JPH11150296A - 窒化物系半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成長後の熱処理を不要として低廉化及び生産
性の向上を図りつつ、ｐ型伝導層の品質を向上させ、長
寿命化と信頼性の向上を図る。 【解決手段】 サファイア基板１１上に、アンドープＧ
ａＮ下地層１２、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３、ｎ−Ａ
ｌＧａＮ電流注入層１４、ＧａＮ光ガイド層１５、Ｉｎ
ＧａＮ活性層１６、ＧａＮ層光ガイド１７、ｐ−ＡｌＧ
ａＮ電流注入層１８、ｐ−ＧａＮコンタクト層１９と、
ｐ側電極２２との積層構造を備えた窒化物系半導体レー
ザにおいて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の表面酸素濃
度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定し、かつ表面付近にお
ける酸素濃度の最大値を、面内における酸素濃度の平均
値の５倍以下に設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザや発
光ダイオードに使用可能な窒化物系半導体素子及びその
製造方法に係わり、特に電極との良好なオーミックコン
タクトを有し、低抵抗で低動作電圧の窒化物系半導体素
子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色から紫外域にかけての短波長
領域の発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう）や半導
体レーザ（以下、ＬＤともいう）用の材料として、Ｇａ
Ｎを始めとしてＡｌＧａＮ等の窒化物系半導体が注目さ
れている。また特に、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶は、 III−
Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型エネルギー
ギャップを有し、０．２〜０．６μｍ帯、即ち赤色〜紫
色領域の発光素子材料として注目されている。

【０００３】この種の窒化物系半導体材料を用いた半導
体発光素子では、電流注入層や電極とのコンタクト層と
して、窒化物系半導体からなるｐ型伝導層及びｎ型伝導
層を必要とする。

【０００４】電流注入型の発光素子を製造する場合、ｐ
ｎ接合型を基本とするためにｐ型伝導層並びにｎ型伝導
層の伝導型及び伝導率（アクセプタ濃度、キャリア濃
度）等の制御が不可欠である。ＩｎＡｌＧａＮ系材料に
おいては、ｎ型伝導層に関しては、Ｓｉを不純物として
用いることにより、伝導型を比較的容易に制御可能であ
る。

【０００５】一方、ｐ型伝導層に関しては、伝導型及び
伝導率（アクセプタ濃度，キャリア濃度）の制御が困難
である。このｐ型伝導層を形成するには通常、ドーパン
トとしてマグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛（Ｚｎ）を用
い、水素キャリアガス（Ｈ₂ ）及びアンモニアガス（Ｎ
Ｈ₃ ）中に、１１００℃程度の高温に保持した成長基板
を設置し、この成長基板上にＧａ原料やＡｌ原料を供給
する方式がある。

【０００６】しかしながら、この方式で作成したＭｇド
ープＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層などのＭｇドープ窒化物
系半導体層は高抵抗を示し、ｐ型伝導を示さない。

【０００７】これは例えば、Ｚｎ及びＭｇの不純物の準
位が深いことや、特にＭＯＣＶＤ法による成長では、原
料ガスとしてのアンモニア（ＮＨ₃ ）やキャリアガスと
しての水素から分解した活性な水素原子或いはその他の
残留不純物の存在により、ＭｇやＺｎのアクセプタへの
活性化が妨げられると考えられる（J.A.Van Vechtenet
al.,Jpn.J.Appl.Phys.31(1992)3662 ）。

【０００８】ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ層はＭＯＣＶＤ
法で成長させる場合、Ｍｇド−プ層を成長中或いは成長
後に基板温度を室温まで降温する間にＮＨ₃ やキャリア
ガスからの水素がＭｇと共に結晶中に取り込まれ、Ｍｇ
アクセプタをＨ⁺ が不活性化させてしまうため、結果と
して高抵抗層になる。例えば、Ｍｇが１×１０²⁰ｃｍ^-3
の濃度でＧａＮにドープされた場合、水素濃度も１×１
０²⁰ｃｍ^-3程度と同程度取り込まれる。このＭｇドープ
ＧａＮ層は、同条件で成長させたアンドープ又はＳｉド
ープＧａＮ層に比ベ、１０倍以上の水素濃度となってお
り、ホール測定やＣ−Ｖ測定などにより、ａｓ ｇｒｏ
ｗｎでは高抵抗であることが確認されている。

【０００９】こうしたａｓ ｇｒｏｗｎで高抵抗である
ＭｇドープＧａＮ層に対し、電子線照射（H.Amano et a
l.,Jpn.J.Appl.Phys.28(1989)L2112）や熱処理（S.Naka
muraet al.,Jpn.J.Appl.Phys.31(1992)1258）により、
Ｍｇの活性化率が向上することが見出され、高輝度ＬＥ
Ｄの実用化やＬＤ発振の実現がなされている（S.Nakamu
ra et al.,Jpn.J.Appl.Phys.35,(1996)L74. ）。

【００１０】よって、一般的には、Ｍｇドープ窒化物系
半導体層は、その形成後に６００℃〜８００℃程度の窒
素ガス雰囲気中で水素を離脱させるための熱処理等の後
工程が施される。

【００１１】このような熱処理工程の後、Ｍｇドープ窒
化物系半導体層は、Ｍｇの活性化によりｐ型伝導を示す
ものの、成長層最表面に高抵抗層を生じてしまう。以
下、成長層最表面に高抵抗層を生じる理由を詳細に説明
する。

【００１２】図３７は窒化物系半導体を用いた典型的な
青色半導体レーザの構造を示す模式図である。この青色
半導体レーザは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法
により、サファイア基板１上に、バッファ層（図示せ
ず）、ＧａＮ下地層２、ＧａＮコンタクト層３、ｎ型Ａ
ｌＧａＮ電流注入層４、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井
戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮ電
流注入層６、ｐ型電極を形成するためのｐ型ＧａＮコン
タクト層７が順次形成された多層構造を有している。

【００１３】この種の多層構造の形成時には、一般に、
ＩｎＧａＮ系の活性層５以外はキャリアガスとして水素
が使用される。一方、ＩｎＧａＮ活性層５の形成時に
は、キャリアガスとして窒素が使用される。また、この
多層構造において、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６及びｐ
型ＧａＮコンタクト層７を形成時には、ｐ型ドーパント
としてＭｇが使用される。なお、Ｍｇは成長中には活性
化しないため、多層構造はその形成後に窒素雰囲気で熱
処理される。

【００１４】この熱処理の後、ドライエッチング法によ
り、多層構造の一部がＧａＮコンタクト層３に達する深
さまで除去され、しかる後、ＧａＮコンタクト層３上に
ｎ側電極８が形成される。また、除去されなかったｐ型
ＧａＮコンタクト層７上にはｐ側電極９が形成される。
このように各電極８，９が形成された試料がへき開さ
れ、共振器端面が形成されて、青色半導体レーザが製造
される。

【００１５】しかしながら、この青色半導体レーザは、
ｐ型ＧａＮコンタクト層７の最表面に高抵抗部を有する
ため、動作電圧が高く、素子にレーザ発振に必要な電流
の注入が困難となっている。また、レーザ発振に必要な
電流を注入しようとすると、動作電圧が２０Ｖ以上に上
昇し、ｐ側電極９近傍が破壊されてしまう。このような
問題を解決するためには、ｐ側電極９のコンタクト抵抗
を低減させることが必須である。

【００１６】次に、この青色半導体レーザについて、窒
素雰囲気中の熱処理前後のＭｇ，炭素，水素，酸素の深
さ方向の濃度分布を二次イオン質量分析（以下、ＳＩＭ
Ｓという）により調べた。その結果、図３８に示すよう
に、Ｍｇの濃度は熱処理の前後共に深さ方向に一定であ
る。一方、炭素（Ｃ），水素（Ｈ），酸素（Ｏ）は、熱
処理前に、試料の深さ方向に沿ってほぼ一定の濃度分布
を示すが、熱処理後に、試料の成長層最表面に、成長層
内部よりも多量に検出される。例えば、顕著なときに
は、炭素、水素は、成長層最表面に、成長層内部よりも
１〜２桁も多く検出されることがある。

【００１７】従って、ｐ型ＧａＮコンタクト層７とｐ側
電極９とのコンタクト抵抗が高く、素子電圧が高くなる
原因としては、水素が熱処理により成長層内部から表面
に拡散し、最表面に多量に残存することにより、表面で
Ｍｇと結びついてＭｇが不活性化されることが挙げられ
る。また、炭素は成長層内部からの拡散又は熱処理時に
生じた表面の汚染物などが原因で成長層最表面に多く存
在する。また、酸素は、熱処理時に生じた表面酸化膜、
又は成長層内部からの拡散によると考えられる。

【００１８】なお、成長層最表面に酸素、炭素が多い場
合には次の（１）〜（３）に示すような問題がある。
（１）Ｍｇ等のドーパントの活性化率を低下させ、キャ
リア密度を低下させる問題がある。（２）電極との良好
なオーミックコンタクトがとれない問題がある。これら
（１）〜（２）は、ｐ側電極９とのコンタクト抵抗を上
昇させ、素子の動作電圧を増加させ、素子寿命を短縮さ
せる等、信頼性を低下させてしまう。さらに、（３）貫
通転位や積層欠陥等の結晶欠陥を介して不純物を拡散さ
せ、リーク電流を増大させてしまう問題がある。

【００１９】また、このような窒化物系半導体素子で
は、熱処理を必要とするものの、ｐ型層の膜厚や各層の
組成等、素子構造の違いにより成長層中のＭｇが十分活
性化するのに要する熱処理時間が異なり、水素の拡散を
考慮した計算によりある程度、熱処理時間が見積もれる
とは言え、熱処理温度における熱処理時間の最適値を決
定するのは容易でない。

【００２０】即ち、熱処理を必要とするが、水素を解離
させるのに最適な熱処理温度や時間が不明確であるた
め、ｐ型伝導層６，７内に水素が残存していたり、過剰
な熱処理により、Ｍｇの活性化率を低下させている可能
性が高い。また、このように内部に残存する水素は、素
子全体の抵抗を高くさせ、コンタクト抵抗と同様に素子
の動作電圧を上昇させる原因となっている。

【００２１】ところで、係る問題を解決する観点から熱
処理過程を用いずにｐ型伝導層６，７を得る試みが特開
平８−１２５２２２号公報に開示されている。この公報
には、成長終了後の降温過程において、雰囲気ガスを水
素ガス，アンモニアガス以外の不活性ガスに置換するこ
とにより、ｐ型伝導層６，７を得る方法が記載されてい
る。しかしながら、この方法では、熱処理工程は不要で
あるが、前述したように、残存水素等の存在により成長
層内に高抵抗層が形成されるため、良好なオーミックコ
ンタクトが得られず、素子特性が向上しないと考えられ
る。また、同公報には、窒素雰囲気中で成長した例が示
されているが、この方法で得られたＭｇドープ層は、抵
抗率１０⁸ Ωｃｍ以上の絶縁体であることが示されてい
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように窒化
物系半導体素子及びその製造方法では、Ｍｇを活性化さ
せるために成長後に熱処理や電子線照射等の特別な処理
を必要とするので、手間がかかり、生産性を低下させ、
高コスト化を招く問題があると共に、処理工程の増加に
よる歩留り低下や結晶の品質劣化という問題がある。

【００２３】また、成長後の熱処理により、水素，炭素
及び酸素が成長層の表面に多量に存在しておりｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層７のコンタクト抵抗を高くさせ、素子の
動作電圧を上昇させる問題がある。また、ｐ側電極９近
傍の劣化により、ＬＥＤの動作寿命が実用化レベルに達
せず、信頼性を低下させる問題がある。

【００２４】また、ＬＤの場合、ｐ側電極９とのコンタ
クト抵抗が高いと、レーザ発振が困難となったり、ＬＥ
Ｄと同様に、ｐ側電極９近傍の劣化に起因して動作寿命
が著しく短いという問題がある。

【００２５】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、成長後の熱処理や電子線照射等の特別な処理を不要
として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、ｐ型伝導層
の品質を向上させ、もって、素子寿命を長くして信頼性
を向上し得る窒化物系半導体素子及びその製造方法を提
供することを目的とする。

【００２６】また、本発明の目的は、ｐ型伝導層の伝導
型を容易に制御でき、低抵抗で良好なオーミックコンタ
クトを有し、低動作電圧で動作する窒化物系半導体素子
及びその製造方法を提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は、次のような構成を採用している。

【００２８】即ち、本発明（請求項１）は、基板と、前
記基板上に積層形成された複数の窒化物系半導体層と、
前記各窒化物系半導体層のうち、最表面の層として形成
された、窒素を構成元素として含むｐ型化合物半導体層
と、前記ｐ型化合物半導体層上に形成されたｐ側電極
と、前記各窒化物系半導体層のうち、前記ｐ型化合物半
導体層よりも前記基板に近い位置に形成された、窒素を
構成元素として含むｎ型化合物半導体層と、少なくとも
前記ｐ側電極から前記ｐ型化合物半導体層並びにｎ型化
合物半導体層を通る電流路を形成するように、前記各窒
化物系半導体層内のいずれかの層或いは前記基板に設け
られたｎ側電極とを備えた窒化物系半導体素子であっ
て、前記ｐ型化合物半導体層の表面付近における酸素濃
度の最大値は、面内における酸素濃度の平均値の５倍以
下であることを特徴とする。

【００２９】また、本発明（請求項２）は、基板と、前
記基板上に積層形成された複数の窒化物系半導体層と、
前記各窒化物系半導体層のうち、最表面の層として形成
された、窒素を構成元素として含むｐ型化合物半導体層
と、前記ｐ型窒化物系半導体層上に形成されたｐ側電極
と、前記各窒化物系半導体層のうち、前記ｐ型窒化物系
半導体層よりも前記基板に近い位置に形成された、窒素
を構成元素として含むｎ型化合物半導体層と、少なくと
も前記ｐ側電極から前記ｐ型化合物半導体層並びにｎ型
化合物半導体層を通る電流路を形成するように、前記各
窒化物系半導体層内のいずれかの層或いは前記基板に設
けられたｎ側電極とを備えた窒化物系半導体素子であっ
て、前記ｐ型化合物半導体層の表面付近における炭素濃
度の最大値は、面内における炭素濃度の平均値の５倍以
下であることを特徴とする。

【００３０】ここで、ｐ型化合物半導体層及びｎ型化合
物半導体層は、それぞれＩｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z
Ｎ_m Ｐ_n Ａｓ_1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ
＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１）であ
ることが望ましい。

【００３１】また、本発明（請求項４）は、基板上に、
有機金属気相成長法により、少なくともｎ型伝導を有し
窒素を構成元素として含む化合物半導体層を形成する工
程と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合物
半導体層を形成する工程とを含む窒化物系半導体素子の
製造方法において、前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素
として含む化合物半導体層を形成する工程は、有機金属
気相成長法により、少なくともｐ型ドーパント原料並び
にアンモニア（ＮＨ₃ ）を含む原料ガス、及びＣＯ，Ｃ
Ｏ₂ の濃度０．１〜１０ vol ppb以下に精製された高純
度不活性ガスからなるキャリアガスを用いることを特徴
とする。

【００３２】また、本発明（請求項５）は、基板上に、
有機金属気相成長法により、少なくともｎ型伝導を有し
窒素を構成元素として含む化合物半導体層を形成する工
程と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合物
半導体層を形成する工程とを含む窒化物系半導体素子の
製造方法において、前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素
として含む化合物半導体層を形成する工程は、有機金属
気相成長法により、少なくともｐ型ドーパント原料並び
にアンモニア（ＮＨ₃ ）を含む原料ガス、及び水素（Ｈ
₂ ）濃度１ vol ppb以下に精製された高純度不活性ガス
からなるキャリアガスを用いることを特徴とする。

【００３３】ここで、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素と
して含む化合物半導体層を形成する工程は、Ｖ族原料と
III族原料の供給量（ｍｏｌ）比（Ｖ／III 比）を４０
００以下、但しＩｎを含む窒化物半導体の場合には３０
０００以下で行われることが望ましい。

【００３４】また、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素とし
て含む化合物半導体層を素子用多層構造の最表面層とし
て形成し、前記ｐ型伝導を有する最表面層を形成する工
程の後に、成膜のための有機金属原料の供給を停止し、
ｐ型ドーパント原料及び実質的に不活性なキャリアガス
を所定時間、所定温度で供給するか、又は降温過程で供
給し、前記工程の一部又は全工程においてアンモニアを
供給することが望ましい。

【００３５】また、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素とし
て含む化合物半導体層を素子用多層構造の最表面層とし
て形成し、前記ｐ型伝導を有する最表面層を形成する工
程の後に、成膜のための有機金属原料及びアンモニアの
供給を停止し、ｐ型ドーパント原料及び実質的に不活性
なキャリアガスを所定時間、所定温度で供給するか、又
は降温過程で供給する工程を設けることが望ましい。

【００３６】また、ｐ型ドーパント原料は、有機マグネ
シウム（Ｍｇ）化合物であることが望ましい。

【００３７】また、所定時間とは３０秒以上で１時間以
内とし、前記所定温度とは３００℃以上で成長温度以下
とし、前記降温過程とは前記所定時間、所定温度の範囲
内での自然降温及びスロープ降温とすることが望まし
い。

【００３８】また、本発明（請求項９）は、基板上に、
少なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化
合物半導体層と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として
含む化合物半導体層と、電極との積層構造を備えた窒化
物系半導体素子において、前記基板上に積層形成された
複数の窒化物系半導体層のうち、最表面のｐ型伝導を有
する窒素を含む化合物半導体層の最表面のｐ型添加物の
濃度が、前記層内部のｐ型添加物の濃度の１．５倍以上
１０００倍以下であることを特徴とする。

【００３９】また、本発明（請求項１０）は、基板上
に、少なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含
む化合物半導体層と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素と
して含む化合物半導体層と、電極との積層構造を備えた
窒化物系半導体素子の製造方法において、少なくともｐ
型ドーパント原料、アンモニア（ＮＨ₃ ）を含む原料ガ
ス及びキャリアガスを用いて、ｐ型不純物を添加した窒
素を構成元素として含む化合物半導体層を素子用多層構
造の最表面層として形成し、前記ｐ型不純物を添加した
最表面層を形成する工程の後に、成膜のための有機金属
原料の供給を停止し、ｐ型ドーパント原料、及びキャリ
アガスを所定時間、所定温度で供給するか、又は降温過
程で供給し、前記工程の一部又は全工程においてアンモ
ニアを供給することを特徴とする。

【００４０】また、本発明（請求項１１）は、基板上
に、少なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含
む化合物半導体層と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素と
して含む化合物半導体層と、電極との積層構造を備えた
窒化物系半導体素子の製造方法において、少なくともｐ
型ドーパント原料、アンモニア（ＮＨ₃ ）を含む原料ガ
ス及びキャリアガスを用いて、ｐ型不純物を添加した窒
素を構成元素として含む化合物層を素子用多層構造の最
表面層として形成し、前記ｐ型不純物を添加した最表面
層を形成する工程の後に、成膜のための有機金属原料及
びアンモニアの供給を停止し、ｐ型ドーパント原料及び
キャリアガスを所定時間、所定温度で供給するか、又は
降温過程で供給する工程を設けることを特徴とする。

【００４１】ここで、ｐ型ドーパント原料は、有機マグ
ネシウム（Ｍｇ）化合物であることが望ましい。

【００４２】素子の製造方法。

【００４３】また、所定時間とは３０秒以上で１時間以
内とし、前記所定温度とは３００℃以上で成長温度以下
とし、前記降温過程とは前記所定時間、所定温度の範囲
内での自然降温及びスロープ降温とすることが望まし
い。

【００４４】また、本発明（請求項１４）は、基板上
に、少なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含
む化合物半導体層と、ｐ型伝導を有し窒素を構成元素と
して含む化合物半導体層と、電極との積層構造を備えた
窒化物系半導体素子において、前記基板上に積層形成さ
れた複数の窒化物系半導体層のうち、最表面の層がＩｎ
_x Ｇａ_y Ｎ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＝１）層
とＩｎ_l Ｇａ_m Ｎ（０≦ｌ≦１，０≦ｍ≦１，ｌ＋ｍ＝
１，ｘ≠ｌ）層を交互に積層する超格子構造から成る層
であり、前記超格子構造のうち少なくともいずれか一方
にｐ型不純物が添加されており、前記超格子構造の上部
にｐ型電極が形成されていることを特徴とする。

【００４５】ここで、超格子構造を有する層は、有機金
属気相成長法により形成され、ｐ型不純物は有機マグネ
シウム（Ｍｇ）化合物とし、少なくともアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）を含む原料ガス及び実質的に不活性ガスから成る
キャリアガスを用いて形成されていることが望ましい。

【００４６】また、実質的に不活性ガスからなるキャリ
アガスとは、主キャリアガスとして不活性ガスが用いら
れ、前記主キヤリアガス以外に反応管内に水素キャリア
ガスを含む場合は７容量％以下であることが望ましい。

【００４７】また、不活性ガスは窒素ガスからなること
が望ましい。

【００４８】（作用）本発明によれば、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇ
ａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m Ｐ_n Ａｓ_1-m-n などのｐ型化合物半
導体層の表面付近における酸素濃度の最大値は、面内に
おける酸素濃度の平均値の５倍以下であることを特徴と
する。また、好ましくは３倍以下であり、さらに好まし
くは２倍以下である。これにより、ウェハ面内に局所的
に酸素濃度の高い領域が存在しないため、不均一注入
（電流）、非発光領域の生成、導波への影響、その他、
抵抗、エレクトロマイグレーション、歪み、熱特性等へ
の悪影響を排除でき、信頼性をより向上させることがで
きる。

【００４９】また、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m
Ｐ_n Ａｓ_1-m-n などのｐ型化合物半導体層の表面付近に
おける炭素濃度の最大値は、面内における炭素濃度の平
均値の５倍以下であることを特徴とする。また前述同様
に、好ましくは３倍以下であり、さらに好ましくは２倍
以下である。これにより、ウェハ面内に局所的に炭素濃
度の高い領域が存在しないため、前述同様に、不均一注
入（電流）、非発光領域の生成などの悪影響を排除で
き、信頼性をより向上させることができる。

【００５０】また、ｐ型化合物半導体層を成長する際の
キャリアガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の濃度やＨ₂ の濃度、更
には原料供給比（Ｖ／III ）を規定することにより、成
長後の熱処理工程無しでｐ型添加不純物が活性化し、高
いアクセプタ濃度、キャリア濃度のｐ型電気伝導層が得
られ、素子の初期特性、信頼性、生産性、コストが大幅
に向上する。さらに、ｐ側電極とのコンタクト抵抗の低
減により、素子の動作電圧が低減でき、素子の初期特
性、歩留まり、信頼性が大幅に向上する。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００５２】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる半導体レーザの構造を示す断面図で
ある。この半導体レーザは、サファイア基板１１上に、
図示しないバッファ層を介し、アンドープＧａＮ下地層
１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮ電
流注入層１４、ＧａＮ光ガイド層１５、ＩｎＧａＮ活性
層１６、ＧａＮ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注
入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順次、形成
された多層構造を有している。

【００５３】この多層構造は、その一部がｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１９の最表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１
３に達する深さまでドライエッチング法により除去さ
れ、これにより露出されたＧａＮコンタクト層１３上に
はｎ側電極２０が形成されている。

【００５４】但し、主キャリアガスである窒素以外に少
量の水素ガスを用いている。これはＩｎＧａＮ系活性層
の変質防止のため、活性層成長後は低温成長を実施する
ことが望ましいが、この際に、原料の分解効率を高め、
成長速度を増加させる効果と、成長層表面の平坦性を向
上させる効果、さらには有機Ｍｇ原料の分解効率を高
め、成長層へのＭｇの取り込まれを増加させる効果があ
るためである。

【００５５】また、多層構造で除去されない部分のｐ型
ＧａＮコンタクト層１９上には電流狭窄のためのＳｉＯ
₂ 層２１が選択的に形成され、このＳｉＯ₂ 層２１及び
ｐ型ＧａＮコンタクト層１９上にｐ側電極２２が形成さ
れている。

【００５６】本実施形態に係わる半導体レーザは、この
ように多層構造にｎ側電極及びｐ側電極を有している。

【００５７】なお、詳細は後述するが、ｐ型ＡｌＧａＮ
電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成
時、及び形成後の降温過程には、Ｍｇ−水素の複合体の
形成を阻止してＭｇの活性化を図る観点から、キャリア
ガスとして窒素が用いられている。また、ｐ型ドーパン
トを含む有機原料のキャリアガスとしては、有機原料の
分解効率を向上させる観点から水素が用いられる。

【００５８】次に、以上のような半導体レーザの製造方
法及び作用について説明する。

【００５９】この半導体レーザは、周知のＭＯＣＶＤ法
により作成される。具体的には例えば、有機金属原料と
して、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアル
ミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂
Ｍｇ）が使用される。ガス原料としては、アンモニア
（ＮＨ₃ ）、シラン（ＳｉＨ₄ ）が使用される。キャリ
アガスとしては水素及び窒素が使用される。

【００６０】まず、サファイア基板１１は、有機洗浄及
び酸洗浄された後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内にて、高
周波加熱されるサセプタ上に設置される。次いで、サフ
ァイア基板１１は、常圧にて、水素が２５Ｌ／分の流量
で導入される雰囲気中で、温度１２００℃で約１０分
間、気相エッチングされ、表面の自然酸化膜が除去され
る。

【００６１】次いで、サファイア基板１１上に、５５０
℃程度の低温にてバッファ層が形成された後、基板温度
１１００℃、キャリアガスとして水素が２０．５Ｌ／分
で流され、アンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００
ｃｃ／分の流量で６０分間供給されることにより、バッ
ファ層上にアンドープＧａＮ下地層１２が形成される。

【００６２】さらに、ＳｉＨ₄ が１０ｃｃ／分の流量で
流されることにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３が形
成され、続いて、ＴＭＡが６０ｃｃ／分で流されること
により、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層１４が形成される。
ここで、ＳｉＨ₄ 及びＴＭＡが供給停止とされ、ＧａＮ
光ガイド層１５が、前述したアンドープＧａＮ下地層１
２と同様の成長条件で形成される。

【００６３】その後、この基板温度が７８０℃まで降温
され、キャリアガスが窒素２０．５Ｌ／分に切替えら
れ、アンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧが９ｃｃ／分、
ＴＭＩが４６５ｃｃ／分の流量で約３０分間導入される
ことにより、ＩｎＧａＮ活性層１６が形成される。

【００６４】ＩｎＧａＮ活性層１６の形成後、基板温度
が再び１１００℃に昇温され、１１００℃に達したと
き、キャリアガスが再び水素２０．５／分に切替えら
れ、ＧａＮ光ガイド層１７が、ＧａＮ光ガイド層１５と
同様の成長条件で形成される。

【００６５】なお、ＧａＮ光ガイド層１７は、窒素をキ
ャリアガスとして用いることもできる。この場合、活性
層であるＩｎＧａＮ層１６を高温の水素にさらすことに
よる蒸発を抑制する効果も合わせて期待できる。

【００６６】以降の成長過程及び降温過程におけるキャ
リアガスを以下のように変化させ、本発明に係わる具体
例と、従来に係わる比較例１〜２との３種類の窒化物系
青色半導体レーザを作成し、特性を比較した。

【００６７】［具体例］本発明に従い、ｐ型伝導層を形
成した。即ち、ｐ型伝導層の成長過程、及びその後の降
温過程におけるキャリアガスとして窒素を用いる方法で
次のように作成した。

【００６８】ＧａＮ光ガイド層１７の形成後、キャリア
ガスが窒素２０．５Ｌ／分に切替えられ、アンモニアが
９．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、ＴＭＡが６０
ｃｃ／分、及びｐ型ドーパント原料のＣｐ₂ Ｍｇが２５
ｃｃ／分供給され、ＧａＮ光ガイド層１７上に、０．２
５μｍ厚のｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８が形成され
る。また、Ｃｐ₂ Ｍｇが５０ｃｃ／分に増加され、０．
７μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成される。

【００６９】但し、主キャリアガスである窒素以外に少
量の水素ガスを用いてもよい。これはＩｎＧａＮ系活性
層の変質防止のため、活性層成長後は低温成長を実施す
ることが望ましいが、この際に原料の分解効率を高め、
成長速度を増加させる効果と、成長層表面の平坦性を向
上させる効果、さらには有機Ｍｇ原料の分解効率を高
め、成長層へのＭｇの取り込まれを増加させる効果があ
るためである。なお、反応管中に導入する水素濃度は適
宜選択可能であるが、７容量％以下、好ましくは２容量
％以下が望ましい。

【００７０】また、ｐ型伝導層の成長過程において、主
キャリアガスとして用いる窒素に対するアンモニアガス
（ＮＨ₃ ）の比は０．５付近が良く、０．１〜１０の範
囲内であることが望ましい。この比が低い場合、島状成
長が生じ、良好なモフォロジが得られず、高い場合には
結晶性が悪い等の問題が生じる。

【００７１】ｐ型ＧａＮコンタクト層１９成長後、有機
金属原料の供給が停止され、窒素キャリアガス２０．５
／分、及びアンモニア９．５Ｌ／分のみが引き続き供給
され、基板温度が自然降温された。但し、アンモニアの
供給は基板温度が３５０℃に達した際に停止される。

【００７２】［比較例１］従来と同様の方法である。即
ち、前述した本発明の具体例の成長条件中、ｐ型伝導層
の成長過程、及びその後の降温過程において、主キャリ
アガスとして水素を用いたものである。

【００７３】［比較例２］前述した本発明の具体例の成
長条件中、ｐ型伝導層の成長過程にて主キャリアガスに
水素を用いたものである。なお、成長後の降温過程で
は、本発明の具体例と同様に主キャリアガスに窒素を用
いている。

【００７４】（評価） （Ｃ−Ｖ測定）これら、具体例、比較例１及び比較例２
の３種類の試料について、Ｃ−Ｖ測定を行ない、ｐ型伝
導層のアクセプタ濃度を測定した。

【００７５】その結果、具体例の試料は、熱処理無しで
ｐ型伝導層を得た。この具体例の試料におけるｐ型Ａｌ
ＧａＮ電流注入層１８はアクセプタ濃度が６×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９はアクセプタ
濃度が９×１０¹⁸ｃｍ^-3である。即ち、具体例の試料で
は、両ｐ型伝導層１８，１９共にＭｇがアクセプタとし
て活性化していた。

【００７６】一方、比較例１及び比較例２の試料は、熱
処理無しでは高抵抗であり、ｐ型化しなかった。次に、
これら比較例１及び比較例２の試料を窒素雰囲気中で７
５０℃、３０分間、熱処理した後、同様にＣ−Ｖ測定を
行なったところ、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８はアク
セプタ濃度が４×１０¹⁸ｃｍ^-3となり、ｐ型ＧａＮコン
タクト層１９はアクセプタ濃度が４×１０¹⁸ｃｍ^-3とな
って、Ｍｇがアクセプタとして活性化していた。

【００７７】（Ｉ−Ｖ測定）一方、これら３種類の試料
に対し、前述同様に、ｎ型電極２０及びｐ型電極２２を
形成して図１に示す構造の電極付試料を作成した。

【００７８】具体例の電極付試料は、良好なオーミック
接触が得られた。

【００７９】一方、比較例１及び比較例２の電極付試料
は、いずれもオーミック接触が不良であった。

【００８０】（レーザ発振特性）次に、これら３種類の
電極付試料から半導体レーザを作成し、その特性を評価
した。

【００８１】即ち、これら３種類の電極付試料（ウエハ
ー）が３５０μｍの大きさにへき開されて共振器ミラー
が形成され、３種類の半導体レーザが作成された。

【００８２】具体例の半導体レーザは、動作電圧５Ｖ、
しきい値電流密度５ｋＡ／ｃｍ² において、波長４２０
ｎｍの室温連続発振が得られた。

【００８３】一方、比較例１及び比較例２の半導体レー
ザは、動作電圧が３５Ｖまで増加し、レーザ発振せず、
ｐ側電極付近の劣化によって素子が破壊された。

【００８４】（深さ方向の不純物濃度分布）次に、これ
ら３種類の試料間の熱処理前後において、ＳＩＭＳ分析
により、成長層の深さ方向に沿ってマグネシウム（Ｍ
ｇ），水素（Ｈ），炭素（Ｃ），酸素（Ｏ）の各濃度分
布を調べた。

【００８５】具体例の試料は、図２（ａ）に示すよう
に、Ｍｇ濃度が深さ方向に沿って約５×１０¹⁹ｃｍ^-3で
一定であった。また、具体例の試料は、水素濃度が検出
下限（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）以下であり、成長層最表面で
も水素が検出されない。また、具体例の試料は、炭素濃
度が成長層内で２×１０¹⁷ｃｍ^-3程度で一定であった。
また、具体例の試料は、酸素濃度が検出下限（１×１０
¹⁷ｃｍ^-3）以下であった。

【００８６】一方、比較例１及び比較例２は、図２
（ｂ）に示すように、Ｍｇ濃度に関しては、熱処理の前
後にかかわらず、具体例の試料と同様に約５×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3であった。

【００８７】また、比較例１及び比較例２は、熱処理前
に、水素濃度が約４×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。また、比
較例１及び比較例２は、熱処理後に、水素濃度が、多層
成長膜内部では検出下限（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）以下であ
ったが、成長層最表面では約３×１０¹⁹ｃｍ^-3となっ
た。また、比較例１及び比較例２では、さらに熱処理を
３０分加えても、成長層最表面では３×１０¹⁹ｃｍ^-3程
度の水素が検出された。

【００８８】さらに、比較例１及び比較例２は、熱処理
前に、炭素濃度が成長層内で約３×１０¹⁷ｃｍ^-3で一定
であった。また、比較例１及び比較例２は、熱処理後
に、炭素濃度が成長層表面で８×１０¹⁹ｃｍ^-3程度に増
加していた。また、比較例１及び比較例２では、熱処理
前の酸素濃度は検出下限（１×１０¹⁷ｃｍ^-3）以下であ
ったが、熱処理後は表面付近で約７×１０¹⁸ｃｍ^-3検出
された。なお、この熱処理後の酸素濃度の約７×１０¹⁸
ｃｍ^-3は、最低の測定結果を抽出したものであり、通
常、これより約１桁以上は高い値を示す。

【００８９】（面内方向の不純物濃度分布）次に、具体
例の試料及び比較例１の試料について、ＳＩＭＳ分析に
より、ｐ型コンタクト層の表面付近の不純物濃度の面内
分布を調べた。具体例及び比較例１の試料における、炭
素（Ｃ），酸素（Ｏ），水素（Ｈ），珪素（Ｓｉ）に関
して調べた。これらの結果を図３〜図１０に示す。な
お、これらの図は、不純物濃度の面内分布に対応し、面
内での各不純物のクラスターのカウント数が、図中右側
におけるカウント数と濃淡との対応テーブルに基づき、
マッピングにより示される。

【００９０】具体例の試料は、図３，図４，図５及び図
６に示すように、表面から１００ｎｍだけ深い位置での
炭素濃度，酸素濃度，水素濃度及び珪素濃度の面内分布
が略均一であり、いずれの不純物に関しても局所的に高
い部分が存在しない。即ち、具体例の試料は、各不純物
の濃度の最大値が面内における同一不純物の濃度の平均
値の５倍以下であった。

【００９１】次に、比較例１の試料の結果について、図
面の表示法を述べた後に説明する。図７，図８，図９及
び図１０は、前述した図３等と同じであり、各不純物の
クラスターのカウント数を濃淡で分けて示している。

【００９２】ここで、比較例１の試料は、図７，図８，
図９及び図１０に示すように、炭素濃度，酸素濃度，水
素濃度及び珪素濃度の面内分布に関し、面内に局所的に
高い部分が存在する。

【００９３】即ち、比較例１における不純物濃度の値
は、高濃度の部分が平均的な濃度の部分に比べ、１桁程
度も高い。特に、炭素濃度は、高濃度の部分の値が３×
１０¹⁹ｃｍ^-3であり、平均的な濃度の部分の値が２×１
０¹⁷ｃｍ^-3であった。即ち、比較例１は、炭素濃度に関
し、高濃度の部分が平均的な濃度の部分に比べ、２桁程
度も高い。

【００９４】また比較例１においては、図７及び図８に
示すように、炭素濃度及び酸素濃度（図示せず）の局所
的に高い部分が最表面から１μｍの深さでも存在する。
一方、具体例の試料は、このような炭素濃度及び酸素濃
度の局所的に高い部分は存在しない。なお、具体例の試
料では、アニール処理を施すことにより、上述のような
炭素濃度及び酸素濃度の局所的に高い部分が生じる。

【００９５】比較例１では、炭素濃度及び酸素濃度の局
所的に高い部分が存在することにより、不均一注入（電
流）非発光領域の生成、導波への影響、その他、抵抗、
エレクトロマイグレーション、歪み、熱特性等への悪影
響が生じ、素子の信頼性を低下させる。なお、本発明に
係わる具体例では、このような問題はない。

【００９６】また、特に述べなかったが、水素濃度及び
珪素濃度に関しても、比較例１では局所的に高い部分が
存在する一方、具体例では局所的に高い部分が存在しな
い。

【００９７】（キャリアガスによる特性の変化）次に、
本発明において主キャリアガスを窒素ガスとしたことに
よる特性の違いを本発明に係わる具体例と従来に係わる
比較例１とを用いて調べた。その結果を図１１〜図１４
に示す。なお、各図中の“nitorogen carrier gas ”は
具体例を示し、“hidrogen carrier gas”は比較例１を
示す。

【００９８】図１１はＧａＮ層における成長速度（膜
厚）のウェハ面内分布を示す図であり、膜厚の面内分布
に対応する。図中、縦軸は膜厚に対応する成長速度を示
す。なお、成長速度は、膜厚を成長時間で除して得た値
である。膜厚は、周知の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に
より測定された。横軸は、ウェハ内におけるガスの上流
側の所定位置を“front ”として示し、下流側の所定位
置を“back”として示している。ウェハの中心の位置は
“center”として示している。図示するように、具体例
の膜厚分布は、ウェハ面内で略均一である。一方、比較
例の膜厚分布は、“front ”と“back”との間でＶ字型
に不均一となっている。

【００９９】図１２はＧａＮ層における成長速度（膜
厚）の成長温度依存性を示す図であり、膜厚の成長温度
依存性に対応する。縦軸は、ＧａＮ層の中央部における
成長速度（膜厚／成長時間）を示す。膜厚測定は、周知
のＳＥＭが用いられた。横軸は成長温度を示す。図示す
るように、具体例は１０００℃〜１１００℃の成長温度
にてＧａＮ層の膜厚が略一定である。一方、比較例１
は、１０５０℃〜１１２０℃に成長温度が上がるにつれ
て膜厚が低下している。

【０１００】図１３はｐ型伝導層１８，１９におけるア
クセプタ濃度（ｐ型キャリア密度）の成長温度依存性を
示す図である。アクセプタ濃度は、周知のＣ−Ｖ法によ
り測定された。図示するように、具体例は１０００℃〜
１１００℃の成長温度にてアクセプタ濃度が略一定であ
る。一方、比較例１は、１０５０℃〜１１５０℃に成長
温度が上がるにつれてアクセプタ濃度が増加している。

【０１０１】図１４は電流注入（クラッド）層に用いら
れるＧａＡｌＮ層におけるＡｌ組成のウェハ面内分布を
示す図である。縦軸はＡｌ組成を示し、横軸は図１１と
同じである。Ａｌ組成は、周知のＸ線回折により測定さ
れた。図示するように、具体例のＡｌ組成のばらつき
は、比較例１のＡｌ組成のばらつきよりも小さい。

【０１０２】以上の実験結果から、ｐ型伝導層となる薄
膜層を水素キャリアガス中で成長させ、成長後の熱処理
によりｐ型化させる比較例１及び比較例２では、多層構
造最表面、即ち発光素子の場合にはｐ型コンタクト層の
最表面に熱処理によると推測される水素、炭素及び酸素
の濃度の増加が見られ、この水素の存在により最表面に
存在するＭｇが不活性化している、また同時に最表面に
存在する炭素及び酸素により高抵抗化されており、ｐ側
電極とのオーミック接触が得られないと考えられる。

【０１０３】一方、本発明に係わる具体例の試料では、
成長過程のキャリアガスが実質的に窒素ガスであること
から、Ｍｇに水素が結合しにくいのでＭｇが熱処理無し
に活性化できるので、成長後の熱処理を不要として熱処
理に起因する成長層最表面への水素、炭素及び酸素等の
偏在を無くし、水素によるＭｇの不活性化と、炭素及び
酸素による表面の高抵抗化とを阻止することができる。

【０１０４】即ち、本実施形態によれば、成長後の熱処
理を不要として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、ｐ
型伝導層の品質を向上させ、発光ダイオードに比べ高電
流注入が必要な半導体レーザでも素子の動作電圧を大幅
に低減でき、レーザ発振を容易化させ、素子寿命を大幅
に延長させ、信頼性を向上させることができる。

【０１０５】また、本実施形態によれば、従来方式の比
較例１とは異なり、局所的に炭素濃度や酸素濃度などの
高い領域が存在しないため、不均一な電流注入、非発光
領域の生成、導波への影響、その他、抵抗、エレクトロ
マイグレーション、歪み、熱特性への悪影響などを排除
でき、信頼性をより向上させることができる。

【０１０６】さらに、本実施形態によれば、主キャリア
ガスとして窒素ガスを用い、その他のキャリアガスとし
て水素ガスを少量含有しているので、半導体層中のＭｇ
については窒素ガスにより活性化を促進し、原料ガス中
のＭｇについては水素ガスにより原料ガスの分解を促進
してＭｇを半導体層中に混入させ易くするので、より一
層、Ｍｇの活性化率の向上を図ることができる。

【０１０７】また、本実施形態によれば、窒素ガスの流
量としては、水素ガスの流量の５倍乃至２０００倍の範
囲内にあるので、窒素が５倍よりも少なくてＭｇの活性
化の妨げられる成長雰囲気と、窒素が２０００倍よりも
多くてＭｇの原料ガスの分解の妨げられる成長雰囲気と
を除外できるため、前述した作用効果を容易かつ確実に
奏することができ、製造工程の安定性を向上させること
ができる。

【０１０８】また、本実施形態によれば、ｐ型Ｉｎ_x Ａ
ｌ_y Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m Ｐ_n Ａｓ_1-m-n （０＜ｘ、０
≦ｙ、０≦ｚ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、
０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層の成長温度としては、５００
℃乃至１２３０℃の範囲内にあるので、５００℃よりも
低温であって成長中にｐ型伝導の得られない温度領域
と、１２３０℃よりも高温であって良好な結晶の得られ
ない温度領域とを除外できるため、前述した作用効果を
容易かつ確実に奏することができ、製造工程の安定性を
向上させることができる。

【０１０９】また、本実施形態の製造工程の安定性に関
しては図１１〜図１４にも示した通りである。

【０１１０】即ち、本実施形態によれば、膜厚の面内分
布が大幅に改善されるので、歩留まりや信頼性を向上さ
せることができる。また、本実施形態は、従来に比べ、
膜厚の成長温度依存性が少ないので、成長毎（run to r
un）における膜厚のばらつきを大幅に減少でき、前述し
た歩留まり及び信頼性に加え、再現性をも向上できる。

【０１１１】また、本実施形態は、従来に比べ、ｐ型伝
導層におけるアクセプタ濃度の成長温度依存性を大幅に
改善できるので、ウェハ面内や成長毎（run to run）の
アクセプタ濃度のばらつきを低減でき、再現性、歩留ま
り及び信頼性を向上できる。

【０１１２】また、本実施形態は、従来に比べ、電流注
入層に用いるＧａＡｌＮ層のＡｌ組成分布を大幅に改善
できるので、再現性、歩留まり及び信頼性を向上でき
る。

【０１１３】またさらに、本実施形態は、従来に比べ、
成長温度を４０〜６０℃程度も低下させることができ
る。即ち、従来、低温成長のＩｎＧａＮ系活性層は、特
に高いＩｎ組成をもつ場合、上部に高温成長のｐ型電流
注入（クラッド）層並びにｐ型コンタクト層が形成され
ると、その高温により変質して結晶品質が低下してしま
う問題がある。一方、本実施形態では、成長温度を低下
できるので、このような問題を解決でき、活性層の品質
を保持することができる。

【０１１４】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態に係わる半導体レーザについて説明する。

【０１１５】図１５はこの半導体レーザの構造を示す断
面図である。この半導体レーザは、サファイア基板３１
上に、バッファ層３２、ｎ型ＧａＮ層３３、ｎ型ＡｌＧ
ａＮ電流注入層３４、ＧａＮ層３５、多重量子井戸構造
（ＭＱＷ）の活性層領域３６、ＧａＮ層３７、ｐ型Ａｌ
ＧａＮ電流注入層３８が形成されている。

【０１１６】ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４乃
至ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８は、高抵抗のＧａＮ層
３９を用いる埋込みメサ構造をしたダブルヘテロ構造を
形成している。

【０１１７】さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８及
び高抵抗のＧａＮ層３９の上には、ｐ型ＧａＮ層４０及
びｐ型ＧａＮコンタクト層４１が形成されている。

【０１１８】ｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には、ｐ側
電極４３が形成されている。エッチング等により一部が
露出されたｎ型ＧａＮ層３３上には、ｎ側電極４２が形
成されている。

【０１１９】次に、以上のような半導体レーザの製造方
法及び作用について説明する。

【０１２０】まず、サファイア基板３１は、有機溶媒及
び酸によって洗浄された後、ＭＯＣＶＤ装置の加熱可能
なサセプタ上に載置される。次に、水素が２０Ｌ／分の
流量で流されながら、温度１２００℃で約１０分間、サ
ファイア基板表面は気相エッチングされる。次に、温度
が５５０℃まで降温され、サファイア基板３１上にバッ
ファ層３２が形成される。次に温度が１１００℃まで昇
温され、水素が１５Ｌ／分、窒素が５Ｌ／分、ＴＭＧが
１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、シランが５
ｃｃ／分の流量でそれぞれ約１時間流されて、ｎ型Ｇａ
Ｎ層３３が約２μｍの厚さに形成される。

【０１２１】これに、温度を１１００℃で保持した状態
で、ＴＭＡ５０ｃｃ／分の流量を約１５分間加えること
によってｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４が約５００ｎｍ
の厚さに形成された後、再度ＴＭＡの供給が停止され、
約１０分間の供給でＧａＮ層３５が約２００ｎｍの厚さ
に形成される。

【０１２２】次に、ＴＭＧの供給が停止され、基板温度
が７８０℃まで降温される。この温度で、ＴＭＧが１０
ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、水素が３０ｃｃ／
分、窒素が約１９．７Ｌ／分流され、この中にＴＭＩが
流量１４０ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組合せで約１．
５分ずつ２０回繰り返し切り替えられて供給され、最後
に１５ｃｃ／分で３分間供給されることにより、多重量
子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層領域３６が形成される。

【０１２３】次に、水素が４０ｃｃ／分、窒素が１９．
９６Ｌ／分、アンモニアが１０Ｌ／分の流量で流されな
がら、１１００℃まで４分間かけて昇温される。昇温時
の雰囲気が水素であると活性層領域がエッチングされる
ので、この過程での雰囲気は窒素であることが望まし
い。

【０１２４】次に、温度が１１００℃で保持され、水素
が５００ｃｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが１
００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇが
５０ｃｃ／分の流量で約１０分間供給されて、ＧａＮ層
３７が約２００ｎｍの厚さで形成される。

【０１２５】これにＴＭＡが５０ｃｃ／分の流量で約１
５分間加えられることによってｐ型ＡｌＧａＮ電流注入
層３８が約５００ｎｍの厚さに形成される。ただし、上
記ｐ型層を形成する際の有機金属原料のキャリアガスは
水素とした。この状態で室温まで降温し、ＭＯＣＶＤ装
置から取り出し、周知の熱ＣＶＤ装置内で表面に幅２０
μｍのＳｉＯ₂ 膜が形成される。次に、ウエハーをＲＩ
Ｅ装置内に置き、開口部がＢＣｌ₃ ガスによってメサ構
造にエッチング除去される。このようにして作製された
ウエハーは再びＭＯＣＶＤ装置内のサセプター上に載置
され、窒素３０Ｌ／分の中で１１００℃まで昇温され
る。

【０１２６】次に、温度１１００℃で、水素が５００ｃ
ｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／
分、アンモニアが１０Ｌ／分、ＤＭＺ（ジメチルジン
ク）が５０ｃｃ／分の流量で約１時間供給され、ｉ型Ｇ
ａＮ層３９によりｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４からｐ
型ＡｌＧａＮ電流注入層３８までが埋込構造とされる。
このようなｉ型ＧａＮ層の形成を、本実施形態ではメサ
エッチング後の成長で形成したが、エッチング除去せず
に水素や酸素などをイオン注入することによって作製す
ることも可能である。例えば、水素では２００ｋｅＶ、
１×１０¹⁴ｃｍ^-2の注入で実現することができる。

【０１２７】次に、温度が１１００℃で保持されたま
ま、水素が３０Ｌ／分で約１分間流され、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ電流注入層３８上に残っているＳｉＯ₂ がエッチング
除去される。

【０１２８】次に、温度が１１００℃で保持されたま
ま、主キャリアガスが水素から窒素へ切り替えられ、水
素が５００ｃｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが
１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇ
が５０ｃｃ／分の流量で約２７分間供給されて、ｐ型Ｇ
ａＮ層４０が約９００ｎｍの厚さに形成される。さら
に、Ｃｐ₂ Ｍｇが１５０ｃｃ／分に流量が増加され、３
分間供給されることによって、ｐ型ＧａＮ層４１が厚さ
１００ｎｍで形成される。この層は熱処理などの後工程
を必要とせずにｐ型結晶を実現できた。さらに、これら
の層４０及び４１を成長する際には、３×１０¹⁶ｃｍ^-3
程度のＺｎを加えておくことにより、キャリアの不活性
化機構が低減され、キャリア濃度は約２倍に増加した。

【０１２９】次に、ＴＭＧ及びＣｐ₂ Ｍｇの供給が停止
され、基板温度が室温まで降温される。ただし、１１０
０℃から３５０℃までは水素５００ｃｃ／分、窒素１
４．５Ｌ／分、アンモニア１０Ｌ／分が引き続き供給さ
れ続け、３５０℃でアンモニアの供給が停止される。

【０１３０】このようにして形成されたレーザ構造を、
ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の真空蒸着法やスパ
ッタ法などを用いて、ｎ型ＧａＮ層３３に対しては、Ｐ
ｔ (厚さ５０ｎｍ) 、Ｎｉ（厚さ５０ｎｍ) 、Ａｕ（厚
さ２μｍ）をこの順で形成し、良好なオーミック接触を
もつｎ側電極４２とした。一方、ｐ型ＧａＮ層４１側
に、順にＰｄ（厚さ２０ｎｍ）、Ｔｉ（厚さ３０ｎ
ｍ）、Ｐｔ（厚さ２０ｎｍ）、Ａｕ（厚さ２μｍ）を形
成し、窒素中５００℃、１分間の熱処理を施すことによ
り、７×１０^-3Ωｃｍ² 程度のオーミックなｐ側電極４
３とした。ここでは、電極に上述したものを用いたが、
これらに示した金属と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｒ
などとの積層構造或いは合金層などを使用可能である。

【０１３１】次に、このレーザ構造は基板側からスクラ
イバなどにより、へき開され、共振器ミラーが形成され
た。このようにして作製された半導体レーザは波長４２
０ｎｍで連続発振した。また、この素子の動作電圧は
４．７Ｖでしきい電流密度は３ｋＡ／ｃｍ² であった。

【０１３２】上述したように第２の実施形態によれば、
第１の実施形態の効果に加え、内部電流狭窄構造の青色
半導体レーザを実現させることができる。

【０１３３】なお、第２の実施形態の変形例としては、
２つのｐ型ＧａＮ層４０，４１を形成する際の主キャリ
アガスの切替えタイミングを変えるものがある。即ち、
上述した成長条件において、下層のｐ型ＧａＮ層４０の
形成時には、主キャリアガスは水素のままとし、最上層
のｐ型ＧａＮ層４１の形成前に、主キャリアガスを窒素
に切り替え、しかる後、このｐ型ＧａＮ層４１を形成し
ても、本発明と同様に高いＭｇ活性化率が得られる。

【０１３４】理由は、下層のｐ型ＧａＮ層４０の形成時
にＭｇが活性化されなくても、最上層のｐ型ＧａＮ層４
１の形成時に、成長温度が１１００℃と高温であるた
め、ある種の熱処理効果が下層のｐ型ＧａＮ層４０に作
用するものと推測される。なお、上層のｐ型ＧａＮ層４
１は、元々窒素雰囲気中で形成されるので、Ｍｇの活性
化率が高いのは言うまでもない。

【０１３５】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態に係わる発光ダイオードについて説明する。

【０１３６】図１６はこの発光ダイオードの構造を示す
断面図である。この発光ダイオードは、ｎ型の２Ｈ型Ｓ
ｉＣ基板５１を有しており、基板５１上にＧａＮとＳｉ
Ｃとが１：９で混在した混在層５２が形成され、混在層
５２上にｎ型ＧａＮ層５３、ｎ型ＩｎＧａＮ発光層５
４、ｐ型ＧａＮ層５５がこの順で積層されている。使用
されるドーパントは、ｎ型ＧａＮ層５３がＳｉ、ｐ型Ｇ
ａＮ層５５がＭｇである。ｎ型ＩｎＧａＮ層５４とｐ型
ＧａＮ層５５成長中のみ主キャリアガスとして窒素が使
用され、原料ガスとしてアンモニアと有機Ｇａ原料とが
使用され、ｐ型ドーバントとして有機Ｍｇ原料が使用さ
れる。また、有機Ｍｇ原料のキャリアガスには水素が使
用される。

【０１３７】一方、ｎ型ＩｎＧａＮ層５４とｐ型ＧａＮ
層５５以外の層の成長時には主キャリアガスとして水素
が使用される。ｐ型及びｎ型ＧａＮ層５５，５３のキャ
リア濃度はいずれも２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【０１３８】また、ＳｉＣ基板５１にはｎ側電極５６が
形成され、ｐ型ＧａＮ層５５にはｐ側電極５７が形成さ
れる。

【０１３９】このようにして得られた多層膜にｎ及びｐ
電極を形成して、発光ダイオードを作製したところ、前
述同様に、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減できたこと
により、素子寿命が従来の約５倍に改善され、信頼性が
大幅に向上された。

【０１４０】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態に係わる半導体レーザについて図１を用いて説
明する。

【０１４１】即ち、本実施形態は、具体例の形態（第１
の実施形態）に加え、減圧成長法、光励起法、クラッキ
ング法のいずれかを用いてプラズマ状態の窒素を供給す
ることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型
ＧａＮコンタクト層１９を形成するものである。

【０１４２】具体的には例えば、前述同様に、ＧａＮ光
ガイド層１７が形成された後、主キャリアガスが水素か
ら窒素に切り替えられると共に、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びこ
れら原料ガスのキャリアガスとしての水素ガスの供給が
停止される。

【０１４３】続いて、上記のいずれかの方法により、活
性窒素原子の供給が可能な状態に達するまで基板温度を
降温する、ＮＨ₃ を供給しつづけるなどの方法で、基板
上に既に形成した成長層からのＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の解離
を抑制する。

【０１４４】次に、窒素ガス及び上記原料ガスが一定量
導入され、排気速度等の調節により反応室内が所定の圧
力とされる。

【０１４５】ここで、反応室内に発生したプラズマ等に
より、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１９が順次形成される。

【０１４６】以下、原料ガスの供給が停止され、基板温
度が自然降温される。

【０１４７】なお、以下の電極形成工程などは前述と同
様であり、青色半導体レーザが形成される。

【０１４８】この青色半導体レーザは、約３０ｍＡとい
う低しきい値電流で室温連続発振することができた。

【０１４９】上述したように第４の実施形態によれば、
窒素プラズマ等の活性窒素原子を用いて、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９を形
成することにより、窒素空孔密度を低減でき、ＭｇがＧ
ａのサイトに入り易くなることにより、第１の実施形態
と同等以上の効果を得ることができた。

【０１５０】また、活性層窒素原子の供給により、アン
モニアの使用量を低減でき、これにより、膜中のＭｇの
活性化率がより向上し、さらに生産コストを大幅に低減
できる。

【０１５１】なお、数Ｔｏｒｒ程度以下の雰囲気にする
ことにより、Ｇａ（Ａｌ）Ｎのうち、Ｎのサイトの空孔
が多く発生し、このＮのサイトにＭｇが入って不活性化
し易かったことも考えられる。しかしながら、本実施形
態によれば、窒素プラズマを用いているので、Ｇａ（Ａ
ｌ）ＮにおけるＮのサイトの空孔が減少し、ＭｇがＧａ
のサイトに入って活性化したので、青色半導体レーザの
室温連続発振を実現することができた。

【０１５２】また、本実施形態は、第２の実施形態に係
わるｐ型ＧａＮ層４０，４１、第３の実施形態に係わる
ｐ型ＧａＮ層５５についても同様に適用可能である。即
ち、これらｐ型ＧａＮ層４０，４１，５５をプラズマを
用いて形成しても、本実施形態と同様にＭｇの活性化率
を向上させることができる。また、プラズマとしては、
直流プラズマ、高周波プラズマ、マイクロ波プラズマの
いずれを用いてもよい。

【０１５３】（第５の実施形態）以上は、Ｉｎを含まな
いｐ型ＧａＮ系半導体層を電極とのコンタクト層に用い
た場合の各実施形態であった。次に、第５〜第９の実施
形態として、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体（Ｉｎ_x Ａｌ_y
Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m Ｐ_n Ａｓ_1-m-n （０＜ｘ、０≦
ｙ、０≦ｚ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０
＜ｍ＋ｎ≦１を含む））層を電極とのコンタクト層に用
いた場合の各実施形態について説明する。なお、始めに
原理的な実施形態を説明し、続いて具体的な実施形態に
ついて述べる。また、基板温度やキャリアガスの流量な
どは、前述した第１〜第２の実施形態と同様のため、以
下の各実施形態ではその詳しい説明は省略する。

【０１５４】図１７は本発明の第５の実施形態に係わる
窒化物系半導体素子の原理的な層構成を示す断面図であ
る。この窒化物系半導体素子は、サファイア基板６１上
に、ｎ型ＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎにてｘ＝ｙ
＝０）層６２、ｐ型ＧａＮ層６３、ｐ型ＩｎＧａＮ（Ｉ
ｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎにて、０＜ｘ＜１、０＝ｙ）層
６４が順次形成されている。なお、この構造によれば、
ｐ型ＧａＮ層６３とｎ型ＧａＮ層６２とでｐｎ接合が形
成される。

【０１５５】（深さ方向の不純物濃度分布）図１７に示
す本発明構造について、図１８（ａ）に示すように、Ｓ
ＩＭＳ分析により、成長層の深さ方向に沿ってＭｇ及び
水素（Ｈ）の各濃度分布を調べた。また、比較のため
に、本発明構造からｐ型ＩｎＧａＮ層６４を省略した従
来構造についても図１８（ｂ）に示すように、深さ方向
に沿って不純物濃度分布を調べた。

【０１５６】その結果、両図からわかるように、ｐ型Ｇ
ａＮ層６３及びｐ型ＩｎＧａＮ層６４の両層のＭｇ濃度
が５×１０¹⁹ｃｍ^-3のとき、従来（製法）構造によるｐ
型ＧａＮ層の水素濃度が８×１０¹⁹ｃｍ^-3であるのに対
し、本発明構造の、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４及びｐ型Ｇａ
Ｎ層６３の両層の水素濃度は６×１０¹⁹ｃｍ^-3である。
この値は、従来のｐ型ＧａＮ層の成長後、窒素中で７５
０℃で３０分間の熱処理を加えた後の水素濃度とほぼ同
一値である。

【０１５７】また、図示はしないが、ｐ型ＩｎＧａＮ層
６４は、表面付近の酸素濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下で
あり、表面付近の炭素濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であ
って、夫々最表面から１００ｎｍ以上深い位置から基板
側に向けて３〜１０×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲内で略均一と
なっていた。即ち、表面付近に加え、素子内も充分に低
抵抗となっていた。一方、従来のｐ型ＧａＮ層は、表面
付近の酸素濃度、表面付近の炭素濃度共に、夫々１桁以
上高い値であった。

【０１５８】（Ｃ−Ｖ測定）図１９は以上のＳＩＭＳ分
析の試料に対し、Ｃ−Ｖ測定にて実質的なアクセプタ濃
度を測定した結果を示す図である。本発明構造のｐ型Ｉ
ｎＧａＮ層６４は窒素リッチの雰囲気で成長するため、
ａｓ ｇｒｏｗｎでも低抵抗のｐ型層となる。このとき
のｐ型ＧａＮ層６３は、図示するように、ａｓ ｇｒｏ
ｗｎで低抵抗のｐ型層となり、その値（５．４×１０¹⁸
ｃｍ^-3）は、従来構造のｐ型ＧａＮ層（ａｓ ｇｒｏｗ
ｎでは高抵抗）の成長後、窒素雰囲気中で熱処理後に得
られる値とほぼ等しい。即ち、Ｉｎを含む半導体層であ
るｐ型ＩｎＧａＮ層６４を上層に備えたので、下層のｐ
型ＧａＮ層６３中への水素の取り込まれが抑制され、Ｍ
ｇの活性化が促進されると考えられる。

【０１５９】（変形構成）なお、図１７に示す本発明構
造は、図２０に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４に代
えて、ｎ型ＩｎＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎにて
０＜ｘ＜１、０＝ｙ）層６５を最上層に備えてもよい。

【０１６０】また、本発明構造は、ｐ型ＧａＮ層６３と
ｐ型ＩｎＧａＮ層６４の間に、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４よ
りもＩｎの成分比の低いｐ型ＩｎＧａＮ層を介在させて
設け、容易に格子整合をとるようにしてもよい。

【０１６１】また、図２１に示すように、アンドープｉ
型ＩｎＧａＮ層６６を挟んでｐ型ＧａＮ層６３とｎ型Ｇ
ａＮ層６２とでｐｉｎ接合を形成してもよい。本発明
は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のいずれを適用してもよ
い。

【０１６２】また、図２２に示すように、表面モフォロ
ジの改善のため、ｎ型ＧａＮ層６２とサファイア基板６
１との間に、ＧａＮバッファ層７１やアンドープ又はｎ
- 型ＧａＮ層７２を形成してもよい。さらに、アンドー
プｉ型ＩｎＧａＮ層６６の下層にｎ型ＡｌＧａＮ層７３
を形成し、アンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６の上層にｐ
型ＡｌＧａＮ層７４を形成し、これら両ＡｌＧａＮクラ
ッド層７３，７４とアンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６と
でｐｉｎ接合を形成してもよい。

【０１６３】（第６の実施形態）図２３は本発明の第６
の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の原理的な構成
を示す断面図である。この窒化物系半導体素子は、電流
狭窄構造を有するものであり、サファイア基板８１上
に、アンドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタク
ト層８３、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４及びｐ型Ｇ
ａＮ電流注入層８５が順次形成されている。

【０１６４】また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上には、
複数のｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が選択的に形成されて
いる。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上及びｎ型Ｇａ
Ｎ電流狭窄層８６上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層
８７が形成されている。

【０１６５】次に、以上のような電流狭窄構造を有する
窒化物系半導体素子の製造方法及び作用について説明す
る。

【０１６６】この窒化物系半導体素子は、図２４（ａ）
に示すように、１回目のＭＯＣＶＤ成長により、サファ
イア基板８１上に、アンドープＧａＮ層８２、ｎ型Ｇａ
Ｎ層８３、アンドープＧａＮ活性層８４、ｐ型ＧａＮ電
流注入層８５、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が同一チャン
バー内で連続的に形成されている。その後、図２４
（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が部分
的にエッチング除去される。しかる後、図２４（ｃ）に
示すように、２回目のＭＯＣＶＤ成長（再成長）によ
り、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成される。

【０１６７】なお、ｐ型ドーパントには、Ｍｇ又はＺｎ
が用いられる。

【０１６８】以上の製造方法によると、再成長により形
成されたｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７は、前述同様
に低酸素濃度及び低炭素濃度を有し、熱処理をせずとも
低抵抗のｐ型層となる。

【０１６９】また、１回目に成長させたｐ型ＧａＮ電流
注入層８５のうち、上層のｎ型ＧａＮ電流ブロック層８
６が除去された部分、即ち再成長時に表面がチャンバー
内で露出していた部分は、Ｃ−Ｖ測定の結果、アクセプ
タ濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型低抵抗層であった（Ｓ
ＩＭＳ分析の結果、Ｍｇ濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3であっ
た）。

【０１７０】一方、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５のうち、
ｎ型ＧａＮ電流ブロック層８６で覆われた部分は再成長
中にｐ型低抵抗とはならなかった。

【０１７１】上述したように本実施形態によれば、再成
長により、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７を形成する
ので、熱処理を不要としつつ低抵抗のｐ型層を得られる
と共に、電流狭窄をより促進させることができる。

【０１７２】（変形構成）なお、本実施形態の構造は、
図２５に示すように、サファイア基板８１と、アンドー
プＧａＮ下地層８２との間に、ＧａＮバッファ層８２ａ
を設けてもよい。また、図２５に示すように、アンドー
プＩｎＧａＮ活性層８４とｎ型ＧａＮコンタクト層８３
との間に、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１を設けると共
に、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５に代えて、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ電流注入層９５を備えてもよい。また、ｐ型ＧａＮ電
流注入層８５又はｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のいず
れでも、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６又はｎ型ＩｎＧａＮ
電流狭窄層のうちの所望の層が使用可能である。

【０１７３】（第７の実施形態）図２６は本発明の第７
の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図で
あり、図２４（ａ）〜（ｃ）及び図２５と同一部分には
同一符号を付して説明する。この半導体レーザは、サフ
ァイア基板８１上に、ＧａＮバッファ層８２ａ、アンド
ープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、
ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１、アンドープＧａＮガイ
ド層９２、ＭＱＷ構造のアンドープＡｌＧａＮ活性層９
３、ｐ型ＧａＮガイド層９４、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入
層９５、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５が順次形成されてい
る。

【０１７４】ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上には、ｎ型Ｇ
ａＮ電流狭窄層８６が選択的に形成されている。また、
ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上並びにｎ型ＧａＮ電流狭窄
層８６上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成
されている。

【０１７５】ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にはｐ
側電極９７が形成されている。エッチング等により一部
が露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にはｎ側電
極９６が形成されている。

【０１７６】次に、以上のような半導体レーザの製造方
法及び作用について説明する。

【０１７７】図２７（ａ）に示すように、サファイア基
板８１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、５０ｎｍ厚のアン
ドープＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎでｘ＝ｙ＝
０）バッファ層８２ａ、２μｍ厚のアンドープＧａＮ下
地層８２、４μｍ厚のｎ型ＧａＮコンタクト層８３、
０．３μｍ厚のｎ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電
流注入層９１、０．１μｍ厚のアンドープＧａＮガイド
層９２、Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎからなる総計膜厚
０．１μｍの多重量子井戸構造からなるアンドープＩｎ
ＧａＮ活性層９３、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮガイド層
９４、０．３μｍ厚のｐ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦
１）電流注入層９５、０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮ電流注
入層８５、１μｍ厚のｎ型ＧａＮ（Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎで
ｑ＝０）電流狭窄層８６が連続成長により形成される。

【０１７８】なお、ｎ型の不純物密度はモノシラン（Ｓ
ｉＨ₄ ）の導入により、適宜制御される。同様に、ｐ型
の不純物密度はビスシクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ₂ Ｍｇ）の導入により、適宜制御される。

【０１７９】次に、図２７（ｂ）に示すように、ｎ型Ｇ
ａＮ電流狭窄層８６上を部分的にパターニングし、エッ
チング等によりｐ型ＧａＮ電流注入層８５を最表面に露
出させるように部分的にｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が除
去される。

【０１８０】また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上並びに
ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６上には、図２７（ｃ）に示す
ように、ＭＯＣＶＤ法により、１．５μｍ厚のｐ型Ｉｎ
ＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎにて、０＜ｘ≦０．
３、ｙ＝０）コンタクト層８７が形成される。このと
き、成長温度は７５０℃〜１１００℃とし、原料ガスの
キャリアガスには水素を用い、主キャリアガスとしては
窒素ガスを用いている。

【０１８１】ここで、得られたウェハはＭＯＣＶＤ炉か
ら取り出され、部分的にＳｉＯ₂ 等によってマスキング
され、図２８（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮコンタク
ト層８３まで達する深さにエッチングされる。

【０１８２】次に、サファイア基板８１は、ＧａＮ系半
導体層８２ａ〜９５を堆積した側と反対側の面の研磨等
により、１００μｍ程度の厚さに形成される。

【０１８３】図２８（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層８３上に例えばＴｉ−Ａｕ等の金属によるｎ
側電極９６が形成される。しかる後、マスクのＳｉＯ₂
等が除去され、図２８（ｃ）に示すように、ｐ型ＩｎＧ
ａＮコンタクト層８７上に例えばＰｔ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎ
ｉ等からなるｐ側電極９７が形成される。

【０１８４】なお、ここで、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト
層８７は、表面酸素濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であ
り、表面炭素濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であり、低抵
抗で良好なオーミックコンタクトを有していた。

【０１８５】このように得られたウェハはスクライブや
へき開、或いはドライエッチング等により、適当な大き
さに切り分けて、多数のチップを得る。そうしてこれら
のチップを所定のステム（ワイヤーフレーム）にマウン
トし、ワイヤボンディング後モールディングすれば、本
発明のＧａＮ系レーザが完成される。

【０１８６】この半導体レーザは、発光波長４００ｎｍ
にて低しきい値で発振する良好な特性を得ることができ
た。

【０１８７】上述したように本実施形態によれば、従来
と比べ、プロセスを簡略化することができる。即ち、本
実施形態によれば、従来の連続エピタキシャル成長に加
え、ｐ型ＩｎＧａＮ系半導体層を成長させるという単純
な工程を付加するだけで、ｐ型クラッド層及びｐ型コン
タクト層の水素の取り込みに関したアクセプタの不活性
化を抑制させることができる。

【０１８８】よって、実質的には熱処理等が無くなるた
め、製造工程が減少される。また成長後の熱処理という
工程による表面の汚染や不純物の結晶中での拡散等によ
る素子特性の低下を招く要因を除去することができる。

【０１８９】また、表面の酸素濃度、炭素濃度を低減で
きるので、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを形成
でき、動作電圧を低下させ、もって、発光波長４００ｎ
ｍにて低しきい値（低動作電圧）で発振する良好な特性
の半導体レーザを得ることができた。

【０１９０】さらに、ｐ型ドーパントの種類（Ｍｇ
等）、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７の膜厚（５０ｎ
ｍ〜１５００ｎｍ）やＩｎの成分比ｘ（０＜ｘ≦０．
３）、キャリアガスの種類（水素ガスやアンモニアを含
む原料ガス、窒素ガスからなるキャリアガス）及び流量
（窒素ガス：水素ガス＝５〜２０００：１）などが適切
な範囲内にあるので、以上の効果を容易且つ確実に実現
させることができ、素子特性や製造工程の安定性を向上
させることができる。

【０１９１】（変形構成）なお、本発明の第７の実施形
態は、図２９に示すように、１回目の成長におけるｐ型
ＧａＮ電流注入層８５が省略された構造でも良い。この
場合、２回目の成長により形成される層は、図３０に示
すように、ｐ型ＧａＮ層８５ａとｐ型ＩｎＧａＮコンタ
クト層８７との２層構造であっても良い。

【０１９２】（第８の実施形態）次に、本発明の第８の
実施形態に係わる半導体レーザについて説明する。

【０１９３】図３１はこの半導体レーザの原理的な構成
を示す断面図であり、図２３と同一部分には同一符号を
付して説明する。この半導体レーザは、屈折率導波型構
造を有するものであり、サファイア基板８１上に、アン
ドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８
３、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４及びｐ型ＧａＮ電
流注入層８５が順次形成されている。

【０１９４】ｐ型ＧａＮ電流注入層８５は、選択エッチ
ングによりリッジが形成されている。また、ｐ型ＧａＮ
電流注入層８５は、リッジ以外の部分上に複数のｎ型Ｉ
ｎＧａＮ電流光閉込め層９８が選択的に形成されてい
る。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５のリッジ上及びｎ
型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上には、ｐ型ＩｎＧａＮコ
ンタクト層８７が形成されている。

【０１９５】次に、以上のような屈折率導波型構造を有
する半導体レーザの製造方法及び作用について説明す
る。

【０１９６】この半導体レーザは、図３２（ａ）に示す
ように、１回目の成長により、サファイア基板８１上
に、アンドープＧａＮ層８２、ｎ型ＧａＮ層８３、アン
ドープＧａＮ活性層８４、ｐ型ＧａＮ層８５が同一チャ
ンバー内で連続的に形成される。その後、図３２（ｂ）
に示すように、ｐ型ＧａＮ層８５が部分的にエッチング
除去されてリッジが形成される。また、図３２（ｃ）に
示すように、このリッジ上にはＳｉＯ₂ 等のマスク９９
が形成される。次に、ｎ型ＩｎＧａＮ層９８が再成長
（２回目の成長）により、ＳｉＯ₂ 等のマスク９９以外
のｐ型ＧａＮ層８５上に選択成長される。その後、マス
ク９９が除去され、３回目の成長により、図３２（ｄ）
に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮ層８７がｐ型ＧａＮ層８
５のリッジ上及びｎ型ＩｎＧａＮ層９８上に形成され
る。

【０１９７】以上のような屈折率導波型構造としても、
電流狭窄構造と同様にｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７
が低酸素濃度及び低炭素濃度を有して低抵抗で良好なオ
ーミックコンタクトを得られるため、発光波長４００ｎ
ｍにて低しきい値で発振する良好な特性を得ることがで
きる。

【０１９８】（変形構成）なお、本実施形態の構造は、
図３３に示すように、サファイア基板８１と、アンドー
プＧａＮ下地層８２との間に、ＧａＮバッファ層８２ａ
を設けてもよい。また、図３３に示すように、アンドー
プＩｎＧａＮ活性層８４とｎ型ＧａＮコンタクト層８３
との間に、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１を設けると共
に、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５に代えて、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ電流注入層９５を備えてもよい。

【０１９９】また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５を備
えた場合、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８に代えて、ｎ
型ＧａＮを光閉込め層として使用してもよい。即ち、ｎ
型Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）光閉込め層９８にお
いて、Ｉｎの成分比ｘを０としてもよい。なお、ｎ型Ｇ
ａＮを使用せず、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５にｎ型
ＩｎＧａＮ光閉込め層９８を用いても良いことはいうま
でもない。

【０２００】（第９の実施形態）図３４は本発明の第９
の実施形態に係わる半導体レーザの構造を示す断面図で
あり、図３２（ａ）〜（ｄ）及び図３３と同一部分には
同一符号を付して説明する。この半導体レーザは、サフ
ァイア基板８１上に、ＧａＮバッファ層８２ａ、アンド
ープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、
ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１、アンドープＧａＮガイ
ド層９２、ＭＱＷ構造のアンドープＩｎＧａＮ活性層９
３、ｐ型ＧａＮガイド層９４及びｐ型ＡｌＧａＮ電流注
入層９５が順次形成されている。

【０２０１】ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５上は選択エ
ッチングによりリッジが形成されている。ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ電流注入層９５は、リッジ以外の部分上に複数のｎ型
ＩｎＧａＮ電流光閉込め層９８が選択的に形成されてい
る。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリッジ上及
びｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上には、ｐ型ＩｎＧａ
Ｎコンタクト層８７が形成されている。

【０２０２】ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にはｐ
側電極９７が形成されている。エッチング等により一部
が露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にはｎ側電
極９６が形成されている。

【０２０３】次に、以上のような半導体レーザの製造方
法及び作用について説明する。

【０２０４】前述同様に図３５（ａ）に示すように、サ
ファイア基板８１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、５０ｎ
ｍ厚のアンドープＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎで
ｘ＝ｙ＝０）バッファ層８２ａ、２μｍ厚のアンドープ
ＧａＮ下地層８２、４μｍ厚のｎ型ＧａＮコンタクト層
８３、０．３μｍ厚のｎ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦
１）電流注入層９１、０．１μｍ厚のアンドープＧａＮ
ガイド層９２、Ｉｎ_xＧａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎからなる総計
膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造からなるアンドープ
ＩｎＧａＮ活性層９３、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮガイ
ド層９４、０．３μｍ厚のｐ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦
ｑ≦１）電流注入層９５が連続成長により形成される。

【０２０５】次に、図３５（ｂ）に示すように、ｐ型Ａ
ｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９５上にＳｉ
Ｏ₂ 層９９等のパターニング及びマスキングが施され、
エッチング等によりｐ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦
１）電流注入層９５が選択的に途中まで除去されてリッ
ジが形成される。

【０２０６】続いて、図３５（ｃ）に示すように、選択
成長によりｐ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注
入層９５のリッジ以外の部分上にｎ型Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ
（０≦ｘ≦１）光閉込め層９８が２回目の成長により形
成される。

【０２０７】また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリ
ッジ上におけるＳｉＯ₂ 層９９等のマスクが除去され
る。さらに、ＭＯＣＶＤ法により、図３６（ａ）に示す
ように、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリッジ上及び
その両側のｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上に、１μｍ
厚のｐ型のＩｎＧａＮ（Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ、０
＜ｘ≦０．３、ｙ＝０）層８７が形成される。なお前述
同様に、このときの成長温度は７５０℃〜１０００℃と
し、原料ガスのキャリアガスには水素を用い、主キャリ
アガスとしては窒素ガスを用いている。

【０２０８】以下前述同様に、このウェハは、図３６
（ｂ）に示すように、選択的にｎ型ＧａＮコンタクト層
８３まで達する深さまでエッチングされた後、サファイ
ア基板８１が研磨等により１００μｍ程度の厚さに形成
される。

【０２０９】また同様に、図３６（ｃ）に示すように、
ｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にｎ側電極９６が形成さ
れ、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にｐ側電極９７
が形成される。なお、各電極９６，９７は前述同様の材
料から形成可能である。

【０２１０】電極付完了後のウェハは、前述同様に、へ
き開などにより、多数のチップに形成される。各チップ
は所定のステム（ワイヤーフレーム）にマウントされ、
ワイヤボンディング後、モールディングされ、完成品の
ＧａＮ系レーザに加工される。

【０２１１】この半導体レーザは、前述同様にｐ型Ｉｎ
ＧａＮコンタクト層８７が低酸素濃度及び低炭素濃度で
あって低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有し、発
光波長４００ｎｍにて低しきい値で発振する良好な特性
を得ることができた。

【０２１２】上述したように本実施形態によれば、第７
の実施形態の効果に加え、ｐ型Ａｌ_q Ｇａ_1-q Ｎ（０≦
ｑ≦１）層９５のリッジ部とリッジ部以外の膜を適当に
定め、ｎ型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）層９８の
バンドギャップエネルギーをアンドープＩｎＧａＮ活性
層９３のバンドギャップエネルギーより小さくするよう
に組成ｘを適当に決めるより、電流狭窄型構造だけでな
く屈折率導波型構造の半導体レーザをも形成することが
できる。

【０２１３】（第１０の実施形態）図１、図１５、図１
６、図２８の構造の半導体レーザを有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）、
有機金属原料（ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ）、及びドーパ
ント原料（Ｃｐ₂ Ｍｇ，ＳｉＨ₄ ）を用いて形成する。
但し、ｐ型伝導を有する層のみ、又はｎ型伝導を有する
層を含む素子用多層膜全ての層を形成する際に用いるキ
ャリアガスを、ＣＯ，ＣＯ₂ の濃度０．１〜１０ vol p
pbの不活性ガスからなるキャリアガスとする。ＣＯ，Ｃ
Ｏ₂ の濃度がこの範囲よりも多い場合、これらの不純物
が成長層最表面に偏在し易くなるため、ｐ側電極とのコ
ンタクト抵抗が高くなる傾向がある。また、ＣＯ，ＣＯ
₂ の濃度がこの濃度の範囲よりも少ない場合、酸素や炭
素による窒素空孔子点（窒素空孔）を埋める効果が減少
するため、窒素空孔がアクセプタを補償し、素子が高抵
抗化する。

【０２１４】また、ｐ型伝導層作製の際のＶ族原料と I
II族原料の供給量（ｍｏｌ）比（Ｖ／III 比）をＧａＮ
層の成長では３０００以下、ＧａＡｌＮの成長では３６
００以下、但しＩｎＧａＮ系半導体層の成長では３００
００以下で形成する。Ｖ／III 比が上述の値以上になる
と、Ｍｇのアクセプタ又はキャリアへの活性化率が低下
する。

【０２１５】本実施形態により作製した窒化物系半導体
素子におけるｐ型伝導層のアクセプタ濃度，キャリア濃
度は、従来例（特開平８−３２５０９４号，特願平８−
２３６７４４号）、更には前述した第１〜第９の実施形
態による場合の２倍以上になり、その結果、ｐ型伝導層
とｐ側電極とのコンタクト抵抗が低減でき、素子の動作
電圧を大幅に、かつ安定して低減でき、窒化物系半導体
素子の歩留まり、信頼性が大幅に向上する。また、成膜
後に、熱処理等の後処理を必要としないで、従来以上の
特性の良い素子が得られるため、従来の製造に比べ、生
産性，コストの面でも大きなメリットが得られる。

【０２１６】（第１１の実施形態）図１、図１５、図１
６、図２８の構造の半導体レーザを有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）、
有機金属原料（ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ）、及びドーパ
ント原料（Ｃｐ₂ Ｍｇ、ＳｉＨ₄ ）を用いて形成する。
但し、ｐ型伝導を有する層のみ、又はｎ型伝導を有する
層を含む素子用多層膜全ての層を形成する際に用いるキ
ャリアガスを、水素（Ｈ₂ ）濃度１ vol ppb以下に精製
された高純度不活性ガスからなるキャリアガスとする。
Ｈ₂ の濃度がこの範囲よりも多い場合、その不純物が成
長層最表面に偏在し易くなるため、ｐ側電極とのコンタ
クト抵抗が高くなる傾向がある。また、Ｈ₂ の濃度がこ
の濃度の範囲よりも少ない場合、水素による窒素空孔子
点（窒素空孔）を埋める効果が減少するため、窒素空孔
がアクセプタを補償し、素子が高抵抗化する。

【０２１７】また、ｐ型伝導層作製の際のＶ族原料とＩ
ＩＩ族原料の供給量（ｍｏｌ）比（Ｖ／III 比）をＧａ
Ｎ層の成長では３０００以下、ＧａＡｌＮの成長では３
６００以下、但しＩｎＧａＮ系半導体層の成長では３０
０００以下で形成する。Ｖ／III 比が上述の値以上にな
ると、Ｍｇのアクセプタ又はキャリアへの活性化率が低
下する。

【０２１８】本実施形態により作製した窒化物系半導体
素子におけるｐ型伝導層のアクセプタ濃度，キャリア濃
度は、従来例（特開平８−３２５０９４号，特願平８−
２３６７４４号）、更には前述した第１〜第９の実施形
態による場合の３倍以上になり、その結果、ｐ型伝導層
とｐ側電極とのコンタクト抵抗が低減でき、素子の動作
電圧を大幅に、かつ安定して低減でき、窒化物系半導体
素子の歩留まり、信頼性が大幅に向上する。また、成膜
後に、熱処理等の後処理を必要としないで、従来以上の
特性の良い素子が得られるため、従来の製造に比ぺ、生
産性、コストの面でも大きなメリットが得られる。

【０２１９】（第１２の実施形態）第１の実施形態に係
わる半導体レーザの構造（図１に示す）をアンモニアガ
ス、及び有機金属原料（ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ）、及
びドーパント原料（Ｃｐ₂Ｍｇ，ＳｉＨ₄ ）を用いて形
成する。但し、ｐ型伝導を有する層のみ、又はｎ型伝導
を有する層を含む素子用多層膜全ての層を形成する際の
キャリアガスを窒素ガスのみ、又は２．５容量％以下の
水素を含む窒素ガスを用いて形成する。

【０２２０】最表面のｐ−ＧａＮコンタクト層１９形成
後、ＴＭＧの供給のみを停止し、基板温度をそのまま保
持し、アンモニアガス，Ｃｐ₂ Ｍｇ及び窒素キャリアガ
スを１０分間供給する。その後にＣＰ₂ Ｍｇの供給を停
止し、基板温度を３５０℃まで降温し、３５０℃でアン
モニアの供給も停止し、窒素キャリアガスのみを供給し
たまま自然冷却する。

【０２２１】得られた素子の最表面のｐ−ＧａＮコンタ
クト層１９のアクセプタ濃度をＣ−Ｖ測定により評価し
たところ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１９の成長後にアン
モニアのみを３５０℃まで供給し続け、その他の原料は
全て供給停止し自然冷却する従来の方法で得られた試料
Ａに比べ、１桁以上低い（〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3）ことが
判った。しかし、この試料のＩ−Ｖ特性を評価したとこ
ろ、試料Ａに比ベコンタクト抵抗が大幅に改善され、素
子の動作電圧が約１１２になった。ＳＩＭＳ分析によ
り、ｐ−ＧａＮコンタクト層１９の最表面には層内部の
約１０倍のＭｇが存在した。

【０２２２】得られた半導体レーザの素子特性を評価し
たところ、波長４０５ｎｍ、動作電圧４．５Ｖ、しきい
値電流３７ｍＡで室温連続発振した。

【０２２３】（第１３の実施形態）第１２の実施形態と
同様の構造及び成膜方法において、最表面のｐ−ＧａＮ
コンタクト層１９の形成後、ＴＭＧの供給のみを停止
し、基板温度が８００℃に到達するまでアンモニア供給
下で自然冷却し、基板温度が８００℃に到達したらアン
モニアの供給を停止し、ＣＰ₂ Ｍｇと窒素キャリアガス
のみを１５分間供給する。その後、ＣＰ₂ Ｍｇの供給を
停止し、窒素キャリアガスのみを供給した状態で自然冷
却する。

【０２２４】得られた素子の最表面のｐ−ＧａＮコンタ
クト層１９のアクセプタ濃度をＣ−Ｖ測定により評価し
たところ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１９の成長後にアン
モニアのみを３５０℃まで供給し続け、その他の原料は
全て供給停止し自然冷却する従来の方法で得られた試料
Ａと同等であった。この試料のＩ−Ｖ特性を評価したと
ころ、試料Ａに比べコンタクト抵抗が改善され、素子の
動作電圧が約３／５になった。ＳＩＭＳ分析により、ｐ
−ＧａＮコンタクト層１９の最表面には層内部の約５倍
のＭｇが存在した。

【０２２５】得られた半導体レーザの素子特性を評価し
たところ、波長４１０ｎｍ、動作電圧５．５Ｖ、しきい
値電流４５ｍＡで室温連続発振した。

【０２２６】（第１４の実施形態）第１２の実施形態と
同様の構造及び成膜方法において、最表面のｐ−ＧａＮ
コンタクト層１９の形成後、ＴＭＧの供給のみを停止
し、基板温度が９００℃に到達するまでアンモニア供給
下で自然冷却し、基板温度が９５０℃に到達したらアン
モニアの供給を停止し、ＣＰ₂ Ｍｇと窒素キャリアガス
を供給しながら７５０℃まで１０分間供給しながらスロ
ープ降温する。基板温度が７００℃に到達したらＣＰ₂
Ｍｇの供給を停止し、窒素キャリアガスのみを供給した
状態で自然冷却する。

【０２２７】得られた素子の最表面のｐ−ＧａＮコンタ
クト層１９のアクセプタ濃度をＣ−Ｖ測定により評価し
たところ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１９の成長後にアン
モニアのみを３５０℃まで供給し続け、その他の原料は
全て供給停止し自然冷却する従来の方法で得られた試料
Ａと同等のアクセプタ濃度が得られた。また、この試料
のＩ−Ｖ特性を評価したところ、試料Ａに比べコンタク
ト抵抗が大幅に改善され、素子の動作電圧が約１／４に
なった。ＳＩＭＳ分祈により、ｐ−ＧａＮコンタクト層
１９の最表面には層内部の約２０倍のＭｇが存在した。

【０２２８】得られた半導体レーザの素子特性を評価し
たところ、波長４０７ｎｍ、動作電圧４．０Ｖ、しきい
値電流３２ｍＡで室温連続発振した。

【０２２９】上記３つの実施形態（第１２〜第１４の実
施形態）に示すように、最表面のｐ側コンタクト層の形
成後に、ＴＭＧ等の成膜用原料の供給を停止し、Ｍｇを
空流しすることにより、低いコンタクト抵抗が実現でき
ることが示された。

【０２３０】（第１５の実施形態）上記３つの実施形態
（第１２〜第１４の実施形態）を水素キャリアガスを用
いて形成する従来の半導体発光素子の製造方法でも、成
長後にＭｇを所定時間、所定温度以上で空流しすること
で、ｐ側コンタクト抵抗低減の効果が得られる。但し、
従来の水素キャリアガスを用いる半導体発光素子の製造
方法では、素子用多層構造を作製した後、Ｍｇを活性化
させるための熱処理が必要である。

【０２３１】（第１６の実施形態）第１の実施形態に係
わる半導体レーザの構造（図１に示す）をｐ型伝導を有
する層のみ、又はｎ型伝導を有する層を含む素子用多層
膜の全ての層をアンモニアガス、及び有機金属原料（Ｔ
ＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ）、及びドーパント原料（Ｃｐ₂
Ｍｇ，ＳｉＨ₄ ）を用いて形成する。但し、ｐ型伝導を
有する層のみ、又は素子用多層膜全ての層を形成する際
のキャリアガスを窒素ガスのみ、又は２．５容量％以下
の水素を含む窒素ガスを用いて形成する。

【０２３２】最表面のｐ−ＧａＮコンタクト層１９の上
部に、ｐ−ＧａＮとｐ−Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎをそれぞれ
２ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した超格子構造を有する
層２３を形成する。前記ｐ型の超格子構造を有する層２
３を形成後、ＴＭＧの供給のみを停止し、基板温度をそ
のまま保持し、アンモニアガス，ＣＰ₂ Ｍｇ及び窒素キ
ャリアガスを２分間供給する。その後にＣＰ₂ Ｍｇの供
給を停止し、基板温度を３５０℃まで降温し、３５０℃
でアンモニアの供給も停止し、窒素キャリアガスのみを
供給したまま自然冷却する。

【０２３３】得られた半導体レーザ用多層構造の一部が
前記ｐ−ＧａＮとｐ−Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎを交互に積層
した超格子構造を有する層２３の最表面層からｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１３に達する深さまでドライエッチング
法により除去され、これにより露出されたＧａＮコンタ
クト層１３上にはｎ型電極２０が形成されている。ま
た、多層構造の除去されていない部分のｐ型の超格子構
造を有する層２３上には電流狭窄のためのＳｉＯ₂ 層２
１が選択的に形成され、このＳｉＯ₂ 層２１及びｐ型の
超格子構造を有する層２３上にｐ型電極２２が形成され
ている。

【０２３４】得られた半導体レーザの素子特性を評価し
たところ、波長４０５ｎｍ、動作電圧４．０Ｖ、しきい
値電流３０ｍＡで室温連続発振した。超格子構造を有す
るｐ側コンタクト層２３の効果により、低いコンタクト
抵抗が実現できた。

【０２３５】（他の実施形態）なお、本発明は、製造工
程中のキャリアガスとドーパントとの組合せを最適化
し、熱処理なしでドーパントの活性化を促進させると共
に、成長層最表面の酸素濃度と炭素濃度とを最適化して
コンタクト抵抗を減少させるという技術を用いるため、
例示したダブルヘテロ（ＤＨ）構造の電流狭窄型構造又
は屈折率導波型構造などに限らず、ダブルヘテロ構造以
外のホモ接合構造やシングルヘテロ（ＳＨ）構造をも包
含し、さらに、ダブルヘテロ構造であっても電流狭窄型
構造及び屈折率導波型構造以外の他の構造をも包含する
ことはいうまでもない。

【０２３６】また本発明は、窒化物系半導体を用いたＬ
ＥＤやＬＤなどの発光素子のみならず、ｐチャネルＨＥ
ＭＴ又はＨＢＴ等の電子デバイスへの応用も可能であ
る。

【０２３７】また、主キャリアガスとして窒素以外にア
ルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスを用
いても本発明と同様の効果が得られる。

【０２３８】上述した説明では、ｐ型層の成長時に実質
的に窒素等の不活性ガスからなるキャリアガスを用いて
いるが、ＬＥＤやＬＤ等の窒化物系半導体素子を作成す
る際のｎ型層成長時にも窒素キャリアガスを用いること
が可能である。即ち、素子用多層膜成長時の全ての層の
形成を主キャリアガスとして窒素等の不活性ガスを用い
て行なうことができる。

【０２３９】なお、本発明は、成長後の熱処理無しで十
分に良好な特性の窒化物系半導体素子を提供できるが、
例えば更なる特性の向上を図る等の所望により、成長後
に熱処理を加えてもよい。即ち、本発明は成長後の熱処
理を禁止するものではない。本発明は成長後の熱処理を
省略可能としたものである。

【０２４０】その他、本発明はその要旨を逸脱しない範
囲で種々変形して実施できる。

【０２４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｉ
ｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m Ｐ_nＡｓ_1-m-n などの
ｐ型化合物半導体層の表面付近における酸素濃度の最大
値や炭素濃度の最大値が、面内における酸素濃度の平均
値の５倍以下となるようにしている。従って、ウェハ面
内に局所的に酸素濃度の高い領域が存在しないため、不
均一注入（電流）、非発光領域の生成、導波への影響、
その他、抵抗、エレクトロマイグレーション、歪み、熱
特性等への悪影響を排除でき、信頼性をより向上させる
ことができる。

【０２４２】また、ｐ型化合物半導体層を成長する際の
キャリアガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の濃度やＨ₂ の濃度、更
には原料供給比（Ｖ／III ）を規定することにより、成
長後の熱処理工程無しでｐ型添加不純物が活性化し、高
いアクセプタ濃度、キャリア濃度のｐ型電気伝導層が得
られ、素子の初期特性、信頼性、生産性、コストが大幅
に向上する。さらに、ｐ側電極とのコンタクト抵抗の低
減により、素子の動作電圧が低減でき、素子の初期特
性、歩留まり、信頼性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る半導体レーザの構造を示
す断面図。

【図２】第１の実施形態における深さ方向の濃度分布を
比較例の熱処理前後と比較して示す図。

【図３】同実施形態における炭素濃度の面内分布をディ
スプレー上に表示した中間調画像の写真。

【図４】同実施形態における酸素濃度の面内分布をディ
スプレー上に表示した中間調画像の写真。

【図５】同実施形態における水素濃度の面内分布をディ
スプレー上に表示した中間調画像の写真。

【図６】同実施形態における珪素濃度の面内分布をディ
スプレー上に表示した中間調画像の写真。

【図７】比較例における炭素濃度の面内分布（深さ１０
０ｎｍ）をディスプレー上に表示した中間調画像の写
真。

【図８】比較例における酸素濃度の面内分布をディスプ
レー上に表示した中間調画像の写真。

【図９】比較例における水素濃度の面内分布をディスプ
レー上に表示した中間調画像の写真。

【図１０】比較例における珪素濃度の面内分布をディス
プレー上に表示した中間調画像の写真。

【図１１】ＧａＮ層における成長速度のウェハ面内分布
を窒素キャリアガスと水素キャリアガスとで比較して示
す図。

【図１２】ＧａＮ層における成長速度の成長温度依存性
を窒素キャリアガスと水素キャリアガスとで比較して示
す図。

【図１３】ｐ型伝導層におけるアクセプタ濃度の成長温
度依存性を窒素キャリアガスと水素キャリアガスとで比
較して示す図。

【図１４】電流注入層に用いられるＧａＡｌＮ層におけ
るＡｌ組成のウェハ面内分布を窒素キャリアガスと水素
キャリアガスとで比較して示す図。

【図１５】第２の実施形態に係る半導体レーザの構造を
示す断面図。

【図１６】第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造
を示す断面図。

【図１７】第５の実施形態に係る窒化物系半導体素子の
構造を示す断面図。

【図１８】同実施形態における深さ方向の不純物濃度分
布を従来と比較して示す図。

【図１９】同実施形態におけるＣ−Ｖ測定結果を従来と
比較して示す図。

【図２０】同実施形態における変形構成を示す図。

【図２１】同実施形態における変形構成を示す図。

【図２２】同実施形態における変形構成を示す図。

【図２３】第６の実施形態に係る窒化物系半導体素子の
原理的な構成を示す断面図。

【図２４】同実施形態における製造工程図。

【図２５】同実施形態における変形構成を示す図。

【図２６】第７の実施形態に係る半導体レーザの構成を
示す断面図。

【図２７】同実施形態における製造工程図。

【図２８】同実施形態における製造工程図。

【図２９】同実施形態における変形構成を示す図。

【図３０】同実施形態における変形構成を示す図。

【図３１】第８の実施形態に係る半導体レーザの原理的
な構成を示す断面図。

【図３２】同実施形態における製造工程図。

【図３３】同実施形態における変形構成を示す図。

【図３４】第９の実施形態に係る半導体レーザの構造を
示す断面図。

【図３５】同実施形態における製造工程図。

【図３６】同実施形態における製造工程図。

【図３７】従来の青色半導体レーザの構造を示す模式図

【図３８】従来の熱処理前後における深さ方向の濃度分
布を示す図

【符号の説明】

１１，３１，６１，８１…サファイア基板 １２，８２…アンドープＧａＮ下地層 １３，３３，６２，８３…ｎ型ＧａＮコンタクト層 １４，３４，９１…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層 １５，３５…ＧａＮ光ガイド層 １６，３６，６６，８４，９３…ＩｎＧａＮ活性層 １７…ＧａＮ光ガイド層 １８，３８…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層 １９，４１…ｐ型ＧａＮコンタクト層 ２０，４２，５６，９６…ｎ側電極 ２１…ＳｉＯ₂ 層 ２２，４３，５７，９７…ｐ側電極 ２３…超格子層 ３２…バッファ層 ３７…ＧａＮ層 ３８…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層 ３９…高抵抗のＧａＮ層 ４０…ｐ型ＧａＮ層 ５１…ｎ型の２Ｈ型ＳｉＣ基板 ５２…混在層 ５３…ｎ型ＧａＮ層 ５４…ｎ型ＩｎＧａＮ発光層 ５５…ｐ型ＧａＮ層 ６３，８５…ｐ型ＧａＮ層 ６４，８７…ｐ型ＩｎＧａＮ層 ６５…ｎ型ＩｎＧａＮ層 ８２ａ…ＧａＮバッフア層 ８６…ｎ型ＧａＮ電流狭窄層 ９２…アンドープＧａＮガイド層 ９４…ｐ型ＧａＮガイド層 ９５…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入（クラッド）層 ９８…ｎ型ＩｎＧａＮ（光閉じ込め）層 ９９…ＳｉＯ₂ マスク

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、前記基板上に積層形成された複数
   の窒化物系半導体層と、 前記各窒化物系半導体層のうち、最表面の層として形成
   された、窒素を構成元素として含むｐ型化合物半導体層
   と、 前記ｐ型化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、 前記各窒化物系半導体層のうち、前記ｐ型化合物半導体
   層よりも前記基板に近い位置に形成された、窒素を構成
   元素として含むｎ型化合物半導体層と、 少なくとも前記ｐ側電極から前記ｐ型化合物半導体層並
   びにｎ型化合物半導体層を通る電流路を形成するよう
   に、前記各窒化物系半導体層内のいずれかの層或いは前
   記基板に設けられたｎ側電極とを備え、 前記ｐ型化合物半導体層の表面付近における酸素濃度の
   最大値は、面内における酸素濃度の平均値の５倍以下で
   あることを特徴とする窒化物系半導体素子。
2. 【請求項２】基板と、 前記基板上に積層形成された複数の窒化物系半導体層
   と、 前記各窒化物系半導体層のうち、最表面の層として形成
   された、窒素を構成元素として含むｐ型化合物半導体層
   と、 前記ｐ型窒化物系半導体層上に形成されたｐ側電極と、 前記各窒化物系半導体層のうち、前記ｐ型窒化物系半導
   体層よりも前記基板に近い位置に形成された、窒素を構
   成元素として含むｎ型化合物半導体層と、 少なくとも前記ｐ側電極から前記ｐ型化合物半導体層並
   びにｎ型化合物半導体層を通る電流路を形成するよう
   に、前記各窒化物系半導体層内のいずれかの層或いは前
   記基板に設けられたｎ側電極とを備え、 前記ｐ型化合物半導体層の表面付近における炭素濃度の
   最大値は、面内における炭素濃度の平均値の５倍以下で
   あることを特徴とする窒化物系半導体素子。
3. 【請求項３】前記ｐ型化合物半導体層及びｎ型化合物半
   導体層は、それぞれＩｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ_m
   Ｐ_n Ａｓ_1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ
   ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１）であるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物系半導体素
   子。
4. 【請求項４】基板上に、有機金属気相成長法により、少
   なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合
   物半導体層を形成する工程と、ｐ型伝導を有し窒素を構
   成元素として含む化合物半導体層を形成する工程とを含
   む窒化物系半導体素子の製造方法において、 前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合物半
   導体層を形成する工程は、有機金属気相成長法により、
   少なくともｐ型ドーパント原料並びにアンモニア（ＮＨ
   ₃ ）を含む原料ガス、及びＣＯ，ＣＯ₂ の濃度０．１〜
   １０ vol ppb以下に精製された高純度不活性ガスからな
   るキャリアガスを用いることを特徴とする窒化物系半導
   体素子の製造方法。
5. 【請求項５】基板上に、有機金属気相成長法により、少
   なくともｎ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合
   物半導体層を形成する工程と、ｐ型伝導を有し窒素を構
   成元素として含む化合物半導体層を形成する工程とを含
   む窒化物系半導体素子の製造方法において、 前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として含む化合物半
   導体層を形成する工程は、有機金属気相成長法により、
   少なくともｐ型ドーパント原料並びにアンモニア（ＮＨ
   ₃ ）を含む原料ガス、及び水素（Ｈ₂ ）濃度１ vol ppb
   以下に精製された高純度不活性ガスからなるキャリアガ
   スを用いることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造
   方法。
6. 【請求項６】前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として
   含む化合物半導体層を形成する工程は、Ｖ族原料と III
   族原料の供給量（ｍｏｌ）比（Ｖ／III 比）を４０００
   以下、但しＩｎを含む窒化物半導体の場合には３０００
   ０以下で行われることを特徴とする請求項４又は５記載
   の窒化物系半導体素子の製造方法。
7. 【請求項７】前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として
   含む化合物半導体層を素子用多層構造の最表面層として
   形成し、前記ｐ型伝導を有する最表面層を形成する工程
   の後に、成膜のための有機金属原料の供給を停止し、ｐ
   型ドーパント原料及び実質的に不活性なキャリアガスを
   所定時間、所定温度で供給するか、又は降温過程で供給
   し、前記工程の一部又は全工程においてアンモニアを供
   給することを特徴とする請求項４又は５記載の窒化物系
   半導体素子の製造方法。
8. 【請求項８】前記ｐ型伝導を有し窒素を構成元素として
   含む化合物半導体層を素子用多層構造の最表面層として
   形成し、前記ｐ型伝導を有する最表面層を形成する工程
   の後に、成膜のための有機金属原料及びアンモニアの供
   給を停止し、ｐ型ドーパント原料及び実質的に不活性な
   キャリアガスを所定時間、所定温度で供給するか、又は
   降温過程で供給する工程を設けることを特徴とする請求
   項４又は５記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
9. 【請求項９】基板上に、少なくともｎ型伝導を有し窒素
   を構成元素として含む化合物半導体層と、ｐ型伝導を有
   し窒素を構成元素として含む化合物半導体層と、電極と
   の積層構造を備えた窒化物系半導体素子において、 前記基板上に積層形成された複数の窒化物系半導体層の
   うち、最表面のｐ型伝導を有する窒素を含む化合物半導
   体層の最表面のｐ型添加物の濃度が、前記層内部のｐ型
   添加物の濃度の１．５倍以上１０００倍以下であること
   を特徴とする窒化物系半導体素子。
10. 【請求項１０】基板上に、少なくともｎ型伝導を有し窒
    素を構成元素として含む化合物半導体層と、ｐ型伝導を
    有し窒素を構成元素として含む化合物半導体層と、電極
    との積層構造を備えた窒化物系半導体素子の製造方法に
    おいて、 少なくともｐ型ドーパント原料、アンモニア（ＮＨ₃ ）
    を含む原料ガス及びキャリアガスを用いて、ｐ型不純物
    を添加した窒素を構成元素として含む化合物半導体層を
    素子用多層構造の最表面層として形成し、前記ｐ型不純
    物を添加した最表面層を形成する工程の後に、成膜のた
    めの有機金属原料の供給を停止し、ｐ型ドーパント原
    料、及びキャリアガスを所定時間、所定温度で供給する
    か、又は降温過程で供給し、前記工程の一部又は全工程
    においてアンモニアを供給することを特徴とする窒化物
    系半導体素子の製造方法。
11. 【請求項１１】基板上に、少なくともｎ型伝導を有し窒
    素を構成元素として含む化合物半導体層と、ｐ型伝導を
    有し窒素を構成元素として含む化合物半導体層と、電極
    との積層構造を備えた窒化物系半導体素子の製造方法に
    おいて、 少なくともｐ型ドーパント原料、アンモニア（ＮＨ₃ ）
    を含む原料ガス及びキャリアガスを用いて、ｐ型不純物
    を添加した窒素を構成元素として含む化合物層を素子用
    多層構造の最表面層として形成し、前記ｐ型不純物を添
    加した最表面層を形成する工程の後に、成膜のための有
    機金属原料及びアンモニアの供給を停止し、ｐ型ドーパ
    ント原料及びキャリアガスを所定時間、所定温度で供給
    するか、又は降温過程で供給する工程を設けることを特
    徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
12. 【請求項１２】前記ｐ型ドーパント原料は、有機マグネ
    シウム（Ｍｇ）化合物であることを特徴とする請求項
    ４，５，６，７，８，１０又は１１に記載の窒化物系半
    導体素子の製造方法。
13. 【請求項１３】前記所定時間とは３０秒以上で１時間以
    内とし、前記所定温度とは３００℃以上で成長温度以下
    とし、前記降温過程とは前記所定時間、所定温度の範囲
    内での自然降温及びスロープ降温とすることを特徴とす
    る請求項７，８，１０又は１１記載の窒化物系半導体素
    子の製造方法。
14. 【請求項１４】基板上に、少なくともｎ型伝導を有し窒
    素を構成元素として含む化合物半導体層と、ｐ型伝導を
    有し窒素を構成元素として含む化合物半導体層と、電極
    との積層構造を備えた窒化物系半導体素子において、 前記基板上に積層形成された複数の窒化物系半導体層の
    うち、最表面の層がＩｎ_x Ｇａ_y Ｎ（０＜ｘ≦１，０≦
    ｙ＜１，ｘ＋ｙ＝１）層とＩｎ_l Ｇａ_m Ｎ（０≦ｌ≦
    １，０≦ｍ≦１，ｌ＋ｍ＝１，ｘ≠ｌ）層を交互に積層
    する超格子構造から成る層であり、前記超格子構造のう
    ち少なくともいずれか一方にｐ型不純物が添加されてお
    り、前記超格子構造の上部にｐ型電極が形成されている
    ことを特徴とする窒化物系半導体素子。
15. 【請求項１５】前記超格子構造を有する層は、有機金属
    気相成長法により形成され、前記ｐ型不純物は有機マグ
    ネシウム（Ｍｇ）化合物とし、少なくともアンモニア
    （ＮＨ₃）を含む原料ガス及び実質的に不活性ガスから
    成るキャリアガスを用いて形成されていることを特徴と
    する請求項１４記載の窒化物系半導体素子。
16. 【請求項１６】実質的に不活性ガスからなるキャリアガ
    スとは、主キャリアガスとして不活性ガスが用いられ、
    前記主キヤリアガス以外に反応管内に水素キャリアガス
    を７容量％以下含むことを特徴とする請求項１５記載の
    窒化物系半導体素子。