JPH1168252A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH1168252A JPH1168252A JP22783597A JP22783597A JPH1168252A JP H1168252 A JPH1168252 A JP H1168252A JP 22783597 A JP22783597 A JP 22783597A JP 22783597 A JP22783597 A JP 22783597A JP H1168252 A JPH1168252 A JP H1168252A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 第一、第二コンタクト層という２つのコンタ
クト層を用いつつ、活性層にＭｇを拡散させることな
く、コンタクト抵抗を低減し、さらに第二コンタクト層
内のホール濃度を最大限に高めた半導体素子を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 ｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０と第一
コンタクト層よりも活性層側に存在するｐ−ＧａＮ第二
コンタクト層９という２つのコンタクト層を有するＧａ
Ｎ半導体発光素子において、第一コンタクト層の膜厚を
０．１μｍ以上１．０μｍ以下とする。これにより、第
一コンタクト層が十分な膜厚を有することになり、第一
コンタクト層から第二コンタクト層へのアクセプター不
純物の拡散を容易に行うことができる。
クト層を用いつつ、活性層にＭｇを拡散させることな
く、コンタクト抵抗を低減し、さらに第二コンタクト層
内のホール濃度を最大限に高めた半導体素子を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 ｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０と第一
コンタクト層よりも活性層側に存在するｐ−ＧａＮ第二
コンタクト層９という２つのコンタクト層を有するＧａ
Ｎ半導体発光素子において、第一コンタクト層の膜厚を
０．１μｍ以上１．０μｍ以下とする。これにより、第
一コンタクト層が十分な膜厚を有することになり、第一
コンタクト層から第二コンタクト層へのアクセプター不
純物の拡散を容易に行うことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は青色から紫外域の波
長にわたる発光ダイオードまたは同波長域における半導
体レーザダイオード及び発光素子に用いられる窒化ガリ
ウム系半導体発光素子に係わり、特に電気的、光学的特
性に優れた窒化ガリウム系半導体への不純物ドーピング
方法に関する。
長にわたる発光ダイオードまたは同波長域における半導
体レーザダイオード及び発光素子に用いられる窒化ガリ
ウム系半導体発光素子に係わり、特に電気的、光学的特
性に優れた窒化ガリウム系半導体への不純物ドーピング
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】波長が青色よりも短い短波長発光素子は
フルカラーディスプレーや高密度記録可能な光ディスク
用光源として期待されており、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体やＳｉＣ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体を用いて盛んに研究がなされている。特に最近
ＧａＮやＧａＩｎＮ等を用いて青色発光ダイオードや青
紫色レーザダイオードが実現され、窒化ガリウム系半導
体を用いた発光素子は注目されている。窒化ガリウム系
半導体結晶の堆積方法としては有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が一
般的に用いられている。
フルカラーディスプレーや高密度記録可能な光ディスク
用光源として期待されており、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体やＳｉＣ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体を用いて盛んに研究がなされている。特に最近
ＧａＮやＧａＩｎＮ等を用いて青色発光ダイオードや青
紫色レーザダイオードが実現され、窒化ガリウム系半導
体を用いた発光素子は注目されている。窒化ガリウム系
半導体結晶の堆積方法としては有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が一
般的に用いられている。
【０００３】上記の半導体発光素子を作製する場合、不
純物のドーピングにより電導型を制御してｐ型ＧａＮ及
びｎ型ＧａＮを作製することが必要不可欠である。この
中で特にｐ型ＧａＮは作製が困難であり、低抵抗なｐ型
ＧａＮは、従来ＭＯＶＰＥ結晶成長の後に熱処理や電子
線照射を行うことにより作成されてきた。さらに上記の
半導体発光素子に電流を注入するためにｐ型ＧａＮにＮ
ｉ等を蒸着して電極を形成するわけであるが、この際コ
ンタクト抵抗を低減するためにｐ型ＧａＮのドーピング
方法に工夫がなされている。
純物のドーピングにより電導型を制御してｐ型ＧａＮ及
びｎ型ＧａＮを作製することが必要不可欠である。この
中で特にｐ型ＧａＮは作製が困難であり、低抵抗なｐ型
ＧａＮは、従来ＭＯＶＰＥ結晶成長の後に熱処理や電子
線照射を行うことにより作成されてきた。さらに上記の
半導体発光素子に電流を注入するためにｐ型ＧａＮにＮ
ｉ等を蒸着して電極を形成するわけであるが、この際コ
ンタクト抵抗を低減するためにｐ型ＧａＮのドーピング
方法に工夫がなされている。
【０００４】例えば、特開平８−９７４７１号公報に
は、Ｎｉ電極と接触するｐ型ＧａＮの最表面の５００Å
（オングストローム）の領域において、高濃度（１×１
０ｅ20ｃｍ-3から１×１０ｅ21ｃｍ-3）にＭｇをドーピ
ングした第一コンタクト層を設けてコンタクト抵抗を低
減するとともに、キャリア濃度を高くして素子の動作電
圧を低減することが記載されている（図８（ａ））。し
かしながら、ここで、Ｍｇの高ドーピング濃度を高くし
すぎると、ホール濃度がかえって高くなってしまう現象
が生じるため、第一コンタクト層よりも活性層側に第一
コンタクト層よりもＭｇの濃度が低いｐ型ＧａＮ第二コ
ンタクト層を形成している。そして、この第二コンタク
ト層のＭｇ濃度は、ホール濃度を高めるために、１×１
０ｅ19ｃｍ -3から５×１０ｅ20ｃｍ-3の範囲内でドーピ
ングすることが望ましいと考えられている（図８（ｂ）
参照）。
は、Ｎｉ電極と接触するｐ型ＧａＮの最表面の５００Å
（オングストローム）の領域において、高濃度（１×１
０ｅ20ｃｍ-3から１×１０ｅ21ｃｍ-3）にＭｇをドーピ
ングした第一コンタクト層を設けてコンタクト抵抗を低
減するとともに、キャリア濃度を高くして素子の動作電
圧を低減することが記載されている（図８（ａ））。し
かしながら、ここで、Ｍｇの高ドーピング濃度を高くし
すぎると、ホール濃度がかえって高くなってしまう現象
が生じるため、第一コンタクト層よりも活性層側に第一
コンタクト層よりもＭｇの濃度が低いｐ型ＧａＮ第二コ
ンタクト層を形成している。そして、この第二コンタク
ト層のＭｇ濃度は、ホール濃度を高めるために、１×１
０ｅ19ｃｍ -3から５×１０ｅ20ｃｍ-3の範囲内でドーピ
ングすることが望ましいと考えられている（図８（ｂ）
参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の範囲内で実際に半導体発光素子を作成したとこ
ろ、下記に示すような２つの問題が生じた。
た従来の範囲内で実際に半導体発光素子を作成したとこ
ろ、下記に示すような２つの問題が生じた。
【０００６】１つ目はＭｇの拡散による問題点である。
最大限のホール濃度を得るために実際にｐ型ＧａＮ第二
コンタクト層にＭｇを５×１０ｅ20ｃｍ-3程度ドーピン
グすると、Ｍｇ原子は第一、第二コンタクト層の成長中
に発光層である活性層にまで拡散してしまう現象を我々
は見いだした。活性層にまで拡散したＭｇは非発光中心
を作り、結果として素子の発光効率が低下してしまっ
た。
最大限のホール濃度を得るために実際にｐ型ＧａＮ第二
コンタクト層にＭｇを５×１０ｅ20ｃｍ-3程度ドーピン
グすると、Ｍｇ原子は第一、第二コンタクト層の成長中
に発光層である活性層にまで拡散してしまう現象を我々
は見いだした。活性層にまで拡散したＭｇは非発光中心
を作り、結果として素子の発光効率が低下してしまっ
た。
【０００７】２つ目はホール濃度の問題点である。上記
したような活性層へのＭｇの拡散を回避するためにＭｇ
のドーピング濃度を１×１０ｅ20ｃｍ-3以下にすると、
今度はホール濃度が低下してしまった。
したような活性層へのＭｇの拡散を回避するためにＭｇ
のドーピング濃度を１×１０ｅ20ｃｍ-3以下にすると、
今度はホール濃度が低下してしまった。
【０００８】そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、第
一、第二コンタクト層という２つのコンタクト層を用い
つつ、活性層にＭｇを拡散させることなく、コンタクト
抵抗を低減し、さらに第二コンタクト層内のホール濃度
を最大限に高めた半導体素子を提供することを目的とす
る。
一、第二コンタクト層という２つのコンタクト層を用い
つつ、活性層にＭｇを拡散させることなく、コンタクト
抵抗を低減し、さらに第二コンタクト層内のホール濃度
を最大限に高めた半導体素子を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体発光素子は、０．１μｍ以上１．０μ
ｍ以下の膜厚を有するとともにｐ電極と接触する第一コ
ンタクト層と、第一コンタクト層と接するとともに第一
コンタクト層より活性層側に形成された第二コンタクト
層とを有し、第一コンタクト層に第二コンタクト層より
も高濃度にアクセプター不純物がドーピングされた構成
となっている。この構成によれば、第一コンタクト層が
十分な膜厚を有しているため、第一コンタクト層から第
二コンタクト層へのアクセプター不純物の拡散を容易に
行うことができる。
に本発明の半導体発光素子は、０．１μｍ以上１．０μ
ｍ以下の膜厚を有するとともにｐ電極と接触する第一コ
ンタクト層と、第一コンタクト層と接するとともに第一
コンタクト層より活性層側に形成された第二コンタクト
層とを有し、第一コンタクト層に第二コンタクト層より
も高濃度にアクセプター不純物がドーピングされた構成
となっている。この構成によれば、第一コンタクト層が
十分な膜厚を有しているため、第一コンタクト層から第
二コンタクト層へのアクセプター不純物の拡散を容易に
行うことができる。
【００１０】上記の構成においては、第一コンタクト層
の膜厚が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好
ましい。
の膜厚が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好
ましい。
【００１１】また、第一コンタクト層のアクセプター不
純物濃度が５×１０ｅ20ｃｍ-3以上、第二コンタクト層
のアクセプター不純物濃度が１×１０ｅ20ｃｍ-3以上５
×１０ｅ20ｃｍ-3未満であることが好ましい。この構成
によれば、活性層へのアクセプター不純物の拡散を抑制
しつつ、コンタクト層のホール濃度を増加させることが
できる。
純物濃度が５×１０ｅ20ｃｍ-3以上、第二コンタクト層
のアクセプター不純物濃度が１×１０ｅ20ｃｍ-3以上５
×１０ｅ20ｃｍ-3未満であることが好ましい。この構成
によれば、活性層へのアクセプター不純物の拡散を抑制
しつつ、コンタクト層のホール濃度を増加させることが
できる。
【００１２】また本発明の半導体発光素子は、ｐ電極と
接触する第一コンタクト層と、第一コンタクト層と接す
るとともに第一コンタクト層より活性層側に形成された
第二コンタクト層とを有し、第二コンタクト層にアクセ
プター不純物と同時にＳｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、
Ｚｎから選ばれる少なくとも１つの元素を同時ドーピン
グする構成となっている。この構成によれば、高濃度に
アクセプター不純物を導入してもホール濃度が減少する
ことを防止できる。
接触する第一コンタクト層と、第一コンタクト層と接す
るとともに第一コンタクト層より活性層側に形成された
第二コンタクト層とを有し、第二コンタクト層にアクセ
プター不純物と同時にＳｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、
Ｚｎから選ばれる少なくとも１つの元素を同時ドーピン
グする構成となっている。この構成によれば、高濃度に
アクセプター不純物を導入してもホール濃度が減少する
ことを防止できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明者等は、鋭意検討を重ねた
結果、第一、第二コンタクト層という２つのコンタクト
層を用いたＧａＮの半導体発光素子において、上記の２
つのコンタクト層内に導入されるＭｇ等のアクセプター
不純物状態をうまく制御してやると、活性層にＭｇを拡
散させることなく、コンタクト抵抗を低減し、さらに第
二コンタクト層内のホール濃度を最大限に高めた半導体
素子が得られることを見いだした。すなわち、本発明は
第一コンタクト層から第二コンタクト層へのアクセプタ
ー不純物の拡散及び第二コンタクト層から活性層へのア
クセプター不純物の拡散を考慮して、第一、第二コンタ
クト層の膜厚やアクセプター不純物の濃度を設定してや
ることにより、活性層へのアクセプター不純物の拡散を
抑制しつつ、コンタクト層のホール濃度を高めようとす
るものである。なお、本発明の半導体発光素子は、第一
コンタクト層に第二コンタクト層より高濃度にアクセプ
ター不純物を導入するものである。そこで以下では、本
発明の実施の形態における半導体発光素子及びその製造
方法について図面を参照しながら説明する。
結果、第一、第二コンタクト層という２つのコンタクト
層を用いたＧａＮの半導体発光素子において、上記の２
つのコンタクト層内に導入されるＭｇ等のアクセプター
不純物状態をうまく制御してやると、活性層にＭｇを拡
散させることなく、コンタクト抵抗を低減し、さらに第
二コンタクト層内のホール濃度を最大限に高めた半導体
素子が得られることを見いだした。すなわち、本発明は
第一コンタクト層から第二コンタクト層へのアクセプタ
ー不純物の拡散及び第二コンタクト層から活性層へのア
クセプター不純物の拡散を考慮して、第一、第二コンタ
クト層の膜厚やアクセプター不純物の濃度を設定してや
ることにより、活性層へのアクセプター不純物の拡散を
抑制しつつ、コンタクト層のホール濃度を高めようとす
るものである。なお、本発明の半導体発光素子は、第一
コンタクト層に第二コンタクト層より高濃度にアクセプ
ター不純物を導入するものである。そこで以下では、本
発明の実施の形態における半導体発光素子及びその製造
方法について図面を参照しながら説明する。
【００１４】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１における半導体発光素子の断面図を示したもので
あり、この半導体発光素子（青紫色半導体レーザ）は、
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた結晶成長に
より形成される。そこで以下では、この図１を参照しな
がら本発明の半導体発光素子の構造及び具体的な製造方
法について、順を追って説明する。
形態１における半導体発光素子の断面図を示したもので
あり、この半導体発光素子（青紫色半導体レーザ）は、
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた結晶成長に
より形成される。そこで以下では、この図１を参照しな
がら本発明の半導体発光素子の構造及び具体的な製造方
法について、順を追って説明する。
【００１５】まず気相成長に先立ち、サファイアＣ面基
板１を反応炉内のサセプター上に設置し、真空排気した
後、７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気において１０５０℃で１
５分間加熱して基板表面のクリーニングを行う。６００
℃まで冷却した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を２
０μモル／分、アンモニアを２．５Ｌ／分、キャリア水
素を２Ｌ／分流して多結晶状態のＧａＮバッファ層２を
５０ｎｍ堆積する。次に、ＴＭＧの供給のみを停止し、
温度を９５０℃まで昇温した後、ＴＭＧを２０μモル／
分、モノシランを１０ｃｃ／分供給し、さらに基板温度
を１０５０℃、１０９０℃に段階的に昇温してｎ−Ｇａ
Ｎ単結晶層３を形成する。その後、トリメチルアルミニ
ウム（ＴＭＡ）を５μモル／分をさらに加え、ｎ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層４を堆積する。
板１を反応炉内のサセプター上に設置し、真空排気した
後、７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気において１０５０℃で１
５分間加熱して基板表面のクリーニングを行う。６００
℃まで冷却した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を２
０μモル／分、アンモニアを２．５Ｌ／分、キャリア水
素を２Ｌ／分流して多結晶状態のＧａＮバッファ層２を
５０ｎｍ堆積する。次に、ＴＭＧの供給のみを停止し、
温度を９５０℃まで昇温した後、ＴＭＧを２０μモル／
分、モノシランを１０ｃｃ／分供給し、さらに基板温度
を１０５０℃、１０９０℃に段階的に昇温してｎ−Ｇａ
Ｎ単結晶層３を形成する。その後、トリメチルアルミニ
ウム（ＴＭＡ）を５μモル／分をさらに加え、ｎ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層４を堆積する。
【００１６】次に、ＴＭＡの供給を停止して再びｎ−Ｇ
ａＮガイド層５を堆積する。そして、アンモニア、水素
及び窒素の混合雰囲気中で基板温度を７５０℃に下げて
一定温度になった後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）
を１０μモル／分、ＴＭＧを１μモル／分加え、ＩｎＧ
ａＮ井戸層、続けてＴＭＩの供給を停止しＴＭＧを１０
μモル／分供給してＧａＮ障壁層を交互に作製し、Ｉｎ
ＧａＮ系活性層６を堆積する。なお、ＧａＮ障壁層には
Ｉｎが含まれていてもよい。
ａＮガイド層５を堆積する。そして、アンモニア、水素
及び窒素の混合雰囲気中で基板温度を７５０℃に下げて
一定温度になった後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）
を１０μモル／分、ＴＭＧを１μモル／分加え、ＩｎＧ
ａＮ井戸層、続けてＴＭＩの供給を停止しＴＭＧを１０
μモル／分供給してＧａＮ障壁層を交互に作製し、Ｉｎ
ＧａＮ系活性層６を堆積する。なお、ＧａＮ障壁層には
Ｉｎが含まれていてもよい。
【００１７】次に、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を停止し、ア
ンモニアと水素の混合雰囲気中で成長温度を１０９０℃
に昇温し、一定温度になった後、ＴＭＧを２０μモル／
分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍ
ｇ）を１μモル／分加え、ｐ−ＧａＮガイド層７、さら
にＴＭＡを５μモル／分加え、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層８を成長する。
ンモニアと水素の混合雰囲気中で成長温度を１０９０℃
に昇温し、一定温度になった後、ＴＭＧを２０μモル／
分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍ
ｇ）を１μモル／分加え、ｐ−ＧａＮガイド層７、さら
にＴＭＡを５μモル／分加え、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層８を成長する。
【００１８】その後、ＴＭＡの供給のみを停止し、ｐ−
ＧａＮ第二コンタクト層９、ｐ−ＧａＮ第一コンタクト
層１０を形成する。このｐ−ＧａＮ第二コンタクト層９
及びｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０の成長時における
Ｃｐ２Ｍｇの供給量はそれぞれ約１μモル／分及び約１
０μモル／分で、膜厚はそれぞれ０．５μｍ及び０．１
μｍである。最後に、青紫色半導体レーザ構造を堆積し
たウエハのｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０側にフォト
リソグラフィー技術等により選択的にＮｉ陽電極１１を
堆積する。なお、この時陽電極１１はＮｉを含む合金で
もよい。
ＧａＮ第二コンタクト層９、ｐ−ＧａＮ第一コンタクト
層１０を形成する。このｐ−ＧａＮ第二コンタクト層９
及びｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０の成長時における
Ｃｐ２Ｍｇの供給量はそれぞれ約１μモル／分及び約１
０μモル／分で、膜厚はそれぞれ０．５μｍ及び０．１
μｍである。最後に、青紫色半導体レーザ構造を堆積し
たウエハのｐ−ＧａＮ第一コンタクト層１０側にフォト
リソグラフィー技術等により選択的にＮｉ陽電極１１を
堆積する。なお、この時陽電極１１はＮｉを含む合金で
もよい。
【００１９】以上のようにして、様々な膜を堆積した
後、今度はエッチングにより半導体レーザとして機能さ
せるためのエッチング工程に移る。
後、今度はエッチングにより半導体レーザとして機能さ
せるためのエッチング工程に移る。
【００２０】まず最初に、図１におけるＮｉ陽電極１１
をエッチングマスクとして水素と塩素の混合ガスを原料
とするプラズマ雰囲気中でｐ−ＧａＮ第一、第二コンタ
クト層９、１０及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の一部
をエッチング除去する。この時、雰囲気圧力は１Ｔｏｒ
ｒ、基板温度は室温であり、水素と塩素の混合比は１対
１が好ましく、典型的なエッチングレートは約５０ｎｍ
／分である。
をエッチングマスクとして水素と塩素の混合ガスを原料
とするプラズマ雰囲気中でｐ−ＧａＮ第一、第二コンタ
クト層９、１０及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の一部
をエッチング除去する。この時、雰囲気圧力は１Ｔｏｒ
ｒ、基板温度は室温であり、水素と塩素の混合比は１対
１が好ましく、典型的なエッチングレートは約５０ｎｍ
／分である。
【００２１】次に、ＳｉＯ2等のマスクを選択的にウエ
ハに堆積し、図１に示すように、さらにｎ−ＧａＮ層３
まで選択的なエッチングを行い、その後、マスクを除去
してＡｌ陰電極１２を形成する。なお、エッチングは上
記と同様のプラズマ雰囲気中で行う。その後、図１の素
子断面がレーザ光の出射端面（共振器端面）になるよう
に、上記と同様のプラズマ雰囲気中でエッチングを行
う。この場合、この面で光を反射させて共振させること
が必要であり、１ｎｍ程度以下の凹凸の平坦性が要求さ
れる。最後に、ウエハを７００℃の窒素雰囲気中で３０
分Ｍｇを活性化させるための熱処理を行う。圧力は１気
圧である。また雰囲気ガスは窒素のみが好ましいが、水
素と窒素の混合ガスであってもよい。また、熱処理温度
は５００℃以上であればよい。
ハに堆積し、図１に示すように、さらにｎ−ＧａＮ層３
まで選択的なエッチングを行い、その後、マスクを除去
してＡｌ陰電極１２を形成する。なお、エッチングは上
記と同様のプラズマ雰囲気中で行う。その後、図１の素
子断面がレーザ光の出射端面（共振器端面）になるよう
に、上記と同様のプラズマ雰囲気中でエッチングを行
う。この場合、この面で光を反射させて共振させること
が必要であり、１ｎｍ程度以下の凹凸の平坦性が要求さ
れる。最後に、ウエハを７００℃の窒素雰囲気中で３０
分Ｍｇを活性化させるための熱処理を行う。圧力は１気
圧である。また雰囲気ガスは窒素のみが好ましいが、水
素と窒素の混合ガスであってもよい。また、熱処理温度
は５００℃以上であればよい。
【００２２】次に以下では、上記のようにして形成され
た半導体発光素子（青紫色半導体レーザ）の特性評価を
行った結果について図面を参照しながら説明する。
た半導体発光素子（青紫色半導体レーザ）の特性評価を
行った結果について図面を参照しながら説明する。
【００２３】まずＭＯＶＰＥ法によるｐ型ＧａＮ（膜厚
は０．１μｍ）におけるＭｇのドーピング特性を図２に
示す。図２からも明らかなように、Ｃｐ２Ｍｇ供給量の
増加によりＧａＮ中に取り込まれるＭｇ濃度は単調に増
加するが、ｐキャリア濃度（ホール濃度）はＭｇ濃度が
５×１０ｅ20ｃｍ-3で最高となり、これ以上取り込まれ
るとＣｐ２Ｍｇ供給量増加に対して逆に低下した。この
現象は、５×１０ｅ20ｃｍ-3以上の濃度にＭｇをドーピ
ングしてもＭｇはアクセプター不純物となるIII族サイ
トに入らず格子間位置で深い準位を形成しているためと
考えられる。しかしながら、Ｍｇ濃度を５×１０ｅ20ｃ
ｍ-3以上にするとＭｇ原子がその後の熱処理等により動
きやすい状態になっているとも言える。そこで、第二コ
ンタクト層から活性層へのＭｇの拡散が発生しないよう
に、第一コンタクト層から第二コンタクト層へのＭｇの
拡散により最終的に完成された第二コンタクト層のＭｇ
の濃度を高めるためには、Ｍｇ原子が動きやすいよう
に、第一コンタクト層には５×１０ｅ20ｃｍ-3以上の濃
度でＭｇをドーピングし、また第二コンタクト層には５
×１０ｅ20ｃｍ-3未満の濃度でＭｇをドーピングするこ
とが望ましいと言える。
は０．１μｍ）におけるＭｇのドーピング特性を図２に
示す。図２からも明らかなように、Ｃｐ２Ｍｇ供給量の
増加によりＧａＮ中に取り込まれるＭｇ濃度は単調に増
加するが、ｐキャリア濃度（ホール濃度）はＭｇ濃度が
５×１０ｅ20ｃｍ-3で最高となり、これ以上取り込まれ
るとＣｐ２Ｍｇ供給量増加に対して逆に低下した。この
現象は、５×１０ｅ20ｃｍ-3以上の濃度にＭｇをドーピ
ングしてもＭｇはアクセプター不純物となるIII族サイ
トに入らず格子間位置で深い準位を形成しているためと
考えられる。しかしながら、Ｍｇ濃度を５×１０ｅ20ｃ
ｍ-3以上にするとＭｇ原子がその後の熱処理等により動
きやすい状態になっているとも言える。そこで、第二コ
ンタクト層から活性層へのＭｇの拡散が発生しないよう
に、第一コンタクト層から第二コンタクト層へのＭｇの
拡散により最終的に完成された第二コンタクト層のＭｇ
の濃度を高めるためには、Ｍｇ原子が動きやすいよう
に、第一コンタクト層には５×１０ｅ20ｃｍ-3以上の濃
度でＭｇをドーピングし、また第二コンタクト層には５
×１０ｅ20ｃｍ-3未満の濃度でＭｇをドーピングするこ
とが望ましいと言える。
【００２４】次にＭｇを高濃度ドーピングしたｐ−Ｇａ
Ｎ第一コンタクト層からｐ−ＧａＮ第二コンタクト層及
びｐ−ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ系活性層へのＭｇの拡散
をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｙ）により調べた結果を図３
に示す。図３は青紫色半導体レーザ構造におけるＭｇ濃
度の深さ方向のプロファイルを示している。
Ｎ第一コンタクト層からｐ−ＧａＮ第二コンタクト層及
びｐ−ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ系活性層へのＭｇの拡散
をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｙ）により調べた結果を図３
に示す。図３は青紫色半導体レーザ構造におけるＭｇ濃
度の深さ方向のプロファイルを示している。
【００２５】ｐ−ＧａＮ第一コンタクト層の膜厚が０．
１μｍ以上０．５μｍ以下ではＭｇがｐ−ＧａＮ第二コ
ンタクト層に拡散して１−５×１０ｅ20ｃｍ-3の高い濃
度となりホール濃度が増大して発光効率を上昇できる。
しかしながら、特開平８−９７４７１号公報に記載され
た従来のように５００Åの膜厚でｐ型ＧａＮ第一コンタ
クト層にＭｇを高濃度ドーピングしてもＭｇの拡散はほ
とんど発生せずホール濃度が増加しないことが判明し
た。
１μｍ以上０．５μｍ以下ではＭｇがｐ−ＧａＮ第二コ
ンタクト層に拡散して１−５×１０ｅ20ｃｍ-3の高い濃
度となりホール濃度が増大して発光効率を上昇できる。
しかしながら、特開平８−９７４７１号公報に記載され
た従来のように５００Åの膜厚でｐ型ＧａＮ第一コンタ
クト層にＭｇを高濃度ドーピングしてもＭｇの拡散はほ
とんど発生せずホール濃度が増加しないことが判明し
た。
【００２６】すなわち、第一コンタクト層にＭｇを高い
濃度でドーピングしただけでは第二コンタクト層へのＭ
ｇの拡散が不十分で、コンタクト層のホール濃度を高め
ることはできず、第二コンタクト層へのＭｇの拡散を十
分に行うためには、第一コンタクト層の膜厚を従来より
も厚くすることが極めて重要であることが判明した。こ
こで、第一コンタクト層の膜厚については、図３の結果
からも明らかなように、０．１μｍ以上０．５μｍ以下
とすることが望ましいが、１μｍ以下であればよい。こ
の理由については以下に説明する。
濃度でドーピングしただけでは第二コンタクト層へのＭ
ｇの拡散が不十分で、コンタクト層のホール濃度を高め
ることはできず、第二コンタクト層へのＭｇの拡散を十
分に行うためには、第一コンタクト層の膜厚を従来より
も厚くすることが極めて重要であることが判明した。こ
こで、第一コンタクト層の膜厚については、図３の結果
からも明らかなように、０．１μｍ以上０．５μｍ以下
とすることが望ましいが、１μｍ以下であればよい。こ
の理由については以下に説明する。
【００２７】Ｍｇ濃度が１×１０ｅ21ｃｍ-3のｐ型Ｇａ
Ｎにおけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜
厚依存性を図４に示す。Ｍｇ濃度が５×１０ｅ20ｃｍ-3
以上の高濃度ドーピング領域では、格子間位置のＭｇが
多く膜厚が厚くなる程格子歪が増加し、欠陥やクラック
が生成されて結晶性を劣化させるのでホール濃度が低下
してくる。クラック密度が増大すると発光素子に電流注
入した場合リークが発生する。このことからｐ−ＧａＮ
第一コンタクト層の膜厚は１μｍ以下が好ましいと言え
る。
Ｎにおけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜
厚依存性を図４に示す。Ｍｇ濃度が５×１０ｅ20ｃｍ-3
以上の高濃度ドーピング領域では、格子間位置のＭｇが
多く膜厚が厚くなる程格子歪が増加し、欠陥やクラック
が生成されて結晶性を劣化させるのでホール濃度が低下
してくる。クラック密度が増大すると発光素子に電流注
入した場合リークが発生する。このことからｐ−ＧａＮ
第一コンタクト層の膜厚は１μｍ以下が好ましいと言え
る。
【００２８】以上本発明実施の形態１における半導体発
光素子について説明を行ったが、実際に半導体発光素子
を作成するにあたって、コンタクト層の膜厚には多少の
誤差が発生し、その誤差は通常±２０％程度である。従
って、本発明で規定した範囲内の膜厚はこの誤差を考慮
する必要性がある。
光素子について説明を行ったが、実際に半導体発光素子
を作成するにあたって、コンタクト層の膜厚には多少の
誤差が発生し、その誤差は通常±２０％程度である。従
って、本発明で規定した範囲内の膜厚はこの誤差を考慮
する必要性がある。
【００２９】なお、上述したように第二コンタクト層の
Ｍｇのドーピング濃度を１×１０ｅ 20ｃｍ-3以下にする
とホール濃度が低下してしまうため、最終的に完成され
た半導体発光素子の第二コンタクト層のＭｇのドーピン
グ濃度は１×１０ｅ20ｃｍ-3以上にすることが望まし
い。
Ｍｇのドーピング濃度を１×１０ｅ 20ｃｍ-3以下にする
とホール濃度が低下してしまうため、最終的に完成され
た半導体発光素子の第二コンタクト層のＭｇのドーピン
グ濃度は１×１０ｅ20ｃｍ-3以上にすることが望まし
い。
【００３０】（実施の形態２）次に以下では、本発明実
施の形態２における半導体発光素子について図面を参照
しながら説明する。
施の形態２における半導体発光素子について図面を参照
しながら説明する。
【００３１】上記の図２では、コンタクト層に５×１０
ｅ20ｃｍ-3以上のＭｇをドーピングするとかえってホー
ル濃度が減少する傾向を示したが、本実施の形態はコン
タクト層に５×１０ｅ20ｃｍ-3以上のＭｇをドーピング
してもキャリア濃度が減少しない方法を提供するもので
ある。
ｅ20ｃｍ-3以上のＭｇをドーピングするとかえってホー
ル濃度が減少する傾向を示したが、本実施の形態はコン
タクト層に５×１０ｅ20ｃｍ-3以上のＭｇをドーピング
してもキャリア濃度が減少しない方法を提供するもので
ある。
【００３２】図５はＭＯＶＰＥ法で作製したｐ型ＧａＮ
におけるホール濃度及びＭｇ濃度のＣｐ２Ｍｇ流量依存
性である。ＴＭＧ及びＮＨ3の供給量は上記の流量と同
一であるが、５０ｐｐｍのＳｉＨ4を５ｓｃｃｍＣｐ２
Ｍｇと同時に供給し、約１×１０ｅ19ｃｍ-3のＳｉをＭ
ｇと同時にドーピングした。Ｍｇ濃度が５×１０ｅ20ｃ
ｍ-3以上になる領域では、Ｓｉを同時ドーピングすると
ホール濃度の低下は観測されず、Ｃｐ２Ｍｇの供給と共
に最大約１×１０ｅ20ｃｍ-3近くまで増加した。これは
Ｓｉのような異種原子を同時ドープしたことにより歪が
緩和されて従来格子間位置にあった不活性なＭｇ原子が
アクセプターになりうるIII族サイトにおさまったため
と考えられる。実験からＭｇと同時ドープするＳｉの濃
度はＭｇの濃度の約１／２から１／１０程度が良いこと
がわかった。これをｐ−ＧａＮ第二コンタクト層に用い
るとホール濃度が上昇し、著しく抵抗が低減された。ま
た、同時ドーピングに用いる不純物はＳｉだけではな
く、Ｃ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ等のＩＩＩ族サイト
に入り得る元素ならいずれでも良い。
におけるホール濃度及びＭｇ濃度のＣｐ２Ｍｇ流量依存
性である。ＴＭＧ及びＮＨ3の供給量は上記の流量と同
一であるが、５０ｐｐｍのＳｉＨ4を５ｓｃｃｍＣｐ２
Ｍｇと同時に供給し、約１×１０ｅ19ｃｍ-3のＳｉをＭ
ｇと同時にドーピングした。Ｍｇ濃度が５×１０ｅ20ｃ
ｍ-3以上になる領域では、Ｓｉを同時ドーピングすると
ホール濃度の低下は観測されず、Ｃｐ２Ｍｇの供給と共
に最大約１×１０ｅ20ｃｍ-3近くまで増加した。これは
Ｓｉのような異種原子を同時ドープしたことにより歪が
緩和されて従来格子間位置にあった不活性なＭｇ原子が
アクセプターになりうるIII族サイトにおさまったため
と考えられる。実験からＭｇと同時ドープするＳｉの濃
度はＭｇの濃度の約１／２から１／１０程度が良いこと
がわかった。これをｐ−ＧａＮ第二コンタクト層に用い
るとホール濃度が上昇し、著しく抵抗が低減された。ま
た、同時ドーピングに用いる不純物はＳｉだけではな
く、Ｃ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ等のＩＩＩ族サイト
に入り得る元素ならいずれでも良い。
【００３３】図６に前記青紫色半導体レーザの電流−電
圧特性を示す。本発明のｐ−ＧａＮ第一、第二コンタク
ト層を用いると、素子の抵抗を大幅に低減でき低電圧で
動作できるレーザダイオードが作製された。
圧特性を示す。本発明のｐ−ＧａＮ第一、第二コンタク
ト層を用いると、素子の抵抗を大幅に低減でき低電圧で
動作できるレーザダイオードが作製された。
【００３４】なお、本実施の形態ではサファイア基板を
用いた青紫色半導体レーザについて説明したが、図７に
示すようなｎ型ＳｉＣ基板を用いた青紫色半導体レーザ
についても同様のコンタクト構造を用いれば、同じ効果
があることは確認済みである。
用いた青紫色半導体レーザについて説明したが、図７に
示すようなｎ型ＳｉＣ基板を用いた青紫色半導体レーザ
についても同様のコンタクト構造を用いれば、同じ効果
があることは確認済みである。
【００３５】また、本実施の形態では活性層がＩｎＧａ
Ｎ系多重量子井戸の場合で説明したが一般式がＡｌxＧ
ａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１でｘ＝０，ｙ＝０，ｚ＝０
も含む）で表される窒化ガリウム系混晶でコンタクト
層、クラッド層及び活性層を構成したレーザダイオード
や発光ダイオード等の発光素子に対しても本発明が同様
の効果をもたらすことは言うまでもない。
Ｎ系多重量子井戸の場合で説明したが一般式がＡｌxＧ
ａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１でｘ＝０，ｙ＝０，ｚ＝０
も含む）で表される窒化ガリウム系混晶でコンタクト
層、クラッド層及び活性層を構成したレーザダイオード
や発光ダイオード等の発光素子に対しても本発明が同様
の効果をもたらすことは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
ｐ型ＧａＮ第一、第二コンタクト層を用いることにより
コンタクト抵抗が低減され、かつ活性層にＭｇを拡散さ
せることなく第二コンタクト層内のホール濃度をほぼ最
大限に高めることが可能であり、低抵抗、高効率でかつ
光学的特性に優れた青紫色半導体レーザの作製が可能と
なる。
ｐ型ＧａＮ第一、第二コンタクト層を用いることにより
コンタクト抵抗が低減され、かつ活性層にＭｇを拡散さ
せることなく第二コンタクト層内のホール濃度をほぼ最
大限に高めることが可能であり、低抵抗、高効率でかつ
光学的特性に優れた青紫色半導体レーザの作製が可能と
なる。
【図１】本発明の実施の形態における半導体発光素子の
断面図
断面図
【図２】Ｍｇのドーピング量とｐ型ＧａＮのホール濃度
との関係を示す図
との関係を示す図
【図３】青紫色半導体レーザ構造におけるＭｇ濃度の深
さ方向のプロファイルを示す図
さ方向のプロファイルを示す図
【図４】Ｍｇ濃度が１×１０ｅ21ｃｍ-3のｐ型ＧａＮに
おけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜厚依
存性を示す図
おけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜厚依
存性を示す図
【図５】ＭＯＶＰＥ法で作製したｐ型ＧａＮにおけるホ
ール濃度及びＭｇ濃度のＣｐ２Ｍｇ流量依存性を示す図
ール濃度及びＭｇ濃度のＣｐ２Ｍｇ流量依存性を示す図
【図６】本発明の青紫色半導体レーザの電流−電圧特性
を示す図
を示す図
【図７】本発明の実施の形態における半導体発光素子の
断面図
断面図
【図８】従来法によるｐコンタクト層の形成時のホール
濃度範囲を示す図
濃度範囲を示す図
１ サファイア基板 ２ ＧａＮバッファ層 ３ ｎ−ＧａＮ層 ４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 ５ ｎ−ＧａＮガイド層 ６ ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層 ７ ｐ−ＧａＮガイド層 ８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 ９ ｐ−ＧａＮ第二コンタクト層 １０ ｐ−ＧａＮ第一コンタクト層 １１ Ｎｉ陽電極 １２ Ａｌ陰電極 ２１ ＳｉＣ基板 ２２ ＡｌＮバッファ層 ２３ ｎ−ＧａＮ層 ２４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２５ ｎ−ＧａＮガイド層 ２６ ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層 ２７ ｐ−ＧａＮガイド層 ２８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２９ ｐ−ＧａＮ第二コンタクト層 ３０ ｐ−ＧａＮ第一コンタクト層 ３１ Ｎｉ陽電極 ３２ Ａｌ陰電極 ３３ ＳｉＯ2絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 辻村 歩 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 長谷川 義晃 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 上山 智 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 (6)
- 【請求項１】０．１μｍ以上１．０μｍ以下の膜厚を有
するとともにｐ電極と接触する第一コンタクト層と、前
記第一コンタクト層と接するとともに前記第一コンタク
ト層より活性層側に形成された第二コンタクト層とを有
する半導体発光素子であって、前記第一コンタクト層に
前記第二コンタクト層よりも高濃度にアクセプター不純
物がドーピングされていることを特徴とする半導体発光
素子。 - 【請求項２】第一コンタクト層の膜厚が０．１μｍ以上
０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載
の半導体発光素子。 - 【請求項３】第一コンタクト層のアクセプター不純物濃
度が５×１０ｅ20ｃｍ -3以上であることを特徴とする請
求項１に記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】第二コンタクト層のアクセプター不純物濃
度が１×１０ｅ20ｃｍ -3以上５×１０ｅ20ｃｍ-3未満で
あることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
子。 - 【請求項５】ｐ電極と接触する第一コンタクト層と、前
記第一コンタクト層と接するとともに前記第一コンタク
ト層より活性層側に形成された第二コンタクト層とを有
する半導体発光素子であって、前記第二コンタクト層に
アクセプター不純物と同時にＳｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔ
ｅ、Ｃ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１つの元素を同時
ドーピングすることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項６】アクセプター不純物がＭｇであることを特
徴とする請求項１〜５いずれかに記載の半導体発光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22783597A JP3322179B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22783597A JP3322179B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1168252A true JPH1168252A (ja) | 1999-03-09 |
| JP3322179B2 JP3322179B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=16867124
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22783597A Expired - Fee Related JP3322179B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3322179B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000252591A (ja) * | 1999-02-26 | 2000-09-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 窒化物系半導体素子及びその製造方法 |
| JP2004207682A (ja) * | 2002-12-13 | 2004-07-22 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ素子およびその製造方法 |
| JP2004228489A (ja) * | 2003-01-27 | 2004-08-12 | Institute Of Physical & Chemical Research | ｐ型半導体を用いた紫外発光素子 |
| KR100475005B1 (ko) * | 2001-03-28 | 2005-03-08 | 파이오니아 가부시키가이샤 | 질화물반도체소자 |
| JP2007194410A (ja) * | 2006-01-19 | 2007-08-02 | Rohm Co Ltd | 窒化物系半導体素子の製造方法 |
| JP2009152644A (ja) * | 1998-05-08 | 2009-07-09 | Samsung Electronics Co Ltd | 化合物半導体薄膜のｐ型への活性化方法 |
| EP2445066A1 (en) * | 2002-05-30 | 2012-04-25 | Cree, Inc. | Group III nitride LED with undoped cladding layer and multiple quantum well |
| JP2012523702A (ja) * | 2009-04-08 | 2012-10-04 | エフィシエント パワー コンヴァーション コーポレーション | ＧａＮバッファ層におけるドーパント拡散変調 |
| JP2014086698A (ja) * | 2012-10-26 | 2014-05-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 窒化物半導体装置の製造方法 |
| CN104377278A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-02-25 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种p型GaN低阻值欧姆接触层的制备方法 |
| JP2015092634A (ja) * | 2012-03-13 | 2015-05-14 | 台積固態照明股▲ふん▼有限公司 | 発光装置およびその製造方法 |
-
1997
- 1997-08-25 JP JP22783597A patent/JP3322179B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| CN104377278A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-02-25 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种p型GaN低阻值欧姆接触层的制备方法 |
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