(57)【要約】【課題】III族窒化物半導体を有する半導体発光素子において、動作電圧を低減するとともに発光効率を向上することが可能な技術を提供する。【解決手段】ｎ型III族窒化物半導体から成るｎ型基板１上には、ｎ型クラッド層２と、ｎ型光ガイド層３と、不純物がドーピングされていない多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層４と、ｐ型電子障壁層５と、ｐ型光ガイド層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層８とがこの順で積層されている。ｐ型電子障壁層５はｐ型Ａｌx2Ｇａ(1-x2)Ｎ（０＜ｘ２＜１）から成り、ｐ型クラッド層７はｐ型Ａｌx3Ｇａ(1-x3)Ｎ（０＜ｘ３＜１）から成り、ｐ型コンタクト層８はｐ型ＧａＮから成る。ｐ型電子障壁層５、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８はそれぞれｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる。【選択図】図１
2007281387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体から成る基板と、
前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に設けられた、光を発する活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と
を備え、
前記ｐ型半導体層は、ｐ型III族窒化物半導体層を含み、
前記ｐ型III族窒化物半導体層はｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる、半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記活性層上に設けられたｐ型電子障壁層である、半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層はｐ型クラッド層である、半導体発光素子。
【請求項４】
請求項２及び請求項３のいずれか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層は、ｐ型ＧａＮあるいはｐ型ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ＜１）から成る、半導体発光素子。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型半導体層は、前記ｐ型電子障壁層上に設けられた、ｐ型III族窒化物半導体から成るｐ型クラッド層をさらに含み、
前記ｐ型クラッド層はｐ型ドーパントとしてベリリウムを含み、
前記ｐ型電子障壁層は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ(1-x1)Ｎ（０＜ｘ１＜１）から成り、
前記ｐ型クラッド層は、ｐ型Ａｌx2Ｇａ(1-x2)Ｎ（０＜ｘ２＜１）から成る、半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層は、電極に接触するｐ型コンタクト層である、半導体発光素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ＜１）及びｐ型ＧａyＩｎ(1-y)Ｎ（０＜ｙ＜１）のいずれか一つから成る、半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型ＧａyＩｎ(1-y)Ｎ（０＜ｙ＜１）から成る、半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層を有機金属気相成長法を使用して形成する工程を備え、当該工程では、前記ｐ型ドーパントとしてのベリリウムの原材料としてビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムが使用される、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｐ型III族窒化物半導体層を分子線エピタキシャル成長法を使用して形成する、半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体を有する半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域に及ぶ光の発光が可能な半導体発光素子として、ＧａＮ等のIII族窒化物半導体を利用して形成された、量子閉じ込め構造の活性領域を備える半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
このような半導体レーザは、III族窒化物半導体層を有機金属気相成長法（以後、「ＭＯＣＶＤ法」と呼ぶ）を使用して基板上に複数層結晶成長してウェハを形成し、当該ウェハを加工することにより作製される。そして、III族窒化物半導体層を結晶成長する際には当該III族窒化物半導体層にはｎ型やｐ型のドーパントが導入される。非特許文献１では、ｐ型のドーパントしてマグネシウムを使用する技術が開示されている。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法では、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを反応管に供給することによってマグネシウムをIII族窒化物半導体にドープする。このビスシクロペンタジエニルマグネシウムは、窒化物ではないＡｌＧａＩｎＡｓ系材料やＧａＡｓ系材料、あるいはＡｌＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体やＩｎＰ系化合物半導体の結晶成長において、旧来より広く用いられている。このため、入手が容易でありかつ安価なため、III族窒化物半導体の結晶成長においても同様に用いられている。
【０００５】
なお、特許文献１，２にはIII族窒化物半導体を利用した窒化物半導体デバイスが開示されている。
【０００６】
【非特許文献１】Michael Kneissl et al., “Performance and degradation of continuous-wave InGaN multiple-quantum-well laser diodes on epitaxially laterally overgrown GaN substrates”, Applied Physics Letters, 2000, Volume77, Number 13, pp.1931-1933
【特許文献１】特開２０００−２９４８２４号公報
【特許文献２】特開平８−１０２５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
III族窒化物半導体では、従来の砒素系・燐系化合物半導体に比べ、比較的バンドギャップが大きいため、ｐ型ドーパントによる不純物準位は、ミッドギャップ側へ位置する傾向を持つ。したがって、III族窒化物半導体においては、正孔形成に要する活性化エネルギーが比較的大きくなり、室温において熱的に励起される正孔の密度が、従来の砒素系・燐系化合物半導体に比べ著しく低下する。よって、III族窒化物半導体における正孔の活性化率、即ち、ドーピング密度に対する正孔密度の比は、従来の砒素系・燐系化合物半導体に比べ著しく小さく、ほぼ３％以下となる。
【０００８】
このようにIII族窒化物半導体では正孔の活性化率が著しく小さいため、例えば１×１０18／ｃｍ3の正孔密度を得るには、１０20／ｃｍ3オーダのマグネシウムをドープする必要がある。このような高密度なドーピングは、原子密度が１０23／ｃｍ3程度である、母体となるIII族窒化物半導体結晶における原子配列の微視的規則性に多大の影響を及ぼす。微視的規則性の乱れにより、結晶全体の電気的光学的特性上、種々の悪影響が誘発される。
【０００９】
例えば、原子スケールでは格子間原子や転置原子の形成密度が増加し、ミクロスコピックスケールではinversion domain boundary等が発生する結果、原子配列の異常が連鎖的に発生する。この結果として、種々の準位が形成され、結晶原子配列の規則性が乱れ、室温でのキャリア密度の低下、電気移動度の低下が生じる。これらは電気抵抗率の増加を招くため、発光素子の電気特性上、動作電圧の上昇が生じる。一方、光学的観点から見れば、これらの転位に伴う準位は、結晶格子のバンドあるいは量子論的閉じ込めとは異なる望ましくない発光・非発光中心を形成する。具体的には、例えば発光に伴う光子の一部が素子を形成する結晶内部で吸収され、外部に放出される発光量が結果的に低減するという現象が生じる。
【００１０】
また、結晶構造の最上層に位置するｐ型コンタクト層においては、従来の砒素系や燐系の化合物半導体素子と同様に、ｐ側電極とのコンタクト抵抗を低減するために、ドーピング密度を高くする必要がある。このようなドーピング密度が高い最表面近傍を含めて、素子中にドープされたマグネシウム原子は、光を発する活性層へ拡散などの機構により移動し当該活性層で蓄積されることがある。これは、バンド間遷移以外の望ましくない発光を生じる原因となり、素子寿命を短くする。
【００１１】
また、III族サイトに存在するｐ型ドーパントに対して最近接原子として位置する窒素原子に隣接して、イオン化水素、すなわちプロトンが準安定的に格子間原子として存在することが知られている。水素の熱的脱離過程は拡散問題と捉えることができることから、結晶中に準安定的に水素原子が存在できるサイトが多いほど、結晶外に水素原子が放出されにくくなり、結晶内部に残存する水素密度は高密度となる。特に、結晶構造の最表面近傍でのドーパント密度は他の部分よりも高く設定され、準安定的に水素原子が存在できるサイトの数はドーパント密度に比例することから、当該最表面近傍でのドーパント密度が高く設定されるほど、結晶中での水素密度は高密度となる。完成素子に通電発光を行った場合、プロトンは、電気的にも化学ポテンシャル的にも活性層側への駆動力を受ける。プロトンは、ｎ型層へは電気的ポテンシャル障壁が存在するため進入が困難であるため、結果的に活性層にて蓄積される。このプロトンは、バンドギャップ中にエネルギー準位を形成することから、活性層に非発光再結合中心を形成し内部吸収損失を誘発する。
【００１２】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、III族窒化物半導体を有する半導体発光素子において、動作電圧を低減するとともに発光効率を向上することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の半導体発光素子は、III族窒化物半導体から成る基板と、前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた、光を発する活性層と、前記活性層上に設けられたｐ型半導体層とを備え、前記ｐ型半導体層は、ｐ型III族窒化物半導体層を含み、前記ｐ型III族窒化物半導体層はｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の半導体発光素子によれば、ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる。ベリリウムは、従来から用いられてきたマグネシウムと比べて熱的活性化エネルギーが低いため、室温におけるｐ型III族窒化物半導体層での正孔の活性化率が向上する。したがって、ｐ型III族窒化物半導体層に対するｐ型ドーパントのドーピング密度を小さく設定することができる。その結果、ｐ型III族窒化物半導体層に不要な準位の形成を防止することができ、当該ｐ型III族窒化物半導体層での電気抵抗率を低減することができる。よって、動作電圧を低減することができ、素子への入力電圧を小さく設定できる。
【００１５】
さらに、ｐ型III族窒化物半導体層に不要な準位の形成を防止することができることから、不要な発光・非発光中心の形成を防止することができ、その結果、発光効率が向上する。
【００１６】
また、ドーピング密度を低減することができることから、活性層に向かうｐ型ドーパントの量を低減することができる。よって、活性層において不要な発光が生じることを抑制でき、発光効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、リッジ構造及びＳＣＨ（separate confinement heterostructure）構造を有する半導体レーザである。図１に示されるように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、ｎ型III族窒化物半導体から成るｎ型基板１を備えている。ｎ型基板１は例えばｎ型ＧａＮから成る。ｎ型基板１の一主面であるＧａ面上には、複数のIII族窒化物半導体層が積層されている。具体的には、ｎ型基板１のＧａ面上には、ｎ型クラッド層２と、ｎ型光ガイド層３と、不純物がドーピングされていない多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層４と、ｐ型電子障壁層５と、ｐ型光ガイド層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層８とがこの順で積層されている。そして、ｐ型コンタクト層８上にはｐ側電極１１が設けられており、ｎ型基板１の他方の主面であるＮ面にはｎ側電極１２が設けられている。
【００１８】
ｎ型クラッド層２は、例えば厚さ１０００ｎｍでｎ型Ａｌx1Ｇａ(1-x1)Ｎ（０＜ｘ１＜１）から成る。ｘ１は例えば“０．０７”である。このｎ型クラッド層２は、ｎ型基板１の表面に存在するナノメータスケールの凹凸を一層平坦化するとともに、光閉じ込めを行うために設けられたものである。
【００１９】
ｎ型光ガイド層３は、例えば厚さ１００ｎｍでｎ型ＧａＮから成る。多重量子井戸活性層４は、例えば、Ｉｎy1Ｇａ(1-y1)Ｎ（０＜ｙ１＜１）から成る厚さ３．５ｎｍの井戸層と、Ｉｎy2Ｇａ(1-y2)Ｎ（０＜ｙ２＜１）から成る厚さ７ｎｍの障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を備えている。多重量子井戸活性層４においては、例えば、井戸数は３であり、ｙ１＝０．１４、ｙ２＝０．０２である。
【００２０】
ｐ型電子障壁層５は、下層のｎ型層から多重量子井戸活性層４に注入される電子が上層のｐ型層に溢れるのを防止する機能を有しており、例えば厚さ１０ｎｍでｐ型Ａｌx2Ｇａ(1-x2)Ｎ（０＜ｘ２＜１）から成る。ｘ２は例えば“０．２”である。ｐ型光ガイド層６は、例えば厚さ１００ｎｍでｐ型ＧａＮから成る。
【００２１】
ｐ型クラッド層７は、例えば最も厚い部分の厚さが４００ｎｍでｐ型Ａｌx3Ｇａ(1-x3)Ｎ（０＜ｘ３＜１）から成る。ｘ３は例えば“０．０７”である。ｐ型コンタクト層８は、例えば厚さ１００ｎｍでｐ型ＧａＮから成る。ｐ型クラッド層７は、上方に突出する突出部７ａを有しており、当該突出部７ａの上にｐ型コンタクト層８が形成されている。そして、この突出部７ａとその上のｐ型コンタクト層８とで光導波路となるリッジ部９が形成されている。このリッジ部９は、例えば、＜１−１００＞方向に平行に延在し、その幅は２．０μｍである。
【００２２】
リッジ部９の上面、つまりｐ型コンタクト層８の上面を避けて、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８上には絶縁膜１０が形成されている。絶縁膜１０は、リッジ部９の表面を保護する目的と、ｐ側電極１１とｐ型クラッド層７との電気的絶縁を目的として設けられたものであり、例えば厚みが２００ｎｍでシリコン酸化膜から成る。
【００２３】
ｐ側電極１１は、絶縁膜１０上と、当該絶縁膜１０から露出しているｐ型コンタクト層８の上面上とに設けられている。ｐ側電極１１は、例えば、白金（Ｐｔ）から成る金属膜と金（Ａｕ）から成る金属膜とを順次積層した積層構造を有している。ｎ側電極１２は、例えば、チタン（Ｔｉ）から成る金属膜と、アルミニウム（Ａｌ）から成る金属膜とを順次積層した積層構造を有している。
【００２４】
本実施の形態に係る半導体発光素子は、（１−１００）面でへき開されており、当該（１−１００）面に共振器ミラーを備えている。そして、ｎ側電極１２とｐ側電極１１間に動作電圧を印加すると、多重量子井戸活性層４からレーザが出力される。
【００２５】
また、本実施の形態では、ｎ型基板１、ｎ型クラッド層２及びｎ型光ガイド層３は、ｎ型ドーパントとしてシリコンあるいは酸素を含んでいる。一方で、ｐ型電子障壁層５、ｐ型光ガイド層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８は、ｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる。
【００２６】
また、本実施の形態では、多重量子井戸活性層４上に形成されている複数のｐ型半導体層のうち、ｐ型コンタクト層８におけるドーピング密度が最も高く設定されている。そして、ｐ型クラッド層７よりもｐ型電子障壁層５の方が、ドーピング密度が高く設定されている。
【００２７】
次に図１に示される半導体発光素子の製造方法について説明する。図２は本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。まずステップｓ１において、ｎ型基板１、ｎ型クラッド層２及びｎ型光ガイド層３から成るｎ型半導体層を形成する。具体的には、まずｎ型基板１を準備し、当該ｎ型基板１の表面をサーマルクリーニングなどにより清浄化する。そして、ＭＯＣＶＤ法により、例えば１２００℃の成長温度で、ｎ型基板１上にｎ型クラッド層２及びｎ型光ガイド層３を順次成長させる。
【００２８】
次にステップｓ２において、ｎ型光ガイド層３上に多重量子井戸活性層４を成長させる。ステップｓ２では、ＭＯＣＶＤ法により、例えば８００℃の成長温度で、障壁層及び井戸層の組が３組順次積層される。
【００２９】
次にステップｓ３において、多重量子井戸活性層４上に、ｐ型電子障壁層５、ｐ型光ガイド層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８から成るｐ型半導体層を形成する。ステップｓ３では、ＭＯＣＶＤ法によって、例えば１１００℃の成長温度で、多重量子井戸活性層４上に、ｐ型電子障壁層５、ｐ型光ガイド層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８を順次成長させる。
【００３０】
次にステップｓ４において、ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８にリッジ部９を形成する。ステップｓ４では、ステップｓ３の実行後に得られたウェハ全面にレジストを塗布し、リソグラフィー工程を実行することによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｐ型コンタクト層８及びｐ型クラッド層７を順次エッチングする。これにより、リッジ部９が形成される。なお、このときのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスが使用される。
【００３１】
次に、ステップｓ５において絶縁膜１０を形成する。ステップｓ５では、ステップｓ４でマスクとして使用したレジストパターンを残したまま、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、例えば厚さ２００ｎｍの絶縁膜１０をウェハ全面に形成し、レジストパターンの除去と同時にリッジ部９上にある絶縁膜１０を除去する。この処理は「リフトオフ」と呼ばれる。これにより、リッジ部９の上面が絶縁膜１０から露出する。
【００３２】
次に、ウェハ全面に例えば真空蒸着法により白金から成る金属膜と金から成る金属膜とを順次形成した後、レジスト塗布工程およびリソグラフィー工程を実行し、その後、ウエットエッチングあるいはドライエッチングを実行することにより、ｐ型コンタクト層８と接触するｐ側電極１１を形成する。
【００３３】
その後、ｎ型基板１の裏面全面に、例えば真空蒸着法によりチタンから成る金属膜とアルミニウムから成る金属膜とを順次形成し、形成された積層膜をエッチングしてｎ側電極１１を形成する。そして、ｐ側電極１１をｐ型コンタクト層８に、ｎ電極１２をｎ型基板１にそれぞれオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００３４】
以上のようにして形成された構造をへき開などによりバー状に加工して、当該構造に両共振器端面を形成する。そして、これらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバー状の構造をへき開などによりチップ状に分割する。これにより、図１に示される半導体レーザが完成する。
【００３５】
本実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を使用してｐ型III族窒化物半導体層を形成する際には、ｐ型ドーパントの原材料としてビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムを使用する。ベリリウムはマグネシウムよりも原子半径が小さいため、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムは、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムに比べ、分極が小さいという特徴を持つ。このため、ＭＯＣＶＤ法で使用される反応炉や導入管等での分子の付着密度を低減できる。その結果、結晶成長時に急峻なドーピングファイルを得ることができる。
【００３６】
なお、上述の例では、ｎ型クラッド層２、ｐ型電子障壁層５及びｐ型クラッド層７をＡｌＧａＮで形成しているが、他のIII族窒化物半導体、例えばＧａＮで形成しても良い。また、ｐ型コンタクト層８をＧａＮで形成しているが、他のIII族窒化物半導体、例えばＡｌx4Ｇａ(1-x4)Ｎ（０＜ｘ４＜１）やＧａy3Ｉｎ(1-y3)Ｎ（０＜ｙ３＜１）で形成しても良い。ｙ３は例えば“０．９”である。
【００３７】
次に本発明の効果について説明する。図４〜１１は図３に示される試料１００を用いて実験を行った結果を示す図である。図４は室温における正孔密度のドーピング密度依存性を示す図であって、図５は図４でプロットされた値を表にまとめたものである。図６は室温における正孔移動度のドーピング密度依存性を示す図であり、図７は図６でプロットされた値を表にまとめたものである。図８は室温における電気抵抗率のドーピング密度依存性を示す図であって、図９は図８でプロットされた値を表にまとめたものである。図１０は室温におけるコンタクト抵抗率のドーピング密度依存性を示す図であって、図１１は図１０でプロットされた値を表にまとめたものである。まず試料１００について説明する。
【００３８】
図３に示されるように、試料１００はｎ型ＧａＮ基板１０１を備えている。ｎ型ＧａＮ基板１０１上には厚さ１０００ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０２が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１０２上には厚さ６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０３が形成されている。
【００３９】
図４〜９に示される実験結果は、上層のｐ型ＧａＮ層１０３でのドーピング密度を１×１０21／ｃｍ3で固定し、下層のｐ型ＧａＮ層１０２でのドーピング密度を変化させて当該ｐ型ＧａＮ層１０２での正孔密度、正孔移動度、電気的抵抗率を測定した結果を示している。一方で、図１０，１１に示される実験結果は、下層のｐ型ＧａＮ層１０２でのドーピング密度を４×１０19／ｃｍ3で固定し、上層のｐ型ＧａＮ層１０３でのドーピング密度を変化させて当該ｐ型ＧａＮ層１０３に対するコンタクト抵抗率を測定した結果を示している。
【００４０】
図４，６，８，１０では、ｐ型ＧａＮ層１０１，１０２をＭＯＣＶＤ法で結晶成長させる際に、原材料としてビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムを使用してｐ型ＧａＮ層１０１，１０２の両方にベリリウムをドーピングした際の結果が実線で示されており、原材料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを使用してｐ型ＧａＮ層１０１，１０２の両方にマグネシウムをドーピングした際の結果が破線で示されている。図４，５に示される結果はVan der Pauw法でHall測定した結果であり、図１０，１１に示される結果はサーキュラーTLM法で測定した結果である。
【００４１】
図５，７，９，１１では、ｐ型ドーパントとしてベリリウムを使用した場合とマグネシウムを使用した場合との正孔密度、正孔移動度、電気的抵抗率、コンタクト抵抗率の差もそれぞれ示されている。図５，７では、ベリリウムを使用した場合の値からマグネシウムを使用した場合の値を差し引いた値が示されており、図８，９では、マグネシウムを使用した場合の値からベリリウムを使用した場合の値を差し引いた値が示されている。
【００４２】
図４，５に示されるように、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が、同じドーピング密度でもｐ型ＧａＮ層１０２での正孔密度が高くなっている。特に、ドーピング密度が２×１０19／ｃｍ3以上７×１０19／ｃｍ3以下の範囲では、正孔密度の差が１０18／ｃｍ3オーダとなり非常に大きくなっている。そして、最大の正孔密度は、マグネシウムを使用した場合には９．５×１０17／ｃｍ3に対して、ベリリウムを使用した場合には４．８×１０18／ｃｍ3となっている。このように、マグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が正孔密度が高くなるのは、ベリリウムのＧａＮ中の活性化エネルギーがマグネシウムと比べて小さいからであると考えられる。
【００４３】
また図６，７に示されるように、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が、同じドーピング密度でもｐ型ＧａＮ層１０２での正孔移動度は大きくなっている。正孔移動度は、正孔の有効質量とイオン化不純物散乱確率とで主に決定される。前者については、母体となる材料、すなわち本例ではＧａＮの物理的特性によって規定されるため大きな差異は無いが、後者のイオン化不純物散乱確率は、ドーパント原子が形成するポテンシャルにより規定される。ベリリウムとマグネシウムとでは、原子サイズが異なるため、当該ポテンシャルに差異が生じ、図６，７のように正孔移動度に差が生じたものと考えられる。
【００４４】
また図８，９に示されるように、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が、同じドーピング密度でもｐ型ＧａＮ層１０２での電気抵抗率が小さくなっている。特に、ドーピング密度が１×１０19／ｃｍ3の場合と、７×１０19／ｃｍ3以上では電気抵抗率の差が大きくなっており、さらに７．０×１０20／ｃｍ3の場合には電気抵抗率の差は非常に大きくなっている。そして、最小の電気抵抗率は、マグネシウムを使用した場合には０．５６６１２Ωｃｍであるのに対して、ベリリウムを使用した場合には０．１０６８４Ωｃｍとなっている。このように、マグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が電気抵抗率が小さくなるのは、正孔密度の場合と同様に、ベリリウムのＧａＮ中での活性化エネルギーがマグネシウムに比べて低く、正孔形成に要する活性化エネルギーがベリリウムを使用した場合の方がマグネシウムを使用した場合よりも小さいからである。
【００４５】
また図１０，１１に示されるように、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用した場合よりもベリリウムを使用した場合の方が、同じドーピング密度でもｐ型ＧａＮ層１０３に対するコンタクト抵抗率が小さくなっている。特に、ドーピング密度が４×１０19／ｃｍ3以下と、２×１０20／ｃｍ3以上とでは、コンタクト抵抗率の差が大きくなっており、さらに２．５×１０19／ｃｍ3以下と、７×１０20／ｃｍ3 の場合とでは、コンタクト抵抗率の差は非常に大きくなっている。そして、最小のコンタクト抵抗率は、マグネシウムを使用した場合には０．０００４５Ωｃｍ2であるのに対して、ベリリウムを使用した場合には０．０００２３Ωｃｍ2となっており、ベリリウムを使用するとほぼ半減することが理解できる。コンタクト抵抗率の規定要因は極めて複雑であるが、主に半導体層最上面近傍の正孔密度によって決まる、金属層とのトンネル確率が主な要素であると考えられる。上述のようにベリリウムをｐ型ドーパントとして使用した場合には正孔密度を高めることができることから、コンタクト抵抗率が低減しているものと考えられる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態に係る半導体発光素子では、ｐ型電子障壁層５やｐ型クラッド層７等のｐ型III族窒化物半導体層がｐ型ドーパントとしてベリリウムを含んでいる。ベリリウムは、従来から用いられてきたマグネシウムと比べて熱的活性化エネルギーが低いため、室温におけるｐ型III族窒化物半導体層での正孔の活性化率が向上する。したがって、ｐ型III族窒化物半導体層に対するｐ型ドーパントのドーピング密度を小さく設定することができる。その結果、ｐ型III族窒化物半導体層に不要な準位の形成を防止することができ、当該ｐ型III族窒化物半導体層での電気抵抗率を低減することができる。その結果、動作電圧を低減することができ、素子への入力電圧を小さく設定できる。特に、ｐ型クラッド層７はその役割から一般的に膜厚を厚く形成するため、素子全体での電気抵抗を規定する主要な層となることから、当該ｐ型クラッド層７のｐ型ドーパントとしてベリリウムを使用し、当該ｐ型クラッド層７の電気抵抗率を低減することによって、動作電圧が十分に低減することになる。
【００４７】
さらに、ｐ型III族窒化物半導体層に不要な準位の形成を防止することができることから、不要な発光・非発光中心の形成を防止することができ、その結果、発光効率が向上する。
【００４８】
また、ドーピング密度を低減することができることから、多重量子井戸活性層４に向かうｐ型ドーパントの量を低減することができる。よって、多重量子井戸活性層４において不要な発光が生じることを抑制でき、発光効率が向上する。
【００４９】
また、ｐ型電子障壁層５に関しては、多重量子井戸活性層４に接触して配置されており、多重量子井戸活性層４には通常不純物のドーピングを行わないため、ｐ型電子障壁層５の結晶成長中をはじめとして、ｐ型電子障壁層５中のｐ型ドーパントは特に多重量子井戸活性層４に向かって熱的拡散が生じやすい。ｐ型ドーパントとしてベリリウムを使用することによってドーピング密度を低減することができ、その結果、原理的に原子密度の空間変化に依存する原子の熱的拡散量を低減できることから、発光効率の向上という観点からは、ｐ型電子障壁層５にベリリウムをドーピングするのが特に有効である。つまり、ｐ型電子障壁層５がｐ型ドーパントとしてベリリウムを含むことによって、発光効率を大きく向上することができる。
【００５０】
また、ｐ型コンタクト層８でのｐ型ドーパントとしてベリリウムを使用した場合には、ｐ型コンタクト層８での正孔密度が向上することから、ｐ型コンタクト層８とｐ側電極１１とのコンタクト抵抗率を低減することができる。
【００５１】
さらに、一般的にドーピング密度が他のｐ型半導体層よりも高く設定されるｐ型コンタクト層８に対するドーピング密度を低減することができることから、結晶中の水素原子密度の低減が可能となる。よって、イオン化した水素、つまりプロトンが多重量子井戸活性層４に蓄積されることを抑制でき、多重量子井戸活性層４に非発光再結合中心が形成されることを抑制できる。よって、発光効率が向上し、素子の長寿命化が可能となる。
【００５２】
また、ｐ型クラッド層７をｐ型Ａｌx3Ｇａ(1-x3)Ｎで形成し、ｐ型電子障壁層５をｐ型Ａｌx2Ｇａ(1-x2)Ｎで形成した場合には、光閉じ込めとキャリア閉じ込めの効果が向上するため、発光効率をさらに向上することができ、結晶学的に素子の欠陥が少なく、素子を長寿命化できる。ｐ型電子障壁層５のＡｌの組成比ｘ２は、０．１５≦ｘ２＜１が望ましく、ｐ型クラッド層７のＡｌの組成比ｘ３は、０＜ｘ３＜０．１が望ましい。
【００５３】
また、ｐ型コンタクト層８をＧａy3Ｉｎ(1-y3)Ｎで形成した場合には、さらに動作電圧を低減することができる。これは、Ｇａy3Ｉｎ(1-y3)ＮはＧａＮよりもバンドギャップが小さく、より高い正孔密度が得らることができ、コンタクト抵抗率をさらに低減することができるからである。この場合のＧａの組成比ｙ３は、０．９≦ｙ３＜１が望ましい。
【００５４】
ｐ型半導体層のすべてにベリリウムをドーピングした本実施の形態に係る半導体発光素子の動作電圧が、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型半導体層のすべてにベリリウムではなくマグネシウムをドーピングした際の動作電圧と比べて、１００ｍＷ出力時において約０．８Ｖ低減することを実験で確認した。
【００５５】
また、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８のみにベリリウムをドーピングし、その他のｐ型半導体層にはマグネシウムをドーピングした際の動作電圧が、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型半導体層のすべてにマグネシウムをドーピングした際の動作電圧と比べて、１００ｍＷ出力時において約０．７Ｖ低減することを実験で確認した。
【００５６】
また、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型コンタクト層８のみにベリリウムをドーピングし、その他のｐ型半導体層にはマグネシウムをドーピングした際の動作電圧が、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型半導体層のすべてにマグネシウムをドーピングした際の動作電圧と比べて、１００ｍＷ出力時において約０．５Ｖ低減することを実験で確認した。
【００５７】
また、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型コンタクト層８をＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎで形成した際の動作電圧が、本実施の形態に係る半導体発光素子においてｐ型コンタクト層８をＧａＮで形成した際の動作電圧と比べて、１００ｍＷ出力時において約０．２Ｖ低減することを実験で確認した。
【００５８】
上述のように、本実施の形態に係る製造方法では、ｐ型電子障壁層５やｐ型クラッド層７などのｐ型III族窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法で形成する際には、ｐ型ドーパントの原材料としてビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムを使用しているため、ＭＯＣＶＤ法で使用される反応炉や導入管等での分子の付着密度を低減できる。その結果、急峻なドーピングファイルを得ることができ、所望の不純物分布を実現しやすくなる。
【００５９】
なお、ｐ型コンタクト層８をＭＯＣＶＤ法で形成する代わりに、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ成長法）を使用して形成しても良い。以下にこの場合の本半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００６０】
まず上述の製造方法と同様にして、ｐ型クラッド層７までをＭＯＣＶＤ法を使用して形成する。そして、ウェハを有機金属気相成長装置から取り出して、分子線エピタキシャル成長装置に搬入する。その後、超高真空下にて、プラズマ分解した窒素をウェハに照射しながら当該ウェハを１０００℃まで加熱し、Ｇａ分子線及びベリリウム分子線をウェハに照射する。これにより、ｐ型クラッド層７上にはベリリウムを含むｐ型コンタクト層８が成長する。その後、同様にして、リッジ部９及び絶縁膜１０等を形成する。
【００６１】
このように、分子線エピタキシャル成長法を使用してｐ型コンタクト層８を形成することにより、ベリリウム以外の炭素などの不純物が混入することを回避することができる。さらに、有機金属気相成長法で通常使用されるアンモニア分子から分解した水素原子がｐ型コンタクト層８に混入されることを回避することができる。よって、ｐ型コンタクト層８の結晶の電気的特性が改善され、素子の動作電圧を低減することができる。
【００６２】
ｐ型コンタクト層８だけでなく、他のｐ型半導体層、例えばｐ型電子障壁層５やｐ型クラッド層７も分子線エピタキシャル成長法を使用して形成しても良い。
【００６３】
本実施の形態では、本発明を半導体レーザに適用した際の例を説明したが、本発明は発光ダイオードにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の効果を説明するための実験で使用した試料の構造を示す断面図である。
【図４】室温における正孔密度のドーピング密度依存性を示す図である。
【図５】室温における正孔密度のドーピング密度依存性を示す図である。
【図６】室温における正孔移動度のドーピング密度依存性を示す図である。
【図７】室温における正孔移動度のドーピング密度依存性を示す図である。
【図８】室温における電気抵抗率のドーピング密度依存性を示す図である。
【図９】室温における電気抵抗率のドーピング密度依存性を示す図である。
【図１０】室温におけるコンタクト抵抗率のドーピング密度依存性を示す図である。
【図１１】室温におけるコンタクト抵抗率のドーピング密度依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  ｎ型基板、４  多重量子井戸活性層、５  ｐ型電子障壁層、７  ｐ型クラッド層、８  ｐ型コンタクト層、１１  ｐ側電極。
【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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