JP4305982B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法、半導体装置の製造方法および半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、そのバンドギャップエネルギーが１．８ｅＶから６．２ｅＶと広範囲にわたっており、赤色から紫外線におよぶ発光が可能な発光素子への応用が期待され、活発な研究開発が行われている。また、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、飽和電子速度が大きく、破壊電界も極めて大きいため、高周波、大電力用の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのキャリア走行素子の材料としても注目されている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて発光ダイオード、半導体レーザ、ＦＥＴなどを製造する場合には、例えば、化学気相成長法によりサファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板などの基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させることが行われている。
【０００４】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた素子の具体的な製造方法を、ｃ面サファイア基板を用いたＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザを例にとって説明する。すなわち、このＧａＮ系半導体レーザを製造するには、まず、ｃ面サファイア基板上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５６０℃の温度で第１層目のＧａＮバッファ層を低温成長させた後、引き続いてＭＯＣＶＤ法により、この第１層目のＧａＮバッファ層上に第２層目のＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光導波層、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、ｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を順次成長させる。ここで、第２層目のＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層の成長温度は１０００℃とし、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層の成長温度については、ＩｎＮの分解を抑えるために７００℃とする。これらの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長は、ＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するＶ族元素の原料の供給量のモル比（以下単に「Ｖ／ＩＩＩ比」といも言う）を８０００〜１００００程度にして行う。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりｎ型ＧａＮコンタクト層の厚さ方向の途中の深さまでエッチングする。次に、レジストパターンを除去した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にｐ側電極を形成すると共に、エッチングされた部分のｎ型ＧａＮコンタクト層上にｎ側電極を形成する。この後、上述のようにしてレーザ構造が形成されたｃ面サファイア基板をバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこのバーをチップ化する。以上により、目的とするＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【０００５】
ここで、従来より、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、例えばｐ型ＧａＮ層やｐ型ＡｌＧａＮ層などを得る手法としては、ｐ型不純物のドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）有機金属を用いる方法が一般的である。ｐ型不純物としてのＭｇは、成長層への添加効率が高く、濃度制御が容易であるという性質を有する。また、Ｍｇは、現在知られているｐ型不純物のうちで最も浅いアクセプタ準位を作ることがわかっており、他のｐ型不純物に比べて高い活性化率が期待される。
【０００６】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、例えばＭｇドープＧａＮ層を成長させる際に、原料ガス中またはキャリアガス中などに水素（Ｈ）が含まれる場合は、結晶中のＭｇアクセプタが水素によって不活性化されるという現象が起こる。このため、成長直後のＭｇドープＧａＮ層は、一般に高抵抗である。
【０００７】
そこで、その対策として、例えば、ＭｇドープＧａＮ層の成長後に、不活性ガス中で７００〜９００℃程度の温度で熱処理することによりＭｇと結合した水素を取り除き、Ｍｇの活性化率を向上させることで低抵抗のｐ型ＧａＮ層を得るようにした技術が提案されている（例えば、Jpn. J. Appl. Phys., 30,(10A)L1708-L1711(1991)）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭｇドープＧａＮ層においては、上述のように成長後に熱処理を施すことによってＭｇアクセプタの活性化率は改善されるものの、ＧａＮにおけるＭｇのアクセプタ準位が２００ｍｅＶと深いため、ドープされたＭｇが全てアクセプタ化したとしても、室温でのキャリア濃度（正孔濃度）としては、Ｍｇ濃度よりもほぼ２桁低い値しか得られないという問題がある。このように、従来技術では、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のキャリア濃度を高くすることが困難であるため、例えば、このｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層にコンタクトさせるオーミック電極の接触抵抗が高くなるなどの問題が生じる。このため、例えば、上述したＧａＮ系半導体レーザにおいては、動作電圧やしきい値電流密度が高くなってしまい、発光強度を増大させることが困難であった。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、キャリア濃度が高く、低抵抗なｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法および半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
この発明の他の目的は、キャリア濃度が高く、低抵抗なｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができ、動作電圧が低く、かつ、高発光効率の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を実現することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、鋭意実験、検討を行ったところ、ＭＯＣＶＤ法により成長されたＭｇドープＧａＮ層のキャリア濃度（ホール濃度）は、その結晶中に微量含まれる酸素（Ｏ）の濃度に相関があるという知見を得た。そこで、本発明者はさらに実験、検討を重ねた結果、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させる場合、成長に用いる原料のＶ／ＩＩＩ比に応じて酸素濃度が変化し、これに伴ってキャリア濃度も変化することを見い出した。このようにＭｇドープＧａＮ層において酸素のドーピングによりキャリア濃度が向上するのは、Ｍｇアクセプタ準位が浅くなったか、あるいは、新たに浅い準位が形成されたことによる。このことに関しては、温度可変ホール測定により明らかになった。以下、本発明者が課題を解決する手段を案出する契機となった実験について説明する。
【００１２】
図１および図２に、Ｖ／ＩＩＩ比を変えて、ｃ面サファイア基板上にＭｇドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長させ、得られたＭｇドープＧａＮ層における酸素濃度およびキャリア濃度を測定した結果を示す。ただし、実験に用いた試料は、反応管内に２つのガス導入部から別々に原料ガスを供給する、いわゆるツーフロー（Ｔｗｏ−Ｆｌｏｗ）タイプのＭＯＣＶＤ装置であって、主流となる第１の原料ガスおよびキャリアガスを基板に対してほぼ平行に流すと共に、副流となるキャリアガスまたは第２の原料ガスを基板に対して４５度以下の角度で、好適には基板に対してほぼ平行に流すようにしたものを用いて作製した。また、ＭｇドープＧａＮ層の成長においては、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてはアンモニア（ＮＨ₃ ）を用い、ｐ型ドーパントとしてはビス−メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇ）を用いた。また、キャリアガスとしては、水素（Ｈ₂ ）と窒素（Ｎ₂ ）との混合ガスを用いた。
【００１３】
実験に用いた試料は具体的に次のようにして作製した。図３に示すように、まず、ｃ面サファイア基板１を、上述のＭＯＣＶＤ装置の反応管内に設置し、１０５０℃の温度に加熱してその表面をサーマルクリーニングすることにより表面清浄化を行った後、このｃ面サファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により成長温度５６０℃で厚さ３４ｎｍのＧａＮバッファ層２を低温成長させる。引き続いてＭＯＣＶＤ法により、このＧａＮバッファ層２上に成長温度１０００℃で厚さ１μｍのアンドープＧａＮ層３および厚さ１μｍのＭｇドープＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ層）４を順次成長させる。ＭｇドープＧａＮ層４の成長は、試料毎にＶ／ＩＩＩ比を変化させて行った。Ｖ／ＩＩＩ比は、ＴＭＧａの供給量のみを変化させることにより制御した。具体的には、ＮＨ₃ の供給量を１５ｓｌｍとし、ＴＭＧａの供給量を３９．６〜１５８μｍｏｌ／ｍｉｎの範囲で変化させた。また、この際、ＭｇドープＧａＮ層４に１×１０²⁰／ｃｍ³ の濃度にＭｇがドープされるように、（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇの供給量を０．３５〜１．３８μｍｏｌ／ｍｉｎの範囲で変化させた。
【００１４】
以上のように基板上に各窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、ＭｇドープＧａＮ層４におけるＭｇアクセプタの電気的活性化のために、Ｎ₂ 雰囲気中、８００℃の温度で１０分間、熱処理を行った。そして、このようにして作製された各試料毎に、ＭｇドープＧａＮ層４中の酸素濃度をＳＩＭＳ法により求め、ＭｇドープＧａＮ層４中の室温でのキャリア濃度をホール測定により求めた。
【００１５】
図１より、Ｖ／ＩＩＩ比に応じて酸素濃度が変化し、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど酸素濃度が高くなることがわかる。また、図２より、キャリア濃度もＶ／ＩＩＩ比に応じて変化し、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほどキャリア濃度が高くなることがわかる。その他の不純物に関しては、Ｖ／ＩＩＩ比の変化による濃度変化は見られなかった。
【００１６】
この実験結果から、ＭｇドープＧａＮ層におけるキャリア濃度は、酸素濃度と相関があり、特に、Ｖ／ＩＩＩ比を低くして成長を行った方が成長層に酸素が多く取り込まれ、キャリア濃度が増大することがわかる。具体的には、Ｖ／ＩＩＩ比が８０００以上の場合は、酸素濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 未満であるのに対して、Ｖ／ＩＩＩ比が８０００未満の場合は、酸素濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上であり、しかも、Ｖ／ＩＩＩ比の変化による酸素濃度の変化の度合いが大きくなり、酸素濃度に着目すると、Ｖ／ＩＩＩ比が６０００以下の場合は、Ｖ／ＩＩＩ比が８０００程度のときに比べて２．５倍程度に増加し、Ｖ／ＩＩＩ比が５０００以下の場合には、Ｖ／ＩＩＩ比が８０００程度のときに比べて３．５倍程度に増加し、それに伴って、キャリア濃度も増加していることがわかる。
【００１７】
なお、Ｍｇ濃度に関しては、ＣＶ測定により有効アクセプタ濃度Ｎ_A −Ｎ_D を測定したところ、Ｖ／ＩＩＩ比によらずほぼ一定であった。キャリア濃度に関しては、活性化エネルギーの違いによって差が生じることから、上述のようにＭｇドープＧａＮ層において、酸素濃度の増加に伴ってキャリア濃度が増加するのは、酸素のドーピングによって活性化エネルギーが小さくなったことにより、したがって、Ｍｇのアクセプタ準位が浅くなったことにより、キャリア（ホール）が得やすくなったためと推測される。また、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³ 程度の場合、キャリア濃度の向上には１×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度以上（Ｍｇ濃度の１％以上）のＯ濃度が最低限必要であり、そのためには、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下、好適には５０００以下にすればよいことが実験結果から推測される。また、Ｏ濃度の上限は１×１０²²／ｃｍ³ （母体原子の数）とする。
【００１８】
以上より、ＭｇドープＧａＮ層において高いキャリア濃度を得るためには、その成長時にｐ型不純物としてのＭｇに加えて同時に酸素をドープしてやり、この際、所定の濃度に酸素がドープされるようにＶ／ＩＩＩ比を最適化することが有効であると言える。
【００１９】
なお、上述の実験では、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させる場合に、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内の残留酸素または原料ガス、ドーパントガス、キャリアガスに不純物として含まれる酸素が取り込まれることによって、結果的に成長層に酸素がドープされることになるが、これは、通常の成長に用いる原料ガス、ドーパントガス、キャリアガスに酸素を含むガスを追加するなどして、成長層に積極的に酸素をドープすることも考えられる。本発明者が別に行った実験によれば、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させる際に、キャリアガスに酸素ガスを追加して流すことにより酸素のドーピングを行うようにした場合であっても、酸素濃度はＶ／ＩＩＩ比によって制御され、Ｖ／ＩＩＩ比が低いほど酸素が多く取り込まれ、キャリア濃度が通常に比較して増大することが確認された。なお、キャリアガスに酸素ガスを追加して流すことにより酸素のドーピングを行うようにした場合は、成長条件（Ｖ／ＩＩＩ比）を変えずに、キャリアガスに追加して流す酸素濃度を制御することでも、ドーピングされる酸素の濃度の制御は可能である。
【００２０】
以上は、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させる場合についてであるが、より一般的に、化学気相成長法によりｐ型不純物をドープして窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる場合に、同様なことが成立する。
【００２１】
この発明は、本発明者による以上のような検討に基づいて案出されたものである。
【００２２】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を化学気相成長法により成長させるようにした窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法において、
ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を６０００以下にしてｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００２３】
この発明の第２の発明は、
ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を化学気相成長法により成長させるようにした半導体装置の製造方法において、
ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を６０００以下にしてｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の第３の発明は、
活性層を１層以上のｎ型半導体層と１層以上のｐ型半導体層とにより挟んだ発光素子構造を有すると共に、活性層、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、発光素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を化学気相成長法により成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型半導体層を構成する少なくも１層のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を６０００以下にしてｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００２５】
この発明においては、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層においてより高いキャリア濃度を得る観点から、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を好適には５０００以下にしてｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる。
【００２６】
この発明において、化学気相成長は、典型的には、第１のガス導入部および第２のガス導入部を備えた反応管を有し、かつ、反応管内に第１のガス導入部を通じて導入する主流を反応管内に設置した基板に対してほぼ平行に流すと共に、反応管内に第２のガス導入部を通じて導入する副流を基板に対して４５度以下の角度で、好適には基板に対してほぼ平行に流すようにした気相成長装置を用いて行われる。また、上述のモル比は、典型的には、この気相成長装置を用いて成長を行う場合の値である。
【００２７】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってはさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一例を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどがある。
【００２８】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長には、典型的には有機金属化学気相成長法が用いられる。ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層へのｐ型不純物のドーピングは所定のドーパントを用いて行う。また、酸素のドーピングは、成長装置内の残留酸素や、原料ガス、ドーパントガス、キャリアガスなどの成長に用いるガスに不純物として含まれる酸素を成長層に取り込ませることにより行うようにしてもよく、あるいは、成長に用いるガスに不純物ガスとして酸素ガスまたは酸素を含むガスを追加して流すことにより行うようにしてもよい。
【００２９】
この発明においては、好適には、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中の酸素濃度が、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中のｐ型不純物濃度の１％以上、１×１０²²／ｃｍ³ 以下となるようにｐ型不純物および酸素のドーピングを制御する。なお、酸素濃度の制御は、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を変えることによって行う。
【００３０】
この発明において、ｐ型不純物としては、周期律表ＩＩＡ族およびＩＩＢ族より選択される少なくとも１種類の元素またはＣなどを用いるが、その中でも好適には、酸素との組み合わせにおいて最も顕著な効果のあるＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎを用いる。
【００３１】
この発明においては、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層においてより高いキャリア濃度を得る観点から、好適には、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長後、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中のｐ型不純物を活性化する。ｐ型不純物の活性化は、例えば、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中の水素を除去することにより行う。このｐ型不純物を活性化するための具体的な手法としては、例えば、熱処理または電子線照射処理などがある。
【００３２】
この発明の第２の発明において、半導体装置は、具体的には、例えば、発光ダイオードや半導体レーザのような半導体発光素子、あるいは、電界効果トランジスタなどのキャリア走行素子である。
【００３３】
この発明の第３の発明においては、半導体発光素子の動作電圧を低減する観点から、ｐ型半導体層のうちの少なくともｐ側電極とコンタクトするｐ型コンタクト層を成長させる際に、ｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下、好適には５０００以下にする。このｐ型コンタクト層を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比は、活性層に隣接するｐ型半導体層または活性層近傍のｐ型半導体層を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比、例えばｐ型光導波層やｐ型クラッド層（ｐ型クラッド層のうちの活性層に近い側の一部）を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比の１／２程度、またはそれ以下とすることが好ましい。
【００３４】
この発明の第３の発明においては、半導体発光素子において良好な光学特性を得る観点から、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にして成長させるｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、活性層から所定の距離だけ離れた位置、例えば活性層から３００ｎｍ程度離れた位置に形成することが好ましい。
【００３５】
上述のように構成されたこの発明によれば、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物と酸素とをドープすることで、本質的にｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のキャリア濃度を向上させていることに加えて、Ｖ／ＩＩＩ比が最適化されていることにより、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に酸素が効率よくドーピングされるので、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のキャリア濃度を効果的に向上させることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、この発明の第１の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
【００３８】
ここで、この第１の実施形態において、レーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長に用いられるＭＯＣＶＤ装置について説明する。図４はそのＭＯＣＶＤ装置の例を示す。
【００３９】
図４に示すＭＯＣＶＤ装置においては、反応管１１の内部にサセプタ１２が設けられ、このサセプタ１２上に成長を行う基板１３が設置されるようになっている。また、図示省略した加熱手段によりサセプタ１２が加熱され、それによって基板１３が加熱されるようになっている。
【００４０】
反応管１１の一端部にはガス導入管１４、１５が設けられ、他端部にはガス排気管１６が設けられている。ガス導入管１４から反応管１１内に有機金属やＮＨ₃ などの原料ガス、ドーパントガスおよびＨ₂ やＮ₂ などのキャリアガス（主流）が供給されると共に、ガス導入管１５から反応管１１内に副次的に流すＨ₂ やＮ₂ などのキャリアガス（副流）が供給され、ガス排気管１６から反応管１１内のガスが排気されて除害装置（図示せず）に送られるようになっている。ここで、ガス導入管１４から反応管１１内に供給される主流は、反応管１１内を基板１３に対してほぼ平行に流れるようになっていると共に、ガス導入管１５から反応管１１内に供給される副流は、反応管１１内を基板１３に対してほぼ平行に、かつ、主流が壁面につかないように流れるようになっている。なお、これらのガス導入部１４，１５から反応管１１内に供給される原料ガス、ドーパントガスおよびキャリアガスは、例えばマスフローコントローラ（図示せず）などによって流量制御が行われる。
【００４１】
次に、この発明の第１の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。図５は、この第１の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。この第１の実施形態においては、図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いてレーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長を行う。
【００４２】
図５に示すように、この第１の実施形態においては、まず、ｃ面サファイア基板２１を、図４に示すＭＯＣＶＤ装置の反応管１１内のサセプタ１２上に設置し、例えば１０５０℃の温度に加熱してその表面をサーマルエッチングすることにより表面清浄化を行った後、このｃ面サファイア基板２１上に、ＭＯＣＶＤ法により例えば５６０℃の温度でＧａＮバッファ層２２を低温成長させる。引き続いてＭＯＣＶＤ法により、このＧａＮバッファ層２２上に、ＧａＮバッファ層２３、ｎ型ＧａＮコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５、ｎ型ＧａＮ光導波層２６、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層２７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８、ｐ型ＧａＮ光導波層２９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１を順次成長させる。ここで、ＧａＮバッファ層２３、ｎ型ＧａＮコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５、ｎ型ＧａＮ光導波層２６、ｐ型ＧａＮ光導波層２９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１の成長温度は１０００℃程度とし、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層２７およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８の成長温度は、ＩｎＮの分解を抑えるために６００〜８００℃程度とする。
【００４３】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０を構成するＡｌＧａＮ層の組成は、例えばＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎとする。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８を構成するＡｌＧａＮ層の組成は、例えばＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎとする。活性層２７を構成するＧａＩｎＮ量子井戸層におけるＩｎ組成は、発光波長により異なるが例えば１％〜４０％程度の範囲とする。
【００４４】
ここで、これらのレーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうち、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８、ｐ型ＧａＮ光導波層２９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１の成長は、ｐ型不純物に加えて同時に酸素（Ｏ）をドープして成長を行う。この際、Ｏのドーピングは、これらのｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長中に、例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応管１１内の残留酸素や、原料ガス、ドーパントガスおよびキャリアガスなどに不純物として含まれる酸素を成長層に取り込ませることにより行い、ドープされるＯの濃度の制御はＶ／ＩＩＩ比を制御することにより行う。なお、成長層中のＯ濃度をＶ／ＩＩＩ比によって制御する場合は、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど、成長層にＯが多く取り込まれる（Ｏ濃度が高くなる）。この第１の実施形態においては、これらのｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの少なくとも１層、例えば、特にキャリア濃度を高くし、低抵抗化することが望ましいｐ型ＧａＮコンタクト層３１については、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下、好適には５０００以下（図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて常圧ＭＯＣＶＤ法により成長を行う場合）にして成長を行う。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、ＩＩＩ族元素の原料の供給量のみを変化させることにより制御する。
【００４５】
また、このとき、少なくともこのｐ型ＧａＮコンタクト層３１については、ｐ型不純物濃度の１％以上、１×１０²²／ｃｍ³ 以下の濃度にＯがドーピングされるようにする。さらに、少なくともこのｐ型ＧａＮコンタクト層３１を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比については、好適には、活性層２７に隣接するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層または活性層２７近傍のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８またはｐ型ＧａＮ光導波層２９を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比の１／２程度またはそれ以下とする。
【００４６】
これらのレーザ構造を形成する各窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、具体的には、一例として次のような成長条件で成長させる。なお、以下に挙げる成長条件のうち、Ｖ／ＩＩＩ比の値は、図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて常圧ＭＯＣＶＤ法により成長を行う場合の値である。
【００４７】
ＧａＮバッファ層２２およびＧａＮバッファ層２３の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。これらのＧａＮバッファ層２２およびＧａＮバッファ層２３の厚さは、それぞれ３０ｎｍおよび１μｍとする。
【００４８】
ｎ型ＧａＮコンタクト層２４の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｎ型不純物のドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ₄ ）用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｎ型ＧａＮコンタクト層２４にはｎ型不純物としてのＳｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度ドープする。このｎ型ＧａＮコンタクト層２４の厚さは２μｍとする。
【００４９】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の成長は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｎ型不純物のドーパントとしてＳｉＨ₄ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５にはｎ型不純物としてのＳｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度ドープする。このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の厚さは１．２μｍとする。
【００５０】
ｎ型ＧａＮ光導波層２６の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｎ型不純物のドーパントとしてＳｉＨ₄ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｎ型ＧａＮ光導波層２６にはｎ型不純物としてのＳｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度ドープする。このｎ型ＧａＮ光導波層２６の厚さは１００ｎｍとする。
【００５１】
ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層２７の成長は、ＧａＩｎＮ量子井戸層については、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行い、ＧａＮ障壁層については、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。この活性層２７の厚さは、ＧａＩｎＮ量子井戸層については３ｎｍ、ＧａＮ障壁層については６ｎｍとする。
【００５２】
ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８の成長は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてＴＭＡｌを、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８にはｐ型不純物としてのＭｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、酸素を１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８の厚さは１０ｎｍとする。
【００５３】
ｐ型ＧａＮ光導波層２９の成長は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてＴＭＡｌを、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｐ型ＧａＮ光導波層２９にはｐ型不純物としてのＭｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＧａＮ光導波層２９の厚さは１００ｎｍとする。
【００５４】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０の成長は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてＴＭＡｌを、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０にはｐ型不純物としてのＭｇを２×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０の厚さは１．２μｍとする。
【００５５】
ｐ型ＧａＮコンタクト層３１の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００にして行う。このｐ型ＧａＮコンタクト層３１にはｐ型不純物としてのＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＧａＮコンタクト層３１の厚さは２００ｎｍとする。
【００５６】
なお、上述の各窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長においては、キャリアガスとしてＨ₂ およびＮ₂ の混合ガスを用いる。
【００５７】
このように、ｃ面サファイア基板２１上にＭＯＣＶＤ法によりレーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、これらの層にドープされたｎ型不純物およびｐ型不純物の電気的活性化、特に、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８、ｐ型ＧａＮ光導波層２９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１にドープされたｐ型不純物（Ｍｇ）の電気的活性化のための熱処理を行う。この熱処理は、不活性ガス雰囲気中で、最終的に製造されるＧａＮ系半導体レーザの光学特性に悪影響を及ぼさない条件で行うことが好ましい。この熱処理条件の一例を挙げると、Ｎ₂ ガス雰囲気中で、加熱温度を８００℃とし、処理時間を１０分とする。この熱処理により、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中においてＭｇと結合したＨが除去されることにより、Ｍｇの活性化率が向上する。なお、ｐ型不純物の電気的活性化は、上述の熱処理に代えて電子線照射処理により行ってもよい。
【００５８】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１上に所定のストライプ形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層２４の厚さ方向の途中の深さまでエッチングする。次に、レジストパターンを除去した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１上に例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極３２を形成すると共に、エッチングされた部分のｎ型ＧａＮコンタクト層２４上に例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極３３を形成する。この後、上述のようにしてレーザ構造が形成されたｃ面サファイア基板２１をバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらに、このバーをチップ化する。以上により、目的とするＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００５９】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうち、少なくともｐ型ＧａＮコンタクト層３１の成長時にＭｇとＯとをドープすると共に、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にしていることにより、このｐ型ＧａＮコンタクト層３１はキャリア濃度（正孔濃度）、特に室温でのキャリア濃度が高く、したがって低抵抗なｐ型層となる。このため、このｐ型ＧａＮコンタクト層３１にコンタクトするオーミック電極（ｐ側電極３２）の接触抵抗が低くなり、これにより、動作電圧が低減される。これに加えて、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物としてのＭｇに加えて、Ｏをドープしていることにより、本質的に、これらのｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のキャリア濃度は従来に比べて向上する。したがって、動作電圧が低く、かつ、低しきい値電流密度で高発光効率のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００６０】
次に、この発明の第２の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
【００６１】
この第２の実施形態においては、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうち、少なくとも、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にして成長を行うｐ型ＧａＮコンタクト層３１を成長させる際に、不純物ガスとして例えば酸素（Ｏ₂ ）ガスのようなＯを含むガスを用いることによりＯのドーピングを行う。ここで、不純物ガスとしてＯ₂ ガスを用いる場合は、このＯ₂ ガスを、例えばキャリアガスに追加してＭＯＣＶＤ装置の反応管内に供給する。この場合、キャリアガスとしては、Ｎ₂ ガスのような不活性ガスを用いる。その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、この第２の実施形態においては、キャリアガスに追加して流すＯ₂ ガスの流量を制御する制御することによっても、Ｏ濃度を制御することが可能である。
【００６３】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。図６は、この第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。この第３の実施形態においては、図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて発光ダイオード構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長を行う。
【００６４】
図６に示すように、この第３の実施形態においては、まず、ｃ面サファイア基板４１を、図４に示すＭＯＣＶＤ装置の反応管１１内のサセプタ１２上に設置し、例えば１０５０℃の温度に加熱してその表面をサーマルエッチングすることにより表面清浄化を行った後、このｃ面サファイア基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法により例えば５６０℃の温度でＧａＮバッファ層４２を低温成長させる。引き続いてＭＯＣＶＤ法により、このＧａＮバッファ層４２上に、ＧａＮバッファ層４３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４４、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層４５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６、ｐ型ＧａＮクラッド層４７およびｐ型ＧａＮコンタクト層４８を順次成長させる。なお、ｎ型ＧａＮコンタクト層４４はｎ型クラッド層としての役割をも有するものである。ここで、ＧａＮバッファ層４３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４４およびｐ型ＧａＮコンタクト層４８の成長温度は１０００℃程度とし、Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ多重量子井戸構造の活性層４５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６およびｐ型ＧａＮコンタクト層４７の成長温度は、ＩｎＮの分解を抑えるために６００〜８００℃程度とする。
【００６５】
ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６を構成するＡｌＧａＮ層の組成は、例えばＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎとする。活性層４５を構成するＧａＩｎＮ量子井戸層におけるＩｎ組成は、発光波長により異なるが例えば１％〜４０％程度の範囲とする。
【００６６】
ここで、これらの発光ダイオード構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうち、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６、ｐ型ＧａＮクラッド層４７およびｐ型ＧａＮコンタクト層４８の成長は、ｐ型不純物に加えて同時に酸素（Ｏ）をドープして成長を行う。この際、Ｏのドーピングは、これらのｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長中に、例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応管１１内の残留酸素や、原料ガス、ドーパントガスおよびキャリアガスなどに不純物として含まれる酸素を成長層に取り込ませることにより行い、ドープされるＯの濃度の制御はＶ／ＩＩＩ比を制御することにより行う。なお、成長層中のＯ濃度をＶ／ＩＩＩ比によって制御する場合は、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど、成長層にＯが多く取り込まれる（Ｏ濃度が高くなる）。したがって、これらのｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの少なくとも１層、例えば、特にキャリア濃度を高くし、低抵抗化することが望ましいｐ型ＧａＮコンタクト層４８については、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下、好適には５０００以下（図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて常圧ＭＯＣＶＤ法により成長を行う場合）にして行う。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は、ＩＩＩ族元素の原料の供給量のみを変化させることによって制御する。
【００６７】
また、このとき、少なくともこのｐ型ＧａＮコンタクト層４８については、ｐ型不純物濃度の１％以上、１×１０²²／ｃｍ³ 以下の濃度にＯがドーピングされるようにする。さらに、このｐ型ＧａＮコンタクト層４８を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比については、好適には、活性層４５に隣接するｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層または活性層４５近傍のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比の１／２程度またはそれ以下とする。
【００６８】
これらの発光ダイオード構造を形成する各窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、具体的には、一例として次のような成長条件で成長させる。なお、以下に挙げる成長条件のうち、Ｖ／ＩＩＩ比の値は、図４に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて常圧ＭＯＣＶＤ法により成長を行う場合の値である。
【００６９】
ＧａＮバッファ層４２およびＧａＮバッファ層４３の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。これらのＧａＮバッファ層４２およびＧａＮバッファ層４３の厚さは、それぞれ３０ｎｍおよび１μｍとする。
【００７０】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４４の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｎ型不純物のドーパントとしてＳｉＨ₄ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｎ型ＧａＮコンタクト層４４にはｎ型不純物としてのＳｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度ドープする。このｎ型ＧａＮコンタクト層４４の厚さは３μｍとする。
【００７１】
ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層４５の成長は、ＧａＩｎＮ量子井戸層については、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてＴＭＩｎを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行い、ＧａＮ障壁層については、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。この活性層４５の厚さは、ＧａＩｎＮ量子井戸層については３ｎｍ、ＧａＮ障壁層については６ｎｍとする。
【００７２】
ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６の成長は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてＴＭＡｌを、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６にはｐ型不純物としてのＭｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６の厚さは１０ｎｍとする。
【００７３】
ｐ型ＧａＮクラッド層４７の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００にして行う。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４７にはｐ型不純物としてのＭｇを２×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４７の厚さは１．２μｍとする。
【００７４】
ｐ型ＧａＮコンタクト層４８の成長は、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてＴＭＧａを、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ₃ を、ｐ型不純物のドーパントとして（ＭｅＣｐ）₂ Ｍｇを用い、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００にして行う。このｐ型ＧａＮコンタクト層４８にはｐ型不純物としてのＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープし、Ｏを１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度ドープする。このｐ型ＧａＮコンタクト層４８の厚さは２００ｎｍとする。
【００７５】
このように、ｃ面サファイア基板４１上にＭＯＣＶＤ法により発光ダイオード構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、これらの層にドープされたｎ型不純物およびｐ型不純物の電気的活性化、特に、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４６、ｐ型ＧａＮクラッド層４７およびｐ型ＧａＮコンタクト層４８にドープされたｐ型不純物（Ｍｇ）の電気的活性化のための熱処理を行う。この熱処理は、例えば第１の実施形態におけると同様の条件で行う。なお、ｐ型不純物の電気的活性化は、上述の熱処理に代えて電子線照射処理により行ってもよい。
【００７６】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層４８上に所定のストライプ形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４４の厚さ方向の途中の深さまでエッチングする。次に、レジストパターンを除去した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層４８上に例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極４９を形成すると共に、エッチングされた部分のｎ型ＧａＮコンタクト層４４上に例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極４０を形成する。この後、上述のようにして発光ダイオード構造が形成されたｃ面サファイア基板４１をバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらに、このバーをチップ化する。以上により、目的とするＧａＮ系発光ダイオードが製造される。
【００７７】
この第３の実施形態によれば、ＧａＮ系発光ダイオードにおいて、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７８】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００７９】
この第４の実施形態においては、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうち、少なくとも、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にして成長を行うｐ型ＧａＮコンタクト層４８を成長させる際に、不純物ガスとして例えば酸素（Ｏ₂ ）ガスのようなＯを含むガスを用いることによりＯのドーピングを行う。ここで、不純物ガスとしてＯ₂ ガスを用いる場合は、このＯ₂ ガスを、例えばキャリアガスに追加してＭＯＣＶＤ装置の反応管内に供給する。この場合、キャリアガスとしては、Ｎ₂ ガスのような不活性ガスを用いる。その他のことは第３の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８０】
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、この第４の実施形態においては、キャリアガスに追加して流すＯ₂ ガスの流量を制御する制御することによっても、Ｏ濃度を制御することが可能である。
【００８１】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の第１〜第４の実施形態において挙げた数値、構造、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００８２】
また、上述の第１〜第４の実施形態において、レーザ構造または発光ダイオード構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長に用いる図４に示すＭＯＣＶＤ装置は、一例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成のＭＯＣＶＤ装置を用いてもよい。具体的には、図４にＭＯＣＶＤ装置においては副流を基板に対してほぼ平行に流すようにしているが、この副流は基板に対して４５°以下の角度で流すようにしてもよい。
【００８３】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちｐ型ＧａＮコンタクト層３１，４８を成長させる際に、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にしているが、場合によっては、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１，４８以外のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際にも、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にしてもよい。ただし、この場合、良好な光学特性を得る観点から、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にして成長させるｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、活性層から所定の距離だけ離れた位置、例えば活性層から３００ｎｍ程度離れた位置に形成することが好ましい。一例を挙げると、例えば、第１および第２の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０を成長させる際に、Ｖ／ＩＩＩ比を例えば１００００にしてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０を３００ｎｍ程度成長させた後、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下、好適には５０００以下、例えば４０００にして残りのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０を成長させてもよい。この場合、活性層２７近傍のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０ではＯ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度と低く、残りの部分のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０ではＯ濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度と高く、高キャリア濃度となるため、光学特性に悪影響を及ぼすことなく、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０を低抵抗化することができる。
【００８４】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、この発明を窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造に適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＦＥＴなどのキャリア走行素子の製造に用いることも可能である。
【００８５】
【発明の効果】
以上、この発明による窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法によれば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長時にｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、Ｖ／ＩＩＩ比を６０００以下にして窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させるようにしていることにより、従来に比べてキャリア濃度が高く、低抵抗のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができる。
【００８６】
この発明による半導体装置の製造方法および半導体発光素子の製造方法によれば、ｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる場合に、この発明による窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法を適用していることにより、従来に比べてキャリア濃度が高く、低抵抗のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができ、特性が良好な半導体装置を製造することができる。
【００８７】
この発明による半導体発光素子の製造方法によれば、ｐ型半導体層を構成する少なくも１層のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる場合に、この発明による窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法を適用していることにより、従来に比べてキャリア濃度が高く、低抵抗のｐ型窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができ、動作電圧が低く、かつ、高発光効率の半導体発光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｖ／ＩＩＩ比を変えてＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させてその酸素濃度を測定した結果を示す略線図である。
【図２】Ｖ／ＩＩＩ比を変えてＭＯＣＶＤ法によりＭｇドープＧａＮ層を成長させてその室温でのキャリア濃度を測定した結果を示す略線図である。
【図３】図１および図２に示す実験に用いた試料を示す断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法において、レーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長に用いられるＭＯＣＶＤ装置の構成例を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２１，４１・・・ｃ面サファイア基板、２２，２３，４２，４３・・・ＧａＮバッファ層、２４、４４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、２５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２６・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、２７，４５・・・活性層、２８，４６・・・ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、２９・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、３０・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３１，４８・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、３２，４９・・・ｐ側電極、３３，５０・・・ｎ側電極、４７・・・ｐ型ＧａＮクラッド層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for growing a nitride III-V compound semiconductor layer, a method for manufacturing a semiconductor device, and a method for manufacturing a semiconductor light emitting element.
[0002]
[Prior art]
Nitride III-V compound semiconductors such as GaN, AlGaN, and GaInN have a wide band gap energy ranging from 1.8 eV to 6.2 eV, and can be applied to light emitting devices capable of emitting light from red to ultraviolet. Expected and active research and development is underway. In addition, this nitride-based III-V compound semiconductor has a high saturation electron velocity and an extremely large breakdown electric field, and thus has attracted attention as a material for carrier traveling elements such as high-frequency, high-power field effect transistors (FETs). ing.
[0003]
When manufacturing light emitting diodes, semiconductor lasers, FETs, etc. using this nitride III-V group compound semiconductor, for example, sapphire (Al ₂ O _Three A nitride III-V compound semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate such as a substrate, a zinc oxide (ZnO) substrate, or a silicon carbide (SiC) substrate.
[0004]
A specific method for manufacturing an element using the nitride III-V compound semiconductor will be described by taking a GaN semiconductor laser having an SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure using a c-plane sapphire substrate as an example. That is, to manufacture this GaN-based semiconductor laser, first, a first GaN buffer layer is grown at a low temperature, for example, at a temperature of 560 ° C. on a c-plane sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). After that, the second GaN buffer layer, the n-type GaN contact layer, the n-type AlGaN cladding layer, the n-type GaN optical waveguide layer, the GaInN / An active layer having a GaN multiple quantum well structure, a p-type AlGaN cap layer, a p-type GaN optical waveguide layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer are sequentially grown. Here, the second GaN buffer layer, n-type GaN contact layer, n-type AlGaN cladding layer, n-type GaN optical waveguide layer, p-type GaN optical waveguide layer, p-type AlGaN cladding layer, and p-type GaN contact layer The growth temperature is 1000 ° C., and the growth temperature of the active layer and the p-type AlGaN cap layer having a GaInN / GaN multiple quantum well structure is 700 ° C. in order to suppress decomposition of InN. The growth of these nitride-based III-V compound semiconductor layers is performed by the molar ratio of the supply amount of the Group V element to the supply amount of the Group III element (hereinafter also simply referred to as “V / III ratio”). It is carried out at about 8000 to 10,000. Next, after forming a resist pattern having a predetermined shape on the p-type GaN contact layer, etching is performed to a depth in the thickness direction of the n-type GaN contact layer by reactive ion etching (RIE) using this resist pattern as a mask. To do. Next, after removing the resist pattern, a p-side electrode is formed on the p-type GaN contact layer, and an n-side electrode is formed on the etched n-type GaN contact layer. Thereafter, the c-plane sapphire substrate having the laser structure formed as described above is processed into a bar shape to form both resonator end faces, and this bar is further chipped. As described above, the target GaN semiconductor laser having the SCH structure is manufactured.
[0005]
Heretofore, as a method for obtaining a p-type nitride III-V compound semiconductor layer, for example, a p-type GaN layer or a p-type AlGaN layer, by MOCVD, magnesium (Mg) organic is used as a p-type impurity dopant. A method using a metal is common. Mg as a p-type impurity has a property of high addition efficiency to the growth layer and easy concentration control. Mg is known to produce the shallowest acceptor level among currently known p-type impurities, and a higher activation rate is expected compared to other p-type impurities.
[0006]
However, when an Mg-doped nitride-based III-V group compound semiconductor layer, for example, an Mg-doped GaN layer, is grown by MOCVD, if hydrogen (H) is contained in the source gas or the carrier gas, the crystal A phenomenon occurs in which the Mg acceptor is inactivated by hydrogen. For this reason, the Mg-doped GaN layer immediately after growth generally has a high resistance.
[0007]
Therefore, as a countermeasure, for example, after the growth of the Mg-doped GaN layer, heat treatment is performed in an inert gas at a temperature of about 700 to 900 ° C., thereby removing hydrogen bonded to Mg and improving the Mg activation rate. And a low-resistance p-type GaN layer has been proposed (for example, Jpn. J. Appl. Phys., 30, (10A) L1708-L1711 (1991)).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the Mg-doped GaN layer, although the activation rate of the Mg acceptor is improved by performing the heat treatment after the growth as described above, the Mg acceptor level in GaN is as deep as 200 meV. Even if all of them are accepted, there is a problem that the carrier concentration (hole concentration) at room temperature can be obtained only about two orders of magnitude lower than the Mg concentration. Thus, in the prior art, it is difficult to increase the carrier concentration of the p-type nitride-based III-V compound semiconductor layer. Problems such as an increase in contact resistance of the ohmic electrode to be generated occur. For this reason, for example, in the GaN-based semiconductor laser described above, the operating voltage and the threshold current density are increased, and it is difficult to increase the emission intensity.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride-based III-V compound semiconductor layer growth method and semiconductor device capable of obtaining a p-type nitride III-V compound semiconductor layer having a high carrier concentration and a low resistance. It is to provide a manufacturing method.
[0010]
Another object of the present invention is to obtain a p-type nitride III-V compound semiconductor layer having a high carrier concentration and a low resistance, a low operating voltage, and a high emission efficiency nitride III- An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device capable of realizing a semiconductor light emitting device using a group V compound semiconductor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor conducted intensive experiments and studies in order to solve the above-described problems of the prior art. As a result, the carrier concentration (hole concentration) of the Mg-doped GaN layer grown by the MOCVD method is very small in the crystal. The knowledge that there is a correlation in the concentration of oxygen (O) contained was obtained. Therefore, as a result of further experiments and examinations, the present inventor has found that when the Mg-doped GaN layer is grown by the MOCVD method, the oxygen concentration changes according to the V / III ratio of the raw material used for the growth, and accordingly the carrier We found that the concentration also changed. Thus, the carrier concentration is improved by doping oxygen in the Mg-doped GaN layer because the Mg acceptor level becomes shallow or a new shallow level is formed. This was clarified by temperature variable Hall measurement. In the following, experiments that have triggered the inventor to devise means for solving the problems will be described.
[0012]
FIG. 1 and FIG. 2 show the results of measuring the oxygen concentration and the carrier concentration in the obtained Mg-doped GaN layer by changing the V / III ratio and growing the Mg-doped GaN layer on the c-plane sapphire substrate by the MOCVD method. Show. However, the sample used in the experiment is a so-called two-flow type MOCVD apparatus in which source gases are separately supplied from two gas introduction units into the reaction tube, and the main source gas and the main source gas are The carrier gas is made to flow substantially parallel to the substrate, and the carrier gas or the second source gas as a secondary flow is made to flow at an angle of 45 degrees or less with respect to the substrate, preferably substantially parallel to the substrate. It was produced using what was done. Further, in the growth of the Mg-doped GaN layer, trimethylgallium (TMGa) is used as a source of Ga, which is a group III element, and ammonia (NH is used as a source of N, which is a group V element. _Three ) And p-type dopant is bis-methylcyclopentadienylmagnesium ((MeCp)) ₂ Mg) was used. As the carrier gas, hydrogen (H ₂ ) And nitrogen (N ₂ ) Was used.
[0013]
The sample used for the experiment was specifically manufactured as follows. As shown in FIG. 3, first, the c-plane sapphire substrate 1 is placed in the reaction tube of the above-described MOCVD apparatus, heated to a temperature of 1050 ° C., and the surface is thermally cleaned to perform surface cleaning. The GaN buffer layer 2 having a thickness of 34 nm is grown at a low temperature on the c-plane sapphire substrate 1 at a growth temperature of 560 ° C. by MOCVD. Subsequently, an undoped GaN layer 3 having a thickness of 1 μm and an Mg-doped GaN layer (p-type GaN layer) 4 having a thickness of 1 μm are sequentially grown on the GaN buffer layer 2 at a growth temperature of 1000 ° C. by MOCVD. The Mg-doped GaN layer 4 was grown by changing the V / III ratio for each sample. The V / III ratio was controlled by changing only the supply amount of TMGa. Specifically, NH _Three The supply amount of TMGa was 15 slm, and the supply amount of TMGa was changed in the range of 39.6 to 158 μmol / min. At this time, the Mg-doped GaN layer 4 has 1 × 10 ²⁰ / Cm ^Three So that Mg is doped to a concentration of (MeCp) ₂ The supply amount of Mg was changed in the range of 0.35 to 1.38 μmol / min.
[0014]
After each nitride III-V compound semiconductor layer is grown on the substrate as described above, N is used for electrical activation of the Mg acceptor in the Mg-doped GaN layer 4. ₂ Heat treatment was performed in an atmosphere at a temperature of 800 ° C. for 10 minutes. Then, for each sample produced in this way, the oxygen concentration in the Mg-doped GaN layer 4 was determined by the SIMS method, and the carrier concentration at room temperature in the Mg-doped GaN layer 4 was determined by hole measurement.
[0015]
FIG. 1 shows that the oxygen concentration changes according to the V / III ratio, and the oxygen concentration increases as the V / III ratio decreases. Further, FIG. 2 shows that the carrier concentration also changes according to the V / III ratio, and the carrier concentration increases as the V / III ratio decreases. Regarding other impurities, no change in concentration due to a change in the V / III ratio was observed.
[0016]
From this experimental result, the carrier concentration in the Mg-doped GaN layer has a correlation with the oxygen concentration. In particular, when the growth is performed with a low V / III ratio, more oxygen is taken into the growth layer and the carrier concentration increases. I understand that Specifically, when the V / III ratio is 8000 or more, the oxygen concentration is 1 × 10 6. ¹⁸ / Cm ^Three When the V / III ratio is less than 8000, the oxygen concentration is 1 × 10 ¹⁸ / Cm ^Three In addition, the degree of change in the oxygen concentration due to the change in the V / III ratio is large, and focusing on the oxygen concentration, when the V / III ratio is 6000 or less, the V / III ratio is about 8000. When the V / III ratio is 5000 or less, the V / III ratio increases to about 3.5 times compared to when the V / III ratio is about 8000, and accordingly, the carrier concentration is increased. It can be seen that the number has increased.
[0017]
Regarding the Mg concentration, the effective acceptor concentration N is determined by CV measurement. _A -N _D Was measured and was almost constant regardless of the V / III ratio. Regarding the carrier concentration, a difference occurs due to the difference in activation energy. Therefore, in the Mg-doped GaN layer as described above, the carrier concentration increases as the oxygen concentration increases. It is presumed that carriers (holes) are easily obtained because the acceptor level of Mg has become shallow due to the reduction in the size. The Mg concentration is 1 × 10 ²⁰ / Cm ^Three 1 × 10 for improving the carrier concentration. ¹⁸ / Cm ^Three It is estimated from the experimental results that an O concentration of at least about (1% or more of Mg concentration) is a minimum, and for that purpose, the V / III ratio should be 6000 or less, preferably 5000 or less. The upper limit of O concentration is 1 × 10 ^{twenty two} / Cm ^Three (Number of parent atoms).
[0018]
From the above, in order to obtain a high carrier concentration in the Mg-doped GaN layer, oxygen is simultaneously doped in addition to Mg as a p-type impurity during the growth, and at this time, V is so doped with oxygen to a predetermined concentration. It can be said that it is effective to optimize the / III ratio.
[0019]
In the above experiment, when the Mg-doped GaN layer is grown by the MOCVD method, residual oxygen in the reaction tube of the MOCVD apparatus or oxygen contained as an impurity in the source gas, dopant gas, and carrier gas is taken into account. The growth layer is doped with oxygen. This is because oxygen is added to the growth layer positively by adding a gas containing oxygen to the source gas, dopant gas, and carrier gas used for normal growth. It is also possible to dope. According to an experiment conducted separately by the present inventors, even when the Mg-doped GaN layer is grown by the MOCVD method, even when oxygen is doped by flowing an additional oxygen gas into the carrier gas, It was confirmed that the oxygen concentration was controlled by the V / III ratio, and that the lower the V / III ratio, the more oxygen was taken in and the carrier concentration increased compared to normal. In addition, when oxygen doping is performed by adding an oxygen gas to the carrier gas and flowing, the oxygen concentration to be additionally supplied to the carrier gas is controlled without changing the growth conditions (V / III ratio). Even so, it is possible to control the concentration of the doped oxygen.
[0020]
The above is the case where the Mg-doped GaN layer is grown by MOCVD. More generally, a nitride III-V compound semiconductor layer is grown by doping p-type impurities by chemical vapor deposition. In some cases, the same is true.
[0021]
The present invention has been devised based on the above studies by the present inventors.
[0022]
That is, in order to achieve the above object, the first invention of the present invention is:
In the method of growing a nitride III-V compound semiconductor layer, wherein the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is grown by chemical vapor deposition,
When the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is grown, the p-type impurity and oxygen are doped, and the supply amount of the group III element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is increased. The p-type nitride III-V compound semiconductor layer was grown by setting the molar ratio of the supply amounts of the Group V element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer to 6000 or less.
It is characterized by this.
[0023]
The second invention of this invention is:
In a method for manufacturing a semiconductor device in which a p-type nitride III-V compound semiconductor layer is grown by chemical vapor deposition,
When the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is grown, the p-type impurity and oxygen are doped, and the supply amount of the group III element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is increased. The p-type nitride III-V compound semiconductor layer was grown by setting the molar ratio of the supply amounts of the Group V element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer to 6000 or less.
It is characterized by this.
[0024]
The third invention of the present invention is:
The active layer has a light emitting element structure sandwiched between one or more n-type semiconductor layers and one or more p-type semiconductor layers, and the active layer, the n-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer are nitride III-V In a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, a nitride III-V compound semiconductor layer made of a group compound semiconductor and forming a light emitting device structure is grown by chemical vapor deposition.
The p-type nitride III-V compound semiconductor layer is doped with p-type impurities and oxygen during the growth of at least one p-type nitride III-V compound semiconductor layer constituting the p-type semiconductor layer. The molar ratio of the supply amount of the Group V element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer to the supply amount of the Group III element constituting Si is 6000 or less, and the p-type nitride III- Growing group V compound semiconductor layer
It is characterized by this.
[0025]
In the present invention, from the viewpoint of obtaining a higher carrier concentration in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer, the supply amount of the raw material of the group III element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer The p-type nitride III-V compound semiconductor layer is grown with the molar ratio of the supply amount of the group V element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer being preferably 5000 or less. .
[0026]
In this invention, chemical vapor deposition typically has a reaction tube having a first gas introduction part and a second gas introduction part, and is introduced into the reaction tube through the first gas introduction part. The main stream to be flowed is substantially parallel to the substrate installed in the reaction tube, and the side flow introduced into the reaction tube through the second gas introduction unit is at an angle of 45 degrees or less with respect to the substrate, and preferably to the substrate The vapor phase growth apparatus is adapted to flow almost in parallel. The above molar ratio is typically a value when growth is performed using this vapor phase growth apparatus.
[0027]
In the present invention, the nitride-based III-V compound semiconductor includes at least one group III element selected from the group consisting of Ga, Al, In, B, and Tl, and at least N. Or it consists of a V group element containing P. Examples of this nitride III-V compound semiconductor include GaN, AlGaN, and GaInN.
[0028]
In this invention, a metal organic chemical vapor deposition method is typically used for the growth of the nitride-based III-V compound semiconductor layer. Doping of the p-type impurity into the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is performed using a predetermined dopant. Further, oxygen doping may be performed by incorporating oxygen contained as impurities in a gas used for growth such as residual oxygen in a growth apparatus, source gas, dopant gas, or carrier gas into the growth layer, Alternatively, oxygen gas or a gas containing oxygen may be additionally supplied as an impurity gas to the gas used for growth.
[0029]
In the present invention, preferably, the oxygen concentration in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is 1% or more of the p-type impurity concentration in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer, 1 × 10 ^{twenty two} / Cm ^Three The doping of p-type impurities and oxygen is controlled so that The oxygen concentration is controlled by controlling the V group element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer with respect to the supply amount of the raw material of the III group element constituting the p-type nitride III-V compound semiconductor layer. This is done by changing the molar ratio of the amount of the raw material supplied.
[0030]
In the present invention, as the p-type impurity, at least one element selected from Group IIA and Group IIB of the periodic table, C, or the like is used, and among them, the most remarkable effect in combination with oxygen is preferable. Some Mg, Be, and Zn are used.
[0031]
In the present invention, from the viewpoint of obtaining a higher carrier concentration in the p-type nitride-based III-V group compound semiconductor layer, preferably, after the growth of the p-type nitride-based III-V group compound semiconductor layer, p-type nitridation is performed. The p-type impurity in the physical III-V compound semiconductor layer is activated. The activation of the p-type impurity is performed, for example, by removing hydrogen in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer. Specific methods for activating this p-type impurity include, for example, heat treatment or electron beam irradiation treatment.
[0032]
In the second invention of the present invention, the semiconductor device is specifically a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode or a semiconductor laser, or a carrier traveling element such as a field effect transistor.
[0033]
In the third aspect of the present invention, from the viewpoint of reducing the operating voltage of the semiconductor light emitting device, when growing the p-type contact layer that contacts at least the p-side electrode of the p-type semiconductor layer, While doping with oxygen, the V / III ratio is made 6000 or less, preferably 5000 or less. The V / III ratio when growing the p-type contact layer is the V / III ratio when growing the p-type semiconductor layer adjacent to the active layer or the p-type semiconductor layer near the active layer, for example, the p-type optical waveguide layer Or a p-type cladding layer (a part of the p-type cladding layer closer to the active layer) is preferably about 1/2 or less than the V / III ratio.
[0034]
In the third invention of the present invention, from the viewpoint of obtaining good optical characteristics in a semiconductor light emitting device, the p-type nitride III-V compound semiconductor layer grown with a V / III ratio of 6000 or less is an active layer. It is preferable to form it at a position away from the active layer by a predetermined distance, for example, at a position away from the active layer by about 300 nm.
[0035]
According to the present invention configured as described above, the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is essentially doped by doping p-type impurities and oxygen during the growth of the p-type nitride III-V compound semiconductor layer. In addition to improving the carrier concentration of the V group compound semiconductor layer, the V / III ratio is optimized, so that the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is efficiently doped with oxygen. Therefore, the carrier concentration of the p-type nitride III-V compound semiconductor layer can be effectively improved.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0037]
First, a method for manufacturing a GaN semiconductor laser having an SCH structure according to the first embodiment of the present invention will be described.
[0038]
Here, the MOCVD apparatus used for the growth of the nitride III-V compound semiconductor layer forming the laser structure in the first embodiment will be described. FIG. 4 shows an example of the MOCVD apparatus.
[0039]
In the MOCVD apparatus shown in FIG. 4, a susceptor 12 is provided inside a reaction tube 11, and a substrate 13 for growth is placed on the susceptor 12. Further, the susceptor 12 is heated by a heating means (not shown), whereby the substrate 13 is heated.
[0040]
Gas inlet pipes 14 and 15 are provided at one end of the reaction tube 11, and a gas exhaust pipe 16 is provided at the other end. Organometallic or NH from the gas introduction pipe 14 into the reaction pipe 11 _Three Source gas, dopant gas and H ₂ Or N ₂ A carrier gas (mainstream) such as H 2 is supplied to the reaction tube 11 from the gas introduction tube 15 as a secondary flow. ₂ Or N ₂ A carrier gas (secondary flow) is supplied, and the gas in the reaction tube 11 is exhausted from the gas exhaust pipe 16 and sent to a detoxifying device (not shown). Here, the main flow supplied from the gas introduction tube 14 into the reaction tube 11 flows in the reaction tube 11 substantially in parallel to the substrate 13 and from the gas introduction tube 15 into the reaction tube 11. The substream to be supplied flows in the reaction tube 11 substantially parallel to the substrate 13 and so that the main flow does not stick to the wall surface. The source gas, dopant gas, and carrier gas supplied into the reaction tube 11 from these gas introduction portions 14 and 15 are controlled in flow rate by, for example, a mass flow controller (not shown).
[0041]
Next explained is a method for manufacturing a GaN-based semiconductor laser having an SCH structure according to the first embodiment of the invention. FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the SCH semiconductor GaN semiconductor laser according to the first embodiment. In the first embodiment, a nitride III-V compound semiconductor layer for forming a laser structure is grown using the MOCVD apparatus shown in FIG.
[0042]
As shown in FIG. 5, in the first embodiment, first, the c-plane sapphire substrate 21 is placed on the susceptor 12 in the reaction tube 11 of the MOCVD apparatus shown in FIG. After the surface is cleaned by heating and thermally etching the surface, the GaN buffer layer 22 is grown on the c-plane sapphire substrate 21 at a low temperature of, for example, 560 ° C. by MOCVD. Subsequently, the activity of the GaN buffer layer 23, the n-type GaN contact layer 24, the n-type AlGaN cladding layer 25, the n-type GaN optical waveguide layer 26, and the GaInN / GaN multiple quantum well structure is formed on the GaN buffer layer 22 by MOCVD. A layer 27, a p-type AlGaN cap layer 28, a p-type GaN optical waveguide layer 29, a p-type AlGaN cladding layer 30, and a p-type GaN contact layer 31 are grown in this order. Here, the GaN buffer layer 23, the n-type GaN contact layer 24, the n-type AlGaN cladding layer 25, the n-type GaN optical waveguide layer 26, the p-type GaN optical waveguide layer 29, the p-type AlGaN cladding layer 30, and the p-type GaN contact layer. The growth temperature of 31 is about 1000 ° C., and the growth temperature of the active layer 27 and the p-type AlGaN cap layer 28 of the GaInN / GaN multiple quantum well structure is about 600 to 800 ° C. in order to suppress decomposition of InN.
[0043]
The composition of the AlGaN layers constituting the n-type AlGaN cladding layer 25 and the p-type AlGaN cladding layer 30 is, for example, Al _0.06 Ga _0.94 N. The composition of the AlGaN layer constituting the p-type AlGaN cap layer 28 is, for example, Al _0.2 Ga _0.8 N. The In composition in the GaInN quantum well layer constituting the active layer 27 varies depending on the emission wavelength, but is in the range of about 1% to 40%, for example.
[0044]
Of the nitride III-V compound semiconductor layers forming these laser structures, a p-type nitride III-V compound semiconductor layer, that is, a p-type AlGaN cap layer 28, a p-type GaN optical waveguide. The layer 29, the p-type AlGaN cladding layer 30 and the p-type GaN contact layer 31 are grown by simultaneously doping oxygen (O) in addition to the p-type impurity. At this time, the doping of O is performed during the growth of these p-type nitride III-V compound semiconductor layers, for example, residual oxygen in the reaction tube 11 of the MOCVD apparatus, source gas, dopant gas, carrier gas, etc. Oxygen contained as an impurity is taken into the growth layer, and the concentration of doped O is controlled by controlling the V / III ratio. When the O concentration in the growth layer is controlled by the V / III ratio, the smaller the V / III ratio, the more O is taken into the growth layer (the O concentration increases). In the first embodiment, at least one of these p-type nitride-based III-V compound semiconductor layers, for example, a p-type GaN contact that is desired to have a particularly high carrier concentration and low resistance. The layer 31 is grown at a V / III ratio of 6000 or less, preferably 5000 or less (when growth is performed by atmospheric pressure MOCVD using the MOCVD apparatus shown in FIG. 4). At this time, the V / III ratio is controlled, for example, by changing only the supply amount of the Group III element material.
[0045]
At this time, at least for the p-type GaN contact layer 31, 1% or more of the p-type impurity concentration is 1 × 10 ^{twenty two} / Cm ^Three O is doped to the following concentration. Further, at least the V / III ratio when growing the p-type GaN contact layer 31 is preferably in the vicinity of the p-type nitride III-V compound semiconductor layer adjacent to the active layer 27 or the active layer 27. A p-type nitride III-V compound semiconductor layer, specifically, about 1/2 or less of the V / III ratio when the p-type AlGaN cap layer 28 or the p-type GaN optical waveguide layer 29 is grown. To do.
[0046]
Specifically, each nitride-based III-V group compound semiconductor layer forming these laser structures is grown under the following growth conditions as an example. Of the growth conditions listed below, the value of the V / III ratio is a value when growth is performed by the atmospheric pressure MOCVD method using the MOCVD apparatus shown in FIG.
[0047]
The growth of the GaN buffer layer 22 and the GaN buffer layer 23 is performed by using TMGa as a raw material for Ga which is a group III element and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three And a V / III ratio of 10,000. The thicknesses of the GaN buffer layer 22 and the GaN buffer layer 23 are 30 nm and 1 μm, respectively.
[0048]
The growth of the n-type GaN contact layer 24 is performed by using TMGa as a source material for Ga which is a group III element and NH as a source material for N which is a group V element. _Three Monosilane (SiH) as a dopant for n-type impurities _Four ) And a V / III ratio of 10,000. The n-type GaN contact layer 24 is made of 5 × 10 5 of Si as an n-type impurity. ¹⁸ / Cm ^Three Dope to some extent. The n-type GaN contact layer 24 has a thickness of 2 μm.
[0049]
The growth of the n-type AlGaN cladding layer 25 is performed by using trimethylaluminum (TMAl) as a raw material for Al which is a group III element, TMGa as a raw material for Ga which is a group III element, and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three As an n-type impurity dopant _Four And a V / III ratio of 10,000. The n-type AlGaN cladding layer 25 is made of 5 × 10 5 of Si as an n-type impurity. ¹⁸ / Cm ^Three Dope to some extent. The n-type AlGaN cladding layer 25 has a thickness of 1.2 μm.
[0050]
The growth of the n-type GaN optical waveguide layer 26 includes TMGa as a raw material for Ga which is a group III element and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three As an n-type impurity dopant _Four And a V / III ratio of 10,000. In this n-type GaN optical waveguide layer 26, Si as an n-type impurity is 5 × 10 5. ¹⁸ / Cm ^Three Dope to some extent. The n-type GaN optical waveguide layer 26 has a thickness of 100 nm.
[0051]
The growth of the active layer 27 having a GaInN / GaN multiple quantum well structure is performed by using TMGa as a raw material of a group III element Ga, trimethylindium (TMIn) as a raw material of a group III element In, and a GaInN quantum well layer. NH as a raw material for N which is a group V element _Three The GaN barrier layer is composed of TMGa as a source material for Ga which is a group III element and NH as a source material for N which is a group V element. _Three And a V / III ratio of 10,000. The thickness of the active layer 27 is 3 nm for the GaInN quantum well layer and 6 nm for the GaN barrier layer.
[0052]
The growth of the p-type AlGaN cap layer 28 is performed by using TMAl as a raw material for Al which is a Group III element, TMGa as a raw material for Ga which is a Group III element, and NH as a raw material for N which is a Group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 10,000. The p-type AlGaN cap layer 28 contains 1 × 10 5 Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 oxygen doped ¹⁷ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type AlGaN cap layer 28 has a thickness of 10 nm.
[0053]
The growth of the p-type GaN optical waveguide layer 29 involves TMAl as a raw material for Al which is a group III element, TMGa as a raw material for Ga which is a group III element, and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 10,000. This p-type GaN optical waveguide layer 29 contains 1 × 10 5 of Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁷ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type GaN optical waveguide layer 29 has a thickness of 100 nm.
[0054]
The growth of the p-type AlGaN cladding layer 30 is performed by using TMAl as a raw material for Al which is a group III element, TMGa as a raw material for Ga which is a group III element, and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 10,000. The p-type AlGaN cladding layer 30 contains 2 × 10 5 Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁷ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type AlGaN cladding layer 30 has a thickness of 1.2 μm.
[0055]
The growth of the p-type GaN contact layer 31 is performed by using TMGa as a source material for Ga which is a group III element and NH as a source material for N which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 4000. The p-type GaN contact layer 31 contains 5 × 10 5 Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁹ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type GaN contact layer 31 has a thickness of 200 nm.
[0056]
In the growth of each nitride III-V compound semiconductor layer described above, H is used as a carrier gas. ₂ And N ₂ The mixed gas is used.
[0057]
Thus, after growing a nitride III-V compound semiconductor layer that forms a laser structure on the c-plane sapphire substrate 21 by MOCVD, these layers are doped with n-type and p-type impurities. Electrical activation, in particular, electrical activation of p-type impurities (Mg) doped in the p-type AlGaN cap layer 28, the p-type GaN optical waveguide layer 29, the p-type AlGaN cladding layer 30, and the p-type GaN contact layer 31 Heat treatment for. This heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere under conditions that do not adversely affect the optical characteristics of the finally produced GaN-based semiconductor laser. An example of this heat treatment condition is N ₂ In a gas atmosphere, the heating temperature is 800 ° C., and the treatment time is 10 minutes. This heat treatment removes H bonded to Mg in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer, thereby improving the Mg activation rate. Note that the electrical activation of the p-type impurity may be performed by electron beam irradiation treatment instead of the above heat treatment.
[0058]
Next, after a resist pattern (not shown) having a predetermined stripe shape is formed on the p-type GaN contact layer 31, the n-type GaN contact layer 24 in the thickness direction is formed by RIE using this resist pattern as a mask. Etch to depth. Next, after removing the resist pattern, a p-side electrode 32 made of, for example, Ni / Pt / Au or Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 31, and the etched n-type GaN contact layer 24 is formed. An n-side electrode 33 made of, for example, Ti / Al / Pt / Au is formed thereon. Thereafter, the c-plane sapphire substrate 21 on which the laser structure is formed as described above is processed into a bar shape to form both resonator end faces, and this bar is further chipped. As described above, the target GaN semiconductor laser having the SCH structure is manufactured.
[0059]
As described above, according to the first embodiment, at least the p-type GaN contact layer 31 of the p-type nitride III-V compound semiconductor layer is doped with Mg and O, and V By setting the / III ratio to 6000 or less, the p-type GaN contact layer 31 has a high carrier concentration (hole concentration), particularly a carrier concentration at room temperature, and thus becomes a low-resistance p-type layer. For this reason, the contact resistance of the ohmic electrode (p-side electrode 32) in contact with the p-type GaN contact layer 31 is lowered, thereby reducing the operating voltage. In addition to this, by doping O in addition to Mg as a p-type impurity during the growth of the p-type nitride III-V compound semiconductor layer, these p-type nitrides are essentially added. The carrier concentration of the III-V group compound semiconductor layer is improved as compared with the conventional case. Therefore, a GaN-based semiconductor laser having a low operating voltage, a low threshold current density, and a high light emission efficiency can be realized.
[0060]
Next explained is a method for manufacturing a GaN-based semiconductor laser having an SCH structure according to the second embodiment of the invention.
[0061]
In the second embodiment, among the p-type nitride III-V compound semiconductor layers, at least when growing the p-type GaN contact layer 31 to be grown with a V / III ratio of 6000 or less, For example, oxygen (O ₂ ) Doping of O is performed by using a gas containing O such as gas. Here, O as the impurity gas ₂ When using gas, this O ₂ The gas is added to, for example, a carrier gas and supplied into the reaction tube of the MOCVD apparatus. In this case, the carrier gas is N ₂ An inert gas such as a gas is used. Since other things are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
[0062]
According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In the second embodiment, the O gas is added to the carrier gas. ₂ The O concentration can also be controlled by controlling the flow rate of the gas.
[0063]
Next explained is a method for manufacturing a GaN-based light emitting diode according to the third embodiment of the invention. FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a GaN-based light emitting diode manufacturing method according to the third embodiment. In the third embodiment, a nitride III-V compound semiconductor layer forming a light emitting diode structure is grown using the MOCVD apparatus shown in FIG.
[0064]
As shown in FIG. 6, in the third embodiment, first, the c-plane sapphire substrate 41 is placed on the susceptor 12 in the reaction tube 11 of the MOCVD apparatus shown in FIG. 4, for example, at a temperature of 1050 ° C. After the surface is cleaned by heating and thermally etching the surface, the GaN buffer layer 42 is grown on the c-plane sapphire substrate 41 at a low temperature of, for example, 560 ° C. by MOCVD. Subsequently, by MOCVD, a GaN buffer layer 43, an n-type GaN contact layer 44, an active layer 45 having a GaInN / GaN multiple quantum well structure, a p-type AlGaN cap layer 46, and a p-type GaN cladding layer are formed on the GaN buffer layer 42. 47 and p-type GaN contact layer 48 are sequentially grown. The n-type GaN contact layer 44 also serves as an n-type cladding layer. Here, the growth temperature of the GaN buffer layer 43, the n-type GaN contact layer 44, and the p-type GaN contact layer 48 is about 1000 ° C., and Ga _1-x In _x The growth temperature of the active layer 45, the p-type AlGaN cap layer 46, and the p-type GaN contact layer 47 having an N multiple quantum well structure is set to about 600 to 800 ° C. in order to suppress decomposition of InN.
[0065]
The composition of the AlGaN layer constituting the p-type AlGaN cap layer 46 is, for example, Al _0.2 Ga _0.8 N. The In composition in the GaInN quantum well layer constituting the active layer 45 varies depending on the emission wavelength, but is in the range of about 1% to 40%, for example.
[0066]
Of the nitride III-V compound semiconductor layers forming these light emitting diode structures, a p-type nitride III-V compound semiconductor layer, that is, a p-type AlGaN cap layer 46, a p-type GaN cladding. The growth of the layer 47 and the p-type GaN contact layer 48 is performed by simultaneously doping oxygen (O) in addition to the p-type impurity. At this time, the doping of O is performed during the growth of these p-type nitride III-V compound semiconductor layers, for example, residual oxygen in the reaction tube 11 of the MOCVD apparatus, source gas, dopant gas, carrier gas, etc. Oxygen contained as an impurity is taken into the growth layer, and the concentration of doped O is controlled by controlling the V / III ratio. When the O concentration in the growth layer is controlled by the V / III ratio, the smaller the V / III ratio, the more O is taken into the growth layer (the O concentration increases). Therefore, at least one of these p-type nitride III-V compound semiconductor layers, for example, p-type GaN contact layer 48 in which it is desirable to increase the carrier concentration and lower the resistance, The III ratio is 6000 or less, preferably 5000 or less (when growth is performed by atmospheric pressure MOCVD using the MOCVD apparatus shown in FIG. 4). At this time, the V / III ratio is controlled by changing only the supply amount of the Group III element raw material.
[0067]
At this time, at least for the p-type GaN contact layer 48, 1% or more of the p-type impurity concentration is 1 × 10 ^{twenty two} / Cm ^Three O is doped to the following concentration. Further, the V / III ratio when the p-type GaN contact layer 48 is grown is preferably a p-type nitride III-V compound semiconductor layer adjacent to the active layer 45 or p in the vicinity of the active layer 45. The V / III ratio at the time of growing the type nitride III-V compound semiconductor layer is set to about 1/2 or less.
[0068]
Specifically, each nitride-based III-V compound semiconductor layer forming these light-emitting diode structures is grown under the following growth conditions as an example. Of the growth conditions listed below, the value of the V / III ratio is a value when growth is performed by the atmospheric pressure MOCVD method using the MOCVD apparatus shown in FIG.
[0069]
The growth of the GaN buffer layer 42 and the GaN buffer layer 43 is performed by using TMGa as a raw material for Ga which is a group III element and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three And a V / III ratio of 10,000. The thicknesses of the GaN buffer layer 42 and the GaN buffer layer 43 are 30 nm and 1 μm, respectively.
[0070]
The n-type GaN contact layer 44 is grown by using TMGa as a Group III element Ga material and NH as a Group V element material NH. _Three As an n-type impurity dopant _Four And a V / III ratio of 10,000. The n-type GaN contact layer 44 is made of 5 × 10 5 of Si as an n-type impurity. ¹⁸ / Cm ^Three Dope to some extent. The n-type GaN contact layer 44 has a thickness of 3 μm.
[0071]
The growth of the active layer 45 having a GaInN / GaN multiple quantum well structure is as follows. For the GaInN quantum well layer, TMGa is used as a raw material for Ga which is a group III element, TMIn is used as a raw material for In which is a group III element, and a group V element is used. NH as a raw material of some N _Three The GaN barrier layer is composed of TMGa as a source material for Ga which is a group III element and NH as a source material for N which is a group V element. _Three And a V / III ratio of 10,000. The thickness of the active layer 45 is 3 nm for the GaInN quantum well layer and 6 nm for the GaN barrier layer.
[0072]
The growth of the p-type AlGaN cap layer 46 includes TMAl as a raw material for Al which is a group III element, TMGa as a raw material for Ga which is a group III element, and NH as a raw material for N which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 10,000. The p-type AlGaN cap layer 46 contains 1 × 10 5 Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁷ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type AlGaN cap layer 46 has a thickness of 10 nm.
[0073]
The growth of the p-type GaN cladding layer 47 is performed by using TMGa as a source material for Ga which is a group III element and NH as a source material for N which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 10,000. In this p-type AlGaN cladding layer 47, Mg as a p-type impurity is 2 × 10. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁷ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type AlGaN cladding layer 47 has a thickness of 1.2 μm.
[0074]
The p-type GaN contact layer 48 is grown by using TMGa as a source material for Ga, which is a group III element, and NH as a source material for N, which is a group V element. _Three As a p-type impurity dopant (MeCp) ₂ Using Mg, the V / III ratio is 4000. This p-type GaN contact layer 48 contains 5 × 10 5 Mg as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three About 1 × 10 ¹⁹ / Cm ^Three Dope to some extent. The p-type GaN contact layer 48 has a thickness of 200 nm.
[0075]
As described above, after growing a nitride III-V compound semiconductor layer forming a light emitting diode structure on the c-plane sapphire substrate 41 by MOCVD, n-type impurities and p-type impurities doped in these layers are grown. In particular, a heat treatment is performed for the electrical activation of the p-type impurity (Mg) doped in the p-type AlGaN cap layer 46, the p-type GaN cladding layer 47 and the p-type GaN contact layer 48. This heat treatment is performed, for example, under the same conditions as in the first embodiment. Note that the electrical activation of the p-type impurity may be performed by electron beam irradiation treatment instead of the above heat treatment.
[0076]
Next, after a resist pattern (not shown) having a predetermined stripe shape is formed on the p-type GaN contact layer 48, the n-type GaN contact layer 44 in the thickness direction is formed by RIE using this resist pattern as a mask. Etch to depth. Next, after removing the resist pattern, a p-side electrode 49 made of, for example, Ni / Pt / Au or Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 48 and the n-type GaN contact layer 44 in the etched portion is formed. An n-side electrode 40 made of, for example, Ti / Al / Pt / Au is formed thereon. Thereafter, the c-plane sapphire substrate 41 on which the light emitting diode structure is formed as described above is processed into a bar shape to form both resonator end faces, and this bar is further chipped. Thus, the target GaN-based light emitting diode is manufactured.
[0077]
According to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained in the GaN-based light emitting diode.
[0078]
Next explained is a GaN-based light emitting diode manufacturing method according to the fourth embodiment of the invention.
[0079]
In the fourth embodiment, among the p-type nitride III-V compound semiconductor layers, at least when growing the p-type GaN contact layer 48 that grows with a V / III ratio of 6000 or less, For example, oxygen (O ₂ ) Doping of O is performed by using a gas containing O such as gas. Here, O as the impurity gas ₂ When using gas, this O ₂ The gas is added to, for example, a carrier gas and supplied into the reaction tube of the MOCVD apparatus. In this case, the carrier gas is N ₂ An inert gas such as a gas is used. Since other things are the same as those of the third embodiment, description thereof is omitted.
[0080]
According to the fourth embodiment, the same effect as that of the third embodiment can be obtained. In the fourth embodiment, O is added to the carrier gas and flows. ₂ The O concentration can also be controlled by controlling the flow rate of the gas.
[0081]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values, structures, raw materials, processes and the like given in the first to fourth embodiments are merely examples, and if necessary, numerical values, structures, raw materials, processes, and the like different from these may be used. Good.
[0082]
Moreover, in the above-described first to fourth embodiments, the MOCVD apparatus shown in FIG. 4 used for growing the nitride-based III-V compound semiconductor layer forming the laser structure or the light-emitting diode structure is merely an example. You may use the MOCVD apparatus of a structure different from this as needed. Specifically, in the MOCVD apparatus shown in FIG. 4, the side flow is made to flow almost parallel to the substrate, but this side flow may be made to flow at an angle of 45 ° or less with respect to the substrate.
[0083]
In the first to fourth embodiments described above, the V / III ratio is 6000 or less when the p-type GaN contact layers 31 and 48 are grown in the p-type nitride III-V compound semiconductor layer. However, in some cases, the V / III ratio may be 6000 or less when growing a p-type nitride-based III-V group compound semiconductor layer other than the p-type GaN contact layers 31 and 48. However, in this case, from the viewpoint of obtaining good optical characteristics, the p-type nitride III-V compound semiconductor layer grown with a V / III ratio of 6000 or less is positioned at a predetermined distance from the active layer, For example, it is preferably formed at a position about 300 nm away from the active layer. For example, in the first and second embodiments, when the p-type AlGaN cladding layer 30 is grown, the p-type AlGaN cladding layer 30 is grown to about 300 nm with a V / III ratio of, for example, 10,000. Thereafter, the remaining p-type AlGaN cladding layer 30 may be grown at a V / III ratio of 6000 or less, preferably 5000 or less, for example 4000. In this case, the p-type AlGaN cladding layer 30 in the vicinity of the active layer 27 has an O concentration of 1 × 10 ¹⁷ / Cm ^Three The remaining p-type AlGaN cladding layer 30 has an O concentration of 1 × 10 ¹⁹ / Cm ^Three Since the carrier concentration is high, the resistance of the p-type AlGaN cladding layer 30 can be reduced without adversely affecting the optical characteristics.
[0084]
In the first to fourth embodiments described above, the case where the present invention is applied to the manufacture of a semiconductor light emitting device using a nitride-based III-V compound semiconductor has been described. It can also be used for manufacturing carrier traveling elements such as FETs using nitride III-V compound semiconductors.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for growing a nitride III-V compound semiconductor layer according to the present invention, the p-type impurity and oxygen are doped and the V / III ratio is increased during the growth of the nitride III-V compound semiconductor layer. The nitride type III-V compound semiconductor layer is grown to 6000 or less so that the p-type nitride III-V compound semiconductor layer having a higher carrier concentration and lower resistance than the conventional one can be obtained. Obtainable.
[0086]
According to the method for manufacturing a semiconductor device and the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention, when a p-type nitride-based III-V compound semiconductor layer is grown, the nitride-based III-V compound semiconductor layer according to the present invention is used. By applying this growth method, it is possible to obtain a p-type nitride-based III-V group compound semiconductor layer having a higher carrier concentration and lower resistance than the conventional method, and manufacturing a semiconductor device having good characteristics. be able to.
[0087]
According to the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention, when growing at least one p-type nitride III-V compound semiconductor layer constituting the p-type semiconductor layer, the nitride III according to the present invention is used. By applying the growth method of the -V group compound semiconductor layer, a p-type nitride III-V compound semiconductor layer having a higher carrier concentration and lower resistance than the conventional one can be obtained, and the operating voltage is reduced. A semiconductor light emitting device having a low and high luminous efficiency can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a result of measuring an oxygen concentration after growing a Mg-doped GaN layer by MOCVD with changing a V / III ratio.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the results of growing a Mg-doped GaN layer by MOCVD with changing the V / III ratio and measuring the carrier concentration at room temperature.
3 is a sectional view showing a sample used in the experiment shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 4 is a structural example of an MOCVD apparatus used for growing a nitride-based III-V compound semiconductor layer forming a laser structure in the SCH-structured GaN-based semiconductor laser manufacturing method according to the first embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the SCH structure GaN semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a GaN-based light emitting diode according to a third embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
21, 41 ... c-plane sapphire substrate, 22, 23, 42, 43 ... GaN buffer layer, 24, 44 ... n-type GaN contact layer, 25 ... n-type AlGaN cladding layer, 26 -N-type GaN optical waveguide layer, 27, 45 ... active layer, 28, 46 ... p-type AlGaN cap layer, 29 ... p-type GaN optical waveguide layer, 30 ... p-type AlGaN cladding layer, 31, 48 ... p-type GaN contact layer, 32,49 ... p-side electrode, 33,50 ... n-side electrode, 47 ... p-type GaN cladding layer

Claims (8)

ｎ型クラッド層と、an n-type cladding layer;
上記ｎ型クラッド層上の活性層と、An active layer on the n-type cladding layer;
上記活性層上のｐ型キャップ層と、A p-type cap layer on the active layer;
上記ｐ型キャップ層上のｐ型クラッド層と、A p-type cladding layer on the p-type cap layer;
上記ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層とを有し、A p-type contact layer on the p-type cladding layer,
上記ｎ型クラッド層、上記活性層、上記ｐ型キャップ層、上記ｐ型クラッド層および上記ｐ型コンタクト層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる半導体発光素子の製造方法において、In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device, the n-type cladding layer, the active layer, the p-type cap layer, the p-type cladding layer, and the p-type contact layer are made of a nitride III-V compound semiconductor layer.
上記ｎ型クラッド層、上記活性層、上記ｐ型キャップ層、上記ｐ型クラッド層および上記ｐ型コンタクト層を化学気相成長法により成長させ、Growing the n-type cladding layer, the active layer, the p-type cap layer, the p-type cladding layer and the p-type contact layer by chemical vapor deposition;
上記ｐ型キャップ層、上記ｐ型クラッド層および上記ｐ型コンタクト層を成長させる際に、ｐ型不純物と酸素とをドープし、When growing the p-type cap layer, the p-type cladding layer, and the p-type contact layer, a p-type impurity and oxygen are doped,
上記ｐ型コンタクト層を成長させる際に、ｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対する上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を６０００以下で、かつ少なくとも上記ｐ型キャップ層を成長させる際の上記モル比の１／２以下にするようにしたWhen growing the p-type contact layer, the nitride system III is doped with a p-type impurity and oxygen, and the supply amount of a group III element constituting the nitride system III-V compound semiconductor layer is increased. The molar ratio of the supply amount of the group V element constituting the group V compound semiconductor layer is 6000 or less, and at least ½ or less of the molar ratio when the p-type cap layer is grown.
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor light emitting device. 上記ｐ型キャップ層と上記ｐ型クラッド層との間にｐ型光導波層を有し、上記ｐ型コンタクト層を成長させる際に、ｐ型不純物と酸素とをドープすると共に、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＩＩＩ族元素の原料の供給量に対する上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成するＶ族元素の原料の供給量のモル比を６０００以下で、かつ上記ｐ型キャップ層および上記ｐ型光導波層を成長させる際の上記モル比の１／２以下にすることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。A p-type optical waveguide layer is provided between the p-type cap layer and the p-type cladding layer, and when the p-type contact layer is grown, the p-type impurity and oxygen are doped, and the nitride system is used. The molar ratio of the feed amount of the group V element constituting the nitride III-V compound semiconductor layer to the feed amount of the group III element constituting the III-V compound semiconductor layer is 6000 or less, and 2. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the molar ratio is set to ½ or less of the growth of the p-type cap layer and the p-type optical waveguide layer. 上記ｐ型コンタクト層がｐ型ＧａＮコンタクト層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the p-type contact layer is a p-type GaN contact layer. 上記モル比を５０００以下にして上記ｐ型コンタクト層を成長させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the p-type contact layer is grown with the molar ratio being 5000 or less. 上記化学気相成長を、第１のガス導入部および第２のガス導入部を備えた反応管を有し、かつ、上記反応管内に上記第１のガス導入部を通じて導入する主流を上記反応管内に設置した基板に対してほぼ平行に流すと共に、上記反応管内に上記第２のガス導入部を通じて導入する副流を上記基板に対して４５度以下の角度で流すようにした気相成長装置を用いて行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。The chemical vapor deposition has a reaction tube including a first gas introduction unit and a second gas introduction unit, and a main flow for introducing the chemical vapor deposition into the reaction tube through the first gas introduction unit is provided in the reaction tube. A vapor phase growth apparatus in which a substream introduced through the second gas introduction unit into the reaction tube is caused to flow at an angle of 45 degrees or less with respect to the substrate. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the method is used. 上記ｐ型コンタクト層中の酸素濃度が、上記ｐ型コンタクト層中のｐ型不純物濃度の１％以上、１×１０The oxygen concentration in the p-type contact layer is 1% or more of the p-type impurity concentration in the p-type contact layer. ^{22twenty two} ／ｃｍ/ Cm ^{3 Three} 以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。The method for producing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein: 上記ｐ型コンタクト層の成長後、上記ｐ型コンタクト層中の上記ｐ型不純物の活性化を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein after the growth of the p-type contact layer, the p-type impurity in the p-type contact layer is activated. 上記ｐ型不純物の活性化を、上記ｐ型コンタクト層中の水素を除去することにより行うことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。8. The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 7, wherein the activation of the p-type impurity is performed by removing hydrogen in the p-type contact layer.

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