(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、表面酸素濃度５×１０18ｃｍ-3以下のｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を形成して窒化物系半導体素子を製造する方法であって、
少なくとも有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びにアンモニア（ＮＨ3 ）を含む原料ガス及び実質的に窒素ガスからなるキャリアガスを用いた有機金属気相成長法により、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層を形成し、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層は成長時に活性化しており、成長後の熱処理を抑制していることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、表面炭素濃度５×１０19ｃｍ-3以下のｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を形成して窒化物系半導体素子を製造する方法であって、
少なくとも有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びにアンモニア（ＮＨ3 ）を含む原料ガス及び実質的に窒素ガスからなるキャリアガスを用いた有機金属気相成長法により、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層を形成し、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層は成長時に活性化しており、成長後の熱処理を抑制していることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の窒化物系半導体素子の製造方法において、
主キャリアガスとして前記窒素ガスを用い、前記有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びに有機ガリウム（Ｇａ）化合物，有機アルミニウム（Ａｌ）化合物等の有機金属原料ガスのキャリアガスとして水素ガスを用い、その反応管中における水素濃度が０．８容量％乃至２０容量％の範囲内にあることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の窒化物系半導体素子の製造方法において、
前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層は、前記有機金属気相成長法のうち、減圧成長法、光励起法、クラッキング法のいずれかを用いて、活性状態の窒素を導入して形成されることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載の窒化物系半導体素子の製造方法において、
前記窒素ガスの流量は、前記水素ガスの流量の５倍乃至１２５倍の範囲内にあることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザや発光ダイオードに使用可能な窒化物系半導体素子の製造方法に係わり、特に、電極との良好なオーミックコンタクトを有し、低抵抗で低動作電圧の窒化物系半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色から紫外域にかけての短波長領域の発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう）や半導体レーザ（以下、ＬＤともいう）用の材料として、ＧａＮを始めとしてＡｌＧａＮ等の窒化物系半導体が注目されている。また特に、ＩｎＧａＡｌＮ系混晶は、 III−Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型エネルギーギャップを有し、０．２〜０．６μｍ帯、即ち赤色〜紫色領域の発光素子材料として注目されている。
【０００３】
この種の窒化物系半導体材料を用いた半導体発光素子では、電流注入層や電極とのコンタクト層として、窒化物系半導体からなるｐ型伝導層及びｎ型伝導層を必要とする。
【０００４】
電流注入型の発光素子を製造する場合、ｐｎ接合型を基本とするためにｐ型伝導層並びにｎ型伝導層の伝導型および伝導率等の制御が不可欠である。ＩｎＡｌＧａＮ系材料においては、ｎ型伝導層に関しては、Ｓｉを不純物として用いることにより、伝導型を比較的容易に制御可能である。
【０００５】
一方、ｐ型伝導層に関しては、伝導型の制御が困難となっている。このｐ型伝導層を形成するには、通常、ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛  （Ｚｎ）を用い、水素キャリアガス（Ｈ2 ）及びアンモニアガス（ＮＨ3 ）中に、１１００℃程度の高温に保持した成長基板を設置し、この成長基板上にＧａ原料やＡｌ原料を供給する方式がある。
【０００６】
しかしながら、この方式で作成したＭｇドープＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層などのＭｇドープ窒化物系半導体層は高抵抗を示し、ｐ型伝導を示さない。
【０００７】
これは例えば、Ｚｎ及びＭｇの不純物の準位が深いことや、特にＭＯＣＶＤ法による成長では、原料ガスとしてのアンモニア（ＮＨ3 ）やキャリアガスとしての水素から分解した活性な水素原子あるいはその他の残留不純物の存在により、ＭｇやＺｎのアクセプタへの活性化が妨げられると考えられる（Ｊ．Ａ．ＶａｎＶｅｃｈｔｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１（１９９２）３６６２）。
【０００８】
ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ層はＭＯＣＶＤ法で成長させる場合、Ｍｇド−プ層を成長中あるいは成長後に基板温度を室温まで降温する間にＮＨ3 やキャリアガスからの水素がＭｇと共に結晶中に取り込まれ、ＭｇアクセプタをＨ+ が不活性化させてしまうため、結果として高抵抗層になる。例えば、Ｍｇが１×１０20ｃｍ-3の濃度でＧａＮにドープされた場合、水素濃度は５×１０19ｃｍ-3程度となっている。このＭｇドープＧａＮ層は、同条件で成長させたアンドープ又はＳｉドープＧａＮ層に比ベ、１０倍以上の水素濃度となっており、ホール測定やＣ−Ｖ測定などにより、ａｓ  ｇｒｏｗｎでは高抵抗であることが確認されている。
【０００９】
こうしたａｓ  ｇｒｏｗｎで高抵抗であるＭｇドープＧａＮ層に対し、電子線照射（Ｈ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２８（１９８９）Ｌ２１１２）や熱処理（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１（１９９２）１２５８）により、Ｍｇの活性化率が向上されることが見出され、高効率のデバイスやＬＤ発振の実現がなされている（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５，（１９９６）Ｌ７４．）。
【００１０】
よって、一般的には、Ｍｇドープ窒化物系半導体層は、その形成後に６００℃〜８００℃程度の窒素ガス雰囲気中で水素を離脱させるための熱処理等の後工程が施される。
【００１１】
このような熱処理工程の後、Ｍｇドープ窒化物系半導体層は、Ｍｇの活性化によりｐ型伝導を示すものの、成長層最表面に高抵抗層を生じてしまう。以下、成長層最表面に高抵抗層を生じる理由を詳細に説明する。
【００１２】
図２５は窒化物系半導体を用いた典型的な青色半導体レーザの構造を示す模式図である。この青色半導体レーザは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア基板１上に、バッファ層（図示せず）、ＧａＮ下地層２、ＧａＮコンタクト層３、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層４、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６、ｐ型電極を形成するためのｐ型ＧａＮコンタクト層７が順次形成された多層構造を有している。
【００１３】
この種の多層構造の形成時には、一般に、ＩｎＧａＮ系の活性層５以外はキャリアガスとして水素が使用される。一方、ＩｎＧａＮ活性層５の形成時には、キャリアガスとして窒素が使用される。また、この多層構造において、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６及びｐ型ＧａＮコンタクト層７を形成時には、ｐ型ドーパントとしてＭｇが使用される。なお、Ｍｇは成長中には活性化しないため、多層構造はその形成後に窒素雰囲気で熱処理される。
【００１４】
この熱処理の後、ドライエッチング法により、多層構造の一部がＧａＮコンタクト層３に達する深さまで除去され、しかる後、ＧａＮコンタクト層３上にｎ側電極８が形成される。また、除去されなかったｐ型ＧａＮコンタクト層７上にはｐ側電極９が形成される。このように各電極８，９が形成された試料がへき開され、共振器端面が形成されて、青色半導体レーザが製造される。
【００１５】
しかしながら、この青色半導体レーザは、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の最表面に高抵抗部を有するため、動作電圧が高く、素子にレーザ発振に必要な電流の注入が困難となっている。また、レーザ発振に必要な電流を注入しようとすると、動作電圧が２０Ｖ以上に上昇し、ｐ側電極９近傍が破壊されてしまう。このような問題を解決するためには、ｐ側電極９のコンタクト抵抗を低減させることが必須である。
【００１６】
次に、この青色半導体レーザについて、窒素雰囲気中の熱処理前後のＭｇ、炭素、水素、酸素の深さ方向の濃度分布を二次イオン質量分析（以下、ＳＩＭＳという）により調べた。その結果、図２６に示すように、Ｍｇの濃度は熱処理の前後共に深さ方向に一定である。一方、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）は、熱処理前に、試料の深さ方向に沿ってほぼ一定の濃度分布を示すが、熱処理後に、試料の成長層最表面に、成長層内部よりも多量に検出される。例えば、顕著なときには、炭素、水素は、成長層最表面に、成長層内部よりも１〜２桁も多く検出されることがある。
【００１７】
従って、ｐ型ＧａＮコンタクト層７とｐ側電極９とのコンタクト抵抗が高く、素子電圧が高くなる原因としては、水素が熱処理により成長層内部から表面に拡散し、最表面に多量に残存することにより、表面でＭｇに結びついてＭｇが不活性化されることが挙げられる。また、炭素は成長層内部からの拡散または熱処理時に生じた表面の汚染物などが原因で成長層最表面に多く存在する。また、酸素は、熱処理時に生じた表面酸化膜、又は成長層内部からの拡散によると考えられる。
【００１８】
なお、成長層最表面に酸素、炭素が多い場合には次の（１）〜（３）に示すような問題がある。（１）Ｍｇ等のドーパントの活性化率を低下させ、キャリア密度を低下させる問題がある。（２）電極との良好なオーミックコンタクトをとれない問題がある。これら（１）〜（２）は、ｐ側電極９とのコンタクト抵抗を上昇させ、素子の動作電圧を増加させ、素子寿命を短縮させる等、信頼性を低下させてしまう。さらに、（３）貫通転位や積層欠陥等の結晶欠陥を介して不純物を拡散させ、リーク電流を増大させてしまう問題がある。
【００１９】
また、このような窒化物系半導体素子では、熱処理を必要とするものの、ｐ型層の膜厚や各層の組成等、素子構造の違いにより成長層中のＭｇが十分活性化するのに要する熱処理時間が異なり、水素の拡散を考慮した計算によりある程度、熱処理時間が見積もれるとは言え、熱処理温度における熱処理時間の最適値を決定するのは容易でない。
【００２０】
すなわち、熱処理を必要とするが、水素を解離させるのに最適な熱処理温度や時間が不明確であるため、ｐ型伝導層６，７内に水素が残存し、Ｍｇの活性化率を低下させる可能性が高い。また、このように内部に残存する水素は、素子全体の抵抗を高くさせ、コンタクト抵抗と同様に素子の動作電圧を上昇させる原因となっている。
【００２１】
ところで、係る問題を解決する観点から熱処理過程を用いずにｐ型伝導層６，７を得る試みが特開平８−１２５２２２号公報に開示されている。この公報には、成長終了後の降温過程において、雰囲気ガスを水素ガス、アンモニアガス以外の不活性ガスに置換することにより、ｐ型伝導層６，７を得る方法が記載されている。しかしながら、この方法では、熱処理工程は不要であるが、前述したように、残存水素等の存在により、成長層最表面に高抵抗層が形成されるため、良好なオーミックコンタクトが得られず、素子特性が向上しないと考えられる。また、同公報には、窒素雰囲気中で成長した例が示されているが、この方法で得られたＭｇドープ層は、抵抗率１０8 Ωｃｍ以上の絶縁体であることが示されている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように窒化物系半導体素子及びその製造方法では、Ｍｇを活性化させるために成長後に熱処理や電子線照射等の特別な処理を必要とするので、手間がかかり、生産性を低下させ、高コスト化を招く問題があると共に、処理工程の増加による歩留り低下や結晶の品質劣化という問題がある。
【００２３】
また、成長後の熱処理により、水素、炭素及び酸素が成長層の表面に多量に存在しておりｐ型ＧａＮコンタクト層７のコンタクト抵抗を高くさせ、素子の動作電圧を上昇させる問題がある。また、ｐ側電極９近傍の劣化により、ＬＥＤの動作寿命が実用化レベルに達せず、信頼性を低下させる問題がある。
【００２４】
また、ＬＤの場合、ｐ側電極９とのコンタクト抵抗が高いと、レーザ発振が困難となったり、ＬＥＤと同様に、ｐ側電極９近傍の劣化に起因して動作寿命が著しく短いという問題がある。
【００２５】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、成長後の熱処理や電子線照射等の特別な処理を不要として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、ｐ型伝導層の品質を向上させ、もって、素子寿命を長くして信頼性を向上し得る窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明の目的は、ｐ型伝導層の伝導型を容易に制御でき、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有し、低動作電圧で動作する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の骨子は、ＧａＮ等の窒素系化合物半導体素子において、ｐ型層となる半導体層の形成中、及び形成後の降温過程にて、主キャリアガスに窒素を用いることにより、Ｍｇと水素との複合体の形成を阻止して、ＭｇをＧａサイトに入り易くさせ、熱処理無しにＭｇを活性化させることにある。
【００２８】
また、本発明の第２の骨子は、熱処理を無くすことにより、熱処理に起因する成長層最表面への水素、炭素及び酸素等の偏在を無くし、水素によるＭｇの不活性化と、炭素や酸素による表面の高抵抗化とを阻止することにある。
【００２９】
補足すると、炭素や酸素による表面の高抵抗化は、成長層最表面の酸素、炭素が多い場合に限らず、成長層最表面の酸素、炭素が少なすぎる（１×１０16ｃｍ-3以下）場合でも生じる。これは、成長層最表面の酸素、炭素が１×１０16ｃｍ-3以下の場合、酸素や炭素による窒素空格子点（窒素空孔）を埋める効果が減少されるため、窒素空孔がアクセプタを補償し、素子が高抵抗化するからである。
【００３０】
よって、本発明では、成長層最表面の酸素濃度と炭素濃度が低抵抗で良好なオーミックコンタクトを得る観点から夫々適切な範囲内に制御されている。この範囲は、オーミック電極形成後であっても、１×１０16＜酸素濃度≦５×１０18  （ｃｍ-3）であり、１×１０16＜炭素濃度≦５×１０19（ｃｍ-3）である。なお、酸素濃度は、より低抵抗で良好なオーミックコンタクトを得る観点から、好ましくは１×１０18ｃｍ-3以下とし、より好ましくは５×１０17ｃｍ-3以下とする。これら酸素濃度と炭素濃度の制御により、従来の１０-1Ωｃｍ2 程度のコンタクト抵抗が、本発明では１０-3Ωｃｍ2 以下に低減される。
【００３１】
さらに、本発明の第３の骨子は、Ｍｇ，Ｇａ，Ａｌの有機金属材料のキャリアガスとして水素を含有することにある。すなわち、Ｍｇ，Ｇａ，Ａｌの有機金属材料（Ｃｐ2 Ｍｇ，ＴＭＧ，ＴＭＡ等）は、水素により分解され易いため、キャリアガスを水素とすると、Ｍｇが半導体層に含まれ易くなるからである。
【００３２】
また、本発明の第４の骨子は、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ、ｘ＋ｙ≦１）からなるＧａＮ系半導体の積層構造により形成される窒化物系半導体素子において、活性層をｎ型半導体層とｐ型半導体層とで挟んだダブルヘテロ構造部を有し、少なくともｐ型半導体層より上層にＩｎ（０＜ｘ≦０．３）を含む層を成長する工程を含むことが好ましい。
【００３３】
すなわち、Ｉｎを含むｐ型半導体層は、実質的に窒素雰囲気中で形成された場合、ｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ層の形成に比べ、鏡面を得るための成長条件の範囲が広いために制御が容易である利点を有する。
【００３４】
なお、Ｉｎを含む半導体（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ、０＜ｘ、０≦ｙ、０＜ｘ＋ｙ≦１を含む）層は、ｐ型又はｎ型のいずれでもよい。また、Ｉｎを含む半導体層は、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎに限らず、例えば III族元素としてＢを含み、Ｖ族元素としてＰやＡｓを含む系、すなわちＩｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０＜ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）としてもよい。
【００３５】
また、ｐ型半導体層は、Ｍｇ又はＺｎ等のアクセプタ不純物を含むｐ型ＧａＮ系半導体層としてもよい。この種のｐ型ＧａＮ系半導体層とその上層のＩｎを含む半導体層との組合せは、例えば、図１３に示す内部電流狭窄（ＩＳ）構造あるいは図１９に示す屈折率導波型（ＳＢＲ）構造に好適である。
【００３６】
さらに、本発明の第５の骨子は、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すような電流狭窄構造の好ましい製造方法に係わる。具体的には、本発明に係る電流狭窄構造は、サファイア基板８１上に、１回目の成長により、ｎ型ＧａＮ系ガイド層８３、アンドープＧａＮ系活性層８４、ｐ型ＧａＮ系ガイド層８５、ｎ型ＧａＮ系電流狭窄層８６を同一チャンバー内で連続的に成長させ、その後、ｎ型ＧａＮ系電流狭窄層８６を部分的にエッチング除去し、しかる後、２回目の成長（再成長）により、ｐ型ＩｎＧａＮ系コンタクト層８７を形成する工程を含むことが好ましい。
【００３７】
ここでは特に、Ｍｇ又はＺｎをｐ型ドーパントに用いたＭＯＣＶＤ法による成長が望ましい。係る製造方法によると、再成長により形成したＩｎＧａＮ系半導体層８７は、熱処理なしでｐ型の低抵抗層となる。また、ＩｎＧａＮ系半導体層８７との界面のｐ型ＧａＮ系半導体層８５もｐ型低抵抗となる。一方、ｎ型ＧａＮ系電流狭窄層８６との界面のｐ型ＧａＮ系半導体層８５はｐ型低抵抗とはならない。すなわち、ＩｎＧａＮコンタクト層８５を再成長により形成する製造方法は、熱処理を不要としつつｐ型低抵抗を得る旨の前述の効果に加え、電流狭窄をより促進させる効果を奏する。
【００３８】
本発明の第６の骨子は、図２０（ａ）〜（ｄ）に例示したような屈折率導波型構造の好ましい製造方法に係わる。具体的には、本発明に係る屈折率導波型構造は、サファイア基板８１上に、１回目の成長により、ｎ型ＧａＮ系半導体８３、アンドープのＧａＮ系半導体層８４、ｐ型ＧａＮ系半導体層８５が同一チャンバー内で連続的に形成され、その後、ｐ型ＧａＮ系半導体層８５が部分的にエッチング除去されてリッジが形成され、次に、ｎ型ＩｎＧａＮ系半導体層９８が再成長（２回目の成長）でＳｉＯ2 等のマスク９９により選択成長され、その後、マスク９９が除去されてｐ型ＩｎＧａＮ系半導体層８７が３回目の成長により形成される工程を含むことが好ましい。
【００３９】
さて、上述した本発明の骨子に基づいて、具体的には以下のような解決手段が実現される。
【００４３】
請求項１に対応する発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、表面酸素濃度５×１０18ｃｍ-3以下のｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を形成して窒化物系半導体素子を製造する方法であって、少なくとも有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びにアンモニア（ＮＨ3 ）を含む原料ガス及び実質的に窒素ガスからなるキャリアガスを用いた有機金属気相成長法により、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層を形成し、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層は成長時に活性化しており、成長後の熱処理を抑制している窒化物系半導体素子の製造方法である。
【００４４】
さらに、請求項２に対応する発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、表面炭素濃度５×１０19ｃｍ-3以下のｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を形成して窒化物系半導体素子を製造する方法であって、少なくとも有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びにアンモニア（ＮＨ3 ）を含む原料ガス及び実質的に窒素ガスからなるキャリアガスを用いた有機金属気相成長法により、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層を形成し、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層は成長時に活性化しており、成長後の熱処理を抑制している窒化物系半導体素子の製造方法である。
【００４９】
また、請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する窒化物系半導体素子の製造方法において、主キャリアガスとして前記窒素ガスを用い、前記有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びに有機ガリウム（Ｇａ）化合物，有機アルミニウム（Ａｌ）化合物等の有機金属原料ガスのキャリアガスとして水素ガスを用い、その反応管中における水素濃度が０．８容量％乃至２０容量％の範囲内にある窒化物系半導体素子の製造方法である。
【００５０】
さらに、請求項４に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する窒化物系半導体素子の製造方法において、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層は、前記有機金属気相成長法のうち、減圧成長法、光励起法、クラッキング法のいずれかを用いて、活性状態の窒素を導入して形成される窒化物系半導体素子の製造方法である。
【００５１】
また、請求項５に対応する発明は、請求項３に対応する窒化物系半導体素子の製造方法において、前記窒素ガスの流量が前記水素ガスの流量の５倍乃至１２５倍の範囲内にある窒化物系半導体素子の製造方法である。
【００５２】
（作用）
従って、請求項１に対応する発明は以上のような手段を講じたことにより、基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を備え、このｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層の表面酸素濃度を５×１０18ｃｍ-3以下としたので、酸素による表面の高抵抗化を無くすことができ、ｐ型伝導層の伝導型を容易に制御でき、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有し、低動作電圧で動作する窒化物系半導体素子を実現させることができる。
【００５５】
さらに、請求項１に対応する発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、表面酸素濃度５×１０18ｃｍ-3以下のｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層と、電極との積層構造を形成して窒化物系半導体素子を製造する方法であって、少なくとも有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びにアンモニア（ＮＨ3 ）を含む原料ガス及び実質的に窒素ガスからなるキャリアガスを用いた有機金属気相成長法により、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層を形成し、前記ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層は成長時に活性化するので、キャリアガスが実質的に窒素ガスであることから、Ｍｇに結合する水素がないため、Ｍｇが熱処理無しに活性化するので、成長後の熱処理を不要として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、ｐ型伝導層の品質を向上させ、もって、素子寿命を長くして信頼性を向上させることができる。
【００５６】
また、請求項２に対応する発明は、請求項１に対応するｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n 層の表面炭素濃度を５×１０19ｃｍ-3以下としたので、請求項１に対応する作用と同様の作用を奏することができる。
【００６１】
また、請求項３に対応する発明は、主キャリアガスとして窒素ガスを用い、有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物並びに有機ガリウム（Ｇａ）化合物，有機アルミニウム等の有機金属原料ガスのキャリアガスとして水素ガスを含むので、半導体層中のＭｇについては窒素ガスの使用により活性化され、原料ガス中のＭｇについては水素ガスにより原料ガスの分解を促進してＭｇを半導体層中に混入させ易くするので、請求項１又は請求項２に対応する作用と同様の作用に加え、より一層、Ｍｇの活性化率の向上を図ることができる。
【００６２】
さらに、請求項４に対応する発明は、ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層としては、有機金属気相成長法において、減圧、光励起、Ｎ分子を原子状にするクラッキングのいずれかを用いてＭｇを添加して形成することにより、ＧａＮにおけるＮサイトの空孔を減少でき、ＭｇをＧａサイトに入り易くさせるので、請求項１又は請求項２に対応する作用と同様の作用に加え、より一層、Ｍｇの活性化率の向上を図ることができる。
【００６３】
また、請求項５に対応する発明は、窒素ガスの流量としては、水素ガスの流量の５倍乃至１２５倍の範囲内にあるので、窒素が５倍よりも少なくてＭｇの活性化の妨げられる成長雰囲気と、窒素が１２５倍よりも多くてＭｇの原料ガスの分解の妨げられる成長雰囲気とを除外できるため、請求項３に対応する作用と同様の作用を容易かつ確実に奏することができ、製造工程の安定性を向上させることができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００６５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す断面図である。この半導体レーザは、サファイア基板１１上に、図示しないバッファ層を介し、アンドープＧａＮ下地層１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層１４、ＧａＮ光ガイド層１５、ＩｎＧａＮ活性層１６、ＧａＮ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順次、形成された多層構造を有している。
【００６６】
この多層構造は、その一部がｐ型ＧａＮコンタクト層１９の最表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１３に達する深さまでドライエッチング法により除去され、これにより露出されたＧａＮコンタクト層１３上にはｎ側電極２０が形成されている。
【００６７】
また、多層構造で除去されない部分のｐ型ＧａＮコンタクト層１９上には電流狭窄のためのＳｉＯ2 層２１が選択的に形成され、このＳｉＯ2 層２１及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９上にｐ側電極２２が形成されている。
【００６８】
本実施の形態に係る半導体レーザは、このように多層構造にｎ側電極及びｐ側電極を有している。
【００６９】
なお、詳細は後述するが、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成時、及び形成後の降温過程には、Ｍｇ−水素の複合体の形成を阻止してＭｇの活性化を図る観点から、キャリアガスとして窒素が用いられている。また、ｐ型ドーパントを含む有機原料のキャリアガスとしては、有機原料の分解効率を向上させる観点から水素が用いられる。
【００７０】
次に、以上のような半導体レーザの製造方法及び作用について説明する。
【００７１】
この半導体レーザは、周知のＭＯＣＶＤ法により作成される。具体的には例えば、有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）が使用される。ガス原料としては、アンモニア（ＮＨ3 ）、シラン（ＳｉＨ4 ）が使用される。キャリアガスとしては水素及び窒素が使用される。
【００７２】
まず、サファイア基板１１は、有機洗浄及び酸洗浄された後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内にて、高周波加熱されるサセプタ上に設置される。次に、サファイア基板１１は、常圧にて、水素が２５Ｌ／分の流量で導入される雰囲気中で、温度１２００℃で約１０分間、気相エッチングされ、表面の自然酸化膜が除去される。
【００７３】
次に、サファイア基板１１上に、５５０℃程度の低温にてバッファ層が形成された後、基板温度１１００℃、キャリアガスとして水素が２０．５Ｌ／分で流され、アンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分の流量で６０分間供給されることにより、バッファ層上にアンドープＧａＮ下地層１２が形成される。
【００７４】
さらにＳｉＨ4 が１０ｃｃ／分の流量で流されることにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３が形成され、続いて、ＴＭＡが６０ｃｃ／分で流されることにより、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層１４が形成される。ここで、ＳｉＨ4 及びＴＭＡが供給停止とされ、ＧａＮ光ガイド層１５が、前述したアンドープＧａＮ下地層１２と同様の成長条件で形成される。
【００７５】
その後、この基板温度が７８０℃まで降温され、キャリアガスが窒素２０．５Ｌ／分に切替えられ、アンモニアが９．５／分、ＴＭＧが９ｃｃ／分、ＴＭＩが４６５ｃｃ／分の流量で約３０分間導入されることにより、ＩｎＧａＮ活性層１６が形成される。
【００７６】
ＩｎＧａＮ活性層１６の形成後、基板温度が再び１１００℃に昇温され、１１００℃に達したとき、キャリアガスが再び水素２０．５／分に切替えられ、ＧａＮ光ガイド層１７が、ＧａＮ光ガイド層１５と同様の成長条件で形成される。
【００７７】
なお、ＧａＮ光ガイド層１７は、窒素をキャリアガスとして用いることもできる。この場合、活性層であるＩｎＧａＮ層１６を高温の水素にさらすことによる蒸発を抑制する効果も合わせて期待できる。
【００７８】
以降の成長過程及び降温過程におけるキャリアガスを以下のように変化させ、本発明に係る実施例と、従来に係る比較例１〜２との３種類の窒化物系青色半導体レーザを作成し、特性を比較した。
【００７９】
［実施例］
本発明に従い、ｐ型伝導層を形成した。すなわち、ｐ型伝導層の成長過程、及びその後の降温過程におけるキャリアガスとして窒素を用いる方法で次のように作成した。
【００８０】
ＧａＮ光ガイド層１７の形成後、キャリアガスが窒素２０．５Ｌ／分に切替えられ、アンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、ＴＭＡが６０ｃｃ／分、及びｐ型ドーパント原料のＣｐ2 Ｍｇが２５ｃｃ／分供給され、ＧａＮ光ガイド層１７上に、０．２５μｍ厚のｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８が形成される。また、Ｃｐ2 Ｍｇが５０ｃｃ／分に増加され、０．７μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成される。
【００８１】
但し、Ｃｐ2 Ｍｇ，ＴＭＧ並びにＴＭＡのキャリアガスとしては、有機原料の分解効率を向上させる観点から水素が用いられる。すなわち、有機原料のキャリアガスに窒素を用いると、有機原料の分解効率やキャリアガス中での拡散が低下され、良質な膜が得られないからである。なお、反応管中における水素濃度は適宜選択可能であり、例えば０．８〜２０容量％の範囲内としてもよい。
【００８２】
また、ｐ型伝導層の成長過程において、主キャリアガスとして用いる窒素に対するアンモニアガス（ＮＨ3 ）の比は０．５付近が良く、０．１〜１０の範囲内であることが望ましい。この比が低い場合、島状成長が生じ、良好なモフォロジが得られず、高い場合には結晶性が悪い等の問題が生じる。
【００８３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１９成長後、有機金属原料の供給が停止され、窒素キャリアガス２０．５／分、及びアンモニア９．５Ｌ／分のみが引き続き供給され、基板温度が自然降温された。但し、アンモニアの供給は基板温度が３５０℃に達した際に停止される。
【００８４】
［比較例１］
従来と同様の方法である。すなわち、前述した本発明の実施例の成長条件中、ｐ型伝導層の成長過程、及びその後の降温過程において、主キャリアガスとして水素を用いたものである。
【００８５】
［比較例２］
前述した本発明の実施例の成長条件中、ｐ型伝導層の成長過程にて主キャリアガスに水素を用いたものである。なお、成長後の降温過程では、本発明の実施例と同様に主キャリアガスに窒素を用いている。
【００８６】
（評価）
（Ｃ−Ｖ測定）
これら、実施例、比較例１及び比較例２の３種類の試料について、Ｃ−Ｖ測定を行ない、ｐ型伝導層のアクセプタ濃度を測定した。
【００８７】
その結果、実施例の試料は、熱処理無しでｐ型伝導層を得た。この実施例の試料におけるｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８はアクセプタ濃度が６×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９はアクセプタ濃度が９×１０18ｃｍ-3である。すなわち、実施例の試料では、両ｐ型伝導層１８，１９共にＭｇがアクセプタとして活性化していた。
【００８８】
一方、比較例１及び比較例２の試料は、熱処理無しでは高抵抗であり、ｐ型化しなかった。次に、これら比較例１及び比較例２の試料を窒素雰囲気中で７５０℃、３０分間、熱処理した後、同様にＣ−Ｖ測定を行なったところ、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８はアクセプタ濃度が４×１０18ｃｍ-3となり、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９はアクセプタ濃度が４×１０18ｃｍ-3となって、Ｍｇがアクセプタとして活性化していた。
【００８９】
（Ｉ−Ｖ測定）
一方、これら３種類の試料に対し、前述同様に、ｎ型電極２０及びｐ型電極２２を形成して図１に示す構造の電極付試料を作成した。
【００９０】
実施例の電極付試料は、良好なオーミック接触が得られた。
【００９１】
一方、比較例１及び比較例２の電極付試料は、いずれもオーミック接触が不良であった。
【００９２】
（レーザ発振特性）
次に、これら３種類の電極付試料から半導体レーザを作成し、その特性を評価した。
【００９３】
すなわち、これら３種類の電極付試料（ウエハー）が３５０μｍの大きさにへき開されて共振器ミラーが形成され、３種類の半導体レーザが作成された。
【００９４】
実施例の半導体レーザは、動作電圧５Ｖ、しきい値電流密度５ｋＡ／ｃｍ2 において、波長４２０ｎｍの室温連続発振が得られた。
【００９５】
一方、比較例１及び比較例２の半導体レーザは、動作電圧が３５Ｖまで増加し、レーザ発振せず、ｐ側電極付近の劣化によって素子が破壊された。
【００９６】
（深さ方向の不純物濃度分布）
次に、これら３種類の試料間の熱処理前後において、ＳＩＭＳ分析により、成長層の深さ方向に沿ってマグネシウム（Ｍｇ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）の各濃度分布を調べた。
【００９７】
実施例の試料は、図２（ａ）に示すように、Ｍｇ濃度が深さ方向に沿って約５×１０19ｃｍ-3で一定であった。また、実施例の試料は、水素濃度が検出下限  （２×１０18ｃｍ-3）以下であり、成長層最表面でも水素が検出されない。また、実施例の試料は、炭素濃度が成長層内で６×１０17ｃｍ-3程度で一定であった。また、実施例の試料は、酸素濃度が検出下限（１×１０17ｃｍ-3）以下であった。
【００９８】
一方、比較例１及び比較例２は、図２（ｂ）に示すように、Ｍｇ濃度に関しては、熱処理の前後にかかわらず、実施例の試料と同様に約５×１０19ｃｍ-3であった。
【００９９】
また、比較例１及び比較例２は、熱処理前に、水素濃度が約４×１０19ｃｍ-3であった。また、比較例１及び比較例２は、熱処理後に、水素濃度が、多層成長膜内部では検出下限（２×１０18ｃｍ-3）以下であったが、成長層最表面では約３×１０19ｃｍ-3となった。また、比較例１及び比較例２では、さらに熱処理を３０分加えても、成長層最表面では３×１０19ｃｍ-3程度の水素が検出された。
【０１００】
さらに、比較例１及び比較例２は、熱処理前に、炭素濃度が成長層内で約７×１０17ｃｍ-3で一定であった。また、比較例１及び比較例２は、熱処理後に、炭素濃度が成長層表面で８×１０19ｃｍ-3程度に増加していた。また、比較例１及び比較例２では、熱処理前の酸素濃度は検出下限（１×１０17ｃｍ-3）以下であったが、熱処理後は表面付近で約７×１０18ｃｍ-3検出された。なお、この熱処理後の酸素濃度の約７×１０18ｃｍ-3は、最低の測定結果を抽出したものであり、通常、これより約１桁以上は高い値を示す。
【０１０１】
以上の実験結果から、ｐ型伝導層となる薄膜層を水素キャリアガス中で成長させ、成長後の熱処理によりｐ型化させる比較例１及び比較例２では、多層構造最表面、すなわち発光素子の場合にはｐ型コンタクト層の最表面に熱処理によると推測される水素、炭素及び酸素の濃度の増加が見られ、この水素の存在により最表面に存在するＭｇが不活性化している、また同時に最表面に存在する炭素及び酸素により高抵抗化されており、ｐ側電極とのオーミック接触が得られないと考えられる。
【０１０２】
一方、本発明に係る実施例の試料では、成長過程のキャリアガスが実質的に窒素ガスであることから、Ｍｇに結合する水素が無いのでＭｇが熱処理無しに活性化できるので、成長後の熱処理を不要として熱処理に起因する成長層最表面への水素、炭素及び酸素等の偏在を無くし、水素によるＭｇの不活性化と、炭素及び酸素による表面の高抵抗化とを阻止することができる。
【０１０３】
すなわち、本実施の形態によれば、成長後の熱処理を不要として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、ｐ型伝導層の品質を向上させ、発光ダイオードに比べ高電流注入が必要な半導体レーザでも素子の動作電圧を大幅に低減でき、レーザ発振を容易化させ、素子寿命を大幅に延長させ、信頼性を向上させることができる。
【０１０４】
また、本実施の形態によれば、主キャリアガスとして窒素ガスを用い、有機マグネシウム（Ｍｇ）化合物を含む有機金属のキャリアガスとして水素ガスを含有しているので、半導体層中のＭｇについては窒素ガスにより活性化を促進し、原料ガス中のＭｇについては水素ガスにより原料ガスの分解を促進してＭｇを半導体層中に混入させ易くするので、より一層、Ｍｇの活性化率の向上を図ることができる。
【０１０５】
また、本実施の形態によれば、窒素ガスの流量としては、水素ガスの流量の５倍乃至１２５倍の範囲内にあるので、窒素が５倍よりも少なくてＭｇの活性化の妨げられる成長雰囲気と、窒素が１２５倍よりも多くてＭｇの原料ガスの分解の妨げられる成長雰囲気とを除外できるため、前述した作用効果を容易かつ確実に奏することができ、製造工程の安定性を向上させることができる。
【０１０６】
また、本実施の形態によれば、ｐ型Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０＜ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む）層の成長温度としては、５００℃乃至１２３０℃の範囲内にあるので、５００℃よりも低温であって成長中にｐ型伝導の得られない温度領域と、１２３０℃よりも高温であって良好な結晶の得られない温度領域とを除外できるため、前述した作用効果を容易かつ確実に奏することができ、製造工程の安定性を向上させることができる。
【０１０７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザについて説明する。
【０１０８】
図３はこの半導体レーザの構造を示す断面図である。この半導体レーザは、サファイア基板３１上に、バッファ層３２、ｎ型ＧａＮ層３３、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４、ＧａＮ層３５、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層領域３６、ＧａＮ層３７、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８が形成されている。
【０１０９】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４乃至ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８は、高抵抗のＧａＮ層３９を用いる埋込みメサ構造をしたダブルヘテロ構造を形成している。
【０１１０】
さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８及び高抵抗のＧａＮ層３９の上には、ｐ型ＧａＮ層４０及びｐ型ＧａＮコンタクト層４１が形成されている。
【０１１１】
ｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には、ｐ側電極４３が形成されている。エッチング等により一部が露出されたｎ型ＧａＮ層３３上には、ｎ側電極４２が形成されている。
【０１１２】
次に、以上のような半導体レーザの製造方法及び作用について説明する。
【０１１３】
まず、サファイア基板３１は、有機溶媒および酸によって洗浄された後、ＭＯＣＶＤ装置の加熱可能なサセプタ上に載置される。次に、水素が２０Ｌ／分の流量で流されながら、温度１２００℃で約１０分間、サファイア基板表面は気相エッチングされる。次に、温度が５５０℃まで降温され、サファイア基板３１上にバッファ層３２が形成される。次に温度が１１００℃まで昇温され、水素が１５Ｌ／分、窒素が５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、シランが５ｃｃ／分の流量でそれぞれ約１時間流されて、ｎ型ＧａＮ層３３が約２μｍの厚さに形成される。
【０１１４】
これに、温度を１１００℃で保持した状態で、ＴＭＡ５０ｃｃ／分の流量を約１５分間加えることによってｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４が約５００ｎｍの厚さに形成された後、再度ＴＭＡの供給が停止され、約１０分間の供給でＧａＮ層３５が約２００ｎｍの厚さに形成される。
【０１１５】
次に、ＴＭＧの供給が停止され、基板温度が７８０℃まで降温される。この温度で、ＴＭＧが１０ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、水素が３０ｃｃ／分、窒素が約１９．７Ｌ／分流され、この中にＴＭＩが流量１４０ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組合せで約１．５分ずつ２０回繰り返し切り替えられて供給され、最後に１５ｃｃ／分で３分間供給されることにより、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層領域３６が形成される。
【０１１６】
次に、水素が４０ｃｃ／分、窒素が１９．９６Ｌ／分、アンモニアが１０Ｌ／分の流量で流されながら、１１００℃まで４分間かけて昇温される。昇温時の雰囲気が水素であると活性層領域がエッチングされるので、この過程での雰囲気は窒素であることが望ましい。
【０１１７】
次に、温度が１１００℃で保持し、水素が５００ｃｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、Ｃｐ2 Ｍｇが５０ｃｃ／分の流量で約１０分間供給されて、ＧａＮ層３７が約２００ｎｍの厚さで形成される。
【０１１８】
これにＴＭＡが５０ｃｃ／分の流量で約１５分間加えられることによってｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８が約５００ｎｍの厚さに形成される。ただし、上記ｐ型層を形成する際の有機金属原料のキャリアガスは水素とした。この状態で室温まで降温し、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の熱ＣＶＤ装置内で表面に幅２０μｍのＳｉＯ2 膜が形成される。次に、ウエハーをＲＩＥ装置内に置き、開口部がＢＣｌ3 ガスによってメサ構造にエッチング除去される。このようにして作製されたウエハーは再びＭＯＣＶＤ装置内のサセプター上に載置され、窒素３０Ｌ／分の中で１１００℃まで昇温される。
【０１１９】
次に、温度１１００℃で、水素が５００ｃｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、ＤＭＺ（ジメチルジンク）が５０ｃｃ／分の流量で約１時間供給され、ｉ型ＧａＮ層３９によりｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３４からｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８までが埋込構造とされる。このようなｉ型ＧａＮ層の形成を、本実施の形態ではメサエッチング後の成長で形成したが、エッチング除去せずに水素や酸素などをイオン注入することによって作製することも可能である。例えば、水素では２００ｋｅＶ、１×１０14ｃｍ-2の注入で実現することができる。
【０１２０】
次に、温度が１１００℃で保持されたまま、水素が３０Ｌ／分で約１分間流され、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層３８上に残っているＳｉＯ2 がエッチング除去される。
【０１２１】
次に、温度が１１００℃で保持されたまま、主キャリアガスが水素から窒素へ切り替えられ、水素が５００ｃｃ／分、窒素が１４．５Ｌ／分、ＴＭＧが１００ｃｃ／分、アンモニアが１０Ｌ／分、Ｃｐ2 Ｍｇが５０ｃｃ／分の流量で約２７分間供給されて、ｐ型ＧａＮ層４０が約９００ｎｍの厚さに形成される。さらに、Ｃｐ2 Ｍｇが１５０ｃｃ／分に流量が増加され、３分間供給されることによって、ｐ型ＧａＮ層４１が厚さ１００ｎｍで形成される。ただし、有機金属原料のキャリアガスには水素が用いられる。この層は熱処理などの後工程を必要とせずにｐ型結晶を実現できた。さらに、これらの層４０および４１を成長する際には、３×１０16ｃｍ-3程度のＺｎを加えておくことにより、キャリアの不活性化機構が低減され、キャリア濃度は約２倍に増加した。
【０１２２】
次に、ＴＭＧおよびＣｐ2 Ｍｇの供給が停止され、基板温度が室温まで降温される。ただし、１１００℃から３５０℃までは水素５００ｃｃ／分、窒素１４．５Ｌ／分、アンモニア１０Ｌ／分が引き続き供給され続け、３５０℃でアンモニアの供給が停止される。
【０１２３】
このようにして形成されたレーザ構造を、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて、ｎ型ＧａＮ層３３に対しては、Ｐｔ (厚さ５０ｎｍ) 、Ｎｉ（厚さ５０ｎｍ) 、Ａｕ（厚さ２μｍ）をこの順で形成し、良好なオーミック接触をもつｎ側電極４２とした。一方、ｐ型ＧａＮ層４１側に、順にＰｄ（厚さ２０ｎｍ）、Ｔｉ（厚さ３０ｎｍ）、Ｐｔ（厚さ２０ｎｍ）、Ａｕ（厚さ２μｍ）を形成し、窒素中５００℃、１分間の熱処理を施すことにより、７×１０-3Ωｃｍ2 程度のオーミックなｐ側電極４３とした。ここでは、電極に上述したものを用いたが、これらに示した金属と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｒなどとの積層構造あるいは合金層などを使用可能である。
【０１２４】
次に、このレーザ構造は基板側からスクライバなどにより、へき開され、共振器ミラーが形成された。このようにして作製された半導体レーザは波長４２０ｎｍで連続発振した。また、この素子の動作電圧は４．７Ｖでしきい電流密度は３ｋＡ／ｃｍ2 であった。
【０１２５】
上述したように第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、内部電流狭窄構造の青色半導体レーザを実現させることができる。
【０１２６】
なお、第２の実施の形態の変形例としては、２つのｐ型ＧａＮ層４０，４１を形成する際の主キャリアガスの切替えタイミングを変えるものがある。すなわち、上述した成長条件において、下層のｐ型ＧａＮ層４０の形成時には、主キャリアガスは水素のままとし、最上層のｐ型ＧａＮ層４１の形成前に、主キャリアガスを窒素に切り替え、しかる後、このｐ型ＧａＮ層４１を形成しても、本発明と同様に高いＭｇ活性化率が得られる。
【０１２７】
理由は、下層のｐ型ＧａＮ層４０の形成時にＭｇが活性化されなくても、最上層のｐ型ＧａＮ層４１の形成時に、成長温度が１１００℃と高温であるため、ある種の熱処理効果が下層のｐ型ＧａＮ層４０に作用するものと推測される。なお、上層のｐ型ＧａＮ層４１は、元々窒素雰囲気中で形成されるので、Ｍｇの活性化率が高いのは言うまでもない。
【０１２８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る発光ダイオードについて説明する。
【０１２９】
図４はこの発光ダイオードの構造を示す断面図である。この発光ダイオードは、ｎ型の２Ｈ型ＳｉＣ基板５１を有しており、基板５１上にＧａＮとＳｉＣとが１：９で混在した混在層５２が形成され、混在層５２上にｎ型ＧａＮ層５３、ｎ型ＩｎＧａＮ発光層５４、ｐ型ＧａＮ層５５がこの順で積層されている。使用されるドーパントは、ｎ型ＧａＮ層５３がＳｉ、ｐ型ＧａＮ層５５がＭｇである。ｐ型ＧａＮ層５５成長中のみ主キャリアガスとして窒素が使用され、原料ガスとしてアンモニアと有機Ｇａ原料とが使用され、ドーバントとして有機Ｍｇ原料が使用される。また、有機金属原料のキャリアガスには水素が使用される。
【０１３０】
一方、ｐ型ＧａＮ層５５以外の層の成長時には主キャリアガスとして水素が使用される。ｐ型及びｎ型ＧａＮ層５５，５３のキャリア濃度はいずれも２×１０18ｃｍ-3である。
【０１３１】
また、ＳｉＣ基板５１にはｎ側電極５６が形成され、ｐ型ＧａＮ層５５にはｐ側電極５７が形成される。
【０１３２】
このようにして得られた多層膜にｎおよびｐ電極を形成して、発光ダイオードを作製したところ、前述同様に、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減できたことにより、素子寿命が従来の約５倍に改善され、信頼性が大幅に向上された。
【０１３３】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザについて図１を用いて説明する。
【０１３４】
すなわち、本実施の形態は、実施例の形態（第１の実施形態）に加え、減圧成長法、光励起法、クラッキング法のいずれかを用いてプラズマ状態の窒素を供給することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９を形成するものである。
【０１３５】
具体的には例えば、前述同様に、ＧａＮ光ガイド層１７が形成された後、主キャリアガスが水素から窒素に切り替えられると共に、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びこれら原料ガスのキャリアガスとしての水素ガスの供給が停止される。
【０１３６】
続いて、上記のいずれかの方法により、活性窒素原子の供給が可能な状態に達するまで基板温度を降温する、ＮＨ3 を供給しつづけるなどの方法で、基板上に既に形成した成長層からのＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の解離を抑制する。
【０１３７】
次に、窒素ガス及び上記原料ガスが一定量導入され、排気速度等の調節により反応室内が所定の圧力とされる。
【０１３８】
ここで、反応室内に発生したプラズマ等により、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順次形成される。
【０１３９】
以下、原料ガスの供給が停止され、基板温度が自然降温される。
【０１４０】
なお、以下の電極形成工程などは前述と同様であり、青色半導体レーザが形成される。
【０１４１】
この青色半導体レーザは、約３０ｍＡという低しきい値電流で室温連続発振することができた。
【０１４２】
上述したように第４の実施の形態によれば、窒素プラズマ等の活性窒素原子を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９を形成することにより、窒素空孔密度を低減でき、ＭｇがＧａのサイトに入り易くなることにより、第１の実施の形態と同等以上の効果を得ることができた。
【０１４３】
なお、数Ｔｏｒｒ程度以下の雰囲気にすることにより、Ｇａ（Ａｌ）Ｎのうち、Ｎのサイトの空孔が多く発生し、このＮのサイトにＭｇが入って不活性化し易かったことも考えられる。しかしながら、本実施の形態によれば、窒素プラズマを用いているので、Ｇａ（Ａｌ）ＮにおけるＮのサイトの空孔が減少し、ＭｇがＧａのサイトに入って活性化したので、青色半導体レーザの室温連続発振を実現することができた。
【０１４４】
また、本実施の形態は、第２の実施の形態に係るｐ型ＧａＮ層４０，４１、第３の実施の形態に係るｐ型ＧａＮ層５５についても同様に適用可能である。すなわち、これらｐ型ＧａＮ層４０，４１，５５をプラズマを用いて形成しても、本実施の形態と同様にＭｇの活性化率を向上させることができる。また、プラズマとしては、直流プラズマ、高周波プラズマ、マイクロ波プラズマのいずれを用いてもよい。
【０１４５】
（第５の実施の形態）
以上は、Ｉｎを含まないｐ型ＧａＮ系半導体層を電極とのコンタクト層に用いた場合の各実施形態であった。次に、第５〜第９の実施形態として、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体（Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎm Ｐn Ａｓ1-m-n （０＜ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、０＜ｍ、０≦ｎ、０＜ｍ＋ｎ≦１を含む））層を電極とのコンタクト層に用いた場合の各実施形態について説明する。なお、始めに原理的な実施形態を説明し、続いて具体的な実施形態について述べる。また、基板温度やキャリアガスの流量などは、前述した第１〜第２の実施形態と同様のため、以下の各実施形態ではその詳しい説明は省略する。
【０１４６】
図５は本発明の第５の実施形態に係る窒化物系半導体素子の原理的な層構成を示す断面図である。この窒化物系半導体素子は、サファイア基板６１上に、ｎ型ＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎにてｘ＝ｙ＝０）層６２、ｐ型ＧａＮ層６３、ｐ型ＩｎＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎにて、０＜ｘ＜１、０＝ｙ）層６４が順次形成されている。なお、この構造によれば、ｐ型ＧａＮ層６３とｎ型ＧａＮ層６２とでｐｎ接合が形成される。
【０１４７】
（深さ方向の不純物濃度分布）
図５に示す本発明構造について、図６（ａ）に示すように、ＳＩＭＳ分析により、成長層の深さ方向に沿ってＭｇ及び水素（Ｈ）の各濃度分布を調べた。また、比較のために、本発明構造からｐ型ＩｎＧａＮ層６４を省略した従来構造についても図６（ｂ）に示すように、深さ方向に沿って不純物濃度分布を調べた。
【０１４８】
その結果、両図からわかるように、ｐ型ＧａＮ層６３及びｐ型ＩｎＧａＮ層６４の両層のＭｇ濃度が５×１０19ｃｍ-3のとき、従来（製法）構造によるｐ型ＧａＮ層の水素濃度が８×１０19ｃｍ-3であるのに対し、本発明構造の、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４及びｐ型ＧａＮ層６３の両層の水素濃度は６×１０19ｃｍ-3である。この値は、従来のｐ型ＧａＮ層の成長後、窒素中で７５０℃で３０分間の熱処理を加えた後の水素濃度とほぼ同一値である。
【０１４９】
また、図示はしないが、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４は、表面酸素濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であり、表面炭素濃度が５×１０19ｃｍ-3以下であって、夫々表面から基板側に向けて減少していた。一方、従来のｐ型ＧａＮ層は、表面酸素濃度、表面炭素濃度共に、夫々１桁以上高い値であった。
【０１５０】
（Ｃ−Ｖ測定）
図７は以上のＳＩＭＳ分析の試料に対し、Ｃ−Ｖ測定にて実質的なアクセプタ濃度を測定した結果を示す図である。本発明構造のｐ型ＩｎＧａＮ層６４は窒素リッチの雰囲気で成長するため、ａｓ  ｇｒｏｗｎでも低抵抗のｐ型層となる。このときのｐ型ＧａＮ層６３は、図示するように、ａｓ  ｇｒｏｗｎで低抵抗のｐ型層となり、その値（５．４×１０18ｃｍ-3）は、従来構造のｐ型ＧａＮ層  （ａｓ  ｇｒｏｗｎでは高抵抗）の成長後、窒素雰囲気中で熱処理後に得られる値とほぼ等しい。すなわち、Ｉｎを含む半導体層であるｐ型ＩｎＧａＮ層６４を上層に備えたので、下層のｐ型ＧａＮ層６３中への水素の取り込まれが抑制され、Ｍｇの活性化が促進されると考えられる。
【０１５１】
（変形構成）
なお、図５に示す本発明構造は、図８に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４に代えて、ｎ型ＩｎＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎにて０＜ｘ＜１、０＝ｙ）層６５を最上層に備えてもよい。
【０１５２】
また、本発明構造は、ｐ型ＧａＮ層６３とｐ型ＩｎＧａＮ層６４の間に、ｐ型ＩｎＧａＮ層６４よりもＩｎの成分比の低いｐ型ＩｎＧａＮ層を介在させて設け、容易に格子整合をとるようにしてもよい。
【０１５３】
また、図９に示すように、アンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６を挟んでｐ型ＧａＮ層６３とｎ型ＧａＮ層６２とでｐｉｎ接合を形成してもよい。本発明は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のいずれを適用してもよい。
【０１５４】
また、図１０に示すように、表面モフォロジの改善のため、ｎ型ＧａＮ層６２とサファイア基板６１との間に、ＧａＮバッファ層７１やアンドープ又はｎ- 型ＧａＮ層７２を形成してもよい。さらに、アンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６の下層にｎ型ＡｌＧａＮ層７３を形成し、アンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６の上層にｐ型ＡｌＧａＮ層７４を形成し、これら両ＡｌＧａＮクラッド層７３，７４とアンドープｉ型ＩｎＧａＮ層６６とでｐｉｎ接合を形成してもよい。
【０１５５】
（第６の実施の形態）
図１１は本発明の第６の実施形態に係る窒化物系半導体素子の原理的な構成を示す断面図である。この窒化物系半導体素子は、電流狭窄構造を有するものであり、サファイア基板８１上に、アンドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４及びｐ型ＧａＮ電流注入層８５が順次形成されている。
【０１５６】
また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上には、複数のｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が選択的に形成されている。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上及びｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成されている。
【０１５７】
次に、以上のような電流狭窄構造を有する窒化物系半導体素子の製造方法及び作用について説明する。
【０１５８】
この窒化物系半導体素子は、図１２（ａ）に示すように、１回目のＭＯＣＶＤ成長により、サファイア基板８１上に、アンドープＧａＮ層８２、ｎ型ＧａＮ層８３、アンドープＧａＮ活性層８４、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が同一チャンバー内で連続的に形成されている。その後、図１２  （ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が部分的にエッチング除去される。しかる後、図１２（ｃ）に示すように、２回目のＭＯＣＶＤ成長（再成長）により、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成される。
【０１５９】
なお、ｐ型ドーパントには、Ｍｇ又はＺｎが用いられる。
【０１６０】
以上の製造方法によると、再成長により形成されたｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７は、前述同様に低酸素濃度及び低炭素濃度を有し、熱処理をせずとも低抵抗のｐ型層となる。
【０１６１】
また、１回目に成長させたｐ型ＧａＮ電流注入層８５のうち、上層のｎ型ＧａＮ電流ブロック層８６が除去された部分、すなわち再成長時に表面がチャンバー内で露出していた部分は、Ｃ−Ｖ測定の結果、アクセプタ濃度が３×１０18ｃｍ-3のｐ型低抵抗層であった（ＳＩＭＳ分析の結果、Ｍｇ濃度は２×１０19ｃｍ-3であった）。
【０１６２】
一方、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５のうち、ｎ型ＧａＮ電流ブロック層８６で覆われた部分は再成長中にｐ型低抵抗とはならなかった。
【０１６３】
上述したように本実施形態によれば、再成長により、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７を形成するので、熱処理を不要としつつ低抵抗のｐ型層を得られると共に、電流狭窄をより促進させることができる。
【０１６４】
（変形構成）
なお、本実施形態の構造は、図１３に示すように、サファイア基板８１と、アンドープＧａＮ下地層８２との間に、ＧａＮバッファ層８２ａを設けてもよい。また、図１３に示すように、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４とｎ型ＧａＮコンタクト層８３との間に、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１を設けると共に、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５に代えて、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５を備えてもよい。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５又はｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のいずれでも、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６又はｎ型ＩｎＧａＮ電流狭窄層のうちの所望の層が使用可能である。
【０１６５】
（第７の実施の形態）
図１４は本発明の第７の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図であり、図１２及び図１３と同一部分には同一符号を付して説明する。この半導体レーザは、サファイア基板８１上に、ＧａＮバッファ層８２ａ、アンドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１、アンドープＧａＮガイド層９２、ＭＱＷ構造のアンドープＡｌＧａＮ活性層９３、ｐ型ＧａＮガイド層９４、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５が順次形成されている。
【０１６６】
ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上には、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６が選択的に形成されている。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上並びにｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成されている。
【０１６７】
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にはｐ側電極９７が形成されている。エッチング等により一部が露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にはｎ側電極９６が形成されている。
【０１６８】
次に、以上のような半導体レーザの製造方法及び作用について説明する。
【０１６９】
図１５（ａ）に示すように、サファイア基板８１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、５０ｎｍ厚のアンドープＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎでｘ＝ｙ＝０）バッファ層８２ａ、２μｍ厚のアンドープＧａＮ下地層８２、４μｍ厚のｎ型ＧａＮコンタクト層８３、０．３μｍ厚のｎ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９１、０．１μｍ厚のアンドープＧａＮガイド層９２、Ｉｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｎからなる総計膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造からなるアンドープＩｎＧａＮ活性層９３、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮガイド層９４、０．３μｍ厚のｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９５、０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮ電流注入層８５、１μｍ厚のｎ型ＧａＮ（Ａｌq Ｇａ1-q Ｎでｑ＝０）電流狭窄層８６が連続成長により形成される。
【０１７０】
なお、ｎ型の不純物密度はモノシラン（ＳｉＨ4 ）の導入により、適宜制御される。同様に、ｐ型の不純物密度はビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）の導入により、適宜制御される。
【０１７１】
次に、図１５（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６上を部分的にパターニングし、エッチング等によりｐ型ＧａＮ電流注入層８５を最表面に露出させるように部分的にｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６がが除去される。
【０１７２】
また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５上並びにｎ型ＧａＮ電流狭窄層８６上には、図１５（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、１．５μｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎにて、０＜ｘ≦０．３、ｙ＝０）コンタクト層８７が形成される。このとき、成長温度は７５０℃〜１１００℃とし、原料ガスのキャリアガスには水素を用い、主キャリアガスとしては窒素ガスを用いている。
【０１７３】
ここで、得られたウェハはＭＯＣＶＤ炉から取り出され、部分的にＳｉＯ2 等によってマスキングされ、図１６（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３まで達する深さにエッチングされる。
【０１７４】
次に、サファイア基板８１は、ＧａＮ系半導体層８２ａ〜９５を堆積した側と反対側の面の研磨等により、１００μｍ程度の厚さに形成される。
【０１７５】
図１６（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３上に例えばＴｉ−Ａｕ等の金属によるｎ側電極９６が形成される。しかる後、マスクのＳｉＯ2 等が除去され、図１６（ｃ）に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上に例えばＰｔ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ等からなるｐ側電極９７が形成される。
【０１７６】
なお、ここで、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７は、表面酸素濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であり、表面炭素濃度が５×１０19ｃｍ-3以下であり、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有していた。
【０１７７】
このように得られたウェハはスクライブやへき開、あるいはドライエッチング等により、適当な大きさに切り分けて、多数のチップを得る。そうしてこれらのチップを所定のステム（ワイヤーフレーム）にマウントし、ワイヤボンディング後モールディングすれば、本発明のＧａＮ系レーザが完成される。
【０１７８】
この半導体レーザは、発光波長４００ｎｍにて低しきい値で発振する良好な特性を得ることができた。
【０１７９】
上述したように本実施形態によれば、従来と比べ、プロセスを簡略化することができる。すなわち、本実施形態によれば、従来の連続エピタキシャル成長に加え、ｐ型ＩｎＧａＮ系半導体層を成長させるという単純な工程を付加するだけで、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の水素の取り込みに関したアクセプタの不活性化を抑制させることができる。
【０１８０】
よって、実質的には熱処理等が無くなるため、製造工程が減少される。また成長後の熱処理という工程による表面の汚染や不純物の結晶中での拡散等による素子特性の低下を招く要因を除去することができる。
【０１８１】
また、表面の酸素濃度、炭素濃度を低減できるので、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを形成でき、動作電圧を低下させ、もって、発光波長４００ｎｍにて低しきい値（低動作電圧）で発振する良好な特性の半導体レーザを得ることができた。
【０１８２】
さらに、ｐ型ドーパントの種類（Ｍｇ等）、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７の膜厚（５０ｎｍ〜１５００ｎｍ）やＩｎの成分比ｘ（０＜ｘ≦０．３）、キャリアガスの種類（水素ガスやアンモニアを含む原料ガス、窒素ガスからなるキャリアガス）及び流量（窒素ガス：水素ガス＝５〜１２５：１）などが適切な範囲内にあるので、以上の効果を容易且つ確実に実現させることができ、素子特性や製造工程の安定性を向上させることができる。
【０１８３】
（変形構成）
なお、本発明の第７の実施の形態は、図１７に示すように、１回目の成長におけるｐ型ＧａＮ電流注入層８５が省略された構造でも良い。この場合、２回目の成長により形成される層は、図１８に示すように、ｐ型ＧａＮ層８５ａとｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７との２層構造であっても良い。
【０１８４】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態に係る半導体レーザについて説明する。
【０１８５】
図１９はこの半導体レーザの原理的な構成を示す断面図であり、図１１と同一部分には同一符号を付して説明する。この半導体レーザは、屈折率導波型構造を有するものであり、サファイア基板８１上に、アンドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４及びｐ型ＧａＮ電流注入層８５が順次形成されている。
【０１８６】
ｐ型ＧａＮ電流注入層８５は、選択エッチングによりリッジが形成されている。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５は、リッジ以外の部分上に複数のｎ型ＩｎＧａＮ電流光閉込め層９８が選択的に形成されている。また、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５のリッジ上及びｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成されている。
【０１８７】
次に、以上のような屈折率導波型構造を有する半導体レーザの製造方法及び作用について説明する。
【０１８８】
この半導体レーザは、図２０（ａ）に示すように、１回目の成長により、サファイア基板８１上に、アンドープＧａＮ層８２、ｎ型ＧａＮ層８３、アンドープＧａＮ活性層８４、ｐ型ＧａＮ層８５が同一チャンバー内で連続的に形成される。その後、図２０（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層８５が部分的にエッチング除去されてリッジが形成される。また、図２０（ｃ）に示すように、このリッジ上にはＳｉＯ2 等のマスク９９が形成される。次に、ｎ型ＩｎＧａＮ層９８が再成長（２回目の成長）により、ＳｉＯ2 等のマスク９９以外のｐ型ＧａＮ層８５上に選択成長される。その後、マスク９９が除去され、３回目の成長により、図２０（ｄ）に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮ層８７がｐ型ＧａＮ層８５のリッジ上及びｎ型ＩｎＧａＮ層９８上に形成される。
【０１８９】
以上のような屈折率導波型構造としても、電流狭窄構造と同様にｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が低酸素濃度及び低炭素濃度を有して低抵抗で良好なオーミックコンタクトを得られるため、発光波長４００ｎｍにて低しきい値で発振する良好な特性を得ることができる。
【０１９０】
（変形構成）
なお、本実施形態の構造は、図２１に示すように、サファイア基板８１と、アンドープＧａＮ下地層８２との間に、ＧａＮバッファ層８２ａを設けてもよい。また、図２１に示すように、アンドープＩｎＧａＮ活性層８４とｎ型ＧａＮコンタクト層８３との間に、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１を設けると共に、ｐ型ＧａＮ電流注入層８５に代えて、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５を備えてもよい。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５を備えた場合、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８に代えて、ｎ型ＧａＮを光閉込め層として使用してもよい。すなわち、ｎ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）光閉込め層９８において、Ｉｎの成分比ｘを０としてもよい。なお、ｎ型ＧａＮを使用せず、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５にｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８を用いても良いことはいうまでもない。
【０１９１】
（第９の実施の形態）
図２２は本発明の第９の実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す断面図であり、図２０及び図２１と同一部分には同一符号を付して説明する。この半導体レーザは、サファイア基板８１上に、ＧａＮバッファ層８２ａ、アンドープＧａＮ下地層８２、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層９１、アンドープＧａＮガイド層９２、ＭＱＷ構造のアンドープＡｌＧａＮ活性層９３、ｐ型ＧａＮガイド層９４及びｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５が順次形成されている。
【０１９２】
ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５上は選択エッチングによりリッジが形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５は、リッジ以外の部分上に複数のｎ型ＩｎＧａＮ電流光閉込め層９８が選択的に形成されている。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリッジ上及びｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上には、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が形成されている。
【０１９３】
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にはｐ側電極９７が形成されている。エッチング等により一部が露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にはｎ側電極９６が形成されている。
【０１９４】
次に、以上のような半導体レーザの製造方法及び作用について説明する。
【０１９５】
前述同様に図２３（ａ）に示すように、サファイア基板８１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、５０ｎｍ厚のアンドープＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎでｘ＝ｙ＝０）バッファ層８２ａ、２μｍ厚のアンドープＧａＮ下地層８２、４μｍ厚のｎ型ＧａＮコンタクト層８３、０．３μｍ厚のｎ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９１、０．１μｍ厚のアンドープＧａＮガイド層９２、Ｉｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｎからなる総計膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造からなるアンドープＩｎＧａＮ活性層９３、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮガイド層９４、０．３μｍ厚のｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９５が連続成長により形成される。
【０１９６】
次に、図２３（ｂ）に示すように、ｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９５上にＳｉＯ2 層９９等のパターニング及びマスキングが施され、エッチング等によりｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）電流注入層９５が選択的に途中まで除去されてリッジが形成される。
【０１９７】
続いて、図２３（ｃ）に示すように、選択成長によりｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ  （０≦ｑ≦１）電流注入層９５のリッジ以外の部分上にｎ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ  （０≦ｘ≦１）光閉込め層９８が２回目の成長により形成される。
【０１９８】
また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリッジ上におけるＳｉＯ2 層９９等のマスクが除去される。さらに、ＭＯＣＶＤ法により、図２４（ａ）に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層９５のリッジ上及びその両側のｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９８上に、１μｍ厚のｐ型のＩｎＧａＮ（Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ、０＜ｘ≦０．３、ｙ＝０）層８７が形成される。なお前述同様に、このときの成長温度は７５０℃〜１０００℃とし、原料ガスのキャリアガスには水素を用い、主キャリアガスとしては窒素ガスを用いている。
【０１９９】
以下前述同様に、このウェハは、図２４（ｂ）に示すように、選択的にｎ型ＧａＮコンタクト層８３まで達する深さまでエッチングされた後、サファイア基板８１が研磨等により１００μｍ程度の厚さに形成される。
【０２００】
また同様に、図２４（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３上にｎ側電極９６が形成され、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７上にｐ側電極９７が形成される。なお、各電極９６，９７は前述同様の材料から形成可能である。
【０２０１】
電極付完了後のウェハは、前述同様に、へき開などにより、多数のチップに形成される。各チップは所定のステム（ワイヤーフレーム）にマウントされ、ワイヤボンディング後、モールディングされ、完成品のＧａＮ系レーザに加工される。
【０２０２】
この半導体レーザは、前述同様にｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８７が低酸素濃度及び低炭素濃度であって低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有し、発光波長４００ｎｍにて低しきい値で発振する良好な特性を得ることができた。
【０２０３】
上述したように本実施形態によれば、第７の実施形態の効果に加え、ｐ型Ａｌq Ｇａ1-q Ｎ（０≦ｑ≦１）層９５のリッジ部とリッジ部以外の膜を適当に定め、ｎ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）層９８のバンドギャップエネルギーをアンドープＩｎＧａＮ活性層９３のバンドギャップエネルギーより小さくするように組成ｘを適当に決めるより、電流狭窄型構造だけでなく屈折率導波型構造の半導体レーザをも形成することができる。
【０２０４】
（他の実施形態）
なお、本発明は、製造工程中のキャリアガスとドーパントとの組合せを最適化し、熱処理なしでドーパントの活性化を促進させると共に、成長層最表面の酸素濃度と炭素濃度とを最適化してコンタクト抵抗を減少させるという技術を用いるため、例示したダブルヘテロ（ＤＨ）構造の電流狭窄型構造又は屈折率導波型構造などに限らず、ダブルヘテロ構造以外のホモ接合構造やシングルヘテロ（ＳＨ）構造をも包含し、さらに、ダブルヘテロ構造であっても電流狭窄型構造及び屈折率導波型構造以外の他の構造をも包含することはいうまでもない。
【０２０５】
また本発明は、窒化物系半導体を用いたＬＥＤやＬＤなどの発光素子のみならず、ｐチャネルＨＥＭＴまたはＨＢＴ等の電子デバイスへの応用も可能である。
【０２０６】
また、主キャリアガスとして窒素以外にアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスを用いても本発明と同様の効果が得られる。
【０２０７】
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【０２０８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ｐ型コンタクト層として窒素中でＩｎを含むｐ型のＧａＮ系半導体層を成長形成するという簡単な工程を含むことによって、成長後の熱処理や電子線照射等の特別な処理を不要として低廉化及び生産性の向上を図りつつ、アクセプタの活性化率を向上でき、ｐ型伝導層の品質を向上させ、もって、生産性、再現性良く、素子寿命を長くして信頼性を向上し得る窒化物系半導体素子の製造方法を提供できる。
【０２０９】
また、ｐ型伝導層の伝導型を容易に制御でき、低抵抗で良好なオーミックコンタクトを有し、低動作電圧で動作する窒化物系半導体素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す断面図
【図２】同実施の形態における深さ方向の濃度分布を比較例の熱処理前後と比較して示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す断面図
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の構造を示す断面図
【図６】同実施の形態における深さ方向の不純物濃度分布を従来と比較して示す図
【図７】同実施の形態におけるＣ−Ｖ測定結果を従来と比較して示す図
【図８】同実施の形態における変形構成を示す図。
【図９】同実施の形態における変形構成を示す図
【図１０】同実施の形態における変形構成を示す図
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る窒化物系半導体素子の原理的な構成を示す断面図
【図１２】同実施の形態における製造工程図
【図１３】同実施の形態における変形構成を示す図
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図
【図１５】同実施の形態における製造工程図
【図１６】同実施の形態における製造工程図
【図１７】同実施の形態における変形構成を示す図
【図１８】同実施の形態における変形構成を示す図
【図１９】本発明の第８の実施の形態に係る半導体レーザの原理的な構成を示す断面図
【図２０】同実施の形態における製造工程図
【図２１】同実施の形態における変形構成を示す図
【図２２】図２２は本発明の第９の実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す断面図
【図２３】同実施の形態における製造工程図
【図２４】同実施の形態における製造工程図
【図２５】従来の青色半導体レーザの構造を示す模式図
【図２６】従来の熱処理前後における深さ方向の濃度分布を示す図
【符号の説明】
１１，３１，６１，８１…サファイア基板
１２，８２…アンドープＧａＮ下地層
１３，３３，６２，８３…ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４，３４，９１…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層
１５，３５…ＧａＮ光ガイド層
１６，３６，６６，８４，９３…ＩｎＧａＮ活性層
１７…ＧａＮ光ガイド層
１８，３８…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層
１９，４１…ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０，４２，５６，９６…ｎ側電極
２１…ＳｉＯ2 層
２２，４３，５７，９７…ｐ側電極
３２…バッファ層
３７…ＧａＮ層
３８…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層
３９…高抵抗のＧａＮ層
４０…ｐ型ＧａＮ層
５１…ｎ型の２Ｈ型ＳｉＣ基板
５２…混在層
５３…ｎ型ＧａＮ層
５４…ｎ型ＩｎＧａＮ発光層
５５…ｐ型ＧａＮ層
６３，８５…ｐ型ＧａＮ層
６４，８７…ｐ型ＩｎＧａＮ層
６５…ｎ型ＩｎＧａＮ層
８２ａ…ＧａＮバッフア層
８６…ｎ型ＧａＮ電流狭窄層
９２…アンドープＧａＮガイド層
９４…ｐ型ＧａＮガイド層
９５…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入（クラッド）層
９８…ｎ型ＩｎＧａＮ（光閉じ込め）層
９９…ＳｉＯ2 マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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