(57)【要約】【課題】III-V族窒化物半導体上に作製したダイオードやHEMT等の窒化物半導体装置において、ショットキー電極からのリーク電流の発生を抑止する。それにより、動作電圧が低く信頼性の高い高性能な窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッドの少なくとも２層以上の多層ｐ型クラッド層を有し、第２のｐ型クラッド層は、第１のｐ型クラッド層よりも高濃度にｐ型不純物を含有し、かつ厚さが2〜20nmの範囲であり、少なくともAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層を含んでなるｐ型不純物が添加された第１のｐ型クラッド層に対して、Al組成比がX≦Yの関係を有するAlYGa1−YNからなり、ｐ型オーミック電極は、少なくとも第２のｐ型クラッド層上に接して形成される。【選択図】図１
2009021424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた所定の波長を有する光を発する活性層と、
前記活性層上に設けられ前記活性層内にキャリア及び光を閉じ込めるために、少なくともAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層を含んでなるｐ型不純物が添加された第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層上に設けられた第２のｐ型クラッド層との、少なくとも二層以上で構成された多層ｐ型クラッド層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ型オーミック電極と、
前記多層ｐ型クラッド層と電気的に接続されるｐ型オーミック電極と、を備え、
前記第２のｐ型クラッド層は、ｐ型不純物を1×1020cm−3〜1×1021cm−3の範囲で前記第１のｐ型クラッド層よりも高濃度に含有し、かつ厚さが2〜20nmの範囲であり、前記第１のｐ型クラッド層に対してAl組成比がX≦Yの関係を有するAlYGa1−YNからなり、
前記ｐ型オーミック電極は、少なくとも前記第２のｐ型クラッド層上に接して形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のｐ型クラッド層は、AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）からなる単層からなることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１のｐ型クラッド層には、ｐ型不純物が8×1018cm−3〜6×1019cm−3の範囲で添加されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のｐ型クラッド層は、AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）とGaNとがそれぞれ交互に繰り返し積層された多層膜からなり、前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層、及びGaN層のそれぞれの膜厚は、両者とも2nm〜3nmの範囲であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）と前記GaNとの２種類の窒化物半導体材料の多層膜からなる第１のｐ型クラッド層には、該２つの材料にｐ型不純物が8×1018cm−3〜6×1019cm−3の範囲で添加されていることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）と前記GaNとの２種類の窒化物半導体材料の多層膜からなる第１のｐ型クラッド層には、どちらか一方の材料にｐ型不純物が8×1018cm−3〜6×1019cm−3の範囲で添加されていることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１のｐ型クラッド層は、AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）とAlZGa1−ZN（0＜Z＜X）とがそれぞれ交互に繰り返し積層された多層膜からなり、前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層、及びAlZGa1−ZN（0＜Z＜X）層それぞれの膜厚は、両者とも2nm〜3nmの範囲であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）と前記AlZGa1−ZN（0＜Z＜X）との２種類の窒化物半導体材料の多層膜からなる第１のｐ型クラッド層には、該２つの材料にｐ型不純物が8×1018cm−3〜6×1019cm−3の範囲で添加されていることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）と前記AlZGa1−ZN（0＜Z＜X）との２種類の窒化物半導体材料の多層膜からなる第１のｐ型クラッド層には、どちらか一方の材料にｐ型不純物が8×1018cm−3〜6×1019cm−3の範囲で添加されていることを特徴とする請求項7記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型不純物は、マグネシウム（Mg）であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｐ型不純物は、亜鉛（Zn）であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体発光素子は、発光ダイオード（LED）であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記窒化物半導体発光素子は、レーザダイオード（LD）であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
基板上に、少なくともｎ型不純物が添加されたｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、所定の波長を有する光を発する活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、少なくともAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層を含んでなるｐ型不純物が添加された第１のｐ型クラッド層を形成する工程と、
前記第１のｐ型クラッド層上に、ｐ型不純物を前記第１のｐ型クラッド層よりも多く含有したAlYGa1−YN（X≦Y）からなる第２のｐ型クラッド層を形成する工程と、
前記第２のクラッド層上に接して電極を形成する工程とを具備することを特徴とする窒化物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、可視領域〜紫外領域の波長帯で動作する発光ダイオード（LED：Light  Emitting  Diode）や、レーザダイオード（LD：Laser  Diode）などの窒化物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、緑〜紫外領域にかけての発光素子用材料として、窒化ガリウムに代表される窒化物半導体が用いられるようになっている。
窒化物半導体を用いた発光素子では、一般に多重量子井戸構造からなる発光層（一般には活性層と言われる）の他、発光層の上下に電流注入のためのｐ型及びｎ型窒化物半導体層が設けられているが、ｐ型層はｎ型層と比較してキャリアの活性化率が〜数％程度と著しく低いため、ｐ型窒化物半導体層自体の抵抗が極めて高いことが知られている。
【０００３】
また、光を閉じ込めるためのクラッド層には、通常アルミニウム（Al）を含有したAlGaNが用いられているが、特にｐ型層の場合、Al組成比の上昇に反してキャリア活性化率が低下していくため、一般にAlを含んだｐ型窒化物半導体層と金属材料との間では良好なオーム性が得られにくいことが知られている。
【０００４】
このため、オーミック電極が形成されるｐ型コンタクト層には、通常Alを含まず、ｐ型不純物が高濃度に添加された窒化ガリウム（GaN）（例えば、特許文献１を参照）が用いられている他、GaNよりも禁制帯幅が狭くキャリア活性化率の高いInGaNを用いることで、良好なオーム性が得られた例（例えば、特許文献２を参照）が開示されている。
【０００５】
発光波長帯によっては、光の自己吸収を抑えるため、ｐ型コンタクト層にAl組成比とｐ型不純物の異なる２層構造からなるAlGaN層を用いて、良好なオーム性取得と光の自己吸収を抑制した例が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００６】
また、酸化物系の電極を用いるために、クラッド層よりもAl組成比の小さいAlGaN層をコンタクト層に用いて、電極とｐ型コンタクト層間で十分なオーム性を得られた例（特許文献4）も開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平6-268259号公報
【特許文献２】特開2003-7998号公報
【特許文献３】特開2001-203385号公報
【特許文献４】特開2000-36616号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術では、何れの方法においても電極と接する側のコンタクト層（Al組成比をAとする）の方が、コンタクト層下の例えばクラッド層（Al組成比をBとする）よりもAl組成比が小さい（Al組成比の関係：A＜B）という関係を有している。
このため、たとえ電極とコンタクト層との間でオーム性が良好であっても、コンタクト層とその下層の高Al組成層（例えばクラッド層）との間の、高Al組成層側に生じるヘテロ障壁によって、電極から高Al組成層（例えばクラッド層）に至るまでの間で寄生的な抵抗成分が必ず生じるため、この障壁の影響を受けて高Al組成層へのスムーズな電流注入が阻害され、この分だけ素子抵抗が増大してしまう問題があった。
【０００９】
このAl組成比の関係は、上記特許文献3で開示された異なるAl組成比を有する２層AlGaNコンタクト層についても同様の関係を有しているため、この場合はコンタクト層内で上記ヘテロ障壁に関わる問題が発生する。
【００１０】
本発明は、上記問題を解消するべく、これまで困難とされていたAlGaNからなる厚膜のｐ型クラッド層に対して、直接的にオーム性接触を得ることができるｐ型クラッド層構造を備えた、動作電圧が低く信頼性の高い高性能な窒化物半導体発光素子、及びその製造方法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】
【００１１】
本発明の要旨の一例を列挙すれば、次の通りである。
１．基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた所定の波長を有する光を発する活性層と、活性層上に設けられ活性層内にキャリア及び光を閉じ込めるために、少なくともAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層を含んでなるｐ型不純物が添加された第１のｐ型クラッド層と、第１のｐ型クラッド層上に設けられた第２のｐ型クラッド層との、少なくとも二層以上で構成された多層ｐ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ型オーミック電極と、多層ｐ型クラッド層と電気的に接続されるｐ型オーミック電極とを備え、第２のｐ型クラッド層は、ｐ型不純物を1×1020ｃｍ−3〜1×1021ｃｍ−3の範囲で前記第１のｐ型クラッド層よりも高濃度に含有し、かつ厚さが2〜20nmの範囲であり、第１のｐ型クラッド層に対してAl組成比がX≦Yの関係を有するAlYGa1−YNからなり、ｐ型オーミック電極は、少なくとも第２のｐ型クラッド層上に接して形成されていることを特徴とする。
２．基板上に、少なくともｎ型不純物が添加されたｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に、所定の波長を有する光を発する活性層を形成する工程と、活性層上に、少なくともAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層を含んでなるｐ型不純物が添加された第１のｐ型クラッド層を形成する工程と、第１のｐ型クラッド層上に、ｐ型不純物を前記第１のｐ型クラッド層よりも多く含有したAlYGa1−YN（X≦Y）からなる第２のｐ型クラッド層を形成する工程と、第２のクラッド層上に接して電極を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来よりも動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本実施の形態の主旨について、ｐ型クラッド層に関わる部分のみについて要約すれば、以下のようになる。
基板上に、所望のAl組成比と所望のｐ型不純物濃度と所望の膜厚を有するAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）を含んだ第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層上に、ｐ型不純物を1×1020ｃｍ−3〜1×1021ｃｍ−3の範囲で、かつ前記第１のｐ型クラッド層よりも高濃度に含有し、さらに前記第１のｐ型クラッド層に含まれるAlXGa1−XN（0＜X≦0.2）層と同じか、もしくはそれよりも高いAl組成比を有するAlGaNからなる第２のｐ型クラッド層を、2〜20nmの厚さで薄く形成した多層のクラッド層構造を設け、少なくとも前記第２のｐ型クラッド層上に接してｐ型オーミック電極を形成する。これにより、本発明の目的である、AlXGa1−XN（0＜X≦0.2）を含んだ厚膜の第１のｐ型クラッド層に対して直接的にオーム性接触を得ることが可能となる。
【００１４】
窒化物半導体発光素子の動作電圧に関して、素子の長寿命化、高信頼化の観点から、ＬＥＤ素子の順方向特性Ｖｆや、ＬＤ素子における発振しきい値電圧Ｖthをこれまで以上に低減することが望まれていることから考えて、本実施の形態で示す多層からなるｐ型クラッド層構造は有利である。
【００１５】
さらに発光素子の製造方法に関しても、従来方法では結晶成長工程において、例えばMgドープAlGaNクラッド層を成長後に、コンタクト層として例えばMgドープGaN層やMgドープInGaN層等のAlGaN以外の材料を成長する場合、基板温度を変更する必要があり、必ず昇温・降温のための成長中断を行っていたため、その分だけ結晶成長時間が長くなっていた。
【００１６】
しかし、本実施の形態で示す多層ｐ型クラッド層の場合は、第１、及び第２のｐ型クラッド層ともにAlGaNであるため、上記従来のように基板温度を変更する必要性は生じない。さらに第２のｐ型クラッド層の膜厚は厚くても20nm程度であるため、ｐ型不純物原料やAl原料のガス流量の変更のみで、特に従来のような成長中断の必要はない。従って、従来よりも短時間で結晶成長工程を完了できる利点を有することから、生産性の向上、並びにコストの低減を図ることが出来る。
【００１７】
以上のことから、窒化物半導体発光素子に本発明の多層からなるｐ型クラッド層を備えることで、従来構造よりも素子の寄生的な抵抗成分、並びに光の自己吸収を低減できることから、さらなる素子の動作電圧低減、及び低しきい値動作化が可能となる上、動作時の発熱も抑制できることから、素子の長寿命化、及び信頼性の向上を図ることができる。
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図1は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。
以下に全体的な製造方法を説明する。
ｎ型ＧａＮ基板1上に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型バッファ層2、ＳｉドープＡｌaＧａ1-aＮ(0＜a≦0.1)からなるｎ型クラッド層3、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型ガイド層4、ＩｎｂＧａ1−bＮ（0＜ｂ≦0.1）からなる活性層5、ＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる電子ブロック層6と、本発明のＭｇドープＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる第１のｐ型クラッド層（膜厚＝400nm、Ｍｇドーピング濃度＝1.5×1019ｃｍ−3）7、及びＭｇドープＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる第２のｐ型クラッド層（膜厚＝7nm、Ｍｇドーピング濃度＝2×1020ｃｍ−3）8からなる多層のｐ型クラッド層を、一般的な有機金属気相成長法を用いて順次成長させる。
【００１９】
次に周知のキャリア活性化アニールを行った後、周知のホトリソグラフィ技術と、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いて、レジストパターンによって開口された基板表面の所望の領域を第１のｐ型クラッド層7の途中まで、具体的には深さにして350nm程度までエッチングして、第２のｐ型クラッド層8を最上部とする共振器幅1.5μｍのリッジを形成する。
【００２０】
次に、基板全面にＣＶＤ法、スパッタ法等の周知の絶縁膜形成技術を用いて、例えば膜厚＝200nmのSiO2膜9を形成した後、ホトリソグラフィ技術を用いて、上記リッジ最上部に位置する領域のみが開口されたホトレジストパターンを形成し、このホトレジストパターンをエッチングマスクとして上記開口部をエッチングすることで、リッジ最上部の第２のｐ型クラッド層8を露出させる。
この時エッチング方法としては、フッ酸系薬液を用いたウェットエッチングの他、ＣＦ4等のフッ素系ガスを用いたドライエッチング等の周知の技術を用いて行う。
【００２１】
次に、上記開口されたリッジ最上部を含む所望の領域を開口する形でホトレジストパターンを形成した後、例えば真空蒸着法を用いて該基板1の表面側全面にＮｉ（ニッケル）膜及びＡｕ（金）膜を順次被着し、周知のリフトオフ法を用いて不要な金属膜とホトレジストパターンを除去することで、リッジ最上部の第２のｐ型クラッド層8上、及びその周辺に形成されたＳｉＯ2膜上の所望の領域にＮｉ／Ａｕからなるｐ型オーミック電極10が形成される。
【００２２】
次に、ｎ型ＧａＮ基板1の裏面側から、周知の研磨技術を用いて基板厚が約100μｍ程度の厚さになるまで研磨・薄層化する。
次に、研磨した該基板1の裏面側全面に、例えば真空蒸着法を用いてＴｉ（チタン）膜及びＡｌ（アルミニウム）膜を被着した後、オーム性接触を得るためのアニール処理を施すことで、Ｔｉ/Ａｌからなるｎ型オーミック電極11が該基板1の裏面側全面に形成される。
次に、リッジの長手方向と垂直に、例えば600μｍ程度の長さになるように劈開してバー状の両共振器端面を形成し、両端面に所望の反射率並びに透過率を有する端面コーティング膜12を形成する。
【００２３】
最後に、上記バーを劈開などによりチップ化することで、図8に示すような窒化物半導体レーザ素子が完成する。
上記で作製したレーザ素子について、パルス測定により発振しきい値電圧Ｖｔｈを評価した結果、平均値として4.65Ｖであった。
【００２４】
上記レーザ素子において、第２のｐ型クラッド層8を従来のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（膜厚＝100nm、Ｍｇドーピング濃度＝4.0×1019ｃｍ−3）に置き換えて作製したレーザ素子の発振しきい値電圧Ｖｔｈの平均値＝4.91Ｖと比較して、動作電圧が約0.26Ｖも低減した。
また、しきい値電流Ｉｔｈも、僅かではあるが3〜5ｍＡ程度低減された上、素子の直列抵抗も最大で5％近く低減していることを確認した。
【００２５】
これは、本発明の多層からなるｐ型クラッド層を用いることで、ｐ型オーミック電極と厚膜の第１のｐ型クラッド層に至るまでの抵抗成分が低減され、さらにはｐ層側において光の自己吸収による損失が著しく抑制されたことの効果が現れたものであると推定される。
また、上記窒化物半導体層の結晶成長工程において、第１のクラッド層上に従来の例えば膜厚が10nm程度のｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を成長する場合は、成長炉の大きさにもよるが、基板温度を下げるため最低でも5分程度の成長中断を行っていた。
これに対して、本発明の構造では第１のクラッド層上に成長する層が同じＡｌＧａＮ層であるため、基板温度を変更する必要はなく、原料ガスの流量変更のみですぐに結晶成長を再開できることから、結晶成長時間を短縮できる。
【００２６】
上記本実施の形態による多層からなるｐ型クラッド層の作用と効果について、本発明者らが行った実験結果に基づき以下に説明する。
なお以下の実験で用いる試料について、結晶構造の断面模式図を図２に、上面から見たオーミック電極の配置を図３に示す。
【００２７】
実験には、有機金属気相成長法を用いて、サファイア基板上にGaNからなる低温バッファ層と、膜厚＝3000nmのアンドープGaN層と、第１のｐ型クラッド層相当としてMgドープAl0.04GaN（ドーピング濃度＝Nd1、膜厚＝1000nm）層（以降、第１のｐ型クラッド層と称す）と、第２のｐ型クラッド層相当として、第１のｐ型クラッド層と同じAl組成比で、第１のｐ型クラッド層よりもMgが高濃度にドーピングされた極薄膜のMgドープAl0.04GaN層（ドーピング濃度Nd2＝2.0×1020cm−3、膜厚＝7nm）層（以降、第２のｐ型クラッド層と称す）をエピタキシャル成長した３種類のものを用いた。
この時、第１及び第２のｐ型クラッド層の接合は、同じAl組成比であることからホモ接合となっている。
【００２８】
なお、上記第１のｐ型クラッド層のMgドーピング濃度Nd1は、8.0×1018ｃｍ−3（特性線1）、1.5×1019ｃｍ−3（特性線2）、6.0×1019ｃｍ−3（特性線3）の3条件（3試料）とした。
結晶成長工程を終えた上記３種類の試料に対して、N2雰囲気中において600℃のキャリア活性化アニール処理を施した後、2ｍｍ角の大きさでＰｄ電極（膜厚＝200nm）を縦横1ｍｍ間隔で複数形成し、対角に隣接した電極間の電流−電圧（I-V）特性を評価した結果を図4に示す。
同図より、3試料全てが良好なオーム性を示すことが判明した。しかし、各々の特性は、電極サイズ及び電極間距離を含めた配置が同一であるにもかかわらず、異なるI-V特性を示した。
そこで、上記試料を切り出してホールパターンを作製し、周知のホール効果測定を行った結果、それぞれ異なる電気的特性が得られた。
本実験において、最も低い半導体層の抵抗率を示したのはNd1＝1.5×1019ｃｍ−3の試料であり、その値は約2.8Ωｃｍであった。
また、その他の試料は、上記Nd1＝1.5×1019ｃｍ−3の試料と比較して高抵抗な値を示したが、何れも良好にｐ型の導電型を示した。
上記実験で用いた試料において異なる点としては、第１のｐ型クラッド層のドーピング濃度のみである。
通常、上記第２のｐ型クラッド層のようにｐ型不純物であるMgを過剰にドーピング（例えば＞1×1020ｃｍ−3）すると、結晶品質が著しく低下するため、逆に半導体層の抵抗値は増大することが知られている。
【００２９】
従って、上記のような高抵抗半導体層の場合、膜厚が７nm程度の薄膜であれば、表面からの空乏化の影響を受けて、横方向の導電性は殆ど示さなくなるものと推測される。
しかし上記実験によれば、全ての試料で良好なオーム性を示すとともに、異なる電気的特性を示したことから判断して、上記ホール効果測定で得られた値は、第１のｐ型クラッド層に関する値であると推定される。
【００３０】
さらに、上記実験ではPd電極形成後に何らアニール処理を施していないにもかかわらず良好はオーム性を示していることから、電極−半導体間はトンネル効果による所謂ノンアロイ型のオーム性接触が実現できているものと判断できる。
従って、上記本発明の多層からなるｐ型クラッド層上に電極を形成することで、電極と第１のｐ型クラッド層との間において、良好なオーム性接触を実現できる。
【００３１】
次に、上記実験と同様の構成において、MgドープAl0.04GaN層からなる第１のｐ型クラッド層のドーピング濃度Nd1＝1.5×1019ｃｍ−3に固定し、その上に積層するMgドープAl0.04GaNからなる第２のp型クラッド層の膜厚T2＝0nm（第２のｐ型クラッド層無し：特性線4）、2nm（特性線5）、10nm（特性線6）、20nm（特性線7）とした4種類（Mgドーピング濃度Nd2は全て上記と同じ2.0×1020cm−3）の試料を作製して、電極間のI-V特性を評価した結果を図5に示す。
同図より、T2＝0nm（特性線4）の場合、I-V特性に直線性は見られず、良好なオーム性は得られなかった。
【００３２】
しかし、T2＝2nm（特性線5）、10nm（特性線6）の場合には、上記T2＝7nmの時とほぼ同等の特性が得られることがわかった。
【００３３】
さらに、T2＝20nm（特性線７）の場合は、若干ながらオーム性の低下が観測されたが、窒化物半導体発光素子に適用できる程度のオーム性は得られている。
このオーム性の低下は、第２のｐ型クラッド層膜厚の厚膜化によって、第２のｐ型クラッド層を通過するトンネル電流が減少したこととともに、高抵抗な第２のｐ型クラッド層自体の抵抗成分が反映され始めたことに起因すると推測される。
従って、第２のp型クラッド層の膜厚には下限及び上限値があるものと推測され、第１のｐ型クラッド層に対して良好なオーム性接触を得るためには、第２のｐ型クラッド層膜厚は、下限を2nm、上限を厚くても20nmまでの範囲内とする必要がある。
【００３４】
次に、上記実験と同様の構成において、MgドープAl0.04GaNからなる第１のｐ型クラッド層のドーピング濃度Nd1＝1.5×1019ｃｍ−3に固定し、その上に積層するMgドープAl0.04GaNからなる第２のp型クラッド層の膜厚＝10nmとして、Mgドーピング濃度Nd2＝6.5×1019ｃｍ−3（特性線8）、1.2×1020ｃｍ−3（特性線9）、9.3×1020ｃｍ−3（特性線10）の3条件（3試料）とした3種類の試料を作製して、電極間のI-V特性を評価した結果を図6に示す。
同図よりNd2＝6.5×1019ｃｍ−3（特性線8）の場合、0V近辺で僅かに電極−半導体間のショットキー障壁の影響を含んだような曲がりが生じており、良好なオーム性が得られているとは言いがたい。
【００３５】
これに対して、Nd2＝1.2×1020ｃｍ−3（特性線9）の場合は、ほぼ良好なオーム性が得られており、Nd2＝9.3×1020ｃｍ−3（特性線10）の場合においても、特性線9で示したNd2＝1.2×1020ｃｍ−3の時とほぼ同等の特性を示すことが判明した。
【００３６】
有機金属気相成長法によるMgドープAlGaN層の成長速度は通常遅く、このため膜厚制御は比較的容易であるが、気相成長であるためにドーパント（上記ではＭｇ）の取り込み量を急峻に変化させることが困難なため、上記第２のｐ型クラッド層のように薄膜である場合は、目標とするドーピング濃度よりも低くなってしまう性質を有する。
本実験でも、特性線10で示したNd2＝9.3×1020ｃｍ−3の試料の目標ドーピング濃度＝1.5×1021ｃｍ−3であり、SIMS分析によって、目標よりもMgドーピング濃度が低下していることが判明した。
【００３７】
従って、20nm程度の薄膜内における実現可能なドーピング濃度としては、最大で2.0×1021ｃｍ−3程度であると推定される。
また、上記実験結果によれば、本発明の効果が得られる第２のｐ型クラッド層のMgドーピング濃度の下限値は、Nd2＞1.0×1020ｃｍ−3であることもわかった。
【００３８】
次に、上記実験と同様の構成において、MgドープAl0.04GaNからなる第１のｐ型クラッド層のドーピング濃度Nd1＝1.5×1019ｃｍ−3に固定し、その上に積層する第２のp型クラッド層の膜厚＝15nm、Mgドーピング濃度Nd2＝2×1020ｃｍ−3として、Al組成比を7％（特性線11）、15％（特性線12）、20％（特性線13）の3条件（3試料）とした3種類の試料を作製して、電極間のI-V特性を評価した結果を図7に示す。
同図より、第２のｐ型クラッド層のAl組成比＝7％〜20％の範囲で、Al組成比が4％である場合とほぼ同等の良好なオーム性が得られることがわかった。
すなわち、これは電極が被着する側の第２のｐ型クラッド層の方のAl組成比が高い場合でも、Al組成比の低い第１のｐ型クラッド層とのオーム性接触を何ら問題なく確立できることを示唆する結果であり、第２のｐ型クラッド層のAl組成比の変動に対して、十分な裕度を持つことがわかった。
【００３９】
しかしながら、上記第２のｐ型クラッド層のAl組成比について、実際の窒化物半導体発光素子に本発明を適用する場合は、第１のｐ型クラッド層のAl組成比に対して著しくAl組成比を高くする必要はなく、裕度として第２のｐ型クラッド層のAl組成比の範囲を、第１のｐ型クラッド層と同じAl組成比〜20％程度まで許容できるものと判断できる。
また、上記第１のｐ型クラッド層に含まれるAlGaN層のAl組成比は、全て4％のものを用いて実験・検討した例について述べたが、これに限定されるものではなく、実際の窒化物半導体発光素子で適用しうるAlGaNからなるｐ型クラッド層のAl組成比は、発光波長帯によって2％から最大で15％程度まで含んだAlGaNが用いられると考えられる。
【００４０】
如何なるAl組成比を有するｐ型AlGaN層を第１のｐ型クラッド層に適用した場合でも、本発明の多層からなるｐ型クラッド構造の特徴である「第２のｐ型クラッド層のAl組成比≧第１のｐ型クラッド層に含まれるAlGaN層のAl組成比」という関係を有し、第２のｐ型クラッド層の膜厚、及びｐ型不純物のドーピング濃度を上記実験結果に基づいて制御することで、第２のｐ型クラッド層上に形成した電極と第１のｐ型クラッド層との間で良好なオーム性接触を実現できる。
【００４１】
また上記ではｐ型不純物として、現在最も一般的に用いられているMg（マグネシウム）の他、Zn（亜鉛）を用いて多層ｐ型AlGaNクラッド層を構成しても、本発明の特徴であるAl組成比、膜厚、ドーピング濃度等の構造的な制約をもって構成することで、何ら問題なく本発明の効果を得ることが出来る。
【００４２】
本発明の他の効果として、本実施の形態で示す多層ｐ型クラッド層は、ｐ型オーミック電極が被着する領域にｐ型不純物を高濃度に含んだGaN層が存在せず、さらに高濃度にｐ型不純物を含んだ第２のｐ型クラッド層はAlGaNである上、膜厚も20nm以下の薄膜であることから、400ｎｍ前後の波長帯の光に対して、半導体中への自己吸収を従来よりも著しく低減できる。従って、高抵抗材料であるｐ型クラッド層自体の膜厚を従来よりも薄層化出来ることから、ｐ型クラッド層の縦方向の抵抗も薄層化された分だけ低抵抗化され、結果として素子の直列抵抗を従来よりも低減できる効果がある。
【００４３】
また、本実施の形態で示す多層ｐ型クラッド層構造の場合、電極-半導体間のオーム性接触は主にトンネル効果によるものであるため、これまでのように電極材料の限定は無く、如何なる金属材料、または導電性金属酸化物等の金属化合物材料を第２のｐ型クラッド層との接触層に用いても、第１のｐ型クラッド層に対して良好なオーム性接触を実現できる。
（実施例２）
図９は、本発明の他の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。
本実施例の結晶構造は上記実施例1の構造をもとに若干の変更を加えた構造であり、詳しくは、上記ｎ型ガイド層4と上記活性層5の間に、アンドープＩｎｂＧａ1−bＮ（0＜ｂ≦0.1）からなるガイド層13を設け、上記活性層5と上記電子ブロック層6との間に、アンドープＩｎｂＧａ1−bＮ（0＜ｂ≦0.1）からなる不純物拡散停止層14を設け、上記第１のｐ型クラッド層7を、ＭｇドープＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる単層から、MgドープAl0.04Ga0.96N層（膜厚＝2nm）／MgドープＡｌ0.02Ga0.98N層（膜厚＝3nm）の80周期積層（トータル膜厚＝400nm）からなる第１のｐ型超格子クラッド層（最上層はMgドープAl0.04GaN層）15に変更し、さらに、第２のｐ型クラッド層8（Ｍｇドーピング濃度＝2×1020ｃｍ−3、Ａｌ組成比＝4％、膜厚＝7nm、）のＭｇドーピング濃度、Ａｌ組成比、及び膜厚をそれぞれ5×1020ｃｍ−3、7％、15nmに変更した第２のｐ型クラッド層16を順次成長した基板を用いた。
【００４４】
なお、その他の作製プロセス、及び形状は上記実施例1と同じ構成である。
上記基板上に作製したレーザ素子について、パルス測定により発振しきい電圧Ｖｔｈの平均値＝4.20Ｖであり、上記実施例1で作製した素子と比較して、動作電圧をさらに0.45Ｖ程度低減できた。
しきい電流Ｉｔｈについては殆ど差異は認められなかったが、素子の直列抵抗は、上記実施例1で作製した素子に対して、３％程度の低減が図れた。
【００４５】
以上の実施例では、リッジ構造を有する端面発光型のレーザ素子に本発明の多層からなるｐ型クラッド層を適用した例について述べたが、基板表面側もしくは裏面側からレーザを出射させる面発光型のレーザ素子に本発明の構造を適用してもよい。
【００４６】
また、以上の実施例では、基板材料としてｎ型ＧａＮ基板を適用した例について述べたが、常識的に窒化物半導体が成長しうる基板材料、例えばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等でも良く、如何なる基板材料を用いても良いことは言うまでも無い。
また、この時ｎ型オーミック電極の形成面も、上記基板裏面側に限らず、レーザ素子の構造、形状等を変更して表面側から形成しても良い。
【００４７】
また、以上の実施例で適用した電極材料についても上記電極に限定されるものではなく、特にｐ型オーミック電極の場合は、上述したオーム性接触が得られる原理から考えて、如何なる金属材料を用いても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。
【００４８】
また、上記実施例１で示すｐ型クラッド層の作用と効果の説明では、第１のｐ型クラッド層としてMgドープAl0.04GaNからなる単層を用いて実験・検討した結果に基づいて説明したが、第１のｐ型クラッド層としてMgドープAl0.04GaN層（膜厚＝3nm）／MgドープGaN層（膜厚＝2nm）の100周期積層膜（トータル膜厚＝500nm）からなるｐ型超格子クラッド層（最上層はMgドープAl0.04GaN層）上に上記第２のｐ型クラッド層を設けた構造を用いた場合でも、第１のｐ型超格子クラッド層と電極との間で良好なオーム性接触は得られており、この時、第１のｐ型超格子クラッド層が超格子構造であることを反映して、抵抗率は約2.2Ωｃｍという上記単層からなる場合よりも低い値が得られた。
【００４９】
超格子構造については、上記のように両者に不純物をドーピングする構造の他、AlGaN層のみにドーピングする構造、もしくはGaN層のみにドーピングする構造があるが、上記超格子クラッド構造を用いた検討結果から推測すると、如何なる場合においても上記本発明の特徴である「第２のｐ型クラッド層のAl組成比≧第１のｐ型クラッド層に含まれるAlGaN層のAl組成比」という関係と、第２のｐ型クラッド層の膜厚、及びｐ型不純物のドーピング濃度を制御することで、本発明の効果を取得できることは言うまでも無い。
（実施例３）
図10は、本発明の他の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の模式図である。
以下に全体的な製造方法を説明する。
サファイア基板20上に、アンドープＧａＮからなるバッファ層21と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（膜厚＝5μｍ、キャリア濃度＝2×1018ｃｍ−3）22、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層23、ＩｎｂＧａ1−bＮ（0＜ｂ≦0.1）からなる活性層24と、本発明のＭｇドープＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる第１のｐ型クラッド層（膜厚＝40nm、Ｍｇドーピング濃度＝7×1019ｃｍ−3）25、及び、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなる第２のｐ型クラッド層（膜厚＝2nm、Ｍｇドーピング濃度＝1.5×1020ｃｍ−3）26からなる多層のｐ型クラッド層を、有機金属気相成長法を用いて順次成長させる。
次に、周知のホトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いたドライエッチング法により、該基板20表面側から所望の領域をエッチングして、ＳｉドープＮ型ＧａＮ層22を露出させる。
【００５０】
次に、露出したＳｉドープＮ型ＧａＮ層22表面の所望の位置に、例えば真空蒸着法を用いてチタン（Ｔｉ）膜とアルミニウム（Ａｌ）膜を積層形成した後、500℃程度のアニール処理を施すことで、ＳｉドープＮ型ＧａＮ層22に対するｎ型オーミック電極27が形成される。
【００５１】
次に、上記エッチング工程でエッチングされなかった領域の、第２のｐ型クラッド層26上の所望の位置に、パラジウム（Ｐｄ）膜／プラチナ（Ｐｔ）膜／金（Ａｕ）膜を積層形成することにより、Ｐ型オーミック電極28が形成される。
この後、サファイア基板20の裏面側をダイヤモンド砥粒等を用いて、厚さが150μｍ程度になるまで薄層化し、最終処理として研磨面を鏡面に仕上げ、所望も大きさにチップ化することで、窒化物半導体発光ダイオード（LED）が完成する。
上記LEDはサファイア基板を通して、鏡面研磨された裏面側から放出される光を利用するものであり、上記で作製したLEDの順方向特性を評価した結果、30ｍAの電流値を得るために要した電圧の平均値は3.2Vであり、従来のｐ型ＧａＮコンタクト層を備えた素子と比較して、0.15Ｖ程度の低電圧化が図れた。
【００５２】
以上の実施例では、基板材料としてサファイア基板を適用した例について述べたが、常識的に窒化物半導体が成長しうる基板材料、例えばＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ等でも良く、製造するＬＥＤの構造により如何なる基板材料を用いても良いことは言うまでも無い。
以上、本発明の実施形態について、各窒化物半導体発光素子の製造方法を交えながら詳述してきたが、具体的な窒化物半導体層の構成は本実施形態に限定されるものではなく、作製するデバイスの構造や必要とされる性能に応じて、種々変更可能である。
以上のことから、本発明の多層からなるｐ型クラッド層を窒化物半導体発光素子に適用することで、動作電圧並びに動作電流を低減できることから、素子の発熱を抑制し、長寿命かつ高信頼の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザ素子の断面模式図。
【図２】本発明の作用と効果を検証するために作製した、本発明の特徴的な構造を有する結晶構造の断面図。
【図３】本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の上面図。
【図４】本発明の作用と効果を検証するために作製した一試料の電極間Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図５】本発明の作用と効果を検証するために作製した他の試料の電極間Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図６】本発明の作用と効果を検証するために作製した他の試料の電極間Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図７】本発明の作用と効果を検証するために作製した他の試料の電極間Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図８】本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザ素子を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態である窒化物半導体レーザ素子の断面模式図。
【図１０】本発明の第三の実施形態である窒化物半導体発光ダイオードの模式図。
【符号の説明】
【００５４】
１…ｎ型ＧａＮ基板、
２…ｎ型バッファ層、
３…ｎ型クラッド層、
４…ｎ型ガイド層、
５…活性層、
６…電子ブロック層、
７…第１のｐ型クラッド層、
８…第２のｐ型クラッド層、
9…ＳｉＯ2膜、
10…ｐ型オーミック電極、
11…ｎ型オーミック電極、
12…端面コーティング膜、
13…ガイド層、
14…不純物拡散停止層、
15…第１のｐ型超格子クラッド層、
16…第２のｐ型クラッド層、
２０…サファイア基板、
２１…アンドープＧａＮからなるバッファ層、
２２…ｎ型ＧａＮ層、
２３…ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層、
２４…活性層、
２５…第１のｐ型クラッド層、
２６…第２のｐ型クラッド層、
２７…ｎ型オーミック電極、
２８…ｐ型オーミック電極。
【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】
2009021424.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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