JP4305982B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系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ＮA −ＮD 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Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ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Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 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、Ｇａ1-x Ｉｎx 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Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 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
【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ＮA −ＮD 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Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ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Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 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、Ｇａ1-x Ｉｎx 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Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 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
Claims (8)
- ｎ型クラッド層と、
上記ｎ型クラッド層上の活性層と、
上記活性層上のｐ型キャップ層と、
上記ｐ型キャップ層上のｐ型クラッド層と、
上記ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層とを有し、
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、
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、
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、
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
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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、１×１０ 22 ／ｃｍ 3 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。
- 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。
- 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。
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