JPH10145000A

JPH10145000A - 窒化物半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10145000A
Application number: JP29471196A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: JP3660446B2

Abstract

(57)【要約】【目的】主として窒化物半導体よりなるレーザ素子の
閾値を低下させて室温で長時間連続発振させることによ
り、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子を実
現する。【構成】インジウムを含む窒化物半導体よりなる活性
層に接して、ｎ型ドーパントがドープされた第１のｎ型
窒化物半導体層、若しくはｎ型ドーパントよりなるメタ
ル層が形成されており、その第１のｎ型窒化物半導体層
よりも活性層から離れた位置に、ｎ型ドーパントが第１
のｎ型窒化物半導体層よりも少量でドープされた第２の
ｎ型窒化物半導体層が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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）よりなる素子と、その製造方法に関する。

【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。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) pp.L74-76）。

【０００３】図１に発表したレーザ素子の構造を示す。
このレーザ素子はサファイア基板の上にＧａＮバッファ
層、ｎ−ＧａＮ、ｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ、ｎ−Ａｌ0.15
Ｇａ0.85Ｎ、ｎ−ＧａＮ、ＩｎＧａＮよりなる多重量子
井戸構造（ＭＱＷ）の活性層、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ、
ｐ−ＧａＮ、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ、ｐ−ＧａＮが順
に積層されてなる電極ストライプ型のレーザ素子であ
り。最上層のｐ型ＧａＮにはストライプ状のｐ電極、エ
ッチングにより露出されたバッファ層の上のｎ−ＧａＮ
には同じくストライプ状のｎ電極が形成されている。こ
のレーザ素子はパルス電流（パルス幅２μｓ、パルス周
期２ｍｓ）において、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密
度８．７ｋＡ／cm²、閾値電圧２１Ｖと、閾値での電
流、電圧がかなり高い。室温連続発振させるためには、
この閾値電流が下がるような、さらに発光効率の高い素
子を実現する必要がある。

【０００４】ところで、窒化物半導体よりなるＬＥＤ素
子については、例えば我々が先に提案した特開平６−２
６８２５９号公報のようなダブルへテロ構造が知られ、
実用化されているが、その他、例えば特開平７−３１２
４４５公報に示されるようなダブルへテロ構造の発光素
子も示されている。この公報ではその実施例に基板の上
に高キャリア濃度のｎ＋層を成長させ、その上に低キャ
リア濃度のｎ−層を成長させ、その上に活性層を成長さ
せることが開示されている。つまり、基板側からｎ＋、
ｎ−、活性層の順にすることが示されている。このよう
にダブルへテロ構造の半導体発光素子では、キャリア濃
度がｎ＋、ｎ−、活性層、ｐ−、ｐ＋、若しくはｐ＋、
ｐ−、活性層、ｎ−、ｎ＋の順となるように、半導体層
を積層すると、活性層へのキャリアの注入効率が向上し
発光効率が向上することが知られている。キャリア濃度
はドナー、アクセプターとなるドーパントのドープ量を
変えることにより調整できることも知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように窒化物半導
体ではＬＥＤが実用化域に入っており、益々の光度向
上、長寿命が望まれ、ＬＤでは早期室温での連続発振が
望まれている。そのためには素子自体の構造を改良し
て、窒化物半導体よりなるデバイス自体を向上させる必
要がある。そのためには最も過酷な条件で使用されるレ
ーザ素子の閾値を低下させて、レーザ素子を連続発振さ
せることが、最もわかりやすい。従って本発明の目的と
するところは、主として窒化物半導体よりなるレーザ素
子の閾値を低下させて室温で長時間連続発振させること
により、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子
を実現することにある。これを実現することにより、同
時にＬＥＤの発光効率を向上させ、太陽電池、光センサ
ー等の受光素子の効率も向上させることができる。その
ために本発明では、新規な窒化物半導体素子の構造と、
製造方法とを提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】まず本発明の窒化物半導
体素子は２種類の態様からなり、その第１の態様は、少
なくともインジウムを含む窒化物半導体よりなる活性層
に接して、ｎ型ドーパントがドープされた第１のｎ型窒
化物半導体層（以下、第１のｎ型層という。）が形成さ
れており、その第１のｎ型窒化物半導体層よりも活性層
から離れた位置に、ｎ型ドーパントが第１のｎ型窒化物
半導体層よりも少量でドープされた第２のｎ型窒化物半
導体層（以下、第２のｎ型層という。）が形成されてい
ることを特徴とする。なお、第２のｎ型層は第１のｎ型
層に接して形成されていなくてもよいが、接して形成さ
れている方が望ましい。

【０００７】第１の態様では、第１のｎ型層の膜厚が５
０オングストローム以下であることを特徴とする。第１
のｎ型層の好ましい膜厚は４０オングストローム以下、
さらに好ましくは３０オングストローム以下、最も好ま
しくは２０オングストローム以下に調整する。下限は特
に限定せず１原子層以上であればよい。５０オングスト
ロームより厚い膜厚で成長させると、活性層の結晶性が
悪くなって素子の出力が低下する傾向にある。なお、こ
の場合の第１の窒化物半導体層は非常に膜厚が薄いた
め、必ずしも均一な膜厚で形成されているものではな
く、同一層内において膜厚の不均一、膜の形成されてい
ない部分があってもよい。

【０００８】第１の態様では、活性層には第１のｎ型
層、及び第２のｎ型層と同一種類のｎ型ドーパントがド
ープされていることを特徴とする。同一種類のｎ型ドー
パントがドープされていると、ｎ型ドーパントが半導体
素子中で拡散されても、他の素子のキャリア濃度等の特
性に影響を及ぼすことがない。ｎ型ドーパントとして
は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられるが、特に好ましく
はＳｉを用いる。

【０００９】一方、第２の態様は、少なくともインジウ
ムを含む窒化物半導体層よりなる活性層に接して、ｎ型
ドーパントよりなるメタル層が形成されており、そのメ
タル層よりも活性層から離れた位置にｎ型ドーパントが
ドープされた第２のｎ型層が形成されていることを特徴
とする。なお、メタル層は第２のｎ型層に接して形成さ
れていなくてもよいが、接して形成されている方が望ま
しい。

【００１０】第２の態様では、メタル層の厚さが３０オ
ングストローム以下であることを特徴とする。メタル層
の場合、第１の態様よりも薄く形成することが望まし
く、さらに好ましくは２０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下で形成する。第１
の下限値も特に限定しないが１原子層以上であればよ
い。３０オングストロームよりも厚く成長させると、同
じく素子の出力が低下する傾向にある。この場合も第１
の態様と同じくメタル層は非常に膜厚が薄いため、同一
層内において膜厚の不均一、メタル層が形成されていな
い部分があってもよい。

【００１１】また第２の態様において、活性層にはメタ
ル層、及び第２のｎ型層と同一種類のｎ型ドーパントが
ドープされていることを特徴とする。ｎ型ドーパントは
第１の態様と同じく、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられる
が、特に好ましくはＳｉを用いる。

【００１２】本発明の第１の態様、及び第２の態様にお
いて、活性層が量子井戸構造、若しくは量子ドット構造
を有することを特徴とする。なお量子井戸構造とは膜厚
の薄い井戸層よりなる単一量子井戸、若しくは井戸層と
膜厚の薄い障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造
の活性層を指し、活性層はこの量子井戸構造の量子効果
により発光する。また量子ドット構造とは、活性層の膜
厚の薄い井戸層及び／又は障壁層の一部が相分離してイ
ンジウムの多いインジウムリッチ領域と、インジウムの
少ないインジウムプアー領域とを形成しており、インジ
ウムリッチ領域とインジウムプアー領域とが平面上で規
則的に並んだような状態になって量子箱を形成している
状態を指す。あるいは井戸層の厚さが面内で不均一であ
り、面内方向においてキャリアが閉じこめられるように
なっているものも、ここでは含んで量子ドット若しくは
量子箱という

【００１３】第１の態様及び第２の態様では、ｎ型ドー
パントがＳｉよりなることをことを特徴とする。このＳ
ｉドーパントは窒化物半導体成長時にＳｉの有機金属化
合物により供給されることが望ましい。

【００１４】本発明の製造方法は同じく２種類の態様か
らなり、第１の態様は、有機金属気相成長法により窒化
物半導体を成長させる方法において、ｎ型ドーパントを
ドープした第２のｎ型層を成長させた後、ｎ型ドーパン
トを第２のｎ型層よりも多くドープして第１のｎ型層を
成長させ、その第１のｎ型層に接して、少なくともイン
ジウムを含む活性層を成長させることを特徴とする。

【００１５】また本発明の製造方法の第２の態様は、有
機金属気相成長法により窒化物半導体を成長させる方法
において、ｎ型ドーパントをドープした第２のｎ型層を
成長させた後、原料ガスにｎ型ドーパントの有機金属化
合物を用い、ｎ型ドーパントよりなるメタル層を成長さ
せ、そのメタル層に接して、少なくともインジウムを含
む活性層を成長させることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の第１の態様の窒
化物半導体素子の活性層付近の構造を模式的に示す断面
図である。この図ではｎ型ドーパントの濃度の小さい第
２のｎ型層の上に、ｎ型ドーパント濃度の大きい第１の
ｎ型層が形成され、その第１のｎ型層の上に活性層が接
して形成されている。つまり従来のｎ＋、ｎ−、活性層
の順に積層する構造とは逆の構造となっている。さら
に、活性層の上にはｐ型層が積層されている。

【００１７】第１のｎ型層のｎ型ドーパント濃度は１×
１０¹⁸／cm³以上、さらに好ましくは１×１０¹⁹／cm³以
上、最も好ましくは１×１０²⁰／cm³以上に調整する。
極端な例では第２の態様のようにｎ型ドーパントのみの
メタル層としてもよい。一方、第２のｎ型層のドーパン
ト濃度は第１のｎ型層よりも少なければ良く、特に限定
されるものではない。また、第１の窒化物半導体層、及
び第２の窒化物半導体層の組成は特に限定するものでは
ないがＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮ等の二元
混晶、若しくは三元混晶の窒化物半導体を成長させるこ
とが望ましい。

【００１８】この図に示すように本発明の第１の態様に
よると、ｎ型ドーパント濃度の小さい第２の窒化物半導
体層の上に、ｎ型ドーパント濃度が極端に大きい第１の
窒化物半導体層を成長させると結晶性が悪くなる傾向に
ある。しかも第１の窒化物半導体層を膜厚を非常に薄く
成長させることにより、膜厚の不均一が生じる。つま
り、第１の窒化物半導体層の膜厚の厚いところと、薄い
ところとでは、結晶の性質が異なってくるために、その
第１の窒化物半導体層の上に活性層を成長させると、活
性層が選択成長されたような形となる。活性層が選択成
長されることにより、活性層自体が量子箱、量子ドット
となり、出力が大幅に向上する。つまり、井戸層に注入
されたキャリアは井戸層の厚さが面内で不均一であり、
面内方向でもクラッド層のバンドギャップ差により、キ
ャリアが閉じこめられたような形となり量子箱、若しく
は量子ドット構造と同一となる。しかも、活性層はＩｎ
を含む窒化物半導体よりなる。例えばＩｎＧａＮ層は量
子構造となるような薄い膜厚で成長させると、Ｉｎ含有
率が全体的に不均一となり、Ｉｎの多い多いインジウム
リッチ領域と、Ｉｎの少ないインジウムプアー領域とを
形成する傾向にある。このため、面内方向で膜厚不均一
な状態でインジウムを含む窒化物半導体を成長させる
と、Ｉｎの組成分離も起きやすくなり、Ｉｎ組成分離に
よる量子ドットと、井戸層の面内方向の厚さ不均一によ
るドット形成の両方が作用した量子ドット、量子箱がで
きやすくなる。このため本発明の素子の活性層はＩｎ組
成分離による量子ドットと、井戸層の面内不均一による
量子ドットとの２種類の量子ドットの効果により非常に
出力の高い素子が実現できる。

【００１９】インジウムリッチ領域に電子キャリアと正
孔キャリアとが局在しエキシトンに基づく発光又はバイ
エキシトンに基づく発光をする。即ちインジウムリッチ
領域は量子ドット又は量子箱を構成する。この第１のｎ
型層を形成することによりＩｎＧａＮ活性層がこのよう
な量子ドット若しくは量子箱を構成しやすくなるため
に、出力が大幅に向上すると推察される。従って、活性
層を単一量子井戸構造（ＳＱＷ:Single quantum wel
l）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi quantum well）
のような量子井戸構造で構成する場合、少なくともＩｎ
含む窒化物半導体よりなる井戸層を有することが必要で
あり、単一井戸層の好ましい膜厚は７０オングストロー
ム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下の
膜厚に調整する。ＭＱＷの場合、障壁層は井戸層よりも
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で構
成し、膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ま
しくは１００オングストローム以下に調整する。

【００２０】また、図３も、本発明の第２の態様の窒化
物半導体素子の活性層付近の構造を模式的に示す断面図
である。図２は図３に比べて、活性層付近の構造をさら
に模式的に示している。第２の態様の場合、第２のｎ型
層の上に成長されるのがｎ型ドーパントのみよりなるメ
タル層であるので、結晶性の相違は第１の態様に比べて
さらに顕著である。つまり窒化物半導体層の上にＳｉ、
Ｇｅ等のメタル層を成長させると、明らかな格子不整合
により、均一な膜厚で成長させることが難しい。しか
も、３０オングストローム以下、最も好ましくは１０オ
ングストローム以下という膜厚で成長させると、メタル
層の中に無数の穴があいたような状態となる。そのメタ
ル層の上にＩｎＧａＮよりなる活性層を成長させると、
ＩｎＧａＮの下地にあるＳｉ層と第２のｎ型層とでは結
晶の成長状態がより選択的になる。つまり量子ドットの
形成が起こる。さらにまたＩｎＧａＮを例として成長す
ると、このドット形成に加えてＩｎ組成分離も起こり、
両効果による量子ドットが形成される。第１の態様と同
じくＩｎＧａＮ活性層が組成不均一となりインジウム領
域と、インジウムプアー領域とが構成されることによ
り、量子箱、量子ドットが形成されて高出力な素子が得
られる。このような量子ドット、量子箱のサイズは好ま
しくは１０オングストローム〜１００オングストロー
ム、さらに好ましくは２０〜６０オングストロームであ
る。

【００２１】このような活性層に第１のｎ型層、メタル
層、第２のｎ型層と同一のｎ型ドーパントをドープする
と、レーザ素子では閾値電流がさらに低下する。即ち、
少なくとも一つの井戸層を有する活性層の面内におい
て、インジウム組成、あるいは井戸層の面内の厚さ方向
が不均一であることは、単一井戸層の面方向においてバ
ンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域（インジウムリッ
チ領域、インジウムプア領域）が存在し、さらに面内方
向においての厚さの不均一により起こる横方向のキャリ
アの閉じこめが存在することを意味する。従って伝導体
に存在する電子は一旦インジウムリッチ領域、または井
戸層の厚さが厚い領域に落ち、そこから価電子帯に存在
する正孔と再結合することによりｈνのエネルギーを放
出する。言い換えると、電子キャリアと正孔キャリアと
が井戸層のインジウムリッチ領域、または井戸層の厚さ
が厚い領域に局在化して、局在エキシトンを形成し、レ
ーザの閾値を低下させる助けとなると共に出力を向上さ
せる。このような井戸層を有する活性層に、ｎ型ドーパ
ントをドープすると、伝導帯と価電子帯との間に、さら
に不純物レベルのエネルギー準位が形成される。そのた
め電子キャリアはより深い不純物レベルのエネルギー準
位に落ち、そこで電子キャリアと正孔キャリアとが再結
合してより小さなエネルギーｈν’を放出する。このこ
とは電子キャリアがよりいっそう局在化し、このいっそ
う局在化して形成されたエキシトンの効果により窒化物
半導体素子、特にレーザ素子の閾値が低下するものと推
測される。さらにメタル層、第２のｎ型層も同じドーパ
ントであるのでドーパントが互いの層間で拡散しても、
悪影響を及ぼすことがない。

【００２２】また、本発明の製造方法の態様ではメタル
層成長時に、ｎ型ドーパントの有機金属化合物を用い
る。メタル層の成長温度は３００℃以上、９００℃以
下、さらに好ましくは４００℃〜８００℃の温度で成長
させる。メタル層成長時にドーパントとして有機金属化
合物ガスを用いると、素子の出力が向上する。この原因
はよくわからないが、Ｓｉ有機化合物ガスの一部が例え
ばＳｉＣ、若しくはＳｉＮに変化して、メタル層と共に
形成されていることにより、活性層に何らかの好影響を
及ぼしているものと推察される。また第１の態様におい
ても第１のｎ型層成長時にｎ型ドーパントガスにＳｉの
有機金属化合物を用いることは非常に好ましい。なお、
第２のｎ型層、活性層にｎ型ドーパントをドープする場
合、ｎ型ドーパント源は有機金属化合物ガスを用いても
よいが、ｎ型不純物の水素化物、ハロゲン化物を用いる
こともできる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を図面を参照しながら実施例で
詳説する。［実施例１］（第１の態様）図４は本発明の一実施例による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対して垂
直な方向で素子を切断した際の図を示している。

【００２４】サファイア（Ｃ面）よりなる基板１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１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（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板を
用いた場合、得られるレーザ素子は同一面側にｎ電極
と、ｐ電極が形成された構造となるが、絶縁性基板の
他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用い、同一面側
にある窒化物半導体層にｎ電極と、ｐ電極を設ける構造
とすることもできる。

【００２５】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。バッファ層はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が、
９００℃以下の温度で、膜厚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】バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、
温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、ドーパ
ントガスにシランガスを用い、ｎ型コンタクト層３とし
て、Ｓｉを８×１０¹⁸／cm³ドープしたＳｉドープｎ型
ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。ｎ型コンタクト
層はＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦
１）で構成することができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、
その中でもＳｉ若しくはＧｅをドープしたＧａＮで構成
することにより、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、
またｎ電極と好ましいオーミック接触が得られる。ｎ電
極の材料としては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。

【００２７】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、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを８×１０¹⁸
／cm³ドープしたＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる
クラック防止層４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４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、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５を厚
膜で成長させることが可能となり、非常に好ましい。Ｌ
Ｄの場合は、光閉じ込め層となる層を、好ましくは０．
１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧ
ａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接、厚膜のＡｌＧａＮを成
長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが
入るので素子作製が困難であったが、このクラック防止
層４が、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５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、０．５μ
ｍ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４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
できるがＬＤを作製する場合には成長させる方が望まし
い。

【００２８】次に温度を１０３０℃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８×１０¹⁸／cm³ドープしたＳｉ
ドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｎ型クラッド層５
を０．５μｍの膜厚で成長させる。この第１のｎ型クラ
ッド層５はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層とし
て作用し、上記のように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、結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成で
きる。

【００２９】続いて、１０３０℃でＳｉを８×１０¹⁸／
cm³ドープしたＳｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガ
イド層６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ型光
ガイド層６は、活性層の光ガイド層として作用し、Ｇａ
Ｎ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１０
０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。

【００３０】次に温度を８００℃にして、ドーパントガ
スをシランガスからテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）ガ
スに切り替え、Ｓｉを１×１０²¹／cm³ドープしたＳｉ
ドープＧａＮ層よりなる第１のｎ型層７を１０オングス
トロームの膜厚で成長させる。原料ガスにはテトラエチ
ルシランの他、メチルシラン、テトラメチルシラン、ト
リメチルシラン等の有機金属Ｓｉガスを用いることがで
きる。またＳｉの他、Ｇｅ源として、テトラエチルゲル
マン、テトラメチルゲルマン等のＧｅ有機金属化合物、
Ｓｎ源としてテトラメチルスズ、テトラエチルスズ、ジ
エチルスズ等のＳｎ有機金属化合物を用いることができ
る。ｎ型ドーパントとしては好ましくはＳｉ、Ｇｅ、最
も好ましくはＳｉを用いる。なぜならＧｅ、Ｓｎを第１
のｎ型層７に多量にドープすると、その第１のｎ型層の
上に活性層が成長しにくくなる傾向にあるからである。

【００３１】なお、本発明では第１のｎ型層よりもｎ型
ドーパントの濃度が小さい第２のｎ型層とは、第１のｎ
型層と基板との間に形成されたｎ型ドーパントを含む層
の内の少なくとも一種を指し、例えば、ｎ型コンタクト
３、ｎ型クラック防止層４、ｎ型クラッド層６、ｎ型光
ガイド層７の内の少なくとも一種の層を指す。

【００３２】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８を成長させる。活性
層８は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０
¹⁸／cm³でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ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ＴＭ
Ｉ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Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ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
井戸構造の活性層８を成長させる。活性層のｎ型ドーパ
ント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、またいずれか一方にドープしてもよい。

【００３３】次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、ＮＨ₃、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ドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりな
るｐ型キャップ層９を３００オングストロームの膜厚で
成長させる。この第１のｐ型キャップ層９はｐ型とした
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型としても良く、最も好ましくはｐ型と
する。ｐ型キャップ層９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。０．１μ
ｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層９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。
また、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型キャップ層９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。

【００３４】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型キャップ層９よりも小さい、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０を０．２μｍの膜
厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として
作用し、ｎ型光ガイド層６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮ
で成長させることが望ましい。また、この層はｐ型クラ
ッド層１１を成長させる際のバッファ層としても作用
し、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
ことにより、好ましい光ガイド層として作用する。

【００３５】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型光ガイド層１０よりも大きい、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型クラッド層１１を
０．５μｍの膜厚で成長させる。この層はｎ型クラッド
層５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Ａ
ｌＧａＮ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、結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。

【００３６】本実施例のようにＩｎＧａＮよりなる井戸
層を有する活性層８の場合、その活性層８に接して、膜
厚０．１μｍ以下のＡｌを含むｐ型キャップ層９を設
け、そのｐ型キャップ層９よりも活性層から離れた位置
に、ｐ型キャップ層９よりもバッドギャップエネルギー
が小さいｐ型光ガイド層１０を設け、そのｐ型光ガイド
層１０よりも活性層から離れた位置に、ｐ型光ガイド層
１０よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化物半
導体よりなるｐ型クラッド層１１を設けることは非常に
好ましい。しかもｐ型キャップ層９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ｐ型キャップ層９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、ｐ型キャップ層９
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、ｐ型キャ
ップ層９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。従って、半導
体素子が温度上昇しても発光効率が低下することが少な
いので、閾値電流の低いＬＤを実現することができる。
なお、本発明においては、ＬＤを作成する場合に活性層
８から上の層は、窒化物半導体で発振しやすい最も好ま
しい構成を示したが、本発明では活性層から上のｐ型層
の構成は特に規定するものではない。

【００３７】最後に、ｐ型クラッド層１１の上に、１０
５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。ｐ型コンタク
ト層１２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２１と最も好まし
いオーミック接触が得られる。なお、ｐ型コンタクト層
と好ましいオーミックが得られるｐ電極の材料として
は、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることがで
きる。

【００３８】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型層をさらに低抵抗化す
る。

【００３９】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図４に示すように、ＲＩＥ装置でにより最上
層のｐ型コンタクト層１２と、ｐ型クラッド層１１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。このように、活性層よりも上部にあるｐ型
層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性
層の発光がストライプリッジの下に集中するようになっ
て閾値が低下する。特に活性層よりも上にあるＡｌを含
むｐ型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすること
が好ましい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成
し、図４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型コンタクト層３の表面を露出させ
る。

【００４０】次にｐ型コンタクト層１２の表面にＮｉと
Ａｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２をストライプ状のｎ
型コンタクト層３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。

【００４１】次に、図４に示すように、ｎ電極２２とｐ
電極２１との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ₂よりなる絶縁膜３０を形成し、この絶縁膜３０を介
してｐ電極２１と電気的に接続したパッド電極２３を形
成する。このパッド電極２３は実質的なｐ電極２１の表
面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディングできる
ようにする作用がある。

【００４２】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１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。

【００４３】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。なお劈開面はサファイア基板
の上に成長した窒化物半導体面の

【外１】面とする。外１面とは窒化物半導体を正六角柱の六方晶
系で近似した場合に、その六角柱の側面に相当する四角
形の面（Ｍ面）に相当する面である。この他、ＲＩＥ等
のドライエッチング手段により端面をエッチングして共
振器を作製することもできる。またこの他、劈開面を鏡
面研磨して作成することも可能である。

【００４４】劈開後、共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂より
なる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向
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、それぞれの電極をワイヤ
ーボンディングして、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１．５ｋＡ／cm²、閾
値電圧６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、なんと２０時間の連続発振を確認した。

【００４５】［実施例２］実施例１において第１のｎ型
層７を成長させる際に、膜厚を２０オングストロームと
する他は同様にしてレーザ素子を得たところ、同じく、
閾値電流密度１．５ｋＡ／cm²、閾値電圧６Ｖ、発振波
長４０５ｎｍにおいて、１５時間の連続発振を確認し
た。

【００４６】［実施例３］実施例１において第１のｎ型
層７を成長させる際に、膜厚を４０オングストロームと
する他は同様にしてレーザ素子を得たところ、同じく、
閾値電流密度１．５ｋＡ／cm²、閾値電圧６Ｖ、発振波
長４０５ｎｍにおいて、１０時間の連続発振を確認し
た。

【００４７】［実施例４］実施例１において第１のｎ型
層７を成長させる際に、膜厚を５０オングストロームと
する他は同様にしてレーザ素子を得たところ、同じく、
閾値電流密度１．５ｋＡ／cm²、閾値電圧６Ｖ、発振波
長４０５ｎｍにおいて、１時間の連続発振を確認した。

【００４８】［実施例５］実施例１において第１のｎ型
層７を成長させる際に、Ｓｉ濃度を１×１０²⁰／cm³と
する他は同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例１
の素子とほぼ同等の特性を示すレーザ素子を得た。

【００４９】［実施例６］実施例１において第１のｎ型
層７を成長させる際に、原料ガスにＴＭＩを加えＳｉ濃
度が１×１０²¹／cm³のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを１０オン
グストロームの膜厚で成長させる他は同様にしてレーザ
素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を示すレ
ーザ素子を得た。

【００５０】［実施例７］（第２の態様）第２の態様も同様に図４を参照して説明する。なお第２
の態様では図４の符号７’をメタル層と読み替えるもの
とする。

【００５１】実施例１において、第１のｎ型層７を成長
させる際にＴＭＧをストップし、テトラエチルシランガ
ス、アンモニアをＨ₂キャリアガスと共に流して、Ｓｉ
よりなるメタル層７’を５オングストロームの膜厚で成
長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得たと
ころ、実施例１と同様に、閾値電流密度１．５ｋＡ／cm
²、閾値電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、２０
時間の連続発振を示した。

【００５２】［実施例８］実施例７において、第１のｎ
型層７を成長させる際に、Ｓｉよりなるメタル層７’の
膜厚を１０オングストロームとする他は、同様にしてレ
ーザ素子を得たところ、閾値電流密度１．５ｋＡ／c
m²、閾値電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１５
時間の連続発振を示した。

【００５３】［実施例９］実施例７において、第１のｎ
型層７を成長させる際に、Ｓｉよりなるメタル層７’の
膜厚を２０オングストロームとする他は、同様にしてレ
ーザ素子を得たところ、閾値電流密度１．５ｋＡ／c
m²、閾値電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１０
時間の連続発振を示した。

【００５４】［実施例１０］実施例７において、第１の
ｎ型層７を成長させる際に、Ｓｉよりなるメタル層７’
の膜厚を３０オングストロームとする他は、同様にして
レーザ素子を得たところ、閾値電流密度１．５ｋＡ／cm
²、閾値電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１時
間の連続発振を示した。

【００５５】［実施例１１］図５は本発明の一実施例に
よるＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以
下、この図面を元に実施例１１以下を説明する。

【００５６】実施例１と同様にして、サファイア基板１
をクリーニングした後、サファイア基板１の上にＧａＮ
よりなるバッファ層を２００オングストローム、Ｓｉ濃
度８×１０¹⁸／cm³のｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成
長させる。

【００５７】次に温度を８００℃にして、実施例１と同
様に、ドーパントガスをシランガスからテトラエチルシ
ラン（ＴＥＳｉ）ガスに切り替え、Ｓｉを１×１０²¹／
cm³ドープしたＳｉドープＧａＮ層よりなる第１のｎ型
層７を１０オングストロームの膜厚で成長させる。

【００５８】次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモ
ニア、シランガスを用い、Ｓｉを８×１０¹⁸／cm³ドー
プしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ（平均組成）よりなる井戸層を
３０オングストロームの膜厚で成長させ、ＳＱＷ構造の
活性層８を作製する。

【００５９】次に温度を１０５０℃に上げ、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型クラッド層１１を
０．５μｍの膜厚で成長させ、そのｐ型クラッド層の上
に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１
２を０．５μｍの膜厚で成長させる。

【００６０】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型層をさらに低抵抗化す
る。

【００６１】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図５に示すように、ＲＩＥ装置でにより最上
層のｐ型コンタクト層１２側からエッチングを行い、ｎ
電極２２を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出
させる。

【００６２】次に、ｐ型コンタクト層１２のほぼ全面に
ＮｉとＡｕよりなる透明なｐ電極２１’を形成し、その
ｐ電極２１の上にボンディング用のパッド電極２３を２
μｍの膜厚で形成する。一方、露出したｎ型コンタクト
層３の表面にはＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を形成す
る。

【００６３】次に、図４に示すように、ｎ電極２２とパ
ッド電極２３との間に露出した窒化物半導体層、および
ｐ電極２１’の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜３０を形
成する。

【００６４】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１をラッピングし、基板の厚さを９０μｍとし
て、サファイア基板側をスクライブして３５０μｍ角の
ＬＥＤチップとする。このＬＥＤチップを順方向電流
（Ｉｆ）２０ｍＡ、順方向電圧（Ｖｆ）３．５Ｖにて発
光させたところ、発光波長４５０ｎｍ、出力１０ｍＷが
得られ、第１のｎ型層７を設けていないＬＥＤ素子に比
較して、出力は２〜２．５倍に向上した。

【００６５】［実施例１２］実施例１１において、第１
のｎ型層７を成長させる際にＴＭＧをストップし、テト
ラエチルシランガス、アンモニアガスをＨ₂キャリアガ
スと共に流して、Ｓｉよりなるメタル層７’を５オング
ストロームの膜厚で成長させる他は実施例１１と同様に
してＬＥＤ素子を得たところ、実施例１１とほぼ同等の
特性を示すＬＥＤ素子が得られた。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子は活性層に接して、ｎ型ドーパントの濃度の大
きい第１のｎ型層、またはメタル層を成長させることに
より素子の出力が格段に向上する。特に第１のｎ型層、
メタル層が１原子〜数原子層の膜厚の際に顕著な効果が
現れる。これは第１のｎ型層、メタル層により、その上
に成長させるインジウムを含む活性層が量子ドット構
造、量子箱構造になりやすいためと推察される。従っ
て、高出力で、長寿命なレーザ素子を実現できる。レー
ザ素子が改善されたことにより、レーザ素子よりも緩や
かな条件で使用されるＬＥＤ素子はさらに信頼性もよく
なる。そして本発明の発光デバイスが実現されたことに
より、ＤＶＤはもちろんのこと、フルカラーＬＥＤディ
スプレイ等の応用デバイスに利用でき、その産業上の利
用価値は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のレーザ素子の一構造を示す模式断面
図。

【図２】本発明の第１の態様による窒化物半導体素子
の活性層付近の構造を示す模式断面図。

【図３】本発明の第２の態様による窒化物半導体素子
の活性層付近の構造を示す模式断面図。

【図４】本発明の一実施例によるレーザ素子の構造を
示す模式断面図。

【図５】本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の構造を
示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・サファイア基板２・・・バッファ層３・・・ｎ型コンタクト層４・・・クラック防止層５・・・ｎ型クラッド層６・・・ｎ型光ガイド層７、７’・・・第１のｎ型層８・・・活性層９・・・ｐ型キャップ層１０・・・ｐ型光ガイド層１１・・・ｐ型クラッド層１２・・・ｐ型コンタクト層２１、２１’・・・ｐ電極２２・・・ｎ電極２３・・・パッド電極３０・・・絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インジウムを含む窒化物半導体よりなる
活性層に接して、ｎ型ドーパントがドープされた第１の
ｎ型窒化物半導体層が形成されており、その第１のｎ型
窒化物半導体層よりも活性層から離れた位置に、ｎ型ド
ーパントが第１のｎ型窒化物半導体層よりも少量でドー
プされた第２のｎ型窒化物半導体層が形成されているこ
とを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】前記第１のｎ型窒化物半導体層の膜厚が
５０オングストローム以下であることを特徴とする請求
項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記活性層には第１のｎ型窒化物半導体
層、及び第２のｎ型窒化物半導体層と同一種類のｎ型ド
ーパントがドープされていることを特徴とする請求項１
または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】少なくともインジウムを含む窒化物半導
体層よりなる活性層に接して、ｎ型ドーパントよりなる
メタル層が形成されており、そのメタル層よりも活性層
から離れた位置にｎ型ドーパントがドープされた第２の
ｎ型窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする
窒化物半導体素子。
【請求項５】前記メタル層の厚さが３０オングストロ
ーム以下であることを特徴とする請求項４に記載の窒化
物半導体素子。
【請求項６】前記活性層にはメタル層、及び第２のｎ
型窒化物半導体層と同一種類のｎ型ドーパントがドープ
されていることを特徴とする請求項４または５に記載の
窒化物半導体素子。
【請求項７】前記活性層が量子井戸構造、若しくは量
子ドット構造を有することを特徴とする請求項１乃至７
の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】前記ｎ型ドーパントがＳｉであることを
特徴とする請求項１乃至７の内のいずれか１項に記載の
窒化物半導体素子。
【請求項９】有機金属気相成長法により窒化物半導体
を成長させる方法において、ｎ型ドーパントをドープし
た第２のｎ型窒化物半導体層を成長させた後、ｎ型ドー
パントを第２のｎ型窒化物半導体層よりも多くドープし
て第１のｎ型窒化物半導体層を成長させ、その第１のｎ
型窒化物半導体に接して、少なくともインジウムを含む
活性層を成長させることを特徴とする窒化物半導体素子
の製造方法。
【請求項１０】有機金属気相成長法により窒化物半導
体を成長させる方法において、ｎ型ドーパントをドープ
した第２のｎ型窒化物半導体層を成長させた後、原料ガ
スにｎ型ドーパントの有機金属化合物を用い、ｎ型ドー
パントよりなるメタル層を成長させ、そのメタル層に接
して、少なくともインジウムを含む活性層を成長させる
ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。