wavelength, reduce the lattice constant, increase the band gap energy, and decrease the refractive index. Thus, according to the present inventionPIs preferably used for a light emitting layer, an n-type layer, a p-type layer, a multilayer structure, a superlattice structure, a crack prevention layer, an n-type contact layer, a p-type contact layer, a light guide layer, a clad layer, etc. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a nitride semiconductor laser element.
FIG. 2 is an example of a nitride semiconductor light emitting diode element.
FIG. 3 is an example of a nitride semiconductor heterojunction field effect transistor element.
FIG. 4 is an X-ray spectrum of GaNP (2θ-ω scan).
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the atomic fraction of GaNP and the lattice constant.
[Explanation of symbols]
  100, 200 ... n-type GaN substrate
  101 ... n-type In_0.07Ga_0.93N crack prevention layer
  102 ... n-type Al_0.1Ga_0.9N clad layer
  103 ... n-type GaN light guide layer
  104, 203 ... Light emitting layer
  105 ... p-type Al_0.3Ga_0.7N carrier block layer
  106 ... p-type GaN optical guide layer
  107 ... p-type Al_0.1Ga_0.9N clad layer
  108: p-type GaN layer
  109 ... p-type GaNP contact layer
  110, 209 ... n electrode
  111, 208 ... p-electrode
  112 ... SiO₂Dielectric film
  201 ... n-type short period superlattice
  202 ... n-type Al_0.3Ga_0.7N carrier block layer
  204 ... p-type Al_0.3Ga_0.7N carrier block layer
  205 ... p-type short period superlattice
  206 ... p-type GaNAs contactlayer
  207 ... p-type translucent electrode
  300 ... i-type GaN substrate
  301 ... n-type AlGaN layer
  302 ... Source
  303 ... Gate
  304 ... Drain
  305 ... InGaNP contactlayer

Claims (11)

In a nitride semiconductor layer containing Ga and N and further containing P ,
The nitride semiconductor layer, wherein an atomic fraction of P contained in the nitride semiconductor layer is 30% or less, and further, P is contained at least in a group III site. In a nitride semiconductor layer containing Ga and N and further containing P ,
The atomic fraction of P contained in the nitride semiconductor layer is 30% or less, and the lattice constant in the c-axis direction of the nitride conductor layer is the c-axis of the semiconductor layer excluding P from the nitride semiconductor layer The nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer is smaller than a lattice constant in a direction.   A nitride semiconductor device comprising the nitride semiconductor layer according to claim 1.   The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the nitride semiconductor device is a light emitting device.   The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the nitride semiconductor layer is included in a light emitting layer.   The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the nitride semiconductor layer is n-type.   4. The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the nitride semiconductor layer is p-type.   The nitride semiconductor device according to claim 3, comprising a multilayer film structure or a superlattice structure including at least the nitride semiconductor layer.   The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the nitride semiconductor layer is a contact layer.   The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the nitride semiconductor layer is a light guide layer.   The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the nitride semiconductor layer is a cladding layer.

Images