JP2001156401A - 窒素化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ＧａＮ厚膜を窒素化合物半導体レーザ作製用
の基板として用いた場合、従来通りの技術を用いて電極
を形成しても閾値電圧がおよそ１０Ｖと大きくなるこ
と、また、電極が剥がれやすいことが問題となってい
た。 【解決手段】 本発明の窒素化合物半導体発光素子は、
窒素化合物半導体基板上に複数の窒素化合物半導体膜よ
り構成される発光素子であって、ｎ型電極１０１と窒素
化合物半導体基板１０３との間にＡｌを含有する層１０
２を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒素化合物半導体基
板上に作製する窒素化合物半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒素化合物半導体はその特性を利用し
て、発光素子やハイパワーデバイスとして利用または研
究されている。例えば、発光素子を作製する場合、その
構成する組成を調整することにより、理論的には紫色か
ら橙色までの幅の広い発光素子として利用することがで
きる。近年、サファイア基板上に窒素化合物半導体であ
るＧａＮ等の厚膜を作製し、その厚膜を基板として使用
することが試みられている。例えば、ハイドライド気相
成長（Ｈ−ＶＰＥ）法や、合成法、昇華法等といった手
法が用いられる。その中でも、有機金属気相成長（ＭＯ
ＣＶＤ）法等により成長させたＧａＮ層上にＳｉＯ₂の
マスクを設け、その上にハイドライド気相成長法（Ｈ−
ＶＰＥ）を用いてＧａＮ厚膜を形成することにより、該
厚膜が含有する転位等の格子欠陥の低減化を図る試みが
盛んに行なわれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＮ
厚膜を窒素化合物半導体レーザ作製用の基板として用い
た場合、従来通りの技術を用いて電極を形成しても閾値
電圧がおよそ１０Ｖと大きくなることが問題となってい
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の窒素化合物半導
体発光素子は、窒素化合物半導体厚膜基板と、窒素化合
物半導体厚膜基板上に形成された複数の窒素化合物半導
体膜層と、ｎ型電極、ｐ型電極より構成される窒素化合
物半導体発光素子であって、窒素化合物半導体厚膜基板
は、Ａｌを含有する窒素化合物層と窒素化合物半導体厚
膜を有し、Ａｌを含有する窒素化合物層はｎ型電極と接
する側に形成されていることを特徴とする。

【０００５】本発明の窒素化合物半導体発光素子は、Ａ
ｌを含有する窒素化合物層のＡｌの濃度が、５×１０¹⁷
ｃｍ^-3以上、１×１０²¹ｃｍ^-3以下であることを特徴と
する。

【０００６】本発明の窒素化合物半導体発光素子は、Ａ
ｌを含有する窒素化合物層の厚さｄが０＜ｄ≦１μｍで
あることを特徴とする。

【０００７】本発明の窒素化合物半導体発光素子は、Ａ
ｌを含有する窒素化合物層がｎ型電極側から順に第一領
域、第二領域を有し、第一領域は第二領域よりもＡｌ濃
度が高いことを特徴とする。

【０００８】本発明の窒素化合物半導体発光素子は、ｎ
型電極がＡｌを含有することを特徴とする。

【０００９】本発明の窒素化合物半導体発光素子は、ｎ
型電極が、Ｔｉ／Ａｌ、Ｈｆ／Ａｌであることを特徴と
する。

【００１０】本発明の光ピックアップ装置は、上記に記
載の窒素化合物半導体発光素子をもちいることを特徴と
する光ピックアップ装置。

【００１１】なお、本発明において、窒素化合物半導体
厚膜基板とは、Ａｌを含有する窒素化合物層と窒素化合
物半導体厚膜より成るものとする。また、本発明で記載
の厚膜とは、特に断りがない限り２０μｍ以上の厚膜を
指すものとする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明を詳細に説明する。

【００１３】図１に本実施例で作製したレーザの構造を
示す。図１は、下方からＡｌ／Ｔｉ電極（１０１）、Ａ
ｌドープＧａＮ層（１０２；１０２ａを第一領域とす
る）、ＧａＮ厚膜（１０３）、ｎ型ＧａＮ層（１０
４）、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層（１０５）、ｎ
型ＧａＮ光伝搬層（１０６）、多重量子井戸（１０
７）、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層（１０
８）、ｐ型光伝搬層（１０９）、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
クラッド層（１１０）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（１１
１）、および、Ａｕ／Ｐｄ電極（１１２）から成る。

【００１４】まず、ＧａＮ厚膜基板（ＡｌドープＧａＮ
層（１０２）＋ＧａＮ厚膜（１０３））の製造方法につ
いて説明する。（０００１）面を有するサファイア基板
を洗浄した後、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内
に導入し、水素（Ｈ₂）雰囲気の中で、約１１００℃の
高温でクリーニングを行う。その後、降温して、キャリ
アガスとしてＨ₂を１０l／ｍｉｎ流しながら、６００℃
でアンモニア（ＮＨ₃）とトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）をそれぞれ５l／ｍｉｎ、２０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入
して、約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バッファー層を成
長する。低温バッファー層としては、ＧａＮに限らず、
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ₃を
使用して、ＡｌＮ膜やＧａＡｌＮ膜、および、ＡｌＮ膜
を成長した後ＧａＡｌＮを成長した膜を用いてもなんら
影響はない。

【００１５】その後、一旦ＴＭＧの供給を停止し、再び
約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１００ｍｏｌ／
ｍｉｎ導入すると同時に、ＴＭＡを５００ｎｍｏｌ／ｍ
ｉｎ供給して０．５μｍ厚みのＡｌドープＧａＮ層（１
０２）（Ａｌ濃度が約８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）を１０分
間成長した。その後、ＴＭＧ及びＮＨ₃の供給を停止
し、室温まで降温し、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）を
成長したサファイア基板を取り出す。

【００１６】次に、上記方法で作製したＡｌドープＧａ
Ｎ層（１０２）上に、厚膜を成長する際にクラックが生
じないように、厚さ０．２μｍ程度で、幅７μｍ、間隔
１０μｍのストライプ状のＳｉＯ₂からなる成長抑制膜
を形成し、その上にＨ−ＶＰＥ法で選択成長を行って平
坦なＧａＮ厚膜を成長する。本実施の形態の成長抑制膜
は、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）、または、スパッタリ
ング法により蒸着した。その後、フォトリソグラフィで
ストライプパーターンを形成し、フッ酸で不要なＳｉＯ
₂パターンをエッチング除去した。

【００１７】次に、ハイドライド気相成長（Ｈ−ＶＰ
Ｅ）法によるＧａＮ厚膜（１０３）の成長方法を記述す
る。上述した方法で作製したストライプ状の成長抑制膜
を有するＡｌドープＧａＮ層（１０２）を成長したサフ
ァイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。窒素（Ｎ
₂）キャリアガスとＮＨ₃をそれぞれ５l／ｍｉｎ流しな
がら基板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、
基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ
の厚膜（１０３）の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５
０℃に保持されたＧａ金属に塩酸（ＨＣｌ）ガスを流す
ことにより生成される。

【００１８】また、基板近傍まで単独で配管してある不
純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことに
より、任意に成長中に不純物のドーピングを行うことが
できる。本実施例ではＳｉをドーピングする目的で、成
長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２０
０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給してＳｉをドープしたＧａＮ厚
膜（１０３、Ｓｉ不純物濃度約３．８×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を成長した。尚、Ｓｉのドーピングに関しては、ＳｉＨ
₄に限らず、モノクロロシラン（ＳｉＨ₃Ｃl）、ジクロ
ロシラン（ＳｉＨ₂Ｃl₂）、トリクロロシラン（ＳｉＨ
Ｃｌ₃）等、他の原料を使用してもよい。上記方法で、
３時間の成長を行い、膜厚が約３５０μｍのＧａＮ厚膜
（１０３）を成長した。

【００１９】ＧａＮ厚膜成長後、研磨によりサファイア
基板とＧａＮ低温バッファ層を除去し、ＧａＮ厚膜基板
を得た。以上の様にして得られたＧａＮ厚膜基板上に、
ＭＯＣＶＤ法により発光素子構造を成長する。

【００２０】以下、ＧａＮ厚膜基板上に青紫色レーザ構
造を成長した例について記述する。

【００２１】まず、ＧａＮ厚膜基板をＭＯＣＶＤ装置内
に導入し、Ｎ₂とＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しなが
ら約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリ
アガスをＮ₂からＨ₂に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ
／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、
ｎ型ＧａＮ層（１０４）を約４μｍ成長する。その後、
ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡ
を４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎクラッド層（１０５）を０．５μｍの厚さになるよう
に成長する。ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層の成長が
終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μ
ｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型のＧａＮ光伝搬層（１
０６）を０．１μｍの厚さになるように成長する。その
後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスをＨ₂から
Ｎ₂に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原
料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏ
ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、Ｉ
ｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる４ｎｍ厚の障壁層を成長す
る。その後、ＴＭＩの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増
加し、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる２ｎｍ厚の井戸層を成
長する。井戸層は合計３層、同様の手法で成長を行い、
井戸層と井戸層との間及び両側には合計４層の障壁層が
存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）（１０７）を成
長する。ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩ及びＴＭＧ
の供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリ
アガスを再びＮ₂からＨ₂に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏ
ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドー
ピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウ
ム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、２０ｎ
ｍ厚のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層（１０
８）を成長する。キャリアブロック層の成長が終了する
と、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μ
ｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、０．１μｍの厚さのｐ型光
伝搬層（１０９）を成長する。その後、ＴＭＧの供給を
５０μｍ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍ
ｉｎ導入し、０．４μｍ厚のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラ
ッド層（１１０）を成長し、最後に、ＴＭＧの供給を１
００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止
し、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層（１１１）
の成長を行い発光素子構造の成長を終了する。成長が終
了すると、ＴＭＧ及びＣｐ₂Ｍｇの供給を停止して降温
し、室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出す。

【００２２】本レーザ構造を有する膜の最表面（成長終
端面）の表面粗さの平均値（Ｒａ）は約８ｎｍであり、
大変良好な平坦性を示した。

【００２３】その後、ドライエッチング装置を用いて、
ｐ型ＧａＮコンタクト層を５μｍ幅のストライプ状に残
して、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層までエッチング
を行い、光導波路を形成した後、ｐ型ＧａＮコンタクト
層（１１１）部分にＡｕ／Ｐｄ電極（１１２）を、ま
た、ＧａＮ厚膜基板の裏面（ＡｌドープＧａＮ層（１０
２）の裏面）に、Ｔｉ／Ａｌ電極（１０１）をそれぞれ
形成し、最後に劈開あるいはドライエッチング法を用い
て共振器長が約１ｍｍとなるようにして、ミラーとなる
端面を形成した。

【００２４】以上により、図１に示す窒素化合物半導体
を用いた青紫色の発光波長を有するレーザが作製でき
る。本実施形態で作製したレーザは、発振の閾値電圧が
約５Ｖ、閾値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ²であり、出力電
力３０ｍＷの条件で、約１０００時間の寿命試験を実施
したが、特性の変化は見られなかった。

【００２５】上記実施の形態においては、ｎ型電極にＴ
ｉ／Ａｌを用いたが、他に次のような電極を形成して、
特性を評価した。ｎ型電極として、ＡｌまたはＡｕの少
なくともいずれか一つと、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔ
ｃおよびＲｅのうち少なくともいずれか一つとを組合わ
せて形成した。具体的には、Ｔｉ／Ａｌ、Ｈｆ／Ａｌ、
Ｈｆ／Ａｕ等である。その結果、全ての組み合わせにお
いて閾値電圧は９Ｖ以下になり、従来例に比べて閾値電
圧が低下した。また、特に本発明の効果が顕著であった
ｎ型電極は、Ｔｉ／ＡｌとＨｆ／Ａｌ等のＡｌを含むも
のであり、それらの閾値電圧はおよそ５Ｖと大きく低下
した。。

【００２６】Ａｌを含む電極において、特に大きく閾値
電圧が低下した要因は、基板と電極の両方にＡｌを含有
しているため合金化が起こりやすく基板と電極との間に
中間生成物が形成され、キャリアの流れを阻害する障壁
が抑えられることによりオーム性接触が得られやすいこ
と、また、基板と電極とが剥がれにくくなることが考え
られる。したがって、ｎ型電極および基板にＡｌを含有
していることが良好なｎ型電極形成に効果的であった。

【００２７】また、サファイア基板上にＡｌドープＧａ
Ｎ層および厚膜のＧａＮを成長後、該サファイア基板を
剥離してから前記厚膜ＧａＮ基板上に窒素化合物半導体
発光層を積層したが、前記工程でサファイア基板を剥離
せずにＧａＮ厚膜の付いたサファイア基板を用いて窒素
化合物半導体発光素子構造を積層しても、あるいは、窒
素化合物半導体発光素子構造を積層した後に、該サファ
イア基板を剥離しても本発明と同様の効果が得られた。
サファイアを剥離せずに用いる場合は、レーザー構造の
エピタキシャル成長を行なう面にｎ電極とｐ電極の両方
を設ける。これは、サファイアが電気的絶縁性を持つた
めである。

【００２８】また、ＧａＮ厚膜基板を作製するための種
基板には、サファイアを用いたが、他にスピネル（Ｍｇ
Ａｌ₂Ｏ₄）や窒化物半導体であるＢ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ
（０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、
ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）基板等を用いることもできる。

【００２９】また、サファイア基板を除去した側の面に
は欠陥が多く、エピタキシャル成長には不向きであるた
め、この面に電極の形成を行ない、発光素子構造のエピ
タキシャル成長にはＧａＮ厚膜基板の成長を終了させた
面を用いた。

【００３０】また、ＡｌドープＧａＮ層、ＧａＮ厚膜等
の窒素化合物半導体構成元素のうち、窒素元素の一部
（１０％程度以下）を、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂで置換した材料
を用いても同様の効果が得られた。

【００３１】また、ＡｌドープＧａＮ層厚は０．５μｍ
としたが、１．０μｍ以下であることが好ましい。これ
は、ＡｌドープＧａＮ層厚が１．０μｍ以上になると結
晶性が悪化し始め、表面の凹凸が大きくなったり、クラ
ックが発生しやすくなり、素子の発光強度の低下に影響
を及ぼすためである。

【００３２】結晶成長を行う方法としては、ＭＯＣＶＤ
法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、Ｈ−ＶＰＥ法で
行うのが通例である。複数の原子層厚から成る窒素化合
物半導体層を含む半導体レーザ構造などの成長方法とし
ては、より品質の高いヘテロ接合の作製が可能なＭＯＣ
ＶＤ法を使用するのが最も一般的な方法である。また、
基板として用いる窒素化合物半導体の厚膜を成長する方
法として、Ｈ−ＶＰＥ、高圧合成法、昇華法が考えられ
ているが、大面積を分布なく成長する方法としては、Ｈ
−ＶＰＥ法が最も良好である。

【００３３】上記実施形態の実施例について以下に示
す。 （実施例１）本実施例では、図1に示す実施の形態のレ
ーザ構造において、ＧａＮ厚膜基板の一部であるＡｌド
ープＧａＮ層（１０２）のＡｌドーピング量を変化させ
た場合のレーザ特性について記述する。実施形態で示す
方法において、ＭＯＣＶＤ法で作製するＡｌドープＧａ
Ｎ層成長時のＡｌドーピングプロファイルのみを変化さ
せ、他の条件は実施形態と同様の条件でレーザーを作製
し、その特性比較を行った。

【００３４】まず、（０００１）面を有するサファイア
基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ法を用いて、実施形態で示す
方法において約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バッファー
層をサファイア基板上に成長した後、一旦ＴＭＧの供給
を停止し、再び約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約
１００ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ＴＭＡを供給して０．５
μｍ厚のＡｌドープＧａＮ層（１０２）を１０分間成長
する。この時、Ａｌの濃度が、それぞれ５×１０¹⁷ｃｍ
^-3、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、３×１０¹⁸ｃｍ^-3、５×１０¹⁸
ｃｍ^-3、８×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．２×１０¹⁹ｃｍ^-3１．
６×１０¹⁹ｃｍ ^-3、１×１０²⁰ｃｍ^-3、１×１０²¹ｃｍ
^-3及び１×１０²²ｃｍ^-3になるようにＴＭＡの供給量を
調整して、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）のＡｌ濃度が
異なる１０種類の素子を得た。

【００３５】その後、実施形態と同様の方法を用いて、
それぞれの素子のＡｌドープＧａＮ層（１０２）上にＳ
ｉＯ₂のストライプ状マスクを設け、その上にＨ−ＶＰ
ＥでＧａＮ厚膜（１０３）を成長した後、ＭＯＣＶＤで
レーザ構造を成長し、プロセス工程を経てレーザを作製
した。

【００３６】図２に本実施例で作製したレーザの閾値電
圧の値を示す。図２の縦軸は閾値電圧を示し、横軸は各
素子のＡｌドープＧａＮ層（１０２）のＡｌ濃度を示し
ている。

【００３７】図２を参照すると、Ａｌ濃度が８×１０¹⁸
ｃｍ^-3まではＡｌドープＧａＮ層のＡｌの濃度が増加す
るにしたがって閾値電圧の低下が観測される。これは、
ｎ型電極とＡｌドープＧａＮ層との接合部分で生じるシ
ョットキー障壁が低減していることにより、その影響で
閾値電圧が低くなってきていることが我々の電子線励起
電流（ＥＢＩＣ）法による観測から明らかになってい
る。

【００３８】一方、過剰にＡｌをドーピングすると、閾
値電圧の増加が観測される。この原因として、Ａｌを高
濃度にドーピングした層の上にエピタキシャル成長を行
うと結晶欠陥が増加するためであると考えられる。これ
らの欠陥は、キャリアをトラップして製造した膜の電気
的特性を損ねることが知られている他、大電流を流すよ
うなレーザーに対しては、寿命特性の劣化を招くことが
知られている。

【００３９】本実施例のＡｌドープＧａＮ層のＡｌ濃度
を変化させて作製したレーザにおいて、閾値電圧９Ｖ以
下で、電極形成後に熱処理の工程は行なわなくても発振
するのは、Ａｌ濃度は４×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０²¹
ｃｍ^-3以下の範囲であった。

【００４０】次に、図３に本実施例で作製したレーザに
電極を形成した後、熱処理工程を行なった場合の閾値電
圧の値を示す。図３より、電極部の熱処理により閾値電
圧がさらに低減してしており、Ａｌのドーピング濃度が
低い素子ほどその効果が顕著であることが分かった。熱
処理を行った場合、閾値電圧９Ｖ以下で発振するのは、
ＡｌドープＧａＮ層（１０２）のＡｌ濃度が５．０×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上 １．０×１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲であ
った。 （実施例２）本実施例では、図1に示す実施の形態のレ
ーザ構造において、ＧａＮ厚膜基板の一部であるＡｌド
ープＧａＮ層（１０２）の層厚を変化させた場合のレー
ザ特性について記述する。実施形態で示す方法におい
て、ＭＯＣＶＤ法で作製するＡｌドープＧａＮ層の厚さ
のみを変化させ、他の条件は実施形態と同様の条件で数
種のレーザーを作製し、その特性比較を行った。

【００４１】まず、（０００１）面を有するサファイア
基板を洗浄し、実施形態で示す方法において約２０ｎｍ
の厚みのＧａＮ低温バッファー層をサファイア基板上に
成長した後、一旦ＴＭＧの供給を停止し、再び約１０５
０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１００ｍｏｌ／ｍｉｎ導
入し、ＴＭＡを５００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給してＡｌド
ープＧａＮ層（１０２）（Ａｌ濃度が約８．０×１０¹⁸
ｃｍ^-3）を成長した。この時、ＡｌドープＧａＮ層（１
０２）の成長時間を２分、４分、６分、８分、１０分、
６００分、７５０分、１０００分と変化させて、層厚が
それぞれ０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍ、０．４
μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、１２０μｍ、１５０μ
ｍ、２００μｍと厚さの異なるＡｌドープＧａＮ層（１
０２）を有する９種類の素子を得た。

【００４２】その後、実施形態と同様の方法を用いて、
それぞれのＡｌドープＧａＮ層（１０２）上にＳｉＯ₂
のストライプ状マスクを設け、その上にＨ−ＶＰＥでＧ
ａＮ厚膜（１０３）を成長した後、ＭＯＣＶＤでレーザ
構造を成長し、プロセス工程を経てレーザを作製した。

【００４３】図４に本実施例で作製したレーザの閾値電
圧の値を示す。図４の縦軸は閾値電圧を示し、横軸は各
素子のＡｌドープＧａＮ層（１０２）の層厚を示してい
る。

【００４４】図４を参照すると、ＡｌドープＧａＮ層
（１０２）の層厚が１．０μｍ以下のとき、閾値電圧が
８Ｖ以下となり、良好なオーミック特性を有する電極を
得ることができていることがわかった。これは、ｎ型電
極とＡｌドープＧａＮ層との接合部分で生じるショット
キー障壁が低減していることにより、その影響で閾値電
圧が低くなってきていることが我々のＥＢＩＣ法による
観測から明らかになっている。さらに熱処理を行なうこ
とにより、閾値電圧は約１Ｖ低下した。

【００４５】一方、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）の層
厚が１．０μｍ以上になると閾値電圧が９Ｖ程度に増加
するが、層厚を２００μｍ程度まで厚くしても１０Ｖ程
度に落着く。この原因として、Ａｌを含む層の厚さが
１．０μｍを境に結晶欠陥が緩やかに増加するためであ
ると考えられる。上記理由より、ＡｌドープＧａＮ層の
層厚ｄは、好ましくは０＜ｄ≦１．０μｍがよい。

【００４６】ＡｌドープＧａＮ層（１０２）の膜厚が更
に薄く、０．５μｍ以下になると閾値電圧は５Ｖ以下と
なるため、さらに好ましい。 （実施例３）本願の他の実施例について述べる。本願で
効果が確認されたＡｌドープＧａＮ層（１０２）の厚さ
方向のＡｌドープ濃度プロファイルを図５と図６に示
す。

【００４７】図５は、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）に
おいて、Ａｌ濃度が異なる領域が２つ存在する。Ａｌを
含む領域（１０２ａ：第一領域、Ａｌ濃度が約８．０×
１０ ¹⁸ｃｍ^-3）とＡｌの濃度が第一領域のそれより低い
領域（１０２ｂ、Ａｌ濃度が約４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）
から成り、エピタキシャル成長を行う面に向かってＡｌ
濃度が小さくなっている場合である。本実施例における
図５では、Ａｌの濃度が低い領域である第二領域のＡｌ
の濃度は第一領域のそれよりも小さければ良い。Ａｌド
ープＧａＮ層（１０２）とＧａＮ厚膜（１０３）との間
の格子不整合はＡｌの含有量が多いと大きくなることか
ら、ＧａＮ厚膜（１０３）と接する側にＡｌの濃度が低
い領域である第二領域を設けることで、格子不整合によ
る歪応力が徐々に緩和されて表面モホロジーが向上し、
閾値電流密度は０．８ｋＡ／ｃｍ ²であった。

【００４８】一方、電極を形成する領域である第一領域
（１０２ａ）のＡｌ濃度とその厚みｄの範囲は、実施
例１および実施例２と同様で、それぞれ５．０×１０¹⁷
ｃｍ ^-3以上、１．０×１０²¹ｃｍ^-3以下、特に好ましく
は４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１．０×１０²¹ｃｍ^-3以
下、０＜ｄ≦１．０μｍ以下で効果的であり実施形態で
示した方法で製造したレーザと同等の閾値電圧、及び閾
値電流密度を有する良好な寿命特性のレーザが得られ
た。

【００４９】図６は、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）
が、４つの異なるＡｌ濃度領域から構成されていて、エ
ピタキシャル成長を行う面から順に、第１領域（１０２
ｃ：Ａｌ濃度が約８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第２領域
（１０２ｄ、Ａｌ濃度が約６．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第
３領域（１０２ｅ、Ａｌ濃度が約４．０×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）、第４領域（１０２ｆ、Ａｌ濃度が約２．０×１
０¹⁸ｃｍ^-3）とし、第１領域が最もＡｌ濃度が高い場合
である。図５のＡｌドーピングプロファイルと同様に、
エピタキシャル成長を行う面に向かってＡｌ濃度が小さ
くなっている。特に、第１領域（１０２ｃ）にｎ型電極
を形成すると、熱処理を行わなくとも最もオーミック接
合が得られやすく、表面モホロジーも良好であり、実施
の形態の効果と同様の結果が得られた。表面モホロジー
が良好なのは、Ａｌの濃度がエピタキシャル成長を行う
面に向かって徐々に小さくなることにより、格子不整合
による歪応力が徐々に緩和されているためであると考え
られる。電極が形成されるＡｌドープ領域（１０２ｃ）
のＡｌ濃度とその厚みｄの範囲は、実施例１および実施
例２の第一領域と同様で、それぞれ５．０×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上１．０×１０²¹ｃｍ^-3以下、好ましくは４．０×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．０×１０²¹ｃｍ^-3以下、０＜ｄ≦
１．０μｍ以下で効果的であり、電極形成後の熱処理を
行わなくとも実施形態で示した方法で製造したレーザと
同等の閾値電圧及び閾値電流密度を有する良好な寿命特
性のレーザが得られた。

【００５０】図５と図６に示したＡｌ濃度プロファイル
以外にも、ＡｌドープＧａＮ層１０２を構成している複
数の異なるＡｌ濃度領域が、エピタキシャル成長を行う
面から順に、第１領域、第２領域、・・、第ｎ領域（ｎ
は２以上の整数）とするとき、第ｎ−１領域のＡｌ濃度
が第ｎ領域よりも高いとき、実施例１および実施例２の
第一領域と同様の結果が得られ、電極形成後の熱処理も
行う必要はなかった。また、本実施例においては、ステ
ップ状にＡｌをドーピングしたが、連続的なドーピング
プロファイルでも良い。 （実施例４）本実施例では、ＧａＮ厚膜基板上のレーザ
構造のエピタキシャル成長を行う面側にｎ型電極とｐ型
電極の両方を設けて製造したレーザの例について記述す
る。図７に本実施例で製造したレーザの構造を示す。

【００５１】図７は、Ａｌ／Ｔｉ電極（１０１）、Ｇａ
Ｎ厚膜（１０３）、ＡｌドープＧａＮ層（１０２ａ）、
ｎ型ＧａＮ層（１０４）、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッ
ド層（１０５）、ｎ型ＧａＮ光伝搬層（１０６）、多重
量子井戸（１０７）、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブ
ロック層（１０８）、ｐ型光伝搬層（１０９）、ｐ型Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層（１１０）、ｐ型ＧａＮコン
タクト層（１１１）、および、Ａｕ／Ｐｄ電極（１１
２）から成る。なお、ＡｌドープＧａＮ層（１０２ａ）
は、実施の形態における図１のＡｌドープＧａＮ層（１
０２）と成長方法が同様である。

【００５２】まず、（０００１）面を有するサファイア
基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ層実施形
態で示す方法と同様に約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バ
ッファー層をサファイア基板上に成長した後、一旦ＴＭ
Ｇの供給を停止し、再び約１０５０℃まで昇温して、Ｔ
ＭＧを約１００ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、１時間で約３μ
ｍの厚さのアンドープＧａＮ層を成長する。次に、Ｈ−
ＶＰＥ法により３５０μｍのＧａＮ厚膜（１０３）を成
長する。その後、ＭＯＣＶＤ法においてレーザ構造を成
長する前に、成長温度が約１０５０℃においてＴＭＧを
約１００ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを２００ｎｍｏｌ／ｍ
ｉｎ供給してＡｌドープＧａＮ層（１０２ａ：第一領
域、Ａｌ濃度が約８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）を１０分間成
長し、０．５μｍ厚のＡｌドープＧａＮ層（１０２）を
形成する。その後、実施形態と同様の方法を用いてＭＯ
ＣＶＤでレーザ構造を成長し、プロセス工程を経てレー
ザを作製した。

【００５３】本方法は、図７に示すように、レーザ構造
をエピタキシャル成長した後、反応性イオンエッチング
等の方法により、ＧａＮ厚膜（１０３）の直上に位置す
るＡｌドープＧａＮ層（１０２ａ：第一領域）が露出す
るまでエッチングを行ってｎ型のＴｉ／Ａｌ電極（１０
１）を形成した。

【００５４】電極が形成されるＡｌドープＧａＮ層（１
０２ａ）のＡｌ濃度とその厚みの範囲ｄは、実施例１お
よび実施例２の第一領域と同様で、それぞれ５．０×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上１．０×１０²¹ｃｍ^-3以下、特に好まし
くは４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．０×１０²¹ｃｍ^-3以
下、０＜ｄ≦１．０μｍ以下で効果的であり、実施形態
で示した方法で製造したレーザと同等の閾値電圧、及び
閾値電流密度を有する良好な寿命特性のレーザが得られ
た。 （実施例５）本実施例では、図１の実施の形態と同様の
構造で、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）をＨ−ＶＰＥ法
で製造したレーザについて記述する。ＧａＮ層まず、
（０００１）面を有するサファイア基板を洗浄し、ＭＯ
ＣＶＤ法を用いて、実施形態で示す方法と同様に約２０
ｎｍの厚みのＧａＮ低温バッファー層をサファイア基板
上に成長した後、一旦ＴＭＧの供給を停止し、再び約１
０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１００ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ導入し、１時間で約３μｍの厚さのアンドープＧａＮ
層を成長する。その後、アンドープＧａＮ層上に厚膜を
成長する際にクラックが生じないように厚さ０．２μｍ
程度で、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状にＳｉ
Ｏ₂からなる成長制御膜を形成する。上述した方法で作
製したストライプ状の成長抑制膜を有し、アンドープＧ
ａＮ層を成長したサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内
に導入する。次に、Ｈ−ＶＰＥ法により３５０μｍのＧ
ａＮ厚膜基板を成長する。以下、Ｈ−ＶＰＥ法によるＡ
ｌドープＧａＮ層（１０２）、ＧａＮ厚膜（１０３）の
成長方法を記述する。

【００５５】まず、Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃をそれぞれ
５l／ｍｉｎ流しながら基板の温度を約１０５０℃まで
昇温する。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍ
ｉｎ導入して、成長開始から１分間ＴＭＡを供給し、厚
さが約１μｍのＡｌドープＧａＮ（１０２：Ａｌ濃度約
８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長する。

【００５６】一般に、Ｈ−ＶＰＥ装置の反応管は石英製
のものを使用するが、Ａｌの塩化物は石英と激しく反応
するのでＡｌを含んだ層の成長には向かない。そこで、
本実施例では、反応管にグラファイト材を用い、配管は
グラファイトをＳｉＣでコートしたものを用いた。尚、
反応管の材料は、Ａｌの塩化物を反応しないものであれ
ば他の材料を使用しても良い。

【００５７】次に、ＴＭＡの供給を止め、、Ｎ₂キャリ
アガスとＮＨ₃をそれぞれ５l／ｍｉｎ、ＧａＣlを１０
０ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ厚膜（１０３）の成長を
開始する。合計３時間の成長を行い、膜厚の合計が約３
５０μｍのＡｌドープＧａＮ層（１０２）とＧａＮ厚膜
（１０３）のを成長した。成長後、研磨によりサファイ
ア基板、ＧａＮ低温バッファ層、アンドープＧａＮ層を
除去し、ＧａＮ厚膜基板を得た。その後、実施形態と同
様の方法を用いて、ＭＯＣＶＤでレーザ構造を成長し、
プロセス工程を経てレーザを作製した。

【００５８】その結果、実施形態で示した方法で製造し
たレーザと同等の閾値電圧、及び閾値電流密度を有する
良好な寿命特性のレーザが得られた。

【００５９】本実施例においては、ＡｌドープＧａＮ層
（１０２）のＡｌ濃度の範囲は、実施例１および実施例
２の第一領域と同様で、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．
０×１０²¹ｃｍ^-3以下、好ましくは４．０×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上１．０×１０²¹ｃｍ^-3以下で効果的であった。ま
た、ＡｌドープＧａＮ層（１０２）の厚さは、約０．５
μｍのものを使用したが、実施例２の第一領域と同様で
適切なＡｌドープ領域の厚さは、好ましくは０＜ｄ≦１
μｍが望ましい。

【００６０】本実施例のようなＨ−ＶＰＥ法によるＡｌ
ドープＧａＮ膜（１０２）の成長においてもＭＯＣＶＤ
法と同様に、実施例３で示したようにエピタキシャル成
長を行う面に向かってＡｌ濃度を小さくしていくと、Ａ
ｌドープ領域にｎ型電極を形成した場合、オーミック接
合が得られやすく、表面モホロジーも良好であった。 （実施例６）本実施例では、実施の形態および実施例１
から実施例５の発明を用いて作製した窒化物半導体レー
ザの半導体発光装置（光ピックアップ装置）について説
明する。例えば、本発明による青紫色（４００〜４１０
ｎｍの発振波長）窒素化合物半導体レーザは、従来の窒
素化合物半導体レーザに比べてレーザ発振閾値電圧が低
く、また、高出力（５０ｍＷ）、高温雰囲気中でも安定
して動作するため、高密度記録再生用光ディスクに適し
ている。通常、記録時は５０ｍＷで、再生時は５ｍＷ程
度である。また、上記光ディスクの他に、レーザプリン
ター、本発明の発光層を用いた光の三原色（青色、緑
色、赤色）レーザダイオードによるプロジェクター等に
も有効である。

【００６１】上述した実施形態及び実施例１〜５におい
ては、結晶成長は、Ｈ−ＶＰＥ法及びＭＯＣＶＤ法につ
いて記述したが、他の厚膜成長方法、及び、ＭＢＥ法等
のレーザ構造のエピタキシャル成長方法を用いても何ら
支障は生じない。

【００６２】また、使用する原料においても、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＮＨ₃、Ｃｐ₂Ｍｇ以外に、必要な化合
物を成長できる原料であれば支障はない。使用する不純
物に関しても、ｎ型のドーパントとしてＳｉについて記
したが、他のｎ型伝導を示す不純物に於いても、例え
ば、酸素（Ｏ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いても、
Ｓｉと同様の傾向を示すことが分かっている。

【００６３】また、本実施形態及び実施例では、発光素
子の例としてレーザを作製した例について記述したが、
発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する場合に於いても、
駆動時の電圧の低減と、表面の平坦性の向上を図るため
ことができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、閾値電圧が低く、かつ
閾値電流密度の低い良好な特性の窒素化合物半導体発光
素子が供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態により製造した窒素化合物半導体レ
ーザの一例である。

【図２】ＡｌドープＧａＮ層のＡｌ濃度と、該ＧａＮ層
を使用して製造したレーザの閾値電圧の関係を表わすグ
ラフである。

【図３】電極形成後に熱処理を行なった場合のＡｌドー
プＧａＮ層のＡｌ濃度と、該ＧａＮ層を使用して製造し
たレーザの閾値電圧の関係を表わすグラフである。

【図４】ＡｌドープＧａＮ層の層厚と、該ＧａＮ層を使
用して製造したレーザの閾値電圧の関係を表わすグラフ
である。

【図５】本願で効果のあったＡｌドープＧａＮ層におけ
る成長方向のＡｌ濃度プロファイルを示す一例である。

【図６】本願で効果のあったＡｌドープＧａＮ層におけ
る成長方向のＡｌ濃度プロファイルを示す一例である。

【図７】本実施例により製造した窒素化合物半導体レー
ザの一例である。

【符号の説明】

１０１…Ａｌ／Ｔｉ電極 １０２…ＡｌドープＧａＮ層 １０２ａ…ＡｌドープＧａＮ層のＡｌ濃度の高い領域
（第一領域） １０２ｂ…ＡｌドープＧａＮ層のＡｌ濃度が第一領域よ
りも低い領域（第二領域） １０２ｃ…Ａｌ濃度が異なる複数の領域から成るＡｌド
ープＧａＮ層において、Ａｌ濃度が最も低い領域（第一
領域） １０２ｄ…Ａｌ濃度が異なる複数の領域から成るＡｌド
ープＧａＮ層において、Ａｌ濃度が第一領域よりも低い
領域（第二領域） １０２ｅ…Ａｌ濃度が異なる複数の領域から成るＡｌド
ープＧａＮ層において、Ａｌ濃度が第二領域よりも低い
領域（第三領域） １０２f…Ａｌ濃度が異なる複数の領域から成るＡｌド
ープＧａＮ層において、Ａｌ濃度が第三領域よりも低い
領域（第四領域） １０３…ＧａＮ厚膜 １０４…ｎ型ＧａＮ層 １０５…ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層 １０６…ｎ型ＧａＮ光伝搬層 １０７…多重量子井戸 １０８…ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層 １０９…ｐ型光伝搬層 １１０…ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層 １１１…ｐ型ＧａＮコンタクト層 １１２…Ａｕ／Ｐｄ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 5/042 ６１０ Ｈ０１Ｓ 5/042 ６１０ (72)発明者 上田 吉裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 小河 淳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 津田 有三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素化合物半導体厚膜基板と、窒素化合
   物半導体厚膜基板上に形成された複数の窒素化合物半導
   体膜層と、ｎ型電極、ｐ型電極より構成される窒素化合
   物半導体発光素子であって、 窒素化合物半導体厚膜基板は、Ａｌを含有する窒素化合
   物層と窒素化合物半導体厚膜を有し、Ａｌを含有する窒
   素化合物層はｎ型電極と接する側に形成されていること
   を特徴とする窒素化合物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 Ａｌを含有する窒素化合物層は、Ａｌの
   濃度が、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、１×１０²¹ｃｍ^-3以下
   であることを特徴とする請求項１に記載の窒素化合物半
   導体発光素子。
3. 【請求項３】 Ａｌを含有する窒素化合物層は、厚さｄ
   が０＜ｄ≦１μｍであることを特徴とする請求項１に記
   載の窒素化合物半導体発光素子。
4. 【請求項４】 Ａｌを含有する窒素化合物層は、ｎ型電
   極側から順に第一領域、第二領域を有し、第一領域は第
   二領域よりもＡｌ濃度が高いことを特徴とする請求項１
   に記載の窒素化合物半導体発光素子。
5. 【請求項５】 ｎ型電極は、Ａｌを含有することを特徴
   とする請求項１に記載の窒素化合物半導体発光素子。
6. 【請求項６】 ｎ型電極は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｈｆ／Ａｌで
   あることを特徴とする請求項１に記載の窒素化合物半導
   体発光素子。
7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれかに記載の窒素
   化合物半導体発光素子をもちいることを特徴とする光ピ
   ックアップ装置。