JP4229625B2

JP4229625B2 - 窒化物半導体層とそれを含む窒化物半導体素子

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Publication number: JP4229625B2
Application number: JP2002080146A
Authority: JP
Inventors: 有三津田; 正浩荒木; 裕一毛利
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003282862A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｐ元素を含む窒化物系化合物半導体材料を用いた窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
六方晶系のＧａＮ結晶にＰを添加してなるＧａＮ_1-xＰ_xがＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．Ｌ１６３４−Ｌ１６３７で報告された。そのＧａＮ_1-xＰ_xはＧＳＭＢＥ（ＧａｓＳｏｕｒｃｅＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）装置で作製された。このＧａＮ_1-xＰ_xは、Ｐの組成ｘが０．０１５、ｃ軸方向の格子定数は０．５２０２ｎｍである。一方、その下地層であるＧａＮの格子定数は０．５１８５ｎｍである。このように、従来、窒化物系半導体においては、ある材料にさらにＰを添加すると、Ｐを添加した半導体層（前述の例で言えばＧａＮＰ）は、Ｐが添加されていない半導体層（ＧａＮＰに対してはＧａＮ）と比較してｃ軸の格子定数は大きく、発光波長は長波長であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これまで窒化物系半導体で、ＧａＮよりも小さい格子定数を有する材料を得るためには、ＧａＮにＡｌを添加する方法しかなかった。しかしながら、Ａｌは酸化しやすい物質でもあり、素子設計の自由度を増すためには、Ａｌを含まない窒化物系半導体で、より格子定数の小さい半導体を得ることが熱望されていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に鑑み、研究を重ねた結果、Ｐが添加された窒化物半導体で、従来報告されていたのとは異なる性質を持つ窒化物半導体を作製することに成功した。
【０００５】
本発明の半導体層は、ＧａとＮを含み、さらに、Ｐを含む窒化物半導体層（以降、単に「Ｐを含む窒化物半導体」と言う）において、前記窒化物半導体層に含まれるＰの原子分率は３０％以下であり、さらにＰは少なくともＩＩＩ族のサイトに含まれることを特徴とする。さらに、このような窒化物半導体層（六方晶系）は、そのｃ軸方向の格子定数が前記窒化物半導体層からＰを除いた半導体層（以降、「Ｐを含まない窒化物半導体層」と言う）のｃ軸方向の格子定数と比較して小さいくなることが、本発明者らの研究結果によって判明した。
【０００６】
これは、従来のＧａＮＰ（ＧａＮのＮがＰよりも多いＧａＮＰ）はＧａＮにＰが添加されるとその格子定数が大きくなるという特性と反対の性質を示している。なお、従来例として報告されているＧａＮ_1-xＰ_xは、その表記が表す通り、Ｇ：Ｐ＋Ｎで組成比が１：１となる。すなわち、ＰはＶ族のサイトに入っていると考えられる。
【０００７】
ここで、本明細書で説明される、或る窒化物半導体層に含まれるＰの原子分率とは以下のようにして表される。Ｐの原子分率（％）＝１００×（Ｐ）／（或る窒化物半導体層の総てのＩＩＩ族原子＋或る窒化物半導体層の総てのＶ族元素）。ここで、或る窒化物半導体層の総てのＶ族元素は前記のＰを含む。例えば、或る窒化物半導体層がＧａＮＰの場合、Ｐの原子分率は、１００×Ｐ／（Ｇａ＋Ｎ＋Ｐ）である。
【０００８】
本発明の窒化物導体層のｃ軸方向の格子定数は、前記窒化物半導体層からＰを除いた半導体層のｃ軸方向の格子定数よりも小さいことを特徴とする。
【０００９】
本発明の窒化物半導体素子は、前記の窒化物半導体層を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の窒化物半導体素子は、発光素子であることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層が発光層に含まれることを特徴とする。
【００１１】
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層がｎ型であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層がｐ型であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の窒化物半導体素子は、少なくとも前記窒化物半導体層を含む多層膜構造または超格子構造を具備することを特徴とする。
【００１４】
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層がコンタクト層として利用されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層が光ガイド層として利用されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の窒化物半導体素子は、前記窒化物半導体層がクラッド層として利用されることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
（本発明にかかわるＰを含む窒化物半導体の特徴について）
本発明は、窒化物半導体中に占めるＰの原子分率が３０％以下である窒化物半導体層において、そのＰが少なくともＩＩＩ族のサイトに含まれることを特徴とする。さらに、その窒化物半導体層のｃ軸方向の格子定数が、前記のＰを含まない窒化物半導体層のそれと比較して小さくなるようにすることを特徴としている。このような窒化物半導体層は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて以下のようにして作製することができる。
【００１８】
まず、サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、Ｖ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を供給して、５５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッファ層を３０ｎｍ成長した。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、再びＮＨ₃とＴＭＧａが供給されて、約３μｍ厚のＧａＮ下地層を作製する。続いて、基板温度を９００℃に下げて前記原料にＰＨ₃（ホスフィン）を１ｓｃｃｍ加えて、ＧａＮＰが成長された。ここで使用したＰＨ₃は窒素ベースの１０％希釈のものを利用した。
【００１９】
本発明者らによる実験結果によれば、本発明に係るＧａＮＰ結晶の成長温度は、８００℃以上１１００℃以下が好ましく、さらに好ましくは８５０℃以上１０００℃以下であった。また、ＧａＮＰ結晶を成長する際のキャリアガスは、水素のほかに窒素を混ぜることが好ましく、全キャリアガス中に占める窒素キャリアガスの割合は、０．０１％以上５０％以下が好ましかった。窒素キャリアガスの割合が５０％を超えると結晶性が低下するため好ましくなかった。また、Ｐを含む窒化物半導体であって、さらにＩｎを含む窒化物半導体は、必ずキャリアガスとして水素を含む必要があった。さもなければ、表面モフォロジーが悪化してエピタキシャル成長することができなかった。
【００２０】
さらに、ＧａＮＰの成長レートは、０．３μｍ／ｈ以下が好ましかった。本発明者らの実験結果によると、ＧａＮＰ結晶は成長レートが早すぎるとうまくエピタキシャル成長することが困難であった。一方、ＧａＮは、成長レートが３〜４μｍ／ｈであり、本願におけるＧａＮＰの成長レートはかなり遅いものである。このように第１の半導体層であるＧａＮＰ結晶の成長レートを、第２の半導体層であるＧａＮの成長レートより遅くすることによって、ＧａＮＰのＰがＩＩＩ族のサイトに入るものと考えられる。
【００２１】
このようにして作製されたＧａＮＰは淡黄色透明の膜であった。このＧａＮＰ膜をオージェ電子分光（ＡＥＳ）装置で測定し、尚且つ、標準試料（ＧａＮとＧａＰ）を用いて各構成元素の組成比（原子分率）の感度校正を行った。その結果、ＧａＮＰの構成元素の原子分率が１００％であるとして、Ｇａ元素の原子分率が４７．６％、Ｐ元素の原子分率が２．４％、Ｎ元素の原子分率が５０％であった。このＡＥＳ測定結果から、窒化物半導体のＩＩＩ族元素とＶ族元素のストイキオメトリが５０％になるようにＰの配分を考えると、ＩＩＩ族サイトにＰが添加されていると考えるとうまく説明が成り立つ。つまり、ＰはＶ族であるから、本来ＮとＰで５０％になるはずであるが、上記のＡＥＳの結果ではＮだけで５０％になっているため、本願のＧａＮＰにおいては、ＰはＩＩＩ族サイトに入っていると考えられる。このようにして、本発明者らはＰが窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに含まれていると判断した。前述と同様の手法を用い、ＰＨ₃の供給量のみを種々変えて作製されたＧａＮＰの構成元素の原子分率が表１に示される。この表１と前述の判定方法を用いると、ＧａＮＰのＰは窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに含まれていることがわかる。さらに、本発明者らの実験結果によれば、同一のＰＨ₃供給量であっても、ＧａＮＰの成長レートが早ければ早いほどＰの原子分率が大きくなり、成長温度が低ければ低いほどＰの原子分率が大きくなることが確認された。
【００２２】
【表１】

【００２３】
また、上述では、Ｐが窒化物半導体のＩＩＩ族元素のサイトに含まれることがＡＥＳ測定によって調べられたが、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）測定でも同様にして調べられることが本発明者らによって確認された。
【００２４】
次に、前述で説明されたＰの原子分率が２．４％のＧａＮＰがＸ線装置（光学系は４結晶）を用いて解析された。そのときの結果が図４に示される。図４は、Ｘ線測定手法の１つである２θ−ωスキャンによる測定結果である。この図をみるとわかるように、ＧａＮ下地層に起因する（０００２）反射スペクトルと、そのスペクトルよりも高角側にＧａＮＰに起因するスペクトルが観測された（このＧａＮＰに起因するスペクトルが、Ｘ線源のＣｕのＫαに起因するものではないことは本発明者らによって確認されている）。このように、ＧａＮＰに起因するスペクトルがＧａＮ下地層の（０００２）反射スペクトルよりも高角側に現れたことから、ＧａＮＰのｃ軸の格子定数は、Ｐが含まれていないＧａＮのそれよりも小さいことが明らかとなった。事実、前記ＧａＮＰ（ＧａＮＰの厚みは０．５μｍ、ＧａＮ下地層の厚みは３μｍ）膜の表面を光学顕微鏡を用いて観察したところ、クラックが散見された。
【００２５】
さらに、図４を参照すると、閃亜鉛鉱構造のＧａＰ（１１１）反射（２θ＝２８．３３３°）が現れるスペクトル位置近傍に何も観測されていないことから、本結晶中にＧａＰベースのＧａＰＮ（立方晶系）が含まれていないことがわかった（本結晶はＧａＮベースの六方晶系のＧａＮＰであり、六方晶系と立方晶系に相分離を起こしていない）。
【００２６】
（窒化物半導体中に占めるＰの原子分率について）
窒化物半導体に占めるＰの原子分率は、０．１％以上３０％以下が好ましい。より好ましくは、０．３％以上１５％以下、さらに好ましくは、０．５％以上１０％以下である。Ｐの原子分率が３０％を超えると結晶性が低下するために好ましくなく、Ｐの原子分率が０．１％未満であると、本発明による効果が得られにくくなる可能性がある。
【００２７】
（本発明にかかわる窒化物半導体が発光層に適用された場合）
ここで、発光層とは、光を発する井戸層と電子とホールを閉じ込める障壁層とから構成される。発光層が単一量子井戸構造の場合は、井戸層のみ、または障壁層／井戸層／障壁層の構造を用いるができる。また、発光層が多重量子井戸構造の場合は、障壁層で始まり障壁層で終わる、障壁層／井戸層／障壁層／・・・／障壁層の構造を、あるいは、井戸層で始まり井戸層で終わる、井戸層／障壁層／井戸層／・・・／井戸層の構造を用いることができる。
【００２８】
上述で説明された窒化物半導体層がこの発光層に含まれることによって以下の効果を有することができる。
【００２９】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体が井戸層として用いられる事によって、発光波長または発振波長を容易に短波長化することが可能である。この特性は、これまでに報告されているＧａＮＰとは逆の性質である。本発明者らの実験結果によれば、ＧａＮＰに起因するフォトルミネッセンスがＧａＮのそれと比べて短波長側で発光していた。
【００３０】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、Ｐを含まないそれと比較してバンドギャップエネルギーを大きくすることができるため、障壁層として用いる事ができる。例えば、ＩｎＧａＮが井戸層の場合、障壁層は、ＧａＮＰを用いることができる。また、ＧａＮが井戸層の場合にも、障壁層は、ＧａＮＰを用いることができる。
【００３１】
（本発明にかかわる窒化物半導体がｎ型層として適用された場合）
本発明者らの実験結果によると、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体の極性は、ドナーとなる不純物を添加しなくても容易にｎ型となることが可能であった。本発明の窒化物半導体にドナー不純物を添加する場合は、その不純物としてＳｉが最も好ましく、その不純物濃度は、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内であることが好ましかった。
【００３２】
（本発明にかかわる窒化物半導体がｐ型層として適用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、Ｍｇを添加することによってｐ型の極性を有することができる。本発明者らはＭｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを利用した。Ｐを含む窒化物半導体中へのＭｇ不純物濃度は、１×１０²⁰〜５×１０²¹／ｃｍ³の範囲内であることが好ましかった。
【００３３】
（本発明にかかわる窒化物半導体が多層膜構造または超格子構造に利用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、多層膜構造または超格子構造の一部に用いることができる。例えば、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層とＰを含まない窒化物半導体層とが交互に積層された多層膜構造または超格子構造、あるいは、Ｐを含む第１の窒化物半導体層とＰを含む第２の窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜構造または超格子構造に用いることができる。
【００３４】
具体的には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子をもちいる事によって、互いの格子不整合を小さくすることができるために、クラックの発生を防止するとともにクラッド層としての機能を兼ね備えることが可能である。たとえば、従来のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／ＧａＮ多層膜または超格子からなる各層の格子定数は、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層が０．５１５９ｎｍ、ＧａＮ層が０．５１９０ｎｍである。その格子不整合差は、０．００３１ｎｍである。一方、本願のＰの原子分率２．４％のＧａＮＰを含むＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２．４％）からなる各層の格子定数は、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層が０．５１５９ｎｍ、ＧａＮＰ層が０．５１５６ｎｍである。その格子不整合差は、０．０００３ｎｍである。つまり、本願を利用した場合、その格子不整合差は、従来のそれと比較して約１／１０にまで小さくすることが可能である。
【００３５】
図５は、ＧａＮＰのＰ原子分率とそのｃ軸方向の格子定数との関係と、ＧａＮＰのＰ原子分率とそのＧａＮＰの下地層であるＧａＮの格子定数の関係を表している。図５中の黒四角印はＧａＮＰを、図５中の白抜き丸印は各Ｐ原子分率で作製されたＧａＮＰの下地層であるＧａＮを表している（Ｐ原子分率が０の白抜き丸印は、サファイア基板上に結晶成長されたＧａＮ層の格子定数である。Ｐ原子分率が０の場合だけ、その他のＧａＮに比べて格子定数が小さいのは、ＧａＮ層上に結晶成長されたＧａＮＰによって圧縮歪みを受けているためだと考えられる）。この図をみるとわかるように、ＧａＮＰのＰ原子分率が増大するにつれて、ＧａＮＰのｃ軸方向の格子定数が小さくなることがわかる。
【００３６】
前記の多層膜または超格子の極性をｎ型とする場合、ＡｌＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＳｉを添加することができる。一方、前記の多層膜または超格子の極性をｐ型とする場合、ＡｌＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＭｇを添加することができる。
【００３７】
前記と同様の効果が、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＡｌＩｎＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子などでも得ることが可能である。
【００３８】
他方、ＩｎＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子は、格子定数の異なる２つの窒化物半導体層と間に接して挿入される事によって、これら窒化物半導体層間の格子不整合を緩和させ、クラックの発生を防止する効果がある。また、光ガイド層としても用いることが可能である。前記の多層膜または超格子の極性をｎ型とする場合、ＩｎＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＳｉを添加することができる。一方、前記の多層膜または超格子の極性をｐ型とする場合、ＩｎＧａＮとＧａＮＰの両層ともに、もしくは片方の層のみにＭｇを添加することができる。
【００３９】
前記と同様の効果が、ＧａＮ／ＧａＮＰ多層膜または超格子、ＧａＮＰ／ＧａＮＰ多層膜または超格子などでも得ることが可能である。
【００４０】
上記で述べられた多層膜構造または超格子構造に含まれる、Ｐを含む窒化物半導体層の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは２ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。
【００４１】
（本発明にかかわる窒化物半導体がコンタクト層として利用された場合）
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体は、ｎ型電極と接するｎ型コンタクト層またはｐ型電極と接するｐ型コンタクト層として利用することが可能である。
【００４２】
本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層がｎ型コンタクト層として利用される場合、ｎ型電極として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｈｆ、Ａｕの少なくとも何れかを用いることができる。このことによってｎ電極のコンタクト抵抗が低減し得るために好ましい。本発明に係る窒化物半導体のｎ型コンタクト層の厚みは、２ｎｍ以上０．６μｍ以下が好ましい。
【００４３】
他方、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体層がｐ型コンタクト層として利用される場合、ｐ型電極として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕの少なくとも何れかを用いることができる。このことによってｐ電極のコンタクト抵抗が低減するとともに電極剥離が防止し得るために好ましい。また、ｐ型電極の反対側の、ｐ型コンタクト層の主面と接する窒化物半導体層は、コンタクト抵抗を低減する上で、ｐ型の極性を有するＧａＮであることが最も好ましかった。本発明に係る窒化物半導体のｐ型コンタクト層の厚みは、０．０２μｍ以上０．２μｍ以下が好ましい。
【００４４】
（本発明にかかわる窒化物半導体が光ガイド層として利用された場合）
本発明に係るＰを含む窒化物半導体は、半導体レーザの光ガイド層として利用することが可能である。一般に窒化物半導体レーザ素子で利用されるクラッド層は、ＡｌＧａＮ層（層厚は約１μｍ）やＡｌＧａＮ（層厚は数ｎｍ）／ＧａＮ（層厚は数ｎｍ）からなる超格子などである。また、一般に窒化物半導体レーザ素子で利用される光ガイド層は、ＧａＮ層（層厚は約０．１μｍ）である。勿論、これらの層はその極性をｎ型またはｐ型にするために例えばＳｉやＭｇが添加され得る。
【００４５】
一般に窒化物半導体レーザ素子における前記光ガイド層と前記クラッド層は、互いに接して形成される。また、前記クラッド層の格子定数は、前記光ガイド層のそれと比べて小さいという特徴がある。この特徴は、これらの層を用いた窒化物半導体レーザ素子中にクラックを発生させ、生産における歩留まりの低下を齎していた。
【００４６】
しかしながら、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が光ガイド層に用いられることによって、前記クラッド層と光ガイド層との間の格子不整合差を小さくすることが可能となり、クラックが低減し得る。これは窒化物半導体レーザ素子における歩留まり率の向上を齎す。
【００４７】
具体的な、本発明に係る光ガイド層とは、ＧａＮＰである。この光ガイド層は、不純物が添加されてｎ型またはｐ型にされても構わないし、不純物を意図的に添加されなくても構わない（ｉ型）。不純物が添加されて光ガイド層の極性をｎ型とする場合は、不純物としてＳｉを用いることができる。このときのＳｉ不純物濃度の範囲は１×１０¹⁷〜３×１０¹⁸／ｃｍ³が好ましい。他方、不純物が添加されて光ガイド層の極性をｐ型とする場合は、不純物としてＭｇを用いることができる。このときのＭｇ不純物濃度の範囲は１×１０¹⁹〜３×１０²⁰／ｃｍ³が好ましい。
【００４８】
この光ガイド層に添加されるＰの原子分率は、光ガイド層と接して形成されるクラッド層の屈折率よりも大きくなるように、あるいはクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように調整される。具体的に、光ガイド層中に含まれるＰの原子分率は０．１％以上５％以下が好ましい。
【００４９】
（本発明にかかわる窒化物半導体がクラッド層として利用された場合）
本発明に係るＰを含む窒化物半導体は、窒化物半導体発光素子（半導体レーザ、発光ダイオードを含む）のクラッド層として利用することができる。一般に窒化物半導体発光素子で利用されるクラッド層は、ＡｌＧａＮ層（層厚は約１μｍ）やＡｌＧａＮ（層厚は数ｎｍ）／ＧａＮ（層厚は数ｎｍ）からなる超格子などである。また、これらの層はその極性をｎ型またはｐ型にするために例えばＳｉやＭｇが添加される。
【００５０】
クラッド層は、発光層と光ガイド層に光を閉じ込めるために、これらの層よりも屈折率を小さくする必要がある。しかしながら、従来のＡｌを含む窒化物半導体からなる（Ｐは含まない）クラッド層の屈折率は、ＩｎＧａＮからなる活性層やＧａＮからなる光ガイド層のそれと比較して、大きな屈折率差を得ることが難しく（Ａｌの組成比を高くすると、クラックが発生してしまう）、十分に光を閉じ込めることが困難であった。
【００５１】
ところが、本発明に係るＰを含む窒化物半導体がクラッド層に用いられることによって、従来のクラッド層と比較して薄い層厚で光を閉じ込めることが可能である。このことによって、窒化物半導体発光素子中のクラックの発生率が低減し、尚且つ光閉じ込めも満足することが可能となった。
【００５２】
具体的な本発明に係るクラッド層とは、ＧａＮＰである。この層の極性をｎ型とするためにＳｉが、ｐ型とするためにＭｇがそれぞれ添加されても構わない。Ｓｉ不純物濃度の範囲は、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³が好ましく、Ｍｇ不純物濃度の範囲は、１×１０¹⁹〜５×１０²¹／ｃｍ³が好ましい。また、これらクラッド層を構成している元素の原子分率は、その屈折率が光ガイド層と活性層の屈折率よりも小さくなるように、あるいはそのバンドギャップエネルギーが光ガイド層または発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるように調整される。具体的に、クラッド層中に含まれるＰの原子分率は０．１％以上１０％以下が好ましい。さらに、これらクラッド層の層厚は、０．３μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
【００５３】
本クラッド層は前記のような単層以外に、上述で述べた多層膜または超格子構造をクラッド層に用いることができる。特に本発明に係るｐ型の多層膜またはｐ型の超格子構造は、高いホールキャリア濃度を得ることが可能であるため、好ましく用いられる。
【００５４】
（本発明を利用した半導体装置について）
本発明に係る窒化物半導体素子は、素子不良率が少なく、信頼性の高い窒化物半導体素子を提供することが可能である。例えば、本発明に係わる窒化物半導体レーザ素子は、光磁気再生記録装置、ＤＶＤ装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等の光学装置に好ましく用いられる。また、本発明に係わる窒化物半導体発光ダイオード素子は、白色光源装置、液晶表示装置のバックライト、携帯電話のバックライト、光の三原色発光ダイオードを用いた表示装置、コピー機などの光学装置に好ましく用いられる。さらにまた、本発明に係わる窒化物半導体電子デバイスは、携帯電話などの通信伝送装置、高速スイッチング装置などに好ましく用いられる。
【００５５】
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体レーザ素子に適用された場合について説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００５６】
図１の窒化物半導体レーザ素子は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１００、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０１、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、発光層１０４、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮ層１０８、ｐ型ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２％）コンタクト層１０９、ｎ電極１１０、ｐ電極１１１およびＳｉＯ₂誘電体膜１１２を含む。
【００５７】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてＧａＮ基板１００に、Ｖ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａまたはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）のＩＩＩ族原料とＳｉＨ₄が加えられ、８００℃の成長温度でｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０１が４０ｎｍ成長された。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＴＭＡｌまたはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料が用いられて、１．２μｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が成長され、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が０．１μｍ成長された。
【００５８】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、３周期の、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された発光層（多重量子井戸構造）１０４が、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長された。その際、障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加された。
【００５９】
発光層にＰが添加される場合はＰＨ₃（ホスフィン）を添加すると良い。また、発光層が形成される際、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にジメチルヒドラジンが用いられても構わない。これらの原料は、本発明に係るＰを含む窒化物半導体層に好ましく用いられる。
【００６０】
次に、基板温度が再び１０５０℃まで昇温されて、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０５、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０７と０．１μｍのｐ型ＧａＮ層１０８が順次成長された。そして、基板温度を９００℃に下げてｐ型ＧａＮＰ（Ｐの原子分率は２％）コンタクト層１０９を０．１μｍ成長した。前記のｐ型不純物としてＭｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が添加された。
【００６１】
続いて、上記で成長されたエピウエハーがＭＯＣＶＤ装置から取り出され、電極が形成された。ｎ電極１１０は、エピウエハーの裏面にＨｆ／Ａｌの順序で形成された。そして、ｎ電極１１０にｎ型電極パッドとしてＡｕが蒸着された。前記ｎ電極材料の他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＭｏまたはＨｆ／Ａｕ等が用いられても構わない。
ｐ電極部分はストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部（図１）が形成された。リッジストライプ部の幅は１．７μｍであった。その後、ＳｉＯ₂誘電体膜１１２が２００ｎｍ蒸着され、ｐ型ＧａＮＰコンタクト層１０９が露出されて、ｐ電極１１１がＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）の順序で蒸着されて形成された。
【００６２】
上記で説明されたＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０２は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であっても構わないし、ＩｎＧａＮクラック防止層自体がなくても構わない。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合は、クラック防止層が挿入された方がクラック防止の点で好ましい。本実施の形態ではＩｎＧａＮクラック防止層が用いられたが、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層がクラック防止層として用いられても構わない。例えば、ＧａＮＰ（０．１μｍ）、ＧａＮＰ（１０ｎｍ）／ＧａＮ（１０ｎｍ）多層膜または超格子などが挙げられる。
【００６３】
上記で説明された発光層１０４は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数は、前述の３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。上記で説明された発光層１０４は、井戸層と障壁層の両層にＳｉ（ＳｉＨ₄）が１×１０¹⁸／ｃｍ³添加されたが、Ｓｉが添加されなくても構わない。また、井戸層と障壁層の両層に限らず片方の層のみに前記不純物が添加されても良い。さらに、上記発光層１０４が実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体を含んでいても構わない。
【００６４】
上記で説明されたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．３以外であっても構わないし、ｐ型キャリアブロック層自体がなくても構わない。しかしながら、発光層が本発明に係る窒化物半導体を含んでいる場合は、ｐ型の極性を有し、尚且つ少なくともＡｌを含む窒化物半導体層（キャリアブロック層）がないと、発光強度の向上や閾値電流密度の低減を図ることが困難であった。
【００６５】
上記の説明では、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いられたが、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体を用いることもできる。
【００６６】
本実施の形態２で説明された窒化物半導体レーザ素子は、本発明に係るｐ型のＧａＮＰコンタクト層を用いることによって、コンタクト抵抗の低減と共に、ｐ電極の剥離が防止され、歩留まり率が向上した。上記のコンタクト層以外に、実施の形態１で述べられたコンタクト層を用いることができるのは言うまでもない。
【００６７】
本実施の形態２では、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子について説明されたが、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子に適用されても同様の効果を得ることが可能である。
【００６８】
また、本実施の形態では、基板としてＧａＮ基板を用いたが、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板の（１１１）面、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（ＥｐｉｔａｘｉａｌｌｙｌａｔｅｒａｌｌｙｏｖｅｒｇｒｏｗｎＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板またはＳｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板を用いても構わない。これらのＥＬＯＧ基板を用いる場合は、成長抑制膜（例えばＳｉＯ₂膜）の幅の中央上方、および成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部分またはその電流狭窄部分が含まれないように作製される。このことによって、レーザの発振寿命が長寿命化するために好ましい。
【００６９】
このようにして作製された窒化物半導体レーザ素子は、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等に好ましく用いられる。
【００７０】
＜実施の形態３＞
本実施の形態３では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体発光ダイオード素子に適用された場合について、図２を用いて説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００７１】
図２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板２００、ｎ型短周期超格子２０１、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層２０２、発光層２０３、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層２０４、ｐ型短周期超格子２０５、ｐ型ＧａＮＡｓ（Ａｓの原子分率は６％）コンタクト層２０６、ｐ型透光性電極２０７、ｐ電極２０８、ｎ電極２０９を含む。
【００７２】
本実施の形態ではｎ型短周期超格子２０１として、１００周期のＧａＮＰ（Ｐの原子分率４％、厚み１．５ｎｍ、Ｓｉドープ）／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ（厚み１．５ｎｍ、Ｓｉドープ）を用いた。発光層２０３としては、３周期のＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ井戸層（厚み２ｎｍ、Ｓｉドープ）／Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ（厚み４ｎｍ、Ｓｉドープ）を用いた。ｐ型短周期超格子２０５として、１００周期のＧａＮＰ（Ｐの原子分率４％、厚み１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ（厚み１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）を用いた。また、ｐ型ＧａＮＡｓ（Ａｓの原子分率は６％）コンタクト層２０６は、ｐ型短周期超格子２０５のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ上に３０ｎｍ積層された。ｐ型透光性電極２０７はＰｄ（７ｎｍ）が、ｐ電極２０８はＡｕ（５００ｎｍ）がそれぞれ用いられた。
【００７３】
本実施の形態３で説明された発光ダイオード素子の各層は、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層に、種々置き換えることが可能である。
【００７４】
＜実施の形態４＞
本実施の形態４では、本発明に係るＰを含む窒化物半導体が窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子に適用された場合について、図３を用いて説明される。その他の本発明に係わる事柄は、実施の形態１と同様である。
【００７５】
図３の窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子は、（０００１）面ｉ型ＧａＮ基板３００、ｎ型ＡｌＧａＮ層３０１、ｎ型ＩｎＧａＮＰ（Ｉｎの原子分率は５％、Ｐの原子分率は３％）コンタクト層３０５、ソース３０２、ゲート３０３、およびドレイン３０４を含む。
【００７６】
本実施の形態ではｎ型ＡｌＧａＮ層３０１として、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（厚み５０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）が用いられた。ｎ型ＩｎＧａＮＰ（Ｉｎの原子分率は５％、Ｐの原子分率は３％）コンタクト層３０５は厚み５ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³を用いた。ソース３０２とドレイン３０４の電極としてＴｉ（１５ｎｍ）／Ａｌ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を用いた。ゲート３０３の電極として、ＰｄＳｉ（１５ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を用いた。
【００７７】
本実施の形態４で説明されたトランジスタ素子は、本発明に係る窒化物半導体をコンタクト層に用いることによってゲート電極の剥離が防止され、歩留まりが向上し得た。
【００７８】
本実施の形態４で説明されたトランジスタ素子の各層は、実施の形態１で説明された本発明に係る窒化物半導体層に、種々置き換えることが可能である。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、発光波長の短波長化、格子定数の縮小化、バンドギャップエネルギーの増大、屈折率の減少化を図ることができる。このことによって、本発明に係わるＰを含む窒化物半導体が、発光層、ｎ型層、ｐ型層、多層膜構造、超格子構造、クラック防止層、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層、光ガイド層およびクラッド層などに好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体レーザ素子の一例を表した図である。
【図２】窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である。
【図３】窒化物半導体へテロ接合型電界効果トランジスタ素子の一例である。
【図４】ＧａＮＰのＸ線スペクトルである（２θ−ωスキャン）。
【図５】ＧａＮＰの原子分率と格子定数の関係を表す図である。
【符号の説明】
１００、２００…ｎ型ＧａＮ基板
１０１…ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層
１０２…ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４、２０３…発光層
１０５…ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
１０６…ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０７…ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０８…ｐ型ＧａＮ層
１０９…ｐ型ＧａＮＰコンタクト層
１１０、２０９…ｎ電極
１１１、２０８…ｐ電極
１１２…ＳｉＯ₂誘電体膜
２０１…ｎ型短周期超格子
２０２…ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
２０４…ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層
２０５…ｐ型短周期超格子
２０６…ｐ型ＧａＮＡｓコンタクト層
２０７…ｐ型透光性電極
３００…ｉ型ＧａＮ基板
３０１…ｎ型ＡｌＧａＮ層
３０２…ソース
３０３…ゲート
３０４…ドレイン
３０５…ＩｎＧａＮＰコンタクト層

Claims

ＧａとＮを含み、さらに、Ｐを含む窒化物半導体層において、
前記窒化物半導体層に含まれる、Ｐの原子分率は３０％以下であり、さらにＰは少なくともＩＩＩ族のサイトに含まれることを特徴とする窒化物半導体層。
ＧａとＮを含み、さらに、Ｐを含む窒化物半導体層において、
前記窒化物半導体層に含まれるＰの原子分率は３０％以下であり、かつ前記窒化物導体層のｃ軸方向の格子定数は、前記窒化物半導体層からＰを除いた半導体層のｃ軸方向の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層。
請求項１または２の項に記載の窒化物半導体層を含むことを特徴とする窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体素子は、発光素子であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層が発光層に含まれることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層がｎ型であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層がｐ型であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
少なくとも前記窒化物半導体層を含む多層膜構造または超格子構造を具備することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層がコンタクト層であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層が光ガイド層であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
前記窒化物半導体層がクラッド層であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。