JP2000223742A - 窒素化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子において、ｐコンタクト層とのコンタクト抵抗を低減
でき、熱的に安定なｐ型電極を得ることにより、低しき
い値電流、低動作電圧で、劣化を起こさず、優れた信頼
性の実現を図る。 【解決手段】ｐ型電極としてｐコンタクト層側から順
に、コンタクト金属にAu薄膜およびAuと金属との合金、
バリア金属、パッド金属Auの少なくとも３層を積層して
形成することにより、低抵抗で熱的に安定なｐ型コンタ
クトを実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系青
紫色半導体レーザ、あるいは窒化ガリウム系高輝度青／
緑色発光ダイオードのような窒素化合物半導体素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザは、InGaAlP 材料を
用いた600nm 帯の光源によりディスクの読出／書込のい
ずれも可能なレベルに特性改善され、すでに実用化され
ている。さらなる記録密度向上を目指して、より波長の
短い青色半導体レーザが盛んに開発されている。

【０００３】そこで、より波長の短い青色半導体レーザ
として、近年、GaN 、InGaN 、GaAlN 、InGaAlN などの
窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。窒化ガ
リウム系化合物半導体として、例えば、GaN 系材料を用
いた半導体レーザでは、波長380 ―417nm のパルス発振
が確認されている。しかしながら現状では、満足な特性
が得られず、室温パルス発振におけるしきい値電圧は、
10―40Vと高い値である上にばらつきが大きく、半導体
レーザとしての特性は十分ではない。これは窒化ガリウ
ム系化合物半導体層の結晶成長が難しいことと、素子抵
抗が大きいことに起因する。

【０００４】特に、窒化ガリウム系化合物半導体素子で
は、高キャリア濃度のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
層を形成できないことと、ｐ側電極コンタクト抵抗が高
いことにより、大きな電圧降下を招き、パルス発振動作
でさえ発熱や金属反応による劣化を生じる問題がある。

【０００５】また、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体
層が良質な結晶ではなく、下層から上層への成長方向に
沿って微細な複数の孔を有する欠陥がある。このため、
レーザ発振のための電流を流すと、ｐ型窒化ガリウム系
化合物半導体層中に局所的に高い電流が流れ、活性層に
均一にキャリアを注入できないばかりか、瞬発的な素子
破壊を起こすので、連続発振に至らない。

【０００６】また、ｐ側電極金属とｐ型GaN 半導体層が
通電時に反応し、劣化をおこすためにレーザの連続発振
が困難であるという問題があった。このように、光ディ
スク等への実用に供する低しきい値電流、低しきい値電
圧で動作し、信頼性の高い窒化ガリウム系青紫色半導体
レーザを実現させるためには、電極コンタクトでの電圧
降下の抑制が重要であるものの、現状では極めて困難と
なっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように窒化ガリ
ウム系化合物半導体レーザではｐ側電極と窒素化合物半
導体層とのコンタクト抵抗が高いために、大きな電圧降
下を生じ、低しきい値電流、低動作電圧の素子の実現が
困難となっている。

【０００８】また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子では、ｐ側電極と窒素化合物半導体層が通電時に反応
し劣化をおこすためにレーザの連続発振が困難であっ
た。本発明は上記問題点を考慮してなされたもので、ｐ
側電極と窒素化合物半導体層との間に生じるコンタクト
抵抗を低くし、さらに稼動時の発熱に対しての耐熱性を
強く安定化することにより、低しきい値電流、低動作電
圧で劣化を起こさず、優れた信頼性を有する窒素化合物
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
に本発明は、ｐ型窒素化合物半導体層（Ga_x1In_y1Al_Z1N
：x1+y1+z1＝１、０≦x1、y1、z1≦１）と、このｐ型
窒素化合物半導体層上に形成されたAuあるいはAuと金属
との合金からなる金属コンタクト層と、この金属コンタ
クト層上に形成された金属バリア層と、この金属バリア
層上に形成されたｐ側電極とを具備することを特徴とす
る窒素化合物半導体素子を提供する。

【００１０】また、本発明は、前記金属バリア層は、P
t、W 、Mg、Ga、V 、Ta、Ni、Mo、Hfから選ばれる少な
くとも一つの金属をであることを特徴とする請求項１記
載の窒素化合物半導体素子を提供する。

【００１１】また、本発明は、前記金属コンタクト層
は、Pt、W 、Mg、Ga、V 、Ta、Ni、Mo、Hfから選ばれる
少なくとも一つの金属とAuとの合金であることを特徴と
する窒素化合物半導体素子を提供する。

【００１２】また、本発明は、前記ｐ型窒素化合物半導
体層と前記金属コンタクト層との間にAuを含む窒素化合
物半導体薄層を介在させたことを特徴とする窒素化合物
半導体素子を提供する。

【００１３】また、本発明は、前記金属コンタクト層
は、膜厚が20nm-50nm であることを特徴とする窒素化合
物半導体素子を提供する。また、本発明は、前記ｐ側電
極は、Auであることを特徴とする窒素化合物半導体素子
を提供する。

【００１４】従来、ｐ側電極と窒素化合物半導体層との
コンタクトにより生じるコンタクト抵抗は、界面に存在
する2eV 近い高さの障壁によるものである。本発明によ
ると、窒素化合物半導体層上に、AuあるいはAuとある金
属との合金からなる金属コンタクト層を形成することに
より、この障壁高さを低減させ、さらにｐ側電極からの
金属の拡散を、金属バリア層によって防ぐことによっ
て、ｐ側GaN コンタクト層の表面でのキャリア濃度を大
きくでき、印加時の電流は流れやすくなり、コンタクト
抵抗の低減を図れる。また、本発明では、窒素化合物半
導体層中に、金属コンタクト層からの金属が一部、熱処
理により拡散し電気的に活性化し高濃度のキャリアが望
める。

【００１５】図２は、GaN 層上に種々の10-50nm の薄膜
金属コンタクト層を形成し、この金属コンタクト層上に
Au電極を形成した場合の熱処理温度とコンタクト抵抗の
関係を示す。

【００１６】図２に示すように、金属コンタクト層の種
類や金属蒸着前のGaN 表面状態にその温度は依存する
が、熱処理によってコンタクト抵抗が最小になる温度が
ある傾向はすべて同じであった。これは、電極中のAuが
GaN 層に一部のAuが侵入したりAu層がコンタクト層とし
て働きはじめた時点でコンタクト抵抗が小さくなること
と一致する。ここで処理温度を高くするとAuのGaN 層へ
の拡散が著しくコンタクト抵抗の劣化が始まることがわ
かった。

【００１７】この実験結果より、本発明者らは、Au層あ
るいはAuと金属との合金層が窒素化合物半導体層との金
属コンタクト層として働き、Auが一部GaN 層に侵入して
も過剰には入ってはいかない構造で電極層を形成するこ
とにより低コンタクト電極層が実現できることに気がつ
いた。

【００１８】そこで、本発明では、金属コンタクト層と
して、薄層のAuあるいはAuと金属の合金を用い、さらに
金電極からの拡散を防ぐために、金属バリア層を設ける
ことで、必要以上に窒素化合物半導体膜ないにAuが拡散
していかないようにし、コンタクト抵抗を所望の値以下
に押させることを可能としている。

【００１９】また、このAu合金の仕事関数はAu単体より
も大きいためにｐ型窒素化合物半導体層とコンタクトし
たときに生じる障壁の高さはさらに低減されコンタクト
抵抗の低減が図れる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施例に係る
青色半導体レーザの概略構成を示す断面図である。

【００２１】この青色半導体レーザは、サファイア基板
１上に、GaN バッファ層２、ｎ型GaN コンタクト層３
（Siドープ、5E18/cm ³ 、４μｍ）、ｎ型Al_0。2 Ga_0。8
N クラッド層（Siドープ、5E17/cm ³ 、0.3 μｍ）４、
GaN 導波層（アンドープ、0.1μｍ）５、活性層６、ｐ
型GaN 導波層（Mgドープ、0.1 μｍ）７、ｐ型Al_0。2 Ga
_0。8 N クラッド層（Mgドープ、5E17/cm ³ 、0.3 μｍ）
８、ｐ型GaN コンタクト層（Mgドープ、1E18/cm ³ 、1
μｍ）９が順次形成された、多層構造を有している。

【００２２】この多層構造のｐ型GaN コンタクト層９上
には20nmから50nm厚のAuからなる金属コンタクト層１０
が形成され、その上に50nm厚の例えば、Pt、W 、Mg、G
a、V、Ta、Ni、Mo、Hfからなる金属バリア層１１、１μ
ｍ厚のAuからなるｐ側電極１２が順次積層されている。

【００２３】また、積層層の一部は、ｎ型GaN コンタク
ト層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３上には
ｎ型電極１３がTi／Auにより形成されている。

【００２４】次に、この青色半導体レーザの製造方法に
ついて説明する。先ず、サファイア基板１上のGaN バッ
ファ層２からｐ型GaN コンタクト層９までの各層は、１
回のMOCVD 成長により連続して形成する。

【００２５】次に、ｐ側GaN コンタクト層９の表面に幅
10μｍの領域に20-50nm 厚のAu金属コンタクト層１０、
さらに続けて50nm厚のPt、W 、Mg、Ga、V 、Ta、Ni、M
o、Hfなどの金属からなる金属バリア層１１、1 μｍ厚
のAu電極１２を順次スパッタ蒸着する。次に750 ℃窒素
雰囲気で熱処理をすると20-50nm 厚のAu金属コンタクト
層１０のいくらかがp 型GaN コンタクト層9 表面に拡散
し、いくらかのAuはその上の金属バリア層１１と反応し
てAu- 金属の合金を形成して安定する。熱処理温度とし
ては、好ましくは３５０℃から８００℃である。

【００２６】金属バリア層１１は、50nm厚あるため最上
層のAu電極１２が熱処理によってGaN 層まで拡散するこ
とはない。次に、ｐ側電極１２を含んだメサ形状をエッ
チングにより形成し、メサ下部に現れたｎ型GaN コンタ
クト層３上にTi/Au によりｎ側電極13を形成する。ただ
しｎ側電極１３形成の後にｐ電極を形成してもよい。

【００２７】次に、サファイア基板１を50μｍ厚まで鏡
面研磨し、ｐ側電極の長手方向に対して垂直方向にへき
開し、１mm長の青色半導体レーザチップを形成する。こ
の青色半導体レーザは、しきい値電流80mAで室温連続発
振した。発振波長は420nm 、動作電圧は７Ｖであり、さ
らに50℃、30mW駆動における素子寿命は5000時間であっ
た。

【００２８】この青色半導体レーザの電流電圧特性を図
５に示す。図５の曲線５１が本発明による青色半導体レ
ーザの特性であり、比較とし曲線５２に、Pt/Ti/Pt/Au
を電極として用いた場合の青色半導体レーザの電流電圧
特性を示した。図５から明らかなように、本発明では、
良好なダイオード特性を示しているが、比較例では、完
全なダイオード特性となっておらず、また電圧の立ち上
がりも15V 程度と非常に高くなっており、発光は確認で
きたが数分で劣化した。

【００２９】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態にかかる青色半導体レーザについて説明す
る。

【００３０】図３は、この青色半導体レーザの概略構成
を示す断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付
してその詳しい説明は省略する。この青色半導体レーザ
では、金属コンタクト層１４として、Auと金属との合金
を用いた。この製造方法は、MOCVD 法により、サファイ
ア基板１上に、窒素化合物半導体層２から9 まで成長し
た後、金属コンタクト層１４としてPtやW などを10nm形
成する。その後Au層を20nmと薄く形成する。続けて50nm
厚の金属バリア層１１、さらにｐ側電極１２としてAuを
100 μｍ厚蒸着し、700 ℃の窒素雰囲気中で熱処理をす
る。この熱処理によって金属コンタクト層１４はAuとP
t、W 、Mg、Ga、V 、Ta、Ni、Mo、Hfからなる金属と合
金化される。

【００３１】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態にかかる青色半導体レーザについて説明す
る。

【００３２】図４は、この青色半導体レーザの概略構成
を示す断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付
してその詳しい説明は省略する。この青色半導体レーザ
では、金属コンタクト層１５として、Au薄膜層１０１と
Auと金属との合金層１０２の積層構造を用いた。この製
造方法は、MOCVD 法により、サファイア基板１上に、窒
素化合物半導体層２から9 まで成長した後、金属コンタ
クト層１４として、20nm厚のAu薄膜層１０１、AuとPt、
W 、Mg、Ga、V 、Ta、Ni、Mo、Hfからなる合金を10nm厚
形成する。続けて50nm厚の金属バリア層１１、さらにｐ
側電極１２としてAuを100 μｍ厚蒸着し、700 ℃の窒素
雰囲気中で熱処理をする。

【００３３】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態にかかる青色半導体レーザについて説明す
る。

【００３４】図６は、この青色半導体レーザの概略構成
を示す断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付
してその詳しい説明は省略する。この青色半導体レーザ
では、Au薄膜からなる金属コンタクト層１０直下のGaN
コンタクト層９中に、Auを含むGaN 領域１１０が形成さ
れている。この製造方法は、第1 の実施の形態と同じ半
導体レーザ構造を形成後、700 ℃窒素雰囲気での熱処理
を700 ℃以上、例えば、800 ℃窒素雰囲気中で20秒熱処
理を行うと、ｐ型GaN コンタクト層９と金属コンタクト
層１０との間に、Auを含む合金薄層１１０ができる。こ
れによって、さらに、コンタクト抵抗の低抵抗化が可能
となった。

【００３５】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態に係る青色半導体レーザについて説明す
る。図７は、この青色半導体レーザの概略構成を示す断
面図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその
詳しい説明は省略する。

【００３６】この青色半導体レーザは、ｐ型GaN 層９の
上にコンタクト層としてｐ型In_0。1Ga_0。9 N 層70を挿入
した。本レーザの場合ｐ型InGaN 層はｐ型GaN 結晶9 よ
りバンドギャップが狭いためにショットキー障壁が低く
なり、電極コンタクト抵抗が実施例１に比べて20% の低
減ができた。この構造では、バンドギャップの狭いｐ型
InGaN 結晶をコンタクト層としてAu金属コンタクト層１
０との間に挿入したので、第１の実施の形態の効果に加
え、ｐ側電極とのコンタクト抵抗を一層低減させること
ができ、もって、動作電圧の低減化などを図ることがで
きる。

【００３７】本発明は、上述した実施の形態に限られる
ものではなく、半導体層の組成や膜厚、さらには導電性
が逆の構造であってもよい。また、発光素子以外にも、
受光素子や、トランジスタなどの電子デバイスにも適用
可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、ｐ型GaN コンタクト層
の上に、金属コンタクト層、金属バリア層、ｐ側電極を
形成することによって、低抵抗で熱的に安定なｐ型電極
を実現できることができる。これにより、低しきい値電
流、低動作電圧で劣化を起こさず、優れた信頼性を有す
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例を示す青色半導体レー
ザの概略構成を示す断面図。

【図２】 GaN 層上に種々の10-50nm の薄膜金属コンタ
クト層を形成し、この金属コンタクト層上にAu電極を形
成した場合の熱処理温度とコンタクト抵抗の関係を示す
図。

【図３】 本発明の第２の実施例を示す青色半導体レー
ザの概略構成を示す断面図。

【図４】 本発明の第３の実施例を示す青色半導体レー
ザの概略構成を示す断面図。

【図５】 図１に示す青色半導体レーザの電流電圧特性
を比較例とともに示すグラフ。

【図６】 本発明の第４の実施例を示す青色半導体レー
ザの概略構成を示す断面図。

【図７】 本発明の第５の実施例を示す青色半導体レー
ザの概略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１・・・ サファイア基板 ２・・・GaNバッファ層 ３・・・ ｎ型GaN コンタクト層 ４・・・ ｎ型Al_0.2 Ga_0.8 N クラッド層 ５・・・ ｎ型GaN 導波層 ６・・・ 活性層 ７・・・ ｐ型GaN 導波層 ８・・・ ｐ型Al_0.2 Ga_0.8 N クラッド層 ９・・・ ｐ型GaN コンタクト層 １０・・・ 金属コンタクト層 １０１・・・Au 薄膜電極層 １０２・・・Au と金属の合金層 １１０・・・Au を含むGaN 層 １１・・・ 金属バリア層 １２・・・ ｐ側電極 １３・・・ ｎ側電極 ７０・・・ ｐ型InGaN コンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA09 AA22 CA34 CA40 CA46 CA74 CA83 CA85 CA92 5F073 AA74 BA06 CA07 CA17 CB10 CB22 DA16 EA07 EA28

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｐ型窒素化合物半導体層（Ga_x1In_y1Al_Z1N
   ：x1+y1+z1＝１、０≦x1、y1、z1≦１）と、 このｐ型窒素化合物半導体層上に形成されたAuあるいは
   Auと金属との合金からなる金属コンタクト層と、 この金属コンタクト層上に形成された金属バリア層と、 この金属バリア層上に形成されたｐ側電極とを具備する
   ことを特徴とする窒素化合物半導体素子。
2. 【請求項２】前記金属バリア層は、Pt、W 、Mg、Ga、V
   、Ta、Ni、Mo、Hfから選ばれる少なくとも一つの金属
   をであることを特徴とする請求項１記載の窒素化合物半
   導体素子。
3. 【請求項３】前記金属コンタクト層は、Pt、W 、Mg、G
   a、V 、Ta、Ni、Mo、Hfから選ばれる少なくとも一つの
   金属とAuとの合金であることを特徴とする請求項１ある
   いは請求項２記載の窒素化合物半導体素子。
4. 【請求項４】前記ｐ型窒素化合物半導体層と前記金属コ
   ンタクト層との間にAuを含む窒素化合物半導体薄層を介
   在させたことを特徴とする請求項１、請求項２あるいは
   請求項３記載の窒素化合物半導体素子。
5. 【請求項５】前記金属コンタクト層は、膜厚が20nm-50n
   m であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項
   ３あるいは請求項４記載の窒素化合物半導体素子。
6. 【請求項６】前記ｐ側電極は、Auであることを特徴とす
   る請求項１、請求項２、請求項３、請求項４あるいは請
   求項５記載の窒素化合物半導体素子。