JP4136746B2 - 窒化物系半導体の形成方法および窒化物系半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体の形成方法および窒化物系半導体素子に関し、特に、熱処理によりｐ型化を行う窒化物系半導体の形成方法および熱処理によりｐ型化された窒化物系半導体を用いる窒化物系半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ｐ型不純物が添加された窒化物系半導体上に触媒層を形成した後、熱処理を行うことにより、ｐ型化する窒化物系半導体の形成方法が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００３】
図１６は、従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１６を参照して、従来の窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【０００４】
従来の窒化物系半導体の形成方法では、図１６に示すように、サファイア基板１０１上に、ＧａＮからなるバッファ層１０２と、ＭｇをドープしたＧａＮからなる窒化物系半導体層１０５とを、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相堆積法）を用いて順次形成する。そして、窒化物系半導体層１０５上に、蒸着法を用いて、Ｎｉからなる触媒層１０７を形成する。次に、各層１０２、１０５および１０７が形成されたサファイア基板１０１に対して、窒素ガス雰囲気中で、約８００℃、約１０分間の熱処理を施す。その後、触媒層１０７をエッチングにより除去する。これにより、従来の窒化物系半導体が形成される。
【０００５】
上記従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法では、熱処理によって窒化物系半導体層１０５中の水素が触媒層１０７に向かって拡散し、水素と触媒層１０７とが反応する。これにより、窒化物系半導体層１０５中から水素が除去されるので、窒化物系半導体層１０５中のＭｇが活性化される。その結果、窒化物系半導体層１０５をｐ型化することができる。
【０００６】
図１７は、従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。図１７を参照して、従来の窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【０００７】
従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子では、図１７に示すように、サファイア基板２０１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＧａＮからなる低温バッファ層２０２、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３１、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラック防止層２３２、約０．５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｎ型クラッド層２３３、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を含む発光層２０４、および、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層２０５が順次形成されている。
【０００８】
ｐ型クラッド層２０５には、約０．３μｍの高さを有するメサ形状（台形状）の凸部２０５ａが形成されている。その凸部２０５ａの上面上には、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６が形成されている。このｐ型クラッド層２０５の凸部２０５ａと、ｐ型コンタクト層２０６とによって、電流通路部となるリッジ部が構成されている。また、ｐ型コンタクト層２０６の上面上には、ｐ側オーミック電極２０７が形成されている。
【０００９】
また、ｐ型クラッド層２０５からｎ型コンタクト層２３１までの一部の領域がエッチングにより除去されることによって、ｎ型コンタクト層２３１が露出されている。上記露出したｎ型コンタクト層２３１上には、ｎ側オーミック電極２２０およびｎ側パッド電極２２１が形成されている。
【００１０】
また、ｐ側オーミック電極２０７の上面上とｎ側オーミック電極２２０およびｎ側パッド電極２２１が形成される領域とを除く領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層２０８が形成されている。
【００１１】
そして、ｐ側オーミック電極２０７の上面および電流ブロック層２０８の上面の一部を覆うように、ｐ側パッド電極２０９が形成されている。これにより、従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。
【００１２】
ここで、この従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子においても、上記した従来の第１の例による方法と同様の方法を用いて、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６に対して、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性化によるｐ型化を行う。具体的には、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６を形成した後、ｐ型クラッド層２０５からｎ型コンタクト層２３１までの一部の領域をエッチングにより除去する前に、ｐ型コンタクト層２０６上に触媒層（図示せず）を形成する。その後、窒素ガス雰囲気中で、約８００℃の熱処理を施すことによって、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６をｐ型化する。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−１４５５１８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１７７１３４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法では、通常、約８００℃の高温で熱処理を行うため、窒化物系半導体層１０５から窒素が解離することになる。これにより、窒化物系半導体層１０５には結晶欠陥が発生するので、結晶性が低下するという問題点があった。
【００１４】
また、上記した従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子では、上記した従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を用いてｐ型化されたｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６を用いているので、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６の結晶性が悪くなるという不都合があった。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の発光特性が劣化したり、ｐ型コンタクト層２０６とｐ側オーミック電極２０７との接触抵抗が増加するという問題点があった。
【００１５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、結晶性を良好に保ったまま、ｐ型化することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することである。
【００１６】
この発明のもう１つの目的は、素子特性が良好で、かつ、ｐ側オーミック電極の接触抵抗を小さくすることができる窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、ｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層上に第１窒化物系半導体層からの水素脱離を促進する金属層を形成した後、従来よりも低温で、非常に長時間熱処理することによって窒化物系半導体層をｐ型化することができることを見い出した。
【００１８】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体の形成方法は、ｐ型不純物元素を含む第１窒化物系半導体層を形成する工程と、第１窒化物系半導体層上に、第１窒化物系半導体層からの水素脱離を促進する第１金属層を形成する工程と、不活性ガスを主たる成分とする雰囲気中において第１窒化物系半導体層および第１金属層を１０時間以上熱処理を行うことによって、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程とを備えている。
【００１９】
この第１の局面による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、窒化物系半導体層および水素脱離を促進する第１金属層を熱処理することによって、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素の拡散速度が小さくなる熱処理温度が低い場合においても、拡散してきた水素を第１金属層により容易に脱離させることができる。このため、従来よりも低温で熱処理を行うことができるので、窒化物系半導体層中の窒素が解離しにくい。また、低温で熱処理を行う場合にも、１０時間以上の熱処理を行うことにより、窒化物系半導体層中の水素を十分除去することができる。これらの結果、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体層をｐ型化することができる。
【００２０】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層は、Ｎｉ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＦｅおよびＰｄからなるグループより選択される少なくとも１つの元素を含む。このように構成すれば、上記元素は水素の脱離を促進しやすいので、従来よりも低温の熱処理であっても窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素を容易に脱離させることができる。これにより、窒化物系半導体層中の水素を除去することができるので、容易に、窒化物系半導体をｐ型化することができる。
【００２１】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層は、ＬａとＮｉ、ＭｇとＮｉ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＭｎ、および、ＴｉとＶからなるグループより選択されるいずれかの組の２種類の元素を含む。このように構成すれば、これらの組の２種類の元素を含む金属は、水素を吸蔵および放出する能力を有するとともに、その反応速度が速いいわゆる水素吸蔵合金となるので、１種類の元素からなる第１金属層に比べて、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素をより容易に脱離させることができる。これにより、窒化物系半導体層中の水素をより有効に除去することができるので、より容易に、窒化物系半導体をｐ型化することができる。
【００２２】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層の膜厚は、２０ｎｍ以下である。このように構成すれば、第１金属層中に侵入した水素は、第１金属層からさらに熱処理雰囲気中に放出されやすいので、窒化物系半導体層から第１金属層に向かって拡散しやすい。これにより、窒化物系半導体層から水素を除去しやすくなるので、さらに容易に窒化物系半導体をｐ型化することができるとともに、活性化効率を高めることができる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程を４００℃以下の温度で行う。このように構成すれば、熱処理の温度が低いので、窒化物系半導体層中の窒素が解離しにくい。その結果、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体層をｐ型化することができる。
【００２４】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程を１００時間以上行う。このように構成すれば、窒化物系半導体層中から水素をより十分に除去することができる。これにより、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体をｐ型化することができるとともに、さらに、活性化効率を高めることができる。
【００２５】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程に先立って、第１金属層と第１窒化物系半導体層との間に、第１金属層の構成元素の移動を抑制するための第２金属層を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、熱処理により第１金属層が窒化物系半導体上に偏在するのを抑制することができる。これにより、窒化物系半導体層から均一に水素を除去することができるので、窒化物系半導体を均一にｐ型化することができる。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層はＰｄを含み、第２金属層は、Ｐｔを含む。このように構成すれば、Ｐｔは第１金属層中のＰｄと窒化物系半導体との両方に対して付着性がよいので、Ｐｄが窒化物系半導体表面で偏在するのを、容易に、抑制することができる。これにより、窒化物系半導体をより均一にｐ型化することができる。
【００２７】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体素子は、上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法により形成された窒化物系半導体を用いて製造される。すなわち、この窒化物系半導体素子は、ｐ型不純物元素を含む第１窒化物系半導体層を形成する工程と、第１窒化物系半導体層上に、第１窒化物系半導体層からの水素の脱離を促進する第１金属層を形成する工程と、不活性ガスを主たる成分とする雰囲気中において第１窒化物系半導体層および第１金属層を１０時間以上熱処理を行うことによって、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程とを備えた窒化物系半導体の形成方法によって形成された窒化物系半導体を用いて製造される。なお、本発明における「窒化物系半導体素子」とは、例えば、ＬＥＤおよび半導体レーザなどの窒化物系半導体発光素子を含む広い概念である。
【００２８】
この第２の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように、窒化物系半導体層および水素の脱離を促進する第１金属層を１０時間以上の非常に長時間の熱処理を行うことによって形成されたｐ型窒化物系半導体を用いているので、従来よりも低温の熱処理を行うことができる。これにより、窒化物系半導体素子に含まれる窒化物系半導体から窒素が解離しにくくなるので、窒化物系半導体の結晶性を良好に保つことができる。その結果、窒化物系半導体素子における発光特性の劣化や電極の接触抵抗の増大を抑制することができるので、優れた特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００２９】
上記第２の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１金属層を含む電極層をさらに備えている。このように構成すれば、第１金属層を電極層として用いることができるので、第１金属層を除去する必要がない。これにより、製造工程を省略することが可能な窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００３０】
上記第２の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、ｐ型不純物元素を含まないとともに、格子定数が第１窒化物系半導体層よりも大きい第２窒化物系半導体層をさらに備えている。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層は、第２窒化物系半導体層よりも格子定数の小さい第１窒化物系半導体層により圧縮応力を受けるので、第２窒化物系半導体層にはピエゾ電界が発生する。これにより、第２窒化物系半導体層の価電子帯が上昇するので、第２窒化物系半導体層中にはホールが多く形成される。さらに、第２窒化物系半導体層の膜厚は小さいので、ｐ側電極から流れてくる電荷は第２窒化物系半導体層を容易にトンネリングすることができる。その結果、第１窒化物系半導体層と電極層との間に第２窒化物系半導体層が介在することにより、第１窒化物系半導体層と電極層との接触抵抗を低減させることができる。
【００３１】
また、第２窒化物系半導体層はｐ型不純物元素を含んでいないので第２窒化物系半導体層は良好な結晶性を有しているとともに、上記説明した熱処理温度の低温化により、その結晶性が劣化することもない。これにより、第２窒化物系半導体層は良好な結晶性を維持することができるので、第２窒化物系半導体層に発生するピエゾ電界もより大きくなる。その結果、第１窒化物系半導体層と電極層との接触抵抗をさらに低減させることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
（第１参考形態）
図１は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第１参考形態では、窒化物系半導体層上に水素の脱離を促進する金属層を形成することにより、従来よりも低い熱処理温度で窒化物系半導体層のｐ型化を行った例について説明する。
【００３４】
図１を参照して、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。この第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、図１に示すように、ＧａＮ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＭｇをドープしたＧａＮからなる窒化物系半導体層５を形成する。その後、窒化物系半導体層５上に、蒸着法を用いて、約２ｎｍ〜約５０ｎｍの膜厚を有するＬａＮｉ5からなる金属層７を形成する。ここで、窒化物系半導体層５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例であり、金属層７は、本発明の「第１金属層」の一例である。また、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例であり、ＬａおよびＮｉは、本発明の「第１金属層に含まれる元素」の一例である。次に、窒化物系半導体層５および金属層７が形成されたＧａＮ基板１に対して窒素ガス雰囲気中で、約３６０℃、約１００時間の熱処理を施す。その後、金属層７をエッチングにより除去する。これにより、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体を形成する。
【００３５】
図２は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体層のキャリア濃度と金属層７の膜厚との関係を示す特性図である。図２を参照して、上記第１参考形態による窒化物系半導体層５中のキャリア濃度は、金属層７の膜厚が約５ｎｍのときに最大値（約４．５×１０17ｃｍ-3）を示し、さらに膜厚の増加にともなって減少する傾向を示した。また、金属層７の膜厚が約２０ｎｍの場合において、金属層を形成せずに熱処理を行った場合と同等のキャリア濃度（約５×１０15ｃｍ-3）であった。
【００３６】
図２の結果より、適切な厚みを有する金属層７を形成することにより、従来より低い熱処理温度（約３６０℃）であっても、熱処理時間を約１００時間行うことによって、ｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層５をｐ型化することができることがわかった。
【００３７】
また、図２の結果より、金属層７の膜厚は、２０ｎｍ以下であるのが好ましいことがわかった。これは、金属層７の膜厚が小さいほど、窒化物系半導体層５から金属層７に向かって拡散してきた水素が金属層７からさらに外側に放出されやすいため、窒化物系半導体層５から水素を十分除去することができ、その結果、窒化物系半導体層５をｐ型化するとともに、その活性化率をより高めることができるためであると考えられる。
【００３８】
図３は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。ここでは、金属層７の膜厚は約５ｎｍと一定にして、熱処理の時間を変化させた。
【００３９】
図３を参照して、窒化物系半導体層５のキャリア濃度は、熱処理時間の増加に伴って増加することがわかった。これにより、約１０時間の熱処理により、ＬＥＤとして使用可能なレベルのキャリア濃度（約３．２×１０16ｃｍ-3）が得られることが判明した。また、約５０時間の熱処理により、半導体レーザ素子として使用可能なレベルのキャリア濃度（約１．１×１０17ｃｍ-3）が得られることがわかった。
【００４０】
また、第１参考形態において、熱処理時の雰囲気ガスとして、窒素ガス１００％に代えて、窒素ガスに２０％の水素を含むガスを用いて同様の実験を行ったが、この場合もｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層をｐ型化することができることがわかった。
【００４１】
また、図３には、比較例１として、金属層を形成せずに、約８００℃で熱処理することにより形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度も合わせて示す。上記比較例１においては、約１０分の熱処理で約４×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られているが、熱処理時間の増加とともにキャリア濃度は漸次減少し、約１００時間の熱処理で約３．４×１０17ｃｍ-3となった。これは、熱処理温度が高いため窒化物系半導体層から窒素が解離したため、窒化物系半導体層の結晶性が劣化したことが原因と考えられる。その結果、熱処理時間が約１００時間以上の場合は、第１実施形態による窒化物系半導体層の方が、比較例１よりもキャリア濃度が大きくなり、より活性化率の高いｐ型窒化物系半導体層を得ることができることがわかった。
【００４２】
図４は、比較例２による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。この比較例２では、熱処理時の雰囲気ガスとして、窒素ガス１００％に代えて酸素を約２０％含む窒素ガスを用いる以外は上記第１参考形態と同様にして、ｐ型窒化物系半導体を形成した。
【００４３】
図４を参照して、上記比較例２による窒化物系半導体層のキャリア濃度は、約３０分の熱処理では約１×１０16ｃｍ-3と第１実施形態とほぼ同程度であり、熱処理時間の増加とともにキャリア濃度が増加する傾向があることがわかる。しかしながら、約１００時間の長時間の熱処理を行った場合でも約７×１０16ｃｍ-3の小さなキャリア濃度しか得られなかった。また、上記比較例２において、金属層を形成しないで熱処理を行った場合には、約１００時間の熱処理を行っても約５×１０16ｃｍ-3のキャリア濃度しか得られなかった。さらに、上記比較例２においては、窒化物系半導体層の表面には赤色の変質層が形成された。このような表面に電極を形成した場合、オーミック接触が得られない。これにより、酸素を含む雰囲気中における熱処理は、キャリア濃度が小さく、かつ、表面の変質が生じるので、窒化物系半導体層の熱処理としては適さないといえる。
【００４４】
また、上記第１参考形態において、金属層７としてＬａＮｉ5を用いたが、これをＭｇＮｉ系材料に代えた場合においても同様の傾向を示した。具体的には、約５ｎｍの膜厚では、約１．２×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。また、約２０ｎｍの膜厚では、約３×１０15ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。このように、膜厚の増加とともにキャリア濃度が減少した。
【００４５】
さらに、上記第１参考形態において、金属層７としてＰｄを用いた場合においても同様の傾向を示した。具体的には、約５ｎｍの膜厚では、約４×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。また、約２０ｎｍの膜厚では、約５×１０15ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。このように、膜厚の増加とともにキャリア濃度が減少した。また、２０ｎｍ以上の膜厚ではほとんどｐ型化されなかった。
【００４６】
（第２参考形態）
図５は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。この第２参考形態では、本発明を、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層へ適用した例について説明する。
【００４７】
まず、図５を参照して、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。この第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図５に示すように、約１００μｍの厚さを有する酸素がドープされたｎ型の（０００１）方位を有するＧａＮ基板１１上に、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、および、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５が順次形成されている。
【００４８】
図６は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層を説明するための断面図である。図６を参照して、発光層１４は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるアンドープの量子井戸層４１ａとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるアンドープの量子障壁層４１ｂとが交互に３組積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４１と、約０．１μｍの膜厚を有するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層４２と約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とから構成されている。
【００４９】
ｐ型クラッド層１５には、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａが形成されている。その凸部１５ａの上面上には、約７０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型コンタクト層１６が形成されている。このｐ型クラッド層１５の凸部１５ａとｐ型コンタクト層１６とによって、電流通路部となるリッジ部が構成されている。また、ｐ型コンタクト層１６の上面以外の領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層１８が形成されている。
【００５０】
そして、ｐ型コンタクト層１６の上面と電流ブロック層１８の上面の一部とを覆うように、ｐ型コンタクト層１６に近い側から、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、および、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｐ側オーミック電極１９が形成されている。
【００５１】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上には、この裏面に近い側から約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０が形成されている。これにより、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。ここで、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例であり、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例である。
【００５２】
図７〜図９は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスを説明するための断面図である。以下に、図７〜図９を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスについて説明する。まず、図７に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、約０．３５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５、および、約７０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型コンタクト層１６を順次形成する。
【００５３】
なお、発光層１４は、図６に示したように、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるアンドープの量子井戸層４１ａとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるアンドープの量子障壁層４１ｂとが交互に３組積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４１、約０．１μｍの膜厚を有するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層４２、および、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３を順次積層することによって形成する。
【００５４】
次に、有機溶剤および強酸で上記各層１２〜１６が堆積されたＧａＮ基板１１を洗浄後、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ｐ型コンタクト層１６のほぼ全面上に約７ｎｍの膜厚を有するＬａＮｉ5からなる金属層１７を形成する。なお、ＬａＮｉ5からなる金属層１７は、本発明の「第１金属層」の一例であり、ＬａおよびＮｉは、本発明の「第１金属層に含まれる元素」の一例である。
【００５５】
次に、上記ＧａＮ基板１１に対して、窒素雰囲気中で約３６０℃、約１００時間の加熱処理を行うことにより、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６の活性化を行った後、金属層１７を除去する。
【００５６】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型コンタクト層１６の上にＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、その上のＳｉＯ2膜をパターニングすることによって、ｐ型コンタクト層１６の上面上の所定領域に、図８に示されるような、ＳｉＯ2からなるストライプ状のマスク５０を形成する。次に、Ｃｌ2などによるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、マスク５０が形成されていない領域のｐ型コンタクト層１６とｐ型クラッド層１５とをｐ型クラッド層１５の一部を残すようにエッチングする。これにより、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａおよびｐ型コンタクト層１６からなるリッジ部を形成する。その後、マスク５０をＨＦ系エッチャントを用いてエッチング除去する。
【００５７】
次に、図９に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とＣＦ4などによるＲＩＥ法とを用いて、ｐ型コンタクト層１６の上面上のＳｉＯ2膜を除去することにより、ＳｉＯ2からなる電流ブロック層１８を形成する。
【００５８】
さらに、図５に示したように、ＥＢ蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層１６の上面上と電流ブロック層１８の上面上および側面上に、ｐ型コンタクト層１６に近い側から約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層および約３μｍの膜厚を有するＡｕ層が順次積層されたｐ側オーミック電極１９を形成する。
【００５９】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を膜厚が約１００μｍ程度になるまで研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面をＣｌ2などによるＲＩＥ法により約１μｍエッチングする。その後、ＥＢ蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０を形成する。このようにして、第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００６０】
第２参考形態では、上記のように、ＬａＮｉ5からなる金属層１７をｐ型コンタクト層１６の上面上に形成後、窒素中で約３６０℃の低温で、約１００時間の長時間熱処理することによって、Ｍｇがドープされたｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６をｐ型化することができるので、ｐ型窒化物系半導体であるｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６から窒素が解離することを抑制することができる。これにより、結晶性の劣化を防止することができるので、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６の結晶性を良好に維持することができる。その結果、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６のキャリア濃度を高くすることができるので、素子特性が良好な窒化物系半導体レーザ素子を形成することができる。
【００６１】
（第１実施形態）
図１０は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。この第１実施形態では、熱処理時に用いた金属層を熱処理後除去せずにｐ側オーミック電極として使用するとともに、アンドープのＩｎＧａＮ層をｐ側コンタクト層として使用した例について説明する。
【００６２】
まず、図１０を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。この第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１０に示すように、約１００μｍの厚さを有する酸素がドープされたｎ型の（０００１）方位を有するＧａＮ基板１１上に、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、および、約０．０５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５が順次形成されている。なお、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例であり、ｐ型クラッド層１５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００６３】
なお、この発光層１４は、図６に示した第２参考形態の発光層１４と同様の構成を有する。
【００６４】
ｐ型クラッド層１５には、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａが形成されており、凸部１５ａの上面上には、約３ｎｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側コンタクト層２６が形成されている。このｐ型クラッド層１５の凸部１５ａとｐ側コンタクト層２６とによって、リッジ部が構成されている。ｐ側コンタクト層２６上には、ｐ側オーミック電極２７が形成されている。ここで、ｐ側オーミック電極２７は、ｐ側コンタクト層２６に近い側から、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層２７ａ、約５ｎｍの膜厚を有する第１Ｐｄ層２７ｂ、約９０ｎｍの膜厚を有する第２Ｐｄ層２７ｃ、および、約１５０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層２７ｄが順次積層されることにより形成されている。なお、ｐ側コンタクト層２６は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例であり、Ｐｄは、本発明の「水素脱離を促進する第１金属層に含まれる元素」の一例である。また、第１Ｐｄ層２７ｂは、本発明の「第１金属層」の一例であり、Ｐｔ層２７ａは、本発明の「第２金属層」の一例である。また、ｐ側オーミック電極２７の上面以外の領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＮからなる電流ブロック層２８が形成されている。
【００６５】
そして、ｐ側オーミック電極２７の上面上と電流ブロック層２８の上面上の一部とを覆うように、ｐ側オーミック電極２７に近い側から、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｐ側パッド電極２９が形成されている。
【００６６】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０が形成されている。これにより、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。
【００６７】
図１１〜図１５は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスを説明するための断面図である。以下に、図１１〜図１５を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスについて説明する。まず、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、約０．３５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５、および、約３ｎｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側コンタクト層２６を順次形成する。
【００６８】
次に、有機溶剤および強酸で上記各層１２〜１５、および、２６が堆積されたＧａＮ基板１１を洗浄した後、ＥＢ蒸着法により、ｐ側コンタクト層２６のほぼ全面に、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層２７ａ、および、約５ｎｍの膜厚を有する第１Ｐｄ層２７ｂを形成する。
【００６９】
次に、上記ＧａＮ基板１１を窒素雰囲気中で約３６０℃、約１００時間の加熱処理を行うことによって、ｐ型クラッド層１５の活性化を行う。
【００７０】
次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第１Ｐｄ層２７ｂの上面上の所定領域に、約１．５μｍの幅を有するストライプ状の開口部を有するレジスト５１を形成する。次に、全面を覆うように、約９０ｎｍの膜厚を有する第２Ｐｄ層２７ｃ、約１５０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層２７ｄ、および、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層５２を形成する。
【００７１】
次に、レジスト５１上の各層２７ｃ、２７ｄ、および、５２を、リフトオフすることにより、上記所定領域上にストライプ状の第２Ｐｄ層２７ｃ、Ａｕ層２７ｄ、および、Ｎｉ層５２を形成する。その後、Ｎｉ層５２をマスクとして、ＣＦ4などによるＲＩＥ法により、Ｎｉ層５２が形成されていない領域の第１Ｐｄ層２７ｂおよびＰｔ層２７ａをエッチングする。これにより、図１３に示されたような、Ｐｔ層２７ａ、第１Ｐｄ層２７ｂ、第２Ｐｄ層２７ｃ、および、Ａｕ層２７ｄからなるｐ側オーミック電極２７を形成する。
【００７２】
さらに、Ｃｌ2などによるＲＩＥ法により、Ｎｉ層５２が形成されていない領域のｐ側コンタクト層２６とｐ型クラッド層１５とをｐ型クラッド層１５の一部を残すようにエッチングすることにより、図１４に示すように、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａおよびｐ側コンタクト層２６からなるリッジ部を形成する。その後、Ｎｉ層５２をエッチング除去する。
【００７３】
次に、図１５に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面に、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＮ膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とＣＦ4などによるＲＩＥ法とを用いて、ｐ側オーミック電極２７の上面上のＳｉＮ膜を除去することにより、電流ブロック層２８を形成する。
【００７４】
最後に、図１０に示したように、ｐ側オーミック電極２７の上面上と電流ブロック層２８とを覆うように、ＥＢ蒸着法により、ｐ側オーミック電極２７に近い側から、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層が順次積層されたｐ側パッド電極２９を形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を膜厚が約１００μｍ程度になるまで研磨した後、上記裏面をＣｌ2などによるＲＩＥ法により約１μｍエッチングする。その後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上に、ＥＢ蒸着法により、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０を形成する。このようにして、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００７５】
第１実施形態では、上記のように、第１Ｐｄ層２７ｂとｐ側コンタクト層２６との間に、第１Ｐｄ層２７ｂとｐ側コンタクト層２６に対して密着性がよく、高融点材料であるＰｔ層２７ａを形成することによって、第１Ｐｄ層２７ｂが熱処理時にｐ側コンタクト層２６の表面を移動し偏在することを防止することができる。これにより、熱処理時においても第１Ｐｄ層２７ｂをｐ側コンタクト層２６の表面に均一に分布した状態を維持することができるので、ｐ側コンタクト層２６の下面上に位置するｐ型クラッド層１５のｐ型化を均一に行うことができる。
【００７６】
また、第１実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層１５のｐ型化処理に用いたＰｔ層２７ａおよび第１Ｐｄ層２７ｂを除去せず、そのままｐ側オーミック電極２７の一部として用いているので、製造プロセスを簡略化することができるとともに、半導体表面が汚染される機会が低減することにより、製造歩留まりを向上させることができる。
【００７７】
また、第１実施形態では、上記のように、ｐ側コンタクト層２６を、ｐ型ドーパントを含まないアンドープのＩｎＧａＮ層により形成することによって、ｐ側コンタクト層２６は、ＩｎＧａＮ層よりも格子定数の小さいｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１５により圧縮応力を受けるので、ｐ側コンタクト層２６にはピエゾ電界が発生する。これにより、ｐ側コンタクト層２６の価電子帯は上昇するので、ホールが多く形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２６の膜厚は小さいので、ｐ側コンタクト層２６上のｐ側オーミック電極２７から流れてくる電荷は、ｐ側コンタクト層２６を容易にトンネリングすることができる。その結果、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との間にアンドープのＩｎＧａＮ層からなるｐ側コンタクト層２６が介在することにより、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との接触抵抗を低減させることができる。
【００７８】
また、第１実施形態では、ｐ側コンタクト層２６はｐ型不純物元素を含んでいないので、ｐ側コンタクト層２６は良好な結晶性を有しているとともに、上記説明した熱処理温度の低温化により、その結晶性が劣化することもない。このように、ｐ側コンタクト層２６は、良好な結晶性を維持しているので、ｐ側コンタクト層２６に発生するピエゾ電界もより大きくなる。その結果、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との接触抵抗をさらに低減させることができる。
【００７９】
なお、今回開示された実施形態および参考形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および参考形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８０】
たとえば、上記各実施形態および参考形態は、第１金属層にＬａ、Ｎｉ、Ｐｄを用いたが、本発明はこれに限らず、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、および、Ｃｕなどの水素の脱離を促進する他の元素であってもよい。また、上記第１および第２参考形態では、第１金属層として、ＬａとＮｉの２種類の金属を含むＬａＮｉ5からなる金属層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＭｇとＮｉ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＭｎ、または、ＴｉとＶのいずれかの組の２種類の元素を含む金属層を用いてもよい。このように構成すれば、これらの組の２種類の元素を含む金属は、水素を吸蔵および放出する能力を有するとともに、その反応速度が速いいわゆる水素吸蔵合金となるので、１種類の元素からなる第１金属層に比べて、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素をより容易に脱離させることができる。
【００８１】
また、上記第１実施形態は、約３ｎｍの膜厚を有するｐ側コンタクト層２６を用いたが、本発明はこれに限らず、ｐ側コンタクト層２６は、上記説明したトンネリングが容易に起こる約２０ｎｍ以下の膜厚であればよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、結晶性を良好に保ったまま、ｐ型化することが可能な窒化物系半導体層の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体層のキャリア濃度と金属層の膜厚との関係を示す特性図である。
【図３】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。
【図４】 比較例２による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。
【図５】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【図６】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層を説明するための断面図である。
【図７】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図８】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図９】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図１０】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【図１１】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図１２】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図１３】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図１４】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第４工程を説明するための断面図である。
【図１５】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第５工程を説明するための断面図である。
【図１６】 従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１７】 従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
５ 窒化物系半導体層（第１窒化物系半導体層）
７ 金属層（第１金属層）
１１ 基板
１３ ｎ型クラッド層
１４ 発光層
１５ ｐ型クラッド層（第１窒化物系半導体層）
１６ ｐ型コンタクト層（第１窒化物系半導体層）
１７ 金属層（第１金属層）
１８ 電流ブロック層
１９ ｐ側オーミック電極
２０ ｎ側オーミック電極
２６ ｐ側コンタクト層（第２窒化物系半導体層）
２７ ｐ側オーミック電極
２７ａ Ｐｔ層（第２金属層）
２７ｂ 第１Ｐｄ層（第１金属層）
２８ 電流ブロック層
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体の形成方法および窒化物系半導体素子に関し、特に、熱処理によりｐ型化を行う窒化物系半導体の形成方法および熱処理によりｐ型化された窒化物系半導体を用いる窒化物系半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ｐ型不純物が添加された窒化物系半導体上に触媒層を形成した後、熱処理を行うことにより、ｐ型化する窒化物系半導体の形成方法が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００３】
図１６は、従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１６を参照して、従来の窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【０００４】
従来の窒化物系半導体の形成方法では、図１６に示すように、サファイア基板１０１上に、ＧａＮからなるバッファ層１０２と、ＭｇをドープしたＧａＮからなる窒化物系半導体層１０５とを、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相堆積法）を用いて順次形成する。そして、窒化物系半導体層１０５上に、蒸着法を用いて、Ｎｉからなる触媒層１０７を形成する。次に、各層１０２、１０５および１０７が形成されたサファイア基板１０１に対して、窒素ガス雰囲気中で、約８００℃、約１０分間の熱処理を施す。その後、触媒層１０７をエッチングにより除去する。これにより、従来の窒化物系半導体が形成される。
【０００５】
上記従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法では、熱処理によって窒化物系半導体層１０５中の水素が触媒層１０７に向かって拡散し、水素と触媒層１０７とが反応する。これにより、窒化物系半導体層１０５中から水素が除去されるので、窒化物系半導体層１０５中のＭｇが活性化される。その結果、窒化物系半導体層１０５をｐ型化することができる。
【０００６】
図１７は、従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。図１７を参照して、従来の窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【０００７】
従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子では、図１７に示すように、サファイア基板２０１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＧａＮからなる低温バッファ層２０２、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３１、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラック防止層２３２、約０．５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｎ型クラッド層２３３、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を含む発光層２０４、および、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層２０５が順次形成されている。
【０００８】
ｐ型クラッド層２０５には、約０．３μｍの高さを有するメサ形状（台形状）の凸部２０５ａが形成されている。その凸部２０５ａの上面上には、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６が形成されている。このｐ型クラッド層２０５の凸部２０５ａと、ｐ型コンタクト層２０６とによって、電流通路部となるリッジ部が構成されている。また、ｐ型コンタクト層２０６の上面上には、ｐ側オーミック電極２０７が形成されている。
【０００９】
また、ｐ型クラッド層２０５からｎ型コンタクト層２３１までの一部の領域がエッチングにより除去されることによって、ｎ型コンタクト層２３１が露出されている。上記露出したｎ型コンタクト層２３１上には、ｎ側オーミック電極２２０およびｎ側パッド電極２２１が形成されている。
【００１０】
また、ｐ側オーミック電極２０７の上面上とｎ側オーミック電極２２０およびｎ側パッド電極２２１が形成される領域とを除く領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層２０８が形成されている。
【００１１】
そして、ｐ側オーミック電極２０７の上面および電流ブロック層２０８の上面の一部を覆うように、ｐ側パッド電極２０９が形成されている。これにより、従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。
【００１２】
ここで、この従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子においても、上記した従来の第１の例による方法と同様の方法を用いて、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６に対して、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性化によるｐ型化を行う。具体的には、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６を形成した後、ｐ型クラッド層２０５からｎ型コンタクト層２３１までの一部の領域をエッチングにより除去する前に、ｐ型コンタクト層２０６上に触媒層（図示せず）を形成する。その後、窒素ガス雰囲気中で、約８００℃の熱処理を施すことによって、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６をｐ型化する。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−１４５５１８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１７７１３４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法では、通常、約８００℃の高温で熱処理を行うため、窒化物系半導体層１０５から窒素が解離することになる。これにより、窒化物系半導体層１０５には結晶欠陥が発生するので、結晶性が低下するという問題点があった。
【００１４】
また、上記した従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子では、上記した従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を用いてｐ型化されたｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６を用いているので、ｐ型クラッド層２０５およびｐ型コンタクト層２０６の結晶性が悪くなるという不都合があった。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の発光特性が劣化したり、ｐ型コンタクト層２０６とｐ側オーミック電極２０７との接触抵抗が増加するという問題点があった。
【００１５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、結晶性を良好に保ったまま、ｐ型化することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することである。
【００１６】
この発明のもう１つの目的は、素子特性が良好で、かつ、ｐ側オーミック電極の接触抵抗を小さくすることができる窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、ｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層上に第１窒化物系半導体層からの水素脱離を促進する金属層を形成した後、従来よりも低温で、非常に長時間熱処理することによって窒化物系半導体層をｐ型化することができることを見い出した。
【００１８】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体の形成方法は、ｐ型不純物元素を含む第１窒化物系半導体層を形成する工程と、第１窒化物系半導体層上に、第１窒化物系半導体層からの水素脱離を促進する第１金属層を形成する工程と、不活性ガスを主たる成分とする雰囲気中において第１窒化物系半導体層および第１金属層を１０時間以上熱処理を行うことによって、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程とを備えている。
【００１９】
この第１の局面による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、窒化物系半導体層および水素脱離を促進する第１金属層を熱処理することによって、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素の拡散速度が小さくなる熱処理温度が低い場合においても、拡散してきた水素を第１金属層により容易に脱離させることができる。このため、従来よりも低温で熱処理を行うことができるので、窒化物系半導体層中の窒素が解離しにくい。また、低温で熱処理を行う場合にも、１０時間以上の熱処理を行うことにより、窒化物系半導体層中の水素を十分除去することができる。これらの結果、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体層をｐ型化することができる。
【００２０】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層は、Ｎｉ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＦｅおよびＰｄからなるグループより選択される少なくとも１つの元素を含む。このように構成すれば、上記元素は水素の脱離を促進しやすいので、従来よりも低温の熱処理であっても窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素を容易に脱離させることができる。これにより、窒化物系半導体層中の水素を除去することができるので、容易に、窒化物系半導体をｐ型化することができる。
【００２１】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層は、ＬａとＮｉ、ＭｇとＮｉ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＭｎ、および、ＴｉとＶからなるグループより選択されるいずれかの組の２種類の元素を含む。このように構成すれば、これらの組の２種類の元素を含む金属は、水素を吸蔵および放出する能力を有するとともに、その反応速度が速いいわゆる水素吸蔵合金となるので、１種類の元素からなる第１金属層に比べて、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素をより容易に脱離させることができる。これにより、窒化物系半導体層中の水素をより有効に除去することができるので、より容易に、窒化物系半導体をｐ型化することができる。
【００２２】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層の膜厚は、２０ｎｍ以下である。このように構成すれば、第１金属層中に侵入した水素は、第１金属層からさらに熱処理雰囲気中に放出されやすいので、窒化物系半導体層から第１金属層に向かって拡散しやすい。これにより、窒化物系半導体層から水素を除去しやすくなるので、さらに容易に窒化物系半導体をｐ型化することができるとともに、活性化効率を高めることができる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程を４００℃以下の温度で行う。このように構成すれば、熱処理の温度が低いので、窒化物系半導体層中の窒素が解離しにくい。その結果、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体層をｐ型化することができる。
【００２４】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程を１００時間以上行う。このように構成すれば、窒化物系半導体層中から水素をより十分に除去することができる。これにより、結晶性を良好に保ったまま、窒化物系半導体をｐ型化することができるとともに、さらに、活性化効率を高めることができる。
【００２５】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程に先立って、第１金属層と第１窒化物系半導体層との間に、第１金属層の構成元素の移動を抑制するための第２金属層を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、熱処理により第１金属層が窒化物系半導体上に偏在するのを抑制することができる。これにより、窒化物系半導体層から均一に水素を除去することができるので、窒化物系半導体を均一にｐ型化することができる。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１金属層はＰｄを含み、第２金属層は、Ｐｔを含む。このように構成すれば、Ｐｔは第１金属層中のＰｄと窒化物系半導体との両方に対して付着性がよいので、Ｐｄが窒化物系半導体表面で偏在するのを、容易に、抑制することができる。これにより、窒化物系半導体をより均一にｐ型化することができる。
【００２７】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体素子は、上記第１の局面による窒化物系半導体の形成方法により形成された窒化物系半導体を用いて製造される。すなわち、この窒化物系半導体素子は、ｐ型不純物元素を含む第１窒化物系半導体層を形成する工程と、第１窒化物系半導体層上に、第１窒化物系半導体層からの水素の脱離を促進する第１金属層を形成する工程と、不活性ガスを主たる成分とする雰囲気中において第１窒化物系半導体層および第１金属層を１０時間以上熱処理を行うことによって、第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程とを備えた窒化物系半導体の形成方法によって形成された窒化物系半導体を用いて製造される。なお、本発明における「窒化物系半導体素子」とは、例えば、ＬＥＤおよび半導体レーザなどの窒化物系半導体発光素子を含む広い概念である。
【００２８】
この第２の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように、窒化物系半導体層および水素の脱離を促進する第１金属層を１０時間以上の非常に長時間の熱処理を行うことによって形成されたｐ型窒化物系半導体を用いているので、従来よりも低温の熱処理を行うことができる。これにより、窒化物系半導体素子に含まれる窒化物系半導体から窒素が解離しにくくなるので、窒化物系半導体の結晶性を良好に保つことができる。その結果、窒化物系半導体素子における発光特性の劣化や電極の接触抵抗の増大を抑制することができるので、優れた特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００２９】
上記第２の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１金属層を含む電極層をさらに備えている。このように構成すれば、第１金属層を電極層として用いることができるので、第１金属層を除去する必要がない。これにより、製造工程を省略することが可能な窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００３０】
上記第２の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、ｐ型不純物元素を含まないとともに、格子定数が第１窒化物系半導体層よりも大きい第２窒化物系半導体層をさらに備えている。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層は、第２窒化物系半導体層よりも格子定数の小さい第１窒化物系半導体層により圧縮応力を受けるので、第２窒化物系半導体層にはピエゾ電界が発生する。これにより、第２窒化物系半導体層の価電子帯が上昇するので、第２窒化物系半導体層中にはホールが多く形成される。さらに、第２窒化物系半導体層の膜厚は小さいので、ｐ側電極から流れてくる電荷は第２窒化物系半導体層を容易にトンネリングすることができる。その結果、第１窒化物系半導体層と電極層との間に第２窒化物系半導体層が介在することにより、第１窒化物系半導体層と電極層との接触抵抗を低減させることができる。
【００３１】
また、第２窒化物系半導体層はｐ型不純物元素を含んでいないので第２窒化物系半導体層は良好な結晶性を有しているとともに、上記説明した熱処理温度の低温化により、その結晶性が劣化することもない。これにより、第２窒化物系半導体層は良好な結晶性を維持することができるので、第２窒化物系半導体層に発生するピエゾ電界もより大きくなる。その結果、第１窒化物系半導体層と電極層との接触抵抗をさらに低減させることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
（第１参考形態）
図１は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第１参考形態では、窒化物系半導体層上に水素の脱離を促進する金属層を形成することにより、従来よりも低い熱処理温度で窒化物系半導体層のｐ型化を行った例について説明する。
【００３４】
図１を参照して、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。この第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、図１に示すように、ＧａＮ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＭｇをドープしたＧａＮからなる窒化物系半導体層５を形成する。その後、窒化物系半導体層５上に、蒸着法を用いて、約２ｎｍ〜約５０ｎｍの膜厚を有するＬａＮｉ5からなる金属層７を形成する。ここで、窒化物系半導体層５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例であり、金属層７は、本発明の「第１金属層」の一例である。また、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例であり、ＬａおよびＮｉは、本発明の「第１金属層に含まれる元素」の一例である。次に、窒化物系半導体層５および金属層７が形成されたＧａＮ基板１に対して窒素ガス雰囲気中で、約３６０℃、約１００時間の熱処理を施す。その後、金属層７をエッチングにより除去する。これにより、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体を形成する。
【００３５】
図２は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体層のキャリア濃度と金属層７の膜厚との関係を示す特性図である。図２を参照して、上記第１参考形態による窒化物系半導体層５中のキャリア濃度は、金属層７の膜厚が約５ｎｍのときに最大値（約４．５×１０17ｃｍ-3）を示し、さらに膜厚の増加にともなって減少する傾向を示した。また、金属層７の膜厚が約２０ｎｍの場合において、金属層を形成せずに熱処理を行った場合と同等のキャリア濃度（約５×１０15ｃｍ-3）であった。
【００３６】
図２の結果より、適切な厚みを有する金属層７を形成することにより、従来より低い熱処理温度（約３６０℃）であっても、熱処理時間を約１００時間行うことによって、ｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層５をｐ型化することができることがわかった。
【００３７】
また、図２の結果より、金属層７の膜厚は、２０ｎｍ以下であるのが好ましいことがわかった。これは、金属層７の膜厚が小さいほど、窒化物系半導体層５から金属層７に向かって拡散してきた水素が金属層７からさらに外側に放出されやすいため、窒化物系半導体層５から水素を十分除去することができ、その結果、窒化物系半導体層５をｐ型化するとともに、その活性化率をより高めることができるためであると考えられる。
【００３８】
図３は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。ここでは、金属層７の膜厚は約５ｎｍと一定にして、熱処理の時間を変化させた。
【００３９】
図３を参照して、窒化物系半導体層５のキャリア濃度は、熱処理時間の増加に伴って増加することがわかった。これにより、約１０時間の熱処理により、ＬＥＤとして使用可能なレベルのキャリア濃度（約３．２×１０16ｃｍ-3）が得られることが判明した。また、約５０時間の熱処理により、半導体レーザ素子として使用可能なレベルのキャリア濃度（約１．１×１０17ｃｍ-3）が得られることがわかった。
【００４０】
また、第１参考形態において、熱処理時の雰囲気ガスとして、窒素ガス１００％に代えて、窒素ガスに２０％の水素を含むガスを用いて同様の実験を行ったが、この場合もｐ型不純物元素を含む窒化物系半導体層をｐ型化することができることがわかった。
【００４１】
また、図３には、比較例１として、金属層を形成せずに、約８００℃で熱処理することにより形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度も合わせて示す。上記比較例１においては、約１０分の熱処理で約４×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られているが、熱処理時間の増加とともにキャリア濃度は漸次減少し、約１００時間の熱処理で約３．４×１０17ｃｍ-3となった。これは、熱処理温度が高いため窒化物系半導体層から窒素が解離したため、窒化物系半導体層の結晶性が劣化したことが原因と考えられる。その結果、熱処理時間が約１００時間以上の場合は、第１実施形態による窒化物系半導体層の方が、比較例１よりもキャリア濃度が大きくなり、より活性化率の高いｐ型窒化物系半導体層を得ることができることがわかった。
【００４２】
図４は、比較例２による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。この比較例２では、熱処理時の雰囲気ガスとして、窒素ガス１００％に代えて酸素を約２０％含む窒素ガスを用いる以外は上記第１参考形態と同様にして、ｐ型窒化物系半導体を形成した。
【００４３】
図４を参照して、上記比較例２による窒化物系半導体層のキャリア濃度は、約３０分の熱処理では約１×１０16ｃｍ-3と第１実施形態とほぼ同程度であり、熱処理時間の増加とともにキャリア濃度が増加する傾向があることがわかる。しかしながら、約１００時間の長時間の熱処理を行った場合でも約７×１０16ｃｍ-3の小さなキャリア濃度しか得られなかった。また、上記比較例２において、金属層を形成しないで熱処理を行った場合には、約１００時間の熱処理を行っても約５×１０16ｃｍ-3のキャリア濃度しか得られなかった。さらに、上記比較例２においては、窒化物系半導体層の表面には赤色の変質層が形成された。このような表面に電極を形成した場合、オーミック接触が得られない。これにより、酸素を含む雰囲気中における熱処理は、キャリア濃度が小さく、かつ、表面の変質が生じるので、窒化物系半導体層の熱処理としては適さないといえる。
【００４４】
また、上記第１参考形態において、金属層７としてＬａＮｉ5を用いたが、これをＭｇＮｉ系材料に代えた場合においても同様の傾向を示した。具体的には、約５ｎｍの膜厚では、約１．２×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。また、約２０ｎｍの膜厚では、約３×１０15ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。このように、膜厚の増加とともにキャリア濃度が減少した。
【００４５】
さらに、上記第１参考形態において、金属層７としてＰｄを用いた場合においても同様の傾向を示した。具体的には、約５ｎｍの膜厚では、約４×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。また、約２０ｎｍの膜厚では、約５×１０15ｃｍ-3のキャリア濃度が得られた。このように、膜厚の増加とともにキャリア濃度が減少した。また、２０ｎｍ以上の膜厚ではほとんどｐ型化されなかった。
【００４６】
（第２参考形態）
図５は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。この第２参考形態では、本発明を、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層へ適用した例について説明する。
【００４７】
まず、図５を参照して、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。この第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図５に示すように、約１００μｍの厚さを有する酸素がドープされたｎ型の（０００１）方位を有するＧａＮ基板１１上に、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、および、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５が順次形成されている。
【００４８】
図６は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層を説明するための断面図である。図６を参照して、発光層１４は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるアンドープの量子井戸層４１ａとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるアンドープの量子障壁層４１ｂとが交互に３組積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４１と、約０．１μｍの膜厚を有するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層４２と約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とから構成されている。
【００４９】
ｐ型クラッド層１５には、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａが形成されている。その凸部１５ａの上面上には、約７０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型コンタクト層１６が形成されている。このｐ型クラッド層１５の凸部１５ａとｐ型コンタクト層１６とによって、電流通路部となるリッジ部が構成されている。また、ｐ型コンタクト層１６の上面以外の領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層１８が形成されている。
【００５０】
そして、ｐ型コンタクト層１６の上面と電流ブロック層１８の上面の一部とを覆うように、ｐ型コンタクト層１６に近い側から、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、および、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｐ側オーミック電極１９が形成されている。
【００５１】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上には、この裏面に近い側から約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０が形成されている。これにより、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。ここで、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例であり、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例である。
【００５２】
図７〜図９は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスを説明するための断面図である。以下に、図７〜図９を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスについて説明する。まず、図７に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、約０．３５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５、および、約７０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型コンタクト層１６を順次形成する。
【００５３】
なお、発光層１４は、図６に示したように、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるアンドープの量子井戸層４１ａとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるアンドープの量子障壁層４１ｂとが交互に３組積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４１、約０．１μｍの膜厚を有するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層４２、および、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３を順次積層することによって形成する。
【００５４】
次に、有機溶剤および強酸で上記各層１２〜１６が堆積されたＧａＮ基板１１を洗浄後、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ｐ型コンタクト層１６のほぼ全面上に約７ｎｍの膜厚を有するＬａＮｉ5からなる金属層１７を形成する。なお、ＬａＮｉ5からなる金属層１７は、本発明の「第１金属層」の一例であり、ＬａおよびＮｉは、本発明の「第１金属層に含まれる元素」の一例である。
【００５５】
次に、上記ＧａＮ基板１１に対して、窒素雰囲気中で約３６０℃、約１００時間の加熱処理を行うことにより、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６の活性化を行った後、金属層１７を除去する。
【００５６】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型コンタクト層１６の上にＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、その上のＳｉＯ2膜をパターニングすることによって、ｐ型コンタクト層１６の上面上の所定領域に、図８に示されるような、ＳｉＯ2からなるストライプ状のマスク５０を形成する。次に、Ｃｌ2などによるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、マスク５０が形成されていない領域のｐ型コンタクト層１６とｐ型クラッド層１５とをｐ型クラッド層１５の一部を残すようにエッチングする。これにより、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａおよびｐ型コンタクト層１６からなるリッジ部を形成する。その後、マスク５０をＨＦ系エッチャントを用いてエッチング除去する。
【００５７】
次に、図９に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とＣＦ4などによるＲＩＥ法とを用いて、ｐ型コンタクト層１６の上面上のＳｉＯ2膜を除去することにより、ＳｉＯ2からなる電流ブロック層１８を形成する。
【００５８】
さらに、図５に示したように、ＥＢ蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層１６の上面上と電流ブロック層１８の上面上および側面上に、ｐ型コンタクト層１６に近い側から約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層および約３μｍの膜厚を有するＡｕ層が順次積層されたｐ側オーミック電極１９を形成する。
【００５９】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を膜厚が約１００μｍ程度になるまで研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面をＣｌ2などによるＲＩＥ法により約１μｍエッチングする。その後、ＥＢ蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０を形成する。このようにして、第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００６０】
第２参考形態では、上記のように、ＬａＮｉ5からなる金属層１７をｐ型コンタクト層１６の上面上に形成後、窒素中で約３６０℃の低温で、約１００時間の長時間熱処理することによって、Ｍｇがドープされたｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６をｐ型化することができるので、ｐ型窒化物系半導体であるｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６から窒素が解離することを抑制することができる。これにより、結晶性の劣化を防止することができるので、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６の結晶性を良好に維持することができる。その結果、ｐ型クラッド層１５、および、ｐ型コンタクト層１６のキャリア濃度を高くすることができるので、素子特性が良好な窒化物系半導体レーザ素子を形成することができる。
【００６１】
（第１実施形態）
図１０は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。この第１実施形態では、熱処理時に用いた金属層を熱処理後除去せずにｐ側オーミック電極として使用するとともに、アンドープのＩｎＧａＮ層をｐ側コンタクト層として使用した例について説明する。
【００６２】
まず、図１０を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。この第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１０に示すように、約１００μｍの厚さを有する酸素がドープされたｎ型の（０００１）方位を有するＧａＮ基板１１上に、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、および、約０．０５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５が順次形成されている。なお、Ｍｇは、本発明の「ｐ型不純物元素」の一例であり、ｐ型クラッド層１５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００６３】
なお、この発光層１４は、図６に示した第２参考形態の発光層１４と同様の構成を有する。
【００６４】
ｐ型クラッド層１５には、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａが形成されており、凸部１５ａの上面上には、約３ｎｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側コンタクト層２６が形成されている。このｐ型クラッド層１５の凸部１５ａとｐ側コンタクト層２６とによって、リッジ部が構成されている。ｐ側コンタクト層２６上には、ｐ側オーミック電極２７が形成されている。ここで、ｐ側オーミック電極２７は、ｐ側コンタクト層２６に近い側から、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層２７ａ、約５ｎｍの膜厚を有する第１Ｐｄ層２７ｂ、約９０ｎｍの膜厚を有する第２Ｐｄ層２７ｃ、および、約１５０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層２７ｄが順次積層されることにより形成されている。なお、ｐ側コンタクト層２６は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例であり、Ｐｄは、本発明の「水素脱離を促進する第１金属層に含まれる元素」の一例である。また、第１Ｐｄ層２７ｂは、本発明の「第１金属層」の一例であり、Ｐｔ層２７ａは、本発明の「第２金属層」の一例である。また、ｐ側オーミック電極２７の上面以外の領域を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＮからなる電流ブロック層２８が形成されている。
【００６５】
そして、ｐ側オーミック電極２７の上面上と電流ブロック層２８の上面上の一部とを覆うように、ｐ側オーミック電極２７に近い側から、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｐ側パッド電極２９が形成されている。
【００６６】
また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０が形成されている。これにより、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成されている。
【００６７】
図１１〜図１５は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスを説明するための断面図である。以下に、図１１〜図１５を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスについて説明する。まず、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１μｍの膜厚を有するＧａＮからなるアンドープのｎ型層１２、約１μｍの膜厚を有するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層１３、約０．２μｍの膜厚を有する発光層１４、約０．３５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型クラッド層１５、および、約３ｎｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側コンタクト層２６を順次形成する。
【００６８】
次に、有機溶剤および強酸で上記各層１２〜１５、および、２６が堆積されたＧａＮ基板１１を洗浄した後、ＥＢ蒸着法により、ｐ側コンタクト層２６のほぼ全面に、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層２７ａ、および、約５ｎｍの膜厚を有する第１Ｐｄ層２７ｂを形成する。
【００６９】
次に、上記ＧａＮ基板１１を窒素雰囲気中で約３６０℃、約１００時間の加熱処理を行うことによって、ｐ型クラッド層１５の活性化を行う。
【００７０】
次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第１Ｐｄ層２７ｂの上面上の所定領域に、約１．５μｍの幅を有するストライプ状の開口部を有するレジスト５１を形成する。次に、全面を覆うように、約９０ｎｍの膜厚を有する第２Ｐｄ層２７ｃ、約１５０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層２７ｄ、および、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層５２を形成する。
【００７１】
次に、レジスト５１上の各層２７ｃ、２７ｄ、および、５２を、リフトオフすることにより、上記所定領域上にストライプ状の第２Ｐｄ層２７ｃ、Ａｕ層２７ｄ、および、Ｎｉ層５２を形成する。その後、Ｎｉ層５２をマスクとして、ＣＦ4などによるＲＩＥ法により、Ｎｉ層５２が形成されていない領域の第１Ｐｄ層２７ｂおよびＰｔ層２７ａをエッチングする。これにより、図１３に示されたような、Ｐｔ層２７ａ、第１Ｐｄ層２７ｂ、第２Ｐｄ層２７ｃ、および、Ａｕ層２７ｄからなるｐ側オーミック電極２７を形成する。
【００７２】
さらに、Ｃｌ2などによるＲＩＥ法により、Ｎｉ層５２が形成されていない領域のｐ側コンタクト層２６とｐ型クラッド層１５とをｐ型クラッド層１５の一部を残すようにエッチングすることにより、図１４に示すように、約０．３μｍの高さと約１．５μｍの底部の幅を有するメサ形状（台形状）の凸部１５ａおよびｐ側コンタクト層２６からなるリッジ部を形成する。その後、Ｎｉ層５２をエッチング除去する。
【００７３】
次に、図１５に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面に、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＮ膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とＣＦ4などによるＲＩＥ法とを用いて、ｐ側オーミック電極２７の上面上のＳｉＮ膜を除去することにより、電流ブロック層２８を形成する。
【００７４】
最後に、図１０に示したように、ｐ側オーミック電極２７の上面上と電流ブロック層２８とを覆うように、ＥＢ蒸着法により、ｐ側オーミック電極２７に近い側から、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ層、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層が順次積層されたｐ側パッド電極２９を形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を膜厚が約１００μｍ程度になるまで研磨した後、上記裏面をＣｌ2などによるＲＩＥ法により約１μｍエッチングする。その後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上に、ＥＢ蒸着法により、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に近い側から、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層、約１０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層、および、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層の積層膜からなるｎ側オーミック電極２０を形成する。このようにして、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００７５】
第１実施形態では、上記のように、第１Ｐｄ層２７ｂとｐ側コンタクト層２６との間に、第１Ｐｄ層２７ｂとｐ側コンタクト層２６に対して密着性がよく、高融点材料であるＰｔ層２７ａを形成することによって、第１Ｐｄ層２７ｂが熱処理時にｐ側コンタクト層２６の表面を移動し偏在することを防止することができる。これにより、熱処理時においても第１Ｐｄ層２７ｂをｐ側コンタクト層２６の表面に均一に分布した状態を維持することができるので、ｐ側コンタクト層２６の下面上に位置するｐ型クラッド層１５のｐ型化を均一に行うことができる。
【００７６】
また、第１実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層１５のｐ型化処理に用いたＰｔ層２７ａおよび第１Ｐｄ層２７ｂを除去せず、そのままｐ側オーミック電極２７の一部として用いているので、製造プロセスを簡略化することができるとともに、半導体表面が汚染される機会が低減することにより、製造歩留まりを向上させることができる。
【００７７】
また、第１実施形態では、上記のように、ｐ側コンタクト層２６を、ｐ型ドーパントを含まないアンドープのＩｎＧａＮ層により形成することによって、ｐ側コンタクト層２６は、ＩｎＧａＮ層よりも格子定数の小さいｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１５により圧縮応力を受けるので、ｐ側コンタクト層２６にはピエゾ電界が発生する。これにより、ｐ側コンタクト層２６の価電子帯は上昇するので、ホールが多く形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２６の膜厚は小さいので、ｐ側コンタクト層２６上のｐ側オーミック電極２７から流れてくる電荷は、ｐ側コンタクト層２６を容易にトンネリングすることができる。その結果、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との間にアンドープのＩｎＧａＮ層からなるｐ側コンタクト層２６が介在することにより、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との接触抵抗を低減させることができる。
【００７８】
また、第１実施形態では、ｐ側コンタクト層２６はｐ型不純物元素を含んでいないので、ｐ側コンタクト層２６は良好な結晶性を有しているとともに、上記説明した熱処理温度の低温化により、その結晶性が劣化することもない。このように、ｐ側コンタクト層２６は、良好な結晶性を維持しているので、ｐ側コンタクト層２６に発生するピエゾ電界もより大きくなる。その結果、ｐ型クラッド層１５とｐ側オーミック電極２７との接触抵抗をさらに低減させることができる。
【００７９】
なお、今回開示された実施形態および参考形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および参考形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８０】
たとえば、上記各実施形態および参考形態は、第１金属層にＬａ、Ｎｉ、Ｐｄを用いたが、本発明はこれに限らず、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、および、Ｃｕなどの水素の脱離を促進する他の元素であってもよい。また、上記第１および第２参考形態では、第１金属層として、ＬａとＮｉの２種類の金属を含むＬａＮｉ5からなる金属層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＭｇとＮｉ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＭｎ、または、ＴｉとＶのいずれかの組の２種類の元素を含む金属層を用いてもよい。このように構成すれば、これらの組の２種類の元素を含む金属は、水素を吸蔵および放出する能力を有するとともに、その反応速度が速いいわゆる水素吸蔵合金となるので、１種類の元素からなる第１金属層に比べて、窒化物系半導体層から第１金属層に拡散してくる水素をより容易に脱離させることができる。
【００８１】
また、上記第１実施形態は、約３ｎｍの膜厚を有するｐ側コンタクト層２６を用いたが、本発明はこれに限らず、ｐ側コンタクト層２６は、上記説明したトンネリングが容易に起こる約２０ｎｍ以下の膜厚であればよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、結晶性を良好に保ったまま、ｐ型化することが可能な窒化物系半導体層の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体層のキャリア濃度と金属層の膜厚との関係を示す特性図である。
【図３】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。
【図４】 比較例２による窒化物系半導体の形成方法によって形成した窒化物系半導体層のキャリア濃度と熱処理時間との関係を示す特性図である。
【図５】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【図６】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層を説明するための断面図である。
【図７】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図８】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図９】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図１０】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【図１１】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図１２】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図１３】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図１４】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第４工程を説明するための断面図である。
【図１５】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の形成プロセスの第５工程を説明するための断面図である。
【図１６】 従来の第１の例による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１７】 従来の第２の例による窒化物系半導体レーザ素子を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
５ 窒化物系半導体層（第１窒化物系半導体層）
７ 金属層（第１金属層）
１１ 基板
１３ ｎ型クラッド層
１４ 発光層
１５ ｐ型クラッド層（第１窒化物系半導体層）
１６ ｐ型コンタクト層（第１窒化物系半導体層）
１７ 金属層（第１金属層）
１８ 電流ブロック層
１９ ｐ側オーミック電極
２０ ｎ側オーミック電極
２６ ｐ側コンタクト層（第２窒化物系半導体層）
２７ ｐ側オーミック電極
２７ａ Ｐｔ層（第２金属層）
２７ｂ 第１Ｐｄ層（第１金属層）
２８ 電流ブロック層
Claims (8)
- ｐ型不純物元素を含む第１窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物系半導体層上に接して、ｐ型不純物元素を含まないとともに格子定数が前記第１窒化物系半導体層よりも大きい第２窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物系半導体層上に接して、前記第１窒化物系半導体層からの水素脱離を促進する２０ｎｍ以下の膜厚を有する第１金属層を形成する工程と、
不活性ガスを主たる成分とする雰囲気中において前記第１窒化物系半導体層および前記第１金属層を４００℃以下の温度で１０時間以上熱処理を行うことによって、前記第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程とを備えた、窒化物系半導体の形成方法。 - 前記第１金属層は、Ｎｉ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＦｅおよびＰｄからなるグループより選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記第１金属層は、ＬａとＮｉ、ＭｇとＮｉ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＭｎ、および、ＴｉとＶからなるグループより選択されるいずれかの組の２種類の元素を含む、請求項１または２に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程を１００時間以上行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記第１窒化物系半導体層をｐ型化する工程に先立って、前記第１金属層と前記第１窒化物系半導体層との間に、前記第１金属層の構成元素の移動を抑制するための第２金属層を形成する工程をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記第１金属層はＰｄを含み、前記第２金属層は、Ｐｔを含む、請求項５に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法により形成された窒化物系半導体を用いて製造された窒化物系半導体素子。
- 前記第１金属層を含む電極層をさらに備える、請求項７に記載の窒化物系半導体素子。
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