(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体内のｐ型ドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法であって、
窒化ガリウム系化合物半導体からなり水素およびｐ型ドーパントを含む半導体領域にレーザ光を照射して、マルチフォトン吸収過程を利用して２００℃以下の表面温度で前記ｐ型ドーパントを活性化する工程を備え、
前記レーザ光は、１００ナノ秒以下のパルス幅を有するパルスレーザ光である、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ｐ型ドーパントは、マグネシウムおよび亜鉛の少なくともいずれかである、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記ｐ型ドーパントを活性化する前記工程では、前記レーザ光を用いた直描により前記半導体領域内に活性化領域がパターン形成される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、１００００フェムト秒以下のパルス幅を有するパルスレーザ光である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記ｐ型ドーパントを活性化する前記工程では、電界および磁界の少なくともいずれかが前記半導体領域に印加されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記レーザ光の波長は、前記半導体領域の材料のバンドギャップエネルギに対応する波長より長い、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記レーザ光は、１０４Ｗ／ｃｍ２以上の強度を有するレーザ光である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記レーザ光の波長は、前記半導体領域の材料のバンドギャップエネルギに対応する波長より長く、前記レーザ光は、１０４Ｗ／ｃｍ２以上の強度を有するレーザ光である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐ型半導体領域を形成する方法および半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特開２００１−１２７００２号公報）には、ＧａＮ系半導体レーザの半導体層内のｐ型ドーパントを活性化する方法が記載されている。ｐ型ドーパントＭｇがドープされたＧａＮなどの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体にレーザ光を照射することによりｐ型ドーパントの活性化を行う場合に、ドーパントの活性化を行うべき半導体の厚さをｄとしたとき、この半導体の吸収係数ａがａ＝１／ｄとなる光子エネルギを半導体の実測のバンドギャップＥg-realとし、光子エネルギーがＥg-real±０．５ｅＶの範囲の光を用いる。【０００３】
特許文献２（特開平１１−２２４９５７号公報）では、II族元素の不純物が相当量含まれている場合にも該不純物が活性化していないｐ型窒化物系半導体層に１０Ｗ／ｃｍ2以上５００Ｗ／ｃｍ2 以下のレーザ光を照射して活性化を行う。ｐ型窒化物系半導体層にｎ型のドーパントを導入しておくことによりさらに活性化が促進される。【０００４】
特許文献３（特開２０００−３０６８５４号公報）には、窒化ガリウム系化合物半導体装置に含まれるｐ型層を活性化する方法が記載されている。この方法は、紫外線から可視光までの範囲内に含まれる波長を含む光を摂氏２００度〜５００度の範囲内の温度の下でｐ型層に照射して、これによってｐ型層に含まれるｐ型ドーパントに結合した水素を除去してｐ型ドーパントをアクセプタとして活性化する。【０００５】
特許文献４（特開平９−２６６２１８号公報）では、結晶成長後アニーリングを行なうことなく、低抵抗なｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体または窒化ガリウム系化合物半導体を形成する方法が記載されている。ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されたｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体または窒化ガリウム系化合物半導体に、これらの化合物半導体の禁制帯幅のエネルギ以上である光子エネルギをもつパルスレーザ光を照射して電子−正孔対を生成する。つまり、パルスレーザ光は、照射される半導体の禁制帯幅以上のエネルギに対応する波長を有するので、単一のフォトンによって一対の電子正孔対が生成される。該電子正孔対から生成したキャリアの電気的効果によりｐ型ドーパントと水素との結合を切り、ｐ型化合物半導体内から水素を除去している。
【特許文献１】特開２００１−１２７００２号公報
【特許文献２】特開平１１−２２４９５７号公報
【特許文献３】特開２０００−３０６８５４号公報
【特許文献４】特開平９−２６６２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物半導体レーザおよび窒化物発光ダイオードといった半導体素子を実現する為には、低抵抗なｐ型ＧａＮ膜およびＡｌＧａＮ膜といったｐ型半導体膜が必要になる。このためには、窒化物半導体領域内のｐ型ドーパントを活性化しなければならない。なぜなら、結晶成長中に結晶に添加されたｐ型ドーパントは、成長中または成長直後の高温状態において雰囲気中に含まれる水素原子と結合することがあり、結合したドーパントは、これら半導体素子が動作する温度範囲、通常室温付近ではイオン化しない。【０００７】
ドーパントを活性化するために、上記の文献に記載されているように、光照射を利用してドーパントと水素との結合を切り離す方法がある。【０００８】
特許文献１に記載された方法では、半導体の吸収係数ａが不純物の活性化を行うべき半導体厚さｄと所定の関係（ａ＝１／ｄ）を満たすエネルギ付近の光子エネルギを有する光を用いる。これ故に、使用される光の光子エネルギが、活性化される半導体層の厚さに応じて変更される。【０００９】
特許文献２に記載された方法では、１０Ｗ／ｃｍ２以上５００Ｗ／ｃｍ２以下のエネルギを有するレーザ光を用いて活性化している。このレーザ光は、チタンサファイアレーザの第３次高調波（３４０ナノメートル）、またはアルゴンガスレーザの第２次高調波（２５７ナノメートル）である。この方法では、バンドギャップエネルギに対応する波長より短い波長の光を用いているので、単一光子の励起を利用している。【００１０】
特許文献３に記載された方法では、紫外線から可視光に含まれる波長を含む光を照射して、直接的にドーパントと水素との結合物からプロトンを分離させている。プロトンは、窒化ガリウム系半導体のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを有する光を窒化ガリウム系半導体層に照射して生成された電子によって中性化される。この方法では、光だけでなく多量の電子を供給することが必須である。【００１１】
特許文献４に記載された方法では、レーザ照射によって生成された電子−正孔といったキャリアの電気的効果により、ｐ型化合物半導体内から水素を除去している。この方法では、電子−正孔対の生成が必須である。【００１２】
本発明は、熱アニールを用いること無く半導体領域内のｐ型ドーパントを光学的に活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を目的とし、また、ｐ型ドーパントの活性化に際する熱アニールの影響を受けていない半導体素子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】
本発明の一側面は、半導体内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法であって、この方法は、III−Ｖ族半導体、II−ＶI族半導体およびＩＶ族半導体のいずれかの半導体からなり水素およびｐ型ドーパントを含む半導体領域にレーザ光を照射して、マルチフォトン吸収過程を利用して前記ｐ型ドーパントを活性化する工程を備える。
発明者の実験によれば、マルチフォトン吸収を生じさせるパルスレーザ光を照射することによって、半導体領域内のｐ型ドーパントが活性化される。【００１４】
本発明の方法の好適に使用される半導体領域は、窒化ガリウム系化合物半導体領域であり、また、ｐ型ドーパントはマグネシウムおよび亜鉛の少なくともいずれかである。
窒化ガリウム系化合物半導体領域は、その原料に起因して膜中に水素が含まれる。該水素はｐ型ドーパントの活性化を妨げることが知られている。本発明によれば、水素およびｐ型ドーパントを含む窒化ガリウム系化合物半導体領域の水素濃度はパルスレーザ光の照射によって小さくなると共に、パルスレーザ光が照射された窒化ガリウム系化合物半導体領域のキャリア濃度は高くなる。マグネシウムおよび亜鉛は、窒化ガリウム系化合物半導体のためのｐ型ドーパントとして特に有用である。【００１５】
本発明の方法では、前記レーザ光は、１００ナノ秒以下のパルス幅を有するパルスレーザ光であることが好ましい。また、本発明の方法では、前記レーザ光は、１００００フェムト秒以下のパルス幅を有するパルスレーザ光であることが更に好ましい。【００１６】
本発明の方法では、前記ｐ型ドーパントを活性化する前記工程では、電界および磁界の少なくともいずれかが前記半導体領域に印加されているようにしてもよい。光学的に反応した水素は、印加された電界および磁界の少なくともいずれかと相互作用するので、半導体領域の外に取り出され易い。【００１７】
本発明の方法では、前記レーザ光の波長は、前記半導体領域の材料のバンドギャップに対応する波長より長くしてもよい。マルチフォトン吸収が生じるパルスレーザ光を半導体領域に照射するので、レーザ光の波長は、半導体領域の材料のバンドギャップエネルギに対応する波長より長くしてもよい。【００１８】
本発明の方法では、前記レーザ光は１０４Ｗ／ｃｍ２以上の強度を有するレーザ光であることが好ましい。【００１９】
本発明の方法では、前記レーザ光を用いた直描により前記半導体領域にパターン形成するようにしてもよい。直描により、二次元パターンで活性化領域を半導体領域に形成することができる。また、直描により、三次元パターンで活性化領域を半導体領域に形成することができる。【００２０】
本発明の別の側面によれば、半導体素子は、III−Ｖ族半導体、II−ＶI族半導体およびＩＶ族半導体のひとつ以上からなり水素およびｐ型ドーパントを含有する半導体層を備え、前記半導体層は、レーザ光の照射によるマルチフォトン吸収過程を利用して活性化されたｐ型ドーパントを含む第１の領域を含む。
発明者の実験によれば、マルチフォトン吸収が生じるパルスレーザ光を照射することによって、半導体領域内のｐ型ドーパントが活性化される。また、本発明によれば、パルスレーザ光の照射により半導体層の温度が摂氏４００度以上の温度まで上昇することがない。したがって、半導体素子はドーパントの活性化の際に熱的な影響を受けない。【００２１】
本発明の半導体素子では、前記半導体層は、前記第１の領域の水素濃度より大きい水素濃度を有する第２の領域とを含むことができる。半導体層では、半導体素子に応じて必要な領域が選択的に活性化されている。【００２２】
本発明の半導体素子では、前記半導体領域はIII族窒化物半導体層であることが好ましい。また、前記III族窒化物半導体層は窒化ガリウム系化合物半導体層であり、前記ｐ型ドーパントは、マグネシウムおよび亜鉛の少なくともいずれかであることができる。
III族窒化物半導体層は、原料に起因する水素が膜中に含まれている。該水素はｐ型ドーパントの活性化を妨げることが知られている。本発明によれば、水素およびｐ型ドーパントを含むIII族窒化物半導体層の水素濃度は、パルスレーザ光の照射によって小さくなる。この結果、パルスレーザ光が照射されたIII族窒化物半導体層のキャリア濃度は大きくなる。マグネシウムおよび亜鉛は、III族窒化物半導体のためのｐ型ドーパントとして特に有用である。
このIII族窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（Ｘは０以上１以下、Ｙは０以上１以下）である。【００２３】
本発明の半導体素子では、前記第１の領域は、前記半導体層の表面、前記半導体層の内部並びに該表面および該内部の両方においてパターン形成されていることができる。また、本発明の半導体素子では、前記第１の領域は基板の表面上においてパターン形成されている。これにより、二次元パターンを有する活性化領域を半導体領域に形成することができる。【００２４】
本発明の半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記半導体層との間に設けられた活性層とを備えることが好ましい。本発明の半導体素子は発光素子であることができる。ｐ型ドーパントの活性化に際して熱的な影響がないので、活性化アニールの熱によりドーパントが拡散しない。発光素子としては、レーザダイオードまたは発光ダイオード等がある。
【発明の効果】
【００２５】
以上、説明したように、本発明を用いれば、熱アニールを用いること無く半導体領域内のドーパントを光学的に活性化してｐ型半導体領域を形成する方法が提供され、また、ドーパントの活性化に際する熱アニールの影響を受けない半導体素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【図１】図１は、半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る方法において使用されるマルチフォトン吸収と、シングルフォトン吸収とを説明する図面である。
【図３】図３は、ｐ型のIII族窒化物半導体領域を形成する方法に用いることができる短パルスレーザ光照射装置の一構成例を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態の一変形例であり、半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を示す図面である。
【図５】図５は、変形例の短パルスレーザ光照射装置の構成を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態の方法によって活性化された半導体膜の特性を示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態の方法によって活性化された半導体膜の特性を示す図面である。
【図８】図８は、ＧａＮ系半導体膜を含む基板の側面図である。
【図９】図９は、別のＧａＮ系半導体膜を含む基板の側面図である。
【図１０】図１０は、測定時の電流（ｍＡ）にホール密度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、測定時の電流（ｍＡ）に比抵抗（Ω・ｃｍ）の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、アニールしたサンプルおよびレーザ光照射したサンプルＳの電圧（Ｖ）／電流（Ａ）特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、ＨｅＣｄレーザを使用したＰＬ測定による強度の波長依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、第３の実施の形態に係る窒化物半導体素子、および第３の実施の形態の一変形例の窒化物半導体素子を示す図面である。
【図１５】図１５は、第４の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。
【図１６】図１６は、第４の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１…有機金属気相成長装置、１０３…基板、１０５…ＧａＮバッファ膜、１０７…アンドープＧａＮ膜、１０９…ＧａＮ膜、Ｅ１、Ｅ２…エピタキシャル基板、１１１、１１１ａ、１１１ｂ…短パルスレーザ光照射装置、１０９ａ…ｐ型ＧａＮ膜、ＬＢ１…パルスレーザ光、１１３…脱離水素、１１７…窒化ガリウム系半導体領域、Ｇ−ｌｅｖｅｌ…基底状態、Ｐｈｏｔｏｎ１、Ｐｈｏｔｏｎ２、Ｐｈｏｔｏｎ３、Ｐｈｏｔｏｎ…光子、Ｖ−ｌｅｖｅｌ…真空準位、１２１…レーザ発振器、１２３…アパーチャ、１２５…レンズ、１２７…ステージ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ａ…ミラー、ＰＴＲＡＩＮ…レーザパルス光列、１３１…デバイス、１３３…ＧａＮバッファ膜、１３５…アンドープＧａＮ膜、１３７…ＩｎＧａＮバッファ膜、１３９…ＡｌＧａＮ膜、１３９ａ…ｐ型ＧａＮ膜、１４３…気密容器、１４５ａ…ガス供給路、１４５ｂ…排気路、１４７…圧力計、１…窒化物半導体素子、３…基板、５…半導体領域、７…III族窒化物半導体層、９…量子井戸領域、９ａ…井戸層、９ｂ…バリア層、１１…第１のクラッド層、１３…第２のクラッド層、１５…III族窒化物半導体層、１７…コンタクト層、１９…アノード電極、２１…カソード電極、３１…窒化ガリウム基板、３３…窒化ガリウム膜、３５…第１のクラッド膜、３７…活性領域、３９…井戸膜、４１…バリア膜、４３…第２のクラッド膜、４５…III−Ｖ化合物半導体膜、４７…コンタクト膜、５１…短パルスレーザ照射装置、５３…短パルスレーザ光、５５…脱離水素、５７…ｐ型ドーパント、１０…サファイア基板、２…ＧａＮ層、４…ＩｎＧａＮ層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１のエリア（Ａ）は、半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を示す図面である。また、図１のエリア（Ｂ）は、半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を示す図面である。この半導体領域は、III−Ｖ族半導体、II−ＶI族半導体およびＩＶ族半導体のひとつ以上の半導体からなることができるが、引き続く説明では、窒化ガリウム系半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型窒化ガリウム系半導体領域を形成する方法を説明する。窒化ガリウム系化合物半導体膜は、成膜のための原料に起因して膜中に水素が含まれており、この水素はｐ型ドーパントの活性化を妨げることが知られている。【００２９】
図１のエリア（Ａ）に示されるように、基板１０３上に半導体領域を形成する。この半導体領域は、以下に示すように一又は複数の半導体膜を含む。一実施例では、有機金属気相成長装置１０１といった成膜装置内に基板１０３を配置して、基板１０３上に、ＧａＮバッファ膜１０５、アンドープＧａＮ膜１０７、およびｐ型ドーパントを含むＧａＮ膜１０９を順に成長して、エピタキシャル基板Ｅ１を形成する。これらの膜の具体例は、
基板１０３：６００マイクロメートルのＣ面サファイア基板
ＧａＮバッファ膜１０５：２５ナノメートル
アンドープＧａＮ膜１０７：２マイクロメートル
ＧａＮ膜１０９： ５００ナノメートル
である。ｐ型ドーパントとしては、マグネシウム、亜鉛等を用いることができる。半導体膜１０９には、ｐ型ドーパントだけでなく、原料ガスに含まれる水素が含まれている。【００３０】
図１のエリア（Ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ１を短パルスレーザ光照射装置１１１に配置する。エピタキシャル基板Ｅ１の表面の一部または全部にレーザ光ＬＢ１を照射して、マルチフォトン吸収過程を利用してｐ型ドーパントを活性化する。レーザ光の照射のためのレーザ光源として、例えばチタンサファイヤフェムト秒レーザを用いる。
レーザ光の波長：７００〜９００ナノメートル
レーザ光のパルス幅：３０００フェムト秒以下
集光径：５．４マイクロメートル〜６７．９マイクロメートル
レーザ強度：１．２×１０５〜２×１０１２W／ｃｍ２
である。また、サンプルの移動速度としては、例えば
Ｘ，Y方向移動速度：毎秒２．３ミリメートル
Ｙ方向移動ステップ幅：３マイクロメートル
を用いることができる。ここで、パルス幅はマイケルソン干渉計を用いたオートコリレータとオシロスコープにより測定している。また、レーザ光強度ＰＬ（Ｗ／ｃｍ２）は、レーザ光のパルスエネルギーＥＰ（Ｊ）を集光面積ＳＢ（ｃｍ２）およびパルス幅ＴＰ（ｓｅｃ）で除した値（ＰＬ＝ＥＰ／（ＳＢ×ＴＰ））である。集光面積は、たとえばビームプロファイラーにより測定できる。また、集光面積ＳＢはレーザビームのスポットの面積であり、ビームの１／ｅ２または８６．４％の出力光が得られるスポットの直径を意味する。【００３１】
発明者の実験によれば、マルチフォトン吸収が生じるパルスレーザ光ＬＢ１を照射することによって半導体領域１１７内のｐ型ドーパントが活性化される。この結果、ｐ型ＧａＮ膜１０９ａが形成される。パルスレーザ光ＬＢ１の照射によっては半導体膜の温度が実質的に上昇することなく、つまりレーザ照射領域が、結晶内の構成原子が移動するような摂氏数百度まで上昇することがない。また、キャップ層といったカバー膜を用いることなく直接に半導体領域の表面にレーザ光を照射することができる。つまり、ドーパントの活性化のために熱を加えることが無いので、熱による影響により、窒素原子が半導体領域から抜け出ることはない。【００３２】
この活性化では、マルチフォトン吸収が生じるパルスレーザ光ＬＢ１を照射することによって、半導体膜１０９中の水素１１３が脱離する。この結果、水素およびｐ型ドーパントを含む窒化ガリウム系半導体領域１１７内の半導体膜１０９ａの水素濃度は、パルスレーザ光ＬＢ１の照射によって小さくなると共に、パルスレーザ光ＬＢ１が照射された窒化ガリウム系半導体膜１０９ａのキャリア濃度は高くなる。【００３３】
半導体領域に短パルスレーザビームを走査することによってパターン形成された活性化領域を半導体領域内に形成するようにしてもよい。マスクを用いた描画或いは直描により、半導体領域に二次元パターンを形成することができる。また、マスクを用いた描画或いは直描により、最上の半導体層の下にある半導体膜を選択的に活性化することもできる。この結果、半導体領域内の活性化部分は三次元でパターン形成される。【００３４】
また、一実施例では、レーザ光の波長は、半導体領域の材料のバンドギャップに対応する波長より長い場合にも、マルチフォトン吸収を生じさせるパルスレーザ光を半導体膜に照射することによって、半導体内のｐ型ドーパントを活性化することができる。【００３５】
図２のエリア（Ａ）は本実施の形態に係る方法において使用されるマルチフォトン吸収を説明する図面であり、図２のエリア（Ｂ）はシングルフォトン吸収を説明する図面である。マルチフォトン吸収では、基底状態Ｇ−ｌｅｖｅｌから複数の光子Ｐｈｏｔｏｎ１、Ｐｈｏｔｏｎ２、Ｐｈｏｔｏｎ３（実質的に同じ光子エネルギを有する複数の光子）を吸収して、真空準位Ｖ−ｌｅｖｅｌより高い準位に遷移する。このマルチフォトン吸収によって、半導体内のｐ型ドーパントを活性化することができる。一方、特許文献４等に記載されている方法では、図２のエリア（Ａ）に示されるような多光子吸収ではなく、図２のエリア（Ｂ）に示されるように、単一の光子Ｐｈｏｔｏｎを吸収して基底状態Ｇ−ｌｅｖｅｌから真空準位Ｖ−ｌｅｖｅｌより高い準位に遷移する。このマルチフォトン吸収を生じさせるためには１０４Ｗ／ｃｍ２以上の強度を有するレーザ光を使用することが好ましい。【００３６】
図３は、ｐ型のIII族窒化物半導体領域を形成する方法に用いることができる短パルスレーザ光照射装置の一構成例を示す図面である。短パルスレーザ光照射装置１１１ａは、マルチフォトン吸収が生じるパルスレーザ光を生成可能なレーザ発振器１２１と、アパーチャ１２３と、レンズ１２５と、対象物を搭載するステージ１２７とを有する。短パルスレーザ光照射装置１１１ａでは、レーザ発振器１２１からアパーチャ１２３へ至る光学経路上に、第１のミラー１２９ａが配置されている。アパーチャ１２３からレンズ１２５に至る光学経路上に、第２および第３のミラー１２９ｂ、１２９ｃが配置されている。ステージ１２７は、対象物を搭載するための支持台を複数の方向（例えばＸおよびＹ方向）に移動可能な駆動機構を含むことができる。レーザ発振器１２１からのレーザパルス光列ＰＴＲＡＩＮ０は、アパーチャ１２３によって絞られた後に、レンズ１２５によって所望のビーム径に変換される。変換されたビーム径のレーザパルス光列ＰＴＲＡＩＮは、半導体領域に照射されて、半導体領域の表面または内部においてマルチフォトン吸収を引き起こす。短パルスレーザ光照射装置１１１ａを用いて、レーザパルス光列ＰＴＲＡＩＮで半導体領域を走査することによって、半導体領域の一部分または全体においてｐ型ドーパントを活性化することができる。【００３７】
この短パルスレーザ光照射装置１１１ａでは、パルスレーザ光のパルス幅は１００００フェムト秒以下であることが好ましく、これによってレーザ照射による半導体の発熱を低減することができるという利点がある。また、パルスレーザ光のパルス幅は１００ナノ秒以下であることが好ましく、これによってレーザ照射に伴う格子振動の増大を抑制し半導体の発熱をより減らす事ができるという利点がある。【００３８】
短パルスレーザ光照射装置１１１ａは、ステージ１２７上に搭載されたエピタキシャル基板を横切るように印加させる電磁界（電界および磁界の少なくともいずれか）を形成する電磁界発生デバイス１３１を含むことができる。ｐ型ドーパントを活性化するときに、この電磁界発生デバイス１３１を用いて電界および磁界の少なくともいずれかを半導体領域に印加することができる。光学的に反応した水素は、印加された電磁界と相互作用して、半導体領域の外に取り出され易い。たとえば、半導体領域（プラス側）とチャンバ（アース側）間に、例えば電圧３Ｖのバイアスを印加することにより、水素をより効率的に外に取り出し得る。【００３９】
図４のエリア（Ａ）および（Ｂ）は、本実施の形態の一変形例であり、半導体領域内のドーパントを活性化してｐ型半導体領域を形成する方法を示す図面である。図４のエリア（Ａ）に示されるように、有機金属気相成長装置１０１といった成膜装置内に基板１０３を配置して、基板１０３上に、ＧａＮバッファ膜１３３、アンドープＧａＮ膜１３５、ＩｎＧａＮ膜１３７およびｐ型ドーパントを含むＡｌＧａＮ膜１３９を順に成長して、エピタキシャル基板Ｅ２を形成する。これらの膜の具体例は、
基板１０３：６００マイクロメートルのＣ面サファイア基板
ＧａＮバッファ膜１３３：２５ナノロメートル
アンドープＧａＮ膜１３５：２マイクロメートル
ＩｎＧａＮ膜１３７：５０ナノメートル
ＡｌＧａＮ膜１３９：３５０ナノメートル
である。ｐ型ドーパントとしては、マグネシウム、亜鉛等を用いることができる。半導体膜１３９には、ｐ型ドーパントだけでなく、原料ガスに含まれる水素が含まれている。【００４０】
図４のエリア（Ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ２を短パルスレーザ光照射装置１１１に配置する。エピタキシャル基板Ｅ２の表面の一部または全部にレーザ光ＬＢ１を照射して、マルチフォトン吸収過程を利用してｐ型ドーパントを活性化する。レーザ光の照射のためのレーザ光源として、例えばチタンサファイヤフェムト秒レーザを用いる。
レーザ光の波長λ：７００〜９００ナノメートル
レーザ光のパルス幅：１００フェムト秒以下
レーザの出力：１ナノジュール〜１０ミリジュール
である。
サンプルの移動速度として、例えば
Ｘ方向移動速度：毎秒２．３ミリメートル
Ｙ方向移動ステップ幅：３マイクロメートル
を用いることができる。この結果、ｐ型ＧａＮ膜１３９ａが形成される。本実施の示されるように、マルチフォトン吸収を利用するｐ型ドーパント活性化は、ＧａＮ膜だけでなく、ＡｌＧａＮ膜中のｐ型ドーパントも活性化することができる。本実施の形態に示された方法は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮに限定されること無く、他のIII族窒化物ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等でも使用できる。また、これらに限定されず、上記の方法は、シリコン、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、シリコンゲルマニウムといったIV半導体、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅといったII−VI族化合物半導体、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ，ＩｎＳｂといったIII−Ｖ族化合物半導体にも使用できる。さらに、水素のパッシベーションによるアクセプタの不活性化が生じている現象を持つ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ等々の材料にも本発明は、広く応用する事が可能である。【００４１】
図５は、変形例の短パルスレーザ光照射装置の構成を示す図面である。短パルスレーザ光照射装置１１１ｂでは、ステージ１２７は、気密容器１４３内に設けられている。レンズ１２５は、気密容器１４３に取り付けられており、レーザパルス光は、ステージ１２７上に置かれた半導体領域にレンズ１２５を通して入射する。気密容器１４３には、窒素雰囲気といった所望のガス雰囲気を提供できるようにガス供給路１４５ａおよび排気路１４５ｂを有する。また、ガス雰囲気の圧力をモニタできるように、圧力計１４７を含む。【００４２】
図６は、本実施の形態の方法によって活性化された半導体膜の特性を示す図面である。この結果によれば、本実施の形態に従ってパルスレーザ光を半導体領域に照射したとき、半導体領域のキャリア濃度は、これまでの熱アニールにより活性化された半導体領域のキャリア濃度に比べて、実質的に同等またはそれ以上の値である。【００４３】
図７のエリア（Ａ）は、本実施の形態の方法を用いて活性化された半導体膜の特性を示す図面である。レーザビームのパルス幅は、３０フェムト秒（ｆｓ）〜５００ナノ秒（ｎｓ）以下の範囲であり、また様々な照射条件を用いてレーザビームを半導体領域に照射して、照射された半導体領域のキャリア濃度および比抵抗を測定している。これらの結果によれば、これまでの熱アニールにより活性化された半導体領域のキャリア濃度と比べたとき、本実施の形態に係る半導体領域のキャリア濃度は実用的な値である。【００４４】
図７のエリア（Ａ）は、本実施の形態の方法を用いて活性化を行うためにレーザ照射中のサンプルの温度、パルス幅、雰囲気の種類を示す図面である。この温度は、感熱型のテープシールと放射温度計と、サンプル支持治具にうめこまれた熱電対とを用いて測定される。雰囲気の温度は摂氏２７度である。【００４５】
図７のエリア（Ｂ）は、活性化された半導体膜の特性を示す図面である。図７のエリア（Ｂ）は、図７のエリア（Ａ）に示された条件を用いてレーザ光で照射された半導体領域のキャリア濃度および比抵抗を示す図面である。キャリア濃度および比抵抗の測定は、摂氏１９度の室温で行われている。エリア（Ｂ）に示された結果を説明する。【００４６】
条件１：
５００ｎｓ（および５００ｎｓより長い）パルス幅のレーザビームの照射においても、キャリア濃度が上昇しているので、半導体領域のｐ型ドーパントが活性化されている。レーザビームの照射によって、半導体領域の温度が摂氏５００度にまで上昇している。【００４７】
条件２：
１００ｎｓ（１００ｎｓ以下）のパルス幅のレーザビームの照射においても、キャリア濃度が上昇しているので、半導体領域のｐ型ドーパントが活性化されている。レーザビームの照射によって、半導体領域の温度の上昇が生じている。条件２による活性化は、条件１による活性化と同等或いはより優れている。これらの条件（条件１、条件２）では、レーザ光の照射により半導体領域の表面は摂氏数百度以上の高温になっている。【００４８】
条件３〜８：
１０００００ｆｓ以下のパルス幅では、レーザ光の照射により半導体領域表面の温度上昇が少なく摂氏２００度以下の表面温度である。この程度の温度では、熱の影響を実施的に無く、ドーパントの活性化が生じる。レーザビームのパルス幅が小さくなるにつれて比抵抗が小さくなる。つまり、レーザビームの照射により大きく活性度が上がる。特に、１００００ｆｓ以下の短パルスレーザによる照射では、レーザ光の照射により半導体領域表面の温度の上昇が実質的になく、熱の影響無しに半導体領域を活性化することが可能となる。本実施の形態に係る半導体領域のキャリア濃度は、熱アニールによる活性化に比べて、実質的に同等またはそれ以上の値でとなる。【００４９】
以上、本実施の形態では、半導体膜内のドーパントを活性化するために、水素およびドーパントを含む半導体領域に、ドーパントと水素の結合物の少なくとも一部から該水素を解離させるマルチフォトン吸収過程を利用した光学的反応を引き起こすことができる光強度を有するレーザ光を照射することによって、ドーパントを活性化している。【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、短パルスのレーザ光を照射するので、半導体領域の特性を熱的に劣化させるような温度上昇が半導体領域において生じない。また、パルス幅およびレーザ光強度が適切に選択されたレーザ光の照射によって起こされる多光子吸収反応を活性化法は利用するので、レーザ光の波長に制限がない。短パルスのレーザ光を用いる光学的反応であるので、レーザ光照射により半導体領域が損傷を受けることがない。加えて、半導体領域に電磁界を印加すれば、水素の脱離を促進できる。【００５１】
また、半導体素子には、熱アニールと異なり温度の上昇がないので、活性化により半導体素子の特性を劣化させることがない。レーザ光を走査してパターンを描画することにより、半導体素子のための半導体領域の所望の部分を選択的に活性化することができる。また、レーザ光が照射される半導体表面だけでなく、半導体表面から離れた内部を選択的に活性化することもできる。活性化された領域の水素濃度は、他の領域の水素濃度に比べて小さく、その差は、例えば１×１０１７（ａｔ／ｃｍ３）以上、４×１０２０（ａｔ／ｃｍ３）程度である。また、活性化された領域のキャリア濃度は、他の領域のキャリア濃度に比べて大きく、その差は、例えば１×１０１６（ｃｍ−３）以上、２×１０１８（ｃｍ−３）程度である。【００５２】
（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態に係るｐ型ＧａＮ半導体膜を製造する方法を説明する。この製造方法は、以下の工程（Ａ）、（Ｂ）
（Ａ）第１工程：Ｍｇが添加されており水素を含むＧａＮ系半導体膜を用意する
（Ｂ）第２工程：このＧａＮ系半導体膜に短パルスレーザ光を照射する
を備えている。まず、工程（Ａ）について説明する。図８は、ＧａＮ系半導体膜を含む基板の側面図である。本例では、ＧａＮ系半導体膜は、サファイア基板（支持基板）１０上に形成されたＧａＮ層２である。この工程（Ａ）では、以下の工程（Ａ１）及び（Ａ２）を順次実行する。【００５３】
（Ａ１）：基板清浄化工程
サファイア基板１０を有機金属気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置に置く。ＭＯＶＰＥ法では、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）等の有機金属材料と、ＮＨ３（アンモニア）ガス等とを用いて、ＭＯＶＰＥ装置の反応チャンバ内に配置された基板上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎの少なくとの一元素からなる窒化物膜（例えばIII族窒化物）がエピタキシャル成長される。ＭＯＶＰＥ装置は基板加熱用のヒータを備えている。基板をＭＯＶＰＥ装置内に配置した後に、基板の温度を摂氏１１００度に昇温し、基板の表面のサーマルクリーニングを行う。サファイア基板１０の代わりにＧａＮ基板等を用いることもできる。【００５４】
（Ａ２）：ＧａＮ層形成工程
ＭＯＶＰＥ装置でサファイア基板１０上にＧａＮ層２を形成する。ＧａＮ層２は、例えば０．５マイクロメートルである。この成膜の原料ガスは例えばＮＨ３、ＴＭＧであり、基板温度は例えば摂氏１１００度であり、原料ガス供給時間は、例えば３０分間である。ＧａＮ層２の成長時には、ｐ型ドーパントのためのビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給する。ＧａＮ層２のマグネシウム（Ｍｇ）濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。【００５５】
図９は、別のＧａＮ系半導体膜を含む基板の側面図である。本例では、ＧａＮ系半導体膜は基板１０上に形成されたＧａＮ層２及びＩｎＧａＮ層４である。この工程（Ｂ）は、以下の工程（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）を順次実行する。
（Ｂ１）：基板清浄化工程
例えば、上述の工程（Ａ１）と同一であることができる。
（Ｂ２）：ＧａＮ層形成工程
例えば、上述の工程（Ａ２）と同一であることができる。【００５６】
（Ｂ３）：ＩｎＧａＮ層形成工程
ＭＯＶＰＥ装置でＧａＮ層２上にＩｎＧａＮ層４を形成する。ＩｎＧａＮ層４の厚さは０．５マイクロメートルである。この成膜の原料ガスは例えばＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩであり、基板温度は例えば摂氏８００度であり、原料ガス供給時間は例えば３分間である。ＩｎＧａＮ層４の成長時には、ｐ型ドーパントのためのＣｐ２Ｍｇを供給する。ＩｎＧａＮ層４のＭｇ濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。【００５７】
次に、工程（Ｃ）について説明する。
上述の基板を常温、常圧の気体（本例ではＮ２）雰囲気中に配置し、ＧａＮ系半導体に短パルスレーザ光を照射する。短パルスレーザ光のパルス幅は、例えば１００ｆｓ以下であり、このために、フェムト秒レーザを用いる。【００５８】
この方法では、Ｍｇが添加されたＧａＮ系半導体膜に短パルスレーザ光（例えばフェムト秒レーザ光）を照射するので、少なくとも摂氏１００度以下の低温でＭｇが活性化し、良質な特性のｐ型ＧａＮ系半導体膜を製造することができる。このｐ型ドーパント活性化は、窒化ガリウム内の水素原子が、短パルスレーザ光（例えばフェムト秒レーザ光）の照射によってＭｇから解離することにより生じたものと考えられる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法等で使用するシラン（ＳｉＨ４）やアンモニア（ＮＨ３）中から取り込まれた水素（Ｈ）のためＭｇが活性化しない。ゆえに、フェムト秒レーザ光を照射すると、水素が解離しこの結果Ｍｇが活性化するものと考えられる。【００５９】
また、この方法によれば、温度上昇をともなっておりＭｇ活性化のための熱アニール工程が省略され、活性層の劣化が抑制されるので、この半導体膜を発光素子に用いた場合には発光効率が高くなる。【００６０】
第２工程は、室温で行われる。Ｍｇは低温（室温）で活性するので、窒素（Ｎ）が半導体膜から抜けることを抑制することができる。ＧａＮ系半導体膜の表面から窒素（Ｎ）の抜けが生じにくくなるので、ＧａＮ系半導体膜といったIII族窒化物上に電極を設けた場合の接触抵抗が小さくなる。電極材料としては、例えばＮｉ／Ａｕを用いることができる。また、解離した水素原子がＧａＮ系半導体膜中に残留すると、抵抗値が増加するものと考えられる。しかしながら、本例では水素原子がＧａＮ系半導体膜から外部へ出やすくなり、抵抗値の増加を抑制することができる。 【００６１】
第２工程は、大気圧でもよいが、Ｏ２を含む雰囲気中で行われることが好ましい。この場合、Ｏ２に水素原子が結合するので、解離した水素原子がＧａＮ系半導体膜から外部へ更に出やすくなる。なお、Ｏ２の代わりにＡｒやＮ２を用いることもできる。【００６２】
なお、上述の製造方法においては、ＧａＮ系半導体膜としてＧａＮ層又はＩｎＧａＮ層を用いたが、これらの限定されることなく、ＡｌＧａＮ層等を用いることができる。ＡｌＧａＮ層は、基板１上又はＧａＮ層の表面上に形成することができる。この表面上にＭＯＶＰＥ装置で０．２マイクロメートルのＡｌＧａＮ層を形成することができる。この時の原料ガスとしてＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡを用い、基板温度は摂氏１１００度であり、原料ガス供給時間は３時間である。ＡｌＧａＮ層２の成長時に、ドーパントのためのＣｐ２Ｍｇを供給する。Ｍｇ濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。【００６３】
（実施例１）
（実験条件）
（Ａ１）工程によって製造されたＧａＮ系基材をサンプルＳ（ＧａＮ層）とする。サンプルＳにパルス幅１００フェムト秒以下のフェムト秒レーザ光を照射した。光源の他のパラメータを以下
バルス幅：１００フェムト秒以下
レーザ波長：８００ナノメートル
レンズ：ｆ＝２０
試料Ｘ走査速度：毎秒１５．７ｍｍ
試料Ｙステップ：１５マイクロメートル
空間出力：８６０ミリワット（パワーモニタにて計測）
繰り返し周波数：８０ＭＨｚ
レーザ強度：５．９×１０５（Ｗ／ｃｍ２）
に示す。【００６４】
サンプルＳはステージに固定されている。サンプルＳの表面温度を高性能な光温度計および熱電対でモニターする。サンプルＳの基板の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍである。サンプルＳはＮ２常圧雰囲気中に配置される。サンプルＳを加熱することなく、これにフェムト秒レーザ光を照射する。レーザ光は、平凸非球面レンズによって約５０マイクロメートルのビーム径に集光されている。ステージを駆動して、サンプルＳの表面５ｍｍ幅の領域を走査した。レーザビームの走査中、モニタ温度は摂氏１８度±２度（１６度から２０度）の範囲で安定している。
ＧａＮ層といった【００６５】
（評価及び結果）
フェムト秒レーザ光照射後のサンプルＳのホール効果を測定する。図１０は、測定時の電流（ｍＡ）にホール密度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフである。このグラフから、１．５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリアが存在することが示される。図１１は、測定時の電流（ｍＡ）に比抵抗（オーム・ｃｍ）の関係を示すグラフである。このグラフによれば、比抵抗が６．０オーム・ｃｍである。【００６６】
比較実験として、加熱炉を用いてアニール（ａｎｎｅａｌ）したサンプルおよびフェムト秒レーザ光照射したサンプルＳの電圧（Ｖ）／電流（Ａ）特性を測定している。アニール温度は摂氏７００度であり、アニール時間は１分である。【００６７】
図１２は、アニールしたサンプルとフェムト秒レーザ光照射したサンプルＳの電圧（Ｖ）／電流（Ａ）特性を示すグラフである。これはＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｏｄｅｌ）法を用いて得られたものである。電極材料としては、例えばＮｉ／Ａｕを用いる。アニールしたもの（点線）の接触抵抗は１×１０−３Ω・ｃｍ２であり、加熱炉を用いてフェムト秒レーザ光照射した特性（実線）の接触抵抗は２×１０−４Ωｃ・ｍ２である。これにより、フェムト秒レーザ光照射によって、サンプル温度を上昇させることなく接触抵抗が低くなることが判明した。 【００６８】
図１３は、ＨｅＣｄレーザを使用したＰＬ測定による強度の波長依存性を示すグラフである。レーザ光照射前のサンプル（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）のデータを二点鎖線で示し、上記アニールされたサンプルのデータを破線で示し、レーザ光照射されたサンプルＳのデータを実線および一点鎖線で示す。図１３によれば、レーザ光を照射したサンプルのＰＬ強度は、加熱炉を用いてアニールしたサンプルのＰＬ強度と比較して大きくなっているので、活性化の向上が示唆されるとともに、ＰＬスペクトルの半価幅の増加はほとんどみられないので、結晶性の劣化が抑制されていることが示される。【００６９】
（第３の実施の形態）
図１４のエリア（Ａ）は、第３の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。図１４のエリア（Ｂ）は、第３の実施の形態の一変形例の窒化物半導体素子を示す図面である。【００７０】
図１４のエリア（Ａ）を参照すると、窒化物半導体素子１は、III族窒化物基板といった基板３と、半導体領域５と、III族窒化物半導体層７とを備える。半導体領域５は、一実施例では、第１のIII族窒化物半導体から成り、この第１のIII族窒化物半導体の層はインジウム元素、ガリウム元素、アルミニウム元素の少なくともいずれかと窒素元素との化合物半導体から成ることができる。III族窒化物半導体層７は活性領域であり、例えば、ガリウム原子およびインジウム元素の少なくともいずれかと、窒素原子とを含む半導体から成ることができる。この活性領域は、III族窒化物基板３と半導体領域５との間に設けられている。半導体領域５には、ｐ型ドーパントを含んでおり、ｐ型ドーパントはマグネシウム若しくは亜鉛である。マグネシウムおよび亜鉛は、III族窒化物半導体の分野においてｐ型ドーパントとして働く。ｐ型III族窒化物の半導体領域５のｐ型ドーパントは、短パルスレーザ光の照射によって活性化されている。【００７１】
パルス幅が短いと、レーザパルス光の照射中にレーザパルス光のエネルギが半導体膜において熱拡散することが少ないので、照射されたレーザ光のエネルギー利用効率が高まる。多光子吸収を生じさせるレーザ光を発生するためには、疑似パルス、Ｑスイッチ、モード同期発振レーザを用いることができる。例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、チタンサファイアレーザ、エキシマレーザなどを用いることができる。【００７２】
パルス幅がナノ秒オーダーの場合、媒質の線形吸収が小さいと、高電界となる媒質内にプラズマが発生する場合があるが、パルス幅がピコ秒オーダー以下の場合、材料の線形吸収が小さいときでも、プラズマの発生を抑制し得る（プラズマは、１００ピコ秒〜１ナノ秒の時間スケールで発生するので）。また、電子と格子の相互作用（フォノンカプリング）は１００ｎｓ以下のパルス幅のレーザ光を用いることにより低減することができ、さらに好ましくは１００ｐｓ以下のパルス幅のレーザ光、例えば、ピコ秒レーザ光、フェムト秒レーザ光を用いると、フォノンカプリングをより効果的に回避することが可能となる。これにより、フォノンカプリングが誘発する熱変性などを最小限に押さえることができる。【００７３】
上記の説明より、本レーザ光を用いれば、加熱炉を用いることなく、III族窒化物の半導体領域５中のｐ型ドーパントを活性化することができるので、活性化による熱的な影響が無い半導体素子が提供される。【００７４】
窒化物半導体素子１は、III族窒化物基板３上に設けられた第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１３を含むことができる。活性領域７は、第１のクラッド層１１と第２のクラッド層１３との間に設けられている。第１のクラッド層１１は、例えば、アンドープまたはｎ型ＩｎＧａＮ半導体から成ることができる。第２のクラッド層１３は、例えば、アンドープまたはｐ型ＩｎＧａＮ半導体から成ることができる。ｐ型ＩｎＧａＮ半導体中のｐ型ドーパントは、短パルスレーザ光の照射によって活性化されている。【００７５】
窒化物半導体素子１では、基板３は、例えば、導電性III族窒化物から成ることができ、例えばｎ型半導体から成ることができる。窒化物半導体素子１は、III族窒化物基板３上に設けられたIII族窒化物半導体層１５を含むことができる。III族窒化物半導体層１５は、例えば、III族窒化物基板の材料と同じ半導体材料、具体的に記載すれば、ＧａＮ半導体から成ることができる。 【００７６】
窒化物半導体素子１は、III族窒化物基板３上に設けられたコンタクト層１７を含むことができる。コンタクト層１７は、例えば、ｐ型ＧａＮ半導体から成ることができる。ｐ型ＧａＮ半導体中のｐ型ドーパントは、短パルスレーザ光の照射によって活性化されている。コンタクト層１７とクラッド層１３との間には、半導体領域５が設けられている。【００７７】
窒化物半導体素子１は、コンタクト層１７上に設けられたアノード電極１９を含むことができ、またIII族窒化物基板３の裏面３ａ上に設けられたカソード電極２１を含むことができる。窒化物半導体素子１では、電子およびホールの一方のキャリアがIII族窒化物半導体層１５から活性領域７に提供され、電子およびホールの他方のキャリアが半導体領域５から活性領域７に提供され、これらのキャリアは活性領域７に閉じ込められる。活性領域７は、光を発生する。【００７８】
III族窒化物基板３は、例えば窒化ガリウム基板であることができ、他に、窒化アルミニウム基板、サファイア基板を用いることができる。半導体領域５内の第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、例えばIII族窒化物半導体層であり、例示すれば、ＧａＮ半導体、ＩｎＧａＮ半導体、ＩｎＧａＡｌＮ半導体層、ＡｌＮである。活性領域７内のIII族窒化物半導体層は、例えばＩｎＧａＮ半導体から成る。【００７９】
図１４のエリア（Ｂ）を参照すると、窒化物半導体素子１ａは、III族窒化物基板３と、半導体領域５と、量子井戸領域９とを備える。量子井戸領域９は、井戸層９ａおよびバリア層９ｂを含む。井戸層９ａは、第１のＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｙ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１＜１、０≦Ｙ１＜１、０＜Ｘ１＋Ｙ１＜１）から成り、バリア層９ｂは、第２のＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｙ２−Ｘ２Ｎ半導体（０＜Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０＜Ｘ２＋Ｙ２＜１）から成る。図１４のエリア（Ｂ）に示されるように、バリア層９ｂは、井戸層９ａに対して電位障壁を提供する。量子井戸領域９は、III族窒化物基板３と半導体領域５との間に設けられている。半導体領域５は、インジウム元素、ガリウム元素、アルミニウム元素の少なくともいずれかと窒素元素との化合物からなる第１の半導体層５ａを含むことができる。【００８０】
このIII族窒化物半導体素子では、加熱炉を用いることなく多光子吸収を用いて、III族窒化物半導体領域中のｐ型ドーパントを活性化することができるので、熱的な劣化の無い量子井戸構造９が提供される。【００８１】
窒化物半導体素子１ａは、発光ダイオードまたはレーザダイオードといった半導体発光素子であることができ、例えば発光ダイオードは、下記に示す
III族窒化物基板３：ｎ型ＧａＮ基板、III族窒化物半導体層１５：Ｓｉドープｎ型ＧａＮ半導体、２マイクロメートル
第１のクラッド層１１：アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体、１５ナノメートル
量子井戸構造９：５周期
井戸層９ａ：アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ半導体、１．６ナノメートル
バリア層９ｂ：アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体、１５ナノメートル
第２のクラッド層１３：アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体、１５ナノメートル
III族窒化物半導体層５：Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ半導体、２０ナノメートル
（Ｍｇは短パルスレーザ光の照射による活性化されている） 
コンタクト層１７：Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体、５０ナノメートル
（Ｍｇは短パルスレーザ光の照射による活性化されている） 
電極（アノード）：Ｎｉ／Ａｕ
電極（カソード）：Ｔｉ／Ａｌ
から構成される。【００８２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、III族窒化物半導体領域中のｐ型ドーパントを加熱により活性化することなく多光子吸収を利用して活性化されたｐ型のIII族窒化物半導体領域を含むIII族窒化物半導体素子が提供される。【００８３】
（第４の実施の形態）
図１５のエリア（Ａ）、エリア（Ｂ）およびエリア（Ｃ）は、第４の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。図１６のエリア（Ａ）、エリア（Ｂ）およびエリア（Ｃ）は、この実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。【００８４】
III族化合物導電性基板を準備する。III族化合物導電性基板は、図１５のエリア（Ａ）に示されるように、例えば窒化ガリウム基板３１であることができる。窒化ガリウム基板３１にアンモニア（ＮＨ３）を用いて前処理を行う。この前処理の温度は、例えば、摂氏１１００度であることができる。次いで、窒化ガリウム基板３１上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３３を形成する。窒化ガリウム（ＧａＮ）膜３３は、例えばｎ型導電性を有する。窒化ガリウム膜３３は、例えば、有機金属気相成長装置を用いて成長される。成膜温度は、例えば、摂氏１１５０度である。その膜厚は、例えば、約２マイクロメートルである。【００８５】
次いで、図１５のエリア（Ｂ）に示されるように、窒化ガリウム膜３３上に、第１のクラッド膜３５を形成する。第１のクラッド膜３５は、例えばＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体膜であることができ、このＩｎＧａＮ半導体膜はアンドープであることができる。その成膜温度は、例えば摂氏８００度であることができる。その膜厚は、例えば１５ナノメートルである。【００８６】
この後に、III族窒化物半導体層を含む活性領域３７をIII族化合物導電性基板上に形成する。活性領域３７は、インジウム元素およびガリウム元素を含む窒化物半導体層を含んでおり、例えばＩｎＧａＮ半導体層を含むことができる。好適な実施例では、図１５のエリア（Ｃ）に示されるように、活性領域３７は、量子井戸構造を有することができる。この活性領域３７は、井戸膜３９およびバリア膜４１を含むことができる。井戸膜３９およびバリア膜４１の各々は、ＩｎＧａＮ半導体膜であることができる。井戸膜３９は、例えばアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ半導体膜であることができ、バリア膜４１は、例えばアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体膜であることができる。この量子井戸構造では、これらの井戸膜３９およびバリア膜４１が交互に５周期の繰り返して形成される。井戸膜３９およびバリア膜４１の成膜温度は、例えば摂氏８００度であることができる。【００８７】
次いで、図１６のエリア（Ａ）に示されるように、活性領域３７上に、第２のクラッド膜４３を形成する。第２のクラッド膜４３は、例えばＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ半導体膜であることができ、このＩｎＧａＮ半導体膜はアンドープであることができる。その成膜温度は、例えば摂氏８００度であることができる。その膜厚は、例えば１５ナノメートルである。【００８８】
この後に、図１６のエリア（Ｂ）に示されるように、第２のクラッド膜４３上に、第３のクラッド膜を形成する。第３のクラッド膜は、マグネシウムといったｐ型ドーパントを含む。また、第３のクラッド膜は、III−Ｖ化合物半導体膜４５である。III−Ｖ化合物半導体膜４５は、例えば、ガリウム元素、アルミニウム元素の少なくともいずれかと窒素元素との化合物からなることができる。第３のクラッド膜の成膜温度は、例えば摂氏１１００度程度である。その膜厚は、例えば２０ナノメートルであることができる。【００８９】
この後に、図１６のエリア（Ｃ）に示されるように、第３のクラッド膜上に、コンタクト膜４７を形成する。コンタクト膜４７は、III−Ｖ化合物半導体である。コンタクト膜４７の半導体は、第３のクラッド膜の半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有しており、例えばマグネシウムドーパントを含むＧａＮ半導体で形成することができる。また、コンタクト膜４７の半導体は、摂氏１１００度程度の温度で形成されることができる。【００９０】
ｐ型ドーパントが添加されたIII族窒化物半導体領域４５、４７を形成した後に、このIII族窒化物半導体領域４５、４７に、短パルスレーザ光照射装置５１を用いて短パルスレーザ光５３を照射する。この照射によって、III族窒化物半導体領域４５、４７から水素５５が脱離して、活性化されたｐ型ドーパント５７がIII族窒化物半導体領域４５、４７内に形成される。加熱炉を用いることなく、III族窒化物半導体領域４５、４７中のｐ型ドーパントを活性化することができる。【００９１】
前述したように、例えばフェムト秒レーザは格子振動の緩和時間よりも速く、一パルスあたりの照射により原子レベルの解離が完了してしまうので、フォノンカプリングによる温度上昇は最小限におさえることができる。短パルス光源は、水素原子の脱離にも効果的である。【００９２】
また、ｐ型ドーパントのマグネシウムから水素を解離させるために熱または赤外線等を用いて温度を上げることがない。これによって、ｐ型のIII族窒化物半導体領域を形成する方法が提供される。【００９３】
この方法での短パルス光源は上述した通りである。この後に、アノード電極のための電極膜をコンタクト膜４７上に形成する。カソード電極のための電極膜を基板の裏面３１上に形成する。短パルスレーザ照射は、電極を形成した後にも行うことができる。【００９４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、III族窒化物半導体領域中のｐ型ドーパントを加熱により活性化することなく多光子吸収を用いてｐ型のIII族窒化物半導体領域を形成する方法が提供される。【００９５】
（実施例１）
好適な実施例では、半絶縁性ＧａＮ基板をサセプタ上に配置し、以下の通り有機金属気相成長法によりｐ型半導体層を作製する。原料にはトリメチルガリウム、アンモニア、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。まず、温度を摂氏１１００度にて水素（Ｈ２）とアンモニア（ＮＨ３）を導入しクリーニングを行う。成長温度摂氏１１５０度でＧａＮ層を２マイクロメートル成長した後、成長温度を摂氏１１００度にて厚さ５０ナノメートルのＭｇドープＧａＮ膜を成長する。【００９６】
こうして成長したｐ型半導体層を短パルスレーザ照射装置にセットし、試料に空間出力０．４〜３．８Ｗのフェムト秒レーザ光を照射し低抵抗化を行う。ＭｇドープＧａＮ膜は、ホール測定の結果、ｐ型導電性を示す。【００９７】
（実施例２）
別の実施例では、サファイア基板をサセプタ上に配置し、以下の通り有機金属気相成長法によりｐ型半導体層を作製する。原料にはトリメチルガリウム、アンモニア、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。まず、温度を摂氏１１００度にて水素ガス（Ｈ２）を導入しクリーニングを行った後に、成長温度摂氏４７５度で低温緩衝層を２５ナノメートル成長し、摂氏１１６０度の成長温度でＧａＮ層を２マイクロメートル成長した後、摂氏１１１０度の成長温度にて厚さ５００ナノメートルのＭｇドープＧａＮ層を成長する。【００９８】
こうして成長したｐ型半導体層を短パルスレーザ光照射装置５１にセットし、試料に空間出力０．４〜３．８Ｗのフェムト秒レーザ光を照射し低抵抗化を行う。ＭｇドープＧａＮ層は、ホール測定した結果、ｐ型導電性を示す。【００９９】
（実施例３）
更なる別の実施例では、ｎ導電性ＧａＮ基板をサセプタ上に配置し、以下の通り有機金属気相成長法により青色発光ダイオード構造を作製している。原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シラン、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを用いている。まず、摂氏１１００度の成長温度でｎ型ＧａＮ層を２マイクロメートル成長した後、温度を摂氏８００度に落とし厚さ１．６ナノメートル、Ｉｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎの井戸層と厚さ１５ナノメートル、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎの障壁層からなる５ＭＱＷ活性層を成長、温度を摂氏１１００度に昇温した後、ＭｇドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎを２０ナノメートル成長、さらにｐ型コンタクトＧａＮ膜を５０ナノメートル成長する。【０１００】
こうして成長したＬＥＤエピ構造を短パルス光照射装置にセットし、試料に空間出力０．４〜３．８Ｗのフェムト秒レーザ光を照射し低抵抗化を行い、ｐ型ＧａＮ層上に半透明アノード電極、ＧａＮ基板上でエピ層と反対側にカソード電極を形成し、青色発光ダイオードを作製している。この発光ダイオードに連続電流印加を行ったところ、同一のウェハから取り出した短パルスレーザ光を用いずに熱アニールにより低抵抗化した試料より高い光出力が得られている。また、低抵抗化の前後でＸＲＤ測定を行った結果、別方法によりドーパントを活性化した試料と比較すると、短パルスレーザ光を用いて活性化された試料では、より高次のサテライトまで観測される。この結果は、結晶性が劣化せずに低抵抗化することができたことを示していると考えられる。【０１０１】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、半導体素子として、半導体発光素子が説明されているけれども、半導体素子はこれ限定されるものではない。また、実施の形態においては、窒化ガリウム系半導体領域の一部または全部内のドーパントを活性化してｐ型半窒化ガリウム系半導体領域を形成する方法を説明したけれども、このドーパント活性化の方法は、窒化ガリウム系半導体に限定されることなく、III−Ｖ族半導体、II−ＶI族半導体およびＩＶ族半導体の少なくとも一つ以上より構成される半導体にも使用できる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【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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