JP4492013B2

JP4492013B2 - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP4492013B2
Application number: JP2001281328A
Authority: JP
Inventors: 孝夫山田; 慎一長濱; 一幸蝶々; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JP2002151798A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮよりなる活性層を有するダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増減することで決定されている。
【０００３】
また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) L74-76）。このレーザ素子はパルス電流（パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓ）、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm²、閾値電圧２１Ｖにおいて４１０ｎｍのレーザ発振を示す。
【０００４】
例えば、ＩｎＧａＮを活性層とするダブルへテロ構造のＬＥＤ素子では、活性層はＡｌＧａＮよりなるｎ型、ｐ型のクラッド層と、ＧａＮよりなるｎ型、ｐ型のコンタクト層とで挟まれている（例えば、特開平８−８３９２９号参照）。ｎ型コンタクト層、ｎ側クラッド層等のｎ型層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物がドープされ、ｐ側コンタクト層、ｐ側クラッド層等のｐ型層には、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物がドープされている。通常このような構造の場合、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層およびｐ電極が形成されるｐ側コンタクト層のキャリア濃度は、それぞれのコンタクト層が接するクラッド層と同一か、若しくは高キャリア濃度とされる。つまり基板から順に、高キャリア濃度のｎ＋層、次に低キャリア濃度のｎ−層、活性層、低キャリア濃度のｐ−層、高キャリア濃度のｐ＋層の順に積層されるのが通常であった。（ダブルへテロ構造ではないが、例えば特開平６−１５１９６３号、特開平６−１５１９６４号参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、電極と接触するコンタクト層のキャリア濃度が大きくなると、電極材料との接触抵抗が小さくなって、良好なオーミック性が得られやすい。電極とコンタクト層とのオーミック性が良くなると、ＬＥＤではＶｆ（順方向電圧）、ＬＤでは閾値電流が低下しやすくなる。しかしながら、窒化物半導体は結晶欠陥の多い材料であり、このような材料に高キャリア濃度を得るために、高濃度にｎ型不純物、ｐ型不純物をドープすると、結晶性が悪くなって素子自体の出力が低下しやすい傾向にある。
【０００６】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、さらに結晶性が良く、高出力、高効率の窒化物半導体よりなる素子を提供することにあり、具体的には低閾値電流で連続発振するレーザ素子、及び高効率なＬＥＤ素子を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
我々はＬＤ、ＬＥＤ等の窒化物半導体素子について、まず、基板の上に成長させるｎ型層を改良することにより、前記課題が解決できることを新規に見いだし、本発明を成すに至った。即ち本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされ、且つ膜厚が０．１μｍ以上であり、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）が積層された超格子層であると共に、前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ＧａＮからなり、前記第１の層に接して、前記第１の層よりもｎ型不純物濃度が大きくなるようにｎ型不純物がドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、さらに格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するバッファ層を有する。また、さらに前記格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮから選択されるバッファ層を有する。さらに窒化物半導体よりなる第１の層は前記窒化物半導体よりなる第２の層よりも厚い。さらに超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は、７０オングストローム以下である。さらに第２の層のｎ型不純物は１×１０ ^１７／ｃｍ ^３〜１×１０ ^２１／ｃｍ ^３である。さらに第１の層は、第２の層のｎ型不純物よりも活性化率の小さいｎ型不純物がドープされている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の窒化物半導体素子の一構造を示す模式的な断面図であり、具体的にはＬＥＤ素子の構造を示している。基本的な構造としては、例えばサファイアよりなる基板１０の上に、例えばノンドープＧａＮよりなる低温成長バッファ層１１、例えばノンドープＧａＮよりなる低キャリア濃度の第１の層１２、例えばＳｉドープＧａＮよりなる高キャリア濃度の第２の層１３、例えば単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層１４、例えばＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層１５、例えばＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１６が順に積層された構造を有している。最上層のｐ側コンタクト層１６のほぼ全面には透光性の正電極１７（以下、正電極をｐ電極という。）が形成され、そのｐ電極１７の表面にはボンディング用のパッド電極１８が形成されている。本発明の素子においてｎ電極１９は、ｎ型不純物濃度が小さいか、あるいはｎ型不純物がドープされていない第１の層１２の上に成長された、ｎ型不純物が多くドープされた、キャリア濃度の大きい第２の層１３の表面に形成される。つまり、第２の層１３が電流注入層としてのｎ側コンタクト層として作用する。
【００１１】
一方、不純物濃度が小さい第１の層１２は、負電極が形成されるコンタクト層としてではなく、コンタクト層として作用する第２の層を成長させるための基礎層として作用している。従来のように電流注入層となるｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで本発明では、まずコンタクト層とすべき第２の層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第１の層を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良い第２の層を成長させるのである。一般にｎ型不純物が含まれていないか、あるいはｎ型不純物濃度が小さい第１の層のキャリア濃度は、第２の層よりも小さい傾向にある。
【００１２】
本発明において、第１の層、第２の層にドープされるｎ型不純物としては、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｉのように周期律表第ＩＶ族元素を挙げることができ、その中でもＳｉ、Ｇｅは窒化物半導体にドープしてキャリア濃度、抵抗率等を調整するのに常用される。また窒化物半導体層の場合は半導体層中にできる窒素空孔のためにノンドープ（不純物をドープしない状態）でもｎ型を示す傾向にあるが、結晶性が良くなるとキャリア濃度の小さい高抵抗な層となる可能性もある。そのため本発明の第１の層の導電型は規定しない。
【００１３】
第１の層のｎ型不純物濃度は、第２の層よりも小さければ良いが、最も好ましくはｎ型不純物をドープしない状態（以下ノンドープという。）が望ましい。ノンドープのものが最も結晶性が良い窒化物半導体が得られるからである。本発明の場合、むしろ第２の層の不純物濃度の方が重要であり、その範囲は１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²¹／cm³の範囲、さらに好ましくは、１×１０¹⁸／cm³〜１×１０¹⁹／cm³に調整することが望ましい。１×１０¹⁷／cm³よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、１×１０²¹／cm³よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。
【００１４】
第１の層にｎ型不純物をドープする場合には第２の層よりも不純物量を少なくすることによりキャリア濃度の小さい層を形成できる。また、活性化率の小さい（つまり不純物をドープしてもキャリア濃度があまり大きくならない）ｎ型不純物をドープしても良い。しかし、本発明では不純物をドープしないで第１の層を形成する方が結晶性の良いものが得られるため、好ましくはノンドープの状態で第１の層を形成することが望ましい。
【００１５】
ここで、バッファ層１１について説明する。バッファ層１１は、通常０．１μｍ未満の膜厚で第１の層を成長させる前に、第１の層の成長温度よりも低温で成長される窒化物半導体層である。具体的にはノンドープのＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ層が挙げられる。この層は第１の層の結晶性を良くするために成長される層であり、また基板の上にバッファ層を成長させると、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用がある。このバッファ層は通常、多結晶を含む層であるため、キャリア濃度を測定することはほとんど不可能であるか、仮に測定できたとしても、例えば１×１０²¹／cm³以上と非常に大きく、移動度が非常に小さい層である。従って、本発明では基板の上、若しくは第１の層を成長させる前に単一の組成で成長される膜厚０．１μｍ未満の低温成長バッファ層は、本発明の第１の層には含まれない。またバッファ層は、基板と第１の層と第２の層とは必ずしも接して形成されていることを示すものではなく、基板と第１の層、若しくは第１の層と第２の層との間に、バッファ層等の他の窒化物半導体層が挿入されていても、本発明の範囲内である。
【００１６】
さらに、第１の層、及び第２の層の内の少なくとも一方の層を、膜厚１００オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された歪み超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層が超格子構造となって窒化物半導体層の結晶性が飛躍的に良くなり、閾値電流が低下する。つまり、超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下として、弾性歪み限界以下の膜厚としている。このように超格子層を構成する窒化物半導体層の膜厚を弾性歪み限界以下の膜厚とすると、結晶中に微細なクラック、結晶欠陥が入りにくくなり、結晶性の良い窒化物半導体を成長できる。そのため、この超格子層の上に他の窒化物半導体層を成長させても、超格子層が結晶性が良いために他の窒化物半導体層の結晶性も良くなる。従って全体の窒化物半導体に結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上するので、閾値電流が低下して、レーザ素子の寿命が向上する。
【００１７】
超格子層を構成する窒化物半導体層は互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良く、バンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば超格子層を構成する最初の層（Ａ層）をＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、次の層（Ｂ層）をＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０＜Y≦１）で構成すると、Ｂ層のバンドギャップエネルギーが必ずＡ層よりも大きくなるが、Ａ層をＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎ_ZＡｌ_1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、Ａ層とＢ層とは組成が異なるが、バンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。またＡ層をＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎ_ZＡｌ_1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、同様に第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。本発明の超格子層はこのような組成が異なってバンドギャップエネルギーが同じ構成でも良い。
【００１８】
好ましくは超格子層を構成するＡ層、Ｂ層の窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが異なるものを積層することが望ましく、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくするように調整することが望ましい。好ましくは一方の層をＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）で構成することにより、結晶性のよい超格子層を形成することができる。また、ＡｌＧａＮは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。そこで、超格子層を構成するＡ層を膜厚１００オングストローム以下のＡｌを含まない窒化物半導体層とすると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなるもう一方のＢ層を成長させる際のバッファ層として作用し、Ｂ層にクラックが入りにくくなる。そのため超格子層を積層してもクラックのない超格子を形成できるので、結晶性が良くなり、素子の寿命が向上する。これもまた一方の層をＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）とした場合の利点である。
【００１９】
超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０オングストローム以上、４０オングストローム以下の範囲に調整する。１００オングストロームよりも厚いと弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限は特に限定せず１原子層以上であればよいが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。但し、膜厚の厚い第１の層を超格子層で構成する場合には７０オングストローム以下、膜厚が薄く、ｎ型不純物が含まれる第２の層を超格子層とする場合には４０オングストローム以下にすることが望ましい。窒化物半導体層の膜厚を薄くすることにより、弾性歪み限界以下の膜厚となるため、窒化物半導体層の結晶欠陥、クラックが少なくなって結晶性が飛躍的に向上することにより、素子寿命が長くなり、信頼性の高い素子を実現できる。
【００２０】
超格子層を構成する窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが互いに異なる場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーの大きな方の層に多くドープするか、またはバンドギャップエネルギーの小さな方をノンドープとして、バンドギャップエネルギーの大きな方にｎ型不純物をドープする方が、閾値電圧、閾値電流が低下しやすい傾向にある。
【００２１】
重要なことに、第２の層よりも第１の層を厚く成長させ、第１の層は０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第１の層が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きい第２の層を厚く成長させなければならず、コンタクト層としての第２の層の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第１の層自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第１の層を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第１の層で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第１の層内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。
【００２２】
一方、第２の層は０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２よりも薄いと、後で負電極を形成する際に、第２の層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。これは、第１の層、第２の層を超格子層で構成する場合も同様である。超格子層で第１の層、第２の層を構成する場合には、それぞれの超格子層全体の層の膜厚を指すことは言うまでもない。第１の層を超格子で２０μｍ以上積むことは、非常に手間がかかり製造工程上不向きである。但し、第２の層を超格子層で形成する場合では４μｍ以上の膜厚で形成しても良いが、第１の層と同様に厚膜で成長させると非常に手間が係る。
【００２３】
【実施例】
以下実施例において本発明を詳説する。図２は本発明の一実施例のレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を元に本発明の素子を説明する。なお、本明細書において示す一般式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮは単に窒化物半導体の組成比を示すものであって、例えば異なる層が同一の一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値等が一致しているものではない。
【００２４】
［実施例１］
サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板２０にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ_１ ₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２５】
（バッファ層２１）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層２０、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が、９００℃以下の温度で、０．１μｍ未満、好ましくは数十オングストローム〜数百オングストロームで形成できる。このバッファ層は基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略することも可能である。
【００２６】
（第１の層２２）
バッファ層２０成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、キャリア濃度１×１０¹⁸／cm³のノンドープＧａＮよりなる第１の層２２を５μｍの膜厚で成長させる。第１の層はＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではない。
【００２７】
（第２の層２３）
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層２３を１μｍの膜厚で成長させる。この第２の層２３のキャリア濃度はドープ量と同じ１×１０¹⁹／cm³であった。特にＳｉのような活性化率の高いｎ型不純物はドープした不純物量とほぼ同じだけのキャリア濃度が得られるため、以下の説明においてＳｉがドープされたｎ型窒化物半導体はＳｉのドープ量でもって、キャリア濃度が示されているものとする。第２の層の組成もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではなく、第１の層２２、第２の層２３を異なる組成の窒化物半導体で構成しても良い。
【００２８】
（クラック防止層２４）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるクラック防止層２４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層１０はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層２４は成長方法、成長装置等の条件によっては省略することもでき、特に第２の層２３を超格子構造とした場合には省略できる。
【００２９】
（ｎ側クラッド層２５）
次に温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄を用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎよりなるｎ側クラッド層２５を０．５μｍの膜厚で成長させる。このｎ側クラッド層２５はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより、結晶性の良いクラッド層が形成できる。
【００３０】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、１０５０℃でＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側の光ガイド層はノンドープでも良い。
【００３１】
（活性層２７）
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層２７を成長させる。活性層２７は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０¹⁸／cm³でドープしたＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０¹⁸／cm³ドープしたＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構造とする。活性層にドープする不純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。
【００３２】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８は好ましくはｐ型とするが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良い。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌ_YＧａ_1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００３３】
（ｐ側光ガイド層２９）
続いて、１０５０℃で、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２９は、ｎ側光ガイド層２６と同じく、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なおこのｐ側光ガイド層は、ｐ型不純物をドープしたが、ノンドープの窒化物半導体で構成することもできる。
【００３４】
（ｐ側クラッド層３０）
続いて１０５０℃で、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ側クラッド層３０を０．５μｍの膜厚で成長させる。この層はｎ側クラッド層２５と同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させると結晶性の良いクラッド層が成長できる。
【００３５】
本実施例のように量子構造の井戸層を有する活性層を有するダブルへテロ構造の半導体素子の場合、その活性層２７に接して、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるキャップ層、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層２８を設け、そのｐ側キャップ層２８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層２８よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層２９を設け、そのｐ側光ガイド層２９よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層２９よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側クラッド層３０を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層２８の膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果によりキャップ層２８を通り抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、キャップ層２８のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせず、キャップ層２８で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。
【００３６】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、ｐ側クラッド層３０の上に、１０５０℃でＭｇを２×１０²⁰／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層３１はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極３２と最も好ましいオーミック接触が得られる。なお、ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極３２の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。さらに、ｐ側コンタクト層３１の膜厚は５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率が低下するため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素が多くなって抵抗率が低下しやすい傾向にある。さらに、このコンタクト層３１を薄くする効果には、次のようなことがある。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層に、膜厚が５００オングストロームより厚いｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層が接して形成されており、仮にクラッド層とコンタクト層の不純物濃度が同じで、キャリア濃度が同じである場合、ｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストロームよりも薄くすると、クラッド層側のキャリアがコンタクト層側に移動しやすくなって、ｐ側コンタクト層のキャリア濃度が高くなる傾向にある。そのためキャリア濃度の高いコンタクト層に電極を形成すると良好なオーミックが得られる。
【００３７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物がドープされた層をさらに低抵抗化する。
【００３８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置で最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。特に活性層よりも上にあるＡｌを含む窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成し、図２に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、ｎ電極３３を形成すべき第２の層２３の表面を露出させる。ｎ電極３３の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。
【００３９】
次にｐ側コンタクト層３１の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極３２をストライプ状に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３３をストライプ状の第２の層２３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８０％以上の面積をいう。このようにｐ電極３２に対して左右対称に第２の層２３を露出させて、その第２の層２３のほぼ全面にｎ電極を設けることも、閾値を低下させる上で非常に有利である。
【００４０】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板２０をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【００４１】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体超格子を形成し、最後にｐ電極３２に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度３．０ｋＡ／cm²、閾値電圧４．５Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、３０時間以上の寿命を示した。
【００４２】
［実施例２］
実施例１において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＳｉを同量でドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２０オングストローム成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返し、キャリア濃度１×１０¹⁹／cm³の総膜厚０．８μｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。
【００４３】
次に、クラック防止層２４を成長させずに、実施例１と同様にして第２の層２３の上に直接ｎ側クラッド層２５を成長させ、後は同様にして図２のレーザ素子の構造となるように窒化物半導体を積層する。
【００４４】
成長後、リッジを形成した後、第２の層２３の表面をエッチングして露出させる。なお第２の層２３の表面にはＳｉドープＧａＮよりなる井戸層が露出した。後は実施例１と同様にして電極を形成してレーザ素子としたところ、室温において、閾値電流密度２．８ｋＡ／cm²、閾値電圧４．３Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、４０時間以上の寿命を示した。
【００４５】
［実施例３］
実施例２において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを２×１０¹⁹／cm³ドープしたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる層を３０オングストローム成長させ、続いてノンドープのＧａＮよりなる層を３０オングストローム成長させる。この操作をそれぞれ２００回繰り返し、総膜厚１．２μｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。後は実施例２と同様にレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度２．７ｋＡ／cm²、閾値電圧４．１Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５０時間以上の寿命を示した。
【００４６】
このように超格子層を第２の層２３として、ｎ電極を形成する層とすると閾値電圧が低下する傾向にある。これはＨＥＭＴに類似した効果が現れたのではないかと推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいノンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、ノンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。従って超格子を電極形成時のコンタクト層とすると、移動度が大きくなって素子の電圧が低下すると推察されるが詳しいことは不明である。
【００４７】
［実施例４］
実施例１において、第１の層２２成長時に、ノンドープのｎ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オングストローム、次にノンドープのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層を６０オングストローム成長させる。この操作をそれぞれ２００回繰り返し、平均キャリア濃度５×１０¹⁷／cm³の総膜厚２μｍの超格子層よりなる第１の層２２を形成する。
【００４８】
次に実施例１と同様にして、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層２３を１μｍの膜厚で成長させ、その上にクラック防止層２４を成長させ、後は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【００４９】
［実施例５］
実施例１において、第１の層成長時に、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたｎ型ＧａＮとする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室温において、閾値電流密度３．１ｋＡ／cm²、閾値電圧４．６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、２５時間以上の寿命を示した。
【００５０】
［実施例６］
この実施例は図１のＬＥＤ素子を元に説明する。実施例１と同様にしてサファイアよりなる基板１０の上に、ノンドープＧａＮよりなるバッファ層１１を６００℃で成長させた後、バッファ層１１の上にキャリア濃度１×１０¹⁸／cm³のノンドープｎ型ＧａＮよりなる第１の層１２を４μｍ成長させ、次にＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層１３を１μｍ成長させる。
【００５１】
次にＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層１４を成長させ、さらに、Ｍｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたＭｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層１５を０．５μｍ成長させ、その上に、Ｍｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１６を０．２μｍ成長させる。
【００５２】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し実施例１と同様にして、アニーリングを行った後、ｐ方コンタクト層１６側からエッチングを行いｎ電極１９を形成すべき第２の層１３の表面を露出させる。最上層のｐ側コンタクト層１６のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉ−Ａｕよりなる透光性のｐ電極１７を形成し、そのｐ電極１７の上にＡｕよりなるパッド電極１８を形成する。露出した第２の層の表面にもＴｉ−Ａｌよりなるｎ電極１９を形成する。
【００５３】
以上のようにして電極を形成したウェーハを３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．１Ｖであった。これに対し、第１の層と、第２の層を単一のＳｉドープＧａＮ（Ｓｉ：１×１０¹⁹／cm³）で構成したＬＥＤ素子のＶｆは３．４Ｖであった。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ますノンドープの窒化物半導体よりなる第１の層の上に、ｎ型不純物をドープした第２の層を形成して、その第２の層に負電極を形成すると、結晶性が良くキャリア濃度の高い第２の層が形成できるために、閾値電流、電圧が低下し、非常の効率の良い素子を実現できる。さらに本発明の素子をレーザ素子に適用することにより、閾値電流、閾値電圧が低い、室温で連続発振する短波長のレーザ素子を得ることができる。このようなレーザ素子が得られたことにより、ＣＶＤ、光ファイバー等の光通信用の光源として、非常に有意義である。さらにまた本発明は窒化物半導体を用いたＬＥＤ、受光素子等の他の光デバイスにも適用可能である。例えばＬＥＤ素子に本発明を適用すると、Ｖｆ（順方向電圧）が低下した非常に効率の高いＬＥＤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１０、２０・・・・基板
１１、２１・・・・バッファ層
１２、２２・・・・第１の層
１３、２３・・・・第２の層
１４、２７・・・・活性層
１５、３０・・・・ｐ側クラッド層
１６、３１・・・・ｐ側コンタクト層
１７、３２・・・・ｐ電極
１９、３３・・・・ｎ電極

Claims

窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、
前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされ、且つ膜厚が０．１μｍ以上であり、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）が積層された超格子層であると共に、
前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ＧａＮからなり、前記第１の層に接し、前記第１の層よりもｎ型不純物濃度が大きくなるようにｎ型不純物がドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
前記格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するバッファ層を有する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
前記格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮから選択されるバッファ層を有する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体よりなる第１の層は前記窒化物半導体よりなる第２の層よりも厚い請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
前記超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は、７０オングストローム以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
前記第２の層のｎ型不純物は１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３である請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
前記第１の層は、第２の層のｎ型不純物よりも活性化率の小さいｎ型不純物がドープされている請求項１乃至６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。