JPH11274555A

JPH11274555A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH11274555A
Application number: JP7968298A
Authority: JP
Inventors: Hisayuki Miki; 久幸三木; Akira Fukizawa; 朗蕗澤; Mineo Okuyama; 峰夫奥山; Masaharu Oshima; 正治尾嶋; Hiroshi Fujioka; 洋藤岡; Kanta Ono; 寛太小野
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型層に対し
て、低抵抗のオーミック性電極を形成することができる
電極部の構造を開発し、レーザーダイオード等の半導体
素子の特性を改良する。【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体からなる半
導体層と該半導体層上に形成された半導体からなるコン
タクト層と、該コンタクト層上に形成された金属からな
る電極とを有する半導体素子において、上記コンタクト
層のバンドギャップを、半導体層側から電極に向かって
連続的にあるいは階段状に狭くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）系化合物半導体（Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-yＮ：但
し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からな
る半導体層を有する半導体素子に係わり、特に低抵抗の
オーミック接触が得られる電極を形成するために、改良
された電極部の構造を有する半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、短波長光発光素子用の半導体材料
としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。
ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとし
て、種々の酸化物単結晶やIII −Ｖ族化合物単結晶を基
板として、その上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）や水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）、
分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成され
る。

【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体で形成された
半導体層を素子として利用するためには、該半導体層の
表面に金属製の電極を接触させる。電極を通じて半導体
層に効率的に電流を注入するには、電極と半導体層との
電気的な接触がオーミック性の接触をなしていることに
加え、接触抵抗値が小さいことが望ましい。

【０００４】しかしながら、従来、窒化ガリウム系化合
物半導体に代表される大きなバンドギャップを持つ半導
体では、特にｐ型の導電性を有する半導体層の電極にお
いて抵抗値が十分低いオーミック接触を実現させること
は困難であった。

【０００５】一般に大きなバンドギャップを持つｐ型半
導体に対してオーミック性の接触を形成するためには、
（１）大きな仕事関数を持った金属を接触させる、
（２）電極形成する層を高キャリア濃度層とする、
（３）半導体と金属電極との界面にバンド間準位を形成
するなどの方法が用いられる。しかし、一般の狭いバン
ドギャップを持つ半導体の場合に採用される（１）は、
大きなバンドギャップを持つ半導体では、有効ではな
い。窒化ガリウム系化合物半導体の価電子帯は、ほとん
どの金属の仕事関数よりも深いエネルギー位置にあるか
らである。また、（２）の方法は、ｐ型の窒化ガリウム
系化合物半導体に関しては、ｐ型ドーパントであるＭｇ
の活性化率が低いため、高キャリア濃度層の作製が困難
である。ｐ型ドーパントの高濃度ドープは表面モフォロ
ジーの悪化を招き、現在のところ窒化ガリウム系化合物
半導体の高濃度ドープ層は達成されていない。

【０００６】（３）の方法は、ｐ型の窒化ガリウム系化
合物半導体にオーミック性の接触を形成するために、現
在最も多く採用されている。すなわち多くの場合、例え
ばｐ型ＧａＮ層にＮｉなどの金属の層を形成し、熱処理
を施して半導体層との界面に合金化層を形成し、バンド
間準位を発生させる方法でオーミック接触を形成してい
る。しかしながら、この方法で形成されたバンド間準位
を介したオーミック接触は、高い抵抗値を示すことが多
い。また、合金化層の形成条件によって結果にバラツキ
が生じ、安定したオーミック接触の作製を行うことがで
きない。現在窒化ガリウム系化合物半導体が多く用いら
れている発光ダイオードであれば、（３）の方法で形成
される電極を用いることで素子の機能をある程度引き出
すことができる。しかしながら、レーザーダイオードを
始めとする大電流密度を必要とする素子では、この方法
による電極は接触抵抗が高いため、使用に耐えない。

【０００７】そこで、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
からなる素子に低い接触抵抗のオーミック性の電極を形
成する方法として、電極と窒化ガリウム系化合物半導体
との間に、窒化ガリウム系化合物半導体より狭いバンド
ギャップを有する半導体からなる層を形成する技術が公
開されている。特開平８−９７４６８では、ｐ側電極が
設けられる半導体層を、少なくとも電極側表面がｐ型Ｉ
ｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）、ｐ型ＧａＡｓまたはｐ
型ＧａＰ、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１）また
はｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）とすることによ
って、低抵抗のオーミック性接触を得られるとしてい
る。また、特開平８−２１３６５１は窒化ガリウム系化
合物半導体と電極との間にＧａＰ_x Ｎ_1-x （ｘ≧０．
９）層とＧａＰ_y Ｎ_1-y （ｙ≦０．１）層を交互に積層
した多層膜を有することによって、また、同様に特開平
８−２１３６５３はＧａＰ_x Ｎ_1-x （０．１≦ｘ≦０．
９）層を有することによって、低抵抗のオーミック性接
触を得ることが可能であるとしている。なお本明細書に
おいては、これらの先行技術に記述のある半導体層を含
めて、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層と
金属からなる電極との間に形成される、窒化ガリウム系
化合物半導体からなる半導体層よりも狭いバンドギャッ
プを持つ電極を形成するための半導体の層をコンタクト
層と呼ぶこととする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者らの
実験によると、上記した先行技術に記載されているよう
に、狭いバンドギャップを有する半導体を単層でコンタ
クト層として電極と窒化ガリウム系化合物半導体からな
る半導体層との間に挿入するだけでは、十分に電極の接
触抵抗を低減することはできなかった。図１に、大きい
バンドギャップを持つｐ型の半導体と電極金属との間
に、単層からなるｐ型の半導体からなるコンタクト層を
挟んだ場合のバンド構造の図を示す。図１で、１は金属
の仕事関数を示し、１’、１’’は窒化ガリウム系化合
物半導体およびコンタクト層の各々のフェルミレベルを
示し、２はコンタクト層の価電子帯、３は窒化ガリウム
系化合物半導体の価電子帯を示す。金属と半導体との接
触は、金属の仕事関数と各半導体のフェルミレベルを一
致させるように形成されるので、ｐ型半導体であるコン
タクト層および窒化ガリウム系化合物半導体層の価電子
帯２、３のエネルギー位置は図１のようになる。図１か
ら判る通り、狭いバンドギャップを有するｐ型半導体を
コンタクト層として用いると、電極とコンタクト層との
界面６にはショットキーバリアが形成されず、コンタク
ト層と電極との間ではオーミック性の接触を実現するこ
とができる。しかし、コンタクト層と半導体層との界面
７にポテンシャルバリア８が形成される。結果として、
コンタクト層を挟んだ電極と半導体との間には高いポテ
ンシャルバリアが存在することとなり、接触抵抗の高い
オーミック接触を示すか、ショットキー接触を示すこと
となる。

【０００９】つまり、上記の先行例に記載されたように
電極と半導体との間にＩｎＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、
ＧａＰＮなど、電極を形成しようとする窒化ガリウム系
化合物半導体よりも極端にバンドギャップが狭く、金属
の仕事関数よりも深いエネルギー位置に価電子帯が来る
ような半導体でコンタクト層を１層だけ形成した電極部
の構造では、窒化ガリウム系化合物半導体層とコンタク
ト層との間にポテンシャルバリアが形成され、半導体と
電極との間にオーミック性の接触を形成することができ
ない。一方、コンタクト層とＧａＮとの間にポテンシャ
ルバリアを形成しない程度の比較的広いバンドギャップ
を持つ半導体でコンタクト層を形成した場合には、金属
とコンタクト層との界面にショットキーバリアが形成さ
れるのを避けることはできない。従って、従来の単層で
構成されるコンタクト層を電極とｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体の間に形成しただけでは、半導体への効果的
な電流注入は達成できなかった。

【００１０】そこで本発明の目的は、大きいバンドギャ
ップを持つ半導体、特に窒化ガリウム系化合物半導体の
ｐ型層に対して、低抵抗のオーミック性電極を形成する
ことができる電極部の構造を開発し、レーザーダイオー
ド等の半導体素子の特性を改良することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化ガリウム
系化合物半導体（Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０
≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導
体層と該半導体層上に形成された半導体からなるコン
タクト層と、該コンタクト層上に形成された金属からな
る電極とを有する半導体素子において、上記コンタクト
層のバンドギャップが、半導体層側から電極に向かっ
て、連続的にあるいは階段状に狭くなることを特徴とす
る。

【００１２】また本発明は、窒化ガリウム系化合物半導
体（Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０≦ｘ＜１、０
≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体層と、該半
導体層上に形成された半導体からなるコンタクト層と、
該コンタクト層上に形成された金属からなる電極とを有
する半導体素子において、上記コンタクト層が、ＧａＡ
ｓ_y Ｎ_1-y （０＜ｙ＜０．２）からなることを特徴とす
る。

【００１３】また本発明は、窒化ガリウム系化合物半導
体（Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０≦ｘ＜１、０
≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体層と、該半
導体層上に形成された半導体からなるコンタクト層と、
該コンタクト層上に形成された金属からなる電極とを有
する半導体素子において、上記コンタクト層が、ＧａＡ
ｓ_y Ｎ_1-y （０＜ｙ＜０．２）からなり、かつ該コンタ
クト層のバンドギャップが、半導体層側から電極に向か
って、連続的にあるいは階段状に狭くなることを特徴と
する。

【００１４】上記本発明は、窒化ガリウム系化合物半導
体からなる半導体層がｐ型の導電性を有し、かつ上記コ
ンタクト層がｐ型の導電性を有する場合に特に好適に用
いることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは、前記の目的を達成
するために、窒化ガリウム系化合物半導体で形成された
半導体素子に対して効果的に電流を注入できる電極部の
構造について鋭意検討を行った結果、窒化ガリウム系化
合物半導体からなる半導体層と電極との間に、半導体層
側から電極側に向かって連続的にあるいは階段状にバン
ドギャップが狭くなるようなコンタクト層を形成するこ
とにより、接触抵抗値の小さいオーミック性の電極を形
成することができることを見出した。

【００１６】異なるバンドギャップを有する半導体同士
を接触させると、界面にはポテンシャルバリアが形成さ
れることは前述した。形成されるバリアの大きさは、接
触させた半導体の間のバンドギャップの差に依存する。
つまり、界面でのバンドギャップの差が小さい材料同士
の界面に形成されるバリアは小さい。このことより、半
導体から電極に向かって連続的にあるいは階段状にバン
ドギャップが狭くなるようなコンタクト層においては、
バンドギャップが変化する界面で接触する半導体間のバ
ンドギャップの差を小さく抑えて、各界面に形成される
ポテンシャルバリアを小さくすることができる。これに
より、単層でコンタクト層を構成した場合よりも半導体
と電極との間に形成されるバリアを小さく抑えることが
できる。

【００１７】本発明に係わる階段状にバンドギャップが
狭くなるようなコンタクト層は、コンタクト層を２層以
上の半導体の層からなる多層構造とすることで作製でき
る。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半
導体層上に形成される第１の層は、窒化ガリウム系化合
物半導体からなる半導体層よりもやや小さいバンドギャ
ップを持つ半導体とし、第１の層上に形成される第２の
層は、第１の層よりも更にやや小さいバンドギャップを
持つ半導体とする。このようにコンタクト層をなす半導
体各層のバンドギャップを順次狭くし、金属からなる電
極を形成する表面の層に向かってコンタクト層のバンド
ギャップエネルギーが次第に狭くなるように構成する。
このようなコンタクト層の例として、コンタクト層を３
層構造として構成した場合のバンド構造を、模式的に図
２に示す。図２において、１は金属の仕事関数を示し、
１’、１’’は各々窒化ガリウム系化合物半導体および
コンタクト層のフェルミレベルを示し、２ａ、２ｂ、２
ｃはコンタクト層の各層の価電子帯、３は窒化ガリウム
系化合物半導体の価電子帯を示す。接触は金属の仕事関
数１と半導体のフェルミレベル１’、１’’のエネルギ
ー位置を一致させるようにして形成される。よって、コ
ンタクト層の各層の価電子帯のエネルギー２ａ、２ｂ、
２ｃおよび窒化ガリウム系化合物半導体の価電子帯３の
エネルギーは図２に示したようになり、各半導体の層が
接触する界面７ａ、７ｂ、７ｃには、それぞれ８ａ、８
ｂ、８ｃのポテンシャルバリアが形成される。前に図１
に示した単層からなるコンタクト層を用いた場合のポテ
ンシャルバリア８と比較して、これらの形成されるポテ
ンシャルバリア８ａ、８ｂ、８ｃは、全体として小さ
い。

【００１８】本発明に係わるコンタクト層は、階段状に
バンドギャップが変化する以外にもバンドギャップが連
続的に変化し、半導体層側から電極に向かってバンドギ
ャップが狭くなるように構成することができる。この様
なコンタクト層において形成されるポテンシャルを、図
３に模式的に示した。図１、２と同様に、１は金属の仕
事関数を示し、１’、１’’は各々窒化ガリウム系化合
物半導体およびコンタクト層のフェルミレベルを示し、
２はコンタクト層の各層の価電子帯、３は窒化ガリウム
系化合物半導体の価電子帯を示す。接触はこれらのエネ
ルギー位置を一致させるようにして形成されるので、コ
ンタクト層の価電子帯２および窒化ガリウム系化合物半
導体の層の価電子帯３のエネルギーは図３に示したよう
になる。このように連続的にバンドギャップが変化する
コンタクト層を形成すると、バンドギャップの異なる２
種類の半導体が接触する界面は存在せず、ポテンシャル
バリアが形成されない。

【００１９】バンドギャップが半導体層側から電極に向
かって連続的にあるいは階段状に狭くなるようなコンタ
クト層を形成する場合、コンタクト層を構成する材料に
は種々の半導体を用いることができる。しかし、コンタ
クト層をなす半導体は、窒化ガリウム系化合物半導体か
らなる層よりもバンドギャップが小さい必要があること
は言うまでもない。コンタクト層を構成する各層の材料
は、各層毎に異なる材料を用いても良いし、同じ材料を
含む混晶であって組成の異なる材料を用いても良い。

【００２０】しかし、エピタキシャル成長によってコン
タクト層を積層する場合、格子定数の大きく異なる材料
を接触させて積層することは困難である。したがって、
コンタクト層を構成する各層毎に異なる材料を用いるよ
りも、組成の異なる同じ材料を用いることが、エピタキ
シャル成長によってコンタクト層を積層するためには有
利である。そのために、例えば半導体層がＧａＮであっ
た場合、ＧａＮよりも小さなバンドギャップを有する材
料として、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどをコ
ンタクト層として用いることができる。

【００２１】半導体層がＧａＮであった場合に、コンタ
クト層のバンドギャップを半導体層側から電極に向かっ
て階段状に狭くなるように構成するためには、前述した
ＩｎＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどをコンタクト層
の材料として用い、その組成を階段状に変化させればよ
い。具体的には、ＩｎＧａＮからなるコンタクト層の場
合はＩｎの組成を階段状に増やせばよく、ＧａＡｓＮか
らなるコンタクト層の場合はＡｓの組成を階段状に増や
せばよく、ＧａＰＮからなるコンタクト層の場合はＰの
組成を階段状に増やせばよい。また、半導体層がＧａＮ
であった場合に、コンタクト層のバンドギャップを半導
体層側から電極に向かって連続的に狭くなるように構成
する場合には、前述したＩｎＧａＮ、ＧａＡｓＮ、Ｇａ
ＰＮなどをコンタクト層の材料として用い、組成を連続
的に変化させればよい。具体的には、それぞれＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮからなるコンタクト層の場合
には、それぞれＩｎ、Ａｓ、Ｐの組成を連続的に増やせ
ばよい。

【００２２】本発明に係わるコンタクト層を、ＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどの組成の異なる同じ材料
で作製する場合、コンタクト層の材料は組成の変化量に
対するバンドギャップの変化量が大きいことがより望ま
しい。コンタクト層の材料の組成を変化させると、組成
の変化に伴って格子定数が変化する。下地の窒化ガリウ
ム系化合物半導体の結晶とコンタクト層の格子定数が大
きく異なると、前述のようにエピタキシャル成長が難し
くなる。そこで、コンタクト層の材料として組成の変化
量に対するバンドギャップの変化量が大きいものを選ぶ
と、格子定数を大きく変化させずにバンドギャップを大
きく変化させることができる。

【００２３】そのため本発明に係わるコンタクト層の材
料としては、ＧａＡｓＮと表記されるＡｓを含む窒化ガ
リウム系化合物半導体混晶で構成することが望ましい。
ＧａＡｓＮの組成は、ＧａＡｓ_y Ｎ_1-y と表記したとき
のｙによって表す。ＧａＡｓＮのバンドギャップは、図
４に示すようなＡｓ組成に対する依存性を示すことが知
られている（Ｓ．Ｓａｋａｉｅｔａｌ．、Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３２（１９９３）、
４４１３．、他）。この図から判るようにＧａＮにＡｓ
をＶ族元素として含んだ場合、Ａｓの組成が大きくなる
とバンドギャップが小さくなる。またＧａＡｓＮは、Ｇ
ａＮに少量のＡｓを加えただけでバンドギャップが大き
く減少するという特徴がある。これにより、ＧａＮより
も小さなバンドギャップを持つＧａＡｓＮは、ＧａＮに
少量のＡｓを加えただけでＧａＮ結晶に格子整合したの
と近い形で積層することが可能であり、窒化ガリウム系
化合物半導体と電極との間のコンタクト層として望まし
い材料である。更にＧａＡｓＮは、Ａｓ組成の変化に対
するバンドギャップの変化が大きいため、小さなＡｓ組
成の変化で望むようにバンドギャップを変えることが可
能である。このため、ＧａＡｓＮからなるコンタクト層
は該層内の格子定数の変化を小さく抑えながらバンドギ
ャップを変えることが可能であり、層内で組成が変化す
るコンタクト層を積層するのに有利である。

【００２４】図４に示すように、ＧａＡｓＮはＡｓ組成
が０．２近くになったところでバンドギャップが０にな
る。コンタクト層に用いるＧａＡｓＮの組成がＧａＮか
ら離れる程に、ＧａＮとコンタクト層との格子定数の差
が大きくなり、ＧａＡｓＮからなるコンタクト層をＧａ
Ｎに格子整合させてエピタキシャル成長させることが困
難となる。そこでＧａＮ上にＧａＡｓＮ混晶でコンタク
ト層を作製する場合、コンタクト層の組成は、バンドギ
ャップが０以上である組成のうちのＧａＮ側、つまりＧ
ａＡｓ_y Ｎ_1-y において０＜ｙ＜０．２であることが望
ましい。

【００２５】階段状にバンドギャップが狭くなるような
コンタクト層は、超格子構造を用いても作製できる。量
子効果を発揮するような小さな膜厚で構成された超格子
においては、膜厚を変化させることによってバンドギャ
ップを制御することができる。このような構造は、例え
ばセレン化亜鉛系化合物半導体からなる発光素子におい
て報告されている（Ｆ．Ｈｉｅｉ、ｅｔａｌ．、Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、２９（１９９
３）、８７８〜８７９頁）。この効果を利用して、窒化
ガリウム系化合物半導体側から電極側へ次第に量子井戸
層の膜厚が大きくなるように超格子を形成し、半導体か
ら電極層へ向かってバンドギャップが小さくなっていく
バンド構造を形成することができる。障壁層を形成する
層は、膜厚を非常に薄く形成することで、トンネル効果
による電流を流通させることができる。

【００２６】本発明に係わるコンタクト層の形成は、ど
の様な方法によっても構わない。ＧａＡｓＮからなるコ
ンタクト層を形成する場合を例にとって説明すると、Ｍ
ＯＣＶＤ法による窒化ガリウム系化合物半導体層の成長
が終了した後に、引き続き同じ反応炉にトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）などのＧａ原料と、アルシン（ＡｓＨ
₃ ）およびアンモニア（ＮＨ₃ ）を流通することによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体層上にコンタクト層を
成長することができる。またこの場合、ビスシクロペン
タジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）やジメチル亜鉛
（ＤＭＺｎ）などをコンタクト層の成長時に流通するこ
とで、ＭｇやＺｎをコンタクト層にドープし、コンタク
ト層をｐ型導電性とすることができる。

【００２７】同様に、窒化ガリウム系化合物半導体層を
ＭＢＥ法により成長した後で、引き続き同じ反応炉でＧ
ａの原料フラックスとともに、Ａｓ、Ｎの原料のフラッ
クスあるいはＡｓＨ₃ 、ＮＨ₃ などのＶ族元素を含む水
素化物などを照射することによっても、ＧａＡｓＮから
なるコンタクト層を形成することができる。またこの場
合、ＭｇやＺｎなどのビームをコンタクト層の成長と同
時に照射することによって、ＭｇやＺｎをコンタクト層
にドープし、コンタクト層をｐ型化することができる。

【００２８】また、窒化ガリウム系化合物半導体層を形
成した基板は、一旦該半導体層の成長に用いた反応炉の
外に取り出した後でも、湿式の表面処理を行った後でＧ
ａＡｓＮの成長が可能な反応炉に導入してＧａＡｓＮ層
の成長を行うことによって、本発明に係わるコンタクト
層を形成することができる。このとき、コンタクト層形
成用の反応炉としてＭＢＥ装置やＭＯＣＶＤ装置を用
い、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法によってコンタクト層を形
成することができる。

【００２９】またＧａＡｓＮからなるコンタクト層は、
ＧａＮからなる半導体層の表面の領域において、Ａｓに
よってＧａＮ半導体結晶のＮ原子を置き換えることによ
っても形成することができる。このようなＮを置き換え
る工程によって、連続的に組成の変化するＧａＡｓＮ層
を形成することができる。つまり、Ｎを置き換えたＡｓ
原子は表面からの深さに従って減っていき、Ａｓの浸透
できない深さでは元の窒化ガリウム系化合物半導体であ
る。このようなＡｓ組成の傾斜を持つＧａＡｓＮの層
は、半導体層側から電極に向かって連続的にバンドギャ
ップが狭くなるコンタクト層として用いることができ
る。置換処理を行う反応炉として、ＭＢＥ装置やＭＯＣ
ＶＤ装置やイオン注入装置を用いることができる。

【００３０】上記の装置を用いたＧａＮ半導体層のＮ原
子の置き換えによるコンタクト層の形成にあたっては、
一旦ＧａＮ層の成長を終えた基板を反応炉から取り出
し、湿式の表面処理を行った後で再び反応炉に入れて、
ＡｓによるＧａＮ半導体結晶のＮ原子の置換を行うこと
ができる。具体的には、反応炉としてＭＢＥ装置を用い
るのであれば、基板の温度を３００度から９００度の温
度に保持して、一定の時間に渡ってＧａＮ系化合物半導
体にＡｓのフラックスを照射することでＡｓによるＮの
置換処理を行うことができる。また、ＭＯＣＶＤ装置を
用いるのであれば、基板の温度を３００度から９００度
の温度に保持して、一定の時間に渡ってＡｒやＨ₂ など
のキャリアガスと同時にＡｓＨ₃ を流通することによっ
てＡｓによるＮの置換処理を行うことができる。更に、
イオン注入装置を用いた場合には、装置内に載置した基
板に向けてＡｓイオンを照射することでＧａＮ化合物半
導体についてのＡｓによるＮの置換処理を行うことがで
きる。このような置換処理は、ＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ
装置などの装置においてＧａＮ半導体層の成長を終えた
後、基板を反応炉の外に取り出さず、該層の成長を行っ
たのと同じ反応炉内で該層の成長に引き続いて行うこと
も可能である。

【００３１】同様に、ＧａＮ半導体層のＮ原子を燐
（Ｐ）に置き換えることによって、ＧａＰＮからなるコ
ンタクト層を形成することができる。置換処理を行う方
法は、Ａｓによる置換と同様に、ＭＢＥ装置やＭＯＣＶ
Ｄ装置やイオン注入装置を用いて、上記の工程に準ずる
方法によって行うことができる

【００３２】上記のＧａＮのＮ原子をＡｓやＰで置き換
えることによってコンタクト層を形成する方法において
は、置き換え処理を行った後で該基板を熱処理を行うこ
とが望ましい。置き換え処理を行っただけでは、形成さ
れたコンタクト層で結晶の乱れを生じている可能性があ
る。しかし、熱処理を行うことによって、コンタクト層
の結晶の乱れを修復することができる。熱処理を行う温
度は、結晶の乱れを修正可能であるように、４５０度よ
りも高い温度が望ましい。しかしながら、１３００度を
超える高温では、ＧａＰＮあるいはＧａＡｓＮの結晶の
昇華が起きるので、熱処理温度は１３００度以下である
方が良い。また、熱処理を行う処理炉の中には、結晶の
昇華を防ぐ目的で、ＰＨ₃ 、ＡｓＨ₃ 、ＮＨ₃ などの半
導体結晶に含まれるＶ族元素を含む化合物を含むガスを
流通させておくことが望ましい。

【００３３】また本発明は、ｐ型の導電性を有する窒化
ガリウム系化合物半導体層上に電極を設ける場合に、特
に有効である。ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体で
は、価電子帯がエネルギー的に深い位置にあるため、シ
ョットキーバリアを形成しない金属電極を形成できない
ことは既に述べた。本発明のコンタクト層を形成するこ
とにより、このようなバンドギャップの大きいｐ型の半
導体層に対して、オーミック性の接触をする電極を形成
することが可能となる。さらに、ｐ型半導体層と金属か
らなる電極との間にコンタクト層を形成する場合には、
コンタクト層自体がｐ型の導電性を持つことが望まし
い。コンタクト層をｐ型とするために、コンタクト層に
はＭｇやＺｎなどのII族元素や、ＳｉやＧｅなどのIV族
元素をドープすることができる。

【００３４】本発明のコンタクト層に接触させて電極を
形成する金属は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｎｉなどの、大き
な仕事関数を持つ金属とすることが望ましい。ｐ側電極
に用いる金属としては、金属の仕事関数が、接触する半
導体の価電子帯のエネルギーに近い方が望ましい。窒化
ガリウム系化合物半導体においては、価電子帯が真空準
位から大きなエネルギーにあるため、仕事関数が大きい
金属を電極として用いた方が、ポテンシャルバリアを形
成せずに半導体に対してオーミック性の接触を形成しや
すい。また、仕事関数の大きな金属を用いることによ
り、コンタクト層内でのバンドギャップの変化量を小さ
く抑えることが可能となる。

【００３５】また本発明では、コンタクト層上に金属か
らなる電極を形成するために、蒸着法やスパッタ法を用
いることができる。また、形成した電極とコンタクト層
との密着性の向上の目的で、熱処理を行うことができ
る。熱処理はＡｒやＮ₂ などの不活性ガス中で行い、温
度は４００度から６００度の間で行うことが好ましい。
４００度以下では電極の密着性が得られない。６００度
以上の温度では、結晶の表面に荒れを生じることがあ
る。

【００３６】

【作用】本発明の意図するように、コンタクト層を連続
的または階段状にバンドギャップが狭くなるように構成
した場合、バンドギャップが変化する界面で接触する半
導体間のバンドギャップの差を小さく抑えて、各界面に
形成されるポテンシャルバリアを小さくすることができ
る。またコンタクト層の材料はＧａＡｓＮ混晶が望まし
い。ＧａＡｓＮはＧａＮに少量のＡｓを加えることによ
りバンドギャップが大きく減少するという特徴がある。
これにより、ＧａＮよりも小さなバンドギャップを持つ
ＧａＡｓＮは、ＧａＮ結晶に格子整合したのと近い形で
積層することが可能である。特にコンタクト層が、Ｇａ
Ａｓ_y Ｎ_1-y （０＜ｙ＜０．２）からなり、かつ該コン
タクト層のバンドギャップが、半導体層側から電極に向
かって、連続的にあるいは階段状に狭くなる場合、該コ
ンタクト層はＧａＮ層と格子整合したのと近い形で、し
かもコンタクト層内の格子定数の変化を小さく抑えなが
ら積層でき、かつポテンシャルバリアの形成を抑制する
ことができる。

【００３７】

【実施例】（実施例１）本実施例１では、基板上に窒化
ガリウム系化合物半導体からなる半導体層が積層され、
該半導体層上に本発明に係わるコンタクト層が形成され
た半導体基板を用いて、発光素子（ＬＥＤ）を作製した
例を説明する。本実施例１で用いた半導体基板は、サフ
ァイア基板９上に、膜厚が２０ｎｍのＡｌＮをバッファ
層１０として、膜厚が１μｍでキャリア濃度が１×１０
¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１１、膜厚５
ｎｍのＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ活性層１２、膜厚１５０ｎｍ
でＭｇをドープしたキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層１３、膜厚５００ｎｍでＭｇを
ドープしたキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ
層１５を順に積層した半導体基板である。この半導体基
板のｐ型ＧａＮ層１５上に、各々Ｍｇを５×１０¹⁹ｃｍ
^-3ドープしたＧａＡｓ_0.01Ｎ_0.99からなる第１の層１６
ａ、ＧａＡｓ_0.05Ｎ_0。95からなる第２の層１６ｂ、Ｇａ
Ａｓ_0.1 Ｎ_0.9 からなる第３の層１６ｃの３層からなる
コンタクト層１６を形成し、図５に断面図を示すような
発光素子を形成した。

【００３８】コンタクト層の形成は以下の手順で行っ
た。まず、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板上に半導
体の層の成長が終わった後、半導体基板を一旦反応炉か
ら取り出した。取り出した半導体基板を硫酸と過酸化水
素の１：１の混合溶液に１０分間含浸したのち、イオン
交換水の流水で５分間洗浄した。続いて同試料を濃塩酸
に１０分間含浸し、同様にイオン交換水の流水で５分間
洗浄した。洗浄終了後、乾燥させた窒素ガスで半導体基
板の表面をブローして水滴を除去した。

【００３９】この半導体基板を、試料導入用のチャンバ
ー、反応用のチャンバー、反応用のチャンバーには赤外
線式の試料加熱装置、Ａｓのセル、Ｇａのセル、Ｍｇの
セル、およびＮＨ₃ とｒｆクラッカーを搭載したＭＢＥ
装置中に導入した。半導体基板を導入用のチャンバーか
ら反応用のチャンバーに移送した後、反応チャンバーの
圧力を１×１０^-11 Ｔｏｒｒになるまで真空引きした。
真空度を確認後、半導体基板の後ろ側に取り付けられた
赤外線加熱装置を用いて、基板温度を５５０℃まで上昇
させた。基板温度が上昇するのを待つ間に、Ｇａ、Ａ
ｓ、Ｍｇの各セルの温度を９００度、７００度、７００
度に昇温した。基板温度が安定してから、ＮＨ₃ のｒｆ
クラッカーの出力を上げてＮラジカルのビーム照射を開
始し、同時にＧａとＡｓのセルの射出口を遮っていたシ
ャッタを開けて、ＡｓビームおよびＧａビームを照射し
た。また、極微量のＭｇのビームも、同時に照射を開始
した。初めの１０分間は、ＮＨ₃ から発生するＮラジカ
ルのビームとＡｓのビームに含まれる原子のモル比を９
９：１となるように調節した。ビームを１０分間照射し
たのち、Ｎラジカルの照射量とＡｓビームの照射量を変
化させて、９５：５となるようにした。この状態で更に
１０分間放置した後、今度はＮラジカルの照射量とＡｓ
ビームの照射量を、１０：９０となるように変化させ
た。１０分間ビームを照射したあと、シャッタを閉じて
各ビームの照射を停止した。ビームの照射を停止した後
は、再び真空度が１×１０^-11 Ｔｏｒｒまで下がるのを
待ってから、基板の温度を室温まで降温した。降温を確
認した後、半導体基板をビームを照射した真空チャンバ
ーから導入用のチャンバーに移送し、大気中に取り出し
た。

【００４０】以上の作業によって、ｐ型ＧａＮ層１５表
面には、１６ａ、１６ｂ、１６ｃの３層からなる、Ｍｇ
をドープされたｐ型のＧａＡｓＮからなるコンタクト層
１６が形成された。形成されたコンタクト層の構造を確
認するために、同じ手順によってＧａＮ基板上に３層か
らなるＧａＡｓＮの層を成長した基板を、断面ＴＥＭに
て観察した。その結果、コンタクト層を構成する各層の
膜厚は１００ｎｍであり、全体として３００ｎｍの膜厚
を持つコンタクト層が形成されていた。また、断面ＴＥ
Ｍ装置に搭載されたエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤ
Ｓ）により、各層の組成はｐ型ＧａＮ層側から、ＧａＡ
ｓ_0.01Ｎ_0.99、ＧａＡｓ_0.05Ｎ_0。95、ＧａＡｓ_0.1 Ｎ
_0.9 であることが判った。従って、バンドギャップはｐ
型ＧａＮ層１５では３．４２ｅＶであり、これに接触す
るコンタクト層の第１層目１６ａは３．１８ｅＶ、第２
層目１６ｂでは２．３３ｅＶ、第３層目１６ｃでは１．
３６ｅＶとなり、ＧａＮ層側から表面に向かって階段状
に狭くなっている。また、各層にはｐ型ドーパントであ
るＭｇがドープされており、導電型はｐ型である。

【００４１】コンタクト層１６の成長を行った半導体基
板に、図６に示した半導体発光素子用電極を以下の方法
で形成した。コンタクト層成長を行った半導体基板を、
硫酸と過酸化水素の混合溶液と塩酸を用いた湿式表面処
理を行った後、真空蒸着機の真空チャンバーに導入し、
３×１０^-6Ｔｏｒｒまで真空引きした。真空度を確認後
に電子線加熱装置で蒸着材料であるＮｉ片を加熱し、試
料との間を遮っていたシャッターを開けてＮｉの蒸着を
開始した。水晶振動子式の膜厚計で蒸着膜の厚みをモニ
ターしながら蒸着を続け、８００ｎｍになったところ
で、シャッターを閉じて蒸着を終了した。真空チャンバ
から取り出した半導体基板に、一般にフォトリソグラフ
ィーと呼ばれる手法によってレジストによるマスクによ
るパターンを形成し、塩酸に含浸して望まれるパターン
の形状にＮｉからなるｐ側電極１７が形成された半導体
基板を得た。更に、ドライエッチングによってｎ側電極
１８を形成する部分のｎ層を露出させ、露出した部分１
９にＡｌよりなるｎ側電極１８を形成した。

【００４２】以上の工程によって電極を形成した半導体
基板の裏面２０を、機械化学研磨と呼ばれる手法によっ
てミラー状に研磨した。最後に、上記の電極を形成した
半導体基板を４００μｍ角のチップに切断し、リードフ
レーム上に研磨したサファイア基板の裏面２０を上にし
て載置して、発光ダイオードとした。電流２０ｍＡにお
ける発光出力が１５０μＷ、順方向電圧は１．６Ｖを示
した。順方向電圧が１．６Ｖと小さいことは、コンタク
ト層の効果によりｐ型の電極部で低抵抗のオーミック接
触が実現していることを示している。

【００４３】（実施例２）本実施例２では、基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層が積層さ
れ、該半導体層上に本発明に係わるコンタクト層が形成
された半導体基板を用いて、発光素子（ＬＥＤ）を作製
した別の例を説明する。本実施例２に用いた半導体基板
は、サファイア基板９上に、膜厚５０ｎｍのＧａＮをバ
ッファ層１０として、膜厚１μｍでキャリア濃度が１×
１０¹⁸ｃｍ^-1のＳｉをｎ型ＧａＮ層１１、膜厚５０ｎｍ
のＺｎとＳｉをドープしたｎ型Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ活性
層１２、膜厚１５０ｎｍのＭｇをドープしたキャリア濃
度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド
層１３、膜厚５００ｎｍのＭｇをドープしたキャリア濃
度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ層１５を順に積層した
半導体基板である。この半導体基板のｐ型ＧａＮ層の上
に、Ｍｇを５×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたｐ型のＧａＰ
_0.01Ｎ_0.99とＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 を交互に積層することに
より構成した、超格子構造によるコンタクト層１６を形
成し、電極を形成して、図７に断面図を示すような半導
体素子を作製した。

【００４４】半導体基板上に、超格子構造からなるコン
タクト層１６を以下の手順で形成した。ＭＢＥ法により
サファイア基板の上に半導体層の成長が終了した後、該
半導体基板を反応炉の外に取り出し、硫酸と過酸化水素
の混合溶液を用いた湿式処理を行い、その後、水洗し、
塩酸を用いた湿式処理を行って水洗した。水洗後の半導
体基板は乾燥させた窒素ガスを吹き付けて半導体層表面
の水滴を吹き飛ばした。この半導体基板を、試料導入用
のチャンバー、反応用のチャンバー、反応用のチャンバ
ー内には、赤外線加熱式の試料加熱装置、Ｇａのセル、
Ｐのセル、Ｍｇのセル、およびＮＨ₃ ガス導入口とｒｆ
クラッカーを搭載したＭＢＥ装置に導入した。導入用の
チャンバーから反応用のチャンバーに半導体基板を移送
後、真空チャンバーを１×１０^-11 Ｔｏｒｒまで真空引
きした。真空度を確認した後、Ｇａ、Ｐ、Ｍｇの各セル
の温度を９００度、６００度、８００度に上げて、蒸気
をセル内に充満させておいた。また、半導体基板の後方
に取り付けられた赤外線加熱装置を用いて、基板の温度
を４００度まで昇温させた。

【００４５】基板の温度が安定したことを確認後、セル
のビーム射出口を遮っていたシャッターを開けて、Ｇａ
およびＰのビームの照射を開始した。また、Ｍｇのセル
のシャッターも同時に解放し、Ｍｇのビームをも照射し
た。同時に、ＮＨ₃ ガス導入口を開けてｒｆクラッカー
の出力を上昇させて、基板に向けてＮラジカル種を照射
した。照射するＮとＰのビーム強度の比を２０：８０と
して３秒間の成長をおこなったあと、ビーム強度の比を
１：９９として２０秒間の成長を行った。次に、強度の
比を再び２０：８０に戻して４秒間の成長をおこない、
更に強度の比を再び１：９９に戻して２０秒間の成長を
行った。次に、強度の比を再び２０：８０に戻して５秒
間の成長をおこない、更に強度の比を再び１：９９に戻
して２０秒間の成長を行った。次に、強度の比を再び２
０：８０に戻して６秒間の成長をおこない、更に強度の
比を再び１：９９に戻して２０秒間の成長を行った。次
に、強度の比を再び２０：８０に戻して８秒間の成長を
おこない、更に強度の比を再び１：９９に戻して２０秒
間の成長を行った。次に、強度の比を再び２０：８０に
戻して１１秒間の成長をおこない、更に強度の比を再び
１：９９に戻して２０秒間の成長を行った。次に、強度
の比を再び２０：８０に戻して１７秒間の成長をおこな
い、更に強度の比を再び１：９９に戻して２０秒間の成
長を行った。そして最後に、強度の比を再び２０：８０
に戻して８分２０秒間の成長を行った。その後、Ｇａ、
Ｐ、Ｍｇのセルのシャッターを閉じて、各ビームの照射
を停止し、同時にｒｆクラッカーの出力を降下し、１時
間を掛けて基板の温度を室温まで下降させた。室温まで
温度が降温した半導体基板は、導入用のチャンバーに戻
し、大気中に取り出した。

【００４６】でき上がったコンタクト層１６の構造を図
８に示す。上記の方法で作製された超格子構造の量子効
果により、コンタクト層はバンドギャップが３．４２ｅ
Ｖであるｐ型ＧａＮ層１５からバンドギャップが１．１
０ｅＶのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 からなる最表面のコンタクト
層に向かって、バンドギャップが階段状に狭くなってい
る。また、各層にはｐ型ドーパントであるＭｇがドープ
されており、導電型はｐ型となっている。

【００４７】以上の工程によりコンタクト層成長を行っ
た半導体基板に、実施例１と同じ形状の半導体発光素子
用電極を形成した。コンタクト層を形成した半導体基板
を、ｒｆスパッタ装置の真空チャンバーに導入し、３×
１０^-6Ｔｏｒｒまで真空引きし、チャンバー内にＡｒを
流通し、ｒｆ波の発生を開始した。１５０Ｗまでｒｆ波
の出力を上昇させ、Ｐｄ膜の成長を３分間行い、シャッ
ターを閉じて成長を終了した。その後、一般にフォトリ
ソグラフィーと呼ばれる手法によって、希望する形状の
Ｐｄからなるｐ側電極１７が形成された半導体基板を得
た。更に、ドライエッチングによってｎ側電極１８を形
成する部分のｎ層を露出させ、露出した部分１９にＡｌ
とＴｉの合金よりなるｎ側電極１８を形成した。

【００４８】以上の工程によって電極を形成した半導体
基板の裏面２０を、機械化学研磨と呼ばれる手法によっ
てミラー状に研磨した。最後に、上記の電極を形成した
半導体基板を４００μｍ角のチップに切断し、研磨した
サファイア基板の裏面２０が上になるようにリードフレ
ーム上に載置し、結線して発光ダイオードとした。電流
２０ｍＡにおける発光出力が１２０μＷ、順方向電圧は
１．８Ｖを示した。順方向電圧が１．８Ｖと小さいこと
は、コンタクト層の効果によりｐ型の電極部で低抵抗の
オーミック接触が実現していることを示している。

【００４９】（実施例３）本実施例３では、基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層が積層さ
れ、該半導体層上に本発明に係わるコンタクト層が形成
された半導体基板を用いて、レーザー素子を作製した例
を説明する。本実施例３に用いた半導体基板は、サファ
イア基板９上に膜厚５０ｎｍのＧａＮバッファ層１０、
膜厚１μｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドー
プしたｎ型ＧａＮ層１１、膜厚１００ｎｍでキャリア濃
度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープしたｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ｎ層２１、膜厚５００ｎｍでキャリア濃度１×１０
¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープしたｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラ
ッド層２２、膜厚１００ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁸
ｃｍ^-3のＳｉドープしたｎ型ＧａＮ光閉じこめ層２３、
Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層とＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層の組み合
わせを３層繰り返し積層した多重量子井戸活性層２４、
膜厚１００ｎｍでキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型
Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎキャップ層２５、膜厚２００ｎｍで
キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ光閉じこめ
層２６、膜厚３０ｎｍでキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3
のｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層１３、膜厚５０ｎ
ｍでキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ層１５
を、ＭＯＣＶＤ法によって積層した半導体基板である。
この半導体基板上に、組成が連続的に変化するＧａＡｓ
Ｎからなるコンタクト層１６を積層した。図９に作製し
たレーザー素子の断面図を示す。

【００５０】コンタクト層の成長は以下の手順で行っ
た。まず、ＭＯＣＶＤ法によって、サファイア基板上に
半導体層の成長が終了した後、半導体基板は一旦反応炉
から大気中に取り出した。そして、硫酸と過酸化水素の
混合溶液で湿式処理を行った。その後、Ｇａ原料である
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ｐ型ドーパントのＭｇ
原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ
ｐ₂ Ｍｇ）のバブラー、およびキャリアガスであるＡｒ
及びＨ₂ 、Ｎの原料であるＮＨ₃ 、Ａｓの原料であるＡ
ｓＨ₃ のガスボンベおよび、それぞれが反応炉に流通す
るための配管、流量を制御するためのマスフローコント
ローラーを装備したＭＯＣＶＤ装置の反応炉内のカーボ
ン製のサセプタ上に、上記の半導体基板を載置した。反
応炉は石英ガラス製で、基板を加熱するためのｒｆコイ
ル中に設置されている。

【００５１】半導体基板を導入後、反応炉内をＡｒガス
で置換し、ｒｆコイルに通電して、サセプタとともに半
導体基板の温度を１０００度に昇温した。昇温中、基板
温度が５００度になった時点から、反応炉内にＮＨ₃ の
流通を開始した。加えて、昇温中にＴＭＧのバブラーに
水素ガスを流通してバブリングによるＴＭＧの取り出し
を開始した。バブリングによって発生したＴＭＧの蒸気
は、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通さ
せ、除害装置を通して大気中へ放出させておいた。

【００５２】温度が１０００度となって安定したことを
確認した後、ＴＭＧの供給バルブとＡｓＨ₃ の供給バル
ブを切り替えて、反応炉内にＴＭＧとＡｓＨ₃ の流通を
開始した。また同時に、ドーパントであるＭｇの原料で
あるＣｐ₂ Ｍｇの供給バルブも切り替えて、Ｃｐ₂ Ｍｇ
を供給させた。ここまで反応炉内に流通させていた、Ｎ
Ｈ₃ とＡｒガスについてもそのままの流量で供給を継続
した。ＡｓＨ₃ とＴＭＧの流通を開始した直後から、各
気体原料の流量は保ったままで、ｒｆコイルを制御して
半導体基板の温度を徐々に下げた。温度の変化量は、１
分間に５度の割合で時間に対して線形に下がるように制
御し、６０分で７００度まで降温した。１０００度から
７００度の温度範囲においてはＡｓＨ₃ もＮＨ₃ もほぼ
１００％分解する。１０００度においてはＡｓの昇華速
度が著しく、Ａｓはほとんど結晶中に取り込まれない。
Ａｓの昇華速度は温度に依存するため、成長温度を低下
させることで、成長する結晶のＡｓ組成を制御すること
ができる。Ａｓの取り込まれ量は温度の低下とともに増
加する。例えば、成長温度８５０度においてはＧａＡｓ
_0.05Ｎ_0.85という組成の結晶が成長し、成長温度７００
度においてはＧａＡｓ_0.1 Ｎ_0.8 という組成の結晶が成
長した。このように、連続的に温度を変化させながら成
長を行うことで、連続的に組成の異なる結晶を成長する
ことができる。

【００５３】基板温度が７００度に達したところで、Ｔ
ＭＧの流通を停止した。その後、同じ速度で温度を降温
し、温度が４００度まで低下したことを確認した後、Ａ
ｓＨ₃ 、ＮＨ₃ の流通を停止した。更に同じ速度で降温
を続け、基板温度を室温まで低下させた。４００度から
室温までの降温中は反応炉内にはＡｒガスを流通した。

【００５４】確認の目的で、上記と同様にＧａＡｓＮ層
の成長を行った別のＧａＮ基板について、Ａｒイオンス
パッタでＧａＡｓＮ層を表面側からエッチングしながら
オージェ電子分光（ＡＥＳ）法で、深さ方向にＡｓとＮ
の定量を行った。結果を図１０に示す。図１０で横軸は
表面からの深さを示す。ＡｓとＮの組成を定量した結果
２７、２８より、ＧａＡｓＮ層の組成は結晶表面ではＧ
ａＡｓ_0.1 Ｎ_0.8 であり、Ａｓの組成は深さ方向に対し
てほぼ線形に変化して小さくなってゆき、表面から約２
００ｎｍの深さではＧａＮであることが判った。この結
果、電極を形成する面ではバンドギャップは１．３６ｅ
Ｖであり、表面から深さが深くなるに従って連続的に広
くなる。表面から２００ｎｍの位置から半導体の構成材
料はＧａＮであり、バンドギャップは３．４２ｅＶとな
っている。

【００５５】以上の工程によって作製したエピタキシャ
ル基板を、アニール用の赤外線加熱式ゴールドファーネ
ス炉に導入し、窒素雰囲気中で８００度において３０分
間に渡って熱処理した。以上の熱処理によって、Ｍｇを
ドープした各層２５、２６、１３、１５、およびＭｇを
ドープしたコンタクト層１６のｐ型キャリアが活性化さ
れた。

【００５６】上記の方法によりコンタクト層を形成した
半導体基板に、図１１に模式図を示した形状の電極を以
下の方法で形成し、レーザー素子とした。上記のコンタ
クト層を形成した半導体基板を、ｒｆ式スパッタ装置の
真空チャンバーに導入し、３×１０⁶ Ｔｏｒｒまで真空
引きしたあと、Ａｒガスを導入してｒｆ波の発生を開始
した。ｒｆ波の出力を１５０Ｗまで上昇させたあと、半
導体基板とターゲットの間を遮っていたシャッタを開
け、１０分間に渡って半導体基板のコンタクト層の表面
にＡｕ膜の形成を行った。この作業により半導体基板表
面には約８００ｎｍの厚みのＡｕ膜が形成された。その
後一般にフォトリソグラフィーと呼ばれる手法によっ
て、目的とする形状のＡｕからなる電極１７を形成し
た。その後、ドライエッチングによってｎ側電極を形成
する部分のｎ層を露出させ、同時にレーザー発振用のミ
ラー面２９を作製した。ｎ層の露出した部分１９にＳｉ
を重量で１％含有するＡｌよりなるｎ側電極１８を形成
し、ｎ側電極のオーミック接触を形成するための熱処理
を行った。このようにして電極を形成した半導体を４０
０μｍ角のチップに切断し、基盤上に実装してレーザー
ダイオードとした。作製したレーザーダイオードに、室
温にて通電したところ、電流９０ｍＡ以上の電流を注入
した時、誘導放出と見られる強い発光を得た。発光をス
クリーンに照射すると、発光スポット内には干渉縞が発
生して発光がコヒーレントなレーザー光であることが確
認できた。このときの電圧は３．０Ｖであり、コンタク
ト層を用いないレーザー素子の値よりも小さかった。素
子に通電し、レーザー光を発振させたままエージングテ
ストを行ったところ、１００００時間を超えて安定した
発振を示した。本発明のコンタクト層を用いてエージン
グ時間が長くなったことは、ｐ側電極の接触抵抗値を小
さくして、通電時の発熱を低減したことによる効果であ
る。

【００５７】（実施例４）本実施例４では、基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層が積層さ
れ、該半導体層上に本発明に係わるコンタクト層が形成
された半導体基板を用いて、レーザー素子を作製した別
の例を説明する。本実施例４に用いた半導体基板は、サ
ファイア基板９上にバッファ層を用いることなく水素化
物を用いた気相エピタキシャル成長（Ｈｙｄｒｉｔｅ
ＶａｐｅｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｉｓｙ）法によ
って成長したＧａＮ層３０を有するウエハ３１を基板と
して用い、該ＧａＮ層３０の上に、膜厚１μｍでキャリ
ア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープしたｎ型ＧａＮ層
１１、膜厚１００ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3
のＳｉドープしたｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層２１、膜厚
５００ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドー
プしたｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層２２、膜厚１
００ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープ
したｎ型ＧａＮ光閉じこめ層２３、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ
層とＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層の組み合わせを３層繰り返し
積層した多重量子井戸活性層２４、膜厚１００ｎｍでキ
ャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ
キャップ層２５、膜厚２００ｎｍでキャリア濃度５×１
０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ光閉じこめ層２６、膜厚３０ｎ
ｍでキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ
_0.86Ｎクラッド層１３、膜厚５０ｎｍでキャリア濃度５
×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ層１５を、ＭＯＣＶＤ法に
よって積層した半導体基板である。この基板上に連続的
に組成の変化するＧａＡｓＮからなるコンタクト層１６
を形成した。作製したレーザー素子の断面図を図１２に
示す。

【００５８】コンタクト層１６の形成は以下の手順で行
った。まずＭＢＥ法によってサファイア基板上に窒化ガ
リウム系半導体層の成長後、半導体基板は一旦反応炉か
ら大気中に取り出した。そして、硫酸と過酸化水素の混
合溶液で湿式処理を行った後で、Ａｓセルを搭載したＭ
ＢＥ装置の真空チャンバーの中に導入した。導入用のチ
ャンバーから反応用チャンバーに半導体基板を移送した
後、真空チャンバーを１×１０^-11 Ｔｏｒｒになるまで
真空引きし、半導体基板を載置したホルダーの後方に取
り付けられた赤外線加熱装置で、基板の温度を６００度
に上昇させた。温度が安定したのを確認後、Ａｓセルの
射出口を遮っていたシャッターを解放し、基板にＡｓビ
ームを照射した。これにより、ｐ型ＧａＮ層の表面側の
Ｎ原子をＡｓによって置き換えた。３０分間Ａｓビーム
を照射した後、シャッターを閉じてビームの照射を止め
た。ビームの照射を止めた後、基板の温度を室温近くま
で降温し、反応用のチャンバーから導入用のチャンバー
へ移送し、Ａｓビームを照射した半導体基板を大気中に
取り出した。

【００５９】上記のＡｓビームの照射を終えた半導体基
板を、ＡｓＨ₃ ガスとＡｒガスのボンベと、これらのガ
スを反応炉に流通するための配管、および流通量を制御
するためのマスフローコントローラーを搭載した反応炉
において熱処理した。上記の半導体基板は抵抗加熱式の
ヒータ上に置かれたカーボン製のサセプター上に載置
し、反応炉は一旦真空引きした後、Ａｒガスでパージし
た。３０分間Ａｒガスを流通した後、ヒーターへの通電
を開始し、半導体基板の温度を４５０度まで上昇させ
た。昇温途中で基板の温度が４００度となった時、Ａｓ
Ｈ₃ ガスを反応炉に導入するためのバルブを開けてＡｓ
Ｈ₃ ガスの流通を開始した。ＡｓＨ₃ を流通したのは、
熱処理中にＧａＮ中に入り込んだＡｓの昇華を抑えるた
めである。その後引き続き温度を上昇させ、４５０度に
なったことを確認した後、温度を保持したまま、１時間
に渡って熱処理を行った。熱処理が終了した後、ＡｓＨ
₃の流通を停止し、温度を室温まで降温し、半導体基板
を大気中に取り出した。

【００６０】以上の処理で形成されたコンタクト層１６
の構造を確認するため、上と同様の方法でＡｓビーム照
射を行った別のＧａＮを積層した半導体基板について、
Ａｒイオンスパッタで半導体層表面をエッチングしなが
らオージェ電子分光（ＡＥＳ）法で、深さ方向にＡｓの
定量を行った。結果は実施例３と同じように、結晶の組
成は結晶表面ではＧａＡｓ_0.1 Ｎ_0.8 であり、Ａｓの組
成は深さ方向に対してほぼ線形に変化して小さくなって
ゆくことが判った。表面から約５０ｎｍの深さではＧａ
Ｎとなっていた。この結果、電極を形成する面ではバン
ドギャップは１．３６ｅＶであり、表面から深さが深く
なるに従って連続的に広くなる。表面から５０ｎｍの位
置から、半導体の構成材料はＧａＮであり、バンドギャ
ップは３．４２ｅＶとなっている。また、コンタクト層
はｐ型ドーパントであるＭｇがドープされており、導電
型はｐ型である。

【００６１】上記のようなＡｓビーム照射と熱処理を行
った半導体基板に以下の手順で実施例３と同じ形状の電
極を形成し、レーザー素子とした。上記のコンタクト層
を形成した半導体基板について、硫酸と過酸化水素の混
合溶液と塩酸を用いた湿式表面処理を行った後、真空蒸
着機の真空チャンバーに導入し、３×１０⁶ Ｔｏｒｒま
で真空引きした。真空度を確認後に電子線加熱装置で蒸
着材料であるＰｔ片を加熱し、試料との間を遮っていた
シャッターを開けてＰｔの蒸着を開始した。水晶振動子
式の膜厚計で蒸着膜の厚みをモニターしながら蒸着を続
け、８００ｎｍになったところで、シャッターを閉じて
蒸着を終了した。真空チャンバから取り出した半導体基
板に、一般にフォトリソグラフィーと呼ばれる手法によ
って、レジストによるマスクによるパターンを形成し、
塩酸に含浸して望まれるパターンの形状にＰｔからなる
電極１７が形成された半導体基板を得た。更に、ドライ
エッチングによってｎ側電極を形成する部分のｎ層を露
出させ、同時にレーザー発振のためのミラー端面を作製
した。ｎ層の露出した部分１９にＡｌとＴｉの合金より
なるｎ側電極１８を形成した。電極を形成後、４５０度
で１０分間のアニールを施した。このようにして電極を
形成した半導体基板を４００μｍ角のチップに切断し、
基盤上に実装してレーザーダイオードとした。

【００６２】作製したレーザーダイオードに、室温にて
通電したところ、電流９０ｍＡ以上の電流を注入した
時、誘導放出と見られる強い発光を得た。発光をスクリ
ーンに照射すると、発光スポット内には干渉縞が発生し
て発光がコヒーレントなレーザー光であることが確認で
きた。このときの電圧は３．０Ｖであり、コンタクト層
を用いない素子の値よりも小さかった。素子に通電し、
レーザー光を発振させたままエージングテストを行った
ところ、１００００時間を超えて安定した発振を示し
た。本発明のコンタクト層を用いてエージング時間が長
くなったことは、ｐ側電極の接触抵抗値を小さくして、
通電時の発熱を低減したことによる効果である。

【００６３】（比較例１）ＭＯＣＶＤ法で作製した、実
施例１で用いたものと同じ半導体基板上に、ｐ型のＧａ
Ａｓからなる単層コンタクト層を形成し、その上に実施
例１と同じ材質、形状の電極構造を形成し、発光素子を
作製した。１層のｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層
は、実施例１に用いたのと同じＭＢＥ装置を用いて、基
板温度５００度にてＧａフラックスとＡｓフラックスを
同時に流通することで作製した。その後実施例１と同じ
工程で電極パターンを用いて発光ダイオードとしたとこ
ろ、電流２０ｍＡにおける発光出力が８０μＷ、順方向
電圧は３．２Ｖを示した。この試料のｐ型ＧａＮ層と電
極の間に形成されるポテンシャルは、図１のようにな
る。つまり、順方向電圧が実施例１と比較して大きいこ
とは、コンタクト層とｐ型ＧａＮ層との間に形成された
大きなポテンシャルバリア８が原因であると考えられ
る。

【００６４】（比較例２）ＭＯＣＶＤ法で作製した実施
例３で用いたものと同じ半導体基板上に、ｐ型のＧａＰ
_0.9 Ｎ_0.1 からなる単層のコンタクト層１６を形成し、
その上にＡｕからなるｐ側電極１７を形成してレーザー
素子を作製した。ｐ型ＧａＰ_0.9 Ｎ_0.1 コンタクト層１
６は、実施例３に用いたものと同じＭＯＣＶＤ装置を用
いて、基板温度４５０度にてＴＭＧとＰＨ₃ およびＮＨ
₃ を流通して形成した。実施例３と同じ工程および電極
パターンを用いてレーザー素子を作製したところ、実施
例３と同様に電流を９０ｍＡ流したときにレーザーの発
振が見られた。しかし、その時の電圧は５Ｖであり実施
例３と比較して大きな値であった。この電流を流し続け
たところ、１０分後にレーザーの発振が停止した。素子
を調べたところ、Ｐｔ製のｐ側電極１７が溶解して剥離
しており、ところどころに黒い付着物が見られた。これ
より、ｐ側電極界面に発生した発熱による温度の上昇
で、電極層が破壊されたものと思われる。

【００６５】なお、本発明の実施の形態は、上記の実施
例に限定されるものではない。上記の実施例では、コン
タクト層の材料にＧａＡｓＮとＧａＰＮを用いた場合に
ついて述べたが、コンタクト層の材料としてはこれに限
られるものではなく、ＩｎＧａＮなどを用いることも可
能である。また、電極を構成する金属材料についても、
Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉについて述べたが、これらに限
られるものではない。

【００６６】

【発明の効果】本発明の半導体素子においては、コンタ
クト層を、そのバンドギャップが窒化ガリウム系化合物
半導体からなる半導体層側から電極に向かって、連続的
にあるいは階段状に狭くなるように構成している。これ
により、特にｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体からな
る半導体層とコンタクト層との間、あるいはコンタクト
層の各層の間、あるいはコンタクト層と電極との間に形
成されるポテンシャルバリアを小さくすることができ
る。その結果、特に窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型
層に対して、低抵抗のオーミック性電極を形成すること
が可能となり、発光ダイオードやレーザーダイオード等
の半導体素子の特性を改良することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のｐ型の半導体と電極金属との間に単層か
らなるコンタクト層を挟んだ場合のバンド構造の図。

【図２】本発明に係わるｐ型の半導体と電極金属との間
に階段状にバンドギャップが狭くなるコンタクト層を３
層構造として形成した場合のバンド構造の図。

【図３】本発明に係わるｐ型の半導体と電極金属との間
に連続的にバンドギャップが狭くなるコンタクト層を形
成した場合のバンド構造の図。

【図４】ＧａＡｓＮのバンドギャップのＡｓ組成に対す
る依存性を示す図。

【図５】実施例１に係わる発光素子の断面図。

【図６】実施例１に係わる発光素子の電極形状を示す
図。

【図７】実施例２に係わる発光素子の断面図。

【図８】実施例２に係わるコンタクト層の断面図。

【図９】実施例３に係わるレーザー素子の断面図。

【図１０】実施例３で作製したコンタクト層中のＡｓと
Ｎの深さ方向プロファイル。

【図１１】実施例３に係わるレーザー素子の電極形状を
示す図。

【図１２】実施例４に係わるレーザー素子の断面図。

【符号の説明】

１金属の仕事関数１’ 窒化ガリウム系化合物半導体層のフェルミレベル１’’ コンタクト層のフェルミレベル２コンタクト層の価電子帯２ａコンタクト層の第１の層の価電子帯２ｂコンタクト層の第２の層の価電子帯２ｃコンタクト層の第３の層の価電子帯３窒化ガリウム系化合物半導体の価電子帯４コンタクト層の伝導帯４ａコンタクト層の第１の層の伝導帯４ｂコンタクト層の第２の層の伝導帯４ｃコンタクト層の第３の層の伝導帯５窒化ガリウム系化合物半導体の伝導帯６電極とコンタクト層との界面７コンタクト層と窒化ガリウム系化合物半導体層との
界面７ａコンタクト層の第１の層と窒化ガリウム系化合物
半導体層との界面７ｂコンタクト層の第２の層と第１の層との界面７ｃコンタクト層の第３の層と第２の層との接触界面８ポテンシャルバリア８ａポテンシャルバリア８ｂポテンシャルバリア８ｃポテンシャルバリア９サファイア基板１０バッファ層１１ｎ型ＧａＮ層１２活性層１３ｐ型クラッド層１５ｐ型ＧａＮ層１６コンタクト層１６ａコンタクト層の第１の層１６ｂコンタクト層の第２の層１６ｃコンタクト層の第３の層１６ｄ膜厚０．３ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｅ膜厚２ｎｍのＧａＰ_0.01Ｎ_0.99の障壁層１６ｆ膜厚０．４ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｇ膜厚０．５ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｈ膜厚０．６ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｉ膜厚０．８ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｊ膜厚１．１ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｋ膜厚１．７ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の井戸層１６ｌ膜厚５０ｎｍのＧａＰ_0.2 Ｎ_0.8 の表面層１７ｐ側電極１８ｎ側電極１９ｎ層を露出した部分２０サファイア基板の裏面（光取り出し面）２１ｎ型ＩｎＧａＮ層２２ｎ型クラッド層２３ｎ型ＧａＮ光閉じこめ層２４多重量子井戸活性層２５ｐ型キャップ層２６ｐ型ＧａＮ光閉じこめ層２７Ａｓ組成の深さ方向プロファイル２８Ｎ組成の深さ方向プロファイル２９レーザー発振用ミラー面３０ｎ型ＧａＮ層３１ｎ型ＧａＮ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾嶋正治東京都文京区本郷７丁目３番１号東京大学大学院工学系研究科内 (72)発明者藤岡洋東京都文京区本郷７丁目３番１号東京大学大学院工学系研究科内 (72)発明者小野寛太東京都文京区本郷７丁目３番１号東京大学大学院工学系研究科内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_x Ｇ
ａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０
＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体層と、該半導体層上に形
成された半導体からなるコンタクト層と、該コンタクト
層上に形成された金属からなる電極とを有する半導体素
子において、上記コンタクト層のバンドギャップが、半
導体層側から電極に向かって、連続的にあるいは階段状
に狭くなることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_x Ｇ
ａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０
＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体層と、該半導体層上に形
成された半導体からなるコンタクト層と、該コンタクト
層上に形成された金属からなる電極とを有する半導体素
子において、上記コンタクト層が、ＧａＡｓ_y Ｎ_1-y
（０＜ｙ＜０．２）からなることを特徴とする半導体素
子。
【請求項３】窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_x Ｇ
ａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ：但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０
＜ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体層と、該半導体層上に形
成された半導体からなるコンタクト層と、該コンタクト
層上に形成された金属からなる電極とを有する半導体素
子において、上記コンタクト層が、ＧａＡｓ_y Ｎ_1-y
（０＜ｙ＜０．２）からなり、かつ該コンタクト層のバ
ンドギャップが、半導体層側から電極に向かって、連続
的にあるいは階段状に狭くなることを特徴とする半導体
素子。
【請求項４】上記窒化ガリウム系化合物半導体からな
る半導体層がｐ型の導電性を有し、かつ上記コンタクト
層がｐ型の導電性を有することを特徴とする請求項１乃
至３記載の半導体素子。