JP4424840B2 - III-N compound semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−N系化合物半導体基板、特にGaN系化合物半導体基板上に作製する半導体装置、特に、発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、GaN系化合物半導体はその特性を利用して、発光素子やハイパワーデバイスとして利用または研究されている。例えば、発光素子を作製する場合、その構成する組成を調整することにより、技術的には紫色から橙色までの幅の広い発光素子として利用することができる。
【0003】
近年、その特性を利用して、青色発光ダイオードや、緑色発光ダイオードの実用化がなされ、また、半導体レーザー素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【0004】
GaN系化合物半導体膜を製造する際には、基板として、サファイア、SiC、スピネル、Si、GaAs等からなる基板が使用される。例えば、基板としてサファイアを使用する場合、GaN膜をエピタキシャル成長させる前に、あらかじめ、約550℃の低温で、GaNまたはALNのバッファー層を形成し、その後、基板を約1050℃の高温に昇温してGaN系化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行うと表面状態の良い、構造的および電気的に良好な結晶を得ることができることが知られている。
【0005】
また、SiCを基板として使用する場合、エピタキシャル成長を行う成長温度で薄いAlN膜をバッファー層として使用すると良いことが知られている。しかし、GaN系化合物半導体以外の基板を使用すると、成長させるGaN系化合物半導体膜と基板との熱膨張係数の違いや、格子定数の違いにより、製造されるGaN系化合物半導体中には多数の欠陥が発生する。その欠陥は刃状転位と螺旋転位に分類され、その密度は合計で約1×109cm-2〜1×1010cm-2程度にもなる。これらの欠陥は、キャリアをトラップして、調製した膜の電気的特性を損ねることが知られている他、大電流を流すようなレーザーに対しては、寿命の低下を招くことが知られている。
【0006】
そのため、これらの欠陥を低減し、かつ、調製する半導体の電気的特性を良好な状態にするための検討がなされている。たとえば、有機金属気相成長(MOCVD)法等により成長させたGaN膜上に、転位等の欠陥の上昇を抑えるため、SiO2、タングステン等のマスクを用いて、ハイドライド気相成長(H−VPE)法等によりGaNの厚膜を成長させ、得られた厚膜を基板として、その上に発光素子を作製する技術が開発されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、そのようなGaN基板上でのn型電極の特性については明らかでなかった。本発明者らは、Ti/Al等のn型電極をGaN基板のGa終端面に形成した場合、該電極はショットキー特性を示す傾向が強いことを明らかにした。本発明者らは、Ga終端面において、炭素(C)等が、Gaのダングリングボンドと結合し易いと考えた。Cが存在する状態で、Ga終端面上にTi/Al等のn型電極を形成した場合、障壁層が形成され、電極はショットキー特性を示し得る。一方、p型電極であるNi、Pd等の膜は、炭素(C)等を、自らに取り込み、障壁層を減らすことができる。これは、p型電極について、比較的オーミック特性の得られやすい原因の一つと考えられた。
【0008】
GaN基板のGa終端面上にオーミック特性のTi/Al等のn型電極を得るためには、基板表面を塩酸等で洗浄処理を行ったり、電極形成後にアロイ形成のための熱処理を行い、GaNとそれに接するTiとの中間生成物を形成し、障壁層を軽減させる等の工程を入れる必要があった。しかし、このような工程を導入してもn型電極との接触比抵抗は高かった。
【0009】
本発明の一つの目的は、前述の表面処理や熱処理工程を行わずに、窒化物半導体基板、たとえばGaN基板を用いた半導体装置構造にn型電極を形成してオーミック特性を得る技術を提供することにある。
【0010】
本発明のもう一つの目的は、n型電極の接触比抵抗が低い窒化物半導体装置、特に発光素子を提供することにある。
【0011】
本発明のさらなる目的は、低閾値電圧または低閾値電流密度の窒化物半導体装置、特に発光素子を提供することにある。
【0012】
本発明者らは、窒化物半導体のN終端面上にn型電極を形成すれば、オーミック特性が容易に得られることを見出した。さらに、本発明者は、窒化物半導体基板に添加する不純物濃度とn電極の接触比抵抗との関係を明らかにした。さらに、本発明者らは、発光素子、特にレーザーダイオード素子に関して、窒化物半導体基板に添加する不純物濃度と閾値電圧との関係、および窒化物半導体基板に添加する不純物濃度と閾値電流密度との関係について明らかにするとともに、低接触比抵抗、低閾値電圧、または低閾値電流密度が得られる適当な不純物濃度を見出した。本発明は以上の知見に基づく。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によりIII−N系化合物半導体装置が提供され、該装置は、III−N系化合物半導体基板の窒素終端面上に電極を有する。具体的に、本発明による半導体装置は、III−N系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のIII−N系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのn型電極およびp型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はn型であり、該n型電極は、該半導体基板の窒素終端面上に形成されている。
【0014】
図23に、種基板の(0001)面上に成長したGaNのGa終端面とN終端面を示す。図中、2301は種基板、2302はバッファ層、2303aはGa終端面、2303bはN終端面、白丸2304はGa原子、黒丸2305はN原子を表す。図に示すように、N終端面2303bでは、N原子2305が優先的に突出し、一方、Ga終端面2303aでは、Ga原子2304が優先的に突出している。
【0015】
ここで、GaN結晶の(0001)面に関するN終端面とGa終端面を以下のように定義することができる。N終端面が露出している該結晶を、室温で1.8MのNaOH溶液中に3分間浸すと、容易に表面状態が変化し、サイズ50nm程度のヒルロックが消失する。また、原子間力顕微鏡(AFM)を用いれば、5μm領域の観察でエッチング後に表面が荒れていることがわかる。表面原子の60%以上がN原子で終端している面はこの性質があり、本明細書では、このような性質をもつ面をN終端面と呼ぶ。一方、Ga終端面は、同様の処理方法により、表面状態が変化しにくく、AFMを用いても、5μm領域の観察でエッチング後に表面変化が殆どみられない(例えば、Appl. Phys. Lett. 71, 2635 (1997))。表面原子の60%以上がGa原子で終端している面は、この性質があり、本明細書では、このような性質をもつ面をGa終端面と呼ぶ。したがって、III−N系化合物半導体に関し、表面に露出する終端原子の60%以上がN原子であり、かつ所定のエッチングにより荒れやすい性質を有する面をN終端面と呼ぶことができ、一方、表面に露出する終端原子の60%以上がIII族原子であり、かつ所定のエッチングにより変化しにくい性質を有する面をIII族原子終端面と呼ぶことができる。
【0016】
また、エッチング以外に、極性の違い(終端原子の違い)は、反射高速電子線回折(RHEED)法(例えば、Appl. Phys. Lett. 72, 2114 (1998))や、同軸型直衝突イオン散乱分光法(CAICISS)を用いることにより、非破壊で判別、評価できる。
【0017】
III−N系化合物半導体には、例えば、GaN、AlN、AlxGal-xN(0<x<1)、InN、InxGa1-xN(0<x<1)、InxGayAl1-x-yN(0<x<1、0<y<1)等がある。特に、本発明は、Gaを含むIII−N系化合物半導体、すなわちGaN系化合物半導体を使用することが好ましい。
【0018】
典型的に、本発明において、半導体基板中のn型不純物の濃度は、1×1017cm-3〜1×1021cm-3の範囲内である。好ましくは、半導体基板中のn型不純物の濃度は、1×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲内である。これらの範囲において、n型不純物の濃度は、基板の厚みの方向において一定であってもよいし、変化していてもよい。
【0019】
本発明において、半導体基板中のn型不純物の濃度は、該半導体基板の厚み方向において一定であってもよいし、あるいは変化していてもよい。該n型不純物の濃度が該厚みの方向において変化している場合、該半導体基板は、窒素終端面を形成しかつ第1のn型不純物濃度を有する第1の部分と、第1のn型不純物濃度より低い第2のn型不純物濃度を有する第2の部分とを少なくとも有することが好ましい。n型不純物の濃度が基板の厚みの方向において変化している場合、第1の部分の第1のn型不純物濃度は、3×1018cm-3以上であることが好ましい。第1の部分の厚みは、0.05μm〜50μmであることが好ましい。
【0020】
n型不純物の濃度が基板の厚みの方向において変化している場合、第1のn型不純物濃度より低いn型不純物濃度を有する第2の部分上に複数の半導体層が形成されていることが好ましい。この場合も、第1の部分の厚みは、0.05μm〜50μmであることが好ましい。さらに、第1の部分の第1のn型不純物濃度は、3×1018cm-3以上であることが好ましい。
【0021】
本発明による半導体装置は、典型的には、発光素子である。
本発明により、もう一つの半導体装置が提供され、該半導体装置は、III−N系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のIII−N系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのn型電極およびp型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はp型であり、該複数の半導体層の最上層は窒素終端面を有しており、n型電極は該窒素終端面上に形成されている。III−N系化合物半導体は、典型的にGaN系化合物半導体である。この場合、p型電極は、半導体基板のGa終端面上に形成されていることが好ましい。本発明による半導体装置は、特に、発光素子に適用できる。
【0022】
本発明により、さらなる半導体装置が提供され、該半導体装置は、III−N系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のIII−N系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのn型電極およびp型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はn型であり、該n型電極は、該半導体基板の窒素終端面上に形成されており、該半導体基板中のn型不純物の濃度は、該半導体基板の厚み方向において変化しており、該半導体基板は、窒素終端面を形成しかつ第1の平均n型不純物濃度を有する第1の部分と、第1の平均n型不純物濃度より低い第2の平均n型不純物濃度を有する第2の部分とからなり、第1の平均n型不純物濃度は3×1018cm-3以上であり、第2の平均n型不純物濃度は3×1018cm-3以下であり、かつ該複数の半導体層は第2の部分上に形成されている。好ましくは、第1の平均n型不純物濃度は3×1018cm-3〜1×1021cm-3の範囲内である。好ましくは、第2の平均n型不純物濃度は1×1017cm-3〜3×1018cm-3の範囲内である。より好ましくは、第1の平均n型不純物濃度は、3×1018cm-3〜1×1019cm-3の範囲内である。III−N系化合物半導体は、好ましくはGaN系化合物半導体である。本発明による半導体装置は、特に、発光素子に適用できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明における不純物濃度は、例えば、SIMS(2次イオン分析)装置を用いて測定することができる。本発明において、n型電極は、Ti/Al、Hf/Au、W/Al、V/Al等の、AuまたはAlと、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Mn、Tc、ReまたはNとを組合わせて、形成することができる。さらには、n型III−N系化合物半導体の表面と良好なオーミック特性を示す材料であれば、その他材料を使用してもよい。
【0024】
本発明において、III−N系化合物半導体基板中の不純物濃度は、1×1017cm-3以上1×1021cm-3以下が好ましく、さらには1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下が好ましい。n型不純物としてSiが好ましいが、n型伝導性を付与できる他の不純物も、Siと同様の効果をもたらすことができる。
【0025】
III−N系化合物半導体基板において、高い不純物濃度を有する部分の厚さは、表面の凹凸に影響を及ぼさない程度の厚みとすることが好ましく、たとえば、0.05μm〜50μmが好ましく、0.05μm〜10μm程度がより好ましい。
【0026】
本発明において、III−N系化合物半導体基板は、種基板上に、III−N系化合物半導体の厚膜をエピタキシャル成長させ、得られた厚膜を種基板から分離することにより得ることができる。(0001)面を有するサファイア基板を、III−N系化合物半導体基板、特にGaN系化合物半導体基板を得るための、種基板として好ましく使用することができる。さらに、他の結晶面を有するサファイア基板、GaN、SiC、スピネル、マイカ等を種基板として適用してもよい。いずれの種基板を使用しても、本発明の目的を達成することができる。
【0027】
GaN系化合物半導体基板の調製にあたり、種基板上に形成する低温バッファー層としてGaN膜を好ましく使用することができる。該低温バッファー層上に、GaN系化合物半導体の厚膜を形成し、該厚膜を研磨によって取り出すことにより、基板を得ることができる。さらに、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)、またはZnOを用いてもよく、いずれの場合でもGaN低温バッファー層を使用する場合と同様の効果を得ることができる。
【0028】
基板調製における厚膜は、H−VPE法より成長させることが好ましい。H−VPE法によって成長させたGaN基板を用いて作製したレーザは、昇華法、高圧合成法、およびその他の厚膜成長方法で作製したGaN基板を用いて作製したレーザと比べて、より低い閾値電圧、より低い閾値電流で発振し得る。H−VPE法では成長時にHClを用いるため、成長させたGaN厚膜には、塩素(Cl)が含有され、このClが電極部分で、中間生成物を形成し、電気的な障壁を緩和し、その結果、良好な特性をもたらすと考えられる。しかし、H−VPE法の代わりに他の厚膜成長方法を使用しても、従来より低い閾値電圧等の効果を得ることができる。
【0029】
本発明において、種基板から分離されたIII−N系化合物半導体基板、たとえば、GaN基板上に、レーザ等の素子の構造を形成することができる。素子構造は、たとえば、有機金属気相成長法(MOCVD法)により好ましく形成することができる。一方、種基板に付着した状態のGaN厚膜上に、MOCVD法で発光層を含む多層構造のGaN系化合物半導体層を成長させてもよい。その後、種基板、下地のアンドープGaN膜、マスクを研磨等で除去して得られるGaN系化合物半導体レーザも、最初に分離された基板を使用する場合と同様に、良好な特性を示し得る。
【0030】
本発明では、特にGaN基板を好ましく使用できるが、他のGaN系化合物半導体、および他のIII−N系化合物半導体からなる基板も、使用できる。さらに、GaN系化合物半導体を構成する元素のうち、窒素元素の一部(10%程度以下)を、P、AsおよびSbからなる群より選ばれる元素で置換してもよい。そのような材料も同様の効果をもたらし得る。
【0031】
本発明において、c軸の方向に成長した六方晶の基板を使用することが好ましい。この場合、基板のN終端面およびGa終端面には、六方晶のC面が露出している。そのような基板は、種基板の(0001)面上でのエピタキシャル成長により得ることができる。一方、他の結晶面から成長させた厚膜を基板として使用してもよい。そのような成長には、M面(01−10)上でのGaNの<01−13>方向への成長、A面(2−1−10)上でのGaNのc軸方向への成長、R面(011−2)上へのGaNの<2−1−10>方向への成長、および、立方晶の[(111)面+微傾斜面]上でのGaNのc軸方向への成長がある。それらの場合においても、n型電極のためのN終端面を得ることができる。
【0032】
本発明において、主面にC結晶面が露出する基板を用いる場合、基板主面に垂直な方向(結晶の積層方向)に対し、基板結晶のc軸が0.10°〜0.25°ずれていることが好ましく、0.15°〜0.20°ずれていることがより好ましい。この場合、基板上に成長させる結晶表面の平坦性が促進され、素子全体の結晶性を向上させ、活性層ひいては素子の特性をさらに向上させることができる。
【0033】
また、基板上にレーザ等の素子構造の作製するため、MOCVD法が好ましく使用される。そのほか、分子線エピタキシー(MBE)法等の他のエピタキシャル成長方法を用いてもよい。MOCVD法に使用される原料には、たとえば、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)、NH3、およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)がある。これら以外でも、必要な化合物を成長できる原料であれば任意のものを使用することができる。III−N系化合物半導体基板、特にGaN基板、およびレーザ等の素子構造へのドーパントとして、n型の場合は、Si、Ge、Sn、O、S、SeまたはTe、p型の場合は、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、ZnまたはCdを使用することができる。
【0034】
また、本発明は、特に、発光素子に適用される。発光素子は、たとえば、レーザおよび発光ダイオード(LED)を含む。レーザの場合、本発明によれば、低い接触比抵抗、低い閾値電圧、または低い閾値電流密度を得ることができる。発光ダイオードの場合、本発明によれば、駆動時の電圧の低減、および表面の平坦性の向上を実現することができる。
【0035】
図1(a)は、半導体レーザとして適用される本発明による半導体装置の一具体例を示している。GaN基板102の一方の主面102A上にn型電極101が形成されている。n型電極101と接する主面102AはN終端面である。GaN基板102の他方の主面上には、n型GaN層103、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104、n型GaN光ガイド層105、多重量子井戸の発光層106、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107、p型GaN光ガイド層108、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層109、p型GaNコンタクト層110、およびp型電極111が順に形成されている。以下、この半導体レーザの製造プロセスについて説明する。
【0036】
実施例1
以下に示すように、サファイア基板上にH−VPE法によりGaN厚膜を成長させ、得られた厚膜を基板として使用し、図1(a)に示す半導体レーザを調製した。
【0037】
まず、(0001)面を有するサファイア基板を洗浄し、MOCVD法を用いて、以下の手順で、約3μmの厚みのアンドープGaN膜を下地層として成長させる。洗浄したサファイア基板をMOCVD装置内に導入し、H2雰囲気の中で、1100℃の高温でクリーニングを行う。その後、降温して、キャリアガスとして水素(H2)を10L/min流しながら、600℃でNH3とトリメチルガリウム(TMG)をそれぞれ5L/min、20mol/min導入して、約20nmの厚みのGaN低温バッファー層を成長させる。
【0038】
その後、一旦TMGの供給を停止し、再び1050℃まで昇温して、TMGを約100mol/min導入し、1時間で3μmの厚さのアンドープGaN膜を成長させる。その後、TMGおよびNH3の供給を停止し、室温まで降温し、アンドープGaN下地層を成長させたサファイア基板を取り出す。低温バッファー層としては、GaN膜の代わりに、トリメチルアルミニウム(TMA)、TMG、NH3を使用して、AlN膜やGaAlN膜を形成してもよい。
【0039】
上記方法で作製したアンドープGaN下地層(その最表面はGa終端面)上にGaN厚膜を成長させる際、クラックが生じないよう、厚さ2000Åで、幅7μm、間隔10μmのストライプ状の成長抑制膜を形成し、その上にH−VPE法で選択成長を行い、平坦なGaN厚膜を成長させる。本実施例では、成長抑制膜として、電子ビーム蒸着法(EB法)により蒸着したSiO2膜をフォトリソグラフィを用いてエッチングしたものを使用する。ストライプ状の成長抑制膜で部分的に覆われたアンドープGaN下地膜を有するサファイア基板を、H−VPE装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5L/min流しながら、基板の温度を約1050℃まで昇温させる。その後、基板上にGaClを100cc/min導入してGaN厚膜の成長を開始する。GaClは850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。本実施例では、Siをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン(SiH4)を200nmol/min供給して、SiドープGaN層(Si不純物濃度:3.8×1018cm-3)を成長させ、計3時間の成長で350μmのGaN厚膜を得る。このような成長条件でつくったGaNの最表面はGa終端面である。Siのドーピングに関しては、SiH4に限らず、モノクロロシラン(SiH3Cl)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)等、他の原料を使用してもよい。
【0040】
成長後、研磨によりサファイア基板、MOCVD法によるアンドープGaN膜、SiO2膜を除去し、N終端面が出るまで研磨して、図1(a)に示すGaN基板102を得る。GaN基板の研磨を行った面はN終端面であり、反対側の成長最表面はGa終端面である。
【0041】
得られたGaN厚膜を基板として使用し、以下のとおり、MOCVD法により発光素子構造を成長させる。まず、基板をMOCVD装置内に導入し、N2とNH3をそれぞれ5L/min流しながら1050℃まで昇温する。温度が上がればキャリアガスをN2からH2に代えて、TMGを100μmol/min、SiH4を10nmol/min導入して、図1に示すn型GaN層103を4μm成長させる。その後、TMGの流量を50μmol/minに調整し、TMAを40μmol/min導入して、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104を0.5μmの厚さで成長させる。Al0.1Ga0.9Nの成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGを100μmol/minに調整して、n型GaN光ガイド層105を0.1μmの厚さになるように成長させる。その後、TMG、SiH4の供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に再び代えて、700℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム(TMI)を10μmol/min、TMGを15μmol/min導入し、In0.05Ga0.95Nよりなる4nm厚の障壁層を成長させる。その後、TMIの供給量を50μmol/minに増加し、In0.2Ga0.8Nよりなる2nm厚の井戸層を成長させる。井戸層は合計3層、同様の手法で成長させ、井戸層と井戸層との間および両側に合計4層の障壁層が存在するような多重量子井戸(MQW)の発光層106を成長させる。MQWの成長が終了すると、TMIおよびTMGの供給を停止して、再び1050℃まで昇温し、キャリアガスを再びN2からH2に代えて、TMGを50μmol/min、TMAを30μmol/min、P型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を10nmol/min流し、20nm厚のp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107を成長させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGの供給量を100μmol/minに調整して、0.1μmの厚さのp型GaN光ガイド層108を成長させる。その後、TMGの供給を50μmol/minに調整し、TMAを40μmol/min導入し、0.4μm厚のp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層109を成長させ、最後に、TMGの供給を100μmol/minに調整して、TMAの供給を停止し、0.1μm厚のp型GaNコンタクト層110の成長を行い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、TMGおよびCp2Mgの供給を停止して降温し、室温で基板をMOCVD装置より取り出す。
【0042】
その後、ドライエッチング装置を用いて、p−GaNコンタクト層110を5μm幅のストライプ状に残し、p−Al0.1Ga0.9N光ガイド層109までエッチングを行い、光導波路を形成する。次いで、p−GaN部分にPdを150Å、Auを1000Å順次蒸着して、p型電極111を形成する。また、基板温度を200℃程度に保ち、GaN基板のN終端面102Aに、Tiを厚さ150Å、Alを1000Å順次蒸着し、n型電極101を形成する。最後に、素子長が約1mmとなるように、劈開あるいはドライエッチング法を行い、ミラーとなる端面を形成する。
【0043】
以上のプロセスにより得られた半導体レーザーにおいて、GaN基板の不純物濃度プロファイルは図1(b)に示すとおりである。n型であるGaN基板102の厚み方向において、n型不純物(Si)の濃度はほぼ一定であり、3.8×1018cm-3である。本実施例で作製したレーザは、発振の閾値電圧が約5V、閾値電流密度が1.2kA/cm2である。該レーザに対して、閾値近傍の条件で約1000時間の寿命試験を実施したが、特性の変化は見られなかった。
【0044】
比較例1
実施例1で得られたGaN基板のN終端面に各層をエピタキシャル成長させ、Ga終端面にn型電極を形成し、レーザを得た。図2(a)に作製されたGaN系化合物半導体のレーザの断面図、図2(b)にGaN基板の成長方向(厚み方向)の不純物濃度プロファイルを示す。レーザは以下のプロセスに従って調製された。
【0045】
MOCVD法によるアンドープGaN膜とSiO2膜の形成、およびH−VPE法による成長は、実施例1と同様にして行う。次いで、GaN基板のN終端面をエピタキシャル成長面にし、その後は、実施例1と同様の方法で、GaN基板202上に、n型GaN層203、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層204、n型GaN光ガイド層205、多重量子井戸の発光層206、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層207、p型GaN光ガイド層208、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層209、p型GaNコンタクト層210、およびp型電極211を形成し、さらに、Ga終端面202Aにn型電極201を形成する。
【0046】
得られた素子は、室温でレーザ発振に至らなかった。
レーザ発振に到らなかった原因を探るために、実施例1と同様にしてGaN基板を作製し、N終端面とGa終端面に、径0.5mmのTi(150Å)/Al(1000Å)電極201を1.0mmの間隔でそれぞれ9個、計18個、順次蒸着し、それらの電圧−電流特性を調べた。図3は、GaN基板のN終端面またはGa終端面に蒸著されたn型電極のパターンを示し、301はn型電極、302はGaN基板を示す。図4は、GaN基板のN終端面に蒸著されたn型電極の電流−電圧特性を示し、図5は、GaN基板のGa終端面に蒸著されたn型電極の電流−電圧特性を示す。図4に示すようにN終端面上のn型電極は、良好なオーミック特性を示す。一方、図5に示すようにGa終端面上のn型電極は、ショットキー特性を示し、障壁層の存在を示唆する。
【0047】
Ga終端面に存在するGaのダングリングボンドには、C等が結合し易い。したがって、C等が存在する状態で、Ti/Al等の電極を形成した場合、障壁層が形成され、得られた電極はショットキー特性を示し得る。一方、N終端面では、このような障壁を形成する原子が表面に存在し得る確率は低い。したがって、N終端面上には、表面処理等を行わなくとも、良好なオーミック特性を示すn型電極を形成することができる。
【0048】
一方、Ga終端面上でのGaN系化合物半導体層のエピタキシャル成長は、1000℃以上の高温で行われる。この場合、表面の不純物は離脱し、清浄化され、その結果、良好なGaN系化合物半導体層を形成することができると考えられる。
【0049】
実施例2
ドーパント源SiH4の供給量を10nmol/min〜1000nmol/minの範囲で種々の値とし、H−VPE法により不純物濃度の異なるGaN厚膜をそれぞれ成長させた。各GaN厚膜の成長中、SiH4の流量は一定にした。その他の条件は、実施例1と同様であった。得られたGaN厚膜を基板として使用して実施例1と同様にレーザを作製し、それらの特性を測定した。レーザのための各層は、GaN基板のGa終端面上でエピタキシャル成長させた。n型電極は、GaN基板のN終端面上に形成した。
【0050】
図6は、GaN厚膜を成長させる際の、SiH4供給量と該膜中に含まれる不純物濃度との関係を表わす。囲7は、GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板を使用して作製したレーザの閾値電圧との関係を示す。図8は、GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板を使用して作製したレーザの閾値電流密度との関係を示す。図9は、GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板の表面粗さとの関係を示す。
【0051】
図6に示されるように、SiH4供給量とGaN基板中の不純物濃度は、比例関係にあり、SiH4供給量が1000nmol/minの時の不純物濃度は、1.6×1019cm-3である。図7に示されるように、GaN基板中の不純物濃度が増加するに従って、作製したレーザの発振閾値電圧が徐々に下がる傾向にある。これは、GaN基板の抵抗が、不純物の影響で低下してきている事にもよるが、それ以上にN終端面とn型電極コンタクト部分で生じるショットキー障壁が低減して接触比抵抗が低下し、その結果、閾値電圧が低くなっていると考えられる。発振閾値電圧は、GaN基板の不純物濃度が約1×1017cm-3以上でほぼ5V程度の値に収束している。
【0052】
反面、図8は、GaN基板の不純物濃度が、約1×1019cm-3以上になると、レーザの発振閾値電流密度が徐々に増加し始め、5×1021cm-3以上でほぼ2kA/cm2程度の値に収束している。このことは、図9に示されるように、GaN基板中の不純物濃度が約1×1019cm-3を超えるあたりから、膜表面の平均表面粗さが増加し始めてきている事に起因していると思われる。即ち、膜の表面粗さが増加すると、その上に成長したレーザ構造における各層の界面の凹凸が増加し、レーザ光を伝搬するガイド層内での光の分散が増加し、それが閾値電流密度の増加につながってきていると考えられる。
【0053】
また、レーザの作製に使用したGaN基板のN終端面側にn電極を形成し、Trans Mission Line Model(TLM)法により、不純物濃度に対する接触比抵抗を調べた。これは、測定サンプルが面内で均一であると仮定して、電極間距離依存性から接触比抵抗を求める方法である。今回は、Ti(150Å)/Al(1000Å)、サイズ300μm、間隔10〜100μmの電極パッドパターンを使用した。
【0054】
図10は、GaN基板中の不純物濃度と接触比抵抗との関係を示す。不純物濃度が1×1017cm-3を超えると接触比抵抗が1×10-5Ω・cm2以下となり、その後は不純物濃度の増加とともに比抵抗は下がっていく。
【0055】
以上の結果から、GaN基板の不純物濃度は、1×1017cm-3以上1×1021cm-3以下が望ましく、1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下がより望ましい。不純物濃度が低過ぎる場合は、基板自体の抵抗が上がり、さらに、電極とGaN基板との中間生成物が形成され、障壁を減らすことが困難になり得る。一方、不純物濃度が高過ぎる場合、成長表面が荒れて、再成長時の結晶性が低下し、素子の特性が劣化し得る。適当な不純物濃度を有する基板のN終端面にn型電極を形成することでより好ましい特性が得られる。
【0056】
実施例3
以下に示すように、GaN基板のキャリア濃度を厚さ方向に変化させ、レーザ素子を調製した。図11(a)に、作製されたGaN系化合物半導体のレーザの断面図、図11(b)に、GaN基板の厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す。ここで使用されるGaN基板1002は、Si高ドープGaN層1002a(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)と、Si通常ドープGaN層1002b(Si不純物濃度:3.8×1018cm-3)とからなる。n型電極1001は、基板1002のN終端面1002Aに形成されている。n型電極1001に接触するN終端面を形成するGaN層1002aは、レーザ構造に接触するGaN層1002bよりも高い不純物濃度を有する。以下に製造プロセスを示す。
【0057】
MOCVD法によるアンドープGaN膜とSiO2膜の形成は、実施例1と同様に行う。その後、以下のように、H−VPE法による成長を行う。
【0058】
まず、ストライプ状の成長抑制膜を有するアンドープGaN下地層を成長したサファイア基板を、H−VPE装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5L/min流しながら、基板の温度を1050℃まで昇温する。その後、基板上にGaClを100cc/min導入してGaN厚膜の成長を開始する。GaClは約850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。Siをドーピングしながら成長を開始し、モノシラン(SiH4)を3分間、500nmol/min供給して、Si高ドープGaN層1002a(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)を5μm成長させ、その後、SiH4の流量を200nmol/minに変えて、Si通常ドープGaN層1002b(Si不純物濃度:3.8×1018cm-3)を成長させ、計3時間の成長で350μmのGaN厚膜を得る。このような条件で作製したGaNの最表面(エピタキシャル面)はGa終端面であった。Siのドーピングに関しては、SiH4に限らず、モノクロロシラン(SiH3Cl)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)等、他の原料を使用してもよい。
【0059】
成長後、研磨によりサファイア基板、MOCVD法によるアンドープGaN膜、SiO2膜を除去し、N終端面が出るまで研磨して、GaN基板1002を得る。以上の様にして得られたGaN厚膜を基板として使用し、N終端面1002Aとは反対側のGa終端面上に、MOCVD法を用いてエピタキシャル成長層を形成し、発光素子構造を得る。実施例1と同様の方法で、n型GaN層1003、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1004、n型GaN光ガイド層1005、多重量子井戸の発光層1006、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層1007、p型GaN光ガイド層1008、p型Al0.1Ga0.9Nクラツド層1009、p型GaNコンタクト層1010、およびp型電極1011を形成し、GaN基板のN終端面1002A上にn型電極1001)を作り込み、素子を得る。
【0060】
得られたレーザは、発振の閾値電圧が約5V、閾値電流密度が1.0kA/cm2であった。閾値近傍の条件で約1500時間の寿命試験を実施したが、特性の変化は見られなかった。
【0061】
比較例2
GaN基板のGa終端面側にSi高ドープ層を形成し、そのGa終端面にn型電極を作製した。一方、GaN基板のN終端面上にレーザ素子構造のためのエピタキシャル成長層を形成した。図12(a)に、作製されたGaN系化合物半導体レーザの断面図、図12(b)にGaN基板の成長方向(厚み方向)における不純物濃度プロファイルを示す。GaN基板1102は、Si通常ドープGaN層1102a(Si不純物濃度:3.8×1018cm-3)と、Si高ドープGaN層1102b(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)とからなる。レーザ構造は、Si高ドープGaN層1102b上に形成されている。n型電極1101は、Si通常ドープGaN層1102aのGa終端面1102A上に形成されている。以下に製造プロセスを示す。
【0062】
MOCVD法によるアンドープGaN膜とSiO2膜の形成は、実施例1と同様に行う。ストライプ状の成長抑制膜を有するアンドープGaN下地層を成長させたサファイア基板を、H−VPE装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5L/min流しながら、基板の温度を1050℃まで昇温する。その後、基板上にGaClを100cc/min導入してGaN厚膜の成長を開始する。GaClは850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。
【0063】
Siをドーピングしながら成長を開始し、モノシラン(SiH4)を約3時間、200nmol/minで供給して、Si通常ドープGaN層1102a(Si不純物濃度:3.8×1018cm-3)を345μm成長させ、その後、SiH4の流量を500nmol/minに変えて、Si高ドープGaN層1102b(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)を3分間成長させ(約5μmの厚さに相当)、約350μmのGaN厚膜を得る。このような成長条件で作製したGaNの最表面はGa終端面である。
【0064】
成長後、研磨によりサファイア基板、MOCVD法によるアンドープGaN膜、SiO2膜を除去し、N終端面になるまで研磨して、GaN基板1102を得る。以上の様にして得られたGaN厚膜を基板として使用し、N終端面上にMOCVD法によりエピタキシャル成長を形成し、発光素子構造を得る。実施例1と同様に、n型GaN層1103、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1104、n型GaN光ガイド層1105、多重量子井戸の発光層1106、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層1107、p型光ガイド層1108、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1109、p型GaNコンタクト層1110、およびp型電極1111を形成し、Ga終端面1102A上にn型電極1101を形成して、レーザ素子を得る。
【0065】
得られたレーザは、室温で連続発振しなかつた。
作製したGaN基板のN終端面とGa終端面にそれぞれTi/Alのn型電極を形成し、それらの特性を調べた。その結果、N終端面上のn型電極は良好なオーミック特性を示したが、Ga終端面上のn型電極はショットキー特性を示し、障壁層の存在を示唆していた。
【0066】
一方、Si通常ドープ層のN終端面にn型電極(図1(a)の101)を形成した場合も、Si高ドープ層のN終端面にn型電極(図11(a)の1001)を形成した場合も、良好なオーミック特性が得られ、双方とも優れた電極特性を示す。一方、n型電極101の接触比抵抗は3×10-6Ω・cm2程度であり、n型電極1001の場合は、9×10-7Ω・cm2であった。したがって、Si高ドープ層のN終端面にn型電極を形成した方が接触比抵抗が小さくなるため好ましい。
【0067】
また、MOCVD法によって形成されるアンドープGaN膜の代わりに不純物濃度8×1018cm-3程度のSi高ドープ層を形成し、該Si高ドープ層上に不純物濃度2×1018cm-3のGaN膜を形成した。その後、GaNのN終端面が得られるまで研磨を行い、高SiドープGaN層のN終端面にn型電極を作製した。このようなプロセスを使用して得られたレーザー素子も、発振の閾値電圧が約5V、閾値電流密度が1.1kA/cm2であった。転位等の欠陥が比較的多い高ドープ領域でも、特性の良好な電極が形成されていると考えられる。
【0068】
実施例4
膜厚方向に不純物ドーピング量を変化させたGaN基板を用い、レーザを作製した。図13(a)、図14(a)、図15(a)、図16(a)、図17(a)、図18(a)は、それぞれ、本実施例で使用した不純物濃度を変化させたGaN基板の断面図であり、図13(b)、図14(b)、図15(b)、図16(b)、図17(b)、図18(b)は、各GaN基板の厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す。
【0069】
図13(a)の番号1302は、GaN基板(そこにおいて、素子成長方向(厚み方向)に、不純物濃度が減少する)を表し、番号1302AはN終端面表す。n電極(図示省略)はN終端面に接する。基板1302中の不純物濃度は、図13(b)に示すように、N終端面から、レーザのためのエピタキシャル成長面にむかって、直線的に減少している。
【0070】
図14(a)および(b)に示すように、GaN基板1402は、不純物濃度が最も高く一定である第1GaN層1402a、素子成長方向(厚み方向)に不純物濃度が直線的に減少する第2GaN層1402b、および不純物濃度が最も低く一定である第3GaN層1402cを有する。N終端面1402Aはn型電極(図示省略)と接する。
【0071】
図15(a)および(b)に示すように、GaN基板1502は、最も高い不純物濃度から厚み方向に直線的に不純物濃度が減少する第1GaN層1502a、不純物濃度一定の第2GaN層1502b、および厚み方向に不純物濃度が最小まで直線的に減少する第三GaN層1502cを有する。n型電極(図示省略)はN終端面1502Aと接する。
【0072】
図16(a)および(b)に示すように、GaN基板1602は、不純物濃度が最も高く一定である第1GaN層1602a、不純物濃度が厚み方向に減少する第2GaN層1602b、および不純物濃度が最も低く一定である第3GaN層1602cを有する。n電極(図示省略)はN終端面1602Aに接する。
【0073】
図17(a)および(b)に示すように、GaN基板1702において、不純物濃度は、厚み方向に減少する。n型電極(図示省略)は、N終端面1702Aと接する。
【0074】
図18(a)および(b)に示すように、GaN基板1802において、不純物濃度は、厚み方向に減少する。n型電極(図示省略)はN終端面1802Aに接する。
【0075】
図13(b)、図14(b)、図15(b)、図16(b)、図17(b)および図18(b)に示すような濃度分布をそれぞれ有するGaN基板を用いて、実施例1と同様にレーザ素子を作製した。その結果、良好な特性のレーザが得られ、それらの特性は、図7に示すようにn型電極近傍の不純物濃度に大きく依存した。本実施例においても、表面に現れる終端原子の60%以上がN原子であるN終端面にn型電極を形成することにより、良好なレーザ特性が得られた。
【0076】
実施例5
本実施例では、GaN基板中に不純物濃度の異なる複数の領域を設けた。
【0077】
まず、図19(a)に示すようなGaN基板を使用した。基板1902は、図19(b)に示すような不純物濃度プロファイルを有する。N終端面1902Aを有するGaN基板1902は、厚さ5μm程度のSi高ドープ層1902a(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)、Siドープ層1902b(Si不純物濃度:4.2×1018cm-3、Si高ドープ層1902c(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)、Siドープ層1902d(Si不純物濃度:4.2×1018cm-3)、およびSi高ドープ層1902e(Si不純物濃度:8.0×1018cm-3)から構成される。
【0078】
GaN基板の調製にあたっては、H−VPE法により、n型電極と接触すべきN終端面側(Si高ドープ層1902a)とGa終端面側(Si高ドープ層1902e)の少なくとも2箇所に高不純物領域を設けた。GaN基板の各層においてSi濃度は一定にした。実施例3と同様の方法で、Ga終端面上にエピタキシャル成長を行い、n型GaN層、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、n型GaN光ガイド層、多重量子井戸の発光層、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、p型光ガイド層、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、p型GaNコンタクト層、およびp型電極を形成し、N終端面上にn型電極を形成し、半導体装置を得た。得られたレーザは、閾値電圧が約5V、閾値電流密度が約1kA/cm2で発振し、長寿命の特性を示した。
【0079】
作製したGaN基板のN終端面とGa終端面にTi/Alのn型電極を形成し、特性を調べた。その結果、N終端面上のn型電極は、良好なオーミック特性を示す一方、Ga終端面上では、ショットキー特性を示し、障壁層の存在を示していた。
【0080】
さらに、図20(a)、図21(a)、および図22(a)に示すGaN基板をそれぞれ使用して、半導体レーザを作製した。図20(b)、図21(b)、図22(b)は、それぞれ使用したGaN基板の厚み方向における不純物濃度プロファイルを示す。
【0081】
図20(a)に示すGaN基板2002は、不純物濃度一定の第1GaN層2002a、第1GaN層2002aより低くかつ一定の不純物濃度を有する第2GaN層2002b、第2GaN層2002bより高くかつ一定の不純物濃度を有する第3GaN層2002c、第3GaN層2002cより低くかつ一定の不純物濃度を有する第4GaN層2002d、および第4GaN層2002dより高くかつ一定の不純物濃度を有する第5GaN層2002eから構成される。第1GaN層2002aはN終端面2002Aを形成する。不純物濃度の大小関係は、式(1)に示す通りである。
【0082】
第5GaN層2002e>第1GaN層2002a>第3GaN層2002c>第2GaN層2002b=第4GaN層2002d (式1)
図21(a)に示すGaN基板2102は、不純物濃度一定の第1GaN層2102a、不純物濃度一定の第2GaN層2102b、不純物濃度一定の第3GaN層2102c、不純物濃度一定の第4GaN層2102d、および不純物濃度一定の第5GaN層2102eから構成される。第1GaN層2102aはN終端面2102Aを形成する。不純物濃度の大小関係は、(式2)に示す通りである。
【0083】
第5GaN層2102e>第1GaN層2102a>第2GaN層2002b=第4GaN層2002d>第3GaN層2002c (式2)
図22(a)に示すGaN基板2202は、不純物濃度一定の第1GaN層2202a、素子成長方向(厚み方向)に不純物濃度が増加する第2GaN層2202b、不純物濃度一定の第3GaN層2202c、素子成長方向(厚み方向)に不純物濃度が増加する第4GaN層2202d、および不純物濃度一定の第5GaN層2202eから構成される。第1GaN層2202aはN終端面2202Aを形成する。不純物濃度の大小関係は、(式3)に示す通りである。
【0084】
第1GaN層2202a>第3GaN層2202c>第5GaN層2202 e (式3)
図20(b)、図21(b)、および図22(b)に示す不純物濃度分布をそれぞれ有するGaN基板を用いて、実施例1と同様にレーザ素子を作製した。得られたレーザ素子は良好な特性を示した。本実施例に使用した基板はSi高ドープ層を3層含んでいるが、基板の両端面にSi高ドープ層を有していれば、本実施例とほぼ同様な効果を奏することができる。したがって、Si高ドープ層が2層でも、4層以上であっても構わない。GaN基板において、n型電極と接触すべきN終端面を形成する部分は、他の部分より高いn型不純物濃度を有していることが好ましいが、最も高い不純物濃度を有している必要はない。好ましい特性を得るため、N終端面を形成する部分より低い不純物濃度を有する部分が基板中に少なくとも1つあればよい。適当に高い不純物濃度を有するN終端面上にn型電極を形成することにより好ましい特性を有するレーザ素子が得られる。
【0085】
実施例6
本実施例では、n型伝導特性を示すGaN基板を成長させる際、GaN基板のN終端面を形成する部分の不純物としてGeを使用した。
【0086】
まず、実施例1と同様に、H−VPE法によりGaN厚膜の成長を始めると同時に、SiH4とゲルマニウム(Ge)を所定量導入し、合計350μmの厚みの所定の不純物濃度分布を有するn型GaN厚膜を作製した。成長後、研磨によりサファイア基板、MOCVD法によるアンドープGaN膜、SiO2膜を除去し、N終端面が出るまで研磨してGaN基板を得た。該基板を用いて、実施例1と同様に、Ga終端面側にレーザ構造およびp電極を形成し、N終端面上にn型電極を形成して、レーザを得た。得られたレーザは室温で連続発振した。また、その閾値電圧および閾値電流密度は、それぞれ6V程度、1.8kA/cm2程度であった。
【0087】
比較例3
実施例6と同様にH−VPE法によりGaN厚膜を成長させた。GaN厚膜の成長中、SiH4とゲルマニウム(Ge)を所定量導入し、合計350μmの厚みの所定の不純物濃度分布を有するn型GaN厚膜を作製した。厚膜形成において、Ga終端面側にSiおよびGeの高ドープ層を作り込んだ。実施例6と同様に研磨を行いGaN基板を得た。得られたGaN基板のGa終端面にn型電極を作製し、GaN基板のN終端面に素子構造をエピタキシャル成長させてレーザを得た。得られたレーザ構造物は、室温で連続発振しなかった。これは、比較例1と同様に、障壁層が存在することにより、電極がショットキー特性を有するためであると考えられた。
【0088】
実施例7
実施例3のように不純物濃度を変化させた。H−VPE法によりGaN厚膜の成長を開始するとともに、SiH4を所定量導入し、さらに成長開始から3分間、Geを導入した。こうして、SiおよびGeを含む不純物濃度の高い第1領域を形成した後、Geの供給を停止し、SiH4のみを所定量導入して第1領域より不純物濃度の低い第2領域を形成した。合計350μm厚みの所定の不純物濃度分布を有するn型GaN厚膜を作製した。その後、研磨により得られたGaN基板をMOCVD装置に導入し、実施例3と同様に、Ga終端面側にエピタキシャル成長を行い、N終端面にn型電極を形成して、レーザ素子を作製した。GaN基板の第1領域と第2領域の不純物濃度の関係は、第1領域>第2領域である。
【0089】
このようにして得られたレーザ素子の閾値電圧および閾値電流密度は、それぞれ5V程度、1.0kA/cm2程度という低い値であった。このようにn型不純物としてSiだけでなくGeも使用できることがわかる。また、Oもn型不純物として利用でき、実際効果を確認している。具体的には、H−VPE法において、HClガスに含まれるO量を調整したり、GaN成長中に酸素ガスを流して膜中にOを導入することができる。
【0090】
実施例8
本実施例では、GaN成長面を分子線エピタキシー(MBE)法によりN終端面に変え、その上にn型電極を形成した。本実施例によるレーザ素子の構造を図24に示す。GaN基板2402の一方の主面2402A上にp型電極2401が形成されている。p型電極2401と接する主面2402AはGa終端面である。GaN基板2402の他方の主面上には、p型GaN層2403、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層2404、p型GaN光ガイド層2405、多重量子井戸の発光層2406、n型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層2407、n型GaN光ガイド層2408、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層2409、n型GaNコンタクト層2410、およびn型電極2411が順に形成されている。GaN系半導体層の最上層であるn型GaNコンタクト層2410は、N終端面2410Aを有しており、その上にn型電極2411が形成されている。以下、この半導体レーザの製造プロセスについて説明する。
【0091】
まず、実施例1と同様に、洗浄した(0001)面を有するサファイア基板上に、MOCVD法により3μmの厚さのアンドープGaN膜を成長させ、その上にストライプ状の成長抑制膜を形成する。次いで、ストライプ状の成長抑制膜で部分的に覆われたアンドープGaN下地膜を有するサファイア基板を、H−VPE装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5L/min流しながら、基板の温度を約1050℃まで昇温させる。その後、基板上にGaClを100cc/min導入してGaN厚膜の成長を開始する。GaClは850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。GaNの成長を開始すると同時に、Cp2Mgを90nmol/min供給して、MgドープGaN層(Mg不純物濃度:9.5×1018cm-3)を成長させ、計3時間の成長で350μmのGaN厚膜を得る。このような成長条件でつくったGaNの最表面はGa終端面である。
【0092】
成長後、研磨によりサファイア基板、MOCVD法によるアンドープGaN膜、SiO2膜を除去し、N終端面が出るまで研磨して、GaN基板を得る。得られた基板上に、以下のとおり、MOCVD法によって発光素子構造を成長させる。まず、基板をMOCVD装置内に導入し、N2とNH3をそれぞれ5L/min流しながら1050℃まで昇温する。温度が上がればキャリアガスをN2からH2に代えて、TMGを100μmol/min、Cp2Mgを10nmol/min導入して、p型GaN層を4μm成長させる。その後、TMGの流量を50μmol/minに調整し、TMAを40μmol/min導入して、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層を0.5μmの厚さで成長させる。Al0.1Ga0.9Nの成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGを100μmol/minに調整して、p型GaN光ガイド層を0.1μmの厚さになるように成長させる。その後、TMG、Cp2Mgの供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に再び代えて、700℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム(TMI)を10μmol/min、TMGを15μmol/min導入し、In0.05Ga0.95Nよりなる4nm厚の障壁層を成長させる。その後、TMIの供給量を50μmol/minに増加し、In0.2Ga0.8Nよりなる2nm厚の井戸層を成長させる。井戸層は合計3層、同様の手法で成長させ、井戸層と井戸層との間および両側に合計4層の障壁層が存在するような多重量子井戸(MQW)の発光層を成長させる。MQWの成長が終了すると、TMIおよびTMGの供給を停止して、再び1050℃まで昇温し、キャリアガスを再びN2からH2に代えて、TMGを50μmol/min、TMAを30μmol/min、n型ドーピング原料であるSiH4を3nmol/min流し、20nm厚のn型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層を成長させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGの供給量を100μmol/minに調整して、0.1μmの厚さのn型GaN光ガイド層を成長させる。その後、TMGの供給を50μmol/minに調整し、TMAを40μmol/min導入し、0.4μm厚のn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層を成長させ、最後に、TMGの供給を100μmol/minに調整して、TMAの供給を停止し、0.1μm厚のn型GaNコンタクト層110の成長を行い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、TMGおよびSiH4の供給を停止して降温し、室温で基板をMOCVD装置より取り出す。
【0093】
次に、GaN基板をMBE装置に導入し、基板の温度を600℃まで上げる。N源となる高周波(RF)励起N2プラズマの出力を350W、流量を3cc/minとし、<11−20>方向のRHEEDパターンがストリーク状になるように、Gaセル温度(910℃前後)、およびSiセル温度を調整する。そして、N/Ga比を大きくし、Nリッチ条件でGaNの成長を行い、N終端面を有するSiドープGaN層を成長させる。RHEED観察により、300℃以上で1×1パターンを示し、それが、250℃前後で3×3パターン、200℃で6×6パターンに変化すれば、成長面はN終端面であると判断できる。その後、得られたN終端面上にn型電極を形成する。また、N終端面が出るまで研磨したGaN基板の下地面をさらに研磨して、Ga終端面を露出させる。得られた新しい下地面上にp型電極を形成する。
【0094】
このようにして得られたレーザ素子は、4.8Vの発振閾値電圧を有した。かくして、基板以外でも、本発明によりGaN層のN終端面上にn型電極を形成すれば、良好な特性を有する電極を形成できることがわかった。本実施例においても、表面に現れる終端原子の60%以上がN原子であるN終端面にn型電極を形成することによる効果が現れている。
【0095】
代わりに、H−VPE法、MOCVD法、あるいはMBE法により、基板の窒化、バッファ層のアニール等の操作を行って、極性を制御することもできる。この場合も、上述と同様にN終端面上に形成したn電極の接触比抵抗を小さくすることができる。
【0096】
図25は、本発明に使用する基板中の好ましい不純物濃度を示している。本発明において、基板中の好ましい不純物濃度は、第1領域内(1×1017cm-3以上1×1021cm-3以下)である。この範囲で、低い接触比抵抗、低い閾値電圧および低い閾値電流密度を得ることができる。第2領域は、より好ましい不純物濃度範囲(1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下)である。第1領域よりも第2領域の方が好ましい理由は、図8に示す不純物濃度と閾値電流密度の関係を参照すると理解できる。図8をみると、第1領域の不純物濃度1×1021cm-3以下で確かに閾値電流密度が低減しているものの、第2領域の不純物濃度すなわち1×1019cm-3以下であればさらに閾値電流密度が低くなっている。図25に示す第I領域と第II領域は、第1領域を2分割して得られる不純物濃度範囲である。第I領域は3×1018cm-3以上1×1021cm-3以下、第II領域は1×1017cm-3以上3×1018cm-3以下の不純物濃度範囲である。本発明において、窒化物半導体基板は、平均不純物濃度が第I領域にある第1の部分と平均不純物濃度が第II領域にある第2の部分とからなることが好ましい。第1の部分はN終端面を形成することが好ましく、n型電極は、第1の部分のN終端面上に形成されることが好ましい。また、第2の部分上に半導体素子たとえば発光素子のためのエピタキシャル層を形成することが好ましい。以下、窒化物基板を不純物濃度の異なる第1の部分と第2の部分とに分ける理由および意義について説明する。
【0097】
図10に示す不純物濃度と接触比抵抗との関係を参照すると、不純物濃度が1×1017cm-3のとき接触比抵抗が1×10-5Ω・cm2となり、さらに不純物濃度が3×1018cm-3以上になると接触比抵抗が約5×10-7〜1×10-6Ω・cm2まで低くなっている。ところが、図7に示す不純物濃度と閾値電圧との関係を参照すると、不純物濃度が1×1017cm-3以上では閾値電圧に変化が見られず、不純物濃度が1×1017cm-3でも3×1018cm-3でも閾値電圧はほとんど同じであった。つまり、図10で見られた接触比抵抗の低減効果が、図7の閾値電圧には反映されなかったと考えられる。不純物がn型電極と窒化物半導体基板(N終端面)との間に中間生成物を形成し低接触比抵抗を得るために、不純物濃度を3×1018cm-3以上にすることが好ましい(図10)。一方、窒化物半導体基板全体において高濃度の不純物(3×1018cm-3以上)を添加すると結晶性悪化に伴う電気抵抗の増大が生じ、その結果、図10に示す低接触比抵抗の効果が低閾値電圧に反映されなくなると考えられる。さらに、3×1018cm-3以上で不純物を窒化物半導体基板に添加すると、図8に示す不純物濃度と閾値電流密度の関係から、不純物濃度が5×1018cm-3までは閾値電流密度は約1kA/cm2であるが、不純物濃度が1×1019cm-3以上になると閾値電流値が増大し始めることがわかる(図9の不純物濃度と表面粗さとの関係についても同じである)。このように不純物濃度を高くしていけば接触比抵抗は低くなるが、閾値電流は逆に増大するようになる。
【0098】
本発明者らは、このジレンマを、窒化物半導体基板を異なる不純物濃度を有する2以上の層で構成することにより、解決できることを見出した。具体的には、n型窒化物基板を、n型電極と接すべきN終端面を有する第1の層と、その上に素子構造を形成すべき第2の層とから構成し、第2の層の平均不純物濃度を第1の層の平均不純物濃度より低くする。さらに、第1の層の平均不純物濃度は3×1018cm-3以上とすることができる。第1の層の平均不純物濃度の範囲については特に制約は無いが、図8の結果から推測すると、3×1018cm-3〜1×1021cm-3が好ましく、3×1018cm-3〜1×1019cm-3がより好ましい。第2の層の平均不純物濃度は3×1018cm-3以下とすることができる。第2の層の平均不純物濃度の範囲についても特に制約は無いが、図7および図8の結果から推測すると、1×1017cm-3〜3×1018cm-3が好ましい。ここで、平均不純物濃度は、ある層に添加された不純物濃度の総和をその層厚で割った値として定義される。好ましくは、窒化物半導体基板において、第2の層は、第1の層以外の部分である。
【0099】
上記第1の層の厚さは、0.05μm以上50μm以下とすることができ、好ましくは0.05μm以上10μm以下である。第1の層の厚さが、0.05μmよりも薄いと不純物を添加したことによる中間生成物が十分に形成されず、接触比抵抗が高くなり得る。一方、第1の層の厚さが50μmよりも厚くなると、不純物が添加された事による表面粗さが大きくなり(図9参照)、このことが光導波路による損失を大きくして閾値電流密度の増大を促し得る(図8参照)。第1の層の厚さを50μm以下好ましくは10μm以下にすることによって、閾値電流密度の値を、図8で示される値よりも小さくすることができる。
【0100】
本発明において、n型不純物には、Si、O、Cl、S,Se、またはTeを好ましく使用できる。特にSi、OまたはClを用いると、n型窒化物半導体基板を容易に得ることができる。上記不純物のうち複数種が、窒化物半導体基板に同時に添加されても構わない。添加した全不純物の平均不純物濃度は、第1の層において3×1018cm-3以上1×1021cm-3以下、好ましくは3×1018cm-3以上1×1019cm-3以下、第2の層において1×1017cm-3以上3×1018cm-3以下とすることができる。以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【0101】
実施例9
図26に示すように、本実施例による窒化物半導体発光素子(レーザダイオード素子)は、n型電極3001、窒化物半導体基板(例えばGaN基板)3002、n型GaN層3003、n型Al0.1Ga0.9Nクラツド層3004、n型GaN光ガイド層3005、多重量子井戸の発光層3006、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層3007、p型GaN光ガイド層3008、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層3009、p型GaNコンタクト層3010、およびp型電極3011から構成される。基板3002は、高ドープGaN層3002a(その平均不純物濃度範囲は図25に示す第I領域にある)および低ドープGaN層3002b(その平均不純物濃度範囲は図25に示す第II領域にある)からなる。n型電極3001は、基板3002のN終端面3002A上に形成されている。平均不純物濃度は、当該層に添加された不純物濃度の総和をその層厚で割った値である。
【0102】
本実施例の特徴は、窒化物半導体基板3002を構成している高ドープGaN層3002aと低ドープGaN層3002bの平均不純物濃度が、それぞれ図25に示す第I領域と第II領域に属していること、n型電極が高ドープGaN層3002aのN終端面3002Aに接していること、および発光素子構造が低ドープGaN層3002bに接していることである。
【0103】
3×1018cm-3以上の平均不純物濃度を有する高ドープGaN層3002aは、十分な中間生成物を形成することができ、その結果、高ドープGaN層3002aとn型電極3001との間の接触比抵抗は小さくなる。一方、3×1018cm-3以下の平均不純物濃度を有する低ドープGaN層3002b上に発光素子構造を形成することにより、低い閾値電流密度と低い閾値電圧をもたらすことができる。
【0104】
本実施例によるレーザ素子は、実施例1〜8の閾値(例えば、閾値電圧5V、閾値電流密度1.2kA/cm2)よりもさらに低い閾値電流密度(0.8kA/cm2)および低い閾値電圧(4.4V)をもたらした。
【0105】
実施例10
本実施例は、窒素化合物半導体基板が、異なる不純物濃度を有する4つの領域から構成されていること以外は実施例9と同様である。図27は,窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示している。これら4つの領域をn型電極を形成する面側から順に、A領域、B領域、C領域およびD領域と呼ぶ。n型電極(図示省略)は、A領域に接する。n型電極と接するA領域の面は、N終端面である。ここで、A領域とB領域の平均不純物濃度は図25に示す第I領域にあり、C領域とD領域の平均不純物濃度は、図25に示す第II領域にある。
【0106】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例9と同様の効果をもたらした。
【0107】
実施例11
本実施例は、不純物濃度が厚み方向において連続的に変化している窒素化合物半導体基板を使用した以外は、実施例9と同様である。図28は、窒素化合物半導体基板中で連続的に変化する不純物濃度分布を示している。図28に示される連続的な不純物濃度のプロファイルは2つの領域に分割することができる。これらの領域は、n型電極を形成する面側から順に、A領域、B領域と呼ぶ。A領域に接するようにn型電極は形成される。n型電極と接するA領域の面は、N終端面である。A領域の平均不純物濃度は、図25に示す第I領域にあり、B領域の平均不純物濃度は、図25に示す第II領域にある。
【0108】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例9と同様の効果をもたらした。
【0109】
実施例12
本実施例は、窒素化合物半導体基板が、図29に示すように異なる不純物濃度を有する5つの領域から構成されていること以外は、実施例9と同様である。図29は、使用した窒素化合物半導体基板における不純物濃度分布を示している。これらの不純物濃度の領域を、n型電極を形成する面側から、A領域、B領域、C領域、D領域およびE領域と呼ぶ。A領域のN終端面に接するようにn型電極(図示省略)が形成される。A領域、B領域およびD領域の不純物濃度は、図25に示す第I領域に該当する。C領域およびE領域の不純物濃度は、図25に示す第II領域に該当する。
【0110】
A領域とB領域の膜厚の総和は50μmである。また、A領域およびB領域の平均不純物濃度は、図25に示す第I領域にはいる。かくして、A領域とB領域を合わせた部分は、接触比抵抗を低減する効果をもたらす。一方、C領域(層厚30μm、不純物濃度2×1018cm-3)、D領域(層厚20μm、不純物濃度5×1018cm-3)およびE領域(層厚60μm、不純物濃度1×1018cm-3)を合わせた部分の平均不純物濃度は、各領域の不純物濃度とそれらの層厚の合計とから2×1018cm-3と見積もることができる。この値は、図25に示す第II領域に属する。かくして、C領域、D領域およびE領域を合わせた部分は、閾値電圧と閾値電流密度を低減させる効果をもたらす。
【0111】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例9と同様の効果をもたらした。
【0112】
上述したように、窒化物半導体基板の、n型電極に接する第1の領域と、素子構造に接する第2の領域とにおいて、それぞれ不純物濃度は変化していてもよい。また、第1の領域の平均不純物濃度が3×1018cm-3以上であれば、第1の領域の中で3×1018cm-3より低い不純物濃度を有する部分が存在してもよい。さらに、第2の領域の平均不純物濃度が3×1018cm-3以下であれば、第2の領域の中で3×1018cm-3より高い不純物濃度を有する部分が存在してもよい。異なる不純物濃度を有する複数の部分を合わせた領域に関し、総膜厚が50μm以下であり、かつ平均不純物濃度が図25に示す第I領域に属する領域は、接触比抵抗を効果的に低減することができる。一方、異なる不純物濃度を有する複数の部分を合わせた領域に関し、平均不純物濃度が図25に示す第II領域に属する領域は、閾値電圧および閾値電流密度を効果的に低減することができる。
【0113】
以上の実施例1〜実施例12により、半導体レーザダイオード素子について説明したが、発光ダイオード素子についても本発明を適用することができる。本発明を発光ダイオード素子に適用した場合、低い接触比抵抗、低い動作電圧、表面粗さの低減に伴う発光色の色むらの防止、または発光強度の向上を効果的にもたらすことができる。
【0114】
【発明の効果】
以上に示すように、本発明によれば、閾値電圧および閾値電流密度が低く、かつ長寿命の窒化物半導体素子、特にGaN系化合物半導体発光素子を歩留まり良く供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)および(b)は、実施例1において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図2】 (a)および(b)は、比較例1において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図3】 GaN基板のN終端面またはGa終端面に蒸著されたn型電極のパターンを示す平面図である。
【図4】 GaN基板のN終端面に蒸著されたn型電極の電流−電圧特性を示す図である。
【図5】 GaN基板のGa終端面に蒸著されたn型電極の電流−電圧特性を示す図である。
【図6】 GaN厚膜を成長させる際のSiH4供給量と、形成される膜中に含まれる不純物濃度との関係を示す図である。
【図7】 GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板を使用したレーザの閾値電圧との関係を示す図である。
【図8】 GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板を使用したレーザの閾値電流密度との関係を示す図である。
【図9】 GaN基板中の不純物濃度と、該GaN基板の表面粗さとの関係を示す図である。
【図10】 GaN基板中の不純物濃度と、n型電極の接触比抵抗との関係を示す図である。
【図11】 (a)および(b)は、実施例3において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図12】 (a)および(b)は、比較例2において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図13】 (a)および(b)は、実施例4で使用したGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図14】 実施例4で使用したもう一つのGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図15】 実施例4で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図16】 実施例4で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図17】 実施例4で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図18】 実施例4で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図19】 実施例5で使用したGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図20】 実施例5で使用したもう一つのGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図21】 実施例5で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図22】 実施例5で使用した他のGaN基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図23】 種基板の(0001)面上に成長したGaNのGa終端面とN終端面の関係を示す模式図である。
【図24】 実施例8において作製されたレーザ素子の概略断面図である。
【図25】 本発明に使用される基板中の不純物濃度範囲について説明するための図である。
【図26】 実施例9の窒素化合物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図27】 実施例10で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【図28】 実施例11で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【図29】 実施例12で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
101 n型電極、102 GaN基板、102A N終端面、103 n型GaN層、104 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、105 n型GaN光ガイド層、106 多重量子井戸の発光層、107 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、108 p型GaN光ガイド層、109 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、110 p型GaNコンタクト層、111 p型電極、201 n型電極、202 GaN基板、202A Ga終端面、203 n型GaN層、204 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、205 n型GaN光ガイド層、206 多重量子井戸の発光層、207 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、208 p型GaN光ガイド層、209 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、210 p型GaNコンタクト層、211 p型電極、301 n型電極、302 GaN基板、1001 n型電極、1002 GaN基板、1002A N終端面、1002a Si高ドープGaN層、1002b SiドープGaN層、1003 n型GaN層、1004 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、1005 n型GaN光ガイド層、1006 多重量子井戸の発光層、1007 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、1008 p型GaN光ガイド層、1009 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、1010 p型GaNコンタクト層、1011 p型電極、1101 n型電極、1102 GaN基板、1102A N終端面、1102a SiドープGaN層、1102b Si高ドープGaN層、1103 n型GaN層、1104 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、1105 n型GaN光ガイド層、1106 多重量子井戸の発光層、1107 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、1108 p型GaN光ガイド層、1109 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、1110 p型GaNコンタクト層、1111 p型電極、1302 厚み方向に不純物濃度が減少するGaN基板、1302A N終端面、1402 GaN基板、1402A N終端面、1402a 不純物濃度一定のGaN層、1402b 厚み方向に不純物濃度が減少するGaN層、1402c 不純物濃度一定のGaN層、1502 GaN基板、1502A N終端面、1502a 厚み方向に不純物濃度が減少するGaN層、1502b 不純物濃度一定のGaN層、1502c 厚み方向に不純物濃度が減少するGaN層、1602 GaN基板、1602A N終端面、1602a 不純物濃度一定のGaN層、1602b 厚み方向に不純物濃度が減少するGaN層、1602c 不純物濃度一定のGaN層、1702 GaN基板、1702A N終端面、1802 GaN基板、1802A N終端面、1902 GaN基板、1902A N終端面、1902a Si高ドープGaN層、1902b SiドープGaN層、1902c Si高ドープGaN層、1902d SiドープGaN層、1902e Si高ドープGaN層、2002 GaN基板、2002A N終端面、2002a,2002b,2002c,2002d,2002e 不純物濃度一定のGaN層、2102 GaN基板、2102A N終端面、2102a,2102b,2102c,2102d,2102e 不純物濃度一定のGaN層、2202 GaN基板、2202A N終端面、2202a 不純物濃度一定のGaN層、2202b 不純物濃度ドープGaN層、2202c 不純物濃度一定のGaN層、2202d 不純物ドープGaN層、2202e 不純物濃度一定のGaN層、2301 種基板、2302 バッファ層、2303 GaN基板、2303a Ga終端面、2303b N終端面、2304 Ga原子、2305 N原子、2401 p型電極、2402 GaN基板、2402A 主面、2403 p型GaN層、2404 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、2405 p型GaN光ガイド層、2406 多重量子井戸の発光層、2407 n型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、2408 n型GaN光ガイド層、2409 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、2410 n型GaNコンタクト層、2410A N終端面、2411n型電極、3001 n型電極、3002 窒化物半導体基板(例えばGaN基板)、3003 n型GaN層、3004 n型Al0.1Ga0.9Nクラツド層、3005 n型GaN光ガイド層、3006 多重量子井戸の発光層、3007 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、3008 p型GaN光ガイド層、3009 p型Al0.1Ga0.9Nクラツド層、3010 p型GaNコンタクト層、3011 p型電極、3002A N終端面、3002a 高ドープGaN層、3002b 低ドープGaN層。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device manufactured on a III-N compound semiconductor substrate, particularly a GaN compound semiconductor substrate, and more particularly to a light emitting element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, GaN-based compound semiconductors have been used or studied as light-emitting elements or high-power devices using their characteristics. For example, when a light-emitting element is manufactured, it can be technically used as a light-emitting element having a wide range from purple to orange by adjusting the composition of the light-emitting element.
[0003]
In recent years, blue light emitting diodes and green light emitting diodes have been put to practical use by utilizing the characteristics, and blue-violet semiconductor lasers have been developed as semiconductor laser elements.
[0004]
When manufacturing a GaN-based compound semiconductor film, a substrate made of sapphire, SiC, spinel, Si, GaAs, or the like is used as the substrate. For example, when sapphire is used as a substrate, a GaN or ALN buffer layer is formed in advance at a low temperature of about 550 ° C. before epitaxial growth of the GaN film, and then the substrate is heated to a high temperature of about 1050 ° C. It is known that when a GaN-based compound semiconductor film is epitaxially grown, a crystal having a good surface state and a good structural and electrical property can be obtained.
[0005]
In addition, when using SiC as a substrate, it is known that a thin AlN film should be used as a buffer layer at a growth temperature for epitaxial growth. However, if a substrate other than a GaN compound semiconductor is used, a large number of defects are produced in the manufactured GaN compound semiconductor due to differences in thermal expansion coefficient and lattice constant between the GaN compound semiconductor film to be grown and the substrate. Will occur. The defects are classified into edge dislocations and screw dislocations, and the total density is about 1 × 10. 9 cm -2 ~ 1x10 Ten cm -2 It also becomes a degree. These defects are known to trap carriers and impair the electrical properties of the prepared film. In addition, it is known to reduce the lifetime of lasers that carry large currents. Yes.
[0006]
For this reason, studies have been made to reduce these defects and to improve the electrical characteristics of the semiconductor to be prepared. For example, in order to suppress the increase of defects such as dislocations on a GaN film grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like, 2 A technology has been developed for growing a GaN thick film by a hydride vapor phase epitaxy (H-VPE) method using a mask of tungsten or the like, and using the obtained thick film as a substrate to produce a light emitting device thereon. ing.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the characteristics of the n-type electrode on such a GaN substrate were not clear. The present inventors have clarified that when an n-type electrode such as Ti / Al is formed on the Ga termination surface of a GaN substrate, the electrode has a strong tendency to exhibit Schottky characteristics. The present inventors considered that carbon (C) or the like is easily bonded to Ga dangling bonds on the Ga termination surface. When an n-type electrode such as Ti / Al is formed on the Ga termination surface in the presence of C, a barrier layer is formed and the electrode can exhibit Schottky characteristics. On the other hand, a film of Ni, Pd or the like that is a p-type electrode can take in carbon (C) or the like and reduce the barrier layer. This was considered to be one of the reasons why the ohmic characteristics are relatively easily obtained for the p-type electrode.
[0008]
In order to obtain an n-type electrode such as ohmic Ti / Al on the Ga termination surface of the GaN substrate, the substrate surface is cleaned with hydrochloric acid or the like, or heat treatment for alloy formation is performed after the electrode is formed. And an intermediate product of Ti in contact therewith, it was necessary to include a step of reducing the barrier layer. However, even if such a process was introduced, the contact specific resistance with the n-type electrode was high.
[0009]
One object of the present invention is to provide a technique for obtaining ohmic characteristics by forming an n-type electrode on a semiconductor device structure using a nitride semiconductor substrate, for example, a GaN substrate, without performing the above-described surface treatment or heat treatment step. There is.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device, particularly a light emitting element, having a low contact specific resistance of an n-type electrode.
[0011]
A further object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device, particularly a light emitting element, having a low threshold voltage or a low threshold current density.
[0012]
The present inventors have found that ohmic characteristics can be easily obtained if an n-type electrode is formed on the N termination surface of a nitride semiconductor. Furthermore, the inventor has clarified the relationship between the impurity concentration added to the nitride semiconductor substrate and the contact specific resistance of the n-electrode. Further, the present inventors have made a relation between the impurity concentration added to the nitride semiconductor substrate and the threshold voltage and the relationship between the impurity concentration added to the nitride semiconductor substrate and the threshold current density for the light-emitting element, particularly the laser diode element. And an appropriate impurity concentration that provides a low contact specific resistance, a low threshold voltage, or a low threshold current density. The present invention is based on the above findings.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a III-N compound semiconductor device is provided, and the device has an electrode on the nitrogen termination surface of the III-N compound semiconductor substrate. Specifically, a semiconductor device according to the present invention includes a III-N compound semiconductor substrate, a plurality of III-N compound semiconductor layers formed on the semiconductor substrate, and a plurality of semiconductor layers formed on the semiconductor substrate. N-type electrode and p-type electrode for applying a voltage to the semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is n-type, and the n-type electrode is formed on a nitrogen termination surface of the semiconductor substrate.
[0014]
FIG. 23 shows a Ga termination surface and an N termination surface of GaN grown on the (0001) plane of the seed substrate. In the figure, 2301 is a seed substrate, 2302 is a buffer layer, 2303a is a Ga termination surface, 2303b is an N termination surface, white circle 2304 is Ga atom, and black circle 2305 is N atom. As shown in the figure, N atoms 2305 preferentially protrude from the N termination surface 2303b, while Ga atoms 2304 preferentially protrude from the Ga termination surface 2303a.
[0015]
Here, the N termination plane and the Ga termination plane with respect to the (0001) plane of the GaN crystal can be defined as follows. When the crystal having an exposed N terminal surface is immersed in a 1.8 M NaOH solution at room temperature for 3 minutes, the surface state easily changes and hillocks of about 50 nm in size disappear. Further, when an atomic force microscope (AFM) is used, it can be seen that the surface is rough after etching by observing the 5 μm region. A surface in which 60% or more of surface atoms are terminated with N atoms has this property, and in this specification, a surface having such a property is referred to as an N-terminated surface. On the other hand, the surface condition of the Ga termination surface is hardly changed by the same processing method, and even when AFM is used, almost no surface change is observed after etching in the observation of the 5 μm region (for example, Appl. Phys. Lett. 71 , 2635 (1997)). A surface in which 60% or more of surface atoms are terminated with Ga atoms has this property. In this specification, a surface having such a property is referred to as a Ga-terminated surface. Therefore, with respect to III-N compound semiconductors, a surface having 60% or more of the terminal atoms exposed on the surface being N atoms and having the property of being easily roughened by a predetermined etching can be called an N terminal surface. A surface having a property that 60% or more of the terminal atoms exposed to the group III group atoms are difficult to change by a predetermined etching can be called a group III atom terminal surface.
[0016]
In addition to etching, differences in polarity (differences in terminal atoms) can be achieved by the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) method (for example, Appl. Phys. Lett. 72, 2114 (1998)), and coaxial direct collision ion scattering. By using spectroscopy (CAICISS), it is possible to discriminate and evaluate nondestructively.
[0017]
Examples of III-N compound semiconductors include GaN, AlN, Al x Ga lx N (0 <x <1), InN, In x Ga 1-x N (0 <x <1), In x Ga y Al 1-xy N (0 <x <1, 0 <y <1). In particular, the present invention preferably uses a Ga-containing III-N compound semiconductor, that is, a GaN compound semiconductor.
[0018]
Typically, in the present invention, the concentration of n-type impurities in the semiconductor substrate is 1 × 10 17 cm -3 ~ 1x10 twenty one cm -3 Is within the range. Preferably, the concentration of the n-type impurity in the semiconductor substrate is 1 × 10 17 cm -3 ~ 1x10 19 cm -3 Is within the range. Within these ranges, the concentration of the n-type impurity may be constant or may vary in the direction of the substrate thickness.
[0019]
In the present invention, the concentration of the n-type impurity in the semiconductor substrate may be constant in the thickness direction of the semiconductor substrate or may vary. When the concentration of the n-type impurity changes in the thickness direction, the semiconductor substrate includes a first portion that forms a nitrogen termination surface and has a first n-type impurity concentration, and a first n-type impurity concentration. It is preferable to have at least a second portion having a second n-type impurity concentration lower than the impurity concentration. When the concentration of the n-type impurity changes in the direction of the thickness of the substrate, the first n-type impurity concentration of the first portion is 3 × 10 18 cm -3 The above is preferable. The thickness of the first portion is preferably 0.05 μm to 50 μm.
[0020]
When the n-type impurity concentration changes in the thickness direction of the substrate, a plurality of semiconductor layers may be formed on the second portion having an n-type impurity concentration lower than the first n-type impurity concentration. preferable. Also in this case, the thickness of the first portion is preferably 0.05 μm to 50 μm. Further, the first n-type impurity concentration of the first portion is 3 × 10 18 cm -3 The above is preferable.
[0021]
The semiconductor device according to the present invention is typically a light emitting element.
According to the present invention, another semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a III-N compound semiconductor substrate, a plurality of III-N compound semiconductor layers formed on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. An n-type electrode and a p-type electrode for applying a voltage to the plurality of formed semiconductor layers are provided, wherein the semiconductor substrate is p-type, and the uppermost layer of the plurality of semiconductor layers has a nitrogen termination surface. The n-type electrode is formed on the nitrogen termination surface. The III-N compound semiconductor is typically a GaN compound semiconductor. In this case, the p-type electrode is preferably formed on the Ga termination surface of the semiconductor substrate. The semiconductor device according to the present invention is particularly applicable to a light emitting element.
[0022]
According to the present invention, a further semiconductor device is provided, and the semiconductor device is formed on a III-N compound semiconductor substrate, a plurality of III-N compound semiconductor layers formed on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. An n-type electrode and a p-type electrode for applying a voltage to a plurality of semiconductor layers, wherein the semiconductor substrate is n-type, and the n-type electrode is formed on a nitrogen termination surface of the semiconductor substrate The concentration of the n-type impurity in the semiconductor substrate changes in the thickness direction of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate forms a nitrogen termination surface and has a first average n-type impurity concentration It consists of a first portion and a second portion having a second average n-type impurity concentration lower than the first average n-type impurity concentration, and the first average n-type impurity concentration is 3 × 10 18 cm -3 The second average n-type impurity concentration is 3 × 10. 18 cm -3 The plurality of semiconductor layers are formed on the second portion. Preferably, the first average n-type impurity concentration is 3 × 10 18 cm -3 ~ 1x10 twenty one cm -3 Is within the range. Preferably, the second average n-type impurity concentration is 1 × 10 17 cm -3 ~ 3x10 18 cm -3 Is within the range. More preferably, the first average n-type impurity concentration is 3 × 10 18 cm -3 ~ 1x10 19 cm -3 Is within the range. The III-N compound semiconductor is preferably a GaN compound semiconductor. The semiconductor device according to the present invention is particularly applicable to a light emitting element.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The impurity concentration in the present invention can be measured using, for example, a SIMS (secondary ion analysis) apparatus. In the present invention, the n-type electrode includes Au or Al, such as Ti / Al, Hf / Au, W / Al, V / Al, and Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, It can be formed by combining W, Mo, Cr, Mn, Tc, Re or N. Furthermore, other materials may be used as long as the material exhibits good ohmic characteristics with the surface of the n-type III-N compound semiconductor.
[0024]
In the present invention, the impurity concentration in the III-N compound semiconductor substrate is 1 × 10 17 cm -3 1 × 10 or more twenty one cm -3 The following is preferable, and further 1 × 10 17 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following is preferred. Si is preferable as the n-type impurity, but other impurities capable of imparting n-type conductivity can also provide the same effect as Si.
[0025]
In the III-N-based compound semiconductor substrate, the thickness of the portion having a high impurity concentration is preferably set to a thickness that does not affect the unevenness of the surface, and is preferably 0.05 μm to 50 μm, for example, 0.05 μm. About 10 to 10 μm is more preferable.
[0026]
In the present invention, the III-N compound semiconductor substrate can be obtained by epitaxially growing a thick film of a III-N compound semiconductor on a seed substrate and separating the obtained thick film from the seed substrate. A sapphire substrate having a (0001) plane can be preferably used as a seed substrate for obtaining a III-N compound semiconductor substrate, particularly a GaN compound semiconductor substrate. Furthermore, a sapphire substrate having another crystal plane, GaN, SiC, spinel, mica, or the like may be used as a seed substrate. Whichever seed substrate is used, the object of the present invention can be achieved.
[0027]
In preparing the GaN-based compound semiconductor substrate, a GaN film can be preferably used as the low-temperature buffer layer formed on the seed substrate. A substrate can be obtained by forming a thick film of a GaN-based compound semiconductor on the low-temperature buffer layer and taking out the thick film by polishing. Furthermore, Al as a low temperature buffer layer x Ga 1-x N (0.ltoreq.x.ltoreq.1) or ZnO may be used. In either case, the same effect as that obtained when the GaN low-temperature buffer layer is used can be obtained.
[0028]
The thick film in the substrate preparation is preferably grown by the H-VPE method. Lasers fabricated using GaN substrates grown by H-VPE methods have lower thresholds than lasers fabricated using GaN substrates fabricated by sublimation, high pressure synthesis, and other thick film growth methods. Can oscillate at a voltage, lower threshold current. Since HCl is used during growth in the H-VPE method, the grown GaN thick film contains chlorine (Cl), and this Cl forms an intermediate product at the electrode portion to alleviate the electrical barrier. As a result, it is considered that good characteristics are brought about. However, even if another thick film growth method is used instead of the H-VPE method, an effect such as a threshold voltage lower than the conventional one can be obtained.
[0029]
In the present invention, the structure of an element such as a laser can be formed on a III-N compound semiconductor substrate separated from the seed substrate, for example, a GaN substrate. The element structure can be preferably formed by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). On the other hand, a multi-layered GaN-based compound semiconductor layer including a light emitting layer may be grown by MOCVD on the GaN thick film attached to the seed substrate. Thereafter, the GaN compound semiconductor laser obtained by removing the seed substrate, the underlying undoped GaN film, and the mask by polishing or the like can also exhibit good characteristics as in the case of using the first separated substrate.
[0030]
In the present invention, a GaN substrate can be particularly preferably used, but substrates made of other GaN compound semiconductors and other III-N compound semiconductors can also be used. Furthermore, among the elements constituting the GaN-based compound semiconductor, a part (about 10% or less) of the nitrogen element may be replaced with an element selected from the group consisting of P, As, and Sb. Such materials can also have a similar effect.
[0031]
In the present invention, it is preferable to use a hexagonal substrate grown in the c-axis direction. In this case, the hexagonal C-plane is exposed on the N-termination surface and the Ga-termination surface of the substrate. Such a substrate can be obtained by epitaxial growth on the (0001) plane of the seed substrate. On the other hand, a thick film grown from another crystal plane may be used as the substrate. Such growth includes growth of GaN on the M-plane (01-10) in the <01-13> direction, growth of GaN on the A-plane (2-1-10) in the c-axis direction, Growth of GaN on the R plane (011-2) in the <2-1-10> direction, and growth of GaN on the cubic [(111) plane + slightly inclined plane] in the c-axis direction There is. Even in those cases, an N termination surface for the n-type electrode can be obtained.
[0032]
In the present invention, when a substrate having a C crystal face exposed on the main surface is used, the c-axis of the substrate crystal deviates from 0.10 ° to 0.25 ° with respect to the direction perpendicular to the substrate main surface (crystal stacking direction). It is preferable that it is shifted by 0.15 ° to 0.20 °. In this case, the flatness of the crystal surface grown on the substrate is promoted, the crystallinity of the entire device can be improved, and the characteristics of the active layer and thus the device can be further improved.
[0033]
Further, the MOCVD method is preferably used in order to produce an element structure such as a laser on the substrate. In addition, other epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy (MBE) may be used. Examples of raw materials used in the MOCVD method include trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), NH Three , And biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg). Other than these, any materials can be used as long as they can grow necessary compounds. As a dopant for a device structure such as a III-N compound semiconductor substrate, particularly a GaN substrate, and a laser, Si, Ge, Sn, O, S, Se or Te in the case of n type, Mg in the case of p type , Be, Ca, Sr, Ba, Zn or Cd can be used.
[0034]
In addition, the present invention is particularly applied to light emitting elements. The light emitting element includes, for example, a laser and a light emitting diode (LED). In the case of a laser, according to the present invention, a low contact specific resistance, a low threshold voltage, or a low threshold current density can be obtained. In the case of a light emitting diode, according to the present invention, it is possible to realize a reduction in voltage during driving and an improvement in surface flatness.
[0035]
FIG. 1A shows a specific example of a semiconductor device according to the present invention applied as a semiconductor laser. An n-type electrode 101 is formed on one main surface 102 </ b> A of the GaN substrate 102. The main surface 102A in contact with the n-type electrode 101 is an N termination surface. On the other main surface of the GaN substrate 102, an n-type GaN layer 103, an n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 104, n-type GaN light guide layer 105, multiple quantum well light emitting layer 106, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 107, p-type GaN light guide layer 108, p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N clad layer 109, a p-type GaN contact layer 110, and a p-type electrode 111 are sequentially formed. Hereinafter, a manufacturing process of this semiconductor laser will be described.
[0036]
Example 1
As shown below, a GaN thick film was grown on a sapphire substrate by the H-VPE method, and the obtained thick film was used as a substrate to prepare a semiconductor laser shown in FIG.
[0037]
First, a sapphire substrate having a (0001) plane is cleaned, and an undoped GaN film having a thickness of about 3 μm is grown as a base layer by MOCVD using the following procedure. The cleaned sapphire substrate is introduced into the MOCVD apparatus, and H 2 Cleaning is performed at a high temperature of 1100 ° C. in an atmosphere. Thereafter, the temperature is lowered and hydrogen (H 2 ) At a flow rate of 10 L / min and NH at 600 ° C. Three And trimethylgallium (TMG) are introduced at 5 L / min and 20 mol / min, respectively, to grow a GaN low-temperature buffer layer having a thickness of about 20 nm.
[0038]
Thereafter, the supply of TMG is once stopped, the temperature is raised again to 1050 ° C., TMG is introduced at about 100 mol / min, and an undoped GaN film having a thickness of 3 μm is grown in one hour. Then TMG and NH Three Is stopped, the temperature is lowered to room temperature, and the sapphire substrate on which the undoped GaN underlayer is grown is taken out. For the low temperature buffer layer, instead of the GaN film, trimethylaluminum (TMA), TMG, NH Three May be used to form an AlN film or a GaAlN film.
[0039]
When growing a thick GaN film on the undoped GaN foundation layer (the outermost surface is a Ga termination surface) produced by the above method, the growth is controlled in the form of stripes with a thickness of 2000 mm, a width of 7 μm, and an interval of 10 μm so as not to cause cracks. A film is formed, and selective growth is performed thereon by H-VPE method to grow a flat GaN thick film. In this example, as the growth suppression film, SiO deposited by electron beam evaporation (EB method) is used. 2 A film etched using photolithography is used. A sapphire substrate having an undoped GaN base film partially covered with a stripe-like growth suppression film is introduced into the H-VPE apparatus. N 2 Carrier gas and NH Three The substrate temperature is raised to about 1050 ° C. while flowing 5 L / min. Thereafter, GaCl is introduced at 100 cc / min on the substrate to start the growth of the GaN thick film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at 850 ° C. In addition, doping can be arbitrarily performed during growth by flowing an impurity gas using an impurity doping line that is individually connected to the vicinity of the substrate. In this example, for the purpose of doping Si, the growth is started and at the same time monosilane (SiH Four ) 200 nmol / min, Si-doped GaN layer (Si impurity concentration: 3.8 × 10 6) 18 cm -3 ) And a 350 μm thick GaN thick film is obtained after a total growth of 3 hours. The outermost surface of GaN produced under such growth conditions is a Ga termination surface. For Si doping, SiH Four Not limited to monochlorosilane (SiH Three Cl), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), Trichlorosilane (SiHCl Three Other raw materials such as) may be used.
[0040]
After growth, polished sapphire substrate, undoped GaN film by MOCVD method, SiO 2 The film is removed, and polishing is performed until an N termination surface appears, thereby obtaining a GaN substrate 102 shown in FIG. The surface on which the GaN substrate is polished is an N termination surface, and the opposite growth top surface is a Ga termination surface.
[0041]
Using the obtained GaN thick film as a substrate, a light emitting device structure is grown by MOCVD as follows. First, the substrate is introduced into the MOCVD apparatus, and N 2 And NH Three Each is heated to 1050 ° C. while flowing 5 L / min. If the temperature rises, N 2 To H 2 Instead of TMG 100 μmol / min, SiH Four Is introduced at 10 nmol / min, and the n-type GaN layer 103 shown in FIG. 1 is grown by 4 μm. Thereafter, the flow rate of TMG is adjusted to 50 μmol / min, TMA is introduced at 40 μmol / min, and n-type Al is introduced. 0.1 Ga 0.9 The N clad layer 104 is grown to a thickness of 0.5 μm. Al 0.1 Ga 0.9 When the growth of N is completed, the supply of TMA is stopped, TMG is adjusted to 100 μmol / min, and the n-type GaN light guide layer 105 is grown to a thickness of 0.1 μm. Then TMG, SiH Four Is stopped and the carrier gas is turned to H 2 To N 2 Then, the temperature was lowered to 700 ° C., trimethylindium (TMI) as an indium raw material was introduced at 10 μmol / min, and TMG was introduced at 15 μmol / min. 0.05 Ga 0.95 A 4 nm thick barrier layer of N is grown. Thereafter, the supply amount of TMI is increased to 50 μmol / min. 0.2 Ga 0.8 A 2 nm thick well layer made of N is grown. A total of three well layers are grown by the same method, and a light emitting layer 106 of a multiple quantum well (MQW) in which a total of four barrier layers exist between and on both sides of the well layers is grown. When the growth of MQW is finished, the supply of TMI and TMG is stopped, the temperature is raised again to 1050 ° C., and the carrier gas is again N 2 To H 2 In place of TMG 50 μmol / min, TMA 30 μmol / min, P-type doping raw material biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) was flowed at 10 nmol / min, and 20 nm thick p-type Al. 0.2 Ga 0.8 An N carrier block layer 107 is grown. When the growth of the carrier block layer is completed, the supply of TMA is stopped, the supply amount of TMG is adjusted to 100 μmol / min, and the p-type GaN light guide layer 108 having a thickness of 0.1 μm is grown. Thereafter, the supply of TMG was adjusted to 50 μmol / min, 40 μmol / min of TMA was introduced, and 0.4 μm thick p-type Al 0.1 Ga 0.9 The N clad layer 109 is grown. Finally, the supply of TMG is adjusted to 100 μmol / min, the supply of TMA is stopped, and the p-type GaN contact layer 110 having a thickness of 0.1 μm is grown. End growth. When growth is complete, TMG and Cp 2 The supply of Mg is stopped and the temperature is lowered, and the substrate is taken out from the MOCVD apparatus at room temperature.
[0042]
Thereafter, using a dry etching apparatus, the p-GaN contact layer 110 is left in a stripe shape having a width of 5 μm, and p-Al 0.1 Ga 0.9 Etching is performed up to the N light guide layer 109 to form an optical waveguide. Next, P-type electrode 111 is formed by sequentially vapor-depositing 150 Pd and Au 1000 Au on the p-GaN portion. Further, while maintaining the substrate temperature at about 200 ° C., the n-type electrode 101 is formed by sequentially depositing 150 nm of Ti and 1000 mm of Al on the N termination surface 102A of the GaN substrate. Finally, cleaving or dry etching is performed so that the element length is about 1 mm, thereby forming an end face to be a mirror.
[0043]
In the semiconductor laser obtained by the above process, the impurity concentration profile of the GaN substrate is as shown in FIG. In the thickness direction of the n-type GaN substrate 102, the concentration of the n-type impurity (Si) is substantially constant, and 3.8 × 10 18 cm -3 It is. The laser manufactured in this example has an oscillation threshold voltage of about 5 V and a threshold current density of 1.2 kA / cm. 2 It is. The laser was subjected to a life test of about 1000 hours under conditions near the threshold, but no change in characteristics was observed.
[0044]
Comparative Example 1
Each layer was epitaxially grown on the N termination surface of the GaN substrate obtained in Example 1, and an n-type electrode was formed on the Ga termination surface to obtain a laser. FIG. 2A shows a cross-sectional view of the GaN-based compound semiconductor laser produced, and FIG. 2B shows an impurity concentration profile in the growth direction (thickness direction) of the GaN substrate. The laser was prepared according to the following process.
[0045]
Undoped GaN film and SiO by MOCVD method 2 Formation of the film and growth by the H-VPE method are performed in the same manner as in Example 1. Next, the N termination surface of the GaN substrate is used as an epitaxial growth surface, and thereafter, the n-type GaN layer 203, the n-type Al layer are formed on the GaN substrate 202 in the same manner as in the first embodiment. 0.1 Ga 0.9 N clad layer 204, n-type GaN light guide layer 205, multiple quantum well light emitting layer 206, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 207, p-type GaN light guide layer 208, p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N clad layer 209, a p-type GaN contact layer 210, and a p-type electrode 211 are formed, and an n-type electrode 201 is formed on the Ga termination surface 202A.
[0046]
The obtained element did not oscillate at room temperature.
In order to find out the cause of the laser oscillation failure, a GaN substrate was produced in the same manner as in Example 1, and a Ti (150 mm) / Al (1000 mm) electrode having a diameter of 0.5 mm was formed on the N termination surface and the Ga termination surface. Nine pieces of 201 were deposited in sequence at intervals of 1.0 mm, for a total of 18 pieces, and their voltage-current characteristics were examined. FIG. 3 shows an n-type electrode pattern deposited on the N-termination surface or Ga-termination surface of the GaN substrate, 301 is an n-type electrode, and 302 is a GaN substrate. FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of the n-type electrode evaporated on the N termination surface of the GaN substrate, and FIG. 5 shows the current-voltage characteristics of the n-type electrode evaporated on the Ga termination surface of the GaN substrate. Show. As shown in FIG. 4, the n-type electrode on the N termination surface exhibits good ohmic characteristics. On the other hand, as shown in FIG. 5, the n-type electrode on the Ga termination surface exhibits Schottky characteristics, suggesting the presence of a barrier layer.
[0047]
C and the like are easily bonded to Ga dangling bonds existing on the Ga termination surface. Therefore, when an electrode such as Ti / Al is formed in the presence of C or the like, a barrier layer is formed, and the obtained electrode can exhibit Schottky characteristics. On the other hand, in the N terminal surface, the probability that atoms forming such a barrier may exist on the surface is low. Therefore, an n-type electrode showing good ohmic characteristics can be formed on the N terminal surface without performing surface treatment or the like.
[0048]
On the other hand, the epitaxial growth of the GaN-based compound semiconductor layer on the Ga termination surface is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. In this case, it is considered that impurities on the surface are separated and cleaned, and as a result, a good GaN-based compound semiconductor layer can be formed.
[0049]
Example 2
Dopant source SiH Four The GaN thick films having different impurity concentrations were grown by the H-VPE method with various supply values of 10 nmol / min to 1000 nmol / min. During the growth of each GaN thick film, SiH Four The flow rate of was constant. Other conditions were the same as in Example 1. Using the obtained GaN thick film as a substrate, a laser was produced in the same manner as in Example 1, and their characteristics were measured. Each layer for the laser was epitaxially grown on the Ga termination surface of the GaN substrate. The n-type electrode was formed on the N termination surface of the GaN substrate.
[0050]
FIG. 6 shows SiH when growing a GaN thick film. Four It represents the relationship between the supply amount and the concentration of impurities contained in the film. The envelope 7 shows the relationship between the impurity concentration in the GaN substrate and the threshold voltage of a laser manufactured using the GaN substrate. FIG. 8 shows the relationship between the impurity concentration in the GaN substrate and the threshold current density of a laser manufactured using the GaN substrate. FIG. 9 shows the relationship between the impurity concentration in the GaN substrate and the surface roughness of the GaN substrate.
[0051]
As shown in FIG. 6, SiH Four The supply amount and the impurity concentration in the GaN substrate are proportional to each other, and SiH Four The impurity concentration when the supply amount is 1000 nmol / min is 1.6 × 10 19 cm -3 It is. As shown in FIG. 7, as the impurity concentration in the GaN substrate increases, the oscillation threshold voltage of the manufactured laser tends to decrease gradually. This is due to the fact that the resistance of the GaN substrate has decreased due to the influence of impurities, but the Schottky barrier generated at the N termination surface and the n-type electrode contact portion has been further reduced, and the contact specific resistance has decreased. As a result, the threshold voltage is considered to be low. The oscillation threshold voltage is such that the impurity concentration of the GaN substrate is about 1 × 10. 17 cm -3 With the above, it has converged to a value of about 5V.
[0052]
On the other hand, FIG. 8 shows that the impurity concentration of the GaN substrate is about 1 × 10. 19 cm -3 Above this, the oscillation threshold current density of the laser begins to increase gradually, 5 × 10 twenty one cm -3 Above 2 kA / cm 2 It has converged to a value of about. This means that, as shown in FIG. 9, the impurity concentration in the GaN substrate is about 1 × 10 5. 19 cm -3 This is probably because the average surface roughness of the film surface has begun to increase from above. That is, when the surface roughness of the film increases, the unevenness at the interface of each layer in the laser structure grown thereon increases, and the dispersion of light in the guide layer that propagates the laser light increases, which is the threshold current density. It is thought that this has led to an increase in
[0053]
In addition, an n-electrode was formed on the N termination surface side of the GaN substrate used for laser fabrication, and the contact specific resistance with respect to the impurity concentration was examined by a Trans Mission Line Model (TLM) method. This is a method for obtaining the contact specific resistance from the inter-electrode distance dependency on the assumption that the measurement sample is uniform in the plane. This time, an electrode pad pattern of Ti (150 Å) / Al (1000 Å), size 300 μm, and interval 10 to 100 μm was used.
[0054]
FIG. 10 shows the relationship between the impurity concentration in the GaN substrate and the contact specific resistance. Impurity concentration is 1 × 10 17 cm -3 If it exceeds 1, the contact specific resistance is 1 × 10 -Five Ω · cm 2 After that, the specific resistance decreases as the impurity concentration increases.
[0055]
From the above results, the impurity concentration of the GaN substrate is 1 × 10 5. 17 cm -3 1 × 10 or more twenty one cm -3 Desirably 1x10 17 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following is more desirable. If the impurity concentration is too low, the resistance of the substrate itself increases, and an intermediate product between the electrode and the GaN substrate is formed, which can make it difficult to reduce the barrier. On the other hand, when the impurity concentration is too high, the growth surface becomes rough, the crystallinity during regrowth is lowered, and the device characteristics can be deteriorated. More preferable characteristics can be obtained by forming an n-type electrode on the N terminal surface of the substrate having an appropriate impurity concentration.
[0056]
Example 3
As shown below, the laser element was prepared by changing the carrier concentration of the GaN substrate in the thickness direction. FIG. 11A shows a cross-sectional view of the manufactured GaN-based compound semiconductor laser, and FIG. 11B shows an impurity concentration profile in the thickness direction of the GaN substrate. The GaN substrate 1002 used here is a Si highly doped GaN layer 1002a (Si impurity concentration: 8.0 × 10 18 cm -3 ) And a Si-doped GaN layer 1002b (Si impurity concentration: 3.8 × 10 6) 18 cm -3 ). The n-type electrode 1001 is formed on the N termination surface 1002 A of the substrate 1002. The GaN layer 1002a that forms the N termination surface that contacts the n-type electrode 1001 has a higher impurity concentration than the GaN layer 1002b that contacts the laser structure. The manufacturing process is shown below.
[0057]
Undoped GaN film and SiO by MOCVD method 2 The film is formed in the same manner as in Example 1. Thereafter, growth is performed by the H-VPE method as follows.
[0058]
First, a sapphire substrate on which an undoped GaN base layer having a striped growth suppression film is grown is introduced into an H-VPE apparatus. N 2 Carrier gas and NH Three The substrate temperature is raised to 1050 ° C. while flowing 5 L / min. Thereafter, GaCl is introduced at 100 cc / min on the substrate to start the growth of the GaN thick film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at about 850 ° C. In addition, doping can be arbitrarily performed during growth by flowing an impurity gas using an impurity doping line that is individually connected to the vicinity of the substrate. Growth started while doping Si, monosilane (SiH Four ) For 3 minutes at 500 nmol / min, Si highly doped GaN layer 1002a (Si impurity concentration: 8.0 × 10 18 cm -3 ) For 5 μm, and then SiH Four The flow rate of Si was changed to 200 nmol / min, and the Si normal doped GaN layer 1002b (Si impurity concentration: 3.8 × 10 6 18 cm -3 ) And a 350 μm thick GaN thick film is obtained after a total growth of 3 hours. The outermost surface (epitaxial surface) of GaN produced under such conditions was a Ga termination surface. For Si doping, SiH Four Not limited to monochlorosilane (SiH Three Cl), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), Trichlorosilane (SiHCl Three Other raw materials such as) may be used.
[0059]
After growth, polished sapphire substrate, undoped GaN film by MOCVD method, SiO 2 The film is removed, and polishing is performed until an N termination surface appears, whereby a GaN substrate 1002 is obtained. Using the GaN thick film obtained as described above as a substrate, an epitaxial growth layer is formed on the Ga termination surface opposite to the N termination surface 1002A by using the MOCVD method to obtain a light emitting device structure. In the same manner as in Example 1, the n-type GaN layer 1003, the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 1004, n-type GaN light guide layer 1005, multiple quantum well light emitting layer 1006, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 1007, p-type GaN light guide layer 1008, p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N-cladding layer 1009, a p-type GaN contact layer 1010, and a p-type electrode 1011 are formed, and an n-type electrode 1001) is formed on the N termination surface 1002A of the GaN substrate to obtain an element.
[0060]
The obtained laser has an oscillation threshold voltage of about 5 V and a threshold current density of 1.0 kA / cm. 2 Met. A life test of about 1500 hours was performed under conditions near the threshold, but no change in characteristics was observed.
[0061]
Comparative Example 2
A Si highly doped layer was formed on the Ga termination surface side of the GaN substrate, and an n-type electrode was fabricated on the Ga termination surface. On the other hand, an epitaxial growth layer for the laser device structure was formed on the N termination surface of the GaN substrate. FIG. 12A shows a cross-sectional view of the fabricated GaN-based compound semiconductor laser, and FIG. 12B shows an impurity concentration profile in the growth direction (thickness direction) of the GaN substrate. The GaN substrate 1102 includes a Si-normally doped GaN layer 1102a (Si impurity concentration: 3.8 × 10 18 cm -3 ) And Si highly doped GaN layer 1102b (Si impurity concentration: 8.0 × 10) 18 cm -3 ). The laser structure is formed on the Si highly doped GaN layer 1102b. The n-type electrode 1101 is formed on the Ga termination surface 1102A of the Si normally doped GaN layer 1102a. The manufacturing process is shown below.
[0062]
Undoped GaN film and SiO by MOCVD method 2 The film is formed in the same manner as in Example 1. A sapphire substrate on which an undoped GaN underlayer having a stripe-like growth suppression film is grown is introduced into the H-VPE apparatus. N 2 Carrier gas and NH Three The substrate temperature is raised to 1050 ° C. while flowing 5 L / min. Thereafter, GaCl is introduced at 100 cc / min on the substrate to start the growth of the GaN thick film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at 850 ° C. In addition, doping can be arbitrarily performed during growth by flowing an impurity gas using an impurity doping line that is individually connected to the vicinity of the substrate.
[0063]
Growth started while doping Si, monosilane (SiH Four ) Is supplied at 200 nmol / min for about 3 hours to obtain a Si normal doped GaN layer 1102a (Si impurity concentration: 3.8 × 10 6). 18 cm -3 ) To 345 μm, and then SiH Four The Si flow rate is changed to 500 nmol / min, and the Si highly doped GaN layer 1102b (Si impurity concentration: 8.0 × 10 18 cm -3 ) For 3 minutes (corresponding to a thickness of about 5 μm) to obtain a thick GaN film of about 350 μm. The outermost surface of GaN produced under such growth conditions is a Ga termination surface.
[0064]
After growth, polished sapphire substrate, undoped GaN film by MOCVD method, SiO 2 The film is removed and polished until the N terminal surface is obtained, thereby obtaining a GaN substrate 1102. Using the GaN thick film obtained as described above as a substrate, epitaxial growth is formed on the N termination surface by MOCVD to obtain a light emitting device structure. Similar to Example 1, n-type GaN layer 1103, n-type Al 0.1 Ga 0.9 N-cladding layer 1104, n-type GaN light guide layer 1105, multiple quantum well light-emitting layer 1106, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 1107, p-type light guide layer 1108, p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N-cladding layer 1109, a p-type GaN contact layer 1110, and a p-type electrode 1111 are formed, and an n-type electrode 1101 is formed on the Ga termination surface 1102A to obtain a laser element.
[0065]
The obtained laser did not oscillate continuously at room temperature.
Ti / Al n-type electrodes were formed on the N-termination surface and Ga-termination surface of the fabricated GaN substrate, respectively, and their characteristics were examined. As a result, the n-type electrode on the N termination surface showed good ohmic characteristics, but the n-type electrode on the Ga termination surface showed Schottky characteristics, suggesting the presence of a barrier layer.
[0066]
On the other hand, even when the n-type electrode (101 in FIG. 1A) is formed on the N termination surface of the Si normal doped layer, the n-type electrode (1001 in FIG. 11A) is formed on the N termination surface of the Si highly doped layer. Even when formed, good ohmic characteristics are obtained, and both exhibit excellent electrode characteristics. On the other hand, the contact specific resistance of the n-type electrode 101 is 3 × 10. -6 Ω · cm 2 In the case of the n-type electrode 1001, 9 × 10 -7 Ω · cm 2 Met. Therefore, it is preferable to form an n-type electrode on the N termination surface of the Si highly doped layer because the contact specific resistance is reduced.
[0067]
Further, instead of the undoped GaN film formed by the MOCVD method, an impurity concentration of 8 × 10 18 cm -3 A Si highly doped layer having a concentration of about 2 × 10 is formed on the Si highly doped layer. 18 cm -3 A GaN film was formed. Then, it grind | polished until the N termination | terminus surface of GaN was obtained, and produced the n-type electrode in the N termination | terminus surface of a highly Si doped GaN layer. A laser device obtained using such a process also has an oscillation threshold voltage of about 5 V and a threshold current density of 1.1 kA / cm. 2 Met. It is considered that an electrode having good characteristics is formed even in a highly doped region having a relatively large number of defects such as dislocations.
[0068]
Example 4
A laser was fabricated using a GaN substrate in which the impurity doping amount was changed in the film thickness direction. FIGS. 13 (a), 14 (a), 15 (a), 16 (a), 17 (a), and 18 (a) change the impurity concentration used in this example, respectively. FIG. 13 (b), FIG. 14 (b), FIG. 15 (b), FIG. 16 (b), FIG. 17 (b), and FIG. An impurity concentration profile in the thickness direction is shown.
[0069]
The number 1302 in FIG. 13A represents the GaN substrate (where the impurity concentration decreases in the element growth direction (thickness direction)), and the number 1302A represents the N termination surface. The n electrode (not shown) is in contact with the N termination surface. As shown in FIG. 13B, the impurity concentration in the substrate 1302 decreases linearly from the N termination surface toward the epitaxial growth surface for the laser.
[0070]
As shown in FIGS. 14A and 14B, the GaN substrate 1402 includes a first GaN layer 1402a having the highest and constant impurity concentration, and a second GaN in which the impurity concentration decreases linearly in the element growth direction (thickness direction). A layer 1402b and a third GaN layer 1402c having the lowest and constant impurity concentration are included. N termination surface 1402A is in contact with an n-type electrode (not shown).
[0071]
As shown in FIGS. 15A and 15B, the GaN substrate 1502 includes a first GaN layer 1502a in which the impurity concentration decreases linearly in the thickness direction from the highest impurity concentration, a second GaN layer 1502b in which the impurity concentration is constant, and A third GaN layer 1502c in which the impurity concentration decreases linearly to the minimum in the thickness direction is provided. The n-type electrode (not shown) is in contact with the N termination surface 1502A.
[0072]
As shown in FIGS. 16A and 16B, the GaN substrate 1602 includes a first GaN layer 1602a having the highest and constant impurity concentration, a second GaN layer 1602b in which the impurity concentration decreases in the thickness direction, and the highest impurity concentration. The third GaN layer 1602c is low and constant. The n electrode (not shown) is in contact with the N termination surface 1602A.
[0073]
As shown in FIGS. 17A and 17B, in the GaN substrate 1702, the impurity concentration decreases in the thickness direction. The n-type electrode (not shown) is in contact with the N termination surface 1702A.
[0074]
As shown in FIGS. 18A and 18B, in the GaN substrate 1802, the impurity concentration decreases in the thickness direction. The n-type electrode (not shown) is in contact with the N termination surface 1802A.
[0075]
Using GaN substrates each having a concentration distribution as shown in FIG. 13B, FIG. 14B, FIG. 15B, FIG. 16B, FIG. 17B, and FIG. A laser element was fabricated in the same manner as in Example 1. As a result, lasers with good characteristics were obtained, and these characteristics greatly depended on the impurity concentration in the vicinity of the n-type electrode as shown in FIG. Also in this example, good laser characteristics were obtained by forming an n-type electrode on the N termination surface in which 60% or more of the termination atoms appearing on the surface are N atoms.
[0076]
Example 5
In this example, a plurality of regions having different impurity concentrations were provided in the GaN substrate.
[0077]
First, a GaN substrate as shown in FIG. 19 (a) was used. The substrate 1902 has an impurity concentration profile as shown in FIG. A GaN substrate 1902 having an N termination surface 1902A has a Si highly doped layer 1902a (Si impurity concentration: 8.0 × 10 5) having a thickness of about 5 μm. 18 cm -3 ), Si doped layer 1902b (Si impurity concentration: 4.2 × 10 18 cm -3 Si highly doped layer 1902c (Si impurity concentration: 8.0 × 10 18 cm -3 ), Si doped layer 1902d (Si impurity concentration: 4.2 × 10 18 cm -3 ) And Si highly doped layer 1902e (Si impurity concentration: 8.0 × 10 18 cm -3 ).
[0078]
In the preparation of the GaN substrate, high impurities are formed in at least two locations on the N termination surface side (Si highly doped layer 1902a) and the Ga termination surface side (Si highly doped layer 1902e) by the H-VPE method. An area was established. The Si concentration was constant in each layer of the GaN substrate. Epitaxial growth is performed on the Ga termination surface in the same manner as in Example 3, and the n-type GaN layer, n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, n-type GaN light guide layer, multiple quantum well light emitting layer, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, p-type light guide layer, p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N clad layer, a p-type GaN contact layer, and a p-type electrode were formed, and an n-type electrode was formed on the N termination surface to obtain a semiconductor device. The obtained laser has a threshold voltage of about 5 V and a threshold current density of about 1 kA / cm. 2 It oscillated at and showed long life characteristics.
[0079]
Ti / Al n-type electrodes were formed on the N termination surface and Ga termination surface of the fabricated GaN substrate, and the characteristics were examined. As a result, the n-type electrode on the N termination surface exhibited good ohmic characteristics, while on the Ga termination surface exhibited Schottky characteristics, indicating the presence of a barrier layer.
[0080]
Furthermore, a semiconductor laser was fabricated using each of the GaN substrates shown in FIGS. 20 (a), 21 (a), and 22 (a). FIGS. 20B, 21B, and 22B show impurity concentration profiles in the thickness direction of the used GaN substrate, respectively.
[0081]
A GaN substrate 2002 shown in FIG. 20A includes a first GaN layer 2002a having a constant impurity concentration, a second GaN layer 2002b having a constant impurity concentration lower than the first GaN layer 2002a, and a higher impurity concentration than the second GaN layer 2002b. A third GaN layer 2002c having a constant impurity concentration lower than that of the third GaN layer 2002c, and a fifth GaN layer 2002e having a constant impurity concentration higher than that of the fourth GaN layer 2002d. The first GaN layer 2002a forms an N termination surface 2002A. The relationship between the impurity concentrations is as shown in Equation (1).
[0082]
Fifth GaN layer 2002e> first GaN layer 2002a> third GaN layer 2002c> second GaN layer 2002b = fourth GaN layer 2002d (Formula 1)
A GaN substrate 2102 shown in FIG. 21A includes a first GaN layer 2102a having a constant impurity concentration, a second GaN layer 2102b having a constant impurity concentration, a third GaN layer 2102c having a constant impurity concentration, a fourth GaN layer 2102d having a constant impurity concentration, and impurities. The fifth GaN layer 2102e has a constant concentration. The first GaN layer 2102a forms an N termination surface 2102A. The relationship between the impurity concentrations is as shown in (Formula 2).
[0083]
Fifth GaN layer 2102e> first GaN layer 2102a> second GaN layer 2002b = fourth GaN layer 2002d> third GaN layer 2002c (Formula 2)
A GaN substrate 2202 shown in FIG. 22A includes a first GaN layer 2202a having a constant impurity concentration, a second GaN layer 2202b having an impurity concentration increasing in the element growth direction (thickness direction), a third GaN layer 2202c having a constant impurity concentration, and element growth. The fourth GaN layer 2202d has an impurity concentration that increases in the direction (thickness direction), and the fifth GaN layer 2202e has a constant impurity concentration. The first GaN layer 2202a forms an N termination surface 2202A. The relationship between the impurity concentrations is as shown in (Equation 3).
[0084]
First GaN layer 2202a> third GaN layer 2202c> fifth GaN layer 2202e (Formula 3)
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 1 by using GaN substrates each having the impurity concentration distribution shown in FIGS. 20B, 21B, and 22B. The obtained laser device showed good characteristics. The substrate used in this example includes three Si highly doped layers. However, if the substrate has Si highly doped layers on both end faces, the same effects as in this example can be obtained. Therefore, the Si highly doped layer may be two layers or four or more layers. In the GaN substrate, it is preferable that the portion forming the N termination surface to be in contact with the n-type electrode has a higher n-type impurity concentration than the other portions, but it is necessary to have the highest impurity concentration. Absent. In order to obtain preferable characteristics, it is sufficient that there is at least one portion in the substrate having a lower impurity concentration than the portion forming the N termination surface. A laser element having desirable characteristics can be obtained by forming an n-type electrode on an N termination surface having an appropriately high impurity concentration.
[0085]
Example 6
In this example, when growing a GaN substrate exhibiting n-type conductivity, Ge was used as an impurity in a portion forming the N termination surface of the GaN substrate.
[0086]
First, as in Example 1, the growth of the GaN thick film is started by the H-VPE method, and at the same time, SiH Four And a predetermined amount of germanium (Ge) were introduced, and an n-type GaN thick film having a predetermined impurity concentration distribution with a total thickness of 350 μm was produced. After growth, polished sapphire substrate, undoped GaN film by MOCVD method, SiO 2 The film was removed, and polishing was performed until an N termination surface appeared to obtain a GaN substrate. Using this substrate, similarly to Example 1, a laser structure and a p-electrode were formed on the Ga termination surface side, and an n-type electrode was formed on the N termination surface to obtain a laser. The obtained laser oscillated continuously at room temperature. The threshold voltage and threshold current density are about 6V and 1.8 kA / cm, respectively. 2 It was about.
[0087]
Comparative Example 3
Similar to Example 6, a GaN thick film was grown by the H-VPE method. During the growth of GaN thick film, SiH Four And a predetermined amount of germanium (Ge) were introduced, and an n-type GaN thick film having a predetermined impurity concentration distribution with a total thickness of 350 μm was produced. In the thick film formation, a highly doped layer of Si and Ge was formed on the Ga termination surface side. Polishing was performed in the same manner as in Example 6 to obtain a GaN substrate. An n-type electrode was formed on the Ga termination surface of the obtained GaN substrate, and a device structure was epitaxially grown on the N termination surface of the GaN substrate to obtain a laser. The obtained laser structure did not oscillate continuously at room temperature. This was thought to be because the electrode had Schottky characteristics due to the presence of the barrier layer, as in Comparative Example 1.
[0088]
Example 7
The impurity concentration was varied as in Example 3. While starting the growth of GaN thick film by H-VPE method, Four Was introduced in a predetermined amount, and Ge was further introduced for 3 minutes from the start of growth. Thus, after forming the first region having a high impurity concentration containing Si and Ge, the supply of Ge is stopped, and SiH Four A second region having a lower impurity concentration than the first region was formed by introducing only a predetermined amount. An n-type GaN thick film having a predetermined impurity concentration distribution with a total thickness of 350 μm was produced. Thereafter, the GaN substrate obtained by polishing was introduced into an MOCVD apparatus, and similarly to Example 3, epitaxial growth was performed on the Ga termination surface side, an n-type electrode was formed on the N termination surface, and a laser element was fabricated. The relationship between the impurity concentration of the first region and the second region of the GaN substrate is first region> second region.
[0089]
The laser device thus obtained has a threshold voltage and a threshold current density of about 5 V and 1.0 kA / cm, respectively. 2 The value was low. Thus, it can be seen that not only Si but also Ge can be used as the n-type impurity. O can also be used as an n-type impurity, and the actual effect has been confirmed. Specifically, in the H-VPE method, the amount of O contained in HCl gas can be adjusted, or O can be introduced into the film by flowing oxygen gas during GaN growth.
[0090]
Example 8
In this example, the GaN growth surface was changed to an N termination surface by molecular beam epitaxy (MBE), and an n-type electrode was formed thereon. The structure of the laser device according to this example is shown in FIG. A p-type electrode 2401 is formed on one main surface 2402A of the GaN substrate 2402. A main surface 2402A in contact with the p-type electrode 2401 is a Ga terminal surface. On the other main surface of the GaN substrate 2402, a p-type GaN layer 2403, a p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 2404, p-type GaN light guide layer 2405, multiple quantum well light emitting layer 2406, n-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 2407, n-type GaN light guide layer 2408, n-type Al 0.1 Ga 0.9 An N clad layer 2409, an n-type GaN contact layer 2410, and an n-type electrode 2411 are formed in this order. The n-type GaN contact layer 2410, which is the uppermost layer of the GaN-based semiconductor layer, has an N termination surface 2410A, and an n-type electrode 2411 is formed thereon. Hereinafter, a manufacturing process of this semiconductor laser will be described.
[0091]
First, as in Example 1, an undoped GaN film having a thickness of 3 μm is grown by MOCVD on a cleaned sapphire substrate having a (0001) plane, and a stripe-like growth suppression film is formed thereon. Next, a sapphire substrate having an undoped GaN base film partially covered with a stripe-like growth suppression film is introduced into the H-VPE apparatus. N 2 Carrier gas and NH Three The substrate temperature is raised to about 1050 ° C. while flowing 5 L / min. Thereafter, GaCl is introduced at 100 cc / min on the substrate to start the growth of the GaN thick film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at 850 ° C. In addition, doping can be arbitrarily performed during growth by flowing an impurity gas using an impurity doping line that is individually connected to the vicinity of the substrate. At the same time as starting the growth of GaN, Cp 2 Mg was supplied at 90 nmol / min, and an Mg-doped GaN layer (Mg impurity concentration: 9.5 × 10 18 cm -3 ) And a 350 μm thick GaN thick film is obtained after a total growth of 3 hours. The outermost surface of GaN produced under such growth conditions is a Ga termination surface.
[0092]
After growth, polished sapphire substrate, undoped GaN film by MOCVD method, SiO 2 The film is removed, and polishing is performed until an N termination surface comes out to obtain a GaN substrate. A light emitting element structure is grown on the obtained substrate by MOCVD as follows. First, the substrate is introduced into the MOCVD apparatus, and N 2 And NH Three Each is heated to 1050 ° C. while flowing 5 L / min. If the temperature rises, N 2 To H 2 Instead of TMG 100 μmol / min, Cp 2 Mg is introduced at 10 nmol / min to grow a p-type GaN layer by 4 μm. Thereafter, the flow rate of TMG is adjusted to 50 μmol / min, TMA is introduced at 40 μmol / min, and p-type Al is introduced. 0.1 Ga 0.9 An N clad layer is grown to a thickness of 0.5 μm. Al 0.1 Ga 0.9 When the growth of N is completed, the supply of TMA is stopped, TMG is adjusted to 100 μmol / min, and the p-type GaN light guide layer is grown to a thickness of 0.1 μm. Then TMG, Cp 2 Stop supply of Mg and change carrier gas to H 2 To N 2 Then, the temperature was lowered to 700 ° C., trimethylindium (TMI) as an indium raw material was introduced at 10 μmol / min, and TMG was introduced at 15 μmol / min. 0.05 Ga 0.95 A 4 nm thick barrier layer of N is grown. Thereafter, the supply amount of TMI is increased to 50 μmol / min. 0.2 Ga 0.8 A 2 nm thick well layer made of N is grown. A total of three well layers are grown by the same method, and a light emitting layer of a multiple quantum well (MQW) in which a total of four barrier layers exist between and on both sides of the well layers is grown. When the growth of MQW is finished, the supply of TMI and TMG is stopped, the temperature is raised again to 1050 ° C., and the carrier gas is again N 2 To H 2 Instead of SiH, which is an n-type doping raw material, TMG is 50 μmol / min, TMA is 30 μmol / min. Four At a flow rate of 3 nmol / min and 20 nm thick n-type Al 0.2 Ga 0.8 An N carrier block layer is grown. When the growth of the carrier block layer is completed, the supply of TMA is stopped, the supply amount of TMG is adjusted to 100 μmol / min, and an n-type GaN light guide layer having a thickness of 0.1 μm is grown. Thereafter, the supply of TMG was adjusted to 50 μmol / min, 40 μmol / min of TMA was introduced, and 0.4 μm thick n-type Al 0.1 Ga 0.9 The N clad layer is grown. Finally, the supply of TMG is adjusted to 100 μmol / min, the supply of TMA is stopped, and the n-type GaN contact layer 110 having a thickness of 0.1 μm is grown to grow the light emitting device structure. Exit. When growth is complete, TMG and SiH Four Is stopped, the temperature is lowered, and the substrate is taken out from the MOCVD apparatus at room temperature.
[0093]
Next, the GaN substrate is introduced into the MBE apparatus, and the temperature of the substrate is raised to 600 ° C. High frequency (RF) excitation N that becomes N source 2 The Ga cell temperature (around 910 ° C.) and the Si cell temperature are adjusted so that the plasma output is 350 W, the flow rate is 3 cc / min, and the RHEED pattern in the <11-20> direction is streak-like. Then, the N / Ga ratio is increased, GaN is grown under N-rich conditions, and a Si-doped GaN layer having an N termination surface is grown. RHEED observation shows a 1 × 1 pattern at 300 ° C. or higher, and if it changes to a 3 × 3 pattern at around 250 ° C. or a 6 × 6 pattern at 200 ° C., it can be determined that the growth surface is an N-terminated surface. . Thereafter, an n-type electrode is formed on the obtained N termination surface. Further, the ground surface of the polished GaN substrate is further polished until the N termination surface appears to expose the Ga termination surface. A p-type electrode is formed on the obtained new base surface.
[0094]
The laser device thus obtained had an oscillation threshold voltage of 4.8V. Thus, it has been found that an electrode having good characteristics can be formed by forming the n-type electrode on the N termination surface of the GaN layer according to the present invention other than the substrate. Also in this example, the effect of forming an n-type electrode on the N termination surface, in which 60% or more of the termination atoms appearing on the surface are N atoms, appears.
[0095]
Instead, the polarity can be controlled by performing operations such as nitriding of the substrate and annealing of the buffer layer by the H-VPE method, the MOCVD method, or the MBE method. In this case as well, the contact specific resistance of the n-electrode formed on the N terminal surface can be reduced as described above.
[0096]
FIG. 25 shows a preferable impurity concentration in the substrate used in the present invention. In the present invention, the preferred impurity concentration in the substrate is within the first region (1 × 10 17 cm -3 1 × 10 or more twenty one cm -3 The following). In this range, a low contact specific resistance, a low threshold voltage, and a low threshold current density can be obtained. The second region has a more preferable impurity concentration range (1 × 10 17 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following). The reason why the second region is preferable to the first region can be understood by referring to the relationship between the impurity concentration and the threshold current density shown in FIG. Referring to FIG. 8, the impurity concentration of the first region is 1 × 10. twenty one cm -3 Although the threshold current density is certainly reduced in the following, the impurity concentration of the second region, that is, 1 × 10 19 cm -3 The threshold current density is even lower if it is below. The I region and the II region shown in FIG. 25 are impurity concentration ranges obtained by dividing the first region into two. Area I is 3 × 10 18 cm -3 1 × 10 or more twenty one cm -3 Hereinafter, the second region is 1 × 10 17 cm -3 3 × 10 or more 18 cm -3 The impurity concentration range is as follows. In the present invention, the nitride semiconductor substrate preferably comprises a first portion having an average impurity concentration in the I region and a second portion having an average impurity concentration in the II region. The first portion preferably forms an N termination surface, and the n-type electrode is preferably formed on the N termination surface of the first portion. In addition, it is preferable to form an epitaxial layer for a semiconductor element such as a light emitting element on the second portion. Hereinafter, the reason and significance of dividing the nitride substrate into the first portion and the second portion having different impurity concentrations will be described.
[0097]
Referring to the relationship between the impurity concentration and the contact specific resistance shown in FIG. 10, the impurity concentration is 1 × 10. 17 cm -3 When the contact specific resistance is 1 × 10 -Five Ω · cm 2 Furthermore, the impurity concentration is 3 × 10 18 cm -3 Above that, the contact specific resistance is about 5 × 10 -7 ~ 1x10 -6 Ω · cm 2 Is getting lower. However, referring to the relationship between the impurity concentration and the threshold voltage shown in FIG. 17 cm -3 Above, no change is seen in the threshold voltage, and the impurity concentration is 1 × 10. 17 cm -3 But 3x10 18 cm -3 But the threshold voltage was almost the same. That is, it is considered that the contact specific resistance reduction effect seen in FIG. 10 was not reflected in the threshold voltage of FIG. The impurity concentration is set to 3 × 10 in order to form an intermediate product between the n-type electrode and the nitride semiconductor substrate (N termination surface) to obtain a low contact specific resistance. 18 cm -3 It is preferable to make it above (FIG. 10). On the other hand, high-concentration impurities (3 × 10 5) in the entire nitride semiconductor substrate. 18 cm -3 When the above is added, the electrical resistance increases due to the deterioration of crystallinity. As a result, it is considered that the effect of the low contact specific resistance shown in FIG. 10 is not reflected in the low threshold voltage. 3 × 10 18 cm -3 When impurities are added to the nitride semiconductor substrate as described above, the impurity concentration is 5 × 10 5 from the relationship between the impurity concentration and the threshold current density shown in FIG. 18 cm -3 Until the threshold current density is about 1 kA / cm 2 However, the impurity concentration is 1 × 10 19 cm -3 It can be seen that the threshold current value starts to increase when the above is reached (the same applies to the relationship between the impurity concentration and the surface roughness in FIG. 9). If the impurity concentration is increased in this way, the contact specific resistance decreases, but the threshold current increases conversely.
[0098]
The present inventors have found that this dilemma can be solved by configuring the nitride semiconductor substrate with two or more layers having different impurity concentrations. Specifically, the n-type nitride substrate is composed of a first layer having an N termination surface to be in contact with the n-type electrode, and a second layer on which an element structure is to be formed. The average impurity concentration of the first layer is made lower than the average impurity concentration of the first layer. Further, the average impurity concentration of the first layer is 3 × 10. 18 cm -3 This can be done. Although there is no restriction | limiting in particular about the range of the average impurity concentration of a 1st layer, if it presumes from the result of FIG. 18 cm -3 ~ 1x10 twenty one cm -3 Is preferred, 3 × 10 18 cm -3 ~ 1x10 19 cm -3 Is more preferable. The average impurity concentration of the second layer is 3 × 10 18 cm -3 It can be as follows. The range of the average impurity concentration of the second layer is not particularly limited, but when estimated from the results of FIG. 7 and FIG. 17 cm -3 ~ 3x10 18 cm -3 Is preferred. Here, the average impurity concentration is defined as a value obtained by dividing the total impurity concentration added to a certain layer by the layer thickness. Preferably, in the nitride semiconductor substrate, the second layer is a portion other than the first layer.
[0099]
The thickness of the first layer can be 0.05 μm or more and 50 μm or less, and preferably 0.05 μm or more and 10 μm or less. If the thickness of the first layer is less than 0.05 μm, an intermediate product due to the addition of impurities is not sufficiently formed, and the contact specific resistance can be increased. On the other hand, when the thickness of the first layer exceeds 50 μm, the surface roughness due to the addition of impurities increases (see FIG. 9), which increases the loss due to the optical waveguide and increases the threshold current density. An increase can be encouraged (see FIG. 8). By setting the thickness of the first layer to 50 μm or less, preferably 10 μm or less, the value of the threshold current density can be made smaller than the value shown in FIG.
[0100]
In the present invention, Si, O, Cl, S, Se, or Te can be preferably used as the n-type impurity. In particular, when Si, O, or Cl is used, an n-type nitride semiconductor substrate can be easily obtained. A plurality of types of the impurities may be simultaneously added to the nitride semiconductor substrate. The average impurity concentration of all added impurities is 3 × 10 3 in the first layer. 18 cm -3 1 × 10 or more twenty one cm -3 Or less, preferably 3 × 10 18 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 Hereinafter, in the second layer, 1 × 10 17 cm -3 3 × 10 or more 18 cm -3 It can be as follows. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0101]
Example 9
As shown in FIG. 26, the nitride semiconductor light emitting device (laser diode device) according to this example includes an n-type electrode 3001, a nitride semiconductor substrate (for example, a GaN substrate) 3002, an n-type GaN layer 3003, and an n-type Al. 0.1 Ga 0.9 N-cladding layer 3004, n-type GaN light guide layer 3005, multiple quantum well light emitting layer 3006, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 3007, p-type GaN light guide layer 3008, p-type Al 0.1 Ga 0.9 The N-cladding layer 3009, the p-type GaN contact layer 3010, and the p-type electrode 3011 are comprised. The substrate 3002 includes a highly doped GaN layer 3002a (its average impurity concentration range is in the I region shown in FIG. 25) and a low doped GaN layer 3002b (its average impurity concentration range is in the II region shown in FIG. 25). Become. The n-type electrode 3001 is formed on the N termination surface 3002A of the substrate 3002. The average impurity concentration is a value obtained by dividing the total impurity concentration added to the layer by the layer thickness.
[0102]
The feature of this embodiment is that the average impurity concentrations of the highly doped GaN layer 3002a and the lightly doped GaN layer 3002b constituting the nitride semiconductor substrate 3002 belong to the I region and the II region shown in FIG. 25, respectively. That is, the n-type electrode is in contact with the N termination surface 3002A of the highly doped GaN layer 3002a, and the light emitting element structure is in contact with the lowly doped GaN layer 3002b.
[0103]
3 × 10 18 cm -3 The highly doped GaN layer 3002a having the above average impurity concentration can form a sufficient intermediate product, and as a result, the contact specific resistance between the highly doped GaN layer 3002a and the n-type electrode 3001 becomes small. Meanwhile, 3 × 10 18 cm -3 By forming a light emitting device structure on a lightly doped GaN layer 3002b having the following average impurity concentration, a low threshold current density and a low threshold voltage can be provided.
[0104]
The laser element according to the present example has the threshold values (for example, threshold voltage 5 V, threshold current density 1.2 kA / cm) of Examples 1 to 8. 2 ) Lower threshold current density (0.8 kA / cm) 2 ) And a low threshold voltage (4.4V).
[0105]
Example 10
This example is the same as Example 9 except that the nitrogen compound semiconductor substrate is composed of four regions having different impurity concentrations. FIG. 27 shows the impurity concentration distribution of the nitrogen compound semiconductor substrate. These four regions are referred to as an A region, a B region, a C region, and a D region in order from the surface side on which the n-type electrode is formed. An n-type electrode (not shown) is in contact with the A region. The surface of the A region in contact with the n-type electrode is an N termination surface. Here, the average impurity concentration of the A region and the B region is in the I region shown in FIG. 25, and the average impurity concentration of the C region and the D region is in the II region shown in FIG.
[0106]
The light-emitting element using this nitrogen compound semiconductor substrate brought the same effect as in Example 9.
[0107]
Example 11
This example is the same as Example 9 except that a nitrogen compound semiconductor substrate whose impurity concentration continuously changes in the thickness direction is used. FIG. 28 shows an impurity concentration distribution that continuously changes in the nitrogen compound semiconductor substrate. The continuous impurity concentration profile shown in FIG. 28 can be divided into two regions. These regions are referred to as an A region and a B region in this order from the surface side on which the n-type electrode is formed. An n-type electrode is formed in contact with the A region. The surface of the A region in contact with the n-type electrode is an N termination surface. The average impurity concentration of the A region is in the I region shown in FIG. 25, and the average impurity concentration of the B region is in the II region shown in FIG.
[0108]
The light-emitting element using this nitrogen compound semiconductor substrate brought the same effect as in Example 9.
[0109]
Example 12
This example is the same as Example 9 except that the nitrogen compound semiconductor substrate is composed of five regions having different impurity concentrations as shown in FIG. FIG. 29 shows an impurity concentration distribution in the used nitrogen compound semiconductor substrate. These impurity concentration regions are referred to as an A region, a B region, a C region, a D region, and an E region from the side on which the n-type electrode is formed. An n-type electrode (not shown) is formed so as to be in contact with the N termination surface of the A region. The impurity concentrations of the A region, the B region, and the D region correspond to the I region shown in FIG. The impurity concentrations in the C region and the E region correspond to the II region shown in FIG.
[0110]
The total thickness of the A region and the B region is 50 μm. Further, the average impurity concentration of the A region and the B region is in the I region shown in FIG. Thus, the combined portion of the A region and the B region brings about an effect of reducing the contact specific resistance. On the other hand, the C region (layer thickness 30 μm, impurity concentration 2 × 10 18 cm -3 ), D region (layer thickness 20 μm, impurity concentration 5 × 10 18 cm -3 ) And E region (layer thickness 60 μm, impurity concentration 1 × 10 18 cm -3 The average impurity concentration of the combined portion is 2 × 10 from the impurity concentration of each region and the sum of their layer thicknesses. 18 cm -3 Can be estimated. This value belongs to the area II shown in FIG. Thus, the combined portion of the C region, the D region, and the E region has an effect of reducing the threshold voltage and the threshold current density.
[0111]
The light-emitting element using this nitrogen compound semiconductor substrate brought the same effect as in Example 9.
[0112]
As described above, the impurity concentration may change in each of the first region in contact with the n-type electrode and the second region in contact with the element structure of the nitride semiconductor substrate. Further, the average impurity concentration of the first region is 3 × 10. 18 cm -3 If it is above, 3 × 10 in the first region 18 cm -3 There may be portions having a lower impurity concentration. Furthermore, the average impurity concentration of the second region is 3 × 10 18 cm -3 3 × 10 in the second region if 18 cm -3 There may be portions having higher impurity concentrations. Regarding a region where a plurality of portions having different impurity concentrations are combined, a region having a total film thickness of 50 μm or less and an average impurity concentration belonging to the I region shown in FIG. 25 can effectively reduce the contact specific resistance. Can do. On the other hand, with respect to a region where a plurality of portions having different impurity concentrations are combined, a region whose average impurity concentration belongs to the region II shown in FIG. 25 can effectively reduce the threshold voltage and the threshold current density.
[0113]
Although the semiconductor laser diode element has been described with reference to the first to twelfth embodiments, the present invention can also be applied to a light emitting diode element. When the present invention is applied to a light emitting diode element, it is possible to effectively prevent low color specific resistance due to low contact specific resistance, low operating voltage, reduction of surface roughness, or improvement of light emission intensity.
[0114]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a nitride semiconductor device having a low threshold voltage and threshold current density and a long lifetime, particularly a GaN-based compound semiconductor light-emitting device, can be supplied with a high yield.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view of a semiconductor laser manufactured in Example 1 and an impurity concentration profile in a substrate thickness direction.
2A and 2B are a cross-sectional view of a semiconductor laser fabricated in Comparative Example 1 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate thickness direction.
FIG. 3 is a plan view showing a pattern of an n-type electrode deposited on an N termination surface or a Ga termination surface of a GaN substrate.
FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of an n-type electrode deposited on an N termination surface of a GaN substrate.
FIG. 5 is a diagram showing current-voltage characteristics of an n-type electrode deposited on a Ga termination surface of a GaN substrate.
FIG. 6 shows SiH when growing a GaN thick film. Four It is a figure which shows the relationship between the supply amount and the impurity concentration contained in the film | membrane formed.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an impurity concentration in a GaN substrate and a threshold voltage of a laser using the GaN substrate.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between an impurity concentration in a GaN substrate and a threshold current density of a laser using the GaN substrate.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration in a GaN substrate and the surface roughness of the GaN substrate.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an impurity concentration in a GaN substrate and a contact specific resistance of an n-type electrode.
FIGS. 11A and 11B are a cross-sectional view of a semiconductor laser fabricated in Example 3 and an impurity concentration profile in the substrate thickness direction.
12A and 12B are a cross-sectional view of a semiconductor laser fabricated in Comparative Example 2 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate thickness direction.
FIGS. 13A and 13B are a schematic cross-sectional view of a GaN substrate used in Example 4 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIGS.
14 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 4 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
15 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 4, and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
16 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 4, and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
17 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 4 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
18 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 4, and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of a GaN substrate used in Example 5 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate.
20 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 5, and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
FIG. 21 is a schematic sectional view of another GaN substrate used in Example 5 and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate.
22 is a schematic cross-sectional view of another GaN substrate used in Example 5, and a diagram showing an impurity concentration profile in the substrate. FIG.
FIG. 23 is a schematic diagram showing the relationship between the Ga termination surface and N termination surface of GaN grown on the (0001) plane of the seed substrate.
24 is a schematic cross-sectional view of a laser device manufactured in Example 8. FIG.
FIG. 25 is a diagram for explaining an impurity concentration range in a substrate used in the present invention.
26 is a schematic cross-sectional view showing the nitrogen compound semiconductor light-emitting device of Example 9. FIG.
27 is a graph showing the impurity concentration distribution of the nitrogen compound semiconductor substrate used in Example 10. FIG.
28 is a graph showing an impurity concentration distribution of a nitrogen compound semiconductor substrate used in Example 11. FIG.
29 is a graph showing an impurity concentration distribution of a nitrogen compound semiconductor substrate used in Example 12. FIG.
[Explanation of symbols]
101 n-type electrode, 102 GaN substrate, 102A N termination surface, 103 n-type GaN layer, 104 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 105 n-type GaN light guide layer, 106 light emitting layer of multiple quantum well, 107 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 108 p-type GaN light guide layer, 109 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 110 p-type GaN contact layer, 111 p-type electrode, 201 n-type electrode, 202 GaN substrate, 202A Ga termination surface, 203 n-type GaN layer, 204 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 205 n-type GaN light guide layer, 206 multiple quantum well light emitting layer, 207 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 208 p-type GaN light guide layer, 209 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 210 p-type GaN contact layer, 211 p-type electrode, 301 n-type electrode, 302 GaN substrate, 1001 n-type electrode, 1002 GaN substrate, 1002A N termination surface, 1002a Si highly doped GaN layer, 1002b Si-doped GaN Layer, 1003 n-type GaN layer, 1004 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 1005 n-type GaN light guide layer, 1006 multiple quantum well light emitting layer, 1007 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 1008 p-type GaN light guide layer, 1009 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 1010 p-type GaN contact layer, 1011 p-type electrode, 1101 n-type electrode, 1102 GaN substrate, 1102A N termination surface, 1102a Si-doped GaN layer, 1102b Si highly doped GaN layer, 1103 n-type GaN layer, 1104 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 1105 n-type GaN light guide layer, 1106 light emitting layer of multiple quantum well, 1107 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 1108 p-type GaN light guide layer, 1109 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 1110 p-type GaN contact layer, 1111 p-type electrode, 1302 GaN substrate whose impurity concentration decreases in the thickness direction, 1302A N termination surface, 1402 GaN substrate, 1402A N termination surface, 1402a GaN layer with constant impurity concentration, 1402b GaN layer with decreasing impurity concentration in the thickness direction, 1402c GaN layer with constant impurity concentration, 1502 GaN substrate, 1502A N termination surface, 1502a GaN layer with decreasing impurity concentration in the thickness direction, 1502b GaN layer with constant impurity concentration, 1502c GaN layer with decreasing impurity concentration in the thickness direction, 1602 GaN substrate, 1602A N termination surface, 1602a GaN layer with constant impurity concentration, 1602b GaN layer with decreasing impurity concentration in the thickness direction, 1602c GaN layer with constant impurity concentration, 1702 GaN substrate 1702A N termination surface, 1802 GaN substrate, 1802A N termination surface, 1902 GaN substrate, 1902A N termination surface, 1902a Si highly doped GaN layer, 1902b Si doped GaN layer, 1902c Si highly doped GaN layer, 1902d Si doped GaN layer, 1902e Si highly doped GaN layer, 2002 GaN substrate, 2002A N termination surface, 2002a, 2002b, 2002c, 2002d, 2002e GaN layer with constant impurity concentration, 2102 GaN substrate, 2102A N termination surface, 2102a, 2102b, 2102c, 2102d, 2102e Impurity GaN layer with constant concentration, 2202 GaN substrate, 2202A N termination surface, 2202a GaN layer with constant impurity concentration, 2202b doped GaN layer with impurity concentration, 2202c GaN layer with constant impurity concentration, 2202d Impurity doped GaN layer, 2202e GaN layer with constant impurity concentration, 2301 seed substrate, 2302 buffer layer, 2303 GaN substrate, 2303a Ga termination surface, 2303b N termination surface, 2304 Ga atom, 2305 N atom, 2401 p-type electrode, 2402 GaN substrate, 2402A main surface, 2403 p-type GaN layer, 2404 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 2405 p-type GaN light guide layer, 2406 light emitting layer of multiple quantum well, 2407 n-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 2408 n-type GaN light guide layer, 2409 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 2410 n-type GaN contact layer, 2410A N termination surface, 2411 n-type electrode, 3001 n-type electrode, 3002 Nitride semiconductor substrate (for example, GaN substrate), 3003 n-type GaN layer, 3004 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N-cladding layer, 3005 n-type GaN light guide layer, 3006 multiple quantum well light-emitting layer, 3007 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 3008 p-type GaN light guide layer, 3009 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, 3010 p-type GaN contact layer, 3011 p-type electrode, 3002A N termination surface, 3002a highly doped GaN layer, 3002b low doped GaN layer.

Claims (5)

III−N系化合物半導体基板、
前記半導体基板上に形成された複数のIII−N系化合物半導体層、および
前記半導体基板上に形成された前記複数の半導体層に電圧を印加するためのn型電極およびp型電極を備え、
前記半導体基板はn型であり、
前記n型電極は、前記半導体基板の窒素終端面上に形成されており、
前記半導体基板中のn型不純物の濃度は、前記半導体基板の厚み方向において変化しており、
前記半導体基板は、前記窒素終端面を形成しかつ第1の平均n型不純物濃度を有する第1の部分と、前記第1の平均n型不純物濃度より低い第2の平均n型不純物濃度を有する第2の部分とからなり、
前記第1の平均n型不純物濃度は、3×1018cm-3以上であり、
前記第2の平均n型不純物濃度は、3×1018cm-3以下であり、かつ
前記複数の半導体層は前記第2の部分上に形成されている、III−N系化合物半導体装置。
III-N compound semiconductor substrate,
A plurality of III-N compound semiconductor layers formed on the semiconductor substrate, and an n-type electrode and a p-type electrode for applying a voltage to the plurality of semiconductor layers formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor substrate is n-type;
The n-type electrode is formed on a nitrogen termination surface of the semiconductor substrate;
The concentration of the n-type impurity in the semiconductor substrate changes in the thickness direction of the semiconductor substrate,
The semiconductor substrate has a first portion forming the nitrogen termination surface and having a first average n-type impurity concentration, and a second average n-type impurity concentration lower than the first average n-type impurity concentration. The second part,
The first average n-type impurity concentration is 3 × 10 18 cm −3 or more,
The III-N-based compound semiconductor device, wherein the second average n-type impurity concentration is 3 × 10 18 cm −3 or less, and the plurality of semiconductor layers are formed on the second portion.
前記第1の平均n型不純物濃度は、3×1018cm-3〜1×1021cm-3の範囲内であり、かつ
前記第2の平均n型不純物濃度は、1×1017cm-3〜3×1018cm-3の範囲内である、請求項1に記載の半導体装置。
The first average n-type impurity concentration is in the range of 3 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 , and the second average n-type impurity concentration is 1 × 10 17 cm −. The semiconductor device according to claim 1, which is in a range of 3 to 3 × 10 18 cm −3 .
前記第1の平均n型不純物濃度は、3×1018cm-3〜1×1019cm-3の範囲内である、請求項2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first average n-type impurity concentration is within a range of 3 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . 前記III−N系化合物半導体はGaN系化合物半導体である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the III-N compound semiconductor is a GaN compound semiconductor. 発光素子である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a light emitting element.
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