JPH10303506A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体発光素子の動作電圧を低減できるよう
にする。 【解決手段】 面方位が（０００１）のサファイアより
なる基板１１上には、上部に段差部を有するｎ型ＧａＮ
層１３が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１３上における
段差部の上段側には、活性層１６ｂを含む多重量子井戸
層１６と、ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなるｐ型クラッ
ド層１８と、ｐ型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05よりなるコンタクト
層２０と、断面Ｔ字形で且つその脚部が酸化シリコンよ
りなる電流狭さく層２１に囲まれたＮｉよりなる第１の
金属膜２２ａ及び該第１の金属膜２２ａの上にＡｕより
なる第２の金属膜２２ｂが積層されてなる陽電極２２と
が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、活性層及びクラッ
ド層に窒素（Ｎ）を含むIII −Ｖ族化合物よりなる半導
体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、次世代高密度情報処理技術のキー
デバイスとして、レーザの短波長化を可能にする窒素を
含むIII −Ｖ族化合物半導体が注目を集めている。この
窒素を含むIII −Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光
素子においては、動作電圧の低減化を求める要望が極め
て強い。

【０００３】以下、従来の、窒素を含むIII −Ｖ族化合
物半導体よりなる半導体発光素子を図面を参照しながら
説明する。

【０００４】図１０は第１の従来例としての窒素を含む
III −Ｖ族化合物半導体よりなるレーザ素子又は発光ダ
イオード素子を示す構成断面図である。図１０に示すよ
うに、面方位が（０００１）のサファイアよりなる基板
１０１上には、ＧａＮよりなるバッファ層１０２と、該
バッファ層１０２の上に、上部に段差部を有するｎ型Ｇ
ａＮ層１０３とが順次形成されている。

【０００５】ｎ型ＧａＮ層１０３の上における段差部の
上段側には、ｎ型Ｇａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎ層１０４と、ｎ型
Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型クラッド層１０５と、
ｎ型ＧａＮよりなるｎ型ガイド層１０６と、アンドープ
Ｇａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎよりなるバリア層１０７ａとアンド
ープＧａ_0.8 Ｉｎ_0.2 Ｎ層よりなる活性層１０７ｂとが
四重に交互に積層されてなる多重量子井戸層１０７と、
ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ｎ層１０８と、ｐ型ＧａＮよりな
るｐ型ガイド層１０９と、ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_{0. 9} Ｎより
なるｐ型クラッド層１１０と、ｐ型ＧａＮよりなるコン
タクト層１１１と、Ｎｉ及びＡｕが積層されてなる陽電
極１１２とが順次形成されている。

【０００６】ｎ型ＧａＮ層１０３の上における段差部の
下段側には、Ｔｉ及びＡｌが積層されてなる陰電極１１
３が形成されている。

【０００７】図１０に示す半導体発光素子は、キャビテ
ィ長が７００μｍで、ストライプ幅が２μｍであって、
活性層１０７ｂが多重量子井戸構造のダブルヘテロ構造
を有していることを特徴とする。このダブルヘテロ構造
によって、発振波長が４０８ｎｍ、しきい値電圧が８
Ｖ、しきい値電流が１３０ｍＡ、しきい値電流密度が９
ｋＡ／ｃｍ² 、及び寿命が１秒の室温連続発振を実現し
ている（Shuji Nakamuraet al.; Applied Physics Lett
ers Vol. 69(1996)pp.4056-4058）。

【０００８】さらに、第２の従来例として、特開平８−
９７４６８号公報には、窒素を含むIII −Ｖ族化合物半
導体におけるコンタクト層１１１に、ｐ型にドーピング
されたＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ＜１の実数
とし、以下、同様とする。）を用いることによって、陽
電極１１２とコンタクト層１１１との間に生ずるショッ
トキー障壁を低減できることが示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
従来例は、動作電圧の低減が実現されないという問題を
有している。また。第２の従来例は、動作電圧の低減は
されるものの、十分な膜厚を持ったｐ型コンタクト層が
形成できないという問題を有している。

【００１０】本発明は、前記従来の問題を解決し、半導
体発光素子の動作電圧の低減に大きな満足が得られるよ
うにすることを第１の目的とし、動作電圧の低減とｐ型
コンタクト層の成膜との両立を図ることを第２の目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本件発明者らは、動作電
圧の低減のため種々検討を加えた結果、ｐ型不純物がが
ドープされたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層と該コン
タクト層１１１と接触する陽電極のＮｉとの間のショッ
トキー障壁が大きいため、ｐ型コンタクト層と金属のＮ
ｉとの間の接触抵抗が大きくなり、発光素子としての動
作電圧が上昇することを見出した。このことは、半導体
発光素子についての検討ではないが、石川英憲他「平成
７年度第５６回秋期応用物理学会学術講演会 27p-ZE-17
（１９９５年、講演予稿集第１分冊p.247)」及びＷ．
Ａ．ハリソン著、小島忠宣、小島和子、山田栄三郎訳
「固体の電子構造と物性−化学結合の物理−」現代工学
社刊、p.269 にも裏づけられている。

【００１２】さらに、Ｐ型不純物である、特にＭｇが活
性層側に拡散してしまい、結晶格子のアクセプタサイト
以外の場所に侵入して、コンタクト層直下のｐ型半導体
層のキャリアを補償することにより、該ｐ型半導体層を
高抵抗化することを見出した。

【００１３】本発明は、前記の知見に基づいてなされた
ものであり、窒素を含むIII −Ｖ族化合物半導体を用い
た発光素子におけるｐ型コンタクト層に、リン及び窒素
又はヒ素及び窒素を含むIII −Ｖ族化合物を用いるもの
である。

【００１４】本発明に係る半導体発光素子は、基板と、
基板上に形成され、窒素を含むIII−Ｖ族化合物よりな
る第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層
の上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる
活性層と、活性層の上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ
族化合物よりなる第２導電型の第２のクラッド層と、第
２のクラッド層の上に形成され、リン及び窒素又はヒ素
及び窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導電型の
コンタクト層と、コンタクト層の上に形成された電極と
を備えている。

【００１５】半導体発光素子によると、窒素を含むIII
−Ｖ族化合物よりなる第２導電型の第２のクラッド層の
上に形成されたリン及び窒素又はヒ素及び窒素を含むII
I −Ｖ族化合物よりなる第２導電型のコンタクト層を備
えているため、第２導電型のＧａＮをコンタクト層に用
いる場合よりも電極用金属との間の価電子帯のショット
キー障壁の高さを低減することができる。

【００１６】半導体発光素子において、コンタクト層の
組成は一般式ＧａＮ_1-x Ｐ_x （但し、式中のｘは０＜ｘ
＜１の実数である。）で示されることが好ましい。

【００１７】半導体発光素子において、コンタクト層の
組成は一般式ＧａＮ_1-x Ａｓ_x （但し、式中のｘは０＜
ｘ＜１の実数である。）で示されることが好ましい。

【００１８】半導体発光素子において、コンタクト層は
複数層よりなり、各複数層におけるリン又はヒ素に対す
る窒素の割合は、電極側から第２のクラッド層に向けて
段階的に大きいことが好ましい。

【００１９】半導体発光素子において、第２導電型はｐ
型であって、コンタクト層は、電極と接触することによ
り生ずる正孔に対するポテンシャル障壁を低減すること
が好ましい。

【００２０】半導体発光素子において、正孔に対するポ
テンシャル障壁の大きさが零であることが好ましい。

【００２１】半導体発光素子において、コンタクト層は
アルミニウムを含むことが好ましい。このようにする
と、ＡｌＮは相対的に格子定数が小さいため、適当な量
のアルミニウムを添加することによりＧａＮと格子整合
させることができるので、欠陥が少なく結晶性がよいコ
ンタクト層を得ることができる。

【００２２】半導体発光素子において、コンタクト層と
第２のクラッド層との間に形成されたＡｌＮよりなる半
導体層をさらに備えていることが好ましい。このように
すると、Ａｌの原子半径が通常用いられるIII 族元素で
あるＧａの原子半径よりも小さいため、ＡｌＮ結晶内の
隙間がＧａＮ結晶内の隙間よりも小さいので、Ａｌと置
換した第２導電型の不純物がＡｌＮ結晶内を拡散できな
い。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）本発明の第１の実施形態を図面を参
照しながら説明する。

【００２４】図１は本発明の第１の実施形態に係る半導
体発光素子の構成断面図である。図１に示すように、面
方位が（０００１）のサファイアよりなる基板１１上に
は、アンドープＧａＮよりなり、厚さが３０ｎｍで結晶
格子の整合性を高めるためのバッファ層１２と、該バッ
ファ層１２の上に、厚さが３．０μｍで上部に段差部を
有するｎ型ＧａＮ層１３とが順次形成されている。

【００２５】ｎ型ＧａＮ層１３の上における段差部の上
段側には、ｎ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが５
００ｎｍのキャリアを封じ込めるための第１のクラッド
層としてのｎ型クラッド層１４と、アンドープＧａＮよ
りなり、厚さが１００ｎｍのキャリア封じ込めの効果を
高める第１のガイド層１５と、アンドープＧａ_0.95Ｉｎ
_0.05Ｎよりなり厚さが５ｎｍのバリア層１６ａとアンド
ープＧａ_0.8 Ｉｎ_0.2Ｎ層よりなり厚さが２．５ｎｍの
活性層１６ｂとが五重に交互に積層され、さらにその上
にもう一層のバリア層１６ａが積層されてなる多重量子
井戸層１６と、アンドープＧａＮよりなり、厚さが１０
０ｎｍのキャリア封じ込めの効果を高める第２のガイド
層１７と、ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが５
００ｎｍのキャリアを封じ込めるための第２のクラッド
層としてのｐ型クラッド層１８と、厚さが３００ｎｍの
ｐ型ＧａＮ層１９と、ｐ型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05よりなり、
厚さが１００ｎｍのコンタクト層２０と、断面Ｔ字形で
且つその脚部が酸化シリコンよりなる電流狭さく層２１
に囲まれたＮｉよりなる第１の金属膜２２ａ及び該第１
の金属膜２２ａの上にＡｕよりなる第２の金属膜２２ｂ
が積層されてなる陽電極２２とが順次形成されている。

【００２６】なお、基板１１に絶縁体であるサファイア
を用いており、基板の裏面に陰電極が設けられないた
め、ｎ型ＧａＮ層１３の上における段差部の下段側に、
Ｔｉ層２４ａ及びＡｌ層２４ｂが積層されてなる陰電極
２４が形成されている。

【００２７】以下、前記のように構成された半導体発光
素子の製造方法を説明する。

【００２８】まず、面方位が（０００１）のサファイア
よりなる基板１１の主面に対して有機溶媒を用いて洗浄
等の前処理を施した後、有機金属気相エピタキシャル成
長法を用い、圧力が７０×１３３．３Ｐａの水素雰囲気
中で基板１１を温度が１０９０℃になるまで加熱し、基
板１１の表面に付着している吸着ガス、酸化物又は水分
子等を除去する。ちなみに、圧力単位Ｐａは、Ｔｏｒｒ
と１３３．３Ｐａ≒１Ｔｏｒｒなる関係を有する。

【００２９】その後、基板１１の温度を５５０℃にまで
下げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量５．５
ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎで導入
すると共にシランを導入して、基板１１の上にアンドー
プＧａＮよりなるバッファ層１２を３０ｎｍの厚さに成
長させる。その後、基板１１の温度を１０６０℃にまで
上げ、トリメチルガリウムを流量０．２７ｓｃｃｍで、
アンモニアを流量５．０ｌ／ｍｉｎで、及びシランを流
量１２．５ｓｃｃｍで導入することにより、基板１１の
上のバッファ層１２上に厚さが３．０μｍのｎ型ＧａＮ
層１３を成長させる。

【００３０】次に、基板１１上に、トリメチルガリウム
を流量２．７ｓｃｃｍで、トリメチルアルミニウムを流
量５．４ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉ
ｎで、及びシランを流量１２．５ｓｃｃｍで導入して、
基板１１の上のｎ型ＧａＮ層１３上にｎ型Ａｌ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ｎよりなり、厚さが５００ｎｍのｎ型クラッド層１
４を成長させる。

【００３１】次に、基板１１上に、トリメチルガリウム
を流量２．７ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／
ｍｉｎで導入して、基板１１の上のｎ型クラッド層１４
上にアンドープＧａＮよりなり、厚さが１００ｎｍの第
１のガイド層１５を成長させる。

【００３２】次に、基板１１の温度を７３０℃にまで下
げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓ
ｃｃｍで、トリメチルインジウムを流量２７ｓｃｃｍ
で、アンモニアを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及び窒素を流
量１０ｌ／ｍｉｎで導入して、基板１１の上の第１のガ
イド層１５上にアンドープＧａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎよりな
り、厚さが５．０ｎｍのバリア層１６ａを成長させる。
引き続き、基板１１の温度をそのままにし、基板１１上
に、トリメチルガリウムを流量１０．８ｓｃｃｍで、ト
リメチルインジウムを流量２７ｓｃｃｍで、アンモニア
を流量１０ｌ／ｍｉｎで、及び窒素を流量１０ｌ／ｍｉ
ｎで導入して、バリア層１６ａ上にアンドープＧａ_0.8
Ｉｎ_0.2 Ｎよりなり、厚さが２．５ｎｍの活性層１６ｂ
を成長させる。これらのバリア層１６ａ及び活性層１６
ｂを一対とする計５対の成膜を繰り返した後、その上に
もう一層のバリア層１６ａを積層することにより、五重
に交互に積層されてなる多重量子井戸層１６を形成す
る。

【００３３】次に、基板１１の温度を１０６０℃にまで
上げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７
ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎで導入
して、基板１１の上の多重量子井戸層１６上にアンドー
プＧａＮよりなり、厚さが１００ｎｍの第２のガイド層
１７を成長させる。

【００３４】その後、基板１１上に、トリメチルガリウ
ムを流量２．７ｓｃｃｍで、トリメチルアルミニウムを
流量５．４ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍ
ｉｎで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量
５．０ｓｃｃｍで導入して、基板１１の上の第２のガイ
ド層１７上にｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが
５００ｎｍのｐ型クラッド層１８を成長させる。次に、
基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓｃｃ
ｍで、アンモニアを流量５．０ｌ／ｍｉｎで、シクロペ
ンタジエニルマグネシウムを流量５．０ｓｃｃｍで導入
して、基板１１の上のｐ型クラッド層１８上に厚さが３
００ｎｍのｐ型ＧａＮ層１９を成長させる。

【００３５】次に、基板１１の温度を６８０℃にまで下
げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓ
ｃｃｍで、ホスフィンを流量２７ｓｃｃｍで、アンモニ
アを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及びシクロペンタジエニル
マグネシウムを流量５．０ｓｃｃｍで導入することによ
り、基板１１の上のｐ型ＧａＮ層１９上にｐ型ＧａＮ
_0.95Ｐ_0.05よりなり、厚さが１００ｎｍのコンタクト層
２０を成長させる。

【００３６】次に、成膜された基板１１に対して、窒素
雰囲気において温度が７００℃で、１時間のアニールを
行なって、ｐ型クラッド層１８、ｐ型ＧａＮ層１９及び
コンタクト層２０中の不純物イオンであるＭｇを活性化
させる。

【００３７】次に、アニール後の基板１１に陽電極２２
及び陰電極２４を形成する方法を説明する。

【００３８】まず、基板１１におけるコンタクト層２０
の上の陽電極２２形成領域に開口部を有するマスクパタ
ーンを形成した後、基板の上に全面にわたって厚さが１
μｍのマスク用Ｎｉを蒸着させる。次に、マスクパター
ンを除去した後、混合比が１：１の塩素と水素とからな
るＥＣＲプラズマ中で、圧力が１３３．３ｍＰａ、ＲＦ
パワーが４００Ｗ、ＲＦ周波数が１３．５６ＭＨｚ、及
び基板１１を保持する基板ホルダとグリッドとの間の電
圧を４００Ｖにそれぞれ設定して、マスク用Ｎｉをマス
クとして基板１１に対して２０分間のドライエッチング
を行なって、ｎ型ＧａＮ層１３を露出させる。その後、
大気圧の窒素雰囲気下で、硝酸を用いてマスク用Ｎｉを
除去する。なお、マスク用Ｎｉの代わりにアルミニウム
等の金属又はＳｉＯ₂ 等の誘電体を用いてもよい。

【００３９】次に、ＣＶＤ法を用いて、基板１１の上に
全面にわたって、膜厚が１００ｎｍのＳｉＯ₂ よりなる
誘電膜を堆積する。なお、ＣＶＤ法としては、光ＣＶＤ
法であっても、プラズマＣＶＤ法であってもよい。

【００４０】続いて、基板１１上の誘電膜の上に全面に
わたってレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィ
を用いて、基板１１の上のコンタクト層２０の上面にお
ける陽電極形成領域、及び基板１１の上のｎ型ＧａＮ層
１３の露出面における陰電極形成領域にそれぞれ選択的
に幅が１０μｍの開口部を有するレジストパターンを形
成し、該レジストパターンをマスクとして、混合比が
１：１０のフッ化水素とフッ化アンモニウムとからなる
水溶液を用いて基板１１に対してウエットエッチングを
行なって、コンタクト層２０の上面の陽電極形成領域及
びｎ型ＧａＮ層１３の露出面の陰電極形成領域にそれぞ
れ開口部を有し、ＳｉＯ₂ よりなる電流狭さく層２１を
形成する。この場合、図１に示した半導体発光素子とは
異なり、陰電極２４にも、陽電極２２と同様の電流狭さ
く層２１が形成される。

【００４１】次に、アセトン及びＯ₂ プラズマを用いて
基板１１上のレジストパターンを除去した後、コンタク
ト層２０の上面における電流狭さく層２１及び該電流狭
さく層２１の開口部にＮｉよりなる第１の金属膜２２ａ
と、該第１の金属膜２２ａの上にＡｕよりなる第２の金
属膜２２ｂを順次蒸着して陽電極２２を形成する。

【００４２】次に、ｎ型ＧａＮ層１３の上面における電
流狭さく層及び該電流狭さく層の開口部にＴｉ層２４ａ
及びＡｌ層２４ｂを順次蒸着して陰電極２４を形成す
る。

【００４３】次に、キャビティ長が０．５ｍｍになるよ
うに基板１１をへき開して半導体発光素子を完成させ
る。

【００４４】以下、本実施形態に係る半導体発光素子の
特性を説明する。

【００４５】まず、光学的特性は、レーザ光の発振波長
が４１０ｎｍであり、端面の反射率がフロント及びリア
共に２２％である。また、レーザ光の内部損失は５ｃｍ
^-1、共振器における損失は２０ｃｍ^-1である。

【００４６】次に、電気的特性を説明する。

【００４７】ｐ型クラッド層１８及びｎ型クラッド層１
４のキャリア密度はそれぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、ｐ型
ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３のキャリア密度はそ
れぞれ３×１０¹⁸／ｃｍ³ 、及びコンタクト層２０のキ
ャリア密度は３×１０¹⁸／ｃｍ³ である。

【００４８】移動度は、ｐ型クラッド層１８、ｐ型Ｇａ
Ｎ層１９及びコンタクト層２０がそれぞれ１０ｃｍ² ／
Ｖ・ｓであり、ｎ型クラッド層１４及びｎ型ＧａＮ層１
３がそれぞれ２５０ｃｍ² ／Ｖ・ｓであるため、十分に
抵抗率が小さいｐ型クラッド層１８、ｎ型クラッド層１
４、ｐ型ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３が実現され
ている。

【００４９】陽電極２２側において、ｐ型のコンタクト
層２０と該コンタクト層２０と接する第１の金属膜２２
ａであるＮｉとの間において接触抵抗が１×１０^-3Ω・
ｃｍ² のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極２４
側において、ｎ型ＧａＮ層１３とＴｉ層２４ａとの間に
もオーミック接触が実現している。

【００５０】ｐ型のコンタクト層２０とＮｉとの間で実
現し、接触抵抗が１×１０^-3Ω・ｃｍ² であるオーミッ
ク接触は、前述した従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮ
ｉとの間の接触抵抗の１０分の１に減少している。これ
は、ｐ型のコンタクト層２０とＮｉとの間の価電子帯の
ポテンシャル障壁が０．３５ｅＶとなっており、図１１
に示す従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の価
電子帯のポテンシャル障壁の０．７９ｅＶよりも０．４
４ｅＶ小さくなっているからである。

【００５１】また、この図１１から分かるように、本実
施形態に示す、ＧａＮとＧａＰ又はＧａＮとＧａＡｓと
の間のヘテロ接合を行なうと、図１２（ｂ）に示す、い
わゆる、タイプIIのヘテロ接合を実現できる。

【００５２】図２は本実施形態に係る半導体発光素子の
電流電圧特性を表わすグラフである。図２において、１
Ａは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わ
す曲線であり、１Ｂは本実施形態に係る半導体発光素子
に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、１
０Ａは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線で
あり、１０Ｂは従来の半導体発光素子に印加される順方
向電圧を表わす曲線である。図２において、本実施形態
に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線１Ａに示
すように４．８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１Ｂ
に示すように１１０ｍＡであることがわかる。一方、従
来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線１０Ａに示す
ように８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１０Ｂに示
すように１３０ｍＡである。また、しきい値電流密度
は、本実施形態に係る半導体発光素子が２ｋＡ／ｃｍ²
であり、従来の半導体発光素子が９ｋＡ／ｃｍ² であ
る。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電
流電圧特性は従来の半導体発光素子に比べて、順方向電
圧で４０％低減され、しきい値電流密度で７８％低減さ
れていることがわかる。これは、ｐ型のコンタクト層２
０と陽電極２２を構成するＮｉとの間のオーミック接触
が従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の接触抵
抗の１０分の１になっているからである。

【００５３】このように、本実施形態によると、陽電極
２２とオーミック接触を図るためのコンタクト層２０に
Ｍｇを不純物とするＧａＮ_0.95Ｐ_0.05を用いているた
め、接触抵抗が低減するので、半導体発光素子の動作電
圧を低減することができる。

【００５４】なお、ｐ型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05よりなるコン
タクト層２０の代わりにｐ型ＧａＮ_0.95Ａｓ_0.05よりな
るコンタクト層を用いても同様な結果が得られる。

【００５５】また、ｐ型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05コンタクト層
２０の代わりにｐ型にドーピングされ、且つ、互いに積
層構造を有する（ＧａＮ）_m （ＧａＰ）_n （但し、ｍ，
ｎは自然数である。以下、同様とする。）よりなるコン
タクト層を用いても同様な結果が得られる。

【００５６】さらに、ＧａＰの代わりにＧａＡｓ又はＧ
ａＡｓ_1-x Ｐ_x を用いても同様な結果が得られる。

【００５７】また、ｐ型のコンタクト層２０と接触する
陰電極２２の第１の金属層２２ａはＮｉに限らず、白金
（Ｐｔ）、金（Ａｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）であって
もよい。

【００５８】また、サファイアよりなる基板１１の代わ
りにＳｉＣよりなる基板や、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 又
はＬｉＡｌＯ₂ 等の酸化物よりなる基板を用いてもよ
く、ＳｉＣ傾斜基板を用いてもよい。

【００５９】（第１の実施形態の変形例）以下、本発明
の第１の実施形態の一変形例を図面を参照しながら説明
する。

【００６０】図３は本発明の第１の実施形態の一変形例
に係る半導体発光素子の構成断面図である。第１の実施
形態との差異は、図３に示すように、ｐ型ＧａＮ層１９
と第１の金属膜２２ａとの間に形成されたコンタクト層
２０が、陰電極２２、すなわち、第１の金属膜２２ａに
向けて窒素の組成比が段階的に減少するように形成され
たｐ型ＧａＮＰよりなる第１、第２及び第３のコンタク
ト層２０ａ，２０ｂ，２０ｃにより構成されている点で
ある。具体的には、ｐ型ＧａＮ層１９側から順次、ｐ型
ＧａＮ_0.99Ｐ_0.01よりなる第１のコンタクト層２０ａ、
ｐ型ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03層２０ｂよりなる第２のコンタク
ト層及びｐ型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05よりなる第３のコンタク
ト層２０ｃが形成されている。

【００６１】なお、図３において、図１に示す半導体発
光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説
明を省略する。

【００６２】本変形例に係る第１のコンタクト層２０
ａ、第２のコンタクト層２０ｂ及び第３のコンタクト層
２０ｃからなるコンタクト層２０の製造方法を説明す
る。

【００６３】面方位が（０００１）のサファイアよりな
る基板１１上に、第１の実施形態と同様の方法を用い
て、ｐ型ＧａＮ層１９までを成長させた後、基板１１の
温度を６８０℃に設定し、基板１１上に、トリメチルガ
リウムを流量２．７ｓｃｃｍで、ホスフィンを流量１３
ｓｃｃｍで、アンモニアを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及び
シクロペンタジエニルマグネシウムを流量５．０ｓｃｃ
ｍで導入して、基板１１の上のｐ型ＧａＮ層１９上にｐ
型ＧａＮ_0.99Ｐ_0.01よりなり、厚さが３０ｎｍの第１の
コンタクト層２０ａを成長させる。次に、基板１１上
に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓｃｃｍで、ホス
フィンを流量４０ｓｃｃｍで、アンモニアを流量１０ｌ
／ｍｉｎで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを
流量５．０ｓｃｃｍで導入して、基板１１の上の第１の
コンタクト層２０ａ上にｐ型ＧａＮ_{0. 97}Ｐ_0.03よりな
り、厚さが３０ｎｍの第２のコンタクト層２０ｂを成長
させる。次に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓｃｃ
ｍで、ホスフィンを流量６５ｓｃｃｍで、アンモニアを
流量１０ｌ／ｍｉｎで、及びシクロペンタジエニルマグ
ネシウムを流量５．０ｓｃｃｍで導入して、基板１１の
上の第２のコンタクト層２０ｂ上に厚さが３０ｎｍのｐ
型ＧａＮ_0.95Ｐ_0.05層２０ｃを成長させる。

【００６４】その後、第１の実施形態と同様の方法を用
いて、基板１１に対してアニールを行なった後、陽電極
２２及び陰電極２４を形成し、さらにへき開を行なって
発光素子を完成させる。

【００６５】以下、本変形例に係る半導体発光素子の特
性を説明する。

【００６６】まず、光学的特性は、第１の実施形態と同
様であって、レーザ光の発振波長が４１０ｎｍであり、
端面の反射率はフロント及びリア共に２２％である。ま
た、レーザの内部損失は５ｃｍ^-1、共振器における損失
は２０ｃｍ^-1である。

【００６７】次に、電気的特性を説明する。

【００６８】ｐ型クラッド層１９及びｎ型クラッド層１
３のキャリア密度はそれぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、ｐ型
ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３のキャリア密度はそ
れぞれ３×１０¹⁸／ｃｍ³ 、及びコンタクト層２０のキ
ャリア密度は３×１０¹⁸／ｃｍ³ である。

【００６９】移動度は、ｐ型クラッド層１８、ｐ型Ｇａ
Ｎ層１９及びコンタクト層２０がそれぞれ１０ｃｍ² ／
Ｖ・ｓであり、ｎ型クラッド層１４及びｎ型ＧａＮ層１
３がそれぞれ２５０ｃｍ² ／Ｖ・ｓであるため、十分に
抵抗率が小さいｐ型クラッド層１８、ｎ型クラッド層１
４、ｐ型ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３が実現され
ている。

【００７０】陽電極２２側において、ｐ型のコンタクト
層２０と該コンタクト層２０と接する第１の金属膜２２
ａのＮｉとの間において接触抵抗が３×１０^-4Ω・ｃｍ
² のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極２４側に
おいて、ｎ型ＧａＮ層１３とＴｉ層２４ａとの間にもオ
ーミック接触が実現している。

【００７１】ｐ型の３層からなるコンタクト層２０とＮ
ｉとの間で実現し、接触抵抗が３×１０^-4Ω・ｃｍ² の
オーミック接触は、従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮ
ｉとの間の接触抵抗の３０分の１に減少している。これ
はｐ型のコンタクト層２０とＮｉとの間の価電子帯のポ
テンシャル障壁が０．１７ｅＶとなって、従来のｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層とＮｉとの間の価電子帯のポテンシャ
ル障壁の０．７９ｅＶよりも０．６２ｅＶ小さくなって
いるからである。

【００７２】その上、本変形例に係る第１のコンタクト
層２０ａ、第２のコンタクト層２０ｂ及び第３のコンタ
クト層２０ｃの３層からなるｐ型のコンタクト層２０
は、リン（Ｐ）に対する窒素（Ｎ）の割合が、コンタク
ト層２０側からｐ型クラッド層１８に向けて段階的に大
きくなるように構成されているため、コンタクト層２０
の各層が陰電極２２のＮｉから遠ざかるに連れて、すな
わち、ｐ型ＧａＮ層１９に近づくに連れて、コンタクト
層２０の価電子帯のバンド端エネルギーが真空準位から
遠くなりｐ型ＧａＮ層１９の価電子帯のバンド端エネル
ギーに近づくので、図１１に示したように、コンタクト
層２０直下のｐ型ＧａＮ層１９における正孔に対するポ
テンシャル障壁が小さくなるからである。

【００７３】図４は本変形例に係る半導体発光素子の電
流電圧特性を表わすグラフである。図４において、２Ａ
は本変形例に係る半導体発光素子の出力電力を表わす曲
線であり、２Ｂは本変形例に係る半導体発光素子に印加
される順方向電圧を表わす曲線である。一方、１０Ａは
従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、
１０Ｂは従来の半導体発光素子に印加される順方向電圧
を表わす曲線である。図４において、本変形例に係る半
導体発光素子のしきい値電圧は、曲線２Ａに示すように
４．５Ｖであり、そのしきい値電流は曲線２Ｂに示すよ
うに１００ｍＡであることがわかる。一方、従来の半導
体発光素子のしきい値電圧は曲線１０Ａに示すように８
Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１０Ｂに示すように
１３０ｍＡである。また、しきい値電流密度は、本変形
例に係る半導体発光素子が１．８ｋＡ／ｃｍ² であり、
従来の半導体発光素子が９ｋＡ／ｃｍ² である。これに
より、本変形例に係る半導体発光素子の電流電圧特性は
従来の半導体発光素子よりも明らかに向上していること
がわかる。これは、３層からなるｐ型のコンタクト層２
０と陽電極２２を構成するＮｉとの間のオーミック接触
が従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の接触抵
抗の３０分の１になっているからである。

【００７４】このように、本変形例によると、陽電極２
２とオーミック接触を図るためのコンタクト層２０が、
リンに対する窒素の割合がコンタクト層２０側からｐ型
ＧａＮ層１９に向けて段階的に大きくなるように構成さ
れているため、コンタクト層２０の価電子帯のバンド端
エネルギーが真空準位から遠くなりｐ型ＧａＮ層１９の
価電子帯のバンド端エネルギーに近づくので、接触抵抗
がさらに低減し、その結果、半導体発光素子の順方向電
圧を４３％低減することができる。

【００７５】なお、ｐ型のコンタクト層２０としてｐ型
ＧａＮ_1-x Ｐ_x （但し、ｘは、０．０７＜ｘ＜１の実数
とする。）を用いるならば、コンタクト層２０とＮｉと
の間の価電子帯のポテンシャル障壁を０にすることがで
き、理想的なオーミック接触を得ることができる。

【００７６】また、ｐ型のコンタクト層２０としてｐ型
ＧａＮ_1-x Ｐ_x （但し、ｘは、０＜ｘ＜１の実数とす
る。以下、同様とする。）の代わりにｐ型ＧａＮ_1-x Ａ
ｓ_x を用いても同様な効果が得られる。

【００７７】また、コンタクト層２０の各層を（Ｇａ
Ｎ）_m （ＧａＰ）_n または（ＧａＮ）_m （ＧａＡｓ）_n
により構成してもよく、（ＧａＮ）_m （ＧａＡｓ_1-x Ｐ
_x ）_nを用いてもよい。

【００７８】また、ｐ型のコンタクト層２０と接触する
陰電極２２の第１の金属層２２ａはＮｉに限らず、Ｐ
ｔ、Ａｕ又はＰｄであってもよい。

【００７９】また、サファイアよりなる基板１１の代わ
りにＳｉＣよりなる基板や、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂ Ｏ₄ 又はＬｉＡｌＯ₂ 等の酸化物よりなる基板を
用いてもよく、さらに、ＳｉＣ傾斜基板を用いても同様
の効果が得られる。

【００８０】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００８１】図５は本発明の第２の実施形態に係る半導
体発光素子の構成断面図である。図５に示すように、本
実施形態に係る半導体発光素子は、ｐ型ＧａＮ層１９と
陰電極２２構成する第１の金属膜２２ａとの間に、ｐ型
Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989 Ｐ_0.011 よりなるコンタクト
層３０が形成されている。

【００８２】なお、図５において、図１に示す半導体発
光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説
明を省略する。

【００８３】本実施形態に係るコンタクト層３０の製造
方法を説明する。

【００８４】まず、第１の実施形態と同様に、面方位が
（０００１）のサファイアよりなる基板１１に対して、
有機溶媒を用いた洗浄及び前処理を行なった後、基板１
１上にｐ型ＧａＮ層１９までを順次成長させる。

【００８５】次に、基板１１の温度を６８０℃に設定
し、基板１１上に、トリメチルアルミニウムを流量１０
ｓｃｃｍで、トリメチルガリウムを流量２０ｓｃｃｍ
で、ホスフィンを流量２７ｓｃｃｍで、アンモニアを流
量１０ｌ／ｍｉｎで、及びシクロペンタジエニルマグネ
シウムを流量５．０ｓｃｃｍで導入して、基板１１の上
のｐ型ＧａＮ層１９上にｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989
Ｐ_0.011 よりなり、厚さが１００ｎｍのコンタクト層３
０を成長させる。

【００８６】その後、第１の実施形態と同様に、基板１
１に対してアニールを行なって不純物のＭｇを活性化さ
せた後、陽電極２２及び陰電極２４を形成し、さらに所
望のキャビティ長となるように基板１１をへき開して発
光素子を完成させる。

【００８７】以下、本実施形態に係る半導体発光素子の
特性を説明する。

【００８８】まず光学的特性は、第１の実施形態と同様
であって、レーザの発振波長が４１０ｎｍであり、端面
の反射率はフロント及びリア共に２２％である。また、
レーザの内部損失は５ｃｍ^-1、共振器における損失は２
０ｃｍ^-1である。

【００８９】次に、電気的特性を説明する。

【００９０】ｐ型クラッド層１９及びｎ型クラッド層１
３のキャリア密度はそれぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、ｐ型
ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３のキャリア密度はそ
れぞれ３×１０¹⁸／ｃｍ³ 、及びコンタクト層３０のキ
ャリア密度は３×１０¹⁸／ｃｍ³ である。

【００９１】移動度は、ｐ型クラッド層１８、ｐ型Ｇａ
Ｎ層１９及びコンタクト層３０がそれぞれ１０ｃｍ² ／
Ｖ・ｓであり、ｎ型クラッド層１４及びｎ型ＧａＮ層１
３がそれぞれ２５０ｃｍ² ／Ｖ・ｓであるため、十分に
抵抗率が小さいｐ型クラッド層１８、ｎ型クラッド層１
４、ｐ型ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３が実現され
ている。

【００９２】陽電極２２側において、ｐ型のコンタクト
層３０と該コンタクト層３０と接する第１の金属膜２２
ａのＮｉとの間において接触抵抗が１×１０^-3Ω・ｃｍ
² のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極２４側に
おいて、ｎ型ＧａＮ層１３とＴｉ層２４ａとの間にもオ
ーミック接触が実現している。

【００９３】ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989 Ｐ_0.011 よ
りなるコンタクト層３０とＮｉとの間で実現し、接触抵
抗が１×１０^-3Ω・ｃｍ² のオーミック接触は、従来の
ｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の接触抵抗の１０
分の１に減少している。これはｐ型のコンタクト層３０
とＮｉとの間の価電子帯のポテンシャル障壁が０．４３
ｅＶとなって、従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉと
の間の価電子帯のポテンシャル障壁の０．７９ｅＶより
も０．３６ｅＶ小さくなっているからである。

【００９４】図６は本実施形態に係る半導体発光素子の
電流電圧特性を表わすグラフである。図６において、３
Ａは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わ
す曲線であり、３Ｂは本実施形態に係る半導体発光素子
に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、１
０Ａは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線で
あり、１０Ｂは従来の半導体発光素子に印加される順方
向電圧を表わす曲線である。図６において、本実施形態
に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線３Ａに示
すように４．８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線３Ｂ
に示すように１１０ｍＡであることがわかる。一方、従
来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線１０Ａに示す
ように８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１０Ｂに示
すように１３０ｍＡである。また、しきい値電流密度
は、本実施形態に係る半導体発光素子が２ｋＡ／ｃｍ²
であり、従来の半導体発光素子が９ｋＡ／ｃｍ² であ
る。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電
流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上
していることがわかる。これは、ｐ型のコンタクト層３
０と陽電極２２を構成するＮｉとの間のオーミック接触
が従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の接触抵
抗の１０分の１になっているからである。

【００９５】本実施形態の特徴として、図１３に示すよ
うに、ＡｌＮは相対的に格子定数が小さいため、ｐ型Ａ
ｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989 Ｐ_0.011 よりなるコンタクト層
３０はＧａＮに対して完全に格子整合できるため、その
欠陥密度は１×１０⁹ ／ｃｍ² となる。この値は従来の
ｐ型Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎコンタクト層の場合よりも１桁小
さな値であって、５０ｎｍ以上の膜厚を持ったコンタク
ト層を確実に形成することができる。

【００９６】なお、コンタクト層３０には、ｐ型Ａｌ
_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989 Ｐ_0.011 の代わりにｐ型Ａｌ_x Ｇ
ａ_1-x Ｎ_1-y Ａｓ_y を用いても同様の効果が得られる。

【００９７】また、ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ_0.989 Ｐ
_0.011 の代わりに（ＡｌＮ）_h （ＡｌＡｓ）_k （Ｇａ
Ｎ）_m （ＧａＡｓ）_n （但し、ｋは整数とし、ｈ、ｍ、
ｎは自然数とする。）よりなるコンタクト層を用いても
よい。

【００９８】また、ｐ型のコンタクト層３０と接触する
陰電極２２の第１の金属層２２ａはＮｉに限らず、Ｐ
ｔ、Ａｕ又はＰｄであってもよい。

【００９９】また、サファイアよりなる基板１１の代わ
りにＳｉＣよりなる基板や、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂ Ｏ₄ 又はＬｉＡｌＯ₂ 等の酸化物よりなる基板を
用いてもよく、さらに、ＳｉＣ傾斜基板を用いてもよ
い。

【０１００】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【０１０１】図７は本発明の第３の実施形態に係る半導
体発光素子の構成断面図である。図７に示すように、本
実施形態に係る半導体発光素子は、ｐ型ＧａＮ層１９と
陰電極２２構成する第１の金属膜２２ａとの間に、ｐ型
ＧａＮ層１９の上に形成されたｐ型ＡｌＮよりなる第１
のコンタクト層４０ａと該第１のコンタクト層４０ａの
上に形成されたｐ型ＧａＮ_0.98Ｐ_0.02層よりなる第２の
コンタクト層４０ｂとからなるコンタクト層４０を有し
ている。

【０１０２】なお、図７において、図１に示す半導体発
光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説
明を省略する。

【０１０３】本実施形態に係る２層からなるコンタクト
層４０の製造方法を説明する。

【０１０４】まず、第１の実施形態と同様に、面方位が
（０００１）のサファイアよりなる基板１１に対して、
有機溶媒を用いた洗浄及び前処理を行なった後、基板１
１上にｐ型ＧａＮ層１９までを順次成長させる。

【０１０５】次に、基板１１の温度を６８０℃に設定
し、基板１１上に、トリメチルアルミニウムを流量４．
１ｓｃｃｍで、アンモニアを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及
びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量５．０ｓｃ
ｃｍで導入して、基板１１の上のｐ型ＧａＮ層１９上に
ｐ型ＡｌＮよりなり、厚さが２ｎｍの第１のコンタクト
層４０ａを成長させる。

【０１０６】続いて、基板１１上に、トリメチルガリウ
ムを流量２．７ｓｃｃｍで、ホスフィンを流量２７ｓｃ
ｃｍで、アンモニアを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及びシク
ロペンタジエニルマグネシウムを流量５．０ｓｃｃｍで
導入して、基板１１の上の第１のコンタクト層４０ａ上
にｐ型ＧａＮ_0.98Ｐ_0.02よりなり、厚さが１１．５ｎｍ
の第２のコンタクト層４０ｂを成長させる。

【０１０７】その後、第１の実施形態と同様に、基板１
１に対してアニールを行なって不純物のＭｇを活性化さ
せた後、陽電極２２及び陰電極２４を形成し、さらに基
板１１のへき開を行なって発光素子を完成させる。

【０１０８】以下、本実施形態に係る半導体発光素子の
特性を説明する。

【０１０９】まず光学的特性は、第１の実施形態と同様
であって、レーザの発振波長が４１０ｎｍであり、端面
の反射率はフロント及びリア共に２２％である。また、
レーザの内部損失は５ｃｍ^-1、共振器における損失は２
０ｃｍ^-1である。

【０１１０】次に、電気的特性を説明する。

【０１１１】ｐ型クラッド層１９及びｎ型クラッド層１
３のキャリア密度はそれぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、ｐ型
ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３のキャリア密度はそ
れぞれ３×１０¹⁸／ｃｍ³ 、及びコンタクト層４０のキ
ャリア密度は３×１０¹⁸／ｃｍ³ である。

【０１１２】移動度は、ｐ型クラッド層１８、ｐ型Ｇａ
Ｎ層１９及びコンタクト層４０がそれぞれ１０ｃｍ² ／
Ｖ・ｓであり、ｎ型クラッド層１４及びｎ型ＧａＮ層１
３がそれぞれ２５０ｃｍ² ／Ｖ・ｓであるため、十分に
抵抗率が小さいｐ型クラッド層１８、ｎ型クラッド層１
４、ｐ型ＧａＮ層１９及びｎ型ＧａＮ層１３が実現され
ている。

【０１１３】陽電極２２側において、ｐ型ＡｌＮよりな
る第１のコンタクト層４０ａとｐ型ＧａＮ_0.98Ｐ_0.02層
よりなる第２のコンタクト層４０ｂとからなるコンタク
ト層４０と該コンタクト層４０と直接接する第１の金属
膜２２ａのＮｉとの間において接触抵抗が１×１０^-3Ω
・ｃｍ² のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極２
４側において、ｎ型ＧａＮ層１３とＴｉ層２４ａとの間
にもオーミック接触が実現している。

【０１１４】ｐ型のコンタクト層４０とＮｉとの間で実
現し、接触抵抗が１×１０^-3Ω・ｃｍ² のオーミック接
触は、従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の接
触抵抗の１０分の１に減少している。

【０１１５】これはｐ型のコンタクト層４０とＮｉとの
間の価電子帯のポテンシャル障壁が０．５３ｅＶとなっ
て、従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉとの間の価電
子帯のポテンシャル障壁の０．７９ｅＶよりも０．２６
ｅＶ小さくなっているからである。

【０１１６】図８は本実施形態に係る半導体発光素子の
電流電圧特性を表わすグラフである。図８において、４
Ａは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わ
す曲線であり、４Ｂは本実施形態に係る半導体発光素子
に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、１
０Ａは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線で
あり、１０Ｂは従来の半導体発光素子に印加される順方
向電圧を表わす曲線である。図８において、本実施形態
に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線４Ａに示
すように４．８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線４Ｂ
に示すように１１０ｍＡであることがわかる。一方、従
来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線１０Ａに示す
ように８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１０Ｂに示
すように１３０ｍＡである。また、しきい値電流密度
は、本実施形態に係る半導体発光素子が２ｋＡ／ｃｍ²
であり、従来の半導体発光素子が９ｋＡ／ｃｍ² であ
る。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電
流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上
していることがわかる。これは、ｐ型の２層からなるコ
ンタクト層４０と陽電極２２を構成するＮｉとの間のオ
ーミック接触が従来のｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉと
の間の接触抵抗の１０分の１になっているからである。

【０１１７】また、ｐ型の２層からなるコンタクト層４
０はＧａＮに対して格子整合しており、その欠陥密度は
１×１０⁹ ／ｃｍ² である。この値は従来のｐ型Ｇａ
_1-x Ｉｎ_x Ｎコンタクト層の場合よりも１桁小さな値で
ある。

【０１１８】さらに、本実施形態の特徴として、ｐ型の
コンタクト層４０は、第１のコンタクト層４０ａとして
ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなるｐ型クラッド層１８側
にＡｌＮ層が設けられているため、図１３に示すよう
に、Ａｌの原子半径がＧａの原子半径よりも小さいの
で、ＡｌＮ結晶内の隙間がＧａＮ結晶内の隙間よりも小
さくなり、その結果、Ａｌと置換したｐ型不純物である
ＭｇがＡｌＮ結晶内を拡散できない。従って、導電性を
高めるために通常不純物濃度が大きくドープされるコン
タクト層４０からｐ型不純物のＭｇが活性層側へ拡散す
ることを抑制できる。

【０１１９】以下、Ｍｇの拡散が抑制される様子を図面
に基づいて説明する。

【０１２０】図９は二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）
を用いて分析した本実施形態に係る半導体発光素子及び
従来の半導体発光素子におけるｐ型不純物であるＭｇ濃
度を示すグラフである。図９において、曲線５は本実施
形態に係る半導体発光素子のＭｇ濃度を示し、曲線１１
は従来の半導体発光素子のＭｇ濃度を示している。な
お、深さ方向を表わすスケールＡは本実施形態に係る半
導体発光素子を示し、スケールＢは従来の半導体発光素
子を示し、その符号は各半導体層又は金属層にそれぞれ
対応している。図９の曲線５に示すように、本実施形態
に係る半導体発光素子のＭｇ濃度は、第２のコンタクト
層４０ｂと第１のコンタクト層４０ａとの界面で急峻に
低下しており、アンドープの第２のガイド層１７にはほ
とんど到達していないことがわかる。一方、曲線１１に
示す従来の半導体発光素子の場合は、ｐ型のコンタクト
層１１１から多重量子井戸層１０７を越えてＭｇが拡散
していることがわかる。

【０１２１】このように、本実施形態によると、２層か
らなるｐ型のコンタクト層４０の第１のコンタクト層４
０ａがＡｌＮにより構成されているため、該ＡｌＮより
なる半導体層によって、ｐ型の不純物であるＭｇがコン
タクト層４０から該コンタクト層４０と接合するｐ型Ｇ
ａＮ層１９へ拡散することが抑制される。これにより、
不純物のＭｇが結晶のアクセプタサイト以外の場所に侵
入してｐ型のキャリアを補償するおそれがなくなり、ｐ
型のコンタクト層４０と接するｐ型ＧａＮ層１９の導電
性を低下させないため、ｐ型ＧａＮ層１９に印加される
電圧が小さくなるので、発光素子の動作電圧を低減させ
ることができる。

【０１２２】なお、第２のコンタクト層４０ｂを構成す
るｐ型ＧａＮ_0.98Ｐ_0.02の代わりにｐ型ＧａＮ_1-x Ａｓ
_x を用いてもよい。

【０１２３】また、ｐ型のコンタクト層４０と接触する
陰電極２２の第１の金属層２２ａはＮｉに限らず、Ｐ
ｔ、Ａｕ又はＰｄであってもよい。

【０１２４】また、サファイアよりなる基板１１の代わ
りにＳｉＣよりなる基板や、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂ Ｏ₄ 又はＬｉＡｌＯ₂ 等の酸化物よりなる基板を
用いてもよく、さらに、ＳｉＣ傾斜基板を用いても同様
な効果が得られる。

【０１２５】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子によると、
窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導電型の第２
のクラッド層の上に形成されたリン及び窒素又はヒ素及
び窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導電型のコ
ンタクト層を備えているため、第２導電型のＧａＮをコ
ンタクト層に用いる場合よりも電極用金属との間の価電
子帯のショットキー障壁の高さを低減することができる
ので、しきい値電圧が低減することになり、低電圧駆動
を実現できる。

【０１２６】半導体発光素子において、第２導電型のコ
ンタクト層の組成が一般式ＧａＮ_{1- x} Ｐ_x （但し、式中
のｘは０＜ｘ＜１の実数である。）で示されるため、第
２導電型のＧａＮをコンタクト層に用いる場合に比べて
電極用金属との間の価電子帯のショットキー障壁の高さ
を確実に低減することができる。

【０１２７】また、半導体発光素子において、第２導電
型のコンタクト層の組成が一般式ＧａＮ_1-x Ａｓ_x （但
し、式中のｘは０＜ｘ＜１の実数である。）で示される
ため、第２導電型のＧａＮをコンタクト層に用いる場合
に比べて電極用金属との間の価電子帯のショットキー障
壁の高さを確実に低減することができる。

【０１２８】また、半導体発光素子において、第２導電
型のコンタクト層は複数層よりなり、各複数層における
リン又はヒ素に対する窒素の割合が、電極側から、窒素
を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２のクラッド層に向
けて段階的に大きくなるように構成されているため、第
２のクラッド層に近づくに連れてコンタクト層の価電子
帯のバンド端エネルギーが真空準位から遠くなり、第２
のクラッド層の価電子帯のバンド端エネルギーに近づく
ので、コンタクト層と第２のクラッド層との界面で形成
される正孔に対するポテンシャル障壁が小さくなる。こ
のため、しきい値電圧がさらに低減するので、さらなる
低電圧駆動を実現できる。

【０１２９】また、半導体発光素子において、第２導電
型はｐ型であって、該コンタクト層は、電極と接触する
ことにより生ずる正孔に対するポテンシャル障壁を低減
するため、しきい値電圧が低減するので、低電圧駆動を
確実に実現できる。

【０１３０】また、半導体発光素子において、前記正孔
に対するポテンシャル障壁の大きさが零であるため、し
きい値電圧がさらに低減するので、さらなる低電圧駆動
を確実に実現できる。

【０１３１】また、半導体発光素子において、第２導電
型のコンタクト層はアルミニウムを含むため、窒素を含
むIII −Ｖ族化合物に対して格子整合でき、結晶性がよ
いので、所望の膜厚を有するコンタクト層が確実に得ら
れるまた、半導体発光素子において、第２導電型のコン
タクト層と第２導電型の第２のクラッド層との間に形成
されたＡｌＮよりなる半導体層をさらに備えているた
め、ＡｌＮ結晶内の隙間がＧａＮ結晶内の隙間よりも小
さいので、Ａｌと置換した第２導電型の不純物がＡｌＮ
結晶内を拡散できない。その結果、第２のクラッド層内
において、第２導電型のキャリアが第２導電型の不純物
により補償されなくなるため、第２のクラッド層の導電
性を低下させないので、第２のクラッド層に印加される
電圧が小さくなり、動作電圧を低減させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子
の構成断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子
の電流電圧特性を表わすグラフである。

【図３】本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導
体発光素子の構成断面図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導
体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子
の構成断面図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子
の電流電圧特性を表わすグラフである。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
の構成断面図である。

【図８】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
の電流電圧特性を表わすグラフである。

【図９】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
及び従来の半導体発光素子におけるｐ型不純物であるＭ
ｇ濃度を示すグラフである。

【図１０】従来の半導体発光素子の構成断面図である。

【図１１】代表的なIII −Ｖ族化合物半導体のバンドギ
ャップエネルギーを示すグラフである。

【図１２】ヘテロ接合におけるタイプＩ及びタイプIIの
バンドギャップエネルギーを示す図である。

【図１３】代表的なIII −Ｖ族化合物半導体の格子定数
とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】 １１ 基板 １２ バッファ層 １３ ｎ型ＧａＮ層 １４ ｎ型クラッド層（第１のクラッド層） １５ 第１のガイド層 １６ａ バリア層 １６ｂ 活性層 １６ 多重量子井戸層 １７ 第２のガイド層 １８ ｐ型クラッド層（第２のクラッド層） １９ ｐ型ＧａＮ層 ２０ コンタクト層 ２０ａ 第１のコンタクト層 ２０ｂ 第２のコンタクト層 ２０ｃ 第３のコンタクト層 ２１ 電流狭さく層 ２２ａ 第１の金属膜 ２２ｂ 第２の金属膜 ２２ 陽電極 ２４ａ Ｔｉ層 ２４ｂ Ａｌ層 ２４ 陰電極 ３０ コンタクト層 ４０ コンタクト層 ４０ａ 第１のコンタクト層（ＡｌＮよりなる半導体
層） ４０ｂ 第２のコンタクト層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年５月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 義博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 木戸口 勲 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 粂 雅博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よ
   りなる第１導電型の第１のクラッド層と、 前記第１のクラッド層の上に形成され、窒素を含むIII
   −Ｖ族化合物よりなる活性層と、 前記活性層の上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合
   物よりなる第２導電型の第２のクラッド層と、 前記第２のクラッド層の上に形成され、リン及び窒素又
   はヒ素及び窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導
   電型のコンタクト層と、 前記コンタクト層の上に形成された電極とを備えている
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記コンタクト層の組成は一般式ＧａＮ
   _1-x Ｐ_x （但し、式中のｘは０＜ｘ＜１の実数であ
   る。）で示されることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記コンタクト層の組成は一般式ＧａＮ
   _1-x Ａｓ_x （但し、式中のｘは０＜ｘ＜１の実数であ
   る。）で示されることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記コンタクト層は複数層よりなり、 各複数層におけるリン又はヒ素に対する窒素の割合は、
   前記電極側から前記第２のクラッド層に向けて段階的に
   大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
   子。
5. 【請求項５】 前記第２導電型はｐ型であって、 前記コンタクト層は、前記電極と接触することにより生
   ずる正孔に対するポテンシャル障壁を低減することを特
   徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記正孔に対するポテンシャル障壁の大
   きさが零であることを特徴とする請求項５に記載の半導
   体発光素子。
7. 【請求項７】 前記コンタクト層はアルミニウムを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記コンタクト層と前記第２のクラッド
   層との間に形成されたＡｌＮよりなる半導体層をさらに
   備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発
   光素子。