(57)【要約】本発明は、放射を形成する活性層（９）とｐ導電型コンタクト層（２）とを備えた半導体ボディ（１）を有しており、このコンタクト層がＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含み、このコンタクト層上にコンタクトメタライゼーション部（３）が被着されている発光半導体素子に関する。さらに本発明はこの種の発光半導体素子の製造方法に関する。
2005503041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射を形成する活性層（９）とｐ導電型コンタクト層（２）とを備えた半導体ボディ（１）を有しており、当該のコンタクト層上にコンタクトメタライゼーション部（３）が被着されている
発光半導体素子において、
コンタクト層（２）は
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ，０＜ｘ≦１または
ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮ，０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ≦１
を含む
ことを特徴とする発光半導体素子。
【請求項２】
コンタクト層（２）にはマグネシウムがドープされている、請求項１記載の素子。
【請求項３】
コンタクト層（２）内のインジウム成分はＩＩＩ族の格子位置に関して１原子％より大きく、有利には１原子％〜９原子％であり、特に有利には３原子％以上６原子％以下である、請求項１または２記載の素子。
【請求項４】
コンタクトメタライゼーション部（３）はＰｄ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｔのうち少なくとも１つの元素またはこれらの元素のうち少なくとも２つから成る合金を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の素子。
【請求項５】
コンタクト層（２）の厚さは０．０１μｍ〜１．０μｍであり、特に有利には０．１μｍ〜０．２μｍである、請求項１から４までのいずれか１項記載の素子。
【請求項６】
半導体ボディ（１）はコンタクトメタライゼーション部（３）のほうへ向かってｎ導電型の第１の外套層（７）、ｎ導電型の第１の導波体層（８）、活性層（９）、ｐ導電型の第２の導波体層（１０）、ｐ導電型の第２の外套層（１１）、およびコンタクト層（２）の順に配置された半導体層列を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の素子。
【請求項７】
第１の外套層（７）はｎタイプのＡｌＧａＮを含み、第２の外套層（１１）はｐタイプのＡｌＧａＮを含む、請求項６記載の素子。
【請求項８】
第１の導波体層（８）はｎタイプのＧａＮを含み、第２の導波体層（１０）はｐタイプのＧａＮを含む、請求項６または７記載の素子。
【請求項９】
活性層（９）は
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ，０＜ｘ≦１または
ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮ，０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１
のうち少なくとも１つを含む量子層（１２）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１０】
コンタクト層（２）は５・１０９ｃｍ−２以上の欠陥密度を有しており、特に有利には１・１０１０ｃｍ−２以上の欠陥密度を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１１】
半導体ボディ（１）はコンタクト層（２）とは反対側に基板（５）を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１２】
基板（５）はＳｉＣを含む、請求項１１記載の素子。
【請求項１３】
基板（５）はサファイアを含む、請求項１１記載の素子。
【請求項１４】
半導体ボディは基板（５）に接するバッファ層（６）を含む、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１５】
ルミネセンスダイオード、特に有利にはレーザーダイオードまたはＬＥＤである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１６】
ａ）半導体表面を形成するステップと、
ｂ）当該の半導体表面上に
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ，０＜ｘ≦１または
ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮ，０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ≦１
を含むｐ導電型のコンタクト層（２）を被着するステップと、
ｃ）当該のｐ導電型のコンタクト層（２）上にコンタクトメタライゼーション部（３）を被着するステップとを有する
ことを特徴とする発光半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記ステップａ）で複数の半導体層を基板（５）上にエピタキシャルに堆積し、最後に堆積された半導体層の表面を半導体表面とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップｂ）でｐ導電型のコンタクト層（２）を半導体表面上にエピタキシャルに堆積させる、請求項１６または１７記載の方法。
【請求項１９】
前記ステップｂ）でコンタクト層（２）を７００℃〜１０００℃の温度で、特に有利には７５０℃〜８５０℃の温度で堆積させる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
コンタクト層（２）の堆積中に窒素をキャリアガスとして使用する、請求項１８または１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念記載の発光半導体素子、および請求項１６の上位概念記載の発光半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
発光半導体素子は半導体ボディを有しており、この半導体ボディにはｐ導電型の側とｎ導電型の側とがあって、それぞれコンタクト面に接続されている。コンタクト面は一般に例えばワイヤ接続部の接続される金属面として構成されているか、または半導体ボディをチップ端子面に実装する金属面として構成されている。駆動中ワイヤ接続部またはチップ端子面を介して駆動電流が素子へ印加される。通常は半導体ボディ内に高濃度にドープされたコンタクト層が設けられており、その上にコンタクトメタライゼーション部のかたちのコンタクト面が被着されている。
【０００３】
ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮおよび／またはＡｌＩｎＧａＮベース（以下ではこれらをまとめて“ＧａＮベース”と称する）の半導体素子では、半導体ボディのｐ導電型の側にｐ型のＧａＮコンタクト層が使用されている。ここではｐ型のコンタクト層とコンタクトメタライゼーション部とを接続する際に比較的高いコンタクト抵抗が生じる。コンタクト抵抗で降下する電力は損失電流へ変換され、素子の機能、例えば発光半導体素子における放射形成には使用されない。ＧａＮベースの素子ではコンタクト抵抗で降下する損失電力は全電力の５０％以上にもなる。さらに発生する損失熱は素子を加熱し、高温になると素子が損傷する危険も生じる。したがってコンタクト抵抗はできるだけ小さく保持することが望ましい。これは特に高い電流で駆動され、高い熱感応性を有するレーザーダイオードモジュールに当てはまる。温度変化はレーザーモードの不安定性や発光波長の変化を引き起こしかねない。また高温によってレーザーミラーが損傷を受け、レーザーダイオード全体の不可逆の故障を起こすことさえある。
【０００４】
本発明の課題は、コンタクト性が改善されて特に小さなコンタクト抵抗しか有さない発光半導体素子を提供することである。また本発明の別の課題は、コンタクト性の改善された発光半導体素子の製造方法を提供することである。
【０００５】
この課題は請求項１の特徴を有する発光半導体素子を構成して解決される。課題はまた請求項１６の特徴を有する発光半導体素子の製造方法により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【０００６】
本発明によれば、発光半導体素子は放射を形成する活性層とｐ導電型のコンタクト層とを備えた半導体ボディを有しており、ここでコンタクト層がＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含み、コンタクト層上にコンタクトメタライゼーション部が被着されている。
【０００７】
驚くべきことに、Ｉｎを含むコンタクト層を備えた半導体素子はｐ導電型のＧａＮコンタクト層を備えた素子よりも格段に小さなコンタクト抵抗を有することが判明した。コンタクト層のＩｎ含有量は、有利には、ＩＩＩ族の格子位置に関して１原子％より大きく、有利には１原子％〜９原子％であり、特に有利には３原子％以上６原子％以下である。
【０００８】
コンタクト層のｐドープ物質として例えばマグネシウムまたは亜鉛が使用される。ここでＭｇのドープはコンタクト抵抗を低減するという観点から特に有利であると判明している。特に本発明では従来技術のｐ導電型のＧａＮコンタクト層よりも高い濃度でＭｇのドープを行う。
【０００９】
ここで考慮すべきは、Ｍｇの最大ドープ濃度が自己補償効果によって制限されるということである。これは所定の濃度からはＭｇ濃度をさらに増大しても電荷担体濃度のさらなる上昇が生じなくなるために有意でなくなるということである。ｐ導電型のＧａＮに対しては最大濃度は約５・１０１９ｃｍ−３である。これに対して本発明ではＭｇの最大濃度を２・１０２０ｃｍ−３まで引き上げることができる。
【００１０】
コンタクトメタライゼーション部として有利にはＰｄＡｕ層またはＮｉＡｕ層がコンタクト層上に設けられる。白金などの他の金属もコンタクトメタライゼーション部として適している。ＰｄＡｕまたはＮｉＡｕのコンタクトメタライゼーション部は有利にはまずコンタクト層上にＰｄ層またはＮｉ層を蒸着し、その上にＡｕ層を蒸着する。続いて金属層どうしを融合させる。金属層の融合は典型的には２００℃〜１０００℃、有利には２００℃〜８００℃の温度で行われる。なぜなら温度が８００℃以上となると半導体層が損なわれるおそれが出てくるからである。
【００１１】
またできるだけ大きな欠陥密度を有するようにｐ導電型のコンタクト層を形成すると有利であることがわかった。欠陥とはここでは特に糸状の転位などのことであると理解されたい。従来技術のｐ導電型のＧａＮコンタクト層の欠陥密度は典型的には１０９ｃｍ−２のオーダーにある。本発明ではこれよりも高い欠陥密度、例えば５・１０９ｃｍ−２〜５・１０１０ｃｍ−２のオーダーで欠陥密度を生じさせるとコンタクト抵抗が低下することが判明している。
【００１２】
本発明の発光半導体素子の製造方法では、半導体ボディに放射を形成する活性層を形成し、半導体ボディ上にＩｎを含むＧａＮベースのｐ導電型のコンタクト層を被着し、当該のｐ導電型のコンタクト層上にコンタクトメタライゼーション部を被着する。
【００１３】
有利にはｐ導電型のコンタクト層はエピタキシャル成長される。ここでは比較的低い温度でエピタキシを行うと有利であることがわかっている。ｐ導電型のＧａＮコンタクト層は従来技術では通常約１０００℃で成長されるが、低い温度、例えば８００℃または７７０℃のあたりでコンタクト層を成長させるとコンタクト抵抗が低下することが判明した。したがって本発明ではコンタクト層は７００℃〜９５０℃、特に有利には７５０℃〜８５０℃の範囲の温度でエピタキシャル成長により堆積される。
【００１４】
さらにコンタクト抵抗を低減するために、有利には、コンタクト層のエピタキシプロセスにおいて窒素をキャリアガスとして使用する。
【００１５】
本発明の別の特徴および利点を以下に図１〜図４に示した４つの実施例に則して詳細に説明する。
【００１６】
図１には本発明の半導体素子の第１の実施例が示されている。図２には本発明の半導体素子の第２の実施例が示されている。図３には本発明の半導体素子の第３の実施例のＩ−Ｕ特性曲線と従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線とを比較したグラフが示されている。図４には本発明の半導体素子の第４の実施例のＩ−Ｕ特性曲線と従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線とを比較したグラフが示されている。
【００１７】
図中相応する素子には相応する参照番号を付してある。
【００１８】
図１に示されている半導体素子はｐ導電型側およびｎ導電型側を有するＧａＮベースの半導体ボディ１内に放射を形成する活性層９を有している。主表面のｐ導電型側にはコンタクトメタライゼーション部３が被着されており、場合によってはｎ導電型側にも対向側コンタクトとして別のコンタクトメタライゼーション部４が被着される。ｎ側のコンタクト抵抗はＧａＮベースの半導体ボディでは一般にｐ導電型側のコンタクト抵抗よりも格段に小さい。半導体ボディを介してかかるコンタクト抵抗は直列に接続されているので、全コンタクト抵抗を低減するためには特にｐ導電型側のコンタクト抵抗を低減しなくてはならない。
【００１９】
このために本発明によれば半導体ボディ１のｐ導電型側に半導体ボディ１を区切るｐ導電型のＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのコンタクト層２が設けられている。これらの層のＩｎ含有量はＩＩＩ族の格子位置に関して１原子％〜９原子％、有利には３原子％〜６原子％である。コンタクトメタライゼーション部として例えばＰｄＡｕ合金が用いられる。このときｐ導電型のＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのコンタクト層２上にまずＰｄ層が蒸着され、その上にＡｕ層が蒸着され、続いて加熱されてこれらがＰｄＡｕ合金へ変換される。ｐ導電型側のコンタクト抵抗はこの実施例ではインジウムを含まない従来のｐ導電型のＧａＮコンタクト層に比べて格段に小さくなる。
【００２０】
コンタクト抵抗をさらに低減するために、半導体ボディの製造はエピタキシプロセスにより行われ、有利にはコンタクト層が約８００℃の比較的低い温度で成長されるか、および／またはｐ導電型のコンタクト層の堆積の際に窒素がキャリアガスとして用いられる。これにより比較的高い密度で欠陥（例えば糸状の転位）が発生する。これは典型的には１０１０ｃｍ−２の密度、すなわち従来のコンタクト層の欠陥密度の約１０倍以上のオーダーである。こうした欠陥は有利にはコンタクト抵抗を低減させる。
【００２１】
図２には本発明の半導体素子の第２の実施例が示されている。この実施例では半導体ボディは半導体レーザーとしてパターニングされている。基板５、例えばＳｉＣ基板の上方にｎ導電型の第１の外套層７が被着され、その上に順にｎ導電型の第１の導波体層８、活性層９、ｐ導電型の第２の導波体層１０、ｐ導電型の第２の外套層１１、およびｐ導電型のＩｎＧａＮコンタクト層２が形成される。ｐ導電型のコンタクト層２にコンタクトメタライゼーション部３が設けられている。有利には基板５と第１の外套層７とのあいだにバッファ層６が形成される。このバッファ層は基板の種々の格子定数を半導体レーザー構造の半導体層に対して補償するために用いられる。
【００２２】
基板はこの実施例では半導体ボディの一部と見なされるが、基板そのものはその上に被着される層とは異なって半導体ではない材料から形成することができる。したがって半導体ボディはサファイア基板などの他の基板を含むこともできる。ただしこうした不導体の基板を含む装置では層列の一部を変更して図示していない対向側コンタクト４を設ける必要がある。
【００２３】
第１の外套層および第２の外套層は例えばＡｌＧａＮから成り、第１の導波体層および第２の導波体層はＧａＮから成る。ｎ導電型を形成するために第１の外套層７および第１の導波体層８にはＳｉがドープされる。ｐ導電型となるべき第２の外套層１１および第２の導波体層１０にはＭｇがドープされる。
【００２４】
活性層９は例えば薄いＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層のシーケンスから成る複数の量子層１２を含んでいる。また量子層はＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含んでいてもよい。
【００２５】
コンタクトメタライゼーション部として第１の実施例に則して説明したようなＰｄＡｕ合金またはＮｉＡｕ層合金が特に適している。ただしＰｔ層などの他のコンタクトメタライゼーション部も本発明に使用することができる。
【００２６】
図３には本発明の第３の実施例による素子のＩ−Ｕ特性曲線と従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線とを比較したグラフが示されている。ここでは素子での印加電圧Ｕと発生する電流Ｉとの依存関係が示されている。特性曲線１３は本発明の素子のＩ−Ｕ特性曲線であり、プロットされた測定点１４は従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線である。
【００２７】
この実施例の素子の構造は図２の実施例にほぼ相応している。個々にはＳｉＣ基板５上に、１００ｎｍ厚さのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成るバッファ層６、５００ｎｍ厚さのＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎから成る第１の外套層７、１００ｎｍ厚さのＧａＮから成る第１の導波体層８、活性層９、１２６ｎｍ厚さのＧａＮから成る第２の導波体層１０、４００ｎｍ厚さのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る第２の外套層１１が被着されている。バッファ層６、第１の外套層７および第１の導波体層８はＳｉドープされたｎ導電型の層であり、第２の導波体層１０および第１の外套層１１はＭｇドープされたｐ導電型の層である。
【００２８】
活性層９は量子層構造を有している。この量子層構造はコンタクト層へ向かう方向で３ｎｍ厚さのＩｎＧａＮ層、５ｎｍ厚さのＧａＮバリア層、３ｎｍ厚さのＩｎＧａＮ層、５ｎｍ厚さのＧａＮバリア層、３ｎｍ厚さのＩｎＧａＮ層、および１５ｎｍ厚さのＭｇドープされたＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎバリア層から形成されている。
【００２９】
本発明の素子では第２の外套層１１上に１００ｎｍ厚さのＭｇドープされたＩｎＧａＮから成るコンタクト層２が堆積されている。このコンタクト層は３％のインジウム成分を含んでおり、８００℃ほどの比較的低い温度でエピタキシャル成長されたものである。これに対して従来技術の素子では１００ｎｍ厚さのｐ導電型のＧａＮコンタクト層が１０００℃でエピタキシャル成長されている。コンタクトメタライゼーション部としてそれぞれコンタクト層２上に５０ｎｍ厚さのＰｄ層と１００ｎｍ厚さのＡｕ層とが蒸着され、後に融合されている。
【００３０】
コンタクトはＩ−Ｕ特性曲線を測定するためにいわゆるＣＴＬＭ（circular transmission line method）コンタクトとして構成されている。３１０μｍの径を有する円形のコンタクトから大面積のコンタクトにいたるまでのＩ−Ｕ特性曲線が測定された。ここでコンタクトどうしは４５μｍ幅の環によって分離されている。
【００３１】
図３からわかるように、本発明の素子でのＩ−Ｕ特性曲線は従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線よりも格段に線形性が強く、カーブが緩い。したがって有利には本発明の素子のコンタクトは改善されたオーミック特性を有する。また特にゼロ点（Ｉ＝０Ａ，Ｕ＝０Ｖ）の周囲では絶対抵抗Ｕ／Ｉも差分抵抗ｄＵ／ｄＩも従来技術の素子のそれらより小さい。
【００３２】
図４には本発明の第４の実施例の素子のＩ−Ｕ特性曲線が示されている。前述の実施例とは異なり、ここではコンタクト層２上にラテラルサイズ７５０μｍ×５０μｍのコンタクトメタライゼーション部３が被着されている。基板５のうち半導体の層列とは反対の側の全面に対向側コンタクトが設けられており、プローブのラテラルサイズは典型的には３ｍｍ×３ｍｍである。そのほかの構造やコンタクト層２の組成および製造方法は前述の実施例に相応する。
【００３３】
この素子に対応するＩ−Ｕ特性曲線が図４に示されている。曲線１５はＩｎＧａＮコンタクト層を備えた本発明の素子についての測定値であり、曲線１６はｐ導電型のＧａＮコンタクト層を備えた従来技術の素子についての測定値である。２つの特性曲線はゼロ点の近傍で急峻な立ち上がりを示し、そのあとは電流が増えてもほぼ平坦に経過している。この第２の平坦な部分を見ると、本発明の素子では所定の電流値Ｉに対する印加電圧の値Ｕが従来技術の素子よりも格段に小さい。したがって本発明の素子はこの領域できわめて小さい絶対抵抗Ｕ／Ｉを有していることがわかる。
【００３４】
本発明を幾つかの実施例に則して説明したが、本発明はもちろんこれらのみに限定されるものではない。本発明は発光ダイオードＬＥＤ、レーザーダイオードなどの放射形成素子に関しているが、他のＧａＮベースの素子にも広汎に適する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の半導体素子の第１の実施例を示す図である。
【００３６】
【図２】本発明の半導体素子の第２の実施例を示す図である。
【００３７】
【図３】本発明の半導体素子の第３の実施例のＩ−Ｕ特性曲線と従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線とを比較したグラフである。
【００３８】
【図４】本発明の半導体素子の第４の実施例のＩ−Ｕ特性曲線と従来技術の素子のＩ−Ｕ特性曲線とを比較したグラフである。
【国際公開パンフレット】
2005503041.tif 000003
2005503041.tif 000004
2005503041.tif 000005
2005503041.tif 000006
2005503041.tif 000007
2005503041.tif 000008
2005503041.tif 000009
2005503041.tif 000010
2005503041.tif 000011
2005503041.tif 000012
2005503041.tif 000013
2005503041.tif 000014
2005503041.tif 000015
2005503041.tif 000016
2005503041.tif 000017
2005503041.tif 000018
2005503041.tif 000019
【国際調査報告】
2005503041.tif 000020
2005503041.tif 000021
2005503041.tif 000022
2005503041.tif 000023
2005503041.tif 000024
2005503041.tif 000025